JP2009267351A - 多層セラミック基板、電子部品、及び多層セラミック基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】最表面のセラミック基板層1aに、金属めっき層3がその表面に被着する表層ビア電極2と、表層ビア電極2と内部のセラミック基板層1上の配線とを接続するビア配線12とを形成する。表層ビア電極2は、その表面が最表面のセラミック基板層1aに設けられたビア孔11内部であって、最表面のセラミック基板層1a表面よりも凹んだ位置にあり、当該表層ビア電極2の表面に被着した金属めっき層3が、最表面のセラミック基板層表面と略同一平面ないし、前記最表面のセラミック基板層表面よりも凹んだ位置にある。
【選択図】図8
Description
本実施の形態の多層セラミック基板を形成する工程では、まず、セラミックグリーンシートを複数生成する。このために有機キャリアフィルム(例えばPETフィルム)上に、低温焼成可能なセラミック材料の粉末とガラス成分の粉末及び有機バインダ、可塑剤、溶剤の混合物からなるスラリーをドクターブレード法により所定厚の膜状に形成し、乾燥させる(S1)。このスラリーの乾燥後の厚みは、目的によって異なるが、ここでの例ではおよそ20〜200μmとしておく。
本実施の形態では、ここで表層ビア電極(ここではAg)を溶解させる作用を有するエッチング液へ浸漬し、表層ビア電極の一部を除去する(S11)。つまり、この段階でビア孔の断面では図2の(b)に例示するように、表層ビア電極の表面(F)が、ビア孔内部であって、最表面のセラミック基板層表面(S)に対して凹となる位置までエッチングされる。なお、以下の説明において、この表層ビア電極上にめっき層が形成された後ではここでの表面を端面と呼んで区別する。ここでエッチング溶液は、硝酸、王水、あるいは過酸化水素のいずれかを含む混合液を用いることができる。使用する導体材料が銅または銅を主とする合金などの場合には過硫酸アンモニウムをエッチング液として用いることも可能である。それにより表層ビア電極の表面を、最表面のセラミック基板層表面に対して凹ませ、また、好ましい表面性状を得ることができる。これにより後工程で電極上にNiめっき、Auめっき等が高品質に成膜され得る。すなわちエッチング液を用いることにより、ビア孔内壁の凹凸にこびりついたAgも溶解除去することが出来て、食いつき強度(アンカー効果)向上に寄与できる。また、このエッチング処理を行うことにより、ビア孔表面が十分に濡れて微小な気泡が除去されるので、その後のめっき工程での微小な析出欠陥による不良を防止することができる。
さて、エッチング処理の後には十分なすすぎを行い(S12)、続いてめっきを行う(S13)。このめっきの工程では、複雑な回路構造の部品でも均等にめっきが形成されるよう、無電解めっきを行うことが一般的である。一例としては、Ni下地めっき3〜10μm、続いてAuめっき0.03〜0.5μmを被着せしめる。ここでNi下地めっき層が製品として使用される時に不所望な拡散など化学反応を起こすことを防止するために、Auめっきとの間にはバッファー層をめっきすることとしてもよい。
なお、工程S9、分割溝の形成後に、焼成中に基板が収縮しないよう拘束する拘束用グリーンシートを未焼結多層セラミック体表面に配して、いわゆる無収縮工法を用いてもよい。ここで拘束用グリーンシートは、未焼結多層セラミック体の焼成温度では焼結しない無機材料に有機バインダ、可塑剤、溶剤を加えたセラミックスラリーを作製し、これをドクターブレード法でキャリアフィルム上に所定厚(例えば100〜200μm)に成膜して形成する。
さて、処理S3のビア孔を形成するにあたっては、図3に例示するように、そのビア孔を、最表面Sに向かって広がるテーパ孔状に形成してもよい。
ビア孔がテーパ状になっていることによって金属めっき層と接触するセラミックの側面距離が増大し、ひいては金属めっき層がビア孔内壁と接触する面積が増大し、アンカー効果が増すために強度が大きくなることに寄与する。特にビア孔内壁面は現実には互いに入り組んだ凹凸状となっているためその効果は大きい。他方、ビア孔が深いストレートの凹みであると金属めっき層が凹みの底部から上に向かって密接に析出し難いことがあり、途中でめっき液などがビア内壁の微小な凹凸内に取り込まれ残される傾向があった。
図13、図14に本実施の形態の多層セラミック基板における表層端子電極4の断面を例示したが、図16に示す従来一般的な基板では、ビア配線を最表面側へ延長して、ビア配線に連続的につながる表層ビア電極2の端面が、最表面セラミック基板の表面Sと略同一面となっていたり、あるいは、最表面セラミック基板表面Sから突起している。このような従来例の場合、ビア孔の表面側開口部の角部分(R)では表層端子電極が強く密着する状態にあり、シア強度試験におけるように横方向から外力がかかった時、応力が集中しやすいこの角部分が破壊の起点になりやすい。
f=−0.0747×(d/φ)+0.006
であり、半田ボール径が300μmの場合、
f=−0.0713×(d/φ)+0.0028
となる。なお、ここでは最表面セラミック基板の表面を基準(±0)として、突起する場合に正、凹となる場合に負となるよう、dの値をとっている(以下の説明も同様)。
なお、あまりにdが深い場合は、不良の原因となるし製造上も好ましくない。小型化の要請にも反するので、深さは15μm未満程度の深さとしておくことが好ましい。小型かつ高密度部品の場合には最表面層を含めたセラミック基板の各層の厚みは15μm以下になる場合があり、層の厚みを超える深さになってしまうからである。つまり表層端子電極の直径が100μmの場合には、深さdは0.5μmの凹みかそれより深くすることでd/φ<−0.005を満たすことができ、また高集積なセラミック基板を想定した時に深さdは薄く高密度なセラミック基板の層厚みと比較して、実用的に最大15μm程度の凹みであるため表層端子電極の直径が125μmの場合にはd/φ≧−0.12程度であることが望ましい。また、表層ビア電極の深さが15μm未満(d>−15μm)であり、金属めっき層(Ni+Au)の厚みは4〜8.5μmに調整されているので、金属めっき層の表面は、基板表面から10μm未満の深さにあるものとなる。突起したときには3μm以下としておくことで、半田ボールを載せたときに自然にすわりのよい位置へ収まるセルフアラインメント効果が得られると言う側面もあり、またそれによって半田ボールのすわりが比較的よくなるので、好ましい。
なお、本実施の形態の効果は、上述したシア試験だけではなく他の評価方法でも確認できた。例えば図7に示すように半田ボールをチャッキング機構などで側面から力(Fpush)を加えて挟持し、鉛直上方(基板面上方)へ力(Fpull)で引き上げるときの破壊試験、すなわちプル試験での強度も評価した。プル試験の結果を表3に示す。この場合はシア試験と異なり尖端形状部分での応力集中は起きないので、金属めっき層、特に強度の高いニッケルがビア孔の内壁に密着していることによる強度向上効果だけを評価可能と考えられる。そのため本実施の形態の強度向上効果はシア試験の時と比べて半分以下であったが、やはり同様に2%から30%程度、高い強度を得られることが確認された。なお、プル試験の場合には機械的に半田ボールを把持しなければならないため、φ500μmの大きい半田ボールを使用して評価を行った。
次に、上記プル試験で用いた多層セラミック基板について表層端子電極の形態を観察した。試料は多層セラミック基板の断面を研磨し観察面を形成し、走査型電子顕微鏡(倍率:3000倍)を用いて表層端子電極付近を写真撮影した。その一例を図13に、トレースを図14に示す。ビア孔内壁には微小の凹凸が形成されているので、この凹凸と金属めっき層との境界面を測定した。測定は図14に示すように境界面の始点dsと終点deとの間をセラミック基板の深さ(厚さ)方向に仮想中心線を引いて境界面の密着長さLを測定した。また、始点と終点との間に最大凸(ビア孔中心に最も近い点)の点を通る仮想線と、当該仮想線に平行な平行仮想線であって、最小凹境界面にある最大凸を通る仮想線とを引いて両線の間隔を凹凸幅wとして測定した。シア強度は上記実施例と同様、半田ボール径125μmでは0.0064gf/μm2以上、半田ボール径300μmで0.0028gf/μm2以上とし、プル強度は半田ボール径500μmにおいて0.046gf/μm2以上を基準としている。測定結果を表4に示す。
上記第1の製造方法による実施の形態において用いたビア導体用の導体ペーストは、平均粒径3.0μm未満の銀(Ag)粉末が88〜94質量%のものである。Ag粉末の平均粒径が3.0μm以上であると、印刷時直径φ80μm未満の小径ビアへの充填性が悪くなる。Ag粉末が88質量%未満ではペーストの収縮量が大きくなり、後述するように、上記実施例の形態であるエッチングを用いなくても、表層電極端子の表面が焼成直後に凹形状となりやすい。また、Ag粉末が95質量%より多いと、粘度が高くなりペースト化が困難となる。また、ビア導体ペーストには、焼成後のビア充填性をより高めるために、Pd粉末を添加してもよい。Pdが含有されていることで、Agの焼結を抑制し、セラミックよりも先に収縮することを防ぐ効果がある。
図9、図10によると、例えば平均粒径3.0μm未満の銀(Ag)粉末が65〜85質量%である場合に、所望のシア強度、及びプル強度を得ることができた。また、図11、図12よりPd含有量は、3質量%未満とすることが好ましい。さらにビア充填性の面からはPd含有量は、0.1質量%以上とされることが好ましい。
また、次に、本実施の形態に係る多層セラミック基板の製造方法の別の例を示す。この例では、未焼結多層セラミック体の最表面側に位置することとなる第1のセラミックグリーンシートにビア孔を設ける。このビア孔は、レーザ加工によって形成され、セラミックグリーンシートを貫通している。ビア孔の開口部の形状は平面視でほぼ円形をなすが、セラミックグリーンシート内では、レーザ光の入射側から出射側へ向かうに従い直径が小さくなり、立体的にはテーパ形状をなしている。開口部のレーザ光入射側直径は略60μmとしている。なお、セラミックグリーンシートは、支持フィルム上に形成されており、支持フィルムは、化学的に安定で可塑性が高いPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムを用いればよい。
また、拘束グリーンシートを用いる製造方法の場合も、セラミック基板表面において面内の収縮は阻止されるものの、厚み方向には拘束力が弱いため、ビア電極が収縮する時にわずかな凹みが形成される。
このような多層セラミック基板を用いるときには、金属めっき層3表面に、半田ボールを用いて表面実装部品を搭載して電子部品を構成する。この電子部品は、例えば携帯電話機などの電子機器に用いることができる。
Claims (10)
- 複数のセラミック基板層を積層した多層セラミック基板であって、
表裏少なくとも一方側の最表面のセラミック基板層に設けられ、表層ビア電極とその端面に被着する金属めっき層とからなる表層端子電極と、
前記表層端子電極と内部のセラミック基板層上の配線とを接続するビア配線と、
を含み、
前記表層ビア電極は、その端面が、前記最表面のセラミック基板層に設けられたビア孔内部であって、最表面のセラミック基板層表面よりも凹んだ位置にあり、当該表層ビア電極の端面に被着した前記金属めっき層の表面が、前記最表面のセラミック基板層表面と略同一平面ないし、前記最表面のセラミック基板層表面よりも凹んだ位置にあることを特徴とする多層セラミック基板。 - 前記最表面のセラミック基板層表面を±0基準としたときの前記表層ビア電極の端面の深さ(d、基板内方を負とする)と、ビア孔の直径(φ)との比(d/φ)が、0から−0.12の間の負の値であることを特徴とする請求項1に記載の多層セラミック基板。
- 前記金属めっき層は、前記ビア孔の内壁と接触する境界面は隙間なく一致していることを特徴とする請求項1または2に記載の多層セラミック基板。
- 前記金属めっき層は、前記ビア孔の内壁と接触する境界面は隙間なく一致しており、当該境界面を深さ方向の断面でみたとき、前記境界面の密着長さ(L)が2μm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の多層セラミック基板。
- 前記金属めっき層は、前記ビア孔の内壁と接触する境界面は隙間なく一致しており、当該境界面を深さ方向の断面でみたとき、前記境界面は凹凸の最大と最小の凹凸幅(w)が0.6μm以上であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の多層セラミック基板。
- 前記金属めっき層は、Ni下地層とAu被覆層とからなり、前記表層ビア電極の端面に被着するNi下地層の厚みが3μm以上あることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の多層セラミック基板。
- 前記最表面のセラミック基板層に設けた前記ビア孔は、最表面に向かって広がるテーパ孔状に形成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の多層セラミック基板。
- 請求項1から7のいずれかに記載の多層セラミック基板を用い、前記金属めっき層に対して、半田ボールを用いて表面実装部品を搭載したことを特徴とする電子部品。
- セラミックグリーンシート積層体の内部配線を接続するビア配線を具備する複数のセラミックグリーンシートを積層して圧着し、最表面のセラミック基板層のビア孔に設けたビア配線により表層ビア電極が形成された未焼結の多層セラミック積層体を形成する工程と、
前記未焼結の多層セラミック積層体を焼成し、焼結された多層セラミック積層体を得る焼結工程と、
前記焼結された多層セラミック積層体の表層ビア電極とそれを溶解させる作用を有するエッチング液とを反応させて前記焼結後の表層ビア電極の一部を除去して、前記焼結後の最表面のセラミック基板層表面に対し前記焼結後の表層ビア電極の端面を凹ませる工程と、
前記焼結された多層セラミック積層体の表層ビア電極の上に金属めっき層を被着させて、当該金属めっき層を、その表面が、最表面のセラミック基板層表面と略同一平面または最表面のセラミック基板層表面より凹んだ位置にあるように形成する工程と、
を有する多層セラミック基板の製造方法。 - 積層する複数のセラミックグリーンシートの予め定めた位置に内部配線とビア配線とを導体材料を用いて印刷形成する印刷工程と、
最表面のセラミックグリーンシートについては、前記導体材料よりも焼結時の体積収縮率が大きい導体材料を用いてビア孔に設けたビア配線を形成する工程と、
前記複数のセラミックグリーンシートと前記最表面のセラミックグリーンシートとを積層して圧着し未焼結の多層セラミック積層体を形成する工程と、
前記未焼結の多層セラミック積層体を焼成し、最表面のセラミック基板層のビア孔に設けたビア配線による表層ビア電極については体積収縮によって、前記最表面のセラミック基板層表面に対し前記表層ビア電極の端面を凹ませて焼結された多層セラミック積層体を得る焼結工程と、
前記焼結された多層セラミック積層体の表層ビア電極の上に金属めっき層を被着させて、当該金属めっき層を、その表面が、最表面のセラミック基板層表面と略同一平面または最表面のセラミック基板層表面より凹んだ位置にあるように形成する工程と、
を有する多層セラミック基板の製造方法。
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