JPH0891961A - 導電性領域を有する電子素子とその製造方法 - Google Patents

導電性領域を有する電子素子とその製造方法

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JPH0891961A
JPH0891961A JP7235934A JP23593495A JPH0891961A JP H0891961 A JPH0891961 A JP H0891961A JP 7235934 A JP7235934 A JP 7235934A JP 23593495 A JP23593495 A JP 23593495A JP H0891961 A JPH0891961 A JP H0891961A
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reducing
substrate
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Jr David W Johnson
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ホン ロー ヘンリー
Jr John Thomson
トムソン，ジュニア． ジョン
Thomas H Tiefel
ヘンリー ティーフェル トーマス
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック金属化による導電性領域を有する
電子素子とその製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明はセラミック基板を金属化する改
善技術を提供する。この方法には基板の製備及びこの基
板上に還元性材料の層を堆積するステップを含む。還元
性材料の層は酸化銅のような還元性セラミックを含む。
還元性材料層を有するセラミック基板は加熱されて、還
元性材料は還元剤に接触されて導電性領域を形成する。
導電性領域は還元により形成された金属化領域、または
表面還元により形成された導電性セラミックのいずれか
である。本発明はさらに金属化セラミック基板を提供す
る。金属化層は少なくとも１つの成分がセラミック基板
と共同であるセラミック領域を含む。セラミック基板と
金属化層のセラミック領域は互いに焼結されて、金属化
領域は焼結されたセラミック領域に散在させる。このよ
うに、金属化層に包囲されたセラミックの存在により、
金属はセラミック基板に緊密に付着される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はセラミックスの金属
処理に関する。特に、材料の還元性層の還元熱処理によ
りセラミック表面上に導電領域を形成する技術に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】セラミック基板材料の表面金属化、特に
パターン付きの金属化はインダクタ（例、磁気フェライ
ト）、キャパシタと圧電素子（例、チタン酸塩セラミッ
クス）、及びハイブリッド集積回路（ＨＩＣ）基板
（例、アルミナ）などのような電気分野にとって非常に
重要である。金属化層とセラミックとの間の粘着が装置
の信頼性及び高性能を保証するうえで必要である。
【０００３】一般的には、セラミック金属化プロセスは
薄膜、厚膜、共焼結の三つの方法に分類される。薄膜の
方法においては、金属の薄い層はスパッタリング、蒸
着、ＣＶＤ、レーザ除去などの真空プロセスによって堆
積される。無電界及び電気メッキもしばしばこの分類に
入れられる。粘着力を強化するために、クロムまたはチ
タン等のような予備の粘着増強層が通常堆積される。
【０００４】厚膜の方法ではプリント金属のペーストを
使用し、一般的に金属粉末をガラス原料及び有機バイン
ダと混合して、セラミック基板にペーストする。このプ
リントされた基板はセラミックの上に導電パスを形成す
るために焼結される。共焼結法においては、未焼結のセ
ラミック基板はパターン付きの金属ペーストラインによ
って被覆される。プリントされた未焼結の基板は、基板
を焼結するとともに導電金属パターンを形成するよう焼
かれる。
【０００５】これらのプロセスには幾つかの欠点があ
る。スパッタリングや電子ビーム蒸着といった薄膜法は
真空堆積装置を必要とする。厚膜法と共焼結法は一般的
に銀および／または白金のような貴金属を使用する。高
温の処理を行うため、寸法の変化を引き起こし、異なる
材料を被覆したプリント基板に対して、熱膨張係数の差
による応力を発生させることもある。
【０００６】セラミック金属化の他のプロセスは米国特
許出願第２６８４８７号に開示されている。この出願に
おいては、セラミック基板の表面は水素含有の混合ガス
のような還元性ガス雰囲気に露出することによって金属
化される。この方法により、粘着力のある金属化領域が
提供されるためには、セラミック基板自身は実用の温度
で還元されることが必要である。それ故に、基板材料の
選択が制限されてしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の金属化プロセス
に関わる困難さの観点から、セラミック基板上に導電パ
スを形成する簡単な低温プロセス技術、好ましくは導電
層をさらにメッキする必要のないプロセス技術が必要で
ある。特に、回路要素及び磁気素子要素を生成するため
にセラミックに粘着力のある金属化層を生成する技術が
必要である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明はセラミック基板、特に電気素子の製造に用
いられるセラミック基板を金属化する技術を提供する。
本発明の方法は、セラミック基板を提供し、このセラミ
ック基板に還元性材料の層を堆積する技術を含む。還元
性材料層は酸化銅のような還元可能なセラミックを含ん
でいる。この還元性材料の層が堆積されたセラミック基
板は加熱されて、還元性材料を還元剤に接触させて、導
電領域を生成する。導電領域は還元により形成された金
属化領域でもよいし、表面還元により形成された導電セ
ラミックでもよい。還元処理の後、セラミック基板は冷
却される。
【０００９】本発明はさらに堆積された金属化層を有す
るセラミック基板を含む金属化セラミック部分を有する
電子素子に関する。この金属化層は少なくとも一種類の
セラミック基板の成分と同じ成分を含有するセラミック
領域を含んでいる。セラミック基板と金属化層のセラミ
ック領域は互いに焼結され、この金属化領域は焼結され
たセラミック領域に分散する。このように、金属化層に
包囲されたセラミックの存在により、金属はセラミック
基板に緊密に付着される。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１Ａは配置された還元性材料の
パターン化層３０を有するセラミック基板２０からなる
セラミック構造体１０を示す。ここで、「基板」は本発
明の還元性材料を保持するのに使用した任意のセラミッ
ク材料の層を含む。この意味で、「基板」は回路基板、
回路基板の各層、セラミックパッケージ及びセラミック
素子要素（例えば、磁気要素コア材料、圧電成分）を含
む。ただし、これに限定されるものではない。選択項と
して、還元性材料層３０に加えて、セラミック基板２０
は前段階で金属化された領域または回路成分を含んでい
る。セラミック基板２０は例えば、アルミナ、フェライ
ト（例、ニッケル−亜鉛フェライト及びマンガン−亜鉛
フェライト）及び窒化シリコンなどの任意のセラミック
材料から選択される。セラミック基板は焼結及び未焼結
の状態で提供される。
【００１１】還元性材料層３０は一般的に例えばスクリ
ーンプリント、マスクを介したスプレー被覆及びスラリ
ーインク書き込みのような周知の技術によりスラリーの
形で形成される。しかし、形成技術はこれに限定される
ものではない。堆積した直後の層の厚さは０．００１か
ら０．０５０インチ（２５μｍから１．２５ｍｍ）のオ
ーダーにある。図１Ａはパターン化された層としての還
元性材料層３０を示しているが、還元性材料の層はセラ
ミック基板２０の上に連続的に形成されてもよい。この
還元性材料に加えて、金属含有ペーストも基板表面の一
部にプリントしてもよい。特に層を多層構造に埋め込
み、そこに還元方法が適用できない場合、この方法は有
効である。
【００１２】還元性材料層３０は一般的にセラミック基
板２０の表面に堆積される。別法として、図１Ｂに示す
ように、還元性材料層３０はセラミック基板２０の凹部
分２２内に堆積される。この凹み部分は本発明の代表的
な実施形態において多層セラミックプロセス技術により
形成される。そこで、凹部分２２に対応した孔付きのセ
ラミック層を形成して、これらの層を未焼結状態の連続
的なセラミック層でかぶせて基板を形成する。図１Ｂに
示した構造は平らな表面を有する金属化基板にとって有
利である。
【００１３】図２Ａにおいては、還元性材料の構造は多
層セラミック構造の形成に利用されている。ここで、還
元性材料層３０はパターン付きの外表面を形成する。図
２Ａの構造は二つのセラミック基板２０をかぶせること
により形成される。図２Ｂの構造においては、貫通孔の
導電パス３４は還元性材料層３０で孔３２の内面をコー
ティングすることにより形成される。埋め込み導体３６
は還元性材料または導電金属ペーストで表面パターンを
形成することにより作られる。各パターン化層を多層化
した後、ギャップ３８は残り、ガス還元剤の多層構造へ
の透過を実現させる。図２Ａと２Ｂのセラミック構造は
米国特許第５２３９７４４号に開示された多層セラミッ
クプロセス技術により形成される。
【００１４】還元性材料は一般的に還元性セラミック粉
末、バインダ及びキャリア液体からなるスラリーの形で
形成される。還元性セラミック粉末はセラミック材料か
らなり（典型的には酸化物）、それはセラミック基板よ
りも優先的に還元される。代表的な還元性セラミック粉
末は酸化銅ＣｕＯや酸化ニッケルＮｉＯを含む。アルミ
ナ基板上における酸化銅を含んだスラリーは代表的な還
元性材料、すなわち基板系である。還元性材料は多元系
（例、２元、３元または多元）のセラミック材料からも
選択されることが可能であり、そこで１つまたはそれ以
上の成分が還元される。還元性層は一般的に還元性セラ
ミックスラリーであるが、セラミック基板よりも優先的
に還元される任意の材料も適切な形態で還元性材料層３
０として使用される。
【００１５】セラミック基板２０への還元性材料層３０
の粘着力を向上させるために、還元性セラミック粉末及
び非還元性セラミック粉末との混合のセラミックスラリ
ーが用いられる。ここで、非還元とは、一定の温度及び
時間の還元処理により還元性セラミック粉末が金属、ま
たは導電性セラミック（約５０体積％以上）に還元され
るときには、粉末は基本的にセラミック（約９０体積％
以上）のままに保持されることを意味する。さらに、基
板への還元性材料層３０の粘着力を増強させるために
は、非還元性セラミック粉末は少なくとも１つの基板セ
ラミックの成分を含有するよう選択される。例えば、も
しアルミナ基板が金属化されれば、還元性材料層は還元
性セラミック粉末、例えばＮｉＯまたはＣｕＯとともに
Ａｌ2Ｏ3粉末を含んでいるスラリーにより形成される。
ニッケル−亜鉛フェライトのような多元セラミック基板
を使用する場合、還元性材料は還元性セラミック粉末と
ともに、ニッケル−亜鉛フェライト粉末そのものまたは
Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ及びＺｎＯの任意な組合せのいずれか
を含む。
【００１６】還元性材料層３０に添加する非還元性セラ
ミック粉末の量は還元性セラミック粉末の量を減少する
ことによって調整される。還元性材料層３０の高い導電
性を得るためには、還元性セラミック粉末の体積比を増
大させ、高い粘着力を得るためには非還元性セラミック
粉末の体積比を増大させる。もし高導電性の金属層、例
えば銅またはニッケルが還元性材料層３０の上にさらに
堆積されるようであれば、非還元性セラミック粉末の体
積比を増大させてもよい。還元性材料層３０に使用され
る非還元性セラミックの代表的な量は５〜７０体積％の
範囲にあり、一般的には２０〜５０体積％である。
【００１７】非還元性セラミック材料、特に基板成分材
料を含んだスラリーを使用することにより、基板に対す
る基板成分材料の親和力によって還元性材料層３０の基
板への粘着力は大いに増強される。焼結して還元された
スラリー層により形成された構造は基板材料に焼結され
たセラミック領域を含み、金属化領域は焼結されたセラ
ミック領域に分散している。焼結された不規則構造のセ
ラミック領域の包囲の存在により、金属は緊密に基板に
保持されるようになり、金属の粘着表面が大きくなる。
【００１８】基板と同様な成分、または基板に近い成分
を含有する非還元性セラミック粉末を使用する大きな利
点は、熱処理中、層間の相互拡散による基板成分への影
響を最小にできることである。さらに、異種類材料間の
熱膨張係数の差違による応力はこのような層結合により
最小化される。
【００１９】還元性材料層３０が堆積されてから、セラ
ミック構造体１０が加熱される。還元性材料層３０がス
ラリーから形成されると、セラミック粉末を部分的にま
たは全部焼結するよう加熱する。加熱は一般的にセラミ
ック基板材料の融点温度の約０．７倍の均質温度よりも
高い温度で行われる。均質化融点温度はケルビンで与え
るセラミック材料の融点温度を意味する。電子材料分野
に使用される多くのセラミック材料に対しては、この温
度は約８００−１６００℃の間にある。セラミック基板
２０が未焼結の状態で提供され、還元性材料層３０がセ
ラミックスラリーになる場合、焼結の温度は基板と還元
性材料層３０を十分に緻密化する必要があるが、還元性
材料層３０とセラミック基板２０との過度の混合を起こ
す必要がない。焼結の時間は実験的に決定される。これ
はプロセス条件（例、温度）、セラミック基板２０と還
元性材料層３０の材料結合、粉末サイズ、バインダの体
積比、基板と還元性材料層の他の材料特性などに依存す
る。
【００２０】焼結プロセスはセラミックスラリー層３０
をセラミック基板２０に結合させる。還元性材料層３０
に導電性を与えるためには、還元処理はガス還元剤を層
３０に接触させることにより行われる。代表的な還元剤
は水素、フォーミングガス（水素と窒素、または水素と
不活性ガスの混合ガス）、アンモニア、水素とＨ2Ｏの
混合ガス、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスを含むガ
ス還元剤である。後者の２つの混合ガスの使用により、
酸素分圧（還元性材料層から除去されるために）は精密
に制御され、還元プロセスを制御するのに有利である。
【００２１】還元性材料層として選択された材料、及び
還元処理の条件により、還元性材料は金属、または導電
性セラミックのような導電性非金属材料への変化により
導電となる。
【００２２】異なる材料は様々な還元環境において異な
る還元熱力学及び速度論を有するため、時間、温度及び
還元剤の成分は実験的に決定される。層３０がＮｉ0.4
Ｚｎ0 .6Ｆｅ2.0Ｏ4基板上に還元性材料としてのＣｕＯ
とともに基板組成材料としてのニッケル−亜鉛フェライ
ト（ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3、ＺｎＯ）を用いたセラミックス
ラリーにより形成される場合、２５０〜３００℃、０．
５から２時間、流れる水素における還元処理が、ＣｕＯ
を金属銅に還元するのに十分である。ニッケル−亜鉛フ
ェライトの還元速度は非常に低いため、ニッケル−亜鉛
フェライトの粘着促進材料、及びニッケル−亜鉛基板が
焼結されるが、ほぼ還元されない。還元処理は、層３０
が５０００μΩ−ｃｍ以下の電気抵抗率、代表的に２０
０μΩ−ｃｍ以下及び１０μΩ−ｃｍ以下の電気抵抗率
になるまで行われる。還元された層の状態の導電率はさ
らに導電金属をメッキする必要がなく、回路金属化とし
て利用されるのに十分高く作ることができる。
【００２３】図３には水素還元処理を受けたＣｕＯ−ニ
ッケル−亜鉛フェライトスラリー／ニッケル−亜鉛フェ
ライトセラミック構造により形成された金属化構造を示
す。層３０内には焼結ニッケル−亜鉛フェライト領域４
０があり、その一部はニッケル−亜鉛フェライト基板２
０上に焼結された。領域４２はＣｕＯの還元により形成
された銅金属である。焼結ニッケル−亜鉛フェライト領
域４０により提供された不規則表面は銅領域４２を還元
性材料層３０に緊密に接着するようになる。
【００２４】還元処理の後、さらに金属メッキ層が層３
０の上に形成されてもよい。これは、還元プロセスが層
３０の導電性を得るために使用され、還元性材料を完全
には金属化しない場合に特に有用である。金属メッキ
は、低還元性材料が還元セラミックとして使用される場
合、または大きな電流が金属化層により伝送される場合
にも必要である。この金属メッキプロセスにおいては、
高導電率の金属層、例えば、銅またはニッケルが図５の
層５０に示すように堆積される。層３０が還元処理によ
り導電性を得たため、金属堆積は電気メッキにより行わ
れる。無電界堆積のような化学方法も層５０の形成に利
用される。金属メッキにおいては、層３０の一部分が適
切な技術により堆積を阻止されることも可能である。
【００２５】本発明のプロセスは様々な電子素子の形成
に利用される。代表的な応用としては、平面及び３次元
構造のために回路のパス金属化を含む。３次元インダク
タ金属化構造が図４に示されている。インダクタ６０が
上部巻き線部分６２、下部巻き線部分６６と側部巻き線
部分６４からなるらせん状の巻き線により形成される。
らせん状の巻き線はフェライト基板７０の部分に巻かれ
て、このフェライト基板７０はインダクタコアとして機
能する。ＣｕＯ／フェライトスラリーがらせん状の巻き
線の形成に使用された。ここで、各４つの側面にコイル
部分を形成するために、スクリーンプリント、マスクを
介したスプレー被覆またはインク書きの技術が利用され
た。
【００２６】本発明の方法はフェライトパワーモジュー
ル構造の形成にも用いられる。これについては米国特許
出願第０８／２６８４６５号に開示された。この応用に
おいては、インダクタ及びトランスのような磁性要素の
コアを形成することに加えて、フェライト基板は、パワ
ーモジュールの他の回路素子のための基板として機能
し、還元により素子のプロファイルを形成する。
【発明の効果】以上述べたように、本発明はセラミック
の表面還元によるセラミックの金属化を実現する。これ
により、導電パスはセラミックの表面に一体化形成さ
れ、電気素子の形成に広く利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ、Ｂは還元性材料の層のパターンがコーティ
ングされたセラミック基板の断面図である。
【図２】Ａは二つの外表面に還元性材料を形成した多層
セラミック基板の断面図で、Ｂは貫通孔及び内部層の形
で、表面に還元性材料を形成した多層セラミック基板の
断面図である。
【図３】還元処理された粘着力のある金属化構造の断面
図。
【図４】本発明により形成されたらせんインダクタパス
を有するフェライトインダクタの斜視図。
【符号の説明】
１０ セラミック構造体 ２０ セラミック基板 ２２ 凹部分 ３０ パターン化層 還元性材料層 ３２ 孔 ３４ 導電パス ３６ 埋め込み導体 ３８ ギャップ ４０ 焼結ニッケル−亜鉛フェライト領域 ４２ 銅領域 ５０ メッキ層 ６０ インダクタ ６２ 上部巻き線部分 ６４ 側部巻き線部分 ６６ 下部巻き線部分 ７０ フェライト基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デヴィッド ウィルフレッド ジョンソ ン，ジュニア. アメリカ合衆国，07921 ニュージャージ ー，サマーセット カウンティー，ベッド ミンスター，オークラ レイン ５ (72)発明者 ヘンリー ホン ロー アメリカ合衆国，07922 ニュージャージ ー，ユニオン カウンティー，バークレイ ハイツ，グラスマン プレイス 140 (72)発明者 ジョン トムソン，ジュニア. アメリカ合衆国，07762 ニュージャージ ー，モンマウス カウンティー，スプリン グ レイク，ニュー ベッドフォード ロ ード 2039 (72)発明者 トーマス ヘンリー ティーフェル アメリカ合衆国，07060 ニュージャージ ー，サマーセット カウンティー，ノース プレインフィールド，タフト アヴェニ ュー 758

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミック基板を提供するステップと、 還元性材料を含む層をセラミック基板に堆積するステッ
    プと、この還元性材料は還元性セラミックを含み、 還元材料の層を有するセラミック基板を加熱するステッ
    プと、 還元性材料の少なくとも一部がガス還元剤に接触され
    て、導電性領域を形成するステップと、 導電性領域を有するセラミック基板を冷却するステップ
    とからなることを特徴とする導電性領域を有する電子素
    子の製造方法。
  2. 【請求項２】 堆積された層は少なくとも１つのセラミ
    ック基板に使用された非還元性成分を含むことを特徴と
    する請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 堆積された層はセラミック基板と同様な
    成分を有する非還元性材料を含むことを特徴とする請求
    項１の方法。
  4. 【請求項４】 ガス還元剤は水素を含むことを特徴とす
    る請求項３の方法。
  5. 【請求項５】 還元性セラミックは酸化物基のセラミッ
    クであることを特徴とする請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 酸化物基のセラミックは酸化銅であるこ
    とを特徴とする請求項５の方法。
  7. 【請求項７】 セラミック基板は未焼結状態で提供され
    ることを特徴とする請求項１の方法。
  8. 【請求項８】 還元性材料を還元する前に、セラミック
    基板と還元性材料の層はセラミック基板と還元性材料の
    層を焼結するために共焼結されることを特徴とする請求
    項７の方法。
  9. 【請求項９】 導電性領域は金属化領域であることを特
    徴とする請求項１の方法。
  10. 【請求項１０】 セラミック基板は複数の層により形成
    され、各層はその外部表面に形成された還元性材料のパ
    ターンを有することを特徴とする請求項１の方法。
  11. 【請求項１１】 セラミック基板と、 セラミック基板に堆積された金属化層とを有し、 この金属化層は少なくとも１つの成分がセラミック基板
    と共同であるセラミック領域を有し、セラミック基板と
    金属化層のセラミック領域は、金属化領域が焼結された
    セラミック領域に分散するよう互いに焼結されることを
    特徴とする金属化部分を含む電子素子。
  12. 【請求項１２】 金属層はさらに前記金属化層の上に堆
    積されることを特徴とする請求項１１の金属部分を含む
    電子素子。
  13. 【請求項１３】 金属層は電気メッキにより形成される
    ことを特徴とする請求項１２の金属部分を含む電子素
    子。
  14. 【請求項１４】 金属層は無電界堆積により形成される
    ことを特徴とする請求項１２の金属部分を含む電子素
    子。
  15. 【請求項１５】 金属化層はインダクタとトランスから
    選択されたらせん状の巻き線の要素を形成することを特
    徴とする請求項１１の電子素子。
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