JP4688379B2 - 回路基板及びその製造方法ならびに電子装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回路基板に関し、さらに詳しく述べると、半導体素子や水晶振動体などを実装した電子装置の製造において有用なセラミック製の回路基板と、この回路基板を筐体の一部として使用した電子装置に関する。本発明はまた、かかる回路基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、現在、各種の電子装置が提案され、実用に供されている。一例を示すと、ＩＣチップを搭載したＩＣパッケージ、水晶振動体を搭載した水晶振動子、ＩＣチップと水晶振動体を搭載した水晶発振器などがある。これらの電子装置は、通常、回路基板とそのカバーとから構成される筐体（ケースあるいはケーシングとも呼ばれる）に電子要素を実装し、封止することによって製造されている。回路基板の材料としては、ガラス、セラミックス、シリコンなどの無機の絶縁材料が使用されている。回路基板は、したがって、絶縁基板とも呼ばれている。
【０００３】
電子装置の製造に使用される回路基板は、通常、上記したような絶縁材料から絶縁基板を製造した後、その絶縁基板の所定の位置にスルーホールを開孔し、厚膜導体ペーストを充填することによって製造されている。従来の厚膜導体ペーストは、一般に、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルからなる。かかる導体ペーストは、通常、そのガラス粉末が６５０〜８５０℃の軟化点を有しており、銀とガラスの配合比が９０：１０〜９５：５（重量比）であり、また、ビヒクル量が、銀とガラスの全量を基準にして、１０〜３０重量％の範囲である。スルーホール内に形成された導体ペーストからなる電気的導通部は、回路基板を厚さ方向に貫通しているので、その回路基板の上下面の電気的導通をとることができる。
【０００４】
ところで、従来の回路基板の場合には、電気的導通部において気密性が十分でなく、電子装置のショートや特性の劣化等の悪影響が引き起こされるという問題がある。第１の理由は、スルーホールの充填に使用される厚膜導体ペーストにおいて、固有抵抗値と印刷性のみが重要視されていて、充填体の気密性の良し悪しは考慮されていないからである。この方法は、したがって、高度の気密性が要求されるＩＣパッケージや、水晶振動子、水晶発信器などの製造に利用することができない。第２の理由は、製造工程の悪さにある。すなわち、回路基板をセラミック材料から製造する場合、焼成前（この段階では、収縮の問題はない）のグリーンシートの状態でスルーホールを加工し、その後、厚膜導体ペーストを充填し、最後に約１５５０〜１６５０℃の高温で焼成しなければならず、基板の寸法収縮が避けられないからである。焼成後の基板にこのような寸法収縮があると、得られる基板の形状や寸法にバラツキが発生するばかりでなく、電気的導通部がスルーホールに気密に充填されないといった問題や、電気的導通部の周囲にクラックが発生するといった問題を避けることができない。このような問題は、また、後続の熱処理段階、例えば、ＩＣチップの実装時などにおいても発生可能である。
【０００５】
上記のような問題を解決するため、特開平２０００−７７９４２号公報には、複数枚のグリーンシートを重ね合わせてセラミック回路基板を製造する時に、各グリーンシートのスルーホールの位置をずらすことで、高められた気密性を確保することが提案されている。すなわち、図１の表面実装型水晶発振器に模式的に示すように、回路基板５１は、上面がほぼ平坦でかつ下面側に凹部状キャビティ部６０が形成された概略直方体状の容器体の形を有している。参照番号５６は、金属製蓋体である。図示されるように、回路基板５１は、矩形状のセラミック絶縁層５１ａ及び５１ｂと、枠状のセラミック絶縁層５１ｃ及び５１ｄを組み合わせた多層基板からなる。かかる多層基板において、それぞれのセラミック絶縁層には、上下面に形成された電極、配線パターン等を相互に電気的に接続するためのビアーホール導体が形成されている。また、回路基板５１には、水晶振動子５２、ＩＣチップ５３、そして電子部品素子５４及び５５が搭載されている。この回路基板５１では、ビアーホール導体が回路基板の厚さ方向に折れ曲がった導電経路を形成するように構成したので、ビアーホール導体の周囲でクラックなどが発生したとしても、その影響が導電経路の全体に及ぶことを防止することができる。しかし、このような構成では、製造が非常に煩雑になり、製造コストも大幅に増加する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、水晶振動子、水晶発振器を含めた各種の電子装置の製造に特に使用するためのものであって、固有抵抗値、印刷性及び気密封止性のすべての特性を同時に満足させることのできる回路基板を提供することにある。
【０００７】
本発明の目的は、また、上記のような回路基板を製造するためのものであって、単純な工程で容易に製造が可能であり、歩留まりも良好な回路基板の製造方法を提供することにある。
【０００８】
さらに、本発明の目的は、気密封止性やその他の特性に優れた、水晶振動子、水晶発振器を含めた各種の電子装置を提供することにある。
【０００９】
本発明のこれらの目的やその他の目的は、以下の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１つの面において、仕上げ加工後の絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に後加工で貫通せしめられたスルーホールとを有する回路基板において、
前記スルーホールに、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部が形成されているとともに、
前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ
前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有していること
を特徴とする回路基板にある。
【００１１】
また、本発明は、もう１つの面において、絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に形成された電気的導通部とを有する回路基板を製造する方法において、
無機粉末とバインダを含む複合物を焼成して、セラミックスからなる平板状の絶縁基板を仕上げ加工し、
前記絶縁基板の所定の位置に、その基板を貫通する少なくとも１個のスルーホールを後加工し、
前記スルーホールに、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部を形成するとともに、その際、
前記導電性組成物として、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有している組成物を使用すること
を特徴とする回路基板の製造方法にある。
【００１２】
さらに、本発明は、そのもう１つの面において、回路基板と、該回路基板の表面を覆った蓋部材とから構成される筐体を含み、該筐体の内部に少なくとも１個の電子要素が実装されている電子装置において、
前記回路基板が、仕上げ加工後の絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に後加工で貫通せしめられたスルーホールとを備えてなり、
前記スルーホールに、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部が形成されており、そして
前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ
前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有していること
を特徴とする電子装置にある。
【００１３】
ここで、本願明細書において使用されている用語について説明しておくと、「電子要素」とは、広義で用いられており、電子装置に通常実装されている半導体素子、例えばＩＣチップ、ＬＳＩチップ、ＶＬＳＩチップなどや、キャパシタ、レジスタ、コンダクタなどの部品や、水晶振動体などを包含している。また、したがって、「電子装置」なる語は、それを本願明細書で使用した場合、電子要素を用いた各種の装置、例えば半導体装置や水晶振動子、水晶発振器などを意味している。すなわち、本発明を効果的に適用できる限り、電子装置や、それに実装される電子要素は、特に種類を限定されるものではない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明による回路基板は、仕上げ加工後の絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に後加工で貫通せしめられたスルーホールとを少なくとも有している。ここで、「仕上げ加工後の絶縁基板」とは、絶縁基板がその製造の途中の段階、例えば未硬化の段階にあるのではなくて、原料の混練、成形、焼成などの一連の加工工程を経て、最終的に所望な形状及びサイズを有するようにすでに加工されていることを意味している。すなわち、仕上げ加工後の絶縁基板は、少なくとも硬化状態にあり、スルーホールやその他の基板要素を、さらに処理を施すことなく、ただちに形成可能である。また、「後加工」とは、スルーホールの形成のタイミングを従来の方法と区別するために用いるもので、絶縁基板の製造途中、例えばグリーンシートの段階で形成されたスルーホールなどを本発明の範囲から排除することが目的である。すなわち、以下の説明から明らかとなるように、本発明の回路基板では、熱処理などの悪影響から電気的導通部を保護するため、絶縁基板を作り上げた後にはじめて、スルーホールを形成する。
【００１５】
本発明の回路基板は、
（１）スルーホールに、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部が形成されていること、
（２）導電性組成物において、銀粒子とガラス粉末の合計量に対する銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であること、及び
（３）ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有していること、を必須の構成要件とする。本発明の回路基板は、電気的導通部におけるこのような構成要件が満足させられる限りにおいて、いろいろな形態で実施することができるけれども、以下、図２及び図３を参照して好ましい実施の形態を説明する。
【００１６】
図２は、本発明による回路基板の好ましい１形態を示した断面図である。図示の回路基板２０は、平板状のセラミック基板２からなる。セラミック基板２は、アルミナを主原料として含むスラリーの成形により得たグリーンシートを焼成することによって製造したものである。セラミック基板２の表面には、キャビティ（凹部）１２がグリーンシートの焼成後に後加工で形成されている。キャビティ１２は、以下に説明するように、平板型もしくは箱型の蓋部材（図示せず）とともに、電子要素（以下では、水晶振動体を参照して説明）を実装するための空間を規定することができる。セラミック基板２は、また、その表面に形成された配線層２１及び２６、そしてその裏面に形成された配線層２２を有している。配線層２６は、セラミック基板２を貫通して形成された電気的導通部２３を介してセラミック基板２の裏面（筐体の表面）に形成された配線層２２に接続されている。配線層２１、２２及び２６は、セラミック基板２の表面に厚膜導体ペーストを塗布し、焼成すること（メタライズ加工）によって形成されたものであり、また、電気的導通部２３は、セラミック基板２に形成されたスルーホールに本発明に従い導電性組成物を充填し、熱処理を行うことによって形成されたものである。
【００１７】
セラミック基板２を貫通する電気的導通部２３の形成は、図３の拡大断面図から容易に理解することができるであろう。
【００１８】
まず、図３の（Ａ）に示すように、セラミック基板２に予め開孔したスルーホール１３に導電性組成物を充填する。充填方法としては、スクリーン印刷法などがある。導電性組成物は、それをスルーホール１３に充填すると、比較的に大きな銀粒子５の間にガラス粉末６が分散した状態となる。また、これらの粉末を分散せしめるためにビヒクルが併用されているが、説明の簡略化のため、図では省略されている。スルーホール１３に導電性組成物を充填した後に熱処理を行うと、図３の（Ｂ）に示すように、銀粒子５の表面にガラス粉末６の溶融物が広がり、銀粒子どうしを緻密に結合させる。また、銀粒子５の再配列が行われるので、充填の段階で銀粒子間に取り込まれていた気泡が外側に押出され、気密封止性と導通性が同時に達成される。
【００１９】
図２及び図３の回路基板に関連してさらに説明すると、回路基板の主たる構成要素である絶縁基板は、平板状のセラミック基板である。基板材料としてのセラミック材料は、以下に列挙するものに限定されるわけではないけれども、アルミナ、ムライト、低温焼成セラミックスなどを包含する。とりわけ、アルミナが基板材料として好適である。
【００２０】
セラミック基板は、プレス成形法、押出成形法、ドクターブレード法などで製造できるが、通常、広い面積をもったセラミック基板の製造には、原料の無機粉末やバインダなどを含むスラリーからグリーンシートを成形し、さらにこれを焼成することによって製造する方法がとられる。グリーンシートの成形には好ましくはドクターブレード法が用いられ、その際に使用される無機粉末は、上記したような基板材料の粉末であり、その粒径は、通常、約０．３〜０．６μｍである。このようなセラミック粉末をバインダ、可塑剤、溶剤などと混合してスラリーを調製した後、グリーンシートに成形する。グリーンシートの厚さは、適用された成形条件などに応じて広く変動可能であるが、通常、約１００〜３００μｍである。次いで、得られたグリーンシートの必要枚数を積層して、所望とするセラミック基板に対応する厚さをもった積層体となす。グリーンシートの積層数は、したがって、その厚さやセラミック基板の厚さに応じて変動可能である。また、最適な積層数を決定するに当たって、積層体がその後の焼成工程で２０％ほど収縮することを考慮に入れることが好ましい。
【００２１】
上記のようにしてグリーンシートから積層体を作製した後、焼成工程に移行する。すなわち、本発明では、従来の方法のようにその軟らかい積層体にキャビティ用の凹部やスルーホールなどを形成し、引き続いて焼成を行うことは不要である。焼成工程は、作製した積層体を焼成炉に入れ、常法に従って行うことができる。焼成温度は、通常、約１５５０〜１６５０℃である。必要に応じて、この温度範囲よりも低温あるいは高温であってもよい。
【００２２】
本発明のセラミック基板は、電子要素を外部の要素等と接続するための電気的導通部を備える。この電気的導通部は、従来の回路基板においてしばしば採用されているような折れ曲がった導電経路を有するように形成することは不要で、セラミック基板の上面から下面をまっすぐに貫通するように形成されていればよい。電気的導通部は、セラミック基板を仕上げ加工した後、その所定の位置にスルーホールを形成し、さらにそのスルーホールに導電性組成物を充填し、熱処理することによって、有利に形成することができる。
【００２３】
スルーホールは、回路基板上に１個のみ形成してもよく、２個もしくはそれ以上を形成してもよい。スルーホールの数は、そのサイズと同様に、回路基板の種類やそれが使用される電子装置の種類及び構成などに応じて変動可能である。スルーホールは、そのすべてが本発明に従って形成された電気的導通部を有していなくでもよく、また、必要に応じて、充填物を有していなくてもよい。
【００２４】
スルーホールは、いろいろなサイズで形成することができる。例えば、回路基板が、水晶振動子などの小型電子装置の製造に使用される予定であるならば、スルーホールの孔径は、通常、約０．１〜０．３ｍｍの範囲である。もちろん、必要ならば、この範囲を下回ったり上回ったりした孔径を有していてもよい。
【００２５】
スルーホールは、いろいろな常用の技法に従って形成することができるけれども、特に有用な技法は、レーザートリミング、乾式又は湿式のホーニングなどである。
【００２６】
電気的導通部の形成のためにスルーホールの充填に用いられる導電性組成物は、少なくとも、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルの３成分から構成される。
【００２７】
第１の成分として、銀粒子が用いられる。銀粒子は、銀の単体であってもよく、必要ならば、銀の合金、例えばＡｇ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｐｔなどであってもよい。これらの銀粒子は、好ましくは、その平均粒子径が１〜１０μｍの範囲であり、その最大粒子径が５０μｍである。1μｍよりも小さな平均粒子径を有する銀粒子を使用すると、図４に示すように、得られる電気的導通部において空洞が形成されたり、亀裂が入ったりする。すなわち、比較的に細かい銀粒子を使用したとすると、図４の（Ａ）に示すように、銀粒子５とガラス粉末６がランダムに混在した状態となる。このような状態で熱処理を行うと、図４の（Ｂ）に示すように、焼結収縮が顕著に進行する結果、形成された電気的導通部の中央部付近において大きな空洞３３が形成されてしまう。また、図示しないけれども、電気的導通部に亀裂などが入ることもある。このような欠陥が存在するので、電気的導通部が形成されるというものの、その導通効果は非常に乏しいものとなる。反対に、銀粒子の平均粒子径が１０μｍよりも大きくなると、粒子間に生ずる空隙が大きくなり、ガラスによる充填が不可能になり、得られる電気的導通部の空隙が連結した状態となり、気密性も導通性も不十分となる。
【００２８】
本発明の実施には、上記したような銀粒子が有利に用いられるけれども、本発明の効果に悪影響を及ぼすことがなく、かつ銀粒子と比較可能な添加効果が得られるのであるならば、その他の金属もしくはその合金の粒子を使用してもよい。適当な金属もしくはその合金としては、例えば、Ａｕ，Ｃｕ，Ｎｉ又はその合金などを挙げることができる。
【００２９】
電気的導通部の形成のために銀粒子と一緒に使用されるガラス粉末は、５５０〜６５０℃の軟化温度を有しているガラスの粉末であることが必要である。ガラスの軟化温度が５５０℃を下回ると、本発明で意図しているような緻密な結合を有し、気密封止性及び導通性に優れた電気的導通部を得ることができない。反対に、ガラスの軟化温度が６５０℃を上回ると、熱処理の際に銀粒子５が再配列できないので、図５に示すように、緻密化が進行せず、外部まで連通した形で気泡が残留すること（いわば、連続気泡の形成）となる。したがって、このような場合には、気密封止性も導通性も不十分となる。
【００３０】
ガラス粉末は、また、銀粒子とガラス粉末の合計量に対する含有量で表して、１０〜１５重量％の範囲であることが好ましい。換言すると、銀粒子の含有量は、８５〜９０重量％の範囲であることが好ましい。ガラス粉末６の含有量が１０重量％よりも少ないと、熱処理の際に銀粒子５が再配列できないので、図６に示すように、緻密化が進行せず、外部まで連通した形で気泡が残留することとなる。したがって、このような場合には、気密封止性も導通性も不十分となる。同様に、ガラス粉末の含有量が１５重量％よりも多くても、不十分な気密封止性や導通性しか得られない。
【００３１】
ガラス粉末は、さらに、その平均粒子径が１〜１０μｍの範囲であり、その最大粒子径が５０μｍであることが好ましい。ガラス粉末の平均粒子径が１μｍを下回ると、銀粒子の間隙を埋め尽くすには好適であるが、印刷性を低下させ、電気的導通部の充填不足などの問題が発生する。反対に、平均粒子径が１０μｍを上回ると、その大きさが銀粒子の再配列を妨害して、緻密化が進行せず、気泡の残留などの問題が発生する。
【００３２】
ガラス粉末は、電気抵抗が高く、耐熱性に優れ、環境条件の影響を受け難く、さらに誘電率、誘電損失が小さいものならどのような材料でもかまわないが、Ａｌ２Ｏ３，Ｂｉ２Ｏ３，ＰｂＯ，ＣｄＯ，ＺｎＯ，ＢａＯ，ＣａＯ等の中間体または変成体を含む、ホウ珪酸塩が好ましい。このホウ珪酸塩は、熱膨張係数がアルミナに近く、焼成したときに所望の粘度や表面張力とすることができる材料である。
【００３３】
導電性組成物では、上記した銀粒子とガラス粉末の他に、それらの粒子や粉末を良好に分散させるため、ビヒクルが使用される。適当なビヒクルは、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、アクリル樹脂などである。これらのビヒクルは、導電性組成物の組成に応じていろいろな量で添加することができるというものの、通常、銀粒子とガラス粉末の合計量に対する含有量で表して、５〜２０重量％の範囲であることが好ましい。ビヒクルの添加量が５重量％を下回ると、得られる分散効果が不十分であり、反対に、２０重量％を上回っても、分散効果の顕著な改善を望めない。
【００３４】
本発明に実施において、導電性組成物は、さらに、任意の添加剤を必要量で添加してもよい。このような添加剤を含ませることによって、得られる電気的導通部の特性をさらに改善することができるからである。適当な添加剤としては、例えば、界面活性剤、チクソ性付与剤などを挙げることができる。
【００３５】
上記した導電性組成物は、いろいろな技法を使用して、セラミック基板のスルーホールに充填することができる。適当な充填方法としては、例えば、スクリーン印刷法、ディスペンサを用いた充填法などを挙げることができる。導電性組成物の充填量は、特に限定されるものではないが、必要に応じて、溶剤の乾燥や焼成時のビヒクルの蒸発による体積減少に配慮した供給がなされる。
【００３６】
スルーホール内への充填が完了し、乾燥工程を行った後、導電性組成物の熱処理を行う。熱処理温度は、導電性組成物を構成するガラスの軟化点により決まり、通常、約７５０〜９００℃の範囲である。熱処理温度が７５０℃を下回ると、ガラスの溶融が十分に進行せず、また、反対に９００℃を上回ると、組成物からのガラスの分離といった不都合が発生する。熱処理時間は、被処理物の容量に依存して変動するというものの、通常、約５〜１０分である。このような熱処理は、通常、連続又はバッチタイプの大気焼成炉で行われる。
【００３７】
本発明による回路基板は、その絶縁基板にスルーホール（電気的導通部）を有することが必須であるけれども、さらに加えて、回路基板に常用の追加の要素、例えば、電極、配線等の導体パターンなどをその表面や内部に有していてもよい。
【００３８】
また、絶縁基板は、その表面に電子要素等を収納するためのキャビティを有することが好ましい。キャビティは、回路基板のいろいろな製造段階で形成することができるけれども、通常、上記のようにしてセラミック基板の焼成が完了した後にその表面に加工することが好ましい。通常、上記したスルーホールの形成の前、その間あるいはその後に形成される。キャビティの形成に使用する加工方法としては、特に限定されないけれども、レーザートリミング、ホーニングなどを有利に使用することができる。このようにして形成されるキャビティの形状及びサイズは、電子要素の詳細、電子装置のデザインなどに応じて広く変動することができる。
【００３９】
本発明による電子装置は、上記のような本発明の回路基板を備えてなることに特徴がある。本発明の電子装置は、上記したように、各種の電子装置を包含するが、その筐体は、回路基板と、その回路基板の表面を覆った蓋部材とから構成され、また、その内部に少なくとも１個の電子要素を収納するため、それらの収納に十分な形状及び寸法を有するキャビティを備えている。キャビティは、通常、回路基板の表面に所定の深さで穿たれた凹部と、それを閉塞するように被せられた蓋部材の裏面とによって規定される。蓋部材の裏面は、平滑であっても、基板の凹部に対応する領域に所定の深さの凹部を有していてもよい。換言すると、蓋部材は、平板状であってもよく、あるいは箱型であってもよい。基板の表面と蓋部材の裏面の両方に凹部が存在していると、それらによって形成されるキャビティの中央部に電子要素を配置することができるので、キャビティの内壁に電子要素が不用意に接触するのを防止できるといった効果がある。
【００４０】
電子装置の筐体についてさらに説明すると、筐体の一方を構成する回路基板は、前記した通り、仕上げ加工後の絶縁基板からなり、好ましくは平板状のセラミック基板である。セラミック基板とその製造は、前記した通りである。
【００４１】
セラミック基板のキャビティには、電子要素が実装される。電子要素は、前記したように、半導体素子や、水晶振動体などである。これらの電子要素は、通常、１個のみでキャビティ内に実装されるが、電子装置のデザインなどによっては２個もしくはそれ以上の電子要素が組み合わさって、あるいは互いに独立して、実装されていてもよい。また、キャビティの内部には、特にその空き領域を利用して、電子装置の完成に必要な追加の要素、例えば各種の部品が実装されていてもよく、配線層、電極などが配設されていてもよい。配線層、電極などは、常法に従って形成することができる。
【００４２】
上記したような電子要素は、例えばセラミック基板の表面などに所定のパターンで配線を形成した後、それに接続するようにして配設することができる。配線層は、好ましくは、厚膜導体ペーストを所定のパターンで塗布し、焼成することによってメタライズ層となすことによって形成することができる。厚膜導体ペーストとしては、好ましくは、Ａｇを主成分とする金属ペースト、例えばＡｇ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｇ／Ｐｄペーストなど、あるいはＣｕペースト、Ａｕペーストなどの各種の金属ペーストを用途により使い分けることができる。かかるメタライズ層の厚さは、広い範囲で変更することができるというものの、通常、約５〜３０μｍである。
【００４３】
筐体の形成のためにセラミック基板と組み合わせて用いられる蓋部材は、特に限定されるものではなく、前記したように、平板状でもよく、平板に凹部を備えた箱状でもよい。蓋部材のサイズは、上記したセラミック基板に準じる。また、蓋部材は、基板の熱膨張係数に近い材料、例えばコバール（Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金）、４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金、セラミックスなどの金属材料から形成してもよく、あるいは例えば、ガラス、セラミックス等の絶縁材料から、ロウ付け接合部が厚膜導体ペーストでメタライズされない蓋部材を形成してもよい。この蓋部材にも、必要に応じて、配線層などの加工が施されたりしていてもよい。
【００４４】
本発明の電子装置において、その筐体は、セラミック基板と蓋部材を低温金属ロウ材を介して溶着することによって一体化され、気密封止される。セラミック基板と蓋部材の溶着は、セラミック基板上に、その表面にすでに形成されている厚膜導体ペーストからなるメタライズ層の上に蓋部材の裏面が当接するようにして蓋部材を載置した後、その当接面を低温金属ロウ材からなる接合層を介して接合することにより行う。低温金属ロウ材を常法に従ってロウ付けすることによって、接合層を形成することができる。
【００４５】
接合層を形成するための低温金属ロウ材は、例えばＡｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金等の箔、ペーストなどを使用することができる。かかる接合層の厚さは、広い範囲で変更することができるというものの、通常、約５〜２５μｍである。
【００４６】
また、セラミック基板と蓋部材の接合強度を高めることなどのため、両者の接合構造をいろいろに改良することが推奨される。例えば、厚膜導体ペーストからなるメタライズ層の上にさらにめっき層を形成した後、上述のような接合層を設けることが好ましい。めっき層には、Ｎｉ＋Ａｕの無電解めっき層などが有用である。このようなめっき層は、工程中のロウ付け面や接合面を保護し、耐蝕性を高め、低温金属ロウ材の濡れ性を向上させるのに有効である。また、かかるめっき層の厚さは、広い範囲で変更することができるというものの、通常、無電解Ｎｉ層は３μｍ以上、Ａｕ層は約０．０５〜１μｍである。
【００４７】
本発明による電子装置は、いろいろな手法を使用して製造することができるけれども、平板状のセラミック基板を形成した後、そのセラミック基板の表面に厚膜導体ペーストからメタライズ層を形成し、セラミック基板のメタライズ層と蓋部材とを低温金属ロウ材を介して溶着することによって有利に製造することができる。
【００４８】
本発明の電子装置は、特に、次のような工程を順に実施することによって有利に製造することができる。なお、それぞれの工程において、その詳細がすでに説明されている時は、その重複した説明を省略する。
（１）セラミック基板の形成
プレス成形法、押出成形法、ドクターブレード法などによってグリーンシートを成形し、さらにこれを焼成して平板状のセラミック基板を形成する。
（２）キャビティの形成
セラミック基板の表面に、電子要素を収容するキャビティを形成する。また、このキャビティの形成と同時に、あるいはその前後で、電気的導通部を形成するためのスルーホールやその他の加工部を形成する。
（３）電気的導通部の形成
セラミック基板に後加工で貫通させたスルーホールに本発明に従い導電性組成物を充填し、熱処理する。緻密であり、気密封止性と導通性に優れた電気的導通部が得られる。
（４）メタライズ層の形成
セラミック基板の表面に予め定められたパターンで厚膜導体ペーストを塗布し、焼成することによってメタライズ層を形成する。
【００４９】
また、セラミック基板と蓋部材の溶着は、引き続く工程で形成される接合層を介して有利に実施することができるけれども、さらに好ましくは、すでに形成されているメタライジング層の上に、めっき層、好ましくはＮｉ＋Ａｕの無電解めっき層を形成することができる。このめっき層には耐蝕性を改善する働きなどがあり、両者間においてより高められた接合強度を得ることができるからである。
（５）電子要素の実装
セラミック基板に形成したキャビティに電子要素を実装する。実装方法は、常用の技法を使用して実施することができる。例えば、セラミック基板上の配線層に導電ペーストを介して電子要素を実装することができる。また、導電ペーストの使用以外の実装方法としては、例えば、ＢＧＡ法、ロウ付け法などを挙げることができる。
（６）接合層の形成
セラミック基板及び（又は）蓋部材の接合位置に低温金属ロウ材を配設して接合層を形成する。
（７）セラミック基板と蓋部材の溶着
セラミック基板と蓋部材を接合層を介して溶着する。目的とする電子装置が得られる。得られた電子装置は、通常、完成検査に供される。
【００５０】
【実施例】
引き続いて、本発明をその実施例について説明する。なお、本発明は、下記の実施例で特に水晶振動子の製造を参照して説明するが、本発明はこの実施例によって限定されるものではないことを理解されたい。
【００５１】
図７は、本発明による電子装置である水晶振動子の好ましい１形態を示した断面図である。水晶振動子１０は、平板状のセラミック基板２と、その表面を覆ったコバール製の蓋部材３とから構成される筐体を備えている。セラミック基板２は、アルミナを主原料として含むスラリーの成形により得たグリーンシートを焼成することによって製造したものである。セラミック基板２の表面には、キャビティ１２がグリーンシートの焼成後に加工されている。キャビティ１２と箱型の蓋部材３の内部空間とによって規定される空間には、水晶振動体１が実装されている。水晶振動体１の一端は、セラミック基板２の表面に形成された配線層２６の上に導電ペースト２４を介して取り付けられている。配線層２６は、図示されるように、蓋部材３と導通しないように縁切りされている。また、この配線層２６は、セラミック基板２を貫通して形成された電気的導通部２３を介してセラミック基板２の裏面（筐体の表面）に形成された配線層２２に接続されている。電気的導通部２３は、本発明に従い導電性組成物の熱処理によって形成されたものである。また、配線層２１、２２及び２６は、セラミック基板２の表面に厚膜導体ペースト（低温焼成金属ペースト：Ａｇ／Ｐｄペースト）を塗布し、焼成すること（メタライズ加工）によって形成されたものである。また、図示していないが、厚膜導体ペーストから形成された配線層の上にめっき層、例えばＮｉ＋Ａｕの無電解めっき層が施される。
【００５２】
セラミック基板２と蓋部材３とは、図示のように、セラミック基板２の上に順次形成された配線層２１と低温金属ロウ材からなる接合層２５を介して溶着されている。ここで使用した低温金属ロウ材は、２０％Ｓｎ−Ａｕからなるロウ材である。また、このロウ材に代えて、同様な組成のペーストなどを使用してもよい。
【００５３】
図８は、図７の水晶振動子の１変形例である。この水晶振動子１０では、セラミック基板２とソーダガラスよりなる蓋部材３とが、セラミック基板２の上に形成された低融点ガラスよりなる接合層２９を介して溶着されている。その他の構成は、図７の水晶振動子に基本的に同じである。
【００５４】
図９は、本発明による電子装置である水晶発振器の好ましい１形態を示した断面図である。水晶発振器５０は、図示の通り、先に図７を参照して説明した水晶振動子１０を備えるとともに、そのセラミック基板２の裏面に、ＩＣチップ４０が実装されている。ＩＣチップ４０は、ポリイミド樹脂４１で基板上に封止されるとともに、ボンディングワイヤ４２を介して配線層２２に接続されている。装置の気密封止には、蓋部材４３が用いられている。
【００５５】
また、図１０及び図１１は、図７に示した水晶振動子の製造工程を順を追って示した断面図である。
工程（Ａ）：セラミック基板の形成
セラミック粉末、バインダ、可塑剤、分散剤、溶剤を混合してスラリーを調製し、このスラリーから、ドクターブレード法によって厚さ１３０μｍのグリーンシートを成形する。４枚のグリーンシートを積層し、酸化雰囲気中で約１５５０〜１６５０℃で約１時間にわたって焼成する。厚さ４００μｍの平板状のセラミック基板２が得られる。
工程（Ｂ）：キャビティ及びスルーホールの形成
セラミック基板２の表面に、図示のような直方体状のキャビティ１２をホーニングによって形成する。また、このキャビティ１２の形成と同時に、電気的導通部を形成するためのスルーホール１３もレーザートリミングによって形成する。スルーホール１３の孔径は、約１５０μｍである。
工程（Ｃ）：電気的導通部、配線層などの形成
本発明のペースト状導電性組成物をスルーホール１３に充填し、所定の温度で熱処理して、緻密に充填された電気的導通部２３を形成する。
【００５６】
次いで、Ａｇ／Ｐｄ厚膜ペーストをセラミック基板２の表裏両面に予め定められたパターンで塗布する。その後、Ａｇ／Ｐｄ厚膜ペーストを酸化雰囲気中で約８５０℃で約１時間にわたって焼成する。メタライズ層からなる配線層２１、２２及び２６が形成される。
工程（Ｄ）：めっき層の形成
上記のようにして形成した配線層２１、２２及び２６の上に、３μｍ厚のＮｉ＋０．５μｍ厚のＡｕの無電解めっき層２７及び２８を形成する。これらのめっき層は、工程中のロウ付け面や接合面の耐蝕保護と低温金属ロウ材の濡れ性の向上に有効である。なお、以下の工程では、説明の簡略化のため、これらのめっき層がないものとして説明を継続する。
工程（Ｅ）：水晶振動体の実装
セラミック基板２の配線層２１上に水晶振動体１を実装する。配線層２６の所定の部位と水晶振動体１の一端に導電ペースト（Ａｇ含有熱硬化性樹脂）を塗布し、約１８０℃で硬化処理する。なお、この段階で水晶振動体の周波数調整も行う。
工程（Ｆ）：接合層の形成
セラミック基板２の蓋部材接合位置に低温金属ロウ材（Ａｕ−Ｓｎロウ）を配設して接合層２５を形成する。
工程（Ｇ）：セラミック基板と蓋部材の溶着
セラミック基板２とコバール（Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金）製の蓋部材３を接合層２５を介してロウ付けにより溶着する。完全に気密封止された水晶振動子１０が得られる。
【００５７】
また、上述のような一連の製造工程において、蓋部材としてコバールに代えてガラス（絶縁材料）を使用し、セラミック基板と蓋部材を低融点ガラスを介して溶着すると、図８に模式的に示した水晶振動子１０が得られる。最後に、この水晶振動子１０の完成検査を行う。
〔評価試験〕
セラミック基板に開孔したスルーホールに、異なる組成又は特性を有するペースト状導電性組成物をスクリーン印刷で充填し、熱処理して電気的導通部を作製した。それぞれのセラミック基板の電気的導通部を、（１）気密性、（２）体積固有抵抗値及び（３）印刷性の３項目に関して評価した。以下に、本例で使用した評価方法を説明する。
（１）気密性の評価
供試基板をヘリウム・リーク・デテクタ、「ＭＳＥ−ＨＡＵ」（商品名、島津製作所社製）に搭載し、電気的導通部から漏れたヘリウム量の測定値から気密性を○及び×で評価した。
【００５８】
ヘリウム漏出量 １×１０−９ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ〔Ｈｅ〕以上…×
ヘリウム漏出量 １×１０−９ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ〔Ｈｅ〕未満…○
この測定法の詳細については、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｂを参照されたい。
（２）体積固有抵抗値の評価
電気的導通部の体積固有抵抗値を抵抗測定装置、「ミリオームテスター」（商品名、日置電機社製）で測定し、６×１０−６Ω・ｃｍ以上を×、６×１０−６Ω・ｃｍ未満を○とした。なお、基準とした体積固有抵抗値６×１０−６Ω・ｃｍは、水晶振動子で有利に使用できるレベルを考慮して設定したものである。
（３）印刷性の評価
ペースト状導電性組成物をスクリーン印刷でスルーホールに充填する際の難易度と印刷後の充填状態を総合的に判断して、不満足な結果が得られたものを×、許容し得る結果が得られたものを△、満足な結果が得られたものを○とした。
実施例１
本例では、導電性組成物の銀粒子／ガラス粉末の配合比（重量比）の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００５９】
まず、下記の組成のスラリーを調製した。
【００６０】
このスラリーからドクターブレード法によって厚さ１３０μｍのグリーンシートを成形した。合計４枚のグリーンシートを積層し、酸化雰囲気中で約１５５０〜１６５０℃で約１時間にわたって焼成した。厚さ４００μｍの平板状のセラミック基板が得られた。さらに、得られたセラミック基板のほぼ中央に、直径約１５０μｍのスルーホールをレーザートリミングによって開孔した。
【００６１】
別に、下記の第１表に記載のような組成及び特性のペースト状導電性組成物を調製した。なお、ここで使用した銀粒子は、還元銀粉（福田金属箔粉社製）、ガラス粉末は、ホウ珪酸鉛ガラスのフリットであり、また、ビヒクルは、メチルセルロース（第一工業社製）であった。
【００６２】
この導電性組成物をセラミック基板のスルーホールにスクリーン印刷法を用いて充填し、乾燥の後、ガラスの軟化温度に対応して７００〜８００℃で熱処理した。
【００６３】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第１表に記載のような評価結果が得られた。
【００６４】
【表１】
【００６５】
上記第１表に記載の評価結果から理解されるように、ガラス粉末の配合量が所定の範囲を外れると、それが少なすぎても、あるいは多すぎても、気密性と体積固有抵抗値が低下する。銀粒子とガラス粉末の配合物において、銀の配合量は、８５〜９０重量％の範囲が最適であると考察される。導電性組成物の印刷性は、すべての電気的導通部において良好であることが確認された。
実施例２
本例では、導電性組成物中で使用するガラス粉末の軟化温度の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００６６】
前記実施例１に記載の手法を繰り返したが、本例では、下記の第２表に記載するように、銀／ガラスの配合量（重量比）を一定の値（９０／１０）で維持するとともに、ガラス粉末として、４７５〜７７５℃の範囲の異なる軟化温度を有するガラスのフリットを使用した。
【００６７】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第２表に記載のような評価結果が得られた。
【００６８】
【表２】
【００６９】
また、上記の評価試験において、銀／ガラスの配合量（重量比）を９０／１０から８５／１５に変更した場合にも、比較可能な評価結果が得られた。
【００７０】
上記第２表に記載の評価結果から理解されるように、ガラス粉末の軟化温度は５５０〜６５０℃の範囲が最適であり、その範囲を外れたガラスフリットを使用すると、軟化温度が低すぎても、あるいは高すぎても、気密性が低下する。導電性組成物の印刷性と体積固有抵抗値は、すべての電気的導通部において良好であることが確認された。
実施例３
本例では、導電性組成物中で使用するビヒクル含量の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００７１】
前記実施例１に記載の手法を繰り返したが、本例では、下記の第３表に記載するように、銀／ガラスの配合量（重量比）を一定の値（９０／１０）で維持するとともに、ビヒクル含量を３〜２５重量部の範囲で変更した。
【００７２】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第３表に記載のような評価結果が得られた。なお、表中の「−」は、印刷性が悪くて評価試験を行えなかったことを示す。
【００７３】
【表３】
【００７４】
また、上記の評価試験において、銀／ガラスの配合量（重量比）を９０／１０から８５／１５に変更した場合にも、比較可能な評価結果が得られた。
【００７５】
上記第３表に記載の評価結果から理解されるように、導電性組成物中で使用するビヒクルの含量には最適値が存在する。ビヒクル含量が多すぎると、電気的導通部に隙間ができ、気密性が低下してしまう。銀粒子／ガラス粉末の配合物に対するビヒクルの含量は、５〜２０重量部の範囲が最適である。印刷性は、ビヒクル含量が少なすぎると悪くて、ビヒクル含量を高めるにつれて徐々に改善されることが確認された。
実施例４
本例では、導電性組成物中で使用するガラス粉末の粒径の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００７６】
前記実施例１に記載の手法を繰り返したが、本例では、下記の第４表に記載するように、銀／ガラスの配合量（重量比）を一定の値（９０／１０）で維持するとともに、ガラス粉末の５０％平均粒径／最大粒径を０．４／１０μｍ〜２０／７５μｍの範囲で変更した。
【００７７】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第４表に記載のような評価結果が得られた。なお、表中の「−」は、印刷性が悪くて評価試験を行えなかったことを示す。
【００７８】
【表４】
【００７９】
また、上記の評価試験において、銀／ガラスの配合量（重量比）を９０／１０から８５／１５に変更した場合にも、比較可能な評価結果が得られた。
【００８０】
上記第４表に記載の評価結果から理解されるように、導電性組成物中で使用するガラス粉末の粒径は、小さすぎても、大きすぎても、不可である。ガラス粉末は、その最大粒径が５０μｍ以内であり、かつ平均粒径が１〜１０μｍの範囲内であることが最適である。ガラス粉末の粒径は、電気的導通部の気密性、体積固有抵抗値及び印刷性のすべてに影響を及ぼすということが確認された。
実施例５
本例では、導電性組成物中で使用する銀粒子の粒径の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００８１】
前記実施例１に記載の手法を繰り返したが、本例では、下記の第５表に記載するように、銀／ガラスの配合量（重量比）を一定の値（９０／１０）で維持するとともに、銀粒子の５０％平均粒径／最大粒径を０．５／８μｍ〜２０／７５μｍの範囲で変更した。
【００８２】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第５表に記載のような評価結果が得られた。なお、表中の「−」は、印刷性が悪くて評価試験を行えなかったことを示す。
【００８３】
【表５】
【００８４】
また、上記の評価試験において、銀／ガラスの配合量（重量比）を９０／１０から８５／１５に変更した場合にも、比較可能な評価結果が得られた。
【００８５】
上記第５表に記載の評価結果から理解されるように、導電性組成物中で使用する銀粒子の粒径は、小さすぎても、大きすぎても、不可である。銀粒子は、その最大粒径が５０μｍ以内であり、かつ平均粒径が１〜１０μｍの範囲内であることが最適である。銀粒子の粒径は、電気的導通部の気密性、体積固有抵抗値及び印刷性のすべてに影響を及ぼすということが確認された。
【００８６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、電子装置を製造する際に有用な回路基板が得られる。この回路基板は、製造が容易で製造コストの低減を図ることができるばかりでなく、電気的導通部を形成するときに、固有抵抗値、印刷性及び気密封止性のすべてを満足させることができる。
【００８７】
また、本発明によれば、気密性に優れ、長期間にわたる使用でも特性の劣化や故障などを生じない電子装置、例えば水晶振動子、水晶発振器、半導体装置などを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の表面実装型水晶発信器の構成を示した断面図である。
【図２】本発明による回路基板の好ましい１形態を示した断面図である。
【図３】図２に示した回路基板における電気的導通部の形成について説明した断面図である。
【図４】電気的導通部の形成における欠陥の発生状態を説明した断面図である。
【図５】電気的導通部の形成における欠陥の発生状態を説明した断面図である。
【図６】電気的導通部の形成における欠陥の発生状態を説明した断面図である。
【図７】本発明による電子装置の好ましい１形態を示した断面図である。
【図８】本発明による電子装置のもう１つの好ましい形態を示した断面図である。
【図９】本発明による電子装置のさらにもう１つの好ましい形態を示した断面図である。
【図１０】図７に示した電子装置の製造工程の前半を順を追って示した断面図である。
【図１１】図７に示した電子装置の製造工程の後半を順を追って示した断面図である。
【符号の説明】
１…電子要素（水晶振動体）
２…セラミック基板
３…蓋部材
５…銀粒子
６…ガラス粉末
１０…電子装置（水晶振動子）
１２…キャビティ
１３…スルーホール
２０…回路基板
２３…電気的導通部
４０…ＩＣチップ
５０…電子装置（水晶発振器）
【発明の属する技術分野】
本発明は回路基板に関し、さらに詳しく述べると、半導体素子や水晶振動体などを実装した電子装置の製造において有用なセラミック製の回路基板と、この回路基板を筐体の一部として使用した電子装置に関する。本発明はまた、かかる回路基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、現在、各種の電子装置が提案され、実用に供されている。一例を示すと、ＩＣチップを搭載したＩＣパッケージ、水晶振動体を搭載した水晶振動子、ＩＣチップと水晶振動体を搭載した水晶発振器などがある。これらの電子装置は、通常、回路基板とそのカバーとから構成される筐体（ケースあるいはケーシングとも呼ばれる）に電子要素を実装し、封止することによって製造されている。回路基板の材料としては、ガラス、セラミックス、シリコンなどの無機の絶縁材料が使用されている。回路基板は、したがって、絶縁基板とも呼ばれている。
【０００３】
電子装置の製造に使用される回路基板は、通常、上記したような絶縁材料から絶縁基板を製造した後、その絶縁基板の所定の位置にスルーホールを開孔し、厚膜導体ペーストを充填することによって製造されている。従来の厚膜導体ペーストは、一般に、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルからなる。かかる導体ペーストは、通常、そのガラス粉末が６５０〜８５０℃の軟化点を有しており、銀とガラスの配合比が９０：１０〜９５：５（重量比）であり、また、ビヒクル量が、銀とガラスの全量を基準にして、１０〜３０重量％の範囲である。スルーホール内に形成された導体ペーストからなる電気的導通部は、回路基板を厚さ方向に貫通しているので、その回路基板の上下面の電気的導通をとることができる。
【０００４】
ところで、従来の回路基板の場合には、電気的導通部において気密性が十分でなく、電子装置のショートや特性の劣化等の悪影響が引き起こされるという問題がある。第１の理由は、スルーホールの充填に使用される厚膜導体ペーストにおいて、固有抵抗値と印刷性のみが重要視されていて、充填体の気密性の良し悪しは考慮されていないからである。この方法は、したがって、高度の気密性が要求されるＩＣパッケージや、水晶振動子、水晶発信器などの製造に利用することができない。第２の理由は、製造工程の悪さにある。すなわち、回路基板をセラミック材料から製造する場合、焼成前（この段階では、収縮の問題はない）のグリーンシートの状態でスルーホールを加工し、その後、厚膜導体ペーストを充填し、最後に約１５５０〜１６５０℃の高温で焼成しなければならず、基板の寸法収縮が避けられないからである。焼成後の基板にこのような寸法収縮があると、得られる基板の形状や寸法にバラツキが発生するばかりでなく、電気的導通部がスルーホールに気密に充填されないといった問題や、電気的導通部の周囲にクラックが発生するといった問題を避けることができない。このような問題は、また、後続の熱処理段階、例えば、ＩＣチップの実装時などにおいても発生可能である。
【０００５】
上記のような問題を解決するため、特開平２０００−７７９４２号公報には、複数枚のグリーンシートを重ね合わせてセラミック回路基板を製造する時に、各グリーンシートのスルーホールの位置をずらすことで、高められた気密性を確保することが提案されている。すなわち、図１の表面実装型水晶発振器に模式的に示すように、回路基板５１は、上面がほぼ平坦でかつ下面側に凹部状キャビティ部６０が形成された概略直方体状の容器体の形を有している。参照番号５６は、金属製蓋体である。図示されるように、回路基板５１は、矩形状のセラミック絶縁層５１ａ及び５１ｂと、枠状のセラミック絶縁層５１ｃ及び５１ｄを組み合わせた多層基板からなる。かかる多層基板において、それぞれのセラミック絶縁層には、上下面に形成された電極、配線パターン等を相互に電気的に接続するためのビアーホール導体が形成されている。また、回路基板５１には、水晶振動子５２、ＩＣチップ５３、そして電子部品素子５４及び５５が搭載されている。この回路基板５１では、ビアーホール導体が回路基板の厚さ方向に折れ曲がった導電経路を形成するように構成したので、ビアーホール導体の周囲でクラックなどが発生したとしても、その影響が導電経路の全体に及ぶことを防止することができる。しかし、このような構成では、製造が非常に煩雑になり、製造コストも大幅に増加する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、水晶振動子、水晶発振器を含めた各種の電子装置の製造に特に使用するためのものであって、固有抵抗値、印刷性及び気密封止性のすべての特性を同時に満足させることのできる回路基板を提供することにある。
【０００７】
本発明の目的は、また、上記のような回路基板を製造するためのものであって、単純な工程で容易に製造が可能であり、歩留まりも良好な回路基板の製造方法を提供することにある。
【０００８】
さらに、本発明の目的は、気密封止性やその他の特性に優れた、水晶振動子、水晶発振器を含めた各種の電子装置を提供することにある。
【０００９】
本発明のこれらの目的やその他の目的は、以下の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１つの面において、仕上げ加工後の絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に後加工で貫通せしめられたスルーホールとを有する回路基板において、
前記スルーホールに、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部が形成されているとともに、
前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ
前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有していること
を特徴とする回路基板にある。
【００１１】
また、本発明は、もう１つの面において、絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に形成された電気的導通部とを有する回路基板を製造する方法において、
無機粉末とバインダを含む複合物を焼成して、セラミックスからなる平板状の絶縁基板を仕上げ加工し、
前記絶縁基板の所定の位置に、その基板を貫通する少なくとも１個のスルーホールを後加工し、
前記スルーホールに、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部を形成するとともに、その際、
前記導電性組成物として、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有している組成物を使用すること
を特徴とする回路基板の製造方法にある。
【００１２】
さらに、本発明は、そのもう１つの面において、回路基板と、該回路基板の表面を覆った蓋部材とから構成される筐体を含み、該筐体の内部に少なくとも１個の電子要素が実装されている電子装置において、
前記回路基板が、仕上げ加工後の絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に後加工で貫通せしめられたスルーホールとを備えてなり、
前記スルーホールに、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部が形成されており、そして
前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ
前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有していること
を特徴とする電子装置にある。
【００１３】
ここで、本願明細書において使用されている用語について説明しておくと、「電子要素」とは、広義で用いられており、電子装置に通常実装されている半導体素子、例えばＩＣチップ、ＬＳＩチップ、ＶＬＳＩチップなどや、キャパシタ、レジスタ、コンダクタなどの部品や、水晶振動体などを包含している。また、したがって、「電子装置」なる語は、それを本願明細書で使用した場合、電子要素を用いた各種の装置、例えば半導体装置や水晶振動子、水晶発振器などを意味している。すなわち、本発明を効果的に適用できる限り、電子装置や、それに実装される電子要素は、特に種類を限定されるものではない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明による回路基板は、仕上げ加工後の絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に後加工で貫通せしめられたスルーホールとを少なくとも有している。ここで、「仕上げ加工後の絶縁基板」とは、絶縁基板がその製造の途中の段階、例えば未硬化の段階にあるのではなくて、原料の混練、成形、焼成などの一連の加工工程を経て、最終的に所望な形状及びサイズを有するようにすでに加工されていることを意味している。すなわち、仕上げ加工後の絶縁基板は、少なくとも硬化状態にあり、スルーホールやその他の基板要素を、さらに処理を施すことなく、ただちに形成可能である。また、「後加工」とは、スルーホールの形成のタイミングを従来の方法と区別するために用いるもので、絶縁基板の製造途中、例えばグリーンシートの段階で形成されたスルーホールなどを本発明の範囲から排除することが目的である。すなわち、以下の説明から明らかとなるように、本発明の回路基板では、熱処理などの悪影響から電気的導通部を保護するため、絶縁基板を作り上げた後にはじめて、スルーホールを形成する。
【００１５】
本発明の回路基板は、
（１）スルーホールに、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部が形成されていること、
（２）導電性組成物において、銀粒子とガラス粉末の合計量に対する銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であること、及び
（３）ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有していること、を必須の構成要件とする。本発明の回路基板は、電気的導通部におけるこのような構成要件が満足させられる限りにおいて、いろいろな形態で実施することができるけれども、以下、図２及び図３を参照して好ましい実施の形態を説明する。
【００１６】
図２は、本発明による回路基板の好ましい１形態を示した断面図である。図示の回路基板２０は、平板状のセラミック基板２からなる。セラミック基板２は、アルミナを主原料として含むスラリーの成形により得たグリーンシートを焼成することによって製造したものである。セラミック基板２の表面には、キャビティ（凹部）１２がグリーンシートの焼成後に後加工で形成されている。キャビティ１２は、以下に説明するように、平板型もしくは箱型の蓋部材（図示せず）とともに、電子要素（以下では、水晶振動体を参照して説明）を実装するための空間を規定することができる。セラミック基板２は、また、その表面に形成された配線層２１及び２６、そしてその裏面に形成された配線層２２を有している。配線層２６は、セラミック基板２を貫通して形成された電気的導通部２３を介してセラミック基板２の裏面（筐体の表面）に形成された配線層２２に接続されている。配線層２１、２２及び２６は、セラミック基板２の表面に厚膜導体ペーストを塗布し、焼成すること（メタライズ加工）によって形成されたものであり、また、電気的導通部２３は、セラミック基板２に形成されたスルーホールに本発明に従い導電性組成物を充填し、熱処理を行うことによって形成されたものである。
【００１７】
セラミック基板２を貫通する電気的導通部２３の形成は、図３の拡大断面図から容易に理解することができるであろう。
【００１８】
まず、図３の（Ａ）に示すように、セラミック基板２に予め開孔したスルーホール１３に導電性組成物を充填する。充填方法としては、スクリーン印刷法などがある。導電性組成物は、それをスルーホール１３に充填すると、比較的に大きな銀粒子５の間にガラス粉末６が分散した状態となる。また、これらの粉末を分散せしめるためにビヒクルが併用されているが、説明の簡略化のため、図では省略されている。スルーホール１３に導電性組成物を充填した後に熱処理を行うと、図３の（Ｂ）に示すように、銀粒子５の表面にガラス粉末６の溶融物が広がり、銀粒子どうしを緻密に結合させる。また、銀粒子５の再配列が行われるので、充填の段階で銀粒子間に取り込まれていた気泡が外側に押出され、気密封止性と導通性が同時に達成される。
【００１９】
図２及び図３の回路基板に関連してさらに説明すると、回路基板の主たる構成要素である絶縁基板は、平板状のセラミック基板である。基板材料としてのセラミック材料は、以下に列挙するものに限定されるわけではないけれども、アルミナ、ムライト、低温焼成セラミックスなどを包含する。とりわけ、アルミナが基板材料として好適である。
【００２０】
セラミック基板は、プレス成形法、押出成形法、ドクターブレード法などで製造できるが、通常、広い面積をもったセラミック基板の製造には、原料の無機粉末やバインダなどを含むスラリーからグリーンシートを成形し、さらにこれを焼成することによって製造する方法がとられる。グリーンシートの成形には好ましくはドクターブレード法が用いられ、その際に使用される無機粉末は、上記したような基板材料の粉末であり、その粒径は、通常、約０．３〜０．６μｍである。このようなセラミック粉末をバインダ、可塑剤、溶剤などと混合してスラリーを調製した後、グリーンシートに成形する。グリーンシートの厚さは、適用された成形条件などに応じて広く変動可能であるが、通常、約１００〜３００μｍである。次いで、得られたグリーンシートの必要枚数を積層して、所望とするセラミック基板に対応する厚さをもった積層体となす。グリーンシートの積層数は、したがって、その厚さやセラミック基板の厚さに応じて変動可能である。また、最適な積層数を決定するに当たって、積層体がその後の焼成工程で２０％ほど収縮することを考慮に入れることが好ましい。
【００２１】
上記のようにしてグリーンシートから積層体を作製した後、焼成工程に移行する。すなわち、本発明では、従来の方法のようにその軟らかい積層体にキャビティ用の凹部やスルーホールなどを形成し、引き続いて焼成を行うことは不要である。焼成工程は、作製した積層体を焼成炉に入れ、常法に従って行うことができる。焼成温度は、通常、約１５５０〜１６５０℃である。必要に応じて、この温度範囲よりも低温あるいは高温であってもよい。
【００２２】
本発明のセラミック基板は、電子要素を外部の要素等と接続するための電気的導通部を備える。この電気的導通部は、従来の回路基板においてしばしば採用されているような折れ曲がった導電経路を有するように形成することは不要で、セラミック基板の上面から下面をまっすぐに貫通するように形成されていればよい。電気的導通部は、セラミック基板を仕上げ加工した後、その所定の位置にスルーホールを形成し、さらにそのスルーホールに導電性組成物を充填し、熱処理することによって、有利に形成することができる。
【００２３】
スルーホールは、回路基板上に１個のみ形成してもよく、２個もしくはそれ以上を形成してもよい。スルーホールの数は、そのサイズと同様に、回路基板の種類やそれが使用される電子装置の種類及び構成などに応じて変動可能である。スルーホールは、そのすべてが本発明に従って形成された電気的導通部を有していなくでもよく、また、必要に応じて、充填物を有していなくてもよい。
【００２４】
スルーホールは、いろいろなサイズで形成することができる。例えば、回路基板が、水晶振動子などの小型電子装置の製造に使用される予定であるならば、スルーホールの孔径は、通常、約０．１〜０．３ｍｍの範囲である。もちろん、必要ならば、この範囲を下回ったり上回ったりした孔径を有していてもよい。
【００２５】
スルーホールは、いろいろな常用の技法に従って形成することができるけれども、特に有用な技法は、レーザートリミング、乾式又は湿式のホーニングなどである。
【００２６】
電気的導通部の形成のためにスルーホールの充填に用いられる導電性組成物は、少なくとも、銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルの３成分から構成される。
【００２７】
第１の成分として、銀粒子が用いられる。銀粒子は、銀の単体であってもよく、必要ならば、銀の合金、例えばＡｇ−Ｐｄ，Ａｇ−Ｐｔなどであってもよい。これらの銀粒子は、好ましくは、その平均粒子径が１〜１０μｍの範囲であり、その最大粒子径が５０μｍである。1μｍよりも小さな平均粒子径を有する銀粒子を使用すると、図４に示すように、得られる電気的導通部において空洞が形成されたり、亀裂が入ったりする。すなわち、比較的に細かい銀粒子を使用したとすると、図４の（Ａ）に示すように、銀粒子５とガラス粉末６がランダムに混在した状態となる。このような状態で熱処理を行うと、図４の（Ｂ）に示すように、焼結収縮が顕著に進行する結果、形成された電気的導通部の中央部付近において大きな空洞３３が形成されてしまう。また、図示しないけれども、電気的導通部に亀裂などが入ることもある。このような欠陥が存在するので、電気的導通部が形成されるというものの、その導通効果は非常に乏しいものとなる。反対に、銀粒子の平均粒子径が１０μｍよりも大きくなると、粒子間に生ずる空隙が大きくなり、ガラスによる充填が不可能になり、得られる電気的導通部の空隙が連結した状態となり、気密性も導通性も不十分となる。
【００２８】
本発明の実施には、上記したような銀粒子が有利に用いられるけれども、本発明の効果に悪影響を及ぼすことがなく、かつ銀粒子と比較可能な添加効果が得られるのであるならば、その他の金属もしくはその合金の粒子を使用してもよい。適当な金属もしくはその合金としては、例えば、Ａｕ，Ｃｕ，Ｎｉ又はその合金などを挙げることができる。
【００２９】
電気的導通部の形成のために銀粒子と一緒に使用されるガラス粉末は、５５０〜６５０℃の軟化温度を有しているガラスの粉末であることが必要である。ガラスの軟化温度が５５０℃を下回ると、本発明で意図しているような緻密な結合を有し、気密封止性及び導通性に優れた電気的導通部を得ることができない。反対に、ガラスの軟化温度が６５０℃を上回ると、熱処理の際に銀粒子５が再配列できないので、図５に示すように、緻密化が進行せず、外部まで連通した形で気泡が残留すること（いわば、連続気泡の形成）となる。したがって、このような場合には、気密封止性も導通性も不十分となる。
【００３０】
ガラス粉末は、また、銀粒子とガラス粉末の合計量に対する含有量で表して、１０〜１５重量％の範囲であることが好ましい。換言すると、銀粒子の含有量は、８５〜９０重量％の範囲であることが好ましい。ガラス粉末６の含有量が１０重量％よりも少ないと、熱処理の際に銀粒子５が再配列できないので、図６に示すように、緻密化が進行せず、外部まで連通した形で気泡が残留することとなる。したがって、このような場合には、気密封止性も導通性も不十分となる。同様に、ガラス粉末の含有量が１５重量％よりも多くても、不十分な気密封止性や導通性しか得られない。
【００３１】
ガラス粉末は、さらに、その平均粒子径が１〜１０μｍの範囲であり、その最大粒子径が５０μｍであることが好ましい。ガラス粉末の平均粒子径が１μｍを下回ると、銀粒子の間隙を埋め尽くすには好適であるが、印刷性を低下させ、電気的導通部の充填不足などの問題が発生する。反対に、平均粒子径が１０μｍを上回ると、その大きさが銀粒子の再配列を妨害して、緻密化が進行せず、気泡の残留などの問題が発生する。
【００３２】
ガラス粉末は、電気抵抗が高く、耐熱性に優れ、環境条件の影響を受け難く、さらに誘電率、誘電損失が小さいものならどのような材料でもかまわないが、Ａｌ２Ｏ３，Ｂｉ２Ｏ３，ＰｂＯ，ＣｄＯ，ＺｎＯ，ＢａＯ，ＣａＯ等の中間体または変成体を含む、ホウ珪酸塩が好ましい。このホウ珪酸塩は、熱膨張係数がアルミナに近く、焼成したときに所望の粘度や表面張力とすることができる材料である。
【００３３】
導電性組成物では、上記した銀粒子とガラス粉末の他に、それらの粒子や粉末を良好に分散させるため、ビヒクルが使用される。適当なビヒクルは、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、アクリル樹脂などである。これらのビヒクルは、導電性組成物の組成に応じていろいろな量で添加することができるというものの、通常、銀粒子とガラス粉末の合計量に対する含有量で表して、５〜２０重量％の範囲であることが好ましい。ビヒクルの添加量が５重量％を下回ると、得られる分散効果が不十分であり、反対に、２０重量％を上回っても、分散効果の顕著な改善を望めない。
【００３４】
本発明に実施において、導電性組成物は、さらに、任意の添加剤を必要量で添加してもよい。このような添加剤を含ませることによって、得られる電気的導通部の特性をさらに改善することができるからである。適当な添加剤としては、例えば、界面活性剤、チクソ性付与剤などを挙げることができる。
【００３５】
上記した導電性組成物は、いろいろな技法を使用して、セラミック基板のスルーホールに充填することができる。適当な充填方法としては、例えば、スクリーン印刷法、ディスペンサを用いた充填法などを挙げることができる。導電性組成物の充填量は、特に限定されるものではないが、必要に応じて、溶剤の乾燥や焼成時のビヒクルの蒸発による体積減少に配慮した供給がなされる。
【００３６】
スルーホール内への充填が完了し、乾燥工程を行った後、導電性組成物の熱処理を行う。熱処理温度は、導電性組成物を構成するガラスの軟化点により決まり、通常、約７５０〜９００℃の範囲である。熱処理温度が７５０℃を下回ると、ガラスの溶融が十分に進行せず、また、反対に９００℃を上回ると、組成物からのガラスの分離といった不都合が発生する。熱処理時間は、被処理物の容量に依存して変動するというものの、通常、約５〜１０分である。このような熱処理は、通常、連続又はバッチタイプの大気焼成炉で行われる。
【００３７】
本発明による回路基板は、その絶縁基板にスルーホール（電気的導通部）を有することが必須であるけれども、さらに加えて、回路基板に常用の追加の要素、例えば、電極、配線等の導体パターンなどをその表面や内部に有していてもよい。
【００３８】
また、絶縁基板は、その表面に電子要素等を収納するためのキャビティを有することが好ましい。キャビティは、回路基板のいろいろな製造段階で形成することができるけれども、通常、上記のようにしてセラミック基板の焼成が完了した後にその表面に加工することが好ましい。通常、上記したスルーホールの形成の前、その間あるいはその後に形成される。キャビティの形成に使用する加工方法としては、特に限定されないけれども、レーザートリミング、ホーニングなどを有利に使用することができる。このようにして形成されるキャビティの形状及びサイズは、電子要素の詳細、電子装置のデザインなどに応じて広く変動することができる。
【００３９】
本発明による電子装置は、上記のような本発明の回路基板を備えてなることに特徴がある。本発明の電子装置は、上記したように、各種の電子装置を包含するが、その筐体は、回路基板と、その回路基板の表面を覆った蓋部材とから構成され、また、その内部に少なくとも１個の電子要素を収納するため、それらの収納に十分な形状及び寸法を有するキャビティを備えている。キャビティは、通常、回路基板の表面に所定の深さで穿たれた凹部と、それを閉塞するように被せられた蓋部材の裏面とによって規定される。蓋部材の裏面は、平滑であっても、基板の凹部に対応する領域に所定の深さの凹部を有していてもよい。換言すると、蓋部材は、平板状であってもよく、あるいは箱型であってもよい。基板の表面と蓋部材の裏面の両方に凹部が存在していると、それらによって形成されるキャビティの中央部に電子要素を配置することができるので、キャビティの内壁に電子要素が不用意に接触するのを防止できるといった効果がある。
【００４０】
電子装置の筐体についてさらに説明すると、筐体の一方を構成する回路基板は、前記した通り、仕上げ加工後の絶縁基板からなり、好ましくは平板状のセラミック基板である。セラミック基板とその製造は、前記した通りである。
【００４１】
セラミック基板のキャビティには、電子要素が実装される。電子要素は、前記したように、半導体素子や、水晶振動体などである。これらの電子要素は、通常、１個のみでキャビティ内に実装されるが、電子装置のデザインなどによっては２個もしくはそれ以上の電子要素が組み合わさって、あるいは互いに独立して、実装されていてもよい。また、キャビティの内部には、特にその空き領域を利用して、電子装置の完成に必要な追加の要素、例えば各種の部品が実装されていてもよく、配線層、電極などが配設されていてもよい。配線層、電極などは、常法に従って形成することができる。
【００４２】
上記したような電子要素は、例えばセラミック基板の表面などに所定のパターンで配線を形成した後、それに接続するようにして配設することができる。配線層は、好ましくは、厚膜導体ペーストを所定のパターンで塗布し、焼成することによってメタライズ層となすことによって形成することができる。厚膜導体ペーストとしては、好ましくは、Ａｇを主成分とする金属ペースト、例えばＡｇ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｇ／Ｐｄペーストなど、あるいはＣｕペースト、Ａｕペーストなどの各種の金属ペーストを用途により使い分けることができる。かかるメタライズ層の厚さは、広い範囲で変更することができるというものの、通常、約５〜３０μｍである。
【００４３】
筐体の形成のためにセラミック基板と組み合わせて用いられる蓋部材は、特に限定されるものではなく、前記したように、平板状でもよく、平板に凹部を備えた箱状でもよい。蓋部材のサイズは、上記したセラミック基板に準じる。また、蓋部材は、基板の熱膨張係数に近い材料、例えばコバール（Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金）、４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金、セラミックスなどの金属材料から形成してもよく、あるいは例えば、ガラス、セラミックス等の絶縁材料から、ロウ付け接合部が厚膜導体ペーストでメタライズされない蓋部材を形成してもよい。この蓋部材にも、必要に応じて、配線層などの加工が施されたりしていてもよい。
【００４４】
本発明の電子装置において、その筐体は、セラミック基板と蓋部材を低温金属ロウ材を介して溶着することによって一体化され、気密封止される。セラミック基板と蓋部材の溶着は、セラミック基板上に、その表面にすでに形成されている厚膜導体ペーストからなるメタライズ層の上に蓋部材の裏面が当接するようにして蓋部材を載置した後、その当接面を低温金属ロウ材からなる接合層を介して接合することにより行う。低温金属ロウ材を常法に従ってロウ付けすることによって、接合層を形成することができる。
【００４５】
接合層を形成するための低温金属ロウ材は、例えばＡｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金等の箔、ペーストなどを使用することができる。かかる接合層の厚さは、広い範囲で変更することができるというものの、通常、約５〜２５μｍである。
【００４６】
また、セラミック基板と蓋部材の接合強度を高めることなどのため、両者の接合構造をいろいろに改良することが推奨される。例えば、厚膜導体ペーストからなるメタライズ層の上にさらにめっき層を形成した後、上述のような接合層を設けることが好ましい。めっき層には、Ｎｉ＋Ａｕの無電解めっき層などが有用である。このようなめっき層は、工程中のロウ付け面や接合面を保護し、耐蝕性を高め、低温金属ロウ材の濡れ性を向上させるのに有効である。また、かかるめっき層の厚さは、広い範囲で変更することができるというものの、通常、無電解Ｎｉ層は３μｍ以上、Ａｕ層は約０．０５〜１μｍである。
【００４７】
本発明による電子装置は、いろいろな手法を使用して製造することができるけれども、平板状のセラミック基板を形成した後、そのセラミック基板の表面に厚膜導体ペーストからメタライズ層を形成し、セラミック基板のメタライズ層と蓋部材とを低温金属ロウ材を介して溶着することによって有利に製造することができる。
【００４８】
本発明の電子装置は、特に、次のような工程を順に実施することによって有利に製造することができる。なお、それぞれの工程において、その詳細がすでに説明されている時は、その重複した説明を省略する。
（１）セラミック基板の形成
プレス成形法、押出成形法、ドクターブレード法などによってグリーンシートを成形し、さらにこれを焼成して平板状のセラミック基板を形成する。
（２）キャビティの形成
セラミック基板の表面に、電子要素を収容するキャビティを形成する。また、このキャビティの形成と同時に、あるいはその前後で、電気的導通部を形成するためのスルーホールやその他の加工部を形成する。
（３）電気的導通部の形成
セラミック基板に後加工で貫通させたスルーホールに本発明に従い導電性組成物を充填し、熱処理する。緻密であり、気密封止性と導通性に優れた電気的導通部が得られる。
（４）メタライズ層の形成
セラミック基板の表面に予め定められたパターンで厚膜導体ペーストを塗布し、焼成することによってメタライズ層を形成する。
【００４９】
また、セラミック基板と蓋部材の溶着は、引き続く工程で形成される接合層を介して有利に実施することができるけれども、さらに好ましくは、すでに形成されているメタライジング層の上に、めっき層、好ましくはＮｉ＋Ａｕの無電解めっき層を形成することができる。このめっき層には耐蝕性を改善する働きなどがあり、両者間においてより高められた接合強度を得ることができるからである。
（５）電子要素の実装
セラミック基板に形成したキャビティに電子要素を実装する。実装方法は、常用の技法を使用して実施することができる。例えば、セラミック基板上の配線層に導電ペーストを介して電子要素を実装することができる。また、導電ペーストの使用以外の実装方法としては、例えば、ＢＧＡ法、ロウ付け法などを挙げることができる。
（６）接合層の形成
セラミック基板及び（又は）蓋部材の接合位置に低温金属ロウ材を配設して接合層を形成する。
（７）セラミック基板と蓋部材の溶着
セラミック基板と蓋部材を接合層を介して溶着する。目的とする電子装置が得られる。得られた電子装置は、通常、完成検査に供される。
【００５０】
【実施例】
引き続いて、本発明をその実施例について説明する。なお、本発明は、下記の実施例で特に水晶振動子の製造を参照して説明するが、本発明はこの実施例によって限定されるものではないことを理解されたい。
【００５１】
図７は、本発明による電子装置である水晶振動子の好ましい１形態を示した断面図である。水晶振動子１０は、平板状のセラミック基板２と、その表面を覆ったコバール製の蓋部材３とから構成される筐体を備えている。セラミック基板２は、アルミナを主原料として含むスラリーの成形により得たグリーンシートを焼成することによって製造したものである。セラミック基板２の表面には、キャビティ１２がグリーンシートの焼成後に加工されている。キャビティ１２と箱型の蓋部材３の内部空間とによって規定される空間には、水晶振動体１が実装されている。水晶振動体１の一端は、セラミック基板２の表面に形成された配線層２６の上に導電ペースト２４を介して取り付けられている。配線層２６は、図示されるように、蓋部材３と導通しないように縁切りされている。また、この配線層２６は、セラミック基板２を貫通して形成された電気的導通部２３を介してセラミック基板２の裏面（筐体の表面）に形成された配線層２２に接続されている。電気的導通部２３は、本発明に従い導電性組成物の熱処理によって形成されたものである。また、配線層２１、２２及び２６は、セラミック基板２の表面に厚膜導体ペースト（低温焼成金属ペースト：Ａｇ／Ｐｄペースト）を塗布し、焼成すること（メタライズ加工）によって形成されたものである。また、図示していないが、厚膜導体ペーストから形成された配線層の上にめっき層、例えばＮｉ＋Ａｕの無電解めっき層が施される。
【００５２】
セラミック基板２と蓋部材３とは、図示のように、セラミック基板２の上に順次形成された配線層２１と低温金属ロウ材からなる接合層２５を介して溶着されている。ここで使用した低温金属ロウ材は、２０％Ｓｎ−Ａｕからなるロウ材である。また、このロウ材に代えて、同様な組成のペーストなどを使用してもよい。
【００５３】
図８は、図７の水晶振動子の１変形例である。この水晶振動子１０では、セラミック基板２とソーダガラスよりなる蓋部材３とが、セラミック基板２の上に形成された低融点ガラスよりなる接合層２９を介して溶着されている。その他の構成は、図７の水晶振動子に基本的に同じである。
【００５４】
図９は、本発明による電子装置である水晶発振器の好ましい１形態を示した断面図である。水晶発振器５０は、図示の通り、先に図７を参照して説明した水晶振動子１０を備えるとともに、そのセラミック基板２の裏面に、ＩＣチップ４０が実装されている。ＩＣチップ４０は、ポリイミド樹脂４１で基板上に封止されるとともに、ボンディングワイヤ４２を介して配線層２２に接続されている。装置の気密封止には、蓋部材４３が用いられている。
【００５５】
また、図１０及び図１１は、図７に示した水晶振動子の製造工程を順を追って示した断面図である。
工程（Ａ）：セラミック基板の形成
セラミック粉末、バインダ、可塑剤、分散剤、溶剤を混合してスラリーを調製し、このスラリーから、ドクターブレード法によって厚さ１３０μｍのグリーンシートを成形する。４枚のグリーンシートを積層し、酸化雰囲気中で約１５５０〜１６５０℃で約１時間にわたって焼成する。厚さ４００μｍの平板状のセラミック基板２が得られる。
工程（Ｂ）：キャビティ及びスルーホールの形成
セラミック基板２の表面に、図示のような直方体状のキャビティ１２をホーニングによって形成する。また、このキャビティ１２の形成と同時に、電気的導通部を形成するためのスルーホール１３もレーザートリミングによって形成する。スルーホール１３の孔径は、約１５０μｍである。
工程（Ｃ）：電気的導通部、配線層などの形成
本発明のペースト状導電性組成物をスルーホール１３に充填し、所定の温度で熱処理して、緻密に充填された電気的導通部２３を形成する。
【００５６】
次いで、Ａｇ／Ｐｄ厚膜ペーストをセラミック基板２の表裏両面に予め定められたパターンで塗布する。その後、Ａｇ／Ｐｄ厚膜ペーストを酸化雰囲気中で約８５０℃で約１時間にわたって焼成する。メタライズ層からなる配線層２１、２２及び２６が形成される。
工程（Ｄ）：めっき層の形成
上記のようにして形成した配線層２１、２２及び２６の上に、３μｍ厚のＮｉ＋０．５μｍ厚のＡｕの無電解めっき層２７及び２８を形成する。これらのめっき層は、工程中のロウ付け面や接合面の耐蝕保護と低温金属ロウ材の濡れ性の向上に有効である。なお、以下の工程では、説明の簡略化のため、これらのめっき層がないものとして説明を継続する。
工程（Ｅ）：水晶振動体の実装
セラミック基板２の配線層２１上に水晶振動体１を実装する。配線層２６の所定の部位と水晶振動体１の一端に導電ペースト（Ａｇ含有熱硬化性樹脂）を塗布し、約１８０℃で硬化処理する。なお、この段階で水晶振動体の周波数調整も行う。
工程（Ｆ）：接合層の形成
セラミック基板２の蓋部材接合位置に低温金属ロウ材（Ａｕ−Ｓｎロウ）を配設して接合層２５を形成する。
工程（Ｇ）：セラミック基板と蓋部材の溶着
セラミック基板２とコバール（Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金）製の蓋部材３を接合層２５を介してロウ付けにより溶着する。完全に気密封止された水晶振動子１０が得られる。
【００５７】
また、上述のような一連の製造工程において、蓋部材としてコバールに代えてガラス（絶縁材料）を使用し、セラミック基板と蓋部材を低融点ガラスを介して溶着すると、図８に模式的に示した水晶振動子１０が得られる。最後に、この水晶振動子１０の完成検査を行う。
〔評価試験〕
セラミック基板に開孔したスルーホールに、異なる組成又は特性を有するペースト状導電性組成物をスクリーン印刷で充填し、熱処理して電気的導通部を作製した。それぞれのセラミック基板の電気的導通部を、（１）気密性、（２）体積固有抵抗値及び（３）印刷性の３項目に関して評価した。以下に、本例で使用した評価方法を説明する。
（１）気密性の評価
供試基板をヘリウム・リーク・デテクタ、「ＭＳＥ−ＨＡＵ」（商品名、島津製作所社製）に搭載し、電気的導通部から漏れたヘリウム量の測定値から気密性を○及び×で評価した。
【００５８】
ヘリウム漏出量 １×１０−９ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ〔Ｈｅ〕以上…×
ヘリウム漏出量 １×１０−９ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ〔Ｈｅ〕未満…○
この測定法の詳細については、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｂを参照されたい。
（２）体積固有抵抗値の評価
電気的導通部の体積固有抵抗値を抵抗測定装置、「ミリオームテスター」（商品名、日置電機社製）で測定し、６×１０−６Ω・ｃｍ以上を×、６×１０−６Ω・ｃｍ未満を○とした。なお、基準とした体積固有抵抗値６×１０−６Ω・ｃｍは、水晶振動子で有利に使用できるレベルを考慮して設定したものである。
（３）印刷性の評価
ペースト状導電性組成物をスクリーン印刷でスルーホールに充填する際の難易度と印刷後の充填状態を総合的に判断して、不満足な結果が得られたものを×、許容し得る結果が得られたものを△、満足な結果が得られたものを○とした。
実施例１
本例では、導電性組成物の銀粒子／ガラス粉末の配合比（重量比）の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００５９】
まず、下記の組成のスラリーを調製した。
【００６０】
【００６１】
別に、下記の第１表に記載のような組成及び特性のペースト状導電性組成物を調製した。なお、ここで使用した銀粒子は、還元銀粉（福田金属箔粉社製）、ガラス粉末は、ホウ珪酸鉛ガラスのフリットであり、また、ビヒクルは、メチルセルロース（第一工業社製）であった。
【００６２】
この導電性組成物をセラミック基板のスルーホールにスクリーン印刷法を用いて充填し、乾燥の後、ガラスの軟化温度に対応して７００〜８００℃で熱処理した。
【００６３】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第１表に記載のような評価結果が得られた。
【００６４】
【表１】
上記第１表に記載の評価結果から理解されるように、ガラス粉末の配合量が所定の範囲を外れると、それが少なすぎても、あるいは多すぎても、気密性と体積固有抵抗値が低下する。銀粒子とガラス粉末の配合物において、銀の配合量は、８５〜９０重量％の範囲が最適であると考察される。導電性組成物の印刷性は、すべての電気的導通部において良好であることが確認された。
実施例２
本例では、導電性組成物中で使用するガラス粉末の軟化温度の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００６６】
前記実施例１に記載の手法を繰り返したが、本例では、下記の第２表に記載するように、銀／ガラスの配合量（重量比）を一定の値（９０／１０）で維持するとともに、ガラス粉末として、４７５〜７７５℃の範囲の異なる軟化温度を有するガラスのフリットを使用した。
【００６７】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第２表に記載のような評価結果が得られた。
【００６８】
【表２】
また、上記の評価試験において、銀／ガラスの配合量（重量比）を９０／１０から８５／１５に変更した場合にも、比較可能な評価結果が得られた。
【００７０】
上記第２表に記載の評価結果から理解されるように、ガラス粉末の軟化温度は５５０〜６５０℃の範囲が最適であり、その範囲を外れたガラスフリットを使用すると、軟化温度が低すぎても、あるいは高すぎても、気密性が低下する。導電性組成物の印刷性と体積固有抵抗値は、すべての電気的導通部において良好であることが確認された。
実施例３
本例では、導電性組成物中で使用するビヒクル含量の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００７１】
前記実施例１に記載の手法を繰り返したが、本例では、下記の第３表に記載するように、銀／ガラスの配合量（重量比）を一定の値（９０／１０）で維持するとともに、ビヒクル含量を３〜２５重量部の範囲で変更した。
【００７２】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第３表に記載のような評価結果が得られた。なお、表中の「−」は、印刷性が悪くて評価試験を行えなかったことを示す。
【００７３】
【表３】
また、上記の評価試験において、銀／ガラスの配合量（重量比）を９０／１０から８５／１５に変更した場合にも、比較可能な評価結果が得られた。
【００７５】
上記第３表に記載の評価結果から理解されるように、導電性組成物中で使用するビヒクルの含量には最適値が存在する。ビヒクル含量が多すぎると、電気的導通部に隙間ができ、気密性が低下してしまう。銀粒子／ガラス粉末の配合物に対するビヒクルの含量は、５〜２０重量部の範囲が最適である。印刷性は、ビヒクル含量が少なすぎると悪くて、ビヒクル含量を高めるにつれて徐々に改善されることが確認された。
実施例４
本例では、導電性組成物中で使用するガラス粉末の粒径の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００７６】
前記実施例１に記載の手法を繰り返したが、本例では、下記の第４表に記載するように、銀／ガラスの配合量（重量比）を一定の値（９０／１０）で維持するとともに、ガラス粉末の５０％平均粒径／最大粒径を０．４／１０μｍ〜２０／７５μｍの範囲で変更した。
【００７７】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第４表に記載のような評価結果が得られた。なお、表中の「−」は、印刷性が悪くて評価試験を行えなかったことを示す。
【００７８】
【表４】
また、上記の評価試験において、銀／ガラスの配合量（重量比）を９０／１０から８５／１５に変更した場合にも、比較可能な評価結果が得られた。
【００８０】
上記第４表に記載の評価結果から理解されるように、導電性組成物中で使用するガラス粉末の粒径は、小さすぎても、大きすぎても、不可である。ガラス粉末は、その最大粒径が５０μｍ以内であり、かつ平均粒径が１〜１０μｍの範囲内であることが最適である。ガラス粉末の粒径は、電気的導通部の気密性、体積固有抵抗値及び印刷性のすべてに影響を及ぼすということが確認された。
実施例５
本例では、導電性組成物中で使用する銀粒子の粒径の変化が、得られる電気的導通部の特性にいかに影響するかを考察した。
【００８１】
前記実施例１に記載の手法を繰り返したが、本例では、下記の第５表に記載するように、銀／ガラスの配合量（重量比）を一定の値（９０／１０）で維持するとともに、銀粒子の５０％平均粒径／最大粒径を０．５／８μｍ〜２０／７５μｍの範囲で変更した。
【００８２】
得られた電気的導通部を上述の評価項目に関して試験したところ、下記の第５表に記載のような評価結果が得られた。なお、表中の「−」は、印刷性が悪くて評価試験を行えなかったことを示す。
【００８３】
【表５】
また、上記の評価試験において、銀／ガラスの配合量（重量比）を９０／１０から８５／１５に変更した場合にも、比較可能な評価結果が得られた。
【００８５】
上記第５表に記載の評価結果から理解されるように、導電性組成物中で使用する銀粒子の粒径は、小さすぎても、大きすぎても、不可である。銀粒子は、その最大粒径が５０μｍ以内であり、かつ平均粒径が１〜１０μｍの範囲内であることが最適である。銀粒子の粒径は、電気的導通部の気密性、体積固有抵抗値及び印刷性のすべてに影響を及ぼすということが確認された。
【００８６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、電子装置を製造する際に有用な回路基板が得られる。この回路基板は、製造が容易で製造コストの低減を図ることができるばかりでなく、電気的導通部を形成するときに、固有抵抗値、印刷性及び気密封止性のすべてを満足させることができる。
【００８７】
また、本発明によれば、気密性に優れ、長期間にわたる使用でも特性の劣化や故障などを生じない電子装置、例えば水晶振動子、水晶発振器、半導体装置などを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の表面実装型水晶発信器の構成を示した断面図である。
【図２】本発明による回路基板の好ましい１形態を示した断面図である。
【図３】図２に示した回路基板における電気的導通部の形成について説明した断面図である。
【図４】電気的導通部の形成における欠陥の発生状態を説明した断面図である。
【図５】電気的導通部の形成における欠陥の発生状態を説明した断面図である。
【図６】電気的導通部の形成における欠陥の発生状態を説明した断面図である。
【図７】本発明による電子装置の好ましい１形態を示した断面図である。
【図８】本発明による電子装置のもう１つの好ましい形態を示した断面図である。
【図９】本発明による電子装置のさらにもう１つの好ましい形態を示した断面図である。
【図１０】図７に示した電子装置の製造工程の前半を順を追って示した断面図である。
【図１１】図７に示した電子装置の製造工程の後半を順を追って示した断面図である。
【符号の説明】
１…電子要素（水晶振動体）
２…セラミック基板
３…蓋部材
５…銀粒子
６…ガラス粉末
１０…電子装置（水晶振動子）
１２…キャビティ
１３…スルーホール
２０…回路基板
２３…電気的導通部
４０…ＩＣチップ
５０…電子装置（水晶発振器）
Claims (20)
- 気密封止された電子装置の製造において筐体の一部として用いられるものであって、仕上げ加工後の絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に後加工で貫通せしめられたスルーホールとを有する回路基板において、
前記スルーホールに、平均粒子径が１〜１０μｍの範囲である銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部が形成されているとともに、
前記電気的導通部は、回路基板の上面から下面をまっすぐ貫通するように形成されており、
前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ
前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有していること
を特徴とする回路基板。 - 前記絶縁基板が、無機粉末とバインダを含む複合物を焼成して形成されたセラミック基板であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
- 前記銀粒子の最大粒子径が５０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路基板。
- 前記ガラス粉末が、ホウ珪酸鉛ガラスの粉末であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板。
- 前記ガラス粉末の平均粒子径が、１〜１０μｍの範囲であり、かつその最大粒子径が５０μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路基板。
- 前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記ビヒクルの含有量が、５〜２０重量％の範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回路基板。
- 電子要素を収納するためのキャビティをその表面にさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回路基板。
- 前記電子要素が水晶振動体であり、前記回路基板が、水晶振動子を気密封止する筐体の一部を構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回路基板。
- 絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に形成された電気的導通部とを有する、気密封止された電子装置の製造において筐体の一部として用いられる回路基板を製造する方法において、
無機粉末とバインダを含む複合物を焼成して、セラミックスからなる平板状の絶縁基板を仕上げ加工し、
前記絶縁基板の所定の位置に、その基板を貫通する少なくとも１個のスルーホールを後加工し、
前記スルーホールに、平均粒子径が１〜１０μｍの範囲である銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って、回路基板の上面から下面をまっすぐ貫通するように形成された電気的導通部を形成するとともに、その際、
前記導電性組成物として、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有している組成物を使用すること
を特徴とする回路基板の製造方法。 - 前記導電性組成物において、前記銀粒子の最大粒子径が５０μｍであることを特徴とする請求項９に記載の回路基板の製造方法。
- 前記導電性組成物において、前記ガラス粉末が、ホウ珪酸鉛ガラスの粉末であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の回路基板の製造方法。
- 前記導電性組成物において、前記ガラス粉末の平均粒子径が、１〜１０μｍの範囲であり、かつその最大粒子径が５０μｍであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
- 前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記ビヒクルの含有量が、５〜２０重量％の範囲であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
- 回路基板と、該回路基板の表面を覆った蓋部材とから構成される筐体を含み、該筐体の内部に少なくとも１個の電子要素が実装されている、気密封止された電子装置において、
前記回路基板が、仕上げ加工後の絶縁基板と、該絶縁基板の所定の位置に後加工で貫通せしめられたスルーホールとを備えてなり、
前記スルーホールに、平均粒子径が１〜１０μｍの範囲である銀粒子、ガラス粉末及びビヒクルを含む導電性組成物を充填し、熱処理を行って電気的導通部が形成されており、
前記電気的導通部は、回路基板の上面から下面をまっすぐ貫通するように形成されており、そして
前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記銀粒子の含有量が、８５〜９０重量％の範囲であり、かつ
前記ガラス粉末のガラスが、５５０〜６５０℃の軟化温度を有していること
を特徴とする電子装置。 - 前記絶縁基板が、無機粉末とバインダを含む複合物を焼成して形成されたセラミック基板であることを特徴とする請求項１４に記載の電子装置。
- 前記導電性組成物において、前記銀粒子の最大粒子径が５０μｍであることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の電子装置。
- 前記導電性組成物において、前記ガラス粉末が、ホウ珪酸鉛ガラスの粉末であることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の電子装置。
- 前記導電性組成物において、前記ガラス粉末の平均粒子径が、１〜１０μｍの範囲であり、かつその最大粒子径が５０μｍであることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の電子装置。
- 前記導電性組成物において、前記銀粒子とガラス粉末の合計量に対する前記ビヒクルの含有量が、５〜２０重量％の範囲であることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の電子装置。
- 前記電子要素が水晶振動体であり、前記回路基板と前記筐体とで気密封止された水晶振動子が構成されていることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の電子装置。
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