JPH08298359A - 銅厚膜回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大電流系配線導体と微小電流系配線導体とを
混在する銅厚膜回路基板であって、両配線導体ともに基
板との接合強度が強く、且つ半田濡れ性に優れた銅厚膜
回路基板を提供する。 【構成】本発明は、セラミック基板１上に、Ｃｕを主成
分となる導体ペーストで形成した膜厚の薄い微小電流系
配線導体２及び膜厚の厚い大電流系配線導体３を有する
銅厚膜回路基板１０であって、前記Ｃｕ系導電ペースト
のガラスフリットの添加量を固形成分に対して３ｗｔ％
を境界として、前記微小電流系配線導体２は高ガラスフ
リット添加量の、大電流系配線導体３は、低ガラスフリ
ット添加量のＣｕ系導電ペーストで形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、信号系などの微小電流
系配線導体及び大電流が流れる大電流系配線導体が混在
した銅厚膜回路基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般の回路基板において、信号系の微小
電流系配線導体と大電流系配線導体とが混在しており、
大電流系配線導体は、微小電流系配線導体に比較して、
幅を広くしたり、膜厚を厚く形成していた。

【０００３】これは、大電流系配線導体の導体抵抗を低
くして、導体中に流れる電流損失を減少させるためであ
る。

【０００４】このような導体を、厚膜回路基板に展開し
ようとした場合、大電流系配線導体の幅の大きくするこ
とは、厚膜回路基板の小型化の障害となりったり、ま
た、配線パターンの引き回しに制約を与えたりすること
があるため、極端に大きくすることができず、その結
果、導体幅をある程度大きくし、膜厚を積極的に厚くす
ることを多用していた。

【０００５】具体的な製造方法は、セラミック基板上
に、Ｃｕなどの導電性ペーストでもって、微小電流系配
線導体と大電流系配線導体となる導体膜を印刷形成す
る。

【０００６】その後、大電流系配線導体となる導体膜の
みに、さらに、Ｃｕなどの導電性ペーストでもって、さ
らに重ね印刷を施こす。さらに、必要に応じて、大電流
系配線導体となる導体膜を所定厚みになるまで複数回の
重ね印刷を行う。

【０００７】このようにして、微小電流系配線導体とな
る導体膜（厚みが薄く、比較的導体幅が狭い）と大電流
系配線導体となる導体膜（厚みが厚く、比較的導体幅が
広い）が形成さられたセラミック基板を、窒素などの還
元性又は中性雰囲気の焼成炉に投入して、例えば９００
℃で焼きつけ処理していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般にＣｕなどの導電
性ペーストは、導電性金属であるＣｕ粉末、低融点ガラ
スフリット、有機ビヒクル（有機バンイダー、有機溶
剤）などからなっている。

【０００９】導電性金属であるＣｕ粉末は導電性を与え
るためのものであり、低融点ガラスフリットは、主に、
セラミック基板との接合強度を向上させるためのもので
あり、有機ビヒクルの有機バンイダーは、印刷した直後
の導体膜の形状を維持させるためのものであり、有機ビ
ヒクルの有機溶剤は、ペーストを所定粘度に調整するた
めのものである。

【００１０】ここで、大電流系配線導体は、微小電流系
配線導体と比較して、その厚みが厚いため、導体配線の
単位面積あたりのガラスフリットの量が、重ね印刷回数
に比例して増加することになる。

【００１１】ガラスフリットの量が増えると、セラミッ
ク基板との接合強度が向上するによ思えるが、実際、セ
ラミック基板との接合に寄与するガラスフリットがある
一定量であり、それを越える余剰ガラスフリットは、焼
成処理によって、主に導体配線の表面に析出されること
になる。このように、導体配線の表面に析出されたガラ
ス成分は、厚膜回路基板上に各種電子部品を半田接合し
たりする際に、半田濡れ性を大きく低下させることにな
り、半田接合ができなかっり、または強固な半田接合が
できなかったりすることになる。

【００１２】また、導体配線の表面にもガラス成分が飽
和状態になると、導体配線中にガラス成分が残存してし
まうが、過剰に導体配線中にガラス成分が残存してしま
うと、導体抵抗を上げる方向に働くことさえある。

【００１３】本発明は、上述の問題点に鑑みて案出され
たものであり、その目的は、大電流系配線導体と微小電
流系配線導体とを混在するＣｕ系の厚膜回路基板であっ
て、両配線導体ともに基板との接合強度が強く、且つ半
田濡れ性に優れた銅厚膜回路基板を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板上に、Ｃｕを主成分とし、ガラスフリットを含有する
導体材料から成る膜厚の薄い微小電流系配線導体及び膜
厚の厚い大電流系配線導体を有する銅厚膜回路基板であ
って、前記微小電流系配線導体は、含有するガラスフリ
ットの量が３ｗｔ％以上であり、前記大電流系配線導体
は、含有するガラスフリットの量が３ｗｔ％以下である
銅厚膜回路基板である。

【００１５】

【作用】以上のように、微小電流系配線導体は、固形成
分に対してガラスフリット添加量が３ｗｔ％以上の導電
性ペーストで形成している。また、大電流系配線導体
は、ガラスフリット添加量が３ｗｔ％以下の導電性ペー
ストで形成している。

【００１６】即ち、厚みの薄い微小電流系配線導体は、
高ガラスフリット添加量の導電性ペーストで、厚みの厚
い大電流系配線導体は、低ガラスフリット添加量の導電
性ペーストで形成されている。これにより、特に、大電
流系配線導体は、厚みが厚いものの、低ガラスフリット
添加量の導電性ペーストで形成しているため、基板と接
合する単位面積あたりのガラスフリットの絶対量を相対
的に小さくすることができるため、基板の接合強度を所
定値に維持しつつ、且つ配線導体膜の表面に析出される
ガラス成分を抑えることができる。

【００１７】これによって、基板との接合強度が強く、
且つ半田濡れ性に優れた大電流系配線導体となる。

【００１８】例えば、大電流系配線導体に用いるＣｕ導
電性ペーストのガラスフリットの添加量が、３ｗｔ％を
越えると、導体配線中にガラス成分が余剰状態となり、
半田濡れ性が劣化してしまい、半田接合が不可能とな
る。

【００１９】また、微小電流系配線導体は、膜厚が薄く
なっているものの、基板と接合する単位面積あたりのガ
ラスフリットの絶対量が相対的に大きくなっている。こ
のため、基板の接合強度を所定値に維持にすることがで
きる。尚、微小電流系配線導体においては、そのガラス
フリットのほとんどが基板との接合のために、基板側に
析出されるため、導体配線中及び表面には、ガラス成分
が過剰となることがなく、半田濡れ性も良好となる。

【００２０】例えば、微小電流系配線導体に用いるＣｕ
導電性ペーストのガラスフリットの添加量が、３ｗｔ％
未満では、基板との接合に要するガラス成分が不足状態
となり、基板との接合強度が、例えば１．０ｋｇ／２ｍ
ｍ□以下となり、強固な接合が困難となったり、焼成助
剤としてのガラス成分が不足して、安定した導体となら
ず、半田濡れ性が劣化したりする。尚、ガラスフリット
の上限は、微小電流系配線導体の厚みによもよるが概ね
５ｗｔ％未満が好ましい。５ｗｔ％を越えると、導体中
のガラス成分が余剰状態となり、ガラス成分が導体配線
の表面に析出され、半田濡れ性を低下させてしまう。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の銅厚膜回路基板を図面に基づ
いて説明する。

【００２２】図１は、本発明の銅厚膜回路基板の平面図
であり、図２は本発明の特徴的な部位を示す断面図であ
る。

【００２３】本発明の銅厚膜回路基板１０は、セラミッ
ク基板１、該セラミック基板１上に形成された微小電流
系配線導体２及び大電流系配線導体３、必要に応じて厚
膜抵抗体膜４、絶縁保護膜５、ＩＣチップや各種チップ
抵抗などの電子部品とを有している。

【００２４】セラミック基板１は、アルミナ、ムライト
などの単板状セラミック基板や、内部に配線パターンが
形成された積層セラミック基板などが挙げられる。尚、
図では、単板状セラミック基板を例に説明している。

【００２５】このセラミック基板１状には、厚膜技法に
よって微小電流系配線導体２及大電流系配線導体３が形
成されている。

【００２６】微小電流系配線導体２は、例えばＩＣチッ
プの入出力信号、回路の各種信号などが流れる配線であ
り、その導体配線幅は、通常１００〜２００μｍ程度で
あり、膜厚は１０μｍ前後（厚膜技法の１回印刷によっ
て形成され、焼成した後の厚み）となっている。尚、微
小電流系配線導体２に流れる電流が、例えばμＡのオー
ダーである。

【００２７】大電流系配線導体３は、例えばＩＣチップ
の供給電源、回路の電源ライン、アースライン、厚膜コ
イルなど、比較的大きな電流が流れる配線に適用され、
その導体配線幅は、通常１〜５ｍｍ程度であり、膜厚は
５０μｍ前後（厚膜技法の複数回印刷によって形成さ
れ、焼成された後の厚み）となっている。

【００２８】このようにセラミック基板１に形成された
微小電流系配線導体２、大電流系配線導体３上には、厚
膜抵抗体膜４、絶縁保護膜５、ＩＣチップ、各種チップ
部品などの電子部品が配置されている。

【００２９】次に、上述の製造方法を説明すると、ま
す、焼成済のセラミック基板１を用意する。尚、このセ
ラミック基板１は、縦横に分割可能な分割溝が形成され
た大型セラミック基板であっても構わない。この場合、
分割溝に囲まれた領域が、最終的なセラミック基板１と
なる。

【００３０】次に、微小電流系配線導体２となる導体膜
の形成を行う。

【００３１】微小電流系配線導体２となる導体膜は、銅
を主成分となる導電性ペーストを用いて、所定形状に印
刷可能としたスクリーンを介して、印刷塗布を行う。

【００３２】その後、所定条件で乾燥を行う。この導体
膜の幅は、例えば１００〜２００μｍであり、その厚み
は焼成処理後１１〜１２μｍとなるようにしている。
尚、印刷・塗布時の導体膜の厚みは、１１〜１２μｍ以
上の例えば１５〜２０μｍ程度である。

【００３３】ここで、微小電流系配線導体用のＣｕ導電
性ペーストは、固形成分として銅粉末、ガラスフリット
と、有機ビヒクルとして有機バインダー、有機溶剤など
からなる。

【００３４】固形成分である銅粉末は、平均粒径１．２
〜１．７μｍであり、主に、導体配線の導電性を与える
ための主要成分である。

【００３５】ガラスフリットは、軟化点４２０〜４５０
℃の低融点ガラス材料のフリットである。軟化点４２０
〜４５０℃の低融点ガラス材料としては、ホウ珪酸鉛系
ガラスなどが例示でき、このガラスフリットは、主に焼
成処理後、セラミック基板１との接合強度を高めるため
に用いられるものである。

【００３６】ガラスフリットの添加量は、固形成分に対
して３ｗｔ％以上となっている。好ましくは３ｗｔ％〜
５ｗｔ％である。

【００３７】有機ビヒクルである有機バインダーは、例
えばエチルセルロースなどが例示でき、主に印刷塗布し
た時の塗布膜の乾燥後においても、安定した形状を維持
させるために用いられるものであり、焼成処理過程で焼
失されてしまう。

【００３８】有機ビヒクルである有機溶剤は、例えば２
・２・４−トリメチル−１．３−ペンタンジオールイソ
ブチレートなどが例示でき、主に、導電性ペーストの粘
度を調整し、スクリーンの通過を容易にし、且つセラミ
ック基板１上の塗布膜の印刷直線性を良好に維持し得る
ようにするためのものてある。

【００３９】有機ビヒクルは、全導電性ペーストに対し
て１０〜１５ｗｔ％程度となるように含有され、有機ビ
ヒクル全体で、有機バインダーは例えば０．５ｗｔ％、
有機ビヒクル溶剤は例えば９９．５ｗｔ％の割合となっ
ている。

【００４０】次に、大電流系配線導体３となる導体膜の
形成を行う。

【００４１】大電流系配線導体３となる導体膜は、銅を
主成分となる導電性ペーストを用いて、所定形状に印刷
可能としたスクリーンを介して、複数回印刷塗布を行
う。

【００４２】その後、所定条件で乾燥を行う。この導体
膜の幅は、例えば１〜５ｍｍであり、例えば、５回の印
刷を繰り返し、その厚みは焼成後５０μｍ以上となるよ
うにしている。実際には、印刷塗布した導体膜の厚み
は、焼成後の厚みに比較して充分に厚い厚みとなってい
る。

【００４３】ここで、大電流系配線導体用のＣｕ導電性
ペーストは、固形成分として銅粉末、ガラスフリット
と、有機ビヒクルとして有機バインダー、有機溶剤など
からなる。

【００４４】固形成分である銅粉末は、平均粒径１．２
〜１．７μｍである。ガラスフリットは、軟化点４２０
〜４５０℃の低融点ガラス材料のホウ珪酸鉛系ガラスな
どがである。

【００４５】ガラスフリットの添加量は、固形成分に対
して３ｗｔ％以下となっている。好ましくは０．３ｗｔ
％〜３ｗｔ％である。

【００４６】有機ビヒクルである有機バインダーは、例
えばエチルセルロースなどが例示でる。

【００４７】有機ビヒクルである有機溶剤は、例えば２
・２・４−トリメチル−１．３−ペンタンジオールイソ
ブチレートなどが例示できる。

【００４８】有機ビヒクルは、全導電性ペーストに対し
て１０〜１５ｗｔ％程度となるように含有され、有機ビ
ヒクル全体で、有機バインダーは例えば０．５ｗｔ％、
有機ビヒクル溶剤は例えば９９．５ｗｔ％の割合となっ
ている。

【００４９】その後、上述の微小電流系配線導体２とな
る導体膜、大電流系配線導体３となる導体膜が形成され
たセラミック基板１を焼成炉に投入して、窒素などの還
元性雰囲気や中性雰囲気で焼成処理を行う。焼成は、４
００〜６００℃の脱バインダー工程と、ピーク温度９０
０℃の焼結工程からなり、脱バインダー工程で、有機ビ
ヒクル成分が焼失し、焼結工程で各導体膜を配線導体
２、３となる導体膜が焼結反応して、強固にセラミック
基板１に接合するとともに、安定した導電性を有するこ
とになる。

【００５０】その後、必要に応じて、厚膜抵抗体膜、絶
縁保護膜などを印刷、焼きつけを行う。尚、厚膜抵抗体
膜、絶縁保護膜は、銅の配線導体２、３の酸化を防止す
るために、還元性雰囲気、中性雰囲気などで焼きつけ可
能な抵抗体ペースト、絶縁ペーストを用いる。例示すれ
ば、抵抗体ペーストとしてデュポン社製ＱＰ６０、絶縁
ペーストとしてデュポン社製ＱＰ５０７などがある。

【００５１】さらにその後、各種電子部品などを微小電
流系配線導体２や大電流系配線導体３に半田を介して接
合を行う。

【００５２】尚、セラミック基板１として、大型セラミ
ック基板を用いた場合、この電子部品４の半田接合の前
後で、分割溝に沿って分割処理を行う。

【００５３】本発明では、微小電流系配線導体２となる
導体膜と大電流系配線導体３となる導体膜を形成するに
あたり、用いるＣｕ系の導電性ペーストを使い分けて形
成した。この両導電性ペーストでは、特にガラスフリッ
トの添加量が、固形成分に対して３ｗｔ％を境界とし
て、高いガラス添加量の導電性ペーストで微小電流系配
線導体２を形成し、低いガラス添加量の導電性ペースト
で大電流系配線導体３を形成した。

【００５４】ここで、微小電流系配線導体２となる導体
膜、大電流系配線導体となる導体膜が焼成工程で発生す
る挙動を説明すると、上述したように、焼成工程の４０
０℃前後でガラスフリットが軟化するとともに、導体膜
中の有機ビヒクル成分が焼失し始める。そして、５００
〜６００℃で導体膜中のガラスフリットは完全軟化する
とともに、導体膜の有機ビヒクル成分が完全に焼失され
る。さらに、ピーク温度に達する間に、軟化したガラス
フリットは、無機物であるセラミック基板１との界面側
に析出され、セラミック基板１との接合が強固となる。
ここで、セラミック基板１との界面側に析出されるガラ
ス成分には限界があり、その飽和したガラス成分は、逆
に導体膜の表面側に析出されることになる。これは、導
電性材料であるＣｕ粉末が導体膜中で凝集して、粒成長
して、安定した導電性を呈することになるが、Ｃｕ粉末
の凝集によって排除されたガラス成分が導体膜の表面側
に析出されるものである。

【００５５】また、従来でも説明したように、大電流系
配線導体３は、複数回の印刷を行い、膜厚を充分に厚く
して、導体抵抗を下げている。尚、導体配線幅を広げる
ことも考えられるが、導体配線幅を広げるには、銅厚膜
回路基板１０の大型化につながり、ある程度の限度があ
る。上述の実施例では、その導体配線の幅を５ｍｍ程度
にまで広げている。

【００５６】一般に、複数回の重ね印刷を行い、厚みを
増加させることによって、導体膜中の単位面積あたりの
ガラスフリットの全体量が増加してしまう。このような
状態では、焼成工程において、ガラス成分の飽和状態と
なり、導体膜の表面にガラスが析出されやすい。本発明
では、微小電流系配線導体２を形成する導電性ペースト
に比較して、少なくガラスフリットの添加量の導電性ペ
ーストを用いているため、厚みを厚くしてもこの飽和状
態に達しににくくするために、大電流系配線導体３中の
ガラスフリットの絶対量を減少させている。

【００５７】これによって、セラミック基板１と大電流
系配線導体３との接合強度を所定値以上に維持しつつ、
しかも、大電流系配線導体３の表面に析出するガラス成
分を抑えている。

【００５８】この結果、半田濡れ性に優れ、半田接合が
可能な、接合強度に優れた大電流系配線導体３が得られ
ることになる。

【００５９】尚、微小電流系配線導体２は、従来の厚膜
配線導体に使用されていたように、セラミック基板１と
の接合強度が維持でき、しかも、半田接合が可能な状態
となる。

【００６０】結局、本発明では、微小電流系配線導体２
と大電流系配線導体３とを混在する銅厚膜回路基板１で
あって、両配線導体２、３ともにセラミック基板１との
接合強度が強く、且つ半田濡れ性に優れたものになる。

【００６１】本発明者は、微小電流系配線導体２、大電
流系配線導体３に用いられる導電性ペーストのガラスフ
リットの添加率を種々検討を行った。

【００６２】尚、評価項目として、接合強度及び半田濡
れ性について評価をおこなった。

【００６３】接合強度は、各微小電流系配線導体２、大
電流系配線導体３で２×２ｍｍ角の電極パッドを形成
し、この電極パッドにリード線を半田接合して、リード
線を引っ張り、電極パッドが基板から剥離する時の引っ
張り力を測定した。尚、初期状態と１５０℃、２４０時
間のエージング後を夫々測定した。

【００６４】「良」は、初期値３．０Ｋｇ以上、エージ
ング後１．５ｋｇ以上であり、「使用可」は、初期値
２．５Ｋｇ以上、エージング後１．０ｋｇ以上であり、
「不良」は、エージング後１．５ｋｇ未満とした。

【００６５】また、半田濡れ性は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−２
０２Ｆ、２０８Ｅに準拠して行った。

【００６６】「良」は、電極パッドの半田付着していな
い面積が１％未満の場合であり、「不良」は、電極パッ
ドの半田付着していない面積が１％以上の場合である。

【００６７】その結果を表１に示す。

【００６８】

【表１】

【００６９】以上の表１より、微小電流系配線導体２を
対象とした試料番号１〜６について、ガラスフリットの
添加量が固体成分に対して、３．０ｗｔ％以上となる
と、充分な接合強度及び半田濡れ性が良好となる。

【００７０】試料番号１〜３のように、ガラスフリット
の添加量が固体成分に対して、３．０ｗｔ％未満では、
充分な基板強度が得られない。尚、試料番号１で半田濡
れ性が不良なのは、焼結工程で、焼結助剤となるガラス
フリットが不足して、焼結不良となり、微小電流系配線
導体２の表面にクレータ状の凹凸が発生してしまうため
である。

【００７１】尚、上限については、試料番号６のよう
に、ガラス成分が微小電流系配線導体２中に飽和状態と
なり、導体配線の表面にまでガラス成分が析出される傾
向となり、半田濡れ性が低下する。

【００７２】大電流系配線導体３を対象とした試料番号
７〜１１について、ガラスフリットの添加量が固体成分
に対して、３．０ｗｔ％以下では、基板の接合強度が充
分に得られ、さらに、しかも導体配線中にガラス成分が
飽和状態に達することがなく、半田濡れ性も良好とな
る。

【００７３】ところが、試料番号１１のように、ガラス
フリットの添加量が固形成分に対して３ｗｔ％を越える
と、導体配線中にガラス成分が飽和状態に達してしま
い、導体配線の表面にガラス成分が析出されてしまい、
半田濡れ性が劣化してしまう。

【００７４】尚、表１には記載していないが、その下限
については、０．３ｗｔ％未満となると、微小電流系配
線導体２の試料番号１のように、ガラス成分が不足し
て、接合強度が劣化したり、特に、ガラス成分の不足に
より、安定した焼結が行われず、半田濡れ性不良が発生
する。

【００７５】以上のように、導電性ペースト中のガラス
フリットの添加量を３．０ｗｔ％を境に、高いガラス添
加量の導電性ペーストを薄く、例えば１回の塗布印刷に
より形成した導体を、微小電流系配線導体２として用
い、低いガラス添加量の導電性ペーストを厚く、複数
回、例えば５回の塗布印刷により形成した導体を、大電
流系配線導体３として用いることによって、セラミック
基板１上に、基板の接合強度が強固で、且つ半田濡れ性
の良好な微小電流系配線導体２及び大電流系配線導体３
を形成することができる。

【００７６】尚、上述の実施例では、微小電流系配線導
体２、大電流系配線導体３として、銅系導体を用いたの
は、特に微小電流系配線導体２で、配線間の間隔が狭く
なっても、銀系導体に比較してマイグレーションなどが
発生しにくいためである。

【００７７】また、上述の実施例で、セラミック基板１
として、単板状のセラミック基板を用いしたが、例え
ば、内部配線及びビアホール導体に銀系導体で形成した
積層セラミック基板を用いても構わない。この場合、銀
系のビアホール導体と表面の銅系微小電流系配線導体２
及び大電流系配線導体３との接合部分にＡｇ−Ｃｕの共
晶層が発生しないように、低温焼成可能（焼成温度６０
０℃）のな銅系導電性ペーストを用いることが重要であ
る。

【００７８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、大電流
系配線導体と微小電流系配線導体とを混在するＣｕ系の
厚膜回路基板であって、両配線導体ともにセラミック基
板との接合強度が強く、且つ半田濡れ性に優れ、半田接
合の信頼性が高い厚膜回路基板となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の銅厚膜回路基板の平面図である。

【図２】本発明の特徴的な構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１０・・・・・・銅厚膜回路基板 １・・・・・・・セラミック基板 ２・・・・・微小電流系配線導体 ３・・・・・・大電流系配線導体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基板上に、Ｃｕを主成分と
   し、ガラスフリットを含有する導体材料から成る膜厚の
   薄い微小電流系配線導体及び膜厚の厚い大電流系配線導
   体を有する銅厚膜回路基板であって、 前記微小電流系配線導体は、含有するガラスフリットの
   量が３ｗｔ％以上であり、前記大電流系配線導体は、含
   有するガラスフリットの量が３ｗｔ％以下であることを
   特徴とする銅厚膜回路基板。