JP4279869B2 - 多層セラミックス基板 - Google Patents

Description

本発明は、表面に焼結金属等からなる表面導体を有する多層セラミックス基板に関するものである。

電子機器等の分野においては、電子デバイスを実装するための基板が広く用いられているが、近年、電子機器の小型軽量化や多機能化等の要望に応え、且つ高信頼性を有する基板として、多層セラミックス基板が提案され実用化されている。多層セラミックス基板は、複数のセラミックス基板層を積層することにより構成され、各セラミックス基板層に表面導体や内部導体、さらには電子素子等を一体に作り込むことで、高密度実装が可能となっている。

前述の多層セラミックス基板では、その外側表面に表面導体が形成されるが、表面導体を焼結金属により形成する場合、使用する導体ペーストにガラスフリットを添加するのが一般的である。焼結金属からなる表面導体とセラミックス基板層との接着強度を確保する上でガラスフリットの添加が有効であり、例えば、Ａｇ粉末（導電材料）とガラスフリットとを含む導体ペーストを前記表面導体形成用の導電ペーストとして用いることで、表面導体とセラミックス基板層との密着性をある程度確保することが可能である。

ただし、表面導体の電気抵抗を小さな値とし、はんだ濡れ性やめっき性等を良好なものとするためには、ガラスフリットの添加量には自ずと限度があり、ガラスフリットの添加だけでは必ずしも十分とは言えない。そこで、表面導体の接着強度の向上に関して種々の検討がなされており、例えば下地層等を形成することで表面導体の接着強度を確保することが提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。

すなわち、特許文献１記載の発明では、ガラスペーストを印刷することでガラス・セラミック層と最上層導体配線との界面にガラス層を形成し、これによって高い接着強度を得るようにしている。同様に、特許文献２記載の発明においても、セラミックス基板層と表面導体層の間に、所定のガラスとアルミナを含んだ下地層を形成することで、基板と表面導体層との密着性を確保するようにしている。
特開平６−２３７０８１号公報 特開平９−２２１３７５号公報

ところで、前述の従来技術においては、表面導体と下地となるセラミックス基板層との接着強度の確保は、もっぱらガラスの接着剤としての機能に依存しており、それ以上の考えは見当たらない。例えば前述の特許文献１記載の発明や特許文献２記載の発明においては、ガラスが含まれる下地層を形成することで、表面導体とセラミックス基板層との間にガラスを多く存在させ、これによって高い接着強度を得る、というのが基本的な考えである。

しかしながら、ガラスの接着剤としての機能にのみ依存したのでは、表面導体の接着強度の向上には限界がある。例えば、初期状態では密着強度が高くても、経時劣化による接着強度の低下を抑えることは難しい。近年、多層セラミックス基板の信頼性を評価するために、いわゆるＰＣＴ（Pressure Cooker Test）等が行われているが、前記従来技術ではＰＣＴ後の接着強度を十分に確保することは難しい。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、初期状態は勿論、経時後においても（例えばＰＣＴ後においても）表面導体の接着強度を十分に確保することができ、信頼性の高い多層セラミック基板を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明者らは長期に亘り様々な検討を重ねてきた。その結果、セラミック基板層に含まれるセラミック成分や表面導体に含まれるガラス成分を選択し、且つ必要な濃度に設定することで、セラミック基板層と表面導体の界面にこれらの反応相が形成され、このことが接着強度の改善に大きく寄与しているとの知見を得るに至った。本発明は、このような従来技術とは異なる全く新たな着想に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明の多層セラミックス基板は、複数のセラミックス基板層が積層された積層体の少なくとも一方の表面に表面導体を有する多層セラミックス基板であって、前記セラミックス基板層中のセラミックス成分と前記表面導体中のガラス成分とが反応することにより形成された反応相が前記セラミックス基板層と表面導体の界面に析出し、少なくとも前記表面導体と接するセラミックス基板層がＡｌ _２ Ｏ _３ をフィラー成分とするガラスセラミックスにより形成されるとともに、前記表面導体がガラス成分としてＺｎを含み、前記反応相としてＺｎＡｌ _２ Ｏ _４ を含み、前記表面導体と接するセラミックス基板層は、少なくとも表面導体と接する部分におけるＡｌ _２ Ｏ _３ の含有量が３４体積％以上、４０体積％以下であることを特徴とする。

本発明の多層セラミックス基板では、従来技術のようにガラスの接着剤としての機能にのみ頼るのではなく、セラミックス基板層中のセラミックス成分と表面導体中のガラス成分とを反応させることで、セラミックス基板層と表面導体との接着強度を確保するようにしている。前記反応によりセラミックス基板層と表面導体の界面に反応相が形成されることで、経時後（ＰＣＴ後）においても十分な接着強度が維持される。

本発明によれば、初期状態ばかりでなく、経時後においても（例えばＰＣＴ後においても）表面導体の接着強度を十分に確保することができ、信頼性の高い多層セラミック基板を提供することが可能である。

以下、本発明を適用した多層セラミックス基板の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

多層セラミックス基板１は、例えば図１に示すように、複数層のセラミックス基板層（ここでは４層のセラミックス基板層２１〜２４）が積層された積層体２を主体とするものであり、当該積層体２において、セラミックス基板層２１〜２４を貫通するビア導体３や内層となるセラミックス基板層２２，２３の両面に形成された内部導体４を形成し、さらには最外層となるセラミックス基板層２１，２４の外側表面に表面導体５を形成することにより構成されるものである。

各セラミックス基板層２１〜２４は、例えばガラスセラミックス等から形成され、所定の組成を有するガラス組成物にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス材料を加えたものを焼成することにより形成される。ここで、ガラス組成物を構成する酸化物としては、ＳｉＯ_２やＢ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＰｂＯ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ等を挙げることができ、これらを適宜組み合わせて用いればよい。多層セラミックス基板１を構成する各セラミックス基板層２１〜２４を前記ガラスセラミックスとすることにより、低温での焼成が可能となる。勿論、これに限らず、各セラミックス基板層２１〜２４にガラスセラミックス以外の各種セラミックス材料を使用することも可能である。

一方、前記ビア導体３や内部導体４、表面導体５は、いずれも導体ペーストを焼成することにより形成される焼結金属導体である。導体ペーストは、導電材料を主体とし、これをガラス成分や有機ビヒクルと共に混練することにより調製されるものである。導電材料としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ等を挙げることができるが、これらの中ではＡｇを用いることが好ましい。導電材料としてＡｇを用いることで、低抵抗の焼結金属導体の形成が可能であり、また、例えばＡｕやＰｄ等の貴金属を用いる場合に比べて製造コストを抑えることが可能である。Ｃｕは焼成雰囲気の制御が困難である。なお、導電材料として前記Ａｇを用いる場合、Ａｇを主体とするものであれば他の金属成分を含んでいてもよい。

これら焼結金属導体のうち、ビア導体３は、各セラミックス基板層２１〜２４に形成されたビアホールに導体ペーストの焼成により残存する導電材が充填形成された形で形成されており、このビア導体３によって各セラミックス基板層２１〜２４に形成された内部導体４や表面導体５の間を電気的に接続したり、熱を伝導する等の機能を果たしている。ビア導体３の断面形状は、通常は概ね円形であるが、これに限らず、限られた形状スペース範囲において大きな断面積を得るために、例えば楕円形、長円形、正方形等、任意の形状とすることができる。

以上が多層セラミックス基板１の基本構造であるが、本実施形態の多層セラミックス基板１においては、前記表面導体５と下地となるセラミック基板層２１，２４の界面に反応相が形成されていることが大きな特徴である。前記反応相は、表面導体５に含まれるガラス成分とセラミックス基板層２１，２４に含まれるセラミックス成分とが反応することにより形成されるもので、逆に言えば、前記表面導体５やセラミックス基板層２１，２４は、互いに反応して前記反応相を形成し得る成分を含む必要がある。

具体的には、例えば表面導体５にＺｎが含まれ、セラミックス基板層２１，２４にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が含まれている場合、これらが反応することによりＺｎＡｌ_２Ｏ_４が反応相として形成される。反応相であるＺｎＡｌ_２Ｏ_４は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）等によりその存在を確認することが可能である。

前述のような反応相（ＺｎＡｌ_２Ｏ_４）を形成する場合、前述の通り、表面導体５はＺｎを含む必要がある。表面導体５にＺｎを含ませるには、構成する酸化物の１つとしてＺｎＯを含むＺｎ系ガラスを表面導体５のガラス成分として用いればよい。前記Ｚｎ系ガラスは、前記ＺｎＯの他、Ｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｎＯ等の酸化物からなるものであるが、ＺｎＯ以外の成分については任意である。表面導体５に含まれるガラス成分中のＺｎ（ＺｎＯ）の含有量としては、６０質量％〜７５質量％であることが好ましい。Ｚｎ（ＺｎＯ）の含有量が６０質量％よりも少ないと、反応相の形成が不十分になるおそれがあるとともに、ガラスの軟化点が高くなってしまうという不都合が生ずる。逆に、Ｚｎ（ＺｎＯ）の含有量が７５質量％を越えると、ガラス化しなくなってしまうという不都合が生ずるおそれがある。

一方、前記Ｚｎを含む表面導体５と組み合わせるセラミックス基板層２１，２４は、Ｚｎと反応して反応相を形成する成分であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）をフィラーとして含むことが必要である。したがって、前述の通り、ガラス組成物にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）をフィラーとして加えたガラスセラミックス基板層等を用いることが好ましい。ただし、前記セラミックス基板層２１，２４がガラスセラミックス基板層に限られるわけではなく、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を含むものであれば如何なるものであってもよい。

前記セラミックス基板層２１，２４をガラスセラミックス基板層とする場合、使用するガラスセラミックス材料としては、例えば特許第２６４１５２１号公報に開示される絶縁性磁器を用いることが好ましい。具体的には、アルミナ成分３０質量％〜５０質量％及びガラス成分７０質量％〜５０質量％とを含み、且つガラス成分がＳｉＯ_２４６質量％〜６０質量％、Ｂ_２Ｏ_３０．５質量％〜５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３６質量％〜１７．５質量％、及びアルカリ土類金属酸化物２５質量％〜４５質量％の組成を有し、アルカリ土類金属酸化物中の少なくとも６０質量％がＳｒＯである絶縁性磁器である。

前述の組成を有する絶縁性磁器は、１０００℃以下という低温での焼結でセラミック基板層とすることができ、結晶化を容易にコントロールできること、耐マイグレーション性に優れること、低誘電率であること、高強度を有すること等、数々の優れた特性を発揮する。

ただし、前記反応相の形成を考えた場合、セラミックス基板層２１，２４にフィラーとして含まれるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の含有量を３２体積％以上とすることが好ましい。セラミック基板層２１，２４に含まれるアルミナの含有量が３２体積％未満であると、前記反応相が十分に形成されず、表面導体５の密着強度が不十分になるおそれがある。セラミックス基板層２１，２４に含まれるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の含有量の好ましい範囲は、３２体積％〜４０体積％、より好ましくは３４体積％〜４０体積％、さらに好ましくは３５体積％〜４０体積％である。セラミックス基板層２１，２４に含まれるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の含有量を３２体積％以上とすることにより、初期の裏押し強度を５０Ｎ以上、且つＰＣＴ後の裏押し強度を３０Ｎ以上とすることができる。また、前記含有量を３４体積％以上とすることにより、ＰＣＴ後の裏押し強度を５０Ｎ以上とすることができ、さらに前記含有量を３５体積％以上とすることによりＰＣＴ前後での強度の差（劣化率）を１５％以下に抑えることができる。なお、セラミック基板層２１，２４に含まれるアルミナの含有量が４０体積％を越えると焼結が不十分になるおそれがあるので、前記含有量は４０体積％以下とすることが好ましい。

セラミックス基板層２１，２４におけるアルミナ含有量を前記範囲とするためには、セラミックス基板層２１，２４自体にこれを満たす組成を有する絶縁性磁器（ガラスセラミックス）を用いればよいが、この場合、セラミックス基板層２１，２４の誘電特性等に制約が加わることになる。これを回避するためには、例えば図２に示すように、セラミックス基板層２１（あるいはセラミックス基板層２４）を主体となる基板部２１ａ（２４ａ）と表面導体５と接する表層部２１ｂ（２４ｂ）とから構成し、前記表層部２１ｂ（２４ｂ）に含まれるアルミナ含有量を多くし、前記組成範囲となるように設計することが有効である。前記２層構造とすれば、基板部２１ａ（２４ａ）は誘電特性等を考慮して自由に組成を変更することができ、一方、表層部２１ｂにアルミナを多く含ませることにより、表面導体５との界面に反応相を十分に析出させることが可能である。

セラミックス基板２１，２４と表面導体５の界面に析出させる反応相としては、前記ＺｎＡｌ_２Ｏ_４に限られるものではなく、前記界面に種々の反応相を析出させることで同様の効果を得ることができる。この場合には、表面導体５とセラミックス基板層２１，２４が互いに反応し反応相を形成し得る成分を含んでいればよい。

本実施形態の多層セラミックス基板１では、前述のように表面導体５とセラミックス基板層２１，２４の界面に反応相（ＺｎＡｌ_２Ｏ_４）が形成されており、ガラスの接着性のみに依存した接着に比べて大きな接着強度を確保することが可能であり、また、ＰＣＴ後等の経時における強度低下も抑えることが可能である。したがって、信頼性の高い多層セラミック基板を提供することが可能である。

次に、前述の多層セラミックス基板１の製造する方法について説明する。なお、ここでは無収縮プロセスによる製造方法を例にして説明するが、必ずしもこれに限らず、例えば収縮抑制は行わなくてもよい。

多層セラミックス基板１を作製するには、先ず、図３（ａ）に示すように、焼成後に各セラミックス基板層２１〜２４となるセラミックスグリーンシート１１ａ〜１１ｄを用意する。セラミックスグリーンシート１１ａ〜１１ｄは、酸化物粉末（ガラスセラミックス粉末等）と有機ビヒクルとを混合してスラリー状の誘電体ペーストを作り、これを例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シート等の支持体上にドクターブレード法等によって成膜することにより形成する。前記有機ビヒクルとしては、公知のものがいずれも使用可能である。前記ガラスセラミックス粉末は、反応相（ＺｎＡｌ_２Ｏ_４）を形成するために、所定量のアルミナをフィラーとして含有していることが必要である。あるいは、セラミックスグリーンシート１１ａ〜１１ｄのうち、後述の表面導体パターンと接するセラミックスグリーンシート１１ａ，１１ｄを２層構造とし、表面導体パターンと接する部分のアルミナ含有量を多くしてもよい。

前記セラミックスグリーンシート１１ａ〜１１ｄの形成後、所定の位置に貫通孔（ビアホール）を形成する。前ビアホールは、通常は円形の孔として形成され、ここに導体ペースト１２を充填することによりビア導体が形成される。さらに、内層となるセラミックスグリーンシート１１ｂ，１１ｃの表面に所定のパターンで導体ペーストを印刷し、内部導体パターン１３を形成する。

前記ビアホールに充填される導体ペースト１２や内部導体パターン１３の形成に用いられる導体ペーストは、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ等の各種導電性金属や合金からなる導電材料と有機ビヒクルとを混練することにより調製されるものである。有機ビヒクルは、バインダと溶剤を主たる成分とするものであり、導電材料との配合比等は任意であるが、通常はバインダ１〜１５質量％、溶剤が１０〜５０質量％となるように導電材料に対して配合される。導体ペーストには、必要に応じて各種分散剤や可塑剤等から選択される添加物が添加されていてもよい。

一方、最も外側に配置されるセラミックスグリーンシート１１ａ，１１ｄには、表面導体パターン１４をこれらセラミックスグリーンシート１１ａ，１１ｄと直接接する形で形成する。表面導体パターン１４の形成においては、セラミックスグリーンシート１１ａ，１１ｄに含まれる成分（アルミナ）と反応相を形成し得る成分（Ｚｎ）をガラス成分として含む導体ペーストを用いる。

各セラミックスグリーンシート１１ａ〜１１ｄに導体ペースト１２を充填し、内部導体パターン１３や表面導体パターン１４を形成した後、図３（ｂ）に示すように、これらを重ねて積層体とするが、このとき、積層体の両側（最外層）に収縮抑制用グリーンシート１５を拘束層として配し、焼成を行う。

拘束層となる収縮抑制用グリーンシート１５には、前記セラミックスグリーンシート１１ａ〜１１ｄの焼成温度では収縮しない材料、例えばトリジマイトやクリストバライト、さらには石英、溶融石英、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、炭化ケイ素等を含む組成物が用いられ、これら収縮抑制用グリーンシート１５間に積層体を挟み込み、焼成を行うことで前記積層体の面内方向での収縮が抑えられる。

図３（ｂ）は、いわゆる積層体の仮スタックの状態であるが、次に、図３（ｃ）に示すようにプレスを行い、さらに図３（ｄ）に示すように焼成を行う。

収縮抑制用グリーンシート１５の収縮抑制材料として前記トリジマイトを使用した場合、焼成後には、図３（ｅ）に示すように、熱膨張の差により前記収縮抑制用グリーンシート１５は自然剥離され、多層セラミックス基板１が得られる。収縮抑制材料としてトリジマイト以外の材料を使用した場合には、焼成後に残渣を除去する残渣除去工程を追加することにより、同様に多層セラミックス基板１が得られる。

得られる多層セラミックス基板１においては、前記セラミックスグリーンシート１１ａ〜１１ｄはセラミックス基板層２１〜２４となり、前記ビアホール内の導体ペースト１２はビア導体３になる。同様に、内部導体パターン１３も内部導体４となる。表面導体パターン１４は表面導体５となるが、形成される表面導体５とセラミックス基板層２１，２４の界面には反応相（ＺｎＡｌ_２Ｏ_４）が形成され、接着強度が確保される。

以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。

反応相の形成
先の実施形態に準じて多層セラミックス基板を作製した。作製に際しては、表面導体形成のための表面導体パターンをＺｎＯを含む導体ペーストで形成した。一方、セラミックス基板層の形成にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）をフィラーとして含むガラスセラミックスシートを用いた。

ガラスセラミックスシートに含まれるアルミナフィラーの含有量を２０体積％、３０体積％、４０体積％とし、焼成後の表面導体とセラミック基板層の界面についてＸ線回折解析を行った。測定に際しては、表面導体を剥離し、剥離後のセラミックス基板層の表面についてＸ線回折を行った。結果を図４に示す。表面導体とセラミック基板層の界面には、反応相（ＺｎＡｌ_２Ｏ_４）が形成されており、ガラスセラミックスシートに含まれるアルミナの含有量が増加するのに伴って、形成される反応相（ＺｎＡｌ_２Ｏ_４）のピークも大きくなっている（すなわち、形成される反応相が増えている）ことがわかった。

裏押し強度の評価
作製した各多層セラミックス基板について、表面導体の裏押し強度を評価した。裏押し強度は、ＰＣＴ前及びＰＣＴ後について測定し、ＰＣＴ後の劣化率を算出した。ＰＣＴの条件としては、２気圧、温度１２１℃、相対湿度９６％、時間６０時間とした。

また、裏押し強度の測定は、セラミックス基板層表面に直径１．０ｍｍの導体を形成し、評価用のプリント基板の導体にはんだ付けした。プリント基板とセラミックス基板層をそれぞれ治具で固定し、セラミックス基板層を裏押しして一定速度で引き剥がし、破壊した時の応力を裏押し強度とした。結果を表１に示す。

表１から明らかな通り、アルミナフィラーの含有量を３２体積％以上とすることで、ＰＣＴ後の裏押し強度が３０Ｎ以上となり、ＰＣＴ後における接着強度の劣化率が急激に低くなっている。また、特にアルミナフィラーの含有量が３４体積％以上においてＰＣＴ後の裏押し強度が５０Ｎ以上となり、アルミナフィラーの含有量が３５体積％以上において劣化率が１５％以下となっている。ただし、アルミナフィラーの含有量が４０体積％を越えると、焼結しなくなるという不都合が生じた。

多層セラミックス基板の一例を示す概略断面図である。 セラミックス基板層の構成例を示す概略断面図である。 多層セラミックス基板の製造プロセスを示す模式的な断面図であり、（ａ）はガラスセラミックスグリーンシート及び内部導体形成工程、（ｂ）は仮スタック工程、（ｃ）はプレス工程、（ｄ）は焼成工程、（ｅ）は収縮抑制用グリーンシート剥離工程を示す。 表面導体とセラミック基板層の界面のＸ線回折解析結果を示す特性図である。

符号の説明

１ 多層セラミックス基板、積層体、２１〜２４ セラミックス基板層、３ ビア導体、４ 内部導体、５ 表面導体、１１ａ〜１１ｄ セラミックスグリーンシート、１２ 導体ペースト、１３ 表面導体パターン、１４ 表面導体パターン、１５ 収縮抑制用グリーンシート

Claims (3)

1. 複数のセラミックス基板層が積層された積層体の少なくとも一方の表面に表面導体を有する多層セラミックス基板であって、
   前記セラミックス基板層中のセラミックス成分と前記表面導体中のガラス成分とが反応することにより形成された反応相が前記セラミックス基板層と表面導体の界面に析出し、
   少なくとも前記表面導体と接するセラミックス基板層がＡｌ _２ Ｏ _３ をフィラー成分とするガラスセラミックスにより形成されるとともに、前記表面導体がガラス成分としてＺｎを含み、
   前記反応相としてＺｎＡｌ _２ Ｏ _４ を含み、
   前記表面導体と接するセラミックス基板層は、少なくとも表面導体と接する部分におけるＡｌ _２ Ｏ _３ の含有量が３４体積％以上、４０体積％以下であることを特徴とする多層セラミックス基板。
2. 前記表面導体と接するセラミックス基板層は、少なくとも表面導体と接する部分におけるＡｌ_２Ｏ_３含有量が他の部分におけるＡｌ_２Ｏ_３含有量よりも大であることを特徴とする請求項１記載の多層セラミックス基板。
3. 前記表面導体と接するセラミックス基板層は、表面導体と接する側の面にＡｌ_２Ｏ_３含有量が３４体積％以上、４０体積％以下である表面ガラスセラミックス層を有することを特徴とする請求項２記載の多層セラミックス基板。
   

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