JP3927250B2 - 窒化アルミニウム基板用厚膜導体ペースト組成物 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は厚膜導体ペースト組成物に関し、特に窒化アルミニウム基板上に通常の方法で被膜として印刷することができる厚膜導体ペースト組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に厚膜導体ペースト組成物は主要成分として導電成分、結合剤および有機ベヒクルを含有する。導電成分としては貴金属であるパラジウム（Ｐｄ）白金（Ｐｔ）または銀（Ａｇ）またはそれらの混合物または合金、パラジウムおよび銀の酸化物またはそれらの混合物の微細粉末が広く用いられている。結合剤としては、ガラス結合剤、有機ベヒクルには、不活性有機液体が用いられている。
これら厚膜導体ペーストは、基板上にスクリーン印刷により塗布後、得られた印刷パターンに焼成されるものである。基板は、アルミナまたは窒化アルミニウムから作られるセラミック基板が使用されることが多い。
【０００３】
近年、窒化アルミニウム基板は、その高い熱伝導率のために高温の環境下で使用される回路基板へ適用されることが望まれている。しかし、窒化アルミニウム基板へ金属導体を接着するには、原子状の金属をセラミック基板表面に飛来させ、その化学的に非常に活性である金属が基板表面に存在する過剰な酸素と結合することによって、金属と基板との間に形成される薄い反応層（酸化膜）を介して接着させる薄膜技術を利用する必要があった。これは大規模で高価なパルスドレーザー堆積法等の装置を必要とし、または窒素を含むため反応が乏しく、あるいは窒素酸化物が発生する等の問題がある。このため、窒化アルミニウム基板に厚膜技術を適用し、導体ペーストを用いて印刷、塗布した後、焼成によって導体をその窒化アルミニウム基板上に“厚膜”として形成することができる厚膜導体ペースト組成物の開発が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、窒化アルミニウム基板に厚膜技術を適用でき、印刷、塗布した後、焼成によって導体を窒化アルミニウム基板上に“厚膜”として形成することができる厚膜導体ペースト組成物を提供することである。
本発明の他の目的は、窒化アルミニウム基板に厚膜技術を適用でき、印刷、塗布した後、焼成によって導体を窒化アルミニウム基板上に“厚膜”として形成でき、且つ得られた導体表面に良好なハンダ濡れ性を保ちながらハンダ付けまたはメッキをも行うことを可能とした厚膜導体ペースト組成物を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の一形態による厚膜導体ペースト組成物は、導電体粉末とホウ化物とを有機媒体中に分散してなることを特徴とする窒化アルミニウム基板にスクリーン印刷可能な厚膜導体ペースト組成物である。
【０００６】
本発明で用いるホウ化物とは、ホウ素と金属元素とからなる化合物である。この化合物は、ホウ素と金属元素との２元化合物（金属ホウ化合物と言う）またはホウ素の入った多元系化合物をも含み、空気中で６００℃〜１０００℃の温度範囲で加熱することによってホウ酸を発生するすべての化合物を含むものである。金属ホウ化合物としては、例えば、ＴｉＢ2、ＺｒＢ2、ＨｆＢ2、ＵＢ2、ＮｂＢ2、ＴａＢ2、ＣｒＢ2、ＭｏＢ2、Ｗ2Ｂ5、ＣａＢ6、ＳｒＢ6、ＢａＢ6、ＬａＢ6、ＣｅＢ6、ＰｒＢ6、ＮｄＢ6、ＳｍＢ6、ＥｕＢ6、Ｎｉ3Ｂ6、Ｎｉ2Ｂ6等を挙げることができる。
【０００７】
本発明において使用されるホウ化物は、基本的にペースト焼成工程においてホウ素から生成するＢ2Ｏ3がガラス化し、導体表面を覆う結果、ハンダ濡れ性の不良を発生させることがない程度含むことができる。このハンダ濡れ性不良の原因となり得るＢ2Ｏ3は、導体として使用する貴金属の種類、あるいは単体または合金のいずれの形態に関係し、焼成後の厚膜密度をコントロールすることができ、よって生成し、ガラス化するＢ2Ｏ3（ホウ化物の種類によっても生成するＢ2Ｏ3の量も変化する）の厚膜表面への析出を抑制することが可能であることから、かなり広い範囲にわたってホウ化物の含有量を選択することができる。
【０００８】
例えば、本発明において、ホウ化物としてＺｒＢ2を使用した場合、本発明による厚膜導体ペースト組成物を窒化アルミニウム基板へ適用し、ハンダ濡れ性の不良を発生させないことから、導体の銀１００重量部に対して、ＺｒＢ2の含有量は１.６重量部以下であることが必要である。
【０００９】
本発明に使用される導電性粉末は、貴金属粉末の任意のものであり得る。一般的に貴金属と呼ばれるすべての金属が使用され得るが、特に金、銀、白金、パラジウム、ロジウムおよびそれらの混合物およびそれらの合金が使用され得る。これらの金属または合金は微細粉末の形態で使用される。金属粉末の粒径は塗布方法に適切でありさえすれば特に重要ではないが、約０.５〜５ミクロンの範囲にあるのが好ましい。
【００１０】
本発明においては、上記の導電性粉末とホウ化物とを有機ベヒクルに分散させ、普通半流動性の軟度を具備する「ペースト」と称される分散物として製造することができる。
本発明の厚膜ペースト組成物における有機ベヒクル：分散物中の無機固形分の比は、ペーストの塗布方法および使用される有機媒体の種類に依存し、変動し得る。
【００１１】
通常、良好な被覆を得るには分散物は無機固形分５０〜９０重量％およびベヒクル５０〜１０重量％を含有する。
すべての不活性液体をベヒクルとして使用することができる。濃厚化剤および／または安定剤および／またはその他の一般的添加剤を加えたかまたはこれらを加えていない水または種々の有機液体のいずれか一つをベヒクルとして使用することができる。使用しうる有機液体の例は脂肪族アルコール、そのようなアルコールのエステル例えばアセテートおよびプロピオネート、テルペン例えば松根油、テルピネオールその他、溶媒例えば松根油およびエチレングリコールモノアセテートのモノブチルエーテル中の樹脂例えば低級アルコールのポリメタクリレートの溶液またはエチルセルロースの溶液である。ベヒクルには基板への適用後の迅速な固化を促進させるための揮発性液体を含有させることができるしまたはベヒクルはこれより構成されていることもできる。
好ましいベヒクルはエチルセルロースおよびβ−テルピネオールをベースとするものである。
【００１２】
本発明においてはガラス結合剤を上記ペースト組成物に付加的に加えることもできる。使用されるガラス結合剤としては、ガラスの組成物はそれ自体では臨界的ではなく、先に述べた導電体相およびホウ化物と反応することがなく、窒化アルミニウム基板と適合した熱膨張係数を有し、焼成工程における導電体相を形成する金属粒子の焼結を助けるためその焼成温度で十分な粘度とガラス流動性を有するものであれば使用できる。
従って、慣用のガラス形成性およびガラス変性成分を含有する広範な種類の酸化物ガラス例えばアルミノボロシリケート、鉛ボロシリケートおよび鉛シリケート自体のような鉛シリケート、およびビスマスシリケートなどを使用することができる。
【００１３】
ガラス結合剤の粒径は特に臨界値があるわけではない。しかしながらガラス粒子は０.１〜１０ミクロン（好ましくは０.５〜５ミクロン）の範囲で平均粒径は２〜３ミクロンであるべきである。０.１ミクロン未満の微細ガラスは表面が非常に大きく印刷用ペーストとして適当な流動性を得るには大量の有機媒体を必要とする。一方、１０ミクロンより大きい粒子の場合、スクリーン印刷の障害となる。
【００１４】
【作用】
ホウ化物が、焼成工程において酸化されることによって生成する金属酸化物ならびにＢ2Ｏ3とが窒化アルミニウム基板と反応し、酸化反応生成物（２Ａｌ2Ｏ3・Ｂ2Ｏ3）を生成し、これが導電体である金属と基板との接着に寄与するものである。
【００１５】
試験方法
導体抵抗試験パターン部２、パッド部（２×２mm）３を備えた図１のようなテストパターン１を用いて、厚膜ペースト組成物を窒化アルミニウム基板上にスクリーン印刷、乾燥、焼成し、焼成後の導体の厚みが１０μｍ程度になるようにする。
（１） 抵抗値測定
導体抵抗試験パターン部分２の抵抗値をＮ回測定する（Ｎ＝４）。平均値を２００で割り、単位面積あたりの抵抗値を求め実測した膜厚で換算し、１０μｍ厚さあたりの単位面積抵抗値（単位：オーム／平方）を求める。
【００１６】
（２） 接着強度
図１の９ケのパッド（２mm×２mm）３に、テストパターン１上に設けられたワイヤー位置合わせマーク４に従って３本のクリップ状のワイヤー５をはさみ、そのまま２２０℃±５℃の温度によってハンダ付けを行なう。使用されるハンダ組成は、すず／鉛／銀＝６２／３６／２とする。ハンダ付け後、１６時間室温放冷後、ワイヤーを下部の曲げマーク６に合せて９０°に曲げ、引張り強度をＮ回測定する（Ｎ＝１２）。ここでは、Ｎ＝１２を採用し、１２回の測定値の平均値を基板上に適用された厚膜導体の接着強度とする。
（３） ハンダ濡れ性
図１のテストパターンをハンダ（接着強度測定に用いたものと同じ）に浸漬（５秒間）後、引き上げ、パッド３のハンダ付着状態を観察する。
測定は全パッド数に対して、ハンダが完全に付着し導体表面が見えないパッドの割合で行なう。本発明の場合、９０％以上を良とした。
【００１７】
【実施例】
本発明を以下の実施例および比較例によってさらに詳細に説明する。例中、導電性粉末、金属ホウ化物およびベヒクルの配合割合は重量％によって、表１に表記する。
実施例１、２
銀粉末、ジルコニウムホウ化物およびベヒクルを表１に記載の重量割合で混合し、三本ロールのミリングマシンにより充分に混練し分散物である厚膜導体ペーストを得る。所望により得られたペースト組成物をスクリーン印刷に適したレオロジーに調整する。
上述のようにして調整した厚膜ペースト組成物を窒化アルミニウム基板上にスクリーン印刷により塗布し、得られたパターンを８５０℃で焼成して、焼成後の導体厚みが１０μｍとなる本発明の厚膜導体を製造した。
この導体の抵抗値、接着強度およびハンダ濡れ性を上述した方法により評価し、その結果を表１に示す。
参考例３〜１０
銀粉末、ジルコニウムホウ化物およびベヒクルを表１に記載の重量割合で混合し、三本ロールのミリングマシンにより充分に混練し分散物である厚膜導体ペーストを得る。所望により得られたペースト組成物をスクリーン印刷に適したレオロジーに調整する。
上述のようにして調整した厚膜ペースト組成物を窒化アルミニウム基板上にスクリーン印刷により塗布し、得られたパターンを８５０℃で焼成して、焼成後の導体厚みが１０μｍとなる厚膜導体を製造した。
この導体の抵抗値、接着強度およびハンダ濡れ性を上述した方法により評価し、その結果を表１に示す。
実施例１１
表１に示した指示に従って、銀粉末、ジルコニウムホウ化物および下記表２の構成のガラス結合剤とを、エチレンセルロースとβ−テルピネオールとからなるベヒクル中に分散させ、これを３本ロールミルで混練してペースト組成物を調整した。実施例１、２の手順と同様にして厚膜導体を製造し、その特性を測定した結果を表１に示す。
【００１８】
比較例１２
ホウ化物を含有していない点を除き実施例１、２、１１と同様に銀粉末を表１に示す重量割合で含み、ベヒクル中に分散させ、これを３本ロールミルで混練して比較例としてのペースト組成物を調整した。得られたペースト組成物を実施例に記述したのと同一の方法で窒化アルミニウム基板上に適用した。そして、実施例と同じように基板上に形成された厚膜ペーストの抵抗値、接着強度およびハンダ濡れ性を測定した。その結果は表１に示す通りであった。
【００１９】
【表１】
Figure 0003927250
【００２０】
【表２】
Figure 0003927250
【００２１】
【発明の効果】
本発明の厚膜導体ペースト組成物によれば、窒化アルミニウム基板に対して厚膜技術を適用し、印刷、塗布した後、焼成によって厚膜として基板に強固に接着した導体を形成することができ、且つ良好なハンダ濡れ性を得られることから基板上に形成された導体表面へのハンダ付けまたはハンダメッキを施すことを可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる厚膜導体ペーストの特性試験を行う場合に用いられるテストパターンを示す平面図である。
【符号の説明】
１ テストパターン
２ 導体抵抗試験パターン
３ パッド
４ ワイヤー位置合わせマーク
５ ワイヤー
６ ワイヤー曲げマーク

Claims (1)

  1. Ａｇと、ＴｉＢ２およびＺｒＢ２からなる群から選ばれる金属ホウ化物とを有機媒体中に分散してなり、組成物の全量に対する前記金属ホウ化物の含有量が０．６〜１．３重量％であることを特徴とする窒化アルミニウム基板にスクリーン印刷可能な厚膜導体ペースト組成物。
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