DE19638380B4

DE19638380B4 - Verwendung einer Glasmasse mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante für Hochfrequenzstromkreise

Info

Publication number: DE19638380B4
Application number: DE19638380A
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Nagaokakyo Kawakami; Hiroji Nagaokakyo Tani
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: US5710082A; KR0166444B1; CN1130315C; KR970015507A; DE19638380A1; CN1153748A

Abstract

Verwendung einer Glasmasse als eine elektrisch isolierende Schicht auf einem Isoliersubstrat, insbesondere für eine elektronische Vorrichtung , die einen Bereich aus Isoliermaterial beinhaltet, wobei die Glasmasse aus SiO₂ und mindestens einem von B₂O₃ oder K₂O hergestellt ist in einem Verhältnis, das in den Bereich fällt, der von den Linien umschlossen wird, die in einem Gewichts-%-Zusammensetzungsdiagramm für das Dreisstoffsystem von SiO₂, B₂O₃ und K₂O durch den Punkt A (65, 35, 0), Punkt B (65, 20, 15), Punkt C (85, 0, 15) und Punkt D (85, 15, 0) verlaufen, und wobei die Glasmasse außerdem mindestens eine Art von Läuterungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus As₂O₅, Sb₂O₃ und Na₂SO₄ besteht, in einem Betrag von weniger als 2 Gew.-% der gesamten Menge an SiO₂, B₂O₃ und K₂O enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Glasmasse als eine elektrisch isolierende Schicht auf einem Isoliersubstrat. Die Erfindung sieht vor, dass eine Glasmasse mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante als ein elektrisches Isoliermaterial für Hochfrequenzstromkreise verwendet wird.

Der heutige Trend nach kompakteren und schnelleren elektronischen Maschinen und Einrichtungen hat zu einer Nachfrage nach elektrischen Isoliermaterialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten für Hochfrequenzstromkreise geführt. Derartige Isoliermaterialien werden verwendet, um eine isolierende Schicht auf der Oberfläche eines Isoliersubstrats zu bilden, das zum Beispiel aus Aluminiumoxid hergestellt ist. Die Isolierschicht trägt ein darauf ausgebildetes Schaltungsmuster.

Bis jetzt ist es allgemein üblich, Isolierschichten mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten aus einem Material auf Epoxidharzbasis herzustellen. Leider besitzen Isoliermaterialien auf Kunststoffbasis eine schlechte Haltbarkeit bei hohen Temperaturen.

Aus der Druckschrift EP 0 472 165 A1 (D2) ist es bekannt, eine keramische Komposition als dielektrisches Material zu verwenden. Die keramische Komposition nach der D2 enthält einen Glasbestandteil, der zum einen aus 25–50 Volumen-% Borsilikatglas und zum anderen aus 50–75 Volumen-% Silikatglas besteht: Dabei besteht das Borsilikatglas aus etwas 20–35 Gewichts-% B₂O₃ und etwa 60–80 Gewichts-% SiO₂. Das Silikatglas besteht aus 95–89 Gewichts-% SiO₂ und im übrigen aus Aluminium und B₂O₃. Aus der-Druckschrift GB-PS 1 329 609 (D3) ist es bekannt, Gläser verschiedener Zusammensetzung als Isolator zu verwenden. Weiterhin offenbart die D3, dass der Glasmasse weniger als 1 % As₂O₃ oder Sb₂O₅ als Läuterungsmittel zugesetzt sein kann. Aus der US-PS 2 466 849 (D1) ist schließlich eine Glasmasse bestehend aus den Komponenten SiO₂, K₂O und B₂O₃ bekannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, für die Verwendung als Isoliermaterial eine neue Glasmasse aufzufinden, die es erlaubt, den Schmelzpunkt und den Erweichungspunkt der Glasmasse zu senken.

Die Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebenen Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der vorliegenden Erfindung ist das elektrische Isoliermaterial eine Glasmasse, die eher als ein Material auf Kunststoffbasis eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist. Die Glasmasse nach der vorliegenden Erfindung umfasst SiO₂ und mindestens eines von B₂O₃ oder K₂O in einem Verhältnis, das in den Bereich fällt, der von den Linien umschlossen wird, die in einem Zusammensetzungsdiagramm für das Dreistoffsystem SiO₂, B₂O₃ und K₂O durch den Punkt A (65, 35, 0), Punkt B (65, 20, 15), Punkt C (85, 0, 15) und Punkt D (85, 15, 0) verlaufen.

Weiterhin enthält die Glasmasse zusätzlich zu den vorgenannten Hauptbestandteilen (SiO₂, B₂O₃ und K₂O) mindestens eine Art von Läuterungsmittel in einem Beitrag von weniger als etwa 2 Gewichts-% der Gesamtmenge der Hauptbestandteile, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus As₂O₅, Sb₂O₃ und Na₂SO₄ besteht.

Durch die Erfindung wird ein Isoliermaterial geschaffen, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante und bei hohen Temperaturen eine bessere Haltbarkeit aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben, wobei

1 ein Zusammensetzungsdiagramm ist, das in einem Dreistoffsystem das Verhältnis der Bestandteile der Glasmasse gemäß der Erfindung für Hochfrequenzstromkreise zeigt, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist.

Das Wesentliche der Erfindung liegt in einer Glasmasse mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante für Hochfrequenzstromkreise, die SiO₂ und mindestens eines von B₂O₃ oder K₂O in einem Verhältnis umfaßt, das in den Bereich fällt, der von den Linien umschlossen wird, die in dem Zusammensetzungsdiagramm für das Dreistoffsystem, wie es in 1 gezeigt ist, durch den Punkt A (65, 35, 0), den Punkt B (65, 20, 15), Punkt C (85, 0, 15) und Punkt D (85, 15, 0) verlaufen.

Das Läuterungsmittel senkt den Schmelzpunkt und den Erweichgungspunkt der Glasmasse herab. Der herabgesetzte Schmelzpunkt führt zu der verlängerten Haltbarkeit von Platin-Schmelztiegeln oder dergleichen, in denen das Material beim Herstellungsprozeß geschmolzen wird.

BEISPIELE

Eine Mischung aus Glasrohmaterialien wurde aus SiO₂, B₂O₃, K₂CO₃, As₂O₃, As₂O₅, Sb₂O₃ und Na₂SO₄ gemäß der Formel hergestellt, die in Tabelle 1 gezeigt ist. Die sich ergebende Mischung wurde bei der in Tabelle 1 spezifizierten Temperatur geschmolzen. Es sei angemerkt, daß diese Temperatur nicht der Schmelzpunkt der Glasmasse ist, sondern die Temperatur, bei der die Mischung geschmolzen wäre.

Das sich daraus ergebende geschmolzene Glas wurde in eine Form gegossen. Die resultierende Masse wurde getemperte, um Spannungen zu beseitigen. Die getemperte Masse wurde zur Messung der physikalischen Eigenschaften in Proben zerschnitten. Der Erweichungspunkt der Probe ist in der Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Jede Probe wurde hinsichtlich der Dielektrizitätseigenschaften und der Lastisoliereigenschaften im nassen Zustand getestet, indem die elektrostatische Kapazität und der Dielektrizitätsverlust (tan δ) bei 1 MHz, 1 V_rms(rms = root mean square = Effektivwert) und 25°C und bei 3 GHz durch ein Schwingungsverfahren gemessen wurden. Die relative Dielektrizitätskonstante (ε_r) der Proben wurde aus der erhaltenen elektrostatischen Kapazität und den Abmessungen des verwendeten Kondensators berechnet. Der Isolierwiderstand (IR) der Proben wurde durch Anlegen einer Spannung von 50V über einen Zeitraum von 1000 Stunden bei 85°C und 85% relativer Feuchtigkeit und anschließender Anlegung von 100V (Gleichstrom) über 1 Minute gemessen. Auch wurde die Probe pulverisiert, und das sich ergebende Pulver wurde bei Temperaturen unter 1050°C erhitzt, um zu sehen, ob es gesintert werden kann. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Auf der Grundlage der charakteristischen Eigenschaften, die in den Tabellen 1 und 2 gezeigt sind, wurde die gewünschte Formel für SiO₂, B₂O₃ und K₂O gebildet, wie in 1 gezeigt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Glasmasse, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante für Hochfrequenzstromkreise aufweist, SiO₂ und mindestens eines von B2O3 oder K2O in einem Verhältnis, das in den Bereich fällt, der von den Linien umschlossen ist, die in dem Zusammensetzungsdiagramm für das Dreistoffsystem, wie es in 1 gezeigt ist, durch den Punkt A (65, 35, 0), Punkt B (65, 20, 15), Punkt C (85, 0, 15) und Punkt D (85, 15, 0) verlaufen.

Die Proben 1 bis 11 in den Tabellen 1 und 2 enthalten kein Läuterungsmittel wie z.B. As₂O₃, As₂O₅, Sb₂O₃ oder Na₂SO₄. Die Proben 13 bis 16 entsprechen der vorliegenden Erfindung, aber die Proben , liegen außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Die Proben 1, 10 und 11 basieren auf den jeweiligen Formeln, die in die Bereiche X, Y und Z in 1 fallen.

Die Probe 1 der Formel, die in den Bereich X fällt, weist einen Isolierwiderstand von weniger als 1 × 10¹⁰Ω (log IR < 10) auf, wie in Tabelle 2 gezeigt ist, was schlechte Isoliereigenschaften im nassen Zustand bedeutet. Probe 10 der Formel, die in den Bereich Y fällt, weist eine unerwünscht hohe relative Dielektrizitätskonstante (mehr als 7) auf, wie in Tabelle 2 gezeigt ist. Die Probe 11 der Formel, die in den Bereich Z fällt, weist einen Erweichungspunkt auf, der höher als 1050°C ist, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, und kann nicht bei 1050°C gesintert werden, wie in Tabelle 2 gezeigt ist. Das deutet darauf hin, daß sie bezüglich der Verarbeitbarkeit schlecht ist.

Gemäß der genauen Analyse der erhaltenen Testergebnisse liegt das Verhältnis der Glasmasse vorzugsweise in dem Bereich, der von den Linien umschlossen wird, die durch den Punkt A (65, 35, 0), Punkt B' (65, 32, 3), Punkt C' (85, 12, 3) und D (85, 15, 0) und noch bevorzugter durch Punkt A'' (75, 24,5, 0,5), Punkt B'' (75, 22, 3), Punkt C' (85, 12, 3) und D'' (85, 14,5, 0,5) verlaufen. In diesen Fällen erhält man eine Glasmasse, die eine niedrigere Dielektrizitätskonstante mit einem Wert von etwa 4 oder weniger als 4 besitzt.

Die Proben 12 bis 16 in den Tabellen 1 und 2 sind mit einem Läuterungsmittel in einem Betrag von 2 Gew.-% des Gesamtbetrags der Hauptbestandteile, d.h. SiO₂ und minde stens eines von B₂O₃ oder K₂O, kombiniert. Die Proben 12 bis 15 gleichen der Probe 7 in bezug auf die Formel der drei Hauptbestandteile; aber sie umfassen jeweils zusätzlich 2 Gew.-% von As₂O₃, As₂O₅, Sb₂O₃ bzw. Na₂SO₄. Die Probe 16 ist gleich der Probe 3 bezüglich der Formel der beiden Hauptbestandteile (SiO₂ und K₂O); aber sie enthält zusätzlich 2 Gew.-% Na₂SO₄.

Ein Vergleich der Proben 12–16 mit Probe 7 oder ein Vergleich der Probe 16 mit Probe 3 zeigt, daß weniger als 2 Gew.-% des Klärmittels die Schmelztemperatur und den Erweichungspunkt herabsetzen, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Aber wie in Tabelle 2 gezeigt ist, sind die Dielektrizitätskonstanten der Proben 12–16 etwas größer als die der Probe 7 oder der Probe 3. Deshalb ist es vorzuziehen, daß der Gehalt an Klärmittel in dem Bereich von etwa 0,05 bis 0,5 Gew.-% und noch bevorzugter in dem Bereich von etwa 0,05 bis 0,2 Gew.-% liegt, um zu verhindern, daß die Dielektrizitätskonstante erhöht wird.

Wie in den Beispielen gezeigt ist, weist die Glasmasse nach der Erfindung eine niedrige Dielektrizitätskonstante auf und zeigt eine hohe Zuverlässigkeit bei dem Belastungstest im nassen Zustand. Sie weist einen niedrigen Glaserweichungspunkt auf (unter 1050°C) und kann folglich bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (unter 1050°C) gesintert werden. Deshalb kann daraus leicht eine elektrisch isolierende Schicht auf einem Isoliersubstrat wie z.B. einem Keramikmehrschichtsubstrat und einem dielektrischen Substrat gebildet werden. Als ein Isoliermaterial eignet sich die Glasmasse gemäß der Erfindung vor allem für Hochfrequenzstromkreise in kompakten und schnellen elektronischen Maschinen und Einrichtungen. Folglich ist die Glasmasse nach der vorliegenden Erfindung bezüglich der Haltbarkeit bei hohen Temperaturen besser als Materialien auf Kunststoffbasis.

Claims

Verwendung einer Glasmasse als eine elektrisch isolierende Schicht auf einem Isoliersubstrat, insbesondere für eine elektronische Vorrichtung , die einen Bereich aus Isoliermaterial beinhaltet, wobei die Glasmasse aus SiO₂ und mindestens einem von B₂O₃ oder K₂O hergestellt ist in einem Verhältnis, das in den Bereich fällt, der von den Linien umschlossen wird, die in einem Gewichts-%-Zusammensetzungsdiagramm für das Dreisstoffsystem von SiO₂, B₂O₃ und K₂O durch den Punkt A (65, 35, 0), Punkt B (65, 20, 15), Punkt C (85, 0, 15) und Punkt D (85, 15, 0) verlaufen, und wobei die Glasmasse außerdem mindestens eine Art von Läuterungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus As₂O₅, Sb₂O₃ und Na₂SO₄ besteht, in einem Betrag von weniger als 2 Gew.-% der gesamten Menge an SiO₂, B₂O₃ und K₂O enthält.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Glasmasse in den Bereich fällt, der von den Linien umschlossen wird, die im Gewichts-%-Zusammensetzungsdiagramm für das Dreistoffsystem von SiO₂, B₂O₃ und K₂O durch den Punkt A (65, 35, 0), Punkt B' (65, 32, 3), Punkt C' (85, 12, 3) und Punkt D (85, 15, 0) verlaufen.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Glasmasse in den Bereich fällt, der von den Linien umschlossen wird, die im Gewichts-%-Zusammensetzungsdiagramm für das Dreistoffsystem von SiO₂, B₂O₃ und K₂O durch den Punkt A'' (75, 24, 5, 0, 5), Punkt B'' (75, 22, 3), Punkt C' (85, 12, 3) und Punkt D'' (85, 14, 5, 0, 5) verlaufen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Glasmasse das Läuterungsmittel in einer Menge von 0,05–0,5 Gew.-% der Gesamtmenge an SiO₂, B₂O₃ und K₂O enthält.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Glasmasse das Läuterungsmittel in einer enge von 0,05–0,2 Gew.-% der Gesamtmenge an SiO₂, B₂O₃ und K₂O enthält.
Verwendung nach einem der Ansprüchen 1 bis 5, wobei die elektrisch isolierend Schicht auf dem Isoliersubstrat in einem Hochfrequenzstromkreis eingesetzt wird.