(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック粉末と、フォルステライト、アケルマナイトおよびディオプサイトのいずれかの結晶質を析出させ得るガラス成分とを含有する低温焼結セラミック材料ならびにバインダを含み、かつ積層された、複数の基体用グリーン層と、前記基体用グリーン層の特定のものの主面に接するように配置され、かつ前記低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない無機材料粉末を含む、拘束用グリーン層と、前記基体用グリーン層に関連して設けられる、配線導体とを備える、生の積層体を作製する、積層体作製工程と、
前記生の積層体を、前記低温焼結セラミック材料が焼結する温度条件下で焼成する、焼成工程と
を備え、
前記焼成工程は、前記基体用グリーン層に含まれる前記バインダを除去する脱バインダ工程と、次いで、前記基体用グリーン層において、前記ガラス成分を流動させながら前記セラミック粉末を緻密化させた、前記低温焼結セラミック材料の焼結状態を得るための焼結工程とを備え、
前記焼結工程において、前記セラミック粉末を緻密化させた後に、前記ガラス成分が前記結晶質を析出するように、前記脱バインダ工程から前記焼結工程までの昇温速度を、１分あたり２０℃より大きくすることを特徴とする、多層セラミック基板の製造方法。
【請求項２】
前記積層体作製工程において作製される前記生の積層体に備える前記拘束用グリーン層は、前記積層体の積層方向における両端に位置するように配置されるものを含み、前記焼成工程の後、前記積層体の積層方向における両端に位置するように配置された前記拘束用グリーン層を除去する工程をさらに備える、請求項１に記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項３】
前記焼成工程の後、前記積層体の外表面上に搭載されるべき電子部品を実装する工程をさらに備える、請求項１または２に記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法によって得られた、多層セラミック基板。
【請求項５】
請求項４に記載の多層セラミック基板と、前記多層セラミック基板を実装するマザーボードとを備える、電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多層セラミック基板およびその製造方法、ならびにこのような多層セラミック基板を備える電子装置に関するもので、特に、いわゆる無収縮プロセスによって製造される多層セラミック基板の緻密化を図るための改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多層セラミック基板は、複数の積層されたセラミック層を備えている。このような多層セラミック基板には、種々の形態の配線導体が設けられている。配線導体としては、たとえば、多層セラミック基板の内部において、セラミック層間の特定の界面に沿って延びる内部導体膜が形成されたり、特定のセラミック層を貫通するように延びるビアホール導体が形成されたり、また、多層セラミック基板の外表面上において延びる外部導体膜が形成されたりしている。
【０００３】
多層セラミック基板は、半導体チップ部品やその他のチップ部品等を搭載し、これらの電子部品を相互に配線するために用いられている。上述した配線導体は、この相互配線のための電気的経路を与えている。
【０００４】
また、多層セラミック基板には、たとえばコンデンサ素子やインダクタ素子のような受動部品が内蔵されることがある。この場合には、上述した配線導体としての内部導体膜やビアホール導体の一部によって、これらの受動部品が与えられる。
【０００５】
多層セラミック基板は、たとえば、移動体通信端末機器の分野において、ＬＣＲ複合化高周波部品として用いられたり、コンピュータの分野において、半導体ＩＣチップのような能動素子とコンデンサやインダクタや抵抗のような受動素子とを複合化した部品として、あるいは単なる半導体ＩＣパッケージとして用いられたりしている。
【０００６】
より具体的には、多層セラミック基板は、ＰＡモジュール基板、ＲＦダイオードスイッチ、フィルタ、チップアンテナ、各種パッケージ部品、複合デバイス等の種々の電子部品を構成するために広く用いられている。
【０００７】
多層セラミック基板をより多機能化、高密度化、高性能化するためには、上述したような配線導体を高密度に配置することが有効である。
【０００８】
しかしながら、多層セラミック基板を得るためには、必ず、焼成工程を経なければならないが、このような焼成工程においては、セラミックの焼結による収縮が生じ、この収縮は多層セラミック基板全体において均一に生じにくく、そのため、配線導体において不所望な変形や歪みがもたらされることがある。このような配線導体において生じる変形や歪みは、上述のような配線導体の高密度化を阻害してしまう。
【０００９】
そこで、多層セラミック基板を製造するにあたって、焼成工程において多層セラミック基板の主面方向での収縮を実質的に生じさせないようにすることができる、いわゆる無収縮プロセスを適用することが提案されている。
【００１０】
無収縮プロセスによる多層セラミック基板の製造方法においては、たとえば１０００℃以下の温度で焼結可能な低温焼結セラミック材料が用意されるとともに、上述の低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない、収縮抑制用として機能する無機材料粉末が用意される。そして、焼成することによって目的とする多層セラミック基板となる生の積層体を作製するにあたっては、低温焼結セラミック材料を含み、かつ積層された、複数の基体用グリーン層の特定のものの主面に接するように、無機材料粉末を含む拘束用グリーン層が配置され、また、基体用グリーン層に関連して、配線導体が設けられる。
【００１１】
上述のようにして得られた生の積層体は、次いで、焼成される。この焼成工程において、拘束用グリーン層に含まれる無機材料は実質的に焼結しないため、拘束用グリーン層においては、収縮が実質的に生じない。このようなことから、拘束用グリーン層が基体用グリーン層を拘束し、それによって、基体用グリーン層は、厚み方向にのみ実質的に収縮するが、主面方向での収縮が抑制される。その結果、生の積層体を焼成して得られた多層セラミック基板において不均一な変形がもたらされにくくなり、そのため、配線導体において不所望な変形や歪みがもたらされにくくすることができ、配線導体の高密度化を可能にする。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
基体用グリーン層は、上述した低温焼結セラミック材料およびバインダを含み、低温焼結セラミック材料は、セラミック粉末とガラス成分とを含有している。なお、低温焼結セラミック材料に含有されるガラス成分は、当初からガラス粉末として含有される場合と、焼成工程においてガラス質を析出する場合とがある。また、このようなガラス成分は、焼成工程の少なくとも最終段階において、結晶質を析出させ、それによって結晶化するものがある。
【００１３】
いずれにしても、基体用グリーン層を焼成して得られるセラミック層において緻密な状態が得られなければならない。そのためには、基体用グリーン層に含まれるセラミック粉末を緻密化させなければならず、このようなセラミック粉末の緻密化にとって、ガラス成分の流動性が焼成工程において確保されていることが重要である。
【００１４】
しかしながら、前述したように、基体用グリ−ン層は、厚み方向にしか実質的に収縮しないように、拘束用グリーン層によって拘束されているので、焼成工程において、ガラス成分の流動性が阻害される傾向にある。それだけに、ガラス成分の流動性が確保されていることが重要となってくる。
【００１５】
また、前述したように、低温焼結セラミック材料に含有されるガラス成分が、焼成工程の少なくとも最終段階において、結晶質を析出するものである場合、このような結晶質が析出されるに従って、ガラス成分の粘度が上昇し、その結果、ガラス成分の流動性が失われていく。そのため、セラミック粉末の緻密化が進みにくい状態となってしまう。
【００１６】
そこで、この発明の目的は、いわゆる無収縮プロセスによって製造される多層セラミック基板において、緻密なセラミック層を与えることができる、多層セラミック基板の製造方法、この製造方法によって得られた多層セラミック基板、ならびに多層セラミック基板を備える電子装置を提供しようとすることである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、セラミック粉末と、フォルステライト、アケルマナイトおよびディオプサイトのいずれかの結晶質を析出させ得るガラス成分とを含有する低温焼結セラミック材料ならびにバインダを含む、かつ積層された、複数の基体用グリーン層と、基体用グリーン層の特定のものの主面に接するように配置され、かつ低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない無機材料粉末を含む、拘束用グリーン層と、基体用グリーン層に関連して設けられる、配線導体とを備える、生の積層体を作製する、積層体作製工程と、生の積層体を、低温焼結セラミック材料が焼結する温度条件下で焼成する、焼成工程とを備え、この焼成工程が、基体用グリーン層に含まれるバインダを除去する脱バインダ工程と、次いで、基体用グリーン層において、ガラス成分を流動させながらセラミック粉末を緻密化させた、低温焼結セラミック材料の焼結状態を得るための焼結工程とを備える、多層セラミック基板の製造方法にまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、焼結工程において、セラミック粉末を緻密化させた後に、ガラス成分が結晶質を析出するように、脱バインダ工程から焼結工程までの昇温速度を、１分あたり２０℃より大きくすることを特徴としている。
【００２０】
前述した積層体作製工程において作製される生の積層体に備える拘束用グリーン層として、積層体の積層方向における両端に位置するように配置されるものがある場合には、焼成工程の後、この積層体の積層方向における両端に位置するように配置された拘束用グリーン層は除去されてもよい。
【００２１】
また、この発明に係る多層セラミック基板の製造方法は、焼成工程の後、積層体の外表面上に搭載されるべき電子部品を実装する工程をさらに備えていてもよい。
【００２２】
この発明は、また、上述したような製造方法によって得られた多層セラミック基板にも向けられる。
【００２３】
さらに、この発明は、上述の多層セラミック基板と、この多層セラミックを実装するマザーボードとを備える、電子装置にも向けられる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態による多層セラミック基板１を図解的に示す断面図である。図示した多層セラミック基板１は、セラミック多層モジュールを構成するものである。
【００２５】
多層セラミック基板１は、積層された複数のセラミック層２をもって構成される積層体３を備えている。この積層体３において、セラミック層２に関連して種々の配線導体が設けられている。
【００２６】
上述した配線導体としては、積層体３の積層方向における端面上に形成されるいくつかの外部導体膜４および５、セラミック層２の間の界面に沿って形成されるいくつかの内部導体膜６、ならびにセラミック層２の特定のものを貫通するように形成されるいくつかのビアホール導体７等がある。
【００２７】
上述した外部導体膜４は、積層体３の外表面上に搭載されるべき電子部品８および９への接続のために用いられる。図１では、たとえば半導体デバイスのように、バンプ電極１０を備える電子部品８、およびたとえばチップコンデンサのように面状の端子電極１１を備える電子部品９が図示されている。
【００２８】
電子部品８は、バンプ電極１０に対して半田リフロー工程を適用したり超音波付与工程や熱圧着工程を適用したりすることによって、バンプ電極１０を介して外部導体膜４に接合される。他方、電子部品９は、外部導体膜４に対して端子電極１１を面対向させた状態で、端子電極１１をたとえば半田または導電性接着剤を用いて外部導体膜４に接合することによって、積層体３上に搭載された状態とされる。
【００２９】
また、外部導体膜５は、図１において想像線で示すように、この多層セラミック基板１を実装するマザーボード１２への接続のために用いられる。すなわち、多層セラミック基板１は、外部導体膜５を介して電気的に接続された状態で、マザーボード１２上に実装され、所望の電子装置を構成する。
【００３０】
図１に示した多層セラミック基板１に備える積層体３は、図２に示すような生の積層体１３を焼成することによって得られるものである。
【００３１】
生の積層体１３は、前述したセラミック層２となるべき積層された複数の基体用グリーン層１４を備えている。基体用グリーン層１４は、セラミック粉末とガラス成分とを含有する低温焼結セラミック材料およびバインダを含んでいる。
【００３２】
セラミック粉末としては、たとえばアルミナ粉末が用いられる。また、低温焼結セラミック材料に含有されるガラス成分は、当初からガラス粉末として含有されていても、焼成工程においてガラス質を析出するものであってもよい。
【００３３】
また、このようなガラス成分は、焼成工程の少なくとも最終段階において、結晶質を析出させ、それによって結晶化するものである。低温焼結セラミック材料に含有されるガラス成分として、フォルステライト、アケルマナイトまたはディオプサイトといった誘電損失の小さい結晶質を析出させ得るホウケイ酸系のガラス粉末を有利に用いることができる。
【００３４】
生の積層体１３は、また、基体用グリーン層１４の特定のものの主面に接するように配置される拘束用グリーン層１５を備えている。拘束用グリーン層１５は、上述した低温焼結セラミック材料の焼結温度では焼結しない無機材料粉末を含む。この無機材料粉末としては、たとえば、アルミナ粉末を有利に用いることができる。なお、この実施形態では、拘束用グリーン層１５は、生の積層体１３の積層方向における両端に位置するように配置される。
【００３５】
生の積層体１３は、さらに、基体用グリーン層１４に関連して設けられる配線導体を備えている。この配線導体としては、前述したように、外部導体膜４および５、内部導体膜６ならびにビアホール導体７等を備えている。
【００３６】
このような生の積層体１３を作製するため、たとえば、次のような各工程が実施される。
【００３７】
まず、基体用グリーン層１４を得るため、セラミック粉末とガラス粉末とを混合して得られた混合粉末に、バインダ、分散剤、可塑剤および有機溶剤等を各々適量添加し、これらを混合することによって、セラミックスラリーを作製する。次いで、このセラミックスラリーをドクターブレード法等によってシート状に成形して、基体用グリーン層１４となるべき基体用セラミックグリーンシートを得る。
【００３８】
次いで、得られた基体用セラミックグリーンシートに、必要に応じて、ビアホール導体７を形成するための貫通孔を設け、この貫通孔に導電性ペーストまたは導体粉を充填することによって、ビアホール導体７を形成する。また、基体用セラミックグリーンシート上に、必要に応じて、たとえば銀系導電性ペーストを印刷することによって、外部導体膜４および５ならびに内部導体膜６を形成する。
【００３９】
そして、これら基体用セラミックグリーンシートを所定の順序をもって積層する。
【００４０】
他方、拘束用グリーン層１５を得るため、アルミナ等からなる無機材料粉末に、バインダ、分散剤、可塑剤および有機溶剤等を各々適量添加し、これらを混合することによって、無機材料スラリーを作製する。そして、この無機材料スラリーをドクターブレード法等によってシート状に成形して、拘束用グリーン層１５のための拘束用セラミックグリーンシートを得る。
【００４１】
次に、前述のように積層された基体用セラミックグリーンシートの上下に、拘束用セラミックグリーンシートを積層し、プレスする。これによって、図２に示すように、生の積層体１３が得られる。なお、必要に応じて、この生の積層体１３を適当な大きさに切断してもよい。
【００４２】
次に、生の積層体１３は、たとえば８００〜１０００℃程度の温度で焼成される。この焼成工程において、拘束用グリーン層１５は、それ自身、実質的に収縮しない。したがって、拘束用グリーン層１５は、基体用グリーン層１４に対して、その主面方向での収縮を抑制する拘束力を及ぼし、それによって、基体用グリーン層１４は、その主面方向での収縮が抑制されながら、そこに含まれる低温焼結セラミック材料が焼結し、実質的に厚み方向にのみ収縮し、得られた多層セラミック基板１における積層体３に備えるセラミック層２を形成する。
【００４３】
この実施形態では、上述した焼成工程において採用される昇温速度に特徴がある。すなわち、焼成工程は、基体用グリーン層１４に含まれるバインダを除去する脱バインダ工程と、次いで、基体用グリーン層１４において、ガラス成分を流動させながらセラミック粉末を緻密化させた、低温焼結セラミック材料の焼結状態を得るための焼結工程とを備えているが、この脱バインダ工程から焼結工程までの昇温速度が、１分あたり２０℃より大きくされることを特徴としている。このように、昇温速度を大きくすることにより、次のような効果が奏される。
【００４４】
基体用グリーン層１４において緻密な焼結状態を得るためには、基体用グリーン層１４に含まれるガラス成分を十分に流動させ、それによって、セラミック粉末の緻密化を図らなければならない。
【００４５】
前述したように、脱バインダ工程から焼結工程までの昇温速度を、１分あたり２０℃より大きくすることによって、より早い時期において、ガラス成分の粘度を下げ、流動性を高めることができる。その結果、ガラス成分が流動状態にある時間を十分に長くすることができ、セラミック粉末を十分に緻密化させることができる。
【００４６】
特に、ガラス成分が、焼結工程の少なくとも最終段階において、結晶質を析出するものである場合、このような結晶質の析出に従い、ガラス成分の粘度が上昇し、その結果、ガラス成分の流動性が失われてしまい、セラミック粉末の緻密化が進みにくい状態となってしまう。
【００４７】
このような状況において、前述したように、昇温速度を、１分あたり２０℃より大きくすれば、ガラス成分が結晶質を析出し始める前に、セラミック粉末を十分に緻密化させることができる。したがって、結晶質の析出によってセラミック粉末の緻密化が阻害されることを防止することができる。この点において、昇温速度の制御は、ガラス成分が結晶質を析出させ得るものである場合、特に有効であると言うことができる。
【００４８】
以上のような焼成工程を終えた後、拘束用グリーン層１５が除去される。拘束用グリーン層１５の除去は、これら拘束用グリーン層１５が焼結されないため、容易に行なうことができる。
【００４９】
このようにして、図１に示した多層セラミック基板１における積層体３が得られる。この積層体３の外表面上に、電子部品８および９を実装すれば、図１に示すような多層セラミック基板１が完成される。
【００５０】
なお、以上説明した実施形態では、拘束用グリーン層１５が、生の積層体１３の積層方向における両端に位置するように配置されたが、このような拘束用グリーン層１５に代えて、あるいは拘束用グリーン層１５に加えて、基体用グリーン層１４の間に位置するように、拘束用グリーン層が配置されてもよい。このように、基体用グリーン層１４の間に配置される拘束用グリーン層には、焼成工程において、基体用グリーン層１４に含まれていたガラス成分等の一部が浸透し、それによって、拘束用グリーン層が固化されるように、そこに含まれる無機材料粉末が固着される。このような拘束用グリーン層は、焼成工程の後、除去されず、製品となる多層セラミック基板に備える積層体中に存在することになる。
【００５１】
次に、前述した脱バインダ工程から焼結工程までの昇温速度を、１分あたり２０℃より大きくすることによる効果を確認するために実施した実験例について説明する。
【００５２】
この実験例では、図１および図２を参照して前述した製造方法に従って、生の積層体１３を作製し、この生の積層体１３を焼成することによって、焼結された積層体３を得た。
【００５３】
上述した焼成工程では、前述したように、脱バインダ工程と、焼結工程とを順次実施し、脱バインダ工程から焼結工程までの昇温速度を、表１に示すように、５℃／分〜４０℃／分の範囲で種々に変更した。
【００５４】
また、基体用グリーン層１４に含まれる低温焼結セラミック材料として、アルミナ粉末とＳｉ−Ｍｇ−Ｃａ−Ｏ系ガラス粉末とを含有するものを用いながら、表１に示すように、試料１〜８では、結晶質として、フォルステライトを析出させるようにし、試料９〜１６では、ディオプサイトを析出させるようにした。
【００５５】
また、拘束用グリーン層１５に含まれる無機材料粉末としては、アルミナ粉末を用いた。
【００５６】
このようにして得られた各試料に係る焼結後の積層体３に備えるセラミック層２について、相対密度を求めるとともに、５ＧＨｚ下において、誘電損失を求めた。これら相対密度および誘電損失の逆数が表１に示されている。
【００５７】
【表１】
0003591437.tif 000002
【００５８】
表１において、試料番号に＊を付したものは、この発明の範囲外の比較例に相当している。
【００５９】
表１を参照して、昇温速度が１分あたり２０℃より大きい試料５〜８および１３〜１６によれば、昇温速度が１分あたり２０℃以下の試料１〜４および９〜１２に比べて、相対密度が高く、かつ誘電損失において優れている。このことから、試料５〜８および１３〜１６においては、セラミック層２の緻密化が十分に達成されていることがわかる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、多層セラミック基板を製造するにあたって、いわゆる無収縮プロセスを適用するため、焼成工程において、拘束用グリーン層による拘束作用の結果、基体用グリーン層に含まれるガラス成分の流動性が阻害される傾向にあるが、焼成工程における脱バインダ工程から焼結工程までの昇温速度を、１分あたり２０℃より大きくすることが行なわれるので、比較的早い時期にガラス成分を流動させ、このガラス成分が流動状態にある時間を十分に長くすることができる。その結果、基体用グリーン層に含まれるセラミック粉末の緻密化が比較的早い時期に開始され、したがって、基体用グリーン層の焼成によって得られたセラミック層において良好な緻密化状態を得ることができる。
【００６１】
また、基体用グリーン層に含まれるガラス成分が結晶質を析出させ得るものであるので、結晶質が析出し、ガラス成分の流動性が失われる前の段階で、セラミック粉末を十分に緻密化させることができ、応じて、得られたセラミック層を良好に緻密化させることができる。
【００６２】
このようなことから、この発明に係る製造方法によって得られた多層セラミック基板によれば、優れた電気的特性および信頼性を与えることができる。そのため、この多層セラミック基板を、マザーボード上に実装して電子装置を構成すると、この電子装置の電気的特性および信頼性をも高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態による多層セラミック基板１を図解的に示す断面図である。
【図２】図１に示した積層体３を得るために用意される生の積層体１３を図解的に示す断面図である。
【符号の説明】
１  多層セラミック基板
２  セラミック層
３  積層体
４，５  外部導体膜（配線導体）
６  内部導体膜（配線導体）
７  ビアホール導体（配線導体）
８，９  電子部品
１２  マザーボード
１３  生の積層体
１４  基体用グリーン層
１５  拘束用グリーン層
【図１】
0003591437.tif 000003
【図２】
0003591437.tif 000004