JPH0368486B2

JPH0368486B2 -

Info

Publication number: JPH0368486B2
Application number: JP6590786A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shoji; Kenji Ochiai
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1985-03-27
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1991-10-28
Also published as: JPS6271110A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明はサーデイツプ基板用ペースト、特にド
ツテイングペーストに関するものである。従来の技術近年、電子機器の薄型化、コンパクト化は著し
く、集積度の増加と共に一段と信頼性が向上し、
用途も拡大の一途をたどつている。モノリシツク
ICでは急速な密度の増加、小型化がすすんでき
ており、一方ハイブリツトICの分野でも特に自
動車用制御回路や電源装置用などの産業機器にお
いては耐熱性、耐熱衝撃性にすぐれた大規模ハイ
ブリツトIC化の傾向が強い。最近のハイブリツ
トICでは、セラミツク基板上にダイオード、ト
ランジスタ、半導体ICなどの能動部品のほかコ
イル、トランス、コンデンサーなどほとんどの電
気部品を搭載している。集積度も一段と増加し信
頼度も飛躍的に向上した混成集積回路が開発され
ている。これらのハイブリツトICはセラミツク基板上
に、個別部品あるいはICエレメントを搭載した
り、厚膜技術を駆使して構成されている。サーデ
イツプICは通常Al₂O₃92〜96％程度のアルミナ基
板上にシリコンのICチツプをボンデイングペー
ストを使用して固着しているが、一層耐久力のあ
る固着力が要求されている。通常サーデイツプ用のボンデイング方法として
はAu系ペーストまたは半田、ガラスなどが使用
されている。Au系ペーストは導電性に優れ、化
学的にもまつたく安定で、Auワイヤーとのボン
ダビリテイがもつとも良く、Siとも容易に合金化
し、基板との接着もきわめて良好で、特に信頼性
に優れているが高価であるという難点がある。こ
の難点を解消するためAuをAgに代えAgの欠点
であるマイグレーシヨンを防止するためにPdを
添加したAg−Pd系のペーストが開発されてき
た。これら従来のペーストは金属粉末にガラス質金
属酸化物を混合し、ビヒクルを用いて混練したも
のであり、アルミナ基板との接着はもつぱらガラ
スフリツトの焼結結合にたよるものであつた。しかしながらガラスフリツトは熱衝撃に弱く、
基板を焼成してパツケージ化する工程や、あるい
は使用中の環境温度の変化によつて接着強度が熱
劣化する欠点を有する。アルミナ基板との接着力
を向上させるため、Cuなどを微量添加しアルミ
ナ基板と化学的に結合させる試みもなされている
が、ガラスフリツトを使用する限り熱劣化特性を
飛躍的に向上させることは困難であつた。すなわち、たゞ単にCu微粉末を添加したので
は、ビヒクル中では比重差により他の金属微粉末
と分離する現象が起こり、ドツテイングに際して
は分散が悪く、均一なメタライズ皮膜とならない
ばかりでなく、アルミナ基板に充分拡散しないた
め皮膜の接着強度が不充分なものとなる。また焼
成過程でCuの偏析した箇所は局部的に酸化され
て着色し均一な平滑面を有する皮膜が得られない
などの欠点がある。発明が解決しようとする問題点上記のような欠点を解消するため銀と銅との複
合粉末を使用しフリツトを使用しないペーストの
提供を試みた。しかしながら銅を金属のまま添加したのでは偏
析を起こしやすく、このようなペーストを使用す
ると接着強度のバラツキが大きく、安定した製品
が得られない欠点がある。問題点を解決するための手段および作用本発明者らは先に銀（Ag）と銅（Cu）の複合
微粉末を使用し、酸化イツトリウムを添加するこ
とを特徴とする導電ペーストを提案した（特願昭
59−207042）。本発明は先の提案にさらに有機銅
を添加することにより、銅の分散性を改善し接着
強度を安定して強めることを目的としたものであ
る。第一の発明は銀微粉末と、銀と銅との複合微粉
末と酸化イツトリウムを含有し、さらに銅有機物
をペースト中の銅純物の合計が0.1〜10％となる
範囲で含み、残部がビヒクルよりなることを要旨
とする。第二の発明は銀微粉末と、銀と銅との複合微粉
末、および銀と白金との複合微粉末または白金微
粉末と酸化イツトリウムを含有し、さらに銅有機
物をペースト中の銅純物の合計が0.1〜10％とな
る範囲で含み、残部がビヒクルよりなることを要
旨とし、Agのマイグレーシヨンを防止し、ワイ
ヤー接着性、ハンダ特性を向上させる効果を有す
るものとなる。第三の発明は銀微粉末と、銀と銅との複合微粉
末、および銀とパラジウムとの複合微粉末又は、
パラジウム微粉末、酸化イツトリウムを含有し、
さらに銅有機物をペースト中の銅純物の合計が
0.1〜10％となる範囲で含み、残部がビヒクルよ
りなることを要旨とするもので、Agのマイグレ
ーシヨン防止に特にすぐれ、ワイヤー接着性、ハ
ンダ特性を向上させる効果を有する。次に本発明につき詳説する。本発明の導電ペー
ストは本質的には金属粉末と酸化イツトリウムか
ら成る固型成分、および有機銅を含み残余がビヒ
クルから成るものである。金属粉としてはAg粉
末、AgとCuとの複合粉末、Pt粉末又はAgとPt
との複合粉末、Pd粉末又AgとPdとの複合粉末等
を使用する。本発明において銀微粉末は粒径10μｍ以下のも
の、好ましくは平均粒径（D₅₀）が0.5〜5μｍのも
のを使用する。10μｍより大きくなるとビヒクル
中での分散性が悪くなり、ドツテイングの時にニ
ードルが閉塞する恐れがある。又、焼成仕上がり
面の平滑性が得難くなる。銀粉末は特殊なもので
ある必要はなく、通常の還元法や電解法で得られ
た銀粉末を使用することができる。銀と銅の複合微粉末はビヒクル中で銀粒子と銅
粒子が結合を保つていれば良く、メツキ粉、共沈
粉、メカニカルアロイ粉末等が利用できる。特に
メカニカルアロイ粉末は、銀と銅の粉末をボール
ミル中で高速回転させて混合粉砕した結果得られ
るものであり、銀粒子と銅粒子が機械的に噛合つ
て結合しており、バインダーを何ら使用すること
なく銀粒子と銅粒子の強固な結合を保つことが可
能である。メカニカルアロイ粉末による場合は広
範囲のCu含有量の複合粉末を任意に選択使用で
きる利点を有する。銀と銅との複合粉末の粒子径
は10μｍ以下、好ましくは平均粒子径（D₅₀）が
0.5〜5μｍのものが良い。銀と銅との複合粉末中
の銅の含有量は20〜95％が適当である。銅含有量
が20％以下ではペーストとして使用した場合の皮
膜強度が充分でなく、95％を越えると複合粉末化
の効果がなくなる。さらに比重値がなるべく銀と
銅との中間値に近いものがビヒクル中での分散性
を良くする上で望ましい。導電ペースト中の金属粉末中に占める銅含有率
は0.1〜10％、好ましくは２〜５％である。銅含
有率が0.1％以下ではアルミナ中への拡散が不充
分で接着強度が上がらない。また、銅含有量が10
％を越えると銅の酸化が著しくなり、かえつて悪
影響をおよぼす結果となる。導電ペースト中の金属粉末含有量は60〜90％と
する必要があり、これ以外では取扱い易いペース
ト粘度が得られない。酸化イツトリウム（Y₂O₃）は化学的手法で製
造された純度が99.6％以上のものが好ましい。粒
度は平均粒径で5μｍ以下が好ましく、粒径は強
度を向上させるために、あるいは分散性を良くす
るために細かい方が良い。平均粒径が10μｍ以上
になると、均一分散性が悪く表面平滑性の面で好
ましくない。酸化イツトリウムの添加量はペーストの固形成
分中の割合で20ppm〜２％、好ましくは0.05〜１
％となるよう添加すると付着強度向上に著しい効
果を発揮することが判明した。添加量が20ppm以
下では効果が認められず、２％を越えるとY₂O₃
が析出し、表面平滑性に悪影響を及ぼし、ダイア
タツチ性を阻害する。表面平滑性を保ちしかも付
着強度を向上させるにはペーストの固形成分中に
0.05〜１％添加するのが良い。本発明で使用する銅有機物とは、

【式】又は、

【式】（Ｒは飽和型炭化水素）の一般式で示されるも
ので、環式テルペン系誘導体またはＲ−Ｓ−Cu
又はＲ−Ｓ−Cu−Ｓ−Ｒの一般式で示されるも
のでもよい。銅の含有量は一般に３〜10重量％で
ある。具体的には、レジネート銅、銅アリールメ
ルカプチド、銅テルペンメチドなどがある。これ
らの有機銅はペースト中で溶剤に溶けた状態で存
在する。有機銅は、IR法（Infra−Red
Absorption Spectrum、赤外線吸収スペクト
ル）、NMR法（Nuclear Magnetic Resonance
核磁気共鳴法）等で金属銅と区別して存在が判別
できる。銅有機物を使用することによる効果は (i) 液体であるためビヒクルと良く混ざるため、
分散性に優れたペーストが可能である。 (ii) 基板にドツテイングしても偏析が殆んどな
い。 (iii) 焼成過程に於て、Ag／Cu複合粉、Y₂O₃粉末
は、主に基板との接着強度に寄与し、銅有機物
は均一に分散するため、メタライズ層間の焼結
を促進させる効果がある。従つて接着強度のばらつきが小さくなり、安定
した強度の製品を得られる点にある。ビヒクルは金属微粉末を均一に分散させ、使用
に際しては適度の粘性と表面張力を有し、塗布面
に滑らかに拡散させる機能を有する。本発明で使
用するビヒクルは通常使用されているエチルセル
ロースをバインダーとして、溶剤としてテレピネ
オール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトー
ルアセテート、テキサノール等の有機質溶媒が使
用できる。また、金属粉末との漏れ性を良くする
ため界面活性剤を0.5〜10％添加すると分散性が
良くなる。又、分散剤としてロジン系樹脂を0.1
〜２％添加すると良い。ペースト状態では金属微
粉末粒子の分離偏析を避けるため、粘度は高く調
整しておくが、使用に際しては溶剤を用いて希釈
し、40〜450cpsの粘度に調整する。第一の発明で
は銀微粉末および銀と銅との複合微粉末を含み、
これらの金属微粉末粒子の合計が60〜90％で、か
つ金属微粉末中の銅の含有量が0.1〜10％であり、
さらに酸化イツトリウムを固形成分中に20ppm〜
２％含み、さらに銅有機物をペースト中の銅純物
の合計が0.1〜10％となる範囲で含み、残部がビ
ヒクルからなる導電ペーストである。ペーストを
上記のように構成することにより熱衝撃に耐え、
熱劣化性が著しく改善された強固な結合力を有す
るものとなる。さらに本発明によるペーストはド
ツテイングの際の分散性も良くなり、平滑で均一
な焼上がり特性を有するすぐれた表面皮膜とな
る。第二の発明は第一の発明に白金を添加したもの
であり、銀微粉末と、銀と銅との複合微粉末と、
銀と白金との複合微粉末または白金微粉末とを含
み、これらの金属微粉末粒子の合計が60〜90％
で、かつ金属微粉末中の銅の含有量が0.1〜10％
であり、白金の含有量が0.2〜10％であり、さら
に酸化イツトリウムを固形成分中に20ppm〜２％
含み、さらに銅有機物をペースト中の銅純物の合
計が0.1〜10％となる範囲で含み、残部がビヒク
ルからなる導電ペーストである。上記のごとくペ
ーストを構成することにより、熱衝撃に耐え、熱
劣化性が著しく改善された強固な結合力を有する
ほかに、銀のマイグレーシヨンを防止し、ワイヤ
ーボンデイング性、フアインライン性、ハンダ特
性、導電性を改善する効果を有する。又、キヤビ
テイー部にワイヤーを接続する場合、Al線が使
用できる大きな利点をもつ。白金は化学的に安定であるから単独で混合して
も上記特性を改善するのに有効であるが、銀との
複合粉末を使用するとビヒクル中で均一に分散す
るので、一層効果的である。銀と白金との複合粉
末はメツキ粉、共沈粉、メカニカルアロイ粉等が
使用できる。複合粉末中の白金の含有率は５〜60
％が適する。メカニカルアロイ粉では白金含有率
の高いものを容易に得ることができる。複合粉末
の粉末粒子径は10μｍ以下、平均粒子径（D₅₀）
は5μｍ以下程度のものが良い。白金の含有量は
ペースト中の金属粉末に対し0.2〜10％好ましく
は0.5〜3.0％である。白金含有量が0.2％以下では
添加効果が認められず、10％以上ではコスト削減
の効果が現われない。第三の発明は第一の発明にパラジウムを添加し
たものであり、銀微粉末と、銀と銅との複合粉末
と、銀とパラジウムとの複合微粉末又はパラジウ
ム微粉末とを含み、これらの金属微粉末粒子の合
計が60〜90％で、かつ金属微粉末中の銅の含有量
が0.1〜10％であり、パラジウムの含有量が0.2〜
30％であり、さらに酸化イツトリウムを固形成分
中に20ppm〜２％含み、さらに銅有機物をペース
ト中の銅純物の合計が0.1〜10％となる範囲で含
み、残部がビヒクルからなる導電ペーストであ
る。上記のごとくペーストを構成することによ
り、熱衝撃に耐え、熱劣化性が著しく改善された
強固な結合力を有するほかに、特に銀のマイグレ
ーシヨン防止に著しい効果を発揮し、ワイヤーボ
ンデイング性、ハンダ特性を改善し、表面の滑ら
かな均質皮膜が得られる効果を有する。パラジウムを添加したペーストは銀のマイグレ
ーシヨンを防止する効果を有することは広く知ら
れた事実である。パラジウムを単独で添加したペ
ーストは、焼成過程でパラジウムが容易に酸化さ
れ、表面粗さが極端に粗くなる欠点がある。その
ためパラジウムを単独で添加する場合は、粒度
（D₅₀）を2μｍ以下の微粉末を使用することが好
ましい。また、パラジウムを銀と複合化した粉末
を使用することにより、パラジウムの酸化を防止
しつつ平面状態のきわめて良好な皮膜が得られ
る。銀とパラジウムとの複合化粉末としては共沈粉
末、メカニカルアロイ粉末、メツキ粉末が利用で
きる。複合粉末中のパラジウムの含有率は10〜40
％、好ましくは20〜30％のものが使い易い。複合
粉末の粒子径は10μｍ以下、平均粒子径（D₅₀）
は5μｍ以下程度のものが良い。パラジウムの含有量はペースト中の金属粉末に
対して0.2〜30％、好ましくは0.5〜10％である。
パラジウム含有量が0.2％以下では添加の効果が
認められず、30％以上添加しても著しい特性向上
は期待できなくなるからである。これらの発明において、銅有機物を配合する利
点は、液体であるためビヒクルに非常に良く混合
できる利点と、ドツテイングの際も分離や偏析し
ない利点があり、焼成後の強度を高くかつ安定的
に保つ利点がある。実施例次に実施例をあげて本発明を説明する。表１に示す金属粉末と酸化イツトリウムを使用
しビヒクルとして有機銅を配合したテルピネオー
ル、エチルセルロース及び界面活性剤を使用して
三本ロールミルで混練してペーストを作つた。銀粉末は市販の還元粉を使用し、純度は99.9
％、粒度は１〜4μｍであつた。銀と銅との複合粉末として銀粉10％と銅粉90％
をボールミル中で高速混合粉砕したメカニカルア
ロイ粉を使用した。複合粉末の粒度は10μｍ以下
に分級したものを使用した。白金は市販の0.5〜0.8μｍの微粉末、および銀
と白金の割合が85：15の共沈粉末を5μｍ以下に
分散して使用した。パラジウムは市販の粒度0.8〜1.8μｍの微粉末、
および銀とパラジウムの重量比が７：３である共
沈粉末を5μｍ以下に分散したものを使用した。酸化イツトリウムは平均粒径1.2μｍ、純度99.9
％の市販品を使用した。ビヒクル成分はテルピネオールに対して12％の
エチルセルロース及びノニオン系界面活性剤2.5
％及び銅有機物としてレジネート銅をあらかじめ
添加したものを用いた。ビヒクル成分およびレジネート銅の配合割合
は、ペースト全体に対し上記ビヒクル成分が11重
量部、レジネート銅４重量部になるように配合し
た。レジネート銅中のCu含有量は6.4％であるので、
レジネート銅から入るCu純分は0.256重量部とな
る。これらの金属粉末と酸化イツトリウムとビヒク
ルおよびレジネート銅とを表１に示す配合条件で
三本ロールミルを使用して充分混練し、ペースト
を得た。その時の粘度はBrookfield粘度計HBT
で、14番スピンドルを使用して測定したところ、
200±50Kcpsであつた。次に該ペーストを、ブチルカルビトールとテル
ピネオールを１：１に混合した溶液をシンナーと
して使用し、最終粘度が約100cpsになるように調
整してドツテイングに使用した。基板はブラツクアルミナ（92％Al₂O₃、寸法
31.7×13×２mm）を使用し、キヤビテイーの寸法
は6.25×6.25×0.18mmであつた。アルミナ基板はトリクレンで洗浄後使用した。
このキヤビテイー上に粘度調整された希釈ペース
トをドツテイングにより滴下塗布した。ドツテイング装置は岩下エンジニアリング製の
ものを使用した。該導電ペーストをドツテイング
後、レベリングを１時間おこなつた後120℃で20
分間乾燥し、さらにワトキンス・ジヨンソン社製
4MC型厚膜焼成炉により、大気雰囲気中で焼成
した。焼成条件は60分間プロフアイルでピーク温
度910℃及び920℃で10分間とした。このようにして得られたペースト皮膜表面を観
察し、表面粗さを東京精密製表面粗さ計により測
定した。サンプルは各水準毎に50個を使用した。さらに2.5×2.5mm口×25μｍｔのAuプレフオー
ムを使用し、ウエストボンド社製ダイアタツチ装
置により450℃でシリコンチツプを接着した。こ
のようにして得られたサーデイツプICにつき特
性試験を実施した。これらの結果を表２に示す。接着強度はダイアタツチ性とダイプツシユ試験
で判定した。ダイアタツチ性とは接着時のスクラ
ビングの時間により判断し、表２中〇印は短時間
に接着できたものである。ダイプツシユ試験は耐
熱試験終了後のテストピースについてエンジニア
ド・テクニカル・プロダクト社製のバーチカルボ
ンドテスターを使用して測定した。表２中〇印は
20個全部のテストピースがダイ破壊を示した場
合。△印は20個のサンプルのうち１個でも膜剥離
があつた場合を示す。×印は20個のテストピース
全部が膜剥離をしたこと示している。上記の耐熱試験は熱サイクルテストと熱衝撃テ
ストを実施した。試験条件は熱サイクルテストは
MILL−STD 883B 1010・２に基づき
CONDITION Ｃでおこなつた。熱衝撃テストは
同じくMILL−STD 883B 1011・２、
CONDITION Ｃでおこなつた。メタライズ焼成膜の垂直引張強度は、次の方法
で行つた。まず、先端2.85mmφの銅スタツドに
10μｍの厚さで銀メツキしたものを金−けい素合
金箔（2.2mm×2.2mm×50μｍ^t）をプレフオームと
して使用し、450℃でスクラブさせながら銀メツ
キスタツドを接着させた。次いで銀メツキスタツ
ドを引張速度16mm／分の一定速度で、今田製作所
製プツシユ・プル・テスターにより垂直方向の引
きながし強度を測定した。第２表の結果から明らかなように、本発明によ
る銅有機物を添加した導電ペーストは、焼成後の
表面がきわめて滑らかであり、シリコンチツプと
メタライズ焼成膜との接着力が強固でバラツキが
少なく安定しており、しかも熱履歴を受けても接
着力が劣化しないというきわめてすぐれた効果を
発揮している。また、ペーストの使用にあたつて
は銅分の分散性が良く均質で取扱が容易である利
点を有する。これに対して銅有機物単体又は、銀あるいは銅
の単体添加では接着強度が充分でなく、かつ強度
のバラツキが多い。白金粉末または銀白金複合粉末を使用した導電
ペーストは皮膜の焼き上がり状態が良く、接着強
度が一段と向上し熱履歴によつても接着強度が劣
化しないことが判明した。本発明品のボンデイング抵抗値は非常に低く、
かつ経時的に安定しており、かつボンデイング特
性も良いので、アルミニウムワイヤーの使用が可
能となることも、本発明の大きな利点である。本発明による銀とパラジウムの混合粉末を使用
した場合は、これらの欠点が解消され、接着強度
が一段とすぐれたものとなる。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】１銀微粉末と、銀と銅との複合微粉末を含みこ
れら金属微粉末の合計が60〜90％（重量％、以下
同じ）であり、かつ金属微粉末中の銅の含有量が
0.1〜10％であり、さらに酸化イツトリウムを固
形成分中に20ppm〜２％含み、さらに銅有機物を
ペースト中の銅純物の合計が0.1〜10％となる範
囲で含み、残部がビヒクル成分よりなることを特
徴とする導電ペースト。２銀微粉末と、銀と銅との複合微粉末と、銀と
白金との複合微粉末または白金微粉末とを含み、
これら金属微粉末の合計が60〜90％であり、かつ
金属微粉末中の銅の含有量が0.1〜10％で白金の
含有量が0.2〜10％であり、さらに酸化イツトリ
ウムを固形成分中に20ppm〜２％含み、さらに銅
有機物をペースト中の銅純物の合計が0.1〜10％
となる範囲で含み、残部がビヒクル成分よりなる
ことを特徴とする導電ペースト。３銀微粉末と、銀と銅との複合微粉末と、銀と
パラジウムとの複合微粉末またはパラジウム微粉
末を含み、これら金属微粉末の合計が60〜90％で
あり、かつ金属微粉末中の銅の含有量が0.1〜10
％で、パラジウムの含有量が0.2〜30％であり、
さらに酸化イツトリウムを固形成分中に20ppm〜
２％含み、さらに銅有機物をペースト中の銅純物
の合計が0.1〜10％となる範囲で含み、残部がビ
ヒクル成分よりなることを特徴とする導電ペース
ト。