説明

導電性ペースト

【課題】低温焼成セラミックグリーンシートと同時焼成しても、焼成後の基板の反りの少ない導電性ペーストを提供すること。
【解決手段】ネオジムの酸化物、無機酸塩、有機酸塩および塩化物の中の1種以上の化合物と銀を主成分とする導体粉末とを有機ビヒクル中に分散させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は高密度実装回路基板の製造に用いられる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に関する。
【背景技術】
【0002】
高密度実装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次のような手順で製造される。
【0003】
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、それぞれのセラミック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、各セラミックグリーンシートに導電性ペーストを用いて配線パターンをスクリーン印刷により形成する。次いで、これら複数枚のセラミックグリーンシートを積層・熱圧着した後、各セラミックグリーンシートと印刷導体とを同時焼成してセラミック多層回路基板が製造されている。
【0004】
現在用いられるセラミック多層回路基板は、1300℃以上で焼成されるアルミナ等の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。
【0005】
高温焼成セラミック多層回路基板は、導体材料として、Mo、W等の高融点金属が用いられているが、導体の酸化防止のために還元雰囲気で焼成しなければならず、電気抵抗値も比較的高いという欠点がある。
【0006】
一方、低温焼成セラミック多層回路基板は、電気抵抗値が低くて電気特性に優れた低融点金属であるAg、Ag−Pt、Ag−Pd等のAg系導体を使用して、空気中でセラミックグリーンシートと同時焼成できるという利点がある(例えば、特許文献1参照)
【特許文献1】特開2003−323816号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、Ag系の導体と低温焼成セラミックとを同時焼成する際、両者の収縮挙動が大きく異なるという不都合な点がある。Ag系の導体を含有するペーストは、焼成開始後、300〜400℃で有機物(バインダー樹脂等)が熱分解してAgが焼結することにより収縮し始めるが、低温焼成セラミックグリーンシートはガラスを主成分とするため、そのガラス成分が融解し始める650℃付近で収縮を開始するのが一般的である。
【0008】
このため、400℃から650℃付近の温度領域では、Ag系の導体と低温焼成セラミックの収縮率の差が温度上昇に伴って拡大する。両者の収縮率の差が大きくなると、両者の接合部に大きな熱応力が発生して焼成基板が反ったり、接合部の接合強度が低下して接合部が剥がれることがある。さらに、近年電子部品の無鉛化に伴い、セラミック材料も鉛フリーの材料が主流になってきている。そのため、セラミックの収縮開始温度は高温側にシフトするとともに、セラミック自身が結晶化するため、熱収縮のスピードがかなり速くなる。従って、Ag系導体の収縮率と低温焼成セラミックの収縮率との差は拡大する一方であり、焼成後の基板にクラックや反りが発生するという事態が顕著になってきた。
【0009】
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、低温焼成セラミックグリーンシートの収縮挙動との差を少なくすることにより、低温焼成セラミックグリーンシートと同時焼成しても、焼成後の基板の反りの少ない導電性ペーストを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために本発明は、ネオジムの酸化物、無機酸塩、有機酸塩および塩化物の中の1種以上の化合物と銀を主成分とする導体粉末とを有機ビヒクル中に分散させてなる導電性ペーストを使用する。
【0011】
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、70重量部/30重量部≦(導体粉末)/(有機ビヒクル)≦90重量部/10重量部が好ましい。導体粉末が70重量部未満(有機ビヒクルが30重量部超)では、導体の電気抵抗値が高くなり、電気特性が低下するので好ましくない。導体粉末が90重量部超(有機ビヒクルが10重量部未満)では、適正なペースト粘度が得られず、ビアホールへの充填および配線パターン形成の作業効率が低下するので好ましくない。
【0012】
そこで、上記範囲の配合比とすることにより、導電性ペーストの粘度がビアホールへの穴埋め充填性と配線パターン印刷性とを両立できる適度な粘度となるとともに、焼成開始から有機物の熱分解開始温度である約400℃近くに昇温するまでの有機物の熱分解による印刷導体の減量が少なく、導体の電気特性を安定化させることができる。
【0013】
導電性ペースト中のネオジムの酸化物、無機酸塩、有機酸塩および塩化物は、銀の熱収縮開始温度を高くするという作用をするので、0.1重量%以上配合することが好ましいが、多すぎると銀の熱収縮を抑制する効果が過大となり電気抵抗値が増加して電気特性が低下するので、5.0重量%以下とするのが好ましい。
【0014】
ネオジムは希土類元素の一つであるが、ネオジムの酸化物、無機酸塩、有機酸塩および塩化物は、比較的安価で入手しやすいという利点がある。ネオジムの酸化物としては、例えば、Nd23を挙げることができ、ネオジムの無機酸塩としては、例えば、Nd2(CO33またはNdO4Pを挙げることができ、ネオジムの有機酸塩としては、例えば、(CH3COO)3Ndを挙げることができ、ネオジムの塩化物としては、例えば、NdCl3を挙げることができる。
【0015】
なお、ネオジムの酸化物、無機酸塩、有機酸塩および塩化物を導電性ペースト中に少量含有することにより熱収縮開始温度が高くなる原因は、これらの化合物が銀粒子間に均一に分散して銀粒子の焼結を抑制するためと考えられる。
【0016】
有機ビヒクルは、バインダー樹脂(例えば、エチルセルロース系樹脂、アクリル系樹脂など)と、有機溶剤(例えば、ターピネオール、ブチルカルビトールアセテートなど)を含むもので、必要に応じて可塑剤を添加することができる。有機ビヒクルは、導電性ペーストに適度の粘度を与えて配線パターンを安定化させる機能を果たすものであり、そのような機能を果たすかぎりにおいてバインダー樹脂と有機溶剤を配合すればよいが、一例として、バインダー樹脂/有機溶剤=10重量部/90重量部を採用することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、低温焼成セラミックグリーンシートと同時焼成しても、焼成後の基板の反りの少ない導電性ペーストを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
図1は本実施形態の製造工程で製造する低温焼成セラミック多層回路基板の一例を示す縦断面図、図2は本実施形態の製造工程の流れを示すフローチャートである。以下、製造工程順に説明する。
(1)グリーンシートの成形
まず、低温焼成セラミック多層回路基板用のセラミックグリーンシート1を、低温焼成セラミックのスラリーを用いてドクターブレード法等でテープ成形する。この際、セラミックとしては、MgO−CaO−SiO2 系結晶化ガラス50〜65重量%とアルミナ3 5〜50重量%との混合物を用いることができるが、これに限定されるものではない。この他、例えば、MgO−SiO2 −B23系結晶化ガラスとアルミナとの混合物等、80 0〜1000℃で焼成できる低温焼成セラミック材料であれば、用いることができる。
(2)グリーンシートの切断とビアホールの穴あけ加工
この後、テープ成形したセラミックグリーンシート1を所定の寸法に切断した後、所定の位置にビアホール2、3をパンチング加工する。径の大きい方のビアホール3は、搭載電子部品(図示せず)の熱を放散するためのサーマルビアを形成するビアホールであり、径の小さい方のビアホール2は層間の配線パターン4を接続するビア導体を形成するビアホールである。
(3)ビアホールへの導電性ペーストの穴埋め印刷と配線パターン印刷
その後、ビアホール2、3の穴埋め印刷および層間配線パターン4、表層配線パターン5、裏面配線パターン6、部品搭載ランド7の印刷を、例えば、後記する配合のAg系導体を含有するペーストを用いて行う。
【0019】
この印刷で使用するAg系導体を含有するペーストは、導体粉末としてAgを主として含有し、必要に応じて他の貴金属粉末(例えば、Pd、Pt、Au等の粉末)を添加することができる。PdやPtを添加することによって耐半田性の向上や焼結抑制効果が期待できる。なお、ペースト中のAgの含有率は、85重量%以上とするのが好ましい。無機物中のAg以外の添加物(例えば、焼結抑制剤としてのガラスフリットや金属酸化物)が15重量%未満となって、印刷導体の電気抵抗値の増加を防ぐことができ、印刷導体の電気特性を安定させることができるからである。
【0020】
Ag粉末の平均粒径は、1〜8μmが好ましい。なお、平均粒径とは、マイクロトラック粒度分析計で測定した累積グラフにおける50容積%での粒径をいう。Ag粉末の平均粒径が1μm未満では、Agの焼結を抑制することが難しく、Ag粉末の平均粒径が8μmを超えると、微細な配線パターンを形成することが難しくなるからである。
【0021】
所定の配合の化合物を、例えば、3本ロールミルのようなミキシング装置を用いて十分に混練・分散することにより、導電性ペーストを作製することができる。
【0022】
なお、配線パターン印刷用導電性ペーストとビアホール穴埋め印刷用導電性ペーストは、同じ組成とすることも、異なる組成とすることもできる。ビアホールに穴埋め印刷したビア導体とセラミックグリーンシートとの収縮率の差が大きいと、ビア導体と配線パターンとの接合部で断線が発生することがあるので、ビアホール穴埋め印刷用導電性ペーストでは焼結抑制剤としてのガラスフリットや金属酸化物の配合量を多くすることで、焼成時のビア導体の収縮挙動をセラミックグリーンシートの収縮挙動に近づけてビア導体の断線を防ぐようにし、一方、導電性ペースト中のガラスフリットや金属酸化物の配合量を多くすると電気抵抗値が大きくなるため、セラミックグリーンシート上に印刷する配線パターンはガラスフリットや金属酸化物の配合量が少ない導電性ペーストを用いて配線抵抗値を小さくすることが好ましい。このような観点から、必要に応じて、配線パターン印刷用導電性ペーストとビアホール穴埋め印刷用導電性ペーストを異なる組成にすることができる。
(4)積層・圧着
印刷終了後、各層のグリーンシート1を積層し、この積層体を例えば、60〜150℃、0.1〜30MPaの条件で加熱圧着して一体化する。
(5)焼成
この後、グリーンシート1の積層体を、昇温速度=約10℃/分、焼成ピーク温度=800〜1000℃(好ましくは900℃前後)、ピーク温度で10〜30分保持の条件により空気雰囲気で焼成し、グリーンシート1の積層体を、層間配線パターン4、表層配線パターン5、裏面配線パターン6、およびビアホール2、3穴埋め導体と同時に焼成して低温焼成セラミック多層回路基板を製造することができる。
【0023】
なお、焼成工程でグリーンシート1の積層体の両面にアルミナグリーンシートを積層し、この状態で積層体を加圧しながら800〜1000℃で焼成した後、焼成基板の両面からアルミナグリーンシートの残存物を除去して、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。この焼成法によれば、基板の焼成収縮量を小さくして焼成後の基板の寸法精度を向上させることができるという利点が期待できる。
【実施例1】
【0024】
下記の表1、表2および表3に示す配合(重量%)の導電性ペーストを作製し、セラミックグリーンシートとして、MgO−CaO−SiO2 系結晶化ガラス60重量%とアル ミナ40重量%を混合した、厚み1mmのものを使用した。有機ビヒクルとしては、エチルセルロースをターピネオールに溶解したものを用いた。
【0025】
上記グリーンシートを30mm角に切断してサンプル基板を作製した。そして、以下の表1、表2および表3に示す各実施例および比較例の配合の導電性ペーストを用いて、図3(a)に示すように、サンプル基板11上に、スクリーン印刷により25mm角の導体パターン12を印刷した後、120℃で10分間乾燥し、次いで、ベルト式焼成炉にて、ピーク温度900℃、ピーク温度保持時間20分の条件で焼成した。得られたセラミック基板の反りを評価した結果を表1、表2および表3に示す。
【0026】
【表1】

【0027】
【表2】

【0028】
【表3】

【0029】
なお、基板の反り量の測定については、図3(b)に示すように、サンプル基板11の中央位置における水平面13からの高さCを測定し、その高さCを反り量とした。
【0030】
表1〜3に示すように、本発明の実施例1〜35の配合の導電性ペーストを印刷した基板の反り量は、比較例1〜4の配合の導電性ペーストを印刷した基板の反り量より小さいことは明らかである。
【0031】
図4、図5、図6、図7、図8は、本発明の実施例1〜35において、それぞれ、Nd23の添加量と基板の反り量、Nd2(CO33の添加量と基板の反り量、NdO4Pの添加量と基板の反り量、(CH3COO)3Ndの添加量と基板の反り量、NdCl3の添加量と基板の反り量の関係を示す。これら添加剤の種類によって、同じ添加量でも反り量の絶対値は多少異なるが、いずれの添加剤の場合も、約0.5〜3.0重量%の添加量が最も反り量が小さくなるような傾向が見られる。
【0032】
一方、比較例1の基板は導電性ペーストにネオジムの酸化物、無機酸塩、有機酸塩および塩化物のような添加剤を添加しなかったので、本発明の実施例1〜35の基板の反り量より大きく、また、本発明以外の添加剤を添加した比較例2〜4の基板の反り量は、添加剤を添加しない比較例1よりさらに大きくなっている。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明の一実施形態の製造工程で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を模式的に示す図である。
【図2】低温焼成セラミック多層回路基板の製造工程の一例のフローチャートである。
【図3】図3(a)はサンプル基板の平面図、図3(b)は基板の反り量の測定方法を説明するための側面図である。
【図4】Nd23の添加量と基板の反り量の関係を示す図である。
【図5】Nd2(CO33の添加量と基板の反り量の関係を示す図である。
【図6】NdO4Pの添加量と基板の反り量の関係を示す図である。
【図7】(CH3COO)3Ndの添加量と基板の反り量の関係を示す図である。
【図8】NdCl3の添加量と基板の反り量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【0034】
1 グリーンシート
2 ビアホール
3 ビアホール
4 層間配線パターン
5 表層配線パターン
6 裏面配線パターン
7 部品搭載ランド
11 サンプル基板
12 導体パターン

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ネオジムの酸化物、無機酸塩、有機酸塩および塩化物の中の1種以上の化合物と銀を主成分とする導体粉末とを有機ビヒクル中に分散させてなる導電性ペースト。
【請求項2】
ネオジムの酸化物がNd23であり、ネオジムの無機酸塩がNd2(CO33またはNdO4Pであり、ネオジムの有機酸塩が(CH3COO)3Ndであり、ネオジムの塩化物がNdCl3である請求項1記載の導電性ペースト。

【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図1】
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