JP2008235641A - セラミック多層基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な工程で、セラミック多層基板表面のビアのくぼみを抑え表面が平滑な導体層を作成できるセラミック基板の製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】導体パターンやビアが内部に形成されたグリーンシートを複数枚積層して焼成した焼結体の最外層のビアに導電性ペーストの粘度が５０〜２００Ｐａ・ｓｅｃである第２の導体を印刷して焼成し、さらに印刷された第２の導体の上に導電性ペーストの粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓｅｃである第３の導体を印刷する。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック多層基板の製造方法に関するものである。特に、表面が平滑な導体層形成方法に関する。

従来のセラミック多層基板の製造方法を図３に示す。８に示す第１の工程では、導体パターン１やビア２が内部に形成されたセラミックグリーンシート３を複数枚積層して焼成し焼結基板７を得る。次に１６に示す第２の工程では、この焼結基板７の両面の表層１１と１２の所望の位置に導体１３及び１４を印刷してセラミック多層基板１５を得る。その後、２０に示す第３の工程では、導体１３と１４の上部にさらに導体２１と２２を印刷してセラミック多層基板１９を得る。その後、２８に示す第４の工程で、第３の工程で得られたセラミック多層基板１９を、約８５０℃で導体を焼成して完成されたセラミック多層基板２７を得る。

従来の製造方法では、第２の工程の導体１３と１４には厚膜材料が使われるが、厚膜材料を使用する場合は（１）導体の密着強度（導体に接続された電子部品やリ−ド端子を垂直方向もしくは水平方向に力を加えて破壊される強度をいう。）や、（２）耐半田喰われ性（半田を用いて導体に電子部品やリ−ド端子を接合する際に、半田内部に導体材料（例えばＡｇ、Ｃｕ）が拡散して部品ランドが無くなることをいう。）を向上するために、膜厚を厚くしなければならない。この厚みはＡｇ系導体では１０μｍ以上が必要であり、より好ましくは１５μｍ以上の膜厚が望ましい。そのため、導体１３、１４の上に、さらに第３の工程を用いて導体２１、２２を印刷して必要な膜厚の厚さを確保していた。この導体２１、２２は、導体１３、１４と同一材料であり、これら導体１３、１４と導体２１、２２は同時に焼成していた。

さらに耐半田喰われ性と半田濡れ性の向上（一般に厚膜材料を使用して導体を形成した場合、焼結基板と導体の密着強度を向上させる為にガラスを数％添加するが、このガラスが導体表面で半田濡れ性を阻害する。）の為に３２に示す第５の工程で、Ｎｉ／Ａｕメッキ２３、２４を行う場合もある。

しかしながらこのような従来のセラミック基板の製造方法では、表層に位置するビア（２ａ、２ｂ）の表面に多くのくぼみが発生する。くぼみの原因としては（１）ビアを形成する導電性ペースト中の無機成分の比率のばらつきにより導電性ペーストの収縮率にばらつきが発生する。（２）導電性ペーストは一般に印刷工法により形成されるが、印刷条件のばらつきで導電性ペーストの貫通孔中への充填量にばらつきが発生する。以上の様な原因で発生した表層に位置するビアのくぼみの上部に第２の工程及び第３の工程で導電性ペーストを用いて導体１３、１４を印刷形成し、必要に応じてさらに導体２１、２２を重ねて印刷形成する。導体１３、１４は表層の微細な配線も同時に印刷形成するため、使用される導電性ペーストの粘度は通常２００〜４００Ｐａ・ｓｅｃ程度である。しかしこの導電性ペーストでは、粘度が高いため、表層にあるビアのくぼみを完全に埋めることができず、ビア２ａ、２ｂの表面と導体１３、１４の間に空間（ビアボイド）が発生する。このビアボイドは導体２１、２２を重ねて印刷形成しても埋めることはできない。このビアボイドは、次の導電性ペーストの焼成工程において、ビア２ａ、２ｂの表面と導体１３、１４の間のビアボイドを基点に表層部の導体表面にくぼみやクラックを起こし、基板品質を低下させる課題があった。

また耐半田喰われ性と半田濡れ性を向上させるため、導体２１、２２の表面に無電解のＮｉ／Ａｕメッキ２３、２４を形成することがあるが、ビア２ａ、２ｂの表面と導体１３、１４の間のビアボイドや、表層部の導体表面に発生したくぼみやクラックにＮｉメッキ液が侵入し残留することでＡｕメッキが形成されない状態（無メッキ）が発生する。無メッキ部分はＮｉが表層部に露出しているので腐食が発生し半田濡れ性を悪化させる。またビア２ａ、２ｂの表面と導体１３、１４の間のビアボイドや、表層部の導体表面に発生したくぼみやクラック中にメッキ液、洗浄液等が溜まることで、後工程の部品実装や半田ボ−ル実装等のリフロ−時にメッキ液や洗浄液等が気化して半田内部に空洞ができる不良（半田ボイド）の原因にもなった。

さらにビア２ａ、２ｂの表面と導体１３、１４の間にビアボイドが発生すると、ビア２ａ、２ｂと導体１３、１４の接続強度が低下するので、ビア２ａ、２ｂと導体１３、１４との接続信頼性が低下する。

この課題の解決方法として、セラミック多層基板のビアホ−ルの導体充填部に生じたボイドにポリイミド樹脂膜を形成し、酸素プラズマによるドライエッチングを行い、ボイド内部以外のポリイミド樹脂膜を除去して、基板表面を平坦化する工法が開示されている（例えば特許文献１参照。）。また、表面層にビア導体や電極導体が形成されたセラミック基板において、そのビア導体や電極導体の少なくとも一部分を金属箔により覆うことでメッキ液の進入を防ぐ方法がある（例えば特許文献２参照。）。
特開平７−３０７５６６号公報 特開２００４−２４１４３２号公報

しかし特許文献１の工法ではビアホ−ルの導体充填部に生じたボイドの表面を平坦化する為の材料がポリイミド樹脂であるため、セラミック多層基板の表面に高温、例えば８５０℃で焼結させるＡｇ導体の形成は不可能である。また特許文献２の工法ではビア導体と金属箔が接着される構造になるが、通常ビア導体は金属粉末を使用した焼結体であり、内部に空間を有するが、金属箔は緻密であるため、前記ビア導体と前記金属箔の間には同一の金属であっても線膨張係数の差が生じる。セラミック多層基板の場合、通常表面の電極導体を形成した後さらに印刷抵抗、オーバーコ−トガラス等、約８５０℃程度の高温で焼成する工程があるため、前記ビア導体と前記金属箔の間の線膨張係数の差によって前記ビア導体と前記金属箔の間に剥離が発生し接続信頼性を低下させる問題が発生する。また基材フィルムに金属箔と感光性フィルムを貼り付ける工程、前記基材をガラス原板でマスクし、露光現像する工程、金属箔をエッチングする工程、金属箔をセラミック基板に接着するために表面を荒らす工程、金属箔を転写する工程と印刷形成方法と比較して多くの工程を有する問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するために、簡素な工程でもセラミック多層基板表面のビアのくぼみを抑え表面が平滑な導体層を作成できるセラミック基板の製造方法の提供を目的としたものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のセラミック基板の製造方法は、
セラミックグリーンシートに貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記貫通孔に導電性ペーストを用いてビアを形成するビア充填工程と、前記セラミックグリーンシートに第１の導電性ペーストを用いて所定の導体パターンを形成する導体パターン形成工程と、前記セラミックグリーンシートを複数枚積層して積層体を作成する積層体作成工程と、前記積層体を焼成して焼結基板を得る第１の焼成工程と、前記焼結基板のビア表面に第２の導電性ペーストを用いて第１の導体層を印刷形成する第１の印刷工程と、前記第１の導体層が印刷された焼結基板を焼成する第２の焼成工程と、前記第１の導体層の表面に第３の導電性ペーストを用いて第２の導体層を印刷形成する第２の印刷工程とからなることを特徴とする。

さらに、本発明のセラミック基板の製造方法は、セラミックグリーンシートに貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記貫通孔に導電性ペーストを用いてビアを形成するビア充填工程と、前記セラミックグリーンシートに第１の導電性ペーストを用いて所定の導体パターンを形成する導体パターン形成工程と、前記セラミックグリーンシートを複数枚積層して積層体を作成する第１の積層体作成工程と、前記積層体の両面にセラミックグリーンシートの焼結温度では焼結収縮しない無機組成物を主成分とする拘束シ−トを配置して第２の積層体を作成する第２の積層体作成工程と、前記第２の積層体をセラミックグリーンシートの焼結温度で焼成後、前記拘束シ−トを取り除きセラミック焼結基板を得る第１の焼結基板作成工程と、前記セラミック焼結基板のビア表面に第２の導電性ペーストを用いて第１の導体層を印刷形成する第１の印刷工程と、前記第１の導体層が印刷された前記セラミック焼結基板を焼成する第２の焼結基板作成工程と、前記第１の導体層の表面に第３の導電性ペーストを用いて第２の導体層を印刷形成する第２の印刷工程とからなることを特徴とする。

以上のように本発明によれば、ビア２ａ、２ｂの表面が粗くまたくぼみを持つ場合でも、ビア２ａ、２ｂの表面と導体１３、１４との接続部分のビアボイドや表層部の導体表面のくぼみやクラックの発生が無いセラミック基板を提供することができる。さらに、本発明はビア２ａ、２ｂの表面に接する導体１３、１４の形成を全て導電性ペースト印刷工程で行えるため、余分な工程を必要としない。

以下に、本発明の実施の形態について、図面ともに説明する。なお、従来と同じものについては、同符号を用い説明を簡略化している。

（実施の形態１）
図１は、本発明のセラミック基板の製造方法である。第１の工程８は、グリーンシートを積層して焼成し焼結体７を得る工程である。具体的には導体パターン１やビア２が内部に形成されたグリーンシート３を複数枚積層して焼成し焼結体７を得る。導体パタ−ン１やビア２はＡｇを主成分とした。グリーンシート３はアルミナ粉末を約５０ｗｔ％、ガラス粉末を約５０ｗｔ％の割合で混合した粉末に有機バインダ−と溶剤を加えたスラリ−をドクターブレード法により成形を行った。焼結体７を得る為の焼成温度は約９００℃で行った。

第２の工程１６は、焼結体７の最外層１１、１２に第２の導体１３、１４を印刷する工程である。第２の導体１３、１４の主成分はＡｇとしており、その導電性ペースト粘度は１００Ｐａ・ｓｅｃのものを使用した。

第３の工程１８は、第２の導体１３、１４を焼成する工程であり、焼成温度は約８５０℃である。本実施例では、焼成後の第２の導体１３、１４の焼成膜厚は８μｍであった。

第４の工程２６は、第２の導体１３、１４の上部に第３の導体２１、２２を印刷形成する工程である。第３の導体２１、２２の成分は第２の導体１３、１４と同一であるが、その導電性ペースト粘度は３００Ｐａ・ｓｅｃのものを使用した。この導電性ペーストの粘度の違いによる作用効果については、表１を用いて後述する。

第５の工程３０は、第３の導体２１、２２を焼成する工程である。焼成温度は約８５０℃であり、焼成後の第２の導体１３、１４と第３の導体２１、２２の合計の焼成膜厚は１７μｍであった。

第６の工程３４は、第３の導体２１、２２の表面にメッキ層２３、２４を形成する工程である。今回はＮｉ／Ａｕの無電界メッキを行った。

導電性ペーストの粘度は、その違いにより作用効果が異なる。すなわち、導電性ペーストの粘度が高いと、配線を印刷する際のにじみが少ないので配線形成に有利であるが、ビアに生じるくぼみにはなじまない。反対に導電性ペーストの粘度が低くなると、印刷のにじみが大きくなるので配線形成には不向きであるが、ビアのくぼみには良くなじむ作用がある。表１に、第２と第３の導電性ペーストの粘度を様々に変化させて、印刷性、無メッキの発生率、半田ボイドの発生率を評価した結果を示す。

第２の導体１３、１４の形成用導電性ペーストの粘度及び膜厚、第３の導体形成用導電性ペーストの粘度については、表１に示す実験デ−タより決定した。実施の形態１のサンプル作成条件は表１に示す実験デ−タより選んだ。

表１の結果より、第２の導体１３、１４の導電性ペースト粘度が５０〜２５０Ｐａ・ｓｅｃの範囲では、にじみが無く良好な印刷性を示している。導電性ペースト粘度が、５０Ｐａ・ｓｅｃより低い場合、例えば３０Ｐａ・ｓｅｃの場合は実験の結果、にじみが大きく導体形成には至らなかった。しかし、導電性ペースト粘度２５０Ｐａ・ｓｅｃでは、無メッキの発生および半田ボイドの発生が見られる。導電性ペースト粘度が高いために、表層部のビア２ａ、２ｂのくぼみになじみが悪く、ビア２ａ、２ｂと第１の導体１３、１４の間にビアボイド、表層部の導体表面にくぼみやクラックが発生し、無メッキや半田ボイドが発生したと考えられる。従って、第２の導体１３、１４の導電性ペースト粘度の範囲は５０〜２００Ｐａ・ｓｅｃが適当である。

第２の導体１３、１４の導電性ペースト粘度の範囲が５０〜２００Ｐａ・ｓｅｃの場合、第２の導体の焼成後の導体膜厚は５〜１５μｍであった。第２の導体１３、１４の導体膜厚が５〜１５μｍの場合、第３の導体２１、２２の導電性ペースト粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓｅｃの範囲において印刷性が良好であった。第２の導体１３、１４の導体膜厚が１８μｍの場合、第３の導体２１、２２の導電性ペースト粘度が１５０〜６００Ｐａ・ｓｅｃの範囲全てにおいてにじみやかすれの印刷不良が発生した。第３の導体２１、２２は、第２の導体１３、１４の上部に印刷されるが、第２の導体１３、１４の隣接部分にも配置される場合がある。例えば第３の導体２１、２２が第２の導体１３、１４の上部に配置される場合、第２の導体１３、１４の導体膜厚が厚いとエッジ切れの不良が発生する。また第３の導体２１、２２が第２の導体１３、１４の隣接部に配置される場合、第２の導体１３、１４の導体膜厚が厚いと導体１３、１４の周辺部に段差が発止し、導電性ペーストを使用した印刷法では製版とセラミック基板表面との密着が不安定になり、にじみの不良が発生する。

第３の導体の２１、２２の導電性ペースト粘度が２００Ｐａ・ｓｅｃより低い場合、例えば１５０Ｐａ・ｓｅｃの場合は実験の結果、配線形成部分においてにじみが発生した。例えば線幅／線間が１００μｍ／１００μｍ程度の配線を形成する場合、導電性ペーストの粘度が１５０Ｐａ・ｓｅｃの場合では、ペーストの形状保持力が小さいため流れやすい為、線幅／線間が１５０μｍ／５０μｍになる。配線部のにじみが５０μｍあると微細配線としては不良である。

また５００Ｐａ・ｓｅｃより高い場合、例えば６００Ｐａ・ｓｅｃの場合は実験の結果、配線形成部分においてかすれが発生した。微細配線を印刷法で形成する場合、一般にハイメッシュな製版を使用するが、ハイメッシュな製版はメッシュの開口部が狭い。６００Ｐａ・ｓｅｃの導電性ペーストで、ハイメッシュの製版を使用して印刷を行うと、導電性ペーストの流動性の悪さから転写不足が発生し、かすれの不良が発生する。従って、第３の導体２１、２２の導電性ペースト粘度の範囲は２００〜５００Ｐａ・ｓｅｃが適当である。

（実施の形態２）
図２は、本発明のセラミック基板の製造方法の実施の形態２を示す。第１の工程６は、グリーンシートを積層して焼成し焼結体５を得る工程である。具体的には導体パターン１やビア２が内部に形成されたグリーンシート３を複数枚積層し、その上下にグリーンシートの焼結温度では焼結しない拘束用シ−ト４を積層して焼成し焼結体５を得る。導体パタ−ン１やビア２はＡｇを主成分とした。グリーンシート３はアルミナ粉末を約５０ｗｔ％、ガラス粉末を約５０ｗｔ％の割合で混合した粉末に有機バインダ−と溶剤を加えたスラリ−をドクターブレード法により成形を行った。拘束用シート４はアルミナ粉末に有機バインダ−と溶剤を加えたスラリ−をドクターブレード法により成形を行った。焼結体５を得る為の焼成温度は約９００℃で行った。

第２の工程５２は、焼結体５の表面の拘束用シ−ト４を除去し、セラミック多層基板５１を得る工程である。一般に平面方向に収縮しない無収縮セラミック多層基板である。

第３の工程５４は、焼結体５１の最外層１１、１２に第２の導体１３、１４を印刷する工程である。第２の導体１３、１４の主成分はＡｇとしており、その導電性ペースト粘度は１００Ｐａ・ｓｅｃのものを使用した。

第４の工程５６は、第２の導体１３、１４を焼成する工程であり、焼成温度は約８５０℃である。本実施例では、焼成後の第２の導体１３、１４の焼成膜厚は８μｍであった。

第５の工程５８は、第２の導体１３、１４の上部に第３の導体２１、２２を印刷形成する工程である。第３の導体２１、２２の成分は第２の導体１３、１４と同一であるが、その導電性ペースト粘度は３００Ｐａ・ｓｅｃのものを使用した。

第６の工程６０は、第３の導体２１、２２を焼成する工程である。焼成温度は約８５０℃であり、焼成後の第３の導体２１、２２の焼成膜厚は１７μｍであった。

第７の工程３４は、第３の導体２１、２２の表面にメッキ層２３、２４を形成する工程である。今回はＮｉ／Ａｕの無電界メッキを行った。

導電性ペーストの粘度及び導体膜厚については、実施の形態１と同様に決定した。

本発明にかかるセラミック基板の製造方法は、安価な方法で最外層導体表面のクラックやボイドを低減し、クラックやボイドによる無メッキや半田ボイドの不良低減に有用である。また本発明により得られたセラミック多層基板は、特に２次実装信頼性の向上に有用である。

本発明の実施の形態１に示すセラミック基板の製造工程図 本発明の実施の形態２に示すセラミック基板の製造工程図 従来のセラミック基板の製造工程図

符号の説明

１ 導体パタ−ン
２ ビア
２ａ、２ｂ 表層部のビア
３ グリーンシート
４ 拘束用シ−ト
５、７ 焼結体
１１、１２ 最外層
１３、１４ 第２の導体
２１、２２ 第３の導体
２３、２４ メッキ層

Claims (10)

1. セラミックグリーンシートに貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔に導電性ペーストを用いてビアを形成するビア充填工程と、
   前記セラミックグリーンシートに第１の導電性ペーストを用いて所定の導体パターンを形成する導体パターン形成工程と、
   前記セラミックグリーンシートを複数枚積層して積層体を作成する積層体作成工程と、
   前記積層体を焼成して焼結基板を得る第１の焼成工程と、
   前記焼結基板のビア表面に第２の導電性ペーストを用いて第１の導体層を印刷形成する第１の印刷工程と、
   前記第１の導体層が印刷された焼結基板を焼成する第２の焼成工程と、
   前記第１の導体層の表面に第３の導電性ペーストを用いて第２の導体層を印刷形成する第２の印刷工程とからなるセラミック多層基板の製造方法。
2. 前記第２の導体の導電性ペーストの粘度が５０〜２００Ｐａ・ｓｅｃで前記第３の導電性ペーストの粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓｅｃである請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
3. 前記第２の焼成工程の温度は、前記第２の導電性ペーストを焼成する温度である請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
4. 前記第２の焼成工程の後、焼成された前記第１の導体層の膜厚が５〜１５μｍである請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
5. 前記第２の導電性ペーストと前記第３の導電性ペーストとが同一である請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
6. セラミックグリーンシートに貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔に導電性ペーストを用いてビアを形成するビア充填工程と、
   前記セラミックグリーンシートに第１の導電性ペーストを用いて所定の導体パターンを形成する導体パターン形成工程と、
   前記セラミックグリーンシートを複数枚積層して積層体を作成する第１の積層体作成工程と、
   前記積層体の両面にセラミックグリーンシートの焼結温度では焼結収縮しない無機組成物を主成分とする拘束シ−トを配置して第２の積層体を作成する第２の積層体作成工程と、
   前記第２の積層体をセラミックグリーンシートの焼結温度で焼成後、前記拘束シ−トを取り除きセラミック焼結基板を得る第１の焼結基板作成工程と、
   前記セラミック焼結基板のビア表面に第２の導電性ペーストを用いて第１の導体層を印刷形成する第１の印刷工程と、
   前記第１の導体層が印刷された前記セラミック焼結基板を焼成する第２の焼結基板作成工程と、
   前記第１の導体層の表面に第３の導電性ペーストを用いて第２の導体層を印刷形成する第２の印刷工程とからなるセラミック多層基板の製造方法。
7. 前記第２の導電性ペーストの粘度が５０〜２００Ｐａ・ｓｅｃ、第３の導電性ペーストの粘度が２００〜５００Ｐａ・ｓｅｃである請求項６に記載のセラミック多層基板の製造方法。
8. 前記第２の焼結基板作成工程の温度は、前記第２の導電性ペーストを焼成する温度である請求項６に記載のセラミック基板の製造方法。
9. 前記第２の焼結基板作成工程の後、焼成された前記第１の導体層の膜厚が５〜１５μｍであることを特徴とする請求項６に記載のセラミック基板の製造方法。
10. 前記第２の導電性ペーストと前記第３の導電性ペーストとが同一である請求項６に記載のセラミック基板の製造方法。

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