JP2006324493A - セラミック基板の製造方法およびセラミック基板 - Google Patents

Abstract

【課題】ビア導体内の気孔を修正するため、二次焼成工程を行う際に、セラミック基板に反りが発生しにくく、二次焼成工程の時間も短縮できるセラミック基板の製造方法、およびこれにより得られるセラミック基板を提供する。
【解決手段】本発明のセラミック基板の製造方法製造され、複数層のセラミック層ｓ１〜ｓ４からなる基板本体５と、セラミック層ｓ１〜ｓ４を貫通するビア導体ｖと、基板本体５の表面３および裏面４に露出するビア導体ｖの端面に位置する凹みｕに充填され、且つセラミック層ｓ１〜ｓ４に含まれるガラス成分の融点よりも低い温度で焼成された補助導体ｍと、ビア導体ｖの端面および補助導体ｍの表面の上に形成される表面導体６と、を含む、セラミック基板Ｋ。
【選択図】 図８

Description

本発明は、二次焼成工程が必要なセラミック基板の製造方法およびこれにより得られるセラミック基板に関する。

グリーンシートを一次焼成したセラミック体の表面にメタライズ層を形成する場合、例えばＭｏ粉末とＭｎ粉末とを含むメタライズ組成物をバインダによりペースト状とし、これをセラミック体の表面に塗布した後、所要の雰囲気中で二次焼成してメタライズ層を形成する方法が行われている。この際、窒化物系セラミック体とメタライズ層との接合強度を高めるため、ＡｌＮおよびこれ以外の焼結助剤を含有するメタライズ構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、一次焼成により得られたセラミック基板の上に、後付けメタライズ法により微細導体パターンを形成するため、所定割合の組成物からなるメタライズ用導体ペーストを用いることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−８６０号公報（第１〜４頁） 特開平６−１８３６８３号公報（第１〜４頁）

ところで、グリーンシートを一次焼成してセラミック基板とした際、同時に焼成され且つ上記セラミック基板のセラミック層を貫通するビア導体は、内部に気孔（ボイド）を含んでいる場合がある。上記セラミック基板の表面を研磨して上記気孔が露出した場合、かかる気孔を含むビア導体とその上に形成するパッドなどの表面導体との密着強度が不足する。しかも、表面導体の表面に窪みが生じると、かかる窪みによる厚みのバラ付きにより、表面導体の上に形成する薄膜層の密着強度が低下し且つその表面の平坦度が損なわれる、という問題があった。
上記気孔を修正するため、前記のようなＭｏ−Ｍｎ系メタライズ組成物をかかる気孔内に充填してセラミック基板を二次焼成すると、焼成温度が約１４００℃と高温であるため、セラミック中のガラス成分が軟化し、当該ガラス成分の移動により、上記セラミック基板の平坦度（反り）が変化する、という問題があつた。
更に、上記セラミック基板の平坦度を研磨により修正するための修正工程が必要となると共に、かかるセラミック基板の平坦度を保つべく施す上記二次焼成工程に約２４時間程度を要するため、製造コストが高くなってしまう、という問題もあった。

本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、ビア導体内の気孔を修正するため、二次焼成工程を行う際に、セラミック基板に反りが発生しにくく、二次焼成工程の時間も短縮できるセラミック基板の製造方法、およびこれにより得られるセラミック基板を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、ビア導体の気孔に充填すべき補助導体の焼成温度を所定温度以下に規定することにより、成されたものである。
即ち、本発明におけるセラミック基板の製造方法（請求項１）は、単層または複数層のグリーンシートおよび当該グリーンシートに形成したビアホールに充填されたビア導体を焼成する一次焼成工程と、上記グリーンシートが焼成されたセラミック層のうち、少なくとも一方の表面を研磨する一次研磨工程と、かかる一次研磨工程の後で上記表面に露出するビア導体の端面に位置する凹みに、上記セラミック層に含まれるガラス成分の融点よりも焼成温度が低い補助導体を充填する工程と、上記凹みに充填された補助導体を、上記一次焼成工程の焼成温度よりも低い焼成温度で焼成する二次焼成工程と、を含む、ことを特徴とする。

これによれば、前記ビア導体中に含まれていた気孔が研磨により露出する凹みに、前記セラミック層に含まれるガラス成分の融点よりも焼成温度が低い補助導体が充填され、かかる補助導体を、前記一次焼成工程の焼成温度よりも低い焼成温度で焼成する二次焼成工程が施される。この結果、かかる二次焼成工程において、セラミック層中のガラス成分の軟化および移動が生じないので、セラミック基板に反りやうねりが生じにくくなる。このため、当該セラミック基板の表面に露出する上記補助導体を含むビア導体の端面上に、ハンダを介して電子部品の実装や導体ピンなどの接続端子の接合などを精度良く行えるセラミック基板を確実に提供することが可能となる。しかも、二次焼成工程に要する時間は、一次焼成工程とほぼ同じ焼成温度で行う場合に比べ、約５分の１以下に短縮できるため、製造コストの低減にも寄与することができる。

尚、前記グリーンシートには、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とし、２〜１０ｗｔ％のＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯからなるガラス成分を含むセラミック材料のほか、低温焼成セラミックの一種であるガラス−セラミック材料を主成分とするものも含まれる。かかるグリーンシートは、複数個の製品領域である基板本体部分を、平面（縦・横）方向に沿って併設した大版サイズのものも含む。
また、前記ビア導体がＷまたはＭｏなどからなる場合、前記補助導体にはＮｉまたはＡｕなどが用いられ、前記ビア導体がＣｕまたはＡｇなどからなる場合、前記補助導体にはＳｎまたはＡｇなどが用いられる。更に、前記ガラス成分の融点よりも低い焼成温度は、約１０００℃、あるいはこれ以下である。

また、本発明には、前記二次焼成工程の後に、焼成された補助導体の表面を前記セラミック層の表面と面一になるように研磨する二次研磨工程を有する、セラミック基板の製造方法（請求項２）も含まれる。
これによれば、例えば、二次焼成後のセラミック基板の表面に露出する上記補助導体を含むビア導体の端面が平坦となるため、かかるビア導体の端面を含むセラミック基板の表面上に次述する表面導体を、平坦度を保って容易に形成することが可能となる。

更に、本発明には、前記二次焼成工程または前記二次研磨工程の後に、前記ビア導体の端面および前記焼成された補助導体の表面の上に表面導体を形成する工程を有する、セラミック基板の製造方法（請求項３）も含まれる。
これによれば、二次焼成工程の後において反りの少ないセラミック基板の表面に露出する上記補助導体を含むビア導体の端面、あるいは、二次研磨工程の後において、平坦化された補助導体を含むビア導体の端面の上方に、例えば薄膜加工によって表面導体を精度良く形成したセラミック基板を提供することができる。このため、上記表面導体を介して、セラミック基板の表面に電子部品を精度良く実装することが可能となる。

一方、本発明のセラミック基板（請求項４）は、前記セラミック基板の製造方法により製造されるセラミック基板であって、単層または複数層のセラミック層からなる基板本体と、上記セラミック層を貫通するビア導体と、前記基板本体の少なくとも一方の表面に露出する上記ビア導体の端面に位置する凹みに充填されると共に、上記セラミック層に含まれるガラス成分の融点よりも低い温度で焼成された補助導体と、かかるビア導体の端面および上記補助導体の表面の上に形成される表面導体と、を含む、ことを特徴とする。

これによれば、反りが少なく平坦な基板本体の少なくとも一方の表面に、補助導体を含む平坦なビア導体の端面の上方に、表面導体が高い平坦度にして形成されているため、かかる表面導体を介して、当該基板本体の表面に電子部品を所定の姿勢を保って精度良く実装できるセラミック基板となる。あるいは、上記表面導体を介して、当該セラミック基板を搭載するマザーボードなどのプリント基板との導通も良好に取ることが可能となる。
尚、上記セラミック基板には、複数個の基板本体を平面（縦・横）方向に沿って併設した大版サイズの形態であるものも含まれる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明のセラミック基板を得るために用いるグリーンシートｓ１〜ｓ４の断面図を示す。かかるグリーンシートｓ１〜ｓ４は、例えば、アルミナを主成分とし、２〜１０ｗｔ％のＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯからなるガラス成分を含有するセラミック材料からなり、厚さが約０．１〜０．６ｍｍで、且つ予め所定の位置に内径が約１００〜２００μｍである複数のビアホールｈが穿孔されている。
図１における中央および右側に位置するビアホールｈで例示するように、グリーンシートｓ１〜ｓ４の各ビアホールｈには、スクリーン印刷方法によって、ＷまたはＭｏ粉末を含む導電性ペーストｐが充填される。尚、グリーンシートｓ１〜ｓ４の各ビアホールｈは、互いに同心となる位置に形成されている。

次いで、前記グリーンシートｓ１〜ｓ４を厚み方向に積層し且つ圧着する。
その結果、図２に示すように、グリーンシートｓ１〜ｓ４が積層されたことで形成され且つ表面１および裏面（表面）２を有する基板本体５と、かかる基板本体５を前記複数の導電性ペーストｐが同心で貫通する複数のビア導体ｖと、を有する積層体Ｓが形成される。
かかる積層体Ｓを図示しない焼成炉に挿入し、約１５４０℃×約２４時間（焼成炉内の通過時間）加熱・保持する一次焼成工程を行う。
その結果、積層体Ｓの基板本体５を形成するグリーンシートｓ１〜ｓ４が焼成されて、セラミック層ｓ１〜ｓ４となる。尚、グリーンシートｓ１〜ｓ４とセラミック層ｓ１〜ｓ４とは、便宜上共通の符号とした。

図２中の一点鎖線部分Ｘを拡大した断面図を、図３に示す。
図３に示すように、焼成済みの積層体Ｓにおける最上層のセラミック層ｓ１のビアホールｈ内に位置し、上記一次焼成工程により焼成されたビア導体ｖの内部には、約２０〜６０μｍの気孔（ボイド）ｂが含まれている場合がある。
次に、積層体Ｓの基板本体５における最上層と最下層のセラミック層ｓ１，ｓ４の表面１と裏面２とを、例えば、ベルトサンダまたは砥石ロールを用いて、約０．１〜０．２ｍｍ研磨する一次研磨工程を施す。
その結果、図４に示すように、一次研磨工程によって研磨されたセラミック層ｓ１の新たな表面３には、ビア導体ｖの端面と共に、気孔ｂの残部であるほぼ半球形の凹みｕが露出する。

更に、図５に示すように、上記凹みｕに対し、例えば図示しないワイヤの先端に塗布した導電性ペーストを挿入することで、補助導体ｍを充填する。かかる補助導体ｍは、セラミック層ｓ１〜ｓ４に含まれている２〜１０ｗｔ％のガラス成分の融点（約１２００〜１３００℃）よりも焼成温度（約１００℃）が低いＮｉを主成分とする導電性ペーストである。尚、補助導体ｍには、Ａｕを主成分とする導電性ペーストを用いても良い。
尚、最下層のセラミック層ｓ４における一次研磨後の新たな裏面（４）にても、上記同様に凹みｕが露出した場合には、補助導体ｍが同様にして充填される。

次いで、凹みｕに補助導体ｍを充填した積層体Ｓを、図示しない焼成炉に挿入し、約１０００℃×約３〜５時間加熱・保持する二次焼成工程を行う。この結果、補助導体ｍは、焼成される。この際、セラミック層ｓ１〜ｓ４から構成される基板本体５は、上記二次焼成工程の焼成温度がセラミック層ｓ１〜ｓ４の焼成温度（約１５４０℃）よりも５００℃以上低いため、セラミック層ｓ１〜ｓ４中に含まれるガラス成分が軟化および流動化しないので、上記二次焼成工程を経ても、一次焼成後の平坦度を維持し、更なる反りやうねりを生じない。同時に、補助導体ｍ中における一部のＮｉは、ビア導体ｖのＷ中に拡散するため、補助導体ｍは、ビア導体ｖに強固に密着する。このため、補助導体ｍは、次の二次研磨で圧力を受けても、ビア導体ｖの凹みｕから剥離しない。
次に、前記ベルトサンダなどを用い、二次焼成後に得られたセラミック基板Ｋの表面３および裏面（４）から突出する補助導体ｍを、図６に示すように、研磨して表面３などと面一にする二次研磨工程を施す。

そして、セラミック基板Ｋの表面３および裏面（４）に露出するビア導体ｖの端面および二次研磨後の表面が平坦な補助導体ｍの上方に、例えば薄膜加工によって、図７に示すように、表面導体６（裏面導体８）を形成する工程を行う。
上記薄膜加工は、例えば、補助導体ｍを有するビア導体ｖの端面を含むセラミック基板Ｋの表面３および裏面（４）に対し、スパッタリングにより、Ｔａ_２Ｎの薄膜、ＴｉまたはＴｉ−Ｗ合金の薄膜、および、ＣｕまたはＡｕの薄膜を順次被覆する。次いで、公知のフォトリソグラフィ技術により、ビア導体ｖの端面とその周辺の表面３および裏面（４）の上方に位置する上記３層の薄膜を、セラミック基板Ｋの厚み方向の視覚において、例えば円形にして残留させる。かかる偏平な円柱形の薄膜の上面に、電解メッキにより、Ｎｉメッキ層およびＡｕメッキ層を順次被覆する。最後に、かかるメッキ部分を除いた表面３（裏面４）上に残っている上記Ｔａ_２Ｎの薄膜を、エッチングにより除去する。

その結果、図８の断面図で示すように、セラミック層ｓ１〜ｓ４からなる基板本体５の表面３および裏面（表面）４において、これらに露出していたビア導体ｖとその周辺に、表面導体６および裏面導体（表面導体）８が形成されたセラミック基板Ｋが得られる。かかるセラミック基板Ｋは、複数のビア導体ｖが反りやうねりの少ない基板本体５の表面３と裏面４との間を垂直に（直線で）貫通し、かかるビア導体ｖの上方に表面導体６や裏面導体８が平坦にして形成されている。このため、例えば、図示しない配線基板と電子部品との間に介在され、且つ両者の間における導通を確保するための中継基板として有効に活用し得る。
あるいは、上記セラミック基板Ｋは、複数の電子部品の底面に設けた接続端子と接触させて、ＩＣチップなどの電子部品の導通性を検査するために用いるプローブカード（Ｐｒｏｂｅ Ｃａｒｄ）として、活用することもできる。

図９は、前記セラミック基板Ｋの変形形態であるセラミック基板Ｋａの断面図を示す。かかるセラミック基板Ｋａにおける前記セラミック基板Ｋとの相違点は、基板本体５の裏面４に複数のビア導体ｖの前記一次研磨後の端面が露出すると共に、図示で左側に位置するビア導体ｖの端面の凹みｕには、表面がビア導体ｖの端面および裏面４と面一に二次研磨され且つ二次焼成後の補助導体ｍが露出している点である。基板本体５の裏面４に露出するビア導体ｖの端面や、上記補助導体ｍを含むビア導体ｖの端面には、図示しないハンダが形成され、かかるハンダを介して、図示しない配線基板の表面に形成されたパッドなどと導通を取ることが可能である。尚、セラミック基板Ｋａも前述した各工程を経ることによって、製造可能である。

図１０は、異なる形態のセラミック基板Ｋｂを示す断面図である。
セラミック基板Ｋｂは、図１０に示すように、前記同様のセラミック層ｓ１〜ｓ４からなる基板本体５と、かかる基板本体５の表面３および裏面４に形成された前記同様の表面・裏面導体６，８と、を備えている。基板本体５のセラミック層ｓ１〜ｓ４間には、Ｗなどからなり所定パターンの配線層９が形成されている。かかる配線層９は、例えば、前記グリーンシートｓ２〜ｓ４の表面に、スクリーン印刷法により、前記導電性ペーストｐを上記パターンに形成し、グリーンシートｓ１〜ｓ４を個別または２層にまたがって貫通する前記ビア導体ｖと共に、前記積層体Ｓとされた状態で、前記一次焼成工程を受けたものである。

上記一次焼成の後は、前記図４〜図７で示した各工程を経ることにより、当該セラミック基板Ｋｂを得ることができる。
かかるは、セラミック基板Ｋｂは、表面導体６上にハンダを介してＩＣチップなどの電子部品を精度良く実装できると共に、裏面導体８およびハンダなどを介して、当該セラミック基板Ｋｂ自体を、マザーボードなどの表面上に確実に搭載することが可能である。

本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
本発明のセラミック基板の製造方法およびこれにより得られるセラミック基板は、単層のグリーンシートに対し、前記各工程を施すことにより、行い且つ得ることも可能である。
また、前記グリーンシートやセラミック層は、窒化アルミニウムやムライトなどを主成分とするセラミック材料からなるものとしたり、低温焼成セラミックの一種であって、ガラスとセラミックとの配合比がほぼ４：６〜６：４であるガラス−セラミックからなるものとしても良い。

更に、前記ビア導体は、一次焼成された前記積層体の表面や裏面には、露出せず、一次研磨工程によって形成される新たな表面や裏面に端面が露出するものでも良い。
また、前記一次研磨工程により、ビア導体の新たな端面に露出する凹部は、２個以上が隣接または近接していても良く、それぞれに前記補助導体を充填し、二次焼成工程および二次研磨工程を施すことで、表面が平坦でビア導体の端面や基板本体の表面などと面一にした複数の補助導体とすることも可能である。
加えて、前記凹部に充填した補助導体は、基板本体の表面などから突出したままの形態とし、かかる補助導体を二次焼成した後に、これを含むビア導体の端面の上方にハンダを形成し、当該ハンダを介して、導体ピンや、導体ボールなどの接続端子を接合するように、活用することも可能である。

本発明の製造方法における一工程を示す概略の断面図。 図１に続く工程を示す概略の断面図。 図２中の一点鎖線部分Ｘの拡大断面図。 図２，３に続く工程を示す図３と同様な断面図。 図４に続く工程を示す上記と同様な断面図。 図５に続く工程を示す上記と同様な断面図。 図６に続く工程を示す上記と同様な断面図。 上記製造方法により得られた本発明のセラミック基板を示す断面図。 上記セラミック基板の変形形態のセラミック基板を示す断面図。 異なる形態のセラミック基板を示す断面図。

符号の説明

１，３……………表面
２，４……………裏面（表面）
５…………………基板本体
６…………………表面導体
８…………………裏面導体（表面導体）
Ｋ，Ｋａ，Ｋｂ…セラミック基板
ｓ１〜ｓ４グリーンシート／セラミック層
ｈ…………………ビアホール
ｖ…………………ビア導体
ｕ…………………凹み
ｍ…………………補助導体

Claims (4)

1. 単層または複数層のグリーンシートおよび当該グリーンシートに形成したビアホールに充填されたビア導体を焼成する一次焼成工程と、
   上記グリーンシートが焼成されたセラミック層のうち、少なくとも一方の表面を研磨する一次研磨工程と、
   上記一次研磨工程の後で上記表面に露出するビア導体の端面に位置する凹みに、上記セラミック層に含まれるガラス成分の融点よりも焼成温度が低い補助導体を充填する工程と、
   上記凹みに充填された補助導体を、上記一次焼成工程の焼成温度よりも低い焼成温度で焼成する二次焼成工程と、を含む、
   ことを特徴とするセラミック基板の製造方法。
2. 前記二次焼成工程の後に、焼成された補助導体の表面を前記セラミック層の表面と面一になるように研磨する二次研磨工程を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
3. 前記二次焼成工程または前記二次研磨工程の後に、前記ビア導体の端面および前記焼成された補助導体の表面の上に表面導体を形成する工程を有する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック基板の製造方法。
4. 請求項１乃至３により製造されるセラミック基板であって、
   単層または複数層のセラミック層からなる基板本体と、
   上記セラミック層を貫通するビア導体と、
   上記基板本体の少なくとも一方の表面に露出する上記ビア導体の端面に位置する凹みに充填されると共に、上記セラミック層に含まれるガラス成分の融点よりも低い温度で焼成された補助導体と、
   上記ビア導体の端面および上記補助導体の表面の上に形成される表面導体と、を含む、
   ことを特徴とするセラミック基板。
   

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