JP4029207B2 - Manufacturing method of ceramic multilayer substrate - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予め焼成したセラミック基板に未焼成のセラミックグリーンシートを積層してセラミック多層基板を製造するセラミック多層基板の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、セラミック多層基板は、グリーンシート積層法で製造されることが多い。このグリーンシート積層法は、複数枚のセラミックグリーンシートにビアホールを形成した後、各セラミックグリーンシートのビアホールに導体ペーストを充填してビア導体を形成すると共に、各セラミックグリーンシートに導体ペーストで配線パターンを印刷する。その後、これら複数枚のセラミックグリーンシートを積層・熱圧着して生基板を作製した後、この生基板を焼成してセラミック多層基板を製造する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、生基板を焼成する過程で、15〜30%程度の焼成収縮が発生するため、基板の寸法精度を管理することが難しく、しかも、キャビティ等の凹凸のある多層基板では、基板両面の収縮応力が不均一になるため、焼成基板に反りが発生しやすく、特にキャビティの底面部の反りが大きくなるという欠点もあった。
【0004】
また、絶縁性のセラミックグリーンシートと、誘電体、磁性体等の異種材料のセラミックグリーンシートとを積層して複合セラミック多層基板を焼成する場合は、両者の焼結温度を一致させ、且つ、両者の焼成収縮挙動の違いを少なくして層間剥離を防止する必要があるため、材料の選択の幅が非常に狭く、設計の自由度が非常に狭いという欠点がある。
【0005】
近年、基板の焼成収縮を小さくして基板寸法精度を向上させる焼成方法として、特開2001−267743号公報に示すように、焼成済みのアルミナ基板上に、予め配線パターンを印刷した未焼成のセラミックグリーンシートを積層して熱圧着し、これを焼成してセラミック多層基板を製造することが提案されている。この焼成方法は、セラミックグリーンシートの焼成収縮を焼成済みのアルミナ基板で抑えることで、基板全体の焼成収縮を小さくしようとするものである。
【0006】
しかし、セラミックグリーンシートの焼成収縮力は大きいため、セラミックグリーンシートの焼成収縮をその片面から焼成済みアルミナ基板のみで抑えようとしても十分に抑えることができない。その結果、セラミックグリーンシートの焼成層と焼成済みのアルミナ基板との間に剥がれが発生したり、セラミックグリーンシートの焼成層にクラックが発生したり、基板の反りが発生することがあり、製品の歩留まりが悪いという欠点がある。
【0007】
また、基板の焼成収縮を小さくして基板寸法精度を向上させる効果の大きい焼成方法として、例えば特表平5−503498号公報や特開平9−92983号公報に示すように、加圧焼成法が開発されている。この加圧焼成法は、焼成前の低温焼成セラミック基板(以下「生基板」という)の両面に、低温焼成セラミックの焼結温度(800〜1000℃)では焼結しない拘束用アルミナグリーンシートを積層し、この状態で、該生基板を加圧しながら、800〜1000℃で焼成した後、焼成基板の両面から拘束用アルミナグリーンシートの残存物をブラスト処理等で取り除いて低温焼成セラミック基板を製造するものである。
【0008】
しかし、キャビティ付きの低温焼成セラミック基板を上述した加圧焼成法で焼成すると、拘束用アルミナグリーンシートを介してキャビティの領域に加わる加圧力がキャビティ周縁に集中的に作用し、キャビティの底面には加圧力が全く作用しないため、キャビティの底面部が凸状に反ってしまい、キャビティの寸法精度を確保できないという欠点がある。
【0009】
これら従来の欠点を解消するために、本出願人は、特願2001−357692号(平成13年11月22日出願)の明細書に記載されているように、予め焼成したセラミック基板(以下「焼成済み基板」という)の片面又は両面に、該焼成済み基板の焼結温度とほぼ同一温度又はそれよりも低い温度で焼結する1枚又は複数枚の未焼成のセラミックグリーンシートを積層圧着して積層体を作製し、この積層体の両面に、前記未焼成のセラミックグリーンシートの焼結温度では焼結しない拘束用グリーンシートを積層して、拘束焼成(加圧焼成又は無加圧焼成)するという、新たな製造技術を開発中である。
【0010】
この製造技術の開発中に、焼成済み基板に未焼成のセラミックグリーンシートを積層してその積層体を2枚の加圧板間に挟み込んで圧着する工程で、圧着時の加圧力により焼成済み基板が割れることがあり、これが歩留りを低下させる原因となることが判明した。
【0011】
そこで、本発明の目的は、焼成済み基板と未焼成のセラミックグリーンシートとの積層体を拘束焼成してセラミック多層基板を製造する方法において、焼成済み基板に未焼成のセラミックグリーンシートを圧着する工程で焼成済み基板が割れることを防止できて、歩留りを向上させることができるセラミック多層基板の製造方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項1,2のセラミック多層基板の製造方法は、焼成済み基板に未焼成のセラミックグリーンシートを積層圧着して積層体を作製した後、この積層体の両面に拘束用グリーンシートを積層圧着し、或は、未焼成のセラミックグリーンシートの積層圧着と拘束用グリーンシートの積層圧着とを同時に行い、拘束焼成(加圧焼成又は無加圧焼成)するようにしたところに第1の特徴があり、更に、積層体作製工程で焼成済み基板に圧着する未焼成のセラミックグリーンシートを、その圧着時の厚み変化量(複数枚の未焼成のセラミックグリーンシートを同時に圧着する場合はそれらの合計厚み変化量、また、未焼成のセラミックグリーンシートと拘束用グリーンシートとを同時に圧着する場合はそれらの合計厚み変化量)が焼成済み基板の凹凸による最大厚み差以上となるように形成するところに第2の特徴がある。
【0013】
本発明の第1の特徴によれば、拘束焼成時に未焼成のセラミックグリーンシートのX・Y方向の焼成収縮、反り、変形がその両面側から拘束用グリーンシートと焼成済み基板とによってほぼ均等に抑えられ、寸法精度が良く且つ層間剥離や反り等のないセラミック多層基板を製造することができる。しかも、焼成済み基板と未焼成のセラミックグリーンシートとの間の焼結温度の相違や焼成収縮特性の相違等は問題とならないため、セラミック多層基板の各層を形成するセラミック材料の焼結温度、焼成収縮特性等に対する材料選択の自由度を大幅に拡大することができ、従来の製造方法では製造が困難であった構成のセラミック多層基板を、層間剥離や反り等がなく、寸法精度良く製造できる。
【0014】
前述したように、この製造技術の開発中に、焼成済み基板に未焼成のセラミックグリーンシートを積層してその積層体を2枚の加圧板間に挟み込んで圧着する工程で、圧着時の加圧力により焼成済み基板が割れることがあることが判明した。本発明者は、この原因を調べるために、圧着時に割れた焼成済み基板を検査したところ、焼成済み基板の表面は完全な平坦面ではなく、焼成時の収縮挙動等によって僅かながら基板面に凹凸(うねり)が生じているのが確認された(図4参照)。このような凹凸のある焼成済み基板は、圧着時に焼成済み基板の凸反り部分が加圧板に密着せず、浮き上がった状態になると共に、圧着時に未焼成のセラミックグリーンシートを介して焼成済み基板に作用する加圧力が基板面全体に一様に作用せず、焼成済み基板の凸反り部分(加圧板から浮き上がった部分)に他の部分よりも大きな加圧力が作用するため、焼成済み基板の凸反り部分がその加圧力に耐えられずに割れてしまうものと考えられる。
【0015】
そこで、本発明の第2の特徴は、上述した圧着時の焼成済み基板の割れを防止するために、焼成済み基板に圧着する未焼成のセラミックグリーンシートを、その圧着時の厚み変化量(複数枚の未焼成のセラミックグリーンシートを同時に圧着する場合はそれらの合計厚み変化量)が焼成済み基板の凹凸による最大厚み差以上となるように形成するようにしたものである。このようにすれば、圧着時に焼成済み基板の凹凸に応じて未焼成のセラミックグリーンシートが柔軟に変形して、焼成済み基板の凹凸による最大厚み差を未焼成のセラミックグリーンシートの厚み変化量で吸収することができるため、圧着時の加圧力が焼成済み基板の凸反り部分に集中的に作用することを防止でき、焼成済み基板に作用する加圧力を基板面全体に分散させることができる。これにより、圧着時の加圧力による焼成済み基板の割れを防止できて、歩留りを向上させることができる。
【0016】
この場合、請求項3のように、未焼成のセラミックグリーンシートの圧着時の厚み変化量の調整は、セラミックグリーンシートの厚みの調整、セラミックグリーンシートの成形材料の組成・配合比の調整、成形材料中のセラミック粒子の粒径の調整、成形材料の空隙率の調整のうちの少なくとも1つによって行うようにすれば良い。これらの調整法の中から、基板仕様等に応じて適当な調整法を選択すれば良い。
【0017】
この場合、請求項4のように、焼成済み基板と未焼成のセラミックグリーンシートとを同種のセラミック材料で形成しても良く、或は、請求項4のように、焼成済み基板と未焼成のセラミックグリーンシートとを異種のセラミック材料で形成し、未焼成のセラミックグリーンシートの焼結温度が焼成済み基板の焼結温度以下となるようにセラミック材料を選択するようにしても良い。請求項3のように、焼成済み基板と未焼成のセラミックグリーンシートとを同種のセラミック材料で形成すれば、全層の絶縁特性等の電気的特性を均等にした単一のセラミック組成のセラミック多層基板を製造することができる。また、請求項5のように、焼成済み基板と未焼成のセラミックグリーンシートとを異種のセラミック材料で形成すれば、従来の製造方法では製造が困難であった様々な機能材料を内蔵する複合セラミック多層基板を製造することができる。
【0018】
この場合、請求項6のように、未焼成のセラミックグリーンシートは、1000℃以下で焼成する低温焼成セラミック材料により形成したものを用いると良い。このようにすれば、拘束用グリーンシートとして、アルミナグリーンシート等の比較的安価で且つ機械的強度に優れたセラミックを使用することができると共に、未焼成のセラミックグリーンシートに印刷する配線導体として、Ag系、Au系、Cu系等の電気抵抗値の小さい電気的特性に優れた低融点金属を用いることができる。
【0019】
また、請求項7のように、キャビティ付きのセラミック多層基板を製造する場合は、焼成済み基板をキャビティとなる部分の底面部に位置させ、該焼成済み基板に積層する未焼成のセラミックグリーンシートには、その積層前又は積層後にキャビティ形成用の開口部を形成するようにすれば良い。ここで、積層前の未焼成のセラミックグリーンシートにキャビティ形成用の開口部を形成する場合は、パンチング加工等によってキャビティ形成用の開口部をビアホールの加工と同時に形成すれば良く、また、積層後の未焼成のセラミックグリーンシートにキャビティ形成用の開口部を形成する場合は、例えば感光性樹脂を含有させたセラミックグリーンシートを作製し、フォトリソグラフィ技術等を用いて、このセラミックグリーンシートにキャビティ形成用の開口部を形成すれば良い。請求項7のように、焼成済み基板をキャビティの底面部に位置させて、キャビティ付きのセラミック多層基板を拘束焼成すれば、キャビティの底面部が凸状に反ることはなく、しかも、拘束焼成によってキャビティの寸法精度を確保できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
[実施形態(1)]
以下、本発明を片面キャビティ付きのセラミック多層基板の製造方法に適用した実施形態(1)を図1乃至図4に基づいて説明する。
【0021】
本実施形態(1)で製造する片面キャビティ付きセラミック多層基板11は、図1(c)、図3に示すように、予め焼成した焼成済み基板12上に、1枚又は複数枚の未焼成の低温焼成セラミックグリーンシート13を積層し、更に、その上に拘束焼成グリーンシート15を積層して、800〜1000℃で拘束焼成(加圧焼成又は無加圧焼成)したものである。この片面キャビティ付きセラミック多層基板11は、キャビティ14の底面部に焼成済み基板12が位置し、次のような工程を経て製造される。
【0022】
まず、焼成済み基板12を準備する。この焼成済み基板12は、セラミック基板を焼成したものであり、単層基板又は多層基板のいずれであっても良い。また、この焼成済み基板12を形成するセラミック材料は、絶縁性セラミック、誘電体セラミック、磁性体セラミック、圧電性セラミック、抵抗体付きのセラミックのいずれであっても良く、要は、低温焼成セラミックグリーンシート13の焼結温度と同一温度又はそれよりも高い温度で焼結するセラミック材料を用いれば良い。また、焼成済み基板12が多層基板の場合は、各層を同種のセラミックで形成しても良いし、同時焼成可能な異種のセラミックで形成した層が混在する構成としても良い。
【0023】
この場合、絶縁性セラミックとは、基板の絶縁層を形成するのに用いるセラミックであり、例えば、低温焼成セラミック、アルミナ等の高温焼結性セラミックが挙げられる。焼成済み基板12を低温焼成セラミックで形成する場合は、低温焼成セラミックグリーンシート13と同種の低温焼成セラミックを用いても良く、勿論、低温焼成セラミックグリーンシート13の焼結温度と同一温度又はそれよりも高い温度で焼結する他の種類の低温焼成セラミックを用いても良いことは言うまでもない。
【0024】
また、焼成済み基板12の表面に同時焼成又は後付けで厚膜導体やRuO2 系等の厚膜抵抗体を形成しても良い。更に、焼成済み基板12の表面に厚膜抵抗体を形成する場合は、焼成済み基板12に後述する低温焼成セラミックグリーンシート13を積層する前に、該厚膜抵抗体をトリミングして抵抗値を調整するようにすると良い。
【0025】
更に、低温焼成セラミックグリーンシート13を準備する。このグリーンシート13を形成する低温焼成セラミック材料としては、例えば、CaO−SiO2 −Al2 O3 −B2 O3 系ガラス:50〜65重量%(好ましくは60重量%)とアルミナ:50〜35重量%(好ましくは40重量%)との混合物を用いると良い。この他、MgO−SiO2 −Al2 O3 −B2 O3 系ガラスとアルミナとの混合物、或は、SiO2 −B2 O3 系ガラスとアルミナとの混合物、PbO−SiO2 −B2 O3 系ガラスとアルミナとの混合物、コージェライト系結晶化ガラス等の800〜1000℃で焼成できる低温焼成セラミック材料を用いても良い。
【0026】
低温焼成セラミックグリーンシート13は、上記組成の低温焼成セラミック材料にバインダー(例えば、アクリル系樹脂、ブチラール樹脂、PVA等)、溶剤(例えばトルエン、キシレン、ブタノール等)及び可塑剤を配合して、十分に撹拌混合してスラリーを作製し、このスラリーを用いてドクターブレード法等でテープ成形したものである。
【0027】
後述する積層体作製工程で、焼成済み基板12上に低温焼成セラミックグリーンシート13を圧着する際に、焼成済み基板12の割れを防止するために、図4に示すように、低温焼成セラミックグリーンシート13の圧着時の厚み変化量が焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差以上となるように形成する。焼成済み基板12上に複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート13を同時に圧着する場合は複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート13の合計厚み変化量が焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差以上となるように形成する。ここで、焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差は、焼成済み基板12を加圧板10上に置いたときの焼成済み基板12の最大厚み(基板面の最高点)と最小厚み(基板面の最低点)との差である。
【0028】
低温焼成セラミックグリーンシート13の圧着時の厚み変化量を調整する場合は、次の▲1▼〜▲4▼の調整法の中から基板仕様等に応じていずれか1つ又は2つ以上の調整法を選択すれば良い。
【0029】
▲1▼低温焼成セラミックグリーンシート13の厚みを調整する。低温焼成セラミックグリーンシート13が厚くなるほど、圧着時の厚み変化量が大きくなる。
▲2▼低温焼成セラミックグリーンシート13のセラミック材料の組成又は配合比を調整する。例えば、セラミック材料のバインダー樹脂の種類や配合量、可塑剤や溶剤の種類や配合量、セラミック粉末の種類や配合量を調整する。一般に、可塑剤の配合量が多くなるほど、低温焼成セラミックグリーンシート13が柔らかくなり、圧着時の厚み変化量が大きくなる。
【0030】
▲3▼低温焼成セラミックグリーンシート13のセラミック材料中のセラミック粒子の粒径や凝集粒の砕け易さを調整する。
▲4▼低温焼成セラミックグリーンシート13のセラミック材料の空隙率(空孔率)を調整する。この空隙率の調整は、セラミック材料(スラリー)中のボイド含有率を調整すれば良い。空隙率が大きくなるほど、圧着時の厚み変化量が大きくなる。
【0031】
テープ成形した低温焼成セラミックグリーンシート13を所定サイズに切断した後、該グリーンシート13の所定位置に、キャビティ形成用の開口部14aとビアホール(図示せず)等をパンチング加工等により打ち抜き加工する。尚、焼成済み基板12上に低温焼成セラミックグリーンシート13を積層圧着した後に、フォトリソグラフィ技術を用いて低温焼成セラミックグリーンシート13にキャビティ形成用の開口部14aを形成するようにしても良い。
【0032】
この後、印刷工程に進み、低温焼成セラミックグリーンシート13のビアホールに、Ag、Ag/Pd、Au、Ag/Pt、Cu等の低融点金属の導体ペーストを充填する。更に、図3に示すように、焼成済み基板12上に複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート13を積層する場合は、内層に積層される低温焼成セラミックグリーンシート13に、Ag、Ag/Pd、Au、Ag/Pt、Cu等の低融点金属の導体ペーストを使用して内層導体パターン(図示せず)をスクリーン印刷し、表層(最上層)の低温焼成セラミックグリーンシート13には、表層導体パターン(図示せず)を同種の低融点金属の導体ペーストを使用してスクリーン印刷する。尚、表層導体パターンの印刷は、拘束焼成後に行っても良い。また、ビアホールや内層導体パターンが無い構造のセラミック多層基板を製造する場合は、上記印刷工程を省略すれば良い。
【0033】
印刷工程後、積層体作製工程に進み、焼成済み基板12上に1枚又は複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート13を積層し、更に、この積層体の両面に拘束用グリーンシート15を積層して、この積層体を図4(b)に示すように2枚の加圧板10間に挟み込んで圧着する。この圧着の条件は、加圧力が0.1〜数10MPa(好ましくは3〜10MPa)、加熱温度が60〜150℃(好ましくは80〜120℃)である。
【0034】
このように、焼成済み基板12に対して低温焼成セラミックグリーンシート13と拘束用グリーンシート15とを同時に積層して圧着すれば、積層・圧着工程が1回で済むという利点があるが、本発明は、焼成済み基板12に低温焼成セラミックグリーンシート13のみを積層して圧着した後に、その積層体の両面に拘束用グリーンシート15を積層して圧着するようにしても良い。
【0035】
この場合、拘束焼成グリーンシート15は、低温焼成セラミックの焼結温度(800〜1000℃)では焼結しない高温焼結性セラミック(例えばアルミナ、ジルコニア、マグネシア等)を用い、この高温焼結性セラミックの粉末にバインダー(例えばPVB、アクリル系、ニトロセルロース系等の樹脂)、溶剤(例えばトルエン、キシレン、ブタノール等)及び可塑剤を配合して、十分に撹拌混合してスラリーを作製し、このスラリーを用いてドクターブレード法等でテープ成形して拘束焼成グリーンシート15を作製すれば良い。
【0036】
その後、拘束用グリーンシート15を積層した積層体を、アルミナ、SiC等で形成した多孔質セッター板(図示せず)間に挟み込んで、0.1〜数10MPa(好ましくは3〜10MPa)の圧力で加圧しながら、低温焼成セラミックグリーンシート13の焼結温度である800〜1000℃で焼成する。尚、無加圧で焼成しても良く、この場合は、拘束用グリーンシート15の積層工程で、拘束用グリーンシート15を低温焼成セラミックグリーンシート13に熱圧着する必要がある。
【0037】
この際、拘束用グリーンシート15(アルミナ等の高温焼結性セラミック)は、1300〜1600℃程度に加熱しないと焼結しないので、800〜1000℃で焼成すれば、拘束用グリーンシート15は未焼結のまま残される。但し、焼成の過程で、拘束用グリーンシート15中のバインダー等の有機物が熱分解して飛散してセラミック粉体として残る。
【0038】
焼成後、焼成基板11の両面に付着した拘束用グリーンシート15の残存物(セラミック粉体)をブラスト処理、バフ研磨等により除去する。これにより、片面キャビティ付きのセラミック多層基板11の製造が完了する。
【0039】
ところで、図4に示すように、焼成済み基板12の表面は完全な平坦面ではなく、焼成時の収縮挙動等によって僅かながら基板面に凹凸(うねり)が生じている。尚、図4に図示された焼成済み基板12の凹凸は説明のために誇張して示されており、焼成済み基板12の最大厚み差は、一般的に、数μm〜数10μm程度である。
【0040】
このような凹凸のある焼成済み基板12は、圧着時に焼成済み基板12の凸反り部分が盛り上がった状態になるため、焼成済み基板12の凸反り部分(加圧板10から盛り上がった部分)に大きな加圧力が作用すると、焼成済み基板12の凸反り部分がその加圧力に耐えられずに割れてしまうことがある。
【0041】
焼成済み基板12に低温焼成セラミックグリーンシート13と拘束用グリーンシート15を同時に圧着する際に、両グリーンシート13,15の圧着時の厚み変化量が少ないと、焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差を両グリーンシート13,15の厚み変化量で吸収できないため、圧着時に低温焼成セラミックグリーンシート13を介して焼成済み基板12に作用する加圧力が基板面全体に一様に作用せず、焼成済み基板12の凸反り部分(盛り上がった部分)に他の部分よりも大きな加圧力が作用するようになる。その結果、焼成済み基板12の凸反り部分がその加圧力に耐えられずに割れてしまう現象が発生する。
【0042】
この対策として、本実施形態(1)では、両グリーンシート13,15の圧着時の合計厚み変化量(複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート13と拘束用グリーンシート15を同時に圧着する場合はそれらの合計厚み変化量)が焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差以上となるように形成する。このようにすれば、圧着時に焼成済み基板12の凹凸に応じて両グリーンシート13,15が柔軟に変形して、焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差を両グリーンシート13,15の厚み変化量で吸収することができるため、圧着時の加圧力が焼成済み基板12の凸反り部分に集中的に作用することを防止でき、焼成済み基板12に作用する加圧力を基板面全体に分散させることができる。これにより、圧着時の加圧力による焼成済み基板12の割れを防止できて、歩留りを向上させることができる。
【0043】
尚、前述したように、本発明は、焼成済み基板12に低温焼成セラミックグリーンシート13のみを積層して圧着した後に、その積層体の両面に拘束用グリーンシート15を積層して圧着するようにしても良く、この場合には、低温焼成セラミックグリーンシート13の圧着時の厚み変化量(複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート13を同時に圧着する場合はそれらの合計厚み変化量)が焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差以上となるように形成すれば、本実施形態(1)と同様の効果を得ることができる。
【0044】
また、本実施形態(1)では、焼成済み基板12と未焼成の低温焼成セラミックグリーンシート13との積層体に拘束用グリーンシート15を積層して拘束焼成(加圧焼成又は無加圧焼成)するようにしたので、拘束焼成時に未焼成の低温焼成セラミックグリーンシート13の焼成収縮、反り、変形がその両面側から拘束用グリーンシート15と焼成済み基板12とによってほぼ均等に抑えられ、層間剥離や反り等のないセラミック多層基板11を製造することができる。
【0045】
また、本実施形態(1)のように、キャビティ14付きのセラミック多層基板11を製造する場合は、焼成済み基板12をキャビティ14の底面部に位置させて拘束焼成すれば、キャビティ14の底面部が凸状に反ることはなく、しかも、拘束焼成によってキャビティ14の寸法精度を確保でき、品質の優れたキャビティ14付きのセラミック多層基板11を製造することができる。このため、キャビティ14の底面部に半導体のベアチップをフリップチップ実装する場合でも、キャビティ14の底面部に反りがないために、ベアチップとキャビティ14の底面部の導通パッドとの接合を精度良く行うことができ、フリップチップ実装の信頼性を向上することができる。
【0046】
また、焼成済み基板12と未焼成の低温焼成セラミックグリーンシート13との間の焼結温度の相違や焼成収縮特性の相違等は問題とならないため、セラミック多層基板11の各層を形成するセラミック材料の焼結温度、焼成収縮特性等に対する材料選択の自由度を大幅に拡大することができ、従来の製造方法では製造が困難であった構成のセラミック多層基板11を、層間剥離や反り等がなく、寸法精度良く製造できる。
【0047】
【実施例】
本発明者は、焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差と低温焼成セラミックグリーンシート13の圧着時の厚み変化量を調整したサンプルNo.1〜9を作製して、圧着時の焼成済み基板12の割れの有無を検査する試験を行ったので、その試験結果を次の表1に示す。
【0048】
【表1】
【0049】
この試験に用いた焼成済み基板と未焼成の低温焼成セラミックグリーンシートは、共に、CaO−SiO2 −Al2 O3 −B2 O3 系ガラス:60重量%と、アルミナ:40重量%との混合物からなる低温焼成セラミックである。低温焼成セラミックグリーンシートの圧着時の厚み変化量の調整は、可塑剤の配合量の調整やシート厚みの調整等によって行った。
【0050】
この試験では、9個のサンプルNo.1〜9について、圧着条件を加圧力:5MPa、加熱温度:100℃に設定して、焼成済み基板上に1枚の低温焼成セラミックグリーンシートと拘束用グリーンシート(アルミナグリーンシート)とを同時に積層圧着して、焼成済み基板の割れの有無を検査した。
【0051】
尚、焼成済み基板の最大厚み差の測定方法は、焼成済み基板を平板上に置いて焼成済み基板の最大厚み(基板面の最高点)と最小厚み(基板面の最低点)を測定し、その最大厚みと最小厚みとの差を最大厚み差として求めた。また、低温焼成セラミックグリーンシートと拘束用グリーンシートの圧着時の合計厚み変化量の測定方法は、低温焼成セラミックグリーンシートと拘束用グリーンシートとの積層体を加圧板間に挟み込んで、試験時の圧着条件と同じ条件で加熱しながら加圧して両グリーンシートの合計厚み変化量を測定した。
【0052】
表1の試験結果によれば、両グリーンシートの圧着時の合計厚み変化量が焼成済み基板の最大厚み差よりも小さいサンプルNo.3、6、9は、圧着時の加圧力で焼成済み基板の割れが発生した。
【0053】
これに対して、両グリーンシートの圧着時の合計厚み変化量が焼成済み基板の最大厚み差よりも大きいサンプルNo.1、2、4、5、7、8は、圧着後の検査でも、焼成済み基板に割れが無かった。
【0054】
この試験結果から、両グリーンシートの圧着時の合計厚み変化量が焼成済み基板の最大厚み差以上であれば、圧着時の加圧力による焼成済み基板の割れを防止できることが確認できた。
【0055】
[実施形態(2)]
前記実施形態(1)では、焼成済み基板12の片面のみに低温焼成セラミックグリーンシート13を積層したが、図5に示す本発明の実施形態(2)のように、焼成済み基板12の両面に、それぞれ1枚又は複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート13を積層するようにしても良い。この場合は、焼成済み基板12の両面に未焼成の低温焼成セラミックグリーンシート13を積層し、更にその積層体に両面に拘束焼成グリーンシート15を積層した上で、これらを2枚の加圧板10間に挟み込んで同時に圧着すれば良い。その他の事項は、前記実施形態(1)と同じで良い。
【0056】
本実施形態(2)のように、焼成済み基板12の両面に同時に低温焼成セラミックグリーンシート13と拘束焼成グリーンシート15を圧着する場合は、基板両面の両グリーンシート13,15の合計厚み変化量が焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差以上となるように形成すれば良い。このようにすれば、圧着時に焼成済み基板12の凹凸に応じて基板両面の両グリーンシート13,15が柔軟に変形して、焼成済み基板12の凹凸による最大厚み差を基板両面の両グリーンシート13,15の厚み変化量で吸収することができるため、圧着時の加圧力が焼成済み基板12の凸反り部分に集中的に作用することを防止でき、圧着時の加圧力による焼成済み基板12の割れを防止できて、歩留りを向上させることができる。
【0057】
しかも、本実施形態(2)のように、両面キャビティ付きのセラミック多層基板11を製造する場合でも、焼成済み基板12をキャビティ14の底面部に位置させて拘束焼成することで、キャビティ14の底面部が凸状に反ることはなく、寸法精度の良い両面キャビティ付きのセラミック多層基板11を製造することができる。
【0058】
【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、焼成済み基板に圧着する未焼成のセラミックグリーンシートを、その圧着時の厚み変化量(複数枚の未焼成のセラミックグリーンシートを同時に圧着する場合はそれらの合計厚み変化量、また、未焼成のセラミックグリーンシートと拘束用グリーンシートとを同時に圧着する場合はそれらの合計厚み変化量)が焼成済み基板の凹凸による最大厚み差以上となるように形成するようにしたので、焼成済み基板の凹凸による最大厚み差を未焼成のセラミックグリーンシートの厚み変化量で吸収することができて、圧着時の加圧力による焼成済み基板の割れを防止できて、歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態(1)の片面キャビティ付きのセラミック多層基板の製造方法を説明する工程図
【図2】本発明の実施形態(1)の製造工程の流れを説明する工程フローチャート
【図3】キャビティの深さが2層の場合の片面キャビティ付きのセラミック多層基板の製造方法を説明する図
【図4】焼成済み基板上に未焼成の低温焼成セラミックグリーンシートを圧着する工程を説明する工程図
【図5】本発明の実施形態(2)の両面キャビティ付きのセラミック多層基板の製造方法を説明する図
【符号の説明】
10…加圧板、11…セラミック多層基板、12…焼成済み基板、13…低温焼成セラミックグリーンシート(未焼成のセラミックグリーンシート)、14…キャビティ、14a…キャビティ用の開口部、15…拘束焼成用グリーンシート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic multilayer substrate in which an unfired ceramic green sheet is laminated on a previously fired ceramic substrate to manufacture a ceramic multilayer substrate.
[0002]
[Prior art]
In general, a ceramic multilayer substrate is often manufactured by a green sheet lamination method. In this green sheet laminating method, via holes are formed in a plurality of ceramic green sheets, and via conductors are formed by filling the via holes in each ceramic green sheet to form via conductors. To print. Thereafter, the plurality of ceramic green sheets are laminated and thermocompression bonded to produce a green substrate, and then the green substrate is baked to produce a ceramic multilayer substrate.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since baking shrinkage of about 15 to 30% occurs in the process of firing the raw substrate, it is difficult to manage the dimensional accuracy of the substrate, and in addition, the shrinkage of both sides of the substrate is difficult in a multilayer substrate with unevenness such as a cavity. Since the stress becomes non-uniform, the fired substrate is likely to be warped, and in particular, the bottom surface of the cavity has a large warp.
[0004]
In the case of firing a composite ceramic multilayer substrate by laminating an insulating ceramic green sheet and a ceramic green sheet of a different material such as a dielectric or magnetic body, the sintering temperatures of the two are matched, and both Since it is necessary to reduce the difference in the firing shrinkage behavior of each layer to prevent delamination, there are disadvantages that the range of material selection is very narrow and the degree of design freedom is very narrow.
[0005]
In recent years, as a firing method for reducing substrate firing shrinkage and improving substrate dimensional accuracy, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-267743, an unfired ceramic in which a wiring pattern is printed in advance on a fired alumina substrate It has been proposed to produce a ceramic multilayer substrate by laminating and thermocompression bonding green sheets. This firing method is intended to reduce the firing shrinkage of the entire substrate by restraining the firing shrinkage of the ceramic green sheet with the fired alumina substrate.
[0006]
However, since the firing shrinkage force of the ceramic green sheet is great, it is not possible to sufficiently suppress firing shrinkage of the ceramic green sheet from only one side of the ceramic green sheet using the fired alumina substrate. As a result, peeling may occur between the fired layer of the ceramic green sheet and the fired alumina substrate, cracks may be generated in the fired layer of the ceramic green sheet, and warping of the substrate may occur. There is a disadvantage that the yield is poor.
[0007]
Further, as a firing method having a large effect of reducing the firing shrinkage of the substrate and improving the dimensional accuracy of the substrate, for example, as shown in JP-T-5-503498 and JP-A-9-92983, a pressure firing method is used. Has been developed. In this pressure firing method, constraining alumina green sheets that are not sintered at the sintering temperature (800 to 1000 ° C.) of the low-temperature fired ceramic are laminated on both sides of the low-temperature fired ceramic substrate (hereinafter referred to as “raw substrate”) before firing. In this state, the green substrate is baked at 800 to 1000 ° C. while pressing the raw substrate, and then the residual alumina green sheet for restraint is removed from both sides of the baked substrate by blasting or the like to produce a low-temperature fired ceramic substrate. Is.
[0008]
However, when a low-temperature fired ceramic substrate with a cavity is fired by the above-mentioned pressure firing method, the pressure applied to the cavity region via the constraining alumina green sheet acts intensively on the cavity periphery, and on the bottom surface of the cavity Since the applied pressure does not act at all, the bottom surface of the cavity is warped in a convex shape, and there is a drawback that the dimensional accuracy of the cavity cannot be ensured.
[0009]
In order to eliminate these conventional drawbacks, the present applicant, as described in the specification of Japanese Patent Application No. 2001-357692 (filed on November 22, 2001), pre-fired ceramic substrate (hereinafter “ One or a plurality of unfired ceramic green sheets that are sintered at a temperature substantially equal to or lower than the sintering temperature of the fired substrate are laminated and pressure-bonded to one or both surfaces of the “fired substrate”). A laminated body is prepared, and constrained green sheets that are not sintered at the sintering temperature of the unfired ceramic green sheet are laminated on both sides of the laminated body, and restraint firing (pressure firing or pressureless firing) A new manufacturing technology is under development.
[0010]
During the development of this manufacturing technology, an unfired ceramic green sheet is laminated on a fired substrate, and the laminate is sandwiched between two pressure plates and pressed. It has been found that it can crack and cause a decrease in yield.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is a process of pressure bonding an unfired ceramic green sheet to a fired substrate in a method for producing a ceramic multilayer substrate by restraining firing a laminate of a fired substrate and an unfired ceramic green sheet. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a ceramic multilayer substrate that can prevent the fired substrate from cracking and improve the yield.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for producing a ceramic multilayer substrate according to claims 1 and 2 of the present invention is the method of producing a laminate by laminating and bonding a non-fired ceramic green sheet to a fired substrate. A constraining green sheet is laminated and pressure-bonded to both sides, or an unfired ceramic green sheet is laminated and a constraining green sheet is simultaneously laminated and constrained and fired (pressure firing or pressureless firing). Thus, there is a first feature, and further, an unfired ceramic green sheet to be pressure-bonded to a fired substrate in the laminate manufacturing process is changed to a thickness change amount during the pressure bonding (a plurality of unfired ceramic green sheets). The total thickness change amount when simultaneously pressing, and when simultaneously bonding an unfired ceramic green sheet and a constraining green sheet, There is a second feature in that the thickness variation) is formed so that the maximum thickness difference or due to unevenness of the fired substrate.
[0013]
According to the first feature of the present invention, the firing shrinkage, warpage, and deformation of the unfired ceramic green sheet in the X and Y directions at the time of restraint firing are almost evenly caused by the restraining green sheet and the fired substrate from both sides. A ceramic multilayer substrate that is suppressed, has good dimensional accuracy, and has no delamination or warpage can be manufactured. In addition, the difference in sintering temperature between the fired substrate and the unfired ceramic green sheet and the difference in firing shrinkage properties do not matter, so the sintering temperature and firing of the ceramic material forming each layer of the ceramic multilayer substrate The degree of freedom of material selection with respect to shrinkage characteristics and the like can be greatly increased, and a ceramic multilayer substrate having a configuration that has been difficult to manufacture by conventional manufacturing methods can be manufactured with high dimensional accuracy without delamination or warpage.
[0014]
As described above, during the development of this manufacturing technology, the pressure applied during pressure bonding is a process in which an unfired ceramic green sheet is laminated on a fired substrate and the laminate is sandwiched between two pressure plates for pressure bonding. It has been found that the fired substrate may break. In order to investigate this cause, the inventor inspected the baked substrate that was cracked at the time of pressure bonding, and the surface of the baked substrate was not a completely flat surface, but was slightly uneven on the substrate surface due to shrinkage behavior at the time of baking. (Waviness) was confirmed (see FIG. 4). In such a baked substrate with unevenness, the convex warp portion of the baked substrate does not adhere to the pressure plate at the time of pressure bonding, and it is in a floating state, and on the baked substrate via an unfired ceramic green sheet at the time of pressure bonding The applied pressure does not act uniformly on the entire substrate surface, and a larger applied pressure acts on the convex warp portion of the baked substrate (the portion lifted from the pressure plate) than the other portions. It is considered that the warped part breaks without being able to withstand the applied pressure.
[0015]
Therefore, the second feature of the present invention is that, in order to prevent the above-described cracking of the fired substrate at the time of pressure bonding, an unfired ceramic green sheet that is pressure-bonded to the fired substrate is subjected to a thickness change amount (plurality) at the time of pressure bonding. When the unfired ceramic green sheets are simultaneously pressure-bonded, the total thickness change amount) is made to be equal to or greater than the maximum thickness difference due to the unevenness of the fired substrate. In this way, the unfired ceramic green sheet flexibly deforms according to the unevenness of the fired substrate during crimping, and the maximum thickness difference due to the unevenness of the fired substrate is the amount of change in thickness of the unfired ceramic green sheet. Since it can absorb, it can prevent that the applied pressure at the time of pressure bonding acts on the convex warp portion of the baked substrate, and the applied pressure that acts on the baked substrate can be distributed over the entire substrate surface. Thereby, the crack of the baked board | substrate by the applied pressure at the time of crimping | compression-bonding can be prevented, and a yield can be improved.
[0016]
In this case, as in claim 3, the adjustment of the amount of change in thickness of the unfired ceramic green sheet is adjusted by adjusting the thickness of the ceramic green sheet, adjusting the composition and blending ratio of the molding material of the ceramic green sheet, and forming The adjustment may be performed by at least one of adjusting the particle diameter of the ceramic particles in the material and adjusting the porosity of the molding material. From these adjustment methods, an appropriate adjustment method may be selected according to the substrate specifications and the like.
[0017]
In this case, as in claim 4, the fired substrate and the unfired ceramic green sheet may be formed of the same kind of ceramic material, or, as in claim 4, the fired substrate and the unfired ceramic green sheet are formed. The ceramic green sheet may be formed of different ceramic materials, and the ceramic material may be selected so that the sintering temperature of the unfired ceramic green sheet is equal to or lower than the sintering temperature of the fired substrate. If the fired substrate and the unfired ceramic green sheet are formed of the same kind of ceramic material as in claim 3, a ceramic multilayer having a single ceramic composition in which electrical characteristics such as insulation characteristics of all layers are made uniform A substrate can be manufactured. Further, if the fired substrate and the unfired ceramic green sheet are formed of different kinds of ceramic materials as in claim 5, a composite ceramic containing various functional materials that are difficult to manufacture by the conventional manufacturing method. Multilayer substrates can be manufactured.
[0018]
In this case, as described in claim 6, it is preferable to use an unfired ceramic green sheet formed of a low-temperature fired ceramic material fired at 1000 ° C. or lower. In this way, as a constraining green sheet, it is possible to use a ceramic that is relatively inexpensive and excellent in mechanical strength, such as an alumina green sheet, and as a wiring conductor that is printed on an unfired ceramic green sheet, A low melting point metal such as an Ag-based, Au-based, or Cu-based material having a small electrical resistance value and excellent electrical characteristics can be used.
[0019]
Further, when manufacturing a ceramic multilayer substrate with cavities as in claim 7, an unfired ceramic green sheet laminated on the fired substrate is positioned on the bottom surface of the portion to be the cavity. In this case, an opening for forming a cavity may be formed before or after the lamination. Here, when forming an opening for forming a cavity in an unfired ceramic green sheet before lamination, the opening for forming the cavity may be formed simultaneously with the processing of the via hole by punching or the like. When forming an opening for forming a cavity in an unfired ceramic green sheet, for example, a ceramic green sheet containing a photosensitive resin is prepared, and the cavity is formed in the ceramic green sheet using a photolithography technique or the like. For this purpose, an opening may be formed. If the fired substrate is positioned at the bottom surface of the cavity and the ceramic multilayer substrate with the cavity is restrained and fired as in claim 7, the bottom surface of the cavity is not warped in a convex shape, and the restraint firing is performed. Therefore, the dimensional accuracy of the cavity can be ensured.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Embodiment (1)]
Hereinafter, an embodiment (1) in which the present invention is applied to a method for producing a ceramic multilayer substrate with a single-sided cavity will be described with reference to FIGS.
[0021]
As shown in FIGS. 1C and 3, the
[0022]
First, the
[0023]
In this case, the insulating ceramic is a ceramic used for forming the insulating layer of the substrate, and examples thereof include a low-temperature fired ceramic and a high-temperature sinterable ceramic such as alumina. When the fired
[0024]
Further, a thick film conductor or RuO 2 may be simultaneously fired or retrofitted onto the surface of the fired
[0025]
Furthermore, a low-temperature fired ceramic
[0026]
The low-temperature fired ceramic
[0027]
In order to prevent cracking of the fired
[0028]
When adjusting the amount of change in thickness of the low-temperature fired ceramic
[0029]
(1) The thickness of the low-temperature fired ceramic
(2) The ceramic material composition or blending ratio of the low-temperature fired ceramic
[0030]
(3) Adjusting the particle size of ceramic particles in the ceramic material of the low-temperature fired ceramic
(4) The porosity (porosity) of the ceramic material of the low-temperature fired ceramic
[0031]
After the tape-formed low-temperature fired ceramic
[0032]
Thereafter, the process proceeds to a printing step, and the via hole of the low-temperature fired ceramic
[0033]
After the printing process, the process proceeds to a laminated body production process, in which one or a plurality of low-temperature fired ceramic
[0034]
As described above, if the low-temperature fired ceramic
[0035]
In this case, the constrained fired
[0036]
Thereafter, the laminated body in which the constraining
[0037]
At this time, the constraining green sheet 15 (high-temperature sinterable ceramic such as alumina) does not sinter unless heated to about 1300 to 1600 ° C. Therefore, if fired at 800 to 1000 ° C., the constraining
[0038]
After firing, the residue (ceramic powder) of the constraining
[0039]
By the way, as shown in FIG. 4, the surface of the
[0040]
Since the
[0041]
When the low-temperature fired ceramic
[0042]
As a countermeasure against this, in the present embodiment (1), the total thickness change amount when both the
[0043]
As described above, in the present invention, only the low-temperature fired ceramic
[0044]
Further, in the present embodiment (1), a constraining
[0045]
Further, in the case of manufacturing the
[0046]
In addition, the difference in sintering temperature between the fired
[0047]
【Example】
The inventor adjusted the maximum thickness difference due to the unevenness of the fired
[0048]
[Table 1]
[0049]
The fired substrate and unfired low-temperature fired ceramic green sheet used in this test are both CaO-SiO 2 -Al 2 O Three -B 2 O Three This is a low-temperature fired ceramic made of a mixture of 60% by weight of system glass and 40% by weight of alumina. Adjustment of the thickness change amount at the time of pressure bonding of the low-temperature fired ceramic green sheet was performed by adjusting the blending amount of the plasticizer or adjusting the sheet thickness.
[0050]
In this test, nine sample Nos. For 1 to 9, the pressure bonding conditions are set to pressurization pressure: 5 MPa, heating temperature: 100 ° C., and one low-temperature fired ceramic green sheet and constraining green sheet (alumina green sheet) are simultaneously laminated on the fired substrate. Crimping was performed to inspect the fired substrate for cracks.
[0051]
In addition, the measuring method of the maximum thickness difference of the baked substrate is to place the baked substrate on a flat plate and measure the maximum thickness (the highest point of the substrate surface) and the minimum thickness (the lowest point of the substrate surface) of the baked substrate, The difference between the maximum thickness and the minimum thickness was determined as the maximum thickness difference. In addition, the measurement method of the total thickness change amount when the low-temperature fired ceramic green sheet and the constraining green sheet are crimped is obtained by sandwiching a laminate of the low-temperature fired ceramic green sheet and the constraining green sheet between the pressure plates. The total thickness change amount of both green sheets was measured by applying pressure while heating under the same conditions as the pressure bonding conditions.
[0052]
According to the test results shown in Table 1, the sample No. 1 in which the total thickness change amount when both green sheets are pressed is smaller than the maximum thickness difference of the fired substrate. In Nos. 3, 6, and 9, cracks of the fired substrate occurred due to the applied pressure during pressure bonding.
[0053]
On the other hand, the sample No. in which the total thickness change amount at the time of pressure bonding of both green sheets is larger than the maximum thickness difference of the fired substrate. As for 1, 2, 4, 5, 7, and 8, even in the inspection after the press bonding, the fired substrates were not cracked.
[0054]
From this test result, it was confirmed that cracking of the fired substrate due to the applied pressure during pressure bonding can be prevented if the total thickness change amount during pressure bonding of both green sheets is equal to or greater than the maximum thickness difference of the fired substrates.
[0055]
[Embodiment (2)]
In the embodiment (1), the low-temperature fired ceramic
[0056]
When the low-temperature fired ceramic
[0057]
Moreover, even in the case of manufacturing the
[0058]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the method for manufacturing a ceramic multilayer substrate of the present invention, an unfired ceramic green sheet to be pressure-bonded to a fired substrate is subjected to a change in thickness (a plurality of unfired green sheets) at the time of pressure bonding. When the ceramic green sheets are pressed at the same time, the total thickness change amount, and when the unfired ceramic green sheet and the restraining green sheet are simultaneously pressed, the total thickness change amount) depends on the unevenness of the fired substrate. Since it is formed so as to be greater than the maximum thickness difference, the maximum thickness difference due to the unevenness of the fired substrate can be absorbed by the amount of change in the thickness of the unfired ceramic green sheet, and firing by the applied pressure during pressure bonding It is possible to prevent cracking of a used substrate and improve yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram illustrating a method for producing a ceramic multilayer substrate with a single-sided cavity according to an embodiment (1) of the present invention.
FIG. 2 is a process flowchart illustrating the flow of a manufacturing process according to an embodiment (1) of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of manufacturing a ceramic multilayer substrate with a single-sided cavity when the cavity depth is two layers.
FIG. 4 is a process diagram illustrating a process of pressure bonding an unfired low-temperature fired ceramic green sheet on a fired substrate.
FIG. 5 is a diagram illustrating a method for manufacturing a ceramic multilayer substrate with double-sided cavities according to Embodiment (2) of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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