JP2007335871A - 無収縮セラミック基板の製造方法 - Google Patents

無収縮セラミック基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】曲げ発生を抑制するなど、製品の品質を向上させることができる無収縮セラミック基板の製造方法を提供する。
【解決手段】無収縮セラミック基板の製造方法は、複数のグリーンシート10を用意するステップと、前記それぞれのグリーンシートに内部電極20及び導電性ビア30を形成するステップと、前記複数のグリーンシートを積層して、多層セラミック基板100を形成するステップと、前記多層セラミック基板の上下面に、前記グリーンシートの焼成温度で焼成されない拘束層をALD法、スパッタ法、CVD法及びゾル−ゲル法で構成された群から選択されるいずれか一つ以上の方法により形成するステップと、前記結果構造物を前記グリーンシートの焼成温度で焼成するステップと、前記拘束層を除去するステップと、を含む。さらに、前記導電性ビア30に接続する外部電極50を設けることができる。
【選択図】 図11

Description

本発明は、無収縮セラミック基板の製造方法に関し、さらに詳細には、セラミック基板のX、Y方向の収縮率及び面方向の収縮率偏差を制御することによって、基板エッジでの曲げ発生を抑制することができる無収縮セラミック基板の製造方法に関する。
多層セラミック基板(multi−layer ceramic substrate)は、耐熱性、耐摩耗性及び優れた電気的特性によって、既存のPCB(Printed Circuit Board)の代替品として多く利用されており、ますますその需要が増えているのが現状である。
このような多層セラミック基板は、半導体ICチップのような能動素子とキャパシタ、インダクター及び抵抗のような受動素子を複合化した部品として使用されるか、または単純な半導体ICパッケージとして使用されている。さらに具体的に、前記多層セラミック基板は、PAモジュール基板、RFダイオードスイッチ、フィルタ、チップアンテナ、各種パッケージ部品、複合デバイスなどの多様な電子部品を構成するために広く使用されている。
多層セラミック基板は、複数の積層されたセラミック層を含んでいる。このような多層セラミック基板には、多様な形態の配線導体が形成されている。配線導体としては、例えば、多層セラミック基板の内部において、セラミック層間の特定界面に沿って伸びる内部電極が形成されるか、又は特定のセラミック層を貫通するように伸びる導電性ビアが形成されるか、また、多層セラミック基板の外表面上に伸びる外部電極が形成されている。
多層セラミック基板をより多機能化、高密度化、高性能化するためには、上述のような配線導体を高密度に配置することが必須である。
このような多層セラミック基板は、一般にグリーンシート積層法(green sheet lamination method)と呼ばれる方法により製造される。この方法は、セラミック粉末と有機バインダーからなるスラリーを形成して得たグリーンシートにビアホールを形成し、導電性ペーストをスクリーン印刷して、このグリーンシートを必要な層数だけ重ねて加熱−加圧し積層して焼成するものである。
グリーンシート積層法は、グリーンシートの柔軟性が豊富になり、有機溶剤を吸収しやすいので、微細パターンの印刷が可能であるという点と、そして数十層になる多層化のために必要な表面平滑性と気密性に優れているという長所がある。
一方、短所としては、多層セラミック基板を得るためには、配線導体が形成されたグリーンシートを積層し、優れた特性を得るために必ず焼成工程を経なければならないが、このような焼成工程を経ると、セラミックの焼成による収縮が発生する。
このような収縮は、多層セラミック基板の全体において、均一に発生し難いので、セラミック層の面方向に寸法変形を引き起こす。
また、面方向への収縮は、配線導体において所望しない変形や歪みを発生させ、さらに具体的には、多層セラミック基板上に搭載されるチップ部品などの接続のための外部電極の位置精密度が低下するか、配線導体において断線が発生する場合がある。
これにより、最近では、多層セラミック基板の製造時に、焼成工程において面方向への収縮をなくすための、いわゆる無収縮工法を適用することが提案されている。
一般に適用されている無収縮工法は、900℃以下で焼結されないセラミックのAl23パウダーを利用して拘束層を製作し、これを低温焼成が可能なセラミック(LTCC)グリーンシートの上部及び下部に積層し、積層されたセラミック基板の上下部に重さを加えて、か焼、焼成した後、前記拘束層を除去してセラミック基板を得る方法である。
しかしながら、このような従来の無収縮工法を適用してセラミック基板を製作する場合には、拘束層とセラミック基板の界面での積層性不良によって、基板の曲げ発生及び面方向の収縮率の不均衡などを引き起こす。
以下、図1〜図4を参照して、従来の技術に係る無収縮セラミック基板製造上の問題点について詳細に説明する。
図1〜図3は、従来の技術に係る無収縮セラミック基板の製造上の問題点を説明するために順次示した工程断面図であり、図4は、図3に示す無収縮セラミック基板を示す平面図である。
図1に示すように、モジュール回路図によって適切な位置に内部電極20及び相違なる層の電極を接続するための導電性ビア30が形成された複数のグリーンシート10を用意した後、前記複数のグリーンシート10を積層して多層セラミック基板100を形成する。ここで、前記グリーンシート10は、800℃〜900℃の範囲の焼成温度を有することが好ましい。
その後、前記多層セラミック基板100の上下面に、前記グリーンシート10の焼成温度では焼成されない拘束層40、例えばAl23シートを積層する。前記拘束層40は、セラミック粉末などが均一に分散されたスラリーを製造した後、これをダイコーター又はドクターブレードなどを利用してPETなどのポリマー基底フィルム(supporting film)上に薄く塗布した後に乾燥する方法により形成されることが一般的である。
その後、図2に示すように、前記結果構造物を加圧、か焼及び焼成する。図2の矢印は、加圧時における圧力が加えられる方向を示したものである。
前記結果構造物の焼成は、前記グリーンシート10の焼成温度の800℃〜900℃の範囲に行うことが好ましく、このとき、前記Al23からなる拘束層40は、約1500℃以上の温度で焼成が行なわれるので、上記の範囲の焼成温度では、いかなる焼成変形も起こらない。ここで、前記拘束層40は、上記のような焼成が行なわれる間、多層セラミック基板100を構成しているグリーンシート10が面方向に収縮されるのを防止する。
ところが、従来の無収縮セラミック基板の製造方法において、拘束層40を上記の方法により形成してから、多層セラミック基板100の上下面に積層する場合、焼成工程で拘束層40と多層セラミック基板100との界面での粒子間結合力が弱いから前記拘束層40の拘束力が低下し、この部分に孔隙(図面符号「V」参照)が発生するところ、基板のX、Y方向の収縮率及び面方向の収縮率偏差などを正しく制御できないから、基板の曲げ現象などが発生するという問題がある。
また、前記焼成工程後には、前記拘束層40を除去するためのラッピング(lapping)工程が必需的に行われるが、前記孔隙Vなどが発生した状態でこのような工程を行なうと、図3及び図4に示すように、グリーンシート10の全体的な厚さが均一にならず、表面粗度が不均一になって、後続的に形成される外部電極などのパターンを印刷するとき、工程精密度が低下するなど、製品の品質が低下するという問題点があった。
したがって、本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、拘束層の拘束力を強化させることによって、基板のX、Y方向の収縮率及び面方向の収縮率偏差などを制御し、曲げ発生を抑制するなど、製品の品質を向上させることができる無収縮セラミック基板の製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成すべく、本発明による無収縮セラミック基板の製造方法は、複数のグリーンシートを用意するステップと、前記それぞれのグリーンシートに内部電極及び導電性ビアを形成するステップと、前記複数のグリーンシートを積層して、多層セラミック基板を形成するステップと、前記多層セラミック基板の上下面に、前記グリーンシートの焼成温度で焼成されない拘束層を原子層堆積[ALD(Atomic Layer Deposition)]法、スパッタ(sputter)法、化学気相堆積[CVD(Chemical Vapor Deposition)]法及びゾル−ゲル(Sol−Gel)法で構成された群から選択されるいずれか一つ以上の方法により形成するステップと、前記結果構造物を前記グリーンシートの焼成温度で焼成するステップと、前記拘束層を除去するステップと、を含む。
ここで、前記拘束層をALD法により形成する場合、前駆体のAlCl3及びAl(OiPr)3を流入させるステップと、パージガスのArをパージさせるステップと、酸素反応ガスで水蒸気を流入させるステップと、パージガスのArをパージさせるステップと、を一つのサイクルにし、このサイクルを繰り返し的に行なって、要求される厚さのAl23薄膜を蒸着することができる。
そして、前記Al(OiPr)3として(CH32AlOCH(CH32、ジメチルアルミニウムイソプロポキシド(DMAP)、Al(OC(CH333及びジメチルアルミニウムsec−ブトキシド(DMAB)のうちのいずれかを使用することができる。
また、前記拘束層をスパッタ法により形成する場合、Al23をターゲット物質として使用し、Arをキャリアガスとして使用してAl23薄膜を蒸着することができる。
また、前記拘束層をCVD法により形成する場合、ジメチルアルミニウムイソプロポキシド(DMAP)を前駆体として使用して、Al23薄膜を蒸着することができる。
また、前記拘束層をゾル−ゲル法により形成する場合、スピンコーティング工程を適用することができる。
本発明に係る無収縮セラミック基板の製造方法によれば、原子層堆積(ALD)法、スパッタ法、化学気相堆積(CVD)法及びゾル−ゲル法のうちのいずれか一つ以上の方法により多層セラミック基板の上下面に拘束層を極めて薄く形成することによって、焼成後に拘束層の除去を容易にすることができる。
また、本発明によれば、焼成時に前記拘束層と多層セラミック基板との界面に反応層が形成されて、拘束層と多層セラミック基板との間の結合力が強化されることができるので、前記界面での孔隙発生を防止することができ、拘束層の拘束力をさらに強化させ得るので、焼成前後の基板のX、Y方向の収縮率及び面方向の収縮率偏差を制御でき、曲げ発生などのような基板の変形を防止できる。
そして、本発明は、拘束層の除去後のセラミック基板の全体的な厚さを均一にすることができるから、後続的に形成される外部電極などのパターン印刷時に、工程精密度が低下するのを防止して、製品の品質を向上させることができるという効果がある。
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳細に説明する。
図面において、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体にわたって類似の部分に対しては、同一の図面符号を付してある。
以下、本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法について図面を参考にして詳細に説明する。
図5〜図11は、本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。
まず、図5に示すように、複数のグリーンシート10を用意する。前記グリーンシート10は、セラミック粉末、分散剤、溶液、高分子バインダー、可塑剤及び必要によって、その他添加剤を所定の割合で配合した物質からなることができる。前記グリーンシート10は、800℃〜900℃の範囲の焼成温度を有することが好ましい。
その後、図6に示すように、モジュール回路図によって前記グリーンシート10の適切な位置に内部電極20を形成する。そして、前記グリーンシート10の一部をパンチングなどの方法により加工してビアホール(図示せず)を形成した後、前記ビアホールを導電性ペーストで満たして、前記グリーンシート10の一部を垂直貫通する導電性ビア30を形成する。前記導電性ビア30は、相異なる層に形成された電極を電気的に接続する。前記内部電極20及び導電性ビア30は、Agなどのような導電性ペーストを利用したスクリーンプリント法などにより形成できる。
次に、図7に示すように、前記複数のグリーンシート10を積層して、多層セラミック基板100を形成する。
その後、図8に示すように、前記多層セラミック基板100の上下面に、前記グリーンシート10の焼成温度で焼成されない拘束層40、例えばAl23薄膜を形成する。前記Al23薄膜の拘束層40は、ALD法、スパッタ法、CVD法及びゾル−ゲル法で構成された群から選択されるいずれか一つ以上の方法で形成することが好ましい。上記の方法は、全て薄膜形成に極めて容易である。
上記のような拘束層40を形成する方法の中で、ALD法を利用して形成する場合、緻密な膜質を得るために基板温度を150℃程度に維持し、反応チャンバーの圧力を2.5torr〜5.0torr、好ましくは4.5torrに維持し、反応チャンバーの温度を120℃〜170℃、好ましくは150℃に維持して次のサイクルを繰り返して数十Å〜数百Åの範囲の厚さに蒸着できる。たとえば、前駆体のAlCl3及びAl(OiPr)3を0.5cc/secで流入させるステップと、パージガスのArを0.5cc/secでパージさせるステップと、酸素反応ガスで水蒸気を0.5cc/secで流入させるステップと、パージガスのArを0.5cc/secでパージさせるステップと、を一つのサイクルにし、このサイクルを繰り返し的に行なって要求される厚さ(数十Å〜数百Å)のAl23薄膜を蒸着することができる。
ここで、前記Al(OiPr)3として(CH32AlOCH(CH32、ジメチルアルミニウムイソプロポキシド(DMAP)、Al(OC(CH333及びジメチルアルミニウムsec−ブトキシド(DMAB)のうちの何れか一つを使用することができ、このうち、前記ジメチルアルミニウムイソプロポキシド(DMAP)を使用する場合、前記DMAPの温度を85℃〜90℃の範囲に維持し、前記ジメチルアルミニウムsec−ブトキシド(DMAB)を使用する場合、前記DMABの温度を120℃程度に維持することが好ましい。
そして、スパッタ法により拘束層40を形成する場合には、Al23をターゲット物質として使用して、600WのRFパワー及び13.5Mhzの周波数条件で基板温度を80℃〜120℃、好ましくは90℃に維持し、真空圧力を5×10-3torr〜5×10-4torrに維持し、キャリアガスとしてArを使用し、これを5cc/分〜10cc/分で注入して、真空圧力が維持される時点で3分〜20分、好ましくは10分程度に維持しつつ数μmの厚さにAl23薄膜を蒸着できる。
また、CVD法により拘束層40を形成する場合には、ジメチルアルミニウムイソプロポキシド(DMAP)を前駆体として使用して、基板温度を180℃程度に維持し、反応チャンバーの圧力を10−3torr〜10−4torr、好ましくは3×10−3torrに維持し、反応チャンバーの温度を90℃程度に維持して、数百Åの厚さAl23薄膜を蒸着できる。
そして、ゾル−ゲル法により拘束層40を形成する場合には、Al系アルコキシド溶液をアルミナパウダーと混合して混合アルコキシド溶液を作り、この溶液を部分加水分解してゾル溶液を作った後、これを基板上にスピンコーティング工程によりコーティングした後に乾燥して製造できる。
その後に、図9に示すように、前記結果構造物を加圧、か焼及び焼成する。このとき、図9の矢印は、加圧時に圧力が加えられる方向を示したものである。前記焼成は、グリーンシート10の焼成温度の800℃〜900℃程度に行なうことが好ましい。このとき、前記Al23からなる拘束層40は、約1500℃以上の温度で焼成が行なわれるので、上記の範囲の焼成温度ではいかなる焼成変形も起こらず、前記焼成が行なわれる間、多層セラミック基板100を構成しているグリーンシート10が面方向に収縮されるのを防止する。
特に、本発明の実施形態によれば、ALD法、スパッタ法、CVD法及びゾル−ゲル法などの方法で拘束層40を極めて薄い薄膜に形成することによって、焼成後に拘束層40の除去を容易にすることができる。また、前記のような方法により拘束層40を形成すれば、焼成時に前記拘束層40と多層セラミック基板100との界面に反応層(図示せず)が形成されることによって、拘束層40と多層セラミック基板100を構成する粒子間の結合力を強化させて、前記界面での孔隙発生を防止し、拘束力を強化させることができる。したがって、焼成後に基板のX、Y方向の収縮率及び面方向の収縮率偏差などを制御でき、曲げ発生などのような基板の変形を防止することができる。
下記の表1は、従来の技術と本発明の焼成前後のX、Y方向の収縮率を比較して示した表である。
Figure 2007335871
本発明によるセラミック基板の焼成前後のX、Y方向の収縮率と従来の技術によるセラミック基板の焼成前後のX、Y方向の収縮率を実際に測定した結果、表1に示したとおり、本発明によるセラミック基板のX、Y方向の焼成収縮率は、ALD法の拘束層を適用した場合、その平均値が0.3539で、スパッタ法の拘束層を適用した場合、その平均値が0.2952であって、従来のX、Y方向の焼成収縮率の平均である0.4572に比べてその収縮の程度がより小さく測定されており、その標準偏差も従来に比べてはるかに小さく現れた。これにより、本発明でのX、Y方向の焼成収縮率及び面方向の焼成収縮率の偏差制御能力程度を明確に確認することができる。
その後、図10に示すように、前記拘束層40を除去する。
ここで、下記の表2は、従来の技術と本発明の拘束層除去後の表面粗度を比較して示した表である。図12A〜図12Cは、表2のデータを示したグラフであって、図12Aは、従来の技術の拘束層除去後の表面粗度を示したものであり、図12Bは、本発明のALD法により形成された拘束層除去後の表面粗度を示したものであり、図12Cは、本発明のスパッタ法により形成された拘束層除去後の表面粗度を示したものである。
表2において、R(AVG)は、表面粗度の平均値を示し、R(Z)は、表面粗度の測定値のうち、最大測定値と最小測定値を引いた残りの測定値のうちの中間測定値を示し、R(Max)は、測定値のうちの最大測定値を示したものである。
Figure 2007335871
表2及び図12A〜図12Cから、本発明による拘束層、例えばALD法及びスパッタ法などの方法により拘束層を形成する場合、前記拘束層除去後の基板の表面粗度が従来の技術に比べて低く測定されたことを確認することができる。
したがって、本発明は、拘束層除去後のセラミック基板の全体的な厚さを均一にすることができるから、後続的に形成される外部電極50などのパターン印刷時に工程精密度が低下するのを防止し、製品の品質を向上させることができる。
次に、図11に示すように、前記多層セラミック基板100の上下面に、前記拘束層40の除去工程により露出した導電性ビア30と接続する外部電極50を形成する。前記外部電極50は、導電性ビア30を介して多層セラミック基板100の内部に形成された内部電極20と電気的に接続することができる。
上述した本発明の好ましい実施形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更を行うことが可能であり、このような置換、変更なども特許請求の範囲に属するものである。
従来の技術に係る無収縮セラミック基板の製造上の問題点を説明するために順次示した工程断面図である。 従来の技術に係る無収縮セラミック基板の製造上の問題点を説明するために順次示した工程断面図である。 従来の技術に係る無収縮セラミック基板の製造上の問題点を説明するために順次示した工程断面図である。 図3に示す無収縮セラミック基板を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。 本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。 本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。 本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。 本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。 本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。 本発明の実施形態に係る無収縮セラミック基板の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。 従来の技術と本発明の拘束層除去後の表面粗度を比較して示したグラフである。 従来の技術と本発明の拘束層除去後の表面粗度を比較して示したグラフである。 従来の技術と本発明の拘束層除去後の表面粗度を比較して示したグラフである。
符号の説明
10 グリーンシート
20 内部電極
30 導電性ビア
40 拘束層
50 外部電極
100 多層セラミック基板

Claims (6)

  1. 複数のグリーンシートを用意するステップと、
    前記それぞれのグリーンシートに内部電極及び導電性ビアを形成するステップと、
    前記複数のグリーンシートを積層して、多層セラミック基板を形成するステップと、
    前記多層セラミック基板の上下面に、前記グリーンシートの焼成温度で焼成されない拘束層を原子層堆積(ALD)法、スパッタ法、化学気体堆積(CVD)法及びゾル−ゲル法で構成された群から選択されるいずれか一つ以上の方法により形成するステップと、
    前記結果構造物を前記グリーンシートの焼成温度で焼成するステップと、
    前記拘束層を除去するステップと、
    を含む無収縮セラミック基板の製造方法。
  2. 前記拘束層をALD法により形成する場合、
    前駆体のAlCl3及びAl(OiPr)3を流入させるステップと、
    パージガスのArをパージさせるステップと、
    酸素反応ガスで水蒸気を流入させるステップと、
    パージガスのArをパージさせるステップと、を一つのサイクルにし、このサイクルを繰り返し的に行なって、要求される厚さのAl22薄膜を蒸着することを特徴とする請求項1に記載の無収縮セラミック基板の製造方法。
  3. 前記Al(OiPr)3として(CH32AlOCH(CH32、ジメチルアルミニウムイソプロポキシド(DMAP)、Al(OC(CH333及びジメチルアルミニウムsec−ブトキシド(DMAB)のうちのいずれかを使用することを特徴とする請求項2に記載の無収縮セラミック基板の製造方法。
  4. 前記拘束層をスパッタ法により形成する場合、
    Al23をターゲット物質として使用し、Arをキャリアガスとして使用してAl23薄膜を蒸着することを特徴とする請求項1に記載の無収縮セラミック基板の製造方法。
  5. 前記拘束層をCVD法により形成する場合、
    ジメチルアルミニウムイソプロポキシド(DMAP)を前駆体として使用して、Al23薄膜を蒸着することを特徴とする請求項1に記載の無収縮セラミック基板の製造方法。
  6. 前記拘束層をゾル−ゲル法により形成する場合、
    スピンコーティング工程を適用することを特徴とする請求項1に記載の無収縮セラミック基板の製造方法。
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