JP2005294356A - 積層セラミック基板の製造方法及び積層セラミック基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に銀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において、電極層のマイグレーションによる短絡の不良の発生を低減する。
【解決手段】 焼成後の基板において誘電体層を挟み対向する電極層の対向面積が少なくとも一部の電極層で０．４ｍｍ2以下となるように、電極層を誘電体層の上に形成してセラミックグリーンシートを作製し積層する工程と、焼成後の基板における誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘが基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下であり、かつ誘電体層の焼結密度が実質的に一定となる範囲内の温度で、グリーンシートを焼成する工程とを備えることを特徴としている。
【選択図】 図１
【解決手段】 焼成後の基板において誘電体層を挟み対向する電極層の対向面積が少なくとも一部の電極層で０．４ｍｍ2以下となるように、電極層を誘電体層の上に形成してセラミックグリーンシートを作製し積層する工程と、焼成後の基板における誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘが基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下であり、かつ誘電体層の焼結密度が実質的に一定となる範囲内の温度で、グリーンシートを焼成する工程とを備え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の製造方法及び積層セラミック基板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、配線導体が被着されている絶縁基板表面の表面粗さＲａを０．２μｍ〜０．７μｍに規定しているが、これは絶縁基板と配線導体との接合を３次元的で強固なものにするためである。
特許文献３においては、ガラスセラミックからなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面または内部に形成された配線回路層とを有する配線基板において、絶縁基板の表面に形成される配線回路層の、絶縁基板と接しない側の表面粗さＲｚを１μｍ〜８μｍとすることにより、拘束シートによって収縮を抑制しながら焼成する際の拘束性を均一にすることが提案されている。
特開平１１−４９５３１号公報
特開平８−２８８６４３号公報
特開２００１−３３９１６６号公報
本発明の目的は、銀からなる電極層のマイグレーションによる短絡不良の発生を低減することができる積層セラミック基板の製造方法及び該製造方法により得られる積層セラミック基板を提供することにある。
本発明は、ガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、銀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、焼成後の基板において誘電体層を挟み対向する電極層の対向面積が少なくとも一部の電極層で０．４ｍｍ2以下となるように、電極層を誘電体層の上に形成してセラミックグリーンシートを作製し積層する工程と、焼成後の基板における誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘが基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下であり、かつ誘電体層の焼結密度が実質的に一定となる範囲内の温度で、グリーンシートを焼成する工程とを備えることを特徴としている。
本発明の発明者らは、焼成後の積層セラミック基板において、誘電体層を挟み対向する電極層の対向面積が０．４ｍｍ2以下になると、電極層における銀のマイグレーションが生じやすくなることを見い出した。また、焼成後の積層セラミック基板において、誘電体層と電極層の界面の凹凸の表面粗さＲｍａｘが基準長さ１００μｍ当たり６μｍより大きくなると、電極層における銀のマイグレーションが生じやすくなることを見い出した。また、この界面の凹凸の粗さＲｍａｘは、グリーンシートを焼成する際の温度、湿度、Ａｇペーストの粘度等に依存することを見い出した。すなわち、本発明によれば、セラミックグリーンシートを積層して焼成する際の温度、湿度、あるいは電極となるＡｇペーストの粘度を制御することにより、焼成後の基板における誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘを基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下にすることができる。このため、電極層の対向面積が０．４ｍｍ2以下である積層セラミック基板において、マイグレーションの発生を有効に防止することができる。
従って、本発明の製造方法によれば、銀からなる電極層のマイグレーションによる短絡不良の発生を低減す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。
本発明において、誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ０６０１）に規定される表面粗さＲｍａｘに対応するものである。すなわち、界面の凹凸の粗さ曲線の中心線と平行でありかつ凹凸部の頂点（凸部）と接する線と、界面の凹凸の粗さ曲線の中心線と平行でありかつ凹凸部の底点（凹部）と接する線との垂直距離である。
また、本発明において、誘電体層の焼結密度が実質的に一定となる範囲内の温度とは、誘電体層の焼結密度の温度変化による変動が、±２％以内となる範囲内の温度である。誘電体層の焼結密度は一般に焼成温度の上昇とともに高くなり、ある温度以上でほぼ一定になる。本発明においては、このように焼結密度がほぼ一定となる温度以上の温度で焼成する。
また、本発明においては、焼成後の基板において電極層の対向面積が少なくとも一部の電極層で０．４ｍｍ2以下となるように、電極層が形成されている。このように規定しているのは、対向面積が０．４ｍｍ2以下である電極層において、マイグレーションが生じやすいからである。本発明に従い、誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘを基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下にすることにより、対向面積が０．４ｍｍ2以下の電極層においてもマイグレーションの発生が防止できる。
本発明における誘電体層の厚みは、特に限定されるものではないが、一般には焼成後の厚みで２０μｍ〜７０μｍ程度であることが好ましい。また、本発明において、電極層の厚みは特に限定されるものではないが、焼成後の基板において、５μｍ〜１０μｍの範囲内が一般的である。
本発明の積層セラミック基板は、ガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、銀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セラミック基板であり、誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘが基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下であり、かつ誘電体層を挟み対向する電極層の対向面積が少なくとも一部の電極層で０．４ｍｍ2以下であることを特徴としている。
本発明に従えば、電極層の対向面積が０．４ｍｍ2以下であっても、電極層のマイグレーションの発生を防止することができ、短絡不良の発生を防止することができる。なお、電極層の対向面積が０．４ｍｍ2以下である領域と、それ以外の電極層の領域において、誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘが異なる場合には、対向面積が０．４ｍｍ2以下の電極層の領域において、界面の凹凸の粗さＲｍａｘが基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下であればよい。
本発明によれば、銀からなる電極層のマイグレーションによる短絡不良の発生を低減することができる。
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。
図６は、本発明に従う一実施例の積層セラミック基板を示す断面図である。図７は、従来の積層セラミック基板の一例を示す断面図である。図６及び図７に示すように、誘電体層２と電極層３の間には界面４が形成される。図６に示す本発明に従う積層セラミック基板においては、この界面４の凹凸が小さくなっており、凹凸の粗さＲｍａｘは基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下となる。これに対し、図７に示すように、従来のセラミック基板においては、界面の凹凸が大きくなっており、凹凸の粗さＲｍａｘは基準長さ１００μｍ当たり６μｍより大きな値となっている。
図８は、誘電体層２と電極層３の界面４の凹凸の粗さＲｍａｘを説明するための断面図である。まず、界面の凹凸４を横切る中心線１１を定める。中心線１１は、中心線１１より上方の凸部の面積と、中心線１１より下方の凹部の面積が同一になるように定められる。そして、この中心線１１と平行で、かつ凹凸４の頂点（凸部）４ａを通る線１２と、凹凸４の底点（凹部）４ｂを通る線１３とを定める。本発明における凹凸の粗さＲｍａｘは、このようにして定めた線１２と線１３の間の垂直距離である。なお、測定対象となる界面の凹凸４は、平面方向の長さ１００μｍを基準として定められる。
本発明において、誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘは、上記の通り定められるものであるが、具体的には、積層セラミックの断面の金属顕微鏡写真等を撮影し、写真から測定することができる。
図９は、積層セラミック基板の断面の金属顕微鏡写真を示している。この金属顕微鏡写真から、誘電体層２と電極層３の界面４の凹凸を、基準長さ１００μｍの領域でトレースする。
次に、図１０に示すように、トレースした凹凸曲線４に対し、図８を参照して説明したように、中心線１１を定め、次に凹凸４の頂点４ａを通る１２と、凹凸４の底点４ｂを通る線１３を定め、線１２と線１３の垂直距離を測定し、Ｒｍａｘとする。
図１１は、電極層の対向面積を説明するための斜視図である。図１１に示すように、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ている。この電極層３ａと電極層３ｂの重なり部分３ｃの面積が対向面積である。
（実施例１）
アルミナ及びホウケイ酸ガラスからなるガラスセラミック材料を用いて、グリーンシートを形成し、このグリーンシートの上に銀からなる配線パターンを、スクリーン印刷法で形成した。このセラミックグリーンシートを図２に示すように積層して、所定の温度で焼成し、積層セラミック基板を形成した。誘電体層のガラスセラミック材料としては、Ａｌ2Ｏ3４４〜５２重量％、ＳｉＯ2３３〜４０重量％、ＣａＯ８．０〜１３．０重量％、及びＫ2Ｏ１．０〜３．０重量％の組成のものを用いた。また、焼成後の基板における誘電体層の平均厚みは３０μｍであり、電極層の平均厚みは１０μｍであった。
アルミナ及びホウケイ酸ガラスからなるガラスセラミック材料を用いて、グリーンシートを形成し、このグリーンシートの上に銀からなる配線パターンを、スクリーン印刷法で形成した。このセラミックグリーンシートを図２に示すように積層して、所定の温度で焼成し、積層セラミック基板を形成した。誘電体層のガラスセラミック材料としては、Ａｌ2Ｏ3４４〜５２重量％、ＳｉＯ2３３〜４０重量％、ＣａＯ８．０〜１３．０重量％、及びＫ2Ｏ１．０〜３．０重量％の組成のものを用いた。また、焼成後の基板における誘電体層の平均厚みは３０μｍであり、電極層の平均厚みは１０μｍであった。
上記ガラスセラミック材料は、一般に焼成温度として８８０℃が推奨されている材料である。本実施例においては、８８０℃、８６０℃、８５０℃、８４０℃、８２０℃、及び８００℃の温度で焼成した。これらをサンプルＡ〜Ｆとした。
焼成後のサンプルＡ〜Ｆについて、誘電体層と電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘを、上述のように、積層セラミック基板の断面の金属顕微鏡写真を撮影し、この金属顕微鏡写真を用いて測定した。
また、焼結密度の比ΔＤを測定した。ΔＤは、以下の式に従い求めた値である。
ΔＤ＝Ｄ２／Ｄ１
（ここで、Ｄ１は、標準焼成温度８８０℃（結晶化度が２５％となる焼成温度）における焼結密度であり、Ｄ２は各サンプルの焼結密度である。）ここで、結晶化度は、使用するガラスセラミック材料のガラス成分とセラミック成分であるアルミナとのＸ線回折におけるメインピークの強度比Ｉ（ガラス）／Ｉ（アルミナ）で示される値である。
（ここで、Ｄ１は、標準焼成温度８８０℃（結晶化度が２５％となる焼成温度）における焼結密度であり、Ｄ２は各サンプルの焼結密度である。）ここで、結晶化度は、使用するガラスセラミック材料のガラス成分とセラミック成分であるアルミナとのＸ線回折におけるメインピークの強度比Ｉ（ガラス）／Ｉ（アルミナ）で示される値である。
なお、各サンプルの焼結密度Ｄ１及びＤ２は、同じ焼成条件で焼成を行ったガラスセラミック材料の直方体のサンプルを作製し、このサンプルの体積と重量を測定し、重量／体積を算出して求めた。
標準焼成温度８８０℃におけるこのガラスセラミック材料の焼結密度Ｄは、約２．９ｇ／ｃｍ2であった。
また、焼成後の積層セラミック基板の電極の対向面積が０．４ｍｍ2以下の領域についてマイグレーションによる短絡不良を評価した。
界面の粗さＲｍａｘとマイグレーションについては、以下のようにして評価した。
サンプルを、作製条件毎のバッチに分け、各バッチから１個以上のサンプルを抽出して、その断面を観察した。断面は、ガラスセラミック層を介して対向する電極部が露出するように、所定の位置を切断加工または研磨加工することにより作製した。
断面観察によりＡｇ電極の界面のＲｍａｘを算出するとともに、当該サンプルを抽出したロットのマイグレーション発生率を、（短絡が観察されたサンプル数）／（検査サンプル数）で算出した。なお、マイグレーションは、積層セラミック内のターゲットとなる２個の対向電極にスルーホールを介してそれぞれ電気的に接続された２個の表層の端子間の抵抗をテスター等により測定し、短絡の有無を検知した。
電極の界面のＲｍａｘは、積層セラミック基板の作製条件、例えば、焼成時の雰囲気、配線印刷用Ａｇペーストの粘度、焼成温度等によって制御することができる。
サンプルＧ〜Ｉは、焼成時の湿度、及びＡｇペーストの粘度の影響を評価するため作製したものである。サンプルＧにおいては、湿度２０％以下で焼成した。サンプルＨにおいては、粘度が２５０ＰａｓのＡｇペーストを用いた。
各サンプルについて、以上のようにして測定した結果を表１に示す。また、各サンプルについての焼成温度と界面の粗さＲｍａｘ及びΔＤとの関係を図１に示す。
表１及び図１から明らかなように、焼成温度が８２０℃以上になると、焼結密度がほぼ一定となることがわかる。また、焼結密度がほぼ一定である８２０℃〜８８０℃の範囲において、焼成温度が高くなると、界面の凹凸の粗さＲｍａｘが大きくなっていることがわかる。また、界面の凹凸の粗さＲｍａｘを６．０μｍ以下とすることにより、マイグレーションの発生が抑制されることがわかる。従って、本実施例においては、８２０℃〜８６０℃の範囲内で焼成することにより、Ｒｍａｘを６．０μｍ以下にすることができ、マイグレーションの発生を抑制できることがわかる。
サンプルＧとサンプルＩの比較から明らかなように、湿度を２０％以下としたサンプルＧにおいては、電極界面のＲｍａｘが増大し、これに伴いマイグレーションも増加している。これは、２０％以下の低い湿度で焼成を行うと、電極間の静電チャージ増大による放電により、Ａｇが移動し、電極界面の凹凸が大きくなったことによるものと思われる。従って、焼成時の湿度を高くすることにより、Ｒｍａｘを６．０μｍ以下に制御できることがわかる。
また、サンプルＨとサンプルＩの比較から明らかなように、Ａｇペーストの粘度を低くすると、電極界面のＲｍａｘが増大し、マイグレーションも増加することがわかる。これは、配線印刷時のＡｇペーストの粘度を下げると、グリーンシート内へのＡｇペーストの浸食が増大して、電極界面の凹凸が大きくなることによるものと思われる。従って、Ａｇペーストの粘度を高くすることにより、Ｒｍａｘを６．０μｍ以下にできることがわかる。
（実施例２）
電極層の対向面積及び対向距離が、表２に示すような値となる部分を有する積層セラミック基板を、上記実施例１と同様にして作製した。焼成温度は８８０℃及び８５０℃とした。なお、配線印刷時に用いたＡｇペーストの粘度は３２０Ｐａｓであり、焼成の際の湿度は６０％である。
電極層の対向面積及び対向距離が、表２に示すような値となる部分を有する積層セラミック基板を、上記実施例１と同様にして作製した。焼成温度は８８０℃及び８５０℃とした。なお、配線印刷時に用いたＡｇペーストの粘度は３２０Ｐａｓであり、焼成の際の湿度は６０％である。
焼成温度８８０℃の基板及び焼成温度８５０℃の基板における各電極層の対向部分におけるマイグレーションの発生を上記実施例１と同様にして評価し、その結果を表２に示した。
表２に示す結果から明らかなように、従来の焼成温度８８０℃で焼成した積層セラミック基板においては、０．４ｍｍ2以下の対向面積の部分において、マイグレーションが発生している。これに対し、本発明に従い８５０℃で焼成した積層セラミック基板においては、０．４ｍｍ2以下の対向面積の部分においても、マイグレーションが発生していない。
本発明に従えば、対向面積０．４ｍｍ2以下の領域であっても、マイグレーションの発生を低減することができる。従って、本発明によれば、積層セラミック基板の小型化及び高密度化を図ることができる。
上記実施例においては、アルミナをセラミック成分として含有するガラスセラミック材料を用いたが、本発明はこのような組成のガラスセラミック材料に限定されるものではなく、例えば、酸化チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム等の酸化物をセラミック成分として含有してもよい。また、ガラス成分としては、種々の組成のホウケイ酸ガラス、亜鉛系ガラス、ビスマス系ガラス、長石系ガラス、コージェライト系ガラス、ディオプサイド系ガラスなどを用いることができる。
１…積層セラミック基板
２…誘電体層
３，３ａ，３ｂ…電極層
４…誘電体層と電極層の界面の凹凸
４ａ…誘電体層と電極層の界面の凹凸の頂点
４ｂ…誘電体層と電極層の界面の凹凸の底点
２…誘電体層
３，３ａ，３ｂ…電極層
４…誘電体層と電極層の界面の凹凸
４ａ…誘電体層と電極層の界面の凹凸の頂点
４ｂ…誘電体層と電極層の界面の凹凸の底点
Claims (3)
- ガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、銀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、
焼成後の基板において前記誘電体層を挟み対向する前記電極層の対向面積が少なくとも一部の電極層で０．４ｍｍ2以下となるように、前記電極層を前記誘電体層の上に形成して前記セラミックグリーンシートを作製し積層する工程と、
焼成後の基板における前記誘電体層と前記電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘが基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下であり、かつ前記誘電体層の焼結密度が実質的に一定となる範囲内の温度で、前記グリーンシートを焼成する工程とを備えることを特徴とする積層セラミック基板の製造方法。 - 請求項１に記載の方法により製造されたことを特徴とする積層セラミック基板。
- ガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、銀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、
前記誘電体層と前記電極層の界面の凹凸の粗さＲｍａｘが基準長さ１００μｍ当たり６μｍ以下であり、かつ前記誘電体層を挟み対向する前記電極層の対向面積が少なくとも一部の電極層で０．４ｍｍ2以下であることを特徴とする積層セラミック基板。
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