JPH0341997B2

JPH0341997B2 -

Info

Publication number: JPH0341997B2
Application number: JP60131104A
Authority: JP
Priority date: 1985-06-17
Filing date: 1985-06-17
Publication date: 1991-06-25
Also published as: JPS61288484A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は、IC、LSI、チツプ部品などを搭載
し、かつそれらを相互配線した回路の高密度実装
用基板として用いることのできるセラミツク配線
基板用導体混練物に関するものである。従来の技術従来より、セラミツク配線基板の導体ペースト
用金属としては、Au、Au−Pt、Ag−Pt、Ag−
Pd等の貴金属、Ｗ、Mo、Mo−Mn等の高融点卑
金属が広く用いられていた。前者のAu、Au−
Pt、Ag−Pt、Ag−Pd等の貴金属ペーストは空
気中で焼付けができるという反面、コストが高い
という問題を抱えている。また、後者のＷ、
Mo、Mo−Mn等の高融点金属は1600℃程度、す
なわちグリーンシート焼結温度（1500℃）以上の
高温で同時焼成するため多層化しやすいが、一
方、電気抵抗が高い、還元雰囲気中で焼成する必
要があるため危険である。さらに、ハンダ付けの
ために導体表面にNi等によるメツキ処理を施す
必要があるなどの問題を有している。そこで、安
価で電気抵抗が低く、ハンダ付け性の良好なCu
ペーストが用いられる様になつて来た。ここで、
Cuペーストを用いたセラミツク配線基板の製造
方法の一例を述べる。従来の方法は、アルミナ等
の焼結基板上にCuペーストをスクリーン印刷し、
配線パターンを形成し、乾燥後、Cuの融点より
も低い温度で、かつCuが酸化されず、導体ペー
スト中の有機成分が十分に燃焼する様に酸素分圧
を制御した窒素雰囲気中で焼成するというもので
ある。また、Cuペーストを用いたセラミツク多
層配線基板の場合は、さらに絶縁ペーストとCu
ペーストを印刷、乾燥の後、中性雰囲気中で焼成
を所望の回数繰返し、多層化するというものであ
る。発明が解決しようとするも問題点しかしながら、上記の様なCuペーストを用い
た場合、セラミツク配線基板の製造方法において
いくつかの大きな問題点がある。まず第１に、焼
成工程において、Cuを酸化させず、なおかつCu
ペースト中の有機成分を完全に燃焼される様な酸
素分圧に炉内を制御するという事が非常に困難で
あるという事である。酸素分圧が少しでも高けれ
ば、Cu表面が酸化され、ハンダ付け性が悪くな
り、導電性の低下につながり、逆に酸素分圧が低
く過ぎればCuメタライズの良好な接着が得られ
ないばかりか、Cuペースト中に含まれる有機成
分の使用に困難が生じる。つまり、ペーストのビ
ヒクルに用いられる有機バインダ等が完全に燃焼
除去されないという事である。特にCuの融点以
下の温度では、有機バインダは分解しないといわ
れている。（文献名例えば特開昭55−128899号
公報）また、金属Cuを用いた場合、たとえ脱バイン
ダの工程と、Cu焼付けの工程を分けたとしても、
金属Cuが脱バインダの工程で酸化され、体積膨
張を起こすため、基板からの剥離等の問題を生ず
る。第２に、多層にする場合、印刷、乾燥後、そ
の都度焼付を行なうのでリードタイムが長くな
る。さらに設備などのコストアツプにつながると
いう問題を有している。そこで、特願59−147833
において、酸化銅ペーストを用い、絶縁ペースト
と導体ペーストの印刷を繰り返し行ない多層化
し、炭素に対して充分な酸化雰囲気で、かつ内部
の有機成分を熱分解させるに充分な温度で熱処理
を行ない、しかる後、Cuに対して非酸化性とな
る雰囲気とし、印刷された酸化銅が金属Cuに還
元され、焼結する事を特徴とするセラミツク多層
配線基板の製造方法について、すでに開示されて
いる。この方法により焼成時の雰囲気制御が容易
になり、同時焼成が可能となつた。しかしなが
ら、以下に示す様に問題点が新たに見い出され
た。それは、上記酸化銅ペーストにおいては、ア
ルミナ焼結基板との間にほとんど接着力がなく、
焼成において導体部が完全に基板から剥離してし
まう。そのため、アルミナ焼結基板と導体層の間
に絶縁層を有する構造にしなければ、セラミツク
配線基板として使用する事は出来ないという事で
ある。さらに加えて、焼結基板と導体層の間に、
絶縁層を有した構造にしても、最適なCuO粒径を
選ばなければ、印刷性が悪い、フアインパターン
が得られにくく、導体抵抗が高く、かつ収縮率が
大きいための剥離現象、さらに、接着強度が低
く、またそのばらつきが大きい等の問題がある。
そこで、接着強度を高くすると共に、アルミナ焼
結基板との接着性も良好な厚膜導体材料として、
特願昭60−23846号において、添加物として
MnO₂を加えた酸化銅ペーストを提案した。しか
しこの酸化銅ペーストにおいても、CuO、MnO₂
の粒子径を選ばなければ、ペースト中でのMnO₂
の分散性が悪く、そのため、印刷性が悪い、配線
パターンのかすれ、切断が起こりやすい、接着強
度に大きなばらつきが生じる、ということとな
る。また、多層にした場合においても、内層の導
体層表面と絶縁層の接着強度が弱く剥離が起こり
やすい、添加物を加える事によりシート抵抗の増
加等の問題が新たに生じて来た。そこで、本発明は上記問題点に鑑み、焼成時の
雰囲気制御が容易であり、多層の場合に同時焼成
が可能で、さらに、印刷性にすぐれ、極めて少量
の酸化マンガンの添加で、非常に高い接着強度が
得られることとなり、その接着強度にばらつきが
少なく、加えて、少量の添加物でCu本来が持つ
低い抵抗や優れたハンダ付け性等の特性を損なわ
ないセラミツク配線基板用酸化銅ペーストを提供
するものである。問題点を解決するための手段上記問題点を解決するために本発明のセラミツ
ク配線基板用導体混練物は、添加物として酸化マ
ンガンを用い、さらに、無機固体分中の主成分で
ある酸化銅粉と、添加物である酸化マンガン粉の
粒子径を最適範囲内に調製したものである。作用本発明は上記した様に、酸化銅ペーストである
という事で、導体中の有機成分を完全に燃焼除去
するという工程と、酸化銅を金属Cuに還元させ
るという工程を分離してセラミツク配線基板の製
造を行なう事が出来る。そのため、脱バインダが
完全に行なえ、焼成時の雰囲気制御が容易であ
り、多層の場合においても脱バインダ時に、酸化
第二銅は酸化第二銅のままで変化がないため、
Cuが酸化によつてCuOに変化する際の体積膨張
は起こさない。そのため、層間の剥離がなく、よ
つて同時焼成が可能となり、製造コストの低下、
リーデイングタイムの短縮へとつながる。さら
に、酸化銅粉の粒子径を1μｍ〜9μｍの範囲内に
調製し、酸化マンガン粉の粒子径を5μｍ以下に
することによつて種々の問題が一層解決される。
まず、酸化銅粉の粒子径が、9μｍ以上のものが
多い場合、酸化マンガンの粒子径にかかわらず、
スクリーン印刷時において、メツシユの通りが悪
く、印刷パターンにかすれが生じ、乾燥後、平滑
な表面が得にくい、また、粒子径が1μｍ以下の
ものが多い場合も酸化マンガンの粒子径にかかわ
らずペースト作製時に、印刷性の良い適当な粘度
にするために、ビヒクル量が多くなり、焼成時の
収縮が大きく、配線パターンが網目状になつた
り、配線したり、また、剥離したりという事にな
り、さらには、導電性は悪化し、同時に精度の良
い配線パターンも得られないという問題がある。
酸化銅粉の粒子径を上記の様にした場合、その問
題点を酸化マンガン粉の粒子径でおぎなう事は出
来ない。それは、酸化銅に比べ酸化マンガンの添
加量が非常に少ないからである。それを、酸化マ
ンガンの添加量を多くする事によつて改善すると
いう事は、Cuの特徴である低いシート抵抗、ハ
ンダ付け性の良さを失なわせてしまう事であり、
適当であるとは思われない。よつて本発明におい
ても、酸化銅粉の粒子は、1μｍ〜9μｍの範囲内
に95重量％以上が含まれる事が、まず第一に必要
であり、さらに、その上で酸化マンガン粉の粒子
径を調製する事によりいくつかの問題点を解決し
ようとするものである。なお、酸化銅粉の粒子径
を1μｍ〜9μｍに調製したものに添加物として酸
化マンガンを入れた場合、酸化銅単独のペースト
に比べアルミナ基板との接着性は著しく向上し
た。しかしながら、一方では、酸化マンガン粉の
多くが5μｍより大きい場合、ペースト中での酸
化マンガン粉の分散が悪く、接着強度、シート抵
抗に大きなばらつきを生じる。また、粒子径が大
きいために、粒子径が5μｍ以下の酸化マンガン
と同様な接着強度を得るためには、添加量が多く
なり、逆にシート抵抗を高くすると同時にハンダ
付け性を悪くするといつた事となる。だが、シー
ト抵抗を低くするためには、添加量を少くしなけ
ればならず、これは接着強度の低下へとつなが
り、接着強度とシート抵抗のバランスをとるのが
困難となる。以上より、酸化マンガン粉の粒子径
は95重量％以上を5μｍ以下にする事が必要であ
る。これによつて、良好なハンダ付け性、高い接
着強度、低いシート抵抗が得られ、さらに、これ
らの特性が再現性良く得られることとなる。実施例以下に、本発明の実施例について説明する。ま
ず、市販の特級CuOを昇温／降温スピードが300
℃／時間で、900℃で３時間保持し仮焼する。な
お、仮焼は大気中で行なうものとする。その後、
粉砕用の三寸ポツトを用い、メタノールで24時間
粉砕し、さらに乾燥して得た粒子径が1μｍ〜9μ
ｍの範囲内に95重量％以上が含まれる分級した
CuOに第１表に示す様な条件でMnO₂を加えたも
のを無機固体分とした。これらの混合粉を用いて
ペースト化した。

【表】

【表】ペースト作製のための条件は、まず、ビヒクル
組成としては、溶剤としてテレピン油を用い、有
機バイダンとしてのエチルセルロース、可塑剤と
してのヂ−ｎ−ブチルフレタートを溶かしたもの
を用いた。上記の混合物とビヒクルを三段ロール
にて混練し、ペーストとした。この様にして調製
したペーストを用い、セラミツク配線基板を作製
し接着強度、シート抵抗等の諸特性を測定した。
以下にセラミツク配線基板の製造方法を示す。ま
ず、アルミナ焼結基板上に、上記のペーストを用
い、スクリーン印刷法でパターン化した。この時
の印刷厚みは約20μｍである。次にこの印刷済基
板を120℃で10分間乾燥した。なお導体層は、乾
燥後10μｍ以上の厚みを有していた。次にこの乾
燥済基板を、空気中で約700℃の温度で脱バイダ
ンを行なつた。なお、このバインダ除去温度や雰
囲気の設定については、あらかじめ有機バインダ
の空気中での熱分析を行ない、バインダの除去が
完全に行なわれるかどうかを確認して設定される
ものである。従つて、バインダの種類によつて
は、多少分解温度が異なるので、おのずと脱バイ
ンダ時の温度プロフイルも異なつてくるのは当然
である。次のこの脱バインダ済基板を焼成する。
その焼成条件は昇温／降温スピードが300℃／時
間で、1000℃で１時間保持し、雰囲気としては、
N₂＋H₂（H₂／N₂＝20／80：流量は２／min）
で行なつた。その結果、焼成によりCuOが還元さ
れ、金属Cuとなり導電性パターンが形成された。
その後、接着強度、ハンダ付け性、シート抵抗等
の特性を測定し、その結果を同じく第１表に示し
た。なお、ハンダ付け性については、ハンダデイ
ツプ槽に、デイツプし、その濡れ性を定性的に判
断したもので、優・良が実用可能な範囲である。
また、接着強度は２mm角パターンに線巾0.8mmφ
のリード線を基板に対して垂直にハンダ付けし、
引張り試験機でその破壊強度を測定した。なお、
ハンダは、62％Sn、36％Pb、２％Agのものを使
用した。シート抵抗は、線巾300μｍ、厚みが10μ
ｍ程度のパターンを用いた。その結果、5μｍ以上のMnO₂粉を用いた場合、
高い接着強度を得るためには、MnO₂の添加量を
多くしなければならず、それは、シート抵抗が高
くなることにつながつた。また、シート抵抗を低
い状態に保つ様な条件でMnO₂を添加した場合、
接着強度が不充分である。さらに、接着強度の平
均が２Kg／mm²のものであつても、測定値には±１
Kg／mm²の誤差を示し、ばらつきが大きく再現性に
乏しいという問題がある。一方、MnO₂粒子径を
5μｍ以下に粉砕、分級したものについては、少
量の添加量で高い接着強度を有し、また、その測
定値のばらつきも±0.5Kg／mm²以下と小さく、シ
ート抵抗、ハンダ付け性ともにバランスの良い高
性能な特性を示している。以上よりCuOペースト
作製に際しては、CuOの粒子径を1μｍ〜9μｍの
範囲内に、また、MnO₂粉の粒子径を5μｍ以下に
調製する事がペースト作製において非常に大きな
要因である事は明らかである。なお、MnO₂の添
加量は、１〜10重量％の範囲で実用可能である。
しかし、１〜２重量％の範囲で、十分にその結果
が得られる。今回の実施例においては、導体一層の配線基板
を作製し、シート抵抗、接着強度を測定した場合
の結果を示したが、導体が二層以上の配線基板に
おいても確認したところ前記な結果が得られ、粒
子径調製の重要性がそこでも示されている。発明の効果以上述べた様に、本発明は、Cuを導体とする
高性能なセラミツク配線基板の製造を可能にする
導体材料を提供するものである。すなわち、本発明のセラミツク配線基板用導体
混練物を用いれば、 (1) 焼成時の雰囲気制御が容易である。 (2) 多層基板の製造において、導体層と絶縁体層
の同時焼成が可能であるため、リーデイングタ
イムの短縮へとつながり、その効果は積層数が
多くなればなるほど大きくなる。 (3) 印刷時の配線パターンに、かすれや切断を生
じない。 (4) アルミナ焼結基板との非常に良好なメタライ
ズ性が得られる。 (5) 極めて少量の酸化マンガンの添加で、非常に
高い接着強度が得られ、さらにその値にばらつ
きが少ない。 (6) 添加物が量が少量であるため、本来Cuの持
つ低い導体抵抗や優れたハンダ付け性等の特性
を損なうことはない。 (7) 導体ペースト中への添加物の分散を良好に
し、少量でも充分な接着強度を可能にするとと
もに、導体抵抗のばらつきを抑えることができ
る。さらにこの他にも、耐マイグレーシヨン性の良
さ、低コストを充分に生かせるものであり、工業
上極めて効果的な発明である。

Claims

【特許請求の範囲】

１酸化第二銅粉を主成分とし、この酸化第二銅
粉の95重量％以上が粒子径1μｍ〜9μｍの範囲内
に含まれ、添加物として、粒子径が5μｍ以下の
ものを95重量％以上含む酸化マンガンを１重量％
以上２重量％未満の範囲で加えた無機固体分と、
さらに少なくとも有機バインダと可塑剤と有機溶
剤とを有するビヒクルとからなることを特徴とす
るセラミツク配線基板用導体混練物。