JP5385070B2

JP5385070B2 - ペースト組成物

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Publication number: JP5385070B2
Application number: JP2009218723A
Authority: JP
Inventors: 一也高木; 博越智
Original assignee: Kyoto Elex Co Ltd
Current assignee: Kyoto Elex Co Ltd
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: JP2011070798A

Description

本発明は、セラミック多層回路基板の製造においてスクリーン印刷用として好適であるペースト組成物に関する。

高密度実装回路基板としてセラミック多層回路基板が幅広く用いられている。そのセラミック多層回路基板は、セラミックグリーンシート積層法によって、次のような手順によって製造されている。

まず、セラミック微粉末と有機バインダー、可塑剤、溶剤などからなるスラリーをドクターブレード法やカレンダー法などの公知の成形方法で成形してセラミックグリーンシートを得る。次に、そのようにして得た複数枚のセラミックグリーンシートに層間接続用のビアホールをパンチング、レーザ加工などで形成する。次に、各セラミックグリーンシートのビアホールに導電性ペーストを穴埋印刷にて充填してビアホール導体を形成する。その後、ビアホール導体を形成した各セラミックグリーンシートにスクリーン印刷機を用いて導電性ペーストによる配線パターンや絶縁性ペーストによる絶縁層などを印刷する。さらに、導電性ペーストによる配線パターンや絶縁性ペーストによる絶縁層などを印刷した複数枚のセラミックグリーンシートを積層圧着する。最後に、積層圧着したセラミックグリーンシートを同時焼成することによりセラミック多層回路基板が製造されている。

ところが、スクリーン印刷機を用いてペースト組成物による配線パターンや絶縁層を印刷する場合、同じスクリーン製版を用いて繰り返し印刷すると、配線パターンと配線パターンの間や配線パターンのコーナー部に滲みが発生することがある。その滲みをなくすために、スクリーン製版をふき取るなどの作業が行われている。そのため、スクリーン印刷の生産性が低下する一方、セラミック多層回路基板の製造コストを上昇させている。

この種の技術に関するものとして、特許文献１には、ビアホール導体形成用導電性ペーストとして、導電性粉末１００重量部に対して、有機ビヒクル１０ないし３０重量部と、脂肪酸アミド０．５ないし１０重量部とを配合した導電性ペーストが開示されている。

特開２００５−２０９６８１号公報

特許文献１には、脂肪酸アミドは導電性ペーストにチクソトロピー性を付与するように作用するので、導電性粉末１００重量部に対して脂肪酸アミドを０．５ないし１０重量部配合することにより、ビアホールへの導電性ペーストの充填不良が発生しないということが記載されている。一方、近年、セラミック多層回路基板の配線は細線化の傾向にあるとともに精細な配線パターンを形成することが要求されている。このような要求を満足するためには、特許文献１に記載されたように、導電性粉末に脂肪酸アミドを配合するだけでは不充分である。

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、同じスクリーン製版で繰り返し印刷しても、スクリーン印刷された印刷パターンに滲みが発生せず、精細な配線パターンを形成することが可能なペースト組成物を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のペースト組成物は、セラミック多層回路基板の製造に際して、セラミックグリーンシートに、スクリーン印刷によってパターン状の導電層または絶縁層を形成するために用いられ、導電性または絶縁性の無機フィラー、セルロース樹脂、高粘度溶剤、分散剤、および前記高粘度溶剤以外の溶剤を含有し、全重量を１００重量％としたときに、前記高粘度溶剤の含有量が０．５ないし２０．０重量％であり、前記高粘度溶剤以外の溶剤の含有量が４．４ないし１６．０重量％であることを特徴とする。

無機フィラーは、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、セラミックおよびガラスの中から選択される少なくとも１種類の物質の粉末であることが好ましい。

無機フィラーが５５．０ないし９４．０重量％で、セルロース樹脂が１．０ないし７．０重量％で、高粘度溶剤が０．５ないし２０．０重量％で、分散剤が０．１ないし２．０重量％で、前記高粘度溶剤以外の溶剤が４．４ないし１６．０重量％で、無機フィラー、セルロース樹脂、高粘度溶剤、分散剤および前記高粘度溶剤以外の溶剤の合計量で１００重量％であることが好ましい。

本発明によれば、同じスクリーン製版で繰り返し印刷しても、スクリーン印刷された印刷パターンに滲みが発生せず、精細な配線パターンを形成することが可能なペースト組成物を提供することができる。

本実施形態の製造工程で製造する低温焼成セラミック多層回路基板の一例の断面を模式的に示す図である。低温焼成セラミック多層回路基板の製造工程の一例のフローチャートである。滲み評価用印刷パターンを示す図である。本発明のペーストと比較例のペーストの粘度特性を示す図である。本発明のペーストによる図３の印刷パターンをスクリーン印刷した時の中央のクロス十字部の写真（１５０倍）の拡大図である。比較例のペーストによる図３の印刷パターンをスクリーン印刷した時の中央のクロス十字部の写真（１５０倍）の拡大図である。

図１は本実施形態の製造工程で製造する低温焼成セラミック多層回路基板の一例を示す縦断面図、図２は本実施形態の低温焼成セラミック多層回路基板の製造工程の流れを示すフローチャートである。以下、製造工程順に説明する。

（１）グリーンシートの成形
まず、図１に示す低温焼成セラミック多層回路基板用のセラミックグリーンシート１を、低温焼成セラミックのスラリーを用いてドクターブレード法等でテープ成形する。この際、セラミックとしては、例えば、ＭｇＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ₂系結晶化ガラス５０〜６５重量％とアルミナ３５〜５０重量％との混合物を用いることができるが、これに限定されるものではない。この他、例えば、ＭｇＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系結晶化ガラスとアルミナとの混合物等、８００〜１０００℃で焼成できる低温焼成セラミック材料であれば、用いることができる。

（２）グリーンシートの切断とビアホールの穴あけ加工
この後、テープ成形したセラミックグリーンシート１を所定の寸法に切断した後、図１に示すように、所定の位置にビアホール２、３をパンチング加工する。径の大きい方のビアホール３は、搭載電子部品（図示せず）の熱を放散するためのサーマルビアを形成するビアホールであり、径の小さい方のビアホール２は層間の配線パターン４を接続するビアホール導体を形成するビアホールである。

（３）ビアホールへの導電性ペーストの穴埋め印刷と配線パターンおよび絶縁層の印刷
その後、図１において、ビアホール２、３の穴埋め印刷および層間配線パターン４、表層配線パターン５、裏面配線パターン６、部品搭載ランド７の印刷を、例えば、後記する配合のＡｇ系導電性ペーストを用いて行う。表層配線パターン５上には、必要に応じてグリーンシートと同じように、ガラスと金属酸化物との混合物をペーストにした絶縁性のペーストを用いて絶縁層を印刷する。

この印刷で使用する導電性ペーストは、導電性粉末（導電性無機フィラー）として、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅなどを使用することができる。ＰｄやＰｔを添加することによって耐半田性の向上や焼結抑制効果が期待できる。導電性ペースト中の導電性粉末（導電性無機フィラー）の含有量は５５．０ないし９４．０重量％が好ましい。導電性無機フィラーが５５．０重量％未満であると、印刷導体の電気抵抗値が増加し、電気特性を安定化させることができないからである。一方、導電性無機フィラーが９４．０重量％を超えると、ペーストの流動性が不足し、ビアホールへの充填不良が発生したり、良好な配線パターンを形成できなくなる。

絶縁性ペースト中の絶縁性無機フィラー（ガラス粉末、金属酸化物、セラミックなど）の含有量は５５．０ないし９４．０重量％が好ましく、６５．０ないし７５．０重量％がより好ましい。絶縁性無機フィラーが５５．０重量％未満であると、焼成後の絶縁膜が薄すぎて絶縁効果が乏しくなる。一方、絶縁性無機フィラーが９４．０重量％を超えると、ペーストの流動性が乏しくなり、印刷後にピンホールが発生して絶縁不良の原因になる。

セルロース樹脂としては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロースなどを使用することができる。ペースト組成物中のセルロース樹脂の含有量が１．０重量％未満であると、ペースト化が困難になる。一方、ペースト組成物中のセルロース樹脂の含有量が７．０重量％を超えると、ペーストの流動性が不足し、ビアホールへの充填不良が発生したり、良好な配線パターンを形成するのが困難になる。

高粘度溶剤としては、例えば、ジオール系化合物、多価カルボン酸化合物、芳香族誘導体化合物などを用いることができる。ペースト組成物中の高粘度溶剤の含有量が５．０重量％未満であると、スクリーン印刷の印刷パターンに滲みが発生することがある。一方、ペースト組成物中の高粘度溶剤の含有量が２０．０重量％を超えると、ペーストの流動性が不足し、ビアホールへの充填不良が発生したり、良好な配線パターンを形成するのが困難になる。本発明において、高粘度溶剤とは、沸点が２００℃以上で且つ２０℃のときの粘度が１００ｍＰａ・ｓ以上である有機溶剤をいうが、一般に広く知られている有機溶剤で沸点が４００℃を超える有機溶剤は存在せず、この点で高粘度溶剤の沸点の上限は決定される。また、溶剤の粘度が高すぎると配線印刷時にペーストが転写しずらいという不都合があるので、高粘度溶剤の２０℃のときの粘度は２０００ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。

分散剤としては、例えば、ステアリン酸、リン酸エステル系化合物などを使用することができる。高粘度溶剤以外の溶剤としては、例えば、ターピネオール、ブチルジグリコールアセテートなどを使用することができる。ペースト組成物中の分散剤が０．１ないし２．０重量％の範囲外であると、ペースト化が困難になる。同様に、ペースト組成物中の高粘度溶剤以外の溶剤が４．４ないし１６．０重量％の範囲外であると、ペースト化が困難になる。

所定の配合の化合物を、例えば、３本ロールミルのようなミキシング装置を用いて十分に混練・分散することにより、ペーストを作製することができる。

（４）積層・圧着
印刷終了後、図１に示すように、各層のグリーンシート１を積層し、この積層体を例えば、６０〜１５０℃、０．１〜３０ＭＰａの条件で加熱圧着して一体化する。

（５）焼成
この後、図１に示すグリーンシート１の積層体を、昇温速度＝約１０℃／分、焼成ピーク温度＝８００〜１０００℃（好ましくは９００℃前後）、ピーク温度で１０〜３０分保持の条件により空気雰囲気で焼成するという方法で、グリーンシート１の積層体を、層間配線パターン４、表層配線パターン５、裏面配線パターン６、部品搭載ランド７およびビアホール２、３の穴埋め導体と同時に焼成して低温焼成セラミック多層回路基板を製造することができる。

なお、焼成工程でグリーンシート１の積層体の両面にアルミナグリーンシートを積層し、この状態で積層体を加圧しながら、８００〜１０００℃で焼成した後、焼成基板の両面からアルミナグリーンシートの残存物を除去して、低温焼成セラミック多層回路基板を製造することもできる。この焼成法によれば、基板の焼成収縮量を小さくして焼成後の基板の寸法精度を向上させることができるという利点が期待できる。

下記の表１に示す配合（重量％）の化合物を３本ロールミルを用いて混練することにより導電性ペーストおよび絶縁性ペーストを作製し、セラミックグリーンシートとして、ＭｇＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ₂系結晶化ガラス６０重量％とアルミナ４０重量％を混合した、厚み１mmのものを使用した。

上記グリーンシートを３０mm角に切断してサンプル基板を作製した。そして、以下の表１に示す各実施例および比較例の配合の導電性ペーストおよび絶縁性ペーストを用いて、図３に示すような滲み評価用の印刷パターン８をサンプル基板９上にスクリーン印刷により印刷した後、１５０℃で１０分間乾燥し、印刷パターンのコーナー部に滲みが発生していないかどうかの観察を行った。乾燥後の滲み評価用印刷パターン８の滲みの有無を表１に記載する。

表１に示すように、本発明の実施例１ないし１４のペーストは本発明の範囲内の適正な配合からなるので、滲み評価用印刷パターンのコーナー部に全く滲みは発生しなかった。この点に関しては、本発明の実施例９と実施例１１のペーストによる図３の印刷パターン８の中央のクロス十字部（破線で囲んだ部分）の写真の拡大図である図５（ａ）と図５（ｂ）に、それぞれ示されているとおりである。なお、図３において、印刷パターン８のＨおよびＶの実際の寸法は、ともに１５０μｍである。

しかし、比較例１および２は高粘度溶剤が添加されていないため、比較例１と比較例２のペーストによる図３の印刷パターンの中央のクロス十字部（破線で囲んだ部分）の写真の拡大図である図６（ａ）と図６（ｂ）に、それぞれ示されているように、滲み評価用印刷パターンのコーナー部に滲み（図６（ａ）と図６（ｂ）のクロス十字部の近傍に存在する汚れのように見えるもの）が発生した。

また、比較例３は、高粘度溶剤が添加されていないとともに、ターピネオールの含有量が多過ぎるので、スクリーン印刷ができなかった。

《粘度特性》
次に、表１の中の実施例１０の配合の本発明のペーストと、表２の中の比較例１ないし３の配合のペーストについて、粘度特性を比較する試験を行ったので、以下に説明する。

その試験は、コーンプレート型回転粘度計（ブルックフィールド社製の商品名が「ＤＶ-III」のもの）を用いて、回転数を０．５rpm、１．０rpm、２．５rpm、５rpm、１０rpmと段階的に変化させて、各回転数で２分後の値をその回転数における粘性率（Ｐａ・ｓ）とした。上記粘度特性比較試験の結果を、回転数（rpm）を横軸とし、粘性率（Ｐａ・ｓ）を縦軸として、図４に示す。

図４に明らかなように、本発明のペースト（記号○）は、高回転時における粘度の低下が少ないことが分かる。

一方、高粘度溶剤が添加されていない比較例のペースト（記号×が比較例１、記号△が比較例２、記号●が比較例３）は、高回転になるほど粘度の低下が大きくなる。これが同じスクリーン製版を用いて繰り返し高速印刷するときの滲みの原因であると思われる。

本発明は、近年ますます進む電子部品の多機能化、複合化、ダウンサイジングに伴う配線の細線化、多チップ化の要求に対して、精細で緻密な印刷性の条件を満たすペースト材料を提供しうる。

１グリーンシート
２ビアホール
３ビアホール
４層間配線パターン
５表層配線パターン
６裏面配線パターン
７部品搭載ランド
８滲み評価用印刷パターン
９サンプル基板

Claims

セラミック多層回路基板の製造に際して、セラミックグリーンシートに、スクリーン印刷によってパターン状の導電層または絶縁層を形成するために用いられ、
導電性または絶縁性の無機フィラー、
セルロース樹脂、
沸点が２００℃以上で且つ２０℃のときの粘度が１００ｍＰａ・ｓ以上の有機溶剤である高粘度溶剤、
分散剤、および
前記高粘度溶剤以外の溶剤を含有し、
全重量を１００重量％としたときに、前記高粘度溶剤の含有量が０．５ないし２０．０重量％であり、前記高粘度溶剤以外の溶剤の含有量が４．４ないし１６．０重量％であることを特徴とするペースト組成物。
無機フィラーは、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、セラミックおよびガラスの中から選択される少なくとも１種類の物質の粉末であることを特徴とする請求項１記載のペースト組成物。
無機フィラーが５５．０ないし９４．０重量％で、セルロース樹脂が１．０ないし７．０重量％で、高粘度溶剤が０．５ないし２０．０重量％で、分散剤が０．１ないし２．０重量％で、前記高粘度溶剤以外の溶剤が４．４ないし１６．０重量％で、無機フィラー、セルロース樹脂、高粘度溶剤、分散剤および前記高粘度溶剤以外の溶剤の合計量で１００重量％であることを特徴とする請求項１または２記載のペースト組成物。