JP2005286127A - 積層セラミック基板及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減させることができる積層セラミック基板及びその製造方法を得る。
【解決手段】 少なくともSi及びCaを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Agからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより得られる積層セラミック基板であり、焼成後の誘電体層がアノーサイト(CaAl2Si28)結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが84nm以下であることを特徴としている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、携帯電話などの移動体通信端末等に用いられる積層セラミック基板及びその製造方法に関するものである。
近年普及している携帯電話などの移動体通信機器及び携帯通信端末においては、その小型化への要求から、これらに使用される高周波回路部品の小型化及び高性能化が求められている。
高周波回路基板においては、従来のプリント基板にコンデンサやインダクタを表面実装したモジュールに代えて、誘電体セラミック基板にコンデンサやインダクタのパターンの配線を形成して積層し、小型化したものが用いられるようになってきている。
積層セラミック基板は、一般にスクリーン印刷法等で所定の配線パターンを形成したガラスセラミック等のグリーンシートを積層し、これを900℃程度の温度で焼成して作製されている。配線パターンの材料としては、導電率が高く、かつ大気中で焼成することができる銀(Ag)が多く用いられている。
しかしながら、銀はマイグレーション現象を生じやすく、誘電体層を挟み対向する銀配線の電極間で短絡不良が発生しやすいという問題があった。
特許文献1においては、誘電体層のガラスセラミック材料中のガラス成分にCuOを含有させることにより、焼成の際にAgのイオン化を抑制し、ガラスセラミック中にAgが拡散するのを抑制している。
特許文献2においては、アノーサイト結晶相を含有する低温焼成セラミック基板が開示されているが、アノーサイト結晶相に関し、Agのマイグレーションとの関係は何ら記載されていない。
特開平11−49531号公報 特許第2501740号
本発明の目的は、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀(Ag)のマイグレーションの発生を低減させることができる積層セラミック基板及びその製造方法を提供することにある。
本発明の積層セラミック基板は、少なくともSi及びCaを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Agからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより得られる積層セラミック基板であり、焼成後の誘電体層がアノーサイト(CaAl2Si28)結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが84nm以下であることを特徴としている。
本発明に従い、焼成後の誘電体層におけるアノーサイト結晶相の結晶粒サイズを、84nm以下とすることにより、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減させることができる。
アノーサイト結晶相の結晶粒サイズを84nm以下とすることにより、銀のマイグレーションの発生を低減させることができる理由の詳細については明らかでないが、以下のように推測される。
すなわち、ガラスが結晶化すると、非晶質部分が減少して、この非晶質部分に溶出したAgが凝集し易くなる。また、Agは結晶粒の外周に沿って移動するため、結晶粒が大きくなると、凝集したAgが、増大した結晶粒の外周に沿って移動し、マイグレーションが発生し易くなるものと思われる。本発明に従い結晶粒サイズを84nm以下とすることにより、非晶質部分に溶出したAgの凝集を抑制し、また結晶粒サイズを小さくすることにより、マイグレーションの発生を低減できるものと思われる。また、積層セラミック基板の機械的強度はアノーサイト結晶相の結晶粒サイズが小さくなっても低下しないことがわかった。
従って、本発明によれば、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減することができる。
本発明におけるガラスセラミック材料中のガラスは、少なくともSi及びCaを含むものであればよいが、好ましくはホウケイ酸ガラスが用いられる。
また、本発明におけるガラスセラミック材料にはアルミナがセラミック成分として含まれているが、アルミナ以外のセラミック成分が含まれていてもよい。
ガラス成分の組成としては、例えば、CaO5重量%〜30重量%、SiO230重量%〜95重量%、MgO0重量%〜20重量%、ZnO0重量%〜15重量%、B230重量%〜40重量%、Li2O0重量%〜5重量%、K2O0重量%〜10重量%、Al230重量%〜10重量%の組成が挙げられる。
本発明におけるガラスセラミック材料中のガラス成分とアルミナ成分との配合比は、ガラス30重量%〜60重量%、アルミナ70重量%〜40重量%程度であることが好ましい。
本発明におけるアノーサイト結晶相の結晶粒サイズ(結晶粒径)は、Scherrerの式に従い、以下のようにして求めることができる。
(i)X線回折により観測される、28.1°のピーク半値幅を以下の(1)式により補正して積分幅を求める。
β(度)=28.1°のピーク半値幅−(−0.0017×28.1+0.2298)…(1)
(ii)以下の式(2)に、式(1)で算出したβの値を挿入し、結晶粒径を算出する。
結晶粒径(nm)=λ/(βcosθ)…(2)
式(2)において、λはX線の波長(0.15405nm)である。
本発明の積層セラミック基板の製造方法は、少なくともSi及びCaを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Agからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより積層セラミック基板を製造する方法であり、焼成後の誘電体層がアノーサイト(CaAl2Si28)結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが84nm以下となるように焼成することを特徴としている。
本発明の製造方法によれば、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減させることができる積層セラミック基板を製造することができる。
本発明の製造方法に従う具体的な製造方法としては、例えば、以下の2つの焼成方法が挙げられる。
第1の焼成方法は、焼成における最高温度が820℃〜865℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間を1時間以上2時間以内、さらに好ましくは、焼成における最高温度が840℃〜865℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間を1.5時間以上2時間以内とする方法である。
第2の焼成方法は、焼成における最高温度が850℃〜900℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間を40分以内、さらに好ましくは、焼成における最高温度が860℃〜880℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間を40分以内とする方法である。この第2の焼成方法において最高温度からの冷却速は250℃/時間以上であることが好ましい。
本発明によれば、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減させることができる。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
図2及び図3は、本発明の積層セラミック基板の一実施例を示す分解斜視図及び斜視図である。図2に示すように、誘電体層2の上には銀からなる電極層3が形成されている。このような誘電体層2を積層し焼成することにより、図3に示すような積層セラミック基板1が得られる。積層セラミック基板1には、電極層3の配線パターンに従って、その内部にインダクタやコンデンサが形成される。
図4は、このような積層セラミック基板の部分切欠斜視図である。図4に示すように、このような積層セラミック基板1においては、誘電体層2を挟み、電極層3aと電極層3bが対向して配置される。
図5は、電極層のマイグレーションを説明するための断面図である。誘電体層2を挟み対向するように設けられた電極層3a及び3bにおいて、電圧が印加されることにより、電極層3a及び3b中の銀が誘電体層2内に拡散し、マイグレーション10が発生する。マイグレーション10が、対向する電極層またはそこから発生したマイグレーション部分と接触すると、電極層3a及び3b間で短絡が発生する。
(実施例)
Caを含むホウケイ酸非晶質ガラスとアルミナとの配合割合が重量比で(30〜60):(70〜40)である低温焼成型ガラスセラミック材料を用いて、セラミックグリーンシートを作製した。ガラスセラミック材料の組成は、Al2344重量%〜52重量%、SiO233重量%〜40重量%、CaO8.0重量%〜13.0重量%、B231.0重量%〜15.0重量%である。誘電体層の厚みを約50μmとし、誘電体層の上にAgからなる電極層を厚み約20μmとなるように形成してセラミックグリーンシートとした。
このセラミックグリーンシートを用いて、図2及び図3に示す積層セラミック基板を作製した。焼成条件としては、表1及び図10に示す焼成プロファイルA1〜A3及びB〜Eで行った。
Figure 2005286127
図11〜図17は、各焼成プロファイルを別個に示したものであり、図11はA1、図12はA2、図13はA3、図14はB、図15はC、図16はD、図17はEの焼成プロファイルを示している。
焼成プロファイルA1〜A3で得られた積層セラミック基板の誘電体層のX線回折(XRD)チャートを図6〜図8に示す。図6は、最高焼成温度840℃である焼成プロファイルA3で得られた誘電体層に対応しており、図7は、最高焼成温度860℃である焼成プロファイルA1で得られた誘電体層に対応しており、図8は、最高焼成温度880℃である焼成プロファイルA2で得られた誘電体層に対応している。図6〜図8から明らかなように、最高焼成温度が高くなるほど、アノーサイトの結晶ピークが高くなっている。
各焼成プロファイルで得られた誘電体層について、上記の式(1)及び(2)により、結晶粒径を測定し、結果を表2に示した。
また、各焼成プロファイルで得られた積層セラミック基板について、JIS規格 R1601(ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法)に従い、抗折強度を測定し、測定結果を表2及び図9に示した。
また、各焼成プロファイルで得られた積層セラミック基板についてマイグレーションによる不良発生率を測定し、測定結果を表2及び図1に示した。
なお、マイグレーションによる不良発生率は、以下のようにして測定した。
2つの電極間の電気抵抗をテスターで測定し、同じ条件にて焼成したセラミック基板のうち短絡不良が発生した個数の割合をマイグレーション不良発生率とした。
マイグレーション不良率(%)=短絡不良が発生したセラミック基板の個数/同条件で焼成したセラミック基板の個数×100
Figure 2005286127
図1及び表2に示す結果から明らかなように、結晶粒径が84nm以下になると、マイグレーションによる不良発生率は10%以下になる。また、結晶粒径が78nm以下になると、マイグレーションによる不良発生率は5%以下になり、結晶粒径が60nm以下になるとマイグレーションによる不良発生率は1%以下に低減される。従って、アノーサイトの結晶粒径は、1nm〜84nmの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは1nm〜78nmの範囲であり、特に好ましくは1nm〜60nmの範囲であることがわかる。
また、図9及び表2に示す結果から明らかなように、結晶粒径と抗折強度には相関関係がなく、結晶粒径を84nm以下にしても、機械的強度が保たれることがわかる。
結晶粒径を84nm以下にすることができる焼成プロファイルは、表2から明らかなように、A1、A3、B、D及びEである。
焼成プロファイルA1においては、焼成における最高温度が860℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が約1.6時間である。また、焼成プロファイルA3においては、焼成における最高温度が840℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が約1.7時間である。これらのことから、結晶粒径を84nm以下にする第1の焼成方法として、焼成における最高温度が820℃〜865℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が1時間以上2時間以内である方法が挙げられる。
焼成プロファイルBにおいては、焼成における最高温度が860℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が約1.6時間である。焼成プロファイルDにおいては、焼成における最高温度が860℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が約10分である。焼成プロファイルEにおいては、焼成における最高温度が860℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が約40分である。
これらの焼成プロファイルから結晶粒径を84nm以下にする第2の焼成方法として、焼成における最高温度が850℃〜900℃の範囲内であり、最高到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が40分以内である方法が挙げられる。第2の焼成方法において、最高温度からの冷却速度は250℃/時間以上であることが好ましい。
結晶粒径とマイグレーションによる不良発生率との関係を示す図。 本発明に従う積層セラミック基板の一実施例を示す分解斜視図。 本発明に従う積層セラミック基板の一実施例を示す斜視図。 本発明に従う積層セラミック基板の一実施例を示す部分切欠斜視図。 マイグレーションの発生を説明するための断面図。 焼成プロファイルA3により得られた誘電体層のX線回折チャート。 焼成プロファイルA1により得られた誘電体層のX線回折チャート。 焼成プロファイルA2により得られた誘電体層のX線回折チャート。 結晶粒径と抗折強度との関係を示す図。 焼成プロファイルA1〜A3及びB〜Eを示す図。 焼成プロファイルA1を示す図。 焼成プロファイルA2を示す図。 焼成プロファイルA3を示す図。 焼成プロファイルBを示す図。 焼成プロファイルCを示す図。 焼成プロファイルDを示す図。 焼成プロファイルEを示す図。
符号の説明
1…積層セラミック基板
2…誘電体層
3,3a,3b…電極層
10…マイグレーション発生部分

Claims (6)

  1. 少なくともSi及びCaを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Agからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより得られる積層セラミック基板であって、
    焼成後の前記誘電体層がアノーサイト(CaAl2Si28)結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが84nm以下であることを特徴とする積層セラミック基板。
  2. 前記ガラスがホウケイ酸ガラスであることを特徴とする請求項1に記載の積層セラミック基板。
  3. 少なくともSi及びCaを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Agからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより積層セラミック基板を製造する方法であって、
    焼成後の前記誘電体層がアノーサイト(CaAl2Si28)結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが84nm以下となるように焼成することを特徴とする積層セラミック基板の製造方法。
  4. 焼成における最高温度が820℃〜865℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が1時間以上2時間以内であることを特徴とする請求項3に記載の積層セラミック基板の製造方法。
  5. 焼成における最高温度が850℃〜900℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス50℃までの温度保持時間が40分以内であることを特徴とする請求項3に記載の積層セラミック基板の製造方法。
  6. 最高温度からの冷却速度が250℃/時間以上であることを特徴とする請求項5に記載の積層セラミック基板の製造方法。
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