DE3140970A1 - "widerstandsfarbe" - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Widerstandsfarbe zum Bilden einer Widerstandsschicht auf einer Schaltkreis-Leiterplatte. Sie betrifft ferner eine Leiterplatte mit einer Deckschicht aus einer Widerstandsfarbe auf einem Teil der Oberfläche,' sowie eine elektronische Baugruppe mit einer Leiterplatte mit darauf befindlichem, eine durch Aufbringen und Brennen einer Widerstandsfarbe gebildete Widerstandsschicht aufweisendem Schaltkreis.

Die Verwendung besonderer Farbansätze bzw. -mischungen zum Bilden dicker, mehrere Funktionen übernehmender Überzüge auf entsprechenden Substraten beim Herstellen von integrierten Mehrschicht-Schaltkreisen ist bekannt. Die entsprechende Technologie findet in weiten Bereichen der elektronischen Industrie steigendes Interesse beim Herstellen sehr kompakter Muster von Mehrschicht-Schaltkreisen auf verschiedenen Substraten.

Sehr vorteilhafte Substrate zum Herstellen solcher Schaltkreise werden in der US-PS 42 56 796 beschrieben. Es handelt sich hierbei um aus Metall bestehende, mit einer speziellen Porzellanzusammensetzung beschichtete Substrate. Das Porzellan soll dabei aus einer auf ihrem Oxid-Gehalt basierenden Mischung von Magnesiumoxid (MgO) oder Mischungen von Magnesiumoxid und bestimmten anderen Oxiden, wie Bariumoxid (BaO), Bortrioxid (B₂O₃) und Siliziumdioxid (SiO₂), zusammengesetzt sein. Als Metall wird Stahl, insbesondere kohlenstoffarmer Stahl, bevorzugt. Der Stahl kann mit verschiedenen anderen Metallen, zum Beispiel Kupfer, beschichtet sein. Das Porzellan wird auf den Metallkern aufgebracht und zum Erzeugen einer teilweise entglasten Schicht auf dem Metallkern gebrannt.

Die Beschichtung besitzt an ihrem Schmelzpunkt zu Anfang eine sehr niedrige Viskosität und geht dann fast augenblicklich durch Entglasung in einen Zustand mit hoher Viskosität über. Für die Anwendung bei Hybridschaltungen bevorzugte, gebrannte Beschichtungen besitzen eine Erweichungstemperatur von wenigstens 700 C und einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von wenigstens etwa 110 χ 10~⁷/°C.

Die in der US-PS 42 56 796 beschriebenen Porzellan-Metall-Substrate besitzen zwar gegenüber ansonsten bekannten Substrat-Materialien deutlich verbesserte Eigenschaften, sie sind aber mit im Handel erhältlichen Dickschicht-Farben unverträglich oder nur schlecht verträglich. Im übrigen besteht ein Nachteil bekannter Widerstandsfarben darin, daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts von aus diesen Farben hergestellten Widerständen stark aus dem Null-Bereich oder aus dem Optimum wandert, wenn der Widerstandswert ansteigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Diekschicht-Widerstandsfarbe eingangs genannter Art zu schaffen, die sowohl mit den porzellanbeschichteten Substraten gemäß US-PS 42 56 796 verträglich ist als auch einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TKW) besitzt, der innerhalb bestimmter Grenzen zu steuern ist. Die erfindungsgemäße Lösung ist gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung der Widerstandsfarbe aus

a) etwa 25 bis etwa 80 Gew. % Indiumoxid;

b) etwa 1 bis etwa 20 Gew. % Magnesiumoxid;

c) etwa 5 bis etwa 60 Gew. % Barium-Kalzium-Borsilikat-Glasmasse; und

d) etwa 10 bis etwa 35 Gew. % einer organischen Trägersubstanz .

Durch die Erfindung wird erreicht, daß der TKW von aus der Widerstandsfarbe hergestellten Indiumoxid-Widerständen innerhalb erträglicher Grenzen, d. h. innerhalb etwa 350 ppm/°C plus oder minus, selbst für hohe Widerstandswerte einzustellen ist. Die aus Indiumoxid, Magnesiumoxid, Barium-Kalzium-Borsilikat-Glasmasse und einer organischen Trägersubstanz bestehende erfindungsgemäße' Widerstandsfarbe enthält das Magnesiumoxid als Bestandteil zum Kontrollieren des TKW.

Erfindungsgemäß können Farben mit mittleren und hohen Widerstandswerten, beispielsweise Farben mit einem Widerstandswert von etwa 500 Ohm/Quadrat bis zu 1 Megohm/Quadrat und mehr, in vorteilhafter Weise bei der Produktion von komplexen Einzel- oder Mehrschicht-Dickfilm-Schaltkreisen auf porzellanbeschichteten Metall-Leiterplatten hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Widerstandsfarben sind zwar im Zusammenhang mit den porzellanbeschichteten Metallplatten gemäß US-PS 42 56 796 besonders wertvoll, sie sind aber mit großem Vorteil auch bei herkömmlichen Platten, z. B. Tonerde-Platten, anwendbar.

Die erfindungsgemäßen Widerstandsfarben werden hergestellt aus Indiumoxid, Magnesiumoxid, Barium-Kalzium-Borsilikat-Glasmasse und einer geeigneten organischen Trägersubstanz. Der erfindungsgemäß wesentliche Bestandteil ist das Magnesiumoxid in seiner Eigenschaft als TKW-Steuerkomponente. Es können Widerstandsfarben mit hohem Widerstandswert hergestellt werden, die unerwartet akzeptable TKW-Werte besitzen.

Das Indiumoxid soll eine hohe Reinheit und vorzugsweise eine Teilchengröße zwischen etwa 1,0 und etwa 1,2 Mikrometern besitzen. Das Indiumoxid nimmt etwa 25 bis 80 Gew. %, vorzugsweise etwa 30 bis etwa 45 Gew. %, der Gesamtmasse der Farbe ein.

Das Magnesiumoxid, also die TKW-Steuerkomponente der erfindungsgemäßen Farbe nimmt (auf Gewichtsbasis) etwa 1 bis 20 %, vorzugsweise etwa 3 bis 8 %, der Gesamtmasse der Farbe ein. Durch Änderung des Gehalts an Magnesiumoxid kann der im allgemeinen stark negative TKW der aus der Farbe hergestellten Schichten in einen akzeptablen Toleranzbereich - oft nahe an Null - gebracht werden.

Die Barium-Kalzium-Borsilikat-Glasmasse der erfindungsgemäßen Farbe soll auf Gewichtsbasis aus etwa 40 bis 55 %, vorzugsweise 52 % Bariumoxid; etwa 10 bis 15 %, vorzugsweise etwa 12 % Kalziumoxid; etwa 14 bis 25 %, vorzugsweise etwa 16 % Bortrioxid und etwa 13 bis 23 %, vorzugsweise etwa 20 % Siliziumdioxid bestehen. Die Glasmasse soll etwa 5 bis 60 Gew. %, vorzugsweise etwa 30 bis 45 Gew. %, der Gesamtmasse der Farbe ausmachen.

Als organische Trägersubstanzen sind Bindemittel geeignet, beispielsweise Zellulosederivate, wie Äthylzellulose, Kunstharze, Polyakrylate oder Methakrylate, Polyester, Polyolefine und ähnliche. Im allgemeinen können herkömmlich in Farben vorliegender Art verwendete Trägersubstanzen zum Herstellen der erfindungsgemäßen Farbe benutzt werden. Im Handel erhältliche, bevorzugte Trägersubstanzen sind beispielsweise von der Firma Amoco Chemicals Corporation unter der Bezeichnung Amoco H-25, Amoco H-50 und Amoco L-IOO vertriebene reine flüssige Polybutene, von der Firma E. I. du Pont de Nemours und Co. vertriebenes Poly-n-Butylmethakrylat u. ä.

Die vorgenannten Kunstharze können einzeln oder in jeder Kombination zweier oder mehrerer Harze angewendet werden. Falls erwünscht, kann dem Kunstharz ein Viskositätsmodifikator hinzugefügt werden. Bei den Modifikatoren kann es sich um Lösungsmittel handeln, z.B. solche, die herkömmlich in ähnlichen Farbmischungen verwendet werden, wie Pineöl, Terpineol, Butylkarbinolazetat, ein von der Firma Texas Eastman Company unter der Bezeichnung Texanol vertriebener Esteralkohol und ähnliches, oder um feste Materialien, wie z.B. ein von der Firma N.L. Industries unter der Bezeichnung Thi.xatrol vertriebenes Rizinusölderivat. Die organische Trägersubstanz soll etwa 10 bis 35 Gew.%, vorzugsweise etwa 20 bis 30 Gew.% der Gesamtmasse der erfindungsgemäßen Farbe ausmachen.

Die erfindungsgemäßen Widerstandsfarben werden auf die jeweilige Substratplatte, z.B. auf eine herkömmliche Tonerdeplatte oder eine verbesserte porzellanbeschichtete Metallplatte auf übliche Weise, z.B. durch Siebdruck,· Aufstreichen, Aufsprühen oder ähnliches, wobei der Siebdruck bevorzugt wird, aufgebracht. Die Farbschicht wird dann in Luft bei 100 bis 125°C et.wa 15 Minuten lang getrocknet. Die entstehende Schicht wird dann in Stickstoff bei Spitzentemperaturen von 850 bis 950⁰C vier bis zehn Minuten lang gebrannt. Wie üblich, werden die Widerstandsfarben im allgemeinen auf das Substrat aufgebracht und gebrannt, nachdem alle Leiterfarben aufgebracht und gebrannt worden sind. Die Widerstandswerte der gebrannten Schichten können auf herkömmliche Weise, z.B. durch Trimmen mittels Laser oder durch Gebläseabrieb, eingestellt werden. Unter Verwendung erfindungsgemäßer Widerstandsfarben hergestellte Schichten besitzen ausgezeichnete Werte hinsichtlich des Teniperaturkoeff izienten des Widerstandes (TKW), des Stromrauschens, der Laser-Zurichtbar-

keit und der Stabilität gegenüber der Wirkung von Wärmestößen, Tauchlöten, thermischer Speicherung, Strombelastung und Feuchtigkeit. Die Farben sind auch mit den porzellanbeschichteten Metallplatten gemäß US-PS 42 56 796 ebenso wie mit den darauf gebildeten Widerstandsschichten sehr gut verträglich.

Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Dabei werden - soweit nicht anders angegeben - alle Teile und Prozente auf Gewichtsbasis und alle Temperaturen in ⁰C gemessen.

Beispiel

Es wurden Widerstandsfarben folgender Zusammensetzungen vorbereitet:

	In0	46	Tabelle	1	Träger
Farb-Nr.	38,	33	MgO	Glas	25,64
A	33,	04		35,90	23,34
B	37,	09	5,00	38,33	25,92
C	34,	46	-	37,04	22,72
D	38,	30	4,55	38,64	25,64
E	30,	00	-	35,90	22 , 73
F	40,	30	4,55	40,91	25,33
G	30,	-	34,67	22,73
H		6,06	37,88

Dabei wurde ein Glaspulver folgender Zusammensetzung verwendet (in Klammern werden die Gewichtsangaben angegeben): BaO (51,59); CaO (12,58); B₃O₃ (15,62) und SiO₂ (20,21). Als Trägersubstanz wurde eine 6 %ige Lösung von Äthylzellulose im Esteralkohol· Texanol benutzt. Die Zusammensetzungen F und H enthielten 1,51 bzw. 3,03 % zusätzliches Texanol, durch welches die Fließeigenschaft der Farbe auf den gewünschten Wert eingestellt wird.

Die pulverförmigen Bestandteile wurden mit der organischen Trägersubstanz zunächst durch Mischen von Hand vermengt. Daraufhin wurde die Mischung auf einem 3-Walzen-Mahlwerk mit Scherwirkung behandelt, um eine zum Siebdrucken ausreichend gleichmäßige Paste zu erzeugen. Zusätzliche Trägersubstanz wurde zum Ersatz des Verlustes beim Mischen und zum Sicherstellen der richtigen Fließeigenschaft hinzugefügt.

Kupferleitfarben wurden auf ein porzellanbeschichtetes Stahlsubstrat gemäß US-PS 42 56 796 aufgebracht und gebrannt. Die Farben gemäß Tabelle 1 wurden dann mit Hilfe eines rostfreien, 325-Maschen-Stahlsiebs (7 bis 15. Mikrometer-Emulsion) auf das Substrat gedruckt, in Luft bei 125°C plus/minus 1O°C etwa 15 Minuten lang getrocknet und dann in Stickstoff bei einer Spitzentemperatur von etwa 900 C plus/minus 10°C vier bis sieben Minuten lang gebrannt. Der Flächenwiderstand und der TKW sowohl bei hohen Temperaturen (heißer TKW) als auch bei tiefen Temperaturen (kalter TKW) wurden für jede Zusammensetzung bestimmt. Die Meßergebnisse werden in Tabelle 2 zusammengestellt.

	Flächen- Widerstand Kilo-Ohm/ Quadrat	TabelLe 2	Kalter TKW (+25° bis - (ppm/0C)
Farb-Nr.	96,5	Heißer TKW (+25° bis 125° ) (ppm/°C)	-94
A	84,7	-89	+190
B	213,-	+180	-473
C	276,1	-390	+174
D	551,-	+80	-455
E	1822,-	-396	-85
F	417,-	-92	-418
G	2456,-	-385	-16
H	-58 ·

In Tabelle 2 enthalten die Zusammensetzungen B, D, F und H Magnesiumoxid. Die positive Wirkung des Magnesiumoxids in den erfindungsgemäßen Mischungen auf den TKW (Temperaturkoeffizient des Widerstandes) tritt in der Tabelle 2 deutlich hervor. Nach den bisherigen Erfahrungen würde beispielsweise bei Übergang von der Farbe E zur Farbe F wegen des mehr als verdreifachten Flächenwiderstandes erwartet, daß sich ein PKW von etwa -1000 ergäbe. Der erfindungsgemäße Zusatz von Magnesiumoxid hat jedoch unerwartet eine Verminderung sowohl des heißen als auch des kalten TKW auf etwa 1/4 zur Folge.

9 fu/br

Claims (10)

1. ; 3H0970

   Dr.-lng. Reiman König · Dipl.-lng. Klaus Bergen _s

   RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

   New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

   ¹¹ Wi der Stands farbe"

   Patentansprüche:

   / 1.) Widerstandsfarbe zum 33ilden einer Widerstandsschicht auf einer Schaltkreis-Leiterplatte, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus:

   a) etwa 25 bis etwa 80 Gew. % Indiumoxid;

   b) etwa 1 bis etwa 20 Gew. % Magnesiumoxid;

   c) etwa 5 bis etwa 60 Gew. % Barium-Kalzium-Borsilikat-Glasmasse; und

   d) etwa 10 bis etwa 35 Gew. % einer organischen Trägersubstanz.
2. 2. Widerstandsfarbe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus etwa 30 bis etwa 45 Gew. % Indiumoxid; etwa 3 bis etwa 8 Gew. % Magnesiumoxid; etwa 30 bis etwa 45 Gew. % der Glasmasse; und etwa 20 bis etwa 30 Gew. % der Trägersubstanz.
3. 3. Widerstandsfarbe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasmasse aus etwa 40 bis etwa 55 Gew. % Bariumoxid; etwa 10 bis etwa 15 Gew. % Kalziumoxid; etwa 14 bis etwa 25 Gew. % Bortrioxid; und etwa 13 bis etwa 23 Gew. % Siliziumdioxid zusammengesetzt ist.

   Cecilienallee VB A Düsseldorf 3O Telefon 45SOO8 Patentanwälte

   14. Oktober 1981
   34 240 B

   3HP970
4. 4. Widerstandsfarbe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasmasse aus etwa 52 Gew. % Bariumoxid, etwa 12 Gew. % Kalziumoxid, etwa 16 Gew. % Bortrioxid und etwa 20 Gew. % Siliziumdioxid zusammengesetzt ist.
5. 5. Leiterplatte mit einer Deckschicht aus einer Widerstandsfarbe auf einem Teil der Oberfläche, gekennzeichnet durch die Verwendung der Widerstandsfarbe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
6. 6. Leiterplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus porzellanbeschichtetem Metall besteht.
7. 7. Leiterplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Stahl vorgesehen ist.
8. 8. Elektronische Baugruppe mit einer Leiterplatte mit darauf befindlichem, eine durch Aufbringen und Brennen einer Widerstandsfarbe gebildete Widerstandsschicht aufweisendem Schaltkreis, gekennzeichnet durch die Verwendung der Widerstandsfarbe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
9. 9. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Leiterplatte eine porzellanbeschichtete Metallplatte vorgesehen ist.
10. 10. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß als Metall Stahl vorgesehen ist.