JP4416342B2

JP4416342B2 - 回路基板およびその製造方法

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Publication number: JP4416342B2
Application number: JP2001055329A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎平原; 辰治古瀬; 秀司中澤; 晃井本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: JP2002261446A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部導体層を具備する回路基板において、平面方向での焼成収縮を抑制するとともに、焼成に伴うクラックの発生を防止した回路基板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、強度の弱い絶縁層を強度の強い絶縁層で補強するためや回路基板の中に容量値の高いキャパシタを内蔵するために、絶縁層と、この絶縁層とは異なる材料からなる異種材料絶縁層を積層した回路基板が知られている（例えば、特開昭５９−１９４４９３号公報参照）。
【０００３】
また、２５ｔｈＩＮＴＥＲＮＥＰＣＯＮＪＡＰＡＮ’９６ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｓｔ’ ９６ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎＪａｐａｎＣＯＮＮＥＣＴＯＲＪＺＰＡＮ’９６ＳＥＭＩＮＡＲＲ８の活発化する高周波部品の動向「移動体通信機器用セラミック多層機能基板」、あるいはＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭｏｎｔｈｌｙ１９９６．８「多層セラミック基板の新しい展開」においては、異種材料を同時に焼成して一体化する回路基板が記載されている。
【０００４】
これらの文献には、比誘電率６．１、５ＧＨｚでのＱ値が３００のＢａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系組成物からなる第１絶縁層と、比誘電率１５００、誘電損失２．５％の高誘電率のＢａＴｉＯ₃系誘電体材料とＢａＯ−ＣａＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスからなる第２絶縁層材料とを同時焼成した基板や、比誘電率７．１ＭＨｚでのＱ値が１７００程度のＳｒ系ガラスとＡｌ₂Ｏ₃からなる第１絶縁層と、比誘電率１００００、誘電損失０．５％の鉛系ペロブスカイト型誘電体材料からなる第２絶縁層材料とを同時焼成した基板が開示されている。
【０００５】
そして、これらの文献には、異種材料からなる絶縁層を同時焼成によって一体化する為の必要条件として、異種材料同士の焼成収縮挙動が一致することが重要であると記載されている。
【０００６】
一方、近年においては、回路基板の低コスト化や、回路基板上に形成された電極の寸法精度向上のため、焼成時のｘ−ｙ方向における回路基板の収縮率を小さくすることが要求されており、上記従来の回路基板では、この要求を達成することができなかった。
【０００７】
このような要求を満足するため、近年では、未焼成のセラミック絶縁層の積層体に対して、Ａｌ₂Ｏ₃焼結板を介して加圧しながら焼成して厚み方向への焼成収縮を増大させる加圧焼成法や、積層体の表面に、該積層体の焼成温度では焼結しない未焼成セラミック板を接着して焼成することによって積層体の収縮を未焼成セラミック板によって拘束し、厚み方向にのみ収縮させた後、未焼成セラミック板を削り取る方法（第２５５４４１５等）が開発されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の加圧焼成法では、反りのないＡｌ₂Ｏ₃焼結板が必要であるとともに特殊な加圧手段が必要であった。また、未焼成セラミック板によって拘束する方法では、焼成終了後に未焼成セラミック板を削り取る必要があるために製造工数が増える、という問題があった。
【０００９】
そこで、特開平２００１−１５８７５号には、焼成収縮開始温度の異なる２種のセラミック成形体を積層して同時焼成することによって焼成の収縮による寸法変化を抑制することが提案されている。
【００１０】
しかしながら、かかる構造の回路基板においては、焼成収縮挙動が異なる絶縁層間に配設される導体層のパターンによっては界面付近が剥離したり、界面付近の絶縁層にクラックが生じるなどの問題があった。特に、異種材料を積層した回路基板においては、一方のセラミック材料を高誘電率系セラミックスによって構成することが多いが、この場合、この高誘電率をコンデンサとして機能させるために、高誘電率層の両側、即ち、低誘電率層との界面に、面積の大きい電極を形成した場合にその傾向が顕著であった。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、その目的は、焼成収縮挙動が異なる絶縁層が積層され、その絶縁層の界面に導体層が形成された回路基板において、界面付近での剥離やクラックの発生を防止することのできる回路基板とその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題に対して検討を重ねた結果、焼結挙動が異なる２つの絶縁層間の界面に導体層を形成する場合、その導体層の総面積を所定の比率以下に小さくすることによって、クラックや剥離の発生を防止することができることを見いだし本発明に至った。
【００１３】
即ち、本発明の回路基板は、焼成収縮挙動が異なる２種以上のセラミック絶縁層を積層してなる絶縁基板を具備する回路基板において、前記焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層が接する界面に内部導体層が配設されており、前記界面のそれぞれにおける前記内部導体層の総面積が前記界面の全面積の５０％以下であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の回路基板の製造方法によれば、焼成収縮挙動が異なる２種以上の未焼成のセラミック絶縁層の界面に、導電性ペーストを塗布してなる内部導体層を形成した積層体を作製した後、該積層体の平面方向の収縮を抑制しながら焼成する回路基板の製造方法において、焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層が接する前記界面のそれぞれにおける前記内部導体層の総面積が前記界面の全面積の５０％以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
なお、本発明においては、上記焼成収縮挙動が異なる２種以上のセラミック絶縁層の焼成収縮開始温度が異なること、また、焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層が接する界面が２箇所以上存在することが互いの絶縁層の焼成収縮を抑制する上で望ましい。また、界面に配設された内部導体層の厚みは、３０μｍ以下であることがクラックや剥離の発生を抑える上で望ましい。
【００１６】
また、焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層の比誘電率が異なり、高誘電率のセラミック絶縁層の両側に電極導体層を形成してコンデンサとして機能させることが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による回路基板の一例の概略断面図を示すもので、図１において、回路基板１０は、セラミック絶縁層１ａ〜１ｇが積層されたセラミック絶縁基板１と、絶縁基板１の表裏面に形成された表面導体層２、基板１の内部に形成された内部導体層３、導体層間を接続するためのビアホール導体４を有する。
【００１８】
セラミック絶縁基板１は、焼成収縮挙動が異なる２種以上のセラミック絶縁層によって形成されて、この図１の回路基板では、セラミック絶縁層１ａ〜１ｇのうち、セラミック絶縁層１ａ，１ｇが、他のセラミック絶縁層１ｂ〜１ｆと収縮開始温度が異なるセラミック材料から形成されている。
【００１９】
さらに具体的には、上記セラミック絶縁層１ａ，１ｇと、セラミック絶縁層１ｂ〜１ｆとは、収縮開始温度が異なり、セラミック絶縁層１ａ，１ｇは、収縮開始温度が低いセラミック材料によって形成され、また他のセラミック絶縁層１ｂ〜１ｆは収縮開始温度が高いセラミック材料によって形成されている。
【００２０】
また、上記図１の回路基板においては、セラミック絶縁層１ａ、１ｇは、他のセラミック絶縁層１ａ、１ｂ、１ｄ，１ｅよりも高誘電率を有し、そのセラミック絶縁層１ａ、１ｇと他のセラミック絶縁層１ｂ、１ｄとの界面には、セラミック絶縁層１ａ、１ｇから所定の静電容量を取り出すための一対の電極導体層５が形成されている。
【００２１】
また、本発明の上記の回路基板１０は、焼成収縮挙動が異なる、特に焼成収縮開始温度が異なる２種以上のセラミック絶縁層１ａ〜１ｇの積層構造によって、焼成収縮開始温度が低温側のセラミック絶縁層１ａ、１ｇが焼結収縮する時、未収縮の高温側のセラミック絶縁層１ｂ〜１ｆが平面方向の収縮を抑制し、高温側のセラミック絶縁層１ｂ〜１ｆが焼成収縮する時、焼成によって収縮が完了した低温側のセラミック絶縁層１ａ、１ｇによって平面方向の収縮が抑制される結果、回路基板全体として平面方向の収縮が抑制された高寸法精度の回路基板が得られる。
【００２２】
このような回路基板１０において、本発明によれば、焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層の界面、即ち、セラミック絶縁層１ａとセラミック絶縁層１ｂとの界面に存在する内部導体層３ｂ、セラミック絶縁層１ｇとセラミック絶縁層１ｆとの界面に存在する内部導体層３ａが、いずれもその総面積が界面全面積の５０％以下、特に３０％以下であることが重要である。
【００２３】
即ち、焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層１ａ、１ｇと、セラミック絶縁層１ｂ、１ｆが接する界面では互いに平面方向への焼成収縮を拘束し合うことによって平面方向の収縮率が小さくなるので寸法精度の向上が図れる。
【００２４】
しかしながら、セラミック絶縁層１ａ、１ｇとセラミック絶縁層１ｂや１ｆが導体層３ｂ、３ａによって隔たれた部分では、両セラミック絶縁層１ａ−１ｂ、１ｇ−１ｆ同士の拘束力が極端に低下し、互いの界面での拘束力との差によって電極導体層５の端部からセラミック絶縁層１ａ、１ｇ、１ｂ、１ｆにクラックが発生するなどの問題が生じ易くなる。そこで、前記したように内部導体層３ｂ、３ａのそれぞれの界面における総面積をその界面の全面積の５０％以下にすることで互いの拘束力を高め、このような構造欠陥を抑制することができる。
【００２５】
また、この内部導体層３ａ、３ｂの厚みは３０μｍ以下、特に２５μｍ以下であることが望ましい。これは、界面に存在する内部導体層３ａ、３ｂの厚みが厚くなりすぎると、内部導体層３ａ、３ｂ自体が、金属粉末を含む導体ペースト等から形成されている場合、内部導体層３ａ、３ｂ自体が収縮し、その厚みが大きいほど収縮も大きくなる結果、収縮が抑制された絶縁層間で応力が発生し、内部導体層３ａ、３ｂの剥離や絶縁層間の剥離を引き起こすおそれがあるためである。
【００２６】
また、両セラミック絶縁層１ａ−１ｂ，１ｇ−１ｆ同士の拘束力を高める上では、界面の導体層３ｂ、３ａは、セラミック絶縁層１ａ、１ｂ、１ｇ、１ｆの周縁から１ｍｍ以上、特に２ｍｍ以上内側領域に形成することが望ましい。これは、焼成収縮挙動が異なる２つの絶縁層が周縁部で互いに結合することができるために、焼成収縮抑制効果を均一化することができるために、クラックなどの発生をさらに防止することができる。
【００２７】
なお、焼成収縮挙動が異なる２種のセラミック材料Ａ、Ｂの積層順序は、図１の回路基板では、ＡＢＢＢＢＢＡにて積層したが、ＡＢＡＢＡＢ、ＡＡＡＢＡＡＡ，ＡＡＢＢＢＡＡ，ＡＡＢＡＢＡＡ，ＡＡＢＢＡＡＡ，ＡＢＡＡＡＡのいずれでもよく、また、ＡとＢとを反対に入れ換えてもよい。ただし、焼成収縮挙動の異なる絶縁層同士が接する界面が１箇所では、拘束力の偏在によって回路基板に反りが発生する場合があるために、界面が２箇所以上、特に偶数箇所に存在することが望ましい。または界面が２箇所以上存在する場合、回路基板の厚み中心に対して対照的な位置に界面が存在することが望ましい。
【００２８】
本発明におけるセラミック材料は、図１の回路基板１０においては、一方のセラミック絶縁層１ａ、１ｇは、低誘電率のセラミック材料である場合について説明したが、このセラミック材料は、絶縁体、誘電体、磁性体のいずれでも良く、焼成収縮挙動が異なるセラミック材料は、例えば異なる組成のセラミック材料であってもよく、組成が全く同一であってセラミック粒子の粒度分布や比表面積が異なるセラミック材料であってもよい。特に組成が異なることが最も焼成収縮挙動の制御が容易であり、あらゆる要求特性に対応できる。また、この焼成収縮挙動が異なるセラミック材料は、焼成収縮挙動が異なるものであればかまわないが、特に少なくとも焼成収縮開始温度が異なることが望ましい。なお、焼成収縮挙動が異なる２種以上のセラミックスは、例えば、焼結収縮挙動の相違のみならず、目的に応じて、比誘電率が異なる、強度が異なる、誘電損失が異なるなどの他の特性が異なっていてもよい。
【００２９】
また、図１の回路基板１０に形成される表面導体層２、内部導体層３、ビアホール導体４、電極導体層５は、導体層としてはＣｕ、Ａｇ、Ａｌの群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属からなることが高速伝送化を図る上で望ましく、またセラミック絶縁層と同時焼成して形成されることが望ましい。
【００３０】
そのために、セラミック絶縁層は、１０００℃以下の低温で焼成可能なセラミック材料、とりわけ、大気中で焼成できるＡｇと同時焼成が可能な９６０℃以下、特に９２０℃以下で焼成が可能なセラミック材料が良い。
【００３１】
上記のような低温焼成セラミック材料としては、ガラス粉末系、ガラス粉末とセラミック粉末との混合粉末系、酸化物粉末混合系などの周知の低温焼成セラミック材料が用いられる。なお、上記ガラスとしては、非晶質ガラス、結晶化ガラスのいずれでもよい。
【００３２】
例えば、ガラス粉末５０〜１００重量部とセラミック粉末０〜５０重量部からなることが望ましい。ガラス粉末の具体的な組成例としては、必須成分として、ＳｉＯ₂２０〜７０重量部、Ａｌ₂Ｏ₃０．５〜３０重量部，ＭｇＯ３〜６０重量部、任意成分として、ＣａＯ０〜３５重量部、ＢａＯ０〜３０重量部、ＳｒＯ０〜３０重量部、Ｂ₂Ｏ₃０〜２０重量部、ＺｎＯ０〜３０重量部、ＴｉＯ₂０〜１０重量部、Ｎａ₂Ｏ０〜３重量部、Ｌｉ₂Ｏ０〜５重量部を含むものが挙げられる。
【００３３】
また、セラミック粉末としては、Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＭｇＴｉＯ₃，ＣａＺｒＯ₃，ＣａＴｉＯ₃，Ｍｇ₂ＳｉＯ₄，ＢａＴｉ₄Ｏ₉，ＺｒＴｉＯ₄，ＳｒＴｉＯ₃，ＢａＴｉＯ₃，ＴｉＯ₂から選ばれる１種以上が挙げられる。
【００３４】
上記組成のガラス粉末とセラミック粉末との組み合わせによれば、１０００℃以下での低温焼結が可能となるとともに、導体層として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌなどの低抵抗導体を用いて形成することが可能となり、また、低誘電率化も可能であり、高速伝送化に適している。しかも、上記の範囲で種々組成を制御することによって、焼成収縮挙動を容易に制御、変更することができる。
【００３５】
本発明の回路基板の製造方法についてより具体的に説明すると、上記焼成収縮挙動が異なる２種以上のセラミック材料、たとえば焼成収縮開始温度が低い（Ｓ_A℃）セラミック材料Ａと、焼成収縮開始温度が高い（Ｓ_B℃）セラミック材料Ｂを準備し、各セラミック材料を用いてグリーンシートＡ、Ｂを作製する。グリーンシートＡ，Ｂは、所定のセラミック粉末組成物と有機バインダーと有機溶剤及び必要に応じて可塑剤とを混合し、スラリー化する。このスラリーを用いてドクターブレード法などによりテープ成形を行い、所定寸法に切断しグリーンシートを作製する。
【００３６】
次に、このグリーンシートＡ，Ｂにパンチングなどによって貫通孔を形成し、その貫通孔内に導体ペーストを充填し、表面導体層や内部導体層および電極導体層を導体ペーストを用いてスクリーン印刷法などによって被着形成する。その際に、焼結収縮挙動が異なるシート間に配設される内部導体層については、その総面積が５０％以下、特に３０％以下になるようにパターンの面積を調整する。
【００３７】
このようにして得られた各グリーンシートＡ，Ｂを、所定の積層順序に応じて積層して積層成形体を形成した後、焼成する。
【００３８】
また、積層成形体の製造方法としては、所定の基板表面にセラミックペーストおよび導体ペーストを順次塗布することにより積層化したり、セラミック材料と光硬化性樹脂を含有するスリップ材を塗布乾燥し、露光、硬化、現像を行い、さらに前記スリップ材を塗布乾燥、露光、硬化、現像を繰り返して積層成形体を作成しても良い。この場合に、必要に応じて現像して絶縁層成形体に形成された貫通孔内に導電性ペーストを充填したり、絶縁層成形体表面に導体ペーストを用いて内部導体層を形成してもよい。
【００３９】
焼成にあたっては、まず、収縮開始温度が低いシートＡの収縮開始温度Ｓ_Aに到達後、徐々に昇温するか、焼成収縮開始温度Ｓ_Aよりも高く、シートＢの焼成収縮開始温度Ｓ_Bよりも低い温度で、一次的に炉内温度を保持してシートＡを焼成収縮させる。この時、シートＡは、その温度で焼成収縮しないシートＢによってｘ−ｙ方向への収縮が抑制されｚ方向に焼成収縮する。
【００４０】
その後、シートＡの焼結が進行し、望ましくは最終焼成体積収縮量の９０％以上収縮した後、シートＢの焼結開始温度ＳＢ以上に昇温して焼成する。この焼成によって、シートＢは、焼結がほぼ完了したシートＡによってｘ−ｙ方向への焼成収縮が抑制されｚ方向に焼成収縮する。その結果、シートＡおよびシートＢともにｘ−ｙ方向への焼成収縮が抑制されｚ方向に焼成収縮した、寸法精度の高い基板を作製することができる。
【００４１】
【実施例】
以下の方法により、図１の構造の回路基板を作製した。
まず、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ−ＺｎＯ−ＢａＯ−Ｂ₂Ｏ₃ガラス粉末８２重量％と、平均粒径が約１μｍのＳｉＯ₂粉末１８重量％からなるセラミック材料Ａ（焼成収縮開始温度７６０℃、比誘電率６．５）と、モル比で０．９２ＭａＴｉＯ₃−０．０８ＣａＴｉＯ₃の主成分１００重量部に対して、Ｂ₂Ｏ₃１４重量部、Ｌｉ₂ＣＯ₃７重量部、ＳｉＯ₂０．０１重量部、ＢａＯ１．６重量部、Ａｌ₂Ｏ₃０．５重量部、ＭｎＯ₂１．５重量部からなる平均粒径が約１μｍのセラミック材料Ｂ（焼成収縮開始温度８５０℃、比誘電率１９）を準備した。このセラミック材料Ａ、Ｂに対して各々バインダー等を混練したスラリーをドクターブレード法にてグリーンシートＡ，Ｂに加工した。
【００４２】
層構成は、▲１▼ＡＢＢＢＢＢＢ、▲２▼ＡＢＢＢＢＢＡ、▲３▼ＡＢＡＢＡＢＡの３種として、各シートに貫通孔を形成し、その貫通孔内にＡｇ粉末を含む導体ペーストを充填した。そして、各グリーンシートの表面に上記の導体ペーストを用いて表面導体層、内部導体層および電極導体層を印刷形成した。これらのグリーンシートを位置合わせした後、積層して、大気中にて９００〜９３０℃で焼結一体化した。
【００４３】
一方、比較として▲４▼ＡＡＡＡＡＡ，▲５▼ＢＢＢＢＢＢの層構成のものについて同様な導体層を形成し回路基板を作製した。
【００４４】
なお、ここで、各シートの厚みはすべて０．１０ｍｍとした。また、シートＡとシートＢ間に位置する導体層の面積を表１の比率で制御した。また、各シートの導体層の形成は、シートの周縁から２ｍｍ以上内側の領域に形成した。
【００４５】
作製した回路基板に対して平面方向の収縮率（ｘ方向、ｙ方向の収縮率の平均値）と、クラックの有無、回路基板全体の反り量を評価した。
【００４６】
ここで、反り量は、回路基板（１００ｍｍ角）について表面粗さ計で基板表面の表面粗さを測定し、最大、最小の差を反りとして評価した。
【００４７】
また、クラックについては回路基板の側面、表面、あるいは研磨して研磨面を金属顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって、シートＡ，シートＢ界面の剥離や界面付近でのクラックの有無を調べた。
【００４８】
これらの結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】

【００５０】
表１に示したこれらの結果から、本発明に界面に位置する導体層の面積比率が５０％を超える試料Ｎｏ．５、１０、１７では、クラックあるいはデラミネーションが生じた。これに対して、面積比率を５０％以下にすることによって、クラックやデラミネーション（層間剥離）の発生がなく、また反り（平坦性）も小さく、焼成収縮率も小さく出来ることが判る。特に、界面を２箇所以上、対照位置に形成した層構成２および層構成３では特に焼成収縮も小さく反りも小さいものであった。なお、導体層面積比率が７０％の試料Ｎｏ．４、Ｎｏ．９および試料Ｎｏ．１６は参考例である。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、例えば焼成収縮開始温度といった焼成収縮挙動が異なる２種以上のセラミック絶縁層を積層してなり、そのセラミック絶縁層の界面に配設される内部導体層の面積を小さくすることによって、クラックや界面での剥離の発生を防止することができる。その結果、焼成収縮挙動の相違を利用した寸法精度の高い回路基板を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック回路基板の一例を示す概略断面図を示す。
【符号の説明】
１０・・・回路基板
１・・・絶縁層
２・・・表面導体層
３・・・内部導体層
４・・・ビアホール導体

Claims

焼成収縮挙動が異なる２種以上のセラミック絶縁層を積層してなる絶縁基板を具備する回路基板において、前記焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層が接する界面に内部導体層が配設されており、前記界面のそれぞれにおける前記内部導体層の総面積が前記界面の全面積の５０％以下であることを特徴とする回路基板。
前記焼成収縮挙動が異なる２種以上のセラミック絶縁層の焼成収縮開始温度が異なることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
前記焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層が接する界面が２箇所以上存在することを特徴とする請求項１または請求項２記載の回路基板。
前記内部導体層の厚みが３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の回路基板。
焼成収縮挙動が異なる２種以上の未焼成のセラミック絶縁層の界面に、導電性ペーストを塗布してなる内部導体層を形成した積層体を作製した後、該積層体の平面方向の収縮を抑制しながら焼成する回路基板の製造方法において、焼成収縮挙動が異なるセラミック絶縁層が接する前記界面のそれぞれにおける前記内部導体層の総面積が前記界面の全面積の５０％以下であることを特徴とする回路基板の製造方法。
前記焼成収縮挙動が異なる２種以上の未焼成のセラミック絶縁層の焼成収縮開始温度が異なることを特徴とする請求項５記載の回路基板の製造方法。
前記積層体中に、焼成収縮挙動が異なる未焼成のセラミック絶縁層が接する界面が２箇所以上存在することを特徴とする請求項５または請求項６記載の回路基板の製造方法。