JP2005286303A

JP2005286303A - 積層セラミック基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005286303A
Application number: JP2004372807A
Authority: JP
Inventors: Muneyuki Sawada; 宗之沢田; Hiroshi Kagata; 博司加賀田; Hidenori Katsumura; 英則勝村; Koji Kawakita; 晃司川北; Kazuhiro Miura; 和裕三浦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】端子電極と積層セラミック基板の界面で十分な端子電極の補強を図った積層セラミック基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】表層に端子電極１２ａが形成された積層セラミック基板において、前記端子電極１２ａの端部は、内層側へと屈曲された状態で絶縁体１４ａによって覆われた積層セラミック基板とすることにより、端子電極１２ａの端部を確実に補強し、密着強度に優れるとともに実装性に優れた積層セラミック基板を実現することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、各種受動部品、半導体部品等を実装する積層セラミック基板であって、特に実装の信頼性に優れた端子電極の構造を有する積層セラミック基板およびその製造方法に関するものである。

電子機器の小型化、高密度化を実現するために電子部品の小型化、複合化が望まれており、これを実現するために小型のモジュール部品などの開発が進められている。これを実現する手段の一つとして積層セラミック基板の表層に各種電子部品を実装したセラミックモジュール部品が実用化されている。このセラミックモジュール部品に用いる従来の積層セラミック基板およびその製造方法について説明する。

まず、従来の積層セラミック基板はガラス成分を含む無機粉末に有機バインダおよび可塑剤などを有機溶剤を用いて混合分散してセラミックスラリーとし、ドクターブレード法、ダイコーティング法等によりＰＥＴフィルム等のベースフィルムの上に前記セラミックスラリーを塗布することによってセラミックグリーンシートを作製する。このセラミックグリーンシートの上に電極ペーストを用いて電極パターンを形成する。また必要に応じてセラミックグリーンシートにパンチャー加工あるいはレーザ加工などによりビア孔を形成した後、前記電極ペーストを用いてこのビア孔に充填してビア電極を形成する。

次に、前記セラミックグリーンシートを加熱および加圧を繰り返すことにより熱圧着することによりセラミックグリーンシートの仮積層体を作製する。この仮積層体の表層には電極ペーストなどを用いて表層電極と各種電子部品などを実装したり、積層セラミック基板をプリント基板などに実装するための端子電極を印刷形成する。

その後、この仮積層体を本加圧成型することにより積層体を得た後、この積層体を焼成することにより積層セラミック基板を得ている。

次に、この積層セラミック基板にチップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗器等のチップ部品あるいはピンダイオードなどの半導体部品を前記端子電極にはんだ付け等により実装することにより、各種セラミックモジュール部品を作製することができる。

さらに、このセラミックモジュール部品はプリント基板などにはんだ付けにより実装することができ、主に携帯電話等の小型の電子機器に使用されている。しかしながら、この携帯用の小型の電子機器では前記セラミックモジュール部品に対して、さらなる耐久性、接続信頼性などの要望がなされている。これらの要望に対して、特に落下衝撃試験ではプリント基板への実装に用いているセラミックモジュール部品の端子電極からクラック、ワレが発生しやすいという問題点を有していた。

前記問題点を解決するために、積層体を個片分割した後、バレル研磨などにより面取り加工を行い、その後焼成することにより基板端部に不要な応力集中を防ぐ工法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３３８６８９号公報

しかしながら、前記従来の構成では端子電極の界面も研磨され、端子電極が剥れやすくなり実用上十分な端子電極の密着強度が得られないという問題点を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、端子電極と積層セラミック基板の界面で十分な端子電極の補強を図った積層セラミック基板とその製造方法を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、端子電極の端部を絶縁体によって被覆し、さらに積層セラミック基板の内部に屈曲状態で埋め込まれた構造とするものである。

本発明の積層セラミック基板は、端子電極の端部を積層セラミック基板を構成する絶縁体に屈曲した状態で埋設することにより端子電極の密着強度が向上し、外部応力に対して端子電極の端部からのクラックの発生、電極剥離を抑制することができる実装の信頼性に優れた積層セラミック基板およびその製造方法を提供することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における積層セラミック基板およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。

図１〜図６は本発明の実施の形態１における積層セラミック基板の製造工程を説明するための断面図であり、図７および図８は要部断面図である。また図９〜図１１は端子電極近傍の拡大平面図である。

なお、本実施の形態１で用いている図面は１個の積層セラミック基板１６を例として図示しているが、生産性の観点からはこれらをマトリックス状に配置した多数個取りの所定のサイズのセラミックシートとして取り扱うことが一般的であるが簡略化のために省略している。

図１において、１１はセラミックグリーンシートであり、このセラミックグリーンシート１１は酸化アルミニウムなどの無機粉末にホウケイ酸ガラスなどを主成分とするガラス成分を含有したガラスセラミック材料で構成しており、その製造方法は酸化アルミニウムなどの無機粉末にガラス成分、有機バインダ、可塑剤および分散媒を混合してセラミックスラリーとした後、このセラミックスラリーをグリーンシート成型法によって所定の厚みに作製することによって製造することができる。

そして、このセラミックグリーンシート１１の厚みは任意の厚みとすることができるが、通常の積層セラミック基板１６では数１０〜数１００μｍの厚みを有するように形成するのが一般的である。

また、このセラミックグリーンシート１１はガラスセラミック材料とすることにより、焼結温度を９００℃前後とすることができる。この焼結温度であれば導体抵抗の低い銀あるいは銅を主成分とする電極材料を用いることができることから高周波特性に優れた積層セラミック基板１６を実現することができる。

次に、１２ａは積層セラミック基板１６の片面の表層に形成する端子電極であり、貴金属（Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄあるいはこれらの合金など）および卑金属（Ｃｕ、Ｎｉあるいはこれらの合金など）の電極材料を用いてスクリーン印刷法などにより構成することができる。

その後、この端子電極１２ａの端部を被覆するように絶縁体ペーストを用いて絶縁膜１４を印刷形成する。この端子電極１２ａの端部と絶縁膜１４の形成に関する詳細な内容は後述する。

また、１２ｂは内層電極であり、この内層電極１２ｂはコイル、コンデンサなどの電極パターンあるいは通常の配線パターンとしても用いることができるものであり、端子電極１２ａと同じ電極材料と工法によって形成することができる。さらに、１２ｃはビア電極であり、セラミックグリーンシート１１を貫通して積層方向に接続させている電極である。このビア電極１２ｃの形成はセラミックグリーンシート１１にパンチャー法あるいはレーザ加工法により所定の形状に貫通孔を形成した後、前記貫通孔に電極ペーストを充填することにより形成することができる。

次に、図２に示すようにそれぞれのセラミックグリーンシート１１に端子電極１２ａ、内層電極１２ｂ、ビア電極１２ｃを印刷形成したセラミックグリーンシート１１を所定の構造となるように配置・積層し、加熱および加圧を行いながら仮圧着させて一体化させて仮積層体１３を作製する。

また、この時の仮圧着の圧力は２００ｋｇ／ｃｍ²以下とすることが好ましい。この仮圧着の条件であれば１枚ずつの積層も可能であり、複雑な配線構造を有する積層数の多い積層セラミック基板１６などでは複数回数の仮圧着を行いながら最終の積層数とすることができるという利点を有している。

なお、表層の端子電極１２ａと絶縁膜１４の形成はこの仮積層体１３を形成した後に形成することも可能である。

次に、図３に示すようにこの仮積層体１３の最下層にスクリーン印刷等により端子電極１２ａを形成した後、絶縁体ペーストを用いて所定の厚みとなるように端子電極１２ａの端部を被覆するように絶縁膜１４を形成する。この絶縁膜１４は少なくとも端子電極１２ａの端部を完全に被覆することで本発明の効果は発揮することができるが、工程上のばらつきも発生することからセラミックグリーンシート１１の全面に形成することが生産性の観点からは有利である。またその絶縁膜１４の厚みは１５μｍ以上の厚みが効果的である。さらにこの絶縁膜１４に用いる材料は焼成後にセラミックグリーンシート１１と一体化させるためにセラミックグリーンシート１１と同じ材料を用いることが好ましい。

また、積層セラミック基板１６の大判化が必要なときには機械的強度が要求されることから、セラミックグリーンシート１１の構成材料よりも抗折強度に優れたガラスセラミック材料を絶縁膜１４に用いることにより積層セラミック基板１６の機械的強度を高めることができる。

さらに、前記セラミックグリーンシート１１と絶縁膜１４に用いるガラスセラミック材料の熱膨張係数を合致させることがより望ましい。

次に、図４に示すように仮積層体１３を先の仮圧着の条件よりもさらに高い圧力で本圧着することにより積層体１５を得ることができる。この本圧着の条件は７００ｋｇ／ｃｍ²以下とすることが好ましい。７００ｋｇ／ｃｍ²を超えると積層体１５の変形が発生したり、電極パターンなどの寸法精度が得られにくくなるという問題があるためである。

そして、この時の端子電極１２ａの形状は図７に示すように本圧着により端子電極１２ａの端部は絶縁膜１４が被覆された厚み分だけ積層セラミック基板１６の内部側に屈曲した状態で埋め込まれており、絶縁膜１４の表面と端子電極１２ａの端部を除く部分の表面とがほぼ同一平面上となっている。このような条件で積層体１５を形成することにより端子電極１２ａの端部を絶縁膜１４とセラミックグリーンシート１１の内部に埋め込まれた構造を実現することができる。

その後、必要に応じて積層体１５の個片分割を行い、個片分割された積層体１５をバレル研磨することにより積層体１５のエッジ部（端部）の面取り加工を行う。本発明の構成である端子電極１２ａの端部を絶縁膜１４に埋め込んだ構造を有していることにより、バレル研磨を行っても端子電極１２ａの端部が浮き上がったり、強度が劣化するといった問題も発生することはなく、このエッジ部の面取り加工は積層セラミック基板１６の実装の信頼性を高めるという効果を発揮することができるものである。特に積層セラミック基板１６の小型化を実現する場合、端子電極１２ａが積層セラミック基板１６のエッジ部に形成されることが多く、このような場合における面取り加工は効果をより発揮することができる。

また、この積層セラミック基板１６のエッジ部の面取りの半径を５０μｍ以上とすることにより、その効果をより大きくすることができる。

その後、図５に示すようにこの積層体１５を９００℃前後の焼成温度にて焼成して積層セラミック基板１６を得る。この積層セラミック基板１６の端子電極１２ａは図８に示す要部拡大図のように、絶縁膜１４は焼成によって絶縁体１４ａとなり、この絶縁体１４ａは焼成による一体化反応によって積層セラミック基板１６の絶縁体層１４ｂの一部となり、この絶縁体１４ａと端子電極１２ａはほぼ平坦な形状になるような構造となる。前記絶縁体層１４ｂはセラミックグリーンシート１１を焼成したものである。このような端子電極１２ａの構造の断面図を図８に示す。図８に示すような端子電極１２ａの端部が積層セラミック基板１６の内部に埋め込まれた構造とすることにより端子電極１２ａの実装時の機械的強度を高めることができる。

また、バレル研磨によって端子電極１２ａの表面を粗面化することによって半田流れを防ぐことができ、狭ピッチの端子電極１２ａを有する積層セラミック基板１６の短絡を防止することができる。さらに、研磨時に研削された絶縁体層１４ｂおよび絶縁体１４ａから発生するガラスセラミック粉末を端子電極１２ａの表面に分散付着させることにより、半田食われ不良を低減することもできる。特に、このガラスセラミック粉末を端子電極１２ａの表面に分散付着させる量は１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましい。

また、焼成の前に個片化しないで多数個取りの板状の積層体１５として焼成することも可能であり、電子部品２０を実装した後個片化することができる。この場合には電子部品２０（後述）を一括して実装することが可能となり、実装効率が非常に高いという利点を有している。

次に、図９〜図１１は端子電極１２ａの近傍の要部拡大平面図であり、端子電極１２ａの端部を完全に絶縁体１４ａで埋め込んだ状態を示している。図９は絶縁体１４ａによって四角形の形状に端子電極１２ａの端部を埋め込んだ状態を示し、図１０では円形の形状に端子電極１２ａの端部を埋め込んだ状態を示している。どのような形状にするかについては積層セラミック基板１６の用途と性能を考慮しながら選択することができる。また、端子電極１２ａが配線パターン１８と接続しているときにも図１１に示すように、全ての方向に対して絶縁体１４ａにて端子電極１２ａの端部を埋め込んだ状態とすることにより本発明の効果を発揮することができる。

次に、図６に示すようにこの積層セラミック基板１６の片面側の表面に抵抗器、コンデンサなどのチップ部品やＳＡＷフィルタあるいは半導体などの電子部品２０を実装することによってセラミックモジュール部品とすることができる。このセラミックモジュール部品を用いて、回路基板であるプリント基板などに実装することにより小型で優れた信頼性を有する電子機器を実現することができる。

なお、前記積層セラミック基板１６の内層にコンデンサ、抵抗あるいはコイルなどを形成することにより部品内蔵の積層セラミック基板１６とすることも可能であり、その場合は表層に実装するコンデンサ、抵抗あるいはコイルなどの電子部品２０を低減することが可能となり、より実装密度の高いセラミックモジュール部品を実現することができる。

次に、本実施の形態１の積層セラミック基板１６をプリント基板に実装し、落下衝撃試験を行った。この落下衝撃試験における積層セラミック基板１６は５．４ｍｍ×４．０ｍｍ×０．８ｍｍの形状であり、この積層セラミック基板１６を３５ｍｍ×９０ｍｍ×１．０ｍｍサイズのガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）上に３個実装した後、コンクリート上に高さ１．８ｍ、６面の条件で３サイクル計１８回の落下衝撃試験を行い、積層セラミック基板１６の端子電極１２ａのクラック発生数を評価した。この落下衝撃試験では従来の積層セラミック基板（比較例）と本発明の積層セラミック基板１６において、絶縁体１４ａによる端子電極１２ａの端部の埋め込み深さ、積層セラミック基板１６のエッジ部の面取り寸法を変えた試料を用いて試験を行った。比較例の試料Ｎｏ．１は端部の埋め込みが無く、表層の絶縁体と端子電極の高さが一定となるように作製したものであり、Ｎｏ．２は特許文献１に示された絶縁体の上に端子電極を形成し、エッジ部をバレル研磨したものである。その評価結果を（表１）に示す。

（表１）の結果より、本実施の形態１のＮｏ．３の端子電極１２ａの端部は内層側へと屈曲された状態で絶縁体によって覆われたことにより、落下衝撃に対して端子電極１２ａのクラックの発生を従来例に比較して大幅に抑制していることが分かる。さらに、端子電極１２ａの端部を表層から１０μｍ以上の深さに埋め込むことにより、クラックの発生を更に抑制することが確認できた。

また、図８に示す端子電極１２ａの端部の埋め込み深さ１７を１０μｍ以上の深さに埋め込んだ積層セラミック基板１６とすることにより確実に端子電極１２ａの端部を補強できることから、端子電極１２ａの端部からのクラックの発生、あるいは電極剥離をより抑制することができる。

また、積層セラミック基板１６のエッジ部を面取りすることにより、積層セラミック基板１６のエッジ部に存在する既存の欠陥に対して不要な応力集中を抑制し、外部応力に対して積層セラミック基板１６のエッジ部からのクラックの発生、ワレを抑制することができる。

さらに、積層セラミック基板１６のエッジ部を半径５０μｍ以上で面取り加工を行うことにより、実装強度により優れたものとすることができる。

また、積層セラミック基板１６の絶縁層をガラスセラミック材料とすることにより低抵抗の銀あるいは銅電極を内層電極１２ｂに用いた高周波特性に優れた積層セラミック基板１６とすることができる。

また、先に仮積層体１３を作製し、この仮積層体１３に対して端子電極１２ａとなる電極ペーストを印刷した後、絶縁体１４ａとなる絶縁体ペーストを印刷し、仮積層よりも高い圧力でプレスを行うことにより、仮積層体１３がクッションとなり確実に端子電極１２ａの端部を積層セラミック基板１６の内部に埋め込むことができる。

以上のように本発明にかかる積層セラミック基板およびその製造方法は、端子電極の端部を積層セラミック基板の内部に埋め込むことにより、外部応力により端子電極を起点としてクラックの発生を抑制した積層セラミック基板を提供することができるという効果を有し、半導体等を実装するセラミックモジュール部品などに有用である。

本発明の実施の形態１における積層セラミック基板の製造工程を説明するための断面図同断面図同断面図同断面図同断面図同断面図同要部の拡大断面図同要部の拡大断面図同要部の拡大平面図同要部の拡大平面図同要部の拡大平面図

符号の説明

１１セラミックグリーンシート
１２ａ端子電極
１２ｂ内層電極
１２ｃビア電極
１３仮積層体
１４絶縁膜
１４ａ絶縁体
１４ｂ絶縁体層
１５積層体
１６積層セラミック基板
１７埋め込みの深さ
１８配線パターン
２０電子部品

Claims

表層に端子電極が形成された積層セラミック基板において、前記端子電極の端部は、内層側へと屈曲された状態で絶縁体によって覆われた積層セラミック基板。
端子電極の端部を表層から１０μｍ以上の深さに埋め込んだ請求項１に記載の積層セラミック基板。
積層セラミック基板のエッジ部を面取りした請求項１に記載の積層セラミック基板。
エッジ部の面取りの半径を５０μｍ以上とした請求項３に記載の積層セラミック基板。
積層セラミック基板を構成する絶縁体層をガラスセラミック材料とした請求項１に記載の積層セラミック基板。
絶縁体とその下方の絶縁体層の材料を同一組成とした請求項１に記載の積層セラミック基板。
絶縁体をその下方の絶縁体層の材料よりも抗折強度の大きい材料とした請求項１に記載の積層セラミック基板。
端子電極の表面を粗面化した請求項１に記載の積層セラミック基板。
内層電極を印刷形成したセラミックグリーンシートを形成する第一の工程と、前記内層電極を印刷形成した複数のセラミックグリーンシートを仮圧着して仮積層体を形成する第二の工程と、この仮積層体に端子電極を印刷形成するとともに少なくとも端子電極の端部を被覆するように絶縁膜を印刷形成する第三の工程と、前記絶縁膜を印刷形成した仮積層体を仮圧着よりも高い圧力にて本圧着して端子電極の端部を積層体の内部に屈曲させて埋め込むように積層体を形成する第四の工程と、前記本圧着された積層体を焼成する第五の工程からなる積層セラミック基板の製造方法。
第二の工程における仮圧着を２００ｋｇ／ｃｍ²以下とした請求項９に記載の積層セラミック基板の製造方法。
第四の工程における本圧着を７００ｋｇ／ｃｍ²以下とした請求項９に記載の積層セラミック基板の製造方法。
内層電極を印刷形成したセラミックグリーンシートを製造する第一の工程と、前記内層電極を印刷形成した複数のセラミックグリーンシートを交互に積層して仮圧着して仮積層体を製造する第二の工程と、前記仮積層体に端子電極を印刷形成するとともに少なくとも端子電極の端部を被覆するように絶縁膜を印刷形成する第三の工程と、前記絶縁膜を印刷形成した仮積層体を仮圧着よりも高い圧力により本圧着して端子電極の端部を積層体の内部に屈曲させて埋め込むように積層体を形成する第四の工程と、前記本圧着された積層体を個片化する第五の工程と、この個片化した積層体を焼成する第六の工程からなる積層セラミック基板の製造方法。
第二の工程における仮圧着を２００ｋｇ／ｃｍ²以下とした請求項１２に記載の積層セラミック基板の製造方法。
第四の工程における本圧着を７００ｋｇ／ｃｍ²以下とした請求項１２に記載の積層セラミック基板の製造方法。
第五の工程における個片化した積層体を面取りする工程を含む請求項１２に記載の積層セラミック基板の製造方法。