JP2011187855A - 多層セラミック基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビティとバリスタ機能層を有する多層セラミック基板のバリスタ特性の劣化を防止しつつ反りを抑制し電子部品の実装性を確保できる製造方法を提供する。
【解決手段】第１のセラミックグリーン層３２と、バリスタ機能層１４となるバリスタ機能グリーン層３４と、セラミック基板１１となるセラミック焼結体基板３１と、キャビティとなる第２のセラミックグリーン層３３と、を順次積層した積層体を焼成する工程において、第１のセラミックグリーン層３２の焼成収縮割合は第２のセラミックグリーン層３３の焼成収縮完了温度において０％〜４０％であり、第１のセラミックグリーン層３２の焼成収縮完了温度以上でバリスタ機能グリーン層３４を焼成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、キャビティとバリスタ機能層を有する多層セラミック基板の製造方法に関するものである。

半導体デバイスの一種である発光ダイオード素子は青色発光ダイオード素子等の開発に伴い、小型、高輝度で低消費電力の発光体としてディスプレイデバイスから家庭用照明まで幅広い普及が見込まれている。

従来、発光ダイオード素子を利用するために発光ダイオード素子を多層セラミック基板に実装した小型・薄型の発光ダイオードモジュールが用いられてきた。図３に示すように発光ダイオードモジュールは発光ダイオード素子５０の反射率を高め発熱による発光効率の低下を防止するため、多層セラミック基板として反射率・放熱性が比較的良いアルミナのセラミック基板５１を用い上面に集光に用いるキャビティ５２を設けていた。さらにセラミック基板５１にはサーマルビア（図示せず）を貫通させて放熱性をより向上させていることが行われている。

また、静電気放電等のサージ電圧に対し発光ダイオード素子５０の保護を図るために、セラミック基板５１の下面にはバリスタ機能層５５を設け発光ダイオード素子５０の給電ラインの接続ビア５３、５４間にバリスタ機能層５５を電気的に接続して静電気対策が行われている。この多層セラミック基板は、ガラスセラミック層５６となるガラスセラミックグリーン層、バリスタ機能層５５となるバリスタ機能グリーン層、セラミック基板５１となる焼結基板、キャビティ５２となるセラミックグリーン層を順次設けて焼成して形成されるものである。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１、特許文献２に示すものが知られている。

特開２００５−２０９７６３号公報 特開２００８−２７０３２５号公報

しかしながら、このような従来の多層セラミック基板は、焼成時間を短くし生産効率を高めるためにキャビティ５２としてガラスセラミック層５６と同じガラスセラミックの組成とすると、セラミック基板５１を薄層化したときに多層セラミック基板の各層の焼成収縮差により多層セラミック基板の反りが大きくなり発光ダイオード素子５０の実装性が悪化してしまう課題があった。また反りを抑制するためにガラスセラミック層５６となるガラスセラミックグリーン層を薄層にすると焼成時や高温高湿環境でバリスタ特性が劣化する課題があった。

本発明は、上記の従来の課題を解決するものであり、バリスタ特性の劣化を防止しつつ反りを抑制し電子部品の実装性に優れた薄型の多層セラミック基板の製造方法を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明は、電子部品の実装部を取り囲むキャビティを上面に設けた多層セラミック基板の製造方法であって、第１のセラミックグリーン層と、バリスタ機能グリーン層と、セラミック焼結体基板と、前記キャビティとなる第２のセラミックグリーン層と、を順次積層した積層体を焼成する工程を備え、前記焼成において、第１のセラミックグリーン層の焼成収縮割合は第２のセラミックグリーン層の焼成収縮完了温度において０％〜４０％であり、第１のセラミックグリーン層の焼成収縮完了温度以上でバリスタ機能グリーン層を焼成する多層セラミック基板の製造方法である。

以上のように本発明によれば、キャビティとバリスタ機能層を有する薄型の多層セラミック基板においてバリスタ特性の劣化を防止しつつ反りを抑制し電子部品の実装性を確保できる。

本発明の実施の形態における発光ダイオードモジュールの断面図 本発明の実施の形態における積層体の積層工程を示し多層セラミック基板となる積層体の要部斜視図 従来の発光ダイオードモジュールの断面図

（実施の形態）
本発明の実施の形態の多層セラミック基板について説明する。

本実施の形態の多層セラミック基板は、図１に示すように電子部品として発光ダイオード素子２８を実装した発光ダイオードモジュール用の多層セラミック基板である。多層セラミック基板はセラミック基板１１を有しセラミック基板１１の上面１８の中央に実装部２０が設けられている。セラミック基板１１は酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等を主成分とする絶縁性焼結体を基体とするもので四角・円形状等の平板に設けられている。

セラミック基板１１の厚みは多層セラミック基板を薄型化するために１５０μｍ〜５００μｍ以下が好ましい。

実装部２０にはセラミック基板１１の上面１８の表面に形成された１対の実装電極２１、２２が形成され、実装電極２１、２２は発光ダイオード素子２８の端子電極にバンプ等を介して接合され、発光ダイオード素子２８の端子電極の形状に対応して実装電極２１と実装電極２２とは互いに異なる面積に形成され実装電極２２の方が大きい面積に設けられている。

さらにセラミック基板１１の上面１８に実装部２０を取り囲むキャビティ２９が積層され、キャビティ２９は第２のセラミック層１３からなり平面視において発光ダイオード素子２８の外周より外側に設けられ発光ダイオード素子２８を収納する。またキャビティ２９の実装部２０を囲む側面はセラミック基板１１に対し垂直面又は上方に向かって広がる傾斜面に設けられる。またセラミック基板１１の上面１８における実装部２０には第２のセラミック層１３を形成していない。

多層セラミック基板の底面側にはセラミック基板１１の下面１９上に積層されたバリスタ機能層１４が設けられ、バリスタ機能層１４はバリスタ層１５と内部電極１６、１７とが交互に積層されバリスタ層１５の少なくとも一部が１対の内部電極間に挟まれているものである。一方の内部電極１７はセラミック基板１１の下面１９上に形成されている。

さらに多層セラミック基板はバリスタ機能層１４の下面に積層された第１のセラミック層１２を有し、この第１のセラミック層１２の一方の表面は露出し多層セラミック基板の底面とするものである。この第１のセラミック層１２は多層セラミック基板を実装する回路基板とバリスタ機能層１４とを電気的に絶縁するための絶縁保護層となる。

また多層セラミック基板の底面には第１のセラミック層１２の表面に形成された１対の端子電極２３、２４が設けられ、１対の端子電極２３、２４と１対の実装電極２１、２２は多層セラミック基板に厚み方向に埋め込まれた１対の接続ビア２５、２６を介して夫々電気的に接続され、接続ビア２５、２６はさらにバリスタ機能層１４の内部電極１６、１７と夫々電気的に接続されている。

サーマルビア２７は発熱部品である発光ダイオード素子２８の熱の放熱性を向上するためにセラミック基板１１を貫通して設けられている。サーマルビア２７の上方端部２７ａは実装された発光ダイオード素子２８の直下方に配設され実装電極２２に接合し、下方端部２７ｂは実装電極２２と電気的に接続した一方の内部電極１７に接続している。このようにサーマルビア２７の下方端部２７ｂを内部電極１７に接続し多層セラミック基板の底面に露出させないことにより放熱性と多層セラミック基板をマザーボード基板等に実装する際の実装性を確保することができる。

このように実装部２０はバリスタ機能層１４と第１のセラミック層１２とを設けた反対側に設けられているため、実装された発光ダイオード素子２８の熱は熱伝導の妨げなく熱伝導性の高いセラミック基板１１へ効率的に放散できる。

多層セラミック基板の製造方法は、図２に示すように第１のセラミック層１２となる第１のセラミックグリーン層３２と、バリスタ機能層１４となるバリスタ機能グリーン層３４と、セラミック基板１１となるセラミック焼結体基板３１と、キャビティ２９となる第２のセラミックグリーン層３３と、を順次積層し積層体を形成した後、積層体を焼成し一体化する工程を備えている。

積層体を形成する工程では、第２のセラミックグリーン層３３は多層セラミック基板のセラミック基板１１の上面１８の実装部２０の周囲を包囲するようにセラミック焼結体基板３１上に積層される。

積層体を焼結する工程では、所定の昇温速度で上昇後、最高温度の焼成温度で一定時間保持する。焼成温度は第１のセラミックグリーン層３２の焼成収縮完了温度以上でバリスタ機能グリーン層３４の焼成に適した温度に設けられる。

焼成する工程においては、セラミック焼結体基板３１本体は実質的に焼成されないため、セラミック焼結体基板３１に当接する第２のセラミックグリーン層３３はセラミック焼結体基板３１により焼成収縮が拘束される。

第１のセラミックグリーン層３２の焼成収縮割合は第２のセラミックグリーン層３３の焼成収縮完了温度において０％〜４０％であり、この焼成収縮割合とすることによりバリスタ特性の劣化を防止できるように設けた第１のセラミック層１２の厚みに対してセラミック基板１１を薄層化しても多層セラミック基板の反りを抑制し電子部品の実装性を確保できる。

第１のセラミックグリーン層３２の焼成収縮割合が４０％より大きい場合には、第１のセラミックグリーン層３２の収縮によりセラミック焼結体基板３１の上面と下面に作用する収縮応力のバランスが大きくなるため、多層セラミック基板の反り量が大きくなり多層セラミック基板に発光ダイオード素子等の電子部品の実装不良が著しく増加する。

第１のセラミックグリーン層３２の焼成収縮割合はより好ましくは０％〜５％であり、第１のセラミックグリーン層３２の収縮ばらつきの影響を小さくでき、キャビティ２９とバリスタ機能層１４を有する多層セラミック基板の実装不良の発生を防止できる。

このように第１のセラミックグリーン層３２、第２のセラミックグリーン層３３の焼成挙動を制御するために、第１のセラミック層１２、第２のセラミック層１３は比較的低温で焼成することができるガラスセラミック粉末を主成分として用いることが好ましい。

また第１のセラミックグリーン層３２の厚みは５μｍ〜５０μｍが好ましく、多層セラミック基板を薄型にできると共に、第１のセラミックグリーン層３２によって焼成の際にバリスタ層１５となるバリスタグリーン層３５のバリスタ材料の組成を安定化できバリスタ特性の劣化を防止でき、また焼成後、第１のセラミック層１２によって高温高湿環境におけるバリスタ特性の劣化を防止できる。

また焼成温度で保持する際には、バリスタ機能グリーン層３４はセラミック焼結体基板３１と焼成収縮が完了した第１のセラミックグリーン層３２とに挟まれることにより焼成収縮が拘束されるため、バリスタ機能グリーン層３４による積層体の反りが抑制される。

ここで所定温度における焼成収縮割合は単体のグリーンシートを昇温速度５℃／分で常温から焼成温度まで昇温させたときの厚み方向における焼成収縮量全体に対する焼成収縮量の比を示し、焼成収縮完了温度は焼成収縮割合が９９％以上の温度とする。

（実施例）
次に、本発明の実施例の多層セラミック基板の製造方法について図１、図２を用いて説明する。

まず、セラミック基板１１の基板本体となる厚み２８０μｍで純度９５％以上の酸化アルミニウムのセラミック焼結体基板３１を準備する。

続いてセラミック焼結体基板３１の下面１９を上にして下面１９上に厚み２０μｍのバリスタ機能グリーン層３４を形成する。バリスタ機能グリーン層３４は内部電極１６、１７となる導電体層３６、３７とバリスタグリーン層３５とをスクリーン印刷により交互に積層して作製する。一方の導電体層３７はセラミック基板１１の下面１９上に形成されるようにセラミック焼結体基板３１の表面に積層する。

また導電体層３６、３７はＡｇ／Ｐｄ粉体の金属ペーストを用いて矩形パターンに形成され、バリスタグリーン層３５は酸化亜鉛を主成分とし、酸化ビスマス、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化アンチモン等の副成分を酸化亜鉛に添加したバリスタ粉体を含有するペーストを用いて形成される。

さらにバリスタ機能グリーン層３４上に第１のセラミックグリーン層３２をスクリーン印刷により形成して、第１のセラミックグリーン層３２、バリスタ機能グリーン層３４、セラミック焼結体基板３１を順次積層した中間積層体を得る。

第１のセラミックグリーン層３２は、ガラスセラミック粉体を含有するセラミックペーストを用いて形成され、このガラスセラミック粉末は酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムを主成分とし、酸化バリウム、酸化カルシウムを副成分として添加したものである。第１のセラミックグリーン層３２はバリスタ特性の劣化が防止できるように厚みを３０μｍとした。

このとき中間積層体には、中間積層体を貫通するように直径１５０μｍの接続ビア３８、３９を形成し、セラミック焼結体基板３１を貫通するように直径２００μｍのサーマルビア４０を形成する。この接続ビア３８、３９とサーマルビア４０の形成はバリスタ機能グリーン層３４の焼成温度以下で焼成するＡｇ／Ｐｄペーストをスクリーン印刷等により充填して行う。

次に、上記の中間積層体の上面と底面にスクリーン印刷によりＡｇ／Ｐｄペーストを塗布し実装電極２１、２２及び端子電極２３、２４用の導電体層を形成する。

さらに、中間積層体のセラミック焼結体基板３１の上面に第２のセラミックグリーン層３３を積層し積層体を得る。この積層の際に第２のセラミックグリーン層３３が多層セラミック基板のセラミック基板１１の上面の実装部２０の周囲を包囲しセラミック基板１１の外周に沿って一定幅１００μｍとなるように第２のセラミックグリーン層３３をセラミック焼結体基板３１上に形成する。第２のセラミックグリーン層３３の厚みはキャビティとするため１５０μｍ〜５００μｍが望ましい。

この第２のセラミックグリーン層３３は、ガラスセラミック粉末に有機バインダー、有機溶剤を加えてセラミックペーストを作製し、このセラミックペーストを用いてスクリーン印刷によりセラミック焼結体基板３１に塗布、乾燥して形成される。第２のセラミックグリーン層３３のセラミックペーストのガラスセラミック粉末としては酸化ケイ素、酸化亜鉛を主成分としてアルカリ土類金属の酸化物を副成分として混合したものを用いる。

なお第１のセラミックグリーン層３２、バリスタグリーン層３５、第２のセラミックグリーン層３３はグリーンシート成形法等を用いて形成してもよい。

次に積層体を昇温させ大気中で８００℃〜１１００℃で焼成を行い、複数個の多層セラミック基板が格子状に設けられた多層セラミック基板集合体のセラミック焼結体を得る。

続いて多層セラミック基板集合体の実装電極２１、２２及び端子電極２３、２４用の導電体層にＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ等のめっきを施して実装電極２１、２２、端子電極２３、２４とした後、多層セラミック基板集合体を格子状に切断、分離して幅１．６ｍｍ×長さ０．８ｍｍのチップ状の多層セラミック基板を得る。

ここで、第２のセラミックグリーン層３３の焼成収縮完了温度において第１のセラミックグリーン層３２の焼成収縮割合を０％、５％、２０％、４０％、６０％、１００％とした多層セラミック基板の試料を作製し夫々試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６とした。

次に多層セラミック基板の反り量について各試料Ｎｏの試料３０個の平均値を算出した。また多層セラミック基板への発光ダイオード素子の実装不良率を評価した。

その結果を（表１）に示す。

（表１）に示すように第２のガラスセラミックが焼成収縮完了する温度において第１のガラスセラミックの焼成収縮割合が０％〜４０％の試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．４については発光ダイオード素子の実装不良率が１％以下となり実装性は良好であったが、焼成収縮割合が４０％を超えると実装不良率が著しく悪化した。特に焼成収縮割合が０％〜５％においては実装不良の発生がなかった。

なお単体の多層セラミック基板の代わりに多層セラミック基板集合体を用いて電子部品を実装する場合についても多層セラミック基板集合体の反りを抑制し実装性を確保できる。

本発明の多層セラミック基板はキャビティとバリスタ機能層を設けた基板のバリスタ特性の劣化を防止しつつ反りを抑制し電子部品の実装性を確保できる効果を有し、電子部品の静電気対策用の多層セラミック基板に有用である。

１１ セラミック基板
１２ 第１のセラミック層
１３ 第２のセラミック層
１４ バリスタ機能層
１５ バリスタ層
１６、１７ 内部電極
２０ 実装部
２５、２６ 接続ビア
２７ サーマルビア
２８ 発光ダイオード素子
２９ キャビティ
３１ セラミック焼結体基板
３２ 第１のセラミックグリーン層
３３ 第２のセラミックグリーン層
３４ バリスタ機能グリーン層
３５ バリスタグリーン層
３６、３７ 導電体層
３８、３９ 接続ビア
４０ サーマルビア

Claims (3)

1. 電子部品の実装部を取り囲むキャビティを上面に設けた多層セラミック基板の製造方法であって、第１のセラミックグリーン層と、バリスタ機能グリーン層と、セラミック焼結体基板と、前記キャビティとなる第２のセラミックグリーン層と、を順次積層した積層体を焼成する工程を備え、前記焼成において、第１のセラミックグリーン層の焼成収縮割合は第２のセラミックグリーン層の焼成収縮完了温度において０％〜４０％であり、第１のセラミックグリーン層の焼成収縮完了温度以上でバリスタ機能グリーン層を焼成する多層セラミック基板の製造方法。
2. 第１のセラミックグリーン層の前記焼成収縮割合は第２のセラミックグリーン層の焼成収縮完了温度において０％〜５％である請求項１に記載の多層セラミック基板の製造方法。
3. 第１のセラミックグリーン層および第２のセラミックグリーン層はガラスセラミック粉末を主成分として用いたものである請求項１又は請求項２に記載の多層セラミック基板の製造方法。

Images