JP2010056524A

JP2010056524A - 多層セラミック基板

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Publication number: JP2010056524A
Application number: JP2009117793A
Authority: JP
Inventors: Yun Hwi Park; ファイパク、ユン; Bong Gyun Kim; ギュンキム、ボン; Yoon Hyuck Choi; ヒュクチョイ、ユン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: KR100997989B1; US20100055393A1; US8053682B2; KR20100025956A; JP4783842B2

Abstract

【課題】本発明は、電気伝導度及び信号の損失を防止することができる二重層構造の導電性ビアを有する多層セラミック基板を提供する。
【解決手段】複数の誘電体層と、上記複数の誘電体層のうち少なくとも一部誘電体層に形成された少なくともひとつ以上の導電性ビア及び導電性パターンからなる回路パターン部を有し、上記導電性ビアのうち少なくともひとつは、上記誘電体層を貫通するビアホールの内壁に沿って形成され金属を含有した第１導電性物質からなる外周部と、上記外周部内に充填されるように形成され上記第１導電性物質より収縮開始温度の高い第２導電性物質からなる内心部を有することによって、超高周波帯域において導電性ビアのＡＣ電気抵抗を純粋Ａｇ水準に低めることができ、超高周波（ｍｍ波）帯域においての信号の損失を防止することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、多層セラミック基板に関するもので、特に、電気伝導度及び信号の損失を防止することができる二重層構造の導電性ビアを有する多層セラミック基板に関する。

低温同時焼成セラミック（ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏ−ｆｉｒｅｄｃｅｒａｍｉｃｓ：ＬＴＣＣ）は、低い誘電損失及び電極損失の特性により、３０ＧＨｚ以上の超高周波領域（ｍｍ波）におけるＭＭＩＣのパッケージング材料として脚光を浴びている。そして配線を成す電極材料として純粋なＡｇペースト（ｓｉｌｖｅｒｐａｓｔｅ）を使用し、非常に低い導電損失特性を有する。そして、誘電体は損失係数が０．２％以下で、ＰＣＢに比べて１００倍以上低いため超高周波（ｍｍ波）帯域において良い特性を示す。

しかし、層間の配線を連結するビア（ｖｉａ）は、焼成収縮率の整合（ｍａｔｃｈｉｎｇ）のために、純粋なＡｇの代わりに多量のガラス（ｇｌａｓｓ）が含まれたＡｇ電極を使用しなければならず、これによって電気伝導度の減少及び電気的な信号の減殺が発生し、最終パッケージ特性の劣化を誘発する。

これを抑制するための方案として、主に純粋なメタルに最少量の特定添加剤を追加し、Ａｇビア電極の焼成挙動がＬＴＣＣと整合するようにする研究が多くなされてきた。しかし、無収縮ＬＴＣＣ工程においてふたつの材料をガラスなしで整合することは未だに成功していない。

図１ａは、従来技術における純粋なＡｇとＬＴＣＣの焼成収縮の開始時期を表したグラフであり、図１ｂは、従来技術における多層セラミック基板に形成されたビアの水平断面図であり、図１ｃはビアペーストにおける多量のガラスの含量によるビアの電気伝導度の変化を表したグラフである。

従来、多層セラミック基板を形成する方法は、無収縮ＬＴＣＣ基板のためのビアペーストは２−３μｍのＡｇパウダーに１−５μｍのガラスパウダーを混合して作り、これを金属マスク印刷を通して予め形成されたビアホールに埋めて具現する。フィリングされたビアが形成された数枚のＬＴＣＣシートは、圧着工程（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）を通して一体化し、これを８５０−９００℃で２０−４０分焼成して基板を完成する。

このとき、ビアを形成するペーストの組成が純粋なＡｇのみで構成される場合、図１ａに図示されたように、ＬＴＣＣ（Ａ）とＡｇ（Ｂ）の焼成収縮の開始時期の差異によって、焼成後、図１ｂに図示された"Ｃ"のようにビアの壁面にボイド（ｖｏｉｄ）やクラック（ｃｒａｃｋ）が発生するようになる。

これを防止するために、ビアペースト組成としてＡｇパウダーに多量のガラスを添加してＬＴＣＣとの焼成収縮の開始時期をマッチングさせる。このようなビアペーストを適用すると、焼成後、ボイドやクラックのないビアを得ることができる。

しかし、図１ｃに図示したように、ガラスが添加される含量が増加するほど純粋Ａｇを使用してビアを形成する場合より電気伝導度がよくないことがわかる。すなわち、ガラスが添加されたビアペーストの場合、電気伝導度が非常に低いガラスによりビアの電気伝導度が純粋Ａｇビアに比べて非常に低くなる。従って、ＬＴＣＣとの焼成収縮の開始時期をマッチングさせるために添加されるガラスの含量が多くなるほど、純粋Ａｇを使用する場合より電気伝導度が低下する。

本発明は、上述した従来の問題点を改善するために、超高周波（ｍｍ波）帯域における信号の損失を最小化することができる二重層構造の導電性ビアを有する多層セラミック基板を提供する。

上述した技術的課題を達成するために、本発明の一実施形態による多層セラミック基板は、複数の誘電体層と、上記複数の誘電体層のうち少なくとも一部の誘電体層に形成された少なくともひとつ以上の導電性ビア及び導電性パターンからなる回路パターン部を有し、上記導電性ビアのうち少なくともひとつは、上記誘電体層を貫通するビアホールの内壁に沿って形成され、金属を含有した第１導電性物質からなる外周部と、上記外周部内に充填されるように形成され、上記第１導電性物質より収縮開始温度の高い第２導電性物質からなる内心部を有する。

好ましくは、上記第１導電性物質はＡｇ金属であることができ、上記第２導電性物質は収縮開始温度が上記誘電体層と同じか高いことを特徴とする。

好ましくは、上記第２導電性物質は上記第１導電性物質より高い含量の珪素酸化物（ＳｉＯ_２）が含有されるか、上記第１導電性物質より高い含量のガラスが含有されたことを特徴とする。

好ましくは、上記外周部の厚さは、上記導電性ビアの全体の半径対比１０％以下で形成され、上記外周部の厚さは、上記導電性ビアの全体の半径対比０．５％以上で形成されたことを特徴とする。

本発明によると、Ａｇ金属からなる外周部と、収縮開始温度が基板を成す誘電体層と同じか高い物質からなる内心部を有する二重層ビア構造を形成することによって、超高周波帯域において導電性ビアのＡＣ電気抵抗を純粋Ａｇ水準に低めることができ、超高周波（ｍｍ波）帯域における信号の損失を防止することができる。

従来技術において純粋なＡｇとＬＴＣＣの焼成収縮の開始時期を表したグラフである。従来技術に多層セラミック基板に形成されたビアの水平断面図である。ビアペーストに多量のガラスの含量によるビアの電気伝導度の変化を表したグラフである。ビアの水平断面図である。ビアの外郭からの距離とビアに流れる電流密度との関係を表したグラフである。本発明の一実施形態による二重層構造の導電性ビアを有する多層セラミック基板の垂直断面図である。図３に図示した多層セラミック基板の導電性ビアのうち一部Ｄを表した部分の詳細な斜視図である。図３に図示した多層セラミック基板の導電性ビアを表した水平断面図である。本発明の一実施形態による多層セラミック基板の製造方法を説明するための工程別の垂直断面図である。本発明の一実施形態による多層セラミック基板の製造方法を説明するための工程別の垂直断面図である。本発明の一実施形態による多層セラミック基板の製造方法を説明するための工程別の垂直断面図である。本発明の一実施形態による多層セラミック基板の製造方法を説明するための工程別の垂直断面図である。本発明の一実施形態による多層セラミック基板の製造方法を説明するための工程別の垂直断面図である。本発明の一実施形態による多層セラミック基板の製造方法を説明するための工程別の垂直断面図である。本発明の一実施形態による多層セラミック基板の二重層構造の導電性ビアにおいてビアＡＣ電気抵抗の変化を表したグラフである。

以下、図面を参照に本発明の実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面においての要素の形状及び大きさ等は、より明確に説明するために誇張されることもある。

図２ａは、ビアの水平断面図を表したもので、図２ｂは、ビアの外郭からの距離とビアに流れる電流密度との関係を表したグラフである。

図２ａ及び図２ｂに図示したように、ビア２０の外郭からの距離（

、ｒはビアの中心からビアの半径の間の所定半径、Ｒはビアの半径）によって電流密度が異なる。これはビア２０に電流が流れる実効面積が、表面の深さ（ｓｋｉｎｄｅｐｔｈ）に規定されるためである。ここで、信号の周波数が高くなるほど導体表面に電流が集中する現象を表皮効果（ｓｋｉｎｅｆｆｅｃｔ）といい、このとき電流が流れる深さを表皮深さ（ｓｋｉｎｄｅｐｔｈ）という。すなわち、超高周波帯域においては非常に薄い厚さの表面にのみ電流が流れるようになる。

図２ｂに図示されたように、ビアの外郭からの距離が短くなるほど、すなわち、ビア２０の中心部から半径ｒが大きくなるほど、表皮深さを基準としてビア２０に流れる電流密度が高くなることがわかる。

一方、ビアの外郭からの距離が長くなるほど、すなわち、ビア２０の中心部からの半径ｒが小さくなるほど、表皮深さを基準としてビア２０に流れる電流密度が低くなることがわかる。特に、超高周波（ｍｍ波）帯域においては、表皮深さが０．５μｍ未満で非常に小さくなり、これによってビアの内部には殆ど電流が流れなくなるため、ビアの電気伝導度が減少する。従ってビアの電気伝導度の下落はＲＦ信号の損失を誘発するようになる。

従って、本発明においては、超高周波帯域における表皮深さを考慮して、電流が集中する表皮深さに該当する領域に高純度Ａｇ層を形成し、電気伝導度の下落を防止することができる二重層構造の導電性ビアを有する多層セラミック基板を提供する。

図３は、本発明の一実施形態による二重層構造の導電性ビアを有する多層セラミック基板の垂直断面図を表したものである。図３に図示されたように、本発明による多層セラミック基板３００は、複数の誘電体層３１０と、複数の誘電体層３１０のうち少なくとも一部誘電体層に形成された複数個の導電性ビア３５０と導電性パターン３６０から構成される。

複数の誘電体層は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）であることができ、焼成時の収縮開始温度は８５０〜９５０℃程度であり、導電性ビア３５０と導電性パターン３６０からなる回路パターン部を有する。

導電性ビア３５０のうち少なくともひとつは、誘電体層を貫通するビアホールの内壁３２０に沿って形成され、金属を含有した第１導電性物質からなる外周部３３０と、外周部３３０内に充填されるように形成され、第１導電性物質より収縮開始温度が高い第２導電性物質からなる内心部３４０を有する。ここで、第１導電性物質は電気伝導度の高い金属であることができ、Ａｇ金属であることが最も好ましい。そして、第１導電性物質はＡｇ金属に小量の添加剤が添加されるが、殆ど高純度Ａｇに近く形成される。

第２導電性物質は、誘電体層と収縮開始温度が同じか高い物質からなる。すなわち、第２導電性物質は、第１導電性物質より高い含量のガラスまたは珪素酸化物（ＳｉＯ_２）が含有される。これにより、内心部３４０は収縮開始温度が誘電体層と同じか高い第２導電性物質で形成されることによって、外周部３３０と誘電体層の収縮率の整合をマッチングさせるため、ボイドやクラックのない導電性ビアが形成される。

図４は、図３に図示した多層セラミック基板の導電性ビアのうち一部Ｄを表した部分の詳細な斜視図である。図４に図示されたように、導電性ビア３５０は、各誘電体層３１０ａ〜３１０ｄに形成された各導電性ビアが積層されて形成される。

各導電性ビアは、第１導電性物質が各誘電体層３１０ａ〜３１０ｄのビアホールの内壁３２０ａ〜３２０ｄに沿って形成された外周部３３０と第２導電性物質で埋められた内心部３４０からなる。ここで、外周部３３０は、超高周波信号の伝達を担当し、内心部３４０は第１導電性物質と各誘電体層３１０ａ〜３１０ｄの無収縮焼成時、焼成収縮率の整合を担当する。

外周部３３０の厚さは、図２ａ及び図２ｂにおいて説明したように、超高周波（ｍｍ波）帯域においては表皮深さが０．５μｍ未満で非常に小さくなるため、少なくとも０．５μｍ以上でなければならない。すなわち、外周部３３０の厚さは、超高周波帯域においての表皮深さを考慮して、各誘電体層の導電性ビアの全体半径対比０．５％以上から１０％以下で形成され、少なくとも０．５μｍ以上で形成される。例えば、導電性ビアが１００μｍの直径であると、外周部３３０の厚さは０．５μｍ〜１０μｍで形成されることができ、好ましくは、外周部３３０は１−５μｍの厚さで形成される。

そして、第１導電性物質は、電気伝導度の良い金属であることができ、最も電気伝導度が良いＡｇ金属であることが好ましい。そして第１導電性物質は、金属に小量の添加剤が添加されたペーストで、ほぼ高純度の金属で形成される。第２導電性物質は、第１導電性物質より収縮開始温度が高く、好ましくは、第２導電性物質は誘電体層の収縮開始温度と同じか高い収縮開始温度を有する。また、第２導電性物質は第１導電性物質と誘電体層の収縮率の整合をマッチングさせるために、第１導電性物質と同一の金属に、多量のガラス又は珪素酸化物が含有されたペーストで形成される。

このように、各誘電体層３１０ａ〜３１０ｄに形成された各導電性ビアが積層された後に焼成される。このとき、外周部３３０は金属が多量に含有された第１導電性物質で埋まっていて誘電体層より先に収縮を開始するようになるが、外周部３３０内に形成された内心部３４０が誘電体層の収縮開始温度と同じか高い第２導電性物質で埋まっているため、外周部３３０と誘電体層の収縮率の整合をマッチングさせるようになる。

図５は、図３に図示した多層セラミック基板の導電性ビアを表した水平断面図である。図５に図示されたように、導電性ビア３５０は、外周部３３０と内心部３４０からなり、外周部３３０の厚さは、超高周波帯域においての表皮深さを考慮し、導電性ビア３５０の全体半径対比０．５％以上から１０％以下で形成され、少なくとも０．５μｍで形成される。好ましくは、外周部３３０は、１−５μｍの厚さで形成される。

図６ａから図６ｆは、本発明の一実施形態による多層セラミック基板の製造方法を説明するための工程別の垂直断面図である。図６ａのように、誘電体層６１０を複数個備える。誘電体層は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板を形成するためのセラミックグリーンシートである。その後、図６ｂのように、誘電体層６１０をパンチングしてビアホール６２０を形成する。

その次に、図６ｃのように、誘電体層６１０に形成されたビアホールの内壁６２０にスキージを利用して第１導電性物質を充填する。このとき誘電体層６１０の下部において真空吸着を通して第１導電性物質をビアホールの内壁６２０にのみフィリングされるようにし、外周部６３０を形成する。ここで、第１導電性物質は、電気伝導度の良い金属であることができ、電気伝導度が最も良いＡｇ金属であることが好ましい。そして第１導電性物質は、金属に少量の添加剤が添加されたペーストで、ほぼ高純度金属で形成される。

そして、図６ｄのように、誘電体層６１０のビアホールの内壁６２０に外周部６３０を形成した後、外周部６３０の内部に内心部６４０を形成する。すなわち、誘電体層６１０の外周部６３０の内部にスキージを利用して第２導電性物質を充填する。このとき、誘電体層６１０の下部において真空吸着を通して第２導電性物質を外周部６３０の内部にフィリングされるようにし、内心部６４０を形成する。ここで、第２導電性物質は、第１導電性物質より収縮開始温度が高く、第１導電性物質と誘電体層の収縮率の整合をマッチングさせるために、第１導電性物質と同一の金属に、多量のガラス又は珪素酸化物が含有されたペーストで形成される。

そして、外周部６３０及び内心部６４０の形成時に、真空吸着の強度を調節し、ビアホールの内壁６２０にのみフィリングされる外周部６３０を形成するか、または外周部６３０の内部全体にフィリングされる内心部６４０を形成することができる。

その後、図６ｅのように、外周部６３０及び内心部６４０を有する二重層構造の導電性ビアが形成された誘電体層６１０を積層（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）する。このとき、各誘電体層６１０の導電性ビア６５０が互いに連結されるように積層及び圧着して積層体をを形成する。

このように形成された積層体を焼成すると、図６ｆのように積層方向に収縮された多層セラミック基板が完成される。焼成時、外周部６３０は、誘電体層より収縮開始温度の低い金属が多量に含有された第１導電性物質で埋まっているが、外周部６３０内に形成された内心部６４０が誘電体層の収縮開始温度と同じか高い第２導電性物質で埋まっているため、外周部６３０は誘電体層の収縮率とマッチングされるようになる。従って、導電性ビアが電流が集中している表皮深さに該当する部分に高純度の金属層を有する外周部が形成されることによって、超高周波（ｍｍ波）帯域においての電気伝導度が向上することができる。

図７は、本発明の一実施形態による多層セラミック基板の二重層構造の導電性ビアにおけるビアのＡＣ電気抵抗の変化を表したグラフである。図７に図示されたように、超高周波（ｍｍ波）帯域において、既存のＡｇパウダーに多量のガラスパウダーが含有されたペーストで充填されたビア（黒丸印）より、本発明による二重層構造の導電性ビア（白丸印）がＡＣ電気抵抗が低くなることがわかる。

本発明は上述した実施形態及び添付された図面により限定されるものではなく、上記の特許請求の範囲により限定する。従って、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で、当技術分野の通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属すると言える。

Claims

複数の誘電体層と、
前記複数の誘電体層のうち、少なくとも一部の誘電体層に形成された少なくともひとつ以上の導電性ビア及び導電性パターンからなる回路パターン部を有し、
前記導電性ビアのうち少なくともひとつは、前記誘電体層を貫通するビアホールの内壁に沿って形成され、金属を含有した第１導電性物質からなる外周部と、前記外周部内に充填されるように形成され、前記第１導電性物質より収縮開始温度の高い第２導電性物質からなる内心部を有する多層セラミック基板。
前記第１導電性物質は、Ａｇ金属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。
前記第２導電性物質は、収縮開始温度が前記誘電体層と同じか高い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。
前記第２導電性物質は、前記第１導電性物質より高い含量の珪素酸化物（ＳｉＯ_２）が含有されたことを特徴とする請求項３に記載の多層セラミック基板。
前記第２導電性物質は、前記第１導電性物質より高い含量のガラスが含有されたことを特徴とする請求項３に記載の多層セラミック基板。
前記外周部の厚さは、前記導電性ビアの全体の半径対比１０％以下で形成されたことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の多層セラミック基板。
前記外周部の厚さは、前記導電性ビアの全体の半径対比０．５％以上で形成されたことを特徴とする請求項６に記載の多層セラミック基板。