JP3680715B2 - 絶縁体磁器組成物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば多層回路基板に用いられる絶縁体磁器組成物に関し、より詳細には、半導体素子や各種電子部品を搭載するための複合多層回路基板に好適に用いることができ、銅や銀などの導体材料と同時焼成可能な絶縁体磁器組成物に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器の高速化及び高周波化が進んでいる。また、電子機器に搭載される電子部品においても、高速化及び高集積化が求められており、さらに高密度実装化が要求されている。上記のような要求に応えるために、従来より、半導体素子や各種電子部品を搭載するための基板として、多層回路基板が用いられている。多層回路基板では、基板内に導体回路や電子部品機能素子が内臓されており、電子機器の小型化を進めることができる。
【0003】
上記多層回路基板を構成する材料としては、従来、アルミナが多用されている。
アルミナの焼成温度は1500〜1600℃と比較的高い。従って、アルミナからなる多層回路基板に内蔵されている導体回路材料としては、通常、Mo、Mo−Mn、Wなどの高融点金属を用いなければならなかった。ところが、これらの高融点金属は電気抵抗が高いという問題があった。
【0004】
従って、上記高融点金属よりも電気抵抗が低く、かつ安価な金属、例えば銅などを導体材料として用いることが強く求められている。銅を導体材料として用いることを可能とするために、1000℃以下の低温で焼成され得るガラスセラミックスや結晶化ガラスなどを用いることが提案されている(例えば、特開平5−238774号公報)。
【0005】
また、Siチップなどの半導体部品との接続を考慮して、熱膨張係数がSiに近いセラミックスを多層回路基板材料として用いることも提案されている(特開平8−34668号公報)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公知の低温焼成可能な基板材料は機械的強度が低く、Q値が低く、さらに析出結晶相の種類及び比率が焼成プロセスにより影響を受け易いという問題があった。
【0007】
また、特開平5−238774号公報や特開平8−34668号公報に記載の基板材料では、高い熱膨張係数を有する高誘電率の材料との共焼結が困難であるという問題もあった。
【0008】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、低温の焼成で得ることができ、銀や銅などの比較的低融点の導体材料と同時に焼成でき、比誘電率が小さく、高周波特性に優れており、さらに高熱膨張係数を有する絶縁体磁器を提供することにある。
【0009】
本発明の他の目的は、上記絶縁体磁器を用いて構成されており、低温の焼成で得ることができ、比誘電率が小さく、高周波特性に優れており、さらに高熱膨張係数を有する高誘電率材料との共焼結により得ることができる、セラミック多層基板、セラミック電子部品及び積層セラミック電子部品を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る絶縁体磁器組成物は、(A)MgAl2 O4 系セラミック粉末と、(B)酸化ケイ素をSiO2 換算で13〜50重量%、酸化ホウ素をB2 O3 換算で8〜60重量%、酸化アルミニウムをAl2 O3 換算で0〜20重量%、酸化マグネシウムをMgO換算で10〜55重量%含むガラス粉末とを混合・焼成してなることを特徴とする。
【0011】
なお、上記ガラス粉末100重量%において、酸化ケイ素は、SiO2 換算で、13〜50重量%、好ましくは20〜30重量%を占める。酸化ケイ素の含有量が13重量%未満では、得られる焼結体の結晶化度が低くなり、Q値が低下する。逆に、酸化ケイ素の含有量が50重量%を超えると、ガラスの溶融温度が高くなる。
【0012】
また、上記ガラス粉末100重量%において、酸化ホウ素はB2 O3 換算で8〜60重量%、好ましくは30〜60重量%を占める。酸化ホウ素は、主に融剤として作用する。酸化ホウ素の含有量がB2 O3 換算で8重量%未満では、溶融温度が高くなり過ぎ、逆に、60重量%を超えると、得られる焼結体の耐湿性が低下する。
【0013】
さらに、上記ガラス粉末100重量%において、酸化アルミニウムは、Al2 O3 換算で0〜20重量%を占める。なお、酸化アルミニウム含有量は、Al2 O3 換算で0重量%であってもよい。すなわち、酸化アルミニウムは、必ずしも含まれずともよい。
【0014】
従って、酸化アルミニウムが含まれない本発明に係る絶縁体磁器組成物は、上記(A)MgO−MgAl2 O4 系セラミック粉末と、(B)酸化ケイ素をSiO2 換算で13〜50重量%、及び酸化ホウ素をB2 O3 換算で3〜60重量%の割合で酸化ケイ素及び酸化ホウ素を含むガラス粉末とを含む絶縁体磁器組成物と表される。
【0015】
なお、上記酸化アルミニウムを含有させる場合、含有量がAl2 O3 換算で20重量%を超えると、緻密な焼結体が得られず、Q値が小さくなる。また、酸化アルミニウムを含有させる場合のその下限値については、Al2 O3 換算で0重量%を超える範囲となる。
【0016】
また、前記ガラス粉末は、MgOを10〜55重量%含有することが望ましい。MgOはガラス作製時の熔融温度を下げるとともに、結晶化ガラス中の結晶の構成成分である。特に、MgO−B2 O3 化合物はQf値が数万GHz以上を示し、高い高周波特性発現の主要因となっている。MgOはその含有量が10重量%未満ではQ値が低くなり、55重量%を超えると結晶の析出量が多くなり過ぎ、基板の強度が低下してしまうことがある。
【0017】
本発明において、上記ガラス粉末としては、BaO、SrO及びCaOからなる群から選択した少なくとも1種のアルカリ土類金属酸化物を、上記ガラス粉末全体の20重量%以下を占めるようにさらに含むものが望ましい。
【0018】
上記アルカリ土類金属酸化物は、ガラス作製時の溶融温度を低下させる作用を有し、かつガラスの熱膨張係数を高くするようにも作用する。上記アルカリ土類金属酸化物の含有割合が20重量%を超えると、Q値が低下することがある。
【0019】
また、本発明の他の局面では、上記ガラス粉末は、Li2 O、K2 O及びNa2 Oからなる群から選択した少なくとも1種のアルカリ金属酸化物をガラス粉末全体の10重量%以下の割合で、さらに好ましくは、2〜5重量%の割合で含むことが望ましい。アルカリ金属酸化物は、ガラス作製時の溶融温度を低下させる作用を有する。アルカリ金属酸化物の含有割合が10重量%を超えると、Q値が低下するおそれがある。
【0020】
本発明において、上記絶縁体磁器組成物は、好ましくは、酸化亜鉛をZnO換算で15重量%以下、より好ましくは10重量%以下の割合で含むことが望ましい。酸化亜鉛は、焼成温度を低下させる作用を有する。もっとも、酸化亜鉛の含有割合がZnO換算で15重量%を超えると、最終的に緻密な焼結体が得られないことがある。
【0021】
なお、上記酸化亜鉛は、ガラス成分として含有されていてもよい。
本発明においては、酸化銅がCuO換算で全体の3重量%以下の割合で、より好ましくは、2重量%以下の割合で添加されていることが望ましい。酸化銅は、焼成温度を下げる作用を有する。もっとも、酸化銅の含有割合が3重量%を超えると、Q値を低下させることがある。
【0022】
また、本発明においては、好ましくは、上記セラミック粉末とガラス粉末とは、重量比で、セラミック粉末:ガラス粉末=20:80〜80:20の割合で配合されていることが望ましく、より好ましくは、30:70〜50:50である。上記範囲よりもセラミック粉末の配合割合が高くなると、焼結体の密度が小さくなることがあり、上記範囲よりガラス粉末の配合割合が高くなると、Q値が小さくなることがある。
【0023】
なお、本発明に係る絶縁体磁器は、測定周波数15GHzのQ値が700以上を満足することが望ましい。Q値が700以上の場合には、近年における高周波帯の回路素子基板として用いることができる。
【0024】
なお、上記ガラス粉末としては、ガラス組成物を700〜1400℃で仮焼したものを用いてもよい。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、先ず、本発明に係る絶縁体磁器についての具体的な実施例を説明し、さらに、セラミック多層基板、セラミック電子部品及び積層セラミック電子部品の構造的な実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
【0035】
原料粉末としてMg(OH)2 粉末と、Al2 O3 粉末とを用い、最終的に得られる焼結体が化学量論比組成でMgAl2 O4 となるように上記両粉末を秤量し、16時間湿式混合した後、乾燥した。乾燥された混合物を1350℃で2時間仮焼した後粉砕した。
【0036】
次に、下記の表2に示すように、上記のようにして仮焼された原料20〜80重量%と、下記の表1に示す組成のガラス粉末(焼結助剤)と、ZnO及びCuOを下記の表2に示すように適宜の割合で配合し、適量のバインダを加えて造粒した。造粒された試料番号1〜52の各混合物を、200MPaの圧力の下で成形し、直径12mm×厚さ7mmの円柱状成形体を得た。
【0037】
上記成形体を大気中で900〜1000℃の温度で2時間焼成し、表2及び表3の試料番号1〜46の円柱状の各絶縁体磁器を得た。
上記のようにして得た各円柱状絶縁体磁器を用い、両端短絡型誘電体共振法により共振周波数(15GHz)における比誘電率εr 、及びQ値を測定した。結果を下記の表2,表3に示す。
【0038】
また、上記円柱状絶縁体磁器の相対密度を下記の表2,表3に示す。
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】
【表3】
【0042】
試料番号25,26では、表1のガラスFを用いたため、Q値が600と低かった。同様に、試料番号27においても、表1のガラスGを用いたため、Q値が600と低かった。
【0043】
試料番号28,29では、ガラスHを用いたため、Q値が600と低かった。
また、試料番号34では、ガラスLを用いたため、Q値が600と低かった。
試料番号43では、表1のガラスQを用いたため、Q値が600と低かった。
【0044】
これに対して、本発明の実施例に相当する、試料番号1〜24,30〜33,35〜42,44〜46では、900〜1000℃の低温で焼結が可能であり、相対密度が97%以上と緻密な焼結体が得られており、比誘電率が約7と低く、さらに熱膨張係数が8〜12ppm/℃と高く、しかも測定周波数15GHzにおけるQ値が700以上と高かった。
【0045】
従って、高周波用電子部品に最適な低温で焼成し得る絶縁体磁器組成物を提供し得ることがわかる。
次に、本発明に係る絶縁体磁器を用いたセラミック多層基板、セラミック電子部品及び積層セラミック電子部品の構造的な実施例を説明する。
【0046】
図1は、本発明の一実施例としてのセラミック多層基板を含むセラミック電子部品としてのセラミック多層モジュールを示す断面図であり、図2はその分解斜視図である。
【0047】
セラミック多層モジュール1は、セラミック多層基板2を用いて構成されている。
セラミック多層基板2では、本発明に係る絶縁体磁器組成物からなる絶縁性セラミック層3a,3b間に、例えばチタン酸バリウムにガラスを加えてなる相対的に誘電率の高い誘電性セラミック層4が挟まれている。
【0048】
誘電性セラミック層4内には、複数の内部電極5が誘電性セラミック層4の一を介して隣り合うように配置されており、それによって積層コンデンサユニットC1,C2が構成されている。
【0049】
また、絶縁性セラミック層3a,3b及び誘電性セラミック層4には、複数のビアホール電極6,6aや内部配線が形成されている。
他方、セラミック多層基板2の上面には、電子部品素子9〜11が実装されている。電子部品素子9〜11としては、半導体デバイス、チップ型積層コンデンサなどの適宜の電子部品素子を用いることができる。上記ビアホール電極6及び内部配線により、これらの電子部品素子9〜11と、コンデンサユニットC1,C2とが電気的に接続されて本実施例に係るセラミック多層モジュール1の回路を構成している。
【0050】
また、上記セラミック多層基板2の上面には、導電性キャップ8が固定されている。導電性キャップ8は、セラミック多層基板2を上面から下面に向かって貫いているビアホール電極6に電気的に接続されている。また、セラミック多層基板2の下面に外部電極7,7が形成されており、外部電極7,7が上記ビアホール電極6,6aに電気的に接続されている。また、他の外部電極については図示を省略しているが、上記外部電極7と同様に、セラミック多層基板2の下面にのみ形成されている。また、他の外部電極は、上述した内部配線を介して、電子部品素子9〜11やコンデンサユニットC1,C2と電気的に接続されている。
【0051】
このように、セラミック多層基板2の下面にのみ外部と接続するための外部電極7を形成することにより、セラミック積層モジュールを、下面側を利用してプリント回路基板などに容易に表面実装することができる。
【0052】
また、本実施例では、キャップ8が導電性材料からなり、外部電極7にビアホール電極6aを介して電気的に接続されているので、電子部品素子9〜11を導電性キャップ8により電磁シールドすることができる。もっとも、キャップ8は、必ずしも導電性材料で構成されている必要はない。
【0053】
本実施例のセラミック多層モジュール1では、上記絶縁性セラミック層3a,3bが本発明に係る絶縁体磁器を用いているので誘電率が低く、かつQ値も高いので、高周波用途に適したセラミック多層モジュール1を提供することができる。
【0054】
なお、上記セラミック多層基板2は、周知のセラミック積層一体焼成技術を用いて容易に得ることができる。すなわち、先ず、本発明に係る絶縁体磁器材料を主体とするセラミックグリーンシートを用意し、内部電極5、外部配線及びビアホール電極6,6aなどを構成するための電極パターンを印刷し、積層する。さらに、上下に絶縁性セラミック層3a,3bを形成するためのセラミックグリーンシート上に外部配線及びビアホール電極6,6aを構成するための電極パターンを形成したものを適宜の枚数積層し、厚み方向に加圧する。このようにして得られた積層体を焼成することにより、容易にセラミック多層基板2を得ることができる。
【0055】
図3〜図5は、本発明の第2の構造的な実施例としての積層セラミック電子部品を説明するための分解斜視図、外観斜視図及び回路図である。
図4に示すこの積層セラミック電子部品20は、LCフィルタである。セラミック焼結体21内に、後述のようにインダクタンスL及び静電容量Cを構成する回路が構成されている。セラミック焼結体21が、本発明に係る絶縁体磁器を用いて構成されている。また、セラミック焼結体21の外表面には、外部電極23a,23b,24a,24bが形成されており、外部電極23a,23b,24a,24b間には、図5に示すLC共振回路が構成されている。
【0056】
次に、上記セラミック焼結体21内の構成を、図3を参照しつつ製造方法を説明することにより明らかにする。
まず、本発明に係る絶縁体磁器材料に、有機ビヒクルを添加し、セラミックスラリーを得る。このセラミックスラリーを、適宜のシート成形法により形成し、セラミックグリーンシートを得る。このようにして得られたセラミックグリーンシートを乾燥した後所定の大きさに打ち抜き、矩形のセラミックグリーンシート21a〜21mを用意する。
【0057】
次に、セラミックグリーンシート21a〜21mに、ビアホール電極28を構成するための貫通孔を必要に応じて形成する。さらに、導電ペーストをスクリーン印刷することにより、コイル導体26a,26b、コンデンサ用内部電極27a〜27c、コイル導体26c,26dを形成すると共に、上記ビアホール28用貫通孔に導電ペーストを充填し、ビアホール電極28を形成する。
【0058】
しかる後、セラミックグリーンシート21a〜21mを図示の向きに積層し、厚み方向に加圧し積層体を得る。
得られた積層体を焼成し、セラミック焼結体21を得る。
【0059】
上記のようにして得られたセラミック焼結体21に、図4に示したように外部電極23a〜24bを、導電ペーストの塗布・焼き付け、蒸着、メッキもしくはスパッタリングなどの薄膜形成法等により形成する。このようにして、積層セラミック電子部品20を得ることができる。
【0060】
図3から明らかなように、コイル導体26a,26bにより、図5に示すインダクタンスユニットL1が、コイル導体26c,26dによりインダクタンスユニットL2が構成され、内部電極27a〜27cによりコンデンサCが構成される。
【0061】
本実施例の積層セラミック電子部品20では、上記のようにLCフィルタが構成されているが、セラミック焼結体21が本発明に係る絶縁体磁器を用いて構成されているので、第1の実施例のセラミック多層基板2と同様に、低温焼成により得ることができ、従って内部電極としての上記コイル導体26a〜26cやコンデンサ用内部電極27a〜27cとして、銅、銀、金などの低融点金属を用いてセラミックスと一体焼成することができる。加えて、高周波におけるQ値が高く、高周波用途に適したLCフィルタを構成することができる。
【0062】
なお、上記第1,第2の構造的実施例では、セラミック多層モジュール1及びLCフィルタを構成する積層セラミック電子部品20を例にとり説明したが、本発明に係るセラミック電子部品及び積層セラミック電子部品はこれらの構造に限定されるものではない。すなわち、マルチチップモジュール用セラミック多層基板、ハイブリッドIC用セラミック多層基板などの各種セラミック多層基板、あるいはこれらのセラミック多層基板に電子部品素子を搭載した様々なセラミック電子部品、さらに、チップ型積層コンデンサやチップ型積層誘電体アンテナなどの様々なチップ型積層電子部品に適用することができる。
【0063】
【発明の効果】
本発明に係る絶縁体磁器では、MgAl2 O4 系セラミックス粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、1000℃以下の低温で焼成することができる。従って、銅や銀などの低融点金属からなる導体材料と同時に焼成することができるので、これらの導体材料を内部電極等に用いることができるので、低温焼成により得ることができるセラミック多層基板に好適に本発明に係る絶縁体磁器組成物を用いることができ、かつ多層基板などのコストを低減することができる。加えて、本発明に係る絶縁体磁器組成物を焼成することにより得られた絶縁体磁器は、高周波帯において高いQ値及び低い誘電率を示すので、高周波特性に優れた多層基板などを提供することができる。
【0064】
本発明において、前記ガラス粉末が、BaO、SrO及びCaOからなる群から選択した少なくとも1種のアルカリ土類金属酸化物を、20重量%以下の割合でさらに含む場合は、ガラス粉末作製時の溶融温度を低下させることができ、本発明に係る絶縁体磁器組成物のコストを低減することができる。
【0065】
また、前記ガラス粉末が、Li2 O、K2 O及びNa2 Oからなる群から選択した少なくとも1種のアルカリ金属酸化物を、ガラス粉末全体の10重量%以下の割合で含む場合には、同じくガラス粉末作製時の溶融温度を低下させることができ、ガラス粉末調製コストを低減することができると共に、Q値の低下を抑制することができる。
【0066】
さらに、前記絶縁体磁器組成物が、酸化亜鉛をZnO換算で15重量%以下の割合で含む場合には、絶縁体磁器組成物の焼成温度を低下させることができると共に、緻密て焼結体を得ることを可能とする。
【0067】
また、酸化銅をCuO換算で全体の3重量%以下の割合で含有する場合には、同じく焼成温度を低下させることができ、かつQ値の高い絶縁体磁器を得ることができる。
【0068】
前記セラミック粉末と前記ガラス粉末とが、重量比で、セラミック粉末:ガラス粉末=20:80〜80:20の割合で含む場合には、より緻密な絶縁体磁器を得ることができ、かつガラス粉末の使用によりQ値の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例としてのセラミック多層基板を用いたセラミック電子部品としてのセラミック積層モジュールを示す縦断面図。
【図2】図1に示したセラミック多層モジュールの分解斜視図。
【図3】本発明の第2の実施例の積層セラミック電子部品を製造するのに用いられたセラミックグリーンシート及びその上に形成されている電極パターンを説明するための分解斜視図。
【図4】本発明の第2の実施例に係る積層セラミック電子部品を示す斜視図。
【図5】図4に示した積層セラミック電子部品の回路構成を示す図。
【符号の説明】
1…セラミック積層モジュール
2…セラミック多層基板
3a,3b…絶縁性セラミック層
4…第2のセラミック層としての誘電性セラミック層
5,5…内部電極
6,6a…ビアホール電極
7…外部電極
8…導電性キャップ
9〜11…電子部品素子
20…積層セラミック電子部品
21…セラミック焼結体
23a,23b,24a,24b…外部電極
26a〜26d…コイル導体
27a〜27c…コンデンサ用内部電極
Claims (6)
- (A)MgAl2 O4 系セラミック粉末と、
(B)酸化ケイ素をSiO2 換算で13〜50重量%、酸化ホウ素をB2 O3 換算で8〜60重量%、酸化アルミニウムをAl2 O3 換算で0〜20重量%、酸化マグネシウムをMgO換算で10〜55重量%含むガラス粉末とを混合・焼成してなる絶縁体磁器組成物。 - 前記ガラス粉末が、CaO、BaO及びSrOからなる群から選択した少なくとも1種のアルカリ土類金属酸化物を、前記ガラス粉末全体の20重量%以下の割合でさらに含む、請求項1に記載の絶縁体磁器組成物。
- 前記ガラス粉末が、Li2 O、K2 O及びNa2 Oからなる群から選択した少なくとも1種のアルカリ金属酸化物を、ガラス粉末全体の10重量%以下の割合でさらに含む、請求項1または2に記載の絶縁体磁器組成物。
- 酸化亜鉛をZnO換算で全体の15重量%以下の割合でさらに含むことを特徴とする、請求項1〜3に記載の絶縁体磁器組成物。
- 酸化銅をCuO換算で全体の3重量%以下の割合でさらに含有する、請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁体磁器組成物。
- 前記セラミック粉末と前記ガラス粉末とが、重量比で、セラミック粉末:ガラス粉末=20:80〜80:20の割合で含まれている、請求項1〜5のいずれかに記載の絶縁体磁器組成物。
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