JP3786609B2 - 複合セラミック部品及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度、高熱伝導で、低誘電率の部位を有する絶縁層の表面及び／又は内部に低抵抗の導体層を具備し、半導体パッケージ、電子部品実装回路基板又は高周波用回路基板等に好適に使用できる複合セラミック部品とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、半導体素子の高集積化並びに高周波化に伴い、高密度実装や回路部品内部に機能を内蔵した配線基板が用いられている。一方で、高集積化により半導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特性としては、演算速度の高速化により信号の遅延が問題となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体層を用いることが要求されてきた。
【０００３】
このような半導体素子を搭載した配線基板としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックスを絶縁基板とし、その表面あるいは内部にＷやＭｏなどの高融点金属からなる導体層を被着形成したセラミック配線基板が多用されている。
【０００４】
しかし、従来から多用されているこれら高融点金属からなる導体層では、抵抗を高々８ｍΩ／□程度までしか低くできず、発熱して配線基板の温度を上昇させ、また、信号が損失し易く、配線長が制限されるという問題があった。
【０００５】
そこで、ＣｕとＷ又はＭｏとを組み合せた導体層と絶縁層を１５００℃以下と低い温度で同時焼成することによって導体層の低抵抗化を図ることが、特開２０００−１５１０４５号に提案されている。
【０００６】
また、低温焼成可能な組成を用いて誘電率の異なる絶縁層を一体化することによって、低抵抗のＣｕ配線を使用可能とするため、信号の高速化に対応することが特開平１０−１０６８８０号に提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２０００−１５１０４５号公報に記載の方法では、導体層にＣｕを含むため、抵抗が低下するものの、絶縁層にアルミナを用いることから誘電率が９程度と高いため、信号の高周波化に伴い、周波数が６０ＧＨｚ程度の領域では入力信号の反射による損失が大きくなり、伝送特性の低下がおこるという問題があった。
【０００８】
また、特開平１０−１０６８８０号公報に記載の方法では、絶縁層がガラスセラミックスからなり、たとえ強化ガラスを用いた場合でも高々２００ＭＰａの曲げ強度でしかなく、また、熱伝導率が低く、放熱性が悪いという問題があった。
【０００９】
本発明は、高熱伝導、高強度で、且つ高周波領域の信号損失の小さい複合セラミック部品、特に、異種セラミックスの密着性に優れ、信頼性及び寿命を改善した複合セラミック部品と、それを簡便な方法で作製する製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高強度、高熱伝導のアルミナ質焼結体に対して、低誘電率材料の組成を制御した低誘電率層を同時焼成で一体化することによって、入力信号の反射による損失を低減できるとの知見に基づくものである。
【００１１】
さらに、アルミナ質焼結体と低誘電率材料との間にスピネルを主結晶相とする中間層を形成することにより、同時焼成における両者の接着強度を高めることが可能であるとの知見に基づくものである。
【００１２】
即ち、本発明の複合セラミック部品は、アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率の低誘電率層とが一体的に積層され、表面及び／又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記低誘電率層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相とし、副成分として、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスを全量中０．１〜１０質量％の割合で含み、さらに前記アルミナ質絶縁層と前記低誘電率層の間に、スピネルを主結晶相とする中間層が形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
特に、前記中間層と前記アルミナ質絶縁層、前記中間層と前記低誘電率層との間にそれぞれ拡散層が含まれ、さらに前記拡散層の厚みｔに対する前記中間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１であることが好ましい。同時焼成を行っても、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度をより高め、強度劣化を防止することができる。
【００１４】
前記低誘電率層が、ムライト結晶相を含有することが好ましい。これにより、中間層が緻密になりやすくなり、接着強度もさらに上昇する。
【００１５】
また、前記低誘電率層が、コージェライトを全量中２０〜４０質量％の割合で含むことが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層との熱膨張率の差が低減され、アルミナ質絶縁層との剥離やクラックの発生を効果的に抑制し、低誘電率層の比誘電率を抑制してより効果的に信号の損失を低減できる。
【００１６】
さらに、前記アルミナ質絶縁層の３点曲げ強さが３５０ＭＰａ以上であることが好ましい。これにより、素子の自動実装時等に基板が割れ、歩留りが低下することを低減できる。
【００１７】
また、前記アルミナ質絶縁層が、Ｍｎを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｓｉを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＣｏのうち少なくとも１種を酸化物換算で０．１〜４質量％含むとともに、相対密度が９５％以上であることが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率を維持することが容易となる。
【００１８】
さらに、前記導体層が、Ｃｕを１０〜７０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％の割合で含有することが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層の表面又はヴィア内に形成される導体層の抵抗を低減することが容易となる。
【００１９】
また、本発明の複合セラミック部品の製造方法は、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グリーンシートとスピネル質グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートで前記スピネル質グリーンシートを介在せしめて積層して積層体を作製し、次いで該積層体を１２００〜１５００℃で焼成することを特徴とするものである。これにより、強度及び熱伝導率に優れるアルミナ質絶縁層と、低誘電率の低誘電率層を同時に焼成することが可能であり、さらに基板の内部及び表面に導体層を形成することが可能となる。また、低誘電率層とアルミナ質絶縁体層との間に中間層を挿入するように作製、接着力の強い複合セラミックスが実現できる。
【００２０】
また、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシート及び／又は前記アルミナ質グリーンシートの主面にスピネルを主体とするペーストを塗布し、該ペーストを挟むように前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グリーンシートとを積層して積層体を作製し、次いで該積層体を１２００〜１５００℃で焼成することを特徴とするものである。これにより、セラミック内部に３次元の配線が可能となり、多層セラミック基板の小型化が容易になるとともに、キャパシタやインダクタなどの機能を内蔵することが可能となる。
【００２１】
特に、拡散層の厚みｔに対する中間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１になるように、前記積層体を焼成することが好ましい。これにより、拡散層を形成し、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度をより高め、強度劣化を防止することができる。
【００２２】
また、前記低誘電率グリーンシートにムライト粉末を含むことが好ましい。これにより、アルミナ質グリーンシートとの熱膨張差を整合させ、焼成時の反りやクラックをより少なくすることができ、また、低誘電率層の比誘電率をより小さくすることができる。
【００２３】
前記低誘電率グリーンシート、前記アルミナ質グリーンシート及び前記スピネル質グリーンシートの積層に先立って、前記低誘電率グリーンシート、前記アルミナ質グリーンシート、前記スピネル質グリーンシートの少なくとも一方にヴィアを形成し、該ヴィア中に導体ペーストを充填することが好ましい。これにより、セラミック内部に３次元の配線が可能となり、多層セラミック基板の小型化が容易になるとともに、キャパシタやインダクタ等の機能を内臓することが可能となる。
【００２４】
さらに、前記低誘電率グリーンシートが、コージェライト粉末を全量中に２０〜４０質量％の割合で含むことが好ましい。これにより、アルミナ質グリーンシートとの熱膨張率の差を整合させ、焼成時の反りやクラックを少なくすることができる。
【００２５】
さらにまた、前記アルミナ質グリーンシートが、Ｍｎ2Ｏ3を２〜１５質量％、ＳｉＯ2を２〜１５質量％、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2、ＭｇＣＯ3、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＣａＣＯ3、Ｂ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3及びＣｏ3Ｏ4のうち少なくとも１種を０．１〜４質量％、残部がアルミナ粉末からなる混合粉末を成形して得られるものであることが好ましい。これにより、焼結後のアルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率をほぼ維持したまま、焼成温度を低減し、製品歩留まりを向上することが容易となる。
【００２６】
また、前記スピネル質グリーンシート又は前記スピネルを主体とするペーストが、全重量に対しスピネル粉末を５０質量％以上含み、さらに前記アルミナ質グリーンシート及び／又は前記低誘電率グリーンシートに含まれる助剤成分のうち少なくとも１種を含むことが好ましい。スピネルが主体となった組成によって、焼成後に、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度、中間層と低誘電率層との接着強度をそれぞれ高めることができる。
【００２７】
また、前記導体ペーストが、金属成分としてＣｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末及び／又はＭｏ粉末を３０〜９０体積％の割合で含むことが好ましい。これにより、１２００〜１５００℃とＣｕの融点よりも高い焼成温度でも低抵抗の導体層を形成することが容易となり、また、焼成時の剥離やヴィア内の金属欠落等の不具合をより低減できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の複合セラミック部品を、図を用いて説明する。図１は、本発明の複合セラミック部品の概略断面図である。即ち、アルミナを主体とする焼結体であるアルミナ質絶縁層１と、アルミナ質絶縁層１よりも誘電率の低い低誘電率層２が一体的に積層されている。
【００２９】
また、絶縁基板５の表面及び内部に、表面導体層３ａ及び内部導体層３ｂからなる導体層３とヴィア４とが形成されている。
【００３０】
絶縁層１は、アルミナを主体とするアルミナ質焼結体からなり、具体的には、酸化アルミニウムを８４質量％以上の割合で含み、Ｍｎを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｓｉを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＣｏのうち少なくとも１種を酸化物換算で０．１〜４質量％含むことが好ましい。この組成を用いると、低温でも緻密化し、高強度且つ高熱伝導率を維持することが容易となる。
【００３１】
本発明によれば、絶縁基板５の熱伝導率と強度を高めるため、アルミナ質絶縁層１の相対密度が９５％以上、特に９７％以上、更には９８％以上が好ましく、また曲げ強度は３５０ＭＰａ以上、特に４００ＭＰａ以上、更には４５０ＭＰａ以上であることが好ましい。さらに、熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、更には１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【００３２】
絶縁層１を形成するアルミナ主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、この主結晶相の平均結晶粒径は、１．５〜５μｍであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導化が難しくなる傾向があり、また平均粒径が５μｍよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなる傾向にあるためである。
【００３３】
また、この絶縁層１中に、ＳｉＯ2およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物をＣｕ含有導体との同時焼結性を高める上で合計で０．１〜４質量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００３４】
さらに着色成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ等の遷移金属を２質量％以下の割合で含んでもよい。
【００３５】
低誘電率層２は、フォルステライト及びコージェライトを主結晶相とすることが重要である。フォルステライトは、アルミナ質絶縁層１よりも低誘電率にするために必要であり、さらにコージェライトは、アルミナ質絶縁層１とフォルステライトの熱膨張係数の差を小さくし、焼成による残留応力を低減して基板の反りや割れの発生を抑制することができる。
【００３６】
低誘電率層２の熱膨張係数は、フォルステライトとコージェライトとの含有量を調整して決定することができ、特にコージェライトを２０〜４０質量％、更には２５〜３５質量％であることが好ましい。
【００３７】
また、副成分として、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスを含むことが重要である。この副成分は、焼成時にアルミナ質グリーンシートとの反応を促進し、アルミナ質絶縁層１との接着強度を高め、アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２との一体化を確保する。
【００３８】
特に、上記の副成分が、低誘電率層２における全量中０．１〜１０質量％、特に１〜８質量％、更には３〜６質量％の割合で含まれることが好ましい。これは、０．１質量％未満では添加効果が十分得られない場合があり、また１０質量％を超えると焼成時に液相が流出してしまう傾向があるためである。
【００３９】
そして、本発明によれば、アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２の間に接着強度を高めるため、中間層７が一体的に積層されていることが重要である。
【００４０】
中間層７は、アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２との接着強度を改善するために設けられるものであり、スピネル質層を主結晶相とすることが重要である。例えば、スピネル結晶単独でも良いが、緻密化を促進するため、Ｍｎ、アルカリ土類金属、ホウ珪酸ガラス等の焼結助剤を添加しても良い。
【００４１】
本発明によれば、図２に示すように、アルミナ質絶縁層１１と中間層１７との間に拡散層１８が存在することが好ましい。拡散層１８は、アルミナ質絶縁層１１を構成するアルミナ結晶相と中間層１７を構成するスピネル結晶相とが主体となり、これらが混合された状態となっている。
【００４２】
また、低誘電率層１２と中間層１７との間に拡散層１８が存在することが好ましい。拡散層１８は、低誘電率層１２の主結晶相であるフォルステライト及びコージェライトと中間層１７を構成するスピネル結晶相及びマンガンシリケートが主体となり、これらが混合された状態となっている。
【００４３】
アルミナは低誘電率層１２のフォルステライト又はコージェライトと反応してスピネルを形成するが、微量であったり、部分的であったり、また比較的多量に形成されても多孔質であるため、アルミナ質絶縁層１１と低誘電率層１２との界面の接着強度が低下するが、スピネルを主結晶とする中間層１７を設けることにより、中間層１７が緻密であるため、界面の接着強度を非常に高くすることができる。
【００４４】
拡散層１８の形成は、アルミナ質絶縁層１１と中間層１７との反応、またはアルミナ質絶縁層１１と低誘電率層１２との反応によるが、特に副成分が反応に関与するため、副成分が拡散し、密着力を向上するとともに、拡散層１８は両者の結晶相が混合された状態であり、応力を緩和して密着性を向上するとともに、強度劣化を防止できる。
【００４５】
また、低誘電率層２にムライトを添加することが望ましい。これにより、低誘電率層２と中間層７の密着性が高まり、接着強度を向上することが可能となる。ムライトの添加量は、中間層７の組成にもよるが、上記の副成分を含む低誘電率層２の成分１００質量部に対して、１〜２０質量部、特に２〜１５質量部、更には３〜１０質量部であることが好ましい。
【００４６】
スピネル質グリーンシート又はスピネルを主体とするペーストが、スピネルに加えて、アルミナ質グリーンシート及び／又は低誘電率グリーンシートに含まれる助剤成分のうち少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００４７】
導体層３は、Ｃｕを１０〜７０体積％、特に３０〜６０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有することが好ましい。このような組成を有する導体層３は、その電気抵抗が十分低く、信号遅延を抑制するとともに、導体層３及び／又は低誘電率層２との密着性を確保し、導体層３の剥離が発生したり、ヴィア４の表面の凹凸が大きくなり、更には焼成時にヴィア４の金属が欠落する不具合を抑制することが容易になる。
【００４８】
また、上記組成のＣｕとＷ及び／又はＭｏに加えて、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｚｎのうち少なくとも１種を金属元素換算で０．０５〜３．０質量％を含有させることが望ましい。これにより、導体層３の低抵抗化を容易にし、絶縁層１及び／又は低誘電率層２との密着性をさらに高める効果がある。
【００４９】
さらに、本発明によれば、この導体層３中において、Ｗ及び／又はＭｏが、平均粒径１〜１０μｍの球状結晶の状態で、又は数個の粒子が焼結して結合した状態としてＣｕからなるマトリックス中に分散含有している組織を有していることが、低抵抗と保形性の観点で望ましい。特に、導体層３の抵抗、Ｃｕ成分の分離、にじみなどの観点からＷ及び／またはＭｏの平均粒子径は１．３〜５μｍ、更には１．５〜３μｍの大きさで分散されていることがより望ましい。
【００５０】
なお、本発明のセラミック複合部品においては、Ｃｕの融点を越える温度での同時焼成によって、表面導体層３ａや内部導体層３ｂ中のＣｕ成分が絶縁層１及び低誘電率層２に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記少なくともＣｕを含む導体層３の周囲の低誘電率層２及び／又は絶縁層１へのＣｕの拡散距離が２０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。これにより、導体層３間の絶縁性を確保し、配線基板としての信頼性を高めるためである。
【００５１】
上記の構成を有する本発明の複合セラミック部品は、強度及び熱伝導性に優れ、高周波信号の反射損失が小さいので、半導体パッケージ、電子部品実装回路基板及び高周波用配線基板等に好適に用いることができる。
【００５２】
次に、本発明の複合セラミック部品の製造方法について説明する。
【００５３】
まず、絶縁層１を形成するために、主成分となるアルミナ原料として、平均粒径が０．５〜２．５μｍ、特に０．５〜２．０μｍの粉末を用いることが望ましい。平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱い難く、また粉末のコストが高くなる傾向があり、２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼成することが難しくなることが多いためである。
【００５４】
また、上記酸化アルミニウム粉末に対して、Ｍｎ2Ｏ3粉末を２〜１５質量％、特に３〜７質量％、ＳｉＯ2粉末を２〜１５質量％、特に３〜７質量％の割合で添加する。また、適宜、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2、ＭｇＣＯ3、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＣａＣＯ3、Ｂ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3及びＣｏＯ3のうち少なくとも１種の粉末を０．１〜４質量％となるように加えることが好ましい。これにより、低温での焼成を可能とするため、緻密なアルミナ質絶縁層１が得られ、強度及び熱伝導率をほぼ維持したまま、焼成時に導体層３及びヴィア４の金属が溶融して流出することを防止し、製品歩留まりを高め易くすることができる。
【００５５】
さらに、上記の粉末組成に、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で２質量％以下の割合で添加することができる。
【００５６】
一方、低誘電率層２を形成するために、フォルステライト粉末、コージェライト粉末、さらに副成分としてＺｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合で含むように添加することが重要であり、特に１〜８質量％、更には３〜６質量％の割合で添加することが好ましい。
【００５７】
副成分を全量中０．１〜１０質量％の割合で添加することによって、焼成時にアルミナ質グリーンシートとの反応が促進され、強固な反応層を作り、密着性を向上することが可能となる。また、上記コージェライト粉末は、焼結性を高め、焼成時の残留応力を低減させるために２０〜４０質量％、特に２５〜３５質量％の割合で加えることが好ましい。
【００５８】
ここで、副成分のアルカリ土類金属は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等の酸化物粉末であり、また非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を用いるのは、鉛は環境への負担が著しく、アルカリは配線間の絶縁不良を生じるためであり、例えばＳｉ−Ａｌ−Ｂ−Ｏ系、Ｓｉ−Ｂ−Ｃａ−Ｏ系、Ｓｉ−Ａｌ−Ｂ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｏ系等を例示できる。
【００５９】
さらに、上記の副成分を含む低誘電率層２の成分１００質量部に対して、１〜２０質量部、特に２〜１５質量部、更には３〜１０質量部であることが好ましい。ムライト粉末を加えることによって、低誘電率層２と中間層２との接着強度を高める効果がある。
【００６０】
なお、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2およびこれらの複合酸化物でフォルステライト及びコージェライトを析出するような組成になるように、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末の少なくとも一部を置換しても良い。また、上記酸化物の添加に当たっては、酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加しても良い。
【００６１】
さらに、中間層７として緻密なスピネル質焼結体を形成するために、中間層７の主原料として、平均粒径が０．５〜１０μｍ、特に１．０〜５．０μｍのスピネル粉末を用いることが望ましい。平均粒径が０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなる傾向があり、１０μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で緻密な中間層７を得るのが困難になることが多いためである。
【００６２】
また、上記スピネル粉末に対して、アルミナ質絶縁層１の助剤成分及び／又は低誘電率層２の含有成分、特に助剤成分を５〜５０質量％、特に１０〜４０質量％の割合で添加することが望ましい。このように、アルミナ質絶縁層１や低誘電率層２に含まれる成分が中間層７に含まれると、アルミナ質絶縁層１及び低誘電率層２と中間層７との界面の密着性をそれぞれ高くすることができる。特に、全量中５〜５０質量％の割合でこれらの成分を添加することによって、焼成時に中間層７を容易に緻密化する事が可能となり、さらに助剤成分をアルミナ質絶縁層１及び／又は低誘電率層２と近い組成にする事により、これらのグリーンシートとの密着性をさらに高めることが可能となる。
【００６３】
次に、各々の混合粉末を用いてアルミナ質絶縁層１及び低誘電率層２を形成するためのシート状成形体を、それぞれアルミナ質グリーンシート及び低誘電率グリーンシートとして作製する。シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記の混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調製した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形、押出し成形等により所定の厚みのシート状成形体を作製できる。そしてこのシート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザー等によりヴィア導体用スルーホールを形成しても良い。
【００６４】
このようにして作製したシート状成形体に対して、導体成分として、平均粒径が１〜１０μｍのＣｕ粉末を１０〜７０体積％、特に３０〜６０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのＷ粉末及び／またはＭｏ粉末を３０〜９０体積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有し、且つ所望によりＺｒ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｍｇ及びＺｎのうち少なくとも１種を金属元素換算で０．０５〜３体積％、特に０．２〜２体積％含有してなる導体ペーストを調製する。
【００６５】
Ｃｕ粉末が１０体積％未満では導体層３の抵抗が高くなり易く、また、７０体積％よりも多いと、アルミナ質絶縁層１、低誘電率層２、中間層７及び導体層３の同時焼成において保形性を維持し難くなって、にじみや断線が発生しやすい。また、アルミナ質絶縁層１、低誘電率層２及び中間層７等から導体層３の剥離が発生し、ヴィア４内部の金属が欠落する等の不具合が生じやすい。
【００６６】
そして、このペーストを各シート状成形体に施したヴィア４内に充填し、また、各シート状成形体表面に塗布する。なお、導体層３を形成する際は、上記導体ペーストを絶縁層１、低誘電率層２又は中間層７に対して、スクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により印刷塗布する。
【００６７】
これらの導体ペースト中には、絶縁層１との密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶縁層１を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可能である。
【００６８】
次いで、導体ペーストを表面及び／又はヴィア４に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧着する。この時、アルミナ質グリーンシート（Ａ）と低誘電率グリーンシート（Ｄ）の間にスピネル質グリーンシート（Ｓ）をスピネル質組成物として介在させる。この中間層は、上記のスピネル質組成物を用いて厚さ５０〜１００μｍ程度のシート状成形体から作製し、これをアルミナ質グリーンシートと誘電体用グリーンシート２との間に挿入し、積層する。例えば、グリーンシートをＤ、Ｓ、Ａ、Ｓ、Ｄ、Ｓ、Ａ、Ａ、Ａの順に重ねて積層する。
【００６９】
また、上記スピネル質グリーンシートの代わりに、スピネル組成物として中間層用ペーストを用いても良い。この中間層用ペーストをアルミナ質グリーンシート１及び／又は誘電率グリーンシート２の表面に塗布し、上述したように積層すれば良い。
【００７０】
中間層用ペーストは、周知の方法によって作成することが出来る。例えば、スピネル粉末及び助剤粉末の混合粉末に有機バインダーや溶剤を添加してスラリーを調整し、その後に溶剤を蒸発させたり、または混合粉末に有機バインダーを添加した後、攪拌脱泡器を用いて適当な時間混合し、ペーストを作製する。
【００７１】
このペーストを、スクリーン印刷法、グラビア印刷法などの方法によりアルミナ質グリーンシート及び／又は低誘電率グリーンシートの上に印刷塗布する。その際、グリーンシートに形成されたヴィア４の形状を維持するため、ヴィア４には塗布を行わないようにすれば良い。次いで、導体ペーストを表面及び／又はヴィア４に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧着し、積層体を作製する。
【００７２】
スピネル質グリーンシート又は中間層用ペーストは、含有する粉末の合計量に対し、スピネル粉末を５０質量％以上含み、さらに前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グリーンシートの助剤成分のうち少なくとも１種を含むことが好ましい。スピネルが主体となった組成により、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度及び中間層と低誘電率層との接着強度をそれぞれ高めることができる。
【００７３】
得られた積層体を焼成温度が１２００〜１５００℃の温度となる条件で焼成することが重要で、特に、１２２５〜１４５０℃、更には１２５０〜１４００℃、より好適には１２７５〜１３５０℃で焼成することが好ましい。
【００７４】
この焼成温度が１２００℃よりも低いと、アルミナ質絶縁層１が相対密度９５％まで達することができず、熱伝導性と強度が低下するとともに、低誘電率層２も十分に緻密化することができない。一方、焼成温度が１５００℃よりも高いと、ＷあるいはＭｏ自体の焼結が進み、Ｃｕの流動により導体層３の均一組織を維持することが困難となり、その結果、低抵抗を維持することができない。
【００７５】
特に、拡散層の厚みｔに対する中間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１になるように焼成することが好ましい。拡散層の厚みを充分に確保すると共に、中間層がアルミナ質絶縁層又は低誘電率層に拡散しすぎることによる接合強度の低下を防止することができる。なお、焼成温度は、拡散層の形成及びその比ｔ／ｄの制御の容易さから、特に１２５０〜１４００℃に設定することが望ましい。
【００７６】
また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、導体層３中のＣｕの拡散を抑制する上では、水素及び窒素を含み露点＋３０℃以下、特に０〜２５℃の非酸化性雰囲気であることが望ましい。焼成時の露点が＋３０℃より高いと、焼成中に導体材料と雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、アルミナ質絶縁層１とＣｕ含有導体のＣｕが反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、Ｃｕの拡散を助長してしまうためである。なお、焼成雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
【００７７】
以上のような構成による本発明の複合セラミック部品の製造方法は、アルミナ質絶縁層１、低誘電率層２及び電気抵抗の小さな導体層３を同時焼成することができ、この方法によって、信号の損失が少なく、高強度且つ高熱伝導性絶縁基板を備えた複合セラミック部品を実現できる。
【００７８】
また、中間層７を形成することによって、アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２との接着強度を著しく高めることができる。
【００７９】
【実施例】
実施例１
アルミナ質絶縁層を作製するために、平均粒径が１．８μｍのアルミナ粉末、平均粒径が４μｍのＭｎ2Ｏ3粉末、平均粒径が１μｍのＳｉＯ2粉末、平均粒径が２μｍのＭｇＯ粉末及びＣａＯ粉末、Ｂ2Ｏ5粉末、Ｎｂ2Ｏ5粉末、Ｃｒ2Ｏ3粉末及びＣｏＯ3粉末を、表１、３のような組成に調合し、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形し、絶縁層用グリーンシートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１００〜２００μｍのヴィアを形成した。
【００８０】
低誘電率層として、平均粒径が３μｍのフォルステライト粉末、平均粒径が２．２μｍのコージェライト粉末、平均粒径が４μｍのＺｎ2ＳｉＯ4粉末及びＭｎ2Ｏ3粉末、平均粒径が２μｍのＣａＯ粉末、ＭｇＯ粉末及びＢａＯ粉末及び平均粒径が１．７μｍの非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を、表１のような組成に調合し、さらにこれらの合計１００質量部に対して、平均粒径が２．５μｍのムライト粉末を表１に示す量だけ加え、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した。これらのスラリーをドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形し、低誘電率グリーンシートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１００〜２００μｍのヴィアを形成した。
【００８１】
中間層は、スピネル質グリーンシート（Ｓ）及びペースト（Ｐ）塗布により形成した。スピネル質グリーンシートとして、平均粒径０．９８μｍのスピネル粉末、上記のアルミナ質絶縁層及び／又は前記低誘電率層の助剤成分を表１のような組成に調合し、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した。これらのスラリーをドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形し、スピネル質グリーンシートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１００〜２００μｍのヴィアを形成した。
【００８２】
また、中間層用ペーストとして、上記のスピネル粉末、上記のアルミナ質絶縁層及び／又は上記の低誘電率層の助剤成分を表１、３のような組成に調合し、アクリル系バインダーと、アセトンを溶媒として混合してペーストを作製した。
【００８３】
次に、平均粒径が５μｍのＣｕ粉末と、平均粒径が５μｍのＷ粉末又はＭｏ粉末とを表１、３に示す比率で混合し、アクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として導体ペーストを作製した。
【００８４】
次に、各シート状成形体上に上記導体ペーストを印刷塗布し、各シート状成形体のヴィアに上記導体ペーストを充填した。上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。
【００８５】
なお、中間層用ペーストを用いる場合、アルミナ質グリーンシート及び／又は低誘電率グリーンシートの表面に中間層用ペーストを周知の方法により塗布した後、各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。
【００８６】
その後、この成形体積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中で脱脂を行った後、表１に示す焼成温度、２５℃の露点の窒素水素混合雰囲気にて焼成して図１のような複合セラミック部品を作製した。
【００８７】
得られた焼結体の比重をアルキメデス法によって測定し、真比重から相対密度を算出した。また、作製した複合セラミック部品全体の反り、割れを確認し、配線・ヴィアの外観の確認を行った。
【００８８】
比誘電率は、ＪＩＳ Ｒ１６２７に基づいて空洞共振器法により測定周波数６０ＧＨｚで比誘電率を測定した。また、アルミナ質絶縁層の曲げ強度は、ＪＩＳＲ１６０１に基づいて室温における３点曲げ強度を測定した。
【００８９】
拡散層の元素分析をＥＰＭＡにて行い、走査型電子顕微鏡を用いて中間層の厚み（ｄ）及び拡散層の厚み（ｔ）を測定し、比ｔ／ｄを算出した。
【００９０】
また、反射損失はネットワークアナライザとウエハープローブを用いて６０ＧＨｚの信号に対する反射損失を測定した。詳細にはセラミック部品を実装する基板とセラミック部品内に設けた測定用電極間の値を測定した。結果を表１〜４に示した。
【００９１】
【表１】
【００９２】
【表２】
【００９３】
【表３】
【００９４】
【表４】
【００９５】
本発明の試料Ｎｏ．１〜３、５、６、８〜１４、１６〜１８及び２０〜６０は、配線・ヴィアの外観、基板の反り、割れが無く、反射損失も−１２．５ｄＢ以下であった。
【００９６】
一方、低誘電率層に副成分のない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４は、緻密な低誘電率層が得られず、また、基板の割れが見られた。
【００９７】
また、副成分が１０質量％を超える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．７、１５及び１９は、いずれも配線の断線が見られた。
実施例２
実施例１における試料Ｎｏ．４７の組成を用いて、中間層のある複合セラミック部品と、中間層の無い複合セラミック部品を作製し、ヒートサイクル試験を行った。なお、中間層の無い複合セラミック部品の低誘電率層にはムライトは添加しなかった。
【００９８】
ヒートサイクル試験は、−６５〜１５０℃を１００回毎にアルミナ質絶縁層と低誘電率層の間にクラックがあるかどうかを観察し、１０００回まで繰り返した。
【００９９】
その結果、中間層の無い複合セラミック部品では、５００回でクラックが観察されたが、中間層のある複合セラミック部品では、１０００回でもクラックは発生しなかった。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、アルミナ質絶縁層と、低誘電率の低誘電率層とを一体的に積層し、表面及び／又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備えた構造を有し、低誘電率層の組成を制御したことにより、高周波領域に対応できる高強度、高熱伝導、低抵抗導体配線の複合セラミック部品を実現した。
【０１０１】
また、アルミナ質絶縁層と、低誘電率の低誘電率層の間に中間層及び／又は拡散層を具備することより、アルミナ質絶縁層と低誘電率層の接着強度が向上し、信頼性及び寿命を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合セラミック部品の一実施態様を示す概略断面図である。
【図２】本発明の複合セラミック部品の一部分を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、１１・・・アルミナ質絶縁層
２、１２・・・低誘電率層
３・・・導体層
３ａ・・・表面導体層
３ｂ・・・内部導体層
４・・・ヴィア
５・・・絶縁基板
７、１７・・・中間層
１８・・・拡散層
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度、高熱伝導で、低誘電率の部位を有する絶縁層の表面及び／又は内部に低抵抗の導体層を具備し、半導体パッケージ、電子部品実装回路基板又は高周波用回路基板等に好適に使用できる複合セラミック部品とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、半導体素子の高集積化並びに高周波化に伴い、高密度実装や回路部品内部に機能を内蔵した配線基板が用いられている。一方で、高集積化により半導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特性としては、演算速度の高速化により信号の遅延が問題となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体層を用いることが要求されてきた。
【０００３】
このような半導体素子を搭載した配線基板としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックスを絶縁基板とし、その表面あるいは内部にＷやＭｏなどの高融点金属からなる導体層を被着形成したセラミック配線基板が多用されている。
【０００４】
しかし、従来から多用されているこれら高融点金属からなる導体層では、抵抗を高々８ｍΩ／□程度までしか低くできず、発熱して配線基板の温度を上昇させ、また、信号が損失し易く、配線長が制限されるという問題があった。
【０００５】
そこで、ＣｕとＷ又はＭｏとを組み合せた導体層と絶縁層を１５００℃以下と低い温度で同時焼成することによって導体層の低抵抗化を図ることが、特開２０００−１５１０４５号に提案されている。
【０００６】
また、低温焼成可能な組成を用いて誘電率の異なる絶縁層を一体化することによって、低抵抗のＣｕ配線を使用可能とするため、信号の高速化に対応することが特開平１０−１０６８８０号に提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２０００−１５１０４５号公報に記載の方法では、導体層にＣｕを含むため、抵抗が低下するものの、絶縁層にアルミナを用いることから誘電率が９程度と高いため、信号の高周波化に伴い、周波数が６０ＧＨｚ程度の領域では入力信号の反射による損失が大きくなり、伝送特性の低下がおこるという問題があった。
【０００８】
また、特開平１０−１０６８８０号公報に記載の方法では、絶縁層がガラスセラミックスからなり、たとえ強化ガラスを用いた場合でも高々２００ＭＰａの曲げ強度でしかなく、また、熱伝導率が低く、放熱性が悪いという問題があった。
【０００９】
本発明は、高熱伝導、高強度で、且つ高周波領域の信号損失の小さい複合セラミック部品、特に、異種セラミックスの密着性に優れ、信頼性及び寿命を改善した複合セラミック部品と、それを簡便な方法で作製する製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高強度、高熱伝導のアルミナ質焼結体に対して、低誘電率材料の組成を制御した低誘電率層を同時焼成で一体化することによって、入力信号の反射による損失を低減できるとの知見に基づくものである。
【００１１】
さらに、アルミナ質焼結体と低誘電率材料との間にスピネルを主結晶相とする中間層を形成することにより、同時焼成における両者の接着強度を高めることが可能であるとの知見に基づくものである。
【００１２】
即ち、本発明の複合セラミック部品は、アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率の低誘電率層とが一体的に積層され、表面及び／又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記低誘電率層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相とし、副成分として、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスを全量中０．１〜１０質量％の割合で含み、さらに前記アルミナ質絶縁層と前記低誘電率層の間に、スピネルを主結晶相とする中間層が形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
特に、前記中間層と前記アルミナ質絶縁層、前記中間層と前記低誘電率層との間にそれぞれ拡散層が含まれ、さらに前記拡散層の厚みｔに対する前記中間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１であることが好ましい。同時焼成を行っても、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度をより高め、強度劣化を防止することができる。
【００１４】
前記低誘電率層が、ムライト結晶相を含有することが好ましい。これにより、中間層が緻密になりやすくなり、接着強度もさらに上昇する。
【００１５】
また、前記低誘電率層が、コージェライトを全量中２０〜４０質量％の割合で含むことが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層との熱膨張率の差が低減され、アルミナ質絶縁層との剥離やクラックの発生を効果的に抑制し、低誘電率層の比誘電率を抑制してより効果的に信号の損失を低減できる。
【００１６】
さらに、前記アルミナ質絶縁層の３点曲げ強さが３５０ＭＰａ以上であることが好ましい。これにより、素子の自動実装時等に基板が割れ、歩留りが低下することを低減できる。
【００１７】
また、前記アルミナ質絶縁層が、Ｍｎを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｓｉを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＣｏのうち少なくとも１種を酸化物換算で０．１〜４質量％含むとともに、相対密度が９５％以上であることが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率を維持することが容易となる。
【００１８】
さらに、前記導体層が、Ｃｕを１０〜７０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％の割合で含有することが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層の表面又はヴィア内に形成される導体層の抵抗を低減することが容易となる。
【００１９】
また、本発明の複合セラミック部品の製造方法は、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グリーンシートとスピネル質グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートで前記スピネル質グリーンシートを介在せしめて積層して積層体を作製し、次いで該積層体を１２００〜１５００℃で焼成することを特徴とするものである。これにより、強度及び熱伝導率に優れるアルミナ質絶縁層と、低誘電率の低誘電率層を同時に焼成することが可能であり、さらに基板の内部及び表面に導体層を形成することが可能となる。また、低誘電率層とアルミナ質絶縁体層との間に中間層を挿入するように作製、接着力の強い複合セラミックスが実現できる。
【００２０】
また、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシート及び／又は前記アルミナ質グリーンシートの主面にスピネルを主体とするペーストを塗布し、該ペーストを挟むように前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グリーンシートとを積層して積層体を作製し、次いで該積層体を１２００〜１５００℃で焼成することを特徴とするものである。これにより、セラミック内部に３次元の配線が可能となり、多層セラミック基板の小型化が容易になるとともに、キャパシタやインダクタなどの機能を内蔵することが可能となる。
【００２１】
特に、拡散層の厚みｔに対する中間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１になるように、前記積層体を焼成することが好ましい。これにより、拡散層を形成し、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度をより高め、強度劣化を防止することができる。
【００２２】
また、前記低誘電率グリーンシートにムライト粉末を含むことが好ましい。これにより、アルミナ質グリーンシートとの熱膨張差を整合させ、焼成時の反りやクラックをより少なくすることができ、また、低誘電率層の比誘電率をより小さくすることができる。
【００２３】
前記低誘電率グリーンシート、前記アルミナ質グリーンシート及び前記スピネル質グリーンシートの積層に先立って、前記低誘電率グリーンシート、前記アルミナ質グリーンシート、前記スピネル質グリーンシートの少なくとも一方にヴィアを形成し、該ヴィア中に導体ペーストを充填することが好ましい。これにより、セラミック内部に３次元の配線が可能となり、多層セラミック基板の小型化が容易になるとともに、キャパシタやインダクタ等の機能を内臓することが可能となる。
【００２４】
さらに、前記低誘電率グリーンシートが、コージェライト粉末を全量中に２０〜４０質量％の割合で含むことが好ましい。これにより、アルミナ質グリーンシートとの熱膨張率の差を整合させ、焼成時の反りやクラックを少なくすることができる。
【００２５】
さらにまた、前記アルミナ質グリーンシートが、Ｍｎ2Ｏ3を２〜１５質量％、ＳｉＯ2を２〜１５質量％、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2、ＭｇＣＯ3、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＣａＣＯ3、Ｂ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3及びＣｏ3Ｏ4のうち少なくとも１種を０．１〜４質量％、残部がアルミナ粉末からなる混合粉末を成形して得られるものであることが好ましい。これにより、焼結後のアルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率をほぼ維持したまま、焼成温度を低減し、製品歩留まりを向上することが容易となる。
【００２６】
また、前記スピネル質グリーンシート又は前記スピネルを主体とするペーストが、全重量に対しスピネル粉末を５０質量％以上含み、さらに前記アルミナ質グリーンシート及び／又は前記低誘電率グリーンシートに含まれる助剤成分のうち少なくとも１種を含むことが好ましい。スピネルが主体となった組成によって、焼成後に、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度、中間層と低誘電率層との接着強度をそれぞれ高めることができる。
【００２７】
また、前記導体ペーストが、金属成分としてＣｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末及び／又はＭｏ粉末を３０〜９０体積％の割合で含むことが好ましい。これにより、１２００〜１５００℃とＣｕの融点よりも高い焼成温度でも低抵抗の導体層を形成することが容易となり、また、焼成時の剥離やヴィア内の金属欠落等の不具合をより低減できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の複合セラミック部品を、図を用いて説明する。図１は、本発明の複合セラミック部品の概略断面図である。即ち、アルミナを主体とする焼結体であるアルミナ質絶縁層１と、アルミナ質絶縁層１よりも誘電率の低い低誘電率層２が一体的に積層されている。
【００２９】
また、絶縁基板５の表面及び内部に、表面導体層３ａ及び内部導体層３ｂからなる導体層３とヴィア４とが形成されている。
【００３０】
絶縁層１は、アルミナを主体とするアルミナ質焼結体からなり、具体的には、酸化アルミニウムを８４質量％以上の割合で含み、Ｍｎを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｓｉを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＣｏのうち少なくとも１種を酸化物換算で０．１〜４質量％含むことが好ましい。この組成を用いると、低温でも緻密化し、高強度且つ高熱伝導率を維持することが容易となる。
【００３１】
本発明によれば、絶縁基板５の熱伝導率と強度を高めるため、アルミナ質絶縁層１の相対密度が９５％以上、特に９７％以上、更には９８％以上が好ましく、また曲げ強度は３５０ＭＰａ以上、特に４００ＭＰａ以上、更には４５０ＭＰａ以上であることが好ましい。さらに、熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、更には１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【００３２】
絶縁層１を形成するアルミナ主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、この主結晶相の平均結晶粒径は、１．５〜５μｍであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導化が難しくなる傾向があり、また平均粒径が５μｍよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなる傾向にあるためである。
【００３３】
また、この絶縁層１中に、ＳｉＯ2およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物をＣｕ含有導体との同時焼結性を高める上で合計で０．１〜４質量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００３４】
さらに着色成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ等の遷移金属を２質量％以下の割合で含んでもよい。
【００３５】
低誘電率層２は、フォルステライト及びコージェライトを主結晶相とすることが重要である。フォルステライトは、アルミナ質絶縁層１よりも低誘電率にするために必要であり、さらにコージェライトは、アルミナ質絶縁層１とフォルステライトの熱膨張係数の差を小さくし、焼成による残留応力を低減して基板の反りや割れの発生を抑制することができる。
【００３６】
低誘電率層２の熱膨張係数は、フォルステライトとコージェライトとの含有量を調整して決定することができ、特にコージェライトを２０〜４０質量％、更には２５〜３５質量％であることが好ましい。
【００３７】
また、副成分として、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスを含むことが重要である。この副成分は、焼成時にアルミナ質グリーンシートとの反応を促進し、アルミナ質絶縁層１との接着強度を高め、アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２との一体化を確保する。
【００３８】
特に、上記の副成分が、低誘電率層２における全量中０．１〜１０質量％、特に１〜８質量％、更には３〜６質量％の割合で含まれることが好ましい。これは、０．１質量％未満では添加効果が十分得られない場合があり、また１０質量％を超えると焼成時に液相が流出してしまう傾向があるためである。
【００３９】
そして、本発明によれば、アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２の間に接着強度を高めるため、中間層７が一体的に積層されていることが重要である。
【００４０】
中間層７は、アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２との接着強度を改善するために設けられるものであり、スピネル質層を主結晶相とすることが重要である。例えば、スピネル結晶単独でも良いが、緻密化を促進するため、Ｍｎ、アルカリ土類金属、ホウ珪酸ガラス等の焼結助剤を添加しても良い。
【００４１】
本発明によれば、図２に示すように、アルミナ質絶縁層１１と中間層１７との間に拡散層１８が存在することが好ましい。拡散層１８は、アルミナ質絶縁層１１を構成するアルミナ結晶相と中間層１７を構成するスピネル結晶相とが主体となり、これらが混合された状態となっている。
【００４２】
また、低誘電率層１２と中間層１７との間に拡散層１８が存在することが好ましい。拡散層１８は、低誘電率層１２の主結晶相であるフォルステライト及びコージェライトと中間層１７を構成するスピネル結晶相及びマンガンシリケートが主体となり、これらが混合された状態となっている。
【００４３】
アルミナは低誘電率層１２のフォルステライト又はコージェライトと反応してスピネルを形成するが、微量であったり、部分的であったり、また比較的多量に形成されても多孔質であるため、アルミナ質絶縁層１１と低誘電率層１２との界面の接着強度が低下するが、スピネルを主結晶とする中間層１７を設けることにより、中間層１７が緻密であるため、界面の接着強度を非常に高くすることができる。
【００４４】
拡散層１８の形成は、アルミナ質絶縁層１１と中間層１７との反応、またはアルミナ質絶縁層１１と低誘電率層１２との反応によるが、特に副成分が反応に関与するため、副成分が拡散し、密着力を向上するとともに、拡散層１８は両者の結晶相が混合された状態であり、応力を緩和して密着性を向上するとともに、強度劣化を防止できる。
【００４５】
また、低誘電率層２にムライトを添加することが望ましい。これにより、低誘電率層２と中間層７の密着性が高まり、接着強度を向上することが可能となる。ムライトの添加量は、中間層７の組成にもよるが、上記の副成分を含む低誘電率層２の成分１００質量部に対して、１〜２０質量部、特に２〜１５質量部、更には３〜１０質量部であることが好ましい。
【００４６】
スピネル質グリーンシート又はスピネルを主体とするペーストが、スピネルに加えて、アルミナ質グリーンシート及び／又は低誘電率グリーンシートに含まれる助剤成分のうち少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００４７】
導体層３は、Ｃｕを１０〜７０体積％、特に３０〜６０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有することが好ましい。このような組成を有する導体層３は、その電気抵抗が十分低く、信号遅延を抑制するとともに、導体層３及び／又は低誘電率層２との密着性を確保し、導体層３の剥離が発生したり、ヴィア４の表面の凹凸が大きくなり、更には焼成時にヴィア４の金属が欠落する不具合を抑制することが容易になる。
【００４８】
また、上記組成のＣｕとＷ及び／又はＭｏに加えて、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｚｎのうち少なくとも１種を金属元素換算で０．０５〜３．０質量％を含有させることが望ましい。これにより、導体層３の低抵抗化を容易にし、絶縁層１及び／又は低誘電率層２との密着性をさらに高める効果がある。
【００４９】
さらに、本発明によれば、この導体層３中において、Ｗ及び／又はＭｏが、平均粒径１〜１０μｍの球状結晶の状態で、又は数個の粒子が焼結して結合した状態としてＣｕからなるマトリックス中に分散含有している組織を有していることが、低抵抗と保形性の観点で望ましい。特に、導体層３の抵抗、Ｃｕ成分の分離、にじみなどの観点からＷ及び／またはＭｏの平均粒子径は１．３〜５μｍ、更には１．５〜３μｍの大きさで分散されていることがより望ましい。
【００５０】
なお、本発明のセラミック複合部品においては、Ｃｕの融点を越える温度での同時焼成によって、表面導体層３ａや内部導体層３ｂ中のＣｕ成分が絶縁層１及び低誘電率層２に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記少なくともＣｕを含む導体層３の周囲の低誘電率層２及び／又は絶縁層１へのＣｕの拡散距離が２０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。これにより、導体層３間の絶縁性を確保し、配線基板としての信頼性を高めるためである。
【００５１】
上記の構成を有する本発明の複合セラミック部品は、強度及び熱伝導性に優れ、高周波信号の反射損失が小さいので、半導体パッケージ、電子部品実装回路基板及び高周波用配線基板等に好適に用いることができる。
【００５２】
次に、本発明の複合セラミック部品の製造方法について説明する。
【００５３】
まず、絶縁層１を形成するために、主成分となるアルミナ原料として、平均粒径が０．５〜２．５μｍ、特に０．５〜２．０μｍの粉末を用いることが望ましい。平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱い難く、また粉末のコストが高くなる傾向があり、２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼成することが難しくなることが多いためである。
【００５４】
また、上記酸化アルミニウム粉末に対して、Ｍｎ2Ｏ3粉末を２〜１５質量％、特に３〜７質量％、ＳｉＯ2粉末を２〜１５質量％、特に３〜７質量％の割合で添加する。また、適宜、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2、ＭｇＣＯ3、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＣａＣＯ3、Ｂ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3及びＣｏＯ3のうち少なくとも１種の粉末を０．１〜４質量％となるように加えることが好ましい。これにより、低温での焼成を可能とするため、緻密なアルミナ質絶縁層１が得られ、強度及び熱伝導率をほぼ維持したまま、焼成時に導体層３及びヴィア４の金属が溶融して流出することを防止し、製品歩留まりを高め易くすることができる。
【００５５】
さらに、上記の粉末組成に、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で２質量％以下の割合で添加することができる。
【００５６】
一方、低誘電率層２を形成するために、フォルステライト粉末、コージェライト粉末、さらに副成分としてＺｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合で含むように添加することが重要であり、特に１〜８質量％、更には３〜６質量％の割合で添加することが好ましい。
【００５７】
副成分を全量中０．１〜１０質量％の割合で添加することによって、焼成時にアルミナ質グリーンシートとの反応が促進され、強固な反応層を作り、密着性を向上することが可能となる。また、上記コージェライト粉末は、焼結性を高め、焼成時の残留応力を低減させるために２０〜４０質量％、特に２５〜３５質量％の割合で加えることが好ましい。
【００５８】
ここで、副成分のアルカリ土類金属は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等の酸化物粉末であり、また非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を用いるのは、鉛は環境への負担が著しく、アルカリは配線間の絶縁不良を生じるためであり、例えばＳｉ−Ａｌ−Ｂ−Ｏ系、Ｓｉ−Ｂ−Ｃａ−Ｏ系、Ｓｉ−Ａｌ−Ｂ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｏ系等を例示できる。
【００５９】
さらに、上記の副成分を含む低誘電率層２の成分１００質量部に対して、１〜２０質量部、特に２〜１５質量部、更には３〜１０質量部であることが好ましい。ムライト粉末を加えることによって、低誘電率層２と中間層２との接着強度を高める効果がある。
【００６０】
なお、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2およびこれらの複合酸化物でフォルステライト及びコージェライトを析出するような組成になるように、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末の少なくとも一部を置換しても良い。また、上記酸化物の添加に当たっては、酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加しても良い。
【００６１】
さらに、中間層７として緻密なスピネル質焼結体を形成するために、中間層７の主原料として、平均粒径が０．５〜１０μｍ、特に１．０〜５．０μｍのスピネル粉末を用いることが望ましい。平均粒径が０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなる傾向があり、１０μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で緻密な中間層７を得るのが困難になることが多いためである。
【００６２】
また、上記スピネル粉末に対して、アルミナ質絶縁層１の助剤成分及び／又は低誘電率層２の含有成分、特に助剤成分を５〜５０質量％、特に１０〜４０質量％の割合で添加することが望ましい。このように、アルミナ質絶縁層１や低誘電率層２に含まれる成分が中間層７に含まれると、アルミナ質絶縁層１及び低誘電率層２と中間層７との界面の密着性をそれぞれ高くすることができる。特に、全量中５〜５０質量％の割合でこれらの成分を添加することによって、焼成時に中間層７を容易に緻密化する事が可能となり、さらに助剤成分をアルミナ質絶縁層１及び／又は低誘電率層２と近い組成にする事により、これらのグリーンシートとの密着性をさらに高めることが可能となる。
【００６３】
次に、各々の混合粉末を用いてアルミナ質絶縁層１及び低誘電率層２を形成するためのシート状成形体を、それぞれアルミナ質グリーンシート及び低誘電率グリーンシートとして作製する。シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記の混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調製した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形、押出し成形等により所定の厚みのシート状成形体を作製できる。そしてこのシート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザー等によりヴィア導体用スルーホールを形成しても良い。
【００６４】
このようにして作製したシート状成形体に対して、導体成分として、平均粒径が１〜１０μｍのＣｕ粉末を１０〜７０体積％、特に３０〜６０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのＷ粉末及び／またはＭｏ粉末を３０〜９０体積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有し、且つ所望によりＺｒ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｍｇ及びＺｎのうち少なくとも１種を金属元素換算で０．０５〜３体積％、特に０．２〜２体積％含有してなる導体ペーストを調製する。
【００６５】
Ｃｕ粉末が１０体積％未満では導体層３の抵抗が高くなり易く、また、７０体積％よりも多いと、アルミナ質絶縁層１、低誘電率層２、中間層７及び導体層３の同時焼成において保形性を維持し難くなって、にじみや断線が発生しやすい。また、アルミナ質絶縁層１、低誘電率層２及び中間層７等から導体層３の剥離が発生し、ヴィア４内部の金属が欠落する等の不具合が生じやすい。
【００６６】
そして、このペーストを各シート状成形体に施したヴィア４内に充填し、また、各シート状成形体表面に塗布する。なお、導体層３を形成する際は、上記導体ペーストを絶縁層１、低誘電率層２又は中間層７に対して、スクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により印刷塗布する。
【００６７】
これらの導体ペースト中には、絶縁層１との密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶縁層１を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可能である。
【００６８】
次いで、導体ペーストを表面及び／又はヴィア４に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧着する。この時、アルミナ質グリーンシート（Ａ）と低誘電率グリーンシート（Ｄ）の間にスピネル質グリーンシート（Ｓ）をスピネル質組成物として介在させる。この中間層は、上記のスピネル質組成物を用いて厚さ５０〜１００μｍ程度のシート状成形体から作製し、これをアルミナ質グリーンシートと誘電体用グリーンシート２との間に挿入し、積層する。例えば、グリーンシートをＤ、Ｓ、Ａ、Ｓ、Ｄ、Ｓ、Ａ、Ａ、Ａの順に重ねて積層する。
【００６９】
また、上記スピネル質グリーンシートの代わりに、スピネル組成物として中間層用ペーストを用いても良い。この中間層用ペーストをアルミナ質グリーンシート１及び／又は誘電率グリーンシート２の表面に塗布し、上述したように積層すれば良い。
【００７０】
中間層用ペーストは、周知の方法によって作成することが出来る。例えば、スピネル粉末及び助剤粉末の混合粉末に有機バインダーや溶剤を添加してスラリーを調整し、その後に溶剤を蒸発させたり、または混合粉末に有機バインダーを添加した後、攪拌脱泡器を用いて適当な時間混合し、ペーストを作製する。
【００７１】
このペーストを、スクリーン印刷法、グラビア印刷法などの方法によりアルミナ質グリーンシート及び／又は低誘電率グリーンシートの上に印刷塗布する。その際、グリーンシートに形成されたヴィア４の形状を維持するため、ヴィア４には塗布を行わないようにすれば良い。次いで、導体ペーストを表面及び／又はヴィア４に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧着し、積層体を作製する。
【００７２】
スピネル質グリーンシート又は中間層用ペーストは、含有する粉末の合計量に対し、スピネル粉末を５０質量％以上含み、さらに前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グリーンシートの助剤成分のうち少なくとも１種を含むことが好ましい。スピネルが主体となった組成により、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度及び中間層と低誘電率層との接着強度をそれぞれ高めることができる。
【００７３】
得られた積層体を焼成温度が１２００〜１５００℃の温度となる条件で焼成することが重要で、特に、１２２５〜１４５０℃、更には１２５０〜１４００℃、より好適には１２７５〜１３５０℃で焼成することが好ましい。
【００７４】
この焼成温度が１２００℃よりも低いと、アルミナ質絶縁層１が相対密度９５％まで達することができず、熱伝導性と強度が低下するとともに、低誘電率層２も十分に緻密化することができない。一方、焼成温度が１５００℃よりも高いと、ＷあるいはＭｏ自体の焼結が進み、Ｃｕの流動により導体層３の均一組織を維持することが困難となり、その結果、低抵抗を維持することができない。
【００７５】
特に、拡散層の厚みｔに対する中間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１になるように焼成することが好ましい。拡散層の厚みを充分に確保すると共に、中間層がアルミナ質絶縁層又は低誘電率層に拡散しすぎることによる接合強度の低下を防止することができる。なお、焼成温度は、拡散層の形成及びその比ｔ／ｄの制御の容易さから、特に１２５０〜１４００℃に設定することが望ましい。
【００７６】
また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、導体層３中のＣｕの拡散を抑制する上では、水素及び窒素を含み露点＋３０℃以下、特に０〜２５℃の非酸化性雰囲気であることが望ましい。焼成時の露点が＋３０℃より高いと、焼成中に導体材料と雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、アルミナ質絶縁層１とＣｕ含有導体のＣｕが反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、Ｃｕの拡散を助長してしまうためである。なお、焼成雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
【００７７】
以上のような構成による本発明の複合セラミック部品の製造方法は、アルミナ質絶縁層１、低誘電率層２及び電気抵抗の小さな導体層３を同時焼成することができ、この方法によって、信号の損失が少なく、高強度且つ高熱伝導性絶縁基板を備えた複合セラミック部品を実現できる。
【００７８】
また、中間層７を形成することによって、アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２との接着強度を著しく高めることができる。
【００７９】
【実施例】
実施例１
アルミナ質絶縁層を作製するために、平均粒径が１．８μｍのアルミナ粉末、平均粒径が４μｍのＭｎ2Ｏ3粉末、平均粒径が１μｍのＳｉＯ2粉末、平均粒径が２μｍのＭｇＯ粉末及びＣａＯ粉末、Ｂ2Ｏ5粉末、Ｎｂ2Ｏ5粉末、Ｃｒ2Ｏ3粉末及びＣｏＯ3粉末を、表１、３のような組成に調合し、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形し、絶縁層用グリーンシートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１００〜２００μｍのヴィアを形成した。
【００８０】
低誘電率層として、平均粒径が３μｍのフォルステライト粉末、平均粒径が２．２μｍのコージェライト粉末、平均粒径が４μｍのＺｎ2ＳｉＯ4粉末及びＭｎ2Ｏ3粉末、平均粒径が２μｍのＣａＯ粉末、ＭｇＯ粉末及びＢａＯ粉末及び平均粒径が１．７μｍの非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を、表１のような組成に調合し、さらにこれらの合計１００質量部に対して、平均粒径が２．５μｍのムライト粉末を表１に示す量だけ加え、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した。これらのスラリーをドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形し、低誘電率グリーンシートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１００〜２００μｍのヴィアを形成した。
【００８１】
中間層は、スピネル質グリーンシート（Ｓ）及びペースト（Ｐ）塗布により形成した。スピネル質グリーンシートとして、平均粒径０．９８μｍのスピネル粉末、上記のアルミナ質絶縁層及び／又は前記低誘電率層の助剤成分を表１のような組成に調合し、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した。これらのスラリーをドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形し、スピネル質グリーンシートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１００〜２００μｍのヴィアを形成した。
【００８２】
また、中間層用ペーストとして、上記のスピネル粉末、上記のアルミナ質絶縁層及び／又は上記の低誘電率層の助剤成分を表１、３のような組成に調合し、アクリル系バインダーと、アセトンを溶媒として混合してペーストを作製した。
【００８３】
次に、平均粒径が５μｍのＣｕ粉末と、平均粒径が５μｍのＷ粉末又はＭｏ粉末とを表１、３に示す比率で混合し、アクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として導体ペーストを作製した。
【００８４】
次に、各シート状成形体上に上記導体ペーストを印刷塗布し、各シート状成形体のヴィアに上記導体ペーストを充填した。上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。
【００８５】
なお、中間層用ペーストを用いる場合、アルミナ質グリーンシート及び／又は低誘電率グリーンシートの表面に中間層用ペーストを周知の方法により塗布した後、各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。
【００８６】
その後、この成形体積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中で脱脂を行った後、表１に示す焼成温度、２５℃の露点の窒素水素混合雰囲気にて焼成して図１のような複合セラミック部品を作製した。
【００８７】
得られた焼結体の比重をアルキメデス法によって測定し、真比重から相対密度を算出した。また、作製した複合セラミック部品全体の反り、割れを確認し、配線・ヴィアの外観の確認を行った。
【００８８】
比誘電率は、ＪＩＳ Ｒ１６２７に基づいて空洞共振器法により測定周波数６０ＧＨｚで比誘電率を測定した。また、アルミナ質絶縁層の曲げ強度は、ＪＩＳＲ１６０１に基づいて室温における３点曲げ強度を測定した。
【００８９】
拡散層の元素分析をＥＰＭＡにて行い、走査型電子顕微鏡を用いて中間層の厚み（ｄ）及び拡散層の厚み（ｔ）を測定し、比ｔ／ｄを算出した。
【００９０】
また、反射損失はネットワークアナライザとウエハープローブを用いて６０ＧＨｚの信号に対する反射損失を測定した。詳細にはセラミック部品を実装する基板とセラミック部品内に設けた測定用電極間の値を測定した。結果を表１〜４に示した。
【００９１】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
本発明の試料Ｎｏ．１〜３、５、６、８〜１４、１６〜１８及び２０〜６０は、配線・ヴィアの外観、基板の反り、割れが無く、反射損失も−１２．５ｄＢ以下であった。
【００９６】
一方、低誘電率層に副成分のない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４は、緻密な低誘電率層が得られず、また、基板の割れが見られた。
【００９７】
また、副成分が１０質量％を超える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．７、１５及び１９は、いずれも配線の断線が見られた。
実施例２
実施例１における試料Ｎｏ．４７の組成を用いて、中間層のある複合セラミック部品と、中間層の無い複合セラミック部品を作製し、ヒートサイクル試験を行った。なお、中間層の無い複合セラミック部品の低誘電率層にはムライトは添加しなかった。
【００９８】
ヒートサイクル試験は、−６５〜１５０℃を１００回毎にアルミナ質絶縁層と低誘電率層の間にクラックがあるかどうかを観察し、１０００回まで繰り返した。
【００９９】
その結果、中間層の無い複合セラミック部品では、５００回でクラックが観察されたが、中間層のある複合セラミック部品では、１０００回でもクラックは発生しなかった。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、アルミナ質絶縁層と、低誘電率の低誘電率層とを一体的に積層し、表面及び／又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備えた構造を有し、低誘電率層の組成を制御したことにより、高周波領域に対応できる高強度、高熱伝導、低抵抗導体配線の複合セラミック部品を実現した。
【０１０１】
また、アルミナ質絶縁層と、低誘電率の低誘電率層の間に中間層及び／又は拡散層を具備することより、アルミナ質絶縁層と低誘電率層の接着強度が向上し、信頼性及び寿命を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合セラミック部品の一実施態様を示す概略断面図である。
【図２】本発明の複合セラミック部品の一部分を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、１１・・・アルミナ質絶縁層
２、１２・・・低誘電率層
３・・・導体層
３ａ・・・表面導体層
３ｂ・・・内部導体層
４・・・ヴィア
５・・・絶縁基板
７、１７・・・中間層
１８・・・拡散層
Claims (17)
- アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率の低誘電率層とが一体的に積層され、表面及び／又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記低誘電率層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相とし、副成分として、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスを全量中０．１〜１０質量％の割合で含み、さらに前記アルミナ質絶縁層と前記低誘電率層の間に、スピネルを主結晶相とする中間層が形成されていることを特徴とする複合セラミック部品。
- 前記中間層と前記アルミナ質絶縁層、前記中間層と前記低誘電率層との間にそれぞれ拡散層が含まれることを特徴とする請求項１に記載の複合セラミック部品。
- 前記拡散層の厚みｔに対する前記中間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合セラミック部品。
- 前記低誘電率層が、ムライト結晶相を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複合セラミック部品。
- 前記低誘電率層が、コージェライトを全量中２０〜４０質量％の割合で含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の複合セラミック部品。
- 前記アルミナ質絶縁層の３点曲げ強さが３５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の複合セラミック部品。
- 前記アルミナ質絶縁層が、Ｍｎを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｓｉを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＣｏのうち少なくとも１種を酸化物換算で０．１〜４質量％含むとともに、相対密度が９５％以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の複合セラミック部品。
- 前記導体層が、Ｃｕを１０〜７０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％の割合で含有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の複合セラミック部品。
- フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グリーンシートとスピネル質グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートで前記スピネル質グリーンシートを介在せしめて積層して積層体を作製し、次いで該積層体を１２００〜１５００℃で焼成することを特徴とする複合セラミック部品の製造方法。
- フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシート及び／又は前記アルミナ質グリーンシートの主面にスピネルを主体とするペーストを塗布し、該ペーストを挟むように前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グリーンシートとを積層して積層体を作製し、次いで該積層体を１２００〜１５００℃で焼成することを特徴とする複合セラミック部品の製造方法。
- 拡散層の厚みｔに対する中間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１になるように、前記積層体を焼成することを特徴とする請求項９または請求項１０記載の複合セラミック部品の製造方法。
- 前記低誘電率グリーンシートにムライト粉末を含むことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。
- 前記低誘電率グリーンシート、前記アルミナ質グリーンシート及び前記スピネル質グリーンシートの積層に先立って、前記低誘電率グリーンシート、前記アルミナ質グリーンシート、前記スピネル質グリーンシートの少なくとも一方にヴィアを形成し、該ヴィア中に導体ペーストを充填することを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。
- 前記低誘電率グリーンシートが、コージェライト粉末を全量中に２０〜４０質量％の割合で含むことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。
- 前記アルミナ質グリーンシートが、Ｍｎ2Ｏ3を２〜１５質量％、ＳｉＯ2を２〜１５質量％、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2、ＭｇＣＯ3、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＣａＣＯ3、Ｂ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3及びＣｏ3Ｏ4のうち少なくとも１種を０．１〜４質量％、残部がアルミナ粉末からなる混合粉末を成形して得られるものであることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。
- 前記スピネル質グリーンシート又は前記スピネルを主体とするペーストが、全重量に対しスピネル粉末を５０質量％以上含み、さらに前記アルミナ質グリーンシート及び／又は前記低誘電率グリーンシートに含まれる助剤成分のうち少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項９乃至１５のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。
- 前記導体ペーストが、金属成分としてＣｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末及び／又はＭｏ粉末を３０〜９０体積％の割合で含むことを特徴とする請求項９乃至１６のうちいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。
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