JP2004256346A - ガラスセラミック組成物、ガラスセラミック焼結体とその製造方法、並びにそれを用いた配線基板とその実装構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】１０５０℃以下で焼成可能で、低抵抗金属を含有する配線層を同時焼成にて形成することができ、実装信頼性の高い配線基板を提供する。
【解決手段】絶縁基板と配線層とを具備する配線基板において、該絶縁基板として少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％とを混合、成形し、大気中あるいは窒素雰囲気中で１０５０℃以下の温度にて焼成して、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下、であることを特徴とするガラスセラミックを得る。
【選択図】図１
【解決手段】絶縁基板と配線層とを具備する配線基板において、該絶縁基板として少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％とを混合、成形し、大気中あるいは窒素雰囲気中で１０５０℃以下の温度にて焼成して、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下、であることを特徴とするガラスセラミックを得る。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ、多層配線基板等に適用される配線基板等に最適なガラスセラミック組成物およびガラスセラミック焼結体とその製造方法に関するものであり、また、これを絶縁基板として用いた配線基板とその実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報通信技術が急速に発達し、それに伴い、半導体素子等の高速化、大型化が図られ、配線層においても、信号の伝送損失を低減する上で配線層の低抵抗化と絶縁基板の低誘電率化が求められている。そこで、１０００℃以下での焼成によって緻密化でき、銅、銀または金等の低抵抗金属を主成分とする配線層との同時焼成が可能で、かつ誘電率の低いガラスセラミックスを絶縁層とする配線基板が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ムライト、石英ガラス、ほう珪酸ガラスからなるガラスセラミック焼結体を絶縁材料とすることで、低誘電率、低熱膨張係数の多層セラミック回路基板が得られることが記載されている。
【０００４】
例えば、特許文献２では、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３からなる硼珪酸ガラスとアルミナ、コージェライト、石英ガラスとを組み合わせることにより、低抵抗配線が可能な低誘電率、低熱膨張係数のセラミック基板が得られることが記載されている。
【０００５】
〔特許文献１〕
特公平４−５８１９８号公報
〔特許文献２〕
特開平５−２５４９２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来のガラスセラミック焼結体は、低い熱膨張係数を実現していることによってシリコンを主体とする半導体素子の実装（以下、一次実装と称す。）信頼性を確保できるが、逆に、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃程度と非常に大きいプリント配線基板で構成されるマザーボード上に実装（以下、二次実装と称す。）する際には、熱膨張係数のミスマッチが非常に大きくなるため、二次実装信頼性を確保することが困難となる問題があった。
【０００７】
さらに、ほう珪酸ガラスを用いていることから、半田等を用いて実装する際に必須となる、Ｎｉ−ＡｕめっきやＣｕ−Ａｕめっきを施す際の薬品処理、特に配線層上に形成されるガラス層を除去するためのＨＦ処理に対する耐性が悪く、めっき後に磁器の変色や、しみ、配線層の接着強度の低下等が発生する恐れがあった。
【０００８】
従って、本発明は、銀、銅、金等の低抵抗金属との同時焼成が可能であり、低い誘電率と低いヤング率とを有しつつ、さらに優れた耐薬品性を示す焼結体を形成するガラスセラミック組成物、およびガラスセラミック焼結体とその製造方法、かかる焼結体を用い、低い熱膨張係数を有しつつも高い二次実装信頼性を確保できる配線基板とその実装構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【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した結果、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を所定の比率で含むガラス粉末に対して、フィラー粉末としてアルミナ粉末と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末とを所定の比率で添加し、混合し、成形後、１０５０℃以下で焼成することによって得られた焼結体が、低誘電率化とともに、低ヤング率化を図ることができ、しかも優れた耐薬品性とを同時に達成できること、また低誘電率、低ヤング率とともに、優れた耐薬品性を有する焼結体を絶縁基板とする配線基板が、低い熱膨脹係数を有しつつも二次実装信頼性を高めることができることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
すなわち、本発明のガラスセラミック組成物は、少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末０．５〜１５質量％とを含有することを特徴とするものである。
【００１１】
なお、該組成物全量中におけるＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量が、質量比（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）で０．０３以上とすることにより、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させることができるため望ましい。
【００１２】
また、前記ガラス粉末は、１０５０℃以下の熱処理を行うことにより、少なくともコーディエライトを結晶相として析出することが前記ガラスセラミック焼結体の誘電率とヤング率とを低下させ、かつ耐薬品性を向上させるうえで望ましく、さらにコーディエライトとともに、ガーナイト、スピネル、ムライトの群から選ばれる少なくとも１種を結晶相として析出することによって、耐薬品性の向上を図ると同時に、抗折強度を向上させることができるため望ましい。
【００１３】
また、かかる組成物は、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ０．１質量％以下に抑制されていることが耐環境負荷を低減させ、かつ耐薬品性、絶縁性を向上させる上で望ましい。
【００１４】
また、本発明のガラスセラミック焼結体は、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、かかる焼結体は、抗折強度が２００ＭＰａ以上であることが望ましく、結晶相として、アルミナ結晶相以外に、さらに、コーディエライト、ガーナイト、スピネル、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種を含有することが望ましく、また、ＣａＯが少なくとも残留ガラス中に存在していることが望ましく、さらに、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ０．１重量％以下であることが耐環境負荷を低減させ、かつ耐薬品性、絶縁性を向上させる上で望ましいものである。
【００１６】
また、かかるガラスセラミック焼結体の製造方法は、少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％とを混合、成形し、大気中あるいは窒素雰囲気中で１０５０℃以下の温度にて焼成することを特徴とするものである。
【００１７】
ここで、かかる製造方法において、焼結体全量中におけるＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量が、質量比（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）で０．０１以上であることが望ましく、さらに、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種をフィラー粉末として２０質量％以下含有することが望ましい。
【００１８】
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、低抵抗金属を含有する配線層を配設してなり、前記絶縁基板が、上記のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とするものであり、かかる配線基板の表面および／または表面に設けた凹部内にＳｉを主体とする半導体素子を載置してなることが望ましい。
【００１９】
また、上記の配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁基板を具備するプリント配線基板の表面に実装することによって、二次実装信頼性に優れた実装構造を提供できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のガラスセラミック組成物は、構成成分として、少なくとも、ＳｉＯ２３０〜５５質量％、特に３５〜５０質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、特に２０〜３５質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、特に５〜２０質量％、ＺｎＯ２〜１５質量％、特に４〜１２質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、特に４〜１２質量％を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％、特に６３〜９１質量％、最適には６５〜８８．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％、特に８〜３３質量％、最適には１０〜３０質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％、特に１〜１２質量％、最適には１．５〜１０質量％とを含有することを特徴とするものである。
【００２１】
ここで、上記ガラス粉末は、該組成物を銅、あるいは銀、金といった低抵抗導体と同時焼成可能な温度である１０５０℃以下の低温で焼結させるために必要であり、ガラス粉末の軟化流動により該組成物を低温で焼結可能とせしめるものである。ガラス粉末の量が、前記範囲よりも少ない場合には、該組成物を１０５０℃以下で焼結させることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、該組成物を焼成した場合に、その原型を保つことが困難となる。
【００２２】
さらに、ＳｉＯ２はガラスのネットワークフォーマーであり、かつコーディエライト、ムライト等のＳｉＯ２を構成成分として含有する結晶相、特にコーディエライトをガラスから析出せしめるための必須成分である。ＳｉＯ２が前記範囲よりも少ない場合には、前記結晶相の析出量が不十分となり、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、ガラスの軟化温度が上昇し１０５０℃以下の低温焼成が困難となる。
【００２３】
また、Ａｌ２Ｏ３は、ガラスのヤング率や耐薬品性を向上させる成分であると同時に、コーディエライト、ガーナイト、スピネル、ムライト等のＡｌ２Ｏ３を構成成分として含有する結晶相、特にコーディエライトをガラスから析出せしめるための必須成分である。Ａｌ２Ｏ３が前記範囲よりも少ない場合には、前記結晶相の析出量が不十分となり、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、ガラスの軟化温度が上昇し１０５０℃以下の低温焼成が困難となると同時に、前記ガラスセラミック焼結体のヤング率が上昇し、高い二次実装信頼性を確保することが困難となる。
【００２４】
また、ＭｇＯは、コーディエライト、スピネル等のＭｇＯを構成成分として含有する結晶相、特にコーディエライトをガラスから析出せしめるための必須成分である。ＭｇＯが前記範囲よりも少ない場合には、前記結晶相の析出量が不十分となり、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、前記ガラスセラミック焼結体のヤング率が上昇し、高い二次実装信頼性を確保することが困難となる。
【００２５】
また、ＺｎＯは、ガラスの軟化温度を低下せしめると同時にガーナイト等のＺｎＯを構成成分として含有する結晶相をガラスから析出せしめるための必須成分である。ＺｎＯが前記範囲よりも少ない場合には、前記結晶相の析出量が不十分となり、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、ガラスの軟化温度が低下し前記ガラスセラミック焼結体の原型を保つことが困難となると同時に、前記ガラスセラミック焼結体の耐薬品性が著しく低下する。
【００２６】
さらに、Ｂ２Ｏ３は、ガラスのネットワークフォーマーであると同時に、軟化温度、溶解温度を低下せしめる働きがあり、Ｂ２Ｏ３が前記範囲よりも少ないと、ガラスの溶解温度が上昇しすぎて、工業的に安価に製造することが困難となると同時にガラスの軟化温度が上昇し１０５０℃以下の低温焼成が困難となる。逆に前記範囲よりも多い場合には、ガラスの軟化温度が低下し前記ガラスセラミック焼結体の原型を保つことが困難となると同時に、前記ガラスセラミック焼結体の耐薬品性が著しく低下する。
【００２７】
なお、前記ガラス粉末中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、希土類酸化物等の他の成分を１０質量％以下、特に７質量％以下、さらには５質量％以下の範囲で含有してもよく、これにより、前記ガラスセラミック焼結体の焼結性や特性を微調整することが可能となる。
【００２８】
但し、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）は、環境への負荷が大きく、また耐薬品性や絶縁性が低下することから、これらの成分量は、全量中、それぞれ０．１質量％以下に抑制されていることが望ましい。
【００２９】
さらに、本発明においては、前記ガラス粉末が、１０５０℃以下の熱処理を行うことにより少なくともコーディエライトを結晶相として析出することが、前記ガラスセラミック焼結体の、誘電率、ヤング率、さらには熱膨脹係数を低下せしめると同時に、耐薬品性を向上させることが可能となるため望ましい。
【００３０】
また、本発明においては、ガラス粉末から、さらにガーナイト、スピネル、ムライトの群から選ばれる少なくとも１種を結晶相として析出することが、特に前記ガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させると同時に抗折強度を向上させるために望ましい。
【００３１】
一方、フィラーとしてアルミナ粉末を必須成分とするものであるが、該アルミナ粉末は、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の抗折強度と耐薬品性を同時に向上させる効果がある。該アルミナ粉末の量が前記範囲よりも少ない場合には、前記ガラスセラミック焼結体の抗折強度の低下、および耐薬品性、特にＨＦ水溶液に対する溶出量を望ましい値にまで低下させることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、該組成物を１０５０℃以下で焼結せしめることが困難となる。
【００３２】
さらに、フィラーとして少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を必須成分とするものであるが、該ＣａＯを含有するフィラー粉末は、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の耐薬品性を著しく向上させる効果がある。
【００３３】
このとき、ＣａＯを含有するフィラー粉末は焼成中にその全量あるいは一部が分解することによりＣａＯ成分がガラス中に溶解する。ガラス中に溶解したＣａＯは、特に耐薬品性の悪いＢ２Ｏ３の三配位ネットワーク中に優先的に侵入し、Ｂ２Ｏ３のネットワークを耐薬品性に優れる四配位へとその構造を変化させる。従って、上記少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末により、残留ガラスの耐薬品性が著しく向上する結果、該ガラスセラミック焼結体の耐薬品性が向上する。
【００３４】
なお、上記残留ガラスとは、結晶化ガラスである前記ガラス粉末の結晶化が終了した後に焼結体中に存在するガラス相を指し、前記ガラス粉末とは異なった組成、性質を有するものである。
【００３５】
ここで、該少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末の量が前記範囲よりも少ない場合には、耐薬品性を向上させる効果が不充分となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となる。
【００３６】
なお、前記少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末としては、特に焼成中にその全量あるいは一部が分解してガラス中に溶解することが望ましく、そのようなフィラー粉末としては、酸化物粉末、ハロゲン化物粉末、さらには水酸化物、炭酸塩、蓚酸塩等の無機塩粉末を用いることができるが、特にＣａＳｉＯ３、ＣａＺｒＯ３、Ｃａ２ＳｉＯ４、ＣａＡｌ２Ｏ４、ＣａＡｌ４Ｏ７、ＣａＡｌ２ＳｉＯ６の群から選ばれる少なくとも１種の酸化物粉末、なかでもＣａＳｉＯ３および／またはＣａＺｒＯ３が望ましい。
【００３７】
また、該組成物全量中におけるＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量が、質量比（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）で０．０１以上、特に０．０３以上、最適には０．０５以上であることが、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させるために望ましい。ＣａＯは上述のように、該ガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させる効果があり、ＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量の質量比が前述の範囲よりも少ないと、耐薬品性の向上効果が不十分となる。
【００３８】
さらに、他のフィラーとして、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種の粉末は、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の誘電率を低くするために特に有効な成分であり、なかでもムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種は、抗折強度の向上にも効果的であり、石英ガラスは誘電率、ヤング率を低下させる効果が特に著しいものであり、これらの粉末が前記範囲よりも多い場合には、該組成物を１０５０℃以下で焼結せしめることが困難となる。
【００３９】
なお、前記ガラスセラミック組成物中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＳｉＯ２、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｓｒ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＳｉＯ３、Ｍｇ２ＳｉＯ４、Ｚｎ２ＳｉＯ４、ＺｒＳｉＯ４、ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６、Ｚｎ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８、ＳｒＳｉＯ３、ＢａＳｉＯ３の群から選ばれる少なくとも１種のフィラー粉末を、総量が１５質量％以下、特に１０質量％以下、最適には５質量％以下の範囲で含有してもよく、これにより、前記ガラスセラミック焼結体の焼結性や特性を制御することが可能となる。
【００４０】
＜ガラスセラミック＞
本発明のガラスセラミック焼結体は、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、特に６．５以下、最適には６以下、ヤング率が１５０ＭＰａ以下、特に１４５ＧＰａ以下、最適には１４０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下、特に２．５μｇ／ｍｍ２以下、最適には２μｇ／ｍｍ２以下であることを特徴とするものである。
【００４１】
ここで、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３の各成分は前記ガラス粉末中に含有される必須成分であり、これらの成分を含有することにより、所望の結晶相を析出させ、所望の特性を有するガラスセラミック焼結体を得ることができる。また、ＣａＯは該ガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させる効果がある。
【００４２】
ここで、上記アルミナ結晶相は、前記ガラスセラミック焼結体の抗折強度および耐薬品性を向上させるための必須成分である。
【００４３】
また、誘電率は、信号遅延時間を短縮するために低いことが望ましく、前記範囲よりも大きいと、前記配線基板の遅延時間が長くなり性能が低下する。
【００４４】
また、ヤング率が低いということは、該ガラスセラミック焼結体が応力により変形しやすいことを意味する。従って、焼結体の熱膨張係数を半導体素子に整合させるために低熱膨張化することによって、プリント配線基板への二次実装における熱膨張差が大きくなっても、二次実装部において発生する熱応力を焼結体の変形により緩和することができ、二次実装信頼性を向上させることができる。従って、ヤング率が前記範囲よりも大きいと、二次実装信頼性が著しく低下する。
【００４５】
さらに、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少は、Ｎｉ−ＡｕめっきやＣｕ−Ａｕめっきを施す際の薬品処理において、最も焼結体表面へのダメージが大きい工程、即ち、配線層上に形成されるガラス層を除去するためのＨＦ処理に対する耐性を表わしており、該重量減少が上記範囲よりも大きいと、めっき後に磁器の変色や、しみ、配線層の接着強度の低下等が発生する恐れがある。
【００４６】
また、このガラスセラミック焼結体の熱膨張係数は、４０〜４００℃における熱膨張係数が６×１０−６／℃以下の特性を有するが、Ｓｉ（シリコン）を主体とする半導体素子を、前記ガラスセラミック焼結体を絶縁基板として用いた配線基板上に一次実装する際に絶縁基板と半導体素子との熱膨張係数のミスマッチにより生じる熱応力を低減するために、シリコンの熱膨張係数の値に近いものであることが望ましい。
【００４７】
また、本発明においては抗折強度が２００ＭＰａ以上であることが望ましく、抗折強度の値が上記範囲よりも小さい場合には、該ガラスセラミック焼結体を用いた配線基板を作製した場合に、配線基板の割れや、欠け等が生じる恐れがあり、前記配線基板の機械的な信頼性が著しく低下し、実用に耐えなくなる。抗折強度の値のさらに望ましい範囲は２２０ＭＰａ以上である。
【００４８】
また、本発明においては、結晶相として、さらに、コーディエライト、ガーナイト、スピネル、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種を含有が望ましい。
【００４９】
ここで、コーディエライト結晶相は、前記ガラスセラミックより析出させることが望ましい結晶相であり、該ガラスセラミック焼結体の誘電率、ヤング率を低下させる効果がある。また、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種は、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の熱膨張係数、誘電率を低くするために特に有効な成分であり、さらに、ガーナイト、スピネル、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種は、抗折強度の向上に効果的である。
【００５０】
また、本発明においては、ＣａＯが少なくとも残留ガラス中に存在していることが望ましい。これは、前述のように、ＣａＯ成分が残留ガラス中に存在することにより、前記ガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させることができるためである。
【００５１】
さらに、本発明においては、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ０．１重量％以下に抑制されていることが、対環境負荷、耐薬品性、絶縁性の観点から望ましい。
【００５２】
また、上記焼結体中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＳｉＯ２、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｓｒ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＳｉＯ３、Ｍｇ２ＳｉＯ４、Ｚｎ２ＳｉＯ４、ＺｒＳｉＯ４、ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６、Ｚｎ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８、ＳｒＳｉＯ３、ＢａＳｉＯ３の群から選ばれる他の結晶相を、総量が１５質量％以下、特に１０質量％以下、さらには５質量％以下の範囲で含有してもよく、これにより、前記ガラスセラミック焼結体の焼結性や特性を制御することが可能となる。
【００５３】
上記のガラスセラミック焼結体を製造するには、まず、構成成分として、少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、特に３５〜５０質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、特に２０〜３５質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、特に５〜２０質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、特に４〜１２質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、特に４〜１２質量％を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％、特に６３〜９１質量％、最適には６５〜８８．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％、特に８〜３３質量％、最適には１０〜３０質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％、特に１〜１２質量％、最適には１．５〜１０質量％とを混合する。
【００５４】
そして、この混合物に、有機バインダ、溶媒、必要に応じて可塑剤を添加、混合し、プレス成形、押出形成、射出成形、鋳込み成形、テープ成形の群から選ばれる少なくとも１種の成形方法によって所定形状に成形する。
【００５５】
そして、該成形体を、４５０〜７５０℃で脱バインダ処理した後、酸化性雰囲気あるいは窒素雰囲気中、１０５０℃以下、特に７００〜１０００℃、さらに８００〜９５０℃の温度で焼成することにより、本発明のガラスセラミック焼結体を作製することができる。
【００５６】
ガラスセラミック焼結体を後述する配線基板の絶縁基板として用いる際に、導体材料として、銀、金を用いる場合は、導体は酸化しないため、大気雰囲気中で焼成することが望ましく、銅を用いる場合には、銅の酸化を抑制する為に窒素雰囲気中にて焼成することが望ましい。
【００５７】
なお、前記ガラスセラミック焼結体は、還元雰囲気下でも焼成することは可能であるが、コスト、安全性の面から、望ましくは酸化性雰囲気あるいは窒素雰囲気中での焼成が望ましい。
【００５８】
なお、焼結体中に上述した特定の結晶相の析出を促進するためには、脱バインダ処理後の昇温速度を５０℃／時間以上、特に１００℃／時間以上とすることが望ましく、また、焼成温度での保持時間を０．０２〜１０時間、特に０．２〜２時間とすることが望ましい。
【００５９】
また、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面および／または内部に低抵抗金属を含有する配線層が配設されたものであり、前記絶縁基板が、上記のガラスセラミック焼結体からなるものである。
【００６０】
上記ガラスセラミック焼結体を絶縁基板とすることによって、銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属を含有する配線層との同時焼成が可能となる。
【００６１】
また、この配線基板の表面には、本発明においては、前記配線基板の表面および／または表面に設けた凹部に、Ｓｉを主体とする半導体素子を載置してなることが、一次実装信頼性を確保する上で望ましい。
【００６２】
上述したガラスセラミック焼結体を絶縁基板として用いた本発明の配線基板について、その好適例であるシリコンを主体とする半導体素子等の電気素子をフリップチップ実装によって搭載したＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）型の電気素子収納用パッケージと、該パッケージをプリント配線基板上に実装した場合の概略断面図である図１をもとに説明する。
【００６３】
図１によれば、電気素子収納用パッケージＡは、複数の絶縁層１ａ〜１ｄからなる絶縁基板１の表面および／あるいは内部に配線層２が形成されている。また、図１によれば、絶縁層１ａ〜１ｄ間に形成される銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属を含有する配線層２、および配線層２同士を電気的に接続する銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属を含有するビアホール導体３が形成されている。
【００６４】
さらに、パッケージＡの下面には複数の接続用電極４Ａが配列されており、絶縁基板１の上面中央部には、半導体素子等の電気素子５が半田ボール６や半田を介して絶縁基板１上にフリップチップ実装により接着固定されると同時に、パッケージＡと電気的に接続される。
【００６５】
また、電気素子５とパッケージＡとの間は、一次実装信頼性を高める為に熱硬化性樹脂を含有するアンダーフィル７が注入され、硬化されている。さらに、電気素子５と、絶縁基板１の下面に形成された複数の接続用電極４Ａとは、半田ボール６、配線層２およびビアホール導体３を介して電気的に接続されている。
【００６６】
一方、プリント配線基板Ｂは、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃の絶縁基板の上面に、接続用電極４Ｂが接続用電極４Ａと対を成すように形成されている。そして、接続用電極４Ａ、４Ｂ間は、共晶半田９、高温半田ボール８を介して電気的に接続される。
【００６７】
本発明によれば、絶縁基板１を、前述したような、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が５μｇ／ｍｍ２以下のガラスセラミック焼結体によって形成することが大きな特徴であり、これによって、絶縁基板１の誘電率、およびヤング率を低下させることができ、さらに耐薬品性と抗折強度とを向上させることができる。その結果、パッケージＡの二次実装信頼性をも高めることができる。
【００６８】
また、絶縁基板１の誘電率を低下させるとともに、配線層２やビアホール導体３として、銅、銀または金のうちの少なくとも一種の低抵抗金属を主成分として含有するために、配線層を低抵抗化でき、信号の遅延を小さくできる。
【００６９】
なお、上記図１の例では、電気素子としてシリコン系半導体素子を例示したが、本発明の配線基板によれば、その他の電気素子であってもよい。また、図１のパッケージにおいては、電気素子５は半田ボール６などを介して配線層２と接続される場合に好適であるが、電気素子５と配線層２とはワイヤボンディング等によって接続されたものであってもよい。また、電気素子５は、その上にさらに封止樹脂にて覆う形態であってもよい。また、絶縁基板１にキャビティを形成して電気素子５を収納し、蓋体によってキャビティを気密封止するものであってもよい。
【００７０】
また、図１においては、パッケージＡとプリント配線基板Ｂとは、高温半田ボール８を介して相互に接続されるＢＧＡ型のパッケージ構造について説明したが、本発明は、リードピンなどを用いずに、パッケージＡとプリント配線基板Ｂとが、半田を介して接続される前記ＢＧＡ、ＬＧＡ、ＬＣＣ型などのタイプの場合において発生する応力が大きく二次実装信頼性が求められることから、この種のパッケージに特に好適に用いられる。その他、樹脂を含有するボール、柱状の半田カラム、樹脂を含有するカラム、さらにはピンにて接続される形態であってももちろん有用性を有する。
【００７１】
次に、本発明の配線基板を製造する方法について、上記パッケージＡを例にすると、前述したようなガラス粉末と、フィラー粉末との混合粉末に対して、適当な有機バインダ、溶媒、必要に応じて可塑剤を添加、混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属を含有する導体ペーストを充填する。そして、シート状成形体表面には、前記導体ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などの公知の印刷手法を用いて配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように配線パターンを印刷塗布する。
【００７２】
そして、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、大気中、または窒素雰囲気中にて脱バインダ処理した後、１０５０℃以下の大気中または窒素雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００７３】
なお、焼成雰囲気については、導体材料として、銀、金を用いる場合は、導体は酸化しないため、大気雰囲気中で焼成することが望ましく、銅を用いる場合には、銅の酸化を抑制する為に窒素雰囲気中にて焼成することが望ましい。
【００７４】
そして、この配線基板の表面に、半導体素子等の電気素子５を搭載し、配線層２と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、前述したように、半田を用いたフリップチップ実装や、ワイヤボンディング、さらには配線層上に直接搭載させて接続させる形態が好適である。
【００７５】
さらに、電気素子５とパッケージＡとの間隙にアンダーフィル剤７を充填、硬化させたり、電気素子５上にポッティング樹脂を被覆し、硬化させるか、絶縁基板Ａと同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなる蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、電気素子収納用パッケージを作製することができる。
【００７６】
また、パッケージＡの下面に、低融点ハンダによって高融点半田からなるボール８を接続する。そして、このパッケージＡをプリント配線基板Ｂに実装する場合には、プリント配線基板Ｂの表面に、前記パッケージＡの半田ボール８を低融点半田を介してプリント配線基板Ｂの接続用電極４Ｂ上に載置し、半田リフロー処理することによって、パッケージＡをプリント配線基板Ｂ上に二次実装することができる。
【００７７】
【実施例】
（実施例１）
表１に示した組成からなる本発明の４種の平均粒径が２μｍのガラスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの粉末を準備し、これらのガラス粉末に対して、平均粒径が１〜２μｍの表２、３に示すフィラー粉末を用いて、表２、３の組成に従い混合した。
【００７８】
なお、各ガラスＡ〜Ｄについては、ガラス単体での焼成温度で焼成した時のコーディエライト結晶相の析出量をリートベルト法によって測定し、その結果を表１に示した。
【００７９】
そして、この混合物に有機バインダ、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。さらに、このグリーンシートを所望の厚さになるように複数枚積層し、６０℃の温度で１０ＭＰａの圧力を加えて熱圧着した。
【００８０】
得られた積層体を窒素雰囲気中、７５０℃で脱バインダ処理した後、２００℃／時間で昇温して、大気中で表２、３の条件にて焼成してガラスセラミック焼結体を得た。
【００８１】
得られた焼結体について、５ｍｍ□、長さ１８ｍｍに加工し、１０℃／分の速度で焼温しながらレーザー測距計にて寸法変化を測定することにより、４０〜４００℃における熱膨張係数を測定した。また、焼結体を５０ｍｍ□、厚さ１．０ｍｍに加工し、空洞共振器法にて２ＧＨｚにおける誘電率を測定した。また、約２０ｍｍ×約２０ｍｍ×約１ｍｍとなるように成形体を加工、焼成した後、加工を施さず焼き上げ面そのままの状態で表面積と重量を測定した後、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間ン浸漬し、水洗、乾燥後の重量を測定し、重量減少を表面積で除した値をＨＦ水溶液中への溶出量として算出した。
【００８２】
さらに、焼結体を３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍに加工し、超音波パルス法にてヤング率を測定した。また、同様のサンプルを用いて、オートグラフを用いＪＩＳＲ−１６０１に基づく３点曲げ強度を測定した。また、焼結体中における結晶相をＸ線回折測定から同定し、リードベルト法により焼結体中の各結晶相の析出量を算出し多い順に並べた。
【００８３】
以上の測定結果を表２、３に示す。
【００８４】
一方、上記４種類のガラスに代わり、表１に示す２種類のガラスＥ、Ｆを用いて同様に評価を行った。また、フィラー粉末として、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２を用いて同様の評価を行った。結果を表２、３に示す。
【００８５】
【表１】
【００８６】
【表２】
【００８７】
【表３】
【００８８】
表１〜３の結果から明らかなように、本発明に基づき、アルミナ結晶相を含む特定の結晶相が析出した試料Ｎｏ．４〜１０、１２、１３、１０、１５〜２９、３６〜４１では、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下となり、さらに抗折強度も２００ＭＰａ以上と良好な値を示した。
【００８９】
それに対して、ガラス粉末の量が６０質量％よりも少ない試料Ｎｏ．１１、１４、アルミナ粉末の量が３５質量％よりも多い試料Ｎｏ．１１、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末の量が１５質量％よりも多い試料Ｎｏ．１４では、１０５０℃以下の焼成にて緻密な焼結体を得ることができなかった。
【００９０】
また、フィラー粉末として、本発明の範囲外であるＺｒＯ２、ＴｉＯ２を用いた試料Ｎｏ．３０〜３５では、誘電率が７より高くなった。
【００９１】
また、アルミナ粉末の量が本発明の範囲該である５質量％よりも少ない試料Ｎｏ．１、２においては、抗折強度が２００ＭＰａよりも低くなった。
【００９２】
また、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末が０．５質量％よりも少なく、全量中における（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）比が０．０１よりも小さい試料Ｎｏ．１、３においては、ＨＦ水溶液中への溶出量が３．０μｇ／ｍｍ２よりも多くなった。
【００９３】
さらに、本発明の範囲外のガラス粉末Ｅ、Ｆを用いた試料Ｎｏ．３８〜４１では、いずれの試料もコーディエライト結晶相はガラスから析出せず、誘電率が７よりも高くなった。
【００９４】
（実施例２）
実施例１の本発明の試料について、原料粉末に対して、アクリル系バインダと可塑剤とトルエンを添加、混合し、ドクターブレード法によって厚み２５０μｍのグリーンシートを作製した。次に、該グリーンシートの所定位置にビアホールを形成し、銅を主成分とする導体ペーストを充填した後、スクリーン印刷法により前記導体ペーストを用いてグリーンシート表面に配線層を形成した。
【００９５】
そして、前記配線層を形成したグリーンシートを位置合わせしながら４枚積層、熱圧着した。この積層体を水蒸気含有窒素中、７５０℃で脱バインダ処理し、さらに２００℃／時間で昇温した後、窒素中、表２、３に示す条件にて焼成した結果、銅を主成分とする配線層を具備する多層配線基板を作製した。
【００９６】
得られた配線基板について、配線層の導通を確認したところ、断線等がなく、低抵抗で良好な導通特性を示した。さらに、ＨＦ水溶液処理を含むＮｉ−Ａｕめっき処理を施した場合でも、磁器の変色や、しみ、配線層の接着強度の低下等がない良好な配線基板を得ることが出来た。
【００９７】
（実施例３）
さらに、実施例２で作製した上記グリーンシートの表面に、銅を主体とした導体ペーストをスクリーン印刷法にて、パッケージＡの表面には、０．１２ｍｍφのパッドをマトリックス状に配設したフリップチップパッドを形成し、裏面には１ｍｍφのパッドをマトリックス状に配設したボールパッドを形成した。焼成後の形状が３０ｍｍ□、厚み１．５ｍｍとなるようにグリーンシートを積層、切断後、表２、３に示す条件にて焼成した。得られた配線基板にＮｉ−Ａｕめっきを施した後、上記ボールパッド上に共晶半田ペーストを印刷し、１．２ｍｍφの高温半田ボールを位置合わせして載置し、リフロー処理を行うことにより、高温半田ボールを搭載したパッケージＡを作製した。
【００９８】
次に、シリコンを主体とする熱膨張係数が３×１０−６／℃の半導体素子をパッケージＡの表面に、０．１ｍｍ厚の半田を介して位置合わせして載置し、リフロー処理を行った後、アンダーフィルを半導体素子とパッケージＡとの間隙に注入し、硬化させることにより半導体素子をフリップチップ実装した。
【００９９】
さらに、パッケージＡの裏面と同様の配線パターンを形成した熱膨張係数が１５×１０−６／℃のプリント基板Ｂを用意し、その上にパッケージＡを位置合わせして載置し、再度リフロー処理を行うことによりパッケージＡをプリント基板上に実装した二次実装サンプルをそれぞれ２０個作製した。
【０１００】
上記二次実装サンプルを、０〜１００℃の温度範囲で温度サイクル試験を行い、１００サイクル終了毎に二次実装側の抵抗値を測定し、抵抗値の変化や断線の有無を確認し、抵抗が初期値に対して１０％以上変化した時のサイクル数を表２、３に示した。ここで、１０００サイクルまで断線のなきものを合格（ＯＫ）とした。
【０１０１】
さらに、比較例として熱膨張係数が４．７×１０−６／℃、ヤング率が３１０ＧＰａのＡｌＮセラミックスを絶縁基板とし、タングステンによって配線層、ビア導体を形成し、１６００℃で同時焼成してパッケージを作製し、同様の温度サイクル試験を行った。
【０１０２】
表１〜３の結果から明らかなように、本発明に基づき、特定の結晶相が析出したヤング率が１５０ＧＰａ以下の試料では、二次実装において１０００サイクルの温度サイクル試験において断線が見られず、高い実装信頼性を示すことが確認できる。
【０１０３】
一方、ヤング率が３１０ＧＰａと高い値を示すＡｌＮを用いた試料Ｎｏ．４２においては、温度サイクル試験の結果、ヤング率が高く熱応力の緩和効果が不充分なため、二次実装側で１０００サイクルよりも短いサイクル数にて断線が生じ、実装信頼性が確保できなかった。
【０１０４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のガラスセラミック組成物および焼結体は、１０５０℃以下の焼成にて、銅、銀、金などの低抵抗金属を主成分とする導体材料を用いて配線層を形成することができ、低誘電率、低ヤング率、高い対薬品性とを有し、さらに高い抗折強度とを兼ね備えることにより、高熱膨張のプリント配線基板への二次実装に対して高い実装信頼性を示す配線基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を用いたＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ 素子収納用パッケージ
１ 絶縁基板
２ 配線層
３ ビアホール導体
４ 接続用電極
５ 素子
６ 半田ボール
７ アンダーフィル
８ 高温半田ボール
９ 共晶半田
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ、多層配線基板等に適用される配線基板等に最適なガラスセラミック組成物およびガラスセラミック焼結体とその製造方法に関するものであり、また、これを絶縁基板として用いた配線基板とその実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報通信技術が急速に発達し、それに伴い、半導体素子等の高速化、大型化が図られ、配線層においても、信号の伝送損失を低減する上で配線層の低抵抗化と絶縁基板の低誘電率化が求められている。そこで、１０００℃以下での焼成によって緻密化でき、銅、銀または金等の低抵抗金属を主成分とする配線層との同時焼成が可能で、かつ誘電率の低いガラスセラミックスを絶縁層とする配線基板が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ムライト、石英ガラス、ほう珪酸ガラスからなるガラスセラミック焼結体を絶縁材料とすることで、低誘電率、低熱膨張係数の多層セラミック回路基板が得られることが記載されている。
【０００４】
例えば、特許文献２では、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３からなる硼珪酸ガラスとアルミナ、コージェライト、石英ガラスとを組み合わせることにより、低抵抗配線が可能な低誘電率、低熱膨張係数のセラミック基板が得られることが記載されている。
【０００５】
〔特許文献１〕
特公平４−５８１９８号公報
〔特許文献２〕
特開平５−２５４９２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来のガラスセラミック焼結体は、低い熱膨張係数を実現していることによってシリコンを主体とする半導体素子の実装（以下、一次実装と称す。）信頼性を確保できるが、逆に、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃程度と非常に大きいプリント配線基板で構成されるマザーボード上に実装（以下、二次実装と称す。）する際には、熱膨張係数のミスマッチが非常に大きくなるため、二次実装信頼性を確保することが困難となる問題があった。
【０００７】
さらに、ほう珪酸ガラスを用いていることから、半田等を用いて実装する際に必須となる、Ｎｉ−ＡｕめっきやＣｕ−Ａｕめっきを施す際の薬品処理、特に配線層上に形成されるガラス層を除去するためのＨＦ処理に対する耐性が悪く、めっき後に磁器の変色や、しみ、配線層の接着強度の低下等が発生する恐れがあった。
【０００８】
従って、本発明は、銀、銅、金等の低抵抗金属との同時焼成が可能であり、低い誘電率と低いヤング率とを有しつつ、さらに優れた耐薬品性を示す焼結体を形成するガラスセラミック組成物、およびガラスセラミック焼結体とその製造方法、かかる焼結体を用い、低い熱膨張係数を有しつつも高い二次実装信頼性を確保できる配線基板とその実装構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【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した結果、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を所定の比率で含むガラス粉末に対して、フィラー粉末としてアルミナ粉末と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末とを所定の比率で添加し、混合し、成形後、１０５０℃以下で焼成することによって得られた焼結体が、低誘電率化とともに、低ヤング率化を図ることができ、しかも優れた耐薬品性とを同時に達成できること、また低誘電率、低ヤング率とともに、優れた耐薬品性を有する焼結体を絶縁基板とする配線基板が、低い熱膨脹係数を有しつつも二次実装信頼性を高めることができることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
すなわち、本発明のガラスセラミック組成物は、少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末０．５〜１５質量％とを含有することを特徴とするものである。
【００１１】
なお、該組成物全量中におけるＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量が、質量比（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）で０．０３以上とすることにより、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させることができるため望ましい。
【００１２】
また、前記ガラス粉末は、１０５０℃以下の熱処理を行うことにより、少なくともコーディエライトを結晶相として析出することが前記ガラスセラミック焼結体の誘電率とヤング率とを低下させ、かつ耐薬品性を向上させるうえで望ましく、さらにコーディエライトとともに、ガーナイト、スピネル、ムライトの群から選ばれる少なくとも１種を結晶相として析出することによって、耐薬品性の向上を図ると同時に、抗折強度を向上させることができるため望ましい。
【００１３】
また、かかる組成物は、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ０．１質量％以下に抑制されていることが耐環境負荷を低減させ、かつ耐薬品性、絶縁性を向上させる上で望ましい。
【００１４】
また、本発明のガラスセラミック焼結体は、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、かかる焼結体は、抗折強度が２００ＭＰａ以上であることが望ましく、結晶相として、アルミナ結晶相以外に、さらに、コーディエライト、ガーナイト、スピネル、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種を含有することが望ましく、また、ＣａＯが少なくとも残留ガラス中に存在していることが望ましく、さらに、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ０．１重量％以下であることが耐環境負荷を低減させ、かつ耐薬品性、絶縁性を向上させる上で望ましいものである。
【００１６】
また、かかるガラスセラミック焼結体の製造方法は、少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％とを混合、成形し、大気中あるいは窒素雰囲気中で１０５０℃以下の温度にて焼成することを特徴とするものである。
【００１７】
ここで、かかる製造方法において、焼結体全量中におけるＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量が、質量比（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）で０．０１以上であることが望ましく、さらに、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種をフィラー粉末として２０質量％以下含有することが望ましい。
【００１８】
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、低抵抗金属を含有する配線層を配設してなり、前記絶縁基板が、上記のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とするものであり、かかる配線基板の表面および／または表面に設けた凹部内にＳｉを主体とする半導体素子を載置してなることが望ましい。
【００１９】
また、上記の配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁基板を具備するプリント配線基板の表面に実装することによって、二次実装信頼性に優れた実装構造を提供できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のガラスセラミック組成物は、構成成分として、少なくとも、ＳｉＯ２３０〜５５質量％、特に３５〜５０質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、特に２０〜３５質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、特に５〜２０質量％、ＺｎＯ２〜１５質量％、特に４〜１２質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、特に４〜１２質量％を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％、特に６３〜９１質量％、最適には６５〜８８．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％、特に８〜３３質量％、最適には１０〜３０質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％、特に１〜１２質量％、最適には１．５〜１０質量％とを含有することを特徴とするものである。
【００２１】
ここで、上記ガラス粉末は、該組成物を銅、あるいは銀、金といった低抵抗導体と同時焼成可能な温度である１０５０℃以下の低温で焼結させるために必要であり、ガラス粉末の軟化流動により該組成物を低温で焼結可能とせしめるものである。ガラス粉末の量が、前記範囲よりも少ない場合には、該組成物を１０５０℃以下で焼結させることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、該組成物を焼成した場合に、その原型を保つことが困難となる。
【００２２】
さらに、ＳｉＯ２はガラスのネットワークフォーマーであり、かつコーディエライト、ムライト等のＳｉＯ２を構成成分として含有する結晶相、特にコーディエライトをガラスから析出せしめるための必須成分である。ＳｉＯ２が前記範囲よりも少ない場合には、前記結晶相の析出量が不十分となり、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、ガラスの軟化温度が上昇し１０５０℃以下の低温焼成が困難となる。
【００２３】
また、Ａｌ２Ｏ３は、ガラスのヤング率や耐薬品性を向上させる成分であると同時に、コーディエライト、ガーナイト、スピネル、ムライト等のＡｌ２Ｏ３を構成成分として含有する結晶相、特にコーディエライトをガラスから析出せしめるための必須成分である。Ａｌ２Ｏ３が前記範囲よりも少ない場合には、前記結晶相の析出量が不十分となり、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、ガラスの軟化温度が上昇し１０５０℃以下の低温焼成が困難となると同時に、前記ガラスセラミック焼結体のヤング率が上昇し、高い二次実装信頼性を確保することが困難となる。
【００２４】
また、ＭｇＯは、コーディエライト、スピネル等のＭｇＯを構成成分として含有する結晶相、特にコーディエライトをガラスから析出せしめるための必須成分である。ＭｇＯが前記範囲よりも少ない場合には、前記結晶相の析出量が不十分となり、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、前記ガラスセラミック焼結体のヤング率が上昇し、高い二次実装信頼性を確保することが困難となる。
【００２５】
また、ＺｎＯは、ガラスの軟化温度を低下せしめると同時にガーナイト等のＺｎＯを構成成分として含有する結晶相をガラスから析出せしめるための必須成分である。ＺｎＯが前記範囲よりも少ない場合には、前記結晶相の析出量が不十分となり、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、ガラスの軟化温度が低下し前記ガラスセラミック焼結体の原型を保つことが困難となると同時に、前記ガラスセラミック焼結体の耐薬品性が著しく低下する。
【００２６】
さらに、Ｂ２Ｏ３は、ガラスのネットワークフォーマーであると同時に、軟化温度、溶解温度を低下せしめる働きがあり、Ｂ２Ｏ３が前記範囲よりも少ないと、ガラスの溶解温度が上昇しすぎて、工業的に安価に製造することが困難となると同時にガラスの軟化温度が上昇し１０５０℃以下の低温焼成が困難となる。逆に前記範囲よりも多い場合には、ガラスの軟化温度が低下し前記ガラスセラミック焼結体の原型を保つことが困難となると同時に、前記ガラスセラミック焼結体の耐薬品性が著しく低下する。
【００２７】
なお、前記ガラス粉末中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、希土類酸化物等の他の成分を１０質量％以下、特に７質量％以下、さらには５質量％以下の範囲で含有してもよく、これにより、前記ガラスセラミック焼結体の焼結性や特性を微調整することが可能となる。
【００２８】
但し、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）は、環境への負荷が大きく、また耐薬品性や絶縁性が低下することから、これらの成分量は、全量中、それぞれ０．１質量％以下に抑制されていることが望ましい。
【００２９】
さらに、本発明においては、前記ガラス粉末が、１０５０℃以下の熱処理を行うことにより少なくともコーディエライトを結晶相として析出することが、前記ガラスセラミック焼結体の、誘電率、ヤング率、さらには熱膨脹係数を低下せしめると同時に、耐薬品性を向上させることが可能となるため望ましい。
【００３０】
また、本発明においては、ガラス粉末から、さらにガーナイト、スピネル、ムライトの群から選ばれる少なくとも１種を結晶相として析出することが、特に前記ガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させると同時に抗折強度を向上させるために望ましい。
【００３１】
一方、フィラーとしてアルミナ粉末を必須成分とするものであるが、該アルミナ粉末は、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の抗折強度と耐薬品性を同時に向上させる効果がある。該アルミナ粉末の量が前記範囲よりも少ない場合には、前記ガラスセラミック焼結体の抗折強度の低下、および耐薬品性、特にＨＦ水溶液に対する溶出量を望ましい値にまで低下させることが困難となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、該組成物を１０５０℃以下で焼結せしめることが困難となる。
【００３２】
さらに、フィラーとして少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を必須成分とするものであるが、該ＣａＯを含有するフィラー粉末は、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の耐薬品性を著しく向上させる効果がある。
【００３３】
このとき、ＣａＯを含有するフィラー粉末は焼成中にその全量あるいは一部が分解することによりＣａＯ成分がガラス中に溶解する。ガラス中に溶解したＣａＯは、特に耐薬品性の悪いＢ２Ｏ３の三配位ネットワーク中に優先的に侵入し、Ｂ２Ｏ３のネットワークを耐薬品性に優れる四配位へとその構造を変化させる。従って、上記少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末により、残留ガラスの耐薬品性が著しく向上する結果、該ガラスセラミック焼結体の耐薬品性が向上する。
【００３４】
なお、上記残留ガラスとは、結晶化ガラスである前記ガラス粉末の結晶化が終了した後に焼結体中に存在するガラス相を指し、前記ガラス粉末とは異なった組成、性質を有するものである。
【００３５】
ここで、該少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末の量が前記範囲よりも少ない場合には、耐薬品性を向上させる効果が不充分となり、逆に前記範囲よりも多い場合には、前記ガラスセラミック焼結体の特性を望ましい範囲内とすることが困難となる。
【００３６】
なお、前記少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末としては、特に焼成中にその全量あるいは一部が分解してガラス中に溶解することが望ましく、そのようなフィラー粉末としては、酸化物粉末、ハロゲン化物粉末、さらには水酸化物、炭酸塩、蓚酸塩等の無機塩粉末を用いることができるが、特にＣａＳｉＯ３、ＣａＺｒＯ３、Ｃａ２ＳｉＯ４、ＣａＡｌ２Ｏ４、ＣａＡｌ４Ｏ７、ＣａＡｌ２ＳｉＯ６の群から選ばれる少なくとも１種の酸化物粉末、なかでもＣａＳｉＯ３および／またはＣａＺｒＯ３が望ましい。
【００３７】
また、該組成物全量中におけるＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量が、質量比（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）で０．０１以上、特に０．０３以上、最適には０．０５以上であることが、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させるために望ましい。ＣａＯは上述のように、該ガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させる効果があり、ＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量の質量比が前述の範囲よりも少ないと、耐薬品性の向上効果が不十分となる。
【００３８】
さらに、他のフィラーとして、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種の粉末は、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の誘電率を低くするために特に有効な成分であり、なかでもムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種は、抗折強度の向上にも効果的であり、石英ガラスは誘電率、ヤング率を低下させる効果が特に著しいものであり、これらの粉末が前記範囲よりも多い場合には、該組成物を１０５０℃以下で焼結せしめることが困難となる。
【００３９】
なお、前記ガラスセラミック組成物中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＳｉＯ２、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｓｒ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＳｉＯ３、Ｍｇ２ＳｉＯ４、Ｚｎ２ＳｉＯ４、ＺｒＳｉＯ４、ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６、Ｚｎ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８、ＳｒＳｉＯ３、ＢａＳｉＯ３の群から選ばれる少なくとも１種のフィラー粉末を、総量が１５質量％以下、特に１０質量％以下、最適には５質量％以下の範囲で含有してもよく、これにより、前記ガラスセラミック焼結体の焼結性や特性を制御することが可能となる。
【００４０】
＜ガラスセラミック＞
本発明のガラスセラミック焼結体は、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、特に６．５以下、最適には６以下、ヤング率が１５０ＭＰａ以下、特に１４５ＧＰａ以下、最適には１４０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下、特に２．５μｇ／ｍｍ２以下、最適には２μｇ／ｍｍ２以下であることを特徴とするものである。
【００４１】
ここで、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３の各成分は前記ガラス粉末中に含有される必須成分であり、これらの成分を含有することにより、所望の結晶相を析出させ、所望の特性を有するガラスセラミック焼結体を得ることができる。また、ＣａＯは該ガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させる効果がある。
【００４２】
ここで、上記アルミナ結晶相は、前記ガラスセラミック焼結体の抗折強度および耐薬品性を向上させるための必須成分である。
【００４３】
また、誘電率は、信号遅延時間を短縮するために低いことが望ましく、前記範囲よりも大きいと、前記配線基板の遅延時間が長くなり性能が低下する。
【００４４】
また、ヤング率が低いということは、該ガラスセラミック焼結体が応力により変形しやすいことを意味する。従って、焼結体の熱膨張係数を半導体素子に整合させるために低熱膨張化することによって、プリント配線基板への二次実装における熱膨張差が大きくなっても、二次実装部において発生する熱応力を焼結体の変形により緩和することができ、二次実装信頼性を向上させることができる。従って、ヤング率が前記範囲よりも大きいと、二次実装信頼性が著しく低下する。
【００４５】
さらに、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少は、Ｎｉ−ＡｕめっきやＣｕ−Ａｕめっきを施す際の薬品処理において、最も焼結体表面へのダメージが大きい工程、即ち、配線層上に形成されるガラス層を除去するためのＨＦ処理に対する耐性を表わしており、該重量減少が上記範囲よりも大きいと、めっき後に磁器の変色や、しみ、配線層の接着強度の低下等が発生する恐れがある。
【００４６】
また、このガラスセラミック焼結体の熱膨張係数は、４０〜４００℃における熱膨張係数が６×１０−６／℃以下の特性を有するが、Ｓｉ（シリコン）を主体とする半導体素子を、前記ガラスセラミック焼結体を絶縁基板として用いた配線基板上に一次実装する際に絶縁基板と半導体素子との熱膨張係数のミスマッチにより生じる熱応力を低減するために、シリコンの熱膨張係数の値に近いものであることが望ましい。
【００４７】
また、本発明においては抗折強度が２００ＭＰａ以上であることが望ましく、抗折強度の値が上記範囲よりも小さい場合には、該ガラスセラミック焼結体を用いた配線基板を作製した場合に、配線基板の割れや、欠け等が生じる恐れがあり、前記配線基板の機械的な信頼性が著しく低下し、実用に耐えなくなる。抗折強度の値のさらに望ましい範囲は２２０ＭＰａ以上である。
【００４８】
また、本発明においては、結晶相として、さらに、コーディエライト、ガーナイト、スピネル、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種を含有が望ましい。
【００４９】
ここで、コーディエライト結晶相は、前記ガラスセラミックより析出させることが望ましい結晶相であり、該ガラスセラミック焼結体の誘電率、ヤング率を低下させる効果がある。また、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種は、該組成物を焼成してなるガラスセラミック焼結体の熱膨張係数、誘電率を低くするために特に有効な成分であり、さらに、ガーナイト、スピネル、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種は、抗折強度の向上に効果的である。
【００５０】
また、本発明においては、ＣａＯが少なくとも残留ガラス中に存在していることが望ましい。これは、前述のように、ＣａＯ成分が残留ガラス中に存在することにより、前記ガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させることができるためである。
【００５１】
さらに、本発明においては、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ０．１重量％以下に抑制されていることが、対環境負荷、耐薬品性、絶縁性の観点から望ましい。
【００５２】
また、上記焼結体中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＳｉＯ２、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｓｒ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＳｉＯ３、Ｍｇ２ＳｉＯ４、Ｚｎ２ＳｉＯ４、ＺｒＳｉＯ４、ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６、Ｚｎ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８、ＳｒＳｉＯ３、ＢａＳｉＯ３の群から選ばれる他の結晶相を、総量が１５質量％以下、特に１０質量％以下、さらには５質量％以下の範囲で含有してもよく、これにより、前記ガラスセラミック焼結体の焼結性や特性を制御することが可能となる。
【００５３】
上記のガラスセラミック焼結体を製造するには、まず、構成成分として、少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、特に３５〜５０質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、特に２０〜３５質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、特に５〜２０質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、特に４〜１２質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、特に４〜１２質量％を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％、特に６３〜９１質量％、最適には６５〜８８．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％、特に８〜３３質量％、最適には１０〜３０質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％、特に１〜１２質量％、最適には１．５〜１０質量％とを混合する。
【００５４】
そして、この混合物に、有機バインダ、溶媒、必要に応じて可塑剤を添加、混合し、プレス成形、押出形成、射出成形、鋳込み成形、テープ成形の群から選ばれる少なくとも１種の成形方法によって所定形状に成形する。
【００５５】
そして、該成形体を、４５０〜７５０℃で脱バインダ処理した後、酸化性雰囲気あるいは窒素雰囲気中、１０５０℃以下、特に７００〜１０００℃、さらに８００〜９５０℃の温度で焼成することにより、本発明のガラスセラミック焼結体を作製することができる。
【００５６】
ガラスセラミック焼結体を後述する配線基板の絶縁基板として用いる際に、導体材料として、銀、金を用いる場合は、導体は酸化しないため、大気雰囲気中で焼成することが望ましく、銅を用いる場合には、銅の酸化を抑制する為に窒素雰囲気中にて焼成することが望ましい。
【００５７】
なお、前記ガラスセラミック焼結体は、還元雰囲気下でも焼成することは可能であるが、コスト、安全性の面から、望ましくは酸化性雰囲気あるいは窒素雰囲気中での焼成が望ましい。
【００５８】
なお、焼結体中に上述した特定の結晶相の析出を促進するためには、脱バインダ処理後の昇温速度を５０℃／時間以上、特に１００℃／時間以上とすることが望ましく、また、焼成温度での保持時間を０．０２〜１０時間、特に０．２〜２時間とすることが望ましい。
【００５９】
また、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面および／または内部に低抵抗金属を含有する配線層が配設されたものであり、前記絶縁基板が、上記のガラスセラミック焼結体からなるものである。
【００６０】
上記ガラスセラミック焼結体を絶縁基板とすることによって、銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属を含有する配線層との同時焼成が可能となる。
【００６１】
また、この配線基板の表面には、本発明においては、前記配線基板の表面および／または表面に設けた凹部に、Ｓｉを主体とする半導体素子を載置してなることが、一次実装信頼性を確保する上で望ましい。
【００６２】
上述したガラスセラミック焼結体を絶縁基板として用いた本発明の配線基板について、その好適例であるシリコンを主体とする半導体素子等の電気素子をフリップチップ実装によって搭載したＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）型の電気素子収納用パッケージと、該パッケージをプリント配線基板上に実装した場合の概略断面図である図１をもとに説明する。
【００６３】
図１によれば、電気素子収納用パッケージＡは、複数の絶縁層１ａ〜１ｄからなる絶縁基板１の表面および／あるいは内部に配線層２が形成されている。また、図１によれば、絶縁層１ａ〜１ｄ間に形成される銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属を含有する配線層２、および配線層２同士を電気的に接続する銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属を含有するビアホール導体３が形成されている。
【００６４】
さらに、パッケージＡの下面には複数の接続用電極４Ａが配列されており、絶縁基板１の上面中央部には、半導体素子等の電気素子５が半田ボール６や半田を介して絶縁基板１上にフリップチップ実装により接着固定されると同時に、パッケージＡと電気的に接続される。
【００６５】
また、電気素子５とパッケージＡとの間は、一次実装信頼性を高める為に熱硬化性樹脂を含有するアンダーフィル７が注入され、硬化されている。さらに、電気素子５と、絶縁基板１の下面に形成された複数の接続用電極４Ａとは、半田ボール６、配線層２およびビアホール導体３を介して電気的に接続されている。
【００６６】
一方、プリント配線基板Ｂは、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃の絶縁基板の上面に、接続用電極４Ｂが接続用電極４Ａと対を成すように形成されている。そして、接続用電極４Ａ、４Ｂ間は、共晶半田９、高温半田ボール８を介して電気的に接続される。
【００６７】
本発明によれば、絶縁基板１を、前述したような、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が５μｇ／ｍｍ２以下のガラスセラミック焼結体によって形成することが大きな特徴であり、これによって、絶縁基板１の誘電率、およびヤング率を低下させることができ、さらに耐薬品性と抗折強度とを向上させることができる。その結果、パッケージＡの二次実装信頼性をも高めることができる。
【００６８】
また、絶縁基板１の誘電率を低下させるとともに、配線層２やビアホール導体３として、銅、銀または金のうちの少なくとも一種の低抵抗金属を主成分として含有するために、配線層を低抵抗化でき、信号の遅延を小さくできる。
【００６９】
なお、上記図１の例では、電気素子としてシリコン系半導体素子を例示したが、本発明の配線基板によれば、その他の電気素子であってもよい。また、図１のパッケージにおいては、電気素子５は半田ボール６などを介して配線層２と接続される場合に好適であるが、電気素子５と配線層２とはワイヤボンディング等によって接続されたものであってもよい。また、電気素子５は、その上にさらに封止樹脂にて覆う形態であってもよい。また、絶縁基板１にキャビティを形成して電気素子５を収納し、蓋体によってキャビティを気密封止するものであってもよい。
【００７０】
また、図１においては、パッケージＡとプリント配線基板Ｂとは、高温半田ボール８を介して相互に接続されるＢＧＡ型のパッケージ構造について説明したが、本発明は、リードピンなどを用いずに、パッケージＡとプリント配線基板Ｂとが、半田を介して接続される前記ＢＧＡ、ＬＧＡ、ＬＣＣ型などのタイプの場合において発生する応力が大きく二次実装信頼性が求められることから、この種のパッケージに特に好適に用いられる。その他、樹脂を含有するボール、柱状の半田カラム、樹脂を含有するカラム、さらにはピンにて接続される形態であってももちろん有用性を有する。
【００７１】
次に、本発明の配線基板を製造する方法について、上記パッケージＡを例にすると、前述したようなガラス粉末と、フィラー粉末との混合粉末に対して、適当な有機バインダ、溶媒、必要に応じて可塑剤を添加、混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗金属を含有する導体ペーストを充填する。そして、シート状成形体表面には、前記導体ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などの公知の印刷手法を用いて配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように配線パターンを印刷塗布する。
【００７２】
そして、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、大気中、または窒素雰囲気中にて脱バインダ処理した後、１０５０℃以下の大気中または窒素雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００７３】
なお、焼成雰囲気については、導体材料として、銀、金を用いる場合は、導体は酸化しないため、大気雰囲気中で焼成することが望ましく、銅を用いる場合には、銅の酸化を抑制する為に窒素雰囲気中にて焼成することが望ましい。
【００７４】
そして、この配線基板の表面に、半導体素子等の電気素子５を搭載し、配線層２と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、前述したように、半田を用いたフリップチップ実装や、ワイヤボンディング、さらには配線層上に直接搭載させて接続させる形態が好適である。
【００７５】
さらに、電気素子５とパッケージＡとの間隙にアンダーフィル剤７を充填、硬化させたり、電気素子５上にポッティング樹脂を被覆し、硬化させるか、絶縁基板Ａと同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなる蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、電気素子収納用パッケージを作製することができる。
【００７６】
また、パッケージＡの下面に、低融点ハンダによって高融点半田からなるボール８を接続する。そして、このパッケージＡをプリント配線基板Ｂに実装する場合には、プリント配線基板Ｂの表面に、前記パッケージＡの半田ボール８を低融点半田を介してプリント配線基板Ｂの接続用電極４Ｂ上に載置し、半田リフロー処理することによって、パッケージＡをプリント配線基板Ｂ上に二次実装することができる。
【００７７】
【実施例】
（実施例１）
表１に示した組成からなる本発明の４種の平均粒径が２μｍのガラスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの粉末を準備し、これらのガラス粉末に対して、平均粒径が１〜２μｍの表２、３に示すフィラー粉末を用いて、表２、３の組成に従い混合した。
【００７８】
なお、各ガラスＡ〜Ｄについては、ガラス単体での焼成温度で焼成した時のコーディエライト結晶相の析出量をリートベルト法によって測定し、その結果を表１に示した。
【００７９】
そして、この混合物に有機バインダ、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。さらに、このグリーンシートを所望の厚さになるように複数枚積層し、６０℃の温度で１０ＭＰａの圧力を加えて熱圧着した。
【００８０】
得られた積層体を窒素雰囲気中、７５０℃で脱バインダ処理した後、２００℃／時間で昇温して、大気中で表２、３の条件にて焼成してガラスセラミック焼結体を得た。
【００８１】
得られた焼結体について、５ｍｍ□、長さ１８ｍｍに加工し、１０℃／分の速度で焼温しながらレーザー測距計にて寸法変化を測定することにより、４０〜４００℃における熱膨張係数を測定した。また、焼結体を５０ｍｍ□、厚さ１．０ｍｍに加工し、空洞共振器法にて２ＧＨｚにおける誘電率を測定した。また、約２０ｍｍ×約２０ｍｍ×約１ｍｍとなるように成形体を加工、焼成した後、加工を施さず焼き上げ面そのままの状態で表面積と重量を測定した後、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間ン浸漬し、水洗、乾燥後の重量を測定し、重量減少を表面積で除した値をＨＦ水溶液中への溶出量として算出した。
【００８２】
さらに、焼結体を３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍに加工し、超音波パルス法にてヤング率を測定した。また、同様のサンプルを用いて、オートグラフを用いＪＩＳＲ−１６０１に基づく３点曲げ強度を測定した。また、焼結体中における結晶相をＸ線回折測定から同定し、リードベルト法により焼結体中の各結晶相の析出量を算出し多い順に並べた。
【００８３】
以上の測定結果を表２、３に示す。
【００８４】
一方、上記４種類のガラスに代わり、表１に示す２種類のガラスＥ、Ｆを用いて同様に評価を行った。また、フィラー粉末として、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２を用いて同様の評価を行った。結果を表２、３に示す。
【００８５】
【表１】
【表２】
【表３】
表１〜３の結果から明らかなように、本発明に基づき、アルミナ結晶相を含む特定の結晶相が析出した試料Ｎｏ．４〜１０、１２、１３、１０、１５〜２９、３６〜４１では、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下となり、さらに抗折強度も２００ＭＰａ以上と良好な値を示した。
【００８９】
それに対して、ガラス粉末の量が６０質量％よりも少ない試料Ｎｏ．１１、１４、アルミナ粉末の量が３５質量％よりも多い試料Ｎｏ．１１、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末の量が１５質量％よりも多い試料Ｎｏ．１４では、１０５０℃以下の焼成にて緻密な焼結体を得ることができなかった。
【００９０】
また、フィラー粉末として、本発明の範囲外であるＺｒＯ２、ＴｉＯ２を用いた試料Ｎｏ．３０〜３５では、誘電率が７より高くなった。
【００９１】
また、アルミナ粉末の量が本発明の範囲該である５質量％よりも少ない試料Ｎｏ．１、２においては、抗折強度が２００ＭＰａよりも低くなった。
【００９２】
また、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末が０．５質量％よりも少なく、全量中における（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）比が０．０１よりも小さい試料Ｎｏ．１、３においては、ＨＦ水溶液中への溶出量が３．０μｇ／ｍｍ２よりも多くなった。
【００９３】
さらに、本発明の範囲外のガラス粉末Ｅ、Ｆを用いた試料Ｎｏ．３８〜４１では、いずれの試料もコーディエライト結晶相はガラスから析出せず、誘電率が７よりも高くなった。
【００９４】
（実施例２）
実施例１の本発明の試料について、原料粉末に対して、アクリル系バインダと可塑剤とトルエンを添加、混合し、ドクターブレード法によって厚み２５０μｍのグリーンシートを作製した。次に、該グリーンシートの所定位置にビアホールを形成し、銅を主成分とする導体ペーストを充填した後、スクリーン印刷法により前記導体ペーストを用いてグリーンシート表面に配線層を形成した。
【００９５】
そして、前記配線層を形成したグリーンシートを位置合わせしながら４枚積層、熱圧着した。この積層体を水蒸気含有窒素中、７５０℃で脱バインダ処理し、さらに２００℃／時間で昇温した後、窒素中、表２、３に示す条件にて焼成した結果、銅を主成分とする配線層を具備する多層配線基板を作製した。
【００９６】
得られた配線基板について、配線層の導通を確認したところ、断線等がなく、低抵抗で良好な導通特性を示した。さらに、ＨＦ水溶液処理を含むＮｉ−Ａｕめっき処理を施した場合でも、磁器の変色や、しみ、配線層の接着強度の低下等がない良好な配線基板を得ることが出来た。
【００９７】
（実施例３）
さらに、実施例２で作製した上記グリーンシートの表面に、銅を主体とした導体ペーストをスクリーン印刷法にて、パッケージＡの表面には、０．１２ｍｍφのパッドをマトリックス状に配設したフリップチップパッドを形成し、裏面には１ｍｍφのパッドをマトリックス状に配設したボールパッドを形成した。焼成後の形状が３０ｍｍ□、厚み１．５ｍｍとなるようにグリーンシートを積層、切断後、表２、３に示す条件にて焼成した。得られた配線基板にＮｉ−Ａｕめっきを施した後、上記ボールパッド上に共晶半田ペーストを印刷し、１．２ｍｍφの高温半田ボールを位置合わせして載置し、リフロー処理を行うことにより、高温半田ボールを搭載したパッケージＡを作製した。
【００９８】
次に、シリコンを主体とする熱膨張係数が３×１０−６／℃の半導体素子をパッケージＡの表面に、０．１ｍｍ厚の半田を介して位置合わせして載置し、リフロー処理を行った後、アンダーフィルを半導体素子とパッケージＡとの間隙に注入し、硬化させることにより半導体素子をフリップチップ実装した。
【００９９】
さらに、パッケージＡの裏面と同様の配線パターンを形成した熱膨張係数が１５×１０−６／℃のプリント基板Ｂを用意し、その上にパッケージＡを位置合わせして載置し、再度リフロー処理を行うことによりパッケージＡをプリント基板上に実装した二次実装サンプルをそれぞれ２０個作製した。
【０１００】
上記二次実装サンプルを、０〜１００℃の温度範囲で温度サイクル試験を行い、１００サイクル終了毎に二次実装側の抵抗値を測定し、抵抗値の変化や断線の有無を確認し、抵抗が初期値に対して１０％以上変化した時のサイクル数を表２、３に示した。ここで、１０００サイクルまで断線のなきものを合格（ＯＫ）とした。
【０１０１】
さらに、比較例として熱膨張係数が４．７×１０−６／℃、ヤング率が３１０ＧＰａのＡｌＮセラミックスを絶縁基板とし、タングステンによって配線層、ビア導体を形成し、１６００℃で同時焼成してパッケージを作製し、同様の温度サイクル試験を行った。
【０１０２】
表１〜３の結果から明らかなように、本発明に基づき、特定の結晶相が析出したヤング率が１５０ＧＰａ以下の試料では、二次実装において１０００サイクルの温度サイクル試験において断線が見られず、高い実装信頼性を示すことが確認できる。
【０１０３】
一方、ヤング率が３１０ＧＰａと高い値を示すＡｌＮを用いた試料Ｎｏ．４２においては、温度サイクル試験の結果、ヤング率が高く熱応力の緩和効果が不充分なため、二次実装側で１０００サイクルよりも短いサイクル数にて断線が生じ、実装信頼性が確保できなかった。
【０１０４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のガラスセラミック組成物および焼結体は、１０５０℃以下の焼成にて、銅、銀、金などの低抵抗金属を主成分とする導体材料を用いて配線層を形成することができ、低誘電率、低ヤング率、高い対薬品性とを有し、さらに高い抗折強度とを兼ね備えることにより、高熱膨張のプリント配線基板への二次実装に対して高い実装信頼性を示す配線基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を用いたＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ 素子収納用パッケージ
１ 絶縁基板
２ 配線層
３ ビアホール導体
４ 接続用電極
５ 素子
６ 半田ボール
７ アンダーフィル
８ 高温半田ボール
９ 共晶半田
Claims (17)
- 少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％、を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％と、アルミナ粉末５〜３５質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％含有することを特徴とするガラスセラミック組成物。
- 全量中におけるＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量が、質量比（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）で０．０１以上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組成物。
- さらに、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種をフィラー粉末として２０質量％以下含有することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のガラスセラミック組成物。
- 前記ガラス粉末が、１０５０℃以下の熱処理を行うことにより、少なくともコーディエライトを結晶相として析出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガラスセラミック組成物。
- 前記ガラス粉末が、１０５０℃以下の熱処理を行うことにより、さらにガーナイト、スピネル、ムライトの群から選ばれる少なくとも１種を結晶相として析出することを特徴とする請求項４に記載のガラスセラミック組成物。
- ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ０．１質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のガラスセラミック組成物。
- 少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯを構成成分として含有し、かつ少なくともアルミナを結晶相として含有し、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、１質量％ＨＦ水溶液中に１分間浸漬した際の重量減少が３μｇ／ｍｍ２以下、であることを特徴とするガラスセラミック焼結体。
- 抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項５あるいは請求項７または請求項８のいずれかに記載のガラスセラミック焼結体。
- 結晶相として、さらに、コーディエライト、ガーナイト、スピネル、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンの群から選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項７または請求項８のいずれかに記載のガラスセラミック焼結体。
- 残留ガラス中にＣａＯが存在していることを特徴とする請求項７乃至請求項９いずれかに記載のガラスセラミック焼結体。
- ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量がそれぞれ０．１質量％以下であることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載のガラスセラミック焼結体。
- 少なくとも、ＳｉＯ２ ３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３ １５〜４０質量％、ＭｇＯ ３〜２５質量％、ＺｎＯ ２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１５質量％を含有するガラス粉末６０〜９４．５質量％と、アルミナ粉末１〜３５質量％と、少なくともＣａＯを含有するフィラー粉末を０．５〜１５質量％とを混合、成形し、大気中あるいは窒素雰囲気中で１０５０℃以下の温度にて焼成して得られることを特徴とするガラスセラミック焼結体の製造方法。
- 全量中におけるＣａＯとＢ２Ｏ３の含有量が、質量比（ＣａＯ／Ｂ２Ｏ３）で０．０１以上であることを特徴とする請求項１２に記載のガラスセラミック焼結体の製造方法。
- さらに、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種をフィラー粉末として２０質量％以下含有することを特徴とする請求項１２または請求項１３のいずれかに記載のガラスセラミック焼結体の製造方法。
- 絶縁基板の表面および／または内部に配設された低抵抗金属を含有する配線層を具備してなる配線基板において、前記絶縁基板が、請求項７乃至請求項１１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。
- 前記配線基板の表面および／または表面に設けた凹部に、Ｓｉを主体とする半導体素子を載置してなることを特徴とする請求項１５に記載の配線基板。
- 請求項１５または請求項１６のいずれかに記載の配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁基板を具備するプリント配線基板の表面に実装してなることを特徴とする配線基板の実装構造。
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