JPH087646A - 銅ペースト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】配線基板に大きな反りを発生させることなく、
また配線導体を絶縁基体に強固に被着させることができ
る銅ペーストを提供することにある。 【構成】表面が酸化チタン４で被覆されている銅粉末５
と、前記銅粉末５を粘結する有機バインダーと、前記有
機バインダーを所定粘度とする溶剤とを含む銅ペース
ト。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は配線基板の配線導体に使
用される銅ペーストに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、半導体素子が搭載される回路配線基
板や半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージ
等に使用される配線基板は、電気絶縁性に優れた酸化ア
ルミニウム質焼結体からなる絶縁基体と、該絶縁基体の
表面に被着されたタングステン、モリブデン等の高融点
金属粉末からなる配線導体とにより構成されている。

【０００３】かかる従来の配線基板は一般に、まず酸化
アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウム、酸化マグネ
シウム等からなる原料粉末に適当な有機バインダー、可
塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを
従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等
のシート成形技術を採用してシート状のセラミックグリ
ーンシート（セラミック生シート）を得、次にタングス
テン、モリブデン等の高融点金属粉末に適当な有機バイ
ンダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペースト
を前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印
刷法等の厚膜手法により所定パターンに印刷塗布し、最
後に前記金属ペーストが所定パターンに印刷塗布された
セラミックグリーンシートを還元雰囲気中、約1600℃の
温度で焼成し、酸化アルミニウム粉末とタングステン、
モリブデン等の高融点金属粉末とを焼結一体化させるこ
とによって製作される。

【０００４】しかしながら、近時、半導体素子は高集積
化、高速化が急激に進み、該半導体素子を上記の配線基
板に搭載、収容した場合、以下に述べる欠点を有したも
のとなる。

【０００５】即ち、 （１）半導体素子を構成するシリコンの熱膨張係数と半
導体素子収納用パッケージや回路配線基板等の絶縁基体
に使用される酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数が
それぞれ3.0 ×10^-6/ ℃〜3.5 ×10^-6/ ℃、6.0 ×10^-6
/ ℃〜7.5 ×10^-6/ ℃であり、大きく相違していること
から両者に半導体素子を作動させた際に発生する熱が印
加されると両者間に大きな熱応力が発生し、該熱応力に
よって半導体素子が破壊したり、絶縁基体より剥離して
しまう。

【０００６】（２）半導体素子収納用パッケージや回路
配線基板等の絶縁基体に使用される酸化アルミニウム質
焼結体は、その比誘電率が9 〜10（室温１MHz ）と高い
ため、絶縁基体に設けた配線導体を伝搬する信号の伝搬
速度が遅く、そのため電気信号の高速伝搬を要求する半
導体素子はその収容、搭載が不可となる。

【０００７】（３）配線導体を形成するタングステン、
モリブデン等はその電気抵抗値が高いため、配線導体を
伝わる電気信号の電圧降下が大きく、そのため配線導体
を微細とし配線基板を小型高密度化することが困難とな
る。等の欠点を有していた。

【０００８】そこで上記欠点を解消するために、絶縁基
体を比誘電率が低く、且つその熱膨張係数がシリコンの
熱膨張係数と近似するガラスセラミックス焼結体で形成
し、且つ配線導体を電気抵抗値が低い銅で形成した配線
基板が提案されている。

【０００９】かかるガラスセラミックス焼結体から成る
絶縁基体に銅から成る配線導体を被着形成した配線基板
は一般に、ガラスセラミックス粉末に適当な有機バイン
ダー、可塑剤、溶剤を添加混合し、これをシート状に形
成したガラスセラミックグリーンシート上に銅粉末を主
成分とする銅ペーストを所定パターンに印刷塗布した
後、前記銅ペーストが印刷塗布されたガラスセラミック
スグリーンシートを必要に応じ複数枚上下に積層すると
ともにこれを約750 〜1000℃の温度で焼成し、ガラスセ
ラミックスと銅粉末とを焼結一体化させることによって
製作される。

【００１０】また前記配線基板の製作に使用される銅ペ
ーストは、例えば平均粒径が約2 〜5 μｍ程度の銅粉末
にガラスフィラー、有機バインダー、溶剤等を添加混合
しペースト状としたものが使用されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の銅ペーストは、銅粉末の焼結開始温度が約600 ℃程
度であり、絶縁基体となるガラスセラミックスの焼結開
始温度（約700 〜800 ℃）より極めて低い。このため銅
ペーストが印刷塗布されたガラスセラミックグリーンシ
ートを焼成し、ガラスセラミックスと銅粉末とを焼結一
体化させることによって配線基板を作製する際、銅ペー
ストがガラスセラミックスより早く焼結収縮し、その結
果、配線基板に大きな反りが発生したり、配線導体の絶
縁基体への被着強度が小さいものとなる欠点を誘発し
た。

【００１２】更にこの従来の銅ペーストは銅粉末の焼結
開始温度が（600 ℃）であり、銅ペースト中のバインダ
ーが完全に熱分解して外部に飛散する温度（約650 ℃）
より低い。このため銅ペーストが印刷塗布されたガラス
セラミックグリーンシートを焼成し、ガラスセラミック
スと銅粉末とを焼結一体化させることによって配線基板
を作製する際、銅ペースト中のバインダーが完全に分解
飛散する前に銅粉末の焼結が開始し、その結果、分解飛
散しきれなかったバインダーが配線導体の中にカーボン
として残留し、配線導体にフクレを発生させてしまうと
いう欠点を誘発した。

【００１３】

【発明の目的】本発明は上記諸欠点に鑑み案出されたも
のであり、その目的は配線基板に大きな反りを発生させ
ることがなく、また配線導体を絶縁基体に強固に被着さ
せることができる新規な銅ペーストを提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の銅ペーストは、
表面が酸化チタンで被覆されている銅粉末と、前記銅粉
末を粘結する有機バインダーと、前記有機バインダーを
所定粘度とする溶剤とを含むことを特徴とするものであ
る。

【００１５】また本発明の銅ペーストは、前記酸化チタ
ンが銅粉末100 重量部に対し0.05乃至1.0 重量部である
ことを特徴とするものである。

【００１６】

【作用】本発明の銅ペーストによれば、表面が酸化チタ
ンで被覆されている銅粉末を含むことから焼結開始温度
がガラスセラミックスの焼結開始温度（700 〜800 ℃）
に近似する700 〜800 ℃となり、その結果、銅ペースト
が印刷塗布されたガラスセラミックグリーンシートを焼
成し、ガラスセラミックスと銅粉末とを焼結一体化させ
ることによって配線基板を製作する際、銅ペーストとガ
ラスセラミックスとは略同時に焼結収縮して配線基板が
平坦となるとともに配線導体の絶縁基体への被着強度が
極めて大きなものとなる。

【００１７】また本発明の銅ペーストによれば、表面が
酸化チタンで被覆されている銅粉末を含むことから焼結
開始温度が銅ペースト中のバインダーが完全に分解飛散
する温度（650 ℃）以上の700 〜800 ℃となり、その結
果、ガラスセラミックスと銅粉末とを焼結一体化させる
ことによって配線基板を製作する際、銅ペースト中のバ
インダーが完全に分解飛散した後で銅粉末が焼結を開始
するため、配線導体中にバインダーの一部がカーボンと
して残留することはなく、従って配線導体にフクレを発
生させることはない。

【００１８】

【実施例】次に本発明を添付の図面を基に詳細に説明す
る。

【００１９】図１は本発明の銅ペーストを用いて製作さ
れる配線基板の一実施例を示し、１は絶縁基体、２は配
線導体である。

【００２０】前記絶縁基体１は、ガラスセラミックス焼
結体から成り、例えば、酸化珪素３７重量％、酸化アル
ミニウム３５重量％、酸化マグネシウム１０重量％、酸
化ジルコニウム５重量％、酸化カルシウム２重量％、酸
化リチウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム等を微量含
むもので形成されている。

【００２１】前記絶縁基体１は酸化珪素、酸化アルミニ
ウム、酸化マグネシウム等の成分から成るガラスセラミ
ックス原料粉末に適当な有機バインダー、可塑材、溶剤
等を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知
のドクターブレード法、カレンダーロール法等のシート
成形技術を採用してセラミックスグリーンシートを得、
しかる後、前記セラミックスグリーンシートに適当な打
ち抜き加工を施すとともに、これを窒素雰囲気中、約75
0 〜1000℃の温度で焼成することによって製作される。

【００２２】また前記絶縁基体１には、その上面に銅の
焼結体から成る配線導体２が被着されており、該配線導
体２には半導体素子３等が電気的に接続されている。

【００２３】前記上面に配線導体が被着されている絶縁
基体１はこれを構成するガラスセラミックス焼結体の比
誘電率が6 （室温1MHz）であり、低いことから配線導体
２を伝わる電気信号の伝搬速度を速いものとなすことが
でき、その結果、絶縁基体１上に信号の高速伝搬を要求
する半導体素子３の収容、搭載が可能となる。

【００２４】前絶縁基体１はまたこれを構成するガラス
セラミックス焼結体の熱膨張係数が3.5 ×10^-6/ ℃〜5.
0 ×10^-6/ ℃であり、半導体素子３を構成するシリコン
の熱膨張係数（3.0 ×10^-6/ ℃〜3.5 ×10^-6/ ℃）と近
似することから絶縁基体１上に半導体素子３を搭載した
後、絶縁基体１と半導体素子３の両者に半導体素子３が
作動時に発する熱等が印加されても両者間には大きな熱
応力が発生することはなく、その結果、前記熱応力によ
って半導体素子３が破壊したり、絶縁基体１より剥離し
たりすることもない。

【００２５】更に前記絶縁基体１の上面に被着された配
線導体２は、絶縁基体１の上面に搭載、収容される半導
体素子３を外部電気回路等に電気的に接続する際の導電
路として作用し、銅の焼結体で形成されている。

【００２６】尚、前記銅の焼結体から成る配線導体２は
銅の電気抵抗値が低いことから、配線導体２を伝搬する
電気信号の電圧降下を極めて小さいものとなし、これに
よって配線導体２を微細化して配線基板の小型高密度化
を達成することができる。

【００２７】また前記銅の焼結体から成る配線導体２
は、後述する銅ペーストを絶縁基体１となるガラスセラ
ミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷
法を採用して所定パターンに印刷塗布しておくことによ
って絶縁基体１の上面に被着される。

【００２８】前記配線導体２を形成する銅ペーストは、
図２に示すように、表面が酸化チタン４で被覆された平
均粒径2 〜10μm 、ＢＥＴ値が0.5 〜1.0m²/g 程度の銅
粉末５に、有機バインダー、有機溶剤等を添加混合する
ことによって形成されている。

【００２９】前記表面が酸化チタン４で被覆された銅粉
末５は、銅粉末５が配線導体２に導電性を付与する作用
を為し、表面を被覆する酸化チタン４が銅粉末５の焼結
を抑制し、焼結開始温度をガラスセラミックス焼結体の
焼結開始温度に近似し、且つバインダーが完全に分解飛
散する温度以上の700 〜800 ℃にする作用を為す。

【００３０】前記銅ペーストは銅粉末５の表面を酸化チ
タン４で被覆し、その焼結開始温度を700 〜800 ℃とし
たことから、この銅ペーストが印刷塗布されたガラスセ
ラミックグリーンシートを焼成し、ガラスセラミックス
と銅粉末とを焼結一体化させることによって配線基板を
製作する際、銅ペーストとガラスセラミックスとは略同
時に焼結収縮して配線基板を平坦となすとともに配線導
体の絶縁基体への被着強度を極めて大きなものとなすこ
とができる。

【００３１】また前記銅ペーストは銅粉末５の表面を酸
化チタン４で被覆し、その焼結開始温度を700 〜800 ℃
としたことから、この銅ペーストが印刷塗布されたガラ
スセラミックグリーンシートを焼成し、ガラスセラミッ
クスと銅粉末とを焼結一体化させることによって配線基
板を製作する際、銅ペースト中のバインダーが完全に分
解飛散した後で銅粉末が焼結開始するため、配線導体中
にバインダーの一部がカーボンとして残留することはな
く、従って配線導体にフクレのない配線基板を得ること
ができる。

【００３２】尚、前記表面が酸化チタン４で被覆された
銅粉末５は、例えば銅粉末をアルキルチタン酸塩等のチ
タン塩溶液中に浸漬後、これを乾燥加熱処理することに
よって、或いはアルキルチタネート等の有機チタネート
により被覆した後、これを熱処理することによって形成
される。

【００３３】また前記表面が酸化チタン４で被覆された
銅粉末５は、酸化チタン４の量が銅粉末100 重量部に対
して0.05乃至1.0 重量部の範囲となるように調整してお
くと、銅ペーストの焼結開始温度がガラスセラミックス
の焼結開始温度に極めて近似し、これによってガラスセ
ラミックスと銅粉末とを焼結一体化させることによって
配線基板を製作する際、配線基板を平坦として、且つ配
線導体の絶縁基体への被着強度を極めて大きなものとな
すことができる。従って、前記表面が酸化チタン４で被
覆された銅粉末５は、酸化チタン４の量を銅粉末100 重
量％に対し0.05乃至1.0 重量部の範囲としておくことが
好ましい。

【００３４】更に前記銅ペーストには酸化チタン５で被
覆された銅粉末を粘結してペースト状とするための有機
バインダーが添加されている。

【００３５】前記有機バインダーとしてはエチルセルロ
ースやニトロセルロースやアクリル系樹脂等の有機高分
子材料が使用され、銅粉末100 重量部に対し、0.5 重量
部未満の添加であると銅ペーストをセラミックグリーン
シートに所定パターンに印刷塗布した際、銅ペーストの
パターンがセラミックグリーンシートより剥がれ易くな
る傾向にあり、また10.0重量部を越えると、銅ペースト
の粘性が高くなり、セラミックグリーンシートにスクリ
ーン印刷法により印刷する際の印刷性が悪くなる傾向に
ある。従って、前記有機バインダーは銅粉100 重量部に
対し、0.5 乃至10.0重量部の範囲としておくことが好ま
しい。

【００３６】更にまた前記銅ペーストには銅ペーストに
流動性を付与するための溶剤が添加されている。

【００３７】前記溶剤は、ブチルカルビトールアセテー
トやアルファテルピネオール等が使用され、銅粉末100
重量部に対し、5.0 重量部未満であると銅ペーストの流
動性が悪くなり、銅ペーストをセラミックグリーンシー
トに所定パターンに印刷する際にその印刷性が劣化する
傾向にあり、また40.0重量部を越えると銅ペーストの流
動性が高いものとなり、銅ペーストをセラミックグリー
ンシートに所定パターンに印刷塗布する際にパターンに
ニジミ等が発生し易い傾向にある。従って、前記銅ペー
ストに添加される溶剤は銅粉末100 重量部に対して5.0
乃至40.0重量部の範囲としておくことが好ましい。

【００３８】尚、前記銅ペーストは、その内部に絶縁基
体１と同じ組成から成るフィラーを、銅粉末100 重量部
に対し、1.0 乃至15.0重量部添加しておくと配線導体２
の電気抵抗値を小さいものに維持したまま配線導体２を
絶縁基体１に強固に接続させることができる。従って、
前記銅ペーストにはその内部に絶縁基体と同じ組成から
成るフィラーを銅粉末100 重量部に対して1.0 乃至15.0
重量部の範囲で添加しておくことが好ましい。

【００３９】かくして上述の本発明の銅ペーストを使用
して製作された配線基板は、配線導体２に半導体素子３
等を電気的に接続し、配線導体２を介して半導体素子３
等に電気信号を出し入れすることによって回路配線基板
や半導体素子収納用パッケージとして機能する。

【００４０】次に本発明の作用効果を以下に述べる実験
例により説明する。 （実験例）先ず、表1 に示す表面が0.02〜2.0 重量部の
酸化チタンを被覆された平均粒径4 μｍ、ＢＥＴ値0.8m
² ／ｇの銅粉末を６種類準備するとともに各銅粉末100
ｇに対して5 ｇのエチルセルロース、15ｇのジブチルフ
タレート、15ｇのブチルカルビトールアセテートを添加
混合して銅ペースト試料を調整する。

【００４１】前記調整した銅ペースト試料を酸化珪素３
７重量％、酸化アルミニウム３５重量％、酸化マグネシ
ウム１０重量％、酸化ジルコニウム５重量％、酸化カル
シウム２重量％、酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化
カリウム等を微量含む長さ65mm、幅15mm、厚さ0.5mm の
ガラスセラミックスグリーンシート上にスクリーン印刷
にて長さ50mm、幅10mm、厚み20μm の反り測定用パター
ン及び直径2mm 、厚み20μm の被着強度測定用パターン
を印刷塗布し、これを650 ℃以下で脱脂後、950 ℃の温
度で焼成し各２０個づつのテスト片を得、これらのテス
ト片について反り測定用パターン上を表面粗さ計で長さ
方向に測定し、該反り測定用パターンの高さ方向への変
位量を測定長さで割った値の平均値を反り値とし、また
の被着強度測定用パターンに直径0.5mm 、長さ20mmの銅
線の一端を半田付けし、該銅線の他端をテスト片面に対
して垂直に引っ張り、半田付けした銅線の一端が被着強
度測定用パターンとともにテスト片から取れた時の引っ
張り力を被着強度測定用パターンの面積で割った値の平
均値を配線導体の被着強度とし、更に前記テスト片の反
り測定用パターン及び被着強度測定用パターンを倍率10
倍の双眼顕微鏡で観察し、フクレの有無を確認した。

【００４２】尚、表１に示した各試料における銅粉末の
収縮開始温度は各試料を約80℃の温度で加熱乾燥し、各
銅ペースト試料に含有されているブチルカルビトールア
セテートを飛散させ粉末状としたものをプレス成形機で
プレス成形して長さ10mm、直径5mm の棒状となし、次に
これを熱機械分析装置内に設置するとともに常温から約
1000℃の温度まで加熱して収縮の始まった温度を銅粉末
の収縮開始温度として測定した。

【００４３】また、表１において試料番号１は銅ペース
ト中の銅が酸化チタンで被覆されていない従来の銅ペー
ストである。

【００４４】上記の結果を表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１からも判るように、本発明の酸化チタ
ンで被覆した銅粉末を含有する銅ペーストは銅が酸化チ
タンで被覆されていない従来の銅ペーストよりもパター
ンのテスト片への被着強度が強く、またテスト片の反り
も小さなものとなっている。

【００４７】特に銅粉末を被覆する酸化チタンの量が0.
05乃至1.0 重量％の銅粉末を含有する銅ペーストを使用
したものはテスト片の反りが50μm 以下と極めて小さ
く、また銅金属層のテスト片への被着強度も2.5Kg/mm²
と極めて強固なものとなる。また本発明の酸化チタンで
被覆した銅粉末を含有する銅ペーストを使用したものは
フクレが観察されなかった。

【００４８】

【発明の効果】本発明の銅ペーストによれば、表面が酸
化チタンで被覆された銅粉末を含有させたことから、焼
結開始温度がガラスセラミックスの焼結開始温度（約70
0 〜800 ℃）に近似し、且つ銅ペーストに含まれるバイ
ンダーが完全に分解飛散する温度（650 ℃）以上である
700 〜800 ℃となり、その結果、銅ペーストが印刷塗布
されたガラスセラミックスグリーンシートを焼成し、ガ
ラスセラミックスと銅粉末とを焼結一体化させることに
より配線基板を製作する際、銅ペーストは該銅ペースト
に含まれるバインダーが完全に分解飛散された後、ガラ
スセラミックスと略同時に焼結収縮して配線基板が平坦
となるとともに配線導体の絶縁基体への被着強度が極め
て大きなものとなり、また配線導体にフクレが発生する
こともない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の銅ペーストを用いて製作される配線基
板の一実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の銅ペーストに使用される表面が酸化チ
タンで被覆された銅粉末を説明するための図である。

【符号の説明】

１・・・絶縁基体 ２・・・配線導体 ３・・・半導体素子 ４・・・酸化チタン ５・・・銅粉末

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面が酸化チタンで被覆されている銅粉末
   と、前記銅粉末を粘結する有機バインダーと、前記有機
   バインダーを所定粘度とする溶剤とを含む銅ペースト。
2. 【請求項２】前記酸化チタンが銅粉末100 重量部に対し
   0.05乃至1.0 重量部であることを特徴とする請求項１に
   記載の銅ペースト。