JP3335751B2 - アルミナ基板へのメタライジング方法 - Google Patents
アルミナ基板へのメタライジング方法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
- H05K1/092—Dispersed materials, e.g. conductive pastes or inks
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスにメタラ
イジングする方法に関し、特にアルミナ基板の表面に導
体をメタライジングする方法に関する。
イジングする方法に関し、特にアルミナ基板の表面に導
体をメタライジングする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】アルミナ基板の表面に導体をメタライジ
ングする方法としては、従来次のような方法で行われて
いる。 （１）アルミナ基板表面にＡｇとＰｄから成るペースト
を印刷などで塗布し、それを大気雰囲気中にて８００〜
９００℃の温度で焼き付ける方法。 （２）アルミナ基板表面に銅からなるペーストを印刷な
どで塗布し、それを微量の酸素を含む窒素雰囲気中にて
８５０〜９５０℃の温度で焼き付ける方法。 （３）アルミナ基板表面にタングステンまたはモリブデ
ンを主体とするペーストを印刷などで塗布し、それを水
素を含む還元性ガス雰囲気中にて１５００℃以上の高温
で焼き付け、それにニッケルメッキ及び金メッキを施す
方法。
ングする方法としては、従来次のような方法で行われて
いる。 （１）アルミナ基板表面にＡｇとＰｄから成るペースト
を印刷などで塗布し、それを大気雰囲気中にて８００〜
９００℃の温度で焼き付ける方法。 （２）アルミナ基板表面に銅からなるペーストを印刷な
どで塗布し、それを微量の酸素を含む窒素雰囲気中にて
８５０〜９５０℃の温度で焼き付ける方法。 （３）アルミナ基板表面にタングステンまたはモリブデ
ンを主体とするペーストを印刷などで塗布し、それを水
素を含む還元性ガス雰囲気中にて１５００℃以上の高温
で焼き付け、それにニッケルメッキ及び金メッキを施す
方法。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの方法
は、いずれも欠点があり、例えば（１）の方法では、ア
ルミナ基板内の配線導体には問題ないが、基板外部に信
号を取り出すために、配線の端子導体と外部に取り出す
ピンやリードとを接続する場合には、その端子導体に高
い接着強度が必要となることがあり、基板表面にメタラ
イジングした導体の接着強度が、高くても１Ｋｇｆ／ｍ
ｍ２程度であるため、高い接着強度を要求されるときに
は、ピンやリードと接続した端子部をはんだや樹脂によ
る封止等で強化しなければならないという問題があっ
た。
は、いずれも欠点があり、例えば（１）の方法では、ア
ルミナ基板内の配線導体には問題ないが、基板外部に信
号を取り出すために、配線の端子導体と外部に取り出す
ピンやリードとを接続する場合には、その端子導体に高
い接着強度が必要となることがあり、基板表面にメタラ
イジングした導体の接着強度が、高くても１Ｋｇｆ／ｍ
ｍ２程度であるため、高い接着強度を要求されるときに
は、ピンやリードと接続した端子部をはんだや樹脂によ
る封止等で強化しなければならないという問題があっ
た。
【０００４】また、（２）の方法では、導体の接着強度
が（１）と同様低く、さらに微量の酸素を含む窒素雰囲
気を制御するのが面倒で難しいという問題があった。
が（１）と同様低く、さらに微量の酸素を含む窒素雰囲
気を制御するのが面倒で難しいという問題があった。
【０００５】さらに、（３）の方法では、タングステン
やモリブデン金属を１５００℃以上の高い温度で焼き付
け、その後さらにメッキを施す必要があるため、導体の
接着強度は高いが、工程が長くかつ複雑で生産性が劣
り、コストが高いという問題があった。
やモリブデン金属を１５００℃以上の高い温度で焼き付
け、その後さらにメッキを施す必要があるため、導体の
接着強度は高いが、工程が長くかつ複雑で生産性が劣
り、コストが高いという問題があった。
【０００６】本発明は、上述した従来技術が有する課題
に鑑みなされたものであって、その目的は、アルミナ基
板に焼き付けた導体の接着強度が、樹脂などの封止等で
強化する必要のない３ｋｇｆ／ｍｍ２以上の高い強度を
有し、しかも複雑な工程を必要としない生産性に優れた
接着方法、即ち、メタライジングする方法を提供するこ
とにある。
に鑑みなされたものであって、その目的は、アルミナ基
板に焼き付けた導体の接着強度が、樹脂などの封止等で
強化する必要のない３ｋｇｆ／ｍｍ２以上の高い強度を
有し、しかも複雑な工程を必要としない生産性に優れた
接着方法、即ち、メタライジングする方法を提供するこ
とにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、アルミナ基板表面に窒化層を形成し、その
面上にチタンを含む銅粉から成るペーストを塗布し、塗
布後不活性ガス雰囲気、または真空雰囲気中にてチタン
の含有量に応じた温度で加熱処理すれば接着強度の高い
導体を簡単に基板にメタライジングすることができると
の知見を得て本発明を完成した。
成するため、アルミナ基板表面に窒化層を形成し、その
面上にチタンを含む銅粉から成るペーストを塗布し、塗
布後不活性ガス雰囲気、または真空雰囲気中にてチタン
の含有量に応じた温度で加熱処理すれば接着強度の高い
導体を簡単に基板にメタライジングすることができると
の知見を得て本発明を完成した。
【０００８】上記アルミナ基板の表面に窒化層を形成す
る方法としては、窒素雰囲気中にて１１００〜１４００
℃の温度で加熱処理することとした。
る方法としては、窒素雰囲気中にて１１００〜１４００
℃の温度で加熱処理することとした。
【０００９】これは、アルミナ基板が窒素雰囲気中で加
熱されることにより、基板の表面が窒化され、その窒化
層中の窒素（Ｎ）とその上に塗布された銅粉から成るペ
ースト中のチタン（Ｔｉ）とが、不活性ガス、または真
空雰囲気中で加熱処理した時にセラミックスとペースト
の界面でＴｉＮが形成されて強く結合し、その結果、塗
布されたチタンを含む銅導体が強固かつ安定して接着さ
れることになる。
熱されることにより、基板の表面が窒化され、その窒化
層中の窒素（Ｎ）とその上に塗布された銅粉から成るペ
ースト中のチタン（Ｔｉ）とが、不活性ガス、または真
空雰囲気中で加熱処理した時にセラミックスとペースト
の界面でＴｉＮが形成されて強く結合し、その結果、塗
布されたチタンを含む銅導体が強固かつ安定して接着さ
れることになる。
【００１０】また、上記チタンを含む銅粉から成るペー
ストとしては、銅粉に１〜１３ｗｔ％のチタンを含み、
それに適量の有機ビヒクルを含むペーストであることと
した。
ストとしては、銅粉に１〜１３ｗｔ％のチタンを含み、
それに適量の有機ビヒクルを含むペーストであることと
した。
【００１１】銅粉中に含まれるチタンの量は、上述の範
囲にあればセラミックスと導体の界面でＴｉＮが形成さ
れて強く結合するが、１ｗｔ％より少ないと、窒化層中
のＮと反応するＴｉが少なすぎて強い結合が得られず、
また１３ｗｔ％より多いと、銅に対するチタンの固容限
界が１３ｗｔ％であるので、それより多くすると導体表
面にチタンを析出してはんだの濡れを悪くしてしまう。
囲にあればセラミックスと導体の界面でＴｉＮが形成さ
れて強く結合するが、１ｗｔ％より少ないと、窒化層中
のＮと反応するＴｉが少なすぎて強い結合が得られず、
また１３ｗｔ％より多いと、銅に対するチタンの固容限
界が１３ｗｔ％であるので、それより多くすると導体表
面にチタンを析出してはんだの濡れを悪くしてしまう。
【００１２】このように、銅粉に上述の範囲の量のチタ
ンを添加してこれに適量の有機ビヒクルを加えてペース
トとし、このペーストをスクリーン印刷または筆塗布に
より基板表面に塗布して加熱処理する。
ンを添加してこれに適量の有機ビヒクルを加えてペース
トとし、このペーストをスクリーン印刷または筆塗布に
より基板表面に塗布して加熱処理する。
【００１３】上記塗布したペーストを加熱処理する雰囲
気としては、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気がよ
い。これは、大気のような酸化雰囲気であるとペースト
中の銅が酸化してしまい使いものにならなくなり、水素
を含む還元雰囲気中であれば、ペースト中のチタンが水
素化チタン（ＴｉＨ）となって脆化し実用に耐えなくな
るからである。
気としては、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気がよ
い。これは、大気のような酸化雰囲気であるとペースト
中の銅が酸化してしまい使いものにならなくなり、水素
を含む還元雰囲気中であれば、ペースト中のチタンが水
素化チタン（ＴｉＨ）となって脆化し実用に耐えなくな
るからである。
【００１４】さらに、加熱処理温度としては、９５８〜
１１２５℃の範囲がよい。これは、チタンを含む銅が溶
ける、即ち液相となる温度からそれより５０℃高い温度
までの範囲で加熱処理することが有効であり、そのた
め、チタンの量が上限である１３ｗｔ％の時には、液相
となる９５８℃からそれより５０℃高い１００８℃の範
囲がよく、チタンの量が下限である１ｗｔ％の時には、
同様液相となる１０７５℃からそれより５０℃高い１１
２５℃の範囲がよいためであり、よって、チタンの含有
量に応じて９５８〜１１２５℃の範囲の温度を適宜選べ
ばよいことになる。
１１２５℃の範囲がよい。これは、チタンを含む銅が溶
ける、即ち液相となる温度からそれより５０℃高い温度
までの範囲で加熱処理することが有効であり、そのた
め、チタンの量が上限である１３ｗｔ％の時には、液相
となる９５８℃からそれより５０℃高い１００８℃の範
囲がよく、チタンの量が下限である１ｗｔ％の時には、
同様液相となる１０７５℃からそれより５０℃高い１１
２５℃の範囲がよいためであり、よって、チタンの含有
量に応じて９５８〜１１２５℃の範囲の温度を適宜選べ
ばよいことになる。
【００１５】このように、加熱する温度の上限を５０℃
に限定するのは、これ以上の温度で加熱するとペースト
中のチタンを含む銅成分が溶けて広がるため、配線導体
の線幅が太くなって導体同士が接触するなどの問題を起
こすからである。
に限定するのは、これ以上の温度で加熱するとペースト
中のチタンを含む銅成分が溶けて広がるため、配線導体
の線幅が太くなって導体同士が接触するなどの問題を起
こすからである。
【００１６】なお、本発明は、上述したアルミナの基板
に限らず、アルミナセラミックスに高い強度で導体を接
着する必要がある場合には、同様適用することが可能で
ある。
に限らず、アルミナセラミックスに高い強度で導体を接
着する必要がある場合には、同様適用することが可能で
ある。
【００１７】以上の方法を採ることにより、アルミナ基
板表面に接着強度の高い導体をメタライジングすること
ができる。
板表面に接着強度の高い導体をメタライジングすること
ができる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、
本発明をより詳細に説明する。
本発明をより詳細に説明する。
【００１９】（実施例１〜７）２５ｍｍ角で、厚さ３ｍ
ｍのＡｌ２Ｏ３が９９．５ｗｔ％のアルミナ〔（株）日
本セラテック社製〕を、窒素雰囲気中で表１に示す温度
で加熱処理した。次に、平均粒径が１μｍの銅粉末
〔（株）高純度化学研究所社製〕に、４００メッシュ以
下のチタン〔（株）高純度化学研究所社製〕を表１に示
す量で添加し、それにエチルセルローズと有機溶剤を加
えて混合しペーストを作製した。このペーストを加熱処
理したアルミナ基板の表面に、スクリーン印刷で乾燥後
の厚みが２０μｍとなるように印刷した。印刷後、基板
を大気中で２５０℃の温度で加熱して有機溶剤を除去し
た後、表１に示す加熱雰囲気中にて表１に示す温度、即
ち液相となる温度またはその温度より２５℃、あるいは
５０℃高い温度で加熱処理して導体をメタライジングし
た。
ｍのＡｌ２Ｏ３が９９．５ｗｔ％のアルミナ〔（株）日
本セラテック社製〕を、窒素雰囲気中で表１に示す温度
で加熱処理した。次に、平均粒径が１μｍの銅粉末
〔（株）高純度化学研究所社製〕に、４００メッシュ以
下のチタン〔（株）高純度化学研究所社製〕を表１に示
す量で添加し、それにエチルセルローズと有機溶剤を加
えて混合しペーストを作製した。このペーストを加熱処
理したアルミナ基板の表面に、スクリーン印刷で乾燥後
の厚みが２０μｍとなるように印刷した。印刷後、基板
を大気中で２５０℃の温度で加熱して有機溶剤を除去し
た後、表１に示す加熱雰囲気中にて表１に示す温度、即
ち液相となる温度またはその温度より２５℃、あるいは
５０℃高い温度で加熱処理して導体をメタライジングし
た。
【００２０】メタライジングした導体の上面に、直径が
３ｍｍのコバール〔住友特殊金属（株）社製〕を８００
℃０にてロウ付けし、それを引っ張ることにより導体の
接着強度を求めた。その結果を表１に示す。
３ｍｍのコバール〔住友特殊金属（株）社製〕を８００
℃０にてロウ付けし、それを引っ張ることにより導体の
接着強度を求めた。その結果を表１に示す。
【００２１】（比較例１〜９）なお、比較のため、実施
例と同じアルミナ基板を窒素雰囲気中にて表１に示す温
度で加熱処理し、実施例と同一の材料を用いて表１に示
すチタンの量を銅粉に混ぜてペーストを作製し、そのペ
ーストを実施例と同様に印刷し、表１に示す雰囲気と温
度で加熱処理してメタライジングした。メタライジング
した導体は、実施例と同じく接着強度を求めた。その結
果を表１に示す。
例と同じアルミナ基板を窒素雰囲気中にて表１に示す温
度で加熱処理し、実施例と同一の材料を用いて表１に示
すチタンの量を銅粉に混ぜてペーストを作製し、そのペ
ーストを実施例と同様に印刷し、表１に示す雰囲気と温
度で加熱処理してメタライジングした。メタライジング
した導体は、実施例と同じく接着強度を求めた。その結
果を表１に示す。
【００２２】表１から明らかなように、実施例１〜７に
おいてはいずれも３ｋｇｆ／ｍｍ２を大幅に超す高い接
着強度が得られている。
おいてはいずれも３ｋｇｆ／ｍｍ２を大幅に超す高い接
着強度が得られている。
【００２３】これに対して比較例では、アルミナの加熱
処理温度が低すぎると導体がアルミナに接着しなかった
り（比較例１）、高すぎるとアルミナが変色してしまう
（比較例２）。また、銅にチタンを含まないか、或いは
銅に含まれるチタンの量が少なすぎるとやはり導体がア
ルミナに接着しなく（比較例３、４）、チタンの量が多
すぎるとチタンが粒として析出し、ロウやはんだが導体
に濡れない（比較例５）。さらに、メタライジングする
温度が低すぎるとアルミナに接着しないし（比較例
６）、高すぎるとメタライジングした導体の線幅が広が
ってしまう（比較例７）。さらにまた、メタライジング
する雰囲気が規定範囲外である水素中で加熱すると導体
がぼろぼろとなり（比較例８）、また、大気中で加熱し
ても同じく導体がぼろぼろとなってしまう（比較例
９）。このように本発明の規定範囲外であるといずれも
良好な接着強度が得られなかった。
処理温度が低すぎると導体がアルミナに接着しなかった
り（比較例１）、高すぎるとアルミナが変色してしまう
（比較例２）。また、銅にチタンを含まないか、或いは
銅に含まれるチタンの量が少なすぎるとやはり導体がア
ルミナに接着しなく（比較例３、４）、チタンの量が多
すぎるとチタンが粒として析出し、ロウやはんだが導体
に濡れない（比較例５）。さらに、メタライジングする
温度が低すぎるとアルミナに接着しないし（比較例
６）、高すぎるとメタライジングした導体の線幅が広が
ってしまう（比較例７）。さらにまた、メタライジング
する雰囲気が規定範囲外である水素中で加熱すると導体
がぼろぼろとなり（比較例８）、また、大気中で加熱し
ても同じく導体がぼろぼろとなってしまう（比較例
９）。このように本発明の規定範囲外であるといずれも
良好な接着強度が得られなかった。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【発明の効果】以上、説明した本発明にかかるアルミナ
基板へのメタライジング方法によれば、基板と導体との
界面でＴｉＮが形成されるため、接着がより強固となっ
て、接着強度が３ｋｇｆ／ｍｍ２を大幅に上廻ることに
なり、これによって基板の外部との接続に樹脂による封
止等で配線の端子導体を強化する必要がなくなり、ま
た、タングステンやモリブデンなどの金属を焼き付ける
方法より工程が簡便でコストを安くメタライジングする
ことができる。
基板へのメタライジング方法によれば、基板と導体との
界面でＴｉＮが形成されるため、接着がより強固となっ
て、接着強度が３ｋｇｆ／ｍｍ２を大幅に上廻ることに
なり、これによって基板の外部との接続に樹脂による封
止等で配線の端子導体を強化する必要がなくなり、ま
た、タングステンやモリブデンなどの金属を焼き付ける
方法より工程が簡便でコストを安くメタライジングする
ことができる。
Claims (3)
- 【請求項１】 アルミナ基板表面に窒化層を形成し、そ
の面上にチタンを含む銅粉から成るペーストを塗布し、
塗布後不活性ガス雰囲気、または真空雰囲気中にて９５
８〜１１２５℃の範囲内のチタンの含有量に応じた温度
で加熱処理することを特徴とするアルミナ基板へのメタ
ライジング方法。 - 【請求項２】 アルミナ基板表面に窒化層を形成する方
法が、窒素雰囲気中にて１１００〜１４００℃の温度で
加熱処理することを特徴とする請求項１記載のアルミナ
基板へのメタライジング方法。 - 【請求項３】 チタンを含む銅粉から成るペーストが、
銅粉に１〜１３ｗｔ％のチタンを含み、それに適量の有
機ビヒクルを含むペーストであることを特徴とする請求
項１又は２記載のアルミナ基板へのメタライジング方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02722494A JP3335751B2 (ja) | 1994-01-14 | 1994-01-14 | アルミナ基板へのメタライジング方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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- 1994-01-14 JP JP02722494A patent/JP3335751B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH07207457A (ja) | 1995-08-08 |
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