JP4439257B2 - セラミックグリーンシート及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックグリーンシート及びその製造方法に関し、特に、多層配線基板及び半導体素子収納用パッケージなどの配線間の絶縁特性に優れたセラミックグリーンシート及びその製造方法に関するものである。

従来から、半導体素子などを搭載するセラミック多層基板やセラミックパッケージとして用いられるセラミックグリーンシートは、ドクターブレード法等によりシート状に成形される。成形時に接着層を備えたキャリアフイルムを用いるため、キャリアフィルムを剥離した際に、接着層がセラミックグリーンシートに転写される。このセラミックグリーンシート上に金属粉末からなるペーストの印刷法等で配線を形成し、加圧（４４ＭＰａ）積層工程、焼結工程にて多層配線基板を得ることができる。
特開平４−２２１８８９号公報

しかしながら、高圧積層（４４ＭＰａ）では圧力のばらつきによる積層体の密度分布の不均一を防ぐため、等方加圧法が用いられる。等方加圧が可能な装置は大がかりになる。また、圧力が低いと密着不良により配線間に隙間を生じてショート不良の原因になっていた。

従って、本発明は低圧積層でも寸法精度が高く、且つ配線間の絶縁特性に優れた配線基板を得るためのセラミックグリーンシート及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のセラミックグリーンシートは、少なくともセラミック粉末と有機バインダーと溶剤とを含有するセラミックグリーンシートの一方の主面側に、他方の主面側よりも溶剤量が多い溶剤富化層を有し、前記セラミックグリーンシートを幅１０ｍｍ、長さ１００ｍ ｍの長方形に切り出し、両端を３００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った時の引張強度が１０００〜５０００ｋＰａ、伸度が５〜５０％であることを特徴とする。

また、本発明のセラミックグリーンシートは、前記有機バインダーがアクリル酸エステル又はメタクリル酸エステルのうち少なくとも１種を主成分とすることが望ましい。

また、本発明のセラミックグリーンシートは、前記セラミックグリーンシート中の前記有機バインダーの含有量が７．４〜１３．０質量％であることが望ましい。

本発明のセラミックグリーンシートの製造方法は、上記のセラミックグリーンシートの 製造方法であって、少なくともセラミック粉末と有機バインダーと溶剤とを含有するセラミックグリーンシートの一方の主面のみに溶剤を塗布し、他方の主面よりも溶剤量が多い溶剤富化層を形成することを特徴とする。

本発明の他のセラミックグリーンシートの製造方法は、上記のセラミックグリーンシー トの製造方法であって、少なくともセラミック粉末と有機バインダーと溶剤とを含有するセラミックグリーンシートの一方の主面にマスキングを施し、乾燥を行うことにより、前 記マスキングを施した主面の側に溶剤富化層を形成することを特徴とする。

本発明では、セラミックグリーンシートの一方の主面側に溶剤量の多い溶剤富化層を有 することから、他の部分に比べて、柔らかく、伸びやすく、変形しやすく、配線間に隙間のない積層体を低い圧力でも容易に形成でき、配線間の絶縁性に優れる。また、セラミックグリーンシートの引張強度を１０００〜５０００ｋＰａ、伸度を５〜５０％の範囲とすることで、セラミックグリーンシート全体では、変形しにくく寸法精度に優れた配線基板を得ることができる。

また、セラミックグリーンシートに含まれる有機バインダーを熱分解性に優れるアクリル酸エステルまたはメタクリル酸エステルを主成分とすることで、焼結工程での積層間の剥離や磁器の膨れ等がない良好な焼結体を得ることができる。

また、有機バインダーの添加量を、７．４〜１３質量％の範囲に設定することにより、セラミックグリーンシートの成形、乾燥時にクラックの無い良好なセラミックグリーンシートを得ることができる。

また、本発明のセラミックグリーンシートの製造方法によれば、セラミックグリーンシートの一方の主面に溶剤をスクリーン印刷法等で塗布することで、溶剤富化層を容易に、且つ、均一に形成することができる。

また、本発明の他のセラミックグリーンシートの製造方法によれば、セラミックグリーンシートの一方の主面にマスキングを施して、溶剤の蒸発する温度で乾燥を行うことで、溶剤富化層を容易に、且つ、均一に形成することができる。

本発明のセラミックグリーンシートは、図１に示すように、セラミックグリーンシート１の一方の主面側には他の部分１ａよりも溶剤量の多い溶剤富化層１ｂが形成され、この溶剤富化層１ｂは他の部分１ａよりも、柔らかく、変形しやすくなっている。

そして、本発明のセラミックグリーンシート１は、当該セラミックグリーンシートから 幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの長方形に切り出し、その両端を、３００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った時の引張強度が１０００〜５０００ｋＰａ、伸度が５〜５０％の範囲にある。

引張強度と伸度とは反比例の関係にあり、引張強度を高くすると伸度が低下する。引張強度が５０００ｋＰａより高く伸度が５％より低下すると、シートのカット工程や金型打ち抜き工程でクラックやカケが発生する。また、引張強度が１０００ｋＰａより低く伸度が５０％より高いと、金型打ち抜き工程や積層工程で変形しやすく、積層間の位置ずれや寸法精度の悪化を招く恐れがある。このため引張強度は２０００〜４０００ｋＰａ、伸度は１５〜３５％が望ましく、特に、引張強度が３０００〜４０００ｋＰａ、伸度が２０〜３０％であることが望ましい。

即ち、本発明のセラミックグリーンシート１によれば、全体としては変形しにくく、高精度の積層体を作製することができ、一方、溶剤富化層１ｂが形成された側の主面は柔らかく変形しやすいため、セラミックグリーンシート１同士の当接する一方の主面に溶剤富化層１ｂを形成することで、セラミックグリーンシート１同士を良好に積層することができるのである。

また、例えば、図２（ａ）に示すように、このようなセラミックグリーンシート１の溶剤富化層１ｂが形成された側の主面を、配線層３が形成された他のセラミックグリーンシート１の配線層が形成された側の主面と当接させ、加熱、加圧するなどして積層することで、溶剤富化層１ｂが配線層３間に容易に入りこむため、配線層３間に隙間のない図２（ ｂ）に示すような積層体を得ることができる。

また、セラミックグリーンシート１に含まれる溶剤はセラミックグリーンシート１に可塑性を発現させるものであればいずれもよいが、セラミックグリーンシート１に含まれる有機バインダーに応じて選択することが望ましく、例えば、有機バインダーがアクリル酸エステル又はメタクリル酸エステルを主成分とする場合には、フタル酸系の溶剤が望ましく、フタル酸ジメチル、フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチルと組み合わせることが、 特に望ましい。

また、非酸化性雰囲気中において、脱バインダーから磁器の焼結までを一連の連続した工程で完了させる場合には、一般的に用いられるブチラール有機バインダー等では残留炭素の影響で、充分な磁器特性を得ることができず、磁器の膨れ、割れが発生するため、セラミックグリーンシート１に含有させる有機バインダーは熱分解性に優れるアクリル酸エステル又はメタクリル酸エステルモノマーの重合体又は両者の共重合体であることが望ましい。

例えば、上記の有機バインダーとして、単量体としては、ＭＭＡ（メチルメタクリレート）、ＥＡ（エチルアクリレート）、ｎＢＭＡ（ｎ−ブチルメタクリレート、ｉＢＭＡ（ｉ−ブチルメタクリレート）、２ＥＨＭＡ（２−エチルヘキシルメタクリレート）、又は、ＬＭＡ（ラウリルメタクリレート）等を例示できる。また、重合体としては、上記単量体を用いたアクリル酸エステル又はメタクリル酸エステルの重合体を例示することができる。これらの重合体は、低い温度で熱分解するという特徴を有し、焼成時の残留カーボンによる磁器特性のバラツキ低減や、積層間の剥離の抑制に効果がある。

セラミック粉末は、特に限定されるものではないが、一般に用いられる酸化アルミニウム、絶縁性、熱伝導、強度の点で優れる窒化アルミニウム、窒化珪素、コンデンサ等の機能内蔵に有用なチタン酸塩を主成分とするセラミック粉末であることが好ましい。上記セラミックスを用いることにより、機械特性に優れる配線基板または誘電特性に優れる配線基板の作成が可能となる。

この場合、セラミック粉末の含有量が８７〜９２．６質量％であり、有機バインダーの 含有量が７．４〜１３．０質量％であることが望ましい。有機バインダーは結合剤及び可塑剤としての役割を有し、上記の範囲に設定することにより、セラミックグリーンシートの成形・乾燥時のクラックを回避すると同時に、セラミック粉末の充填性を向上出来、安定した焼成収縮率を得ることが可能となる。

また、本発明においては、上記のように、セラミック粉末の含有量が８７〜９２．６質 量％、有機バインダーの含有量が７．４〜１３．０質量％であることによりセラミックグリーンシートが金型に付着するのを防止することができる。特に、セラミック粉末の含有 量が８８〜９２質量％、有機バインダーの含有量が８〜１２質量％であることが望ましい。

次に、本発明のセラミックグリーンシート１の製造方法について説明する。

まず、トルエンを溶剤としてセラミック粉末と有機バインダーを混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にてセラミックグリーンシート１ａを作製する。作製したセラミックグリーンシート１ａの一方の主面に溶剤を塗布することで、他方の主面より溶剤量の多い溶剤富化層１ｂを備えたセラミックグリーンシート１を製造することができる。所定の領域に溶剤を均一に塗布できればどのような方法でもよいが、量産性と均一性からスクリーン印刷法やスプレー法を用いる。

また、セラミックグリーンシート１ａの一方の主面を樹脂フィルムなどにより、マスキングを施して溶剤の蒸発する温度で乾燥することにより、マスキング面に溶剤量の多い溶剤富化層１ｂを備えたセラミックグリーンシート１を製造することができる。

また、この場合にはセラミックグリーンシート１ａを作製する際に、ＰＥＴフィルムなどの樹脂フィルム上にセラミックグリーンシート１ａを形成する手法によっても、マスキングが施されたセラミックグリーンシート１ａを作製することができる。

なお、いずれの場合も、雰囲気や時間が溶剤富化層１ｂの状態に大きく影響することか ら、溶剤富化層１ｂと他の部分１ａとで溶剤量が異なるように制御する必要があるのは言うまでもない。

平均粒径１．３μｍのアルミナ粉末に対して、有機バインダーとして、表１に示す軟化点のメタクリル酸エステルを添加し、トルエンを溶剤として混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚み約１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。

また、スラリーを調製する際、溶剤としてフタル酸ヂブチルをアルミナ粉末に対して５質量％添加し、上記と同様にセラミックグリーンシートを作製した。このセラミックグリーンシートの一方の主面にマスキングを施して１００℃で乾燥した。

以上のようにして作製した溶剤富化層を有するセラミックグリーンシートの溶剤富化層側とは逆の主面に、導体ペーストを用いて、スクリーン印刷法により、線幅１００μｍ、線間１００μｍの導体パターンを形成した。導体パターンを形成した面と他のセラミックグリーンシートの溶剤富化層側の面とを重ね合わせ、４．４ＭＰａの圧力で積層した。こうして得られた積層体を焼成した後で断面を観察し、セラミックグリーンシートの焼結体である絶縁層間の接合状態を確認した。また、積層体の最表層に導体ペーストを印刷して、５０ｍｍ□のパターンを形成し、加圧積層前後で光学顕微鏡により、パターン長さを測定し、セラミックグリーンシートの伸びの指標とした。

また、作製したセラミックグリーンシートを幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの長方形に切り出し、両端を固定して３００ｍｍ／ｍｉｎの一定速度で引っ張った時の引張強度と伸度（初期長さに対して、強度劣化するまでの伸び率）を測定した。さらに、０．５ｍｍφの金型打ち抜き加工を行い、加工時のカケやクラックが発生の有無について検査した。

表１に示すように、本発明の範囲外であるセラミックグリーンシートの引張強度が５０００ｋＰａより大きく、伸度が５％より小さい試料Ｎｏ．１、８では、加工に支障をきたすほどセラミックグリーンシートが硬くて、脆く、金型打ち抜き工程でカケ及びクラックが発生した。

また、本発明の範囲外であるセラミックグリーンシートの引張強度が１０００ＫＰａより小さく、伸度が５０％より大きい試料Ｎｏ．７、１４では、セラミックグリーンシートが柔らかすぎて、積層時の変形が大きく、５０ｍｍのパターンに対して２００μｍ前後の伸びを生じた。

一方、本発明の試料Ｎｏ．２〜６、９〜１３のセラミックグリーンシートは金型打ち抜き工程においてはカケ、クラックともに発生せず、良好な加工性を有していた。

また、絶縁層間にも一切、隙間がなく、良好な密着性を有していた。また、パターンの伸びも９７μｍ以下で小さかった。特に、引張強度が４０００ｋＰａを越える試料ではパターンの伸びが非常に小さくなっていた。

本発明のセラミックグリーンシートを示す断面図である。 （ａ）は、本発明のセラミックグリーンシートの積層方法を示す断面図であ り、（ｂ）は、得られた積層体を示す断面図である。

符号の説明

１ａ・・・セラミックグリーンシート
１ｂ・・・溶剤富化層
１・・・・溶剤富化層を備えたセラミックグリーンシート

Claims (5)

1. 少なくともセラミック粉末と有機バインダーと溶剤とを含有するセラミックグリーンシートの一方の主面側に、他方の主面側よりも溶剤量が多い溶剤富化層を有し、前記セラミックグリーンシートを幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの長方形に切り出し、両端を３００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った時の引張強度が１０００〜５０００ｋＰａ、伸度が５〜５０％であることを特徴とするセラミックグリーンシート。
2. 前記有機バインダーがアクリル酸エステル又はメタクリル酸エステルのうち少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする請求項１記載のセラミックグリーンシート。
3. 前記セラミックグリーンシート中の前記有機バインダーの含有量が７．４〜１３．０質量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックグリーンシート。
4. 請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセラミックグリーンシートの製造方法であって 、少なくともセラミック粉末と有機バインダーと溶剤とを含有するセラミックグリーンシートの一方の主面のみに溶剤を塗布し、他方の主面よりも溶剤量の多い溶剤富化層を形成することを特徴とするセラミックグリーンシートの製造方法。
5. 請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセラミックグリーンシートの製造方法であって 、少なくともセラミック粉末と有機バインダーと溶剤とを含有するセラミックグリーンシートの一方の主面にマスキングを施し、乾燥を行うことにより、前記マスキングを施した主面の側に溶剤富化層を形成することを特徴とするセラミックグリーンシートの製造方法。

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