JPS6325268A - ガラス セラミック誘電体組成物 - Google Patents

ガラス セラミック誘電体組成物

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JPS6325268A
JPS6325268A JP62173108A JP17310887A JPS6325268A JP S6325268 A JPS6325268 A JP S6325268A JP 62173108 A JP62173108 A JP 62173108A JP 17310887 A JP17310887 A JP 17310887A JP S6325268 A JPS6325268 A JP S6325268A
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sio
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クマラン・マニカンタン・ネイアー
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明はガラスセラミック誘電体複合体組成物。
特に多層誘電体に用いる該組成物に関する。
[発明の背景] 多層誘電体システムに用いる誘電体材料は厳しい熱的応
力にさらされる。多層構造の組立てにあたって受ける焼
成及び被覆の多様性のためである。特にこれらは、低シ
ート容@ [K<10] 、高絶縁抵抗[> I Xl
O12VD C] 、高破壊電圧[>500 V/al
l ]のような良好な電気特性を有しなければならない
、同時に、これは多くの処理過程の間熱的導電性を保持
し、それが用いられる導電体材料と整合しなければなら
ず、最も重要なのは、基体と誘電体材料との接着層は焼
成過程の終了時に平滑でなければならない。
誘電体の接着層を有するセラミック基体の焼結歪みは、
一般に「反り」として知られている0反りの一因は接着
層と基体との熱膨張係数[TCE]の不整合である。基
体のTCEが誘電体層のものより実質的に小さい場合に
は、基体から誘電体層が離れる方向への反りが生じる。
これが起る場合。
誘電体層は厳しい圧縮応力を受ける。他方、誘電体のT
CEが基体層のものより実質的に小さい場合、誘電体層
から基体が離れる方向への反りが生じる。これが起る場
合、誘電体層は厳しい引張り応力を受ける。
TCE不整合はしばしば基体反りを生じることがあるが
、この現象は誘電体層の数及び厚みによって容易にされ
、また基体の厚みの関数である。
基体反りが主としてTCE不整合によってもたらされる
限り1問題は基体により近く整合するTCHの一材料を
誘電体に添加することによって克服できることがしばし
ばである。然しなから、このような添加は誘電体材料の
電気特性に悪影響を与えないために最少限にすべきであ
る。市販されている誘電体材料はAl2O3及びSiO
2のようなセラミック酸化物を50重量%程度含んでい
る。然しこのような高濃度のセラミック酸化物は組成物
が焼結し、厚膜処理条件下で焼成された場合に非多孔性
膜を形成する能力を減退させるので。
誘電体複合体材料の信頼性を低下させる。特に。
この添加によって漏洩電流が増大し、破壊電圧が低下す
る傾向がある。更に、全ての反りの問題がTCE不整合
によるものではなく、この場合にはTCE不整合材料の
添加はほとんど重視されない。
従って、基体のものに極めて整合したTCE値を有する
誘電体も基体反りを生じ得る。
出願人は同時に2件の他の米国出願をしており。
焼成時に単一セラミック結晶相を形成する一定の無定形
結晶化ガラスの誘電体材料として使用を提案している。
これらのガラスセラミック誘電体の秀れた信頼性のため
、これらを処方して基体反りが優れた電気特性を実質的
に劣化させることなく実質的に減少させることができる
ことは極めて望ましいことである。特にこれらの独特の
材料を用いて多層システムの電気的信頼性を保持しなが
ら同時に基体反りを最少限にすることは重要である。
[発明の概要] 従って1本発明は、(a)無定形残部ガラスのマトリッ
クス中にセラミック結晶のの単一相を形成するように厚
膜処理条件下で結晶することができる無定形アルミノボ
ロシリケート ガラス;(b)Al2O3、SiO2、
Al2O3,SiO2.A1203及びSiO2の複合
酸化物、S i3 N4 、AlN。
Si3N4及びAlNの複合窒化物、及びその混合物か
ら選ばれたセラミック材料の全固体を基準にして1〜1
5重量%の微細に分割された粒子から本質的になり、該
混合物が(c)有機媒体に分散されている印刷可能な厚
膜誘電体組成物に関する。
[定義] ここで用いられる。この用語は、その10分間が800
〜950℃のピーク温度である約60分間の焼成サイク
ルを意味する。
残部ガラス: 本発明のガラスが厚膜処理条件下に加熱された場合、親
ガラスから単一結晶相が形成する。こうして形成された
結晶は、それからの結晶の形成によって組成が変化した
親ガラスのマトリックス中に分散している。形成したセ
ラミック結晶のマトリックスとして役立ち、結晶形成後
に残る。このガラスを以後「残部ガラス」という。
[先行技術] 米国特許第3,787,219号[Am1nlこの文献
は1〜40重量%のCa T i 03及び99〜60
重量%の無鉛結晶性ガラスフリットからなる印刷可能な
誘電体組成物に関する。焼成で、ガラスから1の主要結
晶相−セルシアン[BaAl25t2oal−が形成し
、小さい2の相−スフエン[CaTi5iOs]及び亜
鉛オルトシリケート[(ZnO)2SiO2]−が形成
する。
米国特許第3,849.353号[U 1rich ]
この文献には、10〜90重量%のB a T i O
3及び結晶性無鉛BaTiO3ガラスフリットから成る
誘電体厚膜組成物が開示されている。
700〜1300℃で焼成すると、2の結晶相が形成さ
れる1重量基準によるフリット組成は、54.7%Ba
O、24.O%T i O2。
3.2%BaF2,7.9%A12 o3,2.0%G
 e O2、及び8.2%SiO2である。
米国特許第4,392.180号[Na1rlこの文献
には、置換ペロブスキー石無機ドーパント及び低温失透
性フリットを包含する誘電体厚膜組成物が開示されてい
る。このフリットは親ガラスと同様の組成を有する単一
結晶を生じるか。
又は親ガラスとは異なる組成を有する多結晶を生じるガ
ラスを含むと一般的に開示されている。
[発明の詳細な説明] A ガラスフリット 本発明−に用いるに適したガラスは、無定形アルミノボ
ロシリケートの2タイプであって2両者とも、上述した
厚膜処理条件に付すと、単一のセラミック結晶相を形成
する。X線回析研究で、第1のタイプのガラスはBaA
l2 Si20g  [セルシアン〕の単一結晶セラミ
ック相を形成し、他の検出できる相は生成しない、第2
のタイプのガラスはBa、Ca、Mg、又はZnのアル
ミネートの結晶相を形成し、他の検出できる相は生成し
ない、いずれの場合も、単一結晶相は無定形残部ガラス
のマトリックスの間に分散している0両タイプのガラス
の場合、ガラスを800〜950℃で焼成すると単一結
晶相のみが生成する。
好ましい組成は表1に示す。
表       1 好ましい無定形ガラスフリット組成 SiO2      30  30  30T i O
2888 A1203     10  10  12BaO26
1012 ZnO101024 CaO624’6 B203      8  8  8 Mg02  −−  −一 無定形ガラスフリットはT i O2又はZ r O2
のいづれかを含むことは必須条件である。一方又は両者
は厚膜焼成処理間にセルシアン又はアルミネートの結晶
の形成の核剤として役立つがらである。
核剤の混合物を用いることができるが、標準厚膜焼成条
件の間に起る結晶化を制御するため全量は少なくとも8
重量%でなければならない、核剤の濃度が高いことは、
必要ではないが、ペースト処理条件に一般には有害では
ない。
ガラスは通常のガラス製造技術で製造する。即ち、所望
の成分を所望の割合で混合し混合物を加熱して融解物を
形成する。当業界で良く知られているように、加熱は融
解物が完全に液状で均質に成るような時間ピーク温度で
行われる0本発明の組成物の製造にあたって、成分はプ
ラスチックボールを入れたポリエチレン ジャー内で振
り混ぜて予備混合し1次いで白金又はセラミック容器内
で約1500℃で融解する。融解物は少なくとも1時間
の間ピーク温度に加熱する。1時間未満の加熱はガラス
が不均質になる。1.5〜2時間の加熱時間が好ましい
、融解物は次いで冷水中に注ぐ、急冷中の水の最高温度
は融解物に対する水の容量比を増加して120°F以下
に保つ、水から分離後の粗フリットは空気乾燥又はメタ
ノールによる水の置換で杖留水を除く1次いでスラリー
形態の粗フリットは20〜24時間アルミナ ボールを
用いアルミナ容器中でボール ミルする。
材料に取りあげられるアルミナは、あったとしても、X
線回折分析による測定で観察できる範囲内にはない。
ミルから粉砕フリットスラリーを取出した後。
過剰の溶媒をデカンテーションで除き、フリット粉末を
室温で空気乾燥する。乾燥粉末は次いで325標準メツ
シユふるいでふるい分けて、大粒子を除く。
本発明のガラスを厚膜処理条件下で加熱する場合、セラ
ミックの単一相が親ガラスから形成する。
その結晶は残部ガラス、即ち結晶化後に残るガラスのマ
トリックス内に分散している。残部ガラスは常に結晶比
相とは異なる組成であるが、同一軟化点を有することも
あり、有しないこともある。
B 追加のセラミック成分 本発明の追加のセラミック成分はA 1203 。
S i 02−、 A l 203及びSiO2の複合
酸化物。
Si3N4.AlN、Si3N4及びAlNの複合窒化
物から選ばれる耐火化合物であり、及びその混合物も同
様に使用できる。存意義な効果を得るには全固体基準で
少なくとも1重量%が必要であるが、追加セラミック材
料の最も有利な濃度は極めて変化する8例えば、タイプ
ニガラスの漏洩電流は約15重量%のA1□o3を用い
る場合には過剰になる。然しながら、タイプIIのガラ
スでは定められないような高い量のAl2O3でも電気
特性に悪影響を与えることなく用い得る。他方ガラスA
[タイプニガラスコに高い量のSiO2でも電気特性に
悪影響を与えることなく用い得る。SiO2をガラスB
又はCに添加する場合、漏洩電流は約15重量%のSi
O2を用いる場合には過剰になる。より重要な現象は。
Al2O3及びSiO2の両者の混合物を用いる場合、
Al2O3及びSiO2の3=1混合物の20%程度を
用いたガラスAは極めて良好な特性を有する誘電体層を
生じる。従って、追加セラミック材料の最大許容量は電
気特性の点からはガラスのタイプ、その湿潤特性及び使
用する特定のセラミック材料による。
勿論、追加セラミック材料は多くの印刷適用組成物を印
刷する方法に適した粒径でなければならず、追加セラミ
ック材料は1〜50ミクロンの範囲にあることが好まし
い。
有機媒体 上述の誘電体組成物は通常所望の回路パターンに印刷で
きるペーストに形成される。最も単純な場合には、この
ペーストは、誘電体粉末混合物を適当な有機媒体[ビヒ
クル]に分散させるだけで製造される。
不活性液体はビヒクルとして使用できる、水又は任意の
各種有機液体は、濃化剤、安定剤及び/又は他の通常の
添加剤と共に又は無しで、ビヒクルとして使用できる。
使用することができる有機液体の例には、脂肪族アルコ
ール、そのようなアルコールのエステル、例えば酢酸エ
ステル及びプロピオネート、パイン油、テルピネオール
等のテルペン類−1低級アルコールのポリメタクリレー
トのような樹脂の溶液、パイン油のような溶媒中のエチ
ル セルロースの溶液及びエチレン グリコール モノ
アセテートのモノブチルエーテルがある。ビヒクルは基
体に印刷後迅速硬化を促進するため揮発性液体をも含む
ことができる。
好ましいビヒクルは1重量比が約1:8のエチル セル
ロース及びβ−テルピネオールを基礎とするものである
。ペーストは30−ル ミルで製造するのが便利である
。この組成物に好ましい粘度は、10rpmで#5スピ
ンドルを用いブルックフィールドHBTビスコメータで
測定して約100〜200Pa、s、である、用いるビ
ヒクルの量は最終の所望処方粘度で決定される。
試験方法 静電容量 静電容量は、電荷を保持する材料の能力の規
準である。数学的に表わすと、C−KA/1   [式
中、Aは導電体の領域オーバーラツプに等しく、1は誘
電体層の厚みであり、には誘電定数である]である。
静電容量の単位は、ファラッド、又はその区分。
例えばマイクロファラッド、10−9.又はピコファラ
ッド 10−12である。
損失係数 損失係数[DF]は電圧と電流の間の位相差
の規準である。完全なコンデンサでは。
位相差は90°である。然しなから、実際の誘電体シス
テムでは漏洩及び緩和損失のため90°未満である。特
に、DFは電流が90°ベクトルに遅れる角度のタンジ
ェントである。
絶縁抵抗 絶縁抵抗[IR]はDC電流の漏洩に耐える
荷電コンデンサの能力の規準である。絶縁抵抗は静電容
量に拘らず所定の誘電体に定数である。
信頼性の規準である熱条件下のIR試験を行うには、試
験電圧を200vにあげ、試験コンデンサを125℃に
加熱し試験時間を64時間に延長する。試験自体は、I
Rと静電容量との積であるrRC積」を測定する。この
IRを9次いでこれを静電容量の予め測定した値で割っ
てRC積から計算する。この条件下で、IRはエージン
グ工程間に周期的に測定する。lX109オームのIR
値は満足できると考えられ、IXLO9オーム未満のI
R値は失敗であると考えられる。
破壊電圧 破壊電圧試験[絶縁耐力試験ともよばれる]
は1部品の相互絶縁部分の間又は絶縁部分とアースとの
間に一定の時間定格電圧以上の電圧を適用することから
なる。電圧はシステムが失敗するまで上げられる。この
点は回路の短絡で示される。これは1部品がその定格電
圧で安全に操作できるか、及びスイッチング、サージ及
び他の類似の現象による一時的過電圧に耐えるかどうか
を観察するために用いられる。この試験は電圧破壊又は
絶縁耐力試験とも呼ばれるが、この試験が絶縁破壊を起
こしたりコロナ検出に用いられることを意図するもので
はない、むしろ、絶縁材料及び部品の間隔が適当である
かどうかを定めるために用いられる1部品がこれらの点
で誤りである場合、この試験電圧の適用は破裂放電又は
劣化を生じる。破裂放電は、フラッシュオーバー[表面
放電]、スパークオーバー[空気放電]、破壊[破壊放
電コで証明される。過剰漏洩電流による劣化は電気的特
性又は物理特性を変化されることがある。絶縁破壊はボ
ルト/ミル又はボルト/α[誘電体厚み]で報告される
。誘電体は電気の破壊より十分に低く安全間隔を設けら
れるように十分に厚いように設計される。この試験はM
 I L −S TD−202E、  16  Apr
il  1973.  に従って行われる 漏洩電流 漏洩電流試験は、誘電体が塩溶液に浸漬され
た場合のDC電圧で起こされる電解質電流によって測定
される焼成誘電体膜のヘルメテシティの水準の規準であ
る。
試験片は12の2”×2”Al2O3基体に厚膜導電体
パターンを印刷して調製される。導電体パターンは11
0〜120°Cで炉乾燥した後850℃で焼成する。パ
ターン誘電体祠料の2層が続いて焼成導電体のトップに
適用される。この層のそれぞれを150℃で炉乾燥し、
850’Cで焼成する。結合誘電体層の厚みは30〜5
0μmである。
この試験印刷を予め配線したコネクタに入れ1、ON 
 NaC1溶液内において試験印刷を完全に浸漬させる
。白金アノードを用いてコネクタアッセンブリ及びアノ
ードの間に10ボルト適用し、各10試験試料の電流を
5分後に電圧下で測定する。50μA/d未満の漏洩電
流は満足すべきであると考えられる。
高湿度バイアス時間試験[HHBT]  この試験では
、不十分なIRによる部品の失敗のパーセントを、85
%相対湿度、85℃、5VDCの応力環境に1,000
時間さらした後に測定する。
この条件で1,000時間後、100VDCを端末を通
して適用し部品のIRを上述したように周期的に測定す
る。1xlO9,t−ム/100VDCの絶縁抵抗は満
足すべきと考えられる。lX109オーム/100VD
C未満では失敗と考えられる。
高バイアス時間試験[HBT]  この試験では。
不十分なIRによる部品の失敗のパーセントを。
150°C1及び200vDCの環境に少なくトモ1.
000時間さらした後に周期的に測定する。
この条件で1,000時間後、100VDelai末を
通して適用し部品のIRを上述したように測定する。パ
ス/失敗の基準は上述のHHBT試験と同様である。
基体反り この試験の目的は、誘電体が大領域に亙って印刷された
場合、基体と誘電体の温度膨張係数[TCE]の相違に
基づく基体の反り[bovinglの量を測定すること
である。誘電体のTCEが基体のTCEより大きい場合
、誘電体層は張力下にあり、誘電体層の中心に向かって
反りを生じる。
[正の反りコ、誘電体のTCEが基体のTCEより小さ
い場合、誘電体層は圧縮下にあり、誘電体層から離れる
方向に反りを生じる。[負の反り]。
試験試料は、325メツシユ印刷スクリーンを通して6
の2”×2″Al2O3基体上に誘電体パターンの9の
層を印刷して調製する。各基体は端だけで基体を支持す
るように変更したダイアルコンバラタで測定して0.5
ミル以内の平滑さを示すように予め選択した。誘電体層
は3のセットに適用−し、各層は110〜120℃で炉
乾燥し850℃で共焼成する。この方法を次いで第2及
び第3のセットの誘電体層に繰返す、3の誘電体層の3
セツトのすべてが乾燥され、焼成され、上記のダイアル
 コンバラタで基体の反りを測定する、この方法を20
焼成サイクルはど繰返す。
処方 本発明のガラス−セラミック組成物は所望の回路パター
ンに印刷できるペーストに処方する。このペーストは、
無定形ガラスフリットを上述した適当な有機媒体中に分
散させて製造する。
[実施例コ ア2.5重量%の固体及び27.5重量%の有機媒体を
含む2のシリーズの厚膜ペーストをガラスA、B、及び
Cから製造した。1のシリーズ1例2〜4]では5〜1
5重量%のAl2O3を。
第2シリーズ[例5〜7]では5〜15重量%のSiO
2を加えた。誘電体層はアルミナ基体に適用し、焼成し
、上記の方法で試験した。この部品のそれぞれは漏洩電
流及び破壊電圧について試験した。これらのデータは表
2に示す。
例2〜4をみると、Al2O3のガラスAへの添加は1
0重量%のような低い濃度で漏洩電流に極めて有害であ
ることが分る。他方、破壊電圧は多量のAl2O3で多
少減少するのみである。比較によって1例5〜7は、ガ
ラスAへの少なくとも15重量%までのSiO2の漏洩
電流も破壊電圧も実質的に劣化させないことを示してい
る。
同様に1例9〜14は、ガラスBへの10%のAl2O
3又はSiO2のような少量に添加は破壊電圧の劣化は
穏やかであるが、漏洩電流を極めて劣化させることを示
している。然しなから、ガラスCへのA l 203の
添加は15%の濃度でも極めて独特であって、漏洩電流
は実際若干減少するが破壊電圧は若干上昇する9それに
もかかわらず、SiO2をガラスCに添加すると596
添加でも漏洩電流はかなり有害であり、破壊電圧には極
めて有害である。
上記のデータは、Al2O3又はSiO2の極めて少量
を所定のガラスに用いる特定のセラミック添加物を選択
することにより15重量%までの少量使用することがで
きることを示している。先行技術の組成物は同一の結果
を得るのに該添加を50重量%程度を必要とする。
例22〜27 更に別のシリーズの厚膜ペーストを調製し1例1〜21
と同様の方法でアルミナ基体に適用したが、Al2O3
,及びAl2O3とSiO2との混合物を異なるロット
のガラスAに添加した。これらの試験のデータは表3に
示す。
表    3 誘電特性に対する基体添加混合物の影響例 A 120
3 / S i 02  漏洩電流 破壊電圧番号  
  重量%     μA/m  V/m1122  
   010      1.2 100023   
  510     21.4  70024    
1510     23.5 109025     
015      7゜4 74026    101
5      9.4 117027    1515
     14.3 1030上記データは例1〜21
の結果を一般的に確認する。アルミナ自体は[例23及
び24コ漏洩電流に実質的変化をもたらすが、破壊電圧
に対してはあったとしてもかなり小さい、SiO2自体
は[例25] 、A 12Q3より劣化をもたらす程度
が小さいし、破壊電圧にはAl2O3とほぼ同様の影響
を有する。Al2O3とSiO□との混合物[例26及
び27]はAl2O3単独より漏洩電流への悪影響は少
なく、破壊電圧には均一な望ましい上昇を示す。
例28〜32 例28〜32では、ガラスAにAl2O3を添加した2
のロットをガラス自体と比較して。
ペーストを適用し焼成した基体の反りに対するAl2O
3の影響を観測した。基体は漏洩電流。
基体反り[20焼成サイクル後]を試験し、ブリスタに
関して7X拡大で観測した。これらの試験の結果は表4
に示す。
表    4 ガラスAの全ての30ツトで、Al2O3は基体反りを
受容できる小さい値に減少するのに極めて有効であった
。Al2O3はかなり高濃度で用いた場合基体反りの減
少に対する効果が少ないことは注目すべきである。誘電
体層のいずれにおいてもブリスタは認められなかった。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)(a)残部ガラスのマトリックス中にセルシアン
    又はBa、Ca、Mg、又はZnのアルミネートの単一
    相を形成するように厚膜処理条件下で結晶することがで
    きる無定形アルミノボロシリケートガラス;(b)Al
    _2O_3、SiO_2、Al_2O_3及びSiO_
    2の複合酸化物、Si_3N_4、AlN、Si_3N
    _4及びAlNの複合窒化物、及びその混合物から選ば
    れたセラミック材料の全固体を基準にして1〜15重量
    %の微細に分割された粒子から本質的になり、該混合物
    が(c)有機媒体に分散されている印刷可能な厚膜誘電
    体組成物。
  2. (2)ガラスがセルシアンの単一相を形成する特許請求
    の範囲第1項記載の組成物。
  3. (3)ガラスが30重量%のSiO_2、8重量%のT
    iO_2、ZrO_2又はその混合物、10重量%のA
    l_2O_3、26重量%のBaO、10重量%のZn
    O、6重量%のCaO、8重量%のB_2O_3、及び
    2重量%のMgOから本質的になる特許請求の範囲第2
    項記載の組成物。
  4. (4)ガラスが30重量%のSiO_2、8重量%のT
    iO_2、ZrO_2又はその混合物、10重量%のA
    l_2O_3、10重量%のBaO、10重量%のZn
    O、24重量%のCaO、及び8重量%のB_2O_3
    から本質的になる特許請求の範囲第2項記載の組成物。
  5. (5)無定形残部ガラスのマトリックス中にBa、Ca
    、Mg、又はZnのアルミネートの単一相を形成する特
    許請求の範囲第1項記載の組成物。
  6. (6)ガラスが30重量%のSiO_2、8重量%のT
    iO_2、ZrO_2又はその混合物、12重量%のA
    l_2O_3、12重量%のBaO、24重量%のZn
    O、6重量%のCaO、及び8重量%のB_2O_3か
    ら本質的になる特許請求の範囲第5項記載の組成物。
  7. (7)(A)基体に特許請求の範囲第1項記載の組成物
    の厚膜を適用し、(B)該膜を厚膜処理条件下に加熱し
    て、(a)有機媒体の揮発、及び(b)残部ガラス中に
    分散する無定形アルミノボロシリケートからセラミック
    結晶の単一相の形成を行わせることによって形成した誘
    電体ガラスセラミック複合体膜。
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