JP5176740B2 - 多層セラミック基板 - Google Patents

Description

本発明は、多層セラミック基板およびその製造方法に関するもので、特に、たとえば積層セラミックコンデンサのような素子が内蔵された多層セラミック基板およびその製造方法に関するものである。

多層セラミック基板をより多機能化、高性能化するためには、たとえばコンデンサ素子やインダクタ素子のような高精度な機能素子を多層セラミック基板に内蔵しながら、高密度に配線をすることが有効である。このような機能素子を内蔵した多層セラミック基板は、種々の方法によって製造されている。

たとえば、特開２００２−８４０６７号公報（特許文献１）には、セラミック機能材料を予め焼成して得られたプレート状のセラミック素体をもって、コンデンサ素子、インダクタ素子、抵抗素子等の機能素子を予め作製しておき、焼成することによって多層セラミック基板となる、セラミックグリーン層からなる未焼成の積層体の内部に、上記の機能素子を配置し、その状態で積層体を焼成することによって機能素子を内蔵した多層セラミック基板を製造する方法が記載されている。

また、特許文献１では、上述した多層セラミック基板を製造するため、いわゆる無収縮プロセスを適用することも記載されている。具体的には、多層セラミック基板となるべき積層体を積層方向に挟むように外側拘束層が配置される。外側拘束層は積層体の焼成温度では実質的に焼結しないセラミック材料を含んでいるため、外側拘束層は焼成工程において実質的に収縮しない。したがって、焼成工程において、外側拘束層は積層体の平面方向の収縮を実質的に抑制し、結果として、不均一な収縮を生じさせにくくすることができる。なお、外側拘束層は焼成工程の後に除去される。

ところが、上述の特許文献１に記載の方法により多層セラミック基板を製造すると、内蔵された機能素子にクラックが発生することがある。これは、積層体の積層方向の収縮により生じる圧縮応力が内蔵された機能素子に及ぼされるためである。いわゆる無収縮プロセスでは、焼成工程において積層体の平面方向の収縮は外側拘束層によって実質的に抑制されるけれども、積層体の積層方向には収縮するからである。

そこで、未公開の特願２００７−３２９９３０号（特許文献２）には、積層体と当該積層体に内蔵される機能素子との間に、当該機能素子の全周囲を覆うように層間拘束層を設ける方法が記載されている。層間拘束層は積層体の焼成温度では実質的に焼結しないセラミック材料を含んでいるため、層間拘束層は焼成工程において平面方向のみならず積層方向にも実質的に収縮しない。そのため、層間拘束層に全周囲を覆われた内蔵素子は、積層体の積層方向への収縮により生じる圧縮応力の影響を実質的に受けずに焼成工程を終えることができる。このように、特許文献２に記載の方法によれば、焼成工程において内蔵素子に及ぼされる圧縮応力は層間拘束層によって有利に緩和され、内蔵素子にクラックが発生するのを効果的に抑制することができる。

なお、層間拘束層間で剥がれが発生しないようにするため、層間拘束層は、積層体からガラス材料が浸透することによって層間拘束層のセラミック材料が固着される程度に薄く形成される。
特開２００２−８４０６７号公報 特願２００７−３２９９３０号

しかし、上述の特許文献２に記載の方法により多層セラミック基板を製造するときであっても、内蔵素子にクラックが発生する場合がある。これは、積層体から層間拘束層へ浸透したガラス材料と内蔵素子を構成するセラミック材料との熱膨張係数差が原因であると考えられる。すなわち、焼成工程において、積層体のガラス材料が層間拘束層へ浸透すると、当該ガラス材料が層間拘束層に覆われた内蔵素子のセラミック素体と接する場合がある。そうすると、その後の冷却工程において内蔵素子のセラミック材料は比較的大きく収縮しようとするが、セラミック材料よりも収縮しないガラス材料に引っ張られるため、内蔵素子にクラックが発生すると考えられるのである。

そこで、この発明の目的は、上述した課題を解決し得る、多層セラミック基板およびその製造方法を提供しようとすることである。

上記問題点を解決するために、本発明の多層セラミック基板は、ガラス材料と第１のセラミック材料との焼結体からなる複数の基材層と、特定の基材層の間に配置された複数の層間拘束層と、基材層と層間拘束層とに形成された内部導体と、セラミック素体と端子電極とを備え、端子電極が内部導体に電気的に接続され、層間拘束層の間に配置された内蔵素子と、を備えた積層体を有し、層間拘束層は、基材層の焼結温度では実質的に焼結しない第２のセラミック材料を含むとともに、基材層に含まれていたガラス材料の一部が焼成時に層間拘束層に浸透することによって、第２のセラミック材料が互いに固着された状態にあり、層間拘束層は、内蔵素子の全周囲を覆うように設けられており、さらに、層間拘束層と内蔵素子のセラミック素体との間の少なくとも一部に空隙が形成されている。

また、本発明の多層セラミック基板は、空隙がセラミック素体の全周に形成されていることが好ましい。

また、本発明の多層セラミック基板は、内部導体として、内蔵素子の端子電極に電気的に接続され、内蔵素子の側方にまで引き出されるように設けられた面内導体と、面内導体の内蔵素子の側方にまで引き出された部分に電気的に接続されるように設けられた層間接続導体とを備えることが好ましい。

また、本発明の多層セラミック基板は、面内導体が内蔵素子を挟むように設けられることが好ましい。

また、本発明の多層セラミック基板は、内蔵素子の側方に空隙が形成されていることが好ましい。

また、本発明の多層セラミック基板は、内蔵素子の面内導体に接していない部分と層間拘束層との間に空隙が形成されていることが好ましい。

また、本発明の多層セラミック基板は、内部導体と内蔵素子の端子電極とが、空隙に形成された突起電極によって電気的に接続されていることが好ましい。

本発明によれば、焼成工程において内蔵素子に及ぼされる圧縮応力が層間拘束層によって有利に緩和される。また、層間拘束層と内蔵素子のセラミック素体との間に形成された空隙によって層間拘束層に浸透したガラス材料と内蔵素子のセラミック材料との接触が避けられる。そのため、内蔵素子にクラックが発生することを効果的に抑制することができる。

以下、図１〜図１４に基づいて本発明を説明する。

図１は、実施例１による多層セラミック基板１を示す概略断面図である。図２は、図１の一部を拡大して示す概略断面図である。

多層セラミック基板１は、積層された複数の基材層２と特定の基材層の間に配置された層間拘束層３〜５とをもって構成された積層体６を備えている。実施例１では、層間拘束層３，４が互いに接するように配置されている。また、すべての隣り合う基材層２の間には、層間拘束層３，４または層間拘束層５が配置されている。層間拘束層３〜５は、基材層２に比べ、より薄くされる。

また、多層セラミック基板１は、いくつかの内蔵素子７を備えている。内蔵素子７は、典型的には、積層セラミックコンデンサのようなチップ状の積層セラミック電子部品であるが、その他のコンデンサ素子であっても、あるいは、インダクタ素子、抵抗素子等であってもよい。内蔵素子７は、図２に示すように、セラミック素体３０と端子電極８を備えている。たとえば、端子電極８は、セラミック素体３０の側面に引き出された内部電極と接続されるように、セラミック素体３０の側面に断面コの字状に形成されている。また、内蔵素子７の端子電極は、図３に示すように、セラミック素体３０の主面に引き出された内部電極と接続されるように、セラミック素体３０の主面に形成される端子電極１８であってもよい。

また、図１に示すように、多層セラミック基板１は、積層体６の内部に内部導体を備えている。多層セラミック基板１は、内部導体として、各層の表面に設けられた面内導体９と各層を貫通するように設けられた層間接続導体１０を備えている。面内導体９は、図２によく示されているように、内蔵素子７の端子電極８に電気的に接続される部分を含んでいる。

なお、面内導体９は、内蔵素子７のセラミック素体３０と端子電極８との界面を覆うように形成されている。これは、内蔵素子７にクラックが発生するのを抑制するためである。具体的には、次の通りである。内蔵素子７のセラミック素体３０と端子電極８との界面は、内蔵素子７に端子電極８を形成した後に残留応力が最も集中しやすい部分である。そのため、内蔵素子７を積層体６の内部に配置するときに、面内導体９が内蔵素子７のセラミック素体３０と端子電極８との界面に沿って形成されている場合、内蔵素子７のセラミック素体３０と端子電極８との界面には応力が集中するため内蔵素子７にクラックが発生しやすい。そこで、内蔵素子７のセラミック素体３０と端子電極８との界面を覆うように面内導体９が形成されていると、面内導体９が内蔵素子７の受ける応力を緩和し、内蔵素子７にクラックが発生するのを抑制することができるのである。

また、図１に示すように、多層セラミック基板１は、積層体６の一方および他方主面１１，１２にそれぞれ形成された外部導体１３，１４を備えている。層間接続導体１０は、特定の面内導体９と電気的に接続され、さらに外部導体１３，１４と電気的に接続されるものもある。

積層体６の一方主面１１上には、図示しないが、いくつかの表面実装部品が搭載されてもよい。外部導体１３は、多層セラミック基板１を表面実装部品に電気的に接続するために用いられる。他方、積層体６の他方主面１２上に形成された外部導体１４は、この多層セラミック基板１を図示しないマザーボード上に実装するとき、多層セラミック基板１をマザーボードに電気的に接続するために用いられる。

後述する製造方法の説明から明らかになるように、基材層２はガラス材料と第１のセラミック材料との焼結体からなる。ガラス材料としては、当初から基材層用セラミックグリーン層がガラス粉末を含んでいてもよいし、焼成によってガラス材料を析出するものを含んでいてもよい。他方、層間拘束層３〜５は、上記基材層２の焼結温度では実質的に焼結しない第２のセラミック材料を含むとともに、基材層２に含まれていたガラス材料の一部が焼成時に層間拘束層３〜５へ浸透することによって、第２のセラミック材料が互いに固着された状態にある。

また、多層セラミック基板１では、基材層２と内蔵素子７の間に層間拘束層３，４が設けられ、層間拘束層３，４は内蔵素子７の全周囲を覆うように設けられている。すなわち、図２に示されているように、内蔵素子７を挟むように位置する２つの層間拘束層３，４は、内蔵素子７の側方において空隙１５を形成しながらも、内蔵素子７の側方において互いに一体化されている。

このように、基材層２と機能素子７との間に、機能素子７の全周囲を覆うように層間拘束層３，４を設けることによって、焼成工程において内蔵素子７に及ぼされる圧縮応力が層間拘束層３，４によって有利に緩和され、内蔵素子７にクラックが発生するのを効果的に抑制することができる。具体的には、層間拘束層３，４は焼成工程では実質的に焼結しないセラミック材料を含んでいるため、層間拘束層３，４は焼成工程において平面方向のみならず積層方向にも実質的に収縮しない。そのため、層間拘束層３，４に全周囲を覆われた内蔵素子７は、基材層２の積層方向の収縮により生じる圧縮応力の影響を実質的に受けずに焼成工程を終えることができるのである。

なお、図１においては、すべての内蔵素子７の側方に空隙１５が形成されているが、空隙１５は内蔵素子７の側方に形成されていなくてもよい。このように、内蔵素子７の側方に空隙１５が形成されていないと、積層体６にクラックが発生するのを抑制することができる点で好ましい。なぜなら、空隙１５が形成されていないと内蔵素子７の側方が焼成時に大きく収縮することはないため、面内導体９が内蔵素子７の側方で一体化される部分に応力が集中するのを抑制できるからである。

また、図２に示されているように、層間拘束層３，４と内蔵素子７のセラミック素体３０との間に空隙２５が形成されている。空隙２５は、後述する製造方法の説明から明らかになるように、焼成時に空隙形成材層が焼失して形成される。

このように、層間拘束層３，４と内蔵素子７のセラミック素体３０との間に空隙２５が形成されることで、焼成工程において基材層２から層間拘束層３，４に浸透したガラス材料とセラミック素体３０を構成するセラミック材料との接触が避けられる。そのため、その後の冷却工程において内蔵素子７のセラミック素体３０が比較的大きく収縮しても、内蔵素子７はセラミック素体３０よりも収縮しない層間拘束層３，４のガラス材料に引っ張られることはない。その結果、内蔵素子７にクラックが発生することを効果的に抑制することができる。

なお、空隙２５は、層間拘束層３，４と内蔵素子７のセラミック素体との間の少なくとも一部に形成されていれば、層間拘束層３，４のガラス材料とセラミック素体３０のセラミック材料との接触を回避し、内蔵素子７にクラックが発生するのを抑制できる。ただし、層間拘束層３，４のガラス材料とセラミック素体３０のセラミック材料との接触をより確実に回避し、内蔵素子７にクラックが発生するのをより確実に抑制するためには、空隙２５はセラミック素体３０の全周に形成されているのが好ましい。

また、図２に示されているように、内蔵素子７の端子電極８に電気的に接続されるべき層間接続導体１０は、内蔵素子７の端子電極８に直接接続されるのではなく、内蔵素子７の端子電極８に電気的に接続された面内導体９の、内蔵素子７の側方にまで引き出された部分に接続されるように設けられている。

これは、層間接続導体１０を内蔵素子７の端子電極８に直接接続すると、内蔵素子７にクラックが発生する場合があるからである。すなわち、焼成工程において、層間接続導体１０を構成する材料の収縮率が多層セラミック基板１を構成するセラミック材料の収縮率よりも小さい場合、焼成時に、積層工程の前に既に焼成済の内蔵素子７の端子電極８に向かって層間接続導体１０が突出するように挙動するため、内蔵素子７にクラックが発生する虞があるのである。

一方で、一般的に、面内導体９は層間接続導体１０と同じ材料からなり、同時に形成されるものである。そのため、層間接続導体１０が内蔵素子７の側方にまで引き出された面内導体９に接続されるように設けられていると、仮に層間接続導体１０が面内導体９に向かって突出するように挙動したとしても、面内導体９と一体化するため、内蔵素子７のみならず、積層体６にクラックが発生することを抑制することができる。

なお、面内導体９に厚みをもたせると、層間接続導体１０が突出するように挙動したとしても、内蔵素子７のクラックが発生するのを抑制することができる。そのため、層間接続導体１０は面内導体９の内蔵素子７の側方に引き出された部分に接続する必要はなく、内蔵素子７の端子電極８に接している部分に接続してもよい。

また、多層セラミック基板１は、内蔵素子７を挟むように面内導体９が設けられている。このように、面内導体９が内蔵素子７を積層方向に挟むように設けられる部分を含んでいると、面内導体９と内蔵素子７の端子電極８との接触面積が大きくなるため、両者の接続信頼性が向上する。また、面内導体９と内蔵素子７の接触面積が大きくなっても、内蔵素子７および積層体６でのクラックの発生をより確実に抑制することができる。なぜなら、面内導体９ではガラス材料が浸透しにくいため、層間拘束層３，４と内蔵素子７の端子電極８の間に面内導体９が形成されていると、基材層２から層間拘束層３，４に浸透したガラス材料と内蔵素子７の端子電極８とが接するのを回避できるからである。そのため、その後の冷却工程において内蔵素子７の端子電極８が比較的大きく収縮しても、内蔵素子７は端子電極８よりも収縮しない層間拘束層３，４のガラス材料に引っ張られることはない。その結果、内蔵素子７にクラックが発生することを効果的に抑制することができる。

なお、内蔵素子７の側方にまで引き出された面内導体９は、必ずしも内蔵素子７を挟むように設けられている必要はなく、内蔵素子７の一方主面内にのみ電気的に接続されるように形成されていてもよい。面内導体９が内蔵素子７の一方主面のみに形成されている場合であっても、端子電極８と層間接続導体１０とを電気的に接続させることができるからである。

次に、図４〜図７に基づいて、多層セラミック基板１の製造方法を説明する。

多層セラミック基板１は、図４に示すような未焼成の積層体６ａを焼成することによって得られ、未焼成の積層体６ａは、図５および図６に示すような工程を経て作製される。

図４に示すように、未焼成の積層体６ａは、図１に示した焼成後の積層体６に備える要素に対応する要素を備えている。具体的には、未焼成の積層体６ａは、基材層２となるべき基材層用セラミックグリーン層２ａと、層間拘束層３〜５となるべき層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａと、内部導体たる面内導体９となるべき未焼成の面内導体９ａと、内部導体たる層間接続導体１０となるべき未焼成の層間接続導体１０ａと、外部導体１３，１４となるべき未焼成の外部導体１３ａ，１４ａとを備えている。また、未焼成の積層体６ａは、内蔵素子７を備えている。上述したように、内蔵素子７は、セラミック素体３０と端子電極８を備えている。

また、未焼成の積層体６ａは、図１に示した空隙２５となるべき、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａと内蔵素子７のセラミック素体３０との接する箇所に空隙形成材２０を備えている。

また、図４に示すように、未焼成の積層体６ａの少なくとも一方主面、好ましくは両主面上に、未焼成の状態にある外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａが積層される。

このような未焼成の積層体６ａおよび外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａを作製するためには、まず、内蔵素子７、基材層用セラミックグリーン層２ａ、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａおよび外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａをそれぞれ準備する。

まず、内蔵素子７の作製方法を説明する。

内蔵素子７は、たとえば積層セラミックコンデンサであれば、誘電体セラミック材料を含み、表面に面内導体を形成したセラミックグリーン層を積層し、焼成した後、端部に露出した面内導体に電気的に接続される断面コの字状の一対の端子電極を積層体の両端部に形成し、焼き付けることによって予め作製しておく。なお、内蔵素子７は、その他のコンデンサ素子であっても、あるいは、インダクタ素子、抵抗素子等であってもよい。

次に、基材層用セラミックグリーン層２ａの作製方法を説明する。

基材層用セラミックグリーン層２ａは、ガラス材料と第１のセラミック材料とを含んでいる。基材層用セラミックグリーン層２ａに含まれるガラス材料としては、たとえば、ホウケイ酸系ガラスが用いられる。なお、ガラス材料は、基材層用セラミックグリーン層２ａに当初から含まれていなくても、焼成によってガラス材料を析出するものが含まれていればよい。また、第１のセラミック材料としては、たとえば、アルミナが用いられる。

また、基材層用セラミックグリーン層２ａは、１０５０℃以下の温度で焼結する低温焼結セラミック材料を主成分とするセラミックグリーン層を用いることが好ましい。ここで、低温焼結セラミック材料とは、１０５０℃以下の温度で焼結可能であって、比抵抗の小さな銀や銅などと同時焼成が可能なセラミック材料である。低温焼結セラミックとしては、具体的には、アルミナやフォルステライトなどのセラミック粉末にホウ珪酸ガラスを混合してなるガラス複合系低温焼結セラミック材料、ＺｎＯ−ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系の結晶化ガラスを用いた結晶化ガラス系低温焼結セラミック材料、Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−ＳｉＯ₂−ＭｇＯ−Ｂ₂Ｏ₃系のセラミック粉末を用いた非ガラス系低温焼結セラミック材料などが挙げられる。

また、一例として、基材層用セラミックグリーン層２ａは、平均粒径約４μｍのホウケイ酸系ガラス粉末６０重量部と、平均粒径０．３５μｍのアルミナ粉末４０重量部と、分散媒としての水５０重量部と、バインダとしてのポリビニルアルコール２０重量部と、分散剤としてのポリカルボン酸系分散剤１重量部とを混合してスラリーとし、このスラリーから気泡を除去した後、ドクターブレード法によってスラリーをシート状に成形し、乾燥することによって得られる。基材層用セラミックグリーン層２ａの厚みはたとえば２０〜２００μｍ程度とされる。

なお、基材層用セラミックグリーン層２ａには、必要に応じて、層間接続導体用孔を形成し、内部導体として未焼成の層間接続導体１０ａと未焼成の面内導体９ａを、外部導体として未焼成の外部導体１３ａ，１４ａを形成する。

次に、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａの作製方法を説明する。

層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａは、第１のセラミック材料の焼結温度では実質的に焼結しない第２のセラミック材料を含んでいる。なお、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａは、特に要求されない限り、互いに同じ組成および同じ厚みを有している。層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａには、拘束力に影響を与えない範囲で、ガラス材料または焼成によってガラス材料を析出するものを含んでいてもよい。

層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａに含まれる第２のセラミック材料としては、たとえば、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化チタンのいずれかが用いられる。

また、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａは、一例として、平均粒径０．４μｍのアルミナ粉末１００重量部と、分散媒としての水５０重量部と、バインダとしてのポリビニルアルコール２０重量部と、分散剤としてのポリカルボン酸系分散剤１重量部とを混合してスラリーとし、このスラリーから気泡を除去した後、基材層用セラミックグリーン層２ａの一方主面上に、直接、スクリーン印刷法等によって形成する。層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａを基材層用セラミックグリーン層２ａの一方主面上に直接形成するのは、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａの厚みが基材層用セラミックグリーン層２ａに比べて薄いからである。層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａの厚みはたとえば１〜１０μｍ程度とされる。

なお、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａには、必要に応じて、層間接続導体用孔を形成し、内部導体として未焼成の層間接続導体１０ａと未焼成の面内導体９ａを形成する。

次に、外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａの作製方法を説明する。

外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａは、基材層用セラミックグリーン層２ａに含まれる第１のセラミック材料の焼結温度では焼結しない第３のセラミック材料を含む組成とされる。通常、外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａは、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａと同じ組成とされ、第３のセラミック材料は第２のセラミック材料と同様のものを用いる。

また、外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａは、一例として、平均粒径０．４μｍのアルミナ粉末１００重量部と、分散媒としての水５０重量部と、バインダとしてのポリビニルアルコール２０重量部と、分散剤としてのポリカルボン酸系分散剤１重量部とを混合してスラリーとし、このスラリーから気泡を除去した後、ドクターブレード法によってスラリーをシート状に形成し、乾燥することによって得られる。外側拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａの厚みはたとえば２０〜２００μｍ程度とされ、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａに比べて厚く形成される。このように外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａを厚く形成するのは、未焼成の積層体６ａの収縮や反り等を抑制するためである。

次に、基材層用セラミックグリーン層２ａと、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａと、内蔵素子７と、層間拘束層用セラミックグリーン層４ａと、基材層用セラミックグリーン層２ａとを、この順に積み重ねて未焼成の積層体６ａを作製する。

まず、上述のように、基材層用セラミックグリーン層２ａの一方主面上に、直接、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａを形成することによって、図５に示すような、第１の複合セラミックグリーン層１６を作製する。また、同様に、基材層用セラミックグリーン層２ａの一方主面上に、直接、層間拘束層用セラミックグリーン層４ａを形成することによって、図５に示すような、第２の複合セラミックグリーン層１７を作製する。

図５に示すように、第１の複合セラミックグリーン層１６と第２の複合セラミックグリーン層１７には、必要に応じて、層間接続導体用孔が形成され、内部導体として未焼成の面内導体９ａと未焼成の層間接続導体１０ａが形成される。

実施例１では、未焼成の面内導体９ａは、後述する積層時に、内蔵素子７の側方にまで引き出されるように、内蔵素子７の端子電極８よりも長く形成する。また、未焼成の層間接続導体１０ａは、後述する積層後に、未焼成の面内導体９ａの内蔵素子７の側方にまで引き出された部分に電気的に接続されるように、内蔵素子７の端子電極８の部分ではなく、内蔵素子７の側方に形成する。

なぜなら、層間接続導体１０が内蔵素子７の側方にまで引き出された部分において面内導体９と接続されるように設けられていると、焼成時における層間接続導体１０の突出による内蔵素子７および積層体６のクラック発生を回避することができるからである。

また、未焼成の面内導体９ａは、内蔵素子７を挟むように位置する２つの層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａの各々の互いに対向する各主面上にそれぞれ形成している。

なぜなら、面内導体にはガラス材料が浸透しにくいため、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａと内蔵素子７の端子電極８の間に未焼成の面内導体９ａが形成されていると、基材層用セラミックグリーン層２ａから層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａに浸透したガラス材料と内蔵素子７の端子電極８とが接するのを抑制できるからである。そのため、焼成工程および冷却工程において大きく膨張および収縮する層間拘束層３，４のガラス材料と、既に焼結しているためほとんど膨張および収縮しない端子電極８の電極材料との熱膨張係数差の影響を内蔵素子７が受けることはなくなる。その結果、内蔵素子７にクラックが発生することを効果的に抑制することができる。

なお、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａは、ドクターブレード法によって上述したスラリーをシート状に成形し、乾燥することによって作製してもよい。

この場合、第１の複合セラミックグリーン層１６は、基材層用セラミックグリーン層２ａ上に層間拘束層用セラミックグリーン層３ａを積み重ねることによって作製され、第２の複合セラミックグリーン層１７は、基材層用セラミックグリーン層２ａ上に層間拘束層用セラミックグリーン層４ａを積み重ねることによって作製される。

また、この場合、未焼成の面内導体９ａと未焼成の層間接続導体１０ａは、必要に応じて、第１の複合セラミックグリーン層１６と第２の複合セラミックグリーン層１７を作製する前に、基材層用セラミックグリーン層２ａと層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａに形成しておいてもよい。

次に、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａ上の内蔵素子７のセラミック素体３０と接する箇所に、空隙形成材からなる空隙形成材層２０をスクリーン印刷法等によってそれぞれ形成する。

空隙形成材としては、焼成後には焼失して層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａと内蔵素子７のセラミック素体３０との間に空隙を形成する材料が用いられる。たとえば、カーボンや樹脂等の焼失材料を空隙形成材として用いることができる。

なお、カーボンの焼失時期は、焼成雰囲気を変更することによってコントロールすることができる。そのため、面内導体９の短絡を抑制し、絶縁信頼性を高めるためには、空隙形成材としてカーボンを用いることが好ましい。一般的に、短絡の原因となるマイグレーションは、酸素濃度が高い方が起こりやすい。カーボンは焼成時に酸素と結合し、二酸化炭素を発生させるため、空隙形成材としてカーボンを用いると面内導体９の周囲の酸素濃度を下げることができる。そのため、空隙形成材としてカーボンを用いると面内導体９の短絡を抑制することができるのである。

また、空隙形成材層２０は、内蔵素子７の主面上に形成してもよい。ただし、空隙形成材層２０は、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａ上に形成する方が、未焼成の面内導体９と同様の印刷工程で形成することができ、空隙形成材層２０のための特別な工程や設備を必要としない点で好ましい。

なお、空隙形成材層２０の厚みは、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａの厚みや後述する焼成条件によって異なるが、焼成後に層間拘束層と内蔵素子７のセラミック素体３０との間に空隙２５が残存する程度の厚みが必要である。

次に、図５に示すように、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ上に内蔵素子７が配置される。より正確には、内蔵素子７は、その端子電極８が未焼成の面内導体９ａ上に、また、そのセラミック素体３０が空隙形成材層２０上に載るように配置される。

そして、図５に示すように、層間拘束層用セラミックグリーン層４ａが内蔵素子７に接するように、より正確には、内蔵素子７の端子電極８が未焼成の面内導体９に、また、そのセラミック素体３０が空隙形成材層２０に接するように、第１の複合セラミックグリーン層１６と第２の複合セラミックグリーン層１７とが互いに近接され、かつ、互いに圧着される。

その結果、図６に示すように、第１の複合セラミックグリーン層１６と第２の複合セラミックグリーン層１７とが積み重ねられた状態が得られる。この状態において、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａと層間拘束層用セラミックグリーン層４ａとは、内蔵素子７の周囲に空隙１５を残しつつも、内蔵素子７の側方において、未焼成の面内導体９ａを挟んで一体化される。また、未焼成の層間接続導体１０ａは、内蔵素子７の端子電極８に電気的に接続される未焼成の面内導体９ａの、内蔵素子７の側方にまで引き出された部分に接続される。

図７は、図６に示したＡ―Ａ断面を示した概略断面図である。内蔵素子７は、図示しない側方の空隙１５を除き、未焼成の面内導体９ａと空隙形成材層２０によって覆われる。ここで、内蔵素子７は、両主面のみならず側面においても面内導体９と空隙形成材層２０に覆われているため、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａと直接接することはない。このように、層間拘束層３，４のガラス材料とセラミック素体３０のセラミック材料との接触をより確実に回避し、内蔵素子７にクラックが発生するのをより確実に抑制するためには、空隙形成材層２０がセラミック素体３０の全周に形成されるのが好ましい。

なお、空隙形成材層２０は、層間拘束層３，４と内蔵素子７のセラミック素体３０との接する箇所の少なくとも一部に形成されていればよい。層間拘束層３，４のガラス材料とセラミック素体３０のセラミック材料との接触を回避し、内蔵素子７にクラックが発生するのを抑制できるからである。

以上、未焼成の積層体６ａの特定的な部分でのセラミックグリーン層の積み重ね工程について詳細に説明したが、この積み重ね工程においては、未焼成の積層体６ａの他の部分でのセラミックグリーン層の積み重ねも同時に実施される。

次に、上述したとおり、図４に示すように、未焼成の積層体６ａの少なくとも一方主面、好ましくは両主面上に、未焼成の状態にある外側拘束層１９を積層する工程が実施される。

次に、上述のように外側拘束層１９を形成した未焼成の積層体６ａが焼成される。焼成条件は、基材層用セラミックグリーン層２ａに含まれる第１のセラミック材料を焼結させるとともに、基材層用セラミックグリーン層２ａからガラス材料の一部を層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａへ浸透させることによって、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａに含まれる第２のセラミック材料を、実質的に焼結させずに互いに固着させるように選ばれる。具体的には、セラミック材料として低温焼結セラミック材料を用いた場合には、８００℃〜１０５０℃で焼成するのが好ましい。

また、焼成条件は、空隙形成材層２０が焼失され、焼成後に層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａと内蔵素子のセラミック素体３０との間に空隙２５が形成されるように選ばれる。なお、上述のように、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａは、焼成後に、第２のセラミック粉末が互いに固着された状態にあり、層間拘束層３，４となる。

たとえば、空隙形成材としてカーボンを用い、空気雰囲気中で焼成した場合には、約６００℃から約６５０℃で空隙形成材層が完全に焼失する。基材層用セラミックグリーン層２ａの積層方向の収縮は約７００℃から始まるため、この場合、基材層用セラミックグリーン層２ａが積層方向に収縮し始める前に空隙２５が形成されることとなる。そうすると、基材層用セラミックグリーン層２ａの積層方向への収縮に伴い、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａは空隙２５の部分に押し出され、空隙２５は徐々に狭くなる。この場合、内蔵素子７のセラミック素体３０と層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａの接触による内蔵素子７のクラックを回避するためには、焼成後にも空隙２５が残存する程度の厚みをもって空隙形成材層２０を形成しておく必要がある。

たとえば、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａの厚みをそれぞれ３．５μｍとし、約９００℃で焼成した場合、空隙形成材層２５を形成しない場合は１００％の確立で内蔵素子７にクラックが発生したのに対し、同じ条件で、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａと内蔵素子７のセラミック素体３０との接する箇所に１３μｍの空隙形成材層２５を形成した場合には内蔵素子７にクラックは発生しなかった。これは、基材層用セラミックグリーン層２ａのガラス材料が層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａと内蔵素子７のセラミック素体３０との接する箇所に浸透しているけれども、空隙が形成されるために接触が回避されたからだと考えられる。そのため、焼成温度を約９００℃よりも高くする場合には、約９００℃の場合に比べて、空隙形成材層２５の厚みをさらに厚くすることが必要になる。

また、空隙形成材としてカーボンを用いた場合には、焼成条件を調整することによってカーボンが焼失する温度をコントロールすることができる。たとえば、カーボンは低酸素雰囲気では焼失しない。

ここで、低酸素雰囲気とは、大気などに比べて酸素分圧が相当に低い雰囲気を指すものであり、具体的には、常圧下で酸素分圧が、１０^-2ａｔｍ程度以下（すなわち、雰囲気中の酸素濃度が１重量％程度以下）であるような雰囲気が例示される。この低酸素雰囲気のより好ましい条件としては、例えば、常圧下で酸素分圧が、１０^-3〜１０^-6ａｔｍ（酸素濃度０．１〜０．０００１重量％）というような条件が例示される。

また、カーボンを焼失させる焼成条件としては、たとえば、常圧下で酸素分圧が１０^-1ａｔｍ以上（すなわち、雰囲気中の酸素濃度が１０重量％以上）であるような雰囲気が挙げられる。

そこで、焼成条件として、基材層用セラミックグリーン層２ａが焼結する時点では低酸素雰囲気とし、その後、酸素濃度を上昇させることによって、空隙形成材層２０を焼失させることができる。これにより、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａのセラミック材料が互いに固着された後に、空隙２５を形成させることができるため、層間拘束層３，４と内蔵素子７のセラミック素体３０との間に確実に空隙２５を形成させることができる。この場合、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａの厚みは、上述した空気雰囲気中のみで焼成する場合に比べて、薄くてもよい。

また、たとえば、空隙形成材として樹脂を用いた場合には、空気雰囲気中約９００℃で焼成することで空隙形成材層を完全に焼失させることができる。

上述の焼成工程において、外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａに含まれる第３のセラミック材料は実質的に焼結しない。そのため、外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａは、焼成工程の後、外側拘束層となり除去される。他方、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａは、第２のセラミック材料が互いに固着した状態にある層間拘束層３〜５となり、焼成後の積層体６に残される。

上述した焼成工程において、層間拘束層３〜５および外側拘束層は各々が接する基材層２に対して収縮抑制作用を及ぼし、得られた積層体６の寸法精度を高めることができる。

また、基材層２と内蔵素子７との間に、内蔵素子７の全周囲を覆うように層間拘束層３，４を設けることによって、焼成工程において内蔵素子７に及ぼされる圧縮応力が層間拘束層３，４によって有利に緩和され、内蔵素子７にクラックが発生するのを効果的に抑制することができる。具体的には、層間拘束層３，４は焼成工程では実質的に焼結しないセラミック材料を含んでいるため、層間拘束層３，４は焼成工程において平面方向のみならず積層方向にも実質的に収縮しない。そのため、層間拘束層３，４に全周囲を覆われた内蔵素子７は、基材層２の積層方向の収縮による圧縮応力の影響を実質的に受けずに焼成工程を終えることができるのである。

また、層間拘束層３，４と内蔵素子７のセラミック素体３０との接する箇所に空隙２５が形成されることで、焼成工程において基材層用セラミックグリーン層２ａから層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａに浸透したガラス材料とセラミック素体３０を構成するセラミック材料との接触が避けられる。そのため、その後の冷却工程において内蔵素子７のセラミック素体３０が比較的大きく収縮しても、内蔵素子７はセラミック素体３０よりも収縮しない層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ，４ａのガラス材料に引っ張られることはない。その結果、内蔵素子７にクラックが発生することを効果的に抑制することができる。

図８および図９は、本発明の実施例２を説明するための図２および図５に対応する図である。図８および図９において、図２および図５に示す部分に相当する部分には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

実施例２では、図８に示すように、層間拘束層３，４と内蔵素子７のセラミック素体３０との間だけでなく、内蔵素子７の側方にも十分な空隙２５を形成するための製造方法について説明する。

実施例２では、図９に示すように、未焼成の積層体６ａを作製する工程において、内蔵素子７の側方にも空隙形成材層２０が形成されるように、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ上に形成された未焼成の面内導体９ａ上と層間拘束層用セラミックグリーン層４ａ上に形成された未焼成の面内導体９ａ上とに空隙形成材層２０を形成する。

なお、内蔵素子７の側方に空隙形成材層２０を形成するためには、空隙形成材層２０を内蔵素子７の側面に形成してもよい。

実施例２のように、内蔵素子７の側方まで空隙形成材層２０が形成されていると、図２に示された内蔵素子７の側方の空隙１５に相当する部分が空隙形成材層２０で充填されるため、特に圧着時に、未焼成の面内導体９ａが不所望に変形するのを防止できる。

また、第１の複合セラミックグリーン層１６と第２の複合セラミックグリーン層１７を積み重ねる工程において、未焼成の面内導体９ａは内蔵素子７の側方において一体化されるために延びようとする。このとき、内蔵素子７の側方に空隙形成材層２０が形成されていると、未焼成の面内導体９ａが延びる角度を緩やかにすることができるため、未焼成の面内導体９ａが断線するのを抑制することができる。

また、上述したような、焼成条件を調整することにより、基材層２の収縮が終了した後に空隙形成材層２０が焼失し、空隙２５が形成されるようにした場合、図２のように焼成時において内蔵素子７の側方に生じた空隙１５の部分に基材層２の収縮による応力が集中することがなくなるため、積層体６にクラックが発生するのをより効果的に抑制することができる。

図１０および図１１は、本発明の実施例３を説明するための図２および図５に対応する図である。図１０および図１１において、図２および図５に示す部分に相当する部分には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

実施例３では、図１０に示すように、内蔵素子７の端子電極８の一方主面にのみ面内導体９が形成され、内蔵素子７の面内導体９と電気的に接していない部分と層間拘束層３，４との間に空隙２５が形成されていることを特徴としている。実施例３では、具体的には、空隙２５は、層間拘束層３，４とセラミック素体３０の接する箇所に加えて、端子電極８において、面内導体９に電気的に接続されている主面の反対の主面から内蔵素子７の側方にまで形成されている。

図１１に示すように、このような状態を得るため、未焼成の積層体６ａを作製する工程において、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ上に未焼成の面内導体９ａと空隙形成材層２０を形成し、層間拘束層用セラミックグリーン層４ａ上には、内蔵素子７の側方まで空隙形成材層２０を形成できるように、空隙形成材層２０を形成しておくようにする。

実施例３のように、内蔵素子７の側方まで空隙形成材層２０が形成されていると、図２に示された内蔵素子７の側方の空隙１５に相当する部分が空隙形成材層２０で充填されているため、図２のように焼成時において内蔵素子７の側方に生じた空隙１５の部分に応力が集中することがなくなり、積層体６にクラックが発生するのをより効果的に抑制することができる。

また、第１の複合セラミックグリーン層１６と第２の複合セラミックグリーン層１７を積み重ねる工程において、未焼成の面内導体９は内蔵素子７の側方において一体化されるために延びようとする。このとき、内蔵素子７の側方に空隙形成材層２０が形成されていると、未焼成の面内導体９ａが延びる角度を緩やかにすることができるため、未焼成の面内導体９ａが断線するのを抑制することができる。

図１２および図１３は、本発明の実施例４を説明するための図２および図５に対応する図である。図１２および図１３において、図２および図５に示す部分に相当する部分には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

実施例４では、図１２に示すように、層間拘束層３，４と内蔵素子７の間に空隙２５が形成されている。そして、内蔵素子７の端子電極８は、空隙２５に形成された突起電極１０ｂを介して層間接続導体１０と電気的に接続される。

図１３に示すように、このような状態を得るため、未焼成の積層体６ａを作製する工程において、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ上に、内蔵素子７の側方まで空隙形成材層２０を形成できるように、空隙形成材層２０を形成し、層間拘束層用セラミックグリーン層４ａ上にも、内蔵素子７の側方まで空隙形成材層２０を形成できるように、空隙形成材層２０を形成する。そして、図１２に示した突起電極１０ｂは、第２の層間拘束層用セラミックグリーン層４ａ上に形成された空隙形成材層２０と第２の複合セラミックグリーン層１７とを貫通して未焼成の層間接続導体１０ａを形成する。この未焼成の層間接続導体１０ａのうち、空隙形成材層２０に形成された部分は突起電極用導体１０ｃであり、焼成により空隙形成材層２０を焼失させることにより図１２に示す突起電極１０ｂが形成される。

実施例３のように、層間拘束層と内蔵素子の間に空隙が形成されていると、基材層の積層方向の収縮による圧縮応力が有利に緩和されるとともに、基材層用セラミックグリーン層から層間拘束層用セラミックグリーン層に浸透したガラス材料と内蔵素子のセラミック材料とが接触するのを回避できるため、ガラス材料とセラミック材料の熱膨張係数差による内蔵素子７のクラック発生を抑制することができる。

また、実施例１で述べたように、たとえば空隙形成材としてカーボンを用い、空気雰囲気中で焼成した場合、空隙形成材層は基材層の収縮開始前に焼失され、空隙が形成される。この場合、焼成時に、層間接続導体および突起電極用導体が突出したとしても、層間接続導体および突起電極によって電気的に接続される内蔵素子の主面と反対の主面には空隙が形成されているため、内蔵素子のクラック発生を回避することができる。

図１４は、本発明の実施例５による多層セラミック基板を作製するための未焼成の積層体６ｂを示す、図４に相当する図である。図１４において、図４に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１４に示した実施例５は、焼成工程において図４に示す外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａを設けない場合に有利に適用される。図１４に示した、焼成後に多層セラミック基板となる未焼成の積層体６ｂには、その主面１１，１２の各々に沿って、表面拘束層用セラミックグリーン層２１ａが配置されている。

表面拘束層用セラミックグリーン層２１ａは、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａと同質の材料からなるもので、表面拘束層用セラミックグリーン層２１ａに含まれているセラミック材料は、焼成後、基材層用セラミックグリーン層２ａに含まれていたガラス材料の一部が浸透することによって、実質的に焼結されずに互いに固着される。そして、表面拘束層用セラミックグリーン層２１ａは、焼成により表面拘束層となり、焼成後に除去されることなく、多層セラミック基板１ａに備える積層体６の一部として残される。この表面拘束層によって、多層セラミック基板の寸法精度をより高めることができる。

また、図４に示す外側拘束層用セラミックグリーン層１９ａを設けないため、焼成後に外側拘束層を除去する工程を省略できる点で好ましい。

なお、表面拘束層用セラミックグリーン層２１ａの厚みは、基材層用セラミックグリーン層２ａに含まれていたガラス材料の一部が表面拘束層用セラミックグリーン層２１ａの全体に浸透するようにするため、層間拘束層用セラミックグリーン層３ａ〜５ａの厚みと同じかそれ以下であることが好ましい。

以上、本発明を図示した実施例に関連して説明したが、本発明の範囲内において、その他種々の変形例が可能である。

たとえば、図１に示した多層セラミック基板１に備える積層体６では、内蔵素子７を挟む特定の基材層２の間に設けられた層間拘束層３，４以外に、基材層２の他の間に位置する層間拘束層５が設けられている。層間拘束層５が設けられると、焼成時において積層体６の収縮をより完全に抑制することができるが、このような効果をそれほど望まないならば、層間拘束層５の少なくとも一部について省略されてもよい。

本発明の実施例１による多層セラミック基板１を図解的に示す概略断面図である。 図１に示した多層セラミック基板１の一部を拡大して示す概略断面図である。 本発明の実施例１に用いられる他の内蔵素子７の端子電極１８を示す概略断面図である。 図１に示した多層セラミック基板１を製造するために作製される未焼成の積層体６ａを図解的に示す概略断面図である。 図４に示した未焼成の積層体６ａを作製するために実施される工程を示す概略断面図である。 図４に示した未焼成の積層体６ａを作製するために実施される工程を示す概略断面図である。 図４に示した未焼成の積層体６ａを作製するために実施される工程を示す概略断面図である。 図７におけるＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。 本発明の実施例２を説明するための図２に対応する図である。 図９に示した積層体を作製するために実施される工程を説明する概略断面図である。 本発明の実施例２を説明する概略断面図である。 本発明の実施例３を説明する概略断面図である。 図１２に示した積層体を作製するために実施される工程を説明する概略断面図である。 本発明の実施例４を説明する概略断面図である。

符号の説明

１，１ａ 多層セラミック基板
２ 基材層
２ａ 基材層用セラミックグリーン層
３〜５ 層間拘束層
３ａ〜５ａ 層間拘束層用セラミックグリーン層
６ 積層体
６ａ 未焼成の積層体
７ 内蔵素子
８，１８ 端子電極
９ 面内導体
９ａ 未焼成の面内導体
１０ 層間接続導体
１０ａ 未焼成の層間接続導体
１０ｂ 突起電極
１０ｃ 突起電極用導体
１１，１２ 主面
１３，１４ 外部電極
１３ａ，１４ａ 未焼成の外部電極
１５，２５ 空隙
１６ 第１の複合セラミックグリーン層
１７ 第２の複合セラミックグリーン層
１９ａ 外側拘束層用セラミックグリーン層
２０ 空隙形成材層
２１ａ 表面拘束層用セラミックグリーン層
３０ セラミック素体

Claims (7)

1. ガラス材料と第１のセラミック材料との焼結体からなる複数の基材層と、
   特定の前記基材層の間に配置された複数の層間拘束層と、
   前記基材層と前記層間拘束層とに形成された内部導体と、
   セラミック素体と端子電極とを備え、前記端子電極が前記内部導体に電気的に接続され、前記層間拘束層の間に配置された内蔵素子と、
   を備えた積層体を有し、
   前記層間拘束層は、前記基材層の焼結温度では実質的に焼結しない第２のセラミック材料を含むとともに、前記基材層に含まれていたガラス材料の一部が焼成時に前記層間拘束層に浸透することによって、前記第２のセラミック材料が互いに固着された状態にあり、
   前記層間拘束層は、前記内蔵素子の全周囲を覆うように設けられており、さらに、
   前記層間拘束層と前記内蔵素子の前記セラミック素体との間の少なくとも一部に空隙が形成されている多層セラミック基板。
2. 前記空隙は、前記セラミック素体の全周に形成されている、請求項１に記載の多層セラミック基板。
3. 前記内部導体は、前記内蔵素子の前記端子電極に電気的に接続され、前記内蔵素子の側方にまで引き出されるように設けられた面内導体と、前記面内導体の前記内蔵素子の側方にまで引き出された部分に電気的に接続されるように設けられた層間接続導体とを備える、請求項１または２に記載の多層セラミック基板。
4. 前記面内導体は前記内蔵素子を挟むように設けられる、請求項３に記載の多層セラミック基板。
5. 前記内蔵素子の側方に空隙が形成されている、請求項４に記載の多層セラミック基板。
6. 前記内蔵素子の前記面内導体に接していない部分と前記層間拘束層との間に空隙が形成されている、請求項３に記載の多層セラミック基板。
7. 前記内部導体と前記内蔵素子の前記端子電極とは、前記空隙に形成された突起電極によって電気的に接続されている、請求項１または２に記載の多層セラミック基板。

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