Литьевая бесщелочная композиция для изготовления керамического диэлектрического элемента Советский патент 1993 года по МПК H01G4/12 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для изготовления сырой (зеленой), ленты и многослойных устройств, имеющих внутренние медные проводники, таких как многослойные конденсаторы и многослойные переходные соединители.

Цель изобретения - получение величины диэлектрической проницаемости (е) менее 0,5.

Пример 1. Для приготовления флюса бората цинка молярного состава 2ZnO В20з смесь 150.0 г борной кислоты (Fisher Chem.) и 197,4 г окиси цинка (Baker Chem.) измельчается в течение пяти часов в 175 г изопропилового спирта со средой окиси циркония и высушивается в течение ночи. Затем она прокаливается при температуре 700°С в течение 5 час, и измельчается в течение 16 час. до частиц размером примерно 1 мк м. Из суспензии, приготовленной

путем смешивания 10,0 г флюса бората цинка с 35,0 г порошка двуокиси кремния (Imsil А-108, Illinois Minerals Co.) и 66,0 г раствора связующего Du Pont 5200, получается керамическая лента. Раствор связующего состоит из 8,5 частей (мае.) акрилового полимера в 19,8 частях метилэтилкетона, 2,0 частей пластификатора бутилбензилфталата. 1,5 частей 10% раствора смолы Poly-Pale , частично полимеризованной смолы (Hercules Inc, Вильмингтон, Делавар)визопропаноле, и 68,2 частей l-l-l-трихлорэтана. Эта зеленая керамическая лента имеет толщину примерно 35 мкм (в сухом состоянии).

Многослойные керамические конденсаторы собираются из 6 слоев зеленой ленты с электродами, трафаретно отпечатанными на каждом слое и подвергаются термообработке. Микроскопическое исследование полированных секций конденсаторов показывает их плотность (отсутствие взаимосо(Л

С

00

о

ю о ы го

СА)

общающихся пор). Внутренние медные электроды имеют хорошую однородность без признаков расслоения. Рассчитанная диэлектрическая проницаемость составляет 4,2 ± 0,2.

Пример 2. В данном примере часть окиси бората в флюсе заменяется окисью алюминия. Флюс имеет молярный состав: 6ZnO 2В20з и приготавливается путем смешивания 119,72 г окиси цинка с 60,65 г борной кислоты и 25,00 г пылевидной окиси алюминия (Degussa Corp.), Эти компоненты измельчаются и обжигаются.

Зеленая лента изготавливается из 35 частей (мае.) двуокиси кремния (Imsil), 15 частей флюса алюминобората цинка, и затем она превращается в многослойный конденсатор с медными электродами. Содержание окиси алюминия в термообрабо- танной керамике согласно расчету составляет 4,2%.

Электрическая емкость окончательно обработанных многослойных конденсаторов составляет от 40,8 до 43,5 пФ и фактор рассеяния составляет от 0,1 до 0,3% при 1 кГц. Рассчитанное значение е составляет 3,9 ± 0,1. Изоляционное сопротивление составляет от 2600 до 9400 Ом.Фарад.

Пример 3. В данном примере изготавливается зеленая лента, которая превращается в испытательную подложку - многослойное межсоединение с внутренними медными проводниками.

Приготавливается керамическая суспензия из 105 г порошка некристаллической двуокиси кремния размером частиц примерно 6 мкм{РО 066, Industrial Corp, Naples, Fa) и 45 г флюса бората цинка. Флюс бората цинка приготавливается таким же образом, как описано в примере 1, но обжигается при 600°С, сводя к минимуму требуемую степень измельчения. Порошки измельчаются к минимуму требуемую степень измельчения. Порошки измельчаются в 75,0 г I-I-I- трихлорэтана с 1,5 г соевого лецитина (в качестве поверхностно-активного вещества) и затем вводятся 57 г раствора связующего и осуществляется перемешивание в течение 30 мин. Раствор связующего представляет собой 91,7% акриловую смолу в метилэтиленкетоне (связующее 5200, Du Pont Co, Вильмингтон, Делавар) и 8,3% бу- тилбензилфтзлата (в качестве пластификатора). Зеленэ-я лента отливается из суспензии толщиной примерно 250 мкм (после, сушки).

Многослойные керамические подложки приготавливаются из 8 слоев керамической ленты и 3 слоев внутреннего проводника.

Слои проводника и верхний слой подложки взаимно связываются с межслойными переходами с использованием медной пасты, заполняющей переходы.

После термической обработки получаются плоские герметические подложки площадью 47x47 мм. Внутренние керамические слои имеют толщину 155 мкм. Конденсаторы в пределах данной подложки имеют

электрическую емкость 21 пФ, фактор рассеяния 0,05% или менее при 1 кГц. Рассчитанное значение Ј составляет в среднем 4,4. Примеры 4, 5, 6 и 7. Данные примеры иллюстрируют, каким образом

коэффициент термического расширения может регулироваться, за счет изменения относительных пропорций кристаллической и некристаллической фаз двуокиси кремния в данной композиции.

Флюс и некристаллическая двуокись кремния используется совместно с различными количествами альфа-кварца (Silver Bond В., Tamms Industries Co.). Альфа-кварц измельчается до частиц размером примерно 2,0 мкм. Изготавливается зеленая лента и прессуется в стержни размерами примерно 20x6x3 мм после их термообработки. Затем эти стержни используются для измерения коэффициента термического

расширения с помощью дилатометра Netzsch. Средние показания коэффициента термического расширения для диапазона температуры 200-300°С приводятся в таблице.

Из таблицы видно, что композиции, отвечающие настоящему изобретению, охватывают диапазон коэффициентов термического расширения соответствующий, например, коэффициенту термического расширения кремния, арсенида галлия, окиси алюминия.

Двуокись кремния, используемая в качестве компонента композиции, может быть кристаллической и/или аморфной, Так, например, могут использоваться любые шесть форм кристаллической двуокиси кремния. Самой предпочтительной формой является альфа-кварц.

Для получения оптимальных диэлектрических свойств двуокись кремния должна быть чистой. Двуокись кремния со степенью чистоты не менее 99 мае. % особенно предпочтительна, хотя приемлемы менее чистые формы. Двуокись кремния присутствует в

форме тонко измельченных частиц. Размер частиц кристаллической двуокиси кремния предпочтительно составляет примерно 1- 5 мкм. Наиболее предпочтительно частицы двуокиси кремния размером 1-2 мкм, Аморфные частицы двуокиси кремния имеют размер предпочтительно 0,4-6 мкм.

Пропорция кристаллической и аморфной двуокиси кремния регулируется таким образом, чтобы получался диэлектрик с тре- буемым коэффициентом термического расширения в пределах (1,5-8,5) , Композиции с более высокими содержанием кристаллической двуокиси кремния Имеют более высокие коэффициенты тер- мического расширения, чем композиции с более низкими содержаниями кристаллической двуокиси кремния.

Флюс борат цинка улучшает спекание частиц двуокиси кремния в такой мере, что получается плотный герметичный диэлектрик при термообработке при температуре ниже температуры плавления меди 1083°С. Если в композиции присутствует менее чем 15 мае. % флюса, то уплотнение является недостаточным. При содержании флюса более 30 мае. % не достигается никаких преимуществ в отношении уплотнения и других свойств, таких как теплопроводность, механическая прочность, и показатель рассея- ния может быть снижен.

Окись цинка и окись бора являются основными составляющими компонентами флюса бората цинка. Окись алюминия может присутствовать в количестве, составля- ющем до 50 мол. % от окиси бора. Кроме того, могут присутствовать также незначительные количества кальция, магния или бария.

Когда флюс не содержит окиси алюми-, ния, то молярное отношение окиси цинка к окиси бора может находиться в пределах примерно отЗ/1 до 1/1. Это молярное отношение составляет предпочтительно 2/1. Когда в флюсе присутствует окись алюми- ния, то молярное отношение окиси цинка к окиси бора может находиться б пределах примерно от 4,5/1 до 1,5/1.

Зеленые ленты согласно данному изобретению приготавливаются путем отливки дисперсии диэлектрического материала двуокиси кремния и флюса бората цинка в растворе полимерного связующего и легко летучего органического растворителя на гибкую подложку, такую как стальная лента или полимерная ппенка, и, последующего нагревания отлитого слоя для удаления из него летучего растворителя.

Органическая среда, в которой диспергируются керамические твердые частицы, состоит из полимерного связующего, кото- рое растворяется в летучем органическом растворителе, и при желании других растворенных веществ, таких как пластификаторы, смазки для форм, диспергирующие агенты,

удаляющие реагенты, противодействующие обрастанию агенты и смачивающие вещества.

Для достижения более высокой эффективности желательно использовать не менее 5 мае. % полимерного связующего на 95 мае. % твердых компонентов диэлектрика. Однако желательно также использовать не более чем 20 мае. % полимерного связующего на 80 мае. % твердых компонентов диэлектрика. При указанных ограничениях желательно использовать минимально возможное количество связующего по отношению к твердым веществам для того, чтобы снизить количество органических веществ, которые должны удаляться путем пмролиза

Низкая диэлектрическая проницаемость полученного согласно изобретению керамического диэлектрического элемента позволяет легко достигнуть точный допуск электрической емкости, необходимый для настроечных устройств. Кроме того, для определенных электрических емкостей необходимо больше слоев диэлектрика и проводника с низкой диэлектрической проницаемостью, поскольку слои проводника соединены параллельно, это снижает последовательное сопротивление конденсатора, приводят к более резкому резонансу (высокому значению Q) при высоких частотах.

Формула изобретения 1. Литьевая бесщелочная композиция для изготовления керамического диэлектрического элемента, включающая двуокись кремния и флюс бората цинка, отличаю-, щ а я с я тем, что, с целью получения величины диэлектрической проницаемости менее 5,0, композиция содержит компоненты в следующих соотношениях, мае. %:

Двуокись кремния70-85

Флюс бората цинка15-30 компоненты выполнены в виде тонко измельченных ча стиц, а частицы диспергированы в органической среде, состоящей из полимерного связующего, растворенного в летучем органическом растворителе, при этом коэффициент термического расширения диэлектрического элемента выбран в пределах (1,5-8,5) Ю . .

2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что флюс бората цинка состоит из окиси цинка и окиси бора, причем молярное отношение окиси цинка к окиси бора выбрано в пределах от 3:1 до 1:1.

3. Композиция по п. 2, отличающаяся тем, что молярное отношение окиси цинка к окиси бора составляет 2:1.

4. Композиция поп. 1. отличающаяся тем, что в качестве двуокиси кремния использован альфа-кварц.

Использование: технология изготовл е- ния сырой (зеленой) ленты, используемой в производстве конденсаторов и многослойных переходных соединителей. Сущность изобретения: композиция представляет собой смесь тонко измельченных частиц, состоящую в основном из 70-85 мае. % двуокиси кремния и 15-30 мае. % флюса бората цинка. Частицы диспергированы в органической среде, состоящей из полимерного связующего, растворенного в летучем органическом растворителе. Коэффициент теплового расширения элемента выбран в пределах (1,5-8,5) . Состав композиции обеспечивает получение керамического диэлектрического элемента с диэлектрической проницаемостью менее чем 5,0. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.