JP2008270834A - 厚膜回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】導体層の周縁部が基材から剥離しない厚膜回路基板を提供すること。
【解決手段】焼成後に導体層２を形成可能な金属粉末であって、その平均粒径が０．１〜１０μｍの粉末を用いた導体ペーストを６００〜７００℃で焼成してなるアルミナセラミックス基板１上に形成された電気を伝導する導体層を有する厚膜回路基板において、少なくとも素子が接合される該導体層の周縁部２３が、ガラスあるいは樹脂よりなる保護被膜７に被覆されていることを特徴とする厚膜回路基板。
【選択図】図５

Description

本発明は、厚膜回路基板に関し、詳しくは、素子を導体層に取り付けたときに導体層が剥離しない厚膜回路基板に関する。

従来、電気素子は、厚膜回路基板に組み付けられている。厚膜回路基板は、絶縁性の基材と、基材表面上に形成された導体層と、を有している。厚膜回路基板において電気の伝導を行う導体層には、基材との密着性、はんだ付け強度、抵抗体とのマッチング性などの特性を満たすことが要求されている。

はんだ付け強度を十分に確保するためには、導体層と基材の密着性を向上させることだけでなく、導体層自身を緻密化する必要がある。特に、導体層の密度は、高温放置時のはんだ拡散に大きく影響することが知られている。具体的には、導体層がポーラスであると、はんだ付けにおいてはんだが拡散して生じる拡散層が厚くなり、拡散層により生じる応力等で導体層と基材の間の密着強度が大きく低下する。

また、導体層の緻密化（密度の向上）をすすめると、導体層の周縁部から中央部にむかってはたらく応力が大きくなり、導体層の周縁部が基板から剥がれる（浮き上がる）という問題が発生していた。導体層の周縁部が基板から剥がれると、導体層と基材との密着部の面積が減少し、導体層のはんだ付け強度が低下するようになる。

導体層の周縁部の剥離は、特許文献１に記載された銅導電性ペーストを低温で焼成した導体層において発生しやすくなっている。具体的には、銅導電性ペーストは、低温で焼成して導体層を形成するため、ペースト中の金属粉末を微粉化している。金属粉末を微粉化することでペーストの焼結性は向上しているが、同時に焼結時の収縮（体積減少）も生じやすくなっている。この収縮により、導体層の周縁部には、導体層の中心部方向に応力が加わる。この残留応力により基板から導体層の周縁部が剥離（浮きあがり）が生じやすくなっている。
特開平１１−３２９０６６号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、導体層の周縁部が基材から剥離しない厚膜回路基板を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは厚膜回路板について検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

本発明の厚膜回路基板は、焼成後に導体層を形成可能な金属粉末であって、その平均粒径が０．１〜１０μｍの粉末を用いた導体ペーストを６００〜７００℃で焼成してなるアルミナセラミックス基板上に形成された電気を伝導する導体層を有する厚膜回路基板において、少なくとも素子が接合される導体層の周縁部が、ガラスあるいは樹脂よりなる保護被膜に被覆されていることを特徴とする。

本発明の厚膜回路基板は、導体層の周縁部が保護被膜により被覆されることで、保護被膜が導体層の周縁部の変位を規制する。この結果、本発明の厚膜回路基板は、導体層の周縁部の基材からの剥離が生じなくなっているため、十分なはんだ付け強度を確保できる。

本発明の厚膜回路基板は、保護被膜を有することで、導体層の基材からの剥離を抑えている。このため、本発明の厚膜回路基板は、導体層の周縁部の基材からの剥離が生じなくなっているため、十分なはんだ付け強度が確保されている。

本発明の厚膜回路基板は、焼成後に導体層を形成可能な金属粉末であって、その平均粒径が０．１〜１０μｍの粉末を用いた導体ペーストを６００〜７００℃で焼成してなるアルミナセラミックス基板上に形成された電気を伝導する導体層を有する厚膜回路基板である。

導体層は、焼成後に導体層を形成可能な金属粉末であって、その平均粒径が０．１〜１０μｍの粉末を用いた導体ペーストを６００〜７００℃で焼成してなる。金属粉末の粒径が小さくなることで、６００〜７００℃の低温での焼成が可能となる。すなわち、焼成に要するコストを低減できる。ここで、金属粉末は、導体層の組成を有する合金粉末であっても、純金属および／または合金の粉末が導体層の組成となるように秤量された混合粉末であってもどちらでもよい。

基板は、アルミナセラミックスを板状に形成したアルミナセラミックス基板を用いることができる。

導体層は、厚膜回路基板において、電気が流れる部材である。導体層は、所定の回路パターンに応じて基材の表面上に形成されている。

また、本発明の厚膜回路基板は、少なくとも素子が接合される該導体層の周縁部が、ガラスあるいは樹脂よりなる保護被膜に被覆されている。保護被膜が導体層の周縁部を被覆することで、導体層の周縁部が変位を生じようとしても、保護被膜が周縁部の変位を規制する。この結果、周縁部が基材から剥離することが抑えられる。すなわち、基材からの剥離が生じやすい導体層であっても、周縁部が基材から剥離することが抑えられる。

また、保護被膜が少なくとも素子が接合される導体層の周縁部を被覆することで、保護被膜と導体層の接触面積を少なくすることが可能となる。接触面積を減少できることで、保護被膜を構成する元素の導体層（あるいは抵抗体）への拡散が抑えられ、導体層（あるいは抵抗体）の電気的な導通の特性の低下が抑えられる。

さらに、保護被膜は、導体層上でオーバーコートガラスと同様の働きを示すため、厚膜回路基板の使用時に導体層の損傷が抑えられる。

保護被膜は、ガラスあるいは樹脂よりなる。保護被膜を形成するガラスあるいは樹脂は、基材表面上に形成可能であり、導体層を固定できる材質であれば特に限定されない。たとえば、保護被膜を形成するガラスとしては、ＺｎＯ系、ＰｂＯ系のガラスを用いることができる。

本発明の厚膜回路基板は、導体層の周縁部を保護被膜が被覆している。すなわち、導体層の周縁部を保護被膜が被覆することで、導体層の周縁部が変位を生じようとしても、保護被膜が周縁部の変位を規制している。この結果、導体層の周縁部の変位が抑えられ、周縁部の変位により生じる剥離が抑えられる。

本発明の厚膜回路基板は、基材と、導体層と、保護被膜と、を有する。

導体層は、Ｃｕと、合計が１〜３５重量％のＣｕ以外の添加金属１種以上とからなる金属成分を含有する低温銅導体ペーストを焼成してなることが好ましい。ここで、添加金属は、金属成分の融点をＣｕの融点よりも低くする金属である。低温銅導体ペーストは、焼成により収縮を生じるとともに焼成により得られる導体層中に応力が残留する。この残留応力は、周縁部においては中央部（導体層の厚さが厚い部分）に向かう力である。すなわち、低温銅導体ペーストが焼成されてなる導体層は周縁部において基材からの剥離が生じやすくなっている。このため、十分なはんだ付け強度を得にくかった。

ここで、導体層を形成するための低温銅導体ペーストにおいて、Ｃｕ以外の添加金属としては、Ｔｉ，Ｍｎ，Ｇｅの少なくとも一種を用いることが好ましい。

Ｃｕ系の導体の焼成は、不活性ガス雰囲気下で行われる。ここで、不活性ガス雰囲気とは、Ｃｕ系の導体と反応を生じないガスであればよく、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン等のガスをあげることができ、安価であることから窒素ガスであることが好ましい。

保護被膜は、導体層の形成後に導体層の周縁部を被覆した状態で焼成により形成されることが好ましい。

保護被膜を形成するガラスの軟化点は、導体層の焼成温度より低いことが好ましい。ガラスの軟化点が導体層の焼成温度より低くなると、導体層の焼成後に保護被膜を被覆させることができる。また、導体層の周縁部が基材表面から剥離を生じていても、保護被膜は、基材表面と導体層とのすき間に侵入し、この侵入した被膜が基材と導体層とを接着することとなる。この結果、導体層の剥離が生じなくなる。

導体ペーストは、酸化物、ガラス粉末、ビヒクルを有することが好ましい。これらを有するペーストを焼成することで、導体層の緻密化が促進される。

導体ペーストがガラス粉末を有し、保護被膜が、ガラス粉末の原料と同じ組成を有するガラス原料を主成分として製造されたことが好ましい。ガラス粉末を有するペーストを焼成すると得られる導体層中にはガラス粒子が分散する。そして、ガラス層の原料であるガラス原料がこのガラス粉末と同じ組成となることで、導体層の表面に露出したガラス粒子と保護被膜とが一体化し、導体層が基材表面に接着される。ガラス層がガラス原料から製造されたことがより好ましい。

導体層は、Ｃｕと、Ｃｕ以外の添加金属一種以上とからなる導体組成物であり、添加金属は、導体組成物の融点をＣｕの融点よりも低い融点にする金属でありかつ添加金属の含有量が０．８〜３０重量％であることが好ましい。Ｃｕ以外の金属成分としては、Ｔｉ，Ｍｎ，Ｇｅの少なくとも一種をあげることができる。

本発明の厚膜回路基板は、Ｃｕ系の導体層、保護被膜以外に抵抗体やＡｇ系の導体を有することができる。

抵抗体は、導体層の焼成温度より高温で焼成されてなることが好ましい。すなわち、抵抗体をあらかじめ基材の表面の所定の位置に焼成しておき、その後、導体層を焼成することが好ましい。あらかじめ、抵抗体を基材に形成しておくことで、抵抗体の焼成条件が限定されなくなる。すなわち、大気雰囲気中で焼成した抵抗体を用いることができる。

本発明の厚膜回路基板には、導体層の焼成温度以上の温度で焼成された抵抗体を使用することができる。特に、安価なＲｕＯ_２系抵抗体を用いることが好ましい。このＲｕＯ_２系抵抗体は、９００℃以上の温度で焼成された銅系の導体が導体層を形成していたときには、導体層の焼成雰囲気である窒素ガスにより還元分解されていたが、導体層の焼成が７５０℃以下でなされると、窒素ガスによる抵抗体の還元分解が生じなくなっている。すなわち、ＲｕＯ_２系抵抗体の焼成を大気雰囲気中で行うことができ、製造に要するコストを低下さえることができる。

本発明の厚膜回路基板は、その製造方法が特に限定されるものではない。たとえば、以下の製造方法により製造することができる。

本発明の厚膜回路基板の製造方法は、焼成後に導体層を形成可能な導体ペーストを基材表面上に配置した状態で焼成する導体層形成工程と、焼成後に保護被膜を形成可能な被膜材料を導体層の周縁部に配置した状態で焼成して保護被膜を形成する保護被膜形成工程と、を有する。導体層形成工程と保護被膜形成工程とを施すことで、本発明の厚膜回路基板を製造することができる。

導体層形成工程は、低温銅導体ペーストを印刷し、焼成する工程であることが好ましい。また、保護被膜形成工程は、ペースト状のガラス材料を印刷し、焼成する工程であることが好ましい。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

実施例として、厚膜回路基板を作成した。

（参考例）
従来公知の方法を用いて、アルミナセラミックスよりなる板状の基材１を作成した。そして、板状の基材１の表面に、ガラス材料、抵抗体材料およびＡｇ系の導体材料を印刷し、８５０℃で焼成した。この焼成は、Ａｉｒ中で行われた。なお、ガラス材料には、ＺｎＯ系あるいはＰｂＯ系のガラス材料を、抵抗体材料には、ＲｕＯ_２系の抵抗体材料を、Ａｇ系の導体材料には、ＡｇあるいはＡｇ−Ｐｄ系の導体材料を用いることができる。これらの材料は、焼成によりガラス層３、抵抗体５、Ａｇ系の導体６となった。ここで、ガラス層３を構成するガラスの軟化点は、６００℃であった。焼成後の基材の断面を図１に示した。Ａｇ系の導体６は、ボンディングパッド導体として機能する。ボンディングパッド導体は、厚膜回路に電気素子を設置するときに、電気素子を厚膜回路基板に固定するとともに回路と素子とを電気的に導通させる。

つづいて、ガラス層３の表面上にＣｕ系の導体材料を印刷し、６００〜７００℃でＮ_２雰囲気中で焼成した。この焼成により、ガラス層３上にＣｕ系の導体２が形成された。焼成後の基材の断面を図２に示した。図２に示したように、Ｃｕ系の導体２は、全体がガラス層３の表面上に形成された導体２１と、周縁部がガラス層３上に形成され中央部が基材１に密着して形成された導体２２と、から構成されている。

その後、オーバーコートガラス材料を印刷し、６００℃でＮ_２雰囲気中で焼成した。この焼成により、オーバーコートガラス４が形成された。焼成後の基材の断面を図３に示した。

以上により、本参考例が製造された。

本参考例の厚膜回路基板は、ガラス層３上にＣｕ系の導体層２が形成されている。また、Ｃｕ系の導体層２は、導体２１および導体２２のいずれにおいても周縁部に剥離が確認されなかった。すなわち、本参考例の厚膜回路基板は、導体層の周縁部の基材からの剥離が生じなくなっている。この結果、本参考例の厚膜回路基板は、十分なはんだ付け強度が確保されているものとなっている。

（実施例１）
参考例と同様に、アルミナセラミックスよりなる板状の基材１を作成した。そして、板状の基材１の表面に、抵抗体材料およびＡｇ系の導体材料を印刷し、８５０℃で焼成した。この焼成は、Ａｉｒ中で行われた。抵抗体材料には、ＲｕＯ_２系の抵抗体材料を、Ａｇ系の導体材料には、ＡｇあるいはＡｇ−Ｐｄ系の導体材料を用いることができる。これらの材料は、焼成により抵抗体５、Ａｇ系の導体６となった。

つづいて、基材１の表面上にＣｕ系の導体材料を印刷し、６００〜７００℃でＮ_２雰囲気中で焼成した。この焼成により、基材１上にＣｕ系の導体２が形成された。焼成後の基材の断面を図４に示した。図４に示したように、Ｃｕ系の導体２は、周縁部２３に基材１の表面からの剥離（浮きあがり）が見られた。

その後、Ｃｕ系の導体層２の周縁部を被覆した状態でガラス材料を塗布し、６００℃でＮ_２雰囲気中で焼成した。この焼成により、保護被膜７が形成された。焼成後の基材の断面を図５に示した。

以上により、本実施例が製造された。

本実施例は、基材１の表面上に形成されたＣｕ系の導体２の周縁部が保護被膜７に被覆されている。すなわち、Ｃｕ系の導体２の周縁部２３に基材１の表面から剥離が生じても、保護被膜７が周縁部２３を被覆することで、剪断応力の耐力が大幅に向上している。また、保護被膜７は、周縁部２３の基材１表面とのすき間に侵入し、周縁部２３を基材１上に固定する役割も果たす。

さらに、本実施例は、Ｃｕ系の導体２の周縁部のみに保護被膜７が形成されているため、保護被膜７を構成する元素のＣｕ系の導体２への拡散が抑えられている。

この結果、本実施例の厚膜回路基板は、十分なはんだ付け強度が確保されているものとなっている。

（実施例２）
本実施例は、実施例１と参考例の構成を併用した厚膜回路基板である。

まず、参考例と同様に、アルミナセラミックスよりなる板状の基材１を作成した。そして、板状の基材１の表面に、ガラス材料、抵抗体材料およびＡｇ系の導体材料を印刷し、８５０℃で焼成した。この焼成は、Ａｉｒ中で行われた。これらの材料は、焼成によりガラス層３、抵抗体５、Ａｇ系の導体６となった。ここで、ガラス層３を構成するガラスの軟化点は、６００℃であった。焼成後の基材の断面を図６に示した。

つづいて、基材１の表面上およびガラス層３上にＣｕ系の導体材料を印刷し、６００〜７００℃でＮ_２雰囲気中で焼成した。この焼成により、基材１上にＣｕ系の導体２が形成された。焼成後の基材の断面を図７に示した。図７に示したように、基材１の表面上に形成されたＣｕ系の導体２は、周縁部２３に基材１の表面からの剥離（浮きあがり）が見られた。なお、ガラス層３上に形成されたＣｕ系の導体層２の周縁部２３には剥離が見られなかった。

その後、基材１の表面上に形成されたＣｕ系の導体層２の周縁部２３を被覆した状態でガラス材料を塗布し、６００℃でＮ_２雰囲気中で焼成した。この焼成により、保護被膜７が形成された。なお、形成された保護被膜７は、形成された位置によっては実施例１のオーバーコートガラス４としても機能する。焼成後の基材の断面を図８に示した。

以上により、本実施例が製造された。

本実施例は、上述の実施例１および参考例と同様の効果を発揮する。すなわち、ガラス層３上にＣｕ系の導体２が形成された場合においても、基材１の表面上にＣｕ系の導体２が形成された場合においても、いずれの周縁部２３においても導体２の剥離が抑えられている。この結果、本実施例の厚膜回路基板は、十分なはんだ付け強度が確保されているものとなっている。

一方、従来の厚膜回路基板においては、ガラス層３あるいは保護被膜７を用いていないため、Ｃｕ系の導体２の周縁部２３が基材１の表面から剥離を生じる。このことは、図４に示されている。

すなわち、本発明の厚膜回路基板である実施例１〜２の厚膜回路基板は、導体層（Ｃｕ系の導体２）の周縁部の剥離が抑えられることで、十分なはんだ付け強度が確保されているものとなっている。

参考例においてガラス層が形成された状態の基材の断面を示した図である。 参考例において導体層が形成された状態の基材の断面を示した図である。 参考例の厚膜回路基板の断面を示した図である。 実施例１において導体層が形成された状態の基材の断面を示した図である。 実施例１の厚膜回路基板の断面を示した図である。 実施例２においてガラス層が形成された状態の基材の断面を示した図である。 実施例２において導体層が形成された状態の基材の断面を示した図である。 実施例２の厚膜回路基板の断面を示した図である。

符号の説明

１…基材
２…Ｃｕ系の導体 ２３…周縁部
３…ガラス層 ４…オーバーコートガラス
５…抵抗体 ６…Ａｇ系の導体
７…保護被膜

Claims (1)

1. 焼成後に導体層を形成可能な金属粉末であって、その平均粒径が０．１〜１０μｍの粉末を用いた導体ペーストを６００〜７００℃で焼成してなるアルミナセラミックス基板上に形成された電気を伝導する導体層を有する厚膜回路基板において、
   少なくとも素子が接合される該導体層の周縁部が、ガラスあるいは樹脂よりなる保護被膜に被覆されていることを特徴とする厚膜回路基板。

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