JP4583121B2 - ガラスセラミック基板 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスセラミックス焼結体から成る絶縁基体の内部に、ガラスセラミック絶縁層と同時焼成されて形成されるとともに内部にコイル用導体が埋設された、インダクタンス値を上げるためのフェライト層が設けられたガラスセラミック基板に関する。

従来、携帯電話機を始めとする移動体通信機器等の電子機器には、多数の電子装置が組み込まれている。かかる携帯電話機等の通信機器は、近年小型化が急激に進んでおり、これに搭載される各種電子装置も小型化、薄型化が要求されている。例えば、ガラスセラミック基板の内部にコイルを内蔵した構成のＬＣフィルタが知られている。このＬＣフィルタの場合、従来チップ部品のコイルを用いていたのをガラスセラミック基板の内部に内蔵することで小型化、薄型化ができるという利点を有する。なかでも、１００ｎＨを超えるインダクタンスの大きなコイルは、チップ部品として比較的大型であり、これをガラスセラミック基板に内蔵することは小型化、薄型化への効果が大きいという利点を有する。

しかしながら、コイルを内蔵したガラスセラミック基板では、非磁性のガラスセラミック基板内にコイルを形成するため、１００ｎＨ程度と比較的大きなインダクタンスを得ることができるコイルを内蔵させるには、コイルの巻き数を多くすることが必要となるため、ガラスセラミック基板にコイルを内蔵しても小型化、薄型化を達成することができなくなるという不具合があった。

そこで、近年、ガラスセラミック基板内部に強磁性を有するフェライト層を形成し、コイルをこのフェライト層に埋設させることにより、コイルの巻き数を多くすることなく１００ｎＨを超えるコイルを内蔵させ、これにより表面実装工程の簡略化およびガラスセラミック基板の小型化が図られている。

なお、このような方法では、ガラスセラミック絶縁層のガラスをフェライト層に拡散させることによりフェライト層とガラスセラミック絶縁層を強固に接合するために、フェライト層とガラスセラミック絶縁層を同時焼成することによって、ガラスセラミック基板内部にフェライト層を形成している。
特開平６−２０８３９号公報 特開平６−２１２６４号公報

しかしながら、上記のようなガラスセラミック基板内部にフェライト層を形成し、このフェライト層にコイルを埋設した従来のガラスセラミック基板では、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との同時焼成において、フェライト層のガラスがガラスセラミック基板のガラスと結合することによって、フェライト層がガラスセラミック絶縁層に拘束され収縮することが阻害され、フェライト層の焼結が不十分となって粗化する。この結果、ガラスセラミック基板側面に露出したフェライト層から大気中の水分などが浸入し、ガラスセラミック基板に吸水が発生するという問題点があった。ガラスセラミック基板に吸水が発生すると、ガラスセラミック基板の内層に形成された配線導体が短絡する等の電気特性不良を誘発し、ガラスセラミック基板の電気的信頼性を低下させることとなる。

一方、上記のようなガラスセラミック基板内部にフェライト層を形成し、このフェライト層にコイルを埋設した従来のガラスセラミック基板では、以下のような理由から、内部のフェライト層は微小体積または低密度のものしか形成できず、また同じように作製したガラスセラミック基板間でのコイルのインダクタンスのばらつきもあり、フェライト層を用いて充分なコイル特性を持ったガラスセラミック基板を安定して得ることが困難であるという問題点があった。例えば、焼成温度８００〜１０００℃で焼結密度５．０ｇ／ｃｍ^３以上であり、１ＫＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数帯域で透磁率１００以上のフェライト層を内蔵したガラスセラミック基板を得ることはできなかった。

また従来の構成では、焼成温度が１０００℃を超えるフェライト層をガラスセラミック基板の焼成温度である８００℃〜１０００℃で焼成するためには、ガラス粉末やＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の焼結助剤を添加しなければならなかった。一般的に、フェライト等の磁性体の磁気特性は透磁率（μ）を指標として表される。透磁率が高ければ、コイルのインダクタンスが高くなる。ただし、透磁率は磁性体中に非磁性部分が存在すると、その非磁性部分の体積の３乗に比例して低下する。従って、フェライト層に非磁性体であるガラス粉末や焼結助剤を添加した場合、これらはフェライト層中に非磁性の領域を形成し、フェライト層中のフェライトの密度が低下して、透磁率が低くなるという問題があった。

さらに、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との同時焼成において、フェライト層の熱膨張係数とガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数とが異なるため、同時焼成過程においてフェライト層に応力がかかることにより磁歪が発生し、フェライト層の透磁率が低下して所望の透磁率を得ることが困難になるという問題もあった。

また、十分なインダクタンスを得るためにフェライト層を厚く形成すると、ガラスセラミック基板とフェライト層との熱膨張係数の差に起因して発生する応力によって、焼成後のフェライト層が剥離しやすくなるという問題もあった。

本発明は、以上のような従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガラスセラミック絶縁層と同時に低温での焼成が可能であり、端面からの吸水がなく高周波帯域で透磁率の高いフェライト層を備えており、そのフェライト層に内蔵されたコイル用導体のインダクタンスが高くかつ安定しているガラスセラミック基板を提供することにある。

本発明のガラスセラミック基板は、ガラスおよびフィラーからなるガラスセラミック絶縁層が複数層積層されて成る絶縁基体の内層に、前記ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層が介在層を介して形成されており、前記フェライト層の内部にはコイル用導体が埋設されてなるガラスセラミック基板であって、前記ガラスセラミック基板の側面の前記フェライト層の端部が露出している部位から前記介在層の端部が露出している部位にかけて、非透水性の保護層が形成されていることを特徴とする。

本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、前記保護層は、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系_、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスおよびＺｎＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスのうちの少なくとも１種から成ることを特徴とする。

本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、前記保護層は、前記ガラスセラミック絶縁層と同じ前記ガラスおよび前記フィラーからなるガラスセラミックスから成ることを特徴とする。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、前記保護層は、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂およびフッ素系樹脂のうち少なくとも１種の樹脂からなることを特徴とする。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、前記フェライト層は、Ｆｅ_２Ｏ_３を６３〜７３重量％、ＣｕＯを５〜１０重量％、ＮｉＯを５〜１２重量％、ＺｎＯを１０〜２３重量％含有していることを特徴とする。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、前記介在層は、ガラスおよび前記フェライト層と同じ成分を含有しているとともに前記ガラスセラミック絶縁層の熱膨張係
数と前記フェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層から成ることを特徴とする。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、前記介在層は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層から成ることを特徴とする。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、前記介在層は、ガラスおよび前記フェライト層と同じ成分を含有しているとともに前記ガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数と前記フェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層とが積層されて成ることを特徴とする。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、前記介在層は、ガラスおよび前記フェライト層と同じ成分を含有しているとともに前記ガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数と前記フェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層とが同じ層内に並ぶように形成されて成ることを特徴とする。

本発明のガラスセラミック基板によれば、ガラスセラミック基板の側面のフェライト層の端部が露出している部位から介在層の端部が露出している部位にかけて、非透水性の保護層が形成されていることから、フェライト層が吸水することを防ぐことができ、その結果、ガラスセラミック基板の内層に形成された配線導体が短絡するなどの電気特性不良が発生しない。

本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、保護層は、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系_、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスおよびＺｎＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスのうちの少なくとも１種から成ることから、保護層をガラスセラミック基板と同時に焼成することによって形成した場合でも、ガラスセラミック基板の焼成後に形成した場合でも、保護層を強固に接合することができる。その結果、保護層が剥がれたりすることがなく、ガラスセラミック基板の少なくともフェライト層が露出している端部から介在層が露出している端部にかけて密着性よく被覆することができ、またガラスセラミック基板の吸水を効果的に防止することができる。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、保護層は、ガラスセラミック絶縁層と同じガラスおよびフィラーからなるガラスセラミックスとしたことから、保護層が絶縁基体と同様の組成となることから、絶縁基体と焼結挙動が同様となり、さらに露出して
いるフェライト層の端部から介在層の端部にかけて密着性良く被覆することができ、ガラスセラミック基板の吸水をより効果的に防止することができる。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、保護層は、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂およびフッ素系樹脂のうち少なくとも１種の樹脂からなることから、保護層を形成する際にガラスセラミック基板に熱的負荷がかからず、温度差による応力によってガラスセラミック基板が割れることがない。その結果、ガラスセラミック基板の側面のフェライト層の端部が露出している部位から介在層の端部が露出している部位にかけて、保護層によって密着性よく被覆することができ、またガラスセラミック基板の吸水を効果的に防止することができる。

本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、フェライト層は、Ｆｅ_２Ｏ_３を６３〜７３重量％、ＣｕＯを５〜１０重量％、ＮｉＯを５〜１２重量％、ＺｎＯを１０〜２３重量％含有していることから、低温で焼結可能なＣｕＺｎフェライトを高周波帯域特性に優れたＮｉＺｎフェライトに組み合わせたＮｉＣｕＺｎフェライトを用いて、ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさの、内部にコイルが埋設されたフェライト層を形成することができる。その結果、フェライト層にガラス粉末やＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の焼結助剤を添加しなくても、ガラスセラミック基板と同時焼成が可能で、かつ高周波帯で高い透磁率を得ることができ、高いインダクタンスをもつコイルを内蔵したガラスセラミック基板を得ることができる。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、介在層は、ガラスおよびフェライト層と同じ成分を含有しているとともにガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数とフェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層から成ることから、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との熱膨張差により生じる応力を、ガラスセラミック絶縁層の熱膨張とフェライト層の熱膨張の中間である絶縁層により緩和することができ、磁歪による透磁率の低下を抑制するとともに、フェライト層とガラスセラミック絶縁層とを強固に接合することができる。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、介在層は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層から成ることから、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との熱膨張係数差により生じる応力を焼結金属層が塑性変形することで緩和することができ、磁歪による透磁率の低下を抑制するとともに、フェライト層とガラスセラミック絶縁層とを強固に接合することができる。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、介在層は、ガラスおよびフェライト層と同じ成分を含有しているとともにガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数とフェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層とが積層されて成ることから、上記の絶縁層の作用と焼結金属層の作用とが相乗的に作用することによって、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との熱膨張差により生じる応力をより一層効果的に緩和することができる。その結果、磁歪による透磁率の低下をさらに効果的に抑制することができ、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との接合もさらに強固に接合することができる。

また、本発明のガラスセラミック基板は好ましくは、介在層は、ガラスおよびフェライト層と同じ成分を含有しているとともにガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数とフェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層とが同じ層内に並ぶように形成されて成ることから、上記の絶縁層の作用と焼結金属層の作用とが同じ層内で作用することによって、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との熱膨張差により生じる応力をより一層効果的に緩和することができる。その結果、磁歪による透磁率の低下をさらに効果的に抑制することができ、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との接合もさらに強固に接合することができる。

本発明を添付図面に基づいて以下に詳細に説明する。図１は本発明のガラスセラミック基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は複数のガラスセラミック絶縁層６から成る絶縁基体、２はフェライト層、３はコイル用導体を含む配線導体、４は絶縁層、５は焼結金属層、６はガラスセラミック絶縁層、７は保護層である。

本発明の絶縁基体１は、複数のガラスセラミック絶縁層６が積層されて構成されており、その内層に配線導体３が埋設されたフェライト層２が、絶縁層４、焼結金属層５を介して形成されている。

絶縁基体１は、ガラスセラミック絶縁層６となるガラスセラミックグリーンシートおよびフェライト層２となるフェライトグリーンシートを製作し、これらのガラスセラミックグリーンシートおよびフェライトグリーンシートに配線導体３となる導体ペースト、絶縁層４となる絶縁ペーストおよび焼結金属層５となる金属ペーストを印刷した後、これらのガラスセラミックグリーンシートおよびフェライトグリーンシートを複数枚積層し、大気中または加湿窒素雰囲気中にて、８００〜１０００℃の温度で焼成して作製される。

ガラスセラミック絶縁層６は、まず、ガラス粉末およびフィラー粉末（セラミック粉末）、さらに有機バインダ，可塑剤，有機溶剤等を混合してスラリーを得て、これからドクターブレード法，圧延法，カレンダーロール法等によってガラスセラミック絶縁層６となるガラスセラミックグリーンシートを製作し、このガラスセラミックグリーンシート複数枚でフェライト層２を挟んで積層する。

ガラス粉末としては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同じまたは異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は上記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等を用いることができる。

また、フィラー粉末としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物や、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物，Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等を用いることができる。

配線導体３は、絶縁基体１の表面、内部およびフェライト層２の内部に形成されており、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｇ合金等の金属粉末に、適当な有機バインダ，溶剤を混練して作製した導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりガラスセラミックグリーンシート表面およびフェライトグリーンシート表面に塗布し、ガラスセラミックグリーンシートおよびフェライトグリーンシートと同時に焼成されて形成される。

介在層としての絶縁層４は、配線導体３の上下面を覆うフェライト層２とガラスセラミック絶縁層６との間に形成されており、ガラス粉末およびフェライト層２に含有されるフェライト粉末を、その熱膨張係数がガラスセラミック絶縁層６の熱膨張係数とフェライト層２の熱膨張係数の間になるように配合し、適当な有機バインダ，溶剤を混練して作製した絶縁ペーストを、従来周知のスクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりガラスセラミックグリーンシート上のフェライト層２が載置される位置に塗布し、ガラスセラミックグリーンシートと同時に焼成されて形成される。

なお、絶縁層４のフェライト粉末は、フェライト層２のフェライト粉末と同様であり、焼結体としてＦｅ_２Ｏ_３を６３〜７３重量％、ＣｕＯを５〜１０重量％、ＮｉＯを５〜１２重量％、ＺｎＯを１０〜２３重量％を主成分として含むフェライトを用いることができる。

また、絶縁層４のガラス粉末は、ガラスセラミック絶縁層６のガラスセラミックスと同様のものを用いることができ、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同じまたは異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は上記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等を用いることができる。

介在層としての焼結金属層５は、配線導体３の上下面を覆うフェライト層２とガラスセラミック絶縁層６との間に形成されており、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属の金属粉末にガラス粉末を配合し、適当な有機バインダ，溶剤を混練して作製した金属ペーストを、従来周知のスクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりガラスセラミックグリーンシート上のフェライト層２が載置される位置に塗布し、ガラスセラミックグリーンシートと同時に焼成されて形成される。

なお、焼結金属層５に含まれるガラス粉末は、ガラスセラミック絶縁層６のガラスセラミックスと同様のものを用いることができ、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同じまたは異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は上記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等を用いることができる。

また、焼結金属層５は配線導体３と同じ組成であってもよく、配線導体３の一部を焼結金属層５として用いてもよい。

なお、介在層を絶縁層４と焼結金属層５とを組み合わせて形成する場合、図１に示すように、ガラスセラミック絶縁層６とフェライト層２の間の同じ層内（層間）に並べて配置する構成と、ガラスセラミック絶縁層６とフェライト層２の間に積層して配置する構成と、またそれらの構成を組み合わせた構成がある。これらの構成はそれぞれ、上記手法で作製した絶縁ペーストと金属ペーストを、従来周知のスクリーン印刷法やグラビア印刷法等によりガラスセラミックグリーンシート上のフェライト層２が形成される位置に、それぞれ別々に塗布し、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成されて形成される。

絶縁層４と焼結金属層５とを組み合わせた介在層をガラスセラミック絶縁層６とフェライト層２の間の同じ層内に並べて配置した場合、ガラスセラミック絶縁層６とフェライト層２の間に、絶縁体である絶縁層４と導体である焼結金属層５とを用いて配線導体３を形成することができる。絶縁層４と焼結金属層５とを積層して成る介在層をガラスセラミック絶縁層６とフェライト層２の間に形成した場合、絶縁層４と焼結金属層５の応力緩和の効果がよりいっそう高くなる。また、絶縁層４と焼結金属層５とを同じ層内に並べた構成と、絶縁層４と焼結金属層５とを積層した構成とを組み合わせた介在層を、ガラスセラミック絶縁層６とフェライト層２の間に形成した場合、２つの構成のそれぞれの効果を合わせて得ることができる。

フェライト層２は、配線導体３の上下面を覆うようにして、絶縁基体１の内層に配線導体３とともに形成されている。このフェライト層２は、焼結体としてＦｅ_２Ｏ_３を６３〜７３重量％、ＣｕＯを５〜１０重量％、ＮｉＯを５〜１２重量％、ＺｎＯを１０〜２３重量％含んでなることが、低温で焼成可能であり、かつ高周波帯域で十分に高い透磁率を得るために必要である。

Ｆｅ_２Ｏ_３は、フェライトの基幹成分であり、フェライトの主成分をＸ−Ｆｅ_２Ｏ_４（ＸはＣｕ、Ｎｉ、Ｚｎ等）として示される逆スピネル構造の固溶体とすれば、そのうち６３〜７３重量％を構成していなくてはならない。６３重量％未満の場合、十分な透磁率が得られない。他方、７３重量％より多い場合、焼結密度の低下により機械的強度が低下してくる。

ＣｕＯはフェライトの主成分のうち５〜１０重量％を構成していなくてはならない。これは、ＣｕＯは焼結温度の低温化に大きく寄与しており、ＣｕＯが低温で液層を形成することにより焼結を促進させる効果を用いて、磁気特性を損なわずにガラスセラミックスの焼成温度である８００〜１０００℃で焼成するためである。５重量％未満であると、本発明の目的とする低温度域で焼成を行う場合に焼結密度が不十分になり機械強度が不足する。また、１０重量％より多い場合、磁気特性の低いＣｕＦｅ_２Ｏ_４の割合が多くなるため磁気特性を損なう。

ＮｉＯはフェライトの高周波域における透磁率を確保するために含有させる。ＮｉＦｅ_２Ｏ_４は高周波域まで共振による透磁率の減衰を起さず、高周波域での透磁率を比較的高い値に維持することができるが、初期透磁率は低い特徴をもつため、５重量％未満であると、１０ＭＨｚないしそれ以上の高周波域での透磁率が低下し、また１２重量％より多い場合は、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４の割合が多くなるため初期透磁率が低下する。そのため、フェライトの主成分中の含有量は５〜１２重量％に限定される。

ＺｎＯはフェライトの透磁率向上のために重要な要素であり、フェライト主成分のうち１０重量％未満であると、磁気特性不十分の問題を生じ、逆に２３重量％より多くても磁気特性が悪くなる。

フェライト層２の形成は、まずフェライト粉末に適当な有機バインダ，可塑剤，有機溶剤等を混合してスラリーを得て、これからドクターブレード法，圧延法，カレンダーロール法等によってフェライトグリーンシートを製作する。次に、このフェライトグリーンシートを所定の配線導体３を覆うものとしてガラスセラミックグリーンシートと平面視で同じ大きさの同形状にカットし、ガラスセラミックグリーンシート積層体の内部に、間に配線導体３となる導体パターンを配置して、その配線導体３の上面および下面を覆うようにして積層する。

このとき、効果的にコイル用導体のインダクタンスを高くするためには、配線導体３の上下面をフェライト層２で完全に覆う必要がある。よって、そのような配線導体３およびフェライト層２を形成するためには、所定のガラスセラミックグリーンシートの表面に、下面のフェライト層２となるフェライトグリーンシート、配線導体３となる導体ペーストのパターン、上面のフェライト層２となるフェライトグリーンシートの順番に各層を配置して積層するとよい。

フェライト層２となるフェライトグリーンシートを形成するのに用いるフェライト粉末は、仮焼済みのフェライト粉末であり、平均粒径が０．１μｍ〜０．９μｍの範囲で均一であり、球形状に近い粒が良い。平均粒径が０．１μｍより小さいと、フェライトグリーンシートの製作においてフェライト粉末の均一な分散が困難であり、平均粒径が０．９μｍより大きいとフェライトの焼結温度が高くなるからである。また、粒径が均一で球状に近いことにより均一な焼結状態を得ることができ、例えばフェライト粉末で部分的に小さい粒径が存在した場合は、その部分のみ結晶粒の成長が低下し、焼結後に得られるフェライト層２の透磁率が安定しにくい傾向がある。

保護層７は、ガラスセラミック基板のフェライト層２が露出した端面から介在層が露出した端面にかけて完全に覆うように形成されており、例えば、ガラス，ガラスセラミックス，樹脂等の水分が浸透しない部材を用いれば良い。また、保護層７は絶縁基体１と同時に焼成することによって形成しても、絶縁基体１を焼成後に形成しても良い。

保護層７にガラスを用いて、絶縁基体１と同時に形成する場合には、例えば、ガラス粉末、有機バインダ、可塑剤、有機溶剤などを混合してペーストを得て、そのペーストにガラスセラミック絶縁層６から成る絶縁基体１とフェライト層２と介在層とから成るガラスセラミック基板をそのペーストの中に浸漬、あるいは端面に印刷や吹き付けなどによって塗布した後、ガラスセラミックグリーンシートと同時に焼成されて形成される。

一方、絶縁基体１を焼成した後にガラスから成る保護層７を形成する場合は、特に、母基板となる１枚のガラスセラミックグリーンシートに分割溝を設け、複数枚積層し焼結してガラスセラミックス焼結体とした後、分割溝で分割することにより個々の製品とするといった、所謂多数個取りの形態での製造において有効である。この場合、ガラスセラミックグリーンシートおよびフェライトグリーンシートおよび絶縁ペーストおよび／または金属ペーストを複数積層し、大気中または加湿窒素雰囲気中にて８００〜１０００℃の温度で焼成して母基板を得て、それを分割した個々の製品の端面に、上記と同様の方法を用いて保護層７となるペーストを塗布した後、再度焼成することによって保護層７を形成することができる。

また、上記の多数個取りの形態のように、焼成後にガラスから成る保護層７を形成する場合は、再焼成温度を低くしてガラスセラミック絶縁層６やフェライト層２の過焼結による特性変化や、配線導体３などの拡散を抑制するという観点からは、軟化点が焼成温度以下のガラスを用いることが良く、特に軟化点が６００℃以下のガラスを用いることが好ましい。

このような軟化点が焼成温度以下のガラス粉末として、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＺｎＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスなどを用いることができる。

また、上記の保護層７に用いられるガラス粉末として、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系およびＺｎＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスを用いた場合、保護層７を絶縁基体１と同時に形成する場合でも、絶縁基体１を焼成した後に再焼成によって保護層７を形成する場合においても、保護層７とガラスセラミック絶縁層６とを強固に接合することができる。また、温度差によってガラスセラミック基板が割れたり、保護層７が剥がれたりすることがなく、ガラスセラミック基板の側面のフェライト層２の端部が露出している部位から介在層の端部が露出している部位にかけて密着性よく被覆することができる。

保護層７にガラスセラミックスを用いる場合、上述のガラスセラミック絶縁層６と同様なガラスおよびフィラーを用いることができ、上記のガラスから成る保護層７と同様に焼成前または焼成後に形成することができる。特に、保護層７を絶縁基体１と同時に形成する場合、保護層７はガラスセラミック絶縁層６と同様にフィラーを含有していることから、絶縁基体１と焼結挙動が類似したものとなり、保護層７とガラスセラミック絶縁層６とを強固に接合することができる。

さらに、保護層７のガラスセラミックスをガラスセラミック絶縁層６と同じガラスおよびフィラーとすると、保護層７と絶縁基体１の焼結挙動は一致することから一層強固に接合することができ、温度差によってガラスセラミック基板が割れたり、保護層７が剥がれたりすることがなく、ガラスセラミック基板の側面のフェライト層２の端部が露出している部位から介在層の端部が露出している部位にかけて密着性よく被覆することができ、吸水をより効果的に防止することができる。

なお、ガラスセラミックスから成る保護層７において、ガラス粉末は上記のガラスからなる保護層７と同じものを用いると、同様な作用と効果が得られるので好ましい。

保護層７に樹脂を用いる場合、上記の多数個取りの形態での製造等の絶縁基体１の焼結後に保護層７を形成する際に有効であり、エポキシ系樹脂，アクリル系樹脂，シリコン系樹脂およびフッ素系樹脂等を用いることができる。

保護層７を樹脂で形成するには、絶縁基体１に硬化前の樹脂をガラスセラミック基板のフェライト層２が露出した端面から介在層が露出した端面にかけて完全に覆うようにスクリーン印刷法等で塗布するといった手法を用いることができる。

絶縁基体１の焼成後に保護層７を樹脂で形成した場合には、絶縁基体１と樹脂とを接合させるための熱処理（硬化処理）の温度を１５０℃以下と低くすることができ、絶縁基体１が過焼結することによってガラスセラミック基板が反ったり、配線導体３またはフェライト層２を構成する金属が拡散する事による電気的な特性の低下等の不具合が発生したりすることを抑制することができる。また、材料が安価であり、かつ、簡易な装置を用いて保護層７を形成することができるため、端面からの吸水がなく高周波帯域で透磁率の高いフェライト層２を備えており、そのフェライト層２に内蔵されたコイル用導体のインダクタンスが高くかつ安定しているガラスセラミック基板を容易に提供することができる。

本発明のガラスセラミック基板の製造方法においては、まず、フェライト層２および配線導体３を上述の要領でガラスセラミックグリーンシートの複数枚とともに積層してガラスセラミックグリーンシート積層体を作製する。そして、このガラスセラミックグリーンシート積層体から有機成分を除去した後に焼成する。有機成分の除去は、ガラスセラミックグリーンシート積層体に荷重をかけつつ１００〜８００℃の温度範囲でガラスセラミックグリーンシート積層体を加熱することによって行ない、有機成分を分解し揮散させる。また、焼成温度はガラスセラミック組成により異なるが、通常は約８００〜１０００℃の範囲内である。焼成は通常は大気中で行なうが、配線導体３の導体材料としてＣｕを使用する場合、１００〜７００℃の加湿窒素雰囲気中で有機成分の除去を行ない、次に窒素雰囲気中で焼成を行なう。

また、有機成分の除去時および焼成時には、ガラスセラミックグリーンシート積層体の反りを防止するために、その上面に重しを載せる等して荷重をかけるとよい。このような重しによる荷重は５０Ｐａ〜１ＭＰａ程度が適当である。荷重が５０Ｐａ未満である場合、ガラスセラミックグリーンシート積層体の反りを抑制する作用が充分でなくなる。また、荷重が１ＭＰａを超える場合、使用する重しが大きくなるため、焼成炉に入らなくなったり、また焼成炉に入っても重しが大きいために熱容量が不足することになり焼成できなくなる等の問題をひき起こすおそれがある。

この重しとしては、ガラスセラミック基板の焼成中に変形、溶融等して荷重が不均一になったり、分解した有機成分の揮散を妨げたりすることがないような耐熱性の多孔質のものが適している。具体的には、セラミックス等の耐火物、あるいは高融点の金属等が挙げられる。また、ガラスセラミックグリーンシート積層体の上面に多孔質の重しを置き、その上に非多孔質の重しを置いてもよい。

本実施例１では、ガラスとしてＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスを、フィラーとしてＡｌ_２Ｏ_３を用いたガラスセラミック基板の側面のフェライト層２端部が露出している部位に、非透水性の保護層７が形成されており、保護層は、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとした。

即ち、図１に示すように、保護層を設けた、５ｍｍ×５ｍｍの形状の評価用の試験片を作製し、吸水率を測定した。吸水率の測定は、初めに試験片の重量を測定し、その後試験片を水中に浸漬し、真空中に１時間放置し、その後の試験片の重量を測定し、水中浸漬前後の重量差を求めた。その重量差を初期重量で割って百分率を求めて、表１に、吸水率が０．１％以上の場合は×、０．１％未満の場合は○で示している。

透磁率の測定は、図２に示すような、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍのリング状の試験片を作製し測定した。透磁率の測定は、インピーダンスアナライザー（「ＨＰ−４２９１Ａ」ヒューレットパッカード社製）を用い、高周波電流電圧法にて測定した。表１に示すように、○は実用上は問題ないが１．０ＭＨｚ，１０．０ＭＨｚにおける透磁率が１００未満のもの、◎は１．０ＭＨｚ，１０．０ＭＨｚにおける透磁率が１００以上のものであり、透磁率の特性としてはさらに良い。

本実施例２では、実施例１と同じガラスセラミック基板を用い、保護層として、このガラスセラミック基板と同じ組成のガラスセラミックスを用いた試験片を作製し、実施例１と同様の評価を行った。

本実施例３では、実施例１と同じガラスセラミック基板を用い、保護層としてエポキシ系樹脂を用いた試験片を作製し、実施例１と同様の評価を行った。

本実施例４では、実施例１のものに、Ｆｅ_２Ｏ_３を６３〜７３重量％、ＣｕＯを５〜１０重量％、ＮｉＯを５〜１２重量％、ＺｎＯを１０〜２３重量％含有したフェライト層を設けた試験片を作製し、実施例１と同様の評価を行った。

本実施例５では、実施例４のフェライト層とガラスセラミック絶縁層との層間に絶縁層４を介在させて、外径１６ｍｍ，内径８ｍｍのリング状の試験片を作製し、透磁率を測定した。

絶縁層４を形成する絶縁ペーストは、ガラスセラミックスに含有されるガラス粉末と同じＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系ガラス粉末３０質量％，フェライトグリーンシートに含有されるフェライト仮焼粉末と同じ平均粒径０.５〜０．７μｍのＺｎＦｅ_２Ｏ_４，ＣｕＦｅ_２Ｏ_４，ＦｅＦｅ_２Ｏ_４，ＮｉＦｅ_２Ｏ_４の結晶相から構成されるフェライト粉末７０質量％を用い、所定量のエチルセルロース系樹脂とテルピネオールを加え、３本ロールにより適度な粘度になるように混合し作製した。

まず、ガラスセラミックグリーンシートの所定枚数を重ね合わせ、その上に絶縁ペースト層を全面に塗布し乾燥を行なった。その後、乾燥した絶縁ペースト層上にフェライトグリーンシートを重ね合わせ、さらに、その上に絶縁ペースト層を全面に塗布し乾燥を行なった。その後、乾燥した絶縁ペースト層上にガラスセラミックグリーンシートの所定枚数を重ね合わせ、温度５５℃，圧力２０ＭＰａで圧着してガラスセラミック積層体を得た。

得られたガラスセラミック積層体をアルミナセラミックスのセッターに載置し、その上にアルミナセラミックスのセッターと同一成分から成る重しを載せて約０.５ＭＰａの荷重をかけつつ大気中にて５００℃で２時間加熱して有機成分を除去した後、大気中にて９００℃で２時間焼成した。

得られた本実施例５のガラスセラミック基板について、透磁率を測定した結果を表２に示す。

実施例５の絶縁層に代えて、Ａｇ粉末（平均粒径１.０μｍ）８０質量％、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系ガラス粉末２０質量％を含むペースト用いて焼結金属層を形成した以外は実施例３と同様にして、実施例６の試験片を作製した。得られたガラスセラミック基板について、透磁率を測定した結果を表２に示す。

実施例５の絶縁層に加えて、Ａｇ粉末（平均粒径１.０μｍ）８０質量％、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系ガラス粉末２０質量％を含むペーストを用いて焼結金属層を形成した以外は実施例３と同様にして、実施例７の試験片を作製した。得られたガラスセラミック基板について、透磁率を測定した結果を表２に示す。

比較例１

本比較例１では、実施例１において保護層を設けなかった。

表１より、保護層を設けない比較例１の場合、吸水率が０．１％以上であったが、保護層を設けた実施例１〜７においては、吸水率は０．１％未満であった。

また、実施例４〜７の構成において、Ｆｅ_２Ｏ_３を６３〜７３重量％、ＣｕＯを５〜１０重量％、ＮｉＯを５〜１２重量％、ＺｎＯを１０〜２３重量％含有したフェライト層としたものを設けると、透磁率は１００以上となり、さらに透磁率が高くなった。

表２より、フェライト層とガラスセラミック絶縁層との層間に、絶縁層および焼結金属層の少なくとも一方を介在させた実施例５〜７の透磁率は、実施例４の場合の透磁率に比べ高かった。これは、絶縁層および焼結金属層の少なくとも一方がフェライト層とガラスセラミック絶縁層との間に働く応力を緩和することにより、フェライト層に働く磁歪を低減したためである。

なお、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の例では配線導体にＡｇを用いたが、配線導体３にＣｕ，Ａｕ，Ａｇ−Ｐｄ合金等を用いてもよい。

本発明のガラスセラミック基板の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明のガラスセラミック基板の透磁率を測定するための試験片を示す断面図である。

符号の説明

１：絶縁基体
２：フェライト層
３：配線導体
４：絶縁層
５：焼結金属層
６：ガラスセラミック絶縁層
７：保護層

Claims (9)

1. ガラスおよびフィラーからなるガラスセラミック絶縁層が複数層積層されて成る絶縁基体の内層に、前記ガラスセラミック絶縁層と同じ大きさのフェライト層が介在層を介して形成されており、前記フェライト層の内部にはコイル用導体が埋設されてなるガラスセラミック基板であって、前記ガラスセラミック基板の側面の前記フェライト層の端部が露出している部位から前記介在層の端部が露出している部位にかけて、非透水性の保護層が形成されていることを特徴とするガラスセラミック基板。
2. 前記保護層は、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系_、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、Ｂｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスおよびＺｎＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスのうちの少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック基板。
3. 前記保護層は、前記ガラスセラミック絶縁層と同じ前記ガラスおよび前記フィラーからなるガラスセラミックスから成ることを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック基板。
4. 前記保護層は、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂およびフッ素系樹脂のうち少なくとも１種の樹脂からなることを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック基板。
5. 前記フェライト層は、Ｆｅ_２Ｏ_３を６３〜７３重量％、ＣｕＯを５〜１０重量％、ＮｉＯを５〜１２重量％、ＺｎＯを１０〜２３重量％含有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガラスセラミック基板。
6. 前記介在層は、ガラスおよび前記フェライト層と同じ成分を含有しているとともに前記ガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数と前記フェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガラスセラミック基板。
7. 前記介在層は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガラスセラミック基板。
8. 前記介在層は、ガラスおよび前記フェライト層と同じ成分を含有しているとともに前記ガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数と前記フェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層とが積層されて成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガラスセラミック基板。
9. 前記介在層は、ガラスおよび前記フェライト層と同じ成分を含有しているとともに前記ガラスセラミック絶縁層の熱膨張係数と前記フェライト層の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する絶縁層と、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ合金およびＡｇ−Ｐｔ合金のうちの少なくとも１種の金属とガラスとを含有している焼結金属層とが同じ層内に並ぶように形成されて成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガラスセラミック基板。

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