JP2010153694A - セラミック基板 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック層の厚みが１０μｍ以下の場合においても、高い電気絶縁性を保証し得るセラミック基板を提供する。
【解決手段】低温焼結セラミック材料をシート状に成形し焼成してなるセラミック層２を有するセラミック基板１であって、セラミック層２は、厚みが４〜１０μｍ、空隙率が３体積％以下であり、かつ、上記低温焼結セラミック材料は、その焼結助剤成分として、Ｂ_２Ｏ_３およびＲ_２Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）を実質的に含有しない。好ましくは、低温焼結セラミック材料は、主成分として、４７〜６７重量％のＳｉＯ_２、２１〜４１重量％のＢａＯ、および１０〜１８重量％のＡｌ_２Ｏ_３を含有し、焼結助剤成分として、２．５〜５．５重量％のＭｎＯを含有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、セラミック基板に関するもので、特に、セラミック基板において、高い電気絶縁性を確保するための改良に関するものである。

電子機器の小型化に伴い、そこに用いられる電子部品や電子部品実装基板の低背化が要求されている。低背化のためには、積層構造を有するセラミック基板にあっては、そこに備えるセラミック層の１層あたりの厚みを薄くする必要がある。現在、市場に出ている低温焼成セラミックを用いた多層セラミック基板においては、セラミック層の１層あたりの厚みは１０μｍを超えている。厚みが１０μｍを超える必要がある理由は、この厚み以下になると、低温焼成セラミックからなるセラミック層の電気絶縁性が低下するためである。

このような背景から、厚みが１０μｍ以下でも電気絶縁性が低下しない、低温焼成セラミックからなるセラミック基板が求められている。

低温焼成セラミックには、１０００℃以下での焼結を可能とし、よって、低抵抗配線導体であるＡｇやＣｕとの同時焼成を可能とするため、その成分に、焼結助剤としてのＢ_２Ｏ_３および／またはＲ_２Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）が含有されていることが多い。しかし、低温焼成セラミックを用いて構成されるセラミック基板において、前述のように電気絶縁性が低下するのは、セラミックの成分に、上述したＢ_２Ｏ_３および／またはＲ_２Ｏが含有されているためである。

すなわち、Ｂ_２Ｏ_３やＲ_２Ｏは、焼結助剤として有用であるものの、焼成時に抜けてしまいやすい成分であり、得られるセラミック基板の特性ばらつき、たとえば電気絶縁性の低下を引き起こす原因となっている。この傾向は、セラミックグリーンシート（ひいてはセラミック層）が薄くなるほど顕著である。

Ｂ_２Ｏ_３およびＲ_２Ｏのいずれをも含有しない低温焼結セラミック材料が、たとえば、特開２００２-１７３３６２号公報（特許文献１）および特開２００８-４４８２９号公報（特許文献２）に記載されている。これら特許文献１および２では、ＭｎＯを焼結助剤とすることが記載されている。

しかしながら、上記特許文献１または２に記載の技術をそのまま実施したとしても、セラミック層の厚みが１０μｍ以下の場合において、高い電気絶縁性を保証し得るセラミック基板が必ずしも得られるわけではない。
特開２００２-１７３３６２号公報 特開２００８-４４８２９号公報

そこで、この発明の目的は、セラミック層の厚みが１０μｍ以下の場合においても、高い電気絶縁性を保証し得るセラミック基板を提供しようとすることである。

この発明では、セラミックの組成以外の電気絶縁性を支配する因子として、セラミック層の空隙率に注目される。すなわち、セラミック層において、組成的に絶縁性がいくら高いものを用いても、空隙率が高ければ、電気絶縁性は低下する。電気絶縁性に対する空隙率の因子支配度は、セラミック層の厚みが薄くなるほど大きくなる。よって、１０μｍ以下のセラミック層厚みを実現しようとする場合、電気絶縁性の高い組成のセラミック材料を選択するのみではなく、セラミック層の焼結性を向上させ、空隙率を低下させなければならない。

上記のような着眼の下、この発明は、低温焼結セラミック材料をシート状に成形し焼成してなるセラミック層を有するセラミック基板に向けられるものであって、セラミック層は、厚みが４〜１０μｍ、空隙率が３体積％以下であり、かつ、低温焼結セラミック材料は、その焼結助剤成分として、Ｂ_２Ｏ_３およびＲ_２Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）を実質的に含有しないことを特徴としている。

この発明において、低温焼結セラミック材料は、主成分として、４７〜６７重量％のＳｉＯ_２、２１〜４１重量％のＢａＯ、および１０〜１８重量％のＡｌ_２Ｏ_３を含有する組成であることが好ましい。この好ましい実施態様において、組成に関して、以下のように、いくつかのより好ましい実施態様がある。

低温焼結セラミック材料は、焼結助剤成分として、２．５〜５．５重量％のＭｎＯを含有することが好ましい。この場合、低温焼結セラミック材料は、主成分であるＳｉＯ_２、ＢａＯおよびＡｌ_２Ｏ_３を仮焼してなる仮焼粉に、焼結助剤成分であって仮焼されていないＭｎＯを混合してなる材料であることがより好ましい。

低温焼結セラミック材料は、主成分の合計１００重量部に対し、添加成分として、１〜５重量部のＣｅＯ_２を含有することが好ましい。

低温焼結セラミック材料は、主成分の合計１００重量部に対し、添加成分として、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＭｇＯおよびＦｅ_２Ｏ_３からなる群より選ばれる少なくとも１種を０．１〜５重量部含有することが好ましい。

低温焼結セラミック材料は、主成分の合計１００重量部に対し、添加成分として、ＣｏＯおよびＶ_２Ｏ_５のうち少なくとも一方を０．１〜５重量部含有することが好ましい。

この発明において、低温焼結セラミック材料の平均粒径（Ｄ５０：主成分および焼結助剤成分の平均粒径）は０．８μｍ以下であることが好ましい。

この発明は、複数のセラミック層を積層してなるもので、表面および内部にＡｕ、ＡｇまたはＣｕを主成分とする導体パターンを有する多層セラミック基板に対して特に有利に適用される。

この発明によれば、高い電気絶縁性が維持されながら、厚みが１０μｍ以下というように、セラミック層の薄型化を図ることができる。よって、セラミック基板の低背化を図ることができる。

また、コンデンサ素子を構成する場合、同一面積の電極で比較したとき、セラミック層の薄型化により、静電容量を高くすることができ、したがって、セラミック層を構成するセラミックの比誘電率が低くても、高容量のコンデンサ素子を得ることができる。

また、この発明によれば、低温焼結セラミック材料は、焼結助剤成分として、Ｂ_２Ｏ_３およびＲ_２Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）を含まないので、焼成にあたって容器状のさやを用いる必要がなく、単なる棚板上での焼成が可能である。したがって、容器状のさやの精度ばらつきにより、焼成後のセラミック焼結体の組成がばらつくといった問題に遭遇することはない。さらに、高温、高湿などの耐環境性が向上し、めっき液への溶出を抑制できるといった耐薬品性も向上させることができる。

この発明において、低温焼結セラミック材料が、主成分として、４７〜６７重量％のＳｉＯ_２、２１〜４１重量％のＢａＯ、および１０〜１８重量％のＡｌ_２Ｏ_３を含有していると、セラミック基板において、比較的高い曲げ強度を得ることができる。これは、主成分に比較的多く含まれるＡｌ成分が寄与していると考えられる。

この発明において、上述した好ましい組成の低温焼結セラミック材料が、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＭｇＯおよびＦｅ_２Ｏ_３からなる群より選ばれる少なくとも１種、ならびに／またはＣｏＯおよびＶ_２Ｏ_５のうち少なくとも１種を含んでいると、セラミック基板の曲げ強度をより向上させることができる。

この発明において、上述した好ましい組成の低温焼結セラミック材料が、焼結助剤成分としてＭｎＯを含む場合に、ＳｉＯ_２、ＢａＯおよびＡｌ_２Ｏ_３を仮焼してなる仮焼粉を得てから、仮焼されていないＭｎＯを上記仮焼粉に添加するようにすれば、仮焼粉の粒径を微小化することができる。したがって、仮焼粉の粉砕工程を簡略化することができるとともに、これを用いて作製されるセラミックグリーン層の薄層化を容易に進めることができ、かつセラミック層の空隙率を低くすることが容易になる。これは、仮焼時にＭｎ成分が存在していると、仮焼合成が促進されるが、この好ましい実施態様によれば、仮焼時にＭｎ成分が存在せず、それゆえ、仮焼合成の反応が抑制されるためである。

また、仮焼時にＭｎ成分が存在していると、Ｍｎの酸化反応（Ｍｎ^2＋→Ｍｎ^3＋）が起こるため、仮焼粉の色がこげ茶色になる傾向がある。したがって、このような仮焼粉を用いてセラミックグリーン層を作製した場合、このセラミックグリーン層の色彩がたとえばＣｕ電極の色彩と類似することになり、画像認識工程において不具合が生じることがある。しかしながら、この好ましい実施態様によれば、仮焼時にＭｎ成分が存在しないので、クリーム色のセラミックグリーン層を得ることができ、そのため、上記のような不具合を有利に回避することができる。

この発明において、低温焼結セラミック材料に含まれる主成分および焼結助剤成分の平均粒径（Ｄ５０）が０．８μｍ以下であると、焼結性が向上し、その結果、セラミック層の空隙率を低下させることが容易になる。

この発明に係るセラミック基板が多層セラミック基板であり、そこに形成される導体パターンが、Ａｕ、ＡｇまたはＣｕを主成分とするとき、低温焼結セラミック材料との同時焼成が可能であるばかりでなく、導体パターンの電気抵抗を低くすることができ、導体パターンの電気抵抗に起因する挿入損失を低減することができる。

図１は、この発明の一実施形態によるセラミック基板１を図解的に示す断面図である。

セラミック基板１は、多層セラミック基板を構成するもので、積層された複数のセラミック層２をもって構成される積層体３を備えている。この積層体３において、セラミック層２の特定のものに関連して種々の導体パターンが設けられている。

上述した導体パターンとしては、積層体３の積層方向における端部となる主面上に形成されるいくつかの外部導体膜４および５、セラミック層２の間の特定の界面に沿って形成されるいくつかの内部導体膜６、ならびにセラミック層２の特定のものを貫通するように形成されるいくつかのビアホール導体７等がある。

上述した外部導体膜４は、積層体３の外表面上に搭載されるべき電子部品８および９への接続のために用いられる。図１では、たとえば半導体デバイスのように、バンプ電極１０を備える電子部品８、およびたとえばチップコンデンサのように面状の端子電極１１を備える電子部品９が図示されている。

また、外部導体膜５は、このセラミック基板１を実装するマザーボード（図示せず。）への接続のために用いられる。

このようなセラミック基板１に備える積層体３は、セラミック層２となるべき複数の積層されたセラミックグリーン層と、導電性ペーストによって形成された内部導体膜６およびビアホール導体７とを備え、場合によっては、導電性ペーストによって形成された外部導体膜４および５をさらに備える、生の積層体を焼成することによって得られるものである。

上述した生の積層体におけるセラミックグリーン層の積層構造は、典型的には、セラミックスラリーを成形して得られた複数枚のセラミックグリーンシートを積層することによって与えられ、導体パターン、特に内部の導体パターンは、積層前のセラミックグリーンシートに設けられる。

セラミックスラリーは、後述するような低温焼結セラミック材料に、ポリビニルブチラールのような有機バインダと、トルエンおよびイソプロピルアルコールのような溶剤と、ジ−ｎ−ブチルフタレートのような可塑剤と、その他、必要に応じて、分散剤等の添加物とを加えてスラリー化することによって、得ることができる。

セラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを得るための成形にあたっては、たとえば、ポリエチレンテレフタレートのような有機樹脂からなるキャリアフィルム上で、ドクターブレード法を適用して、セラミックスラリーをシート状に成形することが行なわれる。

導体パターンをセラミックグリーンシートに設けるにあたっては、たとえば、金、銀または銅を導電成分の主成分として含む導電性ペーストが用いられ、セラミックグリーンシートにビアホール導体７のための貫通孔が設けられ、貫通孔に導電性ペーストが充填されるとともに、内部導体膜６のための導電性ペースト膜、ならびに必要に応じて外部導体膜４および５のための導電性ペースト膜がたとえばスクリーン印刷法によって形成される。

このようなセラミックグリーンシートは、所定の順序で積層され、積層方向に、たとえば１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力をもって圧着されることによって、生の積層体が得られる。

この生の積層体には、図示しないが、他の電子部品を収容するためのキャビティや、電子部品８および９等を覆うカバーを固定するための接合部分が設けられてもよい。

生の積層体は、セラミックグリーン層に含まれるセラミック組成物が焼結可能な温度以上、たとえば９００℃以上であって、導体パターンに含まれる金属の融点以下、たとえば銅または金であれば、１０３０℃以下の温度域で焼成される。

また、導体パターンに含まれる金属が銅である場合、焼成は、窒素雰囲気のような非酸化性雰囲気中で行なわれ、９００℃以下の温度で脱バインダを完了させ、また、降温時には、酸素分圧を低くして、焼成完了時に銅が実質的に酸化しないようにされる。

焼成温度がたとえば９８０℃以上であるならば、導体パターンに含まれる金属として、銀を用いることができないが、パラジウムが２０重量％以上のＡｇ−Ｐｄ系合金を用いることができる。この場合には、焼成を空気中で実施することができる。

焼成温度がたとえば９５０℃以下であるならば、導体パターンに含まれる金属として、銀を用いることができる。

以上のように、焼成工程を終えたとき、図１に示した積層体３が得られる。

その後、必要に応じて、外部導体膜４および５が形成され、電子部品８および９が実装され、それによって、図１に示した多層セラミック基板を構成するセラミック基板１が完成される。

上記のセラミック基板１において、セラミック層２は、厚みが４〜１０μｍの範囲に選ばれるとともに、空隙率が３体積％以下とされる。したがって、このセラ基板１によれば、セラミック層２において高い電気絶縁性が維持されながら、厚みが１０μｍ以下というように、セラミック層２の薄型化を図ることができる。よって、セラミック基板１の低背化を図ることができる。

なお、この発明は、上述したような積層構造を有する積層体を備える多層セラミック基板に限らず、単に１つのセラミック層を備える単層構造のセラミック基板にも適用することができる。

前述したセラミックスラリーに含まれる低温焼結セラミック材料は、その焼結助剤成分として、Ｂ_２Ｏ_３およびＲ_２Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）を実質的に含有しないものとされる。Ｂ_２Ｏ_３やＲ_２Ｏは焼成時に揮発しやすい成分であるため、焼結体の組成、ひいてはその特性がばらつく原因になることがある。この低温焼結セラミック材料はＢ_２Ｏ_３やＲ_２Ｏを実質的に含んでいないので、焼成ばらつきが少なく、特性の安定した焼結体（セラミック層２）を効率良く得ることができる。

上記低温焼結セラミック材料は、主成分として、ＳｉＯ_２を４７〜６７重量％、ＢａＯを２１〜４１重量％、およびＡｌ_２Ｏ_３を１０〜１８重量％含有するものであることが好ましい。

上記好ましい組成の低温焼結セラミック材料において、焼結助剤成分として、前述したように、Ｂ_２Ｏ_３およびＲ_２Ｏを実質的に含有しない代わりに、２．５〜５．５重量％のＭｎＯを含有することが好ましい。この場合、低温焼結セラミック材料は、後述するように、主成分であるＳｉＯ_２、ＢａＯおよびＡｌ_２Ｏ_３を仮焼してなる仮焼粉に、上記焼結助剤成分であって仮焼されていないＭｎＯを混合してなる材料であることが好ましい。

また、上記好ましい組成の低温焼結セラミック材料は、上記主成分の合計１００重量部に対し、ＣｅＯ_２を１〜５重量部含有することが好ましい。

焼結体すなわち前述したセラミック層２を備える積層体３の曲げ強度をより高めるためには、上記主成分の合計１００重量部に対し、添加成分として、さらに、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＭｇＯおよびＦｅ_２Ｏ_３からなる群より選ばれる少なくとも１種を０．１〜５重量部含むものが用いられる。

また、焼結体すなわち前述したセラミック層２を備える積層体３の曲げ強度をさらに高めるためには、上記主成分の合計１００重量部に対し、添加成分として、さらに、ＣｏＯおよびＶ_２Ｏ_５のうち少なくとも一方を０．１〜５重量部含むものが用いられる。なお、これらの添加成分は着色料としても機能する。

また、焼結体すなわち前述したセラミック層２を備える積層体３の曲げ強度をより高めるためには、低温焼結セラミック材料として、より限定的に、Ａｌ_２Ｏ_３を１５〜１７重量％含み、かつ、上記主成分の合計１００重量部に対して、上記ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯおよびＮｂ_２Ｏ_５からなる群より選ばれる少なくとも１種を０．５〜２重量部含むものが用いられる。

また、Ｑ値を向上させるためには、低温焼結セラミック材料として、より限定的に、上記ＳｉＯ_２を４７〜５７重量％含み、上記Ａｌ_２Ｏ_３を１０〜１５重量％含み、上記主成分の合計１００重量部に対して、上記ＺｒＯ_２を含む場合には、これを２〜４重量部、上記ＴｉＯ_２を含む場合には、これを０．１〜２重量部、上記ＺｎＯを含む場合には、これを０．１〜５重量部、上記Ｎｂ_２Ｏ_５を含む場合には、これを０．１〜５重量部含むものが用いられる。

上述した好ましい組成の低温焼結セラミック材料は、非ガラス系の低温焼結セラミック材料であって、上述のように出発成分としてガラス粉末を含まず、焼成中にガラス成分を生成し、このガラス成分が焼結助剤として機能する。このような構成にすると、高価であるガラスを用いることなく、安定した低温焼成セラミック基板を作製することができ、ＡｇやＣｕ等の比抵抗の小さな低融点金属との同時焼成が可能になる。また、上述した好ましい組成の低温焼結セラミック材料は、アルカリ金属を実質的に含まないので、高温、高湿などに対する耐環境性が向上し、めっき液への溶出を抑制できるといった耐薬品性をも向上させることができる。

以上のような好ましい組成の低温焼結セラミック材料は、好ましくは、
（１）ＳｉＯ_２を４７〜６７重量％、ＢａＣＯ_３を２７〜５２重量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１０〜１８重量％含むとともに、これらＳｉＯ_２、ＢａＣＯ_３およびＡｌ_２Ｏ_３の合計１００重量部に対して、ＣｅＯ_２を１〜５重量部含む、混合物を仮焼し、それによって仮焼粉を作製する工程と、
（２）上記仮焼粉に、ＭｎＣＯ_３を、ＳｉＯ_２、ＢａＣＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３およびＣｅＯ_２の合計１００重量部に対して、４〜９重量部添加する工程と
を経て製造される。

また、上述のような低温焼結セラミック材料を含むセラミックグリーン層は、好ましくは、
（１）ＳｉＯ_２を４７〜６７重量％、ＢａＣＯ_３を２７〜５２重量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１０〜１８重量％含むとともに、これらＳｉＯ_２、ＢａＣＯ_３およびＡｌ_２Ｏ_３の合計１００重量部に対して、ＣｅＯ_２を１〜５重量部含む、混合物を仮焼し、それによって仮焼粉を作製する工程と、
（２）上記仮焼粉に、ＭｎＣＯ_３を、ＳｉＯ_２、ＢａＣＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３およびＣｅＯ_２の合計１００重量部に対して、４〜９重量部添加するとともに、有機バインダを添加し、それによってセラミックスラリーを作製する工程と、
（３）前記セラミックスラリーを成形し、それによってセラミックグリーン層を形成する工程と
を経て製造される。

上述のように、低温焼結セラミック材料またはセラミックグリーン層を製造するにあたって、Ｓｉ成分、Ｂａ成分、Ａｌ成分およびＣｅ成分を仮焼してなる仮焼粉を得てから、仮焼していないＭｎ成分を上記仮焼粉に添加するようにすれば、仮焼時に仮焼合成の反応が抑制されるため、仮焼粉の粒径を微小化することができる。したがって、仮焼粉の粉砕工程を簡略化することができるとともに、これを用いて作製されるセラミックグリーン層の薄層化を容易に進めることができる。

また、仮焼粉の色がこげ茶色に変色することを防止でき、したがって、このような仮焼粉を用いて作製されたセラミックグリーン層の画像認識性を向上させることができる。

なお、低温焼結セラミック材料には、さらに、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＭｇＣＯ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯおよびＶ_２Ｏ_５の少なくとも１種を添加してもよい。この場合、上記添加物を、ＳｉＯ_２、ＢａＣＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３およびＣｅＯ_２と混合し、仮焼することによって、仮焼粉を作製してから、この仮焼粉とＭｎＣＯ_３とを混合する、あるいは、この仮焼粉とＭｎＣＯ_３と有機バインダとを混合してセラミックスラリーを作製してセラミックグリーン層を形成することにより、上記効果を得ることができる。

次に、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。

まず、出発原料として、ＳｉＯ_２、ＢａＣＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｎＣＯ_３、およびＣｅＯ_２の各粉末を準備した。

次に、ＳｉＯ_２、ＢａＣＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＺｒＯ_２の各粉末を、焼成後において、ＳｉＯ_２が５７．０重量％、ＢａＯが３１．０重量％、およびＡｌ_２Ｏ_３が１２．０重量％となり、かつこれらＳｉＯ_２、ＢａＯおよびＡｌ_２Ｏ_３の合計１００重量部に対して、ＺｒＯ_２が０．５重量部となるように調合し、次いで、ボールミルにて純水を用いて湿式混合した。そして、混合後、蒸発乾燥工程を実施し、素材混合粉末を得た。

次に、上記素材混合粉末を、大気中において、８４０℃の温度で２時間仮焼し、仮焼粉を得た。

次に、上記仮焼粉に、ＭｎＣＯ_３およびＣｅＯ_２の各粉末を、焼成後において、ＳｉＯ_２、ＢａＯおよびＡｌ_２Ｏ_３の合計１００重量部に対して、ＭｎＯが４．０重量部、ＣｅＯ_２が３．０重量部となるように調合し、次いで、ボールミルにて有機溶剤を用いて湿式混合した。この際、混合後の原料平均粒径が、１．２μｍ、１．０μｍ、０．８μｍ、０．６μｍ、０．４μｍ、および０．２μｍとなるものがそれぞれ得られるように、湿式混合時間を調整した。後掲の表１の「原料平均粒径」の欄には、これらの混合後の原料平均粒径が示されている。

次に、上記湿式混合後に、ブチラール系樹脂と可塑剤（ＤＯＰ）とをそれぞれ所定量添加し、混合して、セラミックスラリーを作製した。

次に、上記セラミックスラリーを脱泡後、ドクターブレードにより、厚さ１２．０μｍ、９．６μｍ、７．２μｍ、および４．８μｍのセラミックグリーンシートをそれぞれ作製した。

次に、上記各厚みのセラミックグリーンシートそれぞれ４枚に、Ｃｕペーストを３ｍｍ角の形状でスクリーン印刷した。

次に、各厚みのセラミックグリーンシートそれぞれについて、まず、無地のセラミックグリーンシートを４８枚積層し、次いで、Ｃｕペーストを印刷したセラミックグリーンシートを４枚積層し、さらに、無地のセラミックグリーンシートを４８枚積層した。

次に、上記のように、合計１００枚のセラミックグリーンシートを積層して得られた生の積層体を積層方向にプレスした。

次に、上記プレス後の生の積層体を、還元性雰囲気中において、９８０℃の温度で１時間焼成し、容量形成に寄与するセラミック層が３層のコンデンサ素子を内蔵する多層セラミック基板を得た。

得られた多層セラミック基板のセラミック層の１層あたりの厚みは、セラミックグリーンシートの状態で厚み１２．０μｍであったものは、１０．０μｍに、セラミックグリーンシートの状態で厚み９．６μｍであったものは、８．０μｍに、セラミックグリーンシートの状態で厚み７．２μｍであったものは、６．０μｍに、セラミックグリーンシートの状態で厚み４．８μｍであったものは、４．０μｍになっていた。表１の「セラミック層厚み」の欄には、上記セラミック層の厚みが示されている。なお、表１において、「セラミック層厚み」［μｍ］がこの発明の範囲である「４〜１０」の範囲を外れる「１２」には、下線が付されている。

このようにして得られた各試料に係る多層セラミック基板について、以下のようにして、空隙率および絶縁信頼性を評価した。表１に、これらの評価結果が示されている。

空隙率については、各試料に係る多層セラミック基板におけるコンデンサ素子領域をＳＥＭ観察し、画像認識により、コンデンサ素子を構成するセラミック層内の平面空隙率を求めた。表１の「空隙率」の欄に、測定試料数を各試料について５個としたときの平均値が示されている。なお、表１において、「空隙率」［体積％］がこの発明の範囲である「３以下」の範囲を外れるものについては、下線が付されている。

絶縁信頼性については、各試料に係る多層セラミック基板におけるコンデンサ素子に対し、１００Ｖの直流電圧を印加しながら、初期状態でのｌｏｇＩＲを測定するとともに、温度１２１℃および湿度１００％ＲＨ中において、１０００時間放置した後のｌｏｇＩＲを測定した。表１の「ｌｏｇＩＲ」における「初期」の欄には、上記初期状態でのｌｏｇＩＲが示され、同「信頼性試験後」の欄には、上記１０００時間放置後のｌｏｇＩＲが示され、いずれについても、評価試料数を各試料について２０個としたときの平均値が示されている。「信頼性試験後」の「ｌｏｇＩＲ」が１１．０未満のものは、絶縁劣化があったと判断でき、表１において、そのような１１．０未満のものについては、下線が付されている。

表１からわかるように、「空隙率」が３体積％以下であるという条件を満たす試料１〜４、７〜１０、１３〜１６、１９〜２２、２５および２６によれば、「セラミック層厚み」にほとんど左右されることなく、「信頼性試験後」の「ｌｏｇＩＲ」が「初期」の「ｌｏｇＩＲ」とほぼ同等の値を示している。

また、上記試料１〜４、７〜１０、１３〜１６、１９〜２２、２５および２６のうち、試料２５を除いて、「セラミック層厚み」が４〜１０μｍの範囲にある。

このことから、「空隙率」を３体積％以下とすることにより、高い電気絶縁性を維持しながら、「セラミック層厚み」が１０μｍ以下というように、セラミック層の薄型化を図ることができ、よって、セラミック基板の低背化を図り得ることがわかる。

なお、試料３、１０および１５では、「信頼性試験後」の「ｌｏｇＩＲ」が「初期」の「ｌｏｇＩＲ」より高い値を示しているが、これは測定誤差によるものと考えられる。

また、試料２５では、「セラミック層厚み」が１２．０μｍと比較的厚く、「原料平均粒径」が０．６μｍと比較的小さかったため、脱バインダ性に劣り、焼成後の残留炭素量が比較的多くなった。

他方、「空隙率」が３体積％を超える試料５、６、１１、１２、１７、１８、２３および２４では、「セラミック層厚み」が４〜１０μｍの範囲にあるが、この「セラミック層厚み」がより薄くなるほど、「信頼性試験後」の「ｌｏｇＩＲ」が「初期」の「ｌｏｇＩＲ」に比べて、より大きく低下している。

また、「原料平均粒径」と「空隙率」とを比較すれば、「原料平均粒径」を小さくするほど、「空隙率」を低くできることがわかる。これは、「原料平均粒径」を小さくするほど、焼結性が向上するためであると考えられる。特に、３体積％以下の「空隙率」は、０．８μｍ以下の「原料平均粒径」において得られており、このことから、「原料平均粒径」が０．８μｍ以下であれば、「空隙率」３体積％以下とすることが容易であることがわかる。

なお、試料１７と試料２６とを比較したとき、いずれも、「原料平均粒径」が０．８μｍを超える１．０μｍであるが、試料１７では、「空隙率」が４．０体積％というように比較的高いが、試料２６においては、２．５体積％というように３体積％以下の値が得られている。これは、必ずしも「原料平均粒径」に頼る必要はなく、セラミックスラリーを作製する際に用いられるバインダや溶剤等の条件を適宜設定すれば、「空隙率」を低下させ得ることを示すものである。

この発明の一実施形態によるセラミック基板１を図解的に示す断面図である。

符号の説明

１ セラミック基板
２ セラミック層
３ 積層体
４，５ 外部導体膜
６ 内部導体膜
７ ビアホール導体

Claims (9)

1. 低温焼結セラミック材料をシート状に成形し焼成してなるセラミック層を有するセラミック基板であって、前記セラミック層は、厚みが４〜１０μｍ、空隙率が３体積％以下であり、かつ、前記低温焼結セラミック材料は、その焼結助剤成分として、Ｂ_２Ｏ_３およびＲ_２Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）を実質的に含有しないことを特徴とする、セラミック基板。
2. 前記低温焼結セラミック材料は、主成分として、４７〜６７重量％のＳｉＯ_２、２１〜４１重量％のＢａＯ、および１０〜１８重量％のＡｌ_２Ｏ_３を含有する、請求項１に記載のセラミック基板。
3. 前記低温焼結セラミック材料は、前記焼結助剤成分として、２．５〜５．５重量％のＭｎＯを含有する、請求項２に記載のセラミック基板。
4. 前記低温焼結セラミック材料は、前記主成分であるＳｉＯ_２、ＢａＯおよびＡｌ_２Ｏ_３を仮焼してなる仮焼粉に、前記焼結助剤成分であって仮焼されていないＭｎＯを混合してなる材料である、請求項３に記載のセラミック基板。
5. 前記低温焼結セラミック材料は、前記主成分の合計１００重量部に対し、添加成分として、１〜５重量部のＣｅＯ_２を含有する、請求項２ないし４のいずれかに記載のセラミック基板。
6. 前記低温焼結セラミック材料は、前記主成分の合計１００重量部に対し、添加成分として、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＭｇＯおよびＦｅ_２Ｏ_３からなる群より選ばれる少なくとも１種を０．１〜５重量部含有する、請求項２ないし５のいずれかに記載のセラミック基板。
7. 前記低温焼結セラミック材料は、前記主成分の合計１００重量部に対し、添加成分として、ＣｏＯおよびＶ_２Ｏ_５のうち少なくとも一方を０．１〜５重量部含有する、請求項２ないし６のいずれかに記載のセラミック基板。
8. 前記低温焼結セラミック材料に含まれる主成分および焼結助剤成分の平均粒径（Ｄ５０）が０．８μｍ以下である、請求項１ないし７のいずれかに記載のセラミック基板。
9. 複数の前記セラミック層を積層してなるもので、表面および内部にＡｕ、ＡｇまたはＣｕを主成分とする導体パターンを有する多層セラミック基板である、請求項１ないし８のいずれかに記載のセラミック基板。

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