JP4308062B2 - 積層セラミック基板及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、携帯電話などの移動体通信端末等に用いられる積層セラミック基板及びその製造方法に関するものである。
近年普及している携帯電話などの移動体通信機器及び携帯通信端末においては、その小型化への要求から、これらに使用される高周波回路部品の小型化及び高性能化が求められている。
高周波回路基板においては、従来のプリント基板にコンデンサやインダクタを表面実装したモジュールに代えて、誘電体セラミック基板にコンデンサやインダクタのパターンの配線を形成して積層し、小型化したものが用いられるようになってきている。
積層セラミック基板は、一般にスクリーン印刷法等で所定の配線パターンを形成したガラスセラミック等のグリーンシートを積層し、これを９００℃程度の温度で焼成して作製されている。配線パターンの材料としては、導電率が高く、かつ大気中で焼成することができる銀（Ａｇ）が多く用いられている。
しかしながら、銀はマイグレーション現象を生じやすく、誘電体層を挟み対向する銀配線の電極間で短絡不良が発生しやすいという問題があった。
特許文献１においては、誘電体層のガラスセラミック材料中のガラス成分にＣｕＯを含有させることにより、焼成の際にＡｇのイオン化を抑制し、ガラスセラミック中にＡｇが拡散するのを抑制している。
特許文献２においては、アノーサイト結晶相を含有する低温焼成セラミック基板が開示されているが、アノーサイト結晶相に関し、Ａｇのマイグレーションとの関係は何ら記載されていない。
特開平１１−４９５３１号公報 特許第２５０１７４０号
本発明の目的は、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀（Ａｇ）のマイグレーションの発生を低減させることができる積層セラミック基板及びそ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は、少なくともＳｉ及びＣａを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Ａｇからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより得られる積層セラミック基板であり、焼成後の誘電体層がアノーサイト（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが８４ｎｍ以下であることを特徴としている。
本発明に従い、焼成後の誘電体層におけるアノーサイト結晶相の結晶粒サイズを、８４ｎｍ以下とすることにより、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減させることができる。
アノーサイト結晶相の結晶粒サイズを８４ｎｍ以下とすることにより、銀のマイグレーションの発生を低減させることができる理由の詳細については明らかでないが、以下のように推測される。
すなわち、ガラスが結晶化すると、非晶質部分が減少して、この非晶質部分に溶出したＡｇが凝集し易くなる。また、Ａｇは結晶粒の外周に沿って移動するため、結晶粒が大きくなると、凝集したＡｇが、増大した結晶粒の外周に沿って移動し、マイグレーションが発生し易くなるものと思われる。本発明に従い結晶粒サイズを８４ｎｍ以下とすることにより、非晶質部分に溶出したＡｇの凝集を抑制し、また結晶粒サイズを小さくすることにより、マイグレーションの発生を低減できるものと思われる。また、積層セラミック基板の機械的強度はアノーサイト結晶相の結晶粒サイズが小さくなっても低下しないことがわかった。
従って、本発明によれば、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減することができる。
本発明におけるガラスセラミック材料中のガラスは、少なくともＳｉ及びＣａを含むものであればよいが、好ましくはホウケイ酸ガラスが用いられる。
また、本発明におけるガラスセラミック材料にはアルミナがセラミック成分として含まれているが、アルミナ以外のセラミック成分が含まれていてもよい。
ガラス成分の組成としては、例えば、ＣａＯ５重量％〜３０重量％、ＳｉＯ2３０重量％〜９５重量％、ＭｇＯ０重量％〜２０重量％、ＺｎＯ０重量％〜１５重量％、Ｂ2Ｏ3０重量％〜４０重量％、Ｌｉ2Ｏ０重量％〜５重量％、Ｋ2Ｏ０重量％〜１０重量％、Ａｌ2Ｏ3０重量％〜１０重量％の組成が挙げられる。
本発明におけるガラスセラミック材料中のガラス成分とアルミナ成分との配合比は、ガラス３０重量％〜６０重量％、アルミナ７０重量％〜４０重量％程度であることが好ましい。
本発明におけるアノーサイト結晶相の結晶粒サイズ（結晶粒径）は、Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式に従い、以下のようにして求めることができる。
（i）Ｘ線回折により観測される、２８．１°のピーク半値幅を以下の（１）式により補正して積分幅を求める。
β（度）＝２８．１°のピーク半値幅−（−０．００１７×２８．１＋０．２２９８）…（１）
（ii）以下の式（２）に、式（１）で算出したβの値を挿入し、結晶粒径を算出する。
結晶粒径（ｎｍ）＝λ／（βｃｏｓθ）…（２）
式（２）において、λはＸ線の波長（０．１５４０５ｎｍ）である。
本発明の積層セラミック基板の製造方法は、少なくともＳｉ及びＣａを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Ａｇからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより積層セラミック基板を製造する方法であり、焼成後の誘電体層がアノーサイト（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが８４ｎｍ以下となるように焼成することを特徴としている。
本発明の製造方法によれば、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減させることができる積層セラミック基板を製造することができる。
本発明の製造方法に従う具体的な製造方法としては、例えば、以下の２つの焼成方法が挙げられる。
第１の焼成方法は、焼成における最高温度が８２０℃〜８６５℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間を１時間以上２時間以内、さらに好ましくは、焼成における最高温度が８４０℃〜８６５℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間を１．５時間以上２時間以内とする方法である。
第２の焼成方法は、焼成における最高温度が８５０℃〜９００℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間を４０分以内、さらに好ましくは、焼成における最高温度が８６０℃〜８８０℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間を４０分以内とする方法である。この第２の焼成方法において最高温度からの冷却速は２５０℃／時間以上であることが好ましい。
本発明によれば、機械的強度を低下させることなく、電極層からの銀のマイグレーションの発生を低減させることができる。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
図２及び図３は、本発明の積層セラミック基板の一実施例を示す分解斜視図及び斜視図である。図２に示すように、誘電体層２の上には銀からなる電極層３が形成されている。このような誘電体層２を積層し焼成することにより、図３に示すような積層セラミック基板１が得られる。積層セラミック基板１には、電極層３の配線パターンに従って、その内部にインダクタやコンデンサが形成される。
図４は、このような積層セラミック基板の部分切欠斜視図である。図４に示すように、このような積層セラミック基板１においては、誘電体層２を挟み、電極層３ａと電極層３ｂが対向して配置される。
図５は、電極層のマイグレーションを説明するための断面図である。誘電体層２を挟み対向するように設けられた電極層３ａ及び３ｂにおいて、電圧が印加されることにより、電極層３ａ及び３ｂ中の銀が誘電体層２内に拡散し、マイグレーション１０が発生する。マイグレーション１０が、対向する電極層またはそこから発生したマイグレーション部分と接触すると、電極層３ａ及び３ｂ間で短絡が発生する。
（実施例）
Ｃａを含むホウケイ酸非晶質ガラスとアルミナとの配合割合が重量比で（３０〜６０）：（７０〜４０）である低温焼成型ガラスセラミック材料を用いて、セラミックグリーンシートを作製した。ガラスセラミック材料の組成は、Ａｌ2Ｏ3４４重量％〜５２重量％、ＳｉＯ2３３重量％〜４０重量％、ＣａＯ８．０重量％〜１３．０重量％、Ｂ2Ｏ3１．０重量％〜１５．０重量％である。誘電体層の厚みを約５０μｍとし、誘電体層の上にＡｇからなる電極層を厚み約２０μｍとなるように形成してセラミックグリーンシートとした。
このセラミックグリーンシートを用いて、図２及び図３に示す積層セラミック基板を作製した。焼成条件としては、表１及び図１０に示す焼成プロファイルＡ１〜Ａ３及びＢ〜Ｅで行った。
Figure 0004308062
 図１１〜図１７は、各焼成プロファイルを別個に示したものであり、図１１はＡ１、図１２はＡ２、図１３はＡ３、図１４はＢ、図１５はＣ、図１６はＤ、図１７はＥの焼成プロファイルを示している。
焼成プロファイルＡ１〜Ａ３で得られた積層セラミック基板の誘電体層のＸ線回折（ＸＲＤ）チャートを図６〜図８に示す。図６は、最高焼成温度８４０℃である焼成プロファイルＡ３で得られた誘電体層に対応しており、図７は、最高焼成温度８６０℃である焼成プロファイルＡ１で得られた誘電体層に対応しており、図８は、最高焼成温度８８０℃である焼成プロファイルＡ２で得られた誘電体層に対応している。図６〜図８から明らかなように、最高焼成温度が高くなるほど、アノーサイトの結晶ピークが高くなっている。
各焼成プロファイルで得られた誘電体層について、上記の式（１）及び（２）により、結晶粒径を測定し、結果を表２に示した。
また、各焼成プロファイルで得られた積層セラミック基板について、ＪＩＳ規格 Ｒ１６０１（ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法）に従い、抗折強度を測定し、測定結果を表２及び図９に示した。
また、各焼成プロファイルで得られた積層セラミック基板についてマイグレーションによる不良発生率を測定し、測定結果を表２及び図１に示した。
なお、マイグレーションによる不良発生率は、以下のようにして測定した。
２つの電極間の電気抵抗をテスターで測定し、同じ条件にて焼成したセラミック基板のうち短絡不良が発生した個数の割合をマイグレーション不良発生率とした。
マイグレーション不良率（％）＝短絡不良が発生したセラミック基板の個数／同条件で焼成したセラミック基板の個数×１００
Figure 0004308062
 図１及び表２に示す結果から明らかなように、結晶粒径が８４ｎｍ以下になると、マイグレーションによる不良発生率は１０％以下になる。また、結晶粒径が７８ｎｍ以下になると、マイグレーションによる不良発生率は５％以下になり、結晶粒径が６０ｎｍ以下になるとマイグレーションによる不良発生率は１％以下に低減される。従って、アノーサイトの結晶粒径は、１ｎｍ〜８４ｎｍの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは１ｎｍ〜７８ｎｍの範囲であり、特に好ましくは１ｎｍ〜６０ｎｍの範囲であることがわかる。
また、図９及び表２に示す結果から明らかなように、結晶粒径と抗折強度には相関関係がなく、結晶粒径を８４ｎｍ以下にしても、機械的強度が保たれることがわかる。
結晶粒径を８４ｎｍ以下にすることができる焼成プロファイルは、表２から明らかなように、Ａ１、Ａ３、Ｂ、Ｄ及びＥである。
焼成プロファイルＡ１においては、焼成における最高温度が８６０℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が約１．６時間である。また、焼成プロファイルＡ３においては、焼成における最高温度が８４０℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が約１．７時間である。これらのことから、結晶粒径を８４ｎｍ以下にする第１の焼成方法として、焼成における最高温度が８２０℃〜８６５℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が１時間以上２時間以内である方法が挙げられる。
焼成プロファイルＢにおいては、焼成における最高温度が８６０℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が約１．６時間である。焼成プロファイルＤにおいては、焼成における最高温度が８６０℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が約１０分である。焼成プロファイルＥにおいては、焼成における最高温度が８６０℃であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が約４０分である。
これらの焼成プロファイルから結晶粒径を８４ｎｍ以下にする第２の焼成方法として、焼成における最高温度が８５０℃〜９００℃の範囲内であり、最高到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が４０分以内である方法が挙げられる。第２の焼成方法において、最高温度からの冷却速度は２５０℃／時間以上であることが好ましい。
結晶粒径とマイグレーションによる不良発生率との関係を示す図。 本発明に従う積層セラミック基板の一実施例を示す分解斜視図。 本発明に従う積層セラミック基板の一実施例を示す斜視図。 本発明に従う積層セラミック基板の一実施例を示す部分切欠斜視図。 マイグレーションの発生を説明するための断面図。 焼成プロファイルＡ３により得られた誘電体層のＸ線回折チャート。 焼成プロファイルＡ１により得られた誘電体層のＸ線回折チャート。 焼成プロファイルＡ２により得られた誘電体層のＸ線回折チャート。 結晶粒径と抗折強度との関係を示す図。 焼成プロファイルＡ１〜Ａ３及びＢ〜Ｅを示す図。 焼成プロファイルＡ１を示す図。 焼成プロファイルＡ２を示す図。 焼成プロファイルＡ３を示す図。 焼成プロファイルＢを示す図。 焼成プロファイルＣを示す図。 焼成プロファイルＤを示す図。 焼成プロファイルＥを示す図。
符号の説明
１…積層セラミック基板
２…誘電体層
３，３ａ，３ｂ…電極層
１０…マイグレーション発生部分

Claims (6)

  1. 少なくともＳｉ及びＣａを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Ａｇからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより得られる積層セラミック基板であって、
    焼成後の前記誘電体層がアノーサイト（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが８４ｎｍ以下であることを特徴とする積層セラミック基板。
  2. 前記ガラスがホウケイ酸ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の積層セラミック基板。
  3. 少なくともＳｉ及びＣａを含むガラスとアルミナを混合したガラスセラミック材料からなる誘電体層の上に、Ａｇからなる電極層を形成したセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより積層セラミック基板を製造する方法であって、
    焼成後の前記誘電体層がアノーサイト（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）結晶相を含有し、かつその結晶粒サイズが８４ｎｍ以下となるように焼成することを特徴とする積層セラミック基板の製造方法。
  4. 焼成における最高温度が８２０℃〜８６５℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が１時間以上２時間以内であることを特徴とする請求項３に記載の積層セラミック基板の製造方法。
  5. 焼成における最高温度が８５０℃〜９００℃の範囲内であり、最高温度到達後から最高温度マイナス５０℃までの温度保持時間が４０分以内であることを特徴とする請求項３に記載の積層セラミック基板の製造方法。
  6. 最高温度からの冷却速度が２５０℃／時間以上であることを特徴とする請求項５に記載の積層セラミック基板の製造方法。
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