WO2017154422A1 - 接続基板 - Google Patents

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conductor
glass
hole
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杉夫 宮澤
達朗 高垣
井出　晃啓
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日本碍子株式会社
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    • H05K2203/0793—Aqueous alkaline solution, e.g. for cleaning or etching

Definitions

  • the present invention relates to an electrical connection substrate in which a through conductor such as a via conductor is formed in a through hole.
  • a substrate for mounting an electronic device such as a SAW filter
  • a substrate (via substrate) having a structure in which a through hole is provided in an insulating substrate such as ceramic and the hole is filled with a conductor to form a through electrode is used.
  • insulating substrate such as ceramic
  • the via substrate which is a component, is also required to be thin. It has been.
  • the wiring on the substrate surface needs to be miniaturized for miniaturization, it is required to reduce the diameter of the through electrode and to increase the accuracy of the position. Furthermore, since these fine wirings are formed by photolithography or plating, it is particularly required that the through electrodes be dense and have high water tightness in order to prevent problems caused by the ingress of chemicals in the resist coating process and plating process. ing.
  • Patent Document 1 discloses a method of preventing the resist solution from entering by forming a conductive protective film on the surface of a porous through electrode.
  • the insulating substrate is thin, the air permeability of the through electrode is increased, so that the strength of the conductive protective film is insufficient and does not function as a protective film.
  • Patent Document 2 discloses a method of filling a void with a second conductor after forming a porous first conductor as a through electrode.
  • a ceramic substrate is used, cracks and warpage of the substrate are likely to occur when the substrate is thinned due to the difference in thermal expansion between the metal that is the conductive material and the ceramic.
  • Patent Document 3 discloses a method in which an active metal layer is formed between a ceramic substrate and a through electrode by filling the through hole of the ceramic substrate with a metal containing an active metal, thereby densifying the ceramic substrate.
  • a metal containing an active metal since the metal brazing containing the active metal has a very high viscosity, it cannot be filled well if the through electrode diameter is small.
  • Patent Document 4 discloses a method of using a conductive paste containing an expansion material when forming a through electrode. However, it is difficult to fill all the cavities with only the expansion material, and the denseness of the through electrode cannot be obtained particularly when the plate is thinned.
  • Patent Document 5 discloses a method of filling a glass paste after disposing a granular conductive material in each through hole of a ceramic substrate.
  • cracks and warpage due to the difference in thermal expansion between the ceramic and the spherical conductive material are likely to occur.
  • the through hole is small, it is difficult to arrange the spherical conductive material.
  • An object of the present invention is to provide a microstructure capable of improving the water-tightness of a through hole when manufacturing a connection board including a ceramic substrate and a through conductor provided in the through hole.
  • the connection substrate according to the present invention includes a ceramic substrate provided with a through hole, and a through conductor provided in the through hole, the through conductor having a first main surface and a second main surface.
  • the through conductor is formed in the first porous hole, the metal porous body provided with the first open hole communicating with the first main surface and the second open hole communicating with the second main surface.
  • the first glass phase, the second glass phase formed in the second open pores, the first void provided in the first open pores, and the first glass phase provided in the first open pores Two gaps are provided.
  • the first space is a closed space that does not communicate with the first main surface
  • the second space is an open space that communicates with the second main surface.
  • a through conductor is obtained by supplying a metal paste to a through hole of a ceramic substrate and baking it.
  • the microstructure of such through conductors is uniform throughout.
  • the thickness of the ceramic substrate became extremely small, it was considered that a part of the open pores communicated between both main surfaces of the penetrating conductor and a small amount of liquid leakage occurred.
  • the present inventor also studied to reduce the pores of the metal porous body constituting the through conductor.
  • the thermal expansion difference between the through conductor and the ceramic is large, so that peeling at the interface is likely to occur, and water tightness is impaired through this peeling portion.
  • the present inventor paid attention to the microstructure of the porous metal body mainly constituting the through conductor.
  • the metal porous body included a first open pore communicating with the first main surface and a second open pore communicating with the second main surface.
  • the present inventor has the first open pores communicating with the first main surface when suppressing peeling due to a difference in thermal expansion between the through conductor and the ceramic by generating a glass phase in each pore.
  • the air gap was closed by the glass phase, and thereby the water tightness function was mainly supported on the first open pore side of the through conductor.
  • the clad layer is not blocked by the glass phase, and the void is communicated with the second open pore. Accordingly, the penetration conductor and the ceramic are hardly peeled as a whole while maintaining the water tightness of the through conductor itself, and the water tightness is also maintained in this respect.
  • FIG. (A) is a top view which shows typically the ceramic base material 1 in which the through-hole 2 was arranged
  • (b) is a cross-sectional view of the ceramic base material 1.
  • FIG. (A) shows a state in which the metal paste 3 is filled in the through-holes of the ceramic substrate 1
  • (b) shows a state in which the metal paste 3 is baked to form the metal porous body 4
  • (c) The state which formed the glass layer 9 on the 1st main surface 1a of the ceramic base material 1 is shown
  • (d) shows the state which removed the glass layer 9.
  • FIG. FIG. 2A is a plan view schematically showing the connection substrate 10 in which the through conductor 11 is formed in the through hole 2 ⁇ / b> A
  • 2B is a cross-sectional view of the connection substrate 10. It is a schematic diagram which shows the structure of the metal porous body 4 produced
  • the ceramic substrate 1 is provided with one main surface 1a and the other main surface 1b, and a large number of through holes 2 penetrating between the main surfaces 1a and 1b are formed. Yes.
  • the through hole 2 has an opening 2a on the first main surface 1a side and an opening 2b on the second main surface 1b side.
  • a metal paste 3 is filled in the opening 2 of the ceramic substrate 1. Then, by heating the metal paste 3, the metal paste is baked to form a porous metal body 4 in the through hole 2 as shown in FIG.
  • Reference numeral 5 denotes a first main surface of the metal porous body 4, and 6 denotes a second main surface of the metal porous body 4.
  • a glass paste is applied on the first main surface 1a of the ceramic substrate 1 to form a glass paste layer.
  • the glass paste is melted by heating and baking the glass paste.
  • the glass layer 9 is formed on the 1st main surface 1a of the ceramic base material 1.
  • the molten glass is impregnated into the open pores of the metal porous body to generate a glass phase, thereby generating the through conductor 7 in the through hole.
  • Reference numeral 8 denotes a first main surface of the through conductor 8.
  • the through conductor is exposed on the first main surface side of the ceramic base material to obtain a connection substrate.
  • the first main surface 1a of the ceramic base material 1 is further polished to form a polished surface 1c as shown in FIG.
  • the through conductors 11 are filled in the through holes 2A.
  • 11 a is a first main surface of the through conductor 11
  • 11 b is a second main surface of the through conductor 11.
  • the metal porous body 4 is formed in the through hole 2 by baking the metal paste.
  • the metal porous body 4 extends from the first main surface 1a of the ceramic substrate 1 to the second main surface 1b.
  • 5 is the first main surface of the porous metal body, and 6 is the other main surface.
  • the metal porous body 4 includes a metal matrix 20 and pores 16A, 16B, 16C, and 16D.
  • the pores generated in the matrix include the first open pores 16A and 16D that open on the first main surface 5, the second open pore 16B that opens on the second main surface 6, and the main surfaces 5 and 6.
  • the open pores 16A are open to the first main surface 5 in the cross section of FIG.
  • the open pores 16D are not opened in the first main surface 5 in the cross section of FIG. 4, but are opened in the first main surface 5 along a route that does not appear in the cross section.
  • the open pores 16A and 16D are distinguished.
  • the air gap 33 is a closed air gap that does not communicate with the main surface, and the air gap 32 is an open air gap that opens in the second main surface 6.
  • the glass paste is applied so as to cover the open pores 16A and 16D opened in the first main surface 5.
  • the glass layer 18 is formed on the first main surface 1a, and at the same time, the molten glass is impregnated, and the glass phase 19 is formed in the open pores 16A and 16D.
  • the glass phase 17 originally present in the porous metal body may be mixed with the glass phase 19 generated by impregnation and baking of the glass paste.
  • the polishing surface 1c is formed on the ceramic substrate 1A, and the thickness of the ceramic substrate 1A is smaller than that before polishing.
  • a through conductor 11 is formed in the through hole 2A.
  • the first open holes 16A and 16D communicate with the first main surface 11a of the through conductor. Further, the second open hole 16B communicates with the second main surface 11b. 16C is a closed pore that does not communicate with either of the main surfaces 11a and 11b.
  • the glass phase 17 derived from the metal paste, the glass phase 19 derived from the glass impregnated later, and the void 30 that does not open in the main surface 11a remain.
  • the glass phase 17A derived from the metal paste and the voids 33 that do not open on the main surface remain.
  • the glass phase 17B derived from the metal paste the void 32 communicating with the main surface 11b, and the void 31 not opening in the main surfaces 11a and 11b. And remains.
  • the first gap 30 remaining in the first open pores 16A and 16D is closed by the glass phases 17 and 19, thereby forming a closed gap that does not communicate with the first main surface 11b. This prevents liquid leakage between the main surfaces through the first open pores and the second open pores.
  • the second gap 32 in the second open pore is an open gap communicating with the second main surface 11b.
  • the glass phase is generated in the first open pores by impregnating the molten glass from the first main surface side of the through conductor, whereby the first voids are the first main holes. I tried not to communicate with the surface.
  • the present invention is not limited to this manufacturing method.
  • the through-conductor having a microstructure as in the present invention can be manufactured by changing the paste composition between the upper half and the lower half of the through-hole.
  • the area ratio of the porous metal body is 30 to 70% in the cross section of the through conductor. If the area ratio of the metal porous body is too high, the thermal stress between the through conductor and the ceramic increases, and if this area ratio is too low, the conductivity is low. From this viewpoint, the area ratio of the metal porous body is 30 to 70%, more preferably 40 to 65%, and particularly preferably 45 to 60%.
  • the area ratio (total value) of the glass phase is 10 to 50%, and particularly preferably 20 to 40%.
  • the total value of the void area ratio in the cross section of the through conductor is preferably 5 to 60%, and more preferably 5 to 40%.
  • the measurement of the area ratio of these porous metal bodies, glass, and voids is performed by taking a SEM (1000 times) image of the cross section of the through conductor. It is possible to identify each material by photographing with the SEM by changing the color tone according to each material. Thereafter, the conductor portion to be measured is divided into a grid having a side of 5 ⁇ m, and the material occupying the most area is determined for each grid. The area ratio can be calculated by comparing the number of lattices determined for each material.
  • the thickness of the ceramic substrate is 25 to 150 ⁇ m, and the diameter W of the through hole is 20 to 60 ⁇ m.
  • the present invention is particularly useful for such a small and thin connection substrate.
  • the diameter W of the through hole formed in the ceramic substrate is more preferably 25 ⁇ m or more from the viewpoint of ease of forming.
  • the distance D (distance between the nearest through holes) between adjacent through holes 2 is preferably 50 ⁇ m or more, and more preferably 100 ⁇ m or more, from the viewpoint of suppressing breakage and cracks.
  • the distance D between the adjacent through holes 2 is preferably 1000 ⁇ m or less, and more preferably 500 ⁇ m or less, from the viewpoint of improving the density of the through holes.
  • the method for forming the through hole in the ceramic substrate is not particularly limited.
  • a through hole can be formed in a green sheet of a ceramic substrate by pins or laser processing.
  • a through-hole can also be formed in a blank substrate by laser processing.
  • the laser oscillation source CO 2 , YAG (yttrium / aluminum garnet), or the like can be used.
  • Ceramics constituting the ceramic substrate include aluminum oxide, yttrium oxide, YAG, zirconium oxide, and aluminum nitride.
  • aluminum oxide, particularly high-purity aluminum oxide having a purity of 99.9% or more is particularly useful because it has a high Young's modulus of 400 GPa or more and excellent shape stability when thinned.
  • a metal paste is supplied to the through hole, and a metal porous body is generated by heating.
  • the metal that is the main component constituting such a metal paste include Ag, Au, Cu, Pd, or a mixture thereof.
  • glass components include B 2 O 3 , SiO 2 , ZnO, PbO, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, BaO, Bi 2 O 3 , Al 2 O 3 , Gd 2.
  • the baking temperature of the metal paste is appropriately selected depending on the type of paste, and can be set to 500 to 900 ° C., for example.
  • a glass paste is applied to the first main surface of the metal porous body, and the open pores of the metal porous body are impregnated with the glass paste.
  • the glass paste can be applied over the entire first main surface of the ceramic substrate.
  • the glass paste may be applied only on the first main surface of the porous metal body by screen printing or the like, and the glass paste may not be applied on the other ceramic surfaces.
  • the glass paste is melted by heating to form a glass layer on the main surface of the porous metal body, and the molten glass is impregnated into the open pores to form a glass phase.
  • the baking temperature of the glass paste is appropriately selected depending on the type of paste, and can be set to 500 to 900 ° C., for example.
  • connection substrate having a ceramic substrate and a through conductor provided in the through hole is obtained.
  • the first main surface of the ceramic substrate is preferably polished.
  • predetermined wiring, a pad, etc. are formed in each main surface 11a, 11b of a ceramic substrate.
  • the ceramic substrate is an integral relay substrate.
  • the ceramic substrate is preferably precision polished.
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • polishing slurry a slurry in which abrasive grains having a particle size of 30 nm to 200 nm are dispersed in an alkali or neutral solution is used.
  • the abrasive material include silica, alumina, diamond, zirconia, and ceria, which are used alone or in combination.
  • a hard urethane pad, a nonwoven fabric pad, and a suede pad can be illustrated as a polishing pad.
  • Example 1 A connection substrate was fabricated as described with reference to FIGS. Specifically, first, a slurry in which the following components were mixed was prepared.
  • (Raw material powder) Specific surface area 3.5 to 4.5 m 2 / g, ⁇ -alumina powder having an average primary particle size of 0.35 to 0.45 ⁇ m (alumina purity 99.99%) 100 parts by mass • MgO (magnesia) 250 pppm ⁇ ZrO 2 (zirconia) 400ppm ⁇ Y 2 O 3 (yttria) 15ppm (Dispersion medium) ⁇ 45 parts by weight of 2-ethylhexanol (binder) ⁇ PVB (polyvinyl butyral) resin 4 parts by weight (dispersant) ⁇ Polymer surfactant 3 parts by weight (plasticizer) ⁇ DOP 0.1 parts by weight
  • this slurry is formed into a tape shape so as to be 300 ⁇ m in terms of the thickness after firing, and converted into a size after firing so that it becomes a square of 100 mm in length ⁇ 100 mm in width. Disconnected.
  • the obtained powder compact is calcined at 1240 ° C. in the atmosphere (preliminary firing), and then the substrate is placed on a molybdenum plate and heated at a rate of 1300 ° C. to 1550 ° C. in an atmosphere of hydrogen 3: nitrogen 1. Was kept at 1550 ° C. for 2.5 hours and baked to obtain a blank substrate.
  • the blank substrate was laser processed under the following conditions to form through holes having the following dimensions.
  • CO 2 laser wavelength 10.6 ⁇ m
  • Pulse 1000Hz- On time 5 ⁇ s
  • Laser mask diameter 0.9 mm
  • Number of shots 40 times Through-hole diameter
  • W Table 0.06 mm
  • Through hole spacing D: 0.12 mm
  • the melt (dross) adhering to the substrate surface was removed by grinding with a grinder, and then annealed at 1300 ° C. in the atmosphere for 5 hours to obtain a ceramic substrate having a thickness of 200 ⁇ m.
  • Glass paste Solid content: 95% by weight
  • Glass composition Bi-Zn-B viscosity: 50 Pa ⁇ s
  • Mask # 360 mesh, 30um thickness
  • Squeegee angle 70 degrees
  • Squeegee speed 5mm / sec
  • Number of squeegees 1
  • Drying conditions 95 ° C x 30 minutes
  • connection substrate the glass layer remaining on the surface was removed by polishing to obtain a connection substrate. Specifically, after grinding with a grinder while the substrate was attached to an alumina plate, lapping with diamond slurry was performed on both sides. The particle size of diamond was 3 ⁇ m. Finally, CMP processing using SiO 2 abrasive grains and diamond abrasive grains was performed. Thereafter, the substrate was peeled off from the alumina plate, the same processing was performed on the main surface on the opposite side, and washing was performed to obtain a connection substrate.
  • the water tightness of the through conductor of the obtained connection board was confirmed by a method described with reference to FIG. That is, the porous plate 21 was fixed to the pedestal 22, the dust-free paper 23 was placed on the pedestal 22, and the ceramic substrate sample 24 was placed thereon. Water 26 was dropped onto the through hole of the ceramic substrate 24 and sucked at ⁇ 80 kPa as indicated by an arrow A. Then, it was confirmed whether or not moisture was observed on the dust-free paper.
  • the number of through conductors in which liquid leakage was observed was 1 for 30000 through conductors provided on one ceramic substrate.
  • Examples 2 to 7 A connection board was produced in the same manner as in Example 1. However, the area ratio of the metal porous body and the area ratio (total) of the glass phase in the cross section of the through conductor were changed as shown in Table 1. These parameters were changed by adjusting the solid content concentration of the Ag-Pd paste, the ratio of Ag, Pd and glass frit, the firing temperature, the melting and impregnation temperature and time of the glass paste.
  • Example 1 An Ag paste was embedded in each through-hole of the same ceramic substrate as in Example 1.
  • the Ag paste used is the same as in Example 1. Then, it baked at 700 degreeC and formed the metal porous body in the through-hole.
  • both main surfaces of the ceramic base material were precision-polished without carrying out a step of printing the glass paste on the first main surface of the ceramic base material to obtain a connection substrate.
  • each parameter indicating the microstructure is as follows. Number of first air gaps in the first open pores opening in the main surface 11a: 5 Number of second air gaps in the second open air holes opening in the main surface 11b: 6 through conductors Area ratio of porous metal body in cross section: 60% Area ratio of glass phase in cross section of through conductor (total): 20%
  • Example 2 Next, a water tightness test was performed in the same manner as in Example 1. As a result, liquid leakage was observed in almost all the 30,000 through conductors provided on one ceramic substrate.

Abstract

接続基板は、貫通孔が設けられているセラミック基板、および貫通孔中に設けられた貫通導体１１であって、第一の主面１１ａと第二の主面１１ｂとを有する貫通導体を備える。貫通導体１１が、第一の主面１１ａに連通する第一の開気孔１６Ａ、１６Ｄおよび第二の主面１１ｂに連通する第二の開気孔１６Ｂが設けられた金属多孔体２０、第一の開気孔１６Ａ、１６Ｄ内に形成された第一のガラス相１７、１９、第二の開気孔１６Ｂ内に形成された第二のガラス相１７Ｂ、第一の開気孔内に設けられた第一の空隙３０、および第二の開気孔１６Ｂ内に設けられた第二の空隙３２を有する。第一の空隙３０が第一の主面に連通しない閉空隙である。第二の空隙３２が第二の主面１１ｂに連通する開空隙である。

Description

接続基板
　本発明は、ビア導体などの貫通導体が貫通孔内に形成された電気的接続基板に関するものである。
　ＳＡＷフィルター等の電子デバイスを実装するための基板として、セラミック等の絶縁基板に貫通穴を設け、その穴を導体で埋め、貫通電極とする構造の基板（ビア基板）が用いられている。近年は携帯電話に代表される通信機器の小型化に伴い、使用される電子デバイスにも小型化、低背化が求められており、その構成要素であるビア基板についても同様に薄板化が求められている。
　また、小型化のため、基板表面の配線も微細化する必要があるために、貫通電極径の小径化、およびその位置の高精度化が求められる。更に、これらの微細配線はフォトリソグラフィーやめっきにより形成されることから、レジスト塗布工程やめっき工程での薬液の浸入による不具合を防止するため、貫通電極が緻密で水密性が高いことが特に求められている。
　貫通電極の緻密化については各種の解決策が提示されているが、いずれも比較的厚い基板と大径の貫通電極を対象としたものであり、薄板および小径の貫通電極を用いる場合は所望の結果が得られない。
　例えば、特許文献1では、ポーラス（多孔質）な貫通電極の表面に導電保護膜を形成することで、レジスト液の浸入を防止する方法が開示されている。しかし、絶縁性基板が薄いと、貫通電極の通気性が高くなるため、導電保護膜の強度が不足し、保護膜として機能しない。また、セラミックスと金属の間が熱膨張差により剥離しやすい。
　特許文献２では、貫通電極として多孔質の第1導電体を形成した後、その空隙を第2導電体で埋める方法が開示されている。しかし、セラミック基板を用いる場合、導電材である金属とセラミックスとの熱膨張差により、基板を薄板化した際にクラックや基板の反りが発生しやすい。
　特許文献３では、セラミック基板の貫通孔に、活性金属を含む金属を充填することで、セラミック基板と貫通電極の間に活性金属層を形成し、緻密化する方法が開示されている。しかし、上述したようなセラミックスと金属との熱膨張差によるクラック発生といった問題に加え、活性金属を含む金属ロウは粘度が非常に高いため、貫通電極径が小さいと、うまく充填できない。
　特許文献４では、貫通電極を形成する際、膨張材を含む導体ペーストを用いる方法が開示されている。しかし、膨張材のみで全ての空洞を埋めることは難しく、特に薄板化した場合は貫通電極の緻密性が得られない。
　特許文献５では、粒状導電物質をセラミック基板の貫通孔内にそれぞれ配置した後、ガラスペーストを充填する方法が開示されている。しかし、セラミックスと球状導電物質の熱膨張差に起因するクラックや反りが発生しやすい。更に、貫通孔が小さくなると、球状導電物質の配置が困難となる。
特許4154913 特開2013-165265 特開2015-65442 特開H09-46013 特開2015-119165
　本発明の課題は、セラミック基板と、貫通孔内に設けられた貫通導体とを備える接続基板を製造するのに際して、貫通孔の水密性を向上させ得るような微構造を提供することである。
　本発明に係る接続基板は、貫通孔が設けられているセラミック基板、および前記貫通孔中に設けられた貫通導体であって、第一の主面と第二の主面とを有する貫通導体を備えている。そして、貫通導体が、第一の主面に連通する第一の開気孔および第二の主面に連通する第二の開気孔が設けられた金属多孔体、第一の開気孔内に形成された第一のガラス相、第二の開気孔内に形成された第二のガラス相、第一の開気孔内に設けられた第一の空隙、および第一の開気孔内に設けられた第二の空隙を備える。第一の空隙が第一の主面に連通しない閉空隙であり、第二の空隙が第二の主面に連通する開空隙である。
　本発明者は、貫通導体の水密性を検討する過程で、以下の知見に至った。すなわち、従来は、セラミック基板の貫通孔に金属ペーストを供給し、焼き付けることで貫通導体を得ていた。こうした貫通導体の微構造は全体的に均一である。ここでセラミック基板の厚さがきわめて小さくなってくると、貫通導体の両方の主面間で一部の開気孔が連通し、微量の液漏れが発生したものと考えられた。
　そこで、本発明者は、貫通導体を構成する金属多孔体の気孔を少なくすることも検討した。しかし、金属多孔体の気孔が少なくなると、貫通導体とセラミックスとの熱膨張差が大きいため、界面での剥離が生じやすくなり、この剥離部分を通じて水密性が損なわれる。
　このため、本発明者は、貫通導体を主として構成する金属多孔体の微構造に着目した。金属多孔体には、第一の主面に連通する第一の開気孔および第二の主面に連通する第二の開気孔が含まれていた。
　そこで、本発明者は、各気孔内にガラス相を生成させることで貫通導体とセラミックスとの間の熱膨張差による剥離を抑制する際に、第一の主面に連通する第一の開気孔内では、ガラス相によって空隙を閉塞し、これによって、貫通導体のうち第一の開気孔側に水密性機能を主として担持させることを想到した。これと同時に、第二の主面に連通する第二の開気孔側では、ガラス相によってクラッド層を閉塞せず、空隙を第二の開気孔に連通させる構造とした。これによって、貫通導体それ自体の水密性を保持しつつ、全体として貫通導体とセラミックスとの剥離は生じにくくなり、この点でも水密性が保持される。
（ａ）は、貫通孔２が配列されたセラミック基材１を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、セラミックス基材１の横断面図である。 （ａ）は、セラミック基材１の貫通孔に金属ペースト３を充填した状態を示し、（ｂ）は、金属ペースト３を焼き付けて金属多孔体４を形成した状態を示し、（ｃ）は、セラミック基材１の第一の主面１ａ上にガラス層９を形成した状態を示し、（ｄ）は、ガラス層９を除去した状態を示す。 （ａ）は、貫通孔２Ａ中に貫通導体１１が形成された接続基板１０を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、接続基板１０の横断面図である。 貫通孔内に生成した金属多孔体４の構造を示す模式図である。 金属多孔体４の開気孔１６Ａに含浸したガラス相１９およびセラミック基板１の第一の主面１ａ上に形成されたガラス層１８を示す模式図である。 ガラス層を除去した後の貫通導体１１の構造を示す模式図である。 貫通導体の微構造を説明するための拡大図である。 水密性試験の方法を説明するための模式図である。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。最初に、本発明のセラミック基板を製造する方法例について述べる。
　図１に示すように、セラミック基材１には一方の主面１ａと他方の主面１ｂとが設けられており、主面１ａと１ｂとの間を貫通する貫通孔２が多数形成されている。貫通孔２には、第一の主面１ａ側の開口２ａと、第二の主面１ｂ側の開口２ｂとがある。
　次いで、図２（ａ）に示すように、セラミック基材１の開口２内に金属ペースト３を充填する。そして、金属ペースト３を加熱することによって、金属ペーストを焼き付け、図２（ｂ）に示すように、貫通孔２内に金属多孔体４を生じさせる。５は、金属多孔体４の第一の主面であり、６は、金属多孔体４の第二の主面である。
　次いで、セラミック基材１の第一の主面１ａ上にガラスペーストを塗布し、ガラスペースト層を形成する。この状態で、ガラスペーストを加熱して焼き付けることにより、ガラスを溶融させる。これにより、図２（ｃ）に示すように、セラミック基材１の第一の主面１ａ上にガラス層９が形成される。同時に、溶融したガラスが金属多孔体の開気孔内に含浸し、ガラス相を生成し、これによって貫通孔内に貫通導体７を生成する。なお、８は、貫通導体８の第一の主面である。
　次いで、ガラス層９を除去することによって、セラミック基材の第一の主面側に貫通導体を露出させ、接続基板とする。この際、好ましくは、セラミック基材１の第一の主面１ａを更に研磨し、図２（ｄ）に示すように、研磨面１ｃを形成し、接続基板１０を得る。
　図２（ｄ）および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、接続基板１０のセラミック基板１Ａでは、各貫通孔２Ａ内に貫通導体１１が充填されている。１１ａは貫通導体１１の第一の主面であり、１１ｂは貫通導体１１の第二の主面である。
　図２（ｂ）に示すように、金属ペーストを焼き付けることによって、貫通孔２中に金属多孔体４を形成する。ここで、本例では、金属多孔体４は、セラミック基材１の第一の主面１ａから第二の主面１ｂへと延びている。５は金属多孔体の第一の主面であり、６は他方の主面である。
　図４に示すように、金属多孔体４は、金属マトリックス２０と気孔１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄからなる。ただし、金属ペースト中にガラス成分を添加した場合には、気孔の一部がガラス相１７、１７Ａ、１７Ｂによって充填される。マトリックス中に生ずる気孔には、第一の主面５に開口する第一の開気孔１６Ａ、１６Ｄ、第二の主面６に開口する第二の開気孔１６Ｂ、および主面５、６に対して開口していない閉気孔１６Ｃがある。なお、開気孔１６Ａは、図４の横断面において第一の主面５に対して開口している。これに対して、開気孔１６Ｄは、図４の横断面においては第一の主面５に開口していないが、横断面に現れていないルートで第一の主面５に開口しているので、開気孔１６Ａと１６Ｄとを区別している。
　図４の状態では、開気孔１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｄ、閉気孔１６Ｃともに、一部分はガラス相１７、１７Ａ、１７Ｂによって充填され、一部分は空隙のまま残留している。空隙３３は、主面に連通していない閉空隙であり、空隙３２は、第二の主面６に開口する開空隙である。
　ここで、セラミック基板について水密性試験を行うと、第一の主面１ａから第二の主面１ｂへと向かって漏水が観測されることがあった。この理由であるが、第一の主面５に連通する第一の開気孔１６Ａ、１６Ｄと、第二の主面６に連通する第二の開気孔１６Ｂとが、一部で連通していたものと推定された。
　一方、図５に示すように、第一の主面５に開口する開気孔１６Ａ、１６Ｄを覆う形でガラスペーストを塗布する。この状態でガラスペーストを焼き付けることによって、第一の主面１ａ上にガラス層１８が形成され、、同時に溶融したガラスが含浸し、開気孔１６Ａ、１６Ｄ中にガラス相１９が形成される。一部の開気孔では、金属多孔体中にもともと存在していたガラス相１７と、ガラスペーストの含浸および焼き付けによって生成したガラス相１９とが混在する場合もあり得る。
　ここで、溶融したガラスを第一の主面側から金属多孔体の開気孔１６Ａ、１６Ｂに含浸させることで、第一の開気孔のうち少なくとも第一の主面側はガラス相１９によって閉塞される。この結果、第一の主面８から第二の主面６に向かって連通するような開気孔は残留しないため、水密性が著しく改善される。
　ただし、図５の状態では金属多孔体がガラス層１８によって蓋をされているため、貫通導体７によってセラミック基材１の両側を電気的に導通させることができない。そこで、不要になったガラス層１８を除去し、図６に示す状態とし、貫通導体を第一の主面側に露出させる。この際、セラミック基材の第一の主面を研磨加工することで、研磨面を形成すると、貫通導体の露出をいっそう確実にし、その露出面を平坦化できるので好ましい。
　この状態では、図６に示すように、セラミック基板１Ａに研磨面１ｃが形成されており、セラミック基板１Ａの厚さは研磨前より小さくなっている。そして、貫通孔２Ａ内には貫通導体１１が形成されている。
　ここで、図６に示すような形態の貫通導体を更に分析すると、以下のことが判明してきた。図７を参照しつつ水密性の発現機構を説明する。
　図７において、第一の開気孔１６Ａ、１６Ｄは貫通導体の第一の主面１１ａに連通している。また、第二の開気孔１６Ｂは第二の主面１１ｂに連通している。１６Ｃは、主面１１ａ、１１ｂのいずれにも連通しない閉気孔である。第一の開気孔１６Ａ、１６Ｄには、金属ペーストに由来するガラス相１７と、後から含浸させたガラスに由来するガラス相１９と、主面１１ａに開口しない空隙３０とが残留している。また、閉気孔１６Ｃ中には、金属ペーストに由来するガラス相１７Ａと、主面に開口しない空隙３３とが残留している。更に、第二の主面１１ｂに連通する第二の開気孔１６Ｂには、金属ペーストに由来するガラス相１７Ｂと、主面１１ｂに連通する空隙３２と、主面１１ａ、１１ｂに開口しない空隙３１とが残留している。
　そして、第一の開気孔１６Ａ、１６Ｄに残留する第一の空隙３０は、ガラス相１７および１９によって閉塞され、これによって第一の主面１１ｂに連通しない閉空隙となっている。これによって、第一の開気孔および第二の開気孔を通じて主面間で液漏れすることはなくなる。これとともに、第二の開気孔内の第二の空隙３２は、第二の主面１１ｂに連通する開空隙となっている。こうした主面に連通する空隙を残留させることによって、セラミックスと貫通導体との間の応力を緩和し、貫通導体のセラミックスからの剥離による液漏れを抑制できる。
　なお、上述の例では、貫通導体の第一の主面側から溶融したガラスを含浸させることで、第一の開気孔中にガラス相を生成させ、これによって第一の空隙が第一の主面に連通しないようにした。しかし、本発明はこの製法に限定されるものではない。例えば、貫通孔に金属ペーストを充填する際に、貫通孔の上半分と下半分との間でペースト組成を変化させることで、本発明のような微構造の貫通導体を作製できる。
　以下、本発明の構成要素について更に述べる。
　好適な実施形態においては、貫通導体の横断面において、金属多孔体の面積比率が３０～７０％である。金属多孔体の面積比率が高すぎると、貫通導体とセラミックスとの間の熱応力が増大し、この面積比率が低すぎると、導電性が低い。この観点からは、金属多孔体の面積比率を３０～７０％とするが、４０～６５％がより好ましく、４５～６０％が特に好ましい。
　好適な実施形態においては、貫通導体の横断面において、ガラス相の面積比率（合計値）が１０～５０％であり、特に好ましくは２０～４０％である。
　また、好適な実施形態においては、貫通導体の横断面において、空隙の面積比率の合計値を、５～６０％とすることが好ましく、５～４０％とすることが更に好ましい。
　これら金属多孔体、ガラス、空隙の面積比率の測定は、貫通導体の横断面のＳＥＭ（１０００倍）画像を写真撮影することで行う。ＳＥＭにより各材料に応じて色調を変えて撮影することで、各材料を識別することが可能となる。その後、測定する導体部を一辺５ｕｍの格子に分割し、各格子毎に最も多くの面積を占有している材料を決定する。その各材料毎に決定された格子数を比較することで面積比率を算出することができる。
　好適な実施形態においては、セラミック基板の厚さが２５～１５０μｍであり、貫通孔の径Ｗが２０μｍ～６０μｍである。本発明は、このような小型で薄い接続基板に対して特に有用である。
　セラミック基板に形成する貫通孔の径Ｗは、成形しやすさの観点からは、２５μｍ以上が更に好ましい。隣接する貫通孔２の間隔Ｄ（最も近接する貫通孔間の距離）は、破損やクラックを抑制するという観点からは、５０μｍ以上が好ましく、１００μｍ以上が更に好ましい。また、隣接する貫通孔２の間隔Ｄは、貫通孔の密度を向上させるという観点からは、１０００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下が更に好ましい。
　セラミック基板に貫通孔を形成する方法は、特に限定されない。例えば、セラミック基板のグリーンシートにピンやレーザー加工によって貫通孔を形成することができる。あるいは、セラミックスからなるブランク基板を製造した後に、ブランク基板にレーザー加工によって貫通孔を形成することもできる。レーザーの発振源についてはＣＯ２、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウムガーネット）、等を用いることができる。
　セラミック基板を構成するセラミックスとしては、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、ＹＡＧ、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウムを例示できる。これらの内、酸化アルミニウム、とりわけ純度９９．９％以上の高純度の酸化アルミニウムは、ヤング率が４００ＧＰａ以上と高く、薄板化したときの形状安定性に優れるため、特に有用である。
　本発明では、貫通孔に金属ペーストを供給し、加熱によって金属多孔体を生成させる。こうした金属ペーストを構成する主成分である金属としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、またはこれらの混合物を例示できる。また、金属に対してガラス成分を混合してペースト化することが好ましい。こうしたガラス成分としては、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２，ＺｎＯ、ＰｂＯ、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ，ＣａＯ、ＳｒＯ，ＢａＯ、Ｂｉ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，Ｇｄ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、ＴｅＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｐ２Ｏ５を例示できる。
　金属ペーストの焼き付け温度は、ペーストの種類によって適宜選択するが、例えば５００～９００℃とすることができる。
　次いで、金属多孔体の第一の主面にガラスペーストを塗布すると共に金属多孔体の開気孔中にガラスペーストを含浸させる。この際には、セラミック基材の第一の主面の全体にわたってガラスペーストを塗布することができる。あるいは、スクリーン印刷法などによって、金属多孔体の第一の主面上にのみガラスペーストを塗布し、その他のセラミックス表面にはガラスペーストを塗布しないようにすることもできる。
　次いで、加熱によってガラスペーストを溶融させることで、金属多孔体の主面上にガラス層を形成し、かつ開気孔に溶融したガラスを含浸させ、ガラス相とする。ガラスペーストの焼き付け温度は、ペーストの種類によって適宜選択するが、例えば５００～９００℃とすることができる。
　次いで、少なくとも金属多孔体上にあるガラス層を除去することで、セラミック基板と、貫通孔内に設けられた貫通導体とを備える接続基板を得る。この状態では、少なくともガラス層を除去して貫通導体を露出させれば足りるが、好ましくはセラミック基材の第一の主面も研磨する。そして、セラミック基板の各主面１１ａ、１１ｂには、所定の配線やパッドなどを形成する。また，セラミック基板は、一体の中継基板とする。
　セラミック基材は精密研磨加工することが好ましい。こうした精密研磨加工としては、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工が一般的であり。これに使われる研磨スラリーとして、アルカリまたは中性の溶液に３０ｎｍ～２００ｎｍの粒径を持つ砥粒を分散させたものが使われる。砥粒材質としては、シリカ、アルミナ、ダイヤ、ジルコニア、セリアを例示でき、これらを単独または組み合わせて使用する。また、研磨パッドには、硬質ウレタンパッド、不織布パッド、スエードパッドを例示できる。
（実施例１）
　図１～図６を参照しつつ説明したようにして接続基板を作製した。
　具体的には、まず以下の成分を混合したスラリーを調製した。
（原料粉末）
　・比表面積３．５～４．５ｍ２／ｇ、
平均一次粒子径０．３５～０．４５μｍのα－アルミナ粉末
（アルミナ純度９９．９９％）　　　　　１００質量部
　・ＭｇＯ（マグネシア）　　　　　　　       ２５０ｐｐｐｍ
　・ＺｒＯ２（ジルコニア）　　　　　　        ４００ｐｐｍ
　・Ｙ２Ｏ３（イットリア）　　　　　　　      １５ｐｐｍ
（分散媒）
　・２-エチルヘキサノール　　　　　　　　   ４５重量部
（結合剤）
　・ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）樹脂　　　　　　　　　    ４重量部
（分散剤）
　・高分子界面活性剤　　　　　　　　　　　 ３重量部
（可塑剤）
　・ＤＯＰ　　　　　　　　　　　　　　　    ０．１重量部
　このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、焼成後の厚さに換算して３００μｍとなるようテープ状に成形し、焼成後の大きさに換算して、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍの正方形となるように切断した。得られた粉末成形体を、大気中１２４０℃で仮焼（予備焼成）の後、基板をモリブデン製の板に載せ、水素３：窒素１の雰囲気中で１３００℃から１５５０℃での昇温速度を５０℃/ｈとして、１５５０℃で２．５時間保持し、焼成を行い、ブランク基板を得た。
　このブランク基板を以下の条件でレーザー加工することによって、以下の寸法の貫通孔を形成した。
 
　ＣＯ２レーザー：波長　　　　　10.6μm　　
　パルス：１０００Hz- On time　　　5μs
　レーザーマスク径：　　　　　　0.9　ｍｍ
　ショット回数：　　　　　　　　40回
　貫通孔径Ｗ：　　　　　　　　　表0.06　ｍｍ、裏0.02ｍｍ
　貫通孔の間隔Ｄ：　　　　　　　0.12　ｍｍ
　貫通孔の数　：　　　　　　　　30,000個／枚
 
　次いで、レーザー加工の際、基板表面に付着した溶融物（ドロス）をグラインダーによる研削で除去した後、大気中１３００℃で５時間アニール処理を行い、厚さ２００μｍのセラミック基材を得た。
　次に、以下の条件で、セラミック基材の貫通孔にAg-Pdペーストの埋め込み印刷を行い、乾燥させた後、焼成することで、貫通導体を設けた。
[Ag-Pdペースト]
　固形分濃度：　95　重量％
　固形分組成＝Ag：Pd：ガラスフリット＝91:3:6　（重量比）
　粘度：200　Pa・s
[印刷条件]
　マスク：使用せず（ペーストを直接基板にのせ、スキージ(squeegee)で貫通孔にペーストを押し込んだ）。
　スキージ角度：20度
　スキージ速度：5mm/sec
　スキージ回数：10回
[乾燥条件]
　95℃×30分
[焼成条件]
　600℃×40分
　次いで、以下の条件で、貫通導体を覆う形で基板の片面にガラスペーストを塗布、焼成、溶融させることで導体内部の気孔にガラスを含浸させた。
[ガラスペースト]
　固形分濃度：　95　重量％
　ガラス組成：　Bi-Zn-B系
　粘度：50　Pa・s
[印刷条件]
　マスク：＃360メッシュ、30um厚
　スキージ角度：70度
　スキージ速度：5mm/sec
　スキージ回数：1回
[乾燥条件]
　95℃×30分
[溶融、含浸条件]
　570℃×3時間
　次いで、表面に残留したガラス層を研磨加工により除去し、接続基板を得た。具体的には、基板をアルミナプレートに貼り付けた状態でグラインダーによる研削を行った後、ダイヤモンドスラリーによるラップ(lap)加工を両面に実施した。ダイヤモンドの粒径は３μｍとした。最後にＳｉＯ２砥粒とダイヤモンド砥粒によるＣＭＰ加工を実施した。その後、基板をアルミナプレートから剥がし、反対側の主面に同様の加工をした後、洗浄を実施し、接続基板を得た。
　得られた接続基板について、貫通導体の横断面を観測した。この結果、図７の模式図に示すように、第一の開気孔内に形成された第一のガラス相、第二の開気孔内に形成された第二のガラス相、第一の開気孔内に設けられた第一の空隙、および第一の開気孔内に設けられた第二の空隙が確認された。また、閉気孔内にも空隙が確認された。更に、第一の開気孔中の第一の空隙が主面１１ａに開口している個数を計数したところ、０個であった。また、第二の開気孔中の第二の空隙が主面１１ｂに開口している個数は６個であった。
 
貫通導体の横断面における金属多孔体の面積比率：　６０％
貫通導体の横断面におけるガラス相の面積比率（合計）：　３０％
 
　得られた接続基板の貫通導体の水密性を、図８を参照しつつ説明する方法で確認した。
　すなわち、台座２２に多孔体板２１を固定し、台座２２上に無塵紙２３を載置し、その上にセラミック基板のサンプル２４を設置した。セラミック基板２４の貫通孔上に水２６を滴下し、矢印Ａのように－８０kPaで吸引した。そして、無塵紙に水分の付着が見られるかどうかを確認した。
　この結果、１枚のセラミック基板に設けられた貫通導体３００００個に対して、液漏れの見られた貫通導体は１個であった。
（実施例２～７）
　実施例1と同様にして接続基板を作製した。
　ただし、貫通導体の横断面における金属多孔体の面積比率、ガラス相の面積比率（合計）を、表１に示すように変更した。これらのパラメーターを変更するには、Ａｇ－Ｐｄペーストの固形分濃度、ＡｇとＰｄとガラスフリットの比率、焼成温度、ガラスペーストの溶融、含浸の温度および時間を調整することで行った。
　そして、得られた各セラミック基板について、１枚のセラミック基板に設けられた貫通導体３００００個に対して、液漏れの見られた貫通導体の個数を測定し、表１に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（比較例１）
　実施例１と同じセラミック基材の各貫通孔にＡｇペースト埋め込みを行った。使用したＡｇペーストは実施例１と同じである。その後、７００℃にて焼成を行い、貫通孔中に金属多孔体を形成した。
　次いで、ガラスペーストをセラミック基材の第一の主面上に印刷する工程を実施することなしに、セラミック基材の両方の主面を精密研磨加工し、接続基板を得た。
　こうして作成した基板のビア部断面を確認したところ、ビアの全体にわたって空隙が均一に残留していた。すなわち、微構造を示す各パラメーターは以下のとおりである。
 
第一の開気孔中の第一の空隙が主面１１ａに開口している個数：５個
第二の開気孔中の第二の空隙が主面１１ｂに開口している個数：６個
貫通導体の横断面における金属多孔体の面積比率：　６０％
貫通導体の横断面におけるガラス相の面積比率（合計）：　２０％
　次いで、実施例１と同様にして水密性試験を行った。この結果、１枚のセラミック基板に設けられた貫通導体３００００個のほぼ全数について液漏れが見られた。
 

Claims (4)

  1. 　貫通孔が設けられているセラミック基板、および
    　前記貫通孔中に設けられた貫通導体であって、第一の主面と第二の主面とを有する貫通導体を備える接続基板であって、
    　前記貫通導体が、
    　前記第一の主面に連通する第一の開気孔および前記第二の主面に連通する第二の開気孔が設けられた金属多孔体、
    　前記第一の開気孔内に形成された第一のガラス相、
    　前記第二の開気孔内に形成された第二のガラス相、
    　前記第一の開気孔内に設けられた第一の空隙、および
    　前記第二の開気孔内に設けられた第二の空隙
    を有しており、前記第一の空隙が前記第一の主面に連通しない閉空隙であり、前記第二の空隙が前記第二の主面に連通する開空隙であることを特徴とする、接続基板。
  2. 　前記貫通導体の横断面において、前記金属多孔体の面積比率が３０～７０％であることを特徴とする、請求項１記載の接続基板。
  3. 　前記金属多孔体に閉気孔が設けられており、この閉気孔中に第三のガラス相が存在することを特徴とする、請求項１または２記載の接続基板。
  4. 　前記セラミック基板の厚さが２５～１５０μｍであり、前記貫通孔の径が２０μｍ～６０μｍであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一つの請求項に記載の接続基板。
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