JPH03141502A - 低温焼成型銅ペースト組成物 - 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） 本発明は銅ペースト組成物、特に５５０〜７５０°Ｃで
の低温焼成に適した銅ペースト組成物に関する。

（従来の技術および背景） セラミック基板上で焼成し厚膜回路として利用される銅
ペーストの中で、低温焼成用としては、特開昭６２−１
１０２０２号公報に伝導体エレメントに関する発明が開
示されている。上記公報に記載された伝導体エレメント
は、０．２重量％以上の酸素を含有する金属銅粉（ａ）
と、この金属銅粉（ａ）に対して１５重量％以下の酸化
銅粉（ｂ）と、無機結合剤中に上記金属銅粉（ａ）上の
酸化銅粉（Ｃ）に対する重量比が５０％以下の酸化銅粉
（ｄ）を有し、金属銅粉（ａ）　１００重量部に対する
酸化銅粉（ハ）、（Ｃ）、（ｄ）の合計量が１５重量部
以下である組成物を有機ビヒクルと混練りしてセラミッ
ク基板上で焼成せしめるものである。そして同公報には
、金属銅粉（ａ）中の酸素および酸化銅粉（ｂ）、（Ｃ
）、（ロ）中の酸素の目的は、有機ビヒクル中の有機樹
脂分の燃焼のための酸素補給源である旨が記載されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） 一般に、銅ペーストにおいて、酸化銅を添加物として用
いることは公知である。そして、高温焼成（８５０〜１
０００°Ｃ）においては、酸化第一銅でも、酸化第二銅
でも、セラミック基板との間に等しくケミカルボンドを
形成するため、両者は区別する必要はない。しかし、後
記するように、低温焼成においては、酸化第一銅と酸化
第二銅の半田濡れ性、初期接着強度およびエージング後
の強度に対する効果が異なる。

従って、従来の技術のように、両者を含めた酸化銅全体
として配合比率を議論しても意味がない。

そして、銅粉中の酸素は、酸化第二銅ではなく酸化第一
銅の形で存在し、この酸化第一銅は酸化剤として作用し
て有機ビヒクルの燃焼に直接的に寄与するものではなく
、過多に含まれると銅粉の焼結性を阻害するものである
。従って、従来技術のように、酸素含有量が０．２重量
％以上の銅粉を用いた銅ペーストでは、低温焼成の焼結
が不十分で、その結果半田耐性が悪くなり、特に、エー
ジング後の強度が著しく劣化する。

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みて
なされたものであり、その目的は、低温焼成における焼
結性が高く、半田濡れ性が良好で、初期接着強度および
エージング後の強度が高い銅ペースト組成物を提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明の要旨は、銅粉、酸化
第一銅粉、酸化第二銅粉およびガラス粉を主成分とする
無機成分と有機ビヒクル成分からなる銅ペースト組成物
において、無機成分の配合が、銅粉１００重量部に対し
て酸化第一銅粉が１０〜１５重量部、酸化第二銅粉が１
２〜１７重量部およびガラス粉が７〜１２重量部であり
、且つ該配合を有する無機成分が９５〜７０重量部で有
機ビヒクル成分が５〜３０重量部であることを特徴とす
る銅ペースト組成物を第一の発明とし、 上記第一の発明において、銅粉の平均粒径が０．５〜３
μｍで且つ酸素含有量が０．０５〜０．１５重量％であ
ることを特徴とする銅ペースト組成物を第二の発明とす
る。

上記酸素量を有する銅粉は、例えば、酸化第一銅をヒド
ラジンで還元し、さらに水素還元することによって得る
ことができる。

また、酸化第一銅粉の平均粒径は、後記する理由により
、０．５〜５μｍの範囲が好ましく、０．５〜２μｍの
範囲が特に好ましい。

そして、酸化第二銅粉の平均粒径については特に限定は
必要ないが、０．５〜５μｍの範囲が好ましい。

また、ガラス粉末の軟化点は後記する理由により、３０
０〜６００℃が好ましく、３００〜５５０℃が特に好ま
しい。ガラス粉末の平均粒径については特に限定は必要
ないが、１〜１０μｍの範囲が好ましい。

さらに、有機ビヒクルとしては、−船釣に使用されてい
る有機ビヒクルを用いることができるが、有機ビヒクル
中の樹脂量は、後記する理由により、有機ビヒクル１０
０重量部に対して１０重量部以下が好ましい。樹脂とし
ては、エチルセルロース、アクリル樹脂、メタクリル樹
脂、テルペン系樹脂などの樹脂を好適に使用できる。そ
して、？容剤としては、テルピネオール、Ｃ１ｏ−Ｃ＋
ｌ＋の高級アルコール、可塑剤としては、ジブチルフタ
レートなどを好適に使用できる。

上記の必須成分以外の添加剤としては、無機酸化物とし
て、酸化バナジウム、酸化鉛、酸化アンチモンなどを銅
粉１００重量部に対して５重量部以下セ添加することが
できる。そして、ペーストの安定性を維持するための分
散剤、増粘剤等の界面活性剤を必要に応じて添加するこ
とができる。

ペーストの作製方法としては、所定量の成分を万能混合
撹拌機でペースト状になるまで撹拌した後、３本ロール
ミル機で分散を繰り返すのが一般的である。

このようにして作製したペーストから厚膜回路を得る方
法としては、上記ペーストをスクリーン印刷機などで基
板（−船釣にはアルミナ類のものが多い）上に適正なパ
ターン形状で印刷し、乾燥後Ｎ２雰囲気ベルト炉中で、
４０〜６０分のサイクルでピーク温度５５０〜７５０℃
、好ましくは５８０〜６５０°Ｃでピーク保持時間５〜
１０分の条件で焼成すればよい。

（作用） 銅ペーストの低温焼成において留意すべきは、焼結性を
高めることと有機ビヒクルの揮散を容易にすることであ
る。そして、このためには、銅粉中の酸素含有量が適正
範囲にあることが必要である。すなわち、銅粉中の酸素
含有量が０゜１５重量％を超えると焼結が不十分となり
、その結果、半田濡れ性が悪くなり、エージング後の強
度低下が著しくなる。一方、酸素含有量が０．０５重量
％未満である銅粉の製造は困難で実用的でない。

このような酸素量を有する銅粉の平均粒径としては０．
５〜３μｍの範囲にあることが必要で、３μｍを超える
と焼結が不十分となり、０．５μｍ未満ではペースト化
が困難であると共に有機ビヒクルの揮散が不十分となる
ので好ましくない。

酸化第一銅は銅との親和性が強いため、焼結助剤として
機能すると共に焼結後は焼結粒界に存在して半田の侵入
を防止し、さらに一部は基板と反応してケミカルボンド
を形成して接着強度を高める作用をする。このためには
、酸化第一銅粉は銅粉１００重量部に対して１０重量部
以上添加する必要がある。しかし、酸化第一銅粉の添加
量が１５重量部を超えると半田濡れ性が悪くなり、エー
ジング後の強度が低下する。

そして、酸化第一銅粉の平均粒径が粗くなり過ぎると上
記したような作用・効果を奏することが困難となるので
、５μｍ以下とするのが好ましく、２μｍ以下とするの
が特に好ましい。

また、酸化第二銅は焼成過程において有機ビヒクルに酸
素を補給し自らが還元されることによって有機ビヒクル
の燃焼を助長するものである。このためには、酸化第二
銅粉は銅粉１００重量部に対して１２重量部以上添加す
る必要がある。しかし、酸化第二銅粉の添加量が１７重
量部を超えると銅粉の焼結を阻害するので好ましくない
。

ガラス粉末は基板表面を濡らし、液相焼結によって銅粉
の焼結を容易ならしめるものである。

このため、ガラス粉末は銅粉１００重量部に対して７〜
１２重量部添加するのが好ましい。そして、適当な濡れ
性を有するガラス粉末としては、軟化点６００°Ｃ以下
のものが好ましく、５５０゛Ｃ以下の軟化点を有するも
のが特に好ましい。

また、無機成分に対する有機ビヒクル成分の量はビヒク
ルの種類によって異なるが、有機ビヒクルを完全に揮散
せしめるためには、無機成分９５〜７０重量部に対する
有機ビヒクル成分の比率は５〜３０重量部とすべきであ
る。そして、濡れ性を増し、且つ有機ビヒクルの揮散を
確実にするためには、有機ビヒクル１００ｉｉｔ部に対
して樹脂量は１０重量部以下とするのが好ましい。

（実施例） 以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例により何等限定されるものではない。

表１に示した配合のペーストを９６％アルミナセラミッ
ク基板にスクリーン印刷機を用いて適当なパターンで印
刷し、１２０°Ｃで１０分間、乾燥させた。その後、窒
素雰囲気中で、ピーク焼成温度６００°Ｃ、ピーク保持
時間１０分間、昇温−降温のサイクル時間６０分間およ
びバーンアウトゾーンの０□濃度５　ｐｐｍの条件で焼
成を行った。このようにして得られた導体について、以
下のような方法で、半田濡れ性、初期接着強度、エージ
ング後の接着強度を測定した。

この測定結果を表３に示す。なお、表２には表１に示し
た各素材の詳細を示す。

〔半田濡れ性〕

フラックス（タムラ化研製ＸＡ−１００）を付けたサン
プルを２３０±５°Ｃの半田槽に５±０．５秒間浸漬し
て引き上げた時の１０個の導体パッド（各パッドの寸法
＝２ｍｍＸ２ｍ）の半田濡れ面積の平均値を測定し、９
０％以上を合格、９０％未満を不合格とした。

〔初期接着強度〕

フラックスを付けたサンプルを２３０±５°Ｃの半田槽
に５±０．５秒間浸漬し、次いで、直径０．６５ｍｍの
錫メツキ銅線を半田ゴテにて２鵬×２　ｍｍの導体パッ
ド８個に、添付図に示すように取りつけた。図において
、１は基板、２は導体パッド、３は銅線、４は半田であ
る。

そして、半田付けされた銅線３を引張試験機を用いて１
０ｍｍ／ｓｅｃの速度で基板１に対して直角方向に引張
り（図の矢印方向）、基板１から導体パッド２が剥離す
るときの強度を測定した。そして、８個の測定値の平均
値が３ｋｇ以上で且つ最低値が２．５ｋｇ以上を合格と
した。

〔エージング後の接着強度〕

初期接着強度を測定する場合と全く同じようにして銅線
を取りつけた基板を１５０°Ｃの恒温槽に２５０時間放
置した後の強度を上記と同様の方法で測定した。そして
、８個の測定値の平均値が２．５ｋｇ以上で且つ最低値
が２．０ｋｇ以上を合格とした。

表３より、以下の点が明らかである。

１）実施例１〜１０は、本発明の範囲内の平均粒径、酸
素含有量を有する銅粉に対して、酸化第一銅粉、酸化第
二銅粉およびガラス粉を適正量配合し、且つ無機成分と
有機ビヒクル成分との比率が適正であるので、有機ビヒ
クルの揮散が完全で且つ銅粉の焼結が十分になされ、そ
の結果、半田濡れ性が良好で、初期接着強度およびエー
ジング後の強度が高（、これらすべての特性値が合格レ
ベルである。

２）比較例１は酸化第一銅の配合量が本発明の下限値よ
り少ないので、初期接着強度およびエージング後の強度
のいずれもが低く、合格レベルに達していない。

３）比較例２は酸化第二銅の配合量が本発明の下限値よ
り少ないので、有機ビヒクルの揮散が不十分で半田濡れ
性が不合格である。その結果、初期接着強度およびエー
ジング後の強度のいずれもが低く、合格レベルに達して
いない。

４）比較例３には酸化第二銅が全く配合されていないの
で有機ビヒクルが揮散せず、半田濡れ性が極めて悪く不
合格である。その結果、初期接着強度およびエージング
後の強度のいずれもがかなり低く、不合格である。

５）比較例４には酸化第一銅が全く配合されていないの
で、初期接着強度およびエージング後の強度のいずれも
が極めて低く、不合格である。

６）比較例５は酸化第一銅の配合量が本発明の上限値よ
り多いので、半田濡れ性が不合格で、エージング後の強
度も低く不合格である。

なお、本発明に係る銅ペースト組成物は厚膜回路のほか
、各種コンデンサーなどのセラミック部品の電極材料と
しても好適に利用できる。

（発明の効果） 本発明の範囲内の酸素含有量および平均粒径を有する銅
粉を用いて、この銅粉に対する、酸化第一銅粉、酸化第
二銅粉およびガラス粉の配合量ならびに無機成分に対す
る有機ビヒクル成分の比率を本発明の範囲内に規制する
ことにより、半田濡れ性が良好で、初期接着強度および
エージング後の接着強度の高い、実用上極めて有用な銅
ペースト組成物を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は、接着強度の測定方法を説明する図である。 １・・基板、２・・導体パッド、３・・銅線、４・・半
田

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）銅粉、酸化第一銅粉、酸化第二銅粉およびガラス粉
   を主成分とする無機成分と有機ビヒクル成分からなる銅
   ペースト組成物において、無機成分の配合が、銅粉１０
   ０重量部に対 して酸化第一銅粉が１０〜１５重量部、酸化第二銅粉が
   １２〜１７重量部およびガラス粉が７〜１２重量部であ
   り、且つ該配合を有する無機成分が９５〜７０重量部で
   有機ビヒクル成分が５〜３０重量部であることを特徴と
   する銅ペースト組成物 ２）銅粉の平均粒径が０．５〜３μｍで且つ酸素含有量
   が０．０５〜０．１５重量％であることを特徴とする請
   求項１記載の銅ペースト組成物