JP3928645B2 - 絶縁ペースト及び絶縁ペーストを用いた絶縁層の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に用いる回路部品等に絶縁層を形成するための絶縁ペースト、特に窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板上若しくはタングステン及び／又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層上に絶縁層を形成するのに適した絶縁ペースト、及びこの絶縁ペーストを用いて絶縁層を形成する方法に関する。

従来、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板上、又はタングステン及び／又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層上に、絶縁ペーストを用いて絶縁層を形成する場合、所定の絶縁性を得ると共に、これらの基板又はメタライズ層との十分な密着性を得るため、一般に低軟化点ガラスや結晶化ガラス等を主体とした絶縁ペーストが使用されてきた。

しかし、かかるガラスを主成分とする絶縁ペーストの焼成温度は、タングステン及び／又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層形成時の焼成温度よりも低いため、これらと同時焼成により形成することができない。従って、基板上に高融点メタライズ層を前以て焼成して形成した後、その表面上の所定の位置に絶縁ペーストをスクリーン印刷等の方法により塗布し、再度焼成して絶縁層を形成せざるを得なかった。

一方、従来からアルミナを主成分とする絶縁ペーストを用いて、アルミナ基板上に絶縁層を形成することが行われている。このアルミナを主成分とする絶縁ペーストを使用すれば、タングステン及び／又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層と焼成温度を同一にすることができ、従ってこれら高融点メタライズ層との同時焼成が可能である。

しかし、アルミナを主成分とする絶縁層は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板とも、タングステン又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層とも密着性が悪いという欠点がある。又、かかるアルミナを主成分とする絶縁層を、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板上にタングステン又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層を介して形成した場合、セラミックス基板と高融点メタライズ層との密着性まで悪影響を及ぼす。

本発明は、かかる従来の事情に鑑み、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板上やタングステン又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層上に密着性に優れた絶縁層を形成でき、しかも前記セラミックス基板及び／又は、高融点メタライズ層との同時焼成により絶縁層の形成が可能な絶縁ペーストを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供する絶縁ペーストは、窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム基板あるいは窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム基板形成用のグリーンシートに使用する絶縁ペーストであって、絶縁ペースト中の無機成分が、平均粒径が３．０μｍ以下である窒化アルミニウム粉末と、窒化アルミニウム粉末１００重量部に対して１〜１００重量部の、周期律表の２Ａ及び３Ａ族元素、アルミニウム、及びケイ素の酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物の粉末とからなることを特徴とする。

尚、本発明の絶縁ペーストも、従来の絶縁ペーストと同様に有機バインダーや有機溶媒等からなる有機成分を含むことは言うまでもない。本発明の絶縁ペーストにおいては、有機バインダーとしてエチルセルロースやニトロセルロース等のセルロース系樹脂、ポリイソブチルメタクリレート等のアクリル系樹脂が好ましく、有機溶媒としてテルピネオール、酢酸ブチルカルビトール、及びこれらの混合溶媒等が好ましい。

上記本発明の絶縁ペーストの有利な使用方法の一つとして、本発明の前記絶縁ペーストを、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板形成用のグリーンシー卜上及び／又はタングステン又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層形成用の金属ペースト上に塗布し、その後この絶縁ペーストを前記グリーンシート及び／又は前記金属ペーストと同時に非酸化性雰囲気中で焼成することにより、絶縁層を形成することができる。

本発明の窒化アルミニウム粉末を主成分とする絶縁ペーストによれば、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板上やタングステン又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層上に、これらのグリーンシートや金属ペーストと同時焼成により、セラミックス基板や高融点メタライズ層との密着性に優れ、耐メッキ性も良好な絶縁層を形成することができる。

本発明の絶縁ペーストは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とするセラミックス基板上、又はタングステン（Ｗ）及び／又はモリブデン（Ｍｏ）を主成分とする高融点メタライズ層上に絶縁層を形成するためのものであり、無機成分として主に窒化アルミニウム粉末を用いることにより、これらセラミックス基板や高融点メタライズ層との密着強度の高い絶縁層を形成することができる。

又、窒化アルミニウム粉末を主成分とすることにより、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板やクングステン及び／又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層を形成するための焼成温度と同一温度で焼成できる、即ち前記セラミックス基板や高融点メタライズ層形成のための焼成時に同時焼成することが可能である。尚、窒化アルミニウム粉末としては、特に平均粒径が３．０μｍ以下のものを使用することによって、緻密な絶縁層を得ることができるので好ましい。

無機成分中の酸化物、即ち周期律表の２Ａ及び３Ａ族元素、アルミニウム、及びケイ素の酸化物は、窒化アルミニウムの焼成又は焼結を促進して絶縁層を緻密化し、同時に絶縁層とセラミックス基板又は高融点メタライズ層との密着強度を高める効果を有する。これらの酸化物の中でも、特に酸化カルシウムと酸化イットリウムは、窒化アルミニウムの焼結を促進させる効果が大きいので、緻密で密着性に優れた絶縁層を得る上で好ましい。

無機成分中における酸化物の割合は、窒化アルミニウム粉末１００重量部に対して１〜１００重量部の範囲とする。酸化物が１重量部未満では、絶縁層の緻密化が不足し、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板やタングステン及び／又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層との密着性が不十分となる。逆に酸化物が１００重量部を越えると、絶縁ペーストの焼成温度が低くなって高融点メタライズ層等との同時焼成ができなくなり、更には酸化物の揮発が顕著となるため、得られる絶縁層が緻密でなくなり、セラミックス基板や高融点メタライズ層との密着性が低下する。

本発明の絶縁ペーストを用いて絶縁層を形成するには、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板上、あるいはタングステン及び／又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層上に、本発明の絶縁ペーストをスクリーン印刷等の方法により塗布した後、非酸化性雰囲気中で焼成すれば良い。焼成温度はペースト中の酸化物量等により変えることができるが、通常は１６５０〜１７００℃程度とする。

又、本発明の絶縁ペーストは、上記セラミックス基板や高融点メタライズ層との同時焼成が可能である。即ち、絶緑ペーストを前記セラミックス基板形成用のグリーンシート上や高融点メタライズ層形成用の金属ペースト上に塗布し、その後この絶縁ペーストを前記グリーンシートや金属ペーストと非酸化性雰囲気中で同時焼成し、セラミックス基板や高融点メタライズ層の形成と同時にそれらの上に絶縁層を形成することができる。

特に、ＡｌＮを主成分とするセラミックス基板形成用のグリーンシート上に、Ｗ又はＭｏを主成分とする高融点メタライズ層形成用の金属ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、更にこの金属ペースト上に本発明の絶縁ペーストを同様に塗布した後、必要に応じてこれらの塗布操作を数回繰り返し、絶縁ペーストを前記グリーンシート及び金属ペーストと非酸化性雰囲気中で同時焼成することも可能である。この同時焼成プロセスによれば、絶縁層の薄膜化と相俟って高密度実装タイプのパッケージが簡単なプロセスにて容易に製造できる。

尚、本発明の絶縁ペーストにより絶縁層を形成する場合、下地となるＡｌＮを主成分とするセラミックス基板は、焼結助剤である酸化イットリウムの含有量が３．０重量％以下、更には１．０重量％以下であることが良好な密着性を得る上で好ましい。又、Ｗ又はＭｏを主成分とする高融点メタライズ層には、Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−ＳｉＯ_２等のガラス成分が含まれていることが好ましい。

本発明の絶縁ペーストを用いて形成された絶縁層は、前記のごとく窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板や、タングステン又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層と優れた密着性を有し、同時に緻密で耐薬品性並びに耐環境性に優れている。具体的には、本発明に係わる絶縁層は、２５℃の３規定硝酸水溶液に２４時間浸漬した後においても、絶縁抵抗が１０^１０Ω以上の優れた耐薬品性を示す。

実施例１
平均粒径１．５μｍのＡｌＮ粉末１００重量部に対して、表１に示す重量割合のＣａＯ粉末を添加混合し、これに有機バインダーとしてエチルセルロース１０重量部及び有機溶媒としてテルピネオール等の混合物４０重量部を加えて混練することにより、それぞれ絶縁ペーストを製造した。

得られた各絶縁ペーストを、ＡｌＮ基板上及びＡｌＮ基板上に塗布し乾燥したＷペースト上に、それぞれスクリーン印刷により所定の厚さに塗布して乾燥し、更にその上にＷペーストを塗布して乾燥した後、窒素雰囲気中にて１６５０〜１７００℃の温度でＷペーストと絶縁ペーストを同時焼成した。

その結果、使用した各絶縁ペーストの試料毎に、図１に示すごとくＡｌＮ基板１上に絶縁層２とＷメタライズ層３を順に積層した構成と、図２に示すごとくＡｌＮ基板１上にＷメタライズ層３を介して絶縁層２とＷメタライズ層３を順に積層した構成のものとが得られた。

得られた各試料について、形成された絶縁層の破面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、本発明例である試料１の絶縁層は約２０μｍで緻密な組織であることが認められたが、比較例である試料２の絶縁層は組織が緻密ではなく、同じく試料３の絶縁層は焼結していなかった。尚、本発明の試料１の絶縁層の絶縁抵抗は１０^１２Ω以上と良好であった。

次に、各試料の最上層であるＷメタライズ層上にＮｉメッキ４を施し、その上に４２アロイのリードフレーム６をＡｇ-Ｃｕロウ材５で接合した後、リードフレーム６を矢印方向に引くことによってピール強度を測定し、図１の構成の試料によりＡｌＮ基板１との間の及び図２の構成の試料によりＷメタライズ層３との間の絶縁層２の密着強度を求めた。結果を下記表１に、絶縁ペーストの組成及び焼成温度と共に示した。

（注）＊を付した試料は比較例である。

表１に示す結果から、ＡｌＮ粉末に対して適切な量の酸化物（ＣａＯ）を含む本発明例の試料１は、絶縁層２とＡｌＮ基板１及びＷメタライズ層３との間の密着強度に共に優れているのに対して、比較例の試料２及び３は絶縁層２とＡｌＮ基板１及びＷメタライズ層３との間の密着強度が極めて低いことが判る。

実施例２
平均粒径２．０μｍのＡｌＮ粉末１００重量部に対して、表２に示す重量割合の酸化物粉末を添加混合し、これに有機バインダーとしてエチルセルロース８重量部及び有機溶媒としてテルピネオール３０重量部を加えて混練し、それぞれ絶縁ペーストを製造した。

得られた各絶縁ペーストを、実施例１と同様に、ＡｌＮ基板上及びＡｌＮ基板上に塗布し乾燥したＷペースト上に、それぞれスクリーン印刷により所定の厚さに塗布して乾燥し、更にその上にＷペーストを塗布して乾燥した後、窒素雰囲気中にて表２に示す温度でＷペーストと絶縁ペーストを同時焼成した。

得られた各試料の絶縁層は、いずれも厚さが約１５μｍであって極めて緻密であり、絶縁抵抗はいずれも１０^１２Ω以上と良好であった。又、各試料について、実施例１と同様にして、絶縁層とＡｌＮ基板及びＷメタライズ層との間の密着強度をそれぞれ測定した。結果を表２に示した。

上記表２に示す結果から、本発明の絶縁ペーストを使用すれば、緻密で十分な絶縁性を有し、ＡｌＮ基板及びＷメタライズ層との間の密着強度に優れた絶縁層が得られることが判る。特に、絶縁ペーストの無機成分中の酸化物として酸化カルシクムと酸化イットリウムを用いると、より一層優れた密着強度が得られることが判る。

本発明の窒化アルミニウム粉末を主成分とする絶縁ペーストによれば、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板上やタングステン又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層上に、これらのグリーンシートや金属ペーストと同時焼成により、セラミックス基板や高融点メタライズ層との密着性に優れ、耐メッキ性も良好な絶縁層を形成することができる。

本発明の絶縁ペーストを用いて、窒化アルミニウム基板上に絶縁層を形成した実施例を示す側面図である。 本発明の絶縁ペーストを用いて、タングステンメタライズ層上に絶縁層を形成した実施例を示す側面図である。

符号の説明

１ ＡｌＮ基板
２ 絶縁層
３ Ｗメタライズ層
４ Ｎｉメッキ
５ ロウ材
６ リードフレーム

Claims (2)

1. 窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム基板あるいは窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム基板形成用のグリーンシートに使用する絶縁ペーストであって、絶縁ペースト中の無機成分が、平均粒径が３．０μｍ以下である窒化アルミニウム粉末と、窒化アルミニウム粉末１００重量部に対して１〜１００重量部の、周期律表の２Ａ及び３Ａ族元素、アルミニウム、及びケイ素の酸化物よりなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物の粉末とからなることを特徴とする絶縁ペースト。
2. 請求項１記載の絶縁ペーストを、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板形成用のグリーンシート上、及び／又はタングステン又はモリブデンを主成分とする高融点メタライズ層形成用の金属ペースト上に塗布し、その後この絶縁ペーストを前記グリーンシート及び／又は前記金属ペーストと同時に非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とする絶縁層の形成方法。

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