JP2000026167A - 厚膜多層基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大量生産に適した高生産性を有し、表面の焼結
収縮が抑制され、しかも表面粗さの優れた厚膜多層基板
の製造方法を提供するにある。 【解決手段】グリーンシート積層体の焼成温度よりも３
００〜８００℃高い温度の融点を持つセラミック粉末を
塗布したセラミック敷板をグリーンシート積層体の両面
に載せ、グリーンシート積層体とセラミック敷板を同時
に圧着し、その圧着体をそのまま焼成し、しかる後グリ
ーンシート焼成体とセラミック敷板を分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は厚膜多層基板の製造
方法に関わり、特に表面の焼結収縮率がゼロに近く、そ
の表面に形成する導体パターン及びその表面に搭載する
部品の位置が高精度に整合する厚膜多層基板の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、厚膜多層基板は電子部品、半導体
集積回路素子等を高密度に搭載すべく、セラミックグリ
ーンシートに穴を明け、その穴に導体を印刷充填し、シ
ート表面には配線を印刷し、それらのシートを複数枚積
層して接着し、グリーンシート積層・圧着体を形成した
後、それを焼成することにより製造されている。グリー
ンシートはセラミック粉末と有機バインダからなり、セ
ラミック粉末には主にアルミナ、ムライト、ガラス、結
晶化ガラス等あるいはそれらの複合体が用いられる。グ
リーンシート積層・圧着体の焼成温度はグリーンシート
を構成する上記セラミック材料の焼結温度に依存する。

【０００３】例えば、グリーンシートが主にアルミナ、
ムライト等の高温焼結材料からなる場合、グリーンシー
ト積層・圧着体は約１６００℃の高温で焼成され、グリ
ーンシートが主にガラス、結晶化ガラス等の低温焼結材
料からなる場合、グリーンシート積層・圧着体は８５０
〜１０５０℃の低温で焼成される。グリーンシートに印
刷される導体材料も上記温度で焼成されるので、その焼
成温度以上に融点を有する低抵抗の材料が用いられる。
例えば導体材料としては上記高温焼結材料の場合、タン
グステン、モリブデン等が、上記低温焼結材料の場合、
銅，金，銀−パラジウム等が用いられる。

【０００４】グリーンシート積層・圧着体を焼成するこ
とにより、その体積が減少し、緻密化する。すなわち、
グリーンシート積層・圧着体はその密度とセラミック体
の理論密度との比、すなわち相対密度が通常４５〜６５
％であるのに対し、焼成によりその相対密度が約９５％
以上になるからである。グリーンシート積層・圧着体は
通常セラミック敷板に載せて電気炉で焼成される。焼成
によるグリーンシート積層・圧着体の体積収縮では、そ
の線収縮率は１０〜２５％の範囲にあるが、各方向の線
収縮率に相違・ばらつきがあるのが通常で、それが問題
になる場合がある。

【０００５】すなわち、グリーンシート積層・圧着体に
おいて、その表面にＸ，Ｙ座標を取り、厚さ方向にＺ座
標を取るとすると、Ｘ，Ｙ方向の収縮率とＺ方向との収
縮率に相違を生じるが、その相違はほとんどの場合問題
にならないが、ＸＹ面内の収縮率の相違・ばらつきが例
えば０．５％あるとすると、それがないと設計した場合
と比べると、基準点から５０ｍｍ離れたところで２５０
μｍの位置ずれを起こしており、その上に形成する配線
パターンや搭載する半導体集積回路素子等の端子位置と
整合しないという問題が生じる。

【０００６】上記した問題点を解決する方法として、特
開昭６２−２６０７７７号公報には焼結サイクル中に、
グリーン・セラミック構造体の表面に時間的に連続に抑
制力を加え、上記抑制力を加えている間に上記グリーン
・セラミック構造体を焼成して、ＸＹ平面内の収縮を所
定の程度にし、ひずみ上反りを除去する方法が示されて
いる。その方法として、（ａ）荷重を基板の周辺に印加
する、（ｂ）全基板に力もしくは重しの形の延在ｚ方向
力の印加、（ｃ）基板にラミネートされる接触シートの
形の摩擦力の印加が示されている。

【０００７】しかし、印加する荷重、力の大きさについ
ては述べられておらず、その大きさの低減方法について
はなんら示されていない。特開平５−２８３２７２号公
報には積層されたセラミック成形体を加熱焼成して多層
セラミック焼結体を製造する際、焼成中に外表面にその
表面の焼結収縮を生じさせない範囲の加圧力または拘束
力を加えることが示されている。その実施例では１００
０ｋｇ／ｃｍ2 から３５００ｋｇ／ｃｍ2 の加圧力の
時、表面層のＸ，Ｙ方向の平均収縮率をゼロとすること
ができると示されている。

【０００８】また、特開平６−１００３７７号公報には
ガラスセラミックスのグリーンシート積層体の表面に、
そのガラスセラミックス材料の焼結温度では焼結しない
無機組成物よりなるグリーンシートをその両面に積層・
圧着して焼成し、その後焼結しない無機組成物を取り除
くことにより、焼成時の収縮が平面方向で起こらないガ
ラスセラミックス基板の製造方法が示されている。そし
てその焼結しない無機組成物がＡｌ2Ｏ3グリーンシート
であり、そのＡｌ2Ｏ3グリーンシート層１層の厚みとガ
ラスセラミックスのグリーンシート積層体との厚みの比
が０．１以上であることが示されている。

【０００９】一方、特開平６−１６４１４３号公報に
は、焼成の際に収縮しない少なくとも１枚のセラミック
プレートにスルホールコンタクトを設け、かつ該セラミ
ックプレートを生のセラミックフィルムの積層体内に該
セラミックプレートのスルホールコンタクトにより、導
体路の間の電気接続が行われるように配置することによ
り、焼成工程でＸ−Ｙ面内の生のセラミックフィルムの
収縮が完全に抑制されることが示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】平面内（ＸＹ面内）の
焼結収縮を起こらないようにする上記製造方法では、大
量にセラミック多層基板を製造する場合の合理的な生産
性については、あまり考慮されていない。例えば、加圧
しながら焼成する場合は、その加圧力が約１０００ｋｇ
／ｃｍ2 から３５００ｋｇ／ｃｍ2 と大きいので加圧機
構を有する焼成炉で焼成する必要があり、大量生産向き
でない。難焼結性無機組成物のグリーンシートを用いる
方法は焼成後のそれらの除去がシートの厚み分必要でそ
れらが廃棄物となる。スルホールコンタクトを設けたセ
ラミックプレートの使用は、グリーンシート多層法本来
の特長、すなわちグリーンシートに高密度なビア穴を形
成できる特長を発揮することができ難いという問題があ
る。

【００１１】そこで、本発明の目的は、表面の焼結収縮
が抑制された厚膜多層基板を、大量生産に適した高生産
性を有し、廃棄物も少ない合理的な方法で製造する方法
を提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題は図１〜図３に
示すように、セラミック敷板にあらかじめ、グリーンシ
ート積層体の焼成温度よりも３００〜８００℃高い温度
の融点を持つセラミック粉末を塗布し、次にグリーンシ
ートを複数枚重ねて圧着してグリーンシート積層・圧着
体を作製する際に、そのセラミック敷板をグリーンシー
トの重ね体（以後、積層体と称す）の両面に載せ、この
際上記セラミック粉末を塗布した面がグリーンシート積
層体に接するようにし、グリーンシート積層体とセラミ
ック敷板を同時に圧着し、それによりグリーンシート積
層体をセラミック敷板ではさんだ圧着体を作製し、その
圧着体をそのまま焼成し、しかる後グリーンシート焼成
体とセラミック敷板を分離することによって解決され
る。なお、焼成の際、１００ｇ／ｃｍ2 以下のわずかな
重しを載せればより良い歩留まりの基板を作ることがで
きる。

【００１３】圧着後、従来の焼成法ではグリーンシート
積層・圧着体を敷板に置く作業が必要となるが、本発明
ではグリーンシート積層体とセラミック敷板が一体化さ
れているので、その作業が必要なくなり、そのまま焼成
炉に投入できるので、生産性が向上する。例えば、グリ
ーンシート積層体とセラミック敷板の一体化された圧着
体をベルト式連続炉等に投入する場合には圧着から焼成
を連続してできるので、生産性がよい。焼成後はグリー
ンシート焼成体とセラミック敷板を分離する作業が必要
であるが、本発明は、セラミック敷板とグリーンシート
積層体の間に焼成温度よりも３００〜８００℃高い温度
の融点を持つセラミック粉末を介在しているので、比較
的容易にセラミック敷板とグリーンシート焼成体とを分
離することができる。

【００１４】セラミック敷板としては主成分がアルミ
ナ、ムライト、ジルコニア及びそれらの複合物である緻
密セラミック敷板及び多孔質セラミック敷板が用いられ
る。セラミック敷板として、多孔質セラミック敷板を用
いた場合、それらの孔が焼成の際の雰囲気ガス、グリー
ンシートから発生するバインダの分解・燃焼ガスの通路
となる長所がある。セラミック敷板に焼成温度よりも３
００〜８００℃高い温度の融点を持つセラミック粉末敷
き粉を付着させる方法としては、セラミック粉末を溶剤
単独あるいは溶剤に高分子樹脂を溶かしたビヒクルと混
ぜてペーストとし、そのペーストをセラミック敷板に刷
毛塗り、スキージによる印刷、スプレーによる塗布等の
生産性の高い方法が用いられる。セラミック敷板に付着
させるセラミック粉末の平均粒径については、大きくな
るに従い、セラミック敷板を容易に取り除くことができ
る長所があるが、グリーンシート焼成体の表面粗さが大
になる短所がある。

【００１５】セラミック敷板に付着させるセラミック粉
末敷き粉の平均粒径は好ましくは２〜１０μｍである。
ここで、セラミック粉末敷き粉材料の選定が最も重要で
ある。すなわち、セラミック粉末材料としてはアルミナ
（融点：２０２０℃）、ジルコニア（融点：２５５０
℃）、ムライト（融点：１８５０℃）で代表される融点
が１８００℃を超える高融点耐火物、あるいはコージェ
ライト（融点：１４６０℃）、ワラストナイト（融点：
１５４０℃）、エンスタタイト（融点：１５５７℃）、
で代表される融点が１３００℃以上１８００℃以下の中
程度融点耐火物があるが、、本発明者らは後者の中程度
融点耐火物をセラミック粉末敷き粉材料として用いた場
合、容易にグリーンシート焼成体の焼結収縮率をほぼゼ
ロにできること、及び容易にセラミック敷板とグリーン
シート焼成体とを分離することができること、及びグリ
ーンシート焼成体の表面粗さを小さくすることができ、
生産性・基板性能の両方とも極めて優れていることを見
いだした。

【００１６】グリーンシートの素材は基本的には、約１
０００℃の低温で焼結するガラスセラミック材料が選ば
れる。従って、上記コージェライト（融点：１４６０
℃）、ワラストナイト（融点：１５４０℃）、エンスタ
タイト（融点：１５５７℃）で代表される融点が１３０
０℃以上１８００℃以下の中程度融点耐火物は焼成温度
よりも３００〜８００℃高い温度の融点を持つセラミッ
ク材料であるといえる。導体材料はＡｇ，Ａｇ／Ｐｄ，
Ａｇ／Ｐｔ，ＡｕあるいはＣｕ系金属が用いられる。焼
成雰囲気は用いる導体材料に依存し、上記導体金属材料
の内、Ｃｕ以外は大気中で焼成される。Ｃｕの場合、Ｃ
ｕの酸化が起こり難いＮ₂−Ｈ₂Ｏ系雰囲気が選ばれる。

【００１７】上記グリーンシート積層体とセラミック敷
板の一体圧着体はそのまま電気炉に入れて焼成される。
グリーンシート積層体がセラミック敷板で挾まれている
ので、製品となるグリーンシート積層体を傷める恐れが
ないので、その運搬・移動は機械を用いた自動化が容易
であり、高い生産性が得られる。約５００℃までの焼成
過程でグリーンシート中の有機バインダの分解と燃焼が
起こり、有機バインダの除去が行われる。最高温度まで
の焼成過程でグリーンシート中のガラスセラミック粒子
の焼結・緻密化が行われる。緻密化による体積収縮はグ
リーンシート積層体表面が焼成温度よりも３００〜８０
０℃高い温度の融点を持つセラミック粉末敷き粉を介し
てセラミック敷板に拘束されているので、グリーンシー
ト積層体表面の焼結収縮率はゼロに近く、グリーンシー
ト積層体の厚さ方向が収縮する。

【００１８】本発明者らは焼成温度よりも３００〜８０
０℃高い温度の融点を持つセラミック粉末をセラミック
敷板とグリーンシート積層体の間に介在させたばあい
の、焼結収縮抑制効果を見いだした。グリーンシート積
層体の焼結体、すなわち厚膜多層基板は表面の収縮率は
上記したようにゼロに近いので、そのばらつきも小さ
く、その寸法はほぼ焼成前の状態である。従って、設計
パターンからの位置ずれが極めて小さい多層基板を製造
できる。それにより、その上に形成する表面パターンと
の重ね合わせが高精度にできる。さらには、その上に搭
載するための半導体集積回路等の部品との接続が高精度
にできる電子回路基板が得られる。

【００１９】

【発明の実施の形態】実施の形態１ 大きさが１７０ｍｍ角、厚さ：５ｍｍでアルミナ純度が
９０％の多孔質セラミック敷板に、コージェライト（融
点：１４６０℃）、ワラストナイト（融点：１５４０
℃）、エンスタタイト（融点：１５５７℃）のセラミッ
ク粉末を塗布した。セラミック粉末はテルピネオール溶
液にエチルセルローズを溶解したビヒクルと混ぜてペー
スト状とし、スキージによる印刷法で塗布した（図１
（ａ），（ｂ））。

【００２０】酸化物に換算してＳｉＯ2 を６５〜８３重
量％、Ｂ2Ｏ3を１０〜３０重量％、アルカリ金属酸化物
を１〜１０重畳％Ａｌ2Ｏ3 を０〜５重畳％の組成を有
する平均粒径４μｍのホウケイ酸ガラス粉末５０重量％
と平均粒径２μｍのアルミナ粉末５０重量％とを混合
し、その混合物：１００重量部と変性アクリル樹脂を主
成分とする水溶性の有機バインダ：約１４重量部と溶剤
としての水：約７５重量部とアクリル酸アンモニウム塩
系分散剤：０．３重量部とをボールミルで混合し、スラ
リーを作製した。ここで、上記バインダ材料は穴明け位
置精度や環境の安全衛生上良好な水溶性有機バインダを
用いた。

【００２１】次に上記スラリーを用い、ドクターブレー
ド法により厚さ：０．４ｍｍ、幅：４５０ｍｍのグリー
ンシートを作製した。グリーンシートを１５０ｍｍ角に
切断し、ポンチで直径０．１３ｍｍの穴（ビアホール）
を０．７５ｍｍピッチであけた。その穴に、Ａｇ／Ｐｄ
ペーストを印刷法で埋め込み、さらにはグリーンシート
表面にもＡｇ／Ｐｄペーストを印刷して０．２ｍｍ幅の
配線パターンを形成した。次に図１（ｃ）に示すように
穴埋めと配線パターンを形成したグリーンシートを５か
ら１０枚、位置を合わせて積層し、その上下面には上記
したセラミック粉末を塗布した多孔質セラミック敷板を
置いた。

【００２２】その後図２（ｄ）に示すように１３０℃、
２０ＭＰａの圧力で１０分間プレスし、グリーンシート
積層体を多孔質セラミック敷板で挾んだ図２（ｅ）に示
すような圧着体を作製した。次に、上記圧着体を大気雰
囲気で焼成する連続焼成用ベルト式焼成炉に入れ、昇
温：３００℃／ｈ、５００℃での保持：１ｈ、９００℃
での保持：２ｈ、降温５００℃／ｈとなるプロファイル
で焼成した（図３（ｇ））。焼成の際、表１に記した重
しを載せ（図２（ｆ））、その効果を調べた。

【００２３】得られた焼成体からグリーンシート積層体
を挾んだ多孔質セラミック敷板を取り除く（図３
（ｈ））際の取り除き易さと、グリーンシート積層体の
焼成物であるガラスセラミック焼結体（多層基板）のＸ
Ｙ面内収縮率と、その表面粗さを調べた。評価結果を表
１に記す。表１に示すように、その取り除き易さが良好
であること、しかもガラスセラミック焼成体のＸＹ面内
の収縮率が−０．３％とゼロに近く、良好であること、
表面粗さも小さいことがわかる。ここで、収縮率はグリ
ーンシートにおける穴明け位置を基準にしている。収縮
率が−０．３％であるのは、穴明け位置間の距離が０．
３％膨張していることを示している。この膨張はグリー
ンシートの圧着工程の際に生じ、焼成の際の収縮はほと
んど抑制されていると考えられる。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、グリ
ーンシート積層体とセラミック敷板の間に焼成温度より
も３００〜８００℃高い温度の融点を持つセラミック粉
末が介在するため、グリーンシートのＸＹ面内収縮を抑
止する働きが大になり、比較的薄い印刷膜厚で、極めて
小さな荷重の適用でシート積層数が１０の場合も容易に
ＸＹ面内収縮率をゼロに近くすることができる。それに
より、その表面に形成する表面導体パターンやその表面
に搭載する部品と位置が整合する効果があり、また基板
の表面粗さ（Ｒａ）も２μｍ以下と小さく優れており、
しかもグリーンシート積層体とセラミック敷板が一体化
されているので大量生産に適した高生産性を有し、廃棄
物も少ない効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である多層基板の製造工程順を
示す側断面図。

【図２】本発明の実施例である多層基板の製造工程順を
示す側断面図。

【図３】本発明の実施例である多層基板の製造工程順を
示す側断面図。

【符号の説明】

１…セラミック敷板、 ２…スクリーン、
３…スキージ、４…セラミック粉末ペースト、 ５…グ
リーンシート、６…プレス装置の加圧・加熱板、７…プ
レス装置の油圧シリンダ、８…重し、
９…ベルト式焼成炉、１０…多層基板焼結体。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック敷板にあらかじめグリーンシー
   ト積層体の焼成温度よりも３００〜８００℃高い温度の
   融点を持つセラミック粉末を塗布し、次にグリーンシー
   トを複数枚重ねて圧着してグリーンシート積層・圧着体
   を作製する際に、そのセラミック敷板をグリーンシート
   の重ね体（以後、積層体と称す）の両面に載せ、この際
   上記セラミック粉末を塗布した面がグリーンシート積層
   体に接するようにし、グリーンシート積層体とセラミッ
   ク敷板を同時に圧着し、それによりグリーンシート積層
   体をセラミック敷板ではさんだ圧着体を作製し、その圧
   着体をそのまま焼成し、しかる後グリーンシート焼成体
   とセラミック敷板を分離することを特徴とする厚膜多層
   基板の製造方法。
2. 【請求項２】請求項１において、セラミック敷板にあら
   かじめ塗布するセラミック粉末がコージェライト（融
   点：１４６０℃）、ワラストナイト（融点：１５４０
   ℃）、エンスタタイト（融点：１５５７℃）、で代表さ
   れる融点が１３００℃以上１８００℃以下の中程度融点
   耐火物であることを特徴とする厚膜多層基板の製造方
   法。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の製造方法において、
   グリーンシート積層体をセラミック敷板ではさんだ圧着
   体のセラミック敷板上に１００ｇ／ｃｍ2 以下のわずか
   な重しを載せて焼成し、しかる後グリーンシート焼成体
   とセラミック敷板を分離することを特徴とする厚膜多層
   基板の製造方法。
4. 【請求項４】請求項１又は２記載の製造方法において、
   融点が１３００℃以上１８００℃以下の中程度融点耐火
   物セラミック粉末をセラミック敷板の片面に塗布する方
   法が、そのセラミック粉末を有機溶剤単独あるいは高分
   子樹脂を有機溶剤に溶解させたビヒクルと混練してペー
   ストを作製し、そのペーストをセラミック敷板の片面に
   印刷して塗布することを特徴とする厚膜多層基板の製造
   方法。
5. 【請求項５】請求項１又は２記載の製造方法において、
   グリーンシートを構成する無機材料が１０５０℃以下の
   低温で焼結するセラミック材料であり、グリーンシート
   に印刷形成する配線材料がＡｇあるいはＡｇ／Ｐｄある
   いはＡｇ／Ｐｔ、あるいはＡｕ、あるいはＣｕ系金属で
   あることを特徴とする厚膜多層基板の製造方法。