JPH01305834A - 誘電性基盤に適したガラスセラミック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は特に集積回路パッケージングの基盤として適し
た特性を有するガラスセラミック材料に関する。

（従来技術） ここ１０年の間に電子回路板および集積回路パッケージ
ングの製造に用いられる無機材料の開発に関する研究で
大きな動きがある。例えば、電子回路板の製造に用いら
れる金属基盤の用途にガラスセラミックコーティングが
考案され、また、集積回路パッケージングに用いるガラ
スセラミック基盤が調製された。後者の組成における特
定の目標は同用途に従来から使用されていた材料である
アルミナを代替することである。

次の３つの特許は、金属に用いる用途のためのガラスセ
ラミックコーティングを例示しているものである。

米国特許第４．２５８．７９６号は、本質的にＬ（ｉ−
５０ｖｔ％のＢａ　０．１Ｂ−４２ｗｔ％のＭｇ　０．
１２−３４ｖｔ％のＢ２０．および１０−２３νｔ％の
５ｉ０２から成る組成を開示している。ここでＣａ　Ｏ
，Ｚｎ　Ｏ，Ｚｒ０ｚ　＊　ＡＱ１２０３およびＳｎＯ
２は随意成分として記載されている。

米国特許第４．３５８．５４１号は、本質的に５−３５
ｗｔ％のＭｇ　Ｏ，０−３５ｖｔ％のＣａ　Ｏ，０−２
５ｖｔ％のＺｎ　０．１０−３５ｗｔ％のＣａ　Ｏ＋Ｚ
ｎ　０．０−２５ｖｔ％のＢ２０３　、　０−１０ｖｔ
％のＰ２Ｏ５、４−２５ｖｔ％（’）Ｂ２０３　＋Ｐｚ
　０５　、　オヨび２５−５０ｖｔ％ノ５１０２から成
る組成を開示している。ここでは１０％までの量のＡＱ
１２０３が随意成分として含まれれてもよい。ＣａＯが
かなりの全存在する場合、発達する主要結晶相は透輝石
（ＣａＯ−ＭｇＯ・２Ｓ１０ｚ）およびアケルマナイト
（２ＣａＯ・Ｍｇ　０・２Ｓｉ　Ｏ□）である。ＣａＯ
が含まれない場合、存在する主要結晶相はホウ酸マグネ
シウム、珪酸亜鉛鉱（２Ｚｎ　Ｏ−３ｉ　０２　）およ
び頑火輝石（Ｍｇ　０−Ｓｔ　Ｏｚ　）である。

米国特許第４．３６５，１２７号は、本質的にｔｏ−６
０ｖｔ％のＢａ　０．１Ｏ−３５ｖＬ％のＭｇ　０．　
５−３０ｖＬ％のＢ２０３　、２５−４０ｖｔ％の５１
０２．および０−１５ｖｔ％のＣａ　Ｏ，０−１８ｖｔ
％のＺｎ　Ｏ，そして〇−１５ｖｔ％のＡｌｚ　Ｏ：ｓ
から構成される５　−２０ｖｔ％のＣａ　Ｏ＋Ｚｎ　Ｏ
＋Ａ、Ｑ、２０３から成る組成を開示している。

次の４つの特許は集積回路パッケージングの基盤に使用
されるガラスセラミック組成を例示している。

米国特許第４，２２１．０４７号は、上記用途に使用す
べく意図した２つの特定の組成を重量％で示している。

その２つの組成は、Ｓｔ　Ｏｘ　：　５５．００　、　
Ａ９Ｊｚ　０３　　：　２０．５６　、　Ｍｇ　Ｏ：　
２０．００　、　Ａ免ｐｏｔ　　：３．４４．　Ｂ２ｏ
３：　ｔ、ｏｏ；およびＳ　１０ｚ　：　５２．５゜Ａ
免２０３　：２１．Ｏ，Ｍｇ　Ｏ：２１．５．　　Ｐ２
０５　　：２゜０、Ｂ２Ｏ３：ｔ、ｏである。ここでは
きん青石（２Ｍｇ０・２Ａ免２０３　・５ＳｉＯｚ）が
主要結晶相を構成する。

米国特許第４．２３４，３６７号は、５０．８−５２．
５ｖｔ％のＳｔ　０２　、２ｌ−２２ｖｔ％のＡＱ＝ｚ
　０３　、２２　２４．２ｖｔ％のＭｇ　０．０．５−
２ｗｔ％のＢ！　０３　、　０−２ｖｔ％のＳｎ　０２
　、０−２ｗｔ％のＰ２０３．０−２ｗｔ％のＺｒ　０
２から成る組成を開示しており、これは主要結晶相とし
できん青石を有するガラスセラミックを与える。

米国特許第４．３０１．３２４号は、きん青石が主要結
晶相を構成し、斜頑火石および第２相をも含むガラスセ
ラミック体を記載している。その組成は、本質的に、４
８−５５ｖＬ％のＳｔ　０２　、１８−２３ｗｔ％のＡ
９Ｊｚ　０３　、１８−２５ｗｔ％のＭｇＯ，０−２ｖ
ｔ％のＺｎＯ，０−１ｖｔ％のＬｉ　ｚ　０．０−３ｖ
ｔ％のＢ２０３　、　０−３ｖｔ％のＰ２０ｓ　、　　
０−２．５ｖｔ％のＴｉ　Ｏ２，Ｏ−２，５ｖｔ％のＳ
ｎ　ｏ２．０−２．５ｗｔ％のＺｒ　０２および５ｖｔ
％≧のＴ１０２　＋５ｎ（）ｚ＋Ｚｒ０ｚである。

米国特許第４．７１４，８８７号は、主要結晶相として
珪酸亜鉛鉱（２ＺｎＯ−８１０２）、および第２結晶相
としできん青石を含むガラスセラミック材料を記載して
いる。この材料は本質的に１５−４５ｗｔ％のＺｎ　Ｏ
，３−１５ｗｔ％のＭｇ　０．１Ｏ−３０ｖｔ％のＡＱ
＝２０３　オヨヒ３０　５５ｗｔ％（７）Ｓｌ　ｏｚカ
ラ成ル。

最後にガラスセラミックスフォーエレクトロニックパッ
ケージング（ＧＬＡＳＳ−ＣＥＲＡＭＩＣＳ　　ＦＯＲ
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＰＡＣＫＡＧＩＮＧ）の名称で出
願された米国特許出願節４２．９８０号は、実質的に単
独の結晶相としできん青石を含み、本質的に１０−２５
ｗｔ％のＭｇ　Ｏ＋Ｚｎ　Ｏ（２−１８ｗｔ％のＭｇ　
Ｏ＋　０−２１ｗｔ％のＺｎ０）；２Ｏ−３６ｖｔ％の
Ａ９Ｊｚ　０３　　；４Ｏ−５２ｖｔ％の５ＩＯｚ；お
よび合計８ｖｔ％までのに２０．Ｒｂ２Ｏおよび／また
はＣ５ｚＯ，合計ＩＱｗｔ％までのＣａＯ，Ｓｒｏ、Ｂ
ａＯおよび／またはｐｂ　ｏ、そして５ｖｔ％までのＢ
２Ｏ３の各指示された割合における１種類以上の酸化物
の合計２−１５ｖｔ％から成るガラスセラミック材料を
記載している。

（発明の目的） 前述したように、集積回路パッケージングに使用される
ガラスセラミック組成に関する研究の１つの特定の目的
は、この用途におけるアルミナを代替することである。

第２の目的は、鉛を含まないチップキャリヤーとして集
積回路パッケージング等の用途に使用されるＡＬｚＯ３
の熱膨張率（０〜３００°の範囲テ：：６５Ｘ　１０−
”　／”Ｃ）と非常にマツチングした熱膨張率を示す材
料を調製することである。従って、この研究は以下の５
つの特徴を有する組成に向けられている。

（ａ）銅、銀および金の金属被覆と相容性のあること （ｂ）　１０００℃未満、望ましくは、８５０℃の低温
で共焼成できること （ｅ）　Ａ！Ｑ、ｚ　０３より小さい誘電率を有するこ
と（ｄ）更に磨砕および／または研磨することなく滑ら
かで平らな表面を有すること （ｅ）深意深く制御できる約５０−９０Ｘ　１０’　／
”Ｃの範囲の線熱膨張率（２５−１１００℃）を有する
こと（発明の概要） ＣａＯ−ＭｇＯおよび／またはＺｎ０−Ａ９Ｊｚ０３　
５ｋＯｚ系内の厳重に範囲を定められた組成から前記の
特徴を有するガラスセラミックが調製できることを発見
した。材料は平らなシートに加工でき、金属被覆し、積
層し、そして１０００℃未満の温度で焼結できる。集積
回路パッケージングにおける用途に期待されたので、多
くの研究が表面有核熱結晶化ガラスフリットのテープキ
ャスティングにより薄い誘電シート（ｄｉｅｌｅｃｔｒ
ｉｃ　５ｈｅｅｔｓ）へ成形することに向けられた。

鉱物の黄長石シリーズが地質学者に古くから知られてい
る。このシリーズのメンバーは一方の端にあるデー１ｉ
ｆ−イト（２Ｃａ　０−Ａｌｚ　０３　・ＳｌＯｚ）か
ら他方の端にあるアケルマナイト（２ＣａＯ・Ｍｇ０・
２Ｓｌ　０２）まで変化する組成を有し、ここでＭｇ　
Ｓｌ　Ｏ９がゲーレナイト構造中のＡ９Ｊｚ０３を代替
する。合成黄長石を調合し、溶融し、付形し、そしてガ
ラス体に冷却することができ、その後これらのガラス体
を熱処理して結晶化する。類似したシリーズにおいて、
ゲーレナイト構造中のＡｉｚ　０３をＺｎ　Ｓｌ　０３
で代替して端のメンバーであるハーディストナイト（ｈ
ａｒｄｙｓｔｏｎｅｉｔｅ　：　２Ｃａ　０−Ｚｎ　Ｏ
φ２Ｓｉ　Ｏｚ　）をｉｔ＋る。このシリーズも同類に
合成して調合でき、溶融し、付形し、そしてガラス体に
冷却できる。

その後これらのガラス体を熱処理して結晶化する。

これら２つのシリーズの粉末状のガラスは結晶化が起る
前のガラス状態において良好な焼結特性を示し、従って
テープキャスティングにより容易に薄いシートに加工で
きることが実験により示された。これらの材料が示す線
熱膨張率（２５−８００℃）は９０Ｘ１０’／”Ｃより
大きく、これは珪素（：；３５ＸＩＯ°了／℃）および
砒化ガリウム（：６０ＸＩＯ°了／”Ｃ）よりかなり大
きい。従ってこれらの材料のチップまたはウェーハーと
共に使用するには実用的ではない。

しかし、ゲーレナイトとアケルマナイト、またはゲーレ
ナイトとハーディストナイトのブレンドから成るベース
組成を種々の量の灰長石（２ＣａＯ・Ａ９Ｊｚ　０３　
　・２ＳＩ　Ｏｚ　）と共に処理すると、溶融し、付形
し、そしてガラス体に冷却でき、これらのガラス体は後
に１０００℃未満の温度で現場で結晶化し、約５０−９
０Ｘ　１０−７／’Ｃの範囲の線熱膨張率（２５−８０
０℃）を示す材料を与える組成のシリーズがｉすられる
ことを発見し、この発見により本発明を得た。このガラ
スは結晶化が起こる前に粉末状でよく焼結する。元々の
ガラス組成を構成する割合とほとんど同じ割合で３つの
結晶相が存在することが結晶体のＸ線回折分析でわかっ
た。

ゲーレナイト−アケルマナイトおよびゲーレナイト−ハ
ーディストナイトの混合物へのあらゆる有限量の灰長石
添加は熱膨張率に影響を与える。

しかしながら、実際的観点から約５容積％に相当する量
の灰長石添加が熱膨張率に十分影響を与える最少量だと
考えられる。一方、ベース２成分混合物の優れた溶融、
成形および焼結特性を利用するため；約９０％に相当す
る量の灰長石が実際的最大量と考えられる。従って、ゲ
ーレナイト−アケルマナイト−灰長石シリーズの使用可
能な組成は、酸化物基準の重量％で本質的に約１−７．
２５％のＭｇ　０．２２−４０％のＣａ　ｏ、　１Ｂ−
３６％のＡ９Ｊｚ　０３および２９−４２％のＳＩＯ，
から成る。ゲーレナイト−ハーディストナイト−灰長石
シリーズの使用可能な組成は酸化物基準の重量％で本質
的に約２−１３％のＺｎ　０．２２−３７．５％のＣａ
ｂ、１８−３４％（７）Ａ　Ｑ、ｚ　０３　：Ｆｊヨヒ
２８　４２％ノＳ　ｉ　０２　カラ成形。

小さいアルカリ金属の酸化物Ｌｌ　２０．　Ｎａ２Ｏお
よびに２０は最終語品質製品の電気特性に悪い影響があ
るため、前述の組成には実質的に含まれないことが好ま
しい。望ましい特性が本発明の材料中に生ずることを確
実にするため、ＳｒＯ。

ＢａＯ，ＰｂＯおよびＣＳ２０などの酸化物を含む全て
の外来成分の合計を５％未満に保つことが好ましい。

（実　施　例） 表１は酸化物基準の重量部で表わされた種々の前駆体熱
結晶性ガラス組成を列挙しており、加熱に際してゲーレ
ナイトアケルマナイトおよび灰長石の結晶相を含む材料
に現場で結晶化する本発明のガラスを示している。それ
ぞれの成分の合計が１００かまたは１００に極めて近い
数値となるので、列挙されたそれぞれの数値は便宜上重
量％を示していると考えてもよい。表１はまた、元々の
前駆体がガラスバッチを構成するゲーレナイト（Ｇ　ａ
ｈ）、アケルマナイト（Ａ　ｋｅ）および灰長石（Ａ　
ｎｏ）の割合を表わしている。更に、表１は結晶化製品
が示す２５−８００℃の温度範囲における線熱膨張率を
ＸｔＯ”Ｔ／”Ｃの単位で示している。

表１と同様に、表２は酸化物基準の重量部で表わした前
駆体熱結晶性ガラス組成を列挙しており、これは加熱に
際して現場で結晶化してゲーレナイト、ハーディストナ
イトおよび灰長石の結晶相を含む材料となる本発明のガ
ラスを示している。また、表２はガラスバッチから計算
されたゲーレナイト（Ｇｅｈ）、ハーディストナイト（
Ｈａｒ）および灰長石（Ａ　ｎｏ）の存在比；および２
５−８００℃の温度範囲における結晶化製品の示す線熱
膨張率を表わしている。

表１および表２のガラスに用いる実際のバッチ成分は、
互いに溶融した時に適切な割合の所望する酸化物に変換
する酸化物または他の化合物など、どのような材料から
でも構成し得る。表１および表２にあげられた組成のそ
れぞれの成分を配合し、均一な溶融物を得るために互い
にボールミル粉砕し、プラナするつぼに充填し、そして
そのるつぼにふたをした。このるつぼを約１８５０℃で
作動している炉に入れ、バッチを約６時間溶融した。次
に溶融物をスチールモールドに注いで約８’　Ｘ４’Ｘ
０．５’（約２０ｃｍ　Ｘ　Ｌｏａｍ　Ｘ　１．３　ｃ
ｍ）の寸法を有するガラススラブとし、このスラブを約
７００　”Ｃで作動するアニーラ−に直ちにうつした。

溶融物をスラブにキャスティングすることにより、ガラ
ス品質の検査を可能にすることができた。もう１つの方
法では、溶融物を薄い流れとして水道水に注いだ。これ
はガラス業界では“トリゲージング°と呼ばれている。

得られたガラス粒子を次に乾燥し、予め決められた粒径
に微粉砕した。

表１および表２に示された例示組成は実験室で調製され
たものであるが、これらの組成は工業用大規模ガラス製
造装置に用いるべくスケールアップできることは留意さ
れるべきである。更に、ＡＳ２０３および／または５ｂ
２０３などの清澄剤は実験室の溶融物には用いられてい
ないが、工業生産において最適ガラス品質を保証するた
めに清澄剤を添加することは有益である。

表　　１ Ｍｇ０　７．４４．９３．７１．５４．９３．９２．９
１．９ＣａＯ４１，０３４，０３０，Ｇ　２４．３４１
．０３Ｇ、７３２．８２８．４Ａ９ＪｚＯ３１１１，７
２４，７２７，７３３，１２４，９２７，３２９，８３
２，０８Ｉ０２３２．９３６！　３６．０４＋、、２２
９．３３２．１３４．９３７．７Ｇｃｈ　　１／２１／
３１／４．１２／３．５３３．４．２６６Ａｋｃ　　ｌ
／２１／３１／４．１１／３．２１１１６．２．１３３
Ａｎｏ　　０　１／３１／２．８０　．２．４．８線熱
膨張率　９５．５　　８５゜３　　７８，４　　５７．
０　　９０．８　　　ｇ２．９　　７４．４　　６４．
９表　　２ ９　　Ｉｎ　　ＩＩ　　１２　１３　　＋４　１５　１
８ＺｎＯ１３，９９，４７，１９，４７，８５，７３，
９０ＣａＯ３ｇ、１３２．４２９．４３９．０３５．３
３１．６２７．８２０．ＩＡ免２０３１７．４２３．６
２Ｂ、＋１２３．７２１３．２２８１１３１．４３（ｉ
、７ＳＩＯ２３０，６３４，７３６，７２７，９３０，
１！　３３．９３６．９４３．２Ｇｃｈ　　ｌ／２１／
３１／４２／３．５３３．４　．２６８０Ａｋｃ　　　
　　　　　　１）２　　　　１ノ３　　　　　１／４　
　　　１／３　　　　　．２ＣＧ　　　　　　、２　　
　　　　．１３３　　　０Ｈａｒ　　０　１／３１／２
０　．２　．４　．６１線熱膨張率　９３，２　　７９
．６　　７０．４　　９１．３　８１．７　　７２．９
　　　Ｂ４．３　　４７．６上記例の焼結性を次の手順
で調べた。ガラススラブとドリゲージド材料を微粉砕し
てその粒子が米国標準篩Ｎｏ、２００　　（７４ミクロ
ン）を通過するようなフリットにし、そのフリットを少
量の液体有機バインダー／ビヒクルと混合し、その混合
物を約１．２７（至）の直径と約０．６３５　ｃｍの高
さを有するボタン状のディスクに圧縮し、そしてこのデ
ィスクを約　−９１５℃で約２時間焼成することにより
、試験材料を調製した。例１６のガラスディスク（灰長
石のみから構成されている）を除くその他のガラスディ
スクのそれぞれはまるい角ををする約１−１．０５ｃｍ
の直径に収縮し、良好な焼結を示した。

約４’　Ｘｏ、２５’　Ｘｏ、２５’　　（約１０ｃ＋
ｎ　Ｘ　Ｏ，６ａｍ　Ｘ　Ｏ。

６（７））の寸法を有するバーを米国標準篩Ｎα２００
（７４ミクロン）を通過するガラスフリットから乾燥圧
縮した。このバーを、９８０℃で２時間焼成することに
よって現場で結晶化した。これらのバーは線熱膨張率を
測定するための試料を構成した。

それぞれのブライが導電性パターン層、および予め決め
られた配線回路を形成するためにそれぞれのブライの導
電性パターン層を接続するためのブライにあけられたヴ
アイアと呼ばれるスルーホールコネクターを含む個々の
回路ブライの複数を積層して焼結することにより、多層
無機集積回路パッケージを製造することは当業者に公知
である。

通常、個々のブライは、大変細かく分割された無機材料
の粒子を有機バインダーで互いに結合させて作ったテー
プから切断される。従って、これらのパッケージの典型
的製造方法は次の４つの要素を含んでいる。

（ａ）コネクターのための孔をテープに押抜く。

（ｂ）導電性層をテープ上に施す。

（Ｃ）予め決められた数のテープをヴアイアと共に適正
なレジストリーに積み重ねる（または積層する）。

（ｄ）得られた積層物を焼結する。

この方法をシュミレートするため、例２および３は下記
の手順に従ってテープに成形された。

トリゲージトガラス粒子は、粒子を１０ミクロン未満の
直径に再分するためにＡ９Ｊｚ　０３のボールを用いて
約２４時間ボールミル粉砕された。得られた粉末をボー
ルミル中で２４時間、有機ビヒクルと混合し、固体；有
機ビヒクルの重量比３：２を得た。この有機ビヒクルは
バインダー（ポリビニルブチラール）、溶剤（トルエン
）および界面活性剤（リン酸エステル）から構成された
。得られたスラリーを、ドクターブレードを用いてポリ
エステルフィルム上に約０．００５−０．０２’　　（
約０．０Ｌ２７−０、Ｑ５Ｌ　ｃｍ）の厚さで施し、有
機液体を蒸発させるために約２５℃の空気中で乾燥した
。得られたテープを約３’Ｘ３’（約７．６　ｃｍＸ７
．６　ｃｍ）の寸法を有するシートに切断し、これらの
シートの６−８をスタックに積み重ねた。このスタック
を９５０−９８０℃で２時間焼成して約０．０４０−０
．０８０　’　　（約０．１．−０．１５ｃｍ）の厚さ
を有する一体複合積層物に焼結した。この積層焼成は更
にガラス粒子を現場で同時結晶化させる作用を有し、集
積回路パッケージングの基盤として使用できるガラスセ
ラミック体を得た。

表３は、セラミック業界で使用されている従来の測定技
術を用いて測定した前記積層物の物性を示している。密
度はｇｌｃＩ１１３で、破壊係数はＫｓｉで、２５−３
００℃の範囲における線熱膨張率はＸｌ０−’／℃で表
示されている。誘電率は室温、１００ＫＨｚで測定され
、損失係数も室温、１００ＫＩＩｚで測定され、そして
抵抗率（Ｌｏｇρ）は室温で測定されたものである。

表　　　３ 珂覧襄　　破壊　線熱　　誘電率　損失　Ｌｏｇρ係数
　膨張率　　　　　係数

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｌ＿２Ｏ＿３より小さい誘電率、５０−９０×
   １０＾−＾７／℃の範囲の線熱膨張率（２５−８００℃
   ）を有し、本質的にＬｉ＿２Ｏ、Ｎａ＿２Ｏ、Ｋ＿２Ｏ
   を含まない酸化物基準の重量％で、 ａ）主要結晶相としてゲーレナイト、灰長石およびアケ
   ルマナイトを含む１−７．２５％のＭｇＯ、２２−４０
   ％のＣａＯ、１８−３６％のＡｌ＿２Ｏ＿３、２９−４
   ２％のＳｉＯ＿２、または ｂ）主要結晶相としてゲーレナイト、灰長石およびハー
   ディストナイトを含む２−１３％のＺｎＯ、２２−３７
   ．５％のＣａＯ、１８−３４％のＡｌ＿２Ｏ＿３、２８
   −４２％のＳｉＯ＿２ の群から選択される組成を有するガラスセラミック。
2. （２）前記灰長石が５−９０容積％の範囲で存在するこ
   とを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック。
3. （３）集積回路パッケージングの基盤として用いられる
   請求項１または２記載のガラスセラミック。