JP3231892B2

JP3231892B2 - 多層基板の製造方法

Info

Publication number: JP3231892B2
Application number: JP12954893A
Authority: JP
Inventors: 晃井本; 正和安井; 和雅古橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 2001-11-26
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: JPH06338686A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多層基板、Ａｇ系の内部
配線パターンを有する低温焼成の多層基板の製造方法に
関し、特にＡｇ系の内部配線パターンでコンデンサ電極
を形成した容量内蔵の多層基板の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の混成集積回路等に用いられる
回路基板には、電気絶縁性、機械的強度及び熱伝導性の
点からアルミナを主成分としたセラミック基板が利用さ
れている。しかしながら、アルミナを主成分にしたセラ
ミック材料は、１４００〜１６５０℃程度の高温で焼成
しなければならないため、基板内部に内部配線を設ける
場合には、内部配線材料としてタングステンやモリブデ
ンのような高融点金属を用いなければならない。この場
合、高融点金属の比抵抗が高いために配線抵抗が高くな
り、信号伝播速度が速い電子回路や高周波回路は構成で
きない。

【０００３】そこで、近年、ガラスフリットにアルミナ
等の無機材料フィラーを添加した低温焼成用の回路基板
が開示されている。この回路基板によれば、内部配線パ
ターンとして、金系、銀系、銅系の低融点材料が使用さ
れ、且つ低比抵抗化が可能であるため、信号伝播速度が
速い電子回路が実現できる。

【０００４】このような多層基板内に、コンデンサ電極
やコイルパターン、マイクロストリップパターンを形成
しようとした場合、基板の誘電率が温度により変化し、
容量が温度が依存するという問題点があった。

【０００５】この問題を解決すべく、例えば特開平４−
８２２９７号には、ガラスフリットに添加する無機材料
フィラーとしてアルミナと共にチタニアを使用すること
が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】現実的には、内部配線
パターンの材料は、コスト、焼成条件などを考慮して、
専らＡｇ系導体材料が使用され、ガラス−セラミックの
絶縁グリーンシート上に内部配線パターンを形成し、こ
の絶縁グリーンシートが複数積層されて、一体焼成して
いた。

【０００７】この焼成により、Ａｇ系導体のＡｇ成分
が、焼成された絶縁グリーンシート（以下、焼成後を特
に絶縁層という）に拡散してしまう。

【０００８】これにより、絶縁層の容量温度係数が、内
部配線パターンを形成しない絶縁層の容量温度係数に比
較して、正の方向に大きく変動し、比誘電率が上がる。

【０００９】従って、容量温度係数がゼロに近い実用的
な誘電特性を持つ絶縁グリーンシートを使用しても、Ａ
ｇ系の内部配線パターンでコンデンサ電極を形成した場
合、その容量温度係数は正の方向に変動し、実用的な温
度係数のコンデンサが達成できず、設計した特性を満足
しないものになる。

【００１０】例えば、ＬＣ共振回路を多層基板内に形成
する際に、その多層基板の誘電率が正の温度係数を有す
ると、その共振回路が周囲の温度により共振周波数がず
れ、機器の安定動作を損なってしまう。

【００１１】また、比誘電率が上がれば常温での共振周
波数も設計値からずれることになり、機器の動作が設計
と異なったものとなってしまう。

【００１２】また、無機材料フィラーとして、アルミ
ナ、チタニアを用いた場合、チタニアは、酸化ルテニウ
ム、六硼化ランタン、酸化スズ等を導伝物質とする厚膜
抵抗体膜に半導体的導伝性を付与し、抵抗体膜の温度特
性を負にシフトさせてしまう。

【００１３】即ち、チタニアを添加すると、多層基板の
表面に安定した特性を有する抵抗体膜の形成が困難とな
ってしまう。

【００１４】本発明の目的は、上述の問題点に鑑みて案
出されたものであり、その目的は、絶縁層へＡｇ成分が
拡散することによって、発生する容量温度特性のシフト
することを見込んで、Ａｇ拡散後においても、安定した
容量温度特性を有するコンデンサを含む多層基板の製造
方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、結晶性ガラ
ス、無機材料フィラーとして、アルミナ、チタン酸スト
ロンチウムを含有し、固形成分中１６重量％〜３４重量
％のチタン酸ストロンチウムが配合され、且つ容量温度
係数が−２４０〜２０ｐｐｍ／℃のガラス−セラミック
絶縁シート上にＡｇ系導体の内部配線パターンを形成す
る工程と、前記内部配線パターンを形成した絶縁シート
を複数積層する工程と、前記積層した絶縁シートを焼成
し、ガラス−セラミック絶縁層の容量温度係数を−４０
〜４０ｐｐｍ／℃と成す工程とを有する多層基板の製造
方法。

【００１６】

【００１７】

【作用】本発明によれば、多層基板内にＡｇ系導体の内
部配線パターンを形成した場合、焼成によってＡｇ成分
が絶縁体層に拡散してしまうが、このＡｇの拡散による
容量温度特性の上昇を見越して、焼成前の絶縁シートの
容量温度係数が−２４０〜２０ｐｐｍ／℃に設定してい
るため、焼成後の絶縁層の容量温度係数が−４０〜４０
ｐｐｍ内とすることができる。

【００１８】従って、多層基板においては、コンデンサ
電極をＡｇ系導体で形成しても、そのコンデンサの容量
温度特性が温度によって依存することが少なく、安定し
たコンデンサを形成することができ、例えば、Ｌ−Ｃ共
振回路を備える場合に、安定した共振特性を導出するこ
とができる。

【００１９】また、本発明では、絶縁シートとなる絶縁
材料の容量温度係数を調整する材料として、チタン酸ス
トロンチウムを用いているが、基板の焼成によりガラス
成分と反応、固溶することにより無機材料フィラーの結
晶構造が崩れ、誘電率の温度特性の改善効果がなくなら
なず、また、内部配線パターンや、基板表面に形成する
導体、抵抗体の特性に影響を与えることがなく、また、
アルミナとともに用いることにより、基板の強度が十分
維持できる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の多層基板の製造方法を図面に
基づいて詳説する。図１は、本発明に係る多層基板の断
面構造を示す図である。

【００２１】１は絶縁層１ａ〜１ｅが積層した基板本体
であり、２・・・は内部配線パターンであり、３・・・
間を接続するビアホール導体であり、４・・・は表面配
線パターン、５は抵抗体膜、６は電子部品である。尚、
内部配線パターン２の中で、特に２１、２２はコンデン
サＣを形成するための対向しあうコンデンサ電極であ
る。

【００２２】絶縁層１ａ〜１ｅは、結晶性ガラスとアル
ミナ及びチタン酸ストロンチウム（無機材料フィラー）
とを含むガラス−セラミック材料からなり、５０〜３０
０μｍの厚みを有している。

【００２３】結晶性ガラスと無機材料フィラーとの構成
比率は、無機材料フィラーが１０〜６０重量％の範囲で
ある。無機材料フィラーが１０重量％未満であると焼成
によって得られる基板本体１の強度が不充分になる。一
方、無機材料フィラーが６０重量％を越えると焼成後の
基板本体１中のガラス成分が不足するため、緻密な焼結
体が得られず、基板本体１として使用出来なくなる。さ
らに好ましくは無機材料フィラーの構成比率は３０〜５
０重量％である。

【００２４】絶縁層１ａ〜１ｅの層間には、Ａｇ系、即
ちＡｇ単体、Ａｇ合金などの導体材料からなる内部配線
パターン２・・、コンデンサ電極２１、２２が配置され
ている。この内部配線パターン２・・の相互の接続は、
絶縁層１ａ〜１ｅの厚みを貫くように形成されたＡｇ系
導体のビアーホール導体３・・によって達成する。

【００２５】また、絶縁層１ａ〜１ｅ、及び内部配線パ
ターン２・・・、コンデンサ電極、２１、２２、ビアー
ホル導体３・・・から成る基板本体１の主面には、ビア
ーホール導体３・・・によって内部配線パターン２・・
・に接続された表面配線パターン４・・・が形成され、
さらに、必要に応じて厚膜抵抗体膜５が形成され、各種
電子部品６が搭載される。尚、図では、厚膜抵抗体膜５
や電子部品６が表面側の主面にのみ形成されているが、
裏面側の主面にも形成しても構わない。

【００２６】このような多層基板の製造方法を次の通り
である。

【００２７】まず、絶縁層１ａ〜１ｅとなる絶縁スラリ
ー材を形成する。まず、固体成分である結晶性ガラス、
アルミナ、チタン酸ストロンチウムと有機バインダー
（例えばポリメタクリレート樹脂）と、可塑剤（例えば
ジブチルフタレート）と、溶剤（例えばメチルエチルケ
トン）と、他の添加剤（例えば消泡剤）とを所定の割合
で混合し、これをボールミルを用いて２４〜７２時間程
度混練して均質なスラリーを調整する。このスラリーを
脱泡処理した後、例えばドクターブレード法等の公知の
方法により５０〜３００μｍ程度の厚みのグリーンシー
トを形成する。

【００２８】次に、得られたグリーンシートの表面に、
内部配線パターン２・・・、コンデンサ電極２１、２２
となるように、所定のＡｇ系の導体ペーストで、導体膜
を印刷形成する。尚、内部配線パターン２・・・の導体
膜の形成に先立って、内部配線パターン２・・・間の接
続を考慮して、ビアホール導体３・・・となるスルホー
ルをグリーンシートに形成し、Ａｇ系の導体ペーストの
充填印刷を行う。

【００２９】尚、上述のＡｇ系導体ペーストは、Ａｇ粉
末、Ａｇ粉末と無機材料フィラーとの混合物、またはＡ
ｇ粉末とガラスとの混合物に有機ビヒクルを添加して混
練することにより得られる。また、Ａｇ単体に代えて、
Ａｇ合金、例えばＡｇ−Ｐｄを用いても構わない。

【００３０】次に、所定の内部配線パターン２・・・、
コンデンサ電極２１、２２となる導体膜が形成されたグ
リーンシートを所定の順に積層して熱圧着等を行い積層
体を得る。

【００３１】そして、得られた積層体を所定の大きさに
切断して焼成する。積層体の焼成は、２段階で行う。ま
ず第１段階目の焼成はグリーンシート等に含まれている
有機成分（有機バインダー他）を除去する脱バインダー
過程である。この過程は基板本体１中のガラスの軟化点
以下が好ましく、通常５００℃前後の温度で行われる。
次に第２段階目の焼成は基板本体１、即ち、絶縁層１ａ
〜１ｅ、内部配線パターン２・・・、コンデンサ電極２
１、２２を焼成する。このときの焼成温度はガラスや内
部配線パターンの導体材料の融点から主に決定される
が、８００〜１０５０℃で行う。これにより、焼成が完
了すると基板本体１が得られる。その後、得られた基板
本体１の主面上に、表面配線パターン４となる導体膜を
形成・焼きつけを行い、厚膜抵抗体５となる抵抗体膜を
形成・焼きつけを行い、さらに、表面配線パターン４上
に各種電子部品６の接合を行う。

【００３２】このような構造の多層基板において、特
に、絶縁層１ａ〜１ｅは、結晶性ガラスと無機材料フィ
ラーのアルミナで構成した場合には、結晶化ガラス、ア
ルミナの容量温度係数が共に正の係数を有する材料であ
るため、絶縁層の容量温度係数は正の係数を有するもの
となる。

【００３３】そして、このような絶縁層１ａ〜１ｅに内
部配線パターン２・・・であるＡｇ成分が拡散し、絶縁
層１ａ〜１ｅの容量温度係数は一層正の方向に大きくな
ってしまう。

【００３４】本発明の特徴的なことは、絶縁層１ａ〜１
ｅとなる絶縁材料に、無機材料フィラーの構成材料とし
て、誘電率の温度特性が負であるチタン酸ストロンチウ
ムを加えて、Ａｇ成分の拡散後の焼成後の絶縁層１ａ〜
１ｅの容量温度特性が−４０〜４０ｐｐｍ／℃になるよ
うに調整したことである。

【００３５】Ａｇ成分の拡散による容量温度特性の変動
量は、絶縁層１ａ〜１ｅに拡散したＡｇ成分の割合によ
り変化する。Ａｇ成分の拡散量が多いほど、その変動量
が大きくなる。また、対向しあうコンデンサ電極２１、
２２の電極間隔が小さくなる（絶縁層の厚みが薄い）ほ
ど、その変動量が大きくなる。

【００３６】また、Ａｇ成分の絶縁層１ａ〜１ｅへの拡
散量は、絶縁材料中に占める結晶化ガラスの組成比率や
内部配線用の導体ペーストに占めるＡｇの割合等に関係
し、絶縁層１ａ〜１ｅの内の結晶化ガラスの割合が多い
ほど、また、結晶化ガラスの軟化点が低いほど、その拡
散量は多くなり、容量温度係数の変動量は大きくなる。

【００３７】本発明の多層基板の内部配線パターン２、
コンデンサ電極２１、２２に使用されるＡｇ系導体は、
導体の焼成収縮挙動及び熱膨張系数を絶縁層１ａ〜１ｅ
に近づけるために、無機材料フィラーやガラスを混合す
る場合が多いが、Ａｇ系導体中のＡｇ成分の割合が多く
なるほど、Ａｇ成分の拡散量は多くなり、容量、温度係
数の変動量は大きくなる。

【００３８】上述を考慮して、実用的な範囲におけるＡ
ｇ成分の拡散による誘電特性の変化は、容量温度特性の
変動は正の方向に２０〜２００ｐｐｍ／℃、比誘電率は
１．０５〜１．５倍となることがわかった。

【００３９】従って、Ａｇ成分の拡散されない状態の絶
縁層の容量温度係数が−２４０〜２０ｐｐｍ／℃となる
ように、絶縁材料をあらかじめ調整することにより、焼
成後のＡｇ成分が拡散した絶縁層１ａ〜１ｅの容量温度
係数を−４０〜４０ｐｐｍ／℃とすることができる。
尚、適正な配合量は比誘電率の対数混合則等により設計
し、実験で確認すれば得られる。

【００４０】例えば、絶縁層１ａ〜１ｅに占めるガラス
成分の割合とその組成、導体材料に占めるＡｇ成分の割
合から、Ａｇ成分の拡散による容量温度係数の変動が１
００ｐｐｍ／℃であることが確かめられている絶縁層１
ａ〜１ｅの組成においては、無機材料フィラー中のアル
ミナと容量温度係数が負であるチタン酸ストロンチウム
の割合を調整して、例えば固形成分に対して１５重量％
以上添加して、Ａｇ成分の拡散がない場合の容量温度係
数を−２４０〜２０ｐｐｍ／℃とするようにすれば、Ａ
ｇ成分の拡散によって、拡散された後の絶縁層１ａ〜１
ｅの容量温度係数は−４０〜４０ｐｐｍ／℃と実用的な
容量温度係数となる。

【００４１】尚、容量温度係数が負である無機材料フィ
ラーとしてはチタン酸ストロンチウムの他に、チタニ
ア、チタン酸カルシウム、スズ酸ストロンチウム等の誘
電体材料が知られているが、この中で、特にチタン酸ス
トロンチウムを用いる理由として、基板本体１の表面
に、酸化ルテニウムなどの厚膜抵抗体膜５を安定して形
成することができ、ガラス成分と反応、固溶することに
よる結晶構造の崩壊が抑えられ、強固な絶縁層１ａ〜１
ｅが達成できるためである。

【００４２】例えば、チタニアを添加した場合、チタニ
ア成分が酸化ルテニウムなどの厚膜抵抗体膜５に拡散し
て、抵抗体の特性に影響を与えることがある。

【００４３】また、チタン酸カルシウム、スズ酸ストロ
ンチウムは、基板本体の焼成によりガラス成分と反応、
固溶することにより、無機材料フィラーの結晶構造が崩
れてしまうことがある。

【００４４】尚、本発明の多層基板の絶縁材料の組成に
対し、ガラスと無機材料フィラー（アルミナ、チタン酸
ストロンチウム）の他に、例えば酸化剤等の第３成分が
所望により添加されても良い。但し、その際は、その材
料の最終材料状態により、材料設計の段階においてその
特性と配合量を考慮して処材料の組成を調整しなくては
ならない。

【００４５】（実験例）絶縁層１ａ〜１ｅとなる絶縁材
料のガラス成分として、酸化珪素５１モル％、酸化アル
ミニウム１９モル％、酸化マグネシウム１９モル％、酸
化亜鉛８モル％、酸化硼素３モル％（それに相当する硼
酸）を混合し、約１６００℃で溶解した後、水中に投下
し急冷し、得られたガラスを水とアルミナボールととも
にアルミナポットに入れ、湿式粉砕して乾燥した。これ
により、平均粒径２〜３μｍの結晶化ガラスフリットを
作成する。

【００４６】次に、得られた結晶化ガラスフリットを表
１に示す割合で、アルミナ粉末、チタン酸ストロンチウ
ム粉末と混合した。そしてその混合物を水とアルミナボ
ールとともにアルミナポットに入れ、ボールミル混合し
た後に乾燥して、基板用組成物を得た。

【００４７】得られた基板用組成物１０００ｇに対しア
クリル樹脂１００ｇと可塑剤７０ｇ及びトルエン４００
ｇを加えてスラリーを作成し、このスラリーに真空脱泡
処理を施した。このスラリーを用いて、ドクターブレー
ド法によりグリーンシートを作成した。

【００４８】まず、Ａｇ成分の拡散がない絶縁層１ａ〜
１ｅを得るために、このグリーンシートを総厚みが１．
２ｍｍになるように積層してホットプレスし、得られた
積層体を８７０℃１時間で焼成して基板本体試料を得
た。

【００４９】得られた基板本体試料の両面にインジウム
ーガリウムの導電膜を形成し、ＪＩＳ２１４１に準拠し
て、Ｃメーターにより１ＭＨｚで計測し、基板本体試料
の誘電率得た。この結果を表２の絶縁層の誘電体特性と
して、比誘電率と容量温度特性を測定した。

【００５０】また、これとは別に、Ａｇ成分が拡散した
基板本体試料を得るためには、表１の実施例１〜６に示
す所定量の固形成分の配合量、所定厚みのグリーンシー
ト、所定Ａｇ配合量のＡｇ系導体ペーストを用いて、グ
リーンシートに、貫通孔を形成し、Ａｇ系導体ペースト
を充填し、さらに、Ａｇ系導体ペーストを印刷して１層
のグリーンシートを挟むようにコンデンサ電極を形成
し、このグリーンシートを総厚みが１．２ｍｍになるよ
うに積層してホットプレスし、得られた積層体を８７０
℃、１時間で焼成してコンデンサ内蔵の基板本体試料を
作成した。

【００５１】Ａｇ系導体ペーストは、粒径０．５〜５μ
ｍの銀粉末、ガラス、バインダーとしてエチルセルロー
ス、溶剤として２．２．４−トリメチル−１．３−ペン
タジオールモノイソブチレートを３本ロールミルで混練
したものを使用した。

【００５２】このようにして得られたコンデンサ内蔵の
基板本体試料を、ＪＩＳ２１４１に準拠して、Ｃメータ
ーにより１ＭＨｚで計測し、表２に示す内蔵コンデンサ
の誘電体特性として、比誘電率、容量温度特性を測定し
た。

【００５３】

【表１】

【００５４】

【表２】

【００５５】比較例１〜６は、絶縁層の容量温度係数を
ゼロに近くなるように組成を調整したものであり、内部
にＡｇ銀系導体の内部配線パターンやコンデンサ電極を
一体的に焼成することにより、Ａｇ成分が拡散して、容
量温度係数が正の方向に大きく変動しており、実用的な
ものは得られない。

【００５６】これに対し、実験例１〜６に示す組成場合
には、焼成前の絶縁材料の容量温度係数が大きく、負の
特性となっているが、内部にＡｇ系の内部配線パターン
やコンデンサ電極を一体的に焼成することにより、コン
デンサの容量温度係数が正の方向に変動し、結果とし
て、±４０ｐｐｍ／℃以内にすることができる。

【００５７】このように、容量温度特性が±４０ｐｐｍ
／℃以内にすることができるため、例えばＬ−Ｃ共振回
路を形成した場合、温度の変化に対する容量の変化が少
なく、共振周波数の大きくな変動がなくなり、共振回路
として、安定した動作が可能となる。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、焼成による絶縁層へのＡ
ｇ成分が拡散することによって、発生する容量温度特性
のシフトすることを見込んで、予め、チタン酸ストロン
チウムを無機物フィラーとして混合したため、Ａｇ系導
体と一体的に焼成しても、結果として、安定した容量温
度特性を有する多層基板となり、特にコンデンサ成分を
内蔵するにあたり、極めて有益な製造方法ものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の係る断面構造図である。

【符号の説明】

１・・・・・・・基板本体１ａ〜１ｅ・・・絶縁層２・・・・・・・内部配線パターン２１、２２・・・コンデンサ電極３・・・・・・・ビアホール導体４・・・・・・・表面配線パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 3/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固形成分中１６重量％〜３４重量％のチ
タン酸ストロンチウム、アルミナ及び結晶性ガラスを含
有し、且つ容量温度係数が−２４０〜２０ｐｐｍ／℃の
ガラス−セラミック絶縁シート上にＡｇ系導体の内部配
線パターンを形成する工程と、前記内部配線パターンを
形成した絶縁シートを複数積層する工程と、前記積層し
た絶縁シートを焼成し、ガラス−セラミック絶縁層の容
量温度係数を−４０〜４０ｐｐｍ／℃と成す工程とを有
する多層基板の製造方法。