專利名稱：多層板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及多層板及其制造方法。更具體地講本發明涉及使用含玻璃的材料并可在低溫下燒制(fire)的多層板及其制造方法。
隨著電子元件的功能性水平的提高和電子元件的尺寸減小，要求電路板上安裝越來越多的半導體集成電路(IC)和其它表面貼裝器件。為滿足上述的這些要求，已開發和廣泛使用了各種類型的多層陶瓷板，這些多層陶瓷板是把多層涂敷有形成電極的電極漿料的陶瓷生片(green sheet)疊置，然后燒制而制成的。
近來，已使用含玻璃的材料，如玻璃—陶瓷材料開發出可在低溫下燒制的多層板(低溫燒制多層板)。
在制造多層板時，例如，含有作為導電組分的銀粉的銀漿廣泛用作形成電極用的電極漿料。
但是，當包含Ag粉或者包含Ag粉和作為化學粘接劑的氧化物的Ag漿涂敷到為了提高強度而包含大量陶瓷的板上，并同時進行燒制時，如果陶瓷層和電極中的玻璃組分含量少，就不能得到滿意的電極粘接強度。
通過在Ag漿中加入玻璃組分來提高Ag漿在板上的浸潤性，或者，在板中加入大量的玻璃組分，可提高電極的粘接強度。但是，在這種情況下，玻璃組分浮在電極表面，會造成電極的可焊接性能下降，或者，降低板的撓曲強度。
本發明提供了一種多層板，它在電極與含玻璃的絕緣層之間有高的粘接強度，有滿意的可焊接性能和高的撓曲強度，并且還提供了這種多層板的制造方法。
按本發明的一個方面，一種多層板包括由多個含玻璃的絕緣層構成的一個疊層板，每個含玻璃的絕緣層在表面上設有電極。含玻璃的絕緣層是通過燒制在燒制前包含60體積％或更低的玻璃組分的層而形成的，通過燒制在含玻璃的絕緣層的表面區域中部分玻璃組分被分離出來，并且電極借助于分離出來的玻璃組分粘結到含玻璃的絕緣層的表面上。
在本發明的多層板中，由于燒制前含玻璃的絕緣層具有的玻璃組分含量是60體積％或更低，并且電極是借助于通過燒制已在表面區域中分離出的玻璃組分粘接到含玻璃的絕緣層的表面上，因此，這種多層板在含玻璃的絕緣層中沒有導致降低撓曲強度的過高玻璃組分含量，并且在電極中也沒有導致降低其可焊接性能的過高玻璃組分含量，由此能保證有高的電極粘接強度。
“玻璃組分含量在燒制前是60體積％或更低”意味著，構成用于形成含玻璃的絕緣層的材料的無機組分中的玻璃組分含量在(生片)燒制后是60體積％或更低。
在本發明的多層板中，從含玻璃的絕緣層的設有電極的表面起1μm的深度內，玻璃組分含量是60至90體積％。
通過用燒制來分離玻璃組分，并且通過將從含玻璃的絕緣層的表面起1μm深度內的玻璃組分含量增加到60至90體積％，即使不增加整個含玻璃的絕緣層中的玻璃組分含量，也能提高電極粘接強度。因此，能防止整個含玻璃的絕緣層中的玻璃組分含量的過度增加，能保持高的撓曲強度，確保本發明的效果。
含玻璃的絕緣層最好用玻璃—陶瓷材料構成。
在本發明中，盡管能用玻璃和其它絕緣組分混合而成的材料作為含玻璃的絕緣層，但是，為了得到各種電性能和機械性能，最好用含玻璃和陶瓷的玻璃一陶瓷材料。在這種情況下，能可靠地獲得本發明的優點。
電極最好含作為主要導電組分的Ag。
在本發明中，盡管能用各種材料構成電極，但當用包含作為主要導電組分的Ag的材料形成電極時，電極的電阻值小，并有優良的粘接強度，因此能確保本發明的效果。
電極和含玻璃的絕緣層最好同時燒制。
盡管電極和含玻璃的絕緣層可以分開燒制，但是，它們同時燒制能提高電極與含玻璃的絕緣層之間的粘接強度，還能簡化制造工藝。
按本發明，能提高電極與含玻璃的絕緣層之間的初始粘接強度，在張力測試中電極與含玻璃的絕緣層之間的粘接強度的平均值為5N/mm2或更高。
按本發明，由于含玻璃的絕緣層中的玻璃組分含量不增大到使含玻璃的絕緣層的機械強度大大減少的程度，因此，在實際使用中的撓曲強度不存在困難，也就是說，能使撓曲強度達到200Mpa或更高。
在本發明的多層板中，含玻璃的絕緣層中的玻璃組分最好是結晶玻璃。
用結晶玻璃作為含玻璃的絕緣層中的玻璃組分，能進一步提高機械強度，因此，能進一步保證本發明的效果。
按本發明的另一方面，提供了一種制造多層板的方法，在該多層板中多個含玻璃的絕緣層疊置在一起，每個含玻璃的絕緣層在表面上設有電極，該方法包括以下步驟在含60體積％或更低的玻璃組分的生片的表面上，涂敷用于形成電極的電極漿料；疊置和壓接(press-bonding)涂敷有電極漿料的生片，構成壓接的疊層板；和同時燒制生片和電極漿料對壓接的疊層板進行熱處理，使含玻璃的絕緣層的表面區域中的部分玻璃組分分離，并且電極借助于分離出來的玻璃組分粘接到含玻璃的絕緣層的表面上。
由于按本發明的多層板的制造方法包括上述步驟，因此，能可靠地制成有高電極料接強度、高撓曲強度和優良的電極可焊接性能的多層板。
此外，“疊置和壓接涂敷有電極漿料的生片而構成壓接的疊層板的步驟”包括各單層膜層中的電極(電極漿料)經生片中形成的通孔而相互連接的情況。
“生片含60體積％或更低的玻璃組分”意味著，在構成生片的無機組分中的玻璃組分含量是60體積％或更低。
在按本發明的多層板的制造方法中，生片中的玻璃組分含量、玻璃組成、玻璃形成條件、生片的壓接條件和燒制條件中的一個或多個條件可以調節，以使從含玻璃的絕緣層的設有電極的表面起1μm深度內的玻璃組分含量為60至90體積％。
即，為了防止機械強度降低，用玻璃組分含量為60體積％或更低的生片，同時通過調節生片中的玻璃組分含量、玻璃組成、玻璃形成條件、生片的壓接條件和燒制條件中的至少一個條件，從含玻璃的絕緣層的設有電極的表面起1μm深度內的玻璃組分含量設定在60至90體積％范圍內。因而，通過只增大含玻璃的絕緣層的表面區域中的玻璃組分含量，就可以提高電極粘接強度，而且，通過防止整個含玻璃的絕緣層中的玻璃組分含量太高，還可以保持高的撓曲強度，由此保證了本發明的效果。
含60體積％或更低的玻璃組分的生片最好由玻璃—陶瓷材料構成。
在本發明中，可以用由玻璃和其它各種絕緣組分混合的材料制成的生片作為用于形成含玻璃的絕緣層的生片。但是，為了獲得各種電性能和機械性能，最好用含玻璃和陶瓷的玻璃—陶瓷材料制成的生片。在這種情況下，能可靠地獲得本發明的優點。
最好用包含作為主要導電組分的銀的電極漿料作為形成電極的電極漿料。
在本發明中，盡管能用各種材料構成電極，但是，當用包含作為主要導電組分的銀的電極漿料形成電極時，能有效地制成這樣的多層板其電極與含玻璃的絕緣層有高的粘接強度，并且電極具有低的電阻。
包含作為主要導電組分的銀的電極漿料最好基本上不含玻璃。
用基本上不含玻璃的電極漿料作為以銀為主要導電組分的電極漿料，能形成電阻低和可焊接性能優良的電極，因而，進一步保證了本發明的效果。
此外，由于電極借助于在含玻璃的絕緣層的表面區域中分離出的玻璃粘接到含玻璃的絕緣層上，因而，能保證電極的粘接強度。
包含作為主要導電組分的銀的電極漿料最好還含有下列至少一種材料Pb、Bi、Cr、Cu、Mn、Co和Zn。
通過在包含作為主要導電組分的銀的電極漿料中加入下列至少一種材料Pb、Bi、Cr、Cu、Mn、Co和Zn，有望進一步提高電極粘接強度。
最好用包含作為玻璃組分的結晶玻璃的生片。
通過用含結晶玻璃的生片，可以制成可靠的多層板，其中含玻璃的絕緣層有高的機械強度，而且，整個多層板也有高的機械強度，因比進一步保證了本發明的效果。
在按本發明的多層板的制造方法中，在熱處理壓接的疊層板的步驟中，可在壓接的疊層板的上表面和下表面中的至少一個表面上疊置一個約束層(constraining)，約束層是用在壓接的疊層板的燒制溫度下不被燒結(sinter)的無機材料制成的，并在這種狀態下進行燒制，然后去掉約束層，由此，能利用所謂的“不收縮工藝”。
通過在燒制疊層板時用不收縮工藝，能制成無橫向尺寸收縮的多層板，該多層板有高的電極粘接強度，并且有優良的撓曲強度和可焊接性能。用由此制成的多層板，能有效制成如混合集成電路之類的電子元件，其中的安裝器件可靠地安裝在規定位置。


圖1是使用按本發明的實施例的多層板的陶瓷多層模塊的主要部分的剖視圖；圖2是按本發明的實施例的多層板的主要部分的剖視圖；圖3是能用于評價電極粘接強度的電極焊盤圖形的平面圖。
現在參見圖1說明按本發明實施例的多層板。
圖1所示的多層板2用于多層模塊1，其中，在多層板2的上主表面上安裝有厚膜電阻器6、片式電容器7、半導體器件8等。如圖1所示，多層板2有多層結構，其中，含玻璃的絕緣層9和內電極4疊置，各個單層的內電極4經設在含玻璃的絕緣層9上的通孔3相互電連接。
內電極4用作構成如電感器和電容器之類的無源元件的電極，或用作無源元件、地、內部的厚膜電阻器6等相互電連接的引線。
表面電極5設在多層板2的上和下主表面上。在多層板2的上主表面上的表面電極5用作焊盤電極，用于把安裝器件如片狀電容器7和半導體器件8連接到多層板2，或者用作引線，用于把厚膜電阻器6連接到其它元件。在多層板2的下主表面上的表面電極5用作輸入/輸出端子，用于把多層板2連接到母板等。
現在說明圖1所示多層板的制造方法。
形成用于多層板的生片首先，用于制造多層板的生片的形成方法說明如下。
1)制備由SiO2、CaO、Al2O3和B2O3構成的玻璃粉和氧化鋁(Al2O3)粉，并按表1所列比例混合。
此外，除上述的能結晶的玻璃粉之外，也能用以B2O3-SiO2為基礎的玻璃粉。還能用其它的陶瓷粉，例如ZrO2粉或尖晶石粉代替Al2O3粉。
2)有機粘接劑和甲苯(溶劑)加入按配方制備的原材料粉(玻璃-陶瓷原材料粉)中，并在球磨機中充分混合，制成均勻的懸浮稀漿，之后，在低壓下除氣。由此制成原材料稀漿。
對有機媒質，如粘接劑、溶劑和增塑劑的構成和組分沒有限制，可用各種類型的有機媒質。
3)例如，通過使用刮板的鑄塑工藝，原材料稀漿在一個薄膜上形成生片，生片厚度為例如0.1mm。
4)生片干燥之后，與膜分離，用模具把生片切成給定的尺寸大小，由此得到了制造多層板用的生片。
形成用于約束層的生片以下要說明用于無收縮工藝中的約束層用的生片的形成方法。
用于約束層的生片是含有作為主要成分的無機材料的生片，它不在制造多層板用的生片燒制工藝中燒結。用于約束層的生片疊置在構成多層板的生片的壓結疊層板的上表面和下表面中的至少一個表面上，在該狀態燒制之后，去掉用于約束層的生片。
1)制備Al2O3粉，制成的Al2O3粉中加入有機粘接劑和甲苯(溶劑)，并在球磨機中充分混合，制成均勻的懸浮稀漿，之后在低壓下除氣。由此，制成原材料稀漿。
對有機媒質，如粘接劑，溶劑和增塑劑的構成和組分沒有限制，可用各種有機媒質。
2)例如，通過使用刮板的鑄塑工藝，原材料稀漿在一個薄膜上形成生片，生片厚度為0.1mm。
3)在生片干燥之后，與膜分離，用模具切成給定的尺寸大小，由此得到了用于約束層的生片。
多層板的制造現在說明多層板的制造方法。
1)首先，在用于含玻璃的絕緣層的生片中形成用作通孔的孔，并且孔中填入導電漿料或導電粉，形成通孔。
2)為了形成用于構成如電感器和電容器之類的無源元件的焊盤電極以及形成預定的布線圖形，用絲網印刷法等，電極漿料在各單層生片上形成預定圖形。當需要用時，絲網印刷法等形成用于形成厚膜電阻器的電阻器材料漿料。
在本實施例中，使用含有作為導電組分的銀并且不含玻璃組分的電極漿料作為電極漿料。但是，對要用的電極漿料的類型無限制，可用各種電極漿料，如含有作為導電組分的Ag/Pt粉或Ag/Pd粉的電極漿料。
3)疊置多層生片，疊層板的上表面和下表面疊置用于約束層的生片，之后，進行壓接，構成壓接的疊層板。
4)壓接的疊層板可切成適當的尺寸大小，或者，當需要時形成分割槽，之后，例如，在800至1100℃溫度下進行燒制。去掉約束層，由此得到了圖2所示的多層板2。圖2中與圖1中相同的元件用相同的參考數字表示。
5)將表面貼裝的器件，如片狀電容器7和半導體器件8，安裝在多層板2上，由此，得到了圖1所示的陶瓷多層模塊1。
按上述的多層板的制造方法，可以有效地制成多層板，它的電極與含玻璃的絕緣層之間有很高的粘接強度，有優良的撓曲強度和優良的可焊接性能。
制備用于評價性能的樣品對于每個樣品，疊置按上述方法制成的用于多層板的多個生片，在(得到的)疊層板的上表面和下表面上設置多個用于約束層的生片，之后，經壓接，制成壓接的疊層板。按以下條件燒制壓接的疊層板。按1.5℃/分鐘的升溫速度加熱到400℃，并按5℃/分鐘-60℃/分鐘的升溫速度從400℃升到900℃，并在900℃保溫5至60分鐘。燒制后去掉約束層，由此得到用于評價性能的樣品。
即，在這個例子中，通過調節上述的燒制條件(從400℃到900℃的加熱速度和在900℃的保溫時間)，使各樣品在含玻璃的絕緣層的表面區域中具有不同的玻璃組分含量。
為了檢測電極粘結強度和可焊接性能，按以下方式制備用于評價的樣品。如圖3所示，在每個樣品中，用于形成多層板的類型的一個生片12設有邊長為2mm的正方形焊盤電極11，且該生片12作為最外層被設置在多個不設焊盤電極的板型生片的疊層板上，并進行壓接。在上述設置條件下設置壓接的疊層板，由此得到了用于評價的樣品。
性能評價對于按上述方法制成的評價用的樣品，檢測玻璃組分含量、可焊接性能、電極粘接強度和撓曲強度。
結果顯示在表1中。
表1
從表面起1μm深度內的玻璃組分含量是使用基本玻璃組分(Ca)和Al2O3的分析曲線由繪圖分析得到的。
通過把邊長為2mm的正方形焊盤電極浸入熔化的焊料(Sn-Pb焊料)中來評價可焊接性能。
為了評價電極粘接強度，把L形引線焊焊接到可焊接性能已用Sn-Pb焊料作了評價的邊長為2mm的正方形焊盤電極上，進行張力測試。把焊點斷裂的張力值定義為電極粘接強度。
用條狀樣品由三點彎曲測試法來測量撓曲強度。
此外，用Shimadzu Corporation制造的自動繪圖儀測量電極粘接強度和撓曲強度。
表1中評價項目的標準如下可焊接性能當焊盤電極的焊料浸潤面積是焊盤電極的95％或更高時，可焊接性能評為好，而當焊料浸潤面積在95％以下時，可焊接性能評為差(不好)。
電極粘接強度在L形引線用Sn-Pb焊料焊接到焊盤電極之后，當張力測試中焊接斷裂時的張力值是20N/2mm方形(5N/mm2)或更高時，電極粘接強度評為好，當張力值小于20N/2mm方形(5N/mm2)時評為差。
撓曲強度當三點彎曲測試結果是200Mpa或更高時，撓曲強度評為好，當結果小于200MPa時，撓曲強度評為差。
從表1能看出，樣品3和樣品5至8的可焊接性能、電極粘接強度和撓曲強度都評為好。即，按本發明，通過分離其中陶瓷含量高并有高機械強度的含玻璃的絕緣層的表面區域中的玻璃組分，能有效制成帶有高的撓曲強度和優良的可焊接性能的電極的多層板。
盡管表1中沒列出，當含玻璃的絕緣層中的玻璃組分含量燒制前是60體積％或更低時，如果燒制后從表面起1μm深度內的玻璃組分含量小于60體積％，電極粘接強度會降低。
當含玻璃的絕緣層中的玻璃組分含量燒制前是60體積％或更低，并且燒制后從表面起1μm深度內的玻璃組分含量是60體積％或更高時，若用含玻璃組分的電極漿料，電極的可焊接性能會下降。因此，最好用基本上不含玻璃組分的電極漿料。
在上述實施例中，給出了通過調節燒制條件而使含玻璃的絕緣層的表面區域具有不同的玻璃組分含量的一個例子。但是，也能通過調節玻璃組成、玻璃制造條件或生片的壓接條件，來控制含玻璃的絕緣層的表面上的玻璃組分含量。
應該了解，本發明不限于上述實施例。在不脫離本發明實質精神和范圍的前提下，關于構成含玻璃的絕緣層的材料的類型和組分、含玻璃的絕緣層中的玻璃組分含量、含玻璃的絕緣層的表面區域內的玻璃組分含量、構成電極的導電組分的類型、具體的燒制條件等，均可作出各種變化。
權利要求
1.一種多層板，包括由多個含玻璃的絕緣層構成的一個疊層板，每個含玻璃的絕緣層在表面上設有電極；其中，含玻璃的絕緣層包括一個燒制層，燒制層是由包含絕緣組分和在燒制前為60體積％或更低的玻璃組分的材料制成的，在含玻璃的絕緣層的表面區域中部分玻璃組分被分離出來，并且電極由分離出來的玻璃組分粘結到含玻璃的絕緣層的表面上。
2.按權利要求1的多層板，其中，從含玻璃的絕緣層的設有電極的表面起的1μm深度內，玻璃組分含量是60至90體積％。
3.按權利要求1的多層板，其中，含玻璃的絕緣層包含玻璃—陶瓷材料，并且生的玻璃—陶瓷層包含60體積％或更低的玻璃組分。
4.按權利要求1的多層板，其中，電極包含作為主要導電組分的銀。
5.按權利要求1的多層板，其中，電極和含玻璃的絕緣層同時燒制。
6.按權利要求1的多層板，其中，在張力測試中，電極與含玻璃的絕緣層的初始粘接強度的平均值是5N/mm2或更高。
7.按權利要求1的多層板，其中，含玻璃的絕緣層的撓曲強度是200Mpa或更高。
8.按權利要求1的多層板，其中，含玻璃的絕緣層中的玻璃組分是結晶玻璃。
9.一種制造多層板的方法，該多層板包括多個含玻璃的絕緣層，每個含玻璃的絕緣層在表面上設有電極，該方法包括以下步驟在含絕緣組分和60體積％或更低的玻璃組分的生片的表面上，涂敷用于形成電極的電極漿料；疊置和壓接涂敷有電極漿料的生片，構成壓接的疊層板；和通過同時燒制生片和電極漿料對壓接的疊層板進行熱處理，使含玻璃的絕緣層的表面區域中的部分玻璃組分分離，并且電極由分離出來的玻璃組分粘接到含玻璃的絕緣層的表面上。
10.按權利要求9的多層板的制造方法，還包括調節生片中的玻璃組分含量、玻璃組成、玻璃形成條件、生片的壓接條件和燒制條件中的至少一個條件的步驟，以使從含玻璃的絕緣層的設有電極的的表面起的1μm深度內，玻璃組分含量為60至90體積％。
11.按權利要求9的多層板的制造方法，其中，含60體積％或更低的玻璃組分的生片包含玻璃—陶瓷材料。
12.按權利要求9的多層板的制造方法，其中，電極漿料包含作主要導電組分的銀。
13.按權利要求12的多層板的制造方法，其中，電極漿料不包含玻璃。
14.按權利要求12的多層板的制造方法，其中，電極漿料還包含下列至少一種材料Pb、Bi、Cr、Cu、Mn、Co和Zn。
15.按權利要求9的多層板的制造方法，其中，生片包含針織物玻璃組分的結晶玻璃。
16.按權利要求9的多層板的制造方法，其中，在熱處理壓接的疊層板的步驟之前，在壓接的疊層板的上表面和下表面中的至少一個表面上疊置一個約束層，約束層包含在壓接的疊層板的燒制溫度下不被燒結的無機材料，在這種狀態下進行燒制，然后去掉約束層。
全文摘要
一種多層板,包括由多個含玻璃的絕緣層構成的一個疊層板,每個含玻璃的絕緣層在表面上設有電極。含玻璃的絕緣層是通過燒制在燒制前包含60體積%或更低的玻璃組分的層而形成的,通過燒制在含玻璃的絕緣層的表面區域中部分玻璃組分被分離出來,并且電極借助于分離出來的玻璃組分粘結到含玻璃的絕緣層的表面上。本發明還公開了一種制造多層板的方法。
文檔編號H05K3/46GK1336790SQ0113282
公開日2002年2月20日 申請日期2001年7月17日 優先權日2000年7月21日
發明者川上弘倫 申請人:株式會社村田制作所