JP2009032937A - セラミック多層基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 寸法精度がよく、ビアホール導体が表面から大きく突出することのない表面実装部品の実装性の良好なセラミック多層基板を提供する。
【解決手段】 第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅが第２のセラミック絶縁層２ａ、２ｄの焼成収縮開始温度よりも低い焼成収縮終了温度で焼結されていて、第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅの厚みが第２のセラミック絶縁層１ａ、１ｄの厚みの２分の１以下とされ、第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅに形成された第１のビアホール導体７ａと第２のセラミック絶縁層２ａ、２ｄに形成された第２のビアホール導体７ｂとが直接接続され、第２のビアホール導体７ｂは深さ方向に亘って横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て前記第２のビアホール導体の一端面の中心位置と他端面の中心位置とが前記直径の３分の１以上離れている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焼成における収縮曲線（挙動）が異なる２種類の絶縁性のセラミックグリーンシートを交互に積層して焼成することにより、平面方向の焼成収縮を抑制したセラミック多層基板に関する。

従来、移動体通信分野などで使用されるセラミック多層基板において、配線層の材料として導電率の高い金、銀、銅、アルミニウムあるいはそれらの混合物を用い、絶縁層の材料として配線層の材料の融点よりも低い温度で焼成が可能なガラスセラミックスを用いたセラミック多層基板が広く用いられている。

このセラミック多層基板は、複数の配線層間がビアホール導体により電気的に接続されている。製造に際しては、焼成後に絶縁層となるセラミックグリーンシートに貫通孔を形成し、その貫通孔に焼成後にビアホール導体となる導体材料を充填するとともに、貫通孔に導体材料の充填されたセラミックグリーンシートの主面に配線層となる導体材料を塗布する。そのようにして準備したセラミックグリーンシートを複数枚積層して焼成することにより、配線層間がビアホール導体により接続されたセラミック多層基板が得られる。

ここで、セラミック絶縁層の材料としてガラスセラミックスを用いたセラミック多層基板は、焼結前のセラミックグリーンシート積層体の状態から焼結により体積が４０〜５０％程度収縮する。このとき、セラミック多層基板の主面と平行な方向（平面方向）における収縮率は１方向において平均１５〜２０％程度ばらついており、この収縮率のばらつきが配線層の位置ばらつきにつながり、セラミック多層基板の寸法精度が悪くなっていた。なお、ここでいう収縮率とは、焼結前の寸法から焼結後の寸法を減じた値を焼結前の寸法で除した値で定義されるものである。

そこで、セラミック多層基板の寸法精度を向上させる方法として、焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度が異なる２種以上のセラミックグリーンシート（２種の場合は、焼成後に第１のセラミック絶縁層と第２のセラミック絶縁層となる）を積層し焼成することにより、平面方向の焼成収縮を抑制し、主に垂直方向に収縮させる方法が提案されている（例えば特許文献１を参照。）。
特開２００３−６９２３６号公報

この特許文献１に記載の方法では、焼成後に第１のセラミック絶縁層となる第１のセラミックグリーンシートの焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度と焼成後に第２のセラミック絶縁層となる第２のセラミックグリーンシートの焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度とが異なることから、互いに平面方向の収縮を抑制しあう。例えば、第１のセラミックグリーンシートの焼成収縮（焼結）終了後に第２のセラミックグリーンシートが焼成収縮（焼結）を開始するようになっている場合、第１のセラミックグリーンシートの焼成収縮（焼結）時にはまだ焼成収縮を開始していない第２のセラミックグリーンシートによって第１のセラミックグリーンシートの平面方向の収縮が抑制され、第２のセラミックグリーンシートの焼成収縮（焼結）時にはすでに焼成収縮を終了した（焼結された）第１のセラミック絶縁層によって第２のセラミックグリーンシートの平面方向の収縮が抑制される。したがって、第１のセラミックグリーンシートおよび第２のセラミックグリーンシートの垂直方向（積層方向）の収縮が大きくなる。

ところが、それぞれのセラミックグリーンシートに形成されたビアホール導体は同じ材料であることから焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度に違いはなく、接した内側の絶縁層に形成されたビアホール導体同士が直接接続されていた場合、互いに平面方向の収縮を抑制しあうことはない。したがって、本来の体積収縮量だけ収縮しようとすると、ビアホール導体の垂直方向（積層方向）の収縮はセラミックグリーンシートの垂直方向（積層方向）の収縮ほど大きくなることはない。

このため、図６に示すように、焼成後にビアホール導体５０がセラミック多層基板４０の表面から大きく突出してしまい、表面実装部品の実装性が低下するという問題が発生していた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、寸法精度がよく、ビアホール導体が表面から大きく突出することのない表面実装部品の実装性の良好なセラミック多層基板を提供することを目的とする。

本発明は、異なる焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度で焼結した２種類のセラミック絶縁層が交互に積層され、最外のセラミック絶縁層が該最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層の焼成収縮開始温度よりも低い焼成収縮終了温度で焼結されており、前記最外のセラミック絶縁層の厚みが前記最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層の厚みの２分の１以下とされ、前記最外のセラミック絶縁層に形成された第１のビアホール導体と前記最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層に形成された第２のビアホール導体とが直接接続されたセラミック多層基板であって、前記第２のビアホール導体は深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て前記第２のビアホール導体の一端面の中心位置と他端面の中心位置とが前記直径の３分の１以上離れていることを特徴とするセラミック多層基板である。

本発明によれば、最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層が積層方向に収縮する際の収縮力が第２のビアホール導体を収縮させるように作用することで、寸法精度がよく、ビアホール導体が表面から大きく突出することのない表面実装部品の実装性の良好なセラミック多層基板が得られる。特に、フリップチップ実装などで実装する表面実装部品の実装性を良好なものとすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明のセラミック多層基板の一実施形態の断面図であって、異なる焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度で焼結した２種類の絶縁層が交互に積層されてなるセラミック多層基板である。具体的には、図１に示すように、ガラスセラミックスからなる第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅおよび第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅとは異なるガラスセラミックスからなる第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄが交互に積層されている。また、セラミック多層基板の表面には表面配線層５ａが設けられ、セラミック多層基板の内部には内部配線層５ｂや後述の第１のビアホール導体７ａおよび第２のビアホール導体７ｂを含むビアホール導体が設けられている。

この第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅと第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄとは、焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度の異なるセラミックグリーンシートがそれぞれ焼結されたものであって、第２のセラミックグリーンシートの焼成収縮開始温度が第１のセラミックグリーンシートの焼成収縮終了温度よりも高くなるように、換言すれば、第１のセラミックグリーンシートが焼成収縮を終了した後に第２のセラミックグリーンシートが焼成収縮を開始するように設定されている。

ガラスセラミック材料の選定において、第１のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの結晶化温度が、第２のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの軟化点より低くなるように選定されている。これを達成するための方法としては、それぞれのガラス組成を異ならせることにより、ガラスの軟化点を異ならせる方法がもっとも簡便な方法である。その他にも、ガラスとフィラーの量比を異ならせることや、焼成収縮開始温度を変更する第３の添加物としてＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２、ＳｎＯなどの核形成剤を添加することで達成できる。これにより、第２のセラミックグリーンシートが焼成収縮を開始するときには、第１のセラミックグリーンシートの焼成収縮は終了しており、互いの平面方向の収縮を抑制しあうことが可能となる。

なお、ここでいう焼成収縮の開始温度とは、対象とする材料を単独で焼成した時に、０．３％体積収縮するときの温度で定義されるものである。また、ここでいう焼成収縮の終了温度とは、焼成前の状態から焼成終了後の状態までの収縮量に対し９０％以上体積収縮したときの温度をいう。なお、体積収縮はＴＭＡ（熱機械分析）の線収縮から体積収縮に換算して決定される。

ガラスセラミック材料の選定として、第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅおよび第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄは結晶化ガラスを３０質量％以上、特に４０〜９０質量％、更には５０〜８０質量％含むことが焼結性の観点から好ましい。そして、含有する結晶化ガラスのうち、残留ガラス量はいずれも１０質量％以下、特に５質量％以下、更には２質量％以下であることが、平面方向の収縮抑制効果や基板の曲げ強度、誘電損失の観点から望ましい。なお、残留ガラス量は、ＸＲＤ回折パターンからリートベルト解析により決定することができる。ガラスの定量については、試料とＺｎＯ（標準試料）を所定の比率で混合し、試料に形成される全ての結晶相とＺｎＯ標準試料を考慮したプログラム解析より求めることができる。

具体的には、第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅおよび第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄが結晶化ガラスと無機フィラーとから構成され、結晶化ガラスとしては、ディオプサイド、ハーディストナイト、セルシアン、コージェライト、アノーサイト、ガーナイト、ウィレマイト、スピネル、ムライト、フォルステライト、スーアナイトのうち少なくとも１種の結晶を形成するものが好ましい。これらの中でも、特に誘電特性の点でディオプサイド、ハーディストナイト、セルシアン、ウィレマイト、フォルステライトが望ましく、強度の点でディオプサイド、セルシアン、コージェライト、アノーサイトが望ましく、さらには誘電特性と強度の点でディオプサイド、セルシアンが望ましい。また、無機フィラーとしては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＴｉＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４、ＢａＴｉ_４Ｏ_９、ＺｒＴｉＯ_４、ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などを例示できる。これらの中でも、特に誘電特性の点でＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＴｉＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４、ＢａＴｉ_４Ｏ_９が望ましく、強度の点でＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４が望ましく、さらには誘電特性と強度の点でＡｌ_２Ｏ_３が望ましい。

このように、結晶化ガラスおよび無機フィラーからなるガラスセラミックスを採用することで、１０００℃以下での焼成が可能である。これにより、表面配線層５ａ、内部配線層５ｂ、ビアホール導体７ａ、７ｂを形成する導体材料としてＣｕ、Ａｇ、Ａｌなどを主成分とする低抵抗導体を用いることが可能となり、高速伝送を実現できる。なお、導体材料としては、これらの主成分に対して、電気抵抗、熱伝導性を劣化させない範囲で、他の金属、酸化物、ガラス、セラミックス等の無機分を含んでいてもよい。

第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅと第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄとは焼結挙動が異なっているが、焼結挙動の相違のみならず、目的に応じて、比誘電率、曲げ強度、誘電損失、熱伝導率、嵩密度、温度係数などの他の特性が異なっていてもよい。例えば、第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅと第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄとの０〜１００℃での熱膨張係数差が２×１０^−６／℃以下、特に１×１０^−６／℃以下であるのが好ましい。この範囲であれば、最高焼成温度からの冷却時において、第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅと第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄとの界面にクラックやデラミネーションの生じるおそれが少なくなるからである。

そして、図１に示すように、最外には第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅが配置され、最外の第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅに隣接して第２のセラミック絶縁層２ａ、２ｄが配置されている。なお、最外のセラミック絶縁層とは表面を形成するセラミック絶縁層のことを意味し、セラミック多層配線基板の上面および／または下面を構成するセラミック絶縁層を指す。ここで、最外の第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅの厚みは、第２のセラミック絶縁層２ａ、２ｄの厚みの２分の１以下とされている。第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅは、一方の主面のみが焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度の異なる第２のセラミック絶縁層２ａ、２ｄと接触してその平面方向の収縮を抑制されているが、他方の主面には焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度の異なる隣接層が設けられておらず、その平面方向の収縮を抑制されていないことから、最外のセラミック絶縁層としての第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅに対する収縮抑制効果は半減されていると考えられる。したがって、他の層とほぼ同様の収縮抑制効果を得る必要があるために、その厚みが２分の１以下とされている。

ここで、最外の第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅに形成されたビアホール導体（第１のビアホール導体７ａ）と、最外の第１のセラミック絶縁層１ａ、１ｅに接した内側の第２のセラミック絶縁層２ａ、２ｄに形成されたビアホール導体（第２のビアホール導体７ｂ）とが直接接続されている場合には、焼成後のセラミック多層基板表面からのビアホール導体の突出が顕著になる。したがって、相対的に厚みの厚い第２のセラミック絶縁層２ａ、２ｄに形成されたビアホール導体（第２のビアホール導体７ｂ）の垂直方向の収縮を制御することが重要である。なお、直接接続されているとは、第２のセラミック絶縁層２ｂと第１のセラミック絶縁層１ｃとの間の内部配線層５ｂのような配線を用いずに、第１のビアホール導体７ａの端面と第２のビアホール導体７ｂの端面とが接触している、または隙間なく一体的に形成されていることをいう。

本発明は、最外の第１のセラミック絶縁層１ａに形成されたビアホール導体（第１のビアホール導体７ａ）と、最外の第１のセラミック絶縁層１ａに接した内側の第２のセラミック絶縁層２ａに形成されたビアホール導体（第２のビアホール導体７ｂ）とが直接接続されていて、図２に示すように、第２のビアホール導体７ｂは、深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て第２のビアホール導体の一端面７ｂ１の中心位置と他端面７ｂ２の中心位置とが直径の３分の１以上離れていることを特徴としている。換言すれば、第２のビアホール導体７ｂは傾斜していて、図２に示す積層方向から見た第２のビアホール導体７ｂの一端面７ｂ１の中心位置と他端面７ｂ２の中心位置とを結ぶ線分（位置ズレＥ）が直径の３分の１以上であることを特徴としている。このことは、最外の第１のセラミック絶縁層１ｅと最外の第１のセラミック絶縁層１ｅに接した内側の第２のセラミック絶縁層２ｄについても同様である。

なお、図２は積層方向から見て第２のビアホール導体７ｂの一端面７ｂ１の中心位置と他端面７ｂ２の中心位置とが離れている状態を示す説明図であって、図では積層方向から見た第２のビアホール導体７ｂの一端面７ｂ１の中心位置と他端面７ｂ２の中心位置とを結ぶ線分（位置ズレＥ）Ｅが直径の２分の１だけ離れている。

図１に示す円Ｘで囲まれた領域の拡大図である図３に示すように、第２のビアホール導体７ｂが傾斜して形成されていると、積層方向から見て第１のセラミック絶縁層１ａと第２のビアホール導体７ｂとが重なり合う領域Ａおよび第２のビアホール導体７ｂと第１のセラミック絶縁層１ｂとが重なり合う領域Ｂ、すなわち第２のビアホール導体７ｂと第２のセラミック絶縁層２ａとが重なり合う領域Ａ，Ｂが存在する。

ここで、第２のセラミック絶縁層２ａとなる第２のセラミックグリーンシートは、焼成収縮する際に第１のセラミック絶縁層１ａとなる第１のセラミックグリーンシートおよび第１のセラミック絶縁層１ｂとなる第１のセラミックグリーンシートから平面方向の拘束を受けているので、垂直方向に大きく収縮する。この焼成過程において、第２のセラミック絶縁層２ａに形成された貫通孔に充填された導体材料（焼成収縮終了後は第２のビアホール導体７ｂ）は積層方向に大きく収縮する第２のセラミックグリーンシートとの収縮差により外側（基板の表面）に向かって大きく突出しようとするが、第２のセラミック絶縁層２ａの収縮力（すでに焼成収縮を終了して剛性を有している第１のセラミック絶縁層１ａおよび第１のセラミック絶縁層１ｂによって挟みこまれるような応力）が領域Ａおよび領域Ｂにおいて焼成後に第２のビアホール導体７ｂとなる導体材料に作用するため、第２のビアホール導体７ｂの突出が抑制されると考えられる。

ここで、第２のセラミック絶縁層の積層方向の収縮量をＣ、平面方向の収縮量をＤとした際に、ｔａｎθ_Ｓ＝Ｄ／Ｃの関係で表されるθ_Ｓよりも大きな傾斜であれば、第２のセラミック絶縁層２ａに形成された貫通孔に充填された導体材料（焼成収縮終了後は第２のビアホール導体７ｂ）は、第２のセラミック絶縁層２ａの収縮力によって突出が抑制されると考えられ、本発明においては、第２のビアホール導体７ｂは深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て第２のビアホール導体の一端面７ｂ１の中心位置と他端面７ｂ２の中心位置とが直径の３分の１以上離れていることで、θ_Ｓよりも十分に大きな傾斜が得られている。

なお、ビアホール導体７ｂを形成するための導体材料は、焼成途中で一定の粘性を有しており、収縮時に第２のセラミック絶縁層で押さえつけられない部分（上から見て第２のセラミック絶縁層と重ならない部分）があったとしても、押さえつけられる部分（上から見て第２のセラミック絶縁層と重なる部分）の収縮挙動へ追従する。

本発明においては、第２のビアホール導体７ｂは深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て第２のビアホール導体の一端面７ｂ１の中心位置と他端面７ｂ２の中心位置とが直径の３分の１以上離れていれば、その他の形状について限定はない。例えば、図１に示す第１のビアホール導体７ａが傾斜していない形状のみならず、図４に示すように、各層ごとに第１のビアホール導体７ａ、第２のビアホール導体７ｂの傾斜の向きが異なっていてもよい。この構造によれば、さらに突出を押さえ込むことができる。なお、図では各層ごとに傾斜の向きを交互に逆転させて異ならせているが、螺旋を形成するかのように傾斜の向きをかえてもよい。これによっても、突出を押さえ込む効果が向上する。

また、図５に示すように、第１のビアホール導体７ａも傾斜し第１のビアホール導体７ａと第２のビアホール導体７ｂとが同軸上に形成されていてもよい。この場合、第１のビアホール導体７ａと第２のビアホール導体７ｂとがこれらの接続される端面（第１のセラミック絶縁層１ａと第２のセラミック絶縁層２ａとの界面、第１のセラミック絶縁層１ｅと第２のセラミック絶縁層２ｄとの界面）で段差のないように、連続的な側面を備えて一体となったビアホール導体（ビアホール導体７ｃ）としてもよい。これにより、第１のビアホール導体７ａと第２のビアホール導体７ｂとの間の剥離が抑制され、製造歩留まりを向上させることができる。

以上、第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅおよび第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄの形成材料としてガラスセラミックスを例に述べたが、セラミックスであればよく、特にガラスセラミックスに限定はされない。

次に、上記セラミック多層基板の製造方法について説明する。

ガラスセラミックスに含まれるガラスの熱特性が上記関係にある２種の無機材料からなるグリーンシートを作製する。

焼成後に第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅとなる第１のセラミックグリーンシート材料として、ＳｉＯ_２を１０〜３０質量％と、Ａｌ_２Ｏ_３を１〜９質量％と、ＭｇＯを５〜３０質量％と、ＢａＯを２１〜３５質量％と、Ｂ_２Ｏ_３を１０〜３０質量％と、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、ＳｎＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２およびＬｉ_２Ｏから選ばれる少なくとも１種を０〜２０質量％とからなる４０〜９０質量％のガラスと、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＴｉＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉ_４Ｏ_９、ＳｒＴｉＯ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＡｌＮおよびＳｉ_３Ｎ_４から選ばれる少なくとも１種を含む１０〜６０質量％のセラミックスとから構成される材料が採用される。

一方、焼成後に第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄとなる第２のセラミックグリーンシート材料として、ＳｉＯ_２を２０〜６０質量％と、Ａｌ_２Ｏ_３を１０〜２５質量％と、ＭｇＯを８〜３５質量％、ＢａＯを１０〜２０質量％と、Ｂ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ｎａ_２Ｏ、ＳｎＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２およびＬｉ_２Ｏから選ばれる少なくとも１種を０〜２０質量％とからなる３０〜１００質量％のガラスと、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＴｉＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉ_４Ｏ_９、ＳｒＴｉＯ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４から選ばれる少なくとも１種を含む０〜７０質量％のセラミックスとから構成される材料が採用される。

第１のセラミックグリーンシートおよび第２のセラミックグリーンシートは、上記材料と焼成途中で容易に揮発する揮発性有機バインダーと有機溶剤及び必要に応じて可塑剤や分散剤等を混合してスラリー化し、このスラリーを用いてリップコート法やドクターブレード法などによってテープ成形を行い、所定寸法に切断して作製される。なお、第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートは印刷により形成してもよい。

次に、これらのグリーンシートにレーザー、パンチング、エッチング等の方法などによって所望の形状の貫通孔を形成する。この時、レーザーの照射角度を変えることや、グリーンシートへの金型の押し込み角度を変えることによって、傾斜した貫通孔を形成する。

ここで、第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートとを個々に加工して貫通孔を形成してもよいが、第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートとを個々に加工した場合、第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートとの界面近傍においてバリ・欠け等の外観上の不具合や応力集中による剥離や積層時の位置ずれ等の課題があることから、第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートとをあらかじめ積層等により一体化した積層体に一括もしくは分割してレーザーにより貫通孔を形成してもよい。なお、分割して貫通孔を形成するとは、２段階あるいはセラミックグリーンシートの両面から貫通孔を形成することを意味する。

そして、貫通孔内に導体ペーストを充填する。導体ペーストとして、金粉末、銀粉末、銅粉末、アルミニウム粉末のいずれかに対して、有機バインダー、有機溶剤、必要に応じて、有機物や無機物の添加剤を加えて、３本ロールで混練したものを用いる。充填には、ビアホール導体形成位置に一致する箇所に穿孔されたメタルマスク、あるいは、エマルジョンメッシュスクリーンマスクを用いて、スクリーン印刷する方法を用いる。このとき、マスクを通して導体ペーストを押し出す方法として、通常のポリウレタン製等の板状（あるいは剣状）のスキージを用いる方法でもよく、ペースト押し出し式のスキージヘッドを用いて、ペーストを貫通孔に加圧注入する方法でもよい。また、導体ペーストの粘度や印刷条件を調整して、充填した導体ペーストが貫通孔上でセラミックグリーンシート表面から突出するように過充填する。その後、必要に応じて、突出した導体ペーストをプレスして、貫通孔に押し込む。さらに、表面配線層５ａや内部配線層５ｂを導体ペーストのスクリーン印刷法などによって被着形成する。

このようにして得られた各セラミックグリーンシートまたは絶縁体ペーストを所定の積層順序に応じて積層して積層成形体を形成した後、焼成する。

焼成にあたっては、低温側で焼成収縮が開始する第１のセラミックグリーンシートの収縮開始温度と第１のセラミックグリーンシートに含まれるガラスの結晶化温度との間の温度で一旦保持する多段焼成でもよいが、単一キープ温度においても同時焼成することで平面方向の焼成収縮が抑制され垂直方向に焼成収縮した寸法精度が高く、ビアホール導体の突起が抑制されたセラミック多層基板を作製することができる。

まず、焼成後に第１のセラミック絶縁層１ａ〜１ｅとなる第１のセラミックグリーンシートを形成するガラスセラミック材料Ａとして、２３．８質量％のＳｉＯ_２、８．４質量％のＡｌ_２Ｏ_３、１５．４質量％のＭｇＯ、２６．５質量％のＢａＯ、１７．９質量％のＢ_２Ｏ_３、４．９質量％のＣａＯ、０．４質量％のＳｒＯ、１．０質量％のＳｎＯ_２、１．７質量％のＺｒＯ_２からなる６０質量％のガラスと、４０質量％のＡｌ_２Ｏ_３とから構成されるガラスセラミック材料を用意した。

また、焼成後に第２のセラミック絶縁層２ａ〜２ｄとなる第２のセラミックグリーンシートを形成するガラスセラミック材料Ｂとして、４３．３質量％のＳｉＯ_２、１２．９質量％のＡｌ_２Ｏ_３、１８．０質量％のＭｇＯ、１４．１質量％のＢａＯ、７．５質量％のＢ_２Ｏ_３、１．０質量％のＹ_２Ｏ_３、１．７質量％のＣａＯ、０．５質量％のＳｒＯ、１．０質量％のＺｒＯ_２からなる６０質量％のガラスと、４０質量％のＡｌ_２Ｏ_３とから構成されるガラスセラミック材料を用意した。

これらのガラスセラミック材料Ａ、Ｂに、アクリル有機バインダー、可塑剤、有機溶剤を添加して、スラリーを作製し、ドクターブレード法によりシート化し、第１のセラミックグリーンシートおよび第２のセラミックグリーンシートを作製した。このとき、第１のセラミックグリーンシートの厚みは、焼成後に６μｍ、３７μｍとなるように作製した。第２のセラミックグリーンシートの厚みは３７μｍ、７４μｍ、１４８μｍとなるように作製した。

また、第１のセラミックグリーンシート１枚と第２のセラミックグリーンシート１枚を積層して複合セラミックグリーンシートを作製した。

次に、銀粉末に、β石英、バリウムホウ珪酸ガラス及び有機ビヒクルを添加し、これらを攪拌した後、銀粉末及び有機バインダーの凝集体がなくなるまで３本ロールミルで混合し、ペースト化し、導体ペーストを作製した。有機ビヒクルは、有機バインダーとして、エチルセルロースを５質量部、有機溶剤としてα−テルピネオールを９５質量部とから構成し、この有機ビヒクルを、銀粉末１００質量部に対して１５質量部添加した。

次に、上記の第１のセラミックグリーンシート、第２のセラミックグリーンシートおよび複合セラミックグリーンシートにビアホール導体を形成すべく、レーザーによって貫通孔を形成し、上記の導体ペーストをこの貫通孔に充填した。導体ペーストの充填には、ペースト押出式のヘッドを備えたオンコンタクト印刷機を用いた。

なお、レーザーによって貫通孔を形成する際に、レーザーの照射角度を変化させて、傾斜形状の貫通孔または円柱状の貫通孔を形成した。表１において、ビアホール導体の断面形状が図５に記載した試料については、第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートとを個別にレーザー加工して孔あけしたものである。また、表１において、ビアホール導体の断面形状が図１、図３、図４と図６に記載した試料については、第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートとを予め積層して作製した複合セラミックグリーンシートにレーザー加工で孔あけして、複合グリーンシートを構成する第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートとに一括して孔あけしたものである。

次に、貫通孔に導体ペーストを充填した第１のセラミックグリーンシート、第２のセラミックグリーンシートおよび複合セラミックグリーンシートを平板金型でプレスし、第１のセラミックグリーンシート、第２のセラミックグリーンシートおよび複合セラミックグリーンシートを積層するとともに導体ペーストのセラミックグリーンシート表面から突出した部分を貫通孔に押し込んだ。

このとき、最外のセラミック絶縁層として第１のセラミックグリーンシートが配置され、最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層として第２のセラミックグリーンシートが配置され、第１のセラミックグリーンシートと第２のセラミックグリーンシートとが交互に配置されるように、第１のセラミックグリーンシート、第２のセラミックグリーンシートおよび複合セラミックグリーンシートを組み合わせた。また、焼き上げの厚みが７００〜８００μmとなるように所定の枚数を積層して積層体とした。なお、積層する前に、第１のセラミックグリーンシート、第２のセラミックグリーンシートおよび複合グリーンシートの表面に、表面配線層及び内部配線層となる導体パターンをスクリーン印刷により形成した。

その後、これらのグリーンシートを位置合わせした後、積層して積層体を作製し、これを大気中４００℃で脱バインダー処理し、さらに、大気中９００℃で焼成してセラミック多層基板を作製した。

焼成後のセラミック多層基板において、基板端部付近の表面の凹凸を３次元レーザー変位計で測定した。測定領域は、セラミック多層基板表面のうち、基板端部の稜線を含む３ｍｍ×３ｍｍとした。このとき、得られた測定データのうち、基板端部の稜線以外の基板表面における最低点と最高点との差を突出量（突起高さ）と定義して測定した。その結果を表１に示す。なお、表１には５つの基板を測定した結果における突出量（突起高さ）の最高値を記した。この際、突起高さが３０μｍ未満になるものを実装性良好とした。

また、焼成の前後においてセラミックグリーンシートの積層体と焼成後の分割溝付き配線基板に対して、所定のポイント間の長さを測定して、分割溝付き配線基板の面方向の収縮率を測定した。なお、各試料についてそれぞれ収縮率を測定し、１０個の試料の収縮率の最大値と最小値の差を収縮バラツキとして評価したところ、本発明の試料はいずれも、０．５％以下の優れた収縮バラツキを示すものであった。

試料Ｎｏ．１〜１６は、ビアホール導体７ａおよびビアホール導体７ｂの形状が図１に示す形状であって、ビアホール導体７ａおよびビアホール導体７ｂの横断面の直径および傾斜角度、第１のセラミック絶縁層厚みと第２のセラミック絶縁層厚みを変化させ、結果的に、積層方向から見てビアホール導体７ａおよびビアホール導体７ｂの一端面の中心位置と他端面の中心位置とを結ぶ線分（位置ズレＥ）を変化させるようにしたものである。

まず、第１のセラミック絶縁層厚みが６μｍ、第２のセラミック絶縁層厚みが７４μｍ、第１のビアホール導体７ａおよび第２のビアホール導体７ｂの直径を７０μｍとした本発明の試料Ｎｏ．１〜５において、第２のビアホール導体７ｂの傾斜角を１０〜５０°まで変化させたときに、傾斜角度を大きくするにしたがってビアホール導体の突起高さが低減され、第２のビアホール導体７ｂの傾斜角が２０°以上のときに位置ズレＥが直径の３分の１以上になり、このときの突起高さは２５μｍ以下となり、突起高さの低減が確認された。

また、試料Ｎｏ．６〜９は、第２のビアホール導体７ｂの横断面の直径を７０μｍとは異ならせたものであるが、第２のビアホール導体７ｂの横断面の直径の変化にかかわらず、位置ズレＥが直径の３分の１以上になることで、突起高さは低減することが確認された。

さらに、第２のセラミック絶縁層厚みを変化させて位置ズレＥが直径の３分の１以上となり、突起高さが低減することを確認した（試料Ｎｏ．１５、１６）。逆に、位置ズレＥが直径の３分の１未満のときには、突起高さを低減できないことを確認した（試料Ｎｏ．１２、１３）。

なお、第１のセラミック絶縁層厚みの第２のセラミック絶縁層厚みに対する比を厚くしていくと、突起高さの最高値は確実に悪化する傾向にあることがわかる。したがって、収縮抑制効果に加え、このビアホール導体の突出抑制の点からも第１のセラミック絶縁層厚みは第２のセラミック絶縁層厚みの２分の１以下であることが重要であることがわかる。

また、ビアホール導体７ａおよびビアホール導体７ｂの形状が図５に示す形状である試料Ｎｏ．１７〜２０においても、突起高さが低減されることを確認した。

第２のビアホール導体７ｂの形状が傾斜されていない図６に示す形状である試料Ｎｏ．２１および２２では、突起高さを低減できないことを確認した。

本発明のセラミック多層基板の一実施形態の断面図である。 積層方向から見て第２のビアホール導体の一端面の中心位置と他端面の中心位置とが離れている状態を示す説明図である。 図１に示す円Ｘで囲まれた領域の拡大図である。 本発明のセラミック多層基板の他の実施形態の断面図である。 本発明のセラミック多層基板の他の実施形態の断面図である。 従来のセラミック多層基板の断面図である。

符号の説明

１ａ〜１ｅ・・・第１のセラミック絶縁層
２ａ〜２ｄ・・・第２のセラミック絶縁層
５ａ・・・表面配線層
５ｂ・・・内部配線層
７ａ・・・第１のビアホール導体
７ｂ・・・第２のビアホール導体

Claims (1)

1. 異なる焼成収縮開始温度および焼成収縮終了温度で焼結した２種類のセラミック絶縁層が交互に積層され、最外のセラミック絶縁層が該最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層の焼成収縮開始温度よりも低い焼成収縮終了温度で焼結されており、前記最外のセラミック絶縁層の厚みが前記最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層の厚みの２分の１以下とされ、前記最外のセラミック絶縁層に形成された第１のビアホール導体と前記最外のセラミック絶縁層に接した内側のセラミック絶縁層に形成された第２のビアホール導体とが直接接続されたセラミック多層基板であって、
   前記第２のビアホール導体は深さ方向にわたって横断面形状が同一の直径を有する円形であり、かつ積層方向から見て前記第２のビアホール導体の一端面の中心位置と他端面の中心位置とが前記直径の３分の１以上離れていることを特徴とするセラミック多層基板。

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