JP2010109135A - セラミック多層基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼成後のセラミック多層基板の収縮率を０．１７％以下に抑制することが出来るセラミック多層基板の製造方法を提供する。
【解決手段】複数のグリーンシートを積層してセラミック多層基板を作製するセラミック多層基板の製造方法において、前記複数のグリーンシートを積層して第１の圧力を加えた仮積層体を作製する第１の積層体作製工程と、前記第１の積層体作製工程の後、前記仮積層体を前記第１の圧力から開放する圧力開放工程と、前記圧力開放工程の後、前記仮積層体を前記第１の圧力よりも小さい第２の圧力を加える第２の積層体作製工程とからなるセラミック多層基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック多層基板の製造方法に関するもので、特に、焼成収縮率を小さく出来るセラミック多層基板の製造方法に関する。

近年、半導体素子及び、実装部品を実装するための絶縁基板としてガラスセラミック多層基板が使用されている。このガラスセラミック多層基板には、寸法精度良く造られた超小型の実装部品を、精度良く実装するため、高い寸法精度が要求される。ガラスセラミック多層基板は、ガラス粉末とセラミック粉末との無機粉末に、有機バインダー、可塑剤、溶剤と混ぜてスラリーを作製し、これをドクターブレード法などによりシート化することによりグリーンシートを作製する。

次に、このグリーンシートに必要に応じてパンチングによる穴加工を行った後、銀、金などの低抵抗金属を主成分とする導体ペーストを使用し印刷を行い、複数枚のグリーンシートを積層し、この表裏面に拘束グリーンシートを配置した後、熱圧着を行い、次に８００〜１０００℃の温度で焼結を行い、表裏面に配置している拘束グリーンシートをウエットブラスト法などにより除去した後、この焼成済み基板の表面及び裏面へ最外層導体配線を印刷することにより、ガラスセラミック多層基板を製造する。

ところがガラスセラミック多層基板は、焼成過程で寸法変化を伴う縮むことにより焼結収縮が生じる。この焼結収縮は一般的に収縮率として呼ばれている。この収縮率はグリーンシートへの導体配線を印刷するパターン面積の違いや、積層する際の高さ方向の厚さなどのさまざまな要因により異なり、収縮率が平面方向で一定で無く、部分的な不均一が生じているため、一般的に収縮率は０．２％程度縮む。一般的に収縮率は、設計値の寸法Ｘに対する焼成後の寸法値Ｙの比率を指し、(Ｙ／Ｘ−１)×１００（％）で表される。収縮率がゼロより大きいと寸法Ｙが寸法Ｘより大きくなり、伸びていることを表し、逆に収縮率がゼロより小さいと、縮むことを表している。０．２％程度縮むとは寸法Ｙが、寸法Ｘより小さくなることを示している。

さらに収縮率を下げるため、図３に示す技術が知られている。図３（ａ）に示すように、ビア導体３が埋め込まれたグリーンシート１や、このビア導体３の上に導体パターン２が印刷されたグリーンシート１を複数枚用意して、位置合わせして重ね積層体を作製する。その後、図３（ｂ）に示すように、アルミナと微量のガラス粉末と有機バインダーを含む拘束シート１２とこの拘束シート１２の有機バインダーより分子量の小さい有機バインダーを含む拘束シート１３を積層体の表裏面に置き圧力を加える。こうして、両面に拘束シートを持つ積層体を作製する。その後、焼成を行った後、拘束シート１２及び１３を除去することで図３（ｃ）に示すセラミック多層基板が作製できる(例えば、特許文献１参照。)。
特開２００４−２５６３５８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、焼成後のセラミック多層基板の収縮率を０．１７％以下に抑制することが出来ないという課題を有していた。

本発明は、従来の課題を解決するもので、焼成後のセラミック多層基板の収縮率を０．１７％以下に抑制することが出来るセラミック多層基板の製造方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のガラスセラミック多層基板の製造方法は、複数のグリーンシートを積層してセラミック多層基板を作製するセラミック多層基板の製造方法において、前記複数のグリーンシートを積層して第１の圧力を加えた仮積層体を作製する第１の積層体作製工程と、前記第１の積層体作製工程の後、前記仮積層体を前記第１の圧力から開放する圧力開放工程と、前記圧力開放工程の後、前記仮積層体を前記第１の圧力よりも小さい第２の圧力を加える第２の積層体作製工程とからなることを特徴としたものである。

本発明のガラスセラミック多層基板の製造方法によれば、焼成後の収縮率を０．１７％以下に抑制することが出来るセラミック多層基板を作製することができる。

本発明のセラミック多層基板の製造方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明のセラミック多層基板を作製する例を示す。図１（ａ）〜（ｉ）に本発明のセラミック多層基板の製造工程を表す。簡単に図示するため、３層のセラミック多層基板の例を挙げているが、実際には８層のセラミック多層基板を作製した。

工程（ａ）
各層のセラミック多層基板を作製するためのグリーンシート１を示す。グリーンシート１は、ガラス粉末、セラミック粉末および、有機バインダー、有機溶剤などから成る。本実施例では、ガラス粉末にＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、Ｍはアルカリ金属、アルカリ金属土類金属）を、セラミック粉末はＡｌ２Ｏ３を使用した。このガラス粉末、セラミック粉末、有機バインダー、有機溶剤などを最適な割合で混合しスラリーを作製すれば、公知のドクターブレード法などでシート化することが出来る。本実施例では、厚みが０．１１ｍｍのグリーンシート１を作製した。これらのグリーンシート１は、レーザ加工機などで寸法測定用の貫通穴を形成し、メタルスクリーン製版を使用し貫通穴の全てにビア導体３を充填し、必要に応じてスクリーン製版を使用して、銀、パラジウム及び、有機バインダーを最適な混合比率でペースト化した内部電極ペースト使用し、配線導体２を印刷する。

工程（ｂ）
工程（ａ）で準備したグリーンシート１を仮積層体作製用専用積層治具４の上に順次積層する。この時、積層したグリーシート１の最上面と最下面側にはＰＥＴフィルム５を配置する。これは、その後の工程で、積層したグリーシート１と専用積層治具４との剥離を容易に行えるようにする目的である。本実施例では、これらの積層物に温度６５℃を保ちつつ、圧力１０ｋｇ／ｃｍ²を一定時間保持することができる加工機にて、グリーンシート１同士を熱圧着した。

工程（ｃ）
このグリーシート１とＰＥＴフィルム５とからなる積層物を専用積層治具４から取り出し、仮積層体６とした。

工程（ｄ）
仮積層体６を静水圧プレス専用積層治具７に乗せ、静水圧プレス機にて温度７５℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ²（本発明の第１の圧力とする。）で２０分間保持した。

工程（ｅ）
この第１の圧力を２０分間保持した積層体を積層治具７から取り出し、これを第１の積層体１１とした。

工程（ｆ）
この第１の積層体１１からＰＥＴフィルム５を取り除き、第１の積層体１１の表裏面に拘束シート８を配置する。拘束シート８は、セラミック粉末、有機バインダー、有機溶剤から成るスラリーを作製し、ドクターブレード法を用いて厚みが０．１５ｍｍのシートを用いた。さらに、これらの拘束シートの外側にＰＥＴフィルム５を配置した。このＰＥＴフィルム５は、先に取り除いたＰＥＴフィルムを再使用しても良い。この第１の積層体１１を、圧力を加えることができる加工機にて温度８５℃、圧力１３０ｋｇ／ｃｍ²（本発明の第２の圧力とする。）で２分間保持した。

工程（ｇ）
この加工機から第１の積層体１１を取り出し、第１の積層体１１の表裏面のＰＥＴフィルム５を剥離して第２の積層体９を作製した。

工程（ｈ）
この第２の積層体９中に含まれる有機バインダーを熱分解させる為、脱バインダー装置にて大気中にて６００℃で２時間加熱した後、９００℃で２時間焼成を行い表裏面に残材している拘束シート８をＡｌ２Ｏ３の微粉粉末と純水とを混合した高圧空気を投射するウエットブラストにて除去することでセラミック多層基板１０を得た。

本発明者は、実験を重ねるに連れて、図１に示した工程（ｄ）での第１の圧力と工程（ｆ）での第２の圧力との条件を変えることで、焼成後のセラミック基板の収縮率が大きく変化する現象を発見した。この関係を求めるために、セラミック多層基板には予め寸法測定用の穴部にビア導体３が充填し、この寸法測定部の寸法を測定することにより焼成後寸法値Ｙを側長し、収縮率を計算した。収縮率は、(Ｙ／Ｘ−１)×１００（％）で算出し、設計値の寸法値Ｘに対するセラミック多層基板焼成後の寸法値Ｙの比率で表す。すなわち、収縮率０％は、焼成後のセラミック多層基板が全く収縮しないことを表す。収縮率がプラスであれば、焼成後のセラミック基板が焼成前より大きくなることを表し、マイナスであれば、焼成後のセラミック基板が焼成前より小さくなることを表す。

圧力条件は、第２の圧力を１００ｋｇ／ｃｍ²、１３０ｋｇ／ｃｍ²、１６０ｋｇ／ｃｍ²としたとき、第１の圧力を１００〜４００ｋｇ／ｃｍ²まで変化させるものとした。第１の圧力を加える際の温度は７５℃で、第２の圧力を加える際の温度は８５℃とした。これらの条件で、焼成後のセラミック基板の収縮率を測定した。

図２に、実験で得られた第１の圧力と第２の圧力との関係と焼成後のセラミック基板の収縮率を示す。 横軸は、工程（ｄ）での第１の圧力を示し、縦軸は収縮率である。第１の圧力を１００ｋｇ／ｃｍ²とし、第２の圧力を１００ｋｇ／ｃｍ²とすると収縮率は−０．１４％となる。すなわち、焼成後のセラミック基板が収縮していることを示す。次に、第１の圧力が４００ｋｇ／ｃｍ²すると、／ｃｍ²の場合、収縮率が０．０２％となり焼成後のセラミック基板は膨張している。従って、焼成後のセラミック基板を完全に無収縮（収縮率０％）に出来る第１の圧力が存在することになる。本実験で得られた結果から、第２の圧力を１００ｋｇ／ｃｍ²とした際には、第１の圧力が３７０ｋｇ／ｃｍ²程度となる。同様に、第２の圧力を１３０、１６０ｋｇ／ｃｍ²とした際には、焼成後のセラミック基板を完全に無収縮（収縮率０％）に出来る第１の圧力は、それぞれ３１５、２７０ｋｇ／ｃｍ²程度となる。

以上の結果より、第１の積層体１１の表裏面に拘束シート８を配置するまえに、工程（ｄ）により第１の圧力を第１の積層体１１に加え、この第１の圧力を工程（ｄ）で加える第２の圧力に応じて収縮率が０％になる値に調節することで、焼成後のセラミック基板を完全に無収縮（収縮率０％）にすることが出来る。この第２の圧力に応じて収縮率が０％になる第１の圧力の値は、予め、測定しておけば良い。

このように、従来の収縮率より更に小さい収縮率でセラミック多層基板を作製することが可能であり、第１の圧力の値を適切に調節することで、焼成後のセラミック基板の収縮率を−０．１５から０．１程度の範囲で調節することができる。

本発明を用いてファインピッチのＩＣチップ実装する為の１８層のセラミック多層基板８０枚製造した。このときの第１の圧力は３７０ｋｇ／ｃｍ²で、第２の圧力は１００ｋｇ／ｃｍ²とした。このときの、温度と圧力をかけた時間は、図１に示した内容と同じ条件とした。作製した１８層のセラミック多層基板の焼成後の収縮率は、−０．０１％〜＋０．０２％の範囲であった。その後の工程で実装するＩＣチップの寸法ズレが無く、非常に良好な部品実装を行うことができた。

本発明にかかるガラスセラミック多層基板の製造方法は、ガラスセラミック多層基板の収縮率を桁違いに小さくし実質収縮しないガラスセラミック多層基板を作製することができる効果を有し、位置精度が必要なガラスセラミック多層基板に有用である。

本発明の実施を行ったガラスセラミック多層基板の製造方法の図 本発明の実施の形態１における、第１の圧力と第２の圧力との関係から得られた収縮率の関係を示す図 従来のガラスセラミック多層基板の製造方法の図

符号の説明

１ グリーンシート
２ 配線導体
３ ビア導体
４ 仮積層体作製用専用積層治具
５ ＰＥＴフィルム
６ 仮積層体
７ 静水圧プレス専用積層治具
８ 拘束シート
９ 焼成用拘束シートを付けた第２の積層体
１０ 焼成後、拘束シートを除去した基板
１１ 第１の積層体
１２ 拘束シート
１３ 拘束シート
１４ 最外層導体配線

Claims (8)

1. 複数のグリーンシートを積層してセラミック多層基板を作製するセラミック多層基板の製造方法において、
   前記複数のグリーンシートを積層して第１の圧力を加えた仮積層体を作製する第１の積層体作製工程と、
   前記第１の積層体作製工程の後、前記仮積層体を前記第１の圧力から開放する圧力開放工程と、
   前記圧力開放工程の後、前記仮積層体を前記第１の圧力よりも小さい第２の圧力を加える第２の積層体作製工程とからなるセラミック多層基板の製造方法。
2. 前記グリーンシートは、ガラスセラミックグリーンシートである請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
3. 前記第１の積層体作製工程において、前記第１の圧力を加える時間は約２０分とする請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
4. 前記第１の積層体作製工程において、前記第１の圧力を加えるときの温度は、約７５度とする請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
5. 前記第１の積層体作製工程において、静水圧プレスを用いて前記第１の圧力を加える請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
6. 前記第２の積層体作製工程において、前記第２の圧力を加えるときの温度は、約８５度とする請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
7. 前記第２の積層体作製工程において、前記第２の圧力を加える時間は約２分とする請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
8. 前記第２の積層体作製工程において、前記仮積層体の両面に前記仮積層体の焼成時の熱収縮を抑制するための拘束シートを積層し後、前記第２の圧力を加える請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。

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