JP2007103836A - 低温焼結セラミック多層基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部分的に機械的な強度を向上させた板状粒子強化セラミック多層基板を提供する。
【解決手段】板状アルミナ粒子を含んだグリーンシート２０を作製し、それを積層してセラミック多層基板を製造する。その際、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを、例えば、セラミック多層基板の上下面、あるいは上中下面等、強度を強くしたい任意の箇所に配置して積層する。
【選択図】図３

Description

本発明は低温焼成セラミック多層基板に関し、特に粒子強化された低温焼成セラミック多層基板およびその製造方法に関するものである。

一般的に低温焼成セラミック基板は、無機材料としてアルミナとホウケイ酸ガラスを１：１（５０ｗｔ％：５０ｗｔ％）程度の混合比で使用している。そして、これらの無機材料に有機バインダおよび溶剤を加えて均一に混合し、ドクターブレード法でグリーンシートを作製した後、そのグリーンシートにビアホール形成、印刷、積層、脱バインダ、焼成を行って低温焼結セラミック多層基板を製造している。

このような低温焼結セラミック多層基板は、低温で緻密に焼成するために、高温で焼結させるアルミナ多層基板に比べてガラス成分を多くしなければならず、また、高温で焼結させるアルミナ多層基板に比べ強度が低い。そのため、（１）セラミック多層基板にした場合、金具取り付け部分にクラックが発生する、（２）ビアホール周辺にクラックが入りやすい、（３）めっき応力等で割れやすい等の問題がある。

これらの問題を解決するための技術として、従来より、以下の検討がなされてきている。例えば、（１）低温焼成ガラスセラミック基板中に添加するフィラーとして、ガラスよりも強度の高い窒化アルミニウム、アルミナ、ムライト、部分安定化ジルコニアを使用するもの（特許文献１，２，３参照）、（２）微細なアルミナ粉末よりも平均粒径の大きいアルミナ粉末を用いることで、アルミナ粉末の比表面積が減少し、アルミナ粉末を十分に包み込むのに必要なガラス量を低減でき、それによって、アルミナ添加量の増大が可能となり、高強度の焼結体を作製できるもの（特許文献４参照）がある。

さらには、ガラスとフィラーとの混合物を焼成して得られる焼結体中に、適当なアスペクト比の結晶物を生成し、含有させて、強度特性の向上を図ったもの（特許文献５，６参照）がある。

特開平２−２２５３３８号公報 特開平２−２２５３３９号公報 特開平２−２２５３４０号公報 特開平４−３４９１６６号公報 特開平１０−１６７８２２号公報 特許第３５２７０３８号公報

しかしながら、上記の特許文献１〜３に記載のガラスセラミック焼結体は、アルミナより強度の高い窒化アルミニウムがガラス中の酸素と反応するという問題あり、部分安定化ジルコニアには、アルミナよりも高価であるという問題がある。また、特許文献４に記載の低温焼成セラミック組成物は、使用する粒子の平均粒径が２．５〜６．０μｍと大きく、それによって作製したグリーンシートの表面の平滑性が悪いため、配線印刷の精度も悪くなるという問題がある。

さらに、上述した特許文献５，６に記載の低温焼成セラミックス等においては、生成させる結晶物のアスペクト比制御（生成温度、時間）をしないと、優れた特性が得られな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、基板強度を増加させた低温焼成セラミック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、複数枚のセラミックシートを積層してなる低温焼結セラミック多層基板であって、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを任意の積層位置に配置したことを特徴とする。

例えば、上記板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートは、板状アルミナ粒子を含有させて仮積層したシートであり、その仮積層したシートを当該セラミック多層基板の強度を向上させたい箇所に対応して配することを特徴とする。

また、例えば、上記仮積層したシートを当該セラミック多層基板の上面および下面、あるいは、上面、中面および下面に配して本積層したことを特徴とする。

上述した課題を解決する他の手段として、本発明は、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明に係る低温焼結セラミック多層基板の製造方法は、板状アルミナ粒子を含有させたグリーンシートを作製するステップと、上記グリーンシートを仮積層するステップと、上記仮積層したグリーンシートを任意の積層位置に配置した後、これらのグリーンシートを含む複数枚のグリーンシートを本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ることを特徴とする。

例えば、上記積層体の作製ステップでは、上記仮積層したグリーンシートを、上記セラミック多層基板の強度を向上させたい箇所に対応して配置することを特徴とする。また、例えば、上記積層体の作製ステップでは、上記仮積層したグリーンシートを上記セラミック多層基板の上面および下面、あるいは、上面、中面および下面に配して積層することを特徴とする。

本発明によれば、部分的に機械的な強度（基板強度）を向上させた粒子強化セラミック多層基板を製造することができる。

以下、添付図面および表を参照して、本発明に係る実施の形態例を詳細に説明する。図１は、本実施の形態例における低温焼結セラミックス多層基板の製造工程を示すフローチャートである。また、図２〜図５は、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシート、およびそのアルミナ粒子を含んだグリーンシートと通常のグリーンシートを積層してなる低温焼結セラミックス多層基板を作製する工程を説明するための図である。

本実施の形態例における多層基板の製造工程において使用するグリーンシートの作製は、公知の技術を用いて行うことができる。すなわち、図１のステップＳ１において、原料粉体の秤量、混合を行い、ステップＳ２で、結合剤、可塑剤、溶剤等を含む一般的な有機ビヒクルとの混合（ボールミル混合）、および分散を行う。その後、ステップＳ３で攪拌および脱泡を行い、ステップＳ５で、ドクターブレード等の方法により、板状アルミナ粒子を含んだ所定厚のセラミック・グリーンシートを作製する。そして、続くステップＳ６で、そのシートに５０ｍｍ角の外周打ち抜き加工を施す。

具体的には、上記のステップＳ１で、原料粉体としてアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）とホウケイ酸ガラスを１：１（５０ｗｔ％：５０ｗｔ％）の割合となるよう秤量した。ここでは、有機ビヒクルに使用する溶剤には、例えば、メチルエチルケトンとトルエンとの混合溶剤を使用し、樹脂としては、例えば、ポリビニルブチラール樹脂を用いた。

ボールミルによる混合は２４時間行い、分散には、例えば、超音波を使用した。上記ステップＳ３での攪拌および脱泡により、グリーンシート材の粘度が３０ｐｏｉｓｅとなるように調製した。また、ドクターブレード法により、シートの厚さが、例えば、５０〜５１μｍのグリーンシートを作製した。図２は、板状アルミナ粒子２１を含んだ所定厚のセラミック・グリーンシート２０を側面から見た様子を示している。

ここでは、アルミナとして、例えば、板状アルミナや粒状アルミナの粉体を使用した。板状アルミナ粉体は、粒子の形状や大きさを制御した薄片状のアルミナ粒子であり、熱伝導性、絶縁性等、アルミナ本来の特性を持つとともに、配向性等の板状粒子特有の性質を有する粒子である。また、粒子径や粒子厚が揃った板状粒子の場合、厚さの薄いシート状の加工品への使用に最適なものとなる。

本実施の形態例では、板状粒子強化セラミック多層基板を製造するため、公知の工程により、通常のグリーンシートを作製する。そして、そのグリーンシートを、図１のステップＳ８で仮積層した後、必要に応じて、ビアホールの形成（ステップＳ１０）、回路印刷（ステップＳ１１）等を施す。これらビア形成、印刷等は、低温焼結セラミック多層基板の一般的な公知の技術を使って行うことができる。図３は、グリーンシートにビアホールの形成、印刷、仮積層した未焼成のセラミック多層基板を側面から見たときの様子を示している。

その後、図１のステップＳ１２において、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを、必要に応じて上下面、あるいは上下面と内部とにセットして本積層する。ここでは、例えば、温度が９０℃、３０Ｍｐａの圧力で積層、圧着する。図４は、セラミック多層基板の上面と下面に、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシート２０ａ，２０ｂをそれぞれ本積層したときの低温焼結セラミック多層基板を側面から見たときの様子を示している。また、図５は、セラミック多層基板の上面と下面と内部とにおいて、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシート２０ａ，２０ｂ，２０ｃをそれぞれ本積層してなる低温焼結セラミック多層基板の側面図である。

このように、セラミック多層基板のうち、その機械的な強度を向上させたい箇所（層）に、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを配置することで、高い強度を有する低温焼結セラミック多層基板を得ることができる。そのため、本発明に係る低温焼結セラミック多層基板は、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを、強度を強くしたい箇所（例えば、図４や図５に示すように上下面、あるいは上中下面）に配置し、積層された構造をとる。

本実施の形態例に係る低温焼結セラミック多層基板の製造工程では、その後、ステップＳ１３において脱バインダ処理を行い、続くステップＳ１４で焼成（例えば、８７０℃で３０分間）することで、部分的に板状粒子強化した低温焼結セラミック多層基板を得ることができる。そして、ステップＳ１５で、後工程としての後加工を行う。具体的には、めっき、部品積載、その他の後工程を行うが、これらは、一般的な公知の技術を使って行うことができるため、ここではそれらの説明を省略する。

次に、本実施の形態例に係るセラミック多層基板の実験結果について、得られたデータ等を参照して詳細に説明する。表１は、本実施の形態例に係るセラミック多層基板の実施例について得られた測定結果を示しており、ここでは、強化シートとして、材料組成がアルミナ：ガラスを５０ｗｔ％：５０ｗｔ％の割合で混合し、そのアルミナについては、粒状アルミナと板状アルミナの合計が５０ｗｔ％となる各条件で作製した組成物について、曲げ強さ等を測定した。

本実施の形態例において、曲げ強さを測定するための試料は、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートのみを数十枚、本積層し、それを上述のように脱バインダ、焼成、加工して作製した。また、曲げ強さは、ＪＩＳ Ｒ１６０１に基づき測定した。その結果、アルミナ粒子強化していないものに比べ、曲げ強さが約１０〜１５％増加した。

なお、これらの試料における破壊靭性は測定していないが、セラミック多層基板のクラック発生状況、つまり、アルミナ粒子強化した試料では、クラック発生がないことから、曲げ強さだけでなく、破壊靭性も向上したと考えることができる。その結果、低温焼結セラミック多層基板のめっき工程を含む後工程で、ビアホール周辺、キャビティー周辺、端子取り付け部分におけるクラック発生を防止することができた。

表１の試料番号１は、強化シートを使用しない、通常シート（粒状アルミナ／ガラス＝５０／５０（ｗｔ％））のみで作製したセラミック多層基板であり、クラック発生箇所が多いという実験結果となった。また、試料番号２〜５のものは、強化シートのみで作製したセラミック多層基板である。例えば、試料番号２では、強化シート組成のうち、板状アルミナの組成を１０ｗｔ％にしても、その曲げ強さは、試料番号１のセラミック多層基板と同じであった。つまり、板状アルミナ組成が１０ｗｔ％では、板状アルミナによる粒子強化（強度向上効果）が現れないことが判明した。

これに対して、試料番号３，４のものは、強化シート組成のうち、板状アルミナ粒子の組成をそれぞれ２０ｗｔ％、３０ｗｔ％にすることで、曲げ強さの値が大きくなり、板状アルミナによる強度向上の効果が現れた。他方、板状アルミナ粒子の組成を４０ｗｔ％とした試料番号５は、緻密な構造のものが得られず、また、グリーンシート面は平滑でないため、印刷精度も悪くなった。

そこで、曲げ強さの値が最も大きい試料番号４の強化シート（その組成は、粒状アルミナ／板状アルミナ／ガラス＝２０／３０／５０（ｗｔ％））を、多層基板の強化したい箇所（試料番号６では上下面、試料番号７では上中下面）に配置し、積層することで、セラミック多層基板の強度が向上した。その結果、それらの試料では、クラック発生は見られなかった。

以上説明したように、本実施の形態例によれば、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを作製し、それを積層してセラミック多層基板を構成することで、部分的に基板強度を向上させた板状粒子強化セラミック多層基板を製造することができる。また、かかる板状アルミナによる強度向上に伴い、基板の加工の際においてもビア周辺におけるクラックの発生をなくすことができる。

また、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを、例えば、積層体の上下面、あるいは上中下面に配置し、積層してセラミック多層基板を作製できるため、機械的な強度を強くしたい任意の箇所へそのグリーンシートを挿入でき、しかも、グリーンシート面が平滑で印刷精度が良くなるという効果がある。

本発明の実施の形態例に係る低温焼結セラミックス多層基板の製造工程を示すフローチャートである。 板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートの側面を示す図である。 仮積層した未焼成のセラミック多層基板の側面図である。 セラミック多層基板の上下面に、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを積層してなるセラミック多層基板を側面図である。 板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートをセラミック多層基板の上下面と内部とに積層したセラミック多層基板の側面図である。

符号の説明

２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 板状アルミナ粒子を含んだグリーンシート
２１ 板状アルミナ粒子

Claims (6)

1. 複数枚のセラミックシートを積層してなる低温焼結セラミック多層基板であって、板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートを任意の積層位置に配置したことを特徴とする低温焼結セラミック多層基板。
2. 前記板状アルミナ粒子を含んだグリーンシートは、板状アルミナ粒子を含有させて仮積層したシートであり、その仮積層したシートを当該セラミック多層基板の強度を向上させたい箇所に対応して配することを特徴とする請求項１記載の低温焼結セラミック多層基板。
3. 前記仮積層したシートを当該セラミック多層基板の上面および下面、あるいは、上面、中面および下面に配して本積層したことを特徴とする請求項２記載の低温焼結セラミック多層基板。
4. 板状アルミナ粒子を含有させたグリーンシートを作製するステップと、
   前記グリーンシートを仮積層するステップと、
   前記仮積層したグリーンシートを任意の積層位置に配置した後、これらのグリーンシートを含む複数枚のグリーンシートを本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ることを特徴とする低温焼結セラミック多層基板の製造方法。
5. 前記仮積層したグリーンシートを、前記セラミック多層基板の強度を向上させたい箇所に対応して配置することを特徴とする請求項４記載の低温焼結セラミック多層基板の製造方法。
6. 前記仮積層したグリーンシートを前記セラミック多層基板の上面および下面、あるいは、上面、中面および下面に配して積層することを特徴とする請求項５記載の低温焼結セラミック多層基板の製造方法。

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