JP6381731B1 - 銅電極を有する電子部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る電子部品は、セラミック基板と、界面層と、銅電極と、を備え、銅電極は空隙を有し、空隙の銅電極に対する体積分率は2%以上40%以下であり、空隙の内部に、シリコンを含有し、界面層は、第一の元素及び第二の元素を含有し、第一の元素は、Cr、Mn、V、Si、Mg、Al、Tiからなる群から選択されるいずれか1種以上であり、第二の元素は、Ag、Ir、Au、Pd、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上である。界面層の厚さとしては、0.01〜10μmであることが好ましい。また、
【選択図】図1
Description
前記銅電極は空隙を有し、前記空隙の前記銅電極に対する体積分率は2%以上40%以下であり、該空隙の内部に、シリコンを含有し、
前記界面層は、第一の元素及び第二の元素を含有し、
前記第一の元素は、Cr、Mn、V、Si、Mg、Al、Tiからなる群から選択されるいずれか1種以上であり、
前記第二の元素は、Ag、Ir、Au、Pd、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上である、
電子部品。
前記界面層上に、銅を含むコロイド溶液又はペーストを塗布する塗布工程と、
260℃以上440℃以下で酸化焼成を行う酸化工程と、
260℃以上440℃以下で還元焼成を行い、銅電極を形成する還元工程と、
前記銅電極を、シリコンを含有する有機化合物溶液で含浸し、大気中において110℃以上440℃以下で熱処理を行い、空隙充填相を形成する空隙充填相形成工程を含み、
前記第一の元素は、Cr、Mn、V、Si、Mg、Al、Tiからなる群から選択されるいずれか1種以上であり、
前記第二の元素は、Ag、Ir、Au、Pd、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上である、
電子部品の形成方法。
前記第一の薄膜上に、第二の元素を含む第二の薄膜を形成する第二の薄膜形成工程と、
前記第二の薄膜上に、銅を含むコロイド溶液又はペーストを塗布する塗布工程と、
260℃以上440℃以下で酸化焼成を行う酸化工程と、
260℃以上440℃以下で還元焼成を行い、銅電極を形成する還元工程と、
前記銅電極を、シリコンを含有する有機化合物溶液で含浸し、大気中において110℃以上440℃以下で熱処理を行い、シリコンを含有する空隙充填相を形成する工程を含み、
前記第一の元素は、Cr、Mn、V、Si、Mg、Al、Tiからなる群から選択されるいずれか1種以上であり、
前記第二の元素は、Ag、Ir、Au、Pd、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上である、
電子部品の形成方法。
本発明の電子部品は、セラミック(酸化物、窒化物又は炭化物)の基板と、界面層と、銅電極と、を備え、銅電極は空隙を有し、空隙の体積分率は2%以上40%以下であり、空隙の内部に、シリコンを含有することを特徴とするものである。ここで、界面層は、Cr、Mn、V、Si、Mg、Al、Tiからなる群から選択されるいずれか1種以上である第一の元素、及びAg、Ir、Au、Pd、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上である第二の元素を含有するものである。
基板11は、電子部品10において配線を形成するセラミック基板であり、より具体的には、酸化物、窒化物又は炭化物の基板である。酸化物基板としては、特に限定されるものではないが、例えば、ガラス、水晶、酸化アルミニウム、酸化ガリウムなどを用いることができる。また、Pb(Zr,Ti)O3(チタン酸ジルコン酸鉛)、BaTiO3(チタン酸バリウム)などの強誘電体酸化物、又はスピネルフェライト、六方晶フェライト、ガーネットフェライトなどの強磁性フェライト酸化物などを用いることもできる。窒化物基板としては、特に限定されるものではないが、例えば、窒化アルミ、窒化ケイ素、窒化ガリウムなどを用いることができる。炭化物基板としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化チタン、炭化タンタルなどを用いることができる。
界面層12は、第一の元素及び第二の元素を含有し、基板11と銅電極13との間に介在するものである。
銅電極13としては、例えば、銅のナノ粒子(平均粒径200nm未満)を含有するコロイド溶液、又は銅の微粒子(平均粒径200nm以上)を含有するペーストを塗布し、高温焼成によって形成されたものを用いることができる。コロイド溶液を用いる場合には、例えば、窒素雰囲気において120℃以上の温度に保持することで、銅電極を形成できる。また、ペーストの場合には、例えば、窒素雰囲気であれば500℃以上の温度に保持することで電極を形成できる。また、例えば、酸素雰囲気においては、150℃以上の温度で銅粒子を酸化して粒子間結合し、その後、還元雰囲気において200℃以上の温度で銅酸化物を還元することによって、銅電極を形成することもできる。
銅電極13の空隙には、その内部にシリコンが含有され、これにより空隙が充填されている空隙充填相131が存在する。銅電極13に空隙が生じていると、メッキ工程で用いられるニッケルメッキ液、金メッキ液などの液体が電極内部に容易に浸透し、電子部品の特性を劣化するおそれがある。これに対し、銅電極13の空隙にシリコンを含む空隙充填相131が存在することによって、この空隙を閉鎖し、銅電極中に好ましくない液体が導入されることを抑制することができる。
上述のような電子部品10の製造方法は、基板11上に、第一の元素及び第二の元素を含む界面層12を形成する界面層形成工程と、銅を含むコロイド溶液又はペーストを塗布する塗布工程と、260℃以上440℃以下で酸化焼成を行う酸化工程と、260℃以上440℃以下で還元焼成を行い、銅電極13を形成する還元工程と、銅電極13を、シリコンを含有する有機化合物溶液で含浸し、大気中において110℃以上440℃以下で熱処理を行い、空隙充填相131を形成する空隙充填相形成工程を含む。
界面層形成工程においては、基板11の表面に、界面層12を形成する。
第一の薄膜形成工程においては、基板21の表面に、第一の元素からなる第一の薄膜221を形成する。
第二の薄膜形成工程においては、第一薄膜形成工程において形成された第一の薄膜221の表面に、第二の薄膜222を形成する。
塗布工程においては、基板11上に、銅を含むコロイド溶液又はペーストを塗布する。
酸化工程においては、260℃以上440℃以下で酸化焼成を行う。これにより、銅を酸化し、粒子間で結合させる。
還元工程においては、260℃以上440℃以下で還元焼成を行う。これにより、銅電極13を形成させる。
空隙充填相形成工程においては、シリコンを含有する有機化合物溶液で含浸し、大気中において110℃以上440℃以下で熱処理を行い、空隙充填相131を形成する。
平面銅電極の電気抵抗率については、例えば以下のように測定できる。50mm×50mm×0.5mmのサイズを有する基板の上表面の領域において、端部5mmの部分を除外して電極を形成する。具体的には、基板上表面の端部5mmの部分を薄膜蒸着用のメタルマスクで覆い、スパッタ法によって第一の元素と第二の元素からなる薄膜層を形成する。その後、スクリーン印刷用のメタルマスクを用いて薄膜層の上部に銅ペーストを塗布して焼成し、平面形状の銅電極を形成する。電気抵抗率の計算に必要な銅電極の厚さ(t)は、ペーストの場合はレーザー顕微鏡を用いて測定し、コロイド溶液の場合は原子間力顕微鏡を用いて測定する。電気抵抗率の測定は、直流四端子法を用い、端子間距離は1mm、電流値(I)は10mAとすればよい。得られた電圧(V)より、以下の式(1)を用いて電気抵抗率(ρ1)を算出する。
ρ1=4.532t(V/I) ・・・(1)
そして、上記式(1)により算出された電気抵抗率(ρ1)が10μΩcm未満のものを「A」、10以上50μΩcm未満のものを「B」として、好ましい平面銅電極と判定でき、50μΩcm以上のものは好ましくない平面銅電極として「C」と判定する。
貫通孔内部に充填した銅電極の電気抵抗率については、例えば以下のように測定できる。まず、厚さが0.5mmのアルミニウム酸化物基板にレーザー光を用いて直径が0.6mmの貫通孔を形成する。次に、スパッタ法によって第一の元素と第二の元素からなる薄膜層を形成し、貫通孔内部を充填するように銅ペーストを塗布し焼成する。その後、基板厚さが0.3mmになるように基板の上下面を研磨する。このようにしてできた貫通孔の銅電極の上部に電流負荷用と電圧測定用の端子、下部にも同様の端子を接続する。上下の電流端子に10mAの電流を付加し、上下電圧端子間の電圧(I)を測定し、測定電圧(V)を付加電流で除することで電気抵抗(R)を算出する。さらに、貫通孔の直径から得た断面積S(例えば0.283mm2)と貫通孔の長さL(例えば0.3mm)より、次式(2)を用いて電気抵抗率(ρ2)を算出する。
ρ2=(V/I)×(S/L)=R×(S/L) ・・・(2)
そして、上記式(2)により算出された電気抵抗率(ρ2)が10μΩcm未満のものを「A」、10以上50μΩcm未満のものを「B」として好ましい貫通孔内部銅電極と判定でき、50μΩcm以上のものは好ましくない貫通孔内部銅電極として「C」と判定する。
平面銅電極と基板間の界面密着強度の評価については、例えば以下のように測定できる。酸化物基板、窒化物基板、又は炭化物基板のそれぞれに対して、必要に応じて基板表面処理を行い、上記評価1に記載の方法で平面銅電極を形成する。例えば、基板の厚さは0.5mmとし、銅電極の厚さは約20μmとする。銅電極の表面に対して、一方の端が直径3mmの円盤状に加工されたスタッドピンを、エポキシ樹脂を用いて接着する。このサンプルの基板側を引張試験機の保持台に固定し、スタッドピンの接着されていないもう一方の端をクロスヘッドの治具で保持する。クロスヘッド速度を毎分0.001mmとして引張試験を行い、荷重が急速に減少する点を剥離荷重とする。さらに、スタッドピンの円盤面積で除して剥離応力とする。剥離荷重が2kgf以上の場合を「A」、1kgf以上2kgf未満の場合を「B」とし、好ましい密着強度と判定でき、1kgf未満のものは好ましくない密着強度として「C」と判定する。
貫通孔内部に充填した銅電極と基板間の界面密着強度の評価については、例えば以下のように測定できる。酸化物基板、窒化物基板、又は炭化物基板のそれぞれに対して、必要に応じて基板表面処理を行う。上記評価2に記載の方法で直径が0.3mmの貫通孔を形成し、その内部に銅電極を形成する。その後、基板の厚さが0.3mmになるまで研磨をして、サンプルを引張試験機の保持台に固定し、直径0.1mmのタングステン棒をクロスヘッドの治具で保持する。このタングステン棒を貫通孔の銅電極の中心部に向けて差し込む際の荷重と変位の関係を測定する。クロスヘッド速度を毎分0.001mmとして圧縮試験を行い、荷重が急速に減少する点を剥離荷重とする。剥離荷重が1kgf以上の場合を「A」、0.3kgf以上1kgf未満の場合を「B」とし、好ましい密着強度と判定でき、0.3kgf未満のものは好ましくない密着強度として「C」と判定する。
銅電極の耐液浸性の評価については、例えばJIS Z2343−1に記載の方法に従って以下のように測定できる。上記評価2に記載の方法で直径が0.3mmの貫通孔を形成し、その内部に銅電極を形成する。その後、基板の厚さが0.3mmになるまで研磨をしてサンプルとする。このサンプルの銅電極上部表面に赤色浸透液を塗布し、1時間経過後に赤色浸透液を塗布する。さらに1時間放置後に除去液を用いて余剰浸透液を除去し、乾燥後速やかに現像液を塗布し、30分放置する。その後、目視及び光学顕微鏡によって銅電極下部表面に赤色が現れるか否かを観察し、赤色が現れなければ耐液浸性は良好と判定する。なお、この評価手法は、一般的に「レッドチェック」と呼ばれるものである。
基板はアルミナ製とし、貫通孔の有る基板と、貫通孔の無い基板とを準備した。アルミナ基板に対して、表1に示した第一の元素からなる第一の薄膜層を高周波スパッタ法によって形成し、次に第二の元素から成る第二の薄膜層を、第一の薄膜層と同じ方法で形成した。それぞれの薄膜層の厚さは0.02μmとした。
基板はアルミナ製とし、貫通孔を有する基板を準備した。上記実施例1の表3において「A」と判定された第一の元素と第二の元素の組合せを選択した。アルミナ基板に対して、第一の元素からなる薄膜層を高周波スパッタ法によって形成し、次に第二の元素から成る薄膜層を同じ方法で形成した。それぞれの薄膜層の厚さは平面上において0.05μmになるようにした。
実施例2に記載した方法で基板に形成した貫通孔に銅ペーストを充填し、酸化焼成温度及び還元焼成温度を、それぞれ250℃、280℃、300℃、350℃、400℃、450℃にして酸化焼成及び還元焼成を行った。それぞれのサンプルには貫通銅電極が20個存在した。これらのサンプルに対して、シリコンを含む溶液(等体積量のシランカップリング剤とテキサノールを混合した溶液)を、貫通銅電極の上部から含浸し、その後、大気中で、それぞれ100℃、120℃、150℃、250℃、350℃、400℃、450℃の温度で熱処理を施した。これらのサンプルを「含浸有り」とする。
11,21・・・基板
12,22・・・界面層
13,23・・・銅電極
131,231・・・空隙充填相
221・・・第一の薄膜層
222・・・第二の薄膜層
Claims (2)
- セラミック基板と、界面層と、銅電極と、を備える電子部品の形成方法であって、
前記セラミック基板上に、前記セラミック基板に隣接する第一の薄膜及び前記銅電極に隣接する第二の薄膜を含む界面層を形成する界面層形成工程と、
前記界面層上に、銅を含むコロイド溶液又はペーストを塗布する塗布工程と、
260℃以上440℃以下で酸化焼成を行う酸化工程と、
260℃以上440℃以下で還元焼成を行い、銅電極を形成する還元工程と、
前記銅電極を、シリコンを含有する有機化合物溶液で含浸し、大気中において110℃以上440℃以下で熱処理を行い、空隙充填相を形成する空隙充填相形成工程を含み、
前記第一の薄膜は、Cr、Mn、V、Si、Mg、Al、Tiからなる群から選択されるいずれか1種以上である第一の元素を含み、
前記第二の薄膜は、Ag、Ir、Au、Pd、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上である第二の元素を含む、
電子部品の形成方法。 - セラミック基板上に、第一の元素を含む第一の薄膜を形成する第一の薄膜形成工程と、
前記第一の薄膜上に、第二の元素を含む第二の薄膜を形成する第二の薄膜形成工程と、
前記第二の薄膜上に、銅を含むコロイド溶液又はペーストを塗布する塗布工程と、
260℃以上440℃以下で酸化焼成を行う酸化工程と、
260℃以上440℃以下で還元焼成を行い、銅電極を形成する還元工程と、
前記銅電極を、シリコンを含有する有機化合物溶液で含浸し、大気中において110℃以上440℃以下で熱処理を行い、シリコンを含有する空隙充填相を形成する工程を含み、
前記第一の元素は、Cr、Mn、V、Si、Mg、Al、Tiからなる群から選択されるいずれか1種以上であり、
前記第二の元素は、Ag、Ir、Au、Pd、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上である、
電子部品の形成方法。
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