JP4599783B2

JP4599783B2 - 低温焼成セラミック回路基板の製造方法

Info

Publication number: JP4599783B2
Application number: JP2001287097A
Authority: JP
Inventors: 悟中野; 雄太古川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: JP2003095755A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、加圧しながら焼成する低温焼成セラミック回路基板の製造方法に係り、より詳細には、脱バインダー性を向上させるセラミックセッターを用いて焼成する低温焼成セラミック回路基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、焼成後の基板の寸法精度を向上させた低温焼成セラミック回路基板は、電子部品を実装するための多層基板として用いられている。この低温焼成セラミック回路基板の製造方法は、先ず低温焼成セラミックグリーンシートに酸化焼成が可能で、導体抵抗の低い低融点金属からなる導体ペーストを用いて、低温焼成セラミックグリーンシートに穿設したスルーホールに充填して、層間上下の導通のためのビアを形成している。更に低温焼成セラミックグリーンシートの表面に、例えばスクリーン印刷で導体配線パターンを形成し、この低温焼成セラミックグリーンシートを複数枚積層して、積層体を形成している。この積層体の両面に低温焼成セラミックグリーンシートの焼結温度では焼結しない拘束用セラミックグリーンシートを配置し、更にセラミックセッターを両面にあてがい、バッチ炉からなる加圧式焼成炉を用いて、大気中で加圧しながら焼成して、積層体の平面内での焼成収縮をできるだけ小さく抑制し、厚み方向の焼成収縮のみでセラミック体を形成している。
【０００３】
この焼成においては、先ず低温焼成セラミックグリーンシート及び拘束用セラミックグリーンシートに含まれる樹脂、可塑剤、及び若干の溶剤等の有機物を分解及び除去（脱バインダー処理）することが必要で、約５５０℃程度まで多量の空気を供給させながら加熱を行う。次に約５５０℃から約９００℃で粉体状化したセラミックグリーンシートを加熱して、約９００℃の温度を保持して低温焼成セラミックグリーンシートのみを焼結させ、緻密化したセラミックを形成している。なお、緻密化するための焼結温度は使用する原料で異なるが、一般的には８００〜１２００℃の間の一定温度を保持することで焼結される。
【０００４】
通常、この低温焼成セラミックグリーンシートの積層体の焼成には、特開平１０−２５１０７１号公報において開示されている通気性及び熱伝導率のよい（０．５W／ｍ・K以上）セラミックセッターを用いて焼成を行い、低温焼成セラミック回路基板を作製している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の低温焼成セラミック回路基板の製造方法には、未だ解決すべき次のような問題がある。
（１）熱伝導率が５W／ｍ・K未満のセラミックセッターを用いて焼成すると、低温焼成セラミック回路基板の面内の温度差が大きくなり、均質な焼結ができない。従って、焼成時の昇温や降温において、基板割れが発生したりする。また、基板割れ防止のために、焼成時の昇温及び降温の速度に制限を設けると、焼成作業能率が悪くなる。更に、低温焼成セラミック回路基板に導体ペーストとセラミックグリーンシートとの焼成収縮の時間的ずれが大きくなって、回路の断線等の不良が発生し、歩留まりが低下する。
（２）セラミックセッターを構成する結合の構造が、セラミックファイバー及び／又はウイスカーの繊維間での絡み合い構造であると、結合の接点が少なく十分な熱伝率が得られない。また、強度が低くなるので、セラミックセッターが破損しやすい。
（３）セラミックセッターは、気孔率が低く、しかも外部と気孔が連通する連通気孔を有さないと、有機物を分解したり、発生した分解ガスを除去する脱バインダー処理のための空気の供給が行えない。また、その側面部に空洞を設けていない場合には、脱バインダー処理の効率が低い。従って、セラミック中にカーボンが残留しやすくなり、正常なセラミックの焼結が行えない場合がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、低温焼成セラミック回路基板の基板割れがなく、曲がりや、破損が起こらないセラミックセッターを用いて、効率よく脱バインダー処理が行える低温焼成セラミック回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る低温焼成セラミック回路基板の製造方法は、導体ペーストで電極パターンを形成した少なくとも有機バインダー、可塑剤を含む低温焼成セラミックからなるセラミックグリーンシートを複数枚重ね合わせた積層体の両面に、低温焼成セラミックの焼成温度では焼結しない拘束用セラミックグリーンシートを積層する工程と、積層体の両面に設けられた各々の拘束用セラミックグリーンシートの表面にＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＭｏＳｉ_２、ＴｉＮ、ＺｒＢ_２から選ばれた少なくとも１種類のセラミック粒子からなり、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、気孔率が１０％以上でしかも気孔が連通する連通気孔を備え、曲げ強度が３０ＭＰａ以上有するセラミックセッターを載置する工程と、セラミックセッターで挟持した積層体及び拘束用セラミックグリーンシートを加圧しながら加熱し、積層体及び拘束用セラミックグリーンシートの脱バインダー処理を行う工程と、積層体及び拘束用セラミックグリーンシートを加圧しながら更に加熱し、積層体を焼成する工程を有する。これにより、セラミックセッターは適正な熱伝導率を有し、積層体の焼成時に時間的な制限がなく焼成することができるので、積層体に割れを発生させることなく、効率的に低温焼成セラミック回路基板を作製できる。また、セラミックセッターは適正な気孔率を有するので、脱バインダー処理のための空気を送り込むのと同時に脱バインダー処理で発生した分解ガスを排出することができる。更に、セラミックセッターは適正な曲げ強度を有するので、曲がりや破損を発生させることが少ない。
【０００８】
ここで、セラミックセッターには側面部に空洞を備え、空洞を介して脱バインダー処理を行う。これにより、更に効率的に脱バインダー処理のための空気を送り込むのと同時に脱バインダー処理で発生した分解ガスを除去させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る低温焼成セラミック回路基板の製造方法の説明図である。
【００１０】
本発明の一実施の形態に係る低温焼成セラミック回路基板の製造方法で作製された低温焼成セラミック回路基板について説明する。
低温焼成セラミック回路基板に用いられる複数枚の低温焼成セラミックグリーンシートは、低温の焼結温度で焼成可能なセラミックからなり、各低温焼成セラミックグリーンシートには、スルーホールが穿設され、このスルーホールには、導通抵抗が低く低融点金属の一例であるＡｇ等からなる金属導体ペーストが充填されて、ビア導体が形成され、各低温焼成セラミックグリーンシートの上下面の導通を可能としている。また、各低温焼成セラミックグリーンシートの表面には、同じく低融点金属の一例であるＡｇ等からなる金属導体ペーストを用いて、導体配線パターンが形成されて、ビア導体と導体配線パターンとで、電極パターンが形成されている。
【００１１】
これらの低温焼成セラミックグリーンシートは、重ね合わされて積層体が形成され、電極パターンと同時焼成し、焼結体とされる。更にその外表面には、例えば、Ａｕ系、Ａｇ系、Ｃｕ等の金属導体ペーストを用いた後付けの外層配線パターンが形成されている場合がある。Ａｕ系の外層配線パターンは、半導体チップの搭載用のワイヤボンドパッドに用いられたり、Ａｇ系やＣｕ系の外層配線パターンは、ディスクリート部品搭載のためのパッドに用いられたり、外部との接続用端子、抵抗体形成のためのパッド等に用いられる。
【００１２】
低温焼成セラミック回路基板は、低温焼成セラミックグリーンシートと金属導体ペーストとの同時焼成において、加圧焼成して作製されるため、厚み方向の焼成収縮はあっても、低温焼成セラミックグリーンシートの平面内での収縮は抑制されている。従って、寸法バラツキが少なく、しかもセラミックセッターの平坦性に追従する反りを有した回路基板が形成され、各種電子部品を極めて精度よく実装することができる。
【００１３】
次いで、図１を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る低温焼成セラミック回路基板の製造方法について詳細に説明する。
実質的に矩形状からなる複数枚、例えば４枚の低温焼成セラミックグリーンシート１１〜１４は、８００〜１２００℃の低温の焼結温度で焼成可能な低温焼成セラミック、例えば、ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス５０〜６０重量％（好ましくは、６０重量％）とＡｌ_２Ｏ_３５０〜３５重量％（好ましくは、４０重量％）からなるセラミック粉末に有機バインダー、可塑剤及び溶剤を添加して混合し、ドクターブレード法等で所望の厚みのシート状にし、所望の大きさに切断して形成する。そして、各低温焼成セラミックグリーンシート１１〜１４には、上下の導通を形成するためのスルーホールをプレス金型やＮＣマシーン等を使用して穿設する。
【００１４】
このスルーホールには、低融点金属の一例であるＡｇ系の金属粉末と樹脂や溶剤等の有機物を混合して形成した導体ペーストを、スクリーン印刷等で充填して、各低温焼成セラミックグリーンシート１１〜１４の上下層の導体配線パターンを接続するためのビア導体を形成する。また、各低温焼成セラミックグリーンシート１１〜１４の表面には、導体配線パターンを低融点金属の一例であるＡｇ系の導体ペーストを用いて、スクリーン印刷等で形成する。これらのセラミックグリーンシート１１〜１４は、決められた層位置に重ね合わせて、温度や圧力によって寸法精度を損なわない程度の低温度、低圧で加熱圧着して積層し、積層体１５を形成する。そして、ビア導体と導体配線パターンとで導通回路となる電極パターンを形成する。
【００１５】
積層体１５の両面（上面及び下面）には、セラミックグリーンシート１１〜１４の焼結温度である８００〜１２００℃では焼結しない拘束用セラミックグリーンシート１６を重ね合わせる。この拘束用セラミックグリーンシート１６は、例えば、ガラス分を含まないアルミナ粉末のみに、有機バインダー、可塑剤及び溶剤を添加して混合し、ドクターブレード法等で所望の厚みのシート状にし、低温焼成セラミックグリーンシート１１〜１４の定められた大きさに、実質的に等しい大きさに切断して形成されている。
【００１６】
次いで、両側の拘束用セラミックグリーンシート１６の表面に、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率、１０％以上の気孔率で、しかも気孔が連通する連通気孔１８を備え、３０ＭＰａ以上の曲げ強度を有し、好ましくは、側面部に空洞１９を有するセラミックセッター１７で挟み込む。ここで用いられるセラミックセッター１７は、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＭｏＳｉ_２、ＴｉＮ、ＺｒＢ_２から選ばれた少なくとも１種類のセラミック粒子、好ましくは、純度が９５％以上、粒径が１００μｍ以上からなるセラミック粒子を９０重量％以上を用いて、嵩密度を２．２〜２．８ｇ／ｃｍ^３程度にしてプレスや鋳込み等の方法で成形し、焼成して作製する。なお、セラミックセッター１７の連通気孔１８の気孔径は、２０μｍ以上より大きい気孔のほうが、通気抵抗を小さくできるので好ましい。また、セラミックセッター１７の側面部に形成された空洞１９は、一側面部から他の側面部に達する貫通する孔、又は途中で閉塞した穴であってもよい。
【００１７】
セラミックセッター１７に挟み込まれた積層体１５及び拘束用セラミックグリーンシート１６は、１又は複数段に重ねられ、バッチ炉形式の加圧式焼成炉の内部に設けられた挟み込み装置を用いて、下部と上部から挟み込み、加圧しながら約６００℃まで加熱して脱バインダー処理をする。積層体１５及び拘束用セラミックグリーンシート１６を加圧、加熱する際に、加圧式焼成炉内に送り込まれる焼成用空気は、低温焼成セラミックグリーンシート１１〜１４、拘束用セラミックグリーンシート１６、及び導体ペーストに含有する有機物を分解する脱バインダー処理に消費されたり、発生した分解ガスを排気するのに用いられる。この時、セラミックセッター１７の連通気孔１８が、焼成用空気を供給させると同時に、発生した分解ガスを排出させるのに用いられる。また、空洞１９がある場合には、空洞１９が更に効率よく焼成用空気を供給させると同時に、発生した分解ガスを排出させるのに用いられる。
【００１８】
積層体１５は、脱バインダー処理で発生した分解ガスの排気が行われた後、焼成処理を行う。積層体１５は、この焼成処理の加熱の段階で、徐々に焼結が開始され、所定の温度で所定の時間焼成することで焼結を完了させ、低温焼成セラミック回路基板を作製する。なお、低温焼成セラミック回路基板は、積層体１５を焼結した後、有機物が除去されて粉体状となった拘束用セラミックグリーンシート１６のセラミック粉を除去して形成されている。
【００１９】
なお、上記の焼成に用いられたセラミックセッター１７は、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、低温焼成セラミック回路基板の面内に、温度差が大きくなって均質な焼成ができなくなる。また、気孔率が１０％未満で、しかも連通気孔１８を有していないと、脱バインダー処理能力（脱バインダー性）を阻害して、低温焼成セラミック回路基板の基板割れや変色を発生させる。また、曲げ強度が３０ＭＰａ未満であると、繰り返しの使用に耐えることができない。
また、本実施の形態では、低温焼成セラミック回路基板を４層の低温焼成セラミックグリーンシート１１〜１４で形成したが、この層数は限定されるものではなく、２層、３層又は５層以上であってもよい。
また、低温焼成セラミック回路基板には、更に、酸化焼成雰囲気又は還元焼成雰囲気で焼成を行う低融点金属を用いて、後付けの外層配線パターンを形成する場合がある。
また、低温焼成セラミックグリーンシートの材料として、ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとＡｌ_２Ｏ_３との混合物を用いる以外に、ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとＡｌ_２Ｏ_３との混合物、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとＡｌ_２Ｏ_３との混合物、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスとＡｌ_２Ｏ_３との混合物、コージェライト系結晶化ガラス等のセラミック材料を用いてもよい。
【００２０】
【実施例】
本発明者は、本発明に係る低温焼成セラミック回路基板の製造方法と、比較例の低温焼成セラミック回路基板の製造方法について、セラミックセッターの気孔率及び熱伝導率による脱バインダー性及び低温焼成セラミック回路基板の品質の比較を行った。なお、セラミックセッターの材料は純度９９％のＳｉＣを用い、嵩密度を１．８０〜２．８９ｇ／ｃｍ^３の間で成形した。また、焼成は、６００℃までゆっくりと昇温し、６００℃から９００℃まで２０分（１５℃／分）で昇温し９００℃で５分間保温した。
結果を表１に示す。その結果、気孔率１０％以上、熱伝導率５Ｗ／ｍＫ以上において、基板割れや変色（カーボンの残留により発生）の発生のない良好な品質の低温焼成セラミック回路基板の作製が確認できた。また、セラミックセッターの曲げ強度は、３０ＭＰａ以上あれば繰り返しの使用に耐えられることが確認できた。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【発明の効果】
請求項１記載の低温焼成セラミック回路基板の製造方法は、導体ペーストで電極パターンを形成した少なくとも有機バインダー、可塑剤を含む低温焼成セラミックからなるセラミックグリーンシートを複数枚重ね合わせた積層体の両面に、低温焼成セラミックの焼成温度では焼結しない拘束用セラミックグリーンシートを積層する工程と、積層体の両面に設けられた各々の拘束用セラミックグリーンシートの表面にＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＭｏＳｉ_２、ＴｉＮ、ＺｒＢ_２から選ばれた少なくとも１種類のセラミック粒子からなり、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、気孔率が１０％以上でしかも気孔が連通する連通気孔を備え、曲げ強度が３０ＭＰａ以上有するセラミックセッターを載置する工程と、セラミックセッターで挟持した積層体及び拘束用セラミックグリーンシートを加圧しながら加熱し、積層体及び拘束用セラミックグリーンシートの脱バインダー処理を行う工程と、積層体及び拘束用セラミックグリーンシートを加圧しながら、更に加熱し積層体を焼成する工程を有するので、セラミックセッターは適正な熱伝導率を有し、焼成時に時間的な制限がなく焼成することができ、積層体に割れを発生することなく、効率的に低温焼成セラミック回路基板を作製できる。また、セラミックセッターは適正な気孔率を有し、脱バインダー処理のための空気を送り込むのと同時に発生した分解ガスを排出することができる。更に、セラミックセッターは適正な曲げ強度を有し、繰り返し使用しても曲がりや破損の発生は少ない。
【００２３】
請求項１記載の低温焼成セラミック回路基板の製造方法は、セラミックセッターには側面部に空洞を備え、空洞を介して前記脱バインダー処理を行うので、更に効率的に脱バインダー処理のための空気を送り込むのと同時に発生した分解ガスを排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る低温焼成セラミック回路基板の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
１１〜１４：セラミックグリーンシート、１５：積層体、１６：拘束用セラミックグリーンシート、１７：セラミックセッター、１８：連通気孔、１９：空洞

Claims

導体ペーストで電極パターンを形成した少なくとも有機バインダー、可塑剤を含む低温焼成セラミックからなるセラミックグリーンシートを複数枚重ね合わせた積層体の両面に、前記低温焼成セラミックの焼成温度では焼結しない拘束用セラミックグリーンシートを積層する工程と、
前記積層体の両面に設けられた各々の前記拘束用セラミックグリーンシートの表面にＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＭｏＳｉ_２、ＴｉＮ、ＺｒＢ_２から選ばれた少なくとも１種類のセラミック粒子からなり、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、気孔率が１０％以上でしかも気孔が連通する連通気孔を備え、曲げ強度が３０ＭＰａ以上有するセラミックセッターを載置する工程と、
前記セラミックセッターで挟持した前記積層体及び拘束用セラミックグリーンシートを加圧しながら加熱し、前記積層体及び拘束用セラミックグリーンシートの脱バインダー処理を行う工程と、
前記積層体及び拘束用セラミックグリーンシートを加圧しながら更に加熱し、該積層体を焼成する工程とを有し、
前記セラミックセッターには側面部に空洞を備え、該空洞を介して前記脱バインダー処理を行うことを特徴とする、低温焼成セラミック回路基板の製造方法。