JP4298558B2

JP4298558B2 - 低温焼成セラミック多層回路基板用導電性ペースト及びその導電性ペーストを用いた低温焼成セラミック多層回路基板

Info

Publication number: JP4298558B2
Application number: JP2004095369A
Authority: JP
Inventors: 博越智; 晋一小倉; 仁人西川
Original assignee: Kyoto Elex Co Ltd
Current assignee: Kyoto Elex Co Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005285956A

Description

本発明は高密度配線回路基板の製造に用いられる低温焼成セラミック多層回路基板の導体材料として使用される導電性ペースト及びその導電性ペーストを用いた低温焼成セラミック多層回路基板に関する。

高密度配線回路基板としてセラミック多層回路基板が幅広く用いられている。そのセラミック多層回路基板は一般にセラミックグリーンシート積層法によって、例えば、次のような手順で製造されている。

まず、複数枚のセラミックグリーンシートに層間接続用のビアホールをパンチング、レーザー加工などで形成した後、それぞれのグリーンシートのビアホールに導電性ペーストを穴埋め印刷にて充填してビア導体を形成し、その後配線パターンをスクリーン印刷する。さらに、その複数枚のセラミックグリーンシートを積層・圧着し、焼成してセラミック多層回路基板が製造される。

現在用いられているセラミック多層回路基板は、アルミナ等の１３００℃以上で焼成される高温焼成セラミック多層回路基板と、約１０００℃以下で焼成される低温焼成セラミック多層回路基板に大別される。

導体材料として、高温焼成セラミック多層回路基板用としては、Ｍｏ、Ｗ等が用いられているが、還元雰囲気あるいは不活性雰囲気で焼成しなければならず、導通抵抗も比較的高い。

一方、低温焼成セラミック多層回路基板用としては、電気抵抗値の低いＡｇ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄなどが利用できるので、電気特性に優れており、空気中で焼成できるという利点がある。例えば、Ａｇ系導電性ペーストとしては、特許文献１と特許文献２に開示されている。
特開平８−２７４４３３号公報特開平６−９７６６７号公報

配線パターンをスクリーン印刷する場合、特許文献１に記載された導電性ペーストでは、ライン幅８０μｍ、ライン間隔８０μｍが印刷の限界であり、特許文献２に記載された導電性ペーストでは、ライン幅１００μｍ、ライン間隔１００μｍが印刷の限界であり、それらのライン幅とライン間隔では、基板の高密度配線化に伴うファインライン印刷の要求を満足することはできない。

ファインライン印刷を達成するには、Ａｇ粒子径が小さいことは有利であるが、単にＡｇ粒子径を小さくするだけでファインライン印刷が可能になるわけでは無く、ペースト中に分散しているＡｇ粒子の滑り安さや凝集の度合いによって印刷性は大きく変わってくる。

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って、その目的は、４５μｍ以下のライン幅とライン間隔を有するファインライン印刷が可能な低温焼成セラミック多層回路基板用導電性ペースト及びその導電性ペーストを用いた低温焼成セラミック多層回路基板を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の低温焼成セラミック多層回路基板用導電性ペーストは、平均粒径が０．３〜３．０μｍのＡｇ粒子に含まれる一次粒子および二次粒子の中の８μｍ以上のものを除去し、且つその表面を平滑化処理したＡｇ粒子を有機ビヒクル中に均一に分散させてなる低温焼成セラミック多層回路基板用導電性ペーストにおいて、Ａｇ粒子８５重量部に対してＳｉ（ＯＨ） ₄を０．０５〜０．５重量部添加したことを特徴としている。

本発明において、一次粒子とは、単一分散した１個のＡｇ粒子をいい、二次粒子とは、単一分散した１個のＡｇ粒子が２個以上凝集したものをいう。

導電性ペーストにおける導体粉末と有機ビヒクルとの割合は、一般的な配合割合が採用できる。例えば、重量比で、導体粉末：有機ビヒクル＝７０：３０〜９０：１０を採用することができる。

本発明は上記にように構成されているので、以下の効果を奏する。

Ａｇ粒子として平均粒径が０．３〜３．０μｍのものを使用し、前記Ａｇ粒子に含まれる一次粒子および二次粒子の中の８μｍ以上の粒径のものを除去し、且つその表面を平滑化処理したＡｇ粒子を導体として使用するので、ファインライン印刷が可能で、セラミックグリーンシートと同時焼成してもセラミック基板に反りが発生しない導電性ペーストを提供することができる。特に、焼結抑制剤として、Ａｇ粒子８５重量部に対してシランカップリング剤を０．０５〜０．５重量部添加することにより、Ａｇ粒子の耐熱性を上げてグリーンシートとの同時焼成が可能になり、焼成後の基板の反りを抑制する効果を増大することができる。その結果、本発明の導電性ペーストを使用して製造されたセラミック多層回路基板は高密度配線が可能で基板に反りやクラックが発生することがなく、電子部品関連産業の進歩に大きく貢献することができる。

次ぎに、本発明の低温焼成セラミック多層回路基板を製造する方法の一例を工程順に説明する。
（１）低温焼成セラミックグリーンシートの成形
低温焼成セラミックのグリーンシートを、ドクターブレード法等でテープ成形する。この際、低温焼成セラミックとしては、例えば、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス５０〜６５重量％とアルミナ３５〜５０重量％との混合物を用いることができる。この他、例えば、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナの混合物、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス、コージェライト系結晶化ガラス等の低温焼成セラミック材料を用いることもできる。
（２）グリーンシートの切断とビアホールの形成
次ぎに、テープ成形した低温焼成セラミックグリーンシートを所定の寸法に切断した後、所定の位置にビアホールをパンチング加工する。
（３）ビアホールへの導電性ペーストの充填と配線パターンの印刷
次ぎに、ビアホールへの導電性ペースの穴埋め印刷による充填と配線パターンの印刷を下記の組成のＡｇ系導電性ペーストを用いて行う。

この印刷で使用するＡｇ系導電性ペーストのＡｇ粒子としては、０．３〜３μｍの平均粒径を有するＡｇ粒子に含まれる一次粒子および二次粒子の中の８μｍ以上のものを除去して、表面平滑化処理を行ったＡｇ粒子を使用することができる。

Ａｇ粒子の平均粒径が０．３μｍ未満では、ファインライン印刷は可能だが、焼成時に焼きちぢれを起こし、断線するという不都合がある。Ａｇ粒子の平均粒径が３．０μｍを超えると、４５μｍ以下のライン幅とライン間隔を有するファインライン印刷が不可能になる。このような平均粒径を有するＡｇ粒子に含まれる一次粒子および二次粒子の中の８μｍ以上の粒径のものを除去することにより、ファインライン印刷をスムーズに行いうるという有利な点がある。さらに、そのようなＡｇ粒子の表面を平滑化処理することにより、Ａｇ粒子が滑りやすくなり、凝集しにくくなるので、一層ファインライン印刷が容易になるという有利な点がある。表面平滑化手段としては、例えば、バフ研磨法を採用することができる。

上記Ａｇ粉末８５重量部に対して、例えば、エチルセルロースをターピネオールで溶解した有機ビヒクルを１４．５〜１５．０重量部と、焼結抑制剤としてＳｉ（ＯＨ）₄に代表されるシランカップリング剤０．０５〜０．５重量部を添加することができる。このような焼結抑制剤を添加することにより、Ａｇ粒子の耐熱性を上げてグリーンシートと同時焼成が可能になるという有利な点がある。

上記組成の導体物質を３本ロール装置を用いて十分に混練・分散することにより導電性ペーストを得ることができる。

配線パターン印刷用の導電性ペーストとビアホール充填用の導電性ペーストは必ずしも同じものを用いる必要はなく、比較的大粒径のＡｇ粒子（例えば、５μｍ）を使用してビアホール充填用の導電性ペーストを作製することもできる。
（４）積層と圧着
配線パターンの印刷終了後、各層のグリーンシートを積層圧着して一体化する。
（５）焼成
上記積層物を、焼成ピーク温度８００〜９５０℃（好ましくは、９００℃前後）とし、ピーク温度で２０分間保持の条件で焼成し、低温焼成セラミック多層回路基板を得ることができる。

図１は、上記のようなプロセスを経て製造した低温焼成セラミック多層回路基板の一例の断面図であり、１は配線パターン、２は導電性ペーストを充填したビアホールを示す。

なお、焼成工程でグリーンシート積層物の両面にアルミナグリーンシートを積層・圧着し、加圧しながら８００〜９５０℃で焼成し、焼成後に両面のアルミナグリーンシートを除去して低温焼成セラミック多層回路基板を製造することもできる。このようにすることで、導体とセラミックとの熱収縮挙動の差に基づく基板の反りや導体の剥がれを抑制することができる。

導電性ペーストとして下記の表１に示す平均粒径を有し、表面平滑化処理（バフ研磨）を施し、８μｍ以上の粒径のものを除去したＡｇ粒子８５重量部と、エチルセルロースをターピネオールで溶解した有機ビヒクルを１５．０重量部と、Ｓｉ（ＯＨ）₄０．１〜０．５重量部とを混練・分散したものを使用し、セラミックグリーンシートとして、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス６０重量％とアルミナ４０重量％を混合したものを使用した。

そして、シート厚み３００μｍの上記セラミックグリーンシートに対して、前記導電性ペーストを用いてスクリーン印刷により配線パターンを形成し、ベルト式焼成炉にて、ピーク温度８９０℃、ピーク温度保持時間２０分の大気雰囲気条件にて焼成した。得られたセラミック回路基板のファインライン性と基板の反りを評価した結果を表１に示す。

また、比較のために、Ａｇ粒子の平均粒径が０．２μｍであって、８μｍ以上の粒径のＡｇ粒子の除去および表面平滑化処理の項目の少なくとも一方を欠く比較例１〜３のセラミック回路基板、Ａｇ粒子の平均粒径が３．５μｍの比較例４のセラミック回路基板、Ａｇ粒子の平均粒径が０．２５μｍの比較例５のセラミック回路基板を同上工程により製造し、この比較例１〜５のセラミック回路基板のファインライン性と基板の反りを評価した結果も表１に示す。

図２に８μｍ以上の粒径のものを除去する前のＡｇ粒子の粒度分布の一例を示し、図３に８μｍ以上の粒径のものを除去した後のＡｇ粒子の粒度分布の一例を示す。図２および図３における横軸は対数目盛りで表した粒径を示し、図２および図３における縦軸は頻度（％）を示し、図２および図３中の曲線Ａは累積頻度を示す。

また、図４に表面平滑化処理前のＡｇ粒子のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真の一例を示し、図５に表面平滑化処理後のＡｇ粒子のＳＥＭ写真の一例を示す。図４と図５を比較すると明らかなように、Ａｇ粒子の表面が平滑化されている様子が分かる。

図６は、上記スクリーン印刷による配線パターンを示す。Ｌはライン幅、Ｓはラインスペースを示す。

表１に明らかなように、本発明の実施例１〜７はファインライン形成が可能で（ライン幅とライン間隔の解像度が４５μｍ以下）、セラミックグリーンシートと同時焼成しても基板に反りが発生しない導電性ペーストを提供することができる。

一方、比較例１〜３のものは、粒径が８μｍ以上のものを除去するか、表面平滑化処理を施すかのいずれか又は両方が欠如しているので、ファインライン形成ができない（ライン幅とライン間隔の解像度が４５μｍ超）。

また、比較例４のものは平均粒径が３．５μｍのものを使用したので、元々のＡｇ粉末の粒径が大きく、平均粒径が８μｍ以上のものを除去し且つ表面平滑化処理を施しても、ファインライン形成ができない。

さらに、比較例５のものは、平均粒径が０．２５μｍのＡｇ粒子を使用したので、ファインライン形成はできたが、焼結抑制剤としてＳｉ（ＯＨ）₄を０．７重量部と多量に添加しても、焼成時に焼きちぢれを起こし、断線した。

低温焼成セラミック多層回路基板の一例の断面図である。８μｍ以上の粒径のものを除去する前のＡｇ粒子の粒度分布の一例を示す図である。８μｍ以上の粒径のものを除去した後のＡｇ粒子の粒度分布の一例を示す図である。表面平滑化処理前のＡｇ粒子のＳＥＭ写真の一例を示す図である。表面平滑化処理後のＡｇ粒子のＳＥＭ写真をの一例示す図である。スクリーン印刷による配線パターンの一例を示す図である。

符号の説明

１…配線パターン
２…ビアホール（導電性ペーストを充填）

Claims

平均粒径が０．３〜３．０μｍのＡｇ粒子に含まれる一次粒子および二次粒子の中の８μｍ以上のものを除去し、且つその表面を平滑化処理したＡｇ粒子を有機ビヒクル中に均一に分散させてなる低温焼成セラミック多層回路基板用導電性ペーストにおいて、Ａｇ粒子８５重量部に対してＳｉ（ＯＨ） ₄を０．０５〜０．５重量部添加したことを特徴とする低温焼成セラミック多層回路基板用導電性ペースト。
請求項１記載の導電性ペーストを用いて導体を形成してなる低温焼成セラミック多層回路基板。