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【発明の名称】 セラミック多層基板の製造方法
【発明者】 【氏名】大賀 隆義
【住所又は居所】愛媛県東温市南方２１３１番地１ 松下寿電子工業株式会社内

【氏名】小西 正夫
【住所又は居所】愛媛県東温市南方２１３１番地１ 松下寿電子工業株式会社内

【氏名】伊藤 雅紀
【住所又は居所】愛媛県東温市南方２１３１番地１ 松下寿電子工業株式会社内
【要約】 【課題】焼成されたアルミナ基板と未焼成のグリーンシートの積層体において、熱膨張係数の異なる材料同士を集積させても、焼成済みアルミナ基板と積層したセラミックグリーンシートの間のデラミネーション(層間剥がれ)の発生を防止する。

【解決手段】グリーンシート(2a,2b)の焼結温度よりも高い温度で焼結されたアルミナ基板(1)の両側にグリーンシート(2a,2b)を積層する第1の積層工程と、前記積層体の最外層に前記グリーンシートの焼結温度では焼結しない拘束用グリーンシート(3a,3b)を積層し第2の積層体を得る工程と、前記第2の積層体を280℃以上350℃以下の範囲の第1の加熱温度で所定時間加熱して前記グリーンシート(2a,2b)に含まれるバインダー成分を除去する脱バインダー工程と、前記第2の積層体を800℃以上1000℃以下の範囲の温度で焼結させる焼成工程と、前記第2の積層体から前記拘束用グリーンシート(3a,3b)を取り除く拘束層除去工程とを含む。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グリーンシートの焼結温度よりも高い温度で焼結されたアルミナ基板の両側にグリーンシートを積層して積層体を得る第１の積層工程と、
前記積層体の最外層に、前記グリーンシートの焼結温度では焼結しない拘束用グリーンシートを積層し第２の積層体を得る第２の積層工程と、
前記第２の積層体を２８０℃以上３５０℃以下の範囲の第１の加熱温度で所定時間加熱して前記グリーンシートに含まれるバインダー成分を除去する脱バインダー工程と、
前記第２の積層体を８００℃以上１０００℃以下の範囲の温度で焼結させる焼成工程と、
前記第２の積層体から前記拘束用グリーンシートを取り除く拘束層除去工程とを含むことを特徴とするセラミック多層基板の製造方法。
【請求項２】
前記脱バインダー工程において、室温から前記第１の加熱温度まで昇温し、その後前記第１の加熱温度を２時間以上６時間以下の範囲で保持した後、室温まで冷却する請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
【請求項３】
前記アルミナ基板は、アルミナの含有率が９０重量％以上である請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
【請求項４】
前記アルミナ基板は、グリーンシートの焼結温度よりも１００℃以上高い温度で焼結されている請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
【請求項５】
前記アルミナ基板には、導体ペースト組成物により配線パターン及びビア導体から選ばれる少なくとも一つが形成されている請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
【請求項６】
前記拘束層除去は、焼成基板の両面に付着した拘束用グリーンシートの焼結しない無機組成物をジェット水流及び超音波洗浄から選ばれる少なくとも一つの手段により行う請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
【請求項７】
前記グリーンシート層にはキャビティ開口部を設けた請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
【請求項８】
前記キャビティ開口部には半導体装置が実装されている請求項１に記載のセラミック多層基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、予め焼成したアルミナ基板に焼成前のグリーンシートを積層してセラミック多層基板を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セラミック基板の焼成収縮を小さくして基板寸法精度の良いセラミック基板を作製する方法として、焼成済みのアルミナ基板上に未焼成のセラミックグリーンシートを積層して熱圧着した後、焼成してセラミック多層基板を製造することが提案されている（特許文献１）。この製造方法では、セラミックグリーンシートの焼成収縮を焼成済みのアルミナ基板で抑えることで、基板全体の焼成収縮を押さえてようとするものである。
【０００３】
ところが、セラミックグリーンシートの焼成収縮力は大きいため、セラミックグリーンシートの焼成収縮をその片面から焼成済みアルミナ基板のみで抑えようとしても十分に抑えることができない。その結果、セラミックグリーンシートの焼成層と焼成済みのアルミナ基板との間に剥がれが発生したり、セラミックグリーンシートの焼成層にクラックが発生したり、基板の反りが発生することがあり、製品の歩留まりが悪いという問題がある。
【０００４】
その解決を図るため、焼成済みのアルミナ基板に未焼成のセラミックグリーンシートを積層圧着して積層体を作製した後、この積層体の両面に拘束用グリーンシートを積層圧着し、或は、未焼成のセラミックグリーンシートの積層圧着と拘束用グリーンシートの積層圧着とを同時に行い、拘束焼成（加圧焼成又は無加圧焼成）する製造法が提案されている（特許文献２）。
【０００５】
図４に示す様に、焼成済みアルミナ基板１の片面または両面に、１枚または複数枚のセラミックグリーンシート２ａ、２ｂを積層圧着して積層体を作製した後、この積層体両面に拘束用グリーンシート３ａ、３ｂを積層圧着し、積層体を焼成する。
【０００６】
この際、積層体作製工程で焼成済み基板に圧着する未焼成のセラミックグリーンシートを、その圧着時の厚み変化量が焼成済み基板の凹凸による最大厚み差以上となるように形成することで、圧着工程で焼成済み基板の割れ防止を行っている。
【特許文献１】特開２００１−２６７７４３号公報
【特許文献２】特開２００３−２５８４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記従来の技術では、焼成済みアルミナ基板と未焼成のセラミックグリーンシートを積層して焼成する際に、焼成済みアルミナ基板と積層したセラミックグリーンシートの間にデラミネーション（層間剥がれ）の発生を完全に防止することが出来ず、良好な品質を持つセラミック多層基板を歩留まり良く製造することが出来なかった。
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するため、基板焼成時に生じるデラミネーションを防止し、品質の良いセラミック多層基板を歩留まり良く製造できる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセラミック多層基板の製造方法は、グリーンシートの焼結温度よりも高い温度で焼結されたアルミナ基板の両側にグリーンシートを積層して積層体を得る第１の積層工程と、前記積層体の最外層に、前記グリーンシートの焼結温度では焼結しない拘束用グリーンシートを積層し第２の積層体を得る第２の積層工程と、前記第２の積層体を２８０℃以上３５０℃以下の範囲の第１の加熱温度で所定時間加熱して前記グリーンシートに含まれるバインダー成分を除去する脱バインダー工程と、前記第２の積層体を８００℃以上１０００℃以下の範囲の温度で焼結させる焼成工程と、前記第２の積層体から前記拘束用グリーンシートを取り除く拘束層除去工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、予め焼成したアルミナ基板に焼成前のグリーンシートを積層して焼成してセラミック多層基板を作製する際に、脱バインダー工程設定温度を通常より大幅に下げ、２８０℃以上３５０℃以下の範囲に設定することにより、基板焼成時に焼成済みアルミナ基板と積層したセラミックグリーンシートの間にデラミネーション（層間剥がれ）を防止し、良好な品質を持つセラミック多層基板を歩留まり良く製造することが出来る。すなわち、脱バインダー条件を適正化することにより、焼成されたアルミナ基板と未焼成のグリーンシートの積層体において、熱膨張係数の異なる材料同士を集積させても、焼成済みアルミナ基板と積層したセラミックグリーンシートの間のデラミネーション（層間剥がれ）の発生を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
バインダー成分がアクリル樹脂（アクリル酸ブチル・アクリル酸エチル）からなり、ブチルベンジルフタレート（ＢＢＰ）が可塑剤として添加されている（アクリル樹脂：ＢＢＰ＝約７：３）の市販品のセラミックグリーンシートを使用して、セラミック多層基板を製造する場合には、通常、脱バインダー工程の設定温度は、バインダー成分の分解終了温度をはるかに越えた高温（例えば６００℃）に設定し、グリーンシートからバインダー成分を完全除去する。ここでバインダー成分の分解開始温度とは、外部から加熱した場合に、グリーンシートからバインダー成分が揮発開始する温度であり、グリーンシートの重量変化の有無を測定することで決定できる。またバインダー成分の分解終了温度とは、グリーンシートの重量変化が無くなった時点の温度を言う。この分解終了温度バインダー成分に依存するが、具体的には３７０℃程度であり、脱バインダー温度は約５００℃〜６００℃としている。
【００１２】
本発明者らは、脱バインダー工程設定温度は、従来のバインダー成分の分解終了温度以上とし、その他の項目、具体的にはグリーンシートの積層条件、焼成工程条件変更による解決を試みた。しかしながら、何れの条件においても前記課題を解決には至らなかった。そこで、脱バインダー工程に着目し、脱バインダーのための設定温度に着目し、前記課題を解決するに至った。
【００１３】
すなわち本発明は、グリーンシートの焼結温度よりも高い温度で焼結されたアルミナ基板の両側にグリーンシートを積層して積層体を得る第１の積層工程と、前記積層体の最外層に、前記グリーンシートの焼結温度では焼結しない拘束用グリーンシートを積層し第２の積層体を得る第２の積層工程と、前記第２の積層体を２８０℃以上３５０℃以下の範囲の第１の加熱温度で所定時間加熱して前記グリーンシートに含まれるバインダー成分を除去する脱バインダー工程と、前記第２の積層体を８００℃以上１０００℃以下の範囲の温度で焼結させる焼成工程と、前記第２の積層体から前記拘束用グリーンシートを取り除く拘束層除去工程とを有する多層基板の製造方法である。
【００１４】
また、前記脱バインダー工程において、室温から前記第１の加熱温度まで昇温し、その後前記第１の加熱温度を２時間以上６時間以下保持した後、室温まで降温するのが好ましい。脱バインダーを確実におこなうためである。ここで室温とは、１０℃以上３０℃以下の範囲をいう。
【００１５】
前記アルミナ基板は、アルミナの含有率が９０重量％以上であることが好ましい。
【００１６】
また、前記アルミナ基板は、グリーンシートの焼結温度よりも１００℃以上高い温度で焼結されていることが好ましい。
【００１７】
また、前記アルミナ基板には、導体ペースト組成物により配線パターン及びビア導体から選ばれる少なくとも一つが形成されていることが好ましい。
【００１８】
また、前記拘束層除去は、焼成基板の両面に付着した拘束用グリーンシートの焼結しない無機組成物をジェット水流及び超音波洗浄から選ばれる少なくとも一つの手段により行うことが好ましい。
【００１９】
本発明によるデラミネーション防止効果は、以下の理由によるものと考えられる。従来の脱バインダー温度をバインダー分解終了温度以上として、完全にバインダー成分が無くなると、アルミナ基板との密着力がなくなり、デラミネーションが発生する。脱バインダー温度をバインダー分解終了温度にすると、バインダー成分の一部がグリーンシートに残り、グリーンシート同士の密着力を保持できるため、グリーンシート間のデラミネーションを防ぐことができる。
【実施例】
【００２０】
以下に、本発明のセラミック多層基板の製造方法の実施例を図面とともに詳細に説明する。
【００２１】
（実施例１〜３、比較例１〜４）
図１Ａ−Ｃは本発明の一実施例のセラミック多層基板の製造工程を模式的に表した断面図である。
【００２２】
導体ペースト組成物等により配線パターンやビア導体が形成されている焼成済みアルミナ基板１の両面に、１枚または複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート２ａ、２ｂを積層した。セラミックグリーンシートにはパンチング加工などに形成したビアに、導体ペースト組成物をスクリーン印刷することによりビア導体１５を形成した。同じく導体ペースト組成物をスクリーン印刷することにより配線パターン１６も形成した。さらにこの積層体の両面に、セラミックグリーンシートの焼成温度で焼結しない無機組成物よりなる拘束用グリーンシート３ａ、３ｂを積層した（図１Ａ）。
【００２３】
次に積層体全体に所定の圧力を加えて一体化させた積層体を得た（図１Ｂ）。
【００２４】
この一体化した積層体を空気中で加熱し、セラミックグリーンシートに含まれるバインダー除去する脱バインダー工程を行った後、積層体は、温度９００℃で焼成する焼成工程に送られる。この時に、セラミックグリーンシートは焼結してアルミナ基板と固く結合する。このとき拘束用グリーンシート中の無機組成物は未焼結のまま残る。焼成後、焼成基板４の両面に付着した拘束用グリーンシートの焼結しない無機組成物をジェット水流および／または超音波洗浄により除去し、厚膜導体５を基板両面に形成することにより、無収縮セラミック多層基板６を得た（図１Ｃ）。
【００２５】
次に、本実施例の試料を説明する。アルミナ含有率の異なる焼成済みアルミナ基板の厚みを変え、さらに様々な厚みのグリーンシートをそのアルミナ基板に積層した積層体を作り、１３種類のセラミック多層基板を得た。その構成を表１に示す。
【００２６】
【表１】


【００２７】
焼成されたアルミナ基板と、そのアルミナ基板より低い温度で焼成するグリーンシートとは、熱膨張係数が異なる。従って、本発明のような焼成されたアルミナ基板と未焼成のグリーンシートの積層体においては、熱膨張係数の異なる材料同士を集積しているので、最高加熱温度に達する時間（昇温時間）や最高加熱温度による熱ストレス、降温時の収縮差による熱ストレスが、デラミネーションの発生に関与する。そのため、脱バインダー条件の設定が重要である。
【００２８】
試料番号１〜１３のセラミック多層基板について、実施例１〜３及び比較例１〜４の様な脱バインダー条件を設定して図１Ａ−Ｃの製造方法に従いセラミック多層基板を作成した。
【００２９】
実施例１−３における最高加熱温度は、それぞれ２８０℃、３００℃、及び３５０℃である。また温度プロファイルは、室温から最高加熱温度まで４時間かけて昇温し、最高加熱温度を４時間保った後、室温（２３℃）まで４時間かけて降温した。
【００３０】
比較例１における最高加熱温度は、２００℃である。
【００３１】
比較例３は、通常行われている脱バインダー条件である。比較例３〜４における最高加熱温度は、双方ともに５００℃である。比較例１の温度プロファイルは、室温から最高加熱温度まで８時間かけて昇温し、最高加熱温度を２時間保った後、室温まで８時間かけて降温した。比較例２温度プロファイルは、室温から最高加熱温度まで１８時間かけて昇温し、最高加熱温度を２時間保った後、室温まで８時間かけて降温した。
【００３２】
これら実施例および比較例について、デラミネーション（層間剥がれ）有無やクラックおよび基板の反りを、評価した。評価には、マイクロスコープを用いて目視観測した。
【００３３】
表２中、○は良好（デラミネーション・クラック・反り等無し）、△は一部にデラミネーション有り、×はデラミネーション有り、××はクラック及び反りがともに有りである。
【００３４】
結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】


【００３６】
表２に示すように、従来の脱バインダー条件である比較例３では、全ての試料においてデラミネーションが発生した。また、比較例４のように通常の昇温時間に対して２倍以上時間を費やし緩やかに昇温した場合でも、全ての試料にてデラミネーションが発生した。
【００３７】
グリーンシートの脱バインダー処理が不十分であると、グリーンシート内部にバインダー成分が残るため、その後の焼成工程においてバインダー成分が焼成時の熱により揮発する際に膨張するため、焼成後の基板にクラックが入ったり、反りを生じさせたりする。その結果、良好な品質の基板が得られない。
【００３８】
比較例１では、通常よりも低温で脱バインダーを行うため、最高加熱温度を保持する時間を通常の倍の４時間にした。しかし、脱バインダーが不十分であり、全ての試料において、クラックや反りが発生した。
【００３９】
実施例１〜３に示すように、最高加熱温度が２８０〜３５０℃の条件では、全ての試料において、デラミネーションが見られなかった。また、基板のクラックや反りも見られなかった。従って、本発明のような焼成されたアルミナ基板とその焼成温度よりも低い焼成温度のグリーンシートとを積層した積層体の最高加熱温度は、２８０〜３５０℃が望ましい。
【００４０】
また、最高加熱温度を４００℃とした比較例２では、熱によるストレスが生じ、試料の一部に軽いデラミネーションが見られた。
【００４１】
（実施例４）
本発明の製造方法は、キャビティ付きセラミック多層基板にも適用可能である。積層前のセラミックグリーンシートに、パンチ工程等によりキャビティ用開口部を形成すればよい。図２Ａ−Ｆは本実施例のキャビティ付きセラミック多層基板の製造方法を、模式的に表した断面図である。
【００４２】
導体ペースト組成物等により配線パターンやビア導体が形成されている焼成済みアルミナ基板１の両面に、１枚または複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート２ｃ、２ｄを積層した。セラミックグリーンシートにはパンチング加工などに形成したビアに、導体ペースト組成物をスクリーン印刷することによりビア導体１５を形成している他、同じく導体ペースト組成物をスクリーン印刷することにより配線パターン１６も形成している。また、２ｃにはパンチ工程によりキャビティ用開口部１２を形成している。さらにこの積層体の両面に、セラミックグリーンシートの焼成温度で焼結しない無機組成物よりなる拘束用グリーンシート３ａ、３ｂを積層した（図２Ａ）。
【００４３】
この積層体全体を加圧手段を用いて加圧して一体化した積層体を得た（図２Ｂ）。
【００４４】
取り出した積層体を空気中で加熱する脱バインダー工程を行った後、ピーク温度９００℃の条件で焼成を行った。この際、セラミックグリーンシートは焼結し、拘束用グリーンシート中の無機組成物は未焼結のまま残った。焼成後、焼成基板４の両面に付着した拘束用グリーンシートの焼結しない無機組成物をジェット水流および／または超音波洗浄により除去した。さらに、厚膜導体５を基板両面に形成することにより、焼成積層体７を得た（図２Ｃ）。
【００４５】
さらに焼成積層体７の両側に、１枚または複数枚の低温焼成セラミックグリーンシート２ｅ、２ｆを積層した。セラミックグリーンシートにはパンチング加工などに形成したビアに、導体ペースト組成物をスクリーン印刷することによりビア導体を形成している他、同じく導体ペースト組成物をスクリーン印刷することにより配線パターンも形成している。また、２ｅにはパンチ工程によりキャビティ用開口部を形成している。さらにこの積層体の両面に、セラミックグリーンシートの焼成温度で焼結しない無機組成物よりなる拘束用グリーンシート３ａ、３ｂを積層した（図２Ｄ）。
【００４６】
この積層体全体を加圧手段を用いてより加圧して一体化した積層体を得た（図２Ｅ）。
【００４７】
取り出した積層体を空気中で加熱する脱バインダー工程を行った後、ピーク温度９００℃の条件で焼成を行った。この際、セラミックグリーンシートは焼結し、拘束用グリーンシート中の無機組成物は未焼結のまま残った。焼成後、焼成基板８の両面に付着した拘束用グリーンシートの焼結しない無機組成物をジェット水流および／または超音波洗浄により除去した。さらに、厚膜導体５を基板両面に形成することにより、２段キャビティ付きセラミック多層基板９を得た（図２Ｆ）。
【００４８】
焼成済みアルミナ基板のアルミ含有率は９０ｗｔ％以上と高いので放熱効果が高い。そのため、図２Ｆで得られたキャビティ付きセラミック多層基板モジュールは、その内部にアルミナ基板を持つため、半導体装置（ＩＣ）などの部品の発熱を良く放出することが出来る。
【００４９】
図３にモジュールの外観図を示す。モジュールサイズは縦６．２ｍｍ、横６．２ｍｍとし、キャビティ開口部は縦２．０ｍｍ、横２．０ｍｍ、キャビティ部１０は厚み０．３ｍｍ、非キャビティ部セラミック１１は厚み０．２ｍｍとした。キャビティ開口部１２にＩＣ１３を実装し、ＩＣ実装面の反対面１４の熱抵抗を測定し、その結果を表３に示す。試料番号１は、ＩＣ実装用基板１にアルミナ基板を用いず、厚さ３８０μｍの低温焼成セラミックグリーンシート材料（１０や１１と同じ材料）を使用した。試料番号２は、ＩＣ実装用基板１に厚さ１９０μｍのアルミナ基板（アルミナ基板１）を使用した。試料番号３は、ＩＣ実装用基板１に厚さ３８０μｍのアルミナ基板（アルミナ基板２）を使用した。
【００５０】
【表３】


【００５１】
表３に示すように、低温焼成セラミック材料のみで構成したセラミック多層基板モジュールの場合（試料番号１）に比べ、アルミナ基板を使用したセラミック多層基板モジュール（試料番号２および３）は、格段に放熱性が向上していることが分かる。
【００５２】
本発明にかかるセラミック多層基板の製造方法は、熱膨張係数の異なる材料を積層して焼成し集積体を作製する際に、層間のデラミネーションやクラック、反りの発生しない高品質の高密度配線基板として有用である。また、アルミ含有率が９０％以上のアルミナ基板を用いることにより、格段に放熱性の優れた高密度配線基板を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１Ａ−Ｃは本発明の実施例１におけるセラミック多層基板の製造工程を示す断面模式図。
【図２】図２Ａ−Ｆは本発明の実施例２におけるキャビティ付きセラミック多層基板の製造工程を示す断面模式図。
【図３】図３Ａは本発明の一実施例のキャビティ付きセラミック多層基板のモジュールの平面図、図３Ｂは同断面図。
【図４】図４は従来のセラミック多層基板の製造方法の断面模式図。
【符号の説明】
【００５４】
１ 焼成済みアルミナ基板
２，２ａ〜２ｆ 未焼成セラミックグリーンシート
３ａ，３ｂ 拘束用グリーンシート
４ 焼成基板
５ 厚膜導体
６ 無収縮セラミック多層基板
７ 焼成積層体
８ 焼成基板
９ キャビティ付き無収縮セラミック多層基板
１０ キャビティ部
１１ 非キャビティ部
１２ キャビティ開口部
１３ 半導体装置（ＩＣ）
１４ 反対面
１５ ビア導体
１６ 配線パターン
【出願人】 【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地
【出願日】 平成１７年２月２２日（２００５．２．２２）
【代理人】 【識別番号】１１０００００４０
【氏名又は名称】特許業務法人池内・佐藤アンドパートナーズ
【公開番号】 特開２００５−２８６３１１（Ｐ２００５−２８６３１１Ａ）
【公開日】 平成１７年１０月１３日（２００５．１０．１３）
【出願番号】 特願２００５−４５９８０（Ｐ２００５−４５９８０）