DE112006002451B4

DE112006002451B4 - Keramisches mehrlagiges Substrat, keramisches mehrlagiges Modul und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE112006002451B4
Application number: DE112006002451.5T
Authority: DE
Inventors: Masato Nomiya
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2026-08-12
Also published as: CN101268725B; TW200714163A; US7691469B2; TWI331890B; CN101268725A; JP4096990B2; US20080156413A1; DE112006002451T5; JPWO2007032167A1; WO2007032167A1

Abstract

Keramisches mehrlagiges Substrat (10), welches umfasst: eine durch Sintern eines ersten keramischen Materials gebildete erste keramische Lage (11); eine zweite keramische Lage (12), die so laminiert ist, dass sie mit einer Hauptfläche der ersten keramischen Lage (11) in Berührung kommt, und die ein ungesintertes zweites keramisches Material mit einer Sintertemperatur über der Sintertemperatur des ersten keramischen Materials enthält; und einen zwischen der ersten keramischen Lage (11) und der zweiten keramischen Lage (12) angeordneten Innenleiter (13), wobei das ungesinterte zweite keramische Material durch einen Teil des ersten keramischen Materials festgelegt ist, das von der ersten keramischen Lage (11) in die zweite keramische Lage eingedrungen ist, und wobei die erste keramische Lage (11) einen Phosphorbestandteil mit einem Konzentrationsgefälle enthält, bei dem die Konzentration in einer Richtung weiter weg vom Innenleiter (13) abnimmt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein für ein Multichipmodul und dergleichen zu verwendendes keramisches mehrlagiges Substrat sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Stand der Technik
Solche mehrlagigen keramischen Substrate sind beispielsweise aus den Druckschriften JP 2002-94 244 A oder JP H05-242 724 A bekannt. Dabei zeigt die Schrift JP 2002-94 244 A ein mehrschichtiges keramisches Substrat, bei dem ein Schrumpfen in Richtung der Ebenen des Substrats beim Brennen verhindert werden soll. Hierzu wird eine schrumpfmindernde Schicht vorgesehen, die Phosphor aufweist. Ferner zeigt die zweitgenannte Schrift JP H05-242 724 A eine leitende Paste, die neben metallischem Feinstaub und organischen Binde- und Lösemitteln auch organische Phosphorkomponenten enthalten soll und dazu vorgesehen ist, die unterschiedlichen Schrumpfraten einer Porzellanschicht und darauf aufgebrachten Elektroden abzumindern.
In den letzten Jahren wurde die Leistung von Elektronikbauteilen in einem Elektronikgebiet signifikant verbessert und dadurch wurden Verbesserungen der Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit, der Miniaturisierung von Vorrichtungen sowie der Ausweitung der Funktionalität von Informationsverarbeitungsgeräten, z. B. großen Computern, mobilen Kommunikationsendgeräten und Heimcomputern, erleichtert.
Ein Multichipmodul (MCM), bei dem mehrere Halbleitervorrichtungen, z. B. VLSI und ULSI, auf einem keramischen Substrat angebracht sind, wird als eines dieser Elektronikbauteile erwähnt. Bei solchen Modulen werden häufig keramische mehrlagige Substrate, die dreidimensional angeordnete Verdrahtungsleiter aufweisen, verwendet, um die Bestückungsdichte von LSI zu steigern und zwischen einzelnen LSI in günstiger Weise elektrisch zu verbinden. Das keramische mehrlagige Substrat ist ein aus mehreren keramischen Lagen bestehendes Laminat, und die Oberfläche sowie das Innere desselben umfassen Verdrahtungsleiter zum Bilden von Schaltungen.
Bezüglich der Herstellung des keramischen mehrlagigen Substrats ist es beim Schritt des Brennens bekannt, dass es bei der Beschränkung der Schrumpfung von nicht gebrannten keramischen Lagen in einer Ebenenrichtung ein technisches Problem gibt. Um dieses Problem zu lösen, werden zwei Arten von nicht gebrannten keramischen Lagen, die unterschiedliche Sintertemperaturen haben, laminiert und gebrannt, um das Schrumpfen der nicht gebrannten keramischen Lagen in einer Ebenenrichtung zu beschränken, wobei ein unterschiedliches Schrumpfverhalten ausgenützt wird. Das vorstehend beschriebene Verfahren kann als „Schrumpfausgleichsprozess” oder dergleichen bezeichnet werden.
12 ist eine grobe Schnittansicht, die ein unter Verwendung des Schrumpfausgleichsprozesses hergestelltes bekanntes keramisches mehrlagiges Substrat zeigt. Wie in 12 gezeigt, weist ein keramisches mehrlagiges Substrat 70 einen Aufbau auf, bei dem erste keramische Lagen 71, die aus einem ersten keramischen Material gebildet sind, und zweite keramische Lagen 71, die aus einem zweiten keramischen Material mit einer Sintertemperatur gebildet sind, die höher als die des ersten keramischen Materials ist, laminiert sind. Innenleiter 73 sind zwischen den ersten keramischen Lagen 71 und den zweiten keramischen Lagen 72 angeordnet, und Außenleiter 74 sind an den Oberflächen des keramischen mehrlagigen Substrats 70 angeordnet. Die Innenleiter 73 und die Außenleiter 74 sind mittels Verbindungslochleiter 75, die die ersten keramischen Lagen 71 und die zweiten keramischen Lagen 72 in einer Dickenrichtung durchsetzen, elektrisch miteinander verbunden.
Bezüglich der Herstellung des keramischen mehrlagigen Substrats 70 wirken in einem Brennschritt zweite keramische grüne Lagen, die nach dem Brennen als zweite keramische Lagen 72 dienen, zum Beschränken der Schrumpfung der ersten keramischen grünen Lagen, die nach dem Brennen als die ersten keramischen Lagen dienen. (Siehe zum Beispiel Patentschrift 1).

Patentschrift 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2000-315864

Offenlegung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Für gewöhnlich wird bei dem keramischen mehrlagigen Substrat 70 der Innenleiter 73 durch Brennen einer elektrisch leitenden Pastenschicht, die aus einer elektrisch leitenden Paste gebildet ist, gebildet. Bei dem Brennschritt weist die elektrisch leitende Pastenschicht auch ein Schrumpfverhalten auf und wird in einer Richtung der Beschränkung der Schrumpfung mit einer mechanischen Spannung von der zweiten keramischen grünen Lage beaufschlagt. Die elektrisch leitende Pastenschicht steht dagegen auch mit der ersten keramischen grünen Lage in Berührung und daher wird sie ebenfalls mit einer Schrumpfungsspannung der ersten keramischen grünen Lage beaufschlagt.
D. h. die elektrisch leitende Pastenschicht wird von der ersten keramischen grünen Lage und der zweiten keramischen grünen Lage mit mechanischen Spannungen in unterschiedlichen Richtungen beaufschlagt. Dadurch besteht das Problem, dass bezüglich der Innenleiter nach dem Brennen Abblättern und Bruch aufzutreten pflegen.
Die vorliegende Erfindung soll die vorstehend beschriebenen Probleme lösen. Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein keramisches mehrlagiges Substrat, das Abblättern und Bruch eines Innenleiters verringern kann, während der Innenleiter zwischen einer als Grundelement dienenden keramischen Lage und einer keramischen Lage zum Beschränken der Schrumpfung angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben vorzusehen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Ein erfindungsgemäßes keramisches mehrlagiges Substrat ist gekennzeichnet durch Aufweisen einer ersten keramischen Lage, die durch Sintern eines ersten keramischen Materials gebildet ist, einer zweiten keramischen Lage, die so laminiert ist, dass sie mit einer Hauptfläche der vorstehend beschriebenen ersten keramischen Lage in Berührung kommt, und die ein ungesintertes zweites keramisches Material mit einer Sintertemperatur über der Sintertemperatur des vorstehend beschriebenen ersten keramischen Materials aufweist, und eines Innenleiters, der zwischen der vorstehend beschriebenen ersten keramischen Lage und der vorstehend beschriebenen zweiten keramischen Lage angeordnet ist, wobei das vorstehend beschriebene ungesinterte zweite keramische Material durch einen Teil des vorstehend beschriebenen ersten keramischen Materials, das von der vorstehend beschriebenen ersten keramischen Lage in die vorstehend beschriebene zweite keramische Lage dringt, festgelegt ist und wobei die vorstehend beschriebene erste keramische Lage einen Phosphorbestandteil mit einem Konzentrationsgefälle enthält, bei dem die Konzentration in einer Richtung weiter weg von dem vorstehend beschriebenen Innenleiter abnimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen keramischen mehrlagigen Substrat kann der vorstehend beschriebene Innenleiter einen Phosphorbestandteil enthalten. Weiterhin kann ein Außenleiter an einer frei liegenden Fläche der vorstehend beschriebenen ersten keramischen Lage oder der vorstehend beschriebenen zweiten keramischen Lage angeordnet sein, und ein Bestückungsbauteil kann an dem vorstehend beschriebenen Außenleiter angebracht sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines keramischen mehrlagigen Substrats ist gekennzeichnet durch Umfassen der Schritte des Erzeugens eines keramischen grünen Laminats, das mit einer ein erstes keramisches Material enthaltenden ersten keramischen grünen Lage, einer zweiten keramischen grünen Lage, die so laminiert ist, dass sie mit einer Hauptfläche der vorstehend beschriebenen ersten keramischen grünen Lage in Berührung kommt, und die ein zweites keramisches Material mit einer Sintertemperatur über der Sintertemperatur des vorstehend beschriebenen ersten keramischen Materials enthält, und einer elektrisch leitenden Pastenschicht, die zwischen der vorstehend beschriebenen ersten keramischen grünen Lage und der vorstehend beschriebenen zweiten keramischen grünen Lage angeordnet ist und die Phosphor oder eine Phosphorverbindung enthält, versehen ist, sowie des Brennens des vorstehend beschriebenen keramischen grünen Laminats bei einer Temperatur, bei der das vorstehend beschriebene erste keramische Material gesintert wird und das vorstehend beschriebene zweite keramische Material nicht gesintert wird, wobei beim Brennen des vorstehend beschriebenen keramischen grünen Laminats ein Teil des vorstehend beschriebenen ersten keramischen Materials von der vorstehend beschriebenen ersten keramischen grünen Lage in die vorstehend beschriebene zweite keramische grüne Lage dringt und der Phosphorbestandteil von der vorstehend beschriebenen elektrisch leitenden Pastenschicht in die vorstehend beschriebene erste keramische grüne Lage und die vorstehend beschriebene zweite keramische grüne Lage dringt.
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines keramischen mehrlagigen Substrats nach der vorliegenden Erfindung ist die vorstehend beschriebene Phosphorverbindung bevorzugt Kupferpyrophosphat.
Vorteile
Erfindungsgemäß diffundiert der Phosphorbestandteil von der Seite der elektrisch leitenden Pastenschicht in die erste keramische grüne Lage, und der Phosphorbestandteil wirkt so, dass er die Schrumpfung der ersten keramischen grünen Lage beschränkt. Folglich kann die von der ersten keramischen grünen Lage an der elektrisch leitenden Pastenschicht ausgeübte Schrumpfspannung abgebaut werden. Daher wird bezüglich der elektrisch leitenden Pastenschicht eine Differenz zwischen der von der ersten keramischen grünen Lage ausgeübten Schrumpfspannung und der von der zweiten keramischen grünen Lage ausgeübten Schrumpfbeschränkungsspannung vermindert, und dadurch kann das Auftreten von Abblättern und Bruch im Innenleiter nach dem Brennen vermindert werden.
Die mit der elektrisch leitenden Pastenschicht versehene erste keramische grüne Lage kann abhängig von der Zusammensetzung der elektrisch leitenden Pastenschicht zu einer konkaven Form verzogen werden. (Das Verziehen tritt aber in der Praxis aufgrund des Einflusses der zweiten keramischen grünen Lage kaum in Erscheinung.) In diesem Fall wird die elektrisch leitende Pastenschicht so mit einer mechanischen Spannung beaufschlagt, dass sie von der zweiten keramischen grünen Lage abblättert. Dadurch kann das Abblättern des Innenleiters nach dem Brennen auftreten. Da erfindungsgemäß der ersten keramischen grünen Lage der Phosphorbestandteil geliefert wird, ist das Schrumpfen der ersten keramischen grünen Lage beschränkt, so dass ein Verziehen der ersten keramischen grünen Lage gemindert werden kann. Auf diese Weise kann das Auftreten von Abblättern des Innenleiters nach dem Brennen abgeschwächt werden.
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-2426.44 offenbart, dass P₂O₅ als Substratmaterial für das keramische mehrlagige Substrat verwendet wird. Die Zugabe des Phosphorbestandteils im ganzen Substrat bewirkt aber eine Verschlechterung der mechanisch-elektrischen Eigenschaften des Substrats. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Phosphorbestandteil mit einer Konzentration zu einem Abschnitt neben der elektrisch leitenden Pastenschicht in der ersten keramischen grünen Lage geliefert. Daher wird eine Verschlechterung der Eigenschaften des Substrats minimiert, und zudem kann verhindert werden, dass der Innenleiter defekt wird.
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2002-95244 offenbart, dass ein P₂O₃ enthaltendes Glaspulver einer Beschränkungslage, d. h. in der vorliegenden Erfindung der zweiten keramischen grünen Lage, zugegeben wird. Das Glaspulver wird aber der zweiten keramischen grünen Lage zugegeben, und der Glasbestandteil ist bei Eindringen in die elektrisch leitende Pastenschicht schwer zu diffundieren, auch wenn der Glasbestandteil diffundiert. Daher ist es schwierig, den Phosphorbestandteil zu dem Abschnitt neben der elektrisch leitenden Pastenschicht in der ersten keramischen grünen Lage zu liefern.
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 1-220303 , die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 6-204512 und die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 9-241862 offenbaren, dass einer elektrisch leitenden Paste ein Phosphorbestandteil zugegeben wird. Sie beziehen sich aber alle auf ein „Nachbrennen”, wobei ein Leiter auf einem gebrannten Substrat wärmebehandelt wird, und die Voraussetzungen dafür unterscheiden sich erheblich von denen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit gemeinsamem Brennen”, bei dem ein Substrat und ein Leiter gleichzeitig gebrannt werden, und in Verbindung mit einem Schrumpfungsausgleichsprozess.
Weiterhin offenbart die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-9226 , dass ein als grenzflächenaktiver Stoff dienender Phosphorsäureester einer elektrisch leitenden Paste für einen monolithischen Keramikkondensator zugegeben wird. Bezüglich eines keramischen mehrlagigen Substrats, das eine hohe Transmissionskennlinie in einem hohen Frequenzband aufweisen muss, ist es jedoch erforderlich, dass verglichen mit einem Innenleiter in dem monolithischen Keramikkondensator ein Innenleiter mit einer kleinen Breite, einer großen Dicke und einem hohen Seitenverhältnis gebildet wird. Daher ist die Zugabe des Phosphorsäureesters, der die Viskosität der elektrisch leitenden Paste senkt, für gewöhnlich nicht vorteilhaft.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine grobe Schnittansicht, die ein Beispiel eines erfindungsgemäßen keramischen mehrlagigen Substrats zeigt.
2 ist eine grobe Schnittansicht, die schematisch einen vergrößerten Teil des in 1 gezeigten keramischen mehrlagigen Substrats zeigt.
3 ist eine grobe Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Bestückungsbauteil auf dem in 1 gezeigten keramischen mehrlagigen Substrat aufgebracht ist.
4 ist eine grobe Schnittansicht, die ein Beispiel eines keramischen grünen Laminats bei einem Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen keramischen Mehrschichtsubstrats zeigt.
5 ist eine grobe Schnittansicht, die einen Laminierzustand eines keramischen grünen Laminats in einem experimentellen Beispiel 1 zeigt.
6 ist eine grobe Schnittansicht, die einen Laminierzustand eines keramischen grünen Laminats von Probe 8 in dem experimentellen Beispiel 1 zeigt.
7 ist eine grobe Schnittansicht, die einen Laminierzustand eines keramischen grünen Laminats von Probe 9 in dem experimentellen Beispiel 1 zeigt.
8 ist eine grobe Schnittansicht, die ein erstes Testsubstrat in einem experimentellen Beispiel 2 zeigt.
9 ist eine grobe Schnittansicht, die ein zweites Testsubstrat in dem experimentellen Beispiel 2 zeigt.
10 ist eine grobe Explosionsschnittansicht, die einen Laminierzustand eines keramischen grünen Laminats in einem experimentellen Beispiel 3 zeigt.
11 ist eine grobe Seitenansicht, die schematisch einen Zustand des Verziehens eines keramischen mehrlagigen Substrats in dem experimentellen Beispiel 3 zeigt.
12 ist eine grobe Schnittansicht, die ein bekanntes keramisches mehrlagiges Substrat zeigt.
Bezugszeichenliste

10: keramisches mehrlagiges Substrat
11: erste keramische Lage
12: zweite keramische Lage
13: Innenleiter
14: Außenleiter
15: Verbindungslochleiter
16a, 16b: Phosphorbestandteillage
17: Bestückungsbauteil
20: keramisches grünes Laminat
21: erste keramische grüne Lage
22: zweite keramische grüne Lage
23: elektrisch leitende Pastenschicht
24, 25: elektrische leitende Pastenschicht
30: keramisches grünes Laminat
31: erste keramische grüne Lage
32: zweite keramische grüne Lage
33: elektrisch leitende Pastenschicht
38: zusammengesetzte grüne Folie
38a, 38b: zusammengesetzte grüne Foliengruppe
41a: erstes Testsubstrat
41b: zweites Testsubstrat
46: weiße Lage
50: keramisches grünes Folienlaminat
51: erste keramische grüne Lage
52: zweite keramische grüne Lage
53: elektrisch leitende Pastenschicht
58: zusammengesetzte grüne Folie
58a, 58b: zusammengesetzte grüne Foliengruppe
60: keramisches mehrlagiges Substrat

Beste Methoden zum Durchführen der Erfindung
1 ist eine grobe Schnittansicht, die ein Beispiel eines erfindungsgemäßen keramischen mehrlagigen Substrats zeigt. 2 ist eine grobe Schnittansicht, die schematisch einen vergrößerten Teil des in 1 gezeigten keramischen mehrlagigen Substrats zeigt. 3 ist eine grobe Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Bestückungsbauteil auf dem in 1 gezeigten keramischen mehrlagigen Substrat angebracht ist.
Wie in 1 gezeigt wird, umfasst ein keramisches mehrlagiges Substrat 10 erste keramische Lagen 11, zweite keramische Lagen 12, die so laminiert sind, dass sie mit Hauptflächen der ersten keramischen Lagen 11 in Berührung kommen, und Innenleiter 13, die zwischen den ersten keramischen Lagen 11 und den zweiten keramischen Lagen 12 angeordnet sind. Außenleiter 14 sind auf den Oberflächen des keramischen mehrlagigen Substrats 10 angeordnet. Verbindungslochleiter 15 sind so angeordnet, dass sie die ersten keramischen Lagen 11 und die zweiten keramischen Lagen 12 durchsetzen. Die Innenleiter 13 und die Außenleiter 14 sind durch die Verbindungslochleiter 15 elektrisch miteinander verbunden.
Die erste keramische Lage 11 wird durch Sintern eines ersten keramischen Materials gebildet und steuert die Substrateigenschaften des keramischen mehrlagigen Substrats 10. Bevorzugt beträgt die Dicke der ersten keramischen Lage 11 10 bis 100 μm. Die Dicken der einzelnen ersten keramischen Lagen 11 sind nicht alle unbedingt gleich.
Ein Teil (zum Beispiel ein Glasbestandteil) des zu verwendenden ersten keramischen Materials dringt während des Brennens in die zweite keramische Lage 12. Bevorzugt wird LTCC (bei niedriger Temperatur gemeinsam gebrannte Keramik, kurz vom engl. Low Temperature Co-fired Ceramic), die bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise 1000°C oder niedriger, gebrannt werden kann, als erstes keramisches Material verwendet, damit gemeinsames Brennen mit einem Leiter, der aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, z. B. Silber oder Kupfer, durchgeführt werden kann. Im Einzelnen kann Glaskeramik, die durch Mischen von Aluminiumdioxid und Borsilikatglas gebildet wird, Ba-Al-Si-O-Keramik, die während Brennens einen Glasbestandteil erzeugt, oder dergleichen verwendet werden.
Die zweite keramische Lage 12 enthält ein ungesintertes zweites keramisches Material mit einer Sintertemperatur über der Sintertemperatur des ersten keramischen Materials. Die Dicke der zweiten keramischen Lage 12 wird unter Berücksichtigung der Dicke der ersten keramischen Lage 11 bestimmt und beträgt bevorzugt 1 bis 10 μm.
Das zweite keramische Material wird durch einen Teil des ersten keramischen Materials festgelegt, das von der ersten keramischen Lage 11 eindringt. Folglich wird die zweite keramische Lage 12 verfestigt und die erste keramische Lage 11 und die zweite keramische Lage 12 werden zudem miteinander verbunden. Aluminiumdioxid oder Zirkoniumoxid können als das zweite keramische Material verwendet werden.
Wie in 2 schematisch gezeigt wird, weisen die erste keramische Lage 11 und die zweite keramische Lage 12 Phosphorbestandteillagen 16a bzw. 16b auf, jeweils mit einem Konzentrationsgefälle, bei dem die Konzentration in einer Richtung weiter weg vom Innenleiter 13 abnimmt. Das vorstehend beschriebene Konzentrationsgefälle legt nahe, dass der Phosphorbestandteil von der Seite des Innenleiters 13 diffundiert ist.
In der ersten keramischen Lage 11 und der zweiten keramischen Lage 12 kann der Phosphorbestandteil in einem Zustand eines Oxids, z. B. P₂O₅, vorhanden sein. Der Phosphorbestandteil kann weiter über die erste keramische Lage 11 und die zweite keramische Lage 12 in die angrenzenden keramischen Lagen diffundieren.
Bezüglich des Verfahrens zum Diffundieren des Phosphorbestandteils von der Seite des Innenleiters 13 ist, wie später beschrieben wird, ein Verfahren, bei dem Phosphor oder eine Phosphorverbindung der elektrisch leitenden Pastenschicht zugegeben wird, die nach dem Brennen als Innenleiter 13 dient, das einfachste Verfahren. Bei diesem Verfahren kann der Phosphorbestandteil abhängig von den Bedingungen, z. B. der Menge an Phosphor oder Phosphorverbindung, der Dicke der elektrisch leitenden Pastenschicht und der Brennbedingung, auch in dem Innenleiter 13 verbleiben.
In der vorliegenden Ausführungsform enthalten sowohl die erste keramische Lage 11 als auch die zweite keramische Lage 12 den Phosphorbestandteil. Unter Berücksichtigung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es aber ausreichend, dass mindestens die erste keramische Lage 11 den Phosphorbestandteil enthält, und beide enthalten nicht unbedingt den Phosphorbestandteil. Der Phosphorbestandteil darf zum Beispiel bevorzugt in die erste keramische Lage 11 diffundieren, indem man eine Phosphor oder die Phosphorverbindung enthaltende Paste zwischen der elektrisch leitenden Pastenschicht und der ersten keramischen grünen Lage aufträgt, die nach dem Brennen als die erste keramische Lage 11 dient.
Der Innenleiter 13 hat eine Funktion des Überfragens von Signalen vorrangig in einer Substratebenenrichtung. Der Innenleiter 13 soll fein sein und einen niedrigen Widerstand haben, da das keramische mehrlagige Substrat 10 miniaturisiert wird und höhere Frequenzen verwendet werden. Insbesondere wenn Transmissionsleitungen, z. B. Streifenleitungen und Wellenleiter, aus dem Innenleiter 13 gebildet werden, ist es bevorzugt, dass der Innenleiter 13 ein Leiter mit einer kleinen Breite, einer großen Dicke und einem hohen Seitenverhältnis ist. Im Einzelnen ist es bevorzugt, dass die Breite 30 bis 200 μm beträgt und die Dicke 3 bis 20 μm beträgt.
Der Außenleiter 14 hat eine Funktion des Übertragens von Signalen vorrangig in einer Substratebenenrichtung und eine Funktion als Anschlussflächenelektrode zum Bestücken eines Bestückungsbauteils. Der Verbindungslochleiter 15 hat eine Funktion des dreidimensionalen Verbindens der Innenleiter 13 und der Außenleiter 14 miteinander. Es ist bevorzugt, dass der Durchmesser des Verbindungslochleiters 15 50 bis 200 μm beträgt.
Für den Innenleiter 13, den Außenleiter 14 und den Verbindungslochleiter 15 kann mindestens eine Art von Metall gewählt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Kupfer, Nickel, Silberpalladiumleglerung und Silberplatinlegierung verwendet werden.
Wie in 3 gezeigt wird, können Bestückungsbauteile 17 an den Außenleitern 14 angebracht werden. Bei der Bestückung wird ein Lötverfahren oder dergleichen verwendet. In 3 sind die Außenleiter 14 an freiliegenden Flächen der zweiten keramischen Lagen 12 angeordnet. Wenn aber die erste keramische Lage 11 eine oberste Lage ist, kann der Außenleiter 14 an der freiliegenden Oberfläche der ersten keramischen Lage 11 angeordnet werden.
Entsprechend anzuordnenden Schaltkreisen können verschiedene Arten von Bestückungsbauteilen 17 verwendet werden. Zum Beispiel können aktive Elemente, z. B. Transistoren, ICs und LSIs, und passive Elemente, z. B. Chipkondensatoren, Chipwiderstände, Chipthermistoren und Chipinduktoren, verwendet werden.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen keramischen mehrlagigen Substrats beschrieben. 4 ist eine grobe Schnittansicht, die ein Beispiel eines keramischen grünen Laminats zeigt, das zum Herstellen des keramischen mehrlagigen Substrats zu erzeugen ist.
Wie in 4 gezeigt wird, umfasst ein keramisches grünes Laminat 20 erste keramische grüne Lagen 21, zweite keramische grüne Lagen 22, die so laminiert sind, dass sie mit Hauptflächen der ersten keramischen grünen Lagen 21 in Berührung kommen, und elektrisch leitende Pastenschichten 23 für einen Innenleiter, die zwischen den ersten keramischen grünen Lagen 21 und den zweiten keramischen grünen Lagen 22 angeordnet sind. Elektrisch leitende Pastenschichten 24 für Außenleiter sind auf den Oberflächen des keramischen grünen Laminats 20 angeordnet. Verbindungslochleiter sind in den ersten keramischen grünen Lagen 21 und den zweiten keramischen grünen Lagen 22 angeordnet. In den Verbindungslöchern ist eine elektrisch leitende Paste 25 für Verbindungslochleiter eingefüllt.
Die erste keramische grüne Lage 21 enthält ein erstes keramisches Material, und die zweite keramische grüne Lage 22 enthält ein zweites keramisches Material mit einer Sintertemperatur über der Sintertemperatur des ersten keramischen Materials. Das erste keramische Material und das zweite keramische Material sind vorstehend beschrieben und eine weitere Erläuterung desselben wird hier nicht vorgesehen.
Die erste keramische grüne Lage 21 und die zweite keramische grüne Lage 22 werden durch Verwenden von zum Beispiel einem keramischen Schlicker gebildet. Der keramische Schlicker ist eine Mischung von Rohmaterialien, zum Beispiel eines keramischen Pulvers, eines Bindemittels, eines Lösungsmittels und eines Plastifizierungsmittels. Als keramisches Pulver kann das erste keramische Material oder das zweite keramische Material verwendet werden. Als Bindemittel kann ein organisches Bindemittel, z. B. ein Acrylharz, ein Methacrylharz und Polyvinylbutyral, verwendet werden. Als Lösungsmittel kann ein organisches Lösungsmittel, z. B. Toluen, Isopropylenalkohol und andere Alkohole, verwendet werden. Als Plastifizierungsmittel können Di-n-butylphthalat und dergleichen verwendet werden.
Beispiele für Verfahren zum Bilden des keramischen grünen Laminats 20 aus dem keramischen Schlicker umfassen ein Folienverfahren, bei dem keramische grüne Folien durch Formen des keramischen Schlickers in Form einer Folie erzeugt und laminiert werden. Alternativ kann auch ein sequentielles Laminierverfahren verwendet werden, bei dem das Spritzen des keramischen Schlickers auf eine Harzschicht oder eine keramische grüne Lage, die als Grundelement dient, Eintauchen oder Bedrucken wiederholt werden, um einzelne keramische grüne Lagen aufzubauen. Das Folienverfahren ist von hervorragender Effizienz. Die zweite keramische grüne Lage 22 ist aber meist sehr dünn, und die Handhabbarkeit ist schlecht, wenn ein Einzelfolienformen durchgeführt wird. Daher kann man sagen, dass ein Verfahren, bei dem eine keramische grüne Lage durch Integrieren der ersten keramischen grünen Lage 21 und der zweiten keramischen grünen Lage 22 erzeugt wird und die sich ergebenden Folien laminiert werden, besonders bevorzugt ist.
Die elektrisch leitenden Pastenschicht 23 wird aus einer elektrisch leitenden Paste gebildet, die ein elektrisch leitendes Pulver, Phosphor oder eine Phosphorverbindung, ein Lösungsmittel und ein Bindemittel enthält.
Als elektrisch leitendes Pulver kann ein Metallpulver verwendet werden. Zum Beispiel kann mindestens eine Art von Metall gewählt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Kupfer, Nickel, Silberpalladiumlegierung und Silberplatinlegierung verwendet werden. Bevorzugt wird ein Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,1 bis 10 μm als elektrisch leitendes Pulver verwendet. Bevorzugt liegt der Anteil des Metallpulvers in der elektrisch leitenden Paste bei 60 bis 90 Gewichtsprozent.
Eine einfache Phosphorsubstanz existiert bei Umgebungstemperatur als Feststoff. Die Phosphorverbindung kann bei Umgebungstemperatur als Feststoff oder Flüssigkeit existieren. Die Zugabe einer Flüssigkeit wird aber zu einem Faktor, der für eine Abnahme der Viskosität der elektrisch leitenden Paste verantwortlich ist, und es wird schwierig, einen Leiter mit einem hohen Seitenverhältnis zu bilden. Daher ist es bevorzugt, dass ein Feststoff als Phosphorverbindung verwendet wird. Es ist bevorzugt, dass ein Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,5 bis 5,0 μm als Phosphor oder feste Phosphorverbindung verwendet wird.
Es wird eine Phosphorverbindung, die während des Brennens zersetzt wird, um den Phosphorbestandteil freizusetzen, gewählt. Wenn kein Phosphorbestandteil freigesetzt wird, kommt es während des Brennens zu keiner Diffusion des Phosphorbestandteils und das Schrumpfen der ersten keramischen grünen Lage 21 wird nicht beschränkt. Daher wird eine Phosphorverbindung mit einer Zersetzungstemperatur unter der Brenntemperatur des keramischen grünen Laminats 20 gewählt. Wenn zum Beispiel die Brenntemperatur bei etwa 1.000°C liegt, werden Kupferpyrophosphat und Phosphorsäure zersetzt, während Silberphosphat und Calciumphosphat nicht zersetzt werden.
Bevorzugt enthält die Phosphorverbindung ein Metall der gleichen Art wie das elektrisch leitende Pulver. Wenn zum Beispiel Kupfer als das elektrisch leitende Pulver verwendet wird und Kupferpyrophosphat als die Phosphorverbindung verwendet wird, verbindet sich, da Kupferpyrophosphat zu einem Kupferbestandteil und einem Phosphorbestandteil zersetzt wird, der Kupferbestandteil mit Kupfer des elektrisch leitenden Pulvers. Folglich kann die elektrische Leitfähigkeit vorteilhaft aufrechterhalten werden.
Phosphor oder die Phosphorverbindung können getrennt von dem elektrisch leitenden Pulver zugegeben werden oder können zugegeben werden, während sie so an dem elektrisch leitenden Pulver anhaften, dass die Oberfläche des elektrisch leitenden Pulvers bedeckt ist. In letzterem Fall kann die Herstellung zum Beispiel durch Erwärmen und Rühen eines Kupferpulvers in einer wässrigen Natriumpyrophosphatlösung gefolgt von Waschen und Trocknen durchgeführt werden.
Bevorzugt liegt der Anteil an Phosphor oder der Phosphorverbindung in der elektrisch leitenden Paste bei 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent bezogen auf Phosphor. In dem Fall da zum Beispiel Kupferpyrophosphat als die Phosphorverbindung verwendet wird, beträgt weiterhin der Anteil an Kupferpyrophosphat in der elektrisch leitenden Paste bevorzugt 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent. Wenn der Anteil an Kupferpyrophosphat unter 0,1 Gewichtsprozent liegt, kann das Schrumpfen der ersten keramischen grünen Lage 21 nicht zufrieden stellend beschränkt werden. Wenn dagegen der Anteil 5,0 Gewichtsprozent übersteigt, kann die Diffusionsmenge des Phosphorbestandteils aus der elektrisch leitenden Paste zu groß werden und das Volumen der elektrisch leitenden Paste zu klein werden, so dass die elektrisch leitende Paste zu stark schrumpfen kann.
Als in der elektrisch leitenden Paste enthaltenes Lösungsmittel können Terpineol, Isopropylenalkohol, andere Alkohole und dergleichen verwendet werden. Bevorzugt beträgt der Anteil des Lösungsmittels in der elektrisch leitenden Paste 8 bis 33 Gewichtsprozent.
Als in der elektrisch leitenden Paste enthaltenes Bindemittel können ein Acrylharz, ein Alkydharz, ein Butyralharz, Ethylcellulose und dergleichen verwendet werden. Bevorzugt beträgt der Anteil des Bindemittels in der elektrisch leitenden Paste 0,5 bis 7,0 Gewichtsprozent.
Der elektrisch leitenden Paste können zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Bestandteilen ein Glaspulver und ein keramisches Pulver der gleichen Art wie das in der ersten keramischen grünen Lage 21 enthaltene keramische Pulver zugegeben werden. Es ist aber bevorzugt, dass die Zugabemenge dieser Bestandteile klein ist. Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass diese Bestandteile ausgeschlossen sind. Der Grund hierfür ist, dass das Glaspulver ein Faktor wird, der für eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit des Leiters und für das Auftreten einer Verschlechterung von Eigenschaften aufgrund einer Reaktion mit dem Substratbestandteil verantwortlich ist, und das keramische Pulver ein Faktor wird, der für eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit des Leiters verantwortlich ist.
Die elektrisch leitende Pastenschicht 24 und die elektrisch leitende Pastenschicht 25 werden aus einer elektrisch leitenden Paste gebildet, die ein elektrisch leitendes Pulver, ein Lösungsmittel und ein Bindemittel enthält. Als elektrisch leitendes Pulver, Lösungsmittel und Bindemittel können die gleichen Substanzen wie bei der elektrisch leitenden Pastenschicht 23 verwendet werden.
Die elektrisch leitenden Pastenschichten 23 und 24 werden durch Drucken der elektrisch leitenden Paste auf eine keramische grüne Folie mit einem Druckmittel, z. B. Siebdrucken, gebildet. Die elektrisch leitende Paste 25 für den Verbindungslochleiter wird zum Beispiel durch Herstellen eines Verbindungslochs in der keramischen grünen Folie und Füllen des Verbindungslochs mit der elektrisch leitenden Paste gebildet.
Das sich ergebende keramische grüne Laminat 20 wird bei einer Temperatur gebrannt, bei der das erste keramische Material gesintert wird, aber das zweite keramische Material nicht gesintert wird. Folglich führt die zweite keramische grüne Lage 22 die Funktion des Beschränkens des Schrumpfens der ersten keramischen grünen Lage 21 aus, wenn die erste keramische grüne Lage 21 zu schrumpfen beginnt. Auf diese Weise kann ein keramisches mehrlagiges Substrat mit hoher Maßhaltigkeit hergestellt werden.
Die Brennatmosphäre wird entsprechend der Art des ersten keramischen Materials und der Art des elektrisch leitenden Pulvers, das in der elektrisch leitenden Pastenschicht enthalten ist, geeignet angepasst.
Bei dem Brennschritt werden die Brennbedingungen, z. B. die Temperatur und die Zeit, so angepasst, dass das erste keramische Material von der ersten keramischen grünen Lage 21 in die zweite keramische grüne Lage 22 eindringt und ferner der Phosphorbestandteil von der elektrisch leitenden Pastenschicht 23 in die erste keramische grüne Lage 21 diffundiert.
In der vorliegenden Erfindung bezeichnet bezüglich verschiedener Pulver ein „mittlerer Partikeldurchmesser” einen mittleren Partikeldurchmesser, der mit MICROTRA HRA (hergestellt von SHIMADZU CORPORATION) gemessen wurde, nachdem ein Pulver unter Verwendung einer Ultraschalldispersionsvorrichtung ausreichend in einem Dispersionsmedium dispergiert ist.
Experimentelles Beispiel 1
Ein Ba-Al-Si-O-Keramikpulver, das als keramisches Pulver dient, Toluen und EKINEN, die als Lösungsmittel dienen, ein Butyralharzbindemittel, das als Bindemittel dient, und DOP (Bis-2-ethylhexylphthalat), das als Plastifizierungsmittel dient, wurden erzeugt und gemischt, um einen keramischen Schlicker herzustellen. Der sich ergebende keramische Schlicker wurde zu der Form einer Folie geformt, um eine keramische grüne Folie von 15,0 mm Länge, 15,0 mm Breite und 37 μm Dicke zu erzeugen.
Ein Aluminiumdioxidpulver, ein B-Si-Ba-Glaspulver, EKINEN, das als Lösungsmittel diente, ein Butyralharzbindemittel, das als Bindemittel diente, und DOP, das als Plastifizierungsmittel diente, wurden erzeugt und gemischt, um einen keramischen Schlicker zu bilden. Der sich ergebende keramische Schlicker wurde auf die vorstehend beschriebene keramische grüne Folie aufgebracht, um eine zusammengesetzte grüne Folie zu erzeugen, bei der eine zweite keramische grüne Lage auf einer ersten keramischen grünen Lage gebildet wurde, die mit einer Dicke von 40 μm erzeugt wurde.
Durch Mischen von Bestandteilen in dem Verhältnis von 80 Gewichtsprozent Kupferpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2 μm, einer vorbestimmten Menge an Kupferpyrophosphatpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1 μm, 18 Gewichtsprozent Terpineol, das als Lösungsmittel diente, und 2 Gewichtsprozent Ethylcellulose, das als Bindemittel diente, wurde eine elektrisch leitende Paste hergestellt. Der Anteil an Kupferpyrophosphatpulver war wie in Tabelle 1 gezeigt.
Die elektrisch leitende Paste wurde so auf eine zusammengesetzte grüne Folie gedruckt, dass die Dicke 5 μm betrug. Mehrere zusammengesetzte grüne Folien ohne aufgedruckte elektrisch leitende Paste wurden oben und unten auf die sich ergebende Folie laminiert. Das sich ergebende Laminat wurde zugeschnitten, um ein keramisches grünes Laminat von 1 cm Länge, 1 cm Breite und 0,6 mm Dicke herzustellen.
5 ist eine grobe Explosionsschnittansicht, die einen Laminierzustand des keramischen grünen Laminats in dem vorliegenden experimentellen Beispiel zeigt. Wie in 5 gezeigt wird, besteht bei einem keramischen grünen Laminat 30 die zusammengesetzte grüne Folie 38 aus einer ersten keramischen grünen Lage 31 und einer zweiten keramischen grünen Lage 32, die auf der ersten keramischen grünen Lage 31 ausgebildet ist. Bei der zusammengesetzten grünen Folie 38 ist eine elektrisch leitende Pastenschicht 33 auf der zweiten keramischen grünen Lage 32 ausgebildet. Die elektrisch leitende Pastenschicht 33 ist als Mäanderlinie (Muster in einer Mäanderform) mit einer Linienbreite von 100 μm und einer Linienbreite:Linienlänge von 1:400 ausgebildet.
Zusammengesetzte grüne Foliengruppen 38a und 38b, die mit keiner elektrisch leitenden Schicht 33 versehen sind, sind oben und unten auf der zusammengesetzten grünen Folie 38 angeordnet. Die zusammengesetzte grüne Foliengruppe 38a ist mit der ersten keramischen grünen Lage 31 unten angeordnet, und die zusammengesetzte grüne Foliengruppe 38b ist mit der ersten keramischen grünen Lage 31 oben angeordnet. In dem vorliegenden experimentellen Beispiel waren die zusammengesetzten grünen Folien, die die zusammengesetzten grünen Foliengruppen 38a und 38b bildeten, 14 Folien bzw. 15 Folien.
Bezüglich jeder elektrisch leitenden Paste wurden 100 Stück der vorstehend beschriebenen keramischen grünen Laminate hergestellt. Jedes keramische grüne Laminat wurde unter der Bedingung einer Höchsttemperatur von 980°C 1 Stunde lang in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt. Auf diese Weise wurden Proben 1 bis 7 des keramischen mehrlagigen Substrats, die in Tabelle 1 gezeigt werden, hergestellt.
Abgesehen davon, dass das Laminiermuster der grünen Folien geändert wurde, wurden in ähnlicher Weise wie bei den Proben 1 bis 7 100 Stück jeweils von Proben 8 und 9 des keramischen mehrlagigen Substrats hergestellt.
Bezüglich Probe 8 wurde die elektrisch leitende Pastenschicht 33 auf der ersten keramischen grünen Lage 31 in der in 5 gezeigten zusammengesetzten grünen Folie 38 gebildet. D. h. wie in 6 gezeigt wird, wurde die elektrisch leitende Pastenschicht 33 zwischen zwei ersten keramischen grünen Lagen 31 gebildet.
Bezüglich Probe 9 wurden die zusammengesetzte grüne Folie 38 und die zusammengesetzten grünen Foliengruppen 38a und 38b so angeordnet, dass jede von ihnen in 5 mit der Oberfläche nach unten umgedreht war. D. h. wie in 7 gezeigt wird, war die elektrisch leitende Pastenschicht 33 zwischen zwei zweiten keramischen grünen Lagen 32 ausgebildet.

Bezüglich jeder Probe des keramischen mehrlagigen Substrats wurde ein Querschnitt des Substrats poliert. Danach wurde der Querschnitt mit REM (Rasterelektronenmikroskop) betrachtet, um den Zustand des Innenleiters zu prüfen. Der Zustand des Abblätterns einer Elektrode wurde auch mit C-SAM (akustisches C-Moden-Rastermikroskop) ermittelt. Bezüglich jeder Probe wurden die Häufigkeit von Abblättern des Innenleiters und die Häufigkeit von Bruch des Innenleiters geprüft. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

	Anteil an Kupferpyrophosphat in elektrisch leitender Paste (Gewichtsprozent)	Position der Ausbildung der elektrisch leitenden Pastenschicht	Häufigkeit von Abblättern	Häufigkeit von Bruch
1	0,1	zwischen erster keramischer grüner Lage und zweiter keramischer grüner Lage	0/100	0/100
2	0,5	zwischen erster keramischer grüner Lage und zweiter keramischer grüner Lage	0/100	0/100
3	1,0	zwischen erster keramischer grüner Lage und zweiter keramischer grüner Lage	0/100	0/100
4	3,0	zwischen erster keramischer grüner Lage und zweiter keramischer grüner Lage	1/100	0/100
5	5,0	zwischen erster keramischer grüner Lage und zweiter keramischer grüner Lage	4/100	3/100
6	10,0	zwischen erster keramischer grüner Lage und zweiter keramischer grüner Lage	18/100	5/100
*7	-	zwischen erster keramischer grüner Lage und zweiter keramischer grüner Lage	26/100	6/100
*8	-	zwischen erster keramischer grüner Lage und erster keramischer grüner Lage	0/100	0/100
*9	-	zwischen zweiter keramischer grüner Lage und zweiter keramischer grüner Lage	0/100	0/100

Probennummern mit Sternchen zeigen Proben an, die außerhalb der Ansprüche der vorliegenden Erfindung liegen.

Bezüglich Proben 1 bis 6 waren die Wahrscheinlichkeiten eines Auftretens von Abblättern und eines Auftretens von Bruch des Innenleiters niedriger als die der Probe 7. Bezüglich Probe 6 wird geschätzt, dass der Anteil des Phosphorbestandteils in der elektrisch leitenden Paste groß war, eine große Menge an Phosphorbestandteil in der elektrisch leitenden Paste während des Brennens zu der Substratseite diffundierte und es dadurch wahrscheinlich wurde, dass die elektrisch leitende Paste übermäßig schrumpfte, was leicht ein Brechen und Abblättern des Innenleiters bewirkte.
Bezüglich Probe 8 und Probe 9 trat ein Abblättern und Brechen des Innenleiters kaum auf. Daraus ist klar, dass bei Ausbilden der elektrisch leitenden Pastenschicht zwischen der gleichen Art von keramischen grünen Lagen die elektrisch leitende Pastenschicht nicht mit mechanischen Spannungen in verschiedene Richtungen beaufschlagt wird und daher ein Abblättern und Brechen des Innenleiters im Wesentlichen nicht zu einem Problem wird. Wie vorstehend beschrieben soll die vorliegende Erfindung die Probleme lösen, die zum ersten Mal in der Situation auftreten, in der eine elektrisch leitende Pastenschicht zwischen keramischen grünen Lagen unterschiedlicher Arten ausgebildet wird. Die Bildung der elektrisch leitenden Pastenschicht zwischen keramischen grünen Lagen unterschiedlicher Arten hat unter Berücksichtigung der Flexibilität bei der Schaltkreisauslegung und dem Laminiermuster Bedeutung. Daher leistet die vorliegende Erfindung einen bedeutsamen Beitrag.
Experimentelles Beispiel 2
Dieses Experiment soll zeigen, dass der Phosphorbestandteil eine Funktion des Beschränkens des Schrumpfens der keramischen grünen Lage hat.
Eine Ba-Al-Si-O-Keramikpulver enthaltende keramische grüne Folie wurde wie in dem experimentellen Beispiel 1 erzeugt.
Es wurde eine Testpaste, die Bestandteile in dem Verhältnis von 90 Gewichtsprozent Kupferpyrophosphat, 1 Gewichtsprozent Ethylcellulose, das als Bindemittel diente, und 9 Gewichtsprozent Terpineol, das als Lösungsmittel diente, hergestellt. Die sich ergebende Testpaste wurde über einer ganzen Hauptfläche der keramischen grünen Lage so aufgebracht, dass die Dicke 10 μm betrug, und es wurde Brennen unter der Bedingung einer Höchsttemperatur von 980°C 1 Stunde lang in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt. Das sich ergebende Substrat wurde als erstes Testsubstrat genommen. Dagegen wurde eine keramische grüne Folie, auf die die Testpaste nicht aufgebracht wurde, unter der gleichen Wärmebehandlungsbedingung wie beim ersten Testsubstrat gebrannt und wurde als zweites Testsubstrat genommen.
8 ist eine grobe Schnittansicht, die das erste Testsubstrat zeigt. Bei dem ersten Testsubstrat 41a, das zunächst grün war, bildete sich eine weißliche Schicht 46 an der Seite der oberen Fläche. Das erste Testsubstrat 41a war dabei so verzogen, dass die Seite der oberen Fläche, die mit der weißlichen Schicht 46 versehen war, ausbauchte. Diese weißliche Schicht 46 wurde mit WDX (dispersives Wellenlängen-Röntgenspektrometer) einer Mapping-Analyse unterzogen. Im Ergebnis wurde ein Phosphorbestandteil mit einer Konzentrationsverteilung detektiert, bei der die Konzentration von der Seite der oberen Fläche des Substrats hin ins Innere des Substrats abnahm. Dies zeigt, dass der Phosphorbestandteil zu der Seite der oberen Fläche des ersten Testsubstrats 41a diffundierte und dadurch ein Schrumpfen der Seite der oberen Fläche in der Substratebenenrichtung verglichen mit der der Seite der unteren Fläche beschränkt war.
9 ist eine grobe Schnittansicht, die das zweite Testsubstrat zeigt. Das zweite Testsubstrat 41b wurde zu einer flachen Form gebrannt. Dies zeigt, dass die Schrumpfungsgrade der Seite der oberen Fläche und der Seite der unteren Fläche des zweiten Testsubstrats 41b in der Substratebenenrichtung gleich waren
Folglich geht aus Vergleichen zwischen dem ersten Testsubstrat 41a und dem zweiten Testsubstrat 41b hervor, dass ein Schrumpfen des Substrats durch Diffusion des Phosphorbestandteils von einer Hauptfläche des Substrats teilweise beschränkt wird.
Experimentelles Beispiel 3
Dieses Experiment soll zeigen, dass der Phosphorbestandteil in der elektrisch leitenden Pastenschicht eine Funktion des Beschränkens eines Verziehens der keramischen grünen Lage hat.
Eine zusammengesetzte grüne Folie, bei der eine zweite keramische grüne Lage auf einer ersten keramischen grünen Lage gebildet war, mit einer Dicke von 40 μm wurde wie in dem experimentellen Beispiel 1 hergestellt.
Wie in dem experimentellen Beispiel 1 wurde eine elektrisch leitende Paste hergestellt. Der Anteil des Kupferpyrophosphatpulvers war wie in Tabelle 2 gezeigt.
Die elektrisch leitenden Paste wurde so auf eine erste keramische grüne Lage gedruckt, dass die Dicke 5 μm betrug. Mehrere zusammengesetzte grüne Folien ohne aufgedruckte elektrisch leitende Paste wurden darunter laminiert, und die erste keramische grüne Lage ohne aufgedruckte elektrisch leitende Paste wurde darunter laminiert. Das sich ergebende Laminat wurde so geschnitten, dass ein keramisches grünes Laminat von 1 cm Länge, 1 cm Breite und 0,36 mm Dicke erzeugt wurde.
10 ist eine grobe Explosionsschnittansicht, die einen Laminierzustand des keramischen grünen Laminats in dem vorliegenden experimentellen Beispiel zeigt. Wie in 10 gezeigt umfasst ein keramisches grünes Laminat 50 die ersten keramischen grünen Lagen 51, die als die oberste Schicht und die unterste Schicht angeordnet sind, sowie die zusammengesetzten grünen Foliengruppen 58a und 58b, die dazwischen angeordnet sind. Eine elektrisch leitende Pastenschicht 53 mit einer Dicke von 10 μm ist über der gesamten Oberfläche der obersten ersten keramischen grünen Lage 51 ausgebildet. Die zusammengesetzte grüne Folie 58 besteht aus der ersten keramischen grünen Lage 51 und der zweiten keramischen grünen Lage 52, die auf der ersten keramischen grünen Lage 51 ausgebildet ist. Die zusammengesetzte grüne Foliengruppe 58a ist mit der ersten keramischen grünen Lage 51 unten angeordnet, und die zusammengesetzte grüne Foliengruppe 58b ist mit der ersten keramischen grünen Lage 51 oben angeordnet. In dem vorliegenden experimentellen Beispiel waren die zusammengesetzten grünen Folien, die jeweils die zusammengesetzten grünen Foliengruppen 38a und 38b bildeten, 7 Folien.
In dem vorliegenden experimentellen Beispiel ist die elektrisch leitende Pastenschicht nicht zwischen der ersten keramischen grünen Lage und der zweiten keramischen grünen Lage ausgebildet, und die elektrisch leitende Pastenschicht liegt frei. Dies ist ein Hilfsmittel zum Verständnis des Phänomens des Verziehens, das in der ersten keramischen grünen Lage auftritt.
Bezüglich jeder elektrisch leitenden Paste wurden 10 Stück der vorstehend beschriebenen keramischen grünen Laminate erzeugt. Jedes keramische grüne Laminat wurde unter der gleichen Bedingung wie in dem experimentellen Beispiel 1 gebrannt. Auf diese Weise wurden die Proben 11 bis 17 des keramischen mehrlagigen Substrats erzeugt, die in Tabelle 2 gezeigt werden.
Abgesehen davon, dass keine elektrisch leitende Pastenschicht gebildet wurde, wurden in ähnlicher Weise wie in den Proben 11 bis 17 10 Stück der Probe 18 des keramischen mehrlagigen Substrats erzeugt.

Bezüglich jeder Probe des keramischen mehrlagigen Substrats wurde ein Verziehen des Substrats auf der Grundlage der Form der Substratseitenfläche geprüft. 11 ist eine grobe Seitenansicht, die schematisch einen Zustand des Verziehens des keramischen mehrlagigen Substrats zeigt. Wie in 11 gezeigt wird, wird der Betrag der Verformung des Substrats durch einen Abstand h zwischen einem mittleren Punkt der unteren Fläche eines keramischen mehrlagigen Substrats 60 und einem mittleren Punkt einer virtuellen geraden Linie dargestellt, die die unteren Enden der beiden Endflächen des Substrats verbindet. Bezüglich jeder Probe wurde der Abstand h mit einem Feintaster gemessen, und es wurde ein Mittelwert desselben ermittelt. Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt. Ein positiver Wert dieses Abstands zeigt an, dass das Substrat zu einer konvexen Form verzogen ist, d. h. so dass die obere Hauptfläche hervorragt. [Tabelle 2]

	Anteil an Kupferpyrophosphat in elektrisch leitender Paste (Gewichtsprozent)	Betrag der Verformung des Substrats (μm)	Bemerkungen
11	0,1	4,8
12	0,5	2,3
13	1,0	0,2
14	3,0	–0,07
15	5,0	–4,5
16	10,0	–6,85
*17	-	–11,6
*18	-	6,8	Es wurde keine elektrisch leitende Pastenschicht gebildet

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, betrug das Verziehen von Probe 18, bei der keine elektrisch leitende Pastenschicht gebildet wurde, 6,8 μm, wogegen die Größenordnung des Verziehens von Probe 17, bei der die kein Kupferpyrophosphat enthaltende elektrisch leitende Pastenschicht gebildet wurde, –11,6 μm betrug, und daher wurde ermittelt, dass das Substrat zu einer konkaven Form verzogen war. Folglich ist klar, dass die mechanische Spannung, die das Substrat zu der konkaven Form verzieht, durch Bilden der elektrisch leitenden Pastenschicht auftrat.
Diese mechanische Spannung ist auf die Begünstigung des Schrumpfens der ersten keramischen grünen Lage aufgrund der Bildung der elektrisch leitenden Pastenschicht zurückzuführen. In dem Fall, da die elektrisch leitende Pastenschicht zwischen der ersten keramischen grünen Lage und der zweiten keramischen grünen Lage gebildet wird, führt diese mechanische Spannung eine Funktion des Abblätterns der elektrisch leitenden Pastenschicht von der zweiten keramischen grünen Lage aus, so dass nach dem Brennen ein Abblättern des Innenleiters bewirkt wird.
Dieses Verziehen tritt in dem Fall, da die elektrisch leitende Pastenschicht zwischen der ersten keramischen grünen Lage und der zweiten keramischen grünen Lage ausgebildet ist, nicht so leicht deutlich hervor. Der Grund hierfür ist, dass die zweite keramische grüne Lage kaum verformt wird und es daher scheint, dass insgesamt kein Verziehen auftritt. Selbst in dem Fall, da die zweite keramische grüne Lage ausgebildet wird, liegt aber keine Änderung vor, da auf die elektrisch leitende Pastenschicht aufgrund der Neigung der ersten keramischen grünen Lage, sich zu verziehen, eine mechanische Spannung ausgeübt wird.
Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, wird in dem Fall, da die Zugabemenge von Kupferpyrophosphat innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (z. B. 0,1 Gewichtsprozent (Probe 11) bis 1,0 Gewichtsprozent (Probe 13)) liegt, das Verziehen des Substrats allmählich korrigiert, wenn die Zugabemenge des Kupferpyrophosphats zunimmt. D. h. wenn der elektrisch leitenden Paste Kupferpyrophosphat zugegeben wird, diffundiert der Phosphorbestandteil in die erste keramische grüne Lage, das Schrumpfen der ersten keramischen grünen Lage wird teilweise beschränkt und dadurch wird die mechanische Spannung zum Verziehen des Substrats zu einer konkaven Form gemindert. Es ist aber klar, dass, wenn die Zugabemenge von Kupferpyrophosphat den vorgegebenen Bereich übersteigt (z. B. 3,0 Gewichtsprozent (Probe 14) übersteigt), ein Verziehen in umgekehrter Richtung eintritt.
Daher kann unter einer vorgegebenen Bedingung die Größenordnung und Richtung des Verziehens durch Anpassen der Zugabemenge von Kupferpyrophosphat gesteuert werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Erfindungsgemäß wird es möglich, das Auftreten von Abblättern und Bruch des Innenleiters während des Brennschritts bei der Herstellung des keramischen mehrlagigen Substrats zu beschränken. Folglich wird es möglich, ein sehr zuverlässiges keramisches mehrlagiges Substrat an die Hand zu geben.
Daher kann die vorliegende Erfindung weithin bei Verwendungszwecken eingesetzt werden, zum Beispiel bei einem Multichipmodul (MCM) mit einem Aufbau, bei dem Halbleitervorrichtungen, z. B. VLSI und ULSI, auf ein keramisches Substrat bestückt werden.

Claims

Keramisches mehrlagiges Substrat (10), welches umfasst: eine durch Sintern eines ersten keramischen Materials gebildete erste keramische Lage (11); eine zweite keramische Lage (12), die so laminiert ist, dass sie mit einer Hauptfläche der ersten keramischen Lage (11) in Berührung kommt, und die ein ungesintertes zweites keramisches Material mit einer Sintertemperatur über der Sintertemperatur des ersten keramischen Materials enthält; und einen zwischen der ersten keramischen Lage (11) und der zweiten keramischen Lage (12) angeordneten Innenleiter (13), wobei das ungesinterte zweite keramische Material durch einen Teil des ersten keramischen Materials festgelegt ist, das von der ersten keramischen Lage (11) in die zweite keramische Lage eingedrungen ist, und wobei die erste keramische Lage (11) einen Phosphorbestandteil mit einem Konzentrationsgefälle enthält, bei dem die Konzentration in einer Richtung weiter weg vom Innenleiter (13) abnimmt.
Keramisches mehrlagiges Substrat (10) nach Anspruch 1, wobei der Innenleiter (13) einen Phosphorbestandteil umfasst.
Keramisches mehrlagiges Modul, das ein keramisches mehrlagiges Substrat (10) nach Anspruch 1 oder 2 aufweist, wobei ein Außenleiter (14) auf einer freiliegenden Oberfläche der ersten keramischen Lage (11) oder der zweiten keramischen Lage (12) angeordnet ist und ein Bestückungsbauelement auf dem Außenleiter (14) angebracht ist.
Verfahren zum Herstellen eines keramischen mehrlagigen Substrats (10), welches folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines keramischen grünen Laminats (20), das versehen wird mit: einer ein erstes keramisches Material enthaltenden ersten keramischen grünen Lage (21), einer zweiten keramischen grünen Lage (22), die so laminiert wird, dass sie mit einer Hauptfläche der ersten keramischen grünen Lage (21) in Berührung kommt, und die ein zweites keramisches Material mit einer Sintertemperatur über der Sintertemperatur des ersten keramischen Materials enthält, und einer elektrisch leitenden Pastenschicht (23), die zwischen der ersten keramischen grünen Lage (21) und der zweiten keramischen grünen Lage (22) angeordnet wird und die Phosphor oder eine Phosphorverbindung enthält; und Brennen des keramischen grünen Laminats (20) bei einer Temperatur, bei welcher das erste keramische Material gesintert wird und das zweite keramische Material nicht gesintert wird, wobei beim Brennen des keramischen grünen Laminats (20) ein Teil des ersten keramischen Materials von der ersten keramischen grünen Lage (21) in die zweite keramische grüne Lage (22) eindringt und der Phosphorbestandteil von der elektrisch leitenden Pastenschicht (23) in die erste keramische grüne Lage (21) und die zweite keramische grüne Lage (22) diffundiert.
Verfahren zum Herstellen eines keramischen mehrlagigen Substrats (10) nach Anspruch 4, wobei als Phosphorverbindung Kupferpyrophosphat verwendet wird.