(57)【要約】【課題】焼成後にビア導体とビアホール内壁との間に空隙が発生せず、ビア導体に窪みが生成しにくい、簡単な配合で低コストのビアホール充填用として好適の導電性ペーストを提供すること。【解決手段】銀粉末からなる導電成分と、アルミニウム粉末からなる熱収縮抑制剤とを有機ビヒクル中に分散させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
銀粉末からなる導電成分と、アルミニウム粉末からなる熱収縮抑制剤とを有機ビヒクル中に分散させてなることを特徴とする導電性ペースト。
【請求項２】
アルミニウム粉末の含有量は、１．０〜３０重量％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の導電性ペースト。
【請求項３】
その用途がアルミナ基板に形成されたビアホール充填用であることを特徴とする請求項１または２記載の導電性ペースト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミック基板に配線パターンや電極パターンを形成する導電性ペーストに関し、特に、セラミック基板の放熱性を高めるためにセラミック基板に穿孔されたビアホールに充填して、基板表裏の電気的接続および放熱性を高めるために好適の導電性ペーストの改良技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミナ基板や窒化アルミニウム基板などのセラミック基板は、ハイブリッドＩＣ用途において広く用いられている。これらの基板は、近年発光ダイオード向け基板として用いることが提案されているが、その場合、発光時に放出する熱が大きいので、セラミック基板に対しては発光機能が損なわれることのないように充分な放熱能力を有することが求められている。放熱能力を高めるためには、セラミック基板にビアホールを形成し、そのビアホールに、セラミックより熱伝導性に優れた金属含有物質を充填することで放熱能力を高めることが可能である。セラミック基板のビアホールに金属含有物質を充填する方法としては、例えば、金属粉末を含有する導電性ペーストをスクリーン印刷機を用いて充填する方法を挙げることができる。
【０００３】
ところで、Ａｌ2Ｏ3またはＡｌＮなどは熱による体積変化が少ない（Ａｌ2Ｏ3の熱膨張率は約７．２×１０-6／Ｋ、ＡｌＮの熱膨張率は約４．３×１０-6／Ｋ）。しかし、Ａｌ2Ｏ3またはＡｌＮなどからなる基板上に印刷される導電性ペーストの配線パターンやその基板に形成されたビアホールに充填される導電性ペースト（本明細書において、ビアホールに充填した導電性ペーストをビア導体ともいう）は乾燥および焼成中の熱によりペースト中の有機溶媒が蒸発および化学変化する結果、収縮することがある。その結果、図１に示すように、ビアホールの内壁１と、ビア導体２の外周との間に空隙３が発生したり、ビア導体２の頂部と底部に、それぞれ窪み４、５が生成することがある。
【０００４】
また、セラミック回路基板は、実際の電子機器に組み込む前の工程において、酸やアルカリ等の薬液で前処理されるので、図１に示すような空隙３が発生すると、ビア導体２上に誘電体層を形成する際、その誘電体層に気泡が発生するという不都合が起こる。
【０００５】
また、図１に示すような窪み４、５が生成すると、ビア導体２と基板６上に形成された配線パターン７、８との間に良好な電気的接続が得られない。そこで、焼成後に窪みが生成しないようにするために、予め乾燥および焼成の熱による収縮を見越して、焼成後のビア導体のレベルがセラミック回路基板の表面と同一となるか又は僅かにセラミック回路基板の表面よりビア導体が盛り上がるようにビアホールへの充填量を計算して、その計算結果に基づいてビアホールの実際の空容積より多い量の導電性ペーストをビアホールに充填することが一般的に行われている。この場合、ビア導体２と基板６上の配線パターン７、８との電気的接続を図るために、焼成後のビア導体のレベルがセラミック回路基板の表面を下回ることは避ける必要があるので、焼成後のビア導体部分がセラミック回路基板の表面より相当量盛り上がるような量の導電性ペーストがビアホールに充填されるのが普通である。ところが、この盛り上がり導体は実際の電子機器に組み込んだ場合に短絡等のトラブルを引き起こす恐れがあるので、盛り上がり部分を削り取ってセラミック回路基板表面を平坦とするような作業が行われている。当然のことながら、盛り上がり部分の高さが高ければ高いほど、その削り取り作業の手間は増えることになる。すなわち、図１に示す窪み４、５の深さが深くなると見込まれると、最初の導電性ペーストのビアホール充填量を多くせざるを得ず、この場合、結果として、焼成後の盛り上がり導体量も多くなるというのが一般的である。
【０００６】
そこで、上記の熱収縮を抑制するための成分を含有する導電性ペーストとして、特許文献１には、銀およびパラジウムからなる導電成分と、モリブデンおよびタングステンからなるフィラー成分を必須成分とする導電性ペーストが開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、銀または銀とパラジウムを主成分とする導電成分と、酸化鉛、モリブデンの少なくとも１種を助剤とする導電性ペーストが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３０７８９２号公報
【特許文献２】特開２００５−６３７０８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、導電成分としてパラジウムは比較的高価である。また、特許文献１によれば、モリブデンが焼成収縮を抑制する効果を有し、タングステンが焼成収縮を促進する効果を有すると記載されている。この場合、上記のようなビア導体とビアホール内壁との間の空隙やビア導体の窪みが生成しないようにするためには、モリブデンとタングステンの配合比率を微妙に調整する必要があり、非常に煩雑である。
【０００９】
また、特許文献２によれば、酸化亜鉛とモリブデンを含有することにより、ビア導体がビアホールの内面と密着し且つビア導体の内部に無数の微細なボイドが形成されるので、このボイドがビア導体に発生する熱応力を分散抑制して、セラミック回路基板の熱変形を無くすことができると記載されている。しかし、このボイドがビア導体とビアホール内壁との間に形成されれば、上記したように、ビア導体上の誘電体層に気泡が発生するという不都合が起こる。
【００１０】
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、焼成後にビア導体とビアホール内壁との間に空隙が発生せず、ビア導体に窪みが生成しにくい、簡単な配合で低コストのビアホール充填用として好適の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】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の導電性ペーストは、銀粉末からなる導電成分と、アルミニウム粉末からなる熱収縮抑制剤とを有機ビヒクル中に分散させてなることを特徴としている。
【００１２】
アルミニウムは酸素との親和力が極めて強いので、導電性ペーストを焼成する工程において、アルミニウムはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）となる。アルミナは融点が２０５４℃で耐熱性に優れた物質であるとともに、比表面積が１５０〜３００ｍ2／ｇと大きいので、アルミニウムがアルミナになる過程において、アルミニウムを含むペーストの容積は充填時より大きくなることが推測される。その結果、本発明の導電性ペーストをビアホールに充填した場合、そのビア導体は焼成過程において膨張しようとするので、焼成後において、ビア導体とビアホール内壁との間に空隙は発生せず、ビア導体に窪みが生成されにくくなるということが期待できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、安価なアルミニウム粉末を熱収縮抑制剤として添加することにより、焼成後にビア導体とビアホール内壁との間に空隙が発生せず、ビア導体に窪みが生成しにく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】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について説明する。
【００１５】
本発明の導電性ペーストの導電成分である銀粉末の平均粒径は１．０〜１０．０μｍであることが好ましい。１．０μｍ未満では焼成時の収縮量が大きくすぎて、熱収縮抑制剤としてアルミニウム粉末を含有しても、ペーストの焼成過程における熱収縮を十分に抑制することが困難である。一方、銀粉末の平均粒径が１０．０μｍを超えると、ビアホールへ効率よく充填することが困難になる。そこで、銀粉末の平均粒径は１．０μｍ以上、１０．０μｍ以下とするのが好ましい。
【００１６】
本発明の実施形態において、平均粒径とは、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１．０μｍの銀粉末とは、「上記粒度分布測定装置で銀粉末の粒度を測定した場合に、累積５０％粒径が１．０μｍである粒度分布を有する銀粉末」をいい、後記実施例においては、銀粉末、アルミニウム粉末及びガラスフリットの平均粒径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を使用して測定した。
【００１７】
アルミニウム粉末の含有量が１．０重量％未満では、熱収縮抑制剤としての効果が小さい。一方、アルミニウム粉末の含有量が３０重量％を超えると、電気抵抗値の上昇を招くので好ましくない。そこで、アルミニウム粉末の含有量は、１．０〜３０重量％の範囲であることが好ましく、１．０〜５．０重量％の範囲であることがさらに好ましい。
【００１８】
有機ビヒクルとしては、特に限定されるものではないが、アクリル系樹脂やセルロース系樹脂を、セロソルブ類、カルビトール類、酢酸エステル類、フタル酸エステル類、セバシン酸エステル類などの有機溶剤に溶解したものを好適に用いることができる。
【００１９】
セラミック基板との密着性を改善するために、硼珪酸塩、硼酸亜鉛、硼酸塩、硼酸ビスマスなどのガラスフリットを０．１重量％以上２０重量％以下の範囲でペーストに添加することができる。ガラスフリットが２０重量％を超えると、ペーストの導電性が低下し、実用に適さなくなるからである。
【００２０】
配合成分の分散性を改善するために、リン酸エステル系などの分散剤を０．１重量％以上１５重量％以下の範囲でペーストに添加することができる。分散剤が１５重量％を超えると、ペースト中の固形分が低下し、ビアホールに充填後の乾燥時にビア導体の頂部と底部に窪みが生じるからである。
【００２１】
また、導電性ペースト中における無機粉末（銀粉末とアルミニウム粉末とガラスフリット）と有機ビヒクルとの配合割合は、８５〜９７重量％の無機粉末と、３〜１５重量％の有機ビヒクルからなり、無機粉末と有機ビヒクルとの合計で１００重量％であるのが好ましい。無機粉末が８５重量％未満（有機ビヒクルが１５重量％超）では、ペーストの乾燥性が悪くなるともに、乾燥後の導体に比べて焼成後の導体の収縮率が大きくなるという欠点がある。一方、無機粉末が９７重量％超（有機ビヒクルが３重量％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。
【００２２】
本発明の導電性ペーストは、セラミック基板に形成されたビアホール充填用、特にアルミナ基板に形成されたビアホール充填用として使用することができる。そのアルミナ基板は、いわゆるドクターブレード法で成形し、成形後のアルミナ基板の所定の位置にビアホールをパンチングすることができる。このドクターブレード法とは、セラミック粉末に結合剤、可塑剤、溶剤などを加えて充分に混合したスラリーをキャリアフィルム上に供給し、キャリアフィルム上のスラリーをドクターブレードで所定の厚みにし、加熱により溶剤を揮発・乾燥させてグリーンシートと呼ばれるセラミックの未焼成のシートを作製する方法であり、均一な厚み（５０μｍから１．０mmの厚み）の薄板の成形が容易であるという利点がある。
【実施例】
【００２３】
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。
【００２４】
平均粒径が７μｍのＡｇ粉末と、平均粒径が１．０μｍのＡｌ粉末と、ガラスフリット（硼酸亜鉛系、平均粒径が３〜４μｍ）と、分散剤（リン酸エステル系）と、エチルセルロースと、ターピネオールとを、下記表１に示すような割合（重量％）で配合し、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た。
【００２５】
【表１】
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そして、ガラス板を下に敷いて、そのガラス板の上に、直径が３００μｍのビアホールを複数有するとともに厚さが６５０μｍで縦が１２０mmで横が１００mmのアルミナ基板を置いて、そのアルミナ基板のビアホールに、上記のようにして得た導電性ペーストをスクリーン印刷機を用いて充填した。
【００２６】
次に、そのアルミナ基板を１５０℃で５分間乾燥後、ピーク温度８５０℃で４０分間焼成した。
【００２７】
得られたアルミナ基板のビア導体の熱収縮特性を評価するために、キーエンス社製のマイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ  ＶＨＸ−１００Ｆ）を用いてある１個のビア導体表面の複数枚の写真を撮影し、その複数枚の写真に基づいてビア導体の頂面と底面の立体画像を合成により得、その合成立体画像より、ビア導体の熱収縮量を求めた。本実施例においては、乾燥後および焼成後においてビアホール内壁とビア導体との間に空隙は発生せず、乾燥後および焼成後のビア導体の頂部と底部に窪みが形成されたので、乾燥後および焼成後の合成立体画像の窪みの中で最も深い部位を探索し、乾燥後の最大窪み量から焼成後の最大窪み量を減算することによりビア導体の熱収縮量を求めた。
【００２８】
すなわち、図２（ａ）に示す乾燥後のビア導体２の頂部の最大窪み量Ｈ１から図２（ｂ）に示す焼成後のビア導体２の頂部の最大窪み量Ｈ２を引き算することによりビア導体の熱収縮量を求めた。（Ｈ１−Ｈ２）の数値がマイナスの場合は、焼成によってビア導体が収縮したことを示すが、一方、（Ｈ１−Ｈ２）の数値がプラスの場合は、焼成によってビア導体が膨張したことを示す。その焼成前後のビア導体の熱収縮量を表１に示す。
【００２９】
表１に明かなように、本発明の実施例１ないし５に係る導電性ペーストからなるビア導体は収縮せず、膨張傾向にあることが分かる。
【００３０】
一方、アルミニウム粉末を添加しなかった比較例の導電性ペーストからなるビア導体が大きく収縮していることが分かる。
【００３１】
以上のように本発明の導電性ペーストからなるビア導体は焼成後において膨張しようとするので、ビア導体とビアホール内壁との間に空隙は発生せず、ビア導体に窪みが生成されにくいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】焼成後におけるビア導体とビアホール内壁との間の空隙の発生およびビア導体の頂部と底部の窪みの生成を説明する図である。
【図２】図２（ａ）は乾燥後のビア導体２の頂部の最大窪み量Ｈ１を説明する図、図２（ｂ）は焼成後のビア導体２の頂部の最大窪み量Ｈ２を説明する図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ビアホールの内壁
２  ビア導体
３  空隙
４  ビア導体の窪み
５  ビア導体の窪み
６  基板
７  配線パターン
８  配線パターン
【図１】
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【図２】
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