JP2002020162A

JP2002020162A - ガラスセラミック焼結体およびそれを用いた配線基板

Info

Publication number: JP2002020162A
Application number: JP2000197264A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Hamada; 紀彰浜田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】低誘電率であり、高強度を有するとともに、高
熱膨張化が可能なガラスセラミック焼結体と、それを用
いた配線基板を得る。【解決手段】ガラス成分と、フィラー成分とからなるガ
ラスセラミック焼結体であって、前記フィラー成分とし
て、平均粒径が２０μｍ以下で、内部に最大１５μｍ以
下の気孔を有するクオーツ結晶粒子を含有し、比誘電率
が５以下、４０〜４００℃における熱膨張係数が８．５
×１０^-6／℃以上、強度が２００ＭＰａ以上のガラスセ
ラミック焼結体を得、これを絶縁基板の表面あるいは内
部に、メタライズ配線層が配設された配線基板における
絶縁基板として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低誘電率を有する
ガラスセラミック焼結体と、それを絶縁基板とする半導
体素子収納用パッケージなどに使用される配線基板に関
するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、配線基板は、絶縁基板の表面あるい
は内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。
また、この配線基板を用いた代表的な例として、半導体
素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体素
子を収容する半導体素子収納用パッケージがある。

【０００３】この半導体素子収納用パッケージは、一般
にアルミナセラミックス等のセラミック絶縁基板の表面
に半導体素子を搭載し、また絶縁基板の表面、内部には
ＷやＭｏなどの金属から成るメタライズ配線層が形成さ
れ、絶縁基板の裏面にはこれらのメタライズ配線層と接
続された複数の接続パッドが形成されており、その接続
パッドには、外部回路基板と接続するための接続端子が
取り付けられている。そして、絶縁基板の表面に搭載さ
れた半導体素子は、メタライズ配線層とワイヤなどによ
って接続された後、蓋体によって気密に封止される。

【０００４】また、半導体素子収納用パッケージは、絶
縁基板下面の接続パッドに接続された接続端子と外部回
路基板の配線導体とを半田等により電気的に接続するこ
とによって外部回路基板に実装される。

【０００５】最近、半導体素子の集積度が高くなり、こ
れに伴いこれを収納する半導体収納用パッケージにおけ
る端子数も増大することになる。そこで、最近では、接
続端子としてボール状端子を用いたパッケージが多用さ
れつつある。

【０００６】このようなボール状端子を有するパッケー
ジによれば、外部回路基板の配線導体上にボール状端子
を載置当接させ、しかる後、前記端子を約２５０〜４０
０℃の温度で加熱溶融し、ボール状端子を配線導体に接
合させることによって外部回路基板上に実装することが
行われている。

【０００７】しかしながら、従来のアルミナセラミック
スは、外部回路基板との熱膨張差が大きいことから、実
装後に熱サイクルなどが負荷された場合に、発生した応
力によってボール状端子を介した接続部に接続不良など
が発生するという問題があった。

【０００８】そこで、このようなボール状端子を具備す
るパッケージにおいて、絶縁材料を高熱膨張のガラスセ
ラミックスによって形成することが提案されている。

【０００９】また、半導体素子の高性能化に伴い電気信
号の遅延や導体抵抗による発熱が問題となるためにガラ
スセラミック焼結体などの低温焼成セラミック材料を用
い、配線層を銅などの低抵抗材料によって形成するとと
もに、基板材料の低誘電率化が試みられている。

【００１０】セラミック材料の低誘電率化の手法として
は、絶縁材料自体を低誘電率材料によって形成する他、
材料中に誘電率１の気孔を基板内に分散させることが提
案されている。例えば、特開平３−２３７０７５号では
アルカリ金属を含有する中空体であるシラスバルーンを
ガラス材料と組み合わせて焼成してセラミックス中に気
孔を導入する手法が提案されている。また、特開平５−
６７８５４号では、ホウ珪酸ガラス中に中空シリカガラ
スを分散させることが提案されている。また、特開平１
１−１１６３３号では、ガラスとフィラーとの混合物に
樹脂球を混合して、焼結過程で樹脂球を消失させて気孔
を形成することが提案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記低
誘電率のガラスセラミックスにおいて、シラスバルーン
を用いる特開平３−２３７０７５号の方法では、シラス
バルーンの粒径が大きく、気孔径も大きいために、その
気孔を起点とする破壊が発生しやすく、セラミックスの
強度を低下させる大きな要因になっていた。また、シラ
ス中にはアルカリ金属などの不純物が多量に含まれるた
めに、セラミックスの絶縁抵抗が劣るという問題点もあ
った。

【００１２】また、ホウ珪酸ガラス中に中空シリカガラ
スを分散させる特開平５−６７８５４号では、気孔の制
御が可能である反面、フィラー成分となる中空シリカ
は、通常、シリカガラスであり、ガラスセラミックスの
高熱膨張化には寄与できない。

【００１３】さらに、樹脂球の消失によって気孔を導入
する方法では、気孔を多量に形成させるために、多量の
樹脂球を混合すると、樹脂分を完全に消失することが難
しく、炭素が残存して電気特性などを劣化させる要因と
なるとともに、気孔の制御が難しく、再現性が低いとい
う問題があった。

【００１４】従って本発明は、低誘電率であり、高強度
を有するとともに、高熱膨張化が可能なガラスセラミッ
ク焼結体と、それを用いた配線基板を提供することを目
的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題点
に対して検討を重ねた結果、ガラス成分と、フィラー成
分とからなるガラスセラミック焼結体において、フィラ
ー成分として、平均粒径が２０μｍ以下で、内部に最大
で１５μｍ以下の気孔を有するクオーツ結晶粒子を含有
させることによって、比誘電率の低下と高熱膨張化を促
進できることを見いだし、本発明に至った。つまり、焼
結体中のフィラーとして、気孔径が１５μｍ以下のクオ
ーツ結晶粉末を用いることで、誘電率：１である空気を
焼結体中に効果的に且つ均一に導入して低誘電率化を達
成しうるとともに、気孔の大きさを最大で１５μｍ以下
に制御することで、気孔を起点とする焼結体の強度劣化
を抑制することができる。

【００１６】また、本発明によれば、前記クオーツ結晶
粒子を１〜８０体積％の比率で含有することによって、
低温焼成化と、低誘電率化および高熱膨張化を同時に促
進できる。特に本発明によれば、比誘電率が５以下、４
０〜４００℃における熱膨張係数が８×１０^-6／℃以上
であることが配線基板として、信号の伝送速度を早める
とともに、プリント基板などの外部回路基板への実装信
頼性を高める上で有用である。

【００１７】また、本発明のガラスセラミック焼結体の
クオーツ結晶粒子中には、Ｚｎを酸化物換算で０．５重
量％以上の割合で含有することがクオーツ結晶性を高
め、熱膨張特性に屈曲点を有するクリストバライトの生
成を抑制することができる。

【００１８】また、アルカリ金属含有量が金属換算で２
５０ｐｐｍ以下とすることで、絶縁基板表面へのアルカ
リ金属成分の溶出を抑制することが可能となり絶縁抵抗
の劣化および長期信頼性の低下を抑制することができ
る。

【００１９】さらに、高熱膨張化を促進する上で、焼結
体中のフィラー成分として、さらにクオーツ以外の４０
〜４００℃における熱膨張係数が６×１０^-6／℃以上の
フィラーを含有することが望ましい。

【００２０】本発明によれば、絶縁基板の表面あるいは
内部に、メタライズ配線層が配設された配線基板におい
て、前記絶縁基板を上記のガラスセラミック焼結体によ
って形成するものであり、特に、絶縁基板の表面におい
て、半導体素子が気密に封止され、且つ該絶縁基板の裏
面に、前記半導体素子と電気的接続された接続端子を具
備する、いわゆるパッケージとして、さらには、前記接
続端子がボール状端子からなるパッケージに特に有用で
ある。

【００２１】また、かかる組成物にフィラーとしてさら
に、４０℃〜４００℃における熱膨張係数が６×１０^-6
／℃以上の金属酸化物を含むフィラーを添加することに
より、焼結体全体の熱膨張係数を８．５〜１８×１０^-6
／℃の範囲で容易に制御することができる。

【００２２】このように、ガラス−エポキシ基板などの
プリント基板からなる外部回路基板に対して実装される
半導体素子収納用パッケージにおける絶縁基板として４
０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が８．５〜
１８×１０^-6／℃のセラミック焼結体を用いることによ
り、絶縁基板と外部回路基板との間に両者の熱膨張係数
の差が小さくなり、その結果、絶縁基板と外部回路基板
の熱膨張係数の相違に起因する熱応力によってボール状
端子が外部回路の配線導体とが接続不良を起こすことが
なく、これによっても容器内部に収容する半導体素子と
外部回路とを長期間にわたり正確に、且つ強固に電気的
接続させることが可能となる。また、配線層として使用
されるＣｕの熱膨張係数１８×１０^-6／℃に対しても近
似の熱膨張係数を有するため、メタライズ配線の基板へ
の密着性等の信頼性を高めることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明のガラスセラミック焼結体
は、基本成分としてガラス成分とフィラー成分とから構
成されるものであるが、本発明によれば、フィラー成分
として、平均粒径が２０μｍ以下で、内部に最大で１５
μｍ以下の気孔を有するクオーツ結晶粒子を含有するこ
とが重要である。このような平均粒径が２０μｍ以下で
粉末内部に最大気孔径が１５μｍ以下の気孔を有するク
オーツ結晶粒子を用いることで強度劣化の少ない低誘電
率の焼結体を得ることができる。また、クオーツはそれ
自体４０〜４００℃の熱膨張係数が１５〜２０×１０^-6
／℃と大きいことから、焼結体の高熱膨張化に寄与す
る。なお、本発明における熱膨張係数とは、すべて線熱
膨張係数の意味である。

【００２４】かかるクオーツ結晶粒子の平均粒径および
気孔径を上記の範囲に限定したのは、平均粒径が２０μ
ｍよりも大きい、あるいは気孔径が１５μｍよりも大き
いと、クオーツ粒子あるいは気孔が破壊源となり、焼結
体の強度が低下するためである。

【００２５】なお、平均粒径が特に１０μｍ以下、さら
には５μｍ以下であることが望ましい。また、気孔径は
５μｍ以下、さらには０．０２〜１μｍであることが望
ましい。

【００２６】上記の気孔を有するクオーツ結晶粒子は、
粒子の表面および／または内部に気孔を有する多孔質粒
子でもよいし、または中空粒子であってもよい。

【００２７】さらに、本発明のガラスセラミック焼結体
によれば、焼結体中におけるアルカリ金属含有量を金属
換算で２５０ｐｐｍ以下、特に１００ｐｐｍ以下にする
ことで絶縁抵抗の劣化を抑制することができる。

【００２８】また、さらに４０〜４００℃の温度範囲に
おける熱膨張係数が８．５〜１８×１０^-6／℃、特に
８．５〜１４×１０^-6／℃の焼結体を用いることで大型
の表面実装型基板の接続信頼性を向上させることができ
る。

【００２９】これは、かかる焼結体をパッケージなどの
絶縁基板として用いた場合に、外部回路基板との熱膨張
差により熱応力の発生を緩和し、外部回路基板とパッケ
ージとの電気的接続状態を長期にわたり良好な状態に維
持することができ、この熱膨張係数が８．５×１０^-6／
℃より小さいか、あるいは１８×１０^-6／℃より大きい
と、いずれも熱膨張差に起因する熱応力が大きくなり、
外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態が劣
化するおそれがある。

【００３０】また、本発明によれば、上記の通り、気孔
を有するクオーツ結晶粒子を有することによって、焼結
体中に気孔を導入することができるとともに、その気孔
がクオーツ結晶粒子表面または内部に存在することによ
って、そのクオーツ結晶粒子の含有量を制御することに
よって、焼結体中の気孔を容易に且つ安定的に再現よく
導入することができる。

【００３１】これによって焼結体中に導入される気孔量
としては、焼結体の密度をＤ１と、その焼結体を微細粉
砕した後の粉末の密度をＤ２とした時、１００×Ｄ１／
Ｄ２で表される気孔率（＝閉気孔＋開気孔）が１０％以
上、特に１５％以上であることが望ましい。

【００３２】そして、かかる構成によってガラスセラミ
ック焼結体の比誘電率を５以下、特に４．７以下とする
ことによって後述する配線基板の絶縁基板材料として用
いた場合に、伝送信号の伝送特性を向上させることがで
きる。

【００３３】本発明のガラスセラミック焼結体における
ガラス成分としては、従来から公知のガラスが使用で
き、例えばホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガ
ラス等が用いられる他、焼結体を高熱膨張化させる上で
は、ガラス成分として、４０〜４００℃における熱膨張
係数が６〜１８×１０^-6／℃のアルカリ珪酸系ガラス、
ＰｂＯ系ガラス、ＺｎＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラス等の
高熱膨張係数のガラスも使用することができる。

【００３４】なお、上記ガラス成分の熱膨張係数は、結
晶化ガラスの場合には、焼成温度で熱処理した後の熱膨
張係数を指すものであり、線膨張係数を意味する。

【００３５】アルカリ珪酸系ガラスとしては、アルカリ
金属酸化物（Ｌｉ₂０など）を５〜３０重量％、特に５
〜２０重量％の割合で含有するものであり、焼成後に高
熱膨張係数を有するアルカリ珪酸結晶を析出するものが
好適に使用される。また、上記のアルカリ珪酸ガラスと
しては、アルカリ金属酸化物以外にＳｉＯ₂を必須の成
分として含むが、ＳｉＯ₂はガラス全量中、６０〜８５
重量％の割合で存在し、ＳｉＯ₂とアルカリ金属酸化物
との合量がガラス全量中、６５〜９５重量％であること
がアルカリ珪酸結晶を析出させる上で望ましい。また、
これらの成分以外に、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂、Ｂ₂
Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｐ₂Ｏ₅、ＺｎＯ、Ｆ等が配合さ
れていてもよい。なお、このアルカリ珪酸系ガラス中に
は、Ｂ₂Ｏ₃は１重量％以下であることが望ましい。

【００３６】ＰｂＯ系ガラスとしては、ＰｂＯを主成分
とし、さらにＢ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂のうちの少なくとも１種
を含有するものであり、焼成後にＰｂＳｉＯ₃、ＰｂＺ
ｎＳｉＯ₄等の高熱膨張の結晶相が析出するものが好適
に使用される。とりわけＰｂＯ（６５〜８５重量％）−
Ｂ₂Ｏ₃（５〜１５重量％）−ＺｎＯ（６〜２０重量％）
−ＳｉＯ₂（０．５〜５重量％）−ＢａＯ（０〜５重量
％）から成る結晶性ガラスや、ＰｂＯ（５０〜６０重量
％）−ＳｉＯ₂（３５〜５０重量％）−Ａｌ₂Ｏ ₃（１〜
９重量％）から成る結晶性ガラスが望ましい。

【００３７】ＺｎＯ系ガラスとしては、ＺｎＯを１０重
量％以上含有するものであり、焼成後にＺｎＯ・Ａｌ₂
Ｏ₃、ＺｎＯ・ｎＢ₂Ｏ₃等の高熱膨張係数の結晶相が析
出するものが好適に使用される。ＺｎＯ成分以外に、Ｓ
ｉＯ₂（６０重量％以下）、Ａｌ₂Ｏ₃（６０重量％以
下）、Ｂ₂Ｏ₃（３０重量％以下）、Ｐ₂Ｏ₅（５０重量％
以下）、アルカリ土類酸化物（２０重量％以下）、Ｂｉ
₂Ｏ₃（３０重量％以下）等が配合されていてもよい。と
りわけＺｎＯ１０〜５０重量％−Ａｌ₂Ｏ₃１０〜３０重
量％−ＳｉＯ₂３０〜６０重量％から成る結晶性ガラス
やＺｎＯ１０〜５０重量％−ＳｉＯ₂５〜４０重量％−
Ａｌ₂Ｏ₃０〜１５重量％−ＢａＯ０〜６０重量％−Ｍａ
Ｏ０〜３５重量％から成る結晶性ガラスが望ましい。

【００３８】さらに、ＢａＯ系ガラスとしては、ＢａＯ
を１０重量％以上含有し、焼成後にメタ珪酸バリウム
（ＢａＯ・ＳｉＯ₂）、ＢａＡｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈、ＢａＢ₂Ｓ
ｉ₂Ｏ₈等の結晶相を析出するものが好適に採用される。
ＢａＯ以外の成分としてＳｉＯ ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、
Ｐ₂Ｏ₅、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物
等を含んでもよい。

【００３９】また、フィラー成分としては、上記のクオ
ーツ結晶粒子は、焼結体中に１〜８０体積％、特に２〜
６０体積％、さらに１０〜４０体積％の割合で含有され
ることが望ましいが、フィラーとしては、他のフィラー
と混合して用いることができる。特に、焼結体の熱膨張
係数を８×１０^-6／℃以上に設定するためには、他のフ
ィラーとして、４０〜４００℃における熱膨張係数が６
×１０^-6／℃以上の金属酸化物を含むことが望ましい。

【００４０】このような熱膨張係数が６×１０^-6／℃以
上の金属酸化物としては、緻密質なクオーツ（Ｓｉ
Ｏ₂）の他、トリジマイト（ＳｉＯ₂）、フォルステライ
ト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ
₃）、ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ₂）、モンティ
セラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、ネフェリン
（Ｎａ₂Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂）、ジオプサイド（Ｃａ
Ｏ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂）、メルビナイト（３ＣａＯ・
ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂）、アケルマイト（２ＣａＯ・Ｍｇ
Ｏ・２ＳｉＯ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）、カーネギアイト（Ｎａ₂Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃・
２ＳｉＯ₂）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ ₂）、ホ
ウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ₂Ｏ₃）、セルシアン
（ＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ ₃・２ＳｉＯ₂）、Ｂ₂Ｏ₃・２ＭｇＯ
・２ＳｉＯ₂、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ₂Ｏ ₃）の群か
ら選ばれる少なくとも１種が挙げられる。これらの中で
も、緻密なクオーツ、トリジマイトなどのＳｉＯ₂系材
料、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれ
る少なくとも１種が高熱膨張化を図る上で望ましい。

【００４１】本発明のガラスセラミック焼結体によれ
ば、ガラス成分とフィラー成分とは、ガラス成分が９９
〜２０体積％、特に７０〜３０体積％、フィラー成分が
１〜８０体積％、特に３０〜７０体積％の割合で含有さ
れることが望ましい。これは、ガラス量が上記範囲より
も少ない、あるいはフィラー量が上記範囲よりも多い
と、１０００℃以下での焼成が困難となりやすく、ガラ
ス量が上記範囲よりも多い、あるいはフィラー量が上記
範囲よりも少ないと、焼成温度が低くなりすぎて金属導
体との同時焼成が困難となるためである。

【００４２】また、フィラー成分量は、ガラス成分の屈
伏点に応じ、その量を適宜細かく調整することが望まし
い。即ち、ガラスの屈伏点が４００℃〜７５０℃と低い
場合、低温での焼結性が高まるためフィラーの含有量は
４０〜８０体積％と比較的多く配合できる。これに対し
て、ガラスの屈伏点が７５０℃〜８００℃と高い場合、
焼結性が低下するためフィラーの含有量は２０〜５０体
積％と比較的少なく配合することが望ましい。

【００４３】次に、本発明のガラスセラミック焼結体を
作製するための方法について説明する。

【００４４】まず、出発原料として、上記のガラス成分
のガラス粉末と、フィラー成分として、前記平均粒径が
２０μｍ以下で、内部に最大で１５μｍ以下の気孔を有
するクオーツ結晶粒子、さらには他のフィラー粉末を用
いて前述した所定の比率で混合する。

【００４５】上記クオーツ結晶粒子は、例えば以下の方
法によって作製される。まず、平均粒径が２〜２０μ
ｍ、気孔径が０．５〜５μｍのシリカゲル粉末を８００
〜１１００℃の温度で１〜１０時間熱処理する。その
際、シリカゲルに対して平均粒径が０．５〜２μｍのＺ
ｎＯなどのＺｎ化合物粉末を酸化物換算で０．５〜２０
重量％の割合で添加混合しておくことによって、シリカ
ゲルの熱処理によるクオーツ化を促進することができる
とともに、クリストバライトの生成も抑制することがで
きる。

【００４６】また、ガラス成分としては、前述したよう
な、屈伏点が４００〜７５０℃であることが望ましい。
これは屈伏点が４００℃よりも低いと焼成温度が低くな
りすぎ、Ｃｕ導体との同時焼成ができず、７５０℃より
も高いと高価なガラスを多量に添加しないと緻密化が困
難となるためである。

【００４７】本発明によれば、上記のように調合された
ガラス粉末とフィラー粉末との混合物に、適当な成形の
有機樹脂バインダーを添加した後、所望の成形手段、例
えば、ドクターブレード、圧延法、金型プレス等により
シート状に任意の形状に成形後、焼成する。

【００４８】焼成にあたっては、まず、成形のために配
合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去
は、７００℃前後の大気雰囲気中または窒素雰囲気中で
行われる。この時、成形体の収縮開始温度は７００〜８
５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮開始温度
がこれより低いとバインダーの除去が困難となるため、
成形体中のガラスの特性、特に屈伏点を前述したように
制御することが望ましい。

【００４９】焼成は、８５０℃〜１０５０℃の酸化性雰
囲気中または非酸化性雰囲気中で行われ、これにより開
気孔率が１％以下、特に０．７％以下にまで緻密化され
る。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻密化する
ことが難しく、１０５０℃を越えると後述する配線基板
を作製する場合に、銅や銀などのメタライズ配線層との
同時焼成が難しくなる。

【００５０】このようにして作製されたガラスセラミッ
ク焼結体中には、ガラス相とフィラー相が形成される。
ガラス相中には、ガラスから析出した析出結晶相も含ま
れる。ここでガラスより析出する結晶相としては、焼結
体全体の熱膨張係数を高める上で、少なくとも４０〜４
００℃における熱膨張係数が６×１０^-6／℃以上の酸化
物の結晶相が析出することが望ましい。４０〜４００℃
における熱膨張係数が６×１０^-6／℃以上の酸化物の結
晶相としては、前述したような４０〜４００℃における
熱膨張係数が６×１０^-6／℃以上の酸化物の結晶相が挙
げられる。

【００５１】図１は、本発明のガラスセラミック焼結体
の応用例として、配線基板、とりわけ、ＢＧＡ型の半導
体素子収納用パッケージとその実装構造の一実施例を示
す概略断面図である。このパッケージは、絶縁基板の表
面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された、いわ
ゆる配線基板を基礎的構造とするものであり、Ａは半導
体素子収納用パッケージ、Ｂは外部回路基板をそれぞれ
示す。

【００５２】半導体素子収納用パッケージＡは、絶縁基
板１と蓋体２とメタライズ配線層３と接続端子４により
構成され、絶縁基板１及び蓋体２は半導体素子５を内部
に気密に収容するためのキャビティ６を形成する。そし
て、キャビティ６内にて半導体素子５は、ガラス、樹脂
等の接着材を介して絶縁基板１に接着固定される。

【００５３】また、絶縁基板１の表面および内部には、
メタライズ配線層３が配設されており、半導体素子５と
絶縁基板１の下面に形成された接続端子４と電気的に接
続するように配設されている。図１のパッケージによれ
ば、接続端子４は、接続パッド４ａを介して高融点の半
田（錫−鉛合金）から成るボール状端子４ｂがロウ材に
より取着されている。

【００５４】一方、外部回路基板Ｂは、絶縁体７と配線
導体８により構成されており、絶縁体７は、少なくとも
有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス
−エポキシ系複合材料などのように４０〜４００℃の熱
膨張係数が１２〜１６×１０ ^-6／℃の特性を有し、一般
にはプリント基板等が用いられる。また、この基板Ｂの
表面に形成される配線導体８は、絶縁体７との熱膨張係
数の整合性と、良電気伝導性の点で、通常、Ｃｕ、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体から
なる。

【００５５】半導体素子収納用パッケージＡを外部回路
基板Ｂに実装するには、パッケージＡの絶縁基板１下面
のボール状端子４ｂを外部回路基板Ｂの配線導体８上に
載置当接させ、しかる後、低融点の半田等のロウ材によ
り約２５０〜４００℃の温度で半田を溶融させて配線導
体８とボール状端子４ｂとの接合することにより、実装
される。この時、配線導体８の表面にはボール状端子４
ｂとのロウ材による接続を容易に行うために予めロウ材
が被着形成される。

【００５６】本発明のガラスセラミック焼結体は、前述
した通り、低誘電率で、高熱膨張係数を有し、強度劣化
が無く、絶縁抵抗の劣化も無いことから、かかる焼結体
をパッケージなどの配線基板における絶縁基板１として
用いることによって、有機樹脂を含有する絶縁材料を有
するプリント基板などの外部回路基板に対して、配線基
板を接続端子を介して実装した場合においても、熱膨張
特性を近似させることができることから長期信頼性にわ
たり安定した実装状態を維持することができる。

【００５７】なお、上記のような配線基板を作製する場
合には、前述したガラスセラミック焼結体の製造方法に
おいて、ガラス成分とフィラー成分とからなる混合粉末
を用いて、ドクターブレード法等によってシート状成形
体を作製した後、そのシート状成形体に対して、Ｃｕ、
Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうちの１種以上からなる金属
粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得
た金属ペーストを前記シート状成形体表面に周知のスク
リーン印刷法により所定パターンに印刷塗布する。

【００５８】また、場合によっては、前記グリーンシー
トに適当な打ち抜き加工してスルーホールを形成し、こ
のホール内にもメタライズペーストを充填する。そして
これらのグリーンシートを複数枚積層圧着した後、以下
の方法で焼成する。

【００５９】焼成にあたっては、まず、成形のために配
合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去
は、７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、配線導
体としてＣｕを用いる場合には、１００〜７００℃の水
蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。この時、成形
体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが
望ましく、かかる収縮開始温度がこれより低いとバイン
ダーの除去が困難となるため、成形体中のガラスの特
性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要と
なる。

【００６０】焼成は、８５０℃〜１０５０℃の酸化性雰
囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻
密化される。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻
密化することができず、１０５０℃を越えるとメタライ
ズ配線層との同時焼成が難しくなる。但し、配線導体と
してＣｕを用いる場合には、非酸化性雰囲気中で行われ
る。

【００６１】

【実施例】実施例１気孔を有するフィラー粉末として、表１に示す組成、フ
ィラー粉末の平均粒径、粉末中の最大気孔径を有する粉
末を準備した。また、この粉末について、Ｘ線回折測定
によって結晶相を同定した。

【００６２】

【表１】

【００６３】また、ガラス成分として、以下の表２の組
成からなる平均粒径が５μｍの粉末を準備した。

【００６４】

【表２】

【００６５】表１のフィラーと表２のガラスとを表３，
４に示す割合で調合し、プレス成形後に表３，４に示す
温度で１時間焼成した。

【００６６】得られたガラスセラミック焼結体を加工
し、ＪＩＳ試験片を作製し、３点曲げ法にて強度を測定
した。

【００６７】また、上記と同様にして直径が２０ｍｍの
円盤を作製し１ＭＨｚでの誘電率を測定した。

【００６８】

【表３】

【００６９】

【表４】

【００７０】表３，４によれば、平均粒径が２０μｍ以
下、最大気孔径が１５μｍ以下の表１のＮｏ．１〜４、
７〜９、１２、１３、１６、２３〜２５のクオーツ粒子
を用いた場合、いずれも２００ＭＰａ以上の高い強度が
得られた。また、誘電率もそれぞれのガラス単独の場合
よりも低い比誘電率が５以下の焼結体を得ることができ
た。これに対して、平均粒径が２０μｍより大きいＮ
ｏ．５、６、１０、１１、１４、１５、１７、１８のク
オーツ粒子を用いた場合では、比誘電率は低いものの、
強度の劣化が認められ２００ＭＰａ以下の値となった。

【００７１】また、最大気孔径が１５μｍよりも大きい
Ｎｏ．１９〜２１のクオーツ粒子を用いた場合も強度の
劣化が認められ、特に破断面を観察した結果、気孔が破
壊起点になっていることを確認した。

【００７２】さらに、フィラーとして、Ｚｎの含有量が
０．５重量％よりも少ない表１のＮｏ．２２のフィラー
を用いた試料Ｎｏ．２２、４７では、アモルファスシリ
カまたはクリストバライトの析出が認められ、熱膨張特
性において、高熱膨張化ができず、あるいは熱膨張曲線
に屈曲部がみられた。

【００７３】以上の結果より、フィラーとして平均粒径
が２０μｍ以下、最大気孔径が１５μｍ以下のクオーツ
結晶粒子を含有させることによって、低誘電率を有し、
且つ高い強度を有するガラスセラミック焼結体を作製す
ることができた。しかも、いずれの試料においても１０
００℃以下の温度域で焼結が可能であるために低抵抗導
体であるＣｕやＡｇとの同時焼成が可能であることが確
認された。実施例２平均粒径１０μｍ、最大気孔径２μｍのクオーツ粉末
と、表２のＡのガラス粉末、さらには、他のフィラーと
して平均粒径が３μｍのクオーツ、フォルステライト粉
末を適宜用いて、表５の比率で調合、成形し、表５に示
す条件で焼成した。

【００７４】得られた焼結体に対して、４０〜４００℃
の熱膨張係数を測定するとともに、比誘電率、抗折強度
を測定した。

【００７５】また、かかる焼結体を用いて配線基板を作
製した。具体的には、表５の組成からなるガラスセラミ
ックグリーンシートの成形体の表面に銅ペーストを印刷
およびビアホールを形成して銅ペーストを充填した。そ
して、それらのグリーンシートを１２層積層して配線基
板を作製した。そして、その配線基板の裏面に半田から
なるボール状端子を３０×３０個取り付けた。

【００７６】そして、この配線基板をガラス−エポキシ
樹脂基板の表面に銅箔の配線が形成された外部回路基板
表面に半田実装した。

【００７７】この実装基板を−４０℃×１０分、１２５
℃×１０分を１サイクルとして、熱サイクルを印加し、
ボール状端子を介した接続部における抵抗に変化が生じ
るまでの熱サイクル数を測定し、その結果を表５に示し
た。

【００７８】

【表５】

【００７９】その結果、気孔を有するクオーツの含有量
を変化させることによって、比誘電率を５以下に低下さ
せることができた。しかも、熱膨張係数においても、８
×１０^-6／℃以上の高熱膨張化が達成でき、低誘電率化
と高熱膨張化を同時に達成することができ、また、熱膨
張係数が８．５×１０^-6／℃以上の配線基板において
は、熱サイクル試験で１０００サイクル以上の優れた耐
久性を示した。

【００８０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ガラスセラミック焼結体において、平均粒径が２０μｍ
以下で、最大気孔径が１５μｍ以下の気孔を有するクオ
ーツ粉末をフィラーとして用いることによって、低誘電
率化とともに強度の高い焼結体を得ることができる。そ
して、これを配線基板として用いることによって信号伝
送特性を向上させるとともに、プリント基板などの外部
回路基板に対して接続端子を介して実装した構造におい
ても長期接続信頼性を有する実装構造を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガラスセラミック焼結体の応用例とし
て、半導体素子収納用パッケージからなる配線基板を外
部回路基板に実装した時の概略断面図である。

【符号の説明】

Ａ半導体素子収納用パッケージＢ外部回路基板１絶縁基板２蓋体３メタライズ配線層４接続端子５半導体素子６キャビティ７絶縁体８配線導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラス成分と、フィラー成分とからなるガ
ラスセラミック焼結体であって、前記フィラー成分とし
て、平均粒径が２０μｍ以下で、内部に最大１５μｍ以
下の気孔を有するクオーツ結晶粒子を含有することを特
徴とするガラスセラミック焼結体。
【請求項２】前記クオーツ結晶粒子を１〜８０体積％の
比率で含有することを特徴とする請求項１記載のガラス
セラミック焼結体。
【請求項３】比誘電率が５以下、４０〜４００℃におけ
る熱膨張係数が８．５×１０^-6／℃以上であることを特
徴とする請求項１記載のガラスセラミック焼結体。
【請求項４】前記クオーツ結晶粒子中に、Ｚｎを酸化物
換算で０．５重量％以上の割合で含有することを特徴と
する請求項１記載のガラスセラミック焼結体。
【請求項５】アルカリ金属含有量が金属換算で２５０ｐ
ｐｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のガラス
セラミック焼結体
【請求項６】フィラーとして、さらに４０〜４００℃に
おける熱膨張係数が６×１０^-6／℃以上のフィラーを含
有することを特徴とする請求項３記載のガラスセラミッ
ク焼結体。
【請求項７】絶縁基板の表面あるいは内部に、メタライ
ズ配線層が配設された配線基板において、前記絶縁基板
が、請求項１乃至請求項６のいずれか記載のガラスセラ
ミック焼結体からなることを特徴とする配線基板。
【請求項８】前記絶縁基板の表面において、半導体素子
が気密に封止され、且つ該絶縁基板の裏面に、前記半導
体素子と電気的接続された接続端子を具備することを特
徴とする請求項７記載の配線基板。
【請求項９】前記接続端子がボール状端子からなること
を特徴とする請求項８記載の配線基板。