KR101073873B1 - 다층 세라믹 기판과 그 제조 방법, 및 전자 부품 - Google Patents

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Abstract

항절 강도가 높고, 휘어짐이 억제되고, 디라미네이션이 발생하기 어려운 다층 세라믹 기판을 제공한다.
내층부(3)와 표층부(4, 5)로 이루어지는 적층 구조를 갖고, 표층부(4, 5)의 열팽창 계수는 내층부(3)의 열팽창 계수보다 작고, 또한, 내층부(3)의 열팽창 계수와의 차가 1.0ppmK-1 이상이고, 표층부(4, 5)를 구성하는 재료와 내층부(3)를 구성하는 재료 사이의 공통 성분의 중량 비율이 75중량% 이상이다.
다층 세라믹 기판, 제조 방법, 전자 부품

Description

다층 세라믹 기판과 그 제조 방법, 및 전자 부품{MULTILAYER CERAMIC SUBSTRATE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND ELECTRONIC COMPONENT}
본 발명은 다층 세라믹 기판과 그 제조 방법 및 다층 세라믹 기판을 구비하는 전자 부품에 관한 것으로서, 특히, 다층 세라믹 기판의 강도를 향상시키기 위한 개량에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 흥미있는 다층 세라믹 기판이 예를 들면, 일본 특허 공개 평 6-29664호 공보(특허 문헌 1)에 기재되어 있다. 특허 문헌 1에는 유리와 잔부가 결정 질로 이루어지는 저온 소성 다층 세라믹 기판에 있어서, 그 최외층의 열팽창 계수를 내층의 열팽창 계수보다 작게 하고, 또한, 표리의 최외층의 두께의 합계를 내층의 두께보다 작게 하는 것이 기재되어 있다. 이러한 구성을 채용함으로써, 소성 후의 냉각 과정에 있어서, 표리의 최외층에 압축 응력이 발생하기 때문에 다층 세라믹 기판의 항절 강도가 향상한다고 여겨지고 있다.
그러나, 상술한 특허 문헌 1에 기재된 다층 세라믹 기판에는 다음과 같이 해결되어야 할 과제가 있다.
우선, 최외층과 내층의 사이에서의 열팽창 계수의 차를 단지 크게 하는 것만으로는 최외층과 내층의 경계부에서의 응력이 커져 경계부에 있어서 박리(디라미네 이션)나 보이드 등의 결함이 발생하는 경우가 있다. 특허 문헌 1에서는 열팽창 계수의 차가 O.4ppmK-1인 실시예와 0.6ppmK-1인 실시예가 나타내어져 있다. 이들 실시예가 갖는 조성과 열팽창 계수의 차의 조합에 의하면, 확실히, 특허 문헌 1에서 주장되고 있는 효과가 얻어진다. 그러나, 특허 문헌 1에는 열팽창 계수의 차의 제약에 대해서는 특별하게 기재되지 않았다.
그 때문에, 이 특허 문헌 1에 기재된 구성을 채용하면서도, 열팽창 계수의 차가 커지면, 확실히, 최외층과 내층의 경계부에서의 응력이 커지지만, 이 경계부에서의 접합력이 충분하지 않으면, 응력에 충분히 견딜 수 없고, 경계부에서 박리나 보이드 등의 결함이 발생하는 경우가 있다.
또한, 다층 세라믹 기판은 휘어짐량이 적은 것이 기판 표면으로의 부품 설치나 친기판(親其板)으로의 실장 등의 공정을 높은 신뢰성을 갖고 진행시키는데 있어서 바람직하다. 또한, 기판 표면으로의 부품 실장이 수지 코팅 등을 실시했을 경우에는 땜납 또는 접착제 또는 코팅 수지의 수축에 의해 인장되어서 다층 세라믹 기판이 휘어지는 문제에 조우할 경우가 있다. 그러나, 특허 문헌 1에 기재된 실시예에서 나타내어진 최외층과 내층의 사이에서의 열팽창 계수의 차에서는 이러한 차를 형성하지 않을 경우와 비교하여 휘어짐량에 관해서는 유의차는 보이지 않는다.
특허 문헌 1: 특허 공개 평 6-29664호 공보
그래서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고, 강도가 보다 높고, 또한, 휘어짐이 억제된 다층 세라믹 기판을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 다층 세라믹 기판을 제조하기 위한 바람직한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 다층 세라믹 기판을 구비하는 전자 부품을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 우선, 표층부와 내층부로 이루어지는 적층 구조를 갖는 다층 세라믹 기판에 관한 것이고, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위해서, 표층부의 열팽창 계수는 내층부의 열팽창 계수보다 작고, 또한, 내층부의 열팽창 계수와의 차가 1.0ppmK-1 이상이고, 표층부를 구성하는 재료와 내층부를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 75중량% 이상인 것을 특징으로 하고 있다.
표층부의 열팽창 계수는 내층부의 열팽창 계수와의 차가 4.3ppmK-1 이하인 것이 바람직하다.
표층부를 구성하는 재료는 Si02 및 M0(단, M0는 Ca0, Mg0, Sr0 및 BaO에서 선택된 적어도 1종)를 함유하는 유리를 포함하고, SiO2:MO=23:7~17:13이고, 내층부를 구성하는 재료는 SiO2 및 MO를 함유하는 유리를 포함하고, SiO2:MO=19:11~11:19인 것이 바람직하다.
상술의 경우, 표층부를 구성하는 재료에 포함되는 유리에 함유되는 SiO2는 34~73중량%이고, 내층부를 구성하는 재료에 포함되는 유리에 함유되는 SiO2는 22~60중량%인 것이 보다 바람직하다.
또한, 표층부를 구성하는 재료에 포함되는 유리는 34~73중량%의 SiO2, 14~41중량%의 MO, 0~30중량%의 B2O3 및 0~30중량%의 Al2O3를 함유하고, 내층부를 구성하는 재료에 포함되는 유리는 22~60중량%의 SiO2, 22~60중량%의 MO, 0~20중량%의 B2O3 및 0~30중량%의 Al2O3를 함유하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 표층부를 구성하는 재료는 필러로서의 Al2O3를 30~60중량% 함유하고, 내층부를 구성하는 재료는 필러로서의 Al2O3를 40~70중량% 함유하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 다층 세라믹 기판을 제조하는 방법에도 관한 것이다.
본 발명에 따른 다층 세라믹 기판의 제조 방법에서는 우선, 표층용 세라믹 그린 시트, 내층용 세라믹 그린 시트, 및 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트가 소결하는 온도에서는 소결하지 않는 무기 재료를 포함하는 구속용 세라믹 그린 시트가 각각 준비된다.
이어서, 적어도 1개의 내층용 세라믹 그린 시트를 적층 방향으로 끼우도록, 각각, 적어도 1개의 표층용 세라믹 그린 시트를 배치하고, 또한, 그 외측에 적어도 1개의 구속용 세라믹 그린 시트를 배치함으로써, 복합 적층체를 제작하는 공정이 실시된다.
이어서, 복합 적층체는 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트가 소결하지만, 구속용 세라믹 그린 시트가 소결하지 않는 온도에서 소성된다. 이것에 의해서, 표층용 세라믹 그린 시트에서 유래하는 표층부의 열팽창 계수가 내층용 세라믹 그린 시트에서 유래하는 내층부의 열팽창 계수보다 작고, 또한, 내층부의 열팽창 계수와의 차가 1.0ppmK-1 이상이고, 표층부를 구성하는 재료와 내층부를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 75중량% 이상인 소성 후의 복합 적층체가 얻어진다.
이어서, 소성 후의 복합 적층체에 구비하는 구속용 세라믹 그린 시트에서 유래하는 부분이 복합 적층체로부터 제거된다.
본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 다층 세라믹 기판을 구비하는 전자 부품에도 관한 것이다.
본 발명에 따른 다층 세라믹 기판에 의하면, 표층부의 열팽창 계수가 내층부의 열팽창 계수보다 작으므로, 특허 문헌 1의 경우와 같이 소성 후의 냉각 과정에서 표층부에 압축 응력이 발생하고, 그 결과, 다층 세라믹 기판의 항절 강도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다층 세라믹 기판에 의하면, 표층부의 열팽창 계수와 내층부의 열팽창 계수의 차가 1.0ppmK-1 이상이므로, 휘어짐을 억제할 수 있다. 이것은 열팽창 계수의 차를 1.0ppmK-1 이상으로 크게 함으로써, 다층 세라믹 기판을 휘어지도록 작용하는 면내 방향의 응력이 열팽창 계수의 차에 기인해서 표리면의 면내 방향으로 작용하는 응력에 비해서 상대적으로 작아지는 결과로 휘어짐이 교정되기 때문인 것으로 추측된다.
또한, 본 발명에 따른 다층 세라믹 기판에 의하면, 표층부를 구성하는 재료와 내층부를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 75중량% 이상이므로, 표층부와 내층부의 사이에서 충분한 접합력을 얻을 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 표층부와 내층부의 열팽창 계수의 차가 1.0ppmK-1 이상으로 커져도, 박리(디라미네이션)나 보이드 등의 결함을 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 세라믹 기판에 있어서, 표층부와 내층부의 열팽창 계수의 차가 4.3ppmK-1 이하이면 열팽창 계수의 차가 기인하는 박리나 보이드 등의 결함을 더 확실하게 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 세라믹 기판의 제조 방법에 의하면, 소성시에 있어서, 구속용 세라믹 그린 시트를 양쪽 주면 상에 배치한 복합 적층체를 소성하도록 하고 있으므로, 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트의 소성시에 있어서의 각 주면 방향에서의 수축을 억제할 수 있다. 그 때문에, 다층 세라믹 기판의 바람직하지 않은 변형을 억제하고, 치수 정밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 소성시에 있어서, 표층부와 내층부 사이에서 박리를 보다 발생하기 어렵게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 다층 세라믹 기판(1)을 구비하는 전자 부품(2)을 나타내는 정면도이고, 다층 세라믹 기판(1)에 대한 단면도를 나타내고 있다.
도 2는 도 1에 나타내어진 다층 세라믹 기판(1)의 제조 도중에 제작되는 복합 적층체(21)를 나타내는 단면도이다.
(도면 부호의 간단한 설명)
1: 다층 세라믹 기판 2: 전자 부품
3: 내층부 4: 표층부
6: 내층부 세라믹층 7,8: 표층부 세라믹층
21: 복합 적층체 22: 내층용 세라믹 그린 시트
23,24: 표층용 세라믹 그린 시트 25,26: 구속용 세라믹 그린 시트
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 다층 세라믹 기판(1)을 구비하는 전자 부품(2)을 나타내는 정면도이고, 다층 세라믹 기판(1)에 관해서는 단면도로 나타내고 있다.
다층 세라믹 기판(1)은 내층부(3) 및 내층부(3)를 적층 방향으로 끼우도록 위치하는 제 1 및 제 2의 표층부(4, 5)로 이루어지는 적층 구조를 갖고 있다. 내층부(3)는 적어도 1개의 내층부 세라믹층(6)을 갖도록 구성되고, 제 1 및 제 2의 표층부(4, 5)는 각각 적어도 1개의 표층부 세라믹층(7, 8)을 갖도록 구성되어 있다.
다층 세라믹 기판(1)은 배선 도체를 구비하고 있다. 배선 도체는 예를 들면, 콘덴서 또는 인덕터와 같은 수동 소자를 구성하거나, 또는 소자 간의 전기적 접속과 같은 접속 배선을 행하기 위한 것으로, 전형적으로는 도시한 것과 같이, 몇개의 도체막(9~11) 및 몇개의 비어 홀(via-hole) 도체(12)를 갖도록 구성된다.
도체막(9)은 다층 세라믹 기판(1)의 내부에 형성된다. 도체막(10, 11)은 각각 다층 세라믹 기판(1)의 한쪽 주면 상 및 다른 쪽 주면 상에 형성된다. 비어 홀 도체(12)는 도체막(9~11) 중 어느 하나와 전기적으로 접속되고, 또한, 세라믹층(6~8)의 어느 하나가 특정한 것을 두께 방향으로 관통하도록 설치된다.
다층 세라믹 기판(1)의 한쪽 주면 상에는 외부 도체막(10)에 전기적으로 접속된 상태에서 칩 부품(13, 14)이 탑재된다. 이것에 의해, 다층 세라믹 기판(1)을 구비하는 전자 부품(2)이 구성된다. 다층 세라믹 기판(1)의 다른 쪽 주면 상에 형성된 외부 도체막(11)은 상기 전자 부품(2)을 도시하지 않은 마더 보드(motherboard) 상에 실장할 때의 전기적 접속 수단으로서 사용된다.
이러한 전자 부품(2)에 구비하는 다층 세라믹 기판(1)에 있어서, 표층부(4, 5)의 열팽창 계수는 내층부(3)의 열팽창 계수보다 작고, 또한, 내층부(3)의 열팽창 계수와의 차가 1.0ppmK-1 이상이다. 또한, 표층부(4, 5)를 구성하는 재료와 내층부(3)를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 75중량% 이상이다.
이러한 특징적 구성이 채용됨으로써, 다층 세라믹 기판(1)에 높은 항절 강도를 부여할 수 있음과 아울러 다층 세라믹 기판(1)의 휘어짐을 효과적으로 억제할 수 있고, 또한, 표층부(4, 5)와 내층부(3)의 계면에 있어서 박리나 보이드 등의 결함을 발생시키기 어렵게 할 수 있다.
특히, 휘어짐에 대해서는 본 발명에 따라서, 표층부(4, 5)에 있어서 면내 방 향의 압축 응력을 작용시키는 방법을 채용했을 경우, 표층부(4, 5)의 열팽창 계수와 내층부(3)의 열팽창 계수의 차를 1.0ppmK-1 이상으로 함으로써, 다층 세라믹 기판(1)의 휘어짐을 크게 저감할 수 있는 것을 확인하였다. 즉, 휘어짐량과 열팽창 계수 차와의 관계는 열팽창 계수 차가 1.0ppmK-1 미만인 곳에서는 휘어짐량은 거의 일정한 값을 갖고, 1.0ppmK-1 부근에서, 휘어짐량이 크게 변화되어서 거의 0에 가깝게 되고, 1.0ppmK-1 이상에서는 거의 일정한 것을 확인하였다. 이것은 다층 세라믹 기판(1)을 휘어지도록 작용하는 면내 방향의 응력이 열팽창 계수 차에 기인해서 표리면의 면내 방향으로 작용하는 응력에 비교해서 상대적으로 작아지는 결과로 휘어짐이 교정되기 때문인 것으로 추측된다.
또한, 다층 세라믹 기판(1)의 표면에 부품 실장이나 수지 코팅 등을 실시했을 경우에는 땜납이나 접착제, 또는 코팅 수지의 수축에 의해 인장되어서 다층 세라믹 기판(1)이 휘어지는 문제가 있다. 이 문제에 대해서도 표층부(4, 5)에 있어서 면내 방향의 압축 응력을 작용시키는 방법을 채용했을 경우, 표층부(4, 5)의 열팽창 계수와 내층부(3)의 열팽창 계수의 차를 1.0ppmK-1 이상으로 함으로써, 다층 세라믹 기판(1)의 휘어짐을 크게 저감할 수 있는 것을 확인하였다. 즉, 휘어짐량과 열팽창 계수 차와의 관계는 열팽창 계수 차가 1.0ppmK-1 미만인 곳에서는 휘어짐량이 열팽창 계수 차의 증가와 함께 감소하고, 1.0ppmK-1 이상에서는 거의 일정한 것 을 확인하였다. 이것에 관해서도 다층 세라믹 기판(1)을 휘어지도록 작용하는 면내 방향의 응력이 열팽창 계수 차에 기인해서 표리면의 면내 방향으로 작용하는 응력에 비교해서 상대적으로 작아지는 결과로 휘어짐이 교정되기 때문인 것으로 추측된다.
또한, 표층부(4, 5)의 열팽창 계수는 내층부(3)의 열팽창 계수와의 차가 4.3ppmK-1 이하가 되게 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 열팽창 계수의 차에 기인하는 표층부(4, 5)와 내층부(3)의 경계부에서의 디라미네이션이나 보이드 등의 결함을 보다 확실하게 발생하기 어렵게 할 수 있다.
표층부(4, 5)를 구성하는 재료는 SiO2 및 MO(단, MO는 CaO, Mg0, Sr0 및 Ba0에서 선택된 적어도 1종)를 함유하는 유리를 포함하고, Si02:M0=23:7~17:13이고, 내층부(3)를 구성하는 재료는 SiO2 및 MO를 함유하는 유리를 포함하고, SiO2:MO=19:11~11:19인 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 표층부(4, 5)를 구성하는 재료에 포함되는 유리에 함유되는 SiO2는 34~73중량%이고, 내층부(3)를 구성하는 재료에 포함되는 유리에 함유되는 SiO2는 22~60중량%이다.
상술한 바와 같은 바람직한 조성 및 그 함유량은 보로실리케이트 유리계의 재료를 사용하여 표층부(4, 5)와 내층부(3)의 열팽창 계수의 차를 1.0ppmK-1 이상으 로 설치하고, 공통되는 성분의 중량 비율을 75중량% 이상으로 하는 것이 적합하다.
유리 중에 함유되는 Si02성분은 열팽창 계수를 저하하는 것에 기여하고, M0 성분은 열팽창 계수를 상승시키는 것에 기여한다.
또한, 소성 과정에서 유리로부터 적량의 결정이 석출하는 것이 기계 강도 특성의 점에서 유리하기 때문에, 유리 조성은 석출 결정 조성에 가까운 것이 좋다. 예를 들면, Si02-M0-Al2O3-B2O3계의 유리의 경우, MAl2Si2O8이나 MSiO3의 결정이 석출하기 쉽기 때문에, 이 결정 조성에 가깝게 되도록 Si02와 M0의 비율을 조정하는 것이 바람직하다. 따라서, 표층부(4, 5)의 유리 조성은 열팽창 계수를 저하시키기 위해서, SiO2와 MO의 비율은 2에 가까운 것이 좋고, 내층부(3)의 유리 조성은 열팽창 계수를 상승시키기 위해서, SiO2와 M0의 비율은 1에 가까운 것이 좋다.
내층부(3)의 유리 조성은 표층부(4, 5)에 비하여 MO 비율이 높아지게 되고, 소성 후의 도금 처리로 침식을 받기 쉽지만, 표면부에 노출되어 있지 않기 때문에 치명적인 손상은 받기 어려운 구조로 되어 있다.
열팽창 계수의 차를 보다 크게 하기 위해서, 표층부(4, 5)에 있어서, 유리 중의 SiO2를 지나치게 많게 하면, 소성시의 유리 점도가 충분히 내려가지 않게 되기 때문에 소결 불량이 일어난다. M0를 지나치게 많게 하면, 열팽창 계수의 차를 충분하게 이루지 못하게 된다.
또한, 열팽창 계수의 차를 보다 크게 하기 위해서, 내층부(3)에 있어서 유리 중의 MO를 지나치게 많게 하면, 내습성이 저하하기 때문에 절연 불량이 일어난다. SiO2를 지나치게 많게 하면, 열팽창 계수의 차를 충분하게 이루지 못하게 된다.
이상과 같은 것으로부터, 유리 중의 SiO2와 MO의 비율을 표층부(4, 5)와 내층부(3)에 있어서 각각 상술한 바와 같은 범위로 선택하는 것이 바람직하다.
표층부(4, 5)를 구성하는 재료에 포함되는 유리는 34~73중량%의 SiO2, 14~41중량%의 MO, 0~30중량%의 B2O3 및 0~30중량%의 Al2O3를 함유하고, 내층부(3)를 구성하는 재료에 포함되는 유리는 22~60중량%의 SiO2, 22~60중량%의 MO, 0~20중량%의 B2O3 및 0~30중량%의 Al2O3를 함유하는 것이 보다 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
B2O3는 소성시에 소결이 원활하게 진행되도록 유리에 적당한 정도의 점도를 부여한다. B2O3가 지나치게 많으면, 점도가 지나치게 낮아지기 때문에 과소성이 되고, 표면에 기공이 생겨서 절연 불량이 된다. 한편, B2O3가 지나치게 적으면, 점도가 높아 소결 불량이 된다.
Al2O3는 표층부(4, 5)의 경우, 석출 결정을 구성하는 성분이 된다. 이 Al2O3가 지나치게 많아도, 지나치게 적어도, 결정 석출이 일어나기 어려워진다.
또한, Al2O3에 의해 유리의 화학적 안정성이 향상하기 때문에, MO가 상대적으로 많은 내층부(3)에서는 도금 내성 및 내습성이 향상한다. 열팽창 계수에 대해 서는 Al2O3는 Si02와 M0의 중간적인 기여를 하므로, 이것이 지나치게 많으면, 열팽창 계수의 차가 이루어지지 않게 된다.
표층부(4, 5)를 구성하는 재료는 필러로서의 Al2O3를 30~60중량% 함유하고, 내층부(3)를 구성하는 재료는 필러로서의 Al2O3를 40~70중량% 함유하는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
Al2O3 필러는 기계적 강도를 향상시키는데도 기여한다. Al2O3 필러가 너무 적으면 충분한 강도가 얻어지지 않게 된다. 특히, 인장 응력이 작용하는 내층부(3)에서는 기계적 강도가 충분하지 않으면, 내층부(3)로부터 파괴하기 때문에, 압축 응력에 의해 표층부(4, 5)를 강화한 효과가 충분하게 얻어지지 않게 된다. 이 때문에, 내층부(3)에서는 표층부(4, 5)보다 많은 Al2O3 필러를 함유하고, 강도를 높임으로써 보다 큰 열팽창 계수의 차에도 견디게 되고, 또한, 표층부(4, 5)의 강화의 효과가 얻어지게 된다.
Al2O3 필러는 열팽창 계수에 대해서는 표층부(4, 5) 중의 유리와 내층부(3) 중의 유리의 중간적인 기여를 하므로, Al2O3 필러가 지나치게 많으면, 열팽창 계수의 차가 이루어지지 않게 된다.
또한, 필러로서, Al2O3 이외에 예를 들면, ZrO2 등의 다른 세라믹을 사용하여도 좋다.
다층 세라믹 기판(1)에 있어서, 표층부(4, 5) 각각의 두께는 5~150㎛인 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
표층부(4, 5)와 내층부(3)의 계면에 있어서, 열팽창 계수의 차에 의한 응력이 작용한다. 보다 상세하게는 표층부(4, 5) 측에서는 압축 응력이 작용하고, 이 압축 응력은 계면으로부터의 거리가 커짐에 따라서 작아진다. 한편, 내층부(3) 측에는 인장 응력이 작용하고, 이 인장 응력은 계면으로부터의 거리가 커짐에 따라서 작아진다. 이것은 거리에 따라서 응력이 완화되는 것에 의한다. 이 거리가 150㎛를 초과하면, 표면에는 압축 응력이 거의 작용하지 않게 되고, 그 효과가 거의 보여지지 않게 되기 때문에, 표층부(4, 5) 각각의 두께는 150㎛ 이하인 것이 바람직하다.
한편, 표층부(4, 5) 각각의 두께가 5㎛ 미만이 되면, 인장 응력이 작용하고 있기 때문에 강도 저하된 내층부(3)가 표면으로부터 5㎛ 미만의 표면 근방 영역에 존재하게 된다. 이 때문에, 표면 근방의 내층부(3)로부터 파괴가 일어나기 쉬워져 표층부(4, 5)에 압축 응력을 형성함으로써 강화된 효과가 보여지지 않게 되고, 따라서, 표층부(4, 5) 각각의 두께는 5㎛ 이상인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 다층 세라믹 기판(1)은 바람직하게는 다음과 같이 해서 제조된다.
도 2는 다층 세라믹 기판(1)의 제조의 도중에 제작되는 복합 적층체(21)를 나타내는 단면도이다. 복합 적층체(21)는 다층 세라믹 기판(1)에 있어서의 내층부 세라믹층(6)이 되어야 할 내층용 세라믹 그린 시트(22), 표층부 세라믹층(7, 8)과 각각 되어야 할 표층용 세라믹 그린 시트(23, 24)를 구비함과 아울러 구속용 세라믹 그린 시트(25, 26)를 구비하고 있다. 또한, 내층용 세라믹 그린 시트(22) 및 표 층용 세라믹 그린 시트(23, 24)에 관련하여, 다층 세라믹 기판(1)에 구비하는 배선 도체로서의 도체막(9~11) 및 비어 홀 도체(12)가 설치되어져 있다.
이러한 복합 적층체(21)를 제작하기 위해서, 내층용 세라믹 그린 시트(22), 표층용 세라믹 그린 시트(23, 24) 및 구속용 세라믹 그린 시트(25, 26)가 각각 준비된다. 표층용 세라믹 그린 시트(23, 24)의 소결체의 열팽창 계수는 내층 세라믹 그린 시트(22)의 소결체의 열팽창 계수보다 작고, 또한, 내층 세라믹 그린 시트(22)의 소결체의 열팽창 계수와의 차가 1.0ppmK-1 이상이 되고, 표층용 세라믹 그린 시트(23, 24)의 소결체를 구성하는 재료와 내층 세라믹 그린 시트(22)의 소결체를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 75중량% 이상이 되도록 이들 그린 시트(22~24)의 각 조성이 선택된다. 또한, 구속용 세라믹 그린 시트(25, 26)는 표층용 세라믹 그린 시트(23, 24) 및 내층용 세라믹 그린 시트(22)가 소결하는 온도에서는 소결하지 않는 무기 재료를 포함하는 조성으로 된다.
이어서, 적어도 1개의 내층용 세라믹 그린 시트(22)를 적층 방향으로 끼우도록 각각 표층용 세라믹 그린 시트(23, 24)를 배치하고, 또한, 그 외측에 구속용 세라믹 그린 시트(25, 26)를 각각 배치함으로써, 도 2에 나타내어져 있는 바와 같은 복합 적층체(21)가 제작된다.
이어서, 복합 적층체(21)는 표층용 세라믹 그린 시트(23, 24) 및 내층용 세라믹 그린 시트(22)가 소결하지만, 구속용 세라믹 그린 시트(25, 26)가 소결하지 않는 온도에서 소성된다. 그 결과, 표층용 세라믹 그린 시트(23, 24)에서 유래하는 표층부(4, 5)(도 1 참조)의 열팽창 계수가 내층 세라믹 그린 시트(22)에서 유래하는 내층부(3)(도 1 참조)의 열팽창 계수보다 작고, 또한, 내층부(3)의 열팽창 계수와의 차가 1.0ppmK-1 이상이고, 표층부(4, 5)를 구성하는 재료와 내층부(3)를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 75중량% 이상인 소성 후의 복합 적층체(21)가 얻어진다.
이어서, 소성 후의 복합 적층체(21)에 있어서, 구속용 세라믹 그린 시트(25, 26)에서 유래하는 부분이 제거된다. 이것에 의해, 다층 세라믹 기판(1)이 얻어진다.
또한, 다층 세라믹 기판(1)을 제조하는데 있어서, 상술한 바와 같은 구속용 세라믹 그린 시트(25, 26)를 사용하는 것은 아니고, 이들 구속용 세라믹 그린 시트가 없는 상태의 적층체를 소성하여도 좋다.
이어서, 본 발명에 의한 효과를 확인하기 위해서 실시한 실험예에 관하여 설명한다.
[실험예 1]
우선, 각 시료에 따른 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트를 각각 제작했다.
표 1에 표층용 세라믹 그린 시트에 포함되는 필러로서의 세라믹 분말(본 실험예에서는 Al2O3 분말을 사용)의 함유량, 유리 분말의 조성 및 함유량이 나타내어지고, 표 2에 내층용 세라믹 그린 시트에 포함되는 필러로서의 세라믹 분말(Al2O3 분말)의 함유량, 유리 분말의 조성 및 함유량이 나타내어져 있다.
Figure 112008064766753-pct00001
Figure 112008064766753-pct00002
표 1 및 표 2에 있어서, 세라믹 분말의 함유량을 나타내는 수치는 세라믹 분말과 유리 분말의 합계를 100중량부라고 했을 때의 중량비를 나타낸다. 따라서, 유리 분말의 함유량은 세라믹 분말의 잔부가 된다. 또한, 유리 분말의 각 성분의 함유량을 나타내는 수치는 「중량%」를 단위로 하는 것이다. 또한, 「Si02:M0」는 유리 분말에 함유되는 Si02와 M0(단, M0는 Ca0, Mg0, Sr0 및 Ba0에서 선택된 적어도 1종이지만, 본 실험예에서는 Ca0 및 Mg0 중 적어도 하나)의 비율을 나타내는 것이지만, 비율을 나타내는 수치의 합계가 30이 되도록 계산하고 있다.
표 1에 나타낸 시료 1~20의 각각에 따른 표층용 세라믹 그린 시트 및 표 2에 나타낸 시료 1~20의 각각에 따른 내층용 세라믹 그린 시트를 얻기 위해서, 상술한 바와 같은 세라믹 분말, 유리 분말 및 유기 용제를 혼합하고, 또한, 세라믹 분말 및 유리 분말의 합계 100중량부에 대하여, 10중량부의 부티랄계 바인더와 1중량부의 가소제를 가해서, 소정의 조건에서 습식 혼합하여 슬러리를 얻었다. 이어서, 얻어진 슬러리를 닥터 블레이드법에 의해 시트상으로 성형하여 각각 두께 50㎛의 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트를 각각 얻었다.
한편, 알루미나 분말과 유기 용제를 혼합하고, 또한, 알루미나 분말 100중량부에 대하여, 10중량부의 부티랄계 바인더, 1중량부의 가소제 및 1중량부의 구상 셀룰로오스를 가해서 소정의 조건에서 습식 혼합하여 슬러리를 얻었다. 이어서, 얻어진 슬러리를 닥터 블레이드법에 의해 시트상으로 성형하여 두께 50㎛의 구속용 세라믹 그린 시트를 얻었다.
이어서, 상기의 표층용 세라믹 그린 시트, 내층용 세라믹 그린 시트 및 구속용 세라믹 그린 시트의 각각을 1OO㎟의 크기로 자른 후, 구속용 세라믹 그린 시트 1장, 표층용 세라믹 그린 시트 1장, 내층용 세라믹 그린 시트 5장, 표층용 세라믹 그린 시트 1장, 구속용 세라믹 그린 시트 1장의 순서로 적층해서 복합 적층체를 제작하고, 이것을 프레스기로 프레스한 후, 870℃의 온도에서 10분간 유지하는 조건으로 소성했다. 이어서, 소성 후의 복합 적층체의 표면에 분말 상태로 부착되어 있는 구속용 세라믹 그린 시트에서 유래하는 미소결 부분을 초음파 세정기를 사용하여 제거하여 평가용의 적층 소결체를 얻었다.
Figure 112008064766753-pct00003
표 3에는 평가용의 적층 소결체에 있어서의 표층부를 구성하는 재료와 내층부를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 표 1 및 표 2에 나타내어진 각 성분의 함유량으로부터 산출되어서 나타내어져 있다.
이어서, 상기의 평가용의 적층 소결체에 대해서, 표 3에 나타내어져 있는 바와 같이 「열팽창 계수」, 「디라미네이션」, 「항절 강도」 및 「휘어짐」의 각 항목에 대해서 평가했다.
「열팽창 계수」에는 「표층부(α1)」 및 「내층부(α2)」의 각각에 관한 측정 결과가 나타내어져 있음과 아울러 「α2-α1」의 산출 결과도 나타내어져 있다.
「디라미네이션」은 평가용의 적층 소결체의 단면의 현미경 관찰에 의해 평가한 것으로, 100개의 시료에 대해서 디라미네이션이 1개 이상의 시료에서 확인되면 「×」라고 표시하고, 디라미네이션이 확인된 시료가 0개인 경우에는 「○」라고 표시했다.
「항절 강도」는 3점 굽힘 시험법에 의해 측정한 것으로 「표층부」 및 「내층부」 각각에 대해서 측정한 결과와 아울러 적층 소결체 전체의 항절 강도에 대해서는 -55℃~125℃의 온도 변화를 100회, 및 히트 사이클의 전후 각각에 있어서 항절 강도를 측정하고, 히트 사이클 전의 것을 「기판(HC 전)」란에 나타내고, 히트 사이클 후의 것을 「기판(HC 후)」란에 나타냈다.
「휘어짐」에 대해서는 얻어진 적층 소결체의 휘어짐을 그대로 측정하고, 이것을 「A」란에 나타냈다. 또한, 적층 소결체의 한쪽 주면 상에 칩 부품의 표면 실장에 사용하는 접착용 수지를 도포하고, 이것을 가열 경화시킨 후에 휘어짐을 측정하고, 이것을 「B」란에 나타냈다.
표 3에 나타낸 시료 1~20 중 시료 7~18 및 20이 본 발명의 범위 내의 것으로 표층부의 열팽창 계수(α1)가 내층부의 열팽창 계수(α2)보다 작고, 또한, 내층부의 열팽창 계수와의 차(α2-α1)가 1.0ppmK-1 이상이고, 표층부와 내층부의 공통 성분의 중량 비율이 75중량% 이상인 조건을 만족시키고 있다. 이들 시료 7~18 및 20에 의하면, 디라미네이션이 없고, 항절 강도가 높고, 휘어짐이 적은 다층 세라믹 기판을 얻을 수 있다.
시료 1~4에서는 α2-α1이 1.0ppmK-1 미만이기 때문에 다층 세라믹 기판에 휘어짐이 발생하였다.
시료 5에서는 표층부와 내층부의 공통 성분이 중량 비율의 75중량% 미만이고, 공통 성분이 현저하게 적기 때문에 다층 세라믹 기판에 디라미네이션이 발생하였다.
시료 6 및 19에서는 표층부와 내층부의 공통 성분이 중량 비율의 75중량% 미만이기 때문에 표층부와 내층부의 경계부의 접합력이 불충분하게 되고, 히트 사이클 후의 항절 강도가 저하했다.
[실험예 2]
우선, 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트를 각각 제작했다.
표 4에 표층용 세라믹 그린 시트에 함유되는 세라믹 원료 분말의 조성 및 함유량이 나타내어져 있고, 표 5에 내층용 세라믹 그린 시트에 함유되는 세라믹 원료분말의 조성 및 함유량이 나타내어져 있다.
Figure 112008064766753-pct00004
Figure 112008064766753-pct00005
시료 21~31 각각에 따른 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트를 얻기 위해서, 상술한 바와 같은 세라믹 원료 분말과 물을 충분히 혼합하고, 건조 후, 900℃의 온도에서 60분간 열처리하고, 열처리 후, 유기 용제를 가하며, 또한, 세라믹 원료 분말 100중량부에 대하여 10중량부의 부티랄계 바인더와 1중량부의 가소제를 가해서 소정의 조건에서 습식 혼합하여 슬러리를 얻었다. 이어서, 얻어진 슬러리를 닥터 블레이드법에 의해 시트상으로 성형하여 각각 두께 50㎛의 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트를 각각 얻었다.
이어서, 상기의 표층용 세라믹 그린 시트 및 내층용 세라믹 그린 시트의 각각을 1OO㎟의 크기로 자른 후, 표층용 세라믹 그린 시트 1장, 내층용 세라믹 그린 시트 5장, 표층용 세라믹 그린 시트 1장의 순서로 적층해서 복합 적층체를 제작하고, 이것을 프레스기로 프레스한 후, 980℃의 온도에서 60분간 유지하는 조건으로 소성하여 평가용의 적층 소결체를 얻었다.
상기의 평가용의 적층 소결체에 대해서, 실험예 1의 경우와 같은 평가를 행했다. 그 결과가 표6에 나타내어져 있다.
Figure 112008064766753-pct00006
표 6에 있어서, 시료 21~31 중 시료 27~31이 본 발명의 범위 내인 것으로 표층부의 열팽창 계수(α1)가 내층부의 열팽창 계수(α2)보다 작고, 또한, 내층부의 열팽창 계수와의 차(α2-α1)가 1.0ppmK-1 이상이고, 표층부와 내층부에서 공통 성분의 중량 비율이 75중량% 이상인 조건을 만족시키고 있다. 이들 시료 27~31에 의하면, 디라미네이션이 없고, 항절 강도가 높고, 휘어짐이 적은 다층 세라믹 기판을 얻을 수 있다.
시료 21~24에서는 α2-α1이 1.0ppmK-1 미만이기 때문에 다층 세라믹 기판에 휘어짐이 발생하였다.
시료 25에서는 표층부와 내층부의 공통 성분이 중량 비율의 75중량% 미만이고, 공통 성분이 현저하게 적기 때문에 다층 세라믹 기판에 디라미네이션이 발생했다.
시료 26에서는 표층부와 내층부의 공통 성분의 중량 비율이 75중량% 미만이기 때문에 히트 사이클 후의 항절 강도가 저하했다.

Claims (8)

  1. 표층부와 내층부로 이루어지는 적층 구조를 갖는 다층 세라믹 기판에 있어서:
    상기 표층부의 열팽창 계수는 상기 내층부의 열팽창 계수보다 작고, 또한, 상기 내층부의 열팽창 계수와의 차가 1.0ppmK-1 이상이고,
    상기 표층부를 구성하는 재료와 상기 내층부를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 75중량% 이상인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표층부의 열팽창 계수는 상기 내층부의 열팽창 계수와의 차가 4.3ppmK-1 이하인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표층부를 구성하는 재료는 Si02 및 M0(단, M0는 Ca0, Mg0, SrO 및 BaO에서 선택된 적어도 1종)를 함유하는 유리를 포함하고, SiO2:MO=23:7~17:13이고,
    상기 내층부를 구성하는 재료는 Si02 및 M0를 함유하는 유리를 포함하고, Si02:M0=19:11~11:19인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 표층부를 구성하는 재료에 포함되는 유리에 함유되는 SiO2는 34~73중량%이고,
    상기 내층부를 구성하는 재료에 포함되는 유리에 함유되는 SiO2는 22~60중량%인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 표층부를 구성하는 재료에 포함되는 유리는 34~73중량%의 SiO2, 14~41중량%의 MO, 0~30중량%의 B2O3 및 0~30중량%의 Al2O3를 함유하고,
    상기 내층부를 구성하는 재료에 포함되는 유리는 22~60중량%의 SiO2, 22~60중량%의 MO, 0~20중량%의 B2O3 및 0~30중량%의 Al2O3를 함유하는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 표층부를 구성하는 재료는 필러로서의 Al2O3를 30~60중량% 함유하고,
    상기 내층부를 구성하는 재료는 필러로서의 Al2O3를 40~70중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판.
  7. 표층용 세라믹 그린 시트를 준비하는 공정,
    내층용 세라믹 그린 시트를 준비하는 공정,
    상기 표층용 세라믹 그린 시트 및 상기 내층용 세라믹 그린 시트가 소결하는 온도에서는 소결하지 않는 무기 재료를 함유하는 구속용 세라믹 그린 시트를 준비하는 공정,
    적어도 1개의 상기 내층용 세라믹 그린 시트를 적층 방향으로 끼우도록 각각 적어도 1개의 상기 표층용 세라믹 그린 시트를 배치하고, 또한, 그 외측에 적어도 1개의 상기 구속용 세라믹 그린 시트를 배치함으로써 복합 적층체를 제작하는 공정,
    상기 복합 적층체를 상기 표층용 세라믹 그린 시트 및 상기 내층용 세라믹 그린 시트는 소결하지만 상기 구속용 세라믹 그린 시트는 소결하지 않는 온도에서 소성하고, 그것에 의해서 상기 표층용 세라믹 그린 시트에서 유래하는 표층부의 열팽창 계수가 상기 내층용 세라믹 그린 시트에서 유래하는 내층부의 열팽창 계수보다 작고, 또한, 상기 내층부의 열팽창 계수와의 차가 1.0ppmK-1 이상이고, 상기 표층부를 구성하는 재료와 상기 내층부를 구성하는 재료 사이에서 공통되는 성분의 중량 비율이 75중량% 이상인 소성 후의 상기 복합 적층체를 얻는 공정, 및
    이어서, 소성 후의 상기 복합 적층체에 구비되는 상기 구속용 세라믹 그린 시트에서 유래하는 부분을 상기 복합 적층체로부터 제거하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 기판의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 다층 세라믹 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
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