SUBSTRATE FOR PRINTED CIRCUITS

Abstract: In a printed circuit substrate of metal-silicate laminated composite material, the silicate is a BaO-Al2O3-SiO2 glass-ceramic, pref. of compsn. (by wt.) 25-40 (esp. 35)% BaO, 5-20 (esp. 10)% Al2O3 and 40-65 (esp. 55)% SiO2.

Description: "Substrat für gedruckte Schaltungen" Die Erfindung betrifft ein Substrat für gedruckte Schaltungen aus Metall-Silicat-Schichtverbundwerkstoff. Für die Herstellung von gedruckten Schaltungen durch Aufdrucken und Einbrennen von Leiter-, Widerstands- und Dielektrikumspaster werden meist Substrate aus Keramik, besonders Aluminiumoxid, oder aus emailliertem Stahl benutzt. Obwohl Substrate aus emailliertem Stahl gegenüber solchen aus Keramik manche Vorteile besitzen, werden sie bisher nur für spezielle Zwecke eingesetzt. Ein wesentlicher Grund dafür ist die niedrige Erweichungstemperatur des Emails, die nur Einbrenntemperaturen unterhalb von etwa 650 0C erlaubt. Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein für die Herstellung gedruckter Schaltungen geeignetes Substrat zu finden, das die Vorteile eines Substrats aus emailliertem Stahl besitzt, jedoch eine noch bei Temperaturen oberhalb von etwa 650 C, insbesondere oberhalb 830 OC, stabile Oberflächenschicht besitzt, so dass auch für Keramik-Substrate entwickelte Pasten darauf eingebrannt werden können. Das die Lösung der Aufgabe darstellende Substrat aus tietall- Silicat-Schichtverbundwerkstoff ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das Silicat eine BaO-Al203-SiO2-Glaskeramik ist. Bewährt hat sich eine Glaskeramik aus 25 bis 40 Gewichts- Ó BaO, 5 bis 20 Gewichts- Ó A1203 und 40 bis 65 Gewichts- Ó Si02; bevorzugt wird die aus 35 Gewichts- Ó BaO, 10 Gewichts- Ó Al 203 und 55 Gewichts-Ó SiO2. Unter "Metall", das zusammen mit der Glaskeramik das Substrat gemäss der Erfindung bildet, werden für diesen Zweck geeignete temperaturbeständige Metalle und Legierungen verstanden. Besonders bewährt haben sich Stähle, zum Beispiel Sicromal, Invar und verkupfertes Invar Invar Die Substrate gemäss der Erfindung sind nicht nur bis 830 C, sondern sogar bis etwa 980 0C stabil und können ohne nachteilige Veränderungen wiederholt auf Temperaturbereiche bis etwa 980 0C erhitzt werden. Die Glaskeramik haftet fest auf dem Metall und löst sich auch beim Verbiegen des Substrats nicht ab. Diese Glaskeramik/ Metall-Verbindung ist vibrationsstabil, d. h. sie ist unempfindlich gegen Erschütterungen und sonstige Biegebeanspruchungen, und eignet sich deshalb besonders gut in der Verwendung als Schaltkreissubstrat für den Einsatz in der KFZ-Elektronik. Im Gegensatz hierzu sind die bekannten Aluminiumoxid-Keramik Substrate äusserst spröde und demzufolge anfällig gegen Erschütterungen. Die Dicke der Glaskeramik-Schicht soll mindestens 20 tim betragen; bevorzugt wird eine Dicke von 30 bis 60 Fm. Mit für Keramik-Substrate benutzten Druckpasten sind die Substrate gemäss der Erfindung verträglich; die eingebrannten Leiter- und Widerstandsbahnen besitzen reproduzierbare Leitfähigkeits- und Widerstandswerte. Mehrschicht-Schaltungen (multilayer) sind wie bei Keramik-Substraten möglich. Da die Glaskeramik frei von Alkalimetallen ist, tritt keine Verunreinigung der Widerstandsbahnen und damit keine Änderung ihres Widerstands mit der Zeit ein. Die Schichtverbund-Substrate gemäss der Erfindung werden durch Aufbringen eines rekristallisierenden Glases in der der Glaskeramik entsprechenden Zusammensetzung in Pulver- oder Pastenform oder als Suspension in geeigneter Weise auf das Metall und Einbrennen an Luft bei Temperaturen bis etwa 980 C hergestellt. Dem Pulver, der Paste oder der Suspension kann ein organischer oder anorganischer Farbstoff, zum Beispiel Kobaltsilicat, zugesetzt werden. Das Aufbringen des Pulvers kann zum Beispiel durch Flammoder Plasmaspritzen erfolgen. Soll das Glas in Pastenform aufgebracht werden, so wird das Glaspulver mit einem geeigneten organischen Träger, zum Beispiel Terpineol/Athylcellulose, gemischt und die erhaltene pastenförmige Mischung durch zum Beispiel elektrostatisches Sprühen, Drucken, Tauchen, Pinseln oder Spritzen auf das Metall aufgebracht. Besonders bewährt hat sich das gegebenenfalls zu wiederholende Aufbringen durch Siebdruck. Dadurch ist es möglich, auf einfache Weise sowohl die gesamte Metalloberfläche als auch nur bestimmte Teilbereiche der Metalloberfläche mit Mer Glaskeramik zu versehen. Grundsätzlich ist das erfindungsgemässe Substrat in grossen Formaten preisgünstig zu erstellen. Die mit einem oder mehreren Glaskeramik-Teilbereichen versehenen Substrate stellen eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung dar. Sie bieten zum Beispiel die Möglichkeit, das Substrat als Träger für die gedruckte Schaltung und gleichzeitig als Konstruktionselement, zum Beispiel als ein in der Mitte mit der Glaskeramik und darauf aufgebrachter gedruckter Schaltung versehener Deckel eines Gehäuscs, zu benutzen. Die mit dem Substrat gemäss der Erfindung in Dickschicht-Technik hergestellten gedruckten Schaltungen können auch als Heizleiter Verwendung finden Zur näheren Erläuterung wird in den folgenden Beispielen die Herstellung eines Metall-Silicat-Substrats gemäss der Erfindung, die Herstellung von Leiter- und Widerstandsbahnen unter Verwendung von für Keramik-Substrate üblichen Leiterund Widerstandspasten beschrieben und der erzielte Flächenwiderstand mit dem von auf Aluminiumoxid erzeugten Widerstandsbahnen verglichen. Beispiel 1 Herstellung eines Metall-Silicat-Substrats gemäss der Erfindung Ein 15 x 10 cm (etwa DIN A 6-Format) grosses Stahl-Blech (Werkstoff-Nr. 1.4742) wird durch Sandstrahlen oberflächenbehandelt. Dann wird eine Paste aus 70 S pulverförmigem Glas aus 35,2 Gewichts- Ó BaO, 10,3 Gewichts-eÓ A1203 und 54,5 Gewichts-e' Si02 und 30 Gewichts- Ó einer Mischung aus 92 Gewichts¯ Ó Terpineol und 8 Gewichts- Ó Äthylcellulose durch Siebdruck auf das Stahl Blech aufgebracht, 10 Minuten bei 150 0C getrocknet und im Durchlaufofen 60 Minuten lang, wobei 10 Minuten lang eine Spitzen-Temperatur von 950 0C herrscht, eingebrannt. Beispiel 2 Bestimmung des Widerstandes von Widerstandsbahnen a) auf dem Metall-Silicat-Substrat nach Beispiel 1 Auf das Metall-Silicat-Substrat wird eine für Aluminium Keramik benutzte Ag/Pd-Leiterpaste (Heraprint C 4140, Ag : Pd-Verhältnis 26 : 1) im Siebdruck aufgebracht, ge trocknet und 60 Minuten lang im Durchlaufofen bei maximal 850 (10 Minuten) eingebrannt. Dann wird eine ebenfalls für Aluminiumoxid-Keramik benutzte Ru-0x id-Widerstandspaste (Heraprint R 40208) aufgedruckt und - wie für die Leiterpaste beschrieben - eingebrannt. Der nach DIN 48 450 bestimmte Flächenwiderstand beträgt 952 b) auf Aluminiumoxid Auf ein 5 x 5 cm grosses Aluminiumoxid-Plättchen werden - wie unter a) beschrieben - die Ag/Pd-Leiterpaste und die Ru-Oxid-Widerstandspaste aufgedruckt und eingebrannt. Der nach DIN 48 450 bestimmte Flächenwiderstand beträgt 100#/@. Als Silicat für das aus einem Metall-Silicat-Schichtverbundwerkstoff bestehende Substrat gemäss der Erfindung hat sich neben der Glaskeramik aus 25 bis 40 Gewichts¯ Ó BaO, 5 bis 20 Gewichts-% Al 203 und 40 bis 65 Gewichts- Ó SiO2 eine Glaskeramik aus 25 bis 50 Gewichts- Ó BaO, 5 bis 20 Gewichts-% A1203, 30 bis 65 Gewichts- Ó Si02, 0 bis 15 Gewichts-% MgO, 0 bis 15 Gewichts-% CaO, 0 bis 5 Gewichts-% SrO, 0 bis 2 Ge wichts- ó B203, 0 bis 4 PbO, 0 bis 3 Gewichts- Ó ZnO und 0 bis 4 Ge wichts- Ó Ti02 besonders bewährt.

Claims: A substrate for printed circuits of composite laminated metal-silicate material, characterised in that the silicate is a vitreous ceramic comprising 25 to 40 weight % of BaO, 5 to 20 weight % of Al₂O₃ and 40 to 65 weight % of SiO₂. A substrate for printed circuits of composite laminated metal-silicate material, characterised in that the silicate is a vitreous ceramic comprising 25 to 50 weight % of BaO, 5 to 20 weight % of Al₂O₃, 30 to 65 weight % of SiO₂, 0 to 15 weight % of MgO, 0 to 15 weight % of CaO, 0 to 5 weight % of SrO, 0 to 2 weight % of B₂O₃, 0 to 4 weight % of PbO, 0 to 3 weight % of ZnO and 0 to 4 weight % of Ti O₂. A substrate according to claim 1, characterised in that the vitreous ceramic comprises approximately 35 weight % of BaO, 10 weight % of Al₂O₃ and 55 weight % of SiO₂. A substrate according to one of the preceding claims, characterised in that the vitreous ceramic additionally contains an inorganic pigment. A substrate according to one of the preceding claims, characterised in that the metal is steel. A substrate according to one of the preceding claims, characterised in that it has one or more vitreous ceramic part-regions. Use of the substrate according to one of claims 1 to 6 for the production of a printed circuit by a thick layer technique. Use of the substrate according to one of claims 1 to 6 for the production of heating conductors by a thick layer technique.

Inventors: DECKELMANN, KARL, DR. DIPL.-CHEM., HORNUNG, JUERGEN, JONES, GRAHAM STEWART, KERSTING, ROLAND, DR., REYNOLDS, QUENTIN, DIPL.-PHYS., TAITL, INO, DIPL.-ING., Hornung, Jürgen
Applicants: W.C. HERAEUS GMBH
Application year: 1985
Main classification: H05K1
IPC codes: H01L23, C23D5, H05K1, C03C10