(57)【要約】【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た後に焼成する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導電性を有する金属成分と前記金属成分に流動性を付与する有機成分及び溶剤とを含有しており、前記導体ペーストを熱処理した後に前記貫通孔に前記導体ペーストを充填するセラミック基板の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する金属成分と前記金属成分に流動性を付与する有機成分及び溶剤とを含有する導体ペーストにおいて、
前記導体ペーストを印刷前に熱処理する導体ペースト。
【請求項２】
前記熱処理は、熱処理時間が１２時間の時は熱処理温度が１００℃〜１１０℃とした請求項１に記載の導体ペースト。
【請求項３】
前記熱処理は、熱処理時間が２４時間の時は熱処理温度が８０℃〜１００℃とした請求項１に記載の導体ペースト。
【請求項４】
前記熱処理は、熱処理時間が３６時間の時は熱処理温度が７０℃〜９０℃とした請求項１に記載の導体ペースト。
【請求項５】
前記熱処理後の前記導体ペーストを印刷する時の粘度が、４００〜５００Ｐａ・ｓである請求項２から４に記載の導体ペースト。
【請求項６】
前記熱処理は、導体ペーストの熱処理時間が４８時間の時は熱処理温度が７０℃とした請求項１に記載の導体ペースト。
【請求項７】
前記熱処理後の前記導体ペーストを印刷する時の粘度が、３００〜５００Ｐａ・ｓである請求項６に記載の導体ペースト。
【請求項８】
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た後に焼成するセラミック基板の製造方法において、
前記導体ペーストを熱処理した後に前記貫通孔に前記導体ペーストを充填するセラミック基板の製造方法。
【請求項９】
前記熱処理は、熱処理時間が１２時間の時は熱処理温度が１００℃〜１１０℃とした請求項８に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１０】
前記熱処理は、熱処理時間が２４時間の時は熱処理温度が８０℃〜１００℃とした請求項８に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１１】
前記熱処理は、熱処理時間が３６時間の時は熱処理温度が７０℃〜９０℃とした請求項８に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１２】
前記熱処理後の前記導体ペーストを印刷する時の粘度が、４００〜５００Ｐａ・ｓである請求項９から１１に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１３】
前記熱処理は、導体ペーストの熱処理時間が４８時間の時は熱処理温度が７０℃とした請求項８に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項１４】
前記熱処理後の前記導体ペーストを印刷する時の粘度が、３００〜５００Ｐａ・ｓである請求項１３に記載の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４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２４を得る。
【０００３】
図５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１３は、焼成済みのセラミック基板１０に貫通孔１１を設けた貫通孔付焼成済みセラミック基板１２を準備する工程である。第２の工程２７は、貫通孔１１に図４で得られた導体ペースト２４を充填し、導体ペースト２４が焼成できる温度で焼成して充填済みセラミック基板２６を得る工程である。導体ペースト２４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２９では、充填済みセラミック基板２６表面の貫通孔１１の両端に所望の表層導体１６を形成した後、この表層導体１６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２８を得る。表層導体１６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３１にて、表層導体１６の表面にメッキ層１９を形成して、完成されたセラミック基板３０を得る。
【０００４】
以上のように作成されたセラミック基板３０では、貫通孔１１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６を用いて説明する。図６に、図５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１１内の断面と充填された導体ペースト２４の状態を模式的に示す。
【０００５】
図中の第２の工程２７は、貫通孔１１内に印刷方法により充填された導体ペースト２４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３３は、導体ペースト２４が乾燥した状態を示す。導体ペースト２４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２４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２４の表面に大きなボイド３２が発生する。ここで生じたボイド３２は、導体ペースト２４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１１の導体ペースト２４の両端に表層導体１６を形成しても、ボイド３２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１６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１９を形成するが、ボイド３２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３２が発生すると、貫通孔１１内の導体ペースト２４と表層導体１６の接続強度が低下するので、貫通孔１１内の導体ペースト２４と表層導体１６の接続信頼性が低下する。
【０００７】
従来、貫通孔１１内のボイド３２を防止する方法としては、図７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は、導電性を有する金属成分と前記金属成分に流動性を付与する有機成分及び溶剤とを含有する導体ペーストにおいて、前記導体ペーストを印刷前に熱処理する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た後に焼成するセラミック基板の製造方法において、前記導体ペーストを熱処理した後に前記貫通孔に前記導体ペーストを充填す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、焼成済みセラミック基板の貫通孔に導体ペーストを充填し、焼成したときに発生する貫通孔内のボイドを効果的に抑制することが出来る。
【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成方法を図１に示す。第１の工程５は、金属粉末１と有機成分２と溶剤３を混合して、混練済み導体ペースト４を作成する工程である。金属粉末１としては、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの中から少なくとも１種類以上を使用することが好ましい。本実施例では、主成分にＡｇを使用して、ＰｄをＡｇに対して重量比で２〜３％添加した。有機成分２としては、特に限定される物ではないが、本実施例では、エチルセルロースを使用した。溶剤３としては、有機成分２を溶解できる物でなくてはならないので、本実施例では、ターピネオールを使用した。混練済み導体ペースト４の作成は、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成した。
【００１５】
次の第２の工程７では、第１の工程５で作成した混練済み導体ペースト４を熱処理して熱処理済み導体ペースト６を得る。このときの熱処理条件が本願発明の特徴であるので、この熱処理条件の詳細は後述する。熱処理済み導体ペースト６は部分的に乾燥が始まっているため、粘度が高い状態にある。そのため、この熱処理済み導体ペースト６を次の第３の工程９にて、第１の工程７で使用した溶剤３を入れて粘度調整を行い、印刷工法で使用できる導体ペースト８を得る。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５００Ｐａ・ｓ以下が良い。
【００１６】
以上の様に作成した導体ペースト８を使用したセラミック基板の製造方法を図２に示す。第１の工程１３は、焼成済みセラミック基板１０に貫通孔１１を設けて、貫通孔付焼成済みセラミック基板１２を得る工程である。具体的には焼成済みセラミック基板１０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。
【００１７】
本実施例での焼成済みセラミック基板１０の基板サイズは、一辺が４インチのサイズの基板を使用した。本実施例での焼成済みセラミック基板１０の基板厚みは、０．８ｍｍとした。また、貫通孔１１は、焼成済みセラミック基板１０にレーザー加工して作成した。貫通孔１１のサイズは、０．３ｍｍφ、貫通孔１１間のピッチは、１．２７ｍｍとした。
【００１８】
第２の工程１５は、貫通孔付焼成済みセラミック基板１２の貫通孔１１に導体ペースト８を充填し、導体ペースト８の焼成温度で焼成して充填済みセラミック基板１４を得る工程である。貫通孔１１への導体ペースト８の充填は印刷工法で行った。このときに使用する製版は０．１ｍｍｔのメタルマスクを使用した。導体ペースト８は、図１に説明した導体ペースト８を使用し、焼成は８５０℃で行った。
【００１９】
第３の工程１８は、充填済みセラミック基板１４の貫通孔１１の両面に、表層導体１６を形成した後、表層導体１６の焼成温度で焼成し、表層導体付セラミック基板１７を得る工程である。表層導体１６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１６の焼成は８５０℃で行った。第４の工程２１は、表層導体１６の表面にメッキ層１９を形成し、セラミック基板２０を得る工程である。メッキ層１９は無電解のＮｉ／Ａｕメッキで形成した。
【００２０】
次に本願発明の特徴である導体ペーストの熱処理条件について、次に詳述する。まず、図１の第２の工程７での熱処理条件の決定については、図２で得られた充填済みセラミック基板１４（第２の工程１５）の貫通孔１１内の導体ペースト８のボイドの状態と、導体ペースト８印刷時の際の粘度とを考慮して決定した。
【００２１】
ボイドの有無の確認は、導体ペースト８の焼成後に、まず目視で判断した。目視でボイドが確認されなかった基板は、Ｘ線検査装置で内部確認を行った。目視及びＸ線検査でボイドが確認されなかった基板は、○とした。ボイドが、目視、又はＸ線検査とで確認された基板は、×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。熱処理済みの導体ペースト６の硬化が進み、溶剤３で粘度調整ができないものは、×××とした。尚、室温をＲＴと表し、特に熱処理を行っていないことを意味する。
【００２２】
熱処理時間が６時間、１２時間、２４時間、３６時間、４８時間及び６０時間の場合の、セラミック基板１４の貫通孔１１内の導体ペースト８のボイドの状態と、導体ペースト８の熱処理温度と印刷時の粘度との関係を、それぞれ表１、表２、表３、表４、表５、及び表６に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
2010021383.tif 000004
【００２５】
【表３】
2010021383.tif 000005
【００２６】
【表４】
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【００２７】
【表５】
2010021383.tif 000007
【００２８】
【表６】
2010021383.tif 000008
【００２９】
表１の結果より、熱処理時間が６時間では、熱処理温度が１２０℃の場合は導体ペースト８の乾燥硬化により溶剤３による粘調ができなかった。またＲＴ〜１１０℃の熱処理温度で、導体ペースト８の粘度が６００Ｐａ・ｓの場合は、粘度が高すぎるため印刷が出来なかった。熱処理時間が６時間において、熱処理温度が６０〜１１０℃、導体ペースト８の粘度が１００〜５００Ｐａ・ｓの全範囲においてボイド３２が発生し、改善が見られなかった。
【００３０】
表２の結果より、熱処理時間が１２時間において、熱処理温度が１２０℃の場合は導体ペースト８の乾燥硬化により溶剤３による粘調ができなかった。またＲＴ〜１１０℃の熱処理温度で、導体ペースト８の印刷時の粘度が６００Ｐａ・ｓの場合は、粘度が高すぎるため印刷が出来なかった。熱処理時間が１２時間において、熱処理温度が１００℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が４００〜５００Ｐａ・ｓと、熱処理温度が１１０℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が３００〜５００Ｐａ・ｓの範囲においてボイド３２の発生が無く良好であった。その他の条件においてはボイド３２が発生した。
【００３１】
表３の結果より、熱処理時間が２４時間において、熱処理温度が１１０〜１２０℃の場合は導体ペースト８の乾燥硬化により溶剤３による粘調ができなかった。またＲＴ〜１００℃の熱処理温度で、導体ペースト８の印刷時の粘度が６００Ｐａ・ｓの場合は、粘度が高すぎるため印刷が出来なかった。熱処理時間が２４時間において、熱処理温度が８０℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が４００〜５００Ｐａ・ｓと、熱処理温度が９０℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が３００〜５００Ｐａ・ｓと、熱処理温度が１００℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓの範囲においてボイド３２の発生が無く良好であった。その他の条件においてはボイド３２が発生した。
【００３２】
表４の結果より、熱処理時間が３６時間において、熱処理温度が１００〜１２０℃の場合は導体ペースト８の乾燥硬化により溶剤３による粘調ができなかった。またＲＴ〜９０℃の熱処理温度で、導体ペースト８の印刷時の粘度が６００Ｐａ・ｓの場合は、粘度が高すぎるため印刷が出来なかった。熱処理時間が３６時間において、熱処理温度が７０℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が４００〜５００Ｐａ・ｓと、熱処理温度が８０℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が３００〜５００Ｐａ・ｓと、熱処理温度が９０℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓの範囲においてボイド３２の発生が無く良好であった。その他の条件においてはボイド３２が発生した。
【００３３】
表５の結果より、熱処理時間が４８時間において、熱処理温度が８０〜１２０℃の場合は導体ペースト８の乾燥硬化により溶剤３による粘調ができなかった。またＲＴ〜７０℃の熱処理温度で、導体ペースト８の印刷時の粘度が６００Ｐａ・ｓの場合は、粘度が高すぎるため印刷が出来なかった。熱処理時間が４８時間において、熱処理温度が７０℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が３００〜５００Ｐａ・ｓの範囲においてボイド３２の発生が無く良好であった。その他の条件においてはボイド３２が発生した。
【００３４】
表６の結果より、熱処理時間が６０時間において、熱処理温度が７０〜１２０℃の場合は導体ペースト８の乾燥硬化により溶剤３による粘調ができなかった。またＲＴ〜６０℃の熱処理温度で、導体ペースト８の印刷時の粘度が６００Ｐａ・ｓの場合は、粘度が高すぎるため印刷が出来なかった。熱処理時間が６０時間において、印刷が可能な範囲ではボイド３２が発生した。
【００３５】
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１５から第４の工程２１における貫通孔の断面模式図を示す。
【００３６】
第２の工程１５での貫通孔１１内に充填された熱処理済み導体ペースト６は、熱処理により内部の有機成分２が一度ゲル化した後に固まるので、金属粉末凝集物２２が発生する。この金属粉末凝集物２２は、その後、溶剤３により粘度調整しても、金属粉末凝集物２２は再溶解することなく、導体ペースト８の内部に残留する。次の第２’の工程２３は、導体ペースト８を乾燥した後の状態を示す。導体ペースト８が乾燥すると内部の溶剤が蒸発して導体ペースト８の体積が減少するので、従来技術（図６）で説明したように、金属粉末凝集物２２と金属粉末１とが矢印の様に中央に向かって移動しようとする。ところが、金属粉末凝集物２２が大きな塊なので、塊同士がぶつかり合ってお互いの移動を阻止する、いわゆるブリッジング効果が生じる。そのため、貫通孔１１内の導体ペースト８の表面のボイド３２の発生を抑制できる。
【００３７】
表１から表６に示した通り、熱処理時間によってボイド３２が発生しない条件の範囲が変化するのは、熱処理温度と熱処理時間とが金属粉末凝集物２２の発生に大きな影響を与えることを示している。これらの結果から、熱処理時間が長くなるに従って金属粉末凝集物２２の発生が促進され、より低い熱処理温度でも金属粉末凝集物２２が発生する（表２から表５を参照。）。しかし、熱処理時間が６０時間と長くなると、表６に示すように溶剤３での粘調ができなくなる。これは、金属粉末凝集物２２が大きくなり過ぎるからである。一方、熱処理時間が６時間と短くなると、表１に示すように、加熱温度に拘わらずボイドの発生が見られる。これは、有機成分２のゲル化が促進されないため、金属粉末凝集物２２が発生しないか、あるいは発生しても小さいため、十分なブリッジング効果が得られないためである。
【００３８】
以上の説明したように、金属粉末凝集物２２の発生には、加熱温度と熱処理時間の双方が関係する。６０℃以下の加熱温度では、熱処理時間に係わらずボイド３２が発生する。これは、短い熱処理時間の条件と同様にブリッジング効果が生まれないためである。また、１１０℃以上の加熱温度では、熱処理時間に係わらず溶剤３での粘調ができなくなる。これは、金属粉末凝集物２２が大きくなり過ぎるからである。従って、加熱温度と熱処理時間との関係を広くするために、適切な条件がある。粘度を４００から５００ｐａ・ｓの導体ペーストを作成するためには、本実施例では、熱処理時間が２４時間であれば、８０℃から１００℃までの熱処理温度が良く、熱処理時間が３６時間であれば、７０℃から９０℃までの熱処理温度が良いという結果が得られた。
【００３９】
次に、導体ペーストに熱処理を行うことによる貫通孔１１内の導体の抵抗値への影響について説明する。表７は、熱処理時間が２４時間の場合（表３）の、本発明のセラミック基板の製造方法を用いた場合のビア抵抗値測定結果である。なお、導体ペースト８の印刷時の粘度が１００〜５００Ｐａ・ｓの範囲は、貫通孔１１に印刷形成可能な範囲である。また、熱処理温度をＲＴとしているのは、熱処理していないことを意味する貫通孔１１内の導体の抵抗値は、第３の工程１８で作成した表層導体付セラミック基板１７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１１内のボイド３２の有無にかかわらず行った。
【００４０】
【表７】
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【００４１】
表７より、ボイド３２の発生が無い領域（熱処理温度が８０℃から１００℃で導体ペースト８の印刷時の粘度が４００〜５００Ｐａ・ｓ、熱処理温度が９０℃から１００℃で導体ペースト８の印刷時の粘度３００Ｐａ・ｓ、及び熱処理温度１００℃で導体ペースト８の印刷時の粘度２００Ｐａ・ｓ）では、貫通孔１１内の導体の抵抗値は０．６〜０．８ｍΩである。一方、熱処理を行っていないＲＴの場合でも貫通孔１１内の導体の抵抗値は０．６〜０．８ｍΩである。従って、本願発明による導体ペーストに熱処理を行うことで、貫通孔１１内の導体の抵抗値に影響を及ぼすことは無い。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
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】
【００４３】
【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】従来の導体ペーストの製造工程図
【図５】従来のセラミック基板の製造工程図
【図６】従来のセラミック基板の製造工程の詳細図
【図７】特許文献１の導体ペーストの断面図
【符号の説明】
【００４４】
１  金属粉末
２  有機成分
３  溶剤
４  混練済み導体ペースト
６  熱処理済み導体ペースト
８  導体ペースト
１０  セラミック基板
１１  貫通孔
１６  表層導体
１９  メッキ
２２  金属粉末凝集物
３２  ボイド
【図１】
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【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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