JPH04282203A - セラミックス基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は透孔を有するセラミック
ス基板およびその製造方法に係り、特に透孔壁面の表面
粗さが小さく、また透孔の形状精度を高く設定すること
が可能なセラミックス基板およびその製造方法に関する
。

【０００３】

【従来の技術】電子機器に搭載される回路モジュールは
、セラミックス基板の表面および裏面に多数の配線パタ
ーンを形成する一方、コンデンサや抵抗体なとの回路素
子を多数実装して形成される。またセラミックス基板の
両面に形成された回路素子および配線パターンを相互に
接続するために、セラミックス基板にはスルーホールま
たはヴィアホールと称する透孔が多数穿設される。透孔
表面には、蒸着法やスパッタリング法によって導体層が
形成され、この導体層によって基板の両面に形成された
回路素子等が相互に電気的に接続される。

【０００４】セラミックス基板に透孔を形成する方法と
しては、従来からセラミックス原料をシート状に形成し
た焼結前のセラミックス成形体（グリーンシート）を、
金型プレス等を使用して厚さ方向に垂直に打ち抜く方法
（パンチング）や、回転ドリルを使用してグリーンシー
トに穿孔する方法（ドリリング）などが一般に採用され
ている。パンチングで使用する金型は、初期コストが高
い難点はあるが、短時間に多数の透孔を形成できる利点
があり、量産性に優れている。

【０００５】一方、セラミックス成形体を焼結した後に
透孔を形成する方法としては、レーザ光、電子ビームま
たは超音波等をセラミックス焼結体に作用せしめ、熱ま
たは機械的振動等によって透孔を穿設する方法がある。 特に多数の透孔を高速度で効率よく穿設するには、レー
ザ光または電子ビームを使用した穿孔法が有利である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら焼成前の
セラミックス成形体に、打抜パンチ等によって透孔を形
成する方法においては、軟質なセラミックス成形体に作
用する機械的衝撃力が大きいため、セラミックス成形体
に塑性変形が発生し易く透孔の寸法形状のばらつきが大
きくなり設計寸法通りの透孔を形成することが困難とな
る場合が多い。また打ち抜いた透孔の剪断面の表面粗さ
が大きいため、透孔表面に導体層を均一でむらなく形成
することができず、セラミックス基板の両側に形成され
た回路間に導通不良を生じる割合が高くなる問題点があ
った。

【０００７】またセラミックス成形体の焼成前にドリリ
ングによって透孔を形成する方法では、小径の透孔や長
孔（スロット）形状の透孔を形成することは困難であっ
た。

【０００８】一方セラミックス成形体を焼成した後にレ
ーザ加工によって透孔を形成する方法においては、透孔
の内壁面に溶融凝固層が形成されたり、割れ（クラック
）が発生し易くなる問題点がある。例えばアルミナ系セ
ラミックスにレーザ光や電子ビームを照射すると、セラ
ミックスが部分的に溶解し、透孔の両端開口部に溶解し
たセラミックスが付着凝固してしまう。付着したセラミ
ックスは、透孔の形状の不均一性を招来するとともに、
セラミックス基板表面に凹凸を生じて、その平面性を損
う。その結果、基板表面への導体の形成、ピン付け、シ
リコン素子の接続に支障を来すおそれが高い。

【０００９】これに対して、熱膨張係数がＳｉに近く、
アルミナの１０倍程度の熱伝導率を有するＡｌＮセラミ
ックスの場合には、レーザ光や電子ビームなどを照射す
ることによって、焼結体組織が比較的に容易に分解およ
び昇華し、穿孔も容易である。しかしながら、大気中に
おいてレーザ光等を照射した場合には、透孔の両開口部
およびセラミックス基板表面に、Ａｌ金属酸化層から成
る溶融凝固層が形成され易い。この溶融凝固層の形成に
より、電導性が生じ基板の絶縁抵抗の低下や回路の短絡
事故を引き起こすおそれも高くなる。

【００１０】また上記溶融凝固層は、基板本体に対する
接着力が弱く剥離し易いため、経時的に透孔の形状悪化
を招く可能性も高い。

【００１１】上記溶融凝固層の形成を阻止するために非
酸化性ガス雰囲気や液体中で、レーザ加工等を実施する
ことも、一部で試行されているが、作業性および加工時
間に難点があり、量産方法としては未だ確立されていな
い。

【００１２】さらに焼成後にセラミックス基板にレーザ
光等を照射して透孔を形成する方法においては、緻密に
結合した焼結体組織を溶かしながら穿孔するため、加工
能率が悪く多大な加工時間を要する欠点がある。したが
って、ある程度の加工能率を確保するためには、高出力
のレーザ発振装置を使用せざるを得ない。しかしながら
、この場合、レーザ光の初期入射部位が大きく溶融して
透孔の寸法精度が低下する上に、透孔の表面粗さが増加
してしまう欠点があった。

【００１３】また図６に示すように、パンチングなどの
打抜き操作によって、セラミックス成形体１に透孔２を
形成した後に焼成してセラミックス基板３を調製し、し
かる後に蒸着法やスパッタリング法を使用して、上記透
孔２に導体層４を形成したセラミックス基板３において
は、透孔２の内壁面がほぼ垂直であり、かつ透孔２自体
が狭いため、導体形成用蒸気が透孔２の中心部まで十分
に回り込むことが少なくなる。その結果、透孔２の中心
部に導体層４が形成されない欠損部５が形成され易く、
この欠損部５は必然的に回路の導通不良を生じることと
なり、回路基板の信頼性を損う場合が多かった。この傾
向は、導体層４として、厚さが１μｍ以下の薄膜を形成
する場合に、より顕著になる。

【００１４】本発明は上記の種々の問題点を解決するた
めになされたものであり、透孔壁面の表面粗さが小さく
信頼性が高い導体層を形成することが可能であり、また
形状精度が優れた透孔を備えたセラミックス基板および
その効率的な製造方法を提供することを目的とする。 〔発明の構成〕

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明に係るセラミックス基板は、レーザ加工によって
形成した透孔を有するセラミックス成形体を焼結して形
成したことを特徴とする。

【００１６】また、焼結後における透孔の表面粗さを、
最大高さ（Ｒｍａｘ　）基準で１０μｍ以下に設定する
とよい。

【００１７】さらに、透孔は、セラミックス成形体の表
面方向に拡開するように形成して構成することもできる
。

【００１８】また本発明に係るセラミックス基板の製造
方法は、セラミックス原料を所定形状に成形してセラミ
ックス成形体を形成した後に、このセラミックス成形体
にレーザ光を照射することにより所定形状の透孔を形成
し、しかる後に透孔を形成したセラミックス成形体を焼
結することを特徴とする。

【００１９】

【作用】上記構成に係るセラミックス基板およびその製
造方法によれば、焼成する前の軟質なセラミックス成形
体にレーザ光を照射して穿孔を穿設しているため、極め
て効率良く高い寸法精度を有する透孔を形成することが
できる。すなわちレーザ光の熱によってセラミックス成
形体に含有されているバインダ等の有機物や分散溶媒が
容易に揮散するため、緻密な焼結体を溶解して透孔を形
成する場合と比較して加工効率を大幅に高めることが可
能となり、また低出力のレーザ装置で加工することがで
きる。

【００２０】またセラミックス成形体にレーザ光を照射
しても、透孔壁面に溶融凝固層やクラックが発生するこ
とが少なく、欠陥の少ないセラミックス基板を形成する
ことができる。

【００２１】さらにレーザ光は光学系によって極めて微
細径に収束させることが可能であり、高精度の透孔を形
成でき、また透孔の表面粗さも小さくすることが可能で
あり、表面にむらのない均質な導体層を形成することが
でき、基板の信頼性を大幅に高めることができる。

【００２２】またセラミックス成形体の表面方向に拡開
するように透孔を形成することにより、導体形成用蒸気
が透孔内の中心部まで充分に回り込むため、むらのない
導体層が形成でき、導通不良が少ない基板を形成するこ
とができる。

【００２３】特に、焼結後における透孔の表面粗さを最
大高さ（Ｒｍａｘ　）基準で１０μｍ以下に設定するこ
とにより、透孔表面部に、均一でむらのない導体層を形
成することができ、信頼性が高いセラミックス基板を得
ることができる。

【００２４】

【実施例】次に本発明の実施例について添付図面を参照
して、より具体的に説明する。

【００２５】実施例１ 図１および図２は、それぞれ、本発明に係るセラミック
ス基板の一実施例を示す断面図および平断面図である。 実施例１に係るセラミックス基板１は、厚さ方向に貫通
する長穴状の透孔２を有する。このセラミックス基板１
は下記の製造方法によって調製した。すなわち窒化アル
ミニウムを主成分とする厚さ１．１ｍｍのグリーンシー
ト（セラミックス成形体）をドクターブレード法によっ
て多数調製した。次にＹＡＧレーザ加工機（ｃｗ−Ｑｓ
ω）を使用して、レーザ光を１パス走査せしめ、各グリ
ーンシートに直径１５０μｍ、長さ５ｍｍの長穴状の透
孔２を形成した。レーザ加工機の運転条件として、Ｑｓ
ωは１ＫＨｚ、加工雰囲気は大気、平均出力は１０Ｗ、
加工物（グリーンシート）の送り速度は３０ｍｍ／ｍｉ
ｎに設定した。次に透孔２を形成した各グリーンシート
を脱脂後、１８００℃で５時間にわたり焼成してセラミ
ックス基板１を得た。

【００２６】得られたセラミックス基板１の透孔２の形
状精度を確認するために、各透孔２の両開口部の内径Ｄ
ＩＮ、ＤＯＵＴ　をそれぞれ測定し、両測定値の比（Ｄ
ＯＵＴ　／ＤＩＮ）を算出した。その結果、全試料につ
いての比の平均値は１．０５であり、極めて形状精度が
高い透孔２を形成することができた。

【００２７】また本実施例の製造方法によれば、軟質で
脆い段階にあるセラミックス成形体（グリーンシート）
をレーザ加工して透孔２を形成しているため、各透孔２
の内壁面には溶融凝固層の形成や、クラック等の欠陥が
観察されなかった。すなわち本実施例の製法によれば、
溶媒や水に分散されたセラミックス原料粉末を有機性の
高分子のバインダによって固められた軟質のグリーンシ
ートにレーザ光を照射して、透孔２を穿孔しており、そ
の際、溶媒、水および高分子バインダはレーザ光の熱に
よって容易に昇華または分解するため、レーザ光の照射
部は容易に除去されて透孔が形成される。

【００２８】さらにレーザ光は光学系の操作によって容
易に超微細に収束させることが可能であり、微細な透孔
であっても、高精度に加工することができる。ちなみに
実施例１で調製した各セラミックス基板１の透孔２の壁
面の表面粗さはＲｍａｘ　（最大高さ）基準で８μｍで
あり、従来の打抜き法によって形成した場合と比較して
加工精度を５〜１０倍に改善することができた。

【００２９】また本実施例の製造方法によれば、軟質で
脆いセラミックス成形体の段階（焼成前）で透孔２を形
成しているため、従来のように焼成後にレーザ加工によ
って透孔を形成する場合と比較して、加工能率を５〜１
００倍程度に飛躍的に向上させることができた。

【００３０】さらに従来、ＡｌＮ基板に透孔を形成する
場合においては、Ａｌ２　Ｏ３　基板と比較してレーザ
光の吸収率が低いため高出力のＣＯ２　ガスレーザ装置
を使用することを余儀なくされていた。しかしながら本
実施例方法によれば、焼成前の成形体の段階で加工を行
なっているため、比較的に低出力のＹＡＧレーザ装置等
による加工が可能であり、加工設備の運転コストも低減
することができた。

【００３１】次に調製した各セラミックス基板１の両表
面に、スパッタリング装置を用いて、厚さがそれぞれ５
０，５００，２００ｎｍのＴｉ，Ｎｉ，Ａｕ薄膜を形成
し、３層構造の導体層を形成した。ここでスパッタリン
グ装置の運転出力は１００〜５００Ｗ、セラミックス基
板の温度は室温（ＲＴ）〜２００℃の範囲に設定した。 そして各透孔２の内面に沿って、セラミックス基板の表
裏に亘って形成された導体層の導通試験を施したところ
、ほぼ１００％の導通が得られた。したがって本実施例
に係るセラミックス基板１によれば、動作の信頼性が高
い回路を形成することが可能となる。

【００３２】実施例２ グリーンシート表面に照射するレーザ光を２パスに分け
て照射した以外は実施例１と同一形状および同一組成の
グリーンシートに、図２に示すものと同一寸法の透孔を
形成した。加工物（グリーンシート）の送り速度は、１
パス目で３０ｍｍ／ｍｉｎ　、２パス目で１０ｍｍ／ｍ
ｉｎ　に設定した。

【００３３】そして形成された各透孔内壁面の表面粗さ
は、焼結後の平均値で５μｍＲｍａｘであり、実施例１
の場合と比較してより改善されることが判明した。

【００３４】比較例１ 比較例１として、短径０．１５ｍｍ、長径５ｍｍの打抜
きパンチを備えたパンチングマシンを使用して、実施例
１で調製したＡｌＮグリーンシートに、図２に示すスロ
ット状の透孔を連続的に形成した後に、実施例１と同様
に脱脂焼結して比較例１のセラミックス基板を多数調製
した。

【００３５】しかしながら形成された透孔の下縁部には
、シートの弾性回復によって、変形が発生しており、ま
た透孔内壁面の表面粗さも平均値で５０μｍＲｍａｘ　
と高い値であった。

【００３６】比較例２ 比較例２として実施例１で調製したＡｌＮグリーンシー
トを焼成した後に、レーザ光を照射し、実施例１と同一
寸法の透孔を形成して比較例２のセラミックス基板を多
数調製した。

【００３７】そして形成した透孔の表面粗さ、表面状態
、レーザ加工能率および実施例１と同様に導体層を形成
した場合における導通不良率を計測した。

【００３８】上記測定結果を、実施例１，２および比較
例１の場合をも含めて、下記表１にまとめて表示する。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１に示す結果から明らかなように実施例
１．２に係るセラミックス基板およびその製造方法によ
れば、透孔の表面粗さが小さく高精度であり、信頼性が
高いセラミックス基板を高い効率で製造することができ
る。特に透孔の表面粗さが小さいため、むらのない導体
層薄膜を形成することが可能であり、高密度実装に好適
なセラミックス基板を提供することができる。さらに焼
結後における透孔の表面粗さを１０μｍＲｍａｘ　以下
に設定することにより、導体層の導通不良をほぼ解消で
きることも実験により確認した。

【００４１】実施例３ 実施例３として図３に示すように、透孔２ａがセラミッ
クス基板１ａの表面方向に拡開するように形成されたセ
ラミックス基板１ａを製造した。すなわち実施例１にお
いて調製した窒化アルミニウムを主成分とするグリーン
シートに、１０ＷのＹＡＧレーザ加工機を使用してレー
ザ光を照射して、平均径１５０μｍのテーパ状の透孔２
ａを形成した。そして透孔２ａを形成したグリーンシー
トを実施例１と同一の処理条件で脱脂焼結して、図３に
示す実施例３のセラミックス基板１ａを形成した。透孔
２ａの両端部の開口比（ＤＩＮ／ＤＯＵＴ　）は平均で
１．５とした。

【００４２】次に実施例１と同様に調製した各セラミッ
クス基板１ａの両表面に、スパッタリング装置を用いて
、図４に示すように、厚さがそれぞれ５０，５００，２
００ｎｍのＴｉ，Ｎｉ，Ａｕ薄膜を形成し、３層構造の
導体層３ａを形成した。ここでスパッタリング装置の運
転出力は１００〜５００Ｗ、セラミックス基板１ａの温
度は室温（ＲＴ）〜２００℃の範囲に設定した。そして
各透孔２ａの内面に沿って、セラミックス基板１ａの表
裏に亘って形成された導体層３ａの導通試験を施したと
ころ、ほぼ１００％の導通が得られた。したがって本実
施例３に係るセラミックス基板１ａによれば、動作の信
頼性が高い回路を形成することが可能となる。

【００４３】すなわち実施例３にセラミックス基板１ａ
によれば、透孔２ａがセラミックス基板１ａの表面方向
に拡開するように形成されている。そのため、スパッタ
リング操作によって導体層３ａを形成するに際して、ス
パッタリング分子が透孔２ａの中心部まで充分に回り込
むため、欠損部等がなく均一でむらのない導体層３ａを
形成することができる。したがって動作の信頼性が高い
回路を提供することができる。

【００４４】実施例４ 実施例１で用意したＡｌＮグリーンシートに、１０Ｗ、
ＹＡＧレーザ加工機からレーザ光を照射し、平均径１０
０μｍの透孔を形成した。ここでレーザ光の焦点位置を
、グリーンシートの厚さ方向に２箇所にそれぞれ設定す
ることにより、図５に示すように、グリーンシートの中
心部から両外表面方向に拡開するような透孔２ｂを形成
した。

【００４５】次に透孔２ｂを形成したグリーンシートを
、実施例１と同様に脱脂後、１８００℃で焼成し、セラ
ミックス基板１ｂとした。

【００４６】次に調製した各セラミックス基板１ｂの両
表面に、スパッタリング装置を用いて、厚さがそれぞれ
５０，５００，２００ｎｍのＴｉ，Ｐｄ，Ａｕ薄膜を形
成し、３層構造の導体層３ｂを形成した。ここでスパッ
タリング装置の運転出力は１００〜５００Ｗ、セラミッ
クス基板１ｂの温度は室温（ＲＴ）〜２００℃の範囲に
設定した。そして各透孔２ｂの内面に沿って、セラミッ
クス基板１ｂの表裏に亘って形成された導体層３ｂの導
通試験を施したところ、ほぼ１００％の導通が得られた
。したがって本実施例４に係るセラミックス基板１ｂに
よっても、動作の信頼性が高い回路を形成することが可
能となる。

【００４７】比較例３ 実施例１において用意したＡｌＮグリーンシートに、パ
ンチングマシンを使用して、図１に示すような直径１５
０μｍの透孔を形成した。次にこのグリーンシートを１
８００℃で５時間焼成して、図１に示すようなセラミッ
クス基板を得た。このセラミックス基板の上記透孔の両
端開口部の寸法比（（ＤＯＵＴ　／ＤＩＮ）は１．１で
あった。

【００４８】こうして形成したセラミックス基板に、実
施例４と同一条件で、Ｔｉ，Ｐｂ，Ａｕの薄膜から成る
導体層を形成し、図６に示すようなセラミックス基板を
多数得た。そして得られた基板の導体層の導通試験を実
施したところ、約５０％の基板において導通不良が発生
していた。導通不良を生じた基板の透孔内面を観察した
ところ、図６に示すように、導体層４が形成されない欠
損部５が生じており、また導体層４にむらが多い透孔２
が一部に観察された。

【００４９】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係るセラミッ
クス基板およびその製造方法によれば、焼成する前の軟
質なセラミックス成形体にレーザ光を照射して穿孔を穿
設しているため、極めて容易に効率良く、高い寸法精度
を有する透孔を形成することができる。

【００５０】またセラミックス成形体にレーザ光を照射
しても、透孔壁面に溶融凝固層やクラックが発生するこ
とが少なく、欠陥の少ないセラミックス基板を形成する
ことができる。

【００５１】さらにレーザ光は、光学系によって極めて
微細径に収束させることが可能であり、高精度の透孔を
形成でき、また透孔の表面粗さも小さくすることが可能
であり、表面にむらのない均質な導体層を形成すること
ができ、基板の信頼性を大幅に高めることができる。

【００５２】またセラミックス成形体の表面方向に拡開
するように透孔を形成することにより、導体形成用蒸気
が透孔内の中心部まで充分に回り込むため、むらのない
導体層が形成でき、導通不良のない基板を形成すること
ができる。

【００５３】特に、焼結後における透孔の表面粗さを最
大高さ（Ｒｍａｘ　）基準で１０μｍ以下に設定するこ
とにより、透孔表面部に、均一でむらのない導体層を形
成することができ、信頼性が高いセラミックス基板を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックス基板の一実施例を示
す断面図。

【図２】図１に示すセラミックス基板の平断面図。

【図３】本発明に係るセラミックス基板の他の実施例を
示す断面図。

【図４】図３に示すセラミックス基板に導体層を形成し
た状態を示す断面図。

【図５】本発明のその他の実施例を示す断面図。

【図６】透孔を有する従来のセラミックス基板に導体層
を形成した状態を示す断面図。

【符号の説明】

１，１ａ　　セラミックス基板 ２，２ａ，２ｂ　　透孔（スルーホール）３，３ａ，４
　　導体層 ５　　欠損部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ加工によって形成した透孔を有
   するセラミックス成形体を焼結して形成したことを特徴
   とするセラミックス基板。
2. 【請求項２】　　焼結後における透孔の表面粗さを最大
   高さ（Ｒｍａｘ　）基準で１０μｍ以下に設定したこと
   を特徴とする請求項１記載のセラミックス基板。
3. 【請求項３】　　透孔は、セラミックス成形体の表面方
   向に拡開するように形成されたことを特徴とする請求項
   １記載のセラミックス基板。
4. 【請求項４】　　セラミックス原料を所定形状に成形し
   てセラミックス成形体を形成した後に、このセラミック
   ス成形体にレーザ光を照射することにより所定形状の透
   孔を形成し、しかる後に透孔を形成したセラミックス成
   形体を焼結することを特徴とするセラミックス基板の製
   造方法。