JP2007088221A - セラミックス電子部品の製造方法およびセラミックス電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 導体のセラミックス基板への固着強度の向上、および低抵抗率を確保できるセラミックス電子部品の製造方法およびセラミックス電子部品を提供する。
【解決手段】 セラミックス基板１に無機結合剤を含む貴金属インク２（例えば、金、銀、プラチナ、パラジウムの中から選んだ１種以上の元素と、アルミニウム、チタン、マンガン、クロム、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、錫、ロジウムの中から選んだ１種以上の元素からなる）を印刷し、その印刷領域上にさらに、この貴金属のみからなるインク３を上塗りする。そして、セラミックス基板に熱処理を施すことによって、基板との固着強度が向上され、低抵抗率の導体が形成されたセラミックス電子部品を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミックスを基板として構成される電子部品の製造方法およびその電子部品に関し、特に金属を含むインクをセラミックス基板に印刷して配線を形成するセラミックス電子部品の製造方法およびセラミックス電子部品に関するものである。

近年、電子機器の小型化、多機能化の要求が大きく、電子部品の小型化、複合化が進んでいる。それに伴って回路基板の微細配線化が進展している。このような微細配線基板における配線の形成方法としては、従来から一般的に用いられてきたスクリーン印刷の最適化による方法や、フォトリソグラフィーによる方法等が検討されている。また、インクジェット法による微細配線形成技術も検討されている。

電子部品の小型化要求のなかで、基板自体が機能性材料として用いられるセラミックス基板は、多層化による内層部品の形成、寸法の安定性等、微細配線形成に適した基板である。このようなセラミックス基板における配線形成方法としては、抵抗率の低いＡｕ，Ａｇ等の貴金属粒子と樹脂、溶剤を含むペーストをスクリーン印刷し、焼成して金属粒子を焼結させて導通を確保する方法が一般的にとられていた。

一般にセラミックスと金属は接着強度が弱く、それらの固着強度を上げるために、これら貴金属ペースト中にガラスを混合して印刷し、熱処理によって電極と基板を密着させる方法がとられていた。

さらに特許文献１には、電気回路基板において、Ａｇを主体とする導電ペーストにロジウムのような無機結合剤を添加して、ガラスを含まずに固着強度を上げる方法が開示されている。また、特許文献２には、配線基板に使用する、Ａｇを主体とする導電材、無機結合剤、ガラスを併用した導電ペースト組成物が記載されている。

特開平１−１０７５９２号公報 特開平５−２２１６８６号公報

しかしながら、上記従来の技術のように、基板と導電材料の固着強度を大きくするために、貴金属インク中にガラスや他の金属を添加したペーストのみを用いて配線を形成すると、結合剤として添加した成分によって導電経路が妨げられたり、熱処理時に合金を生成したりするため、配線の低抗値が大きくなる問題がある。

すなわち、（１）無機成分として貴金属のみを含むインクを使用した場合、セラミックス基板との密着が十分ではなく、（２）基板との結合を強固にするためにガラスや無機結合剤を添加したインクでは、これらの成分により導電経路が妨げられたり、貴金属と合金を作ったりするため、抵抗率が大きくなる、（３）スクリーン印刷では、インクを重ね塗りする際に既に印刷されているインク層にスクリーンが接触するため配線に損傷を与え、断線の原因となる、という問題がある。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、形成された導体の低抵抗率を確保できるセラミックス電子部品の製造方法およびセラミックス電子部品を提供することである。

かかる目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明は、セラミックス基板上に導体を形成してなるセラミックス電子部品の製造方法であって、前記セラミックス基板に無機結合剤を含む貴金属インクを印刷し、その印刷領域にさらに前記貴金属のみからなるインクを上塗りした後、熱処理を施すことで前記導体を形成したことを特徴とする。例えば、前記貴金属は、金、銀、プラチナ、パラジウムの中から選んだ１種以上の金属であることを特徴とする。

また、上記の課題を解決する一手段として、本発明は、セラミックス基板上に導体を形成してなるセラミックス電子部品の製造方法であって、第１の金属元素と第２の金属元素と溶剤を含む第１の金属インクを直接セラミックス基板上に印刷するステップと、前記第１の金属インクの印刷領域に前記第１の金属元素のみを含む第２の金属インクを重ねて印刷するステップと、前記第１の金属インクと第２の金属インクが印刷された前記セラミックス基板に対して酸素を含む雰囲気中で熱処理を施すステップとを備え、前記熱処理によって前記セラミックス基板上に前記第１の金属インクと第２の金属インクを固着させて前記導体を形成することを特徴とする。

例えば、前記第１の金属元素は、金、銀、プラチナ、パラジウムの中から選んだ１種以上の元素であり、前記第２の金属元素は、アルミニウム、チタン、マンガン、クロム、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、錫、ロジウムの中から選んだ１種以上の元素であることを特徴とする。

例えば、前記第２の金属元素は、前記第１の金属インク中の総金属量の１０ｐｐｍ以上、３０％以下であることを特徴とする。また、前記第２の金属元素は、金属単体、イオン、有機金属化合物、酸化物のいずれかの形態をとることを特徴とする。

例えば、前記第１の金属元素および第２の金属元素の平均粒子径は、５ｎｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする。

例えば、前記熱処理を２００℃以上、９００℃以下で行うことを特徴とする。また、例えば、前記セラミックス基板は酸化物で構成されることを特徴とする。さらには、例えば、前記印刷はインクジェット法によってなされることを特徴とする。

上述した課題を解決する他の手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明に係るセラミックス電子部品は、上記いずれかのセラミックス電子部品の製造方法で製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、セラミックス電子部品において、表面電極のセラミックス基板への固着強度を向上させながらも、導体の抵抗率を低く保つことができる。

以下、添付図面および表を参照して、本発明に係る実施の形態例を詳細に説明する。図１は、本実施の形態例に係るセラミックス電子部品における導体形成工程を示すフローチャートである。また、図２は、図１の各工程に対応して示す、本実施の形態例に係るセラミックス電子部品の構造（平面構造、および断面構造）である。

図１のステップＳ１では、セラミックス基板上に結合剤入りのインク、すなわち、貴金属インクと無機結合剤を含む１層目のインクを、例えば、インクジェット法で印刷する。なお、インクジェット法とは、例えば、ピエゾ素子を利用した微細ノズルから液状インクをインク滴として噴出させ、それにより基板上に微細配線を行うための印刷方法である。

続くステップＳ３において、印刷された１層目のインクを乾燥させる。図２（ａ）は、１層目のインク２が印刷されたセラミックス基板１の様子を示す平面図であり、図２（ｂ）は、その縦断面構造を示している。

仮に１層目のインクが印刷された基板を、従来のようにそのまま熱処理（焼成）すると、無機結合剤がセラミックス基板と結びついても、この導体が無機結合剤という不純物を含むため、その抵抗率が大きくなる。そこで、本発明では、図１のステップＳ５において、上記１層目のインクの上に、さらに、貴金属のみからなる２層目のインク（純貴金属インク）を、例えば、インクジェット法で塗布する。図２（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、１層目のインク２の上に２層目のインク３が印刷されたセラミックス基板１の平面図、および縦断面構造を示している。

そして、最終的にステップＳ７において、１層目のインク２と２層目のインク３の２層構造からなるインクが印刷された基板１を熱処理する。具体的には、例えば、大気中で２００〜４００℃の温度で焼成する。この熱処理によって、図２（ｅ），（ｆ）に示すように、下部のインク（１層目のインク）は、基板１との結合を担い、上部のインク（２層目のインク）は、貴金属単体なみの低抵抗率を示す。なお、基板とインクとの結合の度合いや、形成された導体が低抵抗率を示すことについては、後述する実施例を参照しながら具体的に説明する。

本実施の形態例において、セラミックス基板１上に最初に印刷するインク（図２の１層目のインク２）は、熱処理によって添加金属元素が基板１と化学結合を生成する、ケミカルボンド成分として働く。また、このインク２の貴金属成分（例えば、金、銀、プラチナ、パラジウム等）は、次にその上に印刷された貴金属インク（図２の２層目のインク３）と拡散しあう。従って、セラミックス基板上のインクは、熱処理後に傾斜材料として機能する。最表層に印刷される貴金属インクには、熱処理によって添加金属成分がほとんど及ばないため、貴金属としての抵抗値を保つことができる。

ケミカルボンドとして作用する第２の添加金属としては、熱処理によって酸化されやすい元素が好ましく、例えば、アルミニウム、チタン、マンガン、クロム、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、錫、ロジウム（Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｒｈ）等が挙げられる。これらの元素は、基板との結合を作りやすいように、有機金属化合物、金属イオン等の熱処理によって酸化され得る酸化物前駆体であることが、さらに好ましい。なお、印刷時に必要とされる粘弾性等のインク特性との兼ね合いで、酸化物を用いなければならないこともある。

貴金属インクに添加される添加金属は、基板との密着がとれ、かつ、貴金属インクの抵抗値を上げないことが望まれる。具体的には、金属重量比で１０ｐｐｍ以上、３０％以下の添加であれば、固着を確保し、さらに抵抗値に及ぼす影響を小さくすることができる。さらに好ましくは、１０ｐｐｍ以上、１０％以下であれば、その上に貴金属のみから成るインクを塗布することで、抵抗値の変化はほとんどみられない。

添加金属元素が固体の場合、それが十分にインク中に分散し、セラミックス基板、およびその上にさらに塗布される貴金属単体のインク（上述した２層目のインク３）との接触面積を大きくすることが必要である。望ましくは、動的光散乱法、もしくはレーザー回折法によって測定される平均粒子径は、５ｎｍ以上、１０μｍ以下であり、さらに好ましくは、１０ｎｍ以上、１μｍ以下である。

添加元素によってインクが密着され得る基板としては、その表面が酸化されているか、あるいは熱処理によって酸化されることが必要である。従って、酸化物で構成される基板であれば、確実にインクを固着させることができる。これらの基板の例としては、Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＭｇＯ，Ｙ₂Ｏ₃や、これらと硼珪酸ガラスの混合物である、いわゆる低温焼成セラミックスが挙げられる。

電極印刷後の熱処理温度は、添加元素が酸化される温度、貴金属中に拡散する温度、貴金属粒子を焼結させる温度、溶剤、樹脂分の揮発もしくは燃焼温度等によって決められる。また、溶剤、樹脂の種類は、印刷方法によって、ある程度限定されるので、温度を動かす主要因は、添加元素の種類と粒子径である。添加元素、貴金属粒子とも粒子径が小さいほど反応性が高く、低温で焼結・固着させることができ、粒子径が大きくなるほど、処理温度は高くなる。

貴金属の粒子径は、最も小さなものでも“ナノスケール”でなければ、実用上印刷ができない。このことから、熱処理温度の低温側の限界は、２００℃程度に限定されるし、貴金属の融点以上の温度で熱処理を施す必要はない。従って、熱処理温度は、好ましくは２００℃以上、９００℃以下であり、さらに好ましくは、４００℃以上、８５０℃以下である。

添加金属を含有してなる貴金属インク（１層目のインク２）およびその上に印刷される貴金属のみからなるインク（２層目のインク３）は、それらの印刷領域が重なっていることが望ましい。また、インクを重ねて印刷する際、基板との段差があるので、ずれを生じやすい。そこで、インクジェット法による印刷を行えば、機械的にインクに触れる部分がないので、先に印刷した配線を損傷することがなく、ずれも生じにくい。

［実施例］
次に、本発明に係るセラミックス電子部品の具体的な実施例について詳細に説明する。表１は、具体的な実施例と比較例について、その組成や機械的特性、電気的特性等を測定した結果を示している。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

実施例１では、アルミナ基板上に、酸化物換算で無機固形分に対して１重量％のテトラプロポキシジルコニウムを添加した、平均粒子径１０ｎｍのＡｇ粒子を含むインクを、インクジェット法を用いて印刷した。乾燥後のインク層（表１における「第１金属と第２金属からなる接合層」）の厚みは、０．８μｍであった。

さらに、上記のインク層の上に、無機成分として平均粒子径１０ｎｍのＡｇ粒子のみを含むインクを、３．５μｍの厚みに重ねてインクジェット法で印刷した後、３５０℃で２時間の熱処理を施した。そして、その印刷領域に対して、Ｊ１Ｓ Ｃ５０１２で規定されるテープ引き剥がし試験を行ったところ、金属の引き剥がれは確認されなかった。また、実施例１に係る試料の配線の抵抗率は、２．０μΩ・ｃｍであった。

［比較例１］
比較例１は、第２の金属を含有しないインクを印刷した例である。すなわち、アルミナ基板上に、無機成分として平均粒子径１０ｎｍのＡｇ粒子のみを含むインクを、インクジェット法を用いて印刷した（印刷されたインクの厚さは、３．５μｍであった）。この基板に３５０℃で２時間の熱処理を施した。そして、その印刷領域に、Ｊ１Ｓ Ｃ５０１２で規定されるテープ引き剥がし試験を行ったところ、金属は容易に引き剥がされた。

実施例２として、アルミナと硼珪酸ガラスを含む低温焼結ガラスセラミックス基板上に、インクジェット法を用いて、１重量％のテトラプロポキシチタニウムを添加したＡｇ粒子を含むインクを印刷した。乾燥後のインク層の厚みは、１．２μｍであった。

さらに、このインク層の上に、無機成分としてＡｇ粒子のみを含むインクを、インクジェット法で６．８μｍの厚みに重ねて印刷した。その後、４００℃で２時間の熱処理を施した。それに対して、上記実施例１等と同様の方法で、テープ引き剥がし試験を行ったところ、金属の引き剥がれは確認されなかった。また、その導体（配線）の抵抗率は、２．０μΩ・ｃｍであった。

［比較例２］
比較例２では、上記の実施例２と同様、テトラプロポキシチタニウムを添加したＡｇ粒子を含むインクのみからなる配線をガラスセラミックス基板上に形成した。この配線の印刷厚みは、８．０μｍであった。この比較例２に係る試料については、テープ引き剥がし試験で金属の剥離はなかったものの、抵抗率が１２．０μΩ・ｃｍと大きい値になった。

上記の実施例２と同様、実施例３では、第２の金属としてＴｉを用い、添加形態としては、平均粒径７０ｎｍの酸化物（ＴｉＯ₂）として２重量％添加したＡｇインクを用いた。固形分として、Ａｇ粒子のみからなるインクを重ねて塗布し、５００℃で熱処理を施した。その結果、この実施例３に係る試料は、テープ引き剥がし試験をクリアし、その導体抵抗も低い値（２．０μΩ・ｃｍ）となった。

［比較例３］
実施例３と同様、ＴｉＯ₂を４０重量％まで増した接合層（第１の金属はＡｇ、第２の金属はＴｉ）を印刷した。さらにその上に、Ａｇインクを重ねて印刷して、５００℃で熱処理を施した。しかし、比較例３に係る試料では、基板との間に空隙が生じ、Ｊ１Ｓ Ｃ５０１２に基づくテープ引き剥がし試験において、部分的に剥離が生じた。

第１の金属としてＡｇ、第２の金属として１．５重量％の金属銅（平均粒径３０ｎｍ）を添加したインクを接着層として用いた。その上に、Ａｇのみからなるインクを塗り重ねて、５５０℃で熱処理を施した。その結果、実施例４に係る試料は、テープ引き剥がし試験をクリアし、導体抵抗もＡｇ単体の値に近いものとなった（１．９μΩ・ｃｍ）。

第１の金属としてＡｕ、第２の金属として１．５重量％の酸化クロムＣｒ₂Ｏ₃（平均粒径５０ｎｍ）を添加したインクを接着層として用いた。その上に、Ａｕのみからなるインクを塗り重ねて、６００℃で熱処理を施した。この実施例に係る試料は、テープ引き剥がし試験をクリアし、その導体抵抗もＡｕ単体の値に近いものとなった（２．５μΩ・ｃｍ）。

［比較例４］
比較例４では、第１の金属としてＡｕのみからなるインクを塗り重ね、実施例５と同様、６００℃で熱処理を施した。そして、Ｊ１Ｓ Ｃ５０１２に規定するテープ引き剥がし試験を行ったところ、印刷領域が容易に剥離した。

以上説明したように、本実施の形態例によれば、セラミックス基板に無機結合剤を含む貴金属インクを印刷し、その上にさらに、かかる貴金属のみからなるインクを上塗りして導体を形成したセラミックス基板に熱処理を施すことによって、その導体のセラミックス基板への固着強度の向上、および金属単体に近い低抵抗率を確保することができる。

すなわち、セラミックス基板上に、貴金属インク中に接着成分として無機結合材を添加したインクを１層目のインクとして印刷し、その上に無機結合材を添加していない貴金属インクを２層目のインクとして印刷した後、これに熱処理を施す。このようにすることで、下部に位置する１層目のインクが基板との結合を担い、その上部にある２層目のインクは、貴金属単体なみの低抵抗率を示すため、セラミックス電子部品において、表面電極のセラミックス基板への固着強度を向上させながらも、導体の抵抗率を低く保つことができる。

本発明の実施の形態例に係るセラミックス電子部品における導体形成工程を示すフローチャートである。 実施の形態例に係るセラミックス電子部品の構造を示す図である。

符号の説明

１ セラミックス基板
２ １層目のインク
３ ２層目のインク

Claims (11)

1. セラミックス基板上に導体を形成してなるセラミックス電子部品の製造方法であって、前記セラミックス基板に無機結合剤を含む貴金属インクを印刷し、その印刷領域にさらに前記貴金属のみからなるインクを上塗りした後、熱処理を施すことで前記導体を形成したことを特徴とするセラミックス電子部品の製造方法。
2. 前記貴金属は、金、銀、プラチナ、パラジウムの中から選んだ１種以上の金属であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス電子部品の製造方法。
3. セラミックス基板上に導体を形成してなるセラミックス電子部品の製造方法であって、
   第１の金属元素と第２の金属元素と溶剤を含む第１の金属インクを直接セラミックス基板上に印刷するステップと、
   前記第１の金属インクの印刷領域に前記第１の金属元素のみを含む第２の金属インクを重ねて印刷するステップと、
   前記第１の金属インクと第２の金属インクが印刷された前記セラミックス基板に対して酸素を含む雰囲気中で熱処理を施すステップとを備え、
   前記熱処理によって前記セラミックス基板上に前記第１の金属インクと第２の金属インクを固着させて前記導体を形成することを特徴とするセラミックス電子部品の製造方法。
4. 前記第１の金属元素は、金、銀、プラチナ、パラジウムの中から選んだ１種以上の元素であり、前記第２の金属元素は、アルミニウム、チタン、マンガン、クロム、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、錫、ロジウムの中から選んだ１種以上の元素であることを特徴とする請求項３記載のセラミックス電子部品の製造方法。
5. 前記第２の金属元素は、前記第１の金属インク中の総金属量の１０ｐｐｍ以上、３０％以下であることを特徴とする請求項３または４記載のセラミックス電子部品の製造方法。
6. 前記第２の金属元素は、金属単体、イオン、有機金属化合物、酸化物のいずれかの形態をとることを特徴とする請求項３または４記載のセラミックス電子部品の製造方法。
7. 前記第１の金属元素および第２の金属元素の平均粒子径は、５ｎｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載のセラミックス電子部品の製造方法。
8. 前記熱処理を２００℃以上、９００℃以下で行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のセラミックス電子部品の製造方法。
9. 前記セラミックス基板は酸化物で構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のセラミックス電子部品の製造方法。
10. 前記印刷はインクジェット法によってなされることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のセラミックス電子部品の製造方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のセラミックス電子部品の製造方法で製造されたことを特徴とするセラミックス電子部品。
    

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