JP2007266353A - Method of manufacturing multilayer ceramic substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばビアホール導体等の内部導体を有する多層セラミックス基板の製造方法に関するものであり、特に、内部導体周囲の欠陥を防止する技術に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a multilayer ceramic substrate having an internal conductor such as a via-hole conductor, for example, and more particularly to a technique for preventing defects around the internal conductor.
電子機器等の分野においては、電子デバイスを実装するための基板が広く用いられているが、近年、電子機器の小型軽量化や多機能化等の要望に応え、且つ高信頼性を有する基板として、多層セラミッスク基板が提案され実用化されている。多層セラミックス基板は、複数のセラミックス層を積層することにより構成され、各セラミックス層に配線導体や電子素子等を一体に作り込むことで、高密度実装が可能となっている。 In the field of electronic equipment and the like, substrates for mounting electronic devices are widely used. However, in recent years, as a substrate having high reliability in response to demands for reduction in size and weight of electronic devices and multifunctional functions. A multilayer ceramic substrate has been proposed and put into practical use. The multilayer ceramic substrate is formed by laminating a plurality of ceramic layers, and high-density mounting is possible by integrally forming a wiring conductor, an electronic element, and the like in each ceramic layer.
前記多層セラミックス基板は、複数のグリーンシートを積層して積層体を形成した後、これを脱バインダし、焼成することにより形成される。そして、前記グリーンシートは、この焼成工程等における焼結に伴って必ず収縮し、多層セラミックス基板の寸法精度を低下させる大きな要因となっている。具体的には、前記収縮に伴って収縮バラツキが発生し、最終的に得られる多層セラミックス基板においては、寸法精度は、0.5%程度に留まっている。 The multilayer ceramic substrate is formed by laminating a plurality of green sheets to form a laminate, then removing the binder and firing the laminate. The green sheet is surely contracted with the sintering in the firing step or the like, which is a major factor for reducing the dimensional accuracy of the multilayer ceramic substrate. Specifically, shrinkage variation occurs with the shrinkage, and the finally obtained multilayer ceramic substrate has a dimensional accuracy of about 0.5%.
このような状況から、多層セラミックス基板の焼成工程において、グリーンシートの面内方向の収縮を抑制し、厚さ方向にのみ収縮させる、いわゆる無収縮焼成方法が提案されている(例えば、特許文献1等を参照)。特許文献1等にも記載されるように、前記焼成温度でも収縮しないシートをグリーンシートの積層体に貼り付け、この状態で焼成を行うと、前記面内方向の収縮が抑制され、厚さ方向にのみ収縮する。この方法によれば、多層セラミックス基板の面内方向の寸法精度を例えば0.05%程度にまで改善することが可能である。
Under such circumstances, a so-called non-shrinkage firing method that suppresses shrinkage in the in-plane direction of the green sheet and shrinks only in the thickness direction in the firing process of the multilayer ceramic substrate has been proposed (for example, Patent Document 1). Etc.). As described in
ところで、多層セラミックス基板においては、層間接続を図るためのビアホール導体等の内部導体の形成が必須であり、前記多層セラミックス基板の作製に際しては、例えばビアホールを形成し、ここに導体ペーストを充填して焼成することが行われる。この場合、導体ペーストとグリーンシートの熱収縮挙動の相違等により、内部導体(例えばビアホール導体)の周囲に空隙(欠陥)が発生することが知られている。このような欠陥の発生は、特に無収縮焼成方法において顕著である。 By the way, in a multilayer ceramic substrate, it is essential to form an internal conductor such as a via-hole conductor for interlayer connection. When producing the multilayer ceramic substrate, for example, a via hole is formed and filled with a conductor paste. Firing is performed. In this case, it is known that voids (defects) are generated around the inner conductor (for example, via-hole conductor) due to a difference in heat shrinkage behavior between the conductor paste and the green sheet. Such a defect is particularly noticeable in the non-shrinkage firing method.
そこで、このような欠陥を解消するための技術も各方面で検討されている(例えば、特許文献2,3等を参照)。例えば、特許文献2記載の発明では、ビア孔に充填される導体組成物として、Ag等の導電性粉末と、Mo化合物またはMo金属とを含有する多層セラミック基板用導電組成物を用いることで、焼成後の電極近傍に欠陥を生じない多層セラミック基板の製造を可能としている。同様に、特許文献3記載の発明では、ビアホール導体をAgとWとから構成することで、ビアホール導体とビアホールの内壁との間に隙間が生じないようにしている。
しかしながら、本発明者らが検討を重ねたところ、前記各特許文献に掲載されるような内部導体を形成するための導電ペースト自体の収縮挙動の制御のみでは、必ずしも満足し得る結果が得られず、特に、前記無収縮焼成法により多層セラミックス基板を作製する場合等において、内部導体周囲に発生する欠陥を十分に抑えきれないことがわかった。 However, as a result of repeated studies by the present inventors, it is not always possible to obtain satisfactory results only by controlling the shrinkage behavior of the conductive paste itself for forming the internal conductor as described in each of the above patent documents. In particular, it has been found that defects generated around the inner conductor cannot be sufficiently suppressed when a multilayer ceramic substrate is produced by the non-shrinkage firing method.
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、内部導体を有する多層セラミックス基板において、内部導体周囲に生ずる欠陥を確実に解消可能とし、これにより信頼性の高い多層セラミックス基板を製造することが可能な多層セラミックス基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and in a multilayer ceramic substrate having an inner conductor, it is possible to surely eliminate defects generated around the inner conductor, thereby providing a highly reliable multilayer ceramic substrate. It aims at providing the manufacturing method of the multilayer ceramic substrate which can manufacture a board | substrate.
本発明者らは、前述の目的を達成するために長期に亘り種々研究を重ねてきた。その結果、導体ペースト及びガラスセラミックグリーンシートの残留炭素量がそれぞれ特定範囲内に含まれるように脱バインダを行うことで、前記欠陥の発生を効果的に抑制し得るとの結論を得るに至った。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。 The present inventors have made various studies over a long period of time in order to achieve the aforementioned object. As a result, it came to the conclusion that the occurrence of the defects can be effectively suppressed by performing the binder removal so that the residual carbon amounts of the conductor paste and the glass ceramic green sheet are included in the specific ranges, respectively. . The present invention has been completed based on such findings.
すなわち、本発明の多層セラミックス基板の製造方法は、複数のガラスセラミックスグリーンシートのうちの少なくとも一部に導体ペーストからなる導体パターンを形成し、これを積層して脱バインダした後に焼成する多層セラミックス基板の製造方法であって、前記脱バインダ後の残留炭素量を、前記導体ペーストにおいて0.01%以上とし、且つ、前記ガラスセラミックスグリーンシートにおいて5%以下とするように前記脱バインダを行うことを特徴とする。 That is, in the method for producing a multilayer ceramic substrate of the present invention, a multilayer ceramic substrate is formed by forming a conductive pattern made of a conductive paste on at least a part of a plurality of glass ceramic green sheets, laminating and debinding the conductive pattern. And the binder removal is performed so that the amount of residual carbon after the binder removal is 0.01% or more in the conductor paste and 5% or less in the glass ceramic green sheet. Features.
多層セラミックス基板の焼成に際してガラスセラミックスグリーンシート中に有機成分が残留していると、これが焼成過程で急激にガス化して基板膨れや反り等の欠陥をもたらすことから、焼成前に脱バインダを実施する必要がある。ここで、脱バインダは、例えば拘束層を利用した無収縮焼成法においては積層体にデラミネーションが生じない範囲で充分に行うことが有効とされている。 If organic components remain in the glass ceramic green sheet during firing of the multilayer ceramic substrate, this will rapidly gasify during the firing process and cause defects such as substrate swelling and warping. Therefore, the binder is removed before firing. There is a need. Here, for example, in the non-shrinkage firing method using a constraining layer, it is effective to remove the binder sufficiently in a range where delamination does not occur in the laminate.
しかしながら、本発明者らが検討した結果、従来のように積層体を充分に脱バインダした後に焼成を行うと、焼成過程のある温度範囲(例えば500℃〜750℃)においては、導体は大きく収縮する一方でガラスセラミックスグリーンシートはほとんど膨張収縮しないという現象が生じており、この熱収縮挙動の相違によりガラスセラミックスと導体との界面に前記欠陥(空隙)が生じることがわかってきた。 However, as a result of studies by the present inventors, when firing is performed after the binder is sufficiently debindered as in the past, the conductor contracts greatly in a certain temperature range (for example, 500 ° C. to 750 ° C.) during the firing process. On the other hand, the phenomenon that the glass ceramic green sheet hardly expands and contracts has occurred, and it has been found that the defects (voids) are generated at the interface between the glass ceramic and the conductor due to the difference in heat shrinkage behavior.
そこで本発明では、導体ペースト中の残留炭素量を0.01%以上とするような条件で脱バインダすることにより、焼成過程における導体の前記熱収縮を抑制し、前記空隙の発生を抑制している。ここで、導体ペースト中に有機成分を故意に残留させるように脱バインダを行うと、ガラスセラミックスグリーンシート中にも有機成分が残留することになるが、脱バインダ後のガラスセラミックスグリーンシート中に有機成分が大量に残留していると、焼成過程で前記残留有機成分が急激にガス化するため、逆に空隙の発生や基板膨れ等の欠陥の原因となる。したがって、脱バインダ後のガラスセラミックスグリーンシートの残留炭素量が5%以下となるように脱バインダする。このような条件で脱バインダを行うことで、多層セラミックス基板における欠陥の発生が確実に抑制される。 Therefore, in the present invention, by removing the binder under the condition that the amount of residual carbon in the conductor paste is 0.01% or more, the heat shrinkage of the conductor in the firing process is suppressed, and the generation of the voids is suppressed. Yes. Here, if the binder is removed so that the organic component is intentionally left in the conductor paste, the organic component also remains in the glass ceramic green sheet. However, the organic component remains in the glass ceramic green sheet after the binder removal. If a large amount of components remain, the residual organic components are rapidly gasified during the firing process, which causes defects such as voids and substrate swelling. Therefore, the binder is removed so that the residual carbon content of the glass ceramic green sheet after the binder removal is 5% or less. By performing the binder removal under such conditions, generation of defects in the multilayer ceramic substrate is reliably suppressed.
本発明によれば、内部導体とガラスセラミック層との界面における空隙の発生を抑えることができ、内部導体周囲に生ずる欠陥を確実に解消することが可能である。したがって、本発明によれば、欠陥が無く信頼性の高い多層セラミックス基板を製造することが可能である。 According to the present invention, it is possible to suppress the generation of voids at the interface between the inner conductor and the glass ceramic layer, and it is possible to reliably eliminate defects that occur around the inner conductor. Therefore, according to the present invention, it is possible to manufacture a multilayer ceramic substrate having no defects and high reliability.
以下、本発明を適用した多層セラミックス基板の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a method for producing a multilayer ceramic substrate to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
本発明で製造対象となる多層セラミックス基板1は、図1に示すように、複数層のガラスセラミックス層2(ここでは4層のガラスセラミックス層2a〜2d)を積層し、これらガラスセラミックス層2a〜2dを貫通するビアホール導体3やガラスセラミックス層2a〜2dの両面に形成された表面導体4等の内部導体を設けてなるものである。
As shown in FIG. 1, a multilayer
各ガラスセラミックス層2a〜2dは、所定のガラス組成を有する複合酸化物に例えばアルミナ(Al2O3)等を加えたものを焼成することにより形成されるものである。ここで、ガラス組成を有する複合酸化物を構成する各酸化物としては、SiO2やB2O3、CaO、SrO、BaO、La2O3、ZrO2、TiO2、MgO、ZnO、PbO、Li2O、Na2O、K2O等を挙げることができ、これらを適宜組み合わせて用いればよい。多層セラミックス基板1を構成する各セラミックス層を前記ガラスセラミックス層とすることにより、低温での焼成が可能となる。
Each glass
一方、内部導体のうちのビアホール導体3は、各ガラスセラミックス層2a〜2dに形成されたビアホールに導電ペーストの焼成により残存する導電材が充填形成された形で形成されており、このビアホール導体3によって各セラミックス層2a〜2dに形成された表面導体4間を電気的に接続したり、熱を伝導する等の機能を果たしている。ビアホール導体3の断面形状は、通常は概ね円形であるが、これに限らず、限られた形状スペース範囲において大きな断面積を得るために、例えば楕円形、長円形、正方形等、任意の形状とすることができる。
On the other hand, the via-
以下、前記多層セラミックス基板1の製造方法について説明する。
多層セラミックス基板を作製するには、先ず、図2(a)に示すように、焼成後に各ガラスセラミックス層となるガラスセラミックスグリーンシート11a〜11dを用意する。ガラスセラミックスグリーンシート11a〜11dは、前述の酸化物粉末と有機ビヒクルとを混合して得られるスラリー状の誘電体ペーストを作り、これを例えばポリエチレンテレフタレート(PET)シート等の支持体上にドクターブレード法等によって成膜することにより形成する。前記有機ビヒクルとしては、公知のものがいずれも使用可能である。
Hereinafter, a method for manufacturing the multilayer
In order to produce a multilayer ceramic substrate, first, as shown in FIG. 2A, glass ceramic
前記ガラスセラミックスグリーンシート11a〜11dの形成後、所定の位置に貫通孔(ビアホール)を形成する。前記ビアホールは、通常は円形の孔として形成され、ここに導体ペースト12を充填することによりビアホール導体が形成される。さらに、各ガラスセラミックスグリーンシート11a〜11dの表面に所定のパターンで導電ペーストを印刷し、表面導体パターン13を形成する。
After the formation of the glass ceramic
前記ビアホールに充填される導体ペースト12や表面導体パターン13の形成に用いられる導体ペーストは、例えばAg、Ag−Pd合金、Cu、Ni等の各種導電性金属や合金からなる導電材料と有機ビヒクルとを混練することにより調製されるものである。
The
前記導体ペーストにおいて、有機ビヒクルは、バインダと溶剤を主たる成分とするものであり、導電材料との配合比等は任意であるが、通常はバインダ1〜15質量%、溶剤が10〜50質量%となるように導電材料に対して配合される。導体ペーストには、必要に応じて各種分散剤や可塑剤等から選択される添加物が添加されていてもよい。 In the conductive paste, the organic vehicle is mainly composed of a binder and a solvent, and the mixing ratio of the conductive material is arbitrary, but the binder is usually 1 to 15% by mass, and the solvent is 10 to 50% by mass. It mix | blends with respect to an electrically-conductive material so that it may become. Additives selected from various dispersants, plasticizers and the like may be added to the conductor paste as necessary.
各ガラスセラミックスグリーンシート11a〜11dに内部導体となる導体ペースト12を充填し、表面導体パターン13を形成した後、図2(b)に示すように、これらを重ねて積層体とするが、このとき、積層体の両側(最外層)に、収縮抑制用グリーンシート14を拘束層として配する。図2(b)は、いわゆる積層体の仮スタックの状態であるが、次に、図2(c)に示すようにプレスを行う。
Each glass ceramic
収縮抑制用グリーンシート14には、前記ガラスセラミックスグリーンシート11a〜11dの焼成温度では収縮しない材料、例えばトリジマイトやクリストバライト、さらには石英、溶融石英、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、炭化ケイ素等を含む組成物が用いられ、これら収縮抑制用グリーンシート14間に積層体を挟み込み、焼成を行うことで、前記積層体の面内方向での収縮が抑えられる。
The shrinkage-suppressing
その後、脱バインダ及び焼成を順次行うが、本発明では導体ペースト中の残留炭素量が0.01%以上となり、且つ、ガラスセラミックスグリーンシート中の残留炭素量が5%以下となるように脱バインダを行う。 Thereafter, the binder removal and firing are sequentially performed. In the present invention, the binder removal is performed so that the residual carbon amount in the conductor paste is 0.01% or more and the residual carbon amount in the glass ceramic green sheet is 5% or less. I do.
脱バインダ後の導体ペースト中に所定量の有機成分を残留させた状態で積層体の焼成を行うことにより、焼成過程における導体とガラスセラミックスグリーンシートの熱収縮挙動の差が解消され、空隙の発生を抑制することができる。導体中の残留炭素量が0.01%未満となるように充分に脱バインダを行うと、焼成過程のある温度範囲(例えば500℃〜750℃)で導体は大きく収縮する一方、ガラスセラミックスは脱バインダ条件によらず前記温度範囲においてほとんど膨張収縮を生じないため、この熱収縮挙動の相違により導体とガラスセラミックスとの界面に空隙(欠陥)が生じる。したがって、導体ペースト中の残留炭素量が0.01%以上となるように脱バインダを行う。 By firing the laminate with a predetermined amount of organic components remaining in the conductor paste after binder removal, the difference in heat shrinkage between the conductor and the glass ceramic green sheet during the firing process is eliminated, creating voids. Can be suppressed. When the binder is sufficiently removed so that the amount of residual carbon in the conductor is less than 0.01%, the conductor shrinks greatly in a certain temperature range (for example, 500 ° C. to 750 ° C.) while the glass ceramic is removed. Since expansion and contraction hardly occur in the above temperature range regardless of the binder condition, voids (defects) are generated at the interface between the conductor and the glass ceramic due to the difference in thermal contraction behavior. Therefore, the binder is removed so that the amount of residual carbon in the conductor paste is 0.01% or more.
また、脱バインダを行うに際しては、ガラスセラミックスグリーンシート中の残留炭素量が5%以下となるような条件を選択する。導体ペースト中に有機成分を残留させるように脱バインダを行うと、ガラスセラミックスグリーンシートや収縮抑制用グリーンシート等の積層体の他部材中においても有機成分が多量に残留することになる。そして、ガラスセラミックスグリーンシート中の残留炭素量が5%を越えると、焼成過程において残留した大量の有機成分が急激にガス化することによりガラスセラミックス中に空隙を生じたり、基板膨れ等の不都合を生じる。したがって、前記不都合を回避するため、ガラスセラミックスグリーンシート中の残留炭素量が5%以下となるように脱バインダを行うこととする。 Further, when performing the binder removal, conditions are selected such that the amount of residual carbon in the glass ceramic green sheet is 5% or less. When the binder is removed so that the organic component remains in the conductor paste, a large amount of the organic component remains in other members of the laminate such as a glass ceramic green sheet and a shrinkage-suppressing green sheet. If the amount of residual carbon in the glass ceramic green sheet exceeds 5%, a large amount of organic components remaining in the firing process are rapidly gasified, resulting in inconveniences such as voids in the glass ceramic and substrate swelling. Arise. Therefore, in order to avoid the inconvenience, the binder removal is performed so that the amount of residual carbon in the glass ceramic green sheet is 5% or less.
脱バインダ後の導体ペースト中の残留炭素量及びガラスセラミックスグリーンシート中の残留炭素量が前記範囲に含まれるようにするためには、脱バインダ温度や脱バインダ時間等の脱バインダ条件を制御すればよく、具体的には脱バインダ温度を制御することが好ましい。導体ペースト中の残留炭素量及びガラスセラミックスグリーンシート中の残留炭素量を本発明の範囲内とするための脱バインダ温度は、添加した有機成分の分解温度等に応じて変動するため、導体ペースト及びガラスセラミックスグリーンシートの組成等を考慮して適宜定めればよい。 In order to ensure that the residual carbon amount in the conductor paste after debinding and the residual carbon amount in the glass ceramic green sheet are included in the above range, the binder removal conditions such as binder removal temperature and binder removal time should be controlled. More specifically, it is preferable to control the binder removal temperature. Since the binder removal temperature for making the residual carbon amount in the conductor paste and the residual carbon amount in the glass ceramic green sheet within the scope of the present invention varies depending on the decomposition temperature of the added organic component, etc., the conductor paste and What is necessary is just to determine suitably considering the composition of a glass ceramics green sheet, etc.
例えば、導体ペーストがバインダとしてエチルセルロースを、可塑剤としてフタル酸ビス(2−エチルへキシル)(DOP)を含有し、且つ、ガラスセラミックスグリーンシートがバインダとしてアクリル樹脂を、可塑剤としてブチルフタリルブチルグリコレート(BPBG)を含有する場合には、脱バインダ温度を220℃〜280℃とすることが好ましい。この場合、脱バインダ温度を220℃以上とすることにより脱バインダ後のガラスセラミックスグリーンシート中の残留炭素量を5%以下とすることができ、脱バインダ温度を280℃以下とすることにより脱バインダ後の導体ペースト中の残留炭素量を0.01%以上とすることができる。 For example, the conductive paste contains ethyl cellulose as a binder, bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP) as a plasticizer, and the glass ceramic green sheet uses an acrylic resin as a binder and butylphthalylbutyl as a plasticizer. When glycolate (BPBG) is contained, the binder removal temperature is preferably set to 220 ° C to 280 ° C. In this case, the residual carbon content in the glass ceramic green sheet after the binder removal can be reduced to 5% or less by setting the binder removal temperature to 220 ° C. or higher, and the binder removal temperature can be reduced to 280 ° C. or lower. The residual carbon content in the subsequent conductor paste can be made 0.01% or more.
また、導体ペーストがバインダとしてポリビニルブチラール(PVB)を、可塑剤としてフタル酸ビス(2−エチルへキシル)(DOP)を含有し、且つ、ガラスセラミックスグリーンシートがバインダとしてポリビニルブチラール(PVB)を、可塑剤としてフタル酸ビス(2−エチルへキシル)(DOP)を含有する場合には、脱バインダ温度を250℃〜340℃とすることが好ましい。 Further, the conductive paste contains polyvinyl butyral (PVB) as a binder, bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP) as a plasticizer, and the glass ceramic green sheet contains polyvinyl butyral (PVB) as a binder. When bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP) is contained as a plasticizer, the binder removal temperature is preferably set to 250 ° C to 340 ° C.
脱バインダ後、さらに図2(d)に示すように焼成を行う。焼成後には、前記ガラスセラミックスグリーンシート11a〜11dはガラスセラミックス層2a〜2dとなり、前記ビアホール内の導体ペースト13はビアホール導体3になる。同様に、表面導体パターン14も表面導体4となる。
After the binder removal, firing is further performed as shown in FIG. After firing, the glass ceramic
焼成後には、図2(e)に示すように、熱膨張の差により前記収縮抑制用グリーンシート14は自然剥離され、本発明の多層セラミックス基板1が得られる。得られる多層セラミックス基板1においては、内部導体(ビアホール導体3や表面導体4)の周囲に欠陥が生ずることがなく、信頼性の高い多層セラミックス基板を実現することが可能である。
After firing, as shown in FIG. 2E, the shrinkage-suppressing
導体の残留炭素量が0.01%未満となるような条件で脱バインダした場合、焼成過程のある温度範囲(例えば500℃〜750℃)では、内部導体(例えばビアホールに充填された導体)が大きく収縮する一方、セラミックス素地はほとんど収縮しないため、導体とセラミックス素地との界面に隙間が生じる。ガラスセラミックスグリーンシートの両側に収縮抑制用グリーンシートを配している場合、さらに温度を上げていく(例えば800℃〜900℃)と、セラミックス素地はZ方向には収縮するものの、収縮抑制用グリーンシートの働きによりXY方向には収縮しない。したがって、前記隙間は埋まらず、結果として多層セラミックス基板に欠陥を生じてしまう。収縮抑制用グリーンシートを用いない場合、焼成過程でさらに温度を上げていくとセラミックス素地がXYZ方向に均等に収縮するため、前記隙間は比較的埋まり易いが、欠陥の発生を完全に抑えるには至らない。 When the binder is removed under such a condition that the residual carbon content of the conductor is less than 0.01%, the internal conductor (for example, a conductor filled in the via hole) is present in a certain temperature range (for example, 500 ° C. to 750 ° C.) during the firing process. While the ceramic substrate shrinks greatly, the ceramic substrate hardly contracts, so that a gap is formed at the interface between the conductor and the ceramic substrate. In the case where green sheets for shrinkage suppression are arranged on both sides of the glass ceramic green sheet, if the temperature is further increased (for example, 800 ° C. to 900 ° C.), the ceramic substrate shrinks in the Z direction, but the shrinkage suppressing green The sheet does not shrink in the XY direction due to the action of the sheet. Therefore, the gap is not filled, resulting in defects in the multilayer ceramic substrate. When the shrinkage-suppressing green sheet is not used, the ceramic substrate shrinks evenly in the XYZ direction when the temperature is further raised during the firing process, so the gap is relatively easy to fill, but in order to completely suppress the occurrence of defects It does n’t come.
これに対し、本発明では、導体ペーストとガラスセラミックスグリーンシートとにおける残留炭素量を脱バインダにより制御することにより、焼成過程のある温度範囲(例えば500℃〜750℃)における導体の収縮による隙間の発生を抑えることができる。このため、収縮抑制用グリーンシートを用いた場合であっても、内部導体周辺の欠陥の発生を確実に抑えることができる。 On the other hand, in the present invention, by controlling the residual carbon amount in the conductor paste and the glass ceramic green sheet with a binder, the gap due to the contraction of the conductor in a certain temperature range (for example, 500 ° C. to 750 ° C.) of the firing process. Occurrence can be suppressed. For this reason, even if it is a case where the shrinkage | contraction suppression green sheet is used, generation | occurrence | production of the defect around an internal conductor can be suppressed reliably.
なお、前記欠陥防止効果は、前述の収縮抑制用グリーンシート14を配して焼成を行う無収縮焼成とした場合に大きいが、これに限らず、収縮抑制用グリーンシートを用いない場合にも同様の効果を得ることができる。
The defect prevention effect is large when the above-described shrinkage-suppressing
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。 Hereinafter, specific examples to which the present invention is applied will be described based on experimental results.
<脱バインダ温度条件による空隙発生率>
脱バインダ条件の相違による焼成後の多層セラミックス基板における空隙発生率を調べた。
ガラスセラミックスグリーンシートに貫通孔を形成し、ここにビアホール導体となる導体ペーストを充填した後、ガラスセラミックスグリーンシートを複数枚積層し、積層したガラスセラミックスグリーンシートの両側に収縮抑制用グリーンシート(拘束層グリーンシート)を配した。
<Void generation rate depending on binder removal temperature conditions>
The void generation rate in the multilayer ceramic substrate after firing due to the difference in binder removal conditions was investigated.
A through hole is formed in a glass ceramic green sheet, filled with a conductor paste serving as a via-hole conductor, a plurality of glass ceramic green sheets are laminated, and a green sheet for restraining shrinkage (restraint) on both sides of the laminated glass ceramic green sheet. Layer green sheet).
ガラスセラミックスグリーンシートは、ガラス粉末、アルミナ粉末、アクリル樹脂、ブチルフタリルブチルグリコレート(BPBG)を含有している。ガラス粉末における配合比は、SiO2が52.4wt%、B2O3が3.5wt%、Al2O3が11.5wt%、MgOが1.7wt%、CaOが3.2wt%、SrOが27.7wt%である。拘束層グリーンシートは、トリジマイト粉末、石英粉末、アクリル樹脂及びBPBGを含有している。導体ペーストは、銀粉末、ガラス粉末、エチルセルロース及びフタル酸ビス(2−エチルへキシル)(DOP)を含有している。ガラスセラミックスグリーンシート、拘束層グリーンシート及び導体ペーストの組成及び配合比を表1に示す。 The glass ceramic green sheet contains glass powder, alumina powder, acrylic resin, and butylphthalyl butyl glycolate (BPBG). The compounding ratio in the glass powder is 52.4 wt% for SiO 2 , 3.5 wt% for B 2 O 3 , 11.5 wt% for Al 2 O 3 , 1.7 wt% for MgO, 3.2 wt% for CaO, SrO Is 27.7 wt%. The constraining layer green sheet contains tridymite powder, quartz powder, acrylic resin, and BPBG. The conductive paste contains silver powder, glass powder, ethyl cellulose, and bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP). Table 1 shows the compositions and mixing ratios of the glass ceramic green sheet, constrained layer green sheet, and conductor paste.
得られた積層体を脱バインダした。、バインダの際、最高温度(脱バインダ温度)を図3に示すように変更した。脱バインダの際、昇温速度については、室温〜180℃までは3℃/分、180℃〜最高温度までは0.67℃/分とし、最高温度の保持時間を1時間とし、空気流量2L/分とした。各バインダ条件について、脱バインダ後の積層体における残バインダ量を調べた。ここで、残バインダ量とは、脱バインダ終了時点における積層体中の有機成分残留量のことであり、積層体の脱バインダ後の質量減少量と焼成後の質量減少量の合計に対する積層体の脱バインダ後の質量減少量を百分率で表したものである。 The resulting laminate was debindered. When the binder was used, the maximum temperature (the binder removal temperature) was changed as shown in FIG. When removing the binder, the rate of temperature rise is 3 ° C./min from room temperature to 180 ° C., 0.67 ° C./min from 180 ° C. to the maximum temperature, the maximum temperature holding time is 1 hour, and the air flow rate is 2 L. / Min. For each binder condition, the amount of residual binder in the laminate after debinding was examined. Here, the residual binder amount is the residual amount of organic components in the laminated body at the end of the binder removal, and the laminated body relative to the total of the mass reduced amount after binder removal and the mass reduced amount after firing of the laminated body. The amount of mass reduction after binder removal is expressed as a percentage.
脱バインダ後、焼成を行い、多層セラミックス基板を得た。焼成は、昇温速度20℃/分、最高温度900℃、保持時間30分、空気流量2L/分の条件で行った。焼成後の多層セラミックス基板における空隙発生率を調べた。各条件の多層セラミックス基板100枚のうち顕微鏡観察で空隙の発生が認められた枚数の割合を、空隙発生率とした。脱バインダ温度と空隙発生率との関係を図3に示す。 After removing the binder, firing was performed to obtain a multilayer ceramic substrate. Firing was performed under the conditions of a temperature rising rate of 20 ° C./min, a maximum temperature of 900 ° C., a holding time of 30 minutes, and an air flow rate of 2 L / min. The void generation rate in the multilayer ceramic substrate after firing was examined. Of the 100 multilayer ceramic substrates under each condition, the ratio of the number of voids observed by microscopic observation was defined as the void generation rate. FIG. 3 shows the relationship between the binder removal temperature and the void generation rate.
図3から、脱バインダを高温で行うほど脱バインダ後における積層体の残バインダ量は減少していくことがわかる。多層セラミックス基板における空隙発生率は脱バインダ温度の上昇に伴い減少していくが、脱バインダ温度250℃付近より高温側では逆に空隙発生率が上昇していくことがわかる。なお、脱バインダ温度を310℃付近以上とすると、焼成後の多層セラミックス基板においてデラミネーションが発生した。 It can be seen from FIG. 3 that the amount of binder remaining in the laminated body after the binder removal decreases as the binder removal is performed at a higher temperature. It can be seen that the void generation rate in the multilayer ceramic substrate decreases as the binder removal temperature increases, but the void generation rate increases conversely on the higher temperature side near the binder removal temperature of 250 ° C. Note that when the binder removal temperature was set to around 310 ° C. or higher, delamination occurred in the fired multilayer ceramic substrate.
<脱バインダ後の焼結挙動>
ここで、脱バインダ後の前記導体ペースト及び前記ガラスセラミックスグリーンシートの熱収縮挙動をモデル分析した。焼結挙動は、導体ペーストからなる分析用試料及びガラスセラミックスグリーンシートからなる分析用試料を作製し、250℃1時間、280℃1時間、300℃1時間のいずれかの条件で脱バインダを行った後、熱機械分析(TMA)により分析した。また、脱バインダを行わない試料についても焼結挙動を分析した。導体ペーストの結果を図4に、ガラスセラミックスグリーンシートの結果を図5に示す。
<Sintering behavior after binder removal>
Here, the heat shrinkage behavior of the conductor paste and the glass ceramic green sheet after the binder removal was analyzed as a model. For the sintering behavior, an analytical sample made of a conductive paste and an analytical sample made of a glass ceramic green sheet were prepared, and the binder was removed under one of conditions of 250 ° C. for 1 hour, 280 ° C. for 1 hour, and 300 ° C. for 1 hour. And then analyzed by thermomechanical analysis (TMA). Moreover, the sintering behavior was also analyzed for the sample that was not subjected to binder removal. The result of the conductive paste is shown in FIG. 4, and the result of the glass ceramic green sheet is shown in FIG.
図4及び図5に示すように、ガラスセラミックスは脱バインダ条件に依らず熱収縮挙動にほとんど差が見られない。一方、導体は、高温で脱バインダするほど500℃〜750℃の範囲内での収縮が大きくなっている。以上のことから、300℃等の高温で脱バインダした積層体においては、有機成分による焼結抑制効果が無くなり、導体だけが先に収縮することでガラスセラミックス素地との界面に空隙を発生させる結果、図3に示すように空隙発生率が増加すると推測される。 As shown in FIGS. 4 and 5, glass ceramics show almost no difference in heat shrinkage behavior regardless of binder removal conditions. On the other hand, the shrinkage of the conductor in the range of 500 ° C. to 750 ° C. increases as the binder is removed at a high temperature. From the above, in the laminated body debindered at a high temperature such as 300 ° C., the sintering suppressing effect due to the organic component is lost, and only the conductor shrinks first, resulting in the generation of voids at the interface with the glass ceramic substrate. As shown in FIG. 3, it is estimated that the void generation rate increases.
<部材別の脱バインダ温度による残留炭素量変化>
以下では、前記導体ペースト及び前記ガラスセラミックスグリーンシートにおける脱バインダ後の最適な残留炭素量について検討した。前記残留炭素量は、各部材における有機成分の残留量の指標となるものであり、導体ペーストからなる分析用試料、ガラスセラミックスグリーンシートからなる分析用試料を作製し、炭素硫黄分析装置(堀場製作所製 EMIA520)を用いて分析した値である。前記導体ペースト、前記ガラスセラミックスグリーンシートのそれぞれの脱バインダ温度と脱バインダ後の残留炭素量との関係、及び脱バインダ温度と空隙発生率との関係を図6に示す。
<Change in residual carbon amount due to binder removal temperature by member>
Below, the optimal residual carbon amount after binder removal in the said conductor paste and the said glass-ceramics green sheet was examined. The residual carbon amount serves as an index of the residual amount of organic components in each member. An analytical sample made of a conductive paste and an analytical sample made of a glass ceramic green sheet were prepared, and a carbon sulfur analyzer (Horiba Seisakusho) This is a value analyzed using EMIA520). FIG. 6 shows the relationship between the binder removal temperature of each of the conductor paste and the glass ceramic green sheet and the amount of residual carbon after the binder removal, and the relationship between the binder removal temperature and the void generation rate.
図6から、500℃〜750℃における前記導体ペーストの熱収縮による空隙の発生を抑制するには、脱バインダ温度を280℃以下とする必要があり、前記脱バインダ条件(脱バインダ温度)は、脱バインダ後の導体ペースト中の残留炭素量0.01%以上として表すことができる。一方、前記ガラスセラミックスグリーンシートに残留した有機成分の急激なガス化に起因する空隙発生及び基板膨れ等を防止するためには、脱バインダ温度は220℃以上とする必要があり、このとき対応するガラスセラミックスグリーンシート中の残留炭素量は5%以下であることがわかる。なお、脱バインダ後の残留炭素量と空隙発生率との関係を、表2に示す。導体ペーストにおける残留炭素量を0.01%以上とし、且つガラスセラミックスグリーンシートにおける残留炭素量を5%以下とすることにより、空隙発生率が低い値に抑えられている。 From FIG. 6, in order to suppress the generation of voids due to thermal shrinkage of the conductor paste at 500 ° C. to 750 ° C., the binder removal temperature needs to be 280 ° C. or less, and the binder removal condition (binder removal temperature) is It can be expressed as a residual carbon content of 0.01% or more in the conductor paste after binder removal. On the other hand, the binder removal temperature needs to be 220 ° C. or higher in order to prevent the generation of voids and the expansion of the substrate due to the rapid gasification of the organic components remaining in the glass ceramic green sheet. It can be seen that the amount of residual carbon in the glass ceramic green sheet is 5% or less. Table 2 shows the relationship between the amount of residual carbon after binder removal and the void generation rate. By setting the residual carbon content in the conductive paste to 0.01% or more and the residual carbon content in the glass ceramic green sheet to 5% or less, the void generation rate is suppressed to a low value.
<他のガラスセラミックスグリーンシート及び導体ペーストでの検討>
本実験においては、ガラスセラミックスグリーンシート、拘束層グリーンシート及び導体ペーストの組成を表3に示すように変更し、このときの最適な脱バインダ条件を検討した。表3に示すように、導体ペーストはポリビニルブチラール(PVB)及びフタル酸ビス(2−エチルへキシル)(DOP)を含有し、ガラスセラミックスグリーンシートはポリビニルブチラール(PVB)及びフタル酸ビス(2−エチルへキシル)(DOP)を含有している。
<Examination with other glass ceramic green sheets and conductor paste>
In this experiment, the composition of the glass ceramic green sheet, the constraining layer green sheet and the conductor paste was changed as shown in Table 3, and the optimum binder removal conditions at this time were examined. As shown in Table 3, the conductive paste contains polyvinyl butyral (PVB) and bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP), and the glass ceramic green sheet contains polyvinyl butyral (PVB) and bis (phthalate) (2- Ethyl hexyl) (DOP).
表3に示す組成の前記導体ペースト、前記ガラスセラミックスグリーンシート及び前記拘束層グリーンシートを用いて積層体を作製した後、脱バインダ及び焼成を行い、脱バインダ後の残留炭素量と焼成後の空隙発生率との関係を調べた。結果を表4に示す。表3に示す組成のガラスセラミックスグリーンシート及び導体ペーストを用いた場合も、それぞれの残留炭素量が本発明の範囲内となるように脱バインダを行うことで、空隙の発生を抑えることが可能であった。なお、本組成において、残留炭素量を前記範囲内とする脱バインダ温度は250℃〜340℃であった。 After producing a laminated body using the conductor paste having the composition shown in Table 3, the glass ceramic green sheet, and the constraining layer green sheet, the binder is removed and fired, and the residual carbon amount after the binder removal and the voids after firing are performed. The relationship with the incidence was examined. The results are shown in Table 4. Even when the glass ceramic green sheet and the conductive paste having the composition shown in Table 3 are used, the generation of voids can be suppressed by performing the binder removal so that the respective residual carbon amounts are within the range of the present invention. there were. In addition, in this composition, the binder removal temperature which makes residual carbon amount in the said range was 250 to 340 degreeC.
1 多層セラミックス基板、2a〜2d ガラスセラミックス層、3 ビアホール導体、4 表面導体、11a〜11d ガラスセラミックスグリーンシート、12 導体ペースト、13 表面導体パターン、14 収縮抑制用グリーンシート
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記脱バインダ後の残留炭素量を、前記導体ペーストにおいて0.01%以上とし、且つ、前記ガラスセラミックスグリーンシートにおいて5%以下とするように前記脱バインダを行うことを特徴とする多層セラミックス基板の製造方法。 A method for producing a multilayer ceramic substrate, comprising forming a conductive pattern made of a conductive paste on at least a part of a plurality of glass ceramic green sheets, laminating and debinding this, and then firing.
The multilayer ceramic substrate is characterized in that the binder removal is performed so that a residual carbon amount after the binder removal is 0.01% or more in the conductor paste and 5% or less in the glass ceramic green sheet. Production method.
When the conductor paste contains polyvinyl butyral and bis (2-ethylhexyl) phthalate, and the glass ceramic green sheet contains polyvinyl butyral and bis (2-ethylhexyl) phthalate, the binder removal The method for producing a multilayer ceramic substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the temperature is 250 ° C to 340 ° C.
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