JP3807257B2 - セラミック部品の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ＩＣ、チップ部品などを搭載し、かつそれらを相互配線するセラミック多層基板に代表されるセラミック部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体ＩＣ、チップ部品等は小型、軽量化が進んでおり、これらを実装する配線基板も小型、軽量化が望まれている。このような要求に対して、セラミック多層基板は、要求される高密度配線が得られ、かつ薄膜化が可能なことより、今日のエレクトロニクス業界において重要視されている。
【０００３】
このセラミック多層基板の従来の製造方法について説明する。
【０００４】
一般に、セラミック多層基板は、
（１）セラミック材料の調合、混合工程
（２）セラミックグリーンシートの成形工程
（３）導体ペーストの作製工程
（４）グリーンシート層および導体層からなる複合積層体の焼成工程
によって作製される。
【０００５】
この焼成工程において、セラミック多層基板は焼結に伴う収縮が生じる。この焼結に伴う収縮は、使用する基板材料、グリーンシート組成、粉体ロットなどにより異なる。これにより多層基板の作製においていくつかの問題が生じている。
【０００６】
例えば、セラミック多層基板の作製において内層配線の焼成を行ってから最上層配線の形成を行うため、基板材料の収縮誤差が大きいと、最上層配線パターンと寸法誤差のため内層電極との接続が行えない。その結果、収縮誤差をあらかじめ許容するように最上層電極部に必要以上の大きい面積のランドを形成しなければならず、高密度の配線を必要とする回路には使用できない。
【０００７】
そのため、収縮誤差に合わせて最上層配線のためのスクリーン版をいくつか用意しておき、基板の収縮率に応じて使用する方法が採られることもある。この方法ではスクリーン版を数多く用意しなければならず不経済である。また、最上層配線を内層焼成と同時に行えば大きなランドを必要としないが、この同時焼成法によっても基板そのものの収縮誤差はそのまま存在するので、最後の部品搭載時のクリーム半田印刷において、その誤差のために必要な部分に印刷できない場合が起こる。
【０００８】
そこで特許２７８５５４４号公報においては、低温焼結ガラスセラミック混合粉体よりなるグリーンシートに電極パターンを形成したものを所望枚数積層し、この積層体の両面、もしくは片面に前記ガラスセラミック混合粉体の焼成温度では焼結しない無機組成物よりなる熱収縮抑制グリーンシート（以下、熱収縮抑制シートと呼ぶ）で挟み込むように積層し、前記積層体を焼成し、熱収縮抑制層を取り除くという発明がなされた。これによれば、基板材料の焼成が厚み方向に多く起こり、平面方向の収縮は抑制される基板が作製でき上記のような課題が解決できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記発明により平面方向の収縮が起こりにくい基板を得ることはできるが、ここには課題がある。それは基板収縮が厚み方向に多く起こるため、従来の製造方法では焼成後の基板において内部電極周辺にクラック等の欠陥が発生してしまうことである。
【００１０】
この問題が生じる原因は、焼成過程において、導体ペーストとグーリンシート積層体との焼結タイミングあるいは熱収縮挙動のズレに大きな原因があるものと考えられる。グーリンシート積層体と導体ペーストとの焼結収縮挙動に大きなズレがあるために、焼成された基板と電極との間に過大な応力やひずみが生じて、前記したクラック等の欠陥の発生が生じる。
【００１１】
通常の焼成方法であれば、焼成過程において三次元方向に収縮が起こり、発生したクラックは微小なものであれば焼成中に修復するが、本発明の製造方法では、焼成過程において平面方向に収縮が起こらないため、発生したクラック等の欠陥が修復しにくい。このクラック等の欠陥が基板に発生してしまうと、基板の信頼性が低下してしまい問題である。
【００１２】
本発明は上述した問題点を解決するものであり、その目的は、ガラスセラミック積層体を熱収縮抑制シートで挟んで焼成する高寸法精度焼成工法において、電気特性を大きく劣化させることなく、焼成後の基板において内部電極周辺にクラック等の欠陥の発生を抑えた高信頼性で高寸法精度のセラミック部品を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の請求項１に記載の発明は、ガラスセラミック混合粉体からなるグリーンシートを複数枚積層し焼成するセラミック部品の製造方法において、少なくとも銀粉末を含む導体粉末と有機ビヒクル、および酸化モリブデンを導体粉末全体に対しＭｏＯ3に換算して２．５〜５重量％の範囲で含む導体ペーストを作製する工程と、前記導体ペーストからなる内部電極層と前記グリーンシートを積層してなる積層体の両面もしくは片面に、ガラスセラミック混合粉体の焼成温度では焼結しない無機組成物よりなる熱収縮抑制グリーンシートを積層してなる複合積層体を得る工程と、前記複合積層体に含まれる樹脂成分を焼却する脱脂工程の後、積層体を一体焼成する工程と、前記熱収縮抑制層を焼成積層体から除去する工程を含むことを特徴とするセラミック部品の製造方法であり、高寸法精度で高信頼性のセラミック部品を得ることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、導体ペースト中の銀粉末の平均粒径は３μｍ〜８μｍの範囲である請求項１に記載のセラミック部品の製造方法であり、低抵抗な性能が実現できる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、焼成工程において、脱脂工程後の焼成温度までの平均昇温速度が２００℃／ｈ〜５５００℃／ｈである請求項１に記載のセラミック部品の製造方法であり、量産性に優れ均質なセラミック部品が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
まずガラスセラミック混合材料の作製方法について説明する。今回用いたガラスセラミック混合材料はＡｌ2Ｏ3，ＭｇＯ，Ｓｍ2Ｏ3（以下ＡＭＳと呼ぶ）およびガラス（ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−ＣａＯ系ガラス粉体、軟化点７８０℃）を主成分とするものである。高純度のＡｌ2Ｏ3，ＭｇＯ，Ｓｍ2Ｏ3原料粉体をモル比で１１：１：１の割合で秤量したものを、ボールミルに投入し２０時間混合した後、乾燥する。この混合粉を１３００℃で２時間仮焼し、この仮焼粉をボールミルで２０時間粉砕したものが、ＡＭＳ粉である。このＡＭＳ粉とＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−ＣａＯ系ガラス粉末を重量比で５０：５０の割合で秤量し、ボールミルで２０時間混合した後、乾燥することにより今回用いたガラスセラミック混合材料（以下、ＡＭＳＧ材と呼ぶ）が得られる。このＡＭＳＧ材は８８０℃〜９５０℃の温度範囲で緻密に焼成するため、銀電極と一体同時焼成が可能である。また、比誘電率は７．５（１ＭＨｚ）である。
【００１８】
熱収縮抑制グリーンシート１の材料には、アルミナ粉（純度９９．９％、平均粒径１．０μｍ）を用いた。
【００１９】
上記ＡＭＳＧ材およびアルミナ粉に、バインダとしてＰＶＢ樹脂、可塑剤としてジブチルフタレートを添加し、酢酸ブチルを溶剤としてスラリーを作製して、周知のドクターブレード法により所望の厚みのガラスセラミックグリーンシート２（ＡＭＳＧグリーンシート）、熱収縮抑制（アルミナ）グリーンシート１をそれぞれ作製した。
【００２０】
次に、導体ペーストの作製方法について説明する。銀粉末１００重量％に対して、添加物を任意の比率で混合し、有機ビヒクル（エチルセルロースのターピネオール溶解物）をペースト全体に対して２０重量％加え、これらをセラミック３本ロールにより混練し、導体ペーストを得た。
【００２１】
この導体ペーストをスクリーン印刷機を使用して、前記ＡＭＳＧグリーンシート２上に、電気抵抗測定用パターン（導体層３）として印刷した後、図１の構成となるように、ＡＭＳＧグリーンシート２を必要枚数積層し、両面にアルミナグリーンシート１を積層する。この状態で熱圧着して積層体を形成した。熱圧着条件は、温度が８０℃、圧力は５００ｋｇ／ｃｍ2であった。この積層体を１０×１０ｍｍの大きさに切断し、アルミナ製のさやの上に置き、箱型炉において５００℃で１０時間熱処理することにより樹脂成分を焼却した後、空気中で９００℃まで昇温速度３００℃／ｈ（ただし、実施の形態３のみ昇温速度を変化させた）で昇温し、その後９００℃で３０分間保持する条件で焼成を行った。
【００２２】
この焼成積層体の表面には、熱収縮抑制グリーンシート１のアルミナが焼成することなく残存しており、これを酢酸ブチル中で超音波洗浄することにより完全に除去した。
【００２３】
（実施の形態１）
実施の形態１では導体ペーストに対する酸化モリブデンの添加の効果について検討する。（表１）に銀粉末（平均粒径４．０μｍ）に対する三酸化モリブデン（平均粒径２．５μｍ）の添加量と、それぞれ得られたセラミック多層基板を分析して評価した結果を（表１）に示す。
【００２４】
【表１】
Figure 0003807257
【００２５】
評価項目中、「クラック等の欠陥のモード」は、基板１１を研磨して断面を光学顕微鏡で観察し、内部電極１２近傍の基板１１に生じるクラック等の欠陥１３を図２に示す各モードに分類した。
【００２６】
「モードＡ」は欠陥なし、「モードＢ」は欠陥の最大長さが５μｍ未満の小さい場合、「モードＣ」は欠陥の最大長さが５μｍ以上の大きい場合である。シート抵抗値とは、内部導体層の側面に銀電極ペーストを塗布し焼き付けて端子電極を形成しデジタルマルチメータを用いて測定した直流抵抗値と、電極厚みの実測値から、電極面積１ｍｍ2、電極厚み１０μｍ換算の抵抗値を算出した値である。
【００２７】
三酸化モリブデンを全く添加しない試料番号１、添加量の少ない試料番号２では、導体層の近傍に大きな欠陥が発生した（モードＣ）のに対し、三酸化モリブデンを０．１重量％以上添加した試料番号３〜７では、クラック等の欠陥は観察されなかった（モードＡ）。これは三酸化モリブデン添加により、導体層の焼結を遅らせ、ガラスセラミック積層体の焼結挙動に近づけることができたためと考えられる。添加量が０．１重量％未満では導体ペーストの焼結を十分に遅らせることができない。しかし試料番号７のように添加量が６．０重量％と多くなりすぎると、導体層のシート抵抗値が急激に増大する不具合が生じる。
【００２８】
欠陥の発生と低抵抗値の両者の必要性能を満たすためには、三酸化モリブデンの添加量は０．１重量％〜５．０重量％が望ましい。
【００２９】
（実施の形態２）
実施の形態２では、導体ペーストを構成する銀粉末の粒径の影響について検討した。（表２）に示されるように平均粒径が２．２〜１０．２μｍの銀粉末を用い、それぞれの導体粉末１００重量％に対し三酸化モリブデンを１．０重量％添加した導体ペーストを作製し評価した。
【００３０】
【表２】
Figure 0003807257
【００３１】
銀粉末粒径が３μｍ〜８μｍである試料番号４，８〜１０では導体層近傍に欠陥は観察されなかったが、銀粉末粒径が２．２μｍと細かい試料番号１２、１０．２μｍと大きい試料番号１１では内部電極の先端に欠陥がわずかに発生（モードＢ）していた。銀粉末の粒径が小さすぎる場合は銀粉末の表面が活性化するため銀粉末の焼成収縮開始温度が早くなり、また銀粉末の粒径が大きすぎる場合は、銀粉末の収縮開始温度が遅くなりすぎて、導体層とガラスセラミック積層体との収縮挙動差が大きく、電極近傍に欠陥を生じさせると考えられる。なお銀粉末の粒径による抵抗値の変化はほとんどなかった。
【００３２】
以上の結果から導体層を構成する銀粉末の粒径は３μｍ〜８μｍの範囲であることが望ましい。
【００３３】
（実施の形態３）
実施の形態３では、焼成処理工程における昇温速度の影響について検討した。用いたペーストは、銀粉末粒径４．０μｍ、三酸化モリブデンの添加量１．０重量％の試料番号４のペーストである。
【００３４】
【表３】
Figure 0003807257
【００３５】
（表３）に示されるように平均昇温速度が２００℃／ｈ〜５５００℃／ｈの範囲内とした試料番号４，１４〜１７では導体層近傍に欠陥は観察されなかったが、平均昇温速度が１００℃／ｈと遅い試料番号１３では欠陥がわずかに発生（モードＢ）していた。また９０００℃／ｈと非常に速い試料番号１８にも欠陥が観察された。これは、昇温速度を遅くすると、焼成時において導体層とガラスセラミック積層体の収縮挙動の時間差が大きくなるため欠陥が生じたと考えられる。また昇温速度が速くなりすぎると、導体層近傍に急激な収縮力が作用するため、欠陥が生じたものと推定される。
【００３６】
焼成処理工程における平均昇温速度は、２００℃／ｈ〜５５００℃／ｈであるのが望ましい。
【００３７】
なお、ガラスセラミック材料として本発明の実施の形態ではＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯ−Ｓｍ2Ｏ3＋ガラス系材料を用いているが、Ｓｍ2Ｏ3の代わりにＬｎＯx（ＬｎはＬａ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂから選ばれる少なくとも一種類、Ｘは前記Ｌｎの価数に応じて化学量論的に定まる数値）としてもその焼結収縮挙動は変化がないため、同等の効果が得られることを確認している。
【００３８】
なお、ガラスセラミック材料としてＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯ−ＬｎＯx＋ガラス系材料系以外でも、その目的効果に反しない限り、適宜組成のものを用いることができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のセラミック部品の製造方法によれば、ガラスセラミック積層体を熱収縮抑制シートで挟んで焼成する高寸法精度焼成工法において、電気特性を大きく劣化させることなく、焼成後の基板において内部電極周辺にクラック等の欠陥の発生を抑えた高信頼性で高寸法精度のセラミック部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミック積層体を熱収縮抑制シートで挟んで焼成する、高寸法精度焼成工法を説明する断面図
【図２】導体層近傍の欠陥の発生箇所を説明する断面図
【符号の説明】
１ 熱収縮抑制グリーンシート
２ ガラスセラミックグリーンシート
３ 導体層
１１ セラミック多層基板
１２ 内部電極
１３ クラック等の欠陥

Claims (4)

  1. ガラスセラミック混合粉体からなるグリーンシートを複数枚積層し焼成するセラミック部品の製造方法において、少なくとも銀粉末を含む導体粉末と有機ビヒクル、および酸化モリブデンを導体粉末全体に対しＭｏＯ3に換算して２．５〜５重量％の
    範囲で含む導体ペーストを作製する工程と、前記導体ペーストからなる内部電極層と前記グリーンシートを積層してなる積層体の両面もしくは片面に、ガラスセラミック混合粉体の焼成温度では焼結しない無機組成物よりなる熱収縮抑制グリーンシートを積層してなる複合積層体を得る工程と、前記複合積層体に含まれる樹脂成分を焼却する脱脂工程の後、積層体を一体焼成する工程と、前記熱収縮抑制層を焼成積層体から除去する工程を含むことを特徴とするセラミック部品の製造方法。
  2. 導体ペースト中の銀粉末の平均粒径が３μｍ〜８μｍであることを特徴とする請求項１に記載のセラミック部品の製造方法。
  3. 焼成工程において、脱脂工程後の焼成温度までの平均昇温速度が２００℃／ｈ〜５５００℃／ｈであることを特徴とする請求項１に記載のセラミック部品の製造方法。
  4. ガラスセラミック混合粉体の主成分は、Ａｌ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＬｎＯx（
    ＬｎはＬａ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂから選ばれる少なくとも一種類、Ｘは前記Ｌｎの価数に応じて化学量論的に定まる数値である）、およびガラスであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセラミック部品の製造方法。
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