JP5182367B2 - 多層セラミック基板およびその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、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、キャビティを有する多層セラミック基板の強度を向上させるための改良に関するものである。
この発明にとって興味ある多層セラミック基板の製造方法として、たとえば特開２００３-２７３５１３号公報（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１では、いわゆる無収縮プロセスを用いてキャビティ付き多層セラミック基板を製造しようとするとき、外側拘束層による収縮抑制作用が弱まる、キャビティの開口端からより離れた位置で、比較的高い度合いの収縮が生じ、キャビティが不所望に変形することがある、という課題を解決するため、多層セラミック基板となるべき生の積層体の、キャビティが形成された部分に位置するセラミックグリーン層に沿って、収縮抑制用無機材料粉末を含む層間拘束層を形成しながら、生の積層体を、収縮抑制用無機材料粉末を含む外側拘束層によって挟んだ状態で、焼成工程を実施するようにされる。
上述した特許文献１に記載の製造方法によれば、焼成工程において、外側拘束層による収縮抑制作用に加えて、層間拘束層による収縮抑制作用が働き、セラミックグリーン層の主面方向への収縮が実質的に生じないようにすることができるとともに、キャビティにおいて不所望な変形のない多層セラミック基板を得ることができる。
しかしながら、キャビティを有する多層セラミック基板においては、キャビティの底面を規定する底壁部が破損しやすいという問題がある。
多層セラミック基板には、それが用いられる電子機器の小型化に伴い、薄型化の要請がある。そのため、特にキャビティを有する多層セラミック基板にあっては、キャビティに収納すべき実装部品の大きさが決まっている場合には、底壁部を薄くして多層セラミック基板の薄型化を実現しなければならない状況にある。あるいは、キャビティに様々な寸法および形状の実装部品を収納するために、キャビティの周面を規定する周壁部の高さを高くしなければならない場合には、周壁部の高さを高くする分、底壁部をより薄くする必要がある。このような状況の結果として、底壁部が破損しやすく、このような破損の抑制が大きな課題となっている。
また、キャビティを有する多層セラミック基板は、キャビティの底面を規定する底壁部において比較的薄く、キャビティの周面を規定する周壁部において比較的厚いというように、厚みが一様でないため、本来的に、焼成によって反りなどの不所望な変形が生じやすい。この場合、底壁部の厚みと周壁部の高さとの関係によっては、反りなどの変形がより顕著に生じてしまうことがある。したがって、反りなどの変形を抑制しようとすると、多層セラミック基板の設計の自由度が制限されてしまうことがある。
特開２００３‐２７３５１３号公報
そこで、この発明の目的は、キャビティの底面を規定する底壁部において破損が生じにくい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。
この発明のより特定的な目的は、上述したように、キャビティの底壁部が破損しにくくされるとともに、反りなどの不所望な変形を抑制することができる、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。
この発明は、キャビティ形成用貫通孔を有する第１のセラミック層からなる周壁部と、キャビティ形成用貫通孔を有しない第２のセラミック層からなる底壁部とを有する、キャビティ付きの、多層セラミック基板にまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、底壁部には、上記第２のセラミック層として、熱膨張係数が相対的に高い高熱膨張係数層および熱膨張係数が相対的に低い低熱膨張係数層を含む、少なくとも２種類のセラミック層が配置され、かつ高熱膨張係数層の少なくとも一部が第１および第２の低熱膨張係数層に挟まれる積層構造が形成されており、底壁部の外方に向く面が第１の低熱膨張係数層によって与えられ、底壁部の、周壁部と接する面が第２の低熱膨張係数層によって与えられ、底壁部は、第２のセラミック層として、第２の低熱膨張係数層に接触する状態で配置される第１の層間拘束層をさらに備え、第１の層間拘束層は、低熱膨張係数層に含まれるセラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含みかつ低熱膨張係数層に含まれていた材料の浸透によって無機材料粉末が固化された状態にあることを特徴としている。ただし、第１の層間拘束層は低熱膨張係数層に挟まれることに限定されるものではない。
この発明に係る多層セラミック基板において、周壁部には、第２の低熱膨張係数層より高い熱膨張係数を有する高熱膨張係数層が配置されるとともに、その最外層には、熱膨張係数が相対的に低い第３の低熱膨張係数層が配置されていることが好ましい。
この発明に係る多層セラミック基板において、周壁部は、第１のセラミック層として、当該周壁部の、底壁部と接する面に沿って配置される第２の層間拘束層をさらに備えることが好ましい。ここで、第２の層間拘束層は、低熱膨張係数層に含まれるセラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含みかつ低熱膨張係数層に含まれていた材料の浸透によって無機材料粉末が固化された状態にある。
上述の実施態様において、第２の層間拘束層が有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁は、周壁部の、第２の層間拘束層に接する第１のセラミック層が有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも外側に位置せず、かつ、その少なくとも一部は、周壁部の、第２の層間拘束層に接する第１のセラミック層が有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置していることが好ましい。
この発明は、キャビティ形成用貫通孔を有する第１のセラミック層からなる周壁部と、キャビティ形成用貫通孔を有しない第２のセラミック層からなる底壁部とを有し、底壁部には、上記第２のセラミック層として、熱膨張係数が相対的に高い高熱膨張係数層および熱膨張係数が相対的に低い低熱膨張係数層を含む、少なくとも２種類のセラミック層が配置され、かつ高熱膨張係数層の少なくとも一部が第１および第２の低熱膨張係数層に挟まれる積層構造が形成されており、底壁部の外方に向く面が第１の低熱膨張係数層によって与えられ、底壁部の、周壁部と接する面が第２の低熱膨張係数層によって与えられ、底壁部は、第２のセラミック層として、第２の低熱膨張係数層に接触する状態で配置される第１の層間拘束層をさらに備え、第１の層間拘束層は、低熱膨張係数層に含まれるセラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含みかつ低熱膨張係数層に含まれていた材料の浸透によって無機材料粉末が固化された状態にある、多層セラミック基板を製造する方法にも向けられる。
この発明に係る多層セラミック基板の製造方法は、焼成することによって上記第１のセラミック層となるべきものであり、低温焼結セラミック材料を含み、上記キャビティ形成用貫通孔を有する第１のセラミックグリーン層を準備する工程と、焼成することによって上記第２のセラミック層となるべき第２のセラミックグリーン層として、それぞれ低温焼結セラミック材料を含む、上記高熱膨張係数層となるべき高熱膨張係数グリーン層と上記第１の低熱膨張係数層となるべき第１の低熱膨張係数グリーン層と上記第２の低熱膨張係数層となるべき第２の低熱膨張係数グリーン層とを準備する工程と、これら第１のセラミックグリーン層と第２のセラミックグリーン層とを積層してなる、生の積層体と、この生の積層体の両主面上に配置され、上記低温焼結セラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含む、外側拘束層とを備え、上記生の積層体は、第２のセラミックグリーン層として、第２の低熱膨張係数グリーン層に接触する状態で配置される第１の層間拘束層をさらに備える、複合積層体を作製する工程と、複合積層体を作製する工程と、この複合積層体を低温焼結セラミック材料が焼結する焼成条件で焼成する焼成工程と、次いで、複合積層体から外側拘束層を除去する工程とを備え、焼成工程の結果、第１の層間拘束層は、低熱膨張係数グリーン層に含まれていた材料の浸透によって無機材料粉末が固化された状態になることを特徴としている。
この発明に係る製造方法において、好ましくは、生の積層体は、第１のセラミックグリーン層として、多層セラミック基板における周壁部の、底壁部と接する面に沿って配置される第２の層間拘束層をさらに備える。この場合、第２の層間拘束層は、低熱膨張係数層に含まれるセラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含み、焼成工程の結果、低熱膨張係数層に含まれていた材料の浸透によって無機材料粉末が固化された状態になる。
上述の実施態様の場合、より好ましくは、生の積層体において、第２の層間拘束層が有するキャビティ形成用貫通孔を、周壁部の、第２の層間拘束層に接する第１のセラミックグリーン層が有するキャビティ形成用貫通孔よりも小さくされる。
この発明によれば、キャビティの底壁部において、高熱膨張係数層の少なくとも一部が第１および第２の低熱膨張係数層に挟まれる積層構造が形成されているので、焼成後の冷却過程において、第１および第２の低熱膨張係数層に圧縮応力が発生する。その結果、底壁部での強度を向上させることができ、底壁部において破損を生じさせにくくすることができる。
特に、底壁部の外方に向く面が第１の低熱膨張係数層によって与えられ、底壁部の周壁部と接する面が第２の低熱膨張係数層によって与えられているので、第１および第２の低熱膨張係数層に発生する上述の圧縮応力が、底壁部の厚み方向全体にわたって及ぼされることになり、底壁部全体の強度をより確実に向上させることができる。
上述の場合において、周壁部に高熱膨張係数層が配置されるとともに、周壁部の最外層に第３の低熱膨張係数層が配置されると、多層セラミック基板全体の強度を向上させることができるとともに、多層セラミック基板の表裏の応力差による反りを抑制することができる。
前述した底壁部の、周壁部と接する面を与える第２の低熱膨張係数層に接触する状態で、第１の層間拘束層が配置されると、焼成時において、底壁部と周壁部との界面での収縮が抑制され、その結果、多層セラミック基板の反りなどの不所望な変形やクラックを抑制することができる。
上述のように、多層セラミック基板の反りなどの不所望な変形が抑制されると、キャビティを有する多層セラミック基板の設計の自由度を高めることができる。
この発明に係る多層セラミック基板の製造方法によれば、焼成されるべき複合積層体が、多層セラミック基板となるべき生の積層体とともに、外側拘束層を備えるので、焼成時において、生の積層体の収縮が抑制される。その結果、得られた多層セラミック基板の寸法精度を高めることができるとともに、反りなどの不所望な変形を抑制することができる。
また、この発明に係る多層セラミック基板の製造方法によれば、生の積層体が第１の層間拘束層を備えているので、底壁部と周壁部との境目での収縮が抑制され、この部分で生じ得る不所望な変形やクラックを抑制することができ、さらに寸法精度を高めることができる。
この発明に係る多層セラミック基板の製造方法において、生の積層体が、多層セラミック基板における周壁部の、底壁部と接する面に沿って配置される第２の層間拘束層をさらに備える場合、底壁部と周壁部との境界での収縮が抑制されるため、この部分で生じる変形やクラックを確実に抑制することができる。
また、この第２の層間拘束層が有するキャビティ形成用貫通孔が、周壁部の、第２の層間拘束層に接する第１のセラミックグリーン層が有するキャビティ形成用貫通孔よりも小さくされると、生の積層体の作製時に、第２の層間拘束層とこれに接する第１のセラミックグリーン層との間でキャビティ形成用貫通孔の位置ずれが生じても、第２の層間拘束層が有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁が、周壁部の、第２の層間拘束層に接する第１のセラミックグリーン層が有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも外側に位置せず、第２の層間拘束層が有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁の少なくとも一部を、周壁部の、第２の層間拘束層に接する第１のセラミックグリーン層が有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置させ得る確率を高めることができる。よって、焼成後において、キャビティの底壁部における変形やクラック等をより確実に抑制できるようになる。
この発明の第１の実施形態による多層セラミック基板１を備える機能モジュール３１を示す断面図である。 図１に示した多層セラミック基板１を製造する途中で作製される複合積層体４１を簡略的に示す断面図である。 この発明の第２の実施形態による多層セラミック基板１ａを備える機能モジュール３１を示す断面図である。 図３に示した多層セラミック基板１ａを製造する途中で作製される複合積層体４１ａを簡略的に示す断面図である。 この発明の第３の実施形態による多層セラミック基板１ｂを簡略的に示す断面図である。 この発明による効果を確認するために実施した実験例において作製された比較例１〜３ならびに実施例１および２に係る多層セラミック基板６１〜６５を簡略的に示す断面図である。
図１は、この発明の第１の実施形態による多層セラミック基板１をもって構成される機能モジュール３１を示す断面図である。
多層セラミック基板１には、キャビティ３が形成されている。多層セラミック基板１は、キャビティ３の底面を規定する底壁部４と、キャビティ３の周面を規定する周壁部５とを有している。
多層セラミック基板１は、キャビティ形成用貫通孔を有する複数の第１のセラミック層２ａとキャビティ形成用貫通孔を有しない複数の第２のセラミック層２ｂとが積層された構造を有し、周壁部５は第１のセラミック層２ａからなり、底壁部４は第２のセラミック層２ｂからなる。キャビティ形成用貫通孔を有する第１のセラミック層２ａと、キャビティ形成用貫通孔を有しない第２のセラミック層２ｂとが積層されると、多層セラミック基板１に凹型のキャビティ３が形成される。また、底壁部４には、第２のセラミック層２ｂとして、熱膨張係数が相対的に高い第１の高熱膨張係数層６および熱膨張係数が相対的に低い第１および第２の低熱膨張係数層７および８が配置され、かつ第１の高熱膨張係数層６の少なくとも一部が第１および第２の低熱膨張係数層７および８に挟まれる積層構造が形成されている。特に、この実施形態では、底壁部４の外方に向く面が第１の低熱膨張係数層７によって与えられ、底壁部４の、周壁部５と接する面が第２の低熱膨張係数層８によって与えられている。
他方、周壁部５には、上記第２の低熱膨張係数層８より高い熱膨張係数を有する第２の高熱膨張係数層９が配置されるとともに、その最外層には、熱膨張係数が相対的に低い第３の低熱膨張係数層１０が配置される。
また、底壁部４には、第２の低熱膨張係数層８に接触する状態で、第２のセラミック層２ｂとして、第１の層間拘束層１１が配置される。この実施形態では、第１の層間拘束層１１は、第２の低熱膨張係数層８に挟まれた状態となっている。また、周壁部５の、底壁部４と接する面に沿って、第２の層間拘束層１２が配置される。なお、第１の層間拘束層１１は、第２の低熱膨張係数層８と第１の高熱膨張係数層６とに挟まれた状態で配置されてもよい。
多層セラミック基板１は、種々の配線導体を備えている。配線導体は、たとえばコンデンサまたはインダクタのような受動素子を構成したり、あるいは素子間の電気的接続のような接続配線を行なったりするためのもので、典型的には、図１に示したように、いくつかの導体膜１３〜１６ならびにいくつかのビアホール導体１７をもって構成される。
導体膜１３は、多層セラミック基板１の内部に形成される。導体膜１４および１５は、それぞれ、多層セラミック基板１の一方主面上および他方主面上に形成される。導体膜１６は、キャビティ３の底面上に形成される。ビアホール導体１７は、導体膜１３〜１６のいずれかと電気的に接続されながら、セラミック層２ａおよび２ｂのいずれか特定のものを厚み方向に貫通するように設けられる。
多層セラミック基板１の一方主面上には、外部導体膜１４に電気的に接続された状態で、チップ部品１８および１９が搭載される。図１には、チップ部品１９を外部導体膜１４に電気的に接続するためのバンプ電極２０が図示されている。
また、キャビティ３内には、キャビティ底面導体膜１６に電気的に接続された状態で、チップ部品２１が搭載される。図１には、チップ部品２１をキャビティ底面導体膜１６に電気的に接続するためのバンプ電極２２が図示されている。
このように、多層セラミック基板１にチップ部品１８、１９および２１が搭載されることによって、機能モジュール３１が構成される。多層セラミック基板１の他方主面上に形成された外部導体膜１５は、この機能モジュール３１を図示しないマザーボード上に実装する際の電気的接続手段として用いられる。
上述した多層セラミック基板１は、たとえば、次のようにして製造される。
図２は、多層セラミック基板１の製造の途中で作製される複合積層体４１を示す断面図である。複合積層体４１は、焼成することによって多層セラミック基板１となるべき生の積層体４２と、生の積層体４２の両主面上に配置される第１および第２の外側拘束層４３および４４とを備えている。なお、図２では、生の積層体４２に関連して設けられる導体膜１３〜１６ならびにビアホール導体１７の図示が省略されている。
図２を図１とともに参照しながら説明すると、生の積層体４２は、多層セラミック基板１の場合と同様、キャビティ３の底面を規定する周壁部４とキャビティ３の周面を規定する周壁部５とを有している。
生の積層体４２の底壁部４には、前述した第２のセラミック層２ｂとなるべき第２のセラミックグリーン層として、第１の高熱膨張係数層６となるべき第１の高熱膨張係数グリーン層４６と第１の低熱膨張係数層７となるべき第１の低熱膨張係数グリーン層４７と第２の低熱膨張係数層８となるべき第２の低熱膨張係数グリーン層４８とが積層される。生の積層体４２の周壁部５には、前述した第１のセラミック層２ａとなるべき第１のセラミックグリーン層として、第２の高熱膨張係数層９となるべき第２の高熱膨張係数グリーン層４９と第３の低熱膨張係数層１０となるべき第３の低熱膨張係数グリーン層５０とが積層される。これらグリーン層４６〜５０は、低温焼結セラミック材料を含んでいる。
また、生の積層体４２には、第２のセラミックグリーン層として、第１の層間拘束層１１が形成されているとともに、第１のセラミックグリーン層として、第２の層間拘束層１２が形成されている。これら層間拘束層１１および１２は、上述の低温焼結セラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含んでいる。
なお、上述したグリーン層４６〜５０の各々は、図１に複数のセラミック層２ａおよび複数のセラミック層２ｂが図示されていることからわかるように、通常、複数の層から構成されるが、図２では、これら複数の層の界面の図示を省略している。また、外側拘束層４３および４４の各々についても、複数の層から構成されることがある。
生の積層体４２は、通常、複数のセラミックグリーンシートを積層することによって形成されるが、これに代えて、セラミックスラリーの塗布を繰り返すことによって形成されてもよい。
生の積層体４２の両主面上に第１および第２の外側拘束層４３および４４が積層され、圧着されることにより、複合積層体４１が得られる。なお、キャビティ３側に位置する第２の外側拘束層４４には、キャビティ３に連通する貫通孔５１が設けられている。
次に、上述した低温焼結セラミック材料が焼結する焼成条件で複合積層体４１が焼成される。この焼成工程において、層間拘束層１１および１２ならびに外側拘束層４３および４４に含まれる無機材料粉末は実質的に焼結しないため、これら層間拘束層１１および１２ならびに外側拘束層４３および４４には実質的な収縮が生じない。したがって、層間拘束層１１および１２ならびに外側拘束層４３および４４による収縮抑制作用が、焼結した多層セラミック基板１が得られるまでの生の積層体４２に及ぼされる。その結果、得られた多層セラミック基板１において反りなどの不所望な変形が生じにくくなり、また、寸法精度を高めることができる。
次に、焼成後の複合積層体４１から外側拘束層４３および４４が、たとえば超音波洗浄またはブラスト処理されることにより除去される。焼成後の外側拘束層４３および４４はポーラスな状態となっているので、これを容易に粉砕して除去することができる。
他方、層間拘束層１１および１２にあっては、焼成工程の結果、これに隣接する低熱膨張係数グリーン層４８および／または高熱膨張係数グリーン層４９に含まれていた材料（ガラス成分等）の浸透によって無機材料粉末が固化された状態となっている。なお、層間拘束層１１および１２は、このような材料の浸透による固化を可能とする厚みである必要がある。
以上のようにして、多層セラミック基板１が得られる。得られた多層セラミック基板１における底壁部４に着目すると、そこには、第１の高熱膨張係数層６の少なくとも一部が第１および第２の低熱膨張係数層７および８によって挟まれる積層構造が形成されている。したがって、焼成工程の後の冷却過程で第１および第２の低熱膨張係数層７および８に圧縮応力が発生し、その結果、底壁部４の機械的な強度を向上させることができる。
また、この実施形態では、第３の低熱膨張係数層１０を備え、ここにも、焼成後の冷却過程で圧縮応力が発生している。そのため、多層セラミック基板１の表裏の応力差による反りなどの不所望な変形を抑制することができる。
以上のような実施形態において、低熱膨張係数層７、８および１０の各厚みは、焼成後において、１０〜１００μｍであることが好ましい。その理由は、次のとおりである。
低熱膨張係数層７、８および１０の各々と高熱膨張係数層６および９の各々との界面において、熱膨張係数の差による応力が働く。より詳細には、低熱膨張係数層７、８および１０側では圧縮応力が働き、この圧縮応力は、界面から離れるに従って小さくなる。他方、高熱膨張係数層６および９には引っ張り応力が働き、この引っ張り応力は、界面から離れるに従い小さくなる。これは、界面から離れるに従って、応力が緩和されることによる。界面からの距離が１００μｍを超えると、圧縮応力がほぼ作用しなくなり、その効果がほとんど見られなくなるため、低熱膨張係数層７、８および１０の各厚みは１００μｍ以下であることが好ましい。
他方、低熱膨張係数層７、８および１０の各厚みが１０μｍ未満になると、引っ張り応力が働いているために強度低下した高熱膨張係数層６および９が、低熱膨張係数層７、８および１０の各々の外表面から１０μｍ未満の外表面近傍領域に存在することになる。このため、高熱膨張係数層６および９の各々の外表面近傍部分から破壊が起こりやすくなり、低熱膨張係数層７、８および１０に圧縮応力を生じさせることによって強化した効果が見られなくなり、したがって、低熱膨張係数層７、８および１０の各厚みは１０μｍ以上であることが好ましい。
高熱膨張係数層６および９の各厚みは、多層セラミック基板１全体の厚みと低熱膨張係数層７、８および１０の各厚みに応じて適宜決定されるが、焼成後において、１０〜１００μｍであることが好ましい。
また、第１の高熱膨張係数層６を挟む第１および第２の低熱膨張係数層７および８の各厚みは、第１の高熱膨張係数層６の厚みより薄い方が圧縮応力を効率良く利用することができるため好ましい。同様に、第２の高熱膨張係数層９を挟む第２および第３の低熱膨張係数層８および１０の各厚みは、第２の高熱膨張係数層９の厚みより薄い方が好ましい。また、図１では、第１ないし第３の低熱膨張係数層７、８および１０の各々の厚みは互いに同じであるように図示されたが、底壁部４と周壁部５とのバランス、キャビティ３の径の大きさなど、多層セラミック基板１の設計に合わせて、これらの厚みを互いに異ならせてもよい。
なお、低熱膨張係数層７は、図１では、３層のセラミック層２ｂから構成されているように図示されているが、上記の低熱膨張係数層７の厚みとは、セラミック層２ｂの１層分の厚みではなく、３層のセラミック層２ｂの合計厚みのことである。他の低熱膨張係数層８および１０の各厚みならびに高熱膨張係数層６および９の各厚みについても同様である。
低熱膨張係数層７、８および１０と高熱膨張係数層６および９との間での熱膨張係数の差は、１．０ｐｐｍＫ−１以上かつ４．３ｐｐｍＫ−１以下とされることが好ましい。
熱膨張係数の差を１．０ｐｐｍＫ−１以上とすることにより、底壁部４の反りを大きく低減できることがわかった。すなわち、反り量と熱膨張係数差との関係は、熱膨張係数差が１．０ｐｐｍＫ−１未満の領域では、反り量が熱膨張係数差の増加とともに減少し、１．０ｐｐｍＫ−１以上では、ほぼ一定であることがわかった。多層セラミック基板１を反らせるように作用する面内方向の応力が、熱膨張係数差に起因して表裏面の面内方向に作用する応力に比べて相対的に小さくなる結果、反りが矯正されるためであると推測される。
他方、４．３ｐｐｍＫ−１以下とすることによって、熱膨張係数差に起因する、低熱膨張係数層７、８および１０と高熱膨張係数層６および９との境界部でのデラミネーションやボイドなどの欠陥をより確実に生じさせにくくすることができる。
低熱膨張係数層７、８および１０を構成する材料は、ＳｉＯ２およびＭＯ（ただし、ＭＯは、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯおよびＢａＯから選ばれた少なくとも１種）を含むガラスを含み、ＳｉＯ２：ＭＯ＝２３：７〜１７：１３であり、高熱膨張係数層６および９を構成する材料は、ＳｉＯ２およびＭＯを含むガラスを含み、ＳｉＯ２：ＭＯ＝１９：１１〜１１：１９であることが好ましい。
より好ましくは、低熱膨張係数層７、８および１０を構成する材料に含まれるガラスに含まれるＳｉＯ２は３４〜７３重量％であり、高熱膨張係数層６および９を構成する材料に含まれるガラスに含まれるＳｉＯ２は２２〜６０重量％である。
上述したような好ましい組成およびその含有量は、ホウケイ酸ガラス系の材料を用いて、低熱膨張係数層７、８および１０と高熱膨張係数層６および９との熱膨張係数の差を１．０ｐｐｍＫ−１以上設け、共通する成分の重量比率を７５重量％以上とするのに適している。共通する成分の重量比率を７５重量％以上とすることにより、低熱膨張係数層７、８および１０の各々と高熱膨張係数層６および９の各々との間で十分な接合力を得ることができる。
ガラス中に含まれるＳｉＯ２成分は、熱膨張係数を下げることに寄与し、ＭＯ成分は、熱膨張係数を上げることに寄与する。
また、焼成過程でガラスから適量の結晶が析出する方が、機械強度特性の点で有利となるため、ガラス組成は析出結晶組成に近い方が良い。たとえば、ＳｉＯ２−ＭＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系のガラスの場合、ＭＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８やＭＳｉＯ３の結晶が析出しやすいため、この結晶組成に近くなるように、ＳｉＯ２とＭＯとの比率を調整するのが好ましい。よって、低熱膨張係数層７、８および１０のガラス組成は、熱膨張係数を下げるため、ＳｉＯ２とＭＯとの比率は２に近い方が良く、高熱膨張係数層６および９のガラス組成は、熱膨張係数を上げるためＳｉＯ２とＭＯとの比率は１に近い方が良い。
高熱膨張係数層６および９のガラス組成は、低熱膨張係数層７、８および１０に比べて、ＭＯ比率が高くなり、焼成後のめっき処理で浸食を受けやすいが、表面部に露出していないため、致命的なダメージは受けにくい構造になっている。
熱膨張係数の差をより大きくするため、低熱膨張係数層７、８および１０において、ガラス中のＳｉＯ２を多くしすぎると、焼成時のガラス粘度が十分下がらなくなるため、焼結不良が起きる。ＭＯを多くしすぎると、熱膨張係数の差を十分に取れなくなる。
また、熱膨張係数の差をより大きくするため、高熱膨張係数層６および９においてガラス中のＭＯを多くしすぎると、耐湿性が低下するため、絶縁不良が起きる。ＳｉＯ２を多くしすぎると、熱膨張係数の差を十分取れなくなる。
以上のようなことから、ガラス中のＳｉＯ２とＭＯとの比率を、低熱膨張係数層７、８および１０と高熱膨張係数層６および９とにおいてそれぞれ前述したような範囲に選ぶことが好ましい。
低熱膨張係数層７、８および１０を構成する材料に含まれるガラスは、３４〜７３重量％のＳｉＯ２と、１４〜４１重量％のＭＯと、０〜３０重量％のＢ２Ｏ３と、０〜３０重量％のＡｌ２Ｏ３とを含み、高熱膨張係数層６および９を構成する材料に含まれるガラスは、２２〜６０重量％のＳｉＯ２と、２２〜６０重量％のＭＯと、０〜２０重量％のＢ２Ｏ３と、０〜３０重量％のＡｌ２Ｏ３とを含むことがより好ましい。その理由は次のとおりである。
Ｂ２Ｏ３は、焼成時に焼結が円滑に進行するよう、ガラスに適度な粘度を与える。Ｂ２Ｏ３が多すぎると、粘度が下がりすぎるため、過焼成となり、表面に気孔が生じて絶縁不良になる。他方、Ｂ２Ｏ３が少なすぎると、粘度が高く、焼結不良となる。
Ａｌ２Ｏ３は、低熱膨張係数層７、８および１０の場合、析出結晶を構成する成分となる。このＡｌ２Ｏ３が多すぎても、少なすぎても、結晶析出が起こりにくくなる。
また、Ａｌ２Ｏ３により、ガラスの化学的安定性が向上するため、ＭＯが相対的に多い高熱膨張係数層６および９では、めっき耐性および耐湿性が向上する。熱膨張係数に対しては、Ａｌ２Ｏ３はＳｉＯ２とＭＯとの中間的な寄与をするので、これが多すぎると、熱膨張係数の差が取れなくなる。
低熱膨張係数層７、８および１０を構成する材料は、フィラーとしてのＡｌ２Ｏ３を３０〜６０重量％含み、高熱膨張係数層６および９を構成する材料は、フィラーとしてのＡｌ２Ｏ３を４０〜７０重量％含むことがより好ましい。その理由は次のとおりである。
Ａｌ２Ｏ３フィラーは、機械的強度を向上させるのに寄与する。Ａｌ２Ｏ３フィラーが少なすぎると、十分な強度が得られなくなる。特に、引っ張り応力が働く高熱膨張係数層６および９では、機械的強度が十分にないと、高熱膨張係数層６および９から破壊するため、圧縮応力により低熱膨張係数層７、８および１０を強化した効果が十分に得られなくなる。このため、高熱膨張係数層６および９では、低熱膨張係数層７、８および１０より多くＡｌ２Ｏ３フィラーを含み、強度を上げておくことで、より大きな熱膨張係数の差にも耐えるようになり、さらに低熱膨張係数層７、８および１０の強化の効果が得られるようになる。
Ａｌ２Ｏ３フィラーは、熱膨張係数に対しては、低熱膨張係数層７、８および１０中のガラスと高熱膨張係数層６および９中のガラスとの中間的な寄与をするので、Ａｌ２Ｏ３フィラーが多すぎると、熱膨張係数の差が取れなくなる。
なお、フィラーとして、Ａｌ２Ｏ３のほか、たとえばＺｒＯ２等の他のセラミックを用いてもよい。
なお、第１ないし第３の低熱膨張係数層７、８および１０は、互いに同じ組成であり、互いに同じ熱膨張係数を有している必要はなく、また、第１および第２の高熱膨張係数層６および９についても、互いに同じ組成であり、互いに同じ熱膨張係数を有している必要はない。
すなわち、第１および第２の低熱膨張係数層７および８の各々の熱膨張係数が第１の高熱膨張係数層６の熱膨張係数より小さければ、第１の低熱膨張係数層７の熱膨張係数と第２の低熱膨張係数層８の熱膨張係数とが互いに異なっていてもよい。また、第２および第３の低熱膨張係数層８および１０の各々の熱膨張係数が第２の高熱膨張係数層９の熱膨張係数より小さければ、第２の低熱膨張係数層８の熱膨張係数と第３の低熱膨張係数層１０の熱膨張係数とは互いに異なっていてもよい。したがって、上記の条件を満足する限り、各々の熱膨張係数を自由に設定することが可能となり、その結果、キャビティ３の設計の自由度を向上させることができる。
図３および図４は、この発明の第２の実施形態を説明するためのもので、それぞれ、図１および図２に対応している。図３および図４において、図１および図２に示した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。
第２の実施形態による多層セラミック基板１ａでは、図３に示すように、第２の層間拘束層１２ａが有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁が、周壁部５の、第２の層間拘束層１２ａに接する第１のセラミック層２ａが有するキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置していることを特徴としている。
なお、第２の層間拘束層１２ａが有するキャビティ形成用貫通孔（以下、「第１のキャビティ形成用貫通孔」と言う。）を規定する内周縁のすべてが、第２の層間拘束層１２ａに接する第１のセラミック層２ａが有するキャビティ形成用貫通孔（以下、「第２のキャビティ形成用貫通孔」と言う。）を規定する内周縁よりも内側に位置していることは必ずしも必要ではない。すなわち、第１のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁の少なくとも一部が、第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置していればよい。
上記の場合、第１のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁は、第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも外側に位置していないことが重要である。たとえば、第１のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁の一部については、第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置していなくても、少なくとも、上記第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁と同じ位置でなければならない。
より具体的に説明すると、第１および第２のキャビティ形成用貫通孔が四角形であるとき、四角形の２辺についてのみ、第１のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁が、第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置しているにすぎない場合であっても、四角形の他の２辺については、第１のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁が、第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも外側にあってはならず、少なくとも、同じ位置でなければならない、ということである。
第２の実施形態による多層セラミック基板１ａを製造しようとする場合、図４に示すように、複合積層体４１ａに備える生の積層体４２において、第１のキャビティ形成用貫通孔を、第２のキャビティ形成用貫通孔よりも小さくすることが行なわれ、それによって、第１のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁の少なくとも一部が、第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置するようにされる。
この第２の実施形態によれば、生の積層体４２を作製するにあたって、多くの場合、グリーンシートの積層工程が実施されるが、このような積層工程において、不所望にも、第２の層間拘束層１２ａとこれに接する第１のセラミックグリーン層との間でキャビティ形成用貫通孔の位置ずれが生じても、第１のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁が、第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも外側に位置せず、第１のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁の少なくとも一部を、第２のキャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置させ得る確率を高めることができる。よって、焼成後において、キャビティ３の底壁部４における変形やクラック等をより確実に抑制できるようになる。
図５は、この発明の第３の実施形態による多層セラミック基板１ｂを示す断面図である。図５において、図１に比べて、多層セラミック基板１ｂが簡略的に図示されているが、図１に示した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５に示した多層セラミック基板１ｂは、層間拘束層を備えていないことを特徴としている。その他の構成は、図１に示した多層セラミック基板１または図３に示した多層セラミック基板１ａと同様であると理解すればよい。
この発明のさらに他の実施形態として、多層セラミック基板１、１ａまたは１ｂにおいて、第３の低熱膨張係数層１０を備えないものもあり得る。
次に、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。この実験例では、図６に断面図で示すような比較例１〜３ならびに実施例１および２の各々に係る多層セラミック基板６１〜６５を作製した。なお、図６において、図１に示した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。
実施例２に係る多層セラミック基板６５が、図１に示した多層セラミック基板１が有する構成を備えている。
以下、この実施例２に係る多層セラミック基板６５との比較で説明すると、比較例１に係る多層セラミック基板６１は、底壁部４を構成するセラミック層がすべて低熱膨張係数層７によって与えられ、周壁部５を構成するセラミック層がすべて低熱膨張係数層１０によって与えられたことを特徴としている。
比較例２に係る多層セラミック基板６２は、底壁部４を構成するセラミック層がすべて高熱膨張係数層６によって与えられ、周壁部５を構成するセラミック層がすべて高熱膨張係数層９によって与えられたことを特徴としている。
比較例３に係る多層セラミック基板６３は、底壁部４において第２の低熱膨張係数層８を備えず、この部分にまで高熱膨張係数層６が形成されたことを特徴としている。
実施例１に係る多層セラミック基板６４は、第３の低熱膨張係数層１０を備えず、この部分にまで高熱膨張係数層９が形成されたことを特徴としている。
この実験例では、低熱膨張係数層７、８および１０の熱膨張係数を５．３ｐｐｍＫ−１とした。また、低熱膨張係数層７、８および１０を形成するため、厚み５０μｍのグリーンシートを作製し、このグリーンシートを、後述するように、適当枚数積層して所望の厚みとなるようにした。
低熱膨張係数層７、８および１０のためのグリーンシートは、ホウケイ酸系ガラス粉末とセラミック粉末とを重量比で６０：４０の割合で含むもので、ガラス粉末とセラミック粉末との合計１００重量部に対して、有機溶剤５０重量部、ブチラール系バインダ１０重量部および可塑剤１重量部を加えて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た。上記のホウケイ酸系ガラス粉末としては、４６重量％のＳｉＯ２、３０重量％のＢ２Ｏ３、１４重量％のＣａＯ、５重量％のＡｌ２Ｏ３および５重量％のＴｉＯ２を含むものを用い、セラミック粉末としては、Ａｌ２Ｏ３粉末を用いた。
高熱膨張係数層６および９の熱膨張係数を７．７ｐｐｍＫ−１とした。また、高熱膨張係数層６および９を形成するため、厚み５０μｍのグリーンシートを作製し、このグリーンシートを、後述するように、適当枚数積層して所望の厚みとなるようにした。
高熱膨張係数層６および９のためのグリーンシートは、ホウケイ酸ガラス粉末とセラミック粉末とを重量比で７０：３０の割合で含むもので、ガラス粉末とセラミック粉末との合計１００重量部に対して、前述した低熱膨張係数層の場合と同様の比率で有機溶剤、ブチラール系バインダおよび可塑剤を加え、同様の操作を経て得た。上記のホウケイ酸ガラス粉末としては、４０重量％のＳｉＯ２、５重量％のＢ２Ｏ３、４０重量％のＣａＯ、５重量％のＭｇＯおよび１０重量％のＡｌ２Ｏ３を含むものを用い、セラミック粉末としては、Ａｌ２Ｏ３粉末を用いた。
層間拘束層１１および１２を形成するため、厚み１０μｍのグリーンシートを作製し、図６では図示しない外側拘束層を形成するため、厚み１００μｍのグリーンシートを作製した。これら層間拘束層１１および１２ならびに外側拘束層のためのグリーンシートは、１００重量部のアルミナ粉末と１０重量部のブチラール系バインダと１重量部の可塑剤とを含むもので、低熱膨張係数層等の場合と同様の操作を経て得た。
図６には図示しない導体膜およびビアホール導体のための導電性ペーストとして、４８重量部の銀粉末と３重量部のエチルセルロースバインダと４９重量部の有機溶剤テルペン類とを含むものを用い、図１に示すような導体膜１３〜１６ならびにビアホール導体１７を形成するため、上記のグリーンシートの特定のものに、この導電性ペーストを付与した。
次に、各種グリーンシートを、以下の表１の「用いたグリーンシート枚数」に示すような枚数をもって積層し、多層セラミック基板６１〜６５の各々となるべき生の積層体を作製するとともに、その上下に外側拘束層を形成することによって、複合積層体を作製した。ここで、外側拘束層は、前述した外側拘束層のための厚み１００μｍのグリーンシートを、生の積層体の上下に４枚ずつ積層することによって形成した。
Figure 0005182367
次いで、複合積層体を８７０℃の温度で１０分間保持する条件で焼成した。次に、焼成後の複合積層体の表面にポーラスな状態で付着している外側拘束層を、超音波洗浄機を用いて除去して、比較例１〜３ならびに実施例１および２に係る多層セラミック基板６１〜６５を得た。
次に、落下衝撃に対する多層セラミック基板６１〜６５の各々の機械的強度を比較するため、以下の試験を行なった。
多層セラミック基板６１〜６５の各々を実装基板上にはんだを用いて実装し、実装基板を直方体の筐体の内部に取り付けて、コンクリートブロックに向かって落下させた。このとき、筐体の６面の各々を順次下方に向けて落下させることを１サイクルとし、この試験を最大１０サイクルまで行なった。多層セラミック基板６１〜６４の各々の底壁部４において、破壊またはクラック発生が何サイクル目で起こるかについて評価した。その結果が表２に示されている。
Figure 0005182367
表２からわかるように、比較例１および２では、４サイクル目で多層セラミック基板６１および６２の底壁部４が破壊した。また、比較例３では、完全な破壊を抑制できたものの、７サイクル目で底壁部４にクラックが生じた。
これらに対して、実施例１および２では、１０サイクルまで破壊やクラックが生じなかった。
１，１ａ，１ｂ 多層セラミック基板
２ａ，２ｂ セラミック層
３ キャビティ
４ 底壁部
５ 周壁部
６ 第１の高熱膨張係数層
７ 第１の低熱膨張係数層
８ 第２の低熱膨張係数層
９ 第２の高熱膨張係数層
１０ 第３の低熱膨張係数層
１１ 第１の層間拘束層
１２，１２ａ 第２の層間拘束層
４１，４１ａ 複合積層体
４２ 生の積層体
４３，４４ 外側拘束層
４６ 第１の高熱膨張係数グリーン層
４７ 第１の低熱膨張係数グリーン層
４８ 第２の低熱膨張係数グリーン層
４９ 第２の高熱膨張係数グリーン層
５０ 第３の低熱膨張係数グリーン層

Claims (7)

  1. キャビティ形成用貫通孔を有する第１のセラミック層からなる周壁部と、前記キャビティ形成用貫通孔を有しない第２のセラミック層からなる底壁部とを有する、キャビティ付きの、多層セラミック基板であって、
    前記底壁部には、前記第２のセラミック層として、熱膨張係数が相対的に高い高熱膨張係数層および熱膨張係数が相対的に低い低熱膨張係数層を含む、少なくとも２種類のセラミック層が配置され、かつ前記高熱膨張係数層の少なくとも一部が第１および第２の前記低熱膨張係数層に挟まれる積層構造が形成されており、
    前記底壁部の外方に向く面が前記第１の低熱膨張係数層によって与えられ、前記底壁部の、前記周壁部と接する面が前記第２の低熱膨張係数層によって与えられ、
    前記底壁部は、前記第２のセラミック層として、前記第２の低熱膨張係数層に接触する状態で配置される第１の層間拘束層をさらに備え、前記第１の層間拘束層は、前記低熱膨張係数層に含まれるセラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含みかつ前記低熱膨張係数層に含まれていた材料の浸透によって前記無機材料粉末が固化された状態にある、
    多層セラミック基板。
  2. 前記周壁部には、前記第２の低熱膨張係数層より高い熱膨張係数を有する高熱膨張係数層が配置されるとともに、その最外層には、熱膨張係数が相対的に低い第３の低熱膨張係数層が配置されている、請求項１に記載の多層セラミック基板。
  3. 前記周壁部は、前記第１のセラミック層として、当該周壁部の、前記底壁部と接する面に沿って配置される第２の層間拘束層をさらに備え、前記第２の層間拘束層は、前記低熱膨張係数層に含まれるセラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含みかつ前記低熱膨張係数層に含まれていた材料の浸透によって前記無機材料粉末が固化された状態にある、請求項１または２に記載の多層セラミック基板。
  4. 前記第２の層間拘束層が有する前記キャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁は、前記周壁部の、前記第２の層間拘束層に接する前記第１のセラミック層が有する前記キャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも外側に位置せず、かつ、その少なくとも一部は、前記周壁部の、前記第２の層間拘束層に接する前記第１のセラミック層が有する前記キャビティ形成用貫通孔を規定する内周縁よりも内側に位置している、請求項３に記載の多層セラミック基板。
  5. キャビティ形成用貫通孔を有する第１のセラミック層からなる周壁部と、前記キャビティ形成用貫通孔を有しない第２のセラミック層からなる底壁部とを有し、前記底壁部には、前記第２のセラミック層として、熱膨張係数が相対的に高い高熱膨張係数層および熱膨張係数が相対的に低い低熱膨張係数層を含む、少なくとも２種類のセラミック層が配置され、かつ前記高熱膨張係数層の少なくとも一部が第１および第２の前記低熱膨張係数層に挟まれる積層構造が形成されており、前記底壁部の外方に向く面が前記第１の低熱膨張係数層によって与えられ、前記底壁部の、前記周壁部と接する面が前記第２の低熱膨張係数層によって与えられ、前記底壁部は、前記第２のセラミック層として、前記第２の低熱膨張係数層に接触する状態で配置される第１の層間拘束層をさらに備え、前記第１の層間拘束層は、前記低熱膨張係数層に含まれるセラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含みかつ前記低熱膨張係数層に含まれていた材料の浸透によって前記無機材料粉末が固化された状態にある、キャビティ付きの、多層セラミック基板を製造する方法であって、
    焼成することによって前記第１のセラミック層となるべきものであり、低温焼結セラミック材料を含み、前記キャビティ形成用貫通孔を有する第１のセラミックグリーン層を準備する工程と、
    焼成することによって前記第２のセラミック層となるべき第２のセラミックグリーン層として、それぞれ低温焼結セラミック材料を含む、前記高熱膨張係数層となるべき高熱膨張係数グリーン層と前記第１の低熱膨張係数層となるべき第１の低熱膨張係数グリーン層と前記第２の低熱膨張係数層となるべき第２の低熱膨張係数グリーン層とを準備する工程と、
    前記第１のセラミックグリーン層と前記第２のセラミックグリーン層とを積層してなる、生の積層体と、前記生の積層体の両主面上に配置され、前記低温焼結セラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含む、外側拘束層とを備え、前記生の積層体は、前記第２のセラミックグリーン層として、前記第２の低熱膨張係数グリーン層に接触する状態で配置される第１の層間拘束層をさらに備える、複合積層体を作製する工程と、
    前記複合積層体を前記低温焼結セラミック材料が焼結する焼成条件で焼成する焼成工程と、
    次いで、前記複合積層体から前記外側拘束層を除去する工程と
    を備え、
    前記焼成工程の結果、前記第１の層間拘束層は、前記低熱膨張係数グリーン層に含まれていた材料の浸透によって前記無機材料粉末が固化された状態になる、
    多層セラミック基板の製造方法。
  6. 前記生の積層体は、前記第１のセラミックグリーン層として、前記多層セラミック基板における前記周壁部の、前記底壁部と接する面に沿って配置される第２の層間拘束層をさらに備え、前記第２の層間拘束層は、前記低熱膨張係数層に含まれるセラミック材料を焼結させ得る焼成条件では実質的に焼結しない無機材料粉末を含み、前記焼成工程の結果、前記低熱膨張係数層に含まれていた材料の浸透によって前記無機材料粉末が固化された状態になる、請求項５に記載の多層セラミック基板の製造方法。
  7. 前記生の積層体において、前記第２の層間拘束層が有する前記キャビティ形成用貫通孔は、前記周壁部の、前記第２の層間拘束層に接する前記第１のセラミックグリーン層が有する前記キャビティ形成用貫通孔よりも小さくされる、請求項６に記載の多層セラミック基板の製造方法。
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