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DE19500235A1 - Abdeckschicht für elektrische Leiter oder Halbleiter - Google Patents

Abdeckschicht für elektrische Leiter oder Halbleiter

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DE19500235A1
DE19500235A1 DE19500235A DE19500235A DE19500235A1 DE 19500235 A1 DE19500235 A1 DE 19500235A1 DE 19500235 A DE19500235 A DE 19500235A DE 19500235 A DE19500235 A DE 19500235A DE 19500235 A1 DE19500235 A1 DE 19500235A1
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Germany
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protective layer
weight
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porous
tight
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DE19500235A
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Peter Gerstel
Ulrich Schoenauer
Michael Tafferner
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Heraeus Electro Nite International NV
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Roth Technik GmbH
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Publication date
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abdeckschicht auf zumindest einem elektrischen Leiter und/oder Halbleiter gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Schutzschichten für elektrischer Leiter sind bekannt (DE-23 04 464 C2). Sie bestehen beispielsweise aus Barium-Aluminium-Silikaten, die nach den in der Keramiktechnik üblichen Verfahren aufgebracht werden. Solche Schichten sind im allgemeinen gasdichte Abdeckschichten.
Es sind ferner auch poröse Abdeckschichten bekannt, die z. B. aus einem Metall, einer Metallegierung, einem Oxid oder einem Mischoxid, wie z. B. Magnesium-Spinell, Carbiden, Boriden, Nitriten von Übergangsmetallen, aus silikatischen Mineralien, wie hochschmelzendes Sinterglas oder aus feuerfesten keramischen Materialien, die auch als Rohstoffe bzw. Rohstoffmischungen wie Kaolin oder Talkum, gegebenenfalls unter Zusatz von Flußmitteln, wie Feldspat, Nephelinsyenit oder Wollastonit aufgetragen und anschließend gesintert werden, bestehen.
Bei den bekannten Schutzschichten ist die gasdichte Abdeckschicht auf einem Festelektrolyten angebracht, während sich die poröse erste Schutzschicht über den Elektroden befindet.
Es hat sich herausgestellt, daß beim Überziehen von elektrischen Leitern mit gasdichten Abdeckschichten Ionen, wie z. B. Kalzium-, Natrium- oder Sauerstoffionen unter dem Einfluß der an den Leitern anliegenden Spannungen, insbesondere bei höheren Temperaturen wandern und damit zu Schäden in der erste Schutzschicht und in der Folge auch an den Leitern führen. Dabei können durch Entladungen der Sauerstoffionen auch Sauerstoffbläschen freigesetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Abdeckschichten zu schaffen, in denen eine Ionenwanderung vermieden wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Abdeckschichten gemäß dem Hauptanspruch. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Bei den erfindungsgemäßen Abdeckschichten ist unmittelbar auf der Oberfläche des elektrischen Leiters und/oder Halbleiters eine poröse Schutzschicht und auf der porösen ersten Schutzschicht zumindest bereichsweise eine gasdichte zweite Schutzschicht angeordnet.
Überraschenderweise läßt sich eine Sauerstoffionenwanderung dadurch unterbinden, daß unterhalb der gasdichten Abdeckschicht auf der Oberfläche des elektrischen Leiters oder Halbleiters poröse Abdeckschichten aufgebracht werden. Dadurch wird die Wanderung von Sauerstoffionen zwischen den Leitern unterschiedlichen Potentials und damit deren schädlicher Einfluß vermieden.
Die poröse erste Schutzschicht enthält 20 bis 60 Gew.-Teile Siliciumdioxid, 28 bis 75 Gew.-Teile Aluminiumoxid und 1 bis 27 Gew.-Teile Bariumoxid.
Die gasdichte Schutzschicht enthält 20 bis 56 Gew.-Teile Siliciumdioxid, 28 bis 75 Gew.-Teile Aluminiumoxid und 2 bis 55 Gew.-Teile Bariumoxid.
Vorzugsweise enthält die poröse erste Schutzschicht 28 bis 50 Gew.-Teile Siliciumdioxid und 30 bis 65 Gew.-Teile Aluminiumoxid. Der Zusatz von Bariumoxid liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 2 bis 20 Gew.-Teilen.
Die gasdichte zweite Schutzschicht enthält vorzugsweise 28 bis 50 Gew.-Teile Siliciumdioxid und 30 bis 65 Gew.-Teile Aluminiumdioxid. Der Gehalt an Bariumoxid liegt in der Größenordnung von 4 bis 50 Gew.-Teilen Bariumoxid. Die Porosität der beiden Schutzschichten läßt sich durch den Gehalt an Bariumoxid regeln. Die gasdichte zweite Schutzschicht weist einen Gehalt an Bariumoxid auf, der im allgemeinen um das 2- bis 8,5-fache größer ist als derjenige der porösen Schutzschicht.
Die gasdichte zweite Schutzschicht enthält besonders bevorzugt 30 bis 45 Gew.-Teile Siliciumdioxid und insbesondere 35 bis 40 Gew.-Teile Siliciumdioxid. Der Aluminiumoxidgehalt der gasdichten zweiten Schutzschicht liegt bevorzugt im Bereich von 30,0 bis 65,0 Gew.-Teilen, besonders bevorzugt im Bereich von 40,0 bis 60 Gew.-Teilen und insbesondere im Bereich von 47,0 bis 53,0 Gew.-Teilen. Der Gehalt an Bariumoxid liegt bevorzugt im Bereich von 4 bis 50 Gew.-Teilen, besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 45 Gew.-Teilen, insbesondere im Bereich von 10 bis 30 Gew.-Teilen und ganz speziell im Bereich von 12 bis 25 Gew.-Teilen.
Die gasdichte zweite Schutzschicht enthält bevorzugt einen um das 3- bis 7-fache größeren Gehalt an Bariumoxid als die poröse Schutzschicht. Ganz besonders bevorzugt ist der Gehalt an Bariumoxid der gasdichten erste Schutzschicht um etwa das 3,5-fach größer.
Die gesamte Oberfläche des elektrischen Leiters oder Halbleiters kann von der porösen erste Schutzschicht bedeckt sein, wobei auch die Oberflächen von Leitern oder sensitiven Schichten, wie z. B. temperaturempfindlichen Leitern, Halbleitern, Elektroden, beispielsweise Meß- oder Bezugselektroden, von der porösen ersten Schutzschicht bedeckt sein können. Die Oberflächen der Elektroden können aber von der porösen ersten Schutzschicht auch ausgespart sein. Das Aufbringen dieser Schutzschichten kann durch alle üblichen Aufbringverfahren, wie z. B. durch Siebdruck, Tauchen, Flammspritzverfahren oder Dünnschichtechniken, wie Aufdampfen oder Sputtern erfolgen. Besonders bevorzugt werden die Schutz schichten durch Beschichtungsverfahren der Dickschichttechnik, wie beispielsweise Siebdruck aufgebracht. Die gasdichte zweite Schutzschicht ist auf der porösen ersten Schutzschicht angeordnet und kann diese bis auf die Elektrodenbereiche völlig bedecken.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid zumindest teilweise durch Zusatz von Kaolin einzustellen, das sowohl Aluminiumoxid als auch Siliciumdioxid enthält. Die Feineinstellung der gewünschten Rezeptur wird dann durch Zusatz von Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Bariumoxid vorgenommen. Die Porosität der Schutz schichten wird insbesondere durch den Gehalt an Bariumoxid eingestellt. Eine Erhöhung des Bariumgehalts innerhalb der oben angegebenen Grenzen erniedrigt den Schmelzpunkt und verbessert damit das Sinterverhalten. Je niedriger der Schmelzpunkt ist, umso weniger porös werden die Mischungen nach dem Sintern. Die Schutzschichten werden im allgemeinen nicht auf ihre Schmelztemperaturen erhitzt, sondern unterhalb der Schmelztemperaturen gesintert, wodurch sich ein glasartiges oder kristallines Oxidgemisch der Teilkomponenten bildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur und der Beispiele näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Leiter mit Abdeckschichten;
Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung der Fig. entlang der Schnittlinie II-II.
Der elektrische Leiter 12 ist auf einem Substrat 10 aufgebracht, der in eine Elektrode 18 führt. Über dem Leiter 12 ist eine poröse erste Schutzschicht 14 aufgebracht, die auch die Elektrode 18 bedeckt. Eine diese nicht bedeckende gasdichte zweite Schutzschicht 16 ist an den übrigen Stellen auf der porösen erste Schutzschicht 14 aufgebracht.
Die Fig. 2 enthält einen zusätzlichen Leiterzug 13.
Beispiel 1
Herstellung des Ausgangsmaterials für eine poröse Schicht 13,3 g Kaolin, 1,6 g Siliciumdioxid, 5,9 g Aluminiuimoxid und 1,0 g Bariumcarbonat werden durch Mahlen in einer Planetenkugelmühle homogenisiert. Das Gemisch wird dann in einen 300 ml-Achatbecher gegeben, mit 30 ml Ethanol versetzt und nach Zugabe von 8 Achatkugeln 8 h homogenisiert. Das homogenisierte Gemisch wird dann 10 h bei 1000°C in normaler Ofenatmosphäre kalziniert. Das Aufheizen des Ofens von Raum- auf Kalzinierungstemperatur erfolgt mit einer Rate von 10 K pro min. Danach wird auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.
Das durch Kalzinieren hergestellte Pulver wird durch Mahlen in einer Planetenkugelmühle homogenisiert. Das Pulver wird in einen 300 ml-Achatbecher gegeben, mit 30 ml Ethanol versetzt und nach Zugabe von 8 Achatkugeln 12 h gemahlen. Nach dem Mahlen wird das homogenisierte Gemisch im Trockenschrank getrocknet.
Das getrocknete Pulver wird in Anteilen von 10 g in einen 75 l-Achatbecher gegeben, mit 6,5 g eines Siebdruckmediums Cerdec Nr. 80840 versetzt und nach Zugabe von 7 Achatkugeln 4 h lang in einer Planetenkugelmühle homogenisiert.
Beispiel 2 Siebdruck und Brand
Die nach Beispiel 1 hergestellte Siebdruckpaste wird durch Siebdruck auf einen elektrischen Leiter aufgebracht. Danach wird mit folgendem Sinterprofil gesintert:
  • 1. Aufheizen auf 400°C mit einer Rate von 10 K pro min;
  • 2. 30 min Halten bei 400°C;
  • 3. Aufheizen auf 1330°C mit einer Rate von 5 K pro min;
  • 4. 60 min Halten bei 1330°C (Sintern);
  • 5. Abkühlen auf 25°C mit einer Rate von 10 K pro min.
Auf diese Weise wird auf dem Leiter eine poröse erste Schutzschicht erhalten.
Beispiel 3 Herstellung einer porösen Schicht
Entsprechend Beispiel 1 wird eine Mischung aus 13,6 g Kaolin, 1,8 g Siliciumdioxid, 4,5 g Aluminiumoxid und 4,9 g Bariumcarbonat homogenisiert und zu einer Siebdruckpaste weiterverarbeitet.
Das Bedrucken eines Leiters und das Sintern der porösen ersten Schutzschicht erfolgt analog Beispiel 2, wobei die Sintertemperatur 1280°C beträgt.
Beispiel 4 Herstellung des Ausgangsmaterials für eine gasdichte Abdeckschicht
11,0 g Aluminiumoxid, 8,0 g Siliciumdioxid und 4,0 g Bariumcarbonat werden analog Beispiel 1 homogenisiert, kalziniert und zu einer Siebdruckpaste verarbeitet.
Beispiel 5 Herstellung des Ausgangsmaterials für eine gasdichte Schicht
9,7 g Aluminiuimoxid, 6,8 g Siliciumdioxid und 8,4 g Bariumcarbonat werden analog Beispiel 1 homogenisiert, kalziniert und zu einer Siebdruckpaste verarbeitet.
Beispiel 6
Die Siebdruckpasten gemäß Beispielen 4 und 5 werden entsprechend Beispiel 2 durch Siebdruck auf eine poröse Schutzschicht, die gemäß Beispiel 2 erhalten worden ist, aufgebracht und wie in den Beispielen 2 und 3 beschrieben, gesintert.
Dabei wird durch Kombination der porösen Schichten nach Beispiel 1 oder 3 sowie der gasdichten Schichten nach Beispiel 4 oder 5 ein Zweischichtsystem erhalten, das auf dem Leiter zunächst eine poröse erste Schutzschicht und darüber eine gasdichte zweite Schutzschicht aufweist.

Claims (27)

1. Abdeckschicht auf zumindest einem elektrischen Leiter und/oder Halbleiter, insbesondere eines elektrischen Sensors, dadurch gekennzeichnet, daß als Abdeckschicht unmittelbar auf der Oberfläche des elektrischen Leiters (12) und/oder Halbleiters (15) eine poröse erste Schutzschicht (14) und auf der porösen ersten Schutzschicht (14) zumindest bereichsweise eine gasdichte zweite Schutzschicht (16) angeordnet ist.
2. Abdeckschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) den Halbleiter zumindest bereichsweise nicht bedeckt.
3. Abdeckschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht (14) die folgende Zusammensetzung hat:
20-60 Gew.-Teile Siliciumdioxid
28-75 Gew.-Teile Aluminiumoxid
1-27 Gew.-Teile Bariumoxid
4. Abdeckschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) die folgende Zusammensetzung hat:
20-56 Gew.-Teile Siliciumdioxid
28-75 Gew.-Teile Aluminiumdioxid
2-55 Gew.-Teile Bariumoxid
mit der Maßgabe, daß der Gewichtsanteil an Bariumoxid der gasdichten erste Schutzschicht (16) um das etwa 2 bis 8,5-fache größer ist als derjenige der porösen ersten Schutzschicht (14).
5. Abdeckschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) 28 bis 50 Gew.-Teile Siliciumdioxid enthält.
6. Abdeckschicht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) 30 bis 45 Gew.-Teile Siliciumdioxid enthält.
7. Abdeckschicht nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) 35 bis 40 Gew.-Teile Siliciumdioxid enthält.
8. Abdeckschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) 30 bis 65 Gew.-Teile Aluminiumoxid enthält.
9. Abdeckschicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht 40 bis 60 Gew.-Teile Aluminiumoxid enthält.
10. Abdeckschicht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) 47,0 bis 53,0 Gew.-Teile Aluminiumoxid enthält.
11. Abdeckschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht 4 bis 50 Gew.-Teile Bariumoxid enthält.
12. Abdeckschicht nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) 5 bis 45 Gew.-Teile Bariumoxid enthält.
13. Abdeckschicht nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) 10 bis 30 Gew.-Teile Bariumoxid enthält.
14. Abdeckschicht nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte zweite Schutzschicht (16) 12 bis 25 Gew.-Teile Bariumoxid enthält.
15. Abdeckschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht 28 bis 50 Gew.-Teile Siliciumdioxid enthält.
16. Abdeckschicht nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht (14) 30 bis 45 Gew.-Teile Siliciumdioxid enthält.
17. Abdeckschicht nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht (14) 35 bis 40 Gew.-Teile Siliciumdioxid enthält.
18. Abdeckschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht (14) 30 bis 65 Gew.-Teile Aluminiumoxid enthält.
19. Abdeckschicht nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht 40 bis 60 Gew.-Teile Aluminiumoxid enthält.
20. Abdeckschicht nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht (14) 54,0 bis 59,0 Gew.-Teile Aluminiumoxid enthält.
21. Abdeckschicht nach mindestens einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht (14) 2 bis 20 Gew.-Teile Bariumoxid enthält.
22. Abdeckschicht nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht (14) 2,5 bis 15 Gew.-Teile Bariumoxid enthält.
23. Abdeckschicht nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse erste Schutzschicht (14) 3 bis 10 Gew.-Teile Bariumoxid enthält.
24. Abdeckschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Bariumoxid der gasdichten erste Schutzschicht (16) um das 3 bis 7-fache größer ist als derjenige der porösen erste Schutzschicht (14).
25. Abdeckschicht nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Bariumoxid der gasdichten erste Schutzschicht (16) um etwa das 3,5-fache größer ist als derjenige der porösen erste Schutzschicht (14).
26. Abdeckschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (12) von der porösen erste Schutzschicht (14) und von der gasdichten zweiten Abdeckschicht (16) völlig bedeckt ist.
27. Abdeckschicht nach mindestens einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid zumindest teilweise durch Zugabe von Kaolin eingestellt wird.
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