JP2006196674A - 配線基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板強度を改善した寸法精度の高い積層成形体、配線基板の製造方法を提供する。
【解決手段】収縮開始温度が異なる２種以上の絶縁層１ａ〜１ｇを積層してなるセラミック積層基板１の表面及び内部に電極２、３を配設してなり、前記２種以上の異なる材料を含む絶縁層を積層してなる積層体において、該積層体に含まれるガラスの中で最も低いガラスの転移点以下の温度で熱処理を行うことにより、０．１％以上１．０％以下の平面方向の収縮を伴い、焼成時に０．１％以上２．０％以下の平面方向の収縮を伴うことを特徴とし、前記２種以上の絶縁層のうち、最小の熱膨張係数を持つ絶縁層と最大の熱膨張係数を持つ絶縁層との熱膨張係数の差が、２×１０^−６／℃以下であることが好ましく、さらに、前記絶縁層が、それぞれ結晶化ガラスを３０質量％以上含むことが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層成形体、配線基板の製造方法に関するものであり、特に、強度が高く、寸法精度に優れ、回路基板に適した配線基板の製造方法に関する。

従来より、セラミックスを絶縁基板とする配線基板が用いられているが、近年、配線基板に対して種々の機能の付加が求められ、異種セラミックスを組み合わせた配線基板が提案されている。例えば、強度の弱いセラミック絶縁層を強度の強い絶縁層で補強したり、配線基板の中に容量値の高いキャパシタを内臓するために、低誘電率のセラミック絶縁層中に高誘電率のセラミック絶縁層などを積層した配線基板が知られている。

このような配線基板では、セラミックスのクラックやデラミネーション（層間剥離）を防止するために、異種のセラミック絶縁層間で焼成収縮率および熱膨張係数を一致させるように絶縁層材料の特性を選択、制御することが通常行われている。

しかし、近年においては、配線基板の低コスト化や、配線基板上に形成された電極の寸法精度向上のため、焼成時のＸ−Ｙ方向における配線基板の収縮率を小さくすることが要求されており、上記従来の配線基板では、この要求を達成することができなかった。

このような要求を満足するため、近年では、積層体の表面に、該積層体の焼成温度では焼結しない未焼成絶縁層によって拘束し、厚み方向にのみ収縮させた後、未焼成絶縁層を取り除く方法が開発されたが（例えば、特許文献１参照）、未焼成絶縁層によって収縮を抑制する特許文献１の方法では、焼成終了後に未焼成絶縁層を取り除く必要があるために、製造工程が増える、あるいは複雑になるとともに、製造コストが高くなった。

そこで、焼成収縮開始温度の異なる２種のセラミック成形体を積層して同時焼成することによって焼成の収縮による寸法変化を抑制することが提案された（例えば、特許文献２参照）。

ところが、特許文献２に記載の製造方法では、寸法変化の抑制が可能ではあるものの、焼成収縮開始温度のみを制御するため、収縮抑制の挙動にばらつきが大きく、また、収縮率自体も大きく、焼成における寸法精度がばらつくという問題があった。

そこで、結晶化ガラス粉末及びセラミック粉末を含む２種類の絶縁シートを、一方に含まれる結晶化ガラス粉末の結晶化温度が、他方に含まれる結晶化ガラス粉末の軟化点よりも低くなるように作製し、これらを積層した積層体を同時焼成して多層基板を作製する方法が提案されており（例えば、特許文献３参照）、これによって、寸法精度に優れ、平面方向の収縮率をさらに小さくでき、かつ、その収縮率のばらつきが小さい配線基板を作製している。
特許第２５５４４１５号 特開平２００１−１５８７５号公報 特願２００３−４１８４８５

しかしながら、特許文献２、３に記載の配線基板の製法で、２種類の絶縁シートが異なる温度で収縮するため、お互いに収縮を制限することから、寸法精度が大幅に改善されたものの、磁器の強度が低く、落下時やリフローによる実装時にクラックが発生し、最悪の場合には破壊するという問題があった。

従って、本発明は、基板強度を改善した寸法精度の高い配線基板の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は２種以上の異なる材料を含む絶縁層を積層してなる積層体において、該積層体に含まれるガラスの中で最も低いガラスの転移点以下の温度で熱処理を行い有機成分の除去を十分に行って、粉末の再配列を行うことで０．１〜１．０％の平面方向の収縮を伴うことにより焼成後のオープンポアの発生を抑え、ガラスの軟化流動により焼結させ、しかる後にガラスを結晶化させることで、焼成時に０．１〜２．０％の平面方向の収縮を伴うことで寸法制度を改善し、焼成後の積層体の抗折強度を向上させることができるという新規な知見にもとづくもので、高寸法精度、高強度積層成形体を実現したものである。

即ち、本発明の配線基板の製造方法は、２種以上の異なる材料を含む絶縁層を積層してなる積層体において、該積層体に含まれるガラスの中で最も低いガラスの転移点以下の温度で熱処理を行うことにより、０．１〜１．０％の平面方向の収縮を伴い、焼成時に０．１％〜２．０％の平面方向の収縮を伴うことを特徴とする。

このような製造方法を採用することにより、焼成時におけるグリーンシートの平面方向の収縮を抑制して焼成収縮ばらつきを低減して寸法制度を高め、且つ焼成体表面のオープンポアを抑制して、強度を改善することができる。

特に、配線基板の抗折強度が３００ＭＰａ以上、ワイブル係数が５以上であることが好ましい。これにより、配線基板の耐落下衝撃性や、たわみ強度が向上するとともにその強度バラツキを低減できる。

特に、前記２種以上の異なる材料を含む絶縁層を単体で評価した場合に、１種の絶縁層の収縮終了温度が、他の絶縁層の収縮開始温度よりも低いことが好ましい。これにより、少なくとも１種の層が他の層より先に焼結が開始し、かつ終了するため、密着した面で互いに収縮を抑制しあうことで高寸法精度をより得やすく、さらに反りをより低減できる。

前記２種以上の異なる材料を含む絶縁層のうち、最小の熱膨張係数を持つ絶縁層と最大の熱膨張係数を持つ絶縁層との熱膨張係数の差が、２×１０^−６／℃以下であることが好ましい。これにより、焼成時の層間応力の発生を抑制するため、相間剥離の発生を抑制することがより容易になる。

前記絶縁層が、それぞれガラス粉末を３０質量％以上含むことが好ましい。これにより、ガラスの軟化流動により、低温焼結が容易になる。

前記結晶化ガラスが、ディオプサイド、ハーディストナイト、セルシアン、コージェライト、アノーサイト、ガーナイト、ウィレマイト、スピネル、ムライト、フォルステライト及びスーアナイトのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これにより、高強度化に加えて誘電損失の低減が容易になる

本発明は、高強度で寸法制度の高い配線基板の製造方法に関するものであり、２種以上の異なる材料を含む絶縁層を積層してなる積層体において、該積層体に含まれるガラスの中で最も低いガラスの転移点以下の温度で熱処理を行うことにより、０．１〜１．０％の平面方向の収縮を伴い、焼成時に０．１〜２．０％の平面方向の収縮を伴うようにしたものである。

以下に、２種の絶縁層からなる配線基板を例として取り上げ、図を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施様態である配線基板の構造の概略断面図である。図１によれば、配線基板１０は、セラミック絶縁層１ａ〜１ｇが積層されたセラミック絶縁基板１と、セラミック絶縁基板１の表面及び裏面に形成された表面導体層２、セラミック絶縁基板１の内部に形成された内部導体層３、内部導体層３間の電気的接続又は表面導体層２と内部導体層３の電気的接続を行うためのビアホール導体４を有する。

本発明によれば、配線基板１０は、収縮挙動が異なる２種類以上の粉末を含み、それらのグリーンシートをそれぞれ複数ずつ積層した積層体を焼成してなり、例えば、図１において、後で詳述するように、配線基板１０を構成する絶縁層１ａ〜１ｇのうち、絶縁層１ａ、１ｇとなるグリーンシートの収縮終了温度を、他の絶縁層１ｂ〜１ｆとなるグリーンシートとの収縮開始温度よりも低くなるようにすれば良い。また、絶縁層１ａ、１ｇに含まれるグリーンシートの収縮開始温度を、他の絶縁層１ｂ〜１ｆに含まれるグリーンシートの収縮終了温度よりも高くなるようにしても良い。

絶縁層１ａ、１ｇ、及び絶縁層１ｂ〜１ｆに含まれるガラスの中で最も低いガラスの転移点以下の温度で熱処理を行うことにより、０．１％以上１．０％以下の平面方向の収縮を伴い、焼成時に０．１％以上２．０％以下の平面方向の収縮を伴うこと重要であり、積層体の抗折強度の改善が容易になる。とりわけ、より高強度化とするためには、焼成前の熱処理で０．３％以上０．７％以下の平面方法の収縮を伴い、焼成時に０．３％以上１．３％以下の平面方向の収縮を伴うことが望ましい。

セラミック積層基板の抗折強度は、落下時やリフローによる実装時等に磁器に応力や衝撃が加わった際にクラックが発生することを防止するため、３００ＭＰａ以上であることが重要であり、製造時の不良率を低減し、製品の安定供給を図るために、特に３２０ＭＰａ以上、更には３５０ＭＰａ以上であることが望ましい。また、ワイブル係数は強度のバラツキが無くすという観点から５以上であることが重要であり、より信頼性を保証するために、特に7以上、更には１０以上であることが望ましい。

絶縁層１ａ、１ｇの収縮終了温度が、他の絶縁層１ｂ〜１ｆの収縮開始温度よりも低いことが好ましい。このような構成を採用すれば、寸法制度を高めることを容易に達成することができる。

即ち、絶縁層１ａ、１ｇとなるグリーンシートの収縮終了温度が、他の絶縁層１ｂ〜１ｆとなるグリーンシートの収縮開始温度よりも低くなり、絶縁層１ａ、１ｇは絶縁層１ｂ〜１ｆよりも低温で収縮が開始する。絶縁層１ｂ〜１ｆが収縮開始するときには、絶縁層１ａ、１ｇの焼成収縮はほとんど終了しており（最終焼成体積収縮量の９７％以上）、お互いのＸ−Ｙ方向（グリーンシートの平面方向）の収縮を抑制し合うことが可能となる。とりわけ、Ｘ−Ｙ方向の収縮をより効果的に抑制し、且つ再現性をより向上するために、一方の収縮終了温度と他方の収縮開始温度の差が、５℃以上、特に１０℃以上、更には１５℃以上であることが望ましい。

セラミック積層基板に含まれる２種の絶縁層の熱膨張係数の差は、２×１０^−６／℃以下であることが好ましい。例えば、図１において、絶縁層１ａ、１ｇの熱膨張係数と、絶縁層１ｂ〜１ｆの熱膨張係数の差を２×１０^−６／℃以下、特に１×１０^−６／℃以下にすることが望ましい。これにより、最高焼成温度からの冷却時において、熱収縮の差が生じて絶縁層と異種材料絶縁層の界面にクラックやデラミネーションの発生をより効果的に抑制することができる。

本発明によれば、絶縁層１ａ、１ｇ及び絶縁層１ｂ〜１ｆの２種の絶縁層が、いずれも結晶化ガラスを３０質量％以上、特に３５質量％以上、更には４０質量％以上含むことが焼結性を高める点において好ましい。

セラミック積層基板を構成する各絶縁層１ａ〜１ｇの主成分であるセラミックスとして、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＭｇＴｉＯ_３，ＣａＺｒＯ_３，ＣａＴｉＯ_３，Ｍｇ_２ＳｉＯ_４，ＢａＴｉ_４Ｏ_９，ＺｒＴｉＯ_４，ＳｒＴｉＯ_３，ＢａＴｉＯ_３，ＴｉＯ_２，ＡｌＮ，ＳｉＮなどを例示できる。

また、各絶縁層１ａ〜１ｇに含まれる結晶化ガラスが、ディオプサイド、ハーディストナイト、セルシアン、コージェライト、アノーサイト、ガーナイト、ウィレマイト、スピネル、ムライト、フォルステライト及びスーアナイトから選ばれる１種以上であることが、配線基板の曲げ強度をより高め、誘電損失をより小さくする点で望ましい。

結晶化ガラスを採用し、上記のセラミック結晶を析出させることにより、１０００℃以下の温度で焼成可能とすることが容易となり、その結果、導体層としてＣｕ，Ａｇ，Ａｌなどの低抵抗導体を用いることができ、また、低誘電率化が容易となり、高速伝送化に適す。

なお、以上のように２種の絶縁層の組み合わせについて説明したが、絶縁層は３種でも、更には４種以上であっても良く、絶縁層の種々組成を制御することによって、焼成収縮挙動を容易に制御、変更することができる。

次に、本発明の配線基板の製造方法は、成形工程、導体形成工程、積層工程、及び焼成工程を具備するものであり、これらの工程について、それぞれ、図１の配線基板を例として取り上げ、以下に説明する。

まず、成形工程として、第１の原料粉末に対して、焼成途中で容易に揮発する揮発性有機バインダと、有機溶剤と、必要に応じて可塑剤を混合し、スラリーを作製する。これらのスラリーを用いて、リップコーター法やドクターブレード法などによってテープ成形を行い、所定寸法に切断しグリーンシートＡを作製する。次に、第２の原料粉末に対して、焼成途中で容易に揮発する揮発性有機バインダと、有機溶剤と、必要に応じて可塑剤と、を混合し、グリーンシートＡと同様にしてグリーンシートＢを作製する。この場合、グリーンシートＡとグリーンシートＢの焼成収縮開始温度が異なるように、それぞれのグリーンシートに含まれるガラス粉末を選定する。

なお、グリーンシートＢを用いる代わりに、第２のガラス粉末を含むペーストを作製し、グリーンシートＡの表面に塗布することも可能である。

次に、導体形成工程として、成形工程で得られた複数のグリーンシートＡ、Ｂのうち、所望のグリーンシートの表面に対して、導体ペーストを用いたスクリーン印刷法などによって、表面導体層や内部導体層となる導体パターンを被着形成する。また、所望のグリーンシートに対して、パンチングやレーザー穿孔等によって貫通孔を形成し、グリーンシートの貫通孔の内部に導体ペーストを充填する。このようにして、グリーンシートの表面や内部に導体パターンを形成した導体付グリーンシートを複数作製する。

次に、積層工程として、導体形成工程で得られた各導体付グリーンシートと、所望により導体パターンの形成されていないグリーンシートＡ、Ｂ等を積層する。その際に、導体パターンが所定の設計した回路となるように組み合わせることは言うまでもない。

本発明に寄れば、積層体において、グリーンシートの平面方向に対する収縮率を含まれるガラスの中で最も低いガラスの転移点以下の温度で熱処理を行うことにより、０．１％以上１．０％以下、焼成時に０．１％以上２．０％以下になるように設計するのが良い。

次に、焼成工程として、積層工程で得られた積層体を焼成する。焼成に際しては、低温側で収縮が開始するグリーンシートの収縮開始温度とそのグリーンシートに含まれるガラスの結晶化温度の中間の温度で一旦保持する多段焼成でも可能であるが、通常の単一キープ温度においても昇温速度を調整する等の手法によって、同時焼成を行うことが可能であり、このような焼成において、Ｘ−Ｙ方向（グリーンシートの平面方向）への焼成収縮が抑制され、Ｚ方向（グリーンシートの厚み方向）に焼成収縮した寸法精度の高い基板を作製することができる。

なお、焼成収縮開始温度が異なる２種のグリーンシートに含まれる主成分であるセラミックス及び副成分の結晶化ガラス、さらにこれらの混合物は、例えば、焼結収縮挙動の相違のみならず、目的に応じて、焼成後の比誘電率、曲げ強度、誘電損失、熱伝導率、嵩密度、吸水率、耐電圧、温度係数、透磁率、透過率、屈折率、耐候性、導電率、色調等のほかの特性が異なっていてもよいし、同一層内で部分的に異なる材料の絶縁層が存在しても、本発明の手法を用いれば、反りやデラミネーションを抑制できるため、差し支えない。

図１の焼成収縮挙動が異なる２種のグリーンシートＡ、Ｂの積層形態としては、ＡＢＢＢＢＢＡにて積層したが、その他に、例えばＡＢＡＢＡＢＡ、ＡＡＡＢＡＡＡ、ＡＡＢＢＢＡＡ、ＡＡＢＡＢＡＡ、ＡＡＢＢＡＡＡ、ＡＢＡＡＡＡＡ、ＡＢＡＡＡＢＡ、ＡＢＢＡＢＢＡ、ＡＡＢＡＡＡＡ、ＡＢＢＡＡＡＡ、ＡＢＢＢＡＡＡ、ＡＢＢＢＢＡＡ等の構成でもよく、積層数を変えても、ＡとＢとを反対に入れ替えてもよい。

さらに、焼成収縮挙動が異なる２種のグリーンシートを含む３種のグリーンシートＡ、Ｂ、Ｃを用いた場合の積層形態としては、ＡＢＣＣＣＢＡ、ＡＢＢＣＢＢＡ、ＡＢＢＣＣＢＢＡ、ＡＢＣＢＡＢＣＢＡ、ＡＡＡＢＣＢＡＡＡ等の任意の組み合わせ及び任意の積層数に設定できる。もちろん、対称性を具備するのが好ましいのは言うまでもない。

図１に示した配線基板を作製した。

まず、焼成収縮開始温度が異なる焼成後に表１の結晶が析出するガラスと、フィラーとしてセラミックスを表１の組成でそれぞれ混合し、各組成物に対して有機バインダとしてエチルセルロース、有機溶剤として２−２−４−トリメチル・ペンタジオールモノイソブチレートを添加してスラリーを調整した。なお、これらの組成物に対してワックスを添加して、１００ＭＰａでプレスすることにより圧粉体を形成し、この圧粉体に対して空気中でＴＭＡ（熱機械分析）による室温〜１０００℃の温度範囲により各セラミックスの収縮開始温度Ｓ、収縮終了温度Ｅ、室温〜９００℃における熱膨張係数を評価した。結果を表１に示した。

次に、２種類のグリーンシートをドクターブレード法によりそれぞれ成形して作製し、第１絶縁層、第２絶縁層と作製した。

次いで、第１絶縁層又は第２絶縁層の所定の位置にパンチング等により貫通孔を形成し、この貫通孔にＡｇ粉末を含む導電性ペーストを充填するとともに、またこの導電性ペーストを第１絶縁層又は第２絶縁層の表面の所定の位置にスクリーン印刷し、乾燥して導体付グリーンシートを作製した。

導電性ペーストが充填され、所定形状の導体層が形成された第１絶縁層又は第２絶縁層を含む絶縁層を積層し、図１の構造となる積層成形体を作成した。

この後、表１の熱処理温度で熱処理し、しかる後に表１に焼成温度で焼成し、図１に示す配線基板を得た。なお、焼成前の各絶縁層１ａ〜１ｇの厚みは０．２ｍｍであり、焼成後の多層基板の大きさは、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚み０．８ｍｍであった。

熱処理前の積層成形体、熱処理後の積層成形体、及び同時焼成後の配線基板に対して、予めマーキングした所定のポイント間の長さ（２０〜３０ｍｍ）を３次元測定装置（ＳＯＫＫＩＡ製）で測定することにより、Ｘ−Ｙ方向の基板の収縮率を測定した。収縮率は、熱処理前後における収縮率、焼成前後における収縮率を表１に示した。

また、基板を研磨して光学顕微鏡で観察することにより、基板におけるクラック、デラミネーションの有無を評価し、欠陥として表２に示した。

基板の抗折強度評価用の試料として、第１絶縁層となるグリーンシート（焼成前厚み０．２ｍｍ）で第２絶縁層となるグリーンシート（焼成前厚み０．２ｍｍ）５層を挟んだ構造で表２に示す焼成温度で１時間同時焼成して、５ｍｍ×４０ｍｍ×０．８ｍｍの試験片を得た。この試験片について、室温において、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、下部支点間距離３０ｍｍの条件で３点曲げ強度の測定を行った。結果を表２に示した。

本発明の試料Ｎｏ．１〜１０は焼成前の熱処理による収縮率が０．１〜１．０％、焼成後のトータルとの収縮率が０．２〜３．０％と小さく、曲げ強度が３００ＭＰａ以上と大きく、焼成におけるクラックやデラミネーションが発生しない基板であった。

一方、焼成前の熱処理による収縮率が０．１〜１．０％、焼成後のトータルとの収縮率が０．２〜３．０％の範囲外の試料Ｎｏ．１１及び１２は、収縮率が８．５％以上と高く、強度が２３０ＭＰａ以下と低かった。

本発明のセラミック積層基板の一例を示す概略断面図を示す。

符号の説明

１・・・セラミック積層基板
２・・・表面導体層
３・・・内部導体層
４・・・ビアホール導体
１０・・・多層基板

Claims (6)

1. ２種以上の異なる材料を含む絶縁層を積層してなる積層体において、該積層体に含まれるガラスの中で最も低いガラスの転移点以下の温度で熱処理を行うことにより、
   ０．１〜１．０％の平面方向の収縮を伴い、焼成時に０．１〜２．０％の平面方向の収縮を伴うことを特徴とする配線基板の製造方法。
2. 積層基板の抗折強度が３００ＭＰａ以上、ワイブル係数が５以上であることを特徴とする請求項１記載の配線基板の製造方法。
3. 前記２種以上の異なる材料を含む絶縁層を単体で評価した場合に、１種の絶縁層の収縮終了温度が、他の絶縁層の収縮開始温度よりも低いことを特徴とする請求項１又は２記載の配線基板の製造方法。
4. 前記２種以上の異なる材料を含む絶縁層のうち、最小の熱膨張係数を持つ絶縁層と最大の熱膨張係数を持つ絶縁層との熱膨張係数の差が、２×１０^−６／℃以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
5. 前記絶縁層が、それぞれ結晶化ガラスを３０質量％以上含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
6. 前記結晶化ガラスが、ディオプサイド、ハーディストナイト、セルシアン、コージェライト、アノーサイト、ガーナイト、ウィレマイト、スピネル、ムライト、フォルステライト及びスーアナイトのうち少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
   
   

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