JP2009302396A - 多層セラミック基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ビアへの導体ペーストの充填時にペーストの一部あるいは全部が脱落することが防止され、層間の導通不良が抑制された多層セラミックの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の多層セラミックスの製造方法は、複数のセラミックグリーンシートにビアを開口し、各セラミックグリーンシートの一方の面にセラミックの焼成温度より低い温度で熱分解する有機高分子材料からなる熱分解性支持体を少なくとも前記ビアを塞ぐように配設した後に、他方の面から前記ビアに導体ペーストを充填し、各セラミックグリーンシートの表面に配線パターンを形成してから、該複数のセラミックグリーンシートを順次積層し、前記熱分解性支持体を除去せずに焼結を行なうことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビア（ビアホール）を有する多層セラミック基板の製造方法に関するものであり、特に、ビアへの導体ペースト充填時におけるペーストの脱落、および、各層の接続不良発生を抑制する多層セラミック基板の製造方法に関するものである。

近年、移動体通信端末機器などの電子装置においては、その小型化、高機能化が求められており、半導体デバイスなどの各種実装部品を搭載する回路基板についても、配線の微細化と多層化による高密度、高集積化が図られている。そして、複数のセラミック層を積層することにより形成され、内部に必要な回路を構成する配線パターンが配設され、かつ、表面に各種の実装部品を実装することが可能な多層セラミック基板が広く使用されるようになっている。このような多層セラミック基板の各層間の電気的接続はセラミック基板に設けられたビア（ビアホール）の導電性材料を通じて行なわれるのが一般的である。

図６に従来の一般的な多層セラミック基板の製造方法を示す。まず、セラミック原材料粉と若干の有機物を混合したスラリーを薄く成型したセラミックグリーンシート１に、金型パンチングあるいはレーザー加工機などを用いてビア２を開口する。次に、該ビアにスクリーン印刷法などでビア充填用スクリーンマスク５を通して導体ペースト６を充填（以下、「ビア充填」と略すことがある。）し、さらに、スクリーン印刷法などで配線印刷用スクリーンマスク７を通して配線パターン８を形成する。その後、（Ｇ）に示すように各層を順次積層し、加圧することにより各グリーンシートを一体化させた（Ｈ）に示す状態の多層セラミック基板を得てから、必要な大きさに切断して焼成を行い、（Ｉ）に示す多層セラミック基板の焼結体を得る。焼結体は必要に応じてめっき処理を行う場合もある。

しかし、上述の多層セラミックの製造方法には以下のような課題がある。図７は、従来の多層セラミック基板の製造方法において不良品が発生する場合を示している。従来の多層セラミックの製造方法（ビア充填方式）を用いた場合に、（Ｅ）に示すように、スクリーン印刷機のテーブル４に導体ペースト６が付着し充填不良が起きることによって、多層セラミックの不良品が発生する。（Ｇ）は、ビア充填不良が発生した状態で積層した状態、（Ｈ）は、それを加圧した状態、（Ｉ）は、さらにそれを焼成した状態を示す。

通常、ビア充填を行う際には、ビア２が加工されたセラミックグリーンシート１を、スクリーン印刷機のテーブル４上に配置し、ビア充填用スクリーンマスク５を通して、導体ペースト６を充填する。その後、ペースト６が充填されたセラミックグリーンシートを印刷テーブル４から取り外す際に、充填した導体ペーストの一部６１がテーブル４に付着し、結果として充填不良となるビアが発生する。この後、配線パターン印刷、積層、プレス工程を経て焼成を行うが、充填不良となったビアは焼結後も導通不良になることが多い。

このような導通不良に対する方策として、図８（Ｃ）に示すように、ビア２を有するセラミックグリーンシート１の裏面に、ビア充填時に印刷機のテーブル４に導体ペースト６が付着することを防止するための微粘着性の保護フィルム３２を貼り付けた後に、通常と同じようにビア充填を行う方法が用いられることがあるが（図８（Ｄ）〜（Ｆ））、これについても、充填印刷後にフィルムを剥がす工程において、（Ｇ）に示すようにフィルムに付着した導体ペーストの一部６１によりビアの充填不良が依然として発生し、焼結後に導通不良となることがある。図８（Ｉ）は、保護フィルムに導体ペーストの一部が付着し、ビア充填不良が発生した状態で積層した状態、（Ｊ）は、それを加圧した状態、（Ｋ）は、さらに焼成した状態を示す。

また、これらの問題に対し、ビア中の導体ペーストを含む導電性材料の脱落を防ぐ方法として、特許文献１には、ビア充填や配線パターンの印刷が行なわれた後の導体乾燥膜に対して、糊材のスプレー、印刷や熱分解性有機フィルムの貼り付けといった欠落防止処理を行なう方法が開示されている。しかし、この方法は、ビア充填後の乾燥した状態での導体ペースト等の脱落を防ぐことを目的とするものであり、上記のように、ビア充填時において印刷機のテーブルへ導体ペーストが付着することによる導体ペーストの脱落は、防ぐことはできない。

また、特許文献２には、ビア中の導体ペーストの脱落を防止することを目的として、ビア充填後にビアの一部を覆う欠落防止パターンを形成する多層セラミック基板の製造方法が開示されており、印刷機の台やキャリアフィルムへの付着などによる導体ペーストのビアからの脱落を防止するという課題についても記載されている。しかし、同文献の図８に示されるように、セラミックグリーンシートのキャリアフィルムとは反対の面に欠落防止パターンが設けられているだけであり、ある程度のキャリアフィルムへの導体ペーストの付着防止効果は期待されるものの、依然としてキャリアフィルムへの付着が起こり得る構造となっていた。

したがって、より確実に印刷機のテーブル（台）や保護フィルム（キャリアフィルム）への導体ペーストの付着によるビアからの脱落を防止することのできる、多層セラミックの製造方法の提供が望まれていた。
特開平９−８３１４３号公報 特開２００７−１８４３１４号公報

本発明は、上記のような、ビアへの導体ペーストの充填時にペーストの一部あるいは全部が脱落することが防止され、層間の導通不良が抑制された多層セラミックの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の多層セラミックスの製造方法は、
複数のセラミックグリーンシートにビアを開口し、
各セラミックグリーンシートの一方の面にセラミックの焼成温度より低い温度で熱分解する有機高分子材料からなる熱分解性支持体を少なくとも前記ビアを塞ぐように配設した後に、
他方の面から前記ビアに導体ペーストを充填し、
各セラミックグリーンシートの表面に配線パターンを形成してから、
該複数のセラミックグリーンシートを順次積層し、
前期熱分解性支持体を除去せずに焼結を行なうことを特徴とする。

ここで、上記熱分解性支持体は、例えば、厚さ４０μｍ以下のフィルムであり、該フィルムをセラミックグリーンシートに貼り付けてビアを塞ぐように配設される。また、上記熱分解性支持体は、有機高分子材料と溶剤からなるスラリーをスクリーン印刷法によりセラミックグリーンシートに印刷し乾燥することにより得られる厚さ２０μｍ以下の膜であってもよく、該膜は、セラミックグリーンシートの全面またはビアを塞ぐために必要な部分にのみ形成されることが好ましい。上記有機高分子材料は、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、カーボン、または、ポリエチレンであることが好ましい。

さらに、上記導体ペーストは、有機高分子材料の熱分解温度より低温で分解して酸を発生し有機高分子材料の結合を分解する添加剤を含有することが好ましい。該添加剤としては、以下の式１または２で示される化合物が挙げられる。

（式中、Ｒはアルキル基を示す。）

本発明によれば、ビアの形状や寸法に依存せず、ビアへの導体ペースト充填時におけるペーストの脱落が防止された多層セラミックス基盤を得ることができ、かつ、多層セラミック基板の層間の接続部の導通あるいは熱伝導を確保することが可能となる。このため、従来よりも大口径のビアを形成することも可能となる。

また、本発明の製造方法において、導体ペーストに、有機高分子材料の熱分解温度より低温で分解して酸を発生し有機高分子材料の結合を分解する添加剤を添加した場合には、層間のビアに充填された導体ペーストの接続部の導通不良、あるいは熱伝導不良をより確実に抑制することが可能となる。

（第１の実施形態）
図１に、本発明による製造方法の第１の実施形態を示す。まず、セラミックグリーンシート１に、パンチング金型あるいはレーザーを用いてビア２を開口する。次に、ビア２を有するセラミックグリーンシート１に、フィルム状の熱分解性支持体３（エチルセルロースなどの焼成途中に分解する有機高分子材料からなる成型体）を貼り付ける。該フィルム状の熱分解性支持体はドクターブレード法を用いて厚さ２０μｍに薄く延ばしたもの等を用いることができる。

次に、スクリーン印刷機のテーブル４の所定の位置にセラミックグリーンシート１を配置し、ビア充填用スクリーンマスク５を通して導体ペースト６をビア２に充填する。この際に、導体ペースト６は、フィルム状の熱分解性支持体３に遮られることにより、テーブル４に付着することなく充填不良の問題は解消される。次に、各層ごとに配線印刷用スクリーンマスク７により所望の配線パターン８を印刷した後、図１（Ｈ）に示すように各層を積層し、（Ｉ）に示すように加圧することにより各層を仮圧着する。最後に、特定の条件で焼成を行うことによって、図１（Ｊ）に示す状態の多層セラミック基板が得られる。

本実施形態に用いる有機高分子材料は、セラミックの焼成温度より低い温度で熱分解する有機高分子材料であれば特に限定されないが、好ましくは導体ペーストの融点より低い温度で熱分解する有機高分子材料である。具体的な有機高分子材料としては、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、カーボン、ポリエチレンなどが挙げられ、好ましくは、エチルセルロース、カーボンである。

また、ここでの焼成条件は、上記熱分解性支持体を構成する有機高分子材料の熱分解温度以上、かつ、導体ペーストの融点より低い温度で加熱することが好ましく、このような温度条件で焼成を行なうことにより、熱分解性支持体のみが熱分解し、（Ｊ）に示すようにビアとビアを接続することができる。本発明においては、例えば、温度５７０℃で１０時間保持することで、熱分解性支持体を構成する有機高分子材料のほとんどが分解し、上下間のビアとビアの接続が可能となる。好適な焼成条件としては、図２に示すような焼成プロファイルを挙げることができ、該プロファイルは３００〜６００℃と８００〜２０００℃の２段階の焼結工程を含むことを特徴としている。

なお、貼り付ける熱分解性支持体としては、ドクターブレード法を用いて２０μｍに薄く延ばしたフィルム状のエチルセルロースや、カーボンペーストをドクターブレード法等で成形させたカーボンフィルム等を用いることができる。

（第２の実施形態）
図３に、本発明による製造方法の第２の実施形態を示す。第１の実施形態とは異なり、第２の実施形態は、セラミックの焼成温度より低い温度で熱分解する有機高分子材料と溶剤からなるスラリー３１を、ビア２を有するセラミックグリーンシート１上全体にスクリーン印刷を用いて付着させ、乾燥して膜状の熱分解性支持体を形成する方法である。

まず、支持体印刷用スクリーンマスク３０の開口部から、ビアを有するセラミックグリーンシート全面に、上記有機高分子材料と溶剤からなるスラリー３１を塗布し、乾燥する。本実施形態においては、例えば、線形１８μｍ、メッシュ間隔５００本／１インチ、乳剤厚１５μｍのシルクスクリーンを用いることにより、スラリーを厚さ１２μｍの膜に形成することができる。

本発明に用いるスラリーは、セラミックの焼成温度より低い温度で熱分解する有機高分子材料と溶剤からなるものであれば特に限定されないが、好ましくは導体ペーストの融点より低い温度で熱分解する有機高分子材料と溶剤からなるスラリーである。具体的なスラリーとしては、アルコール系、エステル系、エーテル系、グリコール系などの溶剤に上記第１の実施形態と同様の有機高分子材料を溶解したスラリーが挙げられ、テルピネオールにエチルセルロースを溶解したスラリーや、アクリル樹脂、フェノール樹脂等にカーボンを分散させたカーボンペーストを好適に用いることができる。カーボンペーストを用いる場合は、ドクターブレード法によって成形、乾燥を行い熱分解性支持体を形成することができる。

このようにしてセラミックグリーンシート１に熱分解性支持体３を形成した後は、第１の実施形態と同様にして、多層セラミック基板を製造することができる。（Ｉ）は、各セラミックグリーンシートを積層した状態、（Ｊ）は、それを加圧した状態、（Ｋ）は、さらに焼成した状態を示す。

（第３の実施形態）
図４に、本発明による製造方法の第３の実施形態を示す。第３の実施形態は、上記有機高分子材料と溶剤からなるスラリー３１をビア２を有するセラミックグリーンシート１上にスクリーン印刷を用いて付着させ、乾燥して膜状の熱分解性支持体を形成する点で、第２の実施形態と同様であるが、膜状の熱分解性支持体３をセラミックグリーンシート１上のビア２を塞ぐために必要な部分にのみ形成する点で、第２の実施形態とは異なる。

まず、ビア２が開口されたセラミックグリーンシート１に、ビア２の部分だけに選択的にビアよりも若干大きい開口部を有するスクリーンマスク３０を用いて、上記有機高分子材料と溶剤からなるスラリー３１を塗布し、乾燥することによって熱分解性支持体を形成する。本実施形態においても、第２の実施形態と同様に、例えば、線形１８μｍ、メッシュ間隔５００本／インチ、乳剤厚１５μｍのシルクスクリーンを用いることにより、スラリーを厚さ１２μｍの膜状に形成することができる。

このようにしてセラミックグリーンシート１に熱分解性支持体３を形成した後は、第２の実施形態と同様にして、多層セラミック基板を製造することができる。図４において、（Ｉ）は、該スラリーを必要な部分に付着させた複数のセラミックグリーンシートを積層した状態、（Ｊ）は、それを加圧した状態、（Ｋ）は、さらに焼成した状態を示す。

（第４の実施形態）
図５に、本発明による製造方法の第４の実施形態を示す。第４の実施形態では、ビア充填に用いる導体ペーストにバインダーとして、有機高分子材料の熱分解温度より低温で分解して酸を発生し有機高分子材料の結合を分解する添加剤を配合しておく。これにより、焼成中に上下層のセラミックグリーンシートのビア（導体ペースト）から酸が供給され、シート下部に形成された熱分解性支持体（エチルセルロースの薄膜など）を分解し、ビアとビアの接続がより確実なものとなる。配合する添加剤としては、有機高分子材料の熱分解温度より低温で分解して酸を発生し有機高分子材料の結合を分解するものであれば特に限定されないが、好ましくは、上記式（１）または（２）に示される化合物である。これらの添加剤の導体ペーストの有機成分中に占める配合割合は、１〜１０ｗｔ％が好ましく、さらに好ましくは２〜５ｗｔ％である。

第１の実施形態において熱分解性支持体が厚さ２０μｍのエチルセルロースフィルムである場合に、多層セラミック基板の製造を行なって接続不良の発生率を調査した結果、１〜２％程度の接続不良が発生することがあったが、本実施形態においては、上記添加剤を配合することにより、接続不良が０．１％以下となった。これにより、第４の実施形態のようい上記添加剤を配合することで、層間のビアに充填された導体ペーストの接続部の導通不良を抑制できることが確認された。

具体的な本実施形態としては、導体ペースト中に上記式（１）で示される化合物を２〜５ｗｔ％添加し、攪拌後、第２の実施形態と同様に、ビア充填、配線パターン印刷、積層、プレスを行った後焼成を行うことによって多層セラミック基板を得る方法が挙げられる。本実施形態における焼成の条件については、例えば、銀ペーストに上記式（１）で示される化合物を３．０ｗｔ％配合した導体ペーストの場合、８５℃で、１時間保持することによって、酸が発生する。このような酸の発生する温度条件を考慮した第４の実施形態における好ましい焼成のプロファイルの一例を図５に示す。図５のプロファイルは、第１〜３の実施形態に好適に用いられる図２の焼結プロファイルとは異なり、初期に８０〜１００℃の温度での焼成を行なうことにより、導体ペーストから酸を発生させる点を特徴としている。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

第１の実施形態の製造方法を示す模式図である。 第１〜３の実施形態で好適に用いられる焼成プロファイルを示す図である。 第２の実施形態の製造方法を示す模式図である。 第３の実施形態の製造方法を示す模式図である。 第４の実施形態で好適に用いられる焼成プロファイルを示す図である。 従来の多層セラミック基板の製造方法を示す模式図である。 従来の多層セラミック基板の製造方法の問題点を示す模式図である。 従来の別の多層セラミック基板の製造方法の問題点を示す模式図である。

符号の説明

１ セラミックグリーンシート、２ ビア、３ 熱分解性支持体、３０ 支持体印刷用スクリーンマスク、３１ スラリー、３２ 保護フィルム、４ スクリーン印刷機のテーブル、５ ビア充填用スクリーンマスク、６ 導体ペースト、６１ 導体ぺーストの一部、７ 配線印刷用スクリーンマスク、８ 配線パターン。

Claims (8)

1. 複数のセラミックグリーンシートにビアを開口し、
   各セラミックグリーンシートの一方の面にセラミックの焼成温度より低い温度で熱分解する有機高分子材料からなる熱分解性支持体を少なくとも前記ビアを塞ぐように配設した後に、
   他方の面から前記ビアに導体ペーストを充填し、
   各セラミックグリーンシートの表面に配線パターンを形成してから、
   該複数のセラミックグリーンシートを順次積層し、
   前記熱分解性支持体を除去せずに焼結を行なうことを特徴とする多層セラミック基板の製造方法。
2. 前記熱分解性支持体は厚さ４０μｍ以下のフィルムであり、該フィルムをセラミックグリーンシートに貼り付けてビアを塞ぐように配設する、請求項１記載の多層セラミック基板の製造方法。
3. 前記熱分解性支持体は、有機高分子材料と溶剤からなるスラリーをスクリーン印刷法によりセラミックグリーンシートに印刷し乾燥することにより得られる厚さ２０μｍ以下の膜である、請求項１記載の多層セラミック基板の製造方法。
4. 前記膜を、セラミックグリーンシートの全面またはビアを塞ぐために必要な部分にのみ形成する、請求項３記載の多層セラミック基板の製造方法。
5. 前記有機高分子材料は、導体ペーストの融点より低い温度で熱分解する、請求項１記載の多層セラミック基板の製造方法。
6. 前記有機高分子材料は、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、カーボン、または、ポリエチレンである、請求項１記載の多層セラミック基板の製造方法。
7. 前記導体ペーストは、有機高分子材料の熱分解温度より低温で分解して酸を発生し有機高分子材料の結合を分解する添加剤を含有する、請求１記載の多層セラミック基板の製造方法。
8. 前記添加剤は、以下の式１または２で示される化合物である、請求項７記載の多層セラミック基板の製造方法。
   

   

   

   （式中、Ｒはアルキル基を示す。）

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