JP4859288B2 - ガラス組成物、ガラス焼結体およびそれを用いた配線基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ、多層配線基板等に適用される配線基板等に最適なガラス組成物およびガラス焼結体に関するものであり、また、これを絶縁基板として用いた配線基板に関するものであり、特にＧａＡｓチップを実装するのに最適な配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報通信技術が急速に発達し、それに伴い、半導体素子等の高速化、大型化が図られ、配線層においても、信号の伝送損失を低減する上で配線層の低抵抗化が求められている。
【０００３】
従来、配線基板は、例えば、アルミナ質セラミックス等によって形成された絶縁基板と、この絶縁基板の表面および／または表面に同時焼成されたメタライズ配線層とを有するものが主流であった。
【０００４】
ここで、アルミナ質セラミックスはその焼成温度が約１６００℃と高温であるために絶縁基板内部に形成されるメタライズ配線層としては、高融点金属のＷ、Ｍｏ等が用いられてきた。
【０００５】
しかし、前記のような従来の絶縁基板を構成するアルミナ質セラミックスは、その誘電率が高く、信号遅延時間が長くなり高速に信号を伝播させることができない。さらに、メタライズ配線層を構成する上記高融点金属はその電気抵抗が高いので、同様に高速に信号を伝播させることが出来ない。
【０００６】
そこで、誘電率が低くかつ焼成温度が１０００℃以下の低温焼成可能なガラスセラミックスを絶縁基板とし、導体として電気抵抗の低いＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることが提案されている。
【０００７】
例えば、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、アルミナ、ジルコニア、ムライトなどのフィラーを添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミック材料も提案されている。
【０００８】
また、半導体チップを配線基板上に実装（一次実装）する際、さらには該配線基板をマザーボード等の有機樹脂製プリント基板上に実装（二次実装）する際、電源のＯＮ、ＯＦＦ時等に発生する温度の上昇、下降に伴って、熱膨張差により発生する熱応力により、実装部分が剥離したり、クラックなどが発生するのを防止するうえで、絶縁基板の熱膨張係数が半導体素子やプリント基板のそれと近似していることが望まれる。
【０００９】
一方、半導体素子においては、従来のＳｉチップに変わり、より高周波特性に優れるＧａＡｓチップを用いたデバイスが増加している。
【００１０】
特に、ＧａＡｓチップは、Ｓｉチップと比較して、脆く破壊しやすく、また耐湿性等に劣るため、配線基板に対する要求として、絶縁基板の熱膨張係数が近いこと、気密封止が可能であることが要求される。なお、配線基板側の熱膨張係数が大きい場合には、チップに圧縮応力が働き、ＧａＡｓチップの破壊が比較的起こりにくいため、実際には、配線基板の熱膨張係数としては、ＧａＡｓチップと同等かやや高めが要求される。
【００１１】
さらには、実装部分の熱応力を緩和するために、絶縁基板のヤング率が小さいことが要求されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のガラスセラミックは、金、銀、銅などの低抵抗金属との同時焼成は可能であるものの、熱膨張係数が３〜５ｐｐｍ／℃と低く、ＧａＡｓチップ（熱膨張係数：６〜７．５ｐｐｍ／℃）を実装した際や、プリント基板上に配線基板を実装した際した際に、実装部の長期信頼性が低く実用上満足できるものではなかった。
【００１３】
さらには、従来のガラスセラミックにおいては、フィラーとしてヤング率の高いアルミナやムライト等を用いるため、ヤング率は１００ＧＰａを超えることが多く、実装部分の熱応力の緩和が不充分で、実装部の長期信頼性を低下させる要因となっていた。
【００１４】
また、プリント基板に代表される有機樹脂含む材料を絶縁基板とした場合には、低抵抗配線と熱膨張係数およびヤング率を上記範囲とすることは可能であるものの、絶縁基板そのものが吸湿性をもつため、気密封止が不可能であった。
【００１５】
従って、本発明は、銀、銅、金等の低抵抗金属との同時焼成が可能であり、熱膨張係数がＧａＡｓチップに近く、かつヤング率が低く、実装部の長期信頼性を高め、気密封止が可能なガラス組成物およびガラス焼結体、および該焼結体を絶縁基板とする配線基板を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のガラス組成物は、ＳｉＯ２を１３〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜３０重量％、ＢａＯを２３〜３２重量％、Ｙ２Ｏ３を１〜２０重量％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０重量％、ＺｎＯを０〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種を０〜２０重量％、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２およびＴｉＯ２の群から選ばれる少なくとも一種を０〜１０重量％の割合で含有し、かつ上記成分の合計量が９０重量％以上であることを大きな特徴とするものである。本発明によれば、上記組成物からなるガラス粉末を成形後、１０００℃以下で焼成することにより、焼結体の開気孔率を１．０％以下とし、さらに、ＧａＡｓチップに近い熱膨張係数と、低いヤング率とを同時に達成できる。
【００１７】
ここで、前記ガラス組成物中には、ＰｂＯ、Ａｓ2Ｏ3の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましく、さらにはＲ2Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましい。
【００１８】
さらに、前記ガラス組成物は、ガラス転移点が５５０℃以上であること、表面結晶化ガラスであること、平均粒径１００μｍ以下のガラス粉末をガラス転移点以上１０００℃以下の任意の温度で熱処理した際に、少なくともＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相を析出することが望ましいものである。
【００１９】
また、本発明のガラス焼結体は、ＳｉＯ２を１３〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜３０重量％、ＢａＯを２３〜３２重量％、Ｙ２Ｏ３を１〜２０重量％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０重量％、ＺｎＯを０〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種を０〜２０重量％、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２およびＴｉＯ２の群から選ばれる少なくとも一種を０〜１０重量％の割合で含有し、かつ上記成分の合計量が９０重量％以上であるガラス粉末を成形後、１０００℃以下で焼成して得られることを大きな特徴とするものである。
【００２０】
ここで、前記ガラス焼結体は、ＰｂＯ、Ａｓ2Ｏ3の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましく、さらにはＲ2Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましい。
【００２１】
さらに、前記ガラス焼結体は、結晶相として少なくともＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相を含有することが望ましく、開気孔率が１．０％以下、４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が６．０〜９．０ｐｐｍ／℃、かつヤング率が１００ＧＰａ以下であることが望ましいものである。
【００２２】
そして、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面および／または内部に配設された低抵抗金属を含有する配線層を具備してなるものであり、前記絶縁基板が、上述のガラス焼結体からなることを大きな特徴とするものである。なお、前記低抵抗金属は、金、銀、銅のいずれかであることが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明のガラス組成物は、ＳｉＯ２を１３〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜３０重量％、ＢａＯを２３〜３２重量％、Ｙ２Ｏ３を１〜２０重量％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０重量％、ＺｎＯを０〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種を０〜２０重量％、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２およびＴｉＯ２の群から選ばれる少なくとも一種を０〜１０重量％の割合で含有し、かつ上記成分の合計量が９０重量％以上、特に９３重量％以上、最適には９５重量％以上であることを特徴とするものである。
【００２４】
さらに、本発明のガラス焼結体は、上記のガラス組成物からなるガラス粉末を成形後、１０００℃以下で焼成してなるものである。
【００２５】
用いるガラス組成物およびガラス焼結体における各成分の含有量を上記範囲に限定した理由は、必須成分であるＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＢａＯは、焼結体中にＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相を析出させるために必要であり、ガラス焼結体の特性を高めるために必要であり、上記範囲を逸脱するとガラス焼結体において、その開気孔率を１．０％以下とすることが出来ないと同時に、その熱膨張係数も望ましい範囲から逸脱するようになるためである。
【００２６】
さらに、上記各成分のうち、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3の含有量が上記各範囲よりも少ないと、ガラス転移点が低下して焼成時の脱バインダ性が悪くなり、逆に上記各範囲よりも多いと、１０００℃以下の焼成にて焼結体の開気孔率が大きくなる傾向にある。また、ＢａＯの含有量が上記範囲よりも少ないと、１０００℃以下の焼成にてガラス焼結体の開気孔率が大きく１．０％を超えてしまい、逆に多いと、ガラスの軟化点が低下して焼成時の脱バインダ性が悪くなるとともに、開気孔率が大きくなる傾向にある。
【００２７】
上記ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ ３ のさらに望ましい範囲は、ＳｉＯ２は、特に１５〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３は、特に３〜２５重量％、最適には５〜２０重量％である。
【００２８】
また、もうひとつの必須成分であるＹ2Ｏ3は、ガラスの軟化点を上昇させ、ガラス転移点を後述する範囲内に保つ働きをすると同時に、結晶化剤として上記ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相の析出量を増加させると同時に、その含有量によりＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相の析出量を制御することが可能となる。さらに、Ｙ2Ｏ3はガラスのヤング率を向上させる成分であり、含有量に応じて後述するガラス焼結体のヤング率を望ましい範囲に制御することが可能であり、抗折強度を向上させることが出来る。
【００２９】
従って、Ｙ2Ｏ3の含有量が上記範囲よりも少ないと上記ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相の析出量が不充分となり、逆に上記範囲よりも多いと、焼結体のヤング率が１００ＧＰａを超えてしまうと同時に、ガラス転移点が向上し１０００℃以下の焼成で開気孔率が大きくなり、１．０％を超えてしまう。Ｙ2Ｏ3のさらに望ましい範囲としては、特に２〜１８重量％、最適には３〜１５重量％である。
【００３０】
また、ガラス組成物およびガラス焼結体中に任意成分として含まれるＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種、Ｂ2Ｏ3、ＺｎＯは、ガラスの軟化挙動を制御することが可能であり、焼成条件を望ましい範囲とすることが出来ると同時に、ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相、ＳｒＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相あるいはその固溶体等の特に針状晶や、さらにＺｎＡｌ2Ｏ4結晶相、ＭｇＡｌ2Ｏ4結晶相あるいはその固溶体等、他の結晶相をガラス中から析出させることが可能となり、ガラス焼結体の熱膨張係数や、抗折強度、ヤング率、誘電特性等を制御することができる効果がある。しかし、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種、Ｂ2Ｏ3、ＺｎＯの各量が、各含有量の範囲よりも多いと、ガラス転移点が低下して焼成時の脱バインダ性が悪くなったり、および／または開気孔率が大きくなる。
【００３１】
上記Ｂ2Ｏ3の望ましい範囲としては、特に０〜２０重量％、最適には０〜１４．５重量％、上記ＺｎＯの望ましい範囲は、特に０〜２０重量％、最適には０〜１５重量％、上記ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種の望ましい範囲は、特に０〜１８重量％、最適には０〜１５重量％である。
【００３２】
さらに、ＺｒＯ2、ＳｎＯ2およびＴｉＯ2の群から選ばれる少なくとも一種は、上述した特定の結晶相の析出を促進する効果がある。しかし１０重量％よりも多いと、焼結体の開気孔率が大きくなり、１．０％を超えてしまう。ＺｒＯ2、ＳｎＯ2およびＴｉＯ2の群から選ばれる少なくとも一種の望ましい範囲は、０〜８重量％、最適には０〜６重量％である。
【００３３】
そして、本発明においては、上記ガラス組成物およびガラス焼結体は上記成分の合計量が９０重量％以上であることを特徴とする。別の言い方をすれば、ガラスを製造する上で、清澄剤や消泡剤あるいは着色剤を１０重量％を超えない範囲内で上記ガラス組成物中に含有させることが出来る。しかし、上記成分の合計量が９０重量％よりも少ないと、ガラス焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となる。上記成分の合計量の望ましい範囲は、９３重量％以上、最適には９５重量％以上である。なお、上記清澄剤や消泡剤あるいは着色剤としては、これに限られるものではないが、例えばＳｂ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＭｎＯ、Ｌａ2Ｏ3の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００３４】
また、本発明においてはガラス組成物およびガラス焼結体中に、耐環境性の点で、従来のガラスで広く用いられているＰｂＯおよびＡｓ2Ｏ3の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましく、特に０．１重量％以下、さらには不可避不純物を除いてこれらの成分を実質的に含まないことが望ましい。
【００３５】
さらに、本発明においては耐薬品性、吸湿性等の点で、ガラス組成物およびガラス焼結体中におけるＲ2Ｏ（Ｒ：Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂのアルカリ金属）の含有量がそれぞれ１重量％以下、特に０．１重量％以下、さらには不可避不純物を除いてこれらの成分を実質的に含まないことが望ましい。
【００３６】
また、本発明のガラス組成物においては、ガラス転移点が５５０℃以上であることが望ましい。ガラス転移点が５５０℃よりも低いと、脱バインダ性が悪化し、焼結体中にカーボンが残留し、ガラス焼結体の特性を悪化させると同時に、焼成温度が低下し過ぎてしまい、低抵抗金属が十分に焼結することができず、比抵抗が増大するため、低抵抗金属を用いる利点が失われてしまう。ガラス転移点の望ましい範囲は、特に５８０℃以上、さらには６００℃以上である。
【００３７】
また、本発明のガラス組成物においては、該ガラス組成物が表面結晶化ガラスであることが望ましい。ここで、表面結晶化ガラスとは、バルクのガラス中から均一核生成により結晶化が進行するのではなく、表面、あるいは界面から不均一核生成により結晶化が進行することを指す。
【００３８】
こうして、上記ガラス組成物においては、結晶化が不均一核生成により進行することから、ガラスの結晶化挙動をガラス粉末の粒径等により制御が可能となり、後述するガラス焼結体において、任意の結晶化度を得ることが出来ることから、所望の特性を得ることが容易となる。
【００３９】
さらに、本発明のガラス組成物においては、平均粒径１００μｍ以下のガラス粉末をガラス転移点以上１０００℃以下の任意の温度で熱処理した際に、少なくともＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相を析出することが望ましい。本発明では、ガラス焼結体のヤング率が低いことが望ましいが、ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相は、ガラス中より針状晶として析出させることが可能であり、抗折強度を高めることが出来、低ヤング率と高強度を両立できる。さらには、ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相により熱膨張係数を制御することが可能となる。
【００４０】
また、本発明においては、ガラス粉末中からＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相以外の他の結晶相が析出し、ガラス焼結体中に存在してもよく、以下の他の結晶相の群から選ばれる少なくとも一種が析出してもよい。他の結晶相の例としては、ＺｎＡｌ2Ｏ4、ＭｇＡｌ2Ｏ4およびその固溶体、ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8、ＳｒＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8及びその固溶体、ＳｉＯ2、ＹＡｌＯ3、Ｙ4Ａｌ2Ｏ9、ＢａＹ2Ｏ4、Ｂａ4Ｙ2Ｏ7、ＢａＳｉＯ3、ＢａＳｉ2Ｏ5、Ｓｒ2ＭｇＳｉ2Ｏ7、ＭｇＳｉＯ3、Ｍｇ2ＳｉＯ4、ＣａＳｉＯ3等が挙げられる。
【００４１】
また、本発明のガラス焼結体を作製するにあたり、焼成温度が１０００℃より高温となると、後述する低抵抗配線の融点を超えてしまい同時焼成による配線層の形成が困難となる。焼成温度としては、銅を配線とする場合には１０００℃以下、特に９８０℃以下であり、金、銀を配線層とする場合には、９００℃以下、特に８５０℃以下であることが望ましい。
【００４２】
また、本発明のガラス焼結体には、前記ガラスより少なくともＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相が析出するものであるが、このＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相の析出によって熱膨張係数を制御することが可能であるが、ガラス中より針状晶として析出するためにガラス焼結体の抗折強度を高めることが出来る。
【００４３】
また、本発明のガラス焼結体においては、開気孔率が１．０％以下であることが望ましい。開気孔率が１．０％よりも小さいと、ガラス焼結体の抗折強度が低下すると同時に、めっき等の薬品処理を行った際に、薬液が開気孔中にトラップ等を引き起こす恐れがある。開気孔率の望ましい範囲としては、特に０．５％以下であることが望ましい。
【００４４】
さらに、本発明のガラス焼結体においては、４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が６．０〜９．０ｐｐｍ／℃であり、かつヤング率が１００ＭＰａ以下であることが望ましい。上記熱膨張係数が上記範囲内から逸脱する場合には、後述する上記ガラス焼結体を絶縁基板として用いた配線基板において、ＧａＡｓチップを一次実装した際に、その熱膨張係数差に起因する熱応力が大きくなり、一次実装部の長期信頼性を保つことができなくなる。上記ガラス焼結体の熱膨張係数の望ましい範囲としては、特に６．５〜８．５ｐｐｍ／℃である。
【００４５】
一方、上記ヤング率が１００ＧＰａを超える場合には、上記配線基板においてＧａＡｓチップを一次実装した際に、熱膨張係数差に起因する熱応力を上記絶縁基板にて緩和することが出来なくなり、一次実装部の長期信頼性を保つことができなくなる。また、上記配線基板をプリント基板上に二次実装した際でも、プリント基板と上記配線基板との熱膨張係数の差に起因した熱応力を同時に緩和できるため、二次実装部の長期信頼性を同時に保つことが出来る。上記ガラス焼結体のヤング率は、９０ＧＰａ以下であることが特に望ましい。
【００４６】
本発明によれば、上記のガラス焼結体を絶縁基板とし、その表面に配線層を形成した配線基板を形成することができる。その配線基板の好適例である半導体素子を収納搭載した半導体素子収納用パッケージＡの概略断面図である図１をもとに説明する。
【００４７】
図１によると１ａ〜１ｅからなる絶縁基板１の表面および／あるいは内部に配線層２が形成されている。また、図１によれば、絶縁層１ａ〜１ｅ間に形成される配線層２を電気的に接続するビアホール導体３が形成されている。
【００４８】
さらに、パッケージＡの下面には複数の接続用電極４が配列されており、パッケージＡの上面中央部には、キャビティ７が形成され、半導体素子等の素子５がガラス、ロウ材等の接着剤（図示せず）を介して絶縁基板１に接着固定され、素子５は低抵抗金属を含有する配線層２とワイヤボンディング６等を介して電気的に接続されている。さらに、素子５と、絶縁基板１の下面に形成された複数の接続用電極４とは、配線層２およびビアホール導体３を介して電気的に接続されている。
【００４９】
さらに、パッケージＡの上面には、キャビティ７の上部に金属やセラミック、ガラス等からなる蓋体８がガラス、ロウ材等（図示せず）により接着されることにより、気密封止がなされている。
【００５０】
この際、蓋体８の材質としては、熱膨張係数が本発明のガラス焼結体と近似の値を有する材質を用いることが、気密封止の長期信頼性を確保する上で望ましく例えば、熱膨張係数が７×１０-6／℃程度のＦｅ−Ｎｉ合金が挙げられる。
【００５１】
さらに、パッケージＡは、プリント基板Ｂ上にそれぞれの接続用電極４、９を相対する様に載置され、半田に代表されるロウ材や導電性接着材等（図示せず）により接着され、これにより、プリント基板Ｂ上の配線層（図示せず）と素子５が電気的に接続される。
【００５２】
本発明によれば、このような半導体素子収納用パッケージなどの配線基板における絶縁基板１として上述したガラス焼結体を用いることを特徴とし、これにより絶縁基板１の開気孔率、熱膨張係数、ヤング率を所望の範囲内とすることができ、パッケージＡの一次実装および二次実装の長期信頼性を同時に高めることができるとともに、気密封止が可能となる。
【００５３】
また、本発明の配線基板においては、前記低抵抗金属が、金、銀、銅のいずれかであることが望ましい。ここで、配線層２として、金、銀、銅のいずれかの低抵抗金属を含有、特に主成分として含有するため、配線層２を低抵抗化でき、特に高周波信号の信号遅延を小さくできる。
【００５４】
なお、図１においては、素子５を１つしか図示していないが、複数のチップを実装したマルチチップモジュールであってもよい。また、素子５はワイヤボンディング６を介して配線層２と接続されるものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、素子５が絶縁基板１表面に形成または露出する配線層２と半田等によって直接接続されたものであってもよい。
【００５５】
さらに、素子５は、蓋体８を用いることなく、封止樹脂を用いて封止されるものであってもよい。但し、封止樹脂を用いる場合には、水分等の進入を完全に遮断することが難しいために、蓋体８を用いた封止構造が好適である。
【００５６】
また、上記半導体素子収納用パッケージＡのような本発明の配線基板を製造するには、上述したガラス粉末に対して、適当な有機バインダ、分散剤、溶媒を添加、混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。
【００５７】
そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、低抵抗金属を含有する導体ペーストを充填する。そして、シート状成形体表面には、金属ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などの公知の印刷手法を用いて配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、評価パターンを印刷塗布するか、または金属箔を貼りつけ、パターン状に加工したり、パターン状に加工したものを貼りつける。
【００５８】
そして、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、酸化性雰囲気中、または低酸化性雰囲気中にて脱バインダ処理した後、１０００℃以下の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００５９】
なお、焼成雰囲気については、用いる低抵抗金属の種類に応じて適宜決定され、例えば、銅等の酸化性雰囲気中での焼成によって酸化する金属を用いる場合には非酸化性雰囲気中にて焼成を行う必要があるが、金、銀に関しては酸化雰囲気中での焼成を行うことも可能である。
【００６０】
そして、この配線基板の表面に、半導体素子等の素子を搭載し、配線層と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいはワイヤボンディングや、フリップチップなどが好適である。
【００６１】
さらに、蓋体８をガラスやロウ材等を用いて絶縁基板２上に接合することにより、半導体素子５を気密に封止することができ、これにより半導体素子収納用パッケージを作製することができる。
【００６２】
【実施例】
（実施例１）
表１に記載の組成を有する平均粒径が２μｍのガラス粉末を準備した。なお、各ガラス粉末におけるＰｂＯおよびＡｓ2Ｏ3の含有量は合計で１００ｐｐｍ以下、Ｒ2Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）の含有量も合計で１００ｐｐｍ以下である。
【００６３】
そして、このガラス粉末に有機バインダ、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。さらに、このグリーンシートを所望の厚さになるように複数枚積層し、６０℃の温度で１０ＭＰａの圧力を加えて熱圧着した。
【００６４】
得られた積層体を大気中、５００℃で脱バインダ処理した後、２００℃／時間で昇温して、大気中で表１の条件にて焼成してガラス焼結体を得た。
【００６５】
得られた焼結体について、示差熱分析測定を行いガラス転移点を測定した。また、アルキメデス法により開気孔率を測定した。また、超音波パルス法にてヤング率を測定した。さらに、４０℃〜４００℃における熱膨張曲線を測定し、熱膨張係数を測定した。さらに、焼結体中における結晶相をＸ線回折測定から同定し、ピーク強度の大きい順に表１に示した。
【００６６】
（実施例２）
表１に示した各ガラス粉末に対して、上記グリーンシートを作製し、所定位置にビアホールを形成し、銀を主成分とする導体ペーストを充填した後、スクリーン印刷法により前記導体ペーストを用いてグリーンシート表面に配線層を形成した。さらに、このグリーンシートを５枚積層し、６０℃の温度で１０ＭＰａの圧力を加えて熱圧着し、１５ｍｍ□に切断した。なお、最上層のシートに関しては、１０ｍｍ□の穴加工を施し、キャビティとした。
【００６７】
得られた積層体を大気中、５００℃で脱バインダ処理した後、２００℃／時間で昇温して、大気中で表１の条件にて焼成し、１５ｍｍ□の配線基板（半導体素子収納用パッケージＡ）を作製した。なお、接続用電極のピッチは１．２７ｍｍとし、これを配線基板下面上にマトリックス状に配置した。
【００６８】
得られた試料の配線層の比抵抗を測定し、４μΩｃｍ以下を合格とした。そして、この配線基板のチップ実装部分にＡｕ−Ｓｎペーストを塗布し、熱膨張係数６．８×１０-6／℃、３ｍｍ□のＧａＡｓチップを４個、マトリックス状に位置合わせして載置し、３２０℃、１０分間の熱処理を行いＧａＡｓチップを配線基板上に実装した。
【００６９】
さらに、配線基板上面の蓋体接続部にＡｕ−Ｓｎペーストを塗布し、熱膨張係数が７．０×１０-6／℃のＦｅ−Ｎｉ合金製の蓋体を位置合わせして載置し、再度３２０℃、１０分間の熱処理を行い気密封止構造を作製した。
【００７０】
続いて、下面の接続用電極表面上に、Ｐｂ３７−Ｓｎ６３重量％組成の共晶半田ペーストを印刷し、プリント基板の配線導体上にも同様にＰｂ３７−Ｓｎ６３重量％組成の共晶半田ペーストを印刷した。その上に、前記配線基板をプリント基板上に位置あわせして載置した後、リフロー炉にて２３０℃で処理して共晶半田を溶融してプリント基板上の配線導体上に接着し、配線基板をプリント基板上に実装した。なお、ここで用いたプリント基板の熱膨張係数は１４ｐｐｍ／℃である。
【００７１】
次に、熱サイクル試験として、これらの実装構造をそれぞれ大気雰囲気にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に交互に配置し、双方ともに１５分間づつ保持した場合を１サイクルとした温度サイクル試験を最高５００サイクルまで行った。そして、５０サイクル毎にプリント基板Ｂの配線導体と配線基板１の電極間の電気抵抗を測定し、電気抵抗の変化が１０％以上となるまでのサイクル数を表１に示した。
【００７２】
さらに、気密封止テストとして、上記５００サイクル終了後のパッケージを４気圧に加圧したＨｅガス中に２時間放置した後、排気ダクト中で表面に吸着したＨｅを除去した後、キャビティ内部より放出されるＨｅ量をＨｅ検出器を用いて測定し、Ｈｅの検出量が５×１０-8ａｔｍ／ｃｃ／ｓｅｃ．以下であるものを合格（〇）とし、不合格品を（×）とした。
【００７３】
【表１】
【００７４】
表１の結果から明らかなように、本発明に基づき、本発明の特定のガラス組成を用いた試料Ｎｏ．１〜１１においては、ガラス転移点が５５０℃以上、開気孔率が１．０％以下、熱膨張係数が６．０〜９．０ｐｐｍ／℃、ヤング率が１００ＧＰａ以下を示し、ＧａＡｓチップを実装し、気密封止を施したパッケージを、さらにプリント基板上に実装した場合においても、温度サイクル試験を５００サイクル行った後でも、抵抗変化が見られず、また気密封止も保たれており、接続部の長期信頼性が確保されているものであった。
【００７５】
一方、本発明のガラス組成の範囲から逸脱するガラス組成物を用いた試料Ｎｏ．１２〜１５においては、熱膨張係数とヤング率を同時に所定の範囲内とすることができず、温度サイクル試験において５００サイクル以下で抵抗変化が見られ、接続部の長期信頼性が保たれないものであった。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のガラス焼結体は、１０００℃以下の焼成で焼結体の開気孔率を１．０％以下に低減できることから、金、銀、銅などの低抵抗金属を主成分とする導体材料を用いて配線層を形成することができ、ＧａＡｓチップの実装に適した熱膨張係数と低ヤング率特性とを同時に満足することから、接続部の長期信頼性に優れた配線基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を用いた半導体素子収納用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ 素子収納用パッケージ
Ｂ プリント基板
１ 絶縁基板
２ 配線層
３ ビアホール導体
４ 接続用電極
５ 半導体素子
６ ワイヤボンディング
７ キャビティ
８ 蓋体
９ 接続用電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ、多層配線基板等に適用される配線基板等に最適なガラス組成物およびガラス焼結体に関するものであり、また、これを絶縁基板として用いた配線基板に関するものであり、特にＧａＡｓチップを実装するのに最適な配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報通信技術が急速に発達し、それに伴い、半導体素子等の高速化、大型化が図られ、配線層においても、信号の伝送損失を低減する上で配線層の低抵抗化が求められている。
【０００３】
従来、配線基板は、例えば、アルミナ質セラミックス等によって形成された絶縁基板と、この絶縁基板の表面および／または表面に同時焼成されたメタライズ配線層とを有するものが主流であった。
【０００４】
ここで、アルミナ質セラミックスはその焼成温度が約１６００℃と高温であるために絶縁基板内部に形成されるメタライズ配線層としては、高融点金属のＷ、Ｍｏ等が用いられてきた。
【０００５】
しかし、前記のような従来の絶縁基板を構成するアルミナ質セラミックスは、その誘電率が高く、信号遅延時間が長くなり高速に信号を伝播させることができない。さらに、メタライズ配線層を構成する上記高融点金属はその電気抵抗が高いので、同様に高速に信号を伝播させることが出来ない。
【０００６】
そこで、誘電率が低くかつ焼成温度が１０００℃以下の低温焼成可能なガラスセラミックスを絶縁基板とし、導体として電気抵抗の低いＣｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることが提案されている。
【０００７】
例えば、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、アルミナ、ジルコニア、ムライトなどのフィラーを添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミック材料も提案されている。
【０００８】
また、半導体チップを配線基板上に実装（一次実装）する際、さらには該配線基板をマザーボード等の有機樹脂製プリント基板上に実装（二次実装）する際、電源のＯＮ、ＯＦＦ時等に発生する温度の上昇、下降に伴って、熱膨張差により発生する熱応力により、実装部分が剥離したり、クラックなどが発生するのを防止するうえで、絶縁基板の熱膨張係数が半導体素子やプリント基板のそれと近似していることが望まれる。
【０００９】
一方、半導体素子においては、従来のＳｉチップに変わり、より高周波特性に優れるＧａＡｓチップを用いたデバイスが増加している。
【００１０】
特に、ＧａＡｓチップは、Ｓｉチップと比較して、脆く破壊しやすく、また耐湿性等に劣るため、配線基板に対する要求として、絶縁基板の熱膨張係数が近いこと、気密封止が可能であることが要求される。なお、配線基板側の熱膨張係数が大きい場合には、チップに圧縮応力が働き、ＧａＡｓチップの破壊が比較的起こりにくいため、実際には、配線基板の熱膨張係数としては、ＧａＡｓチップと同等かやや高めが要求される。
【００１１】
さらには、実装部分の熱応力を緩和するために、絶縁基板のヤング率が小さいことが要求されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のガラスセラミックは、金、銀、銅などの低抵抗金属との同時焼成は可能であるものの、熱膨張係数が３〜５ｐｐｍ／℃と低く、ＧａＡｓチップ（熱膨張係数：６〜７．５ｐｐｍ／℃）を実装した際や、プリント基板上に配線基板を実装した際した際に、実装部の長期信頼性が低く実用上満足できるものではなかった。
【００１３】
さらには、従来のガラスセラミックにおいては、フィラーとしてヤング率の高いアルミナやムライト等を用いるため、ヤング率は１００ＧＰａを超えることが多く、実装部分の熱応力の緩和が不充分で、実装部の長期信頼性を低下させる要因となっていた。
【００１４】
また、プリント基板に代表される有機樹脂含む材料を絶縁基板とした場合には、低抵抗配線と熱膨張係数およびヤング率を上記範囲とすることは可能であるものの、絶縁基板そのものが吸湿性をもつため、気密封止が不可能であった。
【００１５】
従って、本発明は、銀、銅、金等の低抵抗金属との同時焼成が可能であり、熱膨張係数がＧａＡｓチップに近く、かつヤング率が低く、実装部の長期信頼性を高め、気密封止が可能なガラス組成物およびガラス焼結体、および該焼結体を絶縁基板とする配線基板を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のガラス組成物は、ＳｉＯ２を１３〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜３０重量％、ＢａＯを２３〜３２重量％、Ｙ２Ｏ３を１〜２０重量％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０重量％、ＺｎＯを０〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種を０〜２０重量％、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２およびＴｉＯ２の群から選ばれる少なくとも一種を０〜１０重量％の割合で含有し、かつ上記成分の合計量が９０重量％以上であることを大きな特徴とするものである。本発明によれば、上記組成物からなるガラス粉末を成形後、１０００℃以下で焼成することにより、焼結体の開気孔率を１．０％以下とし、さらに、ＧａＡｓチップに近い熱膨張係数と、低いヤング率とを同時に達成できる。
【００１７】
ここで、前記ガラス組成物中には、ＰｂＯ、Ａｓ2Ｏ3の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましく、さらにはＲ2Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましい。
【００１８】
さらに、前記ガラス組成物は、ガラス転移点が５５０℃以上であること、表面結晶化ガラスであること、平均粒径１００μｍ以下のガラス粉末をガラス転移点以上１０００℃以下の任意の温度で熱処理した際に、少なくともＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相を析出することが望ましいものである。
【００１９】
また、本発明のガラス焼結体は、ＳｉＯ２を１３〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜３０重量％、ＢａＯを２３〜３２重量％、Ｙ２Ｏ３を１〜２０重量％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０重量％、ＺｎＯを０〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種を０〜２０重量％、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２およびＴｉＯ２の群から選ばれる少なくとも一種を０〜１０重量％の割合で含有し、かつ上記成分の合計量が９０重量％以上であるガラス粉末を成形後、１０００℃以下で焼成して得られることを大きな特徴とするものである。
【００２０】
ここで、前記ガラス焼結体は、ＰｂＯ、Ａｓ2Ｏ3の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましく、さらにはＲ2Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましい。
【００２１】
さらに、前記ガラス焼結体は、結晶相として少なくともＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相を含有することが望ましく、開気孔率が１．０％以下、４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が６．０〜９．０ｐｐｍ／℃、かつヤング率が１００ＧＰａ以下であることが望ましいものである。
【００２２】
そして、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面および／または内部に配設された低抵抗金属を含有する配線層を具備してなるものであり、前記絶縁基板が、上述のガラス焼結体からなることを大きな特徴とするものである。なお、前記低抵抗金属は、金、銀、銅のいずれかであることが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明のガラス組成物は、ＳｉＯ２を１３〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜３０重量％、ＢａＯを２３〜３２重量％、Ｙ２Ｏ３を１〜２０重量％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０重量％、ＺｎＯを０〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種を０〜２０重量％、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２およびＴｉＯ２の群から選ばれる少なくとも一種を０〜１０重量％の割合で含有し、かつ上記成分の合計量が９０重量％以上、特に９３重量％以上、最適には９５重量％以上であることを特徴とするものである。
【００２４】
さらに、本発明のガラス焼結体は、上記のガラス組成物からなるガラス粉末を成形後、１０００℃以下で焼成してなるものである。
【００２５】
用いるガラス組成物およびガラス焼結体における各成分の含有量を上記範囲に限定した理由は、必須成分であるＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＢａＯは、焼結体中にＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相を析出させるために必要であり、ガラス焼結体の特性を高めるために必要であり、上記範囲を逸脱するとガラス焼結体において、その開気孔率を１．０％以下とすることが出来ないと同時に、その熱膨張係数も望ましい範囲から逸脱するようになるためである。
【００２６】
さらに、上記各成分のうち、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3の含有量が上記各範囲よりも少ないと、ガラス転移点が低下して焼成時の脱バインダ性が悪くなり、逆に上記各範囲よりも多いと、１０００℃以下の焼成にて焼結体の開気孔率が大きくなる傾向にある。また、ＢａＯの含有量が上記範囲よりも少ないと、１０００℃以下の焼成にてガラス焼結体の開気孔率が大きく１．０％を超えてしまい、逆に多いと、ガラスの軟化点が低下して焼成時の脱バインダ性が悪くなるとともに、開気孔率が大きくなる傾向にある。
【００２７】
上記ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ ３ のさらに望ましい範囲は、ＳｉＯ２は、特に１５〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３は、特に３〜２５重量％、最適には５〜２０重量％である。
【００２８】
また、もうひとつの必須成分であるＹ2Ｏ3は、ガラスの軟化点を上昇させ、ガラス転移点を後述する範囲内に保つ働きをすると同時に、結晶化剤として上記ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相の析出量を増加させると同時に、その含有量によりＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相の析出量を制御することが可能となる。さらに、Ｙ2Ｏ3はガラスのヤング率を向上させる成分であり、含有量に応じて後述するガラス焼結体のヤング率を望ましい範囲に制御することが可能であり、抗折強度を向上させることが出来る。
【００２９】
従って、Ｙ2Ｏ3の含有量が上記範囲よりも少ないと上記ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相の析出量が不充分となり、逆に上記範囲よりも多いと、焼結体のヤング率が１００ＧＰａを超えてしまうと同時に、ガラス転移点が向上し１０００℃以下の焼成で開気孔率が大きくなり、１．０％を超えてしまう。Ｙ2Ｏ3のさらに望ましい範囲としては、特に２〜１８重量％、最適には３〜１５重量％である。
【００３０】
また、ガラス組成物およびガラス焼結体中に任意成分として含まれるＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種、Ｂ2Ｏ3、ＺｎＯは、ガラスの軟化挙動を制御することが可能であり、焼成条件を望ましい範囲とすることが出来ると同時に、ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相、ＳｒＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相あるいはその固溶体等の特に針状晶や、さらにＺｎＡｌ2Ｏ4結晶相、ＭｇＡｌ2Ｏ4結晶相あるいはその固溶体等、他の結晶相をガラス中から析出させることが可能となり、ガラス焼結体の熱膨張係数や、抗折強度、ヤング率、誘電特性等を制御することができる効果がある。しかし、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種、Ｂ2Ｏ3、ＺｎＯの各量が、各含有量の範囲よりも多いと、ガラス転移点が低下して焼成時の脱バインダ性が悪くなったり、および／または開気孔率が大きくなる。
【００３１】
上記Ｂ2Ｏ3の望ましい範囲としては、特に０〜２０重量％、最適には０〜１４．５重量％、上記ＺｎＯの望ましい範囲は、特に０〜２０重量％、最適には０〜１５重量％、上記ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種の望ましい範囲は、特に０〜１８重量％、最適には０〜１５重量％である。
【００３２】
さらに、ＺｒＯ2、ＳｎＯ2およびＴｉＯ2の群から選ばれる少なくとも一種は、上述した特定の結晶相の析出を促進する効果がある。しかし１０重量％よりも多いと、焼結体の開気孔率が大きくなり、１．０％を超えてしまう。ＺｒＯ2、ＳｎＯ2およびＴｉＯ2の群から選ばれる少なくとも一種の望ましい範囲は、０〜８重量％、最適には０〜６重量％である。
【００３３】
そして、本発明においては、上記ガラス組成物およびガラス焼結体は上記成分の合計量が９０重量％以上であることを特徴とする。別の言い方をすれば、ガラスを製造する上で、清澄剤や消泡剤あるいは着色剤を１０重量％を超えない範囲内で上記ガラス組成物中に含有させることが出来る。しかし、上記成分の合計量が９０重量％よりも少ないと、ガラス焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となる。上記成分の合計量の望ましい範囲は、９３重量％以上、最適には９５重量％以上である。なお、上記清澄剤や消泡剤あるいは着色剤としては、これに限られるものではないが、例えばＳｂ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＭｎＯ、Ｌａ2Ｏ3の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００３４】
また、本発明においてはガラス組成物およびガラス焼結体中に、耐環境性の点で、従来のガラスで広く用いられているＰｂＯおよびＡｓ2Ｏ3の含有量がそれぞれ１重量％以下であることが望ましく、特に０．１重量％以下、さらには不可避不純物を除いてこれらの成分を実質的に含まないことが望ましい。
【００３５】
さらに、本発明においては耐薬品性、吸湿性等の点で、ガラス組成物およびガラス焼結体中におけるＲ2Ｏ（Ｒ：Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂのアルカリ金属）の含有量がそれぞれ１重量％以下、特に０．１重量％以下、さらには不可避不純物を除いてこれらの成分を実質的に含まないことが望ましい。
【００３６】
また、本発明のガラス組成物においては、ガラス転移点が５５０℃以上であることが望ましい。ガラス転移点が５５０℃よりも低いと、脱バインダ性が悪化し、焼結体中にカーボンが残留し、ガラス焼結体の特性を悪化させると同時に、焼成温度が低下し過ぎてしまい、低抵抗金属が十分に焼結することができず、比抵抗が増大するため、低抵抗金属を用いる利点が失われてしまう。ガラス転移点の望ましい範囲は、特に５８０℃以上、さらには６００℃以上である。
【００３７】
また、本発明のガラス組成物においては、該ガラス組成物が表面結晶化ガラスであることが望ましい。ここで、表面結晶化ガラスとは、バルクのガラス中から均一核生成により結晶化が進行するのではなく、表面、あるいは界面から不均一核生成により結晶化が進行することを指す。
【００３８】
こうして、上記ガラス組成物においては、結晶化が不均一核生成により進行することから、ガラスの結晶化挙動をガラス粉末の粒径等により制御が可能となり、後述するガラス焼結体において、任意の結晶化度を得ることが出来ることから、所望の特性を得ることが容易となる。
【００３９】
さらに、本発明のガラス組成物においては、平均粒径１００μｍ以下のガラス粉末をガラス転移点以上１０００℃以下の任意の温度で熱処理した際に、少なくともＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相を析出することが望ましい。本発明では、ガラス焼結体のヤング率が低いことが望ましいが、ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相は、ガラス中より針状晶として析出させることが可能であり、抗折強度を高めることが出来、低ヤング率と高強度を両立できる。さらには、ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相により熱膨張係数を制御することが可能となる。
【００４０】
また、本発明においては、ガラス粉末中からＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相以外の他の結晶相が析出し、ガラス焼結体中に存在してもよく、以下の他の結晶相の群から選ばれる少なくとも一種が析出してもよい。他の結晶相の例としては、ＺｎＡｌ2Ｏ4、ＭｇＡｌ2Ｏ4およびその固溶体、ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8、ＳｒＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8及びその固溶体、ＳｉＯ2、ＹＡｌＯ3、Ｙ4Ａｌ2Ｏ9、ＢａＹ2Ｏ4、Ｂａ4Ｙ2Ｏ7、ＢａＳｉＯ3、ＢａＳｉ2Ｏ5、Ｓｒ2ＭｇＳｉ2Ｏ7、ＭｇＳｉＯ3、Ｍｇ2ＳｉＯ4、ＣａＳｉＯ3等が挙げられる。
【００４１】
また、本発明のガラス焼結体を作製するにあたり、焼成温度が１０００℃より高温となると、後述する低抵抗配線の融点を超えてしまい同時焼成による配線層の形成が困難となる。焼成温度としては、銅を配線とする場合には１０００℃以下、特に９８０℃以下であり、金、銀を配線層とする場合には、９００℃以下、特に８５０℃以下であることが望ましい。
【００４２】
また、本発明のガラス焼結体には、前記ガラスより少なくともＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相が析出するものであるが、このＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8結晶相の析出によって熱膨張係数を制御することが可能であるが、ガラス中より針状晶として析出するためにガラス焼結体の抗折強度を高めることが出来る。
【００４３】
また、本発明のガラス焼結体においては、開気孔率が１．０％以下であることが望ましい。開気孔率が１．０％よりも小さいと、ガラス焼結体の抗折強度が低下すると同時に、めっき等の薬品処理を行った際に、薬液が開気孔中にトラップ等を引き起こす恐れがある。開気孔率の望ましい範囲としては、特に０．５％以下であることが望ましい。
【００４４】
さらに、本発明のガラス焼結体においては、４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が６．０〜９．０ｐｐｍ／℃であり、かつヤング率が１００ＭＰａ以下であることが望ましい。上記熱膨張係数が上記範囲内から逸脱する場合には、後述する上記ガラス焼結体を絶縁基板として用いた配線基板において、ＧａＡｓチップを一次実装した際に、その熱膨張係数差に起因する熱応力が大きくなり、一次実装部の長期信頼性を保つことができなくなる。上記ガラス焼結体の熱膨張係数の望ましい範囲としては、特に６．５〜８．５ｐｐｍ／℃である。
【００４５】
一方、上記ヤング率が１００ＧＰａを超える場合には、上記配線基板においてＧａＡｓチップを一次実装した際に、熱膨張係数差に起因する熱応力を上記絶縁基板にて緩和することが出来なくなり、一次実装部の長期信頼性を保つことができなくなる。また、上記配線基板をプリント基板上に二次実装した際でも、プリント基板と上記配線基板との熱膨張係数の差に起因した熱応力を同時に緩和できるため、二次実装部の長期信頼性を同時に保つことが出来る。上記ガラス焼結体のヤング率は、９０ＧＰａ以下であることが特に望ましい。
【００４６】
本発明によれば、上記のガラス焼結体を絶縁基板とし、その表面に配線層を形成した配線基板を形成することができる。その配線基板の好適例である半導体素子を収納搭載した半導体素子収納用パッケージＡの概略断面図である図１をもとに説明する。
【００４７】
図１によると１ａ〜１ｅからなる絶縁基板１の表面および／あるいは内部に配線層２が形成されている。また、図１によれば、絶縁層１ａ〜１ｅ間に形成される配線層２を電気的に接続するビアホール導体３が形成されている。
【００４８】
さらに、パッケージＡの下面には複数の接続用電極４が配列されており、パッケージＡの上面中央部には、キャビティ７が形成され、半導体素子等の素子５がガラス、ロウ材等の接着剤（図示せず）を介して絶縁基板１に接着固定され、素子５は低抵抗金属を含有する配線層２とワイヤボンディング６等を介して電気的に接続されている。さらに、素子５と、絶縁基板１の下面に形成された複数の接続用電極４とは、配線層２およびビアホール導体３を介して電気的に接続されている。
【００４９】
さらに、パッケージＡの上面には、キャビティ７の上部に金属やセラミック、ガラス等からなる蓋体８がガラス、ロウ材等（図示せず）により接着されることにより、気密封止がなされている。
【００５０】
この際、蓋体８の材質としては、熱膨張係数が本発明のガラス焼結体と近似の値を有する材質を用いることが、気密封止の長期信頼性を確保する上で望ましく例えば、熱膨張係数が７×１０-6／℃程度のＦｅ−Ｎｉ合金が挙げられる。
【００５１】
さらに、パッケージＡは、プリント基板Ｂ上にそれぞれの接続用電極４、９を相対する様に載置され、半田に代表されるロウ材や導電性接着材等（図示せず）により接着され、これにより、プリント基板Ｂ上の配線層（図示せず）と素子５が電気的に接続される。
【００５２】
本発明によれば、このような半導体素子収納用パッケージなどの配線基板における絶縁基板１として上述したガラス焼結体を用いることを特徴とし、これにより絶縁基板１の開気孔率、熱膨張係数、ヤング率を所望の範囲内とすることができ、パッケージＡの一次実装および二次実装の長期信頼性を同時に高めることができるとともに、気密封止が可能となる。
【００５３】
また、本発明の配線基板においては、前記低抵抗金属が、金、銀、銅のいずれかであることが望ましい。ここで、配線層２として、金、銀、銅のいずれかの低抵抗金属を含有、特に主成分として含有するため、配線層２を低抵抗化でき、特に高周波信号の信号遅延を小さくできる。
【００５４】
なお、図１においては、素子５を１つしか図示していないが、複数のチップを実装したマルチチップモジュールであってもよい。また、素子５はワイヤボンディング６を介して配線層２と接続されるものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、素子５が絶縁基板１表面に形成または露出する配線層２と半田等によって直接接続されたものであってもよい。
【００５５】
さらに、素子５は、蓋体８を用いることなく、封止樹脂を用いて封止されるものであってもよい。但し、封止樹脂を用いる場合には、水分等の進入を完全に遮断することが難しいために、蓋体８を用いた封止構造が好適である。
【００５６】
また、上記半導体素子収納用パッケージＡのような本発明の配線基板を製造するには、上述したガラス粉末に対して、適当な有機バインダ、分散剤、溶媒を添加、混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。
【００５７】
そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、低抵抗金属を含有する導体ペーストを充填する。そして、シート状成形体表面には、金属ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などの公知の印刷手法を用いて配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、評価パターンを印刷塗布するか、または金属箔を貼りつけ、パターン状に加工したり、パターン状に加工したものを貼りつける。
【００５８】
そして、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、酸化性雰囲気中、または低酸化性雰囲気中にて脱バインダ処理した後、１０００℃以下の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００５９】
なお、焼成雰囲気については、用いる低抵抗金属の種類に応じて適宜決定され、例えば、銅等の酸化性雰囲気中での焼成によって酸化する金属を用いる場合には非酸化性雰囲気中にて焼成を行う必要があるが、金、銀に関しては酸化雰囲気中での焼成を行うことも可能である。
【００６０】
そして、この配線基板の表面に、半導体素子等の素子を搭載し、配線層と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいはワイヤボンディングや、フリップチップなどが好適である。
【００６１】
さらに、蓋体８をガラスやロウ材等を用いて絶縁基板２上に接合することにより、半導体素子５を気密に封止することができ、これにより半導体素子収納用パッケージを作製することができる。
【００６２】
【実施例】
（実施例１）
表１に記載の組成を有する平均粒径が２μｍのガラス粉末を準備した。なお、各ガラス粉末におけるＰｂＯおよびＡｓ2Ｏ3の含有量は合計で１００ｐｐｍ以下、Ｒ2Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）の含有量も合計で１００ｐｐｍ以下である。
【００６３】
そして、このガラス粉末に有機バインダ、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。さらに、このグリーンシートを所望の厚さになるように複数枚積層し、６０℃の温度で１０ＭＰａの圧力を加えて熱圧着した。
【００６４】
得られた積層体を大気中、５００℃で脱バインダ処理した後、２００℃／時間で昇温して、大気中で表１の条件にて焼成してガラス焼結体を得た。
【００６５】
得られた焼結体について、示差熱分析測定を行いガラス転移点を測定した。また、アルキメデス法により開気孔率を測定した。また、超音波パルス法にてヤング率を測定した。さらに、４０℃〜４００℃における熱膨張曲線を測定し、熱膨張係数を測定した。さらに、焼結体中における結晶相をＸ線回折測定から同定し、ピーク強度の大きい順に表１に示した。
【００６６】
（実施例２）
表１に示した各ガラス粉末に対して、上記グリーンシートを作製し、所定位置にビアホールを形成し、銀を主成分とする導体ペーストを充填した後、スクリーン印刷法により前記導体ペーストを用いてグリーンシート表面に配線層を形成した。さらに、このグリーンシートを５枚積層し、６０℃の温度で１０ＭＰａの圧力を加えて熱圧着し、１５ｍｍ□に切断した。なお、最上層のシートに関しては、１０ｍｍ□の穴加工を施し、キャビティとした。
【００６７】
得られた積層体を大気中、５００℃で脱バインダ処理した後、２００℃／時間で昇温して、大気中で表１の条件にて焼成し、１５ｍｍ□の配線基板（半導体素子収納用パッケージＡ）を作製した。なお、接続用電極のピッチは１．２７ｍｍとし、これを配線基板下面上にマトリックス状に配置した。
【００６８】
得られた試料の配線層の比抵抗を測定し、４μΩｃｍ以下を合格とした。そして、この配線基板のチップ実装部分にＡｕ−Ｓｎペーストを塗布し、熱膨張係数６．８×１０-6／℃、３ｍｍ□のＧａＡｓチップを４個、マトリックス状に位置合わせして載置し、３２０℃、１０分間の熱処理を行いＧａＡｓチップを配線基板上に実装した。
【００６９】
さらに、配線基板上面の蓋体接続部にＡｕ−Ｓｎペーストを塗布し、熱膨張係数が７．０×１０-6／℃のＦｅ−Ｎｉ合金製の蓋体を位置合わせして載置し、再度３２０℃、１０分間の熱処理を行い気密封止構造を作製した。
【００７０】
続いて、下面の接続用電極表面上に、Ｐｂ３７−Ｓｎ６３重量％組成の共晶半田ペーストを印刷し、プリント基板の配線導体上にも同様にＰｂ３７−Ｓｎ６３重量％組成の共晶半田ペーストを印刷した。その上に、前記配線基板をプリント基板上に位置あわせして載置した後、リフロー炉にて２３０℃で処理して共晶半田を溶融してプリント基板上の配線導体上に接着し、配線基板をプリント基板上に実装した。なお、ここで用いたプリント基板の熱膨張係数は１４ｐｐｍ／℃である。
【００７１】
次に、熱サイクル試験として、これらの実装構造をそれぞれ大気雰囲気にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に交互に配置し、双方ともに１５分間づつ保持した場合を１サイクルとした温度サイクル試験を最高５００サイクルまで行った。そして、５０サイクル毎にプリント基板Ｂの配線導体と配線基板１の電極間の電気抵抗を測定し、電気抵抗の変化が１０％以上となるまでのサイクル数を表１に示した。
【００７２】
さらに、気密封止テストとして、上記５００サイクル終了後のパッケージを４気圧に加圧したＨｅガス中に２時間放置した後、排気ダクト中で表面に吸着したＨｅを除去した後、キャビティ内部より放出されるＨｅ量をＨｅ検出器を用いて測定し、Ｈｅの検出量が５×１０-8ａｔｍ／ｃｃ／ｓｅｃ．以下であるものを合格（〇）とし、不合格品を（×）とした。
【００７３】
【表１】
表１の結果から明らかなように、本発明に基づき、本発明の特定のガラス組成を用いた試料Ｎｏ．１〜１１においては、ガラス転移点が５５０℃以上、開気孔率が１．０％以下、熱膨張係数が６．０〜９．０ｐｐｍ／℃、ヤング率が１００ＧＰａ以下を示し、ＧａＡｓチップを実装し、気密封止を施したパッケージを、さらにプリント基板上に実装した場合においても、温度サイクル試験を５００サイクル行った後でも、抵抗変化が見られず、また気密封止も保たれており、接続部の長期信頼性が確保されているものであった。
【００７５】
一方、本発明のガラス組成の範囲から逸脱するガラス組成物を用いた試料Ｎｏ．１２〜１５においては、熱膨張係数とヤング率を同時に所定の範囲内とすることができず、温度サイクル試験において５００サイクル以下で抵抗変化が見られ、接続部の長期信頼性が保たれないものであった。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のガラス焼結体は、１０００℃以下の焼成で焼結体の開気孔率を１．０％以下に低減できることから、金、銀、銅などの低抵抗金属を主成分とする導体材料を用いて配線層を形成することができ、ＧａＡｓチップの実装に適した熱膨張係数と低ヤング率特性とを同時に満足することから、接続部の長期信頼性に優れた配線基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を用いた半導体素子収納用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ 素子収納用パッケージ
Ｂ プリント基板
１ 絶縁基板
２ 配線層
３ ビアホール導体
４ 接続用電極
５ 半導体素子
６ ワイヤボンディング
７ キャビティ
８ 蓋体
９ 接続用電極
Claims (14)
- ＳｉＯ２を１３〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜３０重量％、ＢａＯを２３〜３２重量％、Ｙ２Ｏ３を１〜２０重量％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０重量％、ＺｎＯを０〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種を０〜２０重量％、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２およびＴｉＯ２の群から選ばれる少なくとも一種を０〜１０重量％の割合で含有し、かつ上記成分の合計量が９０重量％以上であることを特徴とするガラス組成物。
- ＰｂＯおよびＡｓ２Ｏ３の含有量がそれぞれ１重量％以下であることを特徴とする請求項1記載のガラス組成物。
- Ｒ２Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）の含有量が１重量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のガラス組成物。
- ガラス転移点が５５０℃以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載のガラス組成物。
- 表面結晶化ガラスであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載のガラス組成物。
- 平均粒径１００μｍ以下のガラス粉末をガラス転移点以上１０００℃以下の任意の温度で熱処理した際に、少なくともＢａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８結晶相を析出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載のガラス組成物。
- ＳｉＯ２を１３〜２９重量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜３０重量％、ＢａＯを２３〜３２重量％、Ｙ２Ｏ３を１〜２０重量％、Ｂ２Ｏ３を０〜３０重量％、ＺｎＯを０〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＳｒＯの群から選ばれる少なくとも一種を０〜２０重量％、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２およびＴｉＯ２の群から選ばれる少なくとも一種を０〜１０重量％の割合で含有し、かつ上記成分の合計量が９０重量％以上であるガラス粉末を成形後、１０００℃以下で焼成して得られることを特徴とするガラス焼結体。
- ＰｂＯおよびＡｓ２Ｏ３の含有量がそれぞれ１重量％以下であることを特徴とする請求項７記載のガラス焼結体。
- Ｒ２Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）の含有量が１重量％以下であることを特徴とする請求項７または請求項８記載のガラス焼結体。
- 少なくともＢａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８結晶相を含有することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか記載のガラス焼結体。
- 開気孔率が１．０％以下であることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか記載のガラス焼結体。
- ４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が６．０〜９．０ｐｐｍ／℃であり、かつヤング率が１００ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれか記載のガラス焼結体。
- 絶縁基板の表面および／または内部に配設された低抵抗金属を含有する配線層を具備してなる配線基板において、前記絶縁基板が、請求項７乃至請求項１２のいずれか記載のガラス焼結体からなることを特徴とする配線基板。
- 前記低抵抗金属が、金、銀、銅のいずれかであることを特徴とする請求項１３記載の配線基板。
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