JPH0450141A - ガラス―セラミック基体 - 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、半導体または集積回路チップを搭載するため
のガラス−セラミック基板支持体、より具体的には、低
融点金属である金、銀または銅を導体材料とし、これと
誘電率の低いガラス−セラミック複合体とを同時に焼成
した信号伝搬遅延の少ない多層配線基板の製造方法に関
する。

〔従来の技術〕

セラミック多層配線基板は、一般に、モリブデン、タン
グステンなどの高融点金属を導体材料とする。しかし、
これらの導体材料は電気抵抗が高いので、伝送損失が大
きく、雑音の発生を伴うという欠点がある。そこでこれ
らより電気抵抗が低い銅を導体材料として用いた多層配
線基板に対する要求が高まってきた。モリブテン、タン
グステンなどは高温で焼結するため、セラミック基体は
これらの導体材料と同時に焼成できるまた、本発明はフ
ィラとガラス粉末が均一に分散したフィラ、ガラス混合
粉末及び銅、金、銀等の微細な粉末を含む導体インク（
又はペースト）を用いて出発し、いわゆる、「積層グリ
ーン、シート」技術によって、銅、金、銀等の融点より
低い焼成温度でそのような基板を製造するための工程及
び材料に関する。高融点のアルミナを主成分とするセラ
ミックが用いられてきた。アルミナは熱伝導性および強
度が優れているが、誘電率が比較的高いので信号伝送の
遅延を伴うという欠点があり、また、シリコン集積回路
チップをアルミナ系基板にはんだで直接接続する場合、
アルミナとシリコンの熱膨張係数が一致していないため
、動作に伴って発生する熱サイクルのため、はんだ接続
部が破壊するという欠点である。

銅を導体材料とする多層配線基板において、セラミック
基板として銅との同時焼成が可能な９００〜１０００℃
で焼結するガラスとセラミックフィラーを複合したガラ
スセラミックが注目されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のガラスセラミック多層基板の製造ではガラスとフ
ィラの粒子径の比が考慮されておらず、はぼ、同一の粒
子径のものが用いられているため、フィラ粒子の回りを
固体のガラス粒子で覆うことが困難で固体のガラス粒子
間、ならびに、フィラ粒子間に大きな空隙を生じる。

このようなガラス／フィラ粒子の成形体を焼成すると、
焼成工程中にガラスを包囲しているガス雰囲気がガラス
ーフィラのマトリックス層中に気泡を生じる。すなわち
、このような気泡はガラスの固体粒子が軟化し、隣接す
る粒子と結合、または、合体しはじめる時に形成される
。さらに詳しく述べるならば、隣接する固体のガラス粒
子間、ならびに、ガラス粒子とフィラ粒子間が接合し始
めるとき閉鎖された空胴が形成される。換言すれば、二
つの隣接するガラス接子間、あるいは、フィラガラス粒
子間に頚状部が成長し、このような頚状部は他のガラス
粒子対、ならびに、フィラガラス粒子対の間にも成長し
続けて、最終的にすべての粒子間に成長する。その時点
でネットワーク全体にわたって閉じた空隙をもっている
。このようなネットワークの存在はガラスの強度を著し
く低下させる。

さらに、ガラスとフィラの粒子径が比較的近いため、焼
結熱処理によって形成されたセラミックフィラとガラス
のマトリックスからなるガラスセラミック構造体におい
て（ガラスのマトリックス相にフィラが分散した形状と
なり、）フィラ粒子間が離なれてしまうため強度が十分
でないという問題も生じる。

本発明の主な目的は、本質的に非多孔質であり、かつ、
フィラの稠密なネットワークからなり、ガラスがそのよ
うなネットワークのすき間をうめるような微細構造をも
つガラスセラミック部材を製造するのに適したガラスセ
ラミックの製造方法を与えることである。この独特の特
細構造はこれらのガラスセラミックに、従来から用いて
きたガラス、フィラの粒子径を用いて焼結したガラス、
フィラ構造体以上に高い破壊強度を与える。

本発明の他の目的は、金、銀又は銅の厚膜回路と適合性
をもち、かつ、これらと−緒に焼成可能な厚膜回路と適
合する多層ガラスセラミック基板の製造方法を与えるこ
とである。

本発明の他の目的は金、銀または銅の導体パターンをも
つガラス−セラミックの多層基板の製造方法を与えるこ
とにある。

本発明の他の目的は多層基板への応用で用いられた従来
の材料よりも低い誘電率をもつ材料の製造方法を与える
ことである 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明はフィラの粒子径を
１〜５μｍとし、フィラ粒子径に対して固体のガラス粒
子の粒子径を三分の一以下にしたものである。

〔作用〕

ガラス・フィラ複合系セラミックの破壊強度はガラス、
フィラの体積分率に依存しており、フィラの粒子径が細
かく、フィラの体積分率が大きい程強度が高いことが知
られている。さらに述べるならば、焼結工程を径たあと
ガラス・フィラ複合系の微細製造が細かいフィラ粒子の
稠密なネットワークの隙き間を溶融したガラス粒子が占
め、かつ、フィラ粒子間に空隙がないことが望ましい。

従来のガラスフッ４ラ分散系では熱処理前の成形体の粒
状のガラスとフィラの粒子径がほぼ同じため、焼結工程
でフィラ間に空隙がなくフィラ粒子間が溶融したガラス
で埋められたフィラのネットワークを形成するためには
熱処理前の成形体でフィラの周囲をガラスの粒子で覆う
必要があり、フィラに対するガラスの割合を増やさなけ
ればならない。しかし、このようなフィラガラス分散系
を熱処理焼結すると、その微細構造はガラスのマトリッ
クス相中にフィラ粒子が分散する形状となり、十分な破
壊強度を得ることができない。

ガラスマトリックス相を減らすことによってフィラ粒子
を相互に接近させてフィラの稠密なネットワークを形成
することが考えられる。この場合、フィラに対するガラ
ス粒子の減らすため焼結工程でフィラ粒子の隙き間を溶
融したガラスが埋めることができず、ガラスフィラ構造
体中に空隙のネットワークが形成される。このような空
隙のネットワークのガラスフィラ構造体の破壊強度を著
しく低下させる。

ガラスフィラ複合系において、十分な破壊強度を得るた
めには最密充填したフィラのネットワークの隙き間を溶
融したガラスがうめ、しかも、ネットワークの隙き間に
空隙が残らないことが必要である。

本発明によれば、ガラスの粒子径がフィラの粒子径の１
７３以下に抑えられているため、フィラに対するガラス
粒子の体積分率が少なくてもフィラの周囲をガラス粒子
で覆うことができる。従って、焼成工程で比較的稠密な
フィラのネットワークが形成され、かつ、フィラのネッ
トワークの隙間を溶融したガラスが埋めるため、ネット
ワークの隙き間に空隙が生じず、高い破壊強度が得られ
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例をより具体的に説明する。表１
に示す平均粒径のアルミナ粉末とホウケイ酸ガラス粉末
を体積比で５０　：　５０の割合で配合し、アルミナ製
ポットミルで１０時時間式混合し、アルミナのガラスの
混合粉を得た。

表　　１ 以下余白 以下余白 以下余白 次に、成形可能なスリップ、あるいは、スラリを得るた
め適当な有機バインダ（例えば、ポリビニルブチラル樹
脂）および溶剤と混合させる。このスラリから通常のド
クタブレード技術を用いて薄い生シートを成型した。所
望の数のこれらグリーンシートを適当な温度、および、
圧力（例えば、１２０℃で１００Ｋ　ｇ　／ｃ＋ｕ”　
）で積層加圧機中で蓄積圧着することにより所望の部材
を得た。この部材をプログラム炉成炉を用いて空気中で
焼成した。加速速度はバインダの完全な燃焼を実現する
ため１００℃／ｈ以下とした焼結したガラスセラミック
の破壊強度は棒状試料につき３点曲げ法で測定した。

本発明のガラスセラミック基体における限定理由は以下
の通りである。

ガラス粒子の粒径をフィラの粒径の１／３以上にすると
フィラ粒子の周囲をガラス粒子を覆うことができなくな
り、焼成後の基体に空隙が残留し、破壊強度が低下する
。

また、ガラス粒子の含有量が３０Ｖｏ１％より少ないと
焼結温度が高くなり、金、銀、または、銅等の導体材料
と一緒に結成することができない、一方、ガラス粒子の
含有量が８０Ｖｏ１％を越えると基体の微細構造がガラ
スマトリックス中にフィラが分散した構造となり、基体
の破壊強度が低下し、好ましくない。

フィラの粒径が５μｍを越えると基体内に形成されるフ
ィラネットワークが密でなくなるため破壊強度が低下し
、好ましくない。

フィラの粒径が１μｍより小さいと生シートの成形が困
難となり、多層回路基板を製造することができない。

本発明におけるガラス粒子は誘電率が低く、かつ、熱膨
張係数が小さい次の組成をもつものが好ましい。即ち、
重量％で ５１０２　　　２０〜７０％ Ａ　Ｑ　ｚ○ａ　　　２〜２０％ ＢｚＯａ　　　　　１５〜４０％ ＲＯ２〜５０％ Ｎ　ａ　２０　＋　ＫｚＯ１〜５％ Ｓ工０２が２０％より少ないと軟化温度が少くなり、多
層回路基板の焼成温度でガラスが比較的高い流動性をも
つため埋め込まれた導体パターンが過剰に移動し、また
、満足すべき歪みおよび寸法に関する厳しい公差を達成
することができない、７０％を越えると焼結温度が高く
なり過ぎ、金、銀または銅といった低抵抗の金属と一緒
に焼成することができず好ましくない。

Ａｒｔｓ○３が２％より少ないと基体の耐温性が劣り２
０％を越えるとガラスの軟化温度が高くなり、ガラス−
セラミックの生部材の焼結温度が高くなり過ぎ、いずれ
も、好ましくない。

Ｂ２Ｏ３はより少ないと焼結温度が高くなり過ぎ４０％
を越えるとガラスの化学的安定性が低下して好ましくな
い。

アルカリ土類酸化物、Ｍ　ｇ　Ｏ、Ｃａ　Ｏ、Ｂ　ａ　
Ｏ。

Ｓｒ○はガラス粒子製造時の溶解性を向上させるため、
及び、ガラスの熱膨張係数を調整するため添加するもの
で、それらの総量が２％より少ないと上記溶解性が充分
に向上せず、５０％を越えると熱膨張係数が大きくなり
すぎ、いずれも、好ましくない。

Ｎ　ａ　ｚ　ｏおよびＫ　ｚ　Ｏもガラス粒子製造時の
溶解を向上させるために添加するもので、それらの総量
が１％以下では溶解が充分に向上せず、５％を越えると
熱膨張係数が大きくなり、いずれも好ましくはない。

上述のガラスセラミックの製造方法は、−緒に焼結され
た金、銀または銅の導体パターンを含む多層ガラスセラ
ミック基板を製造するために用いることができる。基板
の製造工程は次のとおりである。

〈工程１〉平均粒径３μｍのアルミナ粒子の平均粒径１
μｍのホウケイ酸ガラス粒子を体積比で５０：５０の割
合で配合し、アルミナ、ガラスの混合粉を得た。次に、
適当な有機バインダおよび溶剤とともに混合し、成型可
能なスラリまたはスリップを得た。バインダには、例え
ば、フタル酸ジブチルまたは、フタル酸ジオクチル等の
可塑剤を含むポリビニルブチラール樹脂がある。溶剤は
トリクレンとブチラールの混合液を用いた。

〈工程２〉 このようにして用意したスラリあるいはスリップをドク
ターブレード技術を用いて薄い生シートに成型した。

く工程３〉 成型したシートは切断装置で必要な大きさに切り揃え、
ドリルを用いて必要な位置に貫痛孔をあけた。

く工程４〉 ついで、スクリーン印刷法により個々のシートの貫通孔
中に金、銀または銅の導体ペーストを充填した。

〈工程５〉 工程４の個々のグリーンシート上に必要な導体パターン
をスクリーン印刷した。

く工程６〉 工程５で準備した複数のグリーンシートを積層プレス中
で積層圧着した。

〈工程７〉 セラミックを焼結温度まで加熱し、バインダを除去し、
ガラス粒子を溶融させて、フィラーの粒子間をガラスで
埋め、導体パターン中の金属粒子を焼結させて金属配線
および貫通孔を形成した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ガラスにフィラを分散したガラスセラ
ミックを密接したフィラ粒子空隙をガラスがうめた微細
構造に形成できるため、ガラスセラミックの強度を従来
方法により形成したものより二倍以上高くすることがで
きる。

また、本発明を用いて製造した多層回路基板の破壊強度
が高いためＬＳＩ、ＩＣを高密度に実装でき、また、装
置に組込まれても破壊する恐れがない。

しかも、１０００℃以下の低温で焼結できるため、金、
銀または銅等の低抵抗の導体材料を配線に使用すること
ができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガラスとセラミックフィラとからなり、前記セラミ
   ックフィラの粒径を１〜５μｍ、また、前記ガラスの粒
   径を前記セラミックフィラの粒径の三分の一以下に、粉
   砕し、成形した後、焼結したことを特徴とするガラス−
   セラミック基体。 ２、請求項１において、前記ガラス−セラミック基体と
   して、体積百分率で ガラス３０〜８０％ フィラ２０〜７０％ で構成されるガラス−セラミック基体。 ３、請求項１において、前記セラミックフィラはアルミ
   ナ、α−石英、コージェライト、β−スポシューメン、
   ジルコニアから選ばれた少なくとも一つであるガラス−
   セラミック基体。 ４、請求項１において、前記ガラスは重量が本質的に Ｓ＿１Ｏ＿２２０〜７０％ Ａｌ＿２Ｏ＿３１〜２０％ Ｂ＿２Ｏ＿３１５〜４０％ ＲＯ２〜５０％Ｒ；アルカリ工類金属 Ｎａ＿２Ｏ＋Ｋ＿２Ｏ１〜５％ で構成されるガラス−セラミック基体。