JP2005247689A

JP2005247689A - セラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JP2005247689A
Application number: JP2005108846A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nakano; 悟中野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】品質の良いセラミック基板を効率よく製造する。
【解決手段】セラミック基板の製造方法は、焼成前の低温焼成セラミック基板１１の両面に低温焼成セラミック基板１１の焼成温度では焼成しない拘束用セラミックグリーンシート１２を宛がう工程と、低温焼成セラミック基板１１を焼成する工程と、焼成後に拘束用セラミックグリーンシート１２をブラスト処理で除去する工程とを含む。ブラスト処理で除去する工程は、拘束用セラミックグリーンシート１２を構成するセラミック粉末と同じ材質の投射材を、焼成後の拘束用セラミックグリーンシート１２の除去が可能な高圧水流で除去対象部位に噴射する工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼成前のセラミック基板の両面に拘束用セラミック層を宛がって加圧焼成するセラミック基板の製造方法に関するものである。

近年、低温焼成セラミック基板を焼成する際に、基板の面方向の焼成収縮を小さくして基板寸法精度を向上させるために、焼成前の低温焼成セラミック基板の両面に拘束用アルミナグリーンシートを宛がい、その上から加圧しながら低温焼成セラミック基板を焼成した後、その焼成基板の両面に付着した未焼結の拘束用アルミナグリーンシートの残留物（拘束用アルミナグリーンシートは焼成の過程で溶剤や樹脂バインダが飛散してアルミナ粉体として残る）を除去して低温焼成セラミック基板を製造する加圧焼成法が提案されている（特許文献１参照）。
特表平５−５０３４９８号公報

上記加圧焼成法では、加圧焼成終了後に、焼成基板の両面に付着した未焼結の拘束用アルミナグリーンシートの残留物（アルミナ粉体）を除去する方法として湿式又は乾式のブラスト処理が用いられる。このブラスト処理は、微小の投射材を高圧水流又は高圧空気流等によって基板表面の拘束用アルミナに噴射して、該拘束用アルミナを除去する。この際、投射材の硬度が低い（柔らかい）と、除去能力が低下して、基板表面の拘束用アルミナを完全に除去することが困難となるため、投射材は、拘束用アルミナに近い硬度のものが使用される。低温焼成セラミック（ガラスセラミック）は、アルミナと比較して柔らかいため、拘束用アルミナの除去に用いる投射材の硬度が低温焼成セラミック基板より硬くなってしまう。このため、投射材の投射圧により低温焼成セラミック基板の表面が削り取られてしまい、基板表面の平坦性が低下して、基板品質が低下する欠点がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、品質の良いセラミック基板を能率良く製造することができるセラミック基板の製造方法を提供することにある。

本発明のセラミック基板の製造方法は、焼成前のセラミック基板の両面に上記セラミック基板の焼成温度では焼成しない拘束用セラミック層を宛がう工程と、上記セラミック基板を焼成する工程と、焼成後に上記拘束用セラミック層をブラスト処理で除去する工程とを含み、上記除去する工程は、上記拘束用セラミック層を構成するセラミック粉末と同じ材質の投射材を、焼成後の上記拘束用セラミック層の除去が可能な高圧水流で除去対象部位に噴射する工程を含む。この方法では、焼成後に拘束用セラミック層を効率よく除去でき、品質の良いセラミック基板を能率よく製造することができる。

上記発明において好ましくは、上記拘束用セラミック層を構成する上記セラミック粉末および上記投射材としてアルミナ粉末を用いる。

上記発明において好ましくは、上記セラミック基板として、アルミナを含む低温焼成セラミック材料で形成されている基板を用いる。

本発明によれば、品質の良いセラミック基板を能率良く製造することができるセラミック基板の製造方法を提供することができる。

図１に示すように、加圧焼成時には、低温焼成セラミック基板１１の両面に拘束用セラミックグリーンシート１２（拘束用セラミック層）を宛がって、その上から加圧しながら８００〜１０００℃で焼成する。

低温焼成セラミック基板１１は、単層基板でも良いが、グリーンシート積層法により複数枚のグリーンシートを積層した多層基板でも良い。低温焼成セラミック基板１１の材料としては、例えば、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３ −Ｂ_２Ｏ_３系ガラス５０〜６５重量％（好ましくは６０重量％）とアルミナ５０〜３５重量％（好ましくは４０重量％）との混合物を用いる。この他、ＭｇＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３ −Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとアルミナ粉末との混合物、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとアルミナとの混合物、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２ −Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとアルミナとの混合物、コージェライト系結晶化ガラス等の８００〜１０００℃で焼成できる低温焼成セラミック材料を用いても良い。

低温焼成セラミック基板１１が多層基板の場合には、各層のグリーンシートを積層する前に、各層のグリーンシートのビアホールに、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ／Ｐｔ、Ｃｕ等の低融点金属の導体ペーストを充填し、内層に積層されるグリーンシートには、同じ低融点金属の導体ペーストを使用して内層導体パターンをスクリーン印刷する。更に、表層のグリーンシートには、表層導体パターンをＡｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ／Ｐｔ、Ｃｕ等の低融点金属の導体ペーストを用いてスクリーン印刷する。この印刷工程後に、各層のグリーンシートを積層して加熱圧着して一体化する。尚、表層導体パターンの印刷は、加圧焼成後に行っても良い。

一方、拘束用セラミックグリーンシート１２は、低温焼成セラミック基板１１の硬度と同等若しくはそれ以下の硬度のセラミック、例えばＭｇＯ、ＺｒＯ_２を用いてテープ成形されている。ちなみに、低温焼成セラミック基板１１のモース硬度が８程度であるのに対し、ＭｇＯのモース硬度は６、ＺｒＯ_２のモース硬度は８である（モース硬度は大きい値ほど硬い）。ＭｇＯやＺｒＯ_２は、低温焼成セラミック基板１１の焼結温度（８００〜１０００℃）では焼結しない。しかも、ＭｇＯやＺｒＯ_２は、低温焼成セラミック基板１１表面のアルカリ成分に対して耐蝕性があり、加圧焼成時に低温焼成セラミック基板１１の表面に融着せず、加圧焼成後のブラスト処理時に低温焼成セラミック基板１１から除去しやすいという特徴がある。尚、拘束用セラミックグリーンシート１２の成形に用いるＭｇＯ、ＺｒＯ_２は、アルカリ成分に対する耐蝕性を高めるために、不純物の含有量が少ない方が良く、例えば９９．９０％以上の高純度のＭｇＯ、ＺｒＯ_２を用いることが好ましい。

また、拘束用セラミックグリーンシート１２の成形に用いるＭｇＯ、ＺｒＯ_２等のセラミック粉末の粒径が大きいと、拘束用セラミックグリーンシート１２の表面に出来る凹凸が大きくなり、加圧焼成時に拘束用セラミックグリーンシート１２の圧着によって低温焼成セラミック基板１１の表面に転写される凹凸が大きくなるため、セラミック粉末の平均粒径が０．１〜１０μｍのものを用いることが好ましく、より好ましくは、平均粒径が０．２〜５μｍ程度のセラミック粉末を用いると良い。

このセラミック粉末にバインダ樹脂（例えばＰＶＢ、アクリル系やニトロセルロース系の樹脂）、溶剤（例えばトルエン、キシレン、ブタノール）及び可塑剤（例えばアミン系有機物、ＤＯＡ）を配合して、十分に攪拌混合してスラリーを作製し、このスラリーを用いてドクターブレード法等で拘束用セラミックグリーンシート１２をテープ成形する。

この場合、セラミック粉末に対するバインダ樹脂、溶剤、可塑剤の配合比は、セラミック粉末に対する重量比で、バインダ樹脂が２５重量％以下、溶剤が５０重量％以下、可塑剤が０．５重量％以上であることが好ましい。

つまり、バインダ樹脂の配合量が多すぎると、焼成時の加圧力により拘束用セラミックグリーンシート１２の焼成延びが大きくなりすぎるため、セラミック粉末に対するバインダ樹脂の配合比を２５重量％以下とすることで、焼成延びを適正範囲内に抑える。

また、溶剤の配合量が多すぎると、拘束用セラミックグリーンシート１２のテープ成形後の乾燥時の収縮量が大きくなりすぎるため、セラミック粉末に対する溶剤の配合比を５０重量％以下とすることで、乾燥時の収縮量を適正範囲内に抑える。

また、可塑剤の配合量が少なすぎると、溶剤と分離して十分な可塑性が得られなくなるため、セラミック粉末に対する可塑剤の配合比を０．５重量％以上とすることで、溶剤と十分に混合させて、必要な可塑性を確保する。

以上のような組成の拘束用セラミックグリーンシート１２を用いて低温焼成セラミック基板１１を加圧焼成する場合には、図１に示すように、低温焼成セラミック基板１１の両面に拘束用セラミックグリーンシート１２を宛がって、その上から２〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で加圧しながら、低温焼成セラミック基板１１の焼結温度である８００〜１０００℃（好ましくは９００℃）で焼成する。この際、低温焼成セラミック基板１１両面に積層された拘束用セラミックグリーンシート１２（ＭｇＯ、ＺｒＯ_２等）は、１５００℃以上に加熱しないと焼結しないので、８００〜１０００℃で焼成すれば、拘束用セラミックグリーンシート１２は未焼結のまま残される。但し、焼成の過程で、拘束用セラミックグリーンシート１２中の溶剤や樹脂バインダが飛散してセラミック粉体として残る。

加圧焼成後、低温焼成セラミック基板１１の両面に付着した拘束用セラミックグリーンシート１２の残留物（セラミック粉体）を湿式ブラスト（ウォータジェット）又は乾式ブラストにより除去する。この湿式又は乾式のブラスト処理に用いる投射材は、拘束用セラミックグリーンシート１２のセラミック材料の硬度と同等若しくはそれ以上の硬度で且つ低温焼成セラミック基板１１の硬度と同等若しくはそれ以下の硬度のセラミック粉体を用いる。例えば、拘束用セラミックグリーンシート１２がＭｇＯ（モース硬度：６）の場合には、投射材はＭｇＯの粉体を用い、また、拘束用セラミックグリーンシート１２がＺｒＯ_２（モース硬度：８）の場合には、投射材はＭｇＯ又はＺｒＯ_２の粉体を用いる。

湿式ブラストでは、投射材を高圧水流によって除去対象部位に噴射し、乾式ブラストでは、投射材を高圧空気流によって除去対象部位に噴射し、低温焼成セラミック基板１１の両面に付着した拘束用セラミックグリーンシート１２の残留物（セラミック粉体）を除去する。例えば、湿式ブラスト（ウォータジェット）の場合には、投射材の粒径を例えば１０μｍとし、投射圧を例えば４．５ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、製品の搬送速度を例えば０．２ｍ／分として、投射材を噴射する。この条件は、一例であり、適宜変更しても良いことは言うまでもない。

ブラスト処理後、低温焼成セラミック基板１１の表面をバフ研磨して仕上げる。このバフ研磨は、研磨輪（バフ）を用い、その表面に研磨剤（例えばＳｉＣ）を付けて、研磨輪を例えば２０００ｒｐｍ程度で回転させ、この研磨輪を低温焼成セラミック基板１１の表面に押し付けて仕上げ研磨する（仕上げ面粗さ：＃１５００相当）。

バフ研磨終了後、めっき前処理としてアルカリ脱脂と塩酸洗浄を行った後、低温焼成セラミック基板１１の表面の導体にＮｉ／Ａｕめっきを施す。これにて、低温焼成セラミック基板１１の製造工程が完了する。

本発明者は、加圧焼成した低温焼成セラミック基板をブラスト処理する際に、拘束用セラミック層の硬度と投射材の硬度が拘束用セラミック層の除去性と基板表面の平坦性に与える影響を考察するブラスト試験を行ったので、その試験結果を次の表１に示す。

この試験で加圧焼成した低温焼成セラミック基板のモース硬度は８である。拘束用セラミックの材料は、サンプルＮｏ．１〜３ではアルミナ（モース硬度：９）、サンプルＮｏ．４〜６ではＺｒＯ_２（モース硬度：８）、サンプルＮｏ．７〜９ではＭｇＯ（モース硬度：６）を用いた。

また、投射材の材料は、サンプルＮｏ．１，４，７ではＣａＣＯ_３（モース硬度：３）、サンプルＮｏ．２，５，８ではＭｇＯ（モース硬度：６）、サンプルＮｏ．６，９ではＺｒＯ_２（モース硬度：８）、サンプルＮｏ．３ではアルミナ（モース硬度：９）を用いた。ブラスト法は、湿式ブラスト（ウォータジェット）を用いた。

この試験結果から、投射材のモース硬度が拘束用セラミックのモース硬度よりも低い場合（サンプルＮｏ．１，２，４，５，７）は、除去能力が悪く、基板表面の拘束用セラミックを完全に除去することができず、基板表面に拘束用セラミックが残ってしまった。尚、拘束用セラミックがＺｒＯ_２（モース硬度：８）の場合、低温焼成セラミック基板との型離れが良いため、サンプルＮｏ．５のように、投射材の硬度が拘束用セラミックの硬度より少し低くても、除去性は比較的良好であるが、今回の試験条件では、基板表面に一部の拘束用セラミックが残ってしまった。

これに対し、投射材のモース硬度が拘束用セラミックのモース硬度と同等若しくはそれ以上の場合（サンプルＮｏ．３，６，８，９）は、除去性が良好であり、基板表面の拘束用セラミックを完全に除去することができた。この試験結果から、除去性を良好にするには、投射材の硬度が拘束用セラミックの硬度と同等若しくはそれ以上であれば良いことが分かる。

また、ブラスト処理後の低温焼成セラミック基板の平坦性については、拘束用セラミックの除去不良が生じたサンプルＮｏ．１，２，４，７は、基板表面が平坦にならないことは明らかであり、拘束用セラミックの除去残りのために測定不可であった。尚、拘束用セラミックがＺｒＯ_２の場合には、低温焼成セラミック基板との型離れが良いため、サンプルＮｏ．５（投射材がＭｇＯ）のように、基板表面に一部の拘束用セラミックが残っている場合でも、拘束用セラミックの残量が少なければ、バフ研磨により拘束用セラミックを完全に除去することができ、基板表面の平坦性を確保できる。

一方、ブラスト処理による除去性が良好な場合でも、基板表面の平坦性が必ずしも良好になるとは限らない。すなわち、サンプルＮｏ．３では、投射材として用いたアルミナ（モース硬度：９）が低温焼成セラミック基板（モース硬度：８）よりも硬い材料であるため、投射材の投射圧により基板表面が削り取られてしまい、基板表面の平坦性が不良となった。

これに対し、投射材の硬度が低温焼成セラミック基板の硬度と同等若しくはそれ以下の硬度であるサンプルＮｏ．６，８，９では、ブラスト処理による基板表面の削り取りが発生せず、基板表面の平坦性が良好であった。この試験結果から、基板表面の平坦性を良好にするには、投射材のモース硬度が低温焼成セラミック基板の硬度と同等若しくはそれ以下の硬度であれば良いことが分かる。

以上の試験結果を総合的に考察すると、拘束用セラミック層の除去性と基板表面の平坦性との双方を良好にするためには次の条件を満たす必要がある。拘束用セラミック層の硬度≦投射材の硬度≦低温焼成セラミック基板の硬度この条件を満たせば、拘束用セラミック層の除去性と基板表面の平坦性とを共に満足することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明のセラミック基板の製造方法では、拘束用セラミック層の硬度≦投射材の硬度≦セラミック基板の硬度に設定して、加圧焼成した後、ブラスト処理により基板表面の拘束用セラミック層を除去するようにしたので、加圧焼成後に拘束用セラミック層を能率良く除去できると共に、投射材によってセラミック基板の表面が削り取られてしまうことを防止できて、基板表面の平坦性を良好にでき、品質の良いセラミック基板を加圧焼成法で能率良く製造することができる。

本発明の一実施形態における加圧焼成時の拘束用セラミックグリーンシートと低温焼成セラミック基板との積層状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１１低温焼成セラミック基板（セラミック基板）、１２拘束用セラミックグリーンシート（拘束用セラミック層）。

Claims

焼成前のセラミック基板の両面に前記セラミック基板の焼成温度では焼成しない拘束用セラミック層を宛がう工程と、
前記セラミック基板を焼成する工程と、
焼成後に前記拘束用セラミック層をブラスト処理で除去する工程と
を含むセラミック基板の製造方法において、
前記除去する工程は、前記拘束用セラミック層を構成するセラミック粉末と同じ材質の投射材を、焼成後の前記拘束用セラミック層の除去が可能な高圧水流で除去対象部位に噴射する工程を含む、セラミック基板の製造方法。
前記拘束用セラミック層を構成する前記セラミック粉末および前記投射材としてアルミナ粉末を用いる、請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
前記セラミック基板として、アルミナを含む低温焼成セラミック材料で形成されている基板を用いる、請求項２に記載のセラミック基板の製造方法。