JP2011077431A - セラミック基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼成済みセラミック基板の表面に、均一な膜厚をもつ微細導電パターンの形成方法の提供を目的とする。
【解決手段】焼成済みセラミック基板の表面にコーティング材料からなるコーティング層を形成する工程と、前記コーティング層上に導電ペーストからなる導体パターンを形成する工程と、前記導電ペーストの焼成温度で前記コーティング層を熱分解するとともに前記導体パターンを前記焼成済みセラミック基板の表面に結合させる工程と、からなるセラミック基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック基板の製造方法に関するものである。特に、焼成済みセラミック基板の表面にスクリーン印刷にて微細な導体パターンを印刷するセラミック基板の製造方法に関する。

従来のセラミック基板の製造方法を図４に示す。２に示す第１の工程では、焼成済みセラミック基板１を準備する。次に２３に示す第２の工程では、焼成済みセラミック基板１の表面に導電性ペーストを用いて導体パターン２１を形成しセラミック基板２２を得る。導体パターン２１の形成は通常スクリーン印刷工法が用いられる。その後、２６に示す第３の工程では、導電性ペーストの乾燥温度により乾燥を行い、乾燥済み導体パターン２４を形成しセラミック基板２５を得る。その後、２９に示す第４の工程では、導電性ペーストの焼成温度により焼成を行い、焼成済み導体パターン２７を形成し、完成されたセラミック基板２８を得る。

しかしながらこのような従来のセラミック基板の製造方法では、第３の工程による乾燥の際に、導体パターン２４に大きな導体にじみが発生する。この導体にじみを、図５に示す。第２の工程２３で焼成済みセラミック基板１の表面に、導体パターン２１を形成した直後は、導体パターン２１は設計値の幅３０を保つ。ところが、第３の工程２６で導電性ペーストの乾燥温度で乾燥を行うと、導体パターン２１は周辺方向に広がり導体にじみ３１が生じる。

この導体にじみ３１は、次の（１）の要因に（２）の要因が重なった結果、生じる。
（１）導体パターン２１に使われる導電性ペーストは、金属粉末（例えばＡｇ、Ｃｕ）に樹脂成分と溶剤を加えて作成されている。この溶剤は焼成済みセラミック基板に吸収されないので、焼成済みセラミック基板１の表面に形成した導電性ペーストが基板表面を流れやすくなる。
（２）乾燥工程である第３の工程にて導電性ペーストを加熱すると、導電性ペースト中の溶剤の粘度が下がるため、導体にじみが発生する。

このため、従来、あらかじめ導体にじみ３１の幅を考慮して、導体パターン２１の設計値の幅３０を細くする方法がとられている。例えば導体にじみ３１の幅を両側合計で３０μｍであった場合、所望の導体パターン２１の幅が１００μｍであれば、設計値の幅３０を７０μｍにすれば良い。しかし、導体パターン２１の幅をより微細にする、例えば導体パターン２１の幅を５０μｍにすると、設計値の幅３０を２０μｍとしなければならない。ところが、スクリーン印刷工法で２０μｍの導体パターンを形成することは困難であるため、ファインライン形成が出来なかった。

微小なパターンを形成する技術として、ヒートシールコネクタでは、被印刷基材にコーティング層を０．１〜２．８μｍの厚さに形成し、このコーティング層に、粘度を２００〜５００ｍＰａｓ、揺変度を５〜８の導電ペーストをスクリーン印刷して導電パターンを形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

この工法を図６に示す。これは、被印刷基材１に溶剤成分を吸収するコーティング層３を形成し、このコーティング層３上にスクリーン印刷により揺変度を５〜８の導電性ペーストにより導電パターン４０を形成することで導電性ペーストのにじみを解決している。この方法では、スクリーンのワイヤー下部にペーストが回り込まない、いわゆるメッシュ痕が導体パターンの表面に形成される。図６に示す４２がメッシュ痕である。ヒートシールコネクタの製造では、使用される導電性ペーストの焼成温度が多層基板に用いる導電ペーストの焼成温度よりも極めて低いので、このメッシュ痕４２は問題とならなかった。

特開２００５−１４９８９８号公報

しかしながら、従来の方法では、焼成済みセラミック基板に適用した場合に、メッシュ痕による問題が生じる。すなわち、メッシュ痕がある箇所は導電ペーストの膜厚が薄く、その周辺部は膜厚が厚くなる。この状態で導電ペーストの焼成温度で焼成すると（約８５０℃）、焼成時の収縮応力がメッシュ痕の部分に集中する。その結果、クラック４６が生じて著しく導体パターンの信頼性を低下させるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、均一な膜厚をもつ微細導電パターンの形成方法の提供を目的としたものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のセラミック基板の製造方法は、焼成済みセラミック基板の表面にコーティング材料からなるコーティング層を形成する工程と、前記コーティング層上に導電ペーストからなる導体パターンを形成する工程と、前記導電ペーストの焼成温度で前記コーティング層を熱分解するとともに前記導体パターンを前記焼成済みセラミック基板の表面に結合させる工程と、からなることを特徴とする。

本発明によれば、スクリーン印刷工法で焼成済みセラミック基板の表面にメッシュ痕の極めて少ない導体パターンを形成することができる。

本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程図 本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程の詳細図 本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程の詳細図 従来のセラミック基板の製造工程図 従来のセラミック基板の製造工程の詳細図 特許文献１の製造工程の詳細図

以下、本発明の実施の形態について、図面と表を用いて説明する。なお、同じものについては、同符号を用い説明を簡略化している。

（実施例１）
本発明のセラミック基板の製造方法を図１に示す。第１の工程２は、焼成済みセラミック基板１を用意する工程である。焼成済みセラミック基板１には、９６％アルミナ基板、ＡｌＮ基板、高温焼成セラミック多層基板、あるいは低温焼成セラミック多層基板を用いる。本実施例では、９６％アルミナ基板を使用した。

第２の工程５は、焼成済みセラミック基板１の表面にコーティング層３を形成する工程である。４に、コーティング済み基板を示す。コーティング層３の形成は、公知のスクリーン印刷工法、スピンコート、あるいはフィルム転写等を利用して作製すればよい。本実施例では、スクリーン印刷工法を用いた。コーティング層３の材料には、エチルセルロース、ブチラール、アクリル樹脂等が使用できるが、コーティング層３の熱分解温度は導電性ペーストのバインダーの熱分解温度以上でなければならない。これは、後述する第５の工程１４でコーティング層３を全て熱分解させるためである。もし、コーティング層３の熱分解温度が導電性ペーストの樹脂成分より低いと、コーティング層３が先に熱分解して気化するので、コーティング層３上に形成した導電性ペーストが焼成済みセラミック基板１の表面から剥がれてしまうためである。また、コーティング層３の材料には、導電性ペーストのバインダー成分が可溶化できる親和性の高いものにしなければならない。本実施例では、導電性ペーストのバインダーにエチルセルロースを用いため、コーティング層３もエチルセルロースを使用した。エチルセルロースを溶剤（ターピネオール）に溶かし、スクリーン印刷工法にて塗布した。その後、１５０℃で乾燥してコーティング層３を作製した。

第３の工程８は、コーティング層３の上に導電性ペーストを用いて導体パターン６を形成し、導体形成済み基板７を得る工程である。導電性ペーストはＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属粉末を１種類もしくは複数種類混合し、エチルセルロース、ブチラール、アクリル樹脂等の樹脂成分を１種類以上含むバインダーと、ガラスフリットを混合して作成される。本実施例では、ＡｇとＰｔの混合粉末にエチルセルロースを用いて導電性ペーストを作成し、スクリーン印刷工法で導体パターン６を形成した。

第４の工程１１は、導電性ペーストの乾燥温度で乾燥を行い、乾燥済み導体パターン９を表面に配した乾燥済み基板１０を作製する工程である。乾燥温度は１５０℃とした。図２を用いて、第３の工程８の導体パターン６と第４の工程の乾燥済み導体パターン９の状態を説明する。第３の工程８では、導体パターン６は設計値の幅３０である。次の第４の工程１１では導電性ペーストの乾燥を行うので、その乾燥温度によって導電性ペーストの粘度が下がる。その結果、導体パターン９は周辺方向に広がり導体にじみ１５をおこす。しかし、コーティング層３が導電性ペーストの溶剤を吸収するので、この広がりは抑えられ、導体にじみ１５が少ない。

この第４の工程１１で必要な導電性ペーストの粘度とコーティング層３の厚みとの関係は、次のようにして求めた。コーティング層の厚さを０．２μｍから２．０μｍの範囲で変化させて、各々粘度を１００から６００までの範囲に調整した導電ペーストをＬ／Ｓ＝５０／５０μｍのテストパターンを用いてスクリーン印刷し、印刷性評価結果を行った。コーティング層３の厚さの測定は、９６％アルミナ基板上は凹凸があるため正確に測定ができない。そのため、同条件でガラス板上に形成したものを測定して、その値をコーティング層３の厚さとした。判断基準は導体にじみが設計値５０μｍに対して＋１０μｍ以下を良好（○）とし、それを超えると導体にじみ有り（×）とした。また導体かすれは設計値５０μｍに対して−１０μｍ以上を良品（○）とし、それより細くなると導体かすれ有り（××）とした。表１に結果を示す。

表１の結果より、導電性ペーストの粘度が１００Ｐａ・ｓｅｃの時は、溶剤量が多いためコーティング層３の厚みに関係なく導体にじみが発生した。また導電性ペーストの粘度が６００Ｐａ・ｓｅｃの時は、高粘度であるためスクリーンの通過性が悪くコーティング層３の厚みに関係なく導体かすれが発生した。導電性ペーストの粘度が１５０〜５００Ｐａ・ｓｅｃでコーティング層３の厚みが２．０μｍの時は、コーティング層３の厚みが厚く溶剤の吸収が良すぎるため、適度な導電性ペーストの流動が無くなり導体かすれが発生した。また０．２μｍの時は、コーティング層の厚みが薄く導電性ペーストの溶剤を十分吸収できないため、導体にじみが発生した。従って、粘度が１５０〜５００Ｐａ・ｓｅｃの導電性ペーストを使用すれば、良好な印刷性を持つコーティング層３の厚みは０．３〜１．８μｍである。

第５の工程１４は、乾燥済み基板１０を高温で焼成して、焼成済み基板１３を得る工程である。今回の焼成は８５０℃で行った。この焼成温度では、コーティング層３は熱分解され、焼成済み基板１３の表面には残らない。しかし、導体パターン９に含まれるガラスフリットがこの温度で溶融して、導電ペースト内の金属粉末を溶かし込んだ溶融物が導電セラミック基板表面に達しセラミック基板と結合し、セラミック基板上に導電パターン１２が形成される。このとき、コーティング層３の厚さは、導電パターン１２とセラミック基板との密着強度に影響する。そこで、粘度を１００から６００までの範囲に調整した導電ペーストを作製し、コーティング層３の厚みを０から２μｍまで変化させて、密着強度を評価した。評価方法は、各粘度の導電性ペーストを用いて、１．５ｍｍ□の導体パターンをスクリーン印刷工法にて印刷焼成後の剥離強度を測定した。剥離強度の測定は、導体パターンの端部に半田で引っ張り端子を接続し、垂直方向の剥離強度を観察した。判定は、コーティング層無しの密着強度を基準とし、目視による導体パターンのはがれを観察した。結果を、表２に示す。

表２より、コーティング層３の厚みが０．２〜１．８μｍの範囲で、コーティング層が無いものと同等の密着強度を示した。コーティング層３の厚みが２．０μｍの時は、１．５ｍｍ□の導体パターンの周辺部に導体はがれが発生し、密着強度測定に至らなかった。これは、コーティング層３の厚みが２．０μｍでは焼成済みセラミック基板１の表面と導体パターンの間に隙間が発生するためである。

また、導電性ペーストのチクソ性とコーティング層の厚さは、スクリーン印刷時のメッシュ痕に影響する。粘度を１００から６００までの範囲に調整した導電ペーストを作製し、それぞれチクソ性を１から４まで変化させてメッシュ痕を観察した。コーティング層３の厚みは、表１で良好な印刷性を示した０．３〜１．８μｍの範囲で行った。判定は、斜光を用いた目視検査により導体くぼみの有無を観察した。

表３より、導電性ペーストのチクソ性が１〜３の範囲で、コーティング層３の厚みが０．３〜１．８μｍの範囲は導体パターンの表面にくぼみが無く良好であった。導電性ペーストのチクソ性が４の場合は、流動性が悪くメッシュ痕が残るため、コーティング層３の厚みが０．３〜１．８μｍの範囲は導体パターンの表面にくぼみが観察された。従って、導電性ペーストのチクソ性が１〜３の範囲が良い。

以上のように、本願発明によると、導電ペーストの粘度を１５０〜５００Ｐａ・ｓｅｃにすることで、スクリーン印刷工法での導体パターンのにじみを抑制できる。さらに、導体パターンのチクソ性を１から３の範囲にすることで、スクリーン印刷時のメッシュ痕を抑制できる。さらに、コーティング層の厚みを０．３〜１．８μｍの範囲にすることで、導体パターン焼成後の導体パターン６と焼成済みセラミック基板１の密着強度を高めることができる。

このような導電ペーストとコーティング材料を本願発明のように組み合わせることで、スクリーン印刷時のメッシュ痕を抑えられるので、厚みの均一なにじみの少ない導体パターンを形成することができる。

本発明にかかるセラミック基板の製造方法は、セラミック基板の製造方法に関するものである。特に、焼成済みセラミック基板の表面に、導体パターン表面にくぼみが無く、にじみの無い導体パターン形成に有用である。特に、本発明はフリップチップ実装やワイヤーボンディングの微細な実装を行う１００μｍ幅以下のファインラインの形成をスクリーン印刷工法で形成する場合に有効である。

１ 焼成済みセラミック基板
３ コーティング層
４ コーティング層付きセラミック基板
６、２１ 導体パターン
９、２４、４０ 乾燥済み導体パターン
１２、２７ 焼成済み導体パターン
１５、３１ 導体にじみ
１６、１７、４２ メッシュ痕
４６ クラック
３０ 導体パターンの設計値

Claims (6)

1. 焼成済みセラミック基板の表面にコーティング材料からなるコーティング層を形成する工程と、
   前記コーティング層上に導電ペーストからなる導体パターンを形成する工程と、
   前記導電ペーストの焼成温度で前記コーティング層を熱分解するとともに前記導体パターンを前記焼成済みセラミック基板の表面に結合させる工程と、
   からなるセラミック基板の製造方法。
2. 前記導電ペーストは、金属粉末と樹脂成分を１種類以上含むバインダーとガラスフリットとからなる請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
3. 前記バインダーが、エチルセルロース、ブチラール、アクリル樹脂等の樹脂成分を１種類以上含む請求項２に記載のセラミック基板の製造方法。
4. 前記コーティング材料の熱分解温度が、前記導電ペーストのバインダーの熱分解温度以上であるとともに、前記コーティング材料が前記導電ペーストのバインダーを可溶化できる材料からなる請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
5. 前記導電性ペーストの粘度が、１５０〜５００Ｐａ・ｓｅｃであり、かつチクソ性が１〜３である請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
6. 前記コーティング層の厚みが、０．３〜１．８μｍの範囲である請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。