JPH0426799B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、セラミツク多層基板、特に低温焼成
可能なセラミツク多層基板に関するものである。 従来の技術 近年、電子回路には、厚膜印刷法により簡便に
回路形成できる熱放散性の優れたセラミツク基板
を使用した電子回路が使用されている。そして、
より小型高性能化を実現する為に多層電子回路基
板が使用され始めている。 多層回路基板を製造する方法は一般的には次に
述べる(a)、(b)、(c)の三種類がある。 (a) セラミツク焼結体上での印刷多層法 (b) グリーンシート上での印刷多層法 (c) グリーンシート積層多層法 (a)のセラミツク焼結体上での印刷多層法による
多層基板の製造方法を説明すると、第２図にその
プロセスを示すように、まず基板となるセラミツ
ク焼結体上に第１導体層を印刷・乾燥・焼成し、
次に第１絶縁層を印刷・乾燥、焼成し、その上に
第２絶縁層を印刷・乾燥し、第２導体層を印刷・
乾燥し、第２絶縁層ごと一括焼成する。この際、
第１及び第２絶縁層はヴイアホールと呼ばれる微
小孔が形成されるように印刷し、その微小孔中に
第２導体層に用いられる材料が充填されるように
第２導体層を印刷することにより第１導体層と第
２導体層とが接続される。次に第２導体層上に第
３絶縁層を印刷・乾燥・焼成し、第２絶縁層以降
と同手順で層数を重ねていく。 (b)のグリーンシート上での印刷多層法による多
層基板の製造方法は、第３図にそのプロセスを示
すように、まず焼成後基板となるセラミツクのグ
リーンシート上に第１導体層を印刷・乾燥し、次
にその上に第１絶縁層を印刷・乾燥し、引き続き
第２導体層、第２絶縁層の印刷・乾燥を行ない、
以降同手順で層数を繰り返し、グリーンシートと
導体層と絶縁層とを一括焼成する。 (c)のグリーンシート積層多層法による多層基板
の製造方法は、第１図にそのプロセスを示すよう
に、まず複数枚のセラミツクのグリーンシートそ
れぞれに異なるパターンの微小孔を形成（ステツ
プ１〜３）、それぞれ異なるパターンの導体層を
印刷・乾燥する（ステツプ４〜９）。次に導体パ
ターンの異なるグリーンシート同士を所望枚数積
層し（ステツプ10）、適度な圧力と適度な温度の
もとで圧着し（ステツプ11）、所望の外形寸法に
切断してから焼成する（ステツプ12・13）。各導
体層間の導通はグリーンシートの微小孔に充填さ
れた導体により行なわれる。 (b)、(c)の製造方法においては共に基板焼成の後
に最上層の厚膜形成を行なう（ｃではステツプ
14）。 (a)、(b)、(c)の三種類の製造方法を比較すると、
(a)は比較的簡単な技術で多層化が可能であるが、
実質的な層数限界は４〜６層であり、それ以上の
層数は表面の凹凸が激しくなり実用に耐えない。
(b)はグリーンシートと印刷した絶縁層と導体層と
を一度に焼成することによりプロセスの合理化を
行なうことができる。しかい(b)も(a)同様に、層数
を増すと表面の凹凸が大きくなるのでやはり限界
層数は４〜６層である。(c)は理論的に層数は無限
に可能であり、現実的にも30〜40層程度の多層基
板が報告されている。しかし、その製造にはきわ
めて高度な技術を要し、プロセス的課題も多い。 以上の(a)、(b)、(c)の三種類の製造方法のうち、
本発明は(c)のグリーンシート積層多層法に関する
ものである。第３図を参照してこのグリーンシー
ト積層多層法についてより詳細に従来技術を述べ
る。 従来技術の第一例 第一例は高温焼成型の多層基板製造法であつ
て、まず、アルミナパウダーと有機物の混合体を
所定の厚みに成形したグリーンシート複数枚に対
し、ヴイアホールとなる微小孔をそれぞれに異な
るパターンで形成し、それぞれ異なるパターンの
導体層を印刷・乾燥する。導体材料には主にＷ、
Moが使用される。ヴイアホールへの導体材料の
充填は導体の印刷工程と同時に行なうか、もしく
は印刷工程の前にヴイアホール単独に導体材料を
充填する。導体の乾燥後に各々異なる導体パター
ンを形成したグリーンシートを所定枚数積層し、
適度な温度下で加圧一体化する。次に、所望の外
形寸法に切断し、約1600℃の還元性雰囲気中で焼
成し、多層基板となる。焼成された基板は充分洗
浄され、以降最上層の厚膜形成工程（ステツプ
14）へと進む。 （従来技術の第二例） 第二例は低温焼成型の多層基板の製造法であつ
て、特公昭59−22399号公報に開示されるように、
セラミツク層にB₂O₃−SiO₂−PbO−Al₂O₃系材
料を用いる。まず、B₂O₃−SiO₂−PbO−Al₂O₃
系材料と有機物の混合体を所定の厚みに成形した
グリーンシート複数枚に対し、ヴイアホールとな
る微小孔をそれぞれに異なるパターンで形成し、
それぞれ異なるパターンの導体層を印刷・乾燥す
る。導体材料にはAg、Au、Pd、Pt等の単体あ
るいはこれらの合金が使用される。ヴイアホール
への導体材料の充填は導体の印刷工程と同時に行
なうか、もしくは印刷工程の前にヴイアホール単
独に導体材料を充填する。導体の乾燥後に各々異
なる導体パターンを形成したグリーンシートを所
定枚数積層し、適度な温度下で加圧一体化する。
次に、所望の外形寸法に切断し、700℃〜1400℃
の空気中で焼成し多層基板となる。焼成された基
板は充分洗浄され、以降最上層の厚膜形成工程へ
と進む。 （従来技術の第三例） 第三例は第二例と同様に低温焼成型の多層基板
の製造法であつて、特開昭60−235744号公報また
は特願昭60−186919号に開示されるように、基板
組成物にB₂O₃−SiO₂−（Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂）系
材料を用いる。その製造プロセスは従来技術の第
二例と同一であるため説明は省略する。 発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような従来技術の第一例で
は、焼成温度が高く還元性雰囲気を使用するため
設備費用が高く、取扱いも不便であつた。また、
グリーンシート材料にアルミナを使用しており、
焼成温度が高いため、導体材料にはＷ、Mo等の
高融点金属しか使用できず、結果として導体の抵
抗値（Ｗ、Moは７〜15ｍΩ／□）が高くなると
いう問題点を有していた。 また、従来技術の第二例及び第三例では、上記
第一例の問題点は解決できるが、耐熱性がなく表
面厚膜材料を印刷・乾燥後に850℃程度で焼成し
た時に大きな反りが発生するという問題点と、基
板を内部導体と一括焼成した時に基板材料中に内
部導体成分が拡散して層間・層内の絶縁抵抗値が
小さくなるという問題点があつた。 本発明は上記問題点を鑑み、導体材料にAg、
Au、Pd、Pt等の単体あるいはこれらの合金であ
る抵抗値の低い低融点金属を使用し、焼成温度は
低く空気中焼成を可能にして設備費用を低減し、
取り扱いも容易にすることを目的とし、かつ耐熱
性を向上させ、基板材料中への内部導体成分の拡
散を抑止したセラミツク多層基板を提供するもの
である。 問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のセラミツ
ク多層基板は、酸化物に換算して、 Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂のうち少なくとも１種
32〜65重量％ （以下単に％で表す） SiO₂ ８〜27％ B₂O₃ ５〜18％ BaO、SrO、CaO、MgOのうち少なくとも１種
６〜22％ ZnO 0.5〜８％ Na₂O、K₂O、Li₂Oのうち少なくとも１種
0.01〜７％ の組成の無機組成物により複数の導体層を絶縁す
る絶縁層を形成するものである。 また、本発明のセラミツク多層基板は、より好
まくは酸化物に換算して、 Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂のうち少なくとも１種
45〜65％ SiO₂ ９〜16％ B₂O₃ ６〜12％ BaO、SrO、CaO、MgOのうち少なくとも１種
７〜18％ ZnO １〜４％ Na₂O、K₂O、Li₂Oのうち少なくとも１種
0.01〜３％ の組成からなる無機組成物により絶縁層を形成す
るとより一層好適である。 作 用 本発明のセラミツク多層基板は、約870℃〜950
℃の低温で焼結可能な無機組成物により絶縁層が
形成されており、しかも電子回路形成用のセラミ
ツク基板としての特性を充分発揮する。 本発明では、導体材料として低融点金属である
Ag、Au、Pd、Pt等の単体あるいはこれらの合
金の使用が可能であり、これら金属は空気中でも
酸化しにくいため還元性の焼成雰囲気は不必要で
あり、Au、Agは抵抗値（１〜３ｍΩ／□）が
Ｗ、Moのそれ（７〜15ｍΩ／□）よりも低い。
従つて、空気中低温焼成により設備費も小さく済
み、取扱いも簡便になる。 さらに、本発明のセラミツク多層基板は耐熱性
に優れているため、表面厚膜材料を850℃程度の
温度で焼成しても反りが発生せず、また、基板を
内部導体と一括焼成した時に内部導体成分が基板
材料中に拡散しないので、層間・層内の絶縁抵抗
値が優れている。 本発明の組成物における限定理由は次の通りで
ある。 SiO₂は基板を構成する基本組成物であつてガ
ラス形成の主材料である。SiO₂が５％未満では
焼結温度が高くなり、Ag、Au、Pt、Pdの低融
点金属を内部導体として使用できなくなり、焼成
収縮率のばらつきが大きくなる。またSiO₂が55
％を超えると曲げ強さが小さくなり過ぎ、さらに
焼成収縮率のばらつきが大きくなり、基板として
の実用性に耐えない。また、SiO₂が８％未満あ
るいは、27％を超えると他の組成元素との結晶化
バランスがくずれ、焼結温度、焼成収縮率、曲げ
強さ等の特性はほぼ満足し得るが耐熱性と内部導
体成分の拡散に問題が生じる。すなわち、SiO₂
が多すぎ、また足りなくなると結晶化バランスが
くずれ基板中の非晶質部分が多くなり、再焼成時
の軟化、組成成分の移動が大きくなる。つまり、
表面厚膜材料を850℃程度で焼成（基板としては
再焼成を受ける）すると基板の軟化により大きく
反り等の変形が生じる。基板を全面支持ではなく
両端支持して焼成した時にもつともその影響が顕
著である。また、組成成分の移動が大きくなる
と、内部導体成分が基板側に、そして基板の組成
物成分が内部導体側に拡散し、結果として層内、
層間の絶縁抵抗値が劣化する。 SiO₂はより望ましくは、９〜16％がよい。 B₂O₃もまた基板構成の基本組成物であり、
B₂O₃が１％未満では吸水性を帯び曲げ強さも低
い。またB₂O₃が30％を超えると焼結時にセラミ
ツクの変形が著しくなる。また、B₂O₃が５％未
満あるいは18％を超えるとSiO₂と同様に結晶化
バランスがくずれ、同じ様な現象と問題を生じ
る。より望ましくは、B₂O₃は６〜12％である。 MgO、CaO、ZnO、BaO、SrOは基板の焼結
性向上及び熱膨脹係数の制御、さらには誘電正接
を良好にする目的で添加される。MgO、CaO、
ZnO、BaO、SrOのうち少なくとも１種が0.05％
未満では焼結性が不充分であり、25％を超えると
誘電正接が大きくなり好ましくない。熱膨脹係数
は基板の用途により種々制御されるが、通常の厚
膜混成集積回路として用いる場合、特に厚膜導体
ペースト及び厚膜抵抗ペーストにより回路形成を
行なう場合はアルミナの熱膨脹係数（6.0〜6.5）
×10^-6／℃に一致させるのが好ましく、またICの
シリコンチツプを直接基板に実装する場合はシリ
コンの熱膨脹係数４×10^-6／℃に一致させるのが
好ましい。熱膨脹係数だけで基板の良否判断は難
しいが、両者の値と比較して大きく離れた値を持
つ基板は実用に耐えない。 また、BaO、SrO、CaO、MgOのうち少なく
とも１種が６％未満、あるいは、22％を超えると
結晶化バランスをくずし、ZnOが0.5％未満ある
いは８％を超えると結晶化バランスをくずし、い
ずれもSiO₂により結晶化バランスがくずれた時
の現象が同様に生じ問題がある。また、より望ま
しくは、BaO、SrO、CaO、MgOのうち少なく
とも１種が７〜18％である。 K₂O、Na₂O、Li₂Oは基板の焼結性向上及び吸
水性の防止、さらには基板の変形を抑える目的で
添加する。K₂O、Na₂O、Li₂Oのうち少なくとも
１種が0.01％未満では基板の変形が著しくなり、
大きく基板が反る。K₂O、Na₂O、Li₂Oのうち少
なくとも１種が10％を超えると焼結が不充分とな
り吸水性を帯びる。 また、Na₂O、K₂O、Li₂Oのうち少なくとも１
種が0.01％未満あるいは７％を超えると、結晶化
バランスをくずす。より望ましくは、N₂O、
K₂O、Li₂Oのうち少なくとも１種は0.01〜３重量
％である。 Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂は基板のフイラーとして
使われ、主に曲げ強さの向上と焼成収縮率のばら
つきの抑制のために添加される。 Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂のうち少なくとも１種が
32％未満では曲げ強さが過ぎ焼成収縮率のばらつ
きも大きく実用に耐えない。またAl₂O₃、ZrO₂、
TiO₂のうち少なくとも１種が69％を超えると焼
結温度が高くなりかつ焼結が不充分で吸水性を帯
び、また曲げ強さも小さくなる。 またAl₂O₃、ZrO₂、TiO₂のうち少なくとも１
種が32％未満あるいは、69％を超えると結晶化バ
ランスをくずす。より望ましくは、Al₂O₃、
ZrO₂、TiO₂のうち少なくとも１種が45〜65％で
ある。 実施例 以下本発明の多層基板用誘電体組成物の実施例
について説明する。 まずガラスの調整に当つては、後掲の第１表に
示した組成になるように基本組成物の各原料を秤
量してバツチを調整し、このバツチを1400〜1500
℃で１〜３時間加熱して溶融し、例えばロールア
ウト法等によりガラス板を成形する。次いでのガ
ラス板をアルミナボールなどで平均粒径0.5〜5μ
ｍの粉末とし、同粒径程度の添加物を加えること
により本発明の誘電体組成物が製造される。な
お、この際用いられる原料粉末は明確化のため酸
化物に換算表記したが、鉱物、酸化物、炭酸塩、
水酸化物などの形でも通常の方法により使用され
るのは勿論である。 次に、このようにして得られた誘電体組成物を
使用したグリーンシート積層多層法によるセラミ
ツク多層基板の製造方法の一例を述べる。 まず上記組成物100重量部に対して、ポリビニ
ルブチラール10重量部、ジブチルフタレート６重
量部、グリセリルモノオレエート0.4重量部、１，
１，１−トリクロルエタン20重量部、イソプロピ
ルアルコール39重量部を加え、24時間ボールミル
混合を行ないスラリをつくつた。このスラリでポ
リエステルフイルム上にドクターブレード法によ
り厚み0.1mmのグリーンシートを製造し、充分な
エージングを行ない、ヴイアホールとなる微小孔
を機械的な加工により形成した。次いで、このヴ
イアホールにメタルマスクを用いた印刷法により
導体材料を充填した。使用した導体材料は95％の
Agと５％のPdよりなる合金であつた。 次に、同じ導体材料により導体層をグリーンシ
ートに印刷・乾燥した。ヴイアホールパターン、
導体印刷パターンが各々異なるグリーンシート複
数枚を、80℃の温度下で200Kg／cm²の圧力で密着
させ加圧一体化した。次に外形切断の後に最大温
度870〜1340℃、最大温度保持時間60分にて焼成
した。焼成された多層基板は、純水で超音波洗浄
後、基板両面に厚膜回路を形成して、電子回路と
しての機能が発揮される基板として完成した。 上記製造法により得た基板としての特性を第２
表に示す。特性は、上記の電子回路としての機能
が発揮される基板について曲げ強さ、吸水率、誘
電正接を測定した。また、同表の焼結温度はそれ
ぞれの組成物についてあらかじめ示差熱分析より
おおよその焼結温度を推定しておき、吸水率0.0
％であり、なおかつ曲げ強さが最大になる焼結温
度を選択した。反り変形の有無については、基板
焼結後、外観形状を目視で観察して、基板表面の
凹凸及び反りうねり、また大きな変形があるもの
に関して実用に耐えないとした。 また、耐熱性については、支持スパン100mmで
焼結後の基板を両端支持し、ピーク温度保持時間
15分で基板の反りが0.3mm／100mm以上の反りが発
生した温度をその基板の耐熱限界温度とした。
820℃以上の耐熱限界温度があれば実用上問題な
いが、より望ましくは850℃以上の特性が欲しい。
820℃未満は不合格である。また、内部導体成分
（本実験では内部導体としてAg−Pdを使用した
ので、Ag成分の拡散に特に着目した）の拡散に
ついては、基板断面の特性Ｘ線像より拡散深さを
観察・測定し、実用上10μｍ未満であれば問題が
なく、より望ましくは3μｍ程度未満の拡散深さ
であつて欲しい。10μｍを超える拡散は不合格と
した。

【表】

【表】 ＊ 比較例

【表】

【表】 参考として第３表に従来技術の第一例で使用さ
れる絶縁体である96％Al₂O₃の特性を示す。

【表】 以上に述べたように、本発明の組成物により形
成されるセラミツク多層基板は870〜980℃と低温
で焼成でき、しかも電子回路形成用のセラミツク
基板としての特性を充分発揮しており、その特性
は従来の材料である。96％Al₂O₃、B₂O₃−SiO₂
−PbO−Al₂O₃系材料、B₂O₃−SiO₂（Al₂O₃、
ZrO₂、TiO₂）系材料により形成されるセラミツ
ク多層基板に比較し、より優れている。 発明の効果 本発明によれば、セラミツク多層基板を形成す
るための焼成温度が低く、導体材料に抵抗値の低
い低融点金属材料を用いることができ、しかも空
気中での焼成が可能であるので、設備費用を低減
し、得られる多層基板の導体の抵抗値を低くする
ことができる。また、内部導体成分の絶縁層中へ
の拡散を抑制できるので、絶縁層の絶縁抵抗が低
下することがなく、かつ耐熱性に優れるので、基
板の反り等の不都合もない優れたセラミツク多層
基板が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用されるセラミツク多層基
板の製造工程の例を示す図、第２図及び第３図は
従来のセラミツク多層基板の製造工程の他の例を
示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の導体層を絶縁する絶縁層が、酸化物に
   換算して、 Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂のうち少なくとも１種
   32〜69重量％ SiO₂ ８〜27重量％ B₂O₃ ５〜18重量％ BaO、SrO、CaO、MgOのうち少なくとも１種
   ６〜22重量％ ZnO 0.5〜８重量％ Na₂O、K₂O、Li₂Oのうち少なくとも１種
   0.01〜７重量％ の組成の無機組成物からなるセラミツク多層基
   板。