JP2500691B2 - 低温焼結性低誘電率無機組成物 - Google Patents

低温焼結性低誘電率無機組成物

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JP2500691B2 JP1218707A JP21870789A JP2500691B2 JP 2500691 B2 JP2500691 B2 JP 2500691B2 JP 1218707 A JP1218707 A JP 1218707A JP 21870789 A JP21870789 A JP 21870789A JP 2500691 B2 JP2500691 B2 JP 2500691B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は低温焼結性低誘電率無機組成物に関し、さら
に詳しくは、主として超高速VLSI素子を実装する多層セ
ラミック配線基板に用いられ、1000℃以下の低温での焼
結が可能で、誘電率の低い無機組成物に関するものであ
る。
[従来の技術] 従来、ICやLSI等の半導体素子はガラスエポキシ等の
プリント回路基板あるいはアルミナセラミック基板に実
装されていたが、半導体素子の高集積化、微細化、高速
化に伴い、実装用基板に対しても高密度微細配線化、高
速伝送化、高周波数化、高熱放散化の要求が増えてき
た。従来のプリント基板には、スルーホールメッキ性、
加工性、多層化接着、高温での熱変形等の問題があり、
高密度化には限界がある。そのため、高密度実装基板と
しては未だ実用化には至っておらず、セラミック基板の
ほうが可能性を秘めている。
しかし、アルミナ基板も、1500℃以上の高温で焼結し
なければならないため、同時焼成される配線導体材料と
しては比較的抵抗の高いW、Mo等の高融点金属に限定さ
れる。したがって、パルス信号の伝送損失を考慮に入れ
た場合、配線パターンの微細化には限界が生じてしま
う。
そこで開発されたのが低温焼結性多層セラミック基板
である。絶縁材料としては、アルミナとガラスの複合材
料系や結晶化ガラス系等があるが、いずれも1000℃以下
で焼結するため、配線導体材料として比抵抗の低いAu、
Ag−Pd、Cu等の低融点金属を用いることができる。ま
た、グリーンシート多層化法を使うことができるため、
高密度微細配線化に非常に有利である。
[発明が解決しようとする課題] 一方、高速伝送化に対しては、パルス信号の伝播遅延
時間が基板材料の誘電率の平方根に比例するため、基板
材料の低誘電率化が必要不可欠となる。ところが、アル
ミナ基板(誘電率=約10)はもちろんのこと、最近開発
されている低温焼結性セラミック基板もアルミナに比べ
低いものの、十分な低誘電率化は図られておらず高速化
に対してまだ改善する必要がある。
例えば、特公昭61−210195号公報および同61−218407
号公報に示される低温焼結性低誘電率無機組成物でも、
セラミック材料として誘電率の低いコーディエライト、
石英ガラス、水晶(α−石英)が用いられているにもか
かわらず、ガラスの誘電率が高い分、低誘電率化は不十
分である。
本発明の目的はこのような従来の問題点を解決して、
十分低い誘電率を有し、かつ1000℃以下の低温焼成が可
能な高密度実装多層セラミック基板の絶縁層用無機組成
物を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 本発明は、セラミック材料のコーディエライト、石英
ガラスおよびホウケイ酸系ガラスからなる3成分系無機
組成物であって、ホウケイ酸系ガラスは、酸化物換算表
記に従ったとき、主成分が酸化ケイ素:75〜85重量%、
酸化ホウ素:15〜20重量%、酸化アルミニウム:0.1〜5
重量%、I族元素酸化物:0.1〜5重量%、II族元素酸化
物:0.1〜1重量%、酸化チタン:0〜0.05重量%の組成範
囲で、合計量が100重量%になるように構成されてお
り、かつコーディエライト:X、石英ガラス:Y、ホウケイ
酸系ガラス:Z(重量%比率)と表示したとき(X+Y+
Z=100)、この3成分系組成図において以下の組成
点、 (X=0、Y=0、Z=100) (X=45、Y=0、Z=55) (X=0、Y=45、Z=55) の各点を結ぶ線上、およびこの3点に囲まれる組成範囲
にあることを特徴とする低温焼結性低誘電率無機組成物
である。
本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物は、例えば次
のような材料や方法によって製造できる。即ち、ホウケ
イ酸系ガラスの調整に当たっては、目標組成となるよう
に各成分の原料を秤量してバッチを作製し、このバッチ
を1400℃以上の高温で2〜4時間加熱、溶解し、ガラス
化させる。溶解ガラスを水冷、あるいは厚い鉄板上に流
してフレーク状に成形し、得られたガラス片をアルミナ
ボールミル等で微粉砕し、平均粒径0.5〜3μmのガラ
ス粉末を得る。一方、コーディエライトや石英ガラスも
粉砕により平均粒径0.5〜5μmの微粉末とする。
前記方法で得られたガラス粉末に、前記コーディエラ
イトや石英ガラス粉末を目標組成となるように配合し、
ボールミル等で1〜3時間混合し、ホウケイ酸系ガラス
粉末とコーディエライト、石英ガラス粉末との均質な混
合粉末、即ち本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物を
得る。なお、この際用いられるホウケイ酸系ガラス粉末
は明確化のため酸化物に換算表記したが、鉱物、酸化
物、炭酸塩、水酸化物等の系で、通常の方法により使用
してもよい。
さらに、前記によって得られた本発明の粉末状無機組
成物は、例えばグリーンシート積層法により成形され
る。即ち、粉末にビヒクルを添加混合し、高速ミキサー
やボールミル等を用い十分混練、均一に分散させてスラ
リーを調製し、これをスリップキャスティング法により
絶縁層を形成するのに適した膜厚のグリーンシートとす
る。なお、バインダや溶剤等の有機ビヒクル類は通常用
いられているもので十分であり、成分については何等限
定を要しない。
次に、上下導体を接続するスルーホールをシートに形
成した後、導体印刷をスルーホールに導体ペーストが詰
まるように印刷し、これらを所望の多層構造となるよう
に積層、熱圧着する。成形時に添加された有機ビヒクル
を除去した後、焼成すると多層セラミック配線基板が得
られる。
次に、本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物のホウ
ケイ酸系ガラス粉末、コーディエライトおよび石英ガラ
ス粉末の組成や、ホウケイ酸系ガラス粉末の組成につい
てそれぞれの範囲を特許請求の範囲に記したごとく限定
した理由について述べる。
本発明に係る低温焼結性低誘電率無機組成物の成分組
成範囲を示す3成分系組成図を第1図に示す。図中、
(a),(b)および(c)は各組成点を表し、本発明
に含まれる組成範囲は図の斜線で示す範囲およびその境
界上である。
成分組成範囲を表す3成分系組成図において、Z(ホ
ウケイ酸系ガラス重量比率)が55未満の本発明の範囲に
含まれない領域では、1000℃以下での低温焼結が困難
で、かつ緻密な層が得られないため吸水が起こり、信頼
性が低下してしまう。
次に、本発明に係る低温焼結性低誘電率無機組成物の
主成分の一つであるホウケイ酸系ガラス粉末の組成につ
いて述べれば、酸化ケイ素および酸化ホウ素はいずれも
ガラスのネットワークフォーマーである。酸化ケイ素が
85重量%を超えると、ガラス化が困難で、たとえ溶解し
てもガラスの軟化点は高く、低温での焼成が難しくな
る。逆に75重量%未満ではガラスの軟化点が低くなり過
ぎたり、他の成分の増加に伴って結晶化が起こり、重要
な実装基板特性の一つである熱膨張係数に悪影響をおよ
ぼすクリストバライト等が析出し易くなったり、あるい
は最も重要な特性である誘電率が上昇してしまう。一
方、酸化ホウ素の場合、20重量%を超えると、急激にガ
ラスの軟化点は下がり、熱処理時の変形や反りが起こり
易くなる。また、15重量%未満では、酸化ケイ素の量が
多い分軟化点を下げる必要があるのに効果がなく、酸化
ケイ素の結晶化抑制作用も不十分となる。他の成分は、
ガラスの溶解性あるいは安定性を制御するために、いず
れも微量ずつ加えられているが、多すぎると誘電率や熱
膨張係数は上昇してしまう。したがって、ホウケイ酸系
ガラス粉末における酸化ケイ素と酸化ホウ素の比率が本
発明において最も重要な意味を持っている。
[実施例] 以下、実施例および比較例により、本発明を詳細に説
明する。なお、実施例および比較例中の%表示は特に断
わりがない限り、すべて重量基準であるものとする。
実施例1〜26、比較例1〜4 第1表に示すような組成を有するガラス粉末を製造
し、更にアルコールを分散媒として48時間湿式粉砕し
た。これをふるいで整粒した後、アルコールを濾過、乾
燥させ、平均粒径1.9μm、BET比表面積12m2/gの粒度を
有するガラス粉末を得た。
次に、これらのガラス粉末と、平均粒径が2.6μm、B
ET比表面積が5m2/gのコーディエライト粉末および平均
粒径が3.7μm、BET比表面積が6m2/gの石英ガラス粉末
をそれぞれ第2表に示す比率で配合した。配合は、それ
ぞれの粉末を所定量秤量し、ボールミルで分散媒として
アルコールを用い3時間混合した後、アルコールを濾
過、乾燥させ、均質な混合粉末とした。
得られた無機組成物の評価はグリーンシート積層法に
より作製した印刷を施していない生積層体を切断、電気
炉中で有機ビヒクルの除去後焼成した試料を用い行っ
た。なお、本発明の組成範囲の試料は、空気中800〜100
0℃の温度で2時間焼成した。評価として、焼結温度
(吸水が起こらなくなる温度、即ち開空隙が消滅する温
度と定義した)、誘電率、絶縁抵抗、熱膨張係数
の測定を各々の試料について行った。吸水のチェック
は、試料を水中に入れて煮沸し、十分水を含ませた重量
と乾燥重量との差から行った。誘電率は1MHzで測定し
た。なお、電極は試料の上下面に導電性銀ペーストを塗
布後、600℃で焼き付けた。絶縁抵抗は印加電圧100Vで
測定した。熱膨張係数は室温〜250℃までの試料の伸び
から算出した。
このようにして得られた無機組成物のコーディエライ
ト、石英ガラスおよびホウケイ酸系ガラスの配合比率と
焼結温度、誘電率、絶縁抵抗および熱膨張係数の関係を
第2表に示す。
第2表から明らかなように、コーディエライト、石英
ガラスおよびホウケイ酸系ガラスからなる3成分系無機
組成物において、本発明の成分組成範囲内のもの(実施
例〜26)は、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な構造
となる温度、即ち焼結温度が1000℃以下で、誘電率も4.
04〜4.83と十分低く、絶縁抵抗がいずれも1013Ω・cm以
上と高く、絶縁性も保持されている。更に、熱膨張係数
も、13.7〜45.2×10-7/℃と低いことから、ガラスの結
晶化による高熱膨張性結晶クリストバライトの析出は起
こっていないことがわかる。
一方、本発明の成分組成範囲外のもの(比較例1〜
4)は焼結温度が高く、1000℃以下の焼成では開空隙の
残留により一見誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低く、
信頼性の面で問題がある。
実施例27〜52、比較例5〜8 第3表に示す組成のガラスを平均粒径2.0μm、BET比
表面積11m2/gの粉末粒度に調製した。
これらのガラス粉末とコーディエライトおよび石英ガ
ラス粉末を第4表に示す配合比率で、実施例1〜26と同
様の方法で試料を作成、評価した。その結果を第4表に
示す。
第4表から明らかなように、コーディエライト、石英
ガラスおよびホウケイ酸系ガラスからなる3成分系無機
組成物において、本発明の成分組成範囲内のもの(実施
例27〜52)は、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な構
造となる温度、即ち焼結温度が1000℃以下で、誘電率も
3.98〜4.80と十分低く、絶縁抵抗がいずれも1013Ω・cm
以上と高く、絶縁性も保持されている。更に、熱膨張係
数も12.4〜43.9×10-7/℃と低いことから、ガラスの結
晶化による高熱膨張性結晶クリストバライトの析出は起
こっていないことがわかる。
一方、本発明の成分組成範囲外のもの(比較例5〜
8)は焼結温度が高く、1000℃以下の焼成では開空隙の
残留により一見誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低く信
頼性の面で問題がある。
なお、実施例および比較例で用いた成分配合比におけ
る各組成点を第2図に示す。図中の番号1,2,……,30は
それぞれ第2表および第4表における成分配合比番号に
相当する。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明の低温焼結性低誘電率無
機組成物は、低温焼結性や絶縁特性、耐水性等の信頼性
を維持しながら、従来のアルミナ、ガラスセラミック
系、、結晶化ガラス系よりも低い誘電率を有するもので
ある。したがって、超高速VLSI素子実装用多層セラミッ
ク配線基板の提供が可能となり、実装の高密度化や高速
伝送化の向上に大きく寄与できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の3成分系組成範囲を示す組成図、第2
図は本発明の3成分系組成範囲と実施例および比較例に
示した組成点との関係を示す図である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミック材料のコーディエライト、石英
    ガラスおよびホウケイ酸系ガラスからなる3成分系無機
    組成物であって、ホウケイ酸系ガラスは、酸化物換算表
    記に従ったとき、主成分が酸化ケイ素:75〜85重量%、
    酸化ホウ素:15〜20重量%、酸化アルミニウム:0.1〜5
    重量%、I族元素酸化物:0.1〜5重量%、II族元素酸化
    物:0.1〜1重量%、酸化チタン:0〜0.05重量%の組成範
    囲で、合計量が100重量%になるように構成されてお
    り、かつコーディエライト:X、石英ガラス:Y、ホウケイ
    酸系ガラス:Z(重量%比率)と表示したとき(X+Y+
    Z=100)、この3成分系組成図において以下の組成
    点、 (X=0、Y=0、Z=100) (X=45、Y=0、Z=55) (X=0、Y=45、Z=55) の各点を結ぶ線上、およびこの3点に囲まれる組成範囲
    にあることを特徴とする低温焼結性低誘電率無機組成
    物。
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