JPH10505463A - 多層電子素子製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数の多層電子素子を製造するに当たり、（ａ）複数のセラミックテープの層（３，３’）の各々の一方の側に電極パターン（５，５’）を設け、連続する層（３，３’）の電極パターン（５，５’）が互いに前後オフセットするように堆積し、互いにプレスすることによって薄層シート（１）を製造するステップと、（ｂ）連続する電極が相違する断片端部で既に露出するように薄層シート（１）を断片に切断するステップと、（ｃ）これら断片を焼結するステップと、（ｄ）露出した電極を所定の断片端部で相互接続する電気的なコンタクトを設けるステップとを具え、切断するステップ（ｂ）を、薄層シート（１）の平面上に集束レーザビーム（７）を指導するとともに、選択した切断経路（１３）に沿ってそのビーム（７）をトレースするためにビーム（７）をシート（１）に対して相対移動させることによって実行し、これによりビーム（７）の遮断（９）及びシート（１）を、不燃焼ガスの流れによって冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】 多層電子素子製造方法 本発明は、（ａ）複数のセラミックテープの層の各々の一方の側に電極パター ンを設け、連続する層の電極パターンが互いに前後オフセットするように堆積し 、互いにプレスすることによって薄層シートを製造するステップと、 （ｂ）連続する電極が相違する断片端部で既に露出するように前記薄層シートを 断片に切断するステップと、 （ｃ）これら断片を焼結するステップと、 （ｄ）露出した電極を所定の断片端部で相互接続する電気的なコンタクトを設け るステップとを具える、複数の多層電子素子を製造する多層電子素子製造方法に 関するものである。 また、本発明は、この方法を用いて製造した電子素子に関するものである。こ のような素子を、例えば多層キャパシタ又は多層アクチュエータとすることがで きる。 （「未加工セラミックテープ」とも称する）用語「セラミックテープ」は、ぐ にゃぐにゃの「フォイル」を形成するために肉薄のシートに成形するとともに乾 燥させた絶縁（セラミック）粒子及び少なくとも一つの結合剤（バインダー）の 混合物を焼結していないものをいう。このようなフォイルを焼結すると、それに 含まれるバインダーは「焼く尽くされる」。 冒頭で説明したような方法は、１９８８年７月に刊行されたD.M.Trotter,Jrに よる文献Scientific American の58〜63頁（特に、６１頁）及び米国特許出願明 細書第5,252,883 号から既知である。切断ステップ（ｂ）を実行するために通常 用いられる方法は、刻み目を付けて切断すること、ブレードによる切断（ダイシ ング(dicing)）又は（米国特許出願明細書第5,252,883 号の場合のように）鋸を 用いた切断を含み、これら切断ステップの全ては、特に結果的に得られる切断の 質に関して不都合を有する。例えば、 （１）刻み目ラインにそって薄層シートを切断すると、比較的粗い端部となる。 それに加えて、このようにして切断を行うと、刻み目ラインの付近に薄層シート の特定の蝶番を必要とするので、薄層を横方向に引っ張ることが原因で薄層シー トが損傷するおそれがある。さらに、この方法を、直線に沿って切断する場合に のみ用いることができ、曲線に沿って切断する場合には用いることができない。 （２）ブレードを用いた切断では、平面に対して比較的軟らかい薄層シートを押 しつぶすおそれがある。 （３）鋸を用いて切断する場合、特定の前後ブレード動作により、薄層シートが その端部に沿って引き裂かれるおそれがある。 さらに、ケース（２）及び（３）で用いられる切断道具（ブレード及び鋸）の本 質的な磨損により切断の質が徐々に劣化し、磨損したブレードを周期的に取り替 える必要があるために余分な費用がかかるようになる。 本発明の目的は、上記ステップ（ａ）で製造したような薄層シートを、著しく 機械的に損なうことなく切断する方法を提供することである。また、本発明の目 的は、このような方法により、用いる切断道具が著しい機械的な磨損を伴わない ようにすることである。さらに、本発明の目的は、このような方法により、曲線 に沿って切断を実行をできるようにすることである。 これら及び他の目的は、前記切断するステップ（ｂ）を、前記薄層シートの平 面上に集束レーザビームを指導するとともに、選択した切断経路に沿ってそのビ ームをトレースするために前記ビームを前記シートに対して相対移動させること によって実行し、これにより前記ビームの遮断及び前記シートを、不燃焼ガスの 流れによって冷却することを特徴とする冒頭で特定したような方法で達成される 。 ここでは、用語「不燃焼ガス」は、レーザビームの遮断及び薄層シートに分布 する最高温度が課される際に空気中で自然に点弧しない任意のガスを称すること を意図する。このようなガスは不純物を含まないものとすることができ、実際に は相違するガスの混合物とすることがての、又は、蒸気を含むことができる。そ れが冷却機能を満足するので、厳格な要求ではないが、好適には大きな熱容量を 有する。加えられるガスを室温とすることができ、所望の場合には周囲より暑く 又は冷たくすることができる。本発明の文中で適切なガスの例は、空気、不活性 ガス、N₂及びCO₂等を含む。 本発明による方法において、薄層シートのレーザ放射の吸収によって生じた熱 により、セラミックテープ及びそれに堆積した電極に用いられる結合剤（例えば 、ポリビニルアルコール又はラテックス）が蒸発する。本発明によって導かれる 検査において、このような蒸発は一般にある程度のシート端の燃焼を伴い、これ は非常に望ましくない。しかしながら、切断点に冷却ガスを流すことにより、本 発明者は、薄層シートを燃焼することなく優れた質の切断を達成した。 本発明による方法の直接的な利点は、薄層シートと切断道具との間の機械的な 接触に依存しない点であり、その結果、薄層端部が引っ張られず、押しつぶされ ず又は引き裂かられず、それに伴う道具の磨損がない。 本発明による方法の特に好適な例は、用いるレーザを二酸化炭素(CO₂)レーザ とすることを特徴とするものである。本発明による方法の用途に好適な他のレー ザは、例えば、ＹＡＧ及びエキシマレーザを含む。レーザの選択は、特に薄層シ ートの厚さ及びその特別な材料の組成に依存する。その理由は、そのようなパラ メータは、切断手順で要求される放射フルエンスの下限を設定するからである。 （０．５〜２．５ｍｍの目安の厚さの）市販の利用できる多層キャパシタ及びア クチュエータに一般的な薄層シート組成に対して、本発明者は、１０μｍの波長 及び３００〜１０００Ｗの範囲の放射パワーを有する集束されたCO₂レーザから 高品質の切断パフォーマンスを得た。用いるレーザを、パルス状又は連続的にす ることができる。 本発明による方法の好適な例は、前記薄層シートの厚さは、０．１〜３．０ｍ ｍの範囲に存在し、その焦点におけるレーザビームのフルエンスは、５０〜５０ ０ｋＷ／ｍｍ²の範囲に存在することを特徴とするものである。これら範囲内で は、２００ｍｍ／ｓの目安の横方向の切断速度を容易に得ることができる。 熱容量及び温度のようなパラメータの影響とは別に、冷却ガスの実際的な冷却 の影響は、その流速及び流速密度によって決定される。これに関して、本発明者 は、（２５℃の温度及び１気圧で測定して）０．１〜１．０ｌ／ｓｅｃの範囲の 流速を用い、その流れを、０．６ｍｍの目安の径を有するとともに薄層シートか ら数ミリメートルの範囲内で配置したノズル出口からビームに沿って指導すると 、良好な結果を達成した。 本発明による方法の好適な例において、冷却ガスを、 − 中空チャンバと、 − このチャンバの壁部のガス出口と、 − チャンバの壁部の一部を形成し、光軸がガス出口を通過する集束レンズと、 − 中空チャンバにガスを供給するガス入口とを具えるノズルから噴射し、これ により、切断中、レーザビームを、集束レンズの光軸に沿って指導する。このよ うなノズルは、レーザビームを集束するとともに冷却ガスの流れを指導するよう に作用する。ノズルの好適な例では、チャンバをガス出口に対して先細にして、 遮断されたレーザビームに一致するよう冷却ガスの集束して噴射する。図６参照 。 セラミックテープの絶縁材料の選択は、種々の用途に対する電子素子の適正を 決定する。素子を多層アクチュエータとして用いるべき場合、絶縁材料は、（灰 チタン石型構造を有する）例えばBaTiO₃又はPbTiO₃のような圧電材料を具える必 要がある。それに対して、素子を多層キャパシタとして用いることを意図する場 合、絶縁材料は、例えばCeをドープしたBaTiO₃を具えることができる。電極パタ ーンを、例えばスクリーン印刷手順と組み合わせて銀−パラジウム液又はPd-PdO 液を用いて設けることができる。データとして、本発明による方法を、広い範囲 の絶縁杖材料及びバインダーを具える種々の薄層シードに対して良好に用いた。 薄層シートを構成するセラミックテープの層を、全て同一の厚さ及び同一の材 料組成にする必要はない。さらに、薄層シートの厚さを完全に一様にする必要は ない。 本発明及びそれに伴う利点を、実施の形態及び全てが一様な寸法でない図面を 参照して更に説明する。図面中、 図１は、本発明による方法を用いて切断する薄層シートの一部の斜視図である 。 図２は、特定の電極パターンを設けたセラミックテープの層の平面図である。 図３は、電気的なコンタクトを設けた薄層シートの切断断片を示す。 図４は、プリント回路基盤の表面上に乗せ置くのに好適な本発明による電子素 子を示す。 図５は、ワイヤリード線を設けた本発明による電子素子を示す。 図６は、本発明による方法を用いるのに好適なガスノズルを示す。実施例１ 図１は、本発明による方法を用いて切断される薄層シート１の一部を示す。図 示した線形図は部分的な斜視図及び断面図であるが、寸法通りではない。シート １は、プレスされた堆積配置を有するいわゆる未加工（すなわち、焼結されてい ない）セラミックテープの矩形層３，３’を具える。各層３の一面に、この場合 層３の所定の端部まで延在するが反対側の端部に届かずに止まる矩形の形態をと る電極パターン５を設ける。各層３’に、電極パターン５’を同様に設ける。層 ３及び３’を、シート１の所定の端部に沿って電極５のみが露出されるとともに シート１の反対側の端部に沿って電極５’のみが露出されるように交互に堆積す る（図１において、これらはそれぞれ前方端部及び後方端部となる。）。 層３，３’を、（例えば、Hoechst 社の PVA 20-98又はPVA 56-98 のポリビニ ルアルコールのような）液体有機結合剤中の電離材料（例えば、不純物を加えら れた又は不純物を加えられていないBaTiO₃）の粒子の懸濁を有するいわゆるビス コスストリップ(voscous slip)から製造することができる。このスラリーをペー パーシート上に流し、それを乾燥させて（代表的には１０μｍの目安の厚さの） ドライセラミックテープの平坦層を形成し、その後それをペーパーから除去する ことができる。このセラミックテープを、（例えば、１００×１００ｍｍ²の目 安の同一の矩形の）同一形態及びサイズの部分に切断することができ、これら全 ての部分の一面に、銀−パラジウム液でスクリーン印刷することにより所望の電 極パターンを設けることができる（例えば、インク層の厚さを０．５〜２μｍの 目安とする。）。その後、このようにして得た部分を互いに堆積して、全ての電 極パターンを「フェースアップ」するが、交互のシートが互いに平面で１８０° 回転するようにする。このようにして、交互の電極パターンの前後オフセットを 達成することができる。所望の場合には、この堆積を、図１の層３”の場合のよ うに、「普通の」セラミックテープの追加の層で（、すなわち、電極パターンな しで）終了させることができる。最後に、この堆積を、（代表的には３００ｂａ ｒの目安の圧力を用いて）圧縮してコンパクトな薄層シートにすることができる 。一般には、このような薄層シート１は、０．５〜２．５ｍｍの厚さを有し、個 々の層３，３’は４〜２０μｍの厚さを有する。 図１に示したように、薄層シート１を、（寸法通りでない）集束レーザビーム ７を用いて本発明の方法で切断する。このビーム７を、連続CO₂レーザから取り 出し、約５０μｍの径を有するスポット９に集束させる。このレーザは、１０μ ｍの波長及び２００ｗの放射パワーを有し、したがってスポット９のフルエンス は約１００ｋＷ／ｍｍ²となる。矢印１１は、レーザビーム７の方向に沿って（ 図示しないノズルから）スポット９に向かう冷却ガスの流れを線図的に表す。用 いるガスを、２５℃（室温）及び０．５ｌ／ｓｅｃの流速の空気とする。 ビーム７の影響により、層３，３’の有機結合剤及び電極５，５’が蒸発する シート１の点（又は点の下）の温度が局所的に上昇し、同時にガスの流れ１１が シート１の不所望な燃焼を防止する。例えばビーム７に対して方向Ａにシート１ を移動させることにより（予め設定された）切断経路１３に沿ってスポットをト レースすることによって、直線又は曲線に沿ってシート１を精巧に切断すること ができる。このような切断を繰り返すことにより、シートを、（代表的には１× ０．５〜４×５ｍｍ²の目安の面積を有する）小断片に細分することができ、そ れらを、電子素子を形成するのに用いることができる。実施例２ 図２は、セラミックテープの二つの層２３，２３’の平面図を示す。これら層 にそれぞれ電極パターン２５，２５’を設ける。ここで示すように、層２３’は 層２３と同一であり、層２３’は、層２３を平面で１８０°回転しただけである 。 薄層シートを、平面に垂直方向に複数の層２３及び２３’をフェースアップし て交互に堆積することによって製造することができ、その結果それらの端部は（ 図１に図示したように）同一平面にある。その後、この堆積を、通常のセラミッ クテープの層で（、すなわち、電極パターンなしで、）終了させ、プレスするこ とができる。このようにして得られた堆積をライン２１３に沿って切断し、その 結果得られた（各々が６面の）矩形断片が、セラミックテープのみを見ることが できる４面、電極２５が露出された第１面、及び電極２５’が露出する対向配置 した第２面とを有する。したがってこれら電極は、第１及び第２面を除いて、外 側から電気的な絶縁される。 実際には、電子素子製造に用いたセラミックテープの層は、一般に図２に図示 した多数（数百又は数千）の「ユニットセル」を具える。実施例３ 実施例２の手順で製造された切断断面を、約１２００℃の温度で２時間焼結す る（本発明の方法のステップ（ｃ））。部分的な側面図及び部分的な断面図を示 す。 所望の電気的なコンタクトを設ける方法の一つでは、断片３１を、例えば銀− パラジウム液の溶融金属浴３２に浸す。図３に図示したように、全ての電極３５ は断片３１の面３７まで延在するが、面３７’の途中で止まる。同様に、全ての 電極３５’は面３７’まで延在するが、面３７の途中で止まる。一旦、断片３１ が、溶融金属浴３２に浸され、そこから取り出され、かつ、それを乾燥させると 、銀−パラジウム金属の導電キャップが面３７に及び、これによりその面に露出 した電極３５の端部と相互接続する。ここに図示したように、このようなキャッ プ３９’を対向面３７’に既に設けている。 これが所望の場合には、このようにして設けた金属キャップを、例えば電気め っき法を用いて順次厚くすることができる。 金属キャップを設けるあり得る他の方法では、無電解で、例えばスパッタリン グによる堆積を用いて、面３７，３７’に金属を設ける。もう一度、このように して堆積した金属層を電気めっき法によって厚くすることができる。実施例４ 図４及び５は、本発明による電気素子を示す。これらの図は共に部分的な側面 図及び断面図を示す。 図４において、実施例３で製造したような電子素子４０を設け、それを、導電 領域４４，４４’を設けた絶縁基板４２を具えるプリント回路基盤（ＰＣＤ）の 表面上に乗せ置く。素子４０上の導電キャップ４９，４９’を、各領域４４，４ ４’上に配置することができ、ろうの層を用いてそれに固定することができる。 図５は、導電キャップ５９，５９’を有する電子素子５０を示す。金属線５４ ，５４’を、例えばろう付け手順を用いて各キャップ５９，５９’に取り付ける 。その後、素子の本体を、例えば重合樹脂を具える電気的な絶縁被覆物６０で被 覆する。このような素子５０は、ＰＣＢの孔に乗せ置くのに好適である。実施例５ 図６は、本発明の方法を用いるのに好適なガスノズル６１１の好適な例を示す 。図示した断面において、ノズル６１１は、先細で中空のチャンバ６１３を具え る。このチャンパ６１３は、一方の先端にガス出口６１５を有し、他方の先端に 集束レンズ６１７を設ける。レンズ６１７の光軸６１９は、出口６１５の中心を 通る。シール手段６２１（例えば、ゴムのＯリング）が存在するため、チャンバ ６１３のレンズの端部からガスが漏れない。ガス入口６２３も図示する。 本発明により薄層シート６２５を切断する際、ノズル６１１を、シート６２５ の（例えば、数ミリメートルの範囲内で）真上に配置し、その結果、レンズ６１ ７の焦点は、シート６２５の上又は範囲内に存在する。レーザビーム６２７を光 軸６１９に沿ってノズル６１１に指導すると、光軸６１９の途中でシート６２５ を切断する。同時に、入口６２３を介して加えられた冷却ガス（例えば、空気） は、孔６１５から集束した（高圧）噴射として出現し、出現したレーザビームと ほぼ一致する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）複数のセラミックテープの層の各々の一方の側に電極パターンを設け 、連続する層の電極パターンが互いに前後オフセットするように堆積し、互いに プレスすることによって薄層シートを製造するステップと、 （ｂ）連続する電極が相違する断片端部で既に露出するように前記薄層シート を断片に切断するステップと、 （ｃ）これら断片を焼結するステップと、 （ｄ）露出した電極を所定の断片端部で相互接続する電気的なコンタクトを設 けるステップとを具える、複数の多層電子素子を製造する多層電子素子製造方法 において、 前記切断するステップ（ｂ）を、前記薄層シートの平面上に集束レーザビーム を指導するとともに、選択した切断経路に沿ってそのビームをトレースするため に前記ビームを前記シートに対して相対移動させることによって実行し、これに より前記ビームの遮断及び前記シートを、不燃焼ガスの流れによって冷却するこ とを特徴とする多層電子素子製造方法。 ２．用いるレーザを二酸化炭素(CO₂)レーザとすることを特徴とする請求の範囲 １記載の多層電子素子製造方法。 ３．前記薄層シートの厚さは、０．１〜３．０ｍｍの範囲に存在し、その焦点に おけるレーザビームのフルエンスは、５０〜５００ｋＷ／ｍｍ²の範囲に存在す ることを特徴とする請求の範囲１又は２記載の多層電子素子製造方法。 ４．前記不燃焼ガスを空気とし、その流速は、（２５℃の温度及び１気圧で測定 して）０．１〜１．０ｌ／ｓｅｃの範囲にあることを特徴とする請求の範囲１か ら３のうちのいずれかに記載の多層電子素子製造方法。 ５．請求の範囲１から４のうちのいずれかに記載の多層電子素子製造方法を用い て製造した多層キャパシタ。 ６．請求の範囲１から４のうちのいずれかに記載の多層電子素子製造方法を用い て製造した多層圧電アクチュエータ。