JPH02189813A - 金属化支持体を含む電気部品および金属化ペースト - 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、電子装置の低膨張性支持体上の導電性回路要
素に関し、特に、支持体上で焼成した際に回路要素を形
成するのに適した金属ペーストに関する。

（従来技術） 長い寿命と高い信頼性が要求される場合、電子回路要素
のセラミック支持体材料としてアルミナ（Ａｆ！ｚＯ３
）が好まれてきた。しかし、ある種の高性能用途には、
焼結アルミナ支持体は満足のいくものではないことがわ
かった。

アルミナボディは平滑仕上へと研削できるが、焼成に際
してかなり収縮する（約１８％）。焼結アルミナは約１
０の比較的大きい誘電率を有し、そのために行送り（ｌ
ｉｎｅ　ｓｐａｃｉｎｇ）か制限され、作動中に信号の
遅れやノイズを生しることもある。ンソコンチップの熱
膨張率（約３５Ｘ　］、］０−７／℃と比べて比較的大
きい熱膨張率（約６５Ｘ　１．０’　／°Ｃ）を有する
ため、前記チップをアルミナ支持体にシールすることが
困難となる。また、共焼結（ｃｏ−ｓ　Ｉ　ｎｔｅｒｉ
ｎｇ）には高い焼成温度（約１．ＢｏｏｏＣ）が必要で
あるため、使用できる金属がモリブデンおよびタングス
テン、あるいは銀、銅および金に制限される。

従って、焼結アルミナより適合性のある特性を有する支
持体材料についての研究がなされてきた。

特に、アルミナよりもよりシリコンに親和性のある熱膨
張率とより小さい誘電率を有する材料か求められている
。

ガラスセラミック材料、特にきん青石型のガラスセラミ
ック材料が注目されてきた。その歴史のいくらかについ
ては同時係属出願節０７／　２３８　、５７４号に概説
されている。この同時係属出願には、アルミナより優れ
た特性を有し、１，０００°Ｃ未満の温度で焼結できる
改良されたきん青石組成が開示されている。この低温焼
結性は共焼結（ｃｏ−ｓｉｎＬｅｒｉｎｇ）　、つまり
金属回路要素の焼成と支持体の焼結を１つの加熱処理で
行うことを可能にする。

窒化アルミニウム（ＡＪＩ！Ｎ）は支持体材料として十
分に見込まれるもう１つのセラミック材料である。この
材料は、親和性のある熱膨張率に加えて、非常に大きい
熱伝導性を有する。それによって、そうでなければ回路
要素に損害を与えるであろうはんた付けおよびシーリン
グ作業による熱の放散を可能にする。米国特許第４，７
１９，１８７号はＡ、ｆ！Ｎおよび改良されたその製造
方法を記載している。

これらの低膨張性支持体材料の出現により、新しい金属
化ペースト、特に濃いフィルム回路要素（ｔｈｉｃｋ　
ｆｉｌｍ　ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）を予備焼結支持体に施
す際に用いる金属化ペーストの開発か必要となった。一
般に、導電性金属は、内部回路要素を必要とする場合、
あるいはその回路要素と生の支持体を共焼結しなければ
ならない場合に、薄いフィルム（ｔｈｊｎ　ｒｉｌｍ　
）として施すことができる。

“薄いフィルム“とは、添加剤を含まないビヒクル中で
の金属粉末の懸濁のことをいう。一方、“濃いフィルム
″とは、ガラス質添加剤を含む金属粉末の懸濁のことを
いう。後者は、ペーストを焼成した際に支持体への接着
性を与える。本発明はガラス質添加剤を含む濃いフィル
ムペーストに関する。パラジウム−銀（Ｐｄ　−Ａｇ　
）ペーストおよび銅ペーストなどの従来の市販金属ペー
ストは、アルミナ支持体にシールするのに適合した添加
剤を含んでいた。これらのペーストは、新しい低膨張性
材料上で焼成した際に、良好に接着しないことがわかっ
た。

米国特許第３，４０５，００２号は、［１Ｏ−８０％の
ｐｂ。

１８−１２５％のＴｉ　０２および６−１２％の５ｊＯ
７を含む熱失透性シーリングガラスを開示している。

これらはホウ珪酸塩ガラス品などの艶付低膨張ボディ（
ｇｌａｚｊｎｇ　ｌｏｗ　ｅｘｐａｎｓｊｏｎ　ｂｏｄ
ｉｅｓ）に適合し、熱失透化した際にチタン酸鉛の結晶
相を生じる。

しかし、この特許には金属ペーストおよび金属化電子装
置についての開示がない。

米国特許第３，４８６，８７４号は、８０−８０％のｐ
ｂ　ｏ。

ＺｎＯとＢａＯから成る群より選択される２０％までの
２価酸化物、５−１．８％のＴｉＯ２，少くとも１％の
Ｂ２Ｏ３，少くとも５％のＳｉＯ２（ここでＢ２０３　
＋Ｓｉ　０２は１０ｉ０％）、および０２％のＡｊ２０
３を含む熱失透性シーリングガラスを開示している。熱
失透化したガラスはチタン酸鉛の結晶相を有する。しか
し、ここでも金属ペストおよび金属代品についての開示
がない。

米国特許第３，６６３，２４４号は、６２−６８％のｐ
ｂ。

１２−１８％のＴｉ　Ｏｚ　、　１４−２０％のＳｉＯ
２および２−４％のＡＪ！ｚ　０３から実質的に成る熱
失透性ガラスエナメルを開示しており、これらのエナメ
ルは大きい耐薬品性および小さい熱膨張率を有し、ガラ
スセラミックの料理道具に有用である。

米国特許第４，０１５，０４８号は、付加的な２価酸化
物を含み、熱失透化に際して六方晶系きん青石結晶相を
生じるＭｇ　ＯＡＪｚ　０３　　Ｓｉ　Ｏｚガラスを開
示している。この特許には、ガラスセラミック品上の電
気的バイヤーとしての使用が示されている。

米国特許第４，０２９．［ｉ０５号は、５０−８８％の
貴金属粉末、ＺｒＯ２またはＴｉ　０７．の核剤を含ん
だ２４０％のＬｉ２０−Ａ、Ｊ！２０３−Ｂ２０３−３
ｉ０２結晶性ガラスフリツト、５−４８％の液体ビヒク
ル、および０−２０％の不活性フィラーを含む金属化組
成を開示している。

米国特許第４，２２１，０４７号および第４，３０１，
３２４号は、ガラスセラミックと濃いフィルム回路パタ
ーンの交互の層を形成し、モノリンツクパラケーンへと
一体化した多平面ガラスセラミック構造を開示している
。ここては１，０００°Ｃ未満て焼結するβゆう輝石お
よびきん青石ガラスセラミックか使用されている。金、
銀または銅の金属化ペーストが使用されているか、それ
以上のことは開示されていない。

（発明の目的） 本発明の目的は、きん青石型ガラスセラミックまたは窒
化アルミニウムなどの低膨張性支持体材料上で焼成した
時に、よく接着する金属化ペーストを提供することであ
る。

本発明のもう１つの目的は、きん青石型ガラスセラミッ
ク支持体または窒化アルミニウム支持体上に濃いフィル
ム回路要素を有する電子装置を提供することである。

本発明のさらにもう１つの目的は、シリコン半導体チッ
プと親和性のある支持体上に濃いフィルム回路要素を有
する電子装置を提供することである。

（発明の構成） 本発明の１つの面は、きん青石型ガラスセラミックまた
は窒化アルミニウムから成るセラミック支持体とその支
持体表面上の濃いフィルム回路要素とを含む電気部品で
あって、前記フィルムかガラスセラミックマトリックス
中に分散された導電性金属粉末から実質的に成り、前記
マトリックスか主要結晶相としてチタン酸鉛を含み、も
って前記回路要素の熱膨張率が支持体の熱膨張率と調和
することを特徴とする電気部品に関してである。

この金属粉末は、銅、または金、銀などの貴金属、ある
いは従来のＰｄ−Ａｇ混合物など、どのような導電性金
属であってもよい。それはフィルムの８２−９８．５％
を構成し、好ましくは約９０％を構成する。チタン酸鉛
ガラスセラミックは、６０−８０％のｐｂ　ｏ、少くと
も１％のＢ２Ｏ３，少くとも５％のＳｉＯ２（ここてＢ
、、０３＋Ｓｉ　Ｏ，、は］００２２０％、５−１８％
のＴｉＯ２，ＺｎＯとＢａＯから成る群より選択される
２０％までの２価金属酸化物および０−２％のＡｊ！ｚ
０３から成る。

本発明のもう１つの面は、回路要素を形成するために施
される金属化ペーストに関してである。

このペーストは、鉛−亜鉛−チタン−ホウ珪酸塩系統ま
たは鉛−バリウム−チタン−ホウ珪酸塩系統の組成を有
する１、５−１８％のガラス粉末と混合された鉛、また
は金、銀のような貴金属、あるいは従来のＰｄ−Ａｇ混
合物などの導電性金属８２−９８．５％から成る。ガラ
スは現場で結晶化されてチタン酸鉛の主要結晶相を与え
、混合された粉末は一時有機ビヒクル（ｔｅｍｐｏｒａ
ｒｙ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　）に分散され
る。

第］、２および３図に示された回路板は、回路板の上面
に焼成され、接点１４間を延在する濃いフィルム回路要
素１２を有する予備焼結した支持体１０を含んでいる。

］　１ 支持体１０は、小さい熱膨張率（はぼ３０Ｘ１０’／’
Ｃ）および比較的大きい熱伝導性を有する特に有用な材
料である窒化アルミニウムから構成されてもよい。もう
１つとして、支持体はきん青石型ガラスセラミックから
構成されてもよい。このきん青石型ガラスセラミックは
、はぼ３０Ｘ］０−７／’Ｃの小さい熱膨張率と５に近
い小さい誘電率を有している。

回路要素１２は、金属化ペーストとして従来の様に施さ
れる。金属化ペーストは、導電性金属とガラスフリット
の両方を３２５メツシユのスクリーンを通過するような
細粒状に減することによって調製される。次にこの細粒
材料はビヒクルと共にブレンドされ、ミルに通される。

このようにすることによって、支持体表面に施すのに適
した粘度を有する均質なペーストとなる。この有機ビヒ
クルは、焼成サイクル中に容易に蒸発しまたは焼き払わ
れるものである。

アルミナ支持体用に調合された市販の金属化ペストは、
新しい低膨張性支持体上に使用する際は満足のいくもの
ではなかった。このようなペストは、焼成した際に窒化
アルミニウムに接着しなかった。きん青石型ガラスセラ
ミックに対しての接着性は中程度であり、焼成されたペ
ーストは熱サイクル中に剥離する傾向があった。

代替フリットガラスの研究中、高い鉛酸化物含有量を有
するガラスのみが窒化アルミニウムを湿潤させる傾向が
あることを発見した。しかし、これらのガラスは通常、
比較的大きい熱膨張率を有し、従って低膨張性の支持体
とシールできない。

ある種のＰｂ　０−Ｚｎ　０−Ｔｉ　０２−Ｂ２０３Ｓ
ｊ０２ガラスが良好な極限接着性と共に良好な支持体湿
潤性を与えることを発見した。これらのガラスは結晶化
して、チタン酸鉛の主要結晶相を有するガラスセラミッ
クを形成する。このようなガラス粉末を加熱すると、結
晶化が十分に遅れることによって、ガラスか軟化し、再
び結晶化によってガラスが硬化する前に支持体を湿潤さ
せると考えられている。結晶化ガラスセラミックは基礎
ガラスよりずっと熱膨張率が小さく、従って支特休の熱
膨張率とより親和性を示す。

本発明の金属化ペーストの調製は伝統的な手順に従った
ものである。銅、銀、金、またはＰｄＡｇ混合物などの
選択された導電性金属を細かい粉末に粉砕する。また、
前述した系統から選択されるガラスフリットも粉砕する
。予め決められた割合の２つの粉末を有機ビヒクルと混
合し、スリローラーミル（ｔｈｒｅｅ　ｒｏｌｌｅｒ　
ｍ１ｌｌ　）を通ずなどして均質化する。そのｄ石肌点
と低蒸気圧のため、テルペンアルコール中のエチルセル
ロース溶液か好ましいビヒクルである。前記の特性はペ
ースＩ・施工中にビヒクルを保持させる傾向があり、そ
れによって処理か促進される。通常、ビヒクルはガラス
−金属配合物の１０−２５重量％である。

金属粉末とガラス粉末の混合物は、８２−９８．５％の
金属粉末と１８−１．５％のガラス粉末から構成されな
ければならない。８２％未満の金属では焼成回路要素の
抵抗が大きくなり過ぎる。また、ガラス質表面がはんだ
付適性に悪影響を与える。しかしなから、少くとも１．
５％のガラスが接着性を与えるために必要であり、約１
０％のガラス添加が好ましい。良好なはんだ付適性を得
るために、ＰｄＡｇ混合物か銅が習慣的に使用されてい
る。高い導電性がさらに重要な場合は、金か銅が好まし
い。

現場で結晶化してチタン酸鉛の主要結晶相を形成するガ
ラスフリットが米国特許第３，４８６，８７１号に開示
されている。そこに開示された組成系統は、６０−８０
％のｐｂ　ｏ、少くとも１％のＢ２　ｏ３．少くとも５
％のＳｉｎ、、（ここでＢ２Ｏ３−１−８ｔ０２は１０
−２０％）、５−１８％のＴｉＯ２，ＺｎＯとＢａＯか
ら成る群より選択される２０％までの２価酸化物、およ
び０−２％のＡ」２０３から実質的に成る。好ましいガ
ラスフリット組成は、バッチから酸化物ベースで計算し
た重量％で、６３％のＰｂ　０．１０％のＺｎＯ，７％
のＢ２Ｏ３，７％のＳ　ｉ　０２　、　１．　％（’）
Ａ　Ｉ！２０３および１２％（７）　Ｔ　ｉ　０２から
成る。

（実　施　例） 本発明を以下の実施例に基ついてさらに詳細に説明する
。

一連の導体インク（ｃｏｎｄｕｃｉｏｒ　ｉｎｋ　）を
、計量された量の粉末金属および粉末ガラスフリットを
スクリーニング媒体と共にブレンドすることによって調
製した。使用した金属材料は、直径約２ミクロンの球状
銅粒子と、平均直径的２．５ミクロンの粒子である市販
のＰｄ　−Ａｇ配合物であった。

各場合のスクリーニング媒体は、Ｅａｓｔｍａｎ　ｃｈ
ｃｍｊｃａｌ　Ｃｏｒｐから得られたＴｅｘａｎｏｌ　
というマークを持ったアルコール溶媒中に溶解した６重
量％のエチルセルロースであった。

金属、ガラスフリットおよびスクリーニング媒体の各組
合せをペーストへとブレンドしてスリーロールミルで約
５分間均質化した。このペーストを３２５メツシユスク
リーンを通してスクリーニングし、支持体に施して焼成
した。この支持体は、窒化アルミニウム（ＡｆＮ）また
は下記の組成を有するきん青石型ガラスセラミックの焼
結ストリップであった。

上記きん青石型ガラスセラミックの組成（重量％）Ｓｉ
Ｏ７：　５１．０％　　ＡＪ！２０３　　・２４．８％
Ｍｇ○　：　Ｌ３．１％　　Ｂａ　Ｏ：　３．１％Ｂ２
０３　　：　　１．４％　　ＺｎＯ：０．６％試験のた
め、ペーストを０．０８０　’　Ｘｏ、０８０″（０，
２０３０ｍＸ０．２０３　ｃｍ）のパッドとして施した
。

各試験片を赤外線焼きなまし炉（ｉｎｆｒａ−ｒｅｄ　
Ｉｃｈｒ）において、２′／分（５ｃｍ　／分）のベル
トスピードと８５０℃のピーク温度を用いて約３０分間
焼成した。Ｐｄ−Ａｇ試料は空気中で焼成し、鋼試料は
１５ｐｐｍの酸素を含む窒素雰囲気中で焼成した。

３つの異ったガラスフリットを使用した。各々は熱結晶
化してチタン酸鉛結晶相を生じ得るものであった。酸化
物ベースの重量％で計算したフリット組成を表１に示す
。

表 表 Ｓｉ　　Ｏｚ　　　　　　　７．０　　　　　７．５５
　　　１２．５Ｐｂ　　Ｏ６３，０６７，９６５，９ Ｂ２　０３　　　　　　７．０　　　　　７．６　　　
　　１．ＢＺｎ　　０　　　　　　　１０．０　　　　
　４．９５　　　　０．ＯＴｉ　　Ｏｚ　　　　　　　
１２．０　　　　１２．０　　　　１８．０ＡＪ２２　
０３　　　　　１．０　　　　　０．０　　　　　０．
０ＡＢＣＤＥＦＧ 銅　　　　　３０　３０　３０　３０　３０Ｐｃｔ−Ａ
ｇ　　　　−−−−−−−３０３０フリツト１　　　６
９３　−−３ フリツト２　　−−−６−−−３ フリツト３−ｍ−−６ ビヒクル　　　　６６６６６６に れらのガラスフリットを種々の割合で銅またはＰｄ　−
Ａｇ粉末およびスクリーニング媒体と混合し、金属化ペ
ーストを形成した。表２に示す重量部での割合を有する
組成とすべく７つの混合物を調製した。

各ペースト混合物をＡｆ！Ｎときん青石型支持体の両方
に施して支持体上のパッドを形成した。これらのパッド
を焼成し、２０ゲージの銅ワイヤが支持体に平行にパッ
ドの中心を横切ってクリップされた接着金属化パッドを
形成した。各ワイヤーパッドの組合せをフラックスしく
ｆｌｕｘｅｄ）　、２２０°Ｃで６０％錫−４０％鉛の
はんだ中に浸漬した。

はんだ付ワイヤリードを１２５℃から一５５℃の間で１
０回サイクルさせた。各サイクルは約９０分かかった。

各ワイヤリードを金属化パッドから０．０５０　’　　
（０１，３ｃｍ）の点で支持体に対して９０°曲げた。

リードを１ｎｓｔｒｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　ＴＭＳの器具を
用いて０．５ｃｍ１分の割合で引張った。各支持体上の
ワイヤを剥離させるのに必要な平均の力（Ｉｂｓ）を表
３に示した。データは５回以上の引張試験の平均である
。

表　　　３

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る簡単な回路板の平面図、第２図は
第１図の側面図、 第３図は第１図の線３−３に沿って切断した断面図であ
る。 組成 支持体 窒化アルミニウム　きん−１石型 ４．３　　　　　　４．３ ３．８　　　　　　３．０ ５．２　　　　　　３．９ ２．６　　　　　　３．９ ＋、、０　　　　　　２．６ ４．２　　　　　　３．４ ４．０　　　　　　１．０ 試験した他のフリット系は３１ｂｓ未満の剥離試験値を
示した。 ど１２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）きん青石型ガラスセラミックまたは窒化アルミニウ
   ムから成るセラミック支持体とその支持体表面上の濃い
   フィルム回路要素とを含む電気部品であって、前記フィ
   ルムがガラスセラミックマトリックス中に粉末として分
   散された導電性金属から実質的に成り、前記マトリック
   スが主要結晶相としてチタン酸鉛を含み、もって前記回
   路要素の熱膨張率が支持体の熱膨張率と調和することを
   特徴とする電気部品。 ２）前記支持体が窒化アルミニウムから成ることを特徴
   とする請求項１記載の電気部品。 ３）前記支持体がきん青石型ガラスセラミックから成る
   ことを特徴とする請求項１記載の電気部品。 ４）前記導電性金属がパラジウム−銀混合物であること
   を特徴とする請求項１記載の電気部品。 ５）前記導電性金属が銅であることを特徴とする請求項
   １記載の電気部品。 ６）前記導電性金属が前記フィルムの８２−９８．５％
   を構成することを特徴とする請求項１記載の電気部品。 ７）前記導電性金属含有量が約９０％であることを特徴
   とする請求項６記載の電気部品。 ８）前記ガラスセラミックマトリックスが、ガラスバッ
   チから酸化物ベースで計算した重量％で、６０−８０％
   のＰｂＯ，少くとも１％のＢ＿２Ｏ＿３，少くとも５％
   のＳｉＯ＿２（ここでＢ＿２Ｏ＿３＋ＳｉＯ＿２は１０
   −２０％），５−１８％のＴｉＯ＿２，ＺｎＯとＢａＯ
   から成る群より選択される２０％までの２価金属酸化物
   ，および０−２％のＡｌ＿２Ｏ＿３から実質的に成るこ
   とを特徴とする請求項１記載の電気部品。 ９）前記選択される２価金属酸化物がＺｎＯであること
   を特徴とする請求項８記載の電気部品。 １０）前記ガラスセラミックマトリックスが６３％のＰ
   ｂＯ，１０％のＺｎＯ，７％のＢ＿２Ｏ＿３，７％のＳ
   ｉＯ＿２，１２％のＴｉＯ＿２，および１％のＡｌ＿２
   Ｏ＿３から成ることを特徴とする請求項８記載の電気部
   品。 １１）鉛−亜鉛−チタン−ホウ珪酸塩系統あるいは鉛−
   バリウム−チタン−ホウ珪酸塩系統の組成を有する１８
   −１．５％のガラス粉末と混合された、銅，Ｐｄ−Ａｇ
   混合物および貴金属から成る群より選択される８２−９
   ８．５％の導電性金属粉末を含む金属化ペーストであっ
   て、前記ガラス粉末は、チタン酸鉛の主要結晶相を与え
   るべく現場で熱結晶化でき、前記混合された粉末は一時
   有機ビヒクルへブレンドされることを特徴とする金属化
   ペースト。 １２）前記金属粉末がＰｄ−Ａｇ混合物であることを特
   徴とする請求項１１記載の金属化ペースト。 １３）前記金属粉末が銅であることを特徴とする請求項
   １１記載の金属化ペースト。 １４）前記ガラス粉末が約１０％の金属−ガラス混合物
   であることを特徴とする請求項１１記載の金属化ペース
   ト。 １５）前記ガラスが、バッチから酸化物ベースで計算し
   た重量％で、６０−８０％のＰｂＯ，少くとも１％のＢ
   ＿２Ｏ＿３，少くとも５％のＳｉＯ＿２（ここでＢ＿２
   Ｏ＿３＋ＳｉＯ＿２は１０−２０％），５−１８％のＴ
   ｉＯ＿２，ＺｎＯとＢａＯから成る群より選択される２
   ０％までの２価金属酸化物，および０−２％のＡｌ＿２
   Ｏ＿３から実質的に成ることを特徴とする請求項１１記
   載の金属化ペースト。 １６）前記選択される２価金属酸化物がＺｎＯであるこ
   とを特徴とする請求項１５記載の金属化ペースト。 １７）前記ガラスが６３％のＰｂＯ，１０％のＺｎＯ，
   ７％のＢ＿２Ｏ＿３，７％のＳｉＯ＿２，１２％のＴｉ
   Ｏ＿２，および１％のＡｌ＿２Ｏ＿３から成ることを特
   徴とする請求項１５記載の金属化ペースト。