JP3673342B2

JP3673342B2 - セラミック回路基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP3673342B2
Application number: JP28736796A
Authority: JP
Inventors: 壽人加島; 茂多賀; 一彦野呂
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2016-10-08
Also published as: JPH10117053A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビアホール内を充たし、且つその端部がセラミック基板の表面に十分に突き出したビアホール用導体と、セラミック基板の表面に形成され、少なくとも上記ビアホール用導体と導通する配線用導体からなる配線層とを備えるセラミック回路基板及びその製造方法に関する。本発明のセラミック回路基板は特に複数積層されて多層セラミック回路基板とされ、移動通信分野等における高周波領域で用いられる共振器、フィルタなどとして使用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動通信分野での技術の進展が著しく、それら高周波領域における用途で用いるのに適した材料として、抵抗の低い導体及び誘電損失の小さいガラスセラミック等が注目されている。これらの素材を用いた多層セラミック回路基板の内部導体としては、通常、Ａｇ、ＡｇとＰｄとの混合物、Ｃｕ及びＡｇとＰｔとの混合物等が用いられているが、特に高い信頼性が要求される部品にはＡｕが用いられる。
【０００３】
また、多層セラミック回路基板では、各層に設けられる配線層を構成する導体間の導通は、ビアによる方法によってなされるのが一般的である。このビアはセラミックグリーンシートに設けられた貫通孔（ビアホール）に導体材料を充填し、これを焼成することにより形成される。この貫通孔に充填されるビアホール用導体材料としては、通常、Ａｇが、また用途によってはＡｇとＰｄとの混合物、ＡｇとＰｔとの混合物及びＣｕ等が用いられる。
【０００４】
しかし、配線層がＡｕによって構成される場合、上記の各種のビアホール用導体材料を貫通孔に充填し、焼成すると、異種材料間の相互拡散速度の差により、焼成時に配線層とビアとの接合界面に空洞が形成されることがある（カーケンダル効果と呼ばれる。）。その結果、Ａｕからなる配線用導体とビア内のビアホール用導体との間の導通不良或いは断線を生じ易く、高い信頼性を得ることは困難である。この場合、ビアホール用導体材料として配線用導体材料と同じＡｕ粉末を多量に含む材料を使用すれば問題はないが、Ａｕ粉末は高価でありコストの面で非常に不利となる。
【０００５】
上記のカーケンダル効果による、配線用導体とビアホール用導体との間の導通不良或いは断線を回避する方法が提案されている。例えば基板表裏面の第１層のビアホール内導体材料と接続する導体材料が異なる部分において、このビアホールと接続する配線層を他の配線層よりも厚く構成するという方法がある（特開平７−２７３４５７号公報）。しかし、この方法を適用することができるのは表裏面と接する第１層のみに限定されている。このように第１層のみに限定するのは、内部まで上記の構造とした場合、基板の厚みに凹凸を生じてしまい、表裏面が平滑にならない等の問題があるためである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであり、配線層を構成する導体材料として主にＡｕを使用し、特に低温において焼成することができるセラミック材料を用いる。また、ビアホール用の導体材料をＡｕにほとんど拡散しないＰｄを比較的多量に含むものとし、且つ有機バインダの量比を少なくすることによって、ビアホール内の導体のセラミック基板表面への突き出し量を大きくする。これによってＡｕ等からなる配線用導体とビアホール用導体との導通不良或いは断線を抑え、信頼性の高いセラミック回路基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板は、ビアホールを有するセラミック基板、該ビアホール内を充たし、且つ該セラミック基板の表面から２０〜５０μｍ突き出しているビアホール用導体及び配線用導体により構成される配線層を備え、該ビアホール用導体と該配線用導体とは導通しており、該ビアホール用導体はＡｇとＰｄとからなり、該Ａｇと該Ｐｄとの合計量を１００重量％とした場合に、該Ｐｄは２０〜５５重量％であり、該配線用導体は、該配線用導体を１００重量％とした場合に、５０重量％以上のＡｕを含有することを特徴とする。
【０００８】
上記「ビアホール」は上記「セラミック基板」を貫通する細孔であり、その内部はビアホール用導体によって充たされている。このセラミックグリーンシートに設けられた貫通孔にビアホール用導体材料を充填した後、焼成することにより、上記「ビアホール用導体」の生成とともにビアが形成される。ビアの径は焼成に伴う収縮によって貫通孔の径よりも少し小さくなるが、通常、２００〜４００μｍ、特に２５０〜３５０μｍとすることができる。この場合、貫通孔の孔径は２５０〜４５０μｍ、特に３００〜４００μｍとすればよく、貫通孔の孔径がこの程度であれば、ビアホール用導体材料の充填が容易であって、セラミック基板表裏面を確実に導通させることができる。
【０００９】
また、ビアホール用導体はセラミック基板の表面から所定の高さ突き出していなければならない。この所定の高さとは、このビアホール用導体と上記「配線用導体」とが確実に接合され、導通される程度の高さという意味である。本発明では、この高さのことを「突き出し量」という。この突き出し量は、「２０〜５０μｍ」であり、「２０〜４０μｍ」であることが更に好ましい。突き出し量が２０μｍ未満では、ビアホール用導体中のＰｄの量比を高くしても、ビアホール用導体と配線用導体との導通不良を起こし、セラミック回路基板の信頼性が低下する。一方、突き出し量が５０μｍであれば十分信頼性の高いセラミック回路基板が得られる。また、５０μｍを越える突き出し量では、特に配線用導体材料を同時焼成しない場合は、この配線用導体材料を印刷する際に、その印刷面からビアホール用導体が突き出したりして却って問題となる。
【００１０】
尚、上記の突き出し量は特に２５〜４０μｍ、更には３０〜４０μｍとすることがより好ましい。この範囲の突き出し量であれば、特にビアホール用導体中のＰｄの量比を２０重量％以上とすれば、焼成を繰り返しても、また、その後の信頼性試験或いは使用環境等によっても断線を起こすことがほとんどなく、非常に信頼性の高いセラミック回路基板を得ることができる。
【００１１】
上記「ビアホール用導体」は「Ａｇ」と「Ｐｄ」とからなる。このＰｄは配線用導体の主体をなすＡｕにほとんど拡散せず、所謂カーケンダル効果によるビアホール用導体と配線用導体との間の空間の生成が抑えられる。特に、ＡｇとＰｄとの合計量を１００重量％とした場合に、Ｐｄを２０〜５５重量％とすれば、上記の空間の生成はより確実に抑えられる。これはＡｇがＡｕに拡散したとしても、比較的多量に含有されているＰｄがＡｕとの接続を保つためである。
【００１２】
上記のＰｄの含有量が２０重量％未満では、ビアホール用導体と配線用導体との導通が不安定となる。また、５５重量％を越える場合は、合金粉末として所定の粒径とすることが難しくなり、メタライズ用の合金粉末として適したものが得られない。このＰｄの含有量は特に２０〜５０重量％、更には２５〜３５重量％とすることが好ましい。Ｐｄの含有量がこの範囲であれば、より確実な導通がなされるとともに、所定粒径の合金粉末を容易に調製することができる。
【００１３】
上記「配線用導体」はＡｕのみからなるか、又はこのＡｕとＡｇ、Ｐｄ及びＰｔのうちの少なくとも１種の金属元素とからなるものを使用することができる。配線用導体がＡｕのみからなる場合は信頼性の高いセラミック回路基板が得られるが、所要性能とコストとのバランスを考え、上記の各種の金属元素を併用することができる。配線用導体を１００重量％とした場合に、このＡｕは「５０重量％以上」である必要があり、特に８０重量％以上であればより好ましい。このＡｕが５０重量％未満では、導通抵抗が高くなりすぎ、信頼性に劣るため好ましくない。
【００１４】
本発明のセラミック回路基板の製造方法は、セラミックグリーンシートに貫通孔を設け、該貫通孔内に、ビアホール用導体材料を充填した後、一次焼成し、その後、上記セラミックグリーンシートが焼成されてなるセラミック基板の表面に突き出した上記ビアホール用導体材料が焼成されてなるビアホール用導体の表面、及び上記セラミック基板の表面に、配線用導体材料を印刷し、次いで、二次焼成してセラミック回路基板を製造する方法において、上記ビアホール用導体材料は、第１の導体材料と第１の有機バインダとを含み、該第１の導体材料はＡｇとＰｄからなり、該Ａｇと該Ｐｄとの合計量を１００重量％とした場合に、上記第１の有機バインダは３．５〜６．５重量％であり、上記配線用導体材料は、少なくともＡｕを含む第２の導体材料と第２の有機バインダとを含有し、該第２の導体材料を１００重量％とした場合に、上記Ａｕは５０重量％以上であることを特徴とする。
【００１５】
また、他の本発明のセラミック回路基板の製造方法は、セラミックグリーンシートに貫通孔を設け、該貫通孔内に、ビアホール用導体材料を充填し、その後、該ビアホール用導体材料の端面及び上記セラミックグリーンシートの表面に、配線用導体材料を印刷し、次いで、一体に焼成してセラミック回路基板を製造する方法において、上記ビアホール用導体材料は、第１の導体材料と第１の有機バインダとを含み、該第１の導体材料はＡｇとＰｄからなり、該Ａｇと該Ｐｄとの合計量を１００重量％とした場合に、上記第１の有機バインダは３．５〜６．５重量％であり、上記配線用導体材料は、少なくともＡｕを含む第２の導体材料と第２の有機バインダとを含有し、該第２の導体材料を１００重量％とした場合に、上記Ａｕは５０重量％以上であることを特徴とする。
【００１６】
上記「セラミックグリーンシート」に設けられる上記「貫通孔」は、例えば低温において焼成することができるガラスセラミックの場合、その孔径が焼成によって１０〜２０％程度小さくなる。このことを考慮し、焼成後のビアホールの径が前記の範囲となるような孔径の貫通孔とすればよい。また、上記「ビアホール用導体材料」は、特に上記量比の「Ａｇ」と「Ｐｄ」とからなる上記「第１の導体材料」と、上記「第１の有機バインダ」とを含有する。この第１の有機バインダとしては、エチルセルロース等、通常、この用途に使用される有機バインダを用いることができる。これらＡｇ、Ｐｄ及び第１の有機バインダに、更にブチルカルビトールアセテート等の適宜溶媒を加え、混練、調合することにより、ペースト状のビアホール用導体材料を得ることができる。
【００１７】
尚、上記の第１の有機バインダの配合量によって、ビアホール用導体のセラミック基板表面からの突き出しの程度を制御することができる。この第１の有機バインダの量が少ないと突き出し量は大きくなる。一方、第１の有機バインダが多いと突き出し量は少なくなり或いはビアホールの容積よりも、ビアホール用導体の体積のほうが小さくなって、ビアホール用導体の端面は、ビアホール内に陥没した状態となる。公知技術では、通常、この第１の有機バインダは７〜８重量％程度使用され、この場合、突き出し量は−３０μｍ（−は陥没を意味する。）から高々＋１０μｍ程度にしかならない。
【００１８】
本発明ではＡｇとＰｄとの合計量を１００重量％とした場合に、第１の有機バインダを「３．５〜６．５重量％」使用する。この第１の有機バインダは特に４．０〜６．０重量％、更には４．５〜５．５重量％とすることがより好ましい。第１の有機バインダの配合量が３．５重量％未満では、ビアホール用導体の突き出し量が大きくなりすぎ、また、セラミック材料とビアホール用導体材料との焼結性の差によって、ビアホールの周辺のセラミック基板に割れを生ずることがある。一方、第１の有機バインダの配合量が６．５重量％を越える場合は、ビアホール用導体の突き出し量が１５μｍ未満となり、断線を生じ易くなる。
【００１９】
尚、上記の溶媒は、ペースト状のビアホール用導体材料を、貫通孔に充填する際の作業性等を考慮し、適宜の量配合とすればよい。通常、ＡｇとＰｄとの合計量に対して３〜１０重量％、特に３〜７重量％程度とすればよく、これによって適度な粘度を有する、作業性に優れたビアホール用導体材料とすることができる。
【００２０】
また、上記「配線用導体材料」に使用される上記「第２の有機バインダ」としては、第１の有機バインダと同様のものを使用することができる。その上記「第２の導体材料」に対する配合量は、第２の導体材料を１００重量％とした場合に、３〜８重量％、特に４〜６重量％程度とすればよい。この配線用導体材料にもビアホール用導体材料と同様、ブチルカルビトールアセテート等の溶媒を配合することにより、ペースト状の配線用導体材料を得ることができる。この場合、溶媒は印刷厚み、作業性等を考慮して適宜の量とすればよいが、第２の導体材料を１００重量％とした場合に、１０〜２０重量％、特に１３〜１７重量％程度配合することにより、適度な粘度を有する、作業性に優れた配線用導体材料とすることができる。
【００２１】
更に、セラミックグリーンシートは、１０００℃以下の比較的低温において焼成することができるセラミック材料からなるものであることが好ましい。このように低温焼成することができるセラミック材料としては、特に誘電損失の小さいガラスセラミックが好適である。この低温で焼成することができるセラミック材料は、配線用導体材料を印刷した後、一体に同時焼成することができる。そのため、ビアホール用導体材料中の第１の有機バインダの配合量を、本発明において特定したビアホール用導体のセラミック基板表面からの突き出し量が４０μｍを越える程度に少量にしても、配線用導体材料の印刷面からビアホール用導体が突き出すといった問題を生ずることがなく好ましい。
【００２２】
また、本発明における上記「一次焼成」では、配線用導体材料は印刷されていないため、低温での焼成を特に考慮する必要はなく、１０００℃を越える温度で焼成することもできる。しかし、セラミック材料としてガラスセラミックス等、低温で焼成することができるものを使用した場合は、１０００℃以下、８５０〜１０００℃、特に９００〜９５０℃で焼成することが好ましい。更に、上記「二次焼成」及び上記「一体に焼成」する場合は、Ａｕを主体とする配線用導体材料が印刷されているため、上記のガラスセラミック等の低温で焼成することができるセラミック材料を使用し、８５０〜１０００℃、特に９００〜９５０℃で焼成することが好ましい。焼成時間は特定されないが、３０分間から２時間、特に３０分間から１時間程度とすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例によって詳しく説明する。
(1) ビアホール用導体材料の調製
平均粒径５μｍ、Ｐｄの量比０、１５、２０、３０及び５５重量％のＡｇとＰｄとの合金粉末２００ｇに、第１の有機バインダとしてエチルセルロースを８〜１４ｇ及び溶媒としてブチルカルビトールアセテートを１０ｇ配合し、３対のローラを有する混練ローラによって混練し、ペースト状のビアホール用導体材料を調製した。尚、第１の有機バインダの配合量を上記範囲内で適宜調整することにより、ビアホール用導体の突き出し量を０、１５、２０、２５、３０、３５及び４０μｍとなるようにした。
【００２４】
(2) 配線用導体材料の調製
平均粒径１．４μｍのＡｕ粉末１００ｇに、第２の有機バインダとしてエチルセルロースを５ｇ及び溶媒としてブチルカルビトールアセテートを１５ｇ配合し、３対のローラを有する混練ローラによって混練し、ペースト状の配線用導体材料を調製した。
【００２５】
(3) セラミック多層回路基板の作製
厚さ０．３５ｍｍのガラスセラミックからなるグリーンシートを５枚調製し、各グリーンシートに直径０．３５ｍｍの貫通孔を６４個設けた。その後、この貫通孔に上記(1) において調製したビアホール用導体材料を充填した。次いで、少なくとも充填されたビアホール用導体材料の端面を覆う形で、上記(2) において調製した配線用導体材料を印刷した。その後、これらを積層し、脱バインダ処理した後、９３０℃で３０分間焼成した。焼成後のビアの直径を表層のセラミック基板において観察したところ、焼成収縮によって０．３０ｍｍとなっていた。
【００２６】
(4) ビアホール用導体の突き出し量の測定
ビアホール用導体材料をグリーンシートの貫通孔に充填し、配線用導体材料は印刷せずに上記(3) と同様にして脱バインダ処理し、焼成した。得られたセラミック基板の表面に突き出したビアホール用導体の高さを表面粗さ計によって測定した。尚、表１の突き出し量の数値は、２０個のビアホール用導体の突き出し量の平均値である。また、表１の突き出し量は上記のようにして測定したものであるため、断線発生率を測定したセラミック回路基板の突き出し量そのものではないが同等であるものと考えられる。
【００２７】
（５）断線発生率の評価
上記（３）において作製したセラミック多層回路基板を用いて、〔１〕上記の９３０℃、３０分間の焼成をした後、〔２〕上記のセラミック多層回路基板作製後の外部取り付け導体等の焼成を模した８７０℃、１５分間の複数回（１、３及び５回）の熱処理をした後、及び〔３〕基板の実装時の使用環境を模した−４５〜＋１２５℃における１００回の冷熱サイクルを実施した後、における断線発生率を評価した。上記〔１〕〜〔３〕をこの順に実施し、それぞれの段階における断線発生率を評価し、〔３〕の冷熱サイクル後も断線せずに残ったものを最終合格品とし、その残った割合を最終合格率として求めた。この最終合格率は少なくとも９０％以上、好ましくは１００％であることを目標とした。尚、断線の有無は導通チェッカーによって確認した。結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１の結果によれば、ビアホール用導体の突き出し量が０μｍである場合は、この導体中のＰｄの量比が５５重量％と高くても、最終合格率は僅か１３％であり、このセラミック多層回路基板は実用に供し得ないものであることが分かる。また、突き出し量が本発明の下限値未満の１５μｍである場合は、Ｐｄの量比を２０重量％以上とすれば、最終合格率はほぼ８０％以上となり、突き出し量が０μｍである場合に比べて大きく改善される。
【００３０】
更に、突き出し量が本発明の下限値である２０μｍである場合は、Ｐｄの量比を本発明の下限値である２０重量％以上とすれば、最終合格率は１００％となることが分かる。また、突き出し量が２５μｍ以上では、Ｐｄの量比が１５重量％であっても最終合格率は８０％以上となり、特に突き出し量が３０μｍ以上では最終合格率は９０％以上、更には突き出し量が４０μｍであれば、Ｐｄの量比が１５重量％であっても、最終合格率はほぼ１００％となることが分かる。尚、最終合格品の導通抵抗の変化率について調べたところ、初期抵抗値の１０％以内と良好であることが確認できた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、ビアホール用導体として高価なＡｕを使用することなく、焼成或いは信頼性試験等におけるＡｕ又はＡｕを主体とする配線用導体と、ＡｇとＰｄとからなるビアホール用導体との間で発生し易い導通不良或いは断線といったトラブルが大幅に低減された、又はそのようなトラブルのないセラミック回路基板を得ることができる。このセラミック回路基板では、ビアホール用導体として高価なＡｕを使用しないため、コスト的に有利であり、信頼性も大きく向上する。
【００３２】
また、本発明によれば、ＡｇとＰｄ及び特定量の第１の有機バインダを含むビアホール用導体材料を使用することにより、この導体材料が焼成されてなるビアホール用導体と、Ａｕを主体とする配線用導体材料が焼成されてなる配線用導体との間の導通不良或いは断線を生ずることのないセラミック回路基板を容易に製造することができる。

Claims

ビアホールを有するセラミック基板、該ビアホール内を充たし、且つ該セラミック基板の表面から２０〜５０μｍ突き出しているビアホール用導体及び配線用導体により構成される配線層を備え、該ビアホール用導体と該配線用導体とは導通しており、該ビアホール用導体はＡｇとＰｄとからなり、該Ａｇと該Ｐｄとの合計量を１００重量％とした場合に、該Ｐｄは２０〜５５重量％であり、該配線用導体は、該配線用導体を１００重量％とした場合に、５０重量％以上のＡｕを含有することを特徴とするセラミック回路基板。
セラミックグリーンシートに貫通孔を設け、該貫通孔内に、ビアホール用導体材料を充填した後、一次焼成し、その後、上記セラミックグリーンシートが焼成されてなるセラミック基板の表面に突き出した上記ビアホール用導体材料が焼成されてなるビアホール用導体の表面、及び上記セラミック基板の表面に、配線用導体材料を印刷し、次いで、二次焼成してセラミック回路基板を製造する方法において、上記ビアホール用導体材料は、第１の導体材料と第１の有機バインダとを含み、該第１の導体材料はＡｇとＰｄとからなり、該Ａｇと該Ｐｄとの合計量を１００重量％とした場合に、上記第１の有機バインダは３．５〜６．５重量％であり、上記配線用導体材料は、少なくともＡｕを含む第２の導体材料と第２の有機バインダとを含有し、該第２の導体材料を１００重量％とした場合に、上記Ａｕは５０重量％以上であることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
セラミックグリーンシートに貫通孔を設け、該貫通孔内に、ビアホール用導体材料を充填し、その後、該ビアホール用導体材料の端面及び上記セラミックグリーンシートの表面に、配線用導体材料を印刷し、次いで、一体に焼成してセラミック回路基板を製造する方法において、上記ビアホール用導体材料は、第１の導体材料と第１の有機バインダとを含み、該第１の導体材料はＡｇとＰｄからなり、該Ａｇと該Ｐｄとの合計量を１００重量％とした場合に、上記第１の有機バインダは３．５〜６．５重量％であり、上記配線用導体材料は、少なくともＡｕを含む第２の導体材料と第２の有機バインダとを含有し、該第２の導体材料を１００重量％とした場合に、上記Ａｕは５０重量％以上であることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
上記Ａｇと上記Ｐｄとの合計量を１００重量％とした場合に、上記Ｐｄは２０〜５５重量％である請求項２又は３記載のセラミック回路基板の製造方法。
上記セラミックグリーンシートは、１０００℃以下の温度で焼成することができるセラミック材料からなるものである請求項２乃至４のいずれか１項に記載のセラミック回路基板の製造方法。