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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Glas-Keramik-Zusammensetzung,
welche bei etwa 1.000°C
oder darunter gebrannt werden kann, ein gesintertes Glas-Keramik-Material,
welches durch Brennen derselben hergestellt wird, sowie ein mehrschichtiges
Keramiksubstrat unter Verwendung desselben.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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In
den letzten Jahren wurde die Leistung elektronischer Bauteile im
Gebiet Elektronik erheblich gesteigert. Insbesondere bei Informationsverarbeitungsgeräten, wie
sie Mobilstationen, PCs und dergleichen verkörpern, welche einer informationsorientierten
Gesellschaft dienen, ist die Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit
weiter gestiegen. Daher hat sich das sogenannte Multichip-Modul
(MCM) als elektronisches Bauelement für das Durchführen von
Hochgeschwindigkeitsinformationsverarbeitung gewerblich durchgesetzt.
Beim MCM sind Halbleiterbauelemente, z. B. LSIs, bei hoher Dichte
auf einem mehrschichtigen Keramiksubstrat montiert.
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Es
ist wünschenswert,
dass der spezifische Widerstand eines zwischen LSIs vorgesehenen
Leiters bei einem solchen Modul minimiert wird, um schwache Hochgeschwindigkeitssignale
zu verarbeiten. Beispiele für Leiter
mit niedrigem spezifischen Widerstand umfassen zum Beispiel Silber
und Kupfer. Als Material für
das Substrat ist ein Material erforderlich, das gleichzeitig mit
dem niedrig schmelzenden Material gebrannt werden kann, insbesondere
ein Material, welches bei etwa 1.000°C oder weniger gebrannt werden
kann, und eine aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehende
Glas-Keramik-Zusammensetzung und dergleichen wird verbreitet verwendet.
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Es
wurden verschiedene zusammengesetzte Mehrschichtsubstrate untersucht,
um den Trends hin zu weiterer Miniaturisierung und höheren Frequenzen
bezüglich
der mehrschichtigen Keramiksubstrate gerecht zu werden. Zum Beispiel
wurde in der japanischen ungeprüften
Patentanmeldungsschrift Nr. 12-264724 ein mehrschichtiges, laminiertes,
elektronisches Keramikbauteil, welches durch Laminieren einer Schicht
mit niedriger Dielektrizitätskonstante
und einer Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante hergestellt wurde,
vorgeschlagen. Die Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante
wurde mit Schaltungen versehen bzw. mit Halbleitern oder dergleichen
ausgestattet und die Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante
bildet einen Kondensator, Resonator oder dergleichen.
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SU-A-427
406 (siehe Darwent Abstract 1975 53543W beschreibt ein dielektrisches
Glas-/Keramik-Material, welches Glas, CaBiTiO3 und
CaTiSiO5 enthält.
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Bezüglich des
oben erwähnten
Mehrschichtsubstrats mit einer Zusammensetzung aus einer Schicht mit
hoher Dielektrizitätskonstante
und einer Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante muss das Auftreten von
Rissen und Verziehen im Substrat während des Brennens reduziert
werden, indem die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Schichten mit den jeweiligen Dielektrizitätskonstanten gesenkt wird. Der
Wärmeausdehnungskoeffizient
der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung, welche aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas
besteht, betrug jedoch etwa 7 bis 8 ppmK–1,
während
der Wärmeausdehnungskoeffizient
eines herkömmlichen
Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante
bei etwa 10 ppmK–1 lag. Daher konnten
die oben erwähnten
Probleme mit Rissen und Verziehen im Substrat nicht gelöst werden.
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Herkömmliche
dielektrische Materialien, z. B. TiO2, SrTiO3 und CaTiO3, hatten
hohe Dielektrizitätskonstanten
und hohe Q-Werte. Die Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten
waren jedoch große
Minuswerte und daher ließen
sich Änderungen
der Eigenschaften des keramischen Mehrschichtsubstrats aufgrund
von Umgebungstemperaturänderungen
nicht vermeiden.
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ZUSAMMENFASSENDE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Glas-Keramik-Zusammensetzung an
die Hand zu geben, welche bei einer niedrigen Temperatur gebrannt
werden kann und welche eine hohe Dielektrizitätskonstante, einen relativ
kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und einen kleinen Tempaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante
aufweist, und eine Glas-Keramik an die Hand zu geben.
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Eine
erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
enthält
5 bis 75 Gewichtsprozent TiO2, 5 bis 75
Gewichtsprozent CaTiSiO5 und 15 bis 50 Gewichtsprozent
Glas.
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Vorzugsweise
enthält
die oben erwähnte
Glas-Keramik-Zusammensetzung 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO2, 20 bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO5 und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas.
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Vorzugsweise
enthält
die oben erwähnte
Glas-Keramik-Zusammensetzung weiterhin mindestens eines von Ta2O5 und Nb2O5 als sekundären Bestandteil.
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Noch
bevorzugter enthält
die oben erwähnte
Glas-Keramik-Zusammensetzung den sekundären Bestandteil bestehend aus
mindestens einem von Ta2O5 und
Nb2O5 bei einem
Anteil von vier Gewichtsteilen oder weniger auf 100 Gewichtsteile
der primären
Bestandteile bestehend aus TiO2, CaTiSiO5 und Glas.
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Vorzugsweise
enthält
das in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas SiO2,
B2O3 und ZnO.
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Noch
bevorzugter enthält
das in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung
enthaltene Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent SiO2,
5 bis 60 Gewichtsprozent B2O3 und
5 bis 65 Gewichtsprozent ZnO.
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Vorzugsweise
enthält
das in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas weiterhin ein Erdalkalioxid.
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Noch
bevorzugter enthält
das in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung
enthaltene Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent SiO2,
5 bis 60 Gewichtsprozent B2O3,
5 bis 65 Gewichtsprozent ZnO und 5 bis 50 Gewichtsprozent Erdalkalimetalloxid.
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In
einem erfindungsgemäßen gesinterten
Glas-Keramik-Material werden TiO2-Kristalle und CaTiSiO5-Kristalle abgeschieden. Weiterhin wird
das erfindungsgemäße gesinterte
Glas-Keramik-Material durch Brennen einer Glas-Keramik-Zusammensetzung erzeugt,
welche 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO2, 20
bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO5 und 15 bis
50 Gewichtsprozent Glas enthält,
und es werden TiO2-Kristalle und CaTiSiO5-Kristalle in dem gesinterten Glas-Keramik-Material abgeschieden.
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Ein
erfindungsgemäßes keramisches
Mehrschichtsubstrat besteht aus einem Laminat aus einer ersten Keramikschicht,
welche aus dem oben erwähnten
gesinterten Glas-Keramik-Material hergestellt wird, und einer zweiten
Keramikschicht mit einer Dielektrizitätskonstante unter der der ersten
Keramikschicht.
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Die
erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
kann bei einer niedrigen Temperatur gebrannt werden und weist eine
hohe Dielektrizitätskonstante,
einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante
auf.
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Daher
werden die folgenden Wirkungen erzielt, wenn eine Schicht mit hoher
Dielektrizitätskonstante eines
zusammengesetzten Mehrschichtsubstrat, bei welchem eine Schicht
mit niedriger Dielektrizitätskonstante
und eine Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante laminiert werden,
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Glas-Keramik-Zusammensetzung
erzeugt wird.
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Die
erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
kann bei niedriger Temperatur gebrannt werden und kann daher gleichzeitig
mit einem Leiter aus Metall, z. B. Silber und Kupfer, mit niedrigem
spezifischen Widerstand gebrannt werden.
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Da
die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
eine hohe Dielektrizitätskonstante
aufweist, kann bezüglich
der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante ein Kondensator
mit großer
Kapazität
gebildet werden.
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Die
erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
weist einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, welcher dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
einer Glas-Keramik-Zusammensetzung nahe kommt, die aus Aluminiumoxid
und Borosilikatglas besteht. Daher kann das Auftreten von Rissen und
Verziehen im Substrat während
des Brennens verzögert
werden, selbst wenn eine Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante
aus der aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden Glas-Keramik-Zusammensetzung
hergestellt wird, welche eine ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaft
aufweist.
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Da
die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante
aufweist, kann ein Kondensator mit stabilen Eigenschaften bezüglich Änderungen der
Umgebungstemperatur gebildet werden.
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Die
erfindungsgemäße Glas-Keramik
weist eine hohe Dielektrizitätskonstante,
einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante ähnlich wie
bei der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung auf. Daher werden ähnliche Wirkungen wie oben
beschrieben erzielt, wenn eine Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante
eines zusammengesetzten Mehrschichtsubstrats aus dieser Glas-Keramik
hergestellt wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen keramischen
Mehrschichtsubstrats.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGEN
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Eine
erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
enthält
5 bis 75 Gewichtsprozent TiO2, 5 bis 75
Gewichtsprozent CaTiSiO5 und 15 bis 50 Gewichtsprozent
Glas. Vorzugsweise liegen das oben erwähnte TiO2,
das oben erwähnte
CaTiSiO5 und das oben erwähnte Glas
allesamt in pulvriger Form vor. D. h. die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
kann 5 bis 75 Gewichtsprozent TiO2-Pulver,
5 bis 75 Gewichtsprozent CaTiSiO5-Pulver
und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glaspulver enthalten. Hier befindet
sich das Glaspulver in einem amorphen Zustand. Jedoch ist vorzugsweise
sowohl das TiO2-Pulver als auch das CaTiSiO5-Pulver ein Keramikpulver (d. h. polykristalline
Partikel).
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Die
oben erwähnte
Glas-Keramik Zusammensetzung enthält das Glas und kann daher
insbesondere bei einer niedrigen Temperatur von etwa 1.000°C oder weniger
gebrannt werden. Da die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung
TiO2 mit einer relativen Dielektrizitätskonstante
von 120 und CaTiSiO5 mit einer relativen
Dielektrizitätskonstante
von 45 enthält,
kann ein gesintertes Glas-Keramik-Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante
erzeugt werden.
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Der
Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante von TiO2 weist einen großen Minuswert (etwa –900 ppmK–1)
auf, während
der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante von CaTiSiO5 einen großen Pluswert (etwa +1.500 ppmK–1)
aufweist. Daher weist das sich ergebende gesinterte Glas-Keramik-Material einen
kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante auf, da sich die
oben erwähnten
Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten gegenseitig aufheben.
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Da
der Wärmeausdehnungskoeffizient
von CaTiSiO5 bei etwa 6 ppmK–1 liegt,
kann der Wärmeausdehnungskoeffizient
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials nahe an den Wärmeausdehnungskoeffizienten
(etwa 7 bis 8 ppmK–1) des gesinterten Glas-Keramik-Materials
gebracht werden, das sich aus dem Brennen der zum Beispiel aus Aluminiumoxid
und Borosilikatglas bestehenden Glas-Keramik-Zusammensetzung ergibt.
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Der
Wärmeausdehnungskoeffizient
des gesinterten Glas-Keramik-Materials wird zu klein, wenn der Anteil
an TiO2 unter 5 Gewichtsprozent liegt. Daher
können
bei Verwendung des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials
als Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, bei Verwendung
des aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden gesinterten
Glas-Keramik-Materials als Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante
und bei Kombination der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante
und der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, gefolgt von Brennen,
Risse in dem sich ergebenden gesinterten Material auftreten.
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Dagegen
wird der Wärmeausdehnungskoeffizient
des gesinterten Glas-Keramik-Materials
zu groß, wenn
der Anteil an TiO2 75 Gewichtsprozent übersteigt.
Daher können
bei Verwendung dieses gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht
mit hoher Dielektrizitätskonstante,
bei Verwendung des aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden
gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante
und bei Kombination der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante
und der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, gefolgt von Brennen,
Risse in dem sich ergebenden gesinterten Material auftreten.
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Der
Wärmeausdehnungskoeffizient
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials wird zu groß, wenn
der Anteil an CaTiSiO5 unter 5 Gewichtsprozent
fällt.
Daher können
bei Verwendung dieses gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht
mit hoher Dielektrizitätskonstante,
bei Verwendung des aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden
gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante
und bei Kombination der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante
und der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, gefolgt von Brennen,
Risse in dem sich ergebenden gesinterten Material auftreten.
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Der
Wärmeausdehnungskoeffizient
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials wird dagegen zu klein, wenn
der Anteil an CaTiSiO5 75 Gewichtsprozent übersteigt.
Daher können
bei Verwendung dieses gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante,
bei Verwendung des aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden
gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante
und bei Kombination der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante
und der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, gefolgt von Brennen,
Risse in dem sich ergebenden gesinterten Material auftreten.
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Wenn
der Anteil an Glas unter 15 Gewichtsprozent fällt, kann die Sinterfähigkeit
der Glas-Keramik-Zusammensetzung bei etwa 1.000°C oder darunter reduziert sein.
Wenn dagegen der Anteil an Glas 50 Gewichtsprozent übersteigt,
kann die Dielektrizitätskonstante
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert
sein.
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Vorzugsweise
enthält
die oben erwähnte
Glas-Keramik-Zusammensetzung 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO2. Wenn der Anteil an TiO2 unter
20 Gewichtsprozent fällt,
wird der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des sich ergebenden
gesinterten Glas-Keramik-Materials ein zu hoher Pluswert. Wenn dagegen
der Anteil an TiO2 60 Gewichtsprozent übersteigt,
kann der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten
Glas-Keramik-Materials ein zu großer Minuswert werden.
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Die
oben erwähnte
Glas-Keramik-Zusammensetzung enthält vorzugsweise 20 bis 60 Gewichtsprozent
CaTiSiO5. Wenn der Anteil an CaTiSiO5 unter 20 Gewichtsprozent fällt, wird
der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des sich ergebenden
gesinterten Glas-Keramik-Materials ein zu hoher Minuswert. Wenn
dagegen der Anteil an CaTiSiO5 60 Gewichtsprozent übersteigt,
kann der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten
Glas-Keramik-Materials ein zu großer Pluswert werden.
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Vorzugsweise
enthält
die oben erwähnte
Glas-Keramik-Zusammensetzung weiterhin mindestens eines von Ta2O5 und Nb2O5 als sekundären Bestandteil.
Bei Vorhandensein dieser sekundären
Bestandteile kann der absolute Wert des Temperaturkoeffizienten
der Dielektrizitätskonstante
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials gesenkt werden.
Man glaubt, dass der Grund hierfür
darin liegt, dass ein Teil von Ta2O5 oder Nb2O5 in eine feste Lösung mit den primären Bestandteilen
diffundiert oder diese bildet, so dass er einen gewissen Einfluss
auf den Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante des gesamten gesinterten
Glas-Keramik-Materials während
des Brennens ausübt.
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Insbesondere
ist bevorzugt, dass die oben erwähnte
Glas-Keramik-Zusammensetzung
die oben erwähnten
sekundären
Bestandteile bei einem Anteil von vier Gewichtsteilen oder weniger
auf 100 Gewichtsteile der primären
Bestandteile bestehend aus TiO2, CaTiSiO5 und Glas enthält. In diesem Fall kann der
Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante auf einen kleinen
Wert angepasst werden, mit praktisch keiner Senkung der Dielektrizitätskonstante
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials. Die Dielektrizitätskonstante
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials kann aber
kleiner werden, wenn der Anteil der sekundären Bestandteile etwa 4 Gewichtsteile übersteigt.
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Als
in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltenes Glas kann ein Glas auf
der Basis von SiO2-B2O3 und dergleichen verwendet werden. Vor allem
wird vorzugsweise Glas auf der Basis von SiO2-B2O3-ZnO mit einem
kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten
verwendet.
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Noch
bevorzugter enthält
das in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung
enthaltene Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent SiO2.
Wenn der Anteil an SiO2 unter 5 Gewichtsprozent
fällt,
kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert
sein. Wenn dagegen der Anteil an SiO2 50
Gewichtsprozent übersteigt,
kann die Schmelztemperatur des Glases erhöht sein und daher kann es schwierig
werden, das Glas zu erzeugen.
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Das
in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas enthält vorzugsweise
5 bis 60 Gewichtsprozent B2O3.
Wenn der Anteil an B2O3 unter
5 Gewichtsprozent fällt,
kann die Sinterfähigkeit der
Glas-Keramik-Zusammensetzung bei etwa 1.000°C oder darunter reduziert sein.
Wenn dagegen der Anteil an B2O3 60
Gewichtsprozent übersteigt,
kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert
sein.
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Vorzugsweise
enthält
das in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas 5 bis 65 Gewichtsprozent
ZnO. Wenn der Anteil an ZnO unter 5 Gewichtsprozent fällt, wird
die Wirkung der Senkung des Wärmeausdehnungskoeffizienten
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials nicht ausreichend erzielt.
Wenn dagegen der Anteil an ZnO 65 Gewichtsprozent übersteigt,
kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert
sein.
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Vorzugsweise
enthält
das in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas weiterhin ein Erdalkalimetalloxid.
Da das Erdalkalimetalloxid, z. B. MgO, CaO und SrO, einen kleinen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient
des sich ergebenden gesinterten Glaskeramikmaterials reduziert sein.
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Vorzugsweise
enthält
das in der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent
Erdalkalimetalloxid. Wenn der Anteil an Erdalkalimetalloxid unter
5 Gewichtsprozent fällt,
wird die Wirkung der Senkung des Wärmeausdehnungskoeffizienten
des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials nicht ausreichend erzielt.
Wenn dagegen der Anteil des Erdalkalimetalloxids 50 Gewichtsprozent übersteigt,
kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit
des gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert sein.
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In
einem erfindungsgemäßen gesinterten
Glas-Keramik-Material werden TiO2-Kristalle, CaTiSiO5-Kristalle und Glaskristalle abgeschieden.
Diese Glas-Keramik kann zum Beispiel durch Brennen der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung erzeugt
werden. Diese Glas-Keramik weist eine hohe Dielektrizitätskonstante,
einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante ähnlich wie
bei der oben erwähnten
Glas-Keramik-Zusammensetzung auf.
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Die
erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung
kann ein bekanntes Lösungsmittel,
Bindemittel und dergleichen enthalten. Es können zum Beispiel etwa 1 bis
30 Gewichtsteile Lösungsmittel
auf 100 Gewichtsteile der Glas-Keramik-Zusammensetzung zugegeben werden und
etwa 3 bis 30 Gewichtsteile Bindemittel können auf 100 Gewichtsteile
der Glas-Keramik-Zusammensetzung zugegeben werden.
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Unter
Bezug auf 1 wird ein erfindungsgemäßes mehrschichtiges
Keramiksubstrat beschrieben.
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1 ist
eine schematische Schnittansicht, welche ein Beispiel eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen
Keramiksubstrats zeigt. Ein mehrschichtiges Keramiksubstrat 10 besteht
aus einem Laminat aus ersten Keramikschichten 11 und zweiten
Keramikschichten 12. Leiter 13 sind an der Hauptfläche des
mehrschichtigen Keramiksubstrats 10 und zwischen den Keramikschichten
vorgesehen. Kontaktloch-Leiter 14 für das dreidimensionale
Verbinden der Leiter 13 sind in jeder Keramikschicht vorgesehen.
Ein Kondensator C ist aus den Leitern 13 konstruiert, welche
einander mit der ersten Keramikschicht dazwischen zugewandt sind.
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Die
erste Keramikschicht 11 wird durch Brennen einer Glas-Keramik-Zusammensetzung erzeugt,
welche 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO2, 20
bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO5 und 15 bis
50 Gewichtsprozent Glas enthält
und aus einem gesinterten Glas-Keramik-Material besteht, in welchem
TiO2-Kristalle und CaTiSiO5-Kristalle
abgeschieden sind. Dieses gesinterte Glas-Keramik-Material enthält TiO2-Kristalle und besitzt daher eine hohe Dielektrizitätskonstante.
Daher kann bezüglich
der ersten Keramikschicht 11 ein Kondensator mit einer
hohen Dielektrizitätskonstante
gebildet werden. Da diese Glas-Keramik einen kleinen Temperaturkoeffizienten
der Dielektrizitätskonstante
aufweist, können
Schwankungen der Eigenschaften des Kondensators C aufgrund von Änderungen
der Umgebungstemperatur reduziert werden. Da dieses gesinterte Glas-Keramik-Material CaTiSiO5-Kristalle enthält, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient
relativ klein und liegt in der Größenordnung von 6,5 bis 8,5
ppmK–1.
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Die
zweite Keramikschicht 12 besteht aus einem gesinterten
Glas-Keramik-Material, welches Aluminiumoxid und Borosilikatglas
enthält.
Da dieses gesinterte Glas-Keramik-Material
eine niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweist, liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient
dieses gesinterten Glas-Keramik-Materials bei etwa 7 bis 8 ppmK–1 und
daher können
Signale ohne Verzögerung
in dem Leiter 13 und dem Kontaktloch-Leiter 14,
welche in der zweiten Keramikschicht 12 vorgesehen sind, übertragen
werden. Auf diese Weise ist eine auf die erste erfindungsgemäße Keramikschicht 11 ausgezeichnet
abgestimmte zweite Keramikschicht 12 ein gesintertes Glas-Keramik-Material
mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
nahezu gleich dem der ersten Keramikschicht 11, d. h. der
Wärmeausdehnungskoeffizient
liegt in der Größenordnung
von 6,5 bis 8,5 ppmK–1.
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Das
die erste Keramikschicht 11 bildende gesinterte Glas-Keramik-Material
und das die zweite Keramikschicht 12 bildende gesinterte
Glas-Keramik-Material weisen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, die einander nahe kommen. Daher kann das Auftreten von Rissen
und Verziehen in dem Substrat aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten
der beiden Keramikschichten während
des Brennschritts im Herstellungsvorgang des mehrschichtigen Keramiksubstrats 10 verzögert oder
verhindert werden.
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Das
mehrschichtige Keramiksubstrat 10 wird zum Beispiel durch
folgendes Verfahren hergestellt. Ein Glaspulver auf SiO2-B2O3-ZnO-Basis, ein
TiO2-Pulver und ein CaTiSiO5-Pulver
werden erzeugt und diese werden bei einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis gemischt.
Entsprechende Mengen an Lösungsmittel,
Bindemittel und Plastifizierungsmittel werden zu dem sich ergebenden
Mischpulver zugegeben, gefolgt von Kneten, um einen Schlicker herzustellen.
Der sich ergebende Schlicker wird mittels des Rakelverfahrens zu
einer Folie geformt und daher wird eine erste Grünfolie, welche durch Brennen
zur ersten Keramikschicht 11 wird, erzeugt.
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Ein
Glaspulver auf SiO2-B2O3-Basis und ein Al2O3-Pulver werden erzeugt und diese werden
bei einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis gemischt. Entsprechende
Mengen an Lösungsmittel,
Bindemittel und Plastifizierungsmittel werden zu dem sich ergebenden
Mischpulver zugegeben, gefolgt von Kneten, um einen Schlicker herzustellen.
Der sich ergebende Schlicker wird mittels des Rakelverfahrens zu
einer Folie geformt und daher wird eine zweite Grünfolie,
welche durch Brennen zur zweiten Keramikschicht 12 wird,
erzeugt.
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Eine
aus einem leitenden Pulver, z. B. einem Cu-Pulver oder einem Ag-Pulver,
und einer geeigneten Menge Bindemittel, Glaspulver und Dispergiermittel
bestehende Leiterpaste wird erzeugt. Die sich ergebende Leiterpaste
wird auf die ersten und zweiten Grünfolien durch Siebdruck aufgedruckt.
Kontaktlöcher
werden in den ersten und zweiten Grünfolien gebildet und diese
Kontaktlöcher
werden mit der oben erwähnten
Leiterpaste gefüllt.
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Die
ersten Grünfolien
und die zweiten Grünfolien
werden laminiert und daher wird ein mit Leitern und Kontaktloch-Leitern
versehenes Keramiklaminat erzeugt. Anschließend wird das Keramiklaminat
mit einer Pressmaschine pressverbunden und das sich ergebende Keramiklaminat
wird in einer oxidierenden Atmosphäre, z. B. in Luft, bei 780°C bis 1.000°C, vorzugsweise
bei etwa 900°C,
gebrannt. Auf diese Weise wird das in 1 gezeigte
mehrschichtige Keramiksubstrat 10 hergestellt.
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Beispiele
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Die
Glas-Keramik-Zusammensetzung und das gesinterte Glas-Keramik-Material
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die
Beispiele beschrieben.
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Jedes
der Oxidpulver SiO2, B2O3, ZnO, MgO, CaO, SrO, BaO, Li2O,
Na2O, K2O, ZrO2 und Al2O3 wurde erzeugt. Jedes der Oxidpulver wurde
gemäß dem in
der folgenden Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungsverhältnis abgewogen,
gefolgt von Mischen. Das sich ergebende Gemisch wurde in einen Platintiegel
gegeben und bei 1.100°C
bis 1.500°C
30 Minuten lang geschmolzen. Das sich ergebende geschmolzene Material
ließ man
auf eine Abschreckwalze fließen,
um Bruchglas zu erzeugen. Das sich ergebende Bruchglas wurde grob pulverisiert.
Es wurde Ethanol zugegeben und anschließend wurde in einer Kugelmühle mit
Aluminiumoxidkugeln von 1 bis 10 mm Durchmesser ein Pulverisieren
durchgeführt,
so dass die Proben G1 bis G24 der Glaspulver mit Mittenpartikeldurchmessern
von etwa 1 μm
erzeugt wurden. Pro Probe wurde ein Teil des abgeschreckten Bruchglases
für langsames
Abkühlen
von 500°C
auf Raumtemperatur in einen Kühlofen
gegeben, um mechanische Spannungen ausreichend aufzuheben, und wurde
in ein Prisma von 3 mm × 15
mm × 1
mm geschnitten. Der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient α (ppmK–1)
in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 500°C wurde mit
einem Dilatometer gemessen. Die Ergebnisse desselben werden in Tabelle
1 gezeigt.
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Jedes
der CaO-, TiO2- und SiO2-Oxidpulver
wurde erzeugt und diese wurden bei einem Molverhältnis von 1 : 1 : 1 gemischt,
gefolgt von Kalzinieren bei 1.250°C über eine
Stunde lang. Das sich ergebende kalzinierte Material wurde grob
pulverisiert. Es wurde Ethanol zugegeben und anschließend wurde
in einer Kugelmühle
mit Aluminiumoxidkugeln von 1 bis 10 mm Durchmesser ein Pulverisieren
durchgeführt,
so dass ein CaTiSiO5-Pulver erzeugt wurde.
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Neben
dem oben erwähnten
CaTiSiO5-Pulver wurde jedes der TiO2-, CaTiO3-, SrTiO2-, Ta2O5-,
Nb2O5- und Al2O3-Oxidpulver und
die oben erwähnten
Glaspulver G1 bis G24 erzeugt. Diese wurden gemäß den in der folgenden Tabelle
2 bis Tabelle 5 gezeigten Gewichtsverhältnissen abgewogen, gefolgt
von Mischen, so dass die Proben S1 bis S78 erzeugt wurden. Entsprechende
Mengen an Lösungsmittel,
Bindemittel und Plastifizierungsmittel wurden zu jeder sich ergebenden
Probe zugegeben, gefolgt von Kneten, um einen Schlicker herzustellen.
Der sich ergebende Schlicker wird mittels des Rakelverfahrens zu
einer Grünfolie
mit 50 μm
Stärke
geformt.
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Auf
die Grünfolie
wurde mittels Siebdruck eine Ag-Paste gedruckt und die sich ergebende
Grünfolie wurde
in die Form eines Quadrats von 10 mm × 10 mm Größe zugeschnitten. Es wurden
zehn Folien der sich ergebenden quadratischen Grünfolien laminiert und mit einer
Pressmaschine pressverbunden, gefolgt von Brennen in Luft bei 900°C über einen
Zeitraum von 20 Minuten. Aus Ag bestehende Außenelektroden wurden auf beide
Endflächen
des sich ergebenden gesinterten Materials eingebrannt und dadurch
wurde ein monolithischer Kondensator erzeugt. Anschließend wurde
die relative Dielektrizitätskonstante ϵr
des monolithischen Kondensators bei 1 MHz mit einem LCR-Meter gemessen.
Der monolithische Kondensator wurde in ein Bad konstanter Temperatur
gegeben und der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante
TCC (ppmK–1)
wurde in einem Temperaturbereich von –55°C bis 125°C mit dem LCR-Meter gemessen.
Die Ergebnisse desselben werden in Tabelle 2 bis Tabelle 5 gezeigt.
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Weiterhin
wurden die oben erwähnten
Grünfolien
von 50 μm
Stärke,
welche die jeweiligen Proben enthielten, in Form eines Quadrats
von 30 mm × 30
mm zugeschnitten. Vierzig Folien der sich ergebenden quadratischen
Grünfolien
wurden laminiert und mit einer Pressmaschine pressverbunden, gefolgt
von Brennen in Luft bei 900°C.
Das sich ergebende gesinterte Material wurde zu einem Prisma von
3 mm × 15
mm × 1
mm zugeschnitten. Der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient α (ppmK–1)
wurde in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu 500°C mit einem
Dilatometer gemessen. Die Ergebnisse desselben werden in Tabelle
2 bis Tabelle 5 gezeigt.
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Die
oben erwähnten
Prismen wurden pulverisiert, um ein Glas-Keramik-Pulver herzustellen.
Dieses Glas-Keramik-Pulver wurde mittels XRD (Röntgenbeugungsanalyse) analysiert.
Als Ergebnis wurde ein Abscheiden von Kristallen von jeweils TiO2 und CaTiSiO5 in
jedem der Glas-Keramik-Pulver mit Ausnahme der Proben S1 und S14
festgestellt.
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Weiterhin
wurden die oben erwähnten
Grünfolien
mit 50 μm
Stärke,
welche die jeweiligen Proben enthielten, in Form eines Quadrats
von 100 mm × 100
mm zugeschnitten. Eine die Probe 78 enthaltende Grünfolie wurde
auf jede der Grünfolien,
die jeweils die Proben S1 bis S77 enthielten, laminiert und es wurden
weiterhin 9 Folien der Grünfolie,
welche Probe S78 enthielt, darunter laminiert. Mit einer Pressmaschine
wurde Pressverbinden durchgeführt
und dadurch wurde ein Laminat erzeugt. Das sich ergebende Laminat
wurde in Luft bei 900°C
gebrannt. Das sich ergebende gesinterte Glas-Keramik-Material wurde
bezüglich
des Auftretens von Rissen und Verziehen beobachtet. Die Ergebnisse
desselben werden ebenfalls in Tabelle 2 bis Tabelle 5 gezeigt.
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Eine
in den folgenden Tabellen mit Sternchen versehene Probe liegt außerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung.
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Wie
aus den Beurteilungsergebnissen der Proben S75 bis S77 hervorgeht,
welche in Tabelle 5 gezeigt werden, weisen die durch Brennen herkömmlicher
Glas-Keramik-Zusammensetzungen
erzeugten gesinterten Glas-Keramik-Materialien große Temperaturkoeffizienten
der Dielektrizitätskonstante
auf. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten
dieser Proben erheblich größer als
der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Probe S78 sind, kommt es bei Laminieren jeder der diese Proben
enthaltenden Grünfolien
und einer die Probe S78 enthaltenden Grünfolie gefolgt von Brennen
zu Rissen in dem gesinterten Glas-Keramik-Material.
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Aus
den Beurteilungsergebnissen der Proben S2 bis S13, S15 bis S20,
S22 bis S44 und S46 bis S74, welche in Tabelle 2 und Tabelle 3 gezeigt
werden, ist dagegen ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Glas-Keramiken
kleine Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante aufweisen. Da die
Wärmeausdehnungskoeffizienten
dieser Proben nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizient
der Probe S78 liegen, kann bei Laminieren jeder der diese Proben
enthaltenden Grünfolien
und einer die Probe S78 enthaltenden Grünfolie gefolgt von Brennen
ein Verziehen in der Glas-Keramik reduziert werden.
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Der
TiO2-Gehalt der Probe S1 überstieg
75 Gew.-% (bzw. der Gehalt an CaTiSiO5 lag
unter 5 Gew.-%). Als eine die Probe S1 enthaltende Grünfolie zusammen
mit einer die Probe S78 enthaltenden Grünfolie gebrannt wurde, kam
es zu Rissbildung in der Glas-Keramik. Der TiO2-Gehalt
der Probe S14 lag dagegen unter 5 Gew.-% (bzw. der Gehalt an CaTiSiO5 überstieg
75 Gew.-%). Als eine die Probe S14 enthaltende Grünfolie zusammen
mit einer die Probe S78 enthaltenden Grünfolie gebrannt wurde, kam
es zu Rissbildung in der Glas-Keramik.
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Zwar
kam der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Probe S14 dem der Probe S78 näher als der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Probe S1, doch kam es in der die Probe S14 enthaltenden Glas-Keramik
zu Rissbildung. Der Grund hierfür
lag darin, dass bei Halten einer Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante
zwischen Schichten mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten auf beiden Seiten,
wie im vorliegenden Beispiel, und bei einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante als bei der Schicht
mit niedriger Dielektrizitätskonstante
auf die Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante eine Schrumpfkraft
in Richtung der Ebene ausgeübt
wird. Wenn dagegen der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante kleiner als der
der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist, wird auf die
Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante eine Zugkraft in
Richtung der Ebene ausgeübt.
Im Allgemeinen weist die Keramik die Festigkeitseigenschaften auf,
dass gegenüber
einer Schrumpfkraft ein großer
Widerstand und gegenüber
einer Zugkraft ein geringer Widerstand aufgebracht wird. Daher kommt
es in Probe S14 zu Rissen.
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Die
Probe S21 wurde nicht gesintert, da der Anteil an Glas unter 15
Gew.-% lag. Die Dielektrizitätskonstante
der Probe S45 dagegen wurde zu niedrig, da der Anteil an Glas 50
Gew.-% überstieg.
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Wie
aus Vergleichen der Proben S4 und S5 ersichtlich ist, wird der Temperaturkoeffizient
der Dielektrizitätskonstante
des gesinterten Glas-Keramik-Materials
ein zu hoher Minuswert, wenn der TiO2-Anteil
60 Gew.-% übersteigt
(oder der Anteil an CaTiSiO5 unter 20 Gew.-%
fällt).
Wie dagegen aus Vergleichen der Proben S10 und S11 hervorgeht, wird
der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials
ein zu hoher Pluswert, wenn der TiO2-Anteil
unter 20 Gew.-% fällt
(oder der Anteil an CaTiSiO5 60 Gew.-% übersteigt).
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Vergleiche
der Proben S9 und S10 zeigen, dass bei Vorhandensein von Ta2O5 der Temperaturkoeffizient
der Dielektrizitätskonstante
des gesinterten Glas-Keramik-Materials
kleiner wird. Analog geht aus Vergleichen der Proben S9 und S11
hervor, dass der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante
des gesinterten Glas-Keramik-Materials
kleiner wird, wenn Nb2O5 vorhanden
ist.
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Wie
aus Vergleichen der Proben S26 bis S32 ersichtlich ist, wird die
Dielektrizitätskonstante
des gesinterten Glas-Keramik-Materials gesenkt, wenn der Ta2O5-Anteil 4 Gewichtsteile
auf 100 Gewichtsteile der primären
Bestandteile übersteigt.
Wie analog aus Vergleichen der Proben S33 bis S39 hervorgeht, wird
die Dielektrizitätskonstante
des gesinterten Glas-Keramik-Materials gesenkt, wenn der Nb2O5-Anteil 4 Gewichtsteile auf
100 Gewichtsteile der primären
Bestandteile übersteigt.
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Vergleiche
der Probe S15 und der Probe S25 zeigen, dass das gesinterte Glas-Keramik-Material,
welches Probe S25 unter Verwendung des ZnO-haltigen Glaspulvers
G4 enthält,
einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist.