JPS61292394A - セラミツク配線基板用メタライズ組成物 - 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、ＩＣ，ＬＳＩ、チップ部品などを搭載し、
かつそれらを相互配線した回路の高密度実装用基板とし
て用いることのできるセラミック配線基板用メタライズ
組成物に関するものである。

従来の技術 従来より、セラミック配線基板の導体ペースト用金属と
しては、Ａｕ　、　Ａｕ　−Ｐｔ　、　Ａｇ　−Ｐｔ　
。

人ｇ−Ｐｄ等の貴金属、Ｗ　、　Ｍｏ　、　Ｍｏ−Ｍｎ
等の高融点卑金属が広く用いられていた。前者のＡｕ　
。

Ａｕ　−Ｐｔ　、　Ａｇ　−Ｐｔ　、　Ａｇ　−Ｐｄ等
の貴金属ベーストは空気中で焼付けができるという反面
、コストが高いという問題を抱えている。また、後者の
Ｗ　、　Ｍｏ　、　Ｍｏ　−Ｍｎｏ等の高融点卑金属は
１６００°Ｃ程度、すなわちグリーンシートの焼結温度
（約１５００°Ｃ）以上の高温で同時焼成するため多層
化しやすいが、一方、導電性が低く、還元雰囲気中で焼
成する必要があるため危険である。また、ハンダ付けの
ために導体表面にＮｉ等によるメッキ処理を施す必要が
あるなどの問題を有している。

そこで、安価で導電性が良く、ハンダ付は性の良好なＣ
ｕペーストが用いられる様になって来た。

ここで、Ｃｕペーストを用いたセラミック配線基板の製
造方法の一例を述べる。

従来の方法はアルミナ等の焼結基板上にＣｕペーストを
スクリーン印刷して配線パターンを形成し、乾燥後、Ｃ
ｕの融点よりも低い温度で、かつＣｕが酸化されず、導
体ペースト中の有機成分が十分に燃焼する様に酸素分圧
を制御した窒素雰囲気中で焼成するというものである。

また、Ｃｕペーストを用いたセラミック多層配線基板の
場合は、さらに絶縁ペーストとＣｕペーストを印刷、乾
燥。

中性雰囲気中での焼成をそれぞれ所望の回数繰返し、多
層化するというものである。

しかしながら、上記の様なＣｕペーストを用いた場合、
セラミック配線基板の製造方法においていくつかの大き
な問題点がある。まず第一に、焼成工程において、Ｃｕ
を酸化させず、なおかつＣｕペースト中の有機成分を完
全に燃焼させる様な酸素分圧に炉内を制御するという事
が非常に困難であるという事である。酸素分圧が高けれ
ば、（ｕ表面が酸化され、ハンダ付は性が悪くなり、導
電性の低下につながり、逆に酸素分圧が低過ぎれば、Ｃ
ｕ　メタライズの良好な接着が得られないばかりか、Ｃ
ｕペースト中に含まれる有機成分の使用に困難が生じる
。つまり、ペーストのビヒクルに用いられる有機バイン
ダ等が、完全に燃焼し除去されないという事である。特
にＣｕの融点以下の温度では、有機バインダは分解しな
いといわれている。

（文献名　例えば　特開昭６５−１２８８９９号公報） また、金属Ｃｕを用いた場合、たとえ脱バインダの工程
と、０１１焼付けの工程を分けたとしても、金属Ｃｕが
脱バインダの工程で酸化され、ＣｕＯとなり体積膨張を
起こすため、基板からの剥離等の問題を生ずる。第二に
、多層にする場合、印刷。

乾燥後、その都度焼成を行なうのでリードタイムが長く
なる、さらには設備などのコストアップにつながるとい
う問題を有している。そこで、特訓６９−１４７８３３
号公報において、酸化銅ペーストを用い、絶縁ペースト
と導体ペーストの印刷を繰り返し行ない多層化し、炭素
に対して充分な酸化雰囲気で、かつ内部の有機成分を熱
分解させるに充分な温度で熱処理を行ない、しかる後、
Ｃｕに対して非酸化性となる雰囲気とし、印刷された酸
化銅が金属Ｃｕに還元され、焼結する事を特徴とするセ
ラミック多層配線基板の製造方法について、すでに開示
されている。この方法により、焼成時の雰囲気制御が容
易になり、同時焼成が可能となった。しかしながら、以
下に示す様な問題点が新たに見い出された。それは、Ｃ
ｕＯペーストの場合、焼成工程で、ＯｕＯからＣｕへの
還元が起こシ、そのため収縮が生じる。特に多層構造に
した場合、上層の導体印刷は、下部絶縁層のバイアホー
ルを介して内層導体との接続を保ち、配線パターンを形
成するものであるため、焼成時の内部導体ペーストの収
縮は、その上層導体パターンのひび割れ、およびバイア
ホール部分の陥没の原因となり、ひいては導体パターン
の断線、接着強度の低下につながるというものである。

発明が解決しようとする問題点 ′そこで、酸化銅粉に、Ｐｔ粉、　Ｐｄ粉、　Ｎｉ粉の
うち少なくとも１種以上を添加した無機成分からなるメ
タライズ組成物を提案した。その結果、添加物量が１０
〜２０重量％の場合、収縮率が小さくなりバイアホール
部での亀裂や陥没は改善された。一方、添加物量が２〜
５重量％の場合は、セラミック配線基板用メタライズ組
成物として使用出来る事が明らかとなった。しかしなが
ら、まだ接着強度が低く、バイアホール部用の導体ペー
ストとして用いる場合、バイアホール上のパターンに部
品が直接実装された場合、その接着強度に問題があり、
配線基板用の導体ペーストとして使用した場合において
も、その接着強度は充分であるとは言えない。さらには
、上記のメタライズ組成物は、アルミナ焼結済基板との
間にほとんど接着力がなく、焼成において導体部が完全
に基板から剥離してしまうか、完全に剥離しないまでも
、とうてい配線基板用に使用出来るだけの接着強度を有
していないため、配線基板を作製するにあたっては、ア
ルミナ焼結基板と導体層の間に、ガラスとセラミックを
主要成分とする絶縁層を設けた構造にしなければならな
い事が明らかとなった。

問題点を解決するための手段 上記の問題を解決するために、本発明のメタライズ組成
物は、酸化銅を主成分とし、添加物として、Ｐｔ粉、　
ｐａ粉、　Ｎｉ粉のうち少なくとも１種以上とさらに酸
化マンガン粉を添加した無機成分に、ビヒクルと溶剤組
成物を加え、混練して調製したものである。また、添加
物として、前記の無機成分に、さらにセラミックまたは
ガラス等の耐熱性絶縁材料を添加したものもメタライズ
組成物として調製した。

作用 本発明は上記した様に、酸化銅ペーストであるという事
で、導体ペースト中の有機成分を完全に燃焼除去すると
いう工程と、酸化銅を金属Ｃｕに還元させるという工程
を分離してセラミック配線基板の製造を行なう事が出来
る。すなわち、脱バインダ時には、有機バインダの除去
のため充分な酸化雰囲気で熱処理をし、焼成時には、酸
化銅の還元のみを考えてＮ２を含む雰囲気で熱処理すれ
ば良く、従って、従来の様に微妙な雰囲気コントロール
を必要とした焼成条件も１本発明の導体ペーストを用い
れば、ただ単にＮ２にＮ２を適度に含む還元雰囲気の焼
成で良く、雰囲気制御が非常に容易となる。また、多層
の場合においても脱バインダ時にＣｕから酸化銅への変
化がないため、体積膨張によυ層間の剥離がなく、よっ
て同時焼成が可能となシ、製造コストの低下、リーディ
ングタイムの短縮へとつながる。また、Ｐｔ粉、　Ｐｄ
粉、　Ｎｉ粉の添加物は焼成時において、酸化銅からＣ
ｕへの還元による収縮をおさえ、緻密な配線パターンを
形成するのに効果がある。なぜなら、Ｐｔ　、　Ｐｄ　
、　ＮｉはＣｕと全率固溶体を形成するためＣｕの融点
を下げない。そのため必要以上の焼結反応をおさえるこ
とが出来るからである。また、酸化マンガンの添加は、
接着強度の向上に効果があり、特にアルミナ焼結済基板
との接着強度の向上に極めて有効である事がわかった。

さらに、セラミックまたは、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ５、（ａｏ
　、　ＭｇＯ。

ム１２０ｓ　、　５ｉ０２などよシ選ばれた組成による
ガラスを添加することにより、さらに接着強度が向上し
た。なお、このガラス成分は、Ｃｕに対して熱力学的に
安定で、Ｇｕを酸化させる事はない。

実施例 実施例１ まず本発明にかかるセラミック基板材料には。

アルミナ９６％の焼結済基板を用いた。そして、メタラ
イズ組成物にＣｕＯ粉を主成分とし第１表に示す組成で
、Ｐｔ粉、　Ｐ（ｉ粉、　Ｎｉ粉、およびＭｎＯ２粉を
添加した。この混合粉を用いてペースト化した。ペース
ト作成のための条件は、まずビヒクル組成に、溶剤とし
てテレピン油を用い、有機バインダであるエチルセルロ
ースを溶かしたものを上記混合粉末と三段ロールにて混
練しペーストとした。

（以下余　白） どの様にして調製したペーストを用い、セラミック配線
基板を作製し、接着強度、ハンダ付は性。

焼成時の収縮によるバイアホール部での亀裂や陥没につ
いて評価した。以下にセラミック配線基板の製造方法を
示す。まず、アルミナ焼結済基板上に、第１表に示した
組成の無機成分を有する導体ペーストを２５０メツシユ
のスクリーンヲ用い約２０μｍの厚みとなる様に印刷し
、乾燥（１２゜°Ｃで１０分間）させた。なお、導体層
は乾燥後１０μｍ以上の厚みを有していた。次にこの乾
燥済基板を、空気巾約６６０°Ｃの温度で脱バインダを
行なった。なお、この脱バインダ除去温度や雰囲気の設
定については、あらかじめ有機バインダの空気中での熱
分析を行ない、バインダの除去が完全に行なわれるかど
うかを確認して設定されるものである。従って、バイン
ダの種類によっては、多少分解温度が異なるので、おの
ずと脱バインダ時の温度プロファイルも異なってくるの
は当然である。次にこの脱バインダ済基板を焼成する、
その焼成条件は昇温／降温スピードが３００″Ｃ／時間
で、９５０℃で２時間保持し、雰囲気としては。

Ｎ２　＋　Ｎ２　（Ｎ２／Ｎ２　＝　２０／８０　”流
量”／ｗｉｎ）で行なった。この様にして作製したセラ
ミック配線基板の断面図を図１に示した。その後、この
基板を用いて、接着強度、ハンダ付は性を測定した。

なお、ハンダ付は性については、ハンダディップ槽に、
ディップし、その濡れ性を定性的に判断したもので、優
・良が実用可能な範囲である。また、接着強度は２ｍｍ
φｍｍ−ンに線巾０　、８　＋ｎｍφのリード線を基板
に垂直にハンダ付けし、引張り試験機でその破壊強度を
測定した。なお、ハンダは、６２％Ｓｎ、３６％Ｐｂ　
、　２％Ａｇのものを使用した。次に図２の様な断面を
持った配線基板を作製した。まず、アルミナ焼結済基板
に無機成分が１００重量％ＣｕＯの導体ペーストを印刷
、乾燥させ、次に絶縁層を印刷、乾燥させた。なお、絶
縁ペーストは、無機成分として、ホウケイ酸ガラス粉末
（コーニング社製＃７０５９）（！：アルミナ粉末を重
量比１対１となる様に配合したものを用い、さらにこの
混合粉に導体ペーストに用い次ものと同−のビヒクルを
加え適当な粘度に混練したものである。絶縁ペースト乾
燥後、第１表に示した無機組成からなる導体ペーストを
バイアホール部分に印刷し、乾燥させ、最後にまた絶縁
層を印刷した。々お、印刷条件、乾燥条件、脱バインダ
条件。

焼成条件は、前記の配線基板の作製条件と同じ条件で行
なった。焼成の後、Ｄｕ　Ｐｏｎｔ　社製＃９９２２の
Ｃｕペーストを印刷し、乾燥（１１０°Ｃで１０分間）
後、ベルト炉中で９００′Ｃで焼成した。なお、雰囲気
は０２を約１０ｐｐｍ含むＮ２雰囲気で行なった。この
様にして作製した配線基板を用い、焼成時の収縮による
バイアホール部での亀裂や陥没を評価した。その評価方
法は、図３に示す様なパターンを基板上に１００ケ所設
け、亀裂または陥没が見られる上層パターンの数を示す
というものである。

以上の様にして求めた結果を同じく第１表に示した。表
より明らかな様に、Ｐｔ粉、　Ｐｄ粉、　Ｎ＝粉の添加
量が、２．６重量％の場合、　Ｍｎｏ２粉の添加が接着
強度に対して著しい効果を示している。

ただし、Ｐｔ粉、　Ｐｄ粉を６重量％、ＭｎＯ２粉を１
０重量％添加した場合、ハンダ付は性に問題が生じ、接
着強度は測定不能であった。同様に、Ｐｔ粉、　Ｐｄ粉
を１５重量％添加した場合、ＭｎＯ２が０％であっても
ハンダ付は性が非常に悪く接着強度は測定不能であった
。一方、Ｎｉ粉を添加した場合、Ｎｉはハンダ付は可能
なため、ＭｎＯ２を５および１００重景加えた時以外は
いずれも測定可能であったが、その値は、Ｎｉ粉の添加
量が２または５重量％の場合に比べ低かったが添加によ
る効果は明らかである。この結果と、ＭｎＯ２を２．６
重景％添加した場合の結果をあわせて考えた場合、バイ
アホール上のパターンに部品が直接実装される際に、内
層強度を高めるためにＭｎＯ２添加は有効であると考え
られる。一方、バイアホール部での亀裂や陥没について
もＭｎＯ２の添加は有効であった。

次に、全体的にみて、Ｎｉ粉を添加した場合、他の添加
物に比べて接着強度が低く、亀裂、陥没の割合が高いの
は、Ｎｉは脱バインダ時にＮｉＯとなシ体積膨張を起こ
し、さらに焼成時に還元されＮｉにもどるための体積変
化が影響したものと考えられる。以上の結果を総合して
考えると、Ｐｔ粉、ｐａ粉、Ｎｉ粉が２〜６重量％添加
されている場合、ＭｎＯ２の添加は接着強度に効果があ
るため、セラミック配線基板用導体ペーストとして特に
有効であり、さらに、１５重量％金属粉を添加した場合
は、Ｎｉ粉を除いてハンダ付は性は悪いが、収縮率が低
く、緻密になるため、あまシハンダ付は性を要求されな
い様なバイアホールを埋めるだめの導体ペーストとして
有効であり、ＭｎＯ２の添加は。

さらにバイアホール上のパターンの亀裂、陥没をおさえ
る効果があり、かつ内層強度を高める効果があるため、
非常に有効な添加物であると考えられる。なお、今回の
実施例としては、Ｐｔ粉、　Ｐｄ粉、Ｎｉ粉の添加量が
、２，５．１５重量％についてのみ示したが、添加量が
２０重量％加えた場合、ハンダ付は性の問題で接着強度
は測定不可能であるものの、収縮が小さい事から、亀裂
、陥没の問題については効果がある事が確認されており
、上記金属粉は、２〜２０重量％の範囲で、ＭｎＯ２の
適量を添加し、目的におうじて使用する事が出来る。

通常、セラミック多層配線基板の場合、内層導体と上層
導体の導通をつけるために、絶縁層にバイアホーμを設
ける。しかし、絶縁層のピンホールをなくしたシ、絶縁
耐圧をあげるために、絶縁層はどうしても厚くなる。そ
のため、絶縁層を数度にわたって印刷する必要があシ、
ペーストの流れや、版ずれによって導通不良を起こす可
能性が高くなり、その防止策としてバイアホール埋没用
導体層を一層設ける。しかしながら、収縮率の大きな導
体ペーストをバイアホール埋没用に用いた場合、やはり
焼成による亀裂、陥没、断線の確率が高く、良い解決策
とはいえない。そのため、本発明の様に、添加物によっ
て収縮率をおさえる方法が有効である。一方、添加物量
が多くなる事により、導体抵抗の上昇が考えられるが、
パイ７ホール部においてのみ使用する場合、厚み方向の
抵抗がきいてくるため、全体の配線パターンへの影響は
ほとんど考えなくても良いと思われる。

実施例２ ＣｕＯ粉に、添加物として、Ｐｔ粉、　１ｔｎｏ２粉、
さらにムＩＪ２０ｓとガラスの主要成分（ＭｇＯ、５ｉ
ｏ２゜Ｇ＆０）を重量比で９６対４に混合したものを第
２表に示す様な組成で混合し、さらに実施例１と同様な
有機成分を加え導体ペーストとした。この様にして調製
した導体ペーストを用い、実施例１と同様の測定を行な
った。その結果を同じく第２表に示した。表に示す様に
、バイアホール部の亀裂や陥没に、五β２０３とガラス
主要成分の添加は有効であり、また接着強度においても
明らかに効果が見られた。なお、添加物としての耐熱性
絶縁材料は、上記の組成に限るものではない。

本発明の実施例１，２においては焼結済基板を用いたが
、ガラス・セラミックに代表される低温焼結基板のグリ
ーンンートを用いて多層配線する事も有効である。また
、Ｎｉを添加する場合、金属粉を用いたが、出発原料と
してＮｉＯを用いるのも有効な手段である。

発明の効果 以上述べた様に、本発明は、０１１を導体とする高性能
なセラミック配線基板の製造を可能にする導体材料を提
供するものである。すなわち、本発明のセラミック配線
基板用メタライズ組成物を用いれば、 （１）焼成時の雰囲気制御が容易である。

（２）多層基板の製造において、同時焼成が可能である
。

（３）　　Ｐｔ粉、　ｐａ粉、　Ｈ１粉の添加によシ、
導体ペーストの収縮をおさえる事が出来るため、バイア
ホール部用ペーストとして有効である。

（４）酸化マンガンの添加により、接着強度が高くなり
、またアルミナ焼結済基板との間にも非常に良好な接着
性が得られる。

（５）さらに、耐熱性絶縁材料の添加により、接着強度
が高くなる。

この他に、本発明のメタライズ組成物を用いる事により
、Ｃｕの持っている導体抵抗の低さ、低コスト等を充分
に生かせるものであシ、工業上極めて効果的な発明であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は接着強度、ハンダ付は性の測定用セラミック配
線基板の断面図、第２図は収縮による亀裂。 陥没を評価するためのセラミック多層配線基板の断面図
、第３図は第２図のセラミック多層配線基板の上層パタ
ーンを上から見た図である。 １・・・・・・アルミナ焼結済基板、２・・・・・・Ｃ
ｕメタライズ層、２−１・・・・・・無機成分が１００
％ＣＵＯ粉からなる導体ペースト、２−２・・・・・・
所定量の添加物を加えたペーストからなる。２−３・・
・・・・市販Ｃｕペーストからなる、４・・・・・・パ
イ７ホール。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化銅粉末７０〜９７重量％に、酸化マンガン粉
   末１〜１０重量％および、Ｐｔ粉、Ｐｄ粉、Ｎｉ粉のう
   ち少なくとも一種以上を２〜２０重量％含有した無機成
   分と、ビヒクルおよび、溶剤組成物より構成されている
   ことを特徴とするセラミック配線基板用メタライズ組成
   物。
2. （２）酸化銅粉末６０〜９６重量％に、酸化マンガン粉
   末１〜１０重量％、セラミックまたはガラス等の耐熱性
   絶縁材料１〜１０重量％および、Ｐｔ粉、Ｐｄ粉、Ｎｉ
   粉のうち少なくとも一種以上を２〜２０重量％含有した
   無機成分と、ビヒクルおよび溶剤組成物より構成されて
   いることを特徴とするセラミック配線基板用メタライズ
   組成物。