JPH01282178A - 銅ペースト組成物およびガラスセラミック基板への導電パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 絶縁層であるガラスセラミック基板の導電パターン形成
用銅ペースト組成物およびガラスセラミック基板への導
電パターン形成方法に関し、銅粉末とガラスセラミック
の焼成温度で起きるガス飛散に対処し、このガス飛散に
よる導電パターンの破断率を小さくでき、かつ、ガラス
セラミツク基板と導電パターンとの密着性に優れた銅ペ
ースト組成物およびガラスセラミック基板への導電パタ
ーン形成方法を提供することを目的とし、銅ペースト組
成物は、銅粉末と、酸化銅粉末と、有機チタンとが配合
されてなるよう構成する。

生ガラスセラミック基板へ銅ペーストを用いてパターン
を形成後、銅ペーストパターンおよび生ガラスセラミッ
ク基板を焼成する工程は、前記銅ペーストおよび生ガラ
スセラミック基板から発生するガス出しに必要な温度で
の仮焼成工程と、該仮焼成温度より高い温度で、前記銅
ペーストおよび生ガラスセラミック基板の焼結を行う焼
結工程とを含むよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、絶縁層であるガラスセラミック基板の導電パ
ターン形成用銅ペースト組成物およびガラスセラミック
基板への導電パターン形成方法に関する。

〔従来の技術］ 近年、コンピュータは益々高速化を要求されているが、
高速コンピュータ用の実装基板としてガラスセラミック
基板が有望視されている。このガラスセラミック基板は
、熱膨張率がシリコンに近く、また熱伝導率も良く、信
号の高速伝播に適している。

一般に基板の製造プロセスは、まずガラスセラミックグ
リーンシート（化ガラスセラミックシート）に銅粉末と
、バインダと、溶剤を加えて作られた銅ペーストをスク
リーン印刷して導電パターン（導体パターン）を形成し
、これを多層化したのち導体パターンを構成する導体と
、ガラスセラミックとを同時焼成する。焼成条件は、窒
素ガスを主ガスとして水蒸気を添加した雰囲気中で４５
０°Ｃで４時間の焼成、次に８００°Ｃで４時間の焼成
、最後に１０００°Ｃで３時間焼成である。

銅ペーストとして、銅粉末と、銅粉末に対して重量比１
％のイソプロピルトリドデシルベンゼンスルホニルチタ
ネート（有機チタン）と、銅粉末に対して重量比１５％
のテレピネオール（溶剤）と、銅粉末に対して重量比１
．５％のポリメチルメタアクリレート（バインダ）を用
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、銅ペーストもガラスセラミックも、両方共に
かたちを形成するために有機バインダや溶剤を含んでい
て、これらは焼成による温度上昇で分解し、ガスを飛散
する。一方、銅ペーストやガラスセラミック自体は、温
度上昇で焼結が始まり、緻密化する。このため、内部で
トラップされた状態でガス化が活発になると、導体パタ
ーンに膨れが生じ、導体抵抗が高くなったり、断線の障
害が発生したりする。

第７図は、従来の銅ペーストの熱分析データの一例を示
すグラフであって、曲線ＤＴＡは示差熱分析（Ｄｉｆｆ
ｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ
）の結果を右辺の標準物質との温度差（ΔＥ）士示し、
曲線ＴＧは熱重量分析（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｇｒａｖｉｏ
＋ｅｔｒｉ）の結果を左辺の重量変化ｆｆｉ　（Ｗ）で
示している。ここで曲線ＴＧで明らかな如ぐ、銅ペース
トは２００″Ｃ附近と、４００°Ｃ附近と、７００〜８
００°Ｃ附近との３回にわたって重量変化を示し、ガス
発生を物語っている。問題なのは、最終的なガス飛散が
７００°Ｃ程度から始まることで、銅粉末とガラスセラ
ミックの焼成もほぼ同じ温度で起きるため、既に述べた
ように、導体パターンの膨れによる障害が発生する。

本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたもので
、銅粉末とガラスセラミックの焼成温度領域で起きるガ
ス飛散に対処し、このガス飛散による導体パターンの破
断率を小さくでき、かつ、ガラスセラミック基板と、導
体パターンとの密着性に優れた銅ペーストの製造方法お
よびガラスセラミック基板への導電パターン形成方法を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明において、上記の課題を解決し、目的を達成する
ための手段は、銅ペースト組成物は、銅粉末と、酸化銅
粉末と、有機チタンとが配合されてなり、さらに、好ま
しくは、前記酸化銅粉末は前記銅粉末に対して２％〜３
０％重量比であり、前記有機チタンは、前記銅粉末と前
記酸化銅粉末の総重量に対して０．５％〜２．５％重量
比であるようにしたものである。

また前述の目的を達成する手段は生ガラスセラミック基
板へ銅ペーストを用いてパターンを形成後、銅ペースト
パターンおよび生ガラスセラミック基板を焼成する工程
は、前記銅ペーストおよび生ガラスセラミック基板から
発生するガス出しに必要な温度での仮焼成工程と、該仮
焼成温度より高い温度で、前記銅ペーストおよび生ガラ
スセラミック基板の焼結を行う焼結工程とを含むように
する。

〔作用〕

銅粉末と酸化銅粉末とを混合したペーストを熱分析する
と、酸化銅の含有量が増加するにつれ、より低温域で有
機物が分解・飛散することがわかった。本発明は、この
現象を利用して、銅粉末とガ・ラスセラミックが焼結す
る以前にガスが発生するような混合率で酸化銅を混合す
るものである。

−ｉに、銅ペーストのファインライン（ｆｉｎｅｌｉｎ
ｅ）性を考慮すると、銅粉末の粒径は０．５〜５μｍが
適当である。この粒径では、６５０〜７００°Ｃから顕
著に焼結が始まる。ガラスセラミックも、ガス抜き性（
なるべく高温でガラスセラミックを軟化させ、ガス飛散
が終了した後に焼結を開始させる。）及びガラスセラミ
ックと、銅、酸化銅との同時焼成性（銅の融点以下でガ
ラスセラミックと、銅、酸化銅とを一括焼成により軟化
させることが好ましい。）を考え併せると、８００〜８
５０°Ｃで軟化させ、ガラスセラミックと、銅、酸化銅
の焼結温度が近くなるようにするのがよい。

従って、ガス発生はそれらの温度以下であることが望ま
しい。

このように、焼結温度から酸化銅粉末の量を求めると、
２ｗｔ％〜３０ｗｔ％の混合比がよいことがわかった。

酸化銅の量が３０−ｔ％を越えると酸化銅が還元し切れ
ず、そのまま一部が残ったり、ガスが一度に多量に発生
して基板の膨れが生じたりする。一方、焼結過程で生じ
ていた前述の導体パターンの膨れ現象が生じなくなると
焼成後の冷却工程中での導体とガラスセラミックとの収
縮率の差による導体パターンとガラスセラミック基板と
の剥離現象が生じるので、これを防止するため銅ペース
トの中に有機チタンを添加してガラスセラミック基板と
導体パターンとの焼成過程での収縮率の整合を図りなが
ら焼結を行うことにより、ガラスセラミック基板と導体
パターンとの剥離現象を解消する。

生ガラスセラミック基板へ前述の銅ペーストにより導体
パターンを形成した後の焼成工程では、仮焼成により銅
ペーストおよび生ガラスセラミック基板から発生する前
述のガス出しを行い、その後、より高温での焼結工程を
行い、焼結時に前述のガスが内部にトラップされた状態
でガス化が活発化するのを抑制し、導体パターンの膨れ
、断線破断、高抵抗化を防止する。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。− メチルエチルケトン（溶剤；銅粉末と酸化銅粉末の総重
量に対して５０ｉｍｔ％）、テレピネオール（溶剤；銅
粉末と酸化銅粉末の総重量に対して１２ｗｔ％）、アク
リル系樹脂であるポリメチルメタアクリレート（有機バ
インダ；銅粉末と酸化銅粉末の総重量に対して１．５ｅ
ｖｔ％）、有機チタンであるイソプロピルトリドデシル
ベンゼンスルホニルチタネート（銅粉末と酸化銅粉末の
総重量に対して１ｗｔ％）および銅粉末、酸化銅粉末を
攪拌器に入れ混練する。

銅粉末の重量に対して、酸化銅粉末の混合率が２５−ｔ
％とした試料を試料１、そして銅粉末の重量に対して酸
化銅粉末の混合率が５＆４ｔ％とした試料を試料２とす
る。

攪拌器としてダブルヘリカル型のミキサを用い銅粉末と
酸化銅粉末の重量が１　ｋｇの場合、ミキサの回転羽根
を１５Ｏｒｐｍの回転数で３時間回転させることにより
、ダブルへリカルミキサ内の混合物の分散を行う。

分散が完了すると、次にダブルヘリカル型ミキサの回転
羽根を６Ｑｒｐｍの回転数で３時間回転させつつ混合物
中のメチルエチルケトンを蒸気として排出する。この場
合、ダブルヘリカル型ミキサを排気ダクトを介して排気
装置に接続するのが好ましい。

メチルエチルケトンが排出された混合物をダブルへリカ
ルミキサから取出し、三本ロールミルを用いてダブルへ
リカルミキサから取出された混合物の凝集性をなくし、
分散性を向上させる。

この三本ロールミルは周知のように、三本のローラは隣
接するローラの回転方向が逆方向であり、かつその回転
速度は一方側から他方側へ順に高速となるように設定さ
れている。ダブルへリカルミキサから取り出された混合
物Ａは、三本のローラ間の間隙を通って順次高速回転ロ
ーラ側へ移動し最終段のローラ側に設けたスフレバー〇
で受けられる。スフレバーＣで受けられたものが、銅ベ
ーストである。

このようにして得られた銅ペーストを用いてグリーンシ
ート（化ガラスセラミックスシート）上にスクリーン印
刷法により導体パターンが形成される。導体パターンが
形成されたグリーンシートを複数枚積み重ねプレス加圧
により一体化した後、焼成を行う。焼成炉には窒素ガス
を主ガスとし、水蒸気（Ｈｉｄ）を添加ガスとして充填
する。

まず４５０°Ｃで４時間、次いで８００°Ｃで４時間仮
焼成した後、１０００°Ｃで３時間の焼成を行い、銅ペ
ーストとグリーンシートの焼結を完了させる。この仮焼
成は、銅ペーストおよびグリーンシートからのガス出し
のために行われる。

実施例１ 第１図は、前述の試料１による銅ペーストの熱分析デー
タを示すグラフである。本実施例の銅ペーストは、酸化
銅粉末を銅粉末に対して重量比２５％で混練したもので
ある。図中ＤＴＡ曲線は示差熱分析の結果を示し、ＴＧ
凸曲線熱重量分析の結果をしめずことは、従来例と同様
である。同図で明らかなように、本実施例の銅ペースト
は、５００〜５５０°Ｃで最終的なガス飛散が発生して
いる。本実施例の銅ペーストは信号用の基板に使用され
るので信号線密度向上のため、信号線幅（導体パターン
幅）が狭くても、低抵抗となるようにするため、酸化銅
を多口にして、理想的な結果を得た。

実施例２ 第２図は、前述の試料２による銅ペーストの熱分析デー
タを示すグラフである。本実施例の銅ペーストは、酸化
銅粉末を銅粉末に対して重量比５％で混練したものであ
る。同図で明らかなように、本実施例の銅ペーストは、
約６００℃で最終的なガス飛散が発生している。本実施
例の銅ペーストを用いるのは電源用の基板なので、若干
抵抗が大きい恨みはあるが、これで充分である。

比較例１ 第３図は、比較例として酸化銅粉末を銅粉末に対して重
量比５０％で混練した銅ペースト（他の成分及びその混
合率そして製造方法は実施例１゜２と同様である。）の
熱分析データを示すグラフである。同図で明らかなよう
に、この比較例の銅ペーストは、４００〜４５０°Ｃで
最終的なガス飛散が発生している。しかし、含有する酸
化銅が大量であったために還元し切れず、一部が残り、
ＤＴ八へ線から推定されるように、ガスが一度に多量に
発生してしまう。抵抗も大きい。

実施例１の銅ペーストでは、ガラスセラミックとの同時
焼成において等価固有抵抗１．８とほぼ銅バルクなみの
導体を形成することに成功した。

第４図は、酸化銅粉末の混合率を変えたときのセラミン
ク基板上に形成された導体パターンの断線率を示す図で
ある。有機チタンの混合率は銅粉末と酸化銅粉末の総重
量に対して１ｗｔ％である。

横軸は酸化銅粉末の混合率（銅粉末に対する重量比）を
示す。

同図より明らかなように酸化銅粉末の混合率は２ｗＬ％
〜３０ｗｔ％でパターン断線率（断線件数／パターン長
）が低いことがわかる。

第４図は有機チタンの混合率が１ｗｔ％の場合を示すが
、有機チタンの混合率が０．５〜２．５ｗｔ％の間で変
化しても、（ｉ）有機チタンは低温で（つマリ、銅ペー
ストやガラスセラミックが焼結する以下の温度で）分解
して、ガス化するため、焼成工程中でのガス飛散による
導体パターンの断線は、生じないこと、（ｉｉ　）有機
チタンから発生するガス量は少ないため、焼成工程中で
のガス飛散が導体パターンの断線に及ぼす影響は少ない
ことにより導体パターン断線率には大きな影響を与えな
い。

溶剤として混合されるテレピネオールの混合率も前述と
同じ意味での低温で蒸発するため、第４図に示した導体
パターン断線率に大きな影響を与えない。酸化銅の混合
率が導体パターン断線率に大きな影響を与えるのは、酸
化銅に含まれる酸素が、焼成工程中で有機物と反応して
、大量のガス化を誘発し、このガス化により既に述べた
如く導体パターン断線が生じるものと考えられるためで
ある。

第５図は、ガラスセラミック基板面上に全面状に前述し
た方法で作られた銅ペースト層を形成して約１０００　
’Ｃで焼成して得られる導体パターン（パターン厚さ０
．１　ｒｅ　）とガラスセラミック基板との密着強度を
示す図である。

密着強度は、導体パターン上に接着剤でビンを固着し、
このピンをガラスセラミック基板面に垂直方向に引張り
上げ、導体パターンがガラスセラミック基板面から剥離
するときの引張り力を調べたものである。

横軸は有機チタンの混合率（銅粉末と酸化銅粉末に対す
る酸化チタンの重量％）を示す。

第５図から明らかなように有機チタンの混合率は０．５
ｗｔ％〜２．５ｗｔ％の範囲で密着強度に対する優れた
効果を示すことがわかる。

なお第５図において、酸化銅粉末の組成比を示す数字は
既に述べたように銅粉末に対するｗｔ％である。

第６図は、ガラスセラミック基板面上に前述した方法で
作られた銅ペーストで導体パターン（導体パターン厚さ
は５０μｍ）を形成し、比抵抗を測定した結果を示す。

横軸は酸化銅粉末の混合率を示す。

酸化銅粉末の混合率が増加すると導体パターンの比抵抗
が低下するのは、焼成工程中に酸化銅の酸素が銅原子よ
り分離するため、銅原子の量が増加するためと考えられ
る。

このように、銅ペーストが、所望の軟化温度に対応する
２〜３０％重量比の酸化銅を含有することにより、熱膨
張率がシリコンに近いガラスセラミック基板により抵抗
の低い導体を形成することが可能になる。即ち、実装密
度の向上、信号伝播の高速化を図ることができ、高度な
処理能力を備えたコンピュータ基板を提供できる。また
、導体の接続信頬度の向上と導体幅の安定化による特性
インピーダンスや安定とその効果も大きい。

〔発明の効果］ 以上説明したとおり、本発明によれば、銅粉末とガラス
セラミックの焼成温度で起きるガス飛散に対処し、導体
パターンの破断率を小さくでき、かつ、ガラスセラミッ
ク基板と導体パターンとの密着性に優れた銅ペースト組
成物およびガラスセラミック基板への導電パターン形成
方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の熱分析データのグラフ、 第２図は本発明の別な一実施例の熱分析データのグラフ
、 第３図は一比較例の熱分析データのグラフ、第４図は酸
化銅の混合率と導体パターンの断線率の関係を示す図、 第５図は有機チタンの混合率と密着強度の関係を示す図
、 第６図は酸化銅と導体パターンの比抵抗の関係を示す図
、 第７図は従来例の熱分析データのグラフである。 ＤＴＡＳ示差熱分析曲線、 ＴＧ；熱重量分析曲線。 轟２化１司２５ｗｔ＠ム 不発明の一亥３５６１のグラフ 酸化ｔｊ４５ｗｔ＠／。 不発明り別ｆｉ−寅り盲側のグラフ 第２図 ＾良イヒ１噌５０ｗｔ・ム ヒ較倒のグラフ 第３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁層であるガラスセラミック基板の導電パター
   ン形成用銅ペースト組成物であって、銅粉末と、酸化銅
   粉末と、有機チタンとが配合されてなることを特徴とす
   る銅ペースト組成物。
2. （２）前記酸化銅粉末は前記銅粉末に対して２％〜３０
   ％重量比であり、前記有機チタンは前記銅粉末と前記酸
   化銅粉末の総重量に対して０．５％〜２．５％重量比で
   あることを特徴とする請求項１記載の銅ペースト組成物
   。
3. （３）前記有機チタンは、イソプロピルトリドデシルベ
   ンゼンスルホニルチタネートであることを特徴とする請
   求項１又は２記載の銅ペースト組成物。
4. （４）生ガラスセラミック基板へ、銅ペーストを用いて
   パターンを形成する工程と、前記銅ペーストパターンお
   よび生ガラスセラミック基板を焼成する工程とを有する
   ガラスセラミック基板への導電パターン形成方法におい
   て、 前記銅ペーストは、銅粉末と、酸化銅粉末と、有機チタ
   ンとを組成物として有してなり、前記焼成工程は、前記
   銅ペーストおよび生ガラスセラミック基板から発生する
   ガス出しに必要な温度での仮焼成工程と、該仮焼成温度
   より高い温度で、前記銅ペーストおよび生ガラスセラミ
   ック基板の焼結を行う焼結工程とを含むことを特徴とす
   るガラスセラミック基板への導電パターン形成方法。