JP6569545B2 - 厚膜銅電極または配線とその形成方法 - Google Patents
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このようなことから、硫化水素や亜硫酸ガス等による銅の硫化を抑制しうる厚膜銅電極または配線の形成方法が必要とされている。
前記銅ペーストを絶縁基板上に印刷し、不活性ガス等を用いた中性雰囲気あるいは還元性ガスを用いた還元雰囲気中で焼成するか熱硬化させた後、酸化性ガスを用いた酸化雰囲気中で熱処理を行うことにより、表面に導電性に影響なく硫化を抑制するのに十分な厚みの酸化膜を有する銅電極あるいは銅配線とすることを特徴とする厚膜銅電極または銅配線の形成方法が提供される。
また、形成された絶縁基板上の銅電極または銅配線は、硫化が抑制されるので電子部品や電子回路の信頼性を向上させることができる。
本発明の銅ペーストは、電極あるいは配線形成用のものであれば限定されず、銅粉末を主成分とする厚膜形成用のペーストであれば使用できる。
例えば、スクリーン印刷により銅膜を形成する場合、印刷後の銅ペースト表面にスクリーンのメッシュ痕跡による凹凸が生じる場合があるが、この防止のために有機ビヒクル中にグリコール類を添加することができる。バインダー樹脂成分の量は、銅ペースト全体に対して5〜50質量%であることが望ましい。
本発明では、上記銅ペーストを用いて厚膜銅電極あるいは銅配線を形成する場合、上記銅ペーストを絶縁基板上に印刷した後、不活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気中で焼成するか熱硬化させる。
本発明では、上記銅ペーストを印刷した後の焼成あるいは熱硬化により形成された厚膜銅電極、あるいは銅配線を酸化性ガス雰囲気で熱処理し、硫化抑制に十分な酸化膜が形成されるようにする。
酸化被膜の正確な厚みは、まだ十分に分析できているわけではないが、10nm〜1μmの範囲にすることが好ましい。厚みが10nm未満では硫化を抑制できないことがあり、1μmを超えると抵抗値が上昇し導電性に影響を与えることがあるため好ましくない。
熱処理をしないか、熱処理しても150℃より低い温度では、3時間浸漬したときに面積抵抗値が200Ωを超えていることから、150℃未満かつ30分間の熱処理では酸化被膜形成が十分に進みにくく、硫化を抑制する事ができない場合があることが分かる。
酸化雰囲気中における熱処理の時間は、熱処理温度にもよるが、5分間以上とすることが好ましい。熱処理の時間が5分より短い熱処理をしないに近い条件では、2時間浸漬したときに面積抵抗値が1000Ω近くになることから、5分より短い時間では酸化被膜形成が十分に進まず、硫化を抑制する事ができない場合がある。熱処理の時間は長い方が酸化被膜をより厚く形成させることができる。
本発明の厚膜銅電極あるいは銅配線は、銅金属の上に、自然酸化膜より厚い10nm〜1μmの厚さの酸化膜を有するものである。これらは、上記の方法を用いて形成され、特定の厚みの酸化膜で銅金属が覆われることで、硫化が抑制される。なお、上記方法における熱処理は、通常絶縁基板に厚膜銅電極等を形成する際に行うが、はんだやめっき被膜の耐熱温度が150℃以上ある場合は、はんだ付やめっきを施した後に熱処理を行う事もでき、これにより回路形成後に耐硫化性能を付与する事もできる。
本発明を用いて形成した厚膜銅電極あるいは銅配線が、どの程度硫化が抑制されているかを、以下に述べる硫化試験方法によって評価する。
予め金ペーストを印刷焼成して電極を複数形成したアルミナ基板に、例えば幅0.1〜3mm、電極間10〜80mm、焼成後の膜厚が5〜30μmとなるようなパターンで銅ペーストを印刷した後、不活性ガス雰囲気下、銅ペーストの材料に応じた所定の温度、及び時間で焼成して銅配線を形成し、銅配線試料を得る。
<有機ビヒクル>
ターピネオール73質量%にエチルセルロース1質量%、アクリル樹脂26質量%を加えた後、エアーモーターで撹拌しながら60℃まで加熱することによって各材料が分散した、有機ビヒクルを得た。
<ガラス粉末>
平均粒径4μm、SiO2:10質量%、B2O3:45質量%、Al2O3:2質量%、ZnO:36質量%、Na2O:7質量%からなるガラス粉末を準備した。
<導電性銅ペースト>
平均粒径2.5μmの銅粉末100質量部に対し、上記有機ビヒクルを35質量部、上記ガラス粉末(ホウ珪酸ガラスフリット)を5質量部、秤量しこれらをミキサーで混合した後、三本ロールミルによって混練することにより、導電性銅ペーストを作製した。
<試験試料>
予め金ペーストを印刷焼成して電極を形成した96%アルミナ基板上に、幅0.5mm、電極間50mm、焼成後の膜厚がおよそ10μmとなるようなパターンで銅ペーストを印刷し、N2雰囲気、700℃で10分間焼成して銅配線を形成し、銅配線試料とした。
次に、得られた銅配線試験試料を150℃に保持したオーブンに入れ大気中で30分間熱処理を行って、硫化試験用の試料2を作製した。作製した試料2の硫化試験前の銅配線の抵抗値を測定した。
<硫化試験>
銅の硫化を加速するため、硫黄を0.3%含有する80℃に保持した切削オイルに試料2を浸し、1時間後、2時間後、3時間後、6時間後に銅配線の抵抗値を測定した。銅配線パターンの長さと幅の比が100倍になっているので、硫化試験前後で測定し抵抗値を100で割る事によって面積抵抗値に換算した値を得た。得られた結果を表1、図1に示す。なお、以上の試験方法を以下、≪試験1≫と称する。
上記実施例1に対して、銅配線試料作製後、熱処理を行っていない試料を硫化試験用の試料1とした。実施例1の要領で作製した銅配線の試験試料を熱処理しないで、硫化試験用の切削油に入れ、前記の方法で所定時間経過毎に面積抵抗値を測定した。その結果を表1、図1に示した。
試料1を、TEM装置を用いて断面観察したが、明確な酸化皮膜を観察することができなかった。
上記試料2を作製したのと同様の方法で銅配線試料を作製した後、それぞれ175℃、200℃、225℃、250℃、275℃、300℃に保持したオーブンに入れ、大気中で30分間熱処理を行い、硫化試験用の試料3〜8を作製した。
作製した硫化試験用の試料3〜8を上記試料2の評価で用いたのと同条件の切削油に入れ、上記試料2の評価で行ったと同様の方法で所定時間経過毎の面積抵抗値を算出した。得られた結果を表1、図1に示す。
なお、試料4を、TEM装置を用いて断面観察したところ、平均510nm程度の酸化皮膜が確認された。
上記試料2を作製したのと同様の方法で銅配線試料を作製した後、それぞれ100℃、125℃、325℃に保持したオーブンに入れ大気中で30分間熱処理を行った。それぞれの温度で熱処理を行い、硫化試験用の試料9〜11を作製した。
得られた熱処理物を硫化試験用の切削油に入れ、前記の方法で所定時間経過毎に面積抵抗値を測定し、結果を表1、図1に示した。
上記結果を示す図1、表1から、特に150℃〜300℃で熱処理を行った試料2〜8では、硫化試験1時間後の面積抵抗値の増加が抑制されていることが確認できる。200℃以上で熱処理した試料4〜8では、硫化試験6時間後でも面積抵抗値の増加が抑制されており、耐硫化性の効果が顕著であることが分かる。これに対して、熱処理を行わない試料1と125℃以下で熱処理を行った試料9,10では硫化試験1時間後から面積抵抗値が大きく増加し、2時間後には面積抵抗値が100倍以上になり、耐硫化性に劣ることが分かる。また、325℃で熱処理を行った試料11は、硫化試験前後で面積抵抗値の変化はほとんど無かったが、硫化試験前の段階で面積抵抗値が他の試験試料の約2倍と高い値であり、酸化皮膜形成の段階で酸化が進行しすぎてしまい、そもそも所定の抵抗値が得られていないことが分かる。
上記試験1と同様の方法で作製した銅配線試料を、300℃に保持したオーブンに入れ大気中でそれぞれ3分、5分、10分、120分間熱処理を行い、硫化試験用の試料12〜15を作製した。
作製した硫化試験用の試料12〜15を上記試験1と同条件の切削油に入れ、上記試験1と同様の方法で所定時間経過毎の面積抵抗値を算出した。その結果を試験1で評価した試料1の結果と共に表2、図2に示す。
上記結果を示す図2、表2から、処理温度を300℃とした場合には、試料13〜15の結果より5分以上の熱処理を行う事で十分な厚みの酸化被膜が形成され、硫化試験後の抵抗値増加が抑制されていることが確認できる。本試験の条件下では、酸化皮膜形成時間を10分から120分に増やしても耐硫化性の効果に大きな差は見られなかった。そのため生産性を考慮すると、熱処理時間は60分以下にするのが好ましい。これに対して、熱処理時間が0分に相当する熱処理を行わない試料1は、硫化試験2時間後には面積抵抗値が100倍以上となり、耐硫化性に劣っていることが分かる。また、熱処理時間が3分である試料12も硫化試験3時間後には面積抵抗値が100倍以上となり、形成された酸化被膜の厚みが不十分で抵抗値増加が十分には抑制されないことが分かる。
なお、大気中150℃〜300℃で熱処理を施しても、厚膜銅配線の初期面積抵抗値は殆ど変化していない。これは本発明の熱処理条件範囲内の条件によって形成される酸化皮膜が非常に薄く、電極内部にまで酸化が進行していない事を示しており、耐硫化性を示す好適な銅配線が形成されていることが分かる。
Claims (9)
- ガラス又は熱硬化性樹脂を接着成分として含む銅ペーストを用いた厚膜銅電極または銅配線の形成方法において、
前記銅ペーストを絶縁基板上に印刷し、不活性ガス等を用いた中性雰囲気あるいは還元性ガスを用いた還元雰囲気中で焼成するか熱硬化させた後、酸化性ガスを用いた酸化雰囲気中で熱処理を行うことにより、表面に導電性に影響なく硫化を抑制するのに十分な厚みの酸化膜を有する銅電極あるいは銅配線とすることを特徴とする厚膜銅電極または銅配線の形成方法。 - 上記酸化性ガスが、酸素を10体積%以上含有することを特徴とする、請求項1記載の厚膜銅電極または銅配線の形成方法。
- 上記酸化性ガス雰囲気中での熱処理が、150℃〜300℃の温度で、5〜120分かけて行われることを特徴とする、請求項1または請求項2記載の厚膜銅電極または銅配線の形成方法。
- 上記酸化性ガス雰囲気中での熱処理が、200℃〜300℃の温度で、5〜60分かけて行われることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の厚膜銅電極または銅配線の形成方法。
- 上記銅ペーストが、銅粉末を導電性成分としてペースト全体に対して50〜95質量%含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の厚膜銅電極または銅配線の形成方法。
- 上記銅ペーストが、ガラスを接着成分として含み、その含有量が導電性粉末100質量部に対して3〜40質量部であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の厚膜銅電極または銅配線の形成方法。
- 銅金属上に酸化膜を有し、絶縁基板上に形成された厚膜銅電極であって、
前記酸化膜、前記銅金属、及び、前記絶縁基板がこの順に配置され、
前記酸化膜は、前記銅金属を酸化した膜であり、かつ、10nm〜1μmの厚さを有する、厚膜銅電極。 - 表面から、酸化膜、銅金属、及び、絶縁基板がこの順に配置され、
前記酸化膜は、前記銅金属を酸化した膜であり、かつ、10nm〜1μmの厚さを有する、銅配線基板。 - 請求項7又は8に記載の厚膜銅電極または銅配線基板を備える電子部品。
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