JP3864586B2 - 低温焼成セラミック多層回路基板 - Google Patents
低温焼成セラミック多層回路基板 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温焼成セラミック多層基板の表層に表層抵抗体を形成した低温焼成セラミック多層回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
８００℃〜１０００℃で焼成する低温焼成セラミック基板は、１６００℃前後で焼成するアルミナ基板と比較して、(1)誘電率が低く、信号処理の高速化が可能であると共に、(2)セラミックと同時焼成する配線導体として導通抵抗の小さいＡｇ系導体、Ｃｕ等の低融点金属を用いることができる等の利点があり、近年益々需要が増大しつつある。低温焼成セラミック多層回路基板には、図４に示すように、基板内層に内層導体パターン１１を形成し、基板表層に表層抵抗体１２を形成したものがある。表層抵抗体１２としては、例えばＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストを用いて厚膜抵抗体パターンを印刷し、これを６００〜９００℃で焼成したものが用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、焼成工程では、生産性向上、表層導体に用いるＰｄ化合物等の酸化防止のために、焼結後に急速に冷却するようにしている。このため、焼成冷却時に、表層抵抗体１２が先に冷やされ、それからやや遅れて基板内層のセラミック層１３や内層導体パターン１１の温度が低下するため、焼成冷却時に、表層抵抗体１２の温度が基板内層の温度よりも１００℃程度低くなることがある。低温焼成セラミックは、焼結温度が低いため、焼成冷却時に、基板内部の温度がある程度低下するまでは、基板内層のセラミック層１３のガラス成分が柔らかいため、内層導体パターン１１が温度低下に伴って収縮すると、基板内層の柔らかいセラミック層１３も内層導体パターン１１と一体的にずれ動いて、基板表層に圧縮力又は引張力が作用する。例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、表層抵抗体１２の直下の領域に部分的に内層導体パターン１１が存在すると、焼成冷却時の内層導体パターン１１の矢印方向の収縮力によって表層抵抗体１２に引張力が作用し、この引張力が冷却終了後も残留する。
【０００４】
一般に、焼成後の表層抵抗体１２は、抵抗値がばらついているので、焼成後に表層抵抗体１２をレーザトリミング法でトリミングして抵抗値を調整するようにしているが、上述したように、表層抵抗体１２に引張力が残留した状態では、レーザトリミング時の熱歪により表層抵抗体１２にマイクロクラックが発生しやすく、しかも、このマイクロクラックが比較的短期間で拡大しやすい。このようなマイクロクラックの発生・拡大は、表層抵抗体１２の抵抗値を経時変化させて、回路の電気的特性を劣化させる原因となる。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、表層抵抗体の抵抗値の経時変化を少なくすることができる低温焼成セラミック多層回路基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
低温焼成セラミック多層回路基板において、表層抵抗体の直下の領域全体に内層導体パターンを延在させると共に、該内層導体パターンを該表層抵抗体の電極間の間隔よりも大きく形成した場合、焼成冷却時の内層導体パターンの収縮力によって表層抵抗体に圧縮力が作用し、この圧縮力が冷却終了後も残留するようになる。このように、表層抵抗体に圧縮力が残留した状態では、レーザトリミング時に表層抵抗体にマイクロクラックが発生しにくくなり、また、仮に、マイクロクラックが発生したとしても、その拡大が抑えられる。この結果、表層抵抗体の抵抗値の経時変化が少なくなり、長期間にわたって安定した電気的特性が得られる。
【０００７】
この場合、表層抵抗体直下の内層導体パターンを、該表層抵抗体から下方に１００μｍ以上離れた位置に形成すると良い。つまり、表層抵抗体と内層導体パターンとの間に介在されるセラミック層が１００μｍよりも薄いと、表層抵抗体と内層導体パターンとの間の絶縁性が低下するおそれがある。従って、表層抵抗体と内層導体パターンとの間の絶縁性を良好に保つためには、表層抵抗体から内層導体パターンまでの距離を１００μｍ以上確保することが好ましい。
【０００８】
また、内層導体パターンの両端を表層抵抗体の電極間の間隔より５０μｍ以上、はみ出させるように形成することが好ましい。このようにすれば、内層導体パターンの印刷ずれが生じても、内層導体パターンの両端を確実に表層抵抗体の電極間の間隔よりはみ出させることができ、内層導体パターンから表層抵抗体に圧縮力を確実に作用させることができる。
【０００９】
ところで、焼成工程では、生産性向上、表層導体の酸化防止のために、焼結後に急速に冷却するようにしているため、焼成冷却時に、表層抵抗体が先に冷却され、それからやや遅れて基板内層の温度が低下する。このため、焼成冷却時に、基板表層の温度が基板内層の温度より１００℃程度低くなることがある。この場合、セラミック層に含まれるガラスＡの転移点より表層抵抗体に含まれるガラスＢの転移点の方が低く、ガラスＡの転移点とガラスＢの転移点の間に１００℃を超える差がある場合には、焼成冷却時に、セラミック層が先に固化し、その後に表層抵抗体が固化するようになる。従って、セラミック層が固化する前は、表層抵抗体も固化しておらず、表層抵抗体にストレスは発生しない。そして、セラミック層が固化した後は、内層導体パターンの収縮力がセラミック層で受けられるようになるため、セラミック層の固化後も、内層導体パターンから表層抵抗体に引張力が作用することはない。
【００１０】
ところで、表層抵抗体と内層導体パターンとの間に介在されるセラミック層が厚くなるほど、焼成冷却時の内層導体パターンの収縮力がセラミック層で緩和され、内層導体パターンから表層抵抗体に作用する引張力が小さくなる。そこで、 表層抵抗体から下方に１ｍｍ以内の領域を、内層導体パターンを形成しない領域とし、表層抵抗体の直下であり、かつ表層抵抗体から下方１ｍｍを超える領域に内層導体パターンを形成した構成としても良い。本発明者の試験結果（図６参照）によれば、厚膜抵抗体から内層導体パターンまでの距離が１ｍｍよりも大きくなると、表層抵抗体と内層導体パターンの位置関係や大きさを問わず、内層導体パターンの収縮による厚膜抵抗体への影響が少なくなり、表層抵抗体 の抵抗値の経時変化が少なくなる。
【００１１】
本願発明の請求項１の低温焼成セラミック多層回路基板は、このような状況を考慮し、基板表層に表層抵抗体を有し、基板内層に内層導体パターンを有する低温焼成セラミック多層回路基板において、セラミック層に含まれるガラス成分をガラスＡとし、前記表層抵抗体に含まれるガラス成分をガラスＢとした場合、ガラスＡの転移点よりもガラスＢの転移点の方が低く、かつ、ガラスＡの転移点とガラスＢの転移点の間には１００℃を超える差があるようにしたことを特徴としている。
【００１２】
上記構成のようにすれば、焼成冷却時に、セラミック層が先に固化し、その後に表層抵抗体が固化するようになるため、表層抵抗体と内層導体パターンの位置関係や大きさを問わず、内層導体パターンから表層抵抗体に引張力が作用することを防止することが可能になり、表層抵抗体の抵抗値の経時変化を少なくすることができる。
【００１３】
また、請求項２の低温焼成セラミック多層回路基板は、前記表層抵抗体は、ＲｕＯ 2 系の厚膜抵抗体ペーストにより形成され、セラミック層は、ＣａＯ−Ａｌ 2 Ｏ 3 −ＳｉＯ 2 −Ｂ 2 Ｏ 3 系、又はＭｇＯ−Ａｌ 2 Ｏ 3 −ＳｉＯ 2 −Ｂ 2 Ｏ 3 系のガラス粉末とＡｌ 2 Ｏ 3 粉末との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成されていることを特徴としている。
【００１４】
表層抵抗体をＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストにより形成し、セラミック層を、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系、又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス粉末とＡｌ2 Ｏ3 粉末との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成するようにした場合、ＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体は、化学的な安定性に優れ、抵抗値のばらつきが少ないという利点があり、また、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3−ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系の低温焼成セラミックは、焼結性が良く、低誘電率、低熱膨張係数等の優れた特長を備えているため、特性の良好な低温焼成セラミック多層回路基板を提供することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した低温焼成セラミック多層回路基板の構成例を説明する。図１、図２、図３は、それぞれ表層抵抗体１２の下層部分の異なる構成例を示している。低温焼成セラミック基板１０は、複数枚の低温焼成セラミックのグリーンシート（焼成前のセラミック層１３）を積層して８００〜１０００℃で焼成したものである。低温焼成セラミックのグリーンシートはＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3−ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス粉末５０〜６５重量％（好ましくは６０重量％）とＡｌ2 Ｏ3 粉末５０〜３５重量％（好ましくは４０重量％）との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成されている。
【００１６】
積層前に、表層（最上層）を除く各層のグリーンシートには、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ等のＡｇ系導体又はＣｕ、Ａｕ等の電気抵抗値の小さい低融点金属のペーストを使用して内層導体パターン１１をスクリーン印刷し、表層のグリーンシートには、同じ低融点金属のペーストを使用して表層配線パターン（図示せず）や表層抵抗体１２の電極１４をスクリーン印刷する。
【００１７】
積層後に、８００〜１０００℃で焼成して得られた低温焼成セラミック基板１０の表層（上面）に、ＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストを用いて表層抵抗体１２をスクリーン印刷し、その表層抵抗体１２上に、オーバーコートペーストを用いてオーバーコート層１５をスクリーン印刷する。ここで使用するＲｕＯ2 系厚膜抵抗体ペーストは、ＲｕＯ2 粉末に有機バインダと溶剤を加えて混練したものであり、オーバーコートペーストは、ガラス粉末に有機バインダと溶剤を加えて混練したものである。
【００１８】
この場合、表層抵抗体１２の直下の領域に内層導体パターン１１を延在させると共に、該内層導体パターン１１を表層抵抗体１２の電極１４，１４間の間隔よりも大きく形成している。具体的には、該内層導体パターン１１の両端が表層抵抗体１２の電極１４，１４間の間隔より５０μｍ以上、はみ出るように形成している。更に、この内層導体パターン１１は、表層抵抗体１２から下方に１００μｍ以上離れた位置に形成されている（換言すれば、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間に介在されるセラミック層１３の厚みが１００μｍ以上に設定されている）。
【００１９】
尚、表層抵抗体１２の直下の２層以上の領域に内層導体パターンを形成する場合には、図３に示すように、表層抵抗体１２に近い内層導体パターン１１をその両端が表層抵抗体１２の電極１４，１４間の間隔より５０μｍ以上、はみ出るように形成すれば良く、その下層の内層導体パターン１１ａはこのような制限を受けず、自由に形成すれば良い。
【００２０】
次に、図５に基づいて焼成後の冷却速度と表層抵抗体１２の抵抗変化率との関係を考察する。焼成工程では、生産性向上、表層導体の酸化防止のために、焼結後に２０〜１００℃／ｍｉｎの速度で急速に冷却する。このため、焼成冷却時に表層抵抗体１２が先に冷やされ、それからやや遅れて基板内層のセラミック層１３や内層導体パターン１１の温度が低下するため、焼成冷却時に、表層抵抗体１２の温度と基板内層の温度との間に温度差が生じ、この温度差は、冷却速度が速くなるほど、大きくなる。
【００２１】
例えば、図４（ａ）の構造では、焼成冷却時の内層導体パターン１１の矢印方向の収縮力によって表層抵抗体１２に引張力が作用し、この引張力が冷却終了後も残留する。この場合、冷却速度が速くなるほど、（つまり表層抵抗体１２と基板内層との間の温度差が大きくなるほど）、表層抵抗体１２に作用する引張力が大きくなり、それに伴って、レーザトリミング時の熱歪により表層抵抗体１２にマイクロクラックが発生しやすく、しかも、このマイクロクラックが比較的短期間で拡大しやすい。このため、冷却速度が速くなるほど、表層抵抗体１２の抵抗変化率が大きくなる。
【００２２】
これに対し、図１の構造では、焼成冷却時の内層導体パターン１１の収縮力によって表層抵抗体１２に圧縮力が作用し、この圧縮力が冷却終了後も残留するようになる。このように、表層抵抗体１２に圧縮力が残留した状態では、レーザトリミング時に表層抵抗体１２にマイクロクラックが発生しにくくなり、また、仮に、マイクロクラックが発生したとしても、その拡大が抑えられる。この結果、表層抵抗体１２の抵抗変化率が極めて少なくなる（図５参照）。
【００２３】
次に、表層抵抗体１２から内層導体パターン１１までの距離の適正範囲について考察する。図１の構造では、焼成冷却時の内層導体パターン１１の矢印方向の収縮力によって表層抵抗体１２に収縮力を作用させるため、表層抵抗体１２から内層導体パターン１１までの距離が短くなるほど、表層抵抗体１２に大きな収縮力を作用させることができ、レーザトリミング時に表層抵抗体１２にマイクロクラックが発生しにくくなる。しかし、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間に介在されるセラミック層１３が薄くなり過ぎると、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間の絶縁性が低下する。従って、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間の絶縁性を良好に保つためには、表層抵抗体１２から内層導体パターン１１までの距離（両者間のセラミック層１３の厚み）を１００μｍ以上確保することが好ましい。
【００２４】
また、図４（ａ），（ｂ）の構造でも、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間に介在されるセラミック層１３が厚くなるほど、焼成冷却時の内層導体パターン１１の収縮力がセラミック層１３で緩和され、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に作用する引張力が小さくなり、表層抵抗体１２の抵抗変化率が小さくなる。本発明者の試験結果によれば、図６に示すように、厚膜抵抗体１２から内層導体パターン１１までの距離（両者間のセラミック層１３の厚み）が１ｍｍよりも大きくなると、たとえ図４（ａ），（ｂ）の構造であっても、内層導体パターン１１の収縮による厚膜抵抗体１２への影響が少なくなり、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなる。従って、表層抵抗体１２から下方に１ｍｍ以内の領域を、内層導体パターン１１を形成しない領域とし、これ以外の領域に内層導体パターン１１を形成した構成とすれば、図１〜図３のように内層導体パターン１１を形成しなくても、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなる。
【００２５】
次に、表層抵抗体１２の熱膨張係数と抵抗変化率との関係を考察する。一般的に、厚膜表層抵抗体の熱膨張係数は、その表層抵抗体の信頼性を得るために、その表層抵抗体が形成されるセラミック基板の熱膨張係数と等しいか、それより小さくなるように設計されている。表層抵抗体の直下に内層導体パターンが無い基板では、表層抵抗体の熱膨張係数≦基板の熱膨張係数の関係があれば、基板から表層抵抗体に引張力が加わらないため、トリミング時に表層抵抗体に発生したマイクロクラックが進行することが抑えられる。
【００２６】
しかしながら、表層抵抗体の熱膨張係数≦基板の熱膨張係数の関係があっても、図４（ａ），（ｂ）に示すように、表層抵抗体の直下に部分的に内層導体パターンが存在すると、焼成冷却時の内層導体パターンの収縮力によって表層抵抗体に引張力が作用し、この引張力が冷却終了後も残留する。このため、トリミング時に表層抵抗体に発生したマイクロクラックが進行して、表層抵抗体の抵抗値が増加する。
【００２７】
本発明者は、２ｍｍ×１ｍｍの表層抵抗体を形成した３種類のサンプルを用いて、トリミング後、１００サイクル後の抵抗変化率を測定したところ、図７に示すような結果が得られた。図４（ａ）の構造のサンプルでは、内層導体パターンの収縮力によって表層抵抗体に引張力が作用するため、表層抵抗体の熱膨張係数がセラミック基板の熱膨張係数（５．５×１０-6／℃）より小さくても、抵抗変化率が大きく、しかも、表層抵抗体の熱膨張係数がセラミック基板の熱膨張係数より大きくなるほど、抵抗変化率が急激に大きくなった。
【００２８】
一方、表層抵抗体の直下に内層導体パターンの無いサンプルと、図１の構造のサンプルでは、内層導体パターンから表層抵抗体に引張力が作用しないため、トリミング時に表層抵抗体に発生したマイクロクラックが進行することが抑えられ、全体的に抵抗変化率が小さい。この場合でも、表層抵抗体の熱膨張係数がセラミック基板の熱膨張係数より大きくなるほど、抵抗変化率が大きくなる傾向があるが、図４（ａ）の構造のサンプルと比較すれば、抵抗変化率の増加幅が少なく、安定した抵抗値が得られる。
【００２９】
次に、セラミック層１３と表層抵抗体１２に含まれるガラスの転移点と表層抵抗体１２の抵抗変化率との関係を考察する。焼成冷却時に、表層抵抗体１２のガラスＢが固化する前は、表層抵抗体１２にはストレスが発生しない。また、セラミック層１３のガラスＡが固化した後は、内層導体パターン１１の収縮力がセラミック層１３で受けられるため、セラミック層１３の固化後は、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはない。従って、焼成冷却時に、セラミック層１３が先に固化してから、表層抵抗体１２が固化すれば、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはなく、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなるものと推定される。
【００３０】
焼成工程では、生産性向上、表層導体の酸化防止のために、焼結後に急速に冷却するため、焼成冷却時に、表層抵抗体１２が先に冷却され、それからやや遅れて基板内層の温度が低下する。このため、焼成冷却時に、基板表層の温度が基板内層の温度より１００℃程度低くなることがある。
【００３１】
従って、セラミック層１３のガラスＡの転移点と表層抵抗体１２のガラスＢの転移点との差が１００℃以下の場合には、ガラスＡ，Ｂの転移点の差が少なくなるほど（つまり表層抵抗体１２のガラスＢの転移点が高くなるほど）、表層抵抗体１２が固化した後にセラミック層１３が固化する傾向が強くなる。本発明者の試験結果（図８参照）によれば、図４（ａ）の構造では、表層抵抗体１２のガラスＢの転移点が高くなるほど、表層抵抗体１２の抵抗変化率が大きくなった。
【００３２】
また、セラミック層１３のガラスＡの転移点（６８０℃）よりも表層抵抗体１２のガラスＢの転移点の方を１００℃以上低く設定すれば、焼成冷却時に、セラミック層１３が先に固化し、その後に表層抵抗体１２が固化するようになる。この場合、セラミック層１３が固化する前は、表層抵抗体１２も固化しておらず、表層抵抗体１２にストレスは発生しない。そして、セラミック層１３が固化した後は、内層導体パターン１１の収縮力がセラミック層１３で受けられるようになるため、セラミック層１３の固化後も、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはない。従って、セラミック層１３のガラスＡの転移点よりも表層抵抗体１２のガラスＢの転移点の方を１００℃以上低く設定すれば、たとえ図４（ａ），（ｂ）に示すような構造であっても、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することを防止でき、表層抵抗体１２の抵抗変化率を少なくできる。
【００３３】
尚、図２の構造では、表層抵抗体１２の直下の内層導体パターン１１の一方側が長く延びている。この構造では、内層導体パターン１１のうちの表層抵抗体１２の直下の部分が一方向（矢印方向）に収縮するため、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはなく、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなる。
【００３４】
また、図３の構造では、表層抵抗体１２に近い内層導体パターン１１をその両端が表層抵抗体１２の電極１４，１４間の間隔より５０μｍ以上、はみ出るように形成し、その下層に両側から２つの内層導体パターン１１ａの端部を延長している。この構造では、焼成冷却時に、２つの内層導体パターン１１ａの矢印方向の収縮力によってその上層の内層導体パターン１１に引張力が作用するが、この引張力は、内層導体パターン１１自身の収縮力によって打ち消される。従って、この構造でも、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはなく、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな通り、本願請求項１の発明の低温焼成セラミック多層回路基板のように、セラミック層のガラスＡの転移点よりも表層抵抗体のガラスＢの転移点の方を低くし、かつ、ガラスＡの転移点とガラスＢの転移点の間には１００℃を超える差があるようにした場合、焼成冷却時に、セラミック層が先に固化し、その後に表層抵抗体が固化するようになり、内層導体パターンから表層抵抗体に引張力が作用することを防止して、抵抗変化率の小さい、特性の安定した低温焼成セラミック多層回路基板を提供することができる。
【００３６】
また、請求項２のように、表層抵抗体をＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストにより形成し、セラミック層を、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス粉末とＡｌ2 Ｏ3 粉末との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成するようにした場合、表層抵抗体の抵抗値のばらつきを少なくすることができると共に、セラミック基板の低誘電率、低熱膨張係数等の要求を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の第１例を示す主要部の縦断面図
【図２】 本発明の一実施形態の第２例を示す主要部の縦断面図
【図３】 本発明の一実施形態の第３例を示す主要部の縦断面図
【図４】 （ａ）は比較例（第１例）の主要部の縦断面図、（ｂ）は比較例（第２例）の主要部の縦断面図
【図５】 焼成後の冷却速度と表層抵抗体の抵抗変化率との関係を示すグラフ
【図６】 表層抵抗体から内層導体パターンまでの距離と表層抵抗体の抵抗変化率との関係を示すグラフ
【図７】 表層抵抗体の熱膨張係数と抵抗変化率との関係を示すグラフ
【図８】 表層抵抗体のガラス転移点と抵抗変化率との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１０…低温焼成セラミック基板、１１…内層導体パターン、１２…表層抵抗体、１３…セラミック層、１４…電極、１５…オーバーコート層
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温焼成セラミック多層基板の表層に表層抵抗体を形成した低温焼成セラミック多層回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
８００℃〜１０００℃で焼成する低温焼成セラミック基板は、１６００℃前後で焼成するアルミナ基板と比較して、(1)誘電率が低く、信号処理の高速化が可能であると共に、(2)セラミックと同時焼成する配線導体として導通抵抗の小さいＡｇ系導体、Ｃｕ等の低融点金属を用いることができる等の利点があり、近年益々需要が増大しつつある。低温焼成セラミック多層回路基板には、図４に示すように、基板内層に内層導体パターン１１を形成し、基板表層に表層抵抗体１２を形成したものがある。表層抵抗体１２としては、例えばＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストを用いて厚膜抵抗体パターンを印刷し、これを６００〜９００℃で焼成したものが用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、焼成工程では、生産性向上、表層導体に用いるＰｄ化合物等の酸化防止のために、焼結後に急速に冷却するようにしている。このため、焼成冷却時に、表層抵抗体１２が先に冷やされ、それからやや遅れて基板内層のセラミック層１３や内層導体パターン１１の温度が低下するため、焼成冷却時に、表層抵抗体１２の温度が基板内層の温度よりも１００℃程度低くなることがある。低温焼成セラミックは、焼結温度が低いため、焼成冷却時に、基板内部の温度がある程度低下するまでは、基板内層のセラミック層１３のガラス成分が柔らかいため、内層導体パターン１１が温度低下に伴って収縮すると、基板内層の柔らかいセラミック層１３も内層導体パターン１１と一体的にずれ動いて、基板表層に圧縮力又は引張力が作用する。例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、表層抵抗体１２の直下の領域に部分的に内層導体パターン１１が存在すると、焼成冷却時の内層導体パターン１１の矢印方向の収縮力によって表層抵抗体１２に引張力が作用し、この引張力が冷却終了後も残留する。
【０００４】
一般に、焼成後の表層抵抗体１２は、抵抗値がばらついているので、焼成後に表層抵抗体１２をレーザトリミング法でトリミングして抵抗値を調整するようにしているが、上述したように、表層抵抗体１２に引張力が残留した状態では、レーザトリミング時の熱歪により表層抵抗体１２にマイクロクラックが発生しやすく、しかも、このマイクロクラックが比較的短期間で拡大しやすい。このようなマイクロクラックの発生・拡大は、表層抵抗体１２の抵抗値を経時変化させて、回路の電気的特性を劣化させる原因となる。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、表層抵抗体の抵抗値の経時変化を少なくすることができる低温焼成セラミック多層回路基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
低温焼成セラミック多層回路基板において、表層抵抗体の直下の領域全体に内層導体パターンを延在させると共に、該内層導体パターンを該表層抵抗体の電極間の間隔よりも大きく形成した場合、焼成冷却時の内層導体パターンの収縮力によって表層抵抗体に圧縮力が作用し、この圧縮力が冷却終了後も残留するようになる。このように、表層抵抗体に圧縮力が残留した状態では、レーザトリミング時に表層抵抗体にマイクロクラックが発生しにくくなり、また、仮に、マイクロクラックが発生したとしても、その拡大が抑えられる。この結果、表層抵抗体の抵抗値の経時変化が少なくなり、長期間にわたって安定した電気的特性が得られる。
【０００７】
この場合、表層抵抗体直下の内層導体パターンを、該表層抵抗体から下方に１００μｍ以上離れた位置に形成すると良い。つまり、表層抵抗体と内層導体パターンとの間に介在されるセラミック層が１００μｍよりも薄いと、表層抵抗体と内層導体パターンとの間の絶縁性が低下するおそれがある。従って、表層抵抗体と内層導体パターンとの間の絶縁性を良好に保つためには、表層抵抗体から内層導体パターンまでの距離を１００μｍ以上確保することが好ましい。
【０００８】
また、内層導体パターンの両端を表層抵抗体の電極間の間隔より５０μｍ以上、はみ出させるように形成することが好ましい。このようにすれば、内層導体パターンの印刷ずれが生じても、内層導体パターンの両端を確実に表層抵抗体の電極間の間隔よりはみ出させることができ、内層導体パターンから表層抵抗体に圧縮力を確実に作用させることができる。
【０００９】
ところで、焼成工程では、生産性向上、表層導体の酸化防止のために、焼結後に急速に冷却するようにしているため、焼成冷却時に、表層抵抗体が先に冷却され、それからやや遅れて基板内層の温度が低下する。このため、焼成冷却時に、基板表層の温度が基板内層の温度より１００℃程度低くなることがある。この場合、セラミック層に含まれるガラスＡの転移点より表層抵抗体に含まれるガラスＢの転移点の方が低く、ガラスＡの転移点とガラスＢの転移点の間に１００℃を超える差がある場合には、焼成冷却時に、セラミック層が先に固化し、その後に表層抵抗体が固化するようになる。従って、セラミック層が固化する前は、表層抵抗体も固化しておらず、表層抵抗体にストレスは発生しない。そして、セラミック層が固化した後は、内層導体パターンの収縮力がセラミック層で受けられるようになるため、セラミック層の固化後も、内層導体パターンから表層抵抗体に引張力が作用することはない。
【００１０】
ところで、表層抵抗体と内層導体パターンとの間に介在されるセラミック層が厚くなるほど、焼成冷却時の内層導体パターンの収縮力がセラミック層で緩和され、内層導体パターンから表層抵抗体に作用する引張力が小さくなる。そこで、 表層抵抗体から下方に１ｍｍ以内の領域を、内層導体パターンを形成しない領域とし、表層抵抗体の直下であり、かつ表層抵抗体から下方１ｍｍを超える領域に内層導体パターンを形成した構成としても良い。本発明者の試験結果（図６参照）によれば、厚膜抵抗体から内層導体パターンまでの距離が１ｍｍよりも大きくなると、表層抵抗体と内層導体パターンの位置関係や大きさを問わず、内層導体パターンの収縮による厚膜抵抗体への影響が少なくなり、表層抵抗体 の抵抗値の経時変化が少なくなる。
【００１１】
本願発明の請求項１の低温焼成セラミック多層回路基板は、このような状況を考慮し、基板表層に表層抵抗体を有し、基板内層に内層導体パターンを有する低温焼成セラミック多層回路基板において、セラミック層に含まれるガラス成分をガラスＡとし、前記表層抵抗体に含まれるガラス成分をガラスＢとした場合、ガラスＡの転移点よりもガラスＢの転移点の方が低く、かつ、ガラスＡの転移点とガラスＢの転移点の間には１００℃を超える差があるようにしたことを特徴としている。
【００１２】
上記構成のようにすれば、焼成冷却時に、セラミック層が先に固化し、その後に表層抵抗体が固化するようになるため、表層抵抗体と内層導体パターンの位置関係や大きさを問わず、内層導体パターンから表層抵抗体に引張力が作用することを防止することが可能になり、表層抵抗体の抵抗値の経時変化を少なくすることができる。
【００１３】
また、請求項２の低温焼成セラミック多層回路基板は、前記表層抵抗体は、ＲｕＯ 2 系の厚膜抵抗体ペーストにより形成され、セラミック層は、ＣａＯ−Ａｌ 2 Ｏ 3 −ＳｉＯ 2 −Ｂ 2 Ｏ 3 系、又はＭｇＯ−Ａｌ 2 Ｏ 3 −ＳｉＯ 2 −Ｂ 2 Ｏ 3 系のガラス粉末とＡｌ 2 Ｏ 3 粉末との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成されていることを特徴としている。
【００１４】
表層抵抗体をＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストにより形成し、セラミック層を、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系、又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス粉末とＡｌ2 Ｏ3 粉末との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成するようにした場合、ＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体は、化学的な安定性に優れ、抵抗値のばらつきが少ないという利点があり、また、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3−ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系の低温焼成セラミックは、焼結性が良く、低誘電率、低熱膨張係数等の優れた特長を備えているため、特性の良好な低温焼成セラミック多層回路基板を提供することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した低温焼成セラミック多層回路基板の構成例を説明する。図１、図２、図３は、それぞれ表層抵抗体１２の下層部分の異なる構成例を示している。低温焼成セラミック基板１０は、複数枚の低温焼成セラミックのグリーンシート（焼成前のセラミック層１３）を積層して８００〜１０００℃で焼成したものである。低温焼成セラミックのグリーンシートはＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3−ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス粉末５０〜６５重量％（好ましくは６０重量％）とＡｌ2 Ｏ3 粉末５０〜３５重量％（好ましくは４０重量％）との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成されている。
【００１６】
積層前に、表層（最上層）を除く各層のグリーンシートには、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ等のＡｇ系導体又はＣｕ、Ａｕ等の電気抵抗値の小さい低融点金属のペーストを使用して内層導体パターン１１をスクリーン印刷し、表層のグリーンシートには、同じ低融点金属のペーストを使用して表層配線パターン（図示せず）や表層抵抗体１２の電極１４をスクリーン印刷する。
【００１７】
積層後に、８００〜１０００℃で焼成して得られた低温焼成セラミック基板１０の表層（上面）に、ＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストを用いて表層抵抗体１２をスクリーン印刷し、その表層抵抗体１２上に、オーバーコートペーストを用いてオーバーコート層１５をスクリーン印刷する。ここで使用するＲｕＯ2 系厚膜抵抗体ペーストは、ＲｕＯ2 粉末に有機バインダと溶剤を加えて混練したものであり、オーバーコートペーストは、ガラス粉末に有機バインダと溶剤を加えて混練したものである。
【００１８】
この場合、表層抵抗体１２の直下の領域に内層導体パターン１１を延在させると共に、該内層導体パターン１１を表層抵抗体１２の電極１４，１４間の間隔よりも大きく形成している。具体的には、該内層導体パターン１１の両端が表層抵抗体１２の電極１４，１４間の間隔より５０μｍ以上、はみ出るように形成している。更に、この内層導体パターン１１は、表層抵抗体１２から下方に１００μｍ以上離れた位置に形成されている（換言すれば、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間に介在されるセラミック層１３の厚みが１００μｍ以上に設定されている）。
【００１９】
尚、表層抵抗体１２の直下の２層以上の領域に内層導体パターンを形成する場合には、図３に示すように、表層抵抗体１２に近い内層導体パターン１１をその両端が表層抵抗体１２の電極１４，１４間の間隔より５０μｍ以上、はみ出るように形成すれば良く、その下層の内層導体パターン１１ａはこのような制限を受けず、自由に形成すれば良い。
【００２０】
次に、図５に基づいて焼成後の冷却速度と表層抵抗体１２の抵抗変化率との関係を考察する。焼成工程では、生産性向上、表層導体の酸化防止のために、焼結後に２０〜１００℃／ｍｉｎの速度で急速に冷却する。このため、焼成冷却時に表層抵抗体１２が先に冷やされ、それからやや遅れて基板内層のセラミック層１３や内層導体パターン１１の温度が低下するため、焼成冷却時に、表層抵抗体１２の温度と基板内層の温度との間に温度差が生じ、この温度差は、冷却速度が速くなるほど、大きくなる。
【００２１】
例えば、図４（ａ）の構造では、焼成冷却時の内層導体パターン１１の矢印方向の収縮力によって表層抵抗体１２に引張力が作用し、この引張力が冷却終了後も残留する。この場合、冷却速度が速くなるほど、（つまり表層抵抗体１２と基板内層との間の温度差が大きくなるほど）、表層抵抗体１２に作用する引張力が大きくなり、それに伴って、レーザトリミング時の熱歪により表層抵抗体１２にマイクロクラックが発生しやすく、しかも、このマイクロクラックが比較的短期間で拡大しやすい。このため、冷却速度が速くなるほど、表層抵抗体１２の抵抗変化率が大きくなる。
【００２２】
これに対し、図１の構造では、焼成冷却時の内層導体パターン１１の収縮力によって表層抵抗体１２に圧縮力が作用し、この圧縮力が冷却終了後も残留するようになる。このように、表層抵抗体１２に圧縮力が残留した状態では、レーザトリミング時に表層抵抗体１２にマイクロクラックが発生しにくくなり、また、仮に、マイクロクラックが発生したとしても、その拡大が抑えられる。この結果、表層抵抗体１２の抵抗変化率が極めて少なくなる（図５参照）。
【００２３】
次に、表層抵抗体１２から内層導体パターン１１までの距離の適正範囲について考察する。図１の構造では、焼成冷却時の内層導体パターン１１の矢印方向の収縮力によって表層抵抗体１２に収縮力を作用させるため、表層抵抗体１２から内層導体パターン１１までの距離が短くなるほど、表層抵抗体１２に大きな収縮力を作用させることができ、レーザトリミング時に表層抵抗体１２にマイクロクラックが発生しにくくなる。しかし、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間に介在されるセラミック層１３が薄くなり過ぎると、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間の絶縁性が低下する。従って、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間の絶縁性を良好に保つためには、表層抵抗体１２から内層導体パターン１１までの距離（両者間のセラミック層１３の厚み）を１００μｍ以上確保することが好ましい。
【００２４】
また、図４（ａ），（ｂ）の構造でも、表層抵抗体１２と内層導体パターン１１との間に介在されるセラミック層１３が厚くなるほど、焼成冷却時の内層導体パターン１１の収縮力がセラミック層１３で緩和され、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に作用する引張力が小さくなり、表層抵抗体１２の抵抗変化率が小さくなる。本発明者の試験結果によれば、図６に示すように、厚膜抵抗体１２から内層導体パターン１１までの距離（両者間のセラミック層１３の厚み）が１ｍｍよりも大きくなると、たとえ図４（ａ），（ｂ）の構造であっても、内層導体パターン１１の収縮による厚膜抵抗体１２への影響が少なくなり、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなる。従って、表層抵抗体１２から下方に１ｍｍ以内の領域を、内層導体パターン１１を形成しない領域とし、これ以外の領域に内層導体パターン１１を形成した構成とすれば、図１〜図３のように内層導体パターン１１を形成しなくても、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなる。
【００２５】
次に、表層抵抗体１２の熱膨張係数と抵抗変化率との関係を考察する。一般的に、厚膜表層抵抗体の熱膨張係数は、その表層抵抗体の信頼性を得るために、その表層抵抗体が形成されるセラミック基板の熱膨張係数と等しいか、それより小さくなるように設計されている。表層抵抗体の直下に内層導体パターンが無い基板では、表層抵抗体の熱膨張係数≦基板の熱膨張係数の関係があれば、基板から表層抵抗体に引張力が加わらないため、トリミング時に表層抵抗体に発生したマイクロクラックが進行することが抑えられる。
【００２６】
しかしながら、表層抵抗体の熱膨張係数≦基板の熱膨張係数の関係があっても、図４（ａ），（ｂ）に示すように、表層抵抗体の直下に部分的に内層導体パターンが存在すると、焼成冷却時の内層導体パターンの収縮力によって表層抵抗体に引張力が作用し、この引張力が冷却終了後も残留する。このため、トリミング時に表層抵抗体に発生したマイクロクラックが進行して、表層抵抗体の抵抗値が増加する。
【００２７】
本発明者は、２ｍｍ×１ｍｍの表層抵抗体を形成した３種類のサンプルを用いて、トリミング後、１００サイクル後の抵抗変化率を測定したところ、図７に示すような結果が得られた。図４（ａ）の構造のサンプルでは、内層導体パターンの収縮力によって表層抵抗体に引張力が作用するため、表層抵抗体の熱膨張係数がセラミック基板の熱膨張係数（５．５×１０-6／℃）より小さくても、抵抗変化率が大きく、しかも、表層抵抗体の熱膨張係数がセラミック基板の熱膨張係数より大きくなるほど、抵抗変化率が急激に大きくなった。
【００２８】
一方、表層抵抗体の直下に内層導体パターンの無いサンプルと、図１の構造のサンプルでは、内層導体パターンから表層抵抗体に引張力が作用しないため、トリミング時に表層抵抗体に発生したマイクロクラックが進行することが抑えられ、全体的に抵抗変化率が小さい。この場合でも、表層抵抗体の熱膨張係数がセラミック基板の熱膨張係数より大きくなるほど、抵抗変化率が大きくなる傾向があるが、図４（ａ）の構造のサンプルと比較すれば、抵抗変化率の増加幅が少なく、安定した抵抗値が得られる。
【００２９】
次に、セラミック層１３と表層抵抗体１２に含まれるガラスの転移点と表層抵抗体１２の抵抗変化率との関係を考察する。焼成冷却時に、表層抵抗体１２のガラスＢが固化する前は、表層抵抗体１２にはストレスが発生しない。また、セラミック層１３のガラスＡが固化した後は、内層導体パターン１１の収縮力がセラミック層１３で受けられるため、セラミック層１３の固化後は、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはない。従って、焼成冷却時に、セラミック層１３が先に固化してから、表層抵抗体１２が固化すれば、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはなく、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなるものと推定される。
【００３０】
焼成工程では、生産性向上、表層導体の酸化防止のために、焼結後に急速に冷却するため、焼成冷却時に、表層抵抗体１２が先に冷却され、それからやや遅れて基板内層の温度が低下する。このため、焼成冷却時に、基板表層の温度が基板内層の温度より１００℃程度低くなることがある。
【００３１】
従って、セラミック層１３のガラスＡの転移点と表層抵抗体１２のガラスＢの転移点との差が１００℃以下の場合には、ガラスＡ，Ｂの転移点の差が少なくなるほど（つまり表層抵抗体１２のガラスＢの転移点が高くなるほど）、表層抵抗体１２が固化した後にセラミック層１３が固化する傾向が強くなる。本発明者の試験結果（図８参照）によれば、図４（ａ）の構造では、表層抵抗体１２のガラスＢの転移点が高くなるほど、表層抵抗体１２の抵抗変化率が大きくなった。
【００３２】
また、セラミック層１３のガラスＡの転移点（６８０℃）よりも表層抵抗体１２のガラスＢの転移点の方を１００℃以上低く設定すれば、焼成冷却時に、セラミック層１３が先に固化し、その後に表層抵抗体１２が固化するようになる。この場合、セラミック層１３が固化する前は、表層抵抗体１２も固化しておらず、表層抵抗体１２にストレスは発生しない。そして、セラミック層１３が固化した後は、内層導体パターン１１の収縮力がセラミック層１３で受けられるようになるため、セラミック層１３の固化後も、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはない。従って、セラミック層１３のガラスＡの転移点よりも表層抵抗体１２のガラスＢの転移点の方を１００℃以上低く設定すれば、たとえ図４（ａ），（ｂ）に示すような構造であっても、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することを防止でき、表層抵抗体１２の抵抗変化率を少なくできる。
【００３３】
尚、図２の構造では、表層抵抗体１２の直下の内層導体パターン１１の一方側が長く延びている。この構造では、内層導体パターン１１のうちの表層抵抗体１２の直下の部分が一方向（矢印方向）に収縮するため、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはなく、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなる。
【００３４】
また、図３の構造では、表層抵抗体１２に近い内層導体パターン１１をその両端が表層抵抗体１２の電極１４，１４間の間隔より５０μｍ以上、はみ出るように形成し、その下層に両側から２つの内層導体パターン１１ａの端部を延長している。この構造では、焼成冷却時に、２つの内層導体パターン１１ａの矢印方向の収縮力によってその上層の内層導体パターン１１に引張力が作用するが、この引張力は、内層導体パターン１１自身の収縮力によって打ち消される。従って、この構造でも、内層導体パターン１１から表層抵抗体１２に引張力が作用することはなく、表層抵抗体１２の抵抗変化率が少なくなる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな通り、本願請求項１の発明の低温焼成セラミック多層回路基板のように、セラミック層のガラスＡの転移点よりも表層抵抗体のガラスＢの転移点の方を低くし、かつ、ガラスＡの転移点とガラスＢの転移点の間には１００℃を超える差があるようにした場合、焼成冷却時に、セラミック層が先に固化し、その後に表層抵抗体が固化するようになり、内層導体パターンから表層抵抗体に引張力が作用することを防止して、抵抗変化率の小さい、特性の安定した低温焼成セラミック多層回路基板を提供することができる。
【００３６】
また、請求項２のように、表層抵抗体をＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストにより形成し、セラミック層を、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス粉末とＡｌ2 Ｏ3 粉末との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成するようにした場合、表層抵抗体の抵抗値のばらつきを少なくすることができると共に、セラミック基板の低誘電率、低熱膨張係数等の要求を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の第１例を示す主要部の縦断面図
【図２】 本発明の一実施形態の第２例を示す主要部の縦断面図
【図３】 本発明の一実施形態の第３例を示す主要部の縦断面図
【図４】 （ａ）は比較例（第１例）の主要部の縦断面図、（ｂ）は比較例（第２例）の主要部の縦断面図
【図５】 焼成後の冷却速度と表層抵抗体の抵抗変化率との関係を示すグラフ
【図６】 表層抵抗体から内層導体パターンまでの距離と表層抵抗体の抵抗変化率との関係を示すグラフ
【図７】 表層抵抗体の熱膨張係数と抵抗変化率との関係を示すグラフ
【図８】 表層抵抗体のガラス転移点と抵抗変化率との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１０…低温焼成セラミック基板、１１…内層導体パターン、１２…表層抵抗体、１３…セラミック層、１４…電極、１５…オーバーコート層
Claims (2)
- 基板表層に表層抵抗体を有し、基板内層に内層導体パターンを有する低温焼成セラミック多層回路基板において、
セラミック層に含まれるガラス成分をガラスＡとし、前記表層抵抗体に含まれるガラス成分をガラスＢとした場合、ガラスＡの転移点よりもガラスＢの転移点の方が低く、かつ、ガラスＡの転移点とガラスＢの転移点の間には１００℃を超える差があることを特徴とする低温焼成セラミック多層回路基板。 - 前記表層抵抗体は、ＲｕＯ2 系の厚膜抵抗体ペーストにより形成され、
セラミック層は、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系、又はＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス粉末とＡｌ2 Ｏ3 粉末との混合物より成る低温焼成セラミック材料により形成されていることを特徴とする請求項１記載の低温焼成セラミック多層回路基板。
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