JP2009032937A - Ceramic multilayer substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焼成における収縮曲線(挙動)が異なる2種類の絶縁性のセラミックグリーンシートを交互に積層して焼成することにより、平面方向の焼成収縮を抑制したセラミック多層基板に関する。 The present invention relates to a ceramic multilayer substrate in which firing shrinkage in a plane direction is suppressed by alternately laminating and firing two types of insulating ceramic green sheets having different shrinkage curves (behavior) in firing.
従来、移動体通信分野などで使用されるセラミック多層基板において、配線層の材料として導電率の高い金、銀、銅、アルミニウムあるいはそれらの混合物を用い、絶縁層の材料として配線層の材料の融点よりも低い温度で焼成が可能なガラスセラミックスを用いたセラミック多層基板が広く用いられている。 Conventionally, in a ceramic multilayer substrate used in the field of mobile communication, etc., high-conductivity gold, silver, copper, aluminum, or a mixture thereof is used as the wiring layer material, and the melting point of the wiring layer material as the insulating layer material Ceramic multilayer substrates using glass ceramics that can be fired at a lower temperature are widely used.
このセラミック多層基板は、複数の配線層間がビアホール導体により電気的に接続されている。製造に際しては、焼成後に絶縁層となるセラミックグリーンシートに貫通孔を形成し、その貫通孔に焼成後にビアホール導体となる導体材料を充填するとともに、貫通孔に導体材料の充填されたセラミックグリーンシートの主面に配線層となる導体材料を塗布する。そのようにして準備したセラミックグリーンシートを複数枚積層して焼成することにより、配線層間がビアホール導体により接続されたセラミック多層基板が得られる。 In this ceramic multilayer substrate, a plurality of wiring layers are electrically connected by via-hole conductors. In manufacturing, a through hole is formed in a ceramic green sheet that becomes an insulating layer after firing, and the through hole is filled with a conductor material that becomes a via-hole conductor after firing, and the ceramic green sheet in which the through hole is filled with a conductor material is formed. A conductor material to be a wiring layer is applied to the main surface. A plurality of ceramic green sheets prepared as described above are laminated and fired to obtain a ceramic multilayer substrate in which wiring layers are connected by via-hole conductors.
ここで、セラミック絶縁層の材料としてガラスセラミックスを用いたセラミック多層基板は、焼結前のセラミックグリーンシート積層体の状態から焼結により体積が40〜50%程度収縮する。このとき、セラミック多層基板の主面と平行な方向(平面方向)における収縮率は1方向において平均15〜20%程度ばらついており、この収縮率のばらつきが配線層の位置ばらつきにつながり、セラミック多層基板の寸法精度が悪くなっていた。なお、ここでいう収縮率とは、焼結前の寸法から焼結後の寸法を減じた値を焼結前の寸法で除した値で定義されるものである。 Here, the ceramic multilayer substrate using glass ceramics as the material for the ceramic insulating layer shrinks in volume by about 40 to 50% by sintering from the state of the ceramic green sheet laminate before sintering. At this time, the shrinkage rate in a direction (plane direction) parallel to the main surface of the ceramic multilayer substrate varies about 15 to 20% on average in one direction, and the variation in the shrinkage rate leads to the variation in the position of the wiring layer. The dimensional accuracy of the substrate was poor. The shrinkage referred to here is defined as a value obtained by dividing a value obtained by subtracting a size after sintering from a size before sintering by a size before sintering.
そこで、セラミック多層基板の寸法精度を向上させる方法として、焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度が異なる2種以上のセラミックグリーンシート(2種の場合は、焼成後に第1のセラミック絶縁層と第2のセラミック絶縁層となる)を積層し焼成することにより、平面方向の焼成収縮を抑制し、主に垂直方向に収縮させる方法が提案されている(例えば特許文献1を参照。)。
この特許文献1に記載の方法では、焼成後に第1のセラミック絶縁層となる第1のセラミックグリーンシートの焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度と焼成後に第2のセラミック絶縁層となる第2のセラミックグリーンシートの焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度とが異なることから、互いに平面方向の収縮を抑制しあう。例えば、第1のセラミックグリーンシートの焼成収縮(焼結)終了後に第2のセラミックグリーンシートが焼成収縮(焼結)を開始するようになっている場合、第1のセラミックグリーンシートの焼成収縮(焼結)時にはまだ焼成収縮を開始していない第2のセラミックグリーンシートによって第1のセラミックグリーンシートの平面方向の収縮が抑制され、第2のセラミックグリーンシートの焼成収縮(焼結)時にはすでに焼成収縮を終了した(焼結された)第1のセラミック絶縁層によって第2のセラミックグリーンシートの平面方向の収縮が抑制される。したがって、第1のセラミックグリーンシートおよび第2のセラミックグリーンシートの垂直方向(積層方向)の収縮が大きくなる。 In the method described in Patent Document 1, the firing shrinkage start temperature and firing shrinkage end temperature of the first ceramic green sheet that becomes the first ceramic insulating layer after firing, and the second ceramic insulation layer that becomes the second ceramic insulating layer after firing. Since the firing shrinkage start temperature and firing shrinkage end temperature of the ceramic green sheet are different, the shrinkage in the planar direction is suppressed. For example, when the second ceramic green sheet starts firing shrinkage (sintering) after completion of firing shrinkage (sintering) of the first ceramic green sheet, firing shrinkage ( The sintering of the first ceramic green sheet is suppressed by the second ceramic green sheet that has not yet started firing shrinkage at the time of sintering), and is already fired at the time of firing shrinkage (sintering) of the second ceramic green sheet. The shrinkage in the planar direction of the second ceramic green sheet is suppressed by the first ceramic insulating layer that has finished shrinking (sintered). Therefore, shrinkage in the vertical direction (stacking direction) of the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet is increased.
ところが、それぞれのセラミックグリーンシートに形成されたビアホール導体は同じ材料であることから焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度に違いはなく、接した内側の絶縁層に形成されたビアホール導体同士が直接接続されていた場合、互いに平面方向の収縮を抑制しあうことはない。したがって、本来の体積収縮量だけ収縮しようとすると、ビアホール導体の垂直方向(積層方向)の収縮はセラミックグリーンシートの垂直方向(積層方向)の収縮ほど大きくなることはない。 However, since the via-hole conductors formed on each ceramic green sheet are the same material, there is no difference in the firing shrinkage start temperature and firing shrinkage end temperature, and the via-hole conductors formed in the inner insulating layer that is in contact with each other are directly connected If they are, they do not suppress contraction in the plane direction. Therefore, if an attempt is made to shrink by the original volume shrinkage, the shrinkage in the vertical direction (stacking direction) of the via-hole conductor is not as great as the shrinkage in the vertical direction (stacking direction) of the ceramic green sheet.
このため、図6に示すように、焼成後にビアホール導体50がセラミック多層基板40の表面から大きく突出してしまい、表面実装部品の実装性が低下するという問題が発生していた。
For this reason, as shown in FIG. 6, the via-
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、寸法精度がよく、ビアホール導体が表面から大きく突出することのない表面実装部品の実装性の良好なセラミック多層基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a ceramic multilayer substrate with good dimensional accuracy and good mountability of surface-mounted components in which via-hole conductors do not protrude greatly from the surface. Objective.
本発明は、異なる焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度で焼結した2種類のセラミック絶縁層が交互に積層され、最外のセラミック絶縁層が該最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層の焼成収縮開始温度よりも低い焼成収縮終了温度で焼結されており、前記最外のセラミック絶縁層の厚みが前記最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層の厚みの2分の1以下とされ、前記最外のセラミック絶縁層に形成された第1のビアホール導体と前記最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層に形成された第2のビアホール導体とが直接接続されたセラミック多層基板であって、前記第2のビアホール導体は深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て前記第2のビアホール導体の一端面の中心位置と他端面の中心位置とが前記直径の3分の1以上離れていることを特徴とするセラミック多層基板である。 The present invention relates to an inner ceramic in which two types of ceramic insulating layers sintered at different firing shrinkage start temperatures and firing shrinkage end temperatures are alternately laminated, and the outermost ceramic insulation layer is in contact with the outermost ceramic insulation layer. Sintered at a firing shrinkage end temperature lower than the firing shrinkage start temperature of the insulating layer, and the thickness of the outermost ceramic insulating layer is 2 of the thickness of the inner ceramic insulating layer in contact with the outermost ceramic insulating layer A first via hole conductor formed in the outermost ceramic insulating layer and a second via hole conductor formed in the inner ceramic insulating layer in contact with the outermost ceramic insulating layer. A directly connected ceramic multilayer substrate, wherein the second via-hole conductor has a circular shape having the same diameter in the cross-sectional shape in the depth direction, and is viewed from the front in the stacking direction. A ceramic multilayer substrate and the center position of the center position and the other end face of the one end surface of the second via hole conductor, characterized in that apart one-third or more of said diameter.
本発明によれば、最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層が積層方向に収縮する際の収縮力が第2のビアホール導体を収縮させるように作用することで、寸法精度がよく、ビアホール導体が表面から大きく突出することのない表面実装部品の実装性の良好なセラミック多層基板が得られる。特に、フリップチップ実装などで実装する表面実装部品の実装性を良好なものとすることができる。 According to the present invention, the contraction force when the inner ceramic insulating layer in contact with the outermost ceramic insulating layer contracts in the stacking direction acts so as to contract the second via-hole conductor, so that the dimensional accuracy is improved. As a result, a ceramic multilayer substrate with good mountability of the surface mount component in which the via-hole conductor does not protrude greatly from the surface can be obtained. In particular, it is possible to improve the mountability of the surface mount component mounted by flip chip mounting or the like.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明のセラミック多層基板の一実施形態の断面図であって、異なる焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度で焼結した2種類の絶縁層が交互に積層されてなるセラミック多層基板である。具体的には、図1に示すように、ガラスセラミックスからなる第1のセラミック絶縁層1a〜1eおよび第1のセラミック絶縁層1a〜1eとは異なるガラスセラミックスからなる第2のセラミック絶縁層2a〜2dが交互に積層されている。また、セラミック多層基板の表面には表面配線層5aが設けられ、セラミック多層基板の内部には内部配線層5bや後述の第1のビアホール導体7aおよび第2のビアホール導体7bを含むビアホール導体が設けられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the ceramic multilayer substrate of the present invention, which is a ceramic multilayer substrate in which two types of insulating layers sintered at different firing shrinkage start temperatures and firing shrinkage end temperatures are alternately laminated. is there. Specifically, as shown in FIG. 1, the first ceramic
この第1のセラミック絶縁層1a〜1eと第2のセラミック絶縁層2a〜2dとは、焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度の異なるセラミックグリーンシートがそれぞれ焼結されたものであって、第2のセラミックグリーンシートの焼成収縮開始温度が第1のセラミックグリーンシートの焼成収縮終了温度よりも高くなるように、換言すれば、第1のセラミックグリーンシートが焼成収縮を終了した後に第2のセラミックグリーンシートが焼成収縮を開始するように設定されている。
The first ceramic
ガラスセラミック材料の選定において、第1のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの結晶化温度が、第2のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの軟化点より低くなるように選定されている。これを達成するための方法としては、それぞれのガラス組成を異ならせることにより、ガラスの軟化点を異ならせる方法がもっとも簡便な方法である。その他にも、ガラスとフィラーの量比を異ならせることや、焼成収縮開始温度を変更する第3の添加物としてTiO2、CeO2、SnOなどの核形成剤を添加することで達成できる。これにより、第2のセラミックグリーンシートが焼成収縮を開始するときには、第1のセラミックグリーンシートの焼成収縮は終了しており、互いの平面方向の収縮を抑制しあうことが可能となる。 In the selection of the glass ceramic material, the crystallization temperature of the glass contained in the first ceramic green sheet is selected to be lower than the softening point of the glass contained in the second ceramic green sheet. As a method for achieving this, the simplest method is to vary the softening point of the glass by varying the glass composition. In addition, it can be achieved by varying the amount ratio of glass and filler, or adding a nucleating agent such as TiO 2 , CeO 2 , SnO as a third additive for changing the firing shrinkage start temperature. Thus, when the second ceramic green sheet starts firing shrinkage, the firing shrinkage of the first ceramic green sheet is finished, and it is possible to suppress the mutual shrinkage in the planar direction.
なお、ここでいう焼成収縮の開始温度とは、対象とする材料を単独で焼成した時に、0.3%体積収縮するときの温度で定義されるものである。また、ここでいう焼成収縮の終了温度とは、焼成前の状態から焼成終了後の状態までの収縮量に対し90%以上体積収縮したときの温度をいう。なお、体積収縮はTMA(熱機械分析)の線収縮から体積収縮に換算して決定される。 Here, the firing shrinkage start temperature is defined as the temperature at which the volume shrinks by 0.3% when the target material is fired alone. Moreover, the completion | finish temperature of baking shrinkage here means the temperature when 90% or more of volume shrinkage | contraction with respect to the shrinkage | contraction amount from the state before baking to the state after completion | finish of baking. The volume shrinkage is determined by converting the linear shrinkage of TMA (thermomechanical analysis) into volume shrinkage.
ガラスセラミック材料の選定として、第1のセラミック絶縁層1a〜1eおよび第2のセラミック絶縁層2a〜2dは結晶化ガラスを30質量%以上、特に40〜90質量%、更には50〜80質量%含むことが焼結性の観点から好ましい。そして、含有する結晶化ガラスのうち、残留ガラス量はいずれも10質量%以下、特に5質量%以下、更には2質量%以下であることが、平面方向の収縮抑制効果や基板の曲げ強度、誘電損失の観点から望ましい。なお、残留ガラス量は、XRD回折パターンからリートベルト解析により決定することができる。ガラスの定量については、試料とZnO(標準試料)を所定の比率で混合し、試料に形成される全ての結晶相とZnO標準試料を考慮したプログラム解析より求めることができる。
As the selection of the glass ceramic material, the first ceramic
具体的には、第1のセラミック絶縁層1a〜1eおよび第2のセラミック絶縁層2a〜2dが結晶化ガラスと無機フィラーとから構成され、結晶化ガラスとしては、ディオプサイド、ハーディストナイト、セルシアン、コージェライト、アノーサイト、ガーナイト、ウィレマイト、スピネル、ムライト、フォルステライト、スーアナイトのうち少なくとも1種の結晶を形成するものが好ましい。これらの中でも、特に誘電特性の点でディオプサイド、ハーディストナイト、セルシアン、ウィレマイト、フォルステライトが望ましく、強度の点でディオプサイド、セルシアン、コージェライト、アノーサイトが望ましく、さらには誘電特性と強度の点でディオプサイド、セルシアンが望ましい。また、無機フィラーとしては、Al2O3、SiO2、MgTiO3、CaZrO3、CaTiO3、Mg2SiO4、BaTi4O9、ZrTiO4、SrTiO3、BaTiO3、TiO2、AlN、Si3N4などを例示できる。これらの中でも、特に誘電特性の点でAl2O3、MgTiO3、CaZrO3、CaTiO3、Mg2SiO4、BaTi4O9が望ましく、強度の点でAl2O3、AlN、Si3N4が望ましく、さらには誘電特性と強度の点でAl2O3が望ましい。
Specifically, the first ceramic
このように、結晶化ガラスおよび無機フィラーからなるガラスセラミックスを採用することで、1000℃以下での焼成が可能である。これにより、表面配線層5a、内部配線層5b、ビアホール導体7a、7bを形成する導体材料としてCu、Ag、Alなどを主成分とする低抵抗導体を用いることが可能となり、高速伝送を実現できる。なお、導体材料としては、これらの主成分に対して、電気抵抗、熱伝導性を劣化させない範囲で、他の金属、酸化物、ガラス、セラミックス等の無機分を含んでいてもよい。
Thus, by employing glass ceramics made of crystallized glass and an inorganic filler, firing at 1000 ° C. or less is possible. This makes it possible to use a low-resistance conductor mainly composed of Cu, Ag, Al or the like as a conductor material for forming the
第1のセラミック絶縁層1a〜1eと第2のセラミック絶縁層2a〜2dとは焼結挙動が異なっているが、焼結挙動の相違のみならず、目的に応じて、比誘電率、曲げ強度、誘電損失、熱伝導率、嵩密度、温度係数などの他の特性が異なっていてもよい。例えば、第1のセラミック絶縁層1a〜1eと第2のセラミック絶縁層2a〜2dとの0〜100℃での熱膨張係数差が2×10−6/℃以下、特に1×10−6/℃以下であるのが好ましい。この範囲であれば、最高焼成温度からの冷却時において、第1のセラミック絶縁層1a〜1eと第2のセラミック絶縁層2a〜2dとの界面にクラックやデラミネーションの生じるおそれが少なくなるからである。
The first ceramic
そして、図1に示すように、最外には第1のセラミック絶縁層1a、1eが配置され、最外の第1のセラミック絶縁層1a、1eに隣接して第2のセラミック絶縁層2a、2dが配置されている。なお、最外のセラミック絶縁層とは表面を形成するセラミック絶縁層のことを意味し、セラミック多層配線基板の上面および/または下面を構成するセラミック絶縁層を指す。ここで、最外の第1のセラミック絶縁層1a、1eの厚みは、第2のセラミック絶縁層2a、2dの厚みの2分の1以下とされている。第1のセラミック絶縁層1a、1eは、一方の主面のみが焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度の異なる第2のセラミック絶縁層2a、2dと接触してその平面方向の収縮を抑制されているが、他方の主面には焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度の異なる隣接層が設けられておらず、その平面方向の収縮を抑制されていないことから、最外のセラミック絶縁層としての第1のセラミック絶縁層1a、1eに対する収縮抑制効果は半減されていると考えられる。したがって、他の層とほぼ同様の収縮抑制効果を得る必要があるために、その厚みが2分の1以下とされている。
As shown in FIG. 1, the first ceramic insulating
ここで、最外の第1のセラミック絶縁層1a、1eに形成されたビアホール導体(第1のビアホール導体7a)と、最外の第1のセラミック絶縁層1a、1eに接した内側の第2のセラミック絶縁層2a、2dに形成されたビアホール導体(第2のビアホール導体7b)とが直接接続されている場合には、焼成後のセラミック多層基板表面からのビアホール導体の突出が顕著になる。したがって、相対的に厚みの厚い第2のセラミック絶縁層2a、2dに形成されたビアホール導体(第2のビアホール導体7b)の垂直方向の収縮を制御することが重要である。なお、直接接続されているとは、第2のセラミック絶縁層2bと第1のセラミック絶縁層1cとの間の内部配線層5bのような配線を用いずに、第1のビアホール導体7aの端面と第2のビアホール導体7bの端面とが接触している、または隙間なく一体的に形成されていることをいう。
Here, a via-hole conductor (first via-
本発明は、最外の第1のセラミック絶縁層1aに形成されたビアホール導体(第1のビアホール導体7a)と、最外の第1のセラミック絶縁層1aに接した内側の第2のセラミック絶縁層2aに形成されたビアホール導体(第2のビアホール導体7b)とが直接接続されていて、図2に示すように、第2のビアホール導体7bは、深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て第2のビアホール導体の一端面7b1の中心位置と他端面7b2の中心位置とが直径の3分の1以上離れていることを特徴としている。換言すれば、第2のビアホール導体7bは傾斜していて、図2に示す積層方向から見た第2のビアホール導体7bの一端面7b1の中心位置と他端面7b2の中心位置とを結ぶ線分(位置ズレE)が直径の3分の1以上であることを特徴としている。このことは、最外の第1のセラミック絶縁層1eと最外の第1のセラミック絶縁層1eに接した内側の第2のセラミック絶縁層2dについても同様である。
The present invention relates to a via-hole conductor (first via-
なお、図2は積層方向から見て第2のビアホール導体7bの一端面7b1の中心位置と他端面7b2の中心位置とが離れている状態を示す説明図であって、図では積層方向から見た第2のビアホール導体7bの一端面7b1の中心位置と他端面7b2の中心位置とを結ぶ線分(位置ズレE)Eが直径の2分の1だけ離れている。
FIG. 2 is an explanatory view showing a state in which the center position of the one end face 7b1 of the second via-
図1に示す円Xで囲まれた領域の拡大図である図3に示すように、第2のビアホール導体7bが傾斜して形成されていると、積層方向から見て第1のセラミック絶縁層1aと第2のビアホール導体7bとが重なり合う領域Aおよび第2のビアホール導体7bと第1のセラミック絶縁層1bとが重なり合う領域B、すなわち第2のビアホール導体7bと第2のセラミック絶縁層2aとが重なり合う領域A,Bが存在する。
As shown in FIG. 3, which is an enlarged view of the region surrounded by the circle X shown in FIG. 1, when the second via-
ここで、第2のセラミック絶縁層2aとなる第2のセラミックグリーンシートは、焼成収縮する際に第1のセラミック絶縁層1aとなる第1のセラミックグリーンシートおよび第1のセラミック絶縁層1bとなる第1のセラミックグリーンシートから平面方向の拘束を受けているので、垂直方向に大きく収縮する。この焼成過程において、第2のセラミック絶縁層2aに形成された貫通孔に充填された導体材料(焼成収縮終了後は第2のビアホール導体7b)は積層方向に大きく収縮する第2のセラミックグリーンシートとの収縮差により外側(基板の表面)に向かって大きく突出しようとするが、第2のセラミック絶縁層2aの収縮力(すでに焼成収縮を終了して剛性を有している第1のセラミック絶縁層1aおよび第1のセラミック絶縁層1bによって挟みこまれるような応力)が領域Aおよび領域Bにおいて焼成後に第2のビアホール導体7bとなる導体材料に作用するため、第2のビアホール導体7bの突出が抑制されると考えられる。
Here, the second ceramic green sheet which becomes the second ceramic insulating
ここで、第2のセラミック絶縁層の積層方向の収縮量をC、平面方向の収縮量をDとした際に、tanθS=D/Cの関係で表されるθSよりも大きな傾斜であれば、第2のセラミック絶縁層2aに形成された貫通孔に充填された導体材料(焼成収縮終了後は第2のビアホール導体7b)は、第2のセラミック絶縁層2aの収縮力によって突出が抑制されると考えられ、本発明においては、第2のビアホール導体7bは深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て第2のビアホール導体の一端面7b1の中心位置と他端面7b2の中心位置とが直径の3分の1以上離れていることで、θSよりも十分に大きな傾斜が得られている。
Here, when the contraction amount in the stacking direction of the second ceramic insulating layer is C and the contraction amount in the plane direction is D, the inclination is larger than θ S expressed by the relationship of tan θ S = D / C. For example, the conductor material filled in the through-hole formed in the second ceramic insulating
なお、ビアホール導体7bを形成するための導体材料は、焼成途中で一定の粘性を有しており、収縮時に第2のセラミック絶縁層で押さえつけられない部分(上から見て第2のセラミック絶縁層と重ならない部分)があったとしても、押さえつけられる部分(上から見て第2のセラミック絶縁層と重なる部分)の収縮挙動へ追従する。
The conductor material for forming the via-
本発明においては、第2のビアホール導体7bは深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て第2のビアホール導体の一端面7b1の中心位置と他端面7b2の中心位置とが直径の3分の1以上離れていれば、その他の形状について限定はない。例えば、図1に示す第1のビアホール導体7aが傾斜していない形状のみならず、図4に示すように、各層ごとに第1のビアホール導体7a、第2のビアホール導体7bの傾斜の向きが異なっていてもよい。この構造によれば、さらに突出を押さえ込むことができる。なお、図では各層ごとに傾斜の向きを交互に逆転させて異ならせているが、螺旋を形成するかのように傾斜の向きをかえてもよい。これによっても、突出を押さえ込む効果が向上する。
In the present invention, the second via-
また、図5に示すように、第1のビアホール導体7aも傾斜し第1のビアホール導体7aと第2のビアホール導体7bとが同軸上に形成されていてもよい。この場合、第1のビアホール導体7aと第2のビアホール導体7bとがこれらの接続される端面(第1のセラミック絶縁層1aと第2のセラミック絶縁層2aとの界面、第1のセラミック絶縁層1eと第2のセラミック絶縁層2dとの界面)で段差のないように、連続的な側面を備えて一体となったビアホール導体(ビアホール導体7c)としてもよい。これにより、第1のビアホール導体7aと第2のビアホール導体7bとの間の剥離が抑制され、製造歩留まりを向上させることができる。
Further, as shown in FIG. 5, the first via
以上、第1のセラミック絶縁層1a〜1eおよび第2のセラミック絶縁層2a〜2dの形成材料としてガラスセラミックスを例に述べたが、セラミックスであればよく、特にガラスセラミックスに限定はされない。
As described above, glass ceramics has been described as an example of the material for forming the first ceramic insulating
次に、上記セラミック多層基板の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the ceramic multilayer substrate will be described.
ガラスセラミックスに含まれるガラスの熱特性が上記関係にある2種の無機材料からなるグリーンシートを作製する。 A green sheet made of two kinds of inorganic materials in which the thermal characteristics of the glass contained in the glass ceramics have the above relationship is prepared.
焼成後に第1のセラミック絶縁層1a〜1eとなる第1のセラミックグリーンシート材料として、SiO2を10〜30質量%と、Al2O3を1〜9質量%と、MgOを5〜30質量%と、BaOを21〜35質量%と、B2O3を10〜30質量%と、Y2O3、CaO、SrO、ZnO、TiO2、Na2O、SnO2、P2O5、ZrO2およびLi2Oから選ばれる少なくとも1種を0〜20質量%とからなる40〜90質量%のガラスと、Al2O3、SiO2、MgTiO3、CaZrO3、CaTiO3、BaTi4O9、SrTiO3、ZrO2、TiO2、AlNおよびSi3N4から選ばれる少なくとも1種を含む10〜60質量%のセラミックスとから構成される材料が採用される。
As the first ceramic green sheet material comprising a first ceramic insulating
一方、焼成後に第2のセラミック絶縁層2a〜2dとなる第2のセラミックグリーンシート材料として、SiO2を20〜60質量%と、Al2O3を10〜25質量%と、MgOを8〜35質量%、BaOを10〜20質量%と、B2O3、Y2O3、CaO、SrO、Na2O、SnO2、P2O5、ZrO2およびLi2Oから選ばれる少なくとも1種を0〜20質量%とからなる30〜100質量%のガラスと、Al2O3、SiO2、MgTiO3、CaZrO3、CaTiO3、BaTi4O9、SrTiO3、ZrO2、TiO2、AlN、Si3N4から選ばれる少なくとも1種を含む0〜70質量%のセラミックスとから構成される材料が採用される。
On the other hand, the second ceramic green sheet material comprising a second ceramic insulating
第1のセラミックグリーンシートおよび第2のセラミックグリーンシートは、上記材料と焼成途中で容易に揮発する揮発性有機バインダーと有機溶剤及び必要に応じて可塑剤や分散剤等を混合してスラリー化し、このスラリーを用いてリップコート法やドクターブレード法などによってテープ成形を行い、所定寸法に切断して作製される。なお、第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートは印刷により形成してもよい。 The first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet are made into a slurry by mixing the above material, a volatile organic binder that easily volatilizes during firing, an organic solvent, and a plasticizer or a dispersant as necessary. Using this slurry, the tape is formed by a lip coat method, a doctor blade method, or the like, and cut into a predetermined size. Note that the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet may be formed by printing.
次に、これらのグリーンシートにレーザー、パンチング、エッチング等の方法などによって所望の形状の貫通孔を形成する。この時、レーザーの照射角度を変えることや、グリーンシートへの金型の押し込み角度を変えることによって、傾斜した貫通孔を形成する。 Next, through holes having a desired shape are formed in these green sheets by a method such as laser, punching, or etching. At this time, the inclined through-hole is formed by changing the laser irradiation angle or changing the pressing angle of the mold to the green sheet.
ここで、第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートとを個々に加工して貫通孔を形成してもよいが、第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートとを個々に加工した場合、第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートとの界面近傍においてバリ・欠け等の外観上の不具合や応力集中による剥離や積層時の位置ずれ等の課題があることから、第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートとをあらかじめ積層等により一体化した積層体に一括もしくは分割してレーザーにより貫通孔を形成してもよい。なお、分割して貫通孔を形成するとは、2段階あるいはセラミックグリーンシートの両面から貫通孔を形成することを意味する。 Here, the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet may be individually processed to form a through hole. However, the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet may be individually formed. When processed, because there are problems such as burrs and chipping in the vicinity of the interface between the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet, peeling due to stress concentration, and misalignment during lamination, The first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet may be collectively or divided into a laminate in which the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet are integrated in advance by lamination or the like, and the through hole may be formed by laser. In addition, dividing | segmenting and forming a through-hole means forming a through-hole from two steps or both surfaces of a ceramic green sheet.
そして、貫通孔内に導体ペーストを充填する。導体ペーストとして、金粉末、銀粉末、銅粉末、アルミニウム粉末のいずれかに対して、有機バインダー、有機溶剤、必要に応じて、有機物や無機物の添加剤を加えて、3本ロールで混練したものを用いる。充填には、ビアホール導体形成位置に一致する箇所に穿孔されたメタルマスク、あるいは、エマルジョンメッシュスクリーンマスクを用いて、スクリーン印刷する方法を用いる。このとき、マスクを通して導体ペーストを押し出す方法として、通常のポリウレタン製等の板状(あるいは剣状)のスキージを用いる方法でもよく、ペースト押し出し式のスキージヘッドを用いて、ペーストを貫通孔に加圧注入する方法でもよい。また、導体ペーストの粘度や印刷条件を調整して、充填した導体ペーストが貫通孔上でセラミックグリーンシート表面から突出するように過充填する。その後、必要に応じて、突出した導体ペーストをプレスして、貫通孔に押し込む。さらに、表面配線層5aや内部配線層5bを導体ペーストのスクリーン印刷法などによって被着形成する。
Then, the through-hole is filled with a conductor paste. As a conductive paste, an organic binder, an organic solvent, and, if necessary, an organic or inorganic additive added to gold powder, silver powder, copper powder, or aluminum powder, and kneaded with three rolls Is used. For the filling, a screen printing method is used by using a metal mask or an emulsion mesh screen mask perforated at a position corresponding to the via hole conductor formation position. At this time, as a method of extruding the conductor paste through the mask, a method using a plate-like (or sword-like) squeegee made of polyurethane or the like may be used, and the paste is pressed into the through-hole using a paste extrusion-type squeegee head. An injection method may be used. In addition, the conductor paste is overfilled by adjusting the viscosity and printing conditions of the conductor paste so that the filled conductor paste protrudes from the surface of the ceramic green sheet on the through hole. Thereafter, if necessary, the protruding conductor paste is pressed and pushed into the through hole. Further, the
このようにして得られた各セラミックグリーンシートまたは絶縁体ペーストを所定の積層順序に応じて積層して積層成形体を形成した後、焼成する。 The ceramic green sheets or insulator pastes thus obtained are laminated according to a predetermined lamination order to form a laminated molded body, and then fired.
焼成にあたっては、低温側で焼成収縮が開始する第1のセラミックグリーンシートの収縮開始温度と第1のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの結晶化温度との間の温度で一旦保持する多段焼成でもよいが、単一キープ温度においても同時焼成することで平面方向の焼成収縮が抑制され垂直方向に焼成収縮した寸法精度が高く、ビアホール導体の突起が抑制されたセラミック多層基板を作製することができる。 The firing may be multi-stage firing that is temporarily held at a temperature between the shrinkage start temperature of the first ceramic green sheet at which firing shrinkage starts on the low temperature side and the crystallization temperature of the glass contained in the first ceramic green sheet. However, simultaneous firing even at a single keep temperature makes it possible to produce a ceramic multilayer substrate in which firing shrinkage in the planar direction is suppressed, firing accuracy in the vertical direction is high, and projections of via-hole conductors are restrained.
まず、焼成後に第1のセラミック絶縁層1a〜1eとなる第1のセラミックグリーンシートを形成するガラスセラミック材料Aとして、23.8質量%のSiO2、8.4質量%のAl2O3、15.4質量%のMgO、26.5質量%のBaO、17.9質量%のB2O3、4.9質量%のCaO、0.4質量%のSrO、1.0質量%のSnO2、1.7質量%のZrO2からなる60質量%のガラスと、40質量%のAl2O3とから構成されるガラスセラミック材料を用意した。
First, as the glass ceramic material A forming the first ceramic green sheet to be the first ceramic insulating
また、焼成後に第2のセラミック絶縁層2a〜2dとなる第2のセラミックグリーンシートを形成するガラスセラミック材料Bとして、43.3質量%のSiO2、12.9質量%のAl2O3、18.0質量%のMgO、14.1質量%のBaO、7.5質量%のB2O3、1.0質量%のY2O3、1.7質量%のCaO、0.5質量%のSrO、1.0質量%のZrO2からなる60質量%のガラスと、40質量%のAl2O3とから構成されるガラスセラミック材料を用意した。
Also, a glass ceramic material B for forming the second ceramic green sheet to be the second ceramic insulating
これらのガラスセラミック材料A、Bに、アクリル有機バインダー、可塑剤、有機溶剤を添加して、スラリーを作製し、ドクターブレード法によりシート化し、第1のセラミックグリーンシートおよび第2のセラミックグリーンシートを作製した。このとき、第1のセラミックグリーンシートの厚みは、焼成後に6μm、37μmとなるように作製した。第2のセラミックグリーンシートの厚みは37μm、74μm、148μmとなるように作製した。 An acrylic organic binder, a plasticizer, and an organic solvent are added to these glass ceramic materials A and B to prepare a slurry, which is formed into a sheet by a doctor blade method, and the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet are formed. Produced. At this time, the thickness of the 1st ceramic green sheet was produced so that it might become 6 micrometers and 37 micrometers after baking. The second ceramic green sheet was prepared to have a thickness of 37 μm, 74 μm, and 148 μm.
また、第1のセラミックグリーンシート1枚と第2のセラミックグリーンシート1枚を積層して複合セラミックグリーンシートを作製した。 Also, a composite ceramic green sheet was prepared by laminating one first ceramic green sheet and one second ceramic green sheet.
次に、銀粉末に、β石英、バリウムホウ珪酸ガラス及び有機ビヒクルを添加し、これらを攪拌した後、銀粉末及び有機バインダーの凝集体がなくなるまで3本ロールミルで混合し、ペースト化し、導体ペーストを作製した。有機ビヒクルは、有機バインダーとして、エチルセルロースを5質量部、有機溶剤としてα−テルピネオールを95質量部とから構成し、この有機ビヒクルを、銀粉末100質量部に対して15質量部添加した。 Next, beta quartz, barium borosilicate glass and organic vehicle are added to the silver powder, and these are stirred and then mixed with a three-roll mill until there is no aggregate of silver powder and organic binder. Produced. The organic vehicle was composed of 5 parts by mass of ethyl cellulose as an organic binder and 95 parts by mass of α-terpineol as an organic solvent, and 15 parts by mass of this organic vehicle was added to 100 parts by mass of silver powder.
次に、上記の第1のセラミックグリーンシート、第2のセラミックグリーンシートおよび複合セラミックグリーンシートにビアホール導体を形成すべく、レーザーによって貫通孔を形成し、上記の導体ペーストをこの貫通孔に充填した。導体ペーストの充填には、ペースト押出式のヘッドを備えたオンコンタクト印刷機を用いた。 Next, in order to form a via-hole conductor in the first ceramic green sheet, the second ceramic green sheet, and the composite ceramic green sheet, a through hole was formed by a laser, and the conductive paste was filled in the through hole. . An on-contact printer equipped with a paste extrusion head was used for filling the conductor paste.
なお、レーザーによって貫通孔を形成する際に、レーザーの照射角度を変化させて、傾斜形状の貫通孔または円柱状の貫通孔を形成した。表1において、ビアホール導体の断面形状が図5に記載した試料については、第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートとを個別にレーザー加工して孔あけしたものである。また、表1において、ビアホール導体の断面形状が図1、図3、図4と図6に記載した試料については、第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートとを予め積層して作製した複合セラミックグリーンシートにレーザー加工で孔あけして、複合グリーンシートを構成する第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートとに一括して孔あけしたものである。 In addition, when forming a through-hole with a laser, the irradiation angle of the laser was changed, and the inclined through-hole or the columnar through-hole was formed. In Table 1, the sample in which the cross-sectional shape of the via-hole conductor is shown in FIG. 5 is obtained by individually drilling the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet by laser processing. In Table 1, the cross-sectional shape of the via-hole conductor is prepared by previously laminating the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet for the samples shown in FIGS. 1, 3, 4 and 6. The composite ceramic green sheet is perforated by laser processing, and the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet constituting the composite green sheet are perforated collectively.
次に、貫通孔に導体ペーストを充填した第1のセラミックグリーンシート、第2のセラミックグリーンシートおよび複合セラミックグリーンシートを平板金型でプレスし、第1のセラミックグリーンシート、第2のセラミックグリーンシートおよび複合セラミックグリーンシートを積層するとともに導体ペーストのセラミックグリーンシート表面から突出した部分を貫通孔に押し込んだ。 Next, the first ceramic green sheet, the second ceramic green sheet, and the composite ceramic green sheet in which the through-holes are filled with the conductive paste are pressed with a flat plate mold, and the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet are pressed. And the composite ceramic green sheet was laminated, and the portion of the conductor paste protruding from the surface of the ceramic green sheet was pushed into the through hole.
このとき、最外のセラミック絶縁層として第1のセラミックグリーンシートが配置され、最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層として第2のセラミックグリーンシートが配置され、第1のセラミックグリーンシートと第2のセラミックグリーンシートとが交互に配置されるように、第1のセラミックグリーンシート、第2のセラミックグリーンシートおよび複合セラミックグリーンシートを組み合わせた。また、焼き上げの厚みが700〜800μmとなるように所定の枚数を積層して積層体とした。なお、積層する前に、第1のセラミックグリーンシート、第2のセラミックグリーンシートおよび複合グリーンシートの表面に、表面配線層及び内部配線層となる導体パターンをスクリーン印刷により形成した。 At this time, the first ceramic green sheet is disposed as the outermost ceramic insulating layer, the second ceramic green sheet is disposed as the inner ceramic insulating layer in contact with the outermost ceramic insulating layer, and the first ceramic green sheet is disposed. The first ceramic green sheet, the second ceramic green sheet, and the composite ceramic green sheet were combined so that the sheets and the second ceramic green sheets were alternately arranged. Further, a predetermined number of sheets were laminated so that the thickness of baking was 700 to 800 μm to obtain a laminate. Before lamination, conductor patterns to be a surface wiring layer and an internal wiring layer were formed on the surfaces of the first ceramic green sheet, the second ceramic green sheet, and the composite green sheet by screen printing.
その後、これらのグリーンシートを位置合わせした後、積層して積層体を作製し、これを大気中400℃で脱バインダー処理し、さらに、大気中900℃で焼成してセラミック多層基板を作製した。 Then, after aligning these green sheets, they were laminated to produce a laminate, which was subjected to binder removal treatment at 400 ° C. in the atmosphere, and further fired at 900 ° C. in the atmosphere to produce a ceramic multilayer substrate.
焼成後のセラミック多層基板において、基板端部付近の表面の凹凸を3次元レーザー変位計で測定した。測定領域は、セラミック多層基板表面のうち、基板端部の稜線を含む3mm×3mmとした。このとき、得られた測定データのうち、基板端部の稜線以外の基板表面における最低点と最高点との差を突出量(突起高さ)と定義して測定した。その結果を表1に示す。なお、表1には5つの基板を測定した結果における突出量(突起高さ)の最高値を記した。この際、突起高さが30μm未満になるものを実装性良好とした。 In the fired ceramic multilayer substrate, the unevenness of the surface near the edge of the substrate was measured with a three-dimensional laser displacement meter. The measurement area was 3 mm × 3 mm including the edge line of the substrate end portion of the ceramic multilayer substrate surface. At this time, of the obtained measurement data, the difference between the lowest point and the highest point on the substrate surface other than the ridge line at the edge of the substrate was defined as the protrusion amount (projection height) and measured. The results are shown in Table 1. Table 1 shows the maximum protrusion amount (projection height) as a result of measuring five substrates. At this time, a product having a protrusion height of less than 30 μm was regarded as good mountability.
また、焼成の前後においてセラミックグリーンシートの積層体と焼成後の分割溝付き配線基板に対して、所定のポイント間の長さを測定して、分割溝付き配線基板の面方向の収縮率を測定した。なお、各試料についてそれぞれ収縮率を測定し、10個の試料の収縮率の最大値と最小値の差を収縮バラツキとして評価したところ、本発明の試料はいずれも、0.5%以下の優れた収縮バラツキを示すものであった。
試料No.1〜16は、ビアホール導体7aおよびビアホール導体7bの形状が図1に示す形状であって、ビアホール導体7aおよびビアホール導体7bの横断面の直径および傾斜角度、第1のセラミック絶縁層厚みと第2のセラミック絶縁層厚みを変化させ、結果的に、積層方向から見てビアホール導体7aおよびビアホール導体7bの一端面の中心位置と他端面の中心位置とを結ぶ線分(位置ズレE)を変化させるようにしたものである。
Sample No. 1 to 16, the shape of the via-
まず、第1のセラミック絶縁層厚みが6μm、第2のセラミック絶縁層厚みが74μm、第1のビアホール導体7aおよび第2のビアホール導体7bの直径を70μmとした本発明の試料No.1〜5において、第2のビアホール導体7bの傾斜角を10〜50°まで変化させたときに、傾斜角度を大きくするにしたがってビアホール導体の突起高さが低減され、第2のビアホール導体7bの傾斜角が20°以上のときに位置ズレEが直径の3分の1以上になり、このときの突起高さは25μm以下となり、突起高さの低減が確認された。
First, sample No. 1 of the present invention in which the first ceramic insulating layer thickness is 6 μm, the second ceramic insulating layer thickness is 74 μm, and the diameters of the first via
また、試料No.6〜9は、第2のビアホール導体7bの横断面の直径を70μmとは異ならせたものであるが、第2のビアホール導体7bの横断面の直径の変化にかかわらず、位置ズレEが直径の3分の1以上になることで、突起高さは低減することが確認された。
Sample No. Nos. 6 to 9 are obtained by making the diameter of the cross section of the second via-
さらに、第2のセラミック絶縁層厚みを変化させて位置ズレEが直径の3分の1以上となり、突起高さが低減することを確認した(試料No.15、16)。逆に、位置ズレEが直径の3分の1未満のときには、突起高さを低減できないことを確認した(試料No.12、13)。 Furthermore, it was confirmed that the positional deviation E became one third or more of the diameter by changing the thickness of the second ceramic insulating layer, and the protrusion height was reduced (Sample Nos. 15 and 16). Conversely, when the positional deviation E was less than one third of the diameter, it was confirmed that the height of the protrusion could not be reduced (Sample Nos. 12 and 13).
なお、第1のセラミック絶縁層厚みの第2のセラミック絶縁層厚みに対する比を厚くしていくと、突起高さの最高値は確実に悪化する傾向にあることがわかる。したがって、収縮抑制効果に加え、このビアホール導体の突出抑制の点からも第1のセラミック絶縁層厚みは第2のセラミック絶縁層厚みの2分の1以下であることが重要であることがわかる。 It can be seen that as the ratio of the thickness of the first ceramic insulating layer to the thickness of the second ceramic insulating layer is increased, the maximum value of the protrusion height tends to be surely deteriorated. Therefore, it can be understood that the thickness of the first ceramic insulating layer is not more than one half of the thickness of the second ceramic insulating layer from the viewpoint of suppressing the protrusion of the via-hole conductor in addition to the shrinkage suppressing effect.
また、ビアホール導体7aおよびビアホール導体7bの形状が図5に示す形状である試料No.17〜20においても、突起高さが低減されることを確認した。
In addition, the sample No. 1 in which the via
第2のビアホール導体7bの形状が傾斜されていない図6に示す形状である試料No.21および22では、突起高さを低減できないことを確認した。 Sample No. 2 having the shape shown in FIG. In 21 and 22, it was confirmed that the protrusion height could not be reduced.
1a〜1e・・・第1のセラミック絶縁層
2a〜2d・・・第2のセラミック絶縁層
5a・・・表面配線層
5b・・・内部配線層
7a・・・第1のビアホール導体
7b・・・第2のビアホール導体
1a to 1e... 1st ceramic insulating
Claims (1)
前記第2のビアホール導体は深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て前記第2のビアホール導体の一端面の中心位置と他端面の中心位置とが前記直径の3分の1以上離れていることを特徴とするセラミック多層基板。 Two types of ceramic insulating layers sintered at different firing shrinkage start temperatures and firing shrinkage end temperatures are alternately stacked, and the inner ceramic insulating layer is in contact with the outermost ceramic insulating layer in contact with the outermost ceramic insulating layer. Sintered at a firing shrinkage end temperature lower than the shrinkage start temperature, and the thickness of the outermost ceramic insulation layer is less than or equal to half the thickness of the inner ceramic insulation layer in contact with the outermost ceramic insulation layer The first via-hole conductor formed on the outermost ceramic insulating layer and the second via-hole conductor formed on the inner ceramic insulating layer in contact with the outermost ceramic insulating layer were directly connected. A ceramic multilayer substrate,
The second via-hole conductor has a circular shape having the same diameter in the cross-sectional shape in the depth direction, and the center position of one end face and the center position of the other end face of the second via-hole conductor are viewed from the stacking direction. A ceramic multilayer substrate characterized by being separated by one third or more of the diameter.
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