JP6068164B2 - セラミック積層体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品搭載用の配線基板等において用いられるセラミック積層体を製造する方法に関するものである。

従来、例えば半導体素子等の電子部品を搭載するために用いられる配線基板における絶縁基体として、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック焼結体からなる複数の絶縁層が積層されてなるセラミック積層体が多用されている。セラミック積層体は、酸化アルミニウム等のセラミック粉末が有機バインダで結合されてなる複数のセラミックグリーンシートが積層され、焼成されることによって製作されている。

上記配線基板において、絶縁基体の上面等の主面に電子部品を収容するための凹部（キャビティ）が設けられる場合がある。凹部を有する絶縁基体は、セラミック積層体の場合であれば、次のような工程を含む製造方法で製作されている。

すなわち、複数のセラミックグリーンシートを作製する工程と、一部のセラミックグリーンシートに打ち抜き加工を施して枠状のシートに成形する工程と、打ち抜加工を施していないセラミックグリーンシートの上面に枠状のシートを積層する工程とを含む製造方法によってセラミック積層体が製作されている。セラミックグリーンシートに対する打ち抜き加工には、例えば所定の枠形状の打ち抜きパターンを有する金型が用いられる。

特開昭61−229551号公報

近年、配線基板等のより一層の小型化が求められているため、セラミック積層体について凹部の周囲の枠状の部分の幅をより一層小さくすることが求められるようになってきている。

しかしながら、上記従来の製造方法においては、枠部分の幅が例えば約100〜200μｍ程度以下に小さくなると、金型の精度等の都合上、所定の形状でセラミックグリーンシートに打ち抜き加工を施すことが難しくなるという問題点があった。

本発明の一つの態様のセラミック積層体の製造方法は、枠形状の凹部を含む主面を有す
る本体を備える型部材を準備する工程と、セラミック粉末、バインダおよびワックス成分を含有するセラミック組成物を前記型部材の前記凹部に充填して枠状の第１セラミックグリーンシートを作製する工程と、セラミック粉末およびバインダを含有する平板状の第２セラミックグリーンシートを作製する工程と、前記第１セラミックグリーンシートを前記第２セラミックグリーンシートシートの上面に積層する工程とを備えており、前記第１セラミックグリーンシートが、酸化アルミニウムを95質量％以上含有するものである。

本発明の一つの態様のセラミック積層体の製造方法によれば、上記各工程を含み、平板状のセラミックグリーンシートとは別に、型部材を用いて枠状の第１のセラミックグリーンシートを作製することから、例えば上記打ち抜き加工等が不要であり、第１のセラミッ
クグリーンシートを所定の形状で容易に作製することができる。

この第１のセラミックグリーンシートを第２のセラミックグリーンシート上に積層することから、例えば小型化に対して有効なセラミック積層体の製造方法を提供することができる。

本発明のセラミック積層体の製造方法を示す。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の一つの態様のセラミック積層体の製造方法を工程順に示す断面図である。 図１に示す製造方法で製作されたセラミック積層体の一例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図１に示す製造方法の一工程を詳しく示す断面図である。 図１に示す製造方法の一工程を上下反対にして示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図１に示す製造方法の変形例における要部を工程順に示す断面図である。

本発明の実施の形態におけるセラミック積層体の製造方法について、添付の図面を参照して説明する。

実施形態のセラミック積層体の製造方法は、図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、枠形状の凹部12を含む主面を有する本体11を備える型部材１を準備する工程と、セラミック粉末およびバインダを含有するセラミック組成物２ａを型部材１の凹部12に充填して枠状の第１セラミックグリーンシート２を作製する工程と、セラミック粉末およびバインダを含有する平板状の第２セラミックグリーンシート３を作製する工程と、第１セラミックグリーンシート２を第２セラミックグリーンシートシート３の上面に積層する工程とを備えている。

このような各工程を含み、平板状のセラミックグリーンシート３とは別に、型部材１を用いて枠状の第１のセラミックグリーンシート２を作製することから、例えば従来技術における製造方法における打ち抜き加工等が不要であり、第１のセラミックグリーンシート２を所定の形状で容易に作製することができる。

この第１のセラミックグリーンシート２を第２のセラミックグリーンシート３上に積層することから、例えば小型化に対して有効なセラミック積層体の製造方法を提供することができる。

図２は、実施形態の製造方法で製作されたセラミック積層体の一例を示す断面図である。このセラミック積層体は、第１のセラミックグリーンシート２が焼成されてなる枠状の絶縁層21と、第２のセラミックグリーンシート３が焼成されてなる平板状の絶縁層22とを含んでいる。平板状の絶縁層22上に枠状の絶縁層21が積層されて、上面に凹部（符号なし）を有する絶縁基体23が形成されている。凹部内には、例えば半導体素子、容量素子または圧電素子等の素子30が実装される。また、蓋体等の封止材31によって凹部が封止される。これにより、セラミック積層体および蓋体からなる容器内に素子が気密封止される。

以下、実施形態の製造方法について、各工程順に説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、枠形状の凹部12を含む主面を有する本体11を備える型
部材１を準備する。

本体11は、例えばステンレス鋼等の金属材料からなるブロック状の部材である。本体11主面の凹部12は、製作しようとする枠状の第１セラミックグリーンシート２に対応した形状および寸法を有するものとしておく。

本体11の主面は、作製した第１セラミックグリーンシート２を第２セラミックグリーンシート３の上面に積層する際の第１セラミックグリーンシート２の変形等の不具合を抑制するために、平坦かつ平滑な面としておく。

このような型部材は、例えば圧延加工、研削、研磨およびエッチング等の各種の金属加工を、原材料であるブロック状の金属材料に施すことによって準備することができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、セラミック粉末およびバインダを含有するセラミック組成物２ａを型部材１の凹部12に充填して枠状の第１セラミックグリーンシート２を作製する。第１セラミックグリーンシート２は、枠状であるため、平面視における個々のシート面積は比較的小さい。

セラミック組成物２ａを作製するためのセラミック粉末としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウム等の種々のセラミック粉末が挙げられる。

また、バインダとしては、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル等のアクリル／メタクリル系ポリマーおよびポリビニルブチラール等のブチラール系ポリマー等が挙げられる。

セラミック組成物２ａは、アルコール系またはケトン系等の溶剤を含有しいてもよい。また、セラミック組成物２ａは、可塑剤、分散剤および着色剤等の添加材を含有していてよい。

この工程の一例について、図３（ａ）〜（ｃ）により具体的に示している。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図１に示す製造方法の一工程を詳しく示す断面図である。図３において図１と同様の部位には同様の符号を付している。

例えば、まず、図３（ａ）に示すように、セラミック粉末およびバインダを溶剤とともに混練して作製したセラミック組成物２ａとしてのセラミックスラリー（以下、単にスラリーともいう）を型部材１の凹部12内に充填する。凹部12に入りきらない余分なスラリーの一部は、その表面張力等によって型部材１の上面に留まる。次に、図３（ｂ）に示すように、スキージ等を用いて余分なスラリーを除去する。これにより、図３（ｃ）に示すように、凹部12内にスラリーを充填することができる。その後、凹部12内のスラリーから溶剤を加熱等の手段で除去すれば、凹部12内に第１のセラミックグリーンシート２を作製することができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、セラミック粉末およびバインダを含有する平板状の第２セラミックグリーンシート３を作製する。第２セラミックグリーンシート３は、例えば、上記第１セラミックグリーンシートを作製するのと同様のセラミックスラリーを平板状に成形することによって作製するこができる。この成形は、例えばドクターブレード法またはリップコータ法等の方法で行なうことができる。これらの方法で作製した帯状のセラミックグリーンシート（図示せず）を、機械的な切断加工等によって四角形状等の所定の形状、所定の寸法に切断すれば、第２セラミックグリーンシート３を作製することができ
る。

次に、図１（ｄ）および図４に示すように、第１セラミックグリーンシート２を第２セラミックグリーンシート３の上面に積層する。図４は、図１に示す製造方法の一工程を上下反対にして示す斜視図である。図４において図１と同様の部位には同様の符号を付している。なお、図４においては、見やすくするために、後述する金属ペースト４および保護フィルム６を省略している。

第２セラミックグリーンシート３の上面への第１セラミックグリーンシート２の積層は、型部材１の凹部12内に第１セラミックグリーンシート２が充填された状態（転写的な手段）で行なってもよく、第１セラミックグリーンシート２を型部材１から取り出した後で行なってもよい。第１セラミックグリーンシートは、上記のように寸法が比較的小さく、またたわみ等の変形が生じやすいため、作業性を考慮すれば、上記転写的な手段の方が好ましい。

また、例えば型部材１の凹部12内の第１セラミックグリーンシート２を第２セラミックグリーンシート３の上面に積層する場合等において、凹部12内からの第１セラミックグリーンシート２の取り出しをより容易とするため、凹部12内における型部材１の表面にシリコーン等の離型剤を塗布しておいてもよい。

また、凹部12内からの第１セラミックグリーンシート２の取り出しをより容易とするために、型部材１について、凹部12の底面の少なくとも一部を凹部12の開口側へ動かすことができるようにしておいてもよい。凹部12の底面を凹部12の開口側へ動かすことにより、凹部12内の第１セラミックグリーンシート２を容易に外部に押し出すことができる。

言い換えれば、型部材１は、凹部12内に成形される第１セラミックグリーンシート２を凹部12の開口から外側に押し出す機構を有するものであってもよい。このような押し出しの機構は、型部材１の一部の移動によるものに限らず、エア圧または水圧等の流体の圧力を利用したものであってもよい。

なお、この実施の形態の例においては、第２セラミックグリーンシート３の内部および表面（下面等）に金属ペースト４を印刷している。金属ペースト４は、セラミック積層体25における配線導体（符号なし）およびビア導体（符号なし）等の導体24となるものである。導体24を介して、セラミック積層体に実装される電子部品30が外部の電気回路（図示せず）と電気的に接続される。

金属ペースト４は、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀、パラジウム、金、白金等の金属の粉末を、有機溶剤およびバインダ等とともに混練することによって作製することができる。この金属ペースト４の印刷は、例えばスクリーン印刷法によって行なうことができる。また、ビア導体となる金属ペースト４は、あらかじめ第２セラミックグリーンシート３に貫通孔（符号なし）を設けておいて、この貫通孔内に真空吸引を併用して印刷すること等の方法によって設けることができる。

また、この実施の形態の例においては、第２セラミックグリーンシート３の下面に保護フィルム６を貼り付けている。保護フィルム６は、例えば、第２セラミックグリーンシート３の下面の保護、または複数の第２セラミックグリーンシート（図示せず）をまとめて取り扱うときの作業性の向上等のためのものである。保護フィルム６は、例えば次の工程である焼成の前に除去しておく。

第１セラミックグリーンシート２の上面に第２セラミックグリーンシート３を積層して
作製した積層体を、例えば約1300〜1600℃の温度で、還元雰囲気中で一体焼成すれば、図２に示すようなセラミック積層体25を製作することができる。

この焼成の際に、上記金属ペーストが第１および第２セラミックグリーンシート２，３と同時焼成されて導体24になる。

上記製造方法においては、枠状の第１セラミックグリーンシート２にワックス成分を含有させてもよい。ワックス成分は、例えば15〜45℃程度の温度（いわゆる室温程度）では固体であり、軟化温度以上に加熱されると軟化する。ワックス成分が軟化すると、そのワックス成分が含有されている第１セラミックグリーンシート２の弾性率が小さくなり、変形しやすくなる。また、表面の粘着性が向上する。

そのため、ワックス成分が添加されている場合には、第１セラミックグリーンシート２の表面の粘着性および変形しやすさを高めることがより容易であり、第２セラミックグリーンシート３の上面により接着されやすくなる。つまり、第１セラミックグリーンシート２と第２セラミックグリーンシート３との積層の工程がより容易なものとなる。

このような積層の工程におけるワックス成分の機能および作業性等を考慮すれば、ワックス成分は、その軟化温度が約50℃以上のものであることが好ましい。具体的にワックス成分としては、例えば炭素数が15以上の炭化水素基を有する高級アルコール等が挙げられる。このワックス成分の第１セラミックグリーンシート２への含有は、例えばワックスの粉末を上記スラリーに添加しておくことによって行なわれる。ワックス成分は、互いに異なる複数の種類の成分が含まれていてもよい。

第１セラミックグリーンシート２におけるワックス成分の含有量は、例えば第１セラミックグリーンシート２の幅（第２セラミックグリーンシート３との接合面積の大きさ）、第１および第２セラミックグリーンシート２，３におけるセラミック粉末およびワックス等の組成または第２セラミックグリーンシートを後述するように加熱する場合の加熱条件等の種々の条件に応じて適宜設定すればよい。

例えば、第１および第２セラミックグリーンシート２，３が酸化アルミニウムを95質量％以上含有するものであり、第１セラミックグリーンシート２の幅が約100〜200μｍ程度の場合であれば、第１セラミックグリーンシート１におけるワックス成分の含有量は、約0.1〜20質量％程度に設定すればよい。

ワックス成分を第１セラミックグリーンシート２に添加したときには、少なくとも第１セラミックグリーンシート２をワックス成分の軟化温度よりも高い温度に加熱して、第１セラミックグリーンシート２と第２セラミックグリーンシート３との積層を行なうことが望ましい。これにより、あらかじめ第１セラミックグリーンシート２の柔軟性（可塑性）および表面の粘着性をより高めることができ、上記積層をより容易に行なえるようになる。

なお、上記ワックス成分は、第２セラミックグリーンシート３のうち少なくとも第１セラミックグリーンシート２が積層される上面の一部にも含まれていてもよい。この場合には、例えば加熱された第１セラミックグリーンシート２が第２セラミックグリーンシート３の上面に積層されるときに、その第１セラミックグリーンシート２の熱によって第２セラミックグリーンシート３に含有されたワックス成分も加熱されて軟化しやすくなる。そのため、第２セラミックグリーンシート３の上面の粘着性等も向上し、第１セラミックグリーンシート２と第２セラミックグリーンシート３との積層がより容易かつ強固に行なわれるようになる。

また、ワックス成分が含有された第１セラミックグリーンシート２を、ワックス成分が含まれていない第２セラミックグリーンシート３の上面に積層するときに、第１および第２セラミックグリーンシート２，３の両方を加熱するようにしてもよい。第１および第２セラミックグリーンシート２，３の加熱は、例えば温風を吹き付けること、赤外線を照射すること、または型部材１にヒータ等の加熱機構を設けておくこと等の手段で行なうことができる。

図５は、図１に示す製造方法の変形例における要部を工程順に示す断面図である。図５において図１と同様の部位には同様の符号を付している。

図５に示すように、この実施形態のセラミック積層体の製造方法において、セラミック組成物を型部材１の凹部12に充填する工程の前に、ワックス成分をセラミック組成物に添加して平板状の予備成形体６を作製する工程がさらに含まれていてもよい。

この場合、例えば図５（ａ）に示すような平板状の予備成形体６を、ワックス成分の軟化温度以上に加熱する。これとあわせて、図５（ｂ）に示すように、予備成形体６の少なくとも一部を型部材１の凹部12内に押し込む。なお、図５における型部材１は、例えば図１における型部材１と同じであり、説明の都合上、上下反対にして示している。

図５（ｂ）では、例えば平坦な台板（図示せず）上に予備成形体を置いておき、その上から型部材１を押し当てて凹部12内に予備成形体６の一部を押し込むような作業方法を示している。これと反対に、台板等の上に型部材１を置いておいて、その上から予備成形体６を凹部12内に押し込むようにしても構わない。

予備成形体６は、上記のように型部材１の凹部12内に押し込む際の偏りの防止および作業性等を考慮して、シート状のものとしている。予備成形体６を凹部12内に押し込むときの作業性等を考慮して、予備成形体６の厚みを、凹部12の深さよりも大きいものとしておいてもよい。言い換えれば、予備成形体６は、凹部12内からはみ出る程度の厚みを有するものとしてもよい。

なお、予備成形体６の一部が凹部12からはみ出たようなときには、はみ出た部分をカッター等で除去すればよい。はみ出た部分の除去には、カッターを用いる方法に限らず、研削、研磨、サンドブラスト、ウオータージェットまたはレーザ加工等の各種の加工手段が用いられ得る。

凹部12内に予備成形体５を押し込み、上記のように不要な部分を除去すれば、凹部12内に、セラミック粉末およびバインダを含むセラミック組成物２ａとしての予備成形体６の一部を充填して、枠状の第１セラミックグリーンシート２を作製することができる。

この変形例におけるセラミック積層体の製造方法は、あらかじめ作製した予備成形体６を型部材１の凹部12内に押し込むだけであるため、例えば一旦スラリーを凹部12内に充填してから個々に溶剤等を除去する場合に比べて作業性および生産性の点で有利である。また、溶剤の除去にともなう体積収縮が抑えられるため、第１セラミックグリーンシート２の寸法精度を高める上でも有利である。

なお、予備成形体６は、例えば第２セラミックグリーンシート３を作製する場合と同様にシート状に成形することによって製作するこができる。例えば、まず、第１セラミックグリーンシート２用のセラミック組成物２ａ（スラリー）と同様のスラリーを、上記ワックス成分とともに混練して予備成形体用のスラリー（図示せず）を作製し、次に、このスラリーをドクターブレード法等の方法でシート状に成形し、その後、成形したスラリーから溶剤を除去すれば、第１セラミックグリーンシート２用の、シート状の予備成形体６を製作することができる。

１・・・・型部材
11・・・・本体
12・・・・凹部
２・・・・第１セラミックグリーンシート
２ａ・・・セラミック組成物
３・・・・第２セラミックグリーンシート
４・・・・金属ペースト
５・・・・保護フィルム
６・・・・予備成形体
21・・・・（枠状の）絶縁層
22・・・・（平板状の）絶縁層
23・・・・絶縁基体
24・・・・導体

Claims (4)

1. 枠形状の凹部を含む主面を有する本体を備える型部材を準備する工程と、
   セラミック粉末、バインダおよびワックス成分を含有するセラミック組成物を前記型部材の前記凹部に充填して枠状の第１セラミックグリーンシートを作製する工程と、
   セラミック粉末およびバインダを含有する平板状の第２セラミックグリーンシートを作製する工程と、
   前記第１セラミックグリーンシートを前記第２セラミックグリーンシートの上面に積層する工程とを備えており、
   前記第１セラミックグリーンシートが、酸化アルミニウムを９５質量％以上含有するものであることを特徴とするセラミック積層体の製造方法。
2. 前記第２セラミックグリーンシートのうち前記第１セラミックグリーンシートが積層される上面にも前記ワックス成分が含まれていることを特徴とする請求項１記載のセラミック積層体の製造方法。
3. 前記第１セラミックグリーンシートを前記第２セラミックグリーンシートシートの上面に積層する工程において、少なくとも前記第１セラミックグリーンシートを前記ワックス成分の軟化温度以上の温度に加熱することを特徴とする請求項１記載のセラミック積層体の製造方法。
4. 前記セラミック組成物を前記型部材の前記凹部に充填する工程の前に、前記ワックス成分を前記セラミック組成物に添加して平板状の予備成形体を作製する工程をさらに備えており、
   前記予備成形体を前記ワックス成分の軟化温度以上に加熱しながら、前記予備予備成形体の少なくとも一部を前記型部材の前記凹部内に押し込んで前記第１セラミックグリーンシートを作製することを特徴とする請求項１記載のセラミック積層体の製造方法。

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