JP2009141366A - セラミック積層基板の製造方法及びその製造方法によって製造されたセラミック積層基板 - Google Patents

セラミック積層基板の製造方法及びその製造方法によって製造されたセラミック積層基板 Download PDF

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Abstract

【課題】無収縮工法においてキャビティを変形させることなくセラミック積層基板を製造することのできるセラミック積層基板の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のセラミック積層基板の製造方法は、キャビティ３が形成されたシート２をセラミック積層体１０に積層する段階と、キャビティ３を所定の充填材２０で埋める段階と、キャビティ３が形成されたシート２及びセラミック積層体１０に拘束体１１を積層して焼結する段階とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック積層基板の製造方法及びその製造方法によって製造されたセラミック積層基板に関するもので、より詳しくは、低温同時焼成セラミック（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ：ＬＴＣＣ）に関する。
一般的にセラミック積層基板、特に、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板は熱的特性や誘電率など電気的な特性の優秀性と超小型化が可能でありながら複合的な機能を発揮することができる特徴があり、様々な技術分野で使用されている。
低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板は約１０００℃以下の低温で焼成されるが、このようなＬＴＣＣ工程は厚さ約４０〜８０μｍの誘電体シートにビアホール形成及びフィリング（ｆｉｌｌｉｎｇ）工程、導体パターン印刷工程、ラミネーション（Ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）工程、焼成（Ｃｏ−ｆｉｒｉｎｇ）工程などを通して行われる。
スリッティング（Ｓｌｉｔｔｉｎｇ）工程はロール状態に巻かれている一定の厚さと幅を有した低温焼結用誘電体厚膜フィルムを、一定の大きさに全体積層数に該当する分だけ切り取ってグリーンシート（Ｇｒｅｅｎ ｓｈｅｅｔ）を用意する段階である。
前処理（Ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）工程は上記グリーンシートを約１２０℃程度の温度で熱処理するか、或いは窒素雰囲気で所定の時間維持するなどの予備過程を経る段階である。
ビアホール形成及びフィリング工程は、パンチングやレーザなどを使用してグリーンシートに適当な大きさのビアホールを作り、そのビアホールを導体ペーストで埋める段階である。この埋められた導体ペーストがビア電極となる。
導体パターン印刷工程は、導体ペーストを印刷などの方法で所望の回路パターンに形成する段階である。
ラミネーション工程は、各グリーンシートを積層して所定の熱と圧力を利用して相互接着する段階で、無収縮ＬＴＣＣ工程の場合、積層されたグリーンシートの外郭に拘束層を積層する。
そして、焼成工程はラミネーション工程を経た積層体を３００〜４００℃の温度で脱バインダーを経た後１０００℃以下の低温で焼結させる工程である。
焼成後には研磨機（ｌａｐｐｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）で研磨したり、サンドブラストや超音波などを利用して拘束層を除去したりすることによってセラミック積層基板を得ることができる。
上記のようなセラミック積層基板は主にモジュール化されて使われているが、このようにモジュール化される際にそれぞれを構成する部品は多様な材料と形状、そしてパターンを有しているため、高精密度を確保するためには、設計段階において高い自由度が保障されなければならない。
即ち、多様な材料、形状、パターンなどを有した部品を内蔵或いは配置し、各種の内部配線と自由に連結して自由に設計するためには、設計値に一対一で対応する位置精密度と、部品の位置と大きさを任意で変更できなければならない。即ち、設計において高い自由度が保障されなければならない。
このような自由度を保障する一つの技術がキャビティフォーメーション（Ｃａｖｉｔｙ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）技術である。キャビティ（Ｃａｖｉｔｙ）は基板の最外郭から基板内部に凹んだ状態で形成される空き空間を言う。
このようなキャビティを形成すると重要な配線を短縮することができ、単位部品の基板内の高さを現実的に低くすることができて小型化乃至薄型化に有利で、モジュールの設計時に多様な異種材料の部品を結合する応用が可能となる。
一方、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板は、複数のグリーンシート（ＬＴＣＣ Ｇｒｅｅｎ ｓｈｅｅｔ）を積層して約８００℃〜１０００℃程度の低温雰囲気で焼成して製造されるが、このような焼成過程において積層したグリーンシートが収縮し、焼結した基板が非常に収縮した状態となる。
このような問題点を解決すべく、誘電体シートの最外郭にアルミナで構成された拘束層を積層する無収縮工法が使用されているが、焼成過程で積層しているグリーンシートがｘ、ｙ軸の方向には収縮せず、ｚ軸方向、即ち、厚さ方向にのみ収縮を誘導することがその要旨である。
しかし、上記のような低温同時焼成セラミック基板を無収縮工法で焼成する場合、積層したシートに形成されたキャビティはいかなる拘束も受けないためセラミック基板の焼成が容易でないだけでなく、焼成する過程で上記キャビティが変形して基板の設計が正しくできないという問題点がある。
本発明は、セラミック積層基板に信頼性のあるキャビティを形成するためのもので、キャビティが形成された状態で無収縮工法を用いてセラミック積層基板を製造できるようにするのと同時に、キャビティが変形せずに無収縮工法でセラミック積層基板を製造することができるセラミック積層基板の製造方法及びその方法により製造されたセラミック積層基板を提供するためのものである。
本発明の一実施例に係るセラミック積層基板の製造方法は、キャビティが形成されたシートをセラミック積層体に積層する段階と、前記キャビティを所定の充填材で埋める段階と、前記キャビティが形成されたシート及び前記セラミック積層体に拘束体を積層して焼結する段階とを含んでいる。
また、前記充填材は、前記拘束体と実質的に同一の焼結温度を有するか、前記拘束体より高い焼結温度を有することを特徴とする。
また、前記充填材はアルミナスラリーを含むことを特徴とする。
また、前記充填材で埋める段階の後に前記充填材を乾燥させる段階をさらに含むことを特徴とする。
また、前記拘束体を積層して焼結する段階の後に、前記拘束体と前記充填材を除去する段階をさらに含むことを特徴とする。
また、前記充填材で埋める段階は、前記キャビティと同じ位置に貫通孔が形成されたスクリーンを前記キャビティが形成されたシートに積層する段階と、前記貫通孔が形成されたスクリーン上から前記充填材を充填する段階と、前記スクリーンを除去する段階とを含むことを特徴とする。
一方、本発明の他の実施例に係るセラミック積層基板の製造方法は、キャビティが形成されたシートをセラミック積層体に積層する段階と、前記キャビティに第１拘束体を埋める段階と、前記キャビティが形成されたシート及び前記セラミック積層体に第２拘束体を積層して焼結する段階とを含んでいる。
また、前記第２拘束体を積層して焼結する段階の後に、前記第１拘束体及び前記第２拘束体を除去する段階をさらに含むことを特徴とする。
一方、本発明は上記の製造方法によって製造されたセラミック積層基板を含んでいる。
本発明のセラミック基板の製造方法及びその方法により製造されたセラミック積層基板は、キャビティが形成された状態でも無収縮工法によって基板を製造することが可能であることは勿論、無収縮工法でセラミック積層基板を製造する場合にキャビティが実質的に変形しないので、信頼性のある基板の製造が可能であるという特徴がある。
本発明を実施するための具体的な内容を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係るセラミック積層基板の製造方法について示した概略図である。
先ず、図１を参照して本発明の一実施例に係るセラミック基板の製造方法を概略的に説明する。
図１（ａ）は、個別セラミック積層シート１のそれぞれと、キャビティ３が形成されたシート２を準備する段階を概略的に表したものである。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の段階で準備した各シート１、２を積層する段階を概略的に表したものである。
図１（ｃ）は、図１（ｂ）の段階で積層されたシート２のキャビティ３に充填材２０を埋める段階を概略的に表したものである。
図１（ｄ）は、図１（ｃ）の段階でキャビティ３に埋められた充填材２０を乾燥する段階を概略的に表したものである。
図１（ｅ）は、図１（ｄ）の段階で乾燥過程を経たシートの外郭に拘束体１１を積層して焼成する段階を概略的に表したものである。
図１（ｆ）は、図１（ｅ）の段階で焼成されたセラミック基板から拘束体１１と共に充填材２０を除去する段階を概略的に表したものである。
図１（ａ）を参照して該当する段階をより具体的に説明する。
図１（ａ）に図示したように、本発明の一実施例に係るセラミック基板の製造方法ではセラミック積層シート１を複数備えている。
セラミック積層シート１は最初にロール状態のグリーンシートを適当な大きさにスリッティング（ｓｌｉｔｔｉｎｇ）してビアホールを形成し、導体ペーストでビアホールを埋めて電極５を備えたものである。
そして、所定の誘電体シートは適当な大きさのキャビティ３を備えているが、このようなキャビティ３はパンチングなどの方法で形成する。
このようなキャビティ３は電極５を形成するためのビアホールとは区分されるものであり、キャビティ３は基板設計の自由度を高めるためのキャビティフォーメーションのためのものである。
従って、キャビティ３の大きさはどのように基板を設計するかによって左右され、所定の部品を実装するためのものであれば、その部品が十分実装できる程度の大きさに形成することが好ましい。
ここで、キャビティ３が形成されたシート２はセラミック積層シート１と同じものであることも可能であり、ある程度他の成分を含んでいることも可能である。しかし、キャビティ３が形成されたシート２の焼結温度はセラミック積層シート１の焼結温度と同一であるか、少なくとも類似するようにすることが好ましい。
セラミック積層シート１は通常、硼硅酸ガラスとアルミナを主成分とするガラス−セラミックスで構成される。
次に、図１（ｂ）を参照して該当する段階についてより具体的に説明する。
図１（ｂ）に図示したように、複数の各セラミック積層シート１を積層し、その上端にキャビティ３が形成されたシート２を積層して相互に接着されるように所定の圧力で加圧する。
ただし、必ずしもこの段階で積層されたシートを加圧しなければならないわけではなく、図１（ｃ）の段階、即ちキャビティ３に充填材２０を埋めた後に加圧することも可能である。
ここで、各セラミック積層シート１が積層された状態または各セラミック積層シート１が積層されて所定の圧力で加圧された状態をセラミック積層体１０と称する。
図１（ｂ）では、キャビティ３が形成されたシート２がセラミック積層体１０の上端に積層されているように図示しているが、これに限られずセラミック積層体１０の下端に積層することも可能であり、セラミック積層体１０の上端及び下端の両方に積層することも可能である。
次に、図１（ｃ）を参照して該当する段階についてより具体的に説明する。
図１（ｃ）に図示したように、本発明の一実施例に係るセラミック基板の製造方法はキャビティ３に充填材２０を埋める段階を含んでいる。
図１（ｃ）では、キャビティ３に充填材２０を埋めるためのスクリーン３０をスクリーン印刷で形成する場合を図示しているが、必ずこれに限定されるわけではなく、スクリーン無しでキャビティ３に直接充填材２０を埋めることも可能である。
スクリーン３０を利用して充填材２０をキャビティ３に埋める場合、キャビティ３と同じ大きさの貫通孔３２が形成されたスクリーン３０をシート２に正確に積層した後、充填部材３１を利用して充填材２０をスクリーン３０上から充填する。
このように、スクリーン３０を使用する場合、キャビティ３にのみ充填材２０を充填することができ、シート２の他の部分に充填材２０が影響を与えないようにすることができるので好ましい。
スクリーン３０無しでシート２上から充填部材３１を利用して直接充填材２０を充填することもできるが、このような方法はキャビティ３だけでなくシート２の他の部分にも充填材２０の残余物が残ることがある。
充填材２０は、アルミナスラリー（Ａｌｕｍｉｎａ ｓｌｕｒｒｙ）を含むことが好ましい。なぜなら、アルミナスラリーは後述する拘束体とその成分が大体同一であるので、積層時に拘束体とうまく結合し、焼結温度もほぼ類似するか、同じになるためである。
そして、アルミナスラリーのように拘束体とほぼ同じ成分の充填材を使用する場合、スクリーン３０無しで直接キャビティ３に充填材２０を埋めることによってシート２に充填材２０の残余物が残ったとしても、図１（ｅ）の段階で類似する成分の拘束体が積層されるので、基板の製造に大きな影響を与えない。
さらに、充填材２０を拘束体と同じ物質にすることもできる。即ち、充填材２０の代わりに第１拘束体をキャビティ３に埋めた後に、図１（ｅ）の段階で第２拘束体を積層するようにすることもできる。
ここで、通常拘束体は無機パウダーと有機バインダーで構成され、無機パウダーは、アルミナ、ジルコニアなどのように通常のガラス−セラミックスとはその焼成温度が大きく異なる無機材料を使用する。
次に、図１（ｄ）を参照して該当する段階についてより具体的に説明する。
図１（ｄ）に図示したように、キャビティ３に充填材２０を埋めた後には充填材２０を乾燥させることが好ましい。
しかし、必ずしも乾燥過程を行わなければならないわけではなく、充填材の種類によって乾燥が不要な場合もある。
充填材２０が拘束体１１と類似するか同じ物質である場合には、拘束体１１が所定の乾燥過程を行う場合は、充填材２０もこれと類似するように乾燥させることが好ましい。
次に、図１（ｅ）を参照して該当する段階についてより具体的に説明する。
図１（ｃ）の段階でキャビティ３に充填材２０を充填し、充填材２０の充填後に乾燥した後には拘束体１１を積層する。
好ましくは、拘束体１１を積層した後に所定の熱と圧力で加圧することによって、セラミック積層体１０と拘束体１１との間、及びシート２と拘束体１１との間がうまく結合するようにする。この際、キャビティ３に充填された充填材２０も拘束体１１とよく結合するようにする。
上記したように、拘束体１１を積層した後には焼成を行うが、約１０００℃以下の低温で焼成を行うことが好ましい。
このようにして焼成を行うと、拘束体１１はキャビティ３が形成されたシート２を拘束し、キャビティ３に充填された充填材２０はキャビティ３を拘束して、無収縮焼成が行われることを可能にする。
従って、セラミック積層体１０とこれに積層されたシート２は、実質的に収縮することなく（実際には若干の収縮はある）焼結されることが可能となり、キャビティ３は実質的に変形することなく、その空間を維持することが可能となる。
ここで、拘束体１１は基本的にセラミック積層体１０よりも高い温度で焼結する物質から構成されることが好ましい。それはセラミック積層体１０と共に拘束体１１が焼結されると、それ自体が一つの基板になってしまうためである。拘束体１１は基板の一部になるためのものではなく、セラミック積層体１０が収縮せずに焼結されるように拘束する機能を発揮するためのものである。
また、充填材２０も拘束体１１と実質的に同じ焼結特性、即ち拘束体１１と実質的に同じ温度で焼結する特性を有するか、あるいは拘束体１１よりも高い 温度で焼結する特性を有する物質から構成されることが好ましい。
なぜなら、充填材２０がセラミック積層体１０及びシート２と同じ焼結温度であるとすれば、充填材２０も基板の一部となってしまうためである。充填材２０はキャビティ３を埋めた状態でそのまま焼結されないようにすることが好ましく、焼結後に除去されるべき部分である。
そして、キャビティ３が形成されたシート２とセラミック積層体１０は、同じ物質であっても異なる物質であってもよいが、セラミック積層体１０とシート２は同じ物質であるか、少なくとも非常に類似する物質であることが好ましく、かつ、同一か類似する焼結温度を有することが好ましい。
上記のような焼成が終わると、充填材２０と拘束体１１は焼結されずに蒸発して凝結した状態で残ることになる。このような状態の拘束体１１と充填材２０はサンドブラスト（Ｓａｎｄ Ｂｌａｓｔ）や研磨、或いは超音波などを利用して除去することができる。
図１（ｅ）の段階で焼成が行われ、拘束体１１と充填材２０が除去された後には、図１（ｆ）に図示したように、キャビティ３が形成されたセラミック基板Ｓが完成する。
即ち、拘束体１１はキャビティ３が形成されたシート２を拘束し、充填材２０はキャビティ３を拘束するので、焼成するときに殆ど収縮することがなくなり、変形していないキャビティの形成されたセラミック基板を製造することができる。
本発明の一実施例に係るセラミック積層基板の製造方法を概略的に示した図面である。
符号の説明
１ セラミック積層シート
２ シート
３ キャビティ
１０ セラミック積層体
１１ 拘束体
２０ 充填材

Claims (9)

  1. キャビティが形成されたシートをセラミック積層体に積層する段階と、
    前記キャビティを所定の充填材で埋める段階と、
    前記キャビティが形成されたシート及び前記セラミック積層体に拘束体を積層して焼結する段階と
    を含むことを特徴とするセラミック積層基板の製造方法。
  2. 前記充填材は、前記拘束体と実質的に同一の焼結温度を有するか、前記拘束体より高い焼結温度を有することを特徴とする請求項１に記載のセラミック積層基板の製造方法。
  3. 前記充填材は、アルミナスラリーを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック積層基板の製造方法。
  4. 前記充填材で埋める段階の後に前記充填材を乾燥させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のセラミック積層基板の製造方法。
  5. 前記拘束体を積層して焼結する段階の後に、前記拘束体と前記充填材を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のセラミック積層基板の製造方法。
  6. 前記充填材で埋める段階は、
    前記キャビティと同じ位置に貫通孔が形成されたスクリーンを前記キャビティが形成されたシートに積層する段階と、
    前記貫通孔が形成されたスクリーン上から前記充填材を充填する段階と、
    前記スクリーンを除去する段階と
    を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセラミック積層基板の製造方法。
  7. キャビティが形成されたシートをセラミック積層体に積層する段階と、
    前記キャビティに第１拘束体を埋める段階と、
    前記キャビティが形成されたシート及び前記セラミック積層体に第２拘束体を積層して焼結する段階と
    を含むことを特徴とするセラミック積層基板の製造方法。
  8. 前記第２拘束体を積層して焼結する段階の後に、前記第１拘束体及び前記第２拘束体を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のセラミック積層基板の製造方法。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載されたセラミック積層基板の製造方法によって製造されたセラミック積層基板。
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