JPH02284497A - 電気接続部材の製造方法 - 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】 本発明は電気接続部材の製造方法に関する。

特に本発明は放熱性（ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｉｓｓｉｐａ
ｔｉｏｎ）の高い窒化アルミニウム系支持体上に原料イ
ンキ（ｒａｗ　１ｎｋ）の膜を沈着させたのち、この原
料インキを１００〜１５０″Ｃの温度範囲で予備乾燥さ
せる工程と、下記の工程の組合せ、すなわち ａ）温度を上昇させて重合体樹脂を除去する工程；ｂ）
　　６００〜１０００℃の温度範囲で焼結（ｓ　ｉｎ　
ｔｅｒ　ｉｎｇ）させる工程；及び Ｃ）調時冷却（ｔｉｍｅｄ　ｃｏｏｌｉｎｇ）工程；か
らなる焼成（ｆｉｒｉｎｇ）工程とから成る電気接続部
材、とくにハイブリット回路相互接続用の基材の製造方
法に関する。

゛厚膜層”　（”ｔｈｉｃｋ　１ａｙｅｒ”　）技術は
マイクＩ」エレクトロニクス分野においてハイブリッド
回路の相互接続用基材（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏ
ｎ　５ｕｂｓｔｒａｔｅ）の製造に広く採用されている
。この基材は回路を構成する多種の電子部材の相互接続
用支持体及び構成部材として役立つが、このためには基
材を放熱作用をも果す機械的支持体で基本的に構成させ
、その上に導電、絶縁および／または抵抗性膜を施し、
これらを種々の方式で相互接続させる。基材は通常セラ
ミックであるが、純度９６％のアルミナがもっともよく
用いられる。

厚膜層は機能相と無機バインダーと有機ビヒクル（すく
れたレオロジー特性を付与するための溶剤と樹脂）とか
らなるインキまたはペーストの層からなり、この機能相
によって導電、抵抗、絶縁などの電気特性が確保される
。

機能相は導電層については金属粉末であり、絶縁層につ
いてはガラスまたはセラミックの粉末の形態のものであ
る。無機バインダーは層と支持体との接着性を強める働
きをする。

実際には基＋Ｊ’ｌ二・＼の原料インキ層の被着はスク
リーン印刷によりあらかじめ網スクリーン上に形成させ
たパターンに従って行い、被着物はインキを網スクリー
ンを通ずことにより得ている。乾燥により溶剤を除去し
、高温焼成により各成分を焼結／融着させ、基材に接着
された被膜厚みは５〜５０ミクロンとする。

乾燥処理後のインキ層の焼成には複雑な熱処理を伴うが
、その主役を果すのは雰囲気ガスである。

とくに雰囲気ガスの役割は、支持体上での焼結と層の接
着をでき得る限り高めるための充分な周囲環境を構成す
ることにある。

白金、金、パラジウム、銀などの貴金属系の導電性イン
キ、ならびに相溶性に冨む絶縁性、抵抗性インキの場合
には空気中で焼成を行う。乾燥後に層に残留する重合体
樹脂を除去するには空気のごとき酸化性雰囲気が最適で
ある。雰囲気中に酸素があると、温度の上昇とともに気
化し、熱分解する有機化合物が酸化されるため、この樹
脂の除去は容易となる。

属の酸化を防止するために、窒素、アルゴン、ヘリウム
、などの中性ガス、場合によりこれらの配合ガスを用い
て得られる不活性雰囲気ガスが要求される。

銅系の導電性インキの場合には、炉内の全雰囲気の酸素
含有量が１０ｐｐｍ以下の窒素中で焼成を行うことが推
奨される。この目的には一例としてＤｕ　Ｐｏｎｔ　ｄ
ｅ　Ｎｅｍｏｕｒｓ社製の銅系インキの使用が挙げられ
るが、これによれば銅系導電性ペーストの焼成を５〜１
０ｐｐｍの酸素を含有する窒素気流中で行うことが推奨
されている。

この雰囲気中では、酸素含有量は数ｐｐｍであるが、と
くに多量のペーストを処理する場合または誘電体面積の
割合が大きい多層物を得る場合には重合体樹脂が完全に
除去されないことが多い。この結果、ある程度の層の劣
化、特に、基材への層の接着の低減が生ずる。

この層劣化の発現する機構については”Ｐｒｏｃｏｆ　
ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
　ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＩＥＥ　　Ｅ”　１９８６．　
ＰＰ　４７１−４８０に記載されたＲ、ＪＢａｃｈｅｒ
およびＶ、Ｐ、５ｉｕｔａの”Ｆｉｒｉｎｇ　Ｐｒｏｃ
ｅｓｓｒｅｌａｔｅｄ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｍｅｃｈａｎ
ｉｓｍｓ　ｉｎ　Ｔｈｉｃｋ−ＦｉｌｍＣｏｐｐｅｒ　
Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ　　（層付は多層銅の焼成に伴
う破壊メカニズム）中でアルミナ上−・の銅インキの被
着の場合について考察されている。

提案されている一方法は、重合体樹脂の除去Ｚ帯域につ
いて、とくに焼結および冷却帯域中の酸素含有量を変え
ることなしに、酸素により炉中の不活性雰囲気を優先的
にドープさせることにある。

前記の発表者の報告によれば、満足し得る結果を得るた
めには、重合体樹脂の除去帯域であっても酸素含有量は
一定限度におさえ、いずれの場合でも１１００ｐｐ以下
に保持することが必要である。−例として、Ｆ、Ｆｒａ
ｎｃｏｎｖｉｌｌｅと閃、八１Ｊｒａｙは、”Ｐｒｏｃ
、　ｏｆｔｈｅ　Ｔｈ１ｒｄ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　ｌ１
ｙｂｒｉｄ　ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳＣｏｎ
ｆｅｒｅｎｃｅ”　１９８］、、　ＰＰ　１７４−１８
７に掲載の’Ｃｏｐｐｅｒｄｉｓｐｌａｃｅｓ　　ｇｏ
ｌｄ　　ｉｎ　　ｐｒＯｄｕｃｔｉｏｎ　　ｏｆ　　ｍ
ｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ　ｆｏｒ　ｃ
ｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　”　と題す
る報文中で、アルミナ上の銅の多重層の焼成条件を提案
しており、銅相容誘電性インキ（ｃｏｎｐａｔｉｂｌｃ
ｃｏｐｐｅｒ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　１ｎｋ）の焼成
については重合体樹脂除去帯域中の酸素含有量を１５０
〜３００ｐｐｍとすることを推奨している。た＼し、銅
導電層の焼成は、全焼成］二種において酸素含有量が２
０ｐｐｍ以下の窒素気流中で行うことか必要である点が
注目される。

したがってこの推奨条件によれば二種の雰囲気の使用が
必要である。その一つは銅導電層の焼成用雰囲気であり
、他の一つは銅相容誘電層の焼成用雰囲気である。

さらに、前記のＲ，ｊ、ＢａｃｈｅｒおよびＶ、Ｐ、５
ｉｕｔａの報文中で、これらの研究者はこの種の条件下
で得られる銅矛重層回路の特性に及ぼず、重合体樹脂除
去反応帯域中ての窒素の酸素によるドーピングの影響に
ついても検討しており、酸素含有量が１、ＯＯｐｐｍを
示す場合、誘電層の気密性が大きく改善されることを見
出している、これに対し、銅導電層については酸素含有
量が１１００ｐｐ又はそれ以上になると、銅層の溶接性
が明らかに劣化することも上記研究前述は指摘しており
、重合体樹脂バインダーの除去帯域について、適正な溶
接性の得られる酸素含有量を３０ｐｐｍとしている。

最後に、Ｅ、Δ、Ｗｅｂｂは”Ｐｒｏｃ　ｏｆ　ｔｈｅ
　６ｔｈ　ＥｕｒｏｐｅａｎＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、　　ＩＳＨＭ”　＋
　１９８７（Ｂｕｒｎｅｍｏｕｔｈ　Ｅｎｇｌａｎｄ）
ＰＰ　１２８　１３５掲載の”Ｅｆｆｅｅｔｓ　　ｏｆ
　　Ｃｏｐｐｅｒ　　Ｔｈｉｃｋ４ｉ１ｍ　　Ｐｒｏｃ
ｅｓｓｉｎｇ　　ｏｎ　　Ａｄｈｅｓｉｏｎ　ａｎｄ　
Ｂｏｎｄａｂｉｌｉｔｙ　　　（銅厚膜加工の接着、溶
接性に及はず効果）と題する報文中で、形成された回路
の接着性及び溶接性に及ぼず、厚膜銅導電層の焼成中に
用いる雰囲気ガスの影響について考察している。」−記
報告者は重合体樹脂の除去工程において、接着性を高め
る酸素含有量は７〜１５ｐｐｍであることまた酸素含量
がｘｓｐｐｍを越えると、銅層の溶接性が明らかに低下
することを述べている。

電子応用技術か送電回路の利用および／またはきわめて
コンバク１へな成分組込のを必要とする複雑な機能の形
成を指向するにつれて、使用する基材の放熱量も一層高
ま名傾向にある。

このことがアルミナより熱伝導性のすくれた新規電気絶
縁材料の研究を促し、その代替材料として酸化ベリリウ
ム（Ｂｅｏ）か登場した。しかしこれを粉末状として使
用する際の毒性作用のため、実質的に使用が制限されて
いる。これに対し窒化アルミニウム（Ａ　ｆｆ　Ｎ）は
これに劣らぬ電気・熱伝導性を示し、操作、加工段階で
も危険を伴わない。

上記背景から、最終的に、銅／窒化アルミニウム系材料
が、銅の例外的な特性（高導電性、錫、鉛等への高い溶
接性）と窒化アルミニウムのすくれた伝熱性とを兼ね備
える点で、成分の集積度を高め、かつ、マイクロエレク
トロニクス出力を確保する目的に好ましいことが分かっ
た。

アルミナ上にずくれた厚膜銅層を施すことの困難性につ
いζは先に述べたか、窒化アルミニラＪ、上に厚膜銅層
を形成する場合にもこのセラミックが非酸化物であるこ
とから別の欠陥を伴う。このことが金属（銅）による窒
化アルミニウムの湿潤性の低下の原因となっているよう
に思われる。電気−科学研究所（Ｅｌｅｃｔｒｏ−３ｃ
ｉｅｎｃｅ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）ではその技術
報告書（”Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｍａｔｔｅｒｓ”　Ｖｏ
ｌ■、Ｎｏ、３）中で発表しているごとく、各種アルミ
ナおよび窒化アルミニウム系」二に形成させた厚膜銅層
について、初期およびエージング後の接着性の比較を行
っている。接着性は４ｍｍ２の銅製スタンドの表面層の
剥離試験で判定するが、その結果は、試験した基材のす
べてについて、窒化アルミニウムを基材として使用した
場合に測定した初期および経時後の接着性は、アルミナ
を使用した場合に比し約５０％低下していることを示し
た。

本発明の目的は、銅または他の非貴金属金属をヘースと
するインキまたはペーストを使用する場合に、きわめて
緻密な成分の組込の実施および／または送電回路の使用
を伴う方式の電子回路系構成およびその高い機能性の取
得に不可欠の条件である、強い層間接着性とすぐれた品
質特性と電子部品の電気的、機械的、熱的諸特性の再現
性とを保証する、高放熱性窒化アルミニウム系支持体上
への厚膜層の形成に使用される雰囲気ガスを供給するこ
とにある。

本発明によれば重合体樹脂除去工程用雰囲気の酸素含有
量は１００〜５，０００ｐｐｍの範囲にあり、これに対
し高温焼結用および冷却用雰囲気中の酸素含有量は、約
１０ｐｐｍ以下とする必要がある；重合体樹脂除去工程
用の雰囲気の酸素含有量は約２５０〜３、　ＯＯＯｐｐ
ｍの範囲とすることが好ましい。

したがって本発明の利点は、前記で参考文献として挙げ
た報文中に記載の方法とは明らかに相違して、窒化アル
ミ支持体上で銅などの非貴金属金属の厚膜層を焼結する
際に、重合体樹脂除去工程での炉内不活性ガス内に酸素
を含有させることにより膜層の物理特性、とくに支持体
上の層の接着特性を、アルミナ基材上に厚膜銅層を形成
さゼる場合に到達する値まで改善し得ることである。こ
れに対応する電気抵抗性能は使用酸素含有量が高くても
良好である。

本発明の方法の一実施態様においては、上記製造方法に
先き立ち、酸化性雰囲気たとえば空気中または窒素、水
素　および水蒸気の混合雰囲気中で、１２００〜１５０
０℃の温度範囲で約１時間、窒化アルミニウム支持体を
十分予備酸化させるが、これにより支持体上の層の接着
効果が高められる。予備酸化を受りた窒化アルミニウム
支持体上の厚膜銅層の焼成は、重合体樹脂の除去帯域中
で、２５０ｐｐｍ以下の酸素を含む不活性雰囲気中で行
う。

以下、実施例により本発明を説明する。

通常用いる工業的方法によりシルクスクリーン印刷を行
い乾燥操作後、市販の銅系インキを異なる窒素系雰囲気
中で焼成した。

試験パターンとして抵抗を判定するためのライヤー（］
　ｙｒｅ）と、接着性を判定するための各種スタッドと
を用いた。スタッドは一辺が１．５ｍｍまたは２ｍｍの
正方形のものである。このパターンを一辺が５０．８ｍ
ｍの正方形窒化アルミニウム基材上にシルクスクリーン
印刷した。窒化アルミニウム基材］　１ の純度は９８％以上とした。

ガス雰囲気中での焼成は移動コンヘヤ一方式の借用の通
過式炉中で行い、全焼成時間は５５分とし、焼結温度は
９００±２℃１焼結時間は約１０分とした。

焼成後、接着性、抵抗、溶接性、配線性などの電気／機
械的試験を行った。

厚膜銅層の場合、とくに重要な条件となる接着性の試験
は下記の方法で行った。銅フックを錫鉛−銀（６２，−
３６−２）合金を用いて２１５℃で銅スタッドに溶接し
、続いてこのフックの引張り試験を行い、破壊力を測定
し接着力を判定する。

スタッドに溶接したフックを恒温器中、１５０℃の温度
下で２００時間エージングした後、引張り試験を行い経
時変化を測定した。

試験１では、ガスドーパントを加えない酸素含有量４ｐ
ｐｍ、水蒸気含有量ｉ２ｐｐｍの工業用窒素雰囲気中で
焼成を行った。

試験２では重合体樹脂除去帯域中に酸素を加え、酸素含
有量を５００ｐ凹に、水蒸気含有量１２ｐｐｍに保持し
た窒素雰囲気内で焼成を行った。

試験３では、重合体樹脂除去帯域中に酸素を加え、酸素
含有量を４．０００ｐｐｍに、水蒸気含有量を１２ｐｐ
ｍに保持した窒素雰囲気中で焼成を行った。

ル↓ｄ友遁」し北 生成厚膜銅層は試験１の場合暴利からの剥離性がきわめ
て大きく、このため層の電気・機械特性の劣化も大で、
はとんど測定困難であった。

上記試験結果から、焼成炉の重合体樹脂除去（１）域だ
けに酸素を加えることにより、窒化アルミニウム基材上
の厚膜銅層の物理特性、とくに初期およびエージソング
後の接着性能い大幅な改善の見られるのが分かる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．放熱性の高い窒化アルミニウム系支持体上に原料イ
   ンキの膜を沈着させた後、このインキを１００〜１５０
   ℃の温度範囲で予備乾燥させる工程と、下記の工程の組
   合わせ、すなわち ａ）温度を上昇させて重合体樹脂を除去する工程ｂ）６
   ００〜１０００℃の温度範囲で焼結させる工程及び ｃ）調時冷却工程 からなる焼成工程とからなりかつ慣用の方法に従って重
   合体樹脂除去用ガス相の酸素含有量は数百ｐｐｍとし、
   一方焼結用ガス相の酸素含有量は上記の量より明らかに
   低い量とする電気接続部材の製造方法において、重合体
   樹脂を除去する工程で使用するガス雰囲気の酸素含有量
   は１００〜５，０００ｐｐｍとし、高温焼結工程の雰囲
   気中および冷却工程の雰囲気中の酸素含有量は常に約１
   ０ｐｐｍ以下とすることを特徴とする電気接続部材、と
   くにハイブリッド回路相互接続用基材の製造方法。
2. ２．重合体樹脂の除去工程で使用するガス雰囲気中の酸
   素含有量を２５０〜３，０００ｐｐｍとする請求項１に
   記載の方法。
3. ３．上記製造に先き立ち、酸化性雰囲気中、とくに空気
   の存在下または窒素、水素および水蒸気の混合物の存在
   下で約１時間、１２００〜１５００℃の範囲の温度で予
   備酸化させるとともに、重合体樹脂の除去用ガス雰囲気
   中の酸素含有量を２５０ｐｐｍ以下とする請求項１に記
   載の方法。