JP3994380B2

JP3994380B2 - セラミック多層基板の製造方法

Info

Publication number: JP3994380B2
Application number: JP2002173815A
Authority: JP
Inventors: 和宏日下; 博之伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP2004022706A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、グリーンシート積層法によるセラミック多層基板の製造方法に関し、特には反り、ゆがみといったセラミック多層基板の変形を抑制する製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチックなどの樹脂材料と比べ放熱性、電気的特性等をはじめとして総合的に優れたセラミック基板は、半導体素子や他のチップ部品等を搭載する基板として注目され、近年、高機能化・高集積化を図るため、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏ−ｆｉｒｅｄｃｅｒａｍｉｃｓ）技術により基板内に微細配線やコンデンサパターン等の導体パターンを含むセラミック多層基板としたものが多く利用されている。
導体パターンを構成する金属材料には安価で電気抵抗の低いＡｇやＣｕを主成分とするものが多く使用されているが、一般に低温焼結セラミック材料とでは焼成時の収縮特性が異なるため、両者を積層して同時に焼成すると基板に反りやゆがみが生じやすい。このような変形は、半導体素子や他のチップ部品との接続の信頼性に大きく影響する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、セラミック多層基板の反りや変形を抑制させる方法として以下の方法があった。
例えば、特開平９−３１２４７６号に開示の製造方法では、ガラスとセラミック粉末のフィラーとからなるセラミック材料をセラミックグリーンシートとし、このセラミックグリーンシートを積層した成形体を前記ガラスの軟化点以下の所定の温度範囲で焼成して予備焼成体とし、しかる後、この予備焼成体に荷重をかけて焼成するものであり、特公平２−２５２７７号にはガラスの軟化点よりも高く、基板の焼成温度より低い温度範囲で予備焼成し、次に荷重をかけて本焼成を行う方法が開示され、どちらも荷重により強制的に反りを抑える方法である。
【０００４】
これらの方法は、比較的低荷重で基板の変形を抑制できるため、よく利用される技術である。しかしこれらの方法では基板内に形成せれる導体パターンが、基板の面積に対して小さい形成面積の場合には効果があるが、コンデンサパターン等やグランドパターンといった大きな面積を有する導体パターンである場合には、変形を抑制しきれない問題があった。変形を抑制しようとして更に荷重をかけると、基板の均一な収縮を阻害したり、また本焼成前の予備焼成体は本焼成後のものと比べ、その機械的な強度は劣るものであって、過度な荷重は基板割れなどを発生させる要因となっていた。
そこで本発明ではこれらの問題を解決し、平坦度の高いセラミック多層基板の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミックフィラーと低融点ガラスとからなるセラミック材料を、セラミックグリーンシートとするシート工程と、前記セラミックグリーンシートに銀又は銅を主成分とする金属材料でなる導体パターンを形成するパターン形成工程と、前記セラミックグリーンシートを複数積層して板状成形体とする積層工程と、前記板状成形体の主面に分割溝を形成する分割溝工程と、前記板状成形体に加重せず、前記セラミック材料が焼結し、かつ結晶化しない温度において熱処理して、緻密化した板状焼結体とする第１の熱処理工程と、前記第１の熱処理工程を経た前記板状焼結体に加重しながら、導体パターン金属材料の融点以下の温度で、セラミック材料を構成するセラミックフィラーと低融点ガラスとを反応させ結晶化する熱処理を行なう第２の熱処理工程を有するセラミック多層基板の製造方法である。
本発明においては、前記第２の熱処理工程における板状焼結体への加重を６．９ｋＰａ以上４９．０ｋＰａ以下とすることが好ましい。そして、前記セラミック材料をセラミックフィラーと６００〜９００℃に軟化点を有する低融点ガラスより構成するのも好ましい。
【０００６】
ここで言うセラミック材料の焼結とは、熱処理によりセラミック材料が緻密化した状態で、それ以上の温度でセラミック材料を熱処理しても、試料密度がほぼ飽和した状態を指す。具体的には、熱処理温度とセラミック材料の試料密度の関係を調べた時、図３においてA点で示されるように試料密度がほぼ飽和した状態をセラミック材料が焼結したとし、その時の温度を焼結温度と定義した。
【０００７】
またここで言う結晶化とは、セラミック材料に含まれる低融点ガラスとセラミックフィラーとが反応し、新たな結晶相を析出することを指す。結晶相が析出するとセラミック材料の粘度は急激に増加する。そこで、セラミック材料が結晶化しない温度を、セラミック材料の粘度が１０^１３poise以下で維持できる温度と定義した。
セラミック材料の粘度は、圧縮成形して外形寸法が１５ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍの棒状試料作成し、支点間距を１３ｍｍとして2点で水平に支持し、試料の中央に６６０Ｐａの荷重を加えたまま加熱して得られる、試料のたわみ速度より次式を用いて算出した。
【０００８】
【数１】

【０００９】
本発明者はセラミック材料が焼結した状態であっても、ガラス成分が結晶化しガラス粘度が上昇する前の状態であれば、荷重を加えながらセラミック材料の軟化点以上の温度で、かつ導体パターンを構成する金属材料の融点以下の温度で熱処理することにより、変形した基板であっても基板の面方向寸法を実質的に変化させることなく、基板の反りを修正し、基板の平坦度を向上することが出来ることを見出した。
導体パターンとセラミックグリーンシートとを一体焼結して板状焼結体とする第１の熱処理工程において、その熱処理温度はセラミック材料が焼結する温度以上で、かつ結晶化しない温度でなければならない。焼結温度以下で熱処理した場合には後の加圧焼成工程でセラミック材料が更に緻密化し、寸法変化が起きる為、所望の寸法精度を得られなくなったり、十分に変形を抑えることが困難である場合や、基板が割れるといった不具合を生じたり、また、結晶化が起きる温度以上で熱処理すると、ガラス粘度が上昇し、基板の変形を除去できなくなるからである。
また、セラミックフィラーとガラス成分の組成やその組成量により、結晶化しない場合や、結晶化温度が導体パターンを構成する金属材料の融点以上になるものもある。その場合は、第１の熱処理工程の熱処理温度の上限は金属材料の融点以下とすればよい。
【００１０】
導体パターン金属材料の融点以下で、かつセラミック材料の軟化点以上の温度で熱処理する第２の熱処理工程における荷重は、６．９ｋＰａ〜４９．０ｋＰａとするのがよい。荷重が６．９ｋＰａ未満では焼結した基板の反りを修正するには不十分であり、また、荷重を加えすぎると基板を破損するという問題が発生すため、その上限は４９．０ｋＰａであることが望ましい。
【００１１】
また、セラミック材料はその成分としてセラミックフィラーと低融点ガラスとで構成するのが好ましい。この際、低融点ガラスの軟化点は６００℃〜９００℃の範囲とする必要がある。６００℃以下に軟化点をもつガラス成分を用いた場合、成形体中に含まれるバインダーが完全に分解する前に、ガラス成分の軟化が生じ、それに伴いセラミック材料の焼結が起こるため、バインダーの一部が炭化して残渣として残ったり、基板に空隙などの欠陥を形成する原因になるからである。また、ガラス成分の軟化点が９００℃以上であると、焼結する温度が電極材料の融点に近く、熱処理を行う炉内の温度雰囲気のばらつきを勘案すると、温度管理の余裕が少なく、工業的な生産には不適であるからである。したがって、低融点ガラスは６００℃〜９００℃、特に６５０℃〜８００℃に軟化点をもつガラス成分であることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係るセラミック多層基板の製造方法について図１を用いて詳細に説明する。
本発明においてはセラミック材料をセラミックフィラーと低融点ガラスとにより構成する。低融点ガラスとしては、様々なものがあるが主にホウケイ酸ガラスが好適であり、ＳｉＯ_２，Ｂ_２Ｏ_３以外にＡｌ_２Ｏ_３やＬｉ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ等のアルカリ金属酸化物およびＣａＯ，ＢａＯ，ＭｇＯなどのアルカリ土類金属酸化物、さらにはＺｒＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ_２などを含有してもよい。
一方セラミックフィラーとしては、アルミナ、コーディエライト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、イルメナイト、ジルコン酸カルシウム等がセラミック多層基板用として、基板強度や誘電特性を得る点で好ましい。
本発明におけるセラミック材料は、低融点ガラス粉砕粉とセラミックフィラーを混合した粉末をセラミック材料とする場合や、低融点ガラスとセラミックフィラーを構成する素原料粉を混合した粉末をセラミック材料とする場合がある。後者の場合には、焼成段階で低融点ガラスとセラミックフィラーを構成するので、どちらの場合であっても本発明に適用できる。
【００１３】
このセラミック材料をアセタール樹脂等の有機バインダー（例えばポリビニルブチラール樹脂）、可塑剤（例えばフタル酸ブチル）、溶剤（例えばトルエン、キシレン）を添加・混合してセラミックスラリーとし、得られたセラミックスラリーを減圧脱泡し粘度調整した後、ドクターブレード法により、ポリエチレンテレフタレートフィルムからなるキャリアフィルム上に均一な厚さで塗布し、数十μｍから数百μｍのセラミックグリーンシート１を形成する。そして乾燥後のセラミックグリーンシート１を、キャリアシート（図示せず）が付いたまま所定の寸法に裁断する。
そのセラミックグリーンシート１に適宜レーザーやパンチングによりビアホール（図示せず）の加工を行い、ビアホールに導体ペーストを充填するとともに、スクリーン印刷法などにより、キャリアシートの反対面であるグリーンシートの主面の製品部分となる所定箇所に、回路素子を構成する導体パターン２を印刷形成する。導体パターン２は例えばＡｇやCuを主成分とする金属粉を主構成としている。
次に、セラミックグリーンシートを所定の順序に積層・圧着し板状成形体３とする。前記グリーンシートに形成されたビアホールにより、セラミック層間の導体パターンが適宜接続され、回路素子として機能するように構成される。
【００１４】
このようにして得られた板状成形体をガラスの軟化温度より低い温度、例えば５５０〜６００℃で脱バインダー処理を行なった後、セラミック材料が焼結し、かつ結晶化の起きない温度で所定時間第１の熱処理を行ない板状焼結体４とする。
次に耐熱性材料からなるセラミック板５で焼結した板状焼結体４を挟み込み、荷重をかけながら導体パターン金属材料の融点以下で、かつ低温焼結セラミック材料の軟化点以上の温度で所定時間第２の熱処理を行なう。挟み込むセラミック板５はアルミナや炭化ケイ素、窒化アルミニウム等の耐熱性のある材料であると共に、平坦度の高い物であることが必要である。だたし、被加重物である板状焼結体は焼結しているので、当然脱バインダー性すなわちバインダーの分解ガスの通気性を考慮する必要がないので、セラミック板５の選択肢を広げることができる。荷重をかける方法としては、セラミック板自身の重みを利用し、これを複数枚積み重ねても良いし、セラミック板の上に耐熱煉瓦等を載せることでも代用できる。この場合は連続焼成炉やバッチ式焼成炉で適用できる。また、任意の圧縮荷重を加えながら熱処理するにはホットプレスを用いることも出来る。このようにして、反りなどの変形が少なく平坦度の高いセラミック多層基板を得ることが出来る。
【００１５】
【実施例】
セラミック多層基板の材料として表１に示すようなセラミック材料粉末を用意した。セラミックフィラーはD₅₀=0.8μmであるものを用意し、低融点ガラスは各酸化物を混合し、溶融してガラス化した後、水中で急冷し、粉砕したものを用いた。
【００１６】
【表１】

【００１７】
上記セラミック粉末にバインダー（ポリビニルブチラール樹脂）と可塑剤（フタル酸ブチル）および溶剤を加えて、ボールミルで１５時間湿式混合しセラミックスラリーを得た。このセラミックスラリーを減圧脱泡して適度な粘度に調整した後、ドクターブレード法により１００μｍ程度のセラミックグリーンシートにした。得られたセラミックグリーンシートを適当な大きさに裁断した後、Ａｇペーストを用いて導体パターンをスクリーン印刷法により形成した。これらのセラミックグリーンシートを８枚積層して、９０℃で９．８MPaの圧力で加熱圧着し、板状成形体を得た。前記セラミックグリーンシートにはビアホールが形成されており、セラミック層間の導体パターンが適宜接続され、回路素子として機能するように構成される。
その後、平板状成形体の主面に互いに平行な複数の第１の分割溝と前記第１の分割溝と直交する複数の第２の分割溝を、それぞれほぼ０．１ｍｍの深さとなるように鋼刃で刻設した。なお、前記分割溝の深さは、分割のし易さや取り扱い易さ等から、５０μｍ〜３００μｍの範囲で適宜設定される。
【００１８】
この板状成形体をバッチ式の電気炉を用いて、大気雰囲気中で６００℃で４時間脱バインダー処理を行い、その後、表２に示す条件で第１の熱処理を行い板状焼結体とした。この際、板状成形体はアルミナ製のセッタの上に載せてあるだけで、荷重は加えていない。
次に上記の体を表面粗さ０．５μｍ、平坦度１０μｍ／□１５ｃｍのセラミック板（アルミナ基板）で挟み、表２に示す条件で板状成形体に荷重を加えながら第２の熱処理を行った。図２に実施例１０の第１及び第２の熱処理工程の熱処理プロファイルを示す。なお第１の熱処理温度における保持時間は焼結の進行程度により設定され、第２の熱処理温度における保持時間は、変形改善の程度と熱処理工数の観点から適宜設定される。
【００１９】
この様にして得られたセラミック多層基板の反りを、レーザー式の３次元測定器を用い基板の対角方向に計測した凹凸の（最大値）−（最小値）として計測した。
表２にその結果を示す。本発明の範囲内の条件で作成したセラミック多層基板の反りは最大値で５０μｍであった。最も平坦度が高い基板は、加圧焼成時に荷重を50.0kPa加えて焼成した基板であった。また、実施例の基板には何れも加圧焼成後にクラックや破損といった跡は見られなかった。
【００２０】
比較例のＮｏ．１３の基板は第１の熱処理工程の熱処理をセラミック材料が結晶する温度以上で行い、第２の熱処理工程を実施しなかった例であり、また、Ｎｏ．１４およびＮｏ．１５のものは、第１の熱処理工程の熱処理温度がセラミック材料の結晶化温度以上のものである。結晶化温度以上で第１の熱処理工程の熱処理をした基板は、第２の熱処理工程で荷重を50.0kPa以上加えても反りは１００μm以上であった。またＮｏ．１５のものでは基板の端部の方にクラックが入ってしまった。さらにＮｏ．１６及びＮｏ．１７は第２の熱処置工程における荷重が本発明の範囲外の例である。荷重が6.9kPa以下では基板の反りは９０μm程度にしかならなかった。
【００２１】
【表２】

【００２２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のセラミック多層基板の製造方法によれば、平坦度の高いセラミック多層基板を得ることができ、基板表面に形成された導体パターンとＩＣチップ等との接合信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る製造工程図である。
【図２】本発明の一実施例に係る第１及び第２の熱処理工程の温度プロファイルを示す図である。
【図３】第１の熱処理温度と板状成形体の密度との関係図である。
【符号の説明】
１セラミックグリーンシート
２導体パターン
３板状成形体
４板状焼結体
５セラミック板

Claims

セラミックフィラーと低融点ガラスとからなるセラミック材料を、セラミックグリーンシートとするシート工程と、前記セラミックグリーンシートに銀又は銅を主成分とする金属材料でなる導体パターンを形成するパターン形成工程と、前記セラミックグリーンシートを複数積層して板状成形体とする積層工程と、前記板状成形体の主面に分割溝を形成する分割溝工程と、前記板状成形体に加重せず、前記セラミック材料が焼結し、かつ結晶化しない温度において熱処理して、緻密化した板状焼結体とする第１の熱処理工程と、前記第１の熱処理工程を経た前記板状焼結体に加重しながら、導体パターン金属材料の融点以下の温度で、セラミック材料を構成するセラミックフィラーと低融点ガラスとを反応させ結晶化する熱処理を行なう第２の熱処理工程を有することを特徴とするセラミック多層基板の製造方法。
前記第２の熱処理工程において、板状焼結体への加重を６．９ｋＰａ以上４９．０ｋＰａ以下とすることを特徴とする請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
前記セラミック材料がセラミックフィラーと６００〜９００℃に軟化点を有する低融点ガラスより構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミック多層基板の製造方法。