JP2005347405A - 積層型セラミック電子部品の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】平坦性が改善されたセラミック多層回路基板を備えた積層型セラミック電子部品を製造することができる、積層型セラミック電子部品の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック原料粉末100重量部に対して樹脂成分が16〜20重量部であり、樹脂成分中のバインダ/可塑剤の比が2〜3であるセラミックグリーンシート52a〜52cが用意される。セラミックグリーンシート52a〜52cには、キャビティ形成用貫通孔52b、52cなどが形成される。セラミックグリーンシート52a〜52cを積層することによって、キャビティ52を有する多層ブロック50が形成される。多層ブロック50を100〜200MPaでプレスすることによって、積層体が形成される。積層体を焼成することによって、キャビティ14を有するセラミック多層回路基板12が形成される。セラミック多層回路基板12には、IC20や電子部品素子30が実装される。
【選択図】図6

Description

この発明は積層型セラミック電子部品の製造方法に関し、特にたとえばICなどが実装されるキャビティを有するセラミック多層回路基板を備えた積層型セラミック電子部品を製造する積層型セラミック電子部品の製造方法に関する。
この発明の背景となる従来のセラミック多層回路基板としては、その一方主面側に多段のキャビティが形成されたものがある。このキャビティは、その内部に、ICを実装するとともに、そのICの外部電極とそのキャビティの段差部に形成された導体パターンとを電気的に接続するワイヤボンディング用のワイヤを配置するためのものである。また、セラミック多層回路基板においてキャビティが形成された側の面とは反対側の面は、その面に各導体パターンが形成され、チップ型の電子部品素子の実装面となっている。
このようなセラミック多層回路基板においてキャビティの底部にあたる部分は、基板本体の中でも最も薄くなる部分であり、それだけ歪みや反り等の変形が生じやすくなっている。これは、セラミック多層回路基板を形成するためのセラミックグリーンシートを積層した多層ブロックのプレス時や多層ブロックの焼成時における変形に起因する各種の不良の原因となっていた。
このような多層ブロックのプレス時にキャビティの底部にあたる部分に不所望な変形が生じることを防止するために、セラミック多層回路基板を形成するセラミックグリーンシートを構成する材料と同じがほぼ同じ塑性変形曲線を有する材料からなる媒体を、多層ブロックにおいてセラミック多層回路基板のキャビティとなる部分に充填し、多層ブロックとともに媒体をプレスするという方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平7−193163号公報
しかしながら、特許文献1に開示されている方法では、多層ブロックのプレス時における変形は防止できるものの、多層ブロックの焼成時における収縮ばらつきまでは抑えることができない。そのため、特許文献1に開示されている方法だけでは、図12に示すように、セラミック多層回路基板1の平面サイズがたとえば10mm×10mmで最大厚みがたとえば800μmの場合に、多段のキャビティ2の底部3に結果的にたとえば80μm程度のうねりが生じ、セラミック多層回路基板1の平坦性が十分ではない場合があった。それによって、図13に示すように、セラミック多層回路基板1の実装面側では、チップ型の電子部品素子4の実装不良(オープン・ショート不良)が生じ、セラミック多層回路基板1のキャビティ形成面側では、キャビティ2の底部3が盛り上がるように変形した場合に、キャビティ2の内部に実装されたIC5に接続されているワイヤボンディング用のワイヤ6が、キャビティ2の内部に充填されている封止樹脂からなる封止材7から露出するという不良が生じる。これらの不良は、全体の3〜5%程度生じていた。また、このような不良によって、電子部品素子やICなどの高額な部品のロスとなり、ロスが大きかった。
それゆえに、この発明の主たる目的は、平坦性が改善されたセラミック多層回路基板を備えた積層型セラミック電子部品を製造することができる、積層型セラミック電子部品の製造方法を提供することである。
この発明にかかる積層型セラミック電子部品の製造方法は、セラミック原料粉末100重量部に対して樹脂成分が16〜20重量部であり、樹脂成分中のバインダ/可塑剤の比が2〜3であるセラミックグリーンシートを用意する工程と、セラミックグリーンシートに所定の導体パターンを形成する工程と、セラミックグリーンシートを積層し100〜200MPaのプレス圧でプレスすることによって積層体を得る工程と、積層体を焼成する工程とを備える、積層型セラミック電子部品の製造方法である。
この発明にかかる積層型セラミック電子部品の製造方法は、セラミック多層回路基板の基板本体を構成するセラミックグリーンシートのセラミック原料粉末と樹脂成分との比、およびその樹脂成分におけるバインダと可塑剤との比を所定の比率に設定し、かつ、セラミックグリーンシートを積層した多層ブロックを所定値以上のプレス圧でプレスして積層体とすることによって、積層体の焼成時におけるセラミック多層回路基板の収縮率を略一定に保つことができることを見出したことに基づいて発明されたものである。
この発明によれば、平坦性が改善されたセラミック多層回路基板を備えた積層型セラミック電子部品を製造することができる。そのため、この発明は、キャビティを有するセラミック多層回路基板を備えた積層型セラミック電子部品の製造方法に適用する際に非常に効果的である。
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。
図1はこの発明が適用される積層型セラミック電子部品の一例を示す図解図である。図1に示す積層型セラミック電子部品10は、セラミック多層回路基板12を含む。セラミック多層回路基板12は、セラミックからなる板状の基板本体14を含む。基板本体14の一方主面側には、多段のキャビティ16が形成されている。また、基板本体14のキャビティ16を規定する内面、基板本体14の他方主面、および基板本体14の内部には、導体パターン(図示せず)が、それぞれ基板本体14の主面と平行に形成されている。さらに、基板本体14には、それを貫通する方向に、所定のビアホール(図示せず)が所定の導体パターンに接続されるように形成されている。
セラミック多層回路基板12の一方主面側のキャビテイ16の内部には、IC20が実装される。この場合、IC20は、キャビティ16の底部に接着され、IC20の外部電極(図示せず)は、キャビティ16の内面の導体パターンに、ワイヤ22を用いたワイヤボンディングによって電気的に接続される。それによって、IC20は、セラミック多層回路基板12の内部のビアホールなどを介して、セラミック多層回路基板12の内部の導体パターン等に電気的に接続される。
セラミック多層回路基板12のキャビティ16の内部には、たとえばエポキシ樹脂などの封止樹脂からなる封止材24が充填される。この封止材24によって、キャビティ16の内部のIC20およびワイヤ22は覆われ、キャビティ16は封止される。
セラミック多層回路基板12の他方主面には、チップ型の電子部品素子30が実装される。この場合、電子部品素子30の外部電極(図示せず)は、基板本体14の他方主面の導体パターンに電気的に接続される。それによって、電子部品素子30は、セラミック多層回路基板12の内部のビアホールなどを介して、セラミック多層回路基板12の内部の導体パターンやIC20に電気的に接続される。
次に、図1に示す積層型セラミック電子部品10の製造方法について説明する。
(実施例1)
まず、セラミックグリーンシートが作製される。セラミックグリーンシートは、B、AlおよびSiを主成分元素とする低温焼結用セラミック原料粉末を含むとともに、その低温焼結用セラミック原料粉末100重量部に対して樹脂成分を18重量部含む。また、その樹脂成分は、ポリビニルブチラール系バインダと可塑剤(DOP)とを2.43:1の比で含む。
上述のセラミックグリーンシートの所定の位置にビアホール形成用貫通孔やキャビティ形成用貫通孔が形成された後に、セラミックグリーンシートの表面の所定の位置に導体ペーストを付与するとともにビアホール形成用貫通孔に導体ペーストを充填することによって、所定の導体パターンおよびビアホールが形成される。
そして、図2に示すように、所定のセラミックグリーンシート50a、50bおよび50cが金型100の内部で積層されることによって、板状の多層ブロック50が形成される。多層ブロック50には、セラミック多層回路基板12のキャビティ16に対応した多段のキャビティ52が形成される。この場合、セラミックグリーンシート50aにはキャビティ形成用貫通孔は形成されていないが、セラミックグリーンシート50bには小さいキャビティ形成用貫通孔52bが形成され、さらにセラミックグリーンシート50cにはキャビティ形成用貫通孔52bより大きいキャビティ形成用貫通孔52cが形成されていて、これらのキャビティ形成用貫通孔52bおよび52cによってキャビティ52が形成される。
それから、図3に示すように、多層ブロック50は、金型100とともに、たとえば合成樹脂からなる第1の袋102の中に入れられ、第1の袋102で真空パックされる。
その後、図4に示すように、多層ブロック50のキャビテイ52の内面に沿って第1の袋102を変形させた状態で、多層ブロック50のキャビテイ52の内部には、セラミックグリーンシート50a、50bおよび50cを構成する材料と同じかほぼ同じ塑性変形曲線を有する弾性体からなる媒体104が充填される。
そして、図5に示すように、多層ブロック50、金型100、袋102および媒体104は、たとえば合成樹脂からなる第2の袋106の中に入れられ、第2の袋106で再び真空パックされる。
次に、第2の袋106で真空パックされた多層ブロック50などの構造物は、静水圧プレス装置の水槽内に入れられ、水槽内の水が加圧されることにより、図6の矢印で示すように、たとえば176MPaの静水圧が付与される。それによって、多層ブロック50から積層体が作製される。この場合、多層ブロック50は、キャビティ52の部分においては媒体104を介してプレスされるので、キャビティ52の部分が不所望に変形することが抑制される。
そして、第2の袋106、第1の袋102および金型100から取り出された積層体を焼成することによって、セラミック多層回路基板12が作製される。この場合、セラミック多層回路基板12の基板本体14を構成するセラミックグリーンシート50a、50b、50cのセラミック原料粉末と樹脂成分との比、およびその樹脂成分におけるバインダと可塑剤との比を所定の比率に設定し、かつ、セラミックグリーンシート50a、50b、50cを積層した多層ブロック50を所定値以上のプレス圧でプレスして積層体としているので、積層体の焼成時におけるセラミック多層回路基板12の収縮率を略一定に保つことができる。
それから、セラミック多層回路基板12のキャビティ16の内部にIC20が実装され、IC20の外部電極がワイヤボンディング用のワイヤ22でキャビティ16の内面の導体パターンに電気的に接続された後、キャビティ16が封止材24で封止される。
次に、セラミック多層回路基板12の他方主面に電子部品素子30が実装され、それによって、多層型セラミック電子部品10が製造される。
実施例1の製造方法で製造された多層型セラミック電子部品10では、セラミック多層回路基板12の平坦性が良好であった。そのため、この多層型セラミック電子部品10の電気的特性を測定して実装面側の電子部品素子30の実装不良の有無を評価したところ、不良はなかった。さらに、この多層型セラミック電子部品10では、キャビティ形成面側の封止材24からのワイヤボンディング用のワイヤ22の露出について確認したところ、不良はなかった。
図7のグラフには、実施例1と比べて樹脂成分を15重量部にしプレス圧を70MPa〜100MPaにした従来例1および実施例1を含むプレス圧とセラミック多層回路基板12の収縮率との関係を示し、図8のグラフには、従来例1および実施例1を含むプレス圧とセラミック多層回路基板12の表面の平坦性との関係を示した。なお、図7および図8のグラフには、IC20や電子部品素子30を実装する前のセラミック多層回路基板12についての関係を示した。
多層型セラミック電子部品10のセラミック多層回路基板12の表面の平坦性について、実施例1と比べて樹脂成分を15重量部にしプレス圧を70MPa〜100MPaにした従来例1では、約80μm程度であったのに対して、実施例1では、約20μm程度にまで改善できた。
これは、従来例1と比べて樹脂成分の量およびプレス圧を特定の範囲内で限定した実施例1では、積層体の段階での密度をサチレート(飽和)させることが可能となったためである。
また、実施例1では、セラミックグリーンシート50a、50b、50cよりも焼結温度が高い収縮抑制層グリーンシートを挟むことなしにセラミックグリーンシート50a、50b、50cの積層などによって、部品実装面のうねりが小さなセラミック多層回路基板12を備えた多層型セラミック電子部品10を得ることができた。
これも、実施例1では、樹脂成分の量およびプレス圧を限定し、積層体の段階での密度をサチレートさせることが可能となったためである。
さらに、実施例1では、キャビティ16の端部にひびの発生がないセラミック多層回路基板12を備えた多層型セラミック電子部品10が得られた。
これは、200MPaを超えるプレス圧では、プレス時の歪みによりセラミック多層回路基板にひびが発生する場合があるが、実施例1では、樹脂成分の量を限定するとともに、ひびの発生がないプレス圧に限定しているからである。
また、実施例1では、積層体でのいわゆるエアかみ(セラミックグリーンシート間に外部の空気がかみ込まれてしまうこと)による一体化不良を指すノンラミネーションや焼結体でのデラミネーションのない、セラミック多層回路基板12を備えた多層型セラミック電子部品10が得られた。
これは、実施例1では、樹脂成分のバインダ/可塑剤の比を限定することで、セラミックグリーンシートの密着性(密着力)および通気性の双方を両立させることができ、密着不足および圧着時のエアかみを抑制できたためである。
図9のグラフには、バインダ/可塑剤の比とセラミックグリーンシートの密着性および通気性との関係について示す。
図9のグラフでは、密着性は、積層体を4.5mm×3.2mmにカットし、引張り試験をしたときの強度であり、デラミネーションの発生との関係から、25N以下のものを不良品とし、25Nを超えるものを良品とした。結果的に、バインダ/可塑剤の比が2/1未満のときのものについては、密着性の不足によるデラミネーションが発生した。
また、図9のグラフでは、通気性は、150mm×150mmのセラミックグリーンシートを全面吸引した時の差圧であり、ノンラミネーションの発生との関係から、49kPa以下のものを良品とし、49kPaを超えるものを不良品とした。結果的に、バインダ/可塑剤の比が3/1を超えるものについては、通気性が足りないことによるエアかみ(ノンラミネーションの原因)が発生した。
さらに、実施例1では、セラミック原料粉末およびセラミックグリーンシートの製造ロット、アイテムの形状(サイズ、導電ペーストの形状、ビアホールの数)によらず、プレス圧固定のもと、焼成後のセラミック多層回路基板12の寸法精度が、従来例の約±1.0%に比べて、約1/5の約±0.2%に改善できた。
これは、実施例1では、樹脂成分の量およびプレス圧を限定し、積層体の段階での密着をサチレートさせることが可能となったためである。
図10のグラフは、従来例による原料およびアイテムとセラミック多層回路基板の収縮率との関係を示し、図11のグラフは、実施例1による原料およびアイテムとセラミック多層回路基板の収縮率との関係を示す。
なお、図10および図11のグラフ中、原料1〜3はセラミック原料の製造ロットが異なり、アイテム1〜3はセラミック多層回路基板の平面サイズが10mm×10mm、6.5mm×6.5mm、3.5mm×3.5mmの順に異なることを示す。
また、図10および図11のグラフ中、同一のセラミック原料の製造ロットおよび同一のアイテム内で複数のデータがあるのは、セラミックグリーンシートの製造ロットあるいは加工ロットが異なることを示す。
上述の実施例1では積層体をプレスするプレス圧が176MPaであるが、そのプレス圧を100MPa〜200MPaの範囲内で変更しても、実施例1による効果と同様の効果を奏する。
(実施例2)
実施例2では、実施例1と比べて、特に、セラミック原料粉末100重量部に対して樹脂成分を16〜20重量部の範囲としたセラミックグリーンシートを用いて、多層型セラミック電子部品10を製造した。実施例2でも、実施例1と同様の効果を奏する。
実施例2を含むように、実施例1の多層セラミック電子部品10の製造方法において、セラミック原料粉末100重量部に対する樹脂成分の添加量を14重量部〜22重量部に変更して、積層体を焼成した場合に、積層体の収縮率がサチレートしたかどうか(積層体サチレート)、セラミックグリーンシートへのビアホールおよび導電ペーストの形成時の加工性がよいかどうかなど(シート加工性)、セラミックグリーンシートの密着性がよいかどうか(シート密着性)、積層体の寸法が安定であるかどうか(積層体寸法)、および積層体の焼成時の脱脂性(脱バインダ性)がよいかどうか(焼成時脱脂性)について調べた。それらの結果を表1に示す。
Figure 2005347405
表1に示す結果より、この発明の範囲外、特に樹脂成分の添加量が15重量部以下であると、ビアホールおよび導電ペーストの形成時にセラミックグリーンシートにひびが入るばかりでなく、セラミックグリーンシートの圧着時の密着不足となり、また、焼成時の収縮率および基板の平坦性が200MPaまでのプレス圧範囲ではサチレートしない(たとえば図7および図8参照)。
また、この発明の範囲外、特に樹脂成分の添加量が21重量部以上であると、ビアホールおよび導電ペーストの形成時ないし積重/圧着時にセラミックグリーンシートないし積層体の伸びが大きくなることで基板の寸法精度が悪化するばかりでなく、焼成時の脱バインダ不足による残カーボン量の増加により基板強度の劣化要因となる。
それに対して、この発明の範囲内、すなわち樹脂成分の添加量が16重量部〜20重量部であると、表1に「○」で示すように、積層体がサチレートし、セラミックグリーンシートのシート加工性やシート密着性、積層体寸法、および焼成時脱脂性について、良好な結果が得られる。
(実施例3)
実施例3では、実施例1と比べて、特に、樹脂成分のポリビニルブチラール系バインダと可塑剤(DOP)とを2:1〜3:1の範囲としたセラミックグリーンシートを用いて、多層型セラミック電子部品10を製造した。実施例3でも、実施例1と同様の効果を奏する。
なお、ポリビニルブチラール系バインダの添加量が可塑剤の3倍を超えると、セラミックグリーンシートの通気性が低下するため、圧着時にセラミックグリーンシート間のエアがかみ込み抜けなくなることでノンラミネーションの要因となる(たとえば図9参照)。
一方、ポリビニルブチラール系バインダの添加量が可塑剤の2倍を下回ると、セラミックグリーンシート間の密着力が低下し、圧着後の積層体のハンドリング時および焼成時に層間が剥がれることでデラミネーションの要因となる(たとえば図9参照)。
(実験例1)
実験例1では、実施例1の多層型セラミック電子部品10の製造方法において、樹脂成分量を15重量部〜21重量部に変更し、バインダ/可塑剤の比を1.8〜3.2に変更して、積層体の特性や焼結された基板の特性を調べた。その結果を表2に示す。
Figure 2005347405
表2に示す結果より、この発明の範囲外、特に試料番号1のように樹脂成分が15重量部では、積層体の密着強度が弱く、特に試料番号5のように樹脂成分が21重量部では、焼結された基板の寸法ばらつきが大きかった。なお、密着強度は、図9のグラフに示す密着性と同様に、積層体を4.5mm×3.2mmにカットし、引張り試験をしたときの強度であり、デラミネーションの発生との関係から、25N以下のものを弱いものとした。
また、表2に示す結果より、この発明の範囲外、特に試料番号6のようにバインダ/可塑剤の比が1.8では、積層体の密着強度が弱く、焼結された基板にデラミネーションを起こし、特に試料番号9のようにバインダ/可塑剤の比が3.2では、積層体の通気性が悪く、焼結された基板にノンラミネーションを起こした。なお。通気性は、図9のグラフに示す通気性と同様に、150mm×150mmのセラミックグリーンシートを全面吸引した時の差圧であり、ノンラミネーションの発生との関係から、49kPaを超えるものを悪いものとした。
それに対して、この発明の範囲内、すなわち試料番号2〜4、7、8のように樹脂成分が16重量〜20重量であるとともにバインダ/可塑剤の比が2.0〜3.0では、積層体の特性や焼結された基板の特性が良好であった。
(実験例2)
実験例2では、実施例1の多層型セラミック電子部品10の製造方法において、セラミックグリーンシートおよびプレス圧を変更して、積層体の特性や焼結された基板の特性を調べた。その結果を表3に示す。
Figure 2005347405
表3に示す結果より、この発明の範囲外、特に試料番号10および11に示すようにプレス圧が80MPa以下では、焼結された基板の平坦性や収縮率差が大きい。また、試料番号19に示すようにプレス圧が220MPa以上では、設備的に高圧すぎて適さないだけでなく、多層ブロックあるいは弾性体に負荷がかかりすぎてひび等の欠陥が入るというような不具合が生じる場合がある。
また、表3に示す結果より、この発明の範囲外、特に試料番号20〜29のようにセラミックグリーンシートとして実験例2の試料番号1のセラミックグリーンシートを用いた場合では、焼結された基板の平坦性や収縮率差が大きかった。
それに対して、この発明の範囲内、すなわち試料番号12〜18のようにセラミックグリーンシートとして実験例2の試料番号3のセラミックグリーンシートを用いるとともにプレス圧が100MPa〜200MPaでは、積層体の特性や焼結された基板の特性が良好であった。
なお、上述の実施例1などにおいては、多層型セラミック電子部品のキャビティの内部にICが実装されているが、この発明は、キャビティの内部にICとともに他の電子部品素子が実装された多層型セラミック電子部品やキャビティの内部にIC以外の電子部品素子が実装された多層型セラミック電子部品など他の多層型セラミック電子部品にも適用され得る。
また、多層ブロックをプレスして積層体を作製するためには、上述の実施例1などにおいては、多層ブロックに水による静水圧プレスを付与しているが、この発明では、静水圧プレスの代わりに剛体による剛体プレスを多層ブロックに付与してもよい。
さらに、上述の実施例1などにおいては、多層ブロックをプレスする際に多層ブロックのキャビティの内部に弾性体からなる媒体が充填されているが、この発明では、そのような媒体は、必要に応じて用いられればよく、必ずしも用いられなければならないわけではない。
この発明にかかる積層型セラミック電子部品の製造方法は、たとえばICなどが実装されるキャビティを有するセラミック多層回路基板を備えた積層型セラミック電子部品に適用できる。
この発明が適用される積層型セラミック電子部品の一例を示す図解図である。 図1に示す積層型セラミック電子部品のセラミック多層回路基板を形成するための多層ブロックが金型に入れられた状態を示す図解図である。 図2に示す多層ブロックおよび金型が第1の袋の中に入れられ、第1の袋で真空パックされた状態を示す図解図である。 図3に示す状態で多層ブロックのキャビティの内部に媒体が充填された状態を示す図解図である。 図4に示す多層ブロックなどの構造物が第2の袋の中に入れられ、第2の袋で真空パックされた状態を示す図解図である。 図5に示す状態で多層ブロックなどの構造物に静水圧が付与されている状態を示す図解図である。 従来例1および実施例1を含むプレス圧とセラミック多層回路基板の収縮率との関係を示すグラフである。 従来例1および実施例1を含むプレス圧とセラミック多層回路基板の表面の平坦性との関係を示すグラフである。 バインダ/可塑剤の比とセラミックグリーンシートの密着性および通気性との関係を示すグラフである。 従来例による原料およびアイテムとセラミック多層回路基板の収縮率との関係を示すグラフである。 実施例1による原料およびアイテムとセラミック多層回路基板の収縮率との関係を示すグラフである。 従来の方法で作製されたセラミック多層回路基板の一例を示す図解図である。 図12に示すセラミック多層回路基板にICなどを実装した多層型セラミック電子部品を示す図解図である。
符号の説明
10 積層型セラミック電子部品
12 セラミック多層回路基板
14 基板本体
16 キャビティ
20 IC
22 ワイヤ
24 封止材
30 電子部品素子
50 多層ブロック
50a、50b、50c セラミックグリーンシート
52 キャビティ
52b、52c キャビティ形成用貫通孔
100 金型
102 第1の袋
104 媒体
106 第2の袋

Claims (1)

  1. セラミック原料粉末100重量部に対して樹脂成分が16〜20重量部であり、前記樹脂成分中のバインダ/可塑剤の比が2〜3であるセラミックグリーンシートを用意する工程、
    前記セラミックグリーンシートに所定の導体パターンを形成する工程、
    前記セラミックグリーンシートを積層し100〜200MPaのプレス圧でプレスすることによって積層体を得る工程、および
    前記積層体を焼成する工程を備える、積層型セラミック電子部品の製造方法。
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