JP2006093569A

JP2006093569A - ガラスセラミック配線基板

Info

Publication number: JP2006093569A
Application number: JP2004279520A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamamoto; 弘司山本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】抵抗体が形成されたガラスセラミック配線基板において、抵抗体のガラス成分として鉛を含まないガラス系を用いた場合、抵抗体のＴＣＲが増加して従来のＴＣＲ調整剤では±１００×１０^−６／℃にまで調整できない。
【解決手段】ガラスセラミック配線基板は、ガラスセラミックス焼結体からなる絶縁基体と、絶縁基体の表面に形成された配線層および抵抗体とからなる配線基板であって、抵抗体は、抵抗体成分としての酸化ルテニウムと、ガラス成分としての硼素、ビスマスおよび珪素と、酸化チタンとを含んでおり、酸化チタンは、その含有量が抵抗体成分およびガラス成分の１００質量部に対して５乃至１０質量部である。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体ＬＳＩや半導体チップ等を搭載し、それらを相互配線するためのガラスセラミック配線基板であって、その表面に抵抗体が形成されたガラスセラミック配線基板に関する。

近年、半導体ＬＳＩや半導体チップ等は小型化、軽量化が進んでおり、これらを実装する配線基板も小型化、軽量化が望まれている。このような要求に対して、基板内に内部電極等を配した多層セラミック基板は、要求される高密度配線が可能となり、かつ薄型化が可能なことから、今日のエレクトロニクス業界において重要視されている。この多層セラミック基板は、アルミナ質焼結体から成り、表面または内部にタングステン，モリブデン等の高融点金属から成る配線層が形成された絶縁基板が従来から広く用いられている。

一方、近年の高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波帯に移行しつつある。このような高周波の信号の伝送を行なう高周波用配線基板においては、高周波信号を高速で伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が小さいことが要求され、絶縁基板にもより低い誘電率が要求される。

このため、最近では、ガラスとセラミックス（無機質フィラー）との混合物を焼成して得られるガラスセラミックスを絶縁基板として用いることが注目されている。即ち、ガラスセラミックスは誘電率が低いため高周波用絶縁基板として好適であり、またガラスセラミックスは８００〜１０００℃程度の低温で焼成することができることから、銅，銀，金等の低抵抗金属を配線層として使用できるという利点がある。

上記のガラスセラミック配線基板を含むこれらの多層セラミック基板には、一般に、回路形成のためにコンデンサ，インダクタ，抵抗体等の機能部品を、表面および内部の少なくとも一方にチップ搭載法，厚膜法，薄膜法等によって形成する必要がある。そして、これらの機能部品のうち抵抗体をガラスセラミック配線基板の表面に厚膜印刷法によって形成する場合、特許文献１のように、配線導体の形成されたガラスセラミックグリーンシートの積層体を焼成することによってガラスセラミック配線基板を得た後に、ガラスセラミック配線基板の上面および下面の少なくとも一方に抵抗体ペーストを印刷し、再度焼成することで形成する、所謂ポストファイア（ｐｏｓｔ−ｆｉｒｅ）法を用いることが一般的である。

なお、薄膜および厚膜抵抗については抵抗体を形成するだけでは抵抗値ばらつきが大きいため、トリミングにより抵抗値の微調整を行なうことが一般的である。また、回路中に実装された抵抗体は常に安定した抵抗値を示すことが要求され、この指標としてＴＣＲ（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＲｅｓｉｓｔｏｒ、単位：×１０^−６／℃）という温度変化に対する抵抗値の安定性を示した値がある。

また、抵抗体を形成したガラスセラミック配線基板に用いられる抵抗体ペーストの成分としては、抵抗値を示す抵抗体成分と、焼成することで溶融しガラスセラミックス上に密着させるガラス成分、ＴＣＲを増減させるＴＣＲ調整剤、その他焼結助剤から構成される。これらのうち、ガラス成分として一般的には、ＴＣＲやガラスセラミックスとの密着性に優れ高い信頼性が得られる抵抗体として、ガラス成分に鉛系ガラスが用いられている。

このガラス成分に鉛系ガラスを用いた従来の抵抗体は、ＴＣＲが低く安定することが特徴の一つとなっており、ＴＣＲは通常は４００×１０^−６／℃〜６００×１０^−６／℃程度である。さらに、これにＴＣＲ調整剤として、二酸化マンガン，酸化タングステン等を、抵抗体成分とガラス成分１００質量部に対して、１〜１０質量部程度添加してＴＣＲを降下させ、一般的に回路基板中の抵抗体に必要とされる±１００×１０^−６／℃以内のＴＣＲを得ていた。また、従来より広く用いられているアルミナセラミックスを用いた配線基板では、特許文献２のように、酸化チタン，酸化コバルト，酸化鉄を混合して添加し、ＴＣＲを降下させる手法なども用いられていた。
特開平９−８４５５号公報特開平７−１９２９０３号公報

しかしながら、近年の環境や人体への悪影響を考慮した鉛の使用に関する規制の強化によって、抵抗体のガラス成分として鉛系ガラスを用いることが困難になってきている。そこで、鉛を含有しなくても、抵抗体とガラスセラミック配線基板との密着強度や、抵抗値ばらつきの安定性、ＴＣＲなどの特性が鉛系ガラスと同等となるガラスが種々検討されている。

ところが、抵抗体のＴＣＲはガラス成分が替わると大きく変化し、一般的に、抵抗体のガラス成分として鉛を含まないガラス系を用いると、ＴＣＲは１０００〜１５００×１０^−６／℃程度と大きな値となり、温度変化に伴う抵抗値変化によって回路の作動不具合が生じるという問題点があった。

また、鉛を含まないガラス系を用いた抵抗体のＴＣＲを降下させるため、ＴＣＲ調整剤として従来より用いられている二酸化マンガン，酸化タングステンを、抵抗体成分とガラス成分との１００質量部に対して、１〜１０質量部程度添加しても、±１００×１０^−６／℃以内にまでＴＣＲを降下させることは困難であった。二酸化マンガン，酸化タングステンの添加量を増加させることでＴＣＲを大幅に降下させることは可能であるが、金属酸化物を多量に添加することは抵抗値を急激に増加させるため、添加量にも限界があった。また、特許文献２のように、酸化チタン，酸化コバルト，酸化鉄を混合して添加する手法はアルミナセラミックスに関しては有効であったが、ガラスセラミックスのようなガラスとセラミックスの複合材料を絶縁基体として用いた場合は同様のＴＣＲ降下作用が発現しないという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するために完成されたものであり、その目的は、鉛を含まないガラスを用いた抵抗体を用いても、温度変化に伴う抵抗値変化が少なく、抵抗体との密着強度に優れたガラスセラミック配線基板を提供することにある。

本発明のガラスセラミック配線基板は、ガラスセラミックス焼結体からなる絶縁基体と、該絶縁基体の表面に形成された配線層および抵抗体とからなる配線基板であって、前記抵抗体は、抵抗体成分としての酸化ルテニウムと、ガラス成分としての硼素、ビスマスおよび珪素と、酸化チタンとを含んでおり、該酸化チタンは、その含有量が前記抵抗体成分および前記ガラス成分の１００質量部に対して５乃至１０質量部であることを特徴とする。

本発明のガラスセラミック配線基板は、ガラスセラミックス焼結体からなる絶縁基体と、絶縁基体の表面に形成された配線層および抵抗体とからなる配線基板であって、抵抗体は、抵抗体成分としての酸化ルテニウムと、ガラス成分としての硼素、ビスマスおよび珪素と、酸化チタンとを含んでおり、酸化チタンは、その含有量が抵抗体成分およびガラス成分の１００質量部に対して５乃至１０質量部であることから、鉛を含まないガラス成分を用い、かつＴＣＲを±１００×１０^−６／℃以内に調整したガラスセラミック配線基板を得ることができる。その作用機構は明らかではないが、酸化チタンの高い反応性により、抵抗体の焼成時にガラス成分と酸化チタンとが反応し、本来は１０００〜１５００×１０^−６／℃程度の高いＴＣＲを示す鉛を含まないガラス系を、鉛ガラスと同等のＴＣＲを示すガラス成分に変質させたことによると思われる。

本発明のガラスセラミック配線基板について詳細に説明する。本発明において、ガラスセラミック配線基板の絶縁基板となるガラスセラミックスは、ガラスセラミックグリーンシートに配線導体を形成、積層した後に焼成することで得られる。

ガラスセラミックグリーンシートは、ガラス粉末，フィラー粉末，有機バインダに必要に応じて所定量の可塑剤，溶剤（有機溶剤，水等）を加えてスラリーを得て、これをドクターブレード、圧延、カレンダーロール、金型プレス等により厚さ約５０〜５００μｍに成形することによって得られる。

ガラスセラミックグリーンシートの表面に配線導体を形成するには、例えば導体材料粉末をペースト化した導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷する。導体材料としては、例えばＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ等の１種または２種以上が挙げられ、２種以上の場合は混合、合金、コーティング等のいずれの形態であってもよい。

ガラスセラミックグリーンシートの積層には、積み重ねたグリーンシートに熱と圧力を加えて熱圧着する方法や、有機バインダ，可塑剤，溶剤等から成る接着剤をガラスセラミックグリーンシート間に塗布して熱圧着する方法等が採用できる。

ガラスセラミックグリーンシートの積層後、有機成分の除去と焼成を行なう。有機成分の除去は、１００〜８００℃の温度範囲で積層体を加熱することによって行ない、有機成分を分解、揮散させる。また、焼成温度はガラスセラミック組成により異なるが、通常は約８００〜９００℃の範囲内である。焼成は通常、大気中で行なう。

このようにして配線導体が形成されたガラスセラミック配線基板を得る。

抵抗体は、ガラスセラミック配線基板の上面および下面の少なくとも一方に形成される。抵抗体は抵抗体ペーストを配線導体の所定位置に所定の形状および厚みで塗布、焼成することで形成される。このとき、抵抗体成分としては、抵抗特性の安定性のため一般的に酸化ルテニウム粉末が用いられる。抵抗体成分に絶縁体であるガラス粉末を混合することで抵抗値を所望の値に制御できる。このとき、ガラス成分として少なくとも硼素、ビスマスおよび珪素を含むガラスを用いる。このガラスを用いることで、鉛を含むことなくガラスセラミック表面に強固に密着する抵抗体を形成できる。

さらに、ＴＣＲ調整剤として酸化チタンを抵抗体成分とガラス成分を１００質量部に対して、５〜１０質量部添加する。酸化チタンを５〜１０質量部添加することでＴＣＲを降下させ、±１００×１０^−６／℃以内に調整することができる。酸化チタン無添加の抵抗体では、ＴＣＲは１０００〜１５００×１０^−６／℃程度を示すが、酸化チタンを５〜１０質量部添加することでＴＣＲを０×１０^−６／℃近くにまで降下させ、±１００×１０^−６／℃以内に調整することができる。酸化チタンの添加量が５質量部未満の場合、十分にＴＣＲが降下せず、±１００×１０^−６／℃を上回ることとなる。また、酸化チタンの添加量が１０質量部を超える場合、ＴＣＲが降下しすぎてしまい、±１００×１０^−６／℃を下回る。

抵抗成分、ガラス成分、ＴＣＲ調整剤の粉末それぞれを所定量混合し、有機バインダ、溶剤と混合して抵抗体ペーストを得る。抵抗体ペーストの塗布方法は、配線導体と同様のスクリーン印刷法により印刷する。抵抗体は配線導体との接続用の導体と重なり合うように塗布され、このために抵抗体と配線導体の接続部には、抵抗体の幅に応じた電極部が形成されている。また、配線導体の幅、抵抗体の幅、電極部の幅および形状は、必要な回路設計に応じて種々選択することができる。また、異種の材料から成る抵抗体と配線導体との接続による電気的および機械的不具合を緩和するために、抵抗体と配線導体および電極部との接合部に中間層を設ける等しても良い。

抵抗体を塗布した後、焼成する。焼成温度は通常８００〜９００℃であり、大気中で焼成する。このようにして抵抗体が形成されたガラスセラミック配線基板を得る。得られたガラスセラミック配線基板は、環境や人体に有害な鉛を含有しておらず、また５〜１０質量部の酸化チタンが添加されているため、ＴＣＲを±１００×１０^−６／℃以内に調整した抵抗体が形成されたガラスセラミック配線基板を得ることができる。

本発明のガラスセラミック配線基板の実施例について以下に説明する。

ガラスセラミック成分として、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２０_３−ＭｇＯ−Ｂ_２０_３−ＺｎＯ系結晶化ガラス粉末６０質量％、ＣａＺｒＯ_３粉末２０質量％、ＳｒＴｉＯ_３粉末１７質量％およびＡｌ_２Ｏ_３粉末３質量％を使用した。このガラスセラミック成分１００質量部に、有機バインダとしてアクリル樹脂１２質量部、フタル酸系可塑剤６質量部および溶剤としてトルエン３０質量部を加え、ボールミル法により混合しスラリーとした。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のガラスセラミックグリーンシートを成形した。

次に、このガラスセラミックグリーンシート上に銀ペーストを用いて導体パターンをスクリーン印刷にて形成した。導体ペーストとしては、平均粒径１μｍの銀粉末１００質量部に対して、Ａｌ_２Ｏ_３粉末２質量部および上記ガラスと同組成のガラス粉末２質量部、さらにビヒクル成分として所定量のエチルセルロース系樹脂，テルピネオールを加え、３本ロールにより適度な粘度になるように混合したものを用いた。

ガラスセラミック配線基板の表層および内層にあたるガラスセラミックグリーンシート表面には、所定の回路パターン形状で銀の配線導体パターンを印刷した。配線導体パターンを形成したのガラスセラミックグリーンシートの所定枚数を積み重ねて、真空積層機によって、温度５５℃，圧力２０ＭＰａの条件で圧着してガラスセラミックグリーンシート積層体を得た。

得られたガラスセラミックグリーンシート積層体をアルミナセッターに載置し、バッチ式焼成炉にて大気中５００℃で２時間加熱して有機成分を除去した後、９００℃で１時間焼成し、ガラスセラミック配線基板を得た。

得られたガラスセラミック配線基板の所定の位置に抵抗体パターンをスクリーン印刷にて塗布した。抵抗体ペーストは、抵抗体成分として二酸化ルテニウム粉末を９０質量％含むものを用いた。また、ガラス成分として、鉛を含まないＢｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス粉末１０質量％を用いた。さらに、ＴＣＲ調整剤として酸化チタンを表１に示す５種の添加量になるように加えた。さらに、ビヒクル成分として所定量のエチルセルロース系樹脂，テルピネオールを加え、３本ロールにより適度な粘度になるように混合したものを用いた。

抵抗体ペーストを塗布した後、焼成して抵抗体を形成した。焼成はバッチ式焼成炉にて大気中、８５０℃で１０分焼成し、抵抗体が形成されたガラスセラミック配線基板を得た。

得られた５種の異なる酸化チタン添加量のガラスセラミック配線基板それぞれのＴＣＲを測定した。ＴＣＲの測定は、−４０〜２５℃の低温ＴＣＲ、２５〜１５０℃の高温ＴＣＲそれぞれを測定した。ＴＣＲ範囲として、±１００×１０^−６／℃を規格とし、低温ＴＣＲ、高温ＴＣＲ両方が規格に入ることをもって実用に耐えるものと判断した。測定結果を表１に示す。

表１より、酸化チタンを添加することによりＴＣＲを降下させることができることがわかる。酸化チタンの添加量の増加に伴い低温ＴＣＲ、高温ＴＣＲともに降下し、規格の±１００×１０^−６／℃を満足する酸化チタンの添加量は、抵抗体成分とガラス成分との１００質量部に対して、５〜１０質量部であることが判明した。

Claims

ガラスセラミックス焼結体からなる絶縁基体と、該絶縁基体の表面に形成された配線層および抵抗体とからなるガラスセラミック配線基板であって、前記抵抗体は、抵抗体成分としての酸化ルテニウムと、ガラス成分としての硼素、ビスマスおよび珪素と、酸化チタンとを含んでおり、該酸化チタンは、その含有量が前記抵抗体成分および前記ガラス成分の１００質量部に対して５乃至１０質量部であることを特徴とするガラスセラミック配線基板。