JPH0465011A - 銅導体ペースト - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、セラミックス等の絶縁性基板上に電極や配線
パターンを形成するために用いられる銅導体ペーストに
関し、さらに詳しくは導電性および半田濡れ性に優れ、
かつ基板との密着性も良好な銅導体ペーストに関する。

（従来の技術） １体ペーストは、ガラス、セラミックス等の絶縁性基板
に、スクリーン印刷法、直接描画法等で所定パターンと
なるように塗布した後、焼成することにより導体厚膜を
形成するためのものである。

従来、かかる導体ペーストには、金、銀、銀／Ｐｄ、銅
、ニンケルなどの粉末が配合されて用いられているが、
近年銅導体ペーストを用いる傾向になりつつあることは
周知の通りである。

すなわち、金導体ペーストは大気中でも焼成できるが高
価であり、銀導体ペーストはエレクトロマイグレーショ
ンが起こりやすく、銀／Ｐｄ導体ペーストも高価であり
、ニンケル導体ペーストは配線抵抗が高いなどの欠点を
有するが、銅導体ペーストは低コストであるうえに、配
線抵抗も低く、さらに、マイグレーションも起こりにく
く理想的な導体材料といえる。

従来の銅導体ペーストは、例えば平均粒径０．５〜１０
ｐ１ｍの銅粉を無機結合剤とともに有機ビヒクル中に分
散させてペースト化させたものである。銅粉は焼成によ
り導電膜である鯛焼成膜を形成する。

有機ビヒクルは、ペースト化用液体バインダとしてチク
ソトロビノクなレオロジーをもたせる役割を有し基板へ
の塗布、印刷を可能にし、焼成時には分解、飛散する。

通常、かかる有機ビヒクルには樹脂を揮発性の溶剤中に
溶解したものが用いられる。

無機結合剤にはこのように鯛焼成膜を基板に密着させる
作用があり、ガラスフリット、金属酸化物等が用いられ
る。

特にガラスフリントによる密着作用はガラスポンドと呼
ばれ、銅導体ペーストの焼成時にガラスフリフトが溶融
し、これが濡れ現象により銅粉間より基板へ流動するこ
とによって鯛焼成膜と基板とを密着させる。従来より用
いられているガラスフリットとしては、軟化点が３００
〜７００℃のものが多く、Ｐｂ０−ＢｚＯｉ−５ｉＯ２
系に例えばＣｄ０ＳＺｎＯ１ＡＱｚＯｚ　、ＣａＯ等の
金属酸化物を含むガラス、およびホウケイ酸塩ガラス等
が使用されている。

一方、金属酸化物による密着作用はケミカルポンドと呼
ばれ、基板と金属酸化物との反応により鯛焼成膜と基板
とを密着させるものである。このときの基板と金属酸化
物との反応により形成された部分は半田の侵食におかさ
れにくいため、ケミカルポンドは半田付は後の高温エー
ジングによる密着性の低下が小さいという特徴をもつ。

従来より用いられる金属酸化物としては、ＣむＯおよび
ＣｕＯが主であるが、その他、ＢｉｚＯｚ　、ＣｄＯ，
Ｐｂ０ｚ、５ｂｚＯ３、ｖ２０５、ＺｎＯ等を使用する
場合もある。

また近年、銅粉の表面上に酸化物層を形成させた粉末を
用いることにより、より有効にケミカルポンドを発現さ
せる手法も提案された。特開平１１９６１９２号公報、
および特開昭６０−３５４０５号公報参照。

なお、ガラスポンドとケミカルポンドを組み合わせたも
のがミックスボンドであり、現在量も多（用いられる結
合法である。

（発明が解決しようとする課題） 上記の銅導体ペーストの焼成は通常９００℃前後で焼成
しているが、この焼成温度では、抵抗体、誘電体等の性
能を損なう場合が多いので、なるべく低温で焼成可能で
しかも、導体特性すなわち導電性、基板との密着性、半
田濡れ性を満たす焼成膜を形成できる銅導電ペーストが
望まれている。

鯛焼成膜と基板とを比較的低温での焼成にて、前記無機
結合剤で、強固に固着させても、銅と基板では熱膨張係
数の差が大きく　（Ｃｕ：２０．３Ｘ１０−’／°Ｃ１
例えば八２□（ｈ：６．５〜７．５　Ｘｌ０−”／”Ｃ
）　、焼成後には残留応力が残る。このため、鯛焼成膜
に垂直上方の引張の力が加わった場合、比較的弱い引張
力においても基板内にクラックが発生しやすく、かつ、
迅速に伝播するため容易にはがれてしまうという問題が
ある。これは、基板上への素子等の半田付工程における
歩留り低下の原因となっている。

本発明は、上記欠点を解消すべく成されたもので、比較
的低温での焼成にても基板との接着強度が高くかつ、同
時に他の導電特性（導電性、半田濡れ性）も充分に満足
するｗ４導体ペーストを徒供することを目的としている
。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明者は鋭意研究を重ねた
結果、鯛焼成膜と基板の熱整合性の不良から生ずる残留
応力を緩和させるために、鯛焼成膜の構造を微細孔が多
数存在するポーラスにすることを知見し、ペースト中の
銅粉が、平均粒径２ｐから４−の銅粉と平均粒径０．１
ｐＡ以下の銅粉とを配合することによって、焼成温度が
７５０°Ｃ以下であっても、上記のようなすくれた被膜
構造が得られることを見い出し、本発明を完成するに至
った。

ここに、本発明は、銅粉を導電粒子とする導体ペースト
において、前記銅粉が、平均粒径２ｐＡ以上４１１ａ以
下の銅粉へニア５〜９０重量％と、平均粒径が０．１−
以下の銅粉Ｂ：１０〜２５ｆｔ量％とを配合したものか
らなることを特徴とする銅導体ペーストである。

本発明の好適態様によれば、ガラスフリットを前記銅粉
の合計重量に対し２重量％以下配合してもよい。

このように、本発明によれば、比表面積の太きい平均粒
径０．１　μ−以下の銅粉Ｂを比較的多く含んでいるの
で、ペースト中の銅粉の濃度は低く、かつ７５０″Ｃ以
下という低温で焼成すると、平均粒径２〜４μ層の銅粉
Ａが゛骨材”的役割を果たすため、多孔質な銅焼成膜が
生成される。このため、銅焼成膜と基板との熱膨張率の
差異により生じる残留応力が緩和されることになり、銅
焼成膜に垂直方向の引張力が加わった場合でも、基板中
のクラックの発生および伝播が抑えられ、引張強度が増
すことになるのである。

（作用） 本発明の構成と作用を説明する。

本発明において上述のように銅粉について限定した理由
は次の通りである。

平均粒径２μ霧以上４−以下の銅粉Ａが７５重量％未満
であり、平均粒径０．１−以下の銅粉Ｂが２５重量％を
超えると、導体の空孔径、空孔率が大きくなり過ぎ、逆
にそれぞれが９０重量％を超え１０１１量％未満となれ
ば空孔径・空孔率が小となって共に導体としての特性上
好ましくない。

本発明にかかる銅導体ペーストにおける銅粉Ｂの粒径が
０．１　ｐ以下になると比表面積はｒｒＴ／ｇのオーダ
ーになり、適正印刷粘度を有するペースト化には多量の
ビヒクルを要する。このため、ペースト中の銅粉の濃度
は著しく低下し、基板へ印刷塗布後の粉末充填率も下が
り、被覆の多孔質化に有利に働く。ただし、この粒径０
．１−以下の銅粉Ｂのみでは、焼結後に被膜中に収縮ク
ランクが生しるため、本発明では粒径が２〜４ｐｎ程度
の銅粉Ａを組み合わせて収縮クラックの発生を防止し、
かつ、微細孔を均一に生成させている。なお、平均粒径
が０．１ｐ以下の銅粉Ｂと組み合わせると微細孔の少な
い緻密な被膜になり残留応力が大きく残り、他方、粒径
が４−以上の銅粉と組み合わせると、ポアーの粒径が大
きくなり、かつ、ボアーの数も減少するため、残留応力
の緩和効果が低下する。なお、粒径０．１ｍ以下の銅粉
が１０％未満だと、ペースト中の銅粉の濃度は高まり、
被膜が緻密になってしまう。さらに、粒径０．１ｐ以下
の銅粉Ｂは比較的酸素量が多いため、２５重量％超配合
すると半田濡れ性が低下する。なお、焼成温度が７５０
℃より高くなると、銅粉の焼結が進行し、被膜が緻密化
してしまうので応力緩和効果は十分ではない。

銅粉は容易に酸化されるが、本発明の場合通常程度の酸
化であれば、銅粉の表面酸化の度合にも特に制限はない
。

また、本発明に使用する銅粉は、その製造方法、粒子形
状等には特に制限はないが、スクリーン印刷を行う場合
には球状に近い粒子であることが望ましい。

このようにして用意された銅粉は、結合剤としてガラス
フリットあるいは金属酸化物を配合したうえで、適宜ビ
ヒクルを使ってペースト化される。

本発明に使用されるガラスフリントとしては、公知のガ
ラスフリットが使用可能である０例えば、Ｐｂ０−Ｂｚ
Ｏｓ−５ｉＯ□ガラスをベースとして、各種の金属を添
加したものが使用可能である。ガラスフリットの平均粒
径は０．１〜１０ｍ、好ましくは０．３〜５−である。

結合剤としての金属酸化物は、酸化銅、酸化カドミウム
等が代表例として挙げられるが、低温焼成の点からガラ
スフリットを用いるほうが好ましい 本発明に使用される有機ビヒクルとしては、般に厚Ｈ導
体ペーストに使用されるものであれば限定されない。た
とえば、エチルセルロース、ポリブチルメタクリレート
等の樹脂を、テルピネオール、ジブチルカルピトール、
ジブチルフタレート、ジブチルカルピトール、２，２．
４−トリメチル１．３−ベンタンジオールモノイソブチ
レートなどの溶剤に溶解したものが挙げられる。

本発明の銅導体ペーストは、上記した銅粉末、ガラスフ
リフトを有機ビヒクルに混線分散させることによってペ
ースト化した後、セラミック基板上に印刷または描画に
より塗布し、溶剤を乾燥、揮散させ、焼成して導電被膜
を得るものである。

上記ペースト化法としては、公知の各種方法が使用可能
である。例えば、万能撹拌混合機を用いて予備混練した
後、三本ロールで混練するという手法が一般的である。

本発明の導体ペーストの印刷には公知の印刷方法が使用
可能である。このような印刷法としては、スクリーン印
刷法、メタルマスクによる印刷法、直接描画法等が挙げ
られる。

本発明の導体ペーストの焼成方法としては、公知の焼成
方法が使用可能であるが、生産性および安全性の点から
ハツチ炉よりもベルト炉が望ましい。本発明による銅導
体ペーストの場合、７５０°Ｃ以下という低温焼成によ
っても十分に優れた導体膜が形成される。

次に、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する
。

（実施例） 第１表に示す組成割合で各銅導体ペーストをそれぞれ調
製し、次いでスクリーン印刷に適正な粘度である１８０
〜２００Ｐａ−ｓ　（ずり速度Ｉｓ−’、室温）に調整
してから、各銅導体ペーストを純度９６重量％のアルミ
ナ基板上にスクリーン印刷機で適当なパターンに印刷を
行い、１２０℃で１０分間乾燥して溶剤を除去した後、
窒素雰囲気中で、ベルト炉においてピーク温度６００℃
、ピーク温度保持時間１０分を含む１サイクル４０分の
プロファイルで焼成を行い、膜厚２０−の銅塊成膜を得
た。

このようにして得た各銅塊成膜について導電率、接着強
度およびはんだ濡れ性などの導体特性を評価した。結果
は第２表にまとめて示す。このときの評価要領は下記の
通りであった。

（導電性）： 導体抵抗値の測定により評価した。具体的には、４端子
法抵抗測定、および銅厚膜の線幅・膜厚より比抵抗値を
求めた。

（半田濡れ性）： 焼成部品を２３０±３℃の温度に維持した６３％５ｎ−
３７％ｐｂ半田槽に３±０，５秒間浸漬し、４ｍ＋＊Ｘ
４ｍの銅被膜上に被着した半田の被着率を目視で測定し
た。

（接着強度）： ２ＩＩＩＩ角の銅導体被膜に、２３０±３℃の温度に維
持した６３％５ｎ　−３７％Ｐｂ半田槽に３±０．５秒
間浸漬した後、その上に０．６１φスズメツキ銅線をハ
ンダボデにて半田付けした。スズメツキ銅線を被膜端部
より１ｍ＋１１の位置で９０度曲げて基板と垂直とし、
基板を固定した状態で引張り試験機により１０ｃｍ／ｍ
ｉｎの速度でスズメツキ銅線を引張り、スズメツキ銅線
が基板からはがれた時の接着強度を測定した。

接着強度は半田付直後に測定した。

なお、空孔径、空孔率は、被膜の断面写真より求めた。

第２表に示す結果からも明らかなように、本発明によれ
ば、焼成温度を７５０°Ｃ以下に制限することにより、
微細孔が１８〜２３％存在する銅塊成膜を形成させるこ
とができた。しかも、導電率、接着強度およびはんだ濡
れ性のいずれについても満足すべきものであった。

はんだ濡れ性＝９０％以上を○、それ未満を×（発明の
効果） 本発明は以上説明したように構成されており、前述の実
施例からも明らかなように、本発明の銅導体ペーストは
充分な導電性、半田濡れ性を有するとともに基板との接
着性が著しく大きいというすぐれた効果が奏される。

したがって、本発明によれば基板への素子等の半田付は
工程の歩留りを大幅に向上させることが可能であり、さ
らに焼成温度が低いため印刷抵抗体、誘電体等へのダメ
ージを低温焼成で回避できる等の顕著な効果がもたらさ
れ、産業上極めて有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）銅粉を導電粒子とする導体ペーストにおいて、前
   記銅粉が、平均粒径２μｍ以上４μｍ以下の銅粉Ａ：７
   ５〜９０重量％と、平均粒径０．１μｍ以下の銅粉Ｂ：
   １０〜２５重量％とを配合したものからなることを特徴
   とする銅導体ペースト。
2. （２）ガラスフリットを前記銅粉の合計重量に対し２重
   量％以下配合して成る請求項１記載の銅導体ペースト。