KR960006984B1 - 전기 전도성 패턴의 형성 방법 - Google Patents

전기 전도성 패턴의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

전기 전도성 패턴의 형성 방법
본 발명은 예를 들어 하이브리드 구조의 전기 스위칭 회로로 사용되는 세라믹 기판상에 전기 전도성 패턴(pattern)을 형성하는 방법에 관한 것이다.
독일연방공화국 특허공고 제11 07 743호 및 캐나다 특허 제11 55 967호는 소위 분말법에 의하여 세라믹 기판의 표면상에 전기 전도성 패턴을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서는 점착성 패턴을 기판표면에 형성하고, 이어서 표면을 금속 분말로 처리한다. 이어서, 점착성 물질을 열처리에 의하여 제기할 수 있고, 금속 분말을 소결시켜 연속 패턴의 도선을 제조할 수 있다.
패턴화된 금속 층이 소결후에 기판에 부착되도록 하고 소결을 제어하여 평활한 표면과 균일한 단면을 갖는 도선을 제조하기 위해서는, 도선을 형성하는 실제적인 전도성 금속 이외에도 임의로 적당한 화합물 형태의 보조 원소를 필요로 하는 것이 일반적이다. 부착은 2개의 상이한 메카니즘에 의하여 일어난다. 유리 결합에 있어서, 보조 원소의 산화물은 소성 온도에서 용융하고 냉각 후에는 부분적으로는 접착에 의하여 그리고 부분적으로는 표면 연동(surface interlock)에 의하여 기판을 도선과 결합시키는 유리를 형성한다. 반응성 결합 또는 산화물 결합에 있어서, 이들 결합상이 형성된다. 보조 원소의 선택은 전도성 금속과 기판의 종류에 좌우된다. 적당한 조합은 후막 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 독일연방공화국 특허 제25 43 922호는 알루미늄 옥사이드, 베릴륨 옥사이드 및 사파이어에 대한 금과 은의 부착을 매개하는 화합물을 열거하고 있다. 이들 화합물은 카드뮴, 구리, 납, 티타늄, 지르코늄, 규소, 붕소 및 알칼리 금속을 함유한다. 로듐, 비스무트 및 은의 화합물은, 소결에 의하여 양호한 접착력과 광택성 표면을 갖는 균일한 층을 얻을 수 있도록 세라믹 기판상의 장식적 금 피막을 개질시키는 것으로 알려져 있다[참조 : "Enzyklopaedie der technichen chemie", Ullmann, 4th edd., Vol. 14, p 14].
보조 원소의 활성은 주로 기판과 전도성 금속 사이의 계면에서 또는 전도성 금속의 표면에서 각각 일어나는 것으로 생각되어 진다. 보조 금속이 전도성 금속에 침투하여 이것과 혼합물을 형성하는 것은 일반적으로 유리하지 못한데, 그 이유는 이에 의하여 도선의 비전도율이 저하되기 때문이다.
독일연방공화국 특허 명세서 제38 06 515호에는 상기한 분말법에 사용하는 금속 분말의 제조 방법이 기재되어 있는데, 이들 분말은 균일하게 분산된 필수 보조 원소의 적당한 화합물을 함유한다. 이러한 분말을 사용함으로써 양호한 품질과 전도성을 갖는 미세한 도선을 제조할 수는 있다. 그러나, 이러한 분말의 제조 공정은 비교적 복잡하다. 또 다른 단점은, 상이한 개개의 기판에 따라 또한 목적하는 도선의 품질에 따라 각기 다른 분말들을 제조하여 보관해야 한다는 점이다.
유럽 특허출원 제01 82 128호에는 금속 박막을 스퍼터링시키기 전에 금속 산화물로 중간층을 형성함으로써 세라믹 산화물에 대한 금속 박막의 부착력을 향상시키는 방법이 기재되어 있다. 상기 산화물 중간층은 적당한 금속 화합물을 함유하는 피막을 고온 분해시킴으로써 제조한다. 그러나, 이러한 산화물 중간층상에 상기 분말법에 의하여 전도성 패턴을 형성시키는 경우, 세라믹 산화물에 대한 전도성 패턴의 부착력이 만족스럽지 못하다.
따라서, 본 발명은, 분말법에 의하여 세라믹 기판상에 전기 전도성 패턴을 형성함에 있어서 부착 및 소결상의 제어에 필요한 보조 원소를 간단한 방법으로 시스템에 도입하여, 이들이 전도성 금속의 전도율에 악영향을 미치지 않도록 하는 방법을 개발하는 문제를 포함한다.
본 발명은, 기판상에 전기 전도성 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 그 방법은, (a) 비스무트, 카드뮴, 납, 구리, 붕소, 로듐, 니켈, 인듐, 알루미늄 및 규소로 이루어진 군으로부터 선택된 보조 원소의 염 또는 그의 혼합물을 함유하는 용액을 기판에 도포시키고, (b) 상기 피복된 기판을 건조시키고, (c) 상기 건조된 기판을 보조 원소 산화물이 형성되는 온도보다 낮은 온도로 가열하고, (d) 상기 열처리된 기판상에 적어도 일시적으로 점착성인 패턴화된 접착제 층을 형성하고, (e) 금속 함유 분말을 상기 패턴화된 접착제층에 도포하고, (f) 접착제 층을 제거하고 분말을 소결시키기에 충분한 시간 및 온도에서 패턴화된 기판을 소성시키는 단계로 이루어진다.
기본적으로 모든 형태의 염이 상기 방법의 실시에 적합하다. 보조 원소는 음이온 염 또는 양이온 염 상태로 함유될 수 있다. 보조 원소가 금속성인 경우, 이들 금속의 단염, 특히 아세테이트, 나이트레이트 또는 클로라이드 형태의 염이 바람직하다. 한편, 비금속성 보조 원소, 예를 들어, 인 또는 붕소를 착음이온 형태로 함유하는 염을 사용할 수도 있다. 이러한 형태의 염으로서 바람직한 것은 붕산염, 특히 알칼리 붕산염이다.
본 발명에서와 같은 기판의 처리는, 피복을 위하여 사용되는 용액의 건조된 염 성분만으로 이루어지지도 않고, 소성에 의하여 이들 염으로부터 생성된 보조 원소 산화물만으로도 이루어지지 않은 표면층을 제공한다. 건조 처리에 의하여, 기판에의 부착력이 빈약하고 표면이 거치른 미소 결정성 층이 우선 나타난다는 사실을 관찰하였다. 이러한 층에 감광성 피복액을 도포시킬 경우, 표면이 매우 거칠어지고, 기판으로부터 개개의 염 결정이 분리되어 감광성 층에 얼룩이 생긴다는 단점이 있다. 따라서, 이러한 층을 사용하여 분말법으로 제조한 도선 패턴은 결점을 갖기 쉽다. 또한, 앞에서 이미 설명한 바와같이, 감광성 피복액을 도포시키기 전에 보조 원소의 산화물이 생성될 수 있는 높은 온도로 기판을 가열하는 경우, 기판에 대한 도선의 부착력은 만족스럽지 못하다.
본 발명의 방법이 현재 기술에서와 같이 기판을 산화물로 예비 피복시키는 방법이나, 감광성 층을 피복시키기 전에 다소 유사한 염층을 제조하는 방법보다 더 나은 결과를 가져오는 이유를 정확하게 설명할 수는 없다. 그러나, 열 처리중에 도포된 염의 적어도 일부가, 화학적 또는 물리적으로 결합된 물의 해리 또는 염기성 염으로의 전환에 의하여, 한편으로는 건조된 염보다 더 양호하게 기판에 부착되지만 다른 한편으로는 후속되는 분말 화상의 소결중에 더 반응할 수 있는 중간 상태로 변형되는 것이라고 추측된다. 이러한 결과로서, 보조 원소는 유동적이 되어 기판에 대한 부착력을 발생시키고 소망스런 방식으로 소결에 영향을 미칠 수 있다. 경우에 따라서는, 염의 열처리중에 이러한 중간 상태의 출현을, 예를 들어 열분석법과 같은 물리 화학적 방법에 의하여 감지할 수 있다. 이중간 상태는 유리질 층의 형태로서 출현하는 것이 특히 유리하다. 이것은 염의 적절한 선택에 의하여 성취할 수 있다.
보조 원소의 선택은 금속성 패턴의 형성에 사용된 금속의 종류 및 기판의 종류에 따라 좌우된다. 이에 관해서 당업자는 선행 기술을 참조할 수 있다. 기판상에 피복된 보조 원소 염의 양은 보조 원소의 상부에 피복하려는 금속 함유 분말의 양, 즉 형성하려는 도선의 단위 면적당의 중량에 좌우된다. 실제로, 보조 원소는 단위 면적당 0.1 내지 25중량%, 바람직하게는 1 내지 10중량%의 도선 중량의 양으로 도포할 수 있다.
도선 패턴의 형성에 특히 바람직한 전도성 금속은 금, 은, 백금, 팔라듐 또는 구리이다. 이들 금속은 평균 입도가 0.1 내지 5미크론인, 순수한 형태 또는 혼합물 형태의 분말 또는 상기 금속 합금의 분말 형태로 사용한다.
현재의 기술 수준에서 바람직한 내열성 기판으로서는 알루미늄 옥사이드의 성형 구조물이 좋다. 그러나, 다른 공지의 기판, 예를 들어 베릴륨 옥사이드, 알루미늄 나이트라이드, 실리콘 디옥사이드 또는 에나멜 처리된 금속을 사용할 수도 있다.
부착 및 소결을 제어하기 위한 보조 원소로서 특히 적합한 것은 납, 로듐, 니켈, 알루미늄, 카드뮴, 인듐, 구리, 비스무트 및(또는) 붕소이다. 따라서, 부착력은 산화물 결합의 메카니즘 및 유리 결합의 메카니즘에 의하여 조절할 수 있다.
적어도 일시적으로 점착성인 패턴을 기판상에 형성하기 위해서는 예를 들어 스크린 인쇄에 의하여 적당한 접착제를 기판 표면에 도포시킨다. 그러나, 보다 양호한 해상도를 제공하고 그리하여 더욱 미세한 금속성 패턴을 얻기 위해서는 노광시 그 점착성이 변화하는 감광성 층을 사용하는 것이 바람직하다. 적합한 화합물은 예를 들어 독일연방공화국 특허 제12 10 321호, 제19 04 059호, 제19 44 311호, 제 27 28 209호, 제28 15 894호, 제30 23 247호 및 제34 29 615호 등에 기재되어 있다. 독일연방공화국 특허 제34 29 615호의 1,4-디히드로피리딘 화합물이 감광성 층 성분으로서 특히 바람직하다.
사용된 분말은 도선 패턴의 제조를 위해 선택된 금속 또는 합금의 순수한 분말인 것이 바람직하다. 합금 대신에 그에 상응하는 금속 분말의 혼합물을 사용할 수도 있다. 캐나다 특허 제11 55 967호 또는 독일연방공화국 특허 명세서 제38 06 515호에 따라서 제조된 금속 함유 분말, 특히 필요한 보조 원소를 일부 또는 전부 함유하는 분말이 바람직하다.
점착성 표면 영역에 분말을 도포하여 제조된 분말 패턴을 갖는 세라믹 기판은 통상의 방법으로 소성시킨다. 이 단계에 있어서, 적어도 부분적으로 점착성인 층을 증발 또는 산화에 의해 제거하고, 동시에 분말 패턴을 소결시켜 목적하는 도선 회로를 제조한다.
본 발명의 방법에 의하여 제조된 도선 패턴은 매우 적은 이물질 금속 함량을 가지며, 이 때문에 그의 비전도율은 순수한 고밀화 금속의 비전도율에 매우 가깝게 접근한다. 이들은 박막 패턴보다 큰 두께로 만들기가 쉽기 때문에, 전도율이 박막 패턴보다는 우수하다. 이들은 광택성 표면 및 매우 균일한 도선 에너지(edge)를 가지며, 20미크론 미만의 너비에서도 파괴되지 않는다. 이들은 매우 강고하고 균일하게 기판에 부착하기 때문에, 부착 결함 빈도가 현저하게 감소된다.
소결 및 부착의 제어에 필요한 보조 원소는 기판 피복액에 완전히 함유시킬 수 있다. 따라서, 어떤 특별한 전처리를 받지 않은 순수한 금속 분말을 점착성 패턴의 색조를 맞추기 위하여 사용할 수 있다. 이러한 분말은 시판되고 있기 때문에, 현재 기술에 비하여 공정을 크게 단순화시킬 수 있다. 이경우, 추가의 잇점은, 토너 분말 조성물이 점착성 표면에 선택적으로 부착하는 성분을 함유하지 않기 때문에 사용중에 일정하게 남아있다는 점이다.
본 발명은 예를 들어 인쇄 회로, 하이브리드 회로, 광학 부품 및 장식 목적에 필요한 바에 따라서, 금속성 패턴을 내열성의, 특히 세라믹 기판상에 형성하기 위하여 사용할 수 있다.
[실시예]
1000RPM으로 작동되는 원심 피복기 유니트 내에서 5×5㎝의 알루미늄 옥사이드 기판을 후술되는 용액 중 한가지로 피복하고, 적외선 조사에 의해 약200℃로 가열하여 건조 및 열처리하였다. 이들 기판중 일부는 900℃에서 10분간 어닐링시킨 다음, 냉각시켰다.
1. 9중량부의 아세트산 중 1중량부의 비스무트(Ⅲ)나이트레이트.
2. 9중량부의 물 중 1중량부의 보락스(소듐 테트라보레이트 데카히드레이트).
메틸 에틸 케톤 100㎖중 2,6-디메틸-4-(2'-니트로페닐)-1,4-디히드로피리딘-3,5-디카르복실산의 디에틸 에스테르 3.25g 및 디메틸에스테르 3.25g의 용액을 상기 기판상에 도포시키고 건조시켜, 건조된 감광성 층이 약 1.5 미크론의 두께가 되도록 하였다. 수은 증기 램프를 사용하여 상기 층에 노광하여 너비 25미크론, 면적2×2㎜의 도선이 있는 결합 시험용 패턴을 제조하였다. 평균 입도가 약 1.5미크론인 순수한 금 분말을 사용하여 독일연방공화국 특허 제37 36 391호의 방법으로 상기 노광된 층에 피복 중량이 약 5mg/cm인 분말 패턴을 형성하였다. 이어서, 상기 기판을 900℃에서 10분간 소성시켰다. 시료 기판을 현미경으로 관찰한 결과, 에지(edge)가 매끄러운 도선을 가짐을 알 수 있었다.
37.5미크론 두께의 금제 와이어를 2×2mm의 표면적에 부착하고, 그 표면적으로부터 와이어를 분리시키는데 필요한 힘을 측정함으로써 기판에 대한 금 층의 부착력을 결정하였다. 이 시험을 약 100회 반복하였다. 분리력이 10cN 미만으로 나타난 시험의 수를 계산하였다. 도선의 고유 저항을 측정하기 위하여, 분말의 도포량을 계량하여 그의 단면적을 계산하였다. 시험 결과는 하기의 표에 나타낸다.
[비교 시험 A]
본 시험에서는 기판을 보조 원소의 염 용액으로 피복시키지 아니하였다. 비스무트 옥사이드 62.5mg, 카드뮴 옥사이드 31.3mg, 구리(Ⅰ) 옥사이드 6.3mg, 로듐(Ⅲ) 옥사이드 8.6mg, 금 분말 5g으로부터 독일연방공화국 특허 제38 06 515호의 실시예 1에 기재된 방법에 의해 제조된 분말로 점착성 패턴을 처리하였다.
다른 절차는 상기 실시예에서와 동일하였다.
[비교 시험 B]
물 5ml중 카드뮴 아세테이트 56.6mg, 구리(Ⅲ) 아세테이트 16.2mg 및 로듐(Ⅲ) 아세테이트 19.0mg의 용액, 아세트산 5ml중 비스무트(Ⅲ) 아세테이트 104mg의 용액, 및 금 분말 5g으로부터 독일연방공화국 특허 제38 06 515호의 실시예 2에 기재된 방법을 사용하여 분말을 제조하는 것을 제외하고는, 상기 비교 시험 A에서와 동일한 절차를 반복하였다.
[표 1]
Figure kpo00001

Claims (8)

  1. (a) 비스무트, 카드뮴, 납, 구리, 붕소, 로듐, 니켈, 인듐, 알루미늄 및 규소로 이루어진 군으로부터 선택된 보조 원소의 염 또는 그의 혼합물을 함유하는 용액을 기판에 도포시키고, (b) 상기 피복된 기판을 건조시키고, (c) 상기 건조된 기판을 보조 원소 산화물이 형성되는 온도보다 낮은 온도로 가열하고, (d) 상기 열처리된 기판상에 적어도 일시적으로 점착성인 패턴화된 접착제 층을 형성하고, (e) 금속 함유 분말을 상기 패턴화된 접착제 층에 도포하고, (f) 접착제 층을 제거하고 분말을 소결시키기에 충분한 시간 및 온도에서 패턴화된 기판을 소성시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는, 기판상에 전기 전도성 패턴을 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기한 적어도 일시적으로 점착성인 층이 노광시 그 점착성이 변화되는 감광성 층인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 감광성 층이 디히드로피리딘 화합물을 함유함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 분말의 금속이 금, 은, 팔라듐, 백금 및 구리, 및 이들 금속중 2가지 이상의 금속들의 합금으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 원소가 납, 로듐, 니켈, 알루미늄, 카드뮴, 구리, 인듐, 붕소, 및 비스무스트로 이루어진 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 염 용액이 용매로서 물 및/또는 다른 극성 액체를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 원소의 염이 아세테이트, 나이트레이트, 보레이트 및 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 염 및 건조후의 열처리 온도가, 보조 원소의 화합물로부터 연속적이고 균질한 유리질 막이 기판상에 형성될 수 있도록 선택됨을 특징으로 하는 방법.
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