(57)【要約】  【課題】  誘電体層とガラスセラミック積層体および電極層との相互拡散を抑制し、ガラスセラミック配線基板内に形成したコンデンサの容量の低下を防ぎ、またそのバラツキを抑制するコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板を提供すること。  【解決手段】  コンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板は、ガラスセラミックスから成る絶縁基板の内部に、一対の電極層２がチタン酸バリウムから成る誘電体層３を挟んで対向配置されて成るコンデンサが内蔵されており、電極層２は、積算５０％粒径が０．８〜１．２μｍで積算１０％粒径が０．５μｍ以上の球状のＣｕ粉末の焼結体から成る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスセラミックスから成る絶縁基板の内部に、一対の電極層がチタン酸バリウムから成る誘電体層を挟んで対向配置されて成るコンデンサが内蔵されており、前記電極層は、積算５０％粒径が０．８〜１．２μｍで積算１０％粒径が０．５μｍ以上の球状のＣｕ粉末の焼結体から成ることを特徴とするコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスセラミックス焼結体から成る絶縁層の内部に容量素子（コンデンサ）を内蔵したコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、携帯電子機器や携帯用情報端末等の分野では、半導体素子を実装した配線基板と共に、受動部品として抵抗体、コンデンサ、インダクタ等をプリント回路基板等の配線基板上に実装したモジュール基板が用いられてきた。
【０００３】
しかし、近年、このような携帯電子機器や携帯用情報端末等に用いられる部品の小型化、複合化、高性能化が強く求められており、半導体素子を実装する配線基板の内部に受動部品に相当する機能を有する電子回路素子を内蔵させて、半導体素子と受動部品とを高密度に実装するという集積化の流れが進んでいる。これらの受動部品を配線基板の内部に取り込むことは、配線基板の表面に受動部品の実装スペースを確保する必要をなくし、また設計の自由度も増すため、配線基板の小型化に寄与できることとなる。
【０００４】
コンデンサを内蔵したガラスセラミック配線基板を形成する場合、絶縁層となるガラスセラミックグリーンシートに誘電体ペーストを部分的に塗布して静電容量形成用の誘電体層を形成し、その後、静電容量形成用の電極となる所望の導体パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートと、上記の誘電体層を形成したガラスセラミックグリーンシートとを積層して、ガラスセラミック積層体と同時焼成することで形成する方法が採用されている。
【特許文献１】特開平６−１６４１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ガラスセラミック積層体の内部に電極層と誘電体層とを形成して同時焼成した場合、誘電体層の成分がガラスセラミック積層体および電極層に相互拡散して、誘電体層の焼結性が阻害されることがあった。このため、ガラスセラミック配線基板の内部に形成したコンデンサの容量値が低下したり容量値のバラツキが大きくなるという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、誘電体層とガラスセラミック積層体および電極層との相互拡散を抑制し、ガラスセラミック配線基板内に形成したコンデンサの容量の低下を防ぎ、またそのバラツキを抑制するコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板は、ガラスセラミックスから成る絶縁基板の内部に、一対の電極層がチタン酸バリウムから成る誘電体層を挟んで対向配置されて成るコンデンサが内蔵されており、前記電極層は、積算５０％粒径が０．８〜１．２μｍで積算１０％粒径が０．５μｍ以上の球状のＣｕ粉末の焼結体から成ることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板は、ガラスセラミックスから成る絶縁基板の内部に、一対の電極層がチタン酸バリウムから成る誘電体層を挟んで対向配置されて成るコンデンサが内蔵されており、電極層は、積算５０％粒径が０．８〜１．２μｍで積算１０％粒径が０．５μｍ以上の球状のＣｕ粉末の焼結体から成ることから、電極層の焼結性が促進されて、チタン酸バリウムからなる誘電体層の成分の相互拡散を抑制することができる。その結果、ガラスセラミック配線基板内に形成したコンデンサの容量低下や容量値のバラツキを大幅に抑制することができ、信頼性の高いコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明のコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は絶縁層、２は電極層、３はチタン酸バリウムからなる誘電体層である。
【００１０】
本発明における絶縁層１はガラスとセラミック粉末とから成る。このガラスとしては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同じまたは異なっており、Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は上記と同じである）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は上記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。
【００１１】
また、セラミック粉末としては、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等が挙げられる。
【００１２】
この絶縁層１の焼成前の生シートであるガラスセラミックグリーンシートは、ガラス粉末およびセラミック粉末と、有機バインダ、有機溶剤、可塑剤等とを混合してスラリーと成すとともに、そのスラリーを用いてドクターブレード法やカレンダロール法を採用することによってシート状に成形する。
【００１３】
このガラス粉末およびセラミック粉末に添加混合される有機バインダとしては、従来からセラミックグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系（アクリル酸，メタクリル酸またはそれらのエステルの単独重合体または共重合体、具体的にはアクリル酸エステル共重合体,メタクリル酸エステル共重合体,アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等）、ポリビニルブチラール系、ポリビニルアルコール系、アクリル−スチレン系、ポリプロピレンカーボネート系、セルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられる。
【００１４】
ガラスセラミックグリーンシートを成形するためのスラリーに用いられる有機溶剤としては、ガラス粉末、セラミック粉末および有機バインダを分散させ、ガラスセラミックグリーンシート成形に適した粘度のスラリーが得られるように、例えば炭化水素類、エーテル類、エステル類、ケトン類、アルコール類等の有機溶剤が挙げられる。
【００１５】
以上のようにして作製したガラスセラミックグリーンシートに、必要に応じて金型加工等により貫通孔を形成し、この貫通孔にＣｕ等の金属粉末に適当な有機バインダ、溶剤を添加混合した貫通導体用ペーストをスクリーン印刷等により充填して、貫通導体（図示せず）を形成する。
【００１６】
次に、これらのガラスセラミックグリーンシートの表面に、Ｃｕ粉末に適当な有機バインダ、溶剤を添加混合して成る電極層用ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することによって、電極層２となる電極層パターンを形成する。
【００１７】
本発明において、電極層用ペーストに用いるＣｕ粉末は、積算５０％粒径が０．８〜１．２μｍで積算１０％粒径が０．５μｍ以上の球状のＣｕ粉末である。Ｃｕ粉末の積算５０％粒径が０．８μｍ未満の場合、ペースト化する際にＣｕ粉末の分散性が悪くなりやすく、スクリーン印刷性が劣化する傾向がある。他方、Ｃｕ粉末の積算５０％粒径が１．２μｍを超えると、電極層２の焼結中に誘電体層３の成分が相互拡散しやすく、誘電体層３の焼結性が劣化する傾向がある。また、Ｃｕ粉末の積算１０％粒径が０．５μｍ未満では、微粉末が凝集しやすく、ペースト化する際にＣｕ粉末の分散性が悪くなりやすく、スクリーン印刷性が劣化しやすい傾向がある。
【００１８】
なお、積算１０％粒径とは、例えばレーザ式粒度分布測定装置により粒度を測定して、測定した粒径が小さい方から粉末の個数を積算して、その積算した個数が全体の１０％となった時点での粒径であり、積算５０％粒径とは、同様に測定した粒径が小さい方から粉末の個数を積算して、その積算した個数が全体の５０％となった時点での粒径である。
【００１９】
次に、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することによって、電極層２となる電極層パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートの表面に、チタン酸バリウム粉末と焼結助剤とに有機バインダ、溶剤を添加して成る誘電体層用ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することによって、誘電体層３となる誘電体層パターンを形成する。
【００２０】
この誘電体層ペーストに用いるチタン酸バリウム粉末は、平均粒径が０．３μｍ以下であることが好ましい。チタン酸バリウム粉末の平均粒径が０．３μｍを超えると、誘電体層３の焼結性が劣化しやすい傾向がある。また、焼結助剤としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ１２Ｏ系（但し、Ｍ１はＬｉ，ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１２Ｏ系（但し、Ｍ１は上記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等を用いることができる。
【００２１】
また、この焼結助剤の誘電体層用ペーストへの添加量は、チタン酸バリウム粉末１００質量部に対して、２〜１０質量部であることが好ましい。焼結助剤の添加量が２質量部未満では、チタン酸バリウムが焼結しにくい傾向がる。他方、焼結助剤の添加量が１０質量部を超えると、誘電体層３の誘電率が低下しやすい傾向がある。
【００２２】
次に、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することによって、誘電体層３となる誘電体層パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートに、先に形成したガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することによって、電極層２となる電極層パターンに対向配置されるようにもう一方の電極層２となる電極層パターンを塗布し形成する。このもう一方の電極層２となる電極層パターンも、先に使用した電極層用ペーストを用いてスクリーン印刷等により塗布形成することができる。
【００２３】
次に、これらのガラスセラミックグリーンシートを複数枚積み重ねて、３〜２０ＭＰａの圧力および３０〜８０℃の温度で加熱圧着することにより積層体を作製する。この積層体中における誘電体層３の位置や数や大きさには特に制限はなく、所望の数、大きさの内蔵されたコンデンサを有するコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板となるように構成すればよい。
【００２４】
その後、加湿窒素雰囲気中で有機分を除去して、次いで８００〜１０００℃の温度で積層体を焼成することにより、本発明のコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板が得られる。
【００２５】
また、積層体を焼成する際に、ガラスセラミックグリーンシートや誘電体層３が焼結する温度では実質的に焼結収縮しない無機成分、例えばアルミナから成る拘束グリーンシートを積層体の両面に積層して焼成するとよく、この拘束グリーンシートによって積層体の主面方向の焼成時の収縮が拘束されて抑制されるために、コンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板の寸法精度が向上し、コンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板に内蔵させるコンデンサの容量値のばらつきを小さくすることが可能となる。また、このような方法で焼成した場合は、厚み方向の焼成収縮が通常の方法で焼成した場合に比較して大きくなるので、誘電体層３の厚みをより薄くすることが可能となり、内蔵されるコンデンサの高容量化も容易となる。
【００２６】
なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の例では、誘電体層３は誘電体層用ペーストをガラスセラミックグリーンシートに塗布することにより形成したが、予めシート状に成形した誘電体グリーンシートを打ち抜き加工等により所定の形状に加工して、これをガラスセラミックグリーンシートに加熱圧着することにより転写して誘電体層３を形成してもよい。
【実施例】
【００２７】
本発明のコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板の実施例を以下に説明する。
【００２８】
ガラスセラミック成分として、ＳｉＯ２−ＣａＯ−ＭｇＯ系ガラス粉末５０質量部と、Ａｌ２Ｏ３粉末５０質量部とを混合し、この無機粉末１００質量部に有機バインダとしてのアクリル系樹脂１２質量部、フタル酸系可塑剤６質量部および溶剤としてのトルエン３０質量部を加え、ボールミル法により混合しスラリーとした。このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ２００μｍのガラスセラミックグリーンシートを成形した。
【００２９】
このガラスセラミックグリーンシートに電極層用ペーストをスクリーン印刷法によって２０μｍの厚みに塗布し、７０℃で３０分乾燥して電極層２となる電極層用ペーストのパターンを形成した。このパターンの形状は３ｍｍ角の四角形のパターンとした。電極層用ペーストとしては、下記の表１に示す粒径と形状のＣｕ粉末１００質量部に、アクリル樹脂１２質量部と有機溶剤としてのα−テルピネオール２質量部とを加え、攪拌脱泡機により十分に混合した後に３本ロールにて十分に混練したものを用いた。
【００３０】
なお、表１において、球状のＣｕ粉末の場合、サンプルＮＯ．１では積算５０％粒径（表中にＤ５０で表示）が０．９５μｍで積算１０％粒径（表中にＤ１０で表示）が０．６２μｍのものであり、サンプルＮＯ．２では積算５０％粒径が１．１０μｍで積算１０％粒径が０．７５μｍのものであり、サンプルＮＯ．３では積算５０％粒径が２．８０μｍで積算１０％粒径が１．７４μｍのものである。また、フレーク状のＣｕ粉末の場合、サンプルＮＯ．４では積算５０％粒径が３．３０μｍで積算１０％粒径が１．３８μｍのものである。
【００３１】
次に、ガラスセラミックグリーンシートと同時焼成することによって、電極層２となる電極層パターンの上に、誘電体層用ペーストをスクリーン印刷法によって２０μｍの厚みに塗布し、７０℃で３０分乾燥して誘電体層３となる誘電体層パターンを形成した。この誘電体層パターンの形状は３ｍｍ角の四角形のパターンとした。誘電体層用ペーストとしては、チタン酸バリウム粉末１００質量部に対して５質量部のＢ２Ｏ３,ＳｉＯ２，ＣａＯ,ＢａＯ,ＺｎＯを含むガラス粉末の混合物に、アクリル樹脂１２質量部と有機溶剤としてのα−テルピネオール２質量部とを加え、攪拌脱泡機により十分に混合した後に３本ロールにて十分に混練したものを用いた。
【００３２】
次に、誘電体層用ペーストのパターンの上に、先に形成した電極層２となる電極層パターンに対向配置されるように、上記と同様の電極層用ペーストを２０μｍの厚みに塗布して、一対の電極層２がチタン酸バリウムからなる誘電体層３を挟んで対向配置されて成るコンデンサが形成されるように構成した。
【００３３】
次に、コンデンサとなる部位を形成したガラスセラミックグリーンシートと、コンデンサとなる部位を形成していないガラスセラミックグリーンシートとを積み重ねて、５ＭＰａの圧力と５０℃の温度で加熱圧着してガラスセラミックグリーンシートの積層体を作製した。
【００３４】
なお、対向配置された一対の電極層２となる電極層用ペーストは、ガラスセラミックグリーンシートに打ち抜き加工で形成した貫通孔にＣｕペーストを充填して形成した貫通導体によって、それぞれ積層体の表面に電気的に引き出されるようにした。
【００３５】
次に、積層体について、加湿窒素雰囲気中で５００℃で３時間焼成して有機分を除去し、窒素雰囲気中で９００℃で１時間焼成することにより、緻密なガラスセラミック焼結体から成る絶縁層１の内部に同時焼成により形成された電極層２および誘電体層３を配設して成るコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板を作製した。
【００３６】
そして、得られたコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板について、そのコンデンサの電気的な容量を測定した。容量の測定は、測定周波数１ＭＨｚ、測定温度２５℃の条件で、インピーダンス測定器（型式「４２９４Ａプレシジョンインピーダンスアナライザ」、アジレントテクノロジー株式会社製、測定精度±０．０８％）を用いて測定した。
【００３７】
次に、コンデンサの電極層２の面積、誘電体層３の厚みを測定した。電極層２の面積は、コンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板の上面から平面研磨していき、電極層２を露出させて光学顕微鏡鏡（倍率１０倍）により測定した。誘電体層３の厚みは、コンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板の断面を鏡面研磨仕上げした後、金属顕微鏡（倍率１００倍）により測定した。
【００３８】
そして、測定によって得られた容量、電極層２の面積、誘電体層３の厚みに基づいて比誘電率を算出した。誘電体層３の材料の比誘電率は、平行平板コンデンサの場合にはＣ＝ε０・εｒ・Ｓ／ｄ（ただし、Ｃ：コンデンサの容量、ε０：空気中の誘電率、εr：誘電体層３の材料の比誘電率、Ｓ：電極層２の面積、ｄ：電極層２間の距離）の関係となることから、上記式によって算出した。これらの測定結果を表１に示す。
【表１】
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【００３９】
表１より、電極層２に、積算５０％粒径が０．８〜１．２μｍで積算１０％粒径が０．５μｍ以上の球状のＣｕ粉末を用いたサンプル１，２は、誘電体層３が緻密に焼結して、高い比誘電率の誘電体層３が形成されていることがわかった。これに対して、積算５０％粒径が２．８０μｍで積算１０％粒径が１．７４μｍの球状のＣｕ粉末を用いたサンプル３、およびフレーク状で積算５０％粒径が３．３０μｍで積算１０％粒径が１．３８μｍのＣｕ粉末を用いたサンプル４は、誘電体層３の焼結助剤が拡散して緻密化せず、また低い比誘電率の誘電体層３になっていることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のコンデンサ内蔵ガラスセラミック配線基板について実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・絶縁層
２・・・電極層
３・・・誘電体層
【図１】
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