JP4048796B2

JP4048796B2 - 多層セラミック基板の製造方法

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Publication number: JP4048796B2
Application number: JP2002050235A
Authority: JP
Inventors: 善史齋藤; 弘倫川上
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003246681A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ハイブリッドＩＣなどに用いる多層セラミック基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多層セラミック基板は、複数の積層されたセラミック層を備えており、種々の形態の配線導体が設けられている。多層セラミック基板を、より多機能化、高性能化するためには、高密度に配線を施すことが有効である。
【０００３】
一般に、セラミックグリーンシートを積層して焼成する際、セラミックの焼結による収縮が長さ（Ｘ）、幅（Ｙ）、厚み（Ｚ）の３方向に生じ、Ｘ、Ｙ方向には、各々０．４〜０．６％程度の寸法誤差が生じる。この寸法誤差は、多層セラミック基板に形成された外部導体の位置精度の低下や内部導体の断線という問題を発生させる。
【０００４】
これを解決するため、図４の生の複合積層体１の断面図に示すように、低温焼成可能な基板用セラミックグリーンシートからなるセラミックグリーン層２を積層した生の多層セラミック基板３の上下に、前記基板用セラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しない、収縮抑制用セラミックグリーンシートからなる収縮抑制層４を形成し、圧着し、この生の複合積層体１を比較的低温で焼成した後、収縮抑制層４の未焼結層を除去する方法が提案されている。
【０００５】
この多層セラミック基板の製造方法によれば、収縮抑制層４がセラミックグリーン層２を拘束するので、セラミックグリーン層２のＸ、Ｙ方向での収縮が生じにくい。その結果、生の多層セラミック基板３を焼成した多層セラミック基板において、寸法精度を高くでき、基板の反りも軽減できる。そのため、高密度に配線を施しても、形成位置の精度の低下や断線などの問題が生じにくい。
【０００６】
なお、図４の生の複合積層体１の断面図は、厚み方向寸法が誇張されて図示されており、また、配線導体の図示が省略されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４に示すような生の複合積層体１を、そのままの状態で焼成すると、前記基板用セラミックグリーンシートや前記収縮抑制用セラミックグリーンシートに含有された有機バインダもしくは有機可塑剤が十分燃焼もしくは昇華せず、焼成中に多層セラミック基板３と収縮抑制層４との間に剥離が発生するという問題があった。剥離が発生すると、収縮挙動のストレスにより基板に反りが生じたり、基板割れが発生してしまう。さらに、高密度配線基板などでは、配線間でも有機バインダもしくは有機可塑剤が十分燃焼もしくは昇華しないために、デラミネーションの発生が多発するという不具合もあった。
【０００８】
本発明の目的は、焼成時に有機物の燃焼もしくは昇華が十分に行われ、基板反りや基板割れが発生せず、デラミネーションの発生が抑制された多層セラミック基板の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明にかかる多層セラミック基板の製造方法は、セラミック絶縁材料粉末を含む複数のセラミックグリーン層を積層して生の多層セラミック基板を作製する工程と、前記生の多層セラミック基板の上下両主面を、前記セラミック絶縁材料粉末の焼結温度では焼結しない無機材料粉末を含む収縮抑制層で積層方向に挟み、積層方向に圧着して、生の複合積層体を作製する工程と、前記生の複合積層体の少なくとも一方の主面に、前記収縮抑制層を貫通せず、前記生の多層セラミック基板に届かない深さで、切り込み溝を設ける工程と、前記切り込み溝が設けられた生の複合積層体を、前記セラミック絶縁材料粉末は焼結するが前記無機材料粉末は焼結しない条件下で焼成し、前記収縮抑制層に挟まれた焼結後の多層セラミック基板を得る工程と、前記焼結後の多層セラミック基板から、上下に配置された未焼結の前記収縮抑制層を除去する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この第２の発明にかかる多層セラミック基板の製造方法は、前記生の複合積層体の一方の主面に切り込み溝を設け、該切り込み溝が設けられた一方の主面を焼成用匣の被焼成物載置面に当接するように配置して、前記生の複合積層体を焼成することを特徴とする。
【００１１】
この第３の発明にかかる多層セラミック基板の製造方法は、前記生の複合積層体の両主面に互いに異なる数の切り込み溝を設け、該切り込み溝の数が多いほうの主面を焼成用匣の被焼成物載置面に当接するように配置して、前記生の複合積層体を焼成することを特徴とする。
【００１２】
この第４の発明にかかる多層セラミック基板の製造方法は、前記切り込み溝が、前記生の複合積層体の主面に、格子状に形成されることを特徴とする。
【００１３】
この第５の発明にかかる多層セラミック基板の製造方法は、前記セラミックグリーン層が、ガラスまたは結晶化ガラスを含むことを特徴とする。
【００１４】
これにより、焼成時に切込み溝から有機物の燃焼もしくは昇華が行われ、基板反りや基板割れが防止できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施形態を説明するためのものであり、多層セラミック基板を製造する途中の段階で得られる生の複合積層体１１を示している。ここで、図１は、生の複合積層体１１の断面図であり、厚み方向寸法が誇張されて図示されており、また、配線導体の図示が省略されている。
【００１６】
生の複合積層体１１は、セラミック絶縁材料粉末を含む複数のセラミックグリーン層１２を積層した生の多層セラミック基板１３と、前記セラミック絶縁材料粉末の焼結温度では焼結しない無機材料粉末を含む収縮抑制層１４ａ、１４ｂと、を備えている。さらに、収縮抑制層１４ａ、１４ｂには、該収縮抑制層１４ａ、１４ｂを貫通せず、前記生の多層セラミック基板１３に届かない深さで、切り込み溝１５ａ、１５ｂがそれぞれ設けられている。
【００１７】
以下、本発明による多層セラミック基板の製造方法について、図１を参照しつつ説明する。
【００１８】
▲１▼まず、複数のセラミックグリーン層１２を積層して生の多層セラミック基板１３を作製する。
前記セラミックグリーン層１２は、例えばセラミック絶縁材料粉末にバインダーや可塑剤および溶剤を加えて、ボールミルやアトラクター等で混合してスラリーとし、そのスラリーをドクターブレード法等の通常の方法によりシート状に形成したセラミックグリーンシートを複数層積層することによって得られる。セラミックグリーンシート相互の密着性を高めるため、例えば５〜３０ＭＰａの圧力および６０〜９０℃の温度で積層方向にプレスしてもよい。
【００１９】
セラミックグリーンシートは、所定の大きさにされ、必要に応じてスクリーン印刷等で配線導体となる導電性ペーストを塗布したり、スルーホール、ビアホールを設けて、このスルーホール、ビアホールにペーストを充填したりする工程が実施される。セラミックグリーンシートの厚さは特に制限はないが、２５〜２００μｍ程度が好ましい。
【００２０】
なお、前記セラミック絶縁材料粉末としては、従来の多層セラミック基板に用いられる通常の原料を使用すればよい。例えばアルミナ硼珪酸ガラス、軟化点６００〜８００℃の非晶質ガラス、結晶化温度６００〜１０００℃の結晶化ガラス等が使用できる。また、これらにアルミナ、ジルコン、ムライト、コージェライト、アノーサイト、シリカ等のセラミックスフィラーを添加したものでもよい。
【００２１】
前記バインダーとしては、例えばポリビニルブチラール、メタアクリルポリマー、アクリルポリマー等を用い、前記可塑剤としては、例えばフタル酸の誘導体等を用いればよい。さらに溶剤としては、例えばアルコール類、ケトン類、塩素系有機溶剤等を使用すればよい。
【００２２】
▲２▼次に、前記生の多層セラミック基板１３の上下面に、前記生の多層セラミック基板１３を積層方向に挟むように収縮抑制層１４ａ、１４ｂを配置し、例えば、３０〜２００ＭＰａの圧力および４０〜９０℃の温度でプレスして、切込み溝１５ａ、１５ｂ形成前の生の複合積層体１１を作製する。
【００２３】
前記収縮抑制層１４ａ、１４ｂは、無機材料粉末を含む無機材料グリーンシートを、前述したセラミックグリーン層１２のためのセラミックグリーンシートと同様の要領で作製し、積層することによって得られる。前記無機材料グリーンシートの厚さは特に制限はないが、２５〜２００μｍ程度が好ましい。
【００２４】
なお、収縮抑制層１４ａ、１４ｂは、前記セラミック絶縁材料粉末の焼結温度では焼結しない無機材料粉末を含んでいる。例えばセラミックグリーン層１２に含まれるセラミック絶縁材料粉末として、その焼結温度が１１００℃以下のものを用いる場合には、収縮抑制層１４ａ、１４ｂに含まれる無機材料粉末としては、例えばアルミナ、酸化ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト、酸化マグネシウム、炭化ケイ素等を使用することができる。なお、これらの粉末の粒度が粗すぎると、得られた多層セラミック基板の表面粗さが粗くなるため、平均粒径０．５〜４μｍ程度が好ましい。
【００２５】
▲３▼さらに、前記生の複合積層体１１の両主面に、収縮抑制層１４ａ、１４ｂを貫通せず、生の多層セラミック基板１３に届かない深さで、切り込み溝１５ａ、１５ｂを形成する。
【００２６】
前記切り込み溝１５ａ、１５ｂの形成には、カッター刃を収縮抑制層１４ａ、１４ｂの外表面に押し当てたり、回転刃で切りこむ等、従来からの通常の方法を用いればよい。
【００２７】
前記切り込み溝１５ａ、１５ｂの断面形状は、Ｖ字状のほか、Ｕ字状、凹部状等任意であり、焼結後のハンドリング時に不用意に割れが生じない形状であればよい。
【００２８】
前記切り込み溝１５ａ、１５ｂの深さは、収縮抑制層１４ａ、１４ｂを貫通せず、生の多層セラミック基板１３に届かない深さであればよいが、収縮抑制層１４ａ、１４ｂの厚みの１／１０〜９／１０程度が好ましい。
【００２９】
前記生の多層セラミック基板１３の上下面における前記切り込み溝１５ａ、１５ｂの形状は、格子状に形成されることが好ましく、溝数も多いほうが好ましい。
【００３０】
▲４▼そして、前記切り込み溝１５ａ、１５ｂが設けられた生の複合積層体１１を、焼成用匣の被焼成物載置面に配置し、前記セラミック絶縁材料粉末は焼結するが前記無機材料粉末は焼結しない条件下で焼成する。
【００３１】
前記焼成用匣としては、例えば通常のアルミナ板からなるものを用いればよい。通気性の良好な気孔率の高いアルミナ板を用いてもよい。
【００３２】
なお、図２（ａ）に示すように、生の複合積層体２１の一方の主面２１ｂにのみ切り込み溝２５ｂが形成されている場合は、生の複合積層体２１を焼成用匣２６の被焼成物載置面２６ａに配置する際、切込み溝２５ｂが設けられている一方主面２１ｂを焼成用匣２６に接するように配置することが好ましい。
【００３３】
また、図２（ｂ）に示すように、生の複合積層体３１の両主面３１ａ、３１ｂに異なる数の切り込み溝３５ａ、３５ｂが形成されている場合は、生の複合積層体３１を焼成用匣２６の被焼成物載置面２６ａに配置する際、切り込み溝３５ｂの数が多いほうの主面３１ｂを焼成用匣２６に接するように配置することが好ましい。
【００３４】
これは、焼成用匣２６に接する面２１ｂ、３１ｂの切込み溝２５ｂ、３５ｂからは有機物の燃焼もしくは昇華が十分に行われにくいため、少しでも有機物の燃焼もしくは昇華を促進するためである。
【００３５】
▲５▼そして、未焼結の収縮抑制層１４ａ、１４ｂに挟まれた焼結後の多層セラミック基板１３を得た後、該焼結後の多層セラミック基板１３から、上下に配置された未焼結の前記収縮抑制層１４ａ、１４ｂをブラシなどで除去することにより、焼結後の多層セラミック基板１３が取り出される。
【００３６】
この焼結後の多層セラミック基板１３は、大面積の多層セラミック基板であり、分割することによって複数の多層セラミック基板を取り出すことができる。
【００３７】
【実施例】
〔実施例１〕
ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、およびＣａＯを混合した結晶化ガラス粉末と、アルミナ粉末を等重量比率で混合した。該混合粉末１００重量部に対して、ポリビニルブチラール１５重量部、イソプロピルアルコール４０重量部、およびトロール２０重量部をそれぞれ加え、ボールミルで２４時間混合してスラリーとした。
【００３８】
このスラリーをドクターブレード法により延ばして厚さ１２０μｍのセラミックグリーンシートを作製し、寸法１３５ｍｍ角にカットし、セラミックグリーンシートを得た。なお該セラミックグリーンシートに含まれるセラミック絶縁材料粉末の焼結温度は８５０℃であった。
【００３９】
他方、酸化ジルコニウム粉末１００重量部に対して、ポリビニルブチラール１５重量部、イソプロピルアルコール４０重量部、およびトロール２０重量部を加え、ボールミルで２４時間混合してスラリーとした。
【００４０】
このスラリーをドクターブレード法により延ばして厚さ１２０μｍのセラミックスグリーンシートを作製し、寸法１３５ｍｍ角にカットし、無機材料グリーンシートを得た。なお該無機材料グリーンシートに含まれる無機材料粉末の焼結温度は１６００℃であった。
【００４１】
次に、前記セラミックグリーンシートを６枚積層して生の多層セラミック基板とし、該多層セラミック基板の上下面に、収縮抑制層として前記無機材料グリーンシートを２枚ずつ積層し、生の複合積層体を得、圧力２０Mpa、温度６０℃で加圧密着させた。
【００４２】
さらに、前記生の複合積層体の一方主面にカッター刃を押し当て、収縮抑制層を貫通せず、生の多層セラミック基板に届かないように、深さ１００μｍの断面Ｖ字状の切り込み溝を、図３（ａ）に示すように、一方向のみに縞状に配列しながら、主面全域にわたって形成した。なお、隣り合う切り込み溝４５ａ、４５ａ間の間隔は２０ｍｍとした。
【００４３】
そして、切り込み溝４５ａが設けられた生の複合積層体４１を、切り込み溝４５ａが形成されている一方主面を、気孔率７０％のアルミナ板よりなる焼成用匣の被焼成物載置面に当接するように配置して、温度６００℃で３時間加熱したのち温度９００℃で１時間加熱し、複合積層体４１における多層セラミック基板の部分のみを焼結させた。
【００４４】
さらに、焼成後の複合積層体４１の両主面をナイロン製のブラシで擦って、未焼結の収縮抑制層を除去し、焼結後の多層セラミック基板を取り出した。
【００４５】
この多層セラミック基板には、基板割れ、デラミネーションの発生はなく、単位長さあたりの最大反り量を測定したところ、０．１５％であった。
【００４６】
〔実施例２〕
上記実施例１の切り込み溝の配列を図３（ｂ）に示すように変化させ、その他は実施例１と同様に多層セラミック基板を作製した。すなわち、生の複合積層体５１の一方主面に、収縮抑制層を貫通せず、生の多層セラミック基板に届かないように、深さ１００μｍの断面Ｖ字状の切り込み溝５５ａ、５５ａを格子状に配列しながら、主面全域にわたって形成した。なお、隣り合う切り込み溝５５ａ、５５ａ間の間隔は２０ｍｍとした。
【００４７】
この多層セラミック基板には、基板割れ、デラミネーションの発生はなく、単位長さあたりの最大反り量を測定したところ、０．１３％であった。
【００４８】
〔実施例３〕
上記実施例１において、切り込み溝を他方主面にも形成し、その他は実施例１と同様に多層セラミック基板を作製した。すなわち、図３（ｃ）に示すように、生の複合積層体６１の一方主面の切り込み溝６５ａ（一方向に縞状に配列され、間隔は２０ｍｍである）に加えて、他方主面に、収縮抑制層を貫通せず、生の多層セラミック基板に届かないように、深さ１００μｍの断面Ｖ字状の切り込み溝６５ｂを、一方向に縞状に配列しながら、主面全域にわたって形成した。なお、隣り合う切り込み溝６５ｂ、６５ｂ間の間隔は１５ｍｍとした。
【００４９】
そして、切り込み溝６５ｂ、６５ｂが多く形成されている他方主面を焼成用匣の被焼成物載置面に当接するように配置して、実施例１と同様に焼成した。
【００５０】
この多層セラミック基板には、基板割れ、デラミネーションの発生はなく、単位長さあたりの最大反り量を測定したところ、０．１０％であった。
【００５１】
〔比較例１〕
上記実施例１において、生の複合積層体の主面に切り込み溝を形成せず、その他は実施例１と同様に多層セラミック基板を作製した。
【００５２】
この多層セラミック基板には、基板割れ、デラミネーションが発生し、そのため、反り量の測定は不可能であった。
【００５３】
上記実施例１〜３および比較例１から明らかなように、収縮抑制層に切り込み溝を形成することにより、焼成中の有機バインダー及び有機可塑剤の燃焼もしくは昇華が促進され、基板われの発生及びデラミネーションの発生がなく、また反り量の小さい多層セラミック基板を作製できた。
【００５４】
また、前記切込み溝は、有機バインダー及び有機可塑剤の燃焼もしくは昇華を促進するのに溝数が多いほうが効果的であり、縞状よりも格子状が好ましく、隣り合う溝間隔も短い方が好ましい。さらに、一方主面だけでなく、両主面に形成されていることが好ましい。
【００５５】
さらに、生の積層複合体の両主面に異なる数の切り込み溝が形成されている場合には、有機物の燃焼もしくは昇華を少しでも促進するため、切り込み溝が多く形されているほうの面を焼成用匣の被焼成物載置面に当接するように配置することが好ましい。
【００５６】
【発明の効果＊】
本発明による多層セラミック基板の製造方法によれば、生の多層セラミック基板を収縮抑制層で挟んだ生の複合積層体の主面に、前記収縮抑制層を貫通せず、前記生の多層セラミック基板に届かないように切り込み溝を形成することにより、焼成時に、セラミックグリーンシートに含有された有機物の燃焼もしくは昇華が十分に行われ、基板割れ、デラミネーションの発生を防ぎ、また、反りの小さい多層セラミックス基板を作製できる。したがって、歩留が向上するとともに、大面積化をはかることが可能となり、生産効率を大幅に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態を説明するためのものであり、多層セラミック基板を製造する途中の段階で得られる複合積層体を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態を説明するためのものであり、（ａ）は、一方の主面にのみ切り込み溝が形成された複合積層体を焼成用匣に配置した状態を示し、（ｂ）は、両主面の切り込み溝の数が異なる複合積層体を焼成用匣に配置した状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例の切り込み溝の配列を示しており、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３の複合積層体の平面図および底面図である。
【図４】従来例を説明するためのものであり、多層セラミック基板を製造する途中の段階で得られる複合積層体を示す断面図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１、４１、５１、６１複合積層体
１２セラミックグリーン層
１３、２３、３３多層セラミック基板
１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ収縮抑制層
１５ａ、１５ｂ、２５ｂ、３５ａ、３５ｂ、
４５ａ、５５ａ、６５ａ、６５ｂ切り込み溝
２６焼成用匣

Claims

セラミック絶縁材料粉末を含む複数のセラミックグリーン層を積層して生の多層セラミック基板を作製する工程と、
前記生の多層セラミック基板の上下両主面を、前記セラミック絶縁材料粉末の焼結温度では焼結しない無機材料粉末を含む収縮抑制層で積層方向に挟み、積層方向に圧着して、生の複合積層体を作製する工程と、
前記生の複合積層体の少なくとも一方の主面に、前記収縮抑制層を貫通せず、前記生の多層セラミック基板に届かない深さで、切り込み溝を設ける工程と、
前記切り込み溝が設けられた生の複合積層体を、前記セラミック絶縁材料粉末は焼結するが前記無機材料粉末は焼結しない条件下で焼成し、前記収縮抑制層に挟まれた焼結後の多層セラミック基板を得る工程と、
前記焼結後の多層セラミック基板から、上下に配置された未焼結の前記収縮抑制層を除去する工程と、を備えることを特徴とする多層セラミック基板の製造方法。
前記生の複合積層体の一方の主面に切り込み溝を設け、該切り込み溝が設けられた一方の主面を焼成用匣の被焼成物載置面に当接するように配置して、前記生の複合積層体を焼成することを特徴とする請求項１記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記生の複合積層体の両主面に互いに異なる数の切り込み溝を設け、該切り込み溝の数が多いほうの主面を焼成用匣の被焼成物載置面に当接するように配置して、前記生の複合積層体を焼成することを特徴とする請求項１記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記切り込み溝は、前記生の複合積層体の主面に、格子状に形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記セラミックグリーン層は、ガラスまたは結晶化ガラスを含むことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の多層セラミック基板の製造方法。