DE69535391T2

DE69535391T2 - Mehrlagenschaltungssubstrat

Info

Publication number: DE69535391T2
Application number: DE69535391T
Authority: DE
Inventors: Hirayoshi Yokohama-shi Tanei; Shoichi Yokohama-shi Iwanaga; Masahide Yokohama-shi Okamoto; Masato Fujisawa-shi Nakamura; Kousaku Zama-shi Morita; Shousaku Chigasaki-shi Ishihara; Fumiyuki Sagamihara-shi Kobayashi; Fumikazu Hadano-shi Tagami; Norio Hadano-shi Sengoku; Tsuyoshi Yokohama-shi Fujita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2015-07-28
Also published as: DE69528868T2; US6118671A; EP0697725A3; EP1083600A2; EP1083600B1; DE69535391D1; EP0697725A2; US5825632A; EP0697725B1; EP1083600A3; DE69528868D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltungssubstrat und die Technologie zum Schaffen des Schaltungssubstrates, und insbesondere ein mehrschichtiges Schaltungssubstrat, welches besonders geeignet ist, wenn ein organischer Binder als Binder und ein unedles Metall wie Kupfer als leitendes Material benutzt wird, ein Herstellungsverfahren und ein Glas und eine keramische Zusammensetzung zum Herstellen des Schaltungssubstrates.
Konventionellerweise wurde für mehrlagige Schaltungssubstrate, auf denen integrierte Siliziumhalbleiter-Schaltungselemente montiert sind, Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Isolationsmaterial verwendet, und Molybdän (Mo) und Wolfram (W) wurden als leitendes Material verwendet, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen und in der Lage sind, gleichzeitig mit Aluminiumoxid gesintert zu werden. Da jedoch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Aluminiumoxids so hoch wie etwa 7 × 10^–6/°C ist, wird, wenn Siliziumhalbleiterelemente direkt auf einem Aluminiumoxidsubstrat montiert werden, die leitende Verbindung einer schweren Belastung unterworfen und die Verbindung wird unzuverlässig. Zusätzlich ist wegen der hohen relativen Dielektrizitätskonstante des Aluminiumoxids, die so hoch wie etwa 10 ist, die Signalübertragung nicht ausreichend schnell, wie sie für qualitativ hochwertige mehrlagige Schaltungssubstrate erwartet wird. Darüber hinaus sind die Widerstandswerte der oben erwähnten Metalle relativ hoch. Um dieses Problem zu lösen, beinhaltet die japanische Patentveröffentlichung Heisei-2-49550 (1990) ein mehrlagiges Keramikschaltungssubstrat und eine Herstellung desselben, das Kupfer als leitende Schicht und eine Glaskeramikschicht aufweist, die eine Mischung enthält, welche aus 20 Gew.-% oder mehr und weniger als 50 Gew.-% Aluminiumoxid, 10 Gew.-% oder mehr und weniger als 60 Gew.-% Quarzglas und 20 Gew.-% oder mehr und weniger als 40 Gew.-% amorphen Glases oder kristallinen Glases enthält, und einen Binder verwendet, der ein thermisch depolymerisierbares Harz enthält.
Aus US-A-5 342 674 ist eine Glaszusammensetzung bekannt, welche 55–70 Vol.-% eines Borsilikatglases aufweist, bestehend aus 65–80 Gew.-% SiO₂, 5–25 Gew.-% B₂O₃, 1–5 Gew.-% eines oder mehrerer aus der Gruppe Li₂O, K₂O und Na₂O, und 0–5 Gew.-% Al₂O₃, 5–30 Vol.-% Aluminiumoxid als Füller, 5–35 Vol.-% Cordierit und 0–20 Vol.-% Quarzglas.
Aus US-A-5 256 470 ist eine keramische Zusammensetzung bekannt, welche feingeteilte Teilchen von 25–50 Vol.-% Borsilikatglas und 50–70 Vol.-% hohes Quarzglas aufweist.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen wird in dem Herstellungsprozess des Keramiksubstrats in einem ersten Schritt ein organischer Binder zu einem keramischen Pulver hinzugefügt, um eine Grünplatte vorzubereiten. Als organischer Binder werden im Allgemeinen Polyvinyl-Butyral-Harz und thermisch depolymerisierbares Acrylharz verwendet. Als Lösungsmittel für diese Binderharze werden gewöhnlich organische Lösungsmittel, wie Methyethylketone und Methanol verwendet. Diese organischen Lösungsmittel betreffen Probleme der Explosionsgefahr und der Toxizität für den menschlichen Körper. Deshalb ist vom Gesichtspunkt der Sicherheit und der Hygiene aus ein organisches Bindermaterial vorzusehen, das als Lösungsmittel Wasser verwendet gegenüber einem Mittel, das organische Lösungsmittel verwendet. Weil jedoch ein wasserlösliches organisches Bindermaterial gewöhnlich hydrophile funktionale Gruppen aufweisen, kann ein derartiges organisches Bindermaterial nicht leicht thermisch zersetzt werden, verglichen mit einem organischen Bindermaterial, das organische Lösungsmittel verwendet, und betrifft das Problem, dass die Entfernung des Binders schwierig ist, wie es hiernach beschrieben wird.
Um die Qualität und Zuverlässigkeit des oben erwähnten mehrlagigen keramischen Schaltungssubstrats für ein Aufmontieren von integrierten Siliziumhalbleiter-Schaltungselementen zu verbessern, sind unterschiedliche Eigenschaften für ein keramisches Substratmaterial erforderlich, d.h., das keramische Substrat kann bei einer Temperatur von 1050°C oder darunter gesintert werden, welche Temperatur niedriger ist als der Schmelzpunkt von Kupfer, so dass dieses Kupfer von geringem Leitungswiderstand verwendet werden kann, das eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante aufweist, das einen Ausdehnungskoeffizienten nahezu gleich zu dem des Siliziums aufweist, und das in der Biegefestigkeit ausgezeichnet ist. Als keramisches Material, das diese Bedingungen erfüllt, ist Füllstoff enthaltendes Borsilikatglas bekannt.
Jedoch hat Füllstoff enthaltendes Borsilikatglas ein Problem der Widerstandsfähigkeit des Borsilikatglases gegen Wasser, wenn Grünplatten vorbereitet werden. Aufgrund des geringen Wasserwiderstandes kann Boroxid, das im Borsilikatglas enthalten ist, leicht eluiert werden, weshalb Borsäurekristalle sich auf der Glasoberfläche in einer hochfeuchten Atmosphäre abscheiden. Die kristallisierte Borsäure verursacht unvorteilhafte Fehler beim Drucken, wenn leitendes Material auf der Grünplatte gedruckt wird. Einige Borsilikatgläser kristallisieren zu Kristobalitkristallen, wenn sie wärmebehandelt werden. Kristobalitkristalle weisen eine Kristallübergangsphase von etwa 230°C auf, in der Kristobalit schwerwiegende Volumenänderungen zeigt, dieser Übergang verursacht ein Brechen des Substrats, so dass die Kristallisation nicht bevorzugt wird.
Andererseits wird für eine geeignete Verwendung von Kupfer als leitendes Material es vorgezogen, dass der Binderentfernungsprozess (ein Prozess zum Ausbrennen des organischen Binders für ein Vorbereiten einer Grünplatte) in einer Atmo sphäre durchgeführt wird, die nicht Kupfer oxidiert. Als eine derartige Atmosphäre ist Dampf, Stickstoff und eine Wasserstoffatmosphäre bekannt.
Das Ausbrennen des organischen Binders geht schrittweise voran, wobei in dem ersten Schritt organisches Harz in die Form von Kohlenstoff zersetzt wird, und nachfolgend Kohlenstoff oxidiert wird. Der obige Schritt wird bei einer Temperatur von etwa 200 bis 400 °C durchgeführt und letzterer Schritt wird bei einer Temperatur von nahezu 700 °C oder höher durchgeführt. Insbesondere der letztere Schritt ist eine Reaktion, die durch die chemische Formel C + 2H₂O → CO₂ + 2H₂ dargestellt wird, und die Reaktion schreitet schneller in einer Atmosphäre mit höherer Temperatur fort. Deshalb erleichtert das Ausbrennen des organischen Binders bei höherer Temperatur das Entfernen des Binders, um zu höherer Produktivität zu führen. Wenn jedoch das Sintern des Glaskeramiksubstratmaterials exzessiv während der Wärmebehandlung fortschreitet, verursacht das Sintern den Einschluss von Resten des organischen Harzes und des Kohlenstoffs in der Platte; dieser Einschluss verursacht unvorteilhafte Probleme, wie die Zerstörung der Isolationsqualität der Glaskeramik und unzureichende Kompaktheit der Glaskeramiken während der nachfolgenden Wärmebehandlung. Das exzessive Sintern des Glaskeramiksubstratmaterials während der Wärmebehandlung zum Ausbrennen des organischen Binders ist nicht vorteilhaft. Wie hierin vorher beschrieben, ist die thermische Zersetzung von wasserlöslichem organischem Bindermaterial langsamer als die von einem in organischem Lösungsmittel löslichen organischen Bindermaterial. Deshalb erfordert die Verwendung von wasserlöslichem organischem Bindermaterial die Verwendung von Glaskeramiksubstratmaterial, das für die Verwendung mit wasserlöslichem organischem Bindermaterial geeignet ist. Gewöhnlich ist ein Rest-Kohlenstoffgehalt von 200 ppm oder weniger in dem Substrat von Vorteil.
Nach dem Ausbrennen eines organischen Binders wird die Glaskeramik einer Wärmebehandlung zur Kompaktierung unterworfen. Die Wärmebehandlung wird mit anderen Worten als Sintern bezeichnet. Für eine höhere Produktivität der Herstellung von mehrlagigem Keramikschaltungssubstrat ist eine kurzzeitige Wärmebehandlung erforderlich.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mehrschichtiges Schaltungssubstrat mit Kupferverdrahtung vorzusehen, welches bei einer Temperatur von 1050°C oder darunter gesintert wird, welches eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante aufweist, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten näherungsweise gleich dem des Siliziums (3,0 × 10^–6/°C) und eine ausgezeichnete Biegefestigkeit aufweist.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu erfüllen, sieht die vorliegende Erfindung ein mehrschichtiges Schaltungssubstrat, welches amorphes Glas mit einem Erweichungspunkt im Bereich von 850° bis 1100° aufweist, gemäß Anspruch 1 vor. Vorteilhafte zusätzliche Merkmale und Anwendungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Für die Herstellung von mehrschichtigen Schaltungssubstraten können folgende Schritte als Beispiele benutzt werden:

(1) ein Prozess zum Vorbereiten einer Aufschlämmung durch Mischen von Glas, Füllstoff, organischem Binder und Lösungsmittel,
(2) ein Prozess zum Vorbereiten einer Grünplatte aus der Aufschlämmung,
(3) ein Prozess zum Bilden eines Leiters durch Bilden eines Durchgangsloches und/oder einer Verdrahtung unter Verwendung von leitendem Material auf der Grünplatte, und
(4) ein Prozess zum Erhitzen der Grünplatte bei 700 bis 880°C, um den Binder zu entfernen, und gefolgt durch ein Erhitzen auf 900 bis 1050°C, um zu sintern, wobei das Glas SiO₂, B₂O₃, R₂O (R stellt ein Alkalimetall dar) und unvermeidbar begleitende Verunreinigungen enthält, und eine Zusammensetzung in einem Gebiet einschließt, das in 1 in einem Dreistoff-Zusammensetzungsdiagramm aus SiO₂-B₂O₃-R₂O enthalten ist, wobei das Gebiet mit fünf Linien definiert ist, nämlich einer Linie, die einen Punkt einer ersten Zusammensetzung und einen Punkt einer dritten Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der dritten Zusammensetzung und einen Punkt der zehnten Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der zehnten Zusammensetzung und einen Punkt der elften Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der elften Zusammensetzung und einen Punkt der vierten Zusammensetzung verbindet, und einer Linie, die den Punkt der vierten Zusammensetzung und den Punkt der fünften Zusammensetzung verbindet (wobei das Gebiet die Linien einschließt). In 1 sind die Punkte, die die Zusammensetzungen darstellen, mit kleinen Kreisen gekennzeichnet, und die Nummern in den Kreisen stellen Zusammensetzungsnummern der Kreise dar.

Die erste Zusammensetzung besteht aus 88 Gew.-% SiO₂ und 12 Gew.-% B₂O₃, die dritte Zusammensetzung besteht aus 82 Gew.-% SiO₂ und 18 Gew.-% B₂O₃, die zehnte Zusammensetzung besteht aus 84 Gew.-% SiO₂, 10 Gew.-% B₂O₃ und 6 Gew.-% R₂O, die elfte Zusammensetzung besteht aus 90 Gew.-% SiO₂, 5 Gew.-% B₂O₃ und 5 Gew. % R₂O, und die vierte Zusammensetzung besteht aus 89 Gew.-% SiO₂, 10 Gew.-% B₂O₃ und 1 Gew.-% R₂O, entsprechend basieren auf 100 Gew.-% aller Komponenten von SiO₂, B₂O₃ und R₂O.
In dem oben in 1 beschriebenen Gebiet wird eine Zusammensetzung bevorzugt, die ein Gebiet definiert mit fünf Linien, nämlich einer Linie, die den Punkt der vierten Zusammensetzung und den Punkt der fünften Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der fünften Zusammensetzung und einen Punkt der neunten Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der neunten Zusammensetzung und den Punkt der zehnten Zusammensetzung verbindet, der Linie, die den Punkt der zehnten Zusammensetzung und den Punkt der elften Zu sammensetzung verbindet, und der Linie, die den Punkt der elften Zusammensetzung und den Punkt der vierten Zusammensetzung verbindet (wobei das Gebiet die Linien einschließt).
Die fünfte Zusammensetzung besteht aus 87 Gew.-% SiO₂, 11,5 Gew.-% B₂O₃ und 1,5 Gew.-% R₂O, und die neunte Zusammensetzung besteht aus 84,7 Gew.-% SiO₂, 10,8 Gew.-% B₂O₃ und 4,5 Gew.-% R₂O.
Zusätzlich zu der oben erwähnten Zusammensetzung wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Glas benutzt, das eine Zusammensetzung aufweist, die 90% oder weniger des Al₂O₃ bezogen auf den molaren Anteil von R₂O zusätzlich aufweist. In einer Alternative zu der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich 1 bis 4 Gew. % von ZnO bezogen auf das gesamte Glasgewicht enthalten sein.
Für das Zusammensetzungsverhältnis von Glas und Füllstoff ist ein Anteil von 60 bis 95 Vol.-% Glas und 40 bis 5 Vol.-% Füllstoff bis zu insgesamt 100 Vol.-% Glas und Füllstoff bevorzugt.
Das Dreistoff-Zusammensetzungsdiagramm ist ein Diagramm zur Darstellung der Zusammensetzung des Dreikomponentensystems unter Verwendung dreieckförmiger Koordinaten. In einem Dreistoff-Diagramm repräsentieren die Scheitelpunkte eines regulären Dreiecks (bezogen auf A, B und C) die jeweiligen reinen Substanzen der drei Komponenten, ein Punkt (einschließlich des Platzes auf den Dreiecksseiten) in einem regulären Dreieck repräsentiert eine Zusammensetzung, die mindestens eine der drei Komponenten umfasst. Die proportionale Länge von Teillinien, die senkrecht von einem Punkt P in einem Dreistoff-Diagramm gezogen werden, welche eine entsprechende Zusammensetzung zu den gegenüberliegenden Seiten jedes Scheitelpunktes darstellt, repräsentiert den Anteil jeder Komponente, die in der Zusammensetzung enthalten ist. Das heißt, die Länge einer Senkrechten h, die von dem Punkt P zu der gegenüberliegenden Seite a des Scheitelpunktes A gezogen wird, repräsentiert den Anteil der Komponente A. Um die Länge einer Teillinie h zu erhalten, wird eine Linie von dem Punkt P rechtwinklig zu der Teillinie h gezogen, um sich mit der Seite, auf der eine Prozent-(oder Bruchteil)-Skala der Komponente A markiert ist, zu schneiden, und der anteilige Wert wird an dem Schnittpunkt gelesen.
Jede Komponente des Glases wird entsprechend in Oxide konvertiert. Das heißt, die Menge der SiO₂-Komponente bedeutet die Menge, die durch Konvertieren der Menge des Siliziums bestimmt wird, die in einem Glas in der Menge des Siliziumdioxids (SiO₂) enthalten ist, die Menge des B₂O₃ bedeutet die Menge, die durch Konvertieren der Menge des Bors, das in dem Glas enthalten ist, bestimmt wird zu der Menge des Boroxids (B₂O₃), die Menge der R₂O-Komponente bedeutet die Menge, die durch Konvertieren der Menge des Alkalimetalls bestimmt wird, die in dem Glas zu einer Menge des Alkalimetalloxids (R₂O) enthalten ist, die Menge des Al₂O₃ bedeutet die Menge, die durch Konvertieren der Menge des Aluminiums bestimmt ist, das in dem Glas in einer Menge des Aluminiumoxids (Al₂O₃) enthalten ist, und die Menge der ZnO Komponente bedeutet die Menge, die durch Konvertieren der Menge des Zinks bestimmt ist, die in dem Glas zu der Menge des Zinkoxids (ZnO) enthalten ist.
Ein Beispiel eines Prozesses zur Herstellung eines Schaltungssubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung wird schematisch in 2 gezeigt. Der Herstellungsprozess, der in 2 gezeigt wird, umfasst:

(1) einen Aufschlämmungsprozess, in dem eine Glaskeramikzusammensetzung, die Glas und Füllstoff, organischen Binder und Lösungsmittel enthält, in einer Kugelmühle 1, wie sie in 2(a), gemischt wird, um eine Aufschlämmung vorzubereiten,
(2) einen Grünplattenherstellungsprozess, in dem die Aufschlämmung 2 in eine Platte unter Verwendung einer Gussmaschine 3 geformt wird, um eine Grünplatte 4, wie sie in 2(b) gezeigt wird, zu präparieren,
(3) einen Stanzprozess zum Stanzen von Durchgangslöchern 51 auf der Grünplatte 4 unter Verwendung des Stanzwerkzeugs 5, wie in 2(c) gezeigt,
(4) einen Druckprozess, in dem eine leitende Paste 7, die auf der Grünplatte 4 angeordnet ist, in die Durchgangslöcher 51 der Grünplatte 4 unter Verwendung einer Rakel 6 gefüllt wird, um Durchgangsleiter 53 zu bilden, und die leitende Paste wird auf der Grünplattenoberfläche gedruckt, um eine Verdrahtung 52, wie in 2(d) gezeigt, zu bilden,
(5) einen Laminierprozess zum Laminieren und Verbinden einer Mehrzahl von Grünplatten 4, die Durchgangsleiter 53 und eine Verdrahtung 52 aufweisen, die in dem Prozess in 2(d) erhalten wurden, um ein Grünplattenlaminat 41, wie es in 2(e) gezeigt wird, zu erhalten,
(6) einen Binderentfernungsprozess zum Entfernen des Binders durch Erhitzen des erhaltenen Grünplattenlaminats 41 bei 700 bis 880°C in dem Elektroofen 8, und einen Sinterprozess zum Sintern des Laminats bei einer Temperatur von 900 bis 1050°C, wie es in 2(f) gezeigt wird, wobei diese Prozesse in der Reihenfolge, wie sie oben beschrieben wird, durchgeführt werden.

Eine Glaskeramikzusammensetzung, die einen Grünkörper der vorliegenden Erfindung (der nämlich in dem Aufschlämmungsprozess verwendet wird) bildet, ist ein Verbundmaterial, das Glaspartikel und Füllstoffpartikel enthält, wobei das Glas in einer derartigen Zusammensetzung erweichend und flüssig wird durch Erhitzen während einer Wärmebehandlung, und der Kontakt zwischen den Glaspartikeln vergrößert sich, um die Oberfläche der Glaspartikel zu vermindern, nämlich um die wechselseitige Sinterung der Glaspartikel zu verursachen. Die Temperatur, bei der Glas erweicht und flüssig wird und sintert, hängt von dem Erweichungspunkt des Glases, der Menge des Füllstoffes, der mit den Glaspartikeln gemischt wird, und der Partikelgröße der Glaspartikel und der Füllstoffpartikel ab. Im Allgemeinen macht eine größere Menge des Füllstoffes die Sinterung der Glaspartikel schwieriger, weil ein Füllstoff die wechselseitige Sinterung der Glaspartikel behindert.
Wie oben hierin beschrieben, ist es vorteilhaft, ein Sintern der Glaspartikel während der Wärmebehandlung zum Ausbrennen des organischen Binders, der in der Grünplatte enthalten ist, zu verhindern. Die größere Zugabe von Füllstoff wird geprüft. Die übermäßige Zugabe von Füllstoff verursacht die Schwierigkeit beim Kompaktsintern von Glas. Eine Wärmebehandlungstemperatur für ein Kompaktsintern ist auf eine Temperatur von 1050°C oder darunter, nämlich geringfügig unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer bei 1083°C begrenzt, in dem Fall, dass Glas unter derartiger Bedingung gesintert wird, wird eine verlängerte Sinterung und Drucksinterung eingesetzt. Jedoch sind diese Wärmebehandlungsbedingungen für die Produktion des mehrlagigen Keramikschaltungssubstrats unter dem Gesichtspunkt der Produktivität nicht vorteilhaft.
Als Glaskomponente, die in einer Glaskeramikzusammensetzung für ein mehrlagiges Keramikschaltungssubstrat enthalten sein soll, wird Borsilikatglas, typischerweise Pyrex-Glas (Handelsname von Corning Co.) verwendet, aufgrund von vorteilhaften Eigenschaften, die für das Substrat gefordert werden, wie thermischer Ausdehnungskoeffizient und relative Dielektrizitätskonstante. Eine Pyrex-Glaszusammensetzung enthält 81 Gew.-% SiO₂, 12 Gew.-% B₂O₃, 4 Gew.-% Na₂O und 3 Gew.-% Al₂O₃ und hat einen Erweichungspunkt von 821 °C, wobei Pyrex-Glas eines der kommerziell verfügbaren Borsilikatgläser mit dem höchsten Erweichungspunkt ist. Die Produktionskosten eines Borsilikatglases mit höherem Erweichungspunkt als Pyrex sind hoch, und es ist schwierig, kommerziell verfügbares massenproduziertes Glas mit einem so hohen Erweichungspunkt zu erhalten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Herstellung von einem mehrlagigen Keramiksubstrat unter Verwendung von Pyrex-Glas studiert und herausgefunden, dass die Sinterung der Glaspartikel während des Binderentfernungsprozesses fortschreitet (bei einer Wärmebehandlung bei 700 bis 880°C in einer nicht oxidierenden Atmosphäre), wenn nur ein geringer Anteil an Füllstoff zugeführt wurde, weil der Erweichungspunkt von Pyrex zu niedrig war, wobei Reste des organischen Binders in dem Glas eingeschlossen wurden, was die unvollständige Entfernung des organischen Binders verursacht. Andererseits, wenn die Menge des Füllstoffes auf 50 oder mehr Vol.-% erhöht wurde, wurde das Sintern der Glaspartikel unterdrückt, und der organische Binder konnte leicht entweichen. Jedoch behinderte die große Menge von Füllstoff das Kompaktsintern und es erforderte eine Zeit von etwa 10 Std. oder länger trotz einer hohen Sintertemperatur von 1050°C. Der Erweichungspunkt unter 850°C ist nicht vorteilhaft wegen eines zu leichten Sinterns der Glaspartikel, und andererseits ist der Erweichungspunkt höher als 1100°C nicht vorteilhaft wegen der Schwierigkeit beim Kompaktsintern unter einer Sintertemperatur von 1050°C oder niedriger.
Ein Glas, das in einer Keramikzusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthalten ist, weist einen Erweichungspunkt in der Höhe von 850 bis 1100°C auf. Deshalb wird im Falle einer Grünplatte, die eine Keramikzusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendet, das Sintern der Glaspartikel nicht während des Binderentfernungsprozesses fortschreiten (eine Wärmebehandlung bei 700 bis 880°C in einer nicht oxidierenden Atmosphäre), und selbst wenn wasserlöslicher organischer Binder verwendet wird, der nicht bereits thermisch ersetzbar ist, werden Reste des organischen Binders nicht in dem Glas eingeschlossen und das Entfernen des Binders ist einfach. Zusätzlich ist eine Grünplatte, die unter Verwendung der Glaskeramikzusammensetzung der vorliegenden Erfindung präpariert wird, innerhalb einer kurzen Zeit (nur 2 Std.) bei einer Temperatur von 1050°C oder niedriger in dem Kompaktsinterprozess kompakt-gesintert.
Borsilikatglas der Erfindung weist eine kleine relative Dielektrizitätskonstante auf, wobei die relative Dielektrizitätskonstante eine schnelle Signalübertragung fördert, wobei dieses Erleichtern vorteilhaft für ein mehrlagiges Schaltungssubstrat ist. Borsilikatglas der vorliegenden Erfindung weist einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Borsilikatglases an den des Siliziums durch Mischen mit einem Füllstoff angeglichen ist, und hat eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit, die in einer Nicht-Kristallisation von Borsäurekristallen auf einer Grünplatte resultiert und zu erhöhter Produktivität führt. Die Glaskeramikzusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist auch vorzuziehen, weil keine Kristallisation von Kristobalitkristallen aus Borsilikatglas auftritt, wenn das Glas, wie oben beschrieben, wärmebehandelt wird. Der thermische Expansionskoeffizient des Siliziums ist 3,0 × 10^– ⁶/°C und der der gesinterten Glaskeramiken ist vorzugsweise 2,0 bis 4,0 × 10^–6/°C.
Ein Füllstoff, der dem Glas der vorliegenden Erfindung zugefügt wird, ist als Partikel in der Glasmatrix nach der Sinterung verteilt und weist vorteilhafte Effekte auf, wie:

(a) Erhöhen der mechanischen Festigkeit der Glaskeramikzusammensetzung,
(b) Angleichung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Glaskeramikzusammensetzung an den des Siliziums, und
(c) Unterdrückung der Kristobalitkristallisation von Borsilikatglas, wenn es wärmebehandelt wird. Wie vorher beschrieben, sind eine hohe Festigkeit und eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante für die Glaskeramikzusammensetzung wünschenswert. Ein Aluminiumoxidfüllstoff zeigt die Vorteile von (a) und (c), Mullit und Cordierit zeigen die Vorteile von (a), (b) und c), und Quarzglas zeigt die Vorteile der Minimierung der relativen Dielektrizitätskonstanten. In der vorliegenden Erfindung sind Füllstoffe einzelne Materialien oder Mischmaterialien dieser Füllstoffe.

Die Glaszusammensetzung der vorliegenden Erfindung wurde durch experimentelle Forschung von dem Gesichtspunkt der Eigenschaften für ein ausgezeichnetes Glasmaterial bestimmt, wie dem Erweichungspunkt, der Wasserbeständigkeit, des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Kristallisation von Kristobalitkristallen und der relativen Dielektrizitätskonstante, wie vorher beschrieben.
In dem Dreistoff-Zusammensetzungsdiagramm des SiO₂-B₂O₃-R₂O Systems, das in 1 gezeigt wird, besteht die erste Zusammensetzung aus 88 % SiO₂ und 12 % B₂O, die dritte Zusammensetzung besteht aus 82 % SiO₂ und 18 % B₂O₃, die zehnte Zusammensetzung besteht aus 84 % SiO₂, 10 % B₂O₃ und 6 % R₂O, die elfte Zusammensetzung besteht aus 90 % SiO₂, 5 % B₂O₃ und 5 % R₂O, und die vierte Zusammensetzung besteht aus 89 % SiO₂, 10 % B₂O₃ und 1 % R₂O, jeweils in Gew.-%, wobei das erste Glas-Zusammensetzungsgebiet ein Gebiet ist, das mit fünf geraden Linien definiert wird, nämlich einer Linie, die einen Punkt der ersten Zusammensetzung und einen Punkt der dritten Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der dritten Zusammensetzung und einen Punkt der zehnten Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der zehnten Zusammensetzung und einen Punkt der elften Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der elften und einen Punkt der vierten Zusammensetzung verbindet, und einer Linie, die den Punkt der vierten Zusammensetzung und den Punkt der ersten Zusammensetzung verbindet (wobei das Gebiet die Linien einschließt).
Der Erweichungspunkt des Glases, das in dem Gebiet enthalten ist, reicht von 850 bis 1100°C, die Wasserbeständigkeit liegt auf einem praktischen Niveau und der thermische Ausdehnungskoeffizient ist anpassbar an das Silizium durch Hinzufügen von Füllstoff. SiO₂ und B₂O bilden eine Netzwerkstruktur des Glases, das Erhöhen des SiO₂-Gehalts erhöht den Erweichungspunkt und verbessert die Wasserbeständigkeit und, im Gegensatz dazu, erniedrigt die Erhöhung von B₂O₃ den Erweichungspunkt und vermindert die Wasserbeständigkeit. R₂O wirkt als Netzwerkmodifizierer, wobei die Erhöhung des R₂O den Erweichungspunkt erniedrigt und die Wasserbeständigkeit des B₂O₃ in einem bestimmten Zusammensetzungsgebiet verbessert.
Ein Glas, das eine SiO₂-reiche Zusammensetzung aufweist in dem Gebiet oberhalb der Linien, die die erste Zusammensetzung, die vierte Zusammensetzung und die elfte Zusammensetzung verbinden, zeigt einen exzessiv hohen Erweichungspunkt und ist nicht bevorzugt. Ein Glas, das eine Zusammensetzung aufweist, die mehr R₂O als eine Zusammensetzung umfasst, die auf der Linie liegt, welche die elfte Zusammensetzung und die zehnte Zusammensetzung verbindet, zeigt einen exzessiv hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ist nicht bevorzugt. Die Zusammensetzung, die weniger SiO₂ als die Zusammensetzung auf der Linie enthält, welche die dritte Zusammensetzung und die zehnte Zusammensetzung verbindet, zeigt eine exzessive B₂O₃ Elution und ist nicht bevorzugt.
In dem Dreistoff-Zusammensetzungsdiagramm des SiO₂-B₂O₃-R2O-System, das in 1 gezeigt ist, besteht die vierte Verbindung aus 89 % SiO₂, 10 % B₂O₃ und 1 % R₂O, die fünfte Zusammensetzung besteht aus 87 % SiO₂, 11,5 % B₂O₃ und 1,5 % R₂O, die neunte Zusammensetzung besteht aus 84,7 SiO₂, 10,8 % B₂O₃ und 4,5 % R₂O, die zehnte Zusammensetzung besteht aus 84 % SiO₂, 10 % B₂O₃ und 6 % R₂O, und die elfte Zusammensetzung besteht aus 90 % SiO₂, 5 % B₂O₃ und 5 % R₂O, jeweils in Gew.-%, wobei das zweite Glas-Zusammensetzungsgebiet ein Gebiet ist, das mit fünf geraden Linien definiert wird, nämlich einer Linie, die eine Punkt der vierten Zusammensetzung und einen Punkt der fünften Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der fünften Zusammensetzung und einen Punkt der neunten Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der neunten Zusammensetzung und einen Punkt der zehnten Zusammensetzung verbindet, einer Linie, die den Punkt der zehnten Zusammensetzung und einen Punkt der elften Zusammensetzung verbindet, und einer Linie, die den Punkt der elften Zusammensetzung und den Punkt der vierten Zusammensetzung verbindet (wobei das Gebiet die Linien einschließt).
Ein Glas, das eine Zusammensetzung aufweist, die in diesem Gebiet enthalten ist, zeigt insbesondere eine hohe Wasserbeständigkeit (nämlich eine reduzierte B₂O₃ Elution) unter den Gläsern, die in dem oben erwähnten ersten Zusammensetzungsgebiet enthalten sind. Ein Glas, das eine Zusammensetzung aufweist, die in dem zweiten Zusammensetzungsgebiet enthalten ist, ist vorteilhafter, weil Grünplatten, die unter Verwendung des Glas vorbereitet werden, in jeder Atmosphäre ohne Beschränkungen gelagert und gehandelt werden können.
Das dritte Zusammensetzungsgebiet des Glases, aus welchem die Auswahl gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt, ist ein Gebiet, das durch Hinzufügen von Al₂O₃ in einer Menge von 90 % oder weniger, basierend auf einer molaren Menge des R₂O, das in dem Glas enthalten ist, erhalten wird, und einer Zusammensetzung, die in dem zweiten Zusammensetzungsgebiet enthalten ist, aufweist. R stellt Alkalimetalle wie Na und K dar. Ein Glas, das eine Zusammensetzung aufweist, die in dem dritten Zusammensetzungsgebiet enthalten ist, ist besonders bevorzugt, weil das Vorhandensein von Al₂O₃ die Kristallisation von Kristobalitkristallen von dem Glas unterdrückt, wenn das Glas wärmebehandelt wird. Ein Glas, das Al₂O₃ in einer Menge, die 90 % basierend auf dem molaren Anteil von R₂O übersteigt, der in dem Glas enthalten ist, ist nicht vorteilhaft, weil der Erweichungspunkt des Glases 1100°C übersteigt.
Der Mechanismus der Unterdrückung der Kristobalitkristallisation durch Hinzufügung von Al₂O₃ wird wie hiernach beschrieben angenommen.
Ein Glas des SiO₂-B₂O₃-R₂O Systems weist eine ungeordnete Netzwerkstruktur auf, die zusammengesetzt ist aus einem Si-Atom koordiniert mit vier Sauerstoffatomen, einem B-Atom koordiniert mit drei Sauerstoffatomen und einem B-Atom koordiniert mit vier Sauerstoffatomen, wie in 7(a) gezeigt. Ein B-Atom koordiniert mit vier Sauerstoffatomen zieht ein R-Ion zur Ladungskompensation an. Wenn Al₂O₃ zu dem Dreikomponentensystem hinzugefügt wird, ändert sich ein B-Atom, das mit vier Sauerstoffatomen koordiniert ist, zu einem B-Atom, das mit drei Sauerstoffatomen koordiniert ist, und ein Al-Atom wird mit vier Sauerstoffatomen koordiniert und zieht ein R-Ion, wie in 7(b) gezeigt, an. Ein B-Atom, koordiniert mit drei Sauerstoffatomen, vereinfacht leichter die Elution von B₂O₃ als ein B-Atom, das mit vier Sauerstoffatomen koordiniert ist. Das Hinzufügen von Al₂O₃ verursacht eine leichte Erhöhung in der Elution des B₂O₃, wobei vermutlich diese Erhöhung der Änderung des B-Atoms, das mit vier Sauerstoffato men koordiniert ist, zu einem B-Atom, das mit drei Sauerstoffatomen koordiniert ist, zuzuschreiben ist.
Der Vergleich der Wärmebehandlung des Glases mit und ohne Al₂O₃-Hinzufügung wird untersucht. Wie hierin oben beschrieben, enthält Glas ohne Al₂O₃-Zusatz ein B-Atom, das mit vier Sauerstoffatomen koordiniert ist. Wie in 8(a) gezeigt, ist eine B-O-Bindung und eine anziehende Bindung des R-Ions relativ schwach in der Struktur des B-Atoms, das mit vier Sauerstoffatomen koordiniert ist, deshalb werden die Bindungen in einer Hochtemperaturatmosphäre aufgebrochen und Si mit nicht Brücken bildendem Sauerstoff wird vermutlich leicht gebildet. Das Si mit nicht Brücken bildendem Sauerstoff verursacht die Verminderung der Viskosität in einer Hochtemperaturatmosphäre und Kristobalitkristalle kristallisieren leicht. Andererseits koordiniert ein Al-Atom in dem Fall des Glases mit Al₂O₃-Zusatz mit vier Sauerstoffatomen. Wie in 8(b) gezeigt, sind eine Al-O-Bindung und eine anziehende Bindung des R-Ions relativ stark in der Struktur des Al-Atoms, das mit vier Sauerstoffatomen koordiniert ist, wobei die Bindung nicht leicht in einer Hochtemperaturatmosphäre aufgebrochen wird, und Kristobalitkristalle nicht leicht kristallisieren. Jedoch ergibt sich nachteilig durch den Zusatz von einer exzessiven Menge von Al₂O₃ ein exzessiv hoher Erweichungspunkt des Glases.
Das vierte Zusammensetzungsgebiet des Glases ist ein Zusammensetzungsgebiet, das durch Addieren von 1 bis 4 Gew.-% ZnO in einem Glas in den ersten bis dritten Zusammensetzungsgebieten erhalten wird. Glas im vierten Zusammensetzungsgebiet ist durch eine reduzierte B₂O₃ Elution und eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante gekennzeichnet. Wenn ein Zusatz von ZnO geringer als 1 Gew.-% ist, ist die Wirkung des Zusatzes nicht bemerkenswert, und der Zusatz von ZnO in einer Menge von mehr als 4 Gew.-% verursacht nachteilig die Kristallbildung von Glas, wenn es wärmebehandelt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Dreistoff-Zusammensetzungsdiagramm des SiO₂-B₂O₃-R₂O Systems zur Darstellung des Zusammensetzungsgebietes des Glases, aus welchem die Auswahl gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt.
2 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern des Herstellungsprozesses des mehrlagigen Schaltungssubstrats.
3 ist ein Dreistoff-Zusammensetzungsdiagramm des SiO₂-B₂O₃-K₂O Dreikomponenten-Systems zur Erläuterung der B₂O₃ Elutionskurve.
4 ist ein Graph zur Beschreibung der Beziehung zwischen B₂O₃ Elution und einem Al₂O₃/K₂O molaren Verhältnis für SiO₂-B₂O₃-K₂O-Al₂O₃ Glas.
5 ist ein Graph zur Beschreibung der Beziehung zwischen dem Erweichungspunkt und einem Al₂O₃/K₂O molaren Verhältnis für SiO₂-B₂O₃-K₂O-Al₂O₃ Glas.
6 ist ein Graph zur Beschreibung der Beziehung zwischen Kristobalitkristallisation und einem Al₂O₃/K₂O molaren Verhältnis für SiO₂-B₂O₃-K₂O-Al₂O₃ Glas.
7 schließt die 7(a) und (b) ein. 7(a) ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines strukturellen Modells eines SiO₂-B₂O₃-R₂O Glases, und 7(b) ist ein schematisches Diagramm zum Darstellen der strukturellen Änderung, wenn Al₂O₃ dem SiO₂-B₂O₃-R₂O Glas hinzugefügt wird.
8 schließt die 8(a) und 8(b) ein. 8(a) ist ein schematisches Diagramm zum Darstellen der strukturellen Änderung, wenn SiO₂-B₂O₃-R₂O Glas bei hoher Temperatur erhitzt wird, und 8(b) ist ein schematisches Diagramm zum Darstellen der strukturellen Änderung, wenn SiO₂-B₂O₃-R₂O-Al₂O₃ Glas bei hoher Temperatur erhitzt wird.
9 ist ein Graph zur Beschreibung der Beziehung B₂O₃ Elution und ZnO Gehalt für ein SiO₂-B₂O₃-ZnO Glas.
10 ist ein Graph zur Beschreibung der Beziehung zwischen Binderentfernungstemperatur und Binderentfernungszeit.
11 ist ein Graph zur Beschreibung der Beziehung zwischen Glaserweichungspunkt und Füllstoffgehalt, der zur Binderentfernung erforderlich ist.
12 ist ein Kurvensatz zur Beschreibung der Beziehung zwischen einer Kompaktsintertemperatur und einem Füllstoffgehalt und einem Erweichungspunkt für eine Glas-Füllstoffzusammensetzung.
13 ist ein Kurvensatz zur Beschreibung der Sinterkompaktierung für eine Glas-Füllstoffzusammensetzung.
14 ist ein Graph zur Beschreibung der Beziehung zwischen Biegefestigkeit und Füllstoffgehalt für eine Glas-Füllstoffsinterzusammensetzung.
15 ist eine Querschnittsansicht eines mehrlagigen Schaltungssubstrats.
16 ist eine Querschnittsansicht eines mehrlagigen Schaltungssubstrats, das mit LSIs und Eingangs-/Ausgangsstiften montiert ist.
17 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Instruktionsprozessormoduls.
18 ist ein Diagramm zum Erläutern der Systemstruktur eines elektronischen Computers.
19 ist ein Dreistoff-Zusammensetzungsdiagramm des SiO₂-B₂O₃-Na₂O Dreikomponentensystems mit B₂O₃ Elutionskurven.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.
Hierunter werden Symbole und Beschreibung, die in den Zeichnungen verwendet werden, aufgelistet.

1: Kugelmühle
2: Aufschlämmung
3: Gussmaschine
4: Grünplatte
5: Stanzwerkzeug
6: Rakel
7: Paste
8: Ofen
9, 51: Durchgangsloch
10, 52: Schaltkreisleitungen
11: LSI
12: Eingangs-/Ausgangsstift
13, 14: Verbindungslot
15: Mikrorippe
16: Wasserkühlmantel
17: mehrlagiges Schaltungssubstrat
18: Verbinder
181: Hauptspeichereinheit
182: erweiterte Speichereinheit
183: Systemsteuergerät
184: Eingangs-/Ausgangsprozessor,
185: Instruktionsprozessor.

<Beispiel 1>
(1) Vorbereitung des Glases
Silikatsäureanhydrid- (SiO₂), Borsäure- (H₃BO₃) und Kaliumkarbonat- (K₂CO₃) Materialien wurden in unterschiedlichen Kombinationen gewogen in einer Menge zur Vorbereitung unterschiedlicher Zusammensetzungen, so dass SiO₂-B₂O₃-R₂O Gläser mit gewünschten Zusammensetzungen schließlich erhalten wurden. Die Materialien wurden in einer Kugelmühle gemischt, um gemischtes Pulver zu erhalten. Das gemischte Pulver wurde in einen Platintiegel oder einen Platinrhodiumtiegel eingegeben, wobei der Tiegel in einem elektrischen Ofen platziert wurde, der für eine Stunde auf eine Temperatur aufgeheizt wurde, welche das gemischte Pulver in dem Tiegel schmolz, und dann aus dem elektrischen Ofen herausgenommen wurde und in Wasser getaucht wurde, um einen Glasblock aus Borsilikatglas in amorpher Form zu erhalten. Der Glasblock, der aus dem Tiegel herausgenommen wurde, wurde teilweise als Probenmaterial zum Bemessen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet, und teilweise pulverisiert, um eine Glaspulverprobe vorzubereiten. Für einige vorbereitete Proben (Proben der ersten bis elften Zusammensetzung), der Zusammensetzung und der Heiztemperatur, der B₂O₃ Elution, des Erweichungspunktes, des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der relativen Dielektrizitätskonstante und der Kristobalitkristallisation des Glases, das unter Verwendung der Proben, die unterschiedliche Zusammensetzungen aufwiesen, vorbereitet wurde, sind in Tabelle 1 aufgelistet. Zusammensetzungen der ersten Zusammensetzung bis zur elften Zusammensetzung sind in 1 mit kleinen Kreisen aufgetragen, die im Zentrum den Punkt der Zusammen setzung jeweils aufweisen. Eine Nummer, die in dem Kreis gezeigt wird, stellt die jeweilige Zusammensetzungsnummer dar. SiO₂-B₂O₃-K₂O Glaszusammensetzung und Eigenschaften (Tabelle 1)

– : nein
+ : leicht
++ :signifikant

(2) Bewertung der Wasserbeständigkeit des Glaspulvers
Die Wasserbeständigkeit des erhaltenen Borsilikatglases wird, wie unten beschrieben, bewertet. 1 g des Glaspulvers und 150 g reinen Wassers werden in einen 300 ml Teflonkelch (Handelsname von DuPont Co.) eingefüllt, wobei der Teflonkelch mit einem Polyäthylenfilm abgedeckt wurde und bei 90°C in einem Ofen mit einem Thermostat für acht Stunden gehalten wurde. Das Probenwasser wurde herausgetan und zentrifugiert, um oben schwimmendes Material zu erhal ten, wobei das oben schwimmende Material gefiltert wird, um ein Filtrat zu erhalten und das Filtrat wurde als Probenlösung verwendet. Ein B-Atom, eluiert in dem Filtrat, wurde erfasst und bestimmt durch ICP (Inductively Coupled Plasma) Emissions-Spektralanalyse. Das spezifische Oberflächengebiet des Glases wurde durch eine BET-(Brunauer-Emmett-Teller)-Methode bestimmt und die B₂O₃ Elution pro Einheit des Oberflächengebietes des Glaspulvers wurde von der bestimmten Menge des B-Atoms und dem spezifischen Oberflächengebiet des Glases berechnet. Das Ergebnis ist in 3 gezeigt. Für Gläser der ersten Zusammensetzung bis zur elften Zusammensetzung ist die ermittelte B₂O₃ Elution auch in Tabelle 1 aufgelistet. Die Kurve in 3 schließt die experimentellen Ergebnisse des Glases, das eine andere Zusammensetzung als das in Tabelle 1 gelistete aufweist, ein.
In 3 ist eine Linie a die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 20 mg/m², ist eine Linie b die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 10 mg/m², ist eine Linie c die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 6 mg/m², ist eine Linie d die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 4 mg/m², ist eine Linie e die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 2 mg/m², ist eine Linie f die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 0,7mg/m², ist eine Linie g die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 0,5 mg/m². Wie in 3 gezeigt, vermindert sich im Fall der Glaszusammensetzung, die etwa 3 oder weniger Gew.-% des K₂O als Glaskomponente enthält, die B₂O₃ Elution mit dem Erhöhen der K₂O Komponente in dem Fall der Glaszusammensetzung, die etwa 3 oder mehr Gew.-% des K₂O enthält, erhöht sich die B₂O₃ Elution mit dem Zunehmen von B₂O₃.
(3) Bewertung der Wasserbeständigkeit der Grünplatte
Grünplatten wurden unter Verwendung von Pulverprüflingen des SiO₂-B₂O₃-K₂O Glases vorbereitet, die unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wobei Grünplatten-Proben einer Raumtemperatur-Atmosphäre von 55 bis 92 % relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wurden und eine Kristallisation von Borsäure beobachtet wurde.
Eine Grünplatte der Glaszusammensetzung mit B₂O₃ Elution von 20 mg/m² (dritte Zusammensetzung in Tabelle 1, die insgesamt in 3 gezeigt wird) kristallisiert keine signifikanten Borsäurekristalle während einer Aussetzung von einem Monat in einer Atmosphäre von 55 % relativer Luftfeuchtigkeit, aber kristallisiert signifikant Borsäurekristalle während einer Aussetzung für eine Woche in einer Atmosphäre von 75 % oder höherer Luftfeuchtigkeit.
In dem Fall, in dem fünf Glaszusammensetzungen mit B₂O₃ Elution von 2 mg/m² (vierte Zusammensetzung in Tabelle 1 (aufgezeigt als e1 in 3), fünfte Zusammensetzung (gezeigt als e2 in 3), neunte Zusammensetzung (gezeigt als e3 in 3), zehnte Zusammensetzung (gezeigt als e4 in 3) und die Zusammensetzung, die als e5 in 3 gezeigt wird) verwendet wurden, resultierte das Aussetzen von zwei Monaten in einer Atmosphäre von 75 bis 92 % relativer Luftfeuchtigkeit in keiner signifikanten Kristallisation von Borsäurekristallen.
Demgemäß erlaubt die Verwendung des Glases mit Zusammensetzung mit B₂O₃ Elution von 20 mg/m² oder weniger die Lagerung und Handhabung in einer weniger eingeschränkten Atmosphäre und insbesondere die Verwendung der Glaszusammensetzung mit B₂O₃ Elution von 2 mg/m² oder weniger erlaubt vorzugsweise die Lagerung und Handhabung in einer essentiell nicht eingeschränkten Atmosphäre. Eine Glaszusammensetzung mit B₂O₃ Elution von 20 mg/m² wird praktisch verwendet, obwohl die Atmosphäre für Lagerung und Handhabung in einem gewissen Grade begrenzt ist, und wird in der vorliegenden Erfindung verwendet, wenn andere Eigenschaften bevorzugt werden.
(4) Bewertung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
Unter Verwendung vorbereiteter Borsilikatglas-Proben wurde ein Glasblock in eine Stabprobe mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 15 mm umgeformt und der thermische Ausdehnungskoeffizient wurde in einem Temperaturbereich von 0 bis 200°C unter Verwendung eines Laser-interferometrischen thermischen Ausdehnungsmessgerätes gemessen. Die gemessenen thermischen Ausdehnungskoeffizientenwerte der Gläser der ersten Zusammensetzung bis zur elften Zusammensetzung sind in Tabelle 1 aufgelistet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Gläser der ersten Zusammensetzung bis zu der elften Zusammensetzung ist so niedrig wie 4,0 × 10^–6/°C oder weniger für alle Zusammensetzungen und es ist offensichtlich, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glases an den des Siliziums durch Zusatz von Füllstoff angepasst werden kann.
(5) Bewertung des Erweichungspunktes
Ein Erweichungspunkt wurde durch konventionelle differentielle thermische Analyse unter Verwendung von Glaspulverproben gemessen. Das Ergebnis der Messung ist in Tabelle 1 aufgelistet für die erste Zusammensetzung bis zu der elften Zusammensetzung. Der Erweichungspunkt von 850 bis 1100°C ist bevorzugt. Der Erweichungspunkt des Glases der ersten Zusammensetzung bis zu der elften Zusammensetzung ist in diesem Temperaturbereich für alle Zusammensetzungen eingeschlossen.
(6) Bewertung der Kristobalitkristallisation
1 g des Glaspulvers wurde geformt, um eine Scheibenprobe mit einem Durchmesser von 15 mm durch eine konventionelle Druckmethode vorzubereiten und die Scheibe wurde wärmebehandelt bei 800°C für 50 Stunden in einem Elektroofen, um eine gesinterte Scheibe zu erhalten. Für die Simulation der Herstellungsbedingungen für mehrlagige Substrate wurde die Wärmebehandlungsbedingung angewendet. Die gesinterte Scheibenprobe wurde einer Röntgenstrahlbeugungsmetho de unterworfen, um den Kristobalit-Kristallgehalt zu bestimmen. Das Ergebnis der Messung ist in Tabelle 1 für alle Glaszusammensetzungen von der ersten bis zur elften aufgelistet. Für alle Zusammensetzungen ist die Kristobalit-Kristallisation in einem praktisch verwertbaren Bereich, obwohl einige Kristobalitkristalle für K₂O-reiche Zusammensetzungen der sechsten bis zur elften beobachtet wurden.
(7) Bewertung der relativen Dielektrizitätskonstanten
10 g der Glaspulverprobe wurden geformt, um eine Scheibenprobe mit einem Durchmesser von 47 mm durch ein konventionelles Druckverfahren zu bilden und die Scheibenprobe wurde auf etwa 800°C für zwei Stunden in einem Elektroofen wärmebehandelt, um eine gesinterte Scheibenprobe zu erhalten. Die gesinterte Scheibe wurde zu einer Scheibe mit einer Dicke von 0,5 mm verarbeitet, ein Cr/Cu-Film wurde auf beiden Seiten als Elektrode gesputtert und die elektrische Kapazität wurde unter Verwendung eines LCR (Induktions-Kapazitäts-Widerstand)-Messgerätes (Messfrequenz: 1 MHz, Eingangssignal-Niveau: 1 Veff) gemessen, um die relative Dielektrizitätskonstante zu erhalten. Das Messergebnis wurde in Tabelle 1 für alle von der ersten bis zur elften Zusammensetzung aufgelistet. Die relative Dielektrizitätskonstante ist vorzugsweise 5,0 oder weniger für alle von der ersten bis zur elften Zusammensetzung.
(8) Zusammenfassung der Bewertung
Das experimentelle Ergebnis, das vorher beschrieben wurde, wird wie folgt zusammengefasst. Ein Glas mit einer Zusammensetzung, die das Gebiet einschließt, das mit fünf Linien definiert ist (das Gebiet einschließlich der Linien), das den Punkt der ersten Zusammensetzung, den Punkt der dritten Zusammensetzung, den Punkt der zehnten Zusammensetzung, den Punkt der elften Zusammensetzung, den Punkt der vierten Zusammensetzung und den Punkt der ersten Zusammensetzung in der Reihenfolge verbindet, hat einen Erweichungspunkt in einem Bereich von 850 bis 1100°C, eine Wasserbeständigkeit von praktisch verwendbarem Niveau und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,0 × 10^–6/°C oder weniger, der an den des Siliziums durch Zufügen von Füllstoff anpassbar ist. Die Kristobalitkristallisation und die relative Dielektrizitätskonstante sind in einem praktisch verwendbaren Bereich.
Andererseits hat ein Glas mit einer Zusammensetzung in dem Gebiet, das durch die fünf Linien (das Gebiet schließt die Linien ein) definiert ist, und das in der Reihenfolge von dem Punkt der vierten Zusammensetzung, dem Punkt der fünften Zusammensetzung, dem Punkt der neunten Zusammensetzung, dem Punkt der zehnten Zusammensetzung, dem Punkt der elften Zusammensetzung und dem Punkt der vierten Zusammensetzung verbunden ist, die B₂O₃ Elution insbesondere so niedrig wie 2 mg/m² oder weniger, wobei die niedrige Elution vorzugsweise das Lagern und die Handhabung in einer im Wesentlichen nicht eingeschränkten Atmosphäre erlaubt.
<Beispiel 2>
SiO₂-B₂O₃-Na₂O Gläser unterschiedlicher Zusammensetzung wurden in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 beschrieben vorbereitet, außer dass Natrium-Carbonat (Na₂CO₃) anstelle von Kalium-Carbonat (K₂CO₃) verwendet wurde. Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Glasproben wurden in der gleichen Weise bewertet wie im Beispiel 1 beschrieben. Es wurde herausgefunden, dass diese Proben Aufheiztemperaturen, Erweichungspunkt, thermischen Ausdehnungskoeffizient und relative Dielektrizitätskonstante aufwiesen, ähnlich zu denjenigen beschrieben für das K₂O-enthaltende Glas in Beispiel 1. Von dem experimentellen Ergebnis der Wasserbeständigkeit und der Kristobalitkristallisation wurde herausgefunden, dass folgende Eigenschaften spezifisch für Na₂O-enthaltenes Glas waren.
Die B₂O₃ Elutions-Eigenschaft des SiO₂-B₂O₃-Na₂O Glases ist in 19 gezeigt. In 19 ist eine Linie a die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 20 mg/m², ist eine Linie b die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 10 mg/m², ist eine Linie c die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 6 mg/m², ist eine Linie d die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 4 mg/m² und ist eine Linie e die konstante B₂O₃ Elutionskurve für 2 mg/m^2..
Im Fall der B₂O₃ Elutionskurven für SiO₂-B₂O₃-Na₂O Glas sind die Elutionskurven parallel zueinander angeordnet, aber in dem Fall der B₂O₃ Elutionskurven für SiO₂-B₂O₃-Na₂O Glas sind die Elutionskurven ungeordnet (19). Die Unordnung ist vermutlich der Eigenschaft der Phasentrennung von Na₂O-enthaltendem Glas zuzuschreiben, das bedeutet die Neigung der Phase, sich in zwei unterschiedliche Glasfasern mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zu trennen. Die Kristallisation von Kristobalitkristall des Na₂O Glases ist, wenn es wärmebehandelt wird, größer als das des K₂O Glases, d.h. das Zweifache des K₂O Glases, aber die Kristallisation ist nicht so gravierend, um eine praktische Verwendung zu verhindern. Demzufolge haben sowohl das Na₂O Glas und das K₂O Glas Vorteile, für die vorliegende Erfindung wird aber K₂O Glas mit verminderter Phasentrennung und Kristobalitkristallisation benutzt.
<Beispiel 3>
Es wird Glas, das Al₂O₃ zusätzlich zu SiO₂, B₂O₃ und R₂O aufweist, untersucht. In diesem Beispiel wurde ein Zusammensetzungsbeispiel, das in dem Gebiet mit fünf Linien definiert ist (wobei das Gebiet die Linien einschließt), die in der Reihenfolge verbunden sind von dem Punkt der fünften Zusammensetzung, dem Punkt der dritten Zusammensetzung, dem Punkt der zehnten Zusammensetzung, dem Punkt der elften Zusammensetzung, dem Punkt der vierten Zusammensetzung, dem Punkt der ersten Zusammensetzung in dem Dreistoff-Zusammensetzungsdiagramm für SiO₂-B₂O₃-R₂O-System, ein Mischpulver des silikatischen Säure-Anhydrids, der Borsäure, des Kalium-Carbonats verwendet, das vorbereitet wurde und 86,6 Gew.-% des SiO₂, 9,3 Gew.-% des B₂O₃ und 4,1 Gew.-% des K₂O (näherungsweise gleich der achten Zusammensetzung) enthält. Aluminiumoxid-(Al₂O₃)-Pulver wurde zu dem gemischten Pulver zusätzlich in unterschiedlichen Mengen hinzugefügt, um so Zusammensetzungen, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, vorzubereiten, wobei das Pulver in einer Kugelmühle gemischt wurde, um ein gemischtes Pulver zu erhalten, das die Zusammensetzungen der zwölften Zusammensetzung bis zur sechzehnten Zusammensetzung, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, aufzuzeigen. Unter Verwendung dieser gemischten Pulver wurden Glasproben in der gleichen Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, vorbereitet und die Eigenschaften dieser Proben wurden bewertet. Das Verhältnis (molares Verhältnis) von Al₂O₃ zu R₂O (in diesem Beispiel K₂O) für jede Zusammensetzung, Aufheiztemperatur, gemessenen Werten des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der relativen Dielektrizitätskonstanten sind in Tabelle 2 aufgelistet. Von den experimentellen Ergebnissen wird offensichtlich, dass das Erhöhen von Al₂O₃ Gehalt im Wesentlichen keine Änderung im thermischen Ausdehnungskoeffizienten und in der relativen Dielektrizitätskonstante verursacht und diese gemessenen Werte sind in dem bevorzugten Bereich enthalten.
Der Effekt des Al₂O₃ Zusatzes auf die B₂O₃ Elution wird geprüft. Die B₂O₃ Elution des Glases der achten Zusammensetzung, die kein Al₂O₃ enthält, und des Glases der zwölften bis sechzehnten Zusammensetzung sind in 4 gezeigt. In 4 ist der Gehalt des Al₂O₃ zu dem molaren Verhältnis des K₂O Gehalts in der Glaszusammensetzung normiert. Eine Zahl in einem kleinen Kreis stellt die Glaszusammensetzungsnummer dar. Von 4 ist es offensichtlich, dass die B₂O₃ Elution ansteigt mit Erhöhen des Al₂O₃ Gehalts. Jedoch resultiert der erhöhte Al₂O₃ Gehalt so groß wie 90 % des molaren K₂O Gehalts in einer B₂O₃ Elution von nur 1,6 mg/m²; deshalb verursacht das Erhöhen der B₂O₃ Elution und des Zusatzes von Al₂O₃ kein Problem.
SiO₂-B₂O₃-K₂O-Al₂O₃ Glaszusammensetzung und Eigenschaften (Tabelle 2)
Die Wirkung des Al₂O₃ Zusatzes auf den Erweichungspunkt wird geprüft. Der Erweichungspunkt des Glases mit den Zusammensetzungen von acht, und zwölf bis sechzehn ist in 5 gezeigt. In 5 ist der Al₂O₃ Gehalt auf das molare Verhältnis zu dem K₂O Gehalt in der Glaszusammensetzung in gleicher Weise normiert wie in 4 beschrieben. Eine Nummer in einem kleinen Kreis stellt die Glaszusammensetzungsnummer dar. Von 5 ist es offensichtlich, dass der Al₂O₃ Gehalt mit Überschreiten von 90 % des K₂O molaren Gehalts zu einem Erweichungspunkt führt, der noch über 1100°C hinausgeht. Daher ist ein derart hoher Al₂O₃ Gehalt nicht bevorzugt.
Schließlich wird die Wirkung des Al₂O₃ Zusatzes auf die Kristobalitkristallisation (dargestellt durch die Beugungsintensität von Kristobalitkristallen) geprüft. Die Kristobalitkristallisation der Gläser mit der achten Zusammensetzung und der zwölften Zusammensetzung bis zur sechzehnten Zusammensetzung werden in 6 gezeigt. Der Gehalt von Al₂O₃ ist auf das molare Verhältnis zu dem K₂O-Gehalt in der Glaszusammensetzung in der gleichen Weise, wie in 4, normalisiert. Eine Nummer in einem kleinen Kreis stellt die Glaszusammensetzungsnummer dar. Von 6 ist es offensichtlich, dass der erhöhte Al₂O₃ Gehalt in einer reduzierten Kristobalitkristall-Röntgenstrahl-Beugungsintensität resultiert (nämlich einer Menge des kristallisierten Kristobalitkristalls). Im Falle des Al₂O₃ Gehalts von 80 % oder mehr im Verhältnis zu dem K₂O molaren Gehalt, kristallisiert kein Kristobalitkristall, wenn es wärmebehandelt wird.
Ein Kristobalitkristall weist einen Übergangspunkt von etwa 230°C auf, bei dem der Kristall-Phasen-Übergang begleitet von einer drastischen Volumenänderung auftritt, wobei die Volumenänderung ein Brechen des Substrats verursacht, weshalb die Kristallisation nicht bevorzugt ist. Wenn jedoch das Füllstoffmaterial den Effekt des Verhinderns der Kristallisation von Kristobalitkristallen im Borsilikatglas zeigt, während der die Reaktion zwischen Glas und Füllstoff beim Sintern erwartet wird, kann tatsächlich der Kristobalitkristall nicht aus der Glasfüllstoff-Zusammensetzung kristallisieren, selbst wenn die Glasfüllstoff-Zusammensetzung der Bedingung unterworfen wird, bei welcher Kristallisation von Kristobalit aus der Glaszusammensetzung ohne Füllstoff veranlasst wird. Wenn deshalb ein Substrat unter Verwendung einer Zusammensetzung, die Glas und Füllstoff verwendet, hergestellt wird, ist das Glas mit einer Zusammensetzung, welche die Kristallisation von Kristobalitkristallen aus dem Glas, das keinen Füllstoff enthält, verursacht, auch geeignet für die vorliegende Erfindung, wenn die Zusammensetzung des Glases und des Füllstoffs keine Kristallisation von Kristobalit verursacht. Gläser mit der achten Zusammensetzung und der zwölften Zusammensetzung haben einen solchen Vorteil. Ein Glas, das keine Kristallisation von Kristobalitkristallen verursacht bei Verwendung von Glas allein ohne Füllstoff bei Wärmebehandeln, ist vorteilhaft einsetzbar, weil es eine breitere Auswahl von Füllstoffen erlaubt und den Herstellprozess stabilisiert.
Von dem experimentellen Ergebnis, das oben beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass Glas vorzugsweise Al₂O₃ in einem molaren Verhältnis von 90 % oder weniger zu R₂O enthält. Es ist offensichtlich, dass der Zusatz von Al₂O₃ in einem molaren Verhältnis von 50 % oder mehr zu R₂O signifikanterweise die Kri stallisation von Kristobalitkristallen unterdrückt und 80 % oder mehr die Kristallisation vorzugsweise vollständig unterdrückt.
<Beispiel 4>
Der Zusatz von ZnO zusätzlich zu SiO₂, B₂O₃, R₂O und Al₂O₃ (nämlich SiO₂-B₂O₃-R₂O-Al₂O₃-ZnO Glas) wird geprüft. Silikatsäure-Anhydrid, Borsäure, Kaliumkarbonat, Natriumkarbonat, Aluminiumoxid und Zinkoxid (ZnO) Pulver wurden gewogen, um eine Glaszusammensetzung, die in Tabelle 3 aufgelistet ist, vorzubereiten, die in einer Kugelmühle gemischt wurden und es wurden die gemischten Pulver mit der siebzehnten Zusammensetzung bis zu der dreiundzwanzigsten Zusammensetzung, die in Tabelle 3 aufgelistet sind, erhalten. Unter Verwendung der gemischten Pulver wurden Gläser in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 vorbereitet und die Eigenschaften wurden bewertet. Die Erhitzungstemperatur, die B₂O₃ Elution, der Erweichungspunkt, der thermische Ausdehnungskoeffizient, die relative Dielektrizitätskonstante und die Kristobalitkristallisation wurden an diesen Zusammensetzungen gemessen und das Ergebnis in Tabelle 3 aufgelistet. SiO₂-B₂O₃-R₂O-Al₂O₃-ZnO Glaszusammensetzung und Eigenschaften (Tabelle 3)

- : nein
+ : leicht
++ :signifikant

Wie offensichtlich von Tabelle 3 haben Gläser mit der siebzehnten Zusammensetzung bis zur dreiundzwanzigsten Zusammensetzung verminderte B₂O₃ Elution, thermische Ausdehnungskoeffizienten und relative Dielektrizitätskonstanten, wobei diese Ergebnisse vorteilhaft für die vorliegende Erfindung sind. Der Erweichungspunkt für alle Zusammensetzungen reicht vorzugsweise von 900 bis 1060°C. Keine oder leichte Kristobalitkristallisationen wurde für alle Zusammensetzungen vorteilhaft für die vorliegende Erfindung beobachtet.
ZnO-Pulver wurde hinzugefügt in unterschiedlichen Mengen zu dem gemischten Pulvermaterial der zweiten Zusammensetzung (die Zusammensetzung ist in Tabelle 1 aufgelistet), um Gläser zu präparieren und die B₂O₃ Elution wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 gemessen. Das Verhältnis zwischen ZnO Gehalt und B₂O₃ Elution wird in 9 gezeigt. Es ist offensichtlich in 9, dass der Zusatz von ZnO dramatisch die B₂O₃ Elution vermindert. Von dem experimentellen Ergebnis ist es verständlich, dass der Zusatz von ZnO vorteilhaft für die Präparation des Glases ist. Wie aus Tabelle 3 offensichtlich, ist SiO₂-B₂O₃-Na₂O-K₂O-Al₂O₃-ZnO Glas durch eine niedrige B₂O₃ Elution und eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante gekennzeichnet. Der Zusatz des ZnO in einer Menge von weniger als 1 Gew.-% wirkt geringfügig und der Zusatz von ZnO in einer Menge von mehr als 4 Gew.-% verursacht das Problem der Kristallisation von Glas, wenn es wärmebehandelt wird. Demgemäß ist von dem Ergebnis dieses Beispiels herausgefunden worden, dass der Zusatz von ZnO in einer Menge von 1 Gew.-% oder mehr und 4 Gew.-% oder weniger vorteilhaft ist.
<Beispiele 5 bis 21 und vergleichbares Beispiel 1>
(1) Präparation der gesinterten Keramiken
Die Wirkung des Zusatzes von Füllstoffen zu den Glaszusammensetzungen wird geprüft. Glaspulver der vierzehnten Zusammensetzung (gelistet in Tabelle 2) für die Beispiele 5 bis 12 und das Vergleichsbeispiel 1, Glaspulver der neunten Zusammensetzung (gelistet in Tabelle 1) für die Beispiele 13 bis 15, Glaspulver der neunzehnten Zusammensetzung (gelistet in Tabelle 3) für Beispiel 16, Glaspulver der dreiundzwanzigsten Zusammensetzung (gelistet in Tabelle 3) für die Beispiele 17 bis 20 und Glaspulver der ersten Zusammensetzung (gelistet in Tabelle 1) für das Beispiel 21 wurden vorbereitet. Füllstoffpulver wurde in unterschiedlichen Mengen in die Glaspulver gemischt, um 18 Keramik-Zusammensetzungen, die in Tabelle 4 aufgelistet sind, zu erhalten. Die mittlere Partikelgröße (Durchmesser) der Glaspulver war etwa 4 μm und die mittlere Partikelgröße der Füllstoffe war ungefähr 3 μm. Mullite (3Al₂O₃·2SiO₂) wurde als ein Füllstoff für die Beispiele 1 bis 11, 13 bis 15, 17 und 18 und für das Vergleichsbeispiel 1 verwendet, Mullit und Aluminiumoxid (Al₂O₃) wurden für das Beispiel 12 verwendet, Aluminiumoxid und Kordierit (2MgO·2Al₂O₃·SiO₂) wurden für das Beispiel 16 verwendet, Aluminiumoxid wurde für die Beispiele 19 und 21 verwendet und Aluminiumoxid und Quarzglas (SiO₂-Glas) wurden für das Beispiel 20 verwendet.
100 Teile der erhaltenen Keramik-Zusammensetzung, etwa 14 Gewichtsteile des wasserlöslichen organischen Binders, der ein modifiziertes Acrylharz als Hauptkomponente enthält, 75 Gewichtsteile von Wasser als Lösungsmittel und 0,3 Gehäusewichtsteile von Ammonium-Acrylat-Salz-Dispensat wurden in einer Kugelmühle gemischt, um eine Aufschlämmung zu präparieren. Hitaloid 2713 (Handelsname der Hitachi Chemical Co., Ltd.) wurde als wasserlöslicher Binder verwendet wegen der ausgezeichneten Qualität der Genauigkeit der Lochpositionen und der Umgebungssicherheit der Hygiene.
Dann wurde unter Verwendung der erhaltenen Aufschlämmung eine Grünplatte mit einer Dicke von 0,2 mm und einer Breite von 450 mm durch ein Rakel-Verfahren präpariert. Die Grünplatte wurde in 150 mm Quadrate und 50 mm quadratische Stücke geschnitten. In einer Grünplatte von 150 mm im Quadrat wurden Löcher (Durchgangslöcher) mit einem Durchmesser von 0,1 mm mit einer Schrittweite von 0,4 mm gestanzt. Löcher wurden mit Kupferpaste durch ein Aufdruckverfahren gefüllt und die Kupferpaste wurde auf die Oberfläche des Grünkörpers aufgedruckt, um ein Verdrahtungsmuster einer Breite von 0,08 mm durch ein konventionelles Verfahren zu bilden, dann wurden 4 bis 50 Grünplatten durch Aufeinanderpressen bei 150°C für 10 Minuten unter einem Druck von 20 MPa laminiert, um ein Grünplatten-Laminat zu bilden. 4 bis 50 Grünplatten von 50 mm im Quadrat wurden durch Aufeinanderpressen bei 130°C für 10 Minuten unter einem Druck von 20 MPa laminiert, um ein Grünplatten-Laminat ohne Stanzen und Drucken zu erhalten, wobei das Laminat als Probenkörper zum Messen der Festigkeit der relativen Dielektrizitätskonstante und des Restkohlenstoffgehalts verwenden wurde.
Das erhaltene Grünplatten-Laminat wurde in einem Elektroofen platziert in einer Atmosphäre aus Dampf-Stickstoff-Wasserstoffgas, wobei die Atmosphäre in dem Ofen steuerbar war, wobei die Ofentemperatur von Raumtemperatur auf 700 bis 880°C bei einer Aufheizrate von 100°C/min erhöht wurde und auf einer Endtemperatur für 10 bis 50 Stunden gehalten wurde, um den Binder zu entfernen, bis der Restkohlenstoffgehalt auf 200 ppm oder weniger reduziert war. Nach dem Entfernen des Binders wurde die Ofentemperatur auf die Sintertemperatur, die in Tabelle 4 aufgelistet ist, bei einer Aufheizrate von 100°C/Std. erhöht und bei der Sintertemperatur für 2 Stunden erhalten, um eine Kontaktsinterung zu vervollständigen und eine gesinterte Probe zu erhalten.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient und die relative Dielektrizitätskonstante der erhaltenen gesinterten Keramik (gesintertes Laminat der Grünplatte von 50 mm im Quadrat) wurden in der gleichen Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, gemessen. Die Biegefestigkeit der gesinterten Proben wurde gemäß dem JIS-Standard (R1601) gemessen, das bedeutet, die gesinterte Keramik wurde in Proben mit einer Länge von 38 mm und einer Breite von 4 mm und einer Dicke von 3 mm geschnitten und der Dreipunkt-Biegetest wurde durchgeführt mit einer Spannweite von 30 mm. Das Messergebnis ist in Tabelle 4 aufgelistet.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der gesinterten Keramikproben der Beispiele 5 bis 21 und des Vergleichsbeispiels 1 reichen von 2,0 bis 3,6 × 10^–6/°C, wobei diese Werte vergleichbar mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium (3,0 × 10^–6/°C) sind. Die Biegefestigkeit der gesinterten Keramik der Beispiele 5 bis 21 und des Vergleichsbeispiels 1 ist 150 MPa oder höher, dieser Wert ist ausreichend für die praktische Nutzung. Die Sintertemperatur für die Beispiele 5 bis 21 ist 1050°C oder niedriger. Andererseits ist die Sintertemperatur des Vergleichsbeispiels 1 1100°C, was ein unvorteilhaftes Ergebnis ergibt. Der überschüssige Inhalt von Füllstoff verursacht vermutlich eine Schwierigkeit beim Sintern. Deshalb wird ein Füllstoffinhalt von nicht mehr als 40 % bevorzugt. Borsilikatglas-Füllstoff-Zusammensetzungen und Eigenschaften (Tabelle 4)
Der umgebende Abschnitt des gesinterten Laminats wurde abgeschnitten, um einen zentralen Abschnitt zu erhalten und der Kohlenstoffgehalt des zentralen Abschnitts wurde bestimmt. Es wurde herausgefunden, dass der Rest-Kunststoffgehalt 200 ppm oder weniger für die Beispiele 5 und 21 und das Vergleichsbeispiel 1 vorlag, was ein vorteilhaftes Ergebnis ist. Der Widerstand der Kupferleiter des gesinterten Laminats, das die 150 mm im Quadrat Grünplatte umfasste, wurde durch ein Vierspitzen-Verfahren gemessen und es wurde herausgefunden, dass der spezifische Widerstand des Kupferleiters so niedrig wie 3μΩ cm für die Beispiele 5 bis 21 und das Vergleichsbeispiel 1 war, und wobei diese Werte vorteilhaft sind.
(2) Prüfung der Binder-Entfernungstemperatur
Die Wärmebehandlungstemperatur zum Entfernen des Binders wird geprüft. Unter Verwendung der Grünplatte des Beispiels 9 wurde die Grünplatte auf unterschiedlichen Temperaturen, um den Binder zu entfernen, gehalten, und die Zeit, die für ein Vermindern des Rest-Kohlenstoffgehalts in der Sinterkeramik von 200 ppm (Binder-Entfernungszeit) nötig war, wurde gemessen. Das Ergebnis ist in 10 gezeigt. Es ist offensichtlich von 10, dass, je höher die Wärmebehandlungstemperatur ist, desto kürzer die Beibehaltungszeit der Temperatur ist, und das ist vorteilhaft.
(3) Prüfung des Füllstoffgehalts
Der Füllstoffgehalt, der für das Entfernen des Binders erforderlich ist, wird geprüft. Grünplatten, die unter Verwendung der Gläser mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Füllstoffen in unterschiedlichen Mengen (Mullit (3Al₂O₃ 2SiO₂)) präpariert wurden, wurden einer Binderentfernung bei 800 bis 850°C unterworfen, wobei in einigen Fällen der Rest-Kohlenstoffgehalt auf 200 ppm oder weniger reduziert wurde und in einigen Fällen ein Rest-Kohlenstoffgehalt nicht auf 200 ppm oder weniger reduziert wurde. Für die ersten Fälle wurde die Beziehung zwischen Erweichungspunkt des Glases und Füllstoffgehalt erhalten. Das Ergebnis wird in 11 gezeigt.
Wie von 11 offensichtlich, erhöht sich der Füllstoffgehalt, der zum Entfernen des Binders erforderlich ist, mit Erniedrigen des Erweichungspunktes des Glases. Die höhere Wärmebehandlungstemperatur für das Entfernen des Binders erfordert die größere Menge von Füllstoff, weil zur Vervollständigung des Entfernens des Binders es erforderlich ist, dass das Sintern des Glases nicht fortschreitet während der Wärmebehandlung zur Entfernung des Binders. Deshalb erfordern der niedrige Erweichungspunkt und die hohe Binder-Entfernungstemperatur den hohen Gehalt des Füllstoffes, was die Sinterung behindert.
Der Füllstoffgehalt, der für das kompakte Sintern erforderlich ist, und die Sintertemperatur werden geprüft. Vier Glaspulver der ersten Zusammensetzung (Erweichungspunkt von 1100°C), der zweiten Zusammensetzung (Erweichungspunkt von 1000°C), der fünften Zusammensetzung (Erweichungspunkt von 950°C) und der zehnten Zusammensetzung (Erweichungspunkt von 850°C) wurden mit unterschiedlichen Mengen von Füllstoff (Mullit) addiert, um Grünplatten vorzubereiten, wobei die Grünplatte einer Binder-Entfernungsbehandlung unterworfen wurde und gesintert wurde, wenn eine Sintertemperatur bestimmt wurde, welche ausreichend hoch war, um eine gesinterte Probe mit relativer Dichte von 98 % zu erhalten. Die Beziehung zwischen der bestimmten Sintertemperatur und dem Füllstoffgehalt ist in 12 für jeden Erweichungspunkt des Glases gezeigt. Es ist von 12 offensichtlich, dass der höhere Füllstoffgehalt und der höhere Erweichungspunkt die höhere Wärmebehandlungstemperatur erfordern, die für ein Kompaktsintern erforderlich ist (Sintertemperatur).
Die Beziehung zwischen einem Füllstoffgehalt und einer Sintertemperatur wird geprüft mit Bezug auf Sinter-Kompaktionskurven, die in 13 gezeigt werden. Die Sinter-Kompaktionskurven wurden durch das folgende Verfahren erhalten. Ein Grünplatten-Laminat wurde in einem transparenten Quarzglas-Reaktionsrohr platziert, die Temperatur wurde bei einer Aufheizrate von 100°C/Min. erhöht, die Form und die Größe des Grünkörper-Laminats wurde durch Fotografieren des Grünplatten-Laminats bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen und die relative Dichte wurde von den gemessenen Werten berechnet. In 13 ist die Kurve 131, die Sinterkurve für eine Platte, die unter Verwendung des Glases der vierzehnten Zusammensetzung (kein Füllstoff), und die Kurven 123 bis 138 sind Sinterkurven für Grünplatten der Beispiele 5 bis 11.
Die Kurve 131 zeigt, dass eine Grünplatte, die keinen Füllstoff enthält, abrupt gesintert wird bei einer Temperatur nahe 800°C und kompaktiert wird. Andererseits zeigen die Kurven 132 bis 138 Sinterverhalten der Grünplatten der Beispiele 5 bis 11, die ein Glas der vierzehnten Zusammensetzung und 10 bis 40 Vol.-% des Füllstoffs umfassen; das bedeutet, die Neigung der Sinter-Kompaktionskurve wird mit zunehmendem Füllstoffgehalt sanfter, wobei die sanfte Neigung Schwierigkeiten in der Sinterung nahe legt. Die Sinter-Kompaktionskurven, die in 13 gezeigt werden, bei einer Retentionszeit von Null werden bei jeder Temperatur erhalten und durch Verlängerung der Retentionszeit wird die Kompaktion vermutlich weiter fortschreiten.
Um ein Sintern innerhalb einer kurzen Zeit unter Verwendung einer Sintertemperatur von 1050°C oder weniger zu vervollständigen, werden ein verminderter Füllstoffgehalt und die Verwendung eines Glases mit einem niedrigen Erweichungspunkt erforderlich. Andererseits, wie vorher beschrieben, können ein exzessiv niedriger Füllstoffgehalt und ein exzessiv niedriger Glaserweichungspunkt eine unvollständige Entfernung des Binders verursachen. In einigen Fällen, bei denen der Füllstoffgehalt und der Erweichungspunkt eine vollständige Binderentfernung ermöglichen, sind der Füllstoffgehalt und der Erweichungspunkt nicht vorteilhaft wegen einer exzessiv hohen Sintertemperatur. Z.B. ist es verständlich von 11, dass, wenn ein Glas von 820°C Erweichungspunkt verwendet wird und ein Füllstoffgehalt 50 Vol. % hat, der Binder bei 800°C entfernt wird, aber, wie von 12 abschätzbar ist, die Sintertemperatur unvorteilhafterweise 1050°C oder höher sein wird. Daher, wenn ein Glas mit der vierzehnten Zusammensetzung verwendet wird, ist der höchste Füllstoffgehalt auf 40 Vol.-% geschätzt, um eine Kompaktsinterung bei einer Temperatur von 1050°C oder niedriger zu ermöglichen. Die Sinter-Kompaktionskurve für andere Gläser mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wird durch parallele Verschiebung in der Abszissen-Richtung der Sinter-Kompaktionskurve (Kurve 131) für ein Glas erhalten mit der vierzehnten Zusammensetzung in 13, abhängig von dem Glaserweichungspunkt.
Die Beziehung zwischen der Biegefestigkeit der gesinterten Probe und dem Füllstoffgehalt wird geprüft. Zusätzlich zu den gesinterten Proben, die in den Beispielen 5 bis 11 erhalten wurden, werden Sinterproben vorbereitet, die durch Binderentfernen und Sintern einer Grünplatte vorbereitet wurden, die ein Glas der vierzehnten Zusammensetzung ohne Zusatz von Füllstoff umfasst, und durch Binderentfernen und Sintern einer Grünplatte, die Glas der vierzehnten Zusammensetzung und 5 Vol.-% des Mullit-Füllstoffes aufweist, und die Biegefestigkeit dieser gesinterten Proben wurde gemäß dem JIS-Standard (R1601) gemessen, d.h., eine Probe mit einer Länge von 38 mm, einer Breite von 4 mm und einer Dicke von 3 mm wurde vorbereitet und die Probe wurde einer Dreipunkt-Biegeprüfung mit einer Spannweite von 30 nun unterworfen. Die erhaltene Beziehung zwischen Biegefestigkeit und Füllstoffgehalt ist in 14 gezeigt.
Von 14 ist es offensichtlich, dass in einem Füllstoffgehaltsbereich von 5 Vol.-% bis 40 Vol. % eine Biegefestigkeit von einem praktischen Wert in vorteilhafter Weise erhalten wird (in diesem Fall eine Biegefestigkeit von 150 MPa oder höher). Die Biegefestigkeit von 200 MPa oder höher ist noch vorteilhafter.
<Beispiel 22>
Ein mehrlagiges Schaltungssubstrat (40 Lagen), das in 15 gezeigt ist, wurde in der gleichen Weise, wie in Beispiel 5 beschrieben, hergestellt. Das mehrlagige Schaltungssubstrat 17 in diesem Beispiel umfasst Durchgangslöcher 9 mit einer Kupferleitung, einen Schaltkreis 10 und eine gesinterte Glaskeramik 8.
Dann wurden LSIs (large-scale integrated circuits) 11 und I/O-(Eingabe/Ausgabe)-Stifte 12 unter Verwendung von Verbindungslötstellen 13, 14, wie in 16 gezeigt, montiert und nachfolgend wurden Mikrorippen 15, ein Kühlmantel 16 und ein Verbinder 18, wie in 17 gezeigt, montiert, um einen Instruktionsprozessor 185 zu konstruieren.
Unter Verwendung dieses Instruktionsprozessors 185 wurde ein elektronischer Computer hergestellt, der eine Hauptspeichereinheit 181, eine erweiterte Speichereinheit 182, eine Systemsteuerung 183, einen Eingangs-/Ausgangs-Prozessor 184 und den Instruktionsprozessor 185 aufweist, und die Verarbeitungsgeschwindigkeit dieses Computers wurde mit der eines konventionellen elektronischen Computers verglichen, der einen Instruktionsprozessor aufweist, der ein mehrlagiges Schaltungssubstrat verwendet, das Mullit als Substratmaterial und Wolfram als Leitungsmaterial aufweist, wobei die Verarbeitungsgeschwindigkeit des elektronischen Computers der vorliegenden Erfindung doppelt so schnell war wie die des konventionellen elektronischen Computers.
Ein Schaltungssubstrat, das in der gleichen Weise, wie in Beispiel 22 beschrieben, hergestellt wird, wird weit verbreitet in elektronische Schaltungsgeräte, wie elektronische Computer, eingesetzt, insbesondere wenn eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Dichte gefordert werden.
Wie hierin beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein Schaltungssubstrat bereit, das unterschiedliche Vorteile aufweist, wie ein leichtes Entfernen des Binders, eine leichte Kompaktsinterung, einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Siliziums anpassbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, was für die Qualität als Substrat vorteilhaft ist, eine ausreichende Biegefestigkeit, und eine ausreichend niedrige relative Dielektrizitätskonstante. Insbesondere weist die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung einen Erweichungspunkt so hoch wie 850 bis 1100°C auf, deshalb tritt eine Sinterverdichtung selten während der Wärmebehandlung für ein Entfernen des Binders auf, wobei Binder mit nur geringem Füllstoffgehalt entfernt wird, und ein Kompaktsintern innerhalb einer kurzen Zeit vervollständigt wird. Ein Glas, das in der Keramik-Zusammensetzung in der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthalten ist, weist eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit auf, Borsäurekristalle kristallisieren nicht auf der Grünplatte, und wenn eine Keramik-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung damit behandelt wird, kristallisiert kein Kristobalitkristall vorzugsweise von Borsilikatglas. Demgemäß ist die Produktivität der Schaltungssubstratproduktion signifikant durch Anwenden der vorliegenden Erfindung erhöht.

Claims

Mehrschichtiges Schaltungssubstrat mit Kupferverdrahtung, gebildet auf den Substratschichten, wobei die Substratschichten aus 60 bis 95 Vol.-% von amorphem Glas mit einem Erweichungspunkt im Bereich von 850 bis 1100° C und aus 5 bis 40 Vol.-% Füller bestehen, und das amorphe Glas eine Zusammensetzung hat, enthaltend 84,0 Gew.-% Siliziumdioxid (SiO₂), 9,0 Gew.-% Boroxid (B₂O₃), 4 Gew.-% Kaliumoxid (K₂O) und 3,0 Gew.-% Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Mehrschichtiges Schaltungssubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe Glas einen Erweichungspunkt im Bereich von 900 bis 1100° C hat.
Mehrschichtiges Schaltungssubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschichten eine relative Dielektrizitätskonstante von 4,3 bis 5,6 haben.
Mehrschichtiges Schaltungssubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschichten über Löcher mit der Verdrahtung verbunden sind.
Mehrschichtiges Schaltungssubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschichten einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2,5 × 10^–6 bis 3,5 × 10^–6/° C haben.
Mehrschichtiges Schaltungssubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füller mindestens Mullit enthält.
Elektronisches Schaltungsmodul unter Verwendung einer mehrschichtigen Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass LSIs und I/O-Stifte auf dem mehrschichtigen Schaltungssubstrat montiert und mit der Kupferverdrahtung verbunden sind.
Elektronisches Schaltungsmodul für einen Befehlsprozessor unter Verwendung eines mehrschichtigen Schaltungssubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass LSIs auf dem mehrschichtigen Schaltungssubstrat montiert sind, und I/O-Stifte und Kühlungsteile mit dem mehrschichtigen Schaltungssubstrat verbunden sind.
Elektronischer Rechner, aufweisend: ein elektronisches Schaltungsmodul für einen Befehlsprozessor unter Verwendung eines mehrschichtigen Schaltungssubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass LSIs auf dem mehrschichtigen Schaltungssubstrat montiert sind, und I/O-Stifte und Kühlungsteile mit dem mehrschichtigen Schaltungssubstrat verbunden sind; ein Systemregler mit dem elektronischen Schaltungsmodul verbunden ist; ein Speicher mit dem Systemregler verbunden ist, und ein I/O-Prozessor mit dem Systemregler verbunden ist.