JP2005276860A - 多数個取り配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラスセラミック配線基板内に形成したコンデンサの容量値のバラツキを大幅に抑制して、信頼性の高い多数個取り配線基板を提供すること。
【解決手段】 多数個取り配線基板は、ガラスセラミックスから成る絶縁母基板１の主面に、分割溝４で区切られた四角形の配線基板領域が複数縦横に配列形成された多数個取り配線基板において、絶縁母基板１の内部に、隣接する配線基板領域にわたって分割溝４を横断するように形成された、一対の電極層２が誘電体層３を挟んで対向配置されたコンデンサが設けられており、分割溝４は、コンデンサを配線基板領域毎に切断する深さで形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガラスセラミックス焼結体から成る絶縁母基板の内部に容量素子（コンデンサ）を内蔵した多数個取り配線基板に関するものである。

従来、携帯電子機器や携帯用情報端末等の分野では、半導体素子を実装した配線基板と共に、受動部品として抵抗体、コンデンサ、インダクタ等をプリント回路基板等の配線基板上に実装したモジュール基板が用いられてきた。

しかし、近年、このような携帯電子機器や携帯用情報端末等に用いられる部品の小型化、複合化、高性能化が強く求められており、半導体素子を実装する配線基板の内部に受動部品に相当する機能を有する電子回路素子を内蔵させて、半導体素子と受動部品とを高密度に実装するという集積化の流れが進んでいる。これらの受動部品を配線基板の内部に取り込むことは、配線基板の表面に受動部品の実装スペースを確保する必要をなくし、また設計の自由度も増すため、配線基板の小型化に寄与できることとなる。

例えば、コンデンサを内蔵したガラスセラミック配線基板を構成する場合、絶縁層となるガラスセラミックグリーンシートの上面にコンデンサの電極層となる金属ペーストを塗布形成しておき、その表面にコンデンサの誘電体層となる誘電体ペーストを塗布形成し、その後、コンデンサの電極となる金属ペーストと、誘電体層となる誘電体ペーストとを形成したガラスセラミックグリーンシートを積層して、ガラスセラミック積層体と金属ペーストと誘電体ペーストとを同時焼成することで形成する方法が採用されている。

また、このようなコンデンサを内蔵したガラスセラミック配線基板は、５〜１０ｍｍ角程度の大きさであるため、母基板となる１枚のガラスセラミックグリーンシートに分割溝を設け、複数枚積層し焼結してセラミックスとした後、半導体素子等を実装した後に、分割溝で分割することにより個々の製品とするといったいわゆる多数個取りにより製造されている。このように多数個取りにより製造することによって、分割された個々のセラミックグリーンシートを積層し焼結するよりも製造を非常に容易にでき、またコストを低く抑えることができる。
特開平８−１７６７４号公報

しかしながら、このような多数個取りのコンデンサを内蔵したガラスセラミック配線基板は、ガラスセラミックグリーンシートの上面にコンデンサの電極層となる金属ペーストを塗布形成しておき、その表面にコンデンサの誘電体層となる誘電体ペーストを塗布形成するときに、塗布形成する電極層や誘電体層の大きさが小さいため、下地の金属ペーストの表面の凹凸の影響を受けて、塗布形成された誘電体層の厚みのバラツキが大きくなったり、形状にバラツキを生じていたりした。このため、ガラスセラミック配線基板の内部に形成したコンデンサの容量値が低下したり、容量値のバラツキが大きくなったりするという問題点があった。

また、半導体素子等を実装した後に、分割溝に沿って撓折して分割するときに、分割溝の直下に印加される曲げ応力が、配線基板の内部に形成されている脆い誘電体層部分まで影響して、分割溝から垂直方向に破断せずに配線基板にバリや欠けが発生して、その結果、正確に個々の製品に分割することが困難となるという問題点があった。

この問題を解決するために、電極層となる金属導体に、エッチング法でパターン形成したＣｕ箔等の平滑な表面の金属箔を転写法等でガラスセラミックグリーンシートに転写しておき、この表面に誘電体層ペーストを塗布形成する方法で作製した多数個取り配線基板を、半導体素子等を実装した後に、ダイヤモンドカッター等で個々の製品に分割する方法等が提案されている。この方法によれば、電極層となる金属箔とガラスセラミックグリーンシートとのＸ，Ｙ，Ｚ方向の収縮挙動の違いから、焼成後にガラスセラミックス焼結体にクラックが生じて、配線基板の内部に形成されている配線導体や貫通導体が断線し、電気的導通が得られなくなるという不具合が発生していた。また、硬いガラスセラミックス焼結体を切断することから、加工性が悪くなり、コストの高いものとなっていた。

本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、誘電体層を形成するときの厚みバラツキを抑制して、ガラスセラミックスから成る配線基板の内部に形成したコンデンサの容量のバラツキを抑制するとともに、個々に分割するときのバリや欠けの発生を抑制した多数個取り配線基板を提供することにある。

本発明の多数個取り配線基板は、ガラスセラミックスから成る絶縁母基板の主面に、分割溝で区切られた四角形の配線基板領域が複数縦横に配列形成された多数個取り配線基板において、前記絶縁母基板の内部に、隣接する前記配線基板領域にわたって前記分割溝を横断するように形成された、一対の電極層が誘電体層を挟んで対向配置されたコンデンサが設けられており、前記分割溝は、前記コンデンサを前記配線基板領域毎に切断する深さで形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の多数個取り配線基板は、好ましくは、分割溝は、前記絶縁母基板の厚みの２０〜４０％の深さで形成されていることを特徴とするものである。

本発明の多数個取り配線基板は、ガラスセラミックスから成る絶縁母基板の主面に、分割溝で区切られた四角形の配線基板領域が複数縦横に配列形成された多数個取り配線基板において、絶縁母基板の内部に、隣接する配線基板領域にわたって分割溝を横断するように形成された、一対の電極層が誘電体層を挟んで対向配置されたコンデンサが設けられており、分割溝は、コンデンサを配線基板領域毎に切断する深さで形成されていることから、形状の小さい誘電体層からなるコンデンサであっても、隣接する配線基板領域のコンデンサと一体化して塗布形成することが出来るので、コンデンサの誘電体層の厚みばらつきや形状バラツキを抑制することができ、精度の高いものとすることができるとともに、個々の配線基板領域に分割するときの配線基板の端部側面に生じるバリや欠けの発生を抑制することが出来る。

本発明の多数個取り配線基板は、好ましくは、分割溝は、絶縁基板の厚みの２０〜４０％の深さで形成されていることから、焼成後の多数個取り配線基板の分割溝から分割するときの配線基板の端部側面に生じるバリや欠けの発生を抑制することができるとともに、半導体素子等を実装するときの熱や圧力による配線基板の割れの発生を抑制することができる。その結果、多数個取り配線基板の内部に形成したコンデンサの容量値のバラツキを大幅に抑制することができ、実装するときの信頼性の高い多数個取り配線基板を安定して製造することができる。

本発明の多数個取り配線基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の多数個取り配線基板の実施の形態の一例を示す平面図であり、図２は要部拡大断面図である。１は絶縁母基板、２は電極層、３は誘電体層、４は分割溝、５は表面配線層である。

本発明における絶縁母基板１はガラスとセラミック粉末とから成る。このガラスとしては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同じまたは異なっており、Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は上記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。

また、セラミック粉末としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等が挙げられる。

この絶縁母基板１の焼成前の生シートであるガラスセラミックグリーンシートは、ガラス粉末およびセラミック粉末と、有機バインダ、有機溶剤、可塑剤等とを混合してスラリーと成すとともに、そのスラリーを用いてドクターブレード法やカレンダロール法を採用することによってシート状に成形する。

このガラス粉末およびセラミック粉末に添加混合される有機バインダとしては、従来からセラミックグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系（アクリル酸，メタクリル酸またはそれらのエステルの単独重合体または共重合体、具体的にはアクリル酸エステル共重合体,メタクリル酸エステル共重合体,アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等）、ポリビニルブチラール系、ポリビニルアルコール系、アクリル−スチレン系、ポリプロピレンカーボネート系、セルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられる。

ガラスセラミックグリーンシートを成形するためのスラリーに用いられる有機溶剤としては、ガラス粉末、セラミック粉末および有機バインダを分散させ、ガラスセラミックグリーンシート成形に適した粘度のスラリーが得られるように、例えば炭化水素類、エーテル類、エステル類、ケトン類、アルコール類等の有機溶剤が挙げられる。

以上のようにして作製したガラスセラミックグリーンシートに、必要に応じて金型加工等により貫通孔を形成し、この貫通孔にＣｕ等の金属粉末に適当な有機バインダ、溶剤を添加混合した貫通導体用ペーストをスクリーン印刷等により充填して、貫通導体（図示せず）を形成する。

また、ガラスセラミックグリーンシートの表面に、Ｃｕ等の金属粉末に適当な有機バインダ、溶剤を添加混合して成る配線層用ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することで表面配線層５となる表面配線層パターンを形成する。

次に、ガラスセラミックグリーンシートの表面に、Ｃｕ等の金属粉末に適当な有機バインダ、溶剤を添加混合して成る電極層用ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することで電極層２となる電極層パターンを形成する。

電極層用ペーストに用いる金属粉末がＣｕ粉末の場合には、積算５０％粒径が０．８〜１．２μｍで積算１０％粒径が０．５μｍ以上の球状のＣｕ粉末であることが好ましい。Ｃｕ粉末の積算５０％粒径が０．８μｍ未満の場合、ペースト化する際にＣｕ粉末の分散性が劣化しやすく、スクリーン印刷性が劣化する傾向がある。他方、Ｃｕ粉末の積算５０％粒径が１．２μｍを超えると、電極層２の焼結中に誘電体層３の成分が相互拡散しやすく、誘電体層３の焼結性が劣化する傾向がある。また、Ｃｕ粉末の積算１０％粒径が０．５μｍ未満では、微粉末が凝集しやすく、ペースト化する際にＣｕ粉末の分散性が劣化しやすく、スクリーン印刷性が劣化しやすい傾向がある。

なお、積算１０％粒径とは、例えばレーザ式粒度分布測定装置により粒度を測定して、測定した粒径が小さい方から粉末の個数を積算して、その積算した個数が全体の個数の１０％となった時点での粒径であり、積算５０％粒径とは、同様に測定した粒径が小さい方から粉末の個数を積算して、その積算した個数が全体の個数の５０％となった時点での粒径である。

次に、電極層２となる電極層パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートの表面に、チタン酸バリウム粉末に焼結助剤および有機バインダ、溶剤を添加して成る誘電体層用ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することで誘電体層３となる誘電体層パターンを形成する。

この誘電体層用ペーストは、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することができることや、高い比誘電率を有することから、チタン酸バリウム粉末を主成分とするものが好ましい。

また、この誘電体層ペーストに用いるチタン酸バリウム粉末は、平均粒径が０．３μｍ以下であることが好ましい。チタン酸バリウム粉末の平均粒径が０．３μｍを超えると、誘電体層３の焼結性が劣化しやすい傾向がある。また、焼結助剤としては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^１ _２Ｏ系（但し、Ｍ^１はＬｉ，ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１ _２Ｏ系（但し、Ｍ^１は上記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等を用いることができる。

また、この焼結助剤の誘電体層用ペーストへの添加量は、チタン酸バリウム粉末１００質量部に対して、２〜１０質量部であることが好ましい。焼結助剤の添加量が２質量部未満では、チタン酸バリウムが焼結しにくい傾向がる。他方、焼結助剤の添加量が１０質量部を超えると、誘電体層３の誘電率が低下しやすい傾向がある。

次に、誘電体層３となる誘電体層パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートに、電極層２となる電極層パターンを塗布し形成する。この電極層２となる電極層パターンも、先に使用した電極層用ペーストと同じものを用いてスクリーン印刷等により塗布形成することができる。

これにより、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することで、絶縁母基板１の内部にコンデンサが形成されることとなる。このコンデンサは、分割溝４によって横断するように塗布形成されることが好ましい。これにより、小さい容量のコンデンサであっても、電極層パターンや誘電体パターンの塗布面積を大きくすることができることから、誘電体パターンの厚みバラツキや形状のバラツキを抑制することができる。

次に、これらのガラスセラミックグリーンシートを複数枚積み重ねて、３〜２０ＭＰａの圧力および３０〜８０℃の温度で加熱圧着することにより積層体を作製する。この積層体の少なくとも一方の主面に金型やカッター刃等を押圧することにより分割溝４を形成する。この分割溝４は、積層体の内部に形成したコンデンサを所定の寸法に分割するように形成される。また、この分割溝４は、積層体の両主面の対向する位置に形成してもよい。

また、分割溝４は、絶縁母基板１の内部に形成したコンデンサを横断する深さに形成しておくとよい。積層体を焼結してセラミック基板とした後に分割する際、コンデンサを精度よく分割することができる。

さらに、分割溝４は、その深さを絶縁母基板１の厚みの２０〜４０％の深さにすることが好ましい。深さが２０％未満では、絶縁母基板１を分割溝４から分割した時にバリが発生しやすくなる傾向がある。他方、４０％を超えると、焼結後のハンドリングで割れが発生したり、表面配線層５に半導体素子等（図示せず）を実装するときの、熱や圧力により割れが発生しやすくなる傾向がある。

その後、加湿窒素雰囲気中で有機分を除去して、次いで８００〜１０００℃の温度で積層体を焼成することにより、本発明の多数個取り配線基板が得られる。

また、積層体を焼成する際に、ガラスセラミックグリーンシートや誘電体層３が焼結する温度では実質的に焼結収縮しない無機成分、例えばアルミナのセラミックグリーンシートから成る拘束グリーンシートを積層体の両面に積層して焼成するとよく、この拘束グリーンシートによって積層体の焼成時における主面方向の収縮が拘束されることで抑制されるため、コンデンサを内蔵したガラスセラミック配線基板の寸法精度が向上し、コンデンサの容量値のばらつきを小さくすることが可能となる。

このように作製された多数個取り配線基板は、表面配線層５に半導体素子等（図示せず）を実装された後、分割溝４で個々の配線基板領域に分割されることによって使用される。

なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の例では、焼成前の積層体に金型やカッター刃等を押圧することにより分割溝４を形成したが、焼成後の基板にレーザ加工等で分割溝４を形成してもよい。

本発明の多数個取り配線基板の実施例を以下に説明する。

ガラスセラミック成分として、ＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＭｇＯ系ガラス粉末５０質量部と、Ａｌ_２Ｏ_３粉末５０質量部とを混合し、この無機粉末１００質量部に有機バインダとしてのアクリル系樹脂１２質量部、フタル酸系可塑剤６質量部および溶剤としてのトルエン３０質量部を加え、ボールミル法により混合しスラリーとした。このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ２００μｍのガラスセラミックグリーンシートを成形した。

このガラスセラミックグリーンシートに電極層用ペーストをスクリーン印刷法によって２０μｍの厚みに塗布し、７０℃で３０分乾燥して電極層２となる電極層パターンを形成した。このパターンの形状は５×１ｍｍの四角形のパターンとした。電極層用ペーストとしては、Ｃｕ粉末１００質量部に、アクリル樹脂１２質量部と有機溶剤としてのα−テルピネオール２質量部とを加え、攪拌脱泡機により十分に混合した後に３本ロールにて十分に混練したものを用いた。

次に、電極層２となる電極層パターンの上に、誘電体層用ペーストをスクリーン印刷法によって２０μｍの厚みに塗布し、７０℃で３０分乾燥して誘電体層３となる誘電体層パターンを形成した。この誘電体層パターンの形状は５×１ｍｍの四角形のパターンとした。誘電体層用ペーストとしては、チタン酸バリウム粉末１００質量部に対して５質量部のＢ_２Ｏ_３,ＳｉＯ_２，ＣａＯ,ＢａＯ,ＺｎＯを含むガラス粉末の混合物に、アクリル樹脂１２質量部と有機溶剤としてのα−テルピネオール２質量部とを加え、攪拌脱泡機により十分に混合した後に３本ロールにて十分に混練したものを用いた。

次に、誘電体層パターンの上に、上記と同様の電極層用ペーストを２０μｍの厚みに塗布して、電極層２がチタン酸バリウムからなる誘電体層３を挟んで配置されて成るコンデンサが形成されるように構成した。このパターン形状は５×１ｍｍの四角形のパターンとした。

次に、コンデンサとなる部位を形成したガラスセラミックグリーンシートと、コンデンサとなる部位を形成していないガラスセラミックグリーンシートとを積み重ねて、５ＭＰａの圧力と５０℃の温度で加熱圧着して、厚み１ｍｍのガラスセラミックグリーンシートの積層体を作製した。

なお、電極層２は、ガラスセラミックグリーンシートに打ち抜き加工で形成した貫通孔にＣｕペーストを充填して形成した貫通導体によって、それぞれ積層体の表面に電気的に引き出されるようにした。

次に、積層体の表面にカッター刃を押圧することによって、深さ０．３ｍｍで幅が０．２ｍｍの分割溝４を積層体の一方の主面に形成した。この分割溝４の形成位置は、電極層２と誘電体層３とが４．３×１ｍｍのコンデンサと０．５×１ｍｍのコンデンサに分割されるように横断して形成した。

次に、積層体について、加湿窒素場雰囲気中で５００℃で３時間焼成して有機分を除去し、窒素雰囲気中で９００℃で１時間焼成することにより、緻密なガラスセラミック焼結体から成る絶縁母基板１の内部に同時焼成により形成された電極層２と誘電体層３とを配設して成る多数個取り配線基板を作製した。

また、比較例１として、電極層パターンと誘電体層パターンとが４．３×１ｍｍと０．５×１ｍｍとになるように個別にコンデンサを印刷形成した以外は同様に多数個取り配線基板を作製した。比較例２として、分割溝４がコンデンサを横断しないように形成した以外は同様に多数個取り配線基板を作製した。

これらの多数個取り配線基板を、分割溝４で分割することにより、４．３×１ｍｍのコンデンサと０．５×１ｍｍのコンデンサとを内部に有する個々の製品を得た。

そして、得られた個々の製品について、そのコンデンサの電気的な容量を測定した。容量の測定は、測定周波数１ＭＨｚ、測定温度２５℃の条件で、インピーダンス測定器（型式「４２９４Ａプレシジョンインピーダンスアナライザ」、アジレントテクノロジー株式会社製、測定精度±０．０８％）を用いて測定した。

その結果、分割溝４で分割して、電極層２と誘電体層３の大きさが４．３×１ｍｍと０．５×１ｍｍとのコンデンサを内部に形成したサンプル（実施例）は、コンデンサの電気的な容量のバラツキが４．８％であることがわかった。これに対して、電極層２と誘電体層３の大きさが４．３×１ｍｍと０．５×１ｍｍとのコンデンサを、あらかじめ分割して印刷形成したサンプル（比較例１）は、０．５×１ｍｍのコンデンサの誘電体層３の厚みと形状とがばらついて、コンデンサの電気的な容量のバラツキが５３％になっていることがわかった。

また、分割溝４がコンデンサを横断するように形成したサンプル（実施例）は、分割溝４で分割したときに、配線基板の端部側面にはバリと欠けが発生していなかった。これに対して、分割溝４がコンデンサを横断しないように形成したサンプル（比較例２）は、分割溝４で分割したときに、配線基板の端部側面にバリと欠けとが発生していた。

本発明の多数個取り配線基板の実施の形態の一例を示す平面図である。 本発明の多数個取り配線基板の実施の形態の一例を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁母基板
２・・・電極層
３・・・誘電体層
４・・・分割溝
５・・・表面配線層

Claims (2)

1. ガラスセラミックスから成る絶縁母基板の主面に、分割溝で区切られた四角形の配線基板領域が複数縦横に配列形成された多数個取り配線基板において、前記絶縁母基板の内部に、隣接する前記配線基板領域にわたって前記分割溝を横断するように形成された、一対の電極層が誘電体層を挟んで対向配置されたコンデンサが設けられており、前記分割溝は、前記コンデンサを前記配線基板領域毎に切断する深さで形成されていることを特徴とする多数個取り配線基板。
2. 前記分割溝は、前記絶縁母基板の厚みの２０〜４０％の深さで形成されていることを特徴とする請求項１記載の多数個取り配線基板。

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