JP2005209881A - セラミック積層基板および高周波電子部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数のセラミックス層70と電極パターンを備えたセラミック積層基板において、前記セラミック積層基板の外表面には端子電極と絶縁層15を有し、前記端子電極は、電極パターンで形成された下地層60aと上部層60bを有し、前記下地層の外縁部の少なくとも一部と前記セラミック層を前記絶縁層15で被覆するとともに、前記絶縁層の少なくとも一部を前記上部層60bで被覆し、もって前記上部層と前記下地層とで前記絶縁層を挟持したセラミック積層基板とする。
【選択図】図1
Description
近年、半導体素子の動作時発熱が大きくなって来ているが、この発熱は半導体素子自身及び、他の電子部品の動作に影響を及ぼす。このため前記発熱を効率的に放熱することが回路基板の重要な要求特性の一つとなっている。そこで回路基板材料として放熱性、電気的特性、信頼性等に優れた機能材料であるAl2 O3 などのセラミックスが多用されている。
このようなLTCC技術による回路部品は、例えば1000℃以下で焼結可能な低温焼結セラミックス材料と、これと同時焼成可能な導体ペーストを用いて構成される。例えば、ドクターブレード等によりキャリアフィルムに塗こう形成(キャスティング)したセラミックスグリーンシートを用い、これを所望形状に切断した前記グリーンシートに、キャパシタンス素子やインダクタンス素子を構成する所望の回路パターン(電極パターン)をAgやCuなどの導体ペーストで形成し、さらに孔開け装置によりグリーンシートの上下を貫通するビアホールを形成する。次いで、各グリーンシートに形成したビアホールに、AgやCuなどの金属を主成分とする導体ペーストを印刷充填し、そして前記グリーンシートを必要枚数重ね、積層、圧着し、その後、必要な寸法に切断し、グリーンシートと導体ペーストとの同時焼成を行う事によって得られる。
以下、LTCC技術を用いて構成した基板をセラミック積層基板と呼ぶ。
前記のように移動体通信機器の小型化、高性能化にともない、高周波電子部品も小型化が強く求められている。このためセラミック積層基板に、限られた外形寸法の中で様々な機能の端子電極を配置せねばならず、その結果、前記端子電極の形成面積を小さくせざるを得ない。
そこで本発明では、セラミック積層基板および、これを用いた高周波電子部品において、セラミック多層基板の表面に形成される端子電極とセラミック積層基板との密着強度を向上させることを第1の目的とし、さらにセラミック積層基板の隅部と回路基板との干渉による割れ等の欠陥の発生を抑制することを第2の目的とする。
この高周波電子部品1は高周波スイッチであって、セラミック積層基板12に形成された実装電極55にコンデンサ、抵抗、ダイオード等の電子部品51が搭載され、前記電子部品51を金属ケース(図示せず)で覆ったり、樹脂封止している。
セラミック積層基板12は、焼成により多層一体化された複数のセラミックス層と、電極パターンを主構成とするものであり、チップインダクタやチップコンデンサ、チップ抵抗などの電子部品51を実装するための実装電極55(図2中ハッチングして図示)と、裏面側の主面に形成され、回路基板とろう付けされる裏面電極310と、セラミック層に形成されたコンデンサ素子やインダクタンス素子、グランド電極を構成する内部導体パターンや、これらを接続する接続線路、ビアホールが設けられている。さらに、回路基板との接合強度を確保するために、前記コンデンサ素子や前記インダクタンス素子等と電気的に接続しないが、回路基板との固着接続を行うダミー電極315を形成する場合もある。
上記のように高周波電子部品においては様々な電極を有するが、本発明においては、積層基板12の主面に形成され、回路基板との電気的な接続を担う裏面電極310、ダミー電極315を端子電極として定義する。
また絶縁層15から露出する部分(図中破線で示す)も上部層60bとの接触面積を大きく得られることから、略方形状とするのが好ましく、上部層60bと積層基板内に形成された配線パターンやインダクタンス素子やキャパシタンス素子等の回路素子との電気的接続、また上部層と下地層との間の接続強度を損なわないようにし、前記下地層60aがビアホールと接続する場合では、少なくとも前記絶縁層15に覆われていない露出部の面積を、前記下地層と接続するビアホールの面積よりも大きくなるように設定するのが好ましい。
下地層60を覆う絶縁層15の覆い幅W1(下地層60aの外縁部から絶縁層15の内縁部の距離)は20μm以上とするのが好ましく、また外縁部からの覆い幅を少なくとも20μm以上とするのが好ましく、さらに覆い幅は40μm〜100μmとすると密着強度を向上することが出来好ましい。前記覆い幅の上限は下地層の外形面積によって規定されるが、上部層60bと積層基板内に形成された回路素子との電気的接続、また上部層と下地層との間の接続強度を損なわないように設定する。
また、前記絶縁層15を覆う上部層60bの覆い幅W2(上部層60bの外縁部から絶縁層15の内縁部の距離)は、少なくとも20μm以上とするのが好ましく、さらに40μm〜100μmとすると密着強度を向上することが出来好ましい。
本発明においては、下地層の厚みを5〜20μmとし、上部層の厚みを15〜30μmとし、前記上部層の厚みを前記下地層の厚みよりも厚く形成するのが好ましい。また絶縁層の厚みは5μm以上、好ましくは10〜30μmである。
絶縁層15を構成するペーストにガラスを含有させることで、下地層60a、上部層60bとの界面に析出するガラスによるアンカー効果により、挟持部での密着強度を向上させることが出来る。
まず、低温焼成セラミック材料と適量の有機バインダや有機溶剤とを共に混合し、これをキャリアフィルム上にドクターブレート法によってキャスティングして、セラミックグリーンシートを成形する。前記キャリアフィルムは、例えばポリエステル、ポリエチレンテレフタレートで出来ており、熱的安定性、機械的強度にすぐれており、柔らかいセラミックグリーンシートを保持するのに適している。前記本実例では低温焼成セラミック材料として、Al−Si−Ba−O系誘電体材料を用いた。セラミックグリーンシートの厚さは、セラミック積層基板内にコンデンサ素子が形成される場合にはセラミック層厚さで10〜25μmとし、他の層には100〜150μmのものを用いた。なお、セラミック層厚さは適宜設定されるものであり、前記厚さに限定されるものではないが、好ましくは10〜150μmの範囲で選択する。
この仮圧着体の主面に導体ペーストを用いて電極パターンを印刷形成し、端子電極60を構成する下地層60aを形成した。このとき、前記下地層60aは圧着体の表面上に盛り上がるように形成されている(図4(a))。さらに、セラミックグリーンシートに用いたものと同じ低温焼成セラミック材料粉末をペースト化した誘電体ペーストを用いて、下地層60の縁部に絶縁層15を印刷形成した(図4(b))。この仮圧着体70を金型に配置し、前記圧着体の両主面に一対の金属板を配置し、これをCIP(静水圧等方プレス装置)により本圧着した。この時の圧着体表面に形成された放熱用電極や端子電極は図4(c)に示すように圧着体に押込まれ、実質的に平坦に形成される。
さらに導体ペーストを用いて、絶縁層15の一部を覆うように電極パターンを印刷形成し、端子電極60を構成する上部層60bを形成してセラミックグリーンシート積層体とした(図4(d))。前記導体層は同一の導体ペーストを用いても良いし、一方のペーストをガラスを含有させたものとしたり、下地層、上部層を構成する金属材料を、例えば下地層をCu、上部層をAgとするなど、異ならせることも可能である。
以上のような工程を経て、下地層の外縁部の少なくとも一部とセラミック層を前記絶縁層で被覆するとともに、前記絶縁層の少なくとも一部を前記上部層で被覆して、前記上部層と前記下地層とで前記絶縁層を挟持するとともに、前記端子電極の下地層60aの縁部が埋め込まれ、かつ前記端子電極60が主面に対して実質的に突出したセラミック積層基板を得た。
まず、CIP(静水圧等方プレス装置)により本圧着された圧着体の主面に導体ペーストを用いて電極パターンを印刷形成し、端子電極60を構成する下地層60aを形成する。そして、セラミックグリーンシートに用いたものと同じ低温焼成セラミック材料粉末をペースト化した誘電体ペーストを用いて、下地層60の縁部に絶縁層15を印刷形成する。 さらに導体ペーストを用いて、絶縁層15の一部を覆うように電極パターンを印刷形成し、端子電極60を構成する上部層60bを形成してセラミックグリーンシート積層体とする。これを大気中900℃で焼成し、上部層60bに無電界めっきを行い、導体層を形成した。 以上のような工程を経て、他の態様のセラミック積層基板を得ることが出来る。
前記、組成の材料を作製するため、Al2O3、SiO2、TiO2、Bi2O3、CuO、Mn3O4およびSrCO3、Na2CO3、K2CO3の原料粉を秤量し、純水と一緒に、ボールミルで混合し、混合スラリーを得た。前記スラリーにPVAをスラリー重量に対して1wt%添加した後、スプレードライヤーにて乾燥し、平均粒径が約0.1mmの顆粒状の乾燥粉を得た。前記顆粒粉を、連続炉にて最高温度800℃にて仮焼して、目的とする組成である仮焼粉を得た。
次に、仮焼粉を、エタノール中に分散させてボールミルで平均粒径1.2μmまで粉砕し、更に、シート成形用のバインダーであるPVB(ポリビニルブチラール)を仮焼粉重量に対して12wt%、および可塑剤であるBPBG(ブチルフタリルブチルグリコレート)7.5wt%を添加し、同一のボールミルにて、溶解・分散を行い、シート成形用のスラリーを得た。前記スラリーを減圧下で、脱泡および一部の溶剤の蒸発を行い、約10000mPa・sの粘度になるように調整した。粘度調整後、ドクターブレードにて、シート成形を行い、乾燥後約100μmの厚さのセラミックグリーンシートを得た。後工程のハンドリングのため、所定の大きさに裁断した。
なお下地層、上部層、絶縁層の焼成後の厚みは、それぞれ10μm、35μm、20μmであり、覆い幅W1,W2はそれぞれ60μmであり、端子電極の突出高さhは、導体層を含めて45μmであった。
なお下地層、絶縁層の焼成後の厚みは、それぞれ10μm、20μmであり、覆い幅W1は60μmであり、端子電極の突出高さhは、導体層を含めて18μmであった。
なお、実施例1、2及び比較例においては、各端子電極の略中央部でφ0.1mmのビアホールと接続する構造となっている。
前記セラミック積層基板に半導体素子や電子部品を実装し、さらにケースを取り付けた高周波電子部品を所定の評価基板に共晶はんだではんだ接続し、前記評価基板をアルミダイキャストで構成された試験治具内にねじ止め固定して、1.8mmの高さからコンクリート板に自由落下させる。これを100回繰り返して、高周波部品の評価基板との接合状況や、セラミック積層基板に実装された回路素子の接合状況を拡大鏡で目視評価するともに、ミリオーム計を用いて端子電極と評価基板との間の導通評価を行った。
電子部品等を実装しない状態のセラミック積層基板の端子電極に共晶はんだで、φ0.5mm×20mmのコバールピンを接続し、これを固定治具に配置し、前記固定治具を引張試験器(島津製作所製オートグラフ 型式AG−1)にねじ止め固定し、前記コバールピンを引張側の固定部材に固定し、ロードセル100N、引張速度0.5mm/minで引張試験を行った。
また引張試験では、本発明のものでは従来のものと比較し、図8に示すように端子強度がおよそ2〜3倍となった。さらに、引張試験後の試料について電極剥離のモードを分類したところ、従来例のものでは、もっぱら下地層とセラミック層との界面での剥離していたい、本発明の実施例1においては、セラミック層部分での破壊であり、端子電極とセラミックとが強固に接続していることがわかった。また、実施例2のものでは、セラミック層部分での破壊と下地層とセラミック層との界面で剥離の2つのモードが存在していた。下地層とセラミック層との界面で剥離する場合であっても、挟持部での密着強度を向上していることで、従来のものより優れた密着強度が得られた。
また本発明においては、端子電極を10μm以上を突き出したことで、前記セラミック積層基板が回路基板に実装された後、前記回路基板に撓みやねじりが生じた場合でも、セラミック積層基板の隅部が実装基板と接触・干渉することを防ぎ、ひいては前記干渉によって生じるセラミック積層基板のクラック・割れなどを生じることを低減することが出来る。
さらに本発明のセラミックセ積層基板では、端子電極の上部層は基板主面に対して、実質的に突き出ているので、基板の隅部が実装基板と接触・干渉することを防ぎ、セラミック積層基板のクラック・割れなどを生じることを低減することが出来た。
12 セラミック積層基板
15 絶縁層
18 ビアホール
60 端子電極
60a 下地層
60b 上部層
70 セラミック層
Claims (6)
- 複数のセラミックス層と電極パターンを備えたセラミック積層基板において、
前記セラミック積層基板の外表面には端子電極と絶縁層を有し、前記端子電極は、電極パターンで形成された下地層と上部層を有し、前記下地層の外縁部の少なくとも一部と前記セラミック層を前記絶縁層で被覆するとともに、前記絶縁層の少なくとも一部を前記上部層で被覆し、もって前記上部層と前記下地層とで前記絶縁層を挟持したことを特徴とするセラミック積層基板。 - 前記端子電極を前記セラミック積層基板の表面に対して突出させたことを特徴とする請求項1に記載のセラミック積層基板。
- 前記下地層の外縁部を前記セラミック層に対して傾斜して埋設したことを特長とする請求項1又は2に記載のセラミック積層基板。
- 前記上部層の表面に電界めっき又は無電界めっきで形成される導体層を形成し、前記導体層の外縁部が前記絶縁層の一部を覆うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のセラミック積層基板。
- セラミック積層基板の表面に延出するビアホールと前記下地層を接続することを特長とする請求項1乃至4のいずれかに記載のセラミック積層基板。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載のセラミック積層基板において、セラミック積層基板の内部に形成された電極パターンでインダクタンス素子及び/又はキャパシタンス素子を形成したことを特徴とする高周波電子部品。
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