JPH11514627A - 多層共焼成セラミック組成物およびセラミックオンメタル回路基板 - Google Patents

多層共焼成セラミック組成物およびセラミックオンメタル回路基板

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Abstract

(57)【要約】 非結晶化鉛ベースガラスおよび1以上の酸化物充填剤と混合された結晶化可能なZnO−MgO−B23−SiO2ガラスのセラミック混合物は、kovarのTCEと適合するTCEを有する焼成セラミックを形成する。焼成されたときにkovar支持基板と整合されたセラミック混合物から生成されたグリーンテープは、優れた誘電特性および低い損失特性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 多層共焼成セラミック組成物およびセラミックオンメタル回路基板 本発明は、多層セラミック回路基板に関する。本発明は特に、水平方向に収縮 しない、金属支持体上に焼成セラミックを形成し得るガラス組成物に関する。 発明の背景 低溶融温度導電性金属、例えば、銀、金および銅と共に用いるに適した低温度 多層セラミック回路基板が公知である。これらは、低い熱膨張係数(TCE)を 有しており、そのため、これらのうちのいくつかは、シリコンまたはガリウム砒 素との適合性を有する。これらのセラミック回路基板は、低温、すなわち、10 00℃未満で焼成され得るガラスから形成される。多層回路基板は、ガラスを、 樹脂、溶媒および分散剤などを含む有機材料と混合し、グリーンテープとして知 られる薄い平坦なテープを形成することにより形成される。グリーンテープは、 まず有機材料を除去し次いでガラスを失透状態に変換するために、パンチされて 焼成され得る。回路は、導電性金属粉末、有機ビヒクル、および粉末ガラスを含 む導電性インクフォーミュレーションを用いて、グリーンまたは焼成されたセラ ミックテープ上にスクリーン印刷され得る。粉末ガラスは、しばしばグリーンテ ープを形成するために用いられるものと同一または類似である。 回路基板がスクリーン印刷された多層グリーンテープが積層され、テープ内に ビアホールが形成されてビア充填インクフォーミュレーションで充填され、それ により様々なグリーンテープ層上の回路間の電気的コンタクトが供給される。ビ ア充填インクフォーミュレーションもまた、導電性金属、ガラス、および有機ビ ヒクルから生成される。パターン化されたグリーンテープ層は、焼成に先だって 整合され、熱および圧力を用いて圧縮される。 これらの多層回路基板は、数年間商業的に用いられているか、いくつかの欠点 がある。グリーンテープは、焼成中に全方向において少なくとも15%収縮し、 このことは、グリーンテープ層およびビアホール用の許容範囲を設定することに より前もって補償されなければならない。しかし、回路を狭い許容範囲内に維持 することは困難である。ガラスの熱伝導率は低く、そのため、放熱が問題である 。さらに、多層回路基板単独は、これもまた多層回路基板に用いられるアルミナ または窒化アルミニウムなどの材料に比べると脆弱である。これら後者の材料は 、良好な熱伝導率および強度を有するが、これらもまた焼成中に収縮する。後者 の材料は、比較的低い温度で空気中で焼成されるのではなく、比較的高い温度で 還元雰囲気中で焼成されなければならない。従って、低溶融導電性金属は、多層 回路基板単独には用いられ得ない。回路材料としては、タングステンまたはモリ ブデンなどの高溶融耐熱性金属が用いられなければならない。しかし、これらの 金属は、銀、金または銅よりも低い導電性を有しており、そのため得られるプリ ント回路基板は、銀、金または銅などの低溶融温度金属を用いたものよりも劣っ た電気特性を有する。 より最近では、複合基板の強度を増加させるために、多層回路基板が支持基板 に付着されている。これらの支持基板は概して、共焼成中に金属製支持基板にセ ラミックテープを付着させるグレーズがコーティングされ得る金属コアを有する 。焼成中に、このグレーズは水平方向であるx、y方向における収縮を減少する 。その結果、z方向、すなわち金属製支持基板に直交する方向で、収縮のすべて ではないがほとんどが起こる。適切なグレーズ組成物は、1995年1月27日 にPrabhuらの名で出願され、参考のためここに援用する同時係属中の米国 特許出願シリアル番号08/379,263に記載されている。しかし、セラミ ックは、セラミックの剥離またはさらにクラックを防止するためには、焼成温度 範囲内において、導電性基板支持材料のTCEにほぼ合致するTCEを有してい なければならない。そのため、様々な金属コア材料に合致するTCEを有するガ ラス−セラミックもまた開発されている。銅被覆ステンレス鋼基板上において、 室温から250℃までの温度範囲に亘って9〜13ppm/℃のTCEを有する 共焼成可能セラミックが公知である。銅被覆モリブデン金属基板に用いる、室温 から300℃までの温度範囲に亘って4.5〜6ppm/℃のTCEを有するセ ラミックもまた公知であり、1995年1月27日にKumarらの名で出願さ れ、これもまたここに参考のため援用する、同時係属中の米国特許出願シリアル 番号 08/379,266に開示されている。 しかし、様々な金属または合金組成物、特にkovarにほぼ合致するTCE を有する更なるガラス組成物についてのサーチはまだ不十分である。kovar は、53.8重量%の鉄、29重量%のニッケル、17重量%のコバルト、およ び0.2重量%のマンガンを含有する一群の合金に与えられた名前である。これ らの合金は、ある温度において、膨張係数の急激な変化を示す。 kovarは、支持基板として用いるには優れた材料である。なぜなら、ko varは、室温から300℃までの温度範囲に亘ってガリウム砒素にほぼ合致す るTCEを有しており、低コストの材料であるからである。しかし、kovar は、図1に示すように、多少変わったTCE特性を有する。図1は、kovar のTCEと温度との関係を示すグラフである。TCEは、約400℃の温度まで かなり低く維持されているか、キュリー温度を越える450℃〜800℃間で5 ppm/℃から10ppm/℃まで急激に上昇している。 この挙動は、図2に示すように、他の有用な支持基板と対照をなし得る。図2 は、様々な支持基板材料の、100℃と600℃との間のTCEと温度との関係 を示すグラフである。曲線Aはニッケル被覆モリブデン、曲線Bは銅被覆モリブ デン、曲線Cはモリブデン単独、曲線Dはkovarを示す。kovarが他の 支持基板材料とかなり異なる曲線を有することは明らかである。他の支持基板材 料のTCEは、温度変化に対して、かなり一定に維持されている。 公知のセラミック組成物は、関心の対象である全温度においてkovarのT CEに合致するわけではない。そのため、kovar上て共焼成するために新し いセラミック組成物が必要となった。 発明の要旨 我々は、金属コア回路基板に適したグリーンテープ組成物を生成するために非 結晶化ガラスと混合され得る、あるいくつかのガラス組成物を発見した。焼成さ れたセラミックの特性を改変するために、酸化物充填剤もさらに添加され得る。 上記ガラス組成物は、xおよびyの水平方向での収縮が減少した状態で金属また は合金コア支持基板上で焼成され得、金、銀または銅などの低溶融点導電体の使 用に適合する低焼成温度を有する。これらのガラスは、ZnO−MgO−B23 −SiO2ガラス系から選択される。 導電体インク、ビア充填インク、および上部導電体インクもまた、本発明のガ ラスを用いて生成され、低誘電損失特性を有するセラミック回路基板を形成する 。 図面の簡単な説明 図1は、kovar合金のTCEと温度との関係を示すグラフである。 図2は、多数の支持基板材料のTCEと温度との関係を示すグラフである。 詳細な説明 本発明において有用な支持基板を提供する様々な材料が公知である。これらの varを含む。Invarは低いTCEを有する鉄ニッケル合金に対するCarpen ter Technology社の商標であり、kovarは鉄/ニッケル/コバルトによる合 金であって、Carpenter Technology社の商品名である。好適な支持基板は、約2 5マイクロメートルの銅で被覆またはメッキされたkovarを約25マイクロ メートルのニッケルでコーティングしたものから形成される。これらのコア支持 基板は、市販されている。これらは、約625マイクロメートルの総厚み、室温 から300℃までの範囲において5.8ppm/℃のTCE、および21.8ワ ット/m°kのz方向熱伝導率を有する。 上記の好適なコア支持基板材料は、上述したように本発明において、ニッケル を酸化するために空気中で熱処理することにより、使用のために調製される。こ のことは、続いて堆積されるボンディングガラス層の付着性を向上させる。酸化 されたコア支持基板は、次いで、ボンディングガラスでコーティングされる。ボ ンディングガラスは公知であり、適切なガラス粉末、すなわち、支持基板材料の TCEにほぼ合致するTCEを有するガラスを、有機結合剤および溶媒と組み合 わせて、公知の方法で、スクリーン印刷可能な組成物を生成することにより形成 される。適切なボンディングガラスは、以下にさらに述べるように、カルシウム −アルミニウム−亜鉛−ボロンの酸化物の混合物である。金属コアに対するセラ ミックの付着を向上させるために、少量、例えば約5〜6重量%の銅粉末がボン ディングガラスに添加され得る。次いで、金属製支持基板上のボンディングガラ ス組成物が、700〜800℃で空気中で焼成されて、支持基板上に厚み約35 マイクロメートルの焼成ガラス層を生成する。 グリーンテープ層が生成され、ビアホールが開けられる。ビアホールは、ビア 充填インクを用いたスクリーン印刷で充填され、次いで、スクリーン印刷により 導電体パターンが従来の方法で従来の導電性インクを用いてグリーンテープ層上 に形成される。 グリーンテープの積層体は、その後、作製された支持基板上で整合されて焼成 される。支持基板に対する多層グリーン(未焼成)セラミックの付着を向上させ るために、接着糊が塗布され得る。焼成中、多層セラミックグリーンテープを形 成するために用いたガラスの軟化温度よりも低い軟化温度を有するボンディング ガラス(グレーズ)は、セラミックテープを軟化させて金属製支持基板に付着さ せ、焼成中のx、y方向の収縮を防止する。その結果、すべての収縮がz方向で 起こる。従って、セラミック層の互いの整合および支持基板への積層は、焼成中 に乱されない。 我々は、ZnO−MgO−B23−SiO2ガラス系の結晶化ガラスは、所望 の膨張特性および必要な特徴を有するガラス−セラミックを生成するために、2 次的な非結晶化ガラスおよび酸化物充填材料と組み合わせられ得ることを発見し た。 本発明の結晶化ガラスは、重量%で、20〜55%、好適には25〜30%の ZnO、10〜30%、好適には20〜28%のMgO、10〜35%、好適に は15〜20%のB23、10〜40%、好適には20〜30%のSiO2、1 0%まで、好適には3〜7%のAl23、および0〜3%、好適には0〜2%の Co34を含有する。 以下の表Iは、本発明の焼成されたガラス−セラミック組成物の所望の特性を 示す。 一連のZnO−MgO−B23−SiO2ガラスを調製して、そのTCEおよ び他の特性を測定した。酸化物を組み合わせて、1550℃で2時間溶融し、得 られたガラスをスチール製ローラ間でクェンチして、中央粒径が約8〜13マイ クロメートル(μm)になるまでボールミルで研磨した。ガラスの組成を以下の 表IIにまとめる。 ガラスは焼成により結晶化して、suanite(Mg225)、頑火輝石(MgS iO3)、および珪酸亜鉛鉱(Zn2SiO4)を含む、様々な結晶相が形成され る。後者は、他の結晶相よりも低い膨張特性を有する。 グリーンテープを各ガラスから調製し、5層のグリーンテープを積層し、ホウ 酸Ca−Al−Znのボンディングガラスをコーティングされたkovar支持 基板上に積み重ねた。積層体をピーク温度850〜900℃で空気中で焼成した 。TCEおよびx、y収縮を、各ガラスについて測定することにより、kova rに対するガラスのTCE合致を決定した。焼成されたガラスをpH6.7を有 する無電解ニッケルめっき漕中で89℃で1時間浸漬しセラミックの仕上げ面の 変化を観察することにより、各ガラスの耐薬品性を測定した。比較的鈍い粉末状 の仕上げ面は、耐薬品性が劣ることを示し、変化しない表面は、良好な耐性を示 す。 各ガラスの誘電特性もまた、空気中で支持基板なしで焼成した5層のテープ積 層体に関して測定した。これもまた、温度は850〜900℃であり、15〜1 7GHzの周波数で共鳴キャビティ導波路を公知の方法で用いた。 結果を以下の表IIIに示す。 サンプル番号1はkovarのTCE特性に合致するTCE特性を有し且つ低 誘電損失を有するが、耐薬品性が低く結晶化温度が725℃と低い。このことは 緻密化を阻止する。 耐薬品性および緻密化を向上させる試みとして、このガラスを鉛ベースの非結 晶化ガラスと混合した。しかし、得られたセラミックは、より低いTCEおよび より高い誘電損失を有していた。このような2つのセラミック組成物を以下の表 IVに示す。 *ガラスAは、以下の酸化物から生成される:35.6%のPbO、8.0%の Al23、46.2%のSiO2、および10.2%のZnO。全ての%は重量 %である。 **ガラスBは、以下の酸化物から生成される:50.0%のPbO、10.1 %のAl23、39.9%のSiO2。全ての%は重量%である。 これらのセラミックはより低いTCEおよびより高い誘電損失を有した。 本発明で使用し得る適切な鉛ベースの非結晶化ガラスは以下の酸化物から形成 される: PbO 30〜80重量% SiO2 15〜50重量% Al23 10重量%まで B23 15重量%まで ZnO 10重量%まで ガラスサンプルNo.4、9および10から更なるセラミックを調製し、様々 な量の鉛ベースのガラスおよび酸化物充填剤を添加した。組成物ならびに誘電お よび電気的特性を以下の表Vにまとめる。 ***ガラスCは、以下の酸化物から生成される:42.0%のPbO、10. 0%のAl23、38.0%のSiO2、10.0%のZnO。全ての%は重量 %である。 これらのセラミックはkovarに対して僅かに高いTCEを有していたが、 良好な耐薬品性および良好な誘電特性を有していた。しかし、水平方向収縮は高 すぎた(サンプルNo.14)。そのため、セラミックサンプルNo.15〜1 7に見られるように、更なる酸化物充填剤を添加した。その後1つのケース(N o.17)において水平方向収縮はゼロまで大幅に減少した。 本発明のセラミック組成物を生成するために適切な酸化物充填剤は、アルミナ 、コーデライト、石英、クリストバル石、フォルステライト、および珪酸亜鉛鉱 を含む。これらの材料は、収縮を制御し且つTCEをさらに改変するために役立 つ。 第2の酸化物充填剤を追加した場合、所望の誘電特性、収縮特性、およびkov arに合致するTCEが達成され得る。 本発明において有用な好適なガラス−セラミック組成物は、以下の材料を含む :50〜85重量%、好適には70〜80重量%の本発明による結晶化ガラス、 3〜30重量%、好適には8〜12重量%のPbベースの非結晶結晶化ガラス、 5〜35重量%、好適には6〜12重量%の高膨張タイプの第1の酸化物充填剤 、そして0〜25重量%、好適には1〜5重量%の低膨張タイプの第2の酸化物 充填剤。 更なる実験の結果を以下の表VIに示す。 組成物No.24および25がkovarに対して最良に合致したTCE、お よび更に、優れた全体特性を有することが明らかである。 グリーンテープ組成物は、概して、約40〜75重量%の使用されたガラスの セラミック混合物、約1.2〜22.5重量%の非結晶化ガラス、2〜45重量 %の酸化物充填剤、および有機ビヒクルから調製される。典型的なフォーミュレ ーションは、以下の成分から生成された:57.34重量%の10〜12.5μ mの中央粒径を有するガラスNo.9、6.98重量%の6.5〜8μmの中央 粒径を有するガラスC、7.27重量%の3〜5μmの中央粒径を有するフォル ステライト、1.09重量%の2〜3μmの中央粒径を有するコーデライト、0 .58重量%の分散剤、2.04重量%の結合剤(Butvar B98、Monsanto Co.製) 、1.36重量%の可塑剤(Santicizer 160、Monsanto Co.製)、11.67重 量%のメチルエチルケトン、および11.67重量%の無水エタノール。フォー ミュレーションを混合して、スラリーを生成し、テープを鋳造してグリーンテー プを形成した。 本発明のガラス組成物に基づく共焼成可能銀ベースの厚膜導電体インクもまた 、開発しテストした。典型的なインクは、83.78重量%の銀粉末、0.65 重量%の本発明によるガラス、1.22重量%の分散剤、0.88重量%のエチ ルセルロース樹脂、0.80重量%のICI Americas,Inc.製のElvacite 2045な どの樹脂、3.32重量%のTexanol、Eastman Chemical Products,Inc.製の溶 媒、6.81重量%のテルピネオール溶媒、および2.54重量%のブチルカル ビトールを含有する。このインクは、グリーンテープ上にスクリーン印刷されて プリント回路を形成する。 本発明のガラス組成物に基づく銀−パラジウム導電体インクもまた、上部導電 体インクとして開発してテストした。典型的な上部導電体インクは、77.48 重量%のDegussa Corporation製K1P 3030-1パウダなどの銀−パラジウム粉末、 25.61重量%のBaOと9.88重量%のB23と6.24重量%の酸化カ ルシウムと8.36重量%のSiO2と49.91重量%のBi23とから生成 された6.30重量%のガラス、0.16%の銅粉末、1.29%の分散剤、0 .93%のエチルセルロース、0.85%のICI Americas,Inc.の製品である Elvacite 2045樹脂、3.50%のテキサノール、7.21%のテルピネオール 、および2.29%のブチルカルビトールを含有する。 別の金製上部導電体インクフォーミュレーションを以下から生成した:84. 39%の金粉末、0.93%の分散剤、0.47%のエチルセルロース、0.2 2%のElvacite 2045、0.17%のシックナーである、Rheox,Inc.製Thixatro l ST、1.65重量%のテキサノール、2.38%のテルピネオール、および3 .05%のブチルカルビトール。全ての%は重量%である。 ビア充填インクもまた以下から生成した:55.84%の銀粉末、22.30 %の充填ガラスB、1.15%の分散剤、0.70%のエチルセルロース、8. 01%のブチルカルビトール、1.77%のElvacite 2045、5.31%のテル ピネオール、1.40%のThixatrol ST、および3.54%の可塑剤。全ての% は重量%である。 セラミック組成物No.25から生成され、各々直径200μmのビアホール をパンチングで開けられてビアホールを充填インクで満たされ、上記のようにス クリーン印刷された導電パターンを有する、3〜5層の上記グリーンテープを積 層し、ニッケル被覆kovar支持基板上に載置して焼成した。焼成後のAg− Pd上部導電体インクを、焼成した基板の上面上にパターン堆積した。 本発明を特定の組成物に照らして述べてきたが、当業者であれば、本発明の思 想から逸脱することなく、具体的な成分およびそれらの量を変更し得ることは明 らかである。これらの変更は本発明に含まれることを意図する。本発明は、添付 の請求の範囲によってのみ限定されることを意図する。本発明は、焼成されたセ ラミックがkovar支持体の両面に付着したプリント回路に関する。 本発明は、結晶化可能なガラス組成物であって、20〜55重量%のZnOと 、10〜30重量%のMgOと、10〜35重量%のB23と、10〜40重量 %のSiO2と、少量の更なる金属酸化物を含む、ガラス組成物である。本発明 はさらに、前記ガラスが、25〜30重量%のZnOと、20〜28重量%のM gOと、15〜20重量%のB23と、20〜30重量%のSiO2と、0〜1 0重量のAl23とを含み、さらにCo34をさらに含み得る、ガラス組成物を 含む。本発明はさらに、これらのガラスの1つと非結晶化ガラスとを含み、 前記非結晶化ガラスがPbO、Al23およびSiO2または30〜80重量% のPbOと、15〜50重量%のSiO2と、10重量%までのAl23と、1 5重量%までのB23と、10重量%までのZnOとを含み得、さらにZnOを 含み得る、セラミック混合物を含む。これらのセラミック混合物はさらに、酸化 物充填剤または2つまたはそれ以上の酸化物充填剤を含み得る。酸化物充填剤は 、アルミナ、コーデライト、石英、クリストバル石、フォルステライト、および 珪酸亜鉛鉱からなる群より選択され得る。本発明はさらに、グリーンテープ組成 物であって、40〜75重量%の請求項1に記載のガラスのセラミック混合物と 、1.2〜22.5重量%の非結晶化ガラスと、2〜45重量%の酸化物充填剤 と、有機ビヒクルとを含む、グリーンテープ組成物である。この組成物は、ko var支持体であり得る金属製支持基板上にあり得る。kovar支持体は、酸 化カルシウム−酸化アルミニウム−酸化亜鉛−ホウ酸ガラスであり得るボンティ ングガラスをその上に有し得る。本発明はさらに、低溶融温度導電性インク組成 物であって、銀、金および銅からなる群より選択された導電性金属粉末と、上記 の結晶化ガラスのセラミック混合物と、非結晶化ガラスと、有機ビヒクルとを含 む、低溶融温度導電性インク組成物である。本発明はさらに、プリント回路基板 であって、上記の結晶化ガラス組成物の組成物から生成された焼成セラミックに 付着する、kovar支持体を含む金属製支持体と非結晶化ガラスとを含む、プ リント回路基板である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),JP,KR (72)発明者 トーメイ,エレン エス. アメリカ合衆国 ニュージャージー 08550,プリンストン ジャンクション, ジェフリー レーン 8

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.結晶化可能なガラス組成物であって、20〜55重量%のZnOと、10〜 30重量%のMgOと、10〜35重量%のB23と、10〜40重量%のSi O2と、少量の更なる金属酸化物を含む、ガラス組成物。 2.前記ガラスは、25〜30重量%のZnOと、20〜28重量%のMgOと 、15〜20重量%のB23と、20〜30重量%のSiO2と、0〜10重量 のAl23とを含む、請求項1に記載のガラス組成物。 3.Co34をさらに含む、請求項2に記載のガラス。 4.請求項1に記載のガラスと非結晶化ガラスとのセラミック混合物。 5.前記非結晶化ガラスがPbO、Al23およびSiO2を含む、請求項4に 記載のセラミック混合物。 6.前記非結晶化ガラスが、30〜80重量%のPbOと、15〜50重量%の SiO2と、10重量%までのAl23と、15重量%までのB23と、10重 量%までのZnOとを含む、請求項5に記載のセラミック混合物。 7.酸化物充填剤をさらに含む、請求項4または5に記載のセラミック混合物。 8.2つまたはそれ以上の酸化物充填剤をさらに含む、請求項4または5に記載 のセラミック混合物。 9.グリーンテープ組成物であって、40〜75重量%の請求項1に記載のガラ スのセラミック混合物と、1.2〜22.5重量%の非結晶化ガラスと、2〜4 5重量%の酸化物充填剤と、有機ビヒクルとを含む、グリーンテープ組成物。 10.低溶融温度導電性インク組成物であって、銀、金および銅からなる群より 選択された導電性金属粉末と、請求項1に記載のセラミック混合物と、非結晶化 ガラスと、有機ビヒクルとを含む、低溶融温度導電性インク組成物。 11.請求項1に記載の組成物から生成された焼成セラミックに付着した金属製 支持体と、非結晶化ガラスとを含む、プリント回路基板。
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