JP5767435B2 - Conductive paste for hole filling, conductor hole filling board, method for manufacturing conductor hole filling board, circuit board, electronic component, semiconductor package - Google Patents

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本発明は、基板に複数層形成された配線回路の導通を得るために、または熱の高速伝達経路としてのサーマルビアを得るために、基板の穴に充填して使用される穴埋め用導体ペースト、及びこの穴埋め用導体ペーストを基板の穴に充填した導体穴埋め基板及びその製造方法に関するものであり、またこの導体穴埋め基板を用いた回路基板、電子部品、半導体パッケージに関するものである。   The present invention provides a conductive paste for filling a hole used to fill a hole in a substrate in order to obtain conduction of a wiring circuit formed in a plurality of layers on the substrate or to obtain a thermal via as a high-speed heat transfer path, In addition, the present invention relates to a conductor hole-filled substrate in which holes in the substrate are filled with this hole-filling conductor paste and a method for manufacturing the same, and to a circuit board, an electronic component, and a semiconductor package using the conductor hole-filled substrate.

電子部品の小型化、高機能化に伴い、多層基板や表裏両面配線基板の要求は益々高まっている。これらの基板においては、表裏両面又は表面と内層の導体回路間の電気的な導通のために、基板に穴を設けて穴に導体を設けることにより行なっている。また、近年半導体素子や半導体集積回路の出力や処理速度は大きく増大しており、使用中の半導体素子や半導体集積回路(以下半導体素子等という)から生じた大量の熱を速やかに放散させ、半導体素子等を一定温度以下に保たなければ半導体素子等の機能及び寿命は著しく低下してしまう恐れがある。半導体素子等を搭載する基板は通常十分な熱伝導性を有しないので、半導体素子等の直下又はその近くに、貫通穴を設けて、穴に高熱伝導性の導体を充填することにより、半導体素子等から発生した熱を高熱伝導性導体を通して基板の反対側に伝わるサーマルビアの利用が広く知られている。   With the downsizing and higher functionality of electronic components, the demand for multilayer boards and front and back double-sided wiring boards is increasing. In these substrates, holes are formed in the substrate and conductors are provided in the holes for electrical conduction between the front and back surfaces or between the surface and the inner layer conductor circuit. In recent years, the output and processing speed of semiconductor elements and semiconductor integrated circuits have greatly increased, and a large amount of heat generated from semiconductor elements and semiconductor integrated circuits (hereinafter referred to as semiconductor elements) in use can be quickly dissipated, thereby providing a semiconductor. If the elements and the like are not kept below a certain temperature, the function and life of the semiconductor elements and the like may be significantly reduced. Since a substrate on which a semiconductor element or the like is mounted does not usually have sufficient thermal conductivity, by providing a through hole directly under or near the semiconductor element or the like and filling the hole with a highly thermally conductive conductor, the semiconductor element It is widely known to use thermal vias that transmit heat generated from the like to the opposite side of the substrate through a highly thermally conductive conductor.

基板に設けた穴に導体を設ける方法には、以下の幾つかの方法がある。すなわち(1)基板にあけた穴に、電解又は無電解メッキにより、金属を充填させるメッキ法、(2)基板にあけた穴に、スパッタや蒸着により金属を充填する乾式法、(3)液状エポキシ樹脂などの樹脂溶液に高含有量に分散させた金属粉からなるペーストを基板の穴に充填し、300℃以下の温度で樹脂を硬化させる非焼成タイプの導電ペースト法、(4)金属粉、セラミックス粉、ガラス粉、樹脂溶液などからなる焼成タイプの導電ペーストを、セラミックスグリーンシートにあけた穴に充填し、セラミックスグリーンシートと一緒に焼成するようにした同時焼成導電ペースト法、(5)金属粉、ガラス粉、樹脂溶液などからなる焼成タイプの導電ペーストを、セラミックス基板にあけた穴に充填し、300℃以上の温度で焼成して樹脂を分解させ、金属粉を焼結するようにした後焼成ペースト法、が挙げられる。 There are several methods for providing a conductor in a hole provided in a substrate. That is, (1) a plating method for filling a hole in a substrate with electrolysis or electroless plating, (2) a dry method for filling a hole in a substrate with sputtering or vapor deposition, (3) liquid A non-firing type conductive paste method in which a paste made of a metal powder dispersed in a high content in a resin solution such as an epoxy resin is filled in a hole in a substrate and the resin is cured at a temperature of 300 ° C. or lower; (4) metal powder , ceramic powder, glass powder, baking type conductive paste made of resin solution, was packed into a hole drilled in the ceramic green sheet, co-firing the conductive paste method on so that forming baked together with the ceramic green sheet, (5 ) Fill a hole in the ceramic substrate with a firing type conductive paste made of metal powder, glass powder, resin solution, etc., and fire it at a temperature of 300 ° C or higher. To decompose the firing paste method after the metallic powder to be sintered, and the like.

上記の方法(1)において、絶縁体である基板の穴のみに金属をメッキにより充填させることは、非常に煩雑な工程が必要で、高コストになる。(2)の方法は、工程が煩雑であるとともに高価な真空設備が必要であるため、非常に高価になる。また、基板サイズの制限もある。(3)の方法は、安価であるが、金属粉間にポリマーが存在するため、導電性、熱伝導性が不十分である。また、耐熱性など信頼性の面も劣っている。(4)の方法は、耐熱性、信頼性の面は優れているが、セラミックスグリーンシートの焼成挙動(焼結温度や収縮率など)とマッチングさせる必要があるため、ペーストに多量の非金属無機物粉を配合する必要がある。その結果、焼成されたビア導体の導電性及び熱伝導性が低下する。また、セラミックスは焼成時に大きく収縮するので、この同時焼成法では焼成品の寸法精度が悪く、高精度、小型化の要求には対応しにくい問題がある。   In the above method (1), filling only the holes of the substrate, which is an insulator, with a metal by plating requires a very complicated process and is expensive. The method (2) is very expensive because the process is complicated and expensive vacuum equipment is required. There is also a limitation on the substrate size. The method (3) is inexpensive but has insufficient conductivity and thermal conductivity because a polymer exists between the metal powders. In addition, it has poor reliability such as heat resistance. Although the method (4) is excellent in heat resistance and reliability, it is necessary to match the firing behavior (sintering temperature, shrinkage rate, etc.) of the ceramic green sheet. It is necessary to add powder. As a result, the conductivity and thermal conductivity of the fired via conductor are reduced. In addition, since ceramics shrink greatly during firing, there is a problem that this simultaneous firing method has poor dimensional accuracy of the fired product, and it is difficult to meet the demand for high precision and downsizing.

そして(5)の後焼成ペースト法は、幾つかの問題点はあるが、信頼性、コスト、寸法精度、小型化対応などの面において優れている。この後焼成ペースト法には、次のような方法がある。   The post-baking paste method (5) has some problems, but is excellent in terms of reliability, cost, dimensional accuracy, and miniaturization. The post-baking paste method includes the following methods.

すなわち、基板のスルーホールの内壁面に導体ペーストを塗布し、これを焼成することによって、スルーホールの内壁面に導体層を形成する方法があり、このようにスルーホールに形成した導体層で導体回路間の導通をとることができる。   That is, there is a method of forming a conductor layer on the inner wall surface of the through hole by applying a conductive paste to the inner wall surface of the through hole of the substrate and firing it, and the conductor layer is thus formed on the inner wall surface of the through hole. Connection between circuits can be established.

しかし、スルーホールの内壁面に形成される導体層は断面積が小さいので、大電流を流すことができず、また熱を逃がす効果も低いという問題がある。例えば、大型車の電動パワーステアリング用の基板では、50〜60A程度の電流を流す必要があるが、スルーホールの導体層では許容電流値はせいぜい1A程度であり、用途が限定されるものである。   However, since the conductor layer formed on the inner wall surface of the through hole has a small cross-sectional area, there is a problem that a large current cannot flow and the effect of releasing heat is low. For example, in a board for electric power steering of a large vehicle, it is necessary to pass a current of about 50 to 60 A, but in a through hole conductor layer, an allowable current value is about 1 A at most, and the application is limited. .

このため、電気抵抗が低く大電流の使用が可能であり、かつ素子等から発生した熱を逃がすこともできるように、スルーホールのような貫通した穴や、あるいは未貫通の穴に導体を完全充填する方法が行なわれている。   For this reason, a conductor is completely placed in a through hole such as a through hole or a non-through hole so that a large current can be used with a low electrical resistance and heat generated from the element can be released. A method of filling is performed.

この完全充填法は、基板の貫通又は未貫通の穴内に導体ペーストを完全に充填してから焼成することによって、穴内を導体で完全に充填するようにしたものであり、断面の面積が大きな導体を得ることができるので、大電流を流すことが可能になり、また放熱性も高く得ることができるものである。   In this complete filling method, a conductor paste with a large cross-sectional area is formed by completely filling a conductor paste into a hole that has not penetrated or penetrated a substrate and then firing it, and then firing it. Therefore, it is possible to flow a large current and to obtain high heat dissipation.

しかしこのように、基板の貫通又は未貫通の穴内を導体ペーストからなる導体で充填する場合、穴に導体ペーストを充填した後、乾燥し、さらに焼成する過程で、導体ペースト中の溶媒の揮発や、金属粉の焼結などにより、体積収縮が起こる。このため、穴に充填された導体の表面が凹んだり、導体が穴から脱落したり、また脱落しないまでも穴の内周から導体が剥離して導通不良や断線が発生するおそれがあり、導通信頼性が大幅に低下するおそれがある。   However, in this way, in the case where the inside or non-through hole of the substrate is filled with the conductor made of the conductive paste, the solvent in the conductive paste is volatilized in the process of filling the hole with the conductive paste, then drying and firing. Volume shrinkage occurs due to sintering of metal powder. For this reason, the surface of the conductor filled in the hole may be dented, the conductor may fall out of the hole, or the conductor may peel off from the inner periphery of the hole until it does not fall off. Reliability may be significantly reduced.

そこでこのような収縮の問題を解決するために、導体ペースト中の金属粉の含有量を高めることが行なわれているが、金属含有量が90%以上になるとペースト粘度が急激に上昇して充填作業性が著しく低下するので、金属含有量を高めるのにも限界がある。   Therefore, in order to solve such a shrinkage problem, the content of the metal powder in the conductor paste has been increased. However, when the metal content exceeds 90%, the paste viscosity rapidly rises and fills. Since workability is significantly reduced, there is a limit to increasing the metal content.

このため従来から、導体ペーストに焼結性の低い金属粉を使用すると共に、膨張剤を導体ペーストに配合することが提案されている(特許文献1〜3等参照)。すなわち、導体ペーストを基板の貫通又は未貫通の穴に充填して焼成する際に、膨張剤が膨張することによって、穴に充填された導体が収縮することを防ぐようにしているのである。   For this reason, conventionally, it has been proposed to use a metal powder having low sinterability for the conductor paste and to blend an expanding agent into the conductor paste (see Patent Documents 1 to 3, etc.). That is, when the conductive paste is filled into a through-hole or non-through-hole in the substrate and fired, the expansion agent expands to prevent the conductor filled in the hole from shrinking.

しかし上記のように膨張剤を導体ペーストに含有させると、穴に充填された導体は膨張によって緻密性が低下し、ボイド等も発生し易くなるため、導体の導電性、熱伝導性、気密性等が顕著に低下し、信頼性に問題が生じるものであった。   However, when the expansion agent is contained in the conductor paste as described above, the conductor filled in the hole is less dense due to expansion, and voids are likely to be generated. Therefore, the conductivity, thermal conductivity, and airtightness of the conductor are increased. Etc. significantly decreased, causing a problem in reliability.

特開平09−046013号公報JP 09-046013 A 特開平07−094840号公報Japanese Patent Laid-Open No. 07-094840 特開2007−087712号公報JP 2007-087712 A

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、焼成による体積変化が小さく、導電性や熱伝導性の高い導体を形成することができる穴埋め用導体ペーストを提供することを目的とするものであり、この穴埋め用導体ペーストを用いた導体穴埋め基板、導体穴埋め基板の製造方法、回路基板、電子部品、半導体パッケージを提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a conductor paste for filling holes that can form a conductor having a small volume change due to firing and having high conductivity and thermal conductivity. Therefore, it is an object of the present invention to provide a conductor hole-filling substrate, a conductor hole-filling substrate manufacturing method, a circuit board, an electronic component, and a semiconductor package using the hole-filling conductor paste.

本発明に係る穴埋め用導体ペーストは、銀を主成分とする導電性金属粒子と、ガラス及び無機酸化物のうち少なくとも一方と、有機ビヒクルとを含有して形成され、耐熱基板に設けられた貫通又は非貫通の穴に充填して焼成することによって、導体で穴埋めをするための導体ペーストであって、上記の導電性金属粒子の含有率が93〜97質量%、上記のガラス及び無機酸化物の総量が0.05〜5質量%、上記のガラス及び無機酸化物のうち少なくとも一方の含有率が0.05〜5質量%、上記の有機ビヒクルの含有率が2〜6.9質量%であり、上記の導電性金属粒子は、中心粒径0.25μm以上の金属粉と、中心粒径10〜100nmの金属ナノ粒子とを含有し、導体ペースト中の金属を含む無機物含有量が導体ペースト全量の93質量%以上であり、乾燥状態の体積に対する、600℃で焼成した後の体積の変化率が−1.2〜+10%の範囲であることを特徴とするものである。 The conductive paste for hole filling according to the present invention is formed by containing conductive metal particles mainly composed of silver, at least one of glass and inorganic oxide, and an organic vehicle, and is provided in a heat-resistant substrate. Alternatively, a conductive paste for filling a hole with a conductor by filling a non-through hole and firing, the content of the conductive metal particles being 93 to 97% by mass, the glass and the inorganic oxide The total content of 0.05 to 5% by mass, the content of at least one of the glass and the inorganic oxide is 0.05 to 5% by mass, and the content of the organic vehicle is 2 to 6.9% by mass The conductive metal particles include a metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more and metal nanoparticles having a center particle size of 10 to 100 nm, and the conductor paste has an inorganic content including the metal in the conductor paste. 93 in total And a quantity% or more, relative to the volume of the dry, is characterized in that a range change ratio of the volume after firing is -1.2~ + 10% at 600 ° C..

導電性金属粒子の構成をこのように設定することによって、流動性が良好な導体ペーストを得ることができ、小さい穴への充填性が良好になるものであり、また焼成による体積変化が小さく、導電性の高い導体を形成することができるものである。そして体積変化が小さいので導体ペースト中に膨張剤や焼結抑制剤を配合する必要がなく、導電性や熱伝導性の高い導体を形成することができるものである。   By setting the configuration of the conductive metal particles in this way, it is possible to obtain a conductor paste with good fluidity, good filling into small holes, and small volume change due to firing, A highly conductive conductor can be formed. And since a volume change is small, it is not necessary to mix | blend an expansion agent and a sintering inhibitor in a conductor paste, and a conductor with high electroconductivity and heat conductivity can be formed.

導体ペーストを焼成して形成される導体の収縮や膨張による体積変化がこのように小さいと、基板の穴に充填された導体の表面の凹みやフクレ、穴の内壁と導体との間の隙間の発生などの不具合をなくすことができるものであり、導通等の信頼性を高く得ることができるものである。また、このように、導体ペースト中の導電性金属粒子の含有率が高く、ガラスや無機酸化物のような非導電性無機成分の含有率が低い配合にすることによって、一層高い導電性を有する導体を得ることができるものである。 If the volume change due to shrinkage or expansion of the conductor formed by firing the conductor paste is so small, dents and blisters on the surface of the conductor filled in the hole in the board, and the gap between the inner wall of the hole and the conductor It is possible to eliminate problems such as occurrence and to obtain high reliability such as conduction. In addition, by having a high content of conductive metal particles in the conductor paste and a low content of non-conductive inorganic components such as glass and inorganic oxide, the conductive paste has higher conductivity. A conductor can be obtained.

また本発明は、600℃で焼成した後の導体の電気抵抗率が10μΩ・cm以下であることを特徴とするものであり、さらに、600℃で焼成した後の導体の電気抵抗率が4μΩ・cm以下であることを特徴とするものである。   Further, the present invention is characterized in that the electrical resistivity of the conductor after firing at 600 ° C. is 10 μΩ · cm or less, and further, the electrical resistivity of the conductor after firing at 600 ° C. is 4 μΩ · cm. cm or less.

このように電気抵抗率が小さいことによって、高導電性で信頼性の高い導体を形成することができるものである。   Thus, a low electrical resistivity makes it possible to form a highly conductive and highly reliable conductor.

また本発明は、600℃で焼成した後の導体の熱伝導率が150W/m・K以上であることを特徴とするものである。   The present invention is also characterized in that the conductor has a thermal conductivity of 150 W / m · K or more after firing at 600 ° C.

このように熱伝導率が高いことによって、放熱性の高い導体を形成することができ、放熱性が要求される用途に使用することができるものである。   Thus, by high heat conductivity, a conductor with high heat dissipation can be formed, and it can be used for the use for which heat dissipation is requested | required.

また本発明において、上記の中心粒径0.25μm以上の金属粉は、中心粒径が3倍以上異なる2種以上の金属粉を併用したものであることを特徴とするものである。   In the present invention, the metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more is characterized in that two or more kinds of metal powders having a center particle diameter of 3 times or more are used in combination.

このように、中心粒径0.25μm以上の金属粉として、中心粒径が異なる金属粉を併用することによって、金属粉の充填性を高めることができると共に、焼成時の導体ペースト内部の通気性を向上することができ、焼成時にフクレなどの不具合の発生を防ぐことができるものであり、高緻密性で導電性の高い導体を形成することができるものである。   Thus, as metal powder having a center particle diameter of 0.25 μm or more, by using metal powders having different center particle diameters in combination, the filling ability of the metal powder can be improved and the air permeability inside the conductor paste at the time of firing is increased. It is possible to prevent the occurrence of defects such as blisters at the time of firing, and a highly dense and highly conductive conductor can be formed.

また本発明において、上記の中心粒径0.25μm以上の金属粉は、中心粒径1μm以上の金属粉の含有率が50〜80質量%であることを特徴とするものである。   In the present invention, the metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more is characterized in that the content of the metal powder having a center particle size of 1 μm or more is 50 to 80% by mass.

このような金属粉を用いることによって、焼成時のボイドやフクレなどの不具合を低減することができ、緻密性が高く導電性の高い導体を形成することができるものである。   By using such a metal powder, defects such as voids and blisters during firing can be reduced, and a highly conductive conductor with high density can be formed.

また本発明において、上記の導電性金属粒子中、中心粒径0.25μm以上の金属粉は50〜90質量%、中心粒径10〜100nmの金属ナノ粒子は10〜50質量%含有していることを特徴とするものである。 In the present invention, the conductive metal particles contain 50 to 90% by mass of metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more, and 10 to 50% by mass of metal nanoparticles having a center particle size of 10 to 100 nm . It is characterized by this.

このような導電性金属粒子を用いることによって、充填性が良好で、焼成後の体積変化率が小さい導体を形成できる導体ペーストを得ることができるものである。   By using such conductive metal particles, it is possible to obtain a conductor paste that can form a conductor having good filling properties and a small volume change rate after firing.

また本発明において、上記の中心粒径10〜100nmの金属ナノ粒子は、1〜200nmの範囲内に粒径分布を有するナノ粒子であることを特徴とするものであり、さらに、中心粒径が10〜50nmの範囲にあることを特徴とするものである。 In the present invention, the metal nanoparticles having a central particle size of 10 to 100 nm are nanoparticles having a particle size distribution within a range of 1 to 200 nm , and the center particle size is It is in the range of 10 to 50 nm.

金属ナノ粒子の粒径がこの範囲であることによって、金属ナノ粒子の充填性がより顕著に発揮され、高導電性、低収縮の導体を容易に得ることができるものである。   When the particle size of the metal nanoparticles is within this range, the filling property of the metal nanoparticles is more remarkably exhibited, and a highly conductive and low shrinkage conductor can be easily obtained.

また本発明は、上記の金属ナノ粒子の表面に、金属ナノ粒子の分散性を安定させるための保護コロイドを、金属ナノ粒子に対して0.5〜15質量%の量で、有することを特徴とするものである。   Further, the present invention has a protective colloid for stabilizing the dispersibility of the metal nanoparticles on the surface of the metal nanoparticles in an amount of 0.5 to 15% by mass with respect to the metal nanoparticles. It is what.

このように金属ナノ粒子の表面に保護コロイドを有することによって、導体ペースト中の導電性金属粒子の高濃度化と導体ペーストの流動性を両立して得ることができるものである。   Thus, by having a protective colloid on the surface of the metal nanoparticles, it is possible to obtain both high concentration of the conductive metal particles in the conductor paste and fluidity of the conductor paste.

また本発明において、上記の金属ナノ粒子は、少なくとも銀ナノ粒子を含むことを特徴とするものである。   In the present invention, the metal nanoparticles include at least silver nanoparticles.

銀ナノ粒子は、より安価に入手することができ、電気特性や熱伝導性の高い導体を容易に形成することができるものである。   Silver nanoparticles can be obtained at a lower cost, and can easily form a conductor having high electrical properties and thermal conductivity.

また本発明において、上記のガラスは、軟化点550℃以下のビスマス系ガラスであることを特徴とするものである。   Moreover, in this invention, said glass is a bismuth-type glass with a softening point of 550 degrees C or less, It is characterized by the above-mentioned.

このようなガラスフリットを用いることによって、焼成の際の収縮を抑制しつつ導体を形成することができるものである。   By using such a glass frit, a conductor can be formed while suppressing shrinkage during firing.

また本発明において、上記のビスマス系ガラスは、酸化物換算で酸化ビスマスの含有量が70質量%以上であることを特徴とするものである。   In the present invention, the bismuth-based glass has a bismuth oxide content of 70% by mass or more in terms of oxide.

このように酸化ビスマスの含有量が多いビスマス系ガラスであることによって、焼成の際の収縮を抑制しつつ導体を形成することができる効果を顕著に得ることができるものである。   Thus, by being bismuth-type glass with much content of bismuth oxide, the effect which can form a conductor, suppressing the shrinkage | contraction at the time of baking can be acquired notably.

また本発明の導体ペーストは、400〜950℃の温度で焼成されることを特徴とするものである。   Moreover, the conductor paste of this invention is baked at the temperature of 400-950 degreeC, It is characterized by the above-mentioned.

この温度で焼成することによって、焼成後の体積変化率がより小さい焼結導体を得ることができるものである。   By firing at this temperature, a sintered conductor having a smaller volume change rate after firing can be obtained.

本発明に係る導体穴埋め基板の製造方法は、耐熱基板に設けられた貫通又は非貫通の穴に、上記の導体ペーストを充填する工程と、穴に充填した導体ペーストを乾燥する工程と、乾燥した導体ペーストを空気雰囲気下で、400〜950℃の温度で焼成する工程とを有することを特徴とするものである。   The method for manufacturing a conductor hole-filled substrate according to the present invention includes a step of filling the through-hole or non-through hole provided in the heat-resistant substrate with the above-mentioned conductor paste, a step of drying the conductor paste filled in the hole, and a method of drying And baking the conductive paste at a temperature of 400 to 950 ° C. in an air atmosphere.

この発明によれば、焼成による体積変化が小さく、穴内への充填性で良好であり、且つ高導電性、高熱伝導性の信頼性の高い導体で穴を埋めた導体穴埋め基板を得ることができるものである。   According to the present invention, it is possible to obtain a conductor-filled substrate in which the volume change due to firing is small, the filling property into the hole is good, and the hole is filled with a highly conductive conductor with high conductivity and high thermal conductivity. Is.

また本発明において、上記耐熱基板は、セラミックス基板、ガラス基板、シリコン基板、ホーロー基板から選ばれたものであることを特徴とするものである。   In the present invention, the heat-resistant substrate is selected from a ceramic substrate, a glass substrate, a silicon substrate, and an enamel substrate.

このような高耐熱性の基板を用いることによって、より信頼性の高い導体穴埋め基板を得ることができるものである。   By using such a high heat resistant substrate, a more reliable conductor hole-filled substrate can be obtained.

本発明に係る導体穴埋め基板は、耐熱基板に設けられた貫通又は非貫通の穴が、上記の導体ペーストが焼成された導体で充填されていることを特徴とするものである。   The conductor hole-filled substrate according to the present invention is characterized in that a through-hole or a non-through-hole provided in the heat-resistant substrate is filled with a conductor obtained by firing the above-described conductor paste.

この発明によれば、焼成による体積変化が小さく、穴内への充填性で良好であり、且つ高導電性、高熱伝導性の信頼性の高い導体で穴を埋めた導体穴埋め基板を得ることができるものである。   According to the present invention, it is possible to obtain a conductor-filled substrate in which the volume change due to firing is small, the filling property into the hole is good, and the hole is filled with a highly conductive conductor with high conductivity and high thermal conductivity. Is.

そして上記のような導体穴埋め基板を用いて、回路基板、電子部品、半導体パッケージを作製することができるものである。   A circuit board, an electronic component, and a semiconductor package can be manufactured by using the conductor hole-filled substrate as described above.

本発明によれば、流動性が良好で、小さい穴への充填性が良好になる導体ペーストを得ることができものであり、また焼成による体積変化が小さく、導電性の高い導体を形成できる導体ペーストを得ることができるものである。このため、耐熱基板の貫通又は非貫通の穴に、焼成による体積変化が小さく、導電性や熱伝導性の高い導体を埋め込んで、信頼性の高い導体穴埋め基板を得ることができるものである。   According to the present invention, it is possible to obtain a conductor paste that has good fluidity and good filling properties in small holes, and that can form a highly conductive conductor with a small volume change due to firing. A paste can be obtained. Therefore, a highly reliable conductor hole-filled substrate can be obtained by embedding a conductor having a small volume change due to firing into a through-hole or non-through-hole of the heat-resistant substrate and having high conductivity and heat conductivity.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明の導体ペーストは、導電性金属粒子と、ガラス及び無機酸化物のうち少なくとも一方との粉末と、有機ビヒクルを少なくとも配合して調製されるものである。   The conductor paste of the present invention is prepared by blending at least conductive metal particles, powder of at least one of glass and inorganic oxide, and an organic vehicle.

そして導電性金属粒子は、銀を主成分として含むものであるが、銀の比率や、他の導電性金属の種類や量に関しては特に限定されるものではなく、要求される焼結性、電気特性、物理的・化学的特性などに応じて設定することができるものである。コストや焼結性、電気特性などからすると、導電性金属粒子中に、銀が60質量%以上含有されることが好ましく、80質量%以上含有されることがさらに好ましく、90質量%以上含有されることが一層好ましい。導電性金属粒子の総てが銀であってもよい。導電性金属粒子において、銀以外の金属としては、耐マイグレーション性の向上、信頼性の向上、密着力の向上、焼結性の調整、電気抵抗値の調整などを目的として適宜のものを選択して配合することができる。金属種としては、例えばパラジウム(Pd)、白金(Pt)、金(Au)、ルテニウム(Ru)、インジウム(In)などを挙げることができるものであり、配合量はそれぞれの目的に応じて適宜設定することができる。   The conductive metal particles contain silver as a main component, but the silver ratio and the type and amount of other conductive metals are not particularly limited, and the required sinterability, electrical characteristics, It can be set according to physical and chemical characteristics. From the viewpoint of cost, sinterability, electrical characteristics, etc., it is preferable that the conductive metal particles contain 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more. More preferably. All of the conductive metal particles may be silver. In the conductive metal particles, a metal other than silver is appropriately selected for the purpose of improving migration resistance, improving reliability, improving adhesion, adjusting sinterability, adjusting electric resistance, etc. Can be blended. Examples of the metal species include palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au), ruthenium (Ru), indium (In), and the like, and the blending amount is appropriately determined according to each purpose. Can be set.

そして本発明において導電性金属粒子は、中心粒径0.25μm以上の金属粉と、中心粒径150nm以下の金属ナノ粒子とからなるものである。中心粒径0.25μm以上の金属粉において、中心粒径の上限は特に限定されるものではないが、導体ペーストの充填性や作業性などを考慮すると、中心粒径が100μm以下であることが好ましく、50μm以下が更に好ましく、20μm以下が一層好ましい。   In the present invention, the conductive metal particles are composed of metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more and metal nanoparticles having a center particle size of 150 nm or less. In the metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more, the upper limit of the center particle size is not particularly limited, but the center particle size may be 100 μm or less in consideration of the filling property and workability of the conductor paste. Preferably, it is 50 μm or less, and more preferably 20 μm or less.

このように、導電性金属粒子が、中心粒径0.25μm以上の金属粉と、中心粒径150nm以下の金属ナノ粒子とからなることによって、中心粒径0.25μm以上の金属粉の間に中心粒径150nm以下の金属ナノ粒子が入り込み、導電性金属粒子の充填密度を高めることができるものであり、緻密で導電性が高く、焼成の際に体積変化が少ない導体を形成できる導体ペーストを得ることができるものである。   As described above, the conductive metal particles are composed of the metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more and the metal nanoparticles having a center particle size of 150 nm or less. A metal paste having a central particle diameter of 150 nm or less and capable of increasing the packing density of conductive metal particles, and a conductive paste capable of forming a conductor that is dense, highly conductive, and has a small volume change upon firing. It can be obtained.

ここで、中心粒径0.25μm以上の金属粉は、中心粒径が3倍以上異なる2種以上の金属粉を併用するのが好ましい。本発明の導体ペーストにおいて、乾燥収縮や焼成収縮を最大限に抑えるために、導体ペースト中の金属粉の充填密度を高めることが必要であるが、このように中心粒径が3倍以上異なる2種以上の金属粉を併用することによって、金属粉の充填密度を高めることができるものである。中心粒径の差の上限は特に設定されるものではないが、実用的には、中心粒径は3倍以上、30倍以下の範囲が好ましい。また中心粒径が異なる金属粉は2種以上であればよく、上限は特に設定されるものではないが、実用的には4種程度が上限である。   Here, the metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more is preferably used in combination of two or more kinds of metal powders having a center particle diameter of 3 times or more different. In the conductor paste of the present invention, it is necessary to increase the packing density of the metal powder in the conductor paste in order to suppress the drying shrinkage and firing shrinkage to the maximum. By using together the metal powder of a seed | species or more, the packing density of metal powder can be raised. The upper limit of the difference in the center particle size is not particularly set, but practically the center particle size is preferably in the range of 3 to 30 times. Further, the metal powders having different center particle diameters may be at least two kinds, and the upper limit is not particularly set, but about four kinds are practically the upper limit.

また、中心粒径0.25μm以上の金属粉のうち、中心粒径1μm以上の金属粉が50〜80質量%を占めることが好ましい。このように設定することによって、導体ペーストが適度な焼結性を有するようになると共に、焼成時のボイドの発生やフクレの発生などの不具合を低減することができるものである。中心粒径1μm以上の金属粉の含有率が50質量%未満であると、焼結性が高くなり過ぎて、導体ペーストの乾燥や焼成の際の収縮が大きくなる傾向があり、またガス抜きがされ難くなってボイドやフクレが発生し易くなるものであり、この結果、焼成した導体の体積変化率のばらつきが大きくなって、導体内部にボイドが生成されるおそれがある。逆に、中心粒径1μm以上の金属粉の含有率が80質量%を超えると、導体ペーストの焼成時のパッキング性が低下し、焼成した導体に細孔が形成され難くなって、焼成時の収縮が大きくなるおそれがある。   Moreover, it is preferable that 50-80 mass% of metal powder with a center particle diameter of 1 micrometer or more occupies among metal powders with a center particle diameter of 0.25 micrometers or more. By setting in this way, the conductor paste has an appropriate sinterability, and it is possible to reduce inconveniences such as generation of voids and blisters during firing. When the content of the metal powder having a center particle size of 1 μm or more is less than 50% by mass, the sinterability becomes too high, and the shrinkage during drying and firing of the conductor paste tends to increase, and the degassing is likely to occur. This makes it difficult to generate voids and blisters. As a result, the variation in the volume change rate of the fired conductor becomes large, and voids may be generated inside the conductor. On the other hand, when the content of the metal powder having a center particle size of 1 μm or more exceeds 80% by mass, the packing property at the time of firing the conductor paste is lowered, and it becomes difficult to form pores in the fired conductor. There is a risk of shrinkage.

この中心粒径0.25μm以上の金属粉の形状は、球状、フレーク状、多角形状、繊維状など、従来から公知のいずれのものであってもよく特に限定されるものではないが、導体ペースト中の導電性金属粒子の充填密度や、導体ペーストの充填作業性の観点から、主に球状のものを用いるのが好ましい。またこの金属粉の製法も特に限定されるものではなく、湿式還元法、乾式還元法、電解法、アトマイズ法、機械粉砕法など、公知の任意の方法で製造されたものを使用することができる。   The shape of the metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more may be any conventionally known shape such as a spherical shape, a flake shape, a polygonal shape, and a fiber shape, but is not particularly limited. From the viewpoint of the packing density of the conductive metal particles therein and the filling workability of the conductor paste, it is preferable to use mainly spherical ones. Also, the method for producing the metal powder is not particularly limited, and a metal powder produced by any known method such as a wet reduction method, a dry reduction method, an electrolysis method, an atomization method, or a mechanical grinding method can be used. .

一方、中心粒径150nm以下の金属ナノ粒子は、本発明の導体ペーストに配合する導電性金属粒子の必須構成要素の一つであり、この金属ナノ粒子を用いることによる効果として少なくとも次の2つのものを挙げることができる。まず一つ目は、導体ペースト中に存在する金属ナノ粒子は粒径が非常に小さく、且つ流動性が優れているので、大粒径である中心粒径0.25μm以上の金属粉の粒子間に入り込んで充填され、有機ビヒクルの使用量を低減して導体ペースト中の金属コンテンツを高めることができることである。この結果、基板の穴に導体ペーストを充填した後の乾燥収縮や焼成収縮をともに低減することができ、さらに焼成して得られた導体の緻密性、導電性、熱伝導性を向上することができるものである。二つ目は、金属ナノ粒子は焼成時にガラスや無機酸化物と作用し、焼成して得られた焼結導体中に微細な細孔を形成させ、焼成による収縮をさらに低減させることである。金属ナノ粒子の添加による細孔の形成機構は明らかではないが、貴金属ナノ粒子と低融点ガラスの組み合わせの場合に細孔の形成が顕著になる傾向があることからして、ガラスなどの酸化物が金属ナノ粒子の焼結体に閉じ込められ、一定の温度条件下でガラスが溶融することにより、ガラス中に存在するガスが放出され、それにより焼結導体中に細孔が形成されるものと推測される。 On the other hand, the metal nanoparticles having a central particle size of 150 nm or less are one of the essential components of the conductive metal particles to be blended in the conductor paste of the present invention, and at least the following two effects are obtained by using the metal nanoparticles. Things can be mentioned. First, since the metal nanoparticles present in the conductor paste have a very small particle size and excellent fluidity, the metal particles between the metal particles having a large particle size with a central particle size of 0.25 μm or more are large. It is possible to increase the metal content in the conductor paste by reducing the amount of organic vehicle used by filling and filling. As a result, it is possible to reduce both drying shrinkage and firing shrinkage after filling the hole in the substrate with the conductive paste, and further improve the denseness, conductivity and thermal conductivity of the conductor obtained by firing. It can be done. The second is that the metal nanoparticles interact with glass and inorganic oxide during firing to form fine pores in the sintered conductor obtained by firing and further reduce shrinkage due to firing. Although the formation mechanism of pores due to the addition of metal nanoparticles is not clear, the formation of pores tends to become prominent in the case of a combination of noble metal nanoparticles and low-melting glass. Is trapped in the sintered body of metal nanoparticles, and the glass melts under a certain temperature condition, thereby releasing the gas present in the glass, thereby forming pores in the sintered conductor. Guessed.

この金属ナノ粒子の種類は特に制限されるものではないが、空気中での焼成用に導体ペーストを形成する場合には、貴金属であることが好ましい。貴金属ナノ粒子としては、Ag,Au,Pt,Pdなどのナノ粒子を挙げることができ、これらのなかでもAgナノ粒子は、コスト、導電性、熱伝導性などの面から優れているので、特に好ましい。   The type of the metal nanoparticles is not particularly limited, but is preferably a noble metal when a conductor paste is formed for firing in air. Examples of the noble metal nanoparticles include nanoparticles such as Ag, Au, Pt, and Pd. Among these, Ag nanoparticles are particularly excellent in terms of cost, conductivity, thermal conductivity, and the like. preferable.

金属ナノ粒子の製造方法は特に限定されるものではなく、湿式還元法、気相沈殿法など、公知の任意の方法で製造されたものを使用することができる。そして金属ナノ粒子の表面には、導体ペーストを乾燥・焼成するまでの間、導体ペースト内に金属ナノ粒子が安定して分散した状態に存在するために、表面を保護コロイドなどの安定化剤で被覆しておくのが好ましい。金属ナノ粒子を保護する保護コロイドの量は特に限定されるものではないが、金属ナノ粒子に対して0.5〜15質量%の範囲に設定するのが好ましい。保護コロイドの被覆量が金属ナノ粒子に対して0.5質量%未満では、安定化の効果が不十分であって、導体ペーストを保管している間に金属ナノ粒子が凝集するなどして成長(焼結)してしまうおそれがある。逆に保護コロイドの量が15質量%を超えると、導体ペースト中の有機分が増加することになるので、焼成による収縮の発生が大きくなるおそれがある。保護コロイドの量は、金属ナノ粒子に対して0.5〜5質量%の範囲がより好ましい。   The method for producing the metal nanoparticles is not particularly limited, and those produced by any known method such as a wet reduction method or a vapor phase precipitation method can be used. The surface of the metal nanoparticles is stabilized with a stabilizer such as protective colloid because the metal nanoparticles are stably dispersed in the conductor paste until the conductor paste is dried and fired. It is preferable to coat it. The amount of the protective colloid for protecting the metal nanoparticles is not particularly limited, but is preferably set in the range of 0.5 to 15% by mass with respect to the metal nanoparticles. If the coating amount of the protective colloid is less than 0.5% by mass with respect to the metal nanoparticles, the stabilization effect is insufficient, and the metal nanoparticles aggregate while the conductor paste is being stored. There is a risk of sintering. On the contrary, if the amount of the protective colloid exceeds 15% by mass, the organic content in the conductor paste increases, so that shrinkage due to firing may increase. The amount of the protective colloid is more preferably in the range of 0.5 to 5% by mass with respect to the metal nanoparticles.

この保護コロイドとしては、特に限定されるものではないが、カルボキシル基を有する有機化合物と、高分子分散剤とで構成さるものを用いることができる。 As the protective colloid, but are not particularly limited, and may be an organic compound having a carboxyl group, a shall be composed of a polymeric dispersing agent.

代表的な有機化合物には、カルボン酸が含まれる。このようなカルボン酸としては、例えば、モノカルボン酸、ポリカルボン酸、ヒドロキシカルボン酸(又はオキシカルボン酸)などが挙げられる。モノカルボン酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、カプリル酸、カプロン酸、ヘキサン酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、ステアリン酸、シクロヘキサンカルボン酸、デヒドロコール酸、コラン酸などが挙げられる。ポリカルボン酸としては、例えば、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、シクロヘキサンジカルボン酸などが挙げられる。ヒドロキシカルボン酸としては、例えば、グリコール酸、乳酸、オキシ酪酸、グリセリン酸、6−ヒドロキシヘキサン酸、コール酸、デオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、12−オキソケノデオキシコール酸、グリココール酸、リトコール酸、ヒオデオキシコール酸、ウルソデオキシコール酸、アポコール酸、タウロコール酸などが挙げられる。   Representative organic compounds include carboxylic acids. Examples of such carboxylic acid include monocarboxylic acid, polycarboxylic acid, and hydroxycarboxylic acid (or oxycarboxylic acid). Examples of monocarboxylic acids include formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, caprylic acid, caproic acid, hexanoic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, stearic acid, cyclohexanecarboxylic acid, dehydrocholic acid, and colanic acid. Can be mentioned. Examples of the polycarboxylic acid include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, azelaic acid, sebacic acid, and cyclohexanedicarboxylic acid. Examples of the hydroxycarboxylic acid include glycolic acid, lactic acid, oxybutyric acid, glyceric acid, 6-hydroxyhexanoic acid, cholic acid, deoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, 12-oxochenodeoxycholic acid, glycocholic acid, lithocholic acid, and hyodeoxyl. Examples include cholic acid, ursodeoxycholic acid, apocholic acid, taurocholic acid and the like.

代表的な高分子分散剤としては、親水性モノマーで構成された親水性ユニット(又は親水性ブロック)を含む樹脂(又は水溶性樹脂、水分散性樹脂)が含まれる。親水性モノマーとしては、例えば、カルボキシル基又は酸無水物基含有単量体(アクリル酸、メタクリル酸などの(メタ)アクリル系単量体、マレイン酸などの不飽和多価カルボン酸、無水マレイン酸など)、ヒドロキシル基含有単量体(2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートなどのヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、ビニルフェノールなど)などの付加重合系モノマー、アルキレンオキシド(エチレンオキシドなど)などの縮合系モノマーなどが例示できる。前記縮合系モノマーは、ヒドロキシル基などの活性基(例えば、前記ヒドロキシル基含有単量体など)との反応により、親水性ユニットを形成していてもよい。   Typical polymer dispersants include resins (or water-soluble resins and water-dispersible resins) containing hydrophilic units (or hydrophilic blocks) composed of hydrophilic monomers. Examples of hydrophilic monomers include carboxyl group or acid anhydride group-containing monomers ((meth) acrylic monomers such as acrylic acid and methacrylic acid, unsaturated polycarboxylic acids such as maleic acid, and maleic anhydride. Etc.), addition group monomers such as hydroxyl group-containing monomers (hydroxyalkyl (meth) acrylates such as 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, vinylphenol), condensation monomers such as alkylene oxide (ethylene oxide, etc.), etc. Can be illustrated. The condensed monomer may form a hydrophilic unit by a reaction with an active group such as a hydroxyl group (for example, the hydroxyl group-containing monomer).

樹脂としては、スチレン系樹脂(スチレン−(メタ)アクリル酸共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体など)、アクリル系樹脂((メタ)アクリル酸メチル−(メタ)アクリル酸共重合体、ポリ(メタ)アクリル酸などの(メタ)アクリル酸系樹脂など)、水溶性ウレタン樹脂、水溶性アクリルウレタン樹脂、水溶性エポキシ樹脂、水溶性ポリエステル系樹脂などが挙げられる。   Examples of the resin include styrene resin (styrene- (meth) acrylic acid copolymer, styrene-maleic anhydride copolymer, etc.), acrylic resin (methyl (meth) acrylate- (meth) acrylic acid copolymer, (Meth) acrylic acid resins such as poly (meth) acrylic acid), water-soluble urethane resins, water-soluble acrylic urethane resins, water-soluble epoxy resins, water-soluble polyester resins, and the like.

また、高分子分散剤は、合成したものを用いてもよく、市販品を用いてもよい。以下に、市販の高分子分散剤(又は少なくとも両親媒性の分散剤で構成された分散剤)を具体的に例示すると、ソルスパース13240、ソルスパース13940、ソルスパース32550、ソルスパース31845、ソルスパース24000、ソルスパース26000、ソルスパース27000、ソルスパース28000、ソルスパース41090などのソルスパースシリーズ[アビシア(株)製];ディスパービック160、ディスパービック161、ディスパービック162、ディスパービック163、ディスパービック164、ディスパービック166、ディスパービック170、ディスパービック180、ディスパービック182、ディスパービック184、ディスパービック190、ディスパービック191、ディスパービック192、ディスパービック193、ディスパービック194、ディスパービック2001、ディスパービック2050などのディスパービックシリーズ[ビックケミー(株)製];EFKA−46、EFKA−47、EFKA−48、EFKA−49、EFKA−1501、EFKA−1502、EFKA−4540、EFKA−4550、ポリマー100、ポリマー120、ポリマー150、ポリマー400、ポリマー401、ポリマー402、ポリマー403、ポリマー450、ポリマー451、ポリマー452、ポリマー453[EFKAケミカル(株)製];アジスパーPB711、アジスパーPAl11、アジスパーPB811、アジスパーPB821、アジスパーPW911などのアジスパーシリーズ[味の素(株)製];フローレンDOPA−158、フローレンDOPA−22、フローレンDOPA−17、フローレンTG−700、フローレンTG−720W、フローレン−730W、フローレン−740W、フローレン−745Wなどのフローレンシリーズ[共栄社化学(株)製];ジョンクリル678、ジョンクリル679、ジョンクリル62などのジョンクリルシリーズ[ジョンソンポリマー(株)製]などが挙げられる。   The polymer dispersant may be a synthesized one or a commercially available product. Specific examples of commercially available polymer dispersants (or dispersants composed of at least an amphiphilic dispersant) include Solsperse 13240, Solsperse 13940, Solsperse 32550, Solsperse 31845, Solsperse 24000, Solsperse 26000, Solsperse series such as Solsperse 27000, Solsperse 28000, Solsperse 41090, etc. [manufactured by Avicia Co., Ltd.]; Big 180, Dispersic 182, Dispersic 184, Dispersic 190, Dispersic 191, Dispersic 92, Disperbic 193, Disperbic 194, Disperbic 2001, Disperbic 2050, etc. Disperbic series [manufactured by Big Chemie Co., Ltd.]; EFKA-46, EFKA-47, EFKA-48, EFKA-49, EFKA-1501, EFKA-1502, EFKA-4540, EFKA-4550, polymer 100, polymer 120, polymer 150, polymer 400, polymer 401, polymer 402, polymer 403, polymer 450, polymer 451, polymer 452, polymer 453 [EFKA Chemical Co., Ltd.] Manufactured by Ajisper PB711, Azisper PAl11, Azisper PB811, Azisper PB821, Azisper PW911, etc. [Ajinomoto Co., Ltd.]; Lorne series such as Len DOPA-158, Floren DOPA-22, Floren DOPA-17, Floren TG-700, Floren TG-720W, Floren-730W, Floren-740W, Floren-745W [manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.]; John Examples include John Crill series such as Kuril 678, John Crill 679, and John Crill 62 [manufactured by Johnson Polymer Co., Ltd.].

本発明において金属ナノ粒子は中心粒径150nm以下のものが使用されるが、粒径が小さいほど保存安定性が低下し、金属ナノ粒子の安定化に必要となる保護コロイドの量が多くなる。保護コロイドの量が多くなると導体ペースト中の有機分が増大し、焼成による収縮の発生が大きくなる恐れがある。従って、金属ナノ粒子は中心粒径が10nm以上であることが好ましい。また金属ナノ粒子は中心粒径が150nmを超えると、前記ナノ粒子から由来する高充填性、低収縮性、高導電性、高熱伝導性といった特性が低下する恐れがある。金属ナノ粒子の中心粒径は100nm以下であることがより好ましく、50nm以下であればさらに好ましい。   In the present invention, metal nanoparticles having a central particle size of 150 nm or less are used, but the smaller the particle size, the lower the storage stability and the greater the amount of protective colloid required for stabilizing the metal nanoparticles. When the amount of the protective colloid is increased, the organic content in the conductor paste is increased, and shrinkage due to firing may be increased. Therefore, the metal nanoparticles preferably have a center particle size of 10 nm or more. Further, when the metal nanoparticle has a central particle diameter exceeding 150 nm, the properties such as high filling property, low shrinkage, high conductivity, and high thermal conductivity derived from the nanoparticle may be deteriorated. The central particle size of the metal nanoparticles is more preferably 100 nm or less, and even more preferably 50 nm or less.

また、上記のように金属ナノ粒子の中心粒径が好ましい10〜50nmの範囲にあるように、各種の合成条件で得られた金属ナノ粒子の粒径分布を分析した結果、金属ナノ粒子の粒径分布は、1〜200nmの範囲内にあることが好ましい。実質的に1〜200nmの範囲内にあればよく、性能に影響しない程度に微量に1nm未満のものや、200nmを超えるものを含んでいても良い。   Moreover, as a result of analyzing the particle size distribution of the metal nanoparticles obtained under various synthesis conditions so that the center particle size of the metal nanoparticles is in a preferable range of 10 to 50 nm as described above, The diameter distribution is preferably in the range of 1 to 200 nm. It suffices if it is substantially within the range of 1 to 200 nm, and it may contain a minute amount of less than 1 nm or more than 200 nm so as not to affect the performance.

本発明において導電性金属粒子は上記のように、中心粒径0.25μm以上の金属粉と、中心粒径150nm以下の金属ナノ粒子とからなるが、導電性金属粒子中、中心粒径0.25μm以上の金属粉の含有率が50〜90質量%、中心粒径150nm以下の金属ナノ粒子の含有率が10〜50質量%になるように、配合割合を設定するのが好ましい(両者の合計100質量%)。中心粒径0.25μm以上の金属粉と、中心粒径150nm以下の金属ナノ粒子の配合割合がこの範囲を外れると、導体ペーストを焼成する際の焼成収縮が大きくなる傾向がある。   In the present invention, the conductive metal particles are composed of metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more and metal nanoparticles having a center particle size of 150 nm or less, as described above. It is preferable to set the blending ratio so that the content of metal powder of 25 μm or more is 50 to 90% by mass and the content of metal nanoparticles having a central particle size of 150 nm or less is 10 to 50% by mass (the sum of both). 100% by mass). If the blending ratio of the metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more and the metal nanoparticles having a center particle size of 150 nm or less is out of this range, firing shrinkage when firing the conductor paste tends to increase.

そして本発明において、導電性金属粒子と、ガラス及び無機酸化物のうち少なくとも一方と、有機ビヒクルの配合割合は特に限定されるものではないが、導電性金属粒子の含有率が93〜97質量%、ガラスや無機酸化物の含有率が0.05〜5質量%、有機ビヒクルの含有率が2〜6.9質量%となるように設定するのが好ましい。導電性金属粒子の含有率が93質量%未満であると、導体ペーストの乾燥や焼成の際の体積収縮が大きくなる傾向がある。逆に導電性金属粒子の含有率が97質量%を超えると、導体ペーストの粘度が高くなり過ぎて、基板の穴への充填などの作業性が低下することになる。   In the present invention, the blending ratio of the conductive metal particles, at least one of glass and inorganic oxide, and the organic vehicle is not particularly limited, but the content of the conductive metal particles is 93 to 97% by mass. It is preferable that the glass and inorganic oxide content is 0.05 to 5% by mass and the organic vehicle content is 2 to 6.9% by mass. When the content of the conductive metal particles is less than 93% by mass, the volume shrinkage during drying and firing of the conductor paste tends to increase. On the other hand, when the content of the conductive metal particles exceeds 97% by mass, the viscosity of the conductor paste becomes too high, and workability such as filling the holes in the substrate is lowered.

上記のように本発明の導体ペーストにおいて、ガラス及び無機酸化物のうち少なくとも一方を配合することが必要である。このガラスや無機酸化物は、焼成した導体と基板との間の接合力を高める役割があるだけでなく、焼成した導体を微量に発泡させ、焼成収縮を低減させる作用をする。ガラスや無機酸化物の種類は特に限定されるものではなく、金属ナノ粒子と組み合わせて発泡性を有するものであればよい。   As described above, in the conductor paste of the present invention, it is necessary to blend at least one of glass and inorganic oxide. This glass or inorganic oxide not only has a role of increasing the bonding force between the fired conductor and the substrate, but also acts to foam the fired conductor in a small amount to reduce firing shrinkage. The kind of glass or inorganic oxide is not particularly limited as long as it has foamability in combination with metal nanoparticles.

ガラスとしては、酸化ビスマスを含有するビスマス系ガラス、酸化亜鉛を含有する亜鉛系ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、酸化鉛を含有する鉛系ガラスなどを挙げることができる。これらのなかでも、金属成分との濡れ性、焼成導体の半田濡れ性、微細孔形成の有効性と安定性などから、ビスマス系ガラスフリットを使用するのが好ましい。より好ましいのは軟化点550℃以下のビスマス系ガラスであり、さらに一層好ましいのは酸化物換算で酸化ビスマス含有率が70質量%以上のビスマス系ガラスである。   Examples of the glass include bismuth glass containing bismuth oxide, zinc glass containing zinc oxide, zinc borosilicate glass, and lead glass containing lead oxide. Among these, it is preferable to use a bismuth glass frit from the viewpoint of wettability with a metal component, solder wettability of a fired conductor, effectiveness and stability of micropore formation, and the like. More preferred is a bismuth glass having a softening point of 550 ° C. or lower, and even more preferred is a bismuth glass having a bismuth oxide content of 70% by mass or more in terms of oxide.

ここで、ガラスは、導体ペーストの焼成中に適切な温度で溶融し、焼成の過程において金属成分との作用により焼成した導体に微細な細孔を形成させ、金属の焼結収縮を補償して焼成による収縮を低減する役割をなすものであるが、軟化点が上記のように550℃以下のガラスを使用することによって、銀を主成分とする金属粒子の焼結温度と合致し、金属の焼結促進と細孔の形成に寄与することができるものである。またビスマス成分は銀との相溶性がよく、フラックスとして焼結中の銀粉に拡散し、焼結をより一層促進する効果があると共に、焼結された銀の金属相中に取り込まれた酸化ビスマスが焼成中に還元することで微量の酸素を発生し、細孔形成及び収縮の低減に一層寄与することができるものである。ビスマス系ガラスの軟化点の下限は特に設定されるものでないが、実用上、300℃程度がビスマス系ガラスの軟化点の下限である。   Here, the glass melts at an appropriate temperature during the firing of the conductor paste, forms fine pores in the fired conductor by the action of the metal component in the firing process, and compensates for the sintering shrinkage of the metal. Although it plays a role of reducing shrinkage due to firing, by using a glass having a softening point of 550 ° C. or lower as described above, it matches the sintering temperature of metal particles mainly composed of silver, It can contribute to the promotion of sintering and the formation of pores. In addition, the bismuth component has good compatibility with silver, diffuses as a flux into the silver powder being sintered, has the effect of further promoting the sintering, and bismuth oxide incorporated into the sintered silver metal phase. Is reduced during firing to generate a small amount of oxygen, which can further contribute to pore formation and shrinkage reduction. The lower limit of the softening point of the bismuth glass is not particularly set, but about 300 ° C. is practically the lower limit of the softening point of the bismuth glass.

また酸化ビスマス含有率が70質量%以上と、酸化ビスマスの含有量が多いことによって、上記の収縮制御効果を一層顕著に得ることができるものである。ビスマス系ガラスにおいて、酸化ビスマス含有率の上限は特に設定されるものでないが、実用上、90質量%程度が酸化ビスマス含有率の上限である。   Moreover, when the content of bismuth oxide is 70% by mass or more and the content of bismuth oxide is large, the above-described shrinkage control effect can be obtained more remarkably. In the bismuth-based glass, the upper limit of the bismuth oxide content is not particularly set, but about 90% by mass is practically the upper limit of the bismuth oxide content.

また無機酸化物としては、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化鉛などを例示することができる。   Examples of the inorganic oxide include bismuth oxide, zinc oxide, lead oxide and the like.

上記のガラスや無機酸化物は、1種のみを使用するようにしてもよいが、2種以上を併用してもよい。特に、上記のような細孔形成のためのものと、焼結性向上、密着性向上など他の目的に有効なガラスや無機酸化物を併用するようにしてもよい。   As for said glass and inorganic oxide, you may make it use only 1 type, but may use 2 or more types together. In particular, glass and inorganic oxides that are effective for other purposes such as improvement of sinterability and adhesion may be used in combination with the above-mentioned pore formation.

ガラスや無機酸化物は、少量の配合でも十分な効果が得られるようにするために、粒径が20μm以下であることが好ましい。10μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることが更に好ましく、3μm以下でありことが最も好ましい。ガラスや無機酸化物の粒子の粒径の下限は特に制限されない。尚、本発明において粒径は中心粒径をいうものである。 The glass or inorganic oxide preferably has a particle size of 20 μm or less so that a sufficient effect can be obtained even with a small amount. It is more preferably 10 μm or less, further preferably 5 μm or less, and most preferably 3 μm or less. The lower limit of the particle size of the glass or inorganic oxide particles is not particularly limited. In the present invention, the particle size means the center particle size.

ガラスや無機酸化物の配合量は、特に限定するものではないが、高い導電性、熱伝導性を得るために、上記のように、導体ペースト中、ガラス及び無機酸化物の総量が0.02〜5質量%の範囲内になるように設定するのが好ましいものであり、0.05〜2質量%の範囲がさらに好ましく、0.1〜1質量%の範囲が最も好ましい。配合量が0.02質量%未満であると、焼成した導体の細孔の形成が不十分になり、焼成による収縮が大きくなる傾向がある。逆に配合量が5質量%を超えると、ガラス自身の発泡によってボイドが生成され、焼成後の導体に必要以上の膨張が生じて体積変化率が大きくなり、また電気抵抗や熱抵抗が増大するなどの問題が生じるおそれがある。 The blending amount of glass or inorganic oxide is not particularly limited, but in order to obtain high conductivity and thermal conductivity, the total amount of glass and inorganic oxide is 0.02 in the conductor paste as described above. It is preferable to set it within the range of ˜5 mass%, more preferably within the range of 0.05 to 2 mass%, and most preferably within the range of 0.1 to 1 mass%. When the blending amount is less than 0.02% by mass, formation of pores of the fired conductor becomes insufficient, and shrinkage due to firing tends to increase. On the other hand, if the blending amount exceeds 5% by mass, voids are generated due to the foaming of the glass itself, the conductor after firing expands more than necessary, the volume change rate increases, and the electrical resistance and thermal resistance increase. May cause problems.

本発明の導体ペーストにおいて、副成分として上記のように、導電性金属粒子等を分散させておく有機媒質として作用する有機ビヒクルが必要である。この有機ビヒクルとしては、導電性金属粉末を良好に分散させ得るものであればよく、従来から導体ペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、ミネラルスピリット等の石油系炭化水素(特に脂肪族炭化水素)、エチレングリコール、ジエチレングリコール、及びトリエチレングリコール又はそれらの誘導体、ターピネオール等の高沸点有機溶媒などを挙げることができ、これらを1種類又は複数種組み合わせて使用することができる。また、これらの有機溶媒にポリブチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル類、ニトロセルロース、エチルセルロース、酢酸セルロース、ブチルセルロース等のセルロース類、ポリオキシメチレン等のポリエーテル類、ポリブタジエン、ポリイソプレン等のポリビニル類、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の高分子を溶解したものを使用することもできる。有機ビヒクルの含有量は特に限定されるものではないが、上記のように導体ペースト全体中、2〜6.9質量%の範囲であることが好ましい。   In the conductor paste of the present invention, as described above, an organic vehicle that acts as an organic medium in which conductive metal particles and the like are dispersed is required as a subcomponent. Any organic vehicle may be used as long as it can disperse the conductive metal powder satisfactorily, and those conventionally used for conductive pastes can be used without any particular limitation. Examples thereof include petroleum hydrocarbons such as mineral spirits (particularly aliphatic hydrocarbons), ethylene glycol, diethylene glycol, and triethylene glycol or their derivatives, high-boiling organic solvents such as terpineol, and the like. Alternatively, a plurality of types can be used in combination. Also, these organic solvents include acrylics such as polybutyl methacrylate and polymethyl methacrylate, celluloses such as nitrocellulose, ethyl cellulose, cellulose acetate and butyl cellulose, polyethers such as polyoxymethylene, polyvinyls such as polybutadiene and polyisoprene. It is also possible to use a polymer in which a polymer such as a phenol resin or an epoxy resin is dissolved. Although content of an organic vehicle is not specifically limited, It is preferable that it is the range of 2-6.9 mass% in the whole conductor paste as mentioned above.

上記の銀を主成分とする導電性金属粒子、ガラスや無機酸化物粉末、有機ビヒクル、さらに必要に応じて表面活性剤、酸化防止剤などを配合し、これらを混合することによって、本発明の穴埋め用導体ペーストを調製することができるものである。   The conductive metal particles mainly composed of the above silver, glass or inorganic oxide powder, organic vehicle, and, if necessary, a surface active agent, an antioxidant, etc. are blended, and these are mixed to obtain the present invention. A conductor paste for filling holes can be prepared.

このように調製される本発明の導体ペーストは、耐熱基板に設けた貫通又は非貫通の穴に完全に充填して使用される。このように耐熱基板の穴に導体ペーストを充填した後、まず加熱して導体ペースト中の溶剤を除去し、乾燥する。溶剤を除去するための加熱は200℃未満の温度、例えば150℃程度の温度で行なうことができる。   The conductor paste of the present invention prepared in this way is used by completely filling the through or non-through holes provided in the heat-resistant substrate. Thus, after filling the hole of a heat-resistant board | substrate with a conductor paste, it heats first and removes the solvent in a conductor paste, It dries. The heating for removing the solvent can be performed at a temperature of less than 200 ° C., for example, a temperature of about 150 ° C.

溶剤除去による導体ペーストの収縮(乾燥収縮)が大きい場合、乾燥後に再び導体ペーストを充填するようにしてもよい。本発明の導体ペーストは焼成による体積変化は非常に小さいが、乾燥収縮は導体ペースト中の溶剤量によっては大きい場合がある。その場合は乾燥後に繰り返して充填を行なうことによって、所望の充填量で穴を導体ペーストによって完全に充填することができる
次に、空気中などの酸化性雰囲気で焼成して、穴に充填した導体ペースト中の有機物を焼失させると共に、金属成分を焼結させることによって、高導電性、高熱伝導性の導体材料へと変換させ、このように形成される導体で耐熱性基板の穴を充填することができるものである。基板の貫通又は非貫通の穴に導体を完全充填することによって、基板の表裏や層間の配線の電気的な導通を実現することができ、またこの穴に充填した導体による熱伝導で放熱を実現することができるものである。
When the shrinkage (dry shrinkage) of the conductor paste due to the solvent removal is large, the conductor paste may be filled again after drying. The conductor paste of the present invention has a very small volume change due to firing, but the drying shrinkage may be large depending on the amount of solvent in the conductor paste. In that case, the hole can be completely filled with the conductor paste in a desired filling amount by repeatedly filling after drying .
Next, it is fired in an oxidizing atmosphere such as in the air to burn off the organic matter in the conductor paste filled in the holes and to sinter the metal component, thereby obtaining a highly conductive and highly thermally conductive conductor material. The holes of the heat-resistant substrate can be filled with the conductor thus formed. By completely filling conductors in the through or non-through holes of the board, it is possible to achieve electrical continuity between the front and back of the board and the wiring between layers, and heat conduction by the conductor filled in this hole realizes heat dissipation Is something that can be done.

焼成温度は特に制限されるものではないが、400〜950℃の範囲が好ましく、500〜800℃の範囲がより好ましい。焼成温度が400℃未満では焼成して得られる導体中の細孔の形成が不十分であり、焼成後の収縮率が大きくなる傾向がある。逆に焼成温度が950℃を超えると、銀を主成分とした導電性金属粒子に過焼結が起こり、焼成による体積変化率のバラツキが大きくなる傾向がある。尚、焼成の時間は特に限定されるものではないが、上記温度下で10〜60分程度保持することが一般的に好ましい。   The firing temperature is not particularly limited, but is preferably in the range of 400 to 950 ° C, more preferably in the range of 500 to 800 ° C. When the firing temperature is less than 400 ° C., the formation of pores in the conductor obtained by firing is insufficient, and the shrinkage rate after firing tends to increase. Conversely, when the firing temperature exceeds 950 ° C., oversintering occurs in the conductive metal particles containing silver as a main component, and the variation in the volume change rate due to firing tends to increase. Although the firing time is not particularly limited, it is generally preferable to hold it at the above temperature for about 10 to 60 minutes.

本発明で使用される耐熱基板としては、導体ペーストを基板に設けた穴に充填した後に焼成する高温に耐えるものであればよく、特に限定されるものではない。例えば、セラミックス基板、ガラス基板、シリコン基板、ホーロー基板などを挙げることができる。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ベリリア、ムライト、ホルステライト、コーディライト、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の酸化物系セラミックス、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素等の非酸化物系セラミックス等を挙げることができる。   The heat-resistant substrate used in the present invention is not particularly limited as long as it can withstand the high temperature of baking after the conductor paste is filled in the holes provided in the substrate. For example, a ceramic substrate, a glass substrate, a silicon substrate, a hollow substrate, and the like can be given. Ceramics include alumina, zirconia, beryllia, mullite, holsterite, cordierite, oxide ceramics such as lead titanate, barium titanate, lead zirconate titanate, and non-oxidized silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, etc. Examples thereof include physical ceramics.

また、耐熱基板に設けた貫通又は非貫通の穴への導体ペーストの充填は、任意の方法で行なうことができるものであり、例えばスクリーン印刷、ディスペンサー充填、プレス注入などによって行なうことができる。   Further, the filling of the through-hole or non-through-hole provided in the heat-resistant substrate can be performed by any method, for example, screen printing, dispenser filling, press injection, or the like.

上記のように、耐熱基板の貫通又は非貫通の穴に導体ペーストを充填し、これを乾燥した後に焼成することによって、焼成により形成される導体が穴に充填された、導体穴埋め基板を製造することができるものである。そしてこのように穴に充填された導体は、導体ペーストの乾燥状態の体積に対して、焼成した後の体積の変化率が−5%〜+10%の範囲であることが好ましい。体積変化率がこのように小さい範囲内であることによって、耐熱基板の穴に充填された導体の表面の凹みやフクレが小さくなり、また穴の内壁と導体との間の隙間の発生などの不具合をなくすことができるものであり、導通信頼性等の信頼性を高く得ることができるものである。   As described above, a conductive paste-filled substrate in which a conductor formed by firing is filled in a hole is manufactured by filling a conductive paste in a through-hole or non-through-hole in a heat-resistant substrate, drying the paste, and firing it. It is something that can be done. And it is preferable that the rate of change of the volume after baking the conductor with which the hole was filled in this way is the range of -5%-+ 10% with respect to the dry volume of a conductor paste. When the volume change rate is within such a small range, dents and blisters on the surface of the conductor filled in the hole of the heat-resistant substrate are reduced, and defects such as a gap between the inner wall of the hole and the conductor are generated. Therefore, it is possible to obtain high reliability such as conduction reliability.

また耐熱基板の穴に充填された導体は、600℃、10分の条件で焼成した後の導体の電気抵抗率が10μΩ・cm以下であることが好ましく、6μΩ・cm以下であることがより好ましく、4μΩ・cm以下であることがさらに好ましい。このように電気抵抗率が小さいことによって、高導電性で信頼性の高い導体を形成することができるものである。電気抵抗率は低いほど望ましく、下限は設定されない。   The conductor filled in the hole of the heat-resistant substrate preferably has an electrical resistivity of 10 μΩ · cm or less, more preferably 6 μΩ · cm or less after firing at 600 ° C. for 10 minutes. More preferably, it is 4 μΩ · cm or less. Thus, a low electrical resistivity makes it possible to form a highly conductive and highly reliable conductor. The lower the electrical resistivity, the better, and no lower limit is set.

また耐熱基板の穴に充填された導体は、600℃、10分の条件で焼成した後の導体の熱伝導率が150W/m・K以上であることが好ましく、200W/m・K以上であることがより好ましい。このように熱伝導率が高いことによって、放熱性の高い導体を形成することができ、放熱性が要求される用途に使用することができるものである。熱伝導率は高いほど好ましく、上限は設定されない。   The conductor filled in the hole of the heat-resistant substrate preferably has a thermal conductivity of 150 W / m · K or more after firing at 600 ° C. for 10 minutes, and more than 200 W / m · K. It is more preferable. Thus, by high heat conductivity, a conductor with high heat dissipation can be formed, and it can be used for the use for which heat dissipation is requested | required. The higher the thermal conductivity, the better, and no upper limit is set.

上記のようにして作製した導体穴埋め基板を用い、耐熱基板に電子回路等の回路を形成することによって、回路基板を得ることができるものである。またこの回路基板の耐熱基板に電子素子を実装することによって、電子部品を得ることができるものである。さらにこの回路基板の耐熱基板に半導体素子を実装して封止することによって、半導体パッケージを得ることができるものである。   A circuit board can be obtained by forming a circuit such as an electronic circuit on a heat-resistant board using the conductor hole-filled board produced as described above. An electronic component can be obtained by mounting an electronic element on the heat-resistant substrate of the circuit board. Furthermore, a semiconductor package can be obtained by mounting and sealing a semiconductor element on the heat-resistant substrate of this circuit board.

次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。   Next, the present invention will be specifically described with reference to examples.

(中心粒径が30nmの銀ナノ粒子の合成)
硝酸銀66.8g、酢酸(和光純薬工業(株)製)10g、高分子分散剤(ビッグケミー社製「ディスパービック190」、親水性ユニットであるポリエチレンオキサイド鎖と疎水性ユニットであるアルキル基とを有する両親媒性分散剤、溶媒:水、不揮発成分40質量%、酸価10mgKOH/g、アミン価0)2gを、イオン交換水1000gに投入し、激しく撹拌した。これに2−ジメチルアミノエタノール(和光純薬工業(株)製)100gを加えた後、70℃で2時間加熱撹拌した。この反応物を高速遠心分離器(Kokusan製「H−200 SERIES」)を用い、7000rpmで1時間遠心分離し、保護コロイドにより保護された銀ナノ粒子が凝集した沈殿物を回収した。透過型電子顕微鏡(TEM)による測定によれば、得られた銀ナノ粒子の中心粒径は30nmであった。
(Synthesis of silver nanoparticles with a central particle size of 30 nm)
66.8 g of silver nitrate, 10 g of acetic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), a polymer dispersant (“Dispervic 190” manufactured by Big Chemie), a polyethylene oxide chain which is a hydrophilic unit, and an alkyl group which is a hydrophobic unit 2 g of amphiphilic dispersant, solvent: water, 40% by mass of a non-volatile component, an acid value of 10 mg KOH / g, and an amine value of 0) were added to 1000 g of ion-exchanged water and vigorously stirred. To this was added 100 g of 2-dimethylaminoethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and the mixture was heated and stirred at 70 ° C. for 2 hours. This reaction product was centrifuged at 7000 rpm for 1 hour using a high-speed centrifuge (“Kusan“ H-200 SERIES ”), and a precipitate in which silver nanoparticles protected by the protective colloid were aggregated was collected. According to the measurement with a transmission electron microscope (TEM), the central particle diameter of the obtained silver nanoparticles was 30 nm.

また保護コロイドの含有量を、熱重量測定装置(TG/DTA、セイコーインスツルメンツ(株)製「EXSTAR6000」)で測定したところ、銀100質量部に対して3質量部の含有率であった。尚、TG/DTAによる測定は、1分間に10℃の速さで30℃から550℃まで試料を昇温させる条件で行ない、このときの質量減少から保護コロイドの含有量を算出した。   Further, when the content of the protective colloid was measured with a thermogravimetric measuring device (TG / DTA, “EXSTAR6000” manufactured by Seiko Instruments Inc.), the content was 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of silver. The measurement by TG / DTA was performed under the condition that the sample was heated from 30 ° C. to 550 ° C. at a rate of 10 ° C. per minute, and the content of the protective colloid was calculated from the mass decrease at this time.

(中心粒径が4nmの銀ナノ粒子の合成)
硝酸銀2.5g、n−オクチルアミン4.9g、リノール酸4.9gをトリメチルペンタン1.0Lに加え、攪拌混合して溶解した。この混合溶液に、0.03モル/Lの水素化ホウ素ナトリウムを含むプロパノール溶液1.0Lを、1時間かけて滴下することによって、銀を還元した。さらに、これを3時間攪拌して黒色の液体を得た。得られた黒色の液体をエバポレータによって濃縮した後、これにメタノール2.0Lを加えて褐色の沈殿物を生成させた後、吸引ろ過により沈殿物を回収した。生成した沈殿物をトリメチルペンタンに再分散させ、さらにろ過した後、乾燥することによって、保護コロイドにより保護された銀ナノ粒子を黒色の固体として得た。透過型電子顕微鏡(TEM)によれば、得られた銀ナノ粒子の中心粒径は4nmであった。
(Synthesis of silver nanoparticles with a central particle size of 4 nm)
2.5 g of silver nitrate, 4.9 g of n-octylamine and 4.9 g of linoleic acid were added to 1.0 L of trimethylpentane, and the mixture was stirred and dissolved. To this mixed solution, 1.0 L of a propanol solution containing 0.03 mol / L sodium borohydride was dropped over 1 hour to reduce silver. Further, this was stirred for 3 hours to obtain a black liquid. After the obtained black liquid was concentrated by an evaporator, 2.0 L of methanol was added thereto to produce a brown precipitate, and then the precipitate was collected by suction filtration. The resulting precipitate was redispersed in trimethylpentane, further filtered, and dried to obtain silver nanoparticles protected by the protective colloid as a black solid. According to a transmission electron microscope (TEM), the central particle diameter of the obtained silver nanoparticles was 4 nm.

また保護コロイドの含有量を、上記と同様に熱重量測定装置で測定したところ、銀100質量部に対して25質量部の含有率であった。   Moreover, when content of the protective colloid was measured with the thermogravimetry apparatus similarly to the above, it was a content rate of 25 mass parts with respect to 100 mass parts of silver.

(穴埋め用導体ペーストの調製)
導電性金属粒子として上記の銀ナノ粒子、銀粉、パラジウム粉を用い、ガラスとして低融点ガラス(ビスマス系ガラス(Bi−ZnO−B)、ビスマス含有量は酸化ビスマス換算で81質量%、軟化点460℃)を用い、有機ビヒクルの溶媒としてペンタンジオールを用い、これらを表1に示す配合量でミキサーにより混合した後、三本ロールで均一に混練することによって、実施例1〜10及び比較例1〜7の穴埋め用導体ペーストを得た。
(Preparation of conductor paste for hole filling)
The above silver nanoparticles, silver powder, and palladium powder are used as the conductive metal particles, the glass has a low melting point (bismuth glass (Bi 2 O 3 —ZnO—B 2 O 3 )), and the bismuth content is 81 in terms of bismuth oxide. Example 1 by using a pentanediol as a solvent of an organic vehicle, mixing them with a mixer in a blending amount shown in Table 1, and then kneading them uniformly with a three roll. To 10 and Comparative Examples 1 to 7 were obtained.

上記の穴埋め用導体ペーストについて、穴への充填性を評価した。すなわち、直径0.15mmの貫通穴を多数形成した厚み0.635mmのアルミナ基板に、導体ペーストを、スキージ角30度、スキージ速度15mm/秒、印圧0.25MPaの条件で穴充填印刷した。そして、3回以内の印刷で穴を完全に充填することができた場合を「○」、4回〜10回の印刷で完全に充填することができた場合を「△」、10回以上の印刷が必要な場合を「×」と判定した。   About the said conductor paste for hole filling, the filling property to a hole was evaluated. That is, the conductor paste was filled and printed on an alumina substrate having a thickness of 0.635 mm on which many through holes having a diameter of 0.15 mm were formed under the conditions of a squeegee angle of 30 degrees, a squeegee speed of 15 mm / second, and a printing pressure of 0.25 MPa. And, when the hole can be completely filled by printing within 3 times, “◯”, when it can be completely filled by printing 4 times to 10 times, “△”, 10 times or more The case where printing was necessary was determined as “×”.

次に、上記のように穴に導体ペーストを充填した基板を、150℃、20分間の条件で送風乾燥機により乾燥した後、基板表面より突き出していたり、基板表面に残っていたりした導体ペーストをバフ研磨により完全に取り除いた。次にこの基板を連続焼成炉に入れ、空気雰囲気下、ピーク温度600℃で10分間保持して焼成した。焼成炉の投入口から出口までの基板の滞留時間は60分であった。このように焼成した後の基板について、充填導体の焼成強度を評価した。すなわち、導体が充填された穴を実態顕微鏡により観察し、導体の脱落の有無を確認した後、基板を超音波装置に入れ、20分間処理した後、もう一度実態顕微鏡により導体の脱落の有無を確認した。導体の脱落や5μm以上大きさの欠けがない場合を「○」、5μm以上10μm未満の欠けがある場合を「△」、脱落あるいは10μm以上の欠けがある場合を「×」と判定した。   Next, after the substrate filled with the conductive paste in the hole as described above is dried by a blow dryer at 150 ° C. for 20 minutes, the conductive paste protruding from the substrate surface or remaining on the substrate surface is removed. It was completely removed by buffing. Next, this substrate was placed in a continuous firing furnace, and was fired in an air atmosphere at a peak temperature of 600 ° C. for 10 minutes. The residence time of the substrate from the firing furnace inlet to the outlet was 60 minutes. The firing strength of the filled conductor was evaluated for the substrate after firing in this manner. In other words, after observing the hole filled with the conductor with the actual microscope and confirming the presence or absence of the conductor, the substrate was put into an ultrasonic device, treated for 20 minutes, and then again confirmed with the actual microscope for the presence or absence of the conductor. did. The case where there was no dropout of the conductor or chipping of 5 μm or more was judged as “◯”, the case of chipping of 5 μm or more and less than 10 μm was judged as “Δ”, and the case of dropping or chipping of 10 μm or more was judged as “X”.

また、穴埋め用導体ペーストについて、焼成体積変化率、焼成導体電気抵抗率、焼成導体熱伝導率を測定した。これらの測定は、穴に導体ペーストを充填した状態で行なうのは困難であるので、アルミナ基板の表面に下記の条件で導体ペーストを印刷して、焼成することによって評価した。   Moreover, about the conductor paste for hole filling, the baking volume change rate, the baking conductor electrical resistivity, and the baking conductor thermal conductivity were measured. Since it is difficult to perform these measurements in a state where the hole is filled with the conductive paste, the conductive paste was printed on the surface of the alumina substrate under the following conditions and evaluated.

まず、96%アルミナ基板の表面に250メッシュのスクリーンを用いて、導体ペーストを5×5mm、10×10mmのパターン形状に印刷し、150℃で10分間加熱して導体ペースト中の有機溶剤を除去する乾燥を行なった。次に、これを連続焼成炉に入れ、空気中で、ピーク温度600℃の温度下で10分間保持することによって焼成した。焼成炉の投入口から出口までの基板の滞留時間は60分であった。   First, using a 250 mesh screen on the surface of a 96% alumina substrate, the conductor paste is printed in a 5 × 5 mm, 10 × 10 mm pattern shape, and heated at 150 ° C. for 10 minutes to remove the organic solvent in the conductor paste. Drying was performed. Next, this was placed in a continuous firing furnace and fired in air at a peak temperature of 600 ° C. for 10 minutes. The residence time of the substrate from the firing furnace inlet to the outlet was 60 minutes.

そして、焼成体積変化率は、5×5mmのパターンを用いて、焼成前のパターンの厚みと、焼成後のパターンの厚みをそれぞれ触針式膜厚計(ビーコ社製「Dektak6m」)で測定し、次の式で焼成前後の膜厚値を比較することによって求めた。   The firing volume change rate was measured with a stylus type film thickness meter ("Dektak 6m" manufactured by Beaco) using a 5 x 5 mm pattern and measuring the thickness of the pattern before firing and the thickness of the pattern after firing. The film thickness was obtained by comparing the film thickness values before and after firing with the following formula.

体積変化率(%)=[(焼成後膜厚−焼成前膜厚)/焼成前膜厚]×100
また焼成導体電気抵抗率は、10×10mmのパターンについて、四端子抵抗率計(東洋テクニカ社製「2002 MULTIMETER」)を用いて抵抗値を測定し、体積抵抗率として求めた。
Volume change rate (%) = [(film thickness after firing−film thickness before firing) / film thickness before firing] × 100
The fired conductor electrical resistivity was obtained as a volume resistivity by measuring a resistance value of a 10 × 10 mm pattern using a four-terminal resistivity meter (“2002 MULTITIMER” manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.).

また焼成導体熱伝導率の評価は次のようにして行なった。まず、96%アルミナ基板の表面に250メッシュのスクリーンを用いて、導体ペーストを10mm四角のパターン形状に印刷し、150℃で10分間加熱して有機溶剤を除去する乾燥をした後、この印刷と乾燥を繰り返して重ね印刷することによって、厚み1mmの導体膜を作製し、後は上記と同じ条件で焼成した。このようにして得られた導体膜を基板から剥がし、レーザフラッシュ法により熱伝導率を測定した。そして200W/m・K以上のものを「○」、150W/m・K以上、200W/m・K未満のものを「△」、150W/m・k未満のものを「×」と判定した。   The evaluation of the thermal conductivity of the fired conductor was performed as follows. First, using a 250 mesh screen on the surface of a 96% alumina substrate, the conductor paste was printed in a 10 mm square pattern, dried at 150 ° C. for 10 minutes to remove the organic solvent, A conductor film having a thickness of 1 mm was prepared by repeatedly drying and overprinting, and thereafter fired under the same conditions as described above. The conductor film thus obtained was peeled from the substrate, and the thermal conductivity was measured by a laser flash method. Then, 200 W / m · K or more was judged as “◯”, 150 W / m · K or more, less than 200 W / m · K as “Δ”, and less than 150 W / m · k as “x”.

上記の各測定結果や評価結果を表1に示す。尚、本発明は、判定「△」以上のものを目標とするものである。   Table 1 shows the above measurement results and evaluation results. Note that the present invention targets at a value of determination “Δ” or higher.

Figure 0005767435
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表1にみられるように、本発明の要件を満たす実施例1〜実施例10の穴埋め用導体ペーストはいずれも、良好な充填性を有するものであり、また高い導体強度、小さい体積変化率、小さい電気抵抗率、及び高い熱伝導性を有する導体を形成することができるものであった。   As seen in Table 1, all of the conductor pastes for filling holes of Examples 1 to 10 satisfying the requirements of the present invention have good filling properties, and have high conductor strength, small volume change rate, It was possible to form a conductor having a low electrical resistivity and high thermal conductivity.

一方、比較例1は、低融点ガラスを配合しなかった以外は実施例1と同じであるが、焼成体積変化率が−9.6%と、大きく収縮するものであり、焼成後の充填導体が容易に穴から脱落するものであった。   On the other hand, Comparative Example 1 is the same as Example 1 except that the low-melting glass was not blended, but the firing volume change rate was -9.6%, and the filled conductor was fired. Was easily dropped from the hole.

比較例2は、金属ナノ粒子を配合しないものであり、焼成体積変化率が−18.3%と、大きく収縮するものであり、焼成後の充填導体は容易に穴から脱落するものであった。また、充填性も金属ナノ粒子を配合した各実施例のものより劣っていた。   In Comparative Example 2, the metal nanoparticles were not blended, the firing volume change rate was -18.3%, and the shrinkage was greatly contracted, and the filled conductor after firing easily dropped out of the hole. . Moreover, the filling property was also inferior to the thing of each Example which mix | blended the metal nanoparticle.

比較例3は、金属ナノ粒子の代わりに、中心粒径0.25μmの小粒径の銀粒子を使用したものであるが、金属ナノ粒子のような膨張効果がなく、焼成体積変化率が−22.1%と、大きく収縮し、焼成後の充填導体は容易に穴から脱落するものであった。また、充填性も金属ナノ粒子を配合した各実施例のものより劣っていた。   In Comparative Example 3, silver particles having a small particle diameter with a central particle diameter of 0.25 μm are used instead of metal nanoparticles, but there is no expansion effect like metal nanoparticles, and the firing volume change rate is − It contracted greatly to 22.1%, and the filled conductor after firing easily dropped out of the hole. Moreover, the filling property was also inferior to the thing of each Example which mix | blended the metal nanoparticle.

比較例4は、中心粒径0.25μm以上の金属粒子を配合せず、金属ナノ粒子のみを導電性金属粒子として配合したものであるが、焼成体積変化率が−16.9%と、大きく収縮し、焼成後の充填導体は容易に穴から脱落するものであった。また、充填性も中心粒径0.25μm以上の金属粒子を配合した各実施例のものより劣っていた。   In Comparative Example 4, metal particles having a center particle size of 0.25 μm or more were not blended, and only metal nanoparticles were blended as conductive metal particles, but the firing volume change rate was as large as −16.9%. The filled conductor after shrinkage and firing was easily removed from the hole. Further, the filling property was also inferior to that of each Example in which metal particles having a center particle size of 0.25 μm or more were blended.

比較例5は、有機ビヒクルとなる有機溶媒の量が過剰である以外は、実施例1と同じ配合であるが、有機溶媒の使用量が増加する結果、導体ペースト中の金属濃度が92.1質量%と低くなった。このため、導体ペーストの充填性は良好であるが、溶媒乾燥による収縮が大きく発生し、焼成体積変化率が−8.8%と大きいものであり、焼成後の充填導体は容易に穴から脱落するものであった。   Comparative Example 5 has the same composition as Example 1 except that the amount of the organic solvent serving as the organic vehicle is excessive. However, as a result of the increase in the amount of the organic solvent used, the metal concentration in the conductor paste was 92.1. The mass was low. For this reason, although the filling property of the conductor paste is good, the shrinkage due to the solvent drying greatly occurs, and the firing volume change rate is as large as -8.8%, and the filled conductor after firing easily falls out of the hole. It was something to do.

比較例6は、中心粒径が4nmと小さい銀ナノ粒子を用いるようにした以外は、実施例3と同じ配合であるが、銀ナノ粒子に含まれる保護コロイド量が多過ぎるので、導体ペースト中の金属濃度は90.9質量%に低下した。このため、焼成収縮が大きく発生し、充填導体は容易に穴から落ちるものであった。尚、表1にデータとして示していないが、金属濃度を上げるために溶媒量を減らすように試みたところ、導体ペーストの流動性が著しく低下し、穴への充填が困難になるものであった。   Comparative Example 6 has the same composition as Example 3 except that silver nanoparticles having a small center particle diameter of 4 nm are used, but the amount of protective colloid contained in the silver nanoparticles is too large. The metal concentration of was reduced to 90.9% by mass. For this reason, firing shrinkage occurred greatly, and the filled conductor easily dropped from the hole. Although not shown as data in Table 1, when trying to reduce the amount of solvent in order to increase the metal concentration, the fluidity of the conductor paste was significantly reduced, making it difficult to fill the holes. .

比較例7は、従来公知の技術と同様に、多量のガラス成分を配合して、焼成中の導体ペーストを膨張させて焼成収縮をなくすようにしたものである。このものでは、焼成による体積変化率が6.4%と満足することができるものであるが、焼成導体の電気抵抗率が14.9μΩ・cmと高く、導電性に問題を有するものであり、また超音波で処理すると銀導体の一部は欠けて脱落するものであった。   In Comparative Example 7, as in the conventionally known technique, a large amount of glass component is blended to expand the conductive paste being fired to eliminate firing shrinkage. In this case, the volume change rate by firing can be satisfied as 6.4%, but the electrical resistivity of the fired conductor is as high as 14.9 μΩ · cm, and there is a problem in conductivity, Further, when treated with ultrasonic waves, a part of the silver conductor was chipped and dropped off.

次に、実施例1の配合の導体ペーストを用い、上記のように600℃の焼成温度で焼成する他に、焼成温度を変えて、500℃、700℃、800℃の温度で焼成を行なった。そして上記と同様にして、焼成体積変化率、焼成導体電気抵抗率、焼成導体焼成後強度を測定した。結果を表2に示す。   Next, in addition to firing at a firing temperature of 600 ° C. as described above using the conductor paste of Example 1, firing was performed at temperatures of 500 ° C., 700 ° C., and 800 ° C. by changing the firing temperature. . In the same manner as described above, the firing volume change rate, the fired conductor electrical resistivity, and the strength after firing the fired conductor were measured. The results are shown in Table 2.

Figure 0005767435
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表2にみられるように、本発明に係る実施例1の配合の導体ペーストは、幅広い温度域で焼成しても、安定した体積変化率、導体強度を示し、高い同導電性を有するものであった。   As can be seen in Table 2, the conductor paste blended in Example 1 according to the present invention exhibits a stable volume change rate and conductor strength even when fired in a wide temperature range, and has high conductivity. there were.

Claims (21)

銀を主成分とする導電性金属粒子と、ガラス及び無機酸化物のうち少なくとも一方と、有機ビヒクルとを含有して形成され、耐熱基板に設けられた貫通又は非貫通の穴に充填して焼成することによって、導体で穴埋めをするための導体ペーストであって、上記の導電性金属粒子の含有率が93〜97質量%、上記のガラス及び無機酸化物の総量が0.05〜5質量%、上記のガラス及び無機酸化物のうち少なくとも一方の含有率が0.05〜5質量%、上記の有機ビヒクルの含有率が2〜6.9質量%であり、上記の導電性金属粒子は、中心粒径0.25μm以上の金属粉と、中心粒径10〜100nmの金属ナノ粒子とを含有し、導体ペースト中の金属を含む無機物含有量が導体ペースト全量の93質量%以上であり、乾燥状態の体積に対する、600℃で焼成した後の体積の変化率が−1.2〜+10%の範囲であることを特徴とする穴埋め用導体ペースト。 Filled with through or non-through holes provided in a heat-resistant substrate and fired, containing conductive metal particles mainly composed of silver, at least one of glass and inorganic oxides, and an organic vehicle A conductive paste for filling a hole with a conductor, wherein the content of the conductive metal particles is 93 to 97% by mass, and the total amount of the glass and the inorganic oxide is 0.05 to 5% by mass. , at least one of the content of 0.05 to 5% by weight of the above glass and an inorganic oxide, content of the organic vehicle is from 2 to 6.9 wt%, said conductive metal particles, It contains metal powder with a center particle size of 0.25 μm or more and metal nanoparticles with a center particle size of 10 to 100 nm, and the inorganic substance content including the metal in the conductor paste is 93% by mass or more of the total amount of the conductor paste, and is dried. Vs. state volume That, 600 ° C. in filling a conductive paste, wherein the rate of change of volume after firing is in the range of -1.2~ + 10%. 600℃で焼成した後の導体の電気抵抗率が10μΩ・cm以下であることを特徴とする請求項1に記載の穴埋め用導体ペースト。   The conductor paste for filling holes according to claim 1, wherein the electrical resistivity of the conductor after firing at 600 ° C is 10 µΩ · cm or less. 600℃で焼成した後の導体の電気抵抗率が4μΩ・cm以下であることを特徴とする請求項1に記載の穴埋め用導体ペースト。   The conductor paste for filling holes according to claim 1, wherein the electrical resistivity of the conductor after firing at 600 ° C is 4 µΩ · cm or less. 600℃で焼成した後の導体の熱伝導率が150W/m・K以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   The conductor paste for filling holes according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductor has a thermal conductivity of 150 W / m · K or higher after firing at 600 ° C. 上記の中心粒径0.25μm以上の金属粉は、中心粒径が3倍以上異なる2種以上の金属粉を併用したものであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   5. The metal powder having a center particle diameter of 0.25 μm or more is a combination of two or more kinds of metal powders having a center particle diameter of three or more times different from each other. The conductor paste for filling holes described. 上記の中心粒径0.25μm以上の金属粉は、中心粒径1μm以上の金属粉の含有率が50〜80質量%であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   6. The metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more has a content of metal powder having a center particle size of 1 μm or more of 50 to 80% by mass, according to claim 1. Conductive paste for filling holes. 上記の導電性金属粒子中、中心粒径0.25μm以上の金属粉は50〜90質量%、中心粒径10〜100nmの金属ナノ粒子は10〜50質量%含有していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   Among the above conductive metal particles, the metal powder having a center particle size of 0.25 μm or more is contained in 50 to 90% by mass, and the metal nanoparticles having a center particle size of 10 to 100 nm are contained in 10 to 50% by mass. The conductive paste for hole filling according to any one of claims 1 to 6. 上記の中心粒径10〜100nmの金属ナノ粒子は、1〜200nmの範囲内に粒径分布を有するナノ粒子であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   The metal nanoparticle having a central particle size of 10 to 100 nm is a nanoparticle having a particle size distribution within a range of 1 to 200 nm, for filling a hole according to any one of claims 1 to 7. Conductor paste. 上記の中心粒径10〜100nmの金属ナノ粒子は、中心粒径が10〜50nmの範囲にあることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   9. The conductive paste for filling holes according to claim 1, wherein the metal nanoparticles having a central particle size of 10 to 100 nm have a central particle size in the range of 10 to 50 nm. 上記の金属ナノ粒子の表面に、金属ナノ粒子の分散性を安定させるための保護コロイドを、金属ナノ粒子に対して0.5〜15質量%の量で、有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   2. A protective colloid for stabilizing the dispersibility of the metal nanoparticles is provided on the surface of the metal nanoparticles in an amount of 0.5 to 15% by mass with respect to the metal nanoparticles. The conductor paste for hole filling as described in any one of thru | or 9. 上記の金属ナノ粒子は、少なくとも銀ナノ粒子を含むことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   11. The conductive paste for filling a hole according to claim 1, wherein the metal nanoparticles include at least silver nanoparticles. 上記のガラスは、軟化点550℃以下のビスマス系ガラスであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   The conductive paste for hole filling according to any one of claims 1 to 11, wherein the glass is a bismuth glass having a softening point of 550 ° C or lower. 上記のビスマス系ガラスは、酸化物換算で酸化ビスマスの含有量が70質量%以上であることを特徴とする請求項12に記載の穴埋め用導体ペースト。   13. The conductive paste for filling holes according to claim 12, wherein the bismuth-based glass has a bismuth oxide content of 70% by mass or more in terms of oxide. 400〜950℃の温度で焼成されることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一項に記載の穴埋め用導体ペースト。   14. The conductive paste for filling holes according to claim 1, wherein the paste is fired at a temperature of 400 to 950 ° C. 15. 耐熱基板に設けられた貫通又は非貫通の穴に、上記の請求項1乃至14のいずれか一項に記載の導体ペーストを充填する工程と、穴に充填した導体ペーストを乾燥する工程と、乾燥した導体ペーストを空気雰囲気下で、400〜950℃の温度で焼成する工程とを有することを特徴とする導体穴埋め基板の製造方法。   A step of filling the conductive paste according to any one of claims 1 to 14 into a through or non-through hole provided in the heat-resistant substrate, a step of drying the conductive paste filled in the hole, and a drying And a step of firing the conductive paste at a temperature of 400 to 950 ° C. in an air atmosphere. 上記耐熱基板は、セラミックス基板、ガラス基板、シリコン基板、ホーロー基板から選ばれたものであることを特徴とする請求項15に記載の導体穴埋め基板の製造方法。   The method of manufacturing a conductor hole-filled substrate according to claim 15, wherein the heat-resistant substrate is selected from a ceramic substrate, a glass substrate, a silicon substrate, and an enamel substrate. 耐熱基板に設けられた貫通又は非貫通の穴が、上記の請求項1乃至14のいずれか一項に記載の導体ペーストが焼成された導体で充填されていることを特徴とする導体穴埋め基板。   A conductive hole-filled substrate, wherein a through-hole or a non-through-hole provided in the heat-resistant substrate is filled with a conductor obtained by firing the conductive paste according to any one of claims 1 to 14. 上記の請求項15又は16に記載の方法で製造されたことを特徴とする導体穴埋め基板。   A conductor hole-filled substrate manufactured by the method according to claim 15 or 16. 請求項17又は18に記載の導体穴埋め基板を備えることを特徴とする回路基板。   A circuit board comprising the conductor hole-filling board according to claim 17. 請求項17又は18に記載の導体穴埋め基板を備えることを特徴とする電子部品。   An electronic component comprising the conductor hole-filling substrate according to claim 17. 請求項17又は18に記載の導体穴埋め基板を備えることを特徴する半導体パッケージ。   A semiconductor package comprising the conductor hole-filling substrate according to claim 17.
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