(57)【要約】【課題】回路基板における貫通接続部を製造する方法および該方法により製造された回路基板を提供する。【解決手段】回路基板の孔の中へ導入されるペーストが、少なくとも１つの導電性材料および充填剤を含み、前記充填剤は、硬化の際に体積が増加し、その結果、熱作用での硬化による導電性材料の体積収縮が補填される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペーストの混合、回路基板の孔の中へのペーストの導入および熱作用下でのペーストの硬化を含み、その際に、前記ペーストは、少なくとも１つの導電性材料および充填剤を含む、回路基板における電気的貫通接続部の製造法において、前記充填剤は、硬化の際に体積が増加し、その結果、熱作用での硬化による導電性材料の体積収縮が補填されることを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
前記回路基板として、セラミック、殊にＡｌＮまたはＡｌ2Ｏ3をベースとするセラミックからなる回路基板が使用されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記充填剤は、ペーストの全質量に対して、２〜２５質量％、有利に４〜１５質量％であることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
充填剤として、窒化可能であり、かつこの窒化の際に体積が増加する材料を使用することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記充填剤は、アルミニウムおよび／またはチタンおよび／またはジルコニウムを含むことを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記充填剤は、熱作用下で膨張し、かつ、こうして、硬化の際に体積が増加する膨張性非金属を含むことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記膨張性非金属は、粘土を含むことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記粘土は、該粘土が回路基板のセラミックに対して親和性を示すように選択されることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記粘土は、ベントナイトおよび／またはモンモリロナイトを含むことを特徴とする、請求項５から８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
さらに、前記回路基板の基板に対するペーストの親和性または前記回路基板の基板に対する金属化部の親和性を改善する接着補助剤を添加することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
接着補助剤として、緩徐に基板材料と反応する酸化物、例えば殊にＺｎＯ、ＳｉＯ2、ＣａＯ、ＴｉＯ2およびＢ2Ｏ3を使用することを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
接着補助剤として、熱作用下に元素状銅を形成するＣｕＣｌを添加することを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記ペーストをスクリーン印刷法により導入することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの導電性材料および充填剤を含む、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法により製造された、金属化された貫通接続部を有する回路基板において、金属化部が回路基板中の孔を気密に閉鎖することを特徴とする、前記回路基板。
【請求項１５】
ＤＩＮ  ＥＮ  １７７９：１９９９からのヘリウム・積分判別法・漏洩試験が、貫通接続部に対して、１０-7ミリバール／ｌ×秒未満の値をもたらすことを特徴とする、請求項１４記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体板(printed circuit board)における貫通接続部を製造する方法および該方法により製造された導体板に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック導体板もしくは回路基板は、しばしば、両面から電気的に接触可能でなければならず、かつ前記回路基板は貫通接続部により貫通することができなければならない。このことは一般に、回路基板に設けられた、導電性材料で充填されている孔によって行なわれる。当該貫通接続部またはビアは通常、約１００〜３００μｍの直径を有する。
【０００３】
導電性材料として、現在では比較的高価な銀ペーストまたは他の貴金属ペーストが一般的であり、これらのペーストは、１種類以上の金属粉末、任意に、１〜１０質量％の封着ガラス割合、例えばＰｂＯ、Ｂ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3またはＳｉＯ2および結合剤、例えばエチルセルロースまたはポリビニルブチラールを含む高沸点有機物、および溶剤、例えばテルピネオールまたはテキサノールから構成されている。回路基板のための基板材料がＡｌＮからなる場合には、ＺｎＯ、ＳｉＯ2、ＣａＯ、ＴｉＯ2およびＢ2Ｏ3を封着ガラスとして使用することができる。
【０００４】
導電性材料として、銅金属化材料（Ｋｕｐｆｅｒｍｅｔａｌｌｉｓｉｅｒｕｎｇｅｎ）もますます使用されており、その際にビアの充填のためにはしばしば、約１〜１０μｍの直径を有する銅粒子を含み、かつ封着ガラス割合で満たされたペーストが使用される。引続き、前記材料は、６５０〜１２００℃で、僅かな割合の酸素（１ｐｐｍ未満ないし１００ｐｐｍ）を有する窒素雰囲気中で焼き付けられる。銅ペーストを使用する場合には、該銅ペーストが上記の通常の物質だけからなる場合に、該銅ペーストが焼付けの際に強く収縮し、亀裂を生じ、および／または該銅ペーストがビアから脱落してしまうという問題が生じる。さらに、金属化部においては、または、平面金属化の接合範囲内には、大きな空隙および／または亀裂が生じうる。最悪の場合には、ビアはピンの形で焼結し、孔から落下することがある。亀裂または空隙が生じる場合には、貫通接続部は、高い電気抵抗率を示し、また気密にならない。
【０００５】
周囲雰囲気に対する気密性は、酸素敏感性部品、例えば回路（Ｓｉ）、ＬＥＤまたはＯＬＥＤが使用されるべき場合には殊に重要である。これらの部材は多くの場合、上側ではんだ付けまたは接着されたカバー、レンズなどによって保護されている。あるいはまた、下方から空気または湿分を取り込むことができてはならず、このことは、貫通接続部を気密に金属化することによって実現される。
【０００６】
焼結の際の導電性材料の収縮は、封着ガラスを添加することによって防止することが試みられている。しかし、ペースト中に含まれる封着ガラスにも拘わらず、収縮による不利な作用は、しばしば少なくとも十分に避けることはできない。
【０００７】
この現象は、ＡｌＮセラミックの場合には特に問題である。それというのも、熱時にＡｌＮの分解を抑止できる物質は僅かしかないからである。ＡｌＮは準安定であるにすぎず、かつ一定の条件下で分解してエネルギーの最も少ないアルミニウム化合物Ａｌ2Ｏ3を形成する。幾つかの酸化物、例えば殊に好んで使用されるＢｉ2Ｏ3、または以前は慣用となっていたＰｂＯは、次の反応方程式：
２  ＡｌＮ  ＋  ３  ＰｂＯ  →  Ａｌ2Ｏ3  ＋  ３  Ｐｂ  ＋  Ｎ2
に従って、ＡｌＮを激しく攻撃して酸化アルミニウム、鉛および窒素へと分解する。
【０００８】
他の酸化物、例えばＺｎＯは、ＡｌＮを緩徐に分解するにすぎないため、セラミックを金属化するための結合剤として、より好適である。さらに、ＡｌＮの場合には、結合を引き裂かないようにするために、低いＴＣＥ（ｔｈｅｒｍｉｓｃｈｅｒ  Ａｕｓｄｅｈｎｕｎｇｓｋｏｅｆｆｉｚｉｅｎｔ：熱膨張係数）に注目することができる。
【０００９】
さらに、古典的な添加剤、例えば酸化鉛または酸化ビスマスは、環境保護の理由から避けるべきであるか、または過剰に強くＡｌＮと反応しうる。ＡｌＮからの分解反応により生じる窒素（上記参照）は、金属化部を多孔質にし、かつ該金属化部を膨張させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって本発明の課題は、回路基板の孔の中に確実に保持され、かつ電流の伝導に関して良好な性質を有する貫通接続部を製造することができる方法を提供することである。提供された方法は、高価な再装備を避けるために、できる限り通常の方法に依拠すべきであった。さらに、高い品質の貫通接続部の製造をより少ない費用で可能にする材料を提供すべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項１記載の方法および請求項１４記載の金属化によって解決される。従属請求項は、本発明の好ましい実施態様を規定する。
【００１２】
従って、焼付けの際にペーストの収縮を避けるか、またはいずれにしても本質的に前記収縮を強く低減させる電気的貫通接続部の製造法は、次の工程を含む：ペーストの混合、回路基板の孔の中へのペーストの導入および熱作用下でのペーストの硬化。その際に、前記ペーストは、少なくとも１つの導電性材料および充填剤を含み、その際に前記充填剤は、硬化の際に体積が増加し、その結果、熱作用での硬化による導電性材料の体積収縮が補填される。
【００１３】
本発明は、原則的に、全ての材料の回路基板に適しているが、しかし、セラミック、殊にＡｌＮまたはＡｌ2Ｏ3をベースとするセラミックからなる回路基板が特に好ましい。
【００１４】
導電性材料として、好ましくは、殊に１〜１０μｍの平均粒度ｄ50を有する銅粒子が使用されてよい。しかし他の導電性物質、殊にこの目的にとって通常の金属または金属合金が使用されてもよい。
【００１５】
本発明による充填剤は、例えば、ペーストに添加される窒化物を形成する物質であってよい。前記物質または充填剤は、窒素雰囲気下での焼付けの際に窒化され、かつこの窒化によって体積が増加する。この体積増加は、例えば粒子の焼結による導電性材料の体積の減少と、少なくとも可能な限り元通りにバランスをとる。
【００１６】
窒化物を形成する物質は、殊にアルミニウム、チタン、ジルコニウムおよび／またはこれらの物質の混合物であってもよい。好ましくは、これらの物質は、ペーストを製造するための混合物に対して、１〜１０質量％、有利に２〜５質量％の量で添加される。
【００１７】
熱作用下での硬化または変換の際に体積が増加する、さらなる物質は、膨張性非金属、殊に粘土であることができる。本発明の好ましい実施態様によれば、膨張性非金属は、ペーストを製造するための混合物に対して、１〜１０質量％、有利に２〜５質量％であることができる。
【００１８】
膨張性粘土は、例えばベントナイトまたはモンモリロナイトを含み、これらは、さらに有利にＡｌＮセラミックまたはＡｌ2Ｏ3セラミックに対して高い親和性を示す。一般に使用されるセラミックに対する充填剤の親和性は、金属化部の確実な保持を保証するか、または回路基板の孔の中での導電性材料の確実な保持を保証するために、そもそも望ましいものである。本発明に関連して、親和性とは、次のように解釈される：セラミック材料と一緒になって、機械的負荷の際にも直ちには外れない固い結合を生じる、前記導電性材料の能力。“結合”という用語は、化学的結合だけでなく、物質の保持可能な接合一般であると解釈される。
【００１９】
前記の物質または充填剤は全て、単独で、または他の物質または充填剤と一緒に、導電性材料の体積収縮を解消することができる。
【００２０】
充填剤として添加される、記載された金属は、窒化物を形成する際に、粘土と同様に、体積の増加を示し、この体積増加によって導電性材料、殊に銅の収縮が解消される。
【００２１】
前記金属化部と回路基板の基板との接着は、本発明の好ましいさらなる態様によれば、基板材料と緩徐にのみ反応する酸化物によって改善されうる。前記基板材料が例えばＡｌＮからなる場合には、基板材料と緩徐にのみ反応する酸化物として、ＺｎＯ、ＳｉＯ2、ＣａＯ、ＴｉＯ2およびＢ2Ｏ3が使用されうる。さらに、接着補助剤として、熱作用下で元素状銅を形成するＣｕＣｌが添加されてもよい。
【００２２】
そのうえ、さらになお、封着ガラスが添加されてよい。Ａｌ2Ｏ3セラミック基板の場合には、有利に、Ｂｉ2Ｏ3含有封着ガラスが使用される。前記ガラスは、ペーストの硬化の際に応力によって亀裂を阻止する熱膨張係数（ＴＣＥ）を示す。そうではなくて、または、さらに、ＺｎＯ含有封着ガラスが添加されてもよい。
【００２３】
ＡｌＮセラミックの場合には、回路基板基板として、好ましくは、ＺｎＯ含有封着ガラスが添加される。それに反して、Ａｌ2Ｏ3含有セラミック基板の際に有利に使用されるＢｉ2Ｏ3含有封着ガラスは、ＡｌＮセラミックにそれほど適しているわけではない。それというのも、この封着ガラスは、ＡｌＮと結合が劣悪であり、かつ該封着ガラスの引張り応力がＡｌＮセラミック中で亀裂をまねきうるからである。
【００２４】
金属化部のための一般的な配合物は、次のとおりである：
油、チキソトロープ性  ５〜２０質量％、有利に８〜１２質量％、
油、スクリーン印刷媒体  ５〜２０質量％、有利に８〜１２質量％、
導電性材料  １０〜８９質量％、有利に５０〜８０質量％、
充填剤、全部で２〜２５質量％、有利に４〜１５質量％、その中で、
窒化物形成剤、そのつど１〜１０質量％、有利に２〜５質量％、
膨張性非金属、そのつど１〜１０質量％、有利に２〜５質量％、
接着補助剤、そのつど０．１〜５質量％。
【実施例】
【００２５】
以下では実施例に基づいて本発明を詳説する。実施例は、単に本発明の説明に利用されるものであり、決して本発明を限定するものとみなすべきではない。
【００２６】
ＡｌＮセラミック基板またはＡｌ2Ｏ3セラミック基板中での貫通接続部を金属化するためのペーストは、次の処方により製造される：
油、チキソトロープ性  １０質量％、
油、スクリーン印刷媒体  １０質量％、
銅粉末、ｄ50＝１０μｍ  １〜９０質量％、有利に５０質量％、
銅粉末、ｄ50＝１μｍ  ０〜５０質量％、有利に１２質量％、
アルミニウム粉末、ｄ50＝８μｍ  ０．１〜１０質量％、有利に５質量％、
ベントナイト、ｄ50＝１２μｍ  ０．０〜１０質量％、有利に５質量％、
酸化亜鉛、ｄ50＝５μｍ  ０．１〜５質量％、有利に２質量％、
石英粉、ｄ50＝６μｍ  ０．１〜５質量％、有利に１．５質量％、
酸化ホウ素、ｄ50＝１０μｍ  ０．１〜５質量％、有利に１．５質量％、
塩化銅（Ｉ）、ｄ50＝５μｍ  ０．１〜５質量％、有利に３質量％。
【００２７】
前記ペーストの秤量された固体成分をスパチュラを用いて容器中で混合する。引続き、秤量された油を添加する。チキソトロープ性油として、有利にＨＥＲＡＥＵＳ  ２１２／ｔｈｉｘを選択することができ、これを油  ＨＥＲＡＥＵＳ  ２１３で液化する。前記物質をスパチュラを用いて粗く混合し、次に三本ローラーミル（例えば、ＥＸＡＫＴ等）にゆっくり２回（約１〜２ｋｇ／分）通過させる。
【００２８】
０．５ｍｍの厚さを有するＡｌＮからなるセラミック基板を使用し、充填すべきビアは、０．１５ｍｍの直径を有する。前記ペーストを、開口を有するスクリーン中で直接にビア上に、すなわち焼結されたセラミック基板中の充填すべき孔に添加する。さらに、プラスチックブレードにより、ペーストをビア中に塗る。前記ビアは、グリーン体のまま穿孔されていてよいし、または焼き付けてからレーザー処理されていてよい。低温焼結ガラスセラミック基板（約９００〜９３０℃）は、なおガラスの状態で充填されてもよく、かつ引き続き充填されたペーストとともにセラミック化されてもよい。前記ペーストの成分の粒度は、とりわけ２０μｍを超えるべきではない。それというのも、さもないと前記成分が通常のスクリーン布を閉塞させ、かつ不十分な反応性を示しうるからである。この結果、望ましくない空隙の形成をまねきうるか、または近くでの反応成分が少なくなりすぎる。
【００２９】
前記ペーストをセラミック基板の孔へ導入するために、スクリーン印刷法が好ましい。それというのも、前記回路基板の印刷は、スクリーン印刷法により行なわれることが多く、したがって、この種の施与を方法にとって経済的に、かつ簡単に実現することができるからである。しかし、原則的に、前記回路基板の孔をペーストで充填することができる、全ての他の方法も考えられうる。
【００３０】
前記焼付けは、８００〜１０００℃の温度、有利に９００℃で僅かな酸素分圧を有する窒素雰囲気下で行なわれ、かつ９００℃での前記例において、最大温度に対して１０分間実施され；前記酸素分圧は、上記例において１０ｐｐｍである。
【００３１】
結局のところ、前記ビアまたは貫通接続部は良好に充填されており、軽度に多孔質であること、および前記銅はＡＩＮセラミックに接着されていることが判明する。前記金属化部は、回路基板中の孔を気密に閉鎖する。ＤＩＮ  ＥＮ  １７７９：１９９９からのヘリウム・積分判別法・漏洩試験（Ｄｅｒ  Ｈｅｌｉｕｍ−Ｉｎｔｅｇｒａｌｐｒｕｅｆｕｎｇｓ−Ｌｅｃｋｔｅｓｔ）は、１０-8ミリバール／ｌ×秒をもたらす。
【００３２】
これとの比較として、ＡＩＮ基板において、添加剤なしの、銅だけを含有する、すなわちアルミニウムおよびベントナイトを含んでいないペーストをビア中に充填し、かつ焼き付けた。
【００３３】
前記金属化部は、大きな空隙を示し、かつ幾つかの箇所で接着するが、壁面には接着しない。電気抵抗率は、亀裂に誘発されて上記例におけるよりも３０％高く、ビアは、気密ではない（ヘリウム漏洩試験１０-6ミリバール超／ｌ×秒）。
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月24日(2018.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの導電性材料および充填剤を含むペーストの混合、回路基板の孔の中への前記ペーストの導入および熱の作用下での前記ペーストの硬化を含む、回路基板における電気的貫通接続部の製造法において、前記充填剤は、窒化可能であり、かつ窒化の際に体積が増加する材料を含み、その結果、熱による硬化後の導電性材料の体積収縮が補填されることを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
前記充填剤はさらに、熱の作用下で膨張し、かつ硬化の際に体積の増加が維持される粘土を含むものであることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記回路基板として、セラミックからなる回路基板が使用されることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記回路基板として、ＡｌＮまたはＡｌ2Ｏ3をベースとするセラミックからなる回路基板が使用されることを特徴とする、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記充填剤は、ペーストの全質量に対して、２〜２５質量％であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記充填剤は、アルミニウムおよび／またはチタンおよび／またはジルコニウムを含むことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記粘土は、該粘土が回路基板のセラミックに対して親和性を示すように選択されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記粘土は、ベントナイトおよび／またはモンモリロナイトを含むことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
さらに、前記回路基板の基板に対するペーストの親和性または前記回路基板の基板に対する金属化部の親和性を改善する接着補助剤を添加することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記接着補助剤として、ＺｎＯ、ＳｉＯ2、ＣａＯ、ＴｉＯ2またはＢ2Ｏ3を使用することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記接着補助剤として、熱作用下に元素状銅を形成するＣｕＣｌを使用することを特徴とする、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記ペーストをスクリーン印刷法により導入することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
金属化された貫通接続部を有する回路基板において、前記貫通接続部は、少なくとも１つの導電性材料および充填剤を含むペーストにより金属化されており、前記充填剤は、窒化可能であり、かつ窒化の際に体積が増加する材料を含むものであり、前記金属化された貫通接続部が回路基板中の孔を気密に閉鎖していることを特徴とする、前記回路基板。
【請求項１４】
前記充填剤はさらに、熱の作用下で膨張し、かつ硬化の際に体積の増加が維持される粘土を含むことを特徴とする、請求項１３記載の回路基板。
【請求項１５】
ＤＩＮ  ＥＮ  １７７９：１９９９からのヘリウム・積分判別法・漏洩試験が、貫通接続部に対して、１０-7ミリバール／ｌ×秒未満の値をもたらすことを特徴とする、請求項１３または１４記載の回路基板。
【外国語明細書】
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