(57)【要約】【課題】焼成後に高寸法精度を達成できる加圧焼成で多層セラミック基板を製造する際、脱バインダ性を阻害することなく表面の平坦度を向上させる方法を提供する。【解決手段】多層セラミック基板を焼成前の段階で、焼成後に厚みが周辺部より厚くなると予想される部分にあらかじめ空隙を作っておき、焼成後の厚みをコントロールすることで基板厚さばらつきを低減し表面の平坦度を向上させる。また、加圧焼成時に多層セラミック基板を挟むように配置される、通気性材料の表面粗さの基板への転写を抑制することで基板表面粗さを低減し、平坦度を向上させる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれに導体パターンが形成されたグリーンシートを複数枚積み重ねてなる多層セラミック基板の製造方法において、
前記積み重ねたグリーンシートの、前記導体パターン密度が高い部分のグリーンシートに空隙を形成し、前記積み重ねたグリーンシートを、前記グリーンシートを積み重ねた方向に加圧した状態で焼成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】
前記グリーンシートの表面に溝を彫ることで前記空隙を形成することを特徴とする請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項３】
前記グリーンシートにビアホールを加工することで前記空隙を形成することを特徴とする請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項４】
前記積み重ねたグリーンシートの表面に、凸部を有する部材を押し付けることにより、前記空隙を形成することを特徴とする請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
【請求項５】
積み重ねられた複数枚のグリーンシートを、表面に複数の凹凸を有する少なくとも２つの第一の部材により挟んだ状態で加圧焼成してなる多層セラミック基板の製造方法において、
前記積み重ねられた複数枚のグリーンシートを、前記グリーンシートに接する側の表面の少なくとも一部を前記凹凸の凹部に充填される粒状体を含む第一の部材により覆われた少なくとも２つの前記第一の部材を用いて挟み、前記複数枚のグリーンシートを加圧焼成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６】
前記粒状体は粒系の平均が０．００１〜０．００５ｍｍの範囲内にあるセラミック粉末であることを特徴とする請求項５に記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項７】
前記第二の部材は１０００ｍ・Ｐａ・ｓ以上の粘度を有することを特徴とする請求項５に記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項８】
前記第二の部材の焼結温度は、前記グリーンシートの焼結温度よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の多層セラミック基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、民生用やコンピュータ用などの電子産業部門に用いられる高寸法精度多層セラミック基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスの多層化技術は、電子産業部門において重要な技術である。その中で、半導体素子等の高密度実装に必須の多層セラミック基板は、半導体素子等との電気的な接続を形成するために、基板表面に形成するパターンに高い位置精度が要求される。一般に多層セラミック基板は有機バインダを含むセラミック粉末をシート上に成形するグリーンシート法で作製され、グリーンシートへの導体形成、グリーンシート積層、熱間圧着、焼結により製造される方法が知られている。
【０００３】
しかしながら、グリーンシートはビアホールへの導体ペーストの充填、パターン印刷、熱間圧着によって変形を起こす。また、一般的にセラミックスは焼成時に大きな寸法変化（収縮）を伴い、焼成時の寸法変化は原料やプロセスのバラツキの影響を受けやすい。そのため、焼成後の寸法を高精度に保つ事は非常に難しくなる。特に多層セラミック基板は、内部に異なる材料を包含しているため、その寸法精度の確保がいっそう難しく、さらに反り、剥離、膨れ等の発生も大きな問題となってくる。
【０００４】
これらの問題に対処するため、特開平５−２８３２７２号公報において、成形体（積層体）に脱バインダ過程および焼結過程を通して一定の圧力を加えながら焼成する方法が開示されている。この方法により、焼成後の多層セラミック基板の加圧した面の焼結収縮量そのものを小さく抑え、その結果として、焼成後の高い寸法精度を得ることができ、かつ焼結体の反り、剥離、膨れ等を低減させることも可能である。
【０００５】
また、対環境性の観点から成形体の作成を水溶性、もしくは水に分散できるバインダに変更し、寸法精度と信頼性をさらに向上させることができる多層セラミック焼結体の製造方法と該製造方法を実現するための製造装置が特開平７−９７２７５号公報において開示されている。この技術においては、焼成時の脱バインダを除去する過程、成形体を焼結する過程、焼結体を冷却する過程でそれぞれ温度と圧力を変化させている。その結果、多層セラミック基板表面寸法を±０．３％以内に高く安定させることができる。また、この技術では信頼性に大きく影響する焼結後の多層セラミック基板中のボイド低減に必須な、ボイドの原因となる残留バインダの低減も可能である。この技術によれば、焼成時の脱バインダのために、焼成中に成形体の気孔率を確保することおよび成形体に接して加圧力を伝達する部材に、焼成温度において寸法安定で、かつ気孔率５０％以上の多孔質な材料を選定することが重要とされている。これらに着目することで、成形体から脱離したガス状のバインダが焼成炉内雰囲気中に容易に抜け出るための経路を確保でき、焼成後の残留バインダ量を低減できることが示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２８３２７２号公報
【特許文献２】
特開平７−９７２７５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した技術によれば、多層セラミック基板の表面寸法は高い精度で達成できるが、基板表面の平坦度については不充分である。しかし、近年、多層セラミック基板の高密度実装は目覚しく進歩していることからも、平坦度の向上は必須である。
【０００８】
一般的に、多層セラミック基板で高い平坦度を実現するためには、表面研削、ラッピング等の方法がある。しかしながら、表面パターンの消失、加工コストの増大等のデメリットがあり、焼成後の多層セラミック基板の表面パターン形状、平坦度等はできる限り最終的な仕様に近い形であることが好ましい。特に、焼結後の多層セラミック基板表面にパターンを形成する方法として有効な有機薄膜層の形成はコストが高い。
【０００９】
平坦度を劣化させる原因の一つは多層セラミック基板の反りである。加圧しないで焼成した場合、一般的に多層セラミック基板は、片面が凸形状に反り、反対面は凹形状に反った図１に示す日本瓦のような形状となる。そこで、重りを載せて再度焼成し、反りを矯正する等の方法がとられる。
【００１０】
しかしながら、加圧焼成方法で実際に多層セラミック基板を製造してみると、多層セラミック基板は図２に示すように両面ともに凸形状に反り、基板の厚みは中心部で厚く、外周部で薄くなっていた。つまり、反りではなく厚さばらつきが平坦度劣化の主原因であった。そのため、加圧焼成方法で多層セラミック基板を製造する場合、厚さばらつき低減が必須である。
【００１１】
厚さばらつきに影響を与えている要因は２つある。１つは導体パターン密度である。パターン密度の高い部分は、密度の低い部分に比べて焼成前から密度が高いため、どうしても焼成後に厚くなってしまう。一般に導体パターンは多層セラミック基板上に搭載される半導体素子間を結ぶ役割から基板中心部で密度が高い傾向にあるが、この場合の焼成後多層セラミック基板の厚さは中心部で厚く、外周部で薄くなる。
【００１２】
もう一つは加圧焼成時の多層セラミック基板内層部の変形、流動の影響である。多層セラミック基板外周部は中心部に比べて端部に近いことから、端部に向かっての焼成時のセラミックス変形、流動が容易である。また、多層セラミック基板外周部には形成される導体パターンが少ないため、セラミックスの変形、流動が阻害されることも少ない。
【００１３】
これらの理由から、加圧焼成方法で製造する多層セラミック基板の厚さは中心部で厚く、外周部で薄いというばらつきを発生しやすい。そして、このばらつきの傾向は基板サイズが大きくなるとより顕著となる。
【００１４】
このように基板の厚さばらつきが平坦度劣化の主原因であるが、さらに多層セラミック基板平坦度を向上させるためには基板表面粗さの低減も重要である。検討の結果、加圧焼成方法で製造される多層セラミック基板の表面粗さは、焼成時の脱バインダ性を向上させるために多層セラミック基板を挟むように配置した多孔質材料の表面粗さの転写が起因していることが判明した。
【００１５】
多孔質材料には多孔質であるがゆえに、表面に無数の微細な孔が存在し、この孔が多層セラミック基板の表面に転写されることで、多層セラミック基板表面の平坦度を劣化させている。
【００１６】
そこで本発明では、焼成後に高寸法精度の表面パターンを有する加圧焼成方法で製造する多層セラミック基板の厚さばらつきを低減し、脱バインダ性を阻害することなく多層セラミック基板表面の平坦度を向上させる多層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。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、多層セラミック基板の表面の平坦度を向上するため、多層セラミック基板の厚さばらつきを低減する。すなわち、多層セラミック基板内の中心部のセラミック密度を低下させ、その部分へのセラミックスの変形、流動を促進させることで、基板の中心部と外周部の厚さを均一に保つ。
【００１８】
また、多層セラミック基板の表面の粗さを低減するために、焼成時に多層セラミック基板を固定する多孔質材料の表面にコーティングを施すことで、多孔質材料の表面の微細な孔が多層セラミック基板に転写されることを防ぐ。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について詳細に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２０】
本発明の多層セラミック基板の製造方法の一実施例を図３に示す。
【００２１】
図３に示す実施例においては、まず、ホウケイ酸ガラスを主成分とし、ムライトをセラミックフィラとした混合セラミック粉体に有機バインダ、可塑剤を加えてスラリーを作成し、ドクターブレードを用いたキャスティング法によって、焼成後セラミック絶縁層となるグリーンシート１を複数枚形成する。本実施例にて用いる多層セラミック基板のセラミック材料としては、結晶化ガラスやホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、鉛ガラス等の各種ガラス材料にセラミックフィラとしてアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等を混合したものを選択できる。
【００２２】
次に、上記グリーンシート１に、パンチングで、セラミック絶縁層間の導通をとる為のビアホール２を形成する。そして、銅粉末にビヒクルを加えたペースト状銅粉末を、穴埋め印刷によって上記ビアホール２に充填し、セラミック絶縁層間の導通をとる銅ビアホール３を形成する。さらに、銅ビアホール３を形成したグリーンシートに銅粉末にビヒクルを加えたペースト状銅粉末を印刷し、グリーンシート上にパターン４を形成する。多層セラミック基板の表面および内部の導体パターンを形成する材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｇ／Ｐｄ、Ｐｔまたはこれらの組合せから選ばれる材料が好適である。上記組合せで選ばれる導体材料は、あらかじめ合金として用いてもよいし、焼成中に反応して少なくとも一部に合金を形成するものでもよい。また、焼成後でも実質的に互いに反応せず、複合材として一体に存在するものでもよい。これにより導体材料として、焼成雰囲気、熱膨張係数、電気伝導率等を広く選択できる。
【００２３】
パターン４を形成した複数枚のグリーンシートを順次積み重ね、積層体５を得る。得られた積層体５を、プレス機を用いて熱間圧着し、接着体６とする。このとき、圧力は１５０ｋｇｆ／ｃｍ２〜２００ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲とする。
【００２４】
次に、接着体６の外表面をメタルソーにてメタルソー幅の１／５の深さである溝７を十字に形成する。加工する溝の深さが深いほど、脱バインダは促進されるが、あまりに深いと焼成後のセラミック密度が低くなりすぎ、かえって外周部よりも薄くなってしまう場合や、基板内セラミックスボイドの増大につながる。従って、溝７の深さは加工幅の１／３以下、より好ましくは本実施例のように１／５以下が好ましい。このとき溝７は導体パターン４にかからないよう形成する必要がある。
【００２５】
また、焼成後の表面形状をより平坦にするために、十分な加圧、焼結時間が得られなかった場合のわずかな段差残りを考え、加工した溝底部の端と外表面の高さの差が小さい程望ましい。具体的には、加工部の断面形状が正方形、長方形よりは、逆三角形、より好ましくは半円、半楕円の形状が望ましい。
【００２６】
接着体６の中心部の外表面に空隙である溝７を形成する方法には、機械加工、レーザー加工等の焼成前の多層セラミック基板に直接加工する方法がある。機械加工は外表面パターンが簡素でパターン部以外の面積が比較的大きくまとまっている場合に有利で、レーザー加工はパターンが複雑で微細な場合に有利である。一方、積層したグリーンシートを熱圧着する場合の加圧力を伝達する部材側に凸形状を形成しておき、多層セラミック基板の外表面に凹形状を転写させる方法も工程増加がなく好ましい。いずれの外表面への空隙形成も、中心部から基板端部まで溝状の加工を行った場合、溝部が焼成時の脱バインダガスの通り道となることで、脱バインダ促進の効果を得ることが可能となる。
【００２７】
そして、接着体６の外表面を厚さ１０ｍｍのアルミナ繊維／ムライト複合多孔質板８（気孔率約７０％）で挟みこんだ状態で焼結炉内に配置する。多層セラミック基板の表面粗さを低減するためには、接着体６に接して加圧力を伝達する部材の表面に高い平坦度を持たせればよいことは自明である。しかし、脱バインダ性を考慮した場合、通気性に優れる多孔質材料の使用が必須となる。このため、多孔質板８に用いる多孔質材料は多層セラミック基板の受圧面より大きい板状で、材質は焼成温度においても寸法が安定で、脱バインダを促進するため気孔率が５０％以上、より好ましくは本実施例のように７０％以上であることが望ましい。
【００２８】
多孔質板８の材質は本実施例のようにアルミナ繊維あるいはムライト繊維を主体とした構造が強度、高温時の寸法安定性の点で優れている。気孔率を上げることで多孔質材料の表面粗さ（Ｒａ）は増加する傾向にあり、アルミナ繊維あるいはムライト繊維を主体とした構造の場合本実施例のように７０％以上の気孔率で表面粗さ（Ｒａ）はおおむね０．０５〜０．２０ｍｍである。
【００２９】
図４に示すように多孔質板８の接着体６側表面には、あらかじめ平均粒径０．００１〜０．００５ｍｍのムライト粉体に有機バインダと可塑剤を加えたペーストをスキージ印刷した薄膜９を形成する。これにより、多層セラミック基板の表面粗さ（Ｒａ）を０．０５ｍｍ以下、好ましくは０．０２ｍｍ以下に低減することができ、セラミック基板表面上への高密度実装により適した平坦な基板表面を得ることができる。このときのペースト粘度は多孔質材への極度の染み込みを防止するため１０００ｍ・Ｐａ・ｓ以上とする。
【００３０】
この場合、多層セラミック基板の焼成温度で焼結されない材料を用いた薄膜９により多孔質板８表面の凹凸を平坦化するようにコーティングする方法が有効である。薄膜９の材質に多層セラミック基板の焼成温度で焼結する材質を選定すると、成形体から脱離したガス状バインダの多孔質材への排出経路を塞いでしまうばかりか、多孔質材、最悪の場合多層セラミック基板への貼り付きが発生するためである。上記理由から、コーティング材である薄膜９の材質としてはアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の焼結温度の高いセラミック材料が好ましい。
【００３１】
また、単にコーティング材で多孔質板８の表面のみ薄膜コーティングした場合、焼成時の加圧により、コーティング材が多孔質表面の凹部に押しこまれてしまい、結果として多孔質材表面の凹凸を平坦化したことにはならない場合がある。
このため、コーティング材は、多孔質材の凹部にある程度充填され、かつコーティング後に表面が平坦であることが要求される。したがって、コーティング材は焼結温度の高い微小セラミック粉末を溶剤中に分散させた粘性がある液体（以下セラミックペースト）が好ましい。なぜなら、セラミック粉末の粒径が大きいと多孔質材表面の平坦化と凹部の充填が困難になり、粘性が低いと多孔質材へ浸透してしまい気孔率を減少させることになるためである。そこで、セラミック粉末の粒径は本実施例のように平均で０．００１〜０．００５ｍｍ、セラミックペースト粘度は１０００ｍ・Ｐａ・ｓ以上が望ましい。
【００３２】
高粘度化とコーティング後の脱落防止のため、セラミックペーストにはバインダおよび可塑材を添加する必要があるが、バインダは脱バインダ性に優れるもの、若しくは成形体に使用するバインダと同一のものが望ましい。同一のバインダとすることで、焼成時に成形体のバインダと同時に脱離するため、多層セラミック基板の品質への影響が少ない。
【００３３】
また、セラミックペーストの高平坦化のためには、平坦化した多孔質材へスピンコート法、スキージ印刷法で薄膜形成する方法が有効である。特に多孔質材の凹凸が大きい場合は凹部への充填性に優れるスキージ印刷法で多数回印刷することが望ましい。
【００３４】
多孔質材平坦度向上の別の方法として上記セラミックペースト材料で作成したグリーンシート（以下非焼結グリーンシート）を１枚若しくは複数枚、多孔質材と成形体の間に挟みこんで焼成を行う方法も有効である。このとき、非焼結グリーンシートの合計の厚さが多孔質材の表面粗さ（Ｒａ）の２倍以上であることが望ましい。厚いほどグリーンシートが多孔質材の凹凸を緩和するが、加圧による成形体の表面拘束力が減少し、多層セラミック基板表面寸法の精度劣化につながる。また、多孔質材の凹凸の１ヶあたりの径が大きい場合（凹部開口径が大きい場合）、非焼結グリーンシートは焼成時の加圧により押し込まれてしまうため、本方法は凹部開口径が小さい場合により有効である。
【００３５】
焼成は、窒素、水蒸気雰囲気中、０．５〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲で加圧しながら７８０〜９２０℃で５〜２０時間、脱バインダを行う。その後、連続して窒素雰囲気中、銅の融点以下の温度でセラミック絶縁層、銅を焼結させる。
【００３６】
この焼結段階で、溝７はセラミックスの焼結および加圧によるセラミックスの変形、流動で外表面と均一な面となる。このように、溝７を設けることにより基板中心部のセラミック密度を低下させ、加圧焼成方法によるセラミックスの変形、流動で、焼成中に溝７を付近のセラミックスで充填することにより、溝７を設けた基板中心部の焼成後の厚さは溝７を設けずに焼成した場合の厚みよりも薄くなる。また、中心部に空隙ができることで、中心部のセラミックスは変形、流動が促進される。
【００３７】
多層セラミック基板は冷却した後、有機バインダと可塑剤が飛散し、表面に一部付着するムライト粉末の除去のために、０．０１ｍｍＳｉＣ砥粒の研磨布で湿式研磨を行い、表面パターンを露出させ本発明による多層セラミック基板１０を得る。
【００３８】
以上によって得られた多層セラミック基板１０の厚さばらつきは０．０５ｍｍ以下、表面粗さは０．０２ｍｍ以下で、表面の平坦度は０．００５〜０．０５ｍｍであった。
【００３９】
次に、図５に、上記実施例とは一部の工程が異なる変形例を示す。
【００４０】
先ず、上記実施例と同様に接着体６を作成する。但し、パンチングでグリーンシート１にビアホール２を形成する際、セラミック絶縁層間の導通をとる為のビアホール以外のダミーのビアホール１１をパターンエリア中心部に多数形成しておく。このようにスルーホール穴明け時に、ダミーのビアホールを明けておき空隙とする方法は、工程増加を招かず有効である。このビアホール１１はその後の穴埋め印刷時にペースト充填を行わない。
【００４１】
そして、積層体５を、プレス機等を用いて熱間圧着し、接着体６を得るにあたり、ビアホール１１が空隙として残るように圧力は１３０ｋｇｆ／ｃｍ２以下とする。得られた接着体６の外表面にアルミナを主成分とするセラミック粉体に有機バインダ、可塑剤を加えて作成した０．２５ｍｍのアルミナグリーンシート１２を２枚配置する。これらをアルミナ繊維とシリカ粉末とを配合焼成した厚さ３．５ｍｍ、表面粗さ（Ｒａ）が０．２ｍｍの複合多孔質板１３（気孔率約５０％）で挟みこんだ状態で焼結炉内にて、窒素、水蒸気、水素雰囲気中、０．５〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲で加圧しながら７８０〜９２０℃で１０〜５０時間、脱バインダを行う。その後、連続して窒素雰囲気中、銅の融点以下の温度でセラミック絶縁層、銅を焼結させる。
【００４２】
この焼結段階で、空隙として残っていたビアホール１１は加圧によるセラミックスの変形、流動で消失するが、ビアホール１１の配置されていた部分の厚さは周辺と比較して薄くなる。焼結した多層セラミック基板を冷却した後、表面に一部付着するアルミナ粉末除去のために、０．０１ｍｍＳｉＣ砥粒の研磨布で湿式研磨を行い、表面パターンを露出させて多層セラミック基板１１を得る。
【００４３】
以上のようにして得られた多層セラミック基板１０の厚さばらつきは０．０５ｍｍ以下、表面粗さは０．０２ｍｍ以下で、表面の平坦度は０．０１〜０．０５ｍｍであった。
【００４４】
グリーンシートに空隙を作る方法としては上述した実施例のうちの図３又は図５に示した方法の他に、グリーンシートを積層する前の状態で、一部のグリーンシート中心部を型で打ち抜き体積を減らす方法も簡便で有効な方法である。この内層への空隙の形成では、積層後の熱圧着時に空隙を潰すほど圧力をかけないことが重要で、圧着時の成形体の体積減少を８５％以下とすることが望ましい。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、表面グリーンシートの変形を低減することで、高い基板表面位置精度を確保したセラミック多層配線基板を形成でき、導体パターンの微細化による高密度実装が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は加圧しないで焼成した場合の一般的な多層セラミック基板の断面形状を示す。
【図２】図２は加圧焼成方法で製造した多層セラミック基板の断面形状を示す。
【図３】図３は一実施例における多層セラミック基板の製造方法を示す。
【図４】図４は多孔質板８を示す。
【図５】図５は多層セラミック基板の製造方法の変形例を示す。
【符号の説明】
１    グリーンシート
２    ビアホール
３    銅ビアホール
４    パターン
５    積層体
６    接着体
７    接着体外表面に形成された溝
８    複合多孔質板
９    薄膜９
１０  多層セラミック基板
１１  ダミーのビアホール
１２  アルミナグリーンシート
１３  複合多孔質板
【図１】
2005064022.tif 000003
【図２】
2005064022.tif 000004
【図３】
2005064022.tif 000005
【図４】
2005064022.tif 000006
【図５】
2005064022.tif 000007