JP2009160840A - セラミック基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックグリーンシートの変形が抑制されるセラミック基板と、その製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック基板１は、所定の厚さのセラミックグリーンシート２を積層させて加圧し、焼結することによって形成されたセラミック積層体からなる。セラミック基板１の表面から深さＤ１まででは、キャビティ５の開口寸法は徐々に大きくなるように設定され、深さＤ１よりも深い深さＤ２から深さＤ３まででは、キャビティ５の開口寸法は徐々に小さくなるように設定されている。深さＤ１と深さＤ２との間には、キャビティの開口寸法が最も大きくなるように設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明はセラミック基板およびその製造方法に関し、特に、所定の厚さのセラミックグリーンシートを積層することにより形成される積層型のセラミック基板と、その製造方法とに関するものである。

積層型のセラミック基板は、積層させたセラミックグリーンシートを加熱状態のもとで加圧して各セラミックグリーンシートを一体化させ、その後、焼成し、そして、めっき処理を施すことによって形成される。セラミックグリーンシートには、あらかじめ金型パンチングあるいはレーザー加工機などによって、スルーホールあるいはビアホールが形成され、また、スクリーン印刷法などによって配線パターン形成される。

そのようなセラミック基板の一形態として、集積回路ＩＣを搭載するためのキャビティが形成されたセラミック基板がある。この種のセラミック基板において、上金型と下金型による加圧を用いる場合は、キャビティの段数毎にセラミックグリーンシートを加圧する必要がある。そのため、プレス後のセラミックグリーンシートと新たに積層されたセラミックグリーンシートとの密度の差や、加熱に伴う変質による基板の反り等によって、セラミック基板の寸法にばらつきが生じる場合がある。

このような寸法のばらつきを低減するために、各種の静水圧プレス法によってセラミックグリーンシートの積層体を加圧する手法が提案されている。この手法では、高圧水槽に真空パック等によって防水処理を施したセラミックグリーンシートの積層体を浸漬させた状態で、セラミックグリーンシートの積層体が加圧される。特に、この静水圧プレス法では、キャビティの有無に関わらずセラミックグリーンシートを加圧することが可能とされる。なお、キャビティがある場合の静水圧プレス方式としては、特許文献１および特許文献２がある。特許文献１では、キャビティに倣うような弾性体を使用してセラミック基板を製造する方法が提案されている。また、特許文献２では、キャビティの底部に向かって開口寸法を小さくする方法が提案されている。
特開２００２−７６６２３号公報 特開２００３−２２４３６０号公報

しかしながら、従来のセラミック基板の製造方法では、次のような問題点があった。セラミックグリーンシートを弾性体にて覆い静水圧プレス法によって加圧する場合、弾性体はセラミックグリーンシートの表面からキャビティの底に向かって変形する。このとき、キャビティの上部（開口端部）とキャビティの底部とにおいて弾性体が大きく屈曲するために、その屈曲する部分において、セラミックグリーンシートと弾性体との間に隙間が形成されることになる。隙間が形成されたセラミックグリーンシートに部分には圧力が作用せず、加圧後ではセラミックグリーンシートの密度に差が生じることになる。その結果、セラミックグリーンシートを焼結する際に、セラミックグリーンシートが変形するおそれがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的はセラミックグリーンシートの変形が抑制されるセラミック基板を提供することであり、他の目的はそのようなセラミック基板の製造方法を提供することである。

本発明に係るセラミック基板は、セラミック積層体とキャビティとを備えている。セラミック積層体は、所定の厚さのセラミックが積層されている。キャビティはセラミック積層体に形成され、セラミック積層体の最表面から第１の深さまでの開口寸法は徐々に大きくなるように設定され、第１の深さよりも深い第２の深さから第２の深さよりも深い第３の深さまでの開口寸法は徐々に小さくなるように設定されている。

本発明に係るセラミック基板の製造方法は以下の工程を備えている。セラミックグリーンシート毎に大きさの異なる開口部が形成された複数のセラミックグリーンシートを、開口部が徐々に大きくなる態様で積層することにより第１積層体を形成する。セラミックグリーンシート毎に大きさの異なる開口部が形成された他の複数のセラミックグリーンシートを、開口部が徐々に小さくなる態様で第１積層体の上に積層することにより第２積層体を形成する。第１積層体と第２積層体によって形成されるキャビティの表面を含む第２積層体の表面を所定の厚さの弾性体によって覆う。その弾性体に圧力を付加する。第１積層体および第２積層体を焼結する。

本発明に係るセラミック基板によれば、セラミック積層体に形成されるキャビティでは、セラミック積層体の最表面から第１の深さまでの開口寸法は徐々に大きくなるように設定され、第１の深さよりも深い第２の深さから第２の深さよりも深い第３の深さまでの開口寸法は徐々に小さくなるように設定されている。これにより、セラミック積層体となるセラミックグリーンシートを弾性体で覆って加圧する際に、キャビティの内壁を均一に加圧することができて、セラミック基板の変形を抑制することができる。

本発明に係るセラミック基板の製造方法によれば、セラミックグリーンシートの第１積層体では、開口部が徐々に大きくなる態様で積層され、第１積層体の上に形成される第２積層体では、開口部が徐々に小さくなる態様で第１積層体の上に積層されることで、第１積層体と第２積層体によって形成されるキャビティの表面を含む第２積層体の表面を所定の厚さの弾性体によって覆って加圧する際に、キャビティの内壁を均一に加圧することができる。その結果、セラミック基板の変形を抑制することができる。

実施の形態１
本発明の実施の形態に係るセラミック基板について説明する。図１および図２に示すように、キャビティ５を有する本セラミック基板１は、所定の厚さのセラミックグリーンシート２を積層させて加圧し、そして、焼結することによって形成されたセラミック積層体からなる。セラミックグリーンシート２の材料として、たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃が適用される。キャビティ５の寸法は、たとえばＣ１＝５ｍｍ、Ｃ２＝１０ｍｍとされる。また、キャビティ５のコーナーには、キャビティ５を形成する際にセラミックグリーンシートの部分が割れないように、丸み（たとえばＲ０．５ｍｍ）がつけられている。

加圧前のセラミックグリーンシートの厚さは、たとえば約０．１ｍｍとされる。キャビティ５は、所定の寸法の開口部が形成されたセラミックグリーンシートを、たとえば９層積層させることによって形成される。そのため、この場合の加圧前のキャビティの深さは約０．９ｍｍとなり、加圧し焼結処理を施した後では、深さはこれよりも少し浅くなる。また、セラミック基板は、たとえば１４層のセラミックグリーンシートを積層させることによって形成され、加圧前のセラミック基板の厚さは約１．４ｍｍとなり、加圧し焼結処理を施した後では、厚さはこれよりも少し薄くなる。

本セラミック基板１では、セラミック基板１の表面から深さＤ１まででは、キャビティ５の開口寸法は徐々に大きくなるように設定されている。一方、深さＤ１よりも深い深さＤ２から深さＤ３まででは、キャビティ５の開口寸法は徐々に小さくなるように設定されている。深さＤ１と深さＤ２との間には、キャビティの開口寸法が最も大きくなるように設定されている。このようなキャビティ５は、後述するように、開口寸法が徐々に大きくなる開口部が形成されたセラミックグリーンシートを積層し、そして、開口寸法が徐々に小さくなる開口部が形成されたセラミックグリーンシートを積層することによって形成されることになる。なお、焼結後のセラミック基板１では、セラミックグリーンシートの各層の境界はなくなって判別できないが、図２では、説明の便宜上境界を図示した。

実施の形態２
ここでは、上述したセラミック基板の製造方法について説明する。本セラミック基板は、所定の厚みのセラミックグリーンシートを積層することにより形成される。セラミックグリーンシートの積層に際して、積層治具が使用される。図３に示すように、積層治具１１には、位置決めピン１２やガイド（図示せず）が所定の位置に配設されている。セラミックグリーンシートには、その位置決めピンが挿通される案内穴が形成されている。セラミックグリーンシートの積層精度は、位置決めピン１２の加工精度によって定まり、この場合、セラミックグリーンシートの全面において約５μｍとされる。

図４に示すように、セラミックグリーンシート２ａの案内穴３を位置決めピン１２の位置に合わせ、案内穴３に位置決めピン１２が挿通されるように、１層目のセラミックグリーンシート２ａが積層治具１１に載置される。次に、図５に示すように、その１層目のセラミックグリーンシート２ａの上に、２層目のセラミックグリーンシート２ｂが載置される。以下、同様にして、２層目のセラミックグリーンシート２ｂの上に、３層目から５層目のセラミックグリーンシート２ｃ，２ｄ，２ｅが、順次積層される。

次に、セラミックグリーンシートとして、キャビティとなる開口部が形成されたグリーンシートが積層される。図６に示すように、５層目のセラミックグリーンシート２ｅの上に、開口部４ａが形成された６層目のセラミックグリーンシート２ｆが積層される。その６層目のセラミックグリーンシート２ｆの上に、開口部４ｂが形成された７層目のセラミックグリーンシート２ｇと、開口部４ｃが形成された８層目のセラミックグリーンシート２ｈとが順次積層される。

このとき、図７に示すように、セラミックグリーンシート２ｇの開口部４ｂの寸法は、直下のセラミックグリーンシート２ｆの開口部４ａの寸法よりも、２０μｍ（片側長さＬ＝１０μｍ）大きく設定され、セラミックグリーンシート２ｈの開口部４ｃの寸法は、直下のセラミックグリーンシート２ｇの開口部４ｂの寸法よりも、２０μｍ（片側長さＬ＝１０μｍ）大きく設定されている。

次に、図８に示すように、８層目のセラミックグリーンシート２ｈの上に、開口部４ｄが形成された９層目のセラミックグリーンシート２ｉが積層される。セラミックグリーンシート２ｉの開口部４ｄの寸法は、直下のセラミックグリーンシート２ｈの開口部４ｃの寸法よりも、２０μｍ大きく設定されている。そのセラミックグリーンシート２ｉの上に、開口部４ｅが形成された１０層目のセラミックグリーンシート２ｊと、開口部４ｆが形成された１１層目のセラミックグリーンシート２ｋとが順次積層される。開口部４ｄ〜４ｆの寸法は同じ寸法とされる。

次に、図９に示すように、１１層目のセラミックグリーンシート２ｋの上に、開口部４ｇが形成された１２層目のセラミックグリーンシート２ｍが積層される。その１２層目のセラミックグリーンシート２ｍの上に、開口部４ｈが形成された１３層目のセラミックグリーンシート２ｎと、開口部４ｉが形成された１４層目のセラミックグリーンシート２ｐとが順次積層される。

このとき、図１０に示すように、セラミックグリーンシート２ｍの開口部４ｇの寸法は、直下のセラミックグリーンシート２ｋの開口部４ｆの寸法よりも、２０μｍ（片側長さＬ＝１０μｍ）小さく設定され、セラミックグリーンシート２ｎの開口部４ｈの寸法は、直下のセラミックグリーンシート２ｍの開口部４ｇの寸法よりも、２０μｍ（片側長さＬ＝１０μｍ）小さく設定されている。そして、セラミックグリーンシート２ｐの開口部４ｉの寸法は、直下のセラミックグリーンシート２ｎの開口部４ｈの寸法よりも、２０μｍ（片側長さＬ＝１０μｍ）小さく設定されている。

次に、図１１に示すように、最上層のセラミックグリーンシート２ｐの上に、そのセラミックグリーンシート２ｐの変形を抑制するための金属プレート１３が配設される。金属プレート１３には、セラミックグリーンシート２ｉ〜２ｋに形成されている開口部４ｄ〜４ｆと同程度の寸法の開口部１３ａが形成されている。開口部４ａ〜４ｉが形成されたセラミックグリーンシート２ｆ〜２ｐが積層されることでキャビティ５が形成される。

次に、図１２に示すように、積層されたセラミックグリーンシート２ａ〜２ｐに形成されたキャビティ５の内壁面等と金属プレート１３を覆うように、弾性体として厚さ約１ｍｍのシリコンゴム１４が積層される。次に、図１３に示すように、積層されたセラミックグリーンシート２ａ〜２ｐ等が、積層治具１１とともに所定の真空袋１５に入れられ、そして、図１４に示すように、その真空袋１５内の空気が真空ポンプ（図示せず）によって抜かれて真空パック状態とされる。

次に、真空パック状態とされたセラミックグリーンシート２ａ〜２ｐ等に静水圧プレス処理が施される。静水圧プレス処理の条件は、一例として、たとえば温度約２０℃、圧力約３５ＭＰａ〜５０ＭＰａ、水温９０℃とされる。なお、水温は、セラミックグリーンシート中のバインダーの材料の軟化温度によって決定され、圧力は、セラミックグリーンシートを焼結させた後の密度や収縮量によって決定される。

静水圧プレスの後、真空袋から積層治具１１が取り出される。次に、積層治具１１から金属プレート１３が取り外され、そして、積層されたセラミックグリーンシートが取り外される。次に、取り出されたセラミックグリーンシートには、焼結処理が施される。その焼結処理のプロセスの一例を図１５に示す。図１５に示すように、セラミックグリーンシートは、まず、数時間をかけて室温から所定の温度（第１温度）にまで昇温され、その第１温度のもとで数時間保持される。次に、数分から数時間をかけて、第１温度よりも高い所定の温度（第２温度）にまで昇温され、その第２温度のもとで数分から数時間保持される。その後、数時間から数十時間をかけて室温にまで降温される。こうして、図１６に示すように、キャビティ５を有するセラミック基板１が製造される。

上述したセラミック基板では、開口寸法が徐々に異なる開口部が形成されたセラミックグリーンシートを積層することによって形成されることで、静水圧プレス処理を施す際に、セラミックグリーンシートのキャビティの内壁をほぼ均一に加圧することができる。このことについて、比較例に係るセラミック基板を例に挙げて説明する。

図１７に示すように、比較例に係るセラミック基板１０１では、まず、キャビティとなる開口部が形成されたセラミックグリーンシートを含む所定のグリーンシートが積層治具１１１に順次積層される。そして、最上層のセラミックグリーンシート１０２の上に金属プレートが載置され、さらに、キャビティの内壁と金属プレートを覆うように、シリコンゴムなどの弾性体１１４が載置される。

比較例に係るセラミック基板では、セラミックグリーンシートとして、キャビティとなる開口部として同じ寸法の開口部が形成されたセラミックグリーンシート１０２が使用される。そのため、弾性体１０４はセラミックグリーンシート１０２の表面からキャビティ１０５の底に向かって変形する。このとき、特に、キャビティ１０５の上部（開口端部）と底部とにおいて弾性体１０４が大きく屈曲することになる。

弾性体１０４が屈曲した部分では、弾性体１０４とセラミックグリーンシート１０２との間に隙間１１６が生じて、静水圧プレス処理を施す際に圧力がセラミックグリーンシート１０２に均一に作用しなくなり、セラミックグリーンシート１０２には、密度の相対的に高い部分と低い部分とが生じる。すなわち、隙間１１６が形成されているキャビティ１０５の上部（開口端部）と底部では、密度が相対的に低くなる。そのため、図１８に示すように、焼結処理を施すと、キャビティ１０５の上部（点線丸枠Ａ内）と底部（点線丸枠Ｂ内）とにおいて、セラミックグリーンシート１０２が変形を起こしてしまう。

これに対して、上述したセラミック基板１では、静水圧処理を施す際に、弾性体１４がキャビティ５の表面に沿うように寸法調整された開口部４がそれぞれ形成されたセラミックグリーンシート２を積層することによって形成される。そのため、弾性体４とセラミックグリーンシート２との間に隙間が生じるのが抑制されて、静水圧プレス処理を施す際に圧力がセラミックグリーンシート２にほぼ均一に作用し、セラミックグリーンシート２における密度のばらつきが低減される。その結果、セラミックグリーンシート２の変形を抑えることができる。

実際に、キャビティの底の部分において、セラミックグリーンシートが変形している領域を評価し、図１９に示すように、これを静水圧力が均一に作用している領域Ｐの端からキャビティの側壁までの距離Ｓとして求めた。その結果、比較例に係るセラミック基板では、距離Ｓが約０．６ｍｍであったのに対して、本セラミック基板では、距離Ｓは約０．１ｍｍにまで縮められていることが確認された。これは、本セラミック基板では、セラミックグリーンシートの段差に沿うように、キャビティの底部の壁面と底面における加圧領域が広がったことを示していると考えられる。

また、比較例に係るセラミック基板では、キャビティの上部の部分において、セラミックグリーンシートの積層ずれによるセラミックグリーンシートの変形が認められ、また、異物の発生が確認された。これに対して、本セラミック基板では、セラミックグリーンシートにおけるキャビティの開口寸法差が、セラミックグリーンシートを積層する際の最大ずれ量以上となるように設定されている。これにより、セラミックグリーンシートを積層する際のずれに対する、キャビティとなる開口部の位置ずれの影響は相対的に小さく、キャビティの上部におけるセラミックグリーンシートの変形が極めて小さいことが確認された。

これらの結果は、キャビティの上部から底部にいたる領域において、従来の方法では隙間が発生し加圧できない部分についても、弾性体がセラミックグリーンシートの段差に沿うように変形することで、効果的に加圧することが可能となることを示していると考えられる。

また、一つのセラミックグリーンシートにおいてキャビティとなる開口部の寸法と、これに積層される他のセラミックグリーンシートの開口部の寸法との差は、キャビティの開口寸法、弾性体の材質、弾性体の厚み、キャビティを形成するセラミックグリーンシートの層数、加圧力、加圧時間、積層精度等によって変化することになる。

たとえば、厚さ１ｍｍの弾性体を用いて静水圧処理を施す場合に、セラミックグリーンシートを積層ピンを用いて積層する場合では、各セラミックグリーンシートの積層ズレ量は約５μｍ程度とされる。このことから、図２０に示すように、各セラミックグリーンシートにおける開口部の寸法差Ｌは、約１０μｍ以上必要とされる。一方、開口部の寸法差Ｌが約３０μｍを超えると、セラミックグリーンシートが割れる可能性がある。したがって、各セラミックグリーンシートにおける開口部の寸法差Ｌは、約１０μｍ〜３０μｍ程度が好適とされる。

また、図２１に示すように、キャビティの底側の開口部の寸法差Ｌ１とキャビティの開口側の開口部の寸法差Ｌ２とを変えてもよい。特に、寸法差Ｌ１を寸法差Ｌ２よりも大きく設定する場合には、寸法差Ｌ１を３０μｍ以上に設定してもよい。

なお、上述したセラミック基板の製造方法では、セラミック基板のキャビティの平面形状として、角部が曲線で実質的に矩形の形状を例に挙げて説明した。キャビティの平面としては、図２２に示すように、直線と曲線とを組み合わせた形状のキャビティ５であっても、弾性体がセラミックグリーンシート２の段差に沿うように変形することで、セラミックグリーンシート２の変形を抑制することができる。

また、上述したセラミック基板の製造方法では、最上層のセラミックグリーンシートの上に金属プレートを配設する場合を例に挙げて説明した。金属プレートは、セラミックグリーンシートの平坦性を保つことが主目的であるため、必ずしも金属プレートを配設する必要はない。そのため、図２３に示すように、金属プレートを配設せずに製造した場合には、キャビティ５の開口周辺の部分６がキャビティ５に向かって傾斜するように変形することになる。

さらに、セラミックグリーンシートの材料として、Ａｌ₂Ｏ₃を例に挙げて説明した。セラミックグリーンシートの材料としては、グリーンシート積層法により製造されるセラミック全般、たとえば、ＴｉＯ₂やＭｇＯなどの材料や、これらの材料を混合させた混合材料系であってもよい。これらのセラミックグリーンシートの材料を用いた場合でも、均一に加圧することができてセラミックグリーンシートの変形を抑制することができる。また、低温焼結材料としてのガラスセラミックも適用すること可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係るセラミック基板を示す上面図である。 同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩに沿った部分断面図である。 本発明の実施の形態２に係るセラミック基板の製造方法の一工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図３に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図４に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図５に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図６に示す工程における部分拡大断面図である。 同実施の形態において、図６に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図８に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図９に示す工程における部分拡大断面図である。 同実施の形態において、図９に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図１１に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図１２に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図１３に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 同実施の形態において、図１４に示す工程の後に行なわれる工程の処理プロセスを示す図である。 同実施の形態において、図１５に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。 比較例に係るセラミック基板の製造方法を説明するための断面図である。 比較例に係るセラミック基板の問題点を説明するための断面図である。 同実施の形態において、作用効果を説明するための部分断面図である。 同実施の形態において、セラミックグリーンシートに形成される開口部の寸法差を説明するための第１の部分断面図である。 同実施の形態において、セラミックグリーンシートに形成される開口部の寸法差を説明するための第２の部分断面図である。 同実施の形態において、変形例に係るセラミック基板のキャビティの平面形状を示す図である。 同実施の形態において、他の変形例に係るセラミック基板のキャビティの断面構造を示す図である。

符号の説明

１ セラミック基板、２，２ａ〜２ｐ セラミックグリーンシート、３ 案内穴、４，４ａ〜４ｉ 開口部、５ キャビティ、６ キャビティ開口端周辺部、１１ 積層治具、１２ 位置決めピン、１３ 金属プレート、１４ 弾性体、１５ 真空袋、１６ 隙間。

Claims (6)

1. 所定の厚さのセラミックを積層させたセラミック積層体と、
   前記セラミック積層体に形成され、前記セラミック積層体の最表面から第１の深さまでの開口寸法は徐々に大きくなるように設定され、前記第１の深さよりも深い第２の深さから前記第２の深さよりも深い第３の深さまでの開口寸法は徐々に小さくなるように設定されたキャビティと
   を備えた、セラミック基板。
2. 前記第１の深さと前記第２の深さとの間では、前記キャビティの開口寸法が最も大きく設定された部分を含む、請求項１記載のセラミック基板。
3. 前記キャビティの開口寸法が最も大きく設定された部分として、所定の厚さの前記セラミックを少なくとも２層積層させた部分を含む、請求項２記載のセラミック基板。
4. セラミックグリーンシート毎に大きさの異なる開口部が形成された複数のセラミックグリーンシートを、開口部が徐々に大きくなる態様で積層することにより第１積層体を形成する工程と、
   セラミックグリーンシート毎に大きさの異なる開口部が形成された他の複数のセラミックグリーンシートを、開口部が徐々に小さくなる態様で前記第１積層体の上に積層することにより第２積層体を形成する工程と、
   前記第１積層体と前記第２積層体によって形成されるキャビティの表面を含む前記第２積層体の表面を所定の厚さの弾性体によって覆う工程と、
   前記弾性体に圧力を付加する工程と
   前記第１積層体および前記第２積層体を焼結する工程と
   を備えた、セラミック基板の製造方法。
5. 前記第１積層体を形成する工程と前記第２積層体を形成する工程との間に、大きさの最も大きい開口部が形成されたセラミックグリーンシートを少なくとも２層積層することにより中間層体を形成する工程を備えた、請求項４記載のセラミック基板の製造方法。
6. 前記第１積層体を形成する工程および前記第２積層体を形成する工程において、前記開口部の大きさの違いは、セラミックグリーンシートを積層する際の最大のずれ量よりも大きく設定された、請求項４または５に記載のセラミック基板の製造方法。

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