JP6294784B2

JP6294784B2 - 接続構造体およびその製造方法

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Publication number: JP6294784B2
Application number: JP2014155856A
Authority: JP
Inventors: 岩下　徹幸; 徹幸岩下; 藤原　英道; 英道藤原
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: JP2016033941A

Description

本発明は、基板上に形成された導体の電気的接続を実現する接続構造体およびその製造方法に関する。

従来、電気回路基板の製造工程において、ペースト印刷による導通部形成が行われている。ペースト材料としては、これまでＡｇペーストが用いられてきたものの、微細配線、薄層積層基板等ではＡｇのイオンマイグレーションが問題となり、現在、Ｃｕペーストの検討が進められている。このとき、基材となる有機基板や無機基板へのペーストの密着性が重要な特性となる。また、層間接続においてはビア接続部あるいはスルーホール接続部と電極間の接続、層内接続では電極−電極接続でペーストと電極との接合性が重要な特性となる。従って、通常、有機基板や無機基板への密着性を高めるため、ペーストに有機系バインダーを配合することが行われる。このとき、基板への密着性は高められるものの、有機系バインダーの残留により、良好な導電性を得ることができなかった。

このような問題を解消するべく、有機系バインダーを含まないか、あるいは有機系バインダーの添加量が少ないペーストを使用し、有機基板や無機基板への印刷を行う方法が提案されている（特許文献１）。

特開２０１２−１８７８３号公報

しかしながら、上記従来の方法においては、有機系バインダーや硬化剤の添加量を減らすことで、ペーストの基板への密着性を犠牲にして、導電性を改善しているが、本方法では密着性と導電性がトレードオフ関係にあるため、改善効果は限定的である。そこで、有機系バインダーを使用せずに、基板密着性および導電性を同時に改善する技術が求められている。

本発明の目的は、層間や電極間での良好な電気的接続性を維持しつつ、基板に対する密着性を向上することができ、信頼性の高い接続を実現することができる接続構造体およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の接続構造体は、基板上に配置され、回路の少なくとも一部を形成する銅導体と、前記銅導体間を接続する銅焼結体とを備え、前記銅焼結体は、前記基板側から厚さ方向に向かって空隙率が大きくなるよう変化する構造を有することを特徴とする。

前記銅焼結体は、前記基板に当接して形成された内部層と、前記内部層よりも厚さ方向において前記基板から離れた位置に形成された外部層とを有し、前記内部層の空隙率は、前記外部層の空隙率より小さいことが好ましい。

また、前記内部層の空隙率は２０％未満であり、前記外部層の空隙率は２０％以上であることが好ましい。

さらに、前記銅焼結体の厚さに対する前記内部層の厚さの比率は、５〜５０％であることが好ましい。

本発明に係る接続構造体の製造方法は、基板上に、回路の少なくとも一部を形成する銅導体を配置する工程と、前記銅導体間に、銅粒子を含有したペーストを塗布する工程と、前記基板に光を照射して前記ペーストを乾燥させる工程と、乾燥したペーストに光を照射して前記銅粒子を焼結させる工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、銅焼結体は、基板側から厚さ方向に向かって空隙率が大きくなるよう変化する構造を有しているため、銅焼結体に割れが発生せず、良好な電気的接続性を維持することができる。また、基板側において銅焼結体の空隙率が小さく、基板密着性を向上させることができる。したがって、層間あるいは電極間で信頼性の高い接続を実現することができる。

本実施形態に係る接続構造体を概略的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は線Ａ−Ａに沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る接続構造体の構成を概略的に示す平面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は線Ａ−Ａに沿う断面図である。

図１（ａ）に示すように、接続構造体は、基板１上に配置され、回路の一部を形成する２つの銅導体２，２と、２つの銅導体２，２間を接続する銅焼結体３とを備えている。

基板１は、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの有機基板、あるいはガラス（例えば、ホウケイ酸ガラス・アルミノホウケイ酸ガラス・アルミノケイ酸ガラス）などの無機基板である。

銅導体２は、基板上に所定距離を隔てて形成されている。銅導体２の厚さは、例えば５μｍ〜４０μｍである。また、銅導体２の幅は、例えば１０μｍ〜１５０μｍである。なお、銅導体２は銅又は銅合金からなる導体である。

銅焼結体３は、２つの銅導体２，２を電気的に接続する略長尺の銅又は銅合金を含有する焼結体であり、後述する銅微粒子を含有するペーストを所定位置に塗布した後、乾燥、焼成することにより形成される。この銅焼結体３の厚さは、５μｍ〜４０μｍであることが好ましい。

具体的に、銅焼結体３は、図１（ｂ）に示すように、基板１上に形成される内部層３１と、内部層３１上に形成される外部層３２とを有している。図１（ｂ）では、説明の便宜上、外部層３１と内部層３２の境界を直線で示しているが、実際には、境界は明確には現れない。内部層３１と外部層３２とは、空隙率が異なり、内部層３１の空隙率は、外部層３２の空隙率より小さい。すなわち、銅焼結体３は、基板１側から厚さ方向に向かって空隙率が非連続的に大きくなるよう変化する構造を有している。内部層３１は、粗に焼結した組織から構成され、外部層３２は、密に焼結した組織から構成されている。

内部層３１の空隙率は２０％未満であることが好ましい。内部層３１の空隙率が２０％未満であることにより、高い基板密着性が期待できる。また、外部層３２の空隙率は２０％以上であることが好ましい。外部層３２の空隙率が２０％以上であることにより、材料の弾性率が低くなるため、接続時に、屈曲変形による歪を緩和することが可能となる。なお、空隙率は、銅焼結体の断面画像を２値化処理することにより算出することができる。

銅焼結体３の厚さに対する内部層３１の厚さの比率は、５〜５０％であることが好ましい。比率が５％未満であると、十分な密着性や低い抵抗値が得られにくくなる。一方、比率が５０％以上であると、外部層の空隙率が２０％付近である場合には、接続時に、屈曲変形に緩和よる歪みが緩和され難くなる。具体的に、銅焼結体３の厚さは、５μｍ〜４０μｍである場合には、内部層３１の厚さは、２．５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。また、外部層３２の厚さは、２．５μｍ〜３８μｍであることが好ましい。

本実施形態に係る接続構造体の製造方法は、基板１上に、回路の少なくとも一部を形成する複数の銅導体２を配置する工程と、複数の銅導体２，２間に、銅粒子を含有したペーストを塗布する工程と、基板１に光を照射してペーストを乾燥させる工程と、乾燥したペーストに光を照射して銅粒子を焼結させる工程と、を備える。

本実施形態に係る接続構造体の製造方法では、まず、基板１上に、複数の銅導体２を、例えば、３０μｍ〜１５０μｍの間隔を開けて配置する。

次に、複数の銅導体２，２間に、銅粒子を含有したペースト（銅微粒子含有ペースト）を塗布する。銅微粒子含有ペーストを塗布する方法は、特に限定されないが、例えば、スピンコート法、インクジェット法、微少液滴塗布法、スプレー塗布法等が挙げられる。

銅微粒子含有ペーストは、主に、銅微粒子と分散媒から構成される。銅微粒子は、銅又は銅合金の微粒子であって、平均粒径（一次粒子の平均粒径）は、５ｎｍ〜２００ｎｍである。なお、一次粒子の平均粒径とは、二次粒子を構成する個々の銅微粒子の一次粒子の直径を意味する。一次粒子の直径は、電子顕微鏡を用いて測定することができる。また、平均粒径とは、一次粒子の数平均粒子径を意味する。

銅微粒子は、表面に酸化処理が施されており、Ｘ線回折測定においてＣｕ（１１１）面のピーク高さをＨ_１、Ｃｕ_２Ｏ（１１１）面のピーク高さをＨ_２としたときのＸ線回折ピーク強度比（Ｈ_２／[Ｈ_１＋Ｈ_２]）が０．０９〜０．７５である。Ｘ線回折ピーク強度比が０．０９未満であると、焼結を加速する触媒作用が低下することにより、焼結性が著しく低下するおそれがある。一方、Ｘ線回折ピーク強度比が０．７５を超えると、酸化物層が厚くなり、焼結終了後も銅酸化物が残留し、焼結体の強度が低下するほか、電気抵抗値が高くなるおそれがある。Ｘ線源としてＣｕＫαを用いたＸ線回折によると、酸化銅（Ｉ）（Ｃｕ_２Ｏ）の（１１１）面は２θ＝３６度付近にピークが現れ、銅（Ｃｕ）の（１１１）面は２θ＝４３度付近にピークが現れる。なお、酸化銅として存在するのは、酸化銅（Ｉ）（Ｃｕ_２Ｏ）のみであり、酸化銅（ＩＩ）（ＣｕＯ）は、通常存在しない。表面層が酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）からなる銅微粒子（Ｐ）における、酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）と銅（Ｃｕ）中の酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）の割合は、Ｘ線回折測定において２θ＝４３度付近に存在するＣｕ（１１１）面のピーク高さをＨ_１、２θ＝３６度付近に存在するＣｕ_２Ｏ（１１１）面のピーク高さをＨ_２としたときにＸ線回折ピーク強度比（Ｈ_２／［Ｈ_１＋Ｈ_２］）から求められる。

分散媒は、ポリオールであり、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、２−ブテン−１，４−ジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、１，１，１−トリスヒドロキシメチルエタン、２−エチル−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，２，３−ヘキサントリオール、１，２，４−ブタントリオール、トレイトール、エリスリトール、ペンタエリスリト−ル、キシリトール、ソルビトール、ペンチト−ル、テルピネオール、ヘキシトールが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。

銅微粒子含有ペースト中の銅微粒子の濃度は、１０〜９０重量％であることが好ましい。濃度が１０重量％未満であると、粘度が低く、厚さが５μｍ以上の焼結体を形成するのに、塗布と焼成を繰り返し行う必要が出てくる。一方、濃度が９０重量％を超えると、粘度が高すぎて、微細塗布を行うことが難しくなる。

なお、銅微粒子含有ペーストには、銅微粒子と分散媒以外に、銅微粒子の分散性を向上させるために、ポリオール以外の有機溶媒や高分子分散剤を含有させてもよい。

本実施形態に係る接続構造体の製造方法では、さらに、基板１に光を照射してペーストを乾燥させる。例えば、９８０ｎｍ帯のレーザ光を出力密度１０Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２で照射する。照射時間は０．１ミリ秒〜５０００ミリ秒である。

さらに、乾燥したペーストに光を照射して、銅微粒子含有ペースト中の銅粒子を焼結させる。例えば、９８０ｎｍ帯のレーザ光を出力密度３０Ｗ／ｃｍ^２〜５００Ｗ／ｃｍ^２で照射する。照射時間は０．１ミリ秒〜５０００ミリ秒である。乾燥および焼結は、窒素雰囲気下で行うのが好ましく、具体的に酸素濃度が５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

上述したように、本実施形態では、銅焼結体３は、基板１に当接して形成された内部層３１と、内部層３１よりも厚さ方向において基板１から離れた位置に形成された外部層とを有し、基板１側から厚さ方向に向かって空隙率が大きくなるよう変化する構造を有している。このように、厚さ方向で空隙率が異なるため、銅焼結体に割れが生じにくい。また、基板１側の空隙率が、基板１から離れた側の空隙率より小さいため、基板との密着性が高く、銅導体２，２間で信頼性の高い接続を実現することができる。

なお、銅焼結体の空隙率が全体的に大きい場合には、基板との密着性が低く、銅焼結体の空隙率が全体的に小さい場合には、割れが発生しやすく、導通が不安定となる。

以上、本実施形態に係る接続構造体について述べたが、本発明は記述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。

例えば、本実施形態では、銅焼結体が内部層と外部層の２層で構成されている例を示したが、銅焼結体の厚さ方向で空隙率が異なれば、層の数は特に限定されない。

また、本実施形態では、銅焼結体が、複数の層で構成され、基板側から厚さ方向に向かって空隙率が非連続的に大きくなるよう変化する構造を有している例を示したが、基板側から厚さ方向に向かって空隙率が連続的に大きくなるよう変化する構造であってもよい。

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の好適な実施形態を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
（銅ナノペースト）
銅微粒子とグリセリンとを混合して、銅濃度６５ｗｔ％、グリセリン濃度３５ｗｔ％の銅ナノペースト（銅粒子含有ペースト）を作製した。銅微粒子の酸化度は、Ｘ線回折測定においてＣｕ（１１１）面のピーク高さをＨ_１、Ｃｕ_２Ｏ（１１１）面のピーク高さをＨ_２としたときのＸ線回折ピーク強度比（Ｈ_２／[Ｈ_１＋Ｈ_２]）が０．８であった。

（回路基板）
エポキシ樹脂基板上に、１００μｍ□、厚さ２０μｍの銅電極を２個、間隔１００μｍで配置した。

（接続手順）
２つの銅電極間に銅ナノペーストを厚さが５０μｍ、ライン幅８０μｍのメタルマスクを用いて塗布した。次に、塗布した銅ナノペーストに、窒素を吹き付け、酸素分圧を下げた状態でレーザ光照射により銅ナノペーストを乾燥させた。レーザ駆動条件は、波長９８０ｎｍ、出力密度５０Ｗ／ｃｍ^２、照射時間５ｓであった。さらに、レーザ光照射により銅ナノペーストを焼成させ、２つの銅電極間に銅焼結体を形成した。レーザ駆動条件は、波長９８０ｎｍ、出力密度２００Ｗ／ｃｍ^２、照射時間５０ｍｓであった。

焼成後、銅焼結体を切断して断面サンプルを作製し、下記位置に対応する断面をＳＥＭ（電子顕微鏡）で観察し、空隙率を算出した。具体的に、ＳＥＭ写真（倍率１万倍）画像を２値化処理して算出した。２値化処理時の閾値は、画像データの輝度分布曲線の右端を基準とし、輝度フルスケールが２５６のとき、４８レベル右（低輝度側）にシフトした値とした。輝度分布曲線の右端は、ピーク高さ１／１０の地点とした。

焼結体全厚さを１００％としたときに
内部層：銅焼結体と基板の界面から、厚さ方向に１０％離れた位置
外部層：銅焼結体と基板の界面から、厚さ方向に９０％離れた位置

［実施例２］
実施例２では、乳剤厚２０ミクロンのスクリーン印刷版を用いて、２つの電極間を８０μｍ幅のライン印刷をして接続させた以外は、実施例１と同様の方法で行った。

［実施例３］
実施例３では、銅ナノペーストを乾燥させる際に、レーザ光の照射時間を１ｓにした以外は、実施例１と同様の方法で行った。

［比較例１］
比較例１では、出力密度５０Ｗ／ｃｍ^２、照射時間５ｓでレーザ光を照射する工程を省略し、出力密度２００Ｗ／ｃｍ^２、照射時間５０ｍｓでのみレーザ光を照射した以外は、実施例１と同様の方法で行った。

［比較例２］
比較例２では、出力密度５０Ｗ／ｃｍ^２、照射時間５ｓでレーザ光を照射する工程を省略し、出力密度１０００Ｗ／ｃｍ^２、照射時間１０ｍｓでのみレーザ光を照射した以外は、実施例１と同様の方法で行った。

（評価方法）
（ａ）導体間電気抵抗
銅ナノペーストの焼結後に電極間の電気抵抗を測定した。抵抗値を表１に示す。
◎：抵抗値が０．５Ω未満
○：抵抗値が０．５Ω以上１．０Ω未満
×：抵抗値が１．０Ω以上
と判定した。

（ｂ）基板密着性
銅焼結体の基板密着性を鉛筆引掻試験にて評価した。硬度を段階的に高くしていき、剥離が発生したときの硬度を表１に示す。
◎：剥離が発生したときの硬度が５Ｈ以上
○：剥離が発生したときの硬度がＨ以上５Ｈ未満
×：剥離が発生したときの硬度がＨ未満
と判定した。

表１に示すように、実施例１、２では、抵抗値が０．１Ω、０．４Ωであり、優れた電気的接続性を示すことが分かった。また、鉛筆引掻試験では、硬度が１０Ｈ、７Ｈになって初めて剥離が発生することから、優れた基板密着性を示すことが分かった。

また、実施例３では、抵抗値が０．８Ωであり、良好な電気的接続性を示すことが分かった。また、鉛筆引掻試験では、硬度が２Ｈになって初めて剥離が発生することから、良好な基板密着性を示すことが分かった。

一方、比較例１では、銅焼結体の空隙率が内部層と外部層とで同じであり、抵抗値が２．５Ωと高く、電気的接続性に劣ることが分かった。また、鉛筆引掻試験では、硬度が５Ｂで剥離が発生し、基板密着性に劣ることが分かった。

また比較例２では、銅焼結体の空隙率が内部層と外部層とで同じであり、導通せず、抵抗値を測定することができなかった。また、鉛筆引掻試験では、硬度が１０Ｂで剥離が発生し、基板密着性に劣ることが分かった。

１基板
２銅導体
３銅焼結体
３１内部層
３２外部層

Claims

基板上に配置され、回路の少なくとも一部を形成する銅導体と、
前記銅導体間を接続する銅焼結体とを備え、
前記銅焼結体は、前記基板側から厚さ方向に向かって空隙率が大きくなるよう変化する構造を有することを特徴とする接続構造体。
前記銅焼結体は、前記基板に当接して形成された内部層と、前記内部層よりも厚さ方向において前記基板から離れた位置に形成された外部層とを有し、
前記内部層の空隙率は、前記外部層の空隙率より小さいことを特徴とする、請求項１に記載の接続構造体。
前記内部層の空隙率は２０％未満であり、前記外部層の空隙率は２０％以上であることを特徴とする、請求項２に記載の接続構造体。
前記銅焼結体の厚さに対する前記内部層の厚さの比率は、５〜５０％であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の接続構造体。
基板上に、回路の少なくとも一部を形成する銅導体を配置する工程と、
前記銅導体間に、銅粒子を含有したペーストを塗布する工程と、
前記基板に光を照射して前記ペーストを乾燥させる工程と、
乾燥したペーストに光を照射して前記銅粒子を焼結させる工程と、を備えることを特徴とする接続構造体の製造方法。