JP4746376B2

JP4746376B2 - セラミック多層基板及びその製造方法

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Publication number: JP4746376B2
Application number: JP2005229103A
Authority: JP
Inventors: 勝裕西川
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2005-08-08
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2025-08-08
Also published as: JP2007048797A

Description

本発明は、複数枚のセラミック基板を積層して形成するセラミック多層基板及びその製造方法に関し、より詳細には、セラミック多層基板に導体配線回路を有し、一方の主面側と他方の主面側を電気的に導通状態とするセラミック多層基板及びその製造方法に関する。

近年、セラミック多層基板は、耐熱性、耐絶縁性、耐摩耗性等の特性を生かして様々な用途として使用されている。一般的に、セラミック多層基板には、セラミックパッケージとして電子部品素子や、その他の電気的導通制御部材等を収納させて小型化、高信頼性化等の要求に対応できるようにしたものがある。また、このセラミック多層基板は、セラミック材と、高融点金属を同時焼成して形成した多層構造体に導体配線回路を設けて、それぞれの端子間を電気的に導通状態としている。

図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら、従来の電子部品素子を収納するためのセラミックパッケージで代表されるセラミック多層基板５０を説明する。ここで、図３（Ａ）はセラミック多層基板５０の上面側の平面図、図３（Ｂ）は同Ｃ−Ｃ’線縦断面図、図３（Ｃ）は同下面側の平面図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、セラミック多層基板５０は、例えば、１又は複数枚のセラミック平板５１と、１又は複数枚の窓枠状のセラミック枠体５２が積層された多層構造体からなり、セラミック枠体５２の開口部に、電子部品素子や、その他の電気的導通制御部材等を搭載させるための凹部５３を備えている。このセラミック多層基板５０を作製するためには、例えば、Ｗ（タングステン）や、Ｍｏ（モリブデン）等の高融点金属からなる導体金属ペーストを用いて、アルミナ等からなる複数枚のセラミックグリーンシートの表面や、層間や、断面方向となる部分の予め決められたそれぞれのセラミックグリーンシートの所定の位置に各用途用の導体金属パターンをスクリーン印刷で形成している。

この導体金属パターンには、例えば、上面側の表面となる部分において、電子部品素子や、その他の電気的導通制御部材等と電気的に接続させるためのそれぞれが独立して設けられる複数の接続用導体金属パターン５４、下面側の表面となる部分において、ボード等に接合させるためのそれぞれが独立して設けられる複数の外部接続端子パッド５５等がある。また、セラミックグリーンシートの断面方向には、予め設けられている貫通孔に充填する複数個のビア５６や、外周端面に設ける切り欠きに塗布する複数個のキャスタレーション５７等がある。更に、セラミックグリーンシートの層間となる部分には、それぞれの接続用導体金属パターン５４と、これらに対応するそれぞれの外部接続端子パッド５５をビア５６やキャスタレーション５７を介して電気的に導通状態とするための複数の繋ぎ用導体金属パターン５８がある。

これらの各種導体金属パターンが形成された複数枚のセラミックグリーンシートは、重ね合わされ温度と圧力をかけて積層体に形成にされた後、セラミックグリーンシートと高融点金属を還元雰囲気中で同時焼成して焼成体を形成している。更に、この焼成体には、外部に露出する全ての金属表面に酸化防止用のＮｉめっき被膜、及びＡｕめっき被膜を施すことでセラミック多層基板５０を作製している。このセラミック多層基板５０には、電子部品素子や、その他の電気的導通制御部材等（図示せず）が収納され、金属製や、セラミック製等の蓋体（図示せず）が接合されて電子部品素子や、その他の電気的導通制御部材等が外部から保護される。そして、これらが実装されたセラミック多層基板５０は、セラミック多層基板５０の下面側に形成された外部接続端子パッド５５で半田等を介してボード等に接合されている。

しかしながら、従来のセラミック多層基板５０は、それぞれが独立する接続用導体金属パターン５４がセラミックグリーンシートの表面に有しているので、スクリーン印刷の表面印刷で容易に形成することができるが、それぞれが独立した接続用導体金属パターン５４を凹部５３用のセラミックグリーンシートの貫通孔の壁面に設ける場合には、様々な工夫を要している。この接続用導体金属パターン５４を凹部５３の壁面に設けるセラミック多層基板５０は、これを形成するために、例えば、凹部５３用のセラミックグリーンシートの貫通孔の壁面に、導体金属ペーストを塗布させて垂直に立設させた棒体を接触させる貼着、あるいは、導体金属ペーストを含ませた筆等での手書き等で１つ１つが独立するパターン形成を行っている。

複数枚のセラミックグリーンシートの積層、焼成体からなるセラミックパッケージであるセラミック多層基板には、これを構成している複数層のセラミック基板の内の電子部品素子が搭載される層が他の何れの層の側端面よりもセラミック多層基板の外側に突出しているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２４７３５１号公報

しかしながら、前述したような従来のセラミック多層基板及びその製造方法は、次のような問題がある。
（１）セラミック多層基板は、接続用導体金属パターンであるメタライズ膜を、凹部形成用のセラミックグリーンシートの貫通孔の壁面にそれぞれが独立するように設けるための導体金属ペーストを塗布させて垂直に立設させた棒体を接触させる貼着や、導体金属ペーストを含ませた筆等で手書きで形成する場合には、形成されたそれぞれのメタライズ膜の位置精度が低く、電子部品素子や、その他の電気的導通制御部材等との電気的接続が正常にできない場合が発生している。
（２）セラミック多層基板の製造方法は、セラミック多層基板の凹部の大きさが小さい場合には、棒体や、筆等の道具を凹部内に差し込んで作製するのに限界があるので、作製が不可能な場合が発生している。また、このような製造方法の場合には、正確なパターンを形成するための精度に限界が発生すると共に、作製時の低歩留や、作製のための時間と工数がかかりセラミック多層基板のコストアップとなっている。
（３）特開２００４−２４７３５１号公報に開示されているような、セラミック多層基板の複数層の内のある層の貫通孔の全周壁面を中心側内側に突出にさせる、またその壁面にメタライズ膜を形成することは、その層のセラミックグリーンシートに穿設する貫通孔の径を他のセラミックグリーンシートに穿設する貫通孔の径より小さくし、更に、小さい貫通孔の壁面全周にスクリーン印刷で容易にメタライズ膜を設けて形成することができるが、しかしながら、１層の中で貫通孔の壁面の部分的にメタライズ膜を形成することが難しい。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、セラミック多層基板の凹部の全周壁面の部分的にそれぞれの位置精度の高いメタライズ膜を有する安価なセラミック多層基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るセラミック多層基板は、３層以上の積層体からなり、一方の主面側の２層以上に貫通孔を設けて形成される凹部の少なくとも１層の第１の貫通孔の壁面が他の層の第２の貫通孔の壁面より突出して設けられていると共に、第１の貫通孔の壁面に複数に分割されたメタライズ膜を有し、凹部に金属ボールからなる電気的導通部材を封入させるためのセラミック多層基板であって、第２の貫通孔の壁面より突出する第１の貫通孔の壁面にメタライズ膜を複数箇所に分断するための第１の貫通孔の壁面の縦方向を通して設けられる切り欠き部を有すると共に、それぞれのメタライズ膜が電気的に断線状態からなり、しかも、それぞれのメタライズ膜が積層体の他方の主面側に形成される導体配線パターンのそれぞれと電気的に導通状態を有し、更に、金属ボールを介してそれぞれの隣接するメタライズ膜間が電気的に導通状態を有する。

前記目的に沿う本発明に係るセラミック多層基板の製造方法は、複数枚のセラミックグリーンシートの少なくとも１枚に第１の貫通孔を穿設し、第１の貫通孔の壁面にメタライズ膜を設け、複数枚の他のセラミックグリーンシートの少なくとも１枚に第１の貫通孔の孔径より大きい第２の貫通孔を穿設し、第１の貫通孔及び第２の貫通孔を設けない複数枚の残りのセラミックグリーンシートの少なくとも１枚と共に重ね合わせて積層し、焼成して形成する第１の貫通孔と第２の貫通孔で構成される凹部に金属ボールからなる電気的導通部材を封入させるためのセラミック多層基板の製造方法であって、第１の貫通孔の壁面に導体金属ペーストをスクリーン印刷で塗布して第１の貫通孔の壁面全体にメタライズ膜を形成した後、メタライズ膜を含む第１の貫通孔の壁面の複数箇所に、セラミックグリーンシートの上面から第１の貫通孔の外周部を跨いで第１の貫通孔の縦方向を通して穿設してメタライズ膜を複数個に分断し、複数個が電気的に断線状態となるため、及び隣接する複数個間を短絡させて電気的に導通状態としている金属ボールが離れることで電気的に断線状態とするための切り欠き部を形成する工程を有する。

請求項１記載のセラミック多層基板は、３層以上の積層体からなり、一方の主面側の２層以上に貫通孔を設けて形成される凹部の少なくとも１層の第１の貫通孔の壁面が他の層の第２の貫通孔の壁面より突出して設けられていると共に、第１の貫通孔の壁面に複数に分割されたメタライズ膜を有し、凹部に金属ボールからなる電気的導通部材を封入させるためのセラミック多層基板であって、第２の貫通孔の壁面より突出する第１の貫通孔の壁面にメタライズ膜を複数箇所に分断するための第１の貫通孔の壁面の縦方向を通して設けられる切り欠き部を有すると共に、それぞれのメタライズ膜が電気的に断線状態からなり、しかも、それぞれのメタライズ膜が積層体の他方の主面側に形成される導体配線パターンのそれぞれと電気的に導通状態を有し、更に、金属ボールを介してそれぞれの隣接するメタライズ膜間が電気的に導通状態を有するので、第１の貫通孔の壁面を縦方向に複数箇所に分割されるそれぞれのメタライズ膜の位置精度を高くできると共に、第２の貫通孔より突出して設けられている第１の貫通孔を有する層の壁面に設けるメタライズ膜に金属ボールからなる電気的導通部材が確実に接触して電気的接続を確実、且つ正常に機能させることができる。

請求項２記載のセラミック多層基板の製造方法は、複数枚のセラミックグリーンシートの少なくとも１枚に第１の貫通孔を穿設し、第１の貫通孔の壁面にメタライズ膜を設け、複数枚の他のセラミックグリーンシートの少なくとも１枚に第１の貫通孔の孔径より大きい第２の貫通孔を穿設し、第１の貫通孔及び第２の貫通孔を設けない複数枚の残りのセラミックグリーンシートの少なくとも１枚と共に重ね合わせて積層し、焼成して形成する第１の貫通孔と第２の貫通孔で構成される凹部に金属ボールからなる電気的導通部材を封入させるためのセラミック多層基板の製造方法であって、第１の貫通孔の壁面に導体金属ペーストをスクリーン印刷で塗布して第１の貫通孔の壁面全体にメタライズ膜を形成した後、メタライズ膜を含む第１の貫通孔の壁面の複数箇所に、セラミックグリーンシートの上面から第１の貫通孔の外周部を跨いで第１の貫通孔の縦方向を通して穿設してメタライズ膜を複数個に分断し、複数個が電気的に断線状態となるため、及び隣接する複数個間を短絡させて電気的に導通状態としている金属ボールが離れることで電気的に断線状態とするための切り欠き部を形成する工程を有するので、凹部の第１の貫通孔の壁面の部分的にメタライズ膜を容易に形成することができ、作製時の低歩留や、作製のための時間と工数増加を防止してコストアップを防止するセラミック多層基板の製造方法を提供できると共に、第２の貫通孔より突出して設けられている第１の貫通孔を有する層の壁面に設けるメタライズ膜に金属ボールからなる電気的導通部材が確実に接触して電気的接続を確実、且つ正常に機能させることができるセラミック多層基板の製造方法を提供できる。

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するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミック多層基板の上面側の平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図、下面側の平面図、図２（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ同セラミック多層基板の製造方法の説明図である。

図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るセラミック多層基板１０は、１又は複数層からなるセラミック平板１１と、貫通孔を設けた２層以上の窓枠状のセラミック枠体１２が積層された３層以上の多層構造の積層体として形成されている。このセラミック多層基板１０は、積層体のセラミック平板１１の上面と、積層体の一方の主面側である２層以上に貫通孔を設けるセラミック枠体１２の壁面とで形成される電子部品素子や、その他の電気的導通制御部材等を搭載させるための凹部１３を有している。この凹部１３のセラミック枠体１２の少なくとも１層の第１の貫通孔１４の壁面は、セラミック枠体１２の他の層の第２の貫通孔１５の壁面と同一、又は第１の貫通孔１４の壁面より突出して設けられている。また、このセラミック多層基板１０の第１の貫通孔１４の壁面には、複数に分割されたメタライズ膜１６を有している。ここで、セラミック多層基板１０を構成するセラミック基材は、特に限定されるものではないが、耐熱性、耐絶縁性、耐摩耗性等の特性を有するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。また、メタライズ膜１６には、セラミックと同時焼成が可能なタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点の導体金属を用いることができる。

このセラミック多層基板１０は、第１の貫通孔１４の壁面にメタライズ膜１６を複数箇所に分断するための複数の切り欠き部１７を有している。この切り欠き部１７は、第１の貫通孔１４の壁面の縦方向を縦断するようにセラミック厚みの上から下まで通して設けられている。切り欠き部１７の形状は、特に限定されるものではないが、切り欠き部１７を形成する時の打ち抜き金型のピン形状に沿った形状となることができる。そして、このセラミック多層基板１０は、分割されたそれぞれのメタライズ膜１６のそれぞれが電気的に断線状態となっている。しかも、このセラミック多層基板１０は、それぞれのメタライズ膜１６が積層体の他方の主面側である１又は複数層からなるセラミック平板１１の下面に形成される導体配線パターンである外部接続端子パッド１８のそれぞれと電気的に導通状態を有している。この導通状態は、それぞれのメタライズ膜１６と接続する繋ぎ導体配線パターン１９を設け、この繋ぎ導体配線パターン１９と外部接続端子パッド１８間の層間を導体金属を貫通孔の中に充填させたビア２０で接続して形成されている。

次いで、図２（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るセラミック多層基板１０の製造方法を説明する。なお、図２（Ａ）〜（Ｄ）は、セラミック多層基板１０のセラミック枠体１２の第１の貫通孔１４を形成する層の部分の製造方法の説明図を示しており、他の層の部分については省略している。
図２（Ａ）に示すように、セラミック多層基板１０を作製するためには、先ず、複数枚のセラミックグリーンシート２１を準備している。このセラミックグリーンシート２１を作製するためのセラミック基材は、Ａｌ_２Ｏ_３や、ＡｌＮ等があり、特に材料が限定されるものではない。例えば、セラミック基材に、Ａｌ_２Ｏ_３を用いる場合には、先ず、酸化アルミニウム粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練して脱泡し、粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製し、ドクターブレード法等によって所望の厚み、例えば、０．２ｍｍのシート状にした後乾燥させ、所望の大きさの矩形状に切断して複数枚のセラミックグリーンシート２１を形成している。なお、このセラミックグリーンシート２１には、多数個のセラミック多層基板１０が配列されて形成され、予め形成される個片体に分割するための分割用溝に沿って最後に個片体に分割することで個々のパッケージが作製される。

次に、図２（Ｂ）に示すように、複数枚のセラミックグリーンシート２１の少なくとも１枚には、焼成後の第１の貫通孔１４を形成するための挿通孔２２を打ち抜きプレスや、パンチングマシーン等を用いて形成している。また、このセラミックグリーンシート２１には、セラミック多層基板１０を構成するセラミック平板１１や、セラミック枠体１２用の他のセラミックグリーンシート２１の必要なセラミックグリーンシート２１と共に、セラミックグリーンシート２１の上下面の導通を形成するためのビア２０用の挿通孔２２ａを打ち抜きプレスや、パンチングマシーン等を用いて形成している。図示しないが、複数枚の他のセラミックグリーンシート２１の少なくとも１枚には、焼成後の第１の貫通孔１４を形成するための挿通孔２２の孔径と同一、又は大きい孔径からなる焼成後の第２の貫通孔１５を形成するための挿通孔を打ち抜きプレスや、パンチングマシーン等を用いて形成している。

次に、図２（Ｃ）に示すように、焼成後の第１の貫通孔１４を形成するための挿通孔２２の壁面には、導体金属ペーストを用いてスクリーン印刷で焼成後のメタライズ膜１６を形成するための塗布膜２３を壁面全面に形成している。また、焼成後のビア２０を形成するための挿通孔２２ａには、上記と同様の導体金属ペーストを用いてスクリーン印刷で孔埋めを行って充填体２４を形成している。更に、セラミックグリーンシート２１の表面には、充填体２４と、塗布膜２３との間に、上記と同様の導体金属ペーストを用いてスクリーン印刷で焼成後の繋ぎ導体配線パターン１９を形成するための配線パターン２５を形成している。ここで用いられる導体金属ペーストは、例えば、セラミックグリーンシート２１がＡｌ_２Ｏ_３や、ＡｌＮ等の高温で焼成する場合には、Ｗや、Ｍｏ等の高融点の導体金属粉末に若干の酸化アルミニウム粉末を混合してセラミックグリーンシート２１と焼成収縮率を近似させるようにして、樹脂と溶剤で混練させてペースト状としている。

次に、図２（Ｄ）に示すように、焼成後のメタライズ膜１６を形成するための塗布膜２３を含む焼成後の第１の貫通孔１４を形成するための挿通孔２２の壁面の複数箇所には、セラミックグリーンシート２１の上面から挿通孔２２の外周部を跨いで挿通孔２２の縦方向を通して打ち抜きプレスや、パンチングマシーン等で穿設して焼成後の切り欠き部１７を形成するための刳り抜き部２６を形成している。そして、この刳り抜き部２６によって、塗布膜２３は、複数個に分断され、焼成後には複数個が電気的に断線状態となるようにしている。

次に、図示しないが、セラミック多層基板を構成する複数枚の全てのセラミックグリーンシートは、重ね合わせて温度と、圧力をかけて積層し、還元雰囲気中の約１６００℃程度の温度で焼成して焼成体を形成している。そして、必要に応じて、セラミック材の外部に露出する金属部分にＮｉめっき被膜及びＡｕめっき被膜を形成している。なお、通常、セラミック多層基板は、セラミックグリーンシートに複数個の焼成前のセラミック多層基板を配列させた集合体とし、集合体に個片に分割するための分割溝を形成し、焼成後にこの分割溝で分割するようにしている。あるいは、集合体のセラミック多層基板の個々に電子部品素子や、その他の電気的導通制御部材等を実装した後に分割用溝で個々に分割するようにしている。

本発明は、例えば、半導体素子等の電子部品素子を実装させて、小型で、高信頼性が要求される電子装置に組み込まれて用いることができるセラミック多層基板及びその製造方法として利用することができる。また、本発明は、例えば、金属ボール等の電気的導通部材を凹部に封入させて、これを組み込んで電子装置として用いた時に、電子装置自体が傾いた場合に金属ボールが転がることで第１の貫通孔壁面に設けたメタライズ膜との間の電気的接点が変化することで、傾きを制御させることができる電子装置に組み込まれて用いることができるセラミック多層基板及びその製造方法として利用することができる。

（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミック多層基板の上面側の平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図、下面側の平面図である。（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ同セラミック多層基板の製造方法の説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来のセラミック多層基板の説明図である。

符号の説明

１０：セラミック多層基板、１１：セラミック平板、１２：セラミック枠体、１３：凹部、１４：第１の貫通孔、１５：第２の貫通孔、１６：メタライズ膜、１７：切り欠き部、１８：外部接続端子パッド、１９：繋ぎ導体配線パターン、２０：ビア、２１：セラミックグリーンシート、２２、２２ａ：挿通孔、２３：塗布膜、２４：充填体、２５：配線パターン、２６：刳り抜き部

Claims

３層以上の積層体からなり、一方の主面側の２層以上に貫通孔を設けて形成される凹部の少なくとも１層の第１の貫通孔の壁面が他の層の第２の貫通孔の壁面より突出して設けられていると共に、前記第１の貫通孔の壁面に複数に分割されたメタライズ膜を有し、前記凹部に金属ボールからなる電気的導通部材を封入させるためのセラミック多層基板であって、
前記第２の貫通孔の壁面より突出する前記第１の貫通孔の壁面に前記メタライズ膜を複数箇所に分断するための前記第１の貫通孔の壁面の縦方向を通して設けられる切り欠き部を有すると共に、それぞれの前記メタライズ膜が電気的に断線状態からなり、しかも、それぞれの前記メタライズ膜が前記積層体の他方の主面側に形成される導体配線パターンのそれぞれと電気的に導通状態を有し、更に、前記金属ボールを介してそれぞれの隣接する前記メタライズ膜間が電気的に導通状態を有することを特徴とするセラミック多層基板。
複数枚のセラミックグリーンシートの少なくとも１枚に第１の貫通孔を穿設し、該第１の貫通孔の壁面にメタライズ膜を設け、複数枚の他のセラミックグリーンシートの少なくとも１枚に前記第１の貫通孔の孔径より大きい第２の貫通孔を穿設し、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を設けない複数枚の残りのセラミックグリーンシートの少なくとも１枚と共に重ね合わせて積層し、焼成して形成する前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔で構成される凹部に金属ボールからなる電気的導通部材を封入させるためのセラミック多層基板の製造方法であって、
前記第１の貫通孔の壁面に導体金属ペーストをスクリーン印刷で塗布して前記第１の貫通孔の壁面全体に前記メタライズ膜を形成した後、前記メタライズ膜を含む前記第１の貫通孔の壁面の複数箇所に、前記セラミックグリーンシートの上面から前記第１の貫通孔の外周部を跨いで前記第１の貫通孔の縦方向を通して穿設して前記メタライズ膜を複数個に分断し、該複数個が電気的に断線状態となるため、及び隣接する前記複数個間を短絡させて電気的に導通状態としている前記金属ボールが離れることで電気的に断線状態とするための切り欠き部を形成する工程を有することを特徴とするセラミック多層基板の製造方法。