JP2004006846A

JP2004006846A - セラミック基板、およびその製造方法

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Publication number: JP2004006846A
Application number: JP2003120561A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Banba; 番場　真一郎; Koji Tani; 谷　広次
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-07-16
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】電極切れや電極剥離などの電極の構造欠陥を防止するとともに、電極の電気的信頼性を向上させることが可能な導電性組成物を提供する。
【解決手段】スルーホールを有するセラミック基板を準備し、貴金属粉末、卑金属粉末、および有機ビヒクルを準備し、貴金属粉末１００重量部に対して卑金属粉末が１〜９５重量部となるように調製し、貴金属粉末、卑金属粉末、および有機ビヒクルを混合して導電性組成物を作製し、導電性組成物をセラミック基板のスルーホール内に充填し、セラミック基板を非還元雰囲気中で焼成する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミナ基板などのセラミック基板、およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のセラミック基板１のスルーホール導通の形成は、図１（ａ）の断面図に示すように、金型またはレーザーなどで直径０．３ｍｍ〜０．５ｍｍに穴あけされたスルーホール２の部分にＡｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔなどを導電成分とする導電性組成物をスクリーン印刷などで塗布した後、焼成してスルーホール２の側壁に厚膜の導体３を形成し行っていた。
【０００３】
そして、近年、電子機器の小型化、高密度化にともない、スルーホール穴径も直径０．１ｍｍ程度に微細化し、図１（ｂ）の断面図に示すように、スルーホール２内部に導電性組成物を充填する方式に移行しつつある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の導電性組成物では次のような問題点があった。すなわち、直径０．１ｍｍ程度のスルーホールに導電性組成物を充填して焼成した場合、導電性組成物の焼成収縮によるスルーホール内部の導体の切れ（図２（ａ））、導体
−スルーホール側壁間の剥離（図２（ｂ））などが発生していた。これは、スルーホールの電気的信頼性の悪化を引き起こしていた。
【０００５】
本発明は、電極切れや電極剥離などの電極の構造欠陥を防止するとともに、電極の電気的信頼性を向上させることが可能な導電性組成物を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明に係るセラミック基板は、スルーホールを有し、前記スルーホール内部に導体が形成されたセラミック基板であって、前記導体は、貴金属と酸化された卑金属とからなることを特徴とする。
【０００７】
また、前記導体において、前記貴金属１００重量部に対して、酸化された前記卑金属が酸化前の卑金属に換算して１〜９５重量部含有されていることが好ましい。
【０００８】
また、前記導体において、ガラスが含まれていることを特徴とするが好ましい。
【０００９】
また、前記貴金属は、銀であることを特徴とすることが好ましい。
【００１０】
また、前記卑金属は、銅またはニッケルのいずれかであることが好ましい。
【００１１】
また、前記卑金属は銅であって、貴金属１００重量部に対して酸化前の銅に換算して３５〜９５重量部含有されていることが好ましい。
【００１２】
また、前記卑金属はニッケルであって、貴金属１００重量部に対して酸化前のニッケルに換算して１０〜２５重量部含有されていることが好ましい。
【００１３】
また、前記導体において、前記貴金属１００重量部に対して、白金が０．２〜０．８重量部含有されていることが好ましい。
【００１４】
本願発明に係るセラミック基板の製造方法は、以下の工程（ａ）〜（ｄ）を備えることを特徴とする。
（ａ）スルーホールを有するセラミック基板を準備する工程。
（ｂ）貴金属粉末、卑金属粉末、および有機ビヒクルを準備し、前記貴金属粉末１００重量部に対して前記卑金属粉末が１〜９５重量部となるように調製し、前記貴金属粉末、前記卑金属粉末、および有機ビヒクルを混合して、導電性組成物を作製する工程。
（ｃ）前記導電性組成物を、前記セラミック基板のスルーホール内に充填する工程。
（ｄ）前記セラミック基板を、非還元雰囲気中で焼成する工程。
【００１５】
また、工程（ｂ）において、ガラスフリットをさらに添加して混合することが好ましい。
【００１６】
また、工程（ｂ）において、前記貴金属粉末として、銀を用いることが好ましい。
【００１７】
また、工程（ｂ）において、前記卑金属粉末として、銅またはニッケルのいずれかを用いることが好ましい。
【００１８】
また、工程（ｂ）において、前記貴金属粉末１００重量部に対して銅粉末が３５〜９５重量部となるように調製することが好ましい。
【００１９】
また、工程（ｂ）において、前記貴金属粉末１００重量部に対してニッケル粉末が１０〜２５重量部となるように調製することが好ましい。
【００２０】
また、工程（ｂ）において、白金粉末を、前記貴金属粉末１００重量部に対して０．２〜０．８重量部さらに添加して混合することが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本願発明に係るセラミック基板は、スルーホールを有し、スルーホール内部に形成された導体は、貴金属と酸化された卑金属とからなる。このような成分を有することによって、電極切れや電極剥離などの電極の構造欠陥を防止するとともに、電極の電気的信頼性を向上させることが可能となる。
【００２２】
すなわち、導電粉末として貴金属粉末のみを配合した場合には、電極焼き付け時に貴金属粉末が焼成収縮を生じるために焼成後の電極膜厚が焼成前の電極膜厚に比べて薄くなる。この体積収縮が電極切れや電極剥離につながる要因となる。そこで、卑金属粉末を添加すると、電極焼き付け時に酸化反応によって、体積膨張いわゆる酸化膨張が起こる。この卑金属粉末の酸化膨張により貴金属粉末の焼成収縮を補うことができるので、焼き付け後の体積減少を防止することができる。また、焼き付け後の体積を焼き付け前の体積よりも大きくすることも可能である。従って、焼成後も電気的接続を充分に維持することが可能である。
【００２３】
なお、本発明で用いられる導電性組成物を製造する際においては、卑金属粉末を酸化膨張させる必要があるので、非還元雰囲気中で焼成することが好ましい。すなわち、空気中で焼成することができる点においても有効である。
【００２４】
ここで、貴金属粉末と卑金属粉末との配合量を上記のように限定したのは、卑金属粉末の配合量が貴金属粉末１００重量部に対して９５重量部を越える場
合には、導通抵抗値が極端に大きくなるため好ましくないからである。
【００２５】
また、用途によっては、貴金属粉末の焼成収縮した体積を卑金属粉末によってすべて補充しなくてもよく、電極切れや電極剥離などが発生しない程度に卑金属粉末を添加すればよい。
【００２６】
本発明で用いられる貴金属粉末の具体例としては、銀、金などが挙げられる。より好ましくは銀である。銀を用いた場合には、導通抵抗値の低さ、焼成の容易さ、材料コストの面で有効である。なお、貴金属粉末ではないが、酸化防止処理を施した銅、ニッケルなども貴金属粉末と同様の機能があるので貴金属粉末の代用として用いることが可能である。また貴金属粉末ではないがアルミを用いても構わない。
【００２７】
本発明で用いられる卑金属粉末の具体例としては、銅、ニッケル、コバルト、タングステン、マンガンなどが挙げられる。より好ましくは銅とニッケルである。銅を用いた場合には、酸化のし易さ、融点の高さ（貴金属粉末と反応しにくい）、材料コストの面で有効である。また、ニッケルを用いた場合も銅を用いた場合と同様である。なお、銅とニッケルの両方を用いても構わない。
【００２８】
卑金属粉末として銅を用いた場合の好ましい配合量としては、スルーホールの焼成収縮率を考慮して、貴金属粉末１００重量部に対して３５〜９５重量部である。また、卑金属粉末としてニッケルを用いた場合の好ましい配合量としては、スルーホールの焼成収縮率を考慮して、貴金属粉末１００重量部に対して１０〜２５重量部である。
【００２９】
卑金属粉末として銅を用いた場合の平均粒径としては、１０μｍ以下が好ましい。平均粒径が１０μｍを越える場合には、粗粒のためスルーホールが詰まり、スルーホール充填不良が発生するため好ましくない。また、卑金属粉末としてニッケルを用いた場合の平均粒径としては、銅と同様１０μｍ以下が好ましい。
【００３０】
また、本発明で用いられる導電性組成物においては、ガラスフリットを含有してもよい。ガラスフリットを含有すれば、電極と基板を同時焼成しない場合においても用いることができる。すなわち、同時焼成する場合には、基板材料と化学反応しケミカルボンド結合するので必ずしもガラスフリットは必要ではないが、同時焼成しない場合には、基板材料との結合にガラスボンド結合が必要となるので、良好な接着強度を有するガラスフリットを用いた方が好ましい。なお、ガラスフリットの具体例としては、硼珪酸鉛系ガラス、硼珪酸亜鉛系ガラス、硼珪酸ビスマス系ガラス、硼珪酸バリウム系ガラス等なら特に問題なく使用できる。
【００３１】
また、本発明で用いられる導電性組成物においては、白金粉末またはパラジウム粉末を含有してもよい。白金粉末またはパラジウム粉末を含有すれば、電極材料のマイグレーション防止という面で有効である。
【００３２】
なお、白金粉末またはパラジウム粉末を用いる場合には、貴金属粉末１００重量部に対して０．２〜０．８重量部含有することが好ましい。配合量が０．２重量部未満の場合には添加効果に乏しく、配合量が０．８重量部を越える場合には、導通抵抗値が増加するため好ましくない。
【００３３】
上記のような特性を有する導電性組成物を用いれば、電子部品用基板に設けられたスルーホール用またはバイアホール用に適した導体を形成することが可能となる。例えば、多層セラミック基板やハイブリッドＩＣなどの導体に用いれば有効である。
【００３４】
次に、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
まず、導電性組成物用材料として、平均粒径３μｍのＡｇ粉末と、Ｐｔ粉末と、平均粒径５μｍ、１０μｍのＣｕ粉末とを用意した。また、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＳｉＯ_２、Ｈ_３ＢＯ_３、およびＺｎＯを混合し、高温で溶融させた後急冷してガラス化した。その後、得られたガラスを粉砕して、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ組成のガラスフリットを得た。
【００３６】
続いて、これらＡｇ粉末とＰｔ粉末とＣｕ粉末とガラスフリットと有機ビヒクルとを、表１に示す割合で混合して導電性組成物を作製した。ここで、有機ビヒクルはアクリル樹脂をα−テルピネオールに溶解したものを用いたが、エチルセルロース樹脂、アルキッド樹脂などを高融点溶剤に溶解させたものを適宜用いることができる。
【００３７】
【表１】

【００３８】
次に、予め準備しておいた、直径０．１ｍｍのスルーホールを有する厚み０．６３ｍｍのアルミナ基板上に、上記導電性組成物を塗布した。また、スルーホール内に上記導電性組成物を充填した。アルミナ基板上の導電性組成物によって塗布乾燥後および焼成後の電極の厚みを測定し、その焼成収縮の度合いを焼成収縮率＝焼成膜厚／乾燥膜厚の比として求めた。また、スルーホール内の導電性組成物によってスルーホールの導通抵抗を測定した。なお、アルミナ基板上の焼き付け電極およびスルーホールの貫通導体の形成は、空気中、８５０℃でｉｎ−ｏｕｔ６０分で焼成して行った。表１に、乾燥厚膜▲１▼（μｍ）、焼成膜厚▲２▼（μｍ）、焼成収縮率▲２▼／▲１▼、シート抵抗値（ｍΩ／□）を併せて示す。また、シート抵抗値（ｍΩ／□）については、Ｒ＝ＲＳ×Ｌ／Ｗ（ＲＳ：シート抵抗値、Ｌ：抵抗体長さ、Ｗ：抵抗体幅）の式から導出している。
【００３９】
図３には、表１に示す結果より、Ｃｕ粉末の添加量をパラメータとしたときのＣｕ粉末添加量に対する焼成収縮率＝焼成膜厚／乾燥膜厚の比の関係を示している。
（実施例２）
まず、導電性組成物用材料として、平均粒径３μｍのＡｇ粉末と、Ｐｔ粉末と、平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末とを用意した。また、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＳｉＯ_２、Ｈ_３ＢＯ_３、およびＺｎＯを混合し、高温で溶融させた後急冷してガラス化した。その後、得られたガラスを粉砕して、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ組成のガラスフリットを得た。
【００４０】
続いて、これらＡｇ粉末とＰｔ粉末とＮｉ粉末とガラスフリットと有機ビヒクルとを、表２に示す割合で混合して導電性組成物を作製した。なお、有機ビヒクルはアクリル樹脂をα−テルピネオールにに溶解したものを用いた。
【００４１】
【表２】

【００４２】
次に、予め準備しておいた、直径０．１ｍｍのスルーホールを有する厚み０．６３ｍｍのアルミナ基板上に、上記導電性組成物を塗布した。また、スルーホール内に上記導電性組成物を充填した。アルミナ基板上の導電性組成物によって塗布乾燥後および焼成後の電極の厚みを測定し、その焼成収縮の度合いを焼成収縮率＝焼成膜厚／乾燥膜厚の比として求めた。また、スルーホール内の導電性組成物によってスルーホールの導通抵抗を測定した。なお、アルミナ基板上の焼き付け電極およびスルーホールの貫通導体の形成は、空気中、８５０℃でｉｎ−ｏｕｔ６０分で焼成して行った。表２に、乾燥厚膜▲１▼（μｍ）、焼成膜厚▲２▼（μｍ）、焼成収縮率▲２▼／▲１▼、シート抵抗値（ｍΩ／□）を併せて示す。また、シート抵抗値（ｍΩ／□）については、Ｒ＝ＲＳ×Ｌ／Ｗ（ＲＳ：シート抵抗値、Ｌ：抵抗体長さ、Ｗ：抵抗体幅）の式から導出している。
【００４３】
図４には、表２に示す結果より、Ｎｉ粉末の添加量をパラメータとしたときのＮｉ粉末添加量に対する焼成収縮率＝焼成膜厚／乾燥膜厚の比の関係を示している。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のセラミック基板によれば、電極切れや電極剥離などの電極の構造欠陥を防止することによって、焼成後も電気的接続を充分に維持することができるので、電極の電気的信頼性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミック基板のスルーホール導通部分の断面図。
【図２】セラミック基板のスルーホール導通部分の断面図であって不良を示す模式図。
【図３】Ｃｕ粉末添加量に対する焼成膜厚／乾燥膜厚の比の関係を示す図。
【図４】Ｎｉ粉末添加量に対する焼成膜厚／乾燥膜厚の比の関係を示す図。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　セラミック基板
２　　　　　　　　　　スルーホール
３　　　　　　　　　　導体

Claims

スルーホールを有し、前記スルーホール内部に導体が形成されたセラミック基板であって、
前記導体は、貴金属と酸化された卑金属とからなることを特徴とするセラミック基板。
前記導体において、前記貴金属１００重量部に対して、酸化された前記卑金属が酸化前の卑金属に換算して１〜９５重量部含有されていることを特徴とする、請求項１に記載のセラミック基板。
前記導体において、ガラスが含まれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック基板。
前記貴金属は、銀であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセラミック基板。
前記卑金属は、銅またはニッケルのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のセラミック基板。
前記卑金属は銅であって、貴金属１００重量部に対して酸化前の銅に換算して３５〜９５重量部含有されていることを特徴とする請求項５に記載のセラミック基板。
前記卑金属はニッケルであって、貴金属１００重量部に対して酸化前のニッケルに換算して１０〜２５重量部含有されていることを特徴とする請求項５に記載のセラミック基板。
前記導体において、前記貴金属１００重量部に対して、白金が０．２〜０．８重量部含有されていることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載のセラミック基板。
以下の工程（ａ）〜（ｄ）を備えることを特徴とするセラミック基板の製造方法。
（ａ）スルーホールを有するセラミック基板を準備する工程。
（ｂ）貴金属粉末、卑金属粉末、および有機ビヒクルを準備し、前記貴金属粉末１００重量部に対して前記卑金属粉末が１〜９５重量部となるように調製し、前記貴金属粉末、前記卑金属粉末、および有機ビヒクルを混合して、導電性組成物を作製する工程。
（ｃ）前記導電性組成物を、前記セラミック基板のスルーホール内に充填する工程。
（ｄ）前記セラミック基板を、非還元雰囲気中で焼成する工程。
工程（ｂ）において、ガラスフリットをさらに添加して混合することを特徴とする請求項９に記載のセラミック基板の製造方法。
工程（ｂ）において、前記貴金属粉末として、銀を用いることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のセラミック基板の製造方法。
工程（ｂ）において、前記卑金属粉末として、銅またはニッケルのいずれかを用いることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれかに記載のセラミック基板の製造方法。
工程（ｂ）において、前記貴金属粉末１００重量部に対して銅粉末が３５〜９５重量部となるように調製することを特徴とする請求項１２に記載のセラミック基板の製造方法。
工程（ｂ）において、前記貴金属粉末１００重量部に対してニッケル粉末が１０〜２５重量部となるように調製することを特徴とする請求項１２に記載のセラミック基板の製造方法。
工程（ｂ）において、白金粉末を、前記貴金属粉末１００重量部に対して０．２〜０．８重量部さらに添加して混合することを特徴とする、請求項９から請求項１４のいずれかに記載のセラミック基板の製造方法。