KR20030059109A - 세라믹 부품과 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20030059109A
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가츠무라히데노리
사이토류이치
와카바야시츠카사
가가타히로시
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은, 글래스 세라믹 적층체를 열수축 억제 시트에 끼워 소성하는 고 치수 정밀한 소성 공법에서, 전기 특성을 크게 열화시키지 않고, 소성 후의 기판에서 내부 전극 주변에 크랙 등의 결함의 발생을 억제한 신뢰성 높고 고 치수 정밀한 세라믹 부품을 제공하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 세라믹 부품의 제조 방법은, 글래스 세라믹 그린 시트 상에 상기 글래스 세라믹 그린 시트와 동등한 소결 속도를 가지는 도체 페이스트를 인쇄하는 도체 인쇄 공정과, 복수의 상기 글래스 세라믹 그린 시트를 적층해 적층체를 형성하는 적층 공정과, 상기 적층체의 한면 또는 양면에 무기물을 주성분으로 하는 열수축 억제 그린 시트를 또한 적층해 복합 적층체를 작성하는 복합 적층 공정과, 상기 복합 적층체로부터 유기물을 소거 제거하는 탈바인더 공정과, 상기 유기물 제거 후의 복합 적층체를 상기 글래스 세라믹 그린 시트와 도체 페이스트의 소결 동작을 정합시켜 소결하는 소성 공정과, 상기 열수축 그린 시트 중의 무기물을 제거하는 공정을 포함하는 것이다.

Description

세라믹 부품과 그 제조 방법{CERAMIC COMPONENT AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}
최근, 반도체 IC, 칩 부품 등은 소형, 경량화가 진행되고 있고, 이것들을 실장하는 배선 기판도 소형, 경량화가 기대되고 있다. 세라믹 다층 기판은, 필요로 하는 고밀도 배선을 얻을 수 있고, 또한 박막화가 가능하므로, 오늘날의 일렉트로닉스 업계에서 중요시 되고 있다.
세라믹 다층 기판의 일반적인 제조 방법은 이하의 공정에 의한다.
(1) 세라믹 재료의 조합, 혼합 공정.
(2) 세라믹 그린 시트의 성형 공정.
(3) 도체 페이스트의 제조 공정.
(4) 그린 시트층 및 반도체로 이루어지는 복합 적층체의 소성 공정.
상기 소성 공정에서, 세라믹 다층 기판에는 소결에 동반되는 수축이 생긴다. 소결에 동반되는 수축은, 사용하는 기판 재료, 그린 시트 조성, 분체 로트 등에 의해 달라진다. 이 때문에 다층 기판의 제작에서 몇가지 문제가 발생한다.
중요한 문제 중 하나가, 수축 오차이다. 세라믹 다층 기판의 제작 공정에서는, 내층 배선의 소성을 행하고 나서 최상층 배선의 형성을 행한다. 이 때문에 기판 재료의 수축 오차가 큰 경우에는, 최상층 배선 패턴과의 치수 오차 때문에 내층 전극과의 접속을 행할 수 없다. 이것을 피하기 위해, 수축 오차를 미리 허용하도록 최상층 전극부에 필요 이상으로 큰 면적의 랜드를 형성하지 않으면 안 되게 되어, 고밀도의 배선을 필요로 하는 회로에 사용하기에는 적절하지 않다.
그 대책으로서, 수축 오차에 맞는 최상층 배선을 위한 스크린판을 몇개 준비해 두고, 기판의 수축률에 따라 사용하는 방법이 채택될 수도 있지만, 이 방법은 스크린판을 많이 준비하지 않으면 안 되어 비경제적이다. 한편, 최상층 배선의 형성을 내층 배선의 소성과 동시에 행하는 동시 소성법을 이용하면 큰 랜드를 필요로 하지 않지만, 다른 문제가 남는다. 즉, 기판 그 자체의 수축 오차는 그대로 존재하기 때문에, 최후의 부품을 탑재할 때의 크림 땜납 인쇄 공정에서, 수축 오차 때문에 필요한 부분에 인쇄를 할 수 없는 경우가 생긴다.
또한, 특허 공보 제 2785544호에는, 저온 소결 글래스 세라믹 혼합 분체로 이루어지는 그린 시트로 전극 패턴을 형성한 것을 소망 매수로 적층하고, 이 적층체의 양면, 혹은 한 면에 상기 글래스 세라믹 혼합 분체의 소성 온도로는 소결하지 않는 무기 조성물로 이루어지는 열수축 억제 그린 시트(이하, 열수축 억제 시트라고 부른다)에 끼어 들어가도록 적층하고, 상기 적층체를 소성한 후, 열수축 억제층을 빼내는 방법이 개시되어 있다. 효과로서, 기판 재료의 소성이 두꺼운 방향에서많이 일어나고, 평면 방향의 수축이 억제되는 기판을 제작할 수 있어 상기 문제를 해결할 수 있다. 상기 공보에 기재된 방법에 의해 평면 방향의 수축이 잘 일어나지 않는 기판을 얻을 수 있지만, 남은 문제가 있다. 그것은 기판 수축이 두꺼운 방향에서 많이 일어나기 때문에, 소성 후의 기판 내부 전극 주변에 크랙 등의 결함이 발생해버린다는 것이다.
이 문제가 일어나는 원인은, 소성 과정에서, 도체 페이스트와 그린 시트 적층체와의 소결 타이밍 혹은 열수축 동작의 어긋남에 큰 원인이 있는 것으로 생각된다. 그린 시트 적층체와 도체 페이스트와의 소결 수축 동작에 큰 어긋남이 있기 때문에, 소성된 기판과 전극과의 사이에 과대한 응력이나 변형이 생겨, 상기한 크랙 등의 결함이 발생한다.
통상의 소성 방법이라면, 소성 과정에서 3차원 방향으로 수축이 생기고, 발생한 크랙이 미소한 것이라면 소성 중에 수복(修復)되지만, 상기 공보에 기재된 제조 방법에서는, 소성 과정에서 평면 방향으로 수축이 생기지 않기 때문에, 일단 발생한 크랙 등의 결함은 수복하기 어렵다. 이 크랙 등의 결함이 기판에 발생하면, 기판의 신뢰성이 낮아져 문제가 된다.
본 발명은, 예를 들면 반도체 IC, 칩 부품 등을 탑재하고, 또한 그것들을 상호 배선하는 세라믹 다층 기판으로 대표되는 세라믹 부품과 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 세라믹 적층체를 열수축 억제 시트에 끼워 소성하는 본 발명의 소성 공정을 설명한는 단면도,
도 2는 도체층 근방의 결함이 발생한 개소를 설명하는 단면도이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10: 열수축 억제 그린 시트 20: 글래스 세라믹 그린 시트
30: 도체층 11: 세라믹 다층기판
12: 내부 전극 13: 크랙 등의 결함
발명의 개시
본 발명은 상술한 종래의 제조 방법의 문제점을 해결하는 것이고, 그 목적은 글래스 세라믹 적층체를 열수축 억제 시트에 끼워 소성하는 고 치수 정밀 소성 공법에서, 전기 특성을 크게 열화시키지 않고, 소성 후의 기판의 내부 전극 주변에크랙 등의 결함의 발생을 억제한 신뢰성이 높고, 고 치수 정밀한 세라믹 부품을 제공하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 세라믹 부품의 제조 방법은, 글래스 세라믹 그린 시트 상에 상기 글래스 세라믹 그린 시트와 동등한 소결 속도를 가지는 도체 페이스트를 인쇄하는 도체 인쇄 공정과, 복수의 상기 글래스 세라믹 그린 시트를 적층하여 적층체를 형성하는 적층 공정과, 상기 적층체의 한 면 또는 양면에 무기물을 주성분으로 하는 열수축 억제 그린 시트를 더 적층해 복합 적층체를 작성하는 복합 적층 공정과, 상기 복합 적층체에서 유기물을 소거 제거하는 탈바인더 공정과, 상기 유기물 제거 후의 복합 적층체를 상기 글래스 세라믹 그린 시트와 도체 페이스트의 소결 동작을 정합시켜 소결하는 소성 공정과, 상기 열수축 억제 그린 시트 중의 무기물을 제거하는 공정을 포함하는 세라믹 부품의 제조 방법이며, 고 치수 정밀하고 신뢰성 높은 세라믹 부품을 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
우선 글래스 세라믹 혼합 재료의 제조 방법에 대해서 설명한다. 이번에 이용한 글래스 세라믹 혼합 재료는 알루미나 A12O3, 산화 마그네슘 MgO 및 산화 사마륨 Sm2O3의 혼합물(이하 AMS 혼합물)과, 글래스(SiO2-B2O3-CaO계 글래스 분체, 연화점 780℃)를 주성분으로 한다. 고순도의 A12O3, MgO, Sm2O3원료 분체를 몰비, 11:1:1의 비율로 칭량한 것을, 볼밀에 투입해 20시간 혼합한 후, 건조한다. 이 혼합분말을 1300℃에서 2시간 가소하고, 이 가소분말을 볼밀에서 20시간 분쇄한 것이, AMS분말이다. 이 AMS분말과 SiO2-B2O3-CaO계 글래스 분말을 중량비 50:50의 비율로 칭량하고, 볼밀에서 20시간 혼합한 후, 건조함으로써 글래스 세라믹 혼합재료(이하, AMSG재)가 얻어진다. 이 AMSG재는 880℃∼950℃의 온도 범위에서 치밀하게 소성되기 때문에, 은전극과 일체 동시 소성이 가능하다. 또한, 비유전율은 7.5(1㎒)이다.
도 1에 도시한, 열수축 억제 그린 시트(10)의 재료로서, 알루미나분말(순도 99.9%, 평균 입경 1.0㎛)을 이용한다.
상기 AMSG재 및 알루미나분말에, 각각 바인더로서 PVB 수지, 가소제로서는 디부틸프탈레이트를 첨가하고, 산성 부틸을 용제로서 슬러리를 제작하고, 주지의 닥터브레이드법에 의해 소망하는 두께의 글라스 세라믹 그린 시트(AMSG 그린 시트, 20) 및 열수축 억제(알루미나) 그린 시트(10)를 각각 제작했다.
다음에, 도체 페이스트의 제작 방법에 대해서 설명한다.
은분말 100중량%에 대해서, 첨가물을 임의의 비율로 혼합하고, 유기 비히클(에틸셀룰로즈의 테르피네올 용해물)을 페이스트 전체에 대해 20중량% 첨가하고, 이것들을 세라믹 3개의 롤에 의해 혼련하여, 도체 페이스트를 얻었다.
이 도체 페이스트를 스크린 인쇄기를 이용해, 상기 AMSG 그린 시트(20) 상에, 전기 저항 측정용 패턴(도체층(30))으로서 인쇄 후, 도 1의 구성이 되도록, AMSG 그린 시트(20)를 필요 매수 적층하고, 양면에 알루미나 그린 시트(10)를 적층한다. 이 상태에서 열압착해 적층체를 형성했다. 열압착 조건은, 온도를 80℃, 압력은 500㎏/㎠로 했다. 이 적층체를 10×10㎜의 크기로 절단해, 알루미나제의 쉘(shell) 위에 두고, 상형로에서 500℃로 10시간 열처리한다. 열처리에 의해 수지 성분을 소거한 후, 공기 중에서 900℃까지 승온 속도 300℃/h(다만, 실시 형태 3에서는 승온 속도를 변화시키고 있다)로 승온하고, 그 후 900℃로 30분간 유지하는 조건으로 소성을 행한다.
이 소성 적층체의 표면에는, 열수축 억제 그린 시트(10)의 알루미나가 소성하지 않고 존재하고 있고, 이것을 초산 부틸 중에서 초음파 세정에 의해 완전하게 제거했다.
(실시 형태 1)
실시 형태 1에서는 도체 페이스트에 대한 산화 몰리브덴의 첨가의 효과에 대하여 검토한다. 표 1에 은분말(평균 입경 4.0㎛)에 대한 삼산화 몰리브덴(평균 입경 2.5㎛)의 첨가량과, 각각 얻은 세라믹 다층 기판을 분석해 평가한 결과를 표 1에 도시한다.
시료번호 MoO3첨가량(wt%) 결함 모드 시트 저항치(㏁)
1* 0 C 1.9
2* 0.05 C 1.9
3 0.1 A 2
4 1.0 A 2.7
5 2.5 A 3.1
6 5.0 A 3.8
7* 6.0 A 6.2
표 중, *표는 본 발명에 대한 비교예를 나타낸다.
또한, 평가 항목 중, 「크랙 등의 결함 모드」는, 도 2에 나타낸 것처럼, 기판(11)을 연마해 기판의 단면을 광학 현미경으로 관찰해, 내부 전극(12) 근방의 기판(11)에 생기는 크랙 등의 결함(13)을 이하에 나타내는 모드 A, B, C의 각 모드로 분류한 것이다.
(결함(13)의 모드 분류)
「모드 A」------- 결함 없음.
「모드 B」------- 결함의 최대 길이가 5㎛ 미만의 작은 경우.
「모드 C」------- 결함의 최대 길이가 5㎛ 이상의 큰 경우.
시트 저항치라는 것은, 내부 도체층의 측면에 은전극 페이스트를 도포하고, 인화해 단자 전극을 형성하고 디지털 멀티 미터를 이용해 측정한 직류 저항치와, 전극 두께의 실측값으로부터, 전극 면적 1㎟, 전극 두께 10㎛ 환산의 저항값을 산출한 값이다.
삼산화 몰리브덴을 전혀 첨가하지 않은 시료 번호 1, 첨가량이 적은 시료 번호 2에서는, 도체층의 근방에 큰 결함이 발생한다(모드 C). 이것에 대해, 삼산화몰리브덴을 0.1 중량% 이상 첨가한 시료 번호 3∼7에서는, 크랙 등의 결함은 관찰되지 않았다(모드 A). 삼산화 몰리브덴 첨가에 의해, 도체층의 소결을 늦추고, 글래스 세라믹 적층체의 소결 동작에 근접할 수 있기 때문이라고 생각된다. 첨가량이 0.1 중량% 미만에서는 도체 페이스트의 소결을 충분히 늦출 수 없다. 한편, 시료 번호 7과 같이 첨가량이 6.0 중량%로 너무 많아지면, 도체층의 시트 저항값이 6mΩ를 넘어 급격하게 증대하는 문제가 생긴다.
결함의 발생을 효과적으로 억제하고, 또한 저저항값을 유지하기 위해서는, 삼산화 몰리브덴의 첨가량은 0.1 중량%∼5.0 중량%가 바람직하다.
(실시 형태 2)
실시 형태 2에서는, 도체 페이스트를 구성하는 은분말의 입경의 영향에 대해서 검토했다. 표 2에 나타난 것처럼 평균 입경이 2.2∼10.2㎛의 은분말을 이용해, 각각의 도체 분말 100 중량%에 대해 삼산화 몰리브덴을 1.0 중량% 첨가한 도체 페이스트를 제작해 평가한다.
시료번호 MoO3첨가량(wt%) 은분말의 입경(㎛) 결함 모드 시트 저항치(mΩ)
8 1.0 3.1 A 2.8
4 1.0 4.0 A 2.7
9 1.0 5.1 A 2.7
10 1.0 7.9 A 2.7
11 1.0 10.2 B 2.6
12 1.0 2.2 B 2.9
은분말 입경이 3㎛∼8㎛인 시료 번호 4, 8∼10에서는 도체층 근방에서 결함은 관찰되지 않았지만, 은분말 입경이 2.2㎛로 세밀한 시료번호 12와, 10.2㎛로 큰시료 번호 11에서는 내부 전극의 선단에 결함이 조금 발생(모드 B)해 있었다. 은분말의 입경이 너무 작은 경우는 은분말의 표면이 활성화하기 때문에 은분말의 소성 수축 개시 온도가 빨라지고, 또한 은분말의 입경이 너무 큰 경우에는, 은분말의 수축 개시 온도가 너무 늦어져서, 도체층과 글래스 세라믹 적층체와의 수축 작용의 차가 커서, 전극 부근에 결함을 생기게 하는 것으로 생각된다. 또한, 은분말의 입경에 의한 저항값의 변화는 거의 없었다.
이상의 결과로부터 도체층을 구성하는 은분말의 입경은 3㎛∼8㎛의 범위인 것이 바람직하다.
(실시 형태 3)
실시 형태 3에서는, 소성 처리 공정에서의 승온 온도의 영향에 대해서 검토했다. 이용한 페이스트는, 은분말 입경 4.0㎛, 삼산화 몰리브덴의 첨가량 1.0 중량%인 시료 번호 4의 페이스트이다.
시료번호 MoO3첨가량(wt%) 승온 속도(℃/시간) 결함 모드 시트 저항값(mΩ)
13 1.0 100 B 2.9
14 1.0 200 A 2.7
4 1.0 400 A 2.7
15 1.0 900 A 2.7
16 1.0 1800 A 2.7
17 1.0 5400 A 2.7
18 1.0 9000 B 2.7
표 3에 나타난 것처럼 평균 승온 속도가 200℃/시간∼5500℃/시간의 범위 내로 한 시료 번호 4 및 14∼17에서는 도체층 근방에서 결함은 관찰되지 않았지만, 평균 승온 속도가 100℃/h로 늦은 시료 번호 13에서는 결함이 적게 발생(모드 B)하고 있었다. 또한 9000℃/h과 같이 매우 빠른 승온 속도의 시료 번호 18에도 결함이 관찰되었다. 승온 속도를 늦게 하면, 소성 시의 도체층과 글래스 세라믹 적층체의 수축 작용의 시간차가 크게 되기 때문에 결함이 생긴 것으로 생각된다. 또한, 승온 속도가 너무 빠르면, 도체층 근방에서 급격한 수축력이 작용하기 때문에, 결함이 생기는 것으로 추정된다.
이상의 결과로부터, 소성 처리 공정에서의 평균 승온 속도는, 200℃/h∼5500℃/h인 것이 바람직하다.
상기 실시 형태에서는 삼산화 몰리브덴을 이용해 설명했지만, 이것 이외의 산화 몰리브덴을 이용해도 마찬가지 효과를 얻을 수 있다. 또한, 다른 산화 몰리브덴의 배합비는, 삼산화 몰리브덴으로 환산해 0.1 중량%∼5.0 중량%가 바람직하다.
또한, 글래스 세라믹 재료로서 본 발명의 실시 형태에서는 (A12O3-MgO-Sm2O3)+글래스계 재료를 이용하고 있지만, Sm2O3만이 아니라 특정의 란타노이드 산화물 LnxOy(Ln은 La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb에서 선택된 적어도 한 종류, x, y는 상기 Ln의 가수에 따라 화학량론적으로 정해진 수치)를 이용해도 그 소결 수축 동작은 변화가 없기 때문에, 동등한 효과를 얻을 수 있는 것을 확인하고 있다.
또한 본 발명의 제조 방법은, 상기(A12O3-MgO-LnOx)와 글래스계 재료로 이루어진 글래스 세라믹 이외의 다른 글래스 세라믹에도 이용할 수 있다.
본 발명의 세라믹 부품의 제조 방법을 이용함으로써, 글래스 세라믹 적층체를 열 수축 억제 시트에 끼워 소성하는 고 치수 정밀 소성 공정에서, 전기 특성을 크게 열화시키지 않고, 소성 후의 기판에서 내부 전극 주변에 크랙 등의 결함 발생을 억제한 신뢰성이 높고 고 치수 정밀한 세라믹 부품을 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 글래스 세라믹 그린 시트 상에 상기 글래스 세라믹 그린 시트와 동등한 소결 속도를 가지는 도체 페이스트를 인쇄하는 도체 인쇄 공정과, 복수의 상기 글래스 세라믹 그린 시트를 적층해 적층체를 형성하는 적층 공정과, 상기 적층체의 한 면 또는 양면에 무기물을 주성분으로 하는 열수축 억제 그린 시트를 또한 적층해 복합 적층체를 형성하는 복합 적층 공정과, 상기 복합 적층체로부터 유기물을 소거 제거하는 탈바인더 공정과, 상기 유기물 제거 후의 복합 적층체를 상기 글래스 세라믹 그린 시트와 도체 페이스트의 소결 거동을 정합시켜 소결하는 소성 공정과, 상기 열수축 억제 그린 시트 중의 무기물을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소성 공정이, 상기 도체 페이스트 중에 혼합된 산화 몰리브덴에 의해 상기 도체 페이스트의 소결 속도를 억제하고, 상기 글래스 세라믹의 소결 속도와 정합시켜 소결하는 공정인 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도체 인쇄 공정에서 이용하는 상기 도체 페이스트가 은분말과 산화 몰리브덴을 포함하고, 상기 산화 몰리브덴의 배합비가 도체 분말 전체의 0.1∼5 중량%(삼산화 몰리브덴 환산)인 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소성 공정이, 상기 도체 페이스트에 이용하는 은분말로서 평균 입경 3㎛∼8㎛인 은분말을 선택함으로써, 상기 도체 페이스트의 수축 개시 온도를 제어하고, 상기 글래스 세라믹의 수축 거동과 정합시켜 소결하는 공정인 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도체 인쇄 공정에서 이용하는 상기 도체 페이스트가 은분말과 산화 몰리브덴을 포함하고, 상기 은분말의 평균 입경이 3㎛∼8㎛인 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소성 공정이 승온 공정과 고온 유지 공정을 가지고, 상기 승온 공정에서의 승온 속도를 1시간당 200℃∼5500℃로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 특정의 란타노이드 산화물과 글래스를 포함하는 글래스 세라믹 그린 시트를 이용해 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조 방법.
  8. 소정의 패턴의 도체층을 가지는 적층 글래스 세라믹 부품으로서, 상기 글래스 세라믹은 산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 특정의 란타노이드 산화물과 글래스를 포함하고, 상기 도체는 은을 주성분으로 가지며 또한 산화 몰리브덴을 도체 분말 전체의 0.1∼5 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 전자 부품.
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