JP6199778B2 - Circuit board and conductor paste for circuit board - Google Patents

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本発明は、パワー半導体等のセラミック電子材料に用いられる回路基板に関する。詳しくは、電気抵抗率が20μΩ未満の導体パターンを備えた回路基板に関する。   The present invention relates to a circuit board used for a ceramic electronic material such as a power semiconductor. Specifically, the present invention relates to a circuit board provided with a conductor pattern having an electrical resistivity of less than 20 μΩ.

近年、コンバータやインバータ等の電力制御に用いられる次世代の半導体デバイス(典型的にはパワーデバイス)が盛んに研究開発されている。
この半導体デバイスの周辺技術の一つに、該半導体デバイスを実装するための回路基板がある。回路基板は、例えば、電気絶縁性の基板の表面に、電気伝導性や熱伝導性の高い導体パターン(金属層)を備え、配線回路としての機能や半導体デバイスで発生した熱を逃がす機能(放熱機能)を発揮するものである。かかる回路基板は、例えば、セラミック製の基板の表面に、金属粉末(例えば銅)、ガラスフリット(無機バインダ)、樹脂(有機バインダ)、溶剤等から構成される導体ペースト(例えば銅ペースト)を付与して、乾燥、焼成することによって作製することができる。
In recent years, next-generation semiconductor devices (typically power devices) used for power control of converters and inverters have been actively researched and developed.
As one of peripheral technologies of this semiconductor device, there is a circuit board for mounting the semiconductor device. A circuit board, for example, has a conductive pattern (metal layer) with high electrical and thermal conductivity on the surface of an electrically insulating substrate, and functions as a wiring circuit or a function to release heat generated in a semiconductor device (heat dissipation) Function). Such a circuit board, for example, provides a conductive paste (eg, copper paste) composed of metal powder (eg, copper), glass frit (inorganic binder), resin (organic binder), solvent, etc. on the surface of a ceramic substrate. And it can produce by drying and baking.

特開平05−325636号公報JP 05-325636 A 特開2006−260951号公報JP 2006-260951 A 特開2004−056148号公報JP 2004-056148 A 特開2004−134378号公報JP 2004-134378 A

かかる回路基板では、昨今の半導体デバイスの小型化、高密度化および高速化等といった高性能化に伴い、耐ヒートサイクル性(例えば、−40〜250℃の温度範囲でヒートサイクルを繰り返した時の基板と導体パターンとの接合強度)を維持しつつ、導体パターンを低抵抗化することが求められている。   In such a circuit board, with recent high performance such as miniaturization, high density and high speed of semiconductor devices, heat cycle resistance (for example, when a heat cycle is repeated in a temperature range of −40 to 250 ° C.) It is required to reduce the resistance of the conductor pattern while maintaining the bonding strength between the substrate and the conductor pattern.

導体パターンの更なる低抵抗化には、電気伝導の障害となる非導電成分、例えばガラスの含有量を低減することが有効と考えられる。しかしながら、このことは基板と導体パターンとの接合性(例えば耐ヒートサイクル性)の低下につながる虞がある。すなわち、ガラスは一般に金属(例えば銅)に比べて相対的に熱膨張率が小さいため、該ガラスの含有率が高いほど導体パターンの熱膨張率を低く保つことができる。換言すれば、単純にガラスの含有量を低下させると、導体パターンの熱膨張率が高くなり、熱膨張率の小さい基板(例えば窒化物系セラミックスからなる基板)を用いた場合に、該基板との熱膨張率の整合性がとれなくなって剥離等の不具合を生じる虞がある。
このような2律背反のために、これまで導体パターンの大幅な低抵抗化を実現することは困難であった。
In order to further reduce the resistance of the conductor pattern, it is considered effective to reduce the content of non-conductive components, such as glass, which hinder electrical conduction. However, this may lead to a decrease in bondability (for example, heat cycle resistance) between the substrate and the conductor pattern. That is, since glass generally has a relatively low coefficient of thermal expansion compared to metal (for example, copper), the higher the glass content, the lower the coefficient of thermal expansion of the conductor pattern. In other words, when the glass content is simply reduced, the thermal expansion coefficient of the conductor pattern increases, and when a substrate having a low thermal expansion coefficient (for example, a substrate made of nitride ceramics) is used, There is a risk that the consistency of the thermal expansion coefficient cannot be obtained and problems such as peeling occur.
Due to such a contradiction, it has been difficult to realize a significant reduction in resistance of the conductor pattern.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐ヒートサイクル性に優れ、かつ電気抵抗率が一層低減された導体パターンを備える回路基板を提供することである。また、他の目的は、かかる導体パターンを形成するための導体ペーストを提供することにある。   This invention is made | formed in view of this point, The objective is to provide a circuit board provided with the conductor pattern which was excellent in heat cycle resistance, and the electrical resistivity was further reduced. Another object is to provide a conductor paste for forming such a conductor pattern.

この背反する2つの特性を備える回路基板を実現するべく、本発明者は様々な角度から検討を重ねた。その結果、これを解決し得る手段を見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明によって、セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に形成されたガラスレスの導体パターンと、を備えた回路基板が提供される。上記導体パターンは、上記絶縁基板に接する銅めっき層と、該銅めっき層上に形成された導体層とを備える。上記導体層は、銅成分と無機フィラー成分とを含む。上記無機フィラー成分は、実質的にガラスを含まず、平均粒子径(D50)が10μm以上50μm以下の粒子で構成されている。そして、上記導体層の体積熱膨張率が12ppm/℃以下である。また、上記導体パターンの電気抵抗率が20μΩ・cm未満である。
In order to realize a circuit board having these two contradictory characteristics, the present inventor has repeatedly studied from various angles. As a result, means for solving this problem have been found and the present invention has been completed.
That is, according to the present invention, a circuit board provided with an insulating substrate made of ceramics and a glassless conductor pattern formed on the surface of the insulating substrate is provided. The conductor pattern includes a copper plating layer in contact with the insulating substrate and a conductor layer formed on the copper plating layer. The conductor layer includes a copper component and an inorganic filler component. The inorganic filler component is substantially free of glass, average particle diameter (D 50) is configured with the following particle 50μm or 10 [mu] m. And the volume thermal expansion coefficient of the said conductor layer is 12 ppm / degrees C or less. Moreover, the electrical resistivity of the said conductor pattern is less than 20 microhm * cm.

絶縁基板と導体層との間に銅めっき層を介在させることで、導体層にガラス成分を含まずとも、絶縁基板と導体パターンとが強固に一体化された回路基板を実現することができる。また、導体層に無機フィラーを含むことで該無機フィラーが熱膨張率を調整する役割を果たし、該導体層の体積熱膨張率(以下、単に「熱膨張率」ということもある。)を12ppm/℃以下に制御することができる。これにより、低温〜高温のヒートサイクルに対しても高い耐久性を実現することができる。さらに、導体パターンをガラスレスとし、かつ無機フィラーの平均粒子径を上記範囲とすることで、優れた導電性(電気抵抗率が20μΩ・cm以下、特には電気抵抗率が10μΩ・cm以下)を実現することができる。   By interposing the copper plating layer between the insulating substrate and the conductor layer, it is possible to realize a circuit substrate in which the insulating substrate and the conductor pattern are firmly integrated without including a glass component in the conductor layer. Further, by including an inorganic filler in the conductor layer, the inorganic filler plays a role of adjusting the coefficient of thermal expansion, and the volume thermal expansion coefficient of the conductor layer (hereinafter sometimes simply referred to as “thermal expansion coefficient”) is 12 ppm. / ° C. or less. Thereby, high durability is realizable also with respect to a low-temperature-high temperature heat cycle. Furthermore, by making the conductive pattern glass-free and making the average particle diameter of the inorganic filler within the above range, excellent electrical conductivity (electric resistivity is 20 μΩ · cm or less, particularly electric resistivity is 10 μΩ · cm or less). Can be realized.

なお、本明細書において「平均粒子径」とは、一般的な粒度分布測定装置を用いて、レーザー回折・光散乱法で測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側から累積50%に相当する粒子径(50%体積平均粒子径。D50やメジアン径ともいう。)を指すものとする。また、本明細書において「熱膨張率」とは、特に断りの無い限り、一般的な示差膨張方式の熱機械分析(Thermo Mechanical Analysis:TMA)に基づいて室温〜300℃(例えば25〜300℃、あるいは30〜300℃)の温度範囲にて測定した体積膨張の算術平均値(平均体積熱膨張率)を指すものとする。また、本明細書において「電気抵抗率」とは、一般的な抵抗率計を用いて4端子4探針法で測定した値を指すものとする。
また、「実質的にガラスを含まず」とは、少なくとも積極的に該ガラス成分を含有しないことをいい、例えば不可避的な不純物として極微量に混入することは許容し得る。
In the present specification, the “average particle size” corresponds to a cumulative 50% from the fine particle side in the volume-based particle size distribution measured by a laser diffraction / light scattering method using a general particle size distribution measuring apparatus. particle size (50% volume average particle diameter .D 50 and also referred to as a median diameter.) is intended to refer to. In the present specification, the “thermal expansion coefficient” means a room temperature to 300 ° C. (for example, 25 to 300 ° C.) based on a general differential expansion thermal mechanical analysis (TMA) unless otherwise specified. Or an arithmetic average value (average volume thermal expansion coefficient) of volume expansion measured in a temperature range of 30 to 300 ° C. Further, in this specification, “electric resistivity” refers to a value measured by a four-terminal four-probe method using a general resistivity meter.
Further, “substantially free of glass” means that the glass component is not actively contained at least, and for example, it is acceptable to mix in a very small amount as an inevitable impurity.

ここに開示される回路基板の好適な一態様では、上記銅成分と上記無機フィラー成分との合計体積を100体積%としたときに、上記無機フィラー成分の体積比率が25体積%以上45体積%以下である。
無機フィラー成分の含有率を上記範囲とすることで、導体層の低抵抗化と、接合性(例えば耐ヒートサイクル性)の維持向上とを高いレベルで両立することができる。したがって、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。
In a preferred embodiment of the circuit board disclosed herein, when the total volume of the copper component and the inorganic filler component is 100% by volume, the volume ratio of the inorganic filler component is 25% by volume or more and 45% by volume. It is as follows.
By making the content rate of an inorganic filler component into the said range, the low resistance of a conductor layer and the maintenance improvement of bondability (for example, heat cycle resistance) can be made compatible at a high level. Therefore, the effect of the present invention can be exhibited at a higher level.

ここに開示される回路基板の好適な一態様では、銅成分は、1μm以上10μm以下の平均粒子径の銅粉末が焼結してなる。
銅粉末(原料)の平均粒子径を上記範囲とすることで、低温焼成(例えば500℃以下の焼成)によって銅粒子同士を焼結することができ、緻密な導体層を実現することができる。
In a preferred embodiment of the circuit board disclosed herein, the copper component is obtained by sintering copper powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 10 μm or less.
By setting the average particle diameter of the copper powder (raw material) within the above range, the copper particles can be sintered by low-temperature firing (for example, firing at 500 ° C. or less), and a dense conductor layer can be realized.

ここに開示される回路基板の好適な一態様では、上記絶縁基板が窒化ケイ素基板である。
窒化ケイ素(Si)からなる基板の熱膨張率は凡そ2.6ppm/℃と、銅の熱膨張率に比べて非常に小さい。このため、ここに開示される技術の適用が特に効果的である。
In a preferred aspect of the circuit board disclosed herein, the insulating substrate is a silicon nitride substrate.
The thermal expansion coefficient of the substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is about 2.6 ppm / ° C., which is very small compared to the thermal expansion coefficient of copper. For this reason, the application of the technique disclosed herein is particularly effective.

ここに開示される回路基板の好適な一態様では、上記銅めっき層の平均厚みが2μm以下である。
上述の通り、絶縁基板を構成するセラミックと銅めっき層を構成する銅は、熱膨張率が大きく異なる。このため、絶縁基板と銅めっき層との剥離を防止するためには、銅めっき層の厚みを小さく抑えて絶縁基板との熱膨張率の整合をとることが有効である。これにより、一層優れた熱的安定性(耐ヒートサイクル性)を実現することができる。
In the suitable one aspect | mode of the circuit board disclosed here, the average thickness of the said copper plating layer is 2 micrometers or less.
As described above, the ceramic that forms the insulating substrate and the copper that forms the copper plating layer differ greatly in thermal expansion coefficient. For this reason, in order to prevent peeling between the insulating substrate and the copper plating layer, it is effective to keep the thickness of the copper plating layer small and to match the thermal expansion coefficient with the insulating substrate. Thereby, the further outstanding thermal stability (heat cycle resistance) is realizable.

ここに開示される回路基板の好適な一態様では、上記導体層の平均厚みが100μm以上300μm以下である。
導体層の厚みを厚くすることで、電気伝導性の向上や放熱性の向上を実現し得る。また、一般に、比較的厚めに形成された導体層では低温〜高温(例えば−40〜250℃)のヒートサイクルの繰り返しによって剥離やクラック等の不具合が生じ易い傾向にある。しかしながら、ここに開示される技術によればこのような不具合を防止することができるので、導体層の低抵抗化と優れた接合性との高いレベルでの両立が可能となる。したがって、このような場合に本発明がとりわけ顕著な効果を奏する。
In a preferred embodiment of the circuit board disclosed herein, the conductor layer has an average thickness of 100 μm or more and 300 μm or less.
By increasing the thickness of the conductor layer, it is possible to improve electrical conductivity and heat dissipation. In general, a conductor layer formed to be relatively thick tends to have problems such as peeling and cracking due to repeated low-temperature to high-temperature (for example, −40 to 250 ° C.) heat cycles. However, according to the technique disclosed herein, such a problem can be prevented, and it is possible to achieve both a low resistance of the conductor layer and excellent bonding properties at a high level. Therefore, the present invention has a particularly remarkable effect in such a case.

ここに開示される回路基板の好適な一態様では、上記無機フィラーが、シリカおよび/またはリン酸タングステン酸ジルコニウムである。リン酸タングステン酸ジルコニウムは熱膨張率が負の値を示すため、導体層の熱膨張率を効果的に低減することができる。また、シリカは、熱膨張率が0.5ppm/℃とリン酸タングステン酸ジルコニウムには及ばないものの、入手が容易でありかつ安価なため、トータルバランスに優れている。   In a preferred embodiment of the circuit board disclosed herein, the inorganic filler is silica and / or zirconium tungstate phosphate. Since zirconium phosphate tungstate shows a negative thermal expansion coefficient, the thermal expansion coefficient of the conductor layer can be effectively reduced. Silica has a thermal expansion coefficient of 0.5 ppm / ° C., which is not as high as that of zirconium phosphate tungstate, but is easily available and inexpensive, and therefore has an excellent total balance.

また、本発明の他の側面として、ガラスレスの導体パターンを形成するための回路基板用の導体ペーストが提供される。かかる導体ペーストは、銅粉末と、無機フィラー粉末と、熱可塑性樹脂と、溶媒と、を含む。上記無機フィラー粉末は、実質的にガラスを含まず、平均粒子径が10μm以上50μm以下である。そして、上記導体パターンを形成したときに、該導体パターンの体積熱膨張率が12ppm/℃以下であり電気抵抗率が20μΩ・cm未満であることを実現する。
このような組成の導体ペーストを用いることで、ガラスレスであっても熱膨張率の低い導体層を実現することができる。これにより、例えば熱膨張率の小さなセラミック基板(例えば窒化ケイ素基板)とも良好な接合性を実現することができ、なおかつ優れた耐ヒートサイクル性を実現することができる。その結果、熱的安定性が高く、電気抵抗率が一層低減された導体パターンを実現することができる。
Moreover, as another aspect of the present invention, a conductor paste for a circuit board for forming a glassless conductor pattern is provided. Such a conductor paste contains copper powder, inorganic filler powder, a thermoplastic resin, and a solvent. The said inorganic filler powder does not contain glass substantially, and an average particle diameter is 10 micrometers or more and 50 micrometers or less. And when the said conductor pattern is formed, the volume thermal expansion coefficient of this conductor pattern is 12 ppm / degrees C or less, and implement | achieves that an electrical resistivity is less than 20 microhm * cm.
By using a conductor paste having such a composition, a conductor layer having a low coefficient of thermal expansion can be realized even without glass. Thereby, for example, it is possible to realize good bonding properties with a ceramic substrate having a small coefficient of thermal expansion (for example, a silicon nitride substrate), and it is possible to realize excellent heat cycle resistance. As a result, a conductor pattern having high thermal stability and further reduced electrical resistivity can be realized.

ここに開示される導体ペーストの好適な一態様では、上記銅粉末と上記無機フィラー粉末との合計体積を100体積%としたときに、上記無機フィラー粉末の体積比率が25体積%以上45体積%以下である。また、ここに開示される導体ペーストの他の好適な一態様では、上記銅粉末の平均粒子径が1μm以上10μm以下である。   In a preferred embodiment of the conductor paste disclosed herein, when the total volume of the copper powder and the inorganic filler powder is 100% by volume, the volume ratio of the inorganic filler powder is 25% by volume or more and 45% by volume. It is as follows. Moreover, in another suitable one aspect | mode of the conductor paste disclosed here, the average particle diameter of the said copper powder is 1 micrometer or more and 10 micrometers or less.

なお、ガラスに比べて熱膨張率の小さな無機フィラーは市販されており、これを含む導体ペーストに関する先行技術も存在する(例えば特許文献1〜4)。しかしながら、ここに開示される技術のように導体層の熱膨張率を調整するために無機フィラーを添加して、かつガラス成分を含有しない(ガラスフリーの)導体ペーストはこれまでに例が無い。   In addition, the inorganic filler whose thermal expansion coefficient is small compared with glass is marketed, and the prior art regarding the conductor paste containing this also exists (for example, patent documents 1-4). However, there has been no example of a conductive paste that contains an inorganic filler and does not contain a glass component (glass-free) so as to adjust the thermal expansion coefficient of the conductive layer as in the technique disclosed herein.

一実施形態に係る回路基板を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a circuit board according to an embodiment.

以下、ここに開示される技術の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば一般的な回路基板の製造方法や導体ペーストの調製方法等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the technology disclosed herein will be described. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, a general circuit board manufacturing method and a conductor paste preparation method) are the conventional ones in this field. It can be grasped as a design matter of those skilled in the art based on the technology. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

≪回路基板≫
ここに開示される回路基板は、セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に形成された導体パターンと、を備えている。上記導体パターンは、上記絶縁基板に接する銅めっき層と、該銅めっき層上に形成された導体層とを備えている。そして、以下の(A)〜(D):(A)上記導体パターンがガラスレスであること;(B)上記導体層が、ガラス以外無機フィラー成分であって平均粒子径が10μm以上50μm以下の粒子で構成される無機フィラー成分を含むこと;(C)上記導体層の体積熱膨張率が12ppm/℃以下であること;(D)上記導体パターンの電気抵抗率が20μΩ・cm未満であること;によって特徴づけられる。したがって、その他の構成要素については特に限定されず、種々の用途に応じて任意に決定することができる。
≪Circuit board≫
The circuit board disclosed here includes an insulating substrate made of ceramics and a conductor pattern formed on the surface of the insulating substrate. The conductor pattern includes a copper plating layer in contact with the insulating substrate and a conductor layer formed on the copper plating layer. The following (A) to (D): (A) the conductor pattern is glass-less; (B) the conductor layer is an inorganic filler component other than glass and has an average particle size of 10 μm to 50 μm. (C) the conductor layer has a volume thermal expansion coefficient of 12 ppm / ° C. or less; (D) the conductor pattern has an electrical resistivity of less than 20 μΩ · cm. Characterized by; Therefore, the other components are not particularly limited, and can be arbitrarily determined according to various uses.

<絶縁基板>
ここに開示される回路基板の絶縁基板は、セラミック材料からなる。かかるセラミック材料としては、例えば、金属炭化物からなる炭化物系セラミックス;金属窒化物からなる窒化物系セラミックス;金属酸化物からなる酸化物系セラミックス;金属のホウ化物、フッ化物、水酸化物、炭酸塩、リン酸塩等からなるセラミックス;が挙げられる。
好適例として、熱膨張率が比較的小さなもの、具体的には、窒化ケイ素(シリコンナイトライド:Si)、窒化アルミニウム(アルミナイトライド:AlN)、窒化ホウ素(BN)等の窒化物系セラミックス;炭化ケイ素(シリコンカーバイド:SiC)等の炭化物系セラミックス;コーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)、ムライト(3Al・2SiO)等の複合酸化物系セラミックス;等が挙げられる。
なかでも、熱膨張率がとりわけ小さなセラミック材料(および該材料の30〜500℃の平均体積熱膨張率)を例示すると、コーディエライト(<|0.1|ppm/℃)、窒化ホウ素(1.4ppm/℃)、窒化ケイ素(2.6ppm/℃)、炭化ケイ素(3.7ppm/℃)、窒化アルミニウム(4.6ppm/℃)、ムライト(5.0ppm/℃)等が挙げられる。特に、窒化ケイ素は曲げ強度が凡そ600〜800MPaと殊に機械的強度に優れるため、高い機械的強度の要求される用途で好ましく用いることができる。また、窒化アルミニウムは、曲げ強度が凡そ200〜400MPaと窒化ケイ素ほどの高温耐久性は期待できないが、熱伝導率が150〜200W/m・Kと高いため、放熱性を要求される用途で好ましく用いることができる。
<Insulating substrate>
The insulating substrate of the circuit board disclosed here is made of a ceramic material. Examples of such ceramic materials include carbide ceramics made of metal carbides; nitride ceramics made of metal nitrides; oxide ceramics made of metal oxides; metal borides, fluorides, hydroxides, carbonates And ceramics made of phosphate and the like.
Preferred examples are those having a relatively small coefficient of thermal expansion, specifically, nitrides such as silicon nitride (silicon nitride: Si 3 N 4 ), aluminum nitride (aluminum nitride: AlN), boron nitride (BN), etc. Ceramics; carbide ceramics such as silicon carbide (silicon carbide: SiC); composite oxide ceramics such as cordierite (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2 ) and mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ); Etc.
Among them, ceramic materials having a particularly small coefficient of thermal expansion (and an average volume coefficient of thermal expansion of 30 to 500 ° C. of the material) are exemplified by cordierite (<| 0.1 | ppm / ° C.), boron nitride (1 .4 ppm / ° C.), silicon nitride (2.6 ppm / ° C.), silicon carbide (3.7 ppm / ° C.), aluminum nitride (4.6 ppm / ° C.), mullite (5.0 ppm / ° C.) and the like. In particular, silicon nitride has a bending strength of about 600 to 800 MPa, and is particularly excellent in mechanical strength. Therefore, silicon nitride can be preferably used in applications requiring high mechanical strength. Aluminum nitride has a bending strength of about 200 to 400 MPa and cannot be expected to be as durable as silicon nitride, but it has a high thermal conductivity of 150 to 200 W / m · K, which is preferable for applications that require heat dissipation. Can be used.

<導体パターン>
ここに開示される回路基板の導体パターンは、ガラスレス(ガラスフリー)である。すなわち、電気伝導性や熱伝導性の低いガラスを少なくとも意図的には混入させないことで、電気伝導性や熱伝導性に優れた導体パターンを実現することができる。ここに開示される技術では、導体パターンの電気抵抗率が20μΩ・cm未満であり、好ましくは15μΩ・cm以下、より好ましくは10μΩ・cm、特には6μΩ・cm以下であるとよい。
かかる導体パターンは、絶縁基板に接する銅めっき層と、該銅めっき層の表面に固着された導体層から構成される。
<Conductor pattern>
The conductor pattern of the circuit board disclosed here is glass-less (glass-free). That is, by not intentionally mixing glass having low electrical conductivity or thermal conductivity, a conductor pattern having excellent electrical conductivity or thermal conductivity can be realized. In the technique disclosed herein, the electrical resistivity of the conductor pattern is less than 20 μΩ · cm, preferably 15 μΩ · cm or less, more preferably 10 μΩ · cm, and particularly 6 μΩ · cm or less.
Such a conductor pattern includes a copper plating layer in contact with the insulating substrate and a conductor layer fixed to the surface of the copper plating layer.

銅めっき層は、接合力の小さな絶縁基板と導体層とを接合するための、言わば接着層である。これにより、導体層に無機バインダ成分(ガラス)を含まずとも、強固に一体化された回路基板を実現することができる。
かかる銅めっき層は、実質的に(例えば、銅めっき層全体の95質量%以上が)銅成分からなる。このため、銅めっき層の熱膨張率は、銅の熱膨張率(16ppm/℃)と概ね同等であり得る。ゆえに、例えば絶縁基板が熱膨張率の小さなセラミック材料からなる場合には、絶縁基板と銅めっき層との熱膨張率が大きく異なることがあり得る。例えば、絶縁基板が窒化物系セラミックスからなる場合、銅めっき層の熱膨張率が、絶縁基板の熱膨張率に対して3〜5倍以上大きくなることがある。したがって、このような場合には銅めっき層の厚みを薄くして、熱応力を小さく抑えることが好ましい。
上記の理由から、好適な一態様では、銅めっき層の平均厚みが5μm以下(好ましくは3μm以下、より好ましくは2μm以下)である。これにより、銅めっき層の熱膨張率をほぼ考慮する必要が無くなり、耐ヒートサイクル特性を一層向上することができる。また、銅めっき層の平均厚みは、0.01μm以上(好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、例えば0.5μm以上)であるとよい。これにより、絶縁基板と導体層とをより安定的に接合することができ、熱的安定性の高い回路基板を実現することができる。
The copper plating layer is a so-called adhesive layer for bonding the insulating substrate having a small bonding force and the conductor layer. Thereby, even if an inorganic binder component (glass) is not included in the conductor layer, a strongly integrated circuit board can be realized.
Such a copper plating layer is substantially composed of a copper component (for example, 95% by mass or more of the entire copper plating layer). For this reason, the thermal expansion coefficient of the copper plating layer can be approximately equal to the thermal expansion coefficient of copper (16 ppm / ° C.). Therefore, for example, when the insulating substrate is made of a ceramic material having a small coefficient of thermal expansion, the coefficient of thermal expansion between the insulating substrate and the copper plating layer may be greatly different. For example, when the insulating substrate is made of a nitride ceramic, the thermal expansion coefficient of the copper plating layer may be 3 to 5 times or more larger than the thermal expansion coefficient of the insulating substrate. Therefore, in such a case, it is preferable to reduce the thermal stress by reducing the thickness of the copper plating layer.
For the above reasons, in a preferred embodiment, the copper plating layer has an average thickness of 5 μm or less (preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm or less). Thereby, it is not necessary to substantially consider the thermal expansion coefficient of the copper plating layer, and the heat cycle resistance can be further improved. The average thickness of the copper plating layer is preferably 0.01 μm or more (preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, for example 0.5 μm or more). Thereby, an insulating substrate and a conductor layer can be joined more stably, and a circuit board with high thermal stability can be realized.

導体層は、配線回路としての導電機能や、半導体デバイスで発生した熱を逃がす放熱機能を発揮する部位である。ここに開示される回路基板に備えられた導体層は、体積熱膨張率が12ppm/℃以下(好ましくは11.5ppm/℃以下、例えば9〜11.5ppm/℃)である。これにより、例えば熱膨張率の比較的小さな絶縁基板を用いる場合であっても、優れた耐ヒートサイクル性を実現することができる。
かかる導体層は、銅成分と無機フィラー成分とを含んでいる。
銅成分は、導体層の主体をなすものであり、導体層に電気伝導性や放熱性を付与するための成分である。銅成分は、導体層を緻密化する観点や導体層形成時の取扱性や作業性等を考慮して、平均粒子径(D50)が0.1μm以上(典型的には0.5μm以上、好ましくは1μm以上、例えば2μm以上)であって、10μm以下(典型的には5μm以下、例えば4μm以下)の銅粉末が焼結(シンタリング)されてなるとよい。
The conductor layer is a part that exhibits a conductive function as a wiring circuit and a heat dissipation function that releases heat generated in the semiconductor device. The conductor layer provided on the circuit board disclosed herein has a volume coefficient of thermal expansion of 12 ppm / ° C. or less (preferably 11.5 ppm / ° C. or less, for example, 9 to 11.5 ppm / ° C.). Thereby, for example, even when an insulating substrate having a relatively small coefficient of thermal expansion is used, excellent heat cycle resistance can be realized.
Such a conductor layer contains a copper component and an inorganic filler component.
The copper component is a main component of the conductor layer, and is a component for imparting electrical conductivity and heat dissipation to the conductor layer. The copper component has an average particle diameter (D 50 ) of 0.1 μm or more (typically 0.5 μm or more, typically considering the viewpoint of densifying the conductor layer and the handleability and workability when forming the conductor layer. Preferably, it is 1 μm or more, for example, 2 μm or more), and 10 μm or less (typically 5 μm or less, for example, 4 μm or less) of copper powder may be sintered (sintered).

ここに開示される技術において、無機フィラー成分は、いわゆる熱膨張率調整材である。かかる無機フィラー成分は、実質的にガラスを含まず、ガラス以外の無機物で構成されている。好適な無機フィラー材料として、リン酸ジルコニウム系化合物;酸化ケイ素(シリカ:SiO)、二酸化ジルコニウム(ジルコニア:ZrO)、酸化アルミニウム(アルミナ:Al)、酸化マグネシウム(マグネシア:MgO)、酸化チタン(チタニア:TiO)、チタン酸バリウム(BaTiO)等の酸化物系材料;コーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)、ムライト(3Al・2SiO)、フォルステライト(2MgO・SiO)等の複合酸化物系材料;窒化ケイ素(シリコンナイトライド:Si)、窒化アルミニウム(アルミナイトライド:AlN)等の窒化物系材料;炭化ケイ素(シリコンカーバイド:SiC)等の炭化物系材料;等が例示される。 In the technology disclosed herein, the inorganic filler component is a so-called thermal expansion coefficient adjusting material. Such an inorganic filler component does not substantially contain glass and is composed of an inorganic material other than glass. Suitable inorganic filler materials include zirconium phosphate compounds; silicon oxide (silica: SiO 2 ), zirconium dioxide (zirconia: ZrO 2 ), aluminum oxide (alumina: Al 2 O 3 ), magnesium oxide (magnesia: MgO), titanium oxide (titania: TiO 2), oxide material such as barium titanate (BaTiO 3); cordierite (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2), mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), folder Composite oxide materials such as stellite (2MgO · SiO 2 ); nitride materials such as silicon nitride (silicon nitride: Si 3 N 4 ) and aluminum nitride (aluminum nitride: AlN); silicon carbide (silicon carbide: Examples thereof include carbide materials such as SiC).

好適な一態様では、導体層中に無機フィラー成分としてのリン酸ジルコニウム系化合物を含んでいる。リン酸ジルコニウム系化合物は、熱膨張率が相対的に小さいため、導体層の熱膨張率を効果的に低減することができる。かかるリン酸ジルコニウム系化合物としては、例えば、リン酸タングステン酸ジルコニウム(Zr(WO)(PO、ZWP)やリン酸ジルコニウム((ZrO))が挙げられる。なかでもリン酸タングステン酸ジルコニウムは熱膨張率が−3.1ppm/℃と負の値を示すため、より少ない含有量で導体層の熱膨張率を好適な範囲に調整することができる。このため、導体層本来の機能性(導電機能や放熱機能)を十分に発揮させることができ、好ましい。
また、好適な他の一態様では、導体層中に無機フィラー成分としてのシリカを含んでいる。シリカは、熱膨張率が0.5ppm/℃とリン酸タングステン酸ジルコニウムには及ばないものの、入手が容易でありかつ安価なため、トータルバランスに優れている。
In a preferred embodiment, the conductor layer contains a zirconium phosphate compound as an inorganic filler component. Since the zirconium phosphate-based compound has a relatively small coefficient of thermal expansion, the coefficient of thermal expansion of the conductor layer can be effectively reduced. Examples of such zirconium phosphate compounds include zirconium phosphate tungstate (Zr 2 (WO 4 ) (PO 4 ) 2 , ZWP) and zirconium phosphate ((ZrO) 2 P 2 O 7 ). In particular, zirconium tungstate phosphate has a negative coefficient of thermal expansion of −3.1 ppm / ° C., so that the thermal expansion coefficient of the conductor layer can be adjusted to a suitable range with a smaller content. For this reason, the original functionality (conductive function and heat dissipation function) of the conductor layer can be sufficiently exhibited, which is preferable.
Moreover, in another suitable one aspect | mode, the silica as an inorganic filler component is included in the conductor layer. Silica has a thermal expansion coefficient of 0.5 ppm / ° C., which is not as high as that of zirconium tungstate phosphate, but is easy to obtain and inexpensive, and therefore has an excellent total balance.

ここに開示される技術では、無機フィラー成分を構成する粒子の平均粒子径(D50)が50μm以下である。これにより、導体層を平滑性に優れかつ均質なものとし得る。また、ここに開示される技術では、無機フィラー成分を構成する粒子の平均粒子径(D50)が10μm以上(例えば15μm以上)である。これにより、導体層中の無機フィラー粒子同士の接触の数(粒子同士の界面の数)を減少させることができ、接触抵抗を低減することができる。さらに好ましくは、高い機械的強度を実現することができる。
上記導体層中の無機フィラー粒子同士の接触の数を減少させるという観点からは、無機フィラー成分を構成する粒子の10%体積平均粒子径(D10)が、0.5μm以上(例えば1μm以上)であって、例えば30μm以下(例えば25μm以下)あるとよい(ただし、当然、D50≧D10である。)。また、より均質な導体層を実現する観点からは、無機フィラー成分を構成する粒子の90%体積平均粒子径(D90)が、例えば20μm以上(例えば30μm以上)であって、70μm以下(例えば60μm以下)あるとよい(ただし、当然、D90≧D50である。)。
In the technique disclosed here, the average particle diameter (D 50 ) of the particles constituting the inorganic filler component is 50 μm or less. Thereby, the conductor layer can be excellent in smoothness and uniform. Further, in the technology disclosed herein, the average particle diameter of the particles constituting the inorganic filler component (D 50) is more than 10 [mu] m (e.g., 15μm or more). Thereby, the number of contacts between the inorganic filler particles in the conductor layer (the number of interfaces between the particles) can be reduced, and the contact resistance can be reduced. More preferably, high mechanical strength can be realized.
From the viewpoint of reducing the number of contacts between the inorganic filler particles in the conductor layer, the 10% volume average particle diameter (D 10 ) of the particles constituting the inorganic filler component is 0.5 μm or more (for example, 1 μm or more). For example, it is preferable that it is 30 μm or less (for example, 25 μm or less) (however, naturally, D 50 ≧ D 10 ). Further, from the viewpoint of realizing a more homogeneous conductor layer, the 90% volume average particle diameter (D 90 ) of the particles constituting the inorganic filler component is, for example, 20 μm or more (for example, 30 μm or more) and 70 μm or less (for example, 60 μm or less) (Naturally, D 90 ≧ D 50 ).

好適な一態様では、導体層中の銅成分を構成する粒子の平均粒子径に比べて、無機フィラー成分を構成する粒子の平均粒子径が大きい。例えば、銅成分を構成する粒子の平均粒子径に対して、無機フィラー成分を構成する粒子の平均粒子径が2〜10倍程度大きいとよい。これにより、導体層中の抵抗が一層低減され、更に高い導電性を実現することができる。   In a preferred embodiment, the average particle size of the particles constituting the inorganic filler component is larger than the average particle size of the particles constituting the copper component in the conductor layer. For example, the average particle diameter of the particles constituting the inorganic filler component is preferably about 2 to 10 times larger than the average particle diameter of the particles constituting the copper component. Thereby, the resistance in the conductor layer is further reduced, and higher conductivity can be realized.

無機フィラー成分を構成する粒子の比表面積は、通常5m/g以下であり、典型的には3m/g以下、例えば0.1〜2.5m/g程度であるとよい。これにより、導体層中の無機フィラー粒子同士の接触面積を減少させることができ、接触抵抗を一層低減することができる。なお、本明細書において「比表面積」とは、吸着質として窒素(N)ガスを用いたガス吸着法(定容量式吸着法)によって測定されたガス吸着量を、BET法(例えば、BET1点法)で解析した値(m/g)をいう。
また、無機フィラー成分を構成する粒子の形状は、例えば、球状、楕円状、破砕状、繊維状等であり得る。より平滑性や均質性の高い導体層を実現する観点からは、例えば平均アスペクト比(長径/短径比)が凡そ1〜1.5(例えば1〜1.3)の球状、楕円状、もしくは破砕状の粒子が好ましい。
The specific surface area of the particles constituting the inorganic filler component is usually 5 m 2 / g or less, typically 3 m 2 / g or less, for example, about 0.1 to 2.5 m 2 / g. Thereby, the contact area of the inorganic filler particles in the conductor layer can be reduced, and the contact resistance can be further reduced. In the present specification, the “specific surface area” means a gas adsorption amount measured by a gas adsorption method (a constant capacity adsorption method) using nitrogen (N 2 ) gas as an adsorbate, and a BET method (for example, BET1 The value (m 2 / g) analyzed by the point method.
Moreover, the shape of the particles constituting the inorganic filler component can be, for example, spherical, elliptical, crushed, fibrous or the like. From the viewpoint of realizing a conductor layer having higher smoothness and homogeneity, for example, an average aspect ratio (major axis / minor axis ratio) of approximately 1 to 1.5 (for example, 1 to 1.3), spherical, elliptical, or Crushed particles are preferred.

導体層における銅成分の含有割合は特に限定されないが、例えば、銅成分と無機フィラー成分との合計体積を100体積%としたときに、銅成分の体積比率が55体積%以上75体積%以下であるとよい。これにより、銅めっき層との接合性に優れ、かつ電気伝導性や放熱性の高い導体層を実現することができる。また、導体層における無機フィラー成分(熱膨張率調整材)の含有割合は特に限定されないが、例えば、銅成分と無機フィラー成分との合計体積を100体積%としたときに、無機フィラー成分の体積比率が25体積%以上45体積%以下であるとよい。これにより、導体層の熱膨張率を比較的小さく抑えることができ、絶縁基板との熱膨張率の整合をとることができる。その結果、剥離等の不具合を防止することができ、耐ヒートサイクル性の高い導体層を実現することができる。
なお、導体層中には、本発明の効果を著しく低減させない限りにおいて、銅成分と無機フィラー成分以外の成分(例えばこの種の分野で一般に使用され得る各種添加剤)を含んでもよい。
Although the content rate of the copper component in a conductor layer is not specifically limited, For example, when the total volume of a copper component and an inorganic filler component is 100 volume%, the volume ratio of a copper component is 55 volume% or more and 75 volume% or less. There should be. Thereby, it is possible to realize a conductor layer that is excellent in bondability with the copper plating layer and has high electrical conductivity and heat dissipation. The content ratio of the inorganic filler component (thermal expansion coefficient adjusting material) in the conductor layer is not particularly limited. For example, when the total volume of the copper component and the inorganic filler component is 100% by volume, the volume of the inorganic filler component The ratio is preferably 25% by volume or more and 45% by volume or less. Thereby, the coefficient of thermal expansion of the conductor layer can be kept relatively small, and matching of the coefficient of thermal expansion with the insulating substrate can be achieved. As a result, defects such as peeling can be prevented, and a conductor layer having high heat cycle resistance can be realized.
The conductor layer may contain components other than the copper component and the inorganic filler component (for example, various additives that can be generally used in this kind of field) as long as the effects of the present invention are not significantly reduced.

導体層のサイズや厚みは、例えば実装(接続)する半導体デバイスの寸法、高さ、間隔(配置)等を考慮して決定すればよく特に限定されないが、導電性や放熱性を確保する観点からは、できるだけ広い領域に、比較的厚めの導体層を形成することが好ましい。かかる理由から、導体層の厚みは100μm以上(典型的には120μm以上、例えば150μm以上)であるとよい。また、厚みの上限は、耐久性や作製容易性の観点から、例えば300μm以下(例えば250μm以下)であるとよい。   The size and thickness of the conductor layer may be determined in consideration of, for example, the dimensions, height, and spacing (arrangement) of the semiconductor device to be mounted (connected), but from the viewpoint of ensuring conductivity and heat dissipation. It is preferable to form a relatively thick conductor layer in as wide a region as possible. For this reason, the thickness of the conductor layer is preferably 100 μm or more (typically 120 μm or more, for example, 150 μm or more). In addition, the upper limit of the thickness is preferably, for example, 300 μm or less (for example, 250 μm or less) from the viewpoint of durability and ease of manufacture.

<実施形態>
以下、図1を参照しつつ一実施形態に係る回路基板について説明する。なお、以下の図面において、同様の作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。図面に記載の実施形態は、本発明を明瞭に説明するために必要に応じて模式化されており、実際の回路基板の寸法関係(長さ、幅、厚さ等)を必ずしも正確に反映したものではない。
<Embodiment>
Hereinafter, a circuit board according to an embodiment will be described with reference to FIG. In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. The embodiments described in the drawings are modeled as necessary to clearly explain the present invention, and do not necessarily accurately reflect the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) of the actual circuit board. It is not a thing.

図1に示す態様において、回路基板1は絶縁基板(セラミック基板)2の表面に導体パターン4を備えている。絶縁基板2の一方の表面には、予め定められた設計図に沿った導体パターン(配線回路)4が形成されている。この形態では、サイズ(長さ等)や厚みが異なり別個独立した複数(ここでは計7つ)の導体パターン4が絶縁基板2上に形成されている。各導体パターン4は、銅めっき層4aと導体層(配線層)4bから構成されている。また、絶縁基板2のもう一方の表面には、ほぼ全面に渡り1つの導体パターン(放熱層)6が形成されている。導体パターン6は、上記配線回路と同様に、銅めっき層6aと導体層6bから構成されている。
なお、導体パターンは、図1に示すように絶縁基板2の両面に備えられていてもよく、あるいは片方の表面のみに備えられていても良い。また、導体パターンは、図1の導体パターン6のように1つであってもよく、図1の導体パターン4のように複数であってもよい。また、導体パターンは、絶縁基板2の一部に備えられていてもよいし、絶縁基板2のほぼ全面に渡って備えられていてもよい。さらに、例えば耐ヒートサイクル性の向上や腐食の防止等を目的として、導体層4b、6bの表面にめっき層(例えばニッケルめっき層や金めっき層)を備えていてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 1, the circuit board 1 includes a conductor pattern 4 on the surface of an insulating substrate (ceramic substrate) 2. On one surface of the insulating substrate 2, a conductor pattern (wiring circuit) 4 is formed in accordance with a predetermined design drawing. In this embodiment, a plurality of (in this case, a total of seven) conductor patterns 4 having different sizes (lengths, etc.) and thicknesses are formed on the insulating substrate 2. Each conductor pattern 4 includes a copper plating layer 4a and a conductor layer (wiring layer) 4b. Also, one conductor pattern (heat radiation layer) 6 is formed on the other surface of the insulating substrate 2 over almost the entire surface. The conductor pattern 6 is composed of a copper plating layer 6a and a conductor layer 6b, similarly to the wiring circuit.
In addition, the conductor pattern may be provided on both surfaces of the insulating substrate 2 as shown in FIG. 1, or may be provided only on one surface. Further, the number of conductor patterns may be one as in the conductor pattern 6 in FIG. 1 or a plurality of conductor patterns as in the conductor pattern 4 in FIG. The conductor pattern may be provided on a part of the insulating substrate 2 or may be provided over almost the entire surface of the insulating substrate 2. Furthermore, for example, for the purpose of improving heat cycle resistance and preventing corrosion, a plating layer (for example, a nickel plating layer or a gold plating layer) may be provided on the surface of the conductor layers 4b and 6b.

かかる回路基板は、電気伝導性や放熱性、機械的強度等の諸特性に優れ、かつ絶縁基板と導体パターンとが強固に一体化されたものであり得る。したがって、ここに開示される回路基板は、パワー半導体等のセラミック電子材料を構成する部材として好適に用いることができる。   Such a circuit board may be excellent in various properties such as electrical conductivity, heat dissipation, and mechanical strength, and the insulating board and the conductor pattern may be firmly integrated. Therefore, the circuit board disclosed here can be suitably used as a member constituting a ceramic electronic material such as a power semiconductor.

≪回路基板の製造方法≫
このような回路基板の製造方法は特に限定されないが、例えば以下の工程:
(1)セラミックスからなる絶縁基板の表面に銅めっき処理を施すこと;
(2)銅粉末と無機フィラー粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含む導体ペーストを調製すること;
(3)上記調製した導体ペーストを銅めっき処理済みの絶縁基板上に付与すること;および
(4)上記導体ペーストを付与した絶縁基板を、不活性雰囲気中において上記熱可塑性樹脂の燃え抜け温度以上で焼成し、導体パターンを形成すること;
を包含する方法によって製造することができる。以下、各工程を順に説明する。
≪Circuit board manufacturing method≫
Although the manufacturing method of such a circuit board is not specifically limited, For example, the following processes:
(1) Applying copper plating to the surface of an insulating substrate made of ceramics;
(2) preparing a conductor paste containing copper powder, inorganic filler powder, thermoplastic resin and solvent;
(3) Applying the prepared conductive paste onto an insulating substrate that has been subjected to copper plating; and (4) Applying the insulating substrate to which the conductive paste has been applied above the burn-out temperature of the thermoplastic resin in an inert atmosphere. Fired with to form a conductor pattern;
Can be produced by a method including: Hereinafter, each process is demonstrated in order.

<1.銅めっき処理>
まず、絶縁基板の表面に銅めっき処理を施す。銅めっき処理は、例えば従来公知の一般的な無電解めっきの手法によって形成することができる。すなわち、まずパラジウム等の核形成成分によって核が形成されるように調整し、その上に無電解銅めっきを行うとよい。これにより、核形成成分が絶縁基板の表面に物理的に接合して、絶縁基板の表面に強固に固着された銅めっき層を形成することができる。なお、銅めっき処理の詳細な手順等については、後の実施例で述べる。
<1. Copper plating treatment>
First, a copper plating process is performed on the surface of the insulating substrate. The copper plating treatment can be formed, for example, by a conventionally known general electroless plating technique. That is, first, adjustment is made so that nuclei are formed by a nucleation component such as palladium, and electroless copper plating is preferably performed thereon. Thereby, the nucleation component can be physically bonded to the surface of the insulating substrate to form a copper plating layer firmly fixed to the surface of the insulating substrate. The detailed procedure of the copper plating process will be described in later examples.

<2.導体ペーストの調製>
次に、導体ペースト(銅ペースト)を調製する。導体ペーストは、典型的には、銅粉末と、無機フィラー粉末と、熱可塑性樹脂と、溶媒と、を含んでいる。そして、以下の条件(a)および(b):(a)上記無機フィラー粉末は、実質的にガラスを含まず、平均粒子径(D50)が10μm以上50μm以下であること;(b)上記導体パターンを形成したときに、該導体パターンの体積熱膨張率が12ppm/℃以下であり、電気抵抗率が20μΩ・cm未満であること;を具備することが好ましい。なお、その他の構成要素については特に限定されず、種々の用途に応じて任意に決定することができる。
<2. Preparation of conductor paste>
Next, a conductor paste (copper paste) is prepared. The conductor paste typically includes copper powder, inorganic filler powder, thermoplastic resin, and solvent. And the following conditions (a) and (b): (a) The inorganic filler powder does not substantially contain glass, and the average particle diameter (D 50 ) is 10 μm or more and 50 μm or less; (b) the above When the conductor pattern is formed, it is preferable that the conductor pattern has a volume thermal expansion coefficient of 12 ppm / ° C. or less and an electrical resistivity of less than 20 μΩ · cm. In addition, it does not specifically limit about another component, It can determine arbitrarily according to various uses.

銅粉末は、導体パターンに電気伝導性や放熱性を付与するための成分である。
なお、本明細書において「銅粉末」とは、銅(Cu)を主体とする粒子の集合体をいい、典型的には銅単体から成る粒子の集合体であるが、例えば銅を主体とする合金や銅以外の不純物を微量含むものであっても、全体として銅を主体とする粒子の集合体であればここでいう「銅粉末」に包含され得る。
Copper powder is a component for imparting electrical conductivity and heat dissipation to the conductor pattern.
In the present specification, “copper powder” refers to an aggregate of particles mainly composed of copper (Cu), and is typically an aggregate of particles composed of simple copper, for example, mainly composed of copper. Even if it contains a trace amount of impurities other than alloys and copper, it can be included in the “copper powder” as long as it is an aggregate of particles mainly composed of copper.

銅粉末を構成する粒子としては、例えば低温(500℃以下)での焼結に適した大きさ(粒子径)のものを用いるとよい。具体的には、平均粒子径が10μm以下のものが好ましく、5μm以下(例えば4μm以下)のものがより好ましい。焼成時の温度を500℃以下と従来に比べて低めに設定できることで、焼成に起因する熱収縮(熱応力による歪み)を抑えることができる。そのため、基材(ここでは銅めっき層)との密着性に優れた導体パターンを実現することができる。また、緻密性の高い導体パターンを形成することができる効果もある。下限値は特に限定されないが、取扱性や作業性等を考慮して、0.1μm以上(典型的には0.5μm以上、好ましくは1μm以上、例えば2μm以上)のものを用いるとよい。また、銅粉末を構成する粒子の形状は、例えば、球状、鱗片状、円錐状、繊維状等であり得る。なかでも、充填性がよく緻密な導体パターンを形成しやすい等の理由から、球状もしくは鱗片状の粒子が好ましく用いられる。このような平均粒子径および/または粒子形状の銅粉末を用いた導体ペーストによれば、電気伝導性や放熱性に優れた導体パターンを形成することができる。   As the particles constituting the copper powder, for example, particles having a size (particle diameter) suitable for sintering at a low temperature (500 ° C. or less) may be used. Specifically, those having an average particle size of 10 μm or less are preferable, and those having an average particle size of 5 μm or less (eg, 4 μm or less) are more preferable. Since the firing temperature can be set to 500 ° C. or lower, which is lower than the conventional temperature, thermal shrinkage (distortion due to thermal stress) caused by firing can be suppressed. Therefore, the conductor pattern excellent in adhesiveness with a base material (here copper plating layer) is realizable. In addition, there is an effect that a highly dense conductor pattern can be formed. The lower limit is not particularly limited, but in consideration of handling properties and workability, a lower limit value of 0.1 μm or more (typically 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more, for example, 2 μm or more) may be used. Moreover, the shape of the particles constituting the copper powder can be, for example, spherical, scaly, conical, fibrous or the like. Among these, spherical or scale-like particles are preferably used for reasons such as easy filling and easy formation of dense conductor patterns. According to the conductor paste using the copper powder having such an average particle diameter and / or particle shape, a conductor pattern excellent in electric conductivity and heat dissipation can be formed.

導体ペースト中の銅粉末の含有割合は特に限定されないが、典型的には導体ペースト全体の50質量%以上(例えば60質量%以上、好ましくは70質量%以上、より好ましくは75質量%以上)であって、98質量%以下(典型的には90質量%以下、例えば85質量%以下)であるとよい。これにより、導体パターンの緻密性を高めることができ、高い電気伝導性や放熱性を形成することができる。   Although the content ratio of the copper powder in the conductor paste is not particularly limited, it is typically 50% by mass or more (for example, 60% by mass or more, preferably 70% by mass or more, more preferably 75% by mass or more) of the entire conductor paste. Thus, it is good to be 98% by mass or less (typically 90% by mass or less, for example, 85% by mass or less). Thereby, the denseness of a conductor pattern can be improved and high electrical conductivity and heat dissipation can be formed.

無機フィラー粉末は、導体パターンの熱膨張率を調整するためのいわゆる熱膨張率調整材である。無機フィラー粉末としては、ガラス以外の無機物、例えば上述のようなシリカやリン酸ジルコニウム系化合物を用いるとよい。また、無機フィラー粉末を構成する粒子は、平均粒子径が10μm以上であって50μm以下であるとよい。このような無機フィラー粉末を用いることで、低抵抗かつ熱膨張率が良く抑えられた(例えば導体パターンの熱膨張率が12ppm/℃以下の)導体パターンを安定的に形成することができる。好適な一態様では、無機フィラー粉末の平均粒子径が、銅粉末の平均粒子径に比べて大きい。これにより、一層導電性の高い導体パターンを形成することができる。   The inorganic filler powder is a so-called thermal expansion coefficient adjusting material for adjusting the thermal expansion coefficient of the conductor pattern. As the inorganic filler powder, inorganic substances other than glass, for example, silica and zirconium phosphate compounds as described above may be used. The particles constituting the inorganic filler powder preferably have an average particle size of 10 μm or more and 50 μm or less. By using such an inorganic filler powder, it is possible to stably form a conductor pattern having a low resistance and a low coefficient of thermal expansion (for example, the coefficient of thermal expansion of the conductor pattern is 12 ppm / ° C. or less). In a preferred embodiment, the average particle size of the inorganic filler powder is larger than the average particle size of the copper powder. Thereby, a conductive pattern with higher conductivity can be formed.

導体ペースト中の無機フィラー粉末(熱膨張率調整材)の含有割合は、例えば形成する導体パターンの厚み等によっても異なり得るため特に限定されないが、典型的には導体ペースト全体の1質量%以上(典型的には5質量%以上、例えば10質量%以上)であって、30質量%以下(典型的には25質量%以下、例えば20質量%以下)であるとよい。また、銅粉末と無機フィラー粉末との合計体積を100体積%としたときの無機フィラー粉末の体積比率は、25体積%以上であって45体積%以下であるとよい。かかる構成によると、例えば導体パターン(典型的には導体層)を比較的厚めに形成した場合であっても、絶縁基板との熱膨張率の整合をとることができ、剥離等の不具合の発生を抑制することができる。また、無機フィラー粉末の含有割合を必要最小限に抑えることで、電気伝導性や放熱性に一層優れた導体パターンを形成することができる。   The content of the inorganic filler powder (thermal expansion coefficient adjusting material) in the conductor paste is not particularly limited because it may vary depending on, for example, the thickness of the conductor pattern to be formed, but typically 1% by mass or more of the entire conductor paste ( It is typically 5% by mass or more, for example, 10% by mass or more, and may be 30% by mass or less (typically 25% by mass or less, for example, 20% by mass or less). The volume ratio of the inorganic filler powder when the total volume of the copper powder and the inorganic filler powder is 100% by volume is preferably 25% by volume or more and 45% by volume or less. According to this configuration, for example, even when a conductive pattern (typically a conductive layer) is formed relatively thick, the thermal expansion coefficient can be matched with that of the insulating substrate, resulting in problems such as peeling. Can be suppressed. Moreover, the conductor pattern which was further excellent in electrical conductivity and heat dissipation can be formed by restraining the content rate of an inorganic filler powder to the required minimum.

熱可塑性樹脂は、導体ペーストを乾燥させた後に、該導体ペースト中の固形分(銅粉末や無機フィラー粉末)を仮固着させるための接合成分(有機バインダ成分)である。
熱可塑性樹脂としては、使用する溶媒(典型的には有機溶剤)に可溶であって、不活性ガス雰囲気中、500℃以下の低温焼成によって熱分解されて燃え抜けるものを好ましく用いることができる。好適例(およびその燃え抜け温度)としては、アクリル(250℃)、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のアクリル系樹脂(メタクリル樹脂を含む。);ポリアセタール樹脂(310℃);ポリビニルブチラ−ル(460℃)、ポリビニルアルコールとエチレンの共重合体等のポリビニルアセタール系樹脂;ポリスチレン(410℃)、アクリロニトリルとブタジエンとスチレン共重合体(ABS樹脂)等のポリスチレン系樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン(445℃)、環状オレフィン等のポリオレフィン樹脂;等が挙げられる。
The thermoplastic resin is a bonding component (organic binder component) for temporarily fixing a solid content (copper powder or inorganic filler powder) in the conductor paste after the conductor paste is dried.
As the thermoplastic resin, a resin that is soluble in the solvent to be used (typically an organic solvent) and is thermally decomposed by burning at a low temperature of 500 ° C. or lower in an inert gas atmosphere can be preferably used. . Preferable examples (and its burn-off temperature) include acrylic resins (including methacrylic resins) such as acrylic (250 ° C.), polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl acrylate; polyacetal resins (310 ° C. ); Polyvinyl acetal resins such as polyvinyl butyral (460 ° C.), copolymers of polyvinyl alcohol and ethylene; polystyrene resins such as polystyrene (410 ° C.), acrylonitrile / butadiene / styrene copolymers (ABS resin) And polyolefin resins such as polyethylene, polypropylene (445 ° C.), and cyclic olefins.

導体ペースト中の熱可塑性樹脂の含有割合は、例えば銅粉末や無機フィラー粉末の粒子径によっても異なり得るため特に限定されないが、銅粉末および無機フィラー粉末を仮固着するために必要な最小限の量まで低減することが好ましい。すなわち、導体ペースト中の熱可塑性樹脂の含有割合は、導体ペースト全体の0.1質量%以上(典型的には0.15質量%以上)であって、1質量%以下(典型的には0.5質量%以下、例えば0.3質量%以下)であるとよい。0.1質量%以上とすることで、安定的に導体パターンを形成することができる。また、1質量%以下とすることで、例えば厚みが100μm以上の導体パターンを形成した際にも、500℃以下の低温焼成によって好適に樹脂成分を燃え抜けさせることができる。その結果、導体パターン中に樹脂が残存し難くなり、接合性を確保しつつも、放熱性や電気伝導性に優れた導体パターンを形成することができる。   The content of the thermoplastic resin in the conductor paste is not particularly limited because it may vary depending on the particle size of the copper powder or the inorganic filler powder, for example, but the minimum amount necessary for temporarily fixing the copper powder and the inorganic filler powder. It is preferable to reduce to. That is, the content of the thermoplastic resin in the conductor paste is 0.1% by mass or more (typically 0.15% by mass or more) of the entire conductor paste, and 1% by mass or less (typically 0%). 0.5 mass% or less, for example, 0.3 mass% or less). A conductor pattern can be stably formed by setting it as 0.1 mass% or more. Moreover, by setting it as 1 mass% or less, for example, even when a conductor pattern having a thickness of 100 μm or more is formed, the resin component can be suitably burned out by low-temperature firing at 500 ° C. or less. As a result, it is difficult for the resin to remain in the conductor pattern, and it is possible to form a conductor pattern excellent in heat dissipation and electrical conductivity while ensuring the bonding property.

溶媒は、ここに開示される導体ペーストの構成成分(すなわち、固形分としての銅粉末と無機フィラー粉末と熱可塑性樹脂)を溶解または分散させるものであると同時に、溶媒の粘度を向上させて塗工時のダレや滲み等を防止する役割をも併せ持つ。導体ペーストは、回路基板の導体パターンを形成するために用いられるため、ペースト状(インク状、スラリー状を包含する。)に調製することで、作業性や成形性を向上させることができ、均質な導体パターンを安定的に形成することが可能となる。   The solvent dissolves or disperses the constituent components of the conductor paste disclosed herein (that is, copper powder, inorganic filler powder, and thermoplastic resin as a solid content), and at the same time, improves the viscosity of the solvent and applies the solvent. It also has the role of preventing sagging and bleeding during construction. Since the conductive paste is used to form a conductive pattern on a circuit board, workability and formability can be improved by preparing it in a paste form (including ink form and slurry form). It is possible to stably form a conductive pattern.

溶媒としては、20℃における粘度が200〜2000mPa・s(例えば250〜1700mPa・s)の高粘性有機溶媒を好ましく用いることができる。これにより、上記熱可塑性樹脂の低減に伴う導体ペーストの粘性の低下を補うことができ、塗工不良や接合不良等の不具合を好適に防止することができる。高粘性有機溶媒としては、少なくとも1種のポリオール類(例えばジオール類やトリオール類)を含む有機溶媒を好ましく用いることができる。具体例(およびその粘度)として、オクタンジオール(271mPa・s)や日香MARS(1650mPa・s)が挙げられる。日香MARSは、日本香料薬品株式会社製の溶剤であり、2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオール、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオール等の異性体の混合物である。
なお、本明細書において「粘度」とは、液温が20℃の状態において一般的な粘度計を用いて測定した値をいう。例えば、平行円板型回転粘度計(B型粘度計)を用いて、ローターの回転速度20rpmで測定した値をいう。
As the solvent, a highly viscous organic solvent having a viscosity at 20 ° C. of 200 to 2000 mPa · s (for example, 250 to 1700 mPa · s) can be preferably used. Thereby, the fall of the viscosity of the conductor paste accompanying the reduction | decrease of the said thermoplastic resin can be compensated, and malfunctions, such as a coating defect and a joining defect, can be prevented suitably. As the highly viscous organic solvent, an organic solvent containing at least one polyol (for example, diols or triols) can be preferably used. Specific examples (and their viscosities) include octanediol (271 mPa · s) and Nika MARS (1650 mPa · s). NAKAMA MARS is a solvent manufactured by Nippon Kayaku Yakuhin Co., Ltd., and is a mixture of isomers such as 2,4-diethyl-1,5-pentanediol and 2-butyl-2-ethyl-1,3-propanediol. is there.
In the present specification, “viscosity” refers to a value measured using a general viscometer when the liquid temperature is 20 ° C. For example, it means a value measured using a parallel disk type rotational viscometer (B type viscometer) at a rotational speed of the rotor of 20 rpm.

使用する溶媒の量は、上記構成成分を均質に溶解または分散させ得る量であって、例えば形成する導体パターンの厚み等を考慮して塗工に適した粘度となるよう調整すればよい。導体ペースト中の溶媒の含有割合は特に限定されないが、典型的には導体ペースト全体の0.1質量%以上(典型的には1質量%以上、例えば5質量%以上)であって、20質量%以下(典型的には15質量%以下、例えば10質量%以下)であるとよい。
さらに、導体ペースト中に上記熱可塑性樹脂と溶媒の総和が占める割合を、10質量%以下(典型的には、1〜10質量%、例えば5〜10質量%)とすることが好ましい。このように銅粉末と無機フィラー粉末の占める割合を高めることで、例えば厚みが100μm以上の導体パターンでも、緻密にかつ安定的に形成することができる。
The amount of the solvent to be used is an amount that can uniformly dissolve or disperse the above components, and may be adjusted so as to have a viscosity suitable for coating in consideration of, for example, the thickness of the conductor pattern to be formed. The content of the solvent in the conductor paste is not particularly limited, but is typically 0.1% by mass or more (typically 1% by mass or more, for example, 5% by mass or more) of the entire conductor paste, and is 20% by mass. % Or less (typically 15% by mass or less, for example, 10% by mass or less).
Furthermore, the ratio of the total of the thermoplastic resin and the solvent in the conductor paste is preferably 10% by mass or less (typically 1 to 10% by mass, for example, 5 to 10% by mass). Thus, by increasing the ratio of the copper powder and the inorganic filler powder, even a conductor pattern having a thickness of 100 μm or more can be densely and stably formed.

なお、導体ペーストには、該導体ペーストを適した性状(例えば粘性やpH、接合強度等)に調整すること等を目的として、上記主要構成成分に加えて各種の添加剤を添加しても良い。かかる添加剤の一例を挙げると、界面活性剤、消泡剤、可塑剤、増粘剤、酸化防止剤、分散剤、pH調整剤、防腐剤、着色剤等がある。   Note that various additives may be added to the conductor paste in addition to the main constituent components for the purpose of adjusting the conductor paste to suitable properties (for example, viscosity, pH, bonding strength, etc.). . Examples of such additives include surfactants, antifoaming agents, plasticizers, thickeners, antioxidants, dispersants, pH adjusters, preservatives, colorants and the like.

上記構成成分(例えば銅粉末と無機フィラー粉末と熱可塑性樹脂と溶媒)を所定の割合で調合し、従来公知の分散・混練手法(例えば、ロールミル、ミキサー等)で混練することにより、導体ペースト(銅ペースト)を調製することができる。このように調製された導体ペーストは、従来に比べ低い温度(典型的には500℃以下、例えば400〜500℃)で焼結可能であり、電気伝導性や放熱性、耐にヒートサイクル性に優れる導体パターンを実現可能なことを特徴とする。したがって、セラミックスからなる絶縁基板上に配線回路や放熱層を形成する用途で好ましく用いることができる。   The above-described components (for example, copper powder, inorganic filler powder, thermoplastic resin and solvent) are prepared at a predetermined ratio, and kneaded by a conventionally known dispersion / kneading technique (for example, a roll mill, a mixer, etc.), thereby producing a conductive paste ( Copper paste) can be prepared. The conductive paste thus prepared can be sintered at a lower temperature (typically 500 ° C. or lower, for example, 400 to 500 ° C.) compared to the conventional one, and has electrical conductivity, heat dissipation, and heat cycle resistance. It is characterized in that an excellent conductor pattern can be realized. Therefore, it can be preferably used for the purpose of forming a wiring circuit or a heat dissipation layer on an insulating substrate made of ceramics.

<3.導体ペーストの付与>
次に、銅めっき処理済みの絶縁基板の表面に、上記導体ペーストを付与する。導体ペーストの付与(典型的には塗工)には、従来公知の手法(例えば、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、グラビア印刷法、ドクターブレード法、ディスペンサー塗布法、ディップ塗布法、インクジェット法等)を用いることができる。なかでも、印刷法を好ましく採用することができる。印刷法を用いることで、例えば複雑な形状の(例えば厚みやサイズの異なる)配線パターンに対応した塗工を、簡便かつ精度良く行うことができる。
<3. Application of conductor paste>
Next, the conductor paste is applied to the surface of the insulating substrate that has been subjected to copper plating. Conventionally known methods (for example, screen printing method, metal mask printing method, gravure printing method, doctor blade method, dispenser coating method, dip coating method, ink jet method, etc.) are applied to conductor paste (typically coating). ) Can be used. Of these, the printing method can be preferably employed. By using the printing method, for example, coating corresponding to a wiring pattern having a complicated shape (for example, having a different thickness or size) can be performed easily and accurately.

<4.焼成>
次に、典型的には、上記付与した導体ペーストを適当な温度(典型的には30〜150℃、例えば80〜120℃)で予備乾燥させる。
その後、導体ペースト中の銅が十分に焼結され得る温度で所定時間、焼成を行う。焼成温度は、使用する熱可塑性樹脂が燃え抜ける温度より高く設定する。好適には、比較的低温、例えば、熱可塑性樹脂の燃え抜け温度以上であって500℃以下(典型的には350〜500℃、例えば400〜500℃)に設定する。これにより、焼成時の熱収縮(熱応力による歪み)を最小限に抑えることができる。また、焼成時間は、通常凡そ0.1〜5時間程度(典型的には0.5〜3時間)とするとよい。また、焼成時の雰囲気は、銅の酸化を防止する観点から、不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。ここで不活性ガス雰囲気とは、酸素および炭化水素ガスを実質的に含まない雰囲気として規定できる。典型的な雰囲気ガスとして、窒素ガス、アルゴンやヘリウム等の希ガスが挙げられる。
これにより、導体ペースト中の熱可塑性樹脂と溶媒は、焼成によってほぼ完全に燃え抜ける。同時に、銅成分が焼結して、銅めっき層の表面に導体層が強固に固着される。なお、上記焼成温度の範囲では、無機フィラー成分には組成や性状の変化(例えば軟化等)は生じないため、導体ペーストに含有される材料の状態と同等の性状を保っている。
<4. Firing>
Next, the applied conductor paste is typically pre-dried at an appropriate temperature (typically 30 to 150 ° C., for example 80 to 120 ° C.).
Thereafter, firing is performed for a predetermined time at a temperature at which the copper in the conductor paste can be sufficiently sintered. The firing temperature is set higher than the temperature at which the thermoplastic resin used burns out. Preferably, the temperature is set at a relatively low temperature, for example, not less than the burn-out temperature of the thermoplastic resin and not more than 500 ° C. (typically 350 to 500 ° C., for example, 400 to 500 ° C.). Thereby, the thermal contraction (distortion by a thermal stress) at the time of baking can be suppressed to the minimum. The firing time is usually about 0.1 to 5 hours (typically 0.5 to 3 hours). The atmosphere during firing is preferably an inert gas atmosphere from the viewpoint of preventing copper oxidation. Here, the inert gas atmosphere can be defined as an atmosphere substantially free of oxygen and hydrocarbon gas. Typical atmospheric gases include nitrogen gas and rare gases such as argon and helium.
Thereby, the thermoplastic resin and the solvent in the conductor paste are almost completely burned out by firing. At the same time, the copper component is sintered, and the conductor layer is firmly fixed to the surface of the copper plating layer. In addition, in the range of the said calcination temperature, since a change of a composition or a property (for example, softening etc.) does not arise in an inorganic filler component, the property equivalent to the state of the material contained in a conductor paste is maintained.

次に、典型的には、焼成後の基板にエッチング処理を施す。エッチング処理は、従来公知の一般的な手法によって行うことができる。すなわち、導体ペーストが付与・焼成されなかった部分(導体パターンの非形成部)に付着している銅めっき(詳細には銅めっき中のパラジウム成分)を除去する。これにより、例えば導体層の表面に他のめっき処理(例えばニッケルー金めっき処理)を施す場合にも、導体パターンの非形成部にめっき層が成長することを防止し得、耐電圧の低下を防ぐことができる。
さらに、耐ヒートサイクル性の向上や腐食の防止等を目的として、導体層の表面に再度めっき処理(例えばニッケルめっきや金めっき)を施すこともできる。
Next, typically, the substrate after baking is subjected to an etching process. The etching process can be performed by a conventionally known general method. That is, the copper plating (specifically, the palladium component in the copper plating) adhering to the portion (conductor pattern non-formed portion) where the conductor paste has not been applied / fired is removed. Accordingly, for example, even when other plating treatment (for example, nickel-gold plating treatment) is performed on the surface of the conductor layer, the plating layer can be prevented from growing on the non-formation portion of the conductor pattern, and the withstand voltage can be prevented from being lowered. be able to.
Furthermore, for the purpose of improving heat cycle resistance and preventing corrosion, the surface of the conductor layer can be subjected to plating treatment (for example, nickel plating or gold plating) again.

このような方法により、セラミックスからなる絶縁基板の表面に、銅めっき層と、実質的に銅成分と無機フィラー成分からなる導体層とが、この順に形成されてなる回路基板を好適に製造することができる。
かかる導体層の体積熱膨張率は、12ppm/℃以下(例えば9〜11.5ppm/℃)であり得る。また、銅めっき層と導体層とからなる導体パターンの電気抵抗率は、20μΩ・cm未満(好ましくは15μΩ・cm以下)であり得る。
By such a method, a circuit board in which a copper plating layer and a conductor layer substantially consisting of a copper component and an inorganic filler component are formed in this order on the surface of an insulating substrate made of ceramics is suitably manufactured. Can do.
The volume thermal expansion coefficient of such a conductor layer may be 12 ppm / ° C. or less (for example, 9 to 11.5 ppm / ° C.). In addition, the electrical resistivity of the conductor pattern composed of the copper plating layer and the conductor layer may be less than 20 μΩ · cm (preferably 15 μΩ · cm or less).

なお、ここに示した製造方法では、導体ペーストを調製し、該導体ペーストを銅めっき層の表面に付与することで導体層を形成しているが、かかる態様には限定されない。費用や製造安定性を勘案し、例えば、無電解銅めっきのパターン上に、電解複合めっき(銅めっき中に無機フィラーが分散された状態を作るめっき方法)を施すことによって、導体層を形成することもできる。特に比較的厚めの導体層を形成する場合には、めっき速度が求められるため、作業効率の観点からいって、無電解銅めっきより電解めっきのほうが有利である。   In addition, in the manufacturing method shown here, although the conductor layer is formed by preparing conductor paste and providing this conductor paste on the surface of a copper plating layer, it is not limited to this aspect. In consideration of cost and manufacturing stability, for example, a conductive layer is formed by performing electrolytic composite plating (plating method that creates a state in which inorganic filler is dispersed in copper plating) on an electroless copper plating pattern. You can also. In particular, when a relatively thick conductor layer is formed, the plating rate is required, so that electrolytic plating is more advantageous than electroless copper plating from the viewpoint of work efficiency.

以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明を以下の実施例に示すものに限定することを意図したものではない。   EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the following examples.

ここでは、絶縁基板上に導体パターンを形成し、基板と導体パターンとの接合性、および、導体パターンの電気的特性について評価した。
具体的には、まず、市販の窒化ケイ素基板(三菱マテリアル製)に無電解銅めっき処理を施した。無電解銅めっきの条件を、表1に示す。これにより、窒化ケイ素基板の表面全体に平均厚さ1.5μmの銅めっき層を形成した。
Here, a conductor pattern was formed on an insulating substrate, and the bondability between the substrate and the conductor pattern and the electrical characteristics of the conductor pattern were evaluated.
Specifically, first, an electroless copper plating process was performed on a commercially available silicon nitride substrate (manufactured by Mitsubishi Materials). Table 1 shows the conditions for electroless copper plating. Thereby, a copper plating layer having an average thickness of 1.5 μm was formed on the entire surface of the silicon nitride substrate.

Figure 0006199778
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次に、表2に示す銅粉末と無機フィラー粉末(F1〜F4)と熱可塑性樹脂と溶媒とを準備した。これらの材料を、表4に示す割合でそれぞれ混合して導体ペースト(S1〜S13)を調製した。   Next, the copper powder, the inorganic filler powder (F1 to F4), the thermoplastic resin, and the solvent shown in Table 2 were prepared. These materials were mixed at the ratios shown in Table 4 to prepare conductor pastes (S1 to S13).

Figure 0006199778
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次に、上記調製した導体ペースト(S1〜S13)を、上記銅めっき層付きの窒化ケイ素基板の表面に、ドクターブレード法によって孔版印刷した。印刷パターンは、30mm×30mmの方形で、印刷厚み(メタルマスク穴)を0.18mmとした。   Next, the prepared conductor paste (S1 to S13) was stencil printed on the surface of the silicon nitride substrate with the copper plating layer by a doctor blade method. The printing pattern was a 30 mm × 30 mm square, and the printing thickness (metal mask hole) was 0.18 mm.

次に、上記導体パターン付きの窒化ケイ素基板をホットプレート上で加熱乾燥(120℃、3時間)した後、窒素ガス雰囲気中、500℃で1時間焼成した。これにより、上記銅めっき層の表面に、凡そ100〜150μmの導体パターンを形成した。
そして、エッチングによって窒化ケイ素基板上の無電解銅めっきを除去した。エッチングの条件を、表3に示す。
Next, the silicon nitride substrate with the conductor pattern was heated and dried (120 ° C., 3 hours) on a hot plate, and then baked at 500 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere. As a result, a conductor pattern of about 100 to 150 μm was formed on the surface of the copper plating layer.
Then, the electroless copper plating on the silicon nitride substrate was removed by etching. Table 3 shows the etching conditions.

Figure 0006199778
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ここではさらに耐ヒートサイクル性を持たせるために、導体層をニッケルめっきと金めっきで被覆した。これにより、窒化ケイ素基板の表面に、銅めっき層と導体層とニッケルー金めっきとをこの順で備えた回路基板(例1〜例13)を作製した。
使用した無機フィラー粉末の性状について表4に纏める。なお、表4中の「D10」、「D50」および「D90」は、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定によって測定した体積基準の粒度分布において、それぞれ微粒子側から累積10%、累積50%、累積90%に相当する粒子径である。また、「体積比率」とは、銅粉末と無機フィラー粉末との合計体積を100体積%としたときに、無機フィラー粉末の占める体積割合である。
Here, in order to further provide heat cycle resistance, the conductor layer was coated with nickel plating and gold plating. Thereby, the circuit board (Example 1- Example 13) provided with the copper plating layer, the conductor layer, and nickel-gold plating in this order on the surface of the silicon nitride substrate was produced.
The properties of the used inorganic filler powder are summarized in Table 4. In Table 4, “D 10 ”, “D 50 ”, and “D 90 ” are the volume-based particle size distribution measured by particle size distribution measurement based on a general laser diffraction / light scattering method, respectively, from the fine particle side. The particle diameter corresponds to 10% cumulative, 50% cumulative, and 90% cumulative. The “volume ratio” is the volume ratio occupied by the inorganic filler powder when the total volume of the copper powder and the inorganic filler powder is 100% by volume.

[電気的特性]
上記得られた回路基板(例1〜例7)の導体層について、株式会社三菱化学アナリテック製の抵抗率計(型式:ロレスタGP MCP−T610)を用いて4端子4探針法で電気抵抗率を測定した。結果を表4の「電気抵抗率」の欄に示す。
[Electrical characteristics]
About the conductor layer of the obtained circuit boards (Examples 1 to 7), electric resistance was measured by a 4-terminal 4-probe method using a resistivity meter (model: Loresta GP MCP-T610) manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd. The rate was measured. The results are shown in the column “Electric resistivity” in Table 4.

[接合性]
上記回路基板(例1〜例7)について、−40〜250℃の間でヒートサイクルを200回繰り返した後、接合性を評価した。具体的には、外観上から(目視で)歪みや割れ等の不具合がないかを確認した後、ピンセットで基板から導体パターンを剥がせるか否かを確認し、基板と導体パターンとの機械的な接合性を評価した。
結果を表4の「接合性」の欄に示す。なお、表4において「○」は、ヒートサイクル後も導体パターンに歪みや割れ等の外観上の不具合が確認されず、かつ両者が良好に接合されていたことを、「×」はヒートサイクル後に外観上の不具合が確認された、および/または両者が剥離していたこと、を表している。
[Jointability]
About the said circuit board (Example 1- Example 7), after repeating a heat cycle 200 times between -40-250 degreeC, bondability was evaluated. Specifically, after confirming from the appearance (visually) that there are no defects such as distortion or cracking, it is confirmed whether the conductor pattern can be peeled off the substrate with tweezers, and the mechanical relationship between the substrate and the conductor pattern is confirmed. The joint property was evaluated.
The results are shown in the column of “Jointability” in Table 4. In Table 4, “◯” indicates that no defects in appearance such as distortion or cracking were observed in the conductor pattern even after the heat cycle, and that both were well bonded. This indicates that a defect in appearance was confirmed and / or that both were separated.

Figure 0006199778
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表4に示すように、無機フィラーとして平均粒子径が凡そ22μmの球状シリカを用いた例1および例2では、基板と導体パターンとの接合性が高く、かつ電気抵抗率が20μΩ・cmを下回っていた。
これに対し、無機フィラー(球状シリカ)の含有割合を20体積%まで減らした例7では、電気抵抗率は低減したが、ヒートサイクル後に導体パターンの剥離が認められた。これは、球状シリカの割合を減少させたことで、導体パターンの熱膨張率が13ppm/℃以上と高くなり、窒化ケイ素基板との熱膨張の整合性がとれなくなったためと考えられる。また逆に、無機フィラー(球状シリカ)の含有割合を50体積%まで増やした例8では、耐ヒートサイクル特性には優れていたが、電気抵抗率は20μΩ・cmを下回ることができなかった。
As shown in Table 4, in Examples 1 and 2 in which spherical silica having an average particle diameter of about 22 μm was used as the inorganic filler, the bondability between the substrate and the conductor pattern was high and the electrical resistivity was less than 20 μΩ · cm. It was.
On the other hand, in Example 7 in which the content of the inorganic filler (spherical silica) was reduced to 20% by volume, the electrical resistivity was reduced, but peeling of the conductor pattern was observed after the heat cycle. This is presumably because the thermal expansion coefficient of the conductor pattern was as high as 13 ppm / ° C. or higher due to the reduction in the proportion of spherical silica, and the thermal expansion consistency with the silicon nitride substrate could not be obtained. Conversely, in Example 8 in which the content of the inorganic filler (spherical silica) was increased to 50% by volume, the heat cycle resistance was excellent, but the electrical resistivity could not fall below 20 μΩ · cm.

無機フィラーとして平均粒子径が凡そ11μmの破砕状リン酸タングステン酸ジルコニウム(ZWP)を用いた例3〜例5では、基板と導体パターンとの接合性が高く、かつ電気抵抗率が20μΩ・cmを下回っていた。また、無機フィラーの含有割合が同程度の例1と例4、または、例2と例5を比較すると、ZWPを用いた例4および例5のほうがより低い電気抵抗率を実現することができた。これは、ZWP自身の体積熱膨張率が球状シリカに比べて小さいために、少ない割合で同程度の体積熱膨張率を実現することができたためと考えられる。
これに対して、例7の場合と同様にZWPの割合を21体積%まで減らした例9では、導体パターンの熱膨張率が12.5ppm/℃と高くなり、ヒートサイクル後に導体パターンの剥離が認められた。
In Examples 3 to 5 in which crushed zirconium tungstate phosphate (ZWP) having an average particle diameter of approximately 11 μm is used as the inorganic filler, the bondability between the substrate and the conductor pattern is high and the electrical resistivity is 20 μΩ · cm. It was below. Moreover, when Example 1 and Example 4 or Example 2 and Example 5 with the same content rate of an inorganic filler are compared, Example 4 and Example 5 using ZWP can implement | achieve a lower electrical resistivity. It was. This is considered to be because the volume thermal expansion coefficient of ZWP itself was smaller than that of spherical silica, so that the same volume thermal expansion coefficient could be realized with a small proportion.
On the other hand, in Example 9 where the ZWP ratio was reduced to 21% by volume as in Example 7, the coefficient of thermal expansion of the conductor pattern was as high as 12.5 ppm / ° C, and the conductor pattern was peeled off after the heat cycle. Admitted.

無機フィラーとして平均粒子径が凡そ3μmの球状シリカを用いた例10〜例13では、無機フィラー含有割合が同程度のものと比べて電気抵抗率が大きかった。これは、体積占有率が同等であっても、導体層中の無機フィラー粒子の数が増えたことで該粒子同士の接触の数が増え、接触抵抗が増大したためと考えられる。さらに、例10〜例12では、接合性(耐ヒートサイクル)も悪かった。これは、導体層中の無機フィラー粒子の数が増えたことで、粒子の接点が増えたためと考えられる。
これを裏付けるように、無機フィラーとして平均粒子径が凡そ37μmの球状シリカ(F1の微粒子カット品)を用いた例6では、例1に比べてさらに電気抵抗率を低減することができた。
これらの結果は、ここに開示される発明の技術的意義を裏付けるものである。
In Examples 10 to 13, in which spherical silica having an average particle diameter of about 3 μm was used as the inorganic filler, the electrical resistivity was higher than that of the inorganic filler having the same content ratio. This is presumably because even though the volume occupation ratio was the same, the number of inorganic filler particles in the conductor layer increased, so that the number of contacts between the particles increased and the contact resistance increased. Furthermore, in Examples 10 to 12, the bondability (heat cycle resistance) was also poor. This is probably because the number of inorganic filler particles in the conductor layer has increased, and the number of contact points of the particles has increased.
To support this, in Example 6 using spherical silica (F1 fine particle cut product) having an average particle diameter of approximately 37 μm as the inorganic filler, the electrical resistivity could be further reduced as compared with Example 1.
These results support the technical significance of the invention disclosed herein.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

1 回路基板(配線基板)
2 絶縁基板(セラミック基板)
4 導体パターン(配線回路)
4a 銅めっき層
4b 導体層(配線層)
6 導体パターン(放熱層)
6a 銅めっき層
6b 導体層
1 Circuit board (wiring board)
2 Insulating substrate (ceramic substrate)
4 Conductor pattern (wiring circuit)
4a Copper plating layer 4b Conductor layer (wiring layer)
6 Conductor pattern (heat dissipation layer)
6a Copper plating layer 6b Conductor layer

Claims (10)

セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面に形成されたガラスレスの導体パターンと、を備える回路基板であって、
前記導体パターンは、前記絶縁基板に接する銅めっき層と、該銅めっき層上に形成された導体層とを備え、
前記導体層は、銅成分と、無機フィラー成分と、を含み、
前記無機フィラー成分は、実質的にガラスを含まず、平均粒子径が10μm以上50μm以下の粒子で構成されており、
前記導体層の体積熱膨張率が12ppm/℃以下であり、
前記導体パターンの電気抵抗率が20μΩ・cm未満である、回路基板。
A circuit board comprising an insulating substrate made of ceramics, and a glassless conductor pattern formed on the surface of the insulating substrate,
The conductor pattern includes a copper plating layer in contact with the insulating substrate, and a conductor layer formed on the copper plating layer,
The conductor layer includes a copper component and an inorganic filler component,
The inorganic filler component is substantially free of glass and is composed of particles having an average particle diameter of 10 μm or more and 50 μm or less,
The volume thermal expansion coefficient of the conductor layer is 12 ppm / ° C. or less,
The circuit board whose electrical resistivity of the said conductor pattern is less than 20 microhm * cm.
前記銅成分と前記無機フィラー成分との合計体積を100体積%としたときに、前記無機フィラー成分の体積比率が25体積%以上45体積%以下である、請求項1に記載の回路基板。   The circuit board according to claim 1, wherein a volume ratio of the inorganic filler component is 25% by volume or more and 45% by volume or less when a total volume of the copper component and the inorganic filler component is 100% by volume. 前記銅成分は、1μm以上10μm以下の平均粒子径の銅粉末が焼結してなる、請求項1または2に記載の回路基板。   The circuit board according to claim 1, wherein the copper component is obtained by sintering copper powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 10 μm or less. 前記絶縁基板が窒化ケイ素基板である、請求項1から3のいずれか1項に記載の回路基板。   The circuit board according to claim 1, wherein the insulating substrate is a silicon nitride substrate. 前記銅めっき層の平均厚みが2μm以下である、請求項1から4のいずれか1項に記載の回路基板。   The circuit board according to claim 1, wherein an average thickness of the copper plating layer is 2 μm or less. 前記導体層の平均厚みが100μm以上300μm以下である、請求項1から5のいずれか1項に記載の回路基板。   The circuit board according to claim 1, wherein an average thickness of the conductor layer is 100 μm or more and 300 μm or less. 前記無機フィラーが、シリカおよび/またはリン酸タングステン酸ジルコニウムである、請求項1から6のいずれか1項に記載の回路基板。   The circuit board according to claim 1, wherein the inorganic filler is silica and / or zirconium tungstate phosphate. ガラスレスの導体パターンを形成するための回路基板用の導体ペーストであって、
銅粉末と、無機フィラー粉末と、熱可塑性樹脂と、溶媒と、を含み、
前記無機フィラー粉末は、実質的にガラスを含まず、平均粒子径が10μm以上50μm以下であり、
前記導体パターンを形成したときに、該導体パターンの体積熱膨張率が12ppm/℃以下であり電気抵抗率が20μΩ・cm未満であることを実現する、導体ペースト。
A conductor paste for a circuit board for forming a glassless conductor pattern,
Including copper powder, inorganic filler powder, thermoplastic resin, and solvent,
The inorganic filler powder is substantially free of glass and has an average particle size of 10 μm or more and 50 μm or less,
A conductor paste that realizes that when the conductor pattern is formed, the conductor pattern has a volume thermal expansion coefficient of 12 ppm / ° C. or less and an electrical resistivity of less than 20 μΩ · cm.
前記銅粉末と前記無機フィラー粉末との合計体積を100体積%としたときに、前記無機フィラー粉末の体積比率が25体積%以上45体積%以下である、請求項8に記載の導体ペースト。   The conductor paste according to claim 8, wherein a volume ratio of the inorganic filler powder is 25% by volume or more and 45% by volume or less when a total volume of the copper powder and the inorganic filler powder is 100% by volume. 前記銅粉末の平均粒子径が1μm以上10μm以下である、請求項8または9に記載の導体ペースト。   The conductor paste of Claim 8 or 9 whose average particle diameter of the said copper powder is 1 micrometer or more and 10 micrometers or less.
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