JP2005534606A - セラミック基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、結合剤除去工程と焼結工程とを、その間に多層基板を冷却することなしに、直接連続して実施するセラミック多層基板の製造方法に関する。それにより、亀裂形成の危険が回避される利点が達成される。本発明の有利な実施態様の場合には、結合剤除去工程の一部を不活性雰囲気中で実施し、その際、この雰囲気を引き続き空気に置き換える。その際に同時に、この温度を、結合剤除去工程の最低温度を下回らない値にまで低下させ、結合剤の有機成分の急速な酸化及び急激なＣＯ_２発生を防止する。

Description

本発明は、積層する複数の層のスタックを有するセラミック基板の製造方法に関する。

スタックの層は、それぞれ未焼結のセラミック材料及び結合剤を有し、かつ一緒になって基体を形成し、この基体は結合剤除去されかつ焼結される。

例えば、室炉内で基体の脱炭を実施する方法が公知であり、この基体は脱炭のために適した温度で長時間にわたり加熱される。引き続き、室温に冷却された基体を室炉から取り出し、他の既に脱炭された基体と一緒に、コンベアーベルトを備えたコンベアーベルト輸送可能な焼結炉に供給される。この焼結は、脱炭のように長期間行われないため、この場合に連続的プロセスの使用が考慮される。

この公知の方法は、層にスルーホール接続部が設けられている場合に、多様な誘電率を有しかつ一般に多様な熱膨張係数を有する多様なセラミック材料から多層基板を製造することには適していないという欠点を有する。このような多層基板の製造の際に、通常金属含有ペーストから作成されるスルーホール接続部と、この貫通部を形成するセラミック層の周囲との間に頻繁に亀裂が生じることが確認された。

従って、本発明の課題は、亀裂形成の危険が回避されているセラミック多層基板の製造方法を提供することである。

前記の課題は、請求項１記載の方法により解決される。この方法の有利な実施態様は他の請求項に記載されている。

第１の工程において基体を準備する、セラミック基板の製造方法が記載されている。前記の基体は、積層する層のスタックを有する。この積層する層は、それぞれ、なお結合剤を含有する未焼結のセラミック材料からなる。この基体は、垂直方向の導電性の貫通部を有し、この貫通部はそれぞれ複数の層の少なくとも１層を貫通している。次の工程で、これらの層は有利に不活性雰囲気中で（窒素含有雰囲気中で）結合剤を除去され、この結合剤除去の間に、最低温度が保持される。引き続く工程でこの基体を焼結し、その際、この焼結は前記の結合剤除去の最低温度よりも高い温度で行われる。結合剤除去の最低温度は、結合剤除去する材料の組成に依存する。この最後に挙げた両方の方法工程の全体の期間の間、基体の温度Ｔは、結合剤除去の最低温度Ｔ_Ｅ１を下回らないように保持される。

結合剤除去も、焼結も、本発明の場合には１つの同じ炉中で実施される。このことは、セラミック基体が室温にまで冷却されることを回避する。更に、この方法は、炉の交換を行わないために簡単である。

この方法は、結合剤除去と焼結との間で、基体が室温に冷却されることが回避されるという利点を有する。結合剤除去と焼結との間に基体が室温に冷却されることは、つまり導電性の貫通部とその周囲の層とが異なる熱膨張係数のために亀裂を生じるという危険を生じさせる。この方法に基づき、室温への冷却は回避され、それにより亀裂形成の危険も回避することができる。この基体は、亀裂形成の危険を有効に回避するために、焼結後に初めて、つまりセラミック材料が既に十分な強度を有する段階で初めて冷却される。

結合剤除去とは、有機成分、特に溶剤及び結合剤を層から蒸発させるのに適したプロセスであると解釈される。

この方法工程の結合剤除去及び焼結は空気雰囲気中で実施することができる。結合剤除去及び焼結を不活性雰囲気中で実施することも可能である。他の方法は、例えば有機成分の酸化速度を制御するために、結合剤除去の間の炉中の雰囲気を置き換えることにある。酸化速度を制御する付加的な方法は、炉の温度プログラムを相応して調節し、その際、温度変化の方向及び速度を合目的に変化させる。例えばこの温度を数時間の間一定に保持するか又は低下させ、その際、しかしながらそのときの温度はどの時点でも結合剤除去の最低温度を上回っている。

結合剤除去は、本発明の場合に、温度領域Ｔ_Ｅ１−Ｔ_Ｅ３（Ｔ_Ｅ１＜Ｔ_Ｅ３）で実施され、その際、この温度は本発明の実施態様において、Ｔ_Ｅ１からＴ_Ｅ３へほぼ単調に高めることができる。

本発明の有利な実施態様の場合には、この温度はまず有利にＴ_Ｅ１をＴ_Ｅ２（Ｔ_Ｅ１＜Ｔ_Ｅ２＜Ｔ_Ｅ３）に単調に高める。この工程は、有利に不活性雰囲気中で行い、その際、溶剤及び結合剤の不所望な酸化は意図的に（一時的に）減少もしくは抑制することができる。

引き続き炉中の雰囲気を空気雰囲気に置き換える。比較的高い温度＞Ｔ_Ｅ２で炉雰囲気を置き換える場合には、有機成分の酸化が迅速に行われ、かつその際に生じる二酸化炭素が層から急激に発生する危険が生じる。層から二酸化炭素が急速に発生することを抑制するために、有利に、雰囲気の置き換えと同時に又はその直前に、基体の温度ＴをＴ_Ｅ１≦Ｔ_Ｅ１'＜Ｔ_Ｅ２（有利にほぼＴ_Ｅ１）の値にまで低下させることができる。引き続き、この温度を単調に結合剤除去の最終温度Ｔ_Ｅ３にまで高めるのが有利である。

引き続き、この温度を、少なくとも全ての層の焼結に必要な値にまで更に高めることが行われる。焼結の後に初めて、基体もしくは多層基板は炉中で室温に冷却され、炉から取り出される。

基体を室温に冷却することは、セラミック層の強度が既に十分である段階に初めて行われ、亀裂形成の危険は回避される。

層間には有利に構造化されたメタライジング平面が設けられていて、このメタライジング平面は、垂直方向の電気的貫通部と同様に金属含有ペーストを用いて作成されていてもよい。

有利に、積層する層のスタックとして、セラミック材料を有する層が、それぞれ金属含有ペーストで充填されている穿孔部を有するスタックを用いることができる。これは、上下に配置された金属平面間の導電性の接続は、簡単な方法で製造できるという利点を有する。

未焼結のセラミック材料を有する層（これは通常ではグリーンシートとも言われる）は、スタックの形成の前に既に穿孔部が設けられていてもよい。これは、例えば打ち抜きによって作成されることができる。打ち抜き後に、この穿孔部を金属ペーストで充填する。その後に初めて、このグリーンシートを相互に積層し、ラミネートすることにより基体が製造される。

有利には、金属含有ペーストとして、貴金属、例えば銀及びパラジウムを含有するペーストを使用することができる。

更に、このスタック中で積層する層の材料が異なり、かつスタック中で少なくとも２種の異なるセラミック材料が含まれる場合が有利である。例えば、スタックの内部にあるグリーンシートについて、約ε＝２０の誘電率を有するセラミック材料を使用することが考慮される。それにより、高容量のキャパシタを有するセラミック基板の製造が達成される。更に、積層する層のスタックの最上の層及び最下の層は、例えばε＝８の低誘電率を有するセラミック材料を用いて製造されるのが有利である。

更に、次の原則に従った材料を選択するのが有利である：
基体中に含まれる第１のセラミック材料は、温度Ｔ_Ｓ１で焼結し始める。基体中に含まれる第２のセラミック材料は、温度Ｔ_Ｓ３で焼結し始める。更に、基体中に含まれる金属含有ペーストは温度Ｔ_Ｓ２で焼結し始める。更に、次の条件：Ｔ_Ｓ１＜Ｔ_Ｓ２＜Ｔ_Ｓ３が通用する。緻密に焼結された基体を得るために、有利に焼結温度Ｔ_Ｓ３を上回る温度で焼結される。

低い誘電率を有するセラミック材料の誘電率ε_１について、有利に次の条件：７≦ε＜８．５が通用する。

更に、高い誘電率を有するセラミック材料の誘電率ε_２について、次の条件：１８≦ε≦２２が通用する。

最上の層の上、最下の層の下及び積層する層の間には、それぞれ構造化されたメタライジング平面が設けられていてもよく、このメタライジング平面は金属ペーストから作成される。貫通部は、メタライジング平面間の垂直方向の電気的接続部である。

次に、本発明を実施例及びそれに所属する図面を用いて詳細に説明する。

図１は、例示的な、本発明による方法の実施の間の温度曲線を示すグラフであり、この場合に時間に関して温度がプロットされている。

図２は、例示的な、本発明による方法により製造された基板の断面図を示す。

図１は、セラミック基板の本発明による製造方法を適用するための例示的な温度プロフィールを示す。１つ又は複数の基体は、室温に始まり、３時間の間に、温度Ｔ_Ｅ１（結合剤除去の開始）にまで加熱される。この温度Ｔ_Ｅ１は、図１からの実施例の場合にはＴ_Ｅ１＝２００℃である。この温度は結合剤除去の間に下回らないことが好ましい温度である。温度をＴ_Ｅ１にまで高めることは、空気雰囲気中で又は他の不活性な雰囲気中で行うことができる。

この温度からは、有機成分の大部分が除去され始める。従って、この温度は有利に不活性雰囲気中で及び均一でかつゆっくりと（例えば約１３時間）Ｔ_Ｅ２の値にまで高められる。この方法の更なる進行において、炉は本発明の実施態様の場合に、空気雰囲気に置き換えられ、かつその場合にこの温度はまずＴ_Ｅ１≦Ｔ＜Ｔ_Ｅ２の値に低下される。この種の温度低下なしでは、急激なデクレピテーションが生じ、このデクレピテーションはセラミック基体の損傷から破壊までを引き起こしかねない。

炉の雰囲気を空気雰囲気に置き換えた後に、脱炭プロセスが行われる。基体のこの温度は、温度Ｔ_Ｅ３に高められ、この温度は約４５０℃であり、かつ約１時間一定に保持される。ここで、基体の最後の有機成分も除去される。引き続き、脱炭が完了する。このセラミック基体は、その結果傾斜状に焼結温度Ｔ_Ｓ１に加熱され、この温度で第１のセラミック材料からなる層２が焼結し始める。

図１からの例示的な温度プロフィールに対して、図２によるセラミック基板が考慮される。このセラミック基板は、基体１を有し、この基体は積層する層２，３のスタック１ａを有する。この積層する層２，３は、未焼結のセラミック材料を有し、この未焼結のセラミック材料はそれ自体付加的に有機成分、例えば溶剤及び結合剤を含有する。この場合に、層２は有利に、焼結後に約８の誘電率ε_１を有するように構成される。２つの層２の間には、第２のセラミック材料からなる他の層３（又は第２のセラミック材料からなる少なくとも１つの部分層）が存在する。この第２のセラミック材料は、ε_１とは異なる誘電率ε_２を有するセラミック材料（有利にいわゆるＫ２０材料）である。このＫ２０材料は、誘電率ε_２が約２０であるセラミック材料である。更に、これらの層２，３中には垂直方向の穿孔部が形成され、この穿孔部は金属含有ペーストで充填されていて、導電性の貫通部４を形成する。唯一の層の層３中には、内部電極６が配置されていて、キャパシタが形成される。このキャパシタは、基体１の上側の電気的デバイス５と導電性に接続されている。

層２及び３中のもしくは導電性の貫通部４中の材料の焼結温度は、層２のセラミック材料の焼結温度Ｔ_Ｓ１に対して、層３のセラミック材料の焼結温度Ｔ_Ｓ３に対して、並びに金属含有ペーストの焼結温度Ｔ_Ｓ２に対して、次の条件：Ｔ_Ｓ１＜Ｔ_Ｓ２＜Ｔ_Ｓ３が通用する。図１によると、温度について次の条件が通用する：
Ｔ_Ｓ１＝６２５℃
Ｔ_Ｓ３＝７００℃。

このことから、４０時間の長時間にわたり上昇する傾斜の後に、６２５℃の温度に達し、この温度で第１のセラミック材料が焼結し始める。この温度は約２時間一定に保持され、引き続き急速にＴ_Ｓ≧Ｔ_Ｓ３、例えばＴ_Ｓ＝９００℃の値に高められる。従って、セラミック基体の層２，３が緻密に焼結する温度に達する。同時に、つまりＴ_Ｓ１からＴ_Ｓへの温度上昇の間に、焼結温度Ｔ_Ｓ３を有する第２のセラミック材料からなる層３並びに金属貫通部及び内部メタライジング部は焼結し始める。この温度は、０．２５時間保持され、緻密な焼結されたセラミック基体が得られる。

基体の全ての層及び材料が焼結された後に初めて、図１では温度はゆっくりと室温にまで下げられる。

第１のセラミック材料からなる層の少なくとも１つは、第２のセラミック材料からなる層の少なくとも１つと層の結合を形成し、この場合に、有利に複数のこのような層の結合が形成され、かつこの場合に、構造化されたメタライジング平面はそれぞれ層の結合の間に設けられる。

本発明は、Ｋ８材料もしくはＫ２０材料を有する基板の製造に限定されるものではなく、スルーホール接続部もしくは導電性の貫通部を有するあらゆる種類のセラミック基板に適用可能である。

本発明による方法の実施の間の温度曲線を示すグラフ セラミック基板の本発明による製造方法を適用するための温度プロフィール

符号の説明

１ 基体、 １ａ スタック、 ２ 層、 ３ 層、 ４ 貫通部、 ５ 電気的デバイス、 ６ 内部電極、 Ｔ_Ｅ１ 結合剤除去の最低温度、 Ｔ_Ｅ２ 不活性雰囲気中での結合剤除去の最高温度、 Ｔ_Ｅ３ 結合剤除去の最高温度、 Ｔ_Ｓ１ 第１のセラミック層の焼結開始温度、 Ｔ_Ｓ２ 金属含有ペーストの焼結開始温度、 Ｔ_Ｓ３ 第１のセラミック層の焼結開始温度、 Ｔ_Ｓ 基体の焼結温度、 Ｔ 温度、 ｔ 時間

Claims (13)

1. 次の工程
   ａ） それぞれ未焼結のセラミック材料と結合剤とを有する積層する層（２，３）のスタック（１ａ）を有する基体（１）を準備する工程、その際、層（２，３）中にはそれぞれ導電性の貫通部（４）が設けられている、
   ｂ） 温度区間Ｔ_Ｅ１−Ｔ_Ｅ３で層（２，３）を結合剤除去する工程、その際、Ｔ_Ｅ１は結合剤除去の最低温度であり、Ｔ_Ｅ３＞Ｔ_Ｅ１である、
   ｃ） 温度Ｔ_Ｓ≧Ｔ_Ｅ３で層（２，３）を緻密に焼結させる工程を有し、
   その際、方法工程ｂ）及びｃ）は１つの同じ炉中で実施され、基体（１）の温度Ｔは、方法工程ｂ）の開始から方法工程ｃ）の完了までの全体の期間の間に、結合剤除去の最低温度Ｔ_Ｅ１を下回らないように保持される、
   セラミック基板の製造方法。
2. 方法工程ａ）の前に、積層する層（２，３）内に穿孔部を作成し、かつそれぞれの穿孔部を金属含有ペーストで充填する、請求項１記載の方法。
3. 銀又は銀−パラジウムを含有する金属含有ペーストを使用する、請求項２記載の方法。
4. 少なくとも２つの積層する層（２，３）が異なるセラミック材料からなる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 第１の層を第１のセラミック材料から準備し、その上に置かれる第２の層（２，３）を第２のセラミック材料から準備し、第１のセラミック材料は温度Ｔ_Ｓ１で焼結し始め、かつ第２のセラミック材料は温度Ｔ_Ｓ３で焼結し始め、金属含有ペーストは温度Ｔ_Ｓ２で焼結し始め、その際に次の条件：Ｔ_Ｓ１＜Ｔ_Ｓ２＜Ｔ_Ｓ３が当てはまる、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 第１のセラミック材料は、焼結された状態で誘電率ε_１を有し、その際に次の条件：７≦ε_１≦８．５が当てはまるように選択され、かつ第２のセラミック材料は、焼結された状態で誘電率ε_２を有し、その際に次の条件：１８≦ε_２≦２２が当てはまるように選択される、請求項５記載の方法。
7. 積層する層（２，３）の間に構造化されたメタライジング平面が設けられ、このメタライジング平面は金属含有ペーストから作成されている、請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 第１のセラミック材料からなる層の少なくとも１つは、第２のセラミック材料からなる層の少なくとも１つと層の結合を形成し、その際に複数のこのような層の結合が形成され、その際に構造化されたメタライジング平面はそれぞれ層の結合の間に作成される、請求項６記載の方法。
9. 方法工程ｂ）及びｃ）が不活性雰囲気中で実施される、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 方法工程ｂ）及びｃ）が空気雰囲気中で実施される、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
11. 方法工程ｂ）の間に、炉中の雰囲気を不活性雰囲気から空気雰囲気に置き換える、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
12. 方法工程ｂ）において、最初に結合剤除去の第１の部分を温度区間Ｔ_Ｅ１−Ｔ_Ｅ２で単調な温度上昇で実施し、その際、Ｔ_Ｅ１＜Ｔ_Ｅ２＜Ｔ_Ｅ３であり、引き続き温度ＴをＴ_Ｅ１'の値に低下させ、その際Ｔ_Ｅ１≦Ｔ_Ｅ１'＜Ｔ_Ｅ２であり、引き続き温度ＴをＴ_Ｅ３の値に単調に上昇させる、請求項１１記載の方法。
13. 結合剤除去の第１の部分を不活性雰囲気中で実施し、炉中のこの雰囲気を、温度ＴをＴ_Ｅ１≦Ｔ_Ｅ１'＜Ｔ_Ｅ２の値に低下させると同時に、空気雰囲気に置き換える、請求項１２記載の方法。

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