JP2005255434A - セラミックス組成物及びセラミックス配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波伝送が可能で、マザーボードとの接合の信頼性の高い、セラミックス組成物と前記組成物を利用したセラミックス配線基板を提供する。
【解決手段】
Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶とするセラミックス組成物であって、前記組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４のピークが最も高くなるセラミック組成物とすることで、誘電損失が低く、線膨張係数の高いセラミックス組成物が得られる。前記セラミックス組成物を利用することにより、高周波伝送が可能な、マザーボードとの接合の信頼性の高いセラミックス配線基板が得られる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４を主結晶として含有するセラミック組成物、及び該セラミック組成物を利用したセラミック配線基板に関する。

電子部品の高集積技術の向上に伴い、配線基板のマザーボードへの実装密度の増大化が進んでいる。しかし、接続密度の増加に伴い、接続部にかかる負荷も増加傾向にある。

接続部位にかかる負荷としては主に熱応力による負荷であるが、この熱応力は接続対象物の線膨張係数に差があることから発生し、その差が大きいものほど強い負荷が接続部位に加わる。また、この熱応力は基板の大きさと共に加わる負荷も増加するため、接合の信頼性を向上させるためにも配線基板とマザーボードとの線膨張係数の差は少ない方が好ましい。

従来汎用的に使用されている配線基板の線膨張係数は７．０×１０^−６／Ｋ程度以下であるのに対し、マザーボードの線膨張係数は１４．０×１０^−６／Ｋ程度であり、その差は大きく、マザーボードと配線基板との接合の信頼性を向上させるためにも、従来汎用的に利用されている配線基板よりも高い線膨張係数を持った配線基板が必要である。

また、現在では、情報の大容量化、情報通信の高速化に伴い、高周波信号を損失なく伝送することが求められており、高周波領域での誘電損失の低い配線基板が求められている。

これらの要求に対応するため、線膨張係数が高い組成物、誘電損失の低い組成物が種々検討されている。

例えば、下記特許文献１では、ＳｉＯ_２が１７〜４５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が２〜１９質量％、Ｂ_２Ｏ_３が０．４〜９質量％、ＳｒＯが４６〜６３質量％含有するガラス材料から、Ｓｒシリケート結晶を析出させた結晶化ガラスからなるガラス組成物で、前記組成物は低温焼結が可能で高周波領域でも誘電損失の低い組成物であり、前記組成物を利用することで、優れた誘電特性を有する配線基板が得られることが開示されている。

また、下記特許文献２では、ＳｉＯ₂ とＭｇＯとＣａＯとを含み、熱処理することにより、メルウィナイト、モンティセライト、及びカルシウム珪酸塩のうちの少なくとも１種の結晶相が析出した結晶化ガラス組成物であり、前記組成物を利用することで線膨張係数の高い配線基板が得られることについて開示されている。

更に、下記特許文献３では、ディオプサイド結晶相とコージェライト結晶相を含有し、残部がガラス相及び／又は他のセラミックス結晶相からなるとともに、開気孔率が１％以下であることを特徴とする組成物で、前記組成物を利用することで、線膨張係数が２．５〜９．０×１０^−６／Ｋ以上であり、かつ、６０ＧＨｚでの誘電損失が２０×１０^−４以下の特性をもった配線基板が得られることが開示されている。
特開２００３−２５２６７８号公報 特開２０００−１８５９６６号公報 特開２００２−１６７２７０号公報

しかしながら、線膨張係数を高くすると誘電損失が高くなり、誘電損失を低くすると線膨張係数が低くなるため、高線膨張係数と低誘電損失という物性を両立させることは困難であった。上記特許文献１〜３の組成物においても、線膨張係数が高く、誘電損失が低い、という物性を満足できる領域で両立させるに至ってはいない。

したがって、本発明の目的は、これらの問題を解決し、高線膨張係数であり低誘電損失である基板材料を開発し、高周波伝送が可能で、マザーボードとの接合の信頼性の高い配線基板を得ることができるセラミックス組成物、及びそれを用いたセラミックス配線基板を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のセラミックス組成物は、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶とするセラミックス組成物であって、前記組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４のピークが最も高いことを特徴とする。

また、本発明のセラミックス配線基板は、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶とするセラミックス配線基板であって、前記組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４のピークが最も高くなることを特徴とする。

本発明者らは、種々検討の結果、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶は線膨張係数が高く、誘電損失が低い物性を備えている結晶物であることを見出した。よって、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶としたセラミックス組成物にすることで、高線膨張係数であり低誘電損失であるという物性を両立させることができる。また、前記組成物を利用したセラミックス配線基板は、高周波領域における誘電特性に優れ、マザーボードとの接合の信頼性の高いセラミックス配線基板を得ることができる。

また、本発明においては、前記組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち最も高いピークの大きさを該結晶の第一強線強度としたとき、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４の第一強線強度が各結晶の第一強線強度の合計値に対して８０％以上を占めるようなセラミックス組成物であることが好ましい。これによれば、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶の特性をより生かした組成物とすることができるので、高線膨張係数で低誘電損失であるという物性の両立をより効果的に図ることができる。そして、この組成物を利用することにより、高周波領域における誘電特性の優れた、マザーボードとの接合の信頼性が高い、より好ましいセラミックス配線基板を得ることができる。

更に、前記組成物は、ホウ素又はアルカリ金属を含んだセラミックス組成物であることが好ましい。これによれば、焼成温度の低温化、緻密化を効果的に図ることができる。

本発明によれば、セラミックス組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４のピークが最も高い、すなわちＳｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶とするセラミックス組成物とすることで、誘電損失が低く、線膨張係数の高いセラミックス組成物とすることができる。したがって、この組成物を利用したセラミックス配線基板は高周波伝送が可能で、マザーボードとの接合の信頼性の高いセラミックス配線基板となる。

Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶として含んだセラミックス組成物を調整するにあたり、本発明の一つの好ましい態様においては、ガラスでない酸化物、炭酸塩などのセラミックス粉末、好ましくは酸化物を原料として焼結することによりセラミックス組成物を得る。

この場合の主原料としては、ＳｒＣＯ_３、Ｓｒ（ＮＯ_３）_２、ＳｉＯ_２等を利用し、酸化物に換算した添加量で少なくともＳｒＣＯ_３が５５．５〜７７.５質量部、及びＳｉＯ_２が２２．５〜４４．５質量部含まれた原料組成物を用いることが好ましい。

ＳｒＣＯ_３が５５．５質量部未満であると線膨張係数が低下し、７７．５質量部より多いと誘電損失が増大するため好ましくない。

また、ＳｉＯ_２が、２２．５質量部未満であると誘電損失が増大し、４４．５質量部より多いと線膨張係数が低下するため好ましくない。

また、ホウ素成分、アルカリ金属成分を副成分として添加とすることも好ましい。ホウ素成分、アルカリ金属成分を主成分に添加することで焼成温度を効果的に下げることができる。

ホウ素成分は、ＳｒＣＯ_３、ＳｉＯ_２等からなる上記主成分１００質量部に対して、酸化物換算で０．５〜４．０質量部となるように添加することが好ましい。ホウ素成分が０．５質量部未満であると、その添加効果が乏しく、４．０質量部より多いと、焼成時に融着が起こり、焼結体の形状が安定しにくくなると共に、成形時におけるバインダーの結着性が低下して、作業性が悪くなる。

また、アルカリ金属成分は、例えばＬｉ、Ｎａ、Ｋなどを用いることができるが、特にＬｉであることが好ましい。アルカリ金属成分は、前記主成分１００質量部に対して、酸化物換算で０．１〜１．５質量部となるように添加することが好ましく、０．１質量部未満であると、その添加効果が乏しく、１．５質量部より多いと、焼成時に融着が起こり、焼結体の形状が安定しにくくなると共に、絶縁性が劣化しやすくなる。

また、前記副成分の材料としては、酸化物、炭酸塩、酢酸塩、硝酸塩、弗化物、単体金属であることが好ましく、酸化物であることがより好ましい。

上記のような原料組成物をＺｒＯ_２ボールなどを用いて、水などでの湿式下で混合し、必要に応じて結合剤、可塑剤、溶剤等を添加し、所定形状に成形して、焼成することによって本発明のＳｒ_２ＳｉＯ_４を主結晶としたセラミックス組成物を製造することができる。なお、上記セラミックス原料は、あらかじめ仮焼してから用いることが好ましい。

本発明のもう一つの好ましい態様においては、前記セラミックス組成物は、ＳｉＯ_２、ＳｒＯ、ＬｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_３、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２等を含むガラス材料を用いて調製される。更に好ましくは、少なくとも、ＳｉＯ_２が２０〜３６質量部、ＳｒＯが４４〜６０質量部、ＬｉＯ_２が０〜５質量部、Ｂ_２Ｏ_３が１〜８質量部含まれたガラス材料が使用される。

ＳｉＯ_２が２０質量部未満であるとガラス化が困難であり、３６質量部より多いと線膨張係数が低下するため好ましくない。

ＳｒＯが、４４質量部未満であると線膨張係数が低下し、６０質量部より多いと誘電損失が増大するため好ましくない。

ＬｉＯ_２が添加するとガラスの溶融性が向上するが、５質量部より多いと誘電損失が増大するため好ましくない。

また、Ｂ_２Ｏ_３が、１質量部未満であるとガラスの溶融性が悪く、８質量部より多いと誘電損失が増大するため好ましくない。

上記ガラス材料を混合し、１５００〜１６００℃で溶解した後、急冷することで、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶として析出するガラスカレットが得られる。

また、前記ガラスカレットにＺｒＯ_２ボールなどを用いて、水などでの湿式下で無機フィラーを添加することも好ましい。無機フィラーを添加することで基板強度の向上、誘電損失の低下等の効果が得られる。無機フィラーは、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｑｕａｒｔｚ等の低誘電損失の材料であることが好ましく、基板強度の向上効果があるＡｌ_２Ｏ_３であることがより好ましい。

上記無機フィラーは上記ガラスカレット１００質量部に対して、酸化物換算で１〜１２質量部となるように添加することが好ましく、１質量部未満であるとＳｒ_２ＳｉＯ_４結晶が析出しにくくなる、１２質量部より多いとＳｒ_２ＳｉＯ_４の特性が発揮できなくなるため好ましくない。

前記ガラスカレットを１〜２０μｍ、より好ましくは１〜５μｍの粉末状に調整し、必要に応じて結合剤、可塑剤、溶剤等を添加し、所定形状に成形して、焼成することによって本発明のＳｒ_２ＳｉＯ_４を主結晶としたセラミックス組成物を製造することができる。ガラスカレットを１〜２０μｍの粉末状に調整することは、成型性を考慮した場合に好ましい。

セラミックス組成物を製造する際に用いる結合剤としては、例えばポリビニルブチラール樹脂、メタアクリル酸樹脂等が好適に用いられている。また、可塑剤としては、例えばフタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル等が、溶剤としては、例えばトルエン、メチルエチルケトン等が好適に用いられている。

成形は、公知のプレス法を用いてブロック体にしたり、公知のドクターブレード法でグリーンシート化し、更に圧着して積層体にしたり、ペースト状にして厚膜印刷技術を用いて多層体にしたりできる。配線基板を形成するには、グリーンシートに成形することが好ましく、多層化が容易に行なえる。

また、配線基板を形成するには、まず、上記セラミックス原料又はその仮焼粉末を含む原料粉末を公知のドクターブレード法を用いてグリーンシート化する。グリーンシート上には導電ペーストを用いてスクリーン印刷法により配線層を印刷形成する。このグリーンシートを圧着して積層体を形成する。この積層体を脱バインダー化した後、焼成して、目的とする配線基板が得られる。なお、配線にＡｇを用いる場合は大気雰囲気下、Ｃｕを用いる場合は還元雰囲気下で焼成する。

上記工程より、本発明のＳｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶とするセラミックス組成物で、前記組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４のピークが最も高いセラミックス組成物を得ることができ、前記組成物を利用することで、線膨張係数が高く、誘電損失の低いセラミックス配線基板を得ることができる。また、前記セラミックス組成物はＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち最も高いピークの大きさを該結晶の第一強線強度とし、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４の第一線強度が各結晶の第一強線強度の合計値に対して８０％以上を占めるような組成物であることが好ましく、前記セラミックス組成物からなるセラミックス配線基板は本発明の目的をより満たすことができる。

本発明のセラミックス配線基板は、例えば、多層配線基板や半導体パッケージに利用することができる。基板の線膨張係数がマザーボードにより近いため、大型化した際も十分接合の信頼性を保つことができ、なおかつ、高周波伝送が可能な電子部品を提供することができる。

〔実施例１〕
ＳｒＣＯ_３とＳｉＯ_２の粉末を表１に示す割合で秤量し、１５時間湿式混合後、１２０℃で乾燥し、乾燥した粉体を大気中１２００℃で２時間仮焼した。この仮焼物にＰＶＡ系バインダーを適量添加し、造粒、プレス成型後、大気中５００℃で脱バインダー処理し成型体を得た。

上記成形体を１３５０℃で２時間焼成することで、表１に示す試料番号１〜５の焼成体を得た。

この焼成体を用いて、Ｘ線回折によるＳｒ_２ＳｉＯ_４結晶の第一強線強度比率測定、ＪＩＳ Ｒ１６１８に準ずる３０℃〜４００℃の温度範囲における平均線膨張係数、ＪＩＳ Ｒ１６２７に準ずる共振周波数（１０〜１５ＧＨ_Ｚ）における誘電損失を測定した。

Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶の第一強線強度比率は、Ｘ線回折により得られる各結晶のピークのうち最も高いピークの大きさを該結晶の第一強線強度として、結晶相毎に第一強線強度を測定し、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶の第一強線強度の和を、組成物に含まれる全結晶の第一強線強度の和で割ることで求めた。

また、誘電損失は（周波数）×（１／誘電損失）＝（一定）と仮定し、１０ＧＨ_Ｚでの値に換算した。これらの測定結果を表１に併せて示す。

その結果、いずれも、誘電損失が低くかつ線膨張係数の高い組成物が得られた。しかし、試料番号１〜４の組成物に比べ、試料番号５の組成物は誘電損失が高く、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４の第一線強度比率の低下に伴い誘電損失は上昇傾向にあることがわかる。

〔実施例２〕
ＳｒＣＯ_３とＳｉＯ_２とＢ_２Ｏ_３とＬｉ_２ＣＯ_３を表１に示す割合で秤量し、１５時間湿式混合後、１２０℃で乾燥し、乾燥した粉体を大気中７００℃で２時間仮焼した。この仮焼物にＰＶＡ系バインダーを適量添加し、造粒、プレス成型後、大気中５００℃で脱バインダー処理し成型体を得た。

上記成形体を９００〜１０００℃で２時間焼成することで、表２に示す試料番号６〜１５の焼結体を得た。

この焼成体について実施例１と同様の測定を行い、測定結果を表２に併せて示す。

この結果、いずれも、誘電損失が低くかつ線膨張係数の高い組成物が得られたが、試料番号１４、１５は、他の試料と比べ誘電損失が高く、線膨張係数も低い。Ｓｒ_２ＳｉＯ_４の第一線強度比率の低下に伴い高線膨張係数と低誘電損失との両立させることは困難となることがわかる。

〔実施例３〕
ＳｉＯ_２、ＳｒＯ_２、Ｌｉ_２Ｏ、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２を表３に示す割合で秤量、混合し、１５００〜１６００℃で溶解、過冷却によりガラスカレットを作製した。更に、このガラスカレットにＡｌ_２Ｏ_３を表３に示す割合で秤量、湿式混合後、平均粒径２．５μｍの粉末を作製した。

この粉末にＰＶＡ系バインダーを適量添加し、造粒、プレス成型後、大気中５００℃で脱バインダー処理し成型体を得た。

上記成型体を９００℃〜１０００℃で１時間焼成することで、試料番号１６〜１９の焼結体を得た。

この焼成体について実施例１及び２と同様の測定を行い、その測定結果を表３に併せて示す。

この結果、いずれも、誘電損失が低くかつ線膨張係数の高い組成物が得られたが、試料番号１６〜１８の組成物に比べ、試料番号１９の組成物は線膨張係数が低く、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４の第一線強度比率の低下に伴い線膨張係数は低下傾向にあることがわかる。

以上の結果より、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶の第一線強度が最も高くなるような組成物とすることで、誘電損失が低く、かつ、線膨張係数の高い組成物とすることができる。特にＳｒ_２ＳｉＯ_４結晶の第一線強度比率が８０％以上となるような組成物であれば、製造プロセスに関係なく、より誘電損失が低く、かつ、より線膨張係数の高い組成物とすることができる。

本願発明のセラミック組成物は、高周波伝送が可能で、マザーボードとの接合の信頼性の高いセラミックス配線基板を提供することができる。

Claims (6)

1. Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶とするセラミックス組成物であって、前記組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４のピークが最も高くなることを特徴とするセラミックス組成物。
2. 前記組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち最も高いピークの大きさを該結晶の第一強線強度としたとき、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４の第一線強度が各結晶の第一強線強度の合計値に対して８０％以上を占めることを特徴とする請求項１記載のセラミックス組成物。
3. 前記組成物は、ホウ素及び／又はアルカリ金属を含む低温焼成材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス組成物。
4. Ｓｒ_２ＳｉＯ_４結晶を主結晶とするセラミックス配線基板であって、前記組成物のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４のピークが最も高くなることを特徴とするセラミックス配線基板。
5. 前記セラミックス配線基板のＸ線回折により得られる各結晶のピークのうち最も高いピークの大きさを該結晶の第一強線強度としたとき、Ｓｒ_２ＳｉＯ_４の第一線強度が各結晶の第一強線強度の合計値に対して８０％以上を占めることを特徴とする請求項４に記載のセラミックス配線基板。
6. ホウ素及び／又はアルカリ金属を含んだ低温焼成材料からなる請求項４又は５に記載のセラミックス配線基板