導体ペースト及びそれを用いたセラミック基板の製造方法
【課題】貫通孔付焼成済みセラミック基板における貫通孔内のボイドを抑えるための導体ペースト及びそれを用いたセラミック基板の製造方法を提供する。
【解決手段】貫通孔を備えた焼成済みセラミック基板の前記貫通孔に導体ペーストを充填し焼成処理を行うセラミック基板の製造方法において、導電性を持つ金属粉末と前記金属粉末同士を前記有機成分にて結合させた平均粒径２０〜５２μｍである金属凝集物と有機成分と溶剤とを含有する導体ペーストを用いるセラミック基板の製造方法。
【解決手段】貫通孔を備えた焼成済みセラミック基板の前記貫通孔に導体ペーストを充填し焼成処理を行うセラミック基板の製造方法において、導電性を持つ金属粉末と前記金属粉末同士を前記有機成分にて結合させた平均粒径２０〜５２μｍである金属凝集物と有機成分と溶剤とを含有する導体ペーストを用いるセラミック基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体ペースト及びその導体ペーストを用いたセラミック基板の製造方法に関するものである。特に、導体ペーストが充填された貫通孔にボイドがないセラミック基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に、従来の導体ペーストの製造方法を示す。図中の第１の工程５は、金属粉末１と有機成分２と溶剤３を混練して混練済み導体ペースト４を得る工程である。次の第２の工程２５では、第１の工程５で得た混練済み導体ペースト４を溶剤３によって粘度調整を行い、導体ペースト３０を得る。
【０００３】
図６に、従来のセラミック基板の製造方法を示す。図中の第１の工程１８は、焼成済みのセラミック基板１５に貫通孔１６を設けた貫通孔付焼成済みセラミック基板１７を準備する工程である。第２の工程３３は、貫通孔１６に図５で得られた導体ペースト３０を充填し、導体ペースト３０が焼成できる温度で焼成して充填済みセラミック基板３２を得る工程である。導体ペースト３０の充填方法は、一般に印刷方法が用いられる。次の第３の工程３５では、充填済みセラミック基板３２表面の貫通孔１６の両端に所望の表層導体２１を形成した後、この表層導体２１が焼成できる温度で焼成する。このようにして表層導体付セラミック基板３４を得る。表層導体２１の形成方法は、一般に印刷方法が用いられる。次の第４の工程３７にて、表層導体２１の表面にメッキ層２４を形成して、完成されたセラミック基板３６を得る。
【０００４】
以上のように作成されたセラミック基板３６では、貫通孔１６内に空隙（ボイド）の発生が見られる。このボイドが生じるメカニズムを、図７を用いて説明する。図７に、図６で説明したセラミック基板の製造方法での第１の工程から第４の工程における貫通孔１６内の断面と充填された導体ペースト３０の状態を模式的に示す。
【０００５】
図中の第２の工程３３は、貫通孔１６内に印刷方法により充填された導体ペースト３０の内部の金属粉末が偏り無く分散している状態を示す。このときはボイドが生じていない。図中の第２’の工程３９は、導体ペースト３０が乾燥した状態を示す。導体ペースト３０の乾燥とは、その内部の溶剤が全て蒸発したために起こる。そのため、導体ペースト３０の体積が減少すると同時に金属粉末１が矢印の様に中央に向かって移動する。このため、導体ペースト３０の表面に大きなボイド３８が発生する。ここで生じたボイド３８は、導体ペースト３０を焼成してもその形が保たれる。また、次の第３の工程で、貫通孔１６の導体ペースト３０の両端に表層導体２１を形成しても、ボイド３８を完全に埋めることはできない。
【０００６】
このようなボイドが生じると次のような問題が起こる。すなわち、後工程である第４の工程では、前記表層導体２１の表面には、耐半田喰われ性と半田濡れ性を向上させるため、無電解のＮｉ／Ａｕメッキ層２４を形成するが、ボイド３８にＮｉメッキ液が侵入し残留することでＡｕメッキが形成されない状態（無メッキ）が発生する。このような無メッキ部分は、Ｎｉが表層部に露出しているので腐食が発生し半田濡れ性を悪化させる。またボイド３２にメッキ液、洗浄液等が溜まることで、後工程の部品実装や半田ボ−ル実装等のリフロ−時に、メッキ液や洗浄液等が気化して半田内部に空洞ができる不良（半田ボイド）の原因にもなった。さらにボイド３８が発生すると、貫通孔１６内の導体ペースト３０と表層導体２１の接続強度が低下するので、貫通孔１６内の導体ペースト３０と表層導体２１の接続信頼性が低下する。
【０００７】
従来、貫通孔１６内のボイド３８を防止する方法としては、図８に示す技術が知られている。これは、導体ペーストの粒子径を調整することでボイドの防止を行っている。平均粒径が２μｍ以下の第１の金属粉末３４と、平均粒径が５〜１０μｍの第２の金属粉末３５とからなる導体ペーストを使用することが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−９７５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、前記従来の構成では、導体ペーストとグリーンシートとを同時に焼成する場合には有効であるが、焼成済みセラミック基板に適用すると、ボイド発生を完全に抑制することができないという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貫通孔付焼成済みセラミック基板における貫通孔内のボイドを抑えるための導体ペースト及びそれを用いたセラミック基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の導電性を持つ金属粉末と有機成分及び溶剤を含有する導体ペーストにおいて、前記金属粉末同士を前記有機成分にて結合させた平均粒径２０〜５２μｍの金属凝集物を含むことを特徴としたものである。
【００１１】
また、本発明は、貫通孔を備えた焼成済みセラミック基板の前記貫通孔に導体ペーストを充填し焼成処理を行うセラミック基板の製造方法において、前記導体ペーストは請求項１から２に記載の導体ペーストを用いることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の導体ペースト及びそれを用いたセラミック基板の製造方法によれば、貫通孔付焼成済みセラミック基板１７の貫通孔１６内に導体ペーストを充填した時に発生するボイドを効果的に抑えることで、表層導体２１の表面のメッキ２４に発生する無メッキや、部品を半田により実装する時に発生する半田ボイドを抑え、また貫通孔１６内の導体ペーストと表層導体２１の接続信頼性が高いセラミック基板を製造することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面と表を用いて詳細に説明する。なお、従来と同じものについては、同符号を用い説明を簡略化している。
【００１４】
（実施の形態１）
本発明の導体ペーストの作製方法を図１に示す。図中の第１の工程５は、金属粉末１と有機成分２と溶剤３とを混合して、混練済み導体ペースト４を作製する工程である。金属粉末１には、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの中から少なくとも１つ以上の金属粉末を使用する。
【００１５】
本実施例では、平均粒径８μｍのＡｇを主成分とし、さらにＰｄを数％添加した。有機成分２は、エチルセルロースを使用したが、特にこれに限定されることはない。溶剤３は、ターピネオールを使用したが、これに限るものではなく有機成分２を溶解できる物質であれば良い。混練済み導体ペースト４の作製には、金属粉末１と有機成分２と溶剤３を十分に分散させるために３本ロールにより混練を行い作製した。
【００１６】
次の第２の工程１０は、混練済み導体ペースト４から凝集物９を作製する工程である。この工程では、第１の工程５で作製した混練済み導体ペースト４を乾燥６した後、粉砕７して粉末化する。その後、整粒８して凝集物９を得る。本実施例では、乾燥６を１５０℃で１時間行い、乳鉢にて粉砕７を行った。また、今回のサンプルの整粒８には分子ふるいを使用した。開口が２０μｍと５２μｍと９０μｍの３種類の分子ふるいにより、３種類の粒径をもつ凝集物９（２０μｍ以下、２０〜５２μｍ及び５２〜９０μｍ）を作製した。
【００１７】
次の第３の工程１２では、第２の工程１０で得られた凝集物９と第１の工程５で得られた混練済み導体ペースト４とを混合し、凝集物添加済み導体ペースト１１を得る。このときの凝集物９の粒径と添加量とが重要なので、詳細は後述する。
【００１８】
最後の第４の工程１４では、第３の工程１２で得られた凝集物添加済み導体ペースト１１に溶剤３を入れて粘度調整を行い、セラミック基板に使用するための導体ペースト１３を得る。これは、凝集物添加済み導体ペースト１１の固形分の含有比率が高いので、粘度が高いためである。一般に印刷工法で使用するための導体ペーストの粘度は５００Ｐ
ａ・ｓ以下が望ましい。
【００１９】
図２に、第４の工程１４で作製した導体ペースト１３を用いるセラミック基板の製造方法を示す。第１の工程１８は、焼成済みセラミック基板１５に貫通孔１６を設けて、貫通孔付焼成済みセラミック基板１７を得る工程である。具体的には焼成済みセラミック基板１５の素材としては、アルミナ、窒化アルミ、ガラスセラミック等が上げられる。焼成済みセラミック基板１５の基板サイズは、一般に４インチサイズと言われる一辺４インチのサイズを使用した。本実施例での基板厚みは、０．８ｍｍとした。貫通孔１６のサイズは０．３ｍｍφ、貫通孔１６同士のピッチは１．２７ｍｍとし、貫通孔１６は、レーザー加工で作製した。
【００２０】
第２の工程２０は、貫通孔付焼成済みセラミック基板１７の貫通孔１６に導体ペースト１３を充填し、導体ペースト１３の焼成温度で焼成して充填済みセラミック基板１９を得る工程である。貫通孔１６への導体ペースト１３の充填は印刷工法で行った。印刷工法で使用する製版は０．１ｍｍｔのメタルマスクを使用した。導体ペースト１３の焼成温度は８５０℃で行った。
【００２１】
第３の工程２３は、充填済みセラミック基板１９の貫通孔１６の両面に、表層導体２１を形成した後、表層導体２１の焼成温度で焼成し、表層導体付セラミック基板２２を得る工程である。表層導体２１の形成は、Ａｇを主成分としたペーストを用いて、印刷工法で行った。また表層導体２１の焼成は８５０℃で行った。
【００２２】
第４の工程２６は、表層導体２１の表面にメッキ層２４を形成し、セラミック基板２５を得る工程である。メッキ層２４は無電解のＮｉ／Ａｕメッキで形成した。
【００２３】
図１の凝集物添加済み導体ペースト１１を得る工程で説明したとおり、凝集物９の粒径と添加量とが、導体ペースト１３を充填した貫通孔１６内のボイドの発生に大きく関与する。以下、その詳細を説明する。
【００２４】
図１の第２の工程１０で得られた３種類の粒径をもつ凝集物９（２０μｍ以下、２０〜５２μｍ及び５２〜９０μｍ）を第１の工程５で得られた混練済み導体ペースト４に加え、そのときの添加量を０から４０ｗｔ％まで変化させた導体ペースト１３を用意した。これらの導体ペースト１３を使用して図２の製造方法で、充填済みセラミック基板１９を作製した。この充填済みセラミック基板１９の貫通孔１６内のボイドの発生と印刷時の粘度との関係を次のように評価した。
【００２５】
ボイドの有無の確認は、導体ペースト１３の焼成後に、まず表面状態を目視確認で、内部状態をＸ線検査装置で確認した。目視及びＸ線検査で表面ボイド３８及び内部ボイド２９が確認されなかった基板は、○とした。目視で表面ボイド３８が確認された基板は、×とした。目視では表面ボイド３８は確認されなかったが、Ｘ線検査で内部ボイド２９が確認された基板は××とした。また、印刷により、貫通孔内部へ導体ペーストによる充填ができない基板は、×××とした。尚、添加量で０ｗｔ％とは、混練済み導体ペースト４に凝集物９を添加していないものであり、従来混練済み導体ペースト４を意味する。
【００２６】
凝集物９の粒径が２０μｍ以下、２０〜５２μｍ、及び５２〜９０μｍの場合の、添加量で０から４０ｗｔ％に変化させたとき評価結果をそれぞれ表１、表２、及び表３に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
表１の結果より、凝集物９の平均粒径が２０μｍ以下では、添加量によらず、表面ボイド３８の発生が見られるか、又は導体ペーストの印刷が出来なかった。すなわち、導体ペースト１３の粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓの範囲では、表面ボイド３８が発生しており、
導体ペースト１３の粘度が６００Ｐａ・ｓの場合では、粘度が高すぎるため印刷が出来なかった。
【００３１】
表２の結果より、凝集物９の平均粒径が２０μｍから５２μｍの範囲では、添加量によらず、導体ペースト１３の粘度が６００Ｐａ・ｓになると、表１と同様に印刷が出来なかった。また、導体ペースト１３の粘度が４００〜５００Ｐａ・ｓの範囲では、添加量を１０〜３０ｗｔ％にすると、表面ボイド３８の発生が無く良好であった。導体ペースト１３の粘度が３００Ｐａ・ｓでは、添加量を２０〜３０ｗｔ％の範囲で、表面ボイド３８の発生が無く良好であった。その他の範囲では、表面ボイド３８の発生が見られた。
【００３２】
表３の結果より、凝集物９の平均粒径が５２μｍから９０μｍの範囲では、添加量によらず、表面ボイド３８の発生が見られるか、又は導体ペーストの印刷が出来なかった。すなわち、導体ペースト１３の粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓの範囲では、添加量が５ｗｔ％までなら表面ボイド３８が発生しており、それ以上の添加量では、内部ボイド２９が見られた。導体ペースト１３の粘度が６００Ｐａ・ｓになると、表１と同様に印刷が出来なかった。
【００３３】
本発明によるボイドの発生を抑制できるメカニズムを、図３と４とを用いて説明する。図３に、図２で説明した製造工程での第２の工程２０から第４の工程２６における貫通孔の断面模式図を示す。
【００３４】
第２の工程２０は、貫通孔１６内に印刷方法により導体ペースト１３を貫通孔１６に充填する工程である。導体ペースト１３は、図１の第２の工程で作成された凝集物９を含んでいる。この凝集物９は図１の第２の工程１０で熱処理による乾燥で内部の有機成分２がゲル化し、その後に固まるために金属粉末１同士が団塊を作る。この金属粉末団塊となった凝集物９は、凝集物添加済み導体ペースト１１を溶剤３により粘度調整した導体ペースト１３を作成しても、硬化した有機成分２は再溶解することなく、導体ペースト１３の内部に残る。
【００３５】
次の第２’の工程２８は、導体ペースト１３を乾燥した後の状態を示す。導体ペースト１３を乾燥することで溶剤が揮発し、導体ペースト１３体積が減少すると同時に、凝集物９と金属粉末１が矢印の様に中央に向かって移動しようとする。しかし凝集物９が大きな塊であるため、前記矢印方向の移動が阻害される、いわゆるブリッジング効果により貫通孔１６内の導体ペースト１３の表面に表面ボイド３８が発生しない。
【００３６】
第３の工程２３では、貫通孔１６の表面に表層導体２１を形成する工程であるが、表面ボイド３８，内部ボイド２９が発生していないため、良好な接続が確保される。さらに第４の工程２６では表層導体２１の表面に、メッキ層２４を無電解のＮｉ／Ａｕメッキで形成する工程であるが、表面ボイド３８，内部ボイド２９が発生していないために、表面ボイド３８，内部ボイド２９にＮｉメッキ液が侵入し残留することでＡｕメッキが形成されない状態（無メッキ）は発生することはない。無メッキが発生しないため、半田濡れ性を悪化させることもなく、また表面ボイド３８，内部ボイド２９にメッキ液、洗浄液等が溜まることで、後工程の部品実装や半田ボ−ル実装等のリフロ−時に、メッキ液や洗浄液等が気化して半田内部に空洞ができる不良（半田ボイド）の発生もない。
【００３７】
ところが、導体ペースト１３に添加された凝集物９の添加量や粒径によっては貫通孔１６内部に内部ボイド２９が発生する。表２で示したように、導体ペースト１３に添加された凝集物９の粒径が２０〜５２μｍの場合では凝集物９の添加量が４０ｗｔ％になると、内部ボイド２９が発生した。また、表３で示したように、凝集物９の粒径が５２〜９０μｍの場合では凝集物９の添加量が１０ｗｔ％以上では、内部ボイド２９が発生した。このメカニズムを、図４を用いて説明する。
【００３８】
図中の第２の工程２０に示すように、貫通孔内での凝集物９の占める割合が大きくなる事により、凝集物９の間を埋める金属粉末１の割合が少なくなり、金属粉末１が疎の状態の部分２７が発生する。この状態で、次の第２’の工程２８の乾燥によって溶剤３が揮発すると、金属粉末１が疎の状態の部分２７に内部ボイド２９が発生する。一度生じた内部ボイド２９は、表層導体２１を形成する第３の工程２３、及びメッキ層２４を形成する第４の工程２６においても、形状を保ったまま残存する。
【００３９】
表１から表３で示したように、表面ボイド３８や内部ボイド２９が発生しない条件が凝集物９の添加量や粒径によって変化するのは、以上のメカニズムが働くからである。すなわち、凝集物９の添加量が少ないとブリッジング効果が見られずに表面ボイド３８が発生し、凝集物９添加量が多いと凝集物９の間を埋める金属粉末１の割合が減ることにより貫通孔の内部ボイド２９が発生する。したがって、凝集物９添加量は、適切な範囲がある。本発明では、凝集物９の適切な添加量は、導体ペースト全体の１０〜３０ｗｔ％の範囲にあった。
【００４０】
また、凝集物９の粒径が小さいと、ブリッジング効果が見られずに表面ボイド３８が発生する。一方、凝集物９の粒径が大きいと、凝集物９の間を埋める金属粉末１の割合が減ることにより貫通孔の内部ボイド２９が発生する。したがって、凝集物９の粒径も適切な範囲でないといけない。本発明では、凝集物９の適切な平均粒径は、２０〜５２μｍであった。
【００４１】
次に、本発明の導体ペーストを用いることによる貫通孔１６内の導体の抵抗値への影響について表４を用いて説明する。表４における導体ペースト１３の凝集物９の添加量が０〜４０ｗｔ％、導体ペースト１３の粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓの範囲は、貫通孔１１に印刷形成可能な範囲である。サンプルは、表２に示す凝集物９の添加量が０〜４０ｗｔ％の場合の、充填済みセラミック基板１９の貫通孔１６内の導体ペースト１３のボイドの状態と、導体ペースト１３の凝集物９の添加量が０〜４０ｗｔ％と印刷時の粘度との関係を評価した時と同一である。貫通孔１６内の導体の抵抗値は、第３の工程２３で作成した表層導体付セラミック基板２２で、低抵抗計を用いて４端子法にて測定を行った。測定は、貫通孔１６内の表面ボイド３８，内部ボイド２９の有無にかかわらず行った。
【００４２】
【表４】
【００４３】
測定の結果、表面ボイド３８，内部ボイド２９の発生が無い凝集物９の添加量が１０〜１５ｗｔ％で導体ペースト１３の粘度が４００〜５００Ｐａ・ｓと、凝集物９の添加量が２０〜３０ｗｔ％で導体ペースト１３の粘度が３００〜５００Ｐａ・ｓの範囲において、貫通孔１６内の導体の抵抗値は０．６〜０．８ｍΩであるのに対して、表面ボイド３８，内部ボイド２９が発生しているその他の範囲も貫通孔１６内の導体の抵抗値は０．６〜０．８ｍΩである。特に凝集物９を添加していない０ｗｔ％の場合でも、貫通孔１６内の導体の抵抗値は０．６〜０．８ｍΩであり同等であるため、混練済み導体ペースト４に凝集物９を添加することによる貫通孔１６内の導体の抵抗値への影響が無いことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明にかかる導体ペースト及びその導体ペーストを用いたセラミック基板の製造方法は、導体ペーストが充填された貫通孔にボイドがないセラミック基板の製造に有用である。また本発明によって得られたセラミック基板は、特にボイドによって発生するメッキ不良や半田ボイドの低減に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に示す導体ペーストの製造工程図
【図２】本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程図
【図３】本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程の詳細図
【図４】本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程の詳細図
【図５】従来の導体ペーストの製造工程図
【図６】従来のセラミック基板の製造工程図
【図７】従来のセラミック基板の製造工程の詳細図
【図８】特許文献１の導体ペーストの断面図
【符号の説明】
【００４６】
１ 金属粉末
２ 有機成分
３ 溶剤
４ 混練済み導体ペースト
９ 凝集物
１１ 凝集物添加済み導体ペースト
１３ 導体ペースト
１５ セラミック基板
１６ 貫通孔
２１ 表層導体
２４ メッキ
２９ 内部ボイド
３８ 表面ボイド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体ペースト及びその導体ペーストを用いたセラミック基板の製造方法に関するものである。特に、導体ペーストが充填された貫通孔にボイドがないセラミック基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に、従来の導体ペーストの製造方法を示す。図中の第１の工程５は、金属粉末１と有機成分２と溶剤３を混練して混練済み導体ペースト４を得る工程である。次の第２の工程２５では、第１の工程５で得た混練済み導体ペースト４を溶剤３によって粘度調整を行い、導体ペースト３０を得る。
【０００３】
図６に、従来のセラミック基板の製造方法を示す。図中の第１の工程１８は、焼成済みのセラミック基板１５に貫通孔１６を設けた貫通孔付焼成済みセラミック基板１７を準備する工程である。第２の工程３３は、貫通孔１６に図５で得られた導体ペースト３０を充填し、導体ペースト３０が焼成できる温度で焼成して充填済みセラミック基板３２を得る工程である。導体ペースト３０の充填方法は、一般に印刷方法が用いられる。次の第３の工程３５では、充填済みセラミック基板３２表面の貫通孔１６の両端に所望の表層導体２１を形成した後、この表層導体２１が焼成できる温度で焼成する。このようにして表層導体付セラミック基板３４を得る。表層導体２１の形成方法は、一般に印刷方法が用いられる。次の第４の工程３７にて、表層導体２１の表面にメッキ層２４を形成して、完成されたセラミック基板３６を得る。
【０００４】
以上のように作成されたセラミック基板３６では、貫通孔１６内に空隙（ボイド）の発生が見られる。このボイドが生じるメカニズムを、図７を用いて説明する。図７に、図６で説明したセラミック基板の製造方法での第１の工程から第４の工程における貫通孔１６内の断面と充填された導体ペースト３０の状態を模式的に示す。
【０００５】
図中の第２の工程３３は、貫通孔１６内に印刷方法により充填された導体ペースト３０の内部の金属粉末が偏り無く分散している状態を示す。このときはボイドが生じていない。図中の第２’の工程３９は、導体ペースト３０が乾燥した状態を示す。導体ペースト３０の乾燥とは、その内部の溶剤が全て蒸発したために起こる。そのため、導体ペースト３０の体積が減少すると同時に金属粉末１が矢印の様に中央に向かって移動する。このため、導体ペースト３０の表面に大きなボイド３８が発生する。ここで生じたボイド３８は、導体ペースト３０を焼成してもその形が保たれる。また、次の第３の工程で、貫通孔１６の導体ペースト３０の両端に表層導体２１を形成しても、ボイド３８を完全に埋めることはできない。
【０００６】
このようなボイドが生じると次のような問題が起こる。すなわち、後工程である第４の工程では、前記表層導体２１の表面には、耐半田喰われ性と半田濡れ性を向上させるため、無電解のＮｉ／Ａｕメッキ層２４を形成するが、ボイド３８にＮｉメッキ液が侵入し残留することでＡｕメッキが形成されない状態（無メッキ）が発生する。このような無メッキ部分は、Ｎｉが表層部に露出しているので腐食が発生し半田濡れ性を悪化させる。またボイド３２にメッキ液、洗浄液等が溜まることで、後工程の部品実装や半田ボ−ル実装等のリフロ−時に、メッキ液や洗浄液等が気化して半田内部に空洞ができる不良（半田ボイド）の原因にもなった。さらにボイド３８が発生すると、貫通孔１６内の導体ペースト３０と表層導体２１の接続強度が低下するので、貫通孔１６内の導体ペースト３０と表層導体２１の接続信頼性が低下する。
【０００７】
従来、貫通孔１６内のボイド３８を防止する方法としては、図８に示す技術が知られている。これは、導体ペーストの粒子径を調整することでボイドの防止を行っている。平均粒径が２μｍ以下の第１の金属粉末３４と、平均粒径が５〜１０μｍの第２の金属粉末３５とからなる導体ペーストを使用することが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−９７５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、前記従来の構成では、導体ペーストとグリーンシートとを同時に焼成する場合には有効であるが、焼成済みセラミック基板に適用すると、ボイド発生を完全に抑制することができないという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貫通孔付焼成済みセラミック基板における貫通孔内のボイドを抑えるための導体ペースト及びそれを用いたセラミック基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の導電性を持つ金属粉末と有機成分及び溶剤を含有する導体ペーストにおいて、前記金属粉末同士を前記有機成分にて結合させた平均粒径２０〜５２μｍの金属凝集物を含むことを特徴としたものである。
【００１１】
また、本発明は、貫通孔を備えた焼成済みセラミック基板の前記貫通孔に導体ペーストを充填し焼成処理を行うセラミック基板の製造方法において、前記導体ペーストは請求項１から２に記載の導体ペーストを用いることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の導体ペースト及びそれを用いたセラミック基板の製造方法によれば、貫通孔付焼成済みセラミック基板１７の貫通孔１６内に導体ペーストを充填した時に発生するボイドを効果的に抑えることで、表層導体２１の表面のメッキ２４に発生する無メッキや、部品を半田により実装する時に発生する半田ボイドを抑え、また貫通孔１６内の導体ペーストと表層導体２１の接続信頼性が高いセラミック基板を製造することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面と表を用いて詳細に説明する。なお、従来と同じものについては、同符号を用い説明を簡略化している。
【００１４】
（実施の形態１）
本発明の導体ペーストの作製方法を図１に示す。図中の第１の工程５は、金属粉末１と有機成分２と溶剤３とを混合して、混練済み導体ペースト４を作製する工程である。金属粉末１には、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの中から少なくとも１つ以上の金属粉末を使用する。
【００１５】
本実施例では、平均粒径８μｍのＡｇを主成分とし、さらにＰｄを数％添加した。有機成分２は、エチルセルロースを使用したが、特にこれに限定されることはない。溶剤３は、ターピネオールを使用したが、これに限るものではなく有機成分２を溶解できる物質であれば良い。混練済み導体ペースト４の作製には、金属粉末１と有機成分２と溶剤３を十分に分散させるために３本ロールにより混練を行い作製した。
【００１６】
次の第２の工程１０は、混練済み導体ペースト４から凝集物９を作製する工程である。この工程では、第１の工程５で作製した混練済み導体ペースト４を乾燥６した後、粉砕７して粉末化する。その後、整粒８して凝集物９を得る。本実施例では、乾燥６を１５０℃で１時間行い、乳鉢にて粉砕７を行った。また、今回のサンプルの整粒８には分子ふるいを使用した。開口が２０μｍと５２μｍと９０μｍの３種類の分子ふるいにより、３種類の粒径をもつ凝集物９（２０μｍ以下、２０〜５２μｍ及び５２〜９０μｍ）を作製した。
【００１７】
次の第３の工程１２では、第２の工程１０で得られた凝集物９と第１の工程５で得られた混練済み導体ペースト４とを混合し、凝集物添加済み導体ペースト１１を得る。このときの凝集物９の粒径と添加量とが重要なので、詳細は後述する。
【００１８】
最後の第４の工程１４では、第３の工程１２で得られた凝集物添加済み導体ペースト１１に溶剤３を入れて粘度調整を行い、セラミック基板に使用するための導体ペースト１３を得る。これは、凝集物添加済み導体ペースト１１の固形分の含有比率が高いので、粘度が高いためである。一般に印刷工法で使用するための導体ペーストの粘度は５００Ｐ
ａ・ｓ以下が望ましい。
【００１９】
図２に、第４の工程１４で作製した導体ペースト１３を用いるセラミック基板の製造方法を示す。第１の工程１８は、焼成済みセラミック基板１５に貫通孔１６を設けて、貫通孔付焼成済みセラミック基板１７を得る工程である。具体的には焼成済みセラミック基板１５の素材としては、アルミナ、窒化アルミ、ガラスセラミック等が上げられる。焼成済みセラミック基板１５の基板サイズは、一般に４インチサイズと言われる一辺４インチのサイズを使用した。本実施例での基板厚みは、０．８ｍｍとした。貫通孔１６のサイズは０．３ｍｍφ、貫通孔１６同士のピッチは１．２７ｍｍとし、貫通孔１６は、レーザー加工で作製した。
【００２０】
第２の工程２０は、貫通孔付焼成済みセラミック基板１７の貫通孔１６に導体ペースト１３を充填し、導体ペースト１３の焼成温度で焼成して充填済みセラミック基板１９を得る工程である。貫通孔１６への導体ペースト１３の充填は印刷工法で行った。印刷工法で使用する製版は０．１ｍｍｔのメタルマスクを使用した。導体ペースト１３の焼成温度は８５０℃で行った。
【００２１】
第３の工程２３は、充填済みセラミック基板１９の貫通孔１６の両面に、表層導体２１を形成した後、表層導体２１の焼成温度で焼成し、表層導体付セラミック基板２２を得る工程である。表層導体２１の形成は、Ａｇを主成分としたペーストを用いて、印刷工法で行った。また表層導体２１の焼成は８５０℃で行った。
【００２２】
第４の工程２６は、表層導体２１の表面にメッキ層２４を形成し、セラミック基板２５を得る工程である。メッキ層２４は無電解のＮｉ／Ａｕメッキで形成した。
【００２３】
図１の凝集物添加済み導体ペースト１１を得る工程で説明したとおり、凝集物９の粒径と添加量とが、導体ペースト１３を充填した貫通孔１６内のボイドの発生に大きく関与する。以下、その詳細を説明する。
【００２４】
図１の第２の工程１０で得られた３種類の粒径をもつ凝集物９（２０μｍ以下、２０〜５２μｍ及び５２〜９０μｍ）を第１の工程５で得られた混練済み導体ペースト４に加え、そのときの添加量を０から４０ｗｔ％まで変化させた導体ペースト１３を用意した。これらの導体ペースト１３を使用して図２の製造方法で、充填済みセラミック基板１９を作製した。この充填済みセラミック基板１９の貫通孔１６内のボイドの発生と印刷時の粘度との関係を次のように評価した。
【００２５】
ボイドの有無の確認は、導体ペースト１３の焼成後に、まず表面状態を目視確認で、内部状態をＸ線検査装置で確認した。目視及びＸ線検査で表面ボイド３８及び内部ボイド２９が確認されなかった基板は、○とした。目視で表面ボイド３８が確認された基板は、×とした。目視では表面ボイド３８は確認されなかったが、Ｘ線検査で内部ボイド２９が確認された基板は××とした。また、印刷により、貫通孔内部へ導体ペーストによる充填ができない基板は、×××とした。尚、添加量で０ｗｔ％とは、混練済み導体ペースト４に凝集物９を添加していないものであり、従来混練済み導体ペースト４を意味する。
【００２６】
凝集物９の粒径が２０μｍ以下、２０〜５２μｍ、及び５２〜９０μｍの場合の、添加量で０から４０ｗｔ％に変化させたとき評価結果をそれぞれ表１、表２、及び表３に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
表１の結果より、凝集物９の平均粒径が２０μｍ以下では、添加量によらず、表面ボイド３８の発生が見られるか、又は導体ペーストの印刷が出来なかった。すなわち、導体ペースト１３の粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓの範囲では、表面ボイド３８が発生しており、
導体ペースト１３の粘度が６００Ｐａ・ｓの場合では、粘度が高すぎるため印刷が出来なかった。
【００３１】
表２の結果より、凝集物９の平均粒径が２０μｍから５２μｍの範囲では、添加量によらず、導体ペースト１３の粘度が６００Ｐａ・ｓになると、表１と同様に印刷が出来なかった。また、導体ペースト１３の粘度が４００〜５００Ｐａ・ｓの範囲では、添加量を１０〜３０ｗｔ％にすると、表面ボイド３８の発生が無く良好であった。導体ペースト１３の粘度が３００Ｐａ・ｓでは、添加量を２０〜３０ｗｔ％の範囲で、表面ボイド３８の発生が無く良好であった。その他の範囲では、表面ボイド３８の発生が見られた。
【００３２】
表３の結果より、凝集物９の平均粒径が５２μｍから９０μｍの範囲では、添加量によらず、表面ボイド３８の発生が見られるか、又は導体ペーストの印刷が出来なかった。すなわち、導体ペースト１３の粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓの範囲では、添加量が５ｗｔ％までなら表面ボイド３８が発生しており、それ以上の添加量では、内部ボイド２９が見られた。導体ペースト１３の粘度が６００Ｐａ・ｓになると、表１と同様に印刷が出来なかった。
【００３３】
本発明によるボイドの発生を抑制できるメカニズムを、図３と４とを用いて説明する。図３に、図２で説明した製造工程での第２の工程２０から第４の工程２６における貫通孔の断面模式図を示す。
【００３４】
第２の工程２０は、貫通孔１６内に印刷方法により導体ペースト１３を貫通孔１６に充填する工程である。導体ペースト１３は、図１の第２の工程で作成された凝集物９を含んでいる。この凝集物９は図１の第２の工程１０で熱処理による乾燥で内部の有機成分２がゲル化し、その後に固まるために金属粉末１同士が団塊を作る。この金属粉末団塊となった凝集物９は、凝集物添加済み導体ペースト１１を溶剤３により粘度調整した導体ペースト１３を作成しても、硬化した有機成分２は再溶解することなく、導体ペースト１３の内部に残る。
【００３５】
次の第２’の工程２８は、導体ペースト１３を乾燥した後の状態を示す。導体ペースト１３を乾燥することで溶剤が揮発し、導体ペースト１３体積が減少すると同時に、凝集物９と金属粉末１が矢印の様に中央に向かって移動しようとする。しかし凝集物９が大きな塊であるため、前記矢印方向の移動が阻害される、いわゆるブリッジング効果により貫通孔１６内の導体ペースト１３の表面に表面ボイド３８が発生しない。
【００３６】
第３の工程２３では、貫通孔１６の表面に表層導体２１を形成する工程であるが、表面ボイド３８，内部ボイド２９が発生していないため、良好な接続が確保される。さらに第４の工程２６では表層導体２１の表面に、メッキ層２４を無電解のＮｉ／Ａｕメッキで形成する工程であるが、表面ボイド３８，内部ボイド２９が発生していないために、表面ボイド３８，内部ボイド２９にＮｉメッキ液が侵入し残留することでＡｕメッキが形成されない状態（無メッキ）は発生することはない。無メッキが発生しないため、半田濡れ性を悪化させることもなく、また表面ボイド３８，内部ボイド２９にメッキ液、洗浄液等が溜まることで、後工程の部品実装や半田ボ−ル実装等のリフロ−時に、メッキ液や洗浄液等が気化して半田内部に空洞ができる不良（半田ボイド）の発生もない。
【００３７】
ところが、導体ペースト１３に添加された凝集物９の添加量や粒径によっては貫通孔１６内部に内部ボイド２９が発生する。表２で示したように、導体ペースト１３に添加された凝集物９の粒径が２０〜５２μｍの場合では凝集物９の添加量が４０ｗｔ％になると、内部ボイド２９が発生した。また、表３で示したように、凝集物９の粒径が５２〜９０μｍの場合では凝集物９の添加量が１０ｗｔ％以上では、内部ボイド２９が発生した。このメカニズムを、図４を用いて説明する。
【００３８】
図中の第２の工程２０に示すように、貫通孔内での凝集物９の占める割合が大きくなる事により、凝集物９の間を埋める金属粉末１の割合が少なくなり、金属粉末１が疎の状態の部分２７が発生する。この状態で、次の第２’の工程２８の乾燥によって溶剤３が揮発すると、金属粉末１が疎の状態の部分２７に内部ボイド２９が発生する。一度生じた内部ボイド２９は、表層導体２１を形成する第３の工程２３、及びメッキ層２４を形成する第４の工程２６においても、形状を保ったまま残存する。
【００３９】
表１から表３で示したように、表面ボイド３８や内部ボイド２９が発生しない条件が凝集物９の添加量や粒径によって変化するのは、以上のメカニズムが働くからである。すなわち、凝集物９の添加量が少ないとブリッジング効果が見られずに表面ボイド３８が発生し、凝集物９添加量が多いと凝集物９の間を埋める金属粉末１の割合が減ることにより貫通孔の内部ボイド２９が発生する。したがって、凝集物９添加量は、適切な範囲がある。本発明では、凝集物９の適切な添加量は、導体ペースト全体の１０〜３０ｗｔ％の範囲にあった。
【００４０】
また、凝集物９の粒径が小さいと、ブリッジング効果が見られずに表面ボイド３８が発生する。一方、凝集物９の粒径が大きいと、凝集物９の間を埋める金属粉末１の割合が減ることにより貫通孔の内部ボイド２９が発生する。したがって、凝集物９の粒径も適切な範囲でないといけない。本発明では、凝集物９の適切な平均粒径は、２０〜５２μｍであった。
【００４１】
次に、本発明の導体ペーストを用いることによる貫通孔１６内の導体の抵抗値への影響について表４を用いて説明する。表４における導体ペースト１３の凝集物９の添加量が０〜４０ｗｔ％、導体ペースト１３の粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓの範囲は、貫通孔１１に印刷形成可能な範囲である。サンプルは、表２に示す凝集物９の添加量が０〜４０ｗｔ％の場合の、充填済みセラミック基板１９の貫通孔１６内の導体ペースト１３のボイドの状態と、導体ペースト１３の凝集物９の添加量が０〜４０ｗｔ％と印刷時の粘度との関係を評価した時と同一である。貫通孔１６内の導体の抵抗値は、第３の工程２３で作成した表層導体付セラミック基板２２で、低抵抗計を用いて４端子法にて測定を行った。測定は、貫通孔１６内の表面ボイド３８，内部ボイド２９の有無にかかわらず行った。
【００４２】
【表４】
【００４３】
測定の結果、表面ボイド３８，内部ボイド２９の発生が無い凝集物９の添加量が１０〜１５ｗｔ％で導体ペースト１３の粘度が４００〜５００Ｐａ・ｓと、凝集物９の添加量が２０〜３０ｗｔ％で導体ペースト１３の粘度が３００〜５００Ｐａ・ｓの範囲において、貫通孔１６内の導体の抵抗値は０．６〜０．８ｍΩであるのに対して、表面ボイド３８，内部ボイド２９が発生しているその他の範囲も貫通孔１６内の導体の抵抗値は０．６〜０．８ｍΩである。特に凝集物９を添加していない０ｗｔ％の場合でも、貫通孔１６内の導体の抵抗値は０．６〜０．８ｍΩであり同等であるため、混練済み導体ペースト４に凝集物９を添加することによる貫通孔１６内の導体の抵抗値への影響が無いことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明にかかる導体ペースト及びその導体ペーストを用いたセラミック基板の製造方法は、導体ペーストが充填された貫通孔にボイドがないセラミック基板の製造に有用である。また本発明によって得られたセラミック基板は、特にボイドによって発生するメッキ不良や半田ボイドの低減に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に示す導体ペーストの製造工程図
【図２】本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程図
【図３】本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程の詳細図
【図４】本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程の詳細図
【図５】従来の導体ペーストの製造工程図
【図６】従来のセラミック基板の製造工程図
【図７】従来のセラミック基板の製造工程の詳細図
【図８】特許文献１の導体ペーストの断面図
【符号の説明】
【００４６】
１ 金属粉末
２ 有機成分
３ 溶剤
４ 混練済み導体ペースト
９ 凝集物
１１ 凝集物添加済み導体ペースト
１３ 導体ペースト
１５ セラミック基板
１６ 貫通孔
２１ 表層導体
２４ メッキ
２９ 内部ボイド
３８ 表面ボイド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を持つ金属粉末と有機成分及び溶剤を含有する導体ペーストにおいて、
前記金属粉末同士を前記有機成分にて結合させた平均粒径２０〜５２μｍの金属凝集物を含む導体ペースト。
【請求項２】
前記金属凝集物は、前記導体ペースト全体の１０〜３０ｗｔ％の範囲にある請求項１に記載の導体ペースト。
【請求項３】
貫通孔を備えた焼成済みセラミック基板の前記貫通孔に導体ペーストを充填し焼成処理を行うセラミック基板の製造方法において、
前記導体ペーストは請求項１から２に記載の導体ペーストを用いるセラミック基板の製造方法。
【請求項１】
導電性を持つ金属粉末と有機成分及び溶剤を含有する導体ペーストにおいて、
前記金属粉末同士を前記有機成分にて結合させた平均粒径２０〜５２μｍの金属凝集物を含む導体ペースト。
【請求項２】
前記金属凝集物は、前記導体ペースト全体の１０〜３０ｗｔ％の範囲にある請求項１に記載の導体ペースト。
【請求項３】
貫通孔を備えた焼成済みセラミック基板の前記貫通孔に導体ペーストを充填し焼成処理を行うセラミック基板の製造方法において、
前記導体ペーストは請求項１から２に記載の導体ペーストを用いるセラミック基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２７６３７（Ｐ２０１０−２７６３７Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８３４８６（Ｐ２００８−１８３４８６）
【出願日】平成２０年７月１５日（２００８．７．１５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１５日（２００８．７．１５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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