JP2005298259A - ガラスセラミック原料組成物、ガラスセラミック焼結体およびガラスセラミック多層基板 - Google Patents
ガラスセラミック原料組成物、ガラスセラミック焼結体およびガラスセラミック多層基板 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 高信頼性を有し、高周波特性に優れたガラスセラミック多層基板を提供すること。
【解決手段】 ＳｉＯ2：２０〜４０重量％、ＢａＯ：３０〜６０重量％、ＭｇＯ：５〜２０重量％、ＺｎＯ：０〜１０重量％、Ａｌ2Ｏ3：０〜１０重量％、Ｂ2Ｏ3：０〜１０重量％からなるガラス粉末と、ＳｉＯ2：５０〜７０重量％、ＢａＯ：１０〜４０重量％、ＭｇＯ：０〜２０重量％、Ａｌ2Ｏ3：０〜１５重量％からなるセラミック粉末と、を含むガラスセラミック原料組成物を焼成してなり、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出している複数のガラスセラミック絶縁層２と、複数のガラスセラミック絶縁層２の間に設けられるＡｇ系導体パターン６と、を備えるガラスセラミック多層基板１。
【選択図】 図１
【解決手段】 ＳｉＯ2：２０〜４０重量％、ＢａＯ：３０〜６０重量％、ＭｇＯ：５〜２０重量％、ＺｎＯ：０〜１０重量％、Ａｌ2Ｏ3：０〜１０重量％、Ｂ2Ｏ3：０〜１０重量％からなるガラス粉末と、ＳｉＯ2：５０〜７０重量％、ＢａＯ：１０〜４０重量％、ＭｇＯ：０〜２０重量％、Ａｌ2Ｏ3：０〜１５重量％からなるセラミック粉末と、を含むガラスセラミック原料組成物を焼成してなり、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出している複数のガラスセラミック絶縁層２と、複数のガラスセラミック絶縁層２の間に設けられるＡｇ系導体パターン６と、を備えるガラスセラミック多層基板１。
【選択図】 図１
Description
この発明は、ガラスセラミック原料組成物、ガラスセラミック焼結体およびガラスセラミック多層基板に関するもので、特に、１０００℃以下の低温焼成によって得られ、半導体デバイスやチップ型積層コンデンサなどの表面実装部品を搭載することが可能なガラスセラミック多層基板に関するものである。
従来、半導体デバイスやチップ型積層コンデンサなどを搭載するための基板は、アルミナ基板が主流であった。アルミナ基板を得るためには、アルミナを主成分とするセラミックグリーンシートを約１６００℃という高温で焼成しなければならない。そのため、アルミナからなるセラミックグリーンシートをもって内部導体パターンを有するセラミック多層基板を構成する場合には、内部導体パターンの材料としてタングステンやモリブデン等の高融点金属を用いなければならない。ところが、これらの高融点金属は比抵抗が大きく、特に高周波領域においては、信号の伝送損失を増大させる要因として無視できない。
そこで、たとえば、特開２００３−２０１１７０号公報（特許文献１）に示されているように、内部導体パターンの材料としてＡｇなどの低抵抗金属の使用を可能にするガラスセラミック多層基板が注目されている。
特開２００３−２０１１７０号公報
特開２００３−１０１１７０号公報に開示されたガラスセラミック多層基板は、ＳｉＯ2を３０〜６０モル％、ＢａＯを２０〜４０モル％、ＭｇＯを０〜４０モル％、ＺｎＯを０〜４０モル％、Ｂ2Ｏ3を０〜２０モル％含むガラス粉末と、Ａｌ2Ｏ3を主とするセラミック粉末とからなるガラスセラミック原料組成物を焼成することによって得られるものである。
このガラスセラミック原料組成物は、１０００℃以下での焼成が可能であるため、比抵抗の小さなＡｇ系導体パターンと同時焼成することができ、さらに、得られたガラスセラミック多層基板は、ＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出し得るものであって、測定周波数１０ＧＨｚでのＱ値が４００以上のように、高周波特性に優れた基板である。
しかしながら、このガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス中のＳｉＯ2やＢａＯを、ＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2結晶相の構成成分として利用するものであるため、結晶相の析出量によってガラス相の組成が変動し、これに応じて、ガラスセラミック多層基板の特性も変動することがあった。
すなわち、本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特性の変動が少なく信頼性に優れ、さらに高周波帯域において優れた電気特性を有したガラスセラミック多層基板、ならびに、このガラスセラミック多層基板を形成する際に用いられるガラスセラミック原料組成物およびガラスセラミック焼結体を提供することにある。
すなわち、本発明は、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で２０〜４０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で３０〜６０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で５〜２０重量％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜１０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１０重量％、酸化ホウ素をＢ2Ｏ3換算で０〜１０重量％含有するガラス粉末と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で５０〜７０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で０〜２０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１５重量％含有するセラミック粉末と、を含むガラスセラミック原料組成物に係るものである。
また、本発明は、本発明のガラスセラミック原料組成物を焼成してなり、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出しているガラスセラミック焼結体を提供するものである。
さらに、本発明は、本発明のガラスセラミック原料組成物を焼成してなり、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出している複数のガラスセラミック絶縁層と、前記複数のガラスセラミック絶縁層の間に設けられるＡｇ系導体パターンと、を備えるガラスセラミック多層基板を提供するものである。
本発明のガラスセラミック原料組成物は、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で２０〜４０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で３０〜６０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で５〜２０重量％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜１０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１０重量％、酸化ホウ素をＢ2Ｏ3換算で０〜１０重量％含有するガラス粉末と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で５０〜７０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で０〜２０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１５重量％含有するセラミック粉末と、を含むものであり、これを焼成した際に析出するＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2主結晶相の構成成分が、ガラスだけでなく、セラミック中にも含まれているので、ガラス相の組成が変動しにくく、安定した特性を発揮するガラスセラミック焼結体が得られる。また、本発明のガラスセラミック多層基板によれば、本発明のガラスセラミック原料組成物を焼成してなるガラスセラミック絶縁層、さらにはＡｇ系の導体パターンを備えるので、特性変動が少なく信頼性に優れ、さらに高周波帯域において優れた電気特性を発揮するガラスセラミック多層基板が得られる。
まず、本発明のガラスセラミック原料組成物ならびにガラスセラミック焼結体について説明する。
本発明のガラスセラミック原料組成物は、
・酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で２０〜４０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で３０〜６０重 量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で５〜２０重量％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜１０ 重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１０重量％、酸化ホウ素をＢ2Ｏ3換算 で０〜１０重量％含有するガラス粉末（Ａ）と、
・酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で５０〜７０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０重 量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で０〜２０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換 算で０〜１５重量％含有するセラミック粉末（Ｂ）と、
を含むものである。そして、本発明のガラスセラミック焼結体は、このガラスセラミック原料粉末を所望の形状に成形し、焼成してなるものであって、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出している。
・酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で２０〜４０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で３０〜６０重 量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で５〜２０重量％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜１０ 重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１０重量％、酸化ホウ素をＢ2Ｏ3換算 で０〜１０重量％含有するガラス粉末（Ａ）と、
・酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で５０〜７０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０重 量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で０〜２０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換 算で０〜１５重量％含有するセラミック粉末（Ｂ）と、
を含むものである。そして、本発明のガラスセラミック焼結体は、このガラスセラミック原料粉末を所望の形状に成形し、焼成してなるものであって、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出している。
ここで、本発明のガラスセラミック原料組成物におけるガラス粉末（Ａ）の組成限定理由を説明する。
ガラス粉末（Ａ）中の酸化ケイ素は、ガラス粉末の２０〜４０重量％を占めている必要がある。酸化ケイ素の含有量がＳｉＯ2換算で２０重量％未満であると、得られるガラスセラミック焼結体の結晶化度が低下し、そのＱ値が低下する。特に、本発明においては、このガラス粉末がセラミック粉末と反応し、あるいは、ガラス中に、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2（ＢａＭｇ2Ｓｉ2Ｏ7）主結晶相、さらにはＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2（ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）副結晶相を析出し得るが、これらの結晶相の析出に伴い、ガラスセラミック焼結体のガラス相におけるＳｉＯ2成分が減少し、得られるガラスセラミック焼結体の耐湿性が低下する。他方、酸化ケイ素の含有量がＳｉＯ2換算で４０重量％を超えると、ガラスの粘性が高くなり、ガラスセラミック焼結体が十分に焼結しない。なお、ガラス粉末中の酸化ケイ素の含有量は２５〜３５重量％が望ましい。
また、ガラス粉末（Ａ）中の酸化バリウムは、ガラス粉末の３０〜６０重量％を占めている必要がある。この酸化バリウムは、後述する酸化マグネシウムや酸化アルミニウムと同様に、ガラスセラミック焼結体中に析出するＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2結晶相やＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2結晶相の構成成分であり、これらの結晶相の析出量を制御することで、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数がコントロールされる。なお、酸化バリウムの含有量がＢａＯ換算で３０重量％未満であると、主結晶相であるＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2結晶相や副結晶相であるＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2結晶相の析出量が低下し、ガラスセラミック焼結体のＱ値が低下する。他方、酸化バリウムの含有量がＢａＯ換算で６０重量％を超えると、結晶相が析出した後のガラス相において、酸化バリウムが相当量残留し、これに伴って、ガラスセラミック焼結体の耐湿性が低下する。ガラス粉末中の酸化バリウムの含有量は３５〜５５重量％が望ましい。
また、ガラス粉末（Ａ）中の酸化ホウ素は、ガラス粉末の０〜１０重量％とする必要がある。この酸化ホウ素は主に融剤として作用するものである。ガラス粉末中に酸化ホウ素が含まれていなくてもよいが、ガラスの軟化温度を下げ、その粘性流動を促進するために、０．０１重量％以上含まれていることが望ましい。なお、酸化ホウ素の含有量がＢ2Ｏ3換算で１０重量％を超えると、ガラスセラミック焼結体の耐湿性が低下するとともに、ホウ素がめっき液に溶出しやすくなって、ガラスセラミック焼結体のめっき液に対する耐溶出性が低下する。ガラス粉末中の酸化ホウ素の含有量は２〜８重量％がさらに望ましい。
また、ガラス粉末（Ａ）中の酸化マグネシウムは、ガラス粉末の５〜２０重量％を占めている必要がある。この酸化マグネシウムは、ガラスの溶融温度を下げる作用を有するとともに、主結晶相であるＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2の構成成分である。このＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2結晶相は、得られるガラスセラミック焼結体の熱膨張係数を高くすることができ、その含有量がＭｇＯ換算で５重量％未満であると、主結晶相の析出量が少なく、特に、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数が９ｐｐｍ／℃より低くなることがある。他方、その含有量がＭｇＯ換算で２０重量％を超えると、主結晶相の析出量が多くなりすぎ、特に、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数が１２ｐｐｍ／℃より高くなることがある。なお、ガラス粉末中の酸化マグネシウムの含有量は８〜１７重量％がさらに望ましい。
また、ガラス粉末（Ａ）中の酸化亜鉛は、ガラス粉末の０〜１０重量％とする必要がある。この酸化マグネシウムは、ガラス作製時の溶融温度を下げる作用を有する。ガラス粉末中に酸化亜鉛が含まれていなくてもよいが、ガラス粉末を作製しやすくするため、０．０１重量％以上含まれていることが望ましい。なお、酸化亜鉛の含有量がＺｎＯ換算で１０重量％を超えると、ガラスセラミック焼結体の耐湿性が低下するとともに、亜鉛がめっき液に溶出しやすくなって、ガラスセラミック焼結体のめっき液に対する耐溶出性が低下する。ガラス粉末中の酸化亜鉛の含有量は２〜８重量％がさらに望ましい。
また、ガラス粉末（Ａ）中の酸化アルミニウムは、ガラス粉末の０〜１０重量％とする必要がある。酸化アルミニウムは、ガラスの化学的安定性を向上させるものであり、ガラス粉末中に含まれていなくてもよいが、０．０１重量％以上含まれていることが望ましい。また、酸化アルミニウムは、副結晶相であるＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2の構成成分であるが、この結晶相は、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数を低下させる傾向にあり、その含有量がＡｌ2Ｏ3換算で１０重量％を超えると、特に、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数が９ｐｐｍ／℃より低くなることがあり、さらに、ガラスの粘性が高くなる傾向にあるため、得られるガラスセラミック焼結体が十分に焼結しない。なお、ガラス粉末中の酸化アルミニウムの含有量は２〜８重量％がさらに望ましい。
次に、本発明のガラスセラミック原料組成物におけるセラミック粉末（Ｂ）の組成限定理由を説明する。
セラミック粉末（Ｂ）の主成分は酸化ケイ素であり、酸化ケイ素はセラミック粉末の５０〜７０重量％を占めている必要がある。セラミック粉末中のＳｉＯ2は、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2結晶相やＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2結晶相の一構成成分に変化すると考えられ、その含有量が５０重量％未満であると、得られるガラスセラミック焼結体の結晶化度が低下し、そのＱ値が小さくなる。さらに、セラミック粉末中のＳｉＯ2は、焼成過程でガラス中に溶解し、Ｓｉを構成成分とする結晶相が析出した場合のガラス中のＳｉＯ2量が低下するのを抑制する役割を果たすと考えられ、その含有量が５０重量％未満であると、ガラス中のＳｉ成分量の低下を補うことができないため、ガラス相の耐湿性、つまりは、ガラスセラミック焼結体の耐湿性が低下する。他方、酸化ケイ素の含有量が７０重量％を超えると、ガラスの粘性が高くなり、得られるガラスセラミック焼結体が十分に焼結しない。なお、セラミック粉末中の酸化ケイ素の含有量は５５〜６５重量％が望ましい。
上述のように、セラミック粉末は、焼成過程にてその成分の一部がガラス中に溶解して、ガラスの成分組成を変化させる。つまり、ガラスセラミック焼結体にて析出するＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2結晶相の析出量やガラス相の組成は、ガラス粉末の組成のみではなく、セラミック粉末の組成にも影響されるため、この点から、酸化ケイ素、酸化バリウム、酸化マグネシウム等の組成を決定する必要がある。
また、セラミック粉末（Ｂ）の酸化バリウムは、セラミック粉末の１０〜４０重量％を占めている必要がある。セラミック粉末中の酸化バリウムは、焼成過程において、ガラス中に部分的に溶解し、ガラス中の酸化バリウム量を増大させる。上述したように、ガラスセラミック焼結体に析出する主結晶相はＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2であり、特に、この結晶相の析出量を制御することで、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数をコントロールすることができる。なお、酸化バリウムの含有量が１０重量％未満であると、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2結晶相やＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2結晶相の析出量が不足し、ガラスセラミック焼結体のＱ値が低下する。他方、その含有量が４０重量％を超えると、結晶が析出した後のガラス相において、酸化バリウムが相当量残ってしまい、それに伴って、ガラスセラミック焼結体の耐湿性が低下する。セラミック粉末中の酸化バリウムの含有量は１５〜３５重量％が望ましい。
また、セラミック粉末（Ｂ）の酸化マグネシウムは、セラミック粉末の０〜２０重量％とする必要がある。セラミック粉末中の酸化バリウムは、焼成過程において、ガラス中に部分的に溶解し、ガラス中の酸化マグネシウム量を増大させるものであり、セラミック粉末中に含まれていなくてもよいが、０．０１重量％以上含まれていることが望ましい。なお、この酸化マグネシウムは、ガラス作製時の溶融温度を下げる作用を有するとともに、主結晶相であるＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2の構成成分として機能する。このＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2結晶相は、得られるガラスセラミック焼結体の熱膨張係数を高くするものであり、酸化マグネシウムの含有量がＭｇＯ換算で２０重量％を超えると、主結晶相の析出量が多くなりすぎ、特に、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数が１２ｐｐｍ／℃より高くなることがある。セラミック粉末中の酸化マグネシウムの含有量は５〜１５重量％がさらに望ましい。
また、セラミック粉末（Ｂ）の酸化アルミニウムは、セラミック粉末の０〜１５重量％とする必要がある。セラミック粉末中の酸化アルミニウムは、焼成過程において、ガラス中に部分的に溶解し、ガラス中の酸化アルミニウム量を増大させ、ガラスの化学的安定性を向上させるものである。酸化アルミニウムは、セラミック粉末中に全く含まれていなくてもよいが、０．０１重量％以上含まれていることが望ましい。なお、酸化アルミニウムは、ＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2副結晶相の構成成分であるが、この結晶相は、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数を低下させる傾向にあり、その含有量がＡｌ2Ｏ3換算で１５重量％を超えると、特に、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数が９ｐｐｍ／℃より低くなることがあり、さらに、ガラスの粘性が高くなる傾向にあるため、得られるガラスセラミック焼結体が十分に焼結しない。なお、セラミック粉末中の酸化アルミニウムの含有量は３〜１２重量％がさらに望ましい。
本発明において、ガラスセラミック原料組成物は、ガラス粉末を５０〜６５重量％、セラミック粉末を３５〜５０重量％含有することが望ましい。ガラス粉末の含有量が５０重量％未満であり、セラミック粉末の含有量が５０重量％を超えると、セラミック焼結体を十分に焼結することが困難であり、また、セラミック焼結体の耐湿性が低下する傾向があり、他方、ガラス粉末の含有量が６５重量％を超え、セラミック粉末の含有量が３５重量％未満であると、セラミック焼結体の熱膨張係数が小さくなる傾向がある。なお、ガラス粉末の含有量は５３〜６２重量％、セラミック粉末の含有量は３８〜４７重量％がさらに望ましい。
また、本発明において、ガラスセラミック原料組成物は、上述したガラス粉末およびセラミック粉末に加えて、さらに、酸化セリウムをＣｅＯ2換算で５重量％以下、および／または、酸化チタンをＴｉＯ2換算で５重量％以下の割合で含有することが望ましい。酸化セリウムは酸化剤としての役割を有しており、脱バインダ時の残留炭素量の低下、さらには、Ａｇ系導体パターンと同時焼成したときの黄着色化の防止に寄与する。酸化チタンの含有量がガラスセラミック原料組成物の５重量％を超えると、Ａｇを主成分とする導体パターンの表面に無電解めっきあるいは電解めっきを施すに際し、ガラスセラミック焼結体（素体）の表面にまで、めっき膜が異常析出することがある。また、酸化チタンは、得られるガラスセラミック焼結体の強度向上に寄与するものであるが、その含有量がガラスセラミック原料組成物の５重量％を超えると、ガラスセラミック焼結体のＱ値が低下し、高周波帯域における損失が大きくなる傾向にある。
次に、本発明のガラスセラミック多層基板を、図１を参照に、説明する。
図１に示すガラスセラミック多層基板１は、本発明のガラスセラミック原料組成物を焼成してなり、主結晶相としてＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2結晶相を析出した複数のガラスセラミック絶縁層２と、この複数のガラスセラミック絶縁層の間に設けられたＡｇ系導体パターンとを備える。
ガラスセラミック多層基板１の一方主面３ａには、Ａｇを主成分とする表面導体パターン４が形成されている。表面導体パターン４上には、シリコンやＧａＡｓ等の半導体デバイス８ａ、８ｃ、チップ型積層コンデンサ８ｂ等の表面実装部品が、はんだを介して接続されている。また、ガラスセラミック多層基板１の他方主面３ｂには、Ａｇを主成分とする表面導体パターン５が形成されており、この表面導体パターン５は、ガラスセラミック多層基板１を図示しないマザーボード（プリント配線基板）に電気的に接続するための外部端子電極としての役割を果たす。これらのＡｇ系導体パターンは、タングステンやモリブデン等の高融点金属に比べて比抵抗が小さく、高周波帯域においても優れた電気伝導性を示す。なお、表面導体パターン４、６の表面には、ＮｉやＡｕ等のめっき膜が形成されていてもよい。
また、ガラスセラミック多層基板１において、複数のガラスセラミック絶縁層２の間には、内部導体パターン６、７が設けられている。内部導体パターン６は、各ガラスセラミック絶縁層３の界面に配置された面内導体であり、内部導体パターン７は、各ガラスセラミック絶縁層３を貫通し、面内導体同士を三次元的に接続するためのビア導体である。この内部導体パターン６、７により、ガラスセラミック多層基板１内に、インダクタンス素子やキャパシタ素子等の受動素子や配線導体が形成されている。
そして、各ガラスセラミック絶縁層２には、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2（ＢａＭｇ2Ｓｉ2Ｏ7）を主とする結晶相（主結晶相）、さらにはＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2（ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）からなる結晶相（副結晶相）が析出している。これらの結晶相の析出は、ガラスセラミック絶縁層２の熱膨張係数の制御、Ｑ値の向上、比誘電率の制御等に大きく寄与するものである。
ガラスセラミック多層基板１は、以下のような方法により作製される。
まず、ＳｉＯ2、ＢａＣＯ3、Ｍｇ（ＯＨ）2、ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3等の原料粉末を、所定の割合で秤量し、得られた混合物をるつぼにて溶融し、得られたガラス融液を急冷して、ガラスカレットを作製する。次いで、得られたガラスカレットを粗粉砕し、さらにボールミル等を用いて微粉砕することによって、ガラス粉末（Ａ）を得る。
他方、ＳｉＯ2、ＢａＣＯ3、Ｍｇ（ＯＨ）2、Ａｌ2Ｏ3等の原料粉末を、所定の割合で秤量し、得られた混合物を仮焼した後、ボールミル等で微粉砕することによって、セラミック粉末（Ｂ）を得る。
そして、ガラス粉末（Ａ）およびセラミック粉末（Ｂ）、さらに必要に応じて、酸化セリウムや酸化チタンを所定の重量比となるように混合する。
次に、得られた混合粉末に、トルエン、キシレン、アルコール等の溶剤、アクリル樹脂やブチラール樹脂等のバインダ、ジブチルフタレートやジコクチルフタレート等の可塑剤を加えて混練し、スラリーを作製する。次に、このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形して、焼成後にガラスセラミック絶縁層となるセラミックグリーンシートを作製する。なお、たとえば、溶剤は、ガラス粉末（Ａ）およびセラミック粉末（Ｂ）の混合粉末１００重量部に対して１〜３０重量部、バインダは３〜３０重量部、をそれぞれ加えることができる。
次に、上記のセラミックグリーンシートにビア導体形成用孔をパンチングやレーザー加工等によって形成し、この孔に、Ａｇ粉末を主とするＡｇ系導電性ペーストを充填する。その後、Ａｇ粉末を主とするＡｇ系導電性ペーストをスクリーン印刷によって所定パターンとなるように印刷する。
次に、得られたセラミックグリーンシートを所定枚数積層して、導体パターンおよびビア導体が形成されたセラミック積層体を作製する。次に、プレス機によりセラミック積層体を圧着した後、空気中等の酸化性雰囲気中、７８０〜１０００℃、特に具体的に言えば９００℃、で焼成する。なお、表面導体パターンは、セラミック積層体と同時焼成することにより形成してもよいし、セラミック積層体の焼成後、焼き付けることによって形成してもよい。また、表面導体パターンの表面には、ＮｉやＡｕ等のめっき膜を無電解めっき法や電解めっき法に基づいて形成することが好ましい。その後、半導体デバイスやチップ型積層コンデンサ等の表面実装部品を、表面導体パターンにはんだ等の導電材を介して接続することによって、図１に示すセラミック多層基板１が得られる。
なお、得られたガラスセラミック絶縁層には、上述したように、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2（ＢａＭｇ2Ｓｉ2Ｏ7）主結晶相、さらにはＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2（ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）副結晶相が析出している。すなわち、本発明によれば、これら結晶相の構成成分が、ガラスだけでなく、セラミック中にも含まれているので、ガラス相の組成が変動しにくく、特性変動が少なく信頼性に優れ、さらに高周波帯域において優れた電気特性を発揮するガラスセラミック多層基板が得られる。
以上、本発明のガラスセラミック多層基板を具体的な構成に基づいて説明したが、本発明のガラスセラミック基板は、上述の構成に限定されるものではない。
たとえば、本発明のガラスセラミック多層基板は、上述したごとき、その主面に各種の表面実装部品を搭載し、その内部にインダクタやコンデンサ、さらには抵抗を有するような機能基板であってもよいし、あるいは、表面実装部品が搭載されていない単機能部品用基板であってもよい。
このように、本発明のガラスセラミック多層基板は、信頼性や高周波特性に優れているので、たとえば、自動車電話、業務用・家庭用無線機器、携帯電話機器等のように、各種マイクロ波・ミリ波対応の電子部品用基板として好適に用いられる。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
まず、ＳｉＯ2粉末、ＢａＣＯ3粉末、Ｍｇ（ＯＨ）2粉末、ＺｎＯ粉末、Ａｌ2Ｏ3粉末およびＢ2Ｏ3粉末を、下記表１に示す割合で秤量し、その混合物を白金るつぼにて１５００〜１６００℃で溶融した。その後、得られたガラス融液を急冷ロールに流し出し、ガラスカレットを作製した。次いで、得られたガラスカレットを粗粉砕し、さらにボールミルで微粉砕することによって、下記表１のＧ１〜Ｇ１８で示される組成のガラス粉末を得た。なお、このガラス粉末の平均粒径（Ｄ５０）は１．０〜１．５μｍであった。
また、ＳｉＯ2粉末、ＢａＣＯ3粉末、Ｍｇ（ＯＨ）2粉末およびＡｌ2Ｏ3粉末を、下記表２に示す割合で秤量し、その混合物を８００〜１１００℃で仮焼した後、ボールミルで微粉砕することによって、下記表２のＦ１〜Ｆ１２で示される組成のセラミック粉末を得た。なお、このセラミック粉末の平均粒径（Ｄ５０）は１．２〜１．７μｍであった。
次いで、下記表３に示す割合で、Ｇ１〜Ｇ１８で示される組成のガラス粉末とＦ１〜Ｆ１２で示される組成のセラミック粉末とを混合し、必要に応じて、表３に示す割合のＣｅＯ2粉末、ＴｉＯ2粉末を加え、さらに適量の溶剤、バインダおよび可塑剤を加え、これを十分に混合してスラリー化した後、十分に脱泡し、ドクターブレード法によって、厚さ１００μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
次いで、まず、得られたセラミックグリーンシートを１０枚積層してプレス機により圧着し、空気中、９００℃で３０分間焼成して、Ｑ値、比誘電率εｒ、熱膨張係数α、焼結度等を評価するためのガラスセラミック多層基板を得た。また、得られたセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷によりＡｇペーストを印刷し、これを１０ｍｍ×１０ｍｍの方形状にカットした後、得られたセラミックグリーンシートを１０枚積層してプレス機により圧着し、空気中、９００℃で３０分間焼成することによって、耐湿性を評価するための素子厚み５０μｍのガラスセラミック多層基板（チップ型積層コンデンサ）を得た。
次いで、得られたガラスセラミック多層基板について、Ｑ値、比誘電率εｒ、熱膨張係数α、焼結度を測定した。また、得られたチップ型積層コンデンサについて、耐湿性を測定した。
なお、表３において、Ｑ値および比誘電率εｒは、摂動法により、測定周波数１２ＧＨｚにて測定した値であり、熱膨張係数α（単位ｐｐｍ／℃）は、押棒式熱膨張計を用い、室温〜６００℃で測定した値の平均値である。また、耐湿性は、温度１２１℃、湿度９５％ＲＨの環境下（２ａｔｍ）で１００時間保持後、負荷電圧５０Ｖで絶縁抵抗ＩＲを測定することにより評価した。表３中の値は、ｌｏｇ（ＩＲ／Ω）である。また、焼結度は、ガラスセラミック多層基板の断面の気孔率をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察写真の画像解析により測定し、１００％から該気孔率を引いた値である。
なお、図示しないが、サンプルＮｏ．Ｆ２のセラミック粉末について、粉末Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により、ＳｉＯ2（クォーツ）のピーク値を測定したところ、このセラミック粉末は主結晶相がＳｉＯ2（クォーツ）であることを確認した。
また、サンプルＮｏ．２のガラスセラミック多層基板について、粉末Ｘ線回折法（ＸＲＤ、ターゲット：Ｃｕ、管電圧／管電流＝３５ｋＶ／２５ｍＡ）により、析出した結晶相を同定した結果、図２に示すように、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2が主たる結晶相として析出していることを確認できた。
また、サンプルＮｏ．２のガラスセラミック多層基板について、焼成前（５００℃での脱バインダ後）のセラミックグリーンシートにおけるＳｉＯ2（クォーツ）のピーク強度と、焼成後（ガラスセラミック焼結体）におけるＳｉＯ2（クォーツ）のピーク強度と比較した結果、図２に示すように、セラミック粉末に存在したクォーツの約５０％はガラスに溶解もしくは他の結晶相の一構成成分に変化していることを確認した。
表３に示したサンプルＮｏ．２〜３、６〜８、１５〜１８、２０、２６〜３６のガラスセラミック多層基板は、その原料組成物として、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で２０〜４０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で３０〜６０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で５〜２０重量％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜１０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１０重量％、酸化ホウ素をＢ2Ｏ3換算で０〜１０重量％含有するガラス粉末５０〜６５重量％と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で５０〜７０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で０〜２０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１５重量％含有するセラミック粉末３５〜５０重量％とを含むガラスセラミック原料組成物が用いられているので、１２ＧＨｚにおけるＱ値：３００以上、比誘電率εｒ：９以下、熱膨張係数α：９〜１２ｐｐｍ／℃、耐湿性（ｌｏｇ（ＩＲ／Ω））：１０以上、焼結度：９７％以上のように、信頼性や高周波特性に優れたガラスセラミック多層基板となった。
なお、ＴｉＯ2の添加量が５重量％を超えたサンプルＮｏ．３３のガラスセラミック多層基板は、Ｑ値が低くなる傾向にあった。また、ＣｅＯ2の添加量が５重量％を超えたサンプルＮｏ．３６のガラスセラミック多層基板においては、Ｐｄ活性化処理後、６０℃の無電解Ｎｉめっき液（奥野製薬製：トップケミアロイＢ−１）に３０分浸漬し、表面電極に無電解Ｎｉめっきを施したところ、ガラスセラミック素体上にもめっきが析出してしまった。すなわち、めっきの異常析出が見られた。
また、サンプルＮｏ．１のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＳｉＯ2含有量が少なく、１２ＧＨｚにおけるＱ値が３００を下回ってしまった。他方、サンプルＮｏ．４のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＳｉＯ2含有量が多く、焼結度が低く、また、十分な耐湿性が得られなかった。
また、サンプルＮｏ．５のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＢａＯ含有量が多く、十分な耐湿性が得られなかった。他方、サンプルＮｏ．９のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＢａＯ含有量が少なく、１２ＧＨｚにおけるＱ値が３００を下回ってしまった。
また、サンプルＮｏ．１０のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＭｇＯ含有量が多く、熱膨張係数αが１２ｐｐｍ／℃を超えてしまった。他方、サンプルＮｏ．１１のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＭｇＯ含有量が少なく、熱膨張係数αが９ｐｐｍ／℃を下回ってしまった。
また、サンプルＮｏ．１２のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＺｎＯ含有量が多く、十分な耐湿性が得られなかった。また、サンプルＮｏ．１３のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＡｌ2Ｏ3含有量が多く、熱膨張係数αが９ｐｐｍ／℃を下回ってしまい、また、十分な焼結度が得られなかった。 さらに、サンプルＮｏ．１４のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＢ2Ｏ3含有量が多く、十分な耐湿性が得られなかった。
また、サンプルＮｏ．１９のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるセラミック粉末中のＳｉＯ2含有量が少なく、１２ＧＨｚにおけるＱ値が３００を下回ってしまい、また、十分な耐湿性が得られなかった。他方、サンプルＮｏ．２２のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるセラミック粉末中のＳｉＯ2含有量が多く、焼結度が低く、また、十分な耐湿性が得られなかった。
また、サンプルＮｏ．２３のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるセラミック粉末中のＢａＯ含有量が多く、十分な耐湿性が得られなかった。他方、サンプルＮｏ．２４のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるガラス粉末中のＢａＯ含有量が少なく、１２ＧＨｚにおけるＱ値が３００を下回ってしまった。
また、サンプルＮｏ．２５のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるセラミック粉末中のＭｇＯ含有量が多く、熱膨張係数αが１２ｐｐｍ／℃を超えてしまった。さらに、サンプルＮｏ．２６のガラスセラミック多層基板は、原料組成物であるセラミック粉末中のＡｌ2Ｏ3含有量が多く、熱膨張係数αが９ｐｐｍ／℃を下回ってしまった。
１…ガラスセラミック多層基板
２…ガラスセラミック絶縁層
３ａ…一方主面
３ｂ…他方主面
４、５…表面導体パターン
６…内部導体パターン（面内導体）
７…内部導体パターン（ビア導体）
８ａ、８ｂ、８ｃ…表面実装部品
２…ガラスセラミック絶縁層
３ａ…一方主面
３ｂ…他方主面
４、５…表面導体パターン
６…内部導体パターン（面内導体）
７…内部導体パターン（ビア導体）
８ａ、８ｂ、８ｃ…表面実装部品
Claims (10)
- 酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で２０〜４０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で３０〜６０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で５〜２０重量％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜１０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１０重量％、酸化ホウ素をＢ2Ｏ3換算で０〜１０重量％含有するガラス粉末と、
酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で５０〜７０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で０〜２０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１５重量％含有するセラミック粉末と、
を含む、ガラスセラミック原料組成物。 - 前記ガラス粉末を５０〜６５重量％、前記セラミック粉末を３５〜５０重量％含有する、請求項１に記載のガラスセラミック原料組成物。
- さらに、酸化セリウムをＣｅＯ2換算で５重量％以下、および／または、酸化チタンをＴｉＯ2換算で５重量％以下の割合で含有する、請求項１または２に記載のガラスセラミック原料組成物。
- 酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で２０〜４０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で３０〜６０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で５〜２０重量％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜１０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１０重量％、酸化ホウ素をＢ2Ｏ3換算で０〜１０重量％含有するガラス粉末と、
酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で５０〜７０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で０〜２０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１５重量％含有するセラミック粉末と、
を含むガラスセラミック原料組成物を焼成してなり、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出している、ガラスセラミック焼結体。 - 前記ガラスセラミック原料組成物は、前記ガラス粉末を５０〜６５重量％、前記セラミック粉末を３５〜５０重量％含有する、請求項４に記載のガラスセラミック焼結体。
- 前記ガラスセラミック原料組成物は、さらに、酸化セリウムをＣｅＯ2換算で５重量％以下、および／または、酸化チタンをＴｉＯ2換算で５重量％以下の割合で含有する、請求項４または５に記載のガラスセラミック焼結体。
- 酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で２０〜４０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で３０〜６０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で５〜２０重量％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で０〜１０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１０重量％、酸化ホウ素をＢ2Ｏ3換算で０〜１０重量％含有するガラス粉末と、酸化ケイ素をＳｉＯ2換算で５０〜７０重量％、酸化バリウムをＢａＯ換算で１０〜４０重量％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で０〜２０重量％、酸化アルミニウムをＡｌ2Ｏ3換算で０〜１５重量％含有するセラミック粉末と、を含むガラスセラミック原料組成物を焼成してなり、ＢａＯ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2を主とする結晶相を析出している、複数のガラスセラミック絶縁層と、
前記複数のガラスセラミック絶縁層の間に設けられるＡｇ系導体パターンと、
を備える、ガラスセラミック多層基板。 - 前記ガラスセラミック原料組成物は、前記ガラス粉末を５０〜６５重量％、前記セラミック粉末を３５〜５０重量％含有する、請求項７に記載のガラスセラミック多層基板。
- 前記ガラスセラミック原料組成物は、さらに、酸化セリウムをＣｅＯ2換算で５重量％以下、および／または、酸化チタンをＴｉＯ2換算で５重量％以下の割合で含有する、請求項７または８に記載のガラスセラミック多層基板。
- 一方主面上に表面実装部品を搭載してなる、請求項７〜９のいずれかに記載のガラスセラミック多層基板。
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