JP2017013334A - 配線基板およびサーマルヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】マイグレーションの発生を抑制するとともに、ワイヤボンディングが可能な配線基板を提供する。
【解決手段】配線基板は、絶縁性の基板１２と、基板上に設けられたガラス層１５と、ガラス層上に設けられた導電層１４とを備え、少なくとも導電層の側面の一部が、ガラス層の一部によって覆われ、少なくとも導電層の上面の一部が、露出している。
【選択図】図４

Description

本発明は、配線基板およびサーマルヘッドに関する。

近年、配線基板の小型、軽量化が強く要望されている。配線基板の小型、軽量化を図るためには、高密度な配線の実現が重要であるが、配線電極におけるマイグレーションの問題がある。なお、マイグレーション（エレクトロケミカルマイグレーション）とは、狭い間隔の電極間で電界が印加される際、金属イオンが陰極側に析出し、それが枝状に陽極側まで延びて導体回路間がショートする現象をいう。

従来、配線電極のマイグレーションを抑えることができ、配線電極パターンのショートによる基板の不良を防ぐための技術が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、セラミック基板に、厚膜の導電層を形成した後、低軟化点のガラスをセラミック基板に被覆することにより、厚膜焼成時のガラス被覆表面への汚れの付着を防止して、マイグレーションの発生を抑える厚膜配線グレーズ基板が記載されている。

特開平６−１６３５２５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のグレーズ基板は、厚膜配線上へのガラス被覆を行っており、ガラス被覆がなされている部分では、導電層にワイヤボンディングすることができないといった問題がある。

請求項１に記載の配線基板は、絶縁性の基板と、基板上に設けられたガラス層と、ガラス層上に設けられた導電層とを備え、少なくとも導電層の側面の一部が、ガラス層の一部によって覆われ、少なくとも導電層の上面の一部が、露出している。

本発明によれば、マイグレーションの発生を抑制するとともに、ワイヤボンディングが可能な配線基板を提供することができる。

サーマルヘッドの構成を示す断面模式図。 サーマルヘッドの要部を示す模式図。 図２のワイヤボンディング部を拡大して示す模式図。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面模式図。 （ａ）はエッチング処理前の配線基板の平面模式図、（ｂ）は図５（ａ）のｖｂ−ｖｂ線断面模式図。 （ａ）はエッチング後、焼成前の配線基板の平面模式図、（ｂ）は図６（ａ）のｖｉｂ−ｖｉｂ線断面模式図。 （ａ）は図６（ａ）のＶＩＩ部を示す部分拡大図、（ｂ）は図７（ａ）のｖｉｉｂ−ｖｉｉｂ線断面模式図。 焼成後の配線基板の平面模式図、（ｂ）は図８（ａ）のｖｉｉｉｂ−ｖｉｉｉｂ線断面模式図。 配線基板のマイグレーション耐性についての実験結果を示すグラフ。 配線基板のマイグレーション耐性についての実験結果を示す表。

図１は、サーマルヘッド１００の構成を示す断面模式図である。図２は、サーマルヘッド１００の要部を示す模式図である。図２（ａ）はサーマルヘッド１００の要部平面模式図であり、図２（ｂ）はサーマルヘッド１００の要部断面模式図である。なお、図２（ａ）の平面模式図では、説明の便宜上、図２（ｂ）において各構成の断面を表すハッチングを対応する構成に対して付している。図１に示すように、サーマルヘッド１００は、支持板３２上に固定された配線基板５０およびプリント配線板３０を備える。プリント配線板３０上には、ドライバＩＣ１１と、印刷制御等を行う外部機器にサーマルヘッド１００を接続するためのコネクタ１９が設けられている。

配線基板５０について詳細に説明する。配線基板５０は、絶縁基板１２上に配線、電極が形成されているものである。絶縁基板１２は、電気的絶縁性を有するセラミックなどによって形成される。絶縁基板１２の上面全体には、ガラス等からなるグレーズ層１３が形成されている。グレーズ層１３は、後述の発熱抵抗体６の温度を上昇させるのに必要な時間を短縮して、サーマルヘッド１００の熱応答特性を高める蓄熱層としての役割を担っている。

グレーズ層１３の上面には、共通電極５および複数の個別電極８が形成されている。図２（ａ）に示すように、共通電極５は、平面視矩形状の電極面５ａと、この電極面５ａから感熱紙（不図示）の搬送方向（図２（ａ）に示すｘ方向）に沿って延びる複数の帯状電極５ｂを備えた櫛歯状とされている。複数の個別電極８は、それぞれ搬送方向ｘに沿って延びる帯状とされている。複数の帯状電極５ｂと複数の個別電極８は、搬送方向ｘに直交するｙ方向に交互に配置されている。

共通電極５および複数の個別電極８の上には、厚膜印刷などにより、直線状の発熱抵抗体６が形成されている。発熱抵抗体６は、複数の帯状電極５ｂと複数の個別電極８を跨がるように、ｙ方向に沿って延びている。発熱抵抗体６は、たとえば、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）等からなる。

図１に示すように、各個別電極８の一端は、金ワイヤ１０を介してドライバＩＣ１１に接続されている。金ワイヤ１０およびドライバＩＣ１１は、エポキシ樹脂材からなる封止樹脂１６によりモールドされている。ドライバＩＣ１１のドライバ回路（不図示）は、共通電極５から発熱抵抗体６を介して各個別電極８に電流を流す。図２（ａ）に示すように、共通電極５における帯状電極５ｂと個別電極８との間にある発熱抵抗体６に電流が流れると、その部分が発熱する。この熱が感熱紙（不図示）に伝わると、感熱紙が発色し、感熱紙に所定の印刷画像が形成される。

図２に示すように、サーマルヘッド１００には、共通電極５、および各個別電極８の一部、および発熱抵抗体６を覆うように、絶縁基板１２の表面に絶縁性保護膜７が形成されている。絶縁性保護膜７は、たとえば、電気的絶縁性を有するＰｂＯ−ＳｉＯ_２−ＺｒＯ_２系のガラス材料からなる。発熱抵抗体６が絶縁性保護膜７によって覆われているので、感熱紙（不図示）には、絶縁性保護膜７を介して発熱抵抗体６の熱が伝達される。

図３および図４を参照して、ワイヤボンディング部９の構成について詳細に説明する。図３は図２のワイヤボンディング部９を拡大して示す模式図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面模式図である。本明細書では、絶縁性保護膜７で覆われていない個別電極８の露出部である電極端子および配線をワイヤボンディング部９と呼ぶ。図３および図４に示すように、ワイヤボンディング部９では、グレーズ層１３上にガラス層１５が設けられ、ガラス層１５上に個別電極８を構成する導電層１４が形成されている。ワイヤボンディング部９を構成する導電層１４上には、絶縁性保護膜７が形成されておらず、導電層１４の上面が露出しており、この露出面に金ワイヤ１０が接続される。すなわちワイヤボンディング部９の上面は、ワイヤボンディングされる電極端子面とされている。

図４に示すように、本実施の形態では、３つのワイヤボンディング部９がｙ方向に隣接して配列されており、導電層１４の側面がガラス層１５によって被覆されている。このように、導電層１４の側面がガラス層１５で覆われているので導電層１４の側面からデンドライトが進行し、マイグレーションが発生することを防止できる。

このようなワイヤボンディング部９の形成方法について、図５〜図８を参照して説明する。なお、図５〜図８では、説明をわかりやすくするために、単純な形状で説明する。図５〜図８では、グレーズ層については図示を省略する。

（ガラス層および導電層形成工程）
図５（ａ）はエッチング処理前の配線基板の平面模式図である。図５（ｂ）はエッチング処理前の配線基板の断面模式図であり、図５（ａ）のｖｂ−ｖｂ線断面を示している。図５に示すように、矩形平板状の絶縁基板１の上に、低軟化点のガラスからなるペースト状組成物（ガラスペースト）を矩形状のパターンで印刷を行い、絶縁基板１の焼成を行うことでガラス層３を形成する。その後、主材が銀であり、かつ、銀の含有率が２０重量％以上であるペースト状組成物（銀ペースト）を、絶縁基板１よりも一回り小さいサイズの矩形状のパターンで印刷を行い、絶縁基板１の焼成を行うことで導電層２を形成する。

（フォトリソ・エッチング工程）
図５（ａ）において一点鎖線で示すような略Ｈ字状のエッチングレジストパターンをフォトリソグラフィ法により形成する。その後、ウエットエッチング処理を施すことにより、すなわち配線基板をエッチング液に浸漬させることにより、図５（ａ）に示す一点鎖線で囲まれる部分（略Ｈ字状のレジストパターン）以外の導電層２を溶解除去する。

（追加焼成工程）
図６（ａ）はエッチング後、焼成前の配線基板の平面模式図である。図６（ｂ）はエッチング後、焼成前の配線基板の断面模式図であり、図６（ａ）のｖｉｂ−ｖｉｂ線断面を示している。図７（ａ）は図６（ａ）のＶＩＩ部を示す部分拡大図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のｖｉｉｂ−ｖｉｉｂ線断面模式図である。

図６および図７に示すように、エッチング処理が終了すると、一対の略Ｈ字状部の間にガラス層３が露出する。なお、エッチング処理を行うと、図７に示すように、一対の略Ｈ字状部の間の溝の底面、すなわちガラス層３の上面には、エッチング処理の際に発生した銀の残渣４が残っている場合がある。

エッチング処理終了後、本実施の形態では、配線基板に対して追加の焼成を行う。追加で行う焼成温度は、５５０〜８５０℃の範囲内である。ガラス層３は、軟化点が導電層２の焼成温度よりも低いものが選定される。なお、銀ペーストには、銀粉末を含むペースト（たとえば銀の含有率が６０重量％程度のペースト状組成物）や、レジネート銀ペースト（たとえば銀の含有率が２５重量％程度のペースト状組成物）を用いることができる。なお、レジネートペースト（有機金属ペーストまたはメタルオーガニックペーストともいう）とは、金属原子と有機分子とを結合させた化合物である。

図８（ａ）は焼成後の配線基板の平面模式図である。図８（ｂ）は焼成後の配線基板の断面模式図であり、図８（ａ）のｖｉｉｉｂ−ｖｉｉｉｂ線断面を示している。追加の焼成の際、その焼成温度がガラス層３の軟化点を超えると、ガラス層３が軟化し、変形を開始する。軟化、溶融したガラスは、図８に示すように、表面張力によって導電層２の側面に沿って這い上がり、導電層２の側面を覆う。隣り合う導電層２間のガラス層３は凹形状とされ、凹面の中央の底部から導電層２の上端に向かって傾斜するガラスの隅肉（以下、ガラスフィレット３１と記す）が形成されている。また、ガラスが導電層２内に浸潤する現象が生じる。図８では、模式的に浸潤領域３３を図示している。

なお、上述では、フォトリソグラフィ法によりエッチングレジストを形成し、エッチング処理を行った後、絶縁基板１を追加焼成する方法に説明したが、これに代えて、印刷法を採用してもよい。すなわち、スクリーン印刷でエッチングレジストを形成し、エッチング処理を行った後、絶縁基板１を追加焼成する方法を採用してもよい。その他、蒸着やスパッタリングなどの薄膜形成法により、導体パターンを形成した後、絶縁基板１を焼成してもよい。

上述したエッチング処理の他、印刷や蒸着、スパッタリングなどの際、銀の残渣４が隣り合う導電層２間に残ってしまう場合がある（図７参照）。隣り合う導電層２の対向する側面間に残渣４が存在していると、導電層２の側面から進展したデンドライトが残渣４を介して成長することがある。

本実施の形態では、ガラス層３が軟化、溶融することで、前工程（エッチング工程、蒸着工程、印刷工程等）の際に発生した銀の残渣４をガラス層３内に閉じ込めることができる。これにより、残渣４を介したデンドライトの成長を抑制することができる。

図９および図１０を参照して、本実施の形態の配線基板のマイグレーションの抑制効果について、比較例と比較して説明する。図９および図１０は、配線基板のマイグレーション耐性についての実験結果を示すグラフおよび表である。実験に用いた配線基板には、電極長３０ｍｍ、電極間を１００μｍとしたパターンを形成した。環境条件は、８５℃，８５％ＲＨとした。この環境下で、直流３２Ｖの電圧を印加し、連続して通電することにより、絶縁抵抗値が判定基準値である１０ＭΩ以下になるまでの時間を計測した。

導電層２の下層のガラス層３の軟化点が８７５℃であり、導電層２の形成後の追加焼成における焼成温度を８０５℃として形成した配線基板を比較例とする。つまり、比較例では、ガラス層３の軟化点が焼成温度よりも高い。本実施の形態の配線基板は、２種類準備し、それぞれ実験を行った。本実施の形態の第１の配線基板は、導電層２の下層のガラス層３の軟化点が７６５℃であり、導電層２の形成後の追加焼成における焼成温度を８０５℃として形成したものである。本実施の形態の第２の配線基板は、導電層２の下層のガラス層３の軟化点が５５０℃であり、導電層２の形成後の追加焼成における焼成温度を８０５℃として形成したものである。つまり、本実施の形態の第１および第２の配線基板では、ガラス層３の軟化点が追加の焼成温度よりも低い。

図９および図１０に示すように、比較例では、連続通電時間が５０時間までは、絶縁抵抗値の低下はほとんどみられなかったが、連続通電時間が７５時間では、絶縁抵抗値が１０ＭΩ（判定基準値）以下となった。

図９および図１０に示すように、本実施の形態の第１の配線基板では、連続通電時間が４００時間までは高い絶縁抵抗値を維持できる結果を得た。第１の配線基板では、比較例に比べて、マイグレーション耐性が大きく向上していることが確認できた。さらに、本実施の形態の第２の配線基板では、連続通電時間が９００時間を超えても絶縁抵抗値の低下はほとんどみられず、高いマイグレーション耐性を得ることができることがわかった。この実験結果により、焼成温度と軟化点との温度差が大きいほど、マイグレーション耐性を高めることができることがわかった。つまり、焼成温度と軟化点との温度差を変えることで、マイグレーションの抑制の度合いを必要に応じて調整することができる。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）配線基板５０は、絶縁基板１，１２と、絶縁基板１，１２上に設けられたガラス層３，１５と、ガラス層３，１５上に設けられた導電層２，１４とを備えている。少なくとも導電層２，１４の側面の一部が、ガラス層３，１５の一部によって覆われており、少なくとも導電層２，１４の上面の一部が、ガラス層３，１５によって覆われていない露出面とされている。露出面は、ワイヤボンディングされる電極端子面とされる。これにより、ワイヤボンディングされる電極端子面を有する導電層２，１４を隣接して配置した場合において、隣接する導電層２，１４間でのデンドライトの発生を抑制することができるので、マイグレーション耐性を向上できる。さらに、硫化耐性の向上もできる。

（２）導電層２，１４の側面の一部を覆うガラス層３，１５の一部（ガラスフィレット３１）は、配線基板を焼成することで形成される。焼成温度は５５０〜８５０℃の範囲内であることが好ましく、ガラス層３，１５は、軟化点が上記焼成温度よりも低い低軟化ガラスにより形成されている。これにより、焼成時に、ガラス層３，１５が軟化、溶融し、導電層２，１４の側面を這い上がるように変形させてガラスフィレット３１を形成することができる。その結果、導電層２，１４の側面がガラス層３，１５により覆われる。このように、本実施の形態では、特殊な工程を要することなく、導電層２，１４の下層であるガラス層３，１５を、焼成により変形させて導電層２，１４の側面を被覆できるので、製造コストの増加を抑制できる。

さらに、焼成時に、導電層２，１４内にガラスを浸潤させることができるので、浸潤領域３３において、導電層２，１４内での電子の移動が抑制され、すなわちデンドライトが抑制され、この点からもマイグレーション耐性および硫化耐性を向上できる。

（３）主材が銀であり、かつ、銀の含有率が２０重量％以上である銀ペーストを焼成して、導電層２，１４を形成した。これにより、金で導電層を形成する場合に比べて、安価な配線基板を提供することができる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
上述した実施形態では、隣り合う導電層２，１４間のガラス層３，１５の形状が、導電層２，１４の側面にガラスフィレット３１が形成された凹形状とされたものを例に説明したが、本発明はこれに限定されない。隣り合う導電層２，１４間のガラス層３，１５の形状が凸形状とされていてもよい。焼成により、ガラスが軟化、溶融することによりガラス層３，１５を変形させて、導電層２，１４の側面をガラス層３，１５により覆うことができればよい。

（変形例２）
上述した実施の形態では、導電層２，１４の側面の上端までガラス層３，１５が這い上がっている例について説明したが、本発明はこれに限定されない。導電層２，１４の側面の下部はガラス層３，１５により覆われ、導電層２，１４の側面の上部はガラス層３，１５により覆われていなくてもよい。このように、少なくとも導電層２，１４の側面の一部がガラス層３，１５により覆われていれば、導電層２，１４の側面全体がガラス層３，１５により覆われていない場合に比べて、マイグレーションの発生を抑制することができる。

（変形例３）
上述した実施の形態では、ワイヤボンディング部９を構成する導電層１４の上面を全て露出させた電極端子面とした例について説明したが、本発明はこれに限定されない。ワイヤボンディングが可能な露出面を確保することができる場合は、電極端子面（ワイヤボンディング部９の上面）の一部をガラス層１５によって被覆してもよい。

（変形例４）
上述した実施の形態では、導体ペーストとして、主材が銀であり、かつ、銀の含有率が２０重量％以上である銀ペーストを使用して銀の導電層２，１４を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。主材が銅である銅ペーストを導体ペーストとして焼成により銅導電層を形成してもよい。主材がアルミニウムであるアルミニウムペーストを導体ペーストとして焼成によりアルミニウム導電層を形成してもよい。

（変形例５）
上述した実施の形態では、グレーズ層１３を備えたサーマルヘッド１００を例に説明したが、グレーズ層１３を備えていないサーマルヘッドに本発明を適用してもよい。

（変形例６）
上述した実施の形態では、サーマルヘッド１００の配線基板に本発明を適用する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。種々の電子機器の基板に本発明を適用することができる。たとえば、原料ガスと水蒸気から触媒改質により水素を製造する水蒸気改質器における触媒の基板に本発明を適用することもできる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１ 絶縁基板、２ 導電層、３ ガラス層、４ 残渣、５ 共通電極、５ａ 電極面、５ｂ 帯状電極、６ 発熱抵抗体、７ 絶縁性保護膜、８ 個別電極、９ ワイヤボンディング部、１０ 金ワイヤ、１１ドライバＩＣ、１２ 絶縁基板、１３ グレーズ層、１４ 導電層、１５ ガラス層、１６ 封止樹脂、１７ 個別電極、１８ ワイヤボンディング部、１９ コネクタ、３０ プリント配線板、３１ ガラスフィレット、３２ 支持板、３３ 浸潤領域、５０ 配線基板、１００ サーマルヘッド

Claims (6)

1. 絶縁性の基板と、
   前記基板上に設けられたガラス層と、
   前記ガラス層上に設けられた導電層とを備え、
   少なくとも前記導電層の側面の一部が、前記ガラス層の一部によって覆われ、
   少なくとも前記導電層の上面の一部が、露出している配線基板。
2. 請求項１に記載の配線基板において、
   前記導電層の側面の一部を覆う前記ガラス層の一部は、前記配線基板を焼成することで形成され、焼成温度は５５０〜８５０℃の範囲内であり、
   前記ガラス層は、軟化点が前記焼成温度よりも低い、配線基板。
3. 請求項１または２に記載の配線基板において、
   前記導電層は、主材が銀であり、かつ、前記銀の含有率が２０重量％以上である、配線基板。
4. 請求項１または２に記載の配線基板において、
   前記導電層は、主材が銅、または、主材がアルミニウムである、配線基板。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の配線基板において、
   前記導電層は、フォトリソグラフィ法、印刷法、および薄膜形成法のいずれかにより形成されている、配線基板。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の配線基板を備えたサーマルヘッドであって、
   前記基板上に設けられたグレーズ層と、
   前記グレーズ層上に設けられた共通電極および複数の個別電極と、
   前記共通電極および複数の個別電極を跨ぐように設けられた発熱抵抗体と、
   前記共通電極、および前記複数の個別電極の一部、および前記発熱抵抗体を覆うように設けられた絶縁性の保護膜と、
   前記個別電極に電流を流すドライバＩＣと、
   前記保護膜で覆われていない前記個別電極の電極端子と、前記ドライバＩＣとを接続するワイヤとを備え、
   前記ガラス層は、前記個別電極の電極端子を構成する導電層と、前記グレーズ層との間に形成され、
   前記個別電極の電極端子を構成する導電層の側面のうちの少なくとも一部が、前記ガラス層の一部によって覆われ、
   前記電極端子を構成する導電層の上面のうちの少なくとも一部が、前記ワイヤが接続される露出面とされている、サーマルヘッド。

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