JP2004064027A - 複合多層基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図りつつ、伝送損失の悪化を回避し、セラミックス本来の優れた特性（高誘電率εや高Ｑ）を活用し、電極のＱ劣化を防止し、低温焼成セラミックスの抗折強度も損なわず、しかも、良好な歩留まりが得られる複合多層基板を提供する。
【解決手段】複合多層基板２は、絶縁材料（１）内に複数の要素部品（４〜１１）を埋め込み、該複数の要素部品（９〜１１）によって所望の電気的回路機能（３）を実現する。その特徴とするところは、前記要素部品（４〜１１）は一つ又は複数の誘電体部材（６〜８）を含むこと、且つ、前記一つ又は複数の誘電体部材（６〜８）のすべて若しくはその一部を前記埋め込み前に焼成を完了したセラミックス又は溶融固化を完了したガラスとしたことにある。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合多層基板、詳しくは、セラミックス又はガラスを内部に含んで構成された複合多層基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高周波用部品や高周波用モジュールにあっては、伝送損失を低く抑えるため、その使用材料に高い誘電率εと高いＱが求められる。ここに、誘電率εとは、絶縁材料に交流電圧がかけられたときに単位体積中に蓄えられる静電エネルギーの大きさを、空気（または真空）の値を１としてその比で現わした値のことをいう。誘電率εが高いほど、蓄えられる静電エネルギーが大きくなる。また、Ｑとは、ある周波数に対する共振の大きさを表す値である。共振回路のＱ値ともいう。誘電体はそれ自身、高い振動数において共振回路となり、Ｑの大きな共振回路は損失の少ない系ということができる。
【０００３】
たとえば、携帯電話、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ブルートゥース、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）、ＥＴＣ（ノンストップ自動料金収受システム）などの高周波市場（数百ＭＨｚ〜数十ＧＨｚ程度の周波数）のモジュール構造として、ＰＣＢ（プリント基板；電子回路が配線された板に多くの電子部品が実装されているもの）基板上に、半導体や高周波部品を実装した構造のもの、いわゆる「ＰＣＢモジュール」が知られている。
【０００４】
ＰＣＢモジュールは、バルクに近い導電率の銅電極や配線を使用できるため、電極や配線の伝送損失を低く抑えることができる。しかし、基板材料（有機材料）の誘電率εは一般的に２〜１０程度と低いため、たとえば、コンデンサを内蔵する場合は、基板を厚くしたり、コンデンサの対向電極面積を大きくしたりしなければならず、モジュールの大型化を招くという欠点がある。しかも、モジュールの大型化は、配線長の増大を招き、結果的に配線損失を増大するという欠点もある。
【０００５】
一方、モジュールの小型化に適したものとして、一部の受動素子をＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミックス）などのセラミック基板に内蔵し、その基板上に半導体や高周波部品を内蔵した構造のもの、いわゆる「ＬＴＣＣモジュール」が知られている。ＬＴＣＣモジュールは、受動素子を内蔵することができ、実装密度に優れ、モジュールの小型化に貢献する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＬＴＣＣモジュールは、次のような欠点があった。
【０００７】
（１）ＬＴＣＣ材料と電極材料とを同時に焼成するため、仮に、ＡｇやＣｕ等の高導電率の電極材料を使用したとしても、それらの電極材料は最終的に厚膜焼成電極になるので、バルクのＡｇやＣｕと比べて導電率が低下し、伝送損失を増大させる。
【０００８】
（２）さらに、同時焼成の際の電極材料への悪影響を抑えるために、セラミック系の誘電体材料にガラス等の添加物を加えて、焼成温度を低く（たとえば８５０℃程度）しているが、かかる添加物の存在は、セラミックスの材料組成を限定することとなり、セラミックス本来の優れた特性（高誘電率ε、高Ｑ）を活かしきれない。ちなみに、一般的な高周波材料のＱは、１ＧＨｚで数千〜数万程度あるのに対して、ＬＴＣＣ基板材料では、数百〜数千程度にしかならない。
【０００９】
（３）また、ＬＴＣＣモジュールは、グリーンシートの間に電極等を挟み込んで焼成した積層部品であるが、焼成時の応力によって電極の先端部につぶれが生じることがあり、この場合、つぶれた部分に電界集中が起き、電極のＱが理想的な形状に対して劣化する。
【００１０】
（４）また、低温焼成化により、材料の誘電率εの範囲が限定されるとともに、材料の温度特性や信頼性に対しても影響を与える。ＬＴＣＣ基板材料の誘電率は、５〜１００程度であり、ＬＴＣＣ材料の抗折強度も一般的に低下する。
【００１１】
（５）なお、ＬＴＣＣはそれ自体で高周波部品も作れるが、モジュール同様の問題がある。高周波部品、特に高いＱが必要な分布定数型フィルターなどでは、電極及び誘電体材料のＱ低下による特性劣化が顕著だからである。
【００１２】
（６）しかも、これらの高周波部品では、ある程度高い誘電率を必要とするため、精度に対する特性変動が敏感であり、一般的なＬＴＣＣのプロセス精度では、歩留りの低下が否めない。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、小型化を図りつつ、伝送損失の増大を回避し、セラミックス本来の優れた特性（高誘電率εや高Ｑ）を活用し、電極のＱ劣化を防止し、ＬＴＣＣ材料の抗折強度も損なわず、しかも、良好な歩留まりが得られる複合多層基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合多層基板は、絶縁材料内に複数の要素部品を埋め込み、該複数の要素部品によって所望の電気的回路機能を実現する複合多層基板であり、その特徴とするところは、
前記要素部品は一つ又は複数の誘電体部材を含むこと、
且つ、前記一つ又は複数の誘電体部材のすべて若しくはその一部を前記埋め込み前に焼成を完了したセラミックス又はガラスとしたことにある。
【００１５】
ここで、前記のセラミックスとしては、埋め込み工程前に焼成を完了したものであればよく、たとえば、ＬＴＣＣなどの低温焼成セラミックス又はＨＴＣＣ等の高温焼成セラミックスのいずれであってもよい。又は、ガラスとしては、たとえば、ケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス等のガラスであって、且つ、埋め込み前に溶融固化を完了したものであればよい。
【００１６】
また、前記電気的回路機能は、分布定数フィルター、コンデンサ、インダクタ、バラン、カプラー又はλ／４線路であってもよく、若しくは要素部品の一つ又はいくつかに誘電体部材を必要とするその他の回路機能であってもよい。
【００１７】
本発明では、所望の電気回路機能を実現するために絶縁材料に埋め込まれた要素部品のうちの誘電体部材を、その埋め込み工程前に焼成を完了したセラミックス又はその埋め込み前に溶融固化を完了したガラスとしたから、セラミックス本来又はガラス本来の高誘電率および高Ｑを活用して、基板の小型化とおよびを図ることができる。また、電極の焼成を必要としないため、たとえば、ＡｇやＣｕ等の高導電性材料を使用して、伝送損失の悪化を回避することができるうえ、電極のＱ劣化を防止できる。さらに、低温焼成セラミックスの抗折強度も損なわず、しかも、良好な歩留まりが得られる複合多層基板を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の技術思想を適用して製作された複合多層基板の概念的な構造図である。この図において、周囲を絶縁材料（たとえば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂、あるいは、これらの樹脂をガラス布に含浸したエポキシ・ガラス、ポリイミド・ガラス等の有機材料）１によって封止した複合多層基板２の内部には、複数の要素部品から構成され、所望の電気的回路機能を実現するための電気部品３が埋め込まれている。
【００２０】
この電気部品３は、図示の例においては、上下（“上下”とは図面に正対したときの方向をいい、実際の複合多層基板２の方向を意味しない。以下同様とする。）に配置された一対の電極４、５と、その電極４、５の間に挟装された三つの誘電体部材６、７、８と、上側の誘電体部材６と中央の誘電体部材７との間に挟装された電極９と、中央の誘電体部材７と下側の誘電体部材８との間に挟装された電極１０、１１とによって構成されている。
【００２１】
電気部品３は、それらの要素部品（電極４、５、９、１０、１１、誘電体部材６、７、８）の組み合わせにより、一体として所望の電気的回路機能、たとえば、分布定数型フィルターを実現する。なお、図示の例では、分布定数フィルターとしているが、本発明の思想はこれに限定されない。要素部品の一つ又はいくつかに誘電体部材を必要とするもの（電気的回路機能）であればよく、たとえば、コンデンサ、インダクタ、バラン、カプラー又はλ／４線路であってもよい。
【００２２】
ここで、図示の複合多層基板２における構造上の特徴は、複合多層基板２の内部に埋め込まれた要素部品のうちの誘電体部材（図示の例では誘電体部材６、７、８）がセラミックス（又はガラスであってもよい。以下「セラミックス」で代表する。）であって、且つ、埋め込み前に所定の温度で焼き固められたいわゆる「焼成セラミックス」（たとえば、低温焼成の場合は低温焼成セラミックス、高温焼成の場合は高温焼成セラミックス）である点にある。つまり、埋め込んだ後にセラミックスを焼成するのではなく、あらかじめ焼成されたセラミックス（焼成セラミックス）を、誘電体部材（図示の例では誘電体部材６、７、８）として埋め込む点を特徴とするものである。
【００２３】
図２〜図５は、複合多層基板２の製造工程図である。
【００２４】
（第１の工程：図２（ａ）（ｂ））
まず、二つの有機基材１ａ、１ｂをラミネートする。図中の上側に位置する有機基材１ａの一方面（図では下面）には、エッチング等によって形成された電極１０、１１が設けられている。この電極１０、１１は、当該工程におけるラミネートにより、二つの有機基材１ａ、１ｂの間に埋め込まれる。
【００２５】
（第２の工程：図２（ｃ）（ｄ））
次に、ラミネート後の一方の有機基材１ａの上面に、レーザー加工あるいはＮＣ加工等により、溝１２を形成する。溝１２の深さは、他方の有機基材１ｂに埋設された電極１０、１１の表面が露出する程度とする。次に、その溝１２に誘電体部材７を実装し、必要であれば、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて溝１２に固定する。ここで、先にも説明したとおり、この誘電体部材７は、埋め込み前に所定の温度で焼き固められたいわゆる「焼成セラミックス」（たとえば、低温焼成の場合は低温焼成セラミックス、高温焼成の場合は高温焼成セラミックス）である。
【００２６】
（第３の工程：図３（ａ）（ｂ））
次に、電極付きの有機基材１ｃ、すなわち、エッチング等によって形成された電極９を下面に有する有機基材１ｃと、上記の有機基材１ａとをラミネートする。これにより、誘電体部材７と電極９が二つの有機基材１ａ、１ｃの間に埋め込まれる。
【００２７】
（第４の工程：図３（ｃ）（ｄ））
次に、ラミネート後の有機基材１ｃの上面に、レーザー加工またはＮＣ加工等により、溝１３を形成する。溝１３の深さは、有機基材１ｃに埋設された電極９の表面が露出する程度とする。次に、その溝１３に誘電体部材６を実装し、必要であれば、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて溝１３に固定する。ここで、先にも説明したとおり、この誘電体部材９は、埋め込み前に所定の温度で焼き固められたいわゆる「焼成セラミックス」（たとえば、低温焼成の場合は低温焼成セラミックス、高温焼成の場合は高温焼成セラミックス）である。
【００２８】
（第５の工程：図４（ａ）（ｂ））
次に、電極付きの有機基材１ｄ、すなわち、エッチング等によって形成された電極４を下面に有する有機基材１ｄと、上記の有機基材１ｃとをラミネートする。これにより、誘電体部材６と電極４が二つの有機基材１ｃ、１ｄの間に埋め込まれる。
【００２９】
（第６の工程：図４（ｃ）（ｄ））
ここで、この工程（第６の工程）以降の作業は、実際には基板の向き（上下）を反転して行われるが、図示の都合上、便宜的にそのままの向きで行うものとする。
【００３０】
この工程では、まず、最下面に位置する有機基材１ｂの下面に、レーザー加工等により、溝１４を形成する。溝１４の深さは、有機基材１ｂに埋設された電極１０、１１の表面（下面）が露出する程度とする。次に、その溝１４に誘電体部材８を実装し、必要であれば、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて溝１４に固定する。ここで、先にも説明したとおり、この誘電体部材８は、埋め込み前に所定の温度で焼き固められたいわゆる「焼成セラミックス」（たとえば、低温焼成の場合は低温焼成セラミックス、高温焼成の場合は高温焼成セラミックス）である。
【００３１】
（第７の工程：図５（ａ）（ｂ））
最後に、電極付きの有機基材１ｅ、すなわち、エッチング等によって形成された電極５を上面に有する有機基材１ｅと、上記の有機基材１ｂとをラミネートする。これにより、誘電体部材８が二つの有機基材１ｂ、１ｅの間に埋め込まれる。
【００３２】
以上の工程（第１〜第７の工程）を経て、図１に示す複合多層基板２が作られる。この工程図における図１との相違は、複合多層基板２の周囲を封止する絶縁材料１が、各工程毎に積層される複数の有機基材１ａ〜１ｅによつて構成されている点にある。なお、実際の複合多層基板２の生産に際しては、多数個取りできる集合基板として製造することが望ましい。そのように製造された集合基板から複合多層基板２を分割して切り出し、各々に所要の外部電極等を形成した後、バルクチップとして、又は、パッケージングされたチップとして製品化する。
【００３３】
さて、本実施の形態における複合多層基板２は、上記のとおり、三つの誘電体部材６、７、８を含む電気部品３を内部に埋め込んで構成されている。これらの誘電体部材６、７、８の電気的特性（特に誘電率εとＱ）は、その電気部品３の機能（ここでは分布定数型フィルター）に係る性能を決定するが、とりわけ、樹脂材料等の一般的な誘電体材料では得られない程度の高い誘電率とＱが要求される場合は、三つの誘電体部材６、７、８の各々に焼成セラミックスを使用することが望ましい−−−−−−焼成セラミックス本来の誘電率は２０〜１００程度であり、樹脂材料等の誘電率（２〜１０）よりも一桁大きく、また、Ｑについても樹脂材料等のそれ（１００〜１０００）に対して、焼成セラミックス本来のＱは１０００〜３０００と遙かに大きいからである。−−−−−−ものの、同時焼成セラミックの使用は、冒頭で説明した様々な欠点（セラミックス本来の特性を得られない、又は、埋め込み電極が厚膜焼成電極になるため電極の特性も劣化する・・・・等）があるので、何らかの工夫が必要である。
【００３４】
そこで、本実施の形態における複合多層基板２にあっては、所望の電気的回路機能を実現するための電子部品３を絶縁材料１に埋め込む際に、その電子部品３の要素部品に含まれる誘電体部材６、７、８を、当該埋め込み工程以前にすでに焼成を完了した焼成セラミックス（低温焼成セラミックス又は高温焼成セラミックス）とし、その焼成セラミックスを埋め込むようにした。これにより、以下の効果を得ることができる。
【００３５】
（Ａ）焼成セラミックス本来の高い誘電率εと高いＱとを活用して、電子部品３の特性改善を図ることができる。
【００３６】
（Ｂ）埋め込み工程後の焼成を必要とせず、したがって、電極４、５、９、１０、１１が厚膜焼成電極にならないため、たとえば、ＡｇやＣｕ等の高導電率の電極材料を使用した場合にその良好な導電性能を活用して、電極４、５、９、１０、１１の導電性改善を図ることができる。
【００３７】
（Ｃ）埋め込み後の焼成を行わないので、要素部品への応力（焼成時の応力）印加がなく、したがって、電極４、５、９、１０、１１の先端部につぶれを生じないため、電界集中を回避して、電極４、５、９、１０、１１のＱの劣化を防止できる。
【００３８】
（Ｄ）また、埋め込み前の焼成においては、焼成温度の制限がなく、材料の誘電率εの範囲が限定されないうえ、材料の温度特性や信頼性に対しても影響を与えないし、高温焼成セラミックスにすれば抗折強度の低下も回避できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、所望の電気回路機能を実現するために絶縁材料に埋め込まれた要素部品のうちの誘電体部材を、その埋め込み工程前に焼成を完了したセラミックス又はガラスとしたから、セラミックス本来又はガラス本来の高誘電率および高Ｑを活用して、基板の小型化とおよびを図ることができる。また、電極の焼成を必要としないため、たとえば、ＡｇやＣｕ等の高導電性材料を使用して、伝送損失の増大を回避することができるうえ、電極のＱ劣化を防止できる。さらに、低温焼成セラミックスの抗折強度も損なわず、しかも、良好な歩留まりが得られる複合多層基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術思想を適用して製作された複合多層基板の概念的な構造図である。
【図２】複合多層基板２の製造工程図（その１）である。
【図３】複合多層基板２の製造工程図（その２）である。
【図４】複合多層基板２の製造工程図（その３）である。
【図５】複合多層基板２の製造工程図（その４）である。
【符号の説明】
１　絶縁材料
２　複合多層基板
３　電気部品（電気的回路機能）
４〜１１　要素部品
６〜８　誘電体部材

Claims (4)

1. 絶縁材料内に複数の要素部品を埋め込み、該複数の要素部品によって所望の電気的回路機能を実現する複合多層基板において、
   前記要素部品は一つ又は複数の誘電体部材を含み、
   且つ、前記一つ又は複数の誘電体部材のすべて若しくはその一部を前記埋め込み前に焼成を完了したセラミックス又はガラスとしたことを特徴とする複合多層基板。
2. 前記電気的回路機能は、分布定数フィルター、コンデンサ、インダクタ、バラン、カプラー又はλ／４線路若しくは要素部品の一つ又はいくつかに誘電体材料を必要とするその他の回路機能であることを特徴とする請求項１記載の複合多層基板。
3. 所望の電気的回路機能を実現するために必要となる複数の要素部品を絶縁材料内に埋め込む埋め込み工程を有する複合多層基板の製造方法において、
   前記要素部品は一つ又は複数の誘電体部材を含み、
   且つ、前記一つ又は複数の誘電体部材のすべて若しくはその一部を前記埋め込み工程前に焼成を完了したセラミックス又はガラスとしたことを特徴とする複合多層基板の製造方法。
4. 前記電気的回路機能は、分布定数フィルター、コンデンサ、インダクタ、バラン、カプラー又はλ／４線路若しくは要素部品の一つ又はいくつかに誘電体部材を必要とするその他の回路機能であることを特徴とする請求項３記載の複合多層基板の製造方法。

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