JPWO2002079114A1 - 絶縁体セラミック組成物およびそれを用いた絶縁体セラミック - Google Patents
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Abstract
MgAl2O4を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%、酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を混合してなる絶縁体セラミック組成物であって、セラミック粉末はさらにMg2SiO4およびTiO2を含む。この絶縁体セラミック組成物は、1000℃以下で焼成することができ、AgやCuとの共焼結が可能である。そして、この絶縁体セラミック組成物を焼結することによって得られる絶縁体セラミックは、Q値が高く、高周波領域で用いられるセラミック多層基板に適している。
Description
技術分野
本発明は、例えば多層回路基板に用いられる絶縁体セラミック組成物に関し、より特定的には、半導体素子や各種電子部品素子を搭載するための複合多層回路基板に好適に用いることができ銅や銀などの導体材料と同時焼成可能な絶縁体セラミック組成物、ならびに絶縁体セラミック組成物を焼結して得られた絶縁体セラミック、セラミック多層基板およびセラミック電子部品、ならびにセラミック多層基板の製造方法に関する。
背景技術
近年、電子機器の高速化および高周波化が進んでおり、これに伴って、電子機器に搭載される電子部品においても、高速化および高周波化が求められている。また、電子機器の小型化に伴い、電子部品についても、小型化や高密度実装され得ることが要求されている。
上記のような要求に応えるために、半導体素子や各種回路素子を搭載するための基板として、多層回路基板が用いられている。多層回路基板では、基板内に導体回路や電子部品機能素子が3次元的に内蔵されているので、電子部品の小型化を進めることができる。
上記多層回路基板を構成する材料としては、アルミナが多用されている。ところが、アルミナの焼成温度は1500℃〜1600℃であり、アルミナ多層回路基板に内蔵される回路用の導体材料としては、Mo、Mo−Mn、Wなどの高融点金属を用いなければならなかった。ところが、これらの高融点金属は高価なうえ、電気抵抗が高いという問題があった。
そこで、上記の高融点金属よりも電気抵抗が低くかつ安価な金属、例えば銅などを導体材料として用いることが強く求められており、銅を導体材料として用いることを可能とするため、例えば、特開平5−238774号公報では、1000℃以下の低温で焼成され得るガラスセラミックスや結晶化ガラスなどの基板材料が提案されている。また、Siチップなどの半導体デバイスとの接続を考慮して、例えば、特開平8−34668号公報には、熱膨張係数がSiに近いセラミックを多層回路基板材料として用いることも提案されている。しかしながら、上述した基板材料は機械的強度やQ値が低く、さらに析出する結晶相の種類や比率が焼成プロセスにより影響を受けやすいという問題があった。
また、絶縁体セラミック組成物を用いたセラミック多層基板の上には半導体デバイスなどのチップ部品が実装されることがあり、他方、チップ部品を搭載したセラミック多層基板は、セラミック電子部品としてプリント基板などの回路基板に搭載される。したがって、このようなセラミック電子部品には、信号入出力のための入出力端子を設ける必要があるが、電子部品の小型化に伴って、入出力端子間の距離を小さくする必要があった。
そのため、絶縁体セラミック組成物を焼成して得られる絶縁体セラミックには、寸法精度の高いことが強く求められている。ところが、従来の絶縁体セラミック組成物を焼成して得られた低誘電率の絶縁体セラミックの寸法精度は、未だ十分ではなかった。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、▲1▼銀や銅などの低融点導体材料と同時に焼成することができ、▲2▼比誘電率が小さく、高周波特性に優れており、比較的高い熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを得ることを可能とする絶縁体セラミック組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、低温焼成で得られ、比誘電率が小さく、高周波特性に優れており、高い熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、上記本発明に係る絶縁体セラミック組成物を用いて構成されており、高周波特性に優れ、回路パターンの高密度化を達成したセラミック多層基板およびセラミック電子部品を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、低温の焼成で得ることができ、高周波特性に優れ、寸法精度に優れ、回路パターンの高密度化を達成できるセラミック多層基板の製造方法を提供することにある。
発明の開示
すなわち、本発明は、スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、前記絶縁体セラミック組成物はさらに酸化チタンを含有することを特徴とする絶縁体セラミック組成物(以下、本発明の第1の絶縁体セラミック組成物と称することがある)に係るものである。
本発明の第1の絶縁体セラミック組成物において、前記酸化チタンは前記セラミック粉末中に含有されていることが好ましい。また、前記酸化チタンは、前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対して0.5〜15重量%の割合で含まれていることが好ましい。
また、本発明は、スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、前記セラミック粉末における前記スピネルの一部がMg2SiO4に置き換えられていることを特徴とする絶縁体セラミック組成物(以下、本発明の第2の絶縁体セラミック組成物と称することがある)を提供するものである。
本発明の第2の絶縁体セラミック組成物において、前記Mg2SiO4は、前記スピネル100重量%に対して15重量%以下の割合で置換されていることが好ましい。
本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物において、前記ガラス粉末には、酸化ホウ素がB2O3換算でガラス粉末全体の20モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。また、前記ガラス粉末には、CaO,SrO,BaOおよびZnOからなる群から選択された少なくとも1種の酸化物が前記ガラス粉末全体の30モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。また、前記ガラス粉末には、酸化アルミニウムがAl2O3換算で前記ガラス粉末全体の10モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。さらに、前記ガラス粉末には、Li2O,K2OおよびNa2Oからなる群から選択された少なくとも1種のアルカリ金属酸化物が前記ガラス粉末100重量%に対して10重量%以下の割合で添加されていることが好ましい。
また、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物においては、酸化銅が前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対してCuO換算で3重量%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。
さらに、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物においては、前記セラミック粉末と前記ガラス粉末とが、重量比で20:80〜80:20の割合で配合されていることが好ましい。
また、本発明は、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる絶縁体セラミックに係るものである。
また、本発明は、複数のセラミック層と、前記複数のセラミック層のうち少なくとも1層のセラミック層に形成された配線導体とを備えるセラミック多層基板であって、前記複数のセラミック層は、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層を含むセラミック多層基板を提供するものである。
本発明のセラミック多層基板において、前記複数のセラミック層は、前記絶縁体セラミック層の少なくとも一方主面に積層された、前記絶縁体セラミック層よりも誘電率の高い誘電体セラミック層をさらに含んでいてよい。
また、本発明は、本発明のセラミック多層基板と、前記セラミック多層基板上に実装され、前記配線導体に電気的に接続された回路素子とを備えるセラミック電子部品を提供するものである。
また、本発明は、本発明のセラミック多層基板と、インダクタおよびキャパシタのうち少なくとも一方の回路素子を形成する前記配線導体とを有するセラミック電子部品を提供するものである。
さらに、本発明は、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物で形成された第1のセラミックグリーンシートを積層して、積層体を用意する工程と、前記第1のセラミックグリーンシートとは焼結温度の異なる第2のセラミックグリーンシートを前記第1のセラミックグリーンシートの少なくとも一方主面に接するように設ける工程と、前記第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第2のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程と、を備えるセラミック多層基板の製造方法を提供するものである。
本発明のセラミック多層基板の製造方法において、前記第2のセラミックグリーンシートは、前記第1のセラミックグリーンシートの焼成温度では実質的に焼結しないセラミックグリーンシートであることが好ましい。また、前記第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第2のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程は、焼成温度1000℃以下で行われることが好ましい。
発明を実施するための最良の形態
本発明の第1の絶縁体セラミック組成物は、スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%、および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を少なくとも含有し、セラミック粉末は酸化チタン(TiO2)を含むことを特徴とするものである。
この絶縁体セラミック組成物に含まれるセラミック粉末において、主成分であるMgAl2O4は、高周波特性および抗折強度に優れ、添加成分であるTiO2は、ガラス成分の結晶化を促進する核形成剤として作用する。したがって、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより、強度に優れ、かつ高周波特性に優れた、すなわち高周波領域で大きなQ値を示す絶縁体セラミックを得ることができる。
この絶縁体セラミック組成物において、ガラス粉末にCa成分が含まれている場合、Q値の高い結晶が析出しやすくなるために焼結後の絶縁体セラミックのQ値を高めることができるが、ガラス中にCaが残りやすくなる。ガラス中にCa成分が残存していると、絶縁体セラミックの外表面にめっき等により外部電極を形成する際に、ガラス中のCaがめっき液に溶出しやすくなり、ガラスがもろくなりやすい。絶縁体セラミック組成物中にTiO2が添加されている場合には、TiO2がQ値の高い結晶を析出したガラス中に残るCa成分と反応し、CaTiO3が生成される。そのため、第1の絶縁体セラミック組成物を焼成して得られた絶縁体セラミックにおける耐めっき性が高められる。
また、CaTiO3は熱膨張係数が比較的大きいが、その析出量をTiO2の含有により調整することができ、ひいては絶縁体セラミックの熱膨張係数を調整することができる。さらに、TiO2やCaTiO3は負の誘電率温度特性を有するため、絶縁体セラミックの誘電率の温度特性を、TiO2の含有割合により調整することができる。
以上のことから、本発明の第1の絶縁体セラミック組成物においては、TiO2は、セラミック粉末およびガラス粉末全重量の0.5〜15重量%の割合で含まれていることが好ましい。TiO2の含有割合が0.5重量%未満であると、誘電率温度特性が正に大きくなりすぎることがあり、15重量%を超えると、誘電率温度特性が負に大きくなりすぎることがある。
なお、第1の絶縁体セラミック組成物において、TiO2はセラミック粉末として含有されていることが好ましい。
本発明の第2の絶縁体セラミック組成物は、スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%、および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を少なくとも含有し、スピネルの一部がMg2SiO4粉末に置き換えられていることを特徴とするものである。
第2の絶縁体セラミック組成物に含まれるセラミック粉末において、主成分であるMgAl2O4は高周波特性および抗折強度に優れ、副成分であるMg2SiO4は高周波特性に優れ、高い熱膨張係数を有する。したがって、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより、強度に優れ、高周波特性に優れ、かつ高熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを得ることができる。
この絶縁体セラミック組成物において、セラミック粉末におけるMg2SiO4は、スピネル100重量%に対して15重量%以下の割合で置換されていることが好ましい。その割合が15重量%を超えると、抗折強度が低くなりすぎることがある。
これら第1、第2の絶縁体セラミック組成物は、特に1000℃以下で焼成することにより緻密な焼結体(すなわち絶縁体セラミック)を得ることができる。そのため、これらの絶縁体セラミック組成物は、比抵抗の小さな銅や銀などの低融点金属材料と同時焼成することが可能であり、導電率が高く、高周波用途に適した配線導体を備えたセラミック多層基板やセラミック電子部品を作製することができる。
本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物に含まれるガラス粉末は、酸化ケイ素がSiO2換算で30〜60モル%の割合で含まれていることが必要である。SiO2の割合が30モル%未満であると、焼成により得られる絶縁体セラミックの結晶化度が低くなるためQ値が低下する。他方、SiO2の含有割合が60モル%を超えると、ガラスの溶融温度が高くなるため低温での焼結が困難になる。
また、このガラス粉末には、酸化マグネシウムがMgO換算で20〜55モル%の割合で含まれていることが必要である。MgOはガラスの軟化点を下げる作用を有するため、ガラス粉末の作製が容易になる。また、MgOは結晶化ガラス中の結晶構成成分であるため、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる絶縁体セラミックにおいては、フォルステライト、エンスタタイト、ディオプサイド、モンチセライトなどのMgO相を含むMgO−SiO2系、MgO−CaO−SiO2系の結晶相が析出する。このような結晶相を有する絶縁体セラミックは、数万GHzというQf値を有し、高周波特性に極めて優れている。ガラス粉末におけるMgOの含有割合が20モル%未満であると、得られる絶縁体セラミックのQ値が低くなる。他方、MgOの含有割合が55モル%を超えると、MgO系結晶相の析出量が多くなりすぎ、得られる絶縁体セラミックの強度が低下したり、低温での焼結が困難になる。
このガラス粉末には、酸化ホウ素がB2O3換算でガラス粉末全体の20モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。B2O3は、主にガラス粉末を作製する際の融剤として作用するため、B2O3を含有させることによりガラス粉末の作製が容易になる。B2O3の含有割合が20モル%を超えると、得られる絶縁体セラミックの耐湿性が低下したり、絶縁体セラミックのメッキ液に対する耐溶出性が低下することがある。
また、このガラス粉末には、CaO,SrO,BaOおよびZnOからなる群より選択された少なくとも1種の酸化物が、ガラス粉末全体の30モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。こららアルカリ土類金属をはじめとする酸化物はガラスの軟化点を下げる作用を有するため、これらの酸化物を含有させることによりガラス粉末の作製が容易になる。また、これらの酸化物は結晶化ガラス中の結晶構成成分であるため、得られる絶縁体セラミックにおいてはQ値の高い結晶相が析出する。ガラス粉末におけるこれらの酸化物の含有割合が30モル%を超えると、得られる絶縁体セラミックの耐湿性や耐溶出性が低下したり、Q値が低下することがある。
また、このガラス粉末には、酸化アルミニウムがAl2O3換算でガラス粉末全体の10モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。Al2O3はガラスの化学的安定性を高める作用を有する。Al2O3の含有割合が10モル%を超えると、得られる絶縁体セラミックのQ値が低下したり、熱膨張係数が低下することがある。
また、このガラス粉末には、ガラス粉末100重量%に対して、Li2O,K2OおよびNa2Oからなる群から選択された少なくとも1種のアルカリ金属酸化物が10重量%以下の割合でさらに添加されていることが好ましい。これらのアルカリ金属酸化物は、ガラスの軟化点を下げる作用を有する。これらのアルカリ金属酸化物の添加割合が10重量%を超えると、得られる絶縁体セラミックのQ値が低下したり、耐溶出性が低下することがある。
なお、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物に含まれるガラス粉末としては、各成分組成を有するガラス粉末を混合した粉末を用いてもよいが、各成分組成を有するガラス粉末を混合した後、700〜1400℃で一旦仮焼し、粉砕した粉末を用いることが好ましい。
第1、第2の絶縁体セラミック組成物には、酸化銅がCuO換算で全体の3重量%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。酸化銅は、第1、第2の絶縁体セラミック組成物の焼成温度をさらに低下させる作用を有する。CuOの含有割合が全体の3重量%を超えると、Q値が低下することがある。
これら第1、第2の絶縁体セラミック組成物においては、セラミック粉末と、ガラス粉末とが、重量比で20:80〜80:20の割合で配合されていることが好ましい。この範囲よりもセラミック粉末の配合割合が多くなると、得られる絶縁体セラミックの密度が小さくなることがあり、上記範囲よりガラス粉末の配合割合が多くなると、得られる絶縁体セラミックのQ値が小さくなることがある。
なお、本発明によれば、第1の絶縁体セラミック組成物において、セラミック粉末中のMgAl2O4の一部がMg2SiO4に置き換えられていてもよいし、第2の絶縁体セラミック組成物がさらに酸化チタンを含有していてもよい。このときのMg2SiO4の置換量や酸化チタンの添加量は上述した通りである。
本発明の絶縁体セラミックは、上述した第1の絶縁体セラミック組成物または第2の絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる。したがって、本発明の絶縁体セラミックは、強度が高く、高周波特性に優れている。
この絶縁体セラミックは、特に、測定周波数15GHzにおけるQ値が400以上であることが望ましい。本発明の絶縁体セラミック組成物によれば、Qf値、すなわち15GHz×Q値が6000以上の絶縁体セラミックを得ることが十分に可能であり、高周波帯での使用に適したセラミック多層基板を提供することが可能となる。
本発明のセラミック多層基板は、複数のセラミック層と、このうち少なくとも1層のセラミック層に形成された配線導体とを備えるものであり、複数のセラミック層においては、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層が含まれている。
このセラミック多層基板において、複数のセラミック層は、絶縁体セラミック層の少なくとも一方主面に積層された、絶縁体セラミック層よりも誘電率の高い誘電体セラミック層をさらに含むことが好ましい。すなわち、本発明のセラミック多層基板は、本発明の絶縁体セラミックを絶縁体層として含んだセラミック多層基板のほか、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体層と、この絶縁体セラミックよりも誘電率の大きな誘電体セラミックからなる誘電体層とを積層した異種材料複合型のセラミック多層基板にも向けられる。
本発明のセラミック電子部品は、本発明のセラミック多層基板と、セラミック多層基板上に実装され、配線導体に電気的に接続された回路素子と、を備えるものである。すなわち、本発明のセラミック電子部品は、セラミック多層基板上に半導体デバイス等の能動素子やチップコンデンサ等の受動素子を搭載したモジュール部品に向けられる。
また、本発明のセラミック電子部品は、本発明のセラミック多層基板と、インダクタおよびキャパシタのうち少なくとも一方を構成する配線導体を備えるものであってもよい。すなわち、本発明のセラミック電子部品は、セラミック多層基板にインダクタやコンデンサを内蔵する積層型LCフィルタなどのチップ状部品にも向けられる。
これら本発明のセラミック電子部品において、絶縁体セラミックからなるセラミック素体と、セラミック素体内に配置された内部電極およびセラミック素体の外表面に形成され、内部電極と電気的に接続された外部電極からなる配線導体とを備えていることが好ましい。また、セラミック素体は複数のセラミック層が積層されてなり、内部電極のうち、一方の電位に接続された内部電極と他方の電位に接続された内部電極とが、セラミック層を介して対向し、キャパシタを形成していることが好ましい。また、セラミック電子部品において、内部電極は、互いに接続されることによりインダクタを構成していてもよい。
本発明のセラミック多層基板の製造方法は、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物で形成された第1のセラミックグリーンシートを積層してなる積層体を用意する工程と、
第1のセラミックグリーンシートとは焼結温度の異なる第2のセラミックグリーンシートを前記第1のセラミックグリーンシートの少なくとも一方主面、好ましくは両主面に接するように設ける工程と、
第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と第2のセラミックグリーンシートとからなる複合積層体を同時に焼成する工程と、
を備える、セラミック多層基板の製造方法にも向けられる。
ここで、第2のセラミックグリーンシートは、第1のセラミックグリーンシートの焼成温度では実質的に焼結しないセラミックグリーンシートであることが好ましい。また、第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と第2のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程は、焼成温度1000℃以下で行われることが好ましい。この場合、第2のセラミックグリーンシートに含まれるセラミック粉末としては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミック粉末を用いることができる。
次に、図面を参照しながら、本発明のセラミック電子部品の実施形態例を説明する。
第1図は、本発明のセラミック電子部品としてのセラミック多層モジュールの断面図であり、第2図はその斜視図である。
セラミック多層モジュール1は、セラミック多層基板2を用いて構成されている。セラミック多層基板2は、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層3a,3b間に、例えばチタン酸バリウムにガラスを加えてなる相対的に誘電率の高い誘電体セラミック層4が挟まれた異種材料複合型の多層構造を有している。
誘電体セラミック層4内には、複数の内部電極5が誘電体セラミック層4の一部を介して隣り合うように配置されており、それによってキャパシタC1,C2が構成されている。
また、絶縁体セラミック層3a,3bおよび誘電体セラミック層4には、複数のビアホール電極6,6aや内部配線が形成されている。
他方、セラミック多層基板2の上面には、電子部品素子9〜11が実装されている。電子部品素子9〜11としては、半導体デバイス、チップ型積層コンデンサなどの任意の電子部品素子を用いることができる。ビアホール電極6および内部配線により、これらの電子部品素子9〜11と、キャパシタC1,C2とが電気的に接続されて、セラミック多層モジュール1の電気回路を構成している。
また、セラミック多層基板2の上面には、導電性キャップ8が固定されている。導電性キャップ8は、セラミック多層基板2を上面から下面に向かって貫いているビアホール電極6aに電気的に接続されている。セラミック多層基板2の下面に外部電極7が形成されており、外部電極7はビアホール電極6や6aに電気的に接続されている。また、他の外部電極については図示を省略しているが、外部電極7と同様に、セラミック多層基板2の下面に形成されている。また、他の外部電極は、上述した内部配線を介して、電子部品素子9〜11やキャパシタC1,C2と電気的に接続されている。
このように、セラミック多層基板2の下面に外部と接続するための外部電極7を形成することにより、セラミック積層モジュール1を、下面側を利用してプリント回路基板などに容易に実装することができる。
また、本例では、キャップ8が導電性材料からなり、外部電極7にビアホール電極6aを介して電気的に接続されているので、電子部品素子9〜11を導電性キャップ8により電磁気的にシールドすることができる。もっとも、キャップ8は、必ずしも導電性材料で構成されている必要はない。
セラミック多層モジュール1では、絶縁体セラミック層3a,3bが本発明に係る絶縁体セラミックを用いているので誘電率が低く、かつ高周波でのQ値も高いので、高周波用途に適したセラミック多層モジュール1を提供することができる。
なお、セラミック多層基板2は、周知のセラミック積層一体焼成技術を用いて容易に得ることができる。
すなわち、まず、チタン酸バリウム等の誘電体セラミック組成物を主体とするセラミックグリーンシートを用意し、内部電極5、外部配線およびビアホール電極6,6aなどを構成するための電極パターンを印刷し、所定の電極パターンを備えた誘電体セラミック層用のセラミックグリーンシートを準備する。また、本発明の絶縁体セラミック組成物からなるセラミックグリーンシートを用意し、内部電極5、外部配線およびビアホール電極6,6aなどを構成するための電極パターンを印刷することによって、所定の電極パターンを備えた絶縁体セラミック層用のセラミックグリーンシートを準備する。
そして、誘電体セラミック層用のセラミックグリーンシート、絶縁体セラミック相用のセラミックグリーンシートをそれぞれ所定の枚数を積層し、厚み方向に加圧する。このようにして得られた未焼成の積層体を所定の焼成条件下で焼成することにより、セラミック多層基板2を得ることができる。
第3図〜第5図は、本発明のセラミック電子部品である積層型LCフィルタの分解斜視図、外観斜視図および回路図である。
第4図に示す積層セラミック電子部品20は積層型LCフィルタである。セラミック焼結体21内に、後述のようにインダクタンスLおよびキャパシタCを構成する回路が構成されている。セラミック焼結体21は、本発明の絶縁体セラミックによって構成されている。また、セラミック焼結体21の外表面には、外部電極23a,23b,24a,24bが形成されており、外部電極23a,23b,24a,24b間には、第5図に示すLC共振回路が構成されている。
次に、上記セラミック焼結体21内の構成を、第3図を参照しつつ製造方法を説明することにより明らかにする。
まず、本発明の絶縁体セラミック組成物に、有機ビヒクルを添加し、セラミックスラリーを得る。このセラミックスラリーを、適宜のシート成形法により形成し、セラミックグリーンシートを得る。このようにして得られたセラミックグリーンシートを乾燥した後所定の大きさに打ち抜き、矩形のセラミックグリーンシート21a〜21mを用意する。
次に、セラミックグリーンシート21a〜21mに、ビアホール電極28を構成するための貫通孔を必要に応じて形成する。さらに、導電ペーストをスクリーン印刷することにより、インダクタL1用のコイル導体26a,26b、キャパシタC用の内部電極27a〜27c、インダクタL2用のコイル導体26c,26dを形成すると共に、上記ビアホール28用貫通孔に導電ペーストを充填し、ビアホール電極28を形成する。
しかる後、セラミックグリーンシート21a〜21mを図示の向きに積層し、厚み方向に加圧し積層体を得る。得られた積層体を焼成し、セラミック焼結体21を得る。
上記のようにして得られたセラミック焼結体21に、第4図に示したように外部電極23a〜24bを、導電ペーストの塗布・焼き付け、蒸着、メッキもしくはスパッタリングなどの薄膜形成法等により形成する。このようにして、積層セラミック電子部品20を得ることができる。
第3図から明らかなように、コイル導体26a,26bにより第5図に示すインダクタL1が、コイル導体26c,26dによりインダクタL2が構成され、内部電極27a〜27cによりキャパシタCが構成される。
本例のセラミック電子部品20では、上記のように積層型LCフィルタが構成されているが、セラミック焼結体21が本発明の絶縁体セラミックを用いて構成されているので、上述のセラミック多層基板2と同様に、低温焼成により得ることができ、したがって、内部電極である導体パターン26a〜26cや電極パターン27a〜27cとして、銅、銀、金などの低融点金属を用いて絶縁体セラミック組成物と同時焼成することができる。すなわち、比抵抗の小さな導体材料を用いることができることに加えて、絶縁体セラミックの高周波におけるQ値が高いので、高周波用途に適した積層型LCフィルタを構成することができる。
なお、上述した各例では、セラミック多層モジュールや積層型LCフィルタを例にとり説明したが、本発明に係るセラミック電子部品はこれらの構造に限定されるものではない。すなわち、マルチチップモジュール用セラミック多層基板、ハイブリッドIC用セラミック多層基板などの各種セラミック多層基板、あるいはこれらのセラミック多層基板に電子部品素子を搭載した様々なセラミック電子部品、さらに、チップ型積層コンデンサやチップ型積層誘電体アンテナなどの様々なチップ型積層電子部品に適用することができる。
実施例
以下、本発明を具体的な実施例に基づきさらに詳細に説明する。
<実施例1>
原料粉末としてMg(OH)2とAl2O3の粉末を、化学量諭比組成でMgAl2O4となるように秤量し、これを16時間湿式混合した後、乾燥した。次に、乾燥した混合物を1350℃で2時間仮焼した後、粉砕した。そして、粉砕により得られた粉末と、市販のTiO2粉末とを混合して、セラミック粉末を調製した。
また、下記表1に示す成分組成を有するガラス粉末を得るため、素原料粉末を所定量混合し、700〜1400℃で仮焼し、粉砕して、下記表1に示す組成G1〜G40のガラス粉末を調製した。
そして、下記の表2〜3に示す割合で、セラミック粉末とガラス粉末とを配合した。さらに、これら配合物に適量のCuO、溶剤、バインダおよび可塑剤を加え、試料S1〜S51の各スラリーを得た。この各スラリーを用い、ドクターブレード法により厚み50μmの第1のセラミックグリーンシートを成形した。
次に、24枚の上記第1のセラミックグリーンシートを積層し、2000kg/cm2の圧力で成形して、直径12mmおよび厚さ7mmの円柱状の未焼成積層体を得た。
次に、この第1のセラミックグリーンシートからなる積層体とは別に、1000℃以下では焼結しないセラミック粉末として市販のアルミナ粉末を用意し、アルミナ粉末、溶剤、バインダ、可塑剤を混合して、第2のスラリーを得た。この第2のスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み50μmの第2のセラミックグリーンシートを成形した。
このようにして得られた第2のグリーンシートを縦30mm×横10mmの大きさにカットし、第1のセラミックグリーンシートからなる積層体の積層方向外側の両主面に、第2のセラミックグリーンシートを1層ずつ配置し、圧着した。すなわち、第2のセラミックグリーンシート間に第1のセラミックグリーンシートからなる積層体を挟持し、かつ第2のセラミックグリーンシート間において第1のセラミックグリーンシートからなる積層体が積層方向に圧着された状態で、これを大気中900℃〜1000℃で2時間焼成して第1のセラミックグリーンシートからなる積層体を焼成した。しかる後、未焼結状態にある第2のセラミックグリーンシートに基づく層を除去することによって、絶縁体セラミック試料を得た。
この絶縁体セラミック試料を用いて、両端短絡型誘電体共振器法によって15GHzにおける比誘電率εrおよびQ値を測定した。さらに上記絶縁体セラミック試料の熱膨張係数と寸法ばらつきを測定した。
次に、上記第1のセラミックグリーンシートを所定の大きさに打ち抜き、これにAg系導電ペーストをスクリーン印刷することによりコンデンサ用内部電極を形成し、これを交互に積層し、加圧することによって得られた積層体を900〜1000℃で焼成することによってセラミック焼結体を得た。このセラミック焼結体に外部電極として導電ペーストを塗布・焼付することによって、表2〜3の成分組成を有する絶縁体セラミックからなる積層コンデンサを得た。
そして、この積層コンデンサに50Vの電圧をかけながら120℃、相対湿度95%、圧力2atmの条件で200時間、積層コンデンサを放置した。この高温・高湿度試験前後の絶縁抵抗の変化(TCC)を測定し、耐湿性を判断した。その結果を、下記の表2〜3に併せて示す。
なお、表2において、試料S0では、第1のセラミックグリーンシートからなる積層体を、第2のセラミックグリーンシートを用いずに焼成して得たものである。
なお、下記の表1において、Li2O、NaOおよびK2Oは、他のガラス成分全体を100重量%とした場合、他の成分の合計100重量%に対して添加された割合(重量%)で示されている。
【表1】
【表2】
【表3】
<実施例2>
原料粉末としてMg(OH)2粉末とAl2O3粉末を用い、化学量諭比組成でMgAl2O4となるようにこれらを秤量し、16時間湿式混合した後、乾燥した。この混合物を1350℃で2時間仮焼した後、粉砕した。粉砕により得られたセラミック粉末と、上述の組成G1〜G40のいずれかのガラス粉末とを下記の表4に示す割合で混合し、さらに必要に応じてCuOを添加した。また、この混合物に溶剤、適量のバインダおよび可塑剤を加えて混合し、No.T1〜T29の各スラリーを得た。このスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み50μmのセラミックグリーンシートを成形した。
次に、上記セラミックグリーンシートとは別に、実施例1で用いた第2のセラミックグリーンシートを別途用意した。
以下、実施例1と同様にして、絶縁体セラミック試料を準備し、実施例1と同様に評価した。ただし、本実施例では、高湿度試験前後の絶縁抵抗の変化は評価しておらず、絶縁体セラミック試料の抗折強度を測定した。
なお、試料番号T0では、第2のグリーンシートを用いずに、第1のセラミックグリーンシートからなる積層体をそのまま焼成したものである。その結果を下記の表4に示す。
【表4】
上述した各実施例から判るように、各実施例の絶縁体セラミック組成物は、MgAl2O4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、1000℃以下の低温で焼成され得る。したがって、この絶縁体セラミック組成物を銀や銅などの低融点金属からなる導体材料と同時焼成することができ、これらの導体材料を内部電極などに用いることができるので、高周波特性に優れたセラミック多層基板を実現できる。
また、特に、実施例1に係る絶縁体セラミック組成物は、酸化チタン(TiO2)を含むMgAl2O4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、これを焼成することにより得られる絶縁体セラミックは、高い機械的強度を有し、かつ高周波帯において高いQ値を示す。したがって、高周波特性に優れ、かつ機械的に強度に優れたセラミック多層基板が得られる。
また、実施例2に係る絶縁体セラミック組成物は、一部をMg2SiO4で置き換えられたMgAl2O4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、これを焼成することにより得られる絶縁体セラミックは、高い機械的強度を有し、高熱膨張係数を有し、かつ高周波帯において高いQ値を示す。したがって、高周波特性に優れ、機械的に強度に優れ、かつ高熱膨張係数を有するセラミック多層基板が得られる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によれば、機械的強度が高く、高周波特性に優れたセラミック電子部品を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のセラミック多層基板を用いたセラミック電子部品であるセラミック積層モジュールの縦断面図である。
第2図は、第1図に示したセラミック多層モジュールの分解斜視図である。
第3図は、本発明のセラミック多層基板を用いたセラミック電子部品である積層型LCフィルタの分解斜視図である。
第4図は、第2図に示した積層型LCフィルタの斜視図である。
第5図は、第3図に示した積層型LCフィルタの等価回路図である。
本発明は、例えば多層回路基板に用いられる絶縁体セラミック組成物に関し、より特定的には、半導体素子や各種電子部品素子を搭載するための複合多層回路基板に好適に用いることができ銅や銀などの導体材料と同時焼成可能な絶縁体セラミック組成物、ならびに絶縁体セラミック組成物を焼結して得られた絶縁体セラミック、セラミック多層基板およびセラミック電子部品、ならびにセラミック多層基板の製造方法に関する。
背景技術
近年、電子機器の高速化および高周波化が進んでおり、これに伴って、電子機器に搭載される電子部品においても、高速化および高周波化が求められている。また、電子機器の小型化に伴い、電子部品についても、小型化や高密度実装され得ることが要求されている。
上記のような要求に応えるために、半導体素子や各種回路素子を搭載するための基板として、多層回路基板が用いられている。多層回路基板では、基板内に導体回路や電子部品機能素子が3次元的に内蔵されているので、電子部品の小型化を進めることができる。
上記多層回路基板を構成する材料としては、アルミナが多用されている。ところが、アルミナの焼成温度は1500℃〜1600℃であり、アルミナ多層回路基板に内蔵される回路用の導体材料としては、Mo、Mo−Mn、Wなどの高融点金属を用いなければならなかった。ところが、これらの高融点金属は高価なうえ、電気抵抗が高いという問題があった。
そこで、上記の高融点金属よりも電気抵抗が低くかつ安価な金属、例えば銅などを導体材料として用いることが強く求められており、銅を導体材料として用いることを可能とするため、例えば、特開平5−238774号公報では、1000℃以下の低温で焼成され得るガラスセラミックスや結晶化ガラスなどの基板材料が提案されている。また、Siチップなどの半導体デバイスとの接続を考慮して、例えば、特開平8−34668号公報には、熱膨張係数がSiに近いセラミックを多層回路基板材料として用いることも提案されている。しかしながら、上述した基板材料は機械的強度やQ値が低く、さらに析出する結晶相の種類や比率が焼成プロセスにより影響を受けやすいという問題があった。
また、絶縁体セラミック組成物を用いたセラミック多層基板の上には半導体デバイスなどのチップ部品が実装されることがあり、他方、チップ部品を搭載したセラミック多層基板は、セラミック電子部品としてプリント基板などの回路基板に搭載される。したがって、このようなセラミック電子部品には、信号入出力のための入出力端子を設ける必要があるが、電子部品の小型化に伴って、入出力端子間の距離を小さくする必要があった。
そのため、絶縁体セラミック組成物を焼成して得られる絶縁体セラミックには、寸法精度の高いことが強く求められている。ところが、従来の絶縁体セラミック組成物を焼成して得られた低誘電率の絶縁体セラミックの寸法精度は、未だ十分ではなかった。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、▲1▼銀や銅などの低融点導体材料と同時に焼成することができ、▲2▼比誘電率が小さく、高周波特性に優れており、比較的高い熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを得ることを可能とする絶縁体セラミック組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、低温焼成で得られ、比誘電率が小さく、高周波特性に優れており、高い熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、上記本発明に係る絶縁体セラミック組成物を用いて構成されており、高周波特性に優れ、回路パターンの高密度化を達成したセラミック多層基板およびセラミック電子部品を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、低温の焼成で得ることができ、高周波特性に優れ、寸法精度に優れ、回路パターンの高密度化を達成できるセラミック多層基板の製造方法を提供することにある。
発明の開示
すなわち、本発明は、スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、前記絶縁体セラミック組成物はさらに酸化チタンを含有することを特徴とする絶縁体セラミック組成物(以下、本発明の第1の絶縁体セラミック組成物と称することがある)に係るものである。
本発明の第1の絶縁体セラミック組成物において、前記酸化チタンは前記セラミック粉末中に含有されていることが好ましい。また、前記酸化チタンは、前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対して0.5〜15重量%の割合で含まれていることが好ましい。
また、本発明は、スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、前記セラミック粉末における前記スピネルの一部がMg2SiO4に置き換えられていることを特徴とする絶縁体セラミック組成物(以下、本発明の第2の絶縁体セラミック組成物と称することがある)を提供するものである。
本発明の第2の絶縁体セラミック組成物において、前記Mg2SiO4は、前記スピネル100重量%に対して15重量%以下の割合で置換されていることが好ましい。
本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物において、前記ガラス粉末には、酸化ホウ素がB2O3換算でガラス粉末全体の20モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。また、前記ガラス粉末には、CaO,SrO,BaOおよびZnOからなる群から選択された少なくとも1種の酸化物が前記ガラス粉末全体の30モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。また、前記ガラス粉末には、酸化アルミニウムがAl2O3換算で前記ガラス粉末全体の10モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。さらに、前記ガラス粉末には、Li2O,K2OおよびNa2Oからなる群から選択された少なくとも1種のアルカリ金属酸化物が前記ガラス粉末100重量%に対して10重量%以下の割合で添加されていることが好ましい。
また、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物においては、酸化銅が前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対してCuO換算で3重量%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。
さらに、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物においては、前記セラミック粉末と前記ガラス粉末とが、重量比で20:80〜80:20の割合で配合されていることが好ましい。
また、本発明は、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる絶縁体セラミックに係るものである。
また、本発明は、複数のセラミック層と、前記複数のセラミック層のうち少なくとも1層のセラミック層に形成された配線導体とを備えるセラミック多層基板であって、前記複数のセラミック層は、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層を含むセラミック多層基板を提供するものである。
本発明のセラミック多層基板において、前記複数のセラミック層は、前記絶縁体セラミック層の少なくとも一方主面に積層された、前記絶縁体セラミック層よりも誘電率の高い誘電体セラミック層をさらに含んでいてよい。
また、本発明は、本発明のセラミック多層基板と、前記セラミック多層基板上に実装され、前記配線導体に電気的に接続された回路素子とを備えるセラミック電子部品を提供するものである。
また、本発明は、本発明のセラミック多層基板と、インダクタおよびキャパシタのうち少なくとも一方の回路素子を形成する前記配線導体とを有するセラミック電子部品を提供するものである。
さらに、本発明は、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物で形成された第1のセラミックグリーンシートを積層して、積層体を用意する工程と、前記第1のセラミックグリーンシートとは焼結温度の異なる第2のセラミックグリーンシートを前記第1のセラミックグリーンシートの少なくとも一方主面に接するように設ける工程と、前記第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第2のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程と、を備えるセラミック多層基板の製造方法を提供するものである。
本発明のセラミック多層基板の製造方法において、前記第2のセラミックグリーンシートは、前記第1のセラミックグリーンシートの焼成温度では実質的に焼結しないセラミックグリーンシートであることが好ましい。また、前記第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第2のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程は、焼成温度1000℃以下で行われることが好ましい。
発明を実施するための最良の形態
本発明の第1の絶縁体セラミック組成物は、スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%、および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を少なくとも含有し、セラミック粉末は酸化チタン(TiO2)を含むことを特徴とするものである。
この絶縁体セラミック組成物に含まれるセラミック粉末において、主成分であるMgAl2O4は、高周波特性および抗折強度に優れ、添加成分であるTiO2は、ガラス成分の結晶化を促進する核形成剤として作用する。したがって、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより、強度に優れ、かつ高周波特性に優れた、すなわち高周波領域で大きなQ値を示す絶縁体セラミックを得ることができる。
この絶縁体セラミック組成物において、ガラス粉末にCa成分が含まれている場合、Q値の高い結晶が析出しやすくなるために焼結後の絶縁体セラミックのQ値を高めることができるが、ガラス中にCaが残りやすくなる。ガラス中にCa成分が残存していると、絶縁体セラミックの外表面にめっき等により外部電極を形成する際に、ガラス中のCaがめっき液に溶出しやすくなり、ガラスがもろくなりやすい。絶縁体セラミック組成物中にTiO2が添加されている場合には、TiO2がQ値の高い結晶を析出したガラス中に残るCa成分と反応し、CaTiO3が生成される。そのため、第1の絶縁体セラミック組成物を焼成して得られた絶縁体セラミックにおける耐めっき性が高められる。
また、CaTiO3は熱膨張係数が比較的大きいが、その析出量をTiO2の含有により調整することができ、ひいては絶縁体セラミックの熱膨張係数を調整することができる。さらに、TiO2やCaTiO3は負の誘電率温度特性を有するため、絶縁体セラミックの誘電率の温度特性を、TiO2の含有割合により調整することができる。
以上のことから、本発明の第1の絶縁体セラミック組成物においては、TiO2は、セラミック粉末およびガラス粉末全重量の0.5〜15重量%の割合で含まれていることが好ましい。TiO2の含有割合が0.5重量%未満であると、誘電率温度特性が正に大きくなりすぎることがあり、15重量%を超えると、誘電率温度特性が負に大きくなりすぎることがある。
なお、第1の絶縁体セラミック組成物において、TiO2はセラミック粉末として含有されていることが好ましい。
本発明の第2の絶縁体セラミック組成物は、スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%、および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を少なくとも含有し、スピネルの一部がMg2SiO4粉末に置き換えられていることを特徴とするものである。
第2の絶縁体セラミック組成物に含まれるセラミック粉末において、主成分であるMgAl2O4は高周波特性および抗折強度に優れ、副成分であるMg2SiO4は高周波特性に優れ、高い熱膨張係数を有する。したがって、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより、強度に優れ、高周波特性に優れ、かつ高熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを得ることができる。
この絶縁体セラミック組成物において、セラミック粉末におけるMg2SiO4は、スピネル100重量%に対して15重量%以下の割合で置換されていることが好ましい。その割合が15重量%を超えると、抗折強度が低くなりすぎることがある。
これら第1、第2の絶縁体セラミック組成物は、特に1000℃以下で焼成することにより緻密な焼結体(すなわち絶縁体セラミック)を得ることができる。そのため、これらの絶縁体セラミック組成物は、比抵抗の小さな銅や銀などの低融点金属材料と同時焼成することが可能であり、導電率が高く、高周波用途に適した配線導体を備えたセラミック多層基板やセラミック電子部品を作製することができる。
本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物に含まれるガラス粉末は、酸化ケイ素がSiO2換算で30〜60モル%の割合で含まれていることが必要である。SiO2の割合が30モル%未満であると、焼成により得られる絶縁体セラミックの結晶化度が低くなるためQ値が低下する。他方、SiO2の含有割合が60モル%を超えると、ガラスの溶融温度が高くなるため低温での焼結が困難になる。
また、このガラス粉末には、酸化マグネシウムがMgO換算で20〜55モル%の割合で含まれていることが必要である。MgOはガラスの軟化点を下げる作用を有するため、ガラス粉末の作製が容易になる。また、MgOは結晶化ガラス中の結晶構成成分であるため、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる絶縁体セラミックにおいては、フォルステライト、エンスタタイト、ディオプサイド、モンチセライトなどのMgO相を含むMgO−SiO2系、MgO−CaO−SiO2系の結晶相が析出する。このような結晶相を有する絶縁体セラミックは、数万GHzというQf値を有し、高周波特性に極めて優れている。ガラス粉末におけるMgOの含有割合が20モル%未満であると、得られる絶縁体セラミックのQ値が低くなる。他方、MgOの含有割合が55モル%を超えると、MgO系結晶相の析出量が多くなりすぎ、得られる絶縁体セラミックの強度が低下したり、低温での焼結が困難になる。
このガラス粉末には、酸化ホウ素がB2O3換算でガラス粉末全体の20モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。B2O3は、主にガラス粉末を作製する際の融剤として作用するため、B2O3を含有させることによりガラス粉末の作製が容易になる。B2O3の含有割合が20モル%を超えると、得られる絶縁体セラミックの耐湿性が低下したり、絶縁体セラミックのメッキ液に対する耐溶出性が低下することがある。
また、このガラス粉末には、CaO,SrO,BaOおよびZnOからなる群より選択された少なくとも1種の酸化物が、ガラス粉末全体の30モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。こららアルカリ土類金属をはじめとする酸化物はガラスの軟化点を下げる作用を有するため、これらの酸化物を含有させることによりガラス粉末の作製が容易になる。また、これらの酸化物は結晶化ガラス中の結晶構成成分であるため、得られる絶縁体セラミックにおいてはQ値の高い結晶相が析出する。ガラス粉末におけるこれらの酸化物の含有割合が30モル%を超えると、得られる絶縁体セラミックの耐湿性や耐溶出性が低下したり、Q値が低下することがある。
また、このガラス粉末には、酸化アルミニウムがAl2O3換算でガラス粉末全体の10モル%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。Al2O3はガラスの化学的安定性を高める作用を有する。Al2O3の含有割合が10モル%を超えると、得られる絶縁体セラミックのQ値が低下したり、熱膨張係数が低下することがある。
また、このガラス粉末には、ガラス粉末100重量%に対して、Li2O,K2OおよびNa2Oからなる群から選択された少なくとも1種のアルカリ金属酸化物が10重量%以下の割合でさらに添加されていることが好ましい。これらのアルカリ金属酸化物は、ガラスの軟化点を下げる作用を有する。これらのアルカリ金属酸化物の添加割合が10重量%を超えると、得られる絶縁体セラミックのQ値が低下したり、耐溶出性が低下することがある。
なお、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物に含まれるガラス粉末としては、各成分組成を有するガラス粉末を混合した粉末を用いてもよいが、各成分組成を有するガラス粉末を混合した後、700〜1400℃で一旦仮焼し、粉砕した粉末を用いることが好ましい。
第1、第2の絶縁体セラミック組成物には、酸化銅がCuO換算で全体の3重量%以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。酸化銅は、第1、第2の絶縁体セラミック組成物の焼成温度をさらに低下させる作用を有する。CuOの含有割合が全体の3重量%を超えると、Q値が低下することがある。
これら第1、第2の絶縁体セラミック組成物においては、セラミック粉末と、ガラス粉末とが、重量比で20:80〜80:20の割合で配合されていることが好ましい。この範囲よりもセラミック粉末の配合割合が多くなると、得られる絶縁体セラミックの密度が小さくなることがあり、上記範囲よりガラス粉末の配合割合が多くなると、得られる絶縁体セラミックのQ値が小さくなることがある。
なお、本発明によれば、第1の絶縁体セラミック組成物において、セラミック粉末中のMgAl2O4の一部がMg2SiO4に置き換えられていてもよいし、第2の絶縁体セラミック組成物がさらに酸化チタンを含有していてもよい。このときのMg2SiO4の置換量や酸化チタンの添加量は上述した通りである。
本発明の絶縁体セラミックは、上述した第1の絶縁体セラミック組成物または第2の絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる。したがって、本発明の絶縁体セラミックは、強度が高く、高周波特性に優れている。
この絶縁体セラミックは、特に、測定周波数15GHzにおけるQ値が400以上であることが望ましい。本発明の絶縁体セラミック組成物によれば、Qf値、すなわち15GHz×Q値が6000以上の絶縁体セラミックを得ることが十分に可能であり、高周波帯での使用に適したセラミック多層基板を提供することが可能となる。
本発明のセラミック多層基板は、複数のセラミック層と、このうち少なくとも1層のセラミック層に形成された配線導体とを備えるものであり、複数のセラミック層においては、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層が含まれている。
このセラミック多層基板において、複数のセラミック層は、絶縁体セラミック層の少なくとも一方主面に積層された、絶縁体セラミック層よりも誘電率の高い誘電体セラミック層をさらに含むことが好ましい。すなわち、本発明のセラミック多層基板は、本発明の絶縁体セラミックを絶縁体層として含んだセラミック多層基板のほか、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体層と、この絶縁体セラミックよりも誘電率の大きな誘電体セラミックからなる誘電体層とを積層した異種材料複合型のセラミック多層基板にも向けられる。
本発明のセラミック電子部品は、本発明のセラミック多層基板と、セラミック多層基板上に実装され、配線導体に電気的に接続された回路素子と、を備えるものである。すなわち、本発明のセラミック電子部品は、セラミック多層基板上に半導体デバイス等の能動素子やチップコンデンサ等の受動素子を搭載したモジュール部品に向けられる。
また、本発明のセラミック電子部品は、本発明のセラミック多層基板と、インダクタおよびキャパシタのうち少なくとも一方を構成する配線導体を備えるものであってもよい。すなわち、本発明のセラミック電子部品は、セラミック多層基板にインダクタやコンデンサを内蔵する積層型LCフィルタなどのチップ状部品にも向けられる。
これら本発明のセラミック電子部品において、絶縁体セラミックからなるセラミック素体と、セラミック素体内に配置された内部電極およびセラミック素体の外表面に形成され、内部電極と電気的に接続された外部電極からなる配線導体とを備えていることが好ましい。また、セラミック素体は複数のセラミック層が積層されてなり、内部電極のうち、一方の電位に接続された内部電極と他方の電位に接続された内部電極とが、セラミック層を介して対向し、キャパシタを形成していることが好ましい。また、セラミック電子部品において、内部電極は、互いに接続されることによりインダクタを構成していてもよい。
本発明のセラミック多層基板の製造方法は、本発明の第1、第2の絶縁体セラミック組成物で形成された第1のセラミックグリーンシートを積層してなる積層体を用意する工程と、
第1のセラミックグリーンシートとは焼結温度の異なる第2のセラミックグリーンシートを前記第1のセラミックグリーンシートの少なくとも一方主面、好ましくは両主面に接するように設ける工程と、
第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と第2のセラミックグリーンシートとからなる複合積層体を同時に焼成する工程と、
を備える、セラミック多層基板の製造方法にも向けられる。
ここで、第2のセラミックグリーンシートは、第1のセラミックグリーンシートの焼成温度では実質的に焼結しないセラミックグリーンシートであることが好ましい。また、第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と第2のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程は、焼成温度1000℃以下で行われることが好ましい。この場合、第2のセラミックグリーンシートに含まれるセラミック粉末としては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミック粉末を用いることができる。
次に、図面を参照しながら、本発明のセラミック電子部品の実施形態例を説明する。
第1図は、本発明のセラミック電子部品としてのセラミック多層モジュールの断面図であり、第2図はその斜視図である。
セラミック多層モジュール1は、セラミック多層基板2を用いて構成されている。セラミック多層基板2は、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層3a,3b間に、例えばチタン酸バリウムにガラスを加えてなる相対的に誘電率の高い誘電体セラミック層4が挟まれた異種材料複合型の多層構造を有している。
誘電体セラミック層4内には、複数の内部電極5が誘電体セラミック層4の一部を介して隣り合うように配置されており、それによってキャパシタC1,C2が構成されている。
また、絶縁体セラミック層3a,3bおよび誘電体セラミック層4には、複数のビアホール電極6,6aや内部配線が形成されている。
他方、セラミック多層基板2の上面には、電子部品素子9〜11が実装されている。電子部品素子9〜11としては、半導体デバイス、チップ型積層コンデンサなどの任意の電子部品素子を用いることができる。ビアホール電極6および内部配線により、これらの電子部品素子9〜11と、キャパシタC1,C2とが電気的に接続されて、セラミック多層モジュール1の電気回路を構成している。
また、セラミック多層基板2の上面には、導電性キャップ8が固定されている。導電性キャップ8は、セラミック多層基板2を上面から下面に向かって貫いているビアホール電極6aに電気的に接続されている。セラミック多層基板2の下面に外部電極7が形成されており、外部電極7はビアホール電極6や6aに電気的に接続されている。また、他の外部電極については図示を省略しているが、外部電極7と同様に、セラミック多層基板2の下面に形成されている。また、他の外部電極は、上述した内部配線を介して、電子部品素子9〜11やキャパシタC1,C2と電気的に接続されている。
このように、セラミック多層基板2の下面に外部と接続するための外部電極7を形成することにより、セラミック積層モジュール1を、下面側を利用してプリント回路基板などに容易に実装することができる。
また、本例では、キャップ8が導電性材料からなり、外部電極7にビアホール電極6aを介して電気的に接続されているので、電子部品素子9〜11を導電性キャップ8により電磁気的にシールドすることができる。もっとも、キャップ8は、必ずしも導電性材料で構成されている必要はない。
セラミック多層モジュール1では、絶縁体セラミック層3a,3bが本発明に係る絶縁体セラミックを用いているので誘電率が低く、かつ高周波でのQ値も高いので、高周波用途に適したセラミック多層モジュール1を提供することができる。
なお、セラミック多層基板2は、周知のセラミック積層一体焼成技術を用いて容易に得ることができる。
すなわち、まず、チタン酸バリウム等の誘電体セラミック組成物を主体とするセラミックグリーンシートを用意し、内部電極5、外部配線およびビアホール電極6,6aなどを構成するための電極パターンを印刷し、所定の電極パターンを備えた誘電体セラミック層用のセラミックグリーンシートを準備する。また、本発明の絶縁体セラミック組成物からなるセラミックグリーンシートを用意し、内部電極5、外部配線およびビアホール電極6,6aなどを構成するための電極パターンを印刷することによって、所定の電極パターンを備えた絶縁体セラミック層用のセラミックグリーンシートを準備する。
そして、誘電体セラミック層用のセラミックグリーンシート、絶縁体セラミック相用のセラミックグリーンシートをそれぞれ所定の枚数を積層し、厚み方向に加圧する。このようにして得られた未焼成の積層体を所定の焼成条件下で焼成することにより、セラミック多層基板2を得ることができる。
第3図〜第5図は、本発明のセラミック電子部品である積層型LCフィルタの分解斜視図、外観斜視図および回路図である。
第4図に示す積層セラミック電子部品20は積層型LCフィルタである。セラミック焼結体21内に、後述のようにインダクタンスLおよびキャパシタCを構成する回路が構成されている。セラミック焼結体21は、本発明の絶縁体セラミックによって構成されている。また、セラミック焼結体21の外表面には、外部電極23a,23b,24a,24bが形成されており、外部電極23a,23b,24a,24b間には、第5図に示すLC共振回路が構成されている。
次に、上記セラミック焼結体21内の構成を、第3図を参照しつつ製造方法を説明することにより明らかにする。
まず、本発明の絶縁体セラミック組成物に、有機ビヒクルを添加し、セラミックスラリーを得る。このセラミックスラリーを、適宜のシート成形法により形成し、セラミックグリーンシートを得る。このようにして得られたセラミックグリーンシートを乾燥した後所定の大きさに打ち抜き、矩形のセラミックグリーンシート21a〜21mを用意する。
次に、セラミックグリーンシート21a〜21mに、ビアホール電極28を構成するための貫通孔を必要に応じて形成する。さらに、導電ペーストをスクリーン印刷することにより、インダクタL1用のコイル導体26a,26b、キャパシタC用の内部電極27a〜27c、インダクタL2用のコイル導体26c,26dを形成すると共に、上記ビアホール28用貫通孔に導電ペーストを充填し、ビアホール電極28を形成する。
しかる後、セラミックグリーンシート21a〜21mを図示の向きに積層し、厚み方向に加圧し積層体を得る。得られた積層体を焼成し、セラミック焼結体21を得る。
上記のようにして得られたセラミック焼結体21に、第4図に示したように外部電極23a〜24bを、導電ペーストの塗布・焼き付け、蒸着、メッキもしくはスパッタリングなどの薄膜形成法等により形成する。このようにして、積層セラミック電子部品20を得ることができる。
第3図から明らかなように、コイル導体26a,26bにより第5図に示すインダクタL1が、コイル導体26c,26dによりインダクタL2が構成され、内部電極27a〜27cによりキャパシタCが構成される。
本例のセラミック電子部品20では、上記のように積層型LCフィルタが構成されているが、セラミック焼結体21が本発明の絶縁体セラミックを用いて構成されているので、上述のセラミック多層基板2と同様に、低温焼成により得ることができ、したがって、内部電極である導体パターン26a〜26cや電極パターン27a〜27cとして、銅、銀、金などの低融点金属を用いて絶縁体セラミック組成物と同時焼成することができる。すなわち、比抵抗の小さな導体材料を用いることができることに加えて、絶縁体セラミックの高周波におけるQ値が高いので、高周波用途に適した積層型LCフィルタを構成することができる。
なお、上述した各例では、セラミック多層モジュールや積層型LCフィルタを例にとり説明したが、本発明に係るセラミック電子部品はこれらの構造に限定されるものではない。すなわち、マルチチップモジュール用セラミック多層基板、ハイブリッドIC用セラミック多層基板などの各種セラミック多層基板、あるいはこれらのセラミック多層基板に電子部品素子を搭載した様々なセラミック電子部品、さらに、チップ型積層コンデンサやチップ型積層誘電体アンテナなどの様々なチップ型積層電子部品に適用することができる。
実施例
以下、本発明を具体的な実施例に基づきさらに詳細に説明する。
<実施例1>
原料粉末としてMg(OH)2とAl2O3の粉末を、化学量諭比組成でMgAl2O4となるように秤量し、これを16時間湿式混合した後、乾燥した。次に、乾燥した混合物を1350℃で2時間仮焼した後、粉砕した。そして、粉砕により得られた粉末と、市販のTiO2粉末とを混合して、セラミック粉末を調製した。
また、下記表1に示す成分組成を有するガラス粉末を得るため、素原料粉末を所定量混合し、700〜1400℃で仮焼し、粉砕して、下記表1に示す組成G1〜G40のガラス粉末を調製した。
そして、下記の表2〜3に示す割合で、セラミック粉末とガラス粉末とを配合した。さらに、これら配合物に適量のCuO、溶剤、バインダおよび可塑剤を加え、試料S1〜S51の各スラリーを得た。この各スラリーを用い、ドクターブレード法により厚み50μmの第1のセラミックグリーンシートを成形した。
次に、24枚の上記第1のセラミックグリーンシートを積層し、2000kg/cm2の圧力で成形して、直径12mmおよび厚さ7mmの円柱状の未焼成積層体を得た。
次に、この第1のセラミックグリーンシートからなる積層体とは別に、1000℃以下では焼結しないセラミック粉末として市販のアルミナ粉末を用意し、アルミナ粉末、溶剤、バインダ、可塑剤を混合して、第2のスラリーを得た。この第2のスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み50μmの第2のセラミックグリーンシートを成形した。
このようにして得られた第2のグリーンシートを縦30mm×横10mmの大きさにカットし、第1のセラミックグリーンシートからなる積層体の積層方向外側の両主面に、第2のセラミックグリーンシートを1層ずつ配置し、圧着した。すなわち、第2のセラミックグリーンシート間に第1のセラミックグリーンシートからなる積層体を挟持し、かつ第2のセラミックグリーンシート間において第1のセラミックグリーンシートからなる積層体が積層方向に圧着された状態で、これを大気中900℃〜1000℃で2時間焼成して第1のセラミックグリーンシートからなる積層体を焼成した。しかる後、未焼結状態にある第2のセラミックグリーンシートに基づく層を除去することによって、絶縁体セラミック試料を得た。
この絶縁体セラミック試料を用いて、両端短絡型誘電体共振器法によって15GHzにおける比誘電率εrおよびQ値を測定した。さらに上記絶縁体セラミック試料の熱膨張係数と寸法ばらつきを測定した。
次に、上記第1のセラミックグリーンシートを所定の大きさに打ち抜き、これにAg系導電ペーストをスクリーン印刷することによりコンデンサ用内部電極を形成し、これを交互に積層し、加圧することによって得られた積層体を900〜1000℃で焼成することによってセラミック焼結体を得た。このセラミック焼結体に外部電極として導電ペーストを塗布・焼付することによって、表2〜3の成分組成を有する絶縁体セラミックからなる積層コンデンサを得た。
そして、この積層コンデンサに50Vの電圧をかけながら120℃、相対湿度95%、圧力2atmの条件で200時間、積層コンデンサを放置した。この高温・高湿度試験前後の絶縁抵抗の変化(TCC)を測定し、耐湿性を判断した。その結果を、下記の表2〜3に併せて示す。
なお、表2において、試料S0では、第1のセラミックグリーンシートからなる積層体を、第2のセラミックグリーンシートを用いずに焼成して得たものである。
なお、下記の表1において、Li2O、NaOおよびK2Oは、他のガラス成分全体を100重量%とした場合、他の成分の合計100重量%に対して添加された割合(重量%)で示されている。
【表1】
【表2】
【表3】
<実施例2>
原料粉末としてMg(OH)2粉末とAl2O3粉末を用い、化学量諭比組成でMgAl2O4となるようにこれらを秤量し、16時間湿式混合した後、乾燥した。この混合物を1350℃で2時間仮焼した後、粉砕した。粉砕により得られたセラミック粉末と、上述の組成G1〜G40のいずれかのガラス粉末とを下記の表4に示す割合で混合し、さらに必要に応じてCuOを添加した。また、この混合物に溶剤、適量のバインダおよび可塑剤を加えて混合し、No.T1〜T29の各スラリーを得た。このスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み50μmのセラミックグリーンシートを成形した。
次に、上記セラミックグリーンシートとは別に、実施例1で用いた第2のセラミックグリーンシートを別途用意した。
以下、実施例1と同様にして、絶縁体セラミック試料を準備し、実施例1と同様に評価した。ただし、本実施例では、高湿度試験前後の絶縁抵抗の変化は評価しておらず、絶縁体セラミック試料の抗折強度を測定した。
なお、試料番号T0では、第2のグリーンシートを用いずに、第1のセラミックグリーンシートからなる積層体をそのまま焼成したものである。その結果を下記の表4に示す。
【表4】
上述した各実施例から判るように、各実施例の絶縁体セラミック組成物は、MgAl2O4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、1000℃以下の低温で焼成され得る。したがって、この絶縁体セラミック組成物を銀や銅などの低融点金属からなる導体材料と同時焼成することができ、これらの導体材料を内部電極などに用いることができるので、高周波特性に優れたセラミック多層基板を実現できる。
また、特に、実施例1に係る絶縁体セラミック組成物は、酸化チタン(TiO2)を含むMgAl2O4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、これを焼成することにより得られる絶縁体セラミックは、高い機械的強度を有し、かつ高周波帯において高いQ値を示す。したがって、高周波特性に優れ、かつ機械的に強度に優れたセラミック多層基板が得られる。
また、実施例2に係る絶縁体セラミック組成物は、一部をMg2SiO4で置き換えられたMgAl2O4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、これを焼成することにより得られる絶縁体セラミックは、高い機械的強度を有し、高熱膨張係数を有し、かつ高周波帯において高いQ値を示す。したがって、高周波特性に優れ、機械的に強度に優れ、かつ高熱膨張係数を有するセラミック多層基板が得られる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によれば、機械的強度が高く、高周波特性に優れたセラミック電子部品を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のセラミック多層基板を用いたセラミック電子部品であるセラミック積層モジュールの縦断面図である。
第2図は、第1図に示したセラミック多層モジュールの分解斜視図である。
第3図は、本発明のセラミック多層基板を用いたセラミック電子部品である積層型LCフィルタの分解斜視図である。
第4図は、第2図に示した積層型LCフィルタの斜視図である。
第5図は、第3図に示した積層型LCフィルタの等価回路図である。
Claims (19)
- スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、前記絶縁体セラミック組成物はさらに酸化チタンを含有することを特徴とする、絶縁体セラミック組成物。
- 前記酸化チタンは前記セラミック粉末中に含有されている、請求の範囲第1項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- 前記酸化チタンは、前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対して0.5〜15重量%の割合で含まれている、請求の範囲第2項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- スピネル(MgAl2O4)を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をSiO2換算で30〜60モル%および酸化マグネシウムをMgO換算で20〜55モル%含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、前記セラミック粉末における前記スピネルの一部がMg2SiO4に置き換えられていることを特徴とする絶縁体セラミック組成物。
- 前記Mg2SiO4は、前記スピネル100重量%に対して15重量%以下の割合で置換されている、請求の範囲第4項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- 前記ガラス粉末には、酸化ホウ素がB2O3換算でガラス粉末全体の20モル%以下の割合でさらに含まれている、請求の範囲第1項または第4項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- 前記ガラス粉末には、CaO,SrO,BaOおよびZnOからなる群から選択された少なくとも1種の酸化物が前記ガラス粉末全体の30モル%以下の割合でさらに含まれている、請求の範囲第1項または第4項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- 前記ガラス粉末には、酸化アルミニウムがAl2O3換算で前記ガラス粉末全体の10モル%以下の割合でさらに含まれている、請求の範囲第1項または第4項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- 前記ガラス粉末には、Li2O,K2OおよびNa2Oからなる群から選択された少なくとも1種のアルカリ金属酸化物が前記ガラス粉末100重量%に対して10重量%以下の割合で添加されている、請求の範囲第1項または第4項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- 酸化銅が前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対してCuO換算で3重量%以下の割合でさらに含まれている、請求の範囲第1項または第4項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- 前記セラミック粉末と前記ガラス粉末とが、重量比で20:80〜80:20の割合で配合されている、請求の範囲第2項または第4項に記載の絶縁体セラミック組成物。
- 請求の範囲第1項または第4項に記載の絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる、絶縁体セラミック。
- 複数のセラミック層と、前記複数のセラミック層のうち少なくとも1層のセラミック層に形成された配線導体とを備えるセラミック多層基板であって、前記複数のセラミック層は、請求の範囲第12項に記載の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層を含む、セラミック多層基板。
- 前記複数のセラミック層は、前記絶縁体セラミック層の少なくとも一方主面に積層された、前記絶縁体セラミック層よりも誘電率の高い誘電体セラミック層をさらに含む、請求の範囲第13項に記載のセラミック多層基板。
- 請求の範囲第13項に記載のセラミック多層基板と、前記セラミック多層基板上に実装され、前記配線導体に電気的に接続された回路素子とを備える、セラミック電子部品。
- 請求の範囲第13項に記載のセラミック多層基板と、インダクタおよびキャパシタのうち少なくとも一方の回路素子を形成する前記配線導体とを有する、セラミック電子部品。
- 請求の範囲第1項または第4項に記載の絶縁体セラミック組成物で形成された第1のセラミックグリーンシートを積層して、積層体を用意する工程と、
前記第1のセラミックグリーンシートとは焼結温度の異なる第2のセラミックグリーンシートを前記第1のセラミックグリーンシートの少なくとも一方主面に接するように設ける工程と、
前記第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第2のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程と、
を備える、セラミック多層基板の製造方法。 - 前記第2のセラミックグリーンシートは、前記第1のセラミックグリーンシートの焼成温度では実質的に焼結しないセラミックグリーンシートである、請求の範囲第17項に記載のセラミック多層基板の製造方法。
- 前記第1のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第2のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程は、焼成温度1000℃以下で行われる、請求の範囲第18項に記載のセラミック多層基板の製造方法。
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