JP3166850B2 - 低温焼成ガラスセラミックスとその製造方法 - Google Patents
低温焼成ガラスセラミックスとその製造方法Info
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Description
Au、AgやCu等と同時焼成が可能な低温焼成無機組
成物に関するものであり、特にマイクロ波及びミリ波帯
領域の周波数において低い誘電率及び低い誘電損失を有
し、マイクロ波及びミリ波回路用多層配線基板の絶縁層
として好適な低温焼成ガラスセラミックスに関するもの
である。
板は、配線の多層化、微細配線による高密度化、小型化
が可能であり、低抵抗であるAu、AgやCuといった
導体を配線材料に選択でき、絶縁層の低誘電率化によっ
て信号伝播の高速化が可能なこと等から、電子機器の高
性能化に有効な手段として開発が進められてきた。更
に、キャビティ構造やヴィアホールの高密度配置による
高周波アナログ回路の電磁気的シールドが可能であるこ
とから、複数のMMICを実装したモジュールの小型
化、高性能化が可能であり、マイクロ波帯領域の高周波
アナログ回路を含む通信機器モジュール等の開発が行わ
れてきた。
含む通信機器の分野においては、マイクロ波領域ばかり
ではなく更に高周波領域であるミリ波帯のシステム利用
が期待されてきている。このような超高周波領域のアナ
ログ回路を搭載するモジュールにおいては、信号の伝送
損失を抑えることが必須であり、したがって、ガラスセ
ラミックス多層配線基板には、絶縁層材料の更なる低誘
電損失化、導体材料の低抵抗化が求められている。
焼成可能、すなわちAu、Ag、Cuといった低抵抗導
体の同時焼成による内装化、多層化が可能であり、マイ
クロ波及びミリ波領域の周波数において低誘電率かつ低
誘電損失の高周波アナログ回路搭載用多層配線基板の絶
縁層に好適な低温焼成ガラスセラミックスを提供するこ
とにある。
温焼成ガラスセラミックスにおける上記課題を解決する
為に、種々のガラス組成の検討を行った結果、SiO2
−CaO−Al2O3系ガラスは、一定組成範囲におい
て、各種セラミックスとの複合体乃至は単体で、100
0℃以下の焼成温度で焼結可能であるとともに、焼成過
程で結晶化して低誘電率、低誘電損失を示すことを見い
だした。
(1) 酸化物換算にしてSiO210〜45重量%、
CaO20〜50重量%、Al2O320〜45重量
%、MgO0.1〜5重量%、SrO0.1〜5重量
%、BaO0.1〜5重量%、TiO20.1〜5重量
%、ZnO0.1〜5重量%、ZrO20.1〜5重量
%、及び1A族元素酸化物0〜3重量%からなる組成を
有するSiO2−CaO−Al2O3系ガラスであっ
て、800〜1000℃の焼成温度の焼成過程において
緻密化することを特徴とする低温焼成ガラスセラミック
ス、(2) SiO2−CaO−Al2O3系ガラス中
にセラミックス粒子が分散した複合体であって、該ガラ
スが酸化物換算にしてSiO210〜45重量%、Ca
O20〜50重量%、Al2O320〜45重量%、M
gO0.1〜5重量%、SrO0.1〜5重量%、Ba
O0.1〜5重量%、TiO20.1〜5重量%、Zn
O0.1〜5重量%、ZrO20.1〜5重量%、及び
1A族元素酸化物0〜3重量%からなる組成を有すると
ともに、800〜1000℃の焼成温度の焼成過程にお
いて緻密化することを特徴とする低温焼成ガラスセラミ
ックス、(3) 前記1A族元素酸化物が、Na2O、
K2O、及びLi2Oから選ばれる1種類以上であるこ
とを特徴とする、上記(1)項又は(2)項に記載の低
温焼成ガラスセラミックス、(4) 前記複合体中の前
記セラミックス粒子の比率が、重量比率にして10〜5
0重量%であることを特徴とする、上記(2)項又は
(3)項に記載の低温焼成ガラスセラミックス、(5)
前記セラミックス粒子が、Al2O3(Alumina)、
SiO2(Silica)、Mg2Al4Si5O18(Cord
ierite)、Mg2SiO4(Forsterite)及びAl6S
i2O13(Mullite)から選ばれる1種類以上である
ことを特徴とする、上記(2)、(3)乃至(4)項の
いずれか1項に記載の低温焼成ガラスセラミックス、
(6) 前記焼成過程においてCaAl2SiO6、C
a3Si2O7(Rankinite)、CaSiO3(Wollast
onite)、及びAl6Si2O13(Mullite)のうち、
いずれか1種類以上の結晶が析出することを特徴とす
る、上記(1)、(2)、(3)、(4)乃至(5)項
のいずれか1項に記載の低温焼成ガラスセラミックス、
(7) (A)重量百分率で、SiO2ーCaO―Al
2O3系ガラス粉末50〜100重量%、セラミックス
粉末0〜50重量%からなる混合粉末よりグリーンシー
トを作製する成膜工程と、(B)前記グリーンシートを
積層して、熱プレスすることにより一体化する積層工程
と、(C)前記積層工程を経て得られた積層体を800
〜1000℃の温度範囲で焼成して焼結体を作製する焼
成工程とを有する低温焼成ガラスセラミックスの製造方
法であって、該ガラスが酸化物換算にしてSiO210
〜45重量%、CaO20〜50重量%、Al2O32
0〜45重量%、MgO0.1〜5重量%、SrO0.
1〜5重量%、BaO0.1〜5重量%、TiO20.
1〜5重量%、ZnO0.1〜5重量%、ZrO20.
1〜5重量%、及び1A族元素酸化物0〜3重量%から
なる組成を有することを特徴とする低温焼成ガラスセラ
ミックスの製造方法、(8) 前記1A族元素酸化物
が、Na2O、K2O、及びLi2Oから選ばれる1種
類以上であることを特徴とする、上記(7)項に記載の
低温焼成ガラスセラミックスの製造方法、(9) 前記
セラミックス粒子が、Al2O3(Alumina)、SiO
2(Silica)、Mg2Al4Si5O18(Cordierit
e)、Mg2SiO4(Forsterite)、CaAl2Si
O7、Ca3Si2O7(Rankinite)、CaSiO3
(Wollastonite)、及びAl6Si2O13(Mullit
e)から選ばれる1種類以上であることを特徴とする、
上記(7)又は(8)項に記載の低温焼成ガラスセラミ
ックスの製造方法、(10) 前記焼成工程においてC
aAl2SiO6、Ca3Si2O7(Rankinite)、
CaSiO3(Wollastonite)、及びAl6Si2O
13(Mullite)のうち、いずれか1種類以上の結晶が
析出することを特徴とする、上記(7)、(8)乃至
(9)項ののいずれか1項に記載の低温焼成ガラスセラ
ミックスの製造方法、にある。
れば、低抵抗導体を配線材料とする高周波特性に優れた
多層配線基板を得ることが可能となる。
スは、酸化物換算にしてSiO210〜45重量%、C
aO20〜50重量%、Al2O320〜45重量%、
MgO0.1〜5重量%、SrO0.1〜5重量%、B
aO0.1〜5重量%、TiO20.1〜5重量%、Z
nO0.1〜5重量%、ZrO20.1〜5重量%及び
1A族元素酸化物0〜3重量%からなる組成を有するS
iO2−CaO−Al2O3系ガラス乃至は上記ガラス
にセラミックス粒子が分散した複合体からなることを特
徴とする。該組成のSiO2−CaO−Al2O3系ガ
ラスは単体乃至はセラミックス粒子との複合体で800
〜1000℃の温度において焼成が可能であり、Au、
Ag、Cuといった低融点低抵抗導体を内層配線材料と
する多層配線基板を作製することが可能となる。また、
該組成のSiO2−CaO−Al2O3系ガラスは低い
誘電率と低誘電損失である特性を併せ持ち、高周波回路
搭載用多層配線基板の絶縁層には好適である。
ガラスは前述の組成範囲において1000℃以下の温度
での焼成が可能となるが、特にMgO、SrO、Ba
O、TiO2、ZnO及びZrO2をそれぞれ0.1〜
5重量%添加すると軟化点が低くなり、焼成可能な温度
域が低くなり、低温焼成には好適である。しかしなが
ら、これらの多量な添加は本発明の低温焼成ガラスセラ
ミックスの一つの特徴である低誘電損失を損ない、誘電
損失を増大させることになる。従って、その添加量はそ
れぞれ5重量%以下である必要がある。一方、添加量を
少なくすると焼成可能な温度が高くなり、1000℃以
下の焼成を困難にする。従って、その添加は0.1重量
%以上が必要である。特に、0.5重量%以上2重量%
以下の添加は、焼成可能な温度を900℃前後とするこ
とが可能となり、好適である。
よりガラスの軟化点を低下させる効果が著しく、焼成温
度を低下させるのには有効であるが、誘電損失の増大も
大きい。従って、その添加は3重量%以下である必要が
あり、好適には1重量%以下の添加が望ましい。
ス粒子との複合体として用いると、セラミックス粒子の
選別により材料強度の強化、誘電率、誘電損失や熱膨張
率の変更が可能となり有用であるが、その比率はセラミ
ックス粒子50重量%以下であることが望ましい。それ
以上の比率では1000℃以下での焼成が著しく困難と
なるからである。更に10重量%以上30重量%以下の
配合比率が、材料強度の強化には有効であることから好
適である。また、該セラミックス粒子は、アルミナ、シ
リカ、ムライト、コーディエライト、フォルステライト
等何れでも良いが、低誘電率、低誘電損失であるもの
が、誘電特性を劣化させないために好ましい。
0℃の温度範囲での焼成過程においてCaAl2SiO
6、Ca3Si2O7(Rankinite)、CaSiO3(W
ollastonite)、乃至はAl6Si2O13(Mullite)
の結晶を析出する。これら結晶の析出はガラス組成、焼
成条件により状態が異なるが、誘電損失の低減、材料強
度の強化には有効に作用する。
いて多層配線基板を製造する場合、グリーンシート積層
法が有効である。平均粒径がサブミクロンから数ミクロ
ン程度である上記した組成のガラス粉末と可塑剤、バイ
ンダーを分散媒となる溶剤に添加、混合してスラリーと
し、これをスリップキャスティング成膜法等によりグリ
ーンシートとする。ガラス粉末の粒径は、焼成温度、焼
成前後の収縮率、前述のスラリー作製時における各種有
機ビヒクルの添加量等と関係してくるが、平均粒径1〜
3μm程度が取り扱い易い。また、本発明の低温焼成ガ
ラスセラミックスをセラミックス粒子との複合体として
使用する場合は、添加するセラミックス粒子は平均粒径
をサブミクロンから数ミクロンとして用いて良いが、前
述のガラス粉末と同様、その粒径が各種因子に影響す
る。平均粒径が0.5〜2μm程度であると、材料強度
に有効であり好適である。グリーンシートにヴィア導体
や回路、キャビティ等を形成して、これら加工したグリ
ーンシートを積層して熱プレスを行って一体化した後、
800〜1000℃の温度範囲で焼成することにより多
層配線基板を得ることができる。この焼成過程において
上記組成のガラスは、焼成条件やガラス組成等により異
なるが、各種結晶を析出する。これにより、更に絶縁層
の低損失化、基板強度の強化が可能となり、高周波回路
搭載に好適な多層配線基板を得ることが可能となる。
が、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に
限定されるものではない。
成を有するガラスを製造し、アルコールを分散媒として
湿式粉砕を行った。アルコールを濾過乾燥した後、製粒
して平均粒径1μmの粒度を有するガラス粉末Aを得
た。同様に表1の組成、に示すような組成のガラス
を製造、製粒し、平均粒径1μmのガラス粉末B及びC
を得た。これらガラス粉末A、B及びCにそれぞれ有機
バインダー、可塑剤、分散媒となる溶剤を添加した後、
ボールミルで十分混練し、粘度3000〜10000c
psのスラリーを作製した。尚、有機バインダー、可塑
剤、溶媒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、その成分については特に限定を要しな
い。得られた各スラリーをスリップキャスティング成膜
法により100μmの厚みのグリーンシートとした。作
製した各グリーンシートをそれぞれ積層、熱プレスする
ことによりグリーンシート積層体A、B及びCとし、積
層体A及びBを900℃、積層体Cを1000℃で焼成
し、焼成体A、B及びCを得た。ここでグリーンシート
積層体A、B、Cと焼成体A、B、Cはガラス粉末A、
B、Cに対応する。各焼成体をX線回折法による結晶相
の同定を行ったところ、焼成体Aからは Rankinite、Wo
llastonite、CaAl2SiO6が同定された。同様に
焼成体Bからは Mullite 及びCaAl2SiO6が、
焼成体CからはCaAl2SiO6が同定された。ま
た、各焼成体の誘電特性は、各焼成体を直径約12m
m、高さ約5mmの円柱状に加工し、空洞共振器法によ
り誘電率、誘電正接を測定することで評価を行った。焼
成体A、B、Cの10GHz帯における誘電率は、それ
ぞれ 6、7、7、誘電正接は、それぞれ 0.001で
あり、低誘電率、低誘電損失であることが確認された。
するガラスを製造し、実施例1と同様の工程にて、平均
粒径約2μmの粒度を有するガラス粉末Dを得た。次
に、平均粒径1μmのコーディエライト粉末を、コーデ
ィエライト20重量%、ガラス粉末D80重量%となる
ように秤量し、分散媒としてアルコールを用い、ボール
ミルで3時間混合した後、アルコールを濾過乾燥させて
均質な混合粉末Dとした。同様に、表1の組成に示す
組成を有するガラス粉末E80重量%と平均粒径1μm
の非晶質石英粉末20重量%とからなる均質な混合粉末
Eを得た。これら混合粉末D、Eから、実施例1と同様
の工程にてグリーンシート積層体D、Eを作製し、それ
ぞれ950℃の焼成温度にて焼成を行い、焼成体D、E
を得た。空洞共振器法を用いて誘電特性を評価したとこ
ろ、10GHz帯において焼成体D、Eの誘電率は、そ
れぞれ5.5、6、誘電正接はそれぞれ0.001、
0.001であり、低誘電率、低誘電損失であることが
確認された。
するガラスを作製し、実施例1と同様の工程にて、平均
粒径約1μmの粒度を有するガラス粉末とした。次に上
記ガラス粉末が70重量%、平均粒径約1μmのアルミ
ナ粉末が30重量%となるように秤量し、分散媒として
エタノールを用い、ボールミルで3時間混合した後、エ
タノールを濾過乾燥させて均質な混合粉末とした。得ら
れた混合粉末に有機バインダー、可塑剤、分散媒となる
溶剤を添加した後、ボールミルで十分混練して粘度が約
5000cpsのスラリーとし、スリップキャスティン
グ成膜法により厚み約100μmのグリーンシートを作
製した。作製したグリーンシートを所定の形状に打ち抜
いた後、各グリーンシートの所定の位置にヴィアホール
を形成し、該ヴィアホールにAuペーストを埋め込ん
だ。また、各グリーンシート上にAuペーストをスクリ
ーン印刷法により印刷することにより配線パターンを形
成した。配線導体としてはAuペーストの他に、Cuペ
ースト、CuOペースト、Agペースト、必要に応じて
PdやPtを添加したAgペースト等も用いられる。こ
うして作製されたグリーンシートを積層、熱プレスによ
り一体化して積層体を得た。該積層体を大気中、900
℃にて焼成して多層配線基板を得た。得られた多層配線
基板のマイクロストリップ線路部にて伝送特性を評価し
たところ、30GHzにおいて損失が0.1dB/mm
であり、高周波アナログ回路の搭載に適した多層配線基
板が得られたことが確認された。
ラスセラミックスによれば、1000℃以下の温度で焼
成可能、すなわちAu、Ag、Cuといった低抵抗導体
の同時焼成による内装化が可能であり、かつマイクロ
波、ミリ波領域の周波数帯において低誘電率かつ低誘電
損失な絶縁層を有する高周波アナログ回路の搭載に好適
な多層配線基板を提供することができる。
Claims (10)
- 【請求項1】 酸化物換算にしてSiO210〜45重
量%、CaO20〜50重量%、Al2O320〜45重
量%、MgO0.1〜5重量%、SrO0.1〜5重量
%、BaO0.1〜5重量%、TiO20.1〜5重量
%、ZnO0.1〜5重量%、ZrO20.1〜5重量
%、及び1A族元素酸化物0〜3重量%からなる組成を
有するSiO2−CaO−Al2O3系ガラスであって、
800〜1000℃の焼成温度の焼成過程においてCa
Al 2 SiO 6 、Ca 3 Si 2 O 7 (Rankinit
e)、CaSiO 3 (Wollastonite)、乃
至はAl 6 Si 2 O 13 (Mullite)の結晶を析出し
て緻密化することを特徴とする低温焼成ガラスセラミッ
クス。 - 【請求項2】 SiO2−CaO−Al2O3系ガラス
中にセラミックス粒子が分散した複合体であって、該ガ
ラスが酸化物換算にしてSiO210〜45重量%、C
aO20〜50重量%、Al2O320〜45重量%、
MgO0.1〜5重量%、SrO0.1〜5重量%、B
aO0.1〜5重量%、TiO20.1〜5重量%、Z
nO0.1〜5重量%、ZrO20.1〜5重量%、及
び1A族元素酸化物0〜3重量%からなる組成を有する
とともに、800〜1000℃の焼成温度の焼成過程に
おいて緻密化することを特徴とする低温焼成ガラスセラ
ミックス。 - 【請求項3】 前記1A族元素酸化物が、Na2O、K
2O、及びLi2Oから選ばれる1種類以上であること
を特徴とする請求項1又は2記載の低温焼成ガラスセラ
ミックス。 - 【請求項4】 前記複合体中の前記セラミックス粒子の
比率が、重量比率にして10〜50重量%であることを
特徴とする請求項2又は3記載の低温焼成ガラスセラミ
ックス。 - 【請求項5】 前記セラミックス粒子が、Al2O
3(Alumina)、SiO 2(Silica)、Mg2Al4S
i5O18(Cordierite)、Mg2SiO4(Forsteri
te)及びAl6Si2O13(Mullite)から選ばれる
1種類以上であることを特徴とする請求項2、3乃至4
のいずれか1項に記載の低温焼成ガラスセラミックス。 - 【請求項6】 前記焼成過程においてCaAl2SiO
6、Ca3Si2O 7(Rankinite)、CaSiO3(W
ollastonite)、及びAl6Si2O13(Mullite)の
うち、いずれか1種類以上の結晶が析出することを特徴
とする請求項1、2、3、4乃至5のいずれか1項に記
載の低温焼成ガラスセラミックス。 - 【請求項7】 (A)重量百分率で、SiO2−CaO
−Al2O3系ガラス粉末50〜100重量%、セラミッ
クス粉末0〜50重量%からなる混合粉末よりグリーン
シートを作製する成膜工程と、 (B)前記グリーンシートを積層して、熱プレスするこ
とにより一体化する積層工程と、 (C)前記積層工程を経て得られた積層体を800〜1
000℃の温度範囲で焼成して焼結体を作製する焼成工
程とを有する低温焼成ガラスセラミックスの製造方法で
あって、該ガラスが酸化物換算にしてSiO210〜4
5重量%、CaO20〜50重量%、Al2O320〜4
5重量%、MgO0.1〜5重量%、SrO0.1〜5
重量%、BaO0.1〜5重量%、TiO20.1〜5
重量%、ZnO0.1〜5重量%、ZrO20.1〜5
重量%、及び1A族元素酸化物0〜3重量%からなる組
成を有し、800〜1000℃の温度範囲での焼成過程
においてCaAl 2 SiO 6 、Ca 3 Si 2 O 7 (Rank
inite)、CaSiO 3 (Wollastonit
e)、乃至はAl 6 Si 2 O 13 (Mullite)の結晶
を析出することを特徴とする低温焼成ガラスセラミック
スの製造方法。 - 【請求項8】 前記1A族元素酸化物が、Na2O、K
2O、及びLi2Oから選ばれる1種類以上であること
を特徴とする請求項7記載の低温焼成ガラスセラミック
スの製造方法。 - 【請求項9】 前記セラミックス粒子が、Al2O
3(Alumina)、SiO 2(Silica)、Mg2Al4S
i5O18(Cordierite)、Mg2SiO4(Forsteri
te)、CaAl2SiO7、Ca3Si2O7(Rankin
ite)、CaSiO3(Wollastonite)、及びAl6S
i2O13(Mullite)から選ばれる1種類以上である
ことを特徴とする請求項7又は8記載の低温焼成ガラス
セラミックスの製造方法。 - 【請求項10】 前記焼成工程においてCaAl2Si
O6、Ca3Si2O7(Rankinite)、CaSiO3
(Wollastonite)、及びAl6Si2O13(Mullit
e)のうち、いずれか1種類以上の結晶が析出すること
を特徴とする請求項7、8乃至9のいずれか1項に記載
の低温焼成ガラスセラミックスの製造方法。
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JP13414799A JP3166850B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 低温焼成ガラスセラミックスとその製造方法 |
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