JP4099097B2

JP4099097B2 - ビアホール充填用導電性ペースト及びその導電性ペーストを用いたセラミック多層回路基板

Info

Publication number: JP4099097B2
Application number: JP2003107756A
Authority: JP
Inventors: 晋一小倉; 博越智; 仁人西川
Original assignee: Kyoto Elex Co Ltd
Current assignee: Kyoto Elex Co Ltd
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: JP2004319116A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度配線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ビアホール充填用導電性ペースト及びその導電性ペーストを用いたセラミック多層回路基板に関し、特に、低温焼成に適したセラミック多層回路基板用のビアホール充填用導体材料の改良技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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を積層する方法によって次のような手順で製造される。
【０００３】
まず、図１に示す所定寸法の複数枚のセラミックグリーンシート１に、図２に示すように、層間接続用にビアホール２をパンチングまたはレーザー加工などで形成した後、図３に示すように、各セラミックグリーンシート１のビアホール２に導電性ペースト３を充填してビア導体を形成し、次いで、図４に示すように、導電性ペーストによる配線パターン４をスクリーン印刷等により形成する。その後、図５に示すように、導電部分を有する複数枚のセラミックグリーンシート１を積層・圧着し、所定の温度で焼成することによりセラミック多層回路基板が製造される。
【０００４】
現在用いられ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。
【０００５】
高温焼成セラミック多層回路基板の導体材料としては、Ｍｏ、Ｗ等が用いられるが、これらの酸化物は電気抵抗が高いために、酸化を避けるために還元雰囲気で焼成しなければならないという煩わしさがある上に、焼成後の導体の抵抗値が比較的高いという欠点がある。
【０００６】
これに対して、低温焼成セラミック多層回路基板は、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。
【０００７】
しかし、Ａｇ系の導体と低温焼成用セラミックでは、両者の熱収縮挙動が大きく異なる。Ａｇが４００℃付近から熱収縮するのに対し、低温焼成用セラミックはガラスを主成分としており、ガラスが溶解する７００℃付近から熱収縮が始まるという挙動を示す。
【０００８】
そのため、低温焼成用セラミックとＡｇ系導体を同時に焼成すると、４００〜７００℃の範囲の温度領域では収縮率の差が大きくなりやすい。両者の収縮率の差が大きくなると、図５のセラミックグリーンシート１、１の接合部に大きな応力が発生して焼成基板が反ったり、接合強度が低下したり、場合によっては、表層の導体が剥がれるという不具合が発生する。
【０００９】
ビアホール２に充填した導体についても同様に、セラミックとの収縮率の差が大きいとき、例えば、セラミックよりビアホール充填導体の方が早く熱収縮を始める場合には、セラミックとビアホールに充填した導体との間に空隙が発生しやすく、ビアホール充填導体の熱収縮が抑えられることでビアホール充填導体よりセラミックの方が早く熱収縮を始める場合には、ビアホールに充填した導体の一部がセラミック側に突き出すという不具合が発生することがある。その結果、ビアホールに充填した導体と配線パターンとの間に断線が起こることがある。
【００１０】
この問題を解決するため、従来から用いられているビアホール充填用導電性ペーストでは、ガラスフリット、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂などの無機酸化物を導体に添加することで、導体の熱収縮挙動を低温焼成用セラミック材料の熱収縮挙動に極力あわせて、上記したような空隙の発生や突き出しによる断線などの不具合を解消することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
すなわち、特許文献１には、導体材料粉末３０．０〜７０．０重量％とガラス転移温度が絶縁材料のガラス転移温度よりも高い温度の結晶化ガラスセラミック粉末３０．０〜７０．０重量％よりなる無機成分と、有機バインダーと有機ビヒクルよりなるビアホール用導体ペーストが記載されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−１０３８１１号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、導体中にガラスフリットや無機酸化物を添加した場合、電気抵抗値の上昇につながり、基板の電気特性を低下させることになる。
【００１４】
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、セラミックグリーンシートと同時に焼成しても、セラミックとビアホール充填導体との間において、上記した空隙や突き出しが発生せず、しかも、電気抵抗値の低い低温焼成用セラミック多層回路基板のビアホール充填用導電性ペーストおよびその導電性ペーストを用いた低温焼成用セラミック多層回路基板を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明にかかる低温焼成用セラミック多層回路基板のビアホール充填用導電性ペーストは、Ａｇ粉末と、Ｍｎ粉末を０．１〜３．０重量％と、Ｐｄ粉末またはＰｔ粉末を０．１〜３．０重量％含んでいる。Ａｇ粉末と、熱収縮抑制効果のある適正量のＭｎ粉末と、熱収縮開始温度の高い適正量のＰｄ粉末またはＰｔ粉末を含むことにより、ビアホール充填導体とセラミックとの収縮率の差を小さくしてセラミックとビアホール充填導体との間において空隙や突き出しが発生せず、しかも電気抵抗値の上昇量を抑えることができる。
【００１６】
すなわち、本発明の低温焼成用セラミック多層回路基板のビアホール充填用導電性ペーストは、Ａｇ粉末と、Ｍｎ粉末を０．１〜３．０重量％と、Ｐｄ粉末またはＰｔ粉末を０．１〜３．０重量％含むことを特徴としている。
【００１７】
Ｍｎ粉末が０．１重量％未満では、熱収縮抑制効果が期待できない。一方、Ｍｎ粉末が３．０重量％を超えると熱収縮しにくくなり、ビアホール充填導体よりもセラミック基板の方が早く熱収縮を始める結果、ビアホール充填導体の一部がセラミック基板側に突き出ることがある。
【００１８】
Ｐｄ粉末またはＰｔ粉末の添加量が０．１重量％未満では、熱収縮開始温度を高めることができず、セラミックの収縮率との大きな差を埋めることができないので、セラミックよりも早く熱収縮を始めるビアホール充填導体とセラミック基板との間に空隙が発生する。一方、Ｐｄ粉末またはＰｔ粉末の添加量が３．０重量％を超えると、ビアホール充填導体の熱収縮開始温度が高められ、ビアホール充填導体よりもセラミック基板の方が早く熱収縮を始める結果、ビアホール充填導体の一部がセラミック基板側に突き出ることがある。
【００１９】
そこで、Ａｇ粉末と、Ｍｎ粉末を０．１〜３．０重量％と、Ｐｄ粉末またはＰｔ粉末を０．１〜３．０重量％含むことにより、ビアホール充填導体とセラミック基板の熱収縮時に空隙や突き出しが発生せず、電気抵抗値の低い導電性ペーストを提供することができる。
【００２０】
Ａｇ粉末の平均粒径が１．０μｍ未満では焼成時の熱収縮開始温度が低くなりすぎ、本発明の組成のペーストであっても、セラミックとの収縮率の差を抑えることができないことがある。一方、Ａｇ粉末の平均粒径が１０．０μｍを超えると、ファインライン（ライン幅８０μｍ程度以下の微細な配線パターン）を形成することができにくくなる。そこで、Ａｇ粉末の平均粒径は１．０〜１０．０μｍであるのが好ましい。
【００２１】
Ｍｎ粉末の平均粒径が０．５μｍ未満では、熱収縮抑制効果があまり期待できない。一方、Ｍｎ粉末の平均粒径が５．０μｍを超えると、熱収縮しにくくなり、ビアホール充填導体よりもセラミック基板の方が早く熱収縮を始める結果、ビアホール充填導体の一部がセラミック基板側に突き出ることがある。そこで、Ｍｎ粉末の平均粒径は０．５〜５．０μｍであるのが好ましい。
【００２２】
ＰｔあるいはＰｄ粉末は、平均粒径０．１〜１．０μｍのものを好適に使用できる。
【００２３】
本明細書において、平均粒径とは、マイクロトラック社製レーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合の累積５０％粒径をいい、例えば、平均粒径２．０μｍのＡｇ粉末とは、「上記粒度分布測定装置でＡｇ粉末の粒度を測定した場合において、累積５０％粒径が２．０μｍであるような粒度分布を有するＡｇ粉末」という意味である。
【００２４】
有機ビヒクルとしては、特に限定されるものではないが、エチルセルロースをターピネオール等で溶解したものを好適に用いることができる。
【００２５】
また、導電性ペースト中における導体（Ａｇ粉末とＭｎ粉末とＰｄ粉末もしくはＰｔ粉末）と有機ビヒクルの配合割合は、導体７０〜９０重量部に対して、有機ビヒクル１０〜３０重量部であって、合計で１００重量部であるのが好ましい。導体が７０重量部未満（有機ビヒクルが３０重量部超）では、ペースト膜の乾燥性が悪くなるともに、導体不足により導通不足が起こるという欠点がある。一方、導体が９０重量部超（有機ビヒクルが１０重量部未満）では、ペースト状態にするのが困難であるという欠点がある。
【００２６】
複数のセラミック焼結層と前記セラミック焼結層の内部および／または表面に形成される導電部分を有するセラミック多層回路基板において、以上のように構成される導電性ペーストを焼結したものがビアホールに充填する導電成分であれば、ビアホール周辺に空隙や突き出しが発生せず、電気抵抗値の低いセラミック多層回路基板を提供することができる。
【００２７】
本発明の低温焼成セラミック多層回路基板は以下のような方法で製造することができる。
（１）セラミックグリーンシートの成形
まず、低温焼成用セラミックグリーンシートを、ドクターブレード法等でテープ成形する。
【００２８】
低温焼成用セラミックとしては、例えば、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス５０〜７０重量％とアルミナ３０〜５０重量％との混合物（合計１００重量％）を用いることができる。この他、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナの混合物、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス、コーディエ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
この後、テープ成形したセラミックグリーンシート１を、図１に示すように所定の寸法に切断し、図２に示すように、セラミックグリーンシート１の所定の位置にビアホール２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導電性ペーストによる配線パターンの形成
Ａｇ粉末と、本発明の範囲内の適正量のＭｎと、本発明の範囲内の適正量のＰｄ粉末またはＰｔ粉末とを含む導体粉末（例えば、８５重量部）に対して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（例えば、１５重量部）を添加し、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。
【００２９】
この導電性ペースト３を図３に示すようにビアホールへ充填し、且つこの導電性ペーストを用いて図４に示すような配線パターン４を、例えば、スクリーン印刷により形成する。
【００３０】
なお、配線パターン用導電性ペーストとビアホール充填用導電性ペーストは同じ組成でも、異なる組成でもよい。配線パターン形成用導電性ペースト中のＡｇ粉末は微細な配線パターンを形成するためには、ビアホール充填用導電性ペースト中のＡｇ粉末より小径であるのが好ましい。
（４）グリーンシートの積層圧着
上記のような導電性ペーストの印刷終了後、図５に示すように、複数のグリーンシート１を積層圧着し一体化する。
（５）焼成
この後、焼成ピーク温度を８００〜９５０℃（好ましくは９００℃前後）とし、ピーク温度で１０〜３０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。
【００３１】
図６は、以上のセラミック多層回路基板の製造工程のフローを概略的に示す図である。
【００３２】
なお、焼成工程において低温焼成用グリーンシート積層体の両面にアルミナグリーンシートを圧着し、加圧しながら、８００〜９５０℃で焼成し、焼成後に低温焼成用グリーンシート積層体の両面のアルミナグリーンシートを除去する方法を採用することもできる。この方法によれば、焼結温度が高いアルミナグリーンシートは８００〜９５０℃程度の温度では熱収縮しないので、低温焼成用グリーンシート積層体を上下両面で拘束するアルミナグリーンシートが熱収縮抑制シートとして作用し、低温焼成用グリーンシート積層体を構成する各グリーンシートの水平面内の熱収縮を抑えることができるという効果がある。
【００３３】
【実施例】
以下に本発明の好ましい実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更と修正が可能である。
【００３４】
下記表１に示すように、Ａｇ粉末８５重量部と、３重量部以下のＭｎ粉末と、３重量部以下のＰｄ粉末もしくはＰｔ粉末と、残部有機ビヒクル（エチルセルロースをターピネオールで溶解したもの）からなり、合計で１００重量部の本発明の実施例１〜４に係るペースト組成物と、本発明の範囲外である組成の比較例１〜３に係るペースト組成物を、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た。
【００３５】
セラミックグリーンシートとして、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス７０重量％とアルミナ３０重量％を混合してなる、厚さ２００μｍのものを使用した。
【００３６】
そのグリーンシートに、図２に示すように、直径０．２mmのビアホール２を形成し、図３に示すように、そのビアホール２内に表１記載の各組成の導電性ペースト３を充填し、次に同導電性ペーストを用いてスクリーン印刷により図４に示すような配線パターン４を形成し、さらに、図５に示すように、導電部分を有するそのセラミックグリーンシート１を４枚積層し、ベルト式焼成炉にて、ピーク温度８９０℃、ピーク温度での保持時間２０分の条件で焼成した。得られたセラミック多層回路基板の各特性を評価した結果を表１に示す。表１に示すビア導体抵抗は、「グリーンシートを４枚積層した状態で抵抗値を測定し、その抵抗値を４で除した数値」を示し、一般に、ビア導体抵抗は、４．０ｍΩ／ビア以下のものが実用的に好ましいとされている。表１に示すビアの状態は、「焼成後のセラミック多層回路基板の外観を目視観察した結果」であり、空隙発生とは、ビアホールとセラミック基板との間に空隙が存在することが目視で認められたことを示し、突き出しとはビアホール側からセラミック基板に向けてビアホール充填導体の一部が突き出ている状態が認められたことを示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１に明らかなように、本発明の実施例１〜４に係るものは、セラミックグリーンシートと同時に焼成してもビアホール充填導体周辺に空隙や突き出しが発生せず、かつビア導体抵抗値が低い。
【００３９】
一方、比較例１にはＭｎ粉末が添加されておらず、セラミック基板よりもビアホール充填導体の方が早く熱収縮してしまうために、ビアホールとセラミック基板との間に空隙が認められた。
【００４０】
また、比較例２には多量のＭｎ粉末が添加されており、ビアホール充填導体に対する熱収縮抑制効果が強すぎて、ビアホール充填導体よりもセラミック基板の方が早く熱収縮を始める結果、ビアホール充填導体の一部がセラミック基板に向けて突き出ている状態が認められた。
【００４１】
また、比較例３のものには、上記した空隙や突き出しは認められなかったが、ガラスフリットの添加量が多すぎるので、ビア導体抵抗値が極めて高く、実用に適さない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は上記のとおり構成されているので、次の効果を奏する。
【００４３】
セラミックグリーンシートと同時に焼成しても、セラミックとビアホール充填導体との間において、空隙や突き出しが発生せず、しかも、電気抵抗値の低い低温焼成用セラミック多層回路基板のビアホール充填用導電性ペーストを提供することができる。このような導電性ペーストを使用して製造された低温焼成用セラミック多層回路基板は、導体の接続信頼性が高く、且つ導体抵抗値が低くて電気特性が優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミック多層回路基板の製造工程の一部（切断された成形グリーンシート）を示す断面図である。
【図２】セラミック多層回路基板の製造工程の一部（ビアホールの形成）を示す断面図である。
【図３】セラミック多層回路基板の製造工程の一部（ビアホールへの導電性ペーストの充填）を示す断面図である。
【図４】セラミック多層回路基板の製造工程の一部（配線パターンの形成）を示す断面図である。
【図５】セラミック多層回路基板の製造工程の一部（グリーンシートの積層圧着）を示す断面図である。
【図６】本発明のセラミック多層回路基板の製造工程のフローを概略的に示す図である。
【符号の説明】
１…セラミックグリーンシート
２…ビアホール
３…導電性ペースト
４…配線パターン

Claims

低温焼成用セラミック多層回路基板のビアホールに充填するための導電性ペーストであって、Ａｇ粉末と、Ｍｎ粉末を０．１〜３．０重量％と、Ｐｄ粉末またはＰｔ粉末を０．１〜３．０重量％含むことを特徴とする低温焼成用セラミック多層回路基板のビアホール充填用導電性ペースト。
複数のセラミック焼結層と前記セラミック焼結層の内部および／または表面に形成される導電部分を有する低温焼成用セラミック多層回路基板であって、層間を接続する導電部分であるビアホールに充填する導電成分は、請求項１に記載の導電性ペーストを焼成して形成されたものであることを特徴とする低温焼成用セラミック多層回路基板。