DE4411127A1

DE4411127A1 - Keramisches Substrat und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE4411127A1
Application number: DE4411127A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Yamade; Yoichi Moriya
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1994-10-06
Also published as: US5498580A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Substrat und ein Ver fahren zu dessen Herstellung. Insbesondere betrifft sie ein keramisches Substrat, welches weit verbreitet Anwendung findet als ein Mehrschicht- Zwischenverbindungssubstrat bzw. -Schaltverbindungssubstrat zur Be ladung bzw. Beschickung mit Elektronikteilen bzw. Elektronikbauteilen, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

In jüngster Zeit sind als ein Mehrschicht-Zwischenverbindungssubstrat, welches mit einer hochintegrierten LSI-Einrichtung und verschiedenen Arten von Elektronikbauteilen beladen wird, um elektronische Ausrü stungen zu miniaturisieren, die Zuverlässigkeit zu verbessern und der gleichen, mehr Keramiken als Substratmaterial verwendet worden. Für solche keramischen Substrate bestehen strenge Anforderungen hinsicht lich verschiedener Eigenschaften, wie etwa der Sintertemperatur, der re lativen Dielektrizitätskonstante bzw. der spezifischen Induktionskapazi tät, des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Quer- bzw. Biegefe stigkeit und der Wasserbeständigkeit.

Um einen Vorteil, wie den einer hohen Festigkeit, zu erreichen, ist der An teil an Aluminiumoxid in der Keramik für ein Substratmaterial groß. Ande rerseits bereitet Aluminiumoxid Probleme dahingehend, daß es eine große spezifische Induktionskapazität besitzt was Verzögerungen bei der Signalübertragung verursacht, und daß es einen viel höheren thermi schen Ausdehnungskoeffizienten als Silicium aufweist, was es schwierig macht, bei Verpackungsteilen die Zuverlässigkeit sicherzustellen. Weiter hin ist Aluminiumoxid deswegen problematisch, weil es eine hohe Sinter temperatur von etwa 1550°C aufweist, was die Verwendung von W oder Mo mit einem hohen Schmelzpunkt und einer hohen elektrischen Resistivität als Material für ein innerhalb einem gesinterten Körpers gebildetes Zwi schenverbindungs- bzw. Schaltverbindungsmuster (nachfolgend als Schaltverbindungsinnenschichten bezeichnet) erforderlich macht, und weil es einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, indem das Schaltverbindungsmuster gereinigt bzw. blank gemacht wird.

Um diese Probleme zu überwinden, ist daher die Forschung und Entwick lung einer Niedertemperatur-gesinterten Keramik gefördert worden, wel che sowohl eine kleinere spezifische Induktionskapazität als auch einen dem Silicium näherkommenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, und welche selbst unter der Verwendung eines metallischen Mate rials mit einem niedrigen Schmelzpunkt und einer geringen Resistivität, wie etwa Cu, Ag oder Ag-Pd als Material zur Bildung von Schaltverbin dungsinnenschichten (nachfolgend als Leiterinnenschichten bezeichnet) gesintert werden kann.

Im allgemeinen wird ein Niedertemperatur-gesintertes Keramiksubstrat durch Vermischen eines Glasmaterials mit einem als Füllstoff bezeichne ten Kristallmaterial und Sintern dieser hergestellt. Die Anzahl von Kombi nationen aus Glasmaterialien mit Kristallmaterialien ist jedoch extrem groß, wobei jede Kombination dieser beiden einen unterschiedlichen syn ergistischen Effekt beim Sintern ergibt, wodurch der Erhalt eines Kera miksubstrats mit unterschiedlichen Eigenschaften (spezifische Induk tionskapazität, thermischer Ausdehnungskoeffizient, Sintertemperatur, Querfestigkeit etc.) resultiert. Daher ist es schwierig, die beste Kombina tion herauszufinden und ein Keramiksubstrat herzustellen, welches eine solche Zusammensetzung und Struktur besitzt, daß gewöhnlicherweise konstante und stabile Eigenschaften auftreten können.

In diesem Zusammenhang wurden als Niedertemperatur-gesintertes Ke ramiksubstrat, dessen Festigkeit groß sein kann, ohne die Eigenschaften einer niedrigen spezifischen Induktionskapazität und eines dem Silicium nahekommenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu beeinträch tigen, und welches mit einer höheren Übertragungsgeschwindigkeit von Signalen und größer dimensionierten Elementen, wie etwa einer LSI-Ein richtung, mit welchen ein Substrat beladen wird, zurechtkommt, ein kri stallisiertes Glas auf Cordierit (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)-Basis, wie in der JP- A-225338/90 beschrieben, und ein Verbundwerkstoff aus einem kristalli sierten Cordieritglas mit einem Keramikfüllstoff, wie in JP-A-225 339/90 und 225 340/90 beschrieben, vorgestellt.

Da jedoch das in der JP-A-225 338/90 beschriebene kristallisierte Glas auf Cordieritbasis einen hohen Erweichungspunkt und eine hohe Vis kosität bei einer hohen Temperatur aufweist, ist es schwierig, ein dichtes Substrat herzustellen. Da weiterhin der Verbundwerkstoff aus einem kri stallisierten Cordieritglas mit einem Keramikfüllstoff, wie in JP-A-225 339/90 und 225 340/90 beschrieben, durch Zugabe eines Keramikfüll stoffs zu einem Cordierit mit einem hohen Erweichungspunkt hergestellt wird, ist es ebenso schwierig, ein dichtes Keramiksubstrat durch Sintern bei einer niederen Temperatur herzustellen.

Somit besitzt das durch Sintern bei einer Temperatur von weniger als 950°C oder weniger als 1000°C erhaltene Keramiksubstrat, um so kristal lisiertes Glas auf Cordieritbasis wachsen zu lassen, wie es für die Verwen dung von Ag als Material für Schaltverbindungsinnenschichten, wie für die Innenschichten erforderlich ist, keine ausreichende geringe Porosität, keine ausreichende Querfestigkeit, keine ausreichend Feuchtigkeitsbe ständigkeit und dergleichen. Ferner treten leicht Oxidation und Migration der Leiterinnenschichten auf, wodurch das Substrat weniger zuverlässig wird.

Weiterhin ist es bisher bei dem obigen Verfahren des Wachsenlassens ei nes Kristalls aus einem Glas üblich, ein Kern- bzw. Keimbildungsmaterial (ein Aggregat) einer Glaskomponente zuzugeben, damit die Bildung eines Kristallkeims in dem Glas einfach gemacht wird. Hierbei ist jedoch übli cherweise eine Wärmebehandlung für die Keimbildung erforderlich, wie etwa das Halten einer Kristallbildungstemperatur über einen definierten Zeitraum, was in einer längeren Sinterzelt für das Substrat und einer ge ringeren Produktivität resultiert.

Die vorliegende Erfindung kann wie folgt kurz zusammengefaßt werden.

Ein erfindungsgemäßes keramisches Substrat ist ein solches, welches ein Glas, das ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkalime tall) umfaßt, und einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall (Cordierit) enthal tende Kristall umfaßt. Hierbei wird gemäß der Erfindung der Erwei chungspunkt des Glases geringer als 720°C und die Porosität nimmt ab, so daß das Substrat dicht wird. Das Substrat besitzt einen thermischen Aus dehnungskoeffizienten nahe dem eines Siliciumsubstrats und eine gerin ge spezifische Induktionskapazität, und es besitzt eine ausgezeichnete Quer- bzw. Biegefestigkeit, Wasserbeständigkeit etc. Aufgrund des niedri gen Erweichungspunktes kann weiterhin ein Substrat mit den vorgenann ten Eigenschaften selbst durch Sintern bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1000°C hergestellt werden, und es kann ein Substrat mit einer Schaltkreis-Zwischenverbindung, die aus Ag oder Cu etc. mit einem gerin gen Erweichungspunkt und einem niedrigen elektrischen Widerstand her gestellt ist, erzeugt werden.

Wie oben beschrieben, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein kera misches Substrat vorzusehen, welches durch Sintern bei weniger als 1000°C und selbst bei weniger als 950°C ausreichend dicht gemacht wer den kann, eine kleine spezifische Induktionskapazität besitzt und hin sichtlich der Querfestigkeit, Wasserbeständigkeit und dergleichen ausge zeichnet ist.

Ein Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung besteht darin, ein MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Al kalimetall) umfassendes Glaspulver mit einem Al₂O₃-Kristallkorn in ei nem vorgeschriebenen Verhältnis zu mischen und diese bei einer Tempe ratur von über 800°C bis unterhalb 1000°C zu sintern. Hierbei kann, in dem Cordierit in dem keramischen Substrat aufwachsen kann, die Porosi tät der Glaskeramik verringert und die Glaskeramik verdichtet werden. Somit kann ein Keramiksubstrat mit einem thermischen Ausdehnungs koeffizienten nahe dem eines Siliciumsubstrats und einer geringen spezi fischen Induktionskapazität bzw. relativen Dielektrizitätskonstante sowie ausgezeichneter Querfestigkeit, Wasserbeständigkelt und dergleichen hergestellt werden.

Ein anderes keramisches Substrat gemäß der Erfindung ist ein solches, welches ein Glas aus einem Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkalimetall) und einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthaltende Kri stalle umfaßt, worin ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall sich von der Ober fläche des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs oder den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und Al₂O₃-Füllstoffs abscheidet. Bei die ser Ausführungsform der Erfindung wird der Erweichungspunkt des Gla ses geringer als 720°C und die Porosität nimmt ab, selbst bei einer Sinte rungstemperatur zwischen 850°C und 1000°C, so daß das Substrat dicht wird. Weiterhin kann ein keramisches Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und einer geringen spe zifischen Induktionskapazität sowie ausgezeichneter Wasserbeständig keit etc. hergestellt werden.

Weiterhin kann gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ein kerami sches Substrat mit einer Innenschaltkreis-Zwischenverbindung, welche aus Ag oder Cu etc. mit niedrigem Erweichungspunkt und einem geringen elektrischen Widerstand hergestellt ist, erzeugt werden.

Wie oben beschrieben, ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein keramisches Substrat vorzusehen, welches einen thermischen Aus dehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und eine geringe spezifi sche Induktionskapazität aufweist, und eine ausgezeichnete Querfestig keit, Wasserbeständigkeit und dergleichen besitzt.

Ein Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung besteht darin, ein MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Al kalimetall) umfassendes Glaspulver mit einem 2MgO 2Al₂O₃·5SiO₂-Kri stallkorn oder mit einem 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallkorn und einem 2Al₂O₃-Kristallkorn im vorgeschriebenen Verhältnis zu mischen und die se bei einer Temperatur von mehr als 850°C bis unterhalb 1000°C zu sin tern, um so einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall von bzw. aus der Oberflä che des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs oder den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des Al₂O₃-Füllstoffs wachsen zu las sen. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Porosität ver ringert und das Substrat verdichtet werden. Ebenso kann ein keramisches Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und einer geringen spezifischen Induktionskapazität sowie aus gezeichneter Wasserbeständigkeit und dergleichen hergestellt werden.

Wie oben beschrieben, ist es schließlich ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats mit aus gezeichneter Produktivität bereitzustellen, gemäß welchem das Substrat bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C, selbst um etwa 900°C herum, in einer kurzen Zeit dicht werden kann.

Ein weiteres erfindungsgemäßes keramisches Substrat, ist ein Substrat umfassend ein Glas und einen Kristall, welches als Glas hauptsächlich ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkalimetall), als Kristall hauptsächlich einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall und weiterhin einen SiO₂-Kristall enthält. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird der Erweichungspunkt des Glases niedriger als 720°C und die Porosität kann verringert werden, und das Substrat kann selbst bei einer Sintertempera tur zwischen 850°C und 1 000°C verdichtet werden. Weiterhin kann ein ke ramisches Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und einer kleinen spezifischen Induktionskapazi tät sowie ausgezeichneter mechanischer Festigkeit, Wasserbeständigkeit und dergleichen hergestellt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung besteht darin, ein MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Al kalimetall) umfassendes Glaspulver, ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall pulver und ein SiO₂-Glaspulver und/oder ein SiO₂-Kristallpulver zu mi schen und diese bei einer Temperatur von mehr als 850°C bis unterhalb 1000°C zu sintern. Hierbei kann durch die Sinterung die Porosität verrin gert und das Substrat verdichtet werden, so daß als Ergebnis ein kerami sches Substrat mit den obigen ausgezeichneten Eigenschaften in mehrfa cher Hinsicht hergestellt werden kann. Da das Kristallpulver, welches für Cordierit ein Wachstumskeim sein kann, vorausgehend als Füllstoff zuge geben wird, ist die Wärmebehandlungszeit für die Keimbildung unnötig, wodurch eine stark verbesserte Produktivität resultiert, verglichen mit dem herkömmlichen Substratmaterial aus kristallisiertem Glas.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen keramischen Sub strats ist das obige, ein Glas und einen Kristall umfassende Substrat, wel ches Al₂O₃ und/oder 3Al₂O₃·2SiO₂ als einen Kristall enthält. Bei dieser Ausführungsform wird der Erweichungspunkt des Glases geringer als 720°C und die Porosität kann verringert werden, und das Substrat kann selbst bei einer Sintertemperatur zwischen 850°C und 1000°C verdichtet werden. Weiterhin kann ein keramisches Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und einer geringen spe zifischen Induktionskapazität sowie ausgezeichneter mechanischer Fe stigkeit, Wasserbeständigkeit etc. hergestellt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung besteht darin, ein Al₂O₃-Kristallpulver und/oder ein 3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallpulver neben dem im obigen Verfahren beschriebe nen Glaspulver und Kristallpulver zuzugeben, diese zu mischen und bei ei ner Temperatur von mehr als 850°C bis unterhalb 1000°C zu sintern. Hier bei kann durch das Sintern die Porosität verringert und das Substrat ver dichtet werden. Weiterhin kann ein keramisches Substrat mit den obigen ausgezeichneten Eigenschaften in verschiedener Hinsicht neben einer noch ausgezeichneteren mechanischen Festigkeit hergestellt werden. In gleicher Weise wie beim obigen Verfahren ist, da ein Kristallpulver, wel ches für den wachsenden Cordierit ein Keim sein kann, vorausgehend als Füllstoff zugegeben wird, die Wärmebehandlungszeit für die Keimbildung unnötig, wodurch eine stark verbesserte Produktivität resultiert, vergli chen mit dem herkömmlichen Substratmaterial aus kristallisiertem Glas.

Ein weiteres erfindungsgemäßes keramisches Substrat ist ein Substrat, umfassend ein Glas und einen Kristall, welches als Glas ein Glas auf MgO- Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkalimetall) und als Kristall einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthält, wobei ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kri stall (Cordierit) aus den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des 3Al₂O₃·2SiO₂-Füllstoff wächst bzw. gewachsen ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Erweichungspunkt des Glases niedriger als 720°C und die Porosität verringert sich, selbst bei einer Sintertemperatur zwischen 850°C und 1000°C, so daß das Substrat dicht wird. Weiterhin kann ein keramisches Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoef fizienten nahe dem von Silicium und einer geringen spezifischen Induk tionskapazität sowie ausgezeichneter mechanischer Festigkeit, Wasser beständigkeit etc. hergestellt werden.

Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann ein keramisches Sub strat mit einer Innenschaltkreis-Zwischenverbindung, die aus Ag oder Cu etc. mit einem niedrigen Erweichungspunkt und einem geringen elektri schen Widerstand hergestellt ist, erzeugt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung besteht darin, 94,9-50,0 Gew.-% eines Glaspulvers, enthal tend 10-20 Gew.-% MgO, 10-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃, 0,5-5 Gew.-% R₂O (R: Alkalimetall), 0,1-20 Gew.-% eines
2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallkorns und 5-30 Gew.-% eines
3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallkorns zu mischen und diese bei einer Temperatur von mehr als 850°C bis unterhalb 1000°C zu sintern, um aus den Oberflä chen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des 3Al₂O₃·2SiO₂-Füll stoffs einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall wachsen zu lassen. Gemäß die ser Ausführungsform kann die Porosität verringert und das Substrat ver dichtet werden. Weiterhin kann ein keramisches Substrat mit einem ther mischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und einer ge ringen spezifischen Induktionskapazität sowie ausgezeichneter mechani scher Festigkeit, Wasserbeständigkeit und dergleichen hergestellt wer den.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 1 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 3 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 4 erhaltenen Pro be anzeigt

Fig. 4 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 5 erhaltenen Pro be anzeigt

Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 6 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 7 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 8 erhaltenen Pro be angibt;

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 25 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 26 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 10 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 28 erhaltenen Pro be anzeigt

Fig. 11 eine Abbildung der bei der Beobachtung mit einem TEM (Transmis sions-Elektronenmikroskop) der Struktur des in Beispiel 5 erhaltenen ke ramischen Substrats erhaltenen TEM-Mikrophotographie;

Fig. 12 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 35 erhaltenen Pro be anzeigt

Fig. 13 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 36 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 14 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 37 erhaltenen Pro be anzeigt

Fig. 15 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 38 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 16 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 39 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 17 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 40 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 18 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 41 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 19 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 42 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 20 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 43 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 21 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 44 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 22 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 45 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 23 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 46 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 24 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 53 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 25 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 54 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 26 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 57 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 27 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 62 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 28 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 63 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 29 eine Abbildung der bei der Beobachtung mit einem TEM der Struk tur des in Beispiel 40 erhaltenen keramischen Substrats erhaltenen TEM- Mikrophotographie;

Fig. 30 eine Abbildung der bei der Beobachtung mit einem TEM der Struk tur des in Beispiel 41 erhaltenen keramischen Substrats erhaltenen TEM- Mikrophotographie;

Fig. 31 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 72 erhaltenen Pro be anzeigt

Fig. 32 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 81 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 33 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 87 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 34 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 97 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 35 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 97 erhaltenen Pro be anzeigt;

Fig. 36 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 100 erhaltenen Probe anzeigt

Fig. 37 eine Abbildung der bei der Beobachtung mit einem TEM der Struk tur des in Beispiel 97 erhaltenen keramischen Substrats erhaltenen TEM- Mikrophotographie;

Fig. 38 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 113 erhaltenen Probe anzeigt

Fig. 39 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 116 erhaltenen Probe anzeigt

Fig. 40 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 116 erhaltenen Probe anzeigt;

Fig. 41 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Beispiel 118 erhaltenen Probe anzeigt;

Fig. 42 eine Abbildung der bei der Beobachtung mit einem TEM der Struk tur des in Beispiel 1 16 erhaltenen keramischen Substrats erhaltenen TEM-Mikrophotographie;

Fig. 43 eine graphische Darstellung, welche die Röntgenbeugungsstärke bzw. -intensität bei der Röntgenbeugung der in Vergleichsbeispiel 18 er haltenen Probe anzeigt.

Ein keramisches Substrat gemäß der Erfindung (1) umfaßt ein Glas, wel ches ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkalimetall) um faßt, und einen Cordierit enthaltenden Kristall, wobei der Erweichungs punkt des Glases geringer als 720°C wird, und dessen Porosität abnimmt, so daß das keramische Substrat dicht wird. Das keramische Substrat hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe demjenigen eines Sili ciumsubstrats und eine geringe spezifische Induktionskapazität, und es ist ausgezeichnet hinsichtlich der Querfestigkeit, Wasserbeständigkeit, etc. Weiterhin kann aufgrund des niedrigen Erweichungspunktes das ke ramische Substrat die obigen Eigenschaften selbst durch Sintern bei einer Temperatur zwischen 800°G und 1000°C erhalten, was es dem kerami schen Substrat ermöglicht, eine aus Ag oder Cu etc. hergestellte Schalt kreis-Zwischenverbindung zu bekommen.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines keramischen Substrats gemäß der Erfindung (1) scheidet sich, da ein MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Alkalimetall) umfassendes Glaspulver und ein Al₂O₃-Kristallkorn in einem vorgegebenen Verhältnis vermischt und bei einer Temperatur von mehr als 800°C bis unterhalb 1000°C gesintert werden, Cordierit in dem keramischen Substrat ab, wodurch die Porosität der Glaskeramik verrin gert und die Glaskeramik dicht gemacht wird, so daß die Herstellung eines keramischen Substrats mit den obigen ausgezeichneten Eigenschaften in den verschiedenerlei Hinsichten resultiert.

Hinsichtlich der Zusammensetzung des Glaspulvers bei der Herstellung des obigen keramischen Substrats führt MgO in einer Menge von mehr als 30 Gew.-% zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung, wodurch die spezifische Induktionskapazität groß wird, wo hingegen MgO in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu keinem Wachs tum von Cordierit führt, wodurch der thermische Expansionskoeffizient groß wird. Al₂O₃ in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% führt zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei ei ner Sintertemperatur von weniger als 1000°C, wodurch die Querfestigkeit gering wird, wohingegen Al₂O₃ in einer Menge von weniger als 5 Gew.-% zu keiner Abscheidung von Cordierit führt, wodurch der thermische Ausdeh nungskoeffizient groß wird. SiO₂ in einer Menge von mehr als 55 Gew.-% führt zu einem hohen Erweichungspunkt und zu einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C, wodurch die Querfestigkeit klein wird, wohingegen SiO₂ in einer Menge von weniger als 40 Gew.-% zu einer großen spezifischen Induktionskapazität und ei nem großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt. B₂O₃ in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% führt zu einer Zerstörung der Wasserbe ständigkeit des Glases sowie zu einer Phase, welches das Glas beim Her stellungsverfahren splittern läßt, wodurch die Zusammensetzung hetero gen wird, wohingegen B₂O₃ in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C führt, wodurch die Querfestigkeit gering wird. R₂O tritt in Wechselwirkungen mit MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃, wobei insbesondere der synergistische Effekt mit B₂O₃ den Erweichungspunkt herabsetzt, jedoch führt R₂O in einer Menge von mehr als 5 Gew.-% zu einer Zerstörung der Wasserbeständigkeit des keramischen Substrats.

Demgemäß besteht die Zusammensetzung der Glaspulvermaterialien vor zugsweise aus 10-30 Gew.-% MgO, 5-20 Gew.-% Al₂O₃. 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und 0-5 Gew.-% R₂O, und weiter vorzugsweise aus 10-20 Gew.-% MgO, 10-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und 1-5 Gew.-% R₂O.

Beim obigen Verfahren zur Herstellung des keramischen Substrats (1) wurde Al₂O₃ als ein Kristall eines Füllstoffs gewählt, um durch die Inter aktion bzw. Wechselwirkung des Glases mit dem Füllstoff Cordierit wach sen zu lassen, um so die bevorzugten Eigenschaften als keramisches Sub strat zu erhalten [spezifische Induktionskapazität von weniger als 7,0, thermisch er Ausdehnungskoeffizient von etwa 5,0-6,0, Sintertemperatur unterhalb 1000°C und Querfestigkeit von mehr als 196 N/mm² (20 kgf/mm²)].

Hinsichtlich den Anteilen des Glases und des Kristalls bei den obigen Ma terialien ist es zur Erzielung eines keramischen Substrats mit einer Quer festigkeit von mehr als 196 N/mm² (20 kgf/mm²) bevorzugt, 60-80 Gew.-% Glas mit 40-20 Gew.-% eines Kristalls zu vermischen.

Hierin ist Wasserbeständigkeit definiert als eine Eigenschaft, daß ein Glas sich nicht in Wasser löst, und als ein Kriterium zur Bewertung dessen, ob eine Flüssigkeitsinfiltration in den porösen Teil von Glas keinen Effekt (Oxidation und Migration) auf die Leiterinnenschichten ausübt.

Ein anderes keramisches Substrat gemäß der Erfindung (2) ist ein Sub strat, welches ein Glas und einen Kristall umfaßt, welches als Glas ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkalimetall) und als Kri stall einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthält, und in welchem ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall (Cordierit) aus der Oberfläche des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs oder den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des Al₂O₃-Füllstoffs wächst, wobei der Erweichungspunkt des Glases niedriger als 27°C wird, und dessen Po rosität selbst bei einer Sintertemperatur zwischen 850°C und 1000°C ab nimmt, so daß das keramische Substrat dicht wird, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und eine geringe spezi fische Induktionskapazität sowie ausgezeichnete Wasserbeständigkeit aufweist.

Beim Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung (2) werden ein MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Alkali metall) umfassendes Glaspulver und ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall korn oder ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallkorn und ein Al₂O₃-Kristall korn in einem vorgeschriebenen Verhältnis vermischt und bei einer Tem peratur von mehr als 850°C bis unterhalb 1000°C gesintert, um so Cordie rit aus der Oberfläche des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs oder den Ober flächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des Al₂O₃-Füllstoffs wachsen zu lassen. Durch die Sinterung verringert sich die Porosität und das keramische Substrat wird dicht, so daß als Ergebnis ein keramisches Substrat mit den obigen ausgezeichneten Eigenschaften in verschiedener lei Hinsichten hergestellt werden kann. Da weiterhin ein Kristallkorn, wel ches ein Keim für den sich abscheidenden Cordierit sein kann, vorausge hend als ein Füllstoff zugegeben wird, ist die Wärmebehandlungszeit für die Keimbildung unnötig, wodurch eine stark verbesserte Produktivität re sultiert, verglichen mit dem herkömmlichen Substratmaterial aus kristal lisiertem Glas. Weiterhin wirkt im Falle der Zugabe eines Al₂O₃-Füllstoffs der Al₂O₃-Füllstoff ebenso als ein Keim bzw. Kern für den wachsenden Cordierit.

Beim Verfahren zur Herstellung des keramischen Substrats (2) besteht die Zusammensetzung des Glaspulvermaterials vorzugsweise aus 10-30 Gew.-% MgO, 5-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und R₂O mit 0 < R₂O 5 Gew.-%.

Bei dem Glaspulver führt MgO in einer Menge von mehr als 30 Gew.-% zu einem hohen Erweichungspunkt und zu einer unzureichenden Verdich tung, wodurch die spezifische Induktionskapazität zu einem hohen Wert neigt, wohingegen MgO in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu keiner Abscheidung von Cordierit führt, wodurch der thermische Ausdehnungs koeffizient zu einem hohen Wert neigt. Al₂O₃ in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% führt zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzurei chenden Verdichtung bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C, was die Querfestigkeit gering werden läßt, wohingegen Al₂O₃ in einer Menge von weniger als 5 Gew.-% zu keinem Wachstum von Cordierit führt, wodurch die spezifische Induktionskapazität zu einem hohen Wert neigt. SiO₂ in einer Menge von mehr als 55 Gew.-% führt zu einem hohen Erwei chungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sintertem peratur von weniger als 1000°C, wodurch die Querfestigkeit zu einem ge ringen Wert neigt wohingegen SiO₂ in einer Menge von weniger als 40 Gew.-% dazu führt, die spezifische Induktionskapazität und den thermi schen Ausdehnungskoeffizienten hoch werden zu lassen. B₂O₃ in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% führt zu der Tendenz, die chemische Stabi lität zu verringern, wohingegen B₂O₃ in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C führt, wo durch die Querfestigkeit zu einem geringen Wert neigt. R₂O tritt in Wech selwirkungen mit MgO, Al₂O₃, SiO₂ und B₂O₃. wobei insbesondere des sen synergistische Wirkung mit B₂O₃ den Erweichungspunkt herabsetzt. Daher ist es notwendig, daß es im Glaspulver enthalten ist, jedoch führt R₂O in einer Menge von mehr als 5 Gew.-% zu der Neigung, die Wasserbe ständigkeit zu verschlechtern.

Cordierit wurde als ein Kristall eines Füllstoffs gewählt, da durch die Wir kung des zugesetzten Cordierits als Kristallkeim beim Sintern die Wachs tumsrate des Cordierits aus dem Glas beträchtlich erhöht ist und der ther mische Ausdehnungskoeffizient des erhaltenen gesinterten Körpers durch kurzzeitiges Sintern nahe dem Wert von Silicium (3,5 × 10^-6/°C) kommt, so daß als Ergebnis ein zur Chip-Verpackung, wie etwa beim Flip- Chip-Verfahren und dergleichen, geeignetes Material erhalten werden kann.

Al₂O₃ wurde als Füllstoffkristall gewählt, um es dem Cordierit zu ermögli chen, leicht durch die Wechselwirkung mit einem Glas zu wachsen, und um die Festigkeitseigenschaften des keramischen Substrats zu verbes sern.

Hinsichtlich den Anteilen an Kristall und Glas betragen, um eine Querfe stigkeit von mehr als 186.2 N/mm² (19 kgf/mm²) zu erhalten, der Anteil an Aluminiumoxid als Füllstoff 0 bis 40 Gew.-% und derjenige an Cordierit 0,1-20 Gew.-% und derjenige des Glases den Rest zur Gesamtmenge von 100 Gew.-%.

Ein weiteres keramisches Substrat gemäß der Erfindung (3) ist ein kerami sches Substrat, umfassend ein Glas und einen Kristall, welches als Glas hauptsächlich ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkali metall) und als Kristall hauptsächlich einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthält, sowie weiterhin ein SiO₂-Glas und/oder einen SiO₂-Kristall, wo bei der Erweichungspunkt des Glases geringer als 720°C wird und dessen Porosität selbst bei einer Sintertemperatur zwischen 850°C und 1000°C abnimmt, so daß das keramische Substrat dicht wird. Weiterhin besitzt das keramische Substrat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium sowie eine geringe spezifische Induktionskapazität und ausgezeichnete mechanische Festigkeit, Wasserbeständigkeit etc.

Bei einem Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung (3) läßt, da ein MgO, Al₂O₃, SiO₂. B₂O₃ und R₂O (R: Alkalimetall) umfassendes Glaspulver, ein 2MgO 2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall pulver und ein SiO₂-Glaspulver und/oder ein SiO₂-Kristallpulver ver mischt und bei einer Temperatur von mehr als 850°C bis unterhalb 1 0000 C gesintert werden, die Sinterung die Porosität abnehmen und das kerami sche Substrat dicht werden. Als Ergebnis kann das keramische Substrat die oben genannten ausgezeichneten Eigenschaften in verschiedenerlei Hinsichten annehmen. Da weiterhin ein Kristallpulver, welches ein Keim für die Abscheidung von Cordierit sein kann, vorausgehend als Füllstoff zugesetzt wird, ist die Wärmebehandlungszeit für die Keimbildung unnö tig, wodurch eine stark verbesserte Produktivität resultiert, verglichen mit dem herkömmlichen Substratmaterial aus kristallisiertem Glas.

Ein weiteres keramisches Substrat gemäß der Erfindung (4) ist ein kerami sches Substrat, umfassend ein Glas und einen Kristall, welches neben dem Glas und Kristall in dem keramischen Substrat (3) Al₂O₃ und/oder 3Al₂O₃·2SiO₂ als einen Kristall enthält, wobei der Erweichungspunkt des Glases geringer als 720°C wird und dessen Porosität selbst bei einer Sin tertemperatur zwischen 850°C und 1000°C abnimmt, so daß das kerami sche Substrat dicht wird. Das keramische Substrat besitzt einen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und eine geringe spezifische Induktionskapazität und ist noch ausgezeichneter hinsicht lich der mechanischen Festigkeit und ist ebenso ausgezeichnet hinsicht lich der Wasserbeständigkeit etc.

Bei einem Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung (4) läßt, da ein Al₂O₃-Kristallpulver und/oder ein 3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallpulver neben dem im obigen Verfahren (3) beschrie benen Glaspulver und Kristallpulver zugesetzt, vermischt und bei einer Temperatur von mehr als 850°C bis unterhalb 1000°C gesintert werden, die Sinterung die Porosität verringern und das keramische Substrat dicht werden. Neben einer noch ausgezeichneteren mechanischen Festigkeit kann das keramische Substrat die obigen ausgezeichneten Eigenschaften in verschiedenerlei Hinsichten annehmen. Weiterhin ist in gleicher Weise wie beim obigen Verfahren (3), da ein Kristallpulver, welches ein Keim für das Wachstum von Cordierit sein kann, vorausgehend als ein Füllstoff zu gesetzt wird, die Wärmebehandlungszeit für die Keimbildung unnötig, wo durch eine stark verbesserte Produktivität resultiert, verglichen mit dem herkömmlichen Substratmaterial aus einem kristallisierten Glas.

Bei den Verfahren zur Herstellung der keramischen Substrate (3) und (4) umfaßt das Glaspulvermaterial MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Al kalimetall), vorzugsweise besteht es aus 10-30 Gew.-% MgO, 5-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und R₂O mit 0 < R₂O 5 Gew.-%.

Bei dem Glaspulver führt MgO in einer Menge von mehr als 30 Gew.-% zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung, wodurch die spezifische Induktionskapazität zu einem hohen Wert neigt, wohingegen MgO in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu keinem Wachstum von Cordierit führt, wodurch der thermische Expansionskoeffi zient zu einem hohen Wert neigt. Al₂O₃ in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% führt zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichen den Verdichtung bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C, wo durch die Querfestigkeit zu einem geringen Wert neigt wohingegen Al₂O₃ in einer Menge von weniger als 5 Gew.-% zu keinem Wachstum von Cordie rit führt, wodurch die spezifische Induktionskapazität zu einem großen Wert neigt. SiO₂ in einer Menge von mehr als 55 Gew.-% führt zu einem ho hen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C, wodurch die Querfestigkeit zu einem geringen Wert neigt, wohingegen SiO₂ in einer Menge von weniger als 40 Gew.-% dazu führt, daß die spezifische Induktionskapazität und der thermische Ausdehnungskoeffizient einen hohen Wert annehmen. B₂O₃ in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% führt zur Neigung, die chemische Stabilität zu verringern, wohingegen B₂O₃ in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C führt, wo durch die Querfestigkeit zu einem geringen Wert neigt. R₂O tritt in Wech selwirkungen mit MgO, Al₂O₃, SiO₂ und B₂O₃, wobei insbesondere des sen synergistischer Effekt mit B₂O₃ den Erweichungspunkt herabsetzt. Daher ist es notwendig, daß R₂O in einer Menge von mehr als 0,5 Gew.-% in dem Glaspulver enthalten ist, wobei jedoch R₂O in einer Menge von mehr als 5 Gew.-% zur Neigung führt, die Wasserbeständigkelt zu ver schlechtern.

Ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallpulver wurde als Pulvermaterial ge wählt, da durch die Wirkung des zugesetzten 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kri stallpulvers als Kristallkeim beim Sintern die Wachstumsgeschwindigkeit bzw. -rate von Cordierit aus dem Glas beträchtlich erhöht ist, und der thermische Ausdehnungskoeffizient des erhaltenen gesinterten Körpers durch kurze Sinterung nahe dem Wert des Siliciums (3,5 × 10^-6/°C) kommt, so daß als Ergebnis ein keramisches Substrat erhalten werden kann, welches für die Chip-Verpackung, wie etwa beim Flip-Chip-Verfah ren und dergleichen geeignet ist.

Ein Al₂O₃-Kristallpulver und/oder 3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallpulver wurde als Pulvermaterial gewählt, da deren Wechselwirkung mit einem Glas es ermöglicht, daß Cordierit leicht wächst und die Festigkeitseigenschaften des keramischen Substrats verbessert werden.

Ein SiO₂-Glaspulver und/oder ein SiO₂-Kristallpulver wurden als Pulver material gewählt, da deren Wirkung mit dem Glas geringer ist als diejenige von 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallpulver, Al₂O₃-Kristallpulver oder 3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallpulver, so daß es als Ergebnis möglich ist, ohne Verringerung des Effekts des leichten Wachsenlassens von Cordierit, daß das keramische Substrat nach dem Sintern eine geringe spezifische In duktionskapazität besitzt.

Der Anteil jedes Pulvermaterials beim Verfahren zur Herstellung des kera mischen Substrats (3) beträgt, um eine Querfestigkeit von mehr als 176.4 N/mm² (18 kgf/mm²) zu erhalten, vorzugsweise 60-98 Gew.-% Glaspul ver, 0,1-20 Gew.-% 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallpulver und mehr als 1 Gew.-% bis weniger als 40 Gew.-% SiO₂-Glaspulver und/oder SiO₂-Kri stallpulver.

Glaspulver in einer Menge von mehr als 98 Gew.-% führt dazu, den Querfe stigkeitswert herabzusetzen, während Glaspulver in einer Menge von we niger als 60 Gew.-% zu einem unzureichend niedrigen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Temperatur von weniger als 1000°C führt, wodurch die Querfestigkeit zu einem geringen Wert neigt.

Der Anteil jedes Pulvermaterials beim Verfahren zur Herstellung des kera mischen Substrats (4), um eine Querfestigkeit von mehr als 176.4 N/mm² (18 kgf/mm²) zu erhalten, beträgt in ähnlicher Weise vorzugsweise 60-98 Gew.-% Glaspulver, 0,1-20 Gew.-% 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallpulver, mehr als 1 Gew.-% bis weniger als 40 Gew.-% SiO₂-Glaspulver und/oder SiO₂-Kristallpulver und 0 < 3Al₂O₃·2SiO₂ 40 Gew.-% Al₂O₃-Kristall pulver und / oder 3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallpulver.

Ein weiteres keramisches Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung (5) ist ein keramisches Substrat, umfassend ein Glas und einen Kristall, wel ches als Glas ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkali metall) und als Kristall einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthält, und in welchem ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall (Cordierit) aus den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des 3Al₂O₃·2SiO₂-Füllstoffs wächst, wobei der Erweichungspunkt des Glases niedriger als 720°C wird, und dessen Porosität selbst bei einer Sintertemperatur zwischen 850°C und 1000°C abnimmt, so daß das keramische Substrat dicht wird, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium und eine geringe spezifische Induktionskapazität sowie ausgezeichnete Wasserbe ständigkeit etc. besitzt.

Bei einem Verfahren zur Herstellung des obigen keramischen Substrats gemäß der Erfindung (5) läßt, da 94,9-50,0 Gew.-% eines Glaspulvers, ent haltend 10-20 Gew.-% MgO, 10-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und 0,5-5 Gew.-% R₂O (R: Alkalimetall), 0,1-20 Gew.-% eines 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallkorns und 5-30 Gew.-% eines 3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallkorns vermischt und bei einer Temperatur von mehr als 850°C bis unterhalb 1000°C gesintert werden, um so einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall aus den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des 3Al₂O₃·2SiO₂-Füllstoffs wach sen zu lassen, die Sinterung die Porosität verringern und das keramische Substrat dicht werden. Als Ergebnis kann das keramische Substrat die obigen ausgezeichneten Eigenschaften in verschiedenerlei Hinsichten an nehmen. Da weiterhin ein Kristallkorn, welches ein Keim für das Wachs tum von Cordierit sein kann, vorausgehend als Füllstoff zugegeben wird, ist die Wärmebehandlungszeit für die Keimbildung unnötig, wodurch eine stark verbesserte Produktivität resultiert, verglichen mit dem herkömmli chen Substratmaterial aus kristallisiertem Glas.

Beim Verfahren zur Herstellung des keramischen Substrats (5) besteht die Zusammensetzung des Glaspulvers vorzugsweise aus 10-20 Gew.-% MgO, 10-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und 05-5 Gew.-% R₂O.

Bei dem Glaspulver führt MgO in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung, wodurch die Querfestigkeit gering wird, wohingegen MgO in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu keinem Wachstum von Cordierit führt, wo durch der thermische Ausdehnungskoeffizient groß wird. Al₂O₃ in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% führt zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C, wodurch die Querfestigkeit gering wird, wohingegen Al₂O₃ in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu keinem Wachstum von Cordierit führt, wodurch der thermische Ausdehnungskoeffizient groß wird. SiO₂ in einer Menge von mehr als 55 Gew.-% führt zu einem hohen Erweichungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sin tertemperatur von weniger als 1000°C, wodurch die Querfestigkeit gering wird, wohingegen SiO₂ in einer Menge von weniger als 40 Gew.-% zu einer hohen spezifischen Induktionskapazität und einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt. B₂O₃ in einer Menge von mehr als 20 Gew.-% führt zu einer verringerten chemischen Stabilität, wohingegen B₂O₃ in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% zu einem hohen Erwei chungspunkt und einer unzureichenden Verdichtung bei einer Sintertem peratur von weniger als 1000°C führt, wodurch die Querfestigkeit gering wird. R₂O tritt in Wechselwirkungen mit MgO, Al₂O₃, SiO₂ und B₂O₃, wo bei insbesondere dessen synergistische Wirkung mit B₂O₃ den Erwei chungspunkt herabsetzt. Daher ist es notwendig, daß R₂O in einer Menge von mehr als 0,5 Gew.-% in dem Glaspulver enthalten ist, wobei jedoch R₂O in einer Menge von mehr als 5 Gew.-% zu einer Verschlechterung des Wasserbeständigkeit führt.

Cordierit wurde als Füllstoffkristall gewählt, da die Wirkung des zugesetz ten Cordierits als Kristallkeim beim Sintern die Wachstumsgeschwindig keit des Cordierits aus dem Glas erhöht, und der thermische Ausdeh nungskoeffizient des erhaltenen gesinterten Körpers durch kurzzeitiges Sintern nahe dem Wert von Silicium (3,5 × 10^-6/°C) kommt, so daß als Er gebnis ein Substratmaterial erhalten werden kann, welches für die Chip- Verpackung, wie etwa beim Flip-Chip-Verfahren und dergleichen, ge eignet ist.

3Al₂O₃·2SiO₂ (Mullit) wurde als Füllstoffkristall gewählt, da dessen Wechselwirkung mit einem Glas dazu führt, daß Cordierit leicht wachsen kann und daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des keramischen Substrats nahe dem von 51 kommt.

Der Anteil an Kristall und Glas, um eine Querfestigkeit von mehr als 166,6 N/mm² (17 kgf/mm²) zu erhalten, beträgt vorzugsweise 5-30 Gew.-% Mul lit und 0,1-20 Gew.-% Cordierit als Füllstoff, sowie einen Rest zur Gesamt menge von 100 Gew.-% Glas.

Nachstehend werden Beispiele und Vergleichsbeispiele eines kerami schen Substrats und eines Verfahrens zu dessen Herstellung gemäß der Erfindung beschrieben.

Beispiele 1 bis 34 und Vergleichsbeispiel 1

Ein MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Alkalimetall) umfassendes Glas pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm und ein Al₂O₃-Kristallkorn mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1-10 µm wurden in dem in Tabelle 1 gezeigten Verhältnis vermischt.

Danach wurden jeweils eine angemessene Menge eines organischen Bin demittels, Weichmachers bzw. Plastifiziermittels und Lösungsmittels zu der Mischung gegeben und diese dann geknetet, um eine Aufschlämmung mit etwa 10 Pa·s (10 000 cPs) zu erhalten.

Dann wurde die Aufschlämmung mittels eines Abstreifmesserverfahrens zu einer 0,2 mm dicken Platte geformt und bei 80°C während etwa 10 Mi nuten getrocknet. Danach wurde die Platte bei einer Temperatur, welche mit einer Geschwindigkeit von 10°C/min erhöht wurde, bei etwa 850-950°C während 30-240 Minuten gesintert. In dieser Weise wurde die Her stellung des gesinterten Körpers aus dem keramischen Substrat vervoll ständigt.

Daran anschließend wurde das Wachstum eines Cordieritkristalls auf dem durch das obige Verfahren hergestellten keramischen Substrat durch Röntgenbeugung bestätigt. Ferner wurden die Porosität, die spezifische Induktionskapazität bei einer Frequenz von 1 MHz, der thermische Aus dehnungskoeffizient, die Querfestigkeit und Wasserbeständigkeit des ke ramischen Substrats gemessen. Die Porosität wurde durch ein Archime des-Verfahren bestimmt. Die spezifische Induktionskapazität wurde mit tels eines Impedanz-Analysators gemessen. Der Durchschnittswert der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur bis 350°C wurde durch Kontakt mit einem Meßgerät für die lineare Ausdehnung ge messen. Die Querfestigkeit wurde mittels einer 3-Punkt-Biegeprüfung be stimmt. Die Wasserbeständigkeit wurde anhand der Abnahme des Ge wichts bewertet, nachdem ein Prüfkörper über einen definierten Zeitraum in siedendem Wasser gehalten wurde, wobei Substrate mit einer Abnahme von mehr als 0,01% ausgeschieden wurden.

Tabelle 1-1

Tabelle 1-2

Wie aus der Tabelle 1 zu ersehen ist, konnten in den Beispielen 1-24 die Substrate selbst bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C in ausreichender Weise verdichtet werden, so daß ausgezeichnete kerami sche Substrate mit geringer spezifischer Induktionskapazität von weniger als 7,0, einer Querfestigkeit von 196 N /mm² (20 kgf/mm²) und einer Was serbeständigkeit von weniger als 0,01% etc. hergestellt werden konnten.

Hierbei gilt hinsichtlich des Temperaturbereichs, in welchem Leiterinnen schichten nicht schmelzen, daß je höher die Sintertemperatur des kerami schen Substrats ist, desto stärker schreiten die Verdichtung und Kristalli sation fort, wobei als Ergebnis eine größere Querfestigkeit und ein geringe rer thermischer Ausdehnungskoeffizient erhalten werden können.

Die Fig. 1-10 sind Ergebnisse des Röntgenbeugungsmusters bei der Röntgenbeugung der in den Beispielen erhaltenen Proben. Aus den Fig. 1-10 wurde das Wachstum von Cordierit bestätigt. Weiterhin konnte bei der Beobachtung mit einem TEM (Transmissions-Elektronenmikro skop) des keramischen Substrats gemäß Beispiel 5 festgestellt werden, daß Cordierit aus der Oberfläche von Aluminiumoxid (Fig. 11) gewachsen ist.

Beim Vergleichsbeispiel 1, bei welchem das Substrat zu Versuchszwecken auf Grundlage der Offenbarung in der JP-A-22 5338/90 hergestellt wurde, besaß das Substrat beim Sintern bei einer Temperatur von weniger als 900°C, wie es für die Ausbildung von Innenschichten aus Ag oder Cu etc. erforderlich ist, eine nicht ausreichend geringe Porosität von 20,1% und eine unzureichende Verdichtung, was zu einer geringen Querfestigkeit [83,3 N/mm² (8,5 kgf/mm²)] führt. Beim Beispiel 28 kam es aufgrund ei ner geringen Menge des Glasmaterials MgO zu keinem Wachstum von Cor dierit mit dem Ergebnis einer großen Porosität (15,2%) und einer geringen Querfestigkeit [92,1 N/mm² (9,4 kgf/mm²)]. Beim Beispiel 29 kam es auf grund einer geringen Menge des Glasmaterials Al₂O₃ zu keinem Wachs tum von Cordierit mit dem Ergebnis einer großen Porosität (14,3%) und ei ner geringen Querfestigkeit [70,6 N/mm² (7,2 kgf/mm²)]. Beim Beispiel 30 war aufgrund eines kleinen Mischungsverhältnisses von Füllstoff zu Glas die Querfestigkeit gering [147 N/mm² (15,0 kgf/mm²)]. Beim Bei spiel 31 änderte das Substrat aufgrund einer großen Menge des Glasmate rials K₂O die Form und besaß eine schlechte Wasserbeständigkeit. Beim Beispiel 32 besaß das Substrat aufgrund einer geringen Menge des Glas materials B₂O₃ eine große Porosität (16,5%) und eine geringe Querfestig keit [54,9 N/mm² (5,6 kgf/mm²)]. Beim Beispiel 33 änderte das Substrat aufgrund einer großen Menge des Glasmaterials B₂O₃ die Form und besaß schlechte Wasserbeständigkeit. Beim Beispiel 34 war aufgrund eines gro ßen Mischungsverhältnisses von Füllstoff zu Glas die Porosität hoch (11,4%), die Querfestigkeit gering [100,9 N/mm² (10,3 kgf/mm²)] und die Feuchtigkeitsbeständigkeit war ebenso schlecht.

Beispiele 35-63 und Vergleichsbeispiel 2

Ein Glaspulver, umfassend MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Alkali metall) in den in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzungen mit einem mittle ren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm und ein Kristallkorn aus Cor dierit mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm sowie ein Kristallkorn aus Al₂O₃ mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1- 10 µm wurden vermischt. Hinsichtlich des Mischungsverhältnisses von Glaspulver und Kristallkorn ist das Verhältnis bzw. der Anteil des Kristall korns in Tabelle 2 gezeigt, wobei der Rest der Anteil des Glaspulvers ist. Beispielsweise betrug bei Beispiel 35 der Anteil des Aluminiumoxidfüll stoffs 20 Gew.-%, derjenige des Cordieritfüllstoffs 5 Gew.-% und derjenige des Glasmaterials die restlichen 75 Gew.-%.

Dann wurde jeweils eine angemessene Menge eines organischen Bindemit tels, Plastifiziermittels und Lösungsmittels zu der Mischung gegeben und diese dann geknetet, um eine Aufschlämmung mit etwa 10 Pa·s (10 000 cPs) herzustellen. Die Aufschlämmung wurde durch ein Abstreifmesser verfahren zu einer etwa 0,2 mm dicken Platte geformt und bei 80°C wäh rend etwa 10 Minuten getrocknet. Danach wurde die Platte bei einer Tem peratur, welche mit einer Geschwindigkeit von 10°C/min erhöht wurde, bei etwa 850-980°C während 5-240 Minuten gesintert. Auf diese Weise wurde die Herstellung des gesinterten Körpers aus dem keramischen Sub strat vervollständigt.

Daran anschließend wurde das Wachstum eines Cordieritkristalls auf dem hergestellten Keramiksubstrat durch Röntgenbeugung des Pulver materials vor dem Sintern und des gesinterten Körpers bestätigt. Weiter hin wurden die Porosität, die spezifische Induktionskapazität, der thermi sche Ausdehnungskoeffizient und die Querfestigkeit des keramischen Substrats gemessen. Die Ergebnisse des Röntgenbeugungsmusters des Pulvermaterials vor dem Sintern und des in Beispiel 40 erhaltenen kerami schen Substrats sind in Fig. 16 gezeigt, wobei die Bedingungen bei der Her stellung des keramischen Substrats und die Eigenschaften des erhaltenen keramischen Substrats in Tabelle 2 gezeigt sind.

Die Porosität wurde durch ein Archimedes-Verfahren bestimmt. Die spezi fische Induktionskapazität wurde mittels eines Impedanz-Analysators ge messen. Der Durchschnitt der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Raumtemperatur bis 350°C wurde durch Kontakt mit einem Meßgerät für die lineare Ausdehnung bestimmt. Die Querfestigkeit wurde durch ei ne 3-Punkt-Biegeprüfung gemessen. Die Wasserbeständigkeit wurde an hand der Abnahme des Gewichts bewertet, nachdem ein Prüfkörper über einen definierten Zeitraum in siedendem Wasser gehalten wurde, wobei Substrate mit einer Abnahme von mehr als 0,01% ausgeschieden wurden.

Weiterhin wurden die in den Beispielen 40 und 41 erhaltenen Keramiken auseinandergebrochen und Teile davon mit einem TEM (Transmissions- Elektronenmikroskop) beobachtet. Abbildungen der erhaltenen Mikro photographien sind in den Fig. 29 und 30 gezeigt.

Tabelle 2-1

Tabelle 2-2

Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, waren die Substrate in den Beispielen 35-55 selbst bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C ausrei chend verdichtet (Porosität von 0,1-0,9%), so daß die Substrate eine gerin ge spezifische Induktionskapazität (weniger als 6,5) und einen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium (weniger als 4,6) besaßen und eine ausgezeichnete Querfestigkeit [mehr als 186,2 N/mm² (19 kgf/mm²)] und Wasserbeständigkeit zeigten.

In diesem Zusammenhang ist hinsichtlich des Temperaturbereichs, in welchem Leiterinnenschichten nicht schmelzen, auszuführen, daß je hö her die Sintertemperatur des keramischen Substrats ist, desto stärker schreitet die Verdichtung voran, was zu einer größeren Querfestigkeit führt.

Fig. 16 zeigt die Ergebnisse der Röntgenbeugung des Materials und der in Beispiel 40 erhaltenen Probe. Gemäß Fig. 16 wurde gefunden, daß Cordie rit durch Sintern des Materials gewachsen ist.

Weiterhin ist Fig. 29 eine Abbildung der TEM-Mikrophotographie, welche die innere Struktur der in Beispiel 40 erhaltenen Probe darstellt, welche zeigt, daß Cordierit 12 von der Oberfläche des Cordierit-Füllstoffs 11 ge wachsen ist. Hier bedeutet 13 einen Aluminiumoxid-Füllstoff und 15 be deutet eine Glasschicht. Die Herstellung eines keramischen Substrats mit einer solchen Innenstruktur erlaubt es, die mechanischen Eigenschaften, wie etwa die Querfestigkeit, weiter zu verbessern, durch den Verbund aus Füllstoff, dem gebildeten Kristall und dem Glas als Matrix.

Beim Vergleichsbeispiel 2, bei welchem das Substrat zu Versuchszwecken auf Grundlage der Offenbarung in der JP-A-225 338/90 hergestellt wor den ist, hatte das Substrat beim Sintern bei einer Temperatur von weniger als 900°C, wie es für die Ausbildung von Innenschichten aus Ag oder Cu etc. erforderlich ist, eine nicht auszureichend geringe Porosität (22,5%) und eine unzureichende Verdichtung, was zu einer geringen Querfestig keit führt [74,5 N/mm² (7,6 kgf/mm²)].

Beim Beispiel 63 wurde lediglich Cordierit als ein Füllstoff dem Glaspulver zugegeben, wobei das Substrat eine hohe Porosität und eine geringe Quer festigkeit besaß.

Beispiele 65-106

Ein Glaspulver, umfassend MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Alkali metall) in den in Tabelle 3 gezeigten Zusammensetzungen mit einem mitt leren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm, ein Kristallpulver aus Al₂O₃ mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm, Mullitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm, ein Cordieritpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm, ein Quarzglas pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm und ein Kristallpulver aus SiO₂ mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm wurden vermischt. Hinsichtlich des Mischungsverhältnisses des Glaspulvers und Kristallpulvers ist das Verhältnis bzw. der Anteil des Kristallpulvers wie in den Tabellen 3-5 gezeigt, wobei der Rest der Anteil des Glaspulvers war. Beispielsweise betrug bei Beispiel 65 der Anteil des 3Al₂O₃·2SiO₂ (Mullit)-Pulvers 20 Gew.-%, derjenige des Cordierits 5 Gew.-%, derjenige des Quarzpulvers 5 Gew.-% und das Glasmaterial wa ren die restlichen 70 Gew.-%.

Dann wurden jeweils eine angemessene Menge eines organischen Binde mittels, Plastifiziermittels und Lösungsmittels zu der Mischung gegeben und diese zur Bildung einer Aufschlämmung mit etwa 10 Pa·s (10 000 cPs) geknetet. Die Aufschlämmung wurde durch ein Abstreifmesser-Verfahren zu einer Platte von 0,2 mm Dicke geformt und bei 80°C während etwa 10 Minuten getrocknet. Danach wurde die Platte bei einer Temperatur, wel che mit einer Geschwindigkeit von 10°C/min erhöht wurde, bei etwa 850-980°C während 5-10 Minuten gesintert. Auf diese Weise wurde die Herstel lung des gesinterten Körpers aus dem keramischen Substrat vervollstän digt.

Daran anschließend wurde das Wachstum eines Cordieritkristalls auf dem hergestellten Keramiksubstrat durch Vergleich der Röntgenbeugung des Pulvermaterials vor dem Sintern mit derjenigen des gesinterten Kör pers bestätigt. Weiterhin wurden die Porosität, die spezifische Induktions kapazität, der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Querfestigkeit des keramischen Substrats gemessen, und ebenso die Wasserbeständig keit des keramischen Substrats bewertet. Die Ergebnisse des Röntgenbeu gungsmusters des erhaltenen keramischen Substrats und des Pulverma terials vor dem Sintern in Beispiel 97 sind in den Fig. 34 bzw. 35 ge zeigt, und die Bedingungen bei der Herstellung des keramischen Sub strats sowie die Eigenschaften der erhaltenen Substrate sind in den Tabel len 3-5 angegeben.

Die Porosität wurde durch ein Archimedes-Verfahren bestimmt. Die spezi fische Induktionskapazität wurde durch einen Impedanz-Analysator ge messen. Der Durchschnitt der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Raumtemperatur bis 350°C wurde durch Kontakt mit einem Meßgerät für die lineare Ausdehnung gemessen. Die Querfestigkeit wurde durch ei ne 3-Punkt-Biegeprüfung bestimmt. Die Wasserbeständigkeit wurde an hand der Abnahme des Gewichts bewertet, nachdem ein Prüfkörper über einen definierten Zeitraum in siedendem Wasser gehalten wurde.

Weiterhin wurde die in Beispiel 97 erhaltene Keramik zerbrochen und Teile davon mit einem TEM (Transmissions-Elektronenmikroskop) beobachtet. Eine Abbildung der erhaltenen TEM-Mikrophotographie ist in Fig. 37 ge zeigt.

Tabelle 3-1

Tabelle 3-2

Tabelle 4-1

Tabelle 4-2

Tabelle 5-1

Tabelle 5-2

Wie aus den Tabellen 3-5 ersichtlich ist, waren die Substrate gemäß den Beispielen ausreichend verdichtet, selbst bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C, so daß die Substrate eine geringe spezifische Induk tionskapazität und eine thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium besaßen und eine ausgezeichnete Querfestigkeit und Wasserbeständigkeit aufwiesen.

In diesem Zusammenhang gilt, sofern Leiterinnenschichten nicht schmel zen, daß je höher die Sintertemperatur des keramischen Substrats ist, de sto stärker schreitet die Verdichtung voran, was zu einer größeren Querfe stigkeit führt. Daher ist eine Sinterung bei einer hohen Temperatur im Be reich einer Temperatur, bei welcher Leiterinnenschichten nicht schmel zen, bevorzugt.

Die Fig. 34 und 35 zeigen die Ergebnisse der Röntgenbeugungsmuster der erhaltenen Probe und des Materials in Beispiel 97. Aus diesen zeigt es sich, daß durch Sintern des Materials Cordierit gewachsen ist.

Weiterhin ist Fig. 37 eine Abbildung der TEM-Mikrophotographie, welche die innere Struktur der in Beispiel 97 erhaltenen Probe darstellt, welche zeigt daß Cordierit 12 aus dem Cordierit-Füllstoff 11 und dem Alumini umoxid-Füllstoff 13 gewachsen ist. Hier bedeutet 18 einen Quarzfüllstoff, 17 bedeutet eine Glasschicht und 19 bedeutet eine nicht identifizierte Schicht. Die Herstellung eines keramischen Substrats mit einer solchen Innenstruktur fördert das Vermischen bzw. Vereinigen des zugesetzten Füllstoffmaterials, gebildeten Kristalls und des Glases als Matrix, wo durch eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, wie der Querfestigkeit, resultiert.

Beim Vergleichsbeispiel 3, bei welchem das Substrat zu Versuchszwecken auf Grundlage der Offenbarung in der JP-A-225 338/90 hergestellt wor den ist, besaß das Substrat beim Sintern bei einer Temperatur von weniger als 900°C, was für die Ausbildung von Innenschichten aus Ag oder Cu etc. erforderlich ist, eine unzureichend geringe Porosität und eine nicht aus reichende Verdichtung, was zu einer geringen Querfestigkeit führt.

Beim Vergleichsbeispiel 4 wurden nur Aluminiumoxid und Quarz als Füll stoffe dem Glaspulver zugegeben, wobei die Sinterung 600 Minuten dauer te, um das keramische Substrat mit den in Tabelle 3 gezeigten Eigenschaf ten herzustellen. Andererseits betrug bei den Beispielen, wie etwa in Bei spiel 65, die Sinterung 30 Minuten, was wesentlich kürzer ist als in Ver gleichsbeispiel 4.

Beispiele 111-135

Ein Glaspulver, umfassend MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Alkali metall) in den in Tabelle 6 gezeigten Zusammensetzungen mit einem mitt leren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm, ein Kristallkorn aus Cordierit mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm und ein Kristall korn aus 3Al₂O₃·2SiO₂ mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1-10 µm wurden vermischt. Hinsichtlich des Mischungsverhältnisses des Glaspulvers und Kristallpulvers war der Anteil des Kristallpulvers wie In Tabelle 6 gezeigt, wobei der Rest der Anteil des Glaspulvers war. Bei spielsweise betrugen in Beispiel 111 der Anteil des 3Al₂O₃·2SiO₂ (Mullit)- Füllstoffs 20 Gew.-%, derjenige des Cordierit-Füllstoffs 5 Gew.-% und das Glasmaterial waren die restlichen 75 Gew.-%.

Dann wurden jeweils eine angemessene Menge eines organischen Binde mittels, Plastifiziermittels und Lösungsmittels der Mischung zugegeben und diese dann geknetet, um eine Aufschlämmung mit etwa 10 Pa·s (10 000 cPs) zu bilden. Die Aufschlämmung wurde durch ein Messerabstreif- Verfahren zu einer Platte von 0,2 mm Dicke geformt und bei 80°C während etwa 10 Minuten getrocknet. Danach wurde die Platte bei einer Tempera tur, welche mit einer Geschwindigkeit von 10°C/min erhöht wurde, bei et wa 850-980°C während 5-240 Minuten gesintert. Auf diese Weise wurde die Herstellung des gesinterten Körpers aus dem keramischen Substrat vervollständigt.

Daran anschließend wurde das Wachstum eines Cordierit-Kristalls auf dem hergestellten keramischen Substrat durch Röntgenbeugung des Pul vermaterials vor dem Sintern und des gesinterten Körpers bestätigt. Fer ner wurden die Porosität, die spezifische Induktionskapazität, der thermi sche Ausdehnungskoeffizient und die Querfestigkeit des keramischen Substrats gemessen. Die Ergebnisse des Röntgenbeugungsmusters des Pulvermaterials vor dem Sintern und des in Beispiel 116 erhaltenen kera mischen Substrats sind in den Fig. 39 bzw. 40 gezeigt, und die Bedin gungen bei der Herstellung des keramischen Substrats und die Eigen schaften des erhaltenen Substrats sind in Tabelle 6 gezeigt.

Die Porosität wurde durch ein Archimedes-Verfahren bestimmt. Die spezi fische Induktionskapazität wurde durch einen Impedanz-Analysator ge messen. Der Durchschnitt der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur bis 350°C wurde durch Kontakt mit einem Meßgerät für die lineare Ausdehnung bestimmt. Die Querfestigkeit wurde mittels ei ner 3-Punkt-Biegeprüfung gemessen. Die Wasserbeständigkeit wurde an hand der Abnahme des Gewichts beurteilt, nachdem ein Prüfkörper über einen definierten Zeitraum in siedendem Wasser gehalten wurde.

Die Ergebnisse des Röntgenbeugungsmusters des in Vergleichsbeispiel 18 erhaltenen keramischen Substrats sind in Fig. 43 gezeigt.

Weiterhin wurde das in Beispiel 116 erhaltene keramische Substrat zer brochen und Teile davon mit einem TEM (Transmissions-Elektronenmi kroskop) beobachtet. Eine Abbildung der erhaltenen TEM-Mikrophotogra phie ist in Fig. 42 gezeigt.

Tabelle 6-1

Tabelle 6-2

Wie aus der Tabelle 6 ersichtlich ist, waren die Substrate ausreichend ver dichtet, selbst bei einer Sintertemperatur von weniger als 1000°C, so daß die Substrate eine geringe spezifische Induktionskapazität und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silicium aufwiesen und eine ausgezeichnete Querfestigkeit und Wasserbeständigkeit besa ßen.

In diesem Zusammenhang gilt, sofern Leiterinnenschichten nicht schmel zen, daß, je höher die Sintertemperatur des keramischen Substrats ist, de sto mehr schreitet die Verdichtung voran, was zu einer größeren Querfe stigkeit führt.

Fig. 40 ist ein Diagramm, welches die Ergebnisse der Röntgenbeugung des Materials in Beispiel 116 zeigt, und Fig. 39 ist ein Diagramm, welches die Ergebnisse der Röntgenbeugung der in Beispiel 116 erhaltenen Probe zeigt. Aus diesen zeigt es sich, daß durch Sintern des Materials Cordierit gewachsen ist. Andererseits konnte beim Vergleichsbeispiel 18 kein Wachstum von Cordierit gefunden werden, wie in Fig. 43 gezeigt.

Weiterhin ist Fig. 42 eine Abbildung der TEM-Mikrophotographie, welche die innere Struktur der in Beispiel 116 erhaltenen Probe darstellt, welche zeigt, daß der Cordierit 12 aus dem Cordierit-Füllstoff 11 und dem Mullit- Füllstoff 20 gewachsen ist. Hier bedeutet 21 ein Glas. Die Herstellung ei nes keramischen Substrats mit einer solchen inneren Struktur fördert die Vermischung bzw. Vereinigung des Füllstoffs, des gebildeten Kristalls und Glas als Matrix, wodurch eine weitere Verbesserung der mechanischen Ei genschaften, wie etwa der Querfestigkeit, resultiert.

Beim Vergleichsbeispiel 17, bei welchem das Substrat zu Versuchs zwecken auf Grundlage der Offenbarung der JP-A-225 338/90 hergestellt wurde, besaß das Substrat beim Sintern bei einer Temperatur von weniger als 900°C, was für die Ausbildung von Innenschichten aus Ag oder Cu etc. erforderlich ist, eine nicht ausreichend geringe Porosität und eine unzu reichende Verdichtung, was zu einer geringen Querfestigkeit führt.

Claims

1. Keramisches Substrat, umfassend ein Glas, welches ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkalimetall) umfaßt, und einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthaltende Kristalle.

2. Verfahren zur Herstellung des keramischen Substrats nach An spruch 1, umfassend die Stufen:
Vermischen eines Glaspulvers, umfassend MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Alkalimetall) mit einem Kristallkorn aus Al₂O₃; und
Sintern der Mischung bei einer Temperatur von über 800°C bis unterhalb 1000°C.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zusammensetzung der Glas pulvermaterialien aus 10-30 Gew.-% MgO, 5-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und weniger als 5 Gew.-% R₂O besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zusammensetzung der Glas pulvermaterialien aus 10-20 Gew.-% MgO, 10-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und 1-5 Gew.-% R₂O besteht.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, wobei der Anteil des Glas pulvers 60-80 Gew.-% und derjenige des Kristallkorns aus Al₂O₃ 40-20 Gew.-% betragen.

6. Keramisches Substrat, umfassend ein Glas, welches ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkalimetall) umfaßt, und ein ei nen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthaltendes Kristallkorn, wobei ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall aus der Oberfläche des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs oder den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und eines Al₂O₃-Füllstoffs wächst.

7. Verfahren zur Herstellung des keramischen Substrats nach An spruch 6, umfassend die Stufen:
Vermischen eines Glaspulvers, umfassend MgO, Al₂O₃, SiO₂. B₂O₃ und R₂O (R: Alkalimetall), mit einem Kristallkorn aus 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂, oder einem Kristallkorn aus 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ und einem Kristallkorn aus Al₂O₃, und
Sintern der Mischung bei einer Temperatur von über 850°C bis unterhalb 1000°C, um einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall aus der Oberfläche des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs, oder den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und Al₂O₃-Füllstoffs wachsen zu lassen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zusammensetzung der Glas pulvermaterialien aus 10-30 Gew.-% MgO, 5-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und weniger als 5 Gew.-% R₂O besteht.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 8, wobei der Anteil an Alumi niumoxid 0-40 Gew.-% und derjenige des Cordierits als Füllstoff 0,1-20 Gew.-% betragen und der Rest Glaspulver ist.

10. Keramisches Substrat, umfassend ein Glas und einen Kristall, wel ches als Glas hauptsächlich ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O- Basis (R: Alkalimetall) und als Kristall hauptsächlich einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthält, sowie weiterhin ein SiO₂-Glas und/oder einen SiO₂-Kristall.

11. Verfahren zur Herstellung des keramischen Substrats nach An spruch 10, umfassend die Stufen:
Vermischen eines Glaspulvers, umfassend MgO, Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und R₂O (R: Alkalimetall), eines 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallpulvers und ei nes SiO₂-Glaspulvers und/oder eines SiO₂-Kristallpulvers, und dann
Sintern der Mischung bei einer Temperatur von über 850°C bis unterhalb 1000°C.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein 10-30 Gew.-% MgO, 5-20 Gew.-% Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und R₂O-Oxid (R₂O) mit 0 < R₂O 5 Gew.-% umfassendes Glaspulver verwendet wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, wobei der Mischungsan teil des Glaspulvers 60-98 Gew.-%, derjenige des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ Kristallpulvers 0,1-20 Gew.-% und derjenige des SiO₂-Glaspulvers und/oder SiO₂-Kristallpulvers mehr als 1 Gew.-% bis weniger als 40 Gew.-% betragen.

14. Keramisches Substrat, umfassend ein Glas und einen Kristall, wel ches neben dem in Anspruch 10 beschriebenen Glas und Kristall Al₂O₃ und/oder 3 Al₂O₃·2 SiO₂ als einen Kristall enthält.

15. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Substrat nach An spruch 14, umfassend die Stufen:
Zugeben eines Al₂O₃-Kristallpulvers und/oder eines 3Al₂O₃·2SiO₂ -Kri stallpulvers zu dem in Anspruch 11 beschriebenen Glaspulver und Kri stallpulver,
Vermischen der Pulver und
Sintern der Mischung bei einer Temperatur von über 850°C bis unterhalb 1000°C.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Mischungsanteil des Glas pulvers 60-98 Gew.-%, derjenige des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallpulvers
0,1-20 Gew.-%, derjenige des SiO₂-Glaspulvers und/oder SiO₂-Kristall pulvers mehr als 1 Gew.-% bis weniger als 40 Gew.-% und derjenige des Al₂O₃-Kristallpulvers und/oder 3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallpulvers 0 < 3Al₂O₃·2SiO₂ 40 Gew.-% betragen.

17. Keramisches Substrat, umfassend ein Glas und einen Kristall, wel ches als Glas ein Glas auf MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃-R₂O-Basis (R: Alkali metall) und als Kristall einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall enthält, und wobei ein 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall aus den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des 3Al₂O₃·2SiO₂-Füllstoffs wächst.

18. Verfahren zur Herstellung des keramischen Substrats nach An spruch 17, umfassend die Stufen:
Vermischen von 94,5-50,0 Gew.-% eines Glaspulvers, umfassend 10-20 Gew.-% MgO, 10-20 Al₂O₃, 40-55 Gew.-% SiO₂, 10-20 Gew.-% B₂O₃ und 0,5-5 Gew.-% R₂O (R: Alkalimetall), 0,1-20 Gew.-% eines 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristallkorns und 5-30 Gew.-% eines 3Al₂O₃·2SiO₂-Kristallkorns, und
Sintern der Mischung bei einer Temperatur von über 850°C bis unterhalb 1000°C, um so einen 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Kristall aus den Oberflächen des 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂-Füllstoffs und des 3Al₂O₃ 2SiO₂ -Füllstoffs wachsen zu lassen.