JP2014029889A - セラミック多層基板、およびセラミック多層基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを低減することのできるセラミック多層基板、およびセラミック多層基板の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミナ基板部２と、アルミナ基板部２の上面、もしくは下面のどちらかの面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部３と、からなるセラミック多層基板としたので、セラミック多層基板の製造コストを低減することができるので、安価なセラミック多層基板を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック多層基板の製造方法に関するものである。

セラミック多層基板は、耐熱性・耐湿性に優れ、また、高周波回路において良好な周波数特性を有することから、モバイル機器のＲＦ（Ｒｅｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）モジュール、放熱性を利用したパワーＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）用の基板や液晶のバックライト向けＬＥＤ用の基板、また、自動車搭載用の電子制御回路用の基板として用いられている。

従来のセラミック多層基板の製造方法としては、以下のようなものが開示されていた。例えば、グリーンシートの焼結温度よりも高い温度で焼結されたアルミナ基板部の上下面にグリーンシートを積層して積層体を得る第１の積層工程と、前記積層体の最外層に、前記グリーンシートの焼結温度では焼結しない拘束層を積層し第２の積層体を得る第２の積層工程と、前記第２の積層体を２８０℃以上３５０℃以下の範囲の第１の加熱温度で所定時間加熱して前記グリーンシートに含まれるバインダー成分を除去する脱バインダー工程と、前記第２の積層体を８００℃以上１０００℃以下の範囲の温度で焼結させる焼成工程と、前記第２の積層体から前記拘束用グリーンシートを取り除く拘束層除去工程と、を含むことを特徴とするセラミック多層基板の製造方法が開示されていた（これに類似する技術は下記特許文献１に記載されている）。

特開２００５−２８６３１１号公報

前記従来例における課題は、拘束層を積層する工程（前述の特許文献１における第２の積層工程）と、拘束層を除去する工程（前述の特許文献１における拘束層除去工程）という工程が必要であるため、その結果として、セラミック多層基板の製造コストが高くなるという課題を有していた。

そこで、本発明は、セラミック多層基板の製造コストを低減することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、アルミナ基板部と、前記アルミナ基板部の上面、もしくは下面のどちらかの面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部と、からなるセラミック多層基板とし、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、アルミナ基板部と、前記アルミナ基板部の上面、もしくは下面のどちらかの面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部と、からなるセラミック多層基板としたものであるので、セラミック多層基板の製造コストを低減することができる。

すなわち、本発明においては、アルミナ基板部と、前記アルミナ基板部の上面、もしくは下面のどちらかの面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部と、からなるセラミック多層基板としたので、セラミック多層基板の製造工程において、拘束層を用いなくても、第１のセラミック基板部を焼成する際の平面方向の収縮をほぼゼロとすることができるので、拘束層を積層する工程（前述の特許文献１における第２の積層工程）と、拘束層を除去する工程（前述の特許文献１における拘束層除去工程）が不要となる。

このように、セラミック多層基板において、拘束層を積層する工程と、拘束層を除去する工程が不要となるので、セラミック多層基板の製造工程の工数を削減することができるので、その結果として、セラミック多層基板の製造工程の製造コストを低減することができるのである。

本発明の実施の形態１におけるセラミック多層基板の断面図 ＳＥＭで観察したセラミック多層基板の第１のセラミック基板部の表面のイメージ図であり、（ａ）は従来例のセラミック多層基板の第１のセラミック基板部の表面のイメージ図、（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるセラミック多層基板の第１のセラミック基板部の表面のイメージ図 本発明の実施の形態１におけるセラミック多層基板のプロセスフローを示す図 本発明の実施の形態１におけるグリーンシートの断面図を示すものであり、（ａ）はグリーンシート９Ａの断面図、（ｂ）はグリーンシート９Ｂの断面図 本発明の実施の形態１の積層工程における積層手順を示す断面図 本発明の実施の形態１の積層工程における積層体の断面図 本発明の実施の形態１の積層工程における加圧加熱方法を説明する断面図 本発明の実施の形態１の脱バインダー工程における加圧加熱方法を説明する断面図 本発明の実施の形態１の焼成工程における加圧加熱方法を説明する断面図 本発明の実施の形態１の焼成工程後における積層体の断面図 本発明の実施の形態２におけるセラミック多層基板の断面図

以下に、本発明の一実施形態を図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
［１］セラミック多層基板１の構成
まず、はじめに、本発明の実施１におけるセラミック多層基板の構成に関して説明する。図１は、実施の形態１におけるセラミック多層基板の断面図を示すものである。

図１に示すように、セラミック多層基板１は、アルミナ基板部２と、アルミナ基板部２の上面にアルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部３と、アルミナ基板部２の下面にアルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第２のセラミック基板部４とから構成されている。

ここで、アルミナ基板部２の厚さ：０．３［ｍｍ］、第１のセラミック基板部３の厚さ：０．１［ｍｍ］、第２のセラミック基板部４の厚さ：０．１［ｍｍ］
になるように構成した。

また、アルミナ基板部２の内部、第１のセラミック基板部３の内部、および第２のセラミック基板部４の内部には、ビア５、内部配線部６が形成されている。
また、図１に示すように、第１のセラミック基板部３の上面、および第２のセラミック基板部４の下面には、このセラミック多層基板１に所望の電子部品（例えばＩＣ＝Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｕｉｒｃｕｉｔ）を実装するための外部電極７や、所望の回路パターン配線部８を有している。

本実施形態において、アルミナ基板部２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）成分が９６［ｗｔ％］のシート状で、かつ、予め後述のグリーンシートの焼結温度よりも高い温度で焼結されているものを用いた。

また、本実施形態において、第１のセラミック基板部３と第２のセラミック基板部４は、後述で詳しく説明するが、何れも、アルミナ粉末を５５［ｗｔ％］、ガラス粉末を４５［ｗｔ％］の割合で配合したガラス・セラミックの固体成分と、有機溶剤等からなる有機バインダーを、固体成分と有機バインダーとの割合が、固体成分８４：有機バインダー１６の重量比の割合で混合された組成物からなる、シート状の形状のグリーンシートと呼ばれるものを、それぞれアルミナ基板部２の上下面に配置し、その後、加圧、加熱を行うことによって、グリーンシートを焼成することによって形成される。

また、本実施形態において、アルミナ基板部２、第１のセラミック基板部３、及び第２のセラミック基板部４の内部にあるビア５は、前述の焼成前のグリーンシートに、予め、例えば、ＮＣパンチプレス（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌパンチプレス）によって孔を形成し、その後、その孔に導体ペーストを充填し、更に前述のセラミックシートを焼成する際に同時に焼成される事によって形成する。なお、本実施形態において、銀（Ａｇ）粒子とガラス成分を含有する導体ペーストを用いた。

また、本実施形態において、アルミナ基板部２、第１のセラミック基板部３、及び第２のセラミック基板部４の内部にある内部配線部６は、前述の焼成前のグリーンシートに、予め、スクリーン印刷法を用いて所望のパターンに印刷して形成後、前述のセラミックシートを焼成する際に同時に焼成される事によって形成している。なお、本実施形態においては、銀（Ａｇ）粒子とガラス成分を含有する導体ペーストを用いた。
また、本実施形態において、第１のセラミック基板部３、及び第２のセラミック基板部４の上下面の外部電極７、回路パターン配線部８は第１のセラミック基板部３、及び第２のセラミック基板部４の形成後、導体ペーストをスクリーン印刷法を用いて所望のパターンに印刷して形成後、前述のセラミックシートを焼成する温度より低い温度で、かつ、この導体ペーストが十分に焼成される温度にて熱処理を行うことによって形成する。なお、本実施形態においては、ビア５、内部配線部６と同じく、銀（Ａｇ）粒子とガラス成分を含有する導体ペーストを用いた。

以上が、本実施形態におけるセラミック多層基板１の構成の説明である。

［２］第１のセラミック基板部３の表面の分析
それでは、次に、本発明の実施の形態１における第１のセラミック基板部３の表面の分析を実施したので、その結果を説明する。

今回の分析は、図１中のＡで示す方向にて、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、走査型電子顕微鏡）で、セラミック多層基板１の第１のセラミック基板部３の表面の分析を行った。
図２は、ＳＥＭで観察したセラミック多層基板の第１のセラミック基板部の表面のイメージ図であり、図２（ａ）は従来例のセラミック多層基板の第１のセラミック基板部の表面のイメージ図、図２（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるセラミック多層基板の第１のセラミック基板部の表面のイメージ図である。なお、図２（ａ）、図２（ｂ）両者とも、ＳＥＭにて１５００倍に拡大した撮影されたイメージ図である。

図２（ａ）と、図２（ｂ）を比較すると、本実施形態における第１のセラミック基板部の表面は、従来例の第１のセラミック基板部の表面より、表面の凹凸が小さいことがわかる。これは、本実施形態のセラミック多層基板の第１のセラミック基板部が、ガラスリッチ（ガラス成分は多く存在している）であるためであうと考えられる。

実際に、図２（ａ）、図２（ｂ）の観察と同時に、ＳＥＭにてその表面の元素分析を行った。その結果は表１に示す。

表１に示すように、本実施形態における第１のセラミック基板部の表面においては、従来例の第１のセラミック基板部の表面より、Ｓｉ（シリコン）、Ｃａ（カルシウム）が多く観測されている。特に、Ｓｉ（シリコン）は、６［質量％］以上と、従来例に比べ約２倍のＳｉ（シリコン）が検出されている。

また、Ｃａ（カルシウム）も、Ｓｉ（シリコン）ほど顕著ではないが、従来例にくらべ多く検出されている。

このＳｉ（シリコン）やＣａ（カルシウム）が多く検出された検出されたという結果より、本実施形態における第１のセラミック基板部の表面はガラスリッチである、ということを示している。

すなわち、セラミック多層基板における第１のセラミック基板部の表面がガラスリッチであることは、従来例のような拘束層を用いるセラミック多層基板の製造方法を用いたのではなく、本実施形態のように拘束層が未使用であるセラミック多層基板の製造方法を用いたことであるといえる。

なお、今回の分析は第１のセラミック基板部３の分析を行ったが、第１のセラミック基板部３と第２のセラミック基板部４の材料、およびその製造方法は同等であるため、実質的に第２のセラミック基板部４の分析を行った場合も、同等の結果を得ることができる、と考えられる。

［３］セラミック多層基板１の製造方法
それでは、以下に、本発明の実施の形態１におけるセラミック多層基板１の製造方法について説明する。

図３は、本実施形態のセラミック多層基板１のプロセスフローを示す図であり、大きく分けて、ステップ１：グリーンシート準備工程と、ステップ２：積層工程と、ステップ３：脱バインダー工程と、ステップ４：焼成工程と、ステップ５：外部電極・回路パターン配線部形成工程という、５つのステップからなるものである。

［ステップ１：グリーンシート準備工程］
先ずは、図４を用いてステップ１について説明する。

図４は、本発明の実施の形態１におけるグリーンシートの断面図を示すものであり、図４（ａ）はグリーンシート９Ａの断面図、図４（ｂ）はグリーンシート９Ｂの断面図を示すものである。

本実施形態においては、純のグリーンシート（アルミナ粉末を５５［ｗｔ％］、ガラス粉末を４５［ｗｔ％］の割合で配合したガラス・セラミックの固体成分と、有機溶剤等からなる有機バインダーを、固体成分と有機バインダーとの割合が、固体成分８４：有機バインダー１６の重量比の割合で混合された組成物をシート状に形成したもの）から、図４（ａ）、図３（ｂ）に示すように、グリーンシート９Ａ（図４（ａ））、グリーンシート９Ｂ（図４（ｂ））を作成する。

まず、はじめに、図４（ａ）に示すグリーンシート９Ａに関して説明する。グリーンシート９Ａには、例えば、ＮＣパンチプレスによって孔を形成し、その後、その孔に導体ペーストを充填することによって、ビア５を形成する。これにて、グリーンシート９Ａが完成する。

次に、図４（ｂ）に示すグリーンシート９Ｂに関して説明する。グリーンシート７Ｂは、はじめに、グリーンシート９Ａと同様に、ビア５を形成する。 これにて、グリーンシート９Ｂが完成する。

［ステップ２：積層工程］
次に、図５、図６、図７を用いてステップ２の積層工程について説明する。

図５は、本発明の実施の形態１の積層工程における積層手順を示す断面図である。また、図６は、本発明の実施の形態１の積層工程における積層体の断面図を示すものである。また、図７は、本発明の実施の形態１の積層工程における加圧加熱方法を説明する断面図を示すものである。

一般に、アルミナ粉末とガラス粉末を配合したガラス・セラミックの組成物で、シート状の形状のグリーンシートを、高温を印加すると、アルミナ粉末とガラス粉末が焼成することによって、そのグリーンシートの体積（平面方向、および厚さ方向）に収縮する。

本実施形態においても、次の工程であるステップ３：脱バインダー工程、ステップ４：焼成工程にて、積層体１０に熱を印加するのであるが、その際、図５に示すように、予め、グリーンシート９Ａ、９Ｂの焼結温度よりも高い温度で焼結されたアルミナ基板部２を挟み込むように、グリーンシート９Ａ、９Ｂを配置する。
こうすることによって、グリーンシート９Ａ、９Ｂは、図５中に示す、Ｘ方向、およびＹ方向（すなわち、図６に示す積層体１０の平面方向）には収縮せず、Ｚ方向（すなわち、図６に示す積層体１０の厚さ方向）にのみ収縮する。このグリーンシート９Ａ、９ＢをＸ方向、Ｙ方向に収縮させないために、このアルミナ基板部２を使用するのである。
次に、図５を用いて、グリーンシート９Ａ、９Ｂと、アルミナ基板部２を積層し、図６中に示す積層体１０を準備する方法を説明する。

まず、グリーンシート９Ｂ上にアルミナ基板部２を、アルミナ基板部２に形成されているビア５と、グリーンシート９Ｂに形成されているビア５の位置が合うように位置合わせを実施しながら積層する。

なお、図５にも示すように、アルミナ基板部２は、予め、上面に導体ペーストを、スクリーン印刷法を用いて所望のパターンに印刷して内部配線部６を形成してある。

次に、アルミナ基板部２上のグリーンシート９Ａを積層する。

このようにして、図６に示すような、積層体１０が準備されるのである。

次に、図７に示すように、積層体１０の上下面に石英ガラス板１１を配置し、それを台座１２上に配置し、その上面から加圧加熱をすることによって、積層体１０中のグリーンシート９Ａ、９Ｂ、および、アルミナ基板部２を仮接着する。

ここで、図６中の積層体１０は、図７中の積層体１０と同一のものであるが、図７中のグリ積層体１０は簡略化して図示している。

また、本実施形態において、積層体１０上の石英ガラス板１１上から加圧した圧力は１５．２［ＭＰａ］とし、加熱温度は８５［℃］を用いた。このようにして、グリーンシート積層体１０中のグリーンシート９Ａ、９Ｂ、および、アルミナ基板部２を仮接着する。
なお、積層体１０と、積層体１０の上下面に配置した石英ガラス板１１とは、材質が石英（ＳｉＯ２）であるため接着されることはない。

［ステップ３：脱バインダー工程］
次に、ステップ３の脱バインダー工程について説明する。

図８は、本発明の実施の形態１の脱バインダー工程における加圧加熱方法を説明する断面図を示すものである。
この工程では、図８に示すように、（図７と同じように）、積層体１０の上下面に石英ガラス板１１を配置し、それを台座１３上に配置し、その上面から加熱をすることによって、積層体１０中のグリーンシート９Ａ、９Ｂの有機バインダーを除去する。

本実施形態において、積層体１０上に石英ガラス板１１をつけた状態で、加熱温度は６５０［℃］にて加熱を行った。このようにして、積層体１０中のグリーンシート９Ａ、９Ｂ内部の有機バインダーを除去する。

［ステップ４：焼成工程］
次に、ステップ４の焼成工程について説明する。

図９は、本発明の実施の形態１の焼成工程における加圧加熱方法を説明する断面図を示すものである。また、図１０は、本発明の実施の形態１の焼成工程後の積層体１０の断面図を示すものである。
積層体１０の上下面に石英ガラス板１１を配置し、それを台座１４上に配置し、加熱をすることによって、積層体１０を焼成する。

本実施形態において、積層体１０上に石英ガラス板１１を配置した状態とし、加熱温度は前述のように９００［℃］を用いた。
このようにして、この焼成工程後、図１０に示すように、積層体１０内部のグリーンシート９Ａ、９Ｂは、その厚さ方向に収縮したものになる。
［ステップ５：外部電極・回路パターン配線部形成工程］
次に、ステップ５の外部電極・回路パターン配線部形成工程について説明する。

ステップ４にて焼成された（図１０に示すような）積層体１０の表裏面（上下面）に、図１に示すような、所望の外部電極７や、回路パターン配線部８を形成する。

本実施形態においては、前述のように、スクリーン印刷法を用いて、導体ペーストを所望のパターンに印刷して形成し、その後、ステップ４の焼成工程で印加した温度より低い温度で、かつ、導体ペーストが十分に焼成される温度にて熱処理を行うことによって形成した。本実施形態においては、この導体ペーストの焼成温度が８５０℃の銀（Ａｇ）ペーストを用い、焼成のための熱処理温度は８５０［℃］を用いた。

この工程後の積層体１０は、図１に示すような、本実施形態のセラミック多層基板になる。

以上のように、図２に示すステップ１からステップ５を行うことによって、本実施形態のセラミック多層基板を製造することができる。

［４］本実施形態の発明の効果
以上をまとめると、本発明においては、アルミナ基板部と、前記アルミナ基板部の上面、もしくは下面のどちらかの面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部と、からなるセラミック多層基板、としたので、セラミック多層基板の製造工程において、拘束層を用いなくても、第１のセラミック基板部を焼成する際の平面方向の収縮をほぼゼロとすることができるので、拘束層を積層する工程（前述の特許文献１における第２の積層工程）と、拘束層を除去する工程（前述の特許文献１における拘束層除去工程）が不要となる。

このように、セラミック多層基板において、拘束層を積層する工程と、拘束層を除去する工程が不要となるので、セラミック多層基板の製造工程の工数を削減することができるので、その結果として、セラミック多層基板の製造工程の製造コストを低減することができるのである。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に関して説明する。

図１１は、本発明の実施の形態２におけるセラミック多層基板の断面図を示すものである。本実施形態と前述の実施の形態１と異なるのは、セラミック多層基板１５内部のアルミナ基板部２の上面、もしくは下面のどちらかの片面（本実施形態では上面）のみに、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部を配置している点である。

本実施形態のように、セラミック多層基板１５内部のアルミナ基板部２の上面、もしくは下面のどちらかの片面のみに、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部を配置しても、前述の実施の形態１と同じ効果を得ることができる。

本発明にかかるセラミック多層基板は、セラミック多層基板の製造工程の製造コストを低減することができるので、特に、最近普及の進んでいる液晶テレビや携帯電話の液晶画面用のバックライト向けＬＥＤ用の基板として用いられることが大いに期待されるものとなる。

１、１５ セラミック多層基板
２ アルミナ基板部
３ 第１のセラミック基板部
４ 第２のセラミック基板部
５ ビア
６ 内部配線部
７ 外部電極
８ 回路パターン配線部
９Ａ、９Ｂ グリーンシート
１０ 積層体
１１ 石英ガラス板
１２、１３、１４ 台座

Claims (6)

1. アルミナ基板部と、
   前記アルミナ基板部の上面、もしくは下面のどちらかの面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部と、
   からなるセラミック多層基板。
2. アルミナ基板部と、
   前記アルミナ基板部の上面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第１のセラミック基板部と、
   前記アルミナ基板部の下面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを焼成することに形成された第２のセラミック基板部と、
   からなるセラミック多層基板。
3. 前記第１のセラミック基板部の表面がガラスリッチであること、
   を特徴とする請求項１乃至２に記載のセラミック多層基板。
4. 前記第１のセラミック基板部の表面におけるシリコン（Ｓｉ）含有率が６．０質量％以上であること、
   を特徴とする請求項３に記載のセラミック多層基板。
5. 前記アルミナ基板部の厚さに対する前記第１のセラミック基板部の厚さの比率が、３分の１以下であることを特徴とする請求項１乃至２に記載のセラミック多層基板。
6. アルミナ基板部の上下面に、アルミナ成分とガラス成分を有するグリーンシートを積層して積層体を得る積層工程と、
   前記積層体を焼結させる焼成工程と、
   を含むことを特徴とするセラミック多層基板の製造方法。

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