JP2004253429A

JP2004253429A - セラミック多層基板の製造方法

Info

Publication number: JP2004253429A
Application number: JP2003039325A
Authority: JP
Inventors: Akira Hashimoto; 晃橋本; Masaaki Katsumata; 雅昭勝又; Shigeki Yamada; 茂樹山田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】導体パターン間の寸法精度を向上させたセラミック多層基板の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】多層セラミックグリーンシート１３を接着層１５を介してセラミック基板１４に加熱および加圧接着して、もう一方の多層セラミックグリーンシート１３の上に離型層１７を介して多孔質セラミックセッター１６を配置して荷重焼成することにより、厚み方向の焼成収縮を促進させ平面方向の焼成収縮を抑制させることができるため、面内方向の導体パターン間およびセラミック多層基板の寸法精度の向上が図れる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパソコンや携帯電話等の各種電子機器に使用されるセラミック多層基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のセラミック多層基板の製造方法としては、図６に示す方法がある。
【０００３】
図６（ａ），（ｂ）は従来のグリーンシート積層法によって製造されるセラミック多層基板の断面図である。
【０００４】
図６（ａ）に示すように各層のセラミックグリーンシート１の上に導体パターン２，３を印刷する。そして、図６（ｂ）に示すように各層の導体パターン２，３が印刷されたセラミックグリーンシート１を積層し、加熱および圧着接続により一体化して焼成することによりセラミック多層基板が製造される。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２２００６０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この従来方法では図６（ｂ）において一体化した積層状態から焼成にいたる過程において、脱バインダー、焼成による焼成収縮現象が多層基板の厚み方向と面内方向の両方で発生する。特に面内方向の収縮により導体パターン間の寸法等に大きな影響を与える。一般にこの焼成収縮量のばらつきは０．２％程度発生する。
【０００８】
例えば、基板サイズが５０ｍｍ角の場合には導体パターンの寸法精度は±１００μｍ程度になる。
【０００９】
現在では、セラミック多層基板の高密度化に伴うボンディングパッド等の狭ピッチ化（１００μｍ以下）が要求されているため、従来のセラミックグリーンシート積層法では、内部の導体パターンの収縮が生じ、セラミック多層基板の高密度化が困難となっている。
【００１０】
本発明は導体パターン間の寸法精度を向上させたセラミック多層基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、セラミックグリーンシート上に導体パターンを形成する工程と、前記導体パターンを形成した２枚以上のセラミックグリーンシートを加熱および圧縮して一体化した多層セラミックグリーンシートを形成する工程と、セラミック基板の少なくとも一面に接着層を形成する工程と、前記セラミック基板上の接着層を介して前記多層セラミックグリーンシートとを加熱加圧接着する工程と、多孔質セラミックセッターの少なくとも一面に離型層を形成する工程と、前記セラミック基板上の接着層を介して接合した多層セラミックグリーンシート上に前記離型層が接するように配置する工程と、前記多孔質セラミックセッターの離型層面の裏面に荷重焼成用の重石を配置して脱バインダーし焼成する工程とからなるセラミック多層基板の製造方法であり、厚み方向の焼成収縮促進効果によって面内方向にはほとんど寸法の変化なく焼成されるため、面内方向の導体パターン間およびセラミック多層基板の寸法精度の向上が図れる。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、セラミック基板上の接着層を介して多層セラミックグリーンシートを加熱加圧接着させる工程として、真空装置を用いて接着を行う請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法であり、セラミック基板と多層セラミックグリーンシートの接合部において内部剥離を生じさせる気泡が除去できるため、セラミック基板と多層セラミックグリーンシートの接合性が向上する。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、セラミック基板上の接着層を介して多層セラミックグリーンシートを加熱および加圧接着させる工程として、超音波振動装置を用いて接着を行う請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法であり、接着剤が加熱により低粘度化し流動性が向上し、接するセラミックグリーンシートの表面を溶かしてセラミックグリーンシートの成分が接着層に拡散する状態を促進するため、焼成によりセラミック基板との接合性が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
まず、図１に示した材料、各構成要素および製造工程で使用する装置について説明する。
【００１７】
セラミックグリーンシート１１は、ブチラール樹脂やアクリル樹脂を有機バインダーとして用いたガラスセラミックスを用いる。
【００１８】
導体パターン１２は、Ａｇ系ペースト（空気焼成工程用のＡｇ−ＰｄペーストやＡｇ−Ｐｔペースト）、Ａｕ系ペースト（空気焼成工程用のＡｇ−ＰｄペーストやＡｇ−Ｐｔペースト）などの貴金属ペーストだけでなく、卑金属ペースト（Ｃｕなど）を用いてスクリーン印刷法によってセラミックグリーンシート１１の上や接着層１５の上に形成される。但し、卑金属ペーストを用いる場合は窒素雰囲気中や還元雰囲気中で焼成して導体パターン１２を形成させる必要がある。
【００１９】
セラミック基板１４はアルミナ基板、ガラスセラミック基板、フォルステライト基板やフェライト基板等で、セラミックグリーンシート１１の焼成温度より高い耐熱温度を有するセラミック材料で構成されているものである。
【００２０】
接着層１５は、ブチラール樹脂、アクリル樹脂や脂環族飽和炭化水素樹脂等の樹脂で、セラミックグリーンシート１１の成分である有機バインダー樹脂の熱変形温度以下の特性を有する樹脂材料で構成される。この接着層１５は樹脂材料をトルエン、アセトンやメチルエチルケトンなどの有機溶剤で溶かした状態でセラミック基板１４の少なくとも一面にディップやスプレー等の方式、ロールコーターやスピンナーなどの塗布装置を用いて形成される。セラミック基板１４に全面に形成してもよい。
【００２１】
多孔質セラミックセッター１６はアルミナ系で気孔率は６０％以上のものを使用した。主成分はアルミナで含有率６０〜８５ｗｔ％のもので耐熱性は１０００℃以上のものを用いた。
【００２２】
離型層１７はアルミナやジルコニアなどの敷き粉に使用される材料をブチラール樹脂やアクリル樹脂の有機バインダーとα−ＴＰＯなどの有機溶剤でペースト化したものである。
【００２３】
荷重焼成用の重石１８は熱伝導の良好な耐熱性のあるセラミック材料を用いた。耐熱温度はセラミックグリーンシート１１の焼結温度以上であるアルミナやフェライトなどのセラミックを用いた。
【００２４】
セラミックグリーンシート１１の原料粉として焼成によりアノーサイト結晶を有するようにアルミナ粉とガラス粉とを用い、有機バインダーとしてアクリル樹脂を用い、可塑剤等を添加して混練してスラリー状にしたものをドクターブレード法等によって塗布することで製造したセラミックグリーンシート１１を用いる。またセラミックグリーンシート１１は厚みが５０〜４００μｍのものを使用する。
【００２５】
ここで、セラミック基板１４とセラミックグリーンシート１１との熱膨張係数差が大きいと、セラミック基板１４の上に多層セラミックグリーンシート１３を形成してセラミック多層基板を焼成するとセラミック基板１４に反りが発生するため、これらの材料は熱膨張係数の差が小さいことが望ましい。接着層１５の材料はアクリル樹脂をトルエン、アセトンや酢酸エチル等の有機溶剤に溶かしたものを用いる。
【００２６】
以下、セラミック多層基板の製造方法について説明する。
【００２７】
図１（ａ）のようにセラミックグリーンシート１１の上にＡｇペーストを用いてスクリーン印刷等により導体パターン１２を形成する。導体パターン１２の厚みは、セラミックグリーンシート１１の厚みの２０％程度になるように調整する。
【００２８】
次に図１（ｂ）のように導体パターン１２を形成した所望の枚数のセラミックグリーンシート１１を積層して加熱および加圧することで一体化する多層セラミックグリーンシート１３を形成する。加熱条件は５０〜１００℃、加圧条件は５０〜３００ｋｇ／ｃｍ^２、加熱および加圧時間として２〜５分とした。また加熱および加圧条件としてセラミックグリーンシート１１間の接合を得るための条件として、５０℃以上で５０ｋｇ／ｃｍ^２以上が必要である。さらに加熱温度の上限が１００℃を超えるとセラミックグリーンシート１１の成分である可塑剤の蒸発量が大きくなるため、セラミックグリーンシート１１の柔軟性が悪くなると共にセラミックグリーンシート１１の間の接合性の不良やシート膜のクラック発生等の問題が生じるために１００℃以下とした。さらに加圧条件の上限はセラミックグリーンシート１１の間の加圧接合による平面方向の寸法伸びを考慮すると３００ｋｇ／ｃｍ^２以内が望ましい。
【００２９】
次に図１（ｃ）のようにセラミック基板１４の少なくとも一面にディップやスプレーなどの方式、ロールコーターやスピンナー等の塗装装置を用いて接着層１５を形成する。ここでは接着層１５の厚みは０．１μｍ以上６μｍ未満の範囲である。
【００３０】
次に、図１（ｄ）のようにセラミック基板１４の上に形成した接着層１５と多層セラミックグリーンシート１３とを加熱および加圧により接合する。この加熱および加圧は緩衝ゴムを備えた金属板により行い、加熱条件は５０〜１００℃、加圧条件は１〜３００ｋｇ／ｃｍ^２とする。また加熱および加圧時間は２〜５分とする。そして、加圧条件は焼成した多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４との接合部の剥離が生じないように最低限の圧力以上で行い、加熱および加圧においてセラミック基板１４にクラックが生じない最大の圧力の範囲で行う。
【００３１】
さらに、多層セラミックグリーンシート１３の加熱および加圧による平面方向の寸法の伸びが許容範囲内になるように加圧条件の最大値に設定する。またこの加圧時間は熱プレス装置、金属板、緩衝ゴムによる積層体への熱伝導の状態に合わせて設定される。
【００３２】
次に、図１（ｅ）のようにアルミナを主成分とした粉体をペースト化した離型層１７を多孔質セラミックセッター１６の上の少なくとも一面にディップやスプレーなどの方式、ロールコーターやスピンナー等の塗装装置を用いて形成する。離型層１７はセラミックグリーンシート１１の焼結温度より高い材料であり、焼成工程では焼結しない。離型層１７の厚みは４０μｍ〜２００μｍの範囲とした。
【００３３】
次に、図１（ｆ）のように離型層１７が多層セラミックグリーンシート１３と接するように配置する。さらに、図１（ｇ）のように多孔質セラミックセッター１６の上に荷重焼成ができるような荷重焼成用の重石１８を載せる。この荷重焼成用の重石１８の荷重は、多層セラミックグリーンシート１３に５０〜１５０ｇ／ｃｍ^２の加圧を発生させる。荷重焼成での加圧条件について接合に必要な最低限の加圧量は５０ｇ／ｃｍ^２以上であり、焼成した多層セラミックグリーンシート１３の平面方向の伸び量は寸法精度から最大加圧は１５０ｇ／ｃｍ^２以下であり、焼成したセラミックグリーンシート１１とセラミック基板１４との接合性にも影響する。
【００３４】
さらに、荷重焼成用の重石１８を載せた状態で脱バインダーおよび焼成を行う。脱バインダーは４００℃〜５００℃でピーク時間２〜４時間程度行い、セラミックグリーンシート１１の焼結温度９００〜９２０℃でピーク時間１０〜２０分間行う。さらに図１（ｈ）のように脱バインダーおよび焼成した接着層１５は焼失する。その結果、セラミック基板１４の上のセラミックグリーンシート１１と導体パターン１２の多層セラミックグリーンシート１３は接着層１５による焼成収縮抑制効果と荷重焼成による多層セラミックグリーンシート１３の厚み方向の焼成収縮促進効果によって、面内方向にはほとんど寸法の変化がなく焼成され、厚み方向のみに焼成収縮するため、面内方向の寸法精度が非常に良好なセラミック多層回路基板を製造することができる。
【００３５】
次に、接着層による多層セラミックグリーンシートとセラミック基板との接合性および多層セラミックグリーンシートの平面方向の寸法精度への影響について、図２、図３、（表１）を用いて説明する。
【００３６】
図２は本発明の多層セラミックグリーンシートの断面図、図３は多層セラミックグリーンシートの不良モードの断面図、（表１）は接着層の厚みに対する導体パターン間の寸法の変化結果である。
【００３７】
多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４とを加熱および加圧により接合させる工程において、接着層１５の厚みＤ１による多層セラミックグリーンシート１３の平面方向の寸法精度への影響について説明する。
【００３８】
図２（ａ）は導体ペーストの印刷により導体パターン１２を形成した複数枚のセラミックグリーンシート１１を加熱および加圧して一体化した多層セラミックグリーンシート１３である。また導体パターン１２の２点間の間隔をＬ１とする。
【００３９】
図２（ｂ）は接着層１５を形成したセラミック基板１４の上に接着層１５を介して多層セラミックグリーンシート１３を加熱および加圧して接着した状態である。また導体パターン１２の２点間の間隔をＬ２とする。
【００４０】
接着層１５の厚みＤ１に対して導体パターン１２間の間隔Ｌ１とＬ２の差が平面方向の伸びであり、寸法精度としての伸び率を％で表示し、接着層１５の厚みＤ１の大きさによる影響について（表１）で説明する。
【００４１】
【表１】

【００４２】
（表１）に示すように接着層１５の厚みＤ１が３μｍを越えると多層セラミックグリーンシート１３の平面方向への伸び量が増大する。平面方向の寸法精度の点からみると接着層１５の厚みＤ１は３μｍ以下が望ましい。
【００４３】
次に、図３を用いて脱バインダーおよび焼成における不具合について説明する。図３は導体パターン１２を有する多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４との脱バインダーおよび焼成した状態である。多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４との接合状態である。図２（ｂ）の接着層１５の厚みＤ１が厚い場合には、図３のように平面方向のエッジ部において、多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４とのエッジ剥離１９や内部に隙間状態になる内部剥離２０が生じる。エッジ剥離１９と内部剥離２０の接合不良について（表１）に示す。（表１）のように接着層１５の厚みＤ１が７．８μｍ以上になると、エッジ剥離１９や内部剥離２０が生じるため、接着層１５の厚みＤ１は６μｍ以下にする必要がある。
【００４４】
（実施の形態２）
実施の形態２について図４を用いて説明する。図４は真空装置を用いてセラミック基板１４と多層セラミックグリーンシート１３とを接着層１５で接合させる加熱および加圧工程の断面図である。ここで２１は気泡、２２は真空装置を示す。
【００４５】
図４（ａ）に示すように多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４とを接着層１５で接合させる工程において、内部に気泡２１が残留する。この気泡２１によって脱バインダーおよび焼成した接合部に内部剥離２０が生じる。そのため、加圧量をアップすると改善できるが、セラミック基板１４の薄い場合（０．３ｍｍｔ以下）や貫通孔を設けたセラミック基板１４では、加圧量に耐えられずにセラミック基板１４の内部にクラックを生ずる場合があった。そのために加熱および加圧工程において、低圧加圧が必要となる。そこで、この気泡２１を除去するために、図４（ｂ）に示すように加熱および加圧工程を真空装置２２の内部で行うことにより、非常に低加圧で内部剥離２０が発生しない接合が可能となる。真空装置２２による加熱および加圧工程を行った場合の効果について（表２）を用いて説明する。
【００４６】
【表２】

【００４７】
（表２）に示すように接着層１５を介して多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４の加熱および加圧接合して脱バインダーおよび焼成した場合の接合性の結果を示す。
【００４８】
加熱および加圧のみの場合には、加圧量が５００ｇ／ｃｍ^２以下では、焼成によりセラミック基板１４と多層セラミックグリーンシート１３との接合部に内部剥離２０が生じた。そのため、適正な加圧条件は１ｋｇ／ｃｍ^２以上は必要である。次に真空装置２２により加熱および加圧の場合は、０．０８ＭＰｓ以上０．１ＭＰｓ（メガパスカル）の範囲内で２〜３分吸引すると加圧量が１００ｇ／ｃｍ^２でも、セラミック基板１４と多層セラミックグリーンシート１３との接合部には内部剥離２０は見られず良好である。このように、真空装置２２を用いることで、セラミック基板１４と多層セラミックグリーンシート１３の接合性が向上した。
【００４９】
（実施の形態３）
実施の形態３について図５を用いて説明する。図５は超音波振動装置を用いてセラミック基板１４と多層セラミックグリーンシート１３とを接着層で接合させる加熱および加圧工程の断面図である。ここで２３は超音波振動装置、２４は振動方向、２５はステンレス定板を示す。
【００５０】
図５に示すように多層セラミックグリーンシート１３を挟むようにステンレス定板２５を配置して超音波振動装置２３によりステンレス定板２５を振動方向２４に振動させると、多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４とを接着層１５で接合させる工程において、接着剤が加熱して低粘度化し流動性が向上し、接するセラミックグリーンシート１１の表面を溶かすことにより、セラミックグリーンシート１１の成分が接着層１５に拡散するため、焼成したセラミック基板１４との接合性が向上する。接合性の向上効果を（表２）を用いて説明する。
【００５１】
超音波振動装置２３の有無において、接着層１５を介して多層セラミックグリーンシート１３とセラミック基板１４の加熱および加圧接合して脱バインダーおよび焼成した場合の結果を（表２）に示す。
【００５２】
加熱および加圧のみの場合には、加圧量が５００ｇ／ｃｍ^２以下では、焼成したセラミック基板１４と多層セラミックグリーンシート１３との接合部に内部剥離２０が生じた。そのため、適正な加圧条件は１ｋｇ／ｃｍ^２以上は必要である。次に超音波振動装置２３により加熱および加圧する場合は、振動周波数２０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下でかつ出力２００Ｗ以上１２００Ｗ以下の範囲内で使用すると加圧量が５００ｇ／ｃｍ^２でも、セラミック基板１４と多層セラミックグリーンシート１３との接合部には内部剥離２０は見られず良好である。このように、超音波振動装置２３を用いることで、セラミック基板１４と多層セラミックグリーンシート１３の接合性が向上した。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明は、セラミックグリーンシート上に導体パターンを形成する工程と、前記導体パターンを形成した２枚以上のセラミックグリーンシートを加熱圧縮して一体化した多層セラミックグリーンシートを形成する工程と、セラミック基板の少なくとも一面に接着層を形成する工程と、前記セラミック基板上の接着層を介して前記多層セラミックグリーンシートとを加熱および加圧接着する工程と、多孔質セラミックセッターの少なくとも一面に離型層を形成する工程と、前記セラミック基板上の接着層を介して接合した多層セラミックグリーンシート上に前記離型層が接するように配置する工程と、前記多孔質セラミックセッターの離型層面の裏面に荷重焼成用の重石を配置して脱バインダーし焼成する工程とからなるセラミック多層基板の製造方法により、導体パターン間の寸法精度を向上させたセラミック多層基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｈ）本発明のセラミック多層基板の製造方法を示す工程図
【図２】（ａ），（ｂ）本発明の多層セラミックグリーンシートの断面図
【図３】多層セラミックグリーンシートの不良モードの断面図
【図４】（ａ），（ｂ）真空装置を用いてセラミック基板と多層セラミックグリーンシートとを接合させる加熱および加圧工程の断面図
【図５】超音波振動装置を用いてセラミック基板と多層セラミックグリーンシートとを接着層で接合させる加熱および加圧工程の断面図
【図６】（ａ），（ｂ）従来のセラミックグリーンシート積層法によるセラミック多層基板の断面図
【符号の説明】
１１セラミックグリーンシート
１２導体パターン
１３多層セラミックグリーンシート
１４セラミック基板
１５接着層
１６多孔質セラミックセッター
１７離型層
１８荷重焼成用の重石
１９エッジ剥離
２０内部剥離
２１気泡
２２真空装置
２３超音波振動装置
２４振動方向
２５ステンレス定板

Claims

セラミックグリーンシート上に導体パターンを形成する工程と、前記導体パターンを形成した２枚以上のセラミックグリーンシートを加熱および圧縮して一体化した多層セラミックグリーンシートを形成する工程と、セラミック基板の少なくとも一面に接着層を形成する工程と、前記セラミック基板上の接着層を介して前記多層セラミックグリーンシートとを加熱および加圧接着する工程と、多孔質セラミックセッターの少なくとも一面に離型層を形成する工程と、前記セラミック基板上の接着層を介して接合した多層セラミックグリーンシート上に前記離型層が接するように配置する工程と、前記多孔質セラミックセッターの離型層面の裏面に荷重焼成用の重石を配置して脱バインダーし焼成する工程とからなるセラミック多層基板の製造方法。
セラミック基板上の接着層を介して多層セラミックグリーンシートを加熱および加圧接着させる工程として、真空装置を用いて接着を行う請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
セラミック基板上の接着層を介して多層セラミックグリーンシートを加熱および加圧接着させる第４工程として、超音波振動装置を用いて接着を行う請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。