KR100962536B1

KR100962536B1 - 도체 패턴 형성용 잉크, 도체 패턴 및 배선 기판

Info

Publication number: KR100962536B1
Application number: KR20080075032A
Authority: KR
Inventors: 나오유키 도요다; 도시유키 고바야시; 사치코 엔도
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-06-14
Also published as: TWI385220B; TW200918612A; KR20090013713A; CN101358050B; US7972538B2; JP2009037880A; CN101358050A; JP4867841B2; US20090032779A1

Abstract

본 발명은 크랙의 발생이 적은 도체 패턴을 제조하는 것이 가능한 도체 패턴 형성용 잉크를 제공하는 것, 크랙의 발생이 적고, 비저항이 낮고, 고주파 특성도 뛰어난 도체 패턴을 제공하는 것, 크랙의 발생이 적고, 비저항이 낮고, 고주파 특성이 뛰어난 도체 패턴을 구비한 배선 기판을 제공하는 것을 과제로 한다.

과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크는, 기재 위에, 패터닝에 의해 도체 패턴을 형성하기 위한 도체 패턴 형성용 잉크로서, 금속 입자를 용매에 분산하여 이루어지는 분산액 중에, 탈용매시에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 크랙 발생 방지제가 함유되는 것을 특징으로 한다. 크랙 발생 방지제의 함유량은, 5~25wt%인 것이 바람직하다. 크랙 발생 방지제는, 폴리글리세린 골격을 갖는 폴리글리세린 화합물인 것이 바람직하다. 폴리글리세린 화합물의 중량평균 분자량은, 300~3000인 것이 바람직하다.

도체 패턴 형성용 잉크, 크랙 발생 방지제, 폴리글리세린 화합물

Description

도체 패턴 형성용 잉크, 도체 패턴 및 배선 기판{INK FOR FORMING CONDUCTOR PATTERNS, CONDUCTOR PATTERNS AND WIRING BOARDS}

본 발명은, 도체 패턴 형성용 잉크, 도체 패턴 및 배선 기판에 관한 것이다.

전자 회로 또는 집적 회로 등에 사용되는 배선의 제조에는, 예를 들면 포토리소그래피법이 이용되고 있다. 이 리소그래피법은, 미리 도전막을 도포한 기판 위에 레지스트라 불리는 감광재를 도포하고, 회로 패턴을 조사하고 현상하여, 레지스트 패턴에 따라 도전막을 에칭함으로써 도체 패턴으로 이루어지는 배선을 형성하는 것이다. 이 리소그래피법은 진공 장치 등의 대규모의 설비와 복잡한 공정을 필요로 하고, 또한 재료 사용 효율도 수% 정도로 그 대부분을 폐기할 수 밖에 없어, 제조 비용이 높다.

이에 대하여, 액체 토출 헤드로부터 액체 재료를 액적상으로 토출하는 액적 토출법, 소위 잉크젯법을 이용하여 도체 패턴(배선)을 형성하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이 방법에서는, 도전성 미립자를 분산시킨 도체 패턴용 잉크를 기판에 직접 패턴 도포하고, 그 후 열처리나 레이저 조사를 행하여 용매를 증발시키고 도체 패턴으로 변환한다. 이 방법에 의하면, 포토리소그래 피가 불필요하게 되어, 프로세스가 대폭 간단한 것으로 됨과 동시에, 원재료의 사용량도 적어도 된다는 장점이 있다.

그러나, 종래의 도체 패턴용 잉크에 의해 제조된 도체 패턴은, 용매의 증발 과정에서 도체 패턴 자체에 크랙이 생기고, 이에 의해 도체 패턴의 비저항이 상승하거나, 도체 패턴이 단선할 우려가 있었다. 특히, 도체 패턴의 두께의 증대에 따라 크랙의 발생이 현저해지고 있었다.

크랙 발생의 원인은, 용매의 증발시에 있어서의 도체 패턴의 급격한 체적 수축, 도전성 미립자에 부착되어 있는 분산제의 이탈에 의한 도체 패턴의 체적 수축, 용매의 증발시의 가열에 의한 은 미립자의 입성장(粒成長)에 따른 도체 패턴에 있어서의 공극부의 증대 등에 의한 것으로 여겨진다.

또한, 은 미립자의 입성장에 따라 도체 패턴에 있어서 공극부가 증대하여, 이 공극부가 도체 패턴의 표면에 나타나면, 도체 패턴 표면의 평탄성이 저하하고, 이에 의해 소위 표피 효과가 발현되지 않고 고주파 특성이 저하해 버리는 문제도 내재되어 있었다.

또한, 잉크젯법에 의해 비교적 두께가 큰 도체 패턴을 형성할 때에는, 기판 위에 도체 패턴용 잉크를 중첩 도포하는 경우가 있다. 이 경우, 패턴의 단선이나 형상의 허물어짐을 막기 위해서, 앞서 배치한 잉크를 건조시키고(예비 건조 공정), 그 후에, 그 다음의 잉크를 배치하고 있다.

상술의 도체 패턴의 형성 방법에서는, 도체 패턴용 잉크의 도포와 예비 건조 공정을 교호로 반복하기 때문에, 완성된 도체 패턴이 적층 구조가 되는 경우가 있 다. 이와 같은 적층 구조의 도체 패턴에 있어서는, 층간끼리의 비저항이 상승하는 경우가 있어, 도체 패턴 전체의 비저항이 증대하는 경우가 있었다.

[특허문헌 1] 미국 특허 5132248호 명세서

본 발명의 목적은, 크랙의 발생이 적은 도체 패턴을 제조하는 것이 가능한 도체 패턴 형성용 잉크를 제공하는 것, 크랙의 발생이 적고, 비저항이 낮고, 고주파 특성도 뛰어난 도체 패턴을 제공하는 것, 크랙의 발생이 적고, 비저항이 낮고, 고주파 특성이 뛰어난 도체 패턴을 구비한 배선 기판을 제공하는 데에 있다.

이와 같은 목적은, 하기의 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크는, 기재 위에, 패터닝에 의해 도체 패턴을 형성하기 위한 도체 패턴 형성용 잉크로서,

금속 입자를 용매에 분산하여 이루어지는 분산액 중에, 탈용매시에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 크랙 발생 방지제가 함유되는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 크랙의 발생이 적은 도체 패턴을 제조하는 것이 가능한 도체 패턴 형성용 잉크를 제공할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 상기 크랙 발생 방지제의 함유량은, 5~25wt%인 것이 바람직하다.

이에 의해, 크랙의 발생을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 상기 크랙 발생 방지제는, 폴리글리세린 골격을 갖는 폴리글리세린 화합물인 것이 바람직하다.

이에 의해, 크랙의 발생을 더 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 상기 폴리글리세린 화합물의 중량평균 분자량은, 300~3000인 것이 바람직하다.

이에 의해, 크랙의 발생을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 액적 토출법에 의한 도전 패턴의 형성에 사용되는 것이 바람직하다.

이에 의해, 보다 간편한 방법으로, 도체 패턴을 형성할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 세라믹스 입자와, 바인더를 함유하는 재료로 구성된 시트상의 세라믹스 성형체 위에, 도체 패턴을 형성하기 위해 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크는, 이와 같은 세라믹스 성형체 위에 도체 패턴을 형성하기 위해 적합하게 사용할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 상기 금속 입자를 구성하는 금속은, 은, 구리, 팔라듐, 백금, 금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다.

이들 금속은, 저항률이 작고, 또한, 가열 처리에 의해 산화되지 않는 안정한 것이므로, 이들 금속을 사용함으로써, 저(低)저항이고 안정한 도체 패턴을 형성하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 상기 금속 입자의 함유량은, 1~60wt%인 것이 바람직하다.

이에 의해, 크랙의 발생을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 상기 금속 입자는, 금속 콜로이드 입자이며,

상기 분산액은, 콜로이드액인 것이 바람직하다.

이에 의해, 보다 미세한 도체 패턴을 형성할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에서는, 상기 콜로이드액은, COOH기와 OH기가 합하여 3개 이상 갖고, 또한, COOH기의 수가 OH기의 수와 동수(同數) 또는 COOH기의 수가 OH기의 수보다도 많은 히드록시산 또는 그 염으로 이루어지는 분산제와 환원제가 용해된 pH6~10의 수용액에 금속염 수용액이 적하되고, 적하 후에 pH가 6~11로 조정된 것임이 바람직하다.

이에 의해, 크랙의 발생을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴은, 본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 크랙의 발생이 적고, 비저항이 낮고, 고주파 특성도 뛰어난 도체 패턴을 제공할 수 있다.

본 발명의 도체 패턴에서는, 금속 입자가 상호 결합되어 이루어지는 도체 패턴으로서, 도체 패턴 표면에 있어서 상기 금속 입자끼리가 간극없이 결합하고 있고, 또한 비저항이 20μΩcm 미만인 것이 바람직하다.

본 발명의 도체 패턴에서는, 비저항이 15μΩcm 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 배선 기판은, 본 발명의 도체 패턴이 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 크랙의 발생이 적고, 비저항이 낮고, 고주파 특성이 뛰어난 도체 패턴을 구비한 배선 기판을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.

「도체 패턴 형성용 잉크」

우선, 도체 패턴 형성용 잉크의 적합한 실시 형태에 대하여 설명한다. 또, 본 실시 형태에서는, 금속 입자를 용매에 분산하여 이루어지는 분산액으로서, 은 콜로이드 입자가 분산된 콜로이드액을 사용한 경우에 대하여 대표적으로 설명한다.

본 실시 형태의 도체 패턴 형성용 잉크(이하, 단지 잉크라고도 한다)는, 은 콜로이드 입자가 분산된 콜로이드액으로 구성되어 있다. 이 콜로이드액에는, 크랙 발생 방지제가 함유되어 구성되어 있다. 또, 크랙 발생 방지제라 함은, 탈용매시에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 기능을 갖는 것이다. 환언하면, 크랙 발생 방지제라 함은, 도체 패턴 형성용 잉크에 의해 형성된 막(후에 상술하는 도체 패턴의 전구체)을 건조(탈용매)했을 때에, 막에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 기능을 갖는 것이다.

또한, 이 잉크는, COOH기와 OH기가 합하여 3개 이상 갖고, COOH기의 수가 OH 기의 수와 동수 또는 COOH기의 수가 OH기의 수보다도 많은 히드록시산 또는 그 염으로 이루어지는 분산제와 환원제가 용해된 pH6~10의 수용액에 은염 수용액이 적하되고, 적하 후에 pH가 6~11로 조정된 콜로이드액으로 이루어지고, 이 콜로이드액에, 크랙 발생 방지제가 함유되어 이루어지는 것이다.

이하, 본 실시 형태의 잉크에 대하여 설명하지만, 이 잉크의 구성에 대하여 이해를 용이하게 하기 위해서, 우선 먼저 상기 잉크의 제조 방법에 대하여 설명하고, 그 후, 잉크의 구성에 대하여 설명한다.

본 실시 형태의 잉크를 제조할 때에는, 먼저, 분산제와 환원제를 용해한 수용액을 제조한다.

분산제는, COOH기와 OH기를 합하여 3개 이상 갖고, 또한, COOH기의 수가 OH기와 동일하거나, 그 보다도 많은 히드록시산 또는 그 염이다. 이들 분산제는, 은 미립자의 표면에 흡착하여 콜로이드 입자를 형성하고, 분산제 중에 존재하는 COOH기의 전기적 반발력에 의해 콜로이드 입자를 수용액 중에 균일하게 분산시켜 콜로이드액을 안정화하는 작용을 갖는다.

분산제 중의 COOH기와 OH기의 수가 3개 미만이거나, COOH기의 수가 OH기의 수보다도 적으면, 콜로이드 입자의 분산성이 저하해 버리므로 바람직하지 않다.

분산제로서는, 예를 들면, 시트르산3나트륨, 시트르산3칼륨, 시트르산3리튬, 시트르산3암모늄, 말산2나트륨, 탄닌산, 갈로탄닌산, 오배자 탄닌 등을 들 수 있다.

또한, 분산제의 배합량으로서는, 출발 물질인 질산은과 같은 은염 중의 은과 분산제의 몰비가 1:1~1:100 정도가 되도록 배합하는 것이 바람직하다. 은염에 대한 분산제의 몰비가 커지면, 은 입자의 입경이 작아지고 도체 패턴 형성 후의 입자끼리의 접촉점이 늘어나기 때문에, 체적 저항값이 낮은 피막을 얻을 수 있다.

다음으로, 상기 환원제는, 상기 출발 물질인 질산은(Ag⁺NO₃ ^-)과 같은 은염 중의 Ag⁺이온을 환원하여 은 입자를 생성한다는 작용을 갖는다.

환원제로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 디메틸아미노에탄올, 메틸디에탄올아민, 트리에탄올아민 등의 아민계; 수산화붕소나트륨, 수소 가스, 요오드화수소 등의 수소 화합물계; 일산화탄소, 아황산 등의 산화물계; Fe(Ⅱ) 화합물, Sn(Ⅱ) 화합물 등의 저(低)원자가 금속염계; D-글루코오스와 같은 당류, 포름알데히드 등의 유기 화합물계, 혹은 상기 분산제로서 예시한 히드록시산염인 시트르산3나트륨, 시트르산3칼륨, 시트르산3리튬, 시트르산3암모늄, 말산2나트륨이나 탄닌산 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 탄닌산이나, 히드록시산염은 환원제로서 기능함과 동시에 분산제로서의 효과를 발휘한다. 이들 분산제나 환원제는 단독으로 사용되어도 좋고, 2종 이상이 병용되어도 좋다. 이들 화합물을 사용할 때에는, 광이나 열을 가하여 환원 반응을 촉진시켜도 좋다.

또한, 환원제의 배합량으로서는, 상기 출발 물질인 은염을 완전히 환원시킬 수 있는 양이 필요하지만, 과잉의 환원제는 불순물로서 은 콜로이드 수용액 중에 잔존해 버려, 성막 후의 도전성을 악화시키는 등의 원인이 되기 때문에, 필요 최소한의 양이 바람직하다. 구체적인 배합량으로서는, 상기 은염과 환원제의 몰비가 1:1~1:3 정도이다.

본 실시 형태의 잉크는, 분산제와 환원제를 용해하여 수용액을 제조한 후, 이 수용액의 pH를 6~10로 조정하는 것이 바람직하다.

이것은, 이하와 같은 이유에 의한다. 예를 들면, 분산제인 시트르산3나트륨과 환원제인 황산제1철을 혼합한 경우, 전체의 농도에도 의존하지만 pH는 대체로 4~5 정도로, 상기한 pH6을 밑돈다. 이 때 존재하는 수소 이온은, 하기 반응식(1)으로 표시되는 반응의 평형을 우변으로 이동시켜, COOH의 양이 많아진다. 따라서, 그 후 은염 용액을 적하하여 얻어지는 은 입자 표면의 전기적 반발력이 감소하여, 은 입자(콜로이드 입자)의 분산성이 저하해 버린다.

-COO^-+H⁺→ -COOH …(1)

그래서, 분산제와 환원제를 용해하여 수용액을 제조한 후, 이 수용액에 알칼리성의 화합물을 첨가하여, 수소 이온 농도를 저하시킨다.

여기서 첨가하는 알칼리성의 화합물로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬, 암모니아수 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 소량으로 용이하게 pH를 조정할 수 있는 수산화나트륨이 바람직하다.

한편, 알칼리성의 화합물의 첨가량이 너무 많아, pH가 10을 초과하면, 철 이온과 같은, 잔존하고 있는 환원제의 이온의 수산화물의 침전이 일어나기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다.

다음으로, 본 실시 형태의 잉크의 제조 공정에서는, 제조한 분산제와 환원제 를 용해한 수용액에 은염을 함유하는 수용액을 적하한다.

상기 은염으로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 아세트산은, 탄산은, 산화은, 황산은, 아질산은, 염소산은, 황화은, 크롬산은, 질산은, 2크롬산은 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 물에의 용해도가 큰 질산은이 바람직하다.

또한, 은염의 양은, 목적으로 하는 콜로이드 입자의 함유량, 및, 환원제에 의해 환원되는 비율을 고려하여 정해지는데, 예를 들면, 질산은의 경우, 수용액 100질량부에 대하여 15~70질량부 정도이다.

은염 수용액은, 상기 은염을 순수에 용해함으로써 제조하고, 제조한 은염의 수용액을 서서히 상기 분산제와 환원제를 용해한 수용액 중에 적하한다.

이 공정에서, 은염은 환원제에 의해 은 입자로 환원되고, 또한, 그 은 입자의 표면에 분산제가 흡착하여 콜로이드 입자를 생성하여, 이 콜로이드 입자가 수용액 중에 콜로이드상으로 분산된 수용액이 얻어진다.

얻어진 용액 중에는, 콜로이드 입자 이외에, 환원제의 잔류물이나 분산제가 존재하고 있어, 액 전체의 이온 농도가 높아져 있다. 이와 같은 상태의 액은, 응석이 일어나, 침전하기 쉽다. 그래서, 이와 같은 수용액 중의 여분의 이온을 제거하여 이온 농도를 저하시키기 위해서, 세정을 행하는 것이 바람직하다.

세정의 방법으로서는, 예를 들면, 얻어진 콜로이드 입자를 함유하는 수용액을 일정 기간 정치하여, 생긴 상징액(上澄液)을 제거한 후, 순수를 가하고 재차 교반하고, 일정 기간 더 정치하여 생긴 상징액을 제거하는 공정을 몇번 반복하는 방법, 상기 정치 대신에 원심 분리를 행하는 방법, 한외 여과 등으로 이온을 제거하 는 방법 등을 들 수 있다.

본 실시 형태의 잉크의 제조 과정에서는, 상기 공정 후, 필요에 따라 콜로이드액에 수산화알칼리금속 수용액을 첨가하여, 최종적인 pH를 6~11로 조정하는 것이 바람직하다.

이것은, 환원 후에 세정을 행했기 때문에, 전해질 이온인 나트륨 농도가 감소하여 있는 경우가 있어, 이와 같은 상태의 용액에서는, 하기 반응식(2)으로 표시되는 반응의 평형이 우변으로 이동한다. 이대로는, 은 콜로이드의 전기적 반발력이 감소하여 은 입자의 분산성이 저하하기 때문에, 적당량의 수산화알칼리를 첨가함으로써, 반응식(2)의 평형을 좌변으로 이동시켜, 은 콜로이드를 안정화시키는 것이다.

-COO^-Na⁺+H₂O → -COOH+Na⁺+OH^- …(2)

이 때에 사용하는 상기 수산화알칼리금속으로서는, 예를 들면, 최초에 pH를 조정할 때에 사용한 화합물과 동일한 화합물을 들 수 있다.

pH가 6 미만에서는, 반응식(2)의 평형이 우변으로 이동하기 때문에, 콜로이드 입자가 불안정화되고, 한편, pH가 11을 초과하면, 철 이온과 같은, 잔존하고 있는 이온의 수산화염의 침전이 일어나기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다. 단, 미리 철 이온 등을 제거하여 두면, pH가 11을 초과해도 큰 문제는 없다.

또, 나트륨 이온 등의 양이온은 수산화물의 형태로 가하는 것이 바람직하다. 이것은, 물의 자기 프로톨리시스(protolysis)를 이용할 수 있기 때문에 가장 효과 적으로 나트륨 이온 등의 양이온을 수용액 중에 가할 수 있기 때문이다.

다음으로, 얻어진 상기 콜로이드액에, 크랙 발생 방지제를 첨가한다.

크랙 발생 방지제를 첨가함으로써, 기재(基材)(특히, 후술하는 세라믹스 그린 시트)의 온도 변화에 의한 팽창·수축이나, 탈용매시의 도체 패턴의 전구체의 수축 등에의 추종성이 양호하게 된다. 그 결과, 크랙의 발생을 방지할 수 있다.

크랙 발생 방지제로서는, 폴리글리세린, 폴리글리세린에스테르 등의 폴리글리세린 골격을 갖는 폴리글리세린 화합물, 폴리에틸렌글리콜 등을 들 수 있고, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.

폴리글리세린에스테르로서는, 예를 들면, 폴리글리세린의 모노스테아레이트, 트리스테아레이트, 테트라스테아레이트, 모노올레에이트, 펜타올레에이트, 모노라우레이트, 모노카프릴레이트, 폴리리시놀리에이트(polyricinoleate), 세스퀴스테아레이트, 데카올레에이트, 세스퀴올레에이트 등을 들 수 있다.

이와 같은 크랙 발생 방지제를 사용함으로써, 콜로이드 입자 사이에 고분자쇄가 존재하는 것으로 되고, 그 때문에, 콜로이드 입자끼리의 접근과 응집을 억제할 수 있어, 보다 고농도의 콜로이드 입자를 안정 분산시킬 수 있다.

또한, 상기 크랙 발생 방지제를 함유하는 콜로이드액은, 적당한 점도를 갖기 때문에, 성막성도 뛰어나다.

또한, 상기 크랙 발생 방지제는 비교적 비점이 높기 때문에, 도체 패턴 형성용 잉크로 도체 패턴을 형성하는 과정에서, 콜로이드액의 분산매가 증발하고 나서, 이 크랙 발생 방지제가 증발 혹은 산화 분해한다. 이 때문에, 크랙 발생 방지제가 콜로이드 입자를 감싼 상태가 오랫동안 계속되어, 급격한 체적 수축을 피할 수 있음과 동시에 은의 입성장이 방해된다.

상술한 중에서도, 특히, 폴리글리세린 골격을 갖는 폴리글리세린 화합물을 사용하는 것이 바람직하고, 폴리글리세린을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 크랙의 발생을 보다 확실하게 방지할 수 있음과 동시에, 상술한 바와 같은 효과를 보다 현저한 것으로 할 수 있다. 또한, 이들 화합물은, 용매(물)에의 용해도도 높으므로, 적합하게 사용할 수 있다.

또한, 폴리글리세린 화합물로서는, 그 중량평균 분자량이 300~3000인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 400~600인 것을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 도체 패턴 형성용 잉크에 의해 형성된 막을 건조했을 때에, 크랙의 발생을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 폴리글리세린 화합물의 중량평균 분자량이 상기 하한값 미만이면, 건조시에 분해하는 경향이 있어, 크랙의 발생을 방지하는 효과가 작아진다. 또한, 폴리글리세린 화합물의 중량평균 분자량이 상기 상한값을 초과하면, 배제 체적 효과 등에 의해 콜로이드액 중에의 분산성이 저하한다.

또한, 폴리에틸렌글리콜로서는, 예를 들면, 폴리에틸렌글리콜 #200(중량평균 분자량 200), 폴리에틸렌글리콜 #300(중량평균 분자량 300), 폴리에틸렌글리콜 #400(평균 분자량 400), 폴리에틸렌글리콜 #600(중량평균 분자량 600), 폴리에틸렌글리콜 #1000(중량평균 분자량 1000), 폴리에틸렌글리콜 #1500(중량평균 분자량 1500), 폴리에틸렌글리콜 #1540(중량평균 분자량 1540), 폴리에틸렌글리콜 #2000(중량평균 분자량 2000) 등을 들 수 있다.

잉크 중에 함유되는 크랙 발생 방지제(특히, 폴리글리세린 화합물)의 함유량은, 5~25wt%인 것이 바람직하고, 5~22wt%인 것이 보다 바람직하고, 7~20wt%인 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해, 크랙의 발생을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 대하여, 크랙 발생 방지제의 함유량이 상기 하한값 미만이면, 상기 분자량이 하한값을 밑돈 경우에는, 크랙의 발생을 방지하는 효과가 작아진다. 또한, 크랙 발생 방지제의 함유량이 상기 상한값을 초과하면, 상기 분자량이 상한값을 초과한 경우에는, 콜로이드액 중에의 분산성이 저하한다.

잉크를 제조할 때에, 크랙 발생 방지제의 첨가 시기는, 콜로이드 입자의 형성 후라면 언제라도 좋다. 예를 들면, 환원 반응 후의 세정 공정에 있어서, 첨가하는 순수 대신에 소정 농도로 조정한 크랙 발생 방지제를 함유하는 수용액을 사용해도 좋다.

다음으로, 본 실시 형태의 잉크의 구성에 대하여 설명한다. 본 실시 형태의 잉크는, 은을 함유하는 콜로이드 입자가 적어도 함유되어 이루어지는 콜로이드액으로 구성되어 있다. 이 콜로이드액에는, 크랙 발생 방지제가 함유되어 구성되어 있다. 상기 콜로이드액이라 함은, 분산제가 표면에 흡착한 은 입자가 수용액 중에 안정적으로 분산된 상태에 있는 것을 말하고, 은 입자를 함유하는 콜로이드 입자의 농도는 1~60wt% 정도이다. 이 콜로이드액에는, 상술한 바와 같이, 비이온성 화합물이 함유된다.

본 실시 형태의 잉크는, 상술한 바와 같이, 분산제와 환원제가 용해된 pH6~10의 수용액에 은염 수용액이 적하되고, 적하 후에 pH가 6~11로 조정되고, 또 한, 크랙 발생 방지제가 첨가되어 이루어지는 것이다.

상기 콜로이드 입자는, 적어도 은 입자의 표면에 분산제가 흡착한 것이다. 실험적으로는, 콜로이드액에서 대부분의 물을 실리카겔 등에 의해 제거한 후, 70℃ 이하의 온도에서 건조시켰을 때에 잔존하는 고형분에 상당한다. 통상, 이 고형분에는, 은 입자 및 분산제가 함유되고, 또한 잔류 환원제 등이 함유되는 경우가 있다.

콜로이드 입자의 농도(함유량)는, 1~60wt% 정도가 바람직하고, 10~45wt% 정도인 것이 보다 바람직하다. 콜로이드 입자의 농도가 상기 하한값 미만이면, 은의 함유량이 적어, 도체 패턴을 형성했을 때, 비교적 두꺼운 막을 형성하는 경우에, 복수회 중첩 도포할 필요가 생긴다. 한편, 콜로이드 입자의 농도가 상기 상한값을 초과하면, 은의 함유량이 많아져, 분산성이 저하하고, 이것을 막기 위해서는 교반의 빈도가 높아진다.

또한, 콜로이드 입자의 평균 입경은, 1~100nm인 것이 바람직하고, 10~30nm인 것이 보다 바람직하다.

또한, 크랙 발생 방지제를 함유하지 않는 콜로이드 입자(고형분)의 열중량 분석에서의 500℃까지의 가열 감량은, 1~25wt% 정도가 바람직하다. 콜로이드 입자(고형분)를 500℃까지 가열하면, 분산제, 잔류 환원제 등이 산화 분해되고, 대부분의 것은 가스화되어 소실된다. 잔류 환원제의 양은, 조금이라고 여겨지므로, 500℃까지의 가열에 의한 감량은, 콜로이드 입자 중의 분산제의 양에 거의 상당한다고 여겨도 좋다.

가열 감량이 1wt% 미만이면, 은 입자에 대한 분산제의 양이 적고, 은 입자의 충분한 분산성이 저하한다. 한편, 25wt%를 초과하면, 은 입자에 대한 잔류 분산제의 양이 많아져, 도체 패턴의 비저항이 높아진다. 비저항은, 도체 패턴의 형성 후에 가열 소성하여 유기분을 분해 소실시킴으로써 어느 정도 개선할 수 있지만, 가열 소성 온도가 너무 높으면 도체 패턴에 크랙 등이 일어나기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다.

또, 상기 설명에서는, 은 콜로이드 입자가 분산된 것으로서 설명했지만, 은 이외의 것이어도 좋다. 콜로이드 입자에 함유되는 금속으로서는, 예를 들면, 은, 구리, 팔라듐, 백금, 금, 또는, 이들의 합금 등을 들 수 있고, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 금속 입자가 합금인 경우, 상기 금속이 주가 되는 것으로, 다른 금속을 함유하는 합금이어도 좋다. 또한, 상기 금속끼리가 임의의 비율로 혼합한 합금이어도 좋다. 또한, 혼합 입자(예를 들면, 은 입자와 구리 입자와 팔라듐 입자가 임의의 비율로 존재하는 것)가 액 중에 분산된 것이어도 좋다. 이들 금속은, 저항률이 작고, 또한, 가열 처리에 의해 산화되지 않는 안정한 것이므로, 이들 금속을 사용함으로써, 저저항이고 안정한 도체 패턴을 형성하는 것이 가능하게 된다.

「도체 패턴」

다음으로, 본 실시 형태의 도체 패턴에 대하여 설명한다. 이 도체 패턴은, 상기 잉크를 기재 위에 도포한 후, 가열함으로써 형성되는 박막상의 도체 패턴으로서, 은 입자가 상호 결합되게 되어, 적어도 도체 패턴 표면에 있어서 상기 은 입자 끼리가 간극없이 결합하고 있고, 또한 비저항이 20μΩcm 미만의 것이다.

본 실시 형태의 도체 패턴은, 상기 잉크를 기재 위에 부여한 후, 건조(탈용매)시키고, 그 후, 소결함으로써 형성된다. 건조 조건으로서는, 예를 들면, 40~100℃에서 행하는 것이 바람직하고, 50~70℃에서 행하는 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 건조했을 때에, 크랙이 발생하는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 소결은, 160℃ 이상에서 20분 이상 가열하면 좋다. 또, 이 소결은, 예를 들면, 잉크를 부여하는 기재가, 후술하는 바와 같은 세라믹스 성형체(세라믹스 그린 시트)인 경우, 세라믹스 성형체의 소결과 함께 행할 수 있다.

상기 기재로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 알루미나 소결체, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 유리에폭시 수지, 유리 등으로 이루어지는 기판, 세라믹스와 바인더를 함유하는 재료로 구성된 시트상의 세라믹스 성형체 등을 들 수 있다.

상기 기재 위에 잉크를 부여하는 방법으로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 액적 토출법, 스크린 인쇄법, 바 코팅법, 스핀 코팅법, 브러쉬에 의한 방법 등을 들 수 있다. 상술한 중에서도, 액적 토출법(특히 잉크젯 방식)을 사용한 경우, 보다 간편한 방법으로, 더구나 미세하고 복잡한 도체 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.

본 실시 형태의 도체 패턴은, 상술한 바와 같은 크랙 발생 방지제가 첨가된 잉크를 사용하여 형성되지만, 상술한 바와 같은 크랙 발생 방지제는, 비교적 비점이 높기 때문에, 잉크로 도체 패턴을 형성하는 과정에서, 콜로이드액의 분산매가 증발하고 나서, 이 크랙 발생 방지제가 증발 또는 가열 분해한다. 이 때문에, 상기 크랙 발생 방지제가 콜로이드 입자를 감싼 상태가 오랫동안 계속되어, 급격한 체적 수축을 피할 수 있음과 동시에 은의 입성장이 방해된다. 도체 패턴을 형성하는 과정에서 은 입자의 입성장이 방해받음으로써, 도체 패턴에 있어서의 은 입자는, 상호 치밀하게 결합한 상태가 된다. 특히, 도체 패턴 표면에 있어서는 은 입자끼리가 간극없이 결합한다. 이에 의해, 도체 패턴 표면에 있어서의 요철이 적어져, 도체 패턴 표면의 평탄성이 향상된다. 이에 의해, 소위 표피 효과가 발현되어 도체 패턴의 고주파 특성의 개선이 도모된다.

또한, 은 입자끼리가 상호 치밀하게 결합한 상태가 되므로, 도체 패턴에 크랙이 발생할 우려가 적고, 단선의 발생도 방지되고, 또한 비저항의 저하가 도모된다.

도체 패턴의 비저항은, 20μΩcm 미만인 것이 바람직하고, 15μΩcm 이하인 것이 보다 바람직하다. 이 때의 비저항은, 잉크의 도포 후, 160℃에서 가열, 건조했을 때의 비저항을 말한다. 상기 비저항이 20μΩcm 이상이 되면, 도전성이 요구되는 용도, 즉 회로 기판 위에 형성하는 전극 등에 사용하는 것이 곤란하게 된다.

또한, 본 실시 형태의 도체 패턴을 형성할 때에는, 상기 부여 방법에 의해 잉크를 부여하고 나서, 예비 가열하고 물 등의 분산매를 증발시키고, 예비 가열 후의 도막 위에 재차 잉크를 도포하는 공정을 반복하여 행함으로써, 후막의 도체 패턴을 형성할 수도 있다.

물 등의 분산매를 증발시킨 후의 잉크에는, 상기 크랙 발생 방지제와 콜로이 드 입자가 잔존하고 있고, 이 상기 크랙 발생 방지제는 비교적 점도가 높으므로, 형성된 막이 완전히 건조하지 않는 상태이어도 막이 유실해 버릴 우려가 없다. 따라서, 일단, 잉크를 부여하고 건조하고 나서, 장시간 방치하고, 그 후, 재차 잉크를 부여하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 크랙 발생 방지제는 비교적 비점도 높으므로, 잉크를 부여하고 건조하고 나서, 장시간 방치해도 잉크가 변질될 우려가 없고, 재차 잉크를 부여하는 것이 가능하게 되어, 균질한 막을 형성할 수 있다. 이에 의해, 도체 패턴 자체가 다층 구조가 될 우려가 없고, 층간끼리의 비저항이 상승하여 도체 패턴 전체의 비저항이 증대할 우려가 없다.

상기 공정을 거침으로써, 본 실시 형태의 도체 패턴은, 종래의 잉크에 의해 형성된 도체 패턴에 비해 두껍게 형성할 수 있다. 보다 구체적으로는 5㎛ 이상의 두께의 것을 형성할 수 있다. 본 실시 형태의 도체 패턴은 상기 잉크에 의해 형성되는 것이므로, 5㎛ 이상의 후막으로 형성해도 크랙의 발생이 적고, 저비저항의 도체 패턴을 구성할 수 있다. 또, 두께의 상한에 대하여는 특별히 규정할 필요는 없지만, 과잉으로 두꺼워지면 분산매나 크랙 발생 방지제의 제거가 어려워져 비저항이 증대할 우려가 있으므로, 100㎛ 이하 정도로 하는 것이 좋다.

또한, 본 실시 형태의 도체 패턴은, 상술한 바와 같은 기재에 대한 밀착성이 양호하다.

또, 상기와 같은 도체 패턴은, 휴대 전화나 PDA 등의 이동 통화 기기의 고주파 모듈, 인터포저(interposer), MEMS(Micro Electro Mechanical Systems), 가속도 센서, 탄성 표면파 소자, 안테나나 빗살 전극 등의 이형 전극, 기타 각종 계측 장치 등의 전자 부품 등에 적용할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에 의해 형성된 도체 패턴을 갖는 배선 기판(세라믹스 회로 기판) 및 그 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 배선 기판은, 각종 전자 기기에 사용되는 전자 부품이 되는 것으로, 각종 배선이나 전극 등으로 이루어지는 회로 패턴, 적층 세라믹스 콘덴서, 적층 인덕터, LC 필터, 복합 고주파 부품 등을 기판에 형성하여 이루어지는 것이다.

구체적으로는, 도 1에 나타내는 바와 같이 본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판(배선 기판)(1)은, 세라믹스 기판(2)이 다수(예를 들면 10매∼20매 정도) 적층되어 이루어지는 적층 기판(3)과, 이 적층 기판(3)의 최외층, 즉 한쪽의 측의 표면에 형성된, 미세 배선 등으로 이루어지는 회로(4)를 갖고 형성된 것이다. 적층 기판(3)은, 적층된 세라믹스 기판(2, 2) 사이에, 본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크(이하, 단지 잉크라고 기재한다)에 의해 형성된 회로(도체 패턴)(5)를 구비한 것으로, 이들 회로(5)에는, 이것에 접속하는 콘택트(비어)(6)가 형성되어 있다. 이와 같은 구성에 의해 회로(5)는, 상하로 배치된 회로(5, 5) 사이가, 콘택트(6)에 의해 도통(導通)한 것으로 되어 있다. 또, 회로(4)도, 회로(5)와 동일하게, 본 발명의 도체 패턴 형성용 잉크에 의해 형성된 것으로 되어 있다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 세라믹스 회로 기판(1)의 제조 방법을, 도 2의 개략공정도를 참조하여 설명한다.

우선, 원료 분체로서, 상술한 바와 같이 평균 입경이 1~2㎛ 정도의 알루미나(Al₂O₃)나 산화티탄(TiO₂) 등으로 이루어지는 세라믹스 분말과, 평균 입경이 1~2㎛ 정도의 붕규산유리 등으로 이루어지는 유리 분말을 준비하고, 이들을 적절한 혼합비, 예를 들면 1:1의 중량비로 혼합한다.

다음으로, 얻어진 혼합 분말에 적절한 바인더(결합제)나 가소제, 유기 용제(분산제) 등을 가하고, 혼합·교반함으로써, 슬러리를 얻는다. 여기서, 바인더로서는 상기한 폴리비닐부티랄이 적합하게 사용되지만, 이것은 물에 불용이며, 또한, 소위 유계의 유기 용매에 용해하거나 혹은 팽윤하기 쉬운 것이다. 따라서, 잉크에 대하여는, 그 분산매로서 유계가 아니라 수계의 것을 사용할 필요가 있다.

이어서, 얻어진 슬러리를, 닥터 블레이드, 리버스 코터 등을 사용하여 PET 필름 위에 시트상으로 형성하고, 제품의 제조 조건에 따라 수㎛~수백㎛ 두께의 시트로 성형하고, 그 후, 롤로 권취한다.

계속해서, 제품의 용도에 맞추어 절단하고, 또한 소정 치수의 시트로 재단한다. 본 실시 형태에서는, 예를 들면 1변의 길이를 200mm로 하는 정방 형상으로 재단한다.

이어서, 필요에 따라 소정의 위치에, CO₂ 레이저, YAG 레이저, 기계식 펀치 등에 의해 천공을 행함으로써 쓰루 홀을 형성한다. 그리고, 쓰루 홀을 형성한 세라믹스 그린 시트에 대하여는, 후막 도전 페이스트의 스크린 인쇄에 의해 소정의 위치에 도체 패턴을 형성하여, 콘택트(도시하지 않음)로 한다. 이와 같이 하여 콘 택트까지를 형성함으로써, 시트상의 세라믹스 성형체(세라믹스 그린 시트)(7)를 얻는다.

이와 같이 하여 세라믹스 그린 시트(7)를 형성하면, 이것의 한쪽의 측의 표면에, 본 발명에 있어서의 도체 패턴이 되는 회로(5)의 전구체를 상기 콘택트에 연속한 상태로 형성한다. 즉, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이 세라믹스 그린 시트(7) 위에, 상술한 바와 같은 도체 패턴 형성용 잉크(이하, 단지 잉크라고도 한다)(10)를 배치하여, 상기 회로(5)가 되는 전구체(11)를 형성한다.

세라믹스 그린 시트(7) 위에의 잉크(10)의 배치(도포)에 대하여는, 액적 토출법인 잉크젯법이 채용된다. 이 잉크젯법은, 예를 들면 도 4에 나타내는 잉크젯 장치(액적 토출 장치)(50)를 사용하여, 도 5에 나타내는 잉크젯 헤드(액적 토출 헤드)(70)로부터 잉크를 토출하는 방법이다. 이하에, 잉크젯 장치(50) 및 잉크젯 헤드(70)에 대하여 설명한다.

도 4는 잉크젯 장치(50)의 사시도이다. 도 4에 있어서, X 방향은 베이스(52)의 좌우 방향이며, Y 방향은 전후 방향이며, Z 방향은 상하 방향이다. 잉크젯 장치(50)는, 잉크젯 헤드(이하, 단지 헤드라 불린다)(70)와, 기판(S)(본 실시 형태에서는 세라믹스 그린 시트(7))을 재치하는 테이블(46)을 주로서 구성되어 있다. 또, 잉크젯 장치(50)의 동작은, 제어 장치(53)에 의해 제어되도록 되어 있다.

기판(S)을 재치(載置)하는 테이블(46)은, 제1 이동 수단(54)에 의해 Y 방향으로 이동 및 위치 결정 가능하게 되고, 모터(44)에 의해 θz 방향으로 요동 및 위치 결정 가능하게 되어 있다. 한편, 헤드(70)는, 제2 이동 수단(도시하지 않음)에 의해 X 방향으로 이동 및 위치 결정 가능하게 되고, 리니어 모터(62)에 의해 Z 방향으로 이동 및 위치 결정 가능하게 되어 있다. 또한, 헤드(70)는, 모터(64, 66, 68)에 의해, 각각 α,β,γ 방향으로 요동 및 위치 결정 가능하게 되어 있다. 이와 같은 구성과 함께 잉크젯 장치(50)는, 헤드(70)의 잉크 토출면(70P)과, 테이블(46) 위의 기판(S)의 상대적인 위치 및 자세를 정확히 콘트롤할 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 테이블(46)의 이면(裏面)에는, 러버 히터(도시하지 않음)가 배설(配設)되어 있다. 상기 테이블(46) 위에 재치된 세라믹스 그린 시트(7)는, 그 상면 전체가 러버 히터로 소정의 온도로 가열되도록 되어 있다.

세라믹스 그린 시트(7)에 착탄한 잉크(10)는, 그 표면측으로부터 용매 혹은 분산매의 일부가 증발한다. 이 때, 세라믹스 그린 시트(7)가 가열되어 있으므로 용매 혹은 분산매의 증발은 촉진된다. 그리고, 세라믹스 그린 시트(7)에 착탄한 잉크(10)는, 건조와 함께 그 표면의 외연(外緣)으로부터 증점(增粘)하고, 즉, 중앙부에 비해 외주부에 있어서의 고형분(입자) 농도가 빨리 포화 농도에 달하므로 표면의 외연으로부터 증점해 간다. 외연의 증점한 잉크(10)는, 세라믹스 그린 시트(7)의 면 방향으로 따라가는 자신의 젖어 퍼짐을 정지하기 때문에, 착탄경, 나아가 선폭의 제어가 용이하게 된다.

이 가열 온도는, 상술한 건조 조건과 동일하게 되어 있다.

헤드(70)는, 도 5의 측단면도에 나타내는 바와 같이, 잉크젯 방식(액적 토출 방식)에 의해 잉크(10)를 노즐(91)로부터 토출하는 것이다. 액적 토출 방식으로 서, 압전체(壓電體) 소자로서의 피에조 소자를 사용하여 잉크를 토출시키는 피에조 방식이나, 잉크를 가열하여 발생한 거품(버블)에 의해 잉크를 토출시키는 방식 등, 공지의 여러가지 기술을 적용할 수 있다. 이 중, 피에조 방식은, 잉크에 열을 가하지 않기 때문에, 재료의 조성에 영향을 주지 않는 등의 이점을 갖는다. 그래서, 도 5에 나타내는 헤드(70)에는, 상술한 피에조 방식이 채용되어 있다.

헤드(70)의 헤드 본체(90)에는, 저장소(reservoir)(95) 및 저장소(95)로부터 분기된 복수의 잉크실(93)이 형성되어 있다. 저장소(95)는, 각 잉크실(93)에 잉크(10)를 공급하기 위한 유로로 되어 있다. 또한, 헤드 본체(90)의 하단면에는, 잉크 토출면을 구성하는 노즐 플레이트(도시하지 않음)가 장착되어 있다. 이 노즐 플레이트에는, 잉크(10)를 토출하는 복수의 노즐(91)이, 각 잉크실(93)에 대응하여 개구되어 있다. 그리고, 각 잉크실(93)로부터 대응하는 노즐(91)을 향해, 잉크 유로가 형성되어 있다. 한편, 헤드 본체(90)의 상단면에는, 진동판(94)이 장착되어 있다. 이 진동판(94)은, 각 잉크실(93)의 벽면을 구성하고 있다. 그 진동판(94)의 외측에는, 각 잉크실(93)에 대응하여 피에조 소자(92)가 마련되어 있다. 피에조 소자(92)는, 수정 등의 압전 재료를 한 쌍의 전극(도시하지 않음)으로 협지한 것이다. 그 한 쌍의 전극은, 구동 회로(99)에 접속되어 있다.

그리고, 구동 회로(99)로부터 피에조 소자(92)에 전기 신호를 입력하면, 피에조 소자(92)가 팽창 변형 또는 수축 변형한다. 피에조 소자(92)가 수축 변형하면, 잉크실(93)의 압력이 저하하여, 저장소(95)로부터 잉크실(93)에 잉크(10)가 유입한다. 또한, 피에조 소자(92)가 팽창 변형하면, 잉크실(93)의 압력이 증가하여, 노즐(91)로부터 잉크(10)가 토출된다. 또, 인가 전압을 변화시킴으로써, 피에조 소자(92)의 변형량을 제어할 수 있다. 또한, 인가 전압의 주파수를 변화시킴으로써, 피에조 소자(92)의 변형 속도를 제어할 수 있다. 즉, 피에조 소자(92)에의 인가 전압을 제어함으로써, 잉크(10)의 토출 조건을 제어할 수 있도록 되어 있는 것이다.

따라서, 이와 같은 헤드(70)를 구비한 잉크젯 장치(50)를 사용함으로써, 잉크(10)를, 상기 세라믹스 그린 시트(7) 위의 원하는 장소에 원하는 양으로, 정밀도좋게 토출하여, 배치할 수 있다. 따라서, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이 전구체(11)를, 정밀도좋게 더구나 용이하게 형성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 잉크(10)는, 분산매로서 수계의 것을 사용하고 있는 것 등에 의해, 세라믹스 그린 시트(7)에 대한 정적 접촉각이 30도 이상 90도 이하가 되도록 조정되어 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 세라믹스 그린 시트(7) 위에서 필요 이상으로 젖어 퍼져 버리지 않고, 또한, 세라믹스 그린 시트(7)에 강하게 착탄되어 버리는 것도 아니므로, 세라믹스 그린 시트(7) 위에 원하는 패턴상으로 양호하게 배치되도록 되어 있는 것이다.

이와 같이 하여 전구체(11)를 형성했다면, 동일한 공정에 의해, 전구체(11)를 형성한 세라믹스 그린 시트(7)를 필요 매수, 예를 들면 10매∼20매 정도 준비한다.

이어서, 이들 세라믹스 그린 시트로부터 PET 필름을 벗기고, 도 2에 나타내는 바와 같이 이들을 적층함으로써, 적층체(12)를 얻는다. 이 때, 적층하는 세라 믹스 그린 시트(7)에 대하여는, 상하로 중첩되는 세라믹스 그린 시트(7) 사이에서, 각각의 전구체(11)가 필요에 따라 콘택트(6)를 거쳐 접속하도록 배치한다.

이와 같이 하여 적층체(12)를 형성했다면, 예를 들면 벨트 로(belt furnace) 등에 의해 가열 처리한다. 이에 의해, 각 세라믹스 그린 시트(7)는 소성됨으로써, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이 세라믹스 기판(2)(본 발명의 배선 기판)이 되고, 또한 전구체(11)는 이것을 형성하는 은(금속)을 함유하는 콜로이드 입자가 소결하여 배선 패턴이나 전극 패턴으로 이루어지는 회로(도체 패턴)(5)가 된다. 그리고, 이와 같이 상기 적층체(12)가 가열 처리됨으로써, 이 적층체(12)는 도 1에 나타낸 적층 기판(3)이 된다.

여기서, 상기 적층체(12)의 가열 온도로서는, 세라믹스 그린 시트(7) 중에 포함되는 유리의 연화점 이상으로 하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 600℃ 이상 900℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 가열 조건으로서는, 적절한 속도로 온도를 상승시키고, 또한 하강시키도록 하고, 또한, 최대 가열 온도, 즉 상기의 600℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서는, 그 온도에 따라 적절한 시간 유지하도록 한다.

이와 같이 상기 유리의 연화점 이상의 온도, 즉 상기 온도 범위로까지 가열 온도를 올림으로써, 얻어지는 세라믹스 기판(2)의 유리 성분을 연화시킬 수 있다. 따라서, 그 후 상온으로까지 냉각하여, 유리 성분을 경화시킴으로써, 적층 기판(3)을 구성하는 각 세라믹스 기판(2)과 회로(도체 패턴)(5) 사이가 보다 강고하게 고착하도록 된다.

또한, 이와 같은 온도 범위에서 가열함으로써, 얻어지는 세라믹스 기판(2)은, 900℃ 이하의 온도에서 소성되어 형성된, 저온 소성 세라믹스(LTCC)가 된다. 따라서, 이들 세라믹스 기판(2) 사이에 형성된 회로(도체 패턴)(5)의 형성 재료로서는, 비교적 저융점인 은, 구리, 팔라듐, 백금, 금 등의 금속이 사용 가능하게 되고, 이에 의해 회로(기능 패턴)(5)의 소성에 의한 형성과 동시에, 세라믹스 기판(2)의 소성이 가능하게 된다. 또한, 은 등의 귀금속은 저항률이 작으므로, 회로(5)를 저저항으로 할 수 있다.

여기서, 세라믹스 그린 시트(7) 위에 배치된 잉크(10) 중의 금속은, 가열 처리에 의해 서로 융착하고, 연속함으로써 도전성을 나타내게 된다. 잉크젯법용의 잉크에 있어서 주로 사용되는 평균 입자경 10~30nm 정도의 금속을 함유하는 콜로이드 입자는, 예를 들면 은의 경우, 200℃ 정도의 온도에서 도전성을 나타내게 된다. 따라서, 상기한 600℃ 이상, 900℃ 이하의 범위에서의 가열 처리에 의해, 잉크(10) 중의 금속은 용이하게 융착하고 연속화함으로써, 회로(5)로 되는 것이다.

이와 같은 가열 처리에 의해 회로(5)는, 세라믹스 기판(2) 중의 콘택트(6)에 직접 접속되고, 도통되어 형성된 것이 된다. 여기서, 이 회로(5)가 단지 세라믹스 기판(2) 위에 탑재되어 있는 것만으로는, 세라믹스 기판(2)에 대한 기계적인 접속 강도가 확보되지 않고, 따라서 충격 등에 의해 파손되어 버릴 우려가 있다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 세라믹스 그린 시트(7) 중의 유리를 일단 연화시키고, 그 후 경화시킴으로써, 회로(5)를 세라믹스 기판(2)에 대하여 강고하게 고착되어 있다. 따라서, 형성된 회로(5)는, 기계적으로도 높은 강도를 갖는 것이 된다.

또, 이와 같은 가열 처리에 의해, 회로(4)에 대하여도 상기 회로(5)와 동시에 형성할 수 있고, 이에 의해 세라믹스 회로 기판(1)을 얻을 수 있다.

이와 같은 세라믹스 회로 기판(1)의 제조 방법에 있어서는, 특히 적층 기판(3)을 구성하는 각 세라믹스 기판(2)의 제조시에, 상기의 도체 패턴 형성용 잉크(10)를 세라믹스 그린 시트(7)에 대하여 배치하고 있으므로, 이 도체 패턴 형성용 잉크(10)를 세라믹스 그린 시트(7) 위에 원하는 패턴상으로 양호하게 배치할 수 있고, 따라서 고정밀도의 기능 패턴(회로)(5)을 형성할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 전자 기기의 구성 요소가 되는 전자 부품에 대하여, 그 소형화의 요구에 대응할 수 있음은 물론, 다품종 소량 생산에 대한 요구에도 충분히 대응 가능하게 된다.

또한, 세라믹스 그린 시트(7)를 가열 처리할 때의 가열 온도를, 세라믹스 그린 시트(7) 중에 포함되는 유리의 연화점 이상으로 하고 있으므로, 가열 처리에 의해 세라믹스 그린 시트(7)를 세라믹스 기판(2)으로 했을 때, 형성한 회로(기능 패턴)(5)가 연화한 유리에 의해 세라믹스 기판(2)(세라믹스 그린 시트(7)) 위에 강고하게 고착하도록 되고, 따라서 회로(5)의 기계적 강도를 높일 수 있다.

이상, 본 발명에 대하여, 적합한 실시 형태에 의거하여 설명했지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

상술한 실시 형태에서는, 금속 입자를 용매에 분산하여 이루어지는 분산액으로서, 콜로이드액을 사용한 경우에 대하여 설명했지만, 콜로이드액이 아니어도 좋 다.

이하에 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예만에 한정되는 것은 아니다.

[1] 도체 패턴 형성용 잉크의 제조

(실시예 1~13 및 비교예)

각 실시예 및 비교예에 있어서의 도체 패턴 형성용 잉크는, 이하와 같이 하여 제조했다.

10N-NaOH 수용액을 3mL 첨가하여 알칼리성으로 한 물 50mL에, 시트르산3나트륨2수화물 17g, 탄닌산 0.36g를 용해했다. 얻어진 용액에 대하여 3.87mol/L 질산은 수용액 3mL를 첨가하여, 2시간 교반을 행하여 은 콜로이드 수용액을 얻었다. 얻어진 은 콜로이드 수용액에 대하여, 도전율이 30μS/cm 이하가 될 때까지 투석함으로써 탈염을 행했다. 투석 후, 3000rpm, 10분의 조건에서 원심 분리를 행함으로써, 조대 금속 콜로이드 입자를 제거했다. 이 은 콜로이드 수용액에, 건조 억제제로서 1,3-프로판디올을 첨가한 후, 표 1에 나타낸 바와 같은 조성의 크랙 억제제를 첨가하고, 또한 농도 조정용의 이온교환수를 첨가하고 조정하여, 도체 패턴 형성용 잉크로 했다.

또, 도체 패턴 형성용 잉크의 각 구성 재료의 배합량을, 표 1에 나타냈다.

[표 1]

[2] 배선 기판의 제작 및 평가

우선, 이하와 같이 하여 세라믹스 그린 시트를 준비했다.

평균 입경이 1~2㎛ 정도의 알루미나(Al₂O₃)와 산화티탄(TiO₂) 등으로 이루어지는 세라믹스 분말과, 평균 입경이 1~2㎛ 정도의 붕규산유리 등으로 이루어지는 유리 분말을 1:1의 중량비로 혼합하고, 바인더(결합제)로서 폴리비닐부티랄, 가소제로서 디부틸프탈레이트를 가하고, 혼합·교반함으로써 얻은 슬러리를, 닥터 블레이드로 PET 필름 위에 시트상으로 형성한 것을 세라믹스 그린 시트로 하고, 1변의 길이를 200mm로 하는 정방 형상으로 재단한 것을 사용했다.

얻어진 실시예 1~13 및 비교예의 도체 패턴 형성용 잉크를, 각각 도 4, 5에 나타내는 바와 같은 액적 토출 장치에 탑재했다. 상기 세라믹스 그린 시트를 사용하고, 그 세라믹스 그린 시트를 60℃로 승온 유지했다. 각 토출 노즐로부터 각각 한 방울당 15ng의 액적을 순차 토출하여, 선폭 50㎛, 두께 15㎛, 길이 10.0cm의 라인(금속 배선)을 20개 묘화했다. 그리고, 이 금속 배선이 형성된 세라믹스 그린 시트를 건조로에 넣고, 60℃에서 30분간 가열하여 건조한 후, 각 라인에 크랙이 있는지 여부를 확인했다. 이 결과를 표 2에 나타냈다. 또, 표 2에는, 20개 중의 크랙이 없는 양호품의 수를 나타냈다.

상기와 같이 하여, 금속 배선이 형성된 세라믹스 그린 시트를 제1 세라믹스 그린 시트로 했다.

다음으로, 다른 세라믹스 그린 시트에 상기 금속 배선의 양단 위치에 기계식 펀치 등에 의해 천공을 행함으로써 합계 40개소에 직경 100㎛의 쓰루 홀을 형성하고, 은 입자를 도전 성분으로 한 후막 도전 페이스트를 충전함으로써 콘택트(비어) 를 형성했다. 또한, 이 콘택트(비어) 위에 2mm각(角)의 패턴을, 은 입자를 도전 성분으로 한 후막 도전 페이스트를 사용하여 스크린 인쇄로 단자부를 형성했다.

이 단자부가 형성된 세라믹스 그린 시트를 제2 세라믹스 그린 시트로 했다.

다음으로, 제2 세라믹스 그린 시트의 아래에 제1 세라믹스 그린 시트를 적층하고, 또한 무가공의 세라믹스 그린 시트를 보강층으로서 2매 적층하여, 언베이크드(unbaked) 적층체를 얻었다.

다음으로, 언베이크드 적층체를, 100℃의 온도에서, 250kg/cm²의 압력으로 30초간 프레스한 후, 대기 중에서, 승온 속도 66℃/시간으로 약 6시간, 승온 속도 10℃/시간으로 약 5시간, 승온 속도 85℃/시간으로 약 4시간 연속적으로 승온하는 승온 과정을 거쳐, 최고 온도 890℃에서 30분간 유지하는 소성 프로파일에 따라 소성했다.

냉각 후, 100개의 라인 위에 형성된 단자부 사이에 테스터를 대어, 도통의 유무에 의해 각 라인에 크랙이 있는지 여부를 확인했다. 이 결과를, 표 2에 모아 나타냈다. 또, 표 2에는, 20개 중의 크랙이 없는 양호품의 수를 나타냈다. 또한, 양호품 수를 총수로 나누어 얻어지는 도통률을 모두 나타냈다.

[표 2]

표 2에 나타내는 바와 같이, 묘화·건조 후에서는, 비교예의 도전성 잉크로 제조한 라인은, 많은 크랙이 발생하여, 라인 형상 자체가 허물어지기 쉬운 상황이었다. 한편, 실시예의 도전성 잉크로 제조한 라인은, 전혀 크랙의 발생이 보이지 않아, 명백하게 비교예의 경우보다, 라인 형상도 허물어지는 것이 없었다.

또한, 표 2에 나타내는 바와 같이, 소성 후의 도통에 의한 크랙의 확인에 있어서도, 비교예의 도전성 잉크로 제조한 라인간은 거의 도통이 잡히지 않은 것에 대하여, 실시예의 도전성 잉크로 제조한 라인은, 도통되는 라인이 매우 많고, 극히 양호한 금속 배선이 얻어졌다. 이 도통 불량을 X선으로 관찰한 결과, 크랙에 의한 것임이 확인되고, 소성시에도 크랙이 발생하고 있음이 확인되었다.

또한, 폴리글리세린은 폴리에틸렌글리콜에 비해 도통률이 높고, 폴리글리세린을 7wt% 이상 첨가한 것에 대하여는, 도통 불량이 거의 보이지 않고, 극히 양호한 금속 배선이 얻어짐을 알 수 있다.

또한, 잉크 중에 있어서의 은 콜로이드액의 함유량을 20wt%, 30wt%로 변경한 바, 상기와 동일한 결과가 얻어졌다.

도 1은 세라믹스 회로 기판의 개략 구성을 나타내는 측단면도.

도 2는 세라믹스 회로 기판의 제조 방법의, 개략의 공정을 나타내는 설명도.

도 3은 (a)~(b)는 도 1의 세라믹스 회로 기판의 제조 공정 설명도.

도 4는 잉크젯 장치의 개략 구성을 나타내는 사시도.

도 5는 잉크젯 헤드의 개략 구성을 설명하기 위한 모식도.

[부호의 설명]

1…세라믹스 회로 기판(배선 기판), 2…세라믹스 기판, 3…적층 기판, 4, 5…회로(도체 패턴), 6…콘택트, 7…세라믹스 그린 시트, 10…도체 패턴 형성용 잉크, 11…전구체, 12…적층체

Claims

기재 위에, 패터닝에 의해 도체 패턴을 형성하기 위한 도체 패턴 형성용 잉크로서,

금속 입자를 용매에 분산하여 이루어지는 분산액 중에, 폴리글리세린 골격을 갖는 폴리글리세린 화합물이 함유되는 것을 특징으로 하는 도체 패턴 형성용 잉크.
제1항에 있어서,

상기 폴리글리세린 화합물의 함유량은, 5~25wt%인 도체 패턴 형성용 잉크.
삭제
제1항에 있어서,

상기 폴리글리세린 화합물의 중량평균 분자량은, 300~3000인 도체 패턴 형성용 잉크.
제1항에 있어서,

액적 토출법에 의한 도전 패턴의 형성에 사용되는 도체 패턴 형성용 잉크.
제1항에 있어서,

세라믹스 입자와, 바인더를 함유하는 재료로 구성된 시트상의 세라믹스 성형체 위에, 도체 패턴을 형성하기 위해 사용되는 도체 패턴 형성용 잉크.
제1항에 있어서,

상기 금속 입자를 구성하는 금속은, 은, 구리, 팔라듐, 백금, 금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 도체 패턴 형성용 잉크.
제1항에 있어서,

상기 금속 입자의 함유량은, 1~60wt%인 도체 패턴 형성용 잉크.
제1항에 있어서,

상기 금속 입자는, 금속 콜로이드 입자이며,

상기 분산액은, 콜로이드액인 도체 패턴 형성용 잉크.
제9항에 있어서,

상기 콜로이드액은, COOH기와 OH기가 합하여 3개 이상 갖고, 또한, COOH기의 수가 OH기의 수와 동수(同數) 또는 COOH기의 수가 OH기의 수보다도 많은 히드록시 산 또는 그 염으로 이루어지는 분산제와 환원제가 용해된 pH6~10의 수용액에 금속염 수용액이 적하되고, 적하 후에 pH가 6~11로 조정된 것인 도체 패턴 형성용 잉크.
제1항에 기재된 도체 패턴 형성용 잉크에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 도체 패턴.
제11항에 있어서,

금속 입자가 상호 결합되어 이루어지는 도체 패턴으로서, 도체 패턴 표면에 있어서 상기 금속 입자끼리가 간극없이 결합하고 있고, 또한 비저항이 20μΩcm 미만인 도체 패턴.
제12항에 있어서,

비저항이 15μΩcm 이하인 도체 패턴.
제11항에 기재된 도체 패턴이 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 배선 기판.