JPH0629664A - 多層セラミックス配線基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガラスと残部が結晶質とからなる低温焼成多
層セラミックス配線基板の抗折強度を改善する。 【構成】 多層基板の最外層の熱膨張率を内層の熱膨張
率より小さくし、表裏の最外層の厚みの合計を内層の厚
みより小さくする。 【効果】 従来の積層、焼成手段を用いることができ、
熱膨張率の差により、焼成後の冷却で最外層に圧縮応力
を生じ、多層基板の抗折強度が著しく改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多層セラミックス配線基
板に関し、特にガラスと残部が結晶質とからなる低温焼
成多層セラミックス配線基板に関するものである。

【０００２】近年、高温焼成タイプのアルミナを用いた
多層配線基板に代って、 800〜1000℃程度で焼成でき
る、いわゆる低温焼成多層セラミックス配線基板が用い
られてきている。

【０００３】

【従来の技術】この低温焼成多層セラミックス配線基板
は、軟化点が 600〜750 ℃程度のガラス粉末（低軟化点
ガラス）とアルミナ、シリカ（石英、クリストバライ
ト、石英ガラス等）などのフィラー粉末とを混合し、バ
インダーなどの有機ビヒクルを加えて混練して作ったグ
リーンシートに、Au、Ag、Cuなどの金属ペーストで配線
などを印刷し、複数枚積層してプレスした後、焼成して
つくることができる。

【０００４】これら低温焼成多層セラミックス配線基板
の特徴は、低温（ 800〜1000℃）で焼成できること、し
たがって同時に焼成して内蔵させる配線等に導電率の高
いAu、Ag、Cuなどの低融点金属を使うことができるこ
と、さらに従来標準的なセラミックス配線基板として用
いられてきたアルミナ基板（アルミナ純度：96％）より
も誘電率、熱膨張率が低いことなどが挙げられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、低温
焼成セラミックス配線基板は多くの長所をもっている
が、低温で焼結させるために多量のガラスを配合せねば
ならず、抗折強度が弱いという問題点があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者等は低温焼結セラ
ミックス配線基板の上記の問題点を解決するため研究を
重ね、基板の両表面に圧縮応力を導入すれば強度が向上
するとの知見を得、さらに研究を進めて本発明に至っ
た。

【０００７】すなわち本発明は、ガラスと残部が結晶質
とからなる低温焼成多層セラミック配線基板において、
多層基板の最外層が基板の内層を構成する部分の熱膨張
率よりも小さい熱膨張率を有する材料により構成されて
おり、且つ両最外層の厚みの合計が内層を構成する部分
の厚みより小さいことを特徴とする多層セラミックス配
線基板である。

【０００８】本発明において、基板の内層を構成する部
分の熱膨張率よりも小さい熱膨張率の材料により表面層
を構成する方法は、焼成後の熱膨張率が異なるような組
成の2種類のグリーンシートをつくり、焼成後の熱膨張
率が大きい方のグリーンシートを内層に、小さい方のグ
リーンシートが最外層になるよう、配線などを印刷した
のち積層し焼成すればよい。

【０００９】焼成後の熱膨張率を変化させる方法は当業
者であれば公知である。数例を挙げれば(1) 原料の低軟
化点ガラスとフィラーの混合率を変える、(2) 低軟化点
ガラスの組成を変化させる、(3) フィラーの種類・配合
を変える、などがある。

【００１０】なお、混合するときの低軟化点ガラスやフ
ィラーの組成や配合比は、配合された低軟化点ガラスと
フィラーとが反応したり、熱処理により結晶質が析出す
るなどによって、焼成後に変化することがあるので、そ
の設計には注意が必要である。

【００１１】配合するガラスとフィラーとではそれぞれ
の熱膨張率は異なっているのが普通であり、その複合焼
結体の熱膨張率はその混合比により変化することが知ら
れている。これを利用したのが上記(1) の方法である。
例えば、熱膨張率が 5×10^-6／℃のガラス50体積部と、
熱膨張率が 7.8×10^-6／℃のアルミナ50体積部とを混合
して焼成すると、ガラスとアルミナとの反応にもよる
が、ほぼ 6.4×10^-6／℃の熱膨張率をもったものが得ら
れる。この比をガラス：アルミナ＝60：40（体積比）に
すると、約 6.1×10^-6／℃のものが得られる。

【００１２】またガラスの組成も同様に構成材料の構成
比により変化する。たとえばガラス中のSiO₂量やB₂O₃量
を増加させれば熱膨張率は小さくなり、アルカリ量やア
ルミナ量を増加させれば熱膨張率は大きくなる。この原
理を用いて、 2種類のガラスを用いれば、同じフィラー
混合比であっても異なる熱膨張率のシートをつくること
ができる。この場合、それぞれのガラス単独でシートを
つくってもよいが、 2種類のガラスを比を変えて混合す
ることによっても異なる熱膨張率のシートが得られる。

【００１３】さらにフィラーとしてのセラミックスのう
ち、アルミナは前述したようにその熱膨張率は約 7.8×
10^-6／℃、ムライトは約 5×10^-6／℃であり、石英ガラ
スに至っては 0.6×10^-6／℃である。すなわちこの場合
も、異なるフィラーを単独で用いて別々のシートにして
もよいし、 2種類以上のフィラーの混合比を変えて配合
してシートにしてもよい。

【００１４】以上に挙げた以外でも、熱膨張率の異なる
シートをつくる手段は可能であり、本発明ではシートの
作成方法によらず同じ効果が得られる。

【００１５】本発明の多層基板においては、表裏両最外
層の厚みの合計よりも内層を構成する部分の厚みが大き
いことが必要である。内層の厚みが小さいと、発明の効
果が期待されないだけでなく、基板の強度が劣化するこ
ともあり、内層と外層の熱膨張率の差によっては内層部
分に亀裂が入り、内部配線の断線などが発生するおそれ
がある。

【００１６】最外層の厚みは、表裏両層が実質的に同じ
であることが好ましい。表裏両層の厚みが大きく異なる
場合には、積層体を焼成した後ソリが発生し、基板とし
て使用できないものとなるおそれがある。

【００１７】

【作用】ガラスやセラミックスなどの脆性固体は圧縮応
力には強いが引張応力に弱く、曲げ応力による破壊は引
張応力がかかった側の表面から発生することが多いこと
から、表面に初めから圧縮応力を導入しておいて、引張
応力が加えられたときそれを緩和することにより強度を
改善する方法が知られており、自動車のフロントガラス
などでは、加熱プレス成形後に片側表面のみを急冷する
ことにより表面（通常外側面）に圧縮の残留応力を発生
させ、強度を飛躍的に改善している。

【００１８】ところがセラミックス基板の場合には、そ
の肉厚が薄く（通常1mm 程度）、しかも両面とも強化し
なければならないため、表面の急冷により抗折強度の向
上に寄与するだけの残留圧縮応力を発生させることは非
常に困難である。

【００１９】本発明では、表面を急冷する代わりに熱膨
張率の差を利用して表面に圧縮応力を発生させている。
すなわち、焼成後の熱膨張率が異なるシートを積層して
焼成した場合、最高焼成温度帯（低温焼成多層セラミッ
クス配線基板の場合、 800〜1000℃）で焼結が完了し、
その時点から室温まで冷却される間にシートはそれぞれ
の熱膨張率にしたがって収縮しようとする。ところがシ
ートは一体に積層されているために、熱膨張率の大き
い、すなわち冷却時の収縮率の大きい内層は縮みきれず
に引張応力が、熱膨張率の小さい最外層は内層の収縮力
を受けて圧縮応力が発生する。

【００２０】本発明の多層基板においては、同じ厚みで
且つ同じ熱膨張率の最外層を表裏両面に設けたので、両
面とも同じ圧縮応力が発生し、抗折強度が向上すると共
に表裏の応力差による反りの発生もない。

【００２１】また、表面層を構成する熱膨張率の小さい
層の合計厚みが内層の厚みよりも小さいので、内層に発
生した収縮力が表面層を効果的に圧縮する。セラミック
スは圧縮力に対して極めて強いので圧縮では破壊せず、
一方、内層にかかる引張応力は相対的に小さく、内層を
断続的に破壊することがない。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例によって具体的に示
す。なお以下の実施例での抗折強度の測定は次の方法に
よる。

【００２３】（抗折強度）基板を長さ約30mm、幅 5mmに
切断し、切断面を＃1000のエメリーペーパーで仕上げた
後、スパン（支点間距離）20.0mmに支持し、その中央部
をクロスヘッドスピード 0.5mm／分で加圧して破断荷重
Ｐを求めた。得られたＰより以下の式１により抗折強度
σを求める。

【００２４】

【式１】

【００２５】実施例１ 高熱膨張率用のガラスとして、SiO₂：50重量部、 Al
₂O₃：15部B₂O₃：20部、 ZnO：13部、Na₂O：1 部、 K
₂O：1 部よりなる組成の低軟化点ガラス Aを溶融法によ
り製造した。また低熱膨張率用のガラスとして、SiO₂：
60部、 Al₂O₃：8 重量部、B₂O₃：18重量部、 ZnO：12重
量部、Na₂O：1 部、 K₂O：1 部よりなる組成の低軟化点
ガラス Bを同様に製造した。

【００２６】ガラス A粉末及びガラス B粉末のそれぞれ
に、ガラス粉末60重量部に対して40重量部のアルミナフ
ィラーを配合し、溶媒、バインダ等も混合してドクター
ブレード成形して厚さ 180μm の生シートを作りそれぞ
れシート A、シート Bとした。なお、このシートを単独
で焼成して得られた板の熱膨張率は、シート Aを用いた
もので 6.8×10^-6／℃で、シート Bでは 6.4×10^-5／℃
であった。

【００２７】まずシート Bをいちばん下に、次にシート
Aを 4枚重ね、最後にシート Bを 1枚重ねて積層体をつ
くり、250kg/cm² の圧力及び90℃の温度で10分間ホット
プレスした。次いでこの積層体を 900℃で 1時間焼成し
て厚さ約 0.9mmのセラミックス多層基板を得た。これを
5mm幅に切断して抗折強度を測定したところ、250MPaの
抗折強度であった。

【００２８】比較例２、３ シート Aだけを 6枚積層し、同様にホットプレス、焼成
してつくった多層基板の強度は130MPa、シート Bを 6枚
積層した多層基板の強度は150MPaであった。

【００２９】比較例４ 表裏両面のシート Bを 2枚ずつとし、内層のシート Aを
2枚として、実施例１と同様にして多層基板を作製し
た。得られた基板の抗折強度は160MPaであった。

【００３０】比較例５ シート Aを最外層として表裏各 1枚ずつ、シート Bを内
層として 4枚積層し、実施例１と同様にして多層基板を
作製した。得られた基板の抗折強度は 80MPaと劣化して
いた。

【００３１】実施例２ ガラスA 60重量部、アルミナ粉末20重量部及び石英ガラ
ス粉末20重量部を配合してシート Cを作製した。このシ
ート単独の焼成後の熱膨張率は 6.2×10^-6℃であった。

【００３２】シート Cを表面層として表裏各面に 2枚ず
つ、シート Aを内層として 6枚用いて積層し、実施例１
と同様にして厚さ1.5 mmの多層基板を作製した。得られ
た基板の抗折強度は260MPaであった。

【００３３】比較例６ シート Cのみを 6枚積層し、実施例２と同様にして多層
基板を作製した。得られた基板の抗折強度は110MPaであ
った。

【００３４】シート Aを表面層として表裏各面に 2枚ず
つ、シート Cを内層として 6枚用い、実施例２と同様に
積層・焼成して多層基板を作製した。得られた基板の抗
折強度は 70MPaであった。

【００３５】

【発明の効果】これまで低温焼成多層セラミックス配線
基板は、多くの長所がありながら抗折強度が低いという
欠点のため、実用化が困難あったが、本発明のセラミッ
クス配線基板を用いることにより強度不足の懸念が解消
された。

【００３６】また、もともと多数のシートを積層してな
る多層セラミックス配線基板の構造を利用して作製でき
るので、熱膨張率の異なるシートを用いる以外はすべて
従来の工程で製造することができ、コスト的にも非常に
メリットがある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスと残部が結晶質とからなる低温焼
   成多層セラミックス配線基板において、多層基板の最外
   層が基板の内層を構成する部分の熱膨張率よりも小さい
   熱膨張率を有する材料により構成されており、且つ両最
   外層の厚みの合計が内層を構成する部分の厚みより小さ
   いことを特徴とする多層セラミックス配線基板。