專利名稱：陶瓷零件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種以將半導體IC及芯片零件等搭載在一起且把它們相互配線的陶瓷多層基板為代表的陶瓷零件及其制造方法。
陶瓷多層基板的一般方法是由以下的工序組成。
(1) 陶瓷材料的調配、混合工序。
(2) 陶瓷基板的成型工序。
(3) 導體膏的制作工序。
(4) 由基板層及導體層所組成的復合層壓體的燒成工序。
在上述的燒成工序中，在陶瓷多層基板上會由于燒結而產生收縮。由燒結而產生的收縮，因使用的基板材料，基板組成、粉體的批量等的不同而有所不同。這樣在多層基板的制作中就會產生諸多問題。
重要的問題之一就是收縮誤差。在陶瓷多層基板的制作工序中，先進行內層配線的燒成之后再形成最上層的配線。因此，若基板材料的收縮誤差大，則由于和最上層配線圖案有尺寸誤差而不能完成與內層電極的連接。為了避免這種情況，必須在最上層電極部上形成面積大于所需面積的凸臺而預先允許收縮誤差，因此不適于需要高密度配線的電路上使用。
作為解決對策，可以采用針對收縮誤差準備幾個用于最上層配線的絲網版來克服基板收縮率的方法，但是這個方法必須準備多個網線板，是不夠經濟的，而如果使用同時進行最上層配線的形成與內層配線的燒成的同時燒成法就不需要大的凸臺，但又存在其他的問題。也就是說，因為基板本身的收縮誤差是始終存在的，那么就會在最后的部件搭載時的漿狀軟釬料印刷工序中，由于收縮誤差而無法在必要部分進行印刷。
另外，在特許公報第2785544號中公開了按照需要層壓多張在由低溫燒結玻璃陶瓷混合粉體所組成的基板上形成電極圖案的結構，并在這個層壓體的兩面或者是單面上夾入層壓由在所述玻璃陶瓷混合粉體的燒成溫度下不會燒結的無機組合物所組成的熱收縮抑制基板(以下稱的熱收縮抑制板)，等燒成所述層壓體后，再除去熱收縮抑制層的方法。其效果是，能夠制作出基板材料的燒成多發生在厚度方向上而平面方向的收縮被抑制的基板，可以解決上述的問題。雖然采用上述公報所記載的方法能夠制作在平面方向很難產生收縮的基板，但還存在一些問題。那就是由于基板收縮多發生在厚度方向，在燒成后的基板內部電極周邊上會產生裂紋等缺陷。
導致這個問題的主要原因可以認為是在燒成過程中，在導體膏(paste)和基板層壓體之間的燒結時間或者是熱收縮特性的偏差上。因為在基板層壓體和導體膏之間的燒結收縮特性有很大的偏差，就會在已燒成的基板和電極之間產生過大的應力和應變，從而產生所述裂紋等的缺陷。
如果是通常的燒成方法，在燒成過程中，若在三個方向上發生收縮而產生的裂紋較小，則可以在燒成過程中進行修復，但在上述公報所記載的方法中，因為在燒成過程中在平面方向上不產生收縮，那么一旦產生裂紋等的缺陷就很難修復。一旦在基板上產生這種裂紋等的缺陷，就會降低基板的可靠性。
本發明中要解決上述以往制造方法中的問題點，其目的是提供一種高可靠性、高尺寸精度的陶瓷零件，在用熱收縮抑制板夾住玻璃陶瓷層壓體進行燒成的高尺寸精度燒成工藝中，不使電氣特性受很大的影響，且可以抑制在燒成后的基板的內部電極周圍上所產生的裂紋等缺陷。
為了完成這一目的，本發明的陶瓷零件的制造方法包括在玻璃陶瓷基板上印刷具有與所述玻璃陶瓷基板相同的燒結速度的導體膏的導體印刷工序、和層壓多個所述玻璃陶瓷基板形成層壓體的層壓工序、在所述層壓體的單面或雙面上進一步層壓以無機物為主要成份的熱收縮抑制基板而制成復合層壓體的復合層壓工序、從所述復合層壓體上燃燒除去有機物的脫除粘合劑的工序、調整所述玻璃陶瓷基板和導體膏的燒結特性后燒結所述除去有機物后的復合層壓體的燒成工序、以及除去所述熱收縮抑制基板中的無機物的工序等，并能夠制造高尺寸精度、高可靠性的陶瓷零件。
圖2是說明導體層附近的缺陷產生部位的截面圖。
圖中，10 熱收縮抑制基板20 玻璃陶瓷基板 30 導體層11 陶瓷多層基板 12 內部電極 13 裂紋等缺陷首先說明玻璃陶瓷混合材料的制作方法。本次所用的玻璃陶瓷混合材料是以三氧化二鋁Al2O3、氧化鎂MgO及氧化釤Sm2O3的混合物(以下稱AMS混合物)和玻璃(SiO2-B2O3-CaO類玻璃粉體、軟化點為780℃)為主要成份。以11∶1∶1的摩爾比例稱出高純度的Al2O3、MgO、Sm2O3的原料粉體并投入到球磨機中混合20個小時后進行干燥。將這個混合粉在130℃溫度下進行2個小時的臨時燒成，再將這個臨時燒成的粉體在球磨機中進行20個小時的粉碎所得到的物質就是AMS粉。將這個AMS粉和SiO2-B2O3-CaO類玻璃粉體以重量比為50∶50的比例稱出，再用球磨機混合20個小時后進行干燥就得到玻璃陶瓷混合材料(以下稱AMSG材)。因為這個AMSG材能夠在880℃～950℃的溫度范圍內被燒成成致密型，就可以和銀電極一體同時燒成成。并且，介電常數是7.5(1MHz)。
如
圖1所示，作為熱收縮抑制基板10的材料使用的是氧化鋁粉(純度為99.9％、平均粒徑為1.0μm)。
在所述AMSG材及氧化鋁粉中添加了作為各種粘合劑的PVB樹脂及作為增塑劑的鄰苯二甲酸二丁酯樹脂，以醋酸丁酯作為溶劑來制作漿料，并通過已知的刮刀片法分別制作成所需厚度的玻璃陶瓷基板(AMSG基板)20及熱收縮抑制(氧化鋁)基板10。
下面關于導體膏的制作方法進行說明。
相對銀粉末100重量％，以任意比率混合添加劑，并相對整體膏劑加入20重量％的有機載色劑(乙基纖維素的萜品醇溶解物)，將這些物料通過陶瓷3根輥進行混煉，制得導體膏。
用絲網印刷機將這個導體膏作為電阻測定用的圖案(導體層30)印在所述AMSG基板20之后，層壓一定張數的AMSG基板20形成圖1的結構，并在其兩面再層壓氧化鋁基板10。在該狀態下進行熱壓接后形成層壓體。熱壓接的條件是溫度80℃、壓強是500kg/cm2。將這個層壓體切分成10×10mm的大小，放在氧化鋁制的燒盆上，放入箱型爐中在500℃溫度下進行10個小時的熱處理。通過熱處理使樹脂成份燃燒后，在空氣中以300℃/h的升溫速度(不過在實施例3中升溫速度是發生變化的)升溫到900℃，其后在900℃保持30分鐘完成燒成。
在這個燒成層壓體的表面上，熱收縮抑制基板10中的氧化鋁殘存在其上且并沒有燒成，通過在醋酸丁酯中對它進行超音波清洗可以將其完全除去。
(實施例1)
在實施例1中就在導體膏中氧化鉬的添加效果進行了探討。將相對表1中銀粉末(平均粒徑4.0μm)的三氧化鉬(平均粒徑2.5μm)的添加量、和分析評價由此分別制得的陶瓷多層基板的結果示于表1中。
表1
表中、*號表示針對本發明的比較例。
還有，評價項目中[裂紋等缺陷的類型]如圖2所示，對基板11進行研磨后，用光學顯微鏡觀察基板的截面，在內部電極12附近的基板11上所產生的裂紋等缺陷13分成如下的A、B、C各個類型。(缺陷13的類型分類)
所謂基板的電阻值就是在內部導體層的側面涂敷上銀電極膏，烘干后形成端子電極，從用數字萬用表來測定的直流電阻值、和電極厚度的實測值中可以計算出電極面積1mm2、電極厚度10μm時的換算電阻值。
在完全沒有添加三氧化鉬的試樣1號、和添加少量的試樣2號中，在導體層附近產生了很大的缺陷(類型C)。與此相對，在添加0.1重量％以上的三氧化鉬的試樣號3～7號上，觀察不到裂紋等的缺陷(類型A)。可以認為通過添加三氧化鉬，延緩了導體層的燒結，能夠接近玻璃陶瓷層壓體的燒結特性。當添加量不足0.1重量％時無法充分延緩導體膏的燒結。另一方面，如果像試樣7號中那樣過分添加而使添加量超過6.0重量％，則會產生導體層的板電阻值超過6mΩ而急劇增大的不良情況。
為了有效抑制缺陷的產生，并且保持低電阻值，三氧化鉬的添加量優選0.1重量％～5.0重量％。
(實施例2)在實施例2中，關于構成導體膏的銀粉末粒徑的影響進行了探討。如表2所示，使用平均粒徑為2.2～10.2μm的銀粉末，制作分別相對于導體粉末100重量％添加1.0重量％的三氧化鉬的導體膏進行了評價。
表2
在銀粉末粒徑為3μm～8μm的試樣4、8～10號中，在導體層附近沒有觀察到缺陷，但銀粉末粒徑較小僅為2.2μm的試樣12號及粒徑較大達10.2μm的試樣11號中，在內部電極的前端產生了一些缺陷(B類型)。可以認為當銀粉末粒徑過小時由于銀粉末表面被活性化，銀粉末的燒成收縮起始溫度過早，而銀粉末的粒徑過大時，銀粉末的收縮起始溫度過晚，因此導體層和玻璃層壓體之間的收縮特性差增大，從而在電極附近產生了缺陷。銀粉粒徑不同對電阻值變化幾乎沒有影響。
從以上的結果可知，構成導體層的銀粉末粒徑的優選范圍是3μm～8μm。
(實施例3)在實施例3中，對燒成處理工序中升溫速度的影響進行探討。所使用的膏是銀粉末粒徑為4.0μm、三氧化鉬的添加量為1.0重量％的試樣4號的膏。
表3
如表3所示，在平均升溫速度為200℃/小時～5500℃/小時范圍內的試樣4及14～17號中，在導體層附近沒有觀察到缺陷，但在平均升溫速度較慢的100℃/h的試樣13號中產生了少量的缺陷(B類型)。還有在升溫速度非常快的9000℃/h的試樣18號上也觀察到了缺陷。可以認為當延緩升溫速度時，在燒成中因導體層和玻璃陶瓷層壓體的收縮特性的時間差增大而會產生缺陷。如果升溫速度過快，則因急劇的收縮力作用在導體層附近而產生缺陷。
從以上結果可以看出，在燒成處理工序中優選的平均升溫速度是200℃/h～5500℃/h。
在上述實施例中是以三氧化鉬來說明的，但使用除此以外的氧化鉬也可以得到同樣的效果。并且，其他的氧化鉬的配合比優選換算為三氧化鉬后在0.1重量％～5.0重量％。
另外，作為玻璃陶瓷材料，在本發明的實施例中使用的是(Al2O3-MgO-Sm2O3)+玻璃類材料，但不只限定為Sm2O3也可以使用特定的鑭系氧化物LnxOy(Ln是從La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb中任選的至少一種，x、y是根據所述Ln的化合價而定的化學量論化值)，因為其燒結收縮特性沒有變化，可以判定能夠得到同等的效果。
還有，本發明的制造方法也可適用于由所述(Al2O3-MgO-LnOx)和玻璃類材料組成的玻璃陶瓷以外的其他的玻璃陶瓷上。產業的可利用性通過使用本發明陶瓷零件的制造方法，在用熱收縮抑制板夾住玻璃陶瓷層壓體進行燒成的高尺寸精度的燒成工序中，能夠提供一種不使電氣特性受到很大損失且可以抑制在燒成后的基板內部電極周邊上產生裂紋等的缺陷的高可靠性、高精度的陶瓷零件。
權利要求
1.一種陶瓷零件的制造方法，其特征在于，包括在玻璃陶瓷基板上印刷具有與所述玻璃陶瓷基板相同的燒結速度的導體膏的導體印刷工序、和層壓多個所述玻璃陶瓷基板形成層壓體的層壓工序、在所述層壓體的單面或雙面上進一步層壓以無機物為主要成份的熱收縮抑制基板而制成復合層壓體的復合層壓工序、從所述復合層壓體上燃燒除去有機物的脫除粘合劑的工序、使所述玻璃陶瓷基板和導體膏的燒結特性相匹配后燒結所述除去有機物后的復合層壓體的燒成工序、以及除去所述熱收縮抑制基板中的無機物的工序。
2.如權利要求1所述的陶瓷零件的制造方法，其特征在于，所述燒成工序是由混合于所述導體膏中的氧化鉬抑制所述導體膏的燒結速度，并使其與所述玻璃陶瓷的燒結速度相匹配而燒結的工序。
3.如權利要求1所述的陶瓷零件的制造方法，其特征在于，用于所述導體印刷工序中的所述導體膏含有銀粉末和氧化鉬，所述氧化鉬的以三氧化鉬換算的配合比是整個導體粉末的0.1～5重量％。
4.如權利要求1所述的陶瓷零件的制造方法，其特征在于，所述燒成工序是，通過選擇平均粒徑為3μm～8μm的銀粉末作為用于所述導體膏的銀粉末，控制所述導體膏的收縮開始溫度，使其匹配于所述玻璃陶瓷的收縮特性來進行燒結的工序。
5.如權利要求1所述的陶瓷零件的制造方法，其特征在于，用于所述導體印刷工序中的所述導體膏含有銀粉末和氧化鉬，所述銀粉末的平均粒徑為3μm～8μm。
6.如權利要求1所述的陶瓷零件的制造方法，其特征在于，所述燒成工序具有升溫工序和高溫保持工序，在所述升溫工序中的升溫速度為200℃/小時～5500℃/小時。
7.如權利要求1～6中任一項所述的陶瓷零件的制造方法，其特征在于，使用含有氧化鋁、氧化鎂及特定鑭系氧化物和玻璃的所述玻璃陶瓷基板。
8.一種陶瓷電子零件，是具有所定圖案的導體層的層壓玻璃陶瓷零件，其特征在于，所述玻璃陶瓷含有氧化鋁、氧化鎂及特定鑭系氧化物和玻璃，所述導體以銀為主要成份且含有整個導體粉末的0.1～5重量％的氧化鉬。
全文摘要
本發明的目的是，提供一種高可靠性、高尺寸精度的陶瓷零件，在用熱收縮抑制板夾住玻璃陶瓷層壓體進行燒成的高尺寸精度燒成工藝中，不使電氣特性受到很大損失的情況下，可以抑制在燒成后的基板內部電極周邊上產生裂紋等的缺陷。為達到這個目的，本發明陶瓷零件的制造方法包括在玻璃陶瓷基板上印刷具有與所述玻璃陶瓷基板相同的燒結速度的導體膏的導體印刷工序、和層壓多個所述玻璃陶瓷基板形成層壓體的層壓工序、在所述層壓體的單面或雙面上進一步層壓以無機物為主要成份的熱收縮抑制基板而制成復合層壓體的復合層壓工序、從所述復合層壓體上燃燒除去有機物的脫除粘合劑的工序、使所述玻璃陶瓷基板和導體膏的燒結特性相匹配后燒結所述除去有機物后的復合層壓體的燒成工序、以及除去所述熱收縮抑制基板中的無機物的工序。
文檔編號H01L21/48GK1463261SQ02802130
公開日2003年12月24日 申請日期2002年6月18日 優先權日2001年6月25日
發明者勝村英則, 齊藤隆一, 若林都加佐, 加賀田博司 申請人:松下電器產業株式會社