JPH04277406A - 銅導体ペースト - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス等の絶縁
性基板上に銅厚膜の電極および配線パターンを形成させ
るための銅導体ペーストに関し、さらに詳しくはそのよ
うな絶縁性基板に対する接着強度が極めて高い銅厚膜の
電極および配線を形成させるための銅導体ペーストに関
する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス、セラミックス等の絶縁性基板上
にスクリーン印刷法もしくは直接描画法などで導体ペー
ストを塗布し焼成することで電極および配線を形成する
厚膜技術において、従来のＡｇ／Ｐｄ　系導体ペースト
に代わり、抵抗・誘電率がともに低いため微細回路の配
線が形成可能な銅導体ペーストが用いられる傾向にある
ことは周知の事実である。銅導体ペーストは銅粉末とガ
ラスフリットとをビヒクル中に分散させてなるものであ
る。

【０００３】ここに、銅粉末は焼成時に焼結することで
導体厚膜を形成するものであり、これまで導体ペースト
用の銅粉末としては粒度０．３　μｍから１０μｍ　の
銅粉末が用いられている。ガラスフリットはこの導体厚
膜を基板に接着させる作用があり、焼成時に溶融して銅
粉末間から基板界面へ流動することで銅厚膜を基板に接
合させている。すなわち、ガラスフリットが基板上に突
起状に固着することで銅厚膜と機械的な噛み合わせによ
るアンカー結合をしているのである。ビヒクルは銅粉末
とガラスフリットをペースト化して印刷可能にするため
の有機液体媒体であり、樹脂を溶剤に溶解したものであ
るため焼成時に揮発・燃焼して焼失する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述したように銅導体
ペーストの特徴は銅の優れた電気的特性から例えば線間
距離７５μｍ　という微細回路の形成が可能であること
であるが、得られる銅厚膜導体と基板との接着強度が充
分でないためにマウント工程でのチップの取り付け歩留
りが低く実用化には至っていない。すなわち、微細回路
を形成するにはチップをはんだ付けする銅導体のパッド
部も小さくする必要があるのであるが、パッド部の面積
が減少すると基板との接着力もそれだけ低下するのでマ
ウント工程においてチップが基板からはがれてしまうと
いう事態が起こり易くなってしまいチップの取り付け歩
留りが低下するのである。

【０００５】したがって、銅厚膜導体による微細回路形
成時におけるマウント工程でのチップの取り付け歩留り
の向上には単位面積当りの銅導体の基板に対する接着強
度を高くしなければならない。以上の点に鑑み、本発明
は基板に対する接着強度の高い銅厚膜導体が形成可能な
銅導体ペーストを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
、本発明者は鋭意研究の結果、チップのマウント工程に
おける歩留り低下原因を調べ、その際の銅厚膜の剥がれ
メカニズムについて次のような知見を得た。 （１）　銅導体ペーストを用いて基板上に形成された銅
厚膜は、基板上に固着したガラスフリットにより結合さ
れている。つまり、基板からガラスの突起物が銅厚膜内
に食い込んだ構造になっており、銅厚膜はガラスにより
基板と機械的な噛み合わせによるアンカー接合をしてい
る。

【０００７】（２）　銅とガラスとでは熱膨張率が異な
るので、ガラスの突起は銅厚膜によりタイトに締め付け
られて、ガラス内には応力がかかっている。この結果、
ガラス内にはクラックが発生・伝播しやすい状態になっ
ているためにかなり脆くなっている。このときに銅厚膜
に垂直上方の引張力が加わるとガラスは容易に破壊する
ので銅厚膜が剥がれてしまう。 （３）　したがって、銅厚膜の基板に対する接着強度を
改善するには、ガラスに加わっている応力を緩和させる
ことが有効である。

【０００８】かくして、銅粉末の粒度分布を調整して、
厚膜の結晶構造を制御することにより基板との接着強度
が向上することを見い出し、本発明を完成するに至った
。

【０００９】なお、従来にあっても、基板に対する接着
強度を高めるため、２種類の粒度分布を持つ銅粉末を配
合した導体ペーストが提案されている　（特開平１−１
９６１９２号公報）　。しかしながら、上記公報開示の
方法では、平均粒径１．２　μｍ　以上である銅粉が３
０〜６０重量％と平均粒径０．９　μｍ　以下である銅
粉７０〜４０重量％とを混合して成るものであるが、実
体的には平均粒径は高々３．４　μｍ　程度であって、
しかも剥離強度（ＤｕＰｏｎｔ　法によるビール強度）
　も高々２．７　Ｋｇ／４ｍｍ２　であって、本発明の
目的を到底満足することはなく、その他の特性において
も微細回路に使用するためには、充分な特性を有してい
るとはいえなかった。

【００１０】また、特開昭６０−７０７４６　号公報に
は銅粒子として１０μｍ　以下の最大粒径および２　〜
４　μｍ　の平均粒径を有するものを使用することが開
示されているが、これは好適な焼結、有機媒質の完全な
燃焼および好ましいスクリーン印刷性を得るためであり
、特定粒度分布の銅粉を二種組み合わせて使用すること
と基板に対する接着強度改善との相関については何らの
認識もない。

【００１１】ここに、本発明は、導電粒子としての銅粉
末を、ガラスフリットと共にビヒクル中に分散して成る
導体ペーストであって、該銅粉末が粒径０．３　μｍ　
以上５μｍ未満の銅粉末が７０重量％から９０重量％と
粒径５μｍ　以上１０μｍ　以下の銅粉末が３０重量％
から１０重量％とからなることを特徴とする銅導体ペー
ストである。本発明の好適態様によれば、上記銅粉末１
００　重量部に対し２重量部以下の金属酸化物が添加さ
れてもよい。

【００１２】

【作用】本発明の構成と作用をさらに具体的に説明する
。本発明にかかる銅導体ペーストを用いて基板上に形成
された銅厚膜は、基板上に固着したガラスフリットによ
り結合されている。つまり、基板からガラスの突起物が
銅厚膜内に食い込んだ構造になっており、銅厚膜はガラ
スにより基板と機械的な噛み合わせによるアンカー接合
をしているのである。しかしながら、すでに述べたよう
に、かかる形態の接合であるため、ガラス内には応力が
かかった状態となっている。そこで、本発明にあっては
そのような応力を分散させるべく大径粒子と小径粒子と
の特定の組み合わせを採用するのである。

【００１３】すなわち、本発明においては、銅粉末とし
て粒径０．３　μｍ　以上５μｍ　未満の銅粉末が７０
重量％から９０重量％および粒径５μｍ　以上１０μｍ
　以下の銅粉末が３０重量％から１０重量％となるから
銅粉末を用いることにより、銅厚膜内にポアを均一に分
散させることによりガラスに加わる応力が緩和されるの
で接着強度が改善されるのである。粒径が０．３　μｍ
　未満の銅粉末は著しく焼結収縮するので厚膜内に大き
なクラックが入ってしまい、他方、粒径が１０μｍを超
える銅粉末は微細線の印刷ができない欠点があるので、
使用が制限される。

【００１４】一方、粒径０．３　μｍ　以上５μｍ　未
満の銅粉末が９０重量％を超え、あるいは粒径５μｍ　
以上１０μｍ　以下の銅粉末が１０重量％未満の銅粉末
配合では緻密に焼結した厚膜になってしまうのでガラス
に加わる応力が大きくなり上述の理由より接着強度は低
下する。逆に、粒径０．３　μｍ　以上５μｍ　未満の
銅粉末が７０重量％未満、もしくは粒径５μｍ　以上１
０μｍ　以下の銅粉末が３０重量％を超える銅粉末配合
では充分に焼結せずポアの存在率が多すぎて導電抵抗が
高い上にハンダ濡れ性も悪く、さらに、銅厚膜上にハン
ダを濡らしてエージングした際にハンダのＳｎが銅厚膜
内のポアを通して拡散してＣｕ−Ｓｎ化合物を形成する
ので接着強度が低下するので好ましくない。

【００１５】本発明に用いられる銅粉末の粒子形状は特
に制限はないがスクリーン印刷性の点から球状に近いも
のが好ましい。また、銅粉末の表面状態についても制限
はなく銅粉末の焼結を阻害しない程度に酸化していても
、あるいは保存中に酸化進行を防ぐために防錆処理を施
してあってもなんら差し支えない。

【００１６】本発明では公知のガラスフリットが使用可
能である。たとえばＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラ
スに、亜鉛、アルミニウム、カドミニウム等の金属を加
えたガラス系が使用可能である。なお、ガラスフリット
の添加量が多ければ接着強度は増大する傾向にあるが、
過剰のガラスフリットの添加は銅厚膜のハンダに対する
濡れ性を著しく低下させるので適量添加する。好ましく
は銅粉末１００　重量部に対して２重量％から５重量％
である。本発明に用いられるビヒクルとしては公知のビ
ヒクルが使用可能である。たとえば、アクリル樹脂もし
くはセルロース樹脂をテルピネオール等の溶剤に溶解さ
せたものを使用すればよい。

【００１７】本発明にかかる銅導体ペーストにはエージ
ングによる接着強度の低下を防ぐために金属酸化物を添
加してもよい。そのような目的で添加される代表的な金
属酸化物としては、酸化銅が挙げられる。その他酸化亜
鉛、酸化カドミニウムのようなものであってもよい。な
お、金属酸化物の過剰量の添加は銅粉末の焼結を阻害し
、銅厚膜のハンダに対する濡れ性を著しく低下させるの
で適量添加しなければならない。好ましくは銅粉末１０
０　重量部に対して２重量％以下である。

【００１８】本発明の導体ペーストはアルミナ等の全て
のセラミックス基板に適用可能である。本発明にかかる
銅導体ペーストの焼成温度は６００　℃から９５０　℃
であることが好ましい。６００　℃未満では銅粉末が焼
結せず、９５０　℃を超えると銅粉末の焼結が進行し過
ぎてポアが消滅した緻密な厚膜になるからである。本発
明の導体ペーストの焼成雰囲気は一般に行われている窒
素雰囲気下で行うことができる。

【００１９】

【実施例】本発明を具体的に実施例により説明する。表
１の組成割合で調整した各導体ペーストを純度９６％の
アルミナ基板上にスクリーン印刷機で適当なパターンに
印刷を行い、１２０　℃で１０分間乾燥した後、窒素雰
囲気中で、ベルト炉においてピーク　７５０℃×１０分
を含む１サイクル７０分の条件で焼成を行い膜厚２０μ
ｍ　の銅厚膜導体を得た。このようにして得られた各銅
厚膜導体の導体特性評価を行った。

【００２０】まず、導電性については、導体特性値の測
定により評価した。具体的には４端子抵抗測定値および
銅厚膜の線幅・膜厚値よりシート抵抗値を求めた。接着
強度については、２ｍｍ角の銅厚膜を２３０　±３℃の
温度に維持した６３％Ｓｎ−３７％Ｐｂハンダ槽に３±
０．５　秒間浸漬した後、その上に０．６　ｍｍφスズ
メッキ導線をハンダゴテにてハンダ付けした。スズメッ
キ導線を被膜端部より１ｍｍの位置で９０度曲げて基板
と垂直とし、基板を固定した状態で引張試験機により１
０ｃｍ／ｍｉｎの速度でスズメッキ導線を引張り、スズ
メッキ導線が基板から剥がれたときの接着強度を測定し
た。接着強度は、ハンダ付け直後の値　（初期強度）　
、および１５０　℃で１０００時間エージングした後の
値　（エージング強度）　をそれぞれ測定した。

【００２１】次に、ハンダ濡れ性については、焼成部品
を２３０　±３℃の温度に維持した６３％Ｓｎ−３７％
Ｐｂハンダ槽に３±０．５　秒浸漬し、４ｍｍ角の銅厚
膜上に被着したハンダの被覆率を目視で測定した。測定
結果を同じく表１にまとめて示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１の結果からも分かるように、比較例１
、２のように銅粉末の組み合わせが本発明の範囲を外れ
る場合には所期の特性は得られないことが分かる。特に
、比較例２は粒径５　μｍ　以下の銅粒子を使用してお
り、これは前述の特開平１−１９６１９２号公報に開示
された導体ペーストに相当するものであって、接着強度
が十分でない。

【００２４】

【発明の効果】本発明にかかる銅導体ペーストを用いて
形成した銅厚膜導体は基板との接着強度ならびに導電性
が高く、ハンダ濡れ性にもすぐれているので例えば７５
μｍ　という線間距離を持った微細回路の配線が可能と
なり、産業上極めて有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　導電粒子としての銅粉末を、ガラスフ
   リットと共にビヒクル中に分散して成る導体ペーストで
   あって、該銅粉末が粒径０．３　μｍ　以上５μｍ　未
   満の銅粉末が７０重量％から９０重量％と粒径５μｍ　
   以上１０μｍ　以下の銅粉末が３０重量％から１０重量
   ％とからなることを特徴とする銅導体ペースト。
2. 【請求項２】　　銅粉末１００　重量部に対し２重量部
   以下の金属酸化物が添加された請求項１記載の銅導体ペ
   ースト。