JP2004260098A

JP2004260098A - 多層セラミック基板およびその製造方法

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Publication number: JP2004260098A
Application number: JP2003051494A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Nakamura; 良二中村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】低抵抗で、微細配線で、配線の断線や基板の反りといった形状面の不具合が発生しない多層セラミック基板を提供する。
【解決手段】多層セラミック基板の外層または内層に形成される配線回路層に、抗張力が０．５×１０^８〜８．０×１０^８Ｐａであって、平均径（Ｄ５０）が１０μｍ以下のガラス粒子またはセラミック粒子が１．０〜５５．０ｖｏｌ％含有されている金属箔を使用する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層セラミック基板およびその製造方法に関するもので、特に、基板の外層または内層に形成される配線回路層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯情報端末の発達や、コンピューターを持ち運んで操作するいわゆるモバイルコンピューティングの普及によって、一層電子機器の小型化が進み、これら電子機器に内蔵される多層配線基板についても、低抵抗等の電気的特性を満足しつつ一層の微細配線化をはかり、かつ配線の断線や基板の反りといった形状面の不具合が発生していない基板を提供することが要求されている。
【０００３】
上述の要求に対し、特許文献１では、配線回路層を形成するにあたり多孔質の金属箔を用いることが提案されている。
【０００４】
この特許文献１によれば、ガラスセラミック成形体と金属箔からなる配線回路層を同時焼成する場合において、配線回路層に多孔質の金属箔を用いることで配線回路層自体の剛性が緩和され、ガラスセラミック成形体と配線回路層との焼成時における収縮率の差を抑制できるとしている。結果、同時焼成した後の冷却過程において、配線回路層形成面にクラックが発生する可能性が低くなるとし、低抵抗で、微細配線が可能で、基板の反り等が小さい多層基板を提供できるとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５６４１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１では、配線回路層形成面、すなわち基板側がクラックする可能性は低くなるものの、多孔質の金属箔を用いるがために配線回路層自体の剛性は低くなり、つまり柔かくもろくなり、加工途中等に断線する可能性があるものと考える。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、上述のような問題を解決し得る多層セラミック基板の製造方法、およびこの製造方法によって得られた多層セラミック基板を提供しようとすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、積層された複数のセラミック層をもって構成される積層体と、セラミック基板の外層または内層に形成される金属箔からなる配線回路層とを有する多層セラミック基板にまず向けられるものであって、上述の技術的課題を解決するため、次のような構成を備えることを特徴としている。
【０００９】
すなわち、本発明に係る多層セラミック基板においては、金属箔の抗張力が０．５×１０^８〜８．０×１０^８Ｐａであって、前記金属箔にはガラス粒子およびセラミック粒子のうちの少なくとも一方の粒子が１．０〜５５．０ｖｏｌ％含有されており、前記ガラス粒子または前記セラミック粒子は平均径（Ｄ５０）が１０μｍ以下の粒子であることを特徴としている。なお、本発明における平均径（Ｄ５０）とは、マイクロトラック（レーザー散乱回帰法）にて粒子径の度数分布を取り、累積度数の５０％にあたる粒子径のことを意味する。
【００１０】
また、前記金属箔にガラス粒子を含有させる場合は、珪酸ガラス粒子、または石英ガラス粒子のいずれかが好適であり、セラミック粒子を含有させる場合は、アルミナ、ジルコニア、ムライト、またはコージライトのいずれかが好適である。
【００１１】
また、前記金属箔の主体となる金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種類以上が好適である。
【００１２】
また、前記セラミック層は、１０００℃以下の温度で焼結可能な低温焼結セラミック材料を焼成することによって得られる焼結体から構成されていることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る多層セラミック基板の製造方法においては、上述の技術的課題を解決するため、次のような工程が実施されることを特徴としている。
【００１４】
まずセラミックグリーンシートを準備する工程が実施される。
【００１５】
次に、前記セラミックグリーンシート上に抗張力が０．５×１０^８〜８．０×１０^８Ｐａであって、ガラス粒子およびセラミック粒子のうちの少なくとも一方の粒子が１．０〜５５．０ｖｏｌ％含有されていて、前記ガラス粒子または前記セラミック粒子は平均径（Ｄ５０）が１０μｍ以下の粒子である金属箔からなる配線回路層を形成する工程が実施される。
【００１６】
次に、前記セラミックグリーンシートを積層して生の積層体を得る工程が実施される。
【００１７】
次に、前記生の積層体を前記金属箔の融点以下の温度で焼成する工程が実施される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の多層セラミック基板１１を示している。多層セラミック基板１１は、積層された複数のセラミック層１２をもって構成される積層体１３と、セラミック層１２上に金属箔で形成される配線回路層１４を備えている。
【００１９】
なお、図示した多層セラミック基板１１は、図面の煩雑化を避けるため、簡略化して図示している。実際の多層セラミック基板には、より多数のセラミック層が積層されたものや、多数の配線回路層、ビアホール、スルーホールを備えているものなどがある。
【００２０】
図２は、図１に示す多層セラミック基板１１の製造方法を示す。
【００２１】
まず、図２（ａ）に示すように、セラミックグリーンシート２１を準備する。
【００２２】
セラミックグリーンシート２１は、たとえば、酸化バリウム、酸化ケイ素、アルミナ、酸化カルシウムおよび酸化ホウ素の各粉末を混合したものに、ポリビニルブチラールからなるバインダとジ−ｎ−ブチルフタレートからなる可塑剤とトルエンおよびイソプロピレンアルコールからなる溶剤とを混合して得られたペースト（スラリー）を、ドクターブレード法等によりシート状に成形し、これを乾燥させることによって得ることができる。
【００２３】
また、焼成時にガラスが生成するもののほか、予め、ガラスや酸化銅や酸化マグネシウム等の焼結助剤を含有させておくことによって、より低温で焼結し得る組成としたものであってもよい。
【００２４】
またセラミックグリーンシート２１の焼結促進、収縮挙動制御、強度改善、電気特性制御を目的として無機化合物やガラスを添加したり、基板の絶縁性を損なわない範囲で金属を添加しても構わない。
【００２５】
次に、図２の（ｂ）に示すように、セラミックグリーンシート２１に、金属箔からなる配線回路層１４を形成する工程を実施する。
【００２６】
配線回路層１４の形成方法としては、まず、主成分が金属導体であるスラリーに対し、抗張力が０．５×１０^８〜８．０×１０^８Ｐａの範囲内となるようにガラス粒子またはセラミック粒子を混ぜ、混ぜたものを高分子材料等からなる転写フィルム上にドクターブレード法等によって厚みが１５〜５０μｍになるように塗布する。この時、混ぜるガラス粒子またはセラミック粒子の平均径（Ｄ５０）は１０μｍ以下のものを用いる。また、混ぜるガラス粒子またはセラミック粒子の量は、金属箔に含有された時点で金属箔全体の１．０〜５５．０ｖｏｌ％の範囲内となるように調整する。
【００２７】
本発明によれば、配線回路層１４は、ガラス粒子またはセラミック粒子を含有していることが重要である。ガラス粒子またはセラミック粒子が含有されていることによって、セラミックグリーンシート２１との同時焼成時の熱収縮挙動の違いによる熱応用力を、配線回路層１４が吸収することになり、基板の割れやクラックの発生を抑制することができる。また、ガラス粒子またはセラミック粒子を含有させることにより配線回路層１４中に空孔が存在しなくなる、または少なくなるため、容易に断線しにくい配線回路層１４となる。但し、含有させるガラス粒子またはセラミック粒子が多過ぎると、配線回路層１４のシート抵抗が高くなる虞があるため、具体的には、ガラス粒子またはセラミック粒子の平均径（Ｄ５０）は１０μｍ以下のものであり、含有率は金属導体全体の１．０〜５５．０ｖｏｌ％、特に２０％以下、さらには１０％以下であることが望ましい。またガラス粒子を含有させる場合は、後述する積層体を焼成する工程における焼成温度では溶けない高融点のガラスを用いることが好ましい。セラミック粒子を含有させる場合は、後述する積層体を焼成する工程における焼成温度では焼結しないセラミック材料を用いることが好ましい。
【００２８】
次に、塗布した膜に対して、レーザーあるいはパンチング等で配線パターンに加工し、アルミナあるいはジルコニア等でできた転写用の基板上に転写する。この転写用の基板を、還元あるいは中性雰囲気中で５００〜９００℃の範囲で焼成し、転写された膜を箔化させる。このように作製した金属箔をセラミックグリーンシート２１の表面に位置合わせして積層圧着した後、転写用の基板を剥がすことにより、配線回路層１４を形成することができる。
【００２９】
この時、金属箔の片面を、好ましくは両面を、高周波特性で問題とならない程度に荒らしておくと、セラミックグリーンシート２１等との密着性が高まり好ましい。
【００３０】
また、焼成の際に焼失する樹脂接着剤を金属箔面にあらかじめ塗布しておくと、セラミックグリーンシート２１との密着性がさらに高まるので好ましい。
【００３１】
また、セラミックグリーンシート２１に金属箔を圧着する時は、１００ｋｇ／ｃｍ^２程度の圧力で行うのが好ましい。
【００３２】
上述の配線回路層１４を形成する方法は、事前に転写用の基板上で金属箔をエッチングして回路を形成するものだが、転写用の基板を経由せず、直接セラミックグリーンシート２１上に金属箔を転写して、セラミックグリーンシート２１上でエッチングして回路を形成する方法でも構わない。
【００３３】
次に、図２の（ｃ）に示すように、セラミックグリーンシート２１を所望の枚数積層し、圧着して、生の積層体２２を得る工程を実施する。
【００３４】
次に、生の積層体２２を焼成する工程を実施する。
【００３５】
この焼成する工程においては、まず、生の積層体２２を４００℃〜７５０℃の大気中または窒素雰囲気中で加熱処理して、セラミックグリーンシート２１内の有機成分を分解除去した後、８００℃〜１０００℃の大気中または還元雰囲気中で焼成する。この時、ガラス粒子が金属箔に含まれる場合は、焼成中に金属箔の焼結を阻害するため、金属箔とセラミックグリーンシート２１の界面付近における焼成収縮による両者の焼結挙動の相違による熱応用力の発生を抑制することができるため、絶縁基板の反り、うねり等の発生を抑えることができる。
【００３６】
同様に、１０００℃以下で焼結しないセラミック粒子が金属箔に含まれる場合でも、同様の効果が得られる。
【００３７】
次に、本発明の作用・効果を、上述の図２の製造方法に沿って行った実験結果（表１）に基づいて説明する。
【００３８】
【表１】

【００３９】
最初に、金属箔にガラス粒子やセラミック粒子を加えることの効果を確認するため、ガラス粒子やセラミック粒子を全く加えていない、Ｃｕを主成分とした金属箔を配線回路層として備えたセラミック基板を作製した（試料番号１）。
【００４０】
次に、Ｃｕを主成分とした金属導体に対し、ガラス粒子の１種である珪酸ガラス粒子を加えた金属箔を配線回路層として備えたセラミック基板を作製した（グループ１）。グループ１では、金属箔の抗張力や、珪酸ガラス粒子の平均径や含有率を変化させ、効果のある値の範囲を見極めようとし、さらに、ガラス粒子とセラミック粒子を混合しても問題ないことを確認しようとした。なお、試料番号２、３、４は、各々同じ平均径のガラス粒子を、同じ含有率で金属箔に含有させてはいるが、ガラス粒子が金属箔内で全く同じには分布されないことや、ガラス粒子径のバラツキから金属箔内で全く同じ粒子径のものが分布されているわけではないといった理由から、得られた金属箔の抗張力は異なっている。これは試料番号１７、１８、１９についても同様である。
【００４１】
次に、ガラス粒子の１種である石英ガラス粒子を使用しても効果があることを確認するため、Ｃｕを主成分とした金属導体に対し、石英ガラス粒子を加えた金属箔を配線回路層として備えたセラミック基板を作製した（グループ２）。
【００４２】
次に、金属箔にセラミック粒子を使用しても効果があることを確認するために、Ｃｕを主成分とした金属導体に対し、セラミック粒子の１種であるアルミナ粒子を加えた金属箔を配線回路層として備えたセラミック基板を作製した（グループ３）。
【００４３】
さらに、Ｃｕ以外の金属を使用しても効果があることを確認するために、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕを各々主成分とした金属箔を配線回路層として備えた使ってセラミック基板を作製した（グループ４）。
【００４４】
このようにして作製したセラミック基板を、以下の通り検証した。
まず、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、基板のクラックの有無を確認した。次に、予め幅０．０５ｍｍ、長さ２０ｍｍの銅配線層を形成しておき、配線抵抗をテスターを用いて測定し、銅配線層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、銅配線の長さを５０倍の顕微鏡を用いて測定し、得られた面積、長さから抵抗率を算出した。
【００４５】
次に、作製したセラミック基板の対角線上の反りを、表面粗さ計を用いて基板変形量を測定した。
【００４６】
これらの検証結果について、クラック無し、抵抗率２．５μΩ・ｃｍ以下、基板変形量をＲｍａｘで５０μｍ以下を良品条件として全ての条件を満たせば○、１つでも満たさなければ×を判定欄に記載し、評価した。
【００４７】
上述の実験と評価から、まず、配線回路層にガラス粒子またはセラミック粒子を含有させることの有効性が確かめられた。
【００４８】
また、本発明の効果を発揮する抗張力の範囲は０．５×１０^８〜８．０×１０^８Ｐａであることが確認できた。抗張力がこの範囲を上回れば、基板との収縮率の問題から基板変形量が大きくなりすぎ、この範囲より下回れば、剛性が低くなり過ぎて配線回路が断線するといった問題が発生することが確認できた。
【００４９】
また、ガラス粒子またはセラミック粒子の含有率は、１．０〜５５．０ｖｏｌ％であることの有効性も確かめられた。含有率がこの範囲を上回れば、抵抗率が高くなりすぎることが確認でき、下回ると、収縮率の問題から基板変形量が大きくなりすぎることが確認できた。
【００５０】
また、本発明の効果を発揮するガラス粒子またはセラミック粒子の平均径（Ｄ５０）は、１０μｍ以下であるとも確認できた。
【００５１】
さらに、本発明の効果を発揮するガラス粒子の種類は、珪酸ガラス粒子、または石英ガラス粒子であり、ガラス粒子とセラミック粒子が混合されても問題ないこと、本発明の効果を発揮する金属箔の主体となる金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕであることも確認できた。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、抗張力が０．５×１０^８〜８．０×１０^８Ｐａであり、ガラス粒子またはセラミック粒子を含有した金属箔を用いて配線回路層を形成することによって、微細配線化を可能とし、配線回路層の低抵抗化を満足しつつ、反りうねりの小さい多層セラミック基板を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で得られる多層セラミック基板の断面図である。
【図２】本発明で得られる多層セラミック基板の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１１…多層セラミック基板
１２…セラミック層
１３…積層体
１４…配線回路層
２１…セラミックグリーンシート
２２…生の積層体

Claims

積層された複数のセラミック層をもって構成されるセラミック基板と、前記セラミック基板の外層または内層に形成される金属箔からなる配線回路層とを有する多層セラミック基板において、
前記金属箔の抗張力が０．５×１０^８〜８．０×１０^８Ｐａであって、
前記金属箔にはガラス粒子およびセラミック粒子のうちの少なくとも一方の粒子が１．０〜５５．０ｖｏｌ％含有されていて、
前記ガラス粒子または前記セラミック粒子は平均径（Ｄ５０）が１０μｍ以下であることを特徴とする、多層セラミック基板。
前記ガラス粒子は、珪酸ガラス粒子、または石英ガラス粒子であり、前記セラミック粒子は、アルミナ、ジルコニア、ムライト、またはコージライトである、請求項１に記載の多層セラミック基板。
前記金属箔の主体となる金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種類以上であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の多層セラミック基板。
前記セラミック層は、１０００℃以下の温度で焼結可能な低温焼結セラミック材料を焼成することによって得られる焼結体から構成されていることを特徴とする、請求項１から請求項３に記載の多層セラミック基板。
セラミックグリーンシートを準備する工程と、
前記セラミックグリーンシート上に抗張力が０．５×１０^８〜８．０×１０^８Ｐａであって、ガラス粒子およびセラミック粒子のうちの少なくとも一方の粒子が１．０〜５５．０ｖｏｌ％含有されていて、前記ガラス粒子または前記セラミック粒子は平均径（Ｄ５０）が１０μｍ以下である金属箔からなる配線回路層を形成する工程と、
前記セラミックグリーンシートを積層して生の積層体を得る工程と、
前記生の積層体を前記金属箔の融点以下の温度で焼成する工程とを備える、多層セラミック基板の製造方法。