JP4562282B2

JP4562282B2 - セラミック回路基板の製法

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Publication number: JP4562282B2
Application number: JP2000395995A
Authority: JP
Inventors: 秀司中澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP2002197922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック回路基板の製法に関し、特に、通信機器や電子機器等に搭載される高周波用途の部品を構成する、低温焼成セラミック回路基板を製造する際に用いられるセラミック回路基板の製法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、セラミック回路基板は、例えば、アルミナ等のセラミック層間にＷやＭｏ等の高融点金属からなる配線導体を形成して構成されており、その表面にＬＳＩ等の半導体素子を実装した配線基板として用いられてきた。
【０００３】
近年、携帯電話をはじめとする移動体通信等の発達及び普及に伴い、通信機器や電子機器等の小型化、高機能化、低価格化、低電力化等が進められ、共振器、コンデンサ、コイル、フィルタ等を内蔵した基板として、セラミック回路基板が用いられてきている。
【０００４】
これら、共振器等の素子を内蔵して、高機能化、低電力化等を実現するためには、回路形成用の配線導体としてＡｇやＣｕ、Ａｕといった低抵抗の導体材料が不可欠である。Ａｕからなる配線導体は、導電性に優れ、化学的にも安定で耐候性にも優れているが、高価であるという難点がある。また、Ｃｕからなる配線導体は、安価であるが、酸化しやすいため還元雰囲気での焼成が必要であり、焼成工程におけるコストが高くなるという難点がある。
【０００５】
一方、Ａｇは、金属の中で最も低抵抗であり、また、比較的安価であり、大気中での焼成が可能であることから、セラミック回路基板用の導体材料として、広く用いられている。
【０００６】
Ａｇを導体材料として用いて、同時焼成によりセラミック回路基板を得るためには、Ａｇの融点よりも低い温度で焼成する必要がある。このような基板用のセラミック材料として、ガラス成分とセラミック成分をそれぞれ半分程度の割合で含有するガラスセラミックスと、ＢａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＣａＴｉＯ₃等の誘電体材料に焼結助剤を添加して低温焼成化した低温焼成の誘電体セラミックスが知られている。
【０００７】
これらのセラミックスは、焼成における収縮の開始温度が約７００〜８５０℃とＡｇよりも高温であり、かつ、焼成収縮率も約１５％以上と大きく、同時焼成において、導体材料とセラミックスの収縮挙動が合わないため、基板が反る、歪むといった問題がある。特に、低温焼成の誘電体セラミックスでは、収縮開始温度がガラスセラミックスに比べて高いため、この問題が助長される傾向にある。
【０００８】
このような問題点を改善するため、Ａｇに、ＰｔやＰｄ等の金属や高軟化点のガラス、あるいは、金属酸化物等を添加して、焼成における導体材料の収縮開始温度を高温化する試みがなされてきた。
【０００９】
例えば、特開平１０−７４３５号公報には、基板材料であるガラスセラミックスを構成する原料の粒径を規定するとともに、導体材料であるＡｇやＡｕ等にガラス組成物を添加することにより、基板材料と導体材料の焼成収縮挙動を近づけることが開示されている。
【００１０】
また、特開平１１−１８５５２８号公報には、低温焼成基板用導電ペーストを、アトマイズ法によって作製されるＡｇ粉末を用いて形成し、Ａｇ粉末の粒径範囲を細かく規定して、印刷性が良好で、焼成における基板反りを抑制することが開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−７４３５号公報に開示された配線基板に用いられる導体材料は、特定の基板材料に対して有効なものであり、他の基板材料には適用できない。また、ＡｇやＡｕに対して、ＰｄやＰｔ、あるいは、ガラス組成物を添加するため、導体材料の特性、特に抵抗は、ＡｇやＡｕの単体に比べて大きく劣化するという問題があった。
【００１２】
また、特開平１１−１８５５２８号公報に開示されたＡｇ粉末の粒径は、３０μｍまでの範囲を持つものであり、微細な配線のスクリーン印刷に用いられるスクリーンメッシュの開口径は２０μｍ以下の小さなものであるから、これ以上の粒子径をもつ粉末がペースト中に含まれていると、配線の断線等が生じるという問題があった。
【００１３】
さらに、アトマイズ法で作製されたＡｇ粉末は、粉末が球形に近く、かつほとんど凝集してないため、焼成における収縮開始温度は高いが、粉末のパッキングがよいため、焼成収縮率が小さく、１５％以上の焼成収縮率をもつセラミック基板材料と同時焼成すると、反りや歪みを生じるという問題があった。
【００１４】
本発明は、焼成収縮挙動を基板材料に近づけて反りを抑制でき、かつ、スクリーン印刷法により微細配線を形成する場合であっても、断線等の欠陥を生じることのない、抵抗の低い導体を得ることのできるセラミック回路基板の製法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板の製法は、ＭｇＴｉＯ _３とＣａＴｉＯ _３を主成分とする誘電体粉末を含有する複数のグリーンシート表面に、銀粉末と有機ビヒクルとを含有する導電性ペーストを塗布して回路パターンを形成し、該回路パターンが形成されたグリーンシートを複数積層して、積層成形体を作製し、該積層成形体を焼成するセラミック回路基板の製法であって、前記導電性ペースト中の前記銀粉末が、複数の１次粒子が３次元状に溶着して内部に空間が形成された平均粒径が２〜１０μｍの多孔質２次粒子からなるとともに、前記導電性ペースト中に、前記銀粉末１００重量部に対して、ＲｕをＲｕＯ _２換算で０．０１〜３重量部含有することを特徴とする。
【００１６】
このような構成を採用することにより、スクリーン印刷法によって微細配線を形成する場合においても、Ａｇ粉末によるスクリーンメッシュの目詰まりが生じず、断線等の欠陥がない配線を得ることができる。
【００１７】
さらに、１次粒子が３次元状に溶着して多孔質２次粒子が形成されているため、有機樹脂成分を混合して導電性ペーストを形成しても、導電性ペースト中のＡｇは殆どが多孔質２次粒子のままであり、多孔質２次粒子中に空間を有しており、焼成時に大きな収縮率が得られるため、１５％以上の焼成収縮率をもつセラミック基板材料と同時焼成しても、セラミック回路基板の反りや歪みの発生を抑制できる。
【００１８】
本発明のセラミック回路基板の製法で用いられる導電性ペースト（以下、本発明の導電性ペーストということがある）は、Ａｇ粉末の１次粒子の平均粒径は０．１〜３μｍであることが望ましい。このように１次粒子の平均粒径を０．１〜３μｍとすることにより、焼成における収縮開始温度を高くでき、印刷性のよい微細な配線を得ることができる。
【００１９】
本発明の導電性ペーストは、銀粉末の比表面積が０．１〜１．５ｍ²／ｇであることが望ましい。ＢＥＴ法による比表面積が０．１〜１．５ｍ²／ｇの範囲の粉末を用いることにより、粒子の表面が滑らかになるため、焼成における導体材料の収縮開始温度を高温化でき、基板材料との収縮開始温度に近づくため、セラミック回路基板の反りや歪みをさらに抑制できる。
【００２０】
また、本発明の導電性ペーストは、銀粉末を全量中３０体積％以上含有するとともに、密度が５．０ｇ／ｃｍ³以下であることが望ましい。これにより、ペーストの固形分比率を高くした場合にも、大きな焼成収縮率が得られ、基板材料の焼成収縮率に近づけることができ、セラミック回路基板の反りや歪みをさらに抑制できる。
【００２１】
さらに、本発明の導電性ペーストでは、銀粉末１００重量部に対して、ＲｕをＲｕＯ_２換算で０．０１〜３重量部含有している。これにより、焼成時における収縮開始温度が、セラミックスの基板材料とほぼ同じになり、セラミック回路基板の反りや歪みをさらに抑制できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の導電性ペーストは、銀粉末と、有機ビヒクルとを含有する導電性ペーストであって、前記銀粉末は、１次粒子が３次元状に溶着して形成された平均粒径が２〜１０μｍの多孔質２次粒子からなるものである。Ａｇ粉末の１次粒子の平均粒径は０．１〜３μｍであることが望ましい。
【００２５】
このように、銀粉末の１次粒子の平均粒径を０．１〜３μｍとしたのは、粒径が０．１μｍ未満であると、比表面積が大きくなりすぎるため、焼成における収縮の開始温度が低温化するからであり、３μｍを超えると、溶着してできる２次粒子が大きくなりすぎ、印刷性の劣化をもたらすだけでなく、焼成において十分な収縮が得られないため、基板の反りの原因となるからである。１次粒子の平均粒径は、上記点から、０．５〜２．５μｍであることが望ましい。
【００２６】
多孔質２次粒子の平均粒径を２〜１０μｍとしたのは、２μｍ未満であると、溶着２次粒子の大きさが小さ過ぎるため、２次粒子内部に大きな空間が形成されず、焼成時に大きな収縮が得られないからである。また、１０μｍを超えると、印刷性が極端に劣化し、特に幅が数十μｍ程度のラインを形成する場合、ラインエッジがシャープにならない等の不具合が生じるからである。このような理由から、多孔質２次粒子の平均粒径は３〜８．５μｍであることが望ましい。
【００２７】
図１に本発明の導電性ペースト中の銀粉末を示す。ここで、符号１は１次粒子であり、これらの１次粒子が溶着してネック２が形成され、これにより２次粒子３が形成されていることがわかる。尚、図２に従来の導電性ペースト中の還元法で作製した銀粉末を示す。図２では、凝集していた２次粒子が分解して粒径が小さくなり、空間を含むことができなくなっていることが判る。
【００２８】
有機ビヒクルは、有機バインダーおよび有機溶剤を含むものであるが、有機バインダーとしては、エチルセルロース、アクリル樹脂等がある。有機溶剤としては、テルピネオール、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノイソブチレート等があり、導電性ペーストの粘度をスクリーン印刷に適した粘度に調整する役割がある。
【００２９】
さらに、導電性ペーストには、銀および添加物粉末とバインダーとの濡れ性をよくするために、界面活性剤を添加してもよく、リン酸エステル系、カルボン酸系、エーテル系等の界面活性剤がある。
【００３０】
１次粒子を３次元状に溶着させる方法としては、１次粒子を作製後に、熱処理を加えて所望の大きさの多孔質２次粒子を得る方法が望ましいが、１次粒子が溶着して多孔質２次粒子が形成されればよく、方法としてはこの限りではない。
【００３１】
また、ＢＥＴ法による銀粉末の比表面積は０．１〜１．５ｍ²／ｇであることが望ましい。これにより、印刷性を向上し、焼成収縮率を大きくでき、収縮開始温度を高くでき、反りの発生を抑制できるからである。一方、銀粉末の比表面積が０．１ｍ²／ｇ未満になると、１次粒子径あるいは２次粒子径が大きくなりすぎるため、印刷性が劣化する、あるいは、焼成における収縮率が小さくなるからであり、１．５ｍ²／ｇを超えると、銀粉末表面の凹凸が大きくなるため、焼結における収縮の開始温度が低温化し、基板の反りが大きくなるからである。ＢＥＴ法による銀粉末の比表面積は、上記理由から０．２〜１．２ｍ²／ｇであることが望ましい。
【００３２】
銀粉末の比表面積を所望の大きさにする方法としては、熱処理及び、機械的処理、コーティング等の方法が考えられるが、この中では熱処理が望ましい。熱処理温度、処理時間を変化させることにより、比表面積を容易に制御できる。
【００３３】
さらに、ペーストにおける銀粉末の含有量は３０体積％以上であり、かつ、ペーストの密度が５．０ｇ／ｃｍ³以下であることが望ましい。この範囲内ならば、導体膜に残るボイド量を少なくすることができるとともに、焼成収縮率を大きく維持できるからである。一方、銀粉末の含有量が３０体積％未満になると、ペースト中の銀の含有量が少なすぎるため、焼成後の導体膜に残るボイド量が多くなり、導体抵抗が大きくなり過ぎるからである。
【００３４】
また、ペーストの密度が５．０ｇ／ｃｍ³を超えると、銀粉末のパッキングが大きくなりすぎるため、焼成において収縮率が小さくなりすぎ、基板の反りが大きくなるからである。
【００３５】
本発明では、銀粉末１００重量部に対して，ＲｕをＲｕＯ_２算で０．０１〜３重量部含有している。これにより、収縮開始温度を高くでき、基板の反りを低減できる。一方、ＲｕをＲｕＯ_２算で０．０１重量部未満であると焼結における収縮開始温度の高温化に効果がなく、３重量部を超えると焼結抑制効果が大きくなりすぎ、銀導体が焼結しにくい、あるいは、焼結しない、あるいは、焼結しても導体抵抗が大きくなりすぎるという問題が生じ易いからである。
【００３６】
Ｒｕの供給方法としては、Ｒｕ粉末、ＲｕＯ₂粉末、Ｒｕの有機化合物等を添加する方法が考えられる。添加するＲｕ粉末等の粒径は銀粉末の多孔質２次粒径より小さいものであり、分散性を考慮すると銀粉末の１次粒径より小さいことが望ましい。
【００３７】
また、本発明の導電性ペーストでは、銀とＲｕの他に、基板と導体の接着強度を向上する，あるいは，半田濡れ性を向上するため、白金やパラジウム、その他の金属および金属化合物、ガラス等を０．１〜５重量％含むものであってもよい。
【００３８】
本発明の導電性ペーストは、例えば、１次粒子が３次元状に溶着して多孔質２次粒子が形成された銀粉末に、有機ビヒクルを添加し、さらに、所望によりＲｕ含有物を添加して、撹拌した後、粉末及び有機バインダーの凝集体がなくなるまで３本ロールミルで混合して形成される。
【００３９】
このような導電性ペーストを用いたセラミック回路基板の製法は、面方向における焼成収縮率が１５％以上の複数のグリーンシート表面に、上記導電性ペーストを塗布して回路パターンを形成し、該回路パターンが形成されたグリーンシートを複数積層して、積層成形体を作製し、該積層成形体を焼成する方法である。
【００４０】
本発明のセラミック回路基板の製法を具体的に説明すると、ＭｇＴｉＯ_３とＣａＴｉＯ_３を主成分とする誘電体粉末と、有機バインダー、有機溶剤を添加してなるスラリーを、ドクターブレード法により薄層化し、基板用のグリーンシートを作製し、該グリーンシート上に、スクリーン印刷により、上記した導電性ペーストを塗布して表面導体および回路パターンを形成し、この回路パターンが形成されたグリーンシートを複数積層し、積層成形体を作製する。表面導体の一部および全部をセラミックペーストやガラスペーストで覆って絶縁膜を形成してもよい。その後、積層成形体を一体焼成してセラミック回路基板を得る。
【００４１】
以上のように構成された導電性ペーストでは、１次粒子が３次元状に溶着して形成された多孔質２次粒子であり、混合粉砕してペーストを作製しても２次粒子が１次粒子に殆ど分離されず、内部に大きな空間が形成されているため、焼成収縮率をセラミックに近づけることができ、回路基板の反り等の発生を抑制できる。
【００４２】
また、比表面積が小さい銀粉末を用いて、ペースト中の銀粉末含有量およびペーストの密度を規定し、さらに、Ｒｕを添加することにより、導体とセラミックスの焼成収縮挙動が一致するため、セラミック基板の反りや歪みをさらに抑制でき、かつ、抵抗の小さい導体を得ることができる。
【００４３】
【実施例】
表１に示した平均粒径の１次粒子、２次粒子で構成され、表１に示す比表面積を有する銀粉末１００重量部に対して、所望によりＲｕをＲｕＯ₂換算で表１に示す量だけ添加し、さらに、有機ビヒクルと界面活性剤を添加して、表１のような銀粉末含有量およびペースト密度の導電性ペーストを得た。
【００４４】
有機ビヒクルは、有機バインダーとしてエチルセルロースを５重量部と、有機溶剤として２・２・４−トリメチル−３・３−ペンタジオールモノイソブチレートを９５重量部とからなるものである。界面活性剤は、リン酸エステルからなるものであり、銀粉末に対して０．５重量部添加した。
【００４５】
上記した粉末及び有機ビヒクル、界面活性剤を撹拌した後、銀粉末および有機バインダーの凝集体がなくなるまで３本ロールミルで混合し、ペースト化し、導電性ペーストを作製した。この後、導電性ペーストのＡｇ粒子を走査電子顕微鏡で観察したところ、２次粒子は、１次粒子に分離しておらず、そのままの状態で存在しており、多孔質２次粒子の平均粒径は、添加時と同程度であることを確認した。
【００４６】
次に、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＴｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃からなる組成物９５重％、ガラス成分としてホウケイ酸アルカリ土類ガラス５重量％を用い、これにアクリル酸系の有機バインダー、可塑剤、有機溶剤を添加してなるスラリーを、ドクターブレード法により薄層化し、基板用のグリーンシートを作製した。
【００４７】
次に、上記のグリーンシートに回路パターンに応じてビアホール導体を形成すべく所定径のビアホールをパンチングによって形成し、上記の導電性ペーストをこのビアホールに充填した。また、グリーンシート上に、所定回路パターンに応じて、上記した導電性ペーストを用いて、表面導体あるいは内層導体となる導体膜を形成し、これらのグリーンシートを積層して、積層成形体を作製した。
【００４８】
その後、一体的に積層した積層成形体を、大気中４００℃で脱バインダー処理し、さらに９１０℃で焼成し、セラミック回路基板を作製した。
【００４９】
焼成後のセラミック回路基板において、表面導体の７ｍｍ□の導体部の反りを表面粗さ計を用いて測定し、また、その導体部における導体のシート抵抗を抵抗測定器で測定した。
【００５０】
また、比較例として、熱処理することなく、従来の還元法により形成したＡｇ粉末を用いて、上記と同様の方法で導電性ペーストを作製し、セラミック回路基板を作製した。導電性ペースト中のＡｇ粉末を観察したところ、１次粒子の凝集が殆どほぐれており、粒径が１〜８μｍの粒子が殆どであった。この導電性ペーストを用いて作製したセラミック回路基板についても、反り、シート抵抗を測定した。この比較例の試料を表１のＮｏ．１０に記載した。尚、試料Ｎｏ．１、３〜９、１６は参考試料である。
【００５１】
【表１】

【００５２】
この表１から、本発明の導電性ペーストを用いることにより、基板の反りが、１２１μｍ以下、特に５０μｍ以下と小さく、単位面積あたりの導体のシート抵抗が２．５ｍΩ／□以下、特に２．０ｍΩ／□以下と小さいセラミック回路基板が得られることがわかる。一方、比較例では，反りが，２００ μｍ以上の大きな値になることがわかる。
【００５３】
また、ＲｕＯ_２を添加することにより、基板の反りをさらに小さくできることがわかる。尚、試料Ｎｏ．９のペースト中の銀粉末を図１に、比較例の試料Ｎｏ．１０のペースト中の銀粉末を図２に示す。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の導電性ペーストでは、銀粉末は、１次粒子が３次元状に溶着して形成された平均粒径が２〜１０μｍの多孔質２次粒子からなるため、スクリーン印刷法によって微細配線を形成する場合においても、Ａｇ粉末によるスクリーンメッシュの目詰まりが生じず、断線等の欠陥がない配線を得ることができるとともに、１次粒子が３次元状に溶着して多孔質２次粒子が形成されているため、有機樹脂成分を混合して導電性ペーストを形成しても、導電性ペースト中のＡｇは殆どが２次粒子のままであり、２次粒子中に空間を有しており、焼成時に大きな収縮率が得られるため、１５％以上の焼成収縮率をもつセラミック基板材料と同時焼成しても、セラミック回路基板の反りや歪みの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導電性ペースト中の銀粉末を示す図である。
【図２】従来の導電性ペースト中の銀粉末を示す図である。
【符号の説明】
１・・・１次粒子
３・・・多孔質２次粒子

Claims

ＭｇＴｉＯ _３とＣａＴｉＯ _３を主成分とする誘電体粉末を含有する複数のグリーンシート表面に、銀粉末と有機ビヒクルとを含有する導電性ペーストを塗布して回路パターンを形成し、該回路パターンが形成されたグリーンシートを複数積層して、積層成形体を作製し、該積層成形体を焼成するセラミック回路基板の製法であって、前記導電性ペースト中の前記銀粉末が、複数の１次粒子が３次元状に溶着して内部に空間が形成された平均粒径が２〜１０μｍの多孔質２次粒子からなるとともに、前記導電性ペースト中に、前記銀粉末１００重量部に対して、ＲｕをＲｕＯ _２換算で０．０１〜３重量部含有することを特徴とするセラミック回路基板の製法。
前記１次粒子の平均粒径が０．１〜３μｍであることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板の製法。
前記銀粉末の比表面積が０．１〜１．５ｍ^２／ｇであることを特徴とする請求項１または２記載のセラミック回路基板の製法。
前記銀粉末を全量中３０体積％以上含有するとともに、密度が５．０ｇ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセラミック回路基板の製法。