JP4059063B2

JP4059063B2 - セラミック多層基板およびその製造方法

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Publication number: JP4059063B2
Application number: JP2002327262A
Authority: JP
Inventors: 弘倫川上
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP2004165295A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波モジュールなどに用いられるセラミック多層基板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック多層基板は、複数の基板用グリーンシートを積層したセラミック積層体を焼成することにより製造される。しかし、このセラミック積層体をそのまま焼成すると、基板用グリーンシートが平面方向に収縮してしまうため、設計通りのセラミック多層基板を製造することは困難である。そこで、セラミック積層体の焼結温度では焼結しない収縮抑制用グリーンシートをセラミック積層体の両主面に積層し、セラミック積層体および収縮抑制用グリーンシートを焼成することが行われている。これにより、基板用グリーンシートの平面方向の収縮が抑制される。
【０００３】
また、上述したセラミック多層基板の製造方法においては、セラミック積層体および収縮抑制用グリーンシートを焼成した後、未焼結の収縮抑制用グリーンシートを除去し、セラミック多層基板（焼成後のセラミック積層体）を得ている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２７７９１４号公報（全頁、全図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したセラミック多層基板の製造方法においては、焼成時に、セラミック積層体と収縮抑制用グリーンシートとの間に、ポーラスな反応層が形成される。この反応層を完全に除去するためには、バレルなどの機械的手段によりセラミック多層基板の主面を研磨する必要があるが、この場合、基板や基板主面上に形成された配線導体を損傷してしまうという問題があった。
【０００６】
一方、反応層がセラミック多層基板の主面上に残留すると、セラミック多層基板の信頼性が低下するという問題があった。これは以下の理由による。
【０００７】
図５は、主面上に反応層が残留したセラミック多層基板の一部を模式的に示す断面図である。図５に示すように、セラミック多層基板４１の一方主面上には配線導体４４が形成されるとともに、反応層４６が残留している。また、はんだ付け性を高めるために、配線導体４４表面はめっき膜４５により被覆されている。図５からわかるように、配線導体４４の端部４４ａは、反応層４６と接触しているため、めっき膜４５により被覆されていない。すると、図５に示すように、ポーラスな反応層４６を通じて、配線導体４４を構成する金属のマイグレーション（図中矢印）が進行してしまう。このため、セラミック多層基板の信頼性が低下するのである。
【０００８】
本発明は、反応層を完全に除去することなく、信頼性の高いセラミック多層基板を製造する方法を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明に係るセラミック多層基板の製造方法は、ガラスおよびセラミックを含む第１のセラミックグリーンシートを準備する工程と、前記第１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第２のセラミックグリーンシートを準備する工程と、前記第１のセラミックグリーンシートを積層してなり、少なくとも一方主面上に配線導体を有するセラミック積層体と、前記セラミック積層体の両主面上に配置された前記第２のセラミックグリーンシートと、からなる複合積層体を作製する工程と、前記第１のセラミックグリーンシートが焼結し、前記第２のセラミックグリーンシートが焼結しない温度で、前記複合積層体を焼成する工程と、焼成後の前記複合積層体から、未焼結の前記第２のセラミックグリーンシートを除去し、前記セラミック積層体が焼結してなるセラミック焼結体を得る工程と、前記第１のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの軟化温度以上の温度で、前記セラミック焼結体を熱処理する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記セラミック焼結体の少なくとも一方主面上に形成された配線導体の表面に、めっき膜を形成する工程をさらに備えることが好ましい。
【００１３】
また、未焼結の前記第２のセラミックグリーンシートを除去する際には、ウェットブラスト、サンドブラスト、ウォータージェット、超音波洗浄の手段のうちいずれかであることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るセラミック多層基板を示す概略断面図である。図１に示すように、セラミック多層基板１１は、複数のガラスセラミック層１２を積層してなるセラミック焼結体１３からなる。セラミック焼結体１３の一方主面上には配線導体１４が形成され、配線導体１４の表面はめっき膜１５により被覆されている。また、セラミック焼結体１３の両主面上には反応層１６が形成されている。また、ガラスセラミック層１２間には内部導体１７が形成され、ガラスセラミック層１２を積層方向に貫通するようにビア導体１８が形成されている。
【００１５】
図２は、図１において、セラミック焼結体１３の一方主面の様子を拡大して示した部分断面図である。図２に示すように、めっき膜１５は、配線導体１４の表面を被覆するニッケルからなる第１のめっき膜１５ａと、第１のめっき膜１５ａの表面を被覆する金からなる第２のめっき膜１５ｂと、からなるニッケル／金めっき膜である。また、反応層１６は、配線導体１４の端部１４ａに接触している。
【００１６】
セラミック焼結体１３を構成する基板材料としては、例えば、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ系ガラスとアルミナとからなるガラスセラミックなどを用いることができる。
【００１７】
配線導体１４、内部導体１７、およびビア導体１８を構成する導体材料としては、銀、銅、白金、パラジウムなどの金属を用いることができる。中でも、配線導体１４としてマイグレーションが発生しやすい銀を用いた場合、本発明の効果が顕著に発揮される。
【００１８】
配線導体１４の表面はめっき膜１５で被覆されている。これにより、配線導体１４上に実装される実装部品のはんだ付け性が向上するとともに、配線導体１４を構成する金属のマイグレーションが防止される。本実施形態のように、めっき膜１５が、第１のめっき膜１５ａと第２のめっき膜１５ｂとからなり、第１のめっき膜１５ａがニッケルからなる場合、配線導体１４のはんだ食われを防止することができる。また、第２のめっき膜１５ｂが金からなる場合、特に実装部品のはんだ付け性に優れているため好ましい。なお、第２のめっき膜１５ｂとしては、すずなどを用いてもよい。また、めっき膜１５は２層に限らず、１層であってもよいし、３層以上であってもよい。
【００１９】
反応層１６は、未焼結のセラミックが、セラミック焼結体１３から拡散したガラスにより固着されたものからなる。未焼結のセラミックとしては、例えば、アルミナやジルコニアなどを用いることができる。セラミック焼結体１３から拡散するガラスは、例えば、上述したＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ系ガラスなどである。
【００２０】
反応層１６を構成する未焼結のセラミックは、もともとはポーラスな構造であるが、これがガラスにより固着されるため、反応層１６は緻密な構造となる。これにより、配線導体１４の端部１４ａがめっき膜１５により直接被覆されなくても、配線導体１４を構成する金属のマイグレーションが防止される。
【００２１】
なお、セラミック多層基板１１においては、セラミック焼結体１３の主面上に均一に反応層１６が形成されるとは限らず、例えば、反応層１６が部分的に生じることもある。この場合、反応層１６と配線導体１４の端部１４ａとが接触しない部分が生じうるが、反応層１６と接触していない配線導体１４の端部１４ａは、めっき膜１５により被覆される。したがって、配線導体１４を構成する金属のマイグレーションは問題にならない。
【００２２】
次に、本発明に係るセラミック多層基板の製造方法の一例を説明する。
（第１のセラミックグリーンシートを準備する工程）
この工程では、焼成後にセラミック多層基板のセラミック層を構成する第１のセラミックグリーンシートを準備する。まず、出発原料として、ガラス粉末とセラミック粉末とを準備し、これらを混合してガラスセラミック粉末を作製する。ガラス粉末としては、例えば、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ系ガラス粉末を用いることができる。セラミック粉末としては、例えば、アルミナ粉末を用いることができる。
【００２３】
次に、ガラスセラミック粉末に、適当量のバインダ、溶剤、および分散剤を加えてスラリーを作製する。次に、ドクターブレード法などによりスラリーをシート状に成形し、第１のセラミックグリーンシートを作製する。
【００２４】
また、必要に応じて、第１のセラミックグリーンシート上には配線導体が形成される。配線導体は、例えば、スクリーン印刷により、銀、銅、白金、パラジウムなどを含む導体ペーストを第１のセラミックグリーンシート上に印刷することにより形成される。
【００２５】
また、必要に応じて、第１のセラミックグリーンシートには第１のセラミックグリーンシートを厚み方向に貫通するビア導体が形成される。ビア導体は、例えば、ＮＣパンチにより第１のセラミックグリーンシートの厚み方向に貫通孔を設け、この貫通孔に、銀や銅などを含む導体ペーストを充填することにより形成される。
【００２６】
（第２のセラミックグリーンシートを準備する工程）
第２のセラミックグリーンシートは、第１のセラミックグリーンシートと同様の方法により作製される。ただし、第２のセラミックグリーンシートは、第１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ように構成される。したがって、出発原料としては、第１のセラミックグリーンシートに含まれるガラスセラミック粉末よりも焼結温度の高い、アルミナやジルコニアなどのセラミック粉末が用いられる。
【００２７】
（複合積層体を作製する工程）
この工程では、上述した第１、第２のセラミックグリーンシートを積層して、複合積層体を作製する。図３は、この複合積層体を示す部分断面図である。図３に示すように、複合積層体２１は、第１のセラミックグリーンシート２２を積層してなるセラミック積層体２３と、セラミック積層体２３の両主面上に配置された第２のセラミックグリーンシート２９と、からなる。セラミック積層体２３の一方主面上には配線導体２４が形成され、第１のセラミックグリーンシート２２間には内部導体２７が形成され、第１のセラミックグリーンシート２２を積層方向に貫通するようにビア導体２８が形成されている。
【００２８】
複合積層体２１を作製する方法としては、あらかじめ第１のセラミックグリーンシート２２を積層、圧着してセラミック積層体２３を作製しておき、セラミック積層体２３の両主面上に第２のセラミックグリーンシート２９を積層、圧着する方法が挙げられる。また、第１のセラミックグリーンシート２２、第２のセラミックグリーンシート２９を積層し、これらを一括して圧着することにより複合積層体２１を作製してもよい。
【００２９】
（複合積層体を焼成する工程）
この工程では、上述した複合積層体を焼成する。複合積層体は、第１のセラミックグリーンシートが焼結し、第２のセラミックグリーンシートが焼結しない温度で焼成される。例えば、第１のセラミックグリーンシートの出発原料としてＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ系ガラス粉末とアルミナ粉末とを混合したガラスセラミック粉末、第２のセラミックグリーンシートの出発原料としてアルミナ粉末を選択した場合、複合積層体の焼成温度は９００℃前後となる。
【００３０】
第１のセラミックグリーンシートは、この温度で焼結するため、平面方向に収縮しようとする。しかし、この温度で焼結しない第２のセラミックグリーンシートは、第１のセラミックグリーンシートの収縮を抑制するように作用する。この結果、焼成後に得られるセラミック多層基板においては、基板の反りや変形が抑えられる。
【００３１】
この焼成工程においては、セラミック積層体と第２のグリーンシートとが界面で反応を起こし、ポーラスな反応層が形成される。反応層は、第２のグリーンシートを構成する未焼結のセラミックと、セラミック積層体から拡散したガラスと、からなる。このとき、反応層中のガラスは、反応層とセラミック積層体との界面に近づくにつれ増大するように、傾斜的に分布している。したがって、反応層は、反応層とセラミック積層体との界面から遠ざかるにつれ、よりポーラスな構造となっている。
【００３２】
また、このとき、配線導体と第２のグリーンシートとが界面で反応を起こし、別の反応層が形成されることもある。
【００３３】
（第２のセラミックグリーンシートを除去する工程）
この工程では、焼成後の複合積層体から、未焼結の第２のセラミックグリーンシートを除去する。これにより、セラミック積層体が焼結してなるセラミック焼結体が得られる。
【００３４】
ここでは、セラミック焼結体や配線導体を損傷しない程度に、未焼結の第２のセラミックグリーンシートを除去する。したがって、セラミック焼結体と第２のセラミックグリーンシートとの間に形成されたポーラスな反応層は除去されないまま、セラミック焼結体上に露出する。反応層は、反応層とセラミック焼結体との界面から遠ざかるにつれ、すなわち、反応層の表面に近づくにつれ、よりポーラスな構造となっている。
【００３５】
なお、未焼結の第２のセラミックグリーンシートを除去する際に、ポーラスな反応層の一部が除去されることもある。また、配線導体と第２のセラミックグリーンシートとの界面で形成される別の反応層は、それほど配線導体との接合力が高くないため、未焼結の第２のセラミックグリーンシートとともに除去される。
【００３６】
上述したように、反応層を残したまま、未焼結の第２のセラミックグリーンシートを除去する手段としては、ウエットブラスト、サンドブラスト、ウォータージェット、超音波洗浄の手段が適している。
【００３７】
ウエットブラストの場合は、圧縮空気と水とアルミナなどの砥粒とを、未焼結の第２のセラミックグリーンシートに吹き付ける。サンドブラストの場合は、圧縮空気とアルミナなどの砥粒とを、未焼結の第２のセラミックグリーンシートに吹き付ける。ウォータージェットの場合は、圧縮空気と水とを、未焼結の第２のセラミックグリーンシートに吹き付ける。超音波洗浄の場合は、純水などの洗浄液に焼成後の複合積層体を浸漬し、洗浄液中に所定周波数の超音波を放射する。
【００３８】
（セラミック焼結体を熱処理する工程）
この工程では、第１のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの軟化温度以上の温度で、セラミック焼結体を熱処理する。これにより、セラミック焼結体に含まれるガラスが軟化して流動化し、ポーラスな反応層に拡散する。そして、このガラスにより反応層が固着され緻密化する。なお、この熱処理の主たる目的は、特にポーラスな反応層表面を緻密化させることにある。
【００３９】
第１のセラミックグリーンシートの出発原料として、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ系ガラスを用いた場合、このガラスの軟化温度は約７５０℃であるため、セラミック積層体を８００℃以上で熱処理すれば、十分に本発明の作用効果が期待できる。ただし、このときの熱処理の温度は、セラミック焼結体に形成された配線導体に含まれる金属の融点を超えないものとする。例えば、配線導体として銀を用いた場合、熱処理の温度は１０００℃以下にする必要がある。
【００４０】
（めっき膜を形成する工程）
この工程では、セラミック焼結体の少なくとも一方主面上に形成された配線導体の表面に、めっき膜を形成する。めっき膜としては、例えば、すずめっきやニッケル／金めっきが挙げられる。
【００４１】
ニッケル／金めっき膜は、例えば、以下のようにして形成される。まず、セラミック焼結体をアルカリ溶液に浸漬して脱脂を行う。次に、セラミック焼結体をパラジウムイオンを含む溶液に浸漬し、配線導体表面にパラジウムの触媒を付与する。次に、セラミック焼結体を無電解ニッケルめっき液に浸漬し、配線導体表面にニッケルめっき膜を形成する。次に、セラミック焼結体を無電解金めっき液に浸漬し、ニッケルめっき膜表面に金めっき膜を形成する。
【００４２】
なお、上述した各工程の間では、セラミック焼結体を水洗する。また、無電解金めっきには、めっき液に還元剤を含まない置換金めっきと、めっき液に還元剤を含む狭義の無電解金めっきとがあり、置換金めっきだけを行う場合や、置換金めっきの後に狭義の無電解金めっきを行う場合などがある。
【００４３】
また、無電解金めっきを行う前には、セラミック焼結体を酸洗浄あるいはアルカリ洗浄し、セラミック焼結体表面において配線導体間に付着したパラジウムイオンを除去するとよい。これにより、金めっき膜の異常析出による配線導体間の絶縁抵抗の劣化を防止することができる。
【００４４】
【実験例】
以下のようにして、本発明に係るセラミック多層基板を作製し、その評価を行った。
まず、出発原料として、軟化温度が７５０℃であるＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ系ガラス粉末と、アルミナ粉末と、を準備した。次に、これらの出発原料を、ガラス粉末５０重量％、アルミナ粉末５０重量％となるように混合した。次に、得られた混合粉末を、有機バインダーおよび可塑剤とともにトルエンに添加し、ボールミルで混練し、減圧下で脱泡処理を行って、スラリーを作製した。
【００４５】
次に、ドクターブレードを用いたキャスティング法により、スラリーをＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム上に流し込み、厚さ０．１ｍｍのセラミックグリーンシートを作製した。次に、このセラミックグリーンシートを乾燥させた後ＰＥＴフィルムから剥離し、プレス金型により１００ｍｍ×１００ｍｍのサイズに打ち抜き、これを第１のセラミックグリーンシートとした。
【００４６】
次に、１枚の第１のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷により銀ペーストを印刷して、櫛歯状電極用パターンを形成した。なお、櫛歯状電極については後述する。
【００４７】
一方、アルミナ粉末を有機バインダーおよび可塑剤とともにトルエンに添加し、ボールミルで混練し、減圧下で脱泡処理を行って、スラリーを作製した。次に、第１のセラミックグリーンシートと同様の作製方法により、スラリーから１００ｍｍ×１００ｍｍのセラミックグリーンシートを作製し、これを第２のセラミックグリーンシートとした。
【００４８】
次に、櫛歯状電極用パターンが形成された第１のセラミックグリーンシートが最上層となるように、第１のセラミックグリーンシートを１０枚積層してセラミック積層体を作製した。次に、セラミック積層体の両主面上に、第２のセラミックグリーンシートをそれぞれ５枚ずつ積層し、第１、第２のセラミックグリーンシートを積層方向に圧着して、複合積層体を作製した。
【００４９】
次に、複合積層体を９００℃で焼成した。次に、焼成後の複合積層体を超音波洗浄槽に入れ、４０ｋＨｚの超音波を放射し、未焼結の第２のセラミックグリーンシートを除去してセラミック焼結体を得た。
【００５０】
このセラミック焼結体の一方主面上には、図４に示すような櫛歯状電極が形成されている。図４に示すように、櫛歯状電極３１は、複数の電極指３２ａを有する第１の端子３２と、複数の電極指３３ａを有する第２の端子３３と、からなり、第１の端子３２と第２の端子３３とは、電極指３２ａ，３２ａ間に電極指３２ｂが配置されるようにして対向している。本実験例では、電極指３２ａ，３２ｂの幅をそれぞれ１００μｍ、電極指３２ａ，３２ｂの間隔を１００μｍとした。
【００５１】
このようにして得られたセラミック焼結体の試料を６つ準備し、それぞれ下記の表１に示す温度で熱処理を行った。なお、試料１については熱処理を行わなかった。
【００５２】
次に、各試料をアルカリ脱脂し、水洗した。次に、塩化パラジウム水溶液に各試料を浸漬し、櫛歯状電極表面にパラジウム触媒を付与し、その後各試料を水洗した。
【００５３】
次に、硫酸ニッケル、クエン酸、次亜リン酸からなる無電解ニッケルめっき液に各試料を浸漬し、櫛歯状電極表面にニッケルめっき膜を析出させ、その後各試料を水洗した。
【００５４】
次に、亜硫酸金からなる置換金めっき液に各試料を浸漬し、ニッケルめっき膜表面に置換金めっき膜を析出させ、その後各試料を水洗した。
【００５５】
次に、アンモニウム水溶液に各試料を浸漬し、不要なパラジウムイオンを除去し、その後各試料を水洗した。
【００５６】
次に、亜硫酸金、チオ尿素からなる無電解金めっき液に各試料を浸漬し、置換金めっき膜表面に無電解金めっき膜を析出させ、その後各試料を水洗した。
【００５７】
以上のようにして、各試料の櫛歯状電極表面にニッケル／金めっき膜を形成した。次に、各試料に形成された櫛歯状電極の両端子間にＤＣ１０Ｖの電圧を印加した状態で、各試料を温度８５℃、湿度８５％の条件下で１０００時間放置し、１０００時間後の各試料の絶縁抵抗を測定した。その結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】

【００５９】
表１からわかるように、本実験例で用いられたガラス粉末の軟化温度である７５０℃以上の温度で熱処理を行った試料３〜６については、絶縁抵抗が１０⁹Ω以上と高かった。一方、７５０℃を下回る温度で熱処理を行った試料１，２については、絶縁抵抗が１０⁶Ω以下と低かった。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係るセラミック多層基板では、セラミック焼結体の主面上に形成された反応層が、セラミック焼結体から拡散したガラスにより固着されて緻密化している。
【００６１】
また、本発明に係るセラミック多層基板の製造方法では、主面上にポーラスな反応層が形成されたセラミック焼結体を、セラミック焼結体に含まれるガラスの軟化温度以上で熱処理することにより、セラミック焼結体から反応層へガラスを拡散させて反応層を緻密化させる。
【００６２】
これにより、配線導体端部から反応層を通じて、配線導体を構成する金属のマイグレーションが進行するのを防止することができる。したがって、信頼性の高いセラミック多層基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミック多層基板について、その一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すセラミック多層基板１１において、セラミック焼結体１３の一方主面の様子を拡大して示した部分断面図である。
【図３】本発明に係るセラミック多層基板の製造方法で用いられる複合積層体について、その一実施形態を示す部分断面図である。
【図４】第１のグリーンシートの主面上に形成される櫛歯状電極を示す平面図である。
【図５】従来のセラミック多層基板について、その一方主面の様子を拡大して示した部分断面図である。
【符号の説明】
１１セラミック多層基板
１２ガラスセラミック層
１３セラミック焼結体
１４配線導体
１４ａ配線導体の端部
１５めっき膜
１５ａ第１のめっき膜
１５ｂ第２のめっき膜
１６反応層
２１複合積層体
２２第１のセラミックグリーンシート
２３セラミック積層体
２４配線導体
２９第２のセラミックグリーンシート

Claims

ガラスおよびセラミックを含む第１のセラミックグリーンシートを準備する工程と、
前記第１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第２のセラミックグリーンシートを準備する工程と、
前記第１のセラミックグリーンシートを積層してなり、少なくとも一方主面上に配線導体を有するセラミック積層体と、前記セラミック積層体の両主面上に配置された前記第２のセラミックグリーンシートと、からなる複合積層体を作製する工程と、
前記第１のセラミックグリーンシートが焼結し、前記第２のセラミックグリーンシートが焼結しない温度で、前記複合積層体を焼成する工程と、
焼成後の前記複合積層体から、未焼結の前記第２のセラミックグリーンシートを除去し、前記セラミック積層体が焼結してなるセラミック焼結体を得る工程と、
前記第１のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの軟化温度以上の温度で、前記セラミック焼結体を熱処理する工程と、
を備えることを特徴とするセラミック多層基板の製造方法。
前記セラミック焼結体の少なくとも一方主面上に形成された配線導体の表面に、めっき膜を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のセラミック多層基板の製造方法。
未焼結の前記第２のセラミックグリーンシートを除去する際に、ウェットブラスト、サンドブラスト、ウォータージェット、超音波洗浄の手段のうちいずれかであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のセラミック多層基板の製造方法。