JPH09241068A - Low temperature fired ceramic substrate - Google Patents
Low temperature fired ceramic substrateInfo
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- JPH09241068A JPH09241068A JP5326596A JP5326596A JPH09241068A JP H09241068 A JPH09241068 A JP H09241068A JP 5326596 A JP5326596 A JP 5326596A JP 5326596 A JP5326596 A JP 5326596A JP H09241068 A JPH09241068 A JP H09241068A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、グリーンシートの
焼成により製造されるセラミックス基板、特に低温焼成
型のガラスセラミックス基板に関する。本発明のセラミ
ックス基板は、電子部品を搭載するための多層配線基板
として有用である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic substrate manufactured by firing a green sheet, and more particularly to a low temperature firing type glass ceramic substrate. The ceramic substrate of the present invention is useful as a multilayer wiring substrate for mounting electronic components.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、高集積化されたＬＳＩや各種電子
部品を搭載する多層配線基板には、小型化、高信頼性等
の要求を満たすために、セラミックス基板を用いること
が多くなっている。セラミックス多層配線基板は、積層
したグリーンシートと、各グリーンシート上に印刷され
た内層配線とを同時に焼成する多層グリーンシート積層
法により一般に製造され、こうして製造されたセラミッ
クス多層配線基板に電子部品を搭載し、周囲を封止する
と、セラミックスパッケージとなる。2. Description of the Related Art In recent years, a ceramic substrate is often used for a multi-layer wiring board on which highly integrated LSIs and various electronic components are mounted in order to satisfy requirements such as miniaturization and high reliability. . A ceramic multilayer wiring board is generally manufactured by a multilayer green sheet laminating method in which laminated green sheets and inner layer wiring printed on each green sheet are simultaneously fired, and electronic parts are mounted on the ceramic multilayer wiring board thus manufactured. Then, the periphery is sealed to form a ceramic package.
【０００３】セラミックス基板に用いられるセラミック
ス材料としては、熱伝導率、強度、電気絶縁性、価格と
いった要因から、アルミナが主に使用されてきた。しか
し、アルミナ質セラミックス基板は、比誘電率が９前後
と大きいため、信号伝達速度が遅く、信号遅延時間が大
きくなる。また、アルミナ質セラミックスは、焼成温度
が1550℃前後と非常に高く、上記のように内層の配線回
路をグリーンシートと同時に焼成する場合には、Ｗ、Mo
などの高融点金属を配線材料に使用する必要がある。し
かし、これらの金属は電気抵抗率が高いため、これから
形成された配線も電気抵抗が高くなることから、信号の
伝送損失が大きくなり、配線パターンの微細化にも限界
がある。アルミナ質セラミックス基板のこれらの欠点
は、ＬＳＩの動作周波数が著しく上昇した現在では、大
きな問題となっている。As the ceramic material used for the ceramic substrate, alumina has been mainly used because of factors such as thermal conductivity, strength, electrical insulation and cost. However, since the alumina-based ceramic substrate has a large relative dielectric constant of around 9, the signal transmission speed is slow and the signal delay time becomes long. Alumina-based ceramics has a very high firing temperature of around 1550 ° C, and when firing the inner layer wiring circuit at the same time as the green sheet as described above, W, Mo
It is necessary to use a high melting point metal such as However, since these metals have high electric resistivity, the wiring formed from these metals also has high electric resistance, resulting in a large signal transmission loss and a limit to miniaturization of the wiring pattern. These drawbacks of the alumina-based ceramic substrate have become a serious problem at present when the operating frequency of LSI has been remarkably increased.
【０００４】そこで、このような問題を解決するため
に、比誘電率が小さく、かつ低温焼成が可能で、Ag、Ag
−Pd、Cu、Au等の低融点で電気抵抗率の低い金属または
合金を内層配線材料に使用できる、低温焼成セラミック
ス基板が開発された。Therefore, in order to solve such a problem, the relative permittivity is small, low temperature firing is possible, and Ag, Ag
A low-temperature fired ceramics substrate has been developed which can use a metal or alloy having a low melting point and a low electric resistivity, such as Pd, Cu, or Au, as an inner layer wiring material.
【０００５】代表的な低温焼成セラミックス基板は、無
機バインダとして機能するガラス粉末と骨材として機能
する無機粉末との混合粉末から製造されるものである。
焼成中にガラス粉末が軟化し、骨材の無機粉末を結合す
ることにより焼結体が得られるため、焼成温度はガラス
の軟化点よりやや高温であればよく、一般には1100℃以
下である。A typical low temperature fired ceramics substrate is manufactured from a mixed powder of glass powder that functions as an inorganic binder and inorganic powder that functions as an aggregate.
Since the glass powder is softened during firing and a sintered body is obtained by binding the inorganic powder of the aggregate, the firing temperature may be slightly higher than the softening point of the glass, and is generally 1100 ° C. or lower.
【０００６】ガラスと骨材の無機セラミックス粉末のい
ずれにも多くの種類があるため、それらの組合わせは無
数にある。そして、この両成分の組合わせ、さらには焼
成時における成分間あるいは成分内での反応によって、
得られたセラミックス基板の特性が変化するため、目的
とする特性を安定して発現することができる成分の組合
わせや焼成条件を見出すことは非常に困難である。Since there are many types of both inorganic ceramic powders of glass and aggregate, their combinations are innumerable. And, by the combination of these two components, and further by the reaction between or within the components during firing,
Since the characteristics of the obtained ceramic substrate change, it is very difficult to find a combination of components and firing conditions that can stably develop the desired characteristics.
【０００７】例えば、比誘電率をできるだけ低下させた
セラミックス基板を得るには、骨材として、比誘電率が
低い酸化ケイ素 (SiO2) を使用することが効果的であ
り、このようなセラミックス基板も既に提案されてい
る。For example, it is effective to use silicon oxide (SiO 2 ) having a low relative dielectric constant as an aggregate in order to obtain a ceramic substrate whose relative dielectric constant is lowered as much as possible. Has already been proposed.
【０００８】１例として、特公平４−12639 号公報に
は、ガラス30〜90重量％に、石英ガラス、石英、クリス
トバライトおよびトリジマイトから選んだ少なくとも２
種の酸化ケイ素質骨材10〜70重量％を混合した材料系が
開示されている。骨材として熱膨張率が異なる２種の酸
化ケイ素を使用することで、基板の熱膨張率が制御でき
る。ガラス材料としては、ホウケイ酸マグネシウム系ガ
ラスとホウケイ酸バリウム系ガラスが好ましく、全実施
例においてこの種のガラスが使用されている。As one example, in Japanese Examined Patent Publication No. 4-12639, 30 to 90% by weight of glass is used, and at least 2 selected from quartz glass, quartz, cristobalite and tridymite.
A material system is disclosed in which 10-70% by weight of a silicon oxide aggregate of the seed is mixed. The thermal expansion coefficient of the substrate can be controlled by using two kinds of silicon oxides having different thermal expansion coefficients as the aggregate. As the glass material, magnesium borosilicate glass and barium borosilicate glass are preferable, and this kind of glass is used in all the examples.
【０００９】特開平３−141153号公報には、ホウケイ酸
ガラス55〜100 重量％、α−石英０〜45重量％、および
石英ガラス０〜45重量％からなる、低誘電率で1000℃以
下の低温焼成が可能な無機組成物が記載されている。ホ
ウケイ酸ガラスが55重量％より少ないと、低温焼成が不
可能になると説明されている。Japanese Unexamined Patent Publication No. 3-141153 discloses a borosilicate glass of 55 to 100% by weight, α-quartz of 0 to 45% by weight, and a quartz glass of 0 to 45% by weight. An inorganic composition capable of low temperature firing is described. It is explained that if the content of borosilicate glass is less than 55% by weight, low temperature firing becomes impossible.
【００１０】特開平１−226751号公報には、 Al2O3 0.5
〜1.5 重量％とLi2O 0.3〜1.0 重量％とを含有するホウ
ケイ酸ガラス55〜75重量％と、α−石英 (その 0.5〜5.
0 ％はアルミナであってもよい) 45〜25重量％とからな
る、比誘電率が低い厚膜ペースト用の粉末組成物が記載
されている。アルミナを、石英の 0.5〜5.0 ％ (全体の
0.125〜2.25％) というごく少量だけ添加すると、焼成
中に石英がガラスに溶解して非晶質シリカに変化する現
象が抑制され、基板の熱膨張率が高く保持される。Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-262751 discloses Al 2 O 3 0.5
55 to 75% by weight of borosilicate glass containing 0.5 to 1.5% by weight and 0.3 to 1.0% by weight of Li 2 O, and α-quartz (0.5 to 5.
A powder composition for thick film pastes having a low relative permittivity of 45 to 25% by weight is described. Alumina is 0.5 to 5.0% of quartz (total
When added in a very small amount (0.125 to 2.25%), the phenomenon that quartz dissolves into glass and changes to amorphous silica during firing is suppressed, and the coefficient of thermal expansion of the substrate is kept high.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、このよ
うな酸化ケイ素を骨材とする、低誘電率の低温焼成セラ
ミックス基板について検討した結果、次のような知見を
得た。DISCLOSURE OF THE INVENTION As a result of studying a low-dielectric-constant low-temperature fired ceramics substrate using such silicon oxide as an aggregate, the present inventors have obtained the following findings.
【００１２】酸化ケイ素がトリジマイト又はクリスト
バライトであることは好ましくない。酸化ケイ素（Si
O2）鉱物には、一般に低温型結晶相（α）と高温型結晶
相（β）とがあり、昇温または冷却中にこの転移温度を
通過すると (即ち、α→βまたはβ→αの転移が起こる
と) 、急激な体積膨張または収縮を生じる。この転移温
度がトリジマイトでは約117 ℃、クリストバライトでは
約230 ℃と比較的低い。It is not preferred that the silicon oxide is tridymite or cristobalite. Silicon oxide (Si
O 2 ) minerals generally have a low temperature type crystal phase (α) and a high temperature type crystal phase (β), and when this transition temperature is passed during heating or cooling (ie, α → β or β → α When a transition occurs, it causes a rapid volume expansion or contraction. This transition temperature is relatively low at about 117 ℃ for tridymite and about 230 ℃ for cristobalite.
【００１３】セラミックス基板への電子部品の搭載時に
は半田が一般に使われるが、特に最近ではリフロー法が
普及してきたため、基板全体が半田の溶融温度に加熱さ
れることになる。そのため、電子部品搭載時に基板が30
0 ℃前後の熱処理を受けることがよくあり、そのような
条件下では、基板中にトリジマイトやクリストバライト
が存在すると、これらが上記の転移を起こして急激な体
積膨張・収縮を生じ、基板にマイクロクラックが発生す
ることがあるため、製造されたセラミックパッケージの
信頼性が著しく低下する。Solder is generally used when mounting electronic parts on a ceramic substrate, but since the reflow method has become widespread recently, the entire substrate is heated to the melting temperature of the solder. Therefore, when mounting electronic components, the board
It is often subjected to heat treatment at around 0 ° C, and under such conditions, when tridymite or cristobalite is present in the substrate, these undergo the above-mentioned transitions and cause rapid volume expansion / contraction, causing microcracks on the substrate. May occur, the reliability of the manufactured ceramic package is significantly reduced.
【００１４】一方、石英はαからβへの転移温度が約
573 ℃と高いため、電子部品搭載時の熱処理温度では相
転移が起こらず、この転移に起因する体積変動を受けな
い。また、石英ガラス（溶融石英、シリカガラス、溶融
シリカを含む) は非晶質であり、300 ℃程度の温度では
全く変化を受けない。従って、酸化ケイ素質骨材として
は、石英や非晶質シリカである石英ガラスが好ましい。On the other hand, quartz has an α to β transition temperature of about
Since the temperature is as high as 573 ° C, phase transition does not occur at the heat treatment temperature when mounting electronic components, and the volume change due to this transition does not occur. Quartz glass (including fused silica, silica glass, and fused silica) is amorphous, and does not change at a temperature of about 300 ° C. Therefore, as the silicon oxide aggregate, quartz or quartz glass which is amorphous silica is preferable.
【００１５】上記知見に基づいて、ホウケイ酸ガラスに
骨材として石英と石英ガラスとを配合した原料粉末から
グリーンシートを作成し、温度を変えて低温焼成したと
ころ、焼成温度が 800〜900 ℃程度より高温になると、
焼結体中に好ましくないクリストバライトが結晶相とし
て析出することが判明した。この原因は明確には解明さ
れていないが、ガラスと添加した骨材との何らかの反応
でクリストバライトが生じたものと考えられる。Based on the above findings, a green sheet was prepared from raw material powder in which quartz and quartz glass were blended in borosilicate glass as an aggregate, and low temperature firing was performed at different temperatures. The firing temperature was about 800 to 900 ° C. At higher temperatures,
It was found that undesired cristobalite precipitates as a crystalline phase in the sintered body. The cause of this is not clearly understood, but it is considered that cristobalite was generated by some reaction between the glass and the added aggregate.
【００１６】特開平３−141153号公報の実施例には、上
と同じようにホウケイ酸ガラス、石英および石英ガラス
からなる原料粉末を1000℃以下で焼成した場合に、クリ
ストバライトの析出が起こらないことが記載されている
が、これは骨材の配合量が合計で45重量％以下と少な
い、ガラス組成が特定されている等の何らかの条件によ
るものと考えられる。In the example of Japanese Patent Laid-Open No. 3-141153, cristobalite does not precipitate when raw material powders made of borosilicate glass, quartz and quartz glass are fired at 1000 ° C. or lower as in the above. However, it is considered that this is due to some condition such as the total amount of the aggregates being as small as 45% by weight or less and the glass composition being specified.
【００１７】しかし、基板の強度の向上等を目的とし
て、骨材の配合量の増大が求められる場合があり、また
ガラスの組成についても、所望の特性 (例、軟化温度、
比誘電率、絶縁抵抗等) を発現させるために、調整 (特
に、SiO2含有量の低減) が必要となる場合もある。However, in order to improve the strength of the substrate and the like, it may be required to increase the amount of the aggregate compounded, and the composition of the glass may have desired characteristics (eg, softening temperature,
In some cases, adjustment (particularly, reduction of SiO 2 content) may be required in order to develop the relative dielectric constant, insulation resistance, etc.
【００１８】従って、ホウケイ酸ガラスと酸化ケイ素質
骨材からなる低誘電率の低温焼成セラミックス基板にお
いて、組成の異なる各種のホウケイ酸ガラスを使用し
て、より広範囲のガラスと骨材の配合組成について、ク
リストバライトの析出が防止されたセラミックス基板が
求められている。Therefore, in a low-dielectric-constant low-temperature fired ceramics substrate composed of borosilicate glass and silicon oxide aggregate, various borosilicate glasses having different compositions are used, and a wider composition range of glass and aggregate is obtained. There is a demand for a ceramic substrate in which the precipitation of cristobalite is prevented.
【００１９】また、この種の酸化ケイ素を骨材とする低
温焼成セラミックス基板は、比誘電率は非常に低いもの
の、抗折強度が10 kgf/mm2前後と低いため、この基板単
独で電子部品を搭載するには強度が不十分であることが
多い。Further, the low temperature fired ceramics substrate using silicon oxide of this kind as an aggregate has a very low relative dielectric constant, but since the bending strength is as low as about 10 kgf / mm 2 , the substrate alone is used as an electronic component. In many cases, the strength is insufficient to mount.
【００２０】そのため、アルミナ焼結体への積層 (特開
昭62−501181号公報参照) 、または組成の異なる高強度
ガラスセラミックス層との同時焼成による一体化 (特公
平４−51078 号参照) といった手段で強化することが必
要になる。その場合、基板の反りを避けるには、上記低
温焼成セラミックス基板の熱膨張率が、アルミナまたは
高強度ガラスセラミックス基板の熱膨張率に近くなくて
はならない。この観点から、上記の低温焼成セラミック
ス基板は、室温から350 ℃の範囲での平均熱膨張率が
4.5〜８×10-6／℃の範囲内であることが望ましい。Therefore, such as lamination on an alumina sintered body (see Japanese Patent Laid-Open No. 62-501181) or integration with high-strength glass ceramic layers having different compositions by simultaneous firing (see Japanese Patent Publication No. 4-51078). It will be necessary to strengthen by means. In that case, in order to avoid warpage of the substrate, the coefficient of thermal expansion of the low temperature fired ceramics substrate should be close to that of the alumina or high strength glass ceramics substrate. From this point of view, the above low temperature fired ceramics substrate has an average coefficient of thermal expansion in the range of room temperature to 350 ° C.
It is desirable to be in the range of 4.5 to 8 × 10 -6 / ° C.
【００２１】本発明の課題は、酸化ケイ素を骨材とする
低誘電率の低温焼成セラミックス基板であって、焼成時
にクリストバライトの析出が防止され、好ましくは上記
範囲の熱膨張率を有するセラミックス基板を提供するこ
とである。An object of the present invention is to provide a low-dielectric-constant low-temperature-ceramics ceramic substrate having silicon oxide as an aggregate, which prevents precipitation of cristobalite during firing, and preferably has a coefficient of thermal expansion in the above range. Is to provide.
【００２２】[0022]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
の解決を目指して研究を続けたところ、酸化ケイ素質骨
材に少量のアルミナを添加すると、低温焼成中のクリス
トバライトの析出が防止されることを見出した。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention continued their research aiming at solving the above-mentioned problems. As a result, when a small amount of alumina was added to the silicon oxide aggregate, the precipitation of cristobalite during the low temperature firing was prevented. I was found to be done.
【００２３】ここに、本発明は、グリーンシートを 800
〜1050℃で焼成してなるセラミックス基板であって、前
記グリーンシートを構成する粉末材料が、重量％でホウ
ケイ酸ガラス粉末30〜69％、石英粉末５〜55％、石英ガ
ラス粉末５〜55％、およびアルミナ粉末１〜５％からな
り、石英粉末と石英ガラス粉末の合計が25〜65％であ
り、かつ焼成後のセラミックス基板がクリストバライト
結晶を含有せず、その比誘電率が4.5 以下であることを
特徴とする、セラミックス基板である。Here, according to the present invention, 800 green sheets are used.
A ceramic substrate fired at ~ 1050 ° C, wherein the powder material constituting the green sheet is 30 to 69% by weight of borosilicate glass powder, 5 to 55% of quartz powder, and 5 to 55% of quartz glass powder. , And alumina powder 1 to 5%, the total of quartz powder and quartz glass powder is 25 to 65%, and the ceramic substrate after firing does not contain cristobalite crystals, and its relative dielectric constant is 4.5 or less. It is a ceramics substrate characterized by the above.
【００２４】[0024]
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
以下の説明において、％は特に指定しない限り重量％で
ある。本発明のセラミックス基板は、ホウケイ酸ガラス
粉末に、石英粉末と石英ガラス粉末という２種類の酸化
ケイ素質の粉末と少量のアルミナ粉末とを骨材として配
合した原料粉末から製造される。原料粉末の平均粒径は
特に制限されないが、通常は各粉末とも、 0.1〜10μｍ
の範囲である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention is described in detail below.
In the following description,% means% by weight unless otherwise specified. The ceramic substrate of the present invention is manufactured from a raw material powder in which borosilicate glass powder is mixed with two kinds of silicon oxide powders of quartz powder and quartz glass powder and a small amount of alumina powder as an aggregate. The average particle size of the raw material powder is not particularly limited, but usually 0.1 to 10 μm for each powder.
Range.
【００２５】骨材が主に酸化ケイ素質粉末からなること
により、比誘電率が低いセラミックス基板を得ることが
できる。この酸化ケイ素質粉末として、石英と石英ガラ
スの２種類を使用するのは、熱膨張率が、石英は約12〜
15×10-6／℃、石英ガラスは１×10-6／℃弱と大きく異
なることから、この２種類の骨材をホウケイ酸ガラス
(熱膨張率は約３×10-6／℃) と組み合わせることによ
り、これら３成分の配合量を変化させることで、基板の
熱膨張率を目的とする範囲に制御することができるから
である。Since the aggregate is mainly made of silicon oxide powder, a ceramic substrate having a low relative dielectric constant can be obtained. The two types of silica oxide powder, quartz and quartz glass, are used because the coefficient of thermal expansion is about 12
Borosilicate glass is used for these two types of aggregates because the difference is 15 × 10 -6 / ° C and quartz glass is slightly less than 1 × 10 -6 / ° C.
This is because the thermal expansion coefficient of the substrate can be controlled within a target range by changing the compounding amounts of these three components in combination with (the thermal expansion coefficient is about 3 × 10 −6 / ° C.). .
【００２６】この酸化ケイ素質骨材に少量のアルミナ粉
末を配合するのは、前述したように、焼成中に酸化ケイ
素質骨材からクリストバライトが生成するのを防止する
ためである。また、ガラスとしてホウケイ酸ガラスを選
択したのは、比誘電率が低いからである。The reason why a small amount of alumina powder is blended with this silicon oxide-based aggregate is to prevent the formation of cristobalite from the silicon oxide-based aggregate during firing, as described above. Borosilicate glass was selected as the glass because of its low relative dielectric constant.
【００２７】石英ガラスは、溶融法により製造された比
較的安価なもの (溶融石英、溶融シリカ等とも呼ばれ、
半導体の樹脂封止用のフィラーとして大量に使用されて
いるもの) と、四塩化ケイ素の熱分解などの気相法によ
って製造された、より高純度で高価なものがある。本発
明ではこのいずれも使用することができるが、経済性を
考えると、より安価な溶融法で製造された石英ガラスが
好ましい。Quartz glass is a relatively inexpensive one manufactured by a melting method (also called fused quartz, fused silica, etc.,
These are used in large quantities as fillers for resin encapsulation of semiconductors), and those of higher purity and higher cost that are manufactured by a vapor phase method such as thermal decomposition of silicon tetrachloride. Any of these can be used in the present invention, but in view of economy, quartz glass manufactured by a cheaper melting method is preferable.
【００２８】ホウケイ酸ガラスは、軟化点が約 600〜80
0 ℃の範囲内となり、かつ比誘電率が低ければ、その組
成は特に限定されない。好ましいホウケイ酸ガラスは、
アルカリ土類金属酸化物 (MgO, CaO, BaO 等) を実質的
に含有しない、即ち、その含有量が不純物量以下である
ものである。アルカリ土類金属酸化物を含有するガラス
を使用すると、基板の比誘電率が高くなりがちである。Borosilicate glass has a softening point of about 600-80.
The composition is not particularly limited as long as it is within the range of 0 ° C. and the relative dielectric constant is low. The preferred borosilicate glass is
Alkaline earth metal oxides (MgO, CaO, BaO, etc.) are not substantially contained, that is, the content is less than the amount of impurities. When glass containing an alkaline earth metal oxide is used, the relative dielectric constant of the substrate tends to be high.
【００２９】特に好ましいホウケイ酸ガラスの組成は、
SiO2：60〜75％、B2O3：15〜30％、Al2O3:５％未満、ア
ルカリ金属酸化物：合計５％未満、その他の不純物：合
計５％未満である。より好ましくは、この組成はSiO2：
65〜75％、B2O3：20〜30％、Al2O3:４％未満、アルカリ
金属酸化物：合計４％未満、その他の不純物：合計４％
未満である。A particularly preferred composition of borosilicate glass is
SiO 2: 60~75%, B 2 O 3: 15~30%, Al 2 O 3: less than 5%, alkali metal oxides: less than 5% total, other impurities: less than 5% total. More preferably, this composition is SiO 2 :
65~75%, B 2 O 3: 20~30%, Al 2 O 3: less than 4%, alkali metal oxides: less than a total of 4% other impurities: 4% total
Is less than.
【００３０】ホウケイ酸ガラス中のSiO2は、B2O3と共に
ガラスの主となる構造を構成するものであるが、その量
が75％を越えるとガラスの軟化点が高くなる傾向があ
り、60％を下回ると、それにより増える他成分の影響に
より、比誘電率が上昇したり、耐湿性が悪くなることが
ある。B2O3が15％を下回ると、ガラスの軟化点が上昇
し、30％を越えるとガラス作製中に分相が生じ易く、均
一なガラスとならないばかりか、耐湿性も低下する。ガ
ラスに微量のAl2O3 を添加することで、ガラス作製にお
ける分相の抑制、冷却中の結晶化の抑制等に効果がある
が、その量が５％を上回ると、比誘電率が高くなる。ま
た、アルカリ金属酸化物(K2O, Na2O, Li2O)にはガラス
の軟化点を下げる効果があるが、その合計量が５％を越
えると、ガラスの絶縁耐圧、誘電正接等が劣化する。そ
の他の不純物は、ガラスの特性を劣化させない範囲で存
在しうるが、合計が５％を越えるとガラスの特性に及ぼ
す影響が大きくなりすぎ、好ましくない。SiO 2 in the borosilicate glass constitutes the main structure of the glass together with B 2 O 3 , but if the amount exceeds 75%, the softening point of the glass tends to increase, If it is less than 60%, the relative dielectric constant may increase or the moisture resistance may deteriorate due to the influence of other components that increase. When B 2 O 3 is less than 15%, the softening point of the glass rises, and when it exceeds 30%, phase separation is likely to occur during glass production, and not only a uniform glass but also moisture resistance is deteriorated. Addition of a small amount of Al 2 O 3 to glass is effective in suppressing phase separation during glass production, suppressing crystallization during cooling, etc., but if the amount exceeds 5%, the relative dielectric constant becomes high. Become. Alkali metal oxides (K 2 O, Na 2 O, Li 2 O) have the effect of lowering the softening point of glass, but if the total amount exceeds 5%, the glass withstand voltage, dielectric loss tangent, etc. Deteriorates. Other impurities may be present in a range that does not deteriorate the properties of the glass, but if the total amount exceeds 5%, the influence on the properties of the glass becomes too large, which is not preferable.
【００３１】上記４種類の各粉末材料を、ホウケイ酸ガ
ラス30〜69％、石英５〜55％、石英ガラス５〜55％、ア
ルミナ１〜５％、石英と石英ガラスの合計25〜65％とな
るように配合する。それにより、 700〜1050℃の温度範
囲での低温焼成が可能となり、焼成後に比誘電率が4.5
以下で、クリストバライトを含まない焼結体が得られ
る。Each of the above four kinds of powder materials was used as borosilicate glass 30 to 69%, quartz 5 to 55%, quartz glass 5 to 55%, alumina 1 to 5%, and total quartz and quartz glass 25 to 65%. To be mixed. As a result, low temperature firing in the temperature range of 700 to 1050 ℃ is possible, and the relative dielectric constant after firing is 4.5.
Below, a sintered body containing no cristobalite is obtained.
【００３２】骨材の添加量は、ガラスセラミックス材料
の焼結温度に大きく影響する。骨材として石英と石英ガ
ラスという組合わせを選択した場合、その合計量が25％
を下回ると、ホウケイ酸ガラスの量が多くなりすぎるた
め、適切な焼成温度が800 ℃より低くなり、800 ℃以上
で焼成した場合には焼結体がグリーンシートの支持体
(セッター) に融着し、焼結体を取り出すことができな
くなる。従って、焼成を800 ℃より低温で行う必要があ
るが、このように焼成温度が低いと、得られた基板の強
度が著しく低下する。一方、この酸化ケイ素質骨材の合
計量が65％を上回ると、焼結に必要なホウケイ酸ガラス
が少なくなるため焼結が不十分になり、焼結体の気孔が
多くなり、その吸水率が増大するため、基板の信頼性が
低下する。The amount of the aggregate added greatly affects the sintering temperature of the glass ceramic material. When the combination of quartz and quartz glass is selected as the aggregate, the total amount is 25%
If the temperature is below the range, the amount of borosilicate glass will be too large, and the appropriate firing temperature will be lower than 800 ° C. If firing above 800 ° C, the sintered body will become a green sheet support.
It will not be possible to take out the sintered body after it is fused to the (setter). Therefore, it is necessary to perform the firing at a temperature lower than 800 ° C. However, if the firing temperature is low as described above, the strength of the obtained substrate will be significantly reduced. On the other hand, if the total amount of this silicon oxide aggregate exceeds 65%, the amount of borosilicate glass required for sintering will decrease, resulting in insufficient sintering, increasing the pores of the sintered body, and increasing the water absorption rate. Therefore, the reliability of the substrate decreases.
【００３３】前述したように、熱膨張率が、石英は大き
く、石英ガラスは小さい。石英の量が５％より少ない
か、石英ガラスの量が55％を超えると、基板の熱膨張率
が小さくなりすぎる。逆に、石英の量が55％より多い
か、石英ガラスの量が５％を下回ると、基板の熱膨張率
が大きくなりすぎる。これらいずれの場合も、本発明の
セラミックス基板を、その補強のために焼成アルミナ基
板または未焼成の高強度基板材料と組合わせる場合に、
熱膨張率の不調和によって基板の反りを生じ易くなる。As described above, the coefficient of thermal expansion of quartz is large and that of quartz glass is small. If the amount of quartz is less than 5% or the amount of quartz glass exceeds 55%, the coefficient of thermal expansion of the substrate becomes too small. On the contrary, if the amount of quartz is more than 55% or the amount of quartz glass is less than 5%, the coefficient of thermal expansion of the substrate becomes too large. In any of these cases, when the ceramic substrate of the present invention is combined with a fired alumina substrate or an unfired high strength substrate material for reinforcement thereof,
Warping of the substrate is likely to occur due to the mismatch of the thermal expansion coefficients.
【００３４】これら２成分の量は、石英20〜55％、石英
ガラス10〜30％の範囲とすることが好ましい。その場
合、ホウケイ酸ガラスの量は45〜55％とする。それによ
り、室温から350 ℃の温度範囲での平均熱膨張率が 4.5
〜８×10-6／℃の範囲内のセラミックス基板を得ること
ができる。そして、この範囲内の量で石英と石英ガラス
の配合比を変化させることにより、得られる基板の熱膨
張率を上記範囲内で所定の値に制御することができる。The amounts of these two components are preferably in the range of quartz 20 to 55% and quartz glass 10 to 30%. In that case, the amount of borosilicate glass is 45 to 55%. As a result, the average coefficient of thermal expansion in the temperature range from room temperature to 350 ° C is 4.5.
It is possible to obtain a ceramic substrate within a range of up to 8 × 10 -6 / ° C. By changing the compounding ratio of quartz and quartz glass within the range, the coefficient of thermal expansion of the obtained substrate can be controlled to a predetermined value within the above range.
【００３５】アルミナ基板または高アルミナの高強度ガ
ラスセラミックス基板は一般に上記範囲内の熱膨張率を
有する。従って、このような熱膨張率を持った本発明の
ガラスセラミックス基板は、特に焼成アルミナ基板への
積層による多層化、または高アルミナ質の高強度ガラス
セラミックス材料との同時焼成による一体化、といった
手段で強化するのに適している。Alumina substrates or high alumina high strength glass ceramic substrates generally have a coefficient of thermal expansion within the above range. Therefore, the glass-ceramic substrate of the present invention having such a coefficient of thermal expansion is, in particular, made into a multilayer by laminating on a fired alumina substrate, or integrated by simultaneous firing with a high-alumina high-strength glass-ceramic material. Suitable for strengthening with.
【００３６】アルミナの添加量が１％を下回ると、アル
ミナの添加目的である焼成中のクリストバライトの析出
を完全に防止することが困難となる。一方、アルミナ添
加量が５％を越えると、基板の比誘電率が上昇する。好
ましいアルミナの添加量は２〜４％であり、より好まし
くは 2.3〜3.5 ％である。When the amount of alumina added is less than 1%, it is difficult to completely prevent the precipitation of cristobalite during firing, which is the purpose of adding alumina. On the other hand, when the amount of alumina added exceeds 5%, the relative dielectric constant of the substrate increases. The preferred amount of alumina added is 2 to 4%, more preferably 2.3 to 3.5%.
【００３７】なお、アルミナに代えて、またはアルミナ
と一緒に、ムライト、窒化アルミニウムなどの他のアル
ミニウム含有結晶質材料を使用することもでき、その場
合の添加量も、アルミニウム酸化物換算でアルミナの添
加量と同様でよい。It should be noted that other aluminum-containing crystalline materials such as mullite and aluminum nitride may be used in place of or together with alumina, and the addition amount in that case is the same as that of alumina in terms of aluminum oxide. It may be the same as the added amount.
【００３８】上記の４種類の粉末材料を常法によりグリ
ーンシート化し、グリーンシートを800〜1050℃の温度
で焼成すると、本発明のセラミックス基板が得られる。
焼成温度は、この範囲内で粉末材料の配合割合に応じ
て、十分に焼結が起こるように選択する。ガラスが多い
(骨材が少ない) 場合には焼成温度が低くてよく、ガラ
スが少ない (骨材が多い) 場合には比較的高めの焼成温
度とする。ガラス量が45〜55％の好ましい範囲内である
場合には、焼成温度は 850〜950 ℃でよい。A ceramic substrate of the present invention is obtained by forming the above-mentioned four kinds of powder materials into a green sheet by a conventional method and firing the green sheet at a temperature of 800 to 1050 ° C.
The firing temperature is selected within this range according to the blending ratio of the powder material so that sufficient sintering will occur. A lot of glass
When the amount of aggregate is low, the firing temperature may be low, and when the amount of glass is low (the amount of aggregate is high), the firing temperature is relatively high. If the glass content is in the preferred range of 45-55%, the firing temperature may be 850-950 ° C.
【００３９】なお、グリーンシートを焼成する前に、必
要に応じて、配線形成のためにグリーンシートに導体ペ
ーストを印刷し、ビアホールとその導体ペーストによる
孔埋めをし、多層基板とするためにグリーンシートを加
圧積層するといった周知の工程を付加してもよいことは
言うまでもない。焼成雰囲気は大気雰囲気でよいが、例
えば焼成中の導体 (例、Cu) の酸化を防止するために、
非酸化性 (還元性または不活性) 雰囲気で焼成を行うこ
ともできる。Before firing the green sheet, if necessary, a conductor paste is printed on the green sheet for wiring formation, and the via holes and the conductor paste are filled in to form a multilayer substrate. It goes without saying that a known process such as pressure-laminating sheets may be added. The firing atmosphere may be an air atmosphere, but for example, to prevent oxidation of the conductor (eg, Cu) during firing,
Firing can also be performed in a non-oxidizing (reducing or inert) atmosphere.
【００４０】本発明のセラミックス基板は比誘電率が4.
5 以下、好ましくは4.2 以下と低く、クリストバライト
を含んでいない。従って、この基板は、リフロー法半田
付けによる電子部品の搭載の際に基板全体が300 ℃前後
に加熱されても、急激な体積変動によるマイクロクラッ
クの発生が起こらないので、信頼性の高いセラミックス
パッケージを製造することができる。The ceramic substrate of the present invention has a relative dielectric constant of 4.
It is as low as 5 or less, preferably 4.2 or less, and does not contain cristobalite. Therefore, even if the entire board is heated to around 300 ° C when electronic components are mounted by reflow soldering, microcracks do not occur due to rapid volume changes, so this is a highly reliable ceramic package. Can be manufactured.
【００４１】前述したように、本発明のような酸化ケイ
素を骨材とするセラミックス基板は、それ単独で電子部
品を搭載するには強度が不足するため、例えば、焼成ア
ルミナ基板に積層するか、または高アルミナ質の高強度
ガラスセラミックス材料と同時焼成することにより、必
要な強度を付与することができる。このように他材と組
合わせても、導体配線に接する絶縁層を本発明の低誘電
率のセラミックス基板から構成すると、高誘電率のアル
ミナ質または高アルミナ質の層が共存しても、信号の伝
送特性は導体配線に接する材料の特性に支配されるた
め、信号の伝送損失が抑えられる。As described above, the ceramic substrate having silicon oxide as an aggregate according to the present invention is insufficient in strength for mounting electronic components by itself, and therefore, for example, it may be laminated on a calcined alumina substrate or Alternatively, the necessary strength can be imparted by co-firing with a high-strength glass ceramic material of high alumina quality. Thus, even if combined with other materials, if the insulating layer in contact with the conductor wiring is composed of the low dielectric constant ceramic substrate of the present invention, even if a high dielectric constant alumina or high alumina layer coexists, the signal Since the transmission characteristics of (1) are governed by the characteristics of the material in contact with the conductor wiring, signal transmission loss can be suppressed.
【００４２】補強用に使用する高アルミナ質セラミック
ス材料としては、CaO-Al2O3-SiO2-B2O3 系ガラスまたは
MgO-Al2O3-SiO2-B2O3(-R2O: R はアルカリ金属) 系ガラ
スとアルミナ骨材とからなるもの、ならびに本発明で用
いる好適組成を持ったホウケイ酸ガラスとアルミナ骨材
とからなるものが例示される。As the high alumina ceramic material used for reinforcement, CaO--Al 2 O 3 --SiO 2 --B 2 O 3 system glass or
MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 -B 2 O 3 (-R 2 O: R is an alkali metal) -based glass and an alumina aggregate, and borosilicate glass having a preferred composition used in the present invention, An example is one made of alumina aggregate.
【００４３】本発明のセラミックス基板の熱膨張率は、
前述したように、石英と石英ガラスの配合比や、これら
とホウケイ酸ガラスとの配合比を変化させることで、強
化用に使用したアルミナ質基板または高アルミナ質ガラ
スセラミックス基板の熱膨張率に近くなるように制御す
ることができる。それにより、得られた多層化した基板
の焼成中または使用中の反りを抑制することができる。The coefficient of thermal expansion of the ceramic substrate of the present invention is
As described above, by changing the compounding ratio of quartz and quartz glass and the compounding ratio of these and borosilicate glass, the thermal expansion coefficient of the alumina substrate or the high alumina glass ceramics substrate used for strengthening is approximated. Can be controlled to be. As a result, it is possible to suppress warpage during firing or during use of the obtained multilayered substrate.
【００４４】[0044]
【実施例】実施例で用いたホウケイ酸ガラスの組成を次
の表１に示す。EXAMPLE The composition of the borosilicate glass used in the examples is shown in Table 1 below.
【００４５】[0045]
【表１】 [Table 1]
【００４６】上記いずれかのホウケイ酸ガラス粉末を石
英、溶融法で製造された石英ガラス(以下、溶融石英と
いう) およびアルミナの各粉末と表２に示す割合で混合
した。各粉末はいずれも平均粒径が 0.1〜10μｍの範囲
内にあった。この混合粉末に有機バインダー (アクリル
樹脂) 、可塑剤 (ジオクチルフタレート) 、分散剤、お
よび有機溶媒 (キシレン) を加え、ボールミルで混合し
て約10,000 cpsのスラリーにした。このスラリーをドク
ターブレードにより約0.2 mm厚みのシートに成形し、10
0 ℃で10分間乾燥させてグリーンシートを得た。Any one of the above borosilicate glass powders was mixed with each powder of quartz, fused silica produced by the melting method (hereinafter referred to as fused quartz) and alumina in the proportions shown in Table 2. Each powder had an average particle size in the range of 0.1 to 10 μm. An organic binder (acrylic resin), a plasticizer (dioctyl phthalate), a dispersant, and an organic solvent (xylene) were added to this mixed powder and mixed by a ball mill to form a slurry of about 10,000 cps. This slurry was formed into a sheet with a thickness of about 0.2 mm using a doctor blade, and
It was dried at 0 ° C for 10 minutes to obtain a green sheet.
【００４７】このグリーンシートを１〜10枚重ね、100
℃の熱間でプレスして一体化した。得られた積層体を大
気中800 ℃〜1050℃の温度範囲で１時間焼成して焼結さ
せ、セラミックス基板を得た。1 to 10 sheets of this green sheet are stacked, and 100
It was integrated by pressing it at a temperature of ℃. The obtained laminate was fired in the air in the temperature range of 800 ° C. to 1050 ° C. for 1 hour and sintered to obtain a ceramic substrate.
【００４８】このセラミックス基板の吸水率をアルキメ
デス法により測定した。また、基板の比誘電率は、試験
片の両面に電極を形成し、１MHz での容量をインピーダ
ンスアナライザーにより測定して求めた。さらに、基板
の抗折強度を三点曲げ試験により、室温から350 ℃まで
の平均熱膨張率を接触式の熱膨張計により測定した。ま
た、粉末Ｘ線回折により焼結体 (基板) 中の結晶相を同
定し、クリストバライトの生成の有無を確認した。それ
らの結果を表２に併せて示す。The water absorption of this ceramic substrate was measured by the Archimedes method. The relative permittivity of the substrate was determined by forming electrodes on both sides of the test piece and measuring the capacitance at 1 MHz with an impedance analyzer. Further, the bending strength of the substrate was measured by a three-point bending test, and the average coefficient of thermal expansion from room temperature to 350 ° C. was measured by a contact type thermal dilatometer. In addition, the crystal phase in the sintered body (substrate) was identified by powder X-ray diffraction, and it was confirmed whether or not cristobalite was generated. The results are shown in Table 2.
【００４９】[0049]
【表２】 [Table 2]
【００５０】表２から明らかなように、本発明の範囲内
の割合で粉末材料を配合して得た焼結体は、比誘電率が
4.5 以下、ほとんどは4.2 以下と低く、石英と溶融石英
との比率により熱膨張率が制御され、緻密で気孔が少な
いため吸水率が低く、信頼性に優れたセラミックス基板
となっていることが分かる。また、焼結体中にクリスト
バライトが生成しておらず、従って、クリストバライト
による熱処理中の急激な体積変動によって基板にマイク
ロクラックが発生することがないため、基板の信頼性が
向上する。As is clear from Table 2, the sintered body obtained by mixing the powder materials in the ratio within the range of the present invention has a relative dielectric constant of
It is 4.5 or less, and most of them is 4.2 or less, and the coefficient of thermal expansion is controlled by the ratio of quartz and fused silica.It is understood that the ceramic substrate is highly reliable because it has a low water absorption rate because it is dense and has few pores. . In addition, cristobalite is not generated in the sintered body, and therefore microcracks do not occur in the substrate due to abrupt volume change during heat treatment by cristobalite, so that the reliability of the substrate is improved.
【００５１】一方、粉末材料の配合割合が本発明の範囲
外である比較例の結果を見ると、アルミナ無添加の比較
例１では、焼成後の基板にクリストバライトが析出して
おり、350 ℃まで加熱した時に200 ℃近辺で急峻な熱膨
張率の変化が認められ、350℃までの平均熱膨張率が大
きくなった。アルミナの添加量が多すぎる比較例２およ
び９では、基板の比誘電率が4.5 を越えた。On the other hand, looking at the results of the comparative example in which the mixing ratio of the powder material is out of the range of the present invention, in comparative example 1 in which no alumina is added, cristobalite is deposited on the substrate after firing, and up to 350 ° C. When heated, a steep change in the coefficient of thermal expansion was observed around 200 ° C, and the average coefficient of thermal expansion up to 350 ° C increased. In Comparative Examples 2 and 9 in which the amount of alumina added was too large, the relative dielectric constant of the substrate exceeded 4.5.
【００５２】ホウケイ酸ガラスの量が少なすぎる (石英
＋溶融石英の合計量が多すぎる) 比較例３では、1050℃
以下の焼成温度では緻密化せず、吸水率が高いため、信
頼性の低い基板となった。逆に、ホウケイ酸ガラス量が
多すぎ (石英＋溶融石英の合計量が少なすぎる比較例４
では、800 ℃の焼成温度でも軟化し、セッターに溶着し
た。Too small amount of borosilicate glass (total amount of quartz + molten quartz is too large) In Comparative Example 3, 1050 ° C.
At the firing temperatures below, the substrate was not densified and had a high water absorption rate, so that the substrate had low reliability. On the contrary, the amount of borosilicate glass is too large (the total amount of quartz + fused silica is too small, Comparative Example 4).
Then, it softened even at a firing temperature of 800 ° C and was welded to the setter.
【００５３】石英の添加量が多すぎた比較例５および溶
融石英の添加量が少なすぎた比較例８では、基板の熱膨
張率が大きなりすぎた。逆に、石英の添加量が少なすぎ
た比較例６および溶融石英の添加量が多すぎた比較例７
では、基板の熱膨張率が小さくなりすぎた。In Comparative Example 5 in which the added amount of quartz was too large and Comparative Example 8 in which the added amount of fused silica was too small, the coefficient of thermal expansion of the substrate was too large. On the contrary, Comparative Example 6 in which the added amount of quartz was too small and Comparative Example 7 in which the added amount of fused quartz was too large
Then, the coefficient of thermal expansion of the substrate became too small.
【００５４】[0054]
【発明の効果】本発明のセラミックス基板は、 800〜10
50℃の低温焼成で焼結でき、この焼成過程でガラスから
のクリストバライトの析出が完全に防止できるため、リ
フロー法半田付けなどのために300 ℃前後の熱処理を受
けても基板の急激な体積変動が起こらず、この熱処理中
のマイクロクラックの発生が起こりにくいため、信頼性
の高い基板となる。また、比誘電率が低いため信号遅延
時間が小さく、焼成中に十分に緻密化され、吸水率が小
さいことから、この点でも信頼性が高くなる。さらに、
石英と石英ガラスとの比率を変化させることで、基板の
熱膨張率を強化用のアルミナ基板または高アルミナ質基
板に比較的近い範囲(4.5〜８×10-6／℃）に制御でき
る。従って、本発明のセラミックス基板は、ＬＳＩ等の
電子回路の高速化に対応した高性能の基板である。The ceramic substrate of the present invention has a thickness of 800 to 10
It can be sintered at a low temperature of 50 ° C, and the precipitation of cristobalite from the glass can be completely prevented during this firing process. Therefore, even if the substrate is subjected to heat treatment at around 300 ° C due to reflow soldering, etc., the volume of the substrate changes suddenly. Does not occur, and microcracks are less likely to occur during this heat treatment, resulting in a highly reliable substrate. Further, since the relative permittivity is low, the signal delay time is short, the signal is sufficiently densified during firing, and the water absorption rate is small. further,
By changing the ratio of quartz and quartz glass, the coefficient of thermal expansion of the substrate can be controlled to a range (4.5 to 8 × 10 −6 / ° C.) relatively close to that of the alumina substrate for strengthening or the high alumina substrate. Therefore, the ceramic substrate of the present invention is a high-performance substrate compatible with the speeding up of electronic circuits such as LSI.
Claims (3)
てなるセラミックス基板であって、前記グリーンシート
を構成する粉末材料が、重量％でホウケイ酸ガラス粉末
30〜69％、石英粉末５〜55％、石英ガラス粉末５〜55
％、およびアルミナ粉末１〜５％からなり、石英粉末と
石英ガラス粉末の合計が25〜65％であり、かつ焼成後の
セラミックス基板がクリストバライト結晶を含有せず、
その比誘電率が4.5 以下であることを特徴とする、セラ
ミックス基板。1. A ceramic substrate obtained by firing a green sheet at 800 to 1050 ° C., wherein the powder material constituting the green sheet is a borosilicate glass powder in weight%.
30-69%, quartz powder 5-55%, quartz glass powder 5-55
%, And alumina powder 1 to 5%, the total of quartz powder and quartz glass powder is 25 to 65%, and the ceramic substrate after firing does not contain cristobalite crystals,
A ceramic substrate having a relative dielectric constant of 4.5 or less.
ラス粉末45〜55％、石英粉末20〜55％、石英ガラス粉末
10〜30％、およびアルミナ粉末２〜４％からなり、かつ
基板の室温から350 ℃の温度範囲での平均熱膨張率が
4.5〜８×10-6／℃の範囲内である、請求項１記載のセ
ラミックス基板。2. The weight percentage of the powder material is 45 to 55% borosilicate glass powder, 20 to 55% quartz powder, and quartz glass powder.
It consists of 10 to 30% and alumina powder 2 to 4%, and has an average coefficient of thermal expansion in the temperature range of room temperature to 350 ° C.
The ceramic substrate according to claim 1, which is in a range of 4.5 to 8 × 10 -6 / ° C.
でSiO2：60〜75％、B2O3：15〜30％、Al2O3:５％未満、
アルカリ金属酸化物：合計５％未満、その他の不純物：
合計５％未満である、請求項１または２記載のセラミッ
クス基板。3. The composition of the borosilicate glass is% by weight.
In SiO 2: 60~75%, B 2 O 3: 15~30%, Al 2 O 3: less than 5%,
Alkali metal oxides: less than 5% in total, other impurities:
The ceramic substrate according to claim 1 or 2, which is less than 5% in total.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5326596A JPH09241068A (en) | 1996-03-11 | 1996-03-11 | Low temperature fired ceramic substrate |
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|---|---|---|---|
| JP5326596A JPH09241068A (en) | 1996-03-11 | 1996-03-11 | Low temperature fired ceramic substrate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09241068A true JPH09241068A (en) | 1997-09-16 |
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