DE69531138T2

DE69531138T2 - Dickschichtpaste

Info

Publication number: DE69531138T2
Application number: DE69531138T
Authority: DE
Inventors: Junzo Nagoya-shi Fukuda; Akio Osaka-shi Harada; Susumu Nakoya-shi Nishigaki
Original assignee: Daiken Kagaku Kogyo KK; Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Daiken Kagaku Kogyo KK; Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1994-11-21
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2015-11-18
Also published as: US5601638A; EP0713357A1; JPH08148787A; DE69531138D1; EP0713357B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Dickfilmpaste, die zur Herstellung eines Leiters, eines Widerstandes, eines Isolators, einer Schutzvorrichtung und dergleichen in einem Schaltsubstrat aus Keramik mittels eines Siebdruckverfahren verwendet wird und über ausgezeichnete Druckeigenschaften verfügt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Schaltsubstrat aus Keramik wird beispielsweise durch ein Verfahren hergestellt, bei dem eine Leiterpaste für eine Schaltung auf ein gebranntes Keramiksubstrat oder einen ungebrannten Rohling gedruckt wird. Außerdem wird mittels Siebdruck eine Isolierpaste für eine Isolierschicht darauf gedruckt. Nach dem Trocknen wird dieses Verfahren wiederholt; dann wird das Konstrukt gebrannt. Neben den vorstehenden Leiter- und Isolierpasten können je nach Bedarf auch Pasten für einen Widerstand und eine Schutzvorrichtung aufgebracht werden. Diese Pasten werden hauptsächlich in einem Siebdruckverfahren verwendet, so dass man sie kollektiv Dickfilmpasten nennt.
Im Allgemeinen wird eine Dickfilmpaste beispielsweise dadurch hergestellt, dass man ein leitfähiges Pulver wie ein Metallpulver und ein isolierendes Pulver wie ein Keramik- oder Glaspulver (zur Herstellung einer Leiterpaste) oder eine elektrisch widerstandsfähige Komponente wie eine auf der Basis von RuO₂ (zur Herstellung einer Widerstandspaste) zu einem Bindemittel genannten Gemisch aus einem organischen Harz und einem Lösungsmittel hinzufügt. In einem herkömmlichen Bindemittel wird beispielsweise Ethylcellulose oder Acrylharz als organisches Harz und Butylcarbitolacetat, α-Terpineol oder β-Terpineol als Lösungsmittel verwendet.
Beispielsweise beschreibt US-A-4,394,171 (JP-OS Nr. 31509/1983) eine Dickfilmleiterzusammensetzung, die ein aus Ethylcellulose (organisches Harz) und β-Terpineol (Lösungsmittel) zusammengesetztes Bindemittel enthält.
Die herkömmliche Dickfilmpaste, in der das vorstehende Bindemittel verwendet wird, hat den Nachteil, dass die Viskosität beim Drucken zunimmt und die Druckbarkeit darunter leidet. Die Zunahme der Viskosität würde dazu führen, dass die Trennung der Paste von der Druckplatte scheitert, wodurch es zu Nadellöchern und in extremen Fällen zum Bruch der Verdrahtung in dem Leiter und zu einem Kurzschluss in der Isolierschicht kommt. Der Grund für die Veränderung in der Viskosität liegt darin, dass bei Verwendung eines organischen Lösungsmittels beim Drucken und Trocknen unbedingt für Be- und Entlüftung gesorgt werden muss. Durch Verdampfung des Lösungsmittels nimmt die Viskosität der Paste beim Drucken zu. Die herkömmliche Dickfilmpaste hat den weiteren Nachteil, dass sie beim Drucken manchmal ausblutet. Dieses Ausbluten einer Leiterpaste für Schaltungen beeinträchtigt die Qualität feiner Linien. Der Grund für dieses Ausbluten ist die schlechte Benetzbarkeit leitfähiger Metallpulver wie Ag, Au, Pd, Pt usw. durch ein Lösungsmittel.
Aus JP-A-54 121 996 ist eine Dickfilmpaste bekannt, die in einem Bindemittel dispergierte anorganische Teilchen umfasst. Dieses Bindemittel umfasst ein anorganisches Harz und eine oder mehrere der Verbindungen 1-Dodecanol, 1-Tridecanol oder 1-Tetradecanol als Lösungsmittel zusammen mit Borsilicatglasfritte als anorganisches Bindemittel.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Dickfilmpaste für ein keramisches Schaltsubstrat, bei dem die Veränderung der Viskosität und das Ausbluten beim Drucken so gering sind, dass mit der Dickfilmpaste ausgezeichnet gedruckt werden kann.
Die Erfinder haben intensive Studien durchgeführt und dabei herausgefunden, dass diese Aufgabe durch Inkorporieren einer bestimmten Verbindung als Lösungsmittel in eine Dickfilmpaste gelöst werden kann. Auf diese Weise haben sie die Erfindung gemacht.
Das heißt die Erfindung betrifft eine Dickfilmpaste, die zur Herstellung eines keramischen Schaltsubstrats durch ein Siebdruckverfahren verwendet wird und die anorganische Teilchen umfasst, welche in einem ein organisches Harz und ein Lösungsmittel umfassenden Bindemittel dispergiert sind. Je nach Bedarf enthält dieses außerdem ein anorganisches Bindemittel. Das Lösungsmittel besteht aus 2-Tetradecanol oder einem Gemisch aus 2-Tetradecanol und einem anderen Lösungsmittel.
Bevorzugt ist das 2-Tetradecanol in der Dickfilmpaste in einer Menge von mindestens 3 Gew.-% enthalten, und das Bindemittel umfasst 5 bis 25 Gew.-% eines organischen Harzes und 95 bis 75 Gew.-% eines Lösungsmittels.
Die anorganischen Teilchen der Dickfilmpaste sind je nach Typ der Paste ein leitfähiges Pulver (für eine Leiterpaste), ein elektrisch widerstandsfähiges Pulver (für eine Widerstandspaste), ein Isolierpulver (für eine Isolierpaste) oder ein schützendes Pulver (für eine Paste für eine Schutzvorrichtung) und werden je nach Bedarf in Kombination mit einem organischen Bindemittel wie Glas verwendet.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der erfindungsgemäßen Dickfilmpaste hat das 2-Tetradecanol (Isotetradecanol), das das Lösungsmittel ganz oder teilweise ausmacht, einen höheren Siedepunkt, eine niedrigere Verdampfungsrate und eine geringere Fähigkeit, die ungebrannte Platte aufzulösen oder aufquellen zu lassen als die anderen in Tabelle 1 aufgeführten Lösungsmittel. Die in Tabelle 1 angegebene Verdampfungsrate ist ein Maß, dass wie folgt erhalten wird: Man gibt jedes Lösungsmittel in ein Gefäß mit 1 cm² Oberfläche der Flüssigkeit, lässt es bei der Testtemperatur für einen bestimmten Zeitraum stehen und bestimmt dann die Verdampfungsrate.
Tabelle 1
Erfindungsgemäß sollte das 2-Tetradecanol als Lösungsmittel in einer Menge von mindestens 3 Gew.-% in der Dickfilmpaste enthalten sein; bevorzugt beträgt der Gehalt an 2-Tetradecanol mindestens 5 Gew.-%. Liegt der Gehalt an 2-Tetra decanol unter 3 Gew.-%, können Ziel und Wirkung der Erfindung nicht vollständig erreicht werden. Das gesamte Lösungsmittel kann 2-Tetradecanol sein. In diesem Fall besteht der Rest aus den erwünschten anorganischen Teilchen aus einem leitfähigen Pulver, einem isolierenden Pulver oder einem elektrisch widerstandsfähigen Pulver, ggfs. zusammen mit einem anorganischen Bindemittel o. ä. und einer Harzkomponente. Das traditionell verwendete Butylcarbitolacetat, α-Terpineol und dergleichen sind als Lösungsmittel erwähnenswert, das sich zur Verwendung in Kombination mit 2-Tetradecanol eignet, jedoch keineswegs darauf beschränkt ist. Auch die traditionell verwendete Ethylcellulose, Polyvinylbutyral, Acrylharz und dergleichen kommen als organisches Harz im Bindemittel in Frage, das jedoch keineswegs darauf beschränkt ist.
Bezüglich des Verhältnisses des organischen Harzes zum Lösungsmittel im Träger sollte der Gehalt des organischen Harzes und des Lösungsmittels 5 bis 25 Gew.-% bzw. 95 bis 75 Gew.-% betragen, um eine Paste zu erhalten, mit der ausgezeichnet gedruckt werden kann. Das Gewichtsverhältnis des Bindemittels zu den organischen Teilchen unterliegt keinen besonderen Einschränkungen und wird je nach den Pulvereigenschaften der anorganischen Teilchen geregelt.
Wenn die erfindungsgemäße Dickfilmpaste eine Leiterpaste ist, unterliegt das leitfähige Pulver keinen besonderen Einschränkungen. Wird das leitfähige Pulver jedoch zusammen mit Rohlingen gebrannt, wird das leitfähige Pulver je nach dem Substratmaterial variiert. Ein hochschmelzendes Metall wie Molybdän oder Wolfram wird als leitfähiges Pulver auf einem Substratmaterial wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid verwendet, das bei relativ hohen Temperaturen gebrannt werden soll. Andererseits wird ein Metall wie Gold, Silber, eine Silber-Palladium-Legierung, Kupfer oder Nickel auf einem Substratmaterial verwendet, das bei relativ niedrigen Temperaturen gebrannt werden kann. Das vorstehende leitfähige Pulver wird je nach Bedarf mit Glaspulver vermischt und in einem Bindemittel dispergiert, um eine Paste herzustellen.
Wenn die Dickfilmpaste eine Widerstandspaste ist, wird beispielsweise RuO₂ oder eine Pyrochlorverbindung auf RuO₂-Basis als elektrisch widerstandsfähiges Pulver verwendet und zusammen mit Glaspulver in einem Träger dispergiert, um eine Paste herzustellen. Wenn die Dickfilmpaste eine Isolierpaste ist, kann man Al₂O₃ oder Al₂O₃ mit Glas oder kristallisierbarem Glas als Isolierpulver verwenden. Ist die Dickfilmpaste eine Schutzpaste wie ein Überzug oder dergleichen, können Füllstoffe aus Glas, Glas/SiO₃ oder Al₂O₃ als anorganische Teilchen verwendet werden. Welcher Art auch immer die Paste ist, sie ist nicht auf die vorstehend aufgeführten Arten beschränkt, und auch herkömmliche Materialien können mit gutem Ergebnis verwendet werden.
Das Keramikmaterial, das im vorstehenden Keramiksubstrat verwendet werden soll, unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Erwähnenswerte Beispiele dafür sind Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumarbid (SiC) und verschiedene Keramiksubstanzen, die hauptsächlich aus den vorstehenden Materialien bestehen. Darüber hinaus kann man auch ein Keramikmaterial verwenden, das bei niedrigen Temperaturen gebrannt wird und in dem Glaspulver in Aluminiumoxidkeramik eingemischt wird.
Das keramische Schaltsubstrat, auf das die erfindungsgemäße Dickfilmpaste gedruckt wird, kann jede beliebige Ein- oder Mehrschichtstruktur haben, solange die Keramik als Isolator verwendet wird. Beispiele für das Verfahren zur Herstellung des mehrschichtigen Keramikschaltsubstrats umfassen Dickfilm-Mehrschichtdruck- und Mehrschichtlaminierungsverfahren für Rohlinge. Außerdem kann das Schaltmuster auf einer oder beiden Seiten des Substrats aufgebracht werden.
Die vorstehenden beiden Verfahren zur Herstellung des mehrschichtigen keramischen Schaltsubstrats werden im folgenden beschrieben. Im Dickfilm-Mehrschichtdruckverfahren werden eine Leiterpaste und eine Isolierpaste abwechselnd durch ein Siebdruckverfahren auf ein gebranntes Keramiksubstrat gedruckt und gebrannt. Bei Bedarf kann auch eine Widerstandspaste aufgedruckt werden. Als leitfähiges Pulver verwendet man bei Bedarf eine Paste auf Ag- oder Cu-Basis.
Beim Rohling-Mehrschicht-Laminierungsverfahren wird dagegen zuerst jeder Rohling mit Registrierungslöchern und durchgehenden Löchern versehen. Dann werden die durchgehende Löcher mit einer Leiterpaste gefüllt und eine Leiterpaste darauf gedruckt. Schließlich werden die resultierenden ungebrannten Platten aufeinander laminiert, durch Thermokompression verbunden, um sie ineinander zu integrieren, und gebrannt.
Die Erfindung wird anhand der Beispiele und des Vergleichsbeispiels jetzt im einzelnen beschrieben.
Beispiel 1
CaO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-Systemglaspulver und α-Al₂O₃-Pulver wurden in einer Kugelmühle mit einem Acrylharz und einem organischen Lösungsmittel wie Toluol oder Ethanol vermischt und mit einem Rakelverfahren zu rohen Keramikplatten geformt, die jeweils 0,3 mm dick waren.
100 Gewichtsteile flaches Ag-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 5 um und ein Bindemittel, das aus 3 Gewichtsteilen in 17 Gewichtsteilen 2-Tetradecanol gelöster Ethylcellulose bestand, wurden als Druckpastenmaterial verwendet. Die vorstehenden Komponenten wurden mittels einer Dreiwalzenmühle gemischt, um eine Leiterpaste bestimmter Viskosität herzustellen (Beispiel 1 in Tabelle 2).
Diese Leiterpaste wurde bei Raumtemperatur (25°C) kontinuierlich auf 1000 rohe Keramikplatten gedruckt, die durch Einsatz einer herkömmlichen Siebdruckmaschine auf eine bestimmte Größe geschnitten worden waren. Die Viskosität der Paste wurde vor und nach dem Druckvorgang gemessen, um die Rate der Viskositätsveränderung zu bestimmen. Bei diesem Drucken wurden ein Sieb von 250 Mesh verwendet und Muster von 120 μm Breite gedruckt. Die bedruckte Vorderseite wurde untersucht, um festzustellen, ob die Paste um die vorgegebenen Druckmuster ausblutete. Die Ergebnisse zeigten, dass die Viskosität von 2510 Poise vor dem Drucken auf 2660 Poise nach dem Drucken stieg (was einer Viskositätsveränderung von + 6% entspricht) und dass es auf der bedruckten Vorderseite nur zu einem sehr geringen Ausbluten kam (Beispiel 1 in Tabelle 3).
Beispiele 2 bis 5
Leiterpasten (Beispiele 2 und 3), eine Widerstandspaste (Beispiel 4) und eine Isolierpaste (Beispiel 5) wurden dadurch hergestellt, dass man die anorganischen Teilchen und das anorganische Bindemittel gemäß Tabelle 2 variierte und außerdem die mit dem organischen Lösungsmittel ein Bindemittel bildende organische Harzkomponente gemäß Tabelle 2 variierte. Dann führte man die gleichen Experimente durch wie in Beispiel 1 mit dem Unterschied, dass die Pasten der Beispiele 3 und 4 jeweils auf gebrannte Substrate aus 95% Al₂O₃ gedruckt wurden. Die Ergebnisse der Bewertung der Druckfähigkeit jeder Paste sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Vergleichsbeispiel 1
Das gleiche Experiment wie in Beispiel 1 wurde durchgeführt mit dem Unterschied, dass eine Leiterpaste unter Verwendung von 100 Gewichtsteilen des in Beispiel 1 verwendeten Ag-Pulvers, 25 Gewichtsteilen eines herkömmlichen Butylcarbitolacetats als organisches Lösungsmittel anstelle des 2-Tetradecanols und 4 Gewichtsteilen Ethylcellulose hergestellt wurde. Die Ergebnisse der Bewertung der Druckfähigkeit jeder Paste sind ebenfalls in Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 2
Tabelle 3 Bewertung der Druckbarkeit
Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, verfügt die erfindungsgemäße Dickfilmpaste über ausgezeichnete Druckbarkeit, so dass die Rate der Viskositätsveränderung, die eintritt, wenn sie als Leiter, als Widerstand, als Isolator, als Schutzvorrichtung oder dergleichen auf ein keramisches Schaltsubstrat aufgedruckt wird, gering ist. Auch das Ausbluten nach dem Drucken ist gering. Folglich leistet die erfindungsgemäße Dickfilmpaste einen Beitrag zur effizienten Herstellung eines keramischen Schaltsubstrats mit hoher Schaltdichte.

Claims

Dickfilmpaste zur Verwendung bei der Herstellung eines keramischen Schaltsubstrats durch ein Druckverfahren, welche anorganische Teilchen umfasst, die in einem ein organisches Harz und ein Lösungsmittel umfassenden Träger ggfs. zusammen mit einem anorganischen Bindemittel dispergiert sind, wobei das Lösungsmittel aus 2-Tetradecanol oder einem Gemisch aus 2-Tetradecanol und einem anderen Lösungsmittel besteht.
Dickfilmpaste nach Anspruch 1, in der 2-Tetradecanol in einer Menge von mindestens 3 Gew.-% enthalten ist.
Dickfilmpaste nach Anspruch 1, in der der Träger 5 bis 25 Gew.-% eines organischen Harzes und 95 bis 75 Gew.-% eines Lösungsmittels umfasst.
Dickfilmpaste nach Anspruch 1, in der das organische Harz Ethylcellulose, Polyvinylbutyral oder ein Gemisch aus Ethylcellulose und Polyvinylbutyral ist.
Dickfilmpaste nach Anspruch 1, in der die anorganischen Teilchen aus leitfähigem Pulver bestehen.
Dickfilmpaste nach Anspruch 5, die ein aus Glas bestehendes anorganisches Bindemittel umfasst.
Dickfilmpaste nach Anspruch 1, in der die anorganischen Teilchen aus elektrisch widerstandsfähigem Pulver bestehen.
Dickfilmpaste nach Anspruch 7, die ein aus Glas bestehendes anorganisches Bindemittel umfasst.
Dickfilmpaste nach Anspruch 1, in der die anorganischen Teilchen aus isolierendem Pulver bestehen.
Dickfilmpaste nach Anspruch 1, in der die anorganischen Teilchen aus Spannungsschutzpulver bestehen.
Dickfilmpaste nach Anspruch 1, in der das andere Lösungsmittel Butylcarbitolacetat oder α-Terpineol ist.