DE1915220A1 - Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektrischen Schaltkreises - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektrischen Schaltkreises

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DE1915220A1 DE19691915220 DE1915220A DE1915220A1 DE 1915220 A1 DE1915220 A1 DE 1915220A1 DE 19691915220 DE19691915220 DE 19691915220 DE 1915220 A DE1915220 A DE 1915220A DE 1915220 A1 DE1915220 A1 DE 1915220A1
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Description

6724-68/H
RCA 55,533
U.S.Serial No. 740,278
Filed June 26, 1968
Radio Corporation of America, New York, N.Y., USA
Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektrischen Schaltkreises.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektrischen Schaltkreises, der ein dünnes, von einem isolierenden Substrat getragenes Kondensatorplättchen enthält, das durch ein dünnes Dielektrikum mit auf dessen entgegengesetzten Seiten befindlichen Metallschichten gebildet wird.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von hybriden integrierten Dickfilmschaltungen und zum Einbauen von diskreten Kondensatorplättchen in solche Schaltungen. - _ ■ .
Ein Verfahren gemäß der Erfindung dient zum Herstellen von Schaltkreisen, in denen Kondensatoren.mit relativ großen Kapazitäten von beispielsweise 0,01 bis Q,10 uF benötigt werden. Die bekannten Verfahren sind zur Schaffung so großer Kapazitäten ungeeignet. - -
Bei der Herstellung von hybriden integrierten Schaltungen werden relativ dicke Schichten aus Leitwerkstoff und Widerstandsmaterial beispielsweise durch Siebdruck auf ein isolierendes Keramiksubstrat aufgebracht. Eine bekannte Möglichkeit, in einer solchen Schaltung eine Kapazität vorzusehen, besteht darin, das Substratmaterial selbst als das Dielektrikum eines Kondensators zu verwenden. Zur Ausbildung der gegenüberliegenden Kondensatorplatten werden auf die entgegengesetzten Seiten des Substrates Leiter aufgesiebt. In einigen Fällen wählt man das Substratmaterial dünner, um die Kapazität zu erhöhen. Eat kann js-äoeh nicht so dünn gemacht werden, wie es für Kondensatoren
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großer Kapazität notwendig wäre, weil es dann seine Tragfähigkeit verlieren würde.
Eine andere Methode, in einer integrierten Dickfilmschaltung eine Kapazität zu schaffen, besteht darin, in Ausnehmungen im Substrat getrennte Kondensatorplättchen einzusetzen. Diese Methode ist nicht sehr zweckmäßig, .weil zur Ausbildung der Ausnehmungen im Substrat zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich sind. Außerdem sind die Anschlußverbindungen mit den entgegengesetzten Seiten des Kondensatörplattchens verhältnismäßig kompliziert.
Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren wird ein getrenntes Kondensatorplättchen auf einen auf ein Substrat aufgedruckten Leiter montiert, und an die andere Seite dieses Kondensatörplattchens wird ein sogenannter freitragender oder "fliegender" Draht angeheftet. Solche freitragenden Anschlußdrähte besitzen aber den Nachteil, daß sie zerbrechlich sind und zu viel Platz beanspruchen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zim Einbauen eines Kondensat orplättchens in eine hybride integrierte Schaltung verträgt sich mit herkömmlichen Herstellungsverfahren wie z.B.. dem Siebdruckverfahren und schafft eine koapeJit® Baugruppe, die verhältnismäßig hohe Kapazitätswerte aufweisest kann. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird auf einem 2®i! der Oberfläche eines isolierenden Substrates ein leitender Kontakt aufgebracht, auf welchem dann ein dünnes Kondensatorplättchen befestigt wird. Ein flüssiger dielektrischer Kunatstoff wird dann über mindestens einen Hand des Kondensatörplattchens aufgetragen oder aufgedruckt und anschließend verfestigt, so daß eine feste isolierende Brücke entsteht. Schließlich wird über die dielektrische Brücke eine leitfähige Schicht so niedergeschlagen, daß sie mit der oberen Fläche des Kondensatörplattchens in Kontakt steht. Das Kondensatorplättchen und der unten liegende Leiter sind vorzugsweise so dick, daß die obere Fläche des Elättchens von der Oberfläche des Substrates einen genügend kleinen Abstand besitzt, so daß die isolierende Brücke ohne Diskontinuität oder Unterbrechung am Rand dea Plättchens gedruckt werden kann.
In der Zeichnung zeigen::
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Fig.1 einen Querschnitt durch eine Kondensatoranordnung, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde;
Fig.2 eine schematische Querschnittsansicht, die einen Verfahrensschritt zum Herstellen eines dünnen Kondensatorplättchens zeigt;
Fig.3 eine Folge von schematischen Darstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens zum Metallisieren einer zerbrechli— chen äünnen Keramikscheibe; und
Fig.4 eine schematische Darstellung, die einen Verfahrensschritt zeigt, bei welchem ein plättchenförmiger Kondensator auf einem Keramiksubstrat montiert wird.
Als Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in Fig.1 ein plättchenförmiger Kondensator 10 und eine Anordnung, mittüs welcher er in eine hybride Dickfilmschaltung eingebaut oder montiert wird, dargestellt. Seinem Aufbau nach ist der Kondensator 10 ein Plattenkondensator mit parallelen Platten, der ein Titanatdielektrikum 12 besitzt, das auf seinen Oberflächen 14- bzw. 16 mit Metallschichten 18 bzw. 20 belegt ist. Die Dicke des Dielektrikums 12 kann zwischen 13 und 50 Mikron betragen. Da die metallischen Plattenschichten 18 und 20 gewöhnlich etwa 25 Mikron dick sind, kann somit die Gesamtdicke des Flattenens 10 zwischen 63 und 100 Mikron betragen. Die Fläche des Plättchens
2 10 ist vorzugsweise kleiner als etwa 0,4 cm ·
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kondensator 10 auf der Oberseite eines Leiters 22 angeordnet, der auf einem Substrat 24 aus keramischem Werkstoff niedergeschlagen worden ist. Die elektrische Kopplung mit dem Kondensatorplättchen kann auch durch andere Kontaktarten Zustandekommen, beispielsweise da-
9 daß man ein Leitglied in eine (nicht dargestellte) Otteinsetzt, die im Substrat 24 vorgesehen ist oder durch diese führt. Auf dem Substrat 24 befindet sich eine Masse aus !isolierendem Material 26, das sich über mindestens einen Sand 27 ä©s Kondensators 10 erstreckt, über dem Isoliermaterial 26 ist ©in'Leiter 28 angeordnet, der mit einem Teil 29 in Kontakt Bit der Metallschicht 18 des Kondensators 10 steht. Die Leiter £2 Έ3& 28 dienen dazu, den Kondensator 10 mit anderen Schaltungs-
zu verbinden, z.B. mit auf das Substrat 24 aufge-(nicht dargestellten) Widerständen.
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Ein bevorzugter Stoff zur Zubereitung des Dielektrikums 12 ist eine Mischung aus Titanaten, Zirkonaten und Oxiden in einem temporären organischen Bindemittel. Das für das Keramikdielektrikum 12 verwendete organische Bindemittel besitzt vor— zugsweise die folgende Zusammensetzung:
Teile
Toluol 148
Isopropanol 180
N-Alkyl-Trimethylendiamin 2
Dibutylphthalat.... 64
Vinylbutyrolharz 56
Epoxyharz 25
Methyläthylketon 25
Eine bevorzugte Zusammensetzung der anorganischen Stoffe des Keramikdielektrikums ist in der folgenden Tabelle zusammengestellt:
Gewichtsprozent
BaTiO5....... · 74,90
CaTiO3 5,92
SrTiO5.i 10,16.
GaZrO5 5,72
MgZrO5 1,38
CeO2 0,49 ' .
UQ3 1,43
Die Dielektrizitätskonstante des fertigen Dielektrikums beträgt bei dieser Zusammensetzung 45OO. Das Urantrioxid hat den Zweck, die Sauerstoffstabilität zu gewährleisten. Wenn das Keramikdielektrikum sauerstoffarm wird, werden der Isolations— widerstand und der Verlustfaktor des Kondensators verringert bzw. verschlechtert werden.
Der Werkstoff für die metallischen Plattenschichten 18 und 20 ist vorzugsweise eine Silber-Palladium-Zusammensetzraigo Silber allein kann nicht auf einem Titanatdielektrikum zur Bildung von Kondensatoren verwendet werden, weil das SilTber in das Dielektrikum eindiffundieren und infdgedessen der Kondensator nach 100 bis 200 Stunden versagen würde. Die Beweglichkeit
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des Silbers kann durch den Zusatz von Ealladium zur Metallisierungszusammensetzung wesentlich herabgesetzt werden. Während der frühen Ausheizstufen der Metallisierung bei niedriger Temperatur scheint aber das Palladium eine exothermische Reaktion in der Metallisierungszusamraensetzung zu katalysieren. Zusäta— lieh zu dem eine Wanderung des Silbers verhindernden Palladium sollte daher die Metallisierungszusammensetzuiig einen Stoff enthalten, der diese katalytische Wirkung des Palladiums verhindert.
Eine bevorzugte Zusammensetzung für den Werkstoff der Metall schicht en 1Φ und 20 ist eine Mischung aus einem Silber— Palladium-Glas-Metallisiermittel mit einem Anteil, von (gewichtae— mäßig) 9Q# und einem Goldharz mit einem Anteil, von 1QJIi als Verhütungsmittel für die erwähnte exothermische Reaktion. Das genannte Metallisiermittel besitzt die folgende Zusammensetzung:
Gewichtsprozent
Silber (pulverförmig)..... 41,55
Ealladium (pulverförmig) 15»;68
Bleiborsilikatglas (pulverförmig)...., 2,35
Wismuttrioxid , 11,7Q
Glyzerinester von hydriertem Harz. 16tJQ
Nitrozellulose 2,0
Butylcarbitolazetat. ; 1Q,72
In dieser Zusammensetzung stellen das Palladium und das Silber die leitfähigen Bestandteile dar. Das BleiborglÄs: und das: Wismuttrioxid dienen als. Flußmittel· und als, ein Hilf smittel., die Metallisierung an das Dielektrikum zu binden. Das. Glyzerin— ester von hydriertem Harz wirkt als: Bindemittel, wobei die Nitrozellulose als Viskosifizierer dient. Das Butylcarbitolazetat schließlich.ist ein Lösungsmittel, für die anderen organischen Bestandteile.
Das Goldharz ist ein handelsüblicher Stoff, dessen Zusammensetzung (in Gewichtsprozenten) nachstehend angegeben ist:.
Gold 9,87$
Vanadium» .... 0,25$
Rhodium Q
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Chrom... 0,14#
Organisches Kunstharz und Lösungsmittel.··.. 89,69$
In Verbindung mit der weiter oben angegebenen Titanatzusammensetzung können auch andere Metallisierungszusammensetzungen verwendet werden. Beispielsweise kann der Hauptmetallisierungswerkstoff eine Gold-Blefcin-Mischung oder eine Silber-Platin-Mischung sein, und das Reaktionsverhütungsmittel kann irgend ein Stoff sein, der, wenn er erhitzt wird, Gold, Silber oder Quecksilber ergibt.
Die oben angegebenen keramischen Bestandteile werden sorg-
ψ .fältig gemischt, bis ein viskoser Brei oder ©ine viskose Masse entsteht. Die Masse wird dann in eine verhältnismäßig dünne Schicht geformt oder gegossen. Eine Möglichkeit, eine solche Schicht auszubilden,, besteht darin, ein Quantum der Masse mittels eines in Fig.2 dargestellten Schabers 30 auszubreiten. Ein Quantum der keramischen Masse des Dielektrikums ist in Fig.2 mit 32 bezeichnet. Mittels des Schabers 30, der in Richtung des Pfeiles 36 über eine tragfähige Unterlage 38 gezogen wird, welche eine polierte Oberfläche 40 besitzt, wird die Masse in eine dünne Schicht 34 umgeformt. Ea lassen sich Dicken von nur 13 Mikron erreichen, falls die Oberfläche 4Q ©iSerordentlich glatt und die Schneide des Schabers 30 scharf ist,
. Nachdem die keramische Schicht 34 ausgebildet worden ist, wird, sie bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur von etwa 1OQ0G getrocknet und dann bei einer Temperatur, die zwischen etwa, 220Q°ü und 26GQ0C beträgt, gebrannt. Bed dieser Verfahrensstufe ist das keramische Dielektrikum ein dünner zerbrechlicher Festkörper.
Als nächstes wird die Schicht 34 auf beiden Seiten mit dem oben beschriebenen Metallisierungsstoff belegt. Der Metallisierungsbelag wirdvorzugsweise dadurch aufgebracht, daß man die blattförmige Schicht 34 hochkant durch ein Bad des Metallisierungsstoffes zieht. Dieser Vorgang ist in Fig.3 dargestellt, welche zeigt, wie die Schicht 34 in verschiedenen Stellungen bezüglich des mit 42 bezeichneten Metallisierungsbades gehalten wird. Gemäß Fig.3 kann man die Schicht 34 von einem Träger 44 herabhängen lassen, der zur Halterung der Schicht an seinem
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unteren Ende mit einer Klammeranordnung 46 versehen ist.. Am oberen Ende des Trägers 44 befindet sich ein Wagen 48, der ent— lang einer Tragschiene 50 bewegt werden kann, die so geformt ist, daß der Träger und die an ihr befestigte Schicht 34 hinunter in das Bad 42 eintauchen können. Die Schicht 34 gelangt dabei mit ihrer Kante oder Schmalseite nach vorn in das Bad. Auf diese Weise wirken die während des Metallisierungsschrittes auf die Schicht 34 ausgeübten Kräfte in Richtung der Schichtebene, also in Richtung der stärksten Abmessung der Schicht.
Nachdem der Metallisierungsbelag auf die Schicht 34 aufgebracht worden ist, wird sie bei einer Temperatur von etwa 700 C bis 8000C ausgeheizt. Dann wird die ausgeheizte metallisierte Schicht in Stücke der· gewünschten Größe zerschnitten, beispielsweise mittels einer Säge. Diese Stücke sind bei einem typischen Anwendungsfall quatratische Plättchen mit einer Seitenlänge von etwa 2,5 mm bis etwa 6,2 mm und mit einer Dicke von weniger als etwa 100 Mikron. An dieser Stelle des Verfahrens werden die Plättchen vorzugsweise kurzzeitig geätzt, um von unerwünschten Metallteilchen gesäubert zu werden, die möglicherweise an ihm haften.
Der erste Verfahrensschritt bei der Montage des plättchen— förmigen Kondensators 10 auf dem Substrat 24 besteht darin, den metallisierten Bodenleiter 22 auszubilden, und zwar vorzugsweise dadurch, daß durch Siebdruck auf das Substrat 24 eine leitfähige Tusche aufgetragen wird. Während die leitfähige Tusche noch naß ist, wird auf sie der Kondensator 10 aufgesetzt, so daß also, die Bodenschicht 20 des Kondensators elektrisch mit dem Leiter 22 verbunden wird. Der Leiter 22 ist ungefähr 25 Mikron dick.
Als nächstes wird die isolierende Brücke aus dem Isoliermaterial 26 gebildet. Dieses Material kann durch Siebdruck auf das Substrat 24 aufgebracht werden, so daß das Verfahren gemäß .der Erfindung mit der üblichen Herstellungstechnik vereinbar und verträglich bleibt· Fig.4 zeigt den Kondensator 10 an seinem Platz auf dem Leiter 22 und eine über dem Kondensator angeordne— t© Siebmaske 52. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel be— sitst die Siebmaske 52 dort, wo das Material 26 der isolierenden Brücke aufgedruckt werden soll, einen offenen Siebteil 54 und
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dort, wo das Substrat und der Kondensator 10 abgedeckt werden sollen, einen geschlossenen Teil 56, Das ungehärtet Brückenmaterial 26 wird in an sich bekannter Weise mit einem Gummiquet— scher 58 durch die öffnungen im offenen Siebteil 54 der Sieb— maske 52 hindurchgepreßt.
Für die isolierende Brücke sollte ein Material verwendet werden, das in der Lage ist, sowohl das keramische Material des Substrates 24 als auch das Dielektrikum 12 sowie'das Material der Metallschicht 18 zu benetzen. Ein hierfür geeigneter Stoff ist ein Silikonharz.
Die Gesamtdicke der aus dem Kondensator 10 und dem Leiter 22 bestehenden Baugruppe, also die Höhe der oberen Fläche des Kondensators über der Oberfläche des Substrates 24, muß im Bereich von etwa 0,125 nun liegen. Dieser Abstand muß so klein gehalten werden, daß das Brückenmaterial 26 ohne Absatz oder Unterbrechung beim Rand 2? des Kondensators 10 aufgebracht werden kann.
Als nächster Schritt beim Einbau des Plättchens oder Kondensators 10 wird der obere Leiter 28 über der isolierenden Brücke so aufgetragen, beispielsweise durch Siebdruck, daß er in Kontakt mit der oberen Hattenschicht 18 des Kondensators kommt. Nun wird die gesamte Anordnung ausgeheizt, um die verschiedenen Tuschen auszuhärten.
Dadurch, daß man den plättchenförmigen Kondensator 10 genügend dünn hält, um die Auftragung der isolierenden Brücke bzw. des Materials 26 durch ein Druckverfahren zu ermöglichen, verträgt sich das Verfahren gemäß der Erfindung mit der herkömmlichen Herstellungstechnik. Somit können in hybriden Dickfilmßchaltungen Kapazitäten mit relativ großen Werten realisiert werden, ohne daß zusätzliche unüJiliche Verfahrensschritte erforderlich sind, ohne daß in unerwünschter Weise das Volumen der Vorrichtung erhöht v/erden muß, und ohne daß sich der Aufwand und somit die Kosten des Herstellungsverfahrens nennenswert erhöhen.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    rl J) Verfahren zum Herstellen eines integrierten elektrischen Schaltkreises, der ein dünnes, von einem isolierenden Substrat getragenes Kondensatorplättchen enthält, das durch ein dünnes Dielektrikum mit auf dessen entgegengesetzten Seiten befindlichen Metallschichten gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Teil der Oberfläche des Substrates (24) ein leitender Kontakt (22) aufgebracht wird, auf welchem das Kondensatorplättchen (10) befestigt wird, daß über mindestens einen Rand (27) des Kondensatorplattchens ein flüssiger dielektrischer Kunststoff (26) aufgedruckt wird, der anschließend verfestigt wird, und daß über die Oberseite des Kondensatorplattchens und über den dielektrischen Kunststoff eine Schicht (28) aus einem leitenden Werkstoff niedergeschlagen wird.
  2. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorplättchen (10) und der Kontakt (22) zusammengenommen nur so dick gewählt werden, daß die Oberseite dea Plättchens einen so kleinen Abstand von der Oberfläche des Substrates (24) erhält, daß der dielektrische Kunststoff (26) ohne einen Absatz am Rand des Plättchens aufgedruckt werden kann.
  3. 3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Dicke des Kondensatorplättchena (10) und dea Kontaktes (22.) so gewählt wird, daß der Ab at and der Oberseite des Plättchens von der Oberfläche des Substratea (24) nicht wesentlich mehr als Q, 127 mm beträgt.
  4. 4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den flüssigen dielektrischen Kunststoff (26) ein Material gewählt wird, das sowohl das Dielektrikum (12) des Kondensatorplattchens (1Q) als auch dessen Metallschichten (18, 20) zu benfzen vermag.
  5. 5·) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiger dielektrischer Kunststoff ein Silikonharz gewählt wird.
  6. 6») Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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    daß der leitende Kontakt (22) dadurch gebildet wird, daß ein dünner metallischer Leiter auf die Oberfläche des Substrates (24) niedergeschlagen wird.
  7. 7·) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des dünnen metallischen Leiters eine leitende Tusche durch Siebdruck auf das Substrat (24) aufgetragen und die Tusche anschließend getrocknet und gebrannt wird.
  8. 8.) Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorplättchen (10) zur Befestigung am Kontaktlei- W ■ ter (22) auf die leitende Tusche aufgesetzt wird, bevor diese getrocknet wird.
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GB (1) GB1221572A (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2752333A1 (de) * 1976-11-23 1978-05-24 Dielectric Lab Streifenleitungs-kondensator

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2752333A1 (de) * 1976-11-23 1978-05-24 Dielectric Lab Streifenleitungs-kondensator

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GB1221572A (en) 1971-02-03

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