JP4744609B2 - セラミック部品要素、セラミック部品及びその製造方法 - Google Patents

セラミック部品要素、セラミック部品及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、セラミック部品要素、セラミック部品及びその製造方法に関する。
電子機器の高機能化の要求に応じて、高集積化に必要な機能性セラミック部品の使用が増加している。このような素子としては、例えば、静電気放電などから半導体素子を保護し、最終電子機器の誤作動を防止する素子のチップバリスターと、周辺温度変化を感知し、抵抗が変化しながらマイコンなどの能動素子に危険数値を伝達する役割をするチップサーミスターなどを挙げることができる。
このような従来の機能性セラミック部品は、日本の村田のチップサーミスターやTDKのチップバリスターのように伝統的な積層チップ製造工程により製造される。すなわち、金属酸化物とバインダーが一定割合で混合されて製造されたグリーンシートと、これらグリーンシートの電気的な連結を担当する内部電極が次第に積層され、印刷される工程を繰り返して行った後、圧着及び焼成過程を経ることにより、機械的強度と電気的特性が具現される。
このような積層工程を行った機能性セラミック部品は、グリーンシートが焼成されて変換された機能性セラミックシートと内部電極のみで構成され、これら機能性セラミックシートは、内部電極が互いに対応して電気的特性を有する部分であるアクティブ層と、該アクティブ層の上部及び下部に位置し、アクティブ層を保護し、機械的強度を保持する部分であるカバー層で構成されている。
このような積層工程を適用した機能性セラミック部品は、グリーンシートと内部電極のみで製造されるため、下記のような問題がある。
（１）グリーンシートが高価の金属酸化物で構成されているため、製品価額が高い。
(２)複数のグリーンシート積層により製造されるため、積層時に発生したグリーンシート厚さの累積偏差は、焼成後にも影響を与えることになり、最終製品において、大きな厚さ偏差を引き起こすことになる。
(３)通常、カバー層の厚さが、アクティブ層の厚さに比べて厚いため、圧着する工程において、中間部分に存在するアクティブ層まで十分な圧力が伝達されなく、アクティブ層の厚さの均一性をなすのに限界があり、これは最終製品の特性散布に影響を与える。
(４)通常、一定厚さ以上のカバー層を構成しないと、機械的強度を保持できないため、最終製品の厚さの下限に制限を有する。
(５)異種材質の接合による複合機能のセラミック部品の製造が難しい。これは、希望する複合機能の具現のために、焼成温度と熱膨張係数などが正確に一致する異種の機能性セラミックを調べるのが確率的に非常に低いためである。
(６)電気的な特性を発揮するアクティブ層がカバー層で重なっているので、積層工程以後には、製品特性を補完し、歩留まりを向上できる追加工程を適用するのが困難である。
上記積層工程を適用した更に他の例は、低温同時焼成(Low-temperature co-firing:LTCC)工程であって、チップセラミックインダクター及びモジュールに適用されている。LTCC技術もグリーンシートと内部電極で構成される通常的な工程によるため、上記のような問題がある。
また、他の従来の機能性セラミック部品の製造方法は、通常のチップ抵抗の製造工法を応用したものである。この工法は、機能性セラミックパウダーをバインダー、乳化剤、固着剤などで混合した機能性ペーストで作製した後、既に焼成されたアルミナベースなどの絶縁性セラミックベース上にスクリーン印刷法により機能性ペーストを印刷した後、焼成して製造する。このような製品において、絶縁セラミックベースは、機械的強度と寸法を保持する役割をし、印刷されたペースト層は、焼成過程を経て電気的特性を発揮する機能性セラミックシートの役割をする。このような厚膜印刷方式のチップ抵抗工法応用製品は、機能性セラミックを印刷法により形成するため、次のような問題がある。
(１)スクリーンを用いた印刷法により形成するため、スクリーンのエマルジョン偏差及び印刷ムラなどの原因で、均一な厚さの機能性セラミックシートを提供するのが困難である。特に、印刷される面積が広い範囲に存在する場合、厚さ偏差がひどくなり、最終製品の電気的特性散布を広めることになる。
(２)印刷工法では一定厚さ以上の機能性セラミックシートを提供するのが困難である。すなわち、希望する電気的特性を具現するのに限界がある。また、厚く機能性セラミックを形成するために、複数回の印刷工程を繰り返すのが非常に不便であり、生産費用が増加する。
(３)印刷可能な粘度範囲内でペーストを製造すべきであるため、電気的特性の具現に限界がある。
(４)スクリーン印刷後、乾燥及び焼成により特性が具現されるため、グリーンシート積層工程における圧着工程がなく、機能性金属酸化物間の緻密化が少なくなり、最終製品の電気的特性を満たすのが困難である。
(５)焼成後、絶縁セラミックベースと機能性セラミックシートの接合が不安定であり、小さな熱衝撃又は機械的衝撃により機能性セラミックシート内にクラックが発生し易く、接合面が剥がれ易い。
(６)厚膜印刷工程の精度の限界により精密な製品を作製するのが困難である。
上記のような理由により、印刷工法を適用した製品は、チップ抵抗製品群にのみ適用されている実態である。
前記グリーンシート積層工程と前記印刷工法による機能性セラミックチップ部品において、セラミックチップ部品の価格を下げるため、日本KOA社のNT７３シリーズのチップサーミスターやドイツVISHAY社の一部サーミスター製品は、チップ抵抗工法を応用した前記印刷工法を適用して開発及び製造された製品群である。しかしながら、上述の印刷法の問題より、±１％以内の高精密製品の生産と材料設定に制約事項が多い。よって、該当社では、これを解決するための研究が続いて行われている。
また、他の従来技術は、半導体製造工程で使用されるセラミック部品のうち、別途の接着剤を使用して焼成された絶縁セラミックベース上に焼成された機能性セラミックシートを接着させ、機能性セラミックチップ部品を製造するのである。しかしながら、この技術を適用するには、別途の接着剤を使用すべきであるため、工程が複雑で困難であり、寸法を小さくするのに限界があり、製造コストが高いという問題がある。
更に他の従来の技術は、半導体製造工程のように、絶縁セラミックベース上に機能性セラミックターゲットを真空蒸着、プラズマコーティング、又は溶射方式により形成し、薄膜の機能性セラミック部品を製造する方式である。しかしながら、この技術を提供するなら、高価の真空チャンバーなど別途の設備が必要であり、この工程に適用される電気機能性素子を開発するのが非常に困難であり、機能性セラミックの厚さを厚くし難いため、希望する電気的特性を有する製品を製造するのに限界がある。
一方、日本国特開第２００５−２９４６７３号公報において、バリスター層と、バリスター層を積層した基板を備え、バリスター層は、少なくとも酸化ビスマスを含有した材料でなり、バリスター層と基板を焼結して酸化ビスマスが基板に拡散し、酸化ビスマス拡散層を形成した静電気対策部品を提案している。
しかしながら、この技術によると、単に拡散層を形成することのみでは、量産時にバリスター層とアルミナ基板が信頼性よく結合しないという問題がある。すなわち、前記拡散層のみ提供する技術としては、次のような問題があり、電気的及び機械的に信頼性ある製品を生産するのが困難である。
（１）グリーンシートをアルミナ基板上に単に積層する工程のみでは、前記グリーンシートをアルミナ基板表面に均一かつ信頼性ある物理的密着力を提供できなく、これにより、以後工程であるバインダーバンーアウト(binder burn-out:有機溶剤除去工程)、焼成工程を経て下記の２つの問題が発生することがある。
すなわち、焼成される過程において、アルミナ基板上に積層されたグリーンシートは 、X,Y及びZ軸方向に焼成収縮が発生するが、アルミナ基板とグリーンシートの接合面 においては、このような焼成収縮を制御するほどの物理的密着力が大きくないため、焼 成以後、バリスター層はアルミナ基板と完全に分離できる。
また、前記のように完全に分離されなくても、バリスター層とアルミナ基板の接合面 中の一部分における膨らむ現象がある恐れがあり、前記のような接合面の膨らむ現象は 、バリスター層が形成されたアルミナ基板を単一チップで分割する工程において、バリ スター層が亀裂又は破損する原因を提供することになり、最終製品の物理的、電気的及 び機械的特性に悪影響を与える。
(２)前記特許におけるバリスター組成中、添加剤として用いられた酸化ビスマスは、融点が８２５℃の代表的なガラス添加物であり、前記酸化ビスマスの完全な溶融による電気的特性の問題点を防止するため、前記のような低融点のガラス添加物が含有されたバリスター組成物は、１０００℃未満で焼成する条件を有することになる。
よって、酸化ビスマスが含まれたバリスターとアルミナ基板との接合が、１０００℃未満で焼成されたものであれば、前記の接合は、酸化ビスマスの溶融によるガラス接合と見れるため、前記接合部位は、熱衝撃に弱く、信頼性ある電気的特性を有するのが困難である。
よって、本発明の目的は、個別セラミックの電気的、機械的特性が全く異なり、使用目的が全く異なる複数のセラミック材料をクラックや歪み現象がなく、高い信頼性で接合したセラミック部品要素及びセラミック部品、そしてこれを製造する方法を提供するのである。
本発明の他の目的は、製造コストを大幅に低減できるセラミック部品を提供するのである。
本発明の他の目的は、機械的強度を十分に有する軽薄短小のセラミック部品を提供するのである。
本発明の他の目的は、機能性セラミックシートの厚さを均一にでき、緻密化過程により高密度で維持され、電気的特性が優れ、かつ信頼性あるセラミック部品を提供するのである。
本発明の他の目的は、別途の接着剤なしに、絶縁セラミックベース上に機能性セラミックシートが高い信頼性を有して接合されたセラミック部品を提供するのである。
本発明の他の目的は、機能性セラミックシートの厚さを調整できる機能性セラミック部品を提供するのである。
本発明の他の目的は、様々な特性の機能性酸化物組成でなるグリーンシートの選択により、様々な電気的特性を有するセラミック部品を提供するのである。
本発明の更に他の目的は、製品の電気的特性偏差散布を低減させ、歩留まりが向上されるチップセラミック部品を提供するのである。
本発明の他の目的は、様々なグリーンシートから製造される機能性セラミックシートを絶縁セラミックベースに接合し、希望する厚さを容易に確保できるチップセラミック部品を提供するのである。
本発明の他の目的は、異種の機能性セラミックを１つの絶縁セラミックベースに接合し、複合機能が具現可能なセラミック部品を提供するのである。
本発明の更に他の目的は、製造工程中にレーザートリミングなどの追加工程により完製品の特性を調整でき、歩留まりを向上できるセラミック部品を提供するのである。
上記の目的と他の目的、特徴及び利点は、以下に示される実施形態により明確に理解されるだろう。
以上で説明のように、本発明によると、様々な特徴を有する。
まず、グリーンシートをあらかじめ焼成された絶縁セラミックベース表面に等温等圧環境で圧着する工程により、グリーンシートは絶縁セラミックベースに物理的に密着され、以後、焼成工程より、グリーンシートが機能性セラミックシートに変換されると共に、機能性セラミックシートとこれを保持する絶縁セラミックベースの境界面に、グリーンシート内の金属酸化物が固体拡散による物質移動、そしてこれによる化学的反応により形成された拡散接合層により境界面における接合を形成するため、クラック又は歪み現象などのない高い信頼性の機能性セラミック部品を製造できる。
また、高価の金属酸化物などで構成された機能性セラミックシートを薄い厚さで適用でき、製造コストが大幅に低減できる機能性セラミック部品を製造する特徴がある。
また、高温であらかじめ焼成した絶縁セラミックベースを用いるため、機能性セラミックシートが薄い厚さで形成されても、十分な機械的強度を有する軽薄短小の機能性セラミック部品を製造できる。
また、均一な厚さと高い密度を有する機能性セラミックシートを具現でき、電気的特性及び製品の厚さ偏差散布が改善され、歩留まりを向上できる機能性セラミック部品を製造できる。
また、１つの絶縁セラミックベースに異種の機能性セラミックシートを形成でき、複合機能を有する機能性セラミック部品を製造できる。
上記の目的は、表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベースと、 電気的特性を有する機能性セラミックシートと、を備えたセラミック部品要素において、 前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートを前記絶縁セラミックベース表面に積層して等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されていることと、かつ、前記絶縁セラミックベースと前記グリーンシートとがアンカーリングされた状態で、焼成により前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透することで、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合されていることとの２つの接合で構成された接合層を備えることを特徴とするセラミック部品要素により達成される。
このような構成によると、アンカーリングによる物理的接合と拡散層形成による化学的接合を同時に具現することにより、高い信頼性を有する接合をなすことができる。
ここで、グリーンシートにおいて、機能性酸化物物質の固形分含有量は、４０％〜８０％であり、バインダー固形分含有量は、５％〜３０％である。
また、機能性セラミックシートの厚さは、前記絶縁セラミックベース厚さの１／２以下である。
好ましくは、前記機能性セラミックシートと前記絶縁セラミックベースとの境界面における接合力を増加するため、前記絶縁セラミックベース側面を練磨するか、又は複数のグルーブの形成するか、又はエッチングにより表面処理できる。
好ましくは、前記機能性セラミックシートは、誘電セラミック、圧電セラミック、磁性セラミック、又は半導体セラミックの特性の何れかの特性を有することができる。
好ましくは、前記絶縁セラミックベースは、珪素やアルミナ又は窒化アルミニウムを基本とする絶縁セラミックベースである。
好ましくは、機能性セラミックシートと電気的に連結される２以上の電極を含むことにより、セラミック部品を構成できる。
また、機能性セラミックシートに接合され、電気的に連結される内部電極、及び前記内部電極の露出された部分と電気的に連結される外部電極を更に含めてセラミック部品を構成できる。
ここで、前記内部電極は、前記機能性セラミックシートの表面に接合され、前記内部電極を覆うように前記機能性セラミックシート上に接合され、前記機能性セラミックシートと同一な電気的特性を有する補助機能性セラミックシートを更に含むことができる。
また、前記内部電極が接合された機能性セラミックシートが複数枚接合して、積層構造をなすことができる。
好ましくは、前記内部電極は、Ag,Pd,Pt,Au,Ni,Cu,W及びAg-Pd合金からなるグループから選択された何れか１つで構成される。
上記の目的は、表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベースと、 電気的特性を有する第１の機能性セラミックシートと、前記絶縁セラミックベース裏面に接合され、前記第１の機能性セラミックシートと他の電気的特性を有する第２の機能性セラミックシートと、を備えたセラミック部品において、前記第１及び第２の機能性セラミックシートに対応するグリーンシートを前記絶縁セラミックベース表面に積層して等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合させていることと、かつ、前記絶縁セラミックベースと前記グリーンシートとがアンカーリングされた状態で、焼成により前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透することで、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合されていることとの２つの接合で構成された接合層を備えることを特徴とするセラミック部品要素により達成される。
好ましくは、前記絶縁セラミックベース表面と裏面を貫通するビアホールが形成され、前記ビアホールに形成された電極により前記第１及び第２の機能性セラミックシートが電気的に連結できる。
また、前記の目的は、表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベースと、電気的特性を有する第１の機能性セラミックシートと、前記第１の機能性セラミックシート上に接合され、第１の機能性セラミックシートと異なる電気的特性を有する第２の機能性セラミックシートと、を備えたセラミック部品において、前記第１の機能性セラミックシートに対応するグリーンシートを前記絶縁セラミックベース表面に積層して等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合させていることと、かつ、前記絶縁セラミックベースと前記グリーンシートとがアンカーリングされた状態で、焼成により前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透することで、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合されていることとの２つの接合で構成された接合層を備えることにより、前記第１の機能性セラミックシートと前記絶縁セラミックベース間の接合がなされることを特徴とするセラミック部品要素により達成される。
また、上記の目的は、表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベース上にグリーンシートを積層するステップと、前記グリーンシートを等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとが物理的に接合するステップと、前記グリーンシートに含まれたバインダーを除去するステップと、前記グリーンシートに対応する条件で前記グリーンシートを焼成するステップと、前記焼成により前記グリーンシートが電気的特性を有する機能性セラミックシートに変換すると共に、前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透して、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合するステップとを含むセラミック部品要素の製造方法により達成される。
好ましくは、前記グリーンシートの焼成は、前記絶縁セラミックベースの焼成温度より既設定された温度ほど低い温度でなされる。
ここで、前記機能性セラミックシートと電気的に連結される外部電極を形成するステップを更に含み、セラミック部品を製造できる。
好ましくは、前記絶縁セラミックベース表面にグリーンシートを積層するが、前記絶縁セラミックベース表面、前記グリーンシート表面、又は前記グリーンシートの表面及び裏面のそれぞれに内部電極を形成し、前記外部電極は、前記内部電極と電気的に連結されるように形成できる。
また、前記内部電極の幅より広い幅を有し、かつ前記絶縁セラミックベース表面が露出されるように、前記絶縁セラミックベースをレーザートリミングした後、前記露出された絶縁セラミックベース表面に接着し、前記内部電極を覆う保護膜を形成するステップを更に含む。
次は、添付の図を参照して、本発明の具体的な実施形態を説明する。
添付の図において、本発明の特徴を強調するため、寸法と形態は変形して示す。
図１は、本発明に係るセラミック部品要素の概略的な構造を示す断面図であり、図２は、絶縁セラミックベースと機能性セラミックシートの接合された断面を示す写真であり、図３は、絶縁セラミックベースの表面を示す写真である。
図１を参照すると、本発明に係るセラミック部品要素は、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベース１００と、該絶縁セラミックベース１００上に接合された電気的特性を有する機能性セラミックシート２００とを含む。
絶縁セラミックベース１００と機能性セラミックシート２００の接合は、機能性セラミックシート２００に対応するグリーンシートに対する焼成により、グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により絶縁セラミックベース１００に浸透して形成された拡散接合層１５０によりなされる。
図２と図３を参照すると、絶縁セラミックベース１００の表面は、例えば、互いに異なる大きさを有する複数の結晶粒子（Grain）１１０でなる多結晶構造を有し、これら結晶粒子１１０自体に気孔（pore）１１２が存在するか、又は結晶粒子１１０間に気孔１２２が形成される。これら気孔１１２、１２２は、絶縁セラミックベース１００表面の照度と関連し、後述する機能性セラミックシート２００のアンカーリングに影響を与える。また、気孔１１２、１２２は、後述する焼成過程において、固体拡散による物質移動の通路として作用する。
本発明によると、絶縁セラミックベース１００上にグリーンシート(green sheet)を積層し、等温等圧環境で圧着してグリーンシートを密着させた後、バインダーバーンアウト工程を経てグリーンシートを焼成することにより、グリーンシートは、機能性セラミックシート２００に変換され、同時にグリーンシートと絶縁セラミックベース１００の境界面には、固体拡散による物質移動がなされ、化学的拡散接合層１５０が形成される。
この拡散接合層１５０は、その正確な相(Phase)の形態を現存する科学的分析技法によっても断定し難いが、機能性セラミックシート２００と絶縁セラミックベース１００物質の中間物質であり、焼成温度及び時間、酸素分圧などの雰囲気などにより体積及び電気的特性、相の変化などが発生することはあるが、一旦形成された後には、変化しない。
絶縁セラミックベース１００としては、あらかじめ焼成された多結晶(Polycrystalline)アルミナ又は窒化アルミニウム系列のセラミックベースが使用されることもあり、機能性セラミックシート２００を形成するために積層されるグリーンシートの焼成温度より最小２００℃以上高い温度であらかじめ焼成された製品が適用される。これは、これより低い温度又はグリーンシートの焼成温度より低い温度で焼成された絶縁セラミックベースを使用すると、グリーンシートを焼成する時に、絶縁セラミックベースの歪み現象などの問題が発生することがあるためである。また、絶縁セラミックベース１００は、セラミック部品の一般的な使用温度範囲のー５５℃〜３００℃間で絶縁抵抗が１０9oｈｍ以上に保持される特性を有することに選択できる。
次に、グリーンシートの機能性セラミックへの変換を説明する。
グリーンシートとは、焼成により機能性を有する金属酸化物の一定比率配合比でなるパウダーに添加剤、希釈剤及びバインダーを含み、液状のスラリーを製造した後、このスラリーを熱風乾燥方式のテープキャスティング(tape casting)工程を経て、スラリー内部にある希釈剤、添加剤などのソルベント成分を揮発し、数μｍ〜数十μｍ厚さのフィルム形態で生産されたシートを称し、紙のように柔らかくて破れ易い形態を有する。
このグリーンシートは、バインダーバンーアウト工程を経て、バインダーの９０％以上が除去され、焼成工程により他の１０％が完全に除去され、該焼成工程において、グリーンシートに含まれた機能性金属酸化物は、相互化学反応により緻密化され、機械的及び電気的性能を有する機能性セラミックに変換される。
このような緻密化メカニズムは、焼成工程で使用される温度が駆動力に作用し、緻密化のステップは、金属酸化物粒子のネック(Neck)形成→粒子境界面間の気孔への物質移動→気孔の減少→結晶粒子及び結晶系面(Grain boundary)形成→結晶粒子の成長(Grain Growth, Coarsening)の過程でなる。すなわち、焼成過程における緻密化は、ギッブス自由エネルギー(Gibb's free energy)を最小化しようとする方向に励起し、このような自由エネルギーは、金属酸化物の初期粒子サイズに反比例して低くなる。すなわち、初期粒子の大きさが小さい程、同一温度で早く緻密化がなされる。
次に、グリーンシートのアンカーリング(anchoring)効果を説明する。
絶縁セラミックベース１００が多結晶アルミナ又は窒化アルミニウムセラミックベースである場合、既述の絶縁セラミックベース１００の表面には、１μｍ未満の大きさを有する気孔１１２と、１〜３μｍ未満の大きさを有する気孔１２２が存在する。このように、粒子内気孔１１２の大きさが小さいため、このような絶縁セラミックベース１００上にグリーンシートを圧着する過程において、グリーンシートが粒子内気孔１１２に押さえ込まれて充填し難い。しかしながら、粒子間気孔１２２の大きさは多少大きいため、圧着によりグリーンシートが押さえ込まれて充填されることにより、物理的密着力の増加をもたらす。
絶縁セラミックベース１００が、粗さのない均一な表面を有するなら、圧着過程によりグリーンシート内のバインダーによって絶縁セラミックベース１００の表面に密着され、物理的密着力はバインダーに依存する。しかしながら、上述のように、ある程度の大きさを有する粒子間気孔１２２により絶縁セラミックベース１００の表面が微細な粗さを有する場合、粒子間気孔１２２に充填され、絶縁セラミックベース１００に対してグリーンシートを固定するアンカーリング効果が更に加わるため、バインダーの密着力と共に物理的密着力が増加する。このようなアンカーリング効果は、焼成工程中、グリーンシートの長手方向(X軸方向)及び幅方向(Y軸方向)の収縮を抑制すると共に、機能性セラミックシート２００と絶縁セラミックベース１００との拡散接合層１５０の形成面積を増加させることにより、科学的接合力を向上する効果をもたらす。
このようなアンカーリング効果は、次の方法により更に増加できる。
具体的に、絶縁セラミックベースの表面を加工する方法を適応できる。例えば、絶縁セラミックベース１００の表面を練磨して表面粗さを増加するか、又は一定間隔及び長さのグルーブ(groove)を形成する方法、あるいは酸やプラズマなどによる科学的エッチングで粒子内気孔１１２と粒子間気孔１２２の大きさを拡大できる方法などがある。
上記のように、機能性セラミックシート２００と絶縁セラミックベース１００のバインダーによる物理的接合と拡散接合層による化学的接合に加え、アンカーリング効果により接合力を増加させる他、媒介体を用いて接合力を増加させることもできる。この時に使用される媒介体は、単一又は複数金属酸化物の一定配合比を有する物質であり、機能性セラミックシートと絶縁セラミックベースの何れにも固体拡散による物質移動とこれによる拡散接合層形成が可能であるものに選択すべきである。また、媒介体は、グリーンシート状態で準備し、機能性セラミックシート用グリーンシートと絶縁セラミックベース間で同時焼成される工程を経ることになるので、媒介体の選択時に、機能性セラミックシート用グリーンシート及び絶縁セラミックベースとの熱膨張係数の差、焼成条件などを考えるべきである。また、機能性セラミックシートと媒介体、媒介体と絶縁セラミックベースの境界面に示される拡散接合層は、それぞれ化学的接合力だけでななく、絶縁性が保持されるようにすべきである。
機能性セラミックシート２００を形成するためにグリーンシートを焼成する条件は、その固有の機能性が変化しない範囲内で行われるべきであり、例えば、説明すると次の通りである。バリスター用セラミック(Pr系)は、１１００〜１２５０℃、１〜３時間、大気中焼成し、PTCサーミスタ及びキャパシタ用セラミック(BaTiO3系)は、選択される組成の配合比により９５０〜１３５０℃、０．１〜３時間、大気又は還元雰囲気で焼成できる。
また、絶縁セラミックベース１００に積層されるグリーンシートは、最終製品の種類に応じて誘電体セラミック物質、磁性体セラミック物質、圧電体セラミック物質、又は半導体セラミック物質などを含むことができ、これら各種類に対応する焼成条件として、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベース１００を適用できる。
一方、絶縁セラミックベース１００は、機能性セラミックシート２００が、高周波数特性を要求する場合、誘電率３０以下の範囲が適切であり、周波数特性に無関係の機能性セラミックシート２００が適用される場合、誘電率の範囲は、大きく問題にならない。
以上で説明したものをまとめると、グリーンシートをあらかじめ焼成された絶縁セラミックベース１００上に物理的に圧着して密着した状態で、グリーンシートがバインダーバーンアウト工程を経て、焼成工程により機能性セラミックシート２００に変換し、この過程において、絶縁セラミックベース１００とグリーンシート境界面において、グリーンシート内の機能性酸化物物質が絶縁セラミックベース１００への固体拡散により拡散接合層１５０を形成することにより、変換された機能性セラミックシート２００と絶縁セラミックベース１００とが信頼性高く堅固に接合する。
図４〜図８は、図１のチップセラミック部品要素を適用したセラミック部品の例を示す断面図である。
図４を参照すると、図１のように、絶縁セラミックベース１００の表面に拡散接合層１５０を介して機能性セラミックシート２００が接合された状態で、機能性セラミックシート２００に電気的に連結される電極５００が外側面に形成される。図４のように、電極５００は、対向する外側面に対で形成でき、最終製品の種類に応じて３つの外側面に形成できる。また、選択的に機能性セラミックシート２００が外部に露出されないようにする保護膜３００を、機能性セラミックシート２００の表面に形成でき、これに対しては後述する。
図５を参照すると、１つの絶縁セラミックベース１００の表面と裏面に各々互いに異なる電気的特性を有する第１の機能性セラミックシート２００と、第２の機能性セラミックシート２００aが拡散接合層１５０、１５０aを介して接合された状態で、第１及び第２の機能性セラミックシート２００、２００aに電気的に連結される電極５００が外側面に形成される。また、選択的に第１及び第２の機能性セラミックシート２００、２００aが外部に露出されないようにする保護膜３００、３００aを第１及び第２の機能性セラミックシート２００、２００aの表面に形成できる。
このような構成によると、第１及び第２の機能性セラミックシート２００、２００aで電気的特性が各々異なる機能性セラミックを適用することにより、複合的な機能を有するチップセラミック部品を具現できる。この場合、絶縁セラミックベース１００の選択基準は、既述のものと同一である。
この実施形態によると、第１及び第２の機能性セラミックシート２００、２００aを形成するために互いに異なる種類のグリーンシートを適用するため、２つの焼成条件が類似の範囲を有するなら、同時に焼成工程を進めても問題がない。しかしながら、焼成温度の差があれば、高い焼成温度を有するグリーンシートを先に焼成して機能性セラミックシートに変換し、この後、順次に低い焼成温度を有するグリーンシートを焼成して機能性セラミックシートに変換すべきである。
このような互いに異なる種類の機能性セラミックシートを有する構造は、高静電容量バリスター及びセラミックフィルターを製造するにおいて非常に有用である。例えば、第１の機能性セラミックシート２００がバリスター(Pr系)組成であり、第２の機能性セラミックシート２００aがキャパシタ組成の場合、このような構造を有する最終製品は、単一バリスターが有する静電容量具現範囲３pF〜１nFより広い３pF〜１uFの範囲で具現できる長所を有する。また、内部電極の配列を変更し、３端子構造にする場合、ESD機能を有するEMIフィルターの複合機能素子も具現できる。
好ましくは、絶縁セラミックベース１００表面と裏面を貫通するビアホールが形成され、前記ビアホールに形成された電極により第１及び第２の機能性セラミックシート２００、２００aが電気的に連結できる。
この実施形態では、第１及び第２の機能性セラミックシート２００、２００aを絶縁セラミックベース１００の表面と裏面に接合したが、図６に示すように、第１及び第２の機能性セラミックシート２００、２００aを絶縁セラミックベース１００上に順次接合することもできる。
図７を参照すると、機能性セラミックシート２００表面に一対の内部電極２１０、２１０aが接合されて電気的に連結され、内部電極２１０、２１０aにそれぞれ電気的に連結される電極５００が外側面に形成される。この実施形態の場合、焼成工程後に、電気的特性が測定可能であるため、機能性セラミックシート２００表面に内部電極材料をストリップ形態で先に形成し、レーザートリミングなどで内部電極２１０、２１０aを希望するパターンで形成し、電気的特性を調節できる。
また、内部電極２１０、２１０aを覆うように機能性セラミックシート２００上に機能性セラミックシート２００と同一な電気的特性を有する補助機能性セラミックシートを接合できる。この場合、電気的特性を拡張かつ向上できる。
この実施形態のように、内部電極２１０、２１０aを全て機能性セラミックシート２００表面に形成する他、絶縁セラミックベース１００表面に内部電極２１０、２１０aを全て形成できる。また、図８のように、内部電極中の１つ(２１０a)は、機能性セラミックシート２００の表面に、そして他の１つ(２１０)は、絶縁ベース１００の表面や機能性セラミックシート２００の裏面に形成できる。
内部電極２１０、２１０aは、銀―パラジウム(Ag-Pd)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)などの貴金属又はニッケル(Ni)、銅(Cu)、タングステン(W)など金属の何れかを含有したペーストを既設定されたパターン通りにスクリーン印刷法で塗布し、熱風乾燥して形成できる。これら内部電極材料は、ほとんどの物質と反応しないので、内部電極２１０、２１０aが絶縁セラミックベース１００と機能性セラミックシート２００間に位置する場合、機能性セラミックシート用グリーンシートを焼成時に内部電極２１０、２１０aに対応する部分では、絶縁セラミックベース１００への固体拡散がなされないこともある。しかしながら、内部電極２１０、２１０aの外縁で発生した固体拡散が前記部分の一定部位まで拡張されるので、安全な接合を得られる。
本発明に使用される内部電極材料として、機能性セラミックシート２００用グリーンシート内の固形分含有量と同一な４０％〜８０％範囲の金属含有量を有するペーストを使用する場合、グリーンシートと同時に焼成できる。
また、内部電極２１０、２１０aが機能性セラミックシート２００を間において形成される場合、電極費用の低減のため、絶縁セラミックベース１００、内部電極２１０、及び機能性セラミックシート２００を同時にあらかじめ焼成し、他の内部電極２１０aを相対的に低価であるAg又はその他の金属材質を用いて機能性セラミックシート２００上部に形成でき、この時、低価のAg又はその他の金属材質で形成される内部電極材料で４０〜８０％範囲の金属含有量を有するペーストを選択し、スクリーン印刷法で形成するのが好ましい。
上記の実施形態によると、次のような特性を有する。
まず、グリーンシートを等温等圧環境であらかじめ焼成された絶縁セラミックベース上に圧着することにより、グリーンシート内に含まれたバインダーにより絶縁セラミックベースに物理的に密着され、この過程において、グリーンシートの厚さが均一になり、密度が増加し、この後、グリーンシートに対する焼成工程によりグリーンシートが緻密化過程により機能性セラミックシートに変換すると共に、グリーンシート内の金属酸化物物質が固体拡散により絶縁セラミックベースの気孔に移動し、化学的反応をすることにより形成された拡散接合層により、機能性セラミックシートと絶縁セラミックベース間に境界面が信頼性高く堅固に接合をなすことができる。
また、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベース表面による粗さを増加するか、又は一定間隔のグルーブを形成するか、又は酸やプラズマなどの化学的エッチングを行った後、グリーンシートを圧着及び焼成する場合、圧着過程において、グリーンシートの一部が絶縁セラミックベース表面の加工された部分に押さえ込まれた状態で焼成されるため、絶縁セラミックベースと機能性セラミックシート間の境界面接合力を更に増加できるアンカーリング効果を得ることができ、焼成時、グリーンシートが左右に収縮されなくなり、前記加工により固体拡散による通路を拡張することになる。
また、薄い厚さのグリーンシートを等温等圧環境で圧着するため、十分な圧料が伝達され、グリーンシートの平坦度が改善された後、機能性セラミックシートに変換するので、厚さの偏差が小さく、製品の電気的特性散布を向上できる。
また、機械的屈曲強度が著しく向上する。すなわち、高温であらかじめ焼成した絶縁セラミックベースを用いるため、機能性セラミックシートが薄い厚さで形成されても、十分な機械的強度を確保できる。
また、製造コストが大きく低減できる利点がある。すなわち、高価の金属酸化物で構成されたグリーンシートを電気的特性を発揮するアクティブ層の厚さで構成でき、通常の積層チップ製造工程より最小１／４程度に原料費用を低減できる。
次は、本発明に係る完全な機能性セラミック部品を製造する方法を説明する。
図９は、完全な機能性セラミック部品の製造方法を説明するフローチャートであり、図１０は、これを示す工程図である。
図１０aを参照すると、既設定された温度であらかじめ焼成された絶縁セラミックベース１００を準備する(ステップS７１)。この例では、説明の便宜上、１つのチップセラミック部品を製造することに説明するが、実際工程では、長さ６０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの大きさを有する絶縁セラミックベース用ウェハ上に複数のチップセラミック部品サイズに合わせてスクライブライン(scribe line)により区画された状態で使用される。
上記のように、絶縁セラミックベース１００でアルミナ又は窒化アルミニウム材質を利用でき、この実施形態では、２５０μｍ±５μｍの厚さ偏差を有する９６％以上純度のアルミナベースを使用した。
次に、図１０bのように、絶縁セラミックベース１００上にグリーンシート２０２が一定厚さで積層される(ステップS７２)。
この実施形態において、グリーンシート２０２は、主原料である酸化亜鉛と添加剤のプラセオジム(praseodymium)、コバルト酸化物、ネオジム酸化物で構成された化合物を重量比１００％とし、バインダーソルーション２０〜４０％(PVB系、固形分換算割合１０〜２０％)、そして、トルエン：エタノールが８：２で配合されたソルベントをそれぞれ重量比３０〜５０％の割合で配合し、１２０〜１３０℃で保持される熱風乾燥方式のテープキャスティング工程により厚さが１０μｍ〜６０μｍ±０．５μｍの範囲になるように形成する。
一般に、グリーンシートの厚さ下限は大きく問題にならないが、上限の場合、６０μｍを超える時、グリーンシート内に大量のソルベントが残存し、これは焼成工程などで熱的変形を発生する主原因となる。よって、例えば、７０μｍのグリーンシートが必要な場合、３０μｍと４０μｍ厚さのグリーンシートを組み合わせて積層するのが良い。この実施形態では、厚さが３７μｍ±０．５μｍと３０μｍ±０．５μｍのグリーンシートを使用した。
熱風乾燥されたグリーンシート２０２は、好ましく、セラミック固形分の含有量が４０〜８０％であり、バインダー固形分含有量は５〜３０％で構成され、絶縁セラミックベース１００上に後述する等温等圧圧着工程により密着できる条件で形成される。
ここで、グリーンシートを構成する金属酸化物の固形分含有量が４０％未満の場合、焼成工程以後の機能性セラミックシート２００は、過収縮が発生し、機能性セラミックシート２００と絶縁セラミックベース１００間に膨らむ現象などが発生できる。また、含有量が８０％を超える場合、グリーンシート内に含まれたバインダー成分が相対的に小さくなるため、続く等温等圧工程において、絶縁セラミックベース１００に十分に密着されない。また、バインダー固形分は、最小５％以上を含有しないと、絶縁セラミックベース１００とグリーンシートの接着性を向上できなく、３０％を超えると、上記のようなグリーンシート内の固形分含有量４０％未満における問題である焼成過収縮現象が類似に発生する。
一方、積層されるグリーンシートの総厚さは、最終製品の機械的特性である強度、物理的特性の焼成変形、そしてコスト面などを考え、絶縁セラミックベース１００の厚さの１／２以内の範囲で設計するのが好ましい。
次に、絶縁セラミックベース１００上に３０μｍ±０．５μｍ厚さのグリーンシート２０２が積層された状態で、グリーンシート２０２の表面に第１の内部電極２１０を形成し(図１０ｃ)、その上にアクティブ層を構成するために、３７μｍ±０．５μｍのグリーンシート２０４を積層し(図１０ｄ)、グリーンシート２０４上に第１の内部電極２１０に対応するように第２の内部電極２１０aを形成する(図１０e)。すなわち、対応する内部電極２１０、２１０a間に３７μｍ±０．５μｍ厚さのグリーンシート２０４に対応するアクティブ層を形成する。その後、第２の内部電極２１０aが形成されたグリーンシート２０４上に３０μｍ±０．５μｍ厚さのグリーンシート２０６を積層し、第２の内部電極２１０aが外部に露出されるのを防止する(図１０f)。このようにして積層されたグリーンシート積層体２０２、２０４、２０６の総厚さは、第１及び第２の内部電極２１０、２１０aを含み、１０３μｍ±１．０μｍの厚さを示した。
以後、グリーンシートが積層された絶縁セラミックベースウェハをアルミニウム材質の板材又は補助物上に搭載し、真空舗装ビニルに入れて封口した後、水温８０℃、２２００psi(３分)〜６０００psi(１５分)の条件で等温等圧圧着を実施する(ステップＳ７４)。
上記のように、このような等温等圧圧着により積層されたグリーンシートは、厚さ方向に緻密化が行われ、絶縁セラミックベース１００と接触するグリーンシート２０２内のバインダーは、この過程においてグリーンシート２０２と絶縁セラミックベース１００の境界面における物理的な接合に影響を与える。また、圧着工程において、アルミニウム材質の板材又は補助物を用いることは、既述のように、絶縁セラミックベースウェハが、スクライブラインで区画されているため、不均一な圧力伝達がある場合、スクライブラインに応じてウェハが破損される現象をあらかじめ防止するためである。
このような等温等圧圧着により形成されたグリーンシート積層体２０２、２０４、２０６の総厚さは、約１５％収縮した８８μｍ±０．４μｍで示され、圧着前の１０３μｍ±１．０μｍより更に均一な厚さ偏差を示す。
以後、バインダーバンーアウトを３１０℃、１２時間の条件で行うことにより、圧着されたグリーンシート積層体２０２、２０４、２０６内に含まれた有機物バインダーが分解されることになる(ステップＳ７５)。
以後、焼成工程により、図１０gのように、圧着されたグリーンシート積層体２０２、２０４、２０６が電気的特性を有する機能性セラミックシート２００に変換されると共に、絶縁セラミックベース１００と接合された部分では、グリーンシート２０２内の金属酸化物物質が、熱的エネルギーに起因した固体拡散により絶縁セラミックベース１００の粒子内気孔１１２及び粒子間気孔１２２に物質移動により拡散接合層１５０が形成され、機能性セラミックシート２００と絶縁セラミックベース１００の接合を堅固にする(ステップＳ７６)。
この実施形態では、焼成は、機能性セラミックの電気的特性を考え、１１５０℃で３時間維持する条件で行われた。焼成済みの機能性セラミックシート２００の厚さは、グリーンシート積層体の厚さと比べて約５０％が収縮された５１．５μｍ±０．２μｍで均一に示され、アクティブ層で用いられたグリーンシート２０４は、１８．１μｍ±０．１μｍで示される。このように、機能性セラミックシート２００が均一な厚さを有する理由は、焼成前ステップにおいて、グリーンシート積層体の厚さが薄いため、等温等圧圧着で均一な圧力が十分に伝達され、アクティブ層を構成する２０４とカバー層を構成するグリーンシート２０２、２０６の平坦度を均一にしたためである。
また、該グリーンシート積層体の焼成収縮率は、約５０％で示されるが、これは通常的な積層チップ部品工程における収縮率である約２６％の２倍程度である。このような理由は、等温等圧圧着工程において、均一な圧力伝達によりグリーンシートの平坦度と密度が十分増加し、絶縁セラミックベース１００の表面に存在する気孔１１２、１２２又は上記の表面加工により形成された部分に押さえ込まれたグリーンシートが焼成工程が進む過程において、長手方向(Ｘ軸方向)、幅方向(Ｙ軸方向)への収縮を抑制する効果を有し、かつ厚さ方向(Ｚ軸方向)への物質移動が多量に発生して示された現象と解釈される。
焼成が完了すると、図１０hに示すように、機能性セラミックシート２００の幅が内部電極２１０、２１０aの幅より少し大きく保持されるようにして機能性セラミックシート２００を幅方向両端部から一定幅ほどレーザートリミングで除去し、絶縁セラミックベース１００の表面を露出する(ステップＳ７７)。この工程は、上記のように、機能性セラミックシート２００に対する保護膜を形成するための準備ステップである。この保護膜形成工程は、機能性セラミックシートが半導体特性を有する場合に必要であるが、機能性セラミックシートが、誘電体、圧電体、磁性体などの特性を有する場合は、選択的に除外できる工程である。
具体的に説明すると、バリスター、サーミスタなどの機能性セラミックシートは、半導体特性を有するため、そのまま放置する場合、以後外部電極に鍍金層を形成する電気鍍金工程において、半導体セラミックは、電気が通じるため、電解液の金属イオンが鍍金環境に露出された半導体セラミック部分に鍍金される現象が発生する。この場合、最終製品として製造されて使用される時に電気的ショートが発生し、電気機器の破損をもたらす恐れがある。また、鍍金液の成分が強い酸性を有するため、機能性セラミックシートの腐食をもたらすこともある。よって、機能性セラミックシートが半導体セラミックの場合、このような危険要素を防止するために必ず保護膜を適用すべきであり、保護膜は、トリミングで露出された絶縁セラミックベース１００の表面に接着され、機能性セラミックシート２００が完全に覆われるようにすべきである。
レーザートリミングが完了すると、図１０iのように、機能性セラミックシート２００上に保護膜３００を形成する(ステップＳ７８)。具体的には、７００〜８００℃の範囲で、柔軟性を有するガラス組成として構成されたペーストをスクリーン印刷法で形成して熱処理する。ガラス保護膜の厚さは、１μｍ〜１０μｍの範囲が適切である。１μｍ未満で形成される場合は、局部的にガラス保護膜がない部分が存在でき、１０μｍを超える場合は、熱処理過程において、ガラス保護膜の熱膨張などの要因による亀裂と局部的に塊が発生し、保護膜の表面均一度において問題になり得る。
保護膜３００の形成面積は、幅方向は、少なくとも機能性セラミックシート２００が露出されないようにし、長手方向には、両端より最小５０μｍの余裕を有するようにすることが好ましい。これは、以後の単一チップへの分割工程において、分割されない問題や外部電極形成工程以後の内部電極との接触不良の問題をあらかじめ防止する目的を有する。
保護膜３００は、電気絶縁性、耐化学性、耐湿性、耐熱性などが安定された材質で選択されるべきであり、ガラス材質とする場合は、スクリーン印刷法、又は定量吐出方式などで形成でき、ポリマー材質を適用する場合、真空熱蒸着又はディッピング方式等のプロセスの変更により十分適用可能である。
このように形成した後、絶縁セラミックベースウェハのスクライブラインを基準として単一チップ状態に分割し(breaking, ステップＳ７９)、通常の方法で外部電極を形成する(ステップＳ８０)。
具体的に、分割されたチップセラミック部品の両端に露出された内部電極２１０、２１０a部位を銀又は銀―エポキシなどの外部電極ペーストをディッピング方式で形成し、外部電極５００を形成する。
絶縁セラミックベースウェハの分割及び外部電極付着方式又はプロセスの変更により十分変更できる。例えば、チップ抵抗製造工程のように、１次分割後、外部電極を形成し、以後、２次分割により単一チップに製造できる。
図１１と図１２は、前記の工程を経て製作が完了されたチップセラミック部品の斜視図及び断面図である。
図１２に示すように、必要に応じて、鍍金工程により外部電極５００にニッケルと鈴を順次鍍金し、ニッケル鍍金層５１０と鈴鍍金層５２０を順次鍍金し、表面実装が可能とする。
[表１]は、上記の方法で製造した実施形態(バリスターグリーンシートを適用する場合)と比較例の仕様を示す。比較例１と比較例２は、それぞれ最終製品の厚さが０．３０ｍｍ±０．０５ｍｍ、０．５０ｍｍ±０．０５ｍｍになるように一般の積層方向で製造された製品である。
[表２]、[表３]及び[表４]は、各々[表１]の実施形態１、比較例１及び比較例２のチップバリスターに対して２０個の試料に対する特性測定結果である。
測定条件は次の通りである。
―耐湿負荷実験：８５％ＲＨ、８５℃、５．５Ｖdc、５００hr
―静電気放電実験：接触放電、±８kV、１０回気中放電１５ｋV、１０回
―電圧変化率：△VＢ[％]＝[試験後期値―初期値]／初期値×１００
実施形態１は、電気的特性を発揮するアクティブ層の均一な機能性セラミックシートの厚さに起因し、電気的特性のＶＢなどにおいて、比較例１と２の一般的な積層チップ製造工法による製品に比べて等々以上の特性を示すことを確認できた。
また、機械的特性であるベース屈曲強度部分では、著しい差が観察され、実施形態１は、比較例２より２倍以上の高い値を示した。これは機械的強度が優れた絶縁セラミックバリスターを利用したことによる効果であり、このような利点は、軽薄短小なチップバリスタを要求する電子機器応用分野において、最も問題とされる機械的強度又は熱収縮によるセラミックが亀裂されるか破損されるなどの問題点を解決できる効果を有する。
例えば、チップ発光ダイオードの静電気保護素子としてチップバリスターが適用されるが、製品のサイズにおいて制約があり、チップバリスターの厚さ制限と同時に機械的強度を要求する場合がある。すなわち、比較例１のような一般的な積層方式で製作された厚さ０．３０ｔのチップ製品をこのような分野に適用するには、厚さの制限は解決できるが、チップ発光ダイオードの製造工程中、エポキシモールディング及びフレーム裁断などの過程で発生する熱的、機械的衝撃によりバリスターが亀裂されるか破損されるなどの現象などが発生する恐れがある。実施形態１の場合、このような問題点を解決して適用できるという特徴がある。
また、実施形態１は、比較例１及び２と比較すると、最終製品の厚さでも小さい偏差範囲を有することが見られる。これは機能性セラミックであるグリーンシートを複数積層する比較例１と比較例２では、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍのグリーンシートを複数積層して発生した累積偏差の増加が原因として作用するためである。
また、実施形態１は、安価のアルミナベースを絶縁セラミックベースに使用することにより、同一特性を有する比較例１及び比較例２より高価の機能性セラミック原料を、同一厚さ０．３ｔでは、１／４、０．５ｔ製品対比１／６に下げて使用できるため、コスト低減面からも著しい効果を有する。このようなコスト低減効果は、実施形態１以外にも、機能性セラミックのコスト比重が大きい製品、例えば、コバルト酸化物(Co3O4)を適用するNTC Thermistor又は４５２０サイズ(長さ４．５ｍｍ、幅２．０ｍｍ)のキャパシタなどをチップで製造するにおいて更に大きく再現できる。
以上では、好ましい実施形態を中心として説明したが、当業者水準では、多様な変形が可能である。次は、このような変形例に対する説明である。
（１）機能性セラミックは、次のように分類され、チップセラミック部品として適用可能である。
a.誘電体セラミック： BaTio3系列、SrTiO3系列、MgTiO3系列などキャパシタ、周波数フィルター、アンテナ用度のセラミック
b.半導体セラミック： BaTio3系列のPTC Thermistorセラミック、Mn3O4、NiO、Co3O4中、少なくとも２つを含んで形成されるNTC Thermistorセラミック、ZnO系列又はSrTiO3系列のバリスターセラミックなど
c.磁性体セラミック： Mn-Znフェライト又はNi-Znフェライト、Mg-Znフェライト系列のビード、インダクターなど
d.圧電体セラミック： BaTiO3系列、PbTiO3系列のセラミック
(２)形成されるチップセラミック部品の種類、すなわち、バリスター、ビード、サーミスタ、又はキャパシタなどにより内部電極を適切に配置できる。
(３)絶縁セラミックベースの表面と裏面に各々異種の機能性セラミックシートを形成する場合、複合機能を具現する単一チップ部品を形成でき、異種の機能性セラミックシートは、次のような例で構成できる。
a.高静電容量バリスター：バリスターキャパシタ[X7R,Y5V,Z5U]
b.ESD,EMIフィルター：バリスターキャパシタ又はバリスターインダクターなど
(４)上記実施形態では、絶縁セラミックベース上に複数のグリーンシートが積層され、一対の内部電極を有する構造を例と挙げたが、本発明は、これに限定されない。すなわち、絶縁セラミックベース上に単一層のグリーンシートにより形成された機能性セラミックシート、そして機能性セラミックシート表面に内部電極が形成された構造を含むことができる。この場合、内部電極がない構造でも電気的な特性具現が可能なチップ製品を製造できる。
（５）上記の実施形態では、粒子内気孔や粒子間気孔が形成された多結晶絶縁セラミックベースを例と挙げたが、これは上記のように、接合を更に確実にするための選択的事項であって、本発明は、これに限定されなく、固体拡散による物質移動がなされ、これによる化学的反応により拡散接合層が形成される限り、珪素やアルミナを基本とした単結晶セラミックベースを用いることができる。
よって、本発明は、前記の実施形態に限定されなく、以下に示す請求の範囲に応じて解釈すべきである。
本発明に係るセラミック部品要素の概略的な構造を示す断面図である。 絶縁セラミックベースと機能性セラミックシートの接合された断面を示す写真である。 絶縁セラミックベースの表面を示す写真である。 図１のセラミック部品要素を適用したセラミック部品の例を示す断面図である。 図１のセラミック部品要素を適用したセラミック部品の例を示す断面図である。 図１のセラミック部品要素を適用したセラミック部品の例を示す断面図である。 図１のセラミック部品要素を適用したセラミック部品の例を示す断面図である。 図１のセラミック部品要素を適用したセラミック部品の例を示す断面図である。 本発明により完全なセラミック部品の製造方法を説明するフローチャートである。 図９のフローチャートに係る工程図である。 図９の工程を経て作製が完了されたセラミック部品の斜視図である。 図１１の１０−１０’に沿って切断した断面図である。

Claims (20)

  1. 表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベースと、
    電気的特性を有する機能性セラミックシートと、
    を備えたセラミック部品要素において、
    前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートを前記絶縁セラミックベース表面に積層して等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されていることと、かつ、前記絶縁セラミックベースと前記グリーンシートとがアンカーリングされた状態で、焼成により前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透することで、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合されていることとの２つの接合で構成された接合層を備えることを特徴とするセラミック部品要素。
  2. 前記グリーンシートにおいて、機能性酸化物物質の固形分含有量は、４０％〜８０％であり、バインダー固形分含有量は、５％〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック部品要素。
  3. 前記機能性セラミックシートの厚さは、前記絶縁セラミックベース厚さの１／２以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック部品要素。
  4. 前記機能性セラミックシートと前記絶縁セラミックベースとの境界面における接合力を増加させるため、前記絶縁セラミックベース側面を練磨するか、又は複数のグルーブを形成するか、又はエッチングにより表面処理することを特徴とする請求項１に記載のセラミック部品要素。
  5. 前記機能性セラミックシートは、誘電セラミック、圧電セラミック、磁性セラミック、又は半導体セラミックの特性の何れかの特性を有することを特徴とする請求項１に記載のセラミック部品要素。
  6. 前記絶縁セラミックベースは、珪素、アルミナ及び窒化アルミニウムから選択された何れか１つであることを特徴とする請求項１に記載のセラミック部品要素。
  7. 表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベースと、
    電気的特性を有する機能性セラミックシートと、
    前記機能性セラミックシートと電気的に連結される２以上の電極と、
    を備えたセラミック部品において、
    前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートを前記絶縁セラミックベース表面に積層して等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合させていることと、かつ、前記絶縁セラミックベースと前記グリーンシートとがアンカーリングされた状態で、焼成により前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透することで、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合されていることとの２つの接合で構成された接合層を備えることを特徴とするセラミック部品。
  8. 表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベースと、
    電気的特性を有する機能性セラミックシートと、
    前記機能性セラミックシートに接合され、電気的に連結された内部電極と、前記内部電極の露出された部分と電気的に連結される外部電極と、
    を備えたセラミック部品において、
    前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートを前記絶縁セラミックベース表面に積層して等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合させていることと、かつ、前記絶縁セラミックベースと前記グリーンシートとがアンカーリングされた状態で、焼成により前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透することで、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合されていることとの２つの接合で構成された接合層を備えることを特徴とするセラミック部品。
  9. 前記内部電極は、更に、前記機能性セラミックシート表面に接合され、前記内部電極を覆うように前記機能性セラミックシート上に接合され、前記機能性セラミックシートと同一な電気的特性を有する補助機能性セラミックシートを含むことを特徴とする請求項８に記載のセラミック部品。
  10. 前記内部電極が接合された機能性セラミックシートが複数枚接合して積層構造をなすことを特徴とする請求項８に記載のセラミック部品。
  11. 前記内部電極は、Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｗ及びＡｇ−Ｐｄ合金でなるグループから選択された何れか１つでなることを特徴とする請求項８に記載のセラミック部品。
  12. 表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベースと、
    電気的特性を有する第１の機能性セラミックシートと、
    前記絶縁セラミックベース裏面に接合され、前記第１の機能性セラミックシートと他の電気的特性を有する第２の機能性セラミックシートと、
    を備えたセラミック部品において、
    前記第１及び第２の機能性セラミックシートに対応するグリーンシートを前記絶縁セラミックベース表面に積層して等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合させていることと、かつ、前記絶縁セラミックベースと前記グリーンシートとがアンカーリングされた状態で、焼成により前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透することで、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合されていることとの２つの接合で構成された接合層を備えることを特徴とするセラミック部品要素。
  13. 前記絶縁セラミックベースは、表面と裏面を貫通するビアホールが形成され、
    前記ビアホールに形成された電極により前記第１及び第２の機能性セラミックシートが電気的に連結されることを特徴とする請求項１２に記載のセラミック部品要素。
  14. 表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベースと、
    電気的特性を有する第１の機能性セラミックシートと、
    前記第１の機能性セラミックシート上に接合され、第１の機能性セラミックシートと異なる電気的特性を有する第２の機能性セラミックシートと、
    を備えたセラミック部品において、
    前記第１の機能性セラミックシートに対応するグリーンシートを前記絶縁セラミックベース表面に積層して等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合させていることと、かつ、前記絶縁セラミックベースと前記グリーンシートとがアンカーリングされた状態で、焼成により前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透することで、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合されていることとの２つの接合で構成された接合層を備えることにより、前記第１の機能性セラミックシートと前記絶縁セラミックベース間の接合がなされることを特徴とするセラミック部品要素。
  15. 表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベース上にグリーンシートを積層するステップと、
    前記グリーンシートを等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとが物理的に接合するステップと、
    前記グリーンシートに含まれたバインダーを除去するステップと、
    前記グリーンシートに対応する条件で前記グリーンシートを焼成するステップと、
    前記焼成により前記グリーンシートが電気的特性を有する機能性セラミックシートに変換すると共に、前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透して、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合するステップと、
    を含むセラミック部品要素の製造方法。
  16. 前記グリーンシートの焼成は、前記絶縁セラミックベースの焼成温度より既設定された温度ほど低い温度でなされることを特徴とする請求項１５に記載のセラミック部品要素の製造方法。
  17. 表面に気孔が形成され、あらかじめ焼成された絶縁セラミックベース上にグリーンシートを積層するステップと、
    前記グリーンシートを等温等水圧で圧着し、その圧着により前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベースの前記気孔に浸入し、前記グリーンシートが前記絶縁セラミックベース表面にアンカーリングされることによって、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとが物理的に接合するステップと、
    前記グリーンシートに含まれたバインダーを除去するステップと、
    前記グリーンシートに対応する条件で前記グリーンシートを焼成するステップと、
    前記焼成により前記グリーンシートが電気的特性を有する機能性セラミックシートに変換すると共に、前記グリーンシート内の機能性酸化物物質が固体拡散により前記絶縁セラミックベースに浸透して、前記機能性セラミックシートに対応するグリーンシートと前記絶縁セラミックベースとを物理的に接合されている層が化学的に接合するステップと、
    前記機能性セラミックシートと電気的に連結される外部電極を形成するステップと、
    を含むセラミック部品の製造方法。
  18. 前記絶縁セラミックベース表面にグリーンシートを積層するが、前記絶縁セラミックベース表面、前記グリーンシート表面、又は前記グリーンシートの表面及び裏面の各々に内部電極を形成し、
    前記外部電極は、前記内部電極と電気的に連結されるように形成することを特徴とする請求項１７に記載のセラミック部品の製造方法。
  19. 前記内部電極の幅より広い幅を有し、かつ前記絶縁セラミックベース表面が露出されるように、前記絶縁セラミックベースをレーザートリミングした後、前記露出された絶縁セラミックベース表面に接着し、前記内部電極を覆う保護膜を形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項１８に記載のセラミック部品の製造方法。
  20. 前記気孔は、結晶粒子内気孔、結晶粒子間気孔、又は表面処理により提供される気孔中、少なくとも何れか１つであることを特徴とする請求項１に記載のセラミック部品要素。
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