JP2006108529A

JP2006108529A - セラミックス多層基板およびその製造方法

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Publication number: JP2006108529A
Application number: JP2004295762A
Authority: JP
Inventors: Isao Touchi; 功登内
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】反りの小さいセラミックス多層基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】内部の複数の層に配線パターンを形成したセラミックス多層基板において、積層中央から上部にある基板上面が凹に反る場合は、積層中央から下部にある下面側の製品部分の外周部にダミーパターンを設ける。また、基板上面が凸に反る場合には、同様なダミーパターンを上面側に設ける。このように配線パターンとダミーパターンの設置方法を反りに応じて変えることで、基板の反り量を自由に制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、セラミックス多層基板およびその製造方法に関し、特に、低温焼成セラミック多層配線基板およびその製造方法に関するものである。

電子機器の小型化に伴い、高密度配線や高実装密度が可能な基板としてセラミック基板が用いられている。一般的に、基板内部に複数層の配線パターンを形成したセラミック多層配線基板の製造の際、グリーンシート表面の工程上取り扱いのために設ける周辺部を除いた部分に配線パターンを印刷する。また、上下の配線パターンを接続するためのビアを設け、これらのグリーンシートを積層して、必要に応じてハーフカットでスナップラインを設けて焼成する。

焼成後の工程、特に部品搭載等のため、焼成後の基板は平坦であることが望ましい。しかし、ビア導体、配線導体と素体に使われるセラミック材料は、熱収縮挙動、熱膨張率、焼成時の反応の違い、また、配線導体、ビア導体等の上下非対称性等により、例えば、図１２の（ａ）に示すように、セッター１０１上にある基板１００が上面に凹に、または、（ｂ）に示すように、基板１００が下面に凹のいずれかに大きく反ってしまう。

このような反りを防止する方法として、例えば、特許文献１〜３等に記載された技術があり、これらの文献では、図１３に示すように、外周部にダミーパターンを設けている。より具体的には、特許文献１に記載の方法では、表面に配線パターンが形成されたグリーンシート内の少なくとも一枚のグリーンシートに、上述したスナップラインを挟んで配線パターンの反対側のグリーンシート表面にダミーパターンを形成している。また、特許文献１では、少なくとも一枚のグリーンシートの配線パターンとスナップラインの位置の間に、さらに他のダミーパターンを形成する。

一方、特許文献２に記載の方法は、グリーンシートに形成した配線パターンと配線領域以外の部分に形成した非配線パターンを形成して、基板のほぼ全体を導体パターンで占めることで、基板の変形やそりをなくしている。また、特許文献には、少なくとも一枚のグリーンシートの製品部分の外側の不要部分、すなわち、セラミック多層基板を形成する部分の外側の不要部分にダミーパターンを印刷して、グリーンシート積層時の加圧を均一化し、製品部分とその外側の不要部分とで焼成途中の昇温過程の収縮挙動をバランスさせている。

特開平７−３０２５１号公報特開平６−４５７５７号公報特開平９−２６０８４４号公報

上記従来の方法、例えば、特許文献３の実施例では、そのサンプルの厚さは明記されていないが、サンプル寸法２５ｍｍ×２５ｍｍ程度の基板であれば、その反りを２５μｍ以下にすることは可能である。しかしながら、多数個取りで、基板サイズ７５ｍｍ×７５ｍｍ、１００ｍｍ×１００ｍｍ程度と大きくなり、かつ、その厚みが０．４〜０．５ｍｍ程度と薄くなると、上述した方法では、反り量の制御が難しいという問題がある。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、焼成後の基板の反りが少ない、大型で平滑なセラミックス多層基板およびその製造方法を提供することである。

かかる目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明は、表面に配線パターンを形成した複数のグリーンシートを積層し、その積層体を焼成してなるセラミックス多層基板であって、上記焼成後に上記積層体の中央から上部の基板上面側が反る場合と、中央から下部の基板下面側が反る場合とに応じて、上記配線パターンの形成部分の外周部におけるダミーパターンの設置を変えることを特徴とする。

上述した課題を解決する他の手段として、本発明は、表面に配線パターンを形成した複数のグリーンシートを積層し、その積層体を焼成してなるセラミックス多層基板であって、上記積層体の中央から上面側の電極体積が下面側に比べて多い場合、上記下面側の層にダミーパターンを配し、下面側の電極体積が上面側に比べて多い場合、上記上面側の層にダミーパターンを配することを特徴とする。

さらに、上述した課題を解決する他の手段として、本発明は、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明に係るセラミックス多層基板の製造方法は、グリーンシートの表面に配線パターンおよびダミーパターンを形成するステップと、複数枚の上記グリーンシートを積層し圧着して積層体を作製するステップと、上記積層体を焼成するステップとを備え、上記焼成後に上記積層体の中央から上部の基板上面側が反る場合と、中央から下部の基板下面側が反る場合とに応じて、上記配線パターンの形成部分の外周部における上記ダミーパターンの設置を変えることを特徴とする。

上記の各発明において、例えば、上記基板上面側が凹に反る場合、上記下面側における配線パターンの形成部分の外周部に上記ダミーパターンを設け、上記基板上面側が凸に反る場合は、上記上面側の配線パターンの形成部分の外周部に上記ダミーパターンを設けることを特徴とする。

また、例えば、上記ダミーパターンを、上記基板が反る方向と逆側の積層体層数の６０乃至１００％以内の層に設けることを特徴とする。

例えば、上記基板上面側および基板下面側における上記配線パターンとダミーパターンの電極体積の比が０．７乃至１．２７の範囲にあることを特徴とする。

例えば、上記積層体の複数層にダミーパターンを設ける場合、そのダミーパターンをこれら複数層に均等に分けて配することを特徴とする。

本発明によれば、配線導体とダミーパターンの設置方法を変えることで基板の反り量を自由に制御でき、結果的に基板の反りを小さくすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施の形態例を詳細に説明する。最初に、本実施の形態例に係るセラミック多層基板（低温焼結型同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ）多層回路基板）の製造工程について説明する。図１は、本実施の形態例におけるＬＴＣＣ多層配線基板の製造工程を示すフローチャートである。

図１のステップＳ１では、セラミック粉の混合および粉砕を行う。具体的には、所定の秤量を行った硼珪酸ガラス等のガラス粉、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粉、樹脂、可塑剤、分散剤等をボールミル混合してスラリーを作製する。そして、ステップＳ２で、ドクターブレード等の方法によりセラミックスグリーンシートを作製する（セラミックスグリーンテープ成形）。

ステップＳ３において、上記のセラミックスグリーンシートを所定の大きさに切り出し、続くステップＳ４で、打抜き型やパンチングマシーンを用いてスルーホールを形成する。これに続く工程（ステップＳ５）では、形成されたスルーホールに銀（Ａｇ）等の導体ペーストを充填し、スクリーン印刷等の方法によって、焼成後においてその厚さが約１０μｍ程度となるように内部電極パターンを形成する。

本実施の形態例では、ステップＳ５において、後述する試料を作製するためのパターン印刷を行う。ここでは、ダミーパターンを形成した試料と、比較例としてのダミーパターンを設けない試料とを作製し、ダミーパターンを形成した試料としては、さらに、ダミーパターンを全ての層に設けたもの、特定の層（後述するＬ１〜Ｌ３）に設けたものも作製した。これらのダミーパターンは、基板の反りを軽減させるために必要な層の配線パターンの外周部に、内部電極と同じ導体ペーストを用いて形成する。

ステップＳ６では、パターン印刷されたグリーンシートを、例えば、一軸プレスや静水圧プレス等により積層・圧着させて、積層セラミックスグリーンブロックを作製する。その後、ステップＳ７において、そのブロックの切断ラインに沿ってハーフカットを形成し、ステップＳ８では、８５０℃〜８９０℃の範囲で、脱バインダー処理および焼成を行う。なお、焼成は、後述するＡ面側を大気側にし、Ｂ面側がセッター側となるようにして行う。

次に、ＬＴＣＣ多層配線基板における電極パターンと基板の反りとの関係について説明する。本願発明者は、高精度に多層基板の反りを制御する方法として、基板上面が凹に反る場合は、下面側の製品部分の外周部にダミーパターンを設け、上面が凸に反る場合には、上面側に同様なダミーパターンを設けることが基板の反りを小さくすることに非常に有効であり、配線導体とダミーパターンの設置方法によって反り量を自由に制御できることを見出した。

図２は、多層基板の構造を模式的に示す断面図である。図２に示す基板は、６層で構成される多層基板であり、ここでは、その積層中央から上の部分（上面、あるいは上面側ともいう）と、下の部分（下面、あるいは下面側ともいう）とに分けて、各層における内部電極の体積をＬ０〜Ｌ５とする。

そこで、層の上面と下面における内部電極の電極体積比Ａ／Ｂを求める。図２に示す上面の電極体積Ａは、Ｌ１＋Ｌ２＋（Ｌ３／２）で表し、下面の電極体積Ｂは、（Ｌ３／２）＋Ｌ４＋Ｌ５で表す。電極体積は、１チップあたりの電極体積であり、図２に示す例では、６層のうち最上部のＬ０層には配線導体が印刷されていないため、その電極体積は０ｍｍ³である。なお、内部電極の厚さは、５〜１０μｍである。

図３は、層と電極体積との関係を示しており、例えば、上面の電極体積が大きく、下面の電極体積が小さい場合、上面と下面での内部電極の電極体積比が大きくなり、上面と下面で収縮のバランスが崩れる。その結果、例えば、図４に示すように、基板がその上面が凹になるように反ってしまう。これとは反対に、下面の電極体積の方が大きくなり、下面と上面での内部電極の電極体積比が大きくなると、下面と上面で収縮のバランスが崩れて、基板がその下面が凹になるように反ってしまう。

そこで、本実施の形態例に係るセラミック多層基板では、基板が凹に反る方向とは逆方向、すなわち、上面が凹に反る場合は、図５に示すように、下面側の製品部分の外周部にダミーパターン５１，５３を設ける。そうすることで、図６に示すように基板上面の凹の反り量が小さくなる。また、下面が凹に反る場合には、図示を省略するが、上面側にダミーパターンを設けることにより、基板の反りを小さくすることができる。

より具体的には、上述したダミーパターンを設けた本実施の形態例に係るＬＴＣＣ多層配線基板において、ダミーパターン５１，５３は、図５に示すように下面側の製品部分の外周部に、下面側の層数全体（図５に示す基板の場合、下面側３層にダミーパターンを設けるのを１００％と表現する）に均等に設けるのが望ましい。

また、ダミーパターンを下面側の層数の３０％以上（ここでは、下面側１層に設けるのを３０％、下面側２層に設けるのを６０％と表現する）に渡って設置すると、その効果が十分であることが判明した。よって、これらの方法を組み合わせることで、低温焼成セラミック多層配線基板の反り量の制御ができる。

次に、本実施の形態例に係るセラミック多層基板の試料について測定した結果を、データやグラフ等を参照して詳細に説明する。図７は、中心部が製品部７１となり、その周辺部にダミーパターン７３が配された、焼成後の基板寸法（外形寸法：７５×７５ｍｍ、製品寸法：６５×６９ｍｍ）を示している。なお、焼成後の基板の厚さは、０．４５ｍｍである。

焼成後におけるセラミック多層基板の試料の反り量測定は、以下のように行った。反り量は、小さな接触圧で変化するため、レーザーを使用した非接触の３次元測定器ＮＥＸＹＶで測定し、図８に示すように、反りの測定方向としてＸ，Ｙ、右下、左下の各走査線より測定された測定値から、反り量＝最大値−最小値で求めた。

本実施の形態例では、まず、図７に示す基板においてダミーパターンを設けない試料を作製し、それを図２に示すように積層した。そして、その上面側、下面側の電極（Ｌ１〜Ｌ５）の電極体積比を変化させて、電極体積比と基板の反り量との関係を調べた。表１は、実施例１〜実施例１３について得られた、上面側電極体積／下面側電極体積（Ａ／Ｂ）の値と、最大反り量であり、図９は、それらの関係を図示したものである。

上述したように、セラミック多層基板の層構造を上面と下面とに二分した場合、上面側の電極体積が下面側に比べて多い場合、すなわち、上面側電極体積／下面側電極体積が１より大きい場合は、基板は上面側に凹に反る。また、それが１より小さい場合には、基板は逆に下面側に凹になる。これは、例えば、上面と下面で内部電極のパターンを全て同じにしても、上面の電極厚が１０μｍ、下面の電極厚が５μｍの場合、上面と下面での内部電極の電極体積比が５５％／４５％≒１．２２よりも大きくなるので、焼成した基板は反ってしまう。

図９に示すように、（１）上面側電極体積／下面側電極体積の比が１以上になると、基板は上面に凹に反り、その比が１以下では、基板は上面が凸に反る。（２）上面側電極体積／下面側電極体積の比の対数と最大反り量（μｍ）は、直線関係にある。（３）反り量を、基板上への部品搭載に必要となる８０μｍ以下にするためには、上面側電極体積／下面側電極体積の比を０．８〜１．２程度にすればよいことがわかった。

しかし、実際の製品では、内部電極配置は、必ずしも上面側電極体積／下面側電極体積の比が０．８〜１．２程度にならない。そこで、本実施の形態例では、その調整分をダミーパターンで行った。表２および表３は、実施例１４〜１７、比較例１〜３についての実施結果を示している。表２に示すように、実施例１４〜１７における層Ｌ１〜Ｌ５の電極体積は、０．６３９〜０．５２７ｍｍ³であり、上面側電極体積（Ａ）／下面側電極体積（Ｂ）比は、１．２７１と同じものを用いた。

表３に示すように、実施例１４では、Ｌ３〜Ｌ５に均等に０．１７ｍｍ³のダミーパターンを設け、電極体積比Ａ／Ｂを１．００とした。同様に、実施例１５では、Ｌ４，Ｌ５に０．１７ｍｍ³のダミーパターンを設け、実施例１６は、Ｌ５のみに０．１７ｍｍ³のダミーパターンを設けた。また、実施例１７として、Ｌ５のみを０．３４ｍｍ³とするダミーパターンを有する基板を作製した。

一方、比較例として、ダミーパターンのないもの（比較例１）、全層に０．１７ｍｍ³のダミーパターンを設けたもの（比較例２）、層Ｌ１〜Ｌ３に０．１７ｍｍ³のダミーパターンを設けたもの（比較例３）を作製した。

表３に示す結果から、上面と下面での内部電極の電極体積比が５５％／４５％≒１．２２よりも大きくなると、比較例１のようにダミーパターンがない場合、基板が反ってしまう。比較例２では、全層にダミーパターンを設けたが、これによって反りに若干の改善はなされるが、大きな効果は得られなかった。また、比較例３のように、ダミーパターンを基板が凹方向に反る方向と同方向に設けると、上面、下面の電極体積比はさらに大きくなり、反りが助長されることが判明した。

これに対して、実施例１４，１５のように、基板の反る方向とは逆方向の層数の６０〜１００％にダミーパターンを設けることで、反り方向とは逆方向に収縮応力が加わり、基板の反りが小さくなる。また、実施例１６，１７等のように、ダミーパターンを、基板の反る方向とは逆方向の層数の３０％未満に設けた場合は、層Ｌ３〜Ｌ５に均等に設けた場合よりも、その効果は小さいことがわかる。

表４および表５は、上記の表２および表３に対して、層Ｌ１〜Ｌ５の電極体積を、０．６３９〜０．５２７ｍｍ³とそのままにして、内部電極の層配置を変えた実施例１８〜２０と、比較例４〜６とについて実施した結果を示している。そのため、表４に示すように、実施例１８〜２０における上面側電極体積（Ａ）／下面側電極体積（Ｂ）比は、１．２１２となっている。

実施例１８〜２０、および比較例４〜６についても、上記の実施例１４〜１７、比較例１〜３と同様な傾向を示した。すなわち、ダミーパターンがない場合には基板が反ってしまい（比較例４）、全層にダミーパターンを設けても、反りに若干の改善はなされるが、大きな効果は得られず（比較例５）、また、基板が凹方向に反る方向と同方向にダミーパターンを設けると、上面、下面の電極体積比はさらに大きくなり、反りが助長される（比較例６）。

他方、実施例１８，１９では、基板の反る方向とは逆方向の層数の６０〜１００％にダミーパターンを設けたことで、反り方向と逆方向の収縮応力によって、基板の反りが小さくなる。また、実施例２０等のように、ダミーパターンを、基板の反る方向とは逆方向の層数の３０％未満に設けた場合には、層Ｌ３〜Ｌ５に均等に設けた場合よりも、その効果は小さい。

以上のことから、ダミーパターンについては、実施例１４〜２０（表２〜表５）のように、基板の反る方向とは逆方向の層数の６０〜１００％以内に設けることで、基板の反りを小さくすることができることが判明した。

図１０は、上述した実施例１４〜２０、比較例１〜６の上面側電極体積／下面側電極体積の比の対数と最大反り量（μｍ）との関係を示している。図１０に示すように、層にダミーパターンを加えた場合、基板の反りを小さくするには、上面側電極体積／下面電極体積の比が０．７〜１．２７の範囲が望ましいが、それが０．８〜１．２であるとさらに良好となる。また、その比が０．９５〜１．１の範囲であることが最も望ましい。

結局、ダミーパターンは、基板が、上面が凹に反る場合は、下面側の製品部分の外周部に設け、下面が凹に反る場合には上面側にダミーパターンを設けるが、その場合、複数層に均等に分けて設置するのが最も望ましい。

図１１は、グリーンシート上に配したダミーパターンの一例を示している。図１１に示す例では、白抜きで示す製品部分９３に対してグリーンシート９０の上にダミーパターン９１がメッシュ状に均等に配されている。なお、このダミーパターンは、メッシュ状のパターンに限定されず、回路状（導体パターン状）であっても、ベタ状であってもよい。また、ダミーパターンは、製品部分９３中の回路以外の部分に設けてもよい。

以上説明したように、本実施の形態例によれば、内部の複数の層に配線パターンを形成したセラミックス多層基板において、積層中央から上部を基板上面とし、下部を基板下面とすると、基板上面が凹に反る場合は、下面側の製品部分の外周部にダミーパターンを設け、上面が凸に反る場合には、それと同様なダミーパターンを上面側に設けることで、配線導体とダミーパターンの設置方法で反り量を自由に制御でき、結果として、基板の反りを小さくすることができる。

具体的には、多層基板の反る方向とは逆方向の層数の６０〜１００％以内、つまり、６層構造の場合、下面側の２〜３層にダミーパターンを設けることで、基板の反りを小さくすることができ、それにより高精度に基板の反りを制御可能となる。

また、本実施の形態例によれば、基板が、その上面が凹に反る場合は、下面側の製品部分の外周部にダミーパターンを設け、下面が凹に反る場合には上面側にダミーパターンを設けて、その際、複数層に均等に分けてダミーパターンを設置することで、多層基板の反りを少なくすることができる。

本発明の実施の形態例に係るＬＴＣＣ多層配線基板の製造工程を示すフローチャートである。多層基板の構造を模式的に示す断面図である。多層基板の層と電極体積との関係を示す図である。上面と下面の内部電極の電極体積比が大きいときの基板の反りの一例を示す図である。実施の形態例に係る基板の製品部分の外周部にダミーパターンを設けた例を示す図である。基板の反りが小さくなった例を示す図である。中心部が製品部、周辺部にダミーパターンが配された、焼成後の基板寸法を示す図である。実施の形態例に係るセラミック多層基板の試料の反り量測定における反りの測定方向を示す図である。実施の形態例に係る基板の上面側電極体積／下面側電極体積の比と最大反り量との関係を示す図である。実施例１４〜２０、比較例１〜６の上面側電極体積／下面側電極体積の比の対数と最大反り量との関係を示す図である。グリーンシート上に配したダミーパターンの一例を示す図である。セラミック材料の反りの様子を示す図である。従来の基板における外周部にダミーパターンを設けた例を示す図である。

符号の説明

５１，５３ダミーパターン
９０グリーンシート
９１ダミーパターン
１００基板
１０１セッター

Claims

表面に配線パターンを形成した複数のグリーンシートを積層し、その積層体を焼成してなるセラミックス多層基板であって、
前記焼成後に前記積層体の中央から上部の基板上面側が反る場合と、中央から下部の基板下面側が反る場合とに応じて、前記配線パターンの形成部分の外周部におけるダミーパターンの設置を変えることを特徴とするセラミックス多層基板。
表面に配線パターンを形成した複数のグリーンシートを積層し、その積層体を焼成してなるセラミックス多層基板であって、
前記積層体の中央から上面側の電極体積が下面側に比べて多い場合、前記下面側の層にダミーパターンを配し、下面側の電極体積が上面側に比べて多い場合、前記上面側の層にダミーパターンを配することを特徴とするセラミックス多層基板。
前記基板上面側が凹に反る場合、前記下面側における配線パターンの形成部分の外周部に前記ダミーパターンを設け、前記基板上面側が凸に反る場合は、前記上面側の配線パターンの形成部分の外周部に前記ダミーパターンを設けることを特徴とする請求項１または２記載のセラミックス多層基板。
前記ダミーパターンを、当該セラミックス多層基板が反る方向と逆側の積層体層数の６０乃至１００％以内の層に設けることを特徴とする請求項３記載のセラミックス多層基板。
前記基板上面側および基板下面側における前記配線パターンとダミーパターンの電極体積の比が０．７乃至１．２７の範囲にあることを特徴とする請求項４記載のセラミックス多層基板。
前記積層体の複数層に前記ダミーパターンを設ける場合、そのダミーパターンをこれら複数層に均等に分けて配することを特徴とする請求項５記載のセラミックス多層基板。
グリーンシートの表面に配線パターンおよびダミーパターンを形成するステップと、
複数枚の前記グリーンシートを積層し圧着して積層体を作製するステップと、
前記積層体を焼成するステップとを備え、
前記焼成後に前記積層体の中央から上部の基板上面側が反る場合と、中央から下部の基板下面側が反る場合とに応じて、前記配線パターンの形成部分の外周部における前記ダミーパターンの設置を変えることを特徴とするセラミックス多層基板の製造方法。
前記基板上面側が凹に反る場合、前記下面側における配線パターンの形成部分の外周部に前記ダミーパターンを設け、前記基板上面側が凸に反る場合は、前記上面側の配線パターンの形成部分の外周部に前記ダミーパターンを設けることを特徴とする請求項７記載のセラミックス多層基板の製造方法。
前記ダミーパターンを、前記セラミックス多層基板が反る方向と逆側の積層体層数の６０乃至１００％以内の層に設けることを特徴とする請求項８記載のセラミックス多層基板の製造方法。
前記基板上面側および基板下面側における前記配線パターンとダミーパターンの電極体積の比が０．７乃至１．２７の範囲にあることを特徴とする請求項９記載のセラミックス多層基板の製造方法。
前記積層体の複数層にダミーパターンを設ける場合、そのダミーパターンをこれら複数層に均等に分けて配することを特徴とする請求項１０記載のセラミックス多層基板の製造方法。