JP4711158B2

JP4711158B2 - 低温焼成セラミック回路基板

Info

Publication number: JP4711158B2
Application number: JP2001204522A
Authority: JP
Inventors: 昌志深谷; 俊博中居
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: JP2003023233A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｇ−Ｐｄ導体とガラスとの混合物を主成分とする厚膜抵抗体が形成された低温焼成セラミック回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
８００〜１０００℃で焼成する低温焼成セラミック回路基板は、セラミックと同時焼成する配線導体として、電気的特性に優れたＡｇ系導体等の低融点金属を使用できると共に、アルミナ基板と比較して誘電率が低く、信号処理の高速化に対応できる等の利点がある。この低温焼成セラミック回路基板に厚膜抵抗体を形成する場合は、ＲｕＯ₂系の厚膜抵抗体ペーストを用いることが多いが、温度変化の影響を受けにくい安定した抵抗特性が要求される回路では、厚膜抵抗体の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を例えば±１００ｐｐｍ／℃以内にすることが要求される場合がある。
【０００３】
シート抵抗値が５０〜３００ｍΩ／□の厚膜抵抗体を形成する場合、ＲｕＯ₂系の厚膜抵抗体では上記の要求を満たすことができないため、Ａｇ−Ｐｄ導体とガラスとの混合物からなる抵抗体材料を用いて抵抗温度係数の小さい厚膜抵抗体を形成するようにしている。
【０００４】
一般に、Ａｇ−Ｐｄ導体の抵抗温度係数は、Ａｇ又はＰｄを単独で用いる場合よりも小さくなり、ＡｇとＰｄの配合比が、Ａｇ：Ｐｄ＝５０：５０の付近で抵抗温度係数が最も小さくなる。この特性から、Ａｇ−Ｐｄ導体を主導電体成分とする厚膜抵抗体は、Ａｇ：Ｐｄ＝５０：５０の付近で用いられる場合が多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、低温焼成セラミック回路基板に形成する電極導体（厚膜配線導体）は、電気的特性を良くするために、Ａｇ導体、又は、１０重量％以下のＰｄを含むＡｇ−Ｐｄ導体により形成する場合が多い。このような電極導体上にＡｇ−Ｐｄ系の厚膜抵抗体を印刷して焼成すると、電極導体と厚膜抵抗体とのＰｄ含有量が大きく異なるため、焼成時に電極導体中のＡｇ原子がＡｇ含有量の少ない厚膜抵抗体中に拡散して、電極導体内部がポーラス化（多孔質化）する現象が発生する。その結果、電極導体と低温焼成セラミック基板との接合強度が弱くなって、信頼性が悪くなるという欠点がある。
【０００６】
この対策として、電極導体と厚膜抵抗体との間に、Ａｇ拡散防止のための中間導体層として、両者の中間的な２０〜３０重量％のＰｄを含むＡｇ−Ｐｄ導体層を形成したり、或は、電極導体（厚膜配線導体）にガラス成分を多く配合して、電極導体とセラミック基板との接合強度を大きくするようにしていた。
【０００７】
しかし、電極導体と厚膜抵抗体との間に、Ａｇ−Ｐｄの中間導体層を形成する場合は、印刷工程が増加すると共に、２０〜３０重量％のＰｄを含むＡｇ−Ｐｄ導体が新たに必要となり、コストアップするという欠点がある。また、電極導体（厚膜配線導体）のガラス含有量を多くすると、電極導体（厚膜配線導体）の導通抵抗が大きくなり、回路の電気的特性が悪くなってしまうという欠点がある。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、Ａｇ−Ｐｄ系の厚膜抵抗体を接続する電極導体（厚膜配線導体）と低温焼成セラミック基板との接合強度を向上して信頼性を確保しながら、コスト低減と電気的特性向上の要求も満たすことができる低温焼成セラミック回路基板を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、上記目的を達成するために、本発明の請求項１の低温焼成セラミック回路基板は、低温焼成セラミック基板の表面に形成された電極導体と、この電極導体に接合するように形成された厚膜抵抗体とを備えたものにおいて、前記電極導体を、Ａｇ導体又はＰｄ含有量が１０重量％以下のＡｇ−Ｐｄ導体により形成し、前記厚膜抵抗体をＡｇ−Ｐｄ導体とガラスとの混合物に前記低温焼成セラミック基板を形成する低温焼結セラミック材料と主成分が同一の低温焼成セラミック材料を５重量％以上添加した抵抗体材料により形成したものである。
【００１０】
このように、低温焼成セラミック基板と同種の低温焼成セラミック材料を５重量％以上添加した抵抗体材料を用いて厚膜抵抗体を形成すれば、焼成時に厚膜抵抗体から電極導体側に低温焼成セラミック材料が拡散し、厚膜抵抗体と電極導体との間に低温焼成セラミック材料の中間層が形成される。この中間層が電極導体から厚膜抵抗体へのＡｇ拡散を防止する役割を果たし、Ａｇ拡散による電極導体内部のポーラス化が防止され、電極導体と低温焼成セラミック基板との接合強度の低下が防止される。
【００１１】
しかも、厚膜抵抗体には、低温焼成セラミック基板と同種の低温焼成セラミック材料が５重量％以上添加されているので、厚膜抵抗体と低温焼成セラミック基板との熱膨張係数の差が小さくなり、厚膜抵抗体と低温焼成セラミック基板との接合部に作用する熱応力が小さくなる。しかも、焼成時に低温焼成セラミック基板から厚膜抵抗体側にしみ出したガラス成分と厚膜抵抗体のガラス成分とが同種であるため、両方のガラス成分が融合して、厚膜抵抗体と低温焼成セラミック基板との接合強度が増加する。また、焼成時に低温焼成セラミック基板の表面にしみ出したガラス成分が電極導体（厚膜配線導体）を接着する接着剤の役割を果たし、電極導体（厚膜配線導体）の接合強度も確保される。
【００１２】
この場合、Ａｇ−Ｐｄ系の厚膜抵抗体は、ＡｇとＰｄの配合比が、Ａｇ：Ｐｄ＝５０：５０の付近で抵抗温度係数が最小になる特性があることから、請求項２のように、厚膜抵抗体の全導体の合計含有量に対するＰｄ含有量を４０重量％以上にすると良い。このようにすれば、厚膜抵抗体の抵抗温度係数を最小値に近付けることができ、温度変化の影響を受けにくい安定した抵抗特性を実現することができる。尚、厚膜抵抗体のＰｄ含有量が多くなって、電極導体と厚膜抵抗体とのＰｄ含有量の差が大きくなっても、前述したように、焼成時に厚膜抵抗体から電極導体側に低温焼成セラミック材料が拡散して、厚膜抵抗体と電極導体との間に低温焼成セラミック材料の中間層が形成されるため、この中間層によって電極導体から厚膜抵抗体へのＡｇ拡散が防止され、Ａｇ拡散による電極導体と低温焼成セラミック基板との接合強度の低下が防止される。
【００１３】
また、請求項３のように、低温焼成セラミック材料は、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物を用いるようにしても良い。この低温焼成セラミック材料は、低誘電率、低熱膨張係数の特長があり、信号処理の高速化に対応した高性能のセラミック回路基板を形成できると共に、該低温焼成セラミック材料を厚膜抵抗体に５重量％以上添加しても、厚膜抵抗体の抵抗温度係数が増加せず、温度変化の影響を受けにくい安定した抵抗特性を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。低温焼成セラミック基板１１は、８００〜１０００℃で焼成した低温焼成セラミック材料で形成され、複数枚の低温焼成セラミックのグリーンシートを積層して焼成した多層基板又は単層基板のいずれであっても良い。この低温焼成セラミック基板１１を形成する低温焼成セラミック材料としては、例えばＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末：５０〜６５重量％（好ましくは６０重量％）とＡｌ₂Ｏ₃粉末：５０〜３５重量％（好ましくは４０重量％）との混合物を用いると良い。この他、例えば、ＭｇＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物、コージェライト系結晶化ガラス等の８００〜１０００℃で焼成できる低温焼成セラミック材料を用いても良い。
【００１５】
低温焼成セラミック基板１１の表面（又は裏面）には、Ａｇ導体又はＰｄ含有量が１０重量％以下のＡｇ−Ｐｄ導体のペーストを用いて、表層配線導体１２と電極導体１３が印刷・焼成されている。この表層配線導体１２と電極導体１３は、低温焼成セラミック基板１１と同時焼成しても良く、或は、低温焼成セラミック基板１１の焼成後に後付けで表層配線導体１２と電極導体１３を印刷・焼成しても良い。
【００１６】
ここで、表層配線導体１２や電極導体１３をＡｇ−Ｐｄ導体で形成する場合、ＰｄはＡｇのマイグレーションを抑制する役割を果たすが、Ｐｄ含有量が１０重量％よりも多くなると、半田付け性が悪くなったり、導通抵抗値が大きくなるため、Ｐｄ含有量が１０重量％以下（Ａｇ含有量が９０重量％以上）とすることが望ましい。
【００１７】
また、低温焼成セラミック基板１１の表面（又は裏面）には、一対の電極導体１３間に跨がって厚膜抵抗体１４が印刷・焼成されている。この厚膜抵抗体１４は、Ａｇ−Ｐｄ導体とガラスとの混合物に低温焼成セラミック基板１１を形成する低温焼結セラミック材料と主成分が同一の低温焼成セラミック材料を５重量％以上添加した抵抗体材料のペーストにより形成されている。更に、この厚膜抵抗体１４は、全導体の合計含有量に対するＰｄ含有量が４０重量％以上に設定されている。この厚膜抵抗体１４は、ＡｇとＰｄの配合比が、Ａｇ：Ｐｄ＝５０：５０の付近で抵抗温度係数が最小になる特性があることから、厚膜抵抗体１４のＰｄ含有量を４０〜６０重量％にすれば、厚膜抵抗体１４の抵抗温度係数が最小値近付の値となり、温度変化の影響を受けにくい安定した抵抗特性が得られる。
【００１８】
この厚膜抵抗体１４は、表層配線導体１２や電極導体１３と同時焼成したり、或は、表層配線導体１２や電極導体１３の焼成後に、厚膜抵抗体１４を印刷・焼成しても良い。
【００１９】
例えば、低温焼成セラミック基板１１を形成する低温焼成セラミック材料が、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物により形成されている場合には、厚膜抵抗体１４には、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物を５重量％以上添加すると良い。この際、低温焼成セラミック基板１１と厚膜抵抗体１４とで、全く同一の組成・配合比の低温焼成セラミック材料を用いることが望ましいが、低温焼成セラミック基板１１と厚膜抵抗体１４とで、ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との配合比が少し異なる低温焼成セラミック材料を用いても良いことは言うまでもない。低温焼成セラミック材料のガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との配合比が少しぐらい異なっても、同じ組成のガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末が配合されていれば、低温焼成セラミック材料の性質がほぼ同じになるためである。また、低温焼成セラミック基板１１と厚膜抵抗体１４とで、低温焼成セラミック材料のガラス成分の主成分が同じであれば、そのガラス成分の添加物等が若干異なっていても良い。
【００２０】
以上説明した本実施形態の構成では、低温焼成セラミック基板１１以上説明した本実施形態の構成では、低温焼成セラミック基板１１を形成する低温焼結セラミック材料と主成分が同一の低温焼成セラミック材料を５重量％以上添加した抵抗体材料を用いて厚膜抵抗体１４を形成したので、焼成時に厚膜抵抗体１４から電極導体１３側に低温焼成セラミック材料が拡散し、厚膜抵抗体１４と電極導体１３との間に低温焼成セラミック材料の中間層が形成される。この中間層が電極導体１３から厚膜抵抗体１４へのＡｇ拡散を防止する役割を果たし、Ａｇ拡散による電極導体１３内部のポーラス化が防止され、電極導体１２と低温焼成セラミック基板１１との接合強度の低下が防止される。
【００２１】
しかも、厚膜抵抗体１４には、低温焼成セラミック基板１１を形成する低温焼結セラミック材料と主成分が同一の低温焼成セラミック材料が５重量％以上添加されているので、厚膜抵抗体１４と低温焼成セラミック基板１１との熱膨張係数の差が小さくなり、厚膜抵抗体１４と低温焼成セラミック基板１１との接合部に作用する熱応力が小さくなる。しかも、焼成時に低温焼成セラミック基板１１から厚膜抵抗体１４側にしみ出したガラス成分と厚膜抵抗体１４のガラス成分とが同種であるため、両方のガラス成分が融合して、厚膜抵抗体１４と低温焼成セラミック基板１１との接合強度が増加する。また、焼成時に低温焼成セラミック基板１１の表面にしみ出したガラス成分が電極導体１３（表層配線導体１２）を接着する接着剤の役割を果たし、電極導体１３（表層配線導体１２）の接合強度も確保される。
【００２２】
従って、本実施形態では、厚膜抵抗体１４と電極導体１３との間に、両者の中間的な２０〜３０重量％のＰｄを含むＡｇ−Ｐｄ導体層を形成しなくても、電極導体１３から厚膜抵抗体１４へのＡｇ拡散を防止できて、電極導体１２と低温焼成セラミック基板１１との接合強度を確保できるので、印刷工程が増加せず、しかも、中間層を形成する専用のＡｇ−Ｐｄ導体ペーストが不要となり、コストアップせずに済む。しかも、電極導体１３（表層配線導体１２）のガラス含有量を多くしなくても、電極導体１２と低温焼成セラミック基板１１との接合強度を確保できるので、電極導体１３（表層配線導体１２）の導通抵抗値が大きくならずに済み、回路の電気的特性が悪化せずに済む。これにより、回路の信頼性向上、コスト低減、電気的特性向上の要求を全て満たすことができる。
【００２３】
【実施例】
本発明者は、電極導体１３のＰｄ含有量、厚膜抵抗体１４のＰｄ含有量、厚膜抵抗体１４の低温焼成セラミック材料添加量の適正範囲を評価する試験を行ったので、その試験結果を次の表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
この試験で用いた低温焼成セラミック材料は、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末：６０重量％とＡｌ₂Ｏ₃粉末：４０重量％との混合物であり、表１の各サンプル＃１〜＃１８は、焼成後の低温焼成セラミック基板１１に後付けで電極導体１３と厚膜抵抗体１４を印刷・焼成したものである。この試験では、各サンプル＃１〜＃１８を液体窒素に浸して極低温に冷却した後に、各サンプル＃１〜＃１８を液体窒素から取り出して抵抗値変化率を測定する液体窒素ディップテストを行い、抵抗値変化率が１％以下のものを合格（○）とし、抵抗値変化率が１％より大きいものを不合格（×）とした。
【００２６】
従来のように、焼成時に電極導体１３中のＡｇ原子が厚膜抵抗体１４中に拡散して、電極導体１３の内部がポーラス化（多孔質化）すると、電極導体１３と低温焼成セラミック基板１１との間の接合強度が弱くなって、液体窒素ディップテストで電極導体１３と低温焼成セラミック基板１１との接合部にクラックや剥離が発生しやすくなり、その結果、抵抗値変化率が１％より大きくなる。
【００２７】
表１の各サンプル＃１〜＃１８は、電極導体１３のＰｄ含有量が０重量％、５重量％、１０重量％のいずれかであり、厚膜抵抗体１４の全導体の合計含有量に対するＰｄ含有量が４０重量％、５０重量％、５５重量％、６０重量％のいずれかである。電極導体１３のＰｄ含有量が１０重量％より多くなると、電極導体１３の導通抵抗値が大きくなり過ぎて、回路の電気的特性が悪くなったり、半田付け性が悪化する。また、厚膜抵抗体１４は、ＡｇとＰｄの配合比が、Ａｇ：Ｐｄ＝５０：５０の付近で抵抗温度係数が最も小さくなることから、Ｐｄ含有量が４０〜６０重量％の範囲では、厚膜抵抗体１４の抵抗温度係数が最小値付近の値となり、温度変化の影響を受けにくい安定した抵抗特性が得られる。
【００２８】
実施例のサンプル＃１〜＃１２は、厚膜抵抗体１４の低温焼成セラミック材料添加量が５重量％、１０重量％、１５重量％のいずれかであり、比較例のサンプル＃１３〜＃１８は、厚膜抵抗体１４の低温焼成セラミック材料添加量が０重量％又は３重量％である。
【００２９】
この表１の試験結果から明らかなように、電極導体１３のＰｄ含有量が１０重量％以下で、厚膜抵抗体１４のＰｄ含有量が４０〜６０重量％の範囲では、厚膜抵抗体１４の低温焼成セラミック材料添加量によって抵抗値変化率が変化し、厚膜抵抗体１４の低温焼成セラミック材料添加量が増加するに従って、抵抗値変化率が小さくなり、回路の信頼性が向上する。
【００３０】
比較例のように、低温焼成セラミック材料添加量が３重量％以下では、低温焼成セラミック材料添加量が不足して、合格（○）の判定基準である抵抗値変化率≦１％の条件を満たさず、不合格（×）となった。
【００３１】
これに対し、実施例のように、厚膜抵抗体１４の低温焼成セラミック材料添加量が５重量％以上になると、抵抗値変化率が０．６％以下となり、合格（○）の判定基準である抵抗値変化率≦１％の条件を満たした。この試験結果から、電極導体１３のＰｄ含有量が１０重量％以下で、厚膜抵抗体１４のＰｄ含有量が４０〜６０重量％の範囲では、厚膜抵抗体１４の低温焼成セラミック材料添加量を５重量％以上に設定することが適正であることが確認された。
【００３２】
尚、本発明は、厚膜抵抗体１４のＰｄ含有量が４０重量％以下又は６０重量％以上でも適用可能であり、また、厚膜抵抗体１４の低温焼成セラミック材料添加量を１５重量％以上にしても良い。
【００３３】
その他、本発明は、低温焼成セラミック回路基板の内層にＡｇ−Ｐｄ系の厚膜抵抗体を形成する場合にも適用できる等、種々変更して実施できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項１の低温焼成セラミック回路基板によれば、電極導体をＡｇ導体又はＰｄ含有量が１０重量％以下のＡｇ−Ｐｄ導体により形成し、厚膜抵抗体をＡｇ−Ｐｄ導体とガラスとの混合物に低温焼成セラミック基板を形成する低温焼結セラミック材料と主成分が同一の低温焼成セラミック材料を５重量％以上添加した抵抗体材料により形成したので、電極導体と厚膜抵抗体との間にＡｇ−Ｐｄの中間導体層を形成しなくても、電極導体から厚膜抵抗体へのＡｇ拡散を防止できて、電極導体のポーラス化を防止できると共に、厚膜抵抗体と低温焼成セラミック基板との熱膨張係数の差を小さくできて、両者間の熱応力を小さくすることができ、信頼性を向上させながら、コスト低減と電気的特性向上の要求も満たすことができる。
【００３５】
また、請求項２では、厚膜抵抗体の全導体の合計含有量に対するＰｄ含有量の比率を４０重量％以上にしたので、厚膜抵抗体の抵抗温度係数を最小値に近付けることができ、温度変化の影響を受けにくい安定した抵抗特性を実現することができる。
【００３６】
また、請求項３では、低温焼成セラミック材料は、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物を用いるようにしたので、信号処理の高速化に対応した高性能のセラミック回路基板を形成できると共に、該低温焼成セラミック材料を厚膜抵抗体に５重量％以上添加しても、安定した抵抗特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す低温焼成セラミック回路基板の主要部の縦断面図
【符号の説明】
１１…低温焼成セラミック基板、１２…表層配線導体、１３…電極導体、１４…厚膜抵抗体。

Claims

低温焼成セラミック基板の表面に形成された電極導体と、この電極導体に接合するように形成された厚膜抵抗体とを備えた低温焼成セラミック回路基板において、前記電極導体は、Ａｇ導体又はＰｄ含有量が１０重量％以下のＡｇ−Ｐｄ導体により形成され、前記厚膜抵抗体は、Ａｇ−Ｐｄ導体とガラスとの混合物に前記低温焼成セラミック基板を形成する低温焼結セラミック材料と主成分が同一の低温焼成セラミック材料を５重量％以上添加した抵抗体材料により形成されていることを特徴とする低温焼成セラミック回路基板。
前記厚膜抵抗体は、全導体の合計含有量に対するＰｄ含有量が４０重量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の低温焼成セラミック回路基板。
前記低温焼成セラミック材料は、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末との混合物からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の低温焼成セラミック回路基板。