JPH06313137A

JPH06313137A - 導電性インキ

Info

Publication number: JPH06313137A
Application number: JP10385093A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Miura; 和裕三浦; Sei Yuhaku; 祐伯　　聖; Minehiro Itagaki; 峰広板垣; Yasuhiko Hakotani; 靖彦箱谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 1994-11-08

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、平面方向に収縮を起こさない高精度
のガラスセラミック多層基板に使用しても信頼性の高い
良好な状態の電極となる導電性インキを供給することを
目的とする。【構成】導電性物質がＣｕＯからなる無機組成物で、無
機成分中のＣｕＯが６８．０〜９４．５重量％、無機バ
インダが５．０〜３０．０重量％、ＺｎＯが０．５〜
２．０重量％からなる混合物を無機成分として、少な
くとも溶剤と有機バインダを加え、無機成分を分散さ
せ、無機バインダに使用するガラスが８４０℃までは軟
化せず、８５０〜９５０℃間に軟化し、結晶化するホウ
珪酸鉛結晶化ガラス、またはホウ珪酸アルミ結晶化ガラ
スであり、導電性物質として使用するＣｕＯ粒径が３．
０〜７．０μｍである導電性インクとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ＬＳＩ、チップ部
品などを搭載し、かつそれらを相互配線するためのセラ
ミック多層基板の内外部の電極パターンに適用するため
の導電性インキに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体ＬＳＩ、チップ部品等は小
型、軽量化が進んでおり、これらを実装する配線基板も
小型、軽量化が望まれている。このような要求に対し
て、セラミック多層基板は、要求される高密度配線が得
られ、なお薄膜化が可能なことより、今日のエレクトロ
ニクス業界において重要視されている。

【０００３】このセラミック多層基板に使用される電極
材料としての導体組成物は、一般に導電性金属、無機酸
化物、ガラス粉末が有機媒体中に分散されているペース
ト状組成物である。近年、低温焼結ガラス・セラミック
多層基板の開発によって、使用できる導体材料は、金、
銀、銅、パラジウムまたはそれらの混合物が用いられる
ようになった。これらの金属は従来使用されたタングス
テン、モリブデンなどに比べ導体抵抗が低く、かつ使用
できる設備も安全で低コストに製造できる。

【０００４】一方これらの金属の内、貴金属である金、
銀、パラジウムは高価でかつ価格変動が大きいことか
ら、安価で価格変動の少ない卑金属系が使用されてきて
いる。この中でも銅が比抵抗が小さく半田濡れ性も優れ
ているため、この銅の電極材料の使用が望まれている。

【０００５】低温焼結多層基板に銅を使用する方法とし
て、内層および最上層に銅電極を用いる方法がある。導
体抵抗、半田濡れ性、コストの点で最も良いが、すべて
窒素などの中性雰囲気で焼成しなければならず、その作
製が困難である。一般に銅電極を使用するには、基板上
に銅ペーストをスクリーン印刷にて配線パターンを形成
し、乾燥後、銅の融点以下の温度（８５０〜９５０℃程
度）で、かつ銅が酸化されず、導体ペースト中の有機成
分が十分燃焼するように、酸素分圧を制御した窒素雰囲
気中で焼成を行なうものである。多層にする場合は、同
様の条件で絶縁層を印刷焼成して得られる。しかし、焼
成工程における雰囲気を適度な酸素分圧下にコントロー
ルすることは困難であり、また多層化する場合、各ペー
ストを印刷後その都度焼成を繰り返し行なう必要があ
り、リードタイムが長くなり、設備などのコストアップ
につながるなどの課題を有している（特願昭55-128899
）。

【０００６】そこで特開平3-20914 号公報において、セ
ラミック多層基板の作製にあたり、酸化第二銅ペースト
を用い、脱バインダ工程、還元工程、焼成工程の３段階
とする方法がすでに開示されている。それは酸化第二銅
を導体の出発原料として多層体を作製し、脱バインダ工
程は、炭素に対して充分な酸素雰囲気で、かつ内部の有
機バインダを熱分解させるに充分な温度で熱処理を行な
う。次に酸化第二銅を銅に還元する還元工程、基板の焼
結を行なう焼成工程により成立しているものである。こ
れにより、焼成時の雰囲気制御が容易になり緻密な焼結
体が得られるようになった。

【０００７】一方、セラミック多層基板は焼成時に焼結
に伴う収縮が生じる。この焼結に伴う収縮は、使用する
基板材料、グリーンシート組成、粉体ロットなどにより
異なる。これにより多層基板の作製においていくつかの
問題が生じている。まず第１に、多層セラミック基板の
作製において前述のように内層配線の焼成を行なってか
ら最上層配線の形成を行なうため、基板材料の収縮誤差
が大きいと、最上層配線パターンと寸法誤差のため内層
電極との接続が行えない。その結果、収縮誤差を予め許
容するように最上層電極部に必要以上の大きい面積のラ
ンドを形成しなければならず、高密度の配線を必要とす
る回路には使用できない。そのため収縮誤差にあわせて
最上層配線のためのスクリーン版をいくつか用意してお
き、基板の収縮率に応じて使用する方法が取られること
もある。この方法ではスクリーン版が数多く用意しなけ
ればならず不経済である。

【０００８】また最上層配線を内層焼成と同時に行なえ
ば大きなランドを必要としないが、この同時焼成法によ
っても基板そのものの収縮誤差はそのまま存在するの
で、最後の部品搭載時のクリーム半田印刷において、そ
の誤差のため必要な部分に印刷できない場合が起こる。
また部品実装においても所定の部品位置とズレが生じ
る。

【０００９】第２にグリーンシート積層法による多層基
板は、グリーンシートの造膜方向によって幅方向と長手
方向によってもその収縮率が異なる。このこともセラミ
ック多層基板の作製の障害となっている。

【００１０】これらの収縮誤差をなるべく少なくするた
めには、製造工程において、基板材料およびグリーンシ
ート組成の管理はもちろん、粉体ロットの違いや積層条
件（プレス圧力、温度）を十分管理する必要がある。し
かし、一般に収縮率の誤差は±０．５％程度存在すると
言われている。

【００１１】このことは多層基板にかかわらずセラミッ
ク、およびガラス・セラミックの焼結を伴うものに共通
の課題である。そこで特願平3-257553号において、低温
焼結ガラス・セラミックよりなるグリーンシートに電極
パターンを形成したものを所望枚数積層し、この積層体
の両面、もしくは片面に前記ガラス・セラミック低温焼
結基板材料の焼成温度では焼結しない無機組成物よりな
るグリーンシートで挟み込むように積層し、前記積層体
を焼成する。しかる後に焼結しない無機組成物を取り除
くという発明がなされた。これにより基板材料の焼結が
厚み方向だけ起こり、平面方向の収縮がゼロの基板が作
製でき上記のような課題が解決できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上のことから平面方
向の収縮が起こらない基板が作成されているが、ここに
は幾つかの課題がある。それは基板収縮が厚み方向のみ
に起こるため、前述のような従来の電極用ペ−スト状組
成物では焼成後の電極が粗な状態になってしまうことで
ある。配線電極が粗であると基板との密着が弱く、電極
が基板から剥離を起こしてしまうこと、また電極の酸化
がされやすく、信頼性の低いものとなる等の課題があ
る。また緻密性を上げるため、導体材料の配合比を増加
させたり、粒径を小さくするなどの方法をとると、ガラ
ス・セラミック多層基板焼成時に、基板焼結よりも導体
材料の焼結の方が早く起きるために、基板が導体の焼結
を抑えることができず、焼成後の基板において電極周辺
にクラックが発生してしまう。

【００１３】本発明は前記従来の問題に留意し、高精度
の平面方向の収縮の起きないガラス・セラミック多層基
板を使用するに、前記基板に適応した導電性インキを提
供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の導電性インキは、導電性物質がＣｕＯからな
る無機組成物で、無機成分中で、ＣｕＯが６８．０〜９
４．５重量％、無機バインダが５．０〜３０．０重量
％、ＺｎＯが０．５〜２．０重量％からなる混合物を無
機成分として、これに溶剤と有機バインダを加え、前記
無機成分を分散させたことを特徴とするものであり、無
機バインダとして使用するガラスが８４０℃までは軟化
せず８５０〜９５０℃の間で軟化し結晶化するホウ珪酸
鉛結晶化ガラス、またはホウ珪酸アルミ結晶化ガラスで
あり、導電性物質として使用するＣｕＯ粒径が３．０〜
７．０μｍのものである。

【００１５】さらに本発明の導電性インキは、ポリiso
−ブチルメタクリレートとポリα−メチルスチレンの共
重合体、またはエチルセルロースを有機バインダとし、
この有機バインダの含有量がインキ全体に対し、重量比
で０．５〜２．０重量％であることを特徴とするもので
ある。

【００１６】

【作用】本発明は前記構成により、平面方向に収縮を起
こさないガラス・セラミック多層基板に使用しても、電
極周辺の基板にクラックが発生することが無く、かつ電
極が密な状態で、基板と電極との密着を図ることができ
るものである。

【００１７】以下に本発明の作用を説明する。無機組成
物と有機バインダの配合比を前記構成にし、ＣｕＯの粒
径を３．０〜７．０μｍにすることにより焼成時のＣｕ
焼結を遅らせる。また無機バインダに基板焼結までは軟
化の挙動を起こさない高軟化点のガラスを使用している
ため、ガラス・セラミック基板焼結までは電極の焼結を
抑える。そして基板焼結後に配線中のガラスが軟化を起
こし焼結が始まるため、電極が密な状態であり、かつ電
極周辺の基板のクラックが発生しないものとなる。また
添加物として、ＺｎＯを使用しているため、焼成時にＺ
ｎと基板中のＳｉとが結晶化を起こし、基板との密着を
向上させ、焼成後基板からの電極の剥離が発生せず、信
頼性も良好なものとなる。

【００１８】また、この無機組成物の配合に最適な有機
バインダとバインダの配合比の選択によって、ファイン
ライン印刷時に発生しやすくなる欠けやだれを防止する
等の良好な印刷性を有するインキとなる。

【００１９】

【実施例】以下本発明の具体例について述べる。（実施例１）ここで用いたペーストは、無機組成はＣｕ
Ｏ（平均粒経４．５μｍ）８９．０重量％、ガラスフリ
ット（日本電気硝子社製ＧＡ−３３ガラス粉末、平均
粒経２．０μｍ軟化点９３０℃）１０．０重量％、Ｚ
ｎＯ（平均粒経３．５μｍ）１．０重量％からなるもの
で、ペースト全体としての組成は（表１）に示す。この
（表１）に示すそれぞれの組成のミルベースをセラミッ
ク３本ロールに６回通して混合し、ＣｕＯインキを作製
した。

【００２０】

【表１】このＣｕＯインキを使用してスクリーン印刷機を使用し
て、低温焼成用ガラス・セラミックのグリーンシート上
に印刷を行った。このとき得られたパターンにおいて
（試料３）〜（試料６）のインキは、直線性が良好であ
り、だれ、欠けの無い高品質のものであるが、（試料
１）、（試料２）、（試料９）のインキは印刷ラインに
だれ、欠けがみられていた。

【００２１】またこのＣｕＯパターンを印刷したグリー
ンシートを、必要枚数積層し、両面にアルミナグリーン
シートを積層する。この状態で熱圧着して積層体を形成
した。熱圧着条件は、温度が８０℃、圧力は２００Kg/c
m²であった。この積層体を箱型炉において空気中で５０
０℃、２時間保持し有機バインダ除去を行ない、還元炉
において水素１００％中で４００℃、５時間保持しＣｕ
Ｏ還元を行ない、メッシュベルト炉において純窒素中で
９５０℃、１時間の焼成を行った。（試料１）〜（試料
６）のものは電極のＳＥＭの観察から、焼成後の導体膜
は密に充填されたものであったが、（試料７）、（試料
８）、（試料９）は導体膜が充填が粗悪な状態であっ
た。印刷時の印刷性、焼成後の導体膜の緻密性の両方か
ら見たときに必要性能を満たしているものは、有機バイ
ンダ含有量がインキ全体に対し０．５〜２．０重量％と
なる（試料３）〜（試料６）であり、この中でも最も性
能の良いものは（試料５）の有機バインダが１．５重量
％のときであった。（実施例２）ここで用いたペースト組成は、（実施例
１）の（試料５）に用いた組成を使用した。無機粉体に
はＣｕＯ（平均粒経５．０μｍ）、ＺｎＯ（平均粒経
２．５μｍ）、ガラスフリット（コーニングジャパン社
製ホウ珪酸アルミガラス＃１７３３平均粒径２．５
μｍ軟化点９２８℃）を使用し、この無機粉体の組成
を（表２）に示す。

【００２２】

【表２】（表２）に示すそれぞれの組成のミルベースをセラミッ
ク３本ロールに６回通して混合し、ＣｕＯインキを作製
した。このＣｕＯインキを使用してスクリーン印刷機を
使用して、低温焼成用ガラス・セラミックのグリーンシ
ート上に印刷を行った。この印刷したグリーンシートを
必要枚数積層し、両面にアルミナグリーンシートを積層
する。この状態で熱圧着して積層体を形成した。熱圧着
条件は、温度が８０℃、圧力は２００Kg/cm²であった。
この積層体を箱型炉において空気中で５００℃、２時間
保持し有機バインダ除去を行ない、還元炉において水素
１００％中で４００℃、５時間保持しＣｕＯ還元を行な
い、メッシュベルト炉において純窒素中で９５０℃、１
時間の焼成を行った。この焼成後の導体電極を接着強度
での性能評価を行った。（性能評価方法）接着強度：基板上に２ｍｍ×２ｍｍ導
体膜１２箇所のパターンの印刷を行ない焼成した。その
後パターン上にクリーム半田を付け、ベルト伝熱式リフ
ロー炉においてリフロー温度３５０℃、ベルトスピード
０．６ｍ／ｍｉｎで導体膜上に金メッキしたリン青銅の
ピンを付けた。このサンプルを試験機でピンの垂直方向
から力を加え、基板から導体膜が剥がれるときの接着強
度を測定した。

【００２３】（表２）に示されるように、接着強度はガ
ラスが３０重量％まではガラス量が増加するごとに高く
なるが、添加量が３０重量％以上に増加しても強度は向
上しない。ＺｎＯの添加は０．５〜２．０重量％までは
接着強度への効果はあるが、２．０重量％以上の添加で
は強度の向上は見られない。このことから実際の使用時
に必要な性能として接着強度２．０kg/2mm²以上となる
のは、無機組成においてＣｕＯが６８．０〜９４．５重
量％、無機バインダであるガラスが５．０〜３０．０重
量％、ＺｎＯが０．５〜２．０重量％から構成されると
きである。そして、ＣｕＯが６９．０重量％、無機バイ
ンダであるガラスが３０．０重量％、ＺｎＯが１．０重
量％から構成されるときが最も好ましい。（実施例３）ここで用いたペ−スト組成は、（実施例
１）の（試料４）に用いた組成を使用した。無機粉体に
はＣｕＯ６９．０重量％、ガラスフリット（日本電気
硝子社製ホウ珪酸鉛ガラス平均粒径２．０μｍ）３
０．０重量％、ＺｎＯ（平均粒径２．５μｍ）１．０重
量％を使用した。ＣｕＯ粒径、ガラス軟化点は（表３）
に示す。

【００２４】

【表３】（表３）に示すそれぞれの組成のミルベースをセラミッ
ク３本ロールに６回通して混合し、ＣｕＯインキを作製
した。このＣｕＯインキを使用してスクリーン印刷機を
使用して、低温焼成用ガラス・セラミックのグリーンシ
ート上に印刷を行った。この印刷したグリーンシートを
必要枚数積層し、両面にアルミナグリーンシートを積層
する。この状態で熱圧着して積層体を形成した。熱圧着
条件は、温度が８０℃、圧力は２００Kg/cm²であった。
この積層体を箱型炉において空気中で５００℃、２時間
保持し有機バインダ除去を行ない、還元炉において水素
１００％中で４００℃、５時間保持しＣｕＯ還元を行な
い、メッシュベルト炉において純窒素中で９５０℃、１
時間の焼成を行った。この焼成後の試料のＳＥＭ観察に
より、導体電極の状態と電極周辺の基板のクラックの発
生の有無を評価した。（表３）に示されるようにＣｕＯ
粒径が３．０μｍ未満のときはガラスの軟化点に関係が
無く電極周辺の基板にクラックが発生していた。ＣｕＯ
粒径３．０〜７．０μｍでは、ガラス軟化点が８５０℃
未満ではやはり電極周辺の基板にクラックが発生してい
た。またガラス軟化点が９５０℃を越えると電極焼結が
進まず電極状態が粗くなってしまう。この現象はＣｕＯ
粒径が７．０μｍより大きくなった場合も等しく、やは
り電極状態が粗いものとなり基板との密着も悪化してい
る。このことから基板にクラックの発生が無い、電極状
態の密なものとなるのは無機成分に使用するＣｕＯ粒径
が３．０〜７．０μｍであり、無機バインダに使用する
ガラスの軟化点が８５０〜９５０℃で構成されるときで
ある。そして、ＣｕＯ粒径が５．０μｍで、ガラス軟化
点が９００℃で構成されるときが最も好ましい。

【００２５】またこの実施例では有機バインダにエチル
セルロースを使用しているが、ポリiso −ブチルメタク
リレートとポリα−メチルメタクリレートの共重合体
を、有機バインダとして使用しても同様の結果を得るこ
とができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の導電性イン
キは、前記構成をとることによりＣｕの焼結を遅らせ、
ガラスセラミック基板焼結までは、高軟化点ガラスが電
極の焼結を抑え、基板焼結後に軟化を起こし焼結が始ま
るため、電極が密な状態であり、かつ電極周辺の基板の
クラックが発生しないものとなる。また添加物として、
ＺｎＯを使用しているため、Ｚｎと基板中のＳｉとが結
晶化を起こし、基板との密着を向上させて、焼成後基板
からの電極の剥離が発生せず、信頼性も良好なものとな
る。

【００２７】また、この無機組成物の配合に最適な有機
バインダとバインダの配合比の選択によって、ファイン
ライン印刷時に発生しやすくなる欠けやだれを防止する
等の良好な印刷性を有するインキとなる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者箱谷靖彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性物質がＣｕＯからなる無機組成物
で、無機成分中のＣｕＯが６８．０〜９４．５重量％、
無機バインダが５．０〜３０．０重量％、ＺｎＯが０．
５〜２．０重量％からなる混合物を無機成分として、少
なくとも溶剤と有機バインダを加え、無機成分を分散さ
せてなる導電性インキ。
【請求項２】無機バインダに使用するガラスが８４０
℃までは軟化せず、８５０〜９５０℃間に軟化し、結晶
化するホウ珪酸鉛結晶化ガラス、またはホウ珪酸アルミ
結晶化ガラスである請求項１に記載の導電性インキ。
【請求項３】無機成分中のＣｕＯは粒径が３．０〜
７．０μｍである請求項１に記載の導電性インキ。
【請求項４】有機バインダがポリiso−ブチルメタク
リレートとポリα−メチルスチレンの共重合体、または
エチルセルロースから構成された請求項１に記載の導電
性インキ。
【請求項５】有機バインダの含有量がインキ全体に対
し、重量比で０．５〜２．０重量％である請求項１に記
載の導電性インキ。