JP2006173240A

JP2006173240A - セラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JP2006173240A
Application number: JP2004361164A
Authority: JP
Inventors: Akira Hashimoto; 晃橋本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】平面方向の寸法精度の良好なセラミック多層基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック焼結基板1とセラミックグリーンシート3との間に、低融点ガラスを含有する材料を配置することで、焼成後の接着性を向上させ、セラミックグリーンシートの焼成収縮を抑制させたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、パソコン、携帯電話やＡＶ機器などの小型部品として使用されるセラミック基板及びセラミック多層基板の製造方法に関するものである。

従来、この種の印刷多層基板は、セラミック多層基板としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがあった。

図５は前記特許文献１に記載された従来のグリーンシート積層法によって製造されるセラミック多層基板の概要を示すものである。

図５（ａ）において、１１は予め焼成したセラミックからなるセラミック焼結基板であり、このセラミック焼結基板１１上に導体パターン１２をスクリーン印刷工法等で形成する。

図５（ｂ）において、焼成することによりセラミック焼結基板１１上の導体パターン１２はメタライズした状態になる。

図５（ｃ）において、１３は所望の導体パターンを形成した複数枚の未焼結のセラミックグリーンシートの積層体であり、１４は前記積層体１３の焼成収縮を抑制する拘束層である。これらを積層し、一体化する。

図５（ｄ）において、脱バインダーおよび焼成を行い、拘束層を除去すると、セラミック焼結基板１１と接するセラミックグリーンシート１３側は図のように、焼成収縮することで、導体パターン１２の表面が、セラミック焼結基板よりも平滑な面状になり、セラミック多層基板を得るものである。
特開２００３−１５８３７５号公報

しかしながら、前記従来の方法では、図５（ｄ）において、セラミック焼結基板１１と未焼結のセラミックグリーンシート１３との焼成収縮率の差により接合性が悪くなり、焼成工程において、セラミックグリーンシート１３の焼成収縮抑制効果が低減してしまい、平面方向の寸法精度に優れたセラミック多層基板が得られないという課題を有していた。

これは、前記従来方法の焼成収縮抑制効果として焼結セラミック基板と拘束層を未焼結のセラミックグリーンシート部の片面ずつに貼り付け、セラミックグリーンシート部の焼成収縮を両面で拘束するという方法において、未焼結のセラミックグリーンシートの厚みを増加させると、焼結セラミック基板側の焼成時における拘束力が耐えられなくなり、焼成収縮を発生してしまうことがあった。

特に、未焼結のセラミックグリーンシートの厚みが０．６ｍｍを超える場合では、セラミックグリーンシートの端部が剥離し、焼成収縮によって平面方向において寸法精度が低下してしまうというものであった。

本発明は、前記の課題に対し、平面方向の寸法精度の良好なセラミック多層基板の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、所望の回路を構成するために導体パターンやビア導体を内装したセラミックグリーンシートの積層体を接着層でコートしたセラミック焼結基板と拘束層とで、焼成収縮を拘束する方法でセラミック焼結基板上に平面方向の高寸法精度を有するセラミック多層基板を製造する方法において、セラミック焼結基板とセラミックグリーンシートとの間に、低融点ガラスを含有する材料を均一に配置することで、焼成後の接着性を改善し、キャビティ部分の穴形成の適正化を行う製造方法を提供するものである。

本発明によれば、セラミックグリーンシートの焼結セラミック基板側の焼成収縮抑制効果を向上させることで、平面方向に高寸法精度でかつ平面形状の良好なセラミック多層基板を得ることができるものである。

（実施の形態１）
図１（ａ）〜（ｄ）は本発明における実施の形態１のセラミック多層基板の製造方法を説明する図である。

図１（ａ）において、１は含有率９０ｗｔ％以上のアルミナ等からなるセラミック焼結基板であり、厚みは０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下のものであり、表面粗さは平均表面粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以内で最大粗さＲｍａｘが１μｍ以上５μｍ以内のものである。

２はアクリル系で、転移点温度が０℃以下の材料である接着層であり、トルエンやアセトン、メチルエチルケトン等の有機溶剤の混合液を溶媒としてスピンナーやロールコーターなどの塗布機にて、乾燥後の塗布厚みを０．１μｍ以上４μｍ以下の厚み範囲にてセラミック焼結基板１にペースト状に均一にコートする（工程１−ａ）。

図１（ｂ）において、３はガラスセラミック、フェライト、誘電体材料等の粉体にブチラール樹脂やアクリル樹脂を有機バインダーとして用い、ＤＢＰ等の可塑剤等を添加し、トルエンやメチルエチルケトン等の有機溶剤を用いてスラリー状に混練したものをドクターブレード法等によってキャリアフィルム上に塗布して得られるセラミックグリーンシートである。未焼結のセラミックグリーンシート３の厚みの範囲は一般的に０．０５〜１ｍｍであるが、複数枚を用いて、加熱加圧し、一体化することによって所望の厚みにすることによっても得られる。

４は未焼結のセラミックグリーンシート３にＡｇ等からなる導体ペーストをスクリーン印刷や凹版転写工法により、セラミック焼結基板１側に接するように設けられた導体パターンであり、導体パターン４の厚みは乾燥状態で８μｍ以上２０μｍ以下の範囲で形成し、所望の回路構成を行う。なお、場合によっては未焼結のセラミックグリーンシート３に打ち抜き金型やパンチング装置やレーザ装置により、貫通孔を設け、Ａｇ系の導体材料を充填して得られるビア導体（図示せず）を用いても回路構成する。

また、導体パターン４およびビア導体に用いられる導体ペースト中には、転移点５００℃以下の低融点ガラスを含有させる。この点が本発明における特徴の一つである。

５はアルミナやジルコニア等の粉末にブチラール樹脂やアクリル樹脂を有機バインダーとして用い、可塑剤とメチルエチルケトンやトルエン等の有機溶剤を添加して混練してスラリー状にしたものをドクターブレード法等によってキャリアフィルム上に塗布して得られる拘束層である。拘束層５の厚みの範囲は一般的に０．０５〜１ｍｍであるが、０．０２〜０．２ｍｍのものを複数枚に重ねて、加熱加圧することによっても得ることができる。

拘束層５はセラミックグリーンシート３の焼結温度以下では焼結しない材料であり、望ましくはセラミックグリーンシート３の焼結温度より３００℃以上高い焼結温度である材料を用いる。これにより、セラミックグリーンシート３の焼結時に拘束層５によって焼成収縮を抑制することができる。

次に未焼結のセラミックグリーンシート３と拘束層５のそれぞれを加熱加圧し、一体化させる工程について説明する。

ビア導体（図示せず）や導体パターン４で所望の回路を構成した未焼結のセラミックグリーンシート３を以下の加熱加圧条件にて加工する。すなわち、加熱温度条件を４０℃以上１００℃以下の範囲で、加圧条件を仮積層で５０ｋｇ／ｃｍ²で１０秒以上１分以下とし、これを本圧として、１００ｋｇ／ｃｍ²以上５００ｋｇ／ｃｍ²以下の範囲において、厚み０．６ｍｍのセラミックグリーンシート３を作成する。

また、拘束層５において、厚みを０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内で複数枚のアルミナグリーンシートを重ねて、加熱温度を４０℃以上１００℃以下の範囲内とし、加圧条件は、仮積層で５０ｋｇ／ｃｍ²で１０秒以上１分以下とし、これを本圧として、１００ｋｇ／ｃｍ²以上５００ｋｇ／ｃｍ²以下の範囲において、加圧し、厚み１．０ｍｍの拘束層５を作成する（工程１−ｂ）。

接着層２を形成したセラミック焼結基板１と拘束層５との間に未焼結のセラミックグリーンシート３を配置し、加熱条件８０℃以上１３０℃以下の温度範囲で、加圧条件１０ｋｇ／ｃｍ²以上８０ｋｇ／ｃｍ²以下の範囲で一体化する（工程１−ｃ）。

さらに、後述する条件で脱バインダー処理および焼成処理を行うことで接着層２は焼失し、拘束層５を研磨などにより物理的に除去するとセラミック焼結基板１上に一体化形成されたセラミックグリーンシート３の焼結体を得ることができる（工程１−ｄ）。

脱バインダー条件は、昇温速度２２℃／時間以上８３℃／時間以下で、ピーク温度を４００℃以上５５０℃以下で３時間以上６時間以下の範囲で保持する。焼成条件は脱バインダーのピーク温度から、焼成のピーク温度までの昇温速度を、５０℃／時間以上５００℃／時間以下で、ピーク温度は８００℃以上１０００℃以下の範囲とし、セラミックグリーンシート３の所望の特性が発揮される温度領域内において１０分以上２時間以下のピーク温度保持とする。

以上の工法によって得られる基板について説明する。従来の工法であれば未焼結のセラミックグリーンシート２３の厚みが０．６ｍｍ以上になると、セラミックグリーンシート２３の焼成時の収縮応力が増加し、図２（ａ）に示すように、導体パターン２４を形成したセラミックグリーンシート２３の外周部が剥離してしまっていた。

しかし、本実施の形態において工程１−ｂにおける導体パターン４およびビア導体に用いられる導体ペースト材料中に、転移点５００℃以下の低融点ガラスを含有させることにより、導体パターン２４中の低融点ガラスがセラミック焼結基板２１とセラミックグリーンシート２３の接合力を向上させ、焼成時の収縮応力が増加せず、図２（ｂ）に示すような、良好な接合状態を得ることができるようになるものである。

また、導体パターン２４中に含有させる低融点ガラスの添加率は導体パターン２４の印刷面積比率に応じて変化させることが必要であり、例えば、導体パターン２４の印刷面積比率が３０％である場合、導体パターン２４中の低融点ガラスの添加率は１ｗｔ％以上含有していればよく、同じく印刷面積比率が２０％である場合は低融点ガラスの添加率は３ｗｔ％以上含有させればよい。

このように、印刷面積比率を高くすることに応じて、低融点ガラスの添加率を低くすることが特徴になる。なお、印刷面積比率を調整するため、回路構成に必要のないダミーパターンを配置させ、接着効果を向上させ、良好な接合性を得てもよい。

また、低融点ガラスの添加率を増加させすぎると、導体パターン２４とセラミック焼結基板２１の接合面において形成される導体膜がポーラスになり、導体抵抗値が高くなってしまうことや、基板の反りに影響を与えてしまうため、添加率を調整する必要がある。

なお、本実施の形態においては、導体パターン４として、Ａｇを使用したが、Ａｇ系にＰｄやＰｔ等の貴金属を添加したものおよびＣｕ導体でも同様に使用可能である。

また、これを一体化したものを焼成した所望の回路構成を形成させ、セラミック多層基板の焼結体として、セラミック焼結基板１に使用することも可能である。

また、本実施の形態において、導体パターン４は、セラミックグリーンシート３の厚み方向の焼成収縮量と同程度のものを使用すると、導体パターン４の焼結収縮量が、セラミックグリーンシート３よりも小さくなった場合、焼成後、導体パターン４の近傍でセラミックグリーンシート３とセラミック焼結基板１との間に隙間が発生することがあるので、導体パターン４の厚み方向の焼成収縮量はセラミックグリーンシート３のものよりも大きくすることで導体パターン４の体積減による隙間が発生しなくなるものである。

また、本実施の形態において、導体パターン４に低融点ガラスを含有する絶縁用ガラスペーストや内蔵抵抗体ペーストを用いても同様な効果が得られる。

（実施の形態２）
図３（ａ）〜（ｄ）は本発明における実施の形態２である、キャビティ部を有するセラミック多層基板の製造方法を説明する図である。特に説明のないものについての条件は実施の形態１と同条件である。図４は従来工法におけるセラミック多層基板の平面図である。

図３（ａ）において、３１はセラミック焼結基板、３２は接着層であり、接着層３２をセラミック焼結基板３１にペースト状に均一にコートする（工程３−ａ）。

図３（ｂ）において、３３はセラミックグリーンシート、３４は導体パターン、３５は拘束層である。導体パターン３４は転移点５００℃以下の低融点ガラスを含有させている。この点が本発明の特徴の一つである。

３６はパンチング装置、炭酸ガスレーザ装置やＹＡＧレーザ装置等を用いて設けたキャビティ部である。

ビア導体（図示せず）や導体パターン３４で所望の回路を構成し、パンチング装置などでキャビティ部３６を設けた１枚もしくは複数枚のセラミックグリーンシート３３を加熱加圧して作成し、また、これとは別に複数のアルミナグリーンシートを重ねて、同じく加熱加圧し、拘束層３５を作成する（工程３−ｂ）。このとき、複数のセラミックグリーンシート３３を積層し、加熱加圧した後、パンチング装置などでキャビティ部３６を設けてもよい。

図３（ｃ）において、セラミック焼結基板３１と、セラミックグリーンシート３３と、拘束層３５とを図のように積層し、上下方向から加熱加圧することで一体化させる（工程３−ｃ）。

図３（ｄ）において、工程３−ｃにて、一体化したものを脱バインダーおよび焼成することで、接着層３２は焼失し、さらに拘束層３５を研磨などで物理的に除去するとセラミック焼結基板３１上に一体化形成されたキャビティ部３６を有するセラミックグリーンシート３３を得る（工程３−ｄ）。

工程３−ｂにおいて、導体パターン３４の印刷面積比率を２０％とし、低融点ガラスの含有率を３ｗｔ％としたところ、キャビティ部３６のコーナー部分においてクラックのない良好なキャビティ形状を有するセラミック多層基板を得ることができた。

従来であれば、工程３−ｃにおいて拘束層３５のキャビティ部３６に対応する部分にセラミックグリーンシート３３が存在しないため、図４に示すように、セラミックグリーンシート４３の焼成収縮による応力が、キャビティ部４６のコーナー部分に集中し、拘束層（図示せず）の拘束力が低下し、クラック４７となってしまうものであった。

しかしながら、本実施の形態においては、セラミック焼結基板３１側のセラミックグリーンシート３３に低融点ガラスを含有する導体パターン３４を適度な間隔で配置形成しているので、導体パターン３４がセラミックグリーンシート３３の焼成収縮時にセラミックグリーンシート３３とセラミック焼結基板３１との接着剤となり、セラミックグリーンシート３３の焼成収縮力を効率的に抑制することができ、セラミックグリーンシート３３の厚みが０．６ｍｍを超え、１．０ｍｍとなっても焼成後にクラックの発生しない平面方向の寸法精度の良好なセラミック基板が製造できるという効果を奏している。

以上のように、本発明にかかるセラミック基板の製造方法は、所望の回路を構成するために導体パターンやビア導体を内装したセラミックグリーンシートの積層体を接着層でコートしたセラミック焼結基板と拘束層とで、焼成収縮を拘束する方法でセラミック焼結基板上に平面方向の高寸法精度を有するセラミック多層基板を製造する方法において、セラミック焼結基板とセラミックグリーンシートとの間に、低融点ガラスを含有する材料を均一に配置することで、焼成後の接着性を改善し、キャビティ部分の穴形成の適正化を行う製造方法を提供するものである。

（ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態１における工程の概要図（ａ）従来の製造方法によるセラミック多層基板の断面図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるセラミック多層基板の断面図（ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態２における工程の概要図従来の製造方法によるセラミック多層基板の平面図従来のセラミック多層基板の製造方法の概要図

符号の説明

１，１１，２１，３１セラミック焼結基板
２，３２接着層
３，１３，２３，３３，４３セラミックグリーンシート
４，１２，２４，３４導体パターン
５，１４，３５拘束層
３６，４６キャビティ部
４７クラック

Claims

導体パターンおよびビア導体を設けた未焼結のセラミックグリーンシートを１枚または複数枚積層し、加熱加圧一体化して作成される積層体と、前記セラミックグリーンシートの焼結温度以上で焼結する材料からなるアルミナグリーンシートを加熱加圧して作成され、前記積層体を拘束する拘束層とを用い、セラミック焼結基板上に設けられた接着層上に前記積層体を配置し、さらにその上に前記拘束層を配置して加熱加圧し、前記積層体と、前記拘束層とを仮接合する工程と、前記仮接合したものを、脱バインダー及び焼成して拘束層を除去する工程により前記積層体とセラミック基板とを一体化接合する方法において、セラミック焼結体との接合面側の前記積層体表面上に転移点が５００℃以下の低融点ガラスを含有する導体材料のパターンを形成することに特徴を有するセラミック基板の製造方法。
導体材料の厚み方向の焼成収縮率が、セラミックグリーンシートの厚み方向における焼成収縮率以上のものを使用した請求項１のセラミック基板の製造方法。
導体材料として、ＡｇやＡｇ／ＰｄなどのＡｇ系材料を使用した導体パターン及び収縮抑制パターンを形成した請求項２のセラミック基板の製造方法。
導体材料として、ＡｇやＡｇ／ＰｄなどのＡｇ系材料を使用したビアを用いた請求項２のセラミック基板の製造方法。
導体材料として、絶縁層用ガラスペーストを利用した請求項２のセラミック基板の製造方法。
導体材料として、内蔵抵抗体ペーストを利用した請求項２のセラミック基板の製造方法。
前記セラミックグリーンシートの加熱加圧積層工程後にキャビティ部を金型やパンチングマシンで打ち抜いて、キャビティ部分を形成した請求項１のセラミック基板の製造方法。