JP2004323308A - 低温焼成磁器組成物、低温焼成磁器とその製造方法、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】銀、銅、金等の低抵抗金属との同時焼成が可能であり、低い熱膨張係数、低い誘電率を有しつつ低ヤング率の焼結体を形成する低温焼成磁器組成物、および低温焼成磁器とその製造方法、かかる低温焼成磁器を用い、一次実装信頼性とともに、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。
【解決手段】少なくとも、それぞれ所定の組成範囲のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を含有するガラス粉末 ５９．５〜９４．５質量％に、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％と、エンスタタイトおよび／またはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％とを含有した低温焼成磁器組成物を１０５０℃以下で焼成して、ガラス粉末からコーディエライト結晶相を析出させることにより、４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の低温焼成磁器を得ることができる。
【選択図】図１
【解決手段】少なくとも、それぞれ所定の組成範囲のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を含有するガラス粉末 ５９．５〜９４．５質量％に、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％と、エンスタタイトおよび／またはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％とを含有した低温焼成磁器組成物を１０５０℃以下で焼成して、ガラス粉末からコーディエライト結晶相を析出させることにより、４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の低温焼成磁器を得ることができる。
【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等に最適な低温焼成磁器組成物および低温焼成磁器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。
【０００３】
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、かつ誘電率の低い低温焼成磁器を絶縁層とする配線基板が提案されている。
【０００４】
特に、シリコンを主体とする半導体素子の高速、高周波化に対して、素子内部のトランジスタ間を接続する配線回路の微細化に伴い、配線回路の低抵抗化及び半導体素子を構成する絶縁膜の低誘電率化が進められている。
【０００５】
そして、半導体素子の絶縁膜としては、従来よりＳｉＯ２が用いられているが、この絶縁膜を多孔質化するなどの低誘電率化を図ると、その機械的特性が低下することが知られている。
【０００６】
そして、このような低誘電率の絶縁膜を使用した半導体素子を半導体素子収納用パッケージ上に実装（以下、一次実装と称す）する場合、アンダーフィル剤を硬化させる（キュア工程）際の熱処理や、半導体素子のＯＮ／ＯＦＦに伴う発熱／冷却の繰り返しにより、半導体素子とそれを搭載する半導体素子収納用パッケージとの熱膨張係数のミスマッチにより熱応力が発生し、半導体素子が破壊してしまうといった問題があった。そして、半導体素子が大型化するほど熱応力が増大し破壊しやすくなっていた。
【０００７】
そのため、一次実装に関わる熱応力を低減するために、半導体素子収納用パッケージを構成する絶縁層の熱膨張係数を半導体素子の熱膨張係数（２〜４×１０−６／℃：４０−４００℃）に合致させることが求められている。
【０００８】
そこで、上記の問題点を解決するために種々の検討がなされているが、例えば、下記の特許文献１では、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２Ｏ３を含むガラス粉末と、セラミックフィラーとして、フォルステライトとを特定の割合で混合して焼成し、焼成後に得られる磁器中に、ガーナイト、コーディエライト、フォルステライトおよびエンスタタイト等の結晶相を析出させることにより低誘電率かつ高い機械的強度を有する磁器が得られている。
【０００９】
一方、特許文献２では、ほう珪酸ガラス粉末とともに、アルミナやコーディエライトをセラミックフィラーとして混合することにより、誘電率が５．３以下、熱膨張係数が４．０×１０−６／℃以下の低温焼成磁器が得られることが記載されている。
【００１０】
【特許文献１】
特公平９−１７５８５５号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平５−２５４９２３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献１に記載された従来の低温焼成磁器では、磁器の低誘電率化および高強度化に関しては改善が図られているものの、低誘電率かつ高強度を得るためのコーディエライト結晶相を析出させる場合に、析出する結晶相と同種の種結晶を用いることなく、配合したガラス粉末から種々の結晶相を直接析出させているために、コーディエライトとともにガーナイト、フォルステライトおよびエンスタタイトなど多くの結晶相が共存して析出することから、所望とするコーディエライトの析出量が少ないために、焼成後に得られる低温焼成磁器は高いヤング率のものしか得られないという問題があった。
【００１３】
そして、このような高ヤング率の低温焼成磁器を用いて形成した半導体素子収納用パッケージを、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃のプリント配線基板上にハンダボールを介して実装して上記のような熱サイクルを負荷した場合、熱サイクル時に接続部であるハンダボールが破壊されやすくなり、二次実装信頼性を確保することが困難になるという問題があった。
【００１４】
また、特許文献２に記載された低温焼成磁器では、コーディエライトをセラミックフィラーとして予め混合する手法を用いているが、この場合には、用いているガラス粉末から析出するコーディエライト結晶相の量が少なく、このためセラミックフィラーとガラス成分との化合が十分でなく機械的強度が低くなりやすいという問題があった。
【００１５】
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、低い熱膨張係数、低い誘電率を有しつつ低ヤング率の焼結体を形成する低温焼成磁器組成物、および低温焼成磁器焼結体とその製造方法、かかる焼結体を用い、一次実装信頼性とともに、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。
【００１６】
【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、フィラーとしてコーディエライトと、エンスタタイトおよび／またはフォルステライトを所定の比率で添加し、混合し、成形後、１０５０℃以下で焼成し、所定の結晶相を析出または分散させることによって得られた低温焼成磁器が、低熱膨張率化、低誘電率化とともに、低ヤング率化を同時に達成できること、また低熱膨張係数、低誘電率とともに低ヤング率を有する低温焼成磁器を絶縁基板とする配線基板が、一次実装信頼性とともに、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。
【００１７】
すなわち、本発明の低温焼成磁器組成物は、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 ５９．５〜９４．５質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％とを含有することを特徴とする。
【００１８】
また、上記低温焼成磁器組成物では、この組成物中に、さらに、さらに、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下を含有することが望ましく、また、この低温焼成磁器組成物中に含まれる、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望ましい。
【００１９】
さらに、上記低温焼成磁器組成物では、前記ガラス粉末が、同温度以下の熱処理を行うことにより、コーディエライト以外に、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望ましい。
【００２０】
そして、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望ましい。
【００２１】
即ち、本発明の低温焼成磁器は、上記の低温焼成磁器組成物を焼成して得られる低温焼成磁器中に、結晶相として、コーディエライトを２０質量％以上含有するとともに、エンスタタイトおよび／またはフォルステライトと合せて、４０質量％以上含有することを特徴とするものである。
【００２２】
上記低温焼成磁器では、結晶相として、さらに、アルミナ、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、石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種を含有することが好ましい。
【００２３】
このような構成によれば、磁器中に、結晶相として、コーディエライトを析出させる場合に、析出する結晶相と同種の種結晶を用いることにより、配合したガラス粉末から種々の結晶相を直接析出させる従来の手法に比較して、コーディエライトを多く析出させることができ、このため焼成後に得られる低温焼成磁器は、低誘電率、低熱膨張かつ高強度を有するとともに、低ヤング率の低温焼成磁器を得ることができる。
【００２４】
そして、このような低ヤング率の低温焼成磁器を用いて形成した半導体素子収納用パッケージを、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃のプリント配線基板上にハンダボールを介して実装して熱サイクルを負荷した場合、熱サイクル時に接続部であるハンダボールの破壊が抑制され、二次実装信頼性を高めることができる。
【００２５】
そして、上記低温焼成磁器では、４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下であることが望ましく、さらには、抗折強度が２００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００２６】
また、上記低温焼成磁器では、耐環境負荷、耐薬品性および絶縁性を向上させる上で、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量をそれぞれ０．１質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
そして、こうした本発明の低温焼成磁器の製造方法は、少なくとも、ＳｉＯ２３０〜５５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５９．５〜９４．５質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％と、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０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り、また、前記混合物に、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下を添加することが望ましく、こうした上記低温焼成磁器の製造方法では、前記コーディエライト結晶相の一部が、前記コーディエライト粉末を核としてガラスから析出することが望ましい。特に、抗折強度を高めるという点で、アルミナ、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンが好ましい。
【００２８】
そして、上記低温焼成磁器の製造方法では、前記ガラス粉末を単独で熱処理した際に析出するコーディエライトの量をＸ質量％、前記コーディエライト粉末の量をＹ質量％とし、さらに、前記ガラス粉末とコーディエライト粉末とを混合、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焼結体中に含まれるコーディエライトの量をＺ質量％とした際に、Ｚ＞（Ｘ＋Ｙ）の関係が成り立つことが望ましい。
【００２９】
即ち、このような製造方法によれば、磁器中に析出させるべき結晶相と同種の種結晶を予め適当量配合させておくことにより、所望の結晶相を容易に多く析出させることができる。
【００３０】
こうして製造させる低温焼成磁器を用いて形成される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、上記の低温焼成磁器からなることを特徴とし、また、上記配線基板は、その表面および／または前記表面に設けた凹部に、シリコンを主体とする半導体素子を載置してなることが好ましい。
【００３１】
さらに、このような配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁層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、一次実装および二次実装信頼性に優れた実装構造を提供できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（組成物、磁器）
本発明の低温焼成磁器組成物は、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 ５９．５〜９４．５質量％、特に６０〜８９．５質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％、特に１〜１８質量％と、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％、特に７〜３５質量％とを含有することを特徴とするものである。
【００３３】
さらに、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下、特に１７質量％以下、最適には１５質量％以下とを含有することが望ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
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、前記低温焼成磁器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。
【００３６】
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、前記低温焼成磁器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、前記低温焼成磁器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。
【００３７】
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、前記低温焼成磁器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、前記低温焼成磁器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。
【００３８】
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、前記低温焼成磁器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低温焼成磁器の原型を保つことが困難となると同時に、前記低温焼成磁器焼結体の耐薬品性が著しく低下する。
【００３９】
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低温焼成磁器の原型を保つことが困難となると同時に、前記低温焼成磁器の耐薬品性が著しく低下する。
【００４０】
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、前記低温焼成磁器の焼結性や特性を微調整することが可能となる。
【００４１】
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。
【００４２】
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、前記低温焼成磁器の熱膨張係数、誘電率、ヤング率を低下せしめることが可能となるため望ましい。さらには、コーディエライト結晶相を粉末としてではなくガラス中から析出せしめることにより、焼結性を向上させる効果もあるため、前記低温焼成磁器のヤング率を低下させつつも、抗折強度を向上せしめることが可能となる。
【００４３】
また、本発明においては、さらにガラス粉末からガーナイト、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、特に前記低温焼成磁器の抗折強度を向上させるために望ましい。
【００４４】
一方、フィラーとしてコーディエライト粉末を必須成分とするものであるが、フィラーとしてのコーディエライト粉末は、該組成物を焼成してなる低温焼成磁器の熱膨張係数と誘電率を同時に低下させる効果があり、さらには、前記組成を有するガラス粉末と混合、焼成することにより、該コーディエライト粉末を核として前記ガラス粉末からより多くのコーディエライト結晶相を析出させ、前記低温焼成磁器の熱膨張係数、誘電率をさらに低下せしめることが可能となるため、微量の添加にて熱膨張係数、誘電率を低下させることができる。
【００４５】
コーディエライト粉末の量が前記範囲よりも少ない場合には、前記低温焼成磁器の熱膨張係数、誘電率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、コーディエライト粉末は難焼結性であるため、該組成物を１０５０℃以下で焼結せしめることが困難となる。
【００４６】
また、フィラーとしてエンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末を必須成分とするものであるが、フィラーとしてのエンスタタイトおよび／またはフォルステライト粉末は、該組成物を焼成してなる低温焼成磁器の抗折強度を向上させる効果がある。
【００４７】
これらエンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末の量が前記範囲よりも少ない場合には、前記低温焼成磁器の抗折強度を望ましい値にまで向上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。
【００４８】
なお、前記低温焼成磁器組成物中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＳｉＯ２、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｓｒ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｚｎ２ＳｉＯ４、ＺｒＳｉＯ４、ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６、Ｚｎ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８、ＣａＳｉＯ３、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重量％以下の範囲で含有してもよく、これにより、前記低温焼成磁器の焼結性や特性を制御することが可能となる。
【００４９】
本発明の低温焼成磁器は、少なくとも結晶相として、コーディエライトを全量中２０質量％以上含有するとともに、エンスタタイトおよび／またはフォルステライトと合せて全量中４０質量％以上含有することが重要であり、この磁器は、４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、特に４．４×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、特に６以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、特に１４０ＧＰａ以下であることが望ましい。
【００５０】
また、抗折強度は２００ＭＰａ以上、特に、２４０ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００５１】
以下、本文における熱膨張係数の値は、すべて４０〜４００℃における熱膨張係数を意味するものである。
【００５２】
また、この低温焼成磁器の熱膨張係数は、Ｓｉ（シリコン）を主体とする半導体素子を、前記低温焼成磁器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なくてはならず、前記範囲よりもその値が大きい場合には、一次実装の信頼性を確保することが困難となる。
【００５３】
さらに、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。
【００５４】
また、ヤング率が低いということは、この低温焼成磁器が応力により変形しやすいことを意味する。従って、この低温焼成磁器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。
【００５５】
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。
【００５６】
また、本発明においては、前記ガラス粉末を単独で熱処理した際に析出するコーディエライトの量をＸ質量％、前記コーディエライト粉末の量をＹ質量％とし、さらに、前記ガラス粉末とコーディエライト粉末とを混合、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焼結体中に含まれるコーディエライトの量をＺ質量％とした際に、Ｚ＞Ｘ＋Ｙの関係が成り立つことが望ましく、特に、Ｚ＞２（Ｘ＋Ｙ）の関係を満足することが望ましい。
【００５７】
即ち、前記コーディエライト粉末が核剤として働くことにより、ガラス粉末単体から析出するコーディエライトよりもさらに多くのコーディエライトをガラスから析出せしめることが、コーディエライト粉末の量を抑制しつつ、かつ焼結性の低下を招くことなく、該低温焼成磁器中のコーディエライト結晶相の含有量を増加させることができるため望ましい。
【００５８】
このとき、前記磁器中に含まれるコーディエライトと、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト結晶相の量が、３０質量％以上、特に３５質量％以上、最適には４０質量％以上であることが、低い熱膨張係数と低い誘電率と低いヤング率を達成しつつ高い抗折強度を得るために必須となる。前記結晶相の値が前記範囲よりも少ない場合には、これらの磁器特性が望ましい範囲からはずれてしまう。
【００５９】
また、上記磁器中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＳｉＯ２、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｓｒ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｚｎ２ＳｉＯ４、ＺｒＳｉＯ４、ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６、Ｚｎ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８、ＣａＳｉＯ３、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、低温焼成磁器の焼結性や特性を制御することが可能となる。
【００６０】
（製法）
上記の低温焼成磁器を製造するには、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 ５９．５〜９４．５質量％、特に６５〜９２質量％、最適には７０〜８８質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％、特に１〜１８質量％、最適には２〜１５質量％と、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％、特に７〜３５質量％、最適には１０〜３０質量とを混合する。
【００６１】
さらに、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下、特に１７質量％以下、最適には１５質量％以下とを混合する。
【００６２】
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。
【００６３】
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、本発明の低温焼成磁器を作製することができる。
【００６４】
低温焼成磁器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。
【００６５】
なお、前記低温焼成磁器は、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。
【００６６】
なお、本発明の低温焼成磁器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。
【００６７】
（配線基板）
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、上記の低温焼成磁器からなるものである。
【００６８】
また、このような低温焼成磁器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。
【００６９】
また、この配線基板の表面には、この配線基板の表面および／または表面に設けた凹部に、シリコン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。
【００７０】
上述した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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
本発明によれば、絶縁基板１を、前述したような、結晶相として、少なくともコーディエライトと、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライトとを全量中５０質量％以上含有し、４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下であることを特徴とする低温焼成磁器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の熱膨張係数およびヤング率を低下させることができ、パッケージＡの一次実装信頼性とともに、二次実装信頼性を高めることができる。
【００７６】
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。
【００７７】
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、熱膨張係数が５×１０−６／℃以下の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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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材７を充填、硬化したり、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。
【００８４】
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。
【００８５】
【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。
【００８６】
なお、各ガラス粉末Ａ〜Ｄについては、ガラス粉末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。
【００８７】
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。
【００８８】
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低温焼成磁器焼結体を得た。
【００８９】
得られた焼結体について、焼結体を２ｍｍ□、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、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。
【００９０】
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磁器中の各結晶相の析出量を算出し多い順に並べた。
【００９１】
コーディエライト結晶相については、ガラス粉末の添加量に応じたガラス粉末の溶融物単体から析出するコーディエライト結晶相の析出量Ｘ、コーディエライト粉末の添加量Ｙ、さらには、作製された磁器に対してリートベルト法により、この磁器中のコーディエライト結晶相の含有量Ｚを算出した。
【００９２】
同様に、この磁器中のコーディエライトとエンスタタイト及びフォルステライトの含有量を算出した。以上の測定結果を表２、３に示す。
【００９３】
一方、上記４種類のガラス粉末に代わり、表１に示す２種類のガラス粉末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。
【００９４】
【表１】
【００９５】
【表２】
【００９６】
【表３】
【００９７】
表１〜３の結果から明らかなように、本発明に基づき、コーディエライトと、エンスタタイトおよび／またはフォルステライト結晶相を含む特定の結晶相が析出した試料Ｎｏ．２〜１１、１５〜２８、３１〜４０では、熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ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。
【００９８】
特に、ガラス粉末量を６０〜８９．５質量％、コーディエライト粉末量を１〜１８質量％、エンスタタイト粉末および／またはフォルステライト粉末を９．５〜３５質量％に限定した試料Ｎｏ．３〜８、１０、１５〜２８、３１〜４０では、熱膨張係数が４．４×１０−６／℃以下、誘電率が６以下、ヤング率が１４０ＧＰａ以下となり、さらに抗折強度も２４０ＭＰａ以上となった。
【００９９】
また、フィラー粉末として、アルミナ、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンを含有させた試料Ｎｏ．２３〜２７では、抗折強度が２９０ＭＰａ以上であっても、ヤング率を１４０ＭＰａ以下にできた。
【０１００】
これに対して、ガラス粉末の量が９４．５重量％よりも多い試料Ｎｏ．１、１４では、ガラスの軟化流動が著しく焼結体の原型を保つことができず、評価可能な試料を得ることができなかった。また、ガラス粉末の量が５９．５重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１２、コーディエライト粉末が２０質量％よりも多い試料Ｎｏ．１３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。
【０１０１】
また、本発明の範囲外であるＺｒＯ２、ＴｉＯ２を用いた試料Ｎｏ．２９、３０では、いずれも熱膨張係数が５×１０−６／℃よりも高く、かつ誘電率が７より高くなった。
【０１０２】
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．４１〜４４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、熱膨張係数が５×１０−６／℃よりも大きくなった。
【０１０３】
（実施例２）
実施例１の本発明の試料Ｎｏ．２〜１１、１５〜２８、３１〜４０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。
【０１０４】
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配線基板を作製した。
【０１０５】
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。
【０１０６】
（実施例３）
さらに、上記実施例２で採用した絶縁基板を用いたパッケージＡの表面に、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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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サイクル終了毎に一次実装側、二次実装側の双方に関して抵抗値を測定し、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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の試料では、一次実装、および二次実装の双方において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、高い実装信頼性が得られた。
【０１１２】
一方、本発明の範囲外であり、熱膨張係数が５×１０−６／℃よりも大きい試料においては、温度サイクル試験において、半導体素子と絶縁基板間の熱膨張係数のミスマッチが大きく、いずれの試料も１０００サイクルよりも短いサイクル数にて断線が生じ、一次実装信頼性が確保できなかった。
【０１１３】
また、熱膨張係数が４．７×１０−６／℃と低いものの、ヤング率が３１０ＧＰａと高い値を示すＡｌＮを用いた試料Ｎｏ．４５においては、温度サイクル試験の結果、一次実装側は１０００サイクルにて断線が見られないものの、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。
【０１１４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、磁器中に、結晶相として、コーディエライトを析出させる場合に、析出する結晶相と同種の種結晶を用いることにより、配合したガラス粉末から種々の結晶相を直接析出させる従来の手法に比較して、コーディエライトを多く析出させることができ、このため焼成後に得られる低温焼成磁器は、低誘電率、低熱膨張かつ高強度を有するとともに、低ヤング率の低温焼成磁器を得ることができる。
【０１１５】
そして、このような低ヤング率の低温焼成磁器を用いて形成した半導体素子収納用パッケージを、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃のプリント配線基板上にハンダボールを介して実装して熱サイクルを負荷した場合、熱サイクル時に接続部であるハンダボールの破壊が抑制され、二次実装信頼性を高めることができる。
【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等に最適な低温焼成磁器組成物および低温焼成磁器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。
【０００３】
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、かつ誘電率の低い低温焼成磁器を絶縁層とする配線基板が提案されている。
【０００４】
特に、シリコンを主体とする半導体素子の高速、高周波化に対して、素子内部のトランジスタ間を接続する配線回路の微細化に伴い、配線回路の低抵抗化及び半導体素子を構成する絶縁膜の低誘電率化が進められている。
【０００５】
そして、半導体素子の絶縁膜としては、従来よりＳｉＯ２が用いられているが、この絶縁膜を多孔質化するなどの低誘電率化を図ると、その機械的特性が低下することが知られている。
【０００６】
そして、このような低誘電率の絶縁膜を使用した半導体素子を半導体素子収納用パッケージ上に実装（以下、一次実装と称す）する場合、アンダーフィル剤を硬化させる（キュア工程）際の熱処理や、半導体素子のＯＮ／ＯＦＦに伴う発熱／冷却の繰り返しにより、半導体素子とそれを搭載する半導体素子収納用パッケージとの熱膨張係数のミスマッチにより熱応力が発生し、半導体素子が破壊してしまうといった問題があった。そして、半導体素子が大型化するほど熱応力が増大し破壊しやすくなっていた。
【０００７】
そのため、一次実装に関わる熱応力を低減するために、半導体素子収納用パッケージを構成する絶縁層の熱膨張係数を半導体素子の熱膨張係数（２〜４×１０−６／℃：４０−４００℃）に合致させることが求められている。
【０００８】
そこで、上記の問題点を解決するために種々の検討がなされているが、例えば、下記の特許文献１では、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２Ｏ３を含むガラス粉末と、セラミックフィラーとして、フォルステライトとを特定の割合で混合して焼成し、焼成後に得られる磁器中に、ガーナイト、コーディエライト、フォルステライトおよびエンスタタイト等の結晶相を析出させることにより低誘電率かつ高い機械的強度を有する磁器が得られている。
【０００９】
一方、特許文献２では、ほう珪酸ガラス粉末とともに、アルミナやコーディエライトをセラミックフィラーとして混合することにより、誘電率が５．３以下、熱膨張係数が４．０×１０−６／℃以下の低温焼成磁器が得られることが記載されている。
【００１０】
【特許文献１】
特公平９−１７５８５５号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平５−２５４９２３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献１に記載された従来の低温焼成磁器では、磁器の低誘電率化および高強度化に関しては改善が図られているものの、低誘電率かつ高強度を得るためのコーディエライト結晶相を析出させる場合に、析出する結晶相と同種の種結晶を用いることなく、配合したガラス粉末から種々の結晶相を直接析出させているために、コーディエライトとともにガーナイト、フォルステライトおよびエンスタタイトなど多くの結晶相が共存して析出することから、所望とするコーディエライトの析出量が少ないために、焼成後に得られる低温焼成磁器は高いヤング率のものしか得られないという問題があった。
【００１３】
そして、このような高ヤング率の低温焼成磁器を用いて形成した半導体素子収納用パッケージを、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃のプリント配線基板上にハンダボールを介して実装して上記のような熱サイクルを負荷した場合、熱サイクル時に接続部であるハンダボールが破壊されやすくなり、二次実装信頼性を確保することが困難になるという問題があった。
【００１４】
また、特許文献２に記載された低温焼成磁器では、コーディエライトをセラミックフィラーとして予め混合する手法を用いているが、この場合には、用いているガラス粉末から析出するコーディエライト結晶相の量が少なく、このためセラミックフィラーとガラス成分との化合が十分でなく機械的強度が低くなりやすいという問題があった。
【００１５】
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、低い熱膨張係数、低い誘電率を有しつつ低ヤング率の焼結体を形成する低温焼成磁器組成物、および低温焼成磁器焼結体とその製造方法、かかる焼結体を用い、一次実装信頼性とともに、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。
【００１６】
【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、フィラーとしてコーディエライトと、エンスタタイトおよび／またはフォルステライトを所定の比率で添加し、混合し、成形後、１０５０℃以下で焼成し、所定の結晶相を析出または分散させることによって得られた低温焼成磁器が、低熱膨張率化、低誘電率化とともに、低ヤング率化を同時に達成できること、また低熱膨張係数、低誘電率とともに低ヤング率を有する低温焼成磁器を絶縁基板とする配線基板が、一次実装信頼性とともに、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。
【００１７】
すなわち、本発明の低温焼成磁器組成物は、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 ５９．５〜９４．５質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％とを含有することを特徴とする。
【００１８】
また、上記低温焼成磁器組成物では、この組成物中に、さらに、さらに、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下を含有することが望ましく、また、この低温焼成磁器組成物中に含まれる、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望ましい。
【００１９】
さらに、上記低温焼成磁器組成物では、前記ガラス粉末が、同温度以下の熱処理を行うことにより、コーディエライト以外に、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望ましい。
【００２０】
そして、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望ましい。
【００２１】
即ち、本発明の低温焼成磁器は、上記の低温焼成磁器組成物を焼成して得られる低温焼成磁器中に、結晶相として、コーディエライトを２０質量％以上含有するとともに、エンスタタイトおよび／またはフォルステライトと合せて、４０質量％以上含有することを特徴とするものである。
【００２２】
上記低温焼成磁器では、結晶相として、さらに、アルミナ、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、石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種を含有することが好ましい。
【００２３】
このような構成によれば、磁器中に、結晶相として、コーディエライトを析出させる場合に、析出する結晶相と同種の種結晶を用いることにより、配合したガラス粉末から種々の結晶相を直接析出させる従来の手法に比較して、コーディエライトを多く析出させることができ、このため焼成後に得られる低温焼成磁器は、低誘電率、低熱膨張かつ高強度を有するとともに、低ヤング率の低温焼成磁器を得ることができる。
【００２４】
そして、このような低ヤング率の低温焼成磁器を用いて形成した半導体素子収納用パッケージを、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃のプリント配線基板上にハンダボールを介して実装して熱サイクルを負荷した場合、熱サイクル時に接続部であるハンダボールの破壊が抑制され、二次実装信頼性を高めることができる。
【００２５】
そして、上記低温焼成磁器では、４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下であることが望ましく、さらには、抗折強度が２００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００２６】
また、上記低温焼成磁器では、耐環境負荷、耐薬品性および絶縁性を向上させる上で、ＰｂＯおよびＡ２Ｏ（Ａ：アルカリ金属）の含有量をそれぞれ０．１質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
そして、こうした本発明の低温焼成磁器の製造方法は、少なくとも、ＳｉＯ２３０〜５５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５９．５〜９４．５質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％と、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０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り、また、前記混合物に、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下を添加することが望ましく、こうした上記低温焼成磁器の製造方法では、前記コーディエライト結晶相の一部が、前記コーディエライト粉末を核としてガラスから析出することが望ましい。特に、抗折強度を高めるという点で、アルミナ、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンが好ましい。
【００２８】
そして、上記低温焼成磁器の製造方法では、前記ガラス粉末を単独で熱処理した際に析出するコーディエライトの量をＸ質量％、前記コーディエライト粉末の量をＹ質量％とし、さらに、前記ガラス粉末とコーディエライト粉末とを混合、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焼結体中に含まれるコーディエライトの量をＺ質量％とした際に、Ｚ＞（Ｘ＋Ｙ）の関係が成り立つことが望ましい。
【００２９】
即ち、このような製造方法によれば、磁器中に析出させるべき結晶相と同種の種結晶を予め適当量配合させておくことにより、所望の結晶相を容易に多く析出させることができる。
【００３０】
こうして製造させる低温焼成磁器を用いて形成される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、上記の低温焼成磁器からなることを特徴とし、また、上記配線基板は、その表面および／または前記表面に設けた凹部に、シリコンを主体とする半導体素子を載置してなることが好ましい。
【００３１】
さらに、このような配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁層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、一次実装および二次実装信頼性に優れた実装構造を提供できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（組成物、磁器）
本発明の低温焼成磁器組成物は、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 ５９．５〜９４．５質量％、特に６０〜８９．５質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％、特に１〜１８質量％と、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％、特に７〜３５質量％とを含有することを特徴とするものである。
【００３３】
さらに、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下、特に１７質量％以下、最適には１５質量％以下とを含有することが望ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
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、前記低温焼成磁器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。
【００３６】
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、前記低温焼成磁器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、前記低温焼成磁器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。
【００３７】
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、前記低温焼成磁器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、前記低温焼成磁器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。
【００３８】
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、前記低温焼成磁器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低温焼成磁器の原型を保つことが困難となると同時に、前記低温焼成磁器焼結体の耐薬品性が著しく低下する。
【００３９】
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低温焼成磁器の原型を保つことが困難となると同時に、前記低温焼成磁器の耐薬品性が著しく低下する。
【００４０】
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、前記低温焼成磁器の焼結性や特性を微調整することが可能となる。
【００４１】
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。
【００４２】
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、前記低温焼成磁器の熱膨張係数、誘電率、ヤング率を低下せしめることが可能となるため望ましい。さらには、コーディエライト結晶相を粉末としてではなくガラス中から析出せしめることにより、焼結性を向上させる効果もあるため、前記低温焼成磁器のヤング率を低下させつつも、抗折強度を向上せしめることが可能となる。
【００４３】
また、本発明においては、さらにガラス粉末からガーナイト、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、特に前記低温焼成磁器の抗折強度を向上させるために望ましい。
【００４４】
一方、フィラーとしてコーディエライト粉末を必須成分とするものであるが、フィラーとしてのコーディエライト粉末は、該組成物を焼成してなる低温焼成磁器の熱膨張係数と誘電率を同時に低下させる効果があり、さらには、前記組成を有するガラス粉末と混合、焼成することにより、該コーディエライト粉末を核として前記ガラス粉末からより多くのコーディエライト結晶相を析出させ、前記低温焼成磁器の熱膨張係数、誘電率をさらに低下せしめることが可能となるため、微量の添加にて熱膨張係数、誘電率を低下させることができる。
【００４５】
コーディエライト粉末の量が前記範囲よりも少ない場合には、前記低温焼成磁器の熱膨張係数、誘電率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、コーディエライト粉末は難焼結性であるため、該組成物を１０５０℃以下で焼結せしめることが困難となる。
【００４６】
また、フィラーとしてエンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末を必須成分とするものであるが、フィラーとしてのエンスタタイトおよび／またはフォルステライト粉末は、該組成物を焼成してなる低温焼成磁器の抗折強度を向上させる効果がある。
【００４７】
これらエンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末の量が前記範囲よりも少ない場合には、前記低温焼成磁器の抗折強度を望ましい値にまで向上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。
【００４８】
なお、前記低温焼成磁器組成物中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＳｉＯ２、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｓｒ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｚｎ２ＳｉＯ４、ＺｒＳｉＯ４、ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６、Ｚｎ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８、ＣａＳｉＯ３、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重量％以下の範囲で含有してもよく、これにより、前記低温焼成磁器の焼結性や特性を制御することが可能となる。
【００４９】
本発明の低温焼成磁器は、少なくとも結晶相として、コーディエライトを全量中２０質量％以上含有するとともに、エンスタタイトおよび／またはフォルステライトと合せて全量中４０質量％以上含有することが重要であり、この磁器は、４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、特に４．４×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、特に６以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下、特に１４０ＧＰａ以下であることが望ましい。
【００５０】
また、抗折強度は２００ＭＰａ以上、特に、２４０ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００５１】
以下、本文における熱膨張係数の値は、すべて４０〜４００℃における熱膨張係数を意味するものである。
【００５２】
また、この低温焼成磁器の熱膨張係数は、Ｓｉ（シリコン）を主体とする半導体素子を、前記低温焼成磁器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なくてはならず、前記範囲よりもその値が大きい場合には、一次実装の信頼性を確保することが困難となる。
【００５３】
さらに、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。
【００５４】
また、ヤング率が低いということは、この低温焼成磁器が応力により変形しやすいことを意味する。従って、この低温焼成磁器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。
【００５５】
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。
【００５６】
また、本発明においては、前記ガラス粉末を単独で熱処理した際に析出するコーディエライトの量をＸ質量％、前記コーディエライト粉末の量をＹ質量％とし、さらに、前記ガラス粉末とコーディエライト粉末とを混合、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焼結体中に含まれるコーディエライトの量をＺ質量％とした際に、Ｚ＞Ｘ＋Ｙの関係が成り立つことが望ましく、特に、Ｚ＞２（Ｘ＋Ｙ）の関係を満足することが望ましい。
【００５７】
即ち、前記コーディエライト粉末が核剤として働くことにより、ガラス粉末単体から析出するコーディエライトよりもさらに多くのコーディエライトをガラスから析出せしめることが、コーディエライト粉末の量を抑制しつつ、かつ焼結性の低下を招くことなく、該低温焼成磁器中のコーディエライト結晶相の含有量を増加させることができるため望ましい。
【００５８】
このとき、前記磁器中に含まれるコーディエライトと、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト結晶相の量が、３０質量％以上、特に３５質量％以上、最適には４０質量％以上であることが、低い熱膨張係数と低い誘電率と低いヤング率を達成しつつ高い抗折強度を得るために必須となる。前記結晶相の値が前記範囲よりも少ない場合には、これらの磁器特性が望ましい範囲からはずれてしまう。
【００５９】
また、上記磁器中には、本発明を逸脱しない範囲で、ＳｉＯ２、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｓｒ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、Ｂａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｚｎ２ＳｉＯ４、ＺｒＳｉＯ４、ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６、Ｚｎ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８、ＣａＳｉＯ３、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、低温焼成磁器の焼結性や特性を制御することが可能となる。
【００６０】
（製法）
上記の低温焼成磁器を製造するには、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 ５９．５〜９４．５質量％、特に６５〜９２質量％、最適には７０〜８８質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％、特に１〜１８質量％、最適には２〜１５質量％と、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％、特に７〜３５質量％、最適には１０〜３０質量とを混合する。
【００６１】
さらに、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下、特に１７質量％以下、最適には１５質量％以下とを混合する。
【００６２】
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。
【００６３】
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、本発明の低温焼成磁器を作製することができる。
【００６４】
低温焼成磁器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。
【００６５】
なお、前記低温焼成磁器は、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。
【００６６】
なお、本発明の低温焼成磁器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。
【００６７】
（配線基板）
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、上記の低温焼成磁器からなるものである。
【００６８】
また、このような低温焼成磁器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。
【００６９】
また、この配線基板の表面には、この配線基板の表面および／または表面に設けた凹部に、シリコン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。
【００７０】
上述した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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
本発明によれば、絶縁基板１を、前述したような、結晶相として、少なくともコーディエライトと、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライトとを全量中５０質量％以上含有し、４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下であることを特徴とする低温焼成磁器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の熱膨張係数およびヤング率を低下させることができ、パッケージＡの一次実装信頼性とともに、二次実装信頼性を高めることができる。
【００７６】
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。
【００７７】
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、熱膨張係数が５×１０−６／℃以下の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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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材７を充填、硬化したり、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。
【００８４】
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。
【００８５】
【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。
【００８６】
なお、各ガラス粉末Ａ〜Ｄについては、ガラス粉末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。
【００８７】
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。
【００８８】
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低温焼成磁器焼結体を得た。
【００８９】
得られた焼結体について、焼結体を２ｍｍ□、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、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。
【００９０】
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磁器中の各結晶相の析出量を算出し多い順に並べた。
【００９１】
コーディエライト結晶相については、ガラス粉末の添加量に応じたガラス粉末の溶融物単体から析出するコーディエライト結晶相の析出量Ｘ、コーディエライト粉末の添加量Ｙ、さらには、作製された磁器に対してリートベルト法により、この磁器中のコーディエライト結晶相の含有量Ｚを算出した。
【００９２】
同様に、この磁器中のコーディエライトとエンスタタイト及びフォルステライトの含有量を算出した。以上の測定結果を表２、３に示す。
【００９３】
一方、上記４種類のガラス粉末に代わり、表１に示す２種類のガラス粉末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。
【００９４】
【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、コーディエライトと、エンスタタイトおよび／またはフォルステライト結晶相を含む特定の結晶相が析出した試料Ｎｏ．２〜１１、１５〜２８、３１〜４０では、熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ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。
【００９８】
特に、ガラス粉末量を６０〜８９．５質量％、コーディエライト粉末量を１〜１８質量％、エンスタタイト粉末および／またはフォルステライト粉末を９．５〜３５質量％に限定した試料Ｎｏ．３〜８、１０、１５〜２８、３１〜４０では、熱膨張係数が４．４×１０−６／℃以下、誘電率が６以下、ヤング率が１４０ＧＰａ以下となり、さらに抗折強度も２４０ＭＰａ以上となった。
【００９９】
また、フィラー粉末として、アルミナ、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンを含有させた試料Ｎｏ．２３〜２７では、抗折強度が２９０ＭＰａ以上であっても、ヤング率を１４０ＭＰａ以下にできた。
【０１００】
これに対して、ガラス粉末の量が９４．５重量％よりも多い試料Ｎｏ．１、１４では、ガラスの軟化流動が著しく焼結体の原型を保つことができず、評価可能な試料を得ることができなかった。また、ガラス粉末の量が５９．５重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１２、コーディエライト粉末が２０質量％よりも多い試料Ｎｏ．１３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。
【０１０１】
また、本発明の範囲外であるＺｒＯ２、ＴｉＯ２を用いた試料Ｎｏ．２９、３０では、いずれも熱膨張係数が５×１０−６／℃よりも高く、かつ誘電率が７より高くなった。
【０１０２】
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．４１〜４４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、熱膨張係数が５×１０−６／℃よりも大きくなった。
【０１０３】
（実施例２）
実施例１の本発明の試料Ｎｏ．２〜１１、１５〜２８、３１〜４０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。
【０１０４】
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配線基板を作製した。
【０１０５】
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。
【０１０６】
（実施例３）
さらに、上記実施例２で採用した絶縁基板を用いたパッケージＡの表面に、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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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サイクル終了毎に一次実装側、二次実装側の双方に関して抵抗値を測定し、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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の試料では、一次実装、および二次実装の双方において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、高い実装信頼性が得られた。
【０１１２】
一方、本発明の範囲外であり、熱膨張係数が５×１０−６／℃よりも大きい試料においては、温度サイクル試験において、半導体素子と絶縁基板間の熱膨張係数のミスマッチが大きく、いずれの試料も１０００サイクルよりも短いサイクル数にて断線が生じ、一次実装信頼性が確保できなかった。
【０１１３】
また、熱膨張係数が４．７×１０−６／℃と低いものの、ヤング率が３１０ＧＰａと高い値を示すＡｌＮを用いた試料Ｎｏ．４５においては、温度サイクル試験の結果、一次実装側は１０００サイクルにて断線が見られないものの、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。
【０１１４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、磁器中に、結晶相として、コーディエライトを析出させる場合に、析出する結晶相と同種の種結晶を用いることにより、配合したガラス粉末から種々の結晶相を直接析出させる従来の手法に比較して、コーディエライトを多く析出させることができ、このため焼成後に得られる低温焼成磁器は、低誘電率、低熱膨張かつ高強度を有するとともに、低ヤング率の低温焼成磁器を得ることができる。
【０１１５】
そして、このような低ヤング率の低温焼成磁器を用いて形成した半導体素子収納用パッケージを、熱膨張係数が１５〜２０×１０−６／℃のプリント配線基板上にハンダボールを介して実装して熱サイクルを負荷した場合、熱サイクル時に接続部であるハンダボールの破壊が抑制され、二次実装信頼性を高めることができる。
【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 ５９．５〜９４．５質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％と、エンスタタイトおよび／またはフォルステライト粉末 ５〜４０質量％とを含有することを特徴とする低温焼成磁器組成物。
- 前記低温焼成磁器組成物中に、さらに、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の低温焼成磁器組成物。
- 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または請求項２に記載の低温焼成磁器組成物。
- 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１乃至請求項３のうちいずれか記載の低温焼成磁器組成物。
- 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４のうちいずれか記載の低温焼成磁器組成物。
- 請求項１乃至５のうちいずれか記載の低温焼成磁器組成物を焼成して得られる低温焼成磁器中に、結晶相として、コーディエライトを２０質量％以上含有するとともに、エンスタタイトおよび／またはフォルステライトと合せて、４０質量％以上含有することを特徴とする低温焼成磁器。
- 結晶相として、さらに、アルミナ、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、石英ガラス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６に記載の低温焼成磁器。
- ４０〜４００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、誘電率が７以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項６または７に記載の低温焼成磁器。
- 抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のうちいずれか記載の低温焼成磁器。
- 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６乃至請求項９のうちいずれか記載の低温焼成磁器。
- 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 ５９．５〜９４．５質量％と、コーディエライト粉末 ０．５〜２０質量％と、エンスタタイトおよび／あるいはフォルステライト粉末 ５〜４０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低温焼成磁器の製造方法。
- さらに、前記混合物に、アルミナ、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種のフィラー粉末２０質量％以下を添加することを特徴とする請求項１１に記載の低温焼成磁器の製造方法。
- 前記コーディエライト結晶相の一部が、前記コーディエライト粉末を核としてガラスから析出することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の低温焼成磁器の製造方法。
- 前記ガラス粉末を単独で熱処理した際に析出するコーディエライトの量をＸ質量％、前記コーディエライト粉末の量をＹ質量％とし、さらに、前記ガラス粉末とコーディエライト粉末とを混合、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焼結体中に含まれるコーディエライトの量をＺ質量％とした際に、Ｚ＞（Ｘ＋Ｙ）の関係が成り立つことを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のうちいずれか記載の低温焼成磁器の製造方法。
- 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６乃至請求項１０のうちいずれか記載の低温焼成磁器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／または前記表面に設けた凹部に、シリコン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１６に記載の配線基板。
- 請求項１５または請求項１６に記載の配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁層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。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003120774A JP2004323308A (ja) | 2003-04-24 | 2003-04-24 | 低温焼成磁器組成物、低温焼成磁器とその製造方法、並びにそれを用いた配線基板とその実装構造 |
| US10/692,406 US6953756B2 (en) | 2002-10-25 | 2003-10-22 | Glass ceramic sintered body and wiring board using the sintered body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003120774A JP2004323308A (ja) | 2003-04-24 | 2003-04-24 | 低温焼成磁器組成物、低温焼成磁器とその製造方法、並びにそれを用いた配線基板とその実装構造 |
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| JP (1) | JP2004323308A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20200083383A1 (en) * | 2012-11-30 | 2020-03-12 | Ricoh Company, Ltd. | Field-effect transistor including a metal oxide composite protective layer, and display element, image display device, and system including the field-effect transistor |
-
2003
- 2003-04-24 JP JP2003120774A patent/JP2004323308A/ja active Pending
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| US11876137B2 (en) * | 2012-11-30 | 2024-01-16 | Ricoh Company, Ltd. | Field-effect transistor including a metal oxide composite protective layer, and display element, image display device, and system including the field-effect transistor |
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