JP2002167265A

JP2002167265A - 低温焼成磁器組成物および低温焼成磁器並びにそれを用いた配線基板

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Publication number: JP2002167265A
Application number: JP2000363717A
Authority: JP
Inventors: Masaya Kokubu; 正也國分; Yoji Furukubo; 洋二古久保; Kenjiro Fukuda; 憲次郎福田; Masahiko Azuma; 昌彦東; Yoshihiro Nakao; 吉宏中尾; Kenichi Nagae; 謙一永江
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2002-06-11
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP3466561B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低温で焼成でき、高熱膨張係数で、メタライズ
配線層との同時焼成によっても絶縁基板表面に反りが生
じない、特に配線基板等の絶縁基板として好適に使用で
きる低温焼成磁器組成物および低温焼成磁器並びに該磁
器を絶縁基板として用いた配線基板を提供する。【解決手段】ＳｉをＳｉＯ₂換算で４０〜７０重量％
と、ＢａをＢａＯ換算で１５〜４０重量％と、ＢをＢ₂
Ｏ₃換算で１〜５重量％と、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で１〜
８重量％と、希土類元素（ＲＥ）をＲＥ₂Ｏ₂₃換算で０
重量％より多く５重量％以下との割合で含有してなる組
成物であって、該組成物中にクォーツ結晶を３０重量％
以上の割合で含有する低温焼成磁器組成物を配線基板Ａ
の絶縁基板１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、低温焼成磁器組成
物と低温焼成磁器、および該磁器を絶縁基板として用い
た配線基板に関し、より詳細には、Ｃｕ、Ａｇ等の金属
によるメタライズ配線層の形成が可能で、熱膨張係数が
高く、特に半導体素子等を搭載し、かつプリント基板等
の外部回路基板との実装信頼性に優れた配線基板の絶縁
基板に適した焼結体の改良に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に、電子機器等に使用される配線基板
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
設された構造から成る。また、このような配線基板を用
いた回路機器の代表例として、半導体素子、特にＬＳＩ
（大規模集積回路素子）等の半導体集積回路素子を収容
した半導体素子収納用パッケージが挙げられる。

【０００３】この半導体素子収納用パッケージは、一般
にアルミナ焼結体等の電気絶縁用材料から成り、上面中
央部に半導体素子を搭載する絶縁基板と、半導体素子に
接続されて素子の周囲から下面にかけて導出されるタン
グステン、モリブデン等の高融点金属から成る複数個の
メタライズ配線層と、絶縁基板の側面または下面に形成
されてメタライズ配線層が電気的に接続される複数個の
接続端子と、蓋体とから構成され、絶縁基板上面に蓋体
をガラス、樹脂等の封止材を介して接合し、絶縁基板と
蓋体とから成る容器内部に半導体を気密に封止すること
によって形成される。

【０００４】また、半導体素子収納用パッケージに用い
る絶縁基板としては、これまでアルミナやムライト等の
焼結体が用いられていたが、最近では、低温で焼結が可
能で配線層として低抵抗なＣｕやＡｇ等を用いることが
できる低温焼成磁器からなる絶縁基板が種々提案されて
おり、例えば、特公平４−１１４９５号、特公平６−７
６２５３号等には、ＳｉＯ₂−ＢａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ
₃を含有し、１０５０℃以下での焼成が可能な磁器組成
物が提案され、またアルミナ質磁器に比べて誘電率を低
減できることが記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公平
４−１１４９５号や特公平６−７６２５３号等にて開示
された低温焼成磁器では、磁器の熱膨張係数が低く、絶
縁基板として用いた場合にはプリント基板等の外部回路
基板に実装した際の実装信頼性が低下するという問題が
あり、また、絶縁基板をなす磁器表面に形成したメタラ
イズ配線層が焼成中磁器よりも低い温度から収縮するた
めに、焼成後の絶縁基板に反りが発生するという問題が
あった。

【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、１０５０℃以下での焼成が可
能で、磁器の熱膨張係数を高めることができるととも
に、メタライズ配線層との同時焼成によっても反りを生
じない絶縁基板を作製できる低温焼成磁器組成物および
低温焼成磁器並びにそれを用いた配線基板を得ることに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
に対して検討を重ねた結果、全量中にＳｉをＳｉＯ₂換
算で４０〜７０重量％と、ＢａをＢａＯ換算で１５〜５
０重量％と、ＢをＢ₂Ｏ₃換算で１〜５重量％と、Ａｌを
Ａｌ₂Ｏ₃換算で１〜８重量％と、希土類元素（ＲＥ）を
ＲＥ₂Ｏ₃換算で０重量％より多く５重量％以下との割合
で含有してなる組成物であって、該組成物中にクォーツ
結晶を３０重量％以上の割合で含有する組成物を用いる
ことにより、磁器の熱膨張係数を高めて外部回路基板に
近似させることができるとともに、メタライズ配線層と
の同時焼成によっても反りが生じない絶縁基板を作製で
きることを見い出した。

【０００８】また、本発明によれば、さらに珪酸バリウ
ム結晶を含有すること、結晶相の含有量（ａ重量％）と
非晶質相の含有量（ｂ重量％）との比率（ａ／（ａ＋
ｂ））×１００（％）が８０％以上であることが望まし
い。

【０００９】さらに、本発明の低温焼成磁器は、上記低
温焼成磁器組成物からなり、開気孔率２％以下、４０〜
４００℃における熱膨張係数が９〜１８×１０^-6／℃で
あることを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明の配線基板は、絶縁基板の表
面および／または内部にメタライズ配線層が配設された
配線基板であって、前記絶縁基板が、上記低温焼成磁器
からなるとともに、前記メタライズ配線層を形成した絶
縁基板の表面における反り量が０．４％以下であること
を特徴とするものであり、特に前記メタライズ配線層が
銅または銀を主とすることが望ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の低温焼成磁器組成物は、
全量中、ＳｉをＳｉＯ₂換算で４０〜７０重量％と、Ｂ
ａをＢａＯ換算で１５〜４０重量％と、ＢをＢ₂Ｏ₃換算
で１〜５重量％と、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で１〜８重量％
と、希土類元素（ＲＥ）をＲＥ₂Ｏ₃換算で０重量％より
多く５重量％以下との割合で含有してなるものである。

【００１２】ここで、ＳｉＯ₂量が４０重量％より少な
いと、磁器の熱膨張係数を高めることができない。逆
に、ＳｉＯ₂量が７０重量％よりも多いと、１０５０℃
以下の焼成によって磁器の気孔率を３％以下に低減する
ことができず、熱膨張係数、耐水性、耐薬品性、強度等
の低下を招く。ＳｉＯ₂量の望ましい範囲は５０〜６５
重量％、５５〜６０重量％、特に５６〜５９重量％であ
る。

【００１３】また、ＢａＯ量が１５重量％より少ない
と、１０５０℃以下の焼成によって磁器の気孔率を３％
以下に低減することができず、また、磁器の収縮開始温
度が高くなってメタライズ配線層と同時焼成する際、絶
縁基板の反り量を所定の範囲内に制御することができな
い。逆にＢａＯ量が５０重量％より多いと、磁器の緻密
化と熱膨張係数の向上の両方を同時に満足させることが
できないためである。ＢａＯ量の望ましい範囲は２５〜
３５重量％である。

【００１４】さらに、Ｂ₂Ｏ₃量が１重量％より少ない
と、１０５０℃以下の焼成によって磁器の気孔率を低減
することができず、また、磁器の収縮開始温度が高くな
ってメタライズ配線層と同時焼成する際、絶縁基板の反
り量を所定の範囲内に制御することができない。Ｂ₂Ｏ₃
量が５重量％より多いと、強度が低下するとともに、熱
サイクルによって磁器強度の低下が大きくなるためであ
る。Ｂ₂Ｏ₃量の望ましい範囲は１．５〜３重量％であ
る。

【００１５】また、Ａｌ₂Ｏ₃量が１重量％より少ない
と、磁器強度が低下し、熱サイクル後の強度低下率が大
きくなるとともに、磁器の耐薬品性が悪くなりメッキ処
理等によって磁器が表面から浸食される恐れがある。逆
に、Ａｌ₂Ｏ₃量が８重量％より多いと、１０５０℃以下
の焼成によって磁器の気孔率を低減することができず、
また、磁器の収縮開始温度が高くなってメタライズ配線
層と同時焼成する際、絶縁基板の反り量を所定の範囲内
に制御することができない。Ａｌ₂Ｏ₃量の望ましい範囲
は４〜８重量％である。

【００１６】さらに、ＲＥ₂Ｏ₃を含有しないと、メタラ
イズ配線層と同時焼成する際、焼成収縮挙動のミスマッ
チによって絶縁基板の反り量を所定の範囲内とすること
ができず、配線基板の反りによって、半導体素子や受動
態素子、またはプリント基板等の外部回路基板等を実装
した時の初期実装歩留まりの低下を引き起こすためであ
る。逆に、ＲＥ₂Ｏ₃量が５重量％を越えると、１０５０
℃以下の温度で磁器を緻密化することができず、クォー
ツ結晶との結合力が低下する。ＲＥ₂Ｏ₃量の望ましい範
囲は０．００５〜２．０重量％、特に０．０１〜１．０
重量％である。なお、本発明における希土類元素（Ｒ
Ｅ）とは、Ｙ、Ｙｂ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、
Ｅｕ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌ
ｕの群から選ばれる少なくとも１種を指し、特にコスト
および焼成挙動をメタライズ配線層と近似させる効果の
高いＹ（イットリウム）を含有することが望ましい。

【００１７】また、上記成分に加えて、磁器の耐薬品性
を高めるとともに、磁器中に存在するクォーツとのなじ
みを高めて磁器強度を高めるためにＺｒＯ₂を７重量％
以下の範囲で含有せしめることが望ましい。

【００１８】さらに、本発明によれば、上記成分に加え
て、ＣａをＣａＯ換算で１０重量％以下、特に５重量％
以下、さらに２重量％以下、ＭｇをＭｇＯ換算で１０重
量％以下、特に５重量％以下、さらに２重量％以下、Ｙ
をＹ₂Ｏ₃換算で１０重量％以下、特に５重量％以下、さ
らに２重量％以下の割合でこれらの少なくとも１種を含
有せしめてもよく、これら成分は、磁器の気孔率を低減
するとともに、磁器中の非晶質相の比率を低減して結晶
化を促進する働きをなす。

【００１９】また、本発明によれば、各成分を上記割合
で含有するとともに、前記組成物中にクォーツ結晶を３
０重量％以上、特に３５重量％以上、さらに４０重量％
以上の割合で含有することが大きな特徴であり、これに
よって、磁器の熱膨張係数を高めることができるととも
に高周波帯での誘電損失を低減することができる。すな
わち、クォーツ結晶の含有割合が３０重量％よりも少な
いと、磁器の４０〜４００℃における熱膨張係数が９×
１０^-6／℃よりも低下して絶縁基板と外部回路基板との
熱膨張差に起因して（二次）実装部での電気的接続信頼
性が低下する。

【００２０】ここで、上記組成物中には、磁器の熱膨張
係数を高め、高周波帯での誘電損失を低減するために、
珪酸バリウム結晶を、特に１０重量％以上、さらに３０
重量％以上、さらには４０重量％以上の割合で含有する
ことが望ましい。なお、本発明における各結晶の含有比
率は、磁器のＸ線回折測定から各結晶のピーク強度に基
づいてリートベルト法（泉富士夫ら日本結晶学会誌
３４（１９９２）７６等参照）によって算出される値
を指す。

【００２１】また、珪酸バリウムとしてはＢａＯ・２Ｓ
ｉＯ₂（ジ珪酸バリウム）やＢａＯ・ＳｉＯ₂（メタ珪酸
バリウム）等が挙げられ、特に安定して存在し熱膨張係
数を高める点でＢａＯ・２ＳｉＯ₂（ジ珪酸バリウム）
を含有せしめることが望ましい。さらに、ＢａＯ・Ｓｉ
Ｏ₂（メタ珪酸バリウム）は針状結晶であれば強度、靭
性を高めることができる。

【００２２】また、上記組成物中には、その他の結晶相
として、セルシアン（ＢａＯ・Ａｌ ₂Ｏ₃・２Ｓｉ
Ｏ₂）、２ＢａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂、スピネル（Ｍｇ
Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ
₂）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、ウォラスト
ナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ₂）、モンティセラナイト（Ｃ
ａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、ディオプサイド（ＣａＯ・
ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂）、メルビナイト（２ＣａＯ・Ｍｇ
Ｏ・２ＳｉＯ₂）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・
２ＳｉＯ₂）、ＣａＺｒＯ₃、アルミナ、クリストバライ
ト、トリジマイト、ＺｒＯ₂、ＭｇＯ、ペタライト等の
他の結晶が総量で４０重量％以下、特に３０重量％以
下、さらに２０重量％以下、さらには１０重量％以下の
割合で含有せしめてもよい。中でも、磁器の靭性を高め
るために、平均アスペクト比３以上の針状のセルシアン
（ＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）を含有せしめること
が望ましい。

【００２３】さらに、磁器の熱膨張係数、強度、耐薬品
性、耐水性、熱伝導率の点で、磁器中の開気孔率が２％
以下、特に１．５％以下であることが望ましく、結晶
（総量）の含有率（ａ重量％）と非晶質相の含有率（ｂ
重量％）の比（ａ／（ａ＋ｂ））×１００（％）が８０
％以上、特に９０％以上、さらに９５％以上であること
が望ましい。

【００２４】上記態様の磁器は、４０〜４００℃におけ
る平均（線）熱膨張係数が９〜１８×１０^-6／℃、特に
１１〜１４×１０^-6／℃となる。また、この磁器の強度
は１６０ＭＰａ以上、特に１７０ＭＰａ以上、１ＭＨｚ
での誘電率７以下、特に６．５以下、さらに６以下、３
ＧＨｚでの誘電損失が３０×１０^-4以下、特に２５×１
０^-4以下、破壊靭性が１．４ＧＰａ以上、特に１．５Ｇ
Ｐａ以上であることが望ましい。なお、抗折強度、耐薬
品性、耐水性、熱伝導率、絶縁抵抗の点で、磁器の相対
密度が９０％以上、特に９５％以上、さらに９８％以上
であることが望ましい。

【００２５】（製造方法）一方、上述した本発明の低温
焼成磁器を作製するには、上記Ｓｉ、Ｂａ、Ｂ、Ａｌ、
希土類元素（ＲＥ）が上記の比率で含有されていれば特
に出発原料を限定するものではないが、特に結晶の制御
の容易性からガラスとフィラーとの混合物を用いるのが
よい。ガラス成分としては、例えば平均粒径０．５〜１
０μｍのホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガラ
ス、リチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＺｎＯ系
ガラス、ＢａＯ系ガラス等が用いられる他、磁器を高熱
膨張化させる上では、焼成によりガラス中から珪酸バリ
ウムを析出可能なＢａＯ系結晶化ガラスを使用すること
が望ましい。

【００２６】なお、ＢａＯ系ガラスの具体的な組成とし
ては、低温焼成化、結晶化度の向上の点で、例えば、Ｓ
ｉＯ₂１０〜７０重量％、特に１５〜３０重量％、Ｂａ
Ｏ３０〜７０重量％、特に４０〜７０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃
８〜１６重量％、特に８．５〜１２重量％、Ｂ₂Ｏ₃１〜
１０重量％、特に３〜７重量％、ＣａＯ１〜５重量％、
特に１〜３重量％、ＲＥ₂Ｏ₃０．０１〜５重量％、特に
０．０３〜３重量％の比率で含有するガラスが望まし
い。さらに、上記組成のガラス中にＢａＯ以外のアルカ
リ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物、ＺｒＯ₂、Ｓ
ｂ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃を総量で５重量％以下、特に３重量％
以下の比率で含む場合もある。

【００２７】また、上記ガラス以外または上記ガラスに
加えて、リチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、Ｚｎ
Ｏ系ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系
ガラスを用い、珪酸バリウム結晶等をセラミックフィラ
ーとして添加することも可能である。

【００２８】リチウム珪酸系ガラスとしては、Ｌｉ₂Ｏ
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リチウム
珪酸を析出するものが好適に使用される。また、上記の
リチウム珪酸系ガラスとしては、Ｌｉ₂Ｏ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Ｌｉ₂Ｏと
の合量がガラス全量中、６５〜９５重量％であることが
リチウム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、Ｂ₂Ｏ
₃、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ ₂Ｏ、Ｐ₂Ｏ₅、ＺｎＯ、ＲＥ₂Ｏ₃、Ｆ等
が配合されていてもよい。

【００２９】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。

【００３０】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）、希土類元素酸化物（５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％−ＳｉＯ₂３
０〜６０重量％から成る結晶性ガラスやＺｎＯ１０〜５
０重量％−ＳｉＯ₂５〜４０重量％−Ａｌ₂Ｏ ₃０〜１５
重量％−ＢａＯ０〜６０重量％−ＭｇＯ０〜３５重量％
−ＲＥ₂Ｏ₃０〜５重量％から成る結晶性ガラスが望まし
い。

【００３１】一方、１０５０℃以下の焼成で磁器中にク
ォーツ結晶を含有せしめるために、フィラー成分として
クォーツを必須として含有することが望ましく、また、
珪酸バリウム、ＢａＯ、ＢａＣＯ₃等の粉末を添加する
ことができる。なお、ＢａＯから珪酸バリウムに変換さ
せるためには、他フィラーとしてクォーツ以外に、非晶
質ＳｉＯ₂、クリストバライト、トリジマイト等の他の
ＳｉＯ₂系フィラーとともに添加して、ＢａＯとＳｉＯ₂
とを反応させて珪酸バリウムを生成析出させることがで
きる。なお、フィラーの平均粒径は０．２〜１５μｍ、
特に０．５〜１０μｍであることが望ましい。

【００３２】その他、フィラー成分としては、上記以外
に、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、フォルステライト
（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、スピネル（ＭｇＯ、Ａｌ
₂Ｏ₃）、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）、リチウムシリケ
ート（Ｌｉ₂Ｏ・ＳｉＯ₂）、ディオプサイド（ＣａＯ・
ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂）、メルビナイト（２ＣａＯ・Ｍｇ
Ｏ・２ＳｉＯ₂）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・
２ＳｉＯ₂）、カーネギアイト（Ｎａ₂Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃・２
ＳｉＯ₂）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、ホウ
酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ₂Ｏ₃）、セルシアン（Ｂ
ａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、Ｂ₂Ｏ₃・２ＭｇＯ・２
ＳｉＯ₂、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）、ＣａＴｉ
Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ＴｉＯ₂等の他のセラ
ミックフィラーを総量で２０重量％以下、特に１０重量
％以下の割合で添加することもできる。

【００３３】上記のガラスとフィラーとを組み合わせ
て、全量中のＳｉ、Ｂａ、Ｂ、Ａｌ、希土類元素（Ｒ
Ｅ）が上述した比率になるように調整すればよく、例え
ば、これらのガラスおよびセラミックフィラーは、ガラ
スを１０〜９０重量％、特に２０〜８０重量％、さらに
３０〜７０重量％と、フィラーを１０〜９０重量％、特
に２０〜８０重量％、さらに３０〜７０重量％の割合で
配合されたものであることが低温焼結性および焼結体強
度を高める上で望ましい。

【００３４】そして、上述した成分から成るガラス成分
とフィラー成分との混合物に対して、適当な成形のため
の有機樹脂バインダーを添加した後、所望の成形手段、
例えば金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押出
し成形、ドクターブレード法、カレンダーロール法、圧
延法等により任意の形状に成形する。

【００３５】次に、上記の成形体の焼成にあたっては、
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℃前後の大気または窒
素雰囲気中で行われるが、配線導体層として、例えばＣ
ｕ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。

【００３６】焼成は、酸化性雰囲気または非酸化性雰囲
気中で行われ、特に磁器中のガラスの結晶化度を高め、
磁器中の気孔率を低減するとともに、特に銅の配線導体
層と同時焼成する場合においてもガラスの軟化挙動をＣ
ｕ導体層に近似させて絶縁基板の反りを抑制するため
に、昇温速度２０〜３５０℃／ｈｒ、特に５０〜２５０
℃／ｈｒ、さらに５０〜１００℃／ｈｒで、焼成温度８
００〜１０５０℃、特に８５０〜９７０℃、さらに９２
０〜９５０℃にて、０．５〜５ｈｒ、特に１．５〜３ｈ
ｒ焼成することによって磁器を緻密化でき本発明の低温
焼成磁器を作製することができる。

【００３７】この時の焼成温度が１０５０℃を越えると
ＣｕやＡｇ等の配線導体層との同時焼成で導体層が溶融
してしまう。なお、Ｃｕ等の配線導体と同時焼成する場
合には、非酸化性雰囲気中で焼成すればよい。

【００３８】このようにして作製された磁器中には、ク
ォーツ結晶以外に、ガラス成分から生成した結晶相、ガ
ラス成分とフィラー成分との反応により生成した結晶
相、あるいはフィラー成分として予め含まれていた結晶
相、あるいはフィラー成分が分解乃至変態して生成した
結晶相等が存在し、これらの結晶相の粒界にはガラス相
が存在する場合もあるが、結晶の（総）含有量（ａ重量
％）と非晶質相の含有量（ｂ重量％）との比（ａ／（ａ
＋ｂ））×１００（％）が８０％以上、特に９０％以
上、さらに９５％以上であることが熱膨張係数の向上、
誘電率の向上、強度向上の点で望ましい。

【００３９】また、本発明の低温焼成磁器は上述したガ
ラスを用いる方法以外にも、上述した各成分の酸化物、
炭酸塩、硝酸塩等の原料を混合して、成形し、焼成する
方法、ゾル−ゲル法、水熱合成法等を用いる方法等も適
応可能であるが、この場合でも、１０５０℃以下での焼
成によってクォーツ結晶を磁器中に含有せしめるために
成形体中にクォーツ粉末を添加することが望ましい。

【００４０】このようにして作製された本発明の低温焼
成磁器は、４０〜４００℃における熱膨張係数が９〜１
８×１０^-6／℃であるために、配線基板やパッケージの
絶縁基板として用いた場合、ＰＣボード等の外部回路基
板への実装した際の熱膨張差に起因する熱応力の発生を
抑制することができる。また、当然ながら使用温度環境
下においても熱応力による実装部でのクラックや剥離等
の不具合が発生することなく良好な実装状態を維持する
ことができる。

【００４１】さらに、強度が１６０ＭＰａ以上と高く、
破壊靭性が１．４ＧＰａ以上と高いことから機械的信頼
性が高く、誘電率が低く誘電損失も小さいことから配線
層にて伝送する信号、特に高周波信号を良好に伝送する
ことができ、また、磁器の相対密度が９０％以上と高い
ことから耐薬品性、耐水性、熱伝導率、絶縁特性に優れ
た絶縁基板となる。

【００４２】（実装構造）次に、前記低温焼成磁器を絶
縁基板として用いた本発明の配線基板及びその配線基板
を用いた半導体素子収納用パッケージの実装構造を、添
付図面に基づき具体的に説明する。

【００４３】図１及び図２は、本発明の配線基板の好適
例である半導体素子収納用パッケージの実装構造の一例
を示す図であり、図１、図２はボールグリッドアレイ
（ＢＧＡ）型パッケージの例を示す。この半導体素子収
納用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
造とするものである。

【００４４】図１において、Ａは半導体素子収納用パッ
ケージ、Ｂは外部回路基板である。図１の半導体素子収
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及びパッケージの内部に収納され
る半導体素子５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を構成する。

【００４５】なお、本発明によれば、メタライズ配線層
３は低抵抗導体である銅または銀を主とすることが望ま
しく、金属粉末を含むメタライズペーストを塗布して焼
成した金属粉末が焼結したものであってもよく、または
純度９９％以上の高純度金属導体であってもよいが、本
発明によれば、金属粉末が焼結したものからなることが
望ましい。また、絶縁基板１の表面に存在するメタライ
ズ配線層３の表面にはＮｉ、ＣｕおよびＡｕの群から選
ばれる少なくとも１層のメッキ層を形成することが望ま
しい。

【００４６】また、キャビティ６内の絶縁基板１の上面
中央部には半導体素子５が接着剤を介して接着固定され
る。また、絶縁基板１には半導体素子５の周辺から下面
にかけて複数個のメタライズ配線層３が被着形成されて
おり、さらに絶縁基板１の下面には図２に示すように多
数の接続端子４が設けられており、接続端子４はメタラ
イズ配線層３と電気的に接続されている。この接続端子
４は、電極パッド７に対して半田（錫−鉛合金）等のロ
ウ材から成る突起状端子８が取着された構造から成る。

【００４７】一方、外部回路基板Ｂは、有機樹脂を含む
材料から成るガラスーエポキシ樹脂の複合材料等から構
成される絶縁体９の表面に配線導体として、Ｃｕ、Ａ
ｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎ等の金属から成る配線導体
１０が被着形成された一般的なプリント基板である。

【００４８】本発明によれば、絶縁基板１が４０〜４０
０℃における熱膨張係数が９〜１８×１０^-6／℃以上の
低温焼成磁器からなることによって、ＰＣボード等の外
部回路基板への実装した際の熱膨張差に起因する熱応力
の発生を抑制することができるとともに、磁器の緻密化
を図ることができ、実装時または素子の動作時の発熱に
伴う熱サイクル後においても強度の低下を小さくして高
い強度を維持できる。なお、本発明によれば、半導体素
子５の実装サイズ（長さ×幅）を小さくして半導体素子
５と絶縁基板１との熱膨張差に起因するクラックや剥離
等の発生を防止することができる。

【００４９】また、本発明によれば、メタライズ配線層
を形成した絶縁基板表面の焼肌面における反り量を０．
４％以下、特に０．２％以下と小さくでき、半導体素子
や外部回路基板等との実装の歩留まりを向上させること
ができる。ここで、前記反り量とは、メタライズ配線層
を形成した絶縁基板の表面に対して、中心を含む２つの
対角線上にて表面状態を表面粗さ計または走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）による断面観察にて測定し、得られたチ
ャートまたはＳＥＭ写真から、端部同士の位置を結んだ
直線と、該直線と平行でかつ中心を通る直線との距離を
反り量（ｔ）として測定し、前記端部間の長さ（Ｌ）に
対する比率である（ｔ／Ｌ）×１００（％）を算出する
ことによって求められる値である。なお、配線基板の両
面に配線層が形成されている場合は、両面の反り率を算
出してその平均値をとればよい。また、本発明における
反り率の算出では、表面に形成された配線層の厚みが反
り量に対して１０％以下と充分に小さければその厚みを
無視してよく、配線層の厚みが反り量に対して１０％を
越える場合は配線層の厚み分を差し引いて計算する。

【００５０】また、メタライズ配線層３に特に１ＧＨｚ
以上の高周波信号を伝送する場合においても信号を良好
に伝送できる配線基板を作製することができる。さら
に、磁器の耐薬品性を高めて表面に存在するメタライズ
配線層３にメッキ膜を形成する場合にメッキ処理によっ
て絶縁基板１が浸食されることがない。

【００５１】（実装方法）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下面の電極パッド７に取着されている半田から
成る突起状端子８を外部回路基板Ｂの配線導体１０上に
載置当接させ、しかる後、約２５０〜４００℃の温度で
加熱することにより、半田等のロウ材から成る突起状端
子８自体が溶融し、配線導体１０に接合させることによ
って外部回路基板Ｂ上に実装させる。この時、配線導体
１０の表面には接続端子４とのロウ材による接続を容易
に行うためロウ材が被着形成されていることが望まし
い。

【００５２】また、他の例として、図２に示すように接
続端子４として電極パッド７に対して高融点材料から成
る球状端子１１を低融点ロウ材１２によりロウ付けした
ものが適用できる。この高融点材料は、ロウ付けに使用
される低融点ロウ材１２よりも高融点であることが必要
で、ロウ付け用の低融点ロウ材１２が、例えばＰｂ４０
重量％−Ｓｎ６０重量％の低融点半田から成る場合、球
状端子１１は、例えばＰｂ９０重量％−Ｓｎ１０重量％
の高融点半田や、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐ
ｔ、Ｆｅ等の金属により構成される。

【００５３】かかる構成においてはパッケージＡの絶縁
基板１下面の電極パッド７に取着されている球状端子１
１を外部回路基板Ｂの配線導体１０に載置当接させ、し
かる後、球状端子１１を半田等の低融点ロウ材１３によ
り配線導体１０に当設させて外部回路基板Ｂ上に実装す
ることができる。また、低融点ロウ材１３としてＡｕ−
Ｓｎ合金を用いて接続端子４を外部回路基板Ｂに接続し
ても良く、さらに上記球状端子１１に替えて柱状の端子
を用いてもよい。

【００５４】

【実施例】（実施例１）表１に示す比率の平均粒径５μ
ｍのクォーツ粉末に対して、ガラス粉末またはＳｉＯ₂
（アモルファスシリカ）粉末、ＢａＣＯ₃粉末、Ｂ₂Ｏ₃
粉末、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ＣａＯ粉末、ＭｇＯ粉末、ＲＥ₂
Ｏ₃粉末およびＺｒＯ₂粉末を用いて表１の組成となるよ
うに混合し、有機バインダーを添加して、十分に混合し
た後、得られた混合物を一軸プレス成形により、３．５
×１５ｍｍの形状の成形体に成形した。そして、この成
形体を７００℃のＮ₂＋Ｈ₂Ｏ雰囲気中で脱バインダー処
理し、窒素雰囲気中、１００℃／ｈｒで昇温し、９５０
℃で１時間焼成した。なお、希土類元素（ＲＥ）につい
ては、試料Ｎｏ．１、２についてはＹｂを用い、試料Ｎ
ｏ．３〜６についてはＹを用いた。

【００５５】（特性評価）得られた磁器に対して、アル
キメデス法によって磁器の気孔率を測定し、また、この
磁器のＸ線回折測定を行い検出された結晶の同定を行う
とともに、このＸ線回折ピークからリートベルト法によ
って各結晶および非晶質相の含有比率を算出し、また各
結晶の含有量の総和ａ重量％と非晶質相の含有量ｂ重量
％から結晶相の比率（ａ／（ａ＋ｂ））×１００（％）
を算出した。

【００５６】また、得られた焼結体に対して、ＪＩＳＲ
１６０１に基づき４点曲げ強度Ｍ₁を測定した。また、
４０〜４００℃で熱膨張係数を測定し、さらに、空洞共
振器法によって３ＧＨｚでの誘電率および誘電損失を測
定した。

【００５７】（耐薬品性）上記磁器を表面積が５ｃｍ²
となるように切り出し、ＮＨ₄Ｆ・ＨＦ５ｇ／水１リッ
トルのフッ酸溶液中に１００秒浸漬した前後の重量減少
量を測定し、耐薬品性として評価した。

【００５８】（絶縁基板の反り量測定および実装時の熱
サイクル特性（ＴＣＴ））また、表１の組成物を用い
て、ドクターブレード法により厚み５００μｍのグリー
ンシートを作製し、２５ｍｍ×２５ｍｍの四角形形状に
カットした。このシート表面にＣｕメタライズペースト
をスクリーン印刷法に基づき１０μｍ厚みで塗布した。
また、グリーンシートの所定箇所にスルーホールを形成
しその中にもＣｕメタライズペーストを充填した。そし
て、メタライズペーストが塗布されたグリーンシートを
スルーホール間で位置合わせしながら６枚積層し圧着し
た。この積層体を７００℃のＮ₂＋Ｈ₂Ｏ雰囲気中で脱バ
インダー処理した後、窒素雰囲気中、上述した焼成条件
でメタライズ配線層と絶縁基板とを同時焼成し配線基板
を作製した。

【００５９】得られた配線基板のメタライズ配線層を形
成した絶縁基板の表面に対して、２つの頂点を含む対角
線上にて表面状態を表面粗さ計にて測定し、得られた図
３のようなチャートから、端部（ｅ₁、ｅ₂）同士の位置
を結んだ直線と、該直線と平行でかつ中央部（ｍ）を通
る直線との距離を反り量（ｔ）として測定し、前記端部
（ｅ₁、ｅ₂）間の長さ（Ｌ）に対する比率である（ｔ／
Ｌ）×１００（％）を算出し、２つの対角線について反
り率の平均値を配線基板の反り率として算出した。

【００６０】次に、配線基板の下面に設けられた電極パ
ッドに図１に示すようにＰｂ９０重量％、Ｓｎ１０重量
％から成る球状半田ボール（球状端子）を低融点半田
（ロウ材）（Ｐｂ３７％−Ｓｎ６３％）により取着し
た。なお、接続端子は、１ｃｍ²当たり３０端子の密度
で配線基板の下面全体に形成した。

【００６１】そして、この配線基板を、ガラス−エポキ
シ基板から成る４０〜４００℃における熱膨張係数が１
３×１０^-6／℃の絶縁体の表面に銅箔から成る配線導体
が形成されたプリント基板表面に実装した。実装は、プ
リント基板の上の配線導体と配線基板の球状端子とを位
置合わせし、低融点ロウ材によって接続実装した。そし
て、実装部の電気的接続状態を測定し、実装初期の不良
率（％）を算出した。

【００６２】次に、上記のようにしてパッケージ用配線
基板をプリント基板表面に実装したものを大気の雰囲気
にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に試
験サンプルを１５分／１５分の保持を１サイクルとして
最高１０００サイクル繰り返した。そして、各サイクル
毎にプリント基板の配線導体とパッケージ用配線基板と
の電気抵抗を測定し電気抵抗に変化が現れるまでのサイ
クル数を最大１０００サイクルまで測定した。結果は表
１に示した。

【００６３】（比較例）平均粒径５μｍのアモルファス
シリカ粉末５０重量％、ＢａＣＯ₃粉末をＢａＯ換算で
４０重量％、Ｂ₂Ｏ₃粉末４．５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃粉末
５．４重量％、ＣａＯ粉末０．１重量％との割合で添加
混合し、実施例と同様に成形体を作製した後、この成形
体を７００℃のＮ₂＋Ｈ₂Ｏ雰囲気中で脱バインダー処理
し、窒素雰囲気中、１００℃／ｈｒで昇温し、９５０℃
で１時間焼成した。実施例１と同様に特性を評価し、表
１に示した（試料Ｎｏ．１０）。

【００６４】

【表１】

【００６５】表１の結果より、ＳｉＯ₂量が４０重量％
より少なく、ＢａＯ量が５０重量％より多く、かつクォ
ーツの含有量が３０重量％より少ない試料Ｎｏ．１では
熱膨張係数が低く、熱サイクル試験において１００回で
抵抗が増大した。また、ＢａＯ量が２０重量％より少な
く、Ａｌ₂Ｏ₃量が８重量％より多い試料Ｎｏ．７、Ｂ ₂
Ｏ₃量が１重量％より少なく、ＲＥ₂Ｏ₃量が５重量％よ
り多い試料Ｎｏ．８では、磁器の開気孔率を２％以下に
緻密化することができず、強度が低いものであった。

【００６６】さらに、Ｂ₂Ｏ₃量が５重量％より多く、Ｒ
Ｅ₂Ｏ₃を含有せず、Ａｌ₂Ｏ₃量が１重量％より少ない試
料Ｎｏ．９では、強度が低下し、また、絶縁基板の反り
量が大きくなった。また、クォーツを添加せず、磁器中
にクォーツが析出しない試料Ｎｏ．１０では熱膨張係数
が低く熱サイクル試験において５０回で断線が見られ
た。

【００６７】これに対して、本発明に従い、ＳｉをＳｉ
Ｏ₂換算で４０〜７０重量％と、ＢａをＢａＯ換算で１
５〜４０重量％と、ＢをＢ₂Ｏ₃換算で１〜５重量％と、
ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で１〜８重量％と、希土類元素をＲ
Ｅ₂Ｏ₃換算で０重量％より多く５重量％以下との割合で
含有してなり、該組成物中にクォーツ結晶を３０重量％
以上の割合で含有する試料Ｎｏ．２〜６は、いずれも開
気孔率２％以下、強度１６０ＭＰａ以上、熱膨張係数９
〜１８×１０^-6／℃、耐薬品性３０μｇ以下、誘電率
６．５以下、３ＧＨｚでの誘電損失３０×１０^-4以下、
結晶相比率８０％以上、熱サイクル試験によって８００
サイクル以上良好な接続を維持できる優れた磁器であ
り、また、絶縁基板の反り量が０．４％以下であること
から実装時の電気的接続の歩留まりも高いものであっ
た。

【００６８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の低温焼成磁
器組成物は、１０５０℃以下の低温で焼成できるためＡ
ｇ、Ｃｕ金属を用いたメタライズ配線層の形成が可能
で、熱膨張係数が高く、メタライズ配線層との同時焼成
によっても絶縁基板に反りが発生することなく、しかも
高周波帯での誘電特性に優れ、かつ耐薬品性に優れるこ
とから、電子機器等を搭載し、かつプリント基板等の外
部回路基板に実装するような配線基板用の絶縁基板材料
として特に好適である。また、この磁器を絶縁基板とし
て用いた配線基板及びその実装構造は高集積大型パッケ
ージにおいても高度の信頼性を有し、特に高周波信号を
伝送する場合でも良好な伝送特性を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＢＧＡ型半導体素子収納用パッケージ
の実装構造を説明する図面（断面図）である。

【図２】接続端子の他の実施例における要部拡大断面図
である。

【図３】配線基板の反り率の測定方法を説明するための
図である。

【符号の説明】

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電極パッド８突起状端子９絶縁体１０配線導体１１球状端子１２、１３低融点ロウ材Ａ配線基板（半導体素子収納用（ＢＧＡ型）パッケー
ジ）Ｂ外部回路基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者東昌彦鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内 (72)発明者中尾吉宏鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内 (72)発明者永江謙一鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内Ｆターム(参考） 4G030 AA10 AA11 AA35 AA36 AA37 BA12 CA01 GA27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全量中にＳｉをＳｉＯ₂換算で４０〜７０
重量％と、ＢａをＢａＯ換算で１５〜５０重量％と、Ｂ
をＢ₂Ｏ₃換算で１〜５重量％と、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で
１〜８重量％と、希土類元素（ＲＥ）をＲＥ₂Ｏ₃換算で
０重量％より多く５重量％以下との割合で含有してなる
組成物であって、該組成物中にクォーツ結晶を３０重量
％以上の割合で含有することを特徴とする低温焼成磁器
組成物。
【請求項２】さらに珪酸バリウム結晶を含有することを
特徴とする請求項１記載の低温焼成磁器組成物。
【請求項３】結晶相の含有量（ａ重量％）と非晶質相の
含有量（ｂ重量％）との比率（ａ／（ａ＋ｂ））×１０
０（％）が８０％以上であることを特徴とする請求項１
または２記載の低温焼成磁器組成物。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかの低温焼成磁器
組成物からなり、開気孔率２％以下、４０〜４００℃に
おける熱膨張係数が９〜１８×１０^-6／℃であることを
特徴とする低温焼成磁器。
【請求項５】絶縁基板の少なくとも表面にメタライズ配
線層が配設された配線基板であって、前記絶縁基板が請
求項４記載の低温焼成磁器からなるとともに、前記メタ
ライズ配線層を形成した絶縁基板の表面における反り率
が０．４％以下であることを特徴とする配線基板。
【請求項６】前記メタライズ配線層が銅または銀を主と
することを特徴とする請求項５記載の配線基板。