JP2008117815A - ガラスセラミック回路基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 拘束焼成によって高寸法精度を実現すると共に、表面導体層の接着強度を向上させたガラスセラミック回路基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 表裏面の両面ともガラスセラミック絶縁層に接合して拘束され、表面導体層２が表面に設けられる片面拘束層１ａ，１ｇの気孔率が、積層方向に垂直な面の両面ともガラスセラミック絶縁層に接合して拘束される両面拘束層１ｂ，１ｃ，１ｄの気孔率よりも高くなるように形成する。片面拘束層の気孔率としては、５．０体積％以上２８．４体積％以下が望ましく、両面拘束層の気孔率としては、０．５体積％以上５．０体積％以下であることが望ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラスセラミック回路基板およびその製造方法に関し、特に、焼成における収縮挙動が異なる絶縁層同士を一体焼成することにより、互いの平面方向の焼成収縮を抑制した寸法精度に優れたガラスセラミック回路基板およびその製造方法に関する。

ガラスセラミックスを絶縁層とするガラスセラミック回路基板が用いられているが、ガラスセラミック回路基板に対して求められる機能によっては、複数種類のセラミックスを組み合わせることが必要になっている。

たとえば、低誘電率であるが強度の低いガラスセラミック絶縁層を、強度の高い絶縁層で補強したガラスセラミック回路基板が提案され、また、低誘電率のガラスセラミック回路基板の中に容量値の高いキャパシタを内蔵するために、高誘電率のガラスセラミック絶縁層を内層させたガラスセラミック回路基板などが提案されている。

さらに、ガラスセラミック回路基板の低コスト化や、部品実装時の高精度化のために、焼成時の収縮挙動の不整合による基板の反りおよび変形を小さくすることが強く求められるが、従来のガラスセラミック回路基板では、これらの要求を達成することは困難である。

そこで、焼成収縮開始温度が異なるガラスセラミックスをそれぞれ含む二種のグリーンシートを積層し、積層体を焼成して二種のガラスセラミック絶縁層を異なるタイミングで焼結させることによって、平面方向（Ｘ−Ｙ方向）の焼成収縮による寸法変化を数％以下、特に１％以下に抑制されたガラスセラミック回路基板が開示されている（たとえば、特許文献１参照。）。なお、Ｘ−Ｙ方向とは、基板の主面に平行な方向であり、Ｚ方向とは基板の主面に垂直な方向（厚み方向）、換言すれば積層方向のことである。

さらに、拘束焼成を行う際に、導体層の体積収縮率と収縮開始温度とを制御することで、導体層とガラスセラミック絶縁層との界面付近の剥離やクラックが抑制されたガラスセラミック回路基板が開示されている（たとえば、特許文献２参照。）。

特開２００１−１５８７５号公報 特開２００２−２９００３７号公報

しかしながら、特許文献１，２記載のガラスセラミック回路基板は、導体層の剥離やクラックの発生は抑制されているが、基板表面に設けられた導体である表面導体層の接着強度が低いという問題がある。

本発明の目的は、拘束焼成によって高寸法精度を実現すると共に、表面導体層の接着強度を向上させたガラスセラミック回路基板およびその製造方法を提供することである。

本発明は、ガラスセラミック絶縁層を複数積層してなる絶縁基板の少なくとも表面に導体層が形成されているガラスセラミック回路基板であって、
前記ガラスセラミック絶縁層は、積層方向に垂直な面の片面のみが他のガラスセラミック絶縁層に接合され、前記導体層が形成されたガラスセラミック絶縁層である片面拘束層と、積層方向に垂直な面の両面が他のガラスセラミック絶縁層に接合されたガラスセラミック絶縁層である両面拘束層とを含み、
前記片面拘束層の気孔率が、前記片面拘束層の気孔率が７．２体積％〜２８．４体積％であるとともに、前記両面拘束層の気孔率が７．２体積％より低いことを特徴とするガラスセラミック回路基板である。

また本発明は、前記片面拘束層が、前記絶縁基板の主面全体にわたって設けられていることを特徴とする。

また本発明は、前記片面拘束層の主成分と、前記片面拘束層に接合するガラスセラミック絶縁層の主成分とが同じであることを特徴とする。

また本発明は、前記片面拘束層の厚みが３μｍ〜２０μｍであることを特徴とする。
また本発明は、第１の結晶性ガラス粉末を含む第１のグリーンシートと、前記第１の結晶性ガラス粉末とは焼成収縮開始温度が異なる第２の結晶性ガラス粉末を含む第２のグリーンシートとを作製する成形工程と、
前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートの所定の表面に導体層を形成する印刷工程と、
印刷工程で得られた前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートをそれぞれ所定の枚数積層して積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を、平面方向の焼成収縮を抑制しながら焼成する焼成工程とを有するガラスセラミック回路基板の製造方法であって、
前記積層体の最外層のグリーンシート表面に、累積重量が全体の９０％となる粒径である９０％粒径が最外層のグリーンシート厚みの５０％〜７０％に相当する大きさのガラス粉末を含むガラスペーストを塗布する塗布工程をさらに有し、
前記塗布工程は、前記成形工程と前記印刷工程との間に設けられていることを特徴とするガラスセラミック回路基板の製造方法である。

また本発明は、前記ガラスペーストに含まれるガラス粉末が、前記積層体の最外層のグリーンシートに含まれるガラス粉末と同じものを用いることを特徴とする。

また本発明は、第１の結晶性ガラス粉末を含む第１のグリーンシートと、前記第１の結晶性ガラス粉末とは焼成収縮開始温度が異なる第２の結晶性ガラス粉末を含む第２のグリーンシートとを作製する成形工程と、
前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートの所定の表面に導体層を形成する印刷工程と、
印刷工程で得られた前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートをそれぞれ所定の枚数積層して積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を、平面方向の焼成収縮を抑制しながら焼成する焼成工程とを有するガラスセラミック回路基板の製造方法であって、
前記積層体の最外層のグリーンシートに含まれるガラス粉末は、累積重量が全体の９０％となる粒径である９０％粒径が最外層のグリーンシート厚みの５０％〜７０％に相当する大きさであることを特徴とするガラスセラミック回路基板の製造方法である。

また本発明は、前記最外層のグリーンシートは、ガラス粉末の充填率が３０体積％〜４５体積％であることを特徴とする。

本発明によれば、ガラスセラミック絶縁層を複数積層してなる絶縁基板の少なくとも表面に導体層が形成されているガラスセラミック回路基板であって、前記ガラスセラミック絶縁層には、積層方向に垂直な面の片面のみが他のガラスセラミック絶縁層に接合され、前記導体層が形成されたガラスセラミック絶縁層である片面拘束層と、積層方向に垂直な面の両面が他のガラスセラミック絶縁層に接合されたガラスセラミック絶縁層である両面拘束層とが含まれている。前記片面拘束層の気孔率が７．２体積％〜２８．４体積％であるとともに、前記両面拘束層の気孔率が７．２体積％より低くなっている。

表面導体層が設けられる片面拘束層の気孔率を７．２体積％〜２８．４体積％と高くすると、導体層が焼結する際に導体層の成分が片面拘束層の気孔に浸入し、ガラスセラミック絶縁層の成分と反応して強固なアンカーを形成することができるので、拘束焼成によって高寸法精度を実現すると共に、表面導体層の接着強度を向上させることができる。また、両面拘束層の気孔率を７．２体積％より低くすることで、高温高湿度負荷試験における信頼性を高めることができる。

また本発明によれば、前記片面拘束層が、前記絶縁基板の主面全体にわたって設けられているので、表面導体層を全面にわたって設けることができる。

また本発明によれば、前記片面拘束層の主成分と、前記片面拘束層に接合するガラスセラミック絶縁層の主成分とが同じであるので、絶縁層間の密着性を向上させることができる。

また本発明によれば、前記片面拘束層の厚みが３μｍ〜２０μｍである。片面拘束層の気孔率は、厚みが厚くなるほど低くなる傾向がある。これは、絶縁層の厚みが厚いと、ガラスセラミック絶縁層の平面方向の拘束力が弱くなり、他の絶縁層と接合していない側の絶縁層の焼成収縮が大きくなり、焼結しやすくなるためである。よって、セラミック絶縁膜の厚みを３μ以上２０μｍ以下とすることで十分な気孔率を容易に実現できる。

また本発明によれば、まず成形工程において、第１の結晶性ガラス粉末を含む第１のグリーンシートと、前記第１の結晶性ガラス粉末とは焼成収縮開始温度が異なる第２の結晶性ガラス粉末を含む第２のグリーンシートとを作製し、印刷工程で、前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートの所定の表面に導体層を形成する。

積層工程では、印刷工程で得られた前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートをそれぞれ所定の枚数積層して積層体を形成し、焼成工程で、前記積層体を、平面方向の焼成収縮を抑制しながら焼成する。

本発明では、前記成形工程と前記印刷工程との間に、前記積層体の最外層のグリーンシート表面に、累積重量が全体の９０％となる粒径である９０％粒径が最外層のグリーンシート厚みの５０％〜７０％に相当する大きさのガラス粉末を含むガラスペーストを塗布する塗布工程をさらに有する。

このガラスペーストが片面拘束層となるが、片面拘束層の気孔率は、グリーンシートに用いられるガラス粉末のＤ９０とグリーンシート膜厚とに影響される。ガラス軟化時に、ガラス粉末部分がボイドになり易く、その後の焼成収縮でボイド状態が変化するが、そのボイド状態は、グリーンシート膜厚により決まる。ガラス粉末のＤ９０がグリーンシート膜厚の５０％より小さい場合、焼結が進み易くなり、気孔率を高くすることが困難になる。また、ガラス粉末のＤ９０がグリーンシート膜厚の７０％より大きい場合、気孔率が高くなり過ぎて、収縮率が大きくなってしまう。

このようにしてガラスセラミック回路基板を作製することで、容易に気孔率を高くすることができ、拘束焼成によって高寸法精度を実現すると共に、表面導体層の接着強度を向上させることができる。

また本発明によれば、前記ガラスペーストに含まれるガラス粉末が、前記積層体の最外層のグリーンシートに含まれるガラス粉末と同じものを用いる。

これにより、最外層のグリーンシートとガラスペーストとの密着性を向上させることができる。

また本発明によれば、まず成形工程において、第１の結晶性ガラス粉末を含む第１のグリーンシートと、前記第１の結晶性ガラス粉末とは焼成収縮開始温度が異なる第２の結晶性ガラス粉末を含む第２のグリーンシートとを作製し、印刷工程で、前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートの所定の表面に導体層を形成する。

積層工程では、印刷工程で得られた前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートをそれぞれ所定の枚数積層して積層体を形成し、焼成工程で、前記積層体を、平面方向の焼成収縮を抑制しながら焼成する。

ここで、前記積層体の最外層のグリーンシートに含まれるガラス粉末として、累積重量が全体の９０％となる粒径である９０％粒径が最外層のグリーンシート厚みの５０％〜７０％に相当する大きさのものを使用する。

前記積層体の最外層のグリーンシートが片面拘束層となるが、片面拘束層の気孔率は、グリーンシートに用いられるガラス粉末のＤ９０とグリーンシート膜厚とに影響される。ガラス軟化時に、ガラス粉末部分がボイドになり易く、その後の焼成収縮でボイド状態が変化するが、そのボイド状態は、グリーンシート膜厚により決まる。ガラス粉末のＤ９０がグリーンシート膜厚の５０％より小さい場合、焼結が進み易くなり、気孔率を高くすることが困難になる。また、ガラス粉末のＤ９０がグリーンシート膜厚の７０％より大きい場合、気孔率が高くなり過ぎて、収縮率が大きくなってしまう。

このようにしてガラスセラミック回路基板を作製することで、容易に気孔率を高くすることができ、拘束焼成によって高寸法精度を実現すると共に、表面導体層の接着強度を向上させることができる。

また本発明によれば、前記最外層のグリーンシートは、ガラス粉末の充填率が３０体積％〜４５体積％である。

片面拘束層の気孔率は、グリーンシートに用いられる粉末の充填率に影響されており、充填率を低くすることで気孔率を高くすることができる。グリーンシートの粉末充填率が３０体積％より低いと、焼結が進み易くなり、片面拘束層の気孔率を高くすることが困難である。また、グリーンシートの粉末充填率が４５体積％より高いと片面拘束層の気孔率が高くなり過ぎて、収縮率が大きくなってしまう。よって、ガラス粉末の充填率を３０体積％〜４５体積％とすることで十分な気孔率を容易に実現できる。

図１は、本発明の第１の実施形態であるガラスセラミック回路基板１０の構成を示す断面図である。ガラスセラミック回路基板１０は、絶縁基板１、絶縁基板１の表面に形成された表面導体層２、絶縁基板１の内部に形成された内部導体層３、および各導体層間を電気的に接続するビアホール導体４から構成されている。

絶縁基板１は、複数のガラスセラミック絶縁層（以下では「絶縁層」と略称する。）１ａ〜１ｇが積層されてなり、最外層となる絶縁層１ａ，１ｇと、内層の絶縁層１ｂ〜１ｆとは、焼成収縮開始温度が異なるセラミック材料でそれぞれ形成されている。たとえば、上記絶縁層１ａ，１ｇを形成するセラミック材料の収縮開始温度は、内層の絶縁層１ｂ〜１ｆを形成するセラミック材料の収縮開始温度よりも低くしている。なお、絶縁基板１の積層数は、たとえば２〜５０層が好ましい。また、絶縁層１ａ〜１ｇの厚みは、たとえば、３〜３００μｍが好ましい。

図２は、本発明の第２の実施形態であるガラスセラミック回路基板２０の構成を示す断面図である。ガラスセラミック回路基板２０は、絶縁基板１１、絶縁基板１１の表面に形成された表面導体層１２、絶縁基板１の内部に形成された内部導体層１３、および各導体層間を電気的に接続するビアホール導体１４から構成され、一方面側にキャビティ１５が形成されている。

絶縁基板１１は、複数の絶縁層１１ａ〜１１ｏが積層されてなり、表面導体層１２および内部導体層１３が設けられる絶縁層１１ｉ〜１１ｏと、他の絶縁層１１ａ〜１１ｈとは、焼成収縮開始温度が異なるセラミック材料でそれぞれ形成されている。たとえば、上記絶縁層１１ａ〜１１ｈを形成するセラミック材料の収縮開始温度は、他の絶縁層１１ｉ〜１１ｏを形成するセラミック材料の収縮開始温度よりも低くしている。なお、絶縁基板１の積層数は、たとえば２〜５０層が好ましい。また、絶縁層１ａ〜１ｇの厚みは、たとえば、３〜３００μｍが好ましい。

焼成収縮開始温度が異なる２種類のセラミックスの焼成収縮挙動について、図３の焼成収縮曲線を用いて説明する。図３によれば、焼成収縮開始温度が異なる２種類のセラミックスをＡ、Ｂとすると、それぞれの焼成収縮開始温度ＳＡ、ＳＢがＳＡ＜ＳＢであれば、それぞれの焼成収縮終了温度ＥＡ、ＥＢは、ＥＡ＜ＥＢとなる。

第１の実施形態であるガラスセラミック回路基板１０を考えると、絶縁層１ａ、１ｇがセラミックスＡに相当し、絶縁層１ｂ〜１ｆがセラミックスＢに相当する。

また、第２の実施形態であるガラスセラミック回路基板２０を考えると、絶縁層１１ａ〜１１ｈがセラミックスＡに相当し、絶縁層１１ｉ〜１１ｏがセラミックスＢに相当する。

少なくとも２種類のガラスセラミック絶縁層が焼結して平面方向（Ｘ−Ｙ方向）の焼成収縮を抑制した従来のガラスセラミック回路基板は、ガラスセラミック絶縁層の気孔率が低くなるように設計されており、積層方向に垂直な面の片面のみがガラスセラミック絶縁層に接合して拘束されるガラスセラミック絶縁層（以下では「片面拘束層」と略称する。）の気孔率も低くなるように材料設計、プロセス設計されている。

よって、従来のガラスセラミック回路基板は、高い信頼性を有し、かつ導体層とガラスセラミック絶縁層との界面の剥離やクラックを防止することは可能であるが、片面拘束層の露出する側の表面に設けられた表面導体層の接着強度は、充分に満足できるものではない。

ガラスセラミック絶縁層のＸ−Ｙ方向の焼成収縮が抑制されると、当然、同時焼成される導体層の焼成収縮もＸ−Ｙ方向の焼成収縮が抑制される。このため、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮が抑制された導体層の焼結では、主にＺ方向（積層方向）のみに収縮が起こるため、Ｘ−Ｙ−Ｚの３方向に焼成収縮する場合に比べて、焼結不良の導体層となる傾向がある。特に、表面導体層は、Ｚ方向の焼成収縮の抑制力が不均一になるために、焼結不良になり易い。そのため、表面導体層とガラスセラミック絶縁層との界面で接着強度を高めるアンカー形成が不充分となる傾向がある。

この接着強度には、片面拘束層の気孔率が大きく影響しており、片面拘束層の気孔率を高くすることで表面導体層と片面拘束層とのアンカー形成が促進されることが判った。これは、表面導体層がＺ方向に収縮焼結する際に、その成分が、片面拘束層のボイド部に選択的に浸入し、片面拘束層の成分と反応して強固なアンカーを形成するからである。

本発明において、平面方向の焼成収縮を抑制するとともに、表面導体層の接着強度が高く、高い信頼性を有するガラスセラミック回路基板を得るために、片面拘束層の気孔率が、積層方向に垂直な面の両面ともガラスセラミック絶縁層に接合して接合して拘束されるガラスセラミック絶縁層（以下では、「両面拘束層」と略称する。）の気孔率よりも高くなるように形成している。

片面拘束層の気孔率としては、７．２体積％以上２８．４体積％以下が望ましく、両面拘束層の気孔率としては、７．２体積％より低いことが望ましい。

片面拘束層の気孔率を７．２体積％以上２８．４体積％以下とすることで、表層導体層の接着強度をより高くすることができる。気孔率が７．２体積％より低いとアンカー形成が不十分となり接着強度が低くなってしまう。気孔率が２８．４体積％より高いとボイドが多くなり過ぎてＸ−Ｙ方向の焼成収縮の抑制が弱くなり、収縮率が大きくなってしまう。

また、両面拘束層の気孔率を７．２体積％より低くすることで、高温高湿度負荷試験における信頼性を高めることができる。気孔率が７．２体積％以上であると、信頼性を確保することが困難になる。ここでの信頼性は、高温高湿度負荷試験（ＨＨＢＴ）における信頼性であり、ガラスセラミック絶縁層中のボイドが多いと、ガラスセラミック絶縁層が薄くなるにつれて絶縁抵抗が劣化し易くなる。

ここで、ガラスセラミック絶縁層との接合とは、厚さ２０μｍ以下の導体層を介して接合している場合も含む。

また、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮が抑制されているかどうかは、Ｘ−Ｙ方向の収縮率が５％以下であること、または、Ｘ−Ｙ方向の収縮率がＺ方向の収縮率よりも２０％以上小さいことを判断基準とする。さらに、収縮率とは、特にことわらない限り、線収縮率のことを示し、焼成前の長さをＸ_０、焼成後の長さをＸ_１としたときに、（Ｘ_０−Ｘ_１）／Ｘ_０で計算される。

ガラスセラミック絶縁層のうちの少なくとも１つの層中に、片面拘束される部分と、両面拘束される部分とを含んでいてもよい。

これによって、キャビティ構造が可能になる。たとえば、ガラスセラミック回路基板２０において、絶縁層１１ｃのキャビティ底部にあたる部分は、片面拘束される部分であり、絶縁層１１ｃの残余の部分は両面拘束される部分である。キャビティ底部の気孔率を５．０体積％以上２８．４体積％以下とすることで、キャビティ底部に表面導体層を設けた場合でも接着強度を向上させることができる。また、キャビティ底部の上下両面が焼成収縮開始温度の異なる層に接合している部分のガラスセラミック層に、絶縁基板内蔵のコンデンサー電極を設けた場合でも高い信頼性を確保することが可能になる。

複数のガラスセラミック絶縁層のうち、片面拘束層の厚みは３μ以上２０μｍ以下であることが望ましい。これにより、容易に片面拘束層の気孔率を高くすることが可能となる。

片面拘束層の気孔率は、厚みが厚くなるほど低くなる傾向がある。これは、絶縁層の厚みが厚いと、ガラスセラミック絶縁層の平面方向の拘束力が弱くなり、他の絶縁層と接合していない側の絶縁層の焼成収縮が大きくなり、焼結しやすくなるためである。よって、セラミック絶縁膜の厚みは３μ以上２０μｍ以下がよい。

本発明のガラスセラミック回路基板の製造方法について説明する。
第１の結晶性ガラス粉末と第１の有機バインダとを含む第１のグリーンシートと、第１の結晶性ガラス粉末とは焼成収縮開始温度が異なる第２の結晶性ガラス粉末と第２の有機バインダとを含む第２のグリーンシートを形成する。

第１および第２のグリーンシートに各導体層となる金属ペーストを印刷、埋め込みしたのち、グリーンシートを積層して焼成することにより、第１の結晶性ガラス粉末と第２の結晶性ガラス粉末がそれぞれ焼結してガラスセラミック絶縁層となり平面方向（Ｘ−Ｙ方向）の焼成収縮が抑制されたガラスセラミック回路基板が得られる。焼成後に片面拘束層となるグリーンシートに用いられるガラス粉末は、累積重量が全体の９０％となる粒径である９０％粒径（以下では、「Ｄ９０」と略称する。）がグリーンシート膜厚の５０〜７０％であることが望ましい。これにより、容易に片面拘束層の気孔率を高くすることができる。

これは、片面拘束層の気孔率が、グリーンシートに用いられるガラス粉末のＤ９０とグリーンシート膜厚とに影響されるからである。ガラス軟化時に、ガラス粉末部分がボイドになり易く、その後の焼成収縮でボイド状態が変化するが、そのボイド状態は、グリーンシート膜厚により決まる。

ガラス粉末のＤ９０がグリーンシート膜厚の５０％より小さい場合、焼結が進み易くなり、気孔率を高くすることが困難になる。また、ガラス粉末のＤ９０がグリーンシート膜厚の７０％より大きい場合、気孔率が高くなり過ぎて、収縮率が大きくなってしまう。

また、焼成後に片面拘束層となるグリーンシートに用いられる粉末の充填率は、３０〜４５体積％であることが望ましい。これにより、容易に片面拘束層の気孔率を高くすることができる。

これは、片面拘束層の気孔率が、グリーンシートに用いられる粉末の充填率に影響されており、充填率を低くすることで気孔率を高くすることができるからである。

グリーンシートの粉末充填率が３０体積％より低いと、焼結が進み易くなり、片面拘束層の気孔率を高くすることが困難である。また、グリーンシートの粉末充填率が４５体積％より高いと片面拘束層の気孔率が高くなり過ぎて、収縮率が大きくなってしまう。

グリーンシートに用いられるセラミック粉末としては、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から選ばれる１種以上が挙げられる。

ガラス粉末の具体的な組成例としては、必須成分として、ＳｉＯ_２が２０〜７０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が０．５〜３０質量％、ＭｇＯが３〜６０質量％であり、任意成分として、ＣａＯ０〜３５質量％、ＢａＯ０〜３５質量％、ＳｒＯ０〜３５質量％、Ｂ_２Ｏ_３０〜２０質量％、ＺｎＯ０〜３０質量％、ＴｉＯ_２０〜１０質量％、Ｎａ_２Ｏ０〜３質量％、Ｌｉ_２Ｏ０〜５質量％を含む組成が挙げられる。

このような組成のガラス粉末とセラミック粉末との組み合わせによれば、１０００℃以下での低温焼結が可能となるとともに、導体層として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌなどの低抵抗導体を用いて同時焼成することが可能となり、また、低誘電率化も可能であり、高速伝送化に好適である。しかも、上記の範囲で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。

本発明のガラスセラミック回路基板の製造方法についてより具体的に説明すると、まず、焼成収縮挙動が上記のような関係にある２種類のセラミック材料からなるグリーンシートを作製する。グリーンシートは、所定のセラミック粉末組成物と有機バインダと有機溶剤および必要に応じて可塑剤とを混合し、スラリー化する。このスラリーを用いてドクターブレード法などによりテープ成形を行い、所定寸法に切断しグリーンシートを作製する。

次に、このグリーンシートにパンチングなどによって貫通孔を形成し、その貫通孔内にビアホール導体となる導体ペーストを充填し、表面導体層や内部導体層となる導体ペーストをスクリーン印刷法などによって被着形成する。

このようにして得られた各グリーンシートを、所定の積層順序に応じて積層し、積層成形体を形成する。

キャビティ形成は、キャビティとなる溝を、金型等を用いて積層体を一括で打ち抜くか、もしくは、積層体を形成する前のグリーンシートを打ち抜いた後に積層するか、いずれかの手法で形成する。

その後、積層成形体を焼成するが、焼成にあたっては、図３に示したように、昇温して、片面拘束層に用いられるセラミックスＡの収縮開始温度ＳＡに到達後、徐々に昇温するか、または収縮開始温度ＳＡか、または収縮開始温度ＳＡ以上で両面拘束層に用いられるセラミックスＢの収縮開始温度ＳＢよりも低い温度で、一時的に炉内温度を保持してセラミックスＡが最終焼成体積収縮量の９０％以上焼成収縮が進行するまで保持する。このとき、セラミックスＡは、その温度で焼成収縮しないセラミックスＢによってＸ−Ｙ方向への収縮が抑制されＺ方向に焼成収縮する。

セラミックスＡが最終焼成体積収縮量の収縮した後、セラミックスＢの収縮開始温度ＳＢに昇温して焼成する。この焼成によって、セラミックスＢは、焼結がほぼ完了したセラミックスＡによってＸ−Ｙ方向への焼成収縮が抑制されＺ方向に焼成収縮する。その結果、セラミックスＡおよびセラミックスＢともにＸ−Ｙ方向への焼成収縮が抑制されＺ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、焼成収縮挙動が異なる２種のセラミックスは、例えば、焼結収縮挙動の相違のみならず、目的に応じて、比誘電率が異なる、強度が異なる、誘電損失が異なるなどの他の特性が異なっていてもよい。

また、焼成収縮挙動が異なる２種類のセラミックスＡ，Ｂを用いた絶縁層をそれぞれ記号Ａ，Ｂで表した場合、図１に示したガラスセラミック回路基板１０の層構成は、上から順にＡＢＢＢＢＢＡで表される。また図２に示したガラスセラミック回路基板２０の層構成は、上から順にＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡで表される。ガラスセラミック回路基板の層構成は、これに限らず、たとえば、ＡＢＡＢＡＢＡ、ＡＡＡＢＡＡＡ、ＡＡＢＢＢＡＡ、ＡＡＢＡＢＡＡ、ＡＡＢＢＡＡＡ、ＡＢＡＡＡＡＡなどでもよく、ＡとＢとを入れ換えた構成であってもよい。

また、片面拘束層は、上記のようにグリーンシートとして形成するだけでなく、積層体の最外層のグリーンシート表面に、Ｄ９０が最外層のグリーンシート厚みの５０％〜７０％に相当する大きさのガラス粉末を含むガラスペーストを塗布することでも形成できる。このとき、ガラスペーストに含まれるガラス粉末は、積層体の最外層のグリーンシートに含まれるガラス粉末と同じものを用いることが好ましい。

表１に示すような、焼成収縮開始温度が異なるセラミックス１〜６を形成する各セラミック組成物を準備した。また、表２に示すような、特性を有する各種グリーンシート組成物を準備した。なお、表２に示した試料Ｎｏ．１〜５および２０，２１は、比較例であり、試料Ｎｏ．６〜１９は、実施例である。

有機バインダとしてエチルセルロースと、有機溶剤として２−２−４−トリメチル−３−３−ペンタジオールモノイソブチレートを添加してなるスラリーを調製し、これをドクターブレード法により薄層化し、基板用のグリーンシートを作製した。

そして、グリーンシート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し、またこの導電性ペーストをスクリーン印刷して所定の内層導体層を印刷形成し、乾燥させた。

一方、最上層、最下層となるグリーンシートに、表面導体層のパターンで上記の導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させた。ここで、キャビティの形成される層はパンチングで焼成後キャビティとなる孔を形成する。

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グリーンシートを積層するとともに、最上層および最下層に、表面導体層となる導体膜を形成したグリーンシートを積層し、積層成形体を作製した。

この後、大気中４００℃で脱有機バインダ処理し、さらに表２に示す焼成温度で焼成し、図４に示す層構成の平板基板３０と、図５に示す層構成のキャビティ基板４０を作製した。各層の焼成前の厚みは表２に示したグリーンシート厚みであり、焼成後の厚さは焼成前の厚みの約６０％となった。基板の大きさは、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、であった。

各絶縁層２１ａ〜２１ｇ，３１ａ〜３１ｇは、それぞれ焼成収縮開始温度が異なる２つの層からなり、上層が収縮開始温度の低い層、下層が収縮開始温度の高い層となっている。

焼成体の気孔率（％）は、焼成体の断面を倍率×１０００でＳＥＭ観察して、磁器断面におけるボイドの断面積を求め、ボイド断面積／（ボイドと磁器の断面積の和）×１００を算出した。気孔率は、片面拘束層（絶縁層２１ａ，２１ｇ，３１ａ，３１ｄ，３１ｇ）と、両面拘束層（２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｆ）について算出した。

表面導体層の接着強度は、２ｍｍ角の電極パッドを表面導体層としてリードプル強度を測定した。まず、表面導体層に直径０．６ｍｍのリード線を、導体に垂直に共晶半田で接続した。基板を固定し、リードを持って、基板主面に垂直に引き上げて、接続が破壊される強度を測定した。

信頼性は、ＪＩＳ Ｃ００９７に準拠したＨＨＢＴ試験を行った。図４または図５に示した構造のサンプルの内部に形成された、両面がセラミック絶縁層に接続している絶縁層を評価した。評価は、１ｍｍ×１ｍｍの電極に挟まれた部分で、グリーンシートの厚さが５０μｍ、２５μｍ、１５μｍ、１０μｍ、５μｍ、３μｍ、２μｍのサンプルの電極間の絶縁層の厚さは、それぞれ、２５μｍ、１２μｍ、５μｍ、３μｍ、１．７μｍ、１．１μｍであった。なお、電極間の絶縁層の厚さが焼成前の６０％より薄くなるのは、電極が形成されているためである。例えば、グリーンシート厚さが５０μｍのサンプルでは、電極のない部分の焼成後の絶縁層の厚さが３０μｍであり、この絶縁層中で電極が形成されている部分の絶縁層の厚さは２５μｍとなる。ＨＨＢＴ（温度８５℃、湿度８５％、印加電圧５．５Ｖ）を行い、１０００Ｈｒ後の絶縁抵抗値が１０^９（Ω）より低い値を不良とした。不良率は、評価数ｎ＝５０に対する不良数を算出した。図４の平板構造のサンプルは、対向する内部導体層３に挟まれたガラスセラミック絶縁層５を、図５のキャビティ構造のサンプルでは、キャビティ底部の層を形成する絶縁層で、対向する内部導体層１３に挟まれたガラスセラミック絶縁層５を評価した。

なお、グリーンシート積層体と焼成後のサンプルに対して、所定の２点間の長さを測定することにより、Ｘ−Ｙ方向のガラスセラミック回路基板の収縮率を算出した。なお、各試料について１０個の試料を作製し、それぞれの収縮率の平均値を算出した。
各評価結果について表３に示す。

実施例である試料Ｎｏ．６〜１９については、収縮率が小さく、かつ表面導体層の接着強度が高い回路基板が得られた。

比較例である試料Ｎｏ．１〜３については、収縮率は小さかったが、片面拘束層の気孔率が小さかったため、十分な接着強度が得られず、また信頼性も低かった。また、Ｎｏ．４，５は、接着強度は向上したが、十分な収縮率が得られなかった。

本発明の第１の実施形態であるガラスセラミック回路基板１０の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態であるガラスセラミック回路基板２０の構成を示す断面図である。 焼成収縮開始温度が異なる２種類のセラミックスの焼成収縮挙動を示す焼成収縮曲線である。 実施例で作製した平板基板３０の構成を示す断面図である。 実施例で作製したキャビティ基板４０の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０ ガラスセラミック回路基板
１，１１，２１，３１ 絶縁基板
２，１２ 表面導体層
３，１３ 内部導体層
４，１４ ビアホール導体
１５ キャビティ

Claims (8)

1. ガラスセラミック絶縁層を複数積層してなる絶縁基板の少なくとも表面に導体層が形成されているガラスセラミック回路基板であって、
   前記ガラスセラミック絶縁層は、積層方向に垂直な面の片面のみが他のガラスセラミック絶縁層に接合され、前記導体層が形成されたガラスセラミック絶縁層である片面拘束層と、積層方向に垂直な面の両面が他のガラスセラミック絶縁層に接合されたガラスセラミック絶縁層である両面拘束層とを含み、
   前記片面拘束層の気孔率が、前記片面拘束層の気孔率が７．２体積％〜２８．４体積％であるとともに、前記両面拘束層の気孔率が７．２体積％より低いことを特徴とするガラスセラミック回路基板。
2. 前記片面拘束層は、前記絶縁基板の主面全体にわたって設けられていることを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック回路基板。
3. 前記片面拘束層の主成分と、前記片面拘束層に接合するガラスセラミック絶縁層の主成分とが同じであることを特徴とする請求項１または２記載のガラスセラミック回路基板。
4. 前記片面拘束層の厚みが３μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のガラスセラミック回路基板。
5. 第１の結晶性ガラス粉末を含む第１のグリーンシートと、前記第１の結晶性ガラス粉末とは焼成収縮開始温度が異なる第２の結晶性ガラス粉末を含む第２のグリーンシートとを作製する成形工程と、
   前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートの所定の表面に導体層を形成する印刷工程と、
   印刷工程で得られた前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートをそれぞれ所定の枚数積層して積層体を形成する積層工程と、
   前記積層体を、平面方向の焼成収縮を抑制しながら焼成する焼成工程とを有するガラスセラミック回路基板の製造方法であって、
   前記積層体の最外層のグリーンシート表面に、累積重量が全体の９０％となる粒径である９０％粒径が最外層のグリーンシート厚みの５０％〜７０％に相当する大きさのガラス粉末を含むガラスペーストを塗布する塗布工程をさらに有し、
   前記塗布工程は、前記成形工程と前記印刷工程との間に設けられていることを特徴とするガラスセラミック回路基板の製造方法。
6. 前記ガラスペーストに含まれるガラス粉末は、前記積層体の最外層のグリーンシートに含まれるガラス粉末と同じものを用いることを特徴とする請求項５記載のガラスセラミック回路基板の製造方法。
7. 第１の結晶性ガラス粉末を含む第１のグリーンシートと、前記第１の結晶性ガラス粉末とは焼成収縮開始温度が異なる第２の結晶性ガラス粉末を含む第２のグリーンシートとを作製する成形工程と、
   前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートの所定の表面に導体層を形成する印刷工程と、
   印刷工程で得られた前記第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートをそれぞれ所定の枚数積層して積層体を形成する積層工程と、
   前記積層体を、平面方向の焼成収縮を抑制しながら焼成する焼成工程とを有するガラスセラミック回路基板の製造方法であって、
   前記積層体の最外層のグリーンシートに含まれるガラス粉末は、累積重量が全体の９０％となる粒径である９０％粒径が最外層のグリーンシート厚みの５０％〜７０％に相当する大きさであることを特徴とするガラスセラミック回路基板の製造方法。
8. 前記最外層のグリーンシートは、ガラス粉末の充填率が３０体積％〜４５体積％であることを特徴とする請求項７記載のガラスセラミック回路基板の製造方法。

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