JP3622594B2

JP3622594B2 - セラミックス基板の製造方法

Info

Publication number: JP3622594B2
Application number: JP29221499A
Authority: JP
Inventors: 実藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: JP2001111197A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両面に回路パターンおよびスルーホールを有する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、薄膜セラミックス基板にスルーホールを形成する方法としては、未焼成セラミックス板であるグリーンシートの段階で穴加工を行い焼成後にパターン形成をする方法と、焼成後のセラミックス板にレーザを照射して穴加工を行い、その後導電性膜を形成してパターン形成する方法とがある。例えば、特開平６−２１５９８２号公報には未焼成のセラミックス板にサンドブラストを用いて穴あけを行い、その後導電性膜を形成する方法が記載されている。また、別な方法としては、特開平１０−１９０２２０号公報にレーザを用いてセラミックス基板の穴あけを行い、スパッタリングによりスルーホール内壁に導電性膜を形成する方法が記載されている。ところで、グリーンシートに穴あけを行った後焼成する方法は、焼成時の収縮のためスルーホールの径や位置の精度が良好でないという問題を有している。一方、焼成後のセラミックス板にレーザで穴あけする方法は、セラミックス板の任意の位置に任意の径のスルーホールをあけることができるので上記欠点は解決できるが、レーザの熱エネルギーで穴あけを行うため、スルーホール内壁の加工面が溶融しガラス状の溶融変質層が形成されてしまうという問題がある。このガラス状溶融変質層には熱ストレスによる無数のクラックが存在するので、この表面に形成される導電性膜の密着力が極めて悪い。図６にレーザ穴あけ加工で形成したスルーホールの問題点を示す。上記問題を解決する手段として、例えば特開平６−３３４３０１号公報には、レーザ穴あけで形成されたガラス状溶融変質層をサンドブラスト処理により除去するという方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
サンドブラスト処理は、化学的に安定で薬液処理では除去できないスルーホール内壁のガラス状溶融変質層の除去に対して極めて有効である。しかしながら、サンドブラスト処理はスルーホール内壁のガラス状溶融変質層の除去のみならず、セラミックス基板の表面も荒らしてしまうという問題がある。これを防ぐには耐サンドブラストレジストで表面を保護すればよいが、レジストの開口部の位置をスルーホールの径に高精度に合わせることは難しく、スルーホール径よりも大きな径のレジスト開口部が必要である。このため、このレジスト開口部のセラミックス基板表面の荒れを回避することができなかった。図７にサンドブラスト処理で生じる問題点を示す。このような表面荒れは、形成する導体膜の厚さが薄く、高精度なパターン配線が必要な薄膜セラミックス基板には問題があった。また、レーザ加工には、図６に示すようにレーザ穴加工部の入口がテーパー形状になること、溶融物がセラミックス基板表面に飛散すること、レーザ穴加工部の裏側にガラス状の溶融バリが生じるといった別な問題がある。これらもまた高精度なパターン配線形成の阻害となっていた。
【０００４】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、サンドブラスト処理によって、基板表面に損傷を与えること無く、レーザ加工によって形成されたスルーホール内壁のガラス状溶融変質層を除去し、信頼性が高くかつ高精度な薄膜セラミックス基板を製造する方法を提供するものである。また、本発明の他の目的は、レーザ加工で生じるテーパー部や溶融物の表面飛散やスルーホール裏側の溶融バリを無くし、高精度な形状のスルーホール加工方法を提供するものである。さらに本発明の他の目的は、表面の損傷をより少なくするために、効率よくスルーホール内壁のガラス状溶融変質層をサンドブラスト処理で除去する方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明のセラミックス基板の製造方法は、被加工セラミックス基板の表面全体に耐サンドブラスト保護層を形成する工程、所望位置にレーザを照射し耐サンドブラスト保護層と被加工セラミックス基板に同時にスルーホールを形成する工程、スルーホールの内壁部に形成される溶融変質層をサンドブラストで除去する工程、耐サンドブラスト保護層を除去する工程を有するものである。
【０００６】
また、第２の発明のセラミックス基板の製造方法は、耐サンドブラスト保護層がポリウレタン系もしくはポリイミド系の有機フィルムもしくは有機インクであり、前記有機フィルムを貼り付ける工程もしくは前記有機インクを塗布する工程により、被加工セラミックス基板の表裏両面に耐サンドブラスト保護層を形成するものである。
【０００７】
第３の発明のセラミックス基板の製造方法は、耐サンドブラスト保護層がセラミックス板であり、被加工セラミックス基板の表裏両面に前記セラミックス板を配置する工程と前記セラミックス板と被加工セラミックス基板の側面をテープもしくは機械的に固定する工程を有するものである。
【０００８】
また、第４の発明のセラミックス基板の製造方法は、第３の発明において被加工セラミックス基板を２枚以上重ねて同時に加工するものである。
【０００９】
第５の発明のセラミックス基板の製造方法は、第４の発明において耐サンドブラスト保護層であるセラミックス板と２枚以上重ねる被加工セラミックス基板の全体の厚さを１ｍｍ以下にしたものである。
【００１０】
また第６の発明のセラミックス基板の製造方法は、被加工セラミックス基板を傾斜もしくはサンドブラスト噴射ノズルを傾斜させて、スルーホールに対し斜め方向から砥粒が噴射されるように配置すると共に、被加工セラミックス基板を回転させながらサンドブラスト処理を行うものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１に係る薄膜セラミックス基板の製造方法の一例を示す。まず、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、９９．５％のアルミナからなる０．６３５ｍｍ厚さのセラミックス基板１に耐サンドブラスト保護層２として十条ケミカル製耐サンドブラストインキ３「ＣＥＣ−６Ｓ」をスクリーン印刷で約３０μｍ塗布し、乾燥させた後、４００ｍＪ／ｃｍ^２の条件で紫外線硬化させた。
【００１２】
次に、図１（ｃ）に示すように、レーザ加工により耐サンドブラストインキ３を塗布したセラミックス基板１の所望位置にレーザ４を照射しスルーホール５を形成する。この時点で、スルーホール５の内壁にガラス状溶融変質層６が形成される。レーザ４の条件によっては耐サンドブラストインキ３が焼けて開口部がスルーホール５の外周よりも大きくなってしまうが、レーザ４の条件を適当に制御することによって、セラミックス基板１に開けられたスルーホール５の径と同一径の耐サンドブラストインキ３の開口部を形成することができる。さらに、レーザ４の条件を最適化することによって溶融変質層６の厚さを薄くするほうが後工程での除去を短時間で実施できるので望ましい。ここでは、レーザ４としてＣＯ_２レーザを用い、平均出力８０Ｗ、パルス幅４０μｓ、パルス繰り返し周波数２ＫＨｚの条件で、０．３ｍｍ直径の穴を１ｍｍピッチで２４０穴開けた。
【００１３】
次に、図１（ｄ）に示すように、サンドブラスト加工をスルーホール５の内壁に施す。被加工セラミック基板１に対し６０°の傾斜角に設置したサンドブラスト噴射ノズル７（図５参照）より粒径＃６００のＳｉＣ砥粒８を吹き付け圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２で２分間噴射した。このとき、セラミックス基板１は６０ＲＰＭで回転させ、サンドブラスト噴射ノズル７は１回／分の水平揺動をさせた。図５に本発明のサンドブラスト加工の概要を示す。
【００１４】
次に、図１（ｅ）に示すように、セラミックス基板１を６０℃に加温した湯の中に揺動しながら１０分間浸漬し、耐サンドブラストインキ３の膜を剥離した。その後、シャワー水洗とアセトン溶剤中での超音波洗浄を行い、スルーホール５内に残るＳｉＣ砥粒８を除去した。
【００１５】
次に、図１（ｆ）に示すように、酸洗浄による表面活性化の後、蒸着およびめっきプロセスにより、クロム０．０５μｍ、銅３μｍ、ニッケル０．５μｍ、金１．５μｍの導電性膜９をセラミックス基板１の表面およびスルーホール５の内面に形成した。
【００１６】
次に、図１（ｇ）に示すように、感光性ドライフィルムレジストをセラミックス基板１の表裏面に真空ラミネート法により張り付け、パターン露光、現像、エッチング、レジスト剥離を行い、スルーホール５で電気的に接続された両面に薄膜回路パターン１０を有する薄膜セラミックス基板を作製した。
【００１７】
上記の方法で、２４０穴のスルーホール５を結ぶデイジーチェーン回路を形成し、−５５℃〜１５０℃、１０００サイクルの熱サイクル試験を行ったが、デイジーチェーン回路の抵抗値に試験前後の変化は殆ど無かった。また、スルーホール５内の導電性膜９に亀裂や剥れは全く認められなかった。以上の方法によって、接続不良が無く、高い信頼性を有するスルーホール付き薄膜セラミック基板を作製することができた。
【００１８】
実施の形態２．
図２に本発明の実施の形態２に係る薄膜セラミックス基板の製造方法を示す。まず、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、９９．５％のアルミナからなる０．６３５ｍｍ厚さのセラミックス基板１の表面に耐サンドブラスト保護層２として東京応化製耐サンドブラストドライフィルムレジスト１１「ＢＦ４１０」を圧力２．５ｋｇ／ｃｍ^２の条件でラミネートした後、２５０ｍＪ／ｃｍ^２の条件で紫外線硬化させ、カバーフィルムを除去した。次に、同セラミックス基板１の裏面に厚さ０．１ｍｍのポリイミドテープ１２を全面に貼り付けた。
【００１９】
次に、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように、上記実施の形態１と同様の方法で、レーザ加工により耐サンドブラストドライフィルムレジスト１１を貼り付けたセラミックス基板１の所望位置にレーザ４を照射しスルーホール５を形成した後、サンドブラスト加工をスルーホール５の内壁に施した。
【００２０】
次に、図２（ｅ）に示すように、裏面のポリイミドテープ１２を剥離し、セラミックス基板１をアセトン溶剤中に浸漬して耐サンドブラストドライフィルムレジスト１１を剥離した。その後、シャワー水洗とアセトン溶剤中での超音波洗浄を行い、スルーホール５内に残るＳｉＣ砥粒８を除去した。被加工セラミックス基板１の裏面にポリイミドテープ１２などの耐サンドブラスト保護層２を形成しない場合、セラミックス基板１の裏面に付着したＳｉＣ砥粒８が洗浄によって完全に除去できず、しみ状の模様が残ることがあった。これらのしみは薄膜セラミックス基板の基本性能としては問題はないが、外観上は望ましくない。本実施の形態の様に基板の表裏両面にサンドブラスト保護層２を設けることによってこのようなサンドブラストのＳｉＣ砥粒８の残渣を解消できた。
【００２１】
実施の形態３．
図３に本発明の第３の実施例に係る薄膜セラミックス基板の製造方法を示す。まず、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、９９．５％のアルミナからなる０．１５ｍｍ厚さの被加工セラミックス基板１と、上記被加工セラミックス基板１と同材質で同寸法の０．１５ｍｍ厚さの保護セラミックス板１３を被加工セラミックス基板１の上に、同材質で同寸法の０．６３５ｍｍ厚さの保護セラミックス板１４を被加工セラミックス基板１の下に重ねた。次にこの３枚のセラミックス基板１３、１、１４の側面をポリイミドテープ１５で固定した。このように各々のセラミックス基板を固定しないと、レーザ穴あけ時やサンドブラストの際に基板が振動し互いに衝突することによってセラミックス基板１が割れる場合がある。
ここではポリイミドテープ１５でセラミックス基板を固定したが、機械的な治具を用いて固定しても差し支えない。
【００２２】
次に、図３（ｃ）に示すように、レーザ加工によりセラミックス基板１の所望位置にレーザ４を照射しスルーホール５を形成する。ここでは、レーザ４としてＣＯ_２レーザを用い、平均出力８０Ｗ、パルス幅４０μｓ、パルス繰り返し周波数２ＫＨｚの条件で、３枚のセラミックス基板１３、１、１４に同時に０．１ｍｍ直径の穴を１ｍｍピッチで２４０穴開けた。図３（ｃ）はレーザ穴あけ加工後のスルーホール５の状態を示すものである。上部におかれた保護セラミックス板１３の上には溶融飛散物１６の付着があり、下部におかれた保護セラミックス板１４の裏面には溶融バリ１７が生じているが、間に挟まれた被加工セラミックス基板１には、これらの溶融副産物は生じない。また、レーザ４の照射部では若干のテーパー部が生じるが、上部に置かれた保護セラミックス板１３にテーパー形状のスルーホール５が形成されるので、間に挟まれた被加工セラミックス基板１にはほぼストレートなスルーホール５が形成される。また、セラミックス基板を重ねてレーザ穴あけすると、上下の基板のレーザ溶融物同士が混ざり合うので、各々の基板はこの溶融変質層６で連結されている。
【００２３】
次に図３（ｄ）および図５に示すように、サンドブラスト加工は、６０ＲＰＭで回転する被加工セラミック基板１に対し６０°の傾斜角に設置したサンドブラスト噴射ノズル７より粒径＃６００のＳｉＣ砥粒８を吹き付け圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２で２分間噴射して行った。この工程によって溶融変質層６は除去されるので、連結したセラミックス基板１３、１、１４どうしは分離される。また、上部に重ねた保護セラミックス板１３はサンドブラストによって表面が荒らされるが、間に挟まれた被加工セラミックス基板１は損傷を受けること無くスルーホール５の内部のみ処理が行われる。
【００２４】
次に、図３（ｅ）に示すように、基板側面のポリイミドテープ１５を剥離し、上下に重ねた保護セラミックス板１３、１４を取り除いた。その後、シャワー水洗とアセトン溶剤中での超音波洗浄を行い、スルーホール５内に残るＳｉＣ砥粒８を除去した。
【００２５】
次に、実施の形態１と同様の方法で薄膜パターン回路を形成し、２４０穴のスルーホール５を結ぶデイジーチェーン回路について、−５５℃〜１５０℃、１０００サイクルの温度サイクル試験を行ったが、デイジーチェーン回路の抵抗値に試験前後の変化は殆ど無く、接続不良の無い高い信頼性を有するスルーホール付き薄膜セラミック基板を作製することができた。
【００２６】
実施の形態４．
図４に本発明の第４の実施例に係る薄膜セラミックス基板の製造方法を示す。まず、９９．５％のアルミナからなる０．１ｍｍ厚さの被加工セラミックス基板１を３枚と、上記被加工セラミックス基板１と同材質で同寸法の０．１５ｍｍ厚さの保護セラミックス板１３を被加工セラミックス基板１の上に、同材質で同寸法の０．５１ｍｍ厚さの保護セラミックス板１８を被加工セラミックス基板１の下に重ねた。次に重ねた保護セラミックス板１３、１８と被加工セラミックス基板１の側面をポリイミドテープ１５で固定した後、レーザ加工によりセラミックス基板１の所望位置にレーザを照射しスルーホール５を形成し、その後サンドブラスト加工によりスルーホール５内の溶融変質層６を除去した。この方法により、セラミックス基板１を３枚同時にスルーホール加工することができた。同時に処理するセラミックス基板１は２枚以上で何枚でも良いが、保護セラミックス板１３、１８と被加工セラミックス基板１の厚さの総和が１ｍｍを超えないことが望ましい。というのは、目的とするスルーホール５の径は通常０．１ｍｍ〜０．６ｍｍであるため、重ねた保護セラミックス板１３、１８に形成されるスルーホール５のアスペクト比が大きくなるとレーザ穴あけ加工およびサンドブラスト加工が困難になるためである。
【００２７】
実施の形態５．
図５に本発明に係る薄膜セラミックス基板のスルーホール５のサンドブラスト処理方法を示す。本発明では、サンドブラスト加工をする際に、被加工セラミック基板１に対し６０°の傾斜角に設置したサンドブラスト噴射ノズル７より粒径＃６００のＳｉＣ砥粒８を吹き付け圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２で２分間スルーホールに噴射した。また、このとき、セラミックス基板１は６０ＲＰＭで回転させ、サンドブラスト噴射ノズル７は１回／分の水平揺動をさせながらサンドブラスト処理を行った。比較例として、上記斜め方向から噴射する場合と等しい距離に噴射ノズル７を配置し、静止している被加工セラミックス基板１に対し垂直方向から、粒径＃６００のＳｉＣ砥粒８を吹き付け圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２で２分間噴射した。さらに、上記サンドブラスト処理は重力式と呼ばれる加工装置で実施したが、直圧式と呼ばれる重力式よりも２〜４倍高速でＳｉＣ砥粒８を吹き付けることができるサンドブラスト処理装置を用い、吹き付け圧５ｋｇｆ／ｃｍ２で垂直方向から５分間と１０分間噴射した。また、このときサンドブラスト噴射ノズル７は３０回／分の水平揺動をさせた。表１に、上記の処理による０．２ｍｍ径のスルーホール３内のガラス状溶融変質層６の除去率を示す。この結果から判るように、斜めから噴射する場合は極めて短時間でスルーホール５内の溶融変質層６を除去できるが、垂直方向から噴射する場合は、同じ噴射条件では全く除去することはできず、より強力なサンドブラスト処理を行っても完全に除去することが困難であることがわかる。さらに、より強力なサンドブラストを実施すれば除去率は向上するが、セラミックス基板１表面の損傷防止用の耐サンドブラストレジストインキ３がサンドブラスト処理に耐えられなくなってセラミックス基板１の表面に損傷が生じてしまう結果となった。
【００２８】
【表１】
各種サンドブラスト処理方法によるガラス状溶融変質層の除去率

※ 耐サンドブラストインキ厚さ３０μｍ形成時
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の発明によれは、セラミックス基板表面の全面に耐サンドブラスト保護層を形成した後、所望位置にレーザーを照射し耐サンドブラスト保護層とセラミックス基板に同時にスルーホールを形成するので、スルーホールの穴径と耐サンドブラスト保護層の穴径を同一にすることが出来る。このため、スルーホールと耐サンドブラスト保護層の開口部に位置ずれがないので、後工程のサンドブラスト処理によっても、セラミックス基板表面に損傷を与えること無く、スルーホールの内壁部に形成される溶融変質層をサンドブラストで除去することができる。レーザ加工によって形成されたスルーホール内壁ガラス状溶融変質層が無いので、スルーホール内の導電性皮膜の密着力が大きく、スルーホールの接続信頼性が高く出来るという効果が有る。また、表面の損傷が無いので、基板表面に高精度な回路パターンを形成できるという効果が有る。
【００３０】
また、第２の発明では、耐サンドブラスト保護層である有機フィルムもしくは有機インクを被加工セラミックス基板の表裏両面に形成するので、サンドブラストの砥粒の基板裏面への付着などの汚染を防ぐことが出来き、この結果信頼性が高くかつ高精度な薄膜セラミックス基板を製造することができる。
【００３１】
また、第３、第４、第５の発明では、耐サンドブラスト保護層としてセラミックス板を用い、被加工セラミックス基板の表裏両面に前記セラミックス板を配置すると共に前記セラミックス板と被加工セラミックス基板の側面をテープ固定するので、レーザ加工で生じるテーパー部や溶融物の表面飛散やスルーホール裏側の溶融バリが前記セラミックス板で生じ、間にはさまれた被加工セラミックス基板には、これら溶融物による障害が無く、さらにテーパーの少ない高精度な形状のスルーホール形状を得ることが出来る。また、この方法では、複数枚のセラミックス基板に同時にスルーホールを形成することができるので、生産性を高く出来るという効果が有る。
【００３２】
また、第６の発明では、被加工セラミックス基板を傾斜もしくはサンドブラスト噴射ノズルを傾斜させて、スルーホールに対し斜め方向から砥粒が噴射されるように配置すると共に、セラミックス基板を回転させながらサンドブラスト処理を行うので、垂直方向から砥粒を噴射するのに比べ短時間でガラス状溶融変質層が除去できる。このため、生産性を高くできるという効果を有すると共に、耐サンドブラスト保護層が受ける衝撃を少なくすることができるので、耐サンドブラスト保護層の材料としての選択幅を広げることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る薄膜セラミックス基板の製造工程をそれぞれ示すセラミックス基板断面の概念図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る薄膜セラミックス基板の製造工程をそれぞれ示すセラミックス基板断面の概念図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る薄膜セラミックス基板の製造工程をそれぞれ示すセラミックス基板断面の概念図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係る薄膜セラミックス基板の製造工程をそれぞれ示すセラミックス基板断面の概念図である。
【図５】本発明に係る薄膜セラミックス基板のスルーホールのサンドブラスト処理方法を示す概要図である。
【図６】レーザ穴あけ加工で形成したスルーホールの問題点を示すスルーホール断面の概念図である。
【図７】サンドブラスト処理で生じる問題点を示すスルーホール断面の概念図である。
【符号の説明】
１セラミックス基板、２耐サンドブラスト保護層、４レーザ、５スルーホール、６溶融変質層、７サンドブラスト噴射ノズル、９導電性膜、１０薄膜回路パターン、１３セラミックス板。

Claims

セラミックス基板の表面および裏面に回路パターンを有し、前記基板を貫通するスルーホールを有し、前記表面および裏面の回路パターンをスルーホールに形成された導電性膜で電気的に接続したセラミックス基板の製造方法において、被加工セラミックス基板の表面全体に耐サンドブラスト保護層を設置する工程、所望位置にレーザを照射し耐サンドブラスト保護層と被加工セラミックス基板を同時に貫通させてスルーホールを形成する工程、スルーホールの内壁部に形成される溶融変質層をサンドブラストで除去する工程、耐サンドブラスト保護層を除去する工程とを、順に実行することを特徴とするセラミックス基板の製造方法。
耐サンドブラスト保護層がポリウレタン系もしくはポリイミド系の有機フィルムもしくは有機インクであり、前記有機フィルムを貼り付ける工程もしくは前記有機インクを塗布する工程により、被加工セラミックス基板の表裏両面に耐サンドブラスト保護層を形成することを特徴とする請求項１記載のセラミックス基板の製造方法。
耐サンドブラスト保護層がセラミックス板であり、被加工セラミックス基板の表裏両面に前記セラミックス板を配置する工程と前記セラミックス板と被加工セラミックス基板の側面をテープもしくは機械的に固定する工程を有することを特徴とする請求項１記載のセラミックス基板の製造方法。
被加工セラミックス基板を２枚以上重ねて同時に加工することを特徴とする請求項３記載のセラミックス基板の製造方法。
耐サンドブラスト保護層であるセラミックス板と２枚以上重ねる被加工セラミックス基板の全体の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４記載のセラミックス基板の製造方法。
被加工セラミックス基板を傾斜もしくはサンドブラスト噴射ノズルを傾斜させて、スルーホール内面に対し斜め方向から砥粒が吹き付けされるように配置すると共に、被加工セラミックス基板を回転させながらサンドブラスト処理を行うことを特徴とする請求項１記載のセラミックス基板の製造方法。