(57)【要約】【課題】本発明は、セラミック多層デバイスの電子デバイスレベルにおける誘電率の温度特性向上と機械的強度向上とを同時に満たすことが課題であった。【解決手段】セラミック誘電体層１の材料として希土類及び酸化チタンの少なくとも一方を用いることでセラミック誘電体層１の誘電率の温度特性を向上させ、またセラミック誘電体層の主表面部４に圧縮応力を導入することで機械的強度を向上させているので、機械的強度向上と誘電率の温度特性向上の２つを同時に満たすことが可能となる。【選択図】図１
2009252929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック誘電体層と、前記セラミック誘電体層の内部に形成されたビアや配線パターンからなる内部電極と、前記セラミック誘電体層の主表面に形成され、少なくとも前記内部電極の一部と電気的に接続された端子電極とを有するセラミック多層デバイスにおいて、前記セラミック誘電体層は、酸化チタン及び希土類の少なくとも一方を含んで形成されるとともに、主表面部に圧縮応力が導入されたセラミック多層デバイス。
【請求項２】
セラミック誘電体層の主表面部の熱膨張係数が、前記セラミック誘電体層の内部の熱膨張係数に比べて小さい請求項１記載のセラミック多層デバイス。
【請求項３】
セラミック誘電体層の主表面部の密度が、前記セラミック誘電体層の内部の密度に比べて高密度である請求項１記載のセラミック多層デバイス。
【請求項４】
酸化チタン及び希土類の少なくとも一方を含むセラミックグリーンシートに、ビアや配線パターンを形成する加工工程と、この加工されたセラミックグリーンシートを積層する積層工程と、この積層されたセラミックグリーンシート積層体を焼成する焼成工程と、前記セラミックグリーンシートもしくは前記セラミックグリーンシート積層体を所定の大きさに分割する分割工程と、前記セラミックグリーンシート積層体の主表面に端子電極を形成する端子電極形成工程とを含み、前記焼成工程において、焼成温度から降温する際に、前記セラミックグリーンシート積層体の主表面部をこのセラミックグリーンシート積層体の内部に比べて急冷することを特徴とするセラミック多層デバイスの製造方法。
【請求項５】
酸化チタン及び希土類の少なくとも一方を含むセラミックグリーンシートに、ビアや配線パターンを形成する加工工程と、この加工されたセラミックグリーンシートを積層する積層工程と、この積層されたセラミックグリーンシート積層体を焼成する焼成工程と、この焼成工程後に、前記セラミックグリーンシート積層体を焼成温度より低い温度で熱処理する熱処理工程と、前記セラミックグリーンシートもしくは前記セラミックグリーンシート積層体を所定の大きさに分割する分割工程と、前記セラミックグリーンシート積層体の主表面に端子電極を形成する端子電極形成工程とを含み、前記熱処理工程において、熱処理温度から降温する際に、前記セラミックグリーンシート積層体の主表面部をこのセラミックグリーンシート積層体の内部に比べて急冷することを特徴とするセラミック多層デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種電子機器に用いられるセラミック多層デバイスとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話や近距離無線通信の高周波モジュール基板やフィルタとしてセラミック多層デバイスが用いられている。
【０００３】
図４に一般的なセラミック多層デバイスの構成を示す。
【０００４】
図４に示すように、セラミック多層デバイスは、ビアや配線パターンなどからなる内部電極２２によりセラミック誘電体層２１の内部に三次元的に構成された共振器、コンデンサ、インダクタなどを有し、それらが端子電極２３により外部へ接続される構成となっている。
【０００５】
このような構成を有するセラミック多層デバイスにおいて、近年市場からはその大型化や薄型化が要求されており、この大型化及び薄型化を推進させるためには、セラミック誘電体層２１の機械的強度の向上が必要となってくる。
【０００６】
セラミック誘電体層の機械的強度を向上させる方法としては、セラミック誘電体層を構成するセラミック材料に添加物を加える方法と、セラミック誘電体層の主表面部に予め圧縮応力を導入する方法とがある。
【０００７】
前者としては、機械的強度の強いアルミナやジルコニア等を添加物として用い、他のセラミック材料粉末とこのアルミナ等の添加物粉末を混合焼成してセラミックスを得る方法がある。
【０００８】
後者としては、セラミック誘電体層の主表面部と内部との熱膨張率の違い等を利用して、予め主表面部に圧縮応力を導入しておいて、引張応力が加えられたときにそれを緩和することにより強度を向上させる方法がある。
【０００９】
上述したセラミック多層デバイスの機械的強度の向上に関する文献としては、例えば特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平５−７０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここでセラミック多層デバイスは、電子デバイスレベルにおいて、上述した機械的強度だけでなく、誘電率の温度特性も同時に満たすことが要求される。
【００１１】
このような二つの要求を同時に満たすためには、上述した従来の機械的強度のみを向上させるときのように、アルミナ等の添加物を加えるもしくは圧縮応力を導入するのみでは足りず、さらなる工夫が必要になってくる。
【００１２】
しかし一方で、誘電率の温度特性向上のために施した工夫が、機械的強度向上の妨げになってしまうという問題があった。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するもので、電子デバイスレベルにおける機械的強度、誘電率の温度特性を同時に満たすことのできるセラミック多層デバイス及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のセラミック多層デバイスとその製造方法は以下の構成及び特徴を有するものとなっている。
【００１５】
請求項１記載のものは、セラミック誘電体層と、前記セラミック誘電体層の内部に形成されたビアや配線パターンからなる内部電極と、前記セラミック誘電体層の主表面に形成され、少なくとも前記内部電極の一部と電気的に接続された端子電極とを有するセラミック多層デバイスにおいて、前記セラミック誘電体層は、酸化チタン及び希土類の少なくとも一方を含んで形成されるとともに、主表面部に圧縮応力が導入されたことを特徴とするセラミック多層デバイスである。
【００１６】
請求項２記載のものは、請求項１記載のセラミック多層デバイスにおいて、セラミック誘電体層の主表面部の熱膨張係数が、前記セラミック誘電体層の内部の熱膨張係数に比べて小さいことを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載のものは、請求項１記載のセラミック多層デバイスにおいて、セラミック誘電体層の主表面部の密度が、前記セラミック誘電体層の内部の密度に比べて高密度であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載のものは、酸化チタン及び希土類の少なくとも一方を含むセラミックグリーンシートに、ビアや配線パターンを形成する加工工程と、この加工されたセラミックグリーンシートを積層する積層工程と、この積層されたセラミックグリーンシート積層体を焼成する焼成工程と、前記セラミックグリーンシートもしくは前記セラミックグリーンシート積層体を所定の大きさに分割する分割工程と、前記セラミックグリーンシート積層体の主表面に端子電極を形成する端子電極形成工程とを含み、前記焼成工程において、焼成温度から降温する際に、前記セラミックグリーンシート積層体の主表面部をこのセラミックグリーンシート積層体の内部に比べて急冷することを特徴とするセラミック多層デバイスの製造方法である。
【００１９】
請求項５記載のものは、酸化チタン及び希土類の少なくとも一方を含むセラミックグリーンシートに、ビアや配線パターンを形成する加工工程と、この加工されたセラミックグリーンシートを積層する積層工程と、この積層されたセラミックグリーンシート積層体を焼成する焼成工程と、この焼成工程後に、前記セラミックグリーンシート積層体を焼成温度より低い温度で熱処理する熱処理工程と、前記セラミックグリーンシートもしくは前記セラミックグリーンシート積層体を所定の大きさに分割する分割工程と、前記セラミックグリーンシート積層体の主表面に端子電極を形成する端子電極形成工程とを含み、前記熱処理工程において、熱処理温度から降温する際に、前記セラミックグリーンシート積層体の主表面部をこのセラミックグリーンシート積層体の内部に比べて急冷することを特徴とするセラミック多層デバイスの製造方法である。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明は、セラミック誘電体層の材料として希土類及び酸化チタンの少なくとも一方を用いることでセラミック誘電体層の誘電率の温度特性を向上させ、またセラミック誘電体層の主表面部に圧縮応力を導入することで機械的強度を向上させているので、機械的強度向上と誘電率の温度特性向上の２つを同時に満たすことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。なお、同様の内容については、その説明を省略して説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
以下実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１から３に記載の発明について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態のセラミック多層デバイスの断面図である。
【００２４】
図２は、本発明のセラミック多層デバイスを製造する際のセラミックグリーンシートの積層構成の一例を示す断面図である。
【００２５】
図１に示すように、本一実施の形態のセラミック多層デバイスは、セラミック誘電体層１と、セラミック誘電体層１の内部に形成されたビアや配線パターンからなる内部電極２と、セラミック誘電体層１の主表面５に形成された端子電極３から構成されており、内部電極２によってセラミック誘電体層１の内部に共振器、コンデンサ、インダクタ等からなる回路が三次元的に形成され、また端子電極３が内部電極２の一部に接続されることで信号の入出力やグランド端子を構成している。
【００２６】
ここで、セラミック誘電体層１の材料には、セラミック誘電体層１に求める機能により様々な材料が用いられる。
【００２７】
例えば、高周波モジュール基板などに使用する場合は、比誘電率が低く、誘電損失が低いものが望ましい。
【００２８】
大きな静電容量素子を形成したり、分布定数型の共振素子を形成する場合は、比誘電率が高いものを用いる。
【００２９】
また、高インダクタンスの素子を形成する場合は、高透磁率の材料を、静電気やサージ対策機能素子を形成する場合は、電圧に対して非直線的な抵抗変化をする材料を用いる。
【００３０】
本一実施の形態においては、上述したどの材料を用いる場合においても、セラミック誘電体層１は、希土類及び酸化チタンの少なくとも一方が含まれて構成されており、この希土類、酸化チタンにより誘電率の温度特性を向上させている。
【００３１】
通常、上述した材料からなるセラミック誘電体層の誘電率の温度係数はプラスであるが、希土類及び酸化チタンを含有する化合物は誘電率の温度係数がマイナスなので、セラミック誘電体層を希土類及び酸化チタンの少なくとも一方を含ませて形成することで、セラミック誘電体層の誘電率の温度係数を０に近づけることができ、つまり誘電率の温度係数を向上させることができる。
【００３２】
また、内部電極２の材料としては、高周波特性を向上させる効果があるＣｕ、Ａｇ、Ａｕや、融点が高く、セラミック誘電体として使用できる材料の種類を増やすことができるＮｉやＷなどが用いられている。
【００３３】
そして、上記材料からなるセラミック誘電体層の主表面部４には圧縮応力が導入されている。
【００３４】
この圧縮応力の導入により、セラミック多層デバイスの機械的強度を向上させている。
【００３５】
この圧縮応力は、主表面部４のうち片面側だけでも効果はあるが、両面側の主表面部４に対称となるように圧縮応力を導入する方が、基板のそりを小さくするという点において望ましい。
【００３６】
この圧縮応力を導入する方法としては、セラミック誘電体層の主表面部４の熱膨張係数を内部の熱膨張係数に比べて小さくする方法と、セラミック誘電体層の主表面部４の密度を内部の密度に比べて高密度にする方法とがある。
【００３７】
前者の方法では、セラミック誘電体層の主表面５に近い部分の熱膨張係数を内部より低くすることにより、焼成工程における高温保持後の冷却過程で、相対的に熱膨張係数の大きい内部層の影響で主表面部４に圧縮応力を導入することが可能となる。
【００３８】
後者の方法では、例えば図２に示すように、主表面部４となるセラミックグリーンシート１１に、内部のセラミックグリーンシート１２より高密度なものを用いることで容易に主表面部４に圧縮応力を導入することができる。
【００３９】
高密度なグリーンシートを得る方法としては、予め圧力を付与する方法、スラリー製造時の分散性を高める方法、シート成型時の乾燥速度を下げる方法、スラリーの溶剤に乾燥の遅い溶剤を添加する方法、原料粉体の微粒子を除去する方法、スラリーの分散剤を多くする方法などの様々な手法がある。
【００４０】
またその他に、主表面部となるセラミックグリーンシート１１のセラミック材料を内部のセラミックグリーンシート１２のセラミック材料と異なる材料を用いることで圧縮応力を導入する方法として以下の方法がある。
【００４１】
例えば、セラミック誘電体層１にガラスセラミックスを用いる場合は、その主表面５に近い部分の結晶化度を内部より低くすると機械的強度向上の効果を大きくすることができる。
【００４２】
詳しくは、結晶化度が低いことはすなわち残存ガラス相が多いということであり、熱膨張係数が低くなるため、焼成後の冷却時に効率的に圧縮応力が導入されるとともに、焼成時に発生しやすい構造欠陥を抑制することができる。
【００４３】
また、セラミック誘電体層１の主表面５に近い部分にアルカリ金属イオンを含有するガラスセラミックスを用いる場合、そのアルカリ金属イオンを、それよりも平均イオン半径の大きいアルカリ金属イオンと置換すると主表面部に圧縮応力を導入することができる。
【００４４】
具体的には、Ｌｉイオン含有のガラスセラミックスを誘電体層に用いる場合は、そのＬｉイオンの一部をイオン半径の大きいＮａイオンで置換する、あるいは、Ｎａイオン含有のガラスセラミックスを誘電体層に用いる場合は、そのＮａイオンの一部をイオン半径の大きいＫイオンで置換することにより主表面部４に圧縮応力を導入する。
【００４５】
尚、アルカリ金属イオンでの効果が大きいが、アルカリ土類金属イオンやその他のイオンでも同様の効果を生ずることが可能である。
【００４６】
上記イオンの置換を行う方法としては、主表面５に近い部分にアルカリ金属イオンを含有したセラミック誘電体層をそのアルカリ金属の平均イオン半径よりも大きいイオン半径を有するアルカリ金属イオンの溶融塩に浸漬する方法が挙げられる。
【００４７】
例えば、Ｌｉイオン含有ガラスをセラミック誘電体層１に用いた場合は、ＮａＮＯ3の溶融塩に数時間浸漬することでＬｉイオンの一部がＮａイオンに置換され、その主表面部４に大きな圧縮応力を導入することができる。
【００４８】
また、溶融塩による手法以外にも、置換したいアルカリ金属イオンを含む溶液に浸漬することで、同様の効果が得られる。
【００４９】
ここで、圧縮応力の存在は、ラマン分光法、カソードルミネッセンス法、インデンテーション法などにより確認することができる。
【００５０】
尚、本一実施の形態の説明に用いた図１及び図２では、主表面部４及び主表面部となるセラミックグリーンシート１１はセラミック誘電体層１の最外表面となるセラミックグリーンシートのみを指しているが、本実施の形態ではこれに限定されるものではなく、主表面部の領域は適宜変えることができるものである。
【００５１】
以上のように、本実施の形態におけるセラミック多層デバイスは、セラミック誘電体層のセラミック材料に希土類もしくは酸化チタンを用いているので、誘電率の温度特性を向上させることができ、またセラミック材料に希土類もしくは酸化チタンを含ませた分、例えばアルミナ等の機械的強度の強い材料の含有率が減少したとしても、セラミック誘電体層の主表面部に圧縮応力を導入することで機械的強度を向上させているので、誘電率の温度特性の向上と機械的強度の向上を同時に達成することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
以下実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項４、５に記載の発明について説明する。
【００５３】
図３は、本発明の一実施の形態のセラミック多層デバイスを製造する際のステップ図である。
【００５４】
まず、セラミックグリーンシートを準備し、一部のグリーンシートには穴加工をし、ビアペーストを埋め、あるいはパターンペーストを印刷する。
【００５５】
そして、加工を施したセラミックグリーンシートを、所定の配置になるように加圧積層する。
【００５６】
グリーンシートを積層しながら、パターンペーストを印刷することも可能である。
【００５７】
パターンペーストの印刷は、通常スクリーン印刷法を用いるが、他の印刷法でもよく、めっきや蒸着など他の手法であっても構わない。
【００５８】
その後、加圧積層した積層グリーンシートを個片に切断分割し、焼成する。
【００５９】
大判、すなわち集合基板のまま焼成し、その後ダイシング等で個片に分割してもよい。
【００６０】
分割及び焼成後、積層グリーンシートの主表面に端子電極を形成し、セラミック多層デバイスの完成となる。
【００６１】
尚、端子電極は焼成前に印刷や塗布などにより形成する方法もあり、また端子電極の表面は通常めっきなどの表面処理がなされ、実装性を確保している。
【００６２】
ここで、図３の焼成工程において、焼成温度から降温する際に、主表面を急冷するとセラミック誘電体の主表面部に大きな圧縮応力を与えることができる。
【００６３】
これは、主表面が急激に冷却されることで主表面部が内部より先に流動性を失い、その後内部がゆっくり冷却されることで収縮した主表面部に大きな圧縮力が付与されるからである。
【００６４】
また、通常の焼成工程の後に、再度焼成温度より低い温度で熱処理し、その熱処理温度から降温する際に、主表面を急冷することでも上記方法と同様の作用で主表面部に大きな圧縮応力を導入することができる。
【００６５】
この再度熱処理する方法によると、焼成後の割れや欠けが少なく出来る効果がある。
【００６６】
主表面を急冷する方法としては、空気などの気体を焼成あるいは熱処理後の基板へ吹き付けて風冷する方法、焼成炉あるいは熱処理炉から室温などの低温の室内に取り出す方法、焼成炉あるいは熱処理炉から取り出した後に水などの液体に浸す方法、あるいは金属板などの固体で挟む方法などがあり、上記方法以外にも、主表面部が内部と比較して急冷できればその方法は問わない。
【００６７】
以上のように、本一実施の形態におけるセラミック多層デバイスの製造方法は、希土類もしくは酸化チタンを含むセラミックグリーンシートを用いてセラミック誘電体層を形成し、焼成工程もしくは熱処理工程において主表面部の温度を内部に比べて急冷することで主表面部に圧縮応力を導入しているので、誘電率の温度特性の向上と機械的強度の向上を同時に達成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上のように本発明は、機械的強度向上と誘電率の温度特性向上を同時に満たすことができるセラミック多層デバイス及びこのセラミック多層デバイスの製造方法の提供を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施の形態のセラミック多層デバイスの断面図
【図２】本発明のセラミック多層デバイスを製造する際のセラミックグリーンシートの積層構成の一例を示す断面図
【図３】本発明の一実施の形態のセラミック多層デバイスを製造する際のステップ図
【図４】一般的なセラミック多層デバイスの構成を示す断面図
【符号の説明】
【００７０】
１  セラミック誘電体層
２  内部電極
３  端子電極
４  主表面部
５  主表面
１１  主表面部となるセラミックグリーンシート
１２  内部のセラミックグリーンシート
１３  内部電極
１４  端子電極
１５  主表面
２１  セラミック誘電体層
２２  内部電極
２３  端子電極
【図１】
2009252929.tif 000003
【図２】
2009252929.tif 000004
【図３】
2009252929.tif 000005
【図４】
2009252929.tif 000006