JP2004172342A

JP2004172342A - セラミック積層基板の製造方法

Info

Publication number: JP2004172342A
Application number: JP2002336119A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kusaka; 和宏日下; Mitsuhiro Azumaguchi; 光博東口; Takeshi Fukuda; 毅福田; Hiroyuki Ito; 博之伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: JP4134693B2

Abstract

【課題】複雑な電極パターンを有するセラミック多層基板の変形を抑制することが可能なセラミック多層基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック粉末、ガラスを主成分として、可塑剤及び溶剤を添加して作製するグリーンシートに導体ペーストを用いて電極パターンを印刷する工程と、電極パターンを形成したグリーンシートを複数積層して板状の積層体とする工程と、積層体の主面の少なくとも一方に、セラミック粉末、ガラスを主成分とし溶剤、有機ビヒクルを混合した焼成後の空孔率が異なる複数の絶縁ペーストを印刷する工程と、絶縁ペーストを印刷した積層体を焼成する工程を有するセラミック積層基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は面実装タイプの高周波電子部品の製造方法に関し、特にそのセラミック積層基板の焼成時における変形抑止に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からプラスチックやセラミックスなどからなる回路基板の表面に、トランジスタ、ＦＥＴ、ダイオード、ＩＣ等の半導体素子や抵抗素子、コンデンサ素子、インダクタ素子などの電子部品を搭載した回路基板が知られている。この様な回路基板は、半導体素子や電子部品の機械的応力からの保護、電気的特性の向上、熱的な保護が要求される。最近になり、半導体素子の動作時発熱が大きくなって来ているが、この発熱は半導体素子自身及び、他の電子部品の動作に影響を及ぼすことから、前記発熱を効率的に放熱することが重要となっている。上述したような回路基板においては、放熱性、電気的特性、信頼性等をはじめとして総合的に優れたセラミックスが、回路基板材料として多用される。この様なセラミックスとして主にＡｌ_２Ｏ_３が用いられて来た。
一方、携帯電話などの移動体通信分野においては、用いられる回路部品を小型化する要求が強く、コンデンサ素子、インダクタ素子などをＬＴＣＣ（ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏ−ｆｉｒｅａｂｌｅｃｅｒａｍｉｃｓｕｓｅｄ）技術により回路基板に内蔵させたＬＣフィルタ等が広く用いられる様になってきている。
【０００３】
このような回路部品は、例えば１０００℃以下で焼結可能な低温焼結セラミックス材料を用いて、ドクターブレード等によりキャリアフィルムに塗こう形成（キャスティング）してセラミックスグリーンシートとし、所望形状に切断した前記シートに、コンデンサ素子やインダクタンス素子を構成する所望の回路パターン（電極パターン）をＡｇやＣｕなどの導体ペーストで形成し、さらに孔開け装置によりシートの上下を貫通するビアホールを形成し、次いで、各シートに形成したビアホールに前記電極パターンを形成した導体パターンと同じＡｇやＣｕなどの金属を主成分とする導体ペーストを印刷充填し、そして前記セラミックスグリーンシートを必要枚数重ね、積層、圧着し、その後、必要な寸法に切断し、セラミックスグリーンシートと導体ペーストとの同時焼成を行う事によって得られる。
最近、このようなＬＴＣＣ技術を前記回路基板に採用し、コンデンサ素子、インダクタ素子の一部を積層内蔵するとともにキャビティーを形成して、このキャビティーにベアチップ状態の半導体素子を実装する回路基板が提案されている。以下このようなＬＴＣＣ技術を用いて構成した回路基板をセラミック積層基板と呼ぶ。
【０００４】
近年、移動体通信機器の小型化、高性能化に対する要求が高まっており、前記セラミック積層基板も様々な回路機能が盛り込まれるように成ってきた。このような高周波電子部品として、例えば携帯電話の高周波回路部を構成するアンテナスイッチ、フィルタ、方向性結合器、高周波増幅器などを前記セラミック積層基板に複合一体化したものがある。このような高周波電子部品にあっては、アンテナスイッチ、フィルタ、方向性結合器、高周波増幅器などを構成する多数の電極パターンが基板内に構成されることになる。
【０００５】
このようなセラミック積層基板においては、基板内の電極パターンの構成が、基板変形に大きく影響することが知られている。そこで特に回路基板内に形成された電極パターンが積層方向でアンバランスな状態であっても基板に変形を生じさせない様に、積層基板を構成する主たるセラミック層（グリーンシートが焼結してなる層）の収縮率と異なるセラミック層をセラミック積層基板の主面に形成することで変形を抑制することが行われている（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３５４３７６号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多数の電極パターンが複雑にセラミック積層基板に構成される場合には、従来のように積層方向の電極パターンのアンバランスを考慮し、単に主たるセラミック層と異なる収縮率を有するセラミック層をセラミック積層基板に形成するだけでは、変形を抑制するには不十分な場合があった。
そこで本発明では、セラミック多層基板に占める電極パターンが複雑化しても、セラミック多層基板の変形を抑制することが可能なセラミック多層基板の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、セラミック粉末、ガラスを主成分として、可塑剤及び溶剤を添加して作製するグリーンシートに導体ペーストを用いて電極パターンを印刷する工程と、電極パターンが形成されたグリーンシートを複数積層して板状の積層体とする工程と、前記積層体の主面の少なくとも一方に、セラミック粉末、ガラスを主成分とし溶剤、有機ビヒクルを混合した焼成後の空孔率が異なる複数の絶縁ペーストを印刷する工程と、前記絶縁ペーストを印刷した積層体を焼成する工程を有するセラミック積層基板の製造方法である。
前記のようにセラミック積層基板の中に多くの回路を構成して複合化する場合には、積層基板内の電極パターン構成も複雑化する。一般的にセラミック層と電極パターンとの収縮特性は異なるものであり、例えば焼結の際に電極パターン部分が早く収縮を開始し、その後セラミック層が収縮するときには、電極部分が先に焼結を完了するので、セラミック層の均一な収縮を阻害し、積層基板内における電極パターンの構成がアンバランスな場合に著しい変形が生じる。そこで、本発明においては、一平面上に形成された電極パターンの占める割合と、積層方向（厚み方向）に占める電極パターンの割合を勘案し、前記積層基板内に占める電極パターンの疎密に対応する実際のセラミック積層基板の変形に応じて、収縮率の異なる複数の絶縁ペーストを印刷し、焼成後の空孔率が異なる絶縁層をセラミック積層基板の主面に構成することで変形量を適宜調整し、もって変形量の小さなセラミック積層基板を得るようにしている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係るセラミック積層基板の一例を斜視分解図として図１に示す。
このセラミック積層基板は高周波増幅器に用いられるものであって、キャビティー２０に半導体素子が収容され、前記半導体素子はキャビティー２０の周りに形成された接続端子２５（パッド）とワイヤーボンディグされ電気的に接続し、樹脂で封止される。
このセラミック積層基板１２は、焼成により多層一体化された複数のセラミックス層と、電極パターンを主構成とするものである。キャビティー２０の底面に形成され半導体素子を搭載する電極３６０、チップインダクタやチップコンデンサ、チップ抵抗などの電子部品を実装するための実装電極５５、前記電極３６０とサーマルビア３５０を介して接続する接地電極（図示せず）、セラミック層に形成されたコンデンサ素子やインダクタンス素子を構成する内部導体パターン３２０や、これらを接続する接続線路、ビアホール３４０が設けられている。
そして、セラミック積層基板１２の両主面には、前記端子電極が露出するが他の部分を実質的に全面覆う絶縁層１５が形成されている。この絶縁層１５は、セラミック積層基板１２を主として構成する誘電体粉末を樹脂（エチルセルロース）、可塑剤（ジメチルフタレート）、溶剤（ＢＣＡ、エタノール、ブタノール）とともに所定量混合してペースト化した絶縁ペーストを焼結してなるものである。そしてセラミック積層基板１２の実際の変形に応じて、適宜収縮率を異ならせた（焼結後の空孔率を異ならせた）複数の絶縁ペーストが用いられる。
本発明において、絶縁層１５の空孔率を異ならせる方法として、例えば絶縁ペーストに用いるセラミック粉末を、十分に結晶化した粉末と、通常の結晶化していない仮焼粉と所定の割合で混ぜたセラミック粉末としたり、仮焼温度を変えて結晶化の度合いを変えた粉末と、通常の結晶化していない仮焼粉とを混ぜたセラミック粉末としている。また、この絶縁層１５は色調を異なるものとすることも可能であり、その場合には例えば前記絶縁ペーストに、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属を含有する着色ガラス粉を０．５〜５重量％程度添加すれば良い。
【００１０】
以下セラミック積層基板の製造方法について、詳細に説明する。
まず、低温焼成可能なセラミック材料と適量の有機バインダや有機溶剤とを共に混合し、これをキャリアフィルム上にドクターブレート法によってキャスティングして、グリーンシートを成形した。前記キャリアフィルムは、例えばポリエステル、ポリエチレンテレフタレートで出来ており、熱的安定性、機械的強度にすぐれており、柔らかいセラミックグリーンシートを保持するのに適している。セラミックグリーンシートの厚さは、セラミック積層基板内にコンデンサ素子が形成される場合にはセラミック層厚さで２５μｍとし、他の層には１００〜１５０μｍのものを用いた。なお、セラミック層厚さは適宜設定されるものであり、前記厚さに限定されるものではないが、好ましくは１０〜１５０μｍの範囲で選択する。
【００１１】
低温焼成セラミック材料としては、例えば低誘電率（比誘電率５〜１０）のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｇｄ−Ｏ系誘電体材料、Ｍｇ_２ＳＯ_４からなる結晶相とＳｉ−Ｂａ−Ｌａ−Ｂ−Ｏ系からなるガラス等からなる誘電体材料、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｒ−Ｏ系誘電体材料、Ａｌ−Ｓｉ−Ｂａ−Ｏ系誘電体材料、高誘電率（比誘電率５０以上）のＢｉ−Ｃａ−Ｎｂ−Ｏ系誘電体材料等様々な材料が開発されている。セラミック積層基板には、これらの低温焼成セラミック材料を単独で使用する場合もあるし、インダクタンス素子、コンデンサ素子を構成するセラミック層に応じて低誘電率の材料、高誘電率の材料を選択的に用いる場合もある。
【００１２】
次に、キャスティングされたグリーンシートをキャリアフィルムごと切断し、その一部のセラミックグリーンシートにビアホールを形成した。ビアホールは、セラミックグリーンシート側からＣＯ_２レーザを照射して、その照射面側の孔径がセラミック層としたときに０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍとなる様に形成される。その断面形状は円筒又は略円錐形状となっている。前記ビアホールは、積層配置される回路素子間の接続とともに、キャビティー底部に形成される電極３６０と接続され、電気的な接続と放熱の為のサーマルビア３５０に用いられる。
【００１３】
次に、グリーンシートに形成されたビアホールに導体ペーストを埋込む。導体ペーストとしては銀，銅等が用いられ、メタルマスク又はメッシュマスクによるスクリーン印刷によってビアホール部に埋込まれる。
次に、セラミックグリーンシートの表面にインダクタンス素子やコンデンサ素子を構成する電極パターン３２０、インダクタンス素子やコンデンサ素子等を接続する接続電極を形成する。信号配線、及び電源配線の電極パターンを形成する導体ペースト材はビアホール部と同じものを用いても良いし、異なるものを用いても良い。なお、電極パターンの形成と前記ビアホールへの導体ペーストの充填を同時に行ってもよい。
【００１４】
以上の様にして、キャリアフィルムを付けたままのグリーンシートを作成した。そして、これを積層用金型に配置するが、前記金型の下側金型には吸着孔が形成されており、これにより最下層となるグリーンシートをキャリアフィルムが付いたまま、かつキャリアフィルムを積層治具側として吸着固定する。
そして、キャリアフィルムを付けたままグリーンシートを、グリーンシートが相対向するようにして積層し、熱圧着させ、キャリアフィルムをとり除く。これを数次繰り返し仮圧着体とし、さらにサーマルビア３５０を覆うように電極３６０を印刷形成した。この電極３６０が形成された面の反対面に端子電極を構成する下地層を形成した。この仮圧着体を金型に配置して本圧着して第１の積層圧着体とした。
【００１５】
第１の積層圧着体と同様の製造方法を用いて、表面に半導体素子のランド２５、電子部品の実装電極５５を成形し、次いで、金型で打ち抜いてキャビティー部を形成して第２の積層圧着体を構成した。その後、第１の積層圧着体と第２の積層圧着体を金型に配置して、５０℃、１４０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で圧着して一体化し、セラミックグリーンシート積層体を形成した。さらに、セラミックグリーンシートに用いたものとほぼ同じ低温焼成セラミック材料粉末をペースト化した絶縁ペーストを用いて、絶縁層１５を印刷形成するとともに、セラミックグリーンシート積層体の他の主面に焼結後異なる空孔率となる複数の絶縁ペーストを用いて絶縁層を印刷形成した。
【００１６】
この空孔率の異なる絶縁層は以下の様に構成した。
まず、セラミック積層基板の主たるセラミック層を構成するＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｔｉの酸化物を混合し、８００℃で仮焼し、粉砕したセラミック粉末を準備した。このセラミック粉末は９００℃で焼成可能であり、焼成後アルミナと長石族鉱物結晶の混晶状態となる。また、仮焼後の状態は、アルミナとアルミナ以外の成分がガラス化したものが混在する状態になっている。ここで準備したセラミック粉末を通常仮焼粉と呼ぶことにする。
【００１７】
そして、前記通常仮焼粉と同組成の材料を９００℃で仮焼し、粉砕した仮焼粉（高温仮焼粉と呼ぶこととする）を準備した。この高温仮焼粉は積層化後の焼成温度と同じ温度処理されており、十分に結晶化された材料である。これに前記通常仮焼粉を表１に示すように混合して絶縁ペーストを構成するセラミック粉末とした。これらのセラミック粉末をφ１４の円柱状に圧縮成形した後、９００℃で焼成して試験片を得て、この試験片から材料特性を評価した結果も表１にあわせて示す。表１中の収縮比率とは、通常仮焼粉の焼成収縮率を１００％としたときの焼成収縮率の比率である。表１に示すように、通常仮焼粉と高温仮焼粉の混合比を変えることにより、密度・焼成収縮率、および空孔率を適当な値に設定できる。
【００１８】
【表１】

【００１９】
このセラミックグリーンシート積層体に分割溝を鋼刃で刻設形成した後、セッタ等の焼成治具上に配置して大気中９００℃で焼成した。なお導体ペーストとしてＣｕを用いる場合には、所定のガス雰囲気中（還元雰囲気）で焼成する。そしてＮｉめっき、Ａｕめっきの電界又は無電界めっき処理を行い、セラミック積層基板を複数備えた集合基板１とし（図２）、しかる後、前記分割溝に添って個片に分割して本発明のセラミック積層基板１２とした。
【００２０】
【実施例】
セラミック積層基板の構成する低温焼成セラミック材料として、重量％でＡｌ_２Ｏ_３：４９、ＳｉＯ_２：３４、ＳｒＯ：８．２、ＴｉＯ_２：３、Ｂｉ_２Ｏ_３：２．５、Ｎａ_２Ｏ：２、Ｋ_２Ｏ：０．５、ＣｕＯ：０．３、Ｍｎ_３Ｏ_４：０．５に換算される誘電体材料を使用した。
前記、組成の材料を作製するため、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、Ｍｎ_３Ｏ_４およびＳｒＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３の原料粉を秤量し、純水と一緒に、ボールミルで混合し、混合スラリーを得た。前記スラリーにＰＶＡをスラリー重量に対して１ｗｔ％添加した後、スプレードライヤーにて乾燥し、平均粒径が約０．１ｍｍの顆粒状の乾燥粉を得た。前記顆粒粉を、連続炉にて最高温度８００℃にて仮焼し、目的とする組成である仮焼粉を得た。
次に、仮焼粉を、エタノール中に分散させてボールミルで平均粒径１．２μｍまで粉砕し、更に、シート成形用のバインダーであるＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を仮焼粉重量に対して１２ｗｔ％、および可塑剤であるＢＰＢＧ（ブチルフタリルブチルグリコレート）７．５ｗｔ％を添加し、同一のボールミルにて、溶解・分散を行い、シート成形用のスラリーを得た。前期スラリーを減圧下で、脱泡および一部の溶剤の蒸発を行い、約１００００ｍＰａ・ｓの粘度になるように調整した。粘度調整後、ドクターブレードにて、シート成形を行い、乾燥後約１００μｍの厚さのセラミックグリーンシートを得た。後工程のハンドリングのため、所定の大きさに裁断した。
【００２１】
以下の製造工程は、発明の実施の形態の欄に開示した製造工程と実質的に同じとしているので、その説明を省く。そして、焼結後に無電解めっきにてニッケルめっきおよび金めっきを行い、絶縁層を形成しないセラミック積層基板とした。
【００２２】
このセラミック積層基板のキャビティー側主面の変形量をレーザ式の３次元測定器で測定した。その結果を図３に示すが、変形状態は下に凸となり変形量が約１９０μｍと著しく大きなものであった。
次に、キャビティー側の主面に絶縁層を形成した以外は前記セラミック積層基板と実質的に同一な絶縁層つきのセラミック積層基板を準備した。前記絶縁層は、前記したセラミック粉Ｂ、Ｃに溶剤、有機ビヒクル等を混合してペースト状にしたものを用いている。
図４は一面上にセラミック粉Ｃを用いた絶縁ペーストで絶縁層１５ｃを形成したセラミック積層基板の変形状態である。この場合においては、絶縁層１５ｃを設けないセラミック積層基板と逆の上に凸となる変形状態を示し、その変形量も約２３０μｍと著しく大きなものであった。また図５は一面上にセラミック粉Ｂを用いた絶縁ペーストで絶縁層１５ｂを形成したセラミック積層基板の変形状態である。この場合においては、変形量は約１００μｍと改善されているものの実用的な変形量ではない。そして、その変形状態は波状であった。
【００２３】
本発明者等は、セラミック粉Ｂを用いた絶縁ペーストで絶縁層を形成したセラミック積層基板の変形状態をもとに、変形状態が上に凸となる部分（Ａ部）には空孔率がより小さいセラミック粉Ａを絶縁ペーストで絶縁層１５ａを形成し、変形状態が下に凸となる部分（Ｂ部）には空孔率がより大きなセラミック粉Ｃを絶縁ペーストで絶縁層１５ｃを形成してセラミック積層基板とした。その結果、セラミック積層基板の変形量は約３０μｍとなり著しく改善され、変形状態も平坦化することが出来た。
【００２４】
本実施例においては、セラミック積層基板の一主面上にのみ絶縁層を形成したが、変形に応じてもう一方の主面に絶縁層を形成しても良い。また絶縁ペーストの選定は、実際の変形に応じて適宜なされるものであり、本実施例に限定されないことは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミック多層基板に占める電極パターンが複雑化しても、セラミック多層基板の変形を抑制することが可能なセラミック多層基板の製造方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るセラミック積層基板の分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施例に係るセラミック積層基板を備え集合基板の斜視図である。
【図３】従来の製造方法によるセラミック積層基板の変形状態及び変形量を示す図である。
【図４】従来の製造方法による他のセラミック積層基板の変形状態及び変形量を示す図である。
【図５】従来の製造方法による他のセラミック積層基板の変形状態及び変形量を示す図である。
【図６】本発明に係る製造方法によるセラミック積層基板の変形状態及び変形量を示す図である。
【符号の説明】
１２セラミック積層基板
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ絶縁層
２０キャビティー
２５接続端子（パッド）
５５実装電極
３２０内部導体パターン
３４０ビアホール
３５０サーマルビア
３６０電極

Claims

セラミック粉末、ガラスを主成分として、可塑剤及び溶剤を添加して作製するグリーンシートに導体ペーストを用いて電極パターンを印刷する工程と、電極パターンが形成されたグリーンシートを複数積層して板状の積層体とする工程と、前記積層体の主面の少なくとも一方に、セラミック粉末、ガラスを主成分とし溶剤、有機ビヒクルを混合した焼成後の空孔率が異なる複数の絶縁ペーストを印刷する工程と、前記絶縁ペーストを印刷した積層体を焼成する工程を有することを特徴とするセラミック積層基板の製造方法。