JP2001287984A - ガラスセラミックス組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ａｇを内層導体に用いて同時焼成した場合で
も、Ａｇがガラスセラミックス中に拡散せず、しかも高
周波回路に十分対応できる低い誘電損失を有する多層基
板等を作製することが可能なガラスセラミックス組成物
を提供する。 【解決手段】 重量百分率で５０％以上の結晶性ガラス
粉末と５０％以下のクォーツ粉末との混合粉末からな
り、該結晶性ガラス粉末が重量百分率で、ＳｉＯ₂：４
０〜６５％、ＣａＯ：１０〜２０％（ただし２０％を含
まず）、ＭｇＯ：１１〜３０％、Ａｌ₂Ｏ₃：０．５〜１
０％、ＣｕＯ：０．０１〜１％、ＳｒＯ：０〜２５％、
ＢａＯ：０〜２５％、ＺｎＯ：０〜２５％の組成を有
し、主結晶としてディオプサイド結晶及び／又はディオ
プサイド固溶体結晶を析出することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガラスセラミックス組成
物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ、ＬＳＩ等が高密度実装されるセラ
ミックス多層基板、厚膜回路部品、半導体パッケージ等
の絶縁材料としてガラスセラミックスが知られている。
ガラスセラミックスは、１０００°Ｃ以下の温度で焼結
させることができるため、導体抵抗の低いＣｕ、Ａｇ等
の低融点の金属材料を内層導体として使用することが可
能である。

【０００３】近年、通信機器の分野においては、利用さ
れる周波数帯域が０．１ＧＨｚ以上の高周波となりつつ
あり、このような高周波帯域を利用する多層基板等の絶
縁材料として使用できるガラスセラミックス組成物の開
発が進められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで内層導体とし
て使用するＣｕやＡｇには、それぞれ一長一短がある。
つまりＣｕを導体として使用する場合、Ｃｕは酸化され
易いため窒素雰囲気中で焼成しなければならず、プロセ
スコストが高くなる。一方、Ａｇを使用する場合は、空
気雰囲気中で焼成できるが、Ａｇがガラスセラミックス
内に拡散し、配線間隔が狭いとショートしてしまうとい
う欠点がある。なお、ガラス組成中にアルカリ成分を含
有させるとＡｇの拡散をかなり抑制できるが、高周波帯
域での損失が高くなってしまうという問題がある。

【０００５】本発明の目的は、Ａｇを内層導体に用いて
同時焼成した場合でも、Ａｇがガラスセラミックス中に
拡散せず、しかも高周波回路に十分対応できる低い誘電
損失を有する多層基板等を作製することが可能なガラス
セラミックス組成物を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は種々の実験を
行った結果、Ａｇに電子を与えるＣｕＯをガラス組成中
に導入することによってＡｇの拡散が防止できること、
及びディオプサイド（ＭｇＯ・ＣａＯ・２ＳｉＯ₂ ）結
晶やディオプサイド固溶体結晶をガラス中に析出させる
ことにより高周波での誘電損失の増加を抑制できること
を見い出し、本発明として提案するものである。

【０００７】即ち、本発明のガラスセラミックス組成物
は、重量百分率で５０％以上の結晶性ガラス粉末と５０
％以下のクォーツ粉末との混合粉末からなり、該結晶性
ガラス粉末が重量百分率で、ＳｉＯ₂：４０〜６５％、
ＣａＯ：１０〜２０％（ただし２０％を含まず）、Ｍｇ
Ｏ：１１〜３０％、Ａｌ₂Ｏ₃：０．５〜１０％、Ｃｕ
Ｏ：０．０１〜１％、ＳｒＯ：０〜２５％、ＢａＯ：０
〜２５％、ＺｎＯ：０〜２５％の組成を有し、焼成する
と、主結晶としてディオプサイド結晶及び／又はディオ
プサイド固溶体結晶を析出するすることを特徴とする。
なお焼成後の組成物は、ガラス成分０〜２０重量％、デ
ィオプサイド結晶及び／又はディオプサイド固溶体結晶
５０〜１００重量％、フィラーとしてのクォーツ成分０
〜５０重量％の焼成体となる。

【０００８】本発明において、ガラス粉末の組成を上記
のように限定した理由を述べる。

【０００９】ＳｉＯ₂ はガラスのネットワークフォーマ
ーであるとともに、結晶構成成分となり、その含有量は
４０〜６５％、好ましくは４５〜６５％である。ＳｉＯ
₂が４０％より少ないとガラス化せず、６５％より多い
と１０００°Ｃ以下で焼成することができないため、内
層導体としてＡｇやＣｕを用いることができない。

【００１０】ＣａＯは結晶構成成分となり、その含有量
は１０〜２０％（ただし２０％を含まず）、好ましくは
１３〜１８％である。ＣａＯが１０％より少ないとディ
オプサイド系結晶が析出し難くなって誘電損失が高くな
り、２０％以上になるとガラスの流動性が悪くなる。

【００１１】ＭｇＯも結晶構成成分となり、その含有量
は１１〜３０％、好ましくは１２〜２５％である。Ｍｇ
Ｏが１１％より少ないと結晶が析出し難くなり、３０％
より多いとガラス化しなくなる。

【００１２】Ａｌ₂Ｏ₃は結晶性を調節する成分であり、
その含有量は０．５〜１０％、好ましくは１〜５％であ
る。Ａｌ₂Ｏ₃が０．５％より少ないと結晶性が強くなり
すぎてガラス成形が困難になり、１０％より多くなると
ディオプサイド系結晶が析出しなくなる。

【００１３】ＣｕＯはＡｇに電子を与え、ガラスセラミ
ックス中への拡散を抑える成分であり、０．０１〜１．
０％、好ましくは０．０５〜０．２％含有する。ＣｕＯ
が０．０１％より少ないとその効果がなく、１．０％よ
りも多いと誘電損失が大きくなりすぎる。

【００１４】ＳｒＯ及びＢａＯはガラス化を容易にする
とともに、ディオプサイド結晶に固溶されて結晶量を増
大させる成分であり、その含有量はＳｒＯが０〜２５
％、好ましくは２〜２０％、ＢａＯが０〜２５％、好ま
しくは０〜１５％である。しかしながらこれら成分が各
々２５％より多くなると結晶性が弱くなり、ディオプサ
イド結晶の析出量が少なくなって誘電損失が大きくな
る。

【００１５】ＺｎＯはガラス化を容易にするために添加
する成分であり、その含有量は０〜２０％、好ましくは
０〜１５％である。ＺｎＯが２０％より多くなると結晶
性が弱くなり、ディオプサイド結晶の析出量が少なくな
って誘電損失が大きくなる。

【００１６】また上記成分以外にも、誘電損失等の特性
を損なわない範囲で他成分を添加してもよい。

【００１７】本発明のガラスセラミックス組成物は、熱
膨張係数、靭性等の特性を改善する目的でフィラーとし
てクォーツ粉末を混合する。クォーツ粉末の混合量は５
０重量％以下（ただし０％を含まず）である。クォーツ
粉末の割合をこのように限定した理由は、クォーツ粉末
が５０％より多いと緻密化しなくなるためである。

【００１８】クォーツ粉末は、０．１〜１０ＧＨｚでの
誘電損失が１０×１０^-4以下であるセラミック粉末であ
る。なお０．１〜１０ＧＨｚでの誘電損失が１０×１０
^-4を越えるセラミック粉末を使用するとガラスセラミッ
クスの誘電損失が高くなり易く好ましくない。

【００１９】以上の組成を有する本発明のガラスセラミ
ックス組成物は、焼成すると、上記したようなディオプ
サイド系結晶が５０〜１００重量％析出し、０．１ＧＨ
ｚ以上の高周波領域において誘電率が６〜８、誘電損失
が１０×１０^-4以下、３０〜１５０°Ｃにおける熱膨張
係数が８０〜１１０×１０^-7／°Ｃの焼成体となる。

【００２０】次に本発明のガラスセラミックス組成物を
用いた多層基板の製造方法を述べる。

【００２１】まず結晶性ガラス粉末とクォーツ粉末との
混合粉末に、所定量の結合剤、可塑剤及び溶剤を添加し
てスラリーを調製する。結合剤としては例えばポリビニ
ルブチラール樹脂、メタアクリル酸樹脂等、可塑剤とし
ては例えばフタル酸ジブチル等、溶剤としては例えばト
ルエン、メチルエチルケトン等を使用することができ
る。

【００２２】次いで上記のスラリーを、ドクターブレー
ド法によってグリーンシートに成形する。その後、この
グリーンシートを乾燥させ、所定寸法に切断してから、
機械的加工を施してスルーホールを形成し、導体や電極
となる低抵抗金属材料をスルーホール及びグリーンシー
ト表面に印刷する。続いてグリーンシートの複数枚を積
層し、熱圧着によって一体化する。

【００２３】さらに積層グリーンシートを、焼成するこ
とによってガラス中からディオプサイド系結晶が析出
し、ガラスセラミックスからなる絶縁層を有する多層基
板を得ることができる。

【００２４】なおここでは多層基板として利用する方法
を述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、
例えば厚膜回路部品や半導体パッケージ等の電子部品材
料として使用することも可能である。

【００２５】本発明のガラスセラミックス組成物は、焼
成することによりガラス中からディオプサイド結晶やデ
ィオプサイド固溶体結晶が析出する。これらの結晶は低
誘電損失であるため、得られるガラスセラミックス焼成
体も０．１ＧＨｚ以上の高周波領域で誘電損失が低いと
いう特性を示す。またガラス組成中にＣｕＯを含有する
ため、内層導体にＡｇを使用して同時焼成してもＡｇが
イオン化しないため、ガラスセラミックス中にＡｇが拡
散しない。

【００２６】

【実施例】以下、本発明のガラスセラミックス組成物を
実施例に基づいて説明する。

【００２７】表１は本発明の実施例（試料Ｎｏ．１）及
び比較例（試料Ｎｏ．２，３）を示すものである。

【００２８】

【表１】

【００２９】各試料は以下のように調製した。

【００３０】まず表１に示す組成となるようにガラス粉
末を調合し、セラミック粉末（フィラー粉末：平均粒径
２μｍ）を添加し、混合して試料とした。その後、試料
を白金坩堝に入れて１４００〜１５００°Ｃで３〜６時
間溶融してから、水冷ローラーによって薄板状に成形し
た。次いでこの成形体を粗砕した後、アルコールを加え
てボールミルにより湿式粉砕し、平均粒径が１．５〜３
μｍの結晶性ガラス粉末とした。

【００３１】このようにして得られた各試料について、
焼成温度、析出結晶、焼成体の構成成分割合、誘電率、
誘電損失、熱膨張係数及びＡｇ拡散距離を測定した。結
果を表１に示す。

【００３２】表１から明らかなように、実施例である試
料Ｎｏ．１は、９００°Ｃの低温で焼成可能であり、焼
成後にディオプサイド系結晶を析出していることが確認
された。また２ＧＨｚの周波数で誘電率が６．８、誘電
損失が４×１０^-4であり、しかもＡｇ拡散距離は５μｍ
以下であった。一方、比較例である試料Ｎｏ．２は、析
出結晶としてディオプサイド系以外の結晶（アノーサイ
ト）が析出したために、誘電損失が３０×１０^-4と高か
った。また、試料Ｎｏ．３は誘電損失が７×１０^-4と実
施例である試料Ｎｏ．１とほぼ同等であったものの、Ａ
ｇ拡散距離が３０μｍと大きかった。

【００３３】なお析出結晶は、各試料を表に示す温度で
焼成した後、Ｘ線回折によって求めた。焼成体の構成成
分の割合は、既知の存在比の混合粉末より検量線を作成
して求めた。誘電率と誘電損失は、焼成した試料を用
い、空洞共振器（測定周波数２ＧＨｚ）を使用して２５
°Ｃの温度での値を求めた。熱膨張係数は熱機械分析装
置を用いて測定した熱膨張曲線から３０〜１５０°Ｃに
おける平均値を求めた。銀拡散距離は、各試料をグリー
ンシート成形し、Ａｇ導体を印刷し、次いで空気雰囲気
中８５０〜９５０°Ｃで１０〜２０分間同時焼成した
後、焼成体の組成を分析し、Ａｇが焼成体表面からどれ
程の深さまで拡散したかを評価したものである。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガラスセ
ラミックス組成物は、高周波帯域において誘電損失が小
さい。また９５０°Ｃ以下の温度で焼成できるため、内
層導体としてＡｇやＣｕが使用できる。特にＡｇを使用
した場合、Ａｇがガラスセラミックス中に拡散しないた
め、高密度配線を施しても、信頼性の高い多層基板、回
路部品、パッケージ等を作製することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０４Ｂ 35/19 Ｈ０１Ｂ 3/12 ３３６ 35/195 Ｈ０５Ｋ 3/46 Ｔ Ｈ０１Ｂ 3/02 Ｈ 3/12 ３３６ Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｊ Ｈ０５Ｋ 3/46 35/18 Ａ Ｅ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量百分率で５０％以上の結晶性ガラス
   粉末と５０％以下のクォーツ粉末との混合粉末からな
   り、該結晶性ガラス粉末が重量百分率で、ＳｉＯ₂：４
   ０〜６５％、ＣａＯ：１０〜２０％（ただし２０％を含
   まず）、ＭｇＯ：１１〜３０％、Ａｌ₂Ｏ₃：０．５〜１
   ０％、ＣｕＯ：０．０１〜１％、ＳｒＯ：０〜２５％、
   ＢａＯ：０〜２５％、ＺｎＯ：０〜２５％の組成を有
   し、主結晶としてディオプサイド結晶及び／又はディオ
   プサイド固溶体結晶を析出することを特徴とするガラス
   セラミックス組成物。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガラスセラミックス組成
   物を焼成してなるガラスセラミックス焼成体。