JP4203485B2 - 積層セラミック基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層セラミック基板の製造方法に関し、特に特殊な機能を持たせた複数のセラミック基板を貼りあわせてコンパクトな一体化物としたいという要望や、レーザー加工で貫通孔の加工が困難である厚物基板に貫通孔を設けたいという要望等、に応じることのできる積層セラミック基板の製造方法に関する。

セラミック基板の製造に際し、特に特殊な機能を持たせた複数のセラミック基板を貼りあわせてコンパクトな一体化物としたいという要望や、レーザー加工で貫通孔の加工が困難である厚物基板に貫通孔を設けたいとの要望が生じることがある。

後者の要望の場合、例えば、電子部品を搭載する回路基板に伝熱用ビアホール（サーマルビア）を設ける場合がある。

セラミック基板に貫通孔を形成させる手段としては、一般に、レーザーが使用される。この場合、セラミック基板の厚み次第では、レーザーによる貫通孔の形成が困難となることがある。一方、セラミック基板自体の強度を保つために、基板そのものの厚さを十分に厚くしなければならない。一般に、十分な強度を得るために必要な厚みを有し、かつ貫通孔が形成されたセラミック基板を得ることは極めて困難であるといえる。

また、前者の要望に対する具体的技術の確立は未だなされていない。すなわち、セラミック基板の製造に際し、特に特殊な機能を持たせた複数のセラミック基板を貼りあわせてコンパクトな一体化物としたいという要望を満足させる具体的技術の確立は未だなされていないのが現状である。

特開２００３−１５８３７５号公報には、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して、両者を例えば熱圧着又は接着剤により仮止めすることが行なわれているが、熱圧着の技術を応用することのみでは、焼成後に密着性の良い積層セラミック基板を確実に得ることは困難である。また、接着剤により仮止めをする場合の実施例の存在しない当該公報では接着剤による仮止めがいかなる構成および効果を有しているのか明瞭でない。

特開２００３−１５８３７５号公報 特開２００３−２５８４２４号公報

本発明はこのような実状のもとに創案されたものであって、その目的は、特に、特殊な機能を持たせた複数のセラミック基板を貼りあわせてコンパクトな一体化物としたいという要望や、レーザー加工で貫通孔の加工が困難である厚物基板に貫通孔を設けたいという要望等、に応じることのできる積層セラミック基板の製造方法を提供することにある。

本発明の積層セラミック基板の製造方法は、厚さ方向に複数の貫通孔を有する焼成済みセラミック基板を準備する工程と、セラミックグリーンシートを準備する工程と、セラミックグリーンシートと焼成済みセラミック基板との接合界面に溶剤を介在させてスタック物を形成するスタック物形成工程と、スタック物を厚さ方向に加圧した状態で焼成する焼成工程と、スタック物の焼成後に前記焼成済みセラミック基板の複数の貫通孔に沿ってセラミックグリーンシートであった部分の孔空け加工を行い、スタック物の厚さ方向に亘って貫通孔を形成してなるように構成される。

また、本発明の好ましい態様として、前記焼成済みセラミック基板は予め複数枚準備されており、各セラミック基板における複数の貫通孔の配置は、すべて同じ配置とされるように構成される。

また、本発明の好ましい態様として、前記焼成済みセラミック基板の厚さ方向に形成された複数の貫通孔は、レーザー加工により形成される。

また、本発明の好ましい態様として、溶剤としてアルコール、トルエン、またはキシレンが使用される。

本発明の積層セラミック基板の製造方法は、厚さ方向に複数の貫通孔を有する焼成済みセラミック基板を準備する工程と、焼成済みセラミック基板同士の接合界面にセラミックペースト層を介在させてスタック物を形成するスタック物形成工程と、スタック物を厚さ方向に加圧した状態で焼成する焼成工程と、スタック物の焼成後に前記焼成済みセラミック基板の複数の貫通孔に沿ってセラミックペースト層であった部分の孔空け加工を行い、スタック物の厚さ方向に亘って貫通孔を形成してなるように構成される。

また、本発明の好ましい態様として、前記焼成済みセラミック基板は予め複数枚準備されており、各セラミック基板における複数の貫通孔の配置は、すべて同じ配置となるように構成される。

また、本発明の好ましい態様として、前記焼成済みセラミック基板の厚さ方向に形成された複数の貫通孔は、レーザー加工により形成される。

本発明は、焼成済みセラミック基板を準備する工程と、セラミックグリーンシートを準備する工程と、セラミックグリーンシートを介して焼成済みセラミック基板を積層してスタック物を形成する工程と、スタック物を厚さ方向に加圧した状態で焼成する焼成工程とを含み、前記スタック物を形成する工程において、セラミックグリーンシートと焼成済みセラミック基板との接合界面に溶剤を介在させてスタック物を形成してなるように構成されるので、接合力が強く確実に接合されたスタック一体化物が得られる。つまり、特殊な機能を持たせた複数のセラミック基板を貼りあわせてコンパクトな一体化物とすることができる。さらに、セラミックグリーンシートに予め貫通孔を形成しておき、この貫通孔をさらに延設するためのレーザー加工等の二次加工を行なうことで貫通孔の加工が困難である厚物基板に貫通孔を設けることが容易にできる。

以下、本発明の積層セラミック基板の製造方法を実施するための最良の形態について説明する。

最良の形態の一好適例として、レーザー加工で貫通孔の加工が困難である厚物基板に貫通孔を具備させる手法としての積層セラミック基板の製造方法を取りあげて説明する。

[厚物基板に貫通孔を形成させる第１の実施形態]
厚物基板に貫通孔を具備させる第１の実施形態を、図１（ａ）〜（ｄ）および図２（ｅ）〜（ｆ）に示される経時的な組み立て模式図を参照しつつ詳細に説明する。これらの図面は紙面の大きさの制限により図１と図２に分割して描かれているが、製造上は経時的に連続している図面である。

図１および図２に示される第１の実施形態は、厚さ方向に複数の貫通孔を有する焼成済みセラミック基板を準備する工程と、セラミックグリーンシートを準備する工程と、セラミックグリーンシートと焼成済みセラミック基板との接合界面に溶剤を介在させてスタック物を形成するスタック物形成工程と、スタック物を厚さ方向に加圧した状態で焼成する焼成工程と、スタック物の焼成後に前記焼成済みセラミック基板の複数の貫通孔に沿ってセラミックグリーンシートであった部分の孔空け加工を行い、スタック物の厚さ方向に亘って貫通孔を形成してなるように構成される。

以下、工程順に詳細に説明する。

〔厚さ方向に複数の貫通孔を有する焼成済みセラミック基板を準備する工程〕
まず、最初に図１（ａ）に示されるように、厚さ方向に複数の貫通孔７を有する焼成済みセラミック基板１０が準備される。焼成済みセラミック基板１０とは焼成されたセラミック基板を意味するものであり、セラミックグリーンシートとの明瞭な差別化を図るために用いている。このような基板１０は厚物基板の基材となるものであるから、通常、複数枚準備される（２〜５枚程度）。

複数の貫通孔７は、いわゆる「via」と呼ばれるスルーホールであり、通常、焼成された後のセラミック基板１０に対してレーザー加工により形成される。用いられるセラミック基板１０の厚さは、１００〜６００μｍ、好ましくは、２００〜５００μｍとされる。この厚さが上限を超えてあまりに厚くなり過ぎると、レーザー加工による貫通孔７の形成が困難となってしまう。この一方で、この厚さが下限未満となりあまりに薄くなり過ぎると、レーザー加工そのものは簡単になるが、厚物板とするための積層枚数が増えて後の位置合せも兼ねた積層作業が煩わしくなってしまうという不都合が生じる。

また、複数の貫通孔７の孔径は、１００〜２００μｍφ程度とされる。また、配列される孔ピッチは１００〜４００μｍ、好ましくは１５０〜３００μｍとされる。本発明は、その加工手順からも分かるように狭ピッチの形成に対しても適応し易い製造方法である。
用いるセラミック材料としては、特に制限はなく、例えば、絶縁性セラミック、誘電体セラミック、磁性体セラミック等いずれであっても良い。

また、セラミック基板１０の表面には、同時焼成や後付け処理で導体や抵抗体等を形成しておいてもよい。

〔セラミックグリーンシートを準備する工程〕
セラミックグリーンシートの組成は、上記焼成済みセラミック基板１０の焼成前の組成と同様な組成とすることが望ましい。すなわち、セラミックグリーンシートは、例えば、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ｌａ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₅、ＢａＯ、Ｎｄ₂Ｏ₅、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＺｎＯ等のセラミック材料にバインダー（例えば、ポリビニルブチラール、アクリル系の樹脂）、溶剤（例えば、トルエン、キシレン、ブタノール等）及び可塑剤等を配合して、十分に攪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例えば、ＰＥＴフィルム等のキャリアフィルムの上にキャスティング（塗布）してテープ形成したものである。通常、このテープ成形物は、所定のサイズに切断される。

このようなセラミックグリーンシートの厚さは、３０〜２５０μｍとされる。

〔スタック物形成工程〕
図１（ｂ）に示されるように焼成済みセラミック基板の両面ないし片面に、溶剤２が塗布され、しかる後、図１（ｃ）に示されるようにセラミックグリーンシート３０と焼成済みセラミック基板１０との接合界面に溶剤２を介在させた状態でスタック物が形成される。ただし、図１（ｃ）の状態は、厳密にはスタック物が形成される直前の状態を示している図面である。ここで、「スタック物」とは、セラミックグリーンシートと焼成済みセラミック基板とを交互に積層したものをいう。

図１（ｃ）に示されるごとく上端および下端に位置する焼成済みセラミック基板１０は、内方に向かう片側面のみ溶剤２が塗布され、内部に埋設されるように配置される焼成済みセラミック基板１０は、その両側表面にそれぞれ溶剤２が塗布される。このように本発明における溶剤塗布は、取り扱いや作業性を考慮して、焼成済みセラミック基板１０の表面に溶剤を塗布するのが一般的であるが、セラミックグリーンシート３０の表面に溶剤を塗布するようにすることもできる。

用いる溶剤としては、アルコール、トルエン、キシレン等が挙げられる。

焼成済みセラミック基板の表面に溶剤を塗布する方法としては、スプレー等を用いて均一に塗布する方法などが例示できる。

なお、焼成済みセラミック基板１０の複数の貫通孔７の位置を上下方向で合せるようにするためには、例えば、所定の寸法に開口した金型を用いセラミック基板およびセラミックグリーンシートの外形とパターンを制御するという手法を用いればよい。

〔スタック物を厚さ方向に加圧した状態で焼成する焼成工程〕
図１（ｄ）に示されるようにスタック物４０の厚さ方向をセッター６０で重し、この状態で焼成する。セッター６０は、例えば、アルミナ焼結体から構成されており、このものはガス抜きが可能な多孔質体構造を有している。

セッター６０による加圧力は、８０〜２０００Ｐａ程度とされる。厚さ方向に加圧した状態で焼成することにより、焼成による基板収縮の影響は主として厚さ方向のみとすることができる。そのため、貫通孔７の位置合せ精度は焼成後も維持することが可能となる。焼成温度は、８００〜１０００℃程度とされる。

このようにして焼成された積層セラミック基板（焼結後のスタック物４０）の厚さは、８００μｍ以上、特に、８００〜１５００μｍ程度とされる。

この値が、８００μｍ未満であると、焼成済みセラミック基板に設けられた特性を生かすために、セラミックグリーンシート３０と焼成済みセラミック基板１０との接合界面に溶剤２を介在させてスタック物４０を形成して、その後、加圧焼成するという本願発明の価値が薄れてしまう。

〔セラミックグリーンシートであった部分の孔空け加工〕
スタック物４０を焼成した後に、セッター６０を外し（図２（ｅ）の状態）、焼成済みセラミック基板１０の複数の貫通孔７に沿ってセラミックグリーンシート３０であった部分の孔空け加工を行ない、スタック物４０の厚さ方向に亘って貫通孔７７を形成する。

孔空け加工は、レーザーを用いて行なうことが好ましい。レーザーの照射は、セラミックグリーンシートであった未貫通部分の表面にビームの焦点を合せて行なわれる。通常、一方向のみから行なえばよい。孔空け距離は短いために、比較的短時間で貫通作業が完了する。

このような一連の工程により、従来から極めて技術的に困難とされていた厚物のセラミック基板にレーザー加工で貫通孔７７を形成させることができる（図２（ｆ））。

[厚物基板に貫通孔を形成させる第２の実施形態]
次に、厚物基板に貫通孔を形成させる第２の実施形態を、図３（ａ）〜（ｅ）に示される経時的な組み立て模式図を参照しつつ詳細に説明する。

図３に示される第２の実施形態が前述の第１の実施形態と根本的に異なるのは、スタック物４０形成の際に用いられるセラミックグリーンシート３０に予め厚さ方向に複数の貫通孔３７が形成されている点にある（特に、図３（ｃ）参照）。複数の貫通孔３７の位置は、焼成済みセラミック基板１０に形成されている複数の貫通孔７の位置と合致するように同ピッチに配列・形成されている。

セラミックグリーンシート３０に予め貫通孔３７を形成させる手法としては、レーザーを用いる方法やメカパンチを用いる方法が挙げられる。

セラミックグリーンシート３０に予め貫通孔３７を形成しておくことにより、焼成一体化させた後に貫通孔７７がそのまま形成でき（図３（ｅ））、その後の孔空け加工は不要となる（特に、図３（ｄ）、（ｅ）参照）。

[厚物基板に貫通孔を形成させる第３の実施形態]
以下に述べる第３の実施形態が前述の第１の実施形態と根本的に異なるのは、グリーンシートと溶剤部分を用いて、焼成済みセラミック基板同士を接着・焼成する代わりに、焼成済みセラミック基板同士をセラミックペースト層を介して接着・焼成するようにしている点にある。すなわち、厚さ方向に複数の貫通孔を有する焼成済みセラミック基板を準備し、この焼成済みセラミック基板の所定部位にセラミックペースト層を印刷法により塗布し、このセラミックペースト層を介在させてスタック物を形成した後、スタック物を厚さ方向に加圧した状態で焼成する。しかる後、焼成済みセラミック基板の複数の貫通孔に沿ってセラミックペースト層であった部分の孔空け加工を行い、スタック物の厚さ方向に亘って貫通孔を形成する。

セラミックペースト層の構成材料（組成）としては、上記焼成済みセラミック基板１０の焼成前の組成と同様な組成とすることが望ましい。すなわち、セラミックグリーンシートは、例えば、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ｌａ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₅、ＢａＯ、Ｎｄ₂Ｏ₅、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＺｎＯ等のセラミック材料にバインダー（例えば、ポリビニルブチラール、アクリル系の樹脂）、溶剤（例えば、トルエン、キシレン、ブタノール等）及び可塑剤等を配合して、十分に攪拌混合して調製したものを用いればよい。

焼成済みセラミック基板の全面にセラミックペースト層を塗布するのが良い。

また、焼成後にセラミックペースト層であった部分の孔空け加工を簡便にするために、孔を潰さないようなペーストの粘度設定をすることが望ましい。

以下、具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
図１〜図２に示される工程順を経て、貫通孔を有する厚物の積層セラミック基板を作製する実験を行なった。

焼成済みセラミック基板１０の準備
まず、最初に図１（ａ）に示されるように、厚さ方向に複数の貫通孔７を有する焼成済みセラミック基板１０を３枚、準備した。

焼成済みセラミック基板１０の１枚の大きさは５５×４７ｍｍ、厚さは、３２０μｍとした。貫通孔７の径は１５０μｍφとし、配列ピッチ４００μｍで、５０×５０個の碁盤目状に貫通孔７を配置した。これらの貫通孔７はレーザー加工により形成した。

焼成済みセラミック基板１０は、下記の組成物を焼成したものを用いた。

材料組成
ＳｉＯ₂を主成分とするガラス材にＡｌ₂Ｏ₃を混合したセラミック材料にバインダー（アクリル系樹脂）、溶剤（トルエン、アルコール）及び可塑剤（ブチルフタリルブチルグリコラート）を配合して、セラミック基板１０を作製するための組成物とした。

セラミックグリーンシートの準備
次いで、セラミックグリーンシート３０を準備した。

セラミックグリーンシート３０の組成は、上記焼成済みセラミック基板１０の焼成前の組成と同様な組成とした。組成配合された原料スラリーをドクターブレード法で、ＰＥＴフィルムの上に塗布してテープ形成した。セラミックグリーンシートの厚さは、６５μｍとした。テープ成形物は、焼成済みセラミック基板の１枚のサイズと同じになるように切断した。このようにして、合計２枚のセラミックグリーンシートを準備した。

スタック物４０の形成
このようにして準備したセラミックグリーンシートと焼成済みセラミック基板を交互に順じ積層してスタック物４０を形成した。

すなわち、図１（ｃ）に示されるように上端および下端に位置する焼成済みセラミック基板１０に対しては、内方に向かう片側面のみアルコール（溶剤）を塗布し、内部に埋設されるように配置される焼成済みセラミック基板１０に対しては、その両側表面にそれぞれアルコール（溶剤）を塗布し、焼成済みセラミック基板同士の間にセラミックグリーンシート３０を介在させてスタック物４０を形成した。なお、アルコールの塗布は、スプレーを用い、基板に均一塗布した。

スタック物４０を厚さ方向に加圧した状態で焼成
スタック物４０の厚さ方向をアルミナ焼結体からなるセッターで重し、この状態で焼成した。セッターによる加圧力は、１０７Ｐａとした。

このようにして厚さ１０００μｍの焼成された積層セラミック基板が得られた。

次いで、焼成済みセラミック基板１０の複数の貫通孔７に沿ってセラミックグリーンシート３０であった部分のレーザーによる孔空け加工を行ない、スタック物４０の厚さ方向に亘って貫通孔を形成した。

レーザーの照射は、セラミックグリーンシートであった部分にビームの焦点を合せて行い、一方からのみ行なった。

このような一連の工程により、従来から極めて技術的に困難とされていた厚物のセラミック基板にレーザー加工で貫通孔を形成させることができることが確認できた。

本発明の積層セラミック基板の製造方法は、例えば、特殊な機能を持たせた複数のセラミック基板を貼りあわせてコンパクトな一体化物としたいという要望や、レーザー加工で貫通孔の加工が困難である厚物基板に貫通孔を設けたいという要望等、に応じることができ、各種電子部品の産業に広く利用可能である。

積層セラミック基板に貫通孔を形成させる第１の実施形態を経時的に示す組み立て模式図である。 積層セラミック基板に貫通孔を形成させる第１の実施形態を経時的に示す組み立て模式図である。 積層セラミック基板に貫通孔を形成させる第２の実施形態を経時的に示す組み立て模式図である。

符号の説明

２…溶剤
７…貫通孔
１０…焼成済みセラミック基板
３０…セラミックグリーンシート
４０…スタック物
３５…貫通孔
７７…貫通孔

Claims (7)

1. 厚さ方向に複数の貫通孔を有する焼成済みセラミック基板を準備する工程と、
   セラミックグリーンシートを準備する工程と、
   セラミックグリーンシートと焼成済みセラミック基板との接合界面に溶剤を介在させてスタック物を形成するスタック物形成工程と、
   スタック物を厚さ方向に加圧した状態で焼成する焼成工程と、
   スタック物の焼成後に前記焼成済みセラミック基板の複数の貫通孔に沿ってセラミックグリーンシートであった部分の孔空け加工を行い、スタック物の厚さ方向に亘って貫通孔を形成してなることを特徴とする積層セラミック基板の製造方法。
2. 前記焼成済みセラミック基板は予め複数枚準備されており、各セラミック基板における複数の貫通孔の配置は、すべて同じ配置とされる請求項１に記載の積層セラミック基板の製造方法。
3. 前記焼成済みセラミック基板の厚さ方向に形成された複数の貫通孔は、レーザー加工により形成されたものである請求項１または請求項２に記載の積層セラミック基板の製造方法。
4. 前記溶剤がアルコール、トルエン、キシレンである請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の積層セラミック基板の製造方法。
5. 厚さ方向に複数の貫通孔を有する焼成済みセラミック基板を準備する工程と、
   焼成済みセラミック基板同士の接合界面にセラミックペースト層を介在させてスタック物を形成するスタック物形成工程と、
   スタック物を厚さ方向に加圧した状態で焼成する焼成工程と、
   スタック物の焼成後に前記焼成済みセラミック基板の複数の貫通孔に沿ってセラミックペースト層であった部分の孔空け加工を行い、スタック物の厚さ方向に亘って貫通孔を形成してなることを特徴とする積層セラミック基板の製造方法。
6. 前記焼成済みセラミック基板は予め複数枚準備されており、各セラミック基板における複数の貫通孔の配置は、すべて同じ配置とされる請求項５に記載の積層セラミック基板の製造方法。
7. 前記焼成済みセラミック基板の厚さ方向に形成された複数の貫通孔は、レーザー加工により形成されたものである請求項５または請求項６に記載の積層セラミック基板の製造方法。

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