JP2009206234A

JP2009206234A - セラミック基板およびセラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JP2009206234A
Application number: JP2008045558A
Authority: JP
Inventors: Koji Hayakawa; 浩二早川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP4926094B2

Abstract

【課題】スルーホール基板において、レーザ加工にて生じる改質層が脱落しないようにすることによって、充填された導体ペーストが抜け落ちることを防止する。
【解決手段】レーザ加工により形成された貫通孔を有するセラミック焼結体１と、前記貫通孔内に設けられたガラス成分を含む導体２とを有し、セラミック焼結体１は、貫通孔の周囲におけるセラミックスがレーザによって改質されてなる改質層４と、改質層４の周囲におけるセラミックスからなるセラミック部とを有し、改質層４は、改質層４を貫通する複数のクラック５を有し、ガラス成分６は、クラック５を介して改質層４とセラミック部との境界に浸透している。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工により形成された貫通孔を有するセラミック基板に関する。

例えば、ウェハー検査用のプローブカードに用いられる中継基板のように密集したパターンをもう一方の面側に展開するために用いられる基板において、基板表裏の導通を取るためにスルーホールを設けたスルーホール基板が用いられる。このスルーホール基板に用いられる材料としては、強度、絶縁性、熱膨張率、および耐薬品性などの特性からセラミック材料が使用されることが多い。スルーホールの形成方法としては、（１）焼結前のセラミックシートに金型、またはレーザ等を用いて貫通孔を形成し、その貫通孔に導体ペーストを充填した後セラミックと同時焼成を行う方法、または（２）予め焼成まで終わらせたセラミック焼結体を準備し、レーザ等によって貫通孔を形成した後、その貫通孔に導体ペーストを充填して焼成する方法がある。しかしながら、（１）の方法においては、セラミックスの焼結時に生じる収縮によって、貫通孔の径、およびピッチ寸法にバラツキが発生する恐れがあるため、貫通孔の穴径、およびピッチ寸法の精度を上げるためには、（２）の方法が好ましい。

そして、予め焼成まで終わらせたセラミック焼結体へ貫通孔を形成する方法としては、通常、特別なツールも必要なく、時間も短時間で加工できるレーザ加工が用いられることが多い。レーザの種類としては、ＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザが一般的である。
特開２００１−１１１９７号公報

しかしながら、セラミック焼結体にレーザを用いて貫通孔を形成した場合、レーザの熱によって溶けたセラミックスが貫通孔の内壁全面に付着する。この付着物は一般に改質層と呼ばれる。この改質層には、レーザ加工時、およびレーザ加工終了に掛けての熱衝撃によって無数のクラックが発生する。また改質層とセラミックスの間にもクラックが生じる。そのため、セラミック焼結体において表裏導通を取るために、この貫通孔に導体を埋め込んだ際に改質層のクラック部分を基点として改質層が剥がれ落ち、埋め込んだ導体が抜け落ちる恐れがあった。また、導体を埋め込んだ後でも、セラミック基板に機械的な衝撃が加わることにより、改質層が剥がれ落ち、埋め込んだ導体が抜け落ちる恐れがあった。

従って、本発明は上記問題に鑑みて完成されたものであり、その目的は、導体とセラミックスとの間の結合力が強く、貫通孔から導体が抜け落ちることを抑制することが可能なセラミック基板、およびそのようなセラミック基板の製造方法を提供することである。

本発明のセラミック基板は、レーザ加工により形成された貫通孔を有するセラミック焼結体と、前記貫通孔内に設けられたガラス成分を含む導体とを有し、前記セラミック焼結体は、前記貫通孔の周囲におけるセラミックスが前記レーザによって改質されてなる改質層と、該改質層の周囲における前記セラミックスからなるセラミック部とを有し、前記改質層は、該改質層を貫通する複数のクラックを有し、前記ガラス成分は、前記クラックを介して前記改質層と前記セラミック部との境界に浸透している。

本発明の第１のセラミック基板の製造方法は、セラミック焼結体にレーザ加工を施して貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記レーザ加工により前記貫通孔の周囲に形成された前記セラミックスの改質層に対して再度レーザを照射し、前記改質層を貫通する複数のクラックを形成するクラック形成工程と、前記貫通孔の内部にガラス成分を有する導体ペーストを充填する充填工程と、前記導体ペーストが充填された前記貫通孔を有する前記セラミック焼結体を焼成する焼成工程とを有する。

本発明の第２のセラミック基板の製造方法は、セラミック焼結体にレーザ加工を施して貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記セラミック焼結体を該セラミック焼結体の焼結温度よりも低い温度に加熱して、前記貫通孔形成工程において前記貫通孔の周囲に形成されたセラミックスの改質層に該改質層を貫通する複数のクラックを形成するクラック形成工程と、前記貫通孔の内部にガラス成分を有する導体ペーストを充填する充填工程と、前記導体ペーストが充填された前記貫通孔を有する前記セラミック焼結体を焼成する焼成工程とを有することを特徴とする。

本発明のセラミック基板によれば、導体とセラミックスとの間の結合力が強いセラミック基板を実現できる。

本発明の第１のセラミック基板の製造方法によれば、セラミック焼結体の貫通孔に導体の埋込を行った場合に導体が抜け落ちることを抑制することができる。また、導体とセラミック基板との間の結合力が強いセラミック基板を製造することができる。

本発明の第２のセラミック基板の製造方法によれば、セラミック焼結体の貫通孔に導体の埋込を行った場合に導体が抜け落ちることを抑制することができる。また、導体とセラミック基板との間の結合力が強いセラミック基板を製造することができる。

以下に、本発明のセラミック基板の実施の形態について添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるセラミック基板の一例を示す断面図である。図１に示すように、１はセラミック焼結体、２は導通ビア、３は表層パターンである。なお、以下では、このセラミック基板を、スルーホール基板ともいう。

セラミック焼結体１の材質は一般的にはアルミナ、ムライト、または窒化珪素が使用されるが、用途に合った材料であれば特に指定はしない。導通ビア２は、セラミック焼結体１に穴加工を行った後に導体ペーストを充填して焼成することにより形成される。

セラミック焼結体１への穴加工はレーザによって施されるものであり、使用されるレーザの種類としてはＣＯ_２レーザ、またはＹＡＧレーザ等がある。ここで、レーザによる穴加工を行う場合、ピアッシングという下穴加工を行い、このピアッシングで、例えばΦ０．２以下の小さな穴を開け、その後この穴を基点にレーザ照射を行って本加工を行うことにより貫通孔を形成する。

レーザによりセラミック焼結体に穴加工を行うと、レーザによってセラミック部が溶融しながら穴が形成される。加工後は溶融したセラミックが内壁面全体に付着し、改質層として形成される。図２は、図１に示されたセラミック基板の部分拡大図であり、導通ビア２およびその周辺部を拡大して示している。図２において、４は改質層、５は改質層４を貫通するクラック、６はガラス成分である。

そして、レーザ加工後、貫通孔の内壁に再度レーザを照射する、すなわちトレパニングを行うことによって改質層４を貫通する複数のクラック５を形成する。その後導体ペーストを充填すると、そのクラック５を介して改質層４にガラス成分６が浸透し易くなり、且つ多くのガラス成分６が改質層４とセラミック部１の境界に浸透することから、改質層４とセラミック部１との接合強度を高めることができる。

ここで、上述のレーザ加工の条件は、以下の通りである。例えば出力強度が２ｋＷタイプのＣＯ_２レーザの場合、貫通孔を形成する際のピアッシング時におけるレーザ条件は、電流値が２０ｍＡ、パルス幅が０．８ｍｓｅｃ、および周期が２０ｍｓｅｃであり、本加工時におけるレーザ条件は、電流値が２８ｍＡ、パルス幅が１．５ｍｓｅｃ、および周期が２０ｍｓｅｃである。そして、トレパニングを行う際のレーザ条件は、電流値２０ｍＡ以上、パルス幅０．８ｍｓｅｃ以上、および周期２０ｍｓｅｃ以下が良好な状態となる。すなわち、トレパニングを行う際には、ピアッシング時のレーザ出力と同じか、それ以上となるように各条件を設定する。そして、多くの場合は、貫通孔を形成する工程からトレパニングを行う工程に移行する際に、レーザ出力を上げる、すなわち、電流値を上げる設定、パルス幅を大きくする設定、および周期を小さくする設定の少なくとも１つの設定を行う。

また、ＹＡＧレーザを使用する場合にも、ＣＯ_２レーザの場合と同様に、すなわち、トレパニングを行う際には、ピアッシング時のレーザ出力と同じか、それ以上となるように各条件を設定する。そして、多くの場合は、貫通孔を形成する工程からトレパニングを行う工程に移行する際に、レーザ出力を上げる、すなわち、電流値を上げる設定、パルス幅を大きくする設定、および周期を小さくする設定の少なくとも１つの設定を行う。

また、レーザ加工後、トレパニングを行うのではなく、貫通孔加工後のセラミック焼結体１をセラミックスの焼結温度より低い温度にて加熱処理を行うことによっても、その加熱および冷却による熱伸縮により改質層４にクラックを増やすことが可能となり、トレパニングを行った時と同様に改質層４を貫通する複数のクラック５を形成することができる。その後、導体ペーストを充填すると、そのクラック５を介してガラス成分６が改質層４に浸透し易くなり、且つ多くのガラス成分６が改質層４とセラミック部１との境界に浸透することから、改質層４とセラミック部１との接合強度を高めることができる。加熱処理する温度については、セラミックスの焼結温度より低い温度であることが好ましい。焼結温度以上でも同様の硬化を得ることは可能であるが、セラミック焼結体自体の結晶構造が変化する可能性があり、その特性が変化する恐れがあるため、加熱温度は焼結温度よりも低い温度である方がよい。

穴加工を行った後は、加工された穴周囲に溶けたセラミックスの塊が付着する。そこで導体ペーストの充填を行う前にこの塊の除去を行うことが好ましい。この塊を除去すると、より良好な導体ペーストの充填が可能になり、表層へのパターン形成時にパターンが浮いてしまうなどの不具合を抑制することができる。具体的な方法としては、同じセラミック焼結体で擦り落とす方法や砥粒を水に攪拌して高速で吹き付ける湿式ブラスト等がある。ただし、砥粒をそのまま高速で吹き付ける乾式ブラストで行うと、条件によってはセラミック焼結体まで削る恐れがあるため、セラミック焼結体自体の強度を下げる恐れがあるので注意が必要である。また、砥粒を使った除去方法を使用した場合、穴径、および砥粒の粒径によっては砥粒が貫通孔に詰まる場合があるため、処理後は砥粒の詰りがないかの確認をし、詰りが見つかった場合は除去をすることが好ましい。

次に導体ペーストの充填を行う。使用する導体ペーストはセラミック基板の使用目的にあった材料を選択することになるが、特に低抵抗を必要とする場合はＡｇ、もしくはＣｕをベースとしたペーストを使用することが一般的である。添加するものとしては、所定の金属導体をペースト化する溶剤とバインダーの他、セラミックスとの結合性を上げるためのガラス成分、およびペーストの収縮を抑えたり、ガラス成分がアルミナに濡れやすくするための金属酸化物が上げられる。ガラス成分としては、ＰｂＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、およびＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも一種類のガラス成分を有していることが好ましい。また、ガラス成分の含有率については、３重量％以上１５重量％以下が望ましい。３重量％以上であると、ガラス成分が十分に改質層のクラックに浸透し、十分な強度を確保することができる。また、１５重量％以下であると、導体ペーストが絶縁物として働くことを抑制し、導体ペーストの抵抗劣化を抑制することができ、セラミック基板としての電気特性を満足することができる。

また、金属酸化物については、ＣｕＯおよびＡｌ_２Ｏ_３等がある。このように選ばれた材料にて作製された導電ペーストを、セラミック焼結体に設けられた貫通孔に充填をする。充填方法としては、製版、若しくはメタルマスク等を介してプリンターにより充填する印刷方法、またはプレス機にて直接導体ペーストを押込む圧入方法等がある。さらに充填時のボイドの巻込みを防止するため、真空中で充填する真空埋込法等がある。上記の方法にて充填を行った後、所定の温度・雰囲気にて焼成を行う。温度・雰囲気については使用する導体ペーストにあった仕様にて行う。その後、セラミック基板表面を研磨して面を平滑にした後、必要な場合は表面に所定のパターンを形成する。パターンの形成方法としては、導体ペーストを印刷して焼成する方法や、スパッタ等で薄膜を形成する方法などがある。

上述のセラミック基板の製造方法によれば、導体ペーストに含まれるガラス成分を、改質層を貫通する複数のクラックを介して改質層とセラミック部との境界に浸透させ、改質層のクラック、および改質層とセラミック部との境界をガラス成分によって埋めることにより、導体とセラミックスとの間の結合力をより強固にすることができ、貫通孔から導体が受け落ちることを抑制することが可能となる。

このガラス成分が改質層のクラックに浸透しているかどうかの確認は、導体ペースト充填後、焼成まで行ったビアの断面を、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー分析（ＥＰＭＡ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｉｓ）によって確認することが可能である。

また、本実施の形態によるセラミック基板の製造方法においては、セラミック焼結体にレーザ加工を施して貫通孔を形成した後、レーザ加工により貫通孔の周囲に形成されたセラミックスの改質層に対して再度レーザを照射する。これにより、改質層に再度熱が加わり、レーザ照射後冷却されることで改質層は熱伸縮を伴ってクラック数を増やすこととなる。従って、再度レーザを照射し改質層を貫通する複数のクラックを形成するクラック形成工程が無い場合と比べて改質層のクラックが増加した分、多くのガラス成分がクラックを通して改質層とセラミック部に浸透し、改質層とセラミック部の接合強度をさらに上げることが可能となる。

また、セラミック焼結体にレーザ加工を施して貫通孔を形成した後、セラミック焼結体をセラミック焼結体の焼結温度よりも低い温度に加熱する場合には、セラミック絶縁体の結晶構造を変えることなく、加熱および冷却による熱伸縮によって改質層を貫通する複数のクラックを形成することができる。この後、貫通孔の内部にガラス成分を有する導体ペーストを充填することにより、セラミック焼結体を再度加熱して、改質層を貫通する複数のクラックを形成するクラック形成工程が無い場合と比べて、改質層のクラックが増加した分、多くのガラス成分がクラックを通して改質層とセラミック部に浸透するため、改質層とセラミック部の接合強度をさらに上げることが可能となる。

なお、本発明は上述の最良の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことは何等差し支えない。

本発明のセラミック基板の実施の形態の一例を示す図である。本発明のセラミック基板の部分拡大図である。

符号の説明

１：セラミック焼結体
２：導通ビア
３：表層パターン
４：改質層
５：クラック
６：ガラス成分

Claims

レーザ加工により形成された貫通孔を有するセラミック焼結体と、前記貫通孔内に設けられたガラス成分を含む導体とを有し、
前記セラミック焼結体は、前記貫通孔の周囲におけるセラミックスが前記レーザによって改質されてなる改質層と、該改質層の周囲における前記セラミックスからなるセラミック部とを有し、
前記改質層は、該改質層を貫通する複数のクラックを有し、
前記ガラス成分は、前記クラックを介して前記改質層と前記セラミック部との境界に浸透しているセラミック基板。
セラミック焼結体にレーザ加工を施して貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記レーザ加工により前記貫通孔の周囲に形成された前記セラミックスの改質層に対して再度レーザを照射し、前記改質層を貫通する複数のクラックを形成するクラック形成工程と、
前記貫通孔の内部にガラス成分を有する導体ペーストを充填する充填工程と、
前記導体ペーストが充填された前記貫通孔を有する前記セラミック焼結体を焼成する焼成工程と
を有するセラミック基板の製造方法。
セラミック焼結体にレーザ加工を施して貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記セラミック焼結体を該セラミック焼結体の焼結温度よりも低い温度に加熱して、前記貫通孔形成工程において前記貫通孔の周囲に形成されたセラミックスの改質層に該改質層を貫通する複数のクラックを形成するクラック形成工程と、
前記貫通孔の内部にガラス成分を有する導体ペーストを充填する充填工程と、
前記導体ペーストが充填された前記貫通孔を有する前記セラミック焼結体を焼成する焼成工程と
を有するセラミック基板の製造方法。