JP5332038B2 - セラミック構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック構造体の製造方法に関し、特に、凹部を有するセラミック構造体の製造方法に関する。

従来から、ビア構造を有するセラミック構造体が多層基板として広く用いられている。このような多層基板は、たとえば特開平１１−２７４７１７号公報（特許文献１）、特開２００７−２２７０８１号公報（特許文献２）および特開平８−７８８４７号公報（特許文献３）に開示されている。またこのような基板にコンデンサが内蔵された構造が、たとえば特開２００７−１０３９０８号公報（特許文献４）に開示されている。

上記のようなセラミック構造体は、通常、いわゆるグリーンシート法によって製造される。すなわち複数のグリーンシートを積層することにより積層体が形成され、この積層体が焼成される。従来この焼成工程において不良がしばしば生じることがあった。すなわち構造体内部における部材間の接続不良や、構造体の割れなどが生じることがあった。特に構造体がビア部を有する場合、ビアに充填された材料の収縮とセラミックグリーンシート自体の収縮との差に起因して、ビアに充填された材料が層間で、電気的、機能的に接続しないことがあり、これによりセラミック構造体の本来の機能が損なわれることがあった。

このような焼成不良の課題に対し、上記の特開平１１−２７４７１７号公報、特開２００７−２２７０８１号公報および特開平８−７８８４７号公報の技術のように、材料の改善がなされている。すなわち導体材料の無機成分の含有量を増やして収縮を抑制したり、あるいは無機成分の粒子サイズを変更することにより焼結性を低下させたり、あるいはアルミナなどのセラミック材料、金属酸化物、難燃性金属を適量添加することにより焼結性を低下させたりする対策がなされている。また特開２００７−１０３９０８号公報の技術のように、各層に導通不良対策用のパターンを形成する対策がなされている。

特開平１１−２７４７１７号公報 特開２００７−２２７０８１号公報 特開平８−７８８４７号公報 特開２００７−１０３９０８号公報

セラミック構造体の中には、その主面にキャビティ（凹部）を有するものがある。この場合、焼成時に加えられる熱の入熱経路がキャビティの存在によって複雑となるので、焼結の進行にむらが生じやすくなる。よってセラミック構造体の焼成不良が発生しやすいという問題がある。

特に、ビア部を有するセラミック構造体が焼成される場合、キャビティ近傍に形成されたビア部は、主面からの入熱だけでなく、キャビティの側面からの入熱を受ける。このためキャビティ近傍に形成されたビア部は、キャビティから離れて形成されたビア部に比して、過度に焼結しやすい。この結果、ビア部が層間で分離してしまう不良が生じることがあるという問題がある。

さらに、セラミック、導体、誘電体、磁性体、抵抗体などの複合材料からなるセラミック構造体の焼成においては、収縮率や基板の反り、あるいは材質の化学変化といった様々な変動要因がある。このため、上記の特開平１１−２７４７１７号公報、特開２００７−２２７０８１号公報および特開平８−７８８４７号公報のように単に一部の材料の特性を最適化しただけでは、上記課題を完全に解決することは困難である。

また特開２００７−１０３９０８号公報の技術のように不良対策用のパターンを形成する方法では、セラミック構造体の構造が複雑化してしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、凹部を有するセラミック構造体の焼成不良の発生を抑制することができるセラミック構造体の製造方法を提供することである。

本発明のセラミック構造体の製造方法は、以下の工程を有する。
まず積層体が準備される。この積層体は、複数のグリーンシートが厚さ方向に積層されることによって形成される。またこの積層体は凹部を有する。この凹部は、厚さ方向に垂直な底面と、この底面を囲む側面とを有する。次にこの凹部の底面の上にセラミックブロックが配置される。次にこのセラミックブロックとともに積層体が焼成される。この焼成の後、セラミックブロックが除去される。セラミック構造体は、厚さ方向に沿ったビア穴を有する基材部と、ビア穴に材料が充填されることによって形成された接続部とを有する。セラミックブロックを配置する工程において、セラミックブロックの厚さ方向に沿った寸法は、凹部の厚さ方向に沿った寸法よりも大きい。焼成する工程の後における凹部の側面とセラミックブロックとの間の隙間は、複数のグリーンシートの１つの焼成後の厚さ寸法以下である。セラミックブロックは、積層体に対して凹部の底面にのみ接触するように配置される。セラミックブロックは、平面視において、凹部の外側に張り出す張り出し部を有する。セラミックブロックを配置する工程は、セラミックブロックが凹部の底面において積層体を支持するように、セラミックブロックの上に積層体を載せることによって行なわれる。

本発明のセラミック構造体の製造方法によれば、焼成工程においてセラミックブロックでキャビティの一部が塞がれているので、キャビティの側面から構造体内部への入熱が抑制される。よってセラミック構造体のキャビティ近傍部分が他の部分に比して過度に焼結することが防止されるので、焼成不良の発生を抑制できる。

本発明の実施の形態１におけるセラミック構造体の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるセラミック構造体の製造方法の概略フロー図である。 本発明の実施の形態１におけるセラミック構造体の製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるセラミック構造体の製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるセラミック構造体の製造方法の第３工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるセラミック構造体の製造方法の第４工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるセラミック構造体の製造方法の第５工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるセラミック構造体の製造方法の第６工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１の実施例のセラミック構造体の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１の比較例のセラミック構造体の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるセラミック構造体の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２の実施例のセラミック構造体の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３におけるセラミック構造体の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３の実施例のセラミック構造体の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。

以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態の多層基板９０（セラミック構造体）は、厚さ方向（図中の縦方向）に積層された多層構造を有するセラミック基板であり、基材部２１と、ビア部３１と、配線層４１とを有する。配線層４１は、多層基板９０の各層に設けられている。基材部２１は、各配線層４１を隔てる層間絶縁膜として機能できるように絶縁体からなり、またキャビティＣＶおよびビア穴を有する。ビア部３１（接続部）は、このビア穴に導体材料が充填されることによって形成されたビア配線である。キャビティＣＶは、厚さ方向に垂直な主面（図中の上面）上に形成されており、厚さ方向に垂直な底面ＢＴと、底面ＢＴを囲む側面ＳＤとを有する。側面ＳＤは、たとえば、厚さ方向に平行な面である。

図２を参照して、多層基板９０は、いわゆるグリーンシート法を用いて製造され、より具体的には主にステップＳ１〜Ｓ９によって製造される。以下にこの製造方法について詳しく説明する。

図３を参照して、１組のグリーンシート２０が形成される（図２：ステップＳ１）。１組のグリーンシート２０は、グリーンシート２０ａ〜２０ｊを有する。グリーンシート２０ａ〜２０ｊは、低温焼成に適したガラスセラミックスグリーンシートである。

主に図４を参照して、グリーンシート２０ａ〜２０ｊに、ビア穴用貫通部Ｖｆおよびキャビティ用貫通部Ｃｆが形成される（図２：ステップＳ２）。ビア穴用貫通部Ｖｆは、ビア部３１（図１）が形成されるビア穴となる部分である。キャビティ用貫通部ＣｆはキャビティＣＶ（図１）となる部分である。ビア穴用貫通部Ｖｆおよびキャビティ用貫通部Ｃｆを形成する方法としては、金型を用いる方法またはレーザ加工を用いる方法がある。

さらに図５を参照して、スクリーン印刷法などによりビア穴用貫通部Ｖｆに導体材料（機能材料）が充填されることで、充填部３０が形成される（図２：ステップＳ３）。充填部３０はビア部３１（図１）となるものである。次にグリーンシート２０ａ〜２０ｊ上における必要な部分の上に導体材料が印刷されることで、パターン部４０が形成される（図２：ステップＳ４）。パターン部４０は、配線層４１（図１）となるものである。なお導体材料としては、たとえば銀ペーストを用いることができる。

次にグリーンシート２０ａ〜２０ｊが、厚さ方向（図中の縦方向）に順に積層され、さらにプレスされることによって、積層シートが形成される（図２：ステップＳ５）。具体的には、まずグリーンシート２０ａ〜２０ｊの各々が位置決めされ、そして積層される。この位置決めは、画像処理、または機械的に位置決めがなされた冶具を用いて行なうことができる。次にプレス機によってグリーンシート２０ａ〜２０ｊが圧着される。このプレス機は、たとえば１軸プレス機または静水圧プレス機である。

さらに図６を参照して、上記の積層・プレスによって、キャビティ用貫通部Ｃｆが重ね合わされることで、キャビティＣＶが形成される。また複数の充填部３０が厚さ方向に配列される。次に積層シートが切断されることによって、積層シートから積層体８０が切り出される（図２：ステップＳ６）。このようにして準備された積層体８０は、厚さ方向に垂直な底面ＢＴと底面を囲む側面ＳＤとを有するキャビティＣＶ（凹部）を有する。

さらに図７を参照して、積層体８０の主面（図中の上面）が露出されるように、積層体８０が焼成用の下敷セッター５０上に載置される（図２：ステップＳ７）。下敷セッター５０の材料は、後述する積層体８０の焼成の焼成温度では焼結しない材料からなる。なお寸法Ｄ１ａ（図７）は、充填部３０の端部とキャビティＣＶの端部との間の隙間の寸法である。

次にキャビティＣＶの底面ＢＴ上にセラミックブロック５１が載置される（図２：ステップＳ８）。セラミックブロック５１は、キャビティＣＶの厚さ方向に沿った寸法（すなわちキャビティＣＶの深さ寸法）よりも大きな高さ寸法を有する。またセラミックブロック５１は、積層体８０に対してキャビティＣＶの底面ＢＴにのみ接触するように配置される。またセラミックブロック５１は、キャビティＣＶの側面ＳＤとの間の隙間が寸法Ｌ１ａとなるような形状を有する。セラミックブロック５１にこのような形状を付与するため、セラミックブロック５１は焼結体から切り出され、さらに研磨されることで形成される。この焼結体は、アルミナ、ムライト、ジルコニアおよびマグネシアの少なくともいずれかを含み、また積層体８０が焼成される際の焼成温度（たとえば８２０〜９００℃）よりも高い温度（たとえば１６００℃以上）で焼結されることで準備される。

次にセラミックブロック５１とともに積層体８０が焼成される（図２：ステップＳ９）。これにより積層体８０は、焼結することで多層基板９０となる。すなわち、１組のグリーンシート２０、充填部３０およびパターン部４０のそれぞれは、焼結することで、基材部２１、ビア部３１および配線層４１となる。

この焼結にともない寸法の収縮が生じる。よってキャビティＣＶの側面ＳＤとセラミックブロック５１との間の隙間は、寸法Ｌ１ａから寸法Ｌ１ｂへと小さくなる。寸法Ｌ１ｂは、１組のグリーンシート２０の１つの焼成後の厚さ寸法以下である。すなわち寸法Ｌ１ｂがこのような寸法条件を満たすように、寸法Ｌ１ａ（図７）が選択される。また寸法Ｄ１ａ（図７）は寸法Ｄ１ｂ（図９）へと減少する。

次にキャビティＣＶからセラミックブロック５１が除去される。そして下敷セッター５０上から多層基板９０が取り上げられる。

以上により多層基板９０（図１）が得られる。
次に本実施の形態の実施例および比較例について説明する。

主に図９および図１０を参照して、本実施の形態の実施例および比較例のそれぞれとして、多層基板９０ｐおよび多層基板９０ｚが作製された。焼成工程（図２：ステップＳ９）において、実施例ではセラミックブロック５１が用いられ、比較例ではセラミックブロック５１が用いられなかった。これ以外の条件は、両者の間で共通とされた。

多層基板９０ｐおよび９０ｚの各々の構造は、多層基板９０（図１）の内部構造が単純化されたものとされた。このため多層基板９０の製造方法の図面（図３〜図８）を援用しつつ、多層基板９０ｐまたは９０ｚの製造方法について説明する。

ステップＳ１（図２）にて、グリーンシート２０（図３）が形成された。グリーンシート２０ａ〜２０ｊの各々の厚さは１００μｍとされた。

ステップＳ２（図２）にて、グリーンシート２０ｅ〜グリーンシート２０ｊ（図４）の各々に、金型を用いて直径０．２ｍｍのビア穴用貫通部Ｖｆが穿孔された。続いてグリーンシート２０ｆ〜２０ｊの各々に、金型を用いて３０ｍｍ角のキャビティ用貫通部Ｃｆが形成された。

ステップＳ３（図２）にて、ビア穴用貫通部Ｖｆ（図４）に銀ペーストが充填されることで充填部３０（図５）が形成された。銀ペーストとしては、１〜２μｍの粒子径と、４％以下のガラス添加量とを有するものが用いられた。すなわち、焼成された際の収縮率が比較的大きくなるような銀ペーストが用いられた。

ステップＳ５（図２）にて、静水圧プレスによって積層体８０（図７）が形成された。寸法Ｄ１ａ（図７）は、２００μｍ、３００μｍ、５００μｍおよび１０００μｍとされた。

ステップＳ８（図２）にて、本実施例においては、セラミックブロック５１（図７）がキャビティＣＶの底面ＢＴ（図６）上に載置された。セラミックブロック５１は、あらかじめ１６００℃で焼成されたアルミナ焼結体で形成された２５．５ｍｍ角、厚さ３ｍｍのブロックであった。一方、比較例においてはセラミックブロック５１は載置されなかった。

ステップＳ９（図２）にて、寸法が８５％収縮するような焼成温度で、積層体８０が焼成された。よってグリーンシート２０ａ〜２０ｊの各々に対応する厚さは、１００μｍから８５μｍへと減少した。また本実施例において寸法Ｌ１ｂ（図９）は、この焼成後の厚さ（８５μｍ）以下の寸法であった。

以上により、多層基板９０ｐ（図９）および多層基板９０ｚ（図１０）を得た。
次に比較例のビア部３１（図９）の検査が行なわれた。その結果、欠陥ＤＦ（図１０）が観察された。

欠陥ＤＦは、グリーンシート２０（図６）の界面に相当する位置に発生した。この理由は、充填部３０（図６）が焼結されることで厚さ方向に連結してビア部３１（図１０）が形成される際に、この連結に不良が生じやすかったためと考えられる。

またこの欠陥ＤＦは、特にキャビティＣＶ近傍において多く発生していた。この理由は焼成時に、キャビティＣＶの側面ＳＤからの入熱によってキャビティＣＶ近傍の焼結が過度になったためと考えられる。

この点をより詳しく検討するため、寸法Ｄ１ａ（図７）が２００μｍ、３００μｍ、５００μｍおよび１０００μｍの各々の場合におけるビア部３１の導通不良率の検査がなされた。その結果を、以下の表１に示す。

次に実施例において、寸法Ｌ１ｂ（図９）が０μｍ、８５μｍおよび２５０μｍの各々の場合について、寸法Ｄ１ａ（図７）が２００μｍとなる位置のビア部３１（図９）の導通不良率の検査が行なわれた。その結果を、以下の表２に示す。

上記の表１および表２の結果から、寸法Ｌ１ａ（図７）＝２００μｍの位置のビア部３１の導通不良率が、比較例では１．２％であり、実施例では０〜０．９％であった。すなわちセラミックブロック５１を用いることによりビア部３１の導通不良率を低減させることができた。また特に寸法Ｌ１ｂ（図９）が８５μｍ以下とされた場合、導通不良率が０％になった。すなわち寸法Ｌ１ｂ（図９）がグリーンシート２０ａ〜２０ｊの１つの焼成後の厚さ以下とされた場合、ビア部３１の不良率が顕著に低減された。

本実施の形態によれば、焼成（図２：ステップＳ９）において、図７および図８に示すようにセラミックブロック５１でキャビティＣＶ（図６）の一部が塞がれているので、キャビティＣＶの側面ＳＤから積層体８０（多層基板９０）内部への入熱が抑制される。よって多層基板９０のキャビティＣＶ近傍部分が他の部分に比して過度に焼結収縮することが防止されるので、焼成不良の発生を抑制できる。

特に、キャビティＣＶ（図１）近傍に形成されたビア部３１は、仮にセラミックブロック５１が用いられないと、焼成（図２：ステップＳ９）においてキャビティＣＶの側面ＳＤから無視できない量の入熱を受けることで、過度に焼結収縮しやすい。その結果、層間でのビア部３１の接続に不良が生じることがあるという問題がある。特に焼成時の収縮量が大きい材料がビア穴に充填される場合、この問題は顕著となる。本実施の形態によれば、このビア部３１の接続の不良を防止することができる。

なお図５において充填部３０の材料とパターン部４０の材料とが同じ場合、充填部３０およびパターン部４０を同時に形成することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、ステップＳ８（図２）にて、セラミックブロック５１（図７）の代わりに、セラミックブロック５２（図１１）が用いられる。

セラミックブロック５２は、セラミックブロック５１と異なり、平面視（図１１における上方からの視野）において積層体８０のキャビティ（凹部）の外側に張り出す張り出し部を有している。またセラミックブロック５２は、平面視において、８０の全体を覆うように設けられる。好ましくは、この張り出し部と積層体８０との間の隙間の寸法Ｌ２ａは、複数のグリーンシート２０の１つの厚さ寸法以下である。

なお上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

次に、図１２に示すように、実施の形態１の実施例と同様の積層体８０ｐを用いて、本実施の形態の実施例が行なわれた。ただしセラミックブロック５１の代わりにセラミックブロック５２が用いられた。セラミックブロック５２は、平面視において、８０ｐの全体を覆うように設けられた。また寸法Ｌ２ａは１００μｍとされた。すなわち寸法Ｌ２ａは複数のグリーンシート２０の１つの厚さ寸法（１００μｍ）以下とされた。

次に寸法Ｄ１ａ（図１２）が２００μｍとなる位置のビア部３１（図９）の導通不良率の検査が行なわれた。その結果を、上述した比較例とともに、以下の表３に示す。

よって、本実施例においても、実施の形態１と同様の効果が得られることがわかった。
また本実施の形態によれば、セラミックブロック５２（図１１）が張り出し部を有することによって、積層体８０表面をより均一に加熱することができる。よって多層基板９０（図１）の反りや歪みなどの変形をより抑制することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、実施の形態２（図１１）の配置を上下反転し、かつ下敷セッター５０（図１１）を省略した構成（図１３）を用いて、積層体８０の焼成が行なわれる。すなわちセラミックブロック５２が積層体８０のキャビティ（凹部）の底面において積層体８０を支持するように、セラミックブロック５２の上に積層体８０が載せられる。このようにセラミックブロック５２が配置された後、焼成が行なわれる。

なお上記以外の構成については、上述した実施の形態２の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

次に、図１４に示すように、実施の形態２の実施例と同様の積層体８０ｐを用いて、本実施の形態の実施例が行なわれた。ただし本実施例では、実施の形態２の実施例に対して、上下の配置は反転され、かつ下敷セッター５０（図１２）は用いられなかった。

次に寸法Ｄ１ａ（図１４）が２００μｍとなる位置のビア部３１（図９）の導通不良率の検査が行なわれた。その結果を、上述した比較例とともに、以下の表４に示す。

よって、本実施例においても、実施の形態１と同様の効果が得られることがわかった。
また本実施の形態によれば下敷セッター５０を用いずに多層基板９０を製造することができる。これにより製造コストを削減することができる。

また下敷セッター５０が用いられないので、焼成中の積層体８０の焼結収縮にともない積層体８０と下敷セッター５０とが擦れることがない。よって焼成中の収縮中の擦れに起因した傷の発生部位を最小限に抑えることができる。

なお上記各実施の形態においてはセラミック構造体として多層基板について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば、セラミックパッケージまたはセラミックデバイスであってもよい。

またビア穴に充填される材料は、導体に限定されるものではなく、セラミック構造体の機能に応じた機能材料であればよい。機能材料としては、導体の他に、誘電体、磁性体、抵抗体などがある。

今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明は、凹部を有するセラミック構造体の製造方法に特に有利に適用され得る。

２０，２０ａ〜２０ｊ グリーンシート、２１ 基材部、３０ 充填部、３１ ビア部、４０ パターン部、４１ 配線層、５０ 下敷セッター、５１，５２ セラミックブロック、８０，８０ｐ 積層体、９０，９０ｐ 多層基板、ＢＴ 底面、Ｃｆ キャビティ用貫通部、ＣＶ キャビティ（凹部）、ＳＤ 側面、Ｖｆ ビア穴用貫通部。

Claims (5)

1. 複数のグリーンシートが厚さ方向に積層されることによって形成され、かつ、前記厚さ方向に垂直な底面と前記底面を囲む側面とを有する凹部を有する積層体を準備する工程と、
   前記凹部の前記底面の上にセラミックブロックを配置する工程と、
   前記セラミックブロックとともに前記積層体を焼成する工程と、
   前記焼成する工程の後に、前記セラミックブロックを除去する工程とを備え、
   前記セラミック構造体は、前記厚さ方向に沿ったビア穴を有する基材部と、前記ビア穴に材料が充填されることによって形成された接続部とを有し、
   前記セラミックブロックを配置する工程において、前記セラミックブロックの前記厚さ方向に沿った寸法は、前記凹部の前記厚さ方向に沿った寸法よりも大きく、
   前記焼成する工程の後における前記凹部の前記側面と前記セラミックブロックとの間の隙間は、前記複数のグリーンシートの１つの焼成後の厚さ寸法以下であり、
   前記セラミックブロックは、前記積層体に対して前記凹部の前記底面にのみ接触するように配置され、
   前記セラミックブロックは、平面視において、前記凹部の外側に張り出す張り出し部を有し、
   前記セラミックブロックを配置する工程は、前記セラミックブロックが前記凹部の前記底面において前記積層体を支持するように、前記セラミックブロックの上に前記積層体を載せることによって行なわれる、セラミック構造体の製造方法。
2. 前記セラミックブロックは、平面視において、前記積層体の全体を覆う、請求項１に記載のセラミック構造体の製造方法。
3. 前記積層体と前記張り出し部との間の隙間は、前記複数のグリーンシートの１つの厚さ寸法以下である、請求項１または２に記載のセラミック構造体の製造方法。
4. 前記セラミックブロックは、前記焼成する工程における焼成温度よりも高い焼成温度で形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のセラミック構造体の製造方法。
5. 前記セラミックブロックの材料は、アルミナ、ムライト、ジルコニアおよびマグネシアの少なくともいずれかを含む、請求項１〜３のいずれかに記載のセラミック構造体の製造方法。

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