JP3944839B2 - 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に低抵抗導体を具備し、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号公報に提案されている。
【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号公報に提案されている。
【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、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の曲げ強度であると同時に、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と低誘電率材料を一体化する際に、低誘電率材料の組成を制御し、同時焼成することによって、約６０ＧＨｚの高周波領域でも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】
また、副成分が全量中１０質量％を越え、２０質量％以下の割合で含まれる場合であっても、焼成温度を１２００〜１３００℃に精密に制御することによって、緻密で、且つ基板反りや割れの発生を抑制した複合セラミック部品を実現できるという知見に基づくものである。
【００１２】
即ち、同時焼成によって、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誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体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種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を全量中０．１〜１０質量％の割合で含むこと、又は同時焼成によって、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誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体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種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を、全量中１０質量％を超え、２０質量％以下の割合で含むことを特徴とするものである。これにより、アルミナ質絶縁層と誘電体層とが高い密着性を有し、強度及び熱伝導率がガラスセラミックスに比べて著しく向上する。また、誘電率の低い誘電体層の組成を上記のように設定することで、高周波領域での信号の損失を低減する事が可能となる。
【００１３】
特に、前記誘電体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、低誘電率セラミックス絶縁層の比誘電率が６以下と抑えてより効果的に信号の損失を低減できる。
【００１４】
また、前記アルミナ質絶縁層の曲げ強度が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。
【００１５】
さらに、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。
【００１６】
さらにまた、前記導体層は、Ｃｕを１０〜７０体積％、ＷおよびＭｏの少なくとも一方を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ホール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。
【００１７】
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および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を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セラミックスと、低誘電率の誘電体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。
【００１８】
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および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を、全量中１０質量％を越え、２０質量％以下の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を１２００〜１３００℃で焼成することを特徴とするものである。これにより、副成分が多くても低誘電率の誘電体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。
【００１９】
特に、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートの積層に先立って、前記低誘電グリーンシートおよび前記アルミナ質グリーンシートの少なくとも一方にヴィアホールを形成し、該ヴィアホール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。
【００２０】
さらに、前記コージェライト粉末を全量中２０〜４０質量％の割合で加えて前記低誘電グリーンシートを作製することが好ましい。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。
【００２１】
さらにまた、Ｍｎ2Ｏ3が２〜１５質量％、ＳｉＯ2が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種が０．１〜４質量％、残部がアルミナ粉末となるように混合した後、成形してアルミナ質グリーンシートを作製することが好ましい。これにより、焼成温度を低減しても、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、製品歩留まりを向上することが容易となる。
【００２２】
さらにまた、Ｃｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末およびＭｏ粉末の少なくとも一方を３０〜９０体積％の割合で混合し、前記導体ペーストを作製することが好ましい。これにより、Ｃｕの融点よりも高い１２００℃〜１５００℃の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る。
【００２３】
【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薄層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誘電体層２が一体的に積層されている。そして、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、絶縁基板５の表面及び内部に形成されている。
【００２４】
本発明によれば、誘電体層２が、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、コージェライトは、アルミナ質絶縁層１と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。
【００２５】
誘電体層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。
【００２６】
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種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方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と誘電体層２との一体化を確保する。
【００２７】
特に、上記の副成分が、誘電体層２における全量中０．１〜１０質量％であることが重要であり、特に１〜８質量％、更には３〜６質量％の割合で含まれることが好ましい。また、上記の副成分が、誘電体層２における全量中１０質量％を越え、２０質量％以下の割合で含まれることが重要であり、特に、１２〜１９質量％、１４〜１８質量％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２０質量％を超えると１２００℃の焼成温度でも焼成時に液相が流出してしまい、誘電体層７の形状を保持できず、基板の反りや割れが発生するためである。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
また、この絶縁層１中に、ＳｉＯ2およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ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。
【００３２】
さらに着色成分として、ＷやＭｏ等の遷移金属を２質量％以下の割合で含んでもよい。
【００３３】
導体層３は、Ｃｕを１０〜７０体積％、特に３０〜６０体積％、ＷおよびＭｏの少なくとも一方を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、導体層３および誘電体層２の少なくとも一方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。
【００３４】
また、上記組成のＣｕとＷおよびＭｏの少なくとも一方に加えて、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％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および誘電体層２の少なくとも一方との密着性をさらに高める効果がある。
【００３５】
また、本発明によれば、ＷおよびＭｏの少なくとも一方が、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、導体層の抵抗、Ｃｕ成分の分離、にじみなどの観点からＷおよびＭｏの少なくとも一方の平均粒子径は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。
【００３６】
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及び誘電体層２中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の周囲の誘電体層２および絶縁層１の少なくとも一方への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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
一方、誘電体層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および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を全量中０．１〜１０質量％の割合、又は１０質量％を越え、２０質量％以下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％、又は特に１２〜１９質量％、更には１４〜１８質量％の割合で添加することが好ましい。
【００４３】
副成分を全量中０．１〜１０質量％、又は１０質量％を越え、２０質量％以下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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に、各々の混合粉末を用いて絶縁層１を形成するためのシート状成形体を作製する。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ホール導体用スルーホールを形成しても良い。
【００４７】
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粉末およびＭｏ粉末の少なくとも一方を３０〜９０体積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有し、かつ所望により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０．０５〜３．０質量％、特に０．２〜２．０質量％含有してなる導体ペーストを調製する。
【００４８】
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、誘電体層２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り、にじみや断線が発生し、或いはアルミナ質絶縁層１および誘電体層２の少なくとも一方からの導体層３の剥離が発生し、又はヴィア４内部の金属が欠落する等の不具合が生じる。
【００４９】
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、導体層を形成する際は、上記導体ペーストを絶縁層１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。
【００５０】
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。
【００５１】
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た後、この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ある。特に、副成分が１〜１０質量％の場合、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。
【００５２】
副成分が１〜１０質量％の場合に、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、誘電体層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。
【００５３】
また、副成分が１０質量％を越え、２０質量％以下の場合、１２００〜１３００℃で焼成することができ、特に１２２０〜１２９０℃、更には１２４０〜１２８０℃が焼結性の点で好ましい。ここで、焼成温度が１３００℃を超えると、助剤成分が多いため、誘電体層を保持することができないため、基板が反り、或いは割れが生じ、反射損失が大きくなるとともに、配線導体に異常が発生する。
【００５４】
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。
【００５５】
以上のような構成による複合セラミック部品の製造方法は、アルミナ質絶縁層、誘電体層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重要である。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。
【００５６】
【実施例】
アルミナ質絶縁層として、アルミナ粉末（平均粒径１．８μｍ）、Ｍｎ2Ｏ3粉末、ＳｉＯ2粉末、ＭｇＯ粉末、ＣａＯ粉末、Ｂ2Ｏ5粉末、Ｎｂ2Ｏ5粉末、Ｃｒ2Ｏ3粉末、Ｃｏ3Ｏ4粉末を、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後、ドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形した。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１００〜２００μｍのヴィアホールを形成した。
【００５７】
また、低誘電率の誘電体層として、フォルステライト粉末、コージェライト粉末、Ｚｎ2ＳｉＯ4粉末、Ｍｎ2Ｏ3粉末、ＣａＯ粉末、ＭｇＯ粉末、ＢａＯ粉末、ＳｒＯ粉末及び非鉛・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、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た後、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。
【００５８】
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。
【００５９】
次に、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。
【００６０】
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成した。
【００６１】
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。
【００６２】
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。さらに、アルミナ質絶縁層の強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に基づいて室温における３点曲げ強度を測定した。
【００６３】
誘電体層中の主結晶相は、Ｘ線回折により得られたピークを同定して決定した。
【００６４】
フォルステライト及びコージェライトの含有量は、Ｘ線回折並びにリードベルト解析を用いて測定した。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、２に示した。
【００６５】
【表１】
【００６６】
【表２】
【００６７】
本発明の試料Ｎｏ．１〜３、５〜４８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。
【００６８】
一方、副成分のない試料Ｎｏ．４は、緻密な低誘電率層が得られなかった。
【００６９】
また、副成分が２０質量％を超える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４９は、焼成時に液相が流出し、形状を保持できなかった。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の複合セラミック部品は、アルミナ質絶縁層と、低誘電率の誘電体層とを一体的に積層し、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備えた構造を有し、誘電体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。
【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。
【符号の説明】
１・・・アルミナ質絶縁層
２・・・誘電体層
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
【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に低抵抗導体を具備し、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号公報に提案されている。
【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号公報に提案されている。
【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、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の曲げ強度であると同時に、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と低誘電率材料を一体化する際に、低誘電率材料の組成を制御し、同時焼成することによって、約６０ＧＨｚの高周波領域でも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】
また、副成分が全量中１０質量％を越え、２０質量％以下の割合で含まれる場合であっても、焼成温度を１２００〜１３００℃に精密に制御することによって、緻密で、且つ基板反りや割れの発生を抑制した複合セラミック部品を実現できるという知見に基づくものである。
【００１２】
即ち、同時焼成によって、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誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体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種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を全量中０．１〜１０質量％の割合で含むこと、又は同時焼成によって、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誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体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種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を、全量中１０質量％を超え、２０質量％以下の割合で含むことを特徴とするものである。これにより、アルミナ質絶縁層と誘電体層とが高い密着性を有し、強度及び熱伝導率がガラスセラミックスに比べて著しく向上する。また、誘電率の低い誘電体層の組成を上記のように設定することで、高周波領域での信号の損失を低減する事が可能となる。
【００１３】
特に、前記誘電体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、低誘電率セラミックス絶縁層の比誘電率が６以下と抑えてより効果的に信号の損失を低減できる。
【００１４】
また、前記アルミナ質絶縁層の曲げ強度が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。
【００１５】
さらに、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。
【００１６】
さらにまた、前記導体層は、Ｃｕを１０〜７０体積％、ＷおよびＭｏの少なくとも一方を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ホール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。
【００１７】
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および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を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セラミックスと、低誘電率の誘電体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。
【００１８】
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および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を、全量中１０質量％を越え、２０質量％以下の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を１２００〜１３００℃で焼成することを特徴とするものである。これにより、副成分が多くても低誘電率の誘電体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。
【００１９】
特に、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートの積層に先立って、前記低誘電グリーンシートおよび前記アルミナ質グリーンシートの少なくとも一方にヴィアホールを形成し、該ヴィアホール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。
【００２０】
さらに、前記コージェライト粉末を全量中２０〜４０質量％の割合で加えて前記低誘電グリーンシートを作製することが好ましい。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。
【００２１】
さらにまた、Ｍｎ2Ｏ3が２〜１５質量％、ＳｉＯ2が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種が０．１〜４質量％、残部がアルミナ粉末となるように混合した後、成形してアルミナ質グリーンシートを作製することが好ましい。これにより、焼成温度を低減しても、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、製品歩留まりを向上することが容易となる。
【００２２】
さらにまた、Ｃｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末およびＭｏ粉末の少なくとも一方を３０〜９０体積％の割合で混合し、前記導体ペーストを作製することが好ましい。これにより、Ｃｕの融点よりも高い１２００℃〜１５００℃の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る。
【００２３】
【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薄層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誘電体層２が一体的に積層されている。そして、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、絶縁基板５の表面及び内部に形成されている。
【００２４】
本発明によれば、誘電体層２が、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、コージェライトは、アルミナ質絶縁層１と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。
【００２５】
誘電体層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。
【００２６】
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種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方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と誘電体層２との一体化を確保する。
【００２７】
特に、上記の副成分が、誘電体層２における全量中０．１〜１０質量％であることが重要であり、特に１〜８質量％、更には３〜６質量％の割合で含まれることが好ましい。また、上記の副成分が、誘電体層２における全量中１０質量％を越え、２０質量％以下の割合で含まれることが重要であり、特に、１２〜１９質量％、１４〜１８質量％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２０質量％を超えると１２００℃の焼成温度でも焼成時に液相が流出してしまい、誘電体層７の形状を保持できず、基板の反りや割れが発生するためである。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
また、この絶縁層１中に、ＳｉＯ2およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ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。
【００３２】
さらに着色成分として、ＷやＭｏ等の遷移金属を２質量％以下の割合で含んでもよい。
【００３３】
導体層３は、Ｃｕを１０〜７０体積％、特に３０〜６０体積％、ＷおよびＭｏの少なくとも一方を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、導体層３および誘電体層２の少なくとも一方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。
【００３４】
また、上記組成のＣｕとＷおよびＭｏの少なくとも一方に加えて、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％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および誘電体層２の少なくとも一方との密着性をさらに高める効果がある。
【００３５】
また、本発明によれば、ＷおよびＭｏの少なくとも一方が、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、導体層の抵抗、Ｃｕ成分の分離、にじみなどの観点からＷおよびＭｏの少なくとも一方の平均粒子径は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。
【００３６】
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及び誘電体層２中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の周囲の誘電体層２および絶縁層１の少なくとも一方への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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
一方、誘電体層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および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を全量中０．１〜１０質量％の割合、又は１０質量％を越え、２０質量％以下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％、又は特に１２〜１９質量％、更には１４〜１８質量％の割合で添加することが好ましい。
【００４３】
副成分を全量中０．１〜１０質量％、又は１０質量％を越え、２０質量％以下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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に、各々の混合粉末を用いて絶縁層１を形成するためのシート状成形体を作製する。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ホール導体用スルーホールを形成しても良い。
【００４７】
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粉末およびＭｏ粉末の少なくとも一方を３０〜９０体積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有し、かつ所望により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０．０５〜３．０質量％、特に０．２〜２．０質量％含有してなる導体ペーストを調製する。
【００４８】
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、誘電体層２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り、にじみや断線が発生し、或いはアルミナ質絶縁層１および誘電体層２の少なくとも一方からの導体層３の剥離が発生し、又はヴィア４内部の金属が欠落する等の不具合が生じる。
【００４９】
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、導体層を形成する際は、上記導体ペーストを絶縁層１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。
【００５０】
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。
【００５１】
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た後、この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ある。特に、副成分が１〜１０質量％の場合、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。
【００５２】
副成分が１〜１０質量％の場合に、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、誘電体層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。
【００５３】
また、副成分が１０質量％を越え、２０質量％以下の場合、１２００〜１３００℃で焼成することができ、特に１２２０〜１２９０℃、更には１２４０〜１２８０℃が焼結性の点で好ましい。ここで、焼成温度が１３００℃を超えると、助剤成分が多いため、誘電体層を保持することができないため、基板が反り、或いは割れが生じ、反射損失が大きくなるとともに、配線導体に異常が発生する。
【００５４】
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。
【００５５】
以上のような構成による複合セラミック部品の製造方法は、アルミナ質絶縁層、誘電体層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重要である。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。
【００５６】
【実施例】
アルミナ質絶縁層として、アルミナ粉末（平均粒径１．８μｍ）、Ｍｎ2Ｏ3粉末、ＳｉＯ2粉末、ＭｇＯ粉末、ＣａＯ粉末、Ｂ2Ｏ5粉末、Ｎｂ2Ｏ5粉末、Ｃｒ2Ｏ3粉末、Ｃｏ3Ｏ4粉末を、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後、ドクターブレード法にて厚さ２５０μｍのシート状に成形した。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１００〜２００μｍのヴィアホールを形成した。
【００５７】
また、低誘電率の誘電体層として、フォルステライト粉末、コージェライト粉末、Ｚｎ2ＳｉＯ4粉末、Ｍｎ2Ｏ3粉末、ＣａＯ粉末、ＭｇＯ粉末、ＢａＯ粉末、ＳｒＯ粉末及び非鉛・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、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た後、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。
【００５８】
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。
【００５９】
次に、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。
【００６０】
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成した。
【００６１】
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。
【００６２】
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。さらに、アルミナ質絶縁層の強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に基づいて室温における３点曲げ強度を測定した。
【００６３】
誘電体層中の主結晶相は、Ｘ線回折により得られたピークを同定して決定した。
【００６４】
フォルステライト及びコージェライトの含有量は、Ｘ線回折並びにリードベルト解析を用いて測定した。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、２に示した。
【００６５】
【表１】
【表２】
本発明の試料Ｎｏ．１〜３、５〜４８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。
【００６８】
一方、副成分のない試料Ｎｏ．４は、緻密な低誘電率層が得られなかった。
【００６９】
また、副成分が２０質量％を超える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４９は、焼成時に液相が流出し、形状を保持できなかった。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の複合セラミック部品は、アルミナ質絶縁層と、低誘電率の誘電体層とを一体的に積層し、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備えた構造を有し、誘電体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。
【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。
【符号の説明】
１・・・アルミナ質絶縁層
２・・・誘電体層
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
Claims (12)
- 同時焼成によって、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誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体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種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を全量中０．１〜１０質量％の割合で含むことを特徴とする複合セラミック部品。
- 同時焼成によって、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誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体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種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を、全量中１０質量％を超え、２０質量％以下の割合で含むことを特徴とする複合セラミック部品。
- 前記誘電体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又は２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３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４のいずれかに記載の複合セラミック部品。
- 前記導体層は、Ｃｕを１０〜７０体積％、ＷおよびＭｏの少なくとも一方を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５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および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を全量中０．１〜１０質量％の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を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および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を、全量中１０質量％を超え、２０質量％以下の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を１２００〜１３００℃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。
- 前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートの積層に先立って、前記低誘電グリーンシートおよび前記アルミナ質グリーンシートの少なくとも一方にヴィアホールを形成し、該ヴィアホール中に導体ペーストを充填することを特徴とする請求項７又は８記載の複合セラミック部品の製造方法。
- 前記コージェライト粉末を全量中２０〜４０質量％の割合で加えて前記低誘電グリーンシートを作製することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。
- Ｍｎ２Ｏ３が２〜１５質量％、ＳｉＯ２が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種が０．１〜４質量％、残部がアルミナ粉末となるように混合した後、成形してアルミナ質グリーンシートを作製することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。
- Ｃｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末およびＭｏ粉末の少なくとも一方を３０〜９０体積％の割合で混合し、前記導体ペーストを作製することを特徴とする請求項７乃至１１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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