JP4697755B2

JP4697755B2 - 多層セラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JP4697755B2
Application number: JP2008326170A
Authority: JP
Inventors: テパク、ウン; ジコ、ミン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: US20090159179A1; JP2009152614A; KR20090066862A

Description

本発明は多層セラミック基板の製造方法に関するもので、より詳しくは、セラミック積層体と外部電極との固着強度を向上させるための多層セラミック基板の製造方法に関する。

最近、電子部品領域において、徐々に小型化の傾向が強化、持続することによって電子部品の精密化、微細パターン化及び薄膜化を通じた小型モジュール及び基板が開発されている。しかし、通常使用される印刷回路基板（ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ、ＰＣＢ）を小型化された電子部品に用いた場合、サイズの小型化、高周波領域での信号損失及び高温高湿時の信頼性の低下のような短所が生じた。

このような短所を克服するため、ＰＣＢ基板ではなく、セラミックを用いた基板が使用されている。セラミック基板の主成分は低温同時焼成が可能なガラスが多量含まれたセラミック組成物である。

低温同時焼成セラミック（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃ、多層セラミック）基板を製造する方法は様々であるが、その中で焼成時セラミック基板が収縮するか否かによって収縮工法及び無収縮工法に分類することができる。

具体的に、焼成時セラミック基板が収縮するようにして製造する方法が収縮工法である。しかし、収縮工法はセラミック基板の収縮の程度が全体的に均一に発生するものではないため、基板の面方向に対して寸法の変形が生じる。このようなセラミック基板の面方向の収縮は基板内に含まれた印刷回路パターンの変形を引き起こしてパターン位置の精密度の低下及びパターンの断線などのような問題点が発生する。従って、収縮工法による問題点を解決すべく、焼成時セラミック基板の面方向の収縮を防ぐための無収縮工法が提案されている。

無収縮工法とは、セラミック基板の両面に拘束層を形成して焼成する方法である。この場合、拘束層はセラミック基板が焼成される温度で収縮され収縮制御が容易な物質を用いることができる。このような拘束層により、焼成時セラミック基板の面方向の収縮は起きず厚さ方向にのみ収縮されることができるようになる。

一方、焼成を通してセラミック基板が収縮すると、拘束層を除去して外部電極を形成し、セラミック基板と外部電極との固着のために再焼成する。この場合、セラミック基板に残存するガラス量によってセラミック基板と外部電極の固着強度が決められることができる。しかし、焼成時、セラミック基板に含まれたガラス成分が結晶化され、基板に残存するガラス量が著しく減少するようになる。これによって、セラミック基板に外部電極を形成した後、再焼成してもセラミック基板と外部電極の固着強度が大きく落ちることがある。

本発明は上述の問題点を解決するためのもので、本発明の目的は、１次焼成時、セラミック積層体に含まれたガラス成分が結晶化しないようにしてガラス成分を残存させることにより、２次焼成時セラミック積層体と外部電極の固着強度を向上させることができる多層セラミック基板の製造方法を提供することにある。

以上のような目的を達成すべく、本発明の一実施例による多層セラミック基板の製造方法は、ガラス成分が含有されたセラミック積層体を製造する段階、上記セラミック積層体の上部および下部の少なくとも一方に拘束層を積層する段階、上記セラミック積層体に含有されたガラス成分が結晶化されない第１温度範囲で１次焼成する段階、上記１次焼成が完了すると、上記拘束層を除去し上記セラミック積層体上に外部電極を形成する段階、上記外部電極が形成されたセラミック積層体を上記第１温度範囲より高い第２温度範囲で２次焼成する段階を含む。

この場合、上記第１温度範囲は、上記１次焼成時に上記セラミック積層体が９０％以上の緻密度を有する温度であることが好ましい。また、上記第２温度範囲は上記ガラス成分が結晶化される温度であることが好ましい。

本発明において、上記セラミック積層体に含有されたガラス成分はアノーサイト（ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）物質であることができる。この場合、上記第１温度範囲は８３０℃〜８５０℃の範囲になることができ、上記第２温度範囲は上記第１温度範囲より３０℃〜１００℃高い温度範囲になることができる。

また、上記第２温度範囲は上記外部電極が損傷されない温度範囲であることが好ましい。

本発明において、上記外部電極は、銅、ニッケル、タングステン、チタニウム、クロム、バナジウム、マンガン及びモリブデンのいずれか一つで形成されることができる。

本発明によると、セラミック積層体上に外部電極を形成した後にセラミック積層体のガラス成分が結晶化するようにすることにより、セラミック積層体と外部電極の固着強度を向上させることが可能となる。

以下では、添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
図１ａ乃至図１ｃは、本発明の一実施例による多層セラミック基板の製造方法を説明するための垂直断面図である。図１ａを参照すると、複数のグリーンシート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを積層してセラミック積層体１０を形成する。具体的に、ガラス成分−セラミック粉末１００％に対して、アクリル系バインダーを１５ｗｔ％、分散剤を０．５ｗｔ％添加し、トルエンとエタノールの混合溶媒を添加してスラリーを製造する。このスラリーを塗布して乾燥させることにより、一つのグリーンシートが備えられることができる。そして、グリーンシートの所定の位置にビアホール１１を形成して導体ペーストを充填し、内部電極１２をグリーンシートの表面にスクリーン印刷して内部回路パターンを形成することができる。このような方法で製造された複数のグリーンシート１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを積層して、図１ａに図示されたようなセラミック積層体１０を製造することができる。

図１ｂによると、図１ａで製造されたセラミック積層体１０上に拘束層を積層して１次焼成する。先ず、拘束層２０ａ、２０ｂを製造する。この場合、拘束層は平均粒径１．５μｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末１００％に対してアクリル系バインダーを１５ｗｔ％、分散剤を０.５ｗｔ％添加し、トルエンとエタノールを混合した混合溶媒を添加してスラリーを製造する。そして、スラリーをドクターブレード法を利用して塗布した後、１００μｍ厚さの拘束層を形成する。このように形成された拘束層２０ａ、２０ｂをセラミック積層体１０の上部及び下部に積層して１次焼成する。

１次焼成時、第１温度範囲はセラミック積層体１０を構成する物質の収縮が成されるが、ガラス成分が結晶化しないほどの温度になることができる。一例として、セラミック積層体１０に含まれたガラス成分がアノーサイト（Ａｎｏｒｔｈｉｔｅ：ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）の場合、アノーサイトが結晶化されない温度である８５０℃以下でセラミック積層体１０を１次焼成することができる。この場合、セラミック積層体１０の収縮を考えて８３０℃以上の焼成温度を適用しなければならないため、結果として、１次焼成のための第１温度範囲は８３０℃〜８５０℃の範囲内で適用されることができる。しかし、第１温度範囲はセラミック積層体１０の焼成温度及びガラス成分の結晶化温度によって変更されることができる。

１次焼成の結果、セラミック積層体１０は収縮して緻密化するが、ガラス成分は結晶化せずセラミック積層体１０内に残存するようになる。この場合、セラミック積層体１０は９０％以上の緻密度を有することが好ましい。

図１ｃを参照すると、セラミック積層体を２次焼成する。先ず、図１ｂに図示された１次焼成が完了すると、セラミック積層体１０上から拘束層２０ａ、２０ｂを除去し、外部電極３０を形成する。そして、２次焼成のための第２温度範囲で外部電極３０が形成されたセラミック積層体１０を焼成する。この場合、第２温度範囲はセラミック積層体１０に含まれたガラス成分が結晶化されるほどの温度で、１次焼成のための第１温度範囲より約３０℃〜１００℃程度高い温度を適用することができる。本実施例では、ガラス成分であるアノーサイトが結晶化される温度の８６０℃〜９００℃の温度が第２温度範囲として適用されることができる。これによって、セラミック積層体１０を構成するアノーサイトが結晶化してセラミック積層体１０と外部電極３０の固着強度を向上させることができるようになる。

一方、本発明において外部電極３０としては、銅、ニッケル、タングステン、チタニウム、クロム、バナジウム、マンガン及びモリブデンなどが用いられることができる。このような金属は第２温度範囲で損傷及び変形しない金属であることができる。

図２は、本発明の一実施例による１次焼成時のセラミック積層体の緻密度を表したグラフである。図１ｂに図示された通り、拘束層２０ａ、２０ｂが積層されたセラミック積層体１０を１次焼成する。この場合、セラミック積層体１０を焼結させるため第１温度範囲を適用する。第１温度範囲は、セラミック積層体１０が収縮して緻密化される場合、Ａ地点のように体積の変化（△Ｖ）による緻密度が９０％以上になるようにする温度Ｔ１になることができ、ガラス成分の結晶化が起きない温度になることができる。また、第１温度範囲Ｔ１はセラミック積層体１０を構成するセラミック粉末の焼成温度及びガラス成分の結晶化温度によって流動的に変更されることができる。

以下では、本発明による実施例を利用して製造された多層セラミック基板と下記の比較例を利用して製造された多層セラミック基板の特性を測定した。
［セラミック基板の製造］

ガラス成分−セラミック粉末１００％に対してアクリル系バインダーを１５ｗｔ％、分散剤を０．５ｗｔ％添加し、トルエンとエタノールの混合溶媒を添加した後、ボールミルを利用して分散させた。このようにして得たスラリーをフィルターで濾した後脱泡し、ドクターブレード法を利用して５０μｍ厚さのグリーンシートを成形した。このグリーンシートを一定の大きさに裁断し、所定の電極パターンをスクリーン印刷で形成した後、１４層を圧着及び積層して一定化された未焼結セラミック積層体を製作した。
［拘束層の製造］

平均粒径１．５μｍのアルミナ粉末１００％に対してアクリル系バインダーを１５ｗｔ％、分散剤を０.５ｗｔ％添加し、トルエンとエタノールの混合溶媒を添加した後、ボールミルを利用して分散させた。このようにして得たスラリーをフィルターで濾した後脱泡し、ドクターブレード法を利用して１００μｍ厚さのグリーンシートを成形して拘束層を製造した。
［１次及び２次焼成］

拘束層２０ａ、２０ｂが積層されたセラミック積層体１０を脱バインダーさせるため、常温から４５０℃まで分当たり１℃の速度に昇温した後、５時間維持した。これを常温から分当たり５℃の速度に昇温して８３０℃で５０分間維持して１次焼成した。１次焼成が完了した後、拘束層２０ａ、２０ｂを除去し導電性ペーストをセラミック積層体１０上にスクリーン印刷して外部電極３０を形成した。そして、外部電極３０が形成されたセラミック積層体１０を分当たり５℃の速度に昇温して８７０℃で５０分間維持して２次焼成した。

比較例

拘束層２０ａ、２０ｂが積層されたセラミック積層体１０を脱バインダーさせるため、常温から４５０℃まで分当たり１℃の速度に昇温した後、５時間維持した。これを常温から分当たり５℃の速度に昇温して８７０℃で５０分間維持して１次焼成した。１次焼成が完了した後、拘束層２０ａ、２０ｂを除去し導電性ペーストをセラミック積層体１０上にスクリーン印刷して外部電極３０を形成した。そして、外部電極３０が形成されたセラミック積層体１０を分当たり５℃の速度に昇温して８７０℃で５０分間維持して２次焼成した。
＜評価＞

（１）基板サイズの変化
実施例及び比較例によって製造された多層セラミック基板のサイズを測定した。これらの測定データは下記の表に表した。

表１を参照すると、１次焼成と２次焼成時に焼成温度を相違するよう適用した実施例と、１次焼成及び２次焼成時に温度を同一に適用した比較例で多層セラミック基板を製造した場合、各多層セラミック基板の横サイズの変化は０．５％程度と大きな差が無いことが分かる。また、各多層セラミック基板はサンプルの寸法の変化においてもその変化率が０．１１％程度と大きな差がないことが分かる。

（２）結晶化度の変化
実施例及び比較例によって製造された多層セラミック基板の結晶化度を測定した。

図３を参照すると、測定グラフ上において第１結晶化グラフ３ａは、２次焼成時にガラス成分が結晶化される実施例に対する結晶化度を表す。また、第２結晶化グラフ３ｂは、１次焼成時にガラス成分が結晶化される比較例に対する結晶化度を表す。第１及び第２結晶化グラフ３ａ、３ｂを比較すると、セラミック積層体１０に含まれたガラス成分が１次または２次焼成時に結晶化されても多層セラミック基板の結晶化度に大きな差がないことが分かる。

（３）セラミック積層体と外部電極の固着強度の変化
実施例及び比較例によって製造された多層セラミック基板の固着強度を測定した。

図４を参照すると、測定グラフ上において第１固着強度グラフ４ａは、本発明の実施例によるセラミック積層体１０と外部電極３０の固着強度を表し、第２固着強度グラフ４ｂは、比較例によるセラミック積層体１０と外部電極３０の固着強度を表す。第１及び第２固着強度グラフ４ａ、４ｂを比較すると、１次焼成時にガラス成分の結晶化が起きるより、セラミック積層体１０に外部電極３０が形成された後に結晶化が起きることがより良い固着強度を有することが分かる。

表１、図３及び図４に表したように、２次焼成段階でセラミック積層体１０に含まれたガラス成分が結晶化されても、多層セラミック基板のサイズ及び結晶化度に影響を与えず、セラミック積層体１０と外部電極３０の固着強度を向上させることができるようになる。

なお、拘束層は、セラミック積層体の上部および下部の何れか一方に積層してもよい。

以上では本発明の好ましい実施例について図示して説明したが、本発明は上述の特定の実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有している者により多様な変形実施が可能であり、かつ、このような変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解されてはならない。

本発明の一実施例による多層セラミック基板の製造方法を説明するための垂直断面図である。本発明の一実施例による多層セラミック基板の製造方法を説明するための垂直断面図である。本発明の一実施例による多層セラミック基板の製造方法を説明するための垂直断面図である。本発明の一実施例による１次焼成時のセラミック基板緻密度を表したグラフである。実施例及び比較例によって製造された多層セラミック基板の特性を測定した結果のグラフである。実施例及び比較例によって製造された多層セラミック基板の特性を測定した結果のグラフである。

符号の説明

１０セラミック積層体
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄグリーンシート
１１ビアホール
１２内部電極
２０ａ、２０ｂ拘束層
３０外部電極

Claims

ガラス成分が含有されたセラミック積層体を製造する段階と、
前記セラミック積層体の上部および下部の少なくとも一方に拘束層を積層する段階と、
前記セラミック積層体に含有されたガラス成分が結晶化されない第１温度範囲で１次焼成する段階と、
前記１次焼成が完了すると、前記拘束層を除去し前記セラミック積層体上に外部電極を形成する段階と、
前記外部電極が形成されたセラミック積層体を前記第１温度範囲より高い第２温度範囲で２次焼成する段階と、を含む多層セラミック基板の製造方法。
前記積層する段階は、前記セラミック積層体の上部および下部の両方に拘束層を積層する請求項１に記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記第１温度範囲は、
前記１次焼成時に前記セラミック積層体が９０％以上の緻密度を有する温度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記第２温度範囲は、
前記ガラス成分が結晶化される温度であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記セラミック積層体に含有されたガラス成分は、アノーサイト（ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）物質であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記第１温度範囲は、８３０℃〜８５０℃範囲であることを特徴とする請求項５に記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記第２温度範囲は、
前記第１温度範囲より３０℃〜１００℃高い温度範囲であることを特徴とする請求項６に記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記第２温度範囲は、前記外部電極が損傷されない温度範囲であることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の多層セラミック基板の製造方法。
前記外部電極は、
銅、ニッケル、タングステン、チタニウム、クロム、バナジウム、マンガン及びモリブデンのいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の多層セラミック基板の製造方法。