JP5056528B2 - 絶縁体セラミック組成物およびそれを用いた絶縁体セラミック - Google Patents

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Description

本発明は、例えば多層回路基板に用いられる絶縁体セラミック組成物に関し、より特定的には、半導体素子や各種電子部品素子を搭載するための複合多層回路基板に好適に用いることができ銅や銀などの導体材料と同時焼成可能な絶縁体セラミック組成物、ならびに絶縁体セラミック組成物を焼結して得られた絶縁体セラミック、セラミック多層基板およびセラミック電子部品、ならびにセラミック多層基板の製造方法に関する。
近年、電子機器の高速化および高周波化が進んでおり、これに伴って、電子機器に搭載される電子部品においても、高速化および高周波化が求められている。
また、電子機器の小型化に伴い、電子部品についても、小型化や高密度実装され得ることが要求されている。上記のような要求に応えるために、半導体素子や各種回路素子を搭載するための基板として、多層回路基板が用いられている。多層回路基板では、基板内に導体回路や電子部品機能素子が３次元的に内蔵されているので、電子部品の小型化を進めることができる。
上記多層回路基板を構成する材料としては、アルミナが多用されている。ところが、アルミナの焼成温度は１５００℃〜１６００℃であり、アルミナ多層回路基板に内蔵される回路用の導体材料としては、Ｍｏ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｗなどの高融点金属を用いなければならなかった。ところが、これらの高融点金属は高価なうえ、電気抵抗が高いという問題があった。
そこで、上記の高融点金属よりも電気抵抗が低くかつ安価な金属、例えば銅などを導体材料として用いることが強く求められており、銅を導体材料として用いることを可能とするため、例えば、特開平５−２３８７７４号公報（特許文献１）では、１０００℃以下の低温で焼成され得るガラスセラミックスや結晶化ガラスなどの基板材料が提案されている。また、Ｓｉチップなどの半導体デバイスとの接続を考慮して、例えば、特開平８−３４６６８号公報（特許文献２）には、熱膨張係数がＳｉに近いセラミックを多層回路基板材料として用いることも提案されている。しかしながら、上述した基板材料は機械的強度やＱ値が低く、さらに析出する結晶相の種類や比率が焼成プロセスにより影響を受けやすいという問題があった。
また、絶縁体セラミック組成物を用いたセラミック多層基板の上には半導体デバイスなどのチップ部品が実装されることがあり、他方、チップ部品を搭載したセラミック多層基板は、セラミック電子部品としてプリント基板などの回路基板に搭載される。したがって、このようなセラミック電子部品には、信号入出力のための入出力端子を設ける必要があるが、電子部品の小型化に伴って、入出力端子間の距離を小さくする必要があった。
そのため、絶縁体セラミック組成物を焼成して得られる絶縁体セラミックには、寸法精度の高いことが強く求められている。ところが、従来の絶縁体セラミック組成物を焼成して得られた低誘電率の絶縁体セラミックの寸法精度は、未だ十分ではなかった。
特開平５−２３８７７４号公報 特開平８−３４６６８号公報
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、（１）銀や銅などの低融点導体材料と同時に焼成することができ、（２）比誘電率が小さく、高周波特性に優れており、比較的高い熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを得ることを可能とする絶縁体セラミック組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、低温焼成で得られ、比誘電率が小さく、高周波特性に優れており、高い熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、上記本発明に係る絶縁体セラミック組成物を用いて構成されており、高周波特性に優れ、回路パターンの高密度化を達成したセラミック多層基板およびセラミック電子部品を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、低温の焼成で得ることができ、高周波特性に優れ、寸法精度に優れ、回路パターンの高密度化を達成できるセラミック多層基板の製造方法を提供することにある。
すなわち、本発明は、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で３０〜６０モル％および酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で２０〜５５モル％含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、前記セラミック粉末と前記ガラス粉末とが、重量比で２０：８０〜８０：２０の割合で配合されており、前記絶縁体セラミック組成物はさらに酸化チタンを含有し、前記ガラス粉末には、ＣａＯが前記ガラス粉末全体の３０モル％以下の割合で含まれていることを特徴とする絶縁体セラミック組成物（以下、本発明の第１の絶縁体セラミック組成物と称することがある）に係るものであり、前記酸化チタンは、前記セラミック粉末中に、前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対して０．５〜１５重量％の割合で含まれており、酸化銅が前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対してＣｕＯ換算で３重量％以下の割合でさらに含まれている。
前記ガラス粉末には、酸化ホウ素を含む場合には、酸化ホウ素がＢ2Ｏ3換算でガラス粉末全体の２０モル％以下の割合で含まれている。また、前記ガラス粉末には、酸化アルミニウムを含む場合には、酸化アルミニウムがＡｌ2Ｏ3換算で前記ガラス粉末全体の１０モル％以下の割合で含まれている。前記ガラス粉末には、Ｌｉ2Ｏ，Ｋ2ＯおよびＮａ2Ｏからなる群から選択された少なくとも１種のアルカリ金属酸化物を含む場合には、Ｌｉ2Ｏ，Ｋ2ＯおよびＮａ2Ｏからなる群から選択された少なくとも１種のアルカリ金属酸化物が前記ガラス粉末１００重量％に対して１０重量％以下の割合で添加されている。
また、参考例は、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で３０〜６０モル％および酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で２０〜５５モル％含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、前記セラミック粉末における前記スピネルの一部がＭｇ2ＳｉＯ4に置き換えられていることを特徴とする絶縁体セラミック組成物（以下、第２の絶縁体セラミック組成物と称することがある）を提供するものであり、第２の絶縁体セラミック組成物において、前記Ｍｇ2ＳｉＯ4は、前記スピネル１００重量％に対して１５重量％以下の割合で置換されている。
前記ガラス粉末には、酸化ホウ素を含む場合には、酸化ホウ素がＢ2Ｏ3換算でガラス粉末全体の２０モル％以下の割合で含まれている。また、前記ガラス粉末には、ＣａＯ，ＳｒＯ，ＢａＯおよびＺｎＯからなる群から選択された少なくとも１種の酸化物を含む場合には、ＣａＯ，ＳｒＯ，ＢａＯおよびＺｎＯからなる群から選択された少なくとも１種の酸化物が前記ガラス粉末全体の３０モル％以下の割合で含まれている。また、前記ガラス粉末には、酸化アルミニウムを含む場合には、酸化アルミニウムがＡｌ2Ｏ3換算で前記ガラス粉末全体の１０モル％以下の割合で含まれている。前記ガラス粉末には、Ｌｉ2Ｏ，Ｋ2ＯおよびＮａ2Ｏからなる群から選択された少なくとも１種のアルカリ金属酸化物を含む場合には、Ｌｉ2Ｏ，Ｋ2ＯおよびＮａ2Ｏからなる群から選択された少なくとも１種のアルカリ金属酸化物が前記ガラス粉末１００重量％に対して１０重量％以下の割合で添加されている。
また、酸化銅が前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対してＣｕＯ換算で３重量％以下の割合で含まれている。
また、本発明は、本発明第の第１の絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる絶縁体セラミックに係るものである。
また、本発明は、複数のセラミック層と、前記複数のセラミック層のうち少なくとも１層のセラミック層に形成された配線導体とを備えるセラミック多層基板であって、前記複数のセラミック層は、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層を含むセラミック多層基板を提供するものである。
本発明のセラミック多層基板において、前記複数のセラミック層は、前記絶縁体セラミック層の少なくとも一方主面に積層された、前記絶縁体セラミック層よりも誘電率の高い誘電体セラミック層をさらに含んでいてよい。
また、本発明は、本発明のセラミック多層基板と、前記セラミック多層基板上に実装され、前記配線導体に電気的に接続された回路素子とを備えるセラミック電子部品を提供するものである。
また、本発明は、本発明のセラミック多層基板と、インダクタおよびキャパシタのうち少なくとも一方の回路素子を形成する前記配線導体とを有するセラミック電子部品を提供するものである。
さらに、本発明は、本発明の第１の絶縁体セラミック組成物で形成された第１のセラミックグリーンシートを積層して、積層体を用意する工程と、前記第１のセラミックグリーンシートとは焼結温度の異なる第２のセラミックグリーンシートを前記第１のセラミックグリーンシートの少なくとも一方主面に接するように設ける工程と、前記第１のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第２のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程と、を備えるセラミック多層基板の製造方法を提供するものである。
本発明のセラミック多層基板の製造方法において、前記第２のセラミックグリーンシートは、前記第１のセラミックグリーンシートの焼成温度では実質的に焼結しないセラミックグリーンシートであることが好ましい。また、前記第１のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第２のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程は、焼成温度１０００℃以下で行われることが好ましい。
本発明の絶縁体セラミック組成物は、特に１０００℃以下で焼成することにより緻密な焼結体（すなわち絶縁体セラミック）を得ることができる。そのため、これらの絶縁体セラミック組成物は、比抵抗の小さな銅や銀などの低融点金属材料と同時焼成することが可能であり、導電率が高く、高周波用途に適した配線導体を備えたセラミック多層基板やセラミック電子部品を作製することができる。
本発明の第１の絶縁体セラミック組成物は、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で３０〜６０モル％、および酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で２０〜５５モル％含むガラス粉末と、を少なくとも含有し、セラミック粉末は酸化チタン（ＴｉＯ2）を含むことを特徴とするものである。
この絶縁体セラミック組成物に含まれるセラミック粉末において、主成分であるＭｇＡｌ2Ｏ4は、高周波特性および抗折強度に優れ、添加成分であるＴｉＯ2は、ガラス成分の結晶化を促進する核形成剤として作用する。したがって、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより、強度に優れ、かつ高周波特性に優れた、すなわち高周波領域で大きなＱ値を示す絶縁体セラミックを得ることができる。
この絶縁体セラミック組成物において、ガラス粉末にＣａ成分が含まれている場合、Ｑ値の高い結晶が析出しやすくなるために焼結後の絶縁体セラミックのＱ値を高めることができるが、ガラス中にＣａが残りやすくなる。ガラス中にＣａ成分が残存していると、絶縁体セラミックの外表面にめっき等により外部電極を形成する際に、ガラス中のＣａがめっき液に溶出しやすくなり、ガラスがもろくなりやすい。絶縁体セラミック組成物中にＴｉＯ2が添加されている場合には、ＴｉＯ2がＱ値の高い結晶を析出したガラス中に残るＣａ成分と反応し、ＣａＴｉＯ3が生成される。そのため、第１の絶縁体セラミック組成物を焼成して得られた絶縁体セラミックにおける耐めっき性が高められる。
また、ＣａＴｉＯ3は熱膨張係数が比較的大きいが、その析出量をＴｉＯ2の含有により調整することができ、ひいては絶縁体セラミックの熱膨張係数を調整することができる。さらに、ＴｉＯ2やＣａＴｉＯ3は負の誘電率温度特性を有するため、絶縁体セラミックの誘電率の温度特性を、ＴｉＯ2の含有割合により調整することができる。
以上のことから、本発明の第１の絶縁体セラミック組成物においては、ＴｉＯ2は、セラミック粉末およびガラス粉末全重量の０．５〜１５重量％の割合で含まれていることが好ましい。ＴｉＯ2の含有割合が０．５重量％未満であると、誘電率温度特性が正に大きくなりすぎることがあり、１５重量％を超えると、誘電率温度特性が負に大きくなりすぎることがある。なお、第１の絶縁体セラミック組成物において、ＴｉＯ2はセラミック粉末として含有されていることが好ましい。
第２の絶縁体セラミック組成物は、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で３０〜６０モル％、および酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で２０〜５５モル％含むガラス粉末と、を少なくとも含有し、スピネルの一部がＭｇ2ＳｉＯ4粉末に置き換えられていることを特徴とするものである。
第２の絶縁体セラミック組成物に含まれるセラミック粉末において、主成分であるＭｇＡｌ2Ｏ4は高周波特性および抗折強度に優れ、副成分であるＭｇ2ＳｉＯ4は高周波特性に優れ、高い熱膨張係数を有する。したがって、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより、強度に優れ、高周波特性に優れ、かつ高熱膨張係数を有する絶縁体セラミックを得ることができる。
この絶縁体セラミック組成物において、セラミック粉末におけるＭｇ2ＳｉＯ4は、スピネル１００重量％に対して１５重量％以下の割合で置換されていることが好ましい。その割合が１５重量％を超えると、抗折強度が低くなりすぎることがある。
これら第１、第２の絶縁体セラミック組成物は、特に１０００℃以下で焼成することにより緻密な焼結体（すなわち絶縁体セラミック）を得ることができる。そのため、これらの絶縁体セラミック組成物は、比抵抗の小さな銅や銀などの低融点金属材料と同時焼成することが可能であり、導電率が高く、高周波用途に適した配線導体を備えたセラミック多層基板やセラミック電子部品を作製することができる。
第１、第２の絶縁体セラミック組成物に含まれるガラス粉末は、酸化ケイ素がＳｉＯ2換算で３０〜６０モル％の割合で含まれていることが必要である。ＳｉＯ2の割合が３０モル％未満であると、焼成により得られる絶縁体セラミックの結晶化度が低くなるためＱ値が低下する。他方、ＳｉＯ2の含有割合が６０モル％を超えると、ガラスの溶融温度が高くなるため低温での焼結が困難になる。
また、このガラス粉末には、酸化マグネシウムがＭｇＯ換算で２０〜５５モル％の割合で含まれていることが必要である。ＭｇＯはガラスの軟化点を下げる作用を有するため、ガラス粉末の作製が容易になる。また、ＭｇＯは結晶化ガラス中の結晶構成成分であるため、この絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる絶縁体セラミックにおいては、フォルステライト、エンスタタイト、ディオプサイド、モンチセライトなどのＭｇＯ相を含むＭｇＯ−ＳｉＯ2系、ＭｇＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ2系の結晶相が析出する。このような結晶相を有する絶縁体セラミックは、数万ＧＨｚというＱｆ値を有し、高周波特性に極めて優れている。ガラス粉末におけるＭｇＯの含有割合が２０モル％未満であると、得られる絶縁体セラミックのＱ値が低くなる。他方、ＭｇＯの含有割合が５５モル％を超えると、ＭｇＯ系結晶相の析出量が多くなりすぎ、得られる絶縁体セラミックの強度が低下したり、低温での焼結が困難になる。
このガラス粉末には、酸化ホウ素がＢ2Ｏ3換算でガラス粉末全体の２０モル％以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。Ｂ2Ｏ3は、主にガラス粉末を作製する際の融剤として作用するため、Ｂ2Ｏ3を含有させることによりガラス粉末の作製が容易になる。Ｂ2Ｏ3の含有割合が２０モル％を超えると、得られる絶縁体セラミックの耐湿性が低下したり、絶縁体セラミックのメッキ液に対する耐溶出性が低下することがある。
また、このガラス粉末には、ＣａＯ，ＳｒＯ，ＢａＯおよびＺｎＯからなる群より選択された少なくとも１種の酸化物が、ガラス粉末全体の３０モル％以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。こららアルカリ土類金属をはじめとする酸化物はガラスの軟化点を下げる作用を有するため、これらの酸化物を含有させることによりガラス粉末の作製が容易になる。また、これらの酸化物は結晶化ガラス中の結晶構成成分であるため、得られる絶縁体セラミックにおいてはＱ値の高い結晶相が析出する。ガラス粉末におけるこれらの酸化物の含有割合が３０モル％を超えると、得られる絶縁体セラミックの耐湿性や耐溶出性が低下したり、Ｑ値が低下することがある。
また、このガラス粉末には、酸化アルミニウムがＡｌ2Ｏ3換算でガラス粉末全体の１０モル％以下の割合でさらに含まれていることが好ましい。Ａｌ2Ｏ3はガラスの化学的安定性を高める作用を有する。Ａｌ2Ｏ3の含有割合が１０モル％を超えると、得られる絶縁体セラミックのＱ値が低下したり、熱膨張係数が低下することがある。
また、このガラス粉末には、ガラス粉末１００重量％に対して、Ｌｉ2Ｏ，Ｋ2ＯおよびＮａ2Ｏからなる群から選択された少なくとも１種のアルカリ金属酸化物が１０重量％以下の割合でさらに添加されていることが好ましい。これらのアルカリ金属酸化物は、ガラスの軟化点を下げる作用を有する。これらのアルカリ金属酸化物の添加割合が１０重量％を超えると、得られる絶縁体セラミックのＱ値が低下したり、耐溶出性が低下することがある。
なお、第１、第２の絶縁体セラミック組成物に含まれるガラス粉末としては、各成分組成を有するガラス粉末を混合した粉末を用いてもよいが、各成分組成を有するガラス粉末を混合した後、７００〜１４００℃で一旦仮焼し、粉砕した粉末を用いることが好ましい。
第１、第２の絶縁体セラミック組成物には、酸化銅がＣｕＯ換算で全体の３重量％以下の割合でさらに含まれている。酸化銅は、第１、第２の絶縁体セラミック組成物の焼成温度をさらに低下させる作用を有する。ＣｕＯの含有割合が全体の３重量％を超えると、Ｑ値が低下することがある。
これら第１、第２の絶縁体セラミック組成物においては、セラミック粉末と、ガラス粉末とが、重量比で２０：８０〜８０：２０の割合で配合されている。この範囲よりもセラミック粉末の配合割合が多くなると、得られる絶縁体セラミックの密度が小さくなることがあり、上記範囲よりガラス粉末の配合割合が多くなると、得られる絶縁体セラミックのＱ値が小さくなることがある。
なお、本発明によれば、第１の絶縁体セラミック組成物において、セラミック粉末中のＭｇＡｌ2Ｏ4の一部がＭｇ2ＳｉＯ4に置き換えられていてもよいし、第２の絶縁体セラミック組成物がさらに酸化チタンを含有していてもよい。このときのＭｇ2ＳｉＯ4の置換量や酸化チタンの添加量は上述した通りである。
本発明の絶縁体セラミックは、上述した第１の絶縁体セラミック組成物または第２の絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる。したがって、本発明の絶縁体セラミックは、強度が高く、高周波特性に優れている。
この絶縁体セラミックは、特に、測定周波数１５ＧＨｚにおけるＱ値が４００以上であることが望ましい。本発明の絶縁体セラミック組成物によれば、Ｑｆ値、すなわち１５ＧＨｚ×Ｑ値が６０００以上の絶縁体セラミックを得ることが十分に可能であり、高周波帯での使用に適したセラミック多層基板を提供することが可能となる。
本発明のセラミック多層基板は、複数のセラミック層と、このうち少なくとも１層のセラミック層に形成された配線導体とを備えるものであり、複数のセラミック層においては、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層が含まれている。
このセラミック多層基板において、複数のセラミック層は、絶縁体セラミック層の少なくとも一方主面に積層された、絶縁体セラミック層よりも誘電率の高い誘電体セラミック層をさらに含むことが好ましい。すなわち、本発明のセラミック多層基板は、本発明の絶縁体セラミックを絶縁体層として含んだセラミック多層基板のほか、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体層と、この絶縁体セラミックよりも誘電率の大きな誘電体セラミックからなる誘電体層とを積層した異種材料複合型のセラミック多層基板にも向けられる。
本発明のセラミック電子部品は、本発明のセラミック多層基板と、セラミック多層基板上に実装され、配線導体に電気的に接続された回路素子と、を備えるものである。すなわち、本発明のセラミック電子部品は、セラミック多層基板上に半導体デバイス等の能動素子やチップコンデンサ等の受動素子を搭載したモジュール部品に向けられる。
また、本発明のセラミック電子部品は、本発明のセラミック多層基板と、インダクタおよびキャパシタのうち少なくとも一方を構成する配線導体を備えるものであってもよい。すなわち、本発明のセラミック電子部品は、セラミック多層基板にインダクタやコンデンサを内蔵する積層型ＬＣフィルタなどのチップ状部品にも向けられる。
これら本発明のセラミック電子部品において、絶縁体セラミックからなるセラミック素体と、セラミック素体内に配置された内部電極およびセラミック素体の外表面に形成され、内部電極と電気的に接続された外部電極からなる配線導体とを備えていることが好ましい。また、セラミック素体は複数のセラミック層が積層されてなり、内部電極のうち、一方の電位に接続された内部電極と他方の電位に接続された内部電極とが、セラミック層を介して対向し、キャパシタを形成していることが好ましい。また、セラミック電子部品において、内部電極は、互いに接続されることによりインダクタを構成していてもよい。
本発明のセラミック多層基板の製造方法は、第１、第２の絶縁体セラミック組成物で形成された第１のセラミックグリーンシートを積層してなる積層体を用意する工程と、第１のセラミックグリーンシートとは焼結温度の異なる第２のセラミックグリーンシートを前記第１のセラミックグリーンシートの少なくとも一方主面、好ましくは両主面に接するように設ける工程と、第１のセラミックグリーンシートからなる積層体と第２のセラミックグリーンシートとからなる複合積層体を同時に焼成する工程と、を備える、セラミック多層基板の製造方法にも向けられる。
ここで、第２のセラミックグリーンシートは、第１のセラミックグリーンシートの焼成温度では実質的に焼結しないセラミックグリーンシートであることが好ましい。また、第１のセラミックグリーンシートからなる積層体と第２のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程は、焼成温度１０００℃以下で行われることが好ましい。この場合、第２のセラミックグリーンシートに含まれるセラミック粉末としては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア等のセラミック粉末を用いることができる。
次に、図面を参照しながら、本発明のセラミック電子部品の実施形態例を説明する。
第１図は、本発明のセラミック電子部品としてのセラミック多層モジュールの断面図であり、第２図はその斜視図である。
セラミック多層モジュール１は、セラミック多層基板２を用いて構成されている。セラミック多層基板２は、本発明の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層３ａ，３ｂ間に、例えばチタン酸バリウムにガラスを加えてなる相対的に誘電率の高い誘電体セラミック層４が挟まれた異種材料複合型の多層構造を有している。
誘電体セラミック層４内には、複数の内部電極５が誘電体セラミック層４の一部を介して隣り合うように配置されており、それによってキャパシタＣ１，Ｃ２が構成されている。
また、絶縁体セラミック層３ａ，３ｂおよび誘電体セラミック層４には、複数のビアホール電極６，６ａや内部配線が形成されている。
他方、セラミック多層基板２の上面には、電子部品素子９〜１１が実装されている。電子部品素子９〜１１としては、半導体デバイス、チップ型積層コンデンサなどの任意の電子部品素子を用いることができる。ビアホール電極６および内部配線により、これらの電子部品素子９〜１１と、キャパシタＣ１，Ｃ２とが電気的に接続されて、セラミック多層モジュール１の電気回路を構成している。
また、セラミック多層基板２の上面には、導電性キャップ８が固定されている。
導電性キャップ８は、セラミック多層基板２を上面から下面に向かって貫いているビアホール電極６ａに電気的に接続されている。セラミック多層基板２の下面に外部電極７が形成されており、外部電極７はビアホール電極６や６ａに電気的に接続されている。また、他の外部電極については図示を省略しているが、外部電極７と同様に、セラミック多層基板２の下面に形成されている。また、他の外部電極は、上述した内部配線を介して、電子部品素子９〜１１やキャパシタＣ１，Ｃ２と電気的に接続されている。
このように、セラミック多層基板２の下面に外部と接続するための外部電極７を形成することにより、セラミック積層モジュール１を、下面側を利用してプリント回路基板などに容易に実装することができる。
また、本例では、キャップ８が導電性材料からなり、外部電極７にビアホール電極６ａを介して電気的に接続されているので、電子部品素子９〜１１を導電性キャップ８により電磁気的にシールドすることができる。もっとも、キャップ８は、必ずしも導電性材料で構成されている必要はない。
セラミック多層モジュール１では、絶縁体セラミック層３ａ，３ｂが本発明に係る絶縁体セラミックを用いているので誘電率が低く、かつ高周波でのＱ値も高いので、高周波用途に適したセラミック多層モジュール１を提供することができる。
なお、セラミック多層基板２は、周知のセラミック積層一体焼成技術を用いて容易に得ることができる。
すなわち、まず、チタン酸バリウム等の誘電体セラミック組成物を主体とするセラミックグリーンシートを用意し、内部電極５、外部配線およびビアホール電極６，６ａなどを構成するための電極パターンを印刷し、所定の電極パターンを備えた誘電体セラミック層用のセラミックグリーンシートを準備する。また、本発明の絶縁体セラミック組成物からなるセラミックグリーンシートを用意し、内部電極５、外部配線およびビアホール電極６，６ａなどを構成するための電極パターンを印刷することによって、所定の電極パターンを備えた絶縁体セラミック層用のセラミックグリーンシートを準備する。
そして、誘電体セラミック層用のセラミックグリーンシート、絶縁体セラミック相用のセラミックグリーンシートをそれぞれ所定の枚数を積層し、厚み方向に加圧する。このようにして得られた未焼成の積層体を所定の焼成条件下で焼成することにより、セラミック多層基板２を得ることができる。
第３図〜第５図は、本発明のセラミック電子部品である積層型ＬＣフィルタの分解斜視図、外観斜視図および回路図である。
第４図に示す積層セラミック電子部品２０は積層型ＬＣフィルタである。セラミック焼結体２１内に、後述のようにインダクタンスＬおよびキャパシタＣを構成する回路が構成されている。セラミック焼結体２１は、本発明の絶縁体セラミックによって構成されている。また、セラミック焼結体２１の外表面には、外部電極２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂが形成されており、外部電極２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ間には、第５図に示すＬＣ共振回路が構成されている。
次に、上記セラミック焼結体２１内の構成を、第３図を参照しつつ製造方法を説明することにより明らかにする。
まず、本発明の絶縁体セラミック組成物に、有機ビヒクルを添加し、セラミックスラリーを得る。このセラミックスラリーを、適宜のシート成形法により形成し、セラミックグリーンシートを得る。このようにして得られたセラミックグリーンシートを乾燥した後所定の大きさに打ち抜き、矩形のセラミックグリーンシート２１ａ〜２１ｍを用意する。
次に、セラミックグリーンシート２１ａ〜２１ｍに、ビアホール電極２８を構成するための貫通孔を必要に応じて形成する。さらに、導電ペーストをスクリーン印刷することにより、インダクタＬ１用のコイル導体２６ａ，２６ｂ、キャパシタＣ用の内部電極２７ａ〜２７ｃ、インダクタＬ２用のコイル導体２６ｃ，２６ｄを形成すると共に、上記ビアホール２８用貫通孔に導電ペーストを充填し、ビアホール電極２８を形成する。
しかる後、セラミックグリーンシート２１ａ〜２１ｍを図示の向きに積層し、厚み方向に加圧し積層体を得る。得られた積層体を焼成し、セラミック焼結体２１を得る。
上記のようにして得られたセラミック焼結体２１に、第４図に示したように外部電極２３ａ〜２４ｂを、導電ペーストの塗布・焼き付け、蒸着、メッキもしくはスパッタリングなどの薄膜形成法等により形成する。このようにして、積層セラミック電子部品２０を得ることができる。
第３図から明らかなように、コイル導体２６ａ，２６ｂにより第５図に示すインダクタＬ１が、コイル導体２６ｃ，２６ｄによりインダクタＬ２が構成され、内部電極２７ａ〜２７ｃによりキャパシタＣが構成される。
本例のセラミック電子部品２０では、上記のように積層型ＬＣフィルタが構成されているが、セラミック焼結体２１が本発明の絶縁体セラミックを用いて構成されているので、上述のセラミック多層基板２と同様に、低温焼成により得ることができ、したがって、内部電極である導体パターン２６ａ〜２６ｃや電極パターン２７ａ〜２７ｃとして、銅、銀、金などの低融点金属を用いて絶縁体セラミック組成物と同時焼成することができる。すなわち、比抵抗の小さな導体材料を用いることができることに加えて、絶縁体セラミックの高周波におけるＱ値が高いので、高周波用途に適した積層型ＬＣフィルタを構成することができる。
なお、上述した各例では、セラミック多層モジュールや積層型ＬＣフィルタを例にとり説明したが、本発明に係るセラミック電子部品はこれらの構造に限定されるものではない。すなわち、マルチチップモジュール用セラミック多層基板、ハイブリッドＩＣ用セラミック多層基板などの各種セラミック多層基板、あるいはこれらのセラミック多層基板に電子部品素子を搭載した様々なセラミック電子部品、さらに、チップ型積層コンデンサやチップ型積層誘電体アンテナなどの様々なチップ型積層電子部品に適用することができる。
以下、本発明を具体的な実施例に基づきさらに詳細に説明する。
＜実施例１＞
原料粉末としてＭｇ（ＯＨ）2とＡｌ2Ｏ3の粉末を、化学量諭比組成でＭｇＡｌ2Ｏ4となるように秤量し、これを１６時間湿式混合した後、乾燥した。
次に、乾燥した混合物を１３５０℃で２時間仮焼した後、粉砕した。
そして、粉砕により得られた粉末と、市販のＴｉＯ2粉末とを混合して、セラミック粉末を調製した。
また、下記表１に示す成分組成を有するガラス粉末を得るため、素原料粉末を所定量混合し、７００〜１４００℃で仮焼し、粉砕して、下記表１に示す組成Ｇ１〜Ｇ４０のガラス粉末を調製した。
そして、下記の表２〜３に示す割合で、セラミック粉末とガラス粉末とを配合した。さらに、これら配合物に適量のＣｕＯ、溶剤、バインダおよび可塑剤を加え、試料Ｓ１〜Ｓ５１の各スラリーを得た。この各スラリーを用い、ドクターブレード法により厚み５０μｍの第１のセラミックグリーンシートを成形した。
次に、２４枚の上記第１のセラミックグリーンシートを積層し、２０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で成形して、直径１２ｍｍおよび厚さ７ｍｍの円柱状の未焼成積層体を得た。
次に、この第１のセラミックグリーンシートからなる積層体とは別に、１０００℃以下では焼結しないセラミック粉末として市販のアルミナ粉末を用意し、アルミナ粉末、溶剤、バインダ、可塑剤を混合して、第２のスラリーを得た。この第２のスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み５０μｍの第２のセラミックグリーンシートを成形した。
このようにして得られた第２のグリーンシートを縦３０ｍｍ×横１０ｍｍの大きさにカットし、第１のセラミックグリーンシートからなる積層体の積層方向外側の両主面に、第２のセラミックグリーンシートを１層ずつ配置し、圧着した。すなわち、第２のセラミックグリーンシート間に第１のセラミックグリーンシートからなる積層体を挟持し、かつ第２のセラミックグリーンシート間において第１のセラミックグリーンシートからなる積層体が積層方向に圧着された状態で、これを大気中９００℃〜１０００℃で２時間焼成して第１のセラミックグリーンシートからなる積層体を焼成した。しかる後、未焼結状態にある第２のセラミックグリーンシートに基づく層を除去することによって、絶縁体セラミック試料を得た。
この絶縁体セラミック試料を用いて、両端短絡型誘電体共振器法によって１５ＧＨｚにおける比誘電率εｒおよびＱ値を測定した。さらに上記絶縁体セラミック試料の熱膨張係数と寸法ばらつきを測定した。
次に、上記第１のセラミックグリーンシートを所定の大きさに打ち抜き、これにＡｇ系導電ペーストをスクリーン印刷することによりコンデンサ用内部電極を形成し、これを交互に積層し、加圧することによって得られた積層体を９００〜１０００℃で焼成することによってセラミック焼結体を得た。このセラミック焼結体に外部電極として導電ペーストを塗布・焼付することによって、表２〜３の成分組成を有する絶縁体セラミックからなる積層コンデンサを得た。
そして、この積層コンデンサに５０Ｖの電圧をかけながら１２０℃、相対湿度９５％、圧力２ａｔｍの条件で２００時間、積層コンデンサを放置した。この高温・高湿度試験前後の絶縁抵抗の変化（ＴＣＣ）を測定し、耐湿性を判断した。その結果を、下記の表２〜３に併せて示す。
なお、表２において、試料Ｓ０では、第１のセラミックグリーンシートからなる積層体を、第２のセラミックグリーンシートを用いずに焼成して得たものである。
なお、下記の表１において、Ｌｉ2Ｏ、ＮａＯおよびＫ2Ｏは、他のガラス成分全体を１００重量％とした場合、他の成分の合計１００重量％に対して添加された割合（重量％）で示されている。
Figure 0005056528
Figure 0005056528
Figure 0005056528
＜参考例＞ 原料粉末としてＭｇ（ＯＨ）2粉末とＡｌ2Ｏ3粉末を用い、化学量諭比組成でＭｇＡｌ2Ｏ4となるようにこれらを秤量し、１６時間湿式混合した後、乾燥した。この混合物を１３５０℃で２時間仮焼した後、粉砕した。粉砕により得られたセラミック粉末と、上述の組成Ｇ１〜Ｇ４０のいずれかのガラス粉末とを下記の表４に示す割合で混合し、さらに必要に応じてＣｕＯを添加した。また、この混合物に溶剤、適量のバインダおよび可塑剤を加えて混合し、Ｎｏ．Ｔ１〜Ｔ２９の各スラリーを得た。このスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み５０μｍのセラミックグリーンシートを成形した。
次に、上記セラミックグリーンシートとは別に、実施例１で用いた第２のセラミックグリーンシートを別途用意した。
以下、実施例１と同様にして、絶縁体セラミック試料を準備し、実施例１と同様に評価した。ただし、本実施例では、高湿度試験前後の絶縁抵抗の変化は評価しておらず、絶縁体セラミック試料の抗折強度を測定した。
なお、試料番号Ｔ０では、第２のグリーンシートを用いずに、第１のセラミックグリーンシートからなる積層体をそのまま焼成したものである。その結果を下記の表４に示す。
Figure 0005056528
上述した実施例１と参考例から判るように、実施例１と参考例の絶縁体セラミック組成物は、ＭｇＡｌ2Ｏ4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、１０００℃以下の低温で焼成され得る。したがって、この絶縁体セラミック組成物を銀や銅などの低融点金属からなる導体材料と同時焼成することができ、これらの導体材料を内部電極などに用いることができるので、高周波特性に優れたセラミック多層基板を実現できる。
また、特に、実施例１に係る絶縁体セラミック組成物は、酸化チタン（ＴｉＯ2）を含むＭｇＡｌ2Ｏ4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、これを焼成することにより得られる絶縁体セラミックは、高い機械的強度を有し、かつ高周波帯において高いＱ値を示す。したがって、高周波特性に優れ、かつ機械的に強度に優れたセラミック多層基板が得られる。
また、参考例に係る絶縁体セラミック組成物は、一部をＭｇ2ＳｉＯ4で置き換えられたＭｇＡｌ2Ｏ4系セラミック粉末と上記特定の組成のガラス粉末とを含むので、これを焼成することにより得られる絶縁体セラミックは、高い機械的強度を有し、高熱膨張係数を有し、かつ高周波帯において高いＱ値を示す。したがって、高周波特性に優れ、機械的に強度に優れ、かつ高熱膨張係数を有するセラミック多層基板が得られる。
以上のように、本発明によれば、機械的強度が高く、高周波特性に優れたセラミック電子部品を実現することができる。
本発明のセラミック多層基板を用いたセラミック電子部品であるセラミック積層モジュールの縦断面図である。 第１図に示したセラミック多層モジュールの分解斜視図である。 本発明のセラミック多層基板を用いたセラミック電子部品である積層型ＬＣフィルタの分解斜視図である。 第２図に示した積層型ＬＣフィルタの斜視図である。 第３図に示した積層型ＬＣフィルタの等価回路図である。

Claims (12)

  1. スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を含むセラミック粉末と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で３０〜６０モル％および酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で２０〜５５モル％含むガラス粉末と、を含有する絶縁体セラミック組成物であって、
    前記セラミック粉末と前記ガラス粉末とが、重量比で２０：８０〜８０：２０の割合で配合されており、
    前記絶縁体セラミック組成物はさらに前記セラミック粉末中に、前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対して０．５〜１５重量％の割合で酸化チタンを含有し、
    前記ガラス粉末には、ＣａＯが前記ガラス粉末全体の３０モル％以下の割合でさらに含まれており、
    酸化銅が前記セラミック粉末および前記ガラス粉末の合計量に対してＣｕＯ換算で３重量％以下の割合でさらに含まれている、絶縁体セラミック組成物。
  2. 前記ガラス粉末には、酸化ホウ素がＢ2Ｏ3換算でガラス粉末全体の２０モル％以下の割合でさらに含まれている、請求の範囲第１項に記載の絶縁体セラミック組成物。
  3. 前記ガラス粉末には、酸化アルミニウムがＡｌ2Ｏ3換算で前記ガラス粉末全体の１０モル％以下の割合でさらに含まれている、請求の範囲第１項に記載の絶縁体セラミック組成物。
  4. 前記ガラス粉末には、Ｌｉ2Ｏ，Ｋ2ＯおよびＮａ2Ｏからなる群から選択された少なくとも１種のアルカリ金属酸化物が前記ガラス粉末１００重量％に対して１０重量％以下の割合で添加されている、請求の範囲第１項に記載の絶縁体セラミック組成物。
  5. 請求の範囲第１項に記載の絶縁体セラミック組成物を焼成することにより得られる、絶縁体セラミック。
  6. 複数のセラミック層と、前記複数のセラミック層のうち少なくとも１層のセラミック層に形成された配線導体とを備えるセラミック多層基板であって、前記複数のセラミック層は、請求の範囲第５項に記載の絶縁体セラミックからなる絶縁体セラミック層を含む、セラミック多層基板。
  7. 前記複数のセラミック層は、前記絶縁体セラミック層の少なくとも一方主面に積層された、前記絶縁体セラミック層よりも誘電率の高い誘電体セラミック層をさらに含む、請求の範囲第６項に記載のセラミック多層基板。
  8. 請求の範囲第６項に記載のセラミック多層基板と、前記セラミック多層基板上に実装され、前記配線導体に電気的に接続された回路素子とを備える、セラミック電子部品。
  9. 請求の範囲第６項に記載のセラミック多層基板と、インダクタおよびキャパシタのうち少なくとも一方の回路素子を形成する前記配線導体とを有する、セラミック電子部品。
  10. 請求の範囲第１項に記載の絶縁体セラミック組成物で形成された第１のセラミックグリーンシートを積層して、積層体を用意する工程と、
    前記第１のセラミックグリーンシートとは焼結温度の異なる第２のセラミックグリーンシートを前記第１のセラミックグリーンシートの少なくとも一方主面に接するように設ける工程と、
    前記第１のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第２のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程と、
    を備える、セラミック多層基板の製造方法。
  11. 前記第２のセラミックグリーンシートは、前記第１のセラミックグリーンシートの焼成温度では実質的に焼結しないセラミックグリーンシートである、請求の範囲第１０項に記載のセラミック多層基板の製造方法。
  12. 前記第１のセラミックグリーンシートからなる積層体と前記第２のセラミックグリーンシートとを同時に焼成する工程は、焼成温度１０００℃以下で行われる、請求の範囲第１１項に記載のセラミック多層基板の製造方法。
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