JP2000182886A - キャパシタインキ、誘電体グリ―ンテ―プ、多層グリ―ンテ―プスタック、埋込み型キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、単層キャパシタに比べて過大な面
積を要しない高誘電率の多層キャパシタを提供する。 【解決手段】 本発明による高誘電率のキャパシタは、
鉛−マグネシウム−ニオベイト及び酸化鉛粉末からなる
誘電体インキで作られる。該誘電体インキは誘電体粉末
とガラス基材のグリーンテープの印刷に使用される適当
な有機溶液との混合によって作られる。埋込み型キャパ
シタは銀などの導体をグリーンテープの上・下面に印刷
して製造される。また、上記キャパシタは誘電体粉末で
グリーンテープを作成し有機溶液を適当に調節して製造
することも可能である。この誘電体グリーンテープはそ
れぞれ導体層によって印刷され積層されることができ、
上記導体層は並列連結される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は埋め込まれた同時焼
成の受動素子を含む多層セラミック印刷回路基板に関
し、より詳しくは、高誘電率の埋込み型キャパシタを含
む多層セラミック印刷回路基板及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】公知のように、低温焼成された多層セラ
ミック回路基板には、金、銀、銅など溶解温度の低い導
電性金属を用いるのが望ましい。上記低温焼成された多
層セラミック回路基板は低い熱膨張係数（ＴＣＥ）を有
し、シリコン及び砒化ガリウムデバイスの両者に適合す
るように製造され、１０００℃以下の温度で焼成可能な
ガラス材で作られる。また、上記回路基板は微細粉末の
選択されたガラス粒子又は粉末と、樹脂、溶剤、分散剤
などの有機物質との混合により製造され、この過程で生
成するスラリーは「グリーンテープ」と呼ばれる薄いテ
ープとしてキャスティングされる。回路パターンは、導
電性金属粉末、有機溶液、グリーンテープの製造に用い
られる一般的な粉末ガラス又はこれと類似したガラスを
含んでなる導電性インキ組成物（formulation）を使用
することによりグリーンテープ上にスクリーン印刷され
る。

【０００３】多数のグリーンテープを使用する場合、ビ
アホール（via holes）が上記グリーンテープ上に穿孔
され、この時、ビア（vias）は隣接したグリーンテープ
層上の回路間の電気的な接触のために、導電性粉末、有
機溶液、及び適当なガラス材で作られた導電性のビア充
填インキ（via fill ink）により充填される。所望のグ
リーンテープが完成すれば、該グリーンテープは一直線
に整列され焼成前の選択された温度及び圧力の下で積層
される。

【０００４】さらに、最近は、多層基板の強度を高める
ために上記多層セラミック回路基板が金属支持基板に取
付けられて使用されている。上記金属支持基板に上記グ
リーンテープを固定させるために接合ガラス材が用いら
れる場合、該接合ガラス材は焼成中にグリーンテープの
Ｘ、Ｙ方向への収縮を減少させるため、付加的な利得が
得られる。そのため、グリーンテープの収縮は主にＺ方
向又は厚さ、体積方向にのみ発生し、これは、より高精
度の公差で印刷回路を製作し得ることを意味する。しか
し、上記グリーンテープに用いられるガラス材は、焼成
されたガラスの亀裂又は層間剥離の防止のために、金属
支持基板の熱膨張係数と一致する熱膨張係数を有しなけ
ればならない。このために結晶質ガラス材及び非結晶質
ガラス材の混合物が使用され、ここに無機充填剤が添加
されることもできる。

【０００５】また、レジスタやキャパシタ等の受動素子
はグリーンテープスタックに対し埋込みが可能であり、
上記の受動素子を高精度で配置し厳しい公差を得るため
には適当なレジスタインキやキャパシタインキがグリー
ンテープ上にスクリーン印刷される。

【０００６】スクリーン印刷されたキャパシタはチタン
酸バリウム及び鉛−マグネシウム−ニオベイト誘電体
（lead magnesium niobate dielectrics）を基とするこ
とが知られている。また、上記選択された誘電体には広
範囲な誘電率のキャパシタインキを得るために、適当な
ガラス材と有機溶液が混合される。キャパシタインキは
グリーンテープ上にスクリーン印刷され、印刷されたキ
ャパシタ層は導電性のビア充填インキで充填されたグリ
ーンテープのビア（vias）により、キャパシタ印刷層上
・下のグリーンテープ層上にスクリーン印刷された銀導
体層に連結される。

【０００７】上記スクリーン印刷された埋込み型キャパ
シタは、その技術の面において重大な進展がなされてき
たが、使用されるチップのサイズによって該当キャパシ
タのサイズが限定され誘電率も限られている。一般に、
上記埋込み型キャパシタの最大使用サイズは約６×６ｍ
ｍであり、実現された最高誘電率は約１６００である。
このため、実現可能な高誘電率のキャパシタ構造及びス
クリーン印刷可能なキャパシタインキに関する研究が活
発になされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
従来の問題点を解決するためのものであり、本発明の目
的は、単層キャパシタに比べて過大な面積を要しない高
誘電率の多層キャパシタを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的の達成のため
に、本発明者らは、相対的に損失が少なくキャパシタの
サイズに左右され、また、約２６００〜４５００又はこ
れ以上の高誘電率を求めるメモリモジュールに適用させ
得るキャパシタインキ組成物を開発してきた。上記キャ
パシタインキはガラスよりは酸化鉛フラックス（lead o
xide fulx）に混合された鉛−マグネシウム−ニオベイ
ト誘電体を基とするため、その結果として得られるキャ
パシタインキは９００℃以下の温度で焼結される。上記
キャパシタインキはガラス基材のグリーンテープ上への
スクリーン印刷又は有機溶液の適当な調節によりグリー
ンテープ層としてキャスティングされる。また、上記キ
ャパシタはキャパシタ層又はグリーンテープ層の上・下
に電極をスクリーン印刷して該キャパシタ層とグリーン
テープ層とを電気的に結ぶことにより完成する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明をより詳しく説明する。

【００１１】公知のように、キャパシタインキは鉛−マ
グネシウム−ニオベイト（lead-magnesium-niobate；Ｐ
ＭＮ）を基とし、特に、適当な有機溶液に混合された少
量のチタン酸バリウム及び微細粉末のガラスを含む鉛−
マグネシウム−ニオベイトで製造される。しかし、上記
キャパシタインキの誘電率は限定されており、隣接した
グリーンテープ層のガラスから発生する焼成後の希釈効
果に因って、特に、キャパシタがガラス基材のグリーン
テープ層間に埋め込まれた場合は、焼成後のグリーンテ
ープの誘電率は通常、初期数値、即ち、非焼成時の数値
より低くなる。

【００１２】上記の希釈効果の防止のために障壁層を使
用することにより誘電率の向上を図った。この障壁層
は、グリーンテープ及びキャパシタインキの製造に用い
られたガラス材に比べ一層低い温度下でも高密度化及び
高結晶化を実現させ得る低融解温度のガラス材により製
造される。また、上記障壁層は埋込み型キャパシタの上
・下部にスクリーン印刷される。しかし、この方法では
色々の段階が追加され、このため、スクリーン印刷作業
及び高誘電率のキャパシタの製作コストが高くなる。図
１は上記従来の埋込み型キャパシタの断面面である。同
図に示すように、上・下部にそれぞれ２個層の導体層１
４、１５を有する３個層のキャパシタ１２はそれぞれ２
個層の上・下部障壁層１６、１７間に挟まれ、上記キャ
パシタ１２を挟んだ上・下部障壁層１６、１７は上部グ
リーンテープスタック１８と下部グリーンテープスタッ
ク１９との間に挟まれて積層される。

【００１３】上記組成物では、誘電体インキやグリーン
テープの形成のために酸化鉛及び焼成温度の低い物質を
鉛−マグネシウム−ニオベイトキャパシタ誘電体に混合
して使用するため、ガラスの希釈効果が低減する。この
ように合成されたスクリーン印刷キャパシタは０．７％
又はこれ以下の低損失率を有し、約２８００〜４５００
の満足的な誘電率を有する。

【００１４】本発明で有用でかつ適当な厚膜のキャパシ
タインキは、酸化鉛粉末（Mallincrodt Baker Inc
製）、ＡＤ３０２Ｌのようなチタン酸バリウム粉末（De
gussa Co.製）、及びＹ５Ｖ１８３Ｕのような鉛−マグ
ネシウム−ニオベイト粉末（TAM Ceramics Inc製）の混
合により製造され、このような誘電体粉末は適当な有機
溶液に混合される。上記キャパシタインキの構成成分の
うち特に主要なものが鉛−マグネシウム−ニオベイト粉
末である。上記酸化鉛粉末はインキの焼成温度を約９０
０℃以下に下げるに十分な量の内で追加される。次の表
１には２つの適当な誘電体インキが各部品別重量で要約
されている。

【００１５】

【表１】

【００１６】上記インキ１に使用された樹脂／溶剤混合
物は、ブチルカルビトールとドデカノール溶剤との混合
物（混合比は６０：４０）及び分子量３００の１２％の
エチルセルローズで製造される。

【００１７】上記インキ２に使用された樹脂／溶剤混合
物は１６．７％のブトバーＢ−９８樹脂（ButvarB-98；
Monsanto Corp.製）、１１．１％のサンチシザー＃１６
０（Santicizer#160；Monsanto Corp.製）、プラスチシ
ザー（Plasticizer；Monsanto Corp.製）、３６．１％
のエタノール及び３６．１％のメチルエチルケトンで製
造される。

【００１８】上記インキ１の分散剤としてはハイパーマ
ーＰＳ２（Hypermer PS2；ICIから入手可能）が使用さ
れた。この分散剤は上記インキ２で４８．１％のエタノ
ールと４８．１％のメチルエチルケトンにより希釈され
る。

【００１９】このように合成された誘電体インキはグリ
ーンテープ層の上にスクリーン印刷され、この誘電体イ
ンキのスクリーン印刷段階は、乾燥後の厚さが約４０〜
４５μｍの誘電体層を形成するまでに繰り返して行われ
ることができる。ここで、２９０メッシ、１．０ミルの
エマルションスクリーン（emulsion screen）を使用す
れば、４回のスクリーン印刷で充分である。

【００２０】上記キャパシタインキは金属支持基板の上
で同時焼成されるように形成されたグリーンテープの上
にスクリーン印刷され得る。上記グリーンテープに用い
られる主要結晶化ガラスは次の酸化物の混合により製造
することができる；２９．４％のＺｎＯ、２４．５％の
ＭｇＯ、１９．６％のＢ_２Ｏ_３、２４．５％のＳｉ
Ｏ _２、２．０％のＣｏ_３Ｏ_４のような着色剤（ここで％
は重量比である）。次の表２は典型的で有用なグリーン
テープの混合物を示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】導電性終結インキ（Termination Conducti
ve inks）は銀導電性インキを材料として適当に作られ
る。望ましくは、ＳＰＥＧ（Degussa Co.製）、２０．
５５％の銀粉末、６１．６４％の＃１５のような銀薄片
（Degussa Co.製）、０．５５％のＳＣＣ−１１−３５
のようなガラス（SEM COM Co.製）、０．１６％の酸化
ビスマス溶媒剤（Mallincrodt Baker Inc製）、５０％
のテルピネオール３１８溶媒剤及びレシチンの混合物
（Hercules Co.製）、２．０６％の分散剤、及び上記キ
ャパシタインキ１及び２に混合された１５．０４％の樹
脂／溶媒剤混合物により製造される（ここで、％は重量
比である）。

【００２３】導電性終結インキはキャパシタの上・下部
層を形成するグリーンテープ上にスクリーン印刷され
る。また、導電性終結インキは乾燥後の厚さが少なくと
も３５μｍでなければならず、これは２９０メッシュ、
１．０ミルのエマルションスクリーンで２回にわたって
印刷することにより達成される。

【００２４】キャパシタは積層時の損傷を防止するため
に、最上層の電極を印刷した少なくとも１つのグリーン
テープとともに埋め込まれる。グリーンテープとキャパ
シタスタックは一直線に整列し、約１５、０００パウン
ド（１ｂｓ）の圧力で積層される。積層されたグリーン
テープ−キャパシタスタックは約１０、０００パウンド
の圧力の下で金属支持基板に同時積層される。適当な金
属支持基板はグリーンテープの製造に使用されるガラス
の結晶化温度の下でその膨張係数を迅速に変化させ得る
鉄−ニッケル−コバルト−マンガン合金により製造され
る。望ましくは、５３．８％の鉄、２９％のニッケル、
１７％のコバルト、０．２％のマンガンで製造される。

【００２５】積層され支持されたグリーンテープスタッ
クは約８５０℃までの温度で焼成される。

【００２６】試験キャパシタは２００平方ミル、１００
平方ミル、５０平方ミルのようにサイズの異なる３個の
キャパシタをそれぞれ４つずつ含んで製造される。キャ
パシタンスＣと誘電損失δはＬＣＲ計器により１０ＫＨ
ｚで測定される。誘電率Ｋは次の式により計算される
（この時、Ａはキャパシタの面積、ｔは誘電体の厚さ、
ε０は自由空間の誘電率である）。

【００２７】Ｋ＝Ｃｔ／Ａε０ 上記３個のキャパシタのサイズに対する誘電率Ｋ及び誘
電損失（tanδ）を下記の表３に要約する。

【００２８】

【表３】

【００２９】上記から明らかなように、高誘電率のキャ
パシタを得るためにはキャパシタの面積を広げなければ
ならない。しかし、過大なキャパシタは高誘電率の物質
で使用され得るが単一層での製作は不可能である。

【００３０】高誘電率のキャパシタを製作する他の方法
として、有機溶液を適当に調節し、グリーンテープ誘電
体を形成するために基本的なスクリーン印刷可能なキャ
パシタインキ混合物それ自体を使用することにより、グ
リーンテープキャパシタを多層に製作する方法がある。
上記インキ混合物は３／８″のジルコニアボールで２時
間にわたってミーリングされ、７０メッシュスクリーン
（mesh screen）を通過する。グリーンテープはドクタ
ーブレード法により６ミルの間隙でキャスティングさ
れ、乾燥後の誘電体グリーンテープは約４．３５〜４．
５ｇ／ｍｌのグリーン密度及び約１．８〜２．２ミルの
厚さを有する。

【００３１】高誘電率の多数のグリーンテープは交互に
設置された金属電極層と一直線に整列する。交互に設置
された電極層は適当なビア充填インキにより互いに平行
に連結される。従って、大きい面積のキャパシタを製造
しなくても高誘電値を有し増加したキャパシタンスの多
層キャパシタを構成することができる。

【００３２】図２は上記方法により構成された本発明に
よるキャパシタの分解斜視図である。図２を参照する
と、高誘電率のグリーンテープ層３０、３２、３４は上
記したように形成される。電極３６、３８、４０、４２
は高誘電率のグリーンテープ層３０、３２、３４それぞ
れにスクリーン印刷される。ビア２４、２６は電極層に
形成され、交互に設置された上記電極３６、３８、４
０、４２は、同図に示すように上記ビア２４、２６に導
電性のビア充填インキを充填することにより互いに連結
される。この結果として得られる多層キャパシタスタッ
クは該当キャパシタンスが増加するため、大きい面積に
相応するキャパシタを構成しなくても高誘電率のキャパ
シタを製作し得る。各々のキャパシタは極めて小さく作
ることができ、キャパシタらがともに積層されて平行に
連結されれば高誘電率が得られる。

【００３３】多層キャパシタスタックは上記のような金
属支持基板により支持される通常のグリーンテープスタ
ックに対し結合又は埋込みが可能である。即ち、周知の
方法を通しグリーンテープの熱膨張係数をシリコン又は
砒化ガリウムのそれと一致させすることができ、この結
果として得られるキャパシタの埋め込まれたグリーンテ
ープスタックは約９００℃以下の温度で焼成される。

【００３４】電極は上記のように導電性終結インキを使
用する上部の誘電体グリーンテープの上にスクリーン印
刷される。

【００３５】アセンブリ（assembly）は印刷された高誘
電体テープと印刷されていない高誘電体テープとの間に
挟まれて導電性インキ印刷高誘電体テープとして製造さ
れる。また、こうしてなされた３個層は砒化ガリウムの
熱膨張係数と一致するグリーンテープにより製造され
る。このアセンブリは公知の方法により上記金属支持基
板に同時積層され、最高温度８６５℃で同時焼成され
る。

【００３６】２００×２００ミルの電極に対するキャパ
シタンスを次の表４に提示する。

【００３７】

【表４】

【００３８】従って、全体サイズが小さいながら高誘電
率を有する低損失のキャパシタが製造される。

【００３９】誘電体グリーンテープと導電性インキは、
それぞれ５×５ｍｍ、６×６ｍｍ、７×７ｍｍのキャパ
シタに分かれる５個の能動キャパシタ層を含んだアセン
ブリの製作に使用される。各サイズ別で４個のキャパシ
タに対するキャパシタンスＣ及び誘電体損失ｔａｎδの
結果値を次の表５に要約する。

【００４０】

【表５】

【００４１】上記から明らかなように、多層キャパシタ
は約３％以内のキャパシタンス公差を有する高誘電率の
ものである。これは、実質的に２５〜３０％程度である
通常の埋込み型キャパシタの公差より顕著に低い数値で
ある。上記の構造はメモリモジュールなどに多様に適用
される。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単層キャパシタに比べて過大な面積を要しない高誘電率
の多層キャパシタを得られる。

【００４３】以上、本発明を特定の実施例に基いて具体
的に説明したが、当業者によっては上記とは異なるキャ
パシタ構成品、導体層及びグリーンテープ誘電体層、積
層及び焼成状態への変更も可能である。但し、この変更
は本発明の明細書内容に含まれ、本発明は添付の特許請
求の範囲により限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の埋込み型キャパシタの断面図である。

【図２】本発明による多層キャパシタの分解斜視図であ
る。

【符号の説明】

１２ キャパシタ １４ 上部導体層 １５ 下部導体層 １６ 上部障壁層 １７ 下部障壁層 １８ 上部グリーンテープスタック １９ 下部グリーンテープスタック ２４、２６ ビア ３０、３２、３４ グリーンテープ層 ３６、３８、４０、４２ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル ジェイムス リベレーター アメリカ合衆国，ニュージャージー 08648，ローレンスヴィレ，ベーカーズ ベイシン ロード 208ビー (72)発明者 アッティガナル ナラヤナスワミィー ス レレラム アメリカ合衆国，ニュージャージー 08536，プレーンズボロ，フォックス ラ ン ドライヴ 39−02 (72)発明者 アショク ナラヤン プラビュ アメリカ合衆国，ニュージャージー 08520，イースト ウインドサー，メドウ レーン 21 (72)発明者 金 寅泰 大韓民国京畿道富川市梧亭区遠宗洞339− ８ (72)発明者 文 斎道 大韓民国京畿道安養市東安区坪村洞草原ア パート710−302 (72)発明者 朴 盛大 大韓民国ソウル特別市松坡区蠶室洞住公ア パート236−508 (72)発明者 朴 胤輝 大韓民国ソウル特別市江南区三成洞44−34 (72)発明者 兪 柱東 大韓民国京畿道高陽市一山区注葉１洞建栄 アパート502−202 (72)発明者 エレン エス．トーメイ アメリカ合衆国，ニュージャージー 08540，プリンストン ジャンクション, ジェフリー レーン ８

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉛−マグネシウム−ニオベイト（lead-m
   agnesium-niobate）粉末の混合物、酸化鉛粉末及び９０
   ０℃以下で焼結可能な有機溶液を含むことを特徴とする
   キャパシタインキ。
2. 【請求項２】 鉛−マグネシウム−ニオベイト粉末の混
   合物、酸化鉛粉末及び９００℃以下で焼結可能な有機溶
   液で構成されることを特徴とする誘電体グリーンテー
   プ。
3. 【請求項３】 導体層をさらに含むことを特徴とする請
   求項２記載の誘電体グリーンテープ。
4. 【請求項４】 上記導体層は銀であることを特徴とする
   請求項３記載の誘電体グリーンテープ。
5. 【請求項５】 上記導体層は乾燥後の厚さが少なくとも
   ３５μｍであることを特徴とする請求項３記載の誘電体
   グリーンテープ。
6. 【請求項６】 鉛−マグネシウム−ニオベイト粉末の混
   合物、酸化鉛粉末及び９００℃以下で焼結可能な有機溶
   液からなるキャパシタインキで作られた多数の誘電体グ
   リーンテープを含み、上記多数の誘電体グリーンテープ
   はそれぞれ導体層を有し、該導体層は電気的に並列連結
   されることを特徴とする多層グリーンテープスタック。
7. 【請求項７】 上記誘電体グリーンテープはガラス基材
   のグリーンテープ層間に挟まれることを特徴とする請求
   項６記載の多層グリーンテープスタック。
8. 【請求項８】 上記導体層は銀で形成されることを特徴
   とする請求項６記載の多層グリーンテープスタック。
9. 【請求項９】 上記銀は銀粉末と銀片との混合物からな
   ることを特徴とする請求項８記載の多層グリーンテープ
   スタック。
10. 【請求項１０】 上記多数のグリーンテープは金属支持
    基板により支持されることを特徴とする請求項７記載の
    多層グリーンテープスタック。
11. 【請求項１１】 埋込み型キャパシタを有する多層グリ
    ーンテープスタックにおいて、上記埋込み型キャパシタ
    は、 導電性インキ；鉛−マグネシウム−ニオベイト粉末の混
    合物、酸化鉛粉末及び９００℃以下で焼結可能な有機溶
    液からなるキャパシタインキ；及び 導体層；を順に積層したグリーンテープを印刷すること
    により形成されることを特徴とする埋込み型キャパシタ
    を有する多層グリーンテープスタック。
12. 【請求項１２】 上記キャパシタインキ層は乾燥後の厚
    さが４０〜４５μｍであることを特徴とする請求項１１
    記載の埋込み型キャパシタを有する多層グリーンテープ
    スタック。
13. 【請求項１３】 上記導体層は乾燥後の厚さが少なくと
    も３５μｍであることを特徴とする請求項１２記載の埋
    込み型キャパシタを有する多層グリーンテープスタッ
    ク。
14. 【請求項１４】 回路の印刷された多数のグリーンテー
    プ；鉛−マグネシウム−ニオベイト粉末の混合物、酸化
    鉛粉末及び有機溶液からなっており、銀導体層で印刷さ
    れた誘電体グリーンテープを含む多層キャパシタ；及び
    該キャパシタ層の上に形成されたグリーンテープ層；で
    構成され、誘電率が少なくとも２６００であることを特
    徴とする埋込み型キャパシタ。
15. 【請求項１５】 上記多数のグリーンテープは熱膨張係
    数（ＴＣＥ）において砒化ガリウムと一致することを特
    徴とする請求項１４記載の埋込み型キャパシタ。
16. 【請求項１６】 上記多数のグリーンテープは金属支持
    基板により支持されることを特徴とする請求項１４記載
    の埋込み型キャパシタ。
17. 【請求項１７】 上記多数の誘電体グリーンテープは積
    層されてそれぞれ銀導体層によって印刷され、導体層と
    選択的に並列連結されることを特徴とする請求項１４記
    載の埋込み型キャパシタ。
18. 【請求項１８】 ａ）回路の印刷された多数のグリーン
    テープを積層する段階； ｂ）鉛−マグネシウム−ニオベイト粉末の混合物で作ら
    れ、それぞれ銀導体層により印刷されている多数の誘電
    体グリーンテープを積層する段階； ｃ）上記段階ａ）のグリーンテープ、上記段階ｂ）の誘
    電体グリーンテープ及び上部グリーンテープを含む多層
    テープスタックを形成する段階； ｄ）上記スタックを積層する段階；及び ｅ）上記スタックを９００℃以下で焼成する段階；で構
    成されることを特徴とする埋込み型キャパシタの製造方
    法。
19. 【請求項１９】 上記グリーンテープスタックを金属支
    持基板に接合させることを特徴とする請求項１８記載の
    キャパシタの製造方法。