JPS63285804A - 厚膜導体組成物 - 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、半導体ＩＣ、チップ部品などを搭載し、かつ
それらを相互配線したセラミック配線基板に代表される
ハイブリッドＩＣ用の厚膜導体組成物に関するものであ
る。

従来の技術 混成厚膜回路基板に用いられる導体材料としては、Ａ　
ｕ　、Ｐ　ｔ　ＳＰ　ｄなどの貴金属と、Ｗ、Ｍ６゜Ｃ
ｕなどの卑金属が使用される。この金属材料に有機バイ
ンダ、溶剤を加えてペースト状にしたものをアルミナ等
の絶縁基板上にスクリーン印刷し、焼き付けて導体パタ
ーンを形成するものである。

また、多層基板では、これらの導体ペーストの他、絶縁
材料としてのセラミックや、ガラス粉末を有機バインダ
を溶かした溶剤中に分散させたペースト状のものとを用
いて（絶縁ペースト）多層化する方法と、前記の絶縁粉
末、有機バインダ等からなるグリーンシートを用いて、
前記導体ペーストでパターン形成したグリーンシートを
積層して多層化する方法とがある。これらに使用される
金属導体材料に注目すると、Ａｕ、Ａｇ／Ｐｄは、空気
中で焼き付けができる反面、貴金属であるため、コスト
が高い。一方Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕは卑金属で安価であるが、
焼付は雰囲気をＷ、Ｍｏでは還元雰囲気で、Ｃｕでは中
性雰囲気で行う必要がある。

またＷ、Ｍｏでは、１５００〜１６００℃と高温焼成と
なる。さらに信頼性の面を考慮すると、Ａｕではハンダ
くわれ、Ａｇ／Ｐｄでは、マイグレーション及び導体抵
抗が高いことが問題となる。そのため、導体抵抗が低く
、マイグレーションが少なく、ハンダ付は性も良好なＣ
ｕが注目されつつある。そして一部で実用された例もあ
る。

しかし、卑金属であるための欠点もある。それは卑金属
のため空気中で焼き付けることができず、かつ基板との
接着強度、シート抵抗、ハンダ付性、ペースト中のバイ
ンダの分解等を考慮する必要から焼成時の窒素雰囲気中
に若干の酸素を含ませるといった微妙な雰囲気コントロ
ールが要求される。

つまり、窒素中の酸素濃度が低いと、バインダの分解が
起こらず、カーボンの形で残りメタライズ性に悪影響を
及ぼす。逆に酸素濃度が高いと、銅電極が酸化され半田
付は性が悪くなる。したがって、適性な酸素濃度（約１
０ｐｐｍ）にコントロールする必要がある。また、多層
基板の場合は、絶縁層の形成時にも同じような問題、つ
まりバインダの除去が完全でないと、バインダは、炭化
されたままで残り、層間にブリスタを発生させたり、電
極−絶縁間の特性、絶縁層自身の特性を悪化させる要因
となる。

そこで、このバインダ除去とＣｕメタライズを両立させ
る方法が提案された。それは、電極の出発原料に酸化銅
を用いる方法で、この方法によれば、あらかじめ空気中
で脱バインダのための熱処理を行ない、その他、酸化銅
を還元して、金属銅とし焼成を行うものである。本方法
は、あらかじめ脱バインダを行ない、還元さらに焼成す
るため、多層構造の基板には最適であるといえる。この
酸化銅による多層化方法は、特願昭５９−１４７８３３
、酸化銅ペーストは特願昭６０−２３８４６　、特願昭
６０−１４０８１６、特願昭６０−１３１）０４に述べ
られている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、その実施にあたって、次のような解決す
べき課題が明らかとなった。それは、多層基板の基板材
料となるグリーンシートもしくは絶縁材料に使用される
低温焼結材料によって、酸化銅ペーストの材料も、おの
ずと異なってくるからである。つまり、銅電極用の絶縁
材料は、銅の融点である１０８３℃以下で焼結させる必
要がある。

そして従来は、非Ｐｂ系ガラスである硼硅酸アルミガラ
スとアルミナの混合粉からなる絶縁材料を用いることが
多く、焼成温度も１０００〜１０５０°Ｃと高かった。

しかし、新しくｐｂを含むガラス（硼硅酸鉛ガラス）を
用いる方法が発明されるに到り、低温で、しかも短時間
（９００℃−６０分程度）で焼成ができるようになった
。（特願昭６ｌ−４８８２２）そして、この鉛ガラスを
含む絶縁材料を使用することにより、信顧性が高く、量
産に冨むセラミック多層基板が得られるようになったが
、新たに従来の酸化銅ペースト組成物そのままでは、同
等のメタライズ性が得られないという問題点が明らかと
なった。

このことは、前述のように絶縁材料がより低温、短時間
で焼成できるようになったが、同じ焼成条件下では、酸
化銅ペーストに含まれる添加物ではメタライズへの効果
が得られにくくなったからである。

問題点を解決するための手段 上記の問題点を解決するために、本発明の酸化銅厚膜ペ
ーストにおいて、メタライズ性を向上させるための添加
物として、低軟化点の鉛ガラスを用いた。これにより低
温でかつ短時間で銅のメタライズを得ることに成功した
ものである。

作用 本発明は、酸化銅を出発原料とする銅メタライズのため
の厚膜導体組成物に関するもので、セラミック多層配線
基板等に使用される。その製造法の概要はこの酸化銅ペ
ーストと、絶縁ペーストを交互に印刷して積層して多層
化したものを、空気中で脱バインダ処理を行う。そして
、低温で絶縁層の材料を還元させずに酸化銅だけを還元
する条件で還元を行う。（望ましくは、４００℃−Ｈ２
雰囲気）そして窒素雰囲気のような中性雰囲気で熱処理
を行うというものである。この時、酸化銅ペーストに含
まれるガラスフリットの役割は、まず脱バインダ時には
、ある程度酸化銅と絶縁材料を接合させておき、また焼
成時においても還元された銅と絶縁材料を接合させるこ
とにある。この時脱バインダ時でも反応が必要な訳は、
脱バインダは、ごく低温（５００℃〜６００℃）で行わ
れるのでＣＵＯの拡散があまり期待できず、その結果、
還元、焼成においてＣｕＯもしくはＣｕ、Ｏの拡散を利
用しての接合が得られにくいためである。そして、ガラ
スフリフトによって若干でも接合させておかないと、後
の還元、焼成によってＣｕの焼成が絶縁材料の焼結より
も早く起こり、Ｃｕ電極だけが縮んでしまい、正確な電
極パターンが得られないばかりか、表面からはがれてし
まう。

しかし、前記のような鉛ガラスを用いたガラスフリット
を添加すれば、脱バインダ時においてもある程度のＣｕ
Ｏと絶縁層の接合が期待できる。

またその最適ガラスフリフトの量も０．５％以下では、
メタライズへの効果があまり得られず、１５％以上では
、多くなりすぎ、後の還元工程でも酸化銅を被ってしま
うので還元されなくなる。望ましくは、１％〜５％程度
が良い。

実施例 以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。

まず本発明の酸化銅ペーストに使用するガラスフリット
の作製方法は、ガラス成分を構成するガラス原料粉末を
あらかじめ良く混合して白金のルツボに入れ、１５００
℃の温度に加熱して充分に溶融させて後、水中に落下急
冷させ、ガラス状の団塊を作る。そして乾燥の後、湿式
で粉砕する。この時の溶媒はメタノールを使用し、玉石
にはＺｒＯ□ボールを使用した。粉砕時間は２４時間で
、その結果約２μｍの平均粒径のガラス粉末を得ること
ができる。また本発明のガラス粉の組成については、第
１表に示した通りである。

第１表（１）　　　ガラス組成 第１表（２）　　　ガラス組成 次に酸化銅ペーストの作製方法について説明する。

酸化銅粉（Ｃｕ　Ｏ）は、平均粒径２．５μｍの試薬を
用い、ガラスフリットとの混合粉末を無機組成とした。

次に有機成分のビヒクル組成には、溶剤としてテレピン
油を用い、バインダであるエチルセルロースを溶かした
ものを用いた。この有機ビヒクルと前記の無機組成物を
三段ロールにて混練しペーストとした。このペーストを
、アルミナ基板（９６％Ａ　１　ｚ　Ｏ３）上にスクリ
ーン印刷法でパターン形成を行なった。この時の印刷厚
みは、約２０μｍである。第１図にこの導体パターンを
示す。図において１はアルミナ基板、２は、スクリーン
印刷法によって得た導体パターンである。次に多層基板
上の酸化銅ペーストの評価を行う目的で、前記と同一の
パターンを、絶縁層上に形成したものも比較のため用意
した。第２図にその断面を示す。図において、１はアル
ミナ基板、２は導体印刷層、３は前記絶縁層である。こ
の絶縁層は、硼硅酸鉛ガラスとアルミナ粉末の混合粉（
５０１５０）を前記の酸化銅ペーストと同一の有機ビヒ
クルを用いてペースト化したもので、アルミナ基板上の
全面にスクリーン印刷し乾燥の後、前記と同様酸化銅ペ
ーストによりパターン形成される。このようにした得ら
れた基板を前記のアルミナ基板上と比べて絶縁層上と表
現することにする。したかつてメタライズ性の評価は、
このアルミナ基板上と、絶縁層上と両方によって行なわ
れる。次にこの導体パターン形成後の基板の焼成を行な
う。その方法として、まず空気中７００℃の温度で脱バ
インダを行う。この時、ＣｕＯを主成分とする導体ペー
ストは、それ自身では多少反応するものの、大きな大積
変化は生じず、バインダが飛散したのみであった。この
脱バインダ済基板を、水素２０％を含む、窒素雰囲気中
で、約３００℃に加熱して、酸化銅から銅への還元を行
なった。そして最後に９００°Ｃの窒素雰囲気中で、絶
縁層とＣｕの焼結を行なった。

次に焼成後のＣｕメタライズ基板の評価方法について説
明する。Ｃｕメタライズ性の評価は、半田付は性と、Ｃ
ｕの接着強度及びシート抵抗により判定する。まず、半
田付は性は、Ｃｕ電極にフラフクスを注射器によって適
度に濡らし、２３０℃に加熱したハンダディップ槽に約
１０秒間、ディップし、そのハンダの濡れ具合により目
視により５段階に、官能評価を行う。４以上で実用充分
な領域である。次に接着強度は、２１ｍ角の電極パター
ンに線径０　、８　ｍｍ中のＬ字形リード線を半田付け
し、引張り試験機にて、リード線を引張り基板との破壊
が起こる強度を測定する。

第２表に、前記ガラス粉末の酸化銅に対する添加量とＣ
ｕメタライズ性の評価結果を示す。

※電掘ハク離のため評価できず。

以上の結果からＢｉｚＯ３を含むガラスフリットがＣｕ
のメタライズ性に良好な影響を及ぼすことは明らかであ
る。

Ｂｉ２Ｏ３は、少ないと軟化点が高くなり、７０％と多
すぎると絶縁層及びアルミナ基板に不用な反応が起こり
、黄色の拡散が生じて不都合である。

また半田付性は、Ｂｉ２Ｏ２を含むガラスフリットでは
、総じて良好になる。接着強度ではＳｒＯを添加したも
のが良く、またシートｔｆＥ抗もあまり上げない。ガラ
スフリットの添加量はＧ−１６ガラスで検討した結果を
示したが、約０．５％以上添加すれば、メタライズ性、
特に接着強度に向上が見られる。加えて半田付性の評価
においては１５％以上のもので半田付性が悪くなるが、
全体的に良好であり、ＢｉｚＯ，の効果と思われる。し
かし、シート抵抗の面から考慮すると、最適範囲は１〜
５ｗｆ％が良いと思われる。本実施例では示さなかった
が、酸化銅にＢｉｚＯｚを単独で添加してもメタライズ
性に向上は見られたが、ガラスフリットとして添加した
ものに比べるとその効果は、小さかった。

・発明の効果 本発明は、セラミック配線基板用の厚膜導体ペーストに
関するもので、出発原料にＣｕＯを用い、本発明のガラ
スフリットを添加することで、焼成の雰囲気コントロー
ルが容易で、かつ、信顛性の高いメタライズが得られる
ものである。すなわち、ガラスフリットにビスマスガラ
スを用いることによって、低温で、かつ高速焼成に向く
導体ペーストが実現できたもので、極めて効果的な発明
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アルミナ基板上に形成された本発明の酸化銅
ペーストによる評価パターンの平面図、第２図は、絶縁
層の酸化銅ペースト評価の場合の断面図である。 １・・・・・・アルミナ基板、２・・・・・・酸化銅印
刷パターン、３・・・・・・絶縁層。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化銅（ＣｕＯ）粉末８５〜９９．５重量パーセ
   ントに、ビスマスガラスを０．５〜１５重量パーセント
   含有した無機成分と、有機ビヒクル組成物よりなること
   を特徴とする厚膜導体組成物。
2. （２）ビスマスガラス粉末が、重量％で、Ｂｉ＿２Ｏ＿
   ３５〜６０％、ＰｂＯ１〜４０％、Ｂ＿２Ｏ＿３０．５
   〜２０％、ＳｉＯ＿２０．１〜２０％、ＣａＯ０．１〜
   ２０％、ＡＬ＿２Ｏ＿３０．１〜２０％、ＭｇＯ０〜５
   ％、ＺｒＯ＿２０〜５％、Ｙ＿２Ｏ＿３０〜３％、Ｓｒ
   Ｏ０〜３％からなることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項に記載の厚膜導体組成物。