专利名称：抑制低温陶瓷烧结收缩的方法及抑制层的制作方法
技术领域：
本发明涉及抑制低温陶瓷烧结收缩的方法，通过一特定具凿孔的抑制层的使用，而有效抑制低温陶瓷烧结的X-Y方向的收缩，但无先前技术于烧制后所需的移除步骤或影响陶瓷表面平整度的问题，从而减少制程、降低成本，且可制得高品质、多层的陶瓷制品。
在互连式电路板中，复杂的电路通常需要将导体分别置放于许多不同的层间，并彼此以绝缘层分离。而在绝缘层中连接这些不同层间导体的通路，我们称之为通孔(via)。透过此多层的构造，可使电路更加紧密，而减小所占的空间。
在制造多层电路的方法中，美国专利第4,654,095号提供了多层陶瓷模组的制程其是在一片片未烧结的陶瓷生胚表面，以网版印刷印上以异质材料如电阻、电容或导体调成的油墨，并以通孔连接上下层电路，于适当温度与压力下将层层对位后的陶瓷生胚粘合，并藉加热去除陶瓷生胚中粘结剂与塑化剂等有机物而成为一单一结构体，以便所有陶瓷及异质材料烧结致密。此方法具有许多优点，除可一次完成烧制外，并减少了装配电子元件的时间与劳力，更可限制电子元件移动而大大减低短路的产生；然另一方面，不同材料因烧结所造成的收缩不尽相同，而难以控制烧制条件，其中X-Y方向烧结的不确定性，将使得在装配大而复杂的电路时形成错位。
目前所发展的技术是以Z方向吸收所有的收缩，达到抑制X-Y方向收缩的目的。此等技术如杜邦公司的美国专利第5,085,720号与IBM公司的美国专利第5,130,067号所揭示者，该等专利并于此处，以供参考。
美国专利第5,085,720号，是在陶瓷生胚的最上层及最底层施加一移除层形成一「三明治」结构，于脱脂及烧结过程中，视需要在此「三明治」结构表面施用单轴压力，而陶瓷生胚中因有机物质裂解所产生的气体则由上下移除层的孔隙逸散。因烧制时，移除层并不收缩，从而产生抑制陶瓷生胚X-Y方向收缩的效果。由于该移除层是全区覆盖陶瓷生胚，于烧结完后必须加上一道移除步骤，方能在陶瓷生胚的表层进行印刷及烧制导体电阻、电容，此将提高制作成本。此外，包含于移除层内的无机粘结剂对陶瓷生胚的穿透距离、接触角度及其粘度、孔隙度与孔径大小，皆会于去除移除层过程中影响陶瓷表面，使电路不易均匀地印刷于其上，造成产品不良。另，由于该移除层是加于陶瓷生胚最上层及最底层，于制造高层数(例如，大于6层)的产品时，整体应力不平均(即，上下层与中间层的应力会有实质上的差异)，而无法抑制中间层数的陶瓷生胚收缩。
美国专利第5,130,067号案揭示了三种抑制陶瓷生胚X-Y方向收缩的方法。第一种方法是于陶瓷生胚外缘施加抑制，并提供烧结时气体蒸发及氧气进入的通道；第二种方法是于整个陶瓷生胚表面使用一多孔板或施加气垫力以提供一共延伸力；第三种方法则为在烧制过程中提供一由不烧结或不收缩的多孔性接触板所形成的摩擦力，以抑制陶瓷生胚的收缩。此接触板材料是选自可在烧制时维持多孔性、不与陶瓷生胚结合并为热稳定的材料，由此使烧制时不收缩或延展，以保持结构完整性及刚性，故此接触板在烧结时仍可维持其二维结构并抑制陶瓷生胚的收缩，于烧结后再利用不伤害陶瓷表面的抛光、刮磨等方法去除此接触板。此发明的第一种方法为利用夹具产生的力量，而抑制烧结时产生的收缩，但因荷重压力分不均匀，易导致陶瓷结构收缩，进而影响导线形状及陶瓷表面平坦度，而降低品质，第二及第三种方法则需于烧制后另加上一道移除的步骤，而提高制作成本且会影响陶瓷平面的平整度。
为了解决上述问题，本发明是开发一种新颖抑制低温陶瓷烧结收缩的方法，以期节省成本并提高产品品质。
本发明另涉及一种抑制低温陶瓷烧结收缩的方法，其包含堆叠一抑制层于一具有异质材料的陶瓷生胚上方，以抑制该陶瓷生胚的收缩，其中该抑制层具有与该陶瓷生胚上所印刷的异质材料位置相对应的凿孔，且该陶瓷生胚及/或抑制层中含有粘结玻璃，或于陶瓷生胚与抑制层间另施用一粘结玻璃层。
本发明又涉及一种抑制低温陶瓷烧结收缩的方法，其包含堆叠一抑制层于一具有异质材料的陶瓷生胚上方，以抑制该陶瓷生胚的收缩，其中该抑制层具有与该陶瓷生胚上所印刷的异质材料位置相对应的凿孔，且于堆叠陶瓷生胚与抑制层后，于烧制时，另施加一Z轴的压力。
本发明再涉及一种抑制层，其是用于堆叠于一具有异质材料的陶瓷生胚上，以抑制该陶瓷生胚的收缩，其中该抑制层具有与该陶瓷生胚上的异质材料位置相对应的凿孔，使该等异质材料于陶瓷生胚与抑制层堆叠时不会被抑制层覆盖，其中，抑制层的最小边长为L，各凿孔的外接圆半径为c，相邻外接圆的间距为a，最外围凿孔与抑制层的边缘距离为b，c＜0.5L，a＞0.1c，b＞0.1c。
发明的详细说明本发明是提供一种抑制低温陶瓷烧结时X-Y方向收缩的方法，其优选应用在于与导体、电阻等元件的导电金属装配成的多层陶瓷电路上。本发明可降低陶瓷结构上的不确定性以防止结构形变所形成的错位。
本发明的陶瓷生胚是为一混合物，其包含分散于可蒸发的聚合粘结剂中的细致且分离的陶瓷固体粒与可烧结的无机粘结剂。在烧制过程中，聚合粘结剂加热至一足够温度而蒸发后，陶瓷生胚中的无机成分便开始烧结。当烧结时，具特殊多孔质的陶瓷生胚开始改变其结构，包括粒子大小的增加、孔质形状、大小与数量的改变，烧结作用通常可减少孔质而使粒子紧实。
本发明包含堆叠一抑制层于一具有异质材料的陶瓷生胚上方，以抑制该陶瓷生胚的收缩，优选是于该陶瓷生胚的上下两表面皆堆叠有抑制层成为堆叠体，其特征在于抑制层上具有与陶瓷生胚上所网印的异质材料及/或置放导体、电阻或电容的位置相对应的凿孔。
参考
图1，以打洞方式直接在最小边长为L的抑制层上形成凿孔，该凿孔可为内接于半径为c的圆内的任何形状，其中，相邻两凿孔的外接圆间距为a，最外围凿孔与抑制层边缘距离为b，c＜0.5L，a＞0.1c，b＞0.1c。于本发明中，各凿孔的外接圆半径可不相同，只要抑制层的凿孔位置与陶瓷生胚上所具有的异质材料，如导体、电阻或电容等的位置相对应，而不会于其后的堆叠过程覆盖该等异质材料即可。抑制层厚度(L1)与夹于两抑制层间的陶瓷生胚厚度(L2)相关，若其比例L2/L1约为3.1以下，则可使收缩比例达到约0.5％以下。当烧制高层数的产品时，除在整体堆叠体上下施加抑制层外，陶瓷生胚层间可另加入抑制层，使中间层数的陶瓷生胚亦可保持不收缩特性。施于陶瓷生胚层间的抑制层的厚度是不小于陶瓷生胚上所印刷的异质材料、导体、电阻或电容等的厚度(L3)，优选地，L1＝L3，以使堆叠体整体结构均匀性更佳。
本发明方法适用于烧制时，施加压力或于不施加压力时使用粘结玻璃。本发明可采用业界习用的任一方式进行施压，以于陶瓷生胚与抑制层的堆叠体上施加一垂直压力，其力是足够大使抑制层与陶瓷生胚接触，并使实质上所有的收缩发生于垂直于堆叠体表面的Z轴上，故X-Y平面的结构不因烧制而有实质上的收缩。本发明亦可采用不施压力的方式，唯此时则需施用一粘结玻璃。粘结玻璃可以粘结玻璃层的形式施用于陶瓷生胚与抑制层之间，亦可直接添加于陶瓷生胚及/或抑制层中。该直接添加使用，可于制造陶瓷生胚与抑制层时，直接加于材料中，只是需注意其用量不宜高至使抑制层产生收缩，或无法提供所欲粘结效益的程度。举例言之，当于氧化铝(Al2O3)抑制层材料中使用硼硅玻璃时，优选的硼硅玻璃施用量为1至10重量％。粘结玻璃层的形成则可经由将适当溶剂与玻璃粉粒调配成油墨，再调版印刷于陶瓷生胚或抑制层上，或以直接涂蒸镀或喷镀方式加于陶瓷生胚与抑制层间。当然，亦可于施加压力时同时施用粘结玻璃(层)。本发明可视实际制程的需要而选用不同粘结玻璃。
本发明方法可适用于生产含或不含经预烧制的耐火基质衬垫的陶瓷电路。该衬垫可为经或未经金属化的，若经金属化则可经或未经预烧制。若使用衬垫，则是先将陶瓷生胚层置于衬垫上，再于其上施加抑制层，其后将整个烧制体置于抑制模具或施加压力而后烧制，若不使用衬垫，则可施加抑制层于陶瓷生胚层上下两表面。
本发明的方法具有多种优点(1)因在烧结过程中抑制层于X-Y方向并不收缩，可通过粘结玻璃的存在或是施加压力于堆叠体上而达到抑制烧结的特性；(2)于烧制过后，不需去除抑制层，可完全避免习知技术中困移除多孔扳或接触板而影响陶瓷生胚表面平整度，由本发明揭示方法所烧制的陶瓷制品，表面极为平整，其平整度可达Ra＜0.2mm，不但可提高的后制造电容、电阻、覆晶集成电路的尺寸精准度，并节省移除过程的成本；(3)抑制层上的凿孔可作为陶瓷生胚于烧制过程中气体逸散的通孔；(4)因该抑制层的隔离，可避免陶瓷生胚与烧制模具间因相互接触而造成的污染；(5)因凿孔的存在，而可于两陶瓷生胚层间另施用抑制层，藉此制得具高层数陶瓷层的成品；(5)可直接印刷导体及电子元件于陶瓷生胚上，而烧制成品。陶瓷固体粒通用于本发明陶瓷生胚中的陶瓷固体粒，不限于特定的物质组合，只是其对于系统中的其他材料不具化学活性且具以下物理特性即可(1)其烧结温度比无机粘结剂更高；及(2)其于本发明的烧制步骤中并不烧结。本发明的一优选实施例中，该陶瓷固体粒为在烧制中不烧结的无机金属，通常为金属氧化物。在另一优选实施例中，高熔点的无机固体可为本发明中的陶瓷固体粗组成，在又一优选实施例中，具有高软化点的玻璃可作为陶瓷固体粒。此外，陶瓷固体粒的材料也可视其介电与热膨胀性质而选择。因此，符合热膨胀特性的任何基材混合物皆可成为本发明的陶瓷固体粒。无机粘结剂本发明所使用的无机粘结剂需相对于本系统中其他材料不具化学活性，且优选具有下列物理性质(1)烧结温度比陶瓷固体粒更低；及(2)在本发明的烧制温度进行粘度相烧结。适用于本发明的无机粘结剂通常为玻璃，其于烧制条件可为结晶或非结晶型态。聚合粘结剂聚合粘结剂是使无机粘结剂及陶瓷固体粒散布其中，亦可视需要于其中加入如塑化剂、抗塞剂、润湿剂等物质。本发明中适于使用任何于制造低温陶瓷的聚合粘结剂。陶瓷生胚本发明方法所使用的陶瓷生胚是为由上述陶瓷固体粗无机粘结剂、与聚合粘结剂的低介电材料系统所制得，包含玻璃与陶瓷系统及玻璃一陶瓷系统。
玻璃与陶瓷系统中陶瓷的主要成分是为氧化铝(Al2O3)，为降低氧化铝的烧结温度，与维持系统的高频特性而添加的玻璃成分，通常包含K2O、B2O3、SiO2、CaO、BaO、SrO或V2O5。
玻璃一陶瓷系统的主要成分为Mg-AlSi与Ca-AlSi系列材料，其是将原玻璃中的非晶体，通过加温过程而产生出部分的陶瓷结晶所得。抑制层抑制层的材料为任何可防止陶瓷生胚于烧结过程收缩的材料，其包含(1)高温烧结抑制层参看图2，其包含高温烧结的陶瓷薄带，如氧化铝(烧结温度＞1400℃)。一般低介电常数低温陶瓷材料烧结温度给在900℃附近，当该等低温玻璃陶瓷材料开始烧结时，因该高温烧结抑制层尚未到达其烧结温度，故本身并不收缩。此是利用该高温烧结抑制层于900℃烧结时X-Y方向不收缩的特性，以抑制低介电常数低温陶瓷材料X-Y方向的收缩。该等高温烧结抑制层的材料举例言之，如美国专利第5,085,720号中的移除层，该移除层是将非金属无机细致粒分散于可蒸发的有机基质中。只是其应用于本发明时，不需考虑无机点结剂的穿透及接触角度，更不需考虑之后的移除步骤；亦可采用美国专利第5,130,067号中的接触板材料，如铝、玻璃、未结晶的玻璃/陶瓷的孔质生板；(2)低温烧结抑制层参看图3，不同于(1)的高温烧结抑制层，该低温烧结抑制层是通过强烧结助剂的添加，使其烧结温度降低，故当低介电常数低温玻璃陶瓷材料开始烧结收缩前，该低温收缩抑制层即已完成烧结。当低温收缩抑制层开始烧结时，由于该低介电常数低温陶瓷材料在此温度区间并不收缩，可扮演如(1)中的高温烧结抑制层的角色，以抑制该低温烧结抑制层材料烧结时X-Y方向的收缩；而当温度升高到低介电常数低温陶瓷材料开始收缩时，此时已完成烧结的低温烧结抑制层已不再收缩，即可抑制低介电常数低温陶瓷材料的收缩，而可达到X-Y方向不收缩的目的。举例言之，当使用氧化铝抑制层作为该低温收缩抑制层时，该强烧结助剂可为氧化钒或其他物质，在一优选实施例中，氧化钒的施用量为1至10重量％。
抑制层的材料优选为孔质，除原具有的凿孔可提供陶瓷生胚于烧制时的挥发通孔外，气体亦可通过孔质逸散。由于抑制层于烧结时本身不收缩，通过烧结时于抑制层与陶瓷生胚间形成的粘结玻璃的粘结或经由加压方式，达到抑制陶瓷。生胚于X-Y方向不收缩的效果。粘结玻璃于本发明方法中，可视需要于陶瓷生胚与抑制层间添加粘结玻璃，以进一步结合此二者，优选是于具凿孔的抑制层上施用粘结玻璃，再将抑制层施用于陶瓷生胚上，如此，除可节省粘结玻璃用量外，粘结玻璃亦不会触及陶瓷生胚上的异质材料、导体、电阻、电容等部位。因此，故对本发明而言，该粘结玻璃是否会与陶瓷生胚或抑制层反应并不重要。在烧结过程中，粘结玻璃有部份融解而扩散到该陶瓷生胚中，而使抑制层及陶瓷生胚两种材料粘结一起。方法一般而言，可如下施用本发明的抑制低温陶瓷烧结收缩的方法(a)提供一陶瓷生胚及一抑制层，其是将原料填充至滚磨桶内，添加水于桶中并维持固体含量约60至约70重量％，通过滚磨作用使其平均粒径为约0.9至约0.7μm，进一步添加有机粘着剂(如PVA)、塑化剂(如PEG)，再利用刮刀成型制成陶瓷生胚或抑制层；(b1)于最小边长为L的抑制层上凿孔，使凿孔的外接圆半径不大于c，其中，相邻外接圆的间距为a，最外围凿孔与抑制层边缘距离为b，c＜0.5L，a＞0.1c，b＞0.1c；(b2)在该陶瓷生胚表面以网版印刷方式，印上已经调成油墨的异质材料及/或视需要在表层加入导体、电阻或电容；包括在陶瓷生胚层印刷填入导体、将所设计的电路图案印刷于该陶瓷生胚上、以及加上电阻或电容于陶瓷生胚表面，其中，该抑制层的凿孔位置是与陶瓷生胚上所印刷的异质材料、导体、电阻或电容等的位置相对应，使该等导体、电路图案、电阻或电容不会于随后的堆叠过程被抑制层覆盖；(c)在陶瓷生胚表面上印刷任何异质材料、导体、电阻或电容等的位置或该抑制层表面以网版印刷、直接涂布、喷镀、或蒸镀方式施加一粘结玻璃层；(d)堆叠该陶瓷生胚与抑制层成为一堆叠体，堆叠方式可为抑制层-(单层或多层)陶瓷生胚-抑制层-(单层或多层)陶瓷生胚-抑制层的交错方式，其中，陶瓷生胚最多占全体陶瓷生胚与抑制层的约40至约60％，可强化抑制烧结收缩的效果，并可使整体结构均匀性增加，并使烧结的层数不受限制。于制作多层陶瓷电路时，最上或/及最底层陶瓷生胚亦可堆叠一表面不具任何异质材料、导体、电阻或电容等的陶瓷生胚作为覆盖层，再加上抑制层；(e)于堆叠体上施以一Z轴的压力；(f)于足够温度与时间下烧制，以使陶瓷生胚的聚合粘结剂蒸发并烧结陶瓷生胚中的无机粘结剂，举例言之，可于约300至约350℃进行约24至约38小时加热以去除无机粘结剂，再于约850至约920℃进行约30分钟至约4小时烧结，视需要；(g)冷却烧制体；视需要；(h)在该陶瓷生胚外表面以网版印刷方式，印上已经调成油墨的电阻、电容；及视需要(i)直接依印刷电路图案裁切；其中步骤(c)与(e)是可择一或同时施加。
本发明制得的陶瓷可镀上镍/锡电镀层。并将完成后的模组，在其上层放置所需的集成电路、MLCC、Resistor SMD，并同时测定合格率。
兹以下列实施例予以详细说明本发明，只是并不意味本发明仅局限于此等实施例所揭示的内容。
将所设计的电路图案印刷于该陶瓷生胚上成为电极层。将上述已印刷的陶瓷生胚与抑制层对位热压，堆叠方式为抑制层-多层陶瓷生胚层-抑制层，其中，中间陶瓷生胚层的总厚度为L2。
本发明方法所使用的烧制条件为于约300℃进行约24至约38小时加热以去除无机粘结剂，再于约880℃进行约30分钟烧结，关去炉火冷却，烧结后的熟胚可直接依印刷电路图案裁切。
依不同的L1与L2量测陶瓷生胚X-Y方向收缩的结果如下表1所示表1
实施例2其制作方法与实施例1相似，制得厚度为约300μm的陶瓷生胚及厚度分别为约145μm及约10μm的抑制层。
将上述陶瓷生胚与抑制层对位堆叠，堆叠方式为抑制层(145μm)-(m+1)层陶瓷生胚与m层抑制层(10μm)交叠-陶瓷生胚层-抑制层(145μm)。
依不同的m值量测陶瓷生胚X-Y方向收缩的结果如下表的所示表2
实施例3其制作方法与实施例1相似，制得厚度为约800μm的陶瓷生胚及厚度为约250μm的抑制层，其中抑制层中含n％的硼硅玻璃。
依不同的n值量测陶瓷生胚X-Y方向收缩的结果如下表3所示表3
上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非限制本发明。因此，习于此技术的人士对上述实施例所做的修改及变化仍不违背本创作的精神。本发明的权利范围应如后述的权利要求书所列。
权利要求
1.一种抑制陶瓷烧结收缩的方法，其包含堆叠一抑制层于一具有异质材料的陶瓷生胚上方，以抑制该陶瓷生胚的收缩，其特征在于抑制层是具有与该陶瓷生胚上的异质材料位置相对应的凿孔，使该等异质材料于陶瓷生胚与抑制层堆叠时不会被抑制层覆盖，其中，抑制层的最小边长为L，各凿孔的外接圆半径为c，相邻外接圆的间距为a，最外围凿孔与抑制层的边缘距离为b，c＜0.5L，a＞0.1c，b＞0.1c。
2.根据权利要求1所述的方法，其中于陶瓷生胚与抑制层间另施用一粘结玻璃层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中该粘结玻璃包含硼硅玻璃。
4.根据权利要求1所述的方法，其中是于该陶瓷生胚及/或抑制层中含有粘结玻璃。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该抑制层包含1至10重量％的粘结玻璃。
6.根据权利要求4所述的方法，其中该抑制层包含1至6重量％的粘结玻璃。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该抑制层为烧结温度高于该陶瓷生胚的高温烧结抑制层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中该高温烧结抑制层材料包含Al2O3。
9.根据权利要求1所述的方法，其中该抑制层为烧结温度低于该陶瓷生胚的低温烧结抑制层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该低温烧结抑制层材料包含1至10重量％的可降低抑制层烧结温度的强烧结助剂。
11.根据权利要求10所述的方法，其中该强烧结助剂为氧化钒。
12.根据权利要求1所述的方法，其是于该陶瓷生胚下方施加该抑制层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中于二抑制层间的陶瓷生胚总厚度(L2)与抑制层厚度(L1)的比值(L2/L1)是小于3.5。
14.根据权利要求12所述的方法，其中最上层及最下层的具异质材料的该陶瓷生胚与该抑制层间包含一不具异质材料的陶瓷生胚。
15.根据权利要求1所述的方法，其中于堆叠陶瓷生胚与抑制层后，于烧制时，另于其上方施加一Z轴的压力。
16.根据权利要求1所述的方法，其中陶瓷生胚与抑制层是以抑制层-(单层或多层陶瓷生胚-抑制层-单层或多层陶瓷生胚)n一抑制层的交错方式堆叠，其中n为整数。
17.根据权利要求1所述的方法，其中抑制层的厚度(L1)是不小于陶瓷生胚上方所印刷的异质材料、导体、电路或电容等的厚度(L3)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中L1＝L3。
19.根据权利要求1所述的方法，其中陶瓷生胚占全体陶瓷生胚与抑制层的40至60％。
20.一种抑制层，其是用于堆叠于一具有异质材料的陶瓷生胚上，以抑制该陶瓷生胚的收缩，其特征在于该抑制层是具有与该陶瓷生胚上的异质材料位置相对应的凿孔使该等异质材料于陶瓷生胚与抑制层堆叠时不会被抑制层覆盖，其中，抑制层的最小边长为L，各凿孔的外接圆半径为c，相邻外接圆的间距为a，最外围凿孔与抑制层的边缘距离为b，c＜0.5L，a＞0.1c，b＞0，1c。
全文摘要
本发明主要涉及一种抑制低温陶瓷烧结收缩的方法，其包含堆叠一抑制层于一具有异质材料的陶瓷生胚上方以抑制该陶瓷生胚的收缩，其特征在于该抑制层具有与该陶瓷生胚上的异质材料位置相对应的凿孔，使该等异质材料于陶瓷生胚与抑制层堆叠时不会被抑制层覆盖，其中，抑制层的最小边长为L，各凿孔的外接圆半径为c，相邻外接圆的间距为a，最外围凿孔与抑制层的边缘距离为b，c＜0.5L，a＞0.1c，b＞0.1c。
文档编号C04B35/64GK1446775SQ02107820
公开日2003年10月8日 申请日期2002年3月21日 优先权日2002年3月21日
发明者李文熙, 苏哲仪, 李俊德, 饶瑞珠 申请人:飞天科技股份有限公司