JPH0368487B2

JPH0368487B2 -

Info

Publication number: JPH0368487B2
Application number: JP6590886A
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: JPS6255807A

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
は金（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を銀（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。発明が解決しようとする問題点しかし、従来のAg系サーデイツプペーストは
一般的に920〜930℃と焼成温度が高い。Au系サ
ーデイツプペーストは870〜890℃であり、Au系
メタライズ製品と同時に焼成すると、Ag系は強
度が不充分になる。従つて、Ag系ペーストを焼成する場合、専門
炉を設置する必要がある。以上の状況からAu系
ペーストと同じ870〜890℃程度の焼成温度で充分
な強度をもつAg系サーデイツプ用ペーストを提
供せんとするものである。また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。本発明は上記のような欠点を解消すべくなされ
たものであり、サーデイツプIC用のドツテイン
グペーストにおいて、比較的に低い焼成温度でも
アルミナ基板とシリコンチツプとの接着力にすぐ
れ、耐熱性、耐熱衝撃性にもすぐれており、使い
易く、安価なフリツトレスタイプのドツテイング
ペーストを提供せんとするものである。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五酸化
バナジウムを添加することにより、低温焼成によ
る接着強度をさらに強めることを目的としたもの
である。すなわち安定的にかつ低温域側（870℃
付近）で、強度を発揮できる様な各種添加物につ
いて検討を加えてきた結果、五酸化バナジウム
（V₂O₅）が焼成温度850℃でも強度を維持できる
ことがわかつた。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および五酸化バナジウムを
含有し、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および五酸化バナジウム
を含有し、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、酸化イツトリウムおよび五酸
化バナジウムを含有し、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お
よび五酸化バナジウムから成る固型成分を含み、
残余がビヒクルからなるものである。金属粉末と
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粉末又はAgとPt
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。本発明で添加するV₂O₅は、化学的に製造され
たもので、純度が99.9％以上のものが好ましい。
粒度は平均粒径で5μ以下好ましくは2μ以下で細
かい方が分散性が良く強度に与える影響も好まし
い。逆に平均粒径が5μ以上であると強度、表面
平滑性、均一分散性の面で好ましくない。V₂O₅
の添加率は20〜500ppmが最適である。20ppm以
下では、強度に対して顕著な効果は認められな
い。500ppm以上添加すると色調に変色をきたす
他、気孔が多くなつたり、表面粗さが粗くなつた
りして、特にダイアタツチ性（Si付けが難しい）
が劣化する。Y₂O₃は焼成温度900℃以上で効果は
認められるが900℃以下では効果は顕著でない。
より広い温度範囲に於いてより安定に強度を維持
させるには両方の添加が好ましい。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、金属粉末との濡れ性を良くする
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％添加しても良い。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％および五酸化バナジウム
を固形成分中に20〜500ppm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0.2〜30％であり、さら
に酸化イツトリウムを固形成分中に20ppm〜２％
および五酸化バナジウムを固形成分中に20〜
500ppm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％と五酸化バナジウムを固形成分
中に20〜500ppm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、粒径
（D₅₀）を2μｍ以下の微粉末を使用するのが好ま
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。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および
五酸化バナジウムを使用しビヒクルとしてテルピ
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。 V₂O₅は純度99.9％で粒径3μ以下のものを使用
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
％を添加したものを用いた。これらの金属粉末と酸化イツトリウムとビヒク
ルを表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870℃、890℃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□×25μｍ^t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を示している。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。表−１、表−２よりV₂O₅は、比較的低温域の
870〜890℃での強度に著しい効果が認められる。
又、Y₂O₃は890℃以上の高温域側で強度に対し著
しい効果が認められ、両添加物により、広い温度
範囲で安定した強度が得られることが判つた。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、かつ五酸化バナジ
ウムを固形成分中に20〜500ppm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、かつ五酸
化バナジウムを固形成分中に20〜500ppm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、かつ五酸化バナジウムを固形成分中に
20〜500ppm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。