JP2007073728A - 多層セラミック基板およびその製造方法ならびに電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 抗折強度の高い多層セラミック基板を提供する。
【解決手段】 内層部３と表層部４，５とからなる積層構造を有し、内層部３と表層部４，５との各々は、少なくとも１つのセラミック層６〜８をもって構成されている、多層セラミック基板１において、表層部４，５の熱膨張係数をα１［ｐｐｍＫ^−１］とし，内層部３の熱膨張係数をα２［ｐｐｍＫ^−１］としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５であり、かつ、内層部３には、針状結晶が析出している。
【選択図】 図１

Description

この発明は、多層セラミック基板およびその製造方法ならびに多層セラミック基板を備える電子部品に関するもので、特に、多層セラミック基板の強度を向上させるための改良に関するものである。

この発明にとって興味ある多層セラミック基板が、たとえば特開平６−２９６６４号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１には、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基板であって、その最外層の熱膨張率を内層の熱膨張率より小さくし、かつ表裏の最外層の厚みの合計を内層の厚みより小さくしたものが開示されている。このような構成を採用することにより、焼成後の冷却過程において、表裏の最外層に圧縮応力が生じるため、多層セラミック基板の抗折強度が向上するとともに、表裏の応力差による反りを抑制することができるとされている。

しかしながら、上述した特許文献１に記載の多層セラミック基板には、抗折強度の向上に関して、さらなる改善の余地がある。すなわち、特許文献１に記載の多層セラミック基板にあっては、最外層すなわち表層部と内層部との界面部分において応力が最も大きい部分がもたらされ、界面部分から離れるほど応力が小さくなる。その結果、界面部分に応力が集中し、これが破壊の起点となって、多層セラミック基板が破壊されやすい。
特開平６−２９６６４号公報

そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し、強度がより高め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。

この発明の他の目的は、上述した多層セラミック基板を製造するための好ましい方法を提供しようとすることである。

この発明のさらに他の目的は、上述した多層セラミック基板を備える電子部品を提供しようとすることである。

この発明は、内層部ならびに内層部を積層方向に挟むように位置する第１および第２の表層部とからなる積層構造を有し、内層部ならびに第１および第２の表層部の各々は、少なくとも１つのセラミック層をもって構成されている、多層セラミック基板にまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、表層部の熱膨張係数をα１［ｐｐｍＫ^−１］とし、内層部の熱膨張係数をα２［ｐｐｍＫ^−１］としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５であり、かつ内層部には、針状結晶が析出していることを特徴としている。

この発明に係る多層セラミック基板において、各表層部の厚みは５〜６０μｍであることが好ましい。

また、内層部の厚みは５０μｍ以上であることが好ましい。

また、針状結晶は、ウォラストナイト、シリマナイト、ルチルおよびムライトの少なくとも１種であることが好ましい。

また、内層部はホウケイ酸ガラスを含むことが好ましい。

また、この発明に係る多層セラミック基板の抗折強度は、表層部および内層部のそれぞれの抗折強度より高いことが好ましい。

この発明は、また、上述のような多層セラミック基板を製造する方法にも向けられる。

この発明に係る多層セラミック基板の製造方法では、まず、表層用セラミックグリーンシート、内層用セラミックグリーンシート、ならびに、表層用セラミックグリーンシートおよび内層用セラミックグリーンシートが焼結する温度では焼結しない無機材料を含む、拘束用セラミックグリーンシートがそれぞれ用意される。

次いで、少なくとも１つの内層用セラミックグリーンシートを積層方向に挟むように、それぞれ、少なくとも１つの表層用セラミックグリーンシートを配置し、さらに、その外側に少なくとも１つの拘束用セラミックグリーンシートを配置することによって、複合積層体を作製する工程が実施される。

次に、複合積層体は、表層用セラミックグリーンシートおよび内層用セラミックグリーンシートが焼結するが、拘束用セラミックグリーンシートが焼結しない温度で焼成される。これによって、焼成後の複合積層体において、表層用セラミックグリーンシートに由来する表層部の熱膨張係数をα１とし、内層用セラミックグリーンシートに由来する内層部の熱膨張係数をα２としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５であり、かつ、内層部には針状結晶が析出している。

次いで、焼成後の複合積層体に備える、拘束用セラミックグリーンシートに由来する部分が複合積層体から除去される。

この発明は、さらに、前述したような多層セラミック基板を備える電子部品にも向けられる。

この発明に係る多層セラミック基板は、前述したように、表層部の熱膨張係数をα１とし、内層部の熱膨張係数をα２としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５であるという第１の特徴を有している。この第１の特徴は、簡単に言えば、特許文献１の場合と同様、表層部の熱膨張係数α１が内層部の熱膨張係数α２より小さいことを意味している。したがって、焼成後の冷却過程で表層部に圧縮応力が発生し、その結果、多層セラミック基板の抗折強度を向上させることができるとともに、表裏の応力差による反りを抑制することができる。

この発明においては、表層部の熱膨張係数α１と内層部の熱膨張係数α２との差、すなわちα２−α１が、０．３≦α２−α１≦１．５となるようにされる。ここで、熱膨張係数の差α２−α１が０．３未満では、多層セラミック基板の強度が表層部のみの強度とほぼ同じとなり、高強度化の効果があまり奏されなくなる。他方、熱膨張係数の差α２−α１が１．５を超えると、表層部と内層部との界面での応力が大きくなりすぎ、その結果、界面部分での剥がれが発生しやすくなる。

この発明に係る多層セラミック基板は、内層部に針状結晶が析出していることを第２の特徴としている。この発明に係る多層セラミック基板において、表層部と内層部との界面部分との内層部側では引っ張り応力が働き、機械的強度の点で不利な状態がもたらされるが、内層部が針状結晶を含む構造であると、上記引っ張り応力は界面部分から内層部のより内部へと効率的に伝達されるため、応力が分散される。その結果、内層部での最大引っ張り応力が緩和され、破壊する確率が下がり、多層セラミック基板の強度を高めることができる。なお、界面部分の表層部側で発生している圧縮応力については、多層セラミック基板の表面にまで届きやすいため、表層部では針状結晶の存在は特に必要とされるものではない。

この発明において、各表層部の厚みが５〜６０μｍであると、高強度化の効果をより確実に得ることができる。多層セラミック基板の破壊の起点となる亀裂は、主に表層部で発生するため、多層セラミック基板の強度は表層部での亀裂の発生確率に依存する。この確率は、圧縮応力が無い場合に比べ、圧縮応力が有る場合の方がより低くなる。内層部に働いている応力は、表層部と内層部との界面部分で最も大きく、界面部分から離れるほど、応力緩和が起こるため、より小さくなる。このため、表層部の厚みが６０μｍを越えると、表層部には有効な大きさの圧縮応力が働かなくなる結果、高強度化の効果があまり期待できなくなる。他方、表層部の厚みが５μｍ未満では、応力緩和作用を働かせることが困難となり、界面部分での応力による表層部の単位体積あたりのエネルギーが大きくなりすぎ、その結果、表層部は逆に破壊されやすいものになってしまうことがある。

この発明に係る多層セラミック基板において、内層部の厚みが５０μｍ以上であれば、界面部分で発生している応力をより広く分散できることになり、多層セラミック基板が破壊する確率をより低下させることができる。この点において、内層部の厚みは１００μｍ以上であることがより好ましい。なお、上述した応力分散効果の点からは、内層部の厚みについての上限はない。しかしながら、内層部の厚みの上限は、８００μｍ程度とすることが好ましい。内層部の厚みが８００μｍを越えると、焼成工程での脱脂が困難となることがあるためである。

内層部がホウケイ酸ガラスを含んでいると、焼成することにより針状結晶を析出しやすくすることができる。

この発明において、多層セラミック基板の抗折強度が、表層部および内層部のそれぞれの抗折強度より高くされると、たとえば、表層部において、強度が比較的低いが、その他の特性の点で優れた材料を用いることができるようになり、材料の選択範囲を広くすることができる。

この発明に係る多層セラミック基板の製造方法によれば、焼成時において、拘束用セラミックグリーンシートを両主面上に配置した複合積層体を焼成するようにしているので、表層用セラミックグリーンシートおよび内層用セラミックグリーンシートの焼成時における各主面方向での収縮を抑制することができる。そのため、多層セラミック基板の不所望な変形を抑制し、寸法精度を高めることができるばかりでなく、焼成時において、表層部と内層部との間で剥がれを生じにくくすることができる。

図１は、この発明の一実施形態による多層セラミック基板１を備える電子部品２を示す正面図であり、多層セラミック基板１については断面図で示している。

多層セラミック基板１は、内層部３ならびに内層部３を積層方向に挟むように位置する第１および第２の表層部４および５とからなる積層構造を有している。内層部３は、少なくとも１つの内層部セラミック層６をもって構成され、第１および第２の表層部４および５は、それぞれ、少なくとも１つの表層部セラミック層７および８をもって構成されている。

多層セラミック基板１は、配線導体を備えている。配線導体は、たとえばコンデンサまたはインダクタのような受動素子を構成したり、あるいは素子間の電気的接続のような接続配線を行なったりするためのもので、典型的には、図示したように、いくつかの導体膜９〜１１ならびにいくつかのビアホール導体１２をもって構成される。

導体膜９は、多層セラミック基板１の内部に形成される。導体膜１０および１１は、それぞれ、多層セラミック基板１の一方主面上および他方主面上に形成される。ビアホール導体１２は、導体膜９〜１１のいずれかと電気的に接続されかつセラミック層６〜８のいずれか特定のものを厚み方向に貫通するように設けられる。

多層セラミック基板１の一方主面上には、外部導体膜１０に電気的に接続された状態で、チップ部品１３および１４が搭載される。これによって、多層セラミック基板１を備える電子部品２が構成される。多層セラミック基板１の他方主面上に形成された外部導体膜１１は、当該電子部品２を図示しないマザーボード上に実装する際の電気的接続手段として用いられる。

このような電子部品２に備える多層セラミック基板１において、この実施形態では、表層部４および５の熱膨張係数をα１［ｐｐｍＫ^−１］とし、内層部３の熱膨張係数をα２［ｐｐｍＫ^−１］としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５であり、かつ、内層部３には、針状結晶が析出していることを特徴としている。上記のような特徴的構成によれば、前述したように、多層セラミック基板１の強度を高めることができる。

内層部３を構成する内層部セラミック層６ならびに表層部４および５を構成する表層部セラミック層７および８の各材料として、セラミックとガラスとの混合物を用いるようにすれば、セラミックとガラスとの比率、あるいはセラミックの種類および／またはガラスの種類を変えることによって、表層部４および５の熱膨張係数α１ならびに内層部３の熱膨張係数α２をそれぞれ調整することができ、これら熱膨張係数の差、すなわちα２−α１を所望の値とすることが容易である。

内層部３に析出している針状結晶としては、たとえばウォラストナイト、シリマナイト、ルチル、ムライトなどがある。このような針状結晶をより容易に析出させるためには、内層部３すなわち内層部セラミック層６はホウケイ酸ガラスを含むことが好ましい。

また、内層部３における針状結晶の析出量は、ガラス量の６０重量％以下であって、ガラス量とセラミック量との合計の５重量％以上であることが好ましい。針状結晶の析出量が、ガラス量の６０重量％を超えると、ガラス中のＢ_２Ｏ_３成分比率が高まり、ガラスの耐湿性が低下するため好ましくない。また、針状結晶の析出量が、ガラス量とセラミック量との合計の５重量％未満であると、多層セラミック基板１の強度を十分に高めることができず、好ましくない。

表層部４および５の各々の厚みは、５〜６０μｍであることが好ましい。これによって、前述したように、多層セラミック基板１の高強度化の効果をより確実に得ることができる。

また、内層部３の厚みは、５０μｍ以上であることが好ましい。これによって、前述したように、内層部３の、表層部４および５の各々との界面部分で発生している応力をより広く分散できるようになり、多層セラミック基板１が破壊する確率をより低下させることができる。

また、この多層セラミック基板１の抗折強度は、表層部４および５ならびに内層部３のそれぞれ抗折強度より高いことが好ましい。これによって、前述したように、表層部４および５において、強度が比較的低いが、その他の特性の点で優れた材料を用いることができるようになり、材料の選択範囲を広くすることができる。

上述のような多層セラミック基板１は、好ましくは、次のようにして製造される。

図２は、多層セラミック基板１の製造の途中で作製される複合積層体２１を示す断面図である。複合積層体２１は、多層セラミック基板１における内層部セラミック層６となるべき内層用セラミックグリーンシート２２と、表層部セラミック層７および８とそれぞれなるべき表層用セラミックグリーンシート２３および２４とを備えるとともに、拘束用セラミックグリーンシート２５および２６を備えている。また、内層用セラミックグリーンシート２２ならびに表層用セラミックグリーンシート２３および２４に関連して、多層セラミック基板１に備える配線導体としての導体膜９〜１１ならびにビアホール導体１２が設けられている。

このような複合積層体２１を作製するため、内層用セラミックグリーンシート２２、表層用セラミックグリーンシート２３および２４ならびに拘束用セラミックグリーンシート２５および２６がそれぞれ用意される。表層用セラミックグリーンシート２３および２４の焼結体の熱膨張係数をα１とし、内層セラミックグリーンシート２２の焼結体の熱膨張係数をα２としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５となり、かつ、内層セラミックグリーンシート２２の焼結体に針状結晶が析出するように、これらグリーンシート２２〜２４の各組成が選ばれる。また、拘束用セラミックグリーンシート２５および２６は、表層用セラミックグリーンシート２３および２４ならびに内層用セラミックグリーンシート２２が焼結する温度では焼結しない無機材料を含む組成とされる。

次に、少なくとも１つの内層用セラミックグリーンシート２２を積層方向に挟むように、それぞれ、表層用セラミックグリーンシート２３および２４を配置し、さらに、その外側に拘束用セラミックグリーンシート２５および２６をそれぞれ配置することによって、図２に示すような複合積層体２１が作製される。

次に、複合積層体２１は、表層用セラミックグリーンシート２３および２４ならびに内層用セラミックグリーンシート２２が焼結するが、拘束用セラミックグリーンシート２５および２６が焼結しない温度で焼成される。その結果、表層用セラミックグリーンシート２３および２４に由来する表層部４および５（図１参照）の熱膨張係数をα１とし、内層セラミックグリーンシート２２に由来する内層部３（図１参照）の熱膨張係数をα２としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５となり、かつ、内層部３には、針状結晶が析出した状態となる。

次に、焼成後の複合積層体２１において、拘束用セラミックグリーンシート２５および２６に由来する部分が除去される。これによって、多層セラミック基板１が得られる。

なお、多層セラミック基板１を製造するにあたり、上述のような拘束用セラミックグリーンシート２５および２６を用いるのではなく、これら拘束用セラミックグリーンシートが無い状態の積層体を焼成するようにしてもよい。

次に、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。

まず、表１に示すような種々の組成を有するホウケイ酸ガラス粉末を用意した。

次に、表２に示す各試料が得られるように、表層用セラミックグリーンシートおよび内層用セラミックグリーンシートをそれぞれ作製した。

表層用セラミックグリーンシートについては、そこに含まれるセラミック粉末の組成および重量部ならびにガラス粉末の組成および重量部が、表２の「表層用シート組成／重量部」における「セラミック」および「ガラス」の各欄にそれぞれ示されている。内層用セラミックグリーンシートについては、そこに含まれるセラミック粉末の組成および重量部ならびにガラス粉末の組成および重量部が、表２の「内層用シート組成／重量部」における「セラミック」および「ガラス」の各欄にそれぞれ示されている。なお、上記「ガラス」の欄に示された「Ｇ１」〜「Ｇ９」の記号は、表１の「ガラス記号」に対応するものである。

表２に示した各試料を得るため、上述のようなセラミック粉末とガラス粉末と有機溶剤とを混合し、さらに、１０重量部のブチラール系バインダと１重量部の可塑剤とを加えて、所定の条件にて湿式混合して、スラリーを得た。次いで、得られたスラリーをドクターブレード法により６〜２００μｍの範囲の種々の厚みのシート状に成形し、表層用セラミックグリーンシートおよび内層用セラミックグリーンシートをそれぞれ得た。

他方、１００重量部のアルミナ粉末と有機溶剤とを混合し、さらに、１０重量部のブチラール系バインダと１重量部の可塑剤と球状セルロースとを加えて、所定の条件にて湿式混合してスラリーを得た。次いで、得られたスラリーをドクターブレード法により厚み５０μｍのシート状に成形し、拘束用セラミックグリーンシートを得た。

次に、上記の表層用グリーンシート、内層用グリーンシートおよび拘束用グリーンシートの各々を１００ｍｍ角の大きさにカットした後、拘束用セラミックグリーンシート１枚、表層用セラミックグリーンシート１枚、内層用セラミックグリーンシート５枚、表層用セラミックグリーンシート１枚、拘束用セラミックグリーンシート１枚の順で積層して複合積層体を作製し、これをプレス機にてプレスした後、８７０℃の温度で１０分間保持する条件で焼成した。次いで、焼成後の複合積層体の表面に粉状に付着している拘束用セラミックグリーンシートに由来する未焼結部分を、超音波洗浄機を用いて除去し、評価用の積層焼結体を得た。

なお、上記の積層工程では、表２に示した「表層部厚み」および「内層部厚み」が焼成後においてそれぞれ得られるように、用いる表層用セラミックグリーンシートおよび内層用セラミックグリーンシートの各厚みを調整した。

上記の評価用の積層焼結体について、表３に示すように、「熱膨張係数」、「析出結晶」、「抗折強度」および「デラミネーション有無」の各項目について評価した。

「熱膨張係数」は、「表層部（α１）」および「内層部（α２）」の各々について測定した。表３には、さらに、「α２−α１」についても示されている。

「析出結晶」の欄に示した「Ａ」〜「Ｆ」は、以下の表４に示した「結晶記号」に対応している。

「抗折強度」は、３点曲げ法によって測定したもので、「表層部」、「内層部」および「基板」（積層焼結体全体）の各々について測定した結果が示されている。

「デラミネーション有無」は、評価用の積層焼結体断面を顕微鏡観察することによって評価したもので、各々１００個の試料についてデラミネーションの有無を評価し、デラミネーションがたとえ１個の試料において認められた場合であっても、デラミネーションが「有」と評価した。

なお、前の表２に示した「表層部厚み」および「内層部厚み」は、評価用の積層焼結体の断面上での厚みを実測することによって求めたものである。

表３を参照して、「熱膨張係数」における「α２−α１」の数値に関して、試料１および２は、０．３未満となっている。その結果、表層部に圧縮応力がほとんど働かず、「基板」の「抗折強度」が「表層部」の「抗折強度」と同等となり、また、「基板」の「抗折強度」が他の試料に比べて相対的に低くなっている。

他方、試料８では、「α２−α１」が１．５を超えている。その結果、デラミネーションが発生し、また、「基板」の抗折強度の測定が不可能となっている。

また、表３において、試料２３は、「析出結晶」が「Ｅ」（エンスタタイト）であり、試料２４は、「析出結晶」が「Ｆ」（ウレマイト）であり、いずれも、析出結晶が針状結晶ではない。そのため、引っ張り応力を内層部で十分に分散させることができない。また、試料２５では、結晶が析出しなかったため、この場合も、引っ張り応力を内層部で十分に分散させることができない。これらのことから、試料２３〜２５では、応力を十分に緩和することができず、「抗折強度」に関して、「基板」は、「表層部」および「内層部」のいずれか高い方の値を超えるような値を示すことはない。

これらに対して、０．３≦α２−α１≦１．５の条件を満足し、かつ「析出結晶」が「Ａ」（ウォラストナイト）、「Ｂ」（シリマナイト）、「Ｃ」（ルチル）または「Ｄ」（ムライト）のような針状結晶である、試料３〜７および９〜２２によれば、高い抗折強度が得られ、また、デラミネーションが発生していない。

上述した試料３〜７および９〜２２の間で比較すると、試料１５については、表２に示すように、「表層部厚み」が５〜６０μｍの範囲を外れ、５μｍ未満の３μｍである。そのため、表層部と内層部との界面部分で大きく働く応力を表層部で十分に緩和することができず、その結果、「抗折強度」に関して、「基板」は「内層部」よりわずかに高い値を示すにとどまっている。

他方、試料２１については、表２に示すように「表層部厚み」が５〜６０μｍの範囲を外れ、６０μｍを超える６５μｍである。そのため、表層部には有効な大きさの圧縮応力が十分に働かなくなり、「抗折強度」に関して、「基板」は、「内層部」よりわずかに高い値を示すにとどまっている。

また、試料１６では、表２に示すように、「内層部厚み」が５０μｍ未満の４０μｍである。そのため、表層部と内層部との界面部分で発生している応力をそれほど分散できず、「抗折強度」に関して、「基板」は、「内層部」よりわずかに高い値を示すにとどまっている。

この発明の一実施形態による多層セラミック基板１を備える電子部品２を示す正面図であり、多層セラミック基板１について断面図で示している。 図１に示した多層セラミック基板１の製造の途中で作製される複合積層体２１を示す断面図である。

符号の説明

１ 多層セラミック基板
２ 電子部品
３ 内層部
４ 表層部
６ 内層部セラミック層
７，８ 表層部セラミック層
２１ 複合積層体
２２ 内層用セラミックグリーンシート
２３，２４ 表層用セラミックグリーンシート
２５，２６ 拘束用セラミックグリーンシート

Claims (8)

1. 内層部ならびに前記内層部を積層方向に挟むように位置する第１および第２の表層部とからなる積層構造を有し、前記内層部ならびに前記第１および第２の表層部の各々は、少なくとも１つのセラミック層をもって構成されている、多層セラミック基板であって、
   前記表層部の熱膨張係数をα１［ｐｐｍＫ^−１］とし、前記内層部の熱膨張係数をα２［ｐｐｍＫ^−１］としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５であり、かつ、前記内層部には、針状結晶が析出している、多層セラミック基板。
2. 各前記表層部の厚みが５〜６０μｍである、請求項１に記載の多層セラミック基板。
3. 前記内層部の厚みが５０μｍ以上である、請求項１または２に記載の多層セラミック基板。
4. 前記針状結晶が、ウォラストナイト、シリマナイト、ルチルおよびムライトの少なくとも１種である、請求項１ないし３のいずれかに記載の多層セラミック基板。
5. 前記内層部はホウケイ酸ガラスを含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の多層セラミック基板。
6. 当該多層セラミック基板の抗折強度は、前記表層部および前記内層部のそれぞれの抗折強度より高い、請求項１ないし５のいずれかに記載の多層セラミック基板。
7. 表層用セラミックグリーンシートを用意する工程と、
   内層用セラミックグリーンシートを用意する工程と、
   前記表層用セラミックグリーンシートおよび前記内層用セラミックグリーンシートが焼結する温度では焼結しない無機材料を含む、拘束用セラミックグリーンシートを用意する工程と、
   少なくとも１つの前記内層用セラミックグリーンシートを積層方向に挟むように、それぞれ、少なくとも１つの前記表層用セラミックグリーンシートを配置し、さらに、その外側に少なくとも１つの前記拘束用セラミックグリーンシートを配置することによって、複合積層体を作製する工程と、
   前記複合積層体を、前記表層用セラミックグリーンシートおよび前記内層用セラミックグリーンシートが焼結するが、前記拘束用セラミックグリーンシートが焼結しない温度で焼成し、それによって、前記表層用セラミックグリーンシートに由来する表層部の熱膨張係数をα１とし、前記内層用セラミックグリーンシートに由来する内層部の熱膨張係数をα２としたとき、０．３≦α２−α１≦１．５であり、かつ、前記内層部には、針状結晶が析出している、焼成後の前記複合積層体を得る工程と、
   次いで、焼成後の前記複合積層体に備える、前記拘束用セラミックグリーンシートに由来する部分を前記複合積層体から除去する工程と
   を備える、多層セラミック基板の製造方法。
8. 請求項１ないし６のいずれかに記載の多層セラミック基板を備える、電子部品。
   

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