JP3396494B2 - スルーホールを備えたセラミックス基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スルーホールを備えた
セラミックス基板の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のセラミックス基板の製造
方法では、先ずセラミックス粉末を含むスラリーからシ
ート状の成形体が成形され、その成形体にはパンチング
等によって微細なスルーホール形成用孔が透設される。
次いで、スルーホール形成用孔内には、タングステン等
を含む導電性金属ペーストが充填され、更にそのグリー
ンシートには焼成が施される。即ち、この方法では、未
焼結の成形体にペーストを充填した後に前記成形体を焼
結させている。

【０００３】また、上記の製造方法によると、最小形成
ピッチが０．８mm〜１．０mm程度、または最小径が０．
２mm程度のスルーホール形成用孔であれば、ペーストを
比較的容易にかつ確実に充填することが可能である。ま
た、近年においては、これよりも更にファインなスルー
ホールを備えた基板に対する要請が高まっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、スルーホール形
成用孔のファイン化は、必然的にペースト充填性の悪化
を伴うことが知られている。従って、ファインなスルー
ホール形成用孔に対して確実にペーストを充填するため
には、充填装置の印圧をある程度高めに設定しておくこ
とが本来望ましい。

【０００５】ところが、未焼結の成形体は脆弱であるば
かりでなく、多数の孔が密集して形成されているという
特徴がある。従って、高い印圧でペースト充填を行う
と、その押圧力によって、スルーホール形成用孔が変形
したり、ピッチ間クラックが発生する等、好ましくない
事態が生じる。このため、従来の製造方法では、ファイ
ンで寸法精度の良いスルーホールを備えた基板を得るこ
とが困難であった。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、ペーストを充填する際に生じ易い
変形や破壊等を確実に回避することができ、かつスルー
ホールに優れた寸法精度を確保することが可能なスルー
ホールを備えたセラミックス基板の製造方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、スプレードライ法により得たセラミ
ックス粉末を成形して未焼結の成形体とし、この成形体
にスルーホール形成用孔を透設した後、前記成形体を仮
焼成してその成形体を不活性雰囲気下にて７００℃〜１
７５０℃で焼成してネック焼結させ、次いで仮焼体のス
ルーホール形成用孔内に導電性金属ペーストを充填した
後、前記仮焼体を本焼成してその仮焼体を焼結させてい
る。

【０００８】

【作用】本発明の方法では、成形体をネック焼結させ、
ある程度の物理的強度を有する仮焼体とした後に、ペー
ストの充填を行っている。このため、充填装置の印圧を
高めに設定したとしても、その押圧力によって、スルー
ホール形成用孔が変形したり、ピッチ間クラックが発生
したりすることはない。従って、ファインなスルーホー
ル形成用孔内へ確実にペーストを充填することができる
と共に、優れた寸法精度を確保することも可能になる。

【０００９】ここで、ネック焼結によって得られる仮焼
体とは、成形体をセラミックスの焼結温度よりも５０℃
〜６００℃ほど低い温度で仮焼成したときに得られる多
孔質の焼結体のことを指す。前記仮焼体の物理的な特徴
としては、セラミックスの結晶粒間に依然として空隙を
残していることである。よって、成形体をセラミックス
の焼結温度付近の温度で焼成したときに得られる緻密な
焼結体とは物理性が異なる。

【００１０】以下、本発明のスルーホールを備えるセラ
ミックス基板の製造方法について工程順に説明する。ス
プレードライ法により得たセラミックス粉末を成形して
なる成形体を形成するセラミックス材料としては、窒化
アルミニウム、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等の粉末
が用いられる。その中でも、とりわけ電気絶縁性、熱伝
導性等に優れた窒化アルミニウム粉末を材料として選択
することが望ましい。これらのセラミックス粉末には、
所定量のバインダ、焼結助剤及び可塑剤等が添加され
る。この混合物を均一に混練して得られる原料スラリー
を成形することにより、シート状の成形体が製造され
る。

【００１１】成形体には、その厚さ方向に貫通する複数
のスルーホール形成用孔が透設される。スルーホール形
成用孔の透設は、例えばパンチング加工やドリル加工等
の任意の従来方法によって行われる。

【００１２】前記スルーホール形成用孔内に充填される
ペーストには、タングステン、モリブデン、タンタル、
ニオブ等の導電性金属の粉末が主成分として含まれてい
る。このようなペーストは、前記導電性金属の粉末に、
バインダ、溶剤及び分散剤等を添加し、かつその混合物
を均一に混練することによって得られる。

【００１３】スルーホール形成用孔内へ導電性金属ペー
ストを充填するに先立ち、前記成形体には、脱脂及び仮
焼成が施される。例えば、セラミックス材料として窒化
アルミニウム粉末を選択した場合、未焼結の成形体に
は、不活性雰囲気下にて１２００℃〜１７５０℃の仮焼
成が施されることが望ましい。その理由は、係る条件が
前記成形体を効率良くかつ確実にネック焼結させるため
の温度条件だからである。

【００１４】前記温度が１２００℃未満であると、ネッ
ク焼結が充分に進行せず、仮焼体に一定の強度を付与す
ることができない。一方、前記温度が１７５０℃を越え
ると、ネック焼結が進行し過ぎてしまうため、後の工程
において寸法制御を行うことが困難になる。また、酸素
等の反応性雰囲気下にて仮焼成を行うと、窒化アルミニ
ウムの酸化反応を伴うため、好適ではない。

【００１５】更に、前記仮焼成は複数回に分けて行われ
ることが望ましい。複数回に分けて仮焼成した場合、ネ
ック焼結が進行して基板密度が高くなり、空隙率が減少
する。この傾向は、仮焼成の回数が多いほど、または焼
成温度が高いほど顕著になる。しかし、開気孔の平均気
孔径が大きくなることによって、ペースト充填時におけ
る溶剤の動きが高まるため、結果としてペーストの充填
性は向上する。また、仮焼成を複数回に分けて行った場
合、スルーホール形成用孔の寸法制御が容易になるた
め、後に寸法精度の良い状態で本焼成を行うことが可能
になる。

【００１６】尚、前記仮焼成を施した場合、仮焼体の空
隙率が３０％〜４５％の範囲内、開気孔の平均気孔径が
０．５μｍ〜３．０μｍの範囲内になることが好まし
い。また、仮焼体の強度（引張り強度）が約５０kg/cm²
以上となることが好適である。

【００１７】次いで、ペースト充填装置の定盤には仮焼
体が固定されると共に、仮焼体の上にはペースト充填用
マスクが密接して配置される。そして、ペーストを供給
しつつ充填装置のスキージを移動させることにより、前
記ペーストがマスクのペースト供給口を介してスルーホ
ール形成用孔に充填される。仮焼体の表裏面においてス
ルーホール形成用孔以外の部分にペーストが付着した場
合、そのペーストは後に拭き取り除去される。

【００１８】前記仮焼体には不活性雰囲気下にて１７５
０℃〜１９００℃の本焼成が施される。この時点で仮焼
体は完全に焼結して緻密化すると共に、充填されたペー
ストも焼結して所望の導体回路となる。以上の工程を経
ることにより、スルーホール内に導体回路を備えたセラ
ミックス基板が製造される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明をスルーホールを備えた窒化ア
ルミニウム基板の製造方法に具体化した一実施例につい
て図１〜図３に基づき詳細に説明する。

【００２０】本実施例では、スプレードライ法により得
た窒化アルミニウム粒を２００kg/cm^２の圧力でプレス
成形した後、３t/cm^２の圧力でＣＩＰを行うことによ
り、成形体１を製造した（図１(a)参照）。そして、そ
の成形体１に面出し加工を施した後、４５．２mm角，厚
さ２．１mmに外形加工した。

【００２１】次に、成形体１を炭素製の治具に固定し、
ドリルを用いて多数のスルーホール形成用孔２を透設し
た（図１(b)参照）。また、本実施例では、スルーホー
ル形成用孔２の径を０．２mm〜０．１５mmに設定した。
そして、スルーホール形成用孔２を千鳥格子状に形成す
ると共に、その形成ピッチを０．９mmに設定した。

【００２２】次いで、成形体１を窒素雰囲気下にて１６
００℃，１時間加熱することにより、脱脂を行った。更
に、本実施例では、窒素雰囲気の下で仮焼成を２〜３回
に分けて行うことにより、成形体１のネック焼結を進行
させかつ寸法制御も行った。

【００２３】第一次〜第三次仮焼成における焼成温度及
び焼成時間は、それぞれ１６５０℃〜１７００℃，０．
５時間、１６８０℃〜１７３０℃，０．５時間及び１７
００℃〜１７３０℃，０．５時間とした。尚、脱脂工程
を経ることによって成形体１は若干収縮するため、成形
体１を治具から容易に外すことができる。

【００２４】その後、ネック焼結した成形体１（以下、
仮焼体１ａ）をホットプレス用治具のサイズに合わせる
ために、その外形を４５．０mmに加工した。このときの
仮焼体１ａの空隙率は３９％であり、開気孔の平均気孔
径は約１．５μｍである。

【００２５】ここで、本実施例では導電性金属としてタ
ングステン粉末を選択し、この粉末にバインダ、溶剤、
分散剤等を添加した。この混合物を均一に混練すると共
に、所定密度及び所定粘度に調整することにより、仮焼
体１ａのスルーホール形成用孔２ａ内に充填するための
タングステンペーストＰとした。

【００２６】次に、ペースト充填用マスク５及びペース
ト充填装置の構成、並びにそれらを用いたペーストＰ充
填作業について説明する。図２に示すように、本実施例
のマスク５は、マスク本体６とその周縁部に配置された
固定枠７とによって構成されている。また、マスク本体
６の中央部には、ほぼ正方形状のペースト供給口６ａが
形成されている。一方、図２及び図３に示すように、ペ
ースト充填装置の定盤３上部には収容部３ａが形成され
ており、その収容部３ａには仮焼体１ａが収容されるよ
うになっている。また、定盤３の上部には開閉可能な支
持枠３ｂが設けられており、その下面には前記マスク５
の固定枠７が取付けられている。

【００２７】そこで、仮焼体１ａを前記収容部３ａに収
容し、更にその上にマスク５を密接して配置した。この
とき、スルーホール形成用孔群が形成された領域Ｒは、
ペースト供給口６ａから露出した状態となる。

【００２８】次いで、スキージ４をマスク５上面の一端
に密接して配置し、その印圧を通常よりも若干高め
（２．５kg/cm²）に設定した。そして、スキージ４の進
行方向側に前記ペーストＰを供給しながらスキージ４を
他端へ移動させることにより、スルーホール形成用孔２
ａ内にペーストＰを充填した。このとき、図３に示すよ
うに、スキージ４の押圧力によってペースト供給口６ａ
の周縁部が下方に変形し、当該部分が仮焼体１ａに密接
する。そして、この印刷方法を繰り返すことにより、ス
ルーホール形成用孔２ａ内にペーストＰを完全に充填さ
せた。

【００２９】ペーストＰの充填が完了した後、仮焼体１
ａを収容部３ａから取り出して、その表面に付着した余
剰のペーストＰ1 と裏面に突出した余剰のペーストＰ1
とを完全に拭き取り除去した（図１(c) 参照）。次い
で、乾燥工程によって仮焼体１ａ中のペーストＰを乾燥
させた。

【００３０】その後、仮焼体１ａをホットプレス装置内
に装入し、不活性雰囲気下かつ高温高圧下にて本焼成を
施した。この本焼成により、仮焼体１ａを完全に焼結さ
せかつ同時にペーストＰを焼結させた。尚、本焼成時の
温度及び時間は１８３０℃，３時間とし、ホットプレス
のプレス圧は１８０kg/cm²とした。

【００３１】そして、完全に焼結した仮焼体１ａの表裏
両面を研磨して、スルーホール内に導体回路１０を備え
る所望の窒化アルミニウム基板１１を得た（図１(d) 参
照）。

【００３２】上述した製造方法の良否を判断するため
に、仮焼体１ａの物理的強度（kg/cm²）、スルーホ
ール形成用孔２ａの寸法精度（±μｍ）、変形したス
ルーホール形成用孔２ａの発生率（％）、シートあた
りのピッチ間クラックの発生率（％）を調査した。それ
らの結果を表１に示す。

【００３３】尚、についてはペーストＰの充填前の調
査結果であり、〜についてはペーストＰの充填後の
調査結果である。また、の寸法精度とは、スルーホー
ル形成用孔２ａの透設方向と直交する方向の寸法精度を
いうものである。

【００３４】更に、前記実施例とは異なる方法、即ち未
焼結のグリーンシート１に対して前記ペーストＰを充填
した後、脱脂、仮焼成及び本焼成を行うという従来の方
法に則って、別のスルーホールを備えた窒化アルミニウ
ム基板を製造した。このような比較例の製造方法につい
ても、その良否を判断するために、前記〜の調査を
行った。それらの結果も表１に共に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１より明らかなように、仮焼体１ａには
ある程度の物理的強度が備わっていることが判明した。
一方、比較例のような未焼結のグリーンシート１は、前
記仮焼体１ａほどの物理的強度は備えておらず、かなり
脆弱なものであることが判明した。

【００３７】また、実施例の場合、スルーホール形成用
孔２ａの寸法精度も良く、変形したスルーホール形成用
孔２ａの発生率及びシートあたりのピッチ間クラックの
発生率も共に０％と、極めて好適であった。このため、
比較的印圧を高く設定した場合でも、仮焼体１ａの物理
性及びスルーホール形成用孔２ａの寸法精度を損なうこ
となく、ペーストＰを確実に充填することが可能であっ
た。

【００３８】一方、比較例の場合には、グリーンシート
１の各所にピッチ間クラックが発生し、中にはグリーン
シート１が破壊に到るものも認められた。従って、比較
例の方法に準じて基板を製造する場合には、実施例と同
程度の高い印圧に設定することができなかった。また、
低い印圧にしても充填は極めて困難であった。加えて、
スルーホール形成用孔の寸法精度及び変形したスルーホ
ール形成用孔２ａの発生率に関しても、前記実施例の場
合よりも劣っていた。

【００３９】以上の結果を総合すると、実施例の製造方
法が比較例の製造方法よりも優れているという結論に到
達する。従って、本発明の製造方法によれば、寸法精度
に優れかつピッチ間クラック等の極めて少ない好適な基
板１１が容易にかつ確実に得られることが判る。また、
スルーホール形成用孔２ａの径や形成ピッチがファイン
な基板１１を製造する場合であっても、ペーストＰ充填
性の悪化を伴うことがない。

【００４０】また、この製造方法によると、最小形成ピ
ッチが０．４５mm程度、または最小径が０．１１mm程度
のスルーホール形成用孔２ａに対して確実にペーストＰ
を充填することが可能であった。

【００４１】尚、本発明は上記実施例のみに限定される
ことはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内であれば、
例えば成形体１や導電性金属ペーストＰの組成を変更し
たり、仮焼成の回数や条件を変更すること等が可能であ
る。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のスルーホ
ールを備えたセラミックス基板の製造方法によれば、ペ
ーストの充填前に仮焼成を施しているため、従来ペース
ト充填時に生じ易かったスルーホール形成用孔の変形や
破壊（ピッチ間クラックの発生）等を確実に回避するこ
とができるという優れた効果を奏する。しかも、形成さ
れるファインなスルーホールには、優れた寸法精度が確
保されるという優れた効果をも奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は本実施例のスルーホールを備
えた窒化アルミニウム基板１１の製造工程を説明するた
めの概略正断面図である。

【図２】ペーストＰを充填する際に用いるマスク５と仮
焼体１ａとを示す斜視図である。

【図３】ペースト充填装置にマスク５と仮焼体１ａとを
セットした状態を示す部分概略正断面図である。

【符号の説明】

１ 成形体、１ａ 仮焼体、２，２ａ スルーホール形成
用孔、Ｐ （導電性金属）ペースト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 1/03 610 H05K 1/11 H05K 3/40 H05K 3/42 H05K 3/46

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スプレードライ法により得たセラミックス
   粉末を成形して未焼結の成形体（１）とし、この成形体
   （１）にスルーホール形成用孔（２）を透設した後、前
   記成形体（１）を仮焼成してその成形体（１）を不活性
   雰囲気下にて７００℃〜１７５０℃で焼成してネック焼
   結させ、次いで仮焼体（１ａ）のスルーホール形成用孔
   （２ａ）内に導電性金属ペースト（Ｐ）を充填した後、
   前記仮焼体（１ａ）を本焼成してその仮焼体（１ａ）を
   焼結させることを特徴とするスルーホールを備えたセラ
   ミックス基板の製造方法。
2. 【請求項２】前記仮焼成は複数回に分けて行われること
   を特徴とする請求項１に記載のスルーホールを備えたセ
   ラミックス基板の製造方法。