JP2000203879A - ガラスセラミック基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガラスセラミック基板の曲げ強度を向上さ
せ、焼成時の基板の反り（表層導体の反り）を少なくす
ると共に、焼成密度の低下を防ぐ。 【解決手段】 ＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ
₃ 系のガラス粉末：４０〜６０重量％（好ましくは４０
〜５０重量％）と、アルミナ等のセラミック骨材：６０
〜４０重量％（好ましくは６０〜５０重量％）とを混合
し、更に、この混合物に、Ｎａ₂ Ｏを６重量％以下（好
ましくは５重量％以下）添加する。このようにして作っ
たガラスセラミック材料を用いてガラスセラミック基板
を焼成すると、Ｎａ₂ Ｏの添加により焼成時のガラスの
流動性が良くなる。このため、曲げ強度を高めるため
に、セラミック骨材の配合率を増やしてガラスの配合率
を少なくしても、焼成時にセラミック骨材間の微小な隙
間にガラスが十分に行き渡り、焼成密度が低下せず、基
板の反り（表層導体の反り）も抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラスとセラミッ
ク骨材とを混合したガラスセラミック材料により形成し
たガラスセラミック基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガラスセラミック基板は、ガラスとセラ
ミック骨材とを混合することで、焼成温度を１０００℃
以下にすることが可能となり、セラミック基板と同時焼
成する配線導体として導通抵抗の小さいＡｇ系導体、Ｃ
ｕ等の低融点金属を用いることが可能となる。しかも、
ガラスの誘電率が低いため、アルミナ基板と比較して、
基板の誘電率が低く、信号処理の高速化が可能であり、
更に、基板の熱膨張係数もアルミナ基板よりも小さく、
半導体チップ（シリコン）の熱膨張係数と整合させるこ
とも可能である。これらの利点から、ガラスセラミック
基板は、近年の高速、高性能チップの搭載用基板とし
て、需要が益々増大しつつある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ガラスセラミ
ック基板は、ガラスを多量に含むことで、アルミナ基板
よりも曲げ強度等の機械的強度が弱いという欠点があ
る。この対策として、ガラスの配合率を少なくして、セ
ラミック骨材の配合率を増やせば、基板の曲げ強度を高
めることができるが、その反面、焼成時の基板（グリー
ンシート）の収縮挙動が変化して、同時焼成する導体ペ
ーストとのマッチング性が悪くなり、焼成後に基板の反
り（表層導体の反り）が発生する欠点がある。しかも、
セラミック骨材の配合率を増やして、ガラスの配合率を
少なくすれば、焼成時にセラミック骨材間の微小な隙間
にガラスが十分に行き渡らなくなり、焼成基板内部に多
くの空孔が形成され、その分、焼成密度が低下するとい
う欠点もある。

【０００４】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、基板の曲げ強度の向
上、焼成時の基板の反り（表層導体の反り）の低減を可
能にすると共に、焼成密度の低下が生じないガラスセラ
ミック基板を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１のガラスセラミック基板は、Ｎａ
₂ Ｏが添加されたガラスセラミック材料により形成され
ている。Ｎａ₂ Ｏを添加することで、ガラスの軟化点が
低下して焼成時のガラスの流動性が良くなる。このた
め、基板の曲げ強度を向上させるために、セラミック骨
材の配合率を増やしてガラスの配合率を少なくしても、
焼成時にセラミック骨材間の微小な隙間にガラスを十分
に行き渡らせることができ、焼成密度が低下しない。ま
た、セラミック骨材の配合率を増やしても、Ｎａ₂ Ｏの
添加によって、焼成時の基板（グリーンシート）の収縮
挙動の変化が抑えられ、同時焼成する導体ペーストとの
マッチング性が保たれ、焼成時の基板の反り（表層導体
の反り）が抑えられる。

【０００６】この場合、請求項２のように、ガラスセラ
ミック材料に対するＮａ₂ Ｏの添加率が５重量％以下で
あることが好ましい。つまり、Ｎａ₂ Ｏの添加率が増え
るほど、焼成時のガラスの流動性が高くなるが、Ｎａ₂
Ｏの添加が多くなり過ぎると焼成時にガラスが流れ過ぎ
て、基板の曲げ強度が却って低下する。後述する本発明
者の実験結果によれば、Ｎａ₂ Ｏの添加率が５重量％以
下であれば、Ｎａ₂ Ｏを添加しない場合よりも基板の曲
げ強度を大きくすることができる。

【０００７】また、請求項３のように、ガラスセラミッ
ク材料中のセラミック骨材の配合率を５０〜６０重量％
にすると良い（従来のセラミック骨材の配合率は４０重
量％程度である）。セラミック骨材の配合率が６０重量
％を越えると、Ｎａ₂ Ｏを添加してもガラスが不足し
て、基板の曲げ強度が却って低下する。また、セラミッ
ク骨材の配合率が５０重量％よりも少ないと、従来と同
じようにガラスが多くなり過ぎて、Ｎａ₂ Ｏの添加によ
る曲げ強度向上の効果が少ない。従って、セラミック骨
材の配合率を５０〜６０重量％にすれば、セラミック骨
材の配合率を従来より増やして基板の曲げ強度を高めな
がら、この曲げ強度をＮａ₂ Ｏの添加によって更に高め
ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態では、ガラス
セラミック材料に混合するガラス粉末としてＣａＯ−Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系のガラス粉末を用い
る。この系のガラス粉末は、例えばＣａＯ：１０〜５５
重量％、ＳｉＯ₂ ：４５〜７０重量％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：０
〜３０重量％、不純物：０〜１０重量％及び外掛けでＢ
₂ Ｏ₃ ：５〜２０重量％を含む混合物を１４５０℃で溶
融してガラス化した後、水中で急冷し、これを粉砕して
製造したものである。

【０００９】また、ガラスセラミック材料に混合するセ
ラミック骨材として、不純物が０〜１０重量％のアルミ
ナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粉末を用いる。そして、このアルミナ
粉末と上記ガラス粉末とを混合してガラスセラミック材
料を作製する。この際、配合率は、アルミナ粉末が４０
〜６０重量％、好ましくは、５０〜６０重量％であり、
従って、ガラス粉末が６０〜４０重量％、好ましくは、
５０〜４０重量％である。更に、このガラスセラミック
材料にＮａ₂ Ｏを添加する。Ｎａ₂ Ｏの添加率は、６重
量％以下であり、好ましくは、５重量％以下、より好ま
しくは、０．５〜５重量％である。

【００１０】このように、Ｎａ₂ Ｏを添加したガラスセ
ラミック材料に、溶剤（例えばトルエン、キシレン）、
バインダー（例えばアクリル樹脂）及び可塑剤（例えば
ＤＯＡ）を加え、十分に混練してスラリーを作製し、通
常のドクターブレード法を用いてグリーンシートを作製
する。

【００１１】例えば、多層ガラスセラミック基板を形成
する場合には、グリーンシートを所定寸法に切断して、
その所定位置にビアホールを打ち抜く。この後、各層の
グリーンシートのビアホールに、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａ
ｇ／Ｐｔ等のＡｇ系導体ペーストを充填し、内層のグリ
ーンシートにＡｇ系導体ペーストを使用して内層導体を
スクリーン印刷すると共に、表層のグリーンシートにＡ
ｇ系導体ペーストを使用して表層導体をスクリーン印刷
する。尚、ビア、内層導体、表層導体を形成する導体と
して、Ａｇ系導体に代えて、Ｃｕ、Ａｕ等、他の低融点
金属を用いても良い。

【００１２】印刷工程終了後、各層のグリーンシートを
積層し、これを例えば８０〜１５０℃（好ましくは１１
０℃）、５０〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ² の条件で熱圧着し
て一体化する。そして、この積層体を基板焼成温度であ
る８００〜１０００℃（好ましくは９００℃）で、２０
分ホールドの条件で焼成して多層ガラスセラミック基板
を作る。尚、１枚のグリーンシートから単層のガラスセ
ラミック基板を作る場合には、内層導体の印刷や積層工
程等は不要となる。

【００１３】ところで、従来のＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ｓ
ｉＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系のガラスセラミック基板は、一般に
アルミナとガラスの配合比が４０：６０であるが、この
配合比を変えたり、Ｎａ₂ Ｏを添加することで、基板の
曲げ強度、焼成密度、表層導体の反りが変化する。本発
明者は、これらの関係を考察する試験を行ったので、そ
の試験結果を次の表１に示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】この試験に用いたガラスセラミック基板
は、アルミナとＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ
₃ 系のガラスの配合比を、４０：６０、５０：５０、６
０：４０の３種類とし、それぞれの配合比のガラスセラ
ミック材料について、Ｎａ₂ Ｏの添加率を０重量％、
０．５重量％、１重量％、２重量％、３重量％、４重量
％、５重量％、６重量％にした時の基板の曲げ強度、焼
成密度、Ａｇ系の表層導体の反りを測定した。この試験
に用いたガラスセラミック基板は、縦４０ｍｍ×横４０
ｍｍ×厚み０．５ｍｍの基板であり、その表面に同時焼
成した表層導体のサイズは、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×
厚み１５μｍである。表層導体の反りは、例えば２０μ
ｍ以下を良品とする。

【００１６】（１）アルミナとガラスの配合比が４０：
６０の場合 この配合比は、従来と同じであるが、Ｎａ₂ Ｏの添加率
が０．５〜４重量％のサンプルでは、基板の曲げ強度が
Ｎａ₂ Ｏを添加しないサンプルよりも大きくなった。こ
れは、Ｎａ₂ Ｏの添加率が０．５〜４重量％の範囲で
は、Ｎａ₂ Ｏの添加により焼成時のガラスの流動性が適
度に高まり、ガラス界面とアルミナとの密着力が大きく
なるためと考えられる。また、この配合比では、ガラス
が本来的に多いため、Ｎａ₂ Ｏの添加が焼成密度や表層
導体の反りに与える影響は小さく、Ｎａ₂ Ｏの添加率が
０．５〜６重量％のサンプルでは、Ｎａ₂ Ｏの添加率が
変わっても、焼成密度や表層導体の反りがＮａ₂ Ｏを添
加しないサンプルとほぼ同じであり、いずれも表層導体
の反りが３μｍ以下となり、全て良品と判定された。

【００１７】（２）アルミナとガラスの配合比が５０：
５０の場合 アルミナの配合率を５０重量％に増やすと、Ｎａ₂ Ｏを
添加しなくても、曲げ強度が大きくなる。しかし、この
配合比では、Ｎａ₂ Ｏを添加しないサンプルは表層導体
の反りが７０μｍとなり、不良品となった。

【００１８】これに対し、Ｎａ₂ Ｏを０．５〜６重量
％、添加したサンプルでは、全て表層導体の反りが５μ
ｍ以下となり、全て良品と判定された。また、Ｎａ₂ Ｏ
の添加率が０．５〜５重量％のサンプルでは、曲げ強度
がＮａ₂ Ｏを添加しないサンプルよりも大きくなり、更
に、Ｎａ₂ Ｏの添加率が０．５〜４重量％のサンプルで
は、焼成密度がＮａ₂ Ｏを添加しないサンプルよりも大
きくなった。

【００１９】この配合比では、ガラスの配合率が従来よ
り少なくなるため、Ｎａ₂ Ｏを添加しないサンプルで
は、焼成時の基板（グリーンシート）の収縮挙動が変化
して、同時焼成する表層導体とのマッチング性が悪くな
り、表層導体の反りが大きくなる。また、アルミナはガ
ラスよりも密度が大きいため、アルミナの配合比を増や
せば、基板の密度が大きくなるが、ガラスの配合比が少
なくなるため、Ｎａ₂ Ｏを添加しないサンプルでは、焼
成時にアルミナ粉末間の微小な隙間にガラスが十分に行
き渡らなくなり、焼成基板内部に多くの空孔が形成さ
れ、その分、焼成密度が低下する。

【００２０】従って、この配合比では、Ｎａ₂ Ｏの添加
の効果が顕著に現れる。つまり、Ｎａ₂ Ｏを添加するこ
とで、ガラスの軟化点が低下して焼成時のガラスの流動
性が良くなるため、アルミナの配合率を増やしてガラス
の配合率を少なくしても、焼成時にアルミナ間の微小な
隙間にガラスを十分に行き渡らせることができ、焼成密
度が低下しない。しかも、アルミナの配合率を増やすこ
とで、基板の曲げ強度を高めながら、この曲げ強度をＮ
ａ₂ Ｏの添加によって更に高めることができる。また、
アルミナの配合率を増やしても、Ｎａ₂ Ｏの添加によっ
て焼成時の基板（グリーンシート）の収縮挙動の変化が
抑えられ、同時焼成する表層導体とのマッチング性が保
たれ、焼成時の基板の反り（表層導体の反り）も抑えら
れる。

【００２１】（３）アルミナとガラスの配合比が６０：
４０の場合 アルミナの配合率を６０重量％に増やすと、Ｎａ₂ Ｏを
添加しないサンプルでは、ガラスが不足して、基板の曲
げ強度が低下すると共に、焼成密度も低下し、更に、表
層導体の反りが１５０μｍとなり、不良品となった。

【００２２】これに対し、Ｎａ₂ Ｏを０．５〜６重量
％、添加したサンプルでは、全て表層導体の反りが６μ
ｍ以下となり、全て良品と判定された。また、Ｎａ₂ Ｏ
の添加率が０．５〜５重量％のサンプルでは、曲げ強度
がＮａ₂ Ｏを添加しないサンプルよりも大きくなり、更
に、Ｎａ₂ Ｏの添加率が０．５〜６重量％のサンプルで
は、焼成密度がＮａ₂ Ｏを添加しないサンプルよりも大
きくなった。

【００２３】この配合比では、Ｎａ₂ Ｏの添加率が６重
量％のサンプルでは、曲げ強度がＮａ₂ Ｏを添加しない
サンプルよりも低くなった。これは、Ｎａ₂ Ｏの添加が
多くなり過ぎると、焼成時にガラスが流れ過ぎるためと
考えられる。

【００２４】以上の試験結果から、Ｎａ₂ Ｏの添加率を
５重量％以下とすれば、焼成時のガラスの流動性が過剰
にならず、基板の曲げ強度、焼成密度及び表層導体の反
りをＮａ₂ Ｏを添加しないサンプルと同等以上にするこ
とができ、ガラスセラミック基板の品質を従来よりも向
上できる。更に、アルミナの配合率を５０〜６０重量％
にすれば、セラミック骨材の配合率を従来より増やして
基板の曲げ強度を高めながら、この曲げ強度をＮａ₂ Ｏ
の添加によって更に高めることができる。

【００２５】尚、上記実施形態では、ガラスとして、Ｃ
ａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ −Ｂ₂Ｏ₃ 系のガラスを用
いたが、これに代えて、例えば、ＭｇＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −
ＳｉＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系のガラス、ＳｉＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系
のガラス、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂ Ｏ₃ 系のガラス等を
用いても良い。また、セラミック骨材として、アルミナ
に代えて、例えばムライトを用いても良い。

【００２６】また、前記表１に示す例では、Ｎａ₂ Ｏの
添加率の最小値が０．５重量％であるが、これよりも少
ない添加率であっても、焼成時のガラスの流動性を高め
ることができ、基板の曲げ強度等を向上できる。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の請求項１のガラスセラミック基板によれば、Ｎａ₂ Ｏ
を添加して焼成時のガラスの流動性を高めるようにした
ので、基板の曲げ強度向上、焼成時の基板の反り（表層
導体の反り）の低減を可能にすると共に、焼成密度が低
下せず、ガラスセラミック基板の品質を向上できる。

【００２８】更に、請求項２では、ガラスセラミック材
料に対するＮａ2 Ｏの添加率を５重量％以下にしたの
で、焼成時のガラスの流動性が過剰にならず、Ｎａ₂ Ｏ
の添加の効果を確実に得ることができる。

【００２９】また、請求項３では、セラミック骨材の配
合率を５０〜６０重量％にしたので、セラミック骨材の
配合率の増加による曲げ強度向上の効果とＮａ₂ Ｏの添
加による曲げ強度向上の効果との相乗効果によって、曲
げ強度を効果的に向上させることができる。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G062 AA09 AA15 BB05 DA05 DA06 DB01 DB02 DB03 DB04 DC03 DC04 DD01 DE01 DF01 EA01 EB01 EC01 ED01 EE04 EE05 EE06 EF01 EG01 FA01 FA10 FB01 FC01 FD01 FE01 FF01 FG01 FH01 FJ01 FK01 FL01 GA01 GA10 GB01 GC01 GD01 GE01 HH01 HH03 HH05 HH07 HH09 HH11 HH13 HH15 HH17 HH20 JJ01 JJ03 JJ05 JJ07 JJ10 KK01 KK03 KK05 KK07 KK10 MM28 NN33 PP01 PP03 5E346 AA12 AA15 AA43 BB01 CC18 CC32 CC38 CC39 DD02 DD13 DD34 EE24 EE29 FF18 GG04 GG06 GG08 GG09 HH11

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスとセラミック骨材とを混合したガ
   ラスセラミック材料により形成したガラスセラミック基
   板において、 前記ガラスセラミック材料にＮａ₂ Ｏが添加されている
   ことを特徴とするガラスセラミック基板。
2. 【請求項２】 前記ガラスセラミック材料に対するＮａ
   ₂ Ｏの添加率が５重量％以下であることを特徴とする請
   求項１に記載のガラスセラミック基板。
3. 【請求項３】 前記ガラスセラミック材料中の前記セラ
   ミック骨材の配合率が５０〜６０重量％であることを特
   徴とする請求項１又は２に記載のガラスセラミック基
   板。