JP5300527B2 - Multilayer substrate and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック材料を含む多層基板およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a multilayer substrate containing a ceramic material and a method for manufacturing the same.
従来、例えば強度を向上させることまたはキャパシタなどの素子を内蔵することを目的に異なる材料からなる複数のセラミック層が積層された多層基板が知られている。異なる材料からなる複数のセラミック材料層を含む予備成形体を焼成する際における平面方向の収縮率を抑える手法として、複数のセラミック材料層に含まれる結晶化ガラスの軟化点を異ならせることが知られている。 Conventionally, there has been known a multilayer substrate in which a plurality of ceramic layers made of different materials are laminated for the purpose of improving strength or incorporating an element such as a capacitor. It is known to vary the softening point of crystallized glass contained in multiple ceramic material layers as a technique to suppress the shrinkage in the planar direction when firing preforms containing multiple ceramic material layers made of different materials. ing.
ガラス軟化点の差が大きくなるにつれて、焼成の際に、隣接している異なる絶縁層において、脱溶剤成分または脱バインダー成分の放出経路が、先に軟化を開始した絶縁層によって塞がれてしまい、脱溶剤成分または脱バインダー成分が内部に残留してしまうという現象が発生する。この残留成分によって、多層基板の中に空隙が存在する可能性があった。この空隙によって、多層基板の内部に大気中の水分が浸入する可能性があった。 As the difference between the glass softening points increases, the firing path of the solvent-removing component or the binder-removing component is blocked by the insulating layer that has started to soften in the different adjacent insulating layers during firing. The phenomenon that the solvent removal component or the binder removal component remains inside occurs. Due to this residual component, there may be voids in the multilayer substrate. Due to the voids, there is a possibility that moisture in the atmosphere may enter the inside of the multilayer substrate.
本発明の一つの態様によれば、多層基板は、第1軟化点を有する第1結晶化ガラスを含む複数の第1セラミック層と、第1軟化点より高い第2軟化点を有する第2結晶化ガラスを含む複数の第2セラミック層とが交互に積層されている。第1セラミック層と第2セラミック層との間には、導体層と、第2軟化点より高い第3軟化点を有する第3結晶化ガラスを含む第3セラミック層とが形成されている。第2セラミック層における複数の焼結粒子の間には、第3結晶化ガラスが含有されている。 According to one aspect of the present invention, the multilayer substrate includes a plurality of first ceramic layers including a first crystallized glass having a first softening point, and a second crystal having a second softening point higher than the first softening point. A plurality of second ceramic layers containing the vitrified glass are alternately laminated. A conductor layer and a third ceramic layer containing a third crystallized glass having a third softening point higher than the second softening point are formed between the first ceramic layer and the second ceramic layer. A third crystallized glass is contained between the plurality of sintered particles in the second ceramic layer.
本発明の他の態様によれば、多層基板の製造方法は、セラミック予備成形体を焼成する
工程を有している。セラミック予備成形体は、第1軟化点を有する第1結晶化ガラスを含む複数の第1セラミック材料層と、第1軟化点より高い第2軟化点を有する第2結晶化ガラスを含む複数の第2セラミック材料層とが交互に積層された多層成形体である。セラミック予備成形体は、第1セラミック材料層と第2セラミック材料層との間に、導体層と、第2軟化点より高い第3軟化点を有する第3結晶化ガラスを含む第3セラミック材料層とが設けられており、第2セラミック層における複数の焼結粒子の間に、第3結晶化ガラスが含有されている。
According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a multilayer substrate includes a step of firing a ceramic preform. The ceramic preform includes a plurality of first ceramic material layers including a first crystallized glass having a first softening point, and a plurality of second ceramics including a second crystallized glass having a second softening point higher than the first softening point. A multilayer molded body in which two ceramic material layers are alternately laminated. The ceramic preform includes a conductor layer and a third ceramic material layer having a third crystallized glass having a third softening point higher than the second softening point between the first ceramic material layer and the second ceramic material layer. The third crystallized glass is contained between the plurality of sintered particles in the second ceramic layer .
本発明の一つの態様による多層基板は、第2セラミック層における複数の焼結粒子の間に第3結晶化ガラスが含有されていることにより、水分の浸入に関して低減されている。 In the multilayer substrate according to one aspect of the present invention, the third crystallized glass is contained between the plurality of sintered particles in the second ceramic layer, thereby reducing moisture intrusion.
本発明の他の態様による多層基板の製造方法は、第3結晶化ガラスを含む第3セラミック材料層を有するセラミック予備成形体を焼成することにより、焼成の際に発生する空隙に、溶融した第3結晶化ガラスが流れ込み、空隙率を低減させることができる。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a multilayer substrate, comprising: firing a ceramic preform having a third ceramic material layer containing a third crystallized glass; Tricrystallized glass flows in and the porosity can be reduced.
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示されているように、多層基板は、複数の第1セラミック層11と複数の第2セラミック層12とが交互に積層された構造を有している。多層基板は、第1セラミック層11と第2セラミック層12との間に、第3セラミック層13と、導体層14とを有している。
As shown in FIG. 1, the multilayer substrate has a structure in which a plurality of first
第1セラミック層11は、第1軟化点を有する第1結晶化ガラスを含んでいる。第2セラミック層12は、第1軟化点より高い第2軟化点を有する第2結晶化ガラスを含んでいる。第3セラミック層13は、第2軟化点より高い第3結晶化ガラスを含んでいる。
The first
多層基板において、第2セラミック層における複数の焼結粒子の間に、第3セラミック層13に含まれている第3結晶化ガラスが流れ出ている。従って、多層基板は、大気中の水分の吸収に関して低減されている。詳細には、多層基板は、導体層14に接している第2セラミック層12における水分の吸収に関して低減されている。
In the multilayer substrate, the third crystallized glass contained in the third
多層基板の製造方法は、セラミック予備成形体を焼成する工程を有している。セラミック予備成形体は、図2に示されているように、収縮開始温度が異なる第1セラミック材料層21と、第2セラミック材料層22と、第3セラミック材料層23を含んでいる。セラミック予備成形体は、導体層24をさらに含んでいる。この図2のセラミック予備成形体では、セラミック材料層の収縮開始温度が、第1セラミック材料層21<第2セラミック材料層22<第3セラミック材料層23の関係に有る。第3セラミック材料層23は、導体層24の近傍に形成されており、第1セラミック材料層21の上面の全領域に対して部分的に設けられている。第3セラミック材料層23に含有されている第3結晶化ガラスが、第2セラミック材料層22が焼結する際に生じるボイドに流れ込む。従って、多層基板にの第2セラミック層12におけるボイド率が低減されている。特に、導体層23の近傍に第3セラミック材料層23が設けられていることにより、多層基板は、導体層14に対する水分の影響に関して低減されている。
The manufacturing method of a multilayer substrate has the process of baking a ceramic preform. As shown in FIG. 2, the ceramic preform includes a first
この3種類のセラミック材料層21〜23を形成するセラミックスの焼成収縮挙動の概要について、図3の焼成収縮曲線に基づいて説明する。図2は焼成収縮挙動の異なるセラミックスの加熱時の収縮曲線であり、横軸は温度、縦軸は収縮率を示す。この収縮曲線によれば、焼成収縮開始温度が異なる3つのセラミック材料A〜Cは、それぞれ焼成収縮開始温度SA、SB、SC(SA<SB<SC)、焼成収縮終了温度EA、EB、EC(EA<EB<EC)を有する。図2のセラミック予備成形体に当てはめると、セラミック材料層21〜23は、セラミック材料A〜Cに該当する。セラミック材料層21および22を積層して構成される予備成形体の主面方向の焼成収縮率は5%以下であることが好ましい。多層基板の反りまたは変形等を抑制し、寸法精度を高め歩留まりを向上できる。特に、3%以下がより望ましい。セラミック材料層21〜23の熱膨張係数差が小さいほど焼成中および焼成後の反りが抑制されるという理由から望ましく、特に熱膨張係数の差は2×10-6/℃以下が望ましい。
The outline of the firing shrinkage behavior of the ceramics forming these three types of
セラミック予備成形体を構成するセラミック材料層のうち、セラミック材料層21に含まれる結晶化ガラスは、SiO2:10〜40質量%、MgO:35〜60質量%、B2O3:10〜30質量%と、CaO、Al2O3、SrO、ZnO、TiO2、Na2O、BaO、SnO2、P2O3、ZrO2およびLi2Oの群から選ばれる少なくとも1種を0〜30質量%を含有する。特に、SiO2、MgOおよびB2O3以外の成分は、CaO:0〜10質量%、Al2O3:0〜20質量%、SrO:0〜5質量%、ZnO:0〜30質量%、TiO2:0〜10質量%、Na2O:0〜3質量%、BaO:0〜30質量%、SnO2:0〜4質量%、P2O5:0〜3質量%、ZrO2:0〜1質量%、Li2O:0〜5質量%の範囲の組成とされている。
Among the ceramic material layers constituting the ceramic preform, the crystallized glass contained in the
セラミック材料層22に含まれる結晶化ガラスは、SiO2:15〜45質量%、MgO:30〜55質量%、B2O3:7〜27質量%と、CaO、Al2O3、SrO、ZnO、TiO2、Na2O、BaO、SnO2、P2O3、ZrO2およびLi2Oの群から選ばれる少なくとも1種を0〜27質量%を含有する。特に、SiO2、MgOおよびB2O3以外の成分は、CaO:0〜10質量%、Al2O3:0〜20質量%、SrO:0〜5質量%、ZnO:0〜27質量%、TiO2:0〜10質量%、Na2O:0〜3質量%、BaO:0〜27質量%、SnO2:0〜4質量%、P2O5:0〜3質量%、ZrO2:0〜1質量%、Li2O:0〜5質量%の範囲の組成とされている。
The crystallized glass contained in the
セラミック材料層23に含まれる結晶化ガラスは、SiO2:20〜50質量%、MgO:3〜25質量%と、B2O3、CaO、Al2O3、SrO、ZnO、TiO2、Na2O、BaO、SnO2、P2O3、ZrO2およびLi2Oの群から選ばれる少なくとも1種を0〜55質量%を含有。特に、SiO2およびMgO以外の成分は、B2O3:0〜20質量%、CaO:0〜10質量%、Al2O3:0〜20質量%、SrO:0〜5質量%、ZnO:0〜30質量%、TiO2:0〜10質量%、Na2O:0〜3質量%、BaO:0〜30質量%、SnO2:0〜4質量%、P2O5:0〜3質量%、ZrO2:0〜1質量%、Li2O:0〜5質量%の範囲の組成とされている。
The crystallized glass contained in the
セラミック材料層21〜23に含まれるガラス組成を上記のような組成としたのは、これらの絶縁層の収縮開始温度差を設けかつ焼成温度範囲を異なるものとしつつも最終的な焼成収縮率を同じ値とするためである。
The glass composition contained in the
セラミック材料層に含まれるガラス組成の中で、MgOとB2O3の量を増すことにより、結晶化ガラスの軟化点が低下し、焼成開始温度の低温下を図ることができ、一方、SiO2の量を増すことにより、結晶化ガラスの軟化点を高め、これにより焼成開始温度の高温化を図ることができる。 By increasing the amount of MgO and B 2 O 3 in the glass composition contained in the ceramic material layer, the softening point of the crystallized glass can be lowered, and the firing start temperature can be lowered. By increasing the amount of 2 , the softening point of the crystallized glass can be increased, thereby increasing the firing start temperature.
上記の結晶化ガラスとセラミックフィラーによる組み合わせによれば、セラミック材料層21〜23同士の拘束力が高まり、平面方向の焼成収縮率を5%以下とすることができ、また、絶縁層間の接着性が強くなり、反り、剥がれ、デラミネーションを防止でき、基板の寸法精度を高めることができる。
According to the combination of the crystallized glass and the ceramic filler, the binding force between the
セラミック材料層には、上記ガラス以外に、セラミックフィラーを含有してもよい、用いられるセラミックフィラーとしては、Al2O3、SiO2、MgTiO3、CaZrO3、CaTiO3、Mg2SiO4、BaTi4O9、ZrTiO4、SrTiO3、BaTiO3、TiO2、ZrO2、La2Ti2O7、Nd2Ti2O7から選ばれる1種以上が挙げられる。特に、セラミックフィラーとしては、高強度化と理由からAl2O3が好適に用いられ、上記以外のセラミック粉末を混合して焼成を行うと、ガラスと反応してガラスの熱特性が変化し、その結果焼成収縮挙動が変わり、焼成時の平面方向(x−y方向)の拘束力が弱くなるからである。 In addition to the glass, the ceramic material layer may contain a ceramic filler. Examples of the ceramic filler used include Al 2 O 3 , SiO 2 , MgTiO 3 , CaZrO 3 , CaTiO 3 , Mg 2 SiO 4 , and BaTi. One or more selected from 4 O 9 , ZrTiO 4 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , TiO 2 , ZrO 2 , La 2 Ti 2 O 7 , and Nd 2 Ti 2 O 7 can be mentioned. In particular, as the ceramic filler, Al 2 O 3 is suitably used for high strength and reasons, and when the ceramic powder other than the above is mixed and fired, the thermal properties of the glass change by reacting with the glass, As a result, the firing shrinkage behavior is changed, and the restraining force in the planar direction (xy direction) during firing is weakened.
セラミック材料層21〜23に含まれるセラミックフィラー量は、10〜70質量%、結晶化ガラス量を30〜90質量%としたのは、この範囲外では、絶縁層の焼結性が劣化するためである。とりわけ焼結性をさらに向上させるという観点から結晶化ガラス成分は60質量%以上、一方、セラミックフィラーは40質量%以下が望ましい。 The amount of the ceramic filler contained in the ceramic material layers 21 to 23 is 10 to 70% by mass and the amount of crystallized glass is 30 to 90% by mass, because the sinterability of the insulating layer deteriorates outside this range. It is. In particular, from the viewpoint of further improving the sinterability, the crystallized glass component is preferably 60% by mass or more, while the ceramic filler is preferably 40% by mass or less.
これらの結晶化ガラス粉末とセラミックフィラーとを混合して焼成収縮挙動の異なる3種のセラミック材料を調製し、これら3種のセラミック材料と有機バインダーと有機溶剤および必要に応じて可塑剤とを混合しセラミックスラリーを調製する。 These crystallized glass powders and ceramic fillers are mixed to prepare three kinds of ceramic materials with different firing shrinkage behavior, and these three kinds of ceramic materials, organic binder, organic solvent, and plasticizer as needed are mixed. A ceramic slurry is prepared.
このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法などによりテープ成形を行い、所定寸法に切断しセラミック材料層21の成形体およびセラミック材料層22の成形体となるセラミックグリーンシートを作製する。セラミック材料層23のスラリーは、スクリーン印刷法で形成可能なスラリーに調合する。セラミックグリーンシートにパンチングなどによって貫通孔を形成し、その貫通孔内に導体ペーストを充填したり、表面導体層や内部導体層を導体ペーストを用いてスクリーン印刷法などによって被着形成する。セラミック材料層21の成形体およびセラミック材料層22の成形体の内部導体層の配線間にセラミック材料層23の所定のパターンをスクリーン印刷法などによって被着形成する。このようにして得られた各セラミックグリーンシートを所定の積層順序に応じて積層して積層成形体を形成した後に焼成する。
Using this ceramic slurry, tape molding is performed by a doctor blade method or the like, and the ceramic green sheet is cut into a predetermined size to form a
焼成によって、セラミック材料層22は、焼結がほぼ完了したセラミック材料層21によって平面方向(x−y方向)への焼成収縮が抑制され、縦方向(Z方向)に焼成収縮する。セラミック材料層23は、セラミック材料層22中のボイド発生部に非結晶ガラス成分を供給し、内部導体層の周囲のボイド率を低減させる。
Due to firing, the
セラミック材料層21およびセラミック材料層22ともに平面方向(x−y方向)への焼成収縮が抑制され、縦方向(Z方向)に焼成収縮した寸法精度の高く、かつ内部導体層周囲のボイド率を低減した基板を作製することができる。
Both the
焼成収縮率の低減の観点から全体の体積収縮率は95%以上が望ましい。セラミック材料層21〜23の収縮開始温度差は10℃以上、特に20℃以上であることが望ましい。 From the viewpoint of reducing the firing shrinkage, the overall volume shrinkage is desirably 95% or more. The shrinkage start temperature difference of the ceramic material layers 21 to 23 is desirably 10 ° C. or higher, particularly 20 ° C. or higher.
互いのセラミックスが共に焼成収縮する温度領域が減少するほど収縮の拘束の効果が大きくなるためである。 This is because the shrinkage restraining effect increases as the temperature range in which the ceramics are fired and shrunk together decreases.
収縮開始温度とは、各セラミック材料層が0.1%焼成収縮した時点の温度とし、焼成収縮終了温度とは、焼成収縮が最終焼成体積収縮率の99%進行した時点の温度を意味する。焼成収縮挙動もしくは焼成収縮開始温度、焼成収縮終了温度の異なる材料から形成される絶縁層が複数積層されており、それらの誘電率は等しくても良いが、目的によっては異なっていても良く、焼成挙動が異なる3種のセラミックスは、例えば、焼成収縮挙動の相違のみならず、目的に応じて比誘電率が異なる、強度が異なる、誘電損失が異なるなどの他の特性が異なっていても良い。 The shrinkage start temperature is the temperature at which each ceramic material layer is fired and shrunk by 0.1%, and the firing shrinkage end temperature is the temperature at which firing shrinkage has progressed 99% of the final fired volume shrinkage rate. A plurality of insulating layers formed of materials having different firing shrinkage behaviors, firing shrinkage start temperatures, and firing shrinkage end temperatures are laminated, and their dielectric constants may be the same or different depending on the purpose. The three types of ceramics having different behaviors may differ not only in the difference in firing shrinkage behavior but also in other characteristics such as different dielectric constants, different strengths, and different dielectric losses depending on purposes.
11 第1セラミック層
12 第2セラミック層
13 第3セラミック層
14 導体層
11 First
Claims (4)
前記第1セラミック層と前記第2セラミック層との間に、導体層と、前記第2軟化点より高い第3軟化点を有する第3結晶化ガラスを含む第3セラミック層とが形成されており、
前記第2セラミック層における複数の焼結粒子の間に、前記第3結晶化ガラスが含有されていることを特徴とする多層基板。 Alternately, a plurality of first ceramic layers including a first crystallized glass having a first softening point and a plurality of second ceramic layers including a second crystallized glass having a second softening point higher than the first softening point. A multi-layer substrate laminated to
A conductor layer and a third ceramic layer containing a third crystallized glass having a third softening point higher than the second softening point are formed between the first ceramic layer and the second ceramic layer. ,
The multilayer substrate, wherein the third crystallized glass is contained between a plurality of sintered particles in the second ceramic layer.
前記セラミック予備成形体は、
第1軟化点を有する第1結晶化ガラスを含む複数の第1セラミック材料層と、前記第1軟化点より高い第2軟化点を有する第2結晶化ガラスを含む複数の第2セラミック材料層とが交互に積層された多層成形体であって、
前記第1セラミック材料層と前記第2セラミック材料層との間に、導体層と、前記第2軟化点より高い第3軟化点を有する第3結晶化ガラスを含む第3セラミック材料層とが設けられており、
前記第2セラミック層における複数の焼結粒子の間に、前記第3結晶化ガラスが含有されていることを特徴とする多層基板の製造方法。 A method for producing a multilayer substrate comprising a step of firing a ceramic preform,
The ceramic preform is
A plurality of first ceramic material layers including a first crystallized glass having a first softening point; a plurality of second ceramic material layers including a second crystallized glass having a second softening point higher than the first softening point; Is a multilayer molded body in which the layers are alternately laminated,
A conductor layer and a third ceramic material layer including a third crystallized glass having a third softening point higher than the second softening point are provided between the first ceramic material layer and the second ceramic material layer. It is and,
The method for producing a multilayer substrate , wherein the third crystallized glass is contained between a plurality of sintered particles in the second ceramic layer .
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