Brevet FR2124232A1 — publié le 19720922

' 212Z4232 La présente invention concerne des résistances et plus particulièrement un élément de résistance utile dans les substrats de circuits microminiatu-risés. Les comDositions des résistances pour des modules de circuits micromin-5 iaturisés sont bien connues dans l'art. Le module de circuit se présente en général sous la forme d'un carré de céramique d'un centimètre environ de côté, d'une fraction de centimètre d'épaisseur, comprenant des composants fonctionnels fixés dessus qui sont connectés électriquement par un câblage imprimé. Les composants fonctionnels sont des éléments de circuit électrique 10 actifs et passifs capables de réaliser des fonctions ou opérations utiles, □es dispositifs passifs tels que des résistances sont normalement appliqués au substrat par des techniques d'impression. La composition des résistances consiste en un mélange de matériaux isolants réduits en poudre tel que du verre et de matériaux conducteurs en 15 poudre tel que des métaux et oxydes métalliques, dans lesquels sont inclus des dopants pour augmenter ou diminuer la résistivité . On applique ce mélange sur la surface du module sous la forme d'une pâte en dispersant au préalable les matériaux réduits en poudre dans un agent véhiculant tel qu'un HDlvant volatile, une résine et un agent mouillant. 20 Les compositions sont alors cuites à une température élevée. La cuisson sèche ou élimine par brûlage l'ggent véhiculant et laisse les matériaux isolants et conducteurs fondus constituant l'élément de résistance. Avec des compositions de résistance connue, on n'a pas trouvé pratique de donner initialement aux résistances leurs dimensions correctes pour obtenir 25 les valeurs de résistance désirées. En générale, par conséquent, on imprime et on cuit une résistance qui est légèrement surdimensionnée. La résistance est alors ajustée par un procédé de décapage, pour éliminer une partie de la résistance jusqu'à ce que l'on obtienne la valeur de résistance correcte. De tels éléments de résistance, compositions et procédés, sont décrits par 30 exemple dans les brevets français n° 1 417 315 déposé le 1er Octobre 1964 par la demanderesse, n° 1 457 448 déposé le 9 Août 1965 par la demanderesse, n° 1 483 565 déposé le 13 Juin 1966 par la demanderesse, n° 1 452 102 déposé le 29 Juin 1965 par la demanderesse et n° 1 486 286 déposé le 5 Juillet 1966 par la demanderesse et dans les brevets américains n° 3 374 110 et 35 3 390 104. Bien que de tels procédés et compositions aient en général donné des éléments corrects de résistance microminiaturisée, pendant la cuisson, certains problèmes sont apparus, tels que parfois des soufflures et/ou des cratères dans le film résistant. Ceci apparaissait particulièrement 40 lorsque l'on utilisait certains types d'agents véhiculants. Les soufflures COPY 2124232 72 00558 produisent des zones de vide sous la surface où le film a été séparé par étirage de la surface du module. Ceci est particulièrement visible de l'apparence de surfaces rugueuses. Les cratères affectent d'une manière défavorable les propriétés électriques de l'élément de résistance. Les 5 soufflures, qui entraînent des endroits affaiblis dans l'élément de résistance, posent un problème pendant le procédé d'ajustage. Lorsque ce procédé est presque terminé, une partie de soufflure relativement importante de la résistance peut se déchirer. Ceci entraîne un changement soudain de la valeur de la résistance qui peut mettre la résistance en dehors de limites 10 de tolérance permise. Habituellement, quand ceci se produit, tout le module doit être rejeté comme inutilisable. Aussi; même si l'opération d'ajustagej est réussie, lorsque le module est ensuite encapsulé dans un matériau protecteur, on a trouvé que le matériau protecteur peut entraîner la séparation d'une partie affaiblie ou soufflée de la résistance du module ou du corps 15 principal de l'élément résistance. Ce ci peut placer la valeur de la résistance au-delà des tolérances acceptables et un module terminé renfermant tous les éléments y compris les blocs semiconducteurs doit être rejeté. On a trouvé un nouveau procédé de réalisation des éléments de résistance imprimés pour lesquels les soufflures et cratères sont réduits au minimum. 20 Conformément à cette invention, une composition de pâte résistante est composée d'un mélange d'un matériau conducteur en poudre, d'un matériau isolant en poudre, d'une certaine quantité de carbone activé en poudre, et d'un agent véhiculant comprenant un solvant volatile et un liant résineux. La résistance est réalisée en déposant la pâte sur la surface d'un 25 substrat et en la solidifiant par cuisson à une température élevée pour éliminer le carbone et l'agent véhiculant. La résistance préparée par le procédé ci-dessus a une texture de surface relativement lisse avec un minimum de soufflures et de cratères. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention 30 ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 est une microphotographie d'un élément de résistance réalisé conformément au procédé de l'invention. La figure 2 est une coupe de l'élément de résistance de la figure 35 1 prise selon la ligne 2-2. La figure 3 est une microphotographie d'un élément de résistance oréparé sans carbone. La figure 4 est une vue en coupe d'un élément de résistance de la figure 3 prise selon la ligne 4-4. 40 La figure 5 représente l'élément de la figure 4 après l'opération de 3 2124232 : 72 00558 décapage. La pâte résistante est constituée d'un mélange de solides conducteurs et d'un agent véhiculant liquide inerte. En général, le mélange de solides comporte environ 50 à 83% en poids associé à 17 à 50% en poids de l'agent 5 véhiculant. Le mélange des solides conducteurs ou pigment est classique et comprend, par exemple, un métal et/ou oxyde, du verre fritté et des ions dopants. Les métaux et oxydes métalliques sont par exemple, de l'argent, de l'indium, de l'antimoine, du chrome, du palladium, du cuivre et des mélanges de ces 10 métaux. En général, le pigment renfermera environ 30 à 50% en poids du matériau conducteur finement divisé et 50 à 70% en poids du verre fritté finement divisé. Les matériaux du composant ont une taille de particule de préférence de l'ordre de 1 à 50 microns. De tels mélanges de pigment sont bien connus dans l'art. 15 Dans le mélange de pâte est inclus une quantité de charbon de bois fortement activée et finement divisée suffisante pour réduire substantiellement la formation de cratères et/ou de soufflures dans les éléments de résistance cuits. Les quantités de charbon adéquates sont de l'ordre d'environ 0,4% à environ 2% en poids du poids total de la pâte. Cet ordre de grandeur n'est 20 pas particulièrement critique, mais la quantité de charbon doit être choisie pour obtenir une élimination importante des soufflures et cratères sans être excessive de façon à conserver les propriétés de fluidité de la pâte Cau-dessus de 0,2% environ mais inférieure à environ 4,0% en poids par rapport au poids total de la pâte]. Le carbone possède de préférence une taille 25 de particule telle que pratiquement tout le carbone traversera un tamis à mailles de 0,044mm environ. .Les carbones adéquats sont des carbones à très haut degré de pureté ou des carbones activés présentant des surfaces importantes comme utilisées, par exemple, dans les colonnes de purification gazeuse tel que le dharbon de bois très rafiné à degré pharmaceutique. 30 Les agents véhiculants sont classiques et sont composés en général d'un solvant non polaire combiné à une résine, et quelques fois un agent mouillant. La résine en combinaison avec le solvant donne une composition de résistance ayant les caractéristiques de fluidité désirées. La comDosition doit être assez fluide pour permettre d'utiliser des techniques de l'écran 35 de soie mais suffisamment ferme après impression ou transfert sur le substrat pour garder ses dimensions physiques avant le séchage. Les agents mouillants sont utilisés pour aider dans la dispersion et maintenir les matériaux de pigment solides en suspension dans l'agent véhiculant. Les agents mouillants aident aussi dans les caractéristiques de traversée de l'écran. De 40 façon classique, les agents véhiculants constituent 17 à 50% en poids et 4 . 2124232 ' 72 00558 de préférence 20 à 30% en poids du poids total de la composition de la pâte résistante. Les composants résineux sont classiques et peuvent être par exemple, des gommes naturelles, des matériaux de cellulose et des résines synthéti-5 ques. Les solvants volatiles adéquats sont ceux ayant une pression de vaoeur relativement faible à la température ambiante et une pression de vapeur relativement élevée aux températures élevées. Les solvants que l'on utilise en général sont des parafines à point d'ébulition élevé, des cycloparafines, du terpinéol et hydrocarbones aromatiques, tel que le naphthalène d'étyle, 10 le phénylcyclohéxane, et leurs mélanges; ou un ou plusieurs éthers mono et di-alkyl du diéthylène glycol ou leurs dérivés, tels que l'acétate éther de monobutyle diéthylène glycol. Des agents de dispersion ou tensio-actifs adéquats pour cette utilisation sont, par exemple, des dérivés organiques, tels que l'alcool polyoxyé-15 thylène non ionique, les sulfonates alkylaryl, et des esters d'acide gras. La résine comprend en général environ 20 à 00% en poids du poids total de l'agent véhiculant et le liquide volatile environ 80 à 20% en poids du poids total de l'agent véhiculant. Le solvant constitue de préférence 50 à 70% en poids du poids total de l'agent véhiculant. 20 Lors de la préparation de la pâte résistante, des procédés de mélanges classiques sont utilisés. Habituellement, le mélange de solides conducteurs est très minutieusement mélangé par un procédé de mélange à sec classique adapté, tel que, par exemple, en secouant dans un récipient fermé utilisant un mélangeur de peinture. Le mélange agent véhiculant et pigment est alors 25 soigneusement mélangé. On peut utiliser un procédé de mélange utilisant un moulin à trois rouleaux tel que celui décrit par exemple dans le brevet français n° 1 486 286 déposé le 5 Juillet 1966 par la demanderesse. Le charbon peut être ajouté soit au mélange conducteur sec avant d'être mélangé avec l'agent véhiculant où il peut être ajouté au mélange dea pâte 30 résistante. Les éléments de résistance sont constitués en déposant la pâte sur le substrat utilisant les techniques classiques, par exemple, par passage à ravers un écran, par séchage de la pâte dans un four à des températures de l'ordre de 100 à 300°C et ensuite cuisson de la pâte à des températures 35 élevées jusqu'à environ 760°C pour éliminer le véhicule et faire fondre les poudres conductrices et isolantes. On a trouvé que le procédé de cuisson supprime aussi substantiellement tout le charbonn, de sorte que les propriétés de résistance ne sont pas affectées par la présence de charbon résiduel. La présence de charbon pendant le procédé de cuisson donne un élément de 40 résistance sans vide ni cratère relativement lisse, qui a d'excellentes 15 2124232 10 72 0C558 propriétés électriques et qui adhère au substrat pendant les opérations d'ajustage et pendant l'utilisation. Les caractéristiques précédentes et autres de l'invention sont en outre illustrées par les exemoles suivants, ne présentant pas un caractère limitatif, dans lequel les pourcentages constituent des pourcentages par rapport au poids; dans le cas contraire, ils seront indiqués différemment. EXEMPLE 1 Un mélange conducteur est préparé à partir des compositions suivantes: Pourcentage par rapport au poids Argent 16,0 Oxyde de palladium dopé 21,0 Verre de borosilicate 56,0 Silice colloïdale 3,0 Charbon de bois activé CDarco G-6, Atlas Chemical Industries] 2,0 100,0 Les poudres sont mélangées pendant 15 minutes dans un récipient fermé sur un agitateur de peinture. Un agent véhiculant pour la pâte résistante est réalisé avec les constituants suivants: 25 Pourcentage par rapport au poids Acétate de butyle carbatole 90,0 Ethylcellulose (N-22, Hercules Powder Co.) 10,0 Agent tensio-actif alcyl Sarcoèine (Sarkasyl 0, Geigy Chemical Co]. 0,5 Ces ingrédients sont agités dans une unité de dispersion à énergie cinétique très élevée après quoi 27,6 g d'agent véhiculant et 0,6 g de silice colloïdale sont ajoutés à 100g du mélange conducteur sec et mélangés soigneusement. La pâte passe alors 6 fois à travers un moulin à trois rouleaux. Des parties de la pâte sont appliquées à l'aide d'un écran sur un substrat du module en céramique, séchées pendant environ 5 minutes à 200°C; et ensuite cuit dans un four à zone ayant une température maximum d'environ 760°C pendant une durée totale de 35 minutes pour constituer un élément de résistance ayant une surface relativement lisse. 6 2124232 : 72 00558 EXEMPLE 2 Un élément de résistance est préparé selon la corroosition et le procédé de l'exemple 1 à l'exception du carbone qui n'est pas ajouté au mélange sec. Après cuisson, la surface de l'élément de résistance présente des 5 cratères et des soufflures. Les figures 1 à 4 représentent des éléments de résistance classiques réalisés par les procédés des exemples 1 et 2. L'élément de résistance 11, réalisé avec la composition et par le procédé de l'invention sur la surface du substrat 13 entre les lignes conductrices 15, a une surface relativement 10 lisse avec peu de soufflure ou de cratères observables [figures 1 et 2). Aussi, à partir ae la coupe présentée sur la figure 2, l'élément de résistance 11 a une coupe solide. Au contraire de ceci, comme représenté dans les figures 3 et 4, l'élément de résistance 21 sur le substrat 23 entre les éléments conducteurs 25 préparé conformément à l'exemple 2 a un aspect de 15 surface rugueux et irréguliers avec des cratères et des soufflures visibles à l'oeil nu. Ceci est en outre illustré sur la figure 4 qui représente la coupe de la résistance 21 avec une série de vides 27 ou de soufflures et dont une partie de la résistance 21 est arrachée de la surface 29 du substrat 23. 20 Les effets désastreux des soufflures de l'élément de résistance réalisé conformément à l'exemple 2 sont illustrés dans la coupe représentée sur la figure 5 dans laquelle une partie de l'élément de résistance a été supprimée du substrat 23 de façon à ajuster la résistance à la valeur adéquate. . On peut voir que le bord ajusté 31 de l'élément de résistance 21 dans 25 la partie de la soufflure 27 n'est pas en contact ou supporté par le substrat 23. En conséquence, au cours d'autres ajustages ou après que l'élément de résistance et son module associé ont été encapsulés dans un matériau protecteur, la partie présentant une soufflure risque de se casser et de ne plus faire partie de la résistance. Ceci place en général la résistance de l'élément 30 de résistance 21 au-delà des tolérances électriques du dispositif. Les éléments de résistance cuits sont analysés pour déterminer leur teneur en carbone résiduel avec un pourcentage en carbone quelque peu plus élevé (0,25 contre moins de 0,01% par moyenne de deux déterminations) trouvé dans l'élément préparé à partir de la pâte avec le charbon excité. Les 35 propriétés électriques de l'élément de résistance des exemples 1 et 2 sont illustrées dans la tableau 1 ci-dessous: 7 2124232 72 0C558 TABLEAU 1 * 5 10 Elément de Elément de Résistance de Résistance de l'exemple 1 l'exemple 2 Variation de puissance -0,68% +0,033% Limite de puissance ±1,25% ±1,25% Variation d'humidité +2,13% +0,087% -* où les valeurs sont des pourcentages de changements des valeurs en ohms Ces propriétés électriques sont comparables. Par conséquent, le nouvel élément de résistance n'est pas affecté par tout résidu résultant de la 15 présence de charbon activé rendant la préparation de la résistance. EXE FF LE 3 Un élément de résistance est préparé en utilisant la comoosition et le procédé de l'exemple 1 à l'exception au'un agent véhiculant différent est utilisé. L'agent véhiculant est composé des constituants suivants: 20 Pourcentage par rapport au poids Solvant de terpinéol 90,0 Ethylcellulose (N-7 Hercules Power Co.) 10,0 25 Agent tensio-actif oleyl Sarcosin (Sarkosyl 0, Geisy Chem. Co.) 0,5 L'élément de résistance préparé à partir de la pâte de résistance par le procédé de l'exemple 1 a des propriétés électriques excellentes et un contours de surface relativement lisse oui possède peu si non aucun cratères ou vides 30 et une section en coupe relativement solide. Pour permettre d'autres illustrations du procédé de l'invention, on réalise une série de pâtes de résistance utilisant le mélange conducteur sec et le véhicule préparé selon l'exemple 1 excepté que la pâte est d'abord mélangée sans charbon additionné et à trois parties de la pâte mélangée 35 sont ajoutées des quantités différentes comme représenté dans le tableau 2 ci-dessous de charbon activé à degré de pureté pharmaceutique qui est 8 pi 94232 1 72 00558 broyé de façon à passer à travers un tamis de calibre américain 325. Après l'addition de charbon à chaque partie distincte de pâte, la pâte est mélangée six fois encore à travers le moulin à trois rouleaux. Les éléments de résistance sont préparés conformément au procédé de l'exemple 1. Le nombre de soufflures peut être estimé à l'oeil nu à partir de photographies agrandies des éléments de résistance. TABLEAU 2 10 15 % de charbon (par poids de la pâte totale) Soufflure et cratère 1. 0 Excessif 2. .0,2 Excessif 3. 0,4 Réduction de 75% soufflure et cratère 4. 2,0 Réduction de 90% Soufflure et cratère Les résultats observés sont enregistrés dans le tableau 2 ci-dessus où on peut voir que les quantités croissantes de charbon entraînent une diminution accrue des soufflures. La quantité optimum de charbon à ajouter a une pâte de composition particulière peut facilement être déterminée par 20 l'homme de l'art. L'exposé précédent a décrit une composition de résistant qui réduit de façon importante les effets désastreux résultants des cratères et des soufflures qui se produisaient précédemment pendant la cuisson de la pâte de résistance pour constituer des éléments de résistance fondus. Cette réduction 25 des soufflures réduit considérablement le nombre des modules qui doit être rebuté pendant la fabrication ou l'utilisation. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de 30 l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 72 00558 9 2124232 REVENDICATIONS 1.- Composition d'une Date pour résistance caractérisée en ce qu'elle comprend un matériau conducteur en poudre, un matériau isolant en poudre, et une quantité efficace de charbon activé en poudre dispersée dans un agent 5 véhiculant. 2.- Composition d'une pâte pour résistance caractérisée en ce qu'elle comprend un mélange d'un matériau conducteur en poudre, d'un matériau isolant en poudre, et d'une quantité de charbon de bois activé en poudre, ledit mélange étant dispersé dans un agent véhiculant comorenant un solvant volatile 10 et un polymère organique. 3.- Composition d'une pâte pour résistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit charbon de bois activé se trouve en quantité supérieure à environ 0,2% en poids du poids total de la pâte mais inférieure à environ 4% en poids du poids total de la pâte. 15 4.- Procédé de préparation d'un élément résistant caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt d'un mélange de pâte pour résistance sur un substrat, ledit mélange comprenant un mélange d'un matériau conducteur en poudre, d'un matériau isolant en poudre, et d'une quantité efficace de charbon de bois activé en Doudre dispersé dans un solvant volatile, et ensuite, 20 le séchage et la cuisson de la pâte à une température élevée de façon à supprimer les matériaux volatiles comprenant une partie importante dudit charbon et permettant de faire fondre ledit matériau conducteur en poudre et ledit isolant en poudre. 5.- Elément de résistance caractérisé en ce qu'il est préparé par le procédé 25 de la revendication 4. 6.- Camposition de résistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit matériau conducteur en poudre est de l'oxyde de palladium dopé au lithium, ledit matériau isolant en poudre est un verre de borosilicate, ledit charbon se trouve avec une proportion de l'ordre de 0,4 à 2% en poids 30 du poids total de la pâte et ledit véhicule comprend un solvant volatile et de l'éthyl cellulose. 7.- Pâte pour résistance comprenant un matériau conducteur en poudre et un matériau isolant en poudre dispersé dans un agent véhiculant liquide 72 00558 10 2124232 inerte, caractérisée en ce que on ajoute à ladite pâte une quantité efficace de charbon de bois activé. 8.- Pâte selon la revendication 7 caractérisée en ce que le charbon se trouve dans des quantités supérieures en poids à environ 0,2% du poids total 5 de la pâte jusqu'à environ 4,0% du poids total de la pâte. 9.- Procédé de préparation d'un élément de résistance sur un substrat de céramique réalisé par passage à travers un écran d'une pâte pour résistance contenant un matériau conducteur en poudre et un matériau isolant en poudre dispersé dans un agent véhiculant liquide inerte sur la surface du substrat 10 et en faisant cuire le substrat et la pâte à une température élevée pour éliminer le matériau volatile et faire fondre les matériaux conducteurs et isolants, caractérisé en ce qu'on ajoute à la pâte une certaine quantité de charbon de bois activé. 10.- Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit charbon 15 est ajouté dans une proportion de l'ordre de 0,4 à 2% en poids du poids total de la pâte.