JPS63285805A - 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、Ａｕ
％　Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属と、Ｗ、Ｍｏ。

Ｃｕ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Ｎ
基板の場合は、絶縁層の形成時にも同じような問題、つ
まりバインダめ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６０−１３１１０４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℃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、信頼性が高く、量産
に富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
スフリッ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フト
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Ｚｒ０ｚ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（Ｃｕｂ）は、平均粒径２．５μｍの試薬を用
い、ガラスフリフ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％Ａｔ、０３）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（５０１５
０）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。したがっ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３
００℃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℃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、２ｍｓ角の電極パター
ンに線径０．８　ａｍ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。

※注）半田付性は、絶縁層上の場合のみ評価した。

以上の結果から、ガラスフリットとしては、軟化点が低
い程、良好であることが判明した。ただし、ＰｂＯがあ
まり多いと、半田付は性が悪くなる１頃向にある。これ
は、あまり軟化点が低いと、絶縁層材料と反応して、低
軟化点化し、電極表面まで、融出しているためと考えら
れる。また、Ｙ２Ｏ３を添加すると半田付性が改善され
ることも明らかとなった。接着強度面では、特にＳｒＯ
を添加したものが良く、他の同様の軟化点のものより良
好であった。

次にガラスフリットの最適添加量をＧ−１８を用いて検
討した結果を第３表に示す。

第３表　ガラスフリフト添加量の検討 第３表から明らかなように、ガラスフリットは、約０．
５％〜１５ｗｆ％までで接着強度の向上が見られる。た
だし、半田付は性を考慮すれば、１．０〜５訂％が最適
と思われる。また全体的に絶縁層上の接着力が良いのは
、アルミナ基板の表面が細かく、平たんであることと、
絶縁層上の場合は、絶縁材料との同時焼成となるため反
応して、強固な接合が得られると考えられる。またガラ
スフリフトが０あるいは０．１ｗｆ％では、基板との密
着力が無く、焼成時にハク離してしまうので、評価がで
きなかったものである。さらに１０ｗｆ％以上では、シ
ート抵抗が高まり、実用上問題である。

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、信頬性の高いメタライズが得られる
ものである。すなわち、ガラスフリットに鉛系ガラスを
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・旧・・酸化銅印刷パ
ターン、３・・・・・・絶縁層。

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、鉛ガラスを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）鉛ガラス粉末が、重量％で、ＰｂＯ５〜７０％、
   Ｂ＿２Ｏ＿３０．５〜３０％、ＳｉＯ＿２０．５〜３０
   ％、ＣａＯ０．１〜２０％、ＡＬ＿２Ｏ＿３０．１〜１
   ５％、ＭｇＯ０〜５％、ＺｒＯ＿２０〜５％、Ｙ＿２Ｏ
   ＿３０〜３％、ＳｒＯ０〜３％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。