专利名称：结晶玻璃合成物、结晶玻璃、绝缘合成物、绝缘膏以及厚膜电路板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电路板中的结晶玻璃合成物，用作诸如多层电路板之类的电路板中的电气绝缘体，通过烧结结晶玻璃合成物得到的烧结结晶玻璃、含有结晶玻璃粉末(含有结晶玻璃合成物)和陶瓷粉末的绝缘合成物、通过混合绝缘合成物和有机载体制备而成的绝缘膏、以及通过烧结绝缘膏得到的具有绝缘层的厚膜电路板。
本发明尤其涉及一种改进的方法，用于允许结晶玻璃合成物或绝缘膏在低温烧结，并赋予烧结的结晶玻璃或通过烧结它们而得到绝缘层以低介电常数和高热膨胀系数。
因为用于诸如IC和LSI中的集成电路的半导体元件中的进步，使得各种电子器具的小型化和高度集中近年来已经有了战略性的进步，结果，电路板也需要小型化和高度集中，以安装用于集成电路的半导体元件，这迫使电路板的电布线要细微并是多层的。
已知当围绕导体的材料具有更高的介电常数时，在导体中传播的信号通常被延迟。因此，用于高速传播的电气绝缘材料需要具有低介电常数。
但是，由于通常低介电常数绝缘体的热膨胀系数小于用于例如电极中的导体的热膨胀系数，故有一个问题，即，当将各种材料综合到多层体中时，由于热膨胀系数的差，产生变形和破裂。
关于上述的问题，日本第3-4594号未审查专利公告打算通过允许包含一定组合比例的主要成分MgO，SiO2和CaO，研制一种具有更大的热膨胀系数的绝缘层，以制造一种集成电容器型混合电路板，其中通过将大热膨胀系数的介质层插入绝缘层之间而结合起来，由此增加了绝缘层的热膨胀系数。在这个公告中解释的绝缘层中，通过在1000℃到1300℃的温度下煅烧，然后在1240℃到1340℃烧结，使主要的结晶相镁橄榄石(Mg2SiO4)沉淀，以增加热膨胀系数。
但是，在构成上述公告中所述的绝缘层的电气绝缘体中，在1100℃或更低的温度下烧结是不可能的。因此，材料无法用于电路板的电气绝缘体，其中含有例如银之类的导体形成在表面上或它们的内部。
虽然已知melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种是具有比镁橄榄石(Mg2SiO4)更大的热膨胀系数，但在上述公告中描述的绝缘层的电气绝缘体似乎落在相对来说沉淀少量结晶相的合成区域中。
相应地，本发明的一个目的是提供一种结晶玻璃合成物，用于电路板中，其中melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种结晶相(它们有大于镁橄榄石(Mg2SiO4)的热膨胀系数，但可以在1100℃或更低的温度烧结)可以如上所述在1100℃或更低的温度下有效地沉淀，由此，可以提供电气绝缘体，用于电路板中，它的相对介电常数为12或更小，，热膨胀系数有10ppm/℃那么高，并提供一种由烧结结晶玻璃合成物而获得的烧结结晶玻璃。
本发明的另一个目的是提供一种绝缘合成物，含有如上所述的结晶玻璃合成物以及陶瓷粉末，通过混合绝缘合成物与有机载体制备的绝缘膏，以及通过烧结绝缘膏得到的厚膜电路板。更具体地说，本发明的目的是提供一种绝缘合成物和绝缘膏，它可以在1100℃或更低的温度下烧结，并允许melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种结晶相如上所述在1100或者更低的温度下有效地沉淀，由此提供一种电气绝缘体，用于电路板中，烧结后，它的相对介电常数是10那么小或更小，热膨胀系数有8ppm/℃那么高或更高，并提供厚膜电路板，它具有通过烧结绝缘膏得到的绝缘层。
另一方面，本发明提供了一种用于含有SiO2，MgO和CaO的电路板的结晶玻璃合成物，其中SiO2，MgO和CaO中由重量百分比％表示的构成比落在由连接三元相图中的点A(25，45，30)，B(25，0，75)，C(44，0，56)，D(44，22，34)，E(40，19，41)和F(29，40，31)的线所围绕的区域内，其中通过热处理所述合成物，使melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种沉淀。
本发明还提供一种用于电路板中的结晶玻璃合成物，其SiO2，MgO和CaO中由重量百分比％表示的构成比落在由连接三元相图中的点G(30，19，51)，H(30，5，65)，I(44，5，51)和J(44，19，37)的线所围绕的区域内，其中通过热处理所述合成物，使melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种沉淀。
另一方面，本发明提供了一种用于含有主要成分SiO2，MgO和CaO，同时含有附属成分(1)Al2O3，(2)BaO和SrO与/或ZnO的碱土金属氧化物中的至少一种，(3)Li2O，Na2O和K2O碱金属氧化物中的至少一种，和(4)B2O3中的至少一种的电路板的结晶玻璃合成物，其中主要成分中由重量百分比％表示的SiO2，MgO和CaO的合成比落在三元相图中连接点A’(25，70，5)，B’(25，0，75)，C’(44，0，56)和D’(44，51，5)的线围绕的区域内，其中相对于100份重量的主要成分，含有组合比为0.5到50份重量的附属成分，同时含有附属成分(1)0.5到25份重量的Al2O3(如果有的话)，(2)0.5到10份重量的BaO和SrO和/或ZnO的碱土金属氧化物中的一种(如果有的话)，(3)0.5到5份重量的Li2O，Na2O和K2O中的碱土金属氧化物中的一种(如果有的话)，和(4)0.5到25份重量的B2O3，通过热处理所述合成物，使melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种沉淀。
用于上述电路板中的结晶玻璃合成物如此选择，主要成分SiO2，MgO和CaO中由重量百分比％表示的构成比落在由
图1所示的三元相图中的连接点E(25，45，30)，B(25，0，75)，C(44，0，56)，F(44，22，34)，G(40，19，41)和H(29，40，31)的线所围绕的区域内。
较好的，主要成分SiO2，MgO和CaO中由重量百分比％表示的构成比落在由连接三元相图中的点I(30，19，51)、J(30，5，65)、K(44，5，51)和L(44，19，37)的线所围绕的区域内。
图1示出一个三元相图，指出用于根据本发明的电路板的结晶玻璃合成物中所包含的SiO2、MgO和CaO的成分范围。
图2示出根据本发明的厚膜电路板的一个例子，说明了厚膜多层电路板的截面图，其中制备该厚膜多层电路板是为了求例3中的相对介电常数和绝缘特性。
图3示出一个三元相图，指出用于根据本发明的电路图的另一种结晶玻璃合成物中所包含的SiO2、MgO和CaO的成分范围。
通常可以通过对原料先熔化，然后淬火，来制造合成物而得到上述结晶玻璃合成物。
当如上所述的特定的结晶相在热处理后沉淀时，一部分相可能在热处理之前就已经沉淀了。这些特定的相外的其它结晶相可以保留在合成物中，它们可以在热处理之前沉淀，或者它们中的一部分在热处理之前就已经沉淀。
通常，用于允许如上所述的特定的结晶相从结晶玻璃合成物中沉淀的热处理是在高于合成物的结晶温度的温度下进行的。结晶温度为1100℃或更低，从而可以在相对较低的温度形成特定的结晶相。
这里使用的词语“结晶玻璃”指具有“结晶相的玻璃”和/或“具有通过热处理沉淀结晶相能力的玻璃”。
本发明还针对一种烧结结晶玻璃，这种烧结结晶玻璃是通过烧结结晶玻璃合成物而得到的，它用于电路板中。
这种烧结玻璃包含melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种结晶相。
尤其地，通过烧结上述较好的结晶玻璃合成物得到的烧结结晶玻璃包含melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)的所有结晶相。
本发明还针对一种绝缘合成物，它含有结晶玻璃粉末，这种粉末包含上述结晶玻璃合成物以及陶瓷粉末。陶瓷粉末在根据本发明的绝缘合成物中的热膨胀系数为6.0ppm/℃或更大。
如上所述的绝缘合成物最好包含50％或者更多重量的结晶玻璃粉末。
绝缘合成物中的陶瓷粉末包含从矾土、镁橄榄石、尖晶石、石英、透辉石(diopsite)、melwinite、钙镁橄石、滑石、顽火辉石、硅酸钙中选出的至少一种。
本发明还针对一种通过混合如上所述的绝缘合成物与有机载体(vehicle)制备而成的绝缘膏。
本发明还针对一种厚膜电路板，这种厚膜电路板具有通过烧结如上所述的绝缘膏得到的绝缘层。
例1例1涉及一种结晶玻璃合成物和烧结玻璃合成物。
准备SiO2，MgCO3和CaCO3，作为玻璃合成物的烧结材料。在将它们混合为如表1所示的玻璃合成物(重量百分比％)之后，在1500到1750℃制备熔化混合物，以制备熔化玻璃。通过将熔化的玻璃放在水中淬火得到玻璃粉末。
表1
表1中所示的每一种玻璃成分的合成物都被标在图1的三元相图中。每一个参数1到15对应于表1中的各个样品号。
通过将玻璃粉末与有机溶剂和作为溶剂的甲苯混合，制备一种膏剂，这种膏剂中均匀地散布有玻璃粉末，然后在球磨机中反复捏合。膏剂在降低压强下去泡沫。
通过使用刮片法的铸造方法，将每一层厚度为0.2mm的未烧结薄片从如上所述得到的膏剂施加到薄膜上。对每一层未烧结薄片干燥、从薄膜上剥下，然后冲压以形成具有给定尺寸的未烧结薄片。
层叠几张这样的未烧结薄片，并冲压模制，得到模制体。
然后，在1100℃将模制体烧结两小时，其中加热速度为每小时200℃，得到烧结的结晶玻璃。
对这些烧结的结晶玻璃，评估其相对介电常数、绝缘阻抗、热膨胀系数、在1100℃或更低温度下的烧结能力和结晶相。
使用尺寸为10mm×10mm×0.5mm的样品检测相对介电常数。在频率1MHz、电压1Vrms和温度25℃，使用LCR测量计测量静电电容，以从测量到的静电电容计算相对介电常数。
对于绝缘电阻的测量，使用具有与在相对介电常数的测量中使用的样品的尺寸相同的样品，其上施加了50V的直流电压以测量60秒钟后的阻抗。
对于热膨胀系数的测量，使用尺寸为2mm×2mm×10mm的样品，测量温度范围从30℃到400℃中的平均热膨胀系数。
通过X射线衍射分析法研究结晶相，以通过对所评估样品的表面的X射线衍射图案对其进行识别。
评值结果列在表2中。表1和表2中由(*)标出的样品指那些成分在本发明的范围之外的样品。
表2
<p>下面将参照表1、表2和图1，描述用于根据本发明的电路板中的结晶玻璃合成物中成分范围的原因。
在成分为xSiO2-yMgO-zCaO(x，y和z由重量百分比％表示)的结晶玻璃中，成分在本发明的范围内的第1到11号样品落在由连接了图1所示的三元相图中的点A(25，24，30)，B(25，0，75)，C(44，0，56)，D(44，22，34)，E(40，19，41)和F(29，40，31)的线围绕的区域中。
在第1到11号样品中沉淀有melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种(其热膨胀系数大于镁橄榄石)。结晶相可以在1100℃或更低的温度烧结，而作为用于电路板中的电气绝缘材料，具有较好的特性，比如相对介电常数为12、绝缘阻抗(log IR)大于9，并且热膨胀系数为12ppm/℃。
尤其地，在由连接点A、B、C、D和E的线围绕以及由连接点G(30，19，51)，H(30，5，65)，I(44，5，51)和J(44，19，37)的线围绕的有限区域中的第7到11号样品中沉淀有melwinite，钙镁橄石和硅酸钙，这由于绝缘阻抗(log IR)超过11而给出了更高的绝缘特性。
有时只有除上述特定结晶相外的结晶沉淀在通过上述淬火而硫化得到的固相中，即使成分落在由图1中的A、B、C、D、E和F连接的线所包围的区域内。例如，当根据表1中的第10号样品的玻璃合成物在金属板上冷却时，钙镁黄长石沉淀在淬火过的固相中。当含钙镁黄长石的固相受加热处理时它们不沉淀想要的结晶相，而将透辉石和钙镁黄长石作为主要结晶相，使得热膨胀系数小于12ppm/℃。即使是当使用相同的玻璃合成物时是否得到具有想要的结晶相的结晶玻璃还要依赖于生产方法。
在图1的区域X中，在1100℃或更低的温度下烧结变得不充分，该区域的成分在本发明的范围外面，这在表2中所示的第12和13号样品的烧结特性中是显然的，这引起绝缘阻抗的退化。
同样地，在图1的区域Y中，热膨胀系数减小到小于12ppm/℃，该区域Y的成分在本发明的范围外，这从表2中所示的第14号样品的热膨胀系数是显然的，因为镁橄榄石的热膨胀系数小于作为主要结晶相的melwinite，钙镁橄石和硅酸钙。
同样地，在图1中的区域Z中的热膨胀系数减小到12ppm/℃，该区域Z的成分在本发明的范围外面，这从表2中所示的第15号样品的热膨胀系数是显然的，因为透辉石(CaMgSi2O4)的热膨胀系数小于作为主要结晶相的melwinite，钙镁橄石和硅酸钙。
例2例2涉及一种绝缘合成物，其中使用根据例1中的第4和11号样品的玻璃粉末。
制备包含表3中所示的各种陶瓷材料的粉末。各种陶瓷材料的热膨胀系数示于表3中。矾土、镁橄榄石、尖晶石、石英、透辉石、melwinite、钙镁橄石、滑石、顽火辉石和硅酸钙(CaSiO3用作本试验中的的硅酸钙)的热膨胀系数分别为6.0ppm/℃。列出富铝红柱石作为比较，它的热膨胀系数为4.0ppm/℃或小于6.0ppm/℃。
表3<
称量玻璃粉末和陶瓷粉末达到表4中所示的各个成分(重量百分比％)。通过将有机粘剂和溶剂混合加到每一种粉末中，然后用球磨机完全混合而制备均匀散布的膏剂。这种膏剂在减小压强下除沫。
表
通过使用刮片法的铸造法，从如此得到的膏剂在薄膜上形成厚度为0.2mm的各个未烧结薄片。对这些未烧结薄片干燥、从薄膜上剥下，并冲压，以得到具有给定的尺寸的未烧结薄片。
层叠多张未烧结薄片，并进行冲压模制，以得到模制体。
将模制的未烧结薄片在1100℃烧结2小时，得到烧结的绝缘合成物，其中加热速度为200℃每小时。
通过与例1中使用的相同的方法，评值烧结的绝缘合成物的热膨胀系数。将评估的结果列在表5中。由(*)标出的样品号指成分在本发明的范围外面，或在本发明的较佳实施例的规定的范围外面。
表5
下面将参照表3、表4和表5描述限制根据本发明的绝缘合成物的范围或在本发明的较佳实施例中描述的范围的原因。
根据本发明的绝缘合成物中所含有的陶瓷粉末热膨胀系数为6.0ppm/℃或更大，因为当使用热膨胀系数为6.0ppm/℃或更低的陶瓷时，有时得不到热膨胀系数为8ppm/℃或更大的烧结体。
实际上，当将热膨胀系数为6.0ppm/℃或4.0ppm/℃的富铝红柱石(如表3中所示)用作第38号样品中的陶瓷粉末时，如表3所示，无法得到热膨胀系数为8ppm/℃或更大的烧结体，即使当结晶玻璃的热膨胀系数为12ppm/℃或更大，也无法得到(见表2中的第4和11号样品的热膨胀系数一栏)。
根据本发明的较佳实施例的绝缘合成物包含重量百分比为50％或更大的结晶玻璃粉末。当合成物包含比例为50％或更少的结晶玻璃粉末时，难以在1100℃烧结，有时这在使用合成物作为绝缘材料的电路板中引起初始短路，或者影响潮湿负荷测试中的可靠性。
实际上，由于第24和28号样品只含有少于50％或40％重量百分比的玻璃粉末(如表4中所示)，故烧结变得不充分，如表5所示。
例3例3指绝缘膏以及印刷在厚膜上的多层电路板。
称量玻璃粉末和陶瓷粉末达到上面的例2中表4中所示的样品的成分。把通过将丙烯酸树脂溶解在α松油醇中制备而成的四十份重量的有机载体加到60份重量混合的粉末中，以在捏制后制备绝缘膏。
按照下面的方法制造印刷在厚膜上的多层电路板，其中厚膜上使用所得到的绝缘膏形成有绝缘层。
如图2所示，将厚度为0.635mm的氧化铝基片制备成基片1。将Ag/Pd膏通过丝网印刷印刷到基片上，并通过在空气中在1100℃烧结形成尺寸为8mm的下导体层2。下导体层2作为电容器的一个电极。
前面制备好的绝缘膏通过丝网印刷印刷到下导体层2上，并且印刷的图案在空气中在1100℃干燥，由此在下导体层2上形成直径为6mm的绝缘层3，它是盘状的。
通过将将银膏通过丝网印刷印刷到绝缘层3上，然后在空气中烧结，形成上导体层4，其直径为4mm，用作电容器的另一个电极，此外，形成保护电极5，以便围绕上导体层4，其中离开上导体层4的边缘的距离为500μm，由此形成了印刷在厚膜上的所需的多层电路板。
通过使用下导体层2和上导体层4作为一对相对的电极，而将绝缘层3用作介质层，测量电容器的特性，求出绝缘层3的特征，或者相对介电常数(εr)和绝缘阻抗(IR)。
从电容器的静电电容和大小计算相对介质常数εr，其中测量静电电容的频率是1MHz，电压为1Vrm，温度为25℃，同时用保护电极保护电极。
通过在85℃温度和RH为85％的条件下施加100V的电压1000小时后，施加100V的直流电压1分种，测量绝缘阻抗(IR)。求得的结果列在表6中。
表6
由(*)标出的样品号指成分在本发明的范围外面，或者在根据本发明的较佳实施例的指定的范围外面的样品。由(*)标出的第24和28号样品无法评估，因为无法充分地烧结样品的绝缘层3。
在第21到23、25到27和29到37号样品中得到相对介电常数为10或更小，以及绝缘阻抗大于9的特征，这些样品的成分在本发明的范围内。虽然在成分在本发明的范围外面的第38号样品中得到类似的特征，但是第38号样品不是较好的，因为无法得到例2中所示的热膨胀系数为8ppm/℃或更大的烧结体。
如从例1中显然可见的，本发明提供了一种结晶玻璃合成物，用于电路板中，它包含SiO2、MgO和CaO，其中SiO2、MgO和CaO的合成比(由重量百分比％表示)落在由图1所示的三元相图中连接点A(25，45，30)，B(25，0，75)，C(44，0，56)，D(44，22，34)，E(40，19，41)和F(29，40，31)的线围绕的区域内其中melwinite(Ca3MgSi2O8)，钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一个结晶相通过热处理合成物而沉淀。合成物可以在1100℃或者更低的温度烧结，这赋予烧结的合成物一些有利的特征对于用于电路板中的电气绝缘材料，相对介电常数只有12或更低，热膨胀系数有12ppm那么高或更高。
尤其地，当用于根据本发明的电路板中的结晶玻璃合成物中所含有的SiO2，MgO和CaO的合成比落在图1中所示的三元相图中连接点G(30，19，51)，H(30，5，65)，I(44，5，51)和J(44，19，37)的线所围绕的区域内，在melwinite，钙镁橄石和硅酸钙中的任何的结晶相都可以沉淀，由此给出一种电气绝缘材料，它具有更高的绝缘阻抗。
相应地，用于根据本发明的电路板中的，通过烧结结晶玻璃合成物得到的烧结结晶玻璃被小型化和紧凑，这使合成物有利地用于需要具有快速信号传播的多层电路板。
如从例2和3可见的，将热膨胀系数为6.0ppm/℃的陶瓷粉末加到包含结晶玻璃合成物于绝缘合成物和绝缘膏中的粉末中。由此，可以得到热膨胀系数为8ppm/℃或者更大，相对介电常数为10或更小的烧结体，用于具有高电阻率的电气绝缘体。
根据本发明的绝缘膏有利地提供了一种绝缘层，用于小型化和紧凑的厚膜多层电路板，并且这种多层电路板需要具有高速的信号传播，例如用于混合IC基片、封装、LC滤波器芯片、延迟线芯片和层叠的电容器芯片。
诸如难以在1100℃或者更低的温度烧结、使用绝缘合成物的电路板中发生初始短路，或者在潮湿负荷测试中可靠性变差之类的问题可以通过允许结晶玻璃粉末包含于根据本发明的绝缘合成物中(其中重量百分比为50％或更大)来安全地防止。
例4制备SiO2，MgCO3，CaCO3，Al2O3，ZnO，SrCO3，BaCO3，Li2CO3，Na2CO3，K2CO3和B2O3作为原材料。在混合了这些材料为表7到表11中所示的合成物后，得到的混合物在1500到1750℃的温度下熔化，以制备熔化玻璃。然后，熔化的玻璃通过将其放置在纯水中淬火，得到粉碎的玻璃。
表7
表8
<p>表9
<p>表10
<p>在这些成分中，仍然用重量单位百分比％描述表7到表11中所示的各个样品中玻璃的成分中的SiO2，MgO和CaO的主要成分，这些成分绘制在图3所示的三元相图中。换句话说，在“图3中的三元相图中的参考记号”一列中描述参考记号A’到S’，它们表示根据各个样品的玻璃中的主要成分，它相应于图3中描述的参考记号A’到S’。
将作为溶剂的有机黏合剂和甲苯与每一种玻璃粉末混合，制备一种膏剂，其中通过用球磨机反复搓捏，使玻璃粉末均匀地散布。然后在减小压强下使膏剂除沫。
通过使用刮片法的铸造方法，厚度为0.2mm的各个未烧结薄片从由此得到的膏剂形成在薄膜上。对这些未烧结薄片干燥、从薄膜剥去，并冲压，得到具有给定尺寸的未烧结薄片。
通过在层叠多张这些未烧结薄片后冲压模制得到模制体。这些模制体在1000℃下烧结2小时，其中加热速度为每小时200℃，由此得到烧结的结晶玻璃。
测量相对介电常数、绝缘阻抗和热膨胀系数，同时评估在1000℃或更低的温度下烧结的能力以及结晶相的性质。
实际上，尺寸为10mm×10mm×0.5mm的样品用于决定相对介电常数。使用LCR测量计测量静电电容，测量条件是，频率为1MHz、电压为1Vrms，温度为25℃，用于从测量到的静电电容计算相对介电常数。
对于绝缘阻抗的测量，使用与测量相对介电常数中所使用的样品具有相同尺寸的样品，其上施加50V的直流电压，以在60秒种后测量阻抗。
使用尺寸为2mm×2mm×10mm的样品，并测量从30℃到400℃的温度范围内的平均热膨胀系数。
通过X射线衍射分析法研究结晶相，以通过所评估样品的表面的X射线衍射图案对其进行识别。
将上述评估的结果列在表12到表16中。由样品号右侧列中的记号(*)标出的样品指成分处于表7和表6的本发明范围外面的样品。
表12
<p>表13<
<p>表14
<p>表15
表16
<p>下面将参照表7到11和表12到16，以及图3，描述用于根据本发明的电路板中的结晶玻璃合成物的成分范围受限制的原因。
用于电路板中，其成分在本发明的范围内的结晶玻璃合成物含有主要的成分为SiO2，MgO和CaO，同时含有附属成分，至少是(1)Al2O3，(2)BaO和SrO，和/或ZnO中的至少一种碱土金属氧化物，(3)Li2O，Na2O和K2O中的至少一种碱金属氧化物，和(4)B2O3中的一种。
表7中第1001到1018号不含有附属成分的样品具有的成分处于本发明的范围外面。第1001到1018号样品无法在1000℃或更低的温度下烧结，如表12中所示。
虽然对于主要成分，第1001到1014号样品中具有的成分在本发明的范围内，但由于它们不包含任何附属成分，故烧结是不可能的。
作为表7到表11中所示的，在本发明的范围内的玻璃合成物的主要成分的xSiO2-yMgO-zCaO(x，y和z由重量百分比％表示)构成落在由图3中的三元相图中连接点A’(25，70，5)，B’(25，0，75)，C’(44，0，56)和D’(44，51，5)的线围绕的区域内。换句话说，合成物A’，B’，C’，D’，E’，F’，G’，H’，I’，J’，K’，L’，M’和N’包含在本发明的范围内。
对于主要成分的合成物，图3中在本发明的外面的区域X’包括合成物O’和P’，表7中的第1025和1026号样品、表8中的第1065和1066号样品，表9中的第1105和1106号样品以及表11中的第1163和1164号样品具有这些构成。如在表12中的第1025和1026号样品，表13中所示的第1065和1066号样品、表14中所示的第1105和1106号样品、以及表16中所示的第1163和1164号样品的烧结特性示出的，这些样品在1000℃或更低的温度下未充分烧结。
同样地，对于主要成分的构成，由“S”描述的构成落在区域Y’内，该区域在本发明的范围外面。表11中的第1187号样品具有这样的构成。如从表16中所示的第1187号样品的沉淀的结晶体的热膨胀系数和特性可见的热膨胀系数为10ppm/℃那么小或更小，因为Melwinite(Ca3MgSi2O8)，钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的一种)都没有沉淀。
同样，对于主要成分的构成，由“Q’”和“R’”表示的构成落在图3中的区域Z’内，该区域在本发明的范围外面。表7中的第1027和1028号样品、表8中的第1067和1068号样品、表9中的第1107和1108号样品以及表1中的第1165和1166号样品具有这样的构成。如从表12中所示的第1027和1028号样品、表13中的第1067和1068号样品、表14中的第1107和1108号样品、和表16中的第1165和1166号样品的热膨胀系数可见的，它们的热膨胀系数减小到10mmp/℃那么小或更小，因为具有比镁橄榄石、melwinite、钙镁橄石或硅酸钙更小的热膨胀系数的透辉石(CaMgSi2O4)和顽火辉石(MgSiO3)用作主要结晶相。
当用于根据本发明的电路板中的结晶玻璃成分包含(1)Al2O3，(2)BaO和SrO以及/或ZnO的碱土金属氧化物中的一种，(3)Li2O，Na2O和K2O中的至少一种碱金属氧化物，和(4)上述的B2O3中的至少一种附属成分时，相对于100份主要成分的重量，含有比例为0.5到50％的重量的附属成分，然而不可避免地包含(1)如果有Al2O3的话，0.5到25份重量的Al2O3，(2)如果有BaO和SrO的话，0.5到10份重量的碱土金属BaO和SrO中的一种，(3)如果有Li2O、Na2O和K2O中的碱金属氧化物中的一种的话，0.5到5份重量的Li2O、Na2O和K2O中的碱金属氧化物中的一种，和(4)如果有B2O3的化，0.5到25份重量的B2O3。
对于附属成分的含量的下限，它们的含量的组合比例应该是对于100份主要成分的重量含有0.5份重量或更多，以允许它们的作用能基本上显示出来，这是由于附属成分是用于改善结晶玻璃合成物在1000℃或更低的温度的烧结特性。
下面将描述附属成分的含量的上限。
注意，具有超过上述上限含量的范围的构成的样品，与在本发明的范围内的主要成分的构成无关。从而如表12中所示，在表1所示的第35到40号样品中，在1000℃或更低的温度的烧结困难，因为对于100份重量的主要成分，附属成分(1)的含量，Al2O3超过25份重量。
如表13和14所示，在第1053到1058、1075到1080和1093到1098号样品中，1000℃或更低温度时的烧结仍然是困难的，因为对于100份重量的主要成分，BaO和SrO中的一种附属成分(2)的含量超过10份重量。同样，如表11所示，虽然第1186号样品包含附属成分(2)的BaO和SrO，但如表16所示，在1000℃或更低温度时烧结仍然是困难的，因为对于100份重量的主要成分，ZnO和SrO的组合量超过10份重量。
如表14和表15所示，第1115到1120、1133到1138和1151到1156号样品的相对介电常数大于10，因为如表9和10所示，对于100份重量的主要成分，附属成分(3)，即Li2O，Na2O，K2O中的一种超过5份重量。同样，如表5所示，第185号样品的相对介电常数超过10，因为虽然它包含有附属成分，但相对于100份重量的主要成分，Li2O，Na2O，K2O的总的组合量大于5份重量。
如表11中所示，第1173到1178号样品的热膨胀系数小于10pmm/℃，因为如表16所示，对于100份重量的主要成分，附属成分(4)，B2O3，超过25份重量。
当第1184号样品如表11所示还包含所有的附属成分(1)Al2O3、附属成分(2)ZnO、附属成分(4)B2O3时，相对于100份重量的主要成分，每一种附属成分的含量在本发明的范围内，但附属成分的组合量超过50份重量。结果，在表16所示的第1184号样品中在1000℃或更低的温度时烧结是困难的。
相反，在表7和表12所示的第1019到1024和1029到1034号样品、表8和表13所示的第1059到1064和1069到1074号样品、表9和表14所示的第1081到1092、1099到1104以及1109到1114号样品、表10和表15所示的第111到1132和1139到1150号样品、表11和表16所示的第1157到1162、1167到1172、1179到1183和1188到1195号样品中沉淀有melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种(它们具有大于镁橄榄石合成物的热膨胀系数)。相应地，在1000℃或更低的温度下，令人满意的烧结是可能的，以赋予用于电路板的电气绝缘体的合成材料以良好的特性，诸如相对介电常数为10或更小，热膨胀系数为10ppm/℃或更大，以及绝缘阻抗(logIR)大于9。
表7和表12中所示的第1020、2021、1023、1030、1031和1033号样品、表8和表13中所示的第1042、1043、1045、1048、1049、1051、1060、1061、1063、1070、1071和1073号样品、表9和表14所示的第1082、1083、1085、1088、1089、1091、1100、1101、1103、1110、1111和1113、表10和表15中所示的第1122、1123、1125、1128、1129、1131、1140、1141、1143、1146、1147和1149号样品、以及表11和16中所示的第1158、1159、1161、1168、1169、1171、1179、1183和1188到1195号样品(它们落在规定本发明的范围的连接了点A’、B’和C’的线所围绕的区域中更进一步限制的区域内，或落在如图3所示三元相图中的由连接点E’(25，45，30)，B’(25，45，30)，C’(44，0，56)，F’(44，22，34)，G’(40，19，41)，和H’(29，40，31)的线围绕的区域内)具有更大的热膨胀系数，为12ppm/℃。
在表7和表12中所示的第1023和1033号样品、表8和表13所示的第1045、1051、1063和1073号样品、表9和表14所示的第1085、1091、1103和1113号样品、表10和表15中所示的第1125、1131、1143和1149样品、以及表11和表16所示的第1161、1171、1179和1192到1195号样品(它们都落在连接点E’、B’、C’、F’、G’和H’的线所围绕的区域内被进一步限制的区域中，或者是三元相图中连接点I’(30，19，51)、J’(30，5，65)，K’(44，5，51)和L’(44，19，37)的线所围绕的区域中)中沉淀有melwinite、钙镁橄石和硅酸钙，这使合成材料能够得到12ppm/℃或更大的热膨胀系数(几乎所有的合成材料的热膨胀系数都超过12ppm/℃)，同时使合成材料能够得到高的绝缘特性，因为阻抗(logIR)超过11。
即使当合成材料包含主要成分，其构成落在连接点A’、B’和C’和D’的线所围绕的区域中，并包含其构成在本发明的范围内的附属成分时，有时，只有除了上述特定的较好的结晶相之外的结晶相沉淀在固相中，其中该固相是通过上述淬火而硫化得到的。例如，根据表1中的第24号样品的玻璃合成物在金属板上冷却时，镁橄榄石在在淬火过的固相中沉淀。当对沉淀的相热处理时，主要的结晶相由镁橄榄石、透辉石、钙镁黄长石构成，而不含有所需沉淀的结晶相，结果证实，热膨胀系数减小到12ppm/℃或更小。是否得到具有想要的结晶相的结晶玻璃依赖于生产的方法，即使当使用相同的玻璃合成物时亦是如此。
如从到现在为止所描述的例子中可见的，用于根据本发明中的电路板的结晶玻璃合成物包含主要成分SiO2、MgO和CaO，它们的构成落在由连接点A’(25，70，5)、B’(25，0，75)、C’(44，0，56)和D’(44，51，5)的线所围绕的范围内。玻璃合成物还包含附属成分(1)Al2O3，(2)碱土金属氧化物BaO和SrO和/或ZnO中的至少一种，(3)Li2O，Na2O和K2O中的碱金属氧化物中的至少一种。相对于100份重量主要成分，包含0.5到50份重量比例的附属成分，同时包含(1)0.5到25份重量的Al2O3(如果有的话)，(2)0.5到10份重量的碱金属氧化物，BaO和SrO以及/或ZnO(如果有的话)，(3)0.5到5份重量的碱土金属氧化物Li2O，Na2O和K2O中的至少一种(如果有的话)，(4)0.5到25份重量的B2O3(如果有的话)。由于热处理时，可以沉淀melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种，玻璃合成物可以在1000℃或更低的温度烧结，这赋予玻璃合成物以作为用于电路板中的电气绝缘体的良好的特性，其中相对介电常数只有10那么小或更小，而热膨胀系数有10ppm/℃那么高或更高。
权利要求
1.一种用于含有SiO2，MgO和CaO的电路板的结晶玻璃合成物，其中SiO2，MgO和CaO中由重量百分比％表示的构成比落在由连接三元相图中的点A(25，45，30)，B(25，0，75)，C(44，0，56)，D(44，22，34)，E(40，19，41)和F(29，40，31)的线所围绕的区域内，其特征在于通过热处理所述合成物，使melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种沉淀。
2.一种用于如权利要求1所述的电路板中的结晶玻璃合成物，SiO2，MgO和CaO中由重量百分比％表示的构成比落在由连接三元相图中的点G(30，19，51)，H(30，5，65)，I(44，5，51)和J(44，19，37)的线所围绕的区域内，其特征在于通过热处理所述合成物，使melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种沉淀。
3.一种通过烧结用于如权利要求1所述的电路板中的结晶玻璃合成物而得到的结晶玻璃合成物，其特征在于含有melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种。
4.一种通过烧结用于如权利要求2所述的玻璃板中的结晶玻璃合成物得到的结晶玻璃合成物，其特征在于包含melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种。
5.一种绝缘合成物，其特征在于包含用于如权利要求1或2的电路板中的结晶玻璃合成物的结晶玻璃粉末，以及热膨胀系数为6.0ppm/℃或更大的陶瓷粉末。
6.如权利要求5所述的绝缘合成物，其特征在于含有50％或更多重量百分比的结晶玻璃粉末。
7.如权利要求5或6所述的绝缘合成物，其特征在于陶瓷粉末是从由矾土、镁橄榄石、碱金属、石英、透辉石、melwinite、钙镁橄石、滑石、顽火辉石和硅酸钙构成的组中选出的至少一种陶瓷粉末。
8.一种绝缘膏，其特征在于通过混合如权利要求5到7所述的绝缘合成物以及有机载体制备而成。
9.一种厚膜电路板，其特征在于具有通过烧结如权利要求8所述的绝缘膏而得到的绝缘层。
10.一种用于含有主要成分SiO2，MgO和CaO，同时含有附属成分(1)Al2O3，(2)BaO和SrO与/或ZnO的碱土金属氧化物中的至少一种，(3)Li2O，Na2O和K2O碱金属氧化物中的至少一种，和(4)B2O3中的至少一种的电路板的结晶玻璃合成物，其中主要成分中由重量百分比％表示的SiO2，MgO和CaO的合成比落在三元相图中连接点A’(25，70，5)，B’(25，0，75)，C’(44，0，56)和D’(44，51，5)的线围绕的区域内，其特征在于相对于100份重量的主要成分，含有组合比为0.5到50份重量的附属成分，同时含有附属成分(1)0.5到25份重量的Al2O3(如果有的话)，(2)0.5到10份重量的BaO和SrO和/或ZnO的碱土金属氧化物中的一种(如果有的话)，(3)0.5到5份重量的Li2O，Na2O和K2O中的碱金属氧化物中的一种(如果有的话)，和(4)0.5到25份重量的B2O3，通过热处理所述合成物，使melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种沉淀。
11.一种用于如权利要求10所述的电路板的结晶玻璃合成物，其特征在于SiO2，MgO和CaO中由重量百分比％表示的构成比落在由连接三元相图中的点E’(25，45，30)，B’(25，0，75)，C’(44，0，56)，F’(44，22，34)，G’(40，19，41)和H’(29，40，31)的线所围绕的区域内。
12.一种用于权利要求10所述的电路板中的结晶玻璃合成物，其特征在于SiO2，MgO和CaO中由重量百分比％表示的构成比落在由连接三元相图中的点I’(30，19，51)、J’(30，5，65)、K’(44，5，51)和L’(44，19，37)的线所围绕的区域内。
13.一种烧结结晶玻璃，通过烧结用于如权利要求10或11的电路板中的结晶玻璃合成物而得到，其特征在于含有melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种。
14.一种烧结结晶玻璃，通过烧结用于如权利要求12所述的电路板中的结晶玻璃合成物而得到，其特征在于含有melwinite(Ca3MgSi2O8)、钙镁橄石(CaMgSiO4)和硅酸钙(CaSiO3，Ca3Si2O7，Ca2SiO4和Ca3SiO5中的至少一种)中的至少一种。
全文摘要
本发明提供了一种结晶玻璃合成物,用于一种电路板中,它能够在1100℃温度下烧结,并能够赋予玻璃合成物作为用于电路板中的电气绝缘体的良好的特性,诸如相对介电常数只有1/2那么低,热膨胀系数有12ppm/℃那么高,其中,用于电路板中的结晶玻璃合成物含有SiO
文档编号C03C10/00GK1251830SQ99121568
公开日2000年5月3日 申请日期1999年10月15日 优先权日1998年10月16日
发明者川上弘伦, 砂原博文, 田中俊树, 渡边静晴, 鹰木洋 申请人:株式会社村田制作所