JP3909195B2 - ガラスセラミック基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体LSI、チップ部品等を搭載し、それらを相互配線するための多層ガラスセラミック基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体LSI、チップ部品等は小型化、軽量化が進んでおり、これらを実装する配線基板も小型化、軽量化が望まれている。このような要求に対して、基板内に内部電極等を配した多層セラミック基板は、要求される高密度配線が可能となり、かつ薄型化が可能なことから、今日のエレクトロニクス業界において重要視されている。
【0003】
多層セラミック基板としては、アルミナ質焼結体からなり、表面または内部にタングステン(W)、モリブデン(Mo)等の高融点金属からなる配線層が形成された絶縁基板が従来より広く用いられている。
【0004】
一方、近年の高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波帯に移行しつつある。このような高周波の信号の伝送を行なう高周波配線基板においては、高周波信号を高速で伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が小さいことが要求され、絶縁基板にもより低い誘電率が要求される。
【0005】
しかし、従来のタングステン、モリブデン等の高融点金属は導体抵抗が大きく、信号の伝播速度が遅く、また30GHz以上の高周波領域の信号伝播も困難であることから、タングステン、モリブデン等の金属に代えて銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)等の低抵抗金属を使用することが必要である。ところが、上記のような低抵抗金属は融点が低いため、800〜1100℃程度の低温で焼成することが必要であることから、低抵抗金属からなる配線層は、高温焼成が必要なアルミナと同時焼成することができなかった。また、アルミナ基板は誘電率が高いため、高周波回路基板としては不適切である。
【0006】
このため、最近では、ガラスとセラミックス(無機質フィラー)との混合物を焼成して得られるガラスセラミックスを絶縁基板として用いることが注目されている。すなわち、ガラスセラミックスは誘電率が低いため高周波用絶縁基板として好適であり、またガラスセラミックスは800〜1100℃の低温で焼成することができることから、銅、銀、金等の低抵抗金属を配線層として使用できるという利点がある。
【0007】
多層ガラスセラミック基板は、ガラスとフィラーとの混合物に有機バインダー、可塑剤、溶剤等を加えてスラリーとし、ドクターブレード等によりガラスセラミック・グリーンシートを成形した後、銅、銀、金等の低抵抗金属の粉末を含有する導体ペーストを印刷するなどして前記グリーンシート上に導体パターンを形成し、ついで複数枚のグリーンシートを積層して800〜1100℃の温度で焼成して得られる。
【0008】
ところが、多層ガラスセラミック基板は、焼成過程において焼結に伴う収縮を生じるという問題がある。このような収縮の程度は一様ではなく、使用する基板用無機材料、グリーンシート組成、原料である粉体粒度のバラツキ、導体パターン、内部電極材料等により収縮率や収縮方向が異なってくる。このことは、多層ガラスセラミック基板の作製において、いくつかの問題をひき起こす。
【0009】
先ず、内部電極印刷用のスクリーン版を作製する際、基板の収縮率から逆算してスクリーン版の大きさを決定しなければならないが、上記のように基板の収縮率や収縮方向は一定でないため、スクリーン版は基板の製造ロット毎に作り直さなければならず不経済であり現実的ではない。さらに、上記のようなグリーンシート積層法によって作製される多層ガラスセラミック基板では、グリーンシートの造膜方向によって積層面内の縦方向と横方向の収縮率が異なるため、多層ガラスセラミック基板の作製がより一層困難なものになる。
【0010】
これに対して、収縮誤差を許容するように必要以上に大きい面積の電極を形成する場合には、高密度な配線ができなくなる。
【0011】
これらの収縮変化を小さくするためには、回路設計による基板の収縮率の傾向を調べたり、製造工程において基板材料およびグリーンシート組成の管理、粉体粒度のバラツキ、プレス圧や温度等の積層条件を充分管理する必要がある。しかし、それでも一般に収縮率の誤差として±0.5%程度はどうしても発生するといわれている。
【0012】
このことは多層ガラスセラミック基板にかかわらずセラミックスやガラスセラミックス等の焼結に伴うものに共通する課題である。このような課題を解決するために、特開平4−293978号公報、特開平5−28867号公報、特開平5−102666号公報では、以下の(1)〜(4)の工程を含む基板の製造方法が提案されている。
【0013】
(1)ガラスセラミック成分とバインダー、可塑剤等の有機成分とを含むガラスセラミック・グリーンシートに導体パターンを形成したものを所望枚数積層し、
(2)得られたガラスセラミック・グリーンシートの積層体の両面または片面に、ガラスセラミック成分の焼成温度では焼結しない無機材料とバインダー、可塑剤等の有機成分とを含む拘束グリーンシートを積層し、
(3)これらガラスセラミック・グリーンシートの積層体と拘束グリーンシートとの積層体を加熱して、まず有機成分を除去し、ついで焼成して、それぞれガラスセラミック基板および拘束シートとなし、
(4)最後に、ガラスセラミック基板から拘束シートを除去する。
【0014】
この方法によれば、拘束グリーンシートがガラスセラミック・グリーンシートの焼成時の収縮を拘束するため、積層体の厚さ方向のみに収縮が起こり、積層面の縦・横方向には収縮が起こらなくなり、ガラスセラミック基板の寸法精度が向上すると考えられている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法では、ガラスセラミック・グリーンシートと拘束グリーンシートとの結合は、それらのグリーンシート内に含有されているバインダー等の有機成分により行なわれる。しかし、(3)の焼成工程において、バインダー、可塑剤等の有機成分が分解し揮散した後は、拘束グリーンシート中の粉体とガラスセラミック・グリーンシート中の粉体とが単に密着して接触しているだけであり、それらのシート間にはファンデルワールス力による弱い結合が働いているだけである。
【0016】
このような弱い結合は、(4)の工程における拘束シートの除去が簡単になるという利点があるものの、(3)の焼成工程でガラスセラミック・グリーンシート積層体から拘束グリーンシートがそれらの熱膨張差等により不用意に剥離するおそれがある。
【0017】
焼成途中で拘束グリーンシートが剥離すると、ガラスセラミック・グリーンシートの焼結収縮を防止できなくなる。また、拘束グリーンシートの剥離がたとえ一部であっても、当該部分において収縮が起こるためガラスセラミック基板の変形が発生することになる。
【0018】
また、ガラスセラミック・グリーンシート積層体と拘束グリーンシートとは結合力が小さいため、焼成前のそれらの密着状態や、ガラスセラミック成分の種類によるガラスセラミック・グリーンシート中のガラス成分の拘束グリーンシート内への浸透性によってはそれらの結合力にムラが生じやすい。結合力にムラがあると、ガラスセラミックの焼結収縮を拘束する力にムラができ、収縮ムラが起こり、ガラスセラミック基板の反り、変形等が発生することになる。その結果、寸法精度の高いガラスセラミック基板が得られないという問題がある。
【0019】
ガラスセラミック・グリーンシート積層体の収縮が拘束された場合においても反りが発生する場合がある。通常の拘束しない焼成の場合は焼成中にガラスセラミック基板中のガラスが軟化する際にガラスセラミック基板の自重によって下に敷かれた敷板の表面形状に沿い、その形状を保って焼結する。この時の敷板に反りや凹凸のないものを用いれば、ガラスセラミック基板の反りや凹凸の発生を防止できる。これに対して拘束グリーンシートにより収縮を拘束した場合は、平面方向の収縮は拘束されるが、同時にガラスセラミック基板自重による敷板の表面形状への追従も阻害されるためであると考えられる。
【0020】
本発明の目的は、ガラスセラミック・グリーンシートの積層面内での焼結収縮を確実に拘束して、寸法精度の高い、また反りや凹凸のないガラスセラミック基板を得る方法を提供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、(I)拘束グリーンシート内にガラス成分を含有させておくと、ガラス成分が焼成過程でガラスセラミック・グリーンシートと拘束グリーンシートとを結合する結合材として作用するため、それらの間の結合力が高まり、拘束グリーンシートが剥離するのを防止できること、(II)焼成時における拘束グリーンシート自体の焼結収縮はガラスの含有量を所定範囲内に設定することにより実質的に回避できること、(III)ガラスセラミック・グリーンシートと拘束グリーンシートとの積層体に反りや凹凸のない拘束板を積層して密着させることによりさらに精度よく反りを抑えられること、その結果、(IV)拘束グリーンシートによりガラスセラミック・グリーンシート積層体の収縮が確実に抑えられ、密着された拘束板により反りや凹凸が抑えられたより寸法精度の高いガラスセラミック基板を得ることができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに到った。
【0022】
すなわち、本発明のガラスセラミック基板の製造方法は、(i)有機バインダーを含有し表面に導体パターンが形成されたガラスセラミック・グリーンシートの複数枚を積層してガラスセラミック・グリーンシート積層体を作製する工程と、(ii)このガラスセラミック・グリーンシート積層体の両面に、Al2O3とガラスと有機バインダーとを含む拘束グリーンシートを積層する工程と、(iii)前記拘束グリーンシートとガラスセラミック・グリーンシート積層体との積層体の少なくとも一方の面に無機材料を焼結してなる拘束板を熱圧着により積層する工程と、(iv)前記ガラスセラミック・グリーンシート積層体と拘束グリーンシートと拘束板の積層体から有機成分を除去し、ついで焼成して拘束シートおよび拘束板を保持したガラスセラミック基板を作製する工程と、(v)前記ガラスセラミック基板から拘束板および拘束シートを除去する工程とを含み、(vi)前記拘束グリーンシートのガラス含有量が、前記焼成時に拘束グリーンシートを前記ガラスセラミック・グリーンシートと結合させるとともに前記拘束板と密着させかつ拘束グリーンシートをその積層面内で実質的に収縮させない量であり、前記拘束グリーンシート中に含有されるガラスの軟化点が、前記ガラスセラミック・グリーンシート積層体の焼成温度以下であって、これにより前記拘束シートを、焼成後に前記ガラスセラミック基板に剥がれることなく付着させることを特徴とする。
【0023】
ここで、「実質的に収縮させない」とは、拘束グリーンシートの収縮が1%以下、好ましくは0.8%以下、より好ましくは0.5%以下に抑制されていることを意味する。また、前記「積層面内」とは、三次元座標において厚さ方向をZ方向としたときのX方向およびY方向によって規定される面内をいい、具体的にはシートの縦方向および横方向によって規定される面内を意味する。
【0024】
本発明において、前記拘束グリーンシート中に含有されるガラスの軟化点は、前記ガラスセラミック・グリーンシート積層体の焼成温度以下であるのがよい。これにより、焼成工程で拘束グリーンシート中のガラスが軟化し、結合力が高まる。
【0025】
また、前記拘束グリーンシート中に含有されるガラスの軟化点は、前記有機成分の揮発温度よりも高いのがよい。前記ガラスの軟化点が有機成分の揮発温度よりも低い場合には、分解・揮発した有機成分が通過するための除去経路が軟化したガラスによって閉塞されてしまうおそれがある。
【0026】
前記拘束グリーンシート中のガラス含有量は、該拘束グリーンシート中の全無機成分の0.5〜15重量%であるのがよい。この範囲が焼成時に前記ガラスセラミック・グリーンシートと結合するとともに拘束板と密着し、かつ拘束グリーンシートをその積層面内で実質的に収縮させない量となる。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明のガラスセラミック基板の製造方法について以下に詳細に説明する。
【0028】
本発明におけるガラスセラミック・グリーンシートは、ガラス粉末、フィラー粉末(セラミック粉末)、さらに有機バインダー、可塑剤、有機溶剤等を混合したものが用いられる。
【0029】
ガラス成分としては、例えばSiO2−B2O3系、SiO2−B2O3−Al2O3系、SiO2−B2O3−Al2O3−MO系(但し、MはCa、Sr、Mg、BaまたはZnを示す)、SiO2−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は同一または異なってCa、Sr、Mg、BaまたはZnを示す)、SiO2−B2O3−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は前記と同じである)、SiO2−B2O3−M3 2O系(但し、M3はLi、NaまたはKを示す)、SiO2−B2O3−Al2O3−M3 2O系(但し、M3は前記と同じである)、Pb系ガラス、Bi系ガラス等が挙げられる。
【0030】
また、フィラーとしては、例えばAl2O3、SiO2、ZrO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、TiO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Al2O3およびSiO2から選ばれる少なくとも1種を含む複合酸化物(例えばスピネル、ムライト、コージェライト)等が挙げられる。
【0031】
上記ガラスとフィラーの混合割合は通常のガラスセラミック基板材料に用いられる割合であり、重量比で40:60〜99:1であるのが好ましい。
【0032】
ガラスセラミック・グリーンシートに配合される有機バインダーとしては、従来からセラミック・グリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系(アクリル酸、メタクリル酸またはそれらのエステルの単独重合体または共重合体、具体的にはアクリル酸エステル共重合体、メタクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等)、ポリビニルブチラ−ル系、ポリビニルアルコール系、アクリル−スチレン系、ポリプロピレンカーボネート系、セルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられる。
【0033】
ガラスセラミック・グリーンシートは、上記ガラス粉末、フィラー粉末、有機バインダーに必要に応じて所定量の可塑剤、溶剤(有機溶剤、水等)を加えてスラリーを得、これをドクターブレード、圧延、カレンダーロール、金型プレス等により厚さ約50〜500μmに成形することによって得られる。
【0034】
ガラスセラミック・グリーンシート表面に導体パターンを形成するには、例えば導体材料粉末をペースト化したものをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷するか、あるいは所定パターン形状の金属箔を転写する等の方法が挙げられる。導体材料としては、例えばAu、Ag、Cu、Pd(パラジウム)、Pt(白金)等の1種または2種以上が挙げられ、2種以上の場合は混合、合金、コーティング等のいずれの形態であってもよい。
【0035】
なお、表面の導体パターンには、上下の層間の導体パターン同士を接続するためのビアホール導体やスルーホール導体等の貫通導体が表面に露出した部分も含まれる。これら貫通導体は、パンチング加工等によりガラスセラミック・グリーンシートに形成した貫通孔に、導体材料粉末をペースト化したもの(導体ペースト)を印刷により埋め込む等の手段によって形成される。
【0036】
ガラスセラミック・グリーンシートの積層には、積み重ねたグリーンシートに熱と圧力を加えて熱圧着する方法、有機バインダー、可塑剤、溶剤等からなる接着剤をシート間に塗布して熱圧着する方法等が採用可能である。
【0037】
本発明における拘束グリーンシートは、Al 2 O 3 とガラスとからなる無機成分に有機バインダー、可塑剤、溶剤等を加えたスラリーを成形して得られる。
【0038】
拘束グリーンシートに加えられるガラスについても、特に制限されるものではなく、上記のガラスセラミック・グリーンシートに配合されるガラスと同様のものが使用可能である。また、拘束グリーンシート中のガラスは、ガラスセラミック・グリーンシート中のガラスと同一組成のものであってもよく、異なる組成のものであってもよい。
【0039】
拘束グリーンシート中のガラスの軟化点は、ガラスセラミック・グリーンシート積層体の焼成温度以下で、かつ拘束グリーンシート中の有機成分の分解・揮発温度よりも高いのが好ましい。具体的には、拘束グリーンシート中のガラスの軟化点は450〜1100℃程度であるのが好ましい。ガラスの軟化点が450℃未満の場合には、ガラスセラミック・グリーンシートからの有機成分の除去時に、軟化したガラスが分解・揮発した有機成分の除去経路を塞ぐことになり有機成分を完全に除去できないおそれがある。一方、ガラスの軟化点が1100℃を超える場合には、通常のガラスセラミック・グリーンシートの焼成条件ではグリーンシートへの結合材として作用しなくなるおそれがある。
【0040】
拘束グリーンシートは、ガラスセラミック・グリーンシートの作製と同様にして、有機バインダー、可塑剤、溶剤等を用いて成形することによって得られる。有機バインダー、可塑剤および溶剤としては、ガラスセラミック・グリーンシートで使用したのと同様な材料が使用可能である。ここで、可塑剤を添加するのは、拘束グリーンシートに可撓性を付与し、積層時にガラスセラミック・グリーンシートとの密着性を高めるためである。
【0041】
ガラスセラミック・グリーンシートの両面に積層される拘束グリーンシートの厚さは、片面だけでガラスセラミック・グリーンシート積層体の厚さに対して10%以上であるのが好ましく、これよりも薄いと拘束グリーンシートの拘束性が低下するおそれがある。また、有機成分の揮散を容易にしかつガラスセラミック基板からの拘束シートの除去を考慮すると、拘束グリーンシートの厚さはガラスセラミック・グリーンシート積層体の厚さの約200%以下であるのがよい。また、積層される拘束シートは1枚のものであってもよく、あるいは所定の厚みになるように複数枚を積層したものであってもよい。
【0042】
成形された拘束グリーンシートをガラスセラミック・グリーンシートの両面に積層するには、積み重ねたグリーンシートに熱と圧力を加えて熱圧着する方法、有機バインダー、可塑剤、溶剤等からなる接着剤をシート間に塗布して熱圧着する方法等が採用可能である。シート間に接着剤層を介在させる場合には、接着剤層に拘束グリーンシートと同じガラス成分を含有させてシート間の結合力を高めるようにしてもよい。
【0043】
拘束板は、拘束グリーンシートとガラスセラミック・グリーンシート積層体との積層体に積層させる側の表面の反りおよび凹凸が、ガラスセラミック基板に要求される反りおよび凹凸の大きさ以下であることが好ましい。具体的には拘束板の反りは拘束板長さ寸法の0.3%以下であるものがよい。拘束板の大きさはガラスセラミック・グリーンシート積層体に積層された拘束グリーンシートの全面が密着されるような大きさであることが好ましく、拘束グリーンシートとほぼ同じ大きさかそれ以上の大きさの板状のものが好ましい。拘束板の厚みはその材質等によるが、焼成時に変形して反りが大きくならないような厚みを選択すればよい。
【0044】
拘束板の材質としては、ガラスセラミック基板の焼成中に変形・溶融等して反り、凹凸が大きくなったり、分解した有機成分の揮散を妨げたりすることがないような耐熱性のものが適している。具体的にはセラミックス等の耐火物、あるいは高融点の金属等が挙げられる。
拘束板は分解した有機成分の揮散を妨げることがないようにする観点からは積層体の下面に積層するとよいが、積層体の上面または両面に積層することにより、拘束板に重しの働きをさせて反りの抑制をより効果的に行なうこともできる。
【0045】
拘束板を積層体の上面または両面に積層して密着させる場合は、少なくとも積層体の表面に当接する部分が多孔質となっている多孔質体を使用するのがよい。これは、緻密体のものを用いると、この拘束板が当接した積層体の上面に、積層体から分解・揮発した有機成分が通過するための除去経路が充分確保できなくなる場合があるからである。また、このような場合、有機成分特に炭素成分がガラスセラミック基板中に残存し、基板の色調が黒ずんだり、ガラスセラミックの特性が劣化したり、ひどい場合には焼結を阻害してガラスセラミック基板が緻密体とならないこともあるからである。また、拘束板を積層体の下面に積層する場合においても多孔質体を使用することが有効であることは言うまでもない。
【0046】
拘束板に使用する多孔質体としては、例えば多数の気泡を有する軽石状のものや繊維状アルミナ質等の焼結体からなる通気性多孔質体などの細孔が均一に分布した構造のもの、また空孔率が約30%〜80%のハニカム構造状、メッシュ状のものを用いるとよい。ハニカム構造状、メッシュ状のものの空孔率は、30%未満では積層体から分解・揮発した有機成分が通過するための除去経路が充分確保できない恐れがあり、80%を超えると積層体が密着する面積が小さくなるため拘束板が剥がれて反りの抑制ができなくなる可能性がある。
【0047】
なお、拘束板に多孔質体としてハニカム板等を用い、その穴開きの面が当接する場合では、穴部を除いた部分からなる面が所定の反りより小さい反りであることが必要である。
【0048】
ガラスセラミック・グリーンシート積層体と拘束グリーンシートとの積層体に拘束板を積層する方法としては、まず、拘束板または積層体表面に拘束グリーンシート作製のために用いたスラリーをスクリーン印刷法によって印刷し、接合層を形成しておき、この接合層中の有機溶剤分を完全に乾燥させない状態で、積層体を密着し、熱圧着により積層するとよい。この際、接合層には、拘束グリーンシート作製のために用いたガラスが添加されたスラリーでなくとも、十分な接着強度が得られる場合はガラスの添加されていない拘束グリーンシート用のスラリーを用いてもよい。また、有機バインダー、可塑剤、溶剤等からなる接着剤を積層体表面に塗布して、拘束板と熱圧着することもできる。さらに積層体と拘束板とを直接熱圧着することにより十分な接合強度が得られる場合は、そのようにしてもよいのは言うまでもない。
【0049】
その後、有機成分の除去と焼成を行なう。有機成分の除去は100〜800℃の温度範囲で積層体を加熱することによって行ない、有機成分を分解・揮発させる。また、焼成温度はガラスセラミック組成により異なるが、約800〜1100℃の範囲内である。焼成は大気中で行なうが、導体材料にCuを使用する場合には100〜700℃の水蒸気を含む窒素雰囲気中で有機成分の除去を行ない、ついで窒素雰囲気中で焼成を行なう。
【0050】
また、焼成時には、積層体と拘束板をより密着させて反りを防止するために、重しを載せる等して荷重をかけてもよい。荷重は50Pa〜1MPa程度が適当である。荷重が50Pa未満である場合は、積層体の反り抑制作用が充分でないおそれがある。また、荷重が1MPaを超える場合は、使用する重しが大きくなるため焼成炉に入らなくなったり、また焼成炉に入っても重しが大きいために熱容量が不足することになり焼成できなくなったりするなどの問題をひき起こすおそれがある。
【0051】
この重しとしては、ガラスセラミック基板の焼成中に変形・溶融等して荷重が不均一になったり、分解した有機成分の揮散を妨げたりすることがないような耐熱性の多孔質のものが適している。具体的にはセラミックス等の耐火物、あるいは高融点の金属等が挙げられる。また、積層体の上面に多孔質の重しを置き、その上に非多孔質の重しを置いてもよい。
【0052】
焼成後、拘束板および拘束シートを除去する。拘束板は焼結しない接合層により接合されているので容易に取り外すことができる。拘束板をはずした後、拘束シートの除去方法としては、ガラスセラミック基板の表面に結合した拘束シートを除去できる方法であれば特に制限はなく、例えば超音波洗浄、研磨、ウォータージェット、ケミカルブラスト、サンドブラスト、ウェットブラスト(砥粒と水とを空気圧により噴射させる方法)等が挙げられる。
【0053】
以上のような本発明の製造方法に係るガラスセラミック・グリーンシート積層体と拘束グリーンシートと拘束板との積層体の一実施形態を、図2の断面図に示す。図2において、1はガラスセラミック・グリーンシート積層体、2はその上下両面に積層された拘束グリーンシート、3は拘束グリーンシート2とガラスセラミック・グリーンシート積層体1との積層体の下面に接合層4を介して積層された拘束板である。
【0054】
このように拘束板3に密着させた状態で拘束グリーンシート2とガラスセラミック・グリーンシート積層体1との積層体から有機成分を除去し、焼成した後、ガラスセラミック・グリーンシート積層体1を焼結して得られたガラスセラミック基板から拘束グリーンシート2から得られた拘束シートを除去することにより、反りの発生がない、極めて寸法精度の高いガラスセラミック基板を得ることができる。
【0055】
【実施例】
以下、実施例、比較例および試験例を挙げて本発明の方法を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【0056】
(実施例1)
ガラスセラミック成分として、SiO2−Al203−MgO−B2O3−ZnO系ガラス粉末60重量%、CaZrO3粉末20重量%、SrTiO3粉末17重量%およびAl2O3粉末3重量%を使用した。このガラスセラミック成分100重量部に有機バインダーとしてアクリル樹脂12重量部、フタル酸系可塑剤6重量部および溶剤としてトルエン30重量部を加え、ボールミル法により混合しスラリーとした。このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ300μmのガラスセラミック・グリーンシートを成形した。
【0057】
ついで、このグリーンシート上に銀−パラジウムペーストを用いて導体パターンをスクリーン印刷にて形成した。導体ペーストとしては、Ag:Pdが重量比で85:15である合金粉末(平均粒径1.0μm)100重量部に対してAl2O3粉末2重量部および上記ガラスと同組成のガラス粉末2重量部、さらにビヒクル成分として所定量のエチルセルロース系樹脂、テルピネオールを加え、3本ロールにより適度な粘度になるように混合したものを用いた。
【0058】
一方、無機成分としてAl2O3粉末95重量%と軟化点720℃のSiO2−Al2O3−MgO−B2O3−ZnO系ガラス粉末5重量%とを用いて、ガラスセラミック・グリーンシートと同様にしてスラリーを作製し、ついで成形して厚さ250μmの拘束グリーンシートを得た。
【0059】
表面に導体パターンを形成したガラスセラミック・グリーンシートの所定枚数を積み重ねてガラスセラミック・グリーンシート積層体を得、さらにその両面に拘束グリーンシートを重ね合わせ、温度55℃、圧力20MPaで圧着して積層体を得た。
【0060】
得られた積層体にスクリーン印刷により拘束グリーンシート作製に用いたスラリーを塗布し、あらかじめ研磨することにより反り(主面の最大高低差)を150μmにした拘束板としてのアルミナ多孔質板上に積層して温度55℃、圧力10MPaで圧着した。
【0061】
このガラスセラミック・グリーンシート積層体と拘束グリーンシートと拘束板との積層体を大気中500℃で2時間加熱して有機成分を除去した後、900℃で1時間焼成した。焼成後は、ガラスセラミック基板の両面に拘束シートが付着し、拘束板も付いていた。この状態では、軽く叩くと拘束板は取れたが、拘束シートはガラスセラミック基板から剥がれることはなかった。
【0062】
ガラスセラミック基板の表面に付着した拘束シートは、擦り取ることにより大部分は除去できたが、ガラスセラミック基板表面に薄く残留していた。この残留した拘束シートを、球状Al2O3微粉未と水との混合物を高圧の空気圧で投射するウェットブラスト法により除去した。拘束シートを除去した後のガラスセラミック基板の表面は、表面粗さ(算術平均粗さ)Raが1μm以下の平滑な面となり、導体の半田濡れ性も問題なかった。
【0063】
また、得られたガラスセラミック基板の積層面内での収縮は0.5%以下であり、基板の反りも150μm以下と小さく、変形も認められなかった。
【0064】
(実施例2および実施例3)
軟化点が600℃および700℃のガラスをそれぞれ用いて拘束グリーンシートを作製した以外は実施例1と同様にしてガラスセラミック基板を得た。
【0065】
(比較例1)
ガラスを含有しない拘束グリーンシートを作製した以外は実施例1と同様にしてガラスセラミック基板を得た。
【0066】
(比較例2)
軟化点が920℃のガラスを用いて拘束グリーンシートを作製した以外は実施例1と同様にしてガラスセラミック基板を得た。
【0067】
(比較例3)
軟化点が400℃のガラスを用いて拘束グリーンシートを作製した以外は実施例1と同様にしてガラスセラミック基板を得た。
【0068】
その結果、実施例2および実施例3で得たガラスセラミック基板は、実施例1と同様に積層面内での収縮が0.5%以下(すなわち、収縮率99.5%以上)であり、基板に反りや変形は認められなかった。
【0069】
これに対して、比較例1および比較例2で得たガラスセラミック基板は、使用した拘束グリーンシートがガラスを含まないか、あるいは焼成温度よりも高い軟化点を有するガラスを含んでいるために、いずれも焼成後のガラスセラミック基板から拘束グリーンシートが簡単に剥がれてしまった。また、ガラスセラミック・グリーンシートと拘束グリーンシートとの間の結合力が弱いため、ガラスセラミック基板の積層面内での収縮率は85%程度になるか、基板の一部のみが拘束シートに結合されているためにガラスセラミック基板は大きく変形した。
【0070】
一方、比較例3では、拘束グリーンシートに含まれるガラスの軟化点が低いため、有機成分が完全に除去されず、このためガラスセラミック基板の積層面内での収縮は0.5%以下と良好であったが、ガラスセラミック基板の色調が灰色になった。
【0071】
(実施例4〜7)
ガラスセラミック成分として、SiO2−MgO−CaO−Al2O3系ガラス粉末70重量%、Al2O3粉末30重量%を使用した。このガラスセラミック成分100重量部に有機バインダーとしてアクリル樹脂9.0重量部、フタル酸系可塑剤4.5重量部および溶剤としてトルエン30重量部を加え、ボールミル法により混合しスラリーとした。このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ300μmのガラスセラミック・グリーンシートを成形した。
【0072】
ついで、このグリーンシート上に実施例1と同じ銀−パラジウムペーストを用いて導体パターンをスクリーン印刷にて形成した。
【0073】
一方、無機成分としてAl2O3粉末と軟化点720℃のSiO2−MgO−CaO−Al2O3系ガラス粉末とをそれぞれ表1に示す割合で用いて、ガラスセラミック・グリーンシートと同様にしてスラリーを作製し、ついで成形して厚さ250μmの拘束グリーンシートを得た。
【0074】
表面に導体パターンを形成したガラスセラミック・グリーンシートの所定枚数を積み重ねてガラスセラミック・グリーンシート積層体を得て、その両面に拘束グリーンシートを重ね合わせ、温度55℃、圧力20MPaで圧着して積層体を得た。
【0075】
これに実施例1と同様にして拘束板を積層した積層体を大気中500℃で2時間加熱して有機成分を除去した後、850℃で1時間焼成した。ついで、ガラスセラミック基板の表面に付着した拘束板および拘束シートを除去した。得られたガラスセラミック基板の表面は、表面粗さ(算術平均粗さ)Raが1μm以下の平滑な面となり、導体の半田濡れ性も問題なかった。
【0076】
また、得られたガラスセラミック基板の積層面内での収縮率および反りを表1に併せて示す。なお、ガラスセラミック基板に反りや変形は認められなかった。
【0077】
【表1】
【0078】
表1から、実施例4〜7の各拘束グリーンシートおよび拘束板を使用して得られたガラスセラミック基板は焼成時の収縮および反りが抑制され、高い寸法精度を有していることがわかる。
【0079】
(試験例1)
(拘束グリーンシートの収縮試験)
無機成分としてAl2O3粉末と軟化点720℃のSiO2−MgO−CaO−Al2O3系ガラス粉末とをそれぞれ所定の割合で使用し、さらに有機バインダーとしてアクリル樹脂9.0重量部、フタル酸系可塑剤4.5重量部および溶剤としてトルエン30重量部を加え、これらをボールミルにて混合しスラリーとした。このスラリーをドクターブレード法により厚さ250μmの拘束グリーンシートを成形した。
【0080】
この拘束グリーンシートを単独でアルミナセッターに載置し、大気中500℃で2時間加熱して有機成分を除去した後、850℃で1時間焼成した。
【0081】
得られた拘束シートの平面内での収縮率とガラス添加量との関係を図1に示す。なお、収縮率は拘束シートの厚さ方向を除く幅方向および流れ方向の各収縮率の平均値(n=5)とバラツキを示しており、収縮率=(焼成後寸法)×100/(焼成前寸法)にて求めたものである。また、流れ方向はグリーンシートの造膜方向を、幅方向は造膜方向に直交する方向をそれぞれ意味する。
【0082】
図1に示すように、収縮率を99.5%以上とする、すなわち拘束シートの収縮を0.5%以下に抑えるには、拘束グリーンシート内へのガラス添加量は約15重量%以下とするのが望ましいことがわかる。また、ガラス添加量が15重量%を超えると、収縮率のバラツキも大きくなる傾向にある。ただし、ガラス添加量が少なくなると、拘束グリーンシートによるガラスセラミック・グリーンシートの拘束性が低下するので(比較例1参照)、拘束性が低下しないガラス添加量として、0.5重量%以上とすることがよい。従って、本発明では0.5〜15重量%を好適範囲とする。
【0083】
(試験例2)
ガラスとしてSiO2−Al2O3−MgO−B2O3−ZnO系ガラス粉末を用いた以外は試験例1と同様にして、ガラス添加量と収縮率との関係を調べたところ、ガラス添加量が15重量%以下では拘束グリーンシートの収縮率は99.5%以上であり、ガラス添加量が10重量%以下では約99.8%程度を維持していた。この場合も試験例1と同様に0.5〜15重量%がよい。
【0084】
【発明の効果】
本発明によれば、拘束グリーンシートとガラスセラミック・グリーンシート積層体との積層体の少なくとも一方の面に無機材料を焼結してなる拘束板を熱圧着により積層して焼成し、その際に、拘束グリーンシートのガラス含有量が、焼成時に拘束グリーンシートをガラスセラミック・グリーンシートと結合させるとともに拘束板と密着させかつ拘束グリーンシートをその積層面内で実質的に収縮させない量であり、拘束グリーンシート中に含有されるガラスの軟化点が、ガラスセラミック・グリーンシート積層体の焼成温度以下であって、これにより拘束シートを、焼成後にガラスセラミック基板に剥がれることなく付着させることから、ガラスセラミック・グリーンシート基板の積層面内の収縮を確実に抑えることができるとともに、反りや凹凸のないより寸法精度の高いガラスセラミック基板が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】拘束グリーンシートへのガラス添加量と収縮率との関係を示すグラフである。
【図2】本発明の製造方法に係るガラスセラミック・グリーンシート積層体と拘束グリーンシートと拘束板との積層体の断面図である。
【符号の説明】
1:ガラスセラミック・グリーンシート積層体
2:拘束グリーンシート
3:拘束板
Claims (4)
- 有機バインダーを含有し表面に導体パターンが形成されたガラスセラミック・グリーンシートの複数枚を積層してガラスセラミック・グリーンシート積層体を作製する工程と、
前記ガラスセラミック・グリーンシート積層体の両面にAl2O3とガラスと有機バインダーとを含む拘束グリーンシートを積層する工程と、
前記拘束グリーンシートとガラスセラミック・グリーンシート積層体との積層体の少なくとも一方の面に無機材料を焼結してなる拘束板を熱圧着により積層する工程と、
前記ガラスセラミック・グリーンシート積層体と拘束グリーンシートと拘束板との積層体から有機成分を除去し、ついで焼成して拘束シートおよび拘束板を保持したガラスセラミック基板を作製する工程と、
前記ガラスセラミック基板から拘束板および拘束シートを除去する工程とを含み、
前記拘束グリーンシートのガラス含有量が、前記焼成時に拘束グリーンシートを前記ガラスセラミック・グリーンシートと結合させるとともに前記拘束板と密着させかつ拘束グリーンシートをその積層面内で実質的に収縮させない量であり、前記拘束グリーンシート中に含有されるガラスの軟化点が、前記ガラスセラミック・グリーンシート積層体の焼成温度以下であって、これにより前記拘束シートを、焼成後に前記ガラスセラミック基板に剥がれることなく付着させることを特徴とするガラスセラミック基板の製造方法。 - 前記拘束グリーンシート中に含有されるガラスの軟化点が、前記有機成分の揮発温度よりも高い請求項1記載のガラスセラミック基板の製造方法。
- 前記拘束グリーンシート中のガラス含有量が、該拘束グリーンシート中の全無機成分の0.5〜15重量%である請求項1記載のガラスセラミック基板の製造方法。
- 前記拘束グリーンシートの厚さが片面で前記ガラスセラミック・グリーンシート積層体の厚さに対して10%以上である請求項1記載のガラスセラミック基板の製造方法。
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