JP4466863B2

JP4466863B2 - 多層セラミックス基板

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Publication number: JP4466863B2
Application number: JP2005270676A
Authority: JP
Inventors: 知子中村; 克彦五十嵐
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007081320A

Description

本発明は、例えばビアホール導体等の内部導体を有する多層セラミックス基板に関するものであり、特に、内部導体周囲の欠陥を防止する技術に関する。

電子機器等の分野においては、電子デバイスを実装するための基板が広く用いられているが、近年、電子機器の小型軽量化や多機能化等の要望に応え、且つ高信頼性を有する基板として、多層セラミッスク基板が提案され実用化されている。多層セラミックス基板は、複数のセラミックス層を積層することにより構成され、各セラミックス層に配線導体や電子素子等を一体に作り込むことで、高密度実装が可能となっている。

前記多層セラミックス基板は、複数のグリーンシートを積層して積層体を形成した後、これを焼成することにより形成される。そして、前記グリーンシートは、この焼成工程における焼結に伴って必ず収縮し、多層セラミックス基板の寸法精度を低下する大きな要因となっている。具体的には、前記収縮に伴って収縮バラツキが発生し、最終的に得られる多層セラミックス基板においては、寸法精度は、０．５％程度に留まっている。

このような状況から、多層セラミックス基板の焼成工程において、グリーンシートの面内方向の収縮を抑制し、厚さ方向にのみ収縮させる、いわゆる無収縮焼成方法が提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。特許文献１等にも記載されるように、前記焼成温度でも収縮しないシートをグリーンシートの積層体に貼り付け、この状態で焼成を行うと、前記面内方向の収縮が抑制され、厚さ方向にのみ収縮する。この方法によれば、多層セラミックス基板の面内方向の寸法精度を例えば０．０５％程度にまで改善することが可能である。

ところで、多層セラミックス基板においては、層間接続を図るためのビアホール導体等の内部導体の形成が必須であり、前記多層セラミックス基板の作製に際しては、例えばビアホールを形成し、ここに導体ペーストを充填して焼成することが行われる。この場合、導体ペーストとグリーンシートの熱収縮挙動の相違等により、内部導体（例えばビアホール導体）の周囲に空隙（欠陥）が発生することが知られている。このような欠陥の発生は、特に無収縮焼成方法において顕著である。

そこで、このような欠陥を解消するための技術も各方面で検討されている（例えば、特許文献２、３等を参照）。例えば、特許文献２記載の発明では、ビア孔に充填される導体組成物として、Ａｇ等の導電性粉末と、Ｍｏ化合物またはＭｏ金属とを含有する多層セラミック基板用導電組成物を用いることで、焼成後の電極近傍に欠陥を生じない多層セラミック基板の製造を可能としている。同様に、特許文献３記載の発明では、ビアホール導体をＡｇとＷとから構成することで、ビアホール導体とビアホールの内壁との間に隙間が生じないようにしている。
特開平１０−７５０６０号公報特開２００３−１３３７４５号公報特許第２７３２１７１号公報

しかしながら、本発明者らが検討を重ねたところ、前記各特許文献に掲載されるような内部導体を形成するための導電ペースト自体の収縮挙動の制御のみでは、必ずしも満足し得る結果が得られず、特に、前記無収縮焼成法により多層セラミックス基板を作製する場合等において、内部導体周囲に発生する欠陥を十分に抑えきれないことがわかった。また、例えば、特許文献２，３に記載されるようにＭｏやＷの添加により導電ペーストの収縮を抑えようとする場合、ある程度の添加量が必要となり、内部導体の電気抵抗を上昇する原因となることも懸念される。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、内部導体を有する多層セラミックス基板において、製造コストを上昇することなく内部導体周囲に生ずる欠陥を確実に解消可能とすることを目的とし、これにより信頼性の高い多層セラミックス基板を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明の多層セラミックス基板は、複数のガラスセラミックス層が積層されるとともに、内部導体を有する多層セラミックス基板であって、前記内部導体が導電材料としてＡｇを含有し、前記内部導体の少なくとも一部において、内部導体からの距離が１００μｍ以下の領域にのみセルシアン構造を有する結晶が析出していることを特徴とする。

内部導体を有する多層セラミックス基板の焼成に際しては、内部導体とガラスセラミックス層（ガラスセラミックスグリーンシート）の熱収縮の相違により欠陥が発生するものと考えられており、前記各従来技術においても、この内部導体とガラスセラミックス層の熱収縮の相違を解消することに主眼が置かれている。

これに対して、本発明では、内部導体の周囲に結晶を析出させることで、前記欠陥の発生を抑制するようにしている。前記結晶の析出により欠陥の発生が抑えられる理由について、その詳細なメカニズムは不明であるが、結晶の析出が内部導体周囲における熱収縮挙動の相違を解消する方向に働いているものと推測される。

本発明によれば、内部導体周囲に生ずる欠陥を確実に解消することが可能であり、信頼性の高い多層セラミックス基板を提供することが可能である。また、本発明においては、内部導体に添加物等を加える必要がないので、内部導体の電気抵抗が低い多層セラミックス基板を提供することができ、製造コストも削減可能である。

以下、本発明を適用した多層セラミックス基板について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の多層セラミックス基板１は、図１に示すように、複数層のガラスセラミックス層２（ここでは４層のガラスセラミックス層２ａ〜２ｄ）を積層し、これらガラスセラミックス層２ａ〜２ｄを貫通するビアホール導体３やガラスセラミックス層２ａ〜２ｄの両面に形成された表面導体４等の内部導体を設けてなるものである。

各ガラスセラミックス層２ａ〜２ｄは、所定のガラス組成を有する複合酸化物に例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等を加えたものを焼成することにより形成されるものである。ここで、ガラス組成を有する複合酸化物を構成する各酸化物としては、ＳｉＯ_２やＢ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＰｂＯ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ等を挙げることができ、これらを適宜組み合わせて用いればよい。多層セラミックス基板１を構成する各セラミックス層を前記ガラスセラミックス層とすることにより、低温での焼成が可能となる。

一方、内部導体のうちのビアホール導体３は、各ガラスセラミックス層２ａ〜２ｄに形成されたビアホールに導電ペーストの焼成により残存する導電材が充填形成された形で形成されており、このビアホール導体３によって各セラミックス層２ａ〜２ｄに形成された表面導体４間を電気的に接続したり、熱を伝導する等の機能を果たしている。ビアホール導体３の断面形状は、通常は概ね円形であるが、これに限らず、限られた形状スペース範囲において大きな断面積を得るために、例えば楕円形、長円形、正方形等、任意の形状とすることができる。

ここで、前記ビアホール導体３や表面導体４等の内部導体は、いずれも導体ペーストを焼成することにより形成されるが、通常は、導体ペーストに含まれる導電材料として例えば銀（Ａｇ）が用いられている。勿論、これに限らず、Ａｇと他の金属（例えばＰｄ等）との合金であってもよいし、他の金属を導電材料として用いてもよい。

前述の構成を有する多層セラミックス基板においては、内部導体と周囲のガラスセラミックス層との熱収縮挙動の相違により、空隙等の欠陥が生ずるという現象が発生する。そこで、本発明においては、この内部導体周囲のガラスセラミックス層２に結晶を析出させ、前記欠陥を抑制することとする。

図２は、内部導体（例えばビアホール導体３）近傍のガラスセラミックス層２における結晶析出の様子を模式的に示すものである。ガラスセラミックス層２は、ガラス成分中にアルミナ等のセラミックス成分が分散した形態を有するが、本発明の場合、さらに前記ビアホール導体３の周囲に結晶Ｃが析出した状態となっている。

前記結晶Ｃは、前記ガラスセラミックス層２を構成するガラス成分やセラミックス成分等が反応することにより形成されるものと推測され、例えばガラス成分としてＣａ−Ｂ−Ｓｉ系ガラスやＳｒ−Ｂ−Ｓｉ系ガラス、Ｂａ−Ｂ−Ｓｉ系ガラス等を用い、セラミックス成分としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等を用いた場合に、いわゆるセルシアン構造を有する結晶が析出する。

セルシアン構造を有する結晶は、例えばＳｒＡｌ _２Ｓｉ _２Ｏ _８、ＢａＡｌ _２Ｓｉ _２Ｏ _８等の組成を有し、顕微鏡で観察することにより、前記ガラス成分やセラミックス成分と明瞭に区別することができる。また、前記セルシアン構造を有する結晶は、Ｘ線回折においてピークが出現し、Ｘ線回折チャートを解析することにより、その存在を確認することもできる。

前記結晶Ｃは、あまり広範な領域に析出すると却って効果が損なわれる可能性があり、内部導体（例えばビアホール導体３）からの距離Ｌが概ね１００μｍ以下の領域での析出に止めることが好ましい。なお、前記結晶Ｃの析出は、前記範囲内のみに制約されるわけではなく、例えばガラスセラミックス層２の全体に分布していてもよい。この場合には、内部導体の周囲の領域での結晶Ｃの析出が他の部分よりも相対的に多ければよく、このような場合も、本発明で言うところの内部導体の周囲に結晶が析出している状態に相当するものとする。

前述のように内部導体周囲に結晶を析出させるためには、例えば焼成に際して、ガラスセラミックス層を構成するガラス成分の軟化点温度付近に所定時間維持すればよい。以下、前記多層セラミックス基板１の製造方法について説明する。

前述の多層セラミックス基板１を作製するには、先ず、図３（ａ）に示すように、焼成後に各ガラスセラミックス層となるガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄを用意する。ガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄは、前述の酸化物粉末（ガラス成分及びセラミックス成分）と有機ビヒクルとを混合して得られるスラリー状の誘電体ペーストを作り、これを例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シート等の支持体上にドクターブレード法等によって成膜することにより形成する。前記有機ビヒクルとしては、公知のものがいずれも使用可能である。

前記ガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄの形成後、所定の位置に貫通孔（ビアホール）を形成する。前ビアホールは、通常は円形の孔として形成され、ここに導体ペースト２２を充填することによりビアホール導体が形成される。さらに、各ガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄの表面に所定のパターンで導電ペーストを印刷し、表面導体パターン２３を形成する。

前記ビアホールに充填される導体ペースト２２や表面導体パターン２３の形成に用いられる導体ペーストは、例えばＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ｃｕ、Ｎｉ等の各種導電性金属や合金からなる導電材料と有機ビヒクルとを混練することにより調製されるものであるが、特にＡｇを用いた場合に前記欠陥の問題が顕著であるので、Ａｇを導電材料とする導体ペーストを採用した場合に、本発明の適用が有効である。

前記導体ペーストにおいて、有機ビヒクルは、バインダと溶剤を主たる成分とするものであり、導電材料との配合比等は任意であるが、通常はバインダ１〜１５質量％、溶剤が１０〜５０質量％となるように導電材料に対して配合される。導体ペーストには、必要に応じて各種分散剤や可塑剤等から選択される添加物が添加されていてもよい。

各ガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄに内部導体となる導体ペースト２２を充填し、表面導体パターン２３を形成した後、図３（ｂ）に示すように、これらを重ねて積層体とするが、このとき、積層体の両側（最外層）に、収縮抑制用グリーンシート２４を拘束層として配し、焼成を行う。

収縮抑制用グリーンシート２４には、前記ガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄの焼成温度では収縮しない材料、例えばトリジマイトやクリストバライト、さらには石英、溶融石英、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、炭化ケイ素等を含む組成物が用いられ、これら収縮抑制用グリーンシート２４間に積層体を挟み込み、焼成を行うことで、前記積層体の面内方向での収縮が抑えられる。

図３（ｂ）は、いわゆる積層体の仮スタックの状態であるが、次に、図３（ｃ）に示すようにプレスを行い、さらに図３（ｄ）に示すように焼成を行う。焼成に際しては、ガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄに含まれるガラス成分の軟化点近傍の温度に一定時間保持し、結晶の析出を促進する。その後、所定の温度まで昇温して焼成を行うが、焼成後には、前記ガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄはガラスセラミックス層２ａ〜２ｄとなり、前記ビアホール内の導体ペースト２３はビアホール導体３になる。同様に、表面導体パターン２４も表面導体４となる。

前記焼成において、各ガラスセラミックスグリーンシート２１ａ〜２１ｄは、焼成に伴い収縮しているが、最も外側のガラスセラミックスグリーンシート２１ａ，２１ｄでは前記収縮抑制用グリーンシート２４の拘束力が強く働き、ほとんど収縮していない。これに対して、積層方向の中央部分のガラスセラミックスグリーンシート２１ｂ，２１ｃは、前記収縮抑制用グリーンシート２４から離れているため、その拘束力が弱く、ある程度収縮する。したがって、内部導体の周囲、例えばビアホール導体３の周囲には空隙等の欠陥が発生し易くなるが、前記結晶を析出させているので、前記空隙等の欠陥の発生が確実に抑えられる。

焼成後には、図３（ｅ）に示すように、熱膨張の差により前記収縮抑制用グリーンシート２４は自然剥離され、本発明の多層セラミックス基板１が得られる。得られる多層セラミックス基板１においては、内部導体（ビアホール導体３や表面導体４）の周囲に欠陥が生ずることがなく、信頼性の高い多層セラミックス基板を実現することが可能である。

なお、前記拡散元素の拡散による欠陥防止効果は、前述の収縮抑制用グリーンシート２４を配して焼成を行う無収縮焼成とした場合に大きいが、これに限らず、収縮抑制用グリーンシートを用いない場合にも同様の効果を得ることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。

実施例１
ガラスセラミックスグリーンシートに貫通孔を形成し、ここにビアホール導体となる導体ペーストを充填して焼成を行った。ガラスセラミックスグリーンシートは、Ｓｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｏガラスをガラス成分とするとともに、Ａｌ_２Ｏ_３をセラミックス成分として含む誘電体シートであり、導電ペーストは、導電材料としてＡｇを含む導体ペーストを用いた。焼成は、α石英とトリジマイトを含む収縮抑制用グリーンシート（拘束層）を配し、無収縮焼成法により行った。

前記焼成に際して、ガラス成分の軟化点温度で１時間、５時間、及び１０時間保持し、セルシアン結晶を析出させた。図４は、内部導体近傍の透過型電子顕微鏡写真である。ガラスセラミックス層は、ガラスとＡｌ_２Ｏ_３結晶とから構成されているが、さらにセルシアン結晶（ＳｒＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）の析出が見られた。図５は、ガラスセラミックス層の内部導体と接した部分、及び内部導体から離れた部分のＸ線回折パターンである。内部導体から離れた部分では、Ａｌ_２Ｏ_３のピークしか見られなが、内部導体と接した部分では、セルシアン結晶のピークが明瞭に観察される。

また、前記軟化点温度での保持時間による結晶の析出状態の相違を調べたところ、保持時間によって結晶が析出する範囲が異なることがわかった。具体的には、保持時間１時間の場合には内部導体からの距離が２９μｍまでの範囲において結晶が析出しており、保持時間５時間の場合には前記距離が５０μｍまでの範囲、保持時間１０時間では前記距離が１０８μｍまでの範囲においてセルシアン結晶が析出していた。そして、保持時間１時間及び５時間の場合には、いずれも欠陥の発生は見られなかったが、保持時間１０時間では、欠陥が見られた。したがって、セルシアン結晶の析出範囲は、内部導体から１００μｍ以内とすることが好ましいことがわかった。

実施例２
ガラスセラミックスグリーンシートのガラス成分をＢａ−Ｂ−Ｓｉ−Ｏガラスに変え、他は実施例１と同様に焼成を行った。焼成に際して、ガラス成分の軟化点温度で１時間、５時間、及び１０時間保持し、セルシアン結晶（ＢａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）の析出の様子を調べたところ、保持時間１時間の場合には内部導体からの距離が４０μｍまでの範囲においてセルシアン結晶が析出しており、保持時間５時間の場合には前記距離が１０３μｍまでの範囲、保持時間１０時間では前記距離が１４５μｍまでの範囲においてセルシアン結晶が析出していた。保持時間１時間の場合には、欠陥の発生は見られなかったが、保持時間５時間及び１０時間の場合には、欠陥が見られた。

多層セラミックス基板の一例を示す概略断面図である。内部導体近傍に結晶が析出した状態を示す模式図である。多層セラミックス基板の製造プロセスを示す模式的な断面図であり、（ａ）はガラスセラミックスグリーンシート及び内部導体形成工程、（ｂ）は仮スタック工程、（ｃ）はプレス工程、（ｄ）は焼成工程、（ｅ）は収縮抑制用グリーンシート剥離工程を示す。ビアホール導体近傍の透過型電子顕微鏡写真である。ガラスセラミックス層の内部導体と接する部分及び内部導体から離れた部分のＸ線回折パターンである。

符号の説明

１多層セラミックス基板、２ａ〜２ｄガラスセラミックス層、３ビアホール導体、４表面導体、２１ａ〜２１ｄガラスセラミックスグリーンシート、２２導体ペースト、２３表面導体パターン、２４収縮抑制用グリーンシート

Claims

複数のガラスセラミックス層が積層されるとともに、内部導体を有する多層セラミックス基板であって、
前記内部導体が導電材料としてＡｇを含有し、
前記内部導体の少なくとも一部において、内部導体からの距離が１００μｍ以下の領域にのみセルシアン構造を有する結晶が析出していることを特徴とする多層セラミックス基板。
前記結晶は、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる１種以上とＳｉ、Ａｌ、Ｏを構成元素として含むことを特徴とする請求項１記載の多層セラミックス基板。
収縮抑制プロセスにより作製されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の多層セラミックス基板。