WO2017094335A1 - 多層セラミック基板及び電子部品 - Google Patents

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WO2017094335A1
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誠司 藤田
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a multilayer ceramic substrate and an electronic component.
  • multilayer ceramic substrates in which wiring conductors are three-dimensionally arranged are widely used for applications such as modules in which a plurality of electronic components such as semiconductor devices are arranged.
  • Patent Document 1 discloses a multilayer ceramic substrate having a laminated structure including an inner layer portion and a surface layer portion positioned so as to sandwich the inner layer portion in the lamination direction, and the thermal expansion coefficient of the surface layer portion is ⁇ 1 [ppmK ⁇ 1. And when the coefficient of thermal expansion of the inner layer portion is ⁇ 2 [ppmK ⁇ 1 ], 0.3 ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1 ⁇ 1.5, and acicular crystals are deposited on the inner layer portion Is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a multilayer ceramic substrate having a laminated structure composed of a surface layer portion and an inner layer portion, and the thermal expansion coefficient of the surface layer portion is smaller than the thermal expansion coefficient of the inner layer portion, and the heat of the inner layer portion.
  • a multilayer ceramic substrate having a difference from an expansion coefficient of 1.0 ppm K ⁇ 1 or more, and a weight ratio of components common to the material constituting the surface layer portion and the material constituting the inner layer portion being 75 wt% or more.
  • a weight ratio of components common to the material constituting the surface layer portion and the material constituting the inner layer portion being 75 wt% or more.
  • a multilayer ceramic substrate is also required to be thin.
  • the bending strength is improved and the multilayer ceramic substrate can be made thinner.
  • the sintered state of the surface layer portion becomes non-uniform, and strain is formed in the surface layer portion.
  • a crack is generated in that portion, and moisture enters the crack.
  • the insulation reliability may decrease.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a multilayer ceramic substrate having high strength and suppressing generation of cracks in the surface layer portion.
  • the multilayer ceramic substrate of the present invention has a laminated structure comprising a surface layer portion located on the surface and an inner layer portion located inside the surface layer portion, and the surface layer portion is formed on the inner layer portion.
  • the multilayer ceramic substrate includes an adjacent first layer, the inner layer portion includes a second layer adjacent to the first layer, and the thermal expansion coefficient of the first layer is the thermal expansion coefficient of the second layer.
  • the material constituting the first layer and the second layer is smaller than 40% by weight of MO (wherein MO is at least one selected from the group consisting of CaO, MgO, SrO and BaO).
  • MO is at least one selected from the group consisting of CaO, MgO, SrO and BaO.
  • the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer is 60 ° C. or less.
  • the thermal expansion coefficient of the first layer in the surface layer portion is smaller than the thermal expansion coefficient of the second layer in the inner layer portion, in the cooling process after firing, as in Patent Document 1 and the like.
  • a compressive stress is generated in the surface layer portion, and as a result, the bending strength of the multilayer ceramic substrate can be increased.
  • the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer is set to 60 ° C. or less. If the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer is large, a crack is generated by applying strain stress to the first layer, and moisture enters from the crack. As a result, the insulation is reduced. In particular, in the case of a structure having a via conductor that does not penetrate to the first layer and is continuously connected to a portion close to the first layer, the tendency is remarkable.
  • the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer is 60 ° C. or less, the strain stress applied to the first layer is reduced, and cracks are generated. In addition, since the intrusion of moisture associated therewith can be suppressed, the insulation reliability can be improved.
  • the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer means the absolute value of the difference between the two. That is, in the multilayer ceramic substrate of the present invention, the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer is 0 ° C. or more and 60 ° C. or less.
  • the softening points of the glass constituting the first layer and the second layer are preferably 720 ° C. or higher.
  • glass with a high softening point as the glass constituting the first layer and the second layer, diffusion of silver (Ag) and copper (Cu) contained in the electrode into the ceramic substrate can be suppressed, thereby It becomes possible to suppress the sintering density difference between the electrode application portion and the other portions.
  • the thermal expansion coefficient of the first layer is ⁇ 1 [ppmK ⁇ 1 ] and the thermal expansion coefficient of the second layer is ⁇ 2 [ppmK ⁇ 1 ], 0.3 ⁇ ⁇ 2 ⁇ It is preferable that ⁇ 1 ⁇ 1.5.
  • the difference ⁇ 2- ⁇ 1 in the thermal expansion coefficient is 0.3 or more, the effect of increasing the strength can be sufficiently obtained.
  • the difference ⁇ 2- ⁇ 1 in the thermal expansion coefficient is 1.5 or less, an increase in stress at the interface between the first layer and the second layer is suppressed, and the occurrence of peeling at the interface portion can be suppressed.
  • An electronic component according to the present invention includes the multilayer ceramic substrate.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electronic component including a multilayer ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a composite laminate produced during the production of the multilayer ceramic substrate shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a multilayer ceramic substrate for evaluation.
  • the present invention is not limited to the following configurations, and can be applied with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.
  • the present invention also includes a combination of two or more desirable configurations of the present invention described below.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electronic component including a multilayer ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the multilayer ceramic substrate 1 has a laminated structure including an inner layer portion 3 and a first surface layer portion 4 and a second surface layer portion 5 that are positioned so as to sandwich the inner layer portion 3 in the laminating direction.
  • Each of the inner layer portion 3, the first surface layer portion 4, and the second surface layer portion 5 is composed of at least one ceramic layer.
  • the first surface layer portion 4 includes a first layer 41 adjacent to the inner layer portion 3, and the second surface layer portion 5 includes a first layer 51 adjacent to the inner layer portion 3.
  • the inner layer portion 3 includes a second layer 31 adjacent to the first layer 41 in the first surface layer portion 4 and a second layer 32 adjacent to the first layer 51 in the second surface layer portion 5.
  • the multilayer ceramic substrate 1 includes a wiring conductor.
  • the wiring conductor is used to form a passive element such as a capacitor or an inductor, or to perform connection wiring such as an electrical connection between elements.
  • connection wiring such as an electrical connection between elements.
  • the conductor films 9, 10 and 11 and several via-hole conductors 12 are included. These wiring conductors are preferably composed mainly of silver or copper.
  • the conductor film 9 is formed inside the multilayer ceramic substrate 1.
  • Conductive films 10 and 11 are formed on one main surface and the other main surface of multilayer ceramic substrate 1, respectively.
  • the via-hole conductor 12 is provided so as to be electrically connected to any one of the conductor films 9, 10, and 11 and to penetrate any one of the ceramic layers in the thickness direction.
  • chip components 13 and 14 are mounted in a state of being electrically connected to the conductor film 10. Thereby, the electronic component 2 including the multilayer ceramic substrate 1 is configured.
  • the conductor film 11 formed on the other main surface of the multilayer ceramic substrate 1 is used as an electrical connection means when the electronic component 2 is mounted on a mother board (not shown).
  • the thermal expansion coefficient of the first layer is smaller than the thermal expansion coefficient of the second layer.
  • the thermal expansion coefficient of the first layer is ⁇ 1 [ppmK ⁇ 1 ] and the thermal expansion coefficient of the second layer is ⁇ 2 [ppmK ⁇ 1 ], 0.3 ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1 ⁇ 1.5.
  • a more preferable lower limit value of the difference in thermal expansion coefficient ⁇ 2- ⁇ 1 is 0.5, a more preferable lower limit value is 0.6, a more preferable upper limit value is 1.4, and a further preferable upper limit value is 1.3.
  • a thermal expansion coefficient is obtained as a value measured at a temperature increase rate of 5 ° C./min from room temperature to 500 ° C. by thermomechanical analysis (TMA).
  • a preferable lower limit value of the thermal expansion coefficient ⁇ 1 of the first layer is 5.0 ppmK ⁇ 1 , a more preferable lower limit value is 5.5 ppmK ⁇ 1 , a preferable upper limit value is 8.0 ppmK ⁇ 1 , and a more preferable upper limit value is 7.5 ppmK. ⁇ 1 and a more preferable upper limit value is 6.5 ppm K ⁇ 1 .
  • the preferred lower limit of the thermal expansion coefficient ⁇ 2 of the second layer is 5.5 ppm K ⁇ 1
  • the more preferred lower limit is 6.0 ppm K ⁇ 1
  • the preferred upper limit is 8.5 ppm K ⁇ 1
  • the more preferred upper limit is 8 ppm. 0.0 ppm K ⁇ 1 .
  • the ratio of the ceramic filler and glass, or ceramic By changing the type of filler and / or the type of glass, the thermal expansion coefficient of the first layer and the thermal expansion coefficient of the second layer can be respectively adjusted.
  • the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer is 60 ° C. or less.
  • the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer is preferably 30 ° C. or less, more preferably 20 ° C. or less, and particularly preferably 0 ° C. That is, it is particularly preferable that the softening point of the glass constituting the first layer is equal to the softening point of the glass constituting the second layer.
  • the softening point of the glass constituting the first layer is different from the softening point of the glass constituting the second layer, the softening point of the glass constituting the first layer is higher than the softening point of the glass constituting the second layer.
  • the softening point of the glass constituting the first layer may be lower than the softening point of the glass constituting the second layer. Since the softening point of the glass constituting the first layer is higher than the softening point of the glass constituting the second layer, the generation of voids in the surface layer portion caused by excessive diffusion of the electrode component is suppressed, and the surface layer portion Reliability is further improved.
  • the softening point of the glass constituting the first layer and the second layer is preferably 720 ° C. or higher.
  • Ts1 [° C.]
  • a preferable lower limit value of Ts1 is 720 ° C.
  • a preferable upper limit value is 830 ° C.
  • a more preferable upper limit value is 820 ° C.
  • the softening point of the glass which comprises a 2nd layer is set to Ts2 [degreeC]
  • the more preferable lower limit of Ts2 is 730 degreeC
  • a preferable upper limit is 840 degreeC
  • a more preferable upper limit is 830 degreeC.
  • the softening point of glass is obtained as a value measured by a differential thermal analysis at a heating rate of 10 ° C./min.
  • the first layer and the second layer both contain glass.
  • the glasses constituting the first layer and the second layer both contain 40% by weight or more of MO (wherein MO is at least one selected from the group consisting of CaO, MgO, SrO and BaO).
  • MO is at least one selected from the group consisting of CaO, MgO, SrO and BaO.
  • Glass constituting the first and second layers are both preferably further includes SiO 2, B 2 O 3 and Al 2 O 3.
  • the preferable ratio of the content of the components contained in the glass constituting the first layer is as follows.
  • MO preferably CaO
  • preferable lower limit is 41.0 wt%
  • preferable upper limit is 50.0 wt% Al 2 O 3 : 0 wt% or more and 10.0 wt% or less
  • preferable lower limit is 3.0 wt%
  • preferable upper limit is 8.5 wt% B 2 O 3 : 0 wt% or more and 27.0 wt% or less
  • preferable lower limit is 3.0 wt%
  • preferable upper limit is 20.0 wt% SiO 2 : 25.0 wt% or more and 70.0 wt% or less
  • preferable lower limit is 30.0 wt%
  • preferable upper limit is 60.0 wt%
  • the preferable ratio of the content of the components contained in the glass constituting the second layer is as follows.
  • MO preferably CaO
  • preferable lower limit is 41.0 wt%
  • preferable upper limit is 50.0 wt% Al 2 O 3 : 0 wt% or more and 10.0 wt% or less
  • preferable lower limit is 3.0 wt%
  • preferable upper limit is 8.5 wt% B 2 O 3 : 0 wt% or more and 27.0 wt% or less
  • preferable lower limit is 3.0 wt%
  • preferable upper limit is 20.0 wt% SiO 2 : 25.0 wt% or more and 70.0 wt% or less
  • preferable lower limit is 30.0 wt%
  • preferable upper limit is 60.0 wt%
  • the glass constituting the first layer and the second layer may contain other impurities, and the preferred content when impurities are contained is less than 5% by weight.
  • Both the first layer and the second layer preferably contain Al 2 O 3 as a ceramic filler.
  • the Al 2 O 3 filler contributes to improving the mechanical strength.
  • the first layer preferably contains 48 wt% or more and 58 wt% or less of Al 2 O 3 as a ceramic filler.
  • the second layer preferably contains Al 2 O 3 50 wt% to 60 wt% or less as a ceramic filler.
  • ceramic filler other ceramics such as ZrO 2 may be used in addition to Al 2 O 3 .
  • the layer other than the first layer may be made of a material different from the first layer, but is preferably made of the same material as the first layer.
  • the layer other than the second layer may be made of a material different from that of the second layer, but may be made of the same material as the second layer. preferable.
  • the multilayer ceramic substrate 1 shown in FIG. 1 is preferably manufactured as follows.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a composite laminate produced during the production of the multilayer ceramic substrate shown in FIG.
  • the composite laminate 21 includes an inner layer ceramic green sheet 22 to be an inner layer portion of the multilayer ceramic substrate 1 and surface layer ceramic green sheets 23 and 24 to be surface layer portions, and restraining ceramic green sheets 25 and 26. It has.
  • conductor films 9, 10 and 11 and via-hole conductors 12 as wiring conductors provided in the multilayer ceramic substrate 1 are provided in relation to the inner layer ceramic green sheet 22 and the surface layer ceramic green sheets 23 and 24.
  • an inner layer ceramic green sheet 22, a surface layer ceramic green sheet 23 and 24, and a restraining ceramic green sheet 25 and 26 are prepared.
  • the thermal expansion coefficient of the sintered body of the ceramic green sheets for surface layer 23 and 24 to be the first layer is smaller than the thermal expansion coefficient of the sintered body of the ceramic green sheet for inner layer 22 to be the second layer.
  • the materials constituting the sintered body of the ceramic green sheets 23 and 24 for the surface layer and the sintered body of the ceramic green sheet 22 for the inner layer to be the second layer are both 40% by weight or more of MO (however, MO Includes at least one selected from the group consisting of CaO, MgO, SrO and BaO), and softens the glass constituting the sintered body of the surface ceramic green sheets 23 and 24 to be the first layer
  • MO includes at least one selected from the group consisting of CaO, MgO, SrO and BaO
  • the difference between the point and the softening point of the glass constituting the sintered body of the inner layer ceramic green sheet 22 to be the second layer is 60 ° C. or less.
  • Each composition of Nshito 22, 23 and 24 are selected.
  • the constraining ceramic green sheets 25 and 26 have a composition containing an inorganic material that does not sinter at a temperature at which the surface layer ceramic green sheets 23 and 24 and the inner layer ceramic green sheets 22 sinter.
  • surface ceramic green sheets 23 and 24 are disposed so that at least one inner layer ceramic green sheet 22 is sandwiched in the stacking direction, and constraining ceramic green sheets 25 and 26 are disposed outside the surface ceramic green sheets 23 and 24, respectively. By doing so, a composite laminate 21 as shown in FIG. 2 is produced.
  • the composite laminate 21 is fired at a temperature at which the surface ceramic green sheets 23 and 24 and the inner ceramic green sheets 22 are sintered but the restraining ceramic green sheets 25 and 26 are not sintered.
  • the thermal expansion coefficients of the first layers 41 and 51 (see FIG. 1) derived from the surface ceramic green sheets 23 and 24 are the second layers 31 and 32 (see FIG. 1) derived from the inner ceramic green sheets 22. )
  • the materials constituting the first layers 41 and 51 and the second layers 31 and 32 see FIG.
  • MO is CaO, MgO, Difference between the softening point of the glass constituting the first layers 41 and 51 and the softening point of the glass constituting the second layers 31 and 32, including at least one selected from the group consisting of SrO and BaO. Is obtained, the composite laminate 21 after firing is obtained.
  • the ceramic green sheets for the surface layer and the ceramic green sheets for the inner layer are fired in each main surface direction. Shrinkage can be suppressed. Therefore, it is possible not only to suppress undesired deformation of the multilayer ceramic substrate and increase the dimensional accuracy, but also to prevent peeling between the surface layer portion and the inner layer portion during firing.
  • a laminated body without the constraining ceramic green sheets may be fired.
  • a glass powder having the composition and softening point shown in Table 1 was prepared.
  • the softening point of the glass powder was measured at a rate of temperature increase of 10 ° C./min using a differential thermal analyzer (manufactured by Rigaku Corporation).
  • Table 2 shows the types and contents of the glass powder contained in the ceramic green sheet for the surface layer and the ceramic green sheet for the inner layer, the average particle diameter D 50 and the content of the Al 2 O 3 powder as the ceramic filler, and the seed crystal. The content of CaSiO 3 powder is shown.
  • the symbols “G1” to “G3” described in the types of glass correspond to the “glass symbols” in Table 1.
  • the average particle diameter D 50 of the Al 2 O 3 powder is a particle having a particle diameter distribution measuring device MT3300-EX manufactured by Bell Microtrac Co., Ltd., in the range of 0.02 ⁇ m to 1400 ⁇ m by laser diffraction / scattering method. The particle size distribution was measured to calculate the number average particle size.
  • a slurry was obtained by mixing and mixing a solvent, a dispersant, a binder and a plasticizer in a mixed powder containing glass powder, Al 2 O 3 powder and CaSiO 3 powder. .
  • the obtained slurry was applied on a PET film to prepare a surface layer ceramic green sheet and an inner layer ceramic green sheet.
  • the weight ratio of the glass powder to the Al 2 O 3 powder was adjusted to 48:52 to 60:40.
  • a solvent, a dispersant, a binder, and a plasticizer were blended with Al 2 O 3 powder and mixed to obtain a slurry.
  • the obtained slurry was applied onto a PET film to produce a constraining ceramic green sheet having a thickness of 50 ⁇ m.
  • the ceramic green sheet for surface layers and the ceramic green sheet for inner layers which are used so that the thickness of the 1st layer (surface layer) shown in Table 2 and the thickness of the 2nd layer (inner layer) may be obtained after baking, respectively. Each thickness of was adjusted.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a multilayer ceramic substrate for evaluation.
  • the multilayer ceramic substrate for evaluation has a laminated structure in which the inner layer portion 3 is used as a core, and the surface layer portions 4 and 5 (first layers 41 and 51) are bonded to the front and back surfaces (second layers 31 and 32) of the inner layer portion 3, respectively. It has become.
  • a via-hole conductor 12 is formed in the substrate.
  • the via-hole conductor 12 includes a conductor film 11 formed on the first layer 51 on the substrate surface, and a conductor film 9 formed between the layers constituting the inner layer portion 3. It is connected.
  • the conductor film 10 formed on the first layer 41 on the substrate surface is separated from the conductor film 9 connected to the via-hole conductor 12 by a predetermined interval (an interval corresponding to the total thickness of the first layer 41 and the second layer 31). Yes.
  • a via hole conductor and a conductor film for interlayer connection are printed on the ceramic green sheet for the surface layer and the ceramic green sheet for the inner layer, each ceramic green sheet is laminated and pressure-bonded, and held at a temperature of 870 ° C. for 10 minutes. Baked with. Thereafter, an unsintered portion derived from the constraining ceramic green sheet was removed from the fired substrate to obtain a multilayer ceramic substrate for evaluation.
  • the “absolute value of the difference between the softening points” was obtained from the softening point Ts1 of the glass constituting the first layer of the multilayer ceramic substrate for evaluation and the softening point Ts2 of the glass constituting the second layer.
  • the “difference in thermal expansion coefficient” was determined from the thermal expansion coefficient ⁇ 1 of the first layer and the thermal expansion coefficient ⁇ 2 of the second layer of the multilayer ceramic substrate for evaluation.
  • the thermal expansion coefficient was measured by thermomechanical analysis (TMA) at a temperature increase rate of 5 ° C./min from room temperature to 500 ° C. under the following conditions. Measurement atmosphere: Nitrogen (300 mL / min) Measurement load: 10 gf
  • the “total thickness of the first layer and the second layer” was determined from the thickness of the first layer and the thickness of the second layer.
  • “Microcrack” was evaluated by immersing a fluorescent solution in a substrate and observing the light emission of the fluorescent solution near the first layer under a microscope, and it was magnified 500 times and no crack-shaped light emission was visually confirmed. The case was evaluated as “ ⁇ ”, and the case where crack-like light emission was confirmed by enlarging the magnification 500 times was defined as “X”.
  • “Bending strength” was measured for each of the surface layer portion, the inner layer portion, and the substrate (the entire sintered body) by a three-point bending method.
  • “Insulation” was evaluated by measuring the insulation resistance IR 60 seconds after applying a DC voltage of 30 V, and a sample with LogIR ⁇ 10 was judged to be short-circuited. From FIG. 3, the influence of the total thickness of the first layer 41 and the second layer 31 on the insulation is evaluated.
  • “Delamination” was evaluated by visual confirmation. Of the 100 samples, “ ⁇ ” indicates that the number of samples in which delamination was observed was “ ⁇ ”, and 1 to 10 delaminations. The case where the sample was recognized as “ ⁇ ”, and the case where the delamination was observed as 11 or more samples was indicated as “X”.
  • the difference between the softening point of the glass constituting the first layer and the softening point of the glass constituting the second layer is 60 ° C. or less, and the thermal expansion coefficient of the first layer is second.
  • Examples 1 to 27 smaller than the thermal expansion coefficient of the layer, it was confirmed that microcracks were not generated and that the bending strength of the substrate was equal to or higher than the bending strength of the inner layer portion.

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Abstract

本発明の多層セラミック基板は、表面に位置する表層部と上記表層部より内側に位置する内層部とからなる積層構造を有し、上記表層部は、上記内層部に隣接する第1層を含み、上記内層部は、上記第1層に隣接する第2層を含む多層セラミック基板であって、上記第1層の熱膨張係数は、上記第2層の熱膨張係数より小さく、上記第1層及び上記第2層を構成する材料は、いずれも40重量%以上のMO(ただし、MOは、CaO、MgO、SrO及びBaOからなる群より選択される少なくとも1種)を含むガラスを含み、上記第1層を構成するガラスの軟化点と上記第2層を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下であることを特徴とする。

Description

多層セラミック基板及び電子部品
本発明は、多層セラミック基板及び電子部品に関する。
近年、半導体デバイス等の電子部品を複数配設したモジュール等の用途に、配線導体を3次元的に配置した多層セラミック基板が広く用いられている。
特許文献1には、内層部と、その内層部を積層方向に挟むように位置する表層部とからなる積層構造を有する多層セラミック基板であって、表層部の熱膨張係数をα1[ppmK-1]とし、内層部の熱膨張係数をα2[ppmK-1]としたとき、0.3≦α2-α1≦1.5であり、かつ、内層部に針状結晶が析出している多層セラミック基板が開示されている。また、特許文献2には、表層部と内層部とからなる積層構造を有する多層セラミック基板であって、表層部の熱膨張係数は、内層部の熱膨張係数より小さく、かつ、内層部の熱膨張係数との差が1.0ppmK-1以上であり、表層部を構成する材料と内層部を構成する材料との間で共通する成分の重量比率が75重量%以上である多層セラミック基板が開示されている。
特許文献1及び2に記載の多層セラミック基板によれば、表層部の熱膨張係数を内層部の熱膨張係数よりも小さくすることにより、焼成後の冷却過程において、表裏の最外層に圧縮応力が生じるため、多層セラミック基板の抗折強度を向上させることができるとされている。
特開2007-73728号公報 国際公開第2007/142112号
近年、電子部品の小型化により、多層セラミック基板においても薄型化が要求されている。特許文献1及び2に記載の多層セラミック基板では、内層部よりも熱膨張係数の小さい層を表層部に設けることによって、抗折強度が向上し、多層セラミック基板の薄型化が可能となっている。しかし、特許文献1及び2に記載の多層セラミック基板では、表層部の焼結状態が不均一となり、表層部に歪が形成される結果、その部位にクラックが発生し、クラックに水分が浸入することにより絶縁信頼性が低下する場合があることが判明した。今後、多層セラミック基板の高強度化及び薄型化を更に進めていくためには、このような表層部でのクラックの発生を抑える必要がある。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、強度が高く、かつ、表層部でのクラックの発生が抑制された多層セラミック基板を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の多層セラミック基板は、表面に位置する表層部と上記表層部より内側に位置する内層部とからなる積層構造を有し、上記表層部は、上記内層部に隣接する第1層を含み、上記内層部は、上記第1層に隣接する第2層を含む多層セラミック基板であって、上記第1層の熱膨張係数は、上記第2層の熱膨張係数より小さく、上記第1層及び上記第2層を構成する材料は、いずれも40重量%以上のMO(ただし、MOは、CaO、MgO、SrO及びBaOからなる群より選択される少なくとも1種)を含むガラスを含み、上記第1層を構成するガラスの軟化点と上記第2層を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下であることを特徴とする。
本発明の多層セラミック基板では、表層部中の第1層の熱膨張係数が内層部中の第2層の熱膨張係数より小さいため、特許文献1等の場合と同様、焼成後の冷却過程において表層部に圧縮応力が発生し、その結果、多層セラミック基板の抗折強度を高めることができる。
さらに、本発明の多層セラミック基板では、第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差を60℃以下としている。第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差が大きいと、第1層に歪応力が加わることによりクラックが発生し、そのクラックから水分が浸入することにより絶縁性が低下する。特に、第1層までは貫通せず、第1層に近い部位まで連続して繋がったビア導体を有する構造の場合、その傾向が顕著に現れる。これに対し、第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下であると、第1層に加わる歪応力が低減され、クラックの発生及びそれに伴う水分の浸入が抑えられるため、絶縁信頼性を向上させることができる。
なお、第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差は、両者の差の絶対値を意味する。すなわち、本発明の多層セラミック基板において、第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差は、0℃以上60℃以下である。
本発明の多層セラミック基板では、上記第1層及び上記第2層を構成するガラスの軟化点は、いずれも720℃以上であることが好ましい。
第1層及び第2層を構成するガラスとして、軟化点の高いガラスを用いることにより、電極中に含まれる銀(Ag)や銅(Cu)のセラミック基板中への拡散を抑えられ、それによって電極塗布部分とそれ以外の部分との焼結密度差を抑えることが可能となる。
本発明の多層セラミック基板では、上記第1層の熱膨張係数をα1[ppmK-1]とし、上記第2層の熱膨張係数をα2[ppmK-1]としたとき、0.3≦α2-α1≦1.5であることが好ましい。熱膨張係数の差α2-α1が0.3以上であることにより、高強度化の効果を十分に得ることができる。また、熱膨張係数の差α2-α1が1.5以下であることにより、第1層と第2層との界面での応力の増加が抑制され、界面部分での剥離の発生を抑制できる。
本発明の電子部品は、上記多層セラミック基板を備えることを特徴とする。
この発明によれば、強度が高く、かつ、表層部でのクラックの発生が抑制された多層セラミック基板を提供することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る多層セラミック基板を備える電子部品を模式的に示す断面図である。 図2は、図1に示した多層セラミック基板の製造途中で作製される複合積層体を示す断面図である。 図3は、評価用の多層セラミック基板を模式的に示す断面図である。
以下、本発明の多層セラミック基板及び電子部品について説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の個々の望ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
図1は、本発明の一実施形態に係る多層セラミック基板を備える電子部品を模式的に示す断面図である。
多層セラミック基板1は、内層部3と、内層部3を積層方向に挟むように位置する第1の表層部4及び第2の表層部5とからなる積層構造を有している。
内層部3、第1の表層部4及び第2の表層部5は、それぞれ少なくとも1層のセラミック層から構成されている。第1の表層部4は、内層部3に隣接する第1層41を含み、第2の表層部5は、内層部3に隣接する第1層51を含む。また、内層部3は、第1の表層部4中の第1層41に隣接する第2層31及び第2の表層部5中の第1層51に隣接する第2層32を含む。
多層セラミック基板1は、配線導体を備えている。配線導体は、例えばコンデンサ又はインダクタのような受動素子を構成したり、あるいは素子間の電気的接続のような接続配線を行なったりするためのもので、典型的には、図示したように、幾つかの導体膜9、10及び11並びに幾つかのビアホール導体12から構成される。これらの配線導体は、銀又は銅を主成分とすることが好ましい。
導体膜9は、多層セラミック基板1の内部に形成される。導体膜10及び11は、それぞれ、多層セラミック基板1の一方主面上及び他方主面上に形成される。ビアホール導体12は、導体膜9、10及び11のいずれかと電気的に接続され、かつセラミック層のいずれか特定のものを厚み方向に貫通するように設けられる。
多層セラミック基板1の一方主面上には、導体膜10に電気的に接続された状態で、チップ部品13及び14が搭載される。これによって、多層セラミック基板1を備える電子部品2が構成される。多層セラミック基板1の他方主面上に形成された導体膜11は、当該電子部品2を図示しないマザーボード上に実装する際の電気的接続手段として用いられる。
本発明の多層セラミック基板において、第1層の熱膨張係数は、第2層の熱膨張係数より小さい。ここで、第1層の熱膨張係数をα1[ppmK-1]とし、第2層の熱膨張係数をα2[ppmK-1]としたとき、0.3≦α2-α1≦1.5であることが好ましい。熱膨張係数の差α2-α1のより好ましい下限値は0.5、さらに好ましい下限値は0.6であり、より好ましい上限値は1.4、さらに好ましい上限値は1.3である。
なお、熱膨張係数は、熱機械分析(TMA)により、室温から500℃まで5℃/minの昇温速度で測定した値として得られる。
第1層の熱膨張係数α1の好ましい下限値は5.0ppmK-1、より好ましい下限値は5.5ppmK-1であり、好ましい上限値は8.0ppmK-1、より好ましい上限値は7.5ppmK-1、さらに好ましい上限値は6.5ppmK-1である。また、第2層の熱膨張係数α2の好ましい下限値は5.5ppmK-1、より好ましい下限値は6.0ppmK-1であり、好ましい上限値は8.5ppmK-1、より好ましい上限値は8.0ppmK-1である。
表層部を構成する表層部セラミック層、及び、内層部を構成する内層部セラミック層の各材料として、セラミックフィラーとガラスとの混合物を用いるようにすれば、セラミックフィラーとガラスとの比率、あるいはセラミックフィラーの種類及び/又はガラスの種類を変更することによって、第1層の熱膨張係数及び第2層の熱膨張係数をそれぞれ調整することができる。
本発明の多層セラミック基板では、第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下である。第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差は、30℃以下が好ましく、20℃以下がより好ましく、0℃が特に好ましい。すなわち、第1層を構成するガラスの軟化点が第2層を構成するガラスの軟化点と等しい場合が特に好ましい。
第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点とが異なる場合、第1層を構成するガラスの軟化点は、第2層を構成するガラスの軟化点より高い方が好ましいが、第1層を構成するガラスの軟化点が第2層を構成するガラスの軟化点よりも低くてもよい。第1層を構成するガラスの軟化点が第2層を構成するガラスの軟化点よりも高いことにより、電極成分が余分に拡散することで発生する表層部位のボイド発生が抑えられ、表層部位の信頼性がより向上する。
第1層及び上記第2層を構成するガラスの軟化点は、いずれも720℃以上であることが好ましい。第1層を構成するガラスの軟化点をTs1[℃]としたとき、Ts1の好ましい下限値は720℃であり、好ましい上限値は830℃、より好ましい上限値は820℃である。また、第2層を構成するガラスの軟化点をTs2[℃]としたとき、Ts2のより好ましい下限値は730℃であり、好ましい上限値は840℃、より好ましい上限値は830℃である。
なお、ガラスの軟化点は、示差熱分析により、10℃/minの昇温速度で測定した値として得られる。
第1層及び第2層は、いずれもガラスを含む。特に、第1層及び第2層を構成するガラスは、いずれも40重量%以上のMO(ただし、MOは、CaO、MgO、SrO及びBaOからなる群より選択される少なくとも1種)を含む。
第1層及び第2層を構成するガラスは、いずれもSiO、B及びAlをさらに含むことが好ましい。
第1層及び第2層を構成する材料に含まれるガラスの組成及び各成分の含有量を調整することによって、第1層の熱膨張係数及び第2層の熱膨張係数を調整することができるだけでなく、第1層を構成するガラスの軟化点及び第2層を構成するガラスの軟化点を調整することができる。
第1層を構成するガラスに含まれる成分の含有量の好ましい割合は以下のようになる。
MO(好ましくはCaO):40.0重量%以上55.0重量%以下、好ましい下限値は41.0重量%、好ましい上限値は50.0重量%
Al:0重量%以上10.0重量%以下、好ましい下限値は3.0重量%、好ましい上限値は8.5重量%
:0重量%以上27.0重量%以下、好ましい下限値は3.0重量%、好ましい上限値は20.0重量%
SiO:25.0重量%以上70.0重量%以下、好ましい下限値は30.0重量%、好ましい上限値は60.0重量%
第2層を構成するガラスに含まれる成分の含有量の好ましい割合は以下のようになる。
MO(好ましくはCaO):40.0重量%以上55.0重量%以下、好ましい下限値は41.0重量%、好ましい上限値は50.0重量%
Al:0重量%以上10.0重量%以下、好ましい下限値は3.0重量%、好ましい上限値は8.5重量%
:0重量%以上27.0重量%以下、好ましい下限値は3.0重量%、好ましい上限値は20.0重量%
SiO:25.0重量%以上70.0重量%以下、好ましい下限値は30.0重量%、好ましい上限値は60.0重量%
第1層及び第2層を構成するガラスには、その他の不純物が含まれていてもよく、不純物が含まれる場合の好ましい含有量は5重量%未満である。
第1層及び第2層は、いずれもセラミックフィラーとしてAlを含むことが好ましい。Alフィラーは、機械的強度を向上させるのに寄与する。
第1層は、セラミックフィラーとしてAlを48重量%以上58重量%以下含むことが好ましい。また、第2層は、セラミックフィラーとしてAlを50重量%以上60重量%以下含むことが好ましい。
セラミックフィラーとして、Al以外に、例えばZrO等の他のセラミックを用いてもよい。
表層部が第1層以外の層を含む場合、第1層以外の層は、第1層と異なる材料から構成されてもよいが、第1層と同じ材料から構成されていることが好ましい。また、内層部が第2層以外の層を含む場合、第2層以外の層は、第2層と異なる材料から構成されてもよいが、第2層と同じ材料から構成されていることが好ましい。
図1に示した多層セラミック基板1は、好ましくは、以下のように製造される。
図2は、図1に示した多層セラミック基板の製造途中で作製される複合積層体を示す断面図である。
複合積層体21は、多層セラミック基板1における内層部となるべき内層用セラミックグリーンシート22と、表層部となるべき表層用セラミックグリーンシート23及び24とを備えるとともに、拘束用セラミックグリーンシート25及び26を備えている。また、内層用セラミックグリーンシート22並びに表層用セラミックグリーンシート23及び24に関連して、多層セラミック基板1に備える配線導体としての導体膜9、10及び11並びにビアホール導体12が設けられている。
このような複合積層体21を作製するため、まず、内層用セラミックグリーンシート22、表層用セラミックグリーンシート23及び24並びに拘束用セラミックグリーンシート25及び26がそれぞれ用意される。第1層となるべき表層用セラミックグリーンシート23及び24の焼結体の熱膨張係数は、第2層となるべき内層用セラミックグリーンシート22の焼結体の熱膨張係数より小さく、第1層となるべき表層用セラミックグリーンシート23及び24の焼結体並びに第2層となるべき内層用セラミックグリーンシート22の焼結体を構成する材料が、いずれも40重量%以上のMO(ただし、MOは、CaO、MgO、SrO及びBaOからなる群より選択される少なくとも1種)を含むガラスを含み、第1層となるべき表層用セラミックグリーンシート23及び24の焼結体を構成するガラスの軟化点と第2層となるべき内層用セラミックグリーンシート22の焼結体を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下となるように、これらのグリーンシート22、23及び24の各組成が選ばれる。また、拘束用セラミックグリーンシート25及び26は、表層用セラミックグリーンシート23及び24並びに内層用セラミックグリーンシート22が焼結する温度では焼結しない無機材料を含む組成とされる。
次に、少なくとも1つの内層用セラミックグリーンシート22を積層方向に挟むように、それぞれ、表層用セラミックグリーンシート23及び24を配置し、さらに、その外側に拘束用セラミックグリーンシート25及び26をそれぞれ配置することによって、図2に示すような複合積層体21が作製される。
続いて、複合積層体21は、表層用セラミックグリーンシート23及び24並びに内層用セラミックグリーンシート22が焼結するが、拘束用セラミックグリーンシート25及び26が焼結しない温度で焼成される。その結果、表層用セラミックグリーンシート23及び24に由来する第1層41及び51(図1参照)の熱膨張係数が、内層用セラミックグリーンシート22に由来する第2層31及び32(図1参照)の熱膨張係数より小さく、第1層41及び51並びに第2層31及び32(図1参照)を構成する材料が、いずれも40重量%以上のMO(ただし、MOは、CaO、MgO、SrO及びBaOからなる群より選択される少なくとも1種)を含むガラスを含み、第1層41及び51を構成するガラスの軟化点と第2層31及び32を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下である、焼成後の複合積層体21が得られる。
その後、焼成後の複合積層体21において、拘束用セラミックグリーンシート25及び26に由来する部分が除去される。これによって、多層セラミック基板1が得られる。
上述の製造方法によれば、拘束用セラミックグリーンシートを両主面上に配置した複合積層体を焼成するので、表層用セラミックグリーンシート及び内層用セラミックグリーンシートの焼成時における各主面方向での収縮を抑制することができる。そのため、多層セラミック基板の不所望な変形を抑制し、寸法精度を高めることができるばかりでなく、焼成時における表層部と内層部との間での剥離を生じにくくすることができる。
多層セラミック基板1を製造するにあたり、上述のような拘束用セラミックグリーンシート25及び26を用いるのではなく、拘束用セラミックグリーンシートが無い状態の積層体を焼成してもよい。
以下、本発明の多層セラミック基板をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
(多層セラミック基板の作製)
まず、表1に示す組成及び軟化点を有するガラス粉末を用意した。
ガラス粉末の軟化点は、示差熱分析装置(リガク社製)を用いて、10℃/minの昇温速度で測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
次に、表2に示す各試料が得られるように、表層用セラミックグリーンシート及び内層用セラミックグリーンシートをそれぞれ作製した。
表2に、表層用セラミックグリーンシート及び内層用セラミックグリーンシートに含まれるガラス粉末の種類及び含有量、セラミックフィラーとしてのAl粉末の平均粒子径D50及び含有量、並びに、種結晶としてのCaSiO粉末の含有量を示している。
表2において、ガラスの種類に記載された「G1」~「G3」の記号は、表1の「ガラス記号」に対応している。
また、Al粉末の平均粒子径D50は、ベル・マイクロトラック社製の粒子径分布測定装置MT3300-EXを用いて、レーザー回折・散乱法で0.02μm以上1400μm以下の範囲の粒子径分布を測定して粒子径の個数平均を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
表2に示した各試料を得るため、ガラス粉末、Al粉末及びCaSiO粉末を含む混合粉末に、溶剤、分散剤、バインダ及び可塑剤を配合し、混合することによりスラリーを得た。得られたスラリーをPETフィルム上に塗布することにより、表層用セラミックグリーンシート及び内層用セラミックグリーンシートを作製した。表2に示すように、ガラス粉末とAl粉末の重量比は、48:52~60:40に調整した。
他方、Al粉末に溶剤、分散剤、バインダ及び可塑剤を配合し、混合することによりスラリーを得た。得られたスラリーをPETフィルム上に塗布することにより、厚み50μmの拘束用セラミックグリーンシートを作製した。
なお、上記工程では、表2に示した第1層(表層)の厚み及び第2層(内層)の厚みが焼成後においてそれぞれ得られるように、用いる表層用セラミックグリーンシート及び内層用セラミックグリーンシートの各厚みを調整した。
表層用セラミックグリーンシート及び内層用セラミックグリーンシートを用いて、評価用の多層セラミック基板を作製した。
図3は、評価用の多層セラミック基板を模式的に示す断面図である。
評価用の多層セラミック基板は、内層部3をコアとして、内層部3の表裏面(第2層31及び32)に表層部4及び5(第1層41及び51)をそれぞれ貼り合わせた積層構造となっている。基板内にはビアホール導体12が形成されており、ビアホール導体12は、基板表面の第1層51に形成された導体膜11、及び、内層部3を構成する層間に形成された導体膜9と接続されている。基板表面の第1層41に形成された導体膜10からビアホール導体12と接続した導体膜9までは、所定の間隔(第1層41及び第2層31の合計厚み分の間隔)で離れている。
具体的には、表層用セラミックグリーンシート及び内層用セラミックグリーンシートに、層間接続用のビアホール導体及び導体膜を印刷し、各セラミックグリーンシートを積層圧着し、870℃の温度で10分間保持する条件で焼成した。その後、焼成後の基板から拘束用セラミックグリーンシートに由来する未焼結部分を除去し、評価用の多層セラミック基板を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
(多層セラミック基板の評価)
評価用の多層セラミック基板について、表3に示すように、「軟化点の差の絶対値」、「熱膨張係数の差」、「第1層及び第2層の合計厚み」、「マイクロクラック」、「抗折強度」、「絶縁性(層間絶縁性)」及び「デラミネーション」の各項目について評価した。
「軟化点の差の絶対値」は、評価用の多層セラミック基板の第1層を構成するガラスの軟化点Ts1及び第2層を構成するガラスの軟化点Ts2から求めた。
「熱膨張係数の差」は、評価用の多層セラミック基板の第1層の熱膨張係数α1及び第2層の熱膨張係数α2から求めた。
熱膨張係数は、熱機械分析(TMA)により、以下の条件で、室温から500℃まで5℃/minの昇温速度で測定した。
 測定雰囲気:窒素(300mL/min)
 測定荷重:10gf
「第1層及び第2層の合計厚み」は、第1層の厚み及び第2層の厚みから求めた。
「マイクロクラック」は、基板に蛍光液を含浸し、第1層付近での蛍光液の発光を顕微鏡観察することによって評価したもので、500倍に拡大して目視でクラック形状の発光が確認されない場合を「○」、500倍に拡大してクラック形状の発光が確認された場合を「×」とした。
「抗折強度」は、3点曲げ法によって、表層部、内層部及び基板(焼結体全体)の各々について測定した。
「絶縁性」は、30Vの直流電圧を印加して60秒後の絶縁抵抗IRを測定することによって評価したもので、LogIR<10となった試料をショート不良と判断した。図3より、第1層41及び第2層31の合計厚みが絶縁性に与える影響を評価している。
「デラミネーション」は、目視で確認することによって評価したもので、100個の試料について、デラミネーションが認められた試料が0個である場合を「◎」、デラミネーションが1個以上10個以下の試料で認められた場合を「○」、デラミネーションが11個以上の試料で認められた場合を「×」とした。
表3に示すように、第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下であり、かつ、第1層の熱膨張係数が第2層の熱膨張係数より小さい実施例1~27では、マイクロクラックが発生しておらず、また、基板の抗折強度が内層部の抗折強度と同等以上となっていることが確認された。
特に、熱膨張係数の差が0.3≦α2-α1≦1.5である実施例1~25では、基板の抗折強度が内層部の抗折強度よりも高く、また、デラミネーションも発生していないことが分かる。
また、第1層及び第2層の合計厚みが25μm以上である実施例1~9、12~20及び23~27では、LogIR≧10となっており、絶縁性が確保できていることが分かる。
これに対し、第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差が60℃を超えている比較例1及び2では、マイクロクラックが発生し、LogIR<10となっていることが確認された。これは、表層部に歪応力が加わることによりマイクロクラックが発生し、その影響によって絶縁性が低下したためと考えられる。
さらに、比較例2では、第1層の熱膨張係数が第2層の熱膨張係数より大きいため、表層部に圧縮応力が生じず、基板の抗折強度が内層部の抗折強度よりも低下することが確認された。
また、比較例3では、第1層を構成するガラスの軟化点と第2層を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下であるため、マイクロクラックは発生していないものの、第1層の熱膨張係数が第2層の熱膨張係数より大きいため、基板の抗折強度が内層部の抗折強度よりも低下することが確認された。
1     多層セラミック基板
2     電子部品
3     内層部
4,5   表層部
21    複合積層体
22    内層用セラミックグリーンシート
23,24 表層用セラミックグリーンシート
25,26 拘束用セラミックグリーンシート
31,32 第2層
41,51 第1層
 

Claims (4)

  1. 表面に位置する表層部と前記表層部より内側に位置する内層部とからなる積層構造を有し、前記表層部は、前記内層部に隣接する第1層を含み、前記内層部は、前記第1層に隣接する第2層を含む多層セラミック基板であって、
    前記第1層の熱膨張係数は、前記第2層の熱膨張係数より小さく、
    前記第1層及び前記第2層を構成する材料は、いずれも40重量%以上のMO(ただし、MOは、CaO、MgO、SrO及びBaOからなる群より選択される少なくとも1種)を含むガラスを含み、
    前記第1層を構成するガラスの軟化点と前記第2層を構成するガラスの軟化点との差が60℃以下であることを特徴とする多層セラミック基板。
  2. 前記第1層及び前記第2層を構成するガラスの軟化点は、いずれも720℃以上である請求項1に記載の多層セラミック基板。
  3. 前記第1層の熱膨張係数をα1[ppmK-1]とし、前記第2層の熱膨張係数をα2[ppmK-1]としたとき、0.3≦α2-α1≦1.5である請求項1又は2に記載の多層セラミック基板。
  4. 請求項1~3のいずれかに記載の多層セラミック基板を備えることを特徴とする電子部品。
     
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