JPS6356997A - 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。

従来の技術 近年、電子回路には、厚膜印刷法によシ簡便に回路形成
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、よシ小型高性能化を実
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。

（Δ）　セラミック焼結体上での印刷多層法（ｂ）　　
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 （ａ）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絶縁層はヴ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シ第１導体暦と第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、
まず焼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シ返し、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
導体によシ行なわれる。

（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層であシ、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シプロセスの合理化を行なうことが
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シ限界層数は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）　、　（Ｃ）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
に関するものである。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り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
、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。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’Ｃ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Ｂ２０３−５ｉｎ２−Ｐ
ｂＯ−Ａ１２０５系材料を用イル。マス、Ｂ２Ｏ３−８
ｉ０２−ＰｂＯ−Ａ１２０３系材料、！：　有ｉ物のｉ
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、ムｕ、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’Ｃ〜１４００’Ｃ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。

（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６０−２３５７
４４号公報または特願昭６０−１８６９１９号に開示さ
れるように、基板組成物にＢ２Ｏ３−３ｉ０２−（Ａ４
２０５　、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２）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。

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。また、グリーンシート材料に
アルミナを使用しておシ、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７〜１５ｍＭ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°Ｃ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と、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。

本発明は上記問題点に鑑み、導体材料にＡｇ。

人ｕ　、　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たセラミ
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、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２のうち少なくとも１種
３２〜６５重量％ （以下単に係で表す） ＳｉＯ２　　　　　　　　　　８〜２７　％８２０３６
〜１８　チ ＢａＯ，ＳｒＯ，ＣａＯ，ＭｇＯのうち少なくとも１種
θ〜２２　チ ＺｎＯ０，５〜　　ａ　　　％ Ｎａ２Ｏ，に２０．Ｌｉ２Ｏのうち少なくとも１種０．
０１〜７　　係 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、 人１２０５　、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２のうち少なくとも１
種４５〜６６　　％ ５ｉ０２　　　　　　　　　　　９〜１６　％８２０３
６〜１２　％ ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＭｇＯのうち少なくとも１種
７〜１８　％ Ｚｎ０　　　　　　　　　　　１〜４　％Ｎａ２Ｏ，に
２０．Ｌｉ２Ｏのうち少なくとも１種ｏ、０１〜３　チ の組成からなる無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′Ｃ〜９５０
°Ｃの低温で焼結可能な無機組成物によシ絶縁層が形成
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
が可能であシ、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シ、Ａｕ、Ａｇは抵
抗値（１〜３ｍΩ／口）がＷ、ＭＯのそれ（７〜１６ｍ
Ω／口）よりも低い。従って、空気中低温焼成によシ設
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’Ｃ程度の温度で焼成
しても反９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。

本発明の組成物における限定理由は次の通シである。

Ｓ工０２は基板を構成する基本組成物であってガラス形
成の主材料である。５ｉＱ２が６％未満では焼結温度が
高くなシ、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ＳｉＯ２が５５％を超えると曲げ
強さが小さくなり過ぎ、さらに焼成収縮率のばらつきが
大きくなシ、基板としての実用性に耐えない。また、Ｓ
ｉＯ２が８チ未満あるいは、２７％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、ＳｉＯ□が
多すぎ、また足シなくなると結晶化バランスがくずれ基
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。つまシ、表面厚膜材料を８５０
°Ｃ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シ等の変形を生じる。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。

層間の絶縁抵抗値が劣化する。

５ｉ０２はよシ望ましくは、９〜１６％がよい。

Ｂ２Ｏ５もまた基板構成の基本組成物であり、Ｂ２Ｏ５
が１％未満では吸水性を帯び曲げ強さも低い。まｆｃＢ
２０ｓが３０チ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、Ｂ２Ｏ３が５チ未満あるいは１８チ
を超えると５ｉ０２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、Ｂ２Ｏ
３は６〜１２％である。

ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、ＢａＯ、ＳｒＯは基板の焼結
性向上及び熱膨張係数の制量、さらには誘電圧接を良好
にする目的で添加される。温ｇＯ、ＣａＯ，ＺｎＯ。

ＢａＯ、ＳｒＯのうち少なくとも１種が０．０６％未満
では焼結性が不充分であシ、２５チを超えると誘電正接
が大きくなシ好ましくない。熱膨張係数は基板の用途に
より種々制量されるが、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，○〜６．５）Ｘ１０’／Ｃ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　ｘ　１ｏ−６／’ｃ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、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＭｇＯのうち少なくと
も１種が６％未満、あるいは、２２％を超えると結晶化
バランスをくずし、ＺｎＯが０．５％未満あるいは８％
を超えると結晶化バランスをくずし、いずれも５ｉ０２
により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、よシ望ましくは、ＢａＯ，ＳｒＯ，
ＣａＯ，ＭｇＯのうち少なくとも１種が７〜１８％であ
る。

Ｋ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｌｉ２Ｏは基板の焼結性向上及び吸
水性の防止、さらには基板の変形を抑える目的で添加す
る。Ｋ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｌｉ２Ｏのうち少なくとも１種
が０．０１％未満では基板の変形が著しくなり、大きく
基板が反る。Ｋ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｌｉ２Ｏのうち少なく
とも１種が１０チを超えると焼結が不充分となり吸水性
を帯びる。

また、Ｎａ２Ｏ，に２０．Ｌｉ２Ｏのうち少なくとも１
種が０．０１％未満あるいは７チを超えると、結晶化バ
ランスをくずす。より望ましくは、Ｎ２０．に２０゜Ｌ
ｉ２Ｏのうち少なくとも１種はｏ、０１〜３重量係であ
る。

Ａｇ２Ｏ，、ＺｒＯ２，Ｔｉｅ２は基板ノフィラーとし
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。

Ａ１２０．、ＺｒＯ２，Ｔｉｅ。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Ａ（１２０ｓ　＋ｚ
ｒＯ２ｒＴｉｅ、、のうち少なくとも１種が６９チを超
えると焼結温度が高くな９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る。

また、Ａ１２０３．ｚｒｏ２．ＴｉＯ２のうち少なくと
も１種が３２％未満あるいは、６９％を超えると結晶化
バランスをくずす。よシ望ましくは、Ａ１２０５　＋Ｚ
ｒＯ２，Ｔｉｅ２のうち少なくとも１種が４５〜６５優
である。

実施例 以下本発明の多層基板用誘電体組成物の実施例について
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
成になるように基本組成物の各原料を秤量してバッチを
調整し、このパンチを１４００〜１５００°Ｃ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シガ
ラス板を成形する。次いでこのガラス板をアルミナボー
ルなどで平均粒径０．５〜５μｍの粉末とし、同粒径程
度の添加物を加えることによυ本発明の誘電体組成物が
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シ使用されるの
は勿論である。

次に、このようにして得られた誘電体組成物を使用した
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１００重量部に対して、ポリビニルブチ
ラール１（ｉ！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０．４Ｍ量部、１．１．１−ト
リクロルエタン２０ｆｆｉ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０．１Ｍ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シ形成した。次い
て′、このグイアホールにメタルマスクを用いた印刷法
によシ導体材料を充填した。使用した導体材料は９５％
のＡｇと５％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）ｆｆ数枚
を、８ｏ′Ｃの温度下テ２００　ｋｇ　／　ｄ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°Ｃ１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け、純水で超音波洗浄後、
基板両面に厚膜回路を形成して、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。

上記製造法によシ得た基板としての特性を第二衣に示す
。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
た、同表の焼結温度はそれぞれの組成物についてあらか
じめ示差熱分析よシおおよその焼結温度を推定しておき
、吸水率０．０係であり、なおかつ曲げ強さが最大にな
る焼結温度を選択した。反シ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
及び反シうねシ、また大きな変形があるものに関して実
用例耐えないとした。

また、耐熱性については、支持スパン１ｏｏｒｔａｔで
焼結後の基板を両端支持し、ピーク温度保持時間１６分
で基板の反シが０．３　ｍｙｔｔ／　１００　ｍｙｐｔ
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８５０°Ｃ以上の特性が欲しい。８
２０’Ｃ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λｇ−Ｐｄを使用したので、Ａ
ｇ成分の拡散に特に着目した）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
１０μｍ未満であれば問題がなく、より望ましくは３７
ｚｍ程度未満の拡散深さであって欲しい。１０１１ｍを
超える拡散は不合格とした。

（以下余白） 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９６％Ａｌ２Ｏ５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成される
セラミック多層基板は８７０〜９８０’Ｃ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
特注を充分発揮しておシ、その特性は従来の材料である
、９６　％　Ａｄ□０３．Ｂ２０゜−８ｉｎ２−ＰｂＯ
−Ａ７２０３系材料、　Ｂ２Ｏ２−５ｉ０２（ム１２０
５　、ＺｒＯ，、、ＴｉＯ２）系材料により形成される
セラミック多層基板に比較し、よシ優れている。

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
板の反シ等の不都合もない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。 第　１ｒＸｉ 第２図 第３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、ＴｉＯ＿２のうち少なく
   とも１種３２〜６９重量％ ＳｉＯ＿２８〜２７重量％ Ｂ＿２Ｏ＿３５〜１８重量％ ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＭｇＯのうち少なくとも１種
   ６〜２２重量％ ＺｎＯ０．５〜８重量％ Ｎａ＿２Ｏ、Ｋ＿２Ｏ、Ｌｉ＿２Ｏのうち少なくとも１
   種０．０１〜７重量％ の組成の無機組成物からなるセラミック多層基板。