(57)【要約】【課題】拘束性を確保しつつ、脱脂性を向上させることのできるセラミック基板の製造方法を提供する。【解決手段】セラミック基板の製造方法は、基材用セラミック粉末を含む成形体７を形成する工程と、成形体７の少なくとも一方の主面上に、成形体７の焼成温度では実質的に焼結しない第１拘束層用セラミック粉末を含む第１拘束層５を形成する工程と、第１拘束層５上に、前記第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径よりも平均粒径が大きく、成形体７の焼成温度では実質的に焼結しない、第２拘束層用セラミック粉末を含む、第２拘束層６を形成して、複合積層体１０を形成する工程と、複合積層体１０を焼成して複合焼成体１１を得る工程と、複合焼成体１１から第１拘束層５と第２拘束層６とを除去してセラミック基板９を得る工程と、を備えることを特徴としている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材用セラミック粉末を含む成形体を形成する工程と、
前記成形体の少なくとも一方の主面上に、前記成形体の焼成温度では実質的に焼結しない第１拘束層用セラミック粉末を含む第１拘束層を形成する工程と、
前記第１拘束層上に、前記第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径よりも平均粒径が大きく、前記成形体の焼成温度では実質的に焼結しない、第２拘束層用セラミック粉末を含む、第２拘束層を形成して、複合積層体を形成する工程と、
前記複合積層体を焼成して複合焼成体を得る工程と、
前記複合焼成体から前記第１拘束層と前記第２拘束層とを除去してセラミック基板を得る工程と、
を備える、セラミック基板の製造方法。
【請求項２】
前記第２拘束層の前記第２拘束層用セラミック粉末に対するバインダ量が、前記第１拘束層の前記第１拘束層用セラミック粉末に対するバインダ量よりも少ない、請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項３】
前記第２拘束層のバインダがアクリル系である、請求項１または２に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項４】
前記第１拘束層のバインダがブチラール系である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項５】
前記第１拘束層のバインダがアクリル系である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基板の製造方法に関する。特に、いわゆる無収縮プロセスを利用するセラミック基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層された複数のセラミック層を備えるセラミック基板がある。通常、そのようなセラミック基板には、その表面や内部に導体パターンが形成されている。導体パターンには、セラミック層の平面方向に延びる面内導体とセラミック層を厚み方向に貫通するように延びる層間接続導体とがある。
【０００３】
セラミック基板を得るためには、セラミック粉末を含むグリーンシートを積層してなる成形体を焼成するが、焼成工程において、成形体は収縮する。その収縮が均一には生じないため、セラミック基板の平面方向の寸法ずれが生じたり、セラミック基板全体に反りやうねりが生じたりすることがある。この問題の対策として、セラミック基板の平面方向における焼成収縮を実質的に生じさせない方法である、いわゆる無収縮プロセスが知られている。無収縮プロセスは、例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
特許文献１では、図５のように、成形体１０５の両主面に拘束層１０３が形成されている。拘束層１０３に含まれるＡｌ2Ｏ3粉末は成形体の焼成温度では実質的に焼結しないため、拘束層は実質的に収縮せず、成形体の両主面に拘束力を及ぼす。このため、成形体１０５は実質的に厚み方向にのみ収縮する。そして、焼成工程の後、拘束層１０３を除去することによって、寸法精度が高く、反りやうねりの小さいセラミック基板が取り出される。
【０００５】
この無収縮プロセスにおいて、拘束性は拘束層の厚みと拘束層に含まれるセラミック粉末の粒径の両方に影響される。すなわち、拘束層の厚みが厚いほど、また、拘束層に含まれるセラミック粉末の粒径が小さいほど拘束性を向上させることができる。一方で、微粒のセラミック粉末を拘束層に用いると拘束層の除去性が低下する。そのため、拘束層のセラミック粉末の粒径は拘束性と除去性の両方の観点から決定され、拘束性については拘束層の厚みを厚くすることで補っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２５５４４１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、生産性を向上させるために焼成時間を短くしたり、比較的厚いセラミック基板を作製する場合には、微粒のセラミック粉末を用いた拘束層では焼成後のセラミック基板にクラックや膨れ、デラミネーション等の欠陥が発生するという問題が生じた。原因は、脱脂時間が十分でないために、グリーンシート内の残留炭素量が多いことにある。脱脂工程後の残留炭素量が多いと、その後の焼成工程で残留炭素成分がガス化してセラミック基板にデラミネーションや膨れを生じさせてしまうからである。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであり、拘束性を確保しつつ、脱脂性を向上させることのできるセラミック基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るセラミック基板の製造方法は、基材用セラミック粉末を含む成形体を形成する工程と、前記成形体の少なくとも一方の主面上に、前記成形体の焼成温度では実質的に焼結しない第１拘束層用セラミック粉末を含む第１拘束層を形成する工程と、前記第１拘束層上に、前記第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径よりも平均粒径が大きく、前記成形体の焼成温度では実質的に焼結しない、第２拘束層用セラミック粉末を含む、第２拘束層を形成して、複合積層体を形成する工程と、前記複合積層体を焼成して複合焼成体を得る工程と、前記複合焼成体から前記第１拘束層と前記第２拘束層とを除去してセラミック基板を得る工程と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
本発明では、第２拘束層に含まれる第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径が、第１拘束層に含まれる第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径よりも大きい。そのため、第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径を微粒にすることで拘束性を確保しつつ、第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径を粗粒にして脱脂性を向上させることができる。
【００１１】
ここで、成形体が基材層用グリーンシートを積層して形成される場合には、第１拘束層は、複数の基材層用グリーンシートを積層した後に形成してもよいし、基材層用グリーンシートを積層する前に成形体の主面を構成するグリーンシート上に形成してもよい。
【００１２】
また、本発明に係るセラミック基板の製造方法は、前記第２拘束層の前記第２拘束層用セラミック粉末に対するバインダ量が、前記第１拘束層の前記第１拘束層用セラミック粉末に対するバインダ量よりも少ないことが好ましい。
【００１３】
かかる場合には、バインダの脱脂性がより向上する。
【００１４】
また、本発明に係るセラミック基板の製造方法は、前記第２拘束層のバインダがアクリル系であることが好ましい。
【００１５】
アクリル系のバインダはブチラール系のバインダに比べて低温で分解されるため脱脂されやすい。そのため、かかる場合にはバインダの脱脂性がより向上する。
【００１６】
また、本発明に係るセラミック基板の製造方法は、前記第１拘束層のバインダがブチラール系であることが好ましい。
【００１７】
ブチラール系のバインダは強度が高く、固いグリーンシートとなる。そのため、かかる場合には成形体と第１拘束層との間にある電極を成形体側に押し込みやすくなり、セラミック基板の平坦性が向上する。
【００１８】
また、本発明に係るセラミック基板の製造方法は、前記第１拘束層のバインダがアクリル系であることが好ましい。
【００１９】
アクリル系のバインダはブチラール系のバインダに比べて低温で分解されるため脱脂されやすい。そのため、かかる場合にはバインダの脱脂性がより向上する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、第２拘束層に含まれる第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径が、第１拘束層に含まれる第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径よりも大きい。そのため、第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径を微粒にすることで拘束性を向上させるとともに、第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径を粗粒にすることで、拘束層全体の厚みを厚くして拘束性を確保しつつ、脱脂性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るセラミック基板の製造方法を示す断面図である。
【図２】本発明に係るセラミック基板の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明に係るセラミック基板の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明に係るセラミック基板の製造方法を示す断面図である。
【図５】従来のセラミック基板の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下において、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２３】
図１〜図４は、本発明に係るセラミック基板の製造方法を示す断面図である。
【００２４】
まず、図１に示すように、基材層用グリーンシート１ａを用意する。基材層用グリーンシート１ａは、下記の方法で得ることができる。すなわち、基材用セラミック粉末を、バインダ、溶剤、可塑剤等からなるビヒクル中に分散させることによって、スラリーを作製する。次いで、得られたスラリーをドクターブレード法のようなキャスティング法によってシート状に成形する。
【００２５】
基材用セラミック粉末としては、例えばＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系ガラス粉末とアルミナ粉末とを混合した粉末が挙げられる。より具体的には、ＣａＯを０〜５５重量％、ＳｉＯ2を４５〜７０重量％、Ａｌ2Ｏ3を０〜３０重量％、及び不純物を０〜１０重量％含み、かつこれら１００重量部に対してＢ2Ｏ3を５〜２０重量部含むガラス粉末が挙げられる。このガラス粉末は、上記の割合で秤量後に１２００℃以上の温度で溶融してガラス化した後に急冷して、これを粉砕することによって得られる。基材用セラミック粉末は、例えば、このガラス粉末を５０〜６５重量％（好ましくは６０重量％）と、不純物が０〜１０重量％のアルミナ粉末５０〜３５重量％（好ましくは４０重量％）とを混合したものを用いる。
【００２６】
バインダとしては、例えば、アクリル系樹脂またはブチラール系樹脂が用いられる。溶剤としては、例えば、トルエン、キシレン、エタノール、水系溶剤が用いられる。可塑剤としては、例えば、ＤＯＰ（ジオクチルフタレート）やＤＢＰ（ジブチルフタレート）が用いられる。
【００２７】
上述したスラリーは、例えば、粘度１０００〜４００００ｍＰａ・ｓに調整される。基材層用グリーンシート１ａの厚みは、例えば０．０２〜０．４ｍｍがとされる。
【００２８】
そして、同じく図１に示すように、パンチング加工やレーザー加工等により、基材層用グリーンシート１ａに層間接続導体用孔２を形成する。そして、層間接続導体用孔２に、導電性ペーストを充填して、層間接続導体３を形成する。また、基材用グリーンシート１ａ上に導電性ペーストを印刷することによって、面内導体４を形成する。なお、図示した実施形態では、一部の面内導体４については、後述する第１拘束層用グリーンシート５ａ上に形成される。
【００２９】
上述した層間接続導体３および面内導体４を形成するための導電性ペーストは、例えば銀または銅を主成分とするものが挙げられる。その他、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔを主成分としても良い。また、導電性ペーストに代えて、必要に応じて抵抗ペーストやガラスペーストが用いられても良い。
【００３０】
そして、同じく図１に示すように、第１拘束層用グリーンシート５ａと第２拘束層用グリーンシート６ａとを用意する。第１拘束層用グリーンシート５ａは第１拘束層用セラミック粉末を含む。また、第２拘束層用グリーンシート６ａは第２拘束層用セラミック粉末を含む。第１拘束層用セラミック粉末と第２拘束層用セラミック粉末は、上記の基材層用グリーンシート１ａならびに層間接続導体３および面内導体４の焼成温度では実質的に焼結しないものが選択される。例えばアルミナ粉末が挙げられる。アルミナ粉末の場合、焼結温度は１５００〜１６００℃である。
【００３１】
第１拘束層用グリーンシート５ａと第２拘束層用グリーンシート６ａとは、基材層用グリーンシート１ａと同様の方法で作製することができる。
【００３２】
本発明では、第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径が、第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径よりも大きい。一般的に、第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径が小さいほど、拘束力は大きくなる。具体的には、第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径は０．１〜０．５μｍが好ましい。また、一般的に、第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径が大きいほど、シート密度が低下するため脱脂性は向上する。具体的には、第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径は１μｍ〜５μｍが好ましい。
【００３３】
次に、図２に示すように、成形体７を形成する。成形体７は、基材層１と層間接続導体３と面内導体４とを備える。そして、成形体７の少なくとも一方の主面上に、第１拘束層５を形成する。そして、第１拘束層５上に、第２拘束層６を形成して複合積層体１０を得る。
【００３４】
具体的には、図１で用意した複数の基材層用グリーンシート１ａ、第１拘束層用グリーンシート５ａ、第２拘束層用グリーンシート６ａを所定の順に積層して、圧着する。この工程により、成形体７と第１拘束層５と第２拘束層６とを備える複合積層体１０を得る。第１拘束層の厚みは例えば５０μｍ〜１００μｍが好ましい。第２拘束層の厚みは例えば５０μｍ〜１５０μｍが好ましい。拘束層全体の厚みは例えば１５０μｍ〜２００μｍが好ましい。圧着は、静水圧プレスや、金型を用いた一軸プレスを用いて行う。圧着時の圧力は例えば１０〜１８０ＭＰａである。また、圧着時の温度は例えば５０〜８０℃である。
【００３５】
なお、本実施形態では、セラミック基材層１は、上述したキャスティング法により形成した基材層用グリーンシート１ａによって与えられる。厚膜印刷法により形成した厚膜印刷層によって与えられても良い。また、第１拘束層５、第２拘束層６を各１枚の第１拘束層用グリーンシート５ａ、第２拘束層グリーンシート６ａで構成したが、必要に応じて複数枚のグリーンシートで構成しても良い。また、第１拘束層５と第２拘束層６とは、それぞれ第１拘束層用グリーンシート５ａと第２拘束層用グリーンシート６ａによって与えられているが、厚膜印刷法により形成した厚膜印刷層によって与えられても良い。
【００３６】
その後、図３に示すように、得られた複合積層体１０を焼成して複合焼成体１１を得る。焼成の結果、成形体７は焼成体８となる。第１拘束層５と第２拘束層６とは、成形体の焼成温度では実質的に焼結しない。したがって、第１拘束層５と第２拘束層６とは実質的に収縮せず、成形体７の主面に拘束力を及ぼす。このため、成形体７は実質的に厚み方向にのみ収縮する。焼成に際しては、一回の焼成において脱脂工程と焼成工程を併せて行ってもよいし、焼成の前に別途脱脂を行ってもよい。
【００３７】
そして、図４に示すように、複合焼成体から第１拘束層５と第２拘束層６とを除去して、セラミック基板９を得る。除去の方法としては、例えば超音波洗浄法やブラスト法が挙げられる。
【００３８】
［実験例１］
以下のようにして、セラミック基板を作製した。実験例１では、第１拘束層用セラミック粉末と第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径を変えた試料を作製した。また、第１拘束層用グリーンシートと第２拘束層用グリーンシートのバインダ種およびバインダ量を変えた試料を作製した。
【００３９】
まず、基材層用グリーンシートを以下のように用意した。具体的には、ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3及びＢ2Ｏ3の各粉末を混合したガラス粉末とアルミナ粉末とを混合した。この混合粉末に対して、有機バインダおよび溶剤としてトルエン、エタノールを添加して混合した。具体的には、ボールミルで十分に混合することによって均一な分散状態を得た。その後、減圧下で脱泡処理を行い、スラリーを得た。このスラリーを、ドクターブレードを用いたキャスティング法で、キャリアフィルム上でシート状に成形した。この工程により厚み０．３０ｍｍの基材層用グリーンシートを作製した。この基材層用グリーンシートを乾燥させた後、平面寸法が１５０ｍｍ□の大きさとなるようにキャリアフィルム毎カットした。
【００４０】
次に、拘束層用グリーンシートを以下のように用意した。具体的には、アルミナ粉末に対して有機バインダと溶剤を添加して混合した。有機バインダとしては、ブチラール系とアクリル系を用いた。溶剤としてはトルエンとエタノールを用いた。具体的には、ボールミルで十分に混合することによって均一な分散状態を得た。その後、減圧下で脱泡処理を行い、スラリーを得た。このスラリーを、ドクターブレードを用いたキャスティング法で、キャリアフィルム上でシート状に成形した。この工程により厚み０．１０ｍｍの拘束層用グリーンシートを作製した。この拘束層用グリーンシートを乾燥させた後、平面寸法が１５０ｍｍ□の大きさとなるようにキャリアフィルムごとカットした。
【００４１】
そして、パンチング加工やレーザー加工等により、基材層用グリーンシートに層間接続導体用孔を形成した。そして、層間接続導体用孔に導電性ペーストを充填することによって、層間接続導体を形成した。また、基材層用グリーンシート上に導電性ペーストを印刷することによって、面内導体を形成した。なお、一部の導電性ペーストについては、拘束層用グリーンシートに印刷して形成した。
【００４２】
そして、複合積層体を以下のように得た。具体的には層間接続導体や面内導体を形成した４枚の基材層用グリーンシートと、第１拘束層用グリーンシートと、第２拘束層用グリーンシートとを所定の順に積層して圧着した。この工程により、成形体７と第１拘束層５と第２拘束層６とを備える複合積層体を得た。圧着時の圧力は１０〜１８０ＭＰａとした。また、圧着時の温度は５０〜８０℃とした。
【００４３】
次に、複合積層体を最高温度９００℃のプロファイルで焼成して複合焼成体を得た。この実験例においては、１回の焼成において脱脂と焼成を行い、２００℃〜４００℃までの範囲を脱脂工程とした。そして、複合焼成体から、第１拘束層と第２拘束層を除去した。除去の方法は超音波洗浄法とブラスト法とした。このようにして、１０５ｍｍ×１０５ｍｍ×０．６ｍｍのセラミック基板を得た。
【００４４】
そして、得られた試料に対して脱脂性と拘束性の評価を行った。脱脂性の評価としては、脱脂工程が８時間、４時間、２時間の３つの場合について、焼成後のセラミック基板にクラック、デラミネーション、膨れ等の異常があるかどうかの外観観察を行った。そして、脱脂工程にかける時間が８時間、４時間、２時間のいずれの場合も外観に異常がない場合を◎、８時間および４時間の場合には外観に異常がないが２時間の場合には異常がある場合を○、８時間の場合には外観に異常がないが４時間および２時間の場合に異常がある場合を×とした。拘束性の評価としては、反り量をレーザー変位計で測定した。そして、反り量が０．３ｍｍ未満の場合を○、０．３ｍｍ以上の場合を×とした。
【００４５】
表１に実験条件と実験結果を示す。表１中の平均粒径と比表面積の欄の「第１」は第１拘束層用セラミック粉末を示し、「第２」は第２拘束層用セラミック粉末を示す。
【００４６】
また、バインダ種とバインダ量の欄の「第１」は第１拘束層を示し、「第２」は第２拘束層を示す。平均粒径は、レーザー回析粒度分布測定装置を用いて測定した。また、比表面積は、ガス吸着法（ＢＥＴ法）を用いて測定した。バインダ量は、拘束層中の、拘束層用セラミック粉末に対するバインダ量を規定している。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
表１より、第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径が第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径よりも大きい条件１〜４では、短い脱脂時間でも脱脂性と拘束性を両立させたセラミック基板が作製できていることが分かる。また、条件２では、第２拘束層の第２拘束層用セラミック粉末に対するバインダ量が、第１拘束層の第１拘束用セラミック粉末に対するバインダ量よりも少ない。かかる条件では、複合積層体の一番外側の層となる第２拘束層のバインダ量が少なくなる。したがって、さらに短い脱脂時間でも脱脂性は良好であった。
【００４９】
また、条件３、４では、第２拘束層のバインダがアクリル系である。アクリル系のバインダはブチラール系のバインダに比べて低温で分解されるため脱脂されやすい。そのため、さらに短い脱脂時間でも脱脂性は良好であった。
【００５０】
条件３では、第１拘束層のバインダがブチラール系である。ブチラール系バインダは強度が高く、固いシートとなる。そのため、成形体と第１拘束層との間にある電極を成形体側に押し込みやすくなる。したがって、セラミック基板の最外層に形成された電極が突出しなくなるため、平坦性の高いセラミック基板が得られる。
【００５１】
条件４では、第１拘束層のバインダがアクリル系である。アクリル系のバインダは脱脂されやすい。そのため、さらに短い脱脂時間でも脱脂性は良好であった。
【００５２】
条件５では、第１拘束層、第２拘束層ともに微粒のセラミック粉末を用いている。かかる場合には、拘束性は確保されるものの、脱脂性が低下する。また、条件６では、第１拘束層、第２拘束層ともに粗粒のセラミック粉末を用いている。かかる場合には、脱脂性は良いが、拘束性が低下する。また、条件７では、第２拘束層用セラミック粉末の平均粒径が第１拘束層用セラミック粉末の平均粒径より小さい。かかる場合には、脱脂性が低下する結果となった。
【符号の説明】
【００５３】
１ａ  基材層用グリーンシート
１  基材層
２  層間接続導体用孔
３  層間接続導体
４  面内導体
５ａ  第１拘束層用グリーンシート
５  第１拘束層
６ａ  第２拘束層用グリーンシート
６  第２拘束層
７  成形体
８  焼成体
９  セラミック基板
１０  複合積層体
１１  複合焼成体
１０１  炉ベルト
１０３  拘束層
１０５  成形体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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