JPH07320974A - 誘電体セラミックス及びアルミナ多層配線基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 セラミックス中に表面が絶縁体で被覆された
Ｍｏ粉末またはＷ粉末が分散している誘電体セラミック
ス。 【効果】 セラミックス中に金属がそのままの状態で分
散しているものと比較して、セラミックス中のＭｏ又は
Ｗの含有量を増加させてもショートが発生する虞れがな
く、そのために多量のＭｏ又はＷ粉末を含有させること
ができ、高誘電率の誘電体セラミックスを提供すること
ができる。また、誘電体セラミックスの母材をアルミナ
にした場合、従来より大容量のコンデンサ層を形成する
ことができ、この誘電体セラミックスを用いたアルミナ
多層配線基板では、ノイズの除去特性を向上させること
ができ、またより小型化されたアルミナ多層配線基板の
提供が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は誘電体セラミックス及び
アルミナ多層配線基板に関し、より詳細には、セラミッ
クス系コンデンサとして使用される誘電体セラミックス
及び前記セラミックス誘電体が使用された電子部品とし
てのアルミナ多層配線基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の高速化や通信機器の高
周波化に伴い、電子部品に使用される信号も年々、高周
波化が進行している。従って、通信機器や大型コンピュ
ータなどに使用されるセラミックス回路基板やＬＳＩパ
ッケージなどにおいても、この高周波化に対応した製品
が求められている。

【０００３】このような高周波化に対応した製品とし
て、例えば動作周波数が高周波化された論理回路として
のＬＳＩにおいて発生するスイッチングノイズなどを効
果的に除去するために、デカップリングコンデンサが装
備されたＬＳＩパッケージやセラミックス多層配線基板
（以下、ＬＳＩパッケージとセラミックス多層配線基板
の両者を含めてセラミックス多層配線基板と記す）など
が提案されている。

【０００４】従来からセラミックス多層配線基板にデカ
ップリングコンデンサを装備する方法として、セラミッ
クス多層配線基板の外部にコンデンサを取り付ける方法
とセラミックス多層配線基板の内部にコンデンサを形成
する方法とがあった。

【０００５】セラミックス多層配線基板の外部にコンデ
ンサを取り付ける場合、コンデンサを取り付けるための
配線をセラミックス多層配線基板の内部に引き回し、そ
の配線を外部に引き出してコンデンサを取り付ける方法
をとっていた。

【０００６】このように外部にコンデンサを取り付ける
方法では、コンデンサの材質などは制限されず、今まで
に用いられている種々の特性を有するセラミックスコン
デンサなどの中から要求特性を満足するものを選んで取
り付ければよいという利点を有する。しかしながらこの
方法においては、外部コンデンサを取り付けるために余
分の配線を引き回して形成しなければならず、そのため
の工程が必要となり、また外部コンデンサを取り付ける
ための余分の空間も必要となるという問題点があった。

【０００７】一方、その内部にコンデンサを有するセラ
ミックス多層配線基板を製造する場合には、焼成前のグ
リーンシート積層体の内部にコンデンサの原料となるセ
ラミックス粉末を用いて形成され、その両面に電極が印
刷されたグリーンシートを挟み、この積層体を焼成する
ことによりセラミックス多層配線基板の内部にセラミッ
クスコンデンサを形成していた。この方法では、アルミ
ナ多層配線基板を製造する際に同時にコンデンサも形成
できるため、製造工程を簡略化することができ、また外
部に余分の空間を確保する必要がないので、小型化する
ことができるという大きな利点を有する。

【０００８】ところで、従来よりセラミックスコンデン
サの材料としては、ＴｉＯ₂ 、ＣａＴｉＯ₃ 、ＳｒＴｉ
Ｏ₃ などが知られており、また近年は、温度特性を改善
したＭｇＴｉＯ₃ −ＣａＴｉＯ₃ 、Ｂａ（Ｍｇ、Ｔａ、
Ｘ）Ｏ₃ 、Ｂａ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ₃ −Ｂａ（Ｚｎ、Ｔ
ａ）Ｏ₃ 、ＢａＯ−ＰｂＯ−Ｎｂ₂ Ｏ₃ −ＴｉＯ₂ 、Ｂ
ａＯ−Ｓｍ₂ Ｏ₃ −５ＴｉＯ₂ などのセラミックス系の
材料を使用したコンデンサが知られている。

【０００９】しかし、アルミナ多層配線基板の製造にお
いては、ＷやＭｏなどの導体金属をアルミナ粉末と同時
焼成することにより電気回路を形成しており、これらの
金属を酸化させないように還元性雰囲気下、１５００〜
１６５０℃の高温で焼成を行なっていた。そのため、上
記した従来から使用されているセラミックスの原料粉末
グリーンシートを内部に積層して焼成すると、高温の還
元性雰囲気で焼成している最中にこれらの材料に水素が
作用して半導体化反応や還元反応などが進行する。その
結果コンデンサ内部で短絡や変質などが生じ、実際上、
アルミナ多層配線基板の内部にセラミックスコンデンサ
を形成することは困難であるという問題点があった。

【００１０】一方、金属をセラミックス中に分散させる
ことにより単位体積当たりの誘電率を向上させることが
できることは古くから知られており、この方法を適用し
て金属粉末をセラミックス中に分散させた内部コンデン
サが提案されている。

【００１１】このような内部コンデンサが形成されたア
ルミナ多層配線基板の例として、特開平３−８７０９１
号公報には、アルミナ配線基板の内部に、基材とするア
ルミナと、５〜５０重量％のＭｏ及びＷの内の１種以上
とから主として構成される誘電体層が形成されたアルミ
ナ多層配線基板が開示されている。

【００１２】図１は前記公報に記載されたアルミナ多層
配線基板を模式的に示した断面図であり、図中、１２は
高誘電体層を示している。

【００１３】このアルミナ多層配線基板の内部には、Ｍ
ｏなどの金属粉末が分散した高誘電体層１２が形成され
ており、この高誘電体層１２の両面（上下面）には内部
電極層１３が形成され、この高誘電体層１２と内部電極
層１３とでコンデンサ層１４が構成されている。またコ
ンデンサ層１４のさらに両側（上下面）にはアルミナセ
ラミックスからなる絶縁体層１１が形成されている。そ
してこの高誘電体層１２の両面に形成された内部電極層
１３はスルーホール１５を通じて表面電極１６と接続さ
れている。従って、このアルミナ多層配線基板にＬＳＩ
などの電子部品が実装された場合には、内部のコンデン
サ層１４がデカップリングコンデンサとして機能し、ノ
イズなどを効果的に除去することができる。

【００１４】次に、このような構成からなる前記アルミ
ナ多層配線基板の製造方法を説明する。まず、アルミナ
粉末、Ｍｏなどの金属粉末及び焼結助剤をボールミルな
どに入れて混練した後に乾燥させ、前記乾燥により固結
した粉末を解砕する。次に、この混合粉末にバインダ及
び溶剤などを添加してスラリーを形成し、このスラリー
を用いて、ドクターブレード法などの方法によりテープ
化した後に再び乾燥させる。次に、前記方法により得ら
れたテープを適当な長さに切断してコンデンサ用グリー
ンシートを作製し、該コンデンサ用グリーンシートの上
下面に各々Ｗ又はＭｏなどの高融点金属を主成分とする
導電ペーストを塗布又は印刷して内部電極用の層を形成
する。さらに内部電極用の層を介してコンデンサ用グリ
ーンシートの上下に、スルーホールなどを形成したアル
ミナグリーンシートを積層し、該スルーホールに前記導
電ペーストを流し込み、乾燥させた後に焼成し、アルミ
ナ多層配線基板の製造を完了する。なお、前記アルミナ
グリーンシートの所定表面には表面電極層１６となる層
を形成しておく。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、上記
アルミナ多層配線基板の製造方法においては、配線基板
の製造時に内部のコンデンサ層１４も同時に形成するた
め、後で前記セラミックス多層配線基板などにコンデン
サを取り付ける余分の工程を設ける必要がなく、またコ
ンデンサ取り付けのための余分の空間が必要なくなると
いう優れた利点を有する。

【００１６】しかしながら、前記従来の方法により製造
されたアルミナ多層配線基板においては、形成された高
誘電体層１２の誘電率が小さいため、コンデンサ層１４
の容量を余り大きくすることが難しく、デカップリング
コンデンサとしての性能が十分ではなかった。

【００１７】すなわち従来の方法では、金属粉末とアル
ミナ粉末とを混合し、この混合粉末を焼成することによ
り焼結体を製造しているが、使用する２種類の粉末の比
重や平均粒径が異なるために均一に分散しにくい。従っ
て、セラミックス高誘電体層１２の誘電率を大きくする
ために比較的多量の金属粉末を添加するとコンデンサ層
１４内部にショートが発生してしまう。以上のような理
由から、原料のセラミックス粉末に添加する金属の量を
余り大きくすることができず、そのために内部コンデン
サの容量を余り大きくできないという課題があった。

【００１８】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、金属含有量が従来よりも多く、より大きな誘
電率を有しながらショートの発生しない誘電体セラミッ
クス、及び容量の大きいコンデンサが内部に形成された
アルミナ多層配線基板を提供することを目的としてい
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る誘電体セラミックスは、セラミックス中
に表面が絶縁体で被覆されたＭｏ粉末またはＷ粉末が分
散していることを特徴としている（１）。

【００２０】また、本発明に係るアルミナ多層配線基板
は、セラミックスがアルミナである上記（１）記載の誘
電体セラミックスからなる層を含んでいることを特徴と
している（２）。

【００２１】まず、本発明に係る誘電体セラミックスの
製造方法について説明する。

【００２２】前記誘電体セラミックスを製造方法する際
には、まず表面が前記絶縁体で被覆されたＭｏ又はＷ粉
末（以下、両者を区別して使用する必要があるとき以外
は単にＭｏ粉末と記す）を用意する必要がある。Ｍｏ粉
末の表面を前記絶縁体で被覆する方法としては、例えば
アルコキシドの加水分解など、溶液中からの固相の析出
を利用する方法や、ＣＶＤ法など、気相中からの固体相
の生成を利用する方法が挙げられる。

【００２３】そこで、前記したアルコキシドの加水分解
を利用する方法について説明すると、まず、例えばＡｌ
やＺｒなどの金属元素を含有するアルコキシドをプロパ
ノール、ブタノール、エチレングリコールモノエチルエ
ーテルなどの溶媒に溶解してアルコキシドを含有する溶
液を調製する。次に、この溶液中にＭｏ粉末を投入した
後、前記溶液中でＭｏ粉末がほぼ均一に分散するよう、
溶液を撹拌しながら少量の水（必要によっては酸も加え
る）を少しづつ添加していく。水の添加によりアルコシ
キドは加水分解し、前記金属の酸化物又は水酸化物がＭ
ｏ粉末の周囲に析出するので、この粉末を濾過により取
り出した後に乾燥し、場合によっては低温で焼成するこ
とによりアルミナやジルコニアなどの酸化物で被覆され
たＭｏ粉末を得ることができる。

【００２４】また、ＡｌやＺｒなどの金属元素を含有す
るアルコキシドを純水中に投入し、さらにＭｏ粉末を投
入した後、酸を加えてｐＨを下げることによっても、ア
ルミナやジルコニアなどの酸化物で被覆されたＭｏ粉末
を得ることができる。

【００２５】またその他の方法として、金属元素の塩を
溶解させた溶液にＭｏ粉末を投入し、撹拌しながら前記
金属塩を加水分解させて水酸化物を析出させることによ
っても、金属の水酸化物などでＭｏ粉末を被覆すること
が可能であり、前記水酸化物で被覆されたＭｏ粉末を一
旦焼成した後、又はそのままセラミックス粉末と混合し
た後に焼成することにより誘電体セラミックスを製造す
ることができる。

【００２６】さらにＭｏ粉末が存在する気相中で、Ａｌ
などの有機金属化合物を熱分解する方法により、前記Ｍ
ｏ粉末を酸化物で被覆することが可能である。しかし、
Ｍｏ粉末を基板などの上に載置した状態で熱分解を行っ
たのでは、Ｍｏ粉末の周囲に均一に被覆層を形成するこ
とは難しく、従って流動層など、熱分解により酸化物が
生成する空間領域に粉末を流動状態で存在させる方法を
とる必要がある。さらに、特定の気相領域に金属粉末を
流動状態で存在させておき、前記領域中で有機金属化合
物とアンモニアなどを反応させることにより、Ｍｏ粉末
をＡｌＮやＳｉ₃ Ｎ₄ などの窒化物で被覆することも可
能である。

【００２７】前記方法により得られた、例えばＡｌ₂ Ｏ
₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、ＡｌＮ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ などの絶
縁体（セラミックス）で被覆されたＭｏ粉末を用いて、
誘電体セラミックスの母材となるセラミックス粉末との
混合を行い、前記絶縁体で被覆されたＭｏ粉末が分散し
た焼結体を製造する。

【００２８】焼結体の製造方法自体は、通常のセラミッ
クス焼結体の製造プロセスと特に異なる点はなく、絶縁
体で被覆されたＭｏ粉末、誘電体セラミックスの母材と
なるセラミックスの粉末、及び焼結助剤をよく混合した
後、ポリビニルブチラールなどの有機系バインダ、及び
トルエン、エタノールなどの溶剤などを加えて混合し、
ドクタブレード法又はプレス方式により成形する。得ら
れた成形体を１４００〜１８００℃程度の温度で焼成す
ることにより誘電体セラミックスの製造が完了する。

【００２９】前記絶縁体で被覆されたＭｏ粉末に関し、
Ｍｏ粉末の粒径は０．２〜５μｍ程度が好ましく、被覆
層の厚さは０．１〜２μｍ程度が好ましい。

【００３０】また前記誘電体セラミックスの母材となる
セラミックスとしては、例えばアルミナ、窒化アルミニ
ウム、酸化ジルコニウムなどが挙げられる。前記セラミ
ックス粉末の平均粒径は、例えばアルミナ粉末の場合は
０．２〜５μｍ、窒化アルミニウム粉末の場合は０．２
〜５μｍ、酸化ジルコニウムの場合は０．２〜５μｍが
好ましい。

【００３１】アルミナ多層配線基板の製造を行う際に
は、絶縁体で被覆されたＭｏ粉末を用いる他は、「従来
の技術」の欄で説明したアルミナ多層配線基板の製造方
法と同様の方法を用いることができる。

【００３２】

【作用】上記構成の誘電体セラミックス（１）によれ
ば、セラミックス中に表面が絶縁体で被覆されたＭｏ粉
末またはＷ粉末が分散しているので、セラミックス中に
金属がそのままの状態で分散しているものと比較して、
セラミックス中のＭｏ又はＷの含有量を増加させてもシ
ョートが発生する虞れがなく、そのために多量のＭｏ又
はＷ粉末が分散した高誘電率の誘電体セラミックスが得
られる。

【００３３】また、上記構成のアルミナ多層配線基板
（２）によれば、セラミックスがアルミナである上記
（１）記載の誘電体セラミックスからなる層を含んでい
るので、従来と比較してより大容量のコンデンサ層を有
するアルミナ多層配線基板となり、ノイズの除去特性が
向上する。さらに同じ容量のコンデンサ層が形成された
アルミナ多層配線基板では、その大きさが従来より小さ
くなるので、アルミナ多層配線基板全体の容積が小さく
なり、アルミナ多層配線基板の小型化が実現する。

【００３４】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る誘電体セラミ
ックスの実施例及び比較例を説明する。

【００３５】アルミニウムイソプロポキシド３０ｇを純
水３００ｍｌ中に投入し、撹拌することにより溶解し
た。次に、この溶液中に平均粒径が０．２〜５μｍのＭ
ｏ粉末を投入して、高速で撹拌しながら、加水分解に必
要な量の６．１ｗｔ％の濃度を有する硝酸３２．５ｇを
徐々に滴下していった。

【００３６】純粋の滴下が終わった後もしばらく撹拌を
続行し、その後に撹拌を止め、濾過を行うことにより、
水酸化物で被覆されたＭｏ粉末を得た。

【００３７】次に、このＭｏ粉末を酸化性雰囲気下、６
００℃で焼成することにより、前記水酸化物を酸化物に
変え、前記酸化物をＭｏ粉末の表面にしっかりと結合さ
せた。

【００３８】次に、平均粒径が２μｍのアルミナ原料粉
末及び前記方法により得られたＭｏ金属に対してアルミ
ナが５０ｗｔ％被覆された被覆前の平均粒径が１μｍの
Ｍｏ粉末を下記の表１の割合になるように秤量し、この
混合物に対して焼結助剤としてタルク及び粘土をそれぞ
れ５ｗｔ％と水を添加したものをボールミルに入れて２
４時間良く混練を行った後、乾燥させた。

【００３９】そして、乾燥により塊状になった粉末同士
をほぐすために解砕処理を行った後、解砕された粉末に
バインダとしてポリビニルブチラール及び溶剤としてト
ルエン、エタノールを添加して、ボールミルにより２４
時間湿式混合を行い、スラリ−を作製した。次に、この
スラリーを用いてドクターブレード法によりテープ化
し、所定の長さに切断してアルミナグリーンシートを作
製した。その後、前記アルミナグリーンシートの上下に
Ｗを電極材料に用いた導電ペーストを印刷し、水素を１
０ｖｏｌ％含有する窒素雰囲気中、１５５０℃で１時間
焼成し、セラミックスコンデンサを製造した。なお、比
誘電率とショート率を測定するために、同じ条件のサン
プルを５０個製造した。

【００４０】製造されたセラミックスコンデンサの比誘
電率（ε_r ）とショート率とをアルミナ粉末とアルミナ
被覆Ｍｏ粉末との混合割合と共に下記の表１に示した。
なお、比誘電率（ε_r ）については、インピーダンスア
ナライザーにより周波数１ｋＨｚでその容量を測定し、
電極面積と厚さとの関係より比誘電率（ε_r ）を求め、
各サンプルの平均値を算出した。結果を下記の表１に示
している。

【００４１】

【表１】

【００４２】一方、比較例として以下に示す方法により
セラミックスコンデンサを製造した。すなわち、平均粒
径が１μｍのＭｏ粉末と上記実施例で用いたアルミナ粉
末とを下記の表２に示した割合で秤量し、同様に焼結助
剤と水とを添加した後に湿式混合し、乾燥処理及び解砕
処理を行った。その後、上記実施例の場合と同様の条件
でセラミックスコンデンサを製造し、同様に比誘電率
（ε_r ）及びショート率を求めた。結果を下記の表２に
示している。

【００４３】

【表２】

【００４４】上記表１及び表２に示した結果より明らか
なように、比較例に係るセラミックスコンデンサにおい
ては、Ｍｏ粉末の含有率が２５ｗｔ％以上でショートが
発生しているのに対し、実施例に係るセラミックスコン
デンサにあっては、アルミナ被覆Ｍｏ粉末の含有量が約
７０ｗｔ％になってもショートが発生しておらず、原料
粉末の混合物の焼結が可能な限り、多量のＭｏ粉末を含
有した誘電体の製造が可能なことがわかった。また、表
１及び表２のデータより明らかなように、実施例に係る
セラミックスコンデンサにおいては、比誘電率の最大値
として約６１のものが得られているのに対し、比較例に
係るセラミックスコンデンサにおいては、比誘電率の最
大値が約１７のものしか得られていない。

【００４５】このように実施例に係るセラミックスコン
デンサにおいては、高誘電率のセラミックスコンデンサ
を製造することができるため、このコンデンサ材料を使
用した際には、その内部に大容量のセラミックスコンデ
ンサを有するセラミックス多層配線基板を製造すること
ができる。また、同じ容量のコンデンサを作製するので
あれば、その容積は小さなものとなる。

【００４６】次に、実施例に係るアルミナ多層配線基板
の製造方法について説明する。

【００４７】まず、上記実施例の場合と同様の方法によ
り誘電体セラミックス形成用のグリーンシートを作製
し、該誘電体セラミックス形成用グリーンシートの上下
面に各々Ｗを主成分とする導電ペーストを塗布して内部
電極層を形成した。

【００４８】一方、アルミナで被覆されたＭｏ粉末を添
加しなかった以外は上記実施例の方法と同様にしてアル
ミナセラミックスのグリーンシートを作製し、このグリ
ーンシートにスルーホールの形成などの加工処理を施し
た。このスルーホールなどを形成したアルミナグリーン
シートを、内部電極層を介してコンデンサ用グリーンシ
ートの上下に積層し、該スルーホールに前記導電ペース
トを流し込み、グリーンシートの積層体を作製し、該グ
リーンシートの表面に電極層を形成して、アルミナ多層
配線基板用のグリーンシート積層体を完成した。

【００４９】次に、前記グリーンシートの積層体を、露
点４０℃の水素を１０ｖｏｌ％含有する窒素雰囲気中、
１５５０℃で１時間焼成し、アルミナ多層配線基板の製
造を完了した。

【００５０】得られたアルミナ多層配線基板について、
内部に形成されたコンデンサ層の比誘電率を測定したと
ころ、上記実施例において同じ量のアルミナ被覆Ｍｏ粉
末を添加して製造したセラミックスコンデンサと本実施
例に係るアルミナ多層配線基板とが同じ比誘電率（ε
_r ）を有していることを確認することができた。

【００５１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る誘電体
セラミックス（１）にあっては、セラミックス中に表面
が絶縁体で被覆されたＭｏ粉末またはＷ粉末が分散して
いるので、セラミックス中に金属がそのままの状態で分
散しているものと比較して、セラミックス中のＭｏ又は
Ｗの含有量を増加させてもショートが発生する虞れがな
く、そのために多量のＭｏ又はＷ粉末を含有させること
ができ、高誘電率の誘電体セラミックスを提供すること
ができる。

【００５２】また本発明に係るアルミナ多層配線基板
（２）にあっては、セラミックスがアルミナである上記
（１）記載の誘電体セラミックスからなる層を含んでい
るので、従来と比較してより大容量のコンデンサ層を有
するアルミナ多層配線基板となり、ノイズの除去特性を
向上させることができる。さらに同じ容量のコンデンサ
層が形成されたアルミナ多層配線基板では、その大きさ
が従来より小さくなるので、アルミナ多層配線基板全体
の容積が小さくなり、より小型化されたアルミナ多層配
線基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アルミナ多層配線基板の構成を模式的に示した
断面図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス中に表面が絶縁体で被覆さ
   れたＭｏ粉末またはＷ粉末が分散していることを特徴と
   する誘電体セラミックス。
2. 【請求項２】 セラミックスがアルミナである請求項１
   記載の誘電体セラミックスからなる層を含んでいること
   を特徴とするアルミナ多層配線基板。