JPS63181400A - セラミツク多層基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、セラミック多層基板、特に低温焼成可能なセ
ラミック多層基板に関するものであるＯ従来の技術 近年、電子回路には、厚膜印刷法により簡便に回路形成
できる熱放散性の優れたセラミック基板を使用した電子
回路が使用されている。そして、より小型高性能化を実
現する為に多層電子回路基板が使用され始めている。

多層回路基板を製造する方法は一般的には次に述べる（
ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）の三種類がある。

（ａ）　　セラミック焼結体上での印刷多層法Φ）グリ
ーンシート上での印刷多層法 （Ｃ）　　グリーンシート積層多層法 （−）のセラミック焼結体上での印刷多層法による多層
基板の製造方法を説明すると、第２図にそのプロセスを
示すように、まず基板となるセラミック焼結体上に第１
導体層を印刷・乾燥・焼成し、次に第１絶縁層を印刷−
乾燥・焼成し、その上に第２絶縁層を印刷・乾燥し、第
２導体層を印刷・乾燥し、第２絶縁層ごと一括焼成する
。この際、第１及び第２絶縁層はグイアホールと呼ばれ
る微小孔が形成されるように印刷し、その微小孔中に第
２導体層に用いられる材料が充填されるように第２導体
層を印刷することにより第１導体層と第２導体層とが接
続される。次に第２導体層上に第３絶縁層を印刷・乾燥
・焼成し、第２絶縁層以降と同手順で層数を重ねていく
。

（ｂ）のグリーンシート上での印刷多層法による多層基
板の製造方法は、第３図にそのプロセスを示すように、
まず燃成後基板となるセラミックのグリーンシート上に
第１導体層を印刷・乾燥し、次にその上に第１絶縁層を
印刷・乾燥し、引き続き第２導体層、第２絶縁層の印刷
・乾燥を行ない、以降同手順で層数を繰り返し、グリー
ンシートと導体層と絶縁層とを一括焼成する。

（Ｃ）のグリーンシート積層多層法による多層基板の製
造方法は、第１図にそのプロセスを示すように、まず複
数枚のセラミックのグリーンシートそれぞれに異なるパ
ターンの微小孔を形成しくステップ１〜３）、それぞれ
異なるパターンの導体層を印刷・乾燥する（ステップ４
〜９）。次に導体パターンの異なるグリーンシート同士
を所望枚数積層しくステップ１０）、適度な圧力と適度
な温度のもとで圧着しくステップ１１）、所望の外形寸
法に切断してから焼成する（ステップ１２・１３）。各
導体層間の導通はグリーンシートの微小孔に充填された
導体により行なわれる。

（ｂ）　、　（Ｃ）の製造方法においては共に基板焼成
の後に最上層の厚膜形成を行なう（Ｃではステップ１４
）。

（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）三種類の製造方法を比
較すると、（ａ）は比較的簡単な技術で多層化が可能で
あるが、実質的な層数限界は４〜６層であり、それ以上
の層数は表面の凹凸が激しくなり実用に耐えない。（ｂ
）はグリーンシートと印刷した絶縁層と導体層とを一度
に焼成することによりプロセスの合理化ヲ行なうことが
できる。しかしくｂ）も（ａ）同様に、層数を増すと表
面の凹凸が大きくなるのでやはり限界層数は４〜６層で
ある。（Ｃ）は理論的に層数は無限に可能であり、現実
的にも３０〜４０層程度の多層基板が報告されている。

しかし、その製造にはきわめて高度な技術を要し、プロ
セス的課題も多い。

以上の（ａ）　、　（ｂ）　、　（（ｅ三種類の製造方
法のうち、本発明は（Ｃ）のグリーンシート積層多層法
に関するもめである。第３図を参照してこのグリーンシ
ート積層多層法についてよシ詳細に従来技術を述べる。

（従来技術の第−例）第−例は高温焼成型の多層基板製
造法であって、まず、アルミナパウダーと有機物の混合
体を所定の厚みに成形したグリーンシート複数枚に対し
、ヴイアホールとなる微小孔をそれぞれに異なるパター
ンで形成し、それぞれ異なるパターンの導体層を印刷・
乾燥する０導体材料には主にＷ、Ｍｏが使用される。グ
イアホールへの導体材料の充填は導体の印刷工程と同時
に行なうか、もしくは印刷工程の前にグイアホール単独
に導体材料を充填する０導体の乾燥後に各々異なる導体
パターンを形成したグリーンシートを所定枚数積層し、
適度な温度下で加圧一体化する。次に、所望の外形寸法
に切断し、約１６００℃の還元性雰囲気中で焼成し、多
層基板となる。焼成された基板は充分洗浄され、以降最
上層の厚膜形成工程（ステップ１４）へと進む。

（従来技術の第二例）第二例は低温焼成型の多層基板の
製造法であって、特公昭５９−２２３９９号公報に開示
されるように、セラミック層にＢ２Ｏ２−３ｔｏ２−Ｐ
ｂＯ−Ａ１２０３系材料を用いる。まず、Ｂ　Ｏ−Ｓｔ
、２−ＰｂＯ−Ａｌ２Ｏ３系材料と有機物の混合体を所
定の厚みに成形したグリーンシート複数枚に対し、グイ
アホールとなる微小孔をそれぞれに異なるパターンで形
成し、それぞれ異なるパターンの導体層を印刷・乾燥す
る。導体材料にはＡｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等の単体ある
いはこれらの合金が使用される◎グイアホールへの導体
材料の充填は導体の印刷工程と同時に行なうか、もしく
は印刷工程の前にグイアホール単独に導体材料を充填す
る。導体の乾燥後に各々異なる導体パターンを形成した
グリーンシートを所定枚数積層し、適度な温度下で加圧
一体化する。次に、所望の外形寸法に切断し、７００℃
〜１４００℃の空気中で焼成し多層基板となる。焼成さ
れた基板は充分洗浄され、以降最上層の厚膜形成工程へ
と進む〇（従来技術の第三例）第三例は第二例と同様に
低温焼成型の多層基板の製造法であって、特開昭６０−
−２３５７４４号公報または本発明者らが出願した特願
昭６０−１８８９１９号に開示されるヨウニ、基板組成
物ニＢ２ｏ３−８ｉｏ２−（Ａ１２ｏ３．Ｚｒ０２）系
材料を用いる。その製造プロセスは従来技術の第二例と
同一であるため説明は省略する。

（従来技術の第四例）第四例も本発明者らが出願したも
のであるが、第二例、第三例と同様に低温焼成型の多層
基板の製造法であって、特開昭６１−１８６９１８号公
報に開示されるように、絶縁組成物に５ｉＯ２−ＰｂＯ
−（Ａ１２ｏ３．ＺｒＯ２，Ｔｉ０２）系材料を用いる
。

（従来技術の第五例）第五例も本発明者らが出願したも
のであるが、第二、三、四側と同様に低温焼成型の多層
基板の製造法であって（特願昭６１−２００９１１号）
絶縁組成物にＢ２０３−３　ｔｏ２−（ＡＪ２０３．　
ＺｒＯ２，Ｔ　１ｏ２）系材料を用いる。

発明が解決しようとする問題点 ゛　　　しかしながら上記のような従来技術の第−例で
は、焼成温度が高く還元性雰囲気を使用するため設備費
用が高く、取扱いも不便であった０また、グリーンシー
ト材料にアルミナを使用しており、焼成温度が高いため
、導体材料にはＷ、Ｍｏ等の高融点金属しか使用できず
、結果として導体の抵抗値（Ｗ　、Ｍｏは７〜１６ｍΩ
／口）が高くなるという問題点を有していた。

また、従来技術の第二例及び第三例と第四例では、上記
第−例の問題点は解決できるが、耐熱性がなく表面厚膜
材料を印刷・乾燥後に８５０℃程度で焼成した時に大き
な反りが発生するという問題点があり、基板を内部導体
と一括焼成した時に基板材料中に内部導体成分が拡散し
て層間・層内の絶縁抵抗値が小さくなるという問題点が
あった。

第五例は、さらに改良を加えて第二例、第三例。

第四例の問題点である内部導体の拡散と上部厚膜焼成時
の耐熱性という問題点を解決したものであり、多層基板
としてのトータル的性能は飛躍的に向上している。しか
し、第−例から第四例も同様であるが第五例は、基板焼
成後に最上層の厚膜形成を行ない抵抗値調整の為に厚膜
抵抗体をレーザでトリミングする際にマイクロクラック
が発生するのでレーザトリミングができない、また部品
を実装して半田付けする際上部厚膜導体の牛田濡れ性及
び半田付は強度が低いという問題点があった。

従って第−例から第五例に示された多層基板においては
、抵抗値精度の高い上部厚膜抵抗体の形成及び電子部品
の半田付けによる実装が、実用上不可能であり、多層基
板の使用は上部厚膜抵抗体が不必要な回路、抵抗値精度
の低い回路、半田付は以外の部品接合方法を採用できる
回路基板などに限定されていた。また、半田付けがどう
しても必要な場合はめっき処理にて厚膜上に金属めっき
膜を形成して対応していた。

本発明は上記問題点に鑑み、導体材料にＡｑ。

Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等の単体あるいはこれらの合金である
抵抗値の低い低融点金属を使用し、焼成温度は低く空気
中焼成を可能にして設備費用を低減し、取り扱いも容易
にすることを目的とし、かつ耐熱性を向上させ、基板材
料中への内部導体成分の拡散を抑止し、レーザトリミン
グ時のマイクロクラックの発生を防き、上部厚膜導体の
半田付は性を向上させて、汎用的に使用可能なセラミッ
ク多層基板を提供するものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のセラミック多層基
板は、酸化物に換算して、 Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２０うち少なくとも１ｆ’１Ｊ３２
〜５８重量％ （以下単にチで表す） Ｓｉ０２　　　　　　　　　１３〜３ｏチＰｂＯ１ｓ〜
３９チ Ｂａｄ、Ｃａｂ、Ｚｏｏ　　のうち少なくとも１種０．
６〜１２チ の組成の無機組成物により複数の導体層を絶縁する絶縁
層を形成するものである。

また、本発明のセラミック多層基板は、より好ましくは
酸化物に換算して。

Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２の５　ち少＆＜　とも１’ｔｉ３
９〜６１　チ Ｓ’　ｉ　０２　　　　　　　　　　　１９〜２６％Ｐ
ｂＯ２２〜３２チ ＢａＯ，ＣａＯ，ＺｎＯのうち少なくとも１種２〜８％ の組成からなる此機組成物により絶縁層を形成するとよ
り一層好適である。

作　　用 本発明のセラミック多層基板は、約８７０℃〜９５０℃
の低温で焼結可能な無機組成物により絶縁層が形成され
ており、しかも電子回路形成用のセラミック基板として
の特性を充分発揮する。

本発明では、導体材料として低融点金属であるＡｇ、Ａ
ｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等の単体あるいはこれらの合金の使用が
可能であり、これら金属は空気中でも酸化しにくいため
還元性の焼成雰囲気は不必要であり、Ａ　ｕ　、　Ａ　
ｇは抵抗値（１〜３ｍΩ／口）がＷ、Ｍｏのそれ（７〜
１６ｍΩ／口）よりも低い。従って、空気中低温焼成に
より設備費も小さく済み、取扱いも簡便になる。

さらに、本発明のセラミック多層基板は耐熱性に優れて
いるため、表面厚膜材料を８５０℃程度の温度で焼成し
ても反りが発生せず、また、基板を内部導体と一括焼成
した時に内部導体成分が基板材料中に拡散しないので、
層間・層内の絶縁抵抗値が優れている。

そして、上部に厚膜抵抗体を形成してレーザトリミング
をしてもマイクロクラックが発生せず。

上部導体の半田付は性が良好な為部品の半田付は実装が
めつき処理不要で可能となった。

本発明の組成物における限定理由は次の通りである。

ＳｉＯ□は基板を構成する基本的なガラス組成物であっ
てガラス形成の主材料である。５１０２が１３チ未満で
は焼結温度が高くなり、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ　。

Ｐｄの低融点金属を内部導体として使用できなくなり、
焼成収縮率のばらつきが大きくなる。またＳ　ｉＯ２が
ｓｏ％を超えると曲げ強さが小なくなり過ぎ、さらに焼
成収縮率のばらつきが大きくなり、基板としての実用性
に耐えない。また、ＳｉＯ３が１３％未満あるいは、３
０％を超えると他の組成元素との結晶化バランスがくず
れ、焼結温度、焼成収縮率２曲げ強さ等の特性はほぼ満
足し得るが耐熱性と内部導体成分の拡散に問題が生じる
。すなわち、Ｓ　ｚ　Ｏ２が多すぎ、また足りなくなる
と結晶化バランスがぐずれ基板中の非晶質部分が多くな
り、再焼成時の軟化、組成成分の移動が大きくなる。つ
まり、表面厚膜材料を８５０℃程度で焼成（基板として
は再焼成を受ける）すると基板の軟化により大きく反り
等の変形を生じる。基板を全面支持ではなく両端支持し
て焼成した時にもっともその影響が顕著である。また、
組成成分の移動が大きくなると、内部導体成分が基板側
に、そして基板の組成物成分が内部導体側に拡散し、結
果として層内２層間の絶縁抵抗値が劣化する。さらには
、結晶化バランスがくずれて組成成分が移動する事で、
上部厚膜導体中に基板のガラス成分が拡散して半田濡れ
性と半田付は強度揖下させるＯ８１０２はより望ましく
は、１９〜２６チがよい◇ｐｂｏ　　もまた基板構成の
基本的なガラス組成物であり、ｐｂｏ　が１６チ未満で
は吸水性を帯び曲げ強さも低い。曲げ強さが低いと、レ
ーザートリミング時の熱ストレスに耐えきれずにマイク
ロクラックを発生させる。またＰｂＯが３９％を超える
と焼結時にセラミックの変形が著しくなる。また、ｐｂ
ｏが１６％未満あるいは３９チを超えるとＳｉＯ３と同
様に結晶化バランスがくずれ、同じ様な現象と問題を生
じる。より望ましくは、ＰｂＯは２２〜３２％である。

ＢａＯ，ＣａＯ，ＺｎＯは結晶化を起こさせる主要構成
物であって基板の焼結性向上及び熱膨張係数の制御、さ
らには誘電圧接を良好にする目的で添加される０ＢａＯ
，ＣａＯ，ＺｎＯのうち少なくとも１種が０．５　％未
満では焼結性が不充分であり、１２％を超えると誘電正
接が大きくなり好ましくない。

熱膨張係数は基板の用途により種々制御されるが、通常
の厚膜混成集積回路として用いる場合、特に厚膜導体ペ
ースト及び厚膜抵抗ペーストによシ回路形成を行なう場
合はアルミナの熱膨張係数（６，０〜６．５　）Ｘｌ　
ｏ−６７℃　　に一致させるのが好ましく、またＩＣの
シリコンチップを直接基板に実装する場合はシリコンの
熱膨張係数４×１０−６／℃に一致させるのが好ましい
。熱膨張係数だけで基板の良否判断は難しいが、両者の
値と比較して大きく離れた値を持つ基板は実用に耐えな
い。

また、Ｂａｄ、Ｃａｂ、Ｚｎ○のうち少なくとも１種が
０．５％未満、あるいは１２％を超えると結晶化バラン
スをくずし、レーザトリミング時にマイクロクラックを
発生する他、ＳｉＯ３によシ結晶化バランスがくずれた
時の現象が同様に生じ問題がある。また、より望ましく
は、ＢａＯ，ＣａＯ，ＺｎＯのうち少なくとも１種が２
〜８チである。

Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２は結晶化の核として、また基板の
フィラーとして使われ、主に曲げ強さの向上と焼成収縮
率のばらつきの抑制のために添加される。

Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２のうち少なくとも１種が３２チ未
満では曲げ強さが小さ過ぎ焼成収縮率のばらつきも大き
く実用に耐えない。またＡｌ２Ｏ３−Ｚ　ｒ０２のうち
少なくとも１種が５８％を超えると焼結温度が高くなり
かつ焼結が不充分で吸水性を帯び、また曲げ強さも小さ
くなり、トリミング時にマイクロクラックが発生する０
より望ましくは、　Ｎ１２０３ｅＺ　ｒ　Ｏ２のうち少
なくとも１種が３９〜６１チである。

実施例 以下本発明のセラミック層基板の製造実施例について説
明する。

まずガラスの調整に当っては、後掲の第１表に示した組
成になるようにガラス組成物の各原料を秤量してバッチ
を調整し、このバッチを１４００〜１６００Ｃで１〜３
時間加熱して溶融し、例えばロールアウト法等によりガ
ラス板を成形する。

次いでこのガラス板をアルミナポールなどで平均粒径０
．６〜６μｍの粉末とし、同粒径程度のフィラーを加え
ることにより本発明の無機組成物が製造される。なお、
この際用いられる原料粉末は明確化のため酸化物に換算
表記したが、鉱物、酸化物。

炭酸塩、水酸化物などの形でも通常の方法により使用さ
れるのは勿論である。

次に、このようにして得られた無機組成物を使用したグ
リーンシート積層多層法によるセラミック多層基板の製
造方法の一例を述べる。

まず上記組成物１ｏｏ重量部に対して、ポリビニルブチ
ラール１０重量部、ジブチルフタレート６重量部、グリ
セリルモノオレエート０．４重量部、１．１．１−トリ
クロルエタン２０重量部、イソプロピルアルコール３９
重量部を加え、２４時間ボールミル混合を行ないスラリ
をつくった。このスラリでポリエステルフィルム上にド
クターブレード法により厚み０．１簡のグリーンシート
を製造し、充分なエージングを行ない、グイアホールと
なる微小孔を機械的な加工により形成した。次いで、こ
のグイアホールにメタルマスクを用いた印刷法により導
体材料を充填した。使用した導体材料は９５％のＡｑと
５チのＰｄよりなる合金であった。

次に、同じ導体材料により導体層をグリーンシートに印
刷・乾燥した。グイアホールパターン、導体印刷パター
ンが各々異なるグリーンシート複数枚を、８０’Ｃの温
度下で２００に９／ａｄの圧力で密着させ加圧一体化し
た。次に外形切断の後に最大温度８７０〜１３４０℃、
最大温度保持時間６０分にて焼成した。焼成された多層
基板は、純水で超音波洗浄後、基板両面に厚膜回路（抵
抗体と上部導体）を形成して、電子回路としての機能が
発揮される基板として完成した。

上記製造法により得た基板としての特性を第２表に示す
。特性は、上記の電子回路としての機能が発揮される基
板について曲げ強さ、吸水率、誘電正接を測定した。ま
だ、同表の焼結温度はそれぞれの組成物についてあらか
じめ示差熱分析よりおおよその焼結温度を推定しておき
、吸水率０．０チであり、なおかつ曲げ強さが最大にな
る焼結温度を選択した。反り変形の有無については、基
板焼結後、外観形状を目視で観察して、基板表面の凹凸
及び反りうねり、また大きな変形があるものに関して実
用に耐えないとした。

また、耐熱性については、支持スパン１００ｍで焼結後
の基板を両端支持し、ピーク温度保持時間１６分で基板
の反りが０．３＋ｍ／１００　ｍｓ以上の反りが発生し
た温度をその基板の耐熱限界温度とした。

８２０’Ｃ以上の耐熱限界温度があれば実用上問題ない
が、より望ましくは８６０℃以上の特性が欲しい。８２
０℃未満は不合格である。また、内部導体成分（本実験
では内部導体としてｘｇ−ｐｄを使用したので、Ａｑ酸
成分拡散に特忙着目した）の拡散については、基板断面
の特性Ｘ線像よ・り拡散深さを観察・測定し、実用上１
０μｍ未満であれば問題がなく、より望ましくは３μｍ
程度未満の拡散深さであって欲しい。１０μｍを超える
拡散は不合格とした。

抵抗体をレーザトリミングした時のマイクロクラックの
発生は、電子顕微鏡により表面及び破面を観察した。

半田付は性のうち、半田濡れ性においては、φ４ｗＸ”
２．８５ｍの共晶半田の円板を上部導体上に載せ、２３
０℃でリフローさせた時の半田波がり径をもって評価し
、拡がり径φ６．７闘以下を不合格とした。半田付は強
度は、上部厚膜導体にφ０．６ｍ＋のＳｎ　めっきワイ
ヤーを共晶半田で半田付けし、厚膜導体上で直角に曲げ
引張る方法（いわゆるピーリング法）時の厚膜剥離強度
を測定し、０．５Ｋｇ／１ｍ２以上を合格とした。

−４・ 苦比較例 ■特許請求の範囲における組成幅からはずれるもの第　
　　２　　　表 簀比較例 ＋多層基板として適さない特性 参考として第３表に従来技術の第−例で使用される絶縁
体であるｓ　ｅ　％　Ａｊ！２０３の特性を示す。

第　　　３　　　表 以上に述べたように、本発明の組成物により形ｅされる
セラミック多層基板は８７０〜９８０℃と低温で焼成で
き、しかも電子回路形成用のセラミック基板としての特
性を充分発揮しており、その特性は従来の材料である、
９６ｅｓＡｌ２Ｏ３、Ｂ２０３−３　ｉ（）、　−Ｐｂ
Ｏ−Ａ１２ｏ３　系材料、Ｂ２ｏ２−８ｉ０２（Ａｌ２
Ｏ３、ｚｒｏ２）系材料により形成されるセラミック多
層基板に比較し、より優れている。

発明の効果 本発明によれば、セラミック多層基板を形成するための
焼成温度が低く、導体材料に抵抗値の低い低融点金属材
料を用いることができ、しかも空気中での焼成が可能で
あるので、設備費用を低減し、得られる多層基板の導体
の抵抗値を低くすることができる。また、内部導体成分
の絶縁層中への拡散を抑制できるので、絶縁層の絶縁抵
抗が低下することがなく、かつ耐熱性に優れるので、基
板の反り等の不都合もない◎さらに、上部厚膜抵抗体を
レーザトリミングしてもマイクロクラックの発生がなく
高い精度に抵抗値を調整でき、上部導体の半田付は性に
も優れている為、各種の電子部品を半田付は実装する事
が出来、汎用的な電子回路基板として自由自在に使用で
きる優れたセラミック多層基板が得られる◇

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用されるセラミック多層基板の製造
工程の例を示す図、第２図及び第３図は従来のセラミッ
ク多層基板の製造工程の他の例を示す図である。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　複数の導体層を絶縁する絶縁層が、酸化物に換算して
   、 Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＺｒＯ＿２のうち少なくとも１種３２
   〜５８重量％ ＳｉＯ＿２１３〜３０重量％ ＰｂＯ１６〜３９重量％ ＢａＯ、ＣａＯ、ＺｎＯのうち少なくとも１種０．６〜
   １２重量％ の組成の無機組成物からなるセラミック多層基板。