JP3798901B2

JP3798901B2 - 多層配線基板

Info

Publication number: JP3798901B2
Application number: JP04601898A
Authority: JP
Inventors: 和雅古橋; 誠一郎平原; 辰治古瀬; 秀司中澤; 浩文戸田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: JPH11251755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波、ミリ波等の高周波領域において、高いＱ値を示す、高周波回路の構成に適した多層配線基に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波やミリ波等の高周波領域で動作する高周波回路は、マイクロストリップラインを含む共振回路や所定周波数を抽出するフィルタ等などが例示でき、誘電体基板に直接形成することがある。
【０００３】
近年においては、携帯電話装置などに見られるように、小型化が希求され、誘電体基板を、多層配線基板で形成していた。
【０００４】
また、製造方法としては、高周波回路を構成する回路導体（内部配線パターンや表面配線パターン）を誘電体層間に配置して、基板と一体焼成していた。
【０００５】
このような多層配線基板の誘電体層としては、焼成温度が１１００℃以上という高温であったため、回路導体の材料としては、高融点金属であるＰｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ等が使用されていた。これら高融点の導体材料は導通抵抗が大きいため、高周波回路基板には不向きであった。即ち、共振回路やインダクタンスのＱ値が小さくなってしまい、導体線路の伝送損失が大きくなる等の問題があった。
【０００６】
そこで、かかる問題点を解決すべく、導通抵抗の小さいＡｇ、Ｃｕ等などの回路導体を用いることが考えられ、同時に、誘電体層を構成する材料として、低温焼成の誘電体材料が提案されている。
【０００７】
例えば、本出題人は先にＭｇＯ、ＣａＯ、ＴｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃を有する誘電体磁器組成物を提案した（特開平８−２０８３３０号公報参照）。
【０００８】
この誘電体磁器組成物は、９００〜１０５０℃の比較的低温でＡｇ、Ｃｕ等の回路導体と同時に焼成でき、しかも、誘電体層の比誘電率εｒを１８以上、測定周波数８ＧＨｚでのＱ値（Ｑｆ値）が２００００以上、かつ共振周波数の温度係数τｆが±４０ｐｐｍ以内と優れた特性を達成することができる。これにより、高周波回路を小型化、高性能化が実現できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−２０８３３０号公報に開示された誘電体磁器組成物の焼結温度（９００〜１０５０℃）は、ＡｇやＣｕなどと一体的焼結が可能な温度であるものの、若干高く、さらに焼結時の収縮開始温度が８４５〜９６０℃と比較的高温であるため、ＡｇゃＣｕなどの回路導体材料の収縮挙動との整合性が得にくく、焼成された多層配線基板に反りや歪みが発生するという問題があった。
【００１０】
これは、回路導体材料は、ＡｇやＣｕを主成分とするが、Ａｇ、Ｃｕに対してガラス成分やセラミック成分、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属を添加したものがあり、焼成時における収縮開始温度が高くとも６５０℃程度であるため、上記誘電体磁器組成物の収縮開始温度との差が大きくなってしまう。
【００１１】
本発明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、高周波回路用の基板として諸特性を満足し、しかも、焼結挙動が誘電体層間に配置したＡｇやＣｕなどの回路導体の焼結挙動と近似し、反りや基板の変形がなく、小型化が可能な多層配線基板を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る多層配線基板は、カルボキシル基が付加された有機バインダを含有するスラリーを含んでなる誘電体グリーンシートを複数積層して焼結することにより形成される複数の誘電体層の層間に、ＡｇまたはＣｕを主成分とする配線パターンを配してなる多層配線基板であって、前記誘電体層は、一般式（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ_３・ｘＣａＴｉＯ_３と表した時、ｘが０≦ｘ≦０．２を満足する該誘電体層の構成材料１００重量部に対して、Ｂ含有化合物をＢ_２Ｏ_３換算で３〜２０重量部、アルカリ金属含有化合物をアルカリ金属炭酸塩換算で１〜１０重量部、Ｓｉ含有化合物をＳｉＯ_２換算で０．０１〜５重量部、アルカリ土類金属含有化合物をアルカリ土類金属酸化物換算で０．１〜２重量部、含有している。
【００１３】
尚、上述の誘電体層には、誘電体材料１００重量部に対して、さらにＭｎ含有化合物をＭｎＯ₂換算で０．１〜３重量部含有させることが好ましい。
【００１４】
【作用】
本発明の多層配線基板は、誘電体層として、金属元素として少なくともＭｇおよびＴｉを含有し、これらのモル比による組成式を（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ₃・ｘＣａＴｉＯ₃で表した時、前記ｘが０≦ｘ≦０．２を満足する誘電体材料を主成分として、この誘電体材料１００重量部に対して、Ｂ含有化合物をＢ₂Ｏ₃換算で３〜２０重量部、アルカリ金属含有化合物をアルカリ金属炭酸塩換算で１〜１０重量部、Ｓｉ含有化合物をＳｉＯ₂換算で０．０１〜５重量部、さらにアルカリ土類金属含有化合物をアルカリ土類金属酸化物換算で０．１〜２重量部含有されて構成されている。また、主成分１００重量部に対して、さらにＭｎ合有化合物をＭｎＯ₂換算で０．１〜３重量部含有することが望ましい。
【００１５】
このような誘電体層間に、Ａｇおよび／またはＣｕを主成分とする回路導体を配置して多層基板が達成される。
【００１６】
組成式（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ₃・ｘＣａＴｉＯ₃（０≦ｘ≦０．２）で表される誘電体材料（主成分）に、Ｂ含有化合物、アルカリ金属含有化合物、Ｓｉ含有化合物、アルカリ土類金属含有化合物を所定量添加含有した誘電体層を用いることにより、比誘電率が１８〜２０で、Ｑｆ値が２００００〔ＧＨｚ〕以上となり、共振回路での共振周波数の温度変化が±４０ｐｐｍ／℃以内となり、高周波回路を構成するのに適した特性となる。また、焼成温度が８７０〜９２０℃となり、収縮開始温度が７６０〜８３０℃となり、多層配線基板の回路導体としてＡｇやＣｕなどの低抵抗材料を用いることができ、しかも、収縮開始温度に近似させることができ、誘電体層と回路導体とを同時焼結しても基板等の反り、歪み等の発生を抑制することができる。
【００１７】
上述の組成式（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ₃・ｘＣａＴｉＯ₃（０≦ｘ≦０．２）において、モル比率（ｘ）が０．２を越えると、温度係数係数が±４０ｐｐｍ／℃から外れてしまい、安定した高周波動作が可能な多層配線基板が達成されない。
【００１８】
また、誘電体材料に対して添加するＢ含有化合物、例えばＢ₂Ｏ₃は、主に焼結性を制御するものであり、添加量が３重量部未満では焼結しなくなる。また、添加量が２０重量部を越えるとＱｆ値が劣化してしまい、実用に適した範囲、例えば２００００以上とすることができない。このＱｆ値が２００００以下となると、例えば、フィルタ特性のＳ／Ｎ比による損失が誘電体材料による損失（誘電体損）が顕著となる。
【００１９】
また、主成分である誘電体材料に対して添加するアルカリ金属含有化合物、例えばＬｉ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃などは、主にＱｆ値を２０００0 以上で安定させ、焼結性を制御するものであり、誘電体材料１００重量部に対して、アルカリ金属含有化合物がアルカリ金属炭酸塩換算で6 〜７重量部で良好な結果を示す。尚、その添加量が１重量部未満や１０重量部を越えたりすると、Ｑｆ値が２０００0 を下回る。
【００２０】
また、主成分である誘電体材料に対して添加するＳｉ含有化合物、例えばＳｉＯ₂は主に焼結開始温度、収縮開始温度やＱｆ値を制御するものであり、主成分である誘電体材料１００重量部に対して、Ｓｉ含有化合物をＳｉＯ₂換算で０．０１重量部未満では、例えば、焼結開始温度が９３０℃と、ＡｇやＣｕの融点に近い温度で焼結が開始されてしまう。また、５重量部を越えると、極端にＱｆ値が劣化してしまう。
【００２１】
さらに主成分である誘電体材料に対して添加するアルカリ土類金属含有化合物、例えばＢａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯは、主に焼結開始温度の制御及び磁器組成物のスラリー化を制御するものである。そして、主成分である誘電体材料１００重量部に対して、アルカリ土類金属含有化合物をアルカリ土類金属酸化物換算が０．１重量部未満では、焼結不足となり、また、５重量部を越えると、Ｑｆ値が劣化するとともに、製造工程中のスラリー化が実用に適しない状態となる。例えば、スラリー化させるための溶剤の量が通常の１．５倍〜２．０倍を越える多量の溶剤が必要となる。
【００２２】
尚、主成分である誘電体材料に対して添加するＭｎ含有化合物は、主成分である誘電体材料１００重量部に対して、Ｍｎ合有化合物がＭｎＯ₂換算で０．１重量部未満では、焼結温度が高くなり、３重量部を越えると、温度係数が極端に劣化してしまう。
【００２３】
従って、本発明の多層配線基板の誘電層が、組成式（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ₃・ｘＣａＴｉＯ₃（０≦ｘ≦０．２）で表される誘電体材料（主成分）に、Ｂ含有化合物、アルカリ金属含有化合物、Ｓｉ含有化合物、アルカリ土類金属含有化合物を所定量添加含有することにより、誘電体層と回路導体とを同時焼結しても基板等の反り、歪み等の発生がなく、誘電体層の薄型化するために必要な安定した粘度のスリップ材を簡単に形成することもでき、共振回路、コンデンサ回路、フィルタ回路などを多層基板内に内装することができ、しかも、共振回路を構成するマイクロストリップ線路などを小型化することができ、温度特性に優れた多層配線基板となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多層基板を図面に基づいて詳説する。
【００２５】
図１は、本発明に係る多層基板の断面図である。図において、１は多層基板であり、５は電子部品である。多層基板１は、複数の誘電体層１ａ〜１ｄと、各誘電体層１ａ〜１ｄ間に内装された所定回路導体（内部配線パターン）２・・・が配置され、多層基板１の表面には、所定回路導体（表面配線パターン）３が配置されている。また、誘電体層１ａ〜１ｄの各誘電体層の厚みには、ビアホール導体４が形成されている。
【００２６】
上述の誘電体層１ａ〜１ｄは、組成式（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ₃・ｘＣａＴｉＯ₃（０≦ｘ≦０．２）で表される誘電体材料（主成分）に、Ｂ含有化合物、アルカリ金属含有化合物、Ｓｉ含有化合物、アルカリ土類金属含有化合物、Ｍｎ化合物が含有されて構成されている。
【００２７】
内部配線パターン２、表面配線パターン３及びビアホール導体４は、ＡｇやＣｕなどを主成分とする低抵抗材料からなり、所定回路網や電子部品の搭載用パッド、端子電極を構成するとともに、共振回路を構成するマイクロストリップ線路やインダクタ導体、コンデンサを形成するための平板容量電極、フィルタ回路を構成するインダクタ導体、平板容量電極パターンなどとなる。
【００２８】
このような高周波回路においては、導損（導体膜による特性の損失）及び基板材料である誘電体損（誘電体材料による特性の損失）を如何に小さくするかが重要となる。上述の構造においては、配線パターン２、３にＡｇやＣｕなどの低抵抗材料を用いることにより、導体損が小さくできる。
【００２９】
従って、誘電体層１ａ〜１ｄの誘電体材料による誘電体損を小さくすることが重要となる。
【００３０】
多層配線基板は、内部配線パターン２、表面配線パターン３、ビアホール導体４となる導体膜、導体を形成した誘電体層１ａ〜１ｄとなる誘電体グリーンシートが複数積層されて、同時焼結されて形成される。
【００３１】
即ち、誘電体層１ａ〜１ｄの誘電体諸特性は、上述のグリーンシートを形成する際の所定誘電体磁器材料の原料粉末によって規定される。
【００３２】
また、製造工程上、上述の原料粉末と有機バインダ及び有機溶剤あるいは水とからなるスラリーが安定して形成されることが必要となる。即ち、多量の溶剤が必要となったり、経時的に粘度が変質しやすいものでは、実用上問題となる。
【００３３】
ここで、スラリーには欠かせない有機バインダ及び溶剤は、低温短時間の焼成工程で完全に焼失されなくてはならない。例えば、熱分解性に優れた有機バインダとしては、２級もしくは３級炭素を有したブチルアクリレート等のアルキルアクリレートおよびそれらに対応するアルキルメタクリレートを主成分とするものが例示できる。また、有機溶剤に対応してテトラエチレングリコールジアクリレート等のポリエチングリコールジアクリレートおよびそれらに対応するメタクリレートも有効である。スリップ材の溶剤として水を使用する際には、有機バインダには前述の主成分に加え、水に対する溶解性を上げるため親水性の官能基としてカルボキシル基が付加することが多く、酸価にして５以上の付加を行うのが好ましい。尚、付加量が少ない場合は水への溶解性、固形成分の粉末の分散性が悪くなる。
【００３４】
また、スリップ材の溶剤として有機溶剤を使用する場合でも、シートにビアホール導体が形成される孔を形成するのに、フォトリソ技術（露光・現像）を用いることがある。この場合、露光を可能にするために光硬化可能なモノマー添加し、さらに、現像に対応して有機バインダのアルカリ水溶液への溶解性を上げるため親水性の官能基としてカルボキシル基が付加することが多く、酸価にして５以上の付加を行うのが好ましい。
【００３５】
多層配線基板は、上述のように誘電体層１ａ〜１ｄとなるグリーンシートを作成し、該シートに、各誘電体層の厚みを貫くビアホール導体４となる貫通孔を形成し、この貫通孔に導体を充填し、該シート上に内部配線パターン２となる導体や表面配線パターン３となるなる導体膜を、ＡｇやＣｕを主成分とする導電性ペーストを用いて印刷形成する。
【００３６】
そして、このようにして得られたグリーンシートを積層順に応じて、積層・圧着した後、脱バインダー工程及び焼成工程からなる焼結処理により、誘電体層及び導体膜とを同時焼結する。
【００３７】
尚、この焼結時としては、大気雰囲気中で、例えば、ピーク温度８００〜９５０℃で焼成する。
【００３８】
上述の原料粉末と有機バインダを溶剤と共に混合しスラリー材を得るにあたり、水を溶剤として使用した場合には、リチウムの水への溶解性が高いためリチウムが溶剤中へ溶出する。有機溶剤を使用した場合でも粉末の表面に吸着した水分により不安定化したリチウムが溶剤中へ溶出する。
【００３９】
リチウムが溶出した部分からは原料粉末の他の成分もスラリー材の中に溶出する。例えば、原料のうちのアルカリ土類金属であり、２価の陽イオンとなるＭｇ、Ｃａは有機バインダ中のカルボキシル基と反応し、カルボキシル基の量が酸価にして５以上の有機バインダの場合はスラリー材がゲル化したり、時間経過と共に粘度が増加し、実用に耐えないスラリー材としてしまう。
【００４０】
これを防止するため、各種成分の組成を検討することにより、添加物として加えるアルカリ土類金属の量を制限することにより、実用範囲内で安定した粘度を持つスラリー材を得ることができる。
【００４１】
【実験例】
本発明者は、多層配線基板の誘電体層となる誘電体材料の特性を調べるために、原料として純度９９％以上の、ＭｇＴｉＯ₃粉末、ＣａＴｉＯ₃粉末、Ｂ₂Ｏ₃粉末、アルカリ金属炭酸塩粉末（Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃）、ＳｉＯ₂粉末、ＭｎＯ₂粉末、さらにアルカリ土類金属酸化物（ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｓｒ、ＢａＯ）を含むガラスフリットを、表１に示す割合となるように秤量し、純水を媒体とし、ＺｒＯ₂ボールを用いたボールミルにて２０時間湿式混合した。
【００４２】
次にこの混合物を乾燥（脱水）し、８００℃で１時間板焼した。さらに、仮焼物を、粉砕粒径が１．０μｍ以下になるように粉砕した。この粉末に、メタクリレートとメタクリル酸を共重合させ酸価を５０としたバインダを粉末に対して１５ｗｔ％、ＤＯＰを可塑剤として４ｗｔ％、溶剤として３メトキシブチルアセテートを加え、４０時間ボールミルで混合して、スリップ材を作成し、ドクターブレード法により成形しテープを得た。また前記粉砕後の粉末を誘電特性評価用の試料として直径１０ｍｍ高さ８ｍｍの円柱状に１ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力でプレス成型し、これを表１に示す温度で２時間焼成し、直径８ｍｍ、高さ６ｍｍの円柱状の試料を得た。誘電特性の評価は、前記試料を用いて誘電体円柱共振器法にて周波数８ＧＨｚにおける比誘電率とＱ値を測定した。Ｑ値と測定周波数ｆとの積で表されるＱｆ値を記載した。さらに、−４０〜＋８５℃の温度範囲における共振周波数の温度係数τｆ〔ｐｐｍ／℃〕を測定した。
【００４３】
尚、評価項目として、焼成温度はＡｇやＣｕの導体膜との焼結挙動を考慮して、焼成温度を８７０〜９２０℃に、収縮開始温度を７６０〜８３０℃を良品とし、また、比誘電率は１８〜２０を良品とし、Ｑｆ値が２００００〔ＧＨｚ〕以上を良品とし、温度係数を±４０ppm/℃以内を良品とした。また、スラリー化に関しては、多量の溶剤を必要とすることなく、また、粘度の変質やゲル化することがなく、安定したシート成型ができるものを良品とした。
【００４４】
【表１】

【００４５】
これらの表１から、本発明の多層基板用誘電体磁器組成物では、（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ₃・ｘＣａＴｉＯ₃と表した時、ｘが０≦ｘ≦０．２を満足する該誘電体材料１００重量部に対して、Ｂ含有化合物をＢ₂Ｏ₃換算で３〜２０重量部、アルカリ金属含有化合物をアルカリ金属炭酸塩換算で１〜１０重量部、Ｓｉ含有化合物をＳｉＯ₂換算で０．０１〜５重量部、アルカリ土類金属含有化合物をアルカリ土類金属酸化物換算で０．１〜２重量部とすることにより、比誘電率が１８〜２０、Ｑｆ値が２００００〔ＧＨｚ〕以上、かつ、共振周波数の温度係数τｆが±４０ｐｐｍ／℃以内の優れた誘電特性を有するとともに、７６０〜８３０℃で焼結収縮が開始し、９２０℃以下で焼成が可能な優れたものとすることができる。
【００４６】
尚、表１のアルカリ金属化合物の欄において、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋと記載したが、これはＬｉ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃の意味であり、また、アルカリ土類金属化合物の欄において、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒと記載したが、これは、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの意味である。
【００４７】
【発明の効果】
以上、詳述した通り、本発明によれば、組成式（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ₃・ｘＣａＴｉＯ₃で表される主成分に、Ｂ含有化合物、アルカリ金属合有化合物、Ｓｉ含有化合物、さらにアルカリ土類金属合有化合物を含有することにより、焼成温度を８７０〜９２０℃、収縮開始温度を７６０〜８３０℃とすることが可能となるため、ＡｇやＣｕ等の回路導体と同時に焼成でき、回路導体の収縮挙動の不整合から発生する基板等の反りや歪みを抑制することができる。
【００４８】
また、高周波領域において、高い比誘電率（１８〜２０）と高いＱｆ値（２００００以上）となるため、高周波回路の小型・高性能化が実現できる。
【００４９】
、また、温度特性にも優れた実用に適したシート化が可能な多層配線基板となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多層基板の断面図である。
【符号の説明】
１・・・多層基板
２・・・内部配線導体
３・・・表面配線導体
４・・・ビアホール導体
５・・・電子部品

Claims

カルボキシル基が付加された有機バインダを含有するスラリーを含んでなるグリーンシートを複数積層して焼結することにより形成される複数の誘電体層の層間に、ＡｇまたはＣｕを主成分とする配線パターンを配してなる多層配線基板であって、
前記誘電体層は、一般式（１−ｘ）ＭｇＴｉＯ_３・ｘＣａＴｉＯ_３と表した時、ｘが０≦ｘ≦０．２を満足する該誘電体材料１００重量部に対して、
Ｂ含有化合物をＢ_２Ｏ_３換算で３〜２０重量部、
アルカリ金属含有化合物をアルカリ金属炭酸塩換算で１〜１０重量部、
Ｓｉ含有化合物をＳｉＯ_２換算で０．０１〜５重量部、
アルカリ土類金属含有化合物をアルカリ土類金属酸化物換算で０．１〜５重量部、含有していることを特徴とする多層配線基板。