JP2003174115A

JP2003174115A - 複合セラミック部品及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003174115A
Application number: JP2002020161A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Yamada; 成樹山田; Takeshi Matsui; 猛松井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-06-20
Anticipated expiration: 2022-01-29
Also published as: JP3786609B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高熱伝導、高強度で、且つ高周波領域の信号損
失の小さい複合セラミック部品、特に、異種セラミック
スの密着性に優れ、信頼性及び寿命を改善した複合セラ
ミック部品と、それを簡便な方法で作製する製造方法を
提供する。【解決手段】アルミナ質絶縁層１と、該アルミナ質絶縁
層１よりも低誘電率の低誘電率層２とが一体的に積層さ
れ、表面及び／又は内部に導体層３が形成された絶縁基
板５を備え、前記低誘電率層２がフォルステライト及び
コージェライトを主結晶相とし、副成分として、Ｚｎ、
Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なくとも１種及び／
又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスを全量中０．１〜
１０質量％の割合で含み、さらに前記アルミナ質絶縁層
１と前記低誘電率層２の間に、スピネルを主結晶相とす
る中間層７が形成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度、高熱伝導
で、低誘電率の部位を有する絶縁層の表面及び／又は内
部に低抵抗の導体層を具備し、半導体パッケージ、電子
部品実装回路基板又は高周波用回路基板等に好適に使用
できる複合セラミック部品とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、半導体素子の高集積化並びに高周波
化に伴い、高密度実装や回路部品内部に機能を内蔵した
配線基板が用いられている。一方で、高集積化により半
導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の
誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出
可能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特
性としては、演算速度の高速化により信号の遅延が問題
となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体層を用
いることが要求されてきた。

【０００３】このような半導体素子を搭載した配線基板
としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックス
を絶縁基板とし、その表面あるいは内部にＷやＭｏなど
の高融点金属からなる導体層を被着形成したセラミック
配線基板が多用されている。

【０００４】しかし、従来から多用されているこれら高
融点金属からなる導体層では、抵抗を高々８ｍΩ／□程
度までしか低くできず、発熱して配線基板の温度を上昇
させ、また、信号が損失し易く、配線長が制限されると
いう問題があった。

【０００５】そこで、ＣｕとＷ又はＭｏとを組み合せた
導体層と絶縁層を１５００℃以下と低い温度で同時焼成
することによって導体層の低抵抗化を図ることが、特開
２０００−１５１０４５号に提案されている。

【０００６】また、低温焼成可能な組成を用いて誘電率
の異なる絶縁層を一体化することによって、低抵抗のＣ
ｕ配線を使用可能とするため、信号の高速化に対応する
ことが特開平１０−１０６８８０号に提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開２
０００−１５１０４５号公報に記載の方法では、導体層
にＣｕを含むため、抵抗が低下するものの、絶縁層にア
ルミナを用いることから誘電率が９程度と高いため、信
号の高周波化に伴い、周波数が６０ＧＨｚ程度の領域で
は入力信号の反射による損失が大きくなり、伝送特性の
低下がおこるという問題があった。

【０００８】また、特開平１０−１０６８８０号公報に
記載の方法では、絶縁層がガラスセラミックスからな
り、たとえ強化ガラスを用いた場合でも高々２００ＭＰ
ａの曲げ強度でしかなく、また、熱伝導率が低く、放熱
性が悪いという問題があった。

【０００９】本発明は、高熱伝導、高強度で、且つ高周
波領域の信号損失の小さい複合セラミック部品、特に、
異種セラミックスの密着性に優れ、信頼性及び寿命を改
善した複合セラミック部品と、それを簡便な方法で作製
する製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、高強度、高熱
伝導のアルミナ質焼結体に対して、低誘電率材料の組成
を制御した低誘電率層を同時焼成で一体化することによ
って、入力信号の反射による損失を低減できるとの知見
に基づくものである。

【００１１】さらに、アルミナ質焼結体と低誘電率材料
との間にスピネルを主結晶相とする中間層を形成するこ
とにより、同時焼成における両者の接着強度を高めるこ
とが可能であるとの知見に基づくものである。

【００１２】即ち、本発明の複合セラミック部品は、ア
ルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率
の低誘電率層とが一体的に積層され、表面及び／又は内
部に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記低誘電率
層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相と
し、副成分として、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属の
うち少なくとも１種及び／又は非鉛・非アルカリホウ珪
酸ガラスを全量中０．１〜１０質量％の割合で含み、さ
らに前記アルミナ質絶縁層と前記低誘電率層の間に、ス
ピネルを主結晶相とする中間層が形成されていることを
特徴とするものである。

【００１３】特に、前記中間層と前記アルミナ質絶縁
層、前記中間層と前記低誘電率層との間にそれぞれ拡散
層が含まれ、さらに前記拡散層の厚みｔに対する前記中
間層の厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１であることが
好ましい。同時焼成を行っても、中間層とアルミナ質絶
縁層との接着強度をより高め、強度劣化を防止すること
ができる。

【００１４】前記低誘電率層が、ムライト結晶相を含有
することが好ましい。これにより、中間層が緻密になり
やすくなり、接着強度もさらに上昇する。

【００１５】また、前記低誘電率層が、コージェライト
を全量中２０〜４０質量％の割合で含むことが好まし
い。これにより、アルミナ質絶縁層との熱膨張率の差が
低減され、アルミナ質絶縁層との剥離やクラックの発生
を効果的に抑制し、低誘電率層の比誘電率を抑制してよ
り効果的に信号の損失を低減できる。

【００１６】さらに、前記アルミナ質絶縁層の３点曲げ
強さが３５０ＭＰａ以上であることが好ましい。これに
より、素子の自動実装時等に基板が割れ、歩留りが低下
することを低減できる。

【００１７】また、前記アルミナ質絶縁層が、Ｍｎを酸
化物換算で２〜１５質量％、Ｓｉを酸化物換算で２〜１
５質量％、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＣｏのうち
少なくとも１種を酸化物換算で０．１〜４質量％含むと
ともに、相対密度が９５％以上であることが好ましい。
これにより、アルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率を維
持することが容易となる。

【００１８】さらに、前記導体層が、Ｃｕを１０〜７０
体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％の割合で
含有することが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁
層の表面又はヴィア内に形成される導体層の抵抗を低減
することが容易となる。

【００１９】また、本発明の複合セラミック部品の製造
方法は、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末
に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少な
くとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカ
リホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割
合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グリー
ンシートとスピネル質グリーンシートとを作製し、各グ
リーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電
率グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートで前
記スピネル質グリーンシートを介在せしめて積層して積
層体を作製し、次いで該積層体を１２００〜１５００℃
で焼成することを特徴とするものである。これにより、
強度及び熱伝導率に優れるアルミナ質絶縁層と、低誘電
率の低誘電率層を同時に焼成することが可能であり、さ
らに基板の内部及び表面に導体層を形成することが可能
となる。また、低誘電率層とアルミナ質絶縁体層との間
に中間層を挿入するように作製、接着力の強い複合セラ
ミックスが実現できる。

【００２０】また、フォルステライト粉末及びコージェ
ライト粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属
のうち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛
・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０
質量％の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミ
ナ質グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導
体ペーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシート
及び／又は前記アルミナ質グリーンシートの主面にスピ
ネルを主体とするペーストを塗布し、該ペーストを挟む
ように前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グ
リーンシートとを積層して積層体を作製し、次いで該積
層体を１２００〜１５００℃で焼成することを特徴とす
るものである。これにより、セラミック内部に３次元の
配線が可能となり、多層セラミック基板の小型化が容易
になるとともに、キャパシタやインダクタなどの機能を
内蔵することが可能となる。

【００２１】特に、拡散層の厚みｔに対する中間層の厚
みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１になるように、前記積
層体を焼成することが好ましい。これにより、拡散層を
形成し、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度をより
高め、強度劣化を防止することができる。

【００２２】また、前記低誘電率グリーンシートにムラ
イト粉末を含むことが好ましい。これにより、アルミナ
質グリーンシートとの熱膨張差を整合させ、焼成時の反
りやクラックをより少なくすることができ、また、低誘
電率層の比誘電率をより小さくすることができる。

【００２３】前記低誘電率グリーンシート、前記アルミ
ナ質グリーンシート及び前記スピネル質グリーンシート
の積層に先立って、前記低誘電率グリーンシート、前記
アルミナ質グリーンシート、前記スピネル質グリーンシ
ートの少なくとも一方にヴィアを形成し、該ヴィア中に
導体ペーストを充填することが好ましい。これにより、
セラミック内部に３次元の配線が可能となり、多層セラ
ミック基板の小型化が容易になるとともに、キャパシタ
やインダクタ等の機能を内臓することが可能となる。

【００２４】さらに、前記低誘電率グリーンシートが、
コージェライト粉末を全量中に２０〜４０質量％の割合
で含むことが好ましい。これにより、アルミナ質グリー
ンシートとの熱膨張率の差を整合させ、焼成時の反りや
クラックを少なくすることができる。

【００２５】さらにまた、前記アルミナ質グリーンシー
トが、Ｍｎ₂Ｏ₃を２〜１５質量％、ＳｉＯ₂を２〜１５
質量％、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）₂、ＭｇＣＯ₃、ＣａＯ、
Ｃａ（ＯＨ）₂、ＣａＣＯ₃、Ｂ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｃｒ₂
Ｏ₃及びＣｏ₃Ｏ₄のうち少なくとも１種を０．１〜４質
量％、残部がアルミナ粉末からなる混合粉末を成形して
得られるものであることが好ましい。これにより、焼結
後のアルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率をほぼ維持し
たまま、焼成温度を低減し、製品歩留まりを向上するこ
とが容易となる。

【００２６】また、前記スピネル質グリーンシート又は
前記スピネルを主体とするペーストが、全重量に対しス
ピネル粉末を５０質量％以上含み、さらに前記アルミナ
質グリーンシート及び／又は前記低誘電率グリーンシー
トに含まれる助剤成分のうち少なくとも１種を含むこと
が好ましい。スピネルが主体となった組成によって、焼
成後に、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度、中間
層と低誘電率層との接着強度をそれぞれ高めることがで
きる。

【００２７】また、前記導体ペーストが、金属成分とし
てＣｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末及び／又はＭｏ
粉末を３０〜９０体積％の割合で含むことが好ましい。
これにより、１２００〜１５００℃とＣｕの融点よりも
高い焼成温度でも低抵抗の導体層を形成することが容易
となり、また、焼成時の剥離やヴィア内の金属欠落等の
不具合をより低減できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の複合セラミック部品を、
図を用いて説明する。図１は、本発明の複合セラミック
部品の概略断面図である。即ち、アルミナを主体とする
焼結体であるアルミナ質絶縁層１と、アルミナ質絶縁層
１よりも誘電率の低い低誘電率層２が一体的に積層され
ている。

【００２９】また、絶縁基板５の表面及び内部に、表面
導体層３ａ及び内部導体層３ｂからなる導体層３とヴィ
ア４とが形成されている。

【００３０】絶縁層１は、アルミナを主体とするアルミ
ナ質焼結体からなり、具体的には、酸化アルミニウムを
８４質量％以上の割合で含み、Ｍｎを酸化物換算で２〜
１５質量％、Ｓｉを酸化物換算で２〜１５質量％、Ｍ
ｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＣｏのうち少なくとも１
種を酸化物換算で０．１〜４質量％含むことが好まし
い。この組成を用いると、低温でも緻密化し、高強度且
つ高熱伝導率を維持することが容易となる。

【００３１】本発明によれば、絶縁基板５の熱伝導率と
強度を高めるため、アルミナ質絶縁層１の相対密度が９
５％以上、特に９７％以上、更には９８％以上が好まし
く、また曲げ強度は３５０ＭＰａ以上、特に４００ＭＰ
ａ以上、更には４５０ＭＰａ以上であることが好まし
い。さらに、熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１５
Ｗ／ｍ・Ｋ以上、更には１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であること
が望ましい。

【００３２】絶縁層１を形成するアルミナ主結晶相は、
粒状または柱状の結晶として存在するが、この主結晶相
の平均結晶粒径は、１．５〜５μｍであることが望まし
い。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均
結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相
の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導
化が難しくなる傾向があり、また平均粒径が５μｍより
も大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分
な強度が得られにくくなる傾向にあるためである。

【００３３】また、この絶縁層１中に、ＳｉＯ₂および
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物を
Ｃｕ含有導体との同時焼結性を高める上で合計で０．１
〜４質量％の割合で含有せしめることが望ましい。

【００３４】さらに着色成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ等
の遷移金属を２質量％以下の割合で含んでもよい。

【００３５】低誘電率層２は、フォルステライト及びコ
ージェライトを主結晶相とすることが重要である。フォ
ルステライトは、アルミナ質絶縁層１よりも低誘電率に
するために必要であり、さらにコージェライトは、アル
ミナ質絶縁層１とフォルステライトの熱膨張係数の差を
小さくし、焼成による残留応力を低減して基板の反りや
割れの発生を抑制することができる。

【００３６】低誘電率層２の熱膨張係数は、フォルステ
ライトとコージェライトとの含有量を調整して決定する
ことができ、特にコージェライトを２０〜４０質量％、
更には２５〜３５質量％であることが好ましい。

【００３７】また、副成分として、Ｚｎ、Ｍｎ及びアル
カリ土類金属のうち少なくとも１種及び／又は非鉛・非
アルカリホウ珪酸ガラスを含むことが重要である。この
副成分は、焼成時にアルミナ質グリーンシートとの反応
を促進し、アルミナ質絶縁層１との接着強度を高め、ア
ルミナ質絶縁層１と低誘電率層２との一体化を確保す
る。

【００３８】特に、上記の副成分が、低誘電率層２にお
ける全量中０．１〜１０質量％、特に１〜８質量％、更
には３〜６質量％の割合で含まれることが好ましい。こ
れは、０．１質量％未満では添加効果が十分得られない
場合があり、また１０質量％を超えると焼成時に液相が
流出してしまう傾向があるためである。

【００３９】そして、本発明によれば、アルミナ質絶縁
層１と低誘電率層２の間に接着強度を高めるため、中間
層７が一体的に積層されていることが重要である。

【００４０】中間層７は、アルミナ質絶縁層１と低誘電
率層２との接着強度を改善するために設けられるもので
あり、スピネル質層を主結晶相とすることが重要であ
る。例えば、スピネル結晶単独でも良いが、緻密化を促
進するため、Ｍｎ、アルカリ土類金属、ホウ珪酸ガラス
等の焼結助剤を添加しても良い。

【００４１】本発明によれば、図２に示すように、アル
ミナ質絶縁層１１と中間層１７との間に拡散層１８が存
在することが好ましい。拡散層１８は、アルミナ質絶縁
層１１を構成するアルミナ結晶相と中間層１７を構成す
るスピネル結晶相とが主体となり、これらが混合された
状態となっている。

【００４２】また、低誘電率層１２と中間層１７との間
に拡散層１８が存在することが好ましい。拡散層１８
は、低誘電率層１２の主結晶相であるフォルステライト
及びコージェライトと中間層１７を構成するスピネル結
晶相及びマンガンシリケートが主体となり、これらが混
合された状態となっている。

【００４３】アルミナは低誘電率層１２のフォルステラ
イト又はコージェライトと反応してスピネルを形成する
が、微量であったり、部分的であったり、また比較的多
量に形成されても多孔質であるため、アルミナ質絶縁層
１１と低誘電率層１２との界面の接着強度が低下する
が、スピネルを主結晶とする中間層１７を設けることに
より、中間層１７が緻密であるため、界面の接着強度を
非常に高くすることができる。

【００４４】拡散層１８の形成は、アルミナ質絶縁層１
１と中間層１７との反応、またはアルミナ質絶縁層１１
と低誘電率層１２との反応によるが、特に副成分が反応
に関与するため、副成分が拡散し、密着力を向上すると
ともに、拡散層１８は両者の結晶相が混合された状態で
あり、応力を緩和して密着性を向上するとともに、強度
劣化を防止できる。

【００４５】また、低誘電率層２にムライトを添加する
ことが望ましい。これにより、低誘電率層２と中間層７
の密着性が高まり、接着強度を向上することが可能とな
る。ムライトの添加量は、中間層７の組成にもよるが、
上記の副成分を含む低誘電率層２の成分１００質量部に
対して、１〜２０質量部、特に２〜１５質量部、更には
３〜１０質量部であることが好ましい。

【００４６】スピネル質グリーンシート又はスピネルを
主体とするペーストが、スピネルに加えて、アルミナ質
グリーンシート及び／又は低誘電率グリーンシートに含
まれる助剤成分のうち少なくとも１種を含むことが好ま
しい。

【００４７】導体層３は、Ｃｕを１０〜７０体積％、特
に３０〜６０体積％、Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体
積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有することが好
ましい。このような組成を有する導体層３は、その電気
抵抗が十分低く、信号遅延を抑制するとともに、導体層
３及び／又は低誘電率層２との密着性を確保し、導体層
３の剥離が発生したり、ヴィア４の表面の凹凸が大きく
なり、更には焼成時にヴィア４の金属が欠落する不具合
を抑制することが容易になる。

【００４８】また、上記組成のＣｕとＷ及び／又はＭｏ
に加えて、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｚｎのうち少なく
とも１種を金属元素換算で０．０５〜３．０質量％を含
有させることが望ましい。これにより、導体層３の低抵
抗化を容易にし、絶縁層１及び／又は低誘電率層２との
密着性をさらに高める効果がある。

【００４９】さらに、本発明によれば、この導体層３中
において、Ｗ及び／又はＭｏが、平均粒径１〜１０μｍ
の球状結晶の状態で、又は数個の粒子が焼結して結合し
た状態としてＣｕからなるマトリックス中に分散含有し
ている組織を有していることが、低抵抗と保形性の観点
で望ましい。特に、導体層３の抵抗、Ｃｕ成分の分離、
にじみなどの観点からＷ及び／またはＭｏの平均粒子径
は１．３〜５μｍ、更には１．５〜３μｍの大きさで分
散されていることがより望ましい。

【００５０】なお、本発明のセラミック複合部品におい
ては、Ｃｕの融点を越える温度での同時焼成によって、
表面導体層３ａや内部導体層３ｂ中のＣｕ成分が絶縁層
１及び低誘電率層２に拡散する場合があるが、本発明に
よれば、上記少なくともＣｕを含む導体層３の周囲の低
誘電率層２及び／又は絶縁層１へのＣｕの拡散距離が２
０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。
これにより、導体層３間の絶縁性を確保し、配線基板と
しての信頼性を高めるためである。

【００５１】上記の構成を有する本発明の複合セラミッ
ク部品は、強度及び熱伝導性に優れ、高周波信号の反射
損失が小さいので、半導体パッケージ、電子部品実装回
路基板及び高周波用配線基板等に好適に用いることがで
きる。

【００５２】次に、本発明の複合セラミック部品の製造
方法について説明する。

【００５３】まず、絶縁層１を形成するために、主成分
となるアルミナ原料として、平均粒径が０．５〜２．５
μｍ、特に０．５〜２．０μｍの粉末を用いることが望
ましい。平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の
取扱い難く、また粉末のコストが高くなる傾向があり、
２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼
成することが難しくなることが多いためである。

【００５４】また、上記酸化アルミニウム粉末に対し
て、Ｍｎ₂Ｏ₃粉末を２〜１５質量％、特に３〜７質量
％、ＳｉＯ₂粉末を２〜１５質量％、特に３〜７質量％
の割合で添加する。また、適宜、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）
₂、ＭｇＣＯ₃、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）₂、ＣａＣＯ₃、Ｂ
₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｃｒ₂Ｏ₃及びＣｏＯ₃のうち少なくと
も１種の粉末を０．１〜４質量％となるように加えるこ
とが好ましい。これにより、低温での焼成を可能とする
ため、緻密なアルミナ質絶縁層１が得られ、強度及び熱
伝導率をほぼ維持したまま、焼成時に導体層３及びヴィ
ア４の金属が溶融して流出することを防止し、製品歩留
まりを高め易くすることができる。

【００５５】さらに、上記の粉末組成に、Ｗ、Ｍｏ、Ｃ
ｒなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分と
して金属換算で２質量％以下の割合で添加することがで
きる。

【００５６】一方、低誘電率層２を形成するために、フ
ォルステライト粉末、コージェライト粉末、さらに副成
分としてＺｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち少なく
とも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非アルカリ
ホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％の割合
で含むように添加することが重要であり、特に１〜８質
量％、更には３〜６質量％の割合で添加することが好ま
しい。

【００５７】副成分を全量中０．１〜１０質量％の割合
で添加することによって、焼成時にアルミナ質グリーン
シートとの反応が促進され、強固な反応層を作り、密着
性を向上することが可能となる。また、上記コージェラ
イト粉末は、焼結性を高め、焼成時の残留応力を低減さ
せるために２０〜４０質量％、特に２５〜３５質量％の
割合で加えることが好ましい。

【００５８】ここで、副成分のアルカリ土類金属は、Ｍ
ｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等の酸化物粉末であり、また非鉛
・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を用いるのは、鉛は環
境への負担が著しく、アルカリは配線間の絶縁不良を生
じるためであり、例えばＳｉ−Ａｌ−Ｂ−Ｏ系、Ｓｉ−
Ｂ−Ｃａ−Ｏ系、Ｓｉ−Ａｌ−Ｂ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｏ系等
を例示できる。

【００５９】さらに、上記の副成分を含む低誘電率層２
の成分１００質量部に対して、１〜２０質量部、特に２
〜１５質量部、更には３〜１０質量部であることが好ま
しい。ムライト粉末を加えることによって、低誘電率層
２と中間層２との接着強度を高める効果がある。

【００６０】なお、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂および
これらの複合酸化物でフォルステライト及びコージェラ
イトを析出するような組成になるように、フォルステラ
イト粉末及びコージェライト粉末の少なくとも一部を置
換しても良い。また、上記酸化物の添加に当たっては、
酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭
酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加しても良い。

【００６１】さらに、中間層７として緻密なスピネル質
焼結体を形成するために、中間層７の主原料として、平
均粒径が０．５〜１０μｍ、特に１．０〜５．０μｍの
スピネル粉末を用いることが望ましい。平均粒径が０．
５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉
末のコストが高くなる傾向があり、１０μｍよりも大き
いと、１５００℃以下の温度で緻密な中間層７を得るの
が困難になることが多いためである。

【００６２】また、上記スピネル粉末に対して、アルミ
ナ質絶縁層１の助剤成分及び／又は低誘電率層２の含有
成分、特に助剤成分を５〜５０質量％、特に１０〜４０
質量％の割合で添加することが望ましい。このように、
アルミナ質絶縁層１や低誘電率層２に含まれる成分が中
間層７に含まれると、アルミナ質絶縁層１及び低誘電率
層２と中間層７との界面の密着性をそれぞれ高くするこ
とができる。特に、全量中５〜５０質量％の割合でこれ
らの成分を添加することによって、焼成時に中間層７を
容易に緻密化する事が可能となり、さらに助剤成分をア
ルミナ質絶縁層１及び／又は低誘電率層２と近い組成に
する事により、これらのグリーンシートとの密着性をさ
らに高めることが可能となる。

【００６３】次に、各々の混合粉末を用いてアルミナ質
絶縁層１及び低誘電率層２を形成するためのシート状成
形体を、それぞれアルミナ質グリーンシート及び低誘電
率グリーンシートとして作製する。シート状成形体は、
周知の成形方法によって作製することができる。例え
ば、上記の混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加して
スラリーを調製した後、ドクターブレード法によって形
成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成
形、圧延成形、押出し成形等により所定の厚みのシート
状成形体を作製できる。そしてこのシート状成形体に対
して、マイクロドリル、レーザー等によりヴィア導体用
スルーホールを形成しても良い。

【００６４】このようにして作製したシート状成形体に
対して、導体成分として、平均粒径が１〜１０μｍのＣ
ｕ粉末を１０〜７０体積％、特に３０〜６０体積％、平
均粒径が１〜１０μｍのＷ粉末及び／またはＭｏ粉末を
３０〜９０体積％、特に４０〜７０体積％の割合で含有
し、且つ所望によりＺｒ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｍｇ及びＺｎの
うち少なくとも１種を金属元素換算で０．０５〜３体積
％、特に０．２〜２体積％含有してなる導体ペーストを
調製する。

【００６５】Ｃｕ粉末が１０体積％未満では導体層３の
抵抗が高くなり易く、また、７０体積％よりも多いと、
アルミナ質絶縁層１、低誘電率層２、中間層７及び導体
層３の同時焼成において保形性を維持し難くなって、に
じみや断線が発生しやすい。また、アルミナ質絶縁層
１、低誘電率層２及び中間層７等から導体層３の剥離が
発生し、ヴィア４内部の金属が欠落する等の不具合が生
じやすい。

【００６６】そして、このペーストを各シート状成形体
に施したヴィア４内に充填し、また、各シート状成形体
表面に塗布する。なお、導体層３を形成する際は、上記
導体ペーストを絶縁層１、低誘電率層２又は中間層７に
対して、スクリーン印刷、グラビア印刷などの方法によ
り印刷塗布する。

【００６７】これらの導体ペースト中には、絶縁層１と
の密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶
縁層１を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成
物粉末を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可
能である。

【００６８】次いで、導体ペーストを表面及び／又はヴ
ィア４に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧
着する。この時、アルミナ質グリーンシート（Ａ）と低
誘電率グリーンシート（Ｄ）の間にスピネル質グリーン
シート（Ｓ）をスピネル質組成物として介在させる。こ
の中間層は、上記のスピネル質組成物を用いて厚さ５０
〜１００μｍ程度のシート状成形体から作製し、これを
アルミナ質グリーンシートと誘電体用グリーンシート２
との間に挿入し、積層する。例えば、グリーンシートを
Ｄ、Ｓ、Ａ、Ｓ、Ｄ、Ｓ、Ａ、Ａ、Ａの順に重ねて積層
する。

【００６９】また、上記スピネル質グリーンシートの代
わりに、スピネル組成物として中間層用ペーストを用い
ても良い。この中間層用ペーストをアルミナ質グリーン
シート１及び／又は誘電率グリーンシート２の表面に塗
布し、上述したように積層すれば良い。

【００７０】中間層用ペーストは、周知の方法によって
作成することが出来る。例えば、スピネル粉末及び助剤
粉末の混合粉末に有機バインダーや溶剤を添加してスラ
リーを調整し、その後に溶剤を蒸発させたり、または混
合粉末に有機バインダーを添加した後、攪拌脱泡器を用
いて適当な時間混合し、ペーストを作製する。

【００７１】このペーストを、スクリーン印刷法、グラ
ビア印刷法などの方法によりアルミナ質グリーンシート
及び／又は低誘電率グリーンシートの上に印刷塗布す
る。その際、グリーンシートに形成されたヴィア４の形
状を維持するため、ヴィア４には塗布を行わないように
すれば良い。次いで、導体ペーストを表面及び／又はヴ
ィア４に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧
着し、積層体を作製する。

【００７２】スピネル質グリーンシート又は中間層用ペ
ーストは、含有する粉末の合計量に対し、スピネル粉末
を５０質量％以上含み、さらに前記アルミナ質グリーン
シートと前記低誘電率グリーンシートの助剤成分のうち
少なくとも１種を含むことが好ましい。スピネルが主体
となった組成により、中間層とアルミナ質絶縁層との接
着強度及び中間層と低誘電率層との接着強度をそれぞれ
高めることができる。

【００７３】得られた積層体を焼成温度が１２００〜１
５００℃の温度となる条件で焼成することが重要で、特
に、１２２５〜１４５０℃、更には１２５０〜１４００
℃、より好適には１２７５〜１３５０℃で焼成すること
が好ましい。

【００７４】この焼成温度が１２００℃よりも低いと、
アルミナ質絶縁層１が相対密度９５％まで達することが
できず、熱伝導性と強度が低下するとともに、低誘電率
層２も十分に緻密化することができない。一方、焼成温
度が１５００℃よりも高いと、ＷあるいはＭｏ自体の焼
結が進み、Ｃｕの流動により導体層３の均一組織を維持
することが困難となり、その結果、低抵抗を維持するこ
とができない。

【００７５】特に、拡散層の厚みｔに対する中間層の厚
みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１になるように焼成する
ことが好ましい。拡散層の厚みを充分に確保すると共
に、中間層がアルミナ質絶縁層又は低誘電率層に拡散し
すぎることによる接合強度の低下を防止することができ
る。なお、焼成温度は、拡散層の形成及びその比ｔ／ｄ
の制御の容易さから、特に１２５０〜１４００℃に設定
することが望ましい。

【００７６】また、この焼成時の非酸化性雰囲気として
は、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であるこ
とが望ましいが、特に、導体層３中のＣｕの拡散を抑制
する上では、水素及び窒素を含み露点＋３０℃以下、特
に０〜２５℃の非酸化性雰囲気であることが望ましい。
焼成時の露点が＋３０℃より高いと、焼成中に導体材料
と雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、アルミナ
質絶縁層１とＣｕ含有導体のＣｕが反応してしまい、導
体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、Ｃｕの拡散を助
長してしまうためである。なお、焼成雰囲気には所望に
より、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。

【００７７】以上のような構成による本発明の複合セラ
ミック部品の製造方法は、アルミナ質絶縁層１、低誘電
率層２及び電気抵抗の小さな導体層３を同時焼成するこ
とができ、この方法によって、信号の損失が少なく、高
強度且つ高熱伝導性絶縁基板を備えた複合セラミック部
品を実現できる。

【００７８】また、中間層７を形成することによって、
アルミナ質絶縁層１と低誘電率層２との接着強度を著し
く高めることができる。

【００７９】

【実施例】実施例１アルミナ質絶縁層を作製するために、平均粒径が１．８
μｍのアルミナ粉末、平均粒径が４μｍのＭｎ₂Ｏ₃粉
末、平均粒径が１μｍのＳｉＯ₂粉末、平均粒径が２μ
ｍのＭｇＯ粉末及びＣａＯ粉末、Ｂ₂Ｏ₅粉末、Ｎｂ₂Ｏ₅
粉末、Ｃｒ₂Ｏ₃粉末及びＣｏＯ₃粉末を、表１、３のよ
うな組成に調合し、成形用有機樹脂（バインダー）とし
てアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合
してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚
さ２５０μｍのシート状に成形し、絶縁層用グリーンシ
ートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１
００〜２００μｍのヴィアを形成した。

【００８０】低誘電率層として、平均粒径が３μｍのフ
ォルステライト粉末、平均粒径が２．２μｍのコージェ
ライト粉末、平均粒径が４μｍのＺｎ₂ＳｉＯ₄粉末及び
Ｍｎ ₂Ｏ₃粉末、平均粒径が２μｍのＣａＯ粉末、ＭｇＯ
粉末及びＢａＯ粉末及び平均粒径が１．７μｍの非鉛・
非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を、表１のような組成に
調合し、さらにこれらの合計１００質量部に対して、平
均粒径が２．５μｍのムライト粉末を表１に示す量だけ
加え、成形用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系
バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリー
を調製した。これらのスラリーをドクターブレード法に
て厚さ２５０μｍのシート状に成形し、低誘電率グリー
ンシートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径
が１００〜２００μｍのヴィアを形成した。

【００８１】中間層は、スピネル質グリーンシート
（Ｓ）及びペースト（Ｐ）塗布により形成した。スピネ
ル質グリーンシートとして、平均粒径０．９８μｍのス
ピネル粉末、上記のアルミナ質絶縁層及び／又は前記低
誘電率層の助剤成分を表１のような組成に調合し、成形
用有機樹脂（バインダー）としてアクリル系バインダー
と、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製し
た。これらのスラリーをドクターブレード法にて厚さ２
５０μｍのシート状に成形し、スピネル質グリーンシー
トを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が１０
０〜２００μｍのヴィアを形成した。

【００８２】また、中間層用ペーストとして、上記のス
ピネル粉末、上記のアルミナ質絶縁層及び／又は上記の
低誘電率層の助剤成分を表１、３のような組成に調合
し、アクリル系バインダーと、アセトンを溶媒として混
合してペーストを作製した。

【００８３】次に、平均粒径が５μｍのＣｕ粉末と、平
均粒径が５μｍのＷ粉末又はＭｏ粉末とを表１、３に示
す比率で混合し、アクリル系バインダーとをアセトンを
溶媒として導体ペーストを作製した。

【００８４】次に、各シート状成形体上に上記導体ペー
ストを印刷塗布し、各シート状成形体のヴィアに上記導
体ペーストを充填した。上記のようにして作製した各シ
ート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層
体を作製した。

【００８５】なお、中間層用ペーストを用いる場合、ア
ルミナ質グリーンシート及び／又は低誘電率グリーンシ
ートの表面に中間層用ペーストを周知の方法により塗布
した後、各シート状成形体を位置合わせして積層圧着し
て成形体積層体を作製した。

【００８６】その後、この成形体積層体を実質的に水分
を含まない酸素含有雰囲気中で脱脂を行った後、表１に
示す焼成温度、２５℃の露点の窒素水素混合雰囲気にて
焼成して図１のような複合セラミック部品を作製した。

【００８７】得られた焼結体の比重をアルキメデス法に
よって測定し、真比重から相対密度を算出した。また、
作製した複合セラミック部品全体の反り、割れを確認
し、配線・ヴィアの外観の確認を行った。

【００８８】比誘電率は、ＪＩＳＲ１６２７に基づい
て空洞共振器法により測定周波数６０ＧＨｚで比誘電率
を測定した。また、アルミナ質絶縁層の曲げ強度は、Ｊ
ＩＳＲ１６０１に基づいて室温における３点曲げ強度を
測定した。

【００８９】拡散層の元素分析をＥＰＭＡにて行い、走
査型電子顕微鏡を用いて中間層の厚み（ｄ）及び拡散層
の厚み（ｔ）を測定し、比ｔ／ｄを算出した。

【００９０】また、反射損失はネットワークアナライザ
とウエハープローブを用いて６０ＧＨｚの信号に対する
反射損失を測定した。詳細にはセラミック部品を実装す
る基板とセラミック部品内に設けた測定用電極間の値を
測定した。結果を表１〜４に示した。

【００９１】

【表１】

【００９２】

【表２】

【００９３】

【表３】

【００９４】

【表４】

【００９５】本発明の試料Ｎｏ．１〜３、５、６、８〜
１４、１６〜１８及び２０〜６０は、配線・ヴィアの外
観、基板の反り、割れが無く、反射損失も−１２．５ｄ
Ｂ以下であった。

【００９６】一方、低誘電率層に副成分のない本発明の
範囲外の試料Ｎｏ．４は、緻密な低誘電率層が得られ
ず、また、基板の割れが見られた。

【００９７】また、副成分が１０質量％を超える本発明
の範囲外の試料Ｎｏ．７、１５及び１９は、いずれも配
線の断線が見られた。実施例２実施例１における試料Ｎｏ．４７の組成を用いて、中間
層のある複合セラミック部品と、中間層の無い複合セラ
ミック部品を作製し、ヒートサイクル試験を行った。な
お、中間層の無い複合セラミック部品の低誘電率層には
ムライトは添加しなかった。

【００９８】ヒートサイクル試験は、−６５〜１５０℃
を１００回毎にアルミナ質絶縁層と低誘電率層の間にク
ラックがあるかどうかを観察し、１０００回まで繰り返
した。

【００９９】その結果、中間層の無い複合セラミック部
品では、５００回でクラックが観察されたが、中間層の
ある複合セラミック部品では、１０００回でもクラック
は発生しなかった。

【０１００】

【発明の効果】本発明によれば、アルミナ質絶縁層と、
低誘電率の低誘電率層とを一体的に積層し、表面及び／
又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備えた構造を
有し、低誘電率層の組成を制御したことにより、高周波
領域に対応できる高強度、高熱伝導、低抵抗導体配線の
複合セラミック部品を実現した。

【０１０１】また、アルミナ質絶縁層と、低誘電率の低
誘電率層の間に中間層及び／又は拡散層を具備すること
より、アルミナ質絶縁層と低誘電率層の接着強度が向上
し、信頼性及び寿命を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合セラミック部品の一実施態様を示
す概略断面図である。

【図２】本発明の複合セラミック部品の一部分を示す概
略断面図である。

【符号の説明】１、１１・・・アルミナ質絶縁層２、１２・・・低誘電率層３・・・導体層３ａ・・・表面導体層３ｂ・・・内部導体層４・・・ヴィア５・・・絶縁基板７、１７・・・中間層１８・・・拡散層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層
よりも低誘電率の低誘電率層とが一体的に積層され、表
面及び／又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備
え、前記低誘電率層がフォルステライト及びコージェラ
イトを主結晶相とし、副成分として、Ｚｎ、Ｍｎ及びア
ルカリ土類金属のうち少なくとも１種及び／又は非鉛・
非アルカリホウ珪酸ガラスを全量中０．１〜１０質量％
の割合で含み、さらに前記アルミナ質絶縁層と前記低誘
電率層の間に、スピネルを主結晶相とする中間層が形成
されていることを特徴とする複合セラミック部品。
【請求項２】前記中間層と前記アルミナ質絶縁層、前記
中間層と前記低誘電率層との間にそれぞれ拡散層が含ま
れることを特徴とする請求項１に記載の複合セラミック
部品。
【請求項３】前記拡散層の厚みｔに対する前記中間層の
厚みｄの比ｔ／ｄが、０．２５〜１であることを特徴と
する請求項１または請求項２に記載の複合セラミック部
品。
【請求項４】前記低誘電率層が、ムライト結晶相を含有
することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
の複合セラミック部品。
【請求項５】前記低誘電率層が、コージェライトを全量
中２０〜４０質量％の割合で含むことを特徴とする請求
項１乃至４のいずれかに記載の複合セラミック部品。
【請求項６】前記アルミナ質絶縁層の３点曲げ強さが３
５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至５
のいずれかに記載の複合セラミック部品。
【請求項７】前記アルミナ質絶縁層が、Ｍｎを酸化物換
算で２〜１５質量％、Ｓｉを酸化物換算で２〜１５質量
％、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＣｏのうち少なく
とも１種を酸化物換算で０．１〜４質量％含むととも
に、相対密度が９５％以上であることを特徴とする請求
項１乃至６のいずれかに記載の複合セラミック部品。
【請求項８】前記導体層が、Ｃｕを１０〜７０体積％、
Ｗ及び／又はＭｏを３０〜９０体積％の割合で含有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の複
合セラミック部品。
【請求項９】フォルステライト粉末及びコージェライト
粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のうち
少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非ア
ルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量％
の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グ
リーンシートとスピネル質グリーンシートとを作製し、
各グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低
誘電率グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシート
で前記スピネル質グリーンシートを介在せしめて積層し
て積層体を作製し、次いで該積層体を１２００〜１５０
０℃で焼成することを特徴とする複合セラミック部品の
製造方法。
【請求項１０】フォルステライト粉末及びコージェライ
ト粉末に対して、Ｚｎ、Ｍｎ及びアルカリ土類金属のう
ち少なくとも１種を含む酸化物粉末及び／又は非鉛・非
アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中０．１〜１０質量
％の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質
グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導体ペ
ーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシート及び
／又は前記アルミナ質グリーンシートの主面にスピネル
を主体とするペーストを塗布し、該ペーストを挟むよう
に前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グリー
ンシートとを積層して積層体を作製し、次いで該積層体
を１２００〜１５００℃で焼成することを特徴とする複
合セラミック部品の製造方法。
【請求項１１】拡散層の厚みｔに対する中間層の厚みｄ
の比ｔ／ｄが、０．２５〜１になるように、前記積層体
を焼成することを特徴とする請求項９または請求項１０
記載の複合セラミック部品の製造方法。
【請求項１２】前記低誘電率グリーンシートにムライト
粉末を含むことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれ
かに記載の複合セラミック部品の製造方法。
【請求項１３】前記低誘電率グリーンシート、前記アル
ミナ質グリーンシート及び前記スピネル質グリーンシー
トの積層に先立って、前記低誘電率グリーンシート、前
記アルミナ質グリーンシート、前記スピネル質グリーン
シートの少なくとも一方にヴィアを形成し、該ヴィア中
に導体ペーストを充填することを特徴とする請求項９乃
至１２のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方
法。
【請求項１４】前記低誘電率グリーンシートが、コージ
ェライト粉末を全量中に２０〜４０質量％の割合で含む
ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の
複合セラミック部品の製造方法。
【請求項１５】前記アルミナ質グリーンシートが、Ｍｎ
₂Ｏ₃を２〜１５質量％、ＳｉＯ₂を２〜１５質量％、Ｍ
ｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）₂、ＭｇＣＯ₃、ＣａＯ、Ｃａ（Ｏ
Ｈ）₂、ＣａＣＯ₃、Ｂ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｃｒ₂Ｏ₃及びＣ
ｏ₃Ｏ₄のうち少なくとも１種を０．１〜４質量％、残部
がアルミナ粉末からなる混合粉末を成形して得られるも
のであることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか
に記載の複合セラミック部品の製造方法。
【請求項１６】前記スピネル質グリーンシート又は前記
スピネルを主体とするペーストが、全重量に対しスピネ
ル粉末を５０質量％以上含み、さらに前記アルミナ質グ
リーンシート及び／又は前記低誘電率グリーンシートに
含まれる助剤成分のうち少なくとも１種を含むことを特
徴とする請求項９乃至１５のいずれかに記載の複合セラ
ミック部品の製造方法。
【請求項１７】前記導体ペーストが、金属成分としてＣ
ｕ粉末を１０〜７０体積％、Ｗ粉末及び／又はＭｏ粉末
を３０〜９０体積％の割合で含むことを特徴とする請求
項９乃至１６のうちいずれかに記載の複合セラミック部
品の製造方法。