JPH08298365A - コンデンサ付きセラミック基板 - Google Patents

コンデンサ付きセラミック基板

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JPH08298365A
JPH08298365A JP7127271A JP12727195A JPH08298365A JP H08298365 A JPH08298365 A JP H08298365A JP 7127271 A JP7127271 A JP 7127271A JP 12727195 A JP12727195 A JP 12727195A JP H08298365 A JPH08298365 A JP H08298365A
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JP
Japan
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glass component
dielectric
capacitor
ceramic
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JP7127271A
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Noriyasu Sugimoto
典康 杉本
Yukihiro Kimura
幸広 木村
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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    • H05K1/02Details
    • H05K1/09Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
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    • HELECTRICITY
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    • H05K1/00Printed circuits
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    • H05K3/4629Manufacturing multilayer circuits by laminating two or more circuit boards characterised by the insulating layers or materials laminating inorganic sheets comprising printed circuits, e.g. green ceramic sheets
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  • Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】コンデンサ付セラミック基板において、ガラス
セラミックからなる絶縁体層中のガラス成分が、ペロブ
スカイト形セラミックからなる誘電体層に拡散して誘電
体の比誘電率が低下するのを防止する。 【構成】コンデンサ付セラミック基板10において、絶
縁体層11A、Bと誘電体層12との間に介在するAg
等からなる電極層13A、Bに含有されるガラス成分
を、2wt%以下、好ましくは1wt%以下とする。更
に、電極層13の厚みを20μm以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基板の表面または内部
にコンデンサを備えたセラミック基板に関し、特に、ガ
ラスセラミックを基板に用いたコンデンサ付きセラミッ
ク基板に関する。
【0002】
【従来の技術】集積回路チップやその他の電子部品を装
着するためのセラミック基板には、通常アルミナ製基板
が用いられてきた。しかし、アルミナはおよそ1500
℃以上の高温で焼成する必要があり、焼成費用が掛か
る。また、同時焼成によって回路配線を形成する場合に
は、比抵抗の高いW、Mo等の高融点金属を使用しなけ
ればならず、配線パターンが微細化するほど配線抵抗が
高くなり、高密度化、高周波駆動に限界があった。そこ
で、低抵抗のAg、Au、Cu等の導体が使用可能な低
温焼成基板として、アルミナ等のセラミック粉末とガラ
ス粉末を混合した複合材料(ガラス−セラミック)系や
結晶化ガラス系、非ガラス系等のガラスセラミックを絶
縁体層として用いた基板が開発されている。
【0003】一方、集積回路の高周波駆動に伴って発生
するノイズを除去するため、セラミック基板の内部ある
いは表面にコンデンサを形成したものが開発されてい
る。このコンデンサの誘電体としては、窒化タンタル
(Ta:N)やアルミナ(Al23)等を用いるほか、
その高い誘電率によってコンデンサの高容量化あるいは
小面積化を目的として、BaTiO3、SrTiO3等の
ペロブスカイト結晶構造を有するもの、特に鉛を含むペ
ロブスカイト型セラミック、例えばPbTiO3、Pb
ZrO3、Pb(Zr,Ti)O3、PMN等を用いたも
のが開発されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、かかるBaT
iO3等を誘電体として用いたコンデンサ付きセラミッ
ク基板において、誘電体層、電極層およびガラスセラミ
ックからなる絶縁体層を同時焼成によって形成する場合
には、誘電体層を挟む電極層に接する絶縁体層から、ガ
ラスセラミックに含有されるSiO2、CaO、Mg
O、Al23、B23等のガラス成分が、電極層を通じ
て拡散し誘電体層の組成を変動させ、誘電体層の持つ誘
電率を著しく低下させる問題があった。
【0005】かかる問題に対して、例えば特開昭62−
139394号公報においては、コンデンサを形成する
誘電体層とこれを挟む2つの電極層の外側に更に誘電体
層を設け、この外側の誘電体層と絶縁体層との間に金属
体層を設ける複合積層セラミック部品が開示されてい
る。かかる金属体層により、絶縁体層と外側誘電体層と
の間で、ガラス成分の拡散を防止するためである。ま
た、特開昭62−139393号公報においては、上記
特開昭62−139394号公報の複合積層セラミック
部品における金属体層を、誘電体材と絶縁体材の混合物
からなる中間体層に置き換えたものが開示されている。
かかる中間体層の存在により絶縁体層と誘電体層の間の
ガラス成分の濃度変化を緩和して、ガラス成分の拡散を
少なくするためである。更に、特開昭62−17790
6号公報においては、上記特開昭62−139394号
公報の複合積層セラミック部品における金属体層を、誘
電体材料と絶縁体材料の混合物を添加した金属体層とし
たものが開示されている。かかる金属体層により、同様
に絶縁体層と誘電体層の間のガラス成分の濃度変化を緩
和して、ガラス成分の拡散を少なくするためである。
【0006】しかし、これらの技術においては、絶縁体
層と誘電体層の間に金属体層や中間体層を介在させてい
る。このため、焼成時において、金属体層や中間体層に
含まれ液相化したガラス成分を通じて、液相化した絶縁
体層のガラス成分が、誘電体層に拡散することを避ける
ことができなかった。また、上述した金属体層や中間体
層はグリーンシート成形したものから構成されるため、
これらのグリーンシートを製造する手間が掛かり、コス
トアップとなっていた。更に、外側に誘電体層を設ける
場合には、コンデンサとしても絶縁体層としても活用で
きない層が介在することとなり、必然的に厚みが厚くな
り、製作にも手間が掛かっていた。
【0007】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであって、ガラス成分を多く含むセラミック基板に
同時焼成でコンデンサを設けるにあたり、簡易な方法で
誘電体層へのガラス成分の拡散を低減し、高い誘電率を
有するコンデンサ付きセラミック基板を提供することを
目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】しかしてその解決手段
は、ペロブスカイト型セラミックからなる誘電体層と、
ガラスセラミックからなる絶縁体層と、該誘電体層と該
絶縁体層の間に介在し、Ag、Au、Pd、Pt、Cu
及びNiのうち少なくとも1種以上を主成分とする電極
層とを有し、該誘電体層、該電極層および該絶縁体層を
同時焼成によって形成してなるコンデンサ付きセラミッ
ク基板において、該電極層のガラス成分含有量が2wt
%以下であることを特徴とするコンデンサ付きセラミッ
ク基板とすることにある。ここで、前記電極層における
ガラス成分の含有量が1wt%以下であると、さらにガ
ラス成分の誘電体層への拡散が低減できて好ましい。ま
た、前記電極層の厚みが20μm以上であると、さらに
ガラス成分の誘電体層への拡散が低減できて好ましい。
【0009】さらに、他の解決手段は、焼成後にガラス
セラミックからなる絶縁体層となる絶縁体グリーンシー
トと、焼成後に誘電体層となる未焼成誘電体層との間
に、Ag、Au、Pd、Pt、Cu及びNiのうち少な
くとも1種以上を主成分とし、ガラス成分の含有量が2
wt%以下であり、焼成後に電極層となる導電ペースト
層を介在させてなる未焼成セラミック積層体を焼成して
なるコンデンサ付きセラミック基板である。ここで、前
記導電ペースト層におけるガラス成分の含有量が、1w
t%以下であると、さらにガラス成分の誘電体層への拡
散が低減できて好ましい。また、前記導電ペースト層
が、焼成後の前記電極層の厚みが20μm以上となる厚
みである場合も、さらにガラス成分の誘電体層への拡散
が低減できて好ましい。
【0010】
【作用】ガラスセラミックからなる絶縁体層では、ガラ
ス成分の量が多い。一方、誘電体層ではガラス成分は少
ない。従って、絶縁体層と誘電体層間にはガラス成分の
濃度差を生じる。この状態において、焼成時には、ガラ
ス成分は液相状態となるから、絶縁体層から誘電体層に
向かってガラス成分が拡散しようとする。ところで、誘
電体層では、ガラス成分が拡散すると、結晶粒界にガラ
ス成分が蓄積するほか、結晶組成や結晶構造をも変動す
ることとなる。即ち、誘電体としての特性が変動し、誘
電率が低下する。
【0011】ここで、ガラス成分の移動経路を考察す
る。絶縁体層と誘電体層の間には電極層があり、電極層
に含まれるガラス成分も焼成時には液相化し、絶縁体層
および誘電体層と接触する。従って、絶縁体層中のガラ
ス成分は、液相化した電極層中のガラス成分を経由して
誘電体層へ拡散すると考えられる。
【0012】そこで、コンデンサを形成するために絶縁
体層と誘電体層の間に介在させる電極層として、ガラス
成分の含有量の少ないものを使用する。すると、焼成時
に、この電極層にはガラス成分による液相状態の移動経
路はほとんど形成されないこととなる。従って、この移
動経路を通じて絶縁体層から誘電体層にガラス成分が拡
散することが抑制される。この電極層に含有されるガラ
ス成分の量は、2wt%以下、特に1wt%以下が適当
である。誘電体として用いられるペロブスカイト型セラ
ミックでは、ガラス成分の拡散により誘電率が急激に低
下するから、ガラス成分の拡散を極力抑えることが必要
となるからである。
【0013】また、移動経路を長くして拡散を抑制する
ことも有効であり、電極層の厚みは焼成後の厚みで20
μm以上あることが好ましい。なお、この厚みは厚いほ
ど、コンデンサの電極抵抗を低下させることにもなるた
め、コンデンサの特性にも好ましい。但し、厚いほど材
料費用が掛かるほか、ペースト塗布回数を増やす等の工
程が増えるため、要求される電極抵抗を勘案して、適当
な厚みにすればよい。
【0014】一方、電極層の材質としては、Ag、A
u、Pd、Pt、Cu、Ni等が用いられる。これらの
金属は、融点が、例えばAgで962℃、Cuで108
4℃、Auで1064℃と低い。従って、かかる融点に
近い焼成温度(900〜950℃)でセラミック基板を
焼成すると、金属粒子同士が互いの接触点を介して熱拡
散し合うため、ガラス成分等がなくとも十分に緻密化さ
れる。従って、電極層(金属粒子)の焼結を促進させる
ために添加されるガラス成分は僅少で足り、また、絶縁
体層から拡散してくる僅かなガラス成分でも焼結でき
る。また材質においては、特に、Ag、CuおよびAg
−Pd等の銀系合金が、比較的に安価であり、低抵抗率
である等の面から好ましい。
【0015】
【実施例】本発明の内容を、図面を参照しつつ実施例に
基づいて以下に説明する。ホウケイ酸系ガラス(SiO2-A
l2O3-CaO-MgO-B2O3)粉末65wt%と、アルミナ(Al2
O3)粉末35wt%に、有機バインダーおよび有機溶剤
を適宜加えて泥漿とし、周知のドクターブレード法によ
ってグリーンテープとし、これを打ち抜いて35×35
×0.5mmの絶縁体グリーンシート1を成形する。一
方、PbTiO3−PbZrO3系誘電体粉末を、有機バ
インダー及び有機溶剤と混合して泥漿とし、同様にドク
タブレード法によりグリーンテープとし、打ち抜いて3
5×35×0.1mmの誘電体グリーンシート2を形成
する。また、純度99.9%、平均粒径3.0μmのA
g粉末に、転移温度Tg=560℃のガラス成分(PbO-
BaO-SiO2)を0〜5wt%加え、更にアクリルバインダ
ー、可塑剤および有機溶剤と混合して導体ペーストを製
作した。
【0016】次いで、図1および図2に示すように、絶
縁体グリーンシート1Aの図中の上側表面1A1に周囲
2.5mmを除く全面(30×30mm)に、導体ペー
ストを塗布し乾燥して導体ペースト層3Aを形成する。
また、誘電体グリーンシート2には、φ0.25mmの
ビアホール用孔を穿孔し、ここにAgからなるビアホー
ル用インクを充填してビアホール4A1を形成する。さ
らに、このシート2の図中上側の表面2Aに、周囲2.
5mmおよびビアホール4A1付近φ1mmのみを除い
た全面(30×30mm)に導体ペーストを塗布し乾燥
して導体ペースト層3Bを形成する。更に、別の絶縁体
グリーンシート1Bに予め空けておいたφ0.25mm
のビアホール用孔にAgからなるビアホール用インクを
充填してビアホール4A2および4Bとし、更に上側表
面1B1にこれらのビアホールに接続するように静電容
量測定用のφ2.0mmのパッド5A、5Bを導体ペー
ストを用いて印刷・形成する。
【0017】この3枚のグリーンシートを積層し、30
kgf/mm2の圧力で圧着して、図2に示すような断
面を有する未焼成セラミック成形体6を形成する。更に
この未焼成セラミック成形体6を、大気雰囲気中で、9
30℃、2時間焼成し、およそ29×29×0.9mm
のコンデンサ付きセラミック基板を製作した。
【0018】これにより、中央に誘電体層12を有し、
その上下面には電極層13A、13Bを備えることによ
りコンデンサCを構成し、このコンデンサCを挟むよう
に絶縁体層11A、11Bを備え、絶縁体層11Bの上
側表面11B1上のパッド15Aから電極層13Aに接
続するビアホール14A、および表面11B1のパッド
15Bから電極層13Bに接続するビアホール14Bを
備えたコンデンサ付きセラミック基板10を得た。コン
デンサCの静電容量は、このパッド15Aおよび15B
に静電容量計の端子を接続することで測定される。な
お、静電容量の測定周波数は、セラミック基板の実際の
使用周波数に近い500kHzで測定した。
【0019】ここで、上記導体ペーストの組成と電極層
13A、Bの厚みを変化した場合について、コンデンサ
Cの静電容量から算出した誘電体層12の持つ比誘電率
εの変化を表1に示す。なお、本実施例において誘電体
層に使用したPbTiO3−PbZrO3系誘電体は、単
体で焼成した場合には、比誘電率εが1660を示す材
質である。
【0020】 注)1.本実施例で使用した誘電体を単独で焼成したときの比誘電率は、 1660であった。 2.添加物の内、Si(0Et)4とは、Si(0−C254を示し、 焼成後にSiO2となるものである。
【0021】表1から判るように、電極層の厚みが同じ
20μmの場合(試料番号3、6、7、8)には、導体
ペーストのガラス成分の少ない方が誘電体層の比誘電率
が高く、Agが100%の場合では、比誘電率εは最も
高い値である1290を示す。これは、前述したよう
に、導体ペースト従って電極層に含まれるガラス成分が
少ないと、絶縁体層11A、Bから電極層13A、Bを
経由して誘電体層12へ拡散するガラス成分が少なくな
るためであると考えられる。一方、Agが100%、即
ちガラス成分を含有しない場合(試料番号1〜5)にお
いて、電極層の厚みの影響を比較すると、電極層の厚み
の厚いほど誘電体層の比誘電率が増加することが判る。
これも前述したように、電極層13A、Bが厚くなるこ
とにより、絶縁体層11A、Bから誘電体層12へガラ
ス成分が拡散する移動経路が長くなるので、結果として
誘電体層12へのガラス成分の拡散が少なくなったため
と考えられる。この場合において、電極層13Aおよび
Bの厚みが15μm〜20μmの範囲で、誘電体層12
の比誘電率が急激に変化していることが判る。従って、
電極層13A、Bは、それぞれ20μm以上の厚みとす
るのが良いことが判る。
【0022】なお、PbTiO3−PbZrO3系誘電体
に、ガラス成分であるSiO2、Al23、MgO、C
aO等が拡散すると、結晶粒界にガラス成分が偏析する
ほか、例えば、PbTiO3+SiO2→PbTi27
Pb4SiO6や、PbZrO3+SiO2→Pb4SiO6
+ZrO2等の反応が生じてペロブスカイト系の結晶系
が崩れ、誘電率が低下すると考えられる。これは、誘電
体層のX線回折分析において、比誘電率εの低い試料ほ
ど、PbTiO3やPbZrO3の結晶の存在を示すピー
クが低くなっていることからも裏付けられた。
【0023】また、試料番号9では、有機金属であるS
i(0Et)4を導体ペーストに添加した場合について
示した。ここで、Si(0Et)4とは、Si(0−C2
54を示し、焼成後にSiO2となるものである。表
1によれば、Si(0Et)4を2wt%(SiO2に換
算して0.58wt%)添加した場合でも、比誘電率の
低下を示す。これは、焼成により、SiO2が誘電体層
に拡散し、SiもしくはSiO2がPbTiO3−PbZ
rO3系誘電体と反応したため、誘電体層の比誘電率が
低下したものと考えられる。即ち、この試料の結果から
も、試料番号1〜8の場合における比誘電率εの低下
は、ガラス成分の拡散による誘電体の結晶組成の変化に
起因することを裏付けている。
【0024】(参考例)更に、PbTiO3−PbZr
3系誘電体にガラス成分を添加した場合の比誘電率ε
の変化を調査する事により、ガラス成分が拡散した場合
の影響を考察する。上記実施例で用いたPbTiO3
PbZrO3系誘電体粉末に、同様に実施例で用いたホ
ウケイ酸系ガラス(SiO2-Al2O3-CaO-MgO-B2O3)粉末を
0〜7wt%添加した。この粉末をプレス成形(φ11
×2mm)後、930℃で2時間焼成した。この焼成体
の上下面にAg−エポキシペーストを電極として塗布・
乾燥後、この焼成体の500kHzにおける比誘電率ε
を測定した。
【0025】測定結果のグラフを図4に示す。このグラ
フより、焼成体へのガラス添加量が増加するに従って、
比誘電率εが低下していることが判る。これは、ガラス
成分の存在が、誘電体の結晶組成を変動させることを示
しており、上記実施例の結果を裏付けるものである。こ
こで、ガラス成分の添加量が2wt%を越えると特に比
誘電率εの低下が著しい。従って、焼成後に誘電体層1
2に存在するガラス成分は最大でも2wt%以下に抑制
する必要があることが判る。とすると、ガラス成分の濃
度差により、電極層13A、Bから誘電体層12にガラ
ス成分が拡散するのであるから、電極層13A、Bに含
まれるガラス成分を2wt%以下にすれば、誘電体層1
2のガラス成分は最大でも2wt%に抑制することがで
きる。
【0026】なお、前記実施例においては、絶縁体層と
してホウケイ酸系ガラスとアルミナ粉末との複合材料系
ガラスセラミックを使用したが、結晶化ガラス系、非ガ
ラス系のガラスセラミックを用いても良い。更に、絶縁
体層としてガラス成分を多量(およそ30wt%以上)
に含有するセラミック材料(広義のガラスセラミック材
料)であればこれに限らず本発明が適用できる。
【0027】また、前記実施例では、導体ペースト用の
金属粉末にAgを使用して電極層としたが、これに限ら
ず、Au、Pd、Pt、Cu及びNiでも良く、またこ
れらの合金であるAg−PdやAg−Pt等これらの金
属のうち少なくとも1種以上を主成分するものであれば
良い。これらの金属粉末は、低温(900〜1000℃
程度)において、ガラス成分を添加しないあるいは微量
の添加で、焼結でき電極層を形成できるからである。
【0028】また、前記実施例では、誘電体層にPbT
iO3−PbZrO3系誘電体を用いたが、BaTiO3
等のペロブスカイト型誘電体材料、特に鉛系ペロブスカ
イト型誘電体材料等の高誘電率材料を用いて誘電体とし
た場合にも適用できる。これらは、ガラス成分の拡散に
より、容易にその結晶組成を変え誘電率が変動・低下す
るからである。
【0029】
【効果】以上により明らかなように、本発明によれば、
誘電体層に絶縁体層からのガラス成分が拡散しないよう
にするために、絶縁体層と誘電体層の間に介在する電極
層のガラス成分の含有量を2wt%以下、特に好ましく
はガラス成分を1wt%以下にすればよい。あるいは、
ガラス成分の含有量が2wt%以下の導体ペーストを塗
布し焼成して電極層とすれば良い。かかる簡便な手法に
よって、絶縁体層から誘電体層へのガラス成分の拡散が
抑制され、従って誘電体層の非誘電率εは十分高く保持
され、高い静電容量を有するコンデンサが形成できる。
【0030】本発明により、ガラスセラミック等の比誘
電率が低い絶縁体層と、Ag等の低抵抗の配線材料を用
いた配線を備える低温焼成セラミック基板中に、同時焼
成により、高い誘電率を有するペロブスカイト系誘電体
を使用したコンデンサを形成することができるので、信
号の伝送速度を速く、かつノイズ除去能力を高くでき
る。従って、より高い駆動周波数に対応したコンデンサ
付きセラミック基板を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】未焼成セラミック成形体を構成する各シートの
状態を示す斜視図である。
【図2】未焼成セラミック成形体の断面図である。
【図3】コンデンサ付きセラミック基板の断面図であ
る。
【図4】PbTiO3−PbZrO3系誘電体にガラス成
分を添加し焼成たものの、ガラス添加量と比誘電率εの
関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1:絶縁体グリーンシート 2:誘電体グリーンシート 3:導体ペースト層 4:ビアホール 5:パッド 6:未焼成セラミック成形体 10:コンデンサ付きセラミック基板 11:絶縁体層 12:誘電体層 13:電極層 14:ビアホール 15:パッド

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ペロブスカイト型セラミックからなる誘電
    体層と、ガラスセラミックからなる絶縁体層と、該誘電
    体層と該絶縁体層の間に介在し、Ag、Au、Pd、P
    t、Cu及びNiのうち少なくとも1種以上を主成分と
    する電極層とを有し、該誘電体層、該電極層および該絶
    縁体層を同時焼成によって形成してなるコンデンサ付き
    セラミック基板において、該電極層のガラス成分含有量
    が2wt%以下であることを特徴とするコンデンサ付き
    セラミック基板。
  2. 【請求項2】前記電極層におけるガラス成分の含有量が
    1wt%以下であることを特徴とする請求項1に記載の
    コンデンサ付きセラミック基板
  3. 【請求項3】前記電極層の厚みが20μm以上であるこ
    とを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のコ
    ンデンサ付きセラミック基板。
  4. 【請求項4】焼成後にガラスセラミックからなる絶縁体
    層となる絶縁体グリーンシートと、焼成後にペロブスカ
    イト形セラミックからなる誘電体層となる未焼成誘電体
    層との間に、Ag、Au、Pd、Pt、Cu及びNiの
    うち少なくとも1種以上を主成分とし、ガラス成分の含
    有量が2wt%以下であり、焼成後に電極層となる導電
    ペースト層を介在させてなる未焼成セラミック積層体を
    焼成してなるコンデンサ付きセラミック基板。
  5. 【請求項5】前記導電ペースト層におけるガラス成分の
    含有量が1wt%以下であることを特徴とする請求項3
    に記載のコンデンサ付きセラミック基板。
  6. 【請求項6】前記導電ペースト層が、焼成後の前記電極
    層の厚みが20μm以上となる厚みであることを特徴と
    する請求項3または4のいずれかに記載のコンデンサ付
    きセラミック基板。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5948536A (en) * 1996-05-10 1999-09-07 Tdk Corporation Glass composition for substrates with a built-in lead base dielectric material, and multilayer substrate with a built-in capacitor
JP2005285968A (ja) * 2004-03-29 2005-10-13 Kyocera Corp コンデンサ内蔵ガラスセラミック多層配線基板
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JPWO2013084334A1 (ja) * 2011-12-08 2015-04-27 日本碍子株式会社 大容量モジュール用基板、及び当該基板の製造方法

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