JP6065355B2 - 多層セラミック基板およびその製造方法 - Google Patents

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し、特にたとえば、積層されたセラミック層間に内部電極が形成された多層セラミック基板と、その製造方法に関する。

近年、チップ部品等の小型化が進み、このようなチップ部品を搭載する回路基板についても小型化が望まれている。そこで、回路基板として、高密度配線が可能な多層セラミック基板が用いられる。多層セラミック基板は、積層された複数のセラミック層間に内部電極が形成された構成を有する。このような多層セラミック基板は、高密度配線が可能で、回路基板の小型化を図ることができる。

多層セラミック基板を作製するには、セラミックグリーンシートが準備される。セラミックグリーンシート上に、電極ペーストなどを用いて電極パターンが形成される。この電極パターンを覆うようにして、別のセラミックグリーンシートが積層される。さらに、電極パターンの形成およびセラミックグリーンシートの積層を繰り返し、積層体が形成される。この積層体を焼成することにより、積層された複数のセラミック層間に内部電極が形成された多層セラミック基板を得ることができる。なお、異なる層間に形成された内部電極は、ビア電極などで接続されて、回路基板が形成される。

セラミックグリーンシートを積層した積層体を焼成する際に、セラミックグリーンシートに焼成収縮が発生するため、多層セラミック基板の寸法安定性に問題がある。そこで、焼結温度の異なる２種以上のセラミックグリーンシートを積層することにより、焼成中に各層の収縮に時間差が与えられ、焼成後のセラミック基板の面方向の収縮を低減できることが開示されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特開平６−１７２０１７号公報 特開２０００−２５１５７号公報

しかしながら、焼結挙動の異なるセラミックグリーンシートの間に電極パターンが形成されると、焼成時に電極パターンの両主面においてセラミック層の収縮挙動差が発生する。そのため、内部電極の両主面に加わる応力に差が生じ、焼成後のセラミック層と内部電極との間に隙間（剥離）が生じたり、内部電極やセラミック層にクラックが生じるという問題がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、構造欠陥の少ない多層セラミック基板と、その製造方法を提供することである。

この発明は、収縮挙動の異なる第１のセラミック層と第２のセラミック層とを積層した積層体と、積層体の内部に配置され、第１のセラミック層の面方向に延びる内部電極を含む多層セラミック基板であって、内部電極が存在する側において、第１のセラミック層上に形成された内部電極の主面上のみまたは周囲のみを覆う第１のセラミック層と同一の収縮挙動を有する第３のセラミック層と、内部電極を含む第１のセラミック層、および第１のセラミック層上に形成された第３のセラミック層上に配置される第２のセラミック層とを含み、第１のセラミック層の焼結開始温度が１０００℃以上である、多層セラミック基板である。

ここで、同一の収縮挙動とは、収縮開始温度が同一であることを言い、より好ましくは、収縮開始温度から収縮終了温度までの収縮の状況が同じであることを言う。
異なるセラミック層間に内部電極を有する多層セラミック基板において、内部電極の主面上のみまたは周囲のみが同一の収縮挙動を有するセラミック層で囲まれていることにより、収縮挙動差により内部電極内部に生じる応力偏差が小さくなり、構造欠陥の発生を抑制することができるとともに、積層時の凹凸による基板の反りや電極形状の変形を抑制することができる。
特に、内部電極が存在する面の全面に同一の収縮挙動を有するセラミック層が形成されていることにより、積層時の凹凸による基板の反りや電極形状の変形を抑制することができる。
また、焼結開始温度が１０００℃以上であるセラミック層によって内部電極が囲まれることにより、セラミックグリーンシートの積層体を１０００℃以下で焼成したとき、内部電極の周囲で収縮することなくセラミック層を形成することができる。

このような多層セラミック基板において、第２のセラミック層の焼結開始温度は８９０℃とすることができる。
上述のように、第１のセラミック層および第３のセラミック層の収縮挙動が同じ、すなわち焼結開始温度が１０００℃以上であることにより、セラミックグリーンシートの積層体を８９０℃で焼成して、第２のセラミック層を焼結させることにより、内部電極の周囲の第３のセラミック層が収縮することなく積層体を形成することができる。

この発明によれば、電極パターンあるいは内部電極に生じる応力偏差が小さくなるため、内部電極とセラミック層との間に剥離が発生したり、内部電極やセラミック層にクラックが発生したりしにくくなる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。

この発明の多層セラミック基板の一例を示す図解図である。 図２（ａ）は多層セラミック基板を得るための積層体の構成の一例を示す図解図であり、図２（ｂ）は多層セラミック基板を得るための積層体の構成の他の例を示す図解図であり、図２（ｃ）は多層セラミック基板を得るための積層体の構成のさらに他の例を示す図解図である。

図１は、この発明の多層セラミック基板の一例を示す図解図である。多層セラミック基板１０は、基本的に、第１のセラミック層１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと第２のセラミック層１４ａ，１４ｂ，１４ｃとが交互に積層された構成を有する。第１のセラミック層１２ａ〜１２ｄと第２のセラミック層１４ａ〜１４ｃとは、焼成時における収縮挙動が異なる材料で形成される。

１つの第１のセラミック層１２ｂ上には、第１の内部電極１６が形成される。第１のセラミック層１２ｂ上に形成された第１の内部電極１６の主面上には、第３のセラミック層１８が形成される。このように、第１の内部電極１６の一方主面は第１のセラミック層１２ｂに接しており、第１の内部電極１６の他方主面は第３のセラミック層１８に接している。そして、第３のセラミック層１８の一方主面は第１の内部電極１６の主面に接しており、第３のセラミック層１８の他方主面は第２のセラミック層１４ａに接している。さらに、第１の内部電極１６の端部および第３のセラミック層１８の端部は、第２のセラミック層１４ａに接している。

第１のセラミック層１２ｂと第３のセラミック層１８とは、その焼成時における収縮挙動が同一である材料で形成される。ここで、同一の収縮挙動とは、焼成時における焼結開始温度が同一であることを言い、特に、焼結開始温度と焼結終了温度の間における収縮の状況が同一であることが好ましい。

また、別の第１のセラミック層１２ｃ上には、第２の内部電極２０が形成される。第１のセラミック層１２ｃ上に形成された第２の内部電極２０の周囲を覆うように、第３のセラミック層１８が形成される。このように、第２の内部電極２０の一方主面は第１のセラミック層１２ｃに接しており、第２の内部電極２０の他方主面および端部は第３のセラミック層１８に接している。そして、第２の内部電極２０の周囲に形成された第３のセラミック層１８は、第２のセラミック層１４ｂによって覆われている。

さらに、他の第１のセラミック層１２ｄ上には、第３の内部電極２２が形成される。そして、第１のセラミック層１２ｄおよび第３の内部電極２２の全体を覆うようにして、第３のセラミック層１８が形成される。このように、第３の内部電極２２の一方主面は第１のセラミック層１２ｄに接しており、第３の内部電極２２の他方主面および端部は第３のセラミック層１８に接している。第３のセラミック層１８は、第１のセラミック層１２ｄの全面を覆うように形成されているため、第３のセラミック層１８を覆うようにして、第２のセラミック層１４ｃが形成される。つまり、第３の内部電極２２は第１のセラミック層１２ｄと第３のセラミック層１８とで挟み込まれ、第３のセラミック層１８上に第２のセラミック層１４ｃが形成される。

第１の内部電極１６、第２の内部電極２０および第３の内部電極２２は、必要に応じて、ビア電極などによって接続される。なお、図１において、内部電極１６，２０，２２と第３のセラミック層１８との間で３種類の構成が示されたが、これらの中の少なくとも１種類の構成が採用されればよい。通常、１つの多層セラミック基板１０においては、全ての内部電極について、同じ構成で第３のセラミック層１８が形成される。また、第１のセラミック層１２と第２のセラミック層１４との積層数は任意に変更可能であり、もっと積層数の多い多層セラミック基板１０とすることもできる。

このような多層セラミック基板１０を作製するために、第１のセラミック層となるセラミックグリーンシートが準備される。このセラミックグリーンシート上に、電極ペーストを用いて、内部電極となる電極パターンが印刷される。この電極パターンの主面上に、セラミックペーストが印刷される。ここで用いられるセラミックペーストは、たとえば、第１のセラミック層を形成するためのセラミックグリーンシートと同じ材料を用いたセラミックペーストが用いられる。つまり、第１のセラミック層となるセラミックグリーンシートおよび電極パターン上に印刷されるセラミックペーストとして、焼成時における収縮挙動が同一である材料で形成されたものが用いられる。

なお、セラミックペーストは、第１の内部電極１６上の第３のセラミック層１８のように、電極パターンの主面上に印刷されることができる。また、第２の内部電極２０上の第３のセラミック層１８のように、電極パターンの端部を含めて電極パターンを覆うようにセラミックペーストが印刷されてもよい。さらに、第３の内部電極２２上の第３のセラミック層１８のように、電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートの全面を覆うようにして、セラミックペーストが印刷されてもよい。

さらに、セラミックペーストを覆うようにして、第２のセラミック層となるセラミックグリーンシートが積層される。第２のセラミック層となるセラミックグリーンシートと第１のセラミック層となるセラミックグリーンシートとは、焼成時において異なる収縮挙動を有する材料で形成されたものが用いられる。

さらに、第１のセラミック層となるセラミックグリーンシート、電極パターン、セラミックペースト、第２のセラミック層となるセラミックグリーンシートが順次形成されて、積層体が形成される。得られた積層体を焼成することにより、多層セラミック基板１０が得られる。

このような多層セラミック基板１０においては、第１の内部電極１６の両主面が同じ収縮挙動を有する第１のセラミック層１２ｂと第３のセラミック層１８とで挟まれているため、焼成時において第１の内部電極１６内部に生じる応力偏差が小さい。そのため、第１の内部電極１６と第１のセラミック層１２ｂとの間や第１の内部電極１６と第２のセラミック層１４ａとの間に、剥離などが発生しにくくなる。また、第１のセラミック層１２ｂと第２のセラミック層１４ａの収縮挙動の違いによる第１の内部電極１６のクラックの発生、および第１のセラミック層１２ｂや第２のセラミック層１４ａのクラックの発生を抑えることができる。また、第３のセラミック層１８は、第１の内部電極１６の主面上にのみ形成されているため、多層セラミック基板１０の厚みに与える影響を最小限に抑えることができる。

また、第２の内部電極２０とその周囲との関係についても、第１の内部電極１６とその周囲との関係におけるのと同様に、第２の内部電極２０と第１のセラミック層１２ｃとの間や第２の内部電極２０と第２のセラミック層１４ｂとの間の剥離を抑制することができ、第２の内部電極２０、第１のセラミック層１２ｃおよび第２のセラミック層１４ｂなどのクラックの発生を抑えることができる。

さらに、第３の内部電極２２とその周囲との関係についても、第１の内部電極１６とその周囲との関係におけるのと同様に、第３の内部電極２２と第１のセラミック層１２ｄとの間や第３の内部電極２２と第２のセラミック層１４ｃとの間の剥離を抑制することができ、第３の内部電極２２、第１のセラミック層１２ｄおよび第２のセラミック層１４ｃなどのクラックの発生を抑えることができる。

上述のように、第２の内部電極２０および第３の内部電極２２の全体を覆うように第３のセラミック層１８を形成するために、セラミックグリーンシート上に形成された電極パターンを覆うようにセラミックペーストが印刷される。それにより、セラミックグリーンシートの積層時にかかる圧力がセラミックペーストによって分散される。そのため、高アスペクト印刷によって形成された電極パターンの平面方向への潰れを軽減することができる。これにより、内部電極２０，２２の形状潰れによる挿入損失の増加などの影響を最小限に抑えることができる。

このように、電極パターンの全体を覆うようにセラミックペーストを印刷することにより、内部電極２０，２２の形状潰れを抑制することができるため、隣接する内部電極同士が接触することがなく、より高密度な配線を形成することができる。

たとえば、電極パターンを形成したために生じる段差を解消するために、電極パターン以外の部分にセラミックペーストを印刷する場合、電極パターン以外の部分にセラミックペーストを付与するための印刷版が必要である。それに対して、本願の多層セラミック基板１０の場合、少なくとも内部電極１６，２０，２２の主面上に第３のセラミック層１８が形成されていればよく、電極パターン上を含めてセラミックグリーンシートの全面にセラミックペーストを配置することができる。そのため、電極パターン以外の部分にセラミックペーストを付与するような特別な印刷版を準備する必要がない。また、電極パターン上にセラミックペーストが付与されるため、電極パターンより太い配線形状でセラミックペーストを印刷すればよく、高い印刷精度を求められることがない。

なお、セラミックペーストの材料として、通常、第１のセラミック層のためのセラミックグリーンシートと同じ主成分を有する材料が用いられることから、第３のセラミック層１８と他のセラミック層との接合性が確保され、内部電極と第３のセラミック層１８との接合性も確保することができる。また、印刷工法によって電極パターン用の電極ペーストおよびセラミックペーストがセラミックグリーンシート上に付与されるため、新規な設備を必要とせず、低コストで多層セラミック基板１０を作製することができる。

まず、表１に示すような２種類のセラミック原料Ｃ−１，Ｃ−２を準備した。また、エチルセルロース１５質量％とアルキド樹脂５質量％とを、ターピネオール８０質量％で溶解し、有機ビヒクルを作製した。セラミック原料（Ｃ−１またはＣ−２）を２０体積％、有機ビヒクルを８０体積％の割合で３本ロールで混練・分散させ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上にシート成形することによって２種類のセラミックグリーンシートを作製した。

セラミックグリーンシートと同じ材料を用意し、セラミックグリーンシートを作製したときと同じ割合で３本ロールで混練・分散させ、２種類のセラミックペーストを作製した。

エチルセルロースを１５質量％とアルキド樹脂５質量％とを、ターピネオール８０質量％で溶解し、有機ビヒクルを作製した。平均粒径１μｍのＣｕ粉末を３０体積％、有機ビヒクル７０体積％の割合で、３本ロールによって混練・分散させることで、電極ペーストを作製した。なお、導体材料としては、Ｃｕ粉末以外を用いてもよく、たとえば、Ｃｕ₂Ｏ，ＣｕＯ，Ａｇ，Ａｇ／Ｐｄ粉末などが用いられてもよい。

評価試料を得るために、図２に示すように、第１のセラミック層となるセラミックグリーンシート３０上に内部電極となる電極ペースト３２を印刷した。次に、電極ペースト３２を十分に乾燥させたのち、電極ペースト３２上に図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す各形態で第３のセラミック層となるセラミックペースト３４を印刷した。そののち、電極ペースト３２およびセラミックペースト３４が印刷されたセラミックグリーンシート３０の上に、第２のセラミック層となる
別のセラミックグリーンシート３６を積層した。

ここで、評価試料１〜３については、原料Ｃ−１を用いたセラミックグリーンシート３０上に電極ペースト３２および原料Ｃ−１を用いたセラミックペースト３４を印刷し、その上に原料Ｃ−２を用いたセラミックグリーンシート３６を積層した。また、評価試料４については、原料Ｃ−２を用いたセラミックグリーンシート３０上に電極ペースト３２および原料Ｃ−２を用いたセラミックペースト３４を印刷し、その上に原料Ｃ−２を用いたセラミックグリーンシート３６を積層した。また、評価試料５については、原料Ｃ−１を用いたセラミックグリーンシート３０上に電極ペースト３２を印刷し、セラミックペーストなしで、原料Ｃ−２を用いたセラミックグリーンシート３６を積層した。さらに、評価試料６については、原料Ｃ−２を用いたセラミックグリーンシート３０上に電極ペースト３２を印刷し、セラミックペーストなしで、原料Ｃ−１を用いたセラミックグリーンシート３６を積層した。

このような積層工程を繰り返すことにより、原料Ｃ−１を用いたセラミックグリーンシートや原料Ｃ−２を用いたセラミックグリーンシートを積層して積層体４０を得た。この積層体４０をＮ₂／Ｈ₂／Ｈ₂Ｏを用いて雰囲気制御した焼成炉で、最高温度１０００℃以下で焼成を行い、多層セラミック基板の評価試料を得た。

なお、電極ペースト３２を印刷したセラミックグリーンシート３０を焼成したものが、表２において「電極下面セラミック」として示されている。また、内部電極の上に形成されたセラミック層が、表２において「電極上面セラミック」として示されている。したがって、評価試料１〜４については、「電極上面セラミック」はセラミックペースト３４を焼成したものであり、評価試料５、６については、「電極上面セラミック」はセラミックグリーンシート３６を焼成したものである。

得られた多層セラミック基板について、セラミックと内部電極との間の隙間を観察した。このとき、評価試料を断面研磨し、顕微鏡で観察して、セラミック−内部電極間に少しでも隙間が発生したものを「△」、隙間のないものを「○」とした。

また、評価試料の基板を観察し、電極に起因する割れが少しでも発生したものを「×」、割れがないものを「○」とした。

さらに、評価試料の基板の反りを観察し、１３５ｍｍ□の基板に対して、｜反り量｜＞１ｍｍであるものを「×」、０．５ｍｍ≦｜反り量｜≦１ｍｍであるものを「△」、｜反り量｜＜０．５ｍｍであるものを「○」とした。

さらに、これらを総合評価し、その結果を表２に示した。総合評価において、セラミック−電極間隙間、基板割れ、基板反りについて総合的に評価し、良好なものを「○」、特に優良なものを「◎」、良好でないものを「×」とした。

評価試料１〜４では、電極ペースト３２を印刷したセラミックグリーンシート３０と同じ収縮挙動を有するセラミックペースト３４で電極ペースト３２を覆うことにより、セラミック層と内部電極との間の収縮挙動の差に伴う応力の発生は１種類のみとなる。そのため、内部電極内における応力の偏りがなくなり、応力偏差に伴うセラミック層と内部電極の間の界面剥離は抑制されている。

これに対して、評価試料５、６では、電極ペースト３２上にセラミックペーストを印刷せず、収縮挙動の異なるセラミック層によって挟まれているため、セラミック層と内部電極との間に隙間が発生した。これは、電極ペースト３２の周囲にセラミックペーストが存在しないため、内部電極の上下面から異なる収縮挙動に伴う外力が働き、内部電極内に応力偏差が発生したことが原因であると考えられる。

評価試料４においては、同じ原料Ｃ−２で形成されたセラミックグリーンシート３０，３６およびセラミックペースト３４を用いて電極ペーストを覆ったため、内部電極に応力偏差は生じなかった。しかしながら、焼結開始温度が１０００℃以上であって、最高温度１０００℃以下で焼成した時に収縮しない原料Ｃ−２を用いたセラミックグリーンシート３０，３６およびセラミックペースト３４を用いて電極ペースト３２が覆われているため、内部電極の収縮によってセラミック層と内部電極との間にわずかに隙間が発生した。ただし、セラミック層と内部電極との間の収縮挙動差に関しては、導電成分のパッキング性によって収縮量を合わせ込むことが可能であり、試料４のセラミック層と内部電極との間の隙間は問題ない。

また、評価試料１〜４については、基板割れは発生しなかった。それに対して、評価試料５、６では、一部で基板割れが発生した。これは、異なる収縮挙動を有するセラミック層に囲まれた内部電極が発生した応力を発散させる際、セラミック層と内部電極との接合を切って隙間を発生させるように働く応力と、これらの間の接合を保った状態で周囲のセラミック層に伝達される応力とに分かれたものであると考えられる。ここで、セラミック層に伝達された応力に収縮挙動差からセラミック層自体に発生し溜まった応力の影響も加わり、セラミック層にクラックが発生したものと推測される。

評価試料２，３，４については、基板反りが±０．５ｍｍ以下となり、完成品の実装への影響も最小限に抑えられることから、非常に有利な組合せであるということができる。これらの評価試料に共通するのは、セラミックペースト３４が電極ペースト３２の主面上だけでなく、周囲にも配置されているということである。このような構成とすることにより、電極ペースト印刷部と非印刷部の厚みばらつきによる積層体形状歪みを抑制することができる。したがって、セラミック層と内部電極との間の隙間の発生を抑制するだけでなく、形状維持の効果も得ることができる。そのため、図２（ｂ）よりも図２（ｃ）のような構造のほうが、基板の反り防止にはさらに有利である。

評価試料１については、反り量が±０．５〜±１．０ｍｍの範囲の製品を供給することができる。評価試料１は、電極ペースト３２上にのみセラミックペースト３４が配置されているため、セラミックグリーンシート上にできる印刷の有無（電極ペースト３２およびセラミックペースト３４の有無）による厚みばらつきを解消することができず、これが原因で反りが発生するものと考えられる。

評価試料５，６は、セラミックグリーンシート上の厚みばらつきがあるとともに、電極ペースト３２と異なるセラミックグリーンシート３０，３６が配置されているため、内部電極内部に発生した応力偏差が影響して反り量が大きくなったものと考えられる。

これらの結果を総合的に判断すると、電極ペースト３２印刷面側のセラミックグリーンシート３０と成分を同じくするセラミックペースト３４を電極ペースト３２の周囲全体に配置して積層体４０を形成し、この積層体４０を焼成して多層セラミック基板を形成することが好ましい。

このように、異なるセラミックグリーンシート３０，３６間に挟まった電極ペースト３２上に、電極ペースト３２印刷面側のセラミックグリーンシート３０と同じ収縮挙動を有するセラミックペースト３４を配置することによって、収縮挙動差による応力偏差を抑制することができ、構造欠陥（基板割れ、基板反り）の発生を抑制することができる。

電極ペースト３２の周囲にセラミックペースト３４を配置することにより、積層時にかかる外力がセラミックペースト３４によって分散され、高アスペクト印刷で作製された内部電極の平面方向への潰れを軽減することができる。

さらに、電極ペースト３２の周囲にセラミックペースト３４を配置することにより、積層時における電極ペースト３２の潰れによって、隣接する内部電極間で接することがなく、高密度配線を実行することができる。

１０ 多層セラミック基板
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 第１のセラミック層
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 第２のセラミック層
１６ 第１の内部電極
１８ 第３のセラミック層
２０ 第２の内部電極
２２ 第３の内部電極
３０ セラミックグリーンシート
３２ 電極ペースト
３４ セラミックペースト
３６ セラミックグリーンシート
４０ 積層体

Claims (2)

1. 収縮挙動の異なる第１のセラミック層と第２のセラミック層とを交互に積層した積層体、および
   前記積層体の内部に配置され、前記第１のセラミック層の面方向に延びる内部電極を含む多層セラミック基板であって、
   前記内部電極が存在する側において、前記第１のセラミック層上に形成された前記内部電極の主面上のみまたは周囲のみを覆う前記第１のセラミック層と同一の収縮挙動を有する第３のセラミック層、および
   前記内部電極を含む前記第１のセラミック層、および前記第１のセラミック層上に形成された前記第３のセラミック層上に配置される前記第２のセラミック層を含み、
   前記第１のセラミック層の焼結開始温度が１０００℃以上である、多層セラミック基板。
2. 前記第２のセラミック層の焼結開始温度は８９０℃である、請求項１に記載の多層セラミック基板。

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