JP2624149B2

JP2624149B2 - 低温焼成ガラスセラミック基板用組成物

Info

Publication number: JP2624149B2
Application number: JP5279632A
Authority: JP
Inventors: 康人工藤
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1993-11-09
Filing date: 1993-11-09
Publication date: 1997-06-25
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: JPH07135379A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低温焼成ガラスセラミ
ック基板用組成物に関する。

【０００２】

【従来の技術】ハイブリッドＩＣ、マルチチップモジュ
ール等の多層回路基板には、ガラス粉とセラミックフィ
ラーとを混合した低温焼成ガラスセラミック基板用組成
物が使用される。前記低温焼成ガラスセラミック基板用
組成物は、８００〜１０００℃の低い温度で焼成するこ
とにより、シリコンチップの熱膨張係数に近く機械的強
度の大きい基板が得られることが要求されている。

【０００３】従来は、アルミナ、ムライト、コーディラ
イト、ジルコン、フォルステライト、ジルコニア、石英
などのセラミックフィラーと、軟化点が５００〜８００
℃程度の、アルミノ硼珪酸をベースに酸化鉛、アルカリ
土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物、酸化亜鉛等を含
有したガラス粉とからなる組成物が用いられる。特に近
年は、アルミナ粉と主結晶がコーディエライト、ガーナ
イトあるいはウィルマイトの結晶化ガラスとを含む組成
物が知られている（特開平２−３２５８７、特開平４−
３２１２５８）。

【０００４】しかし、これらの組成物によっても得られ
た基板の坑折強度は１５０〜２５０ＭＰａ程度しかな
く、通常のアルミナ基板の坑折強度３２０〜５００ＭＰ
ａに比較して弱い。また、欠けたり割れたりし易くハン
ドリング中に破損することが度々生じる。さらに、銀ペ
ーストと同時焼成すると基板の銀配線の周辺にマイクロ
クラックが発生して、良好な配線が得られないことも度
々生じる問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、坑折強度の
高い、欠けたり割れたりしにくく、さらには銀ペースト
との同時焼成時に銀配線の周辺にマイクロクラックの発
生しない基板を得る低温焼成ガラスセラミック基板用組
成物を提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題は、無機成分が
３５〜５５重量％のアルミナ粉と６５〜４５重量％の結
晶化ガラス粉とからなり、該結晶化ガラス粉が本質的に
ＳｉＯ₂ １５〜３０重量％、ＺｎＯ２３〜３５重量
％、Ｂ₂Ｏ₃ １０〜１５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃ １６〜２４
重量％、ＣａＯ５〜１５重量％、ＣｕＯ０．１〜１
重量％からなり、析出する主結晶相がガーナイトである
ことを特徴とする低温焼成ガラスセラミック基板用組成
物により解決される。

【０００７】

【作用】本発明におけるガラス粉は温度８３０〜９６０
℃でガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）結晶を析出する。
即ち、基板はアルミナ相とガラスマトリックスに結晶相
としてガーナイトが析出したガラス相から構成されてい
る。前記アルミナ相の線熱膨張率は約７５×１０^-7／℃
であり、前記ガラスマトリックスの線熱膨張率は約４０
〜５０×１０^-7／℃であり、前記ガーナイトの線熱膨張
率は約７７×１０−７／℃である。また、前記アルミナ
相、前記ガラスマトリックス及び前記ガーナイトの中で
ガラスマトリックスが最も機械的強度が小さい。

【０００８】結晶相がコーデイエライト（ＭｇＯ・Ａｌ
₂Ｏ₃、線熱膨張率約２６×１０−７／℃）、ウィレマイ
ト（２ＺｎＯ・ＳｉＯ₂、線熱膨張率約３２×１０^-7／
℃）などの前記ガラスマトリックスより線熱膨張率が低
いと、焼結後の冷却に伴う温度変化によりガラスマトリ
ックスには過大な引っ張り応力が発生する。その結果機
械的強度の小さいガラスマトリックスにマイクロクラッ
クが発生すると考えられる。一方、ガーナイトはガラス
マトリックスより線熱膨張率が高いため、ガラスマトリ
ックスには圧縮応力が働き、マイクロクラックが発生し
ないと考えられる。その結果、結晶相をガーナイトとす
ることにより機械的強度の優れた基板が得られる。

【０００９】また、本発明における基板はアノーサイト
（ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、線熱膨張率約４８×１０−７／
℃）結晶も同時に析出することもあるが、その析出量は
Ｘ線回折による同定法において最大ピークが僅かに認め
られる程度に微量であり、基板の機械的特性に及ぼする
効果は無視できる。

【００１０】ガラス粉は通常の方法で製造できる。例え
ば、炭酸塩、珪酸塩等の原料を前記のガラス組成になる
ように調合し、良く混合して、白金るつぼに充填して温
度約１４００℃で熔融撹拌した後に、ローラークエンチ
ング法や水冷法により急冷してガラス塊とする。前記ガ
ラス塊をボールミル等で粉砕すればガラス粉が得られ
る。ガラス粉の平均粒径０．５〜３μｍ、特に約１μｍ
のものが好ましい。

【００１１】次に、組成の限定理由を説明する。ＳｉＯ
₂はガラスの形成に必須な成分で、１５重量％未満であ
るとガラスの機械的強度が劣ってしまい、３０重量％を
越えると線熱膨張率の低いウィレマイトが析出してやは
り機械的強度が劣ってしまう。ＺｎＯはガーナイトの構
成元素であり、２３重量％未満であるとガーナイトの析
出量が少なくガラスの機械的強度が劣ってしまい、３５
重量％を越えると焼結が十分進行する前にガーナイトが
急激に析出して該ガーナイトが焼結が十分進行しない。

【００１２】Ｂ₂Ｏ₃は溶剤の働きをし、１０重量％未満
であるとガラスの軟化点が高くなり過ぎ、結晶化温度の
１０００℃以下では基板の焼結が十分に進行しない。一
方、１５重量％を越えると大気中の水分の作用によりグ
リーンシートあるいは基板から硼酸が溶出してしまうば
かりか、ガラス相は安定な非晶質ガラスとなり結晶化が
十分行われない。Ａｌ₂Ｏ₃はガーナイトの構成元素であ
り、１６重量％未満であるとガーナイトが析出しなかっ
たりその析出量が少なく、更にはウィレマイトが析出し
て機械的強度が劣ってしまう。一方、２４重量％を越え
るとガラスの軟化点が高くなり過ぎ、結晶化温度の１０
００℃以下では基板の焼結が十分に進行しない。

【００１３】ＣａＯは溶剤の働きをするが、一方でガラ
スの結晶化後に残存ガラス中のＢ２Ｏ３濃度が増えて耐
水性が低下するのを防ぐため５重量％以上でなければな
らない。１５重量％を越えるとガラスの軟化点が高くな
り過ぎて基板の焼結が十分進行しない。ＣｕＯは０．１
重量％以上添加するとガラスの機械的強度を向上させる
ばかりでなくＡｇ導体ペースト周辺部のマイクロクラッ
クの発生を防止する。１重量％を越えると基板は発泡し
てしまい、誘電率を低下させる。

【００１４】なお、熔融るつぼや混合機等から混入する
アルカリ金属、鉄等の不可避不純物量は０．１重量％以
下であれば基板の性質に悪影響を及ぼさない。

【００１５】セラミックフィラーとしては種々検討した
結果アルミナが基板の機械的強度が最も高く優れてい
た。アルミナは一般の市販品が使用できるが、平均粒径
０．４〜２μｍのものが好ましい。

【００１６】前記ガラス粉と前記アルミナ粉をボールミ
ル等の通常の方法で混合する。その混合比率は、ガラス
粉４５〜６５重量％にたいしてアルミナ粉が残りの５５
〜３５重量％とすれば良い。ガラス粉が４５重量％未満
であると、熔融時にアルミナ粉表面を濡らすに十分なガ
ラス量とならないため焼結が十分進行せず基板の機械的
強度が低下してしまう、一方、６５重量％を越えるとガ
ラスマトリックスの容積率が増え過ぎ基板の機械的強度
が低下してしまうばかりでなく焼成中にセッターと融着
してしまい、取り出し時に基板が破損してしまう。

【００１７】前記の配合比率は前記ガラス粉の軟化点、
ガラス粉の平均粒径及び前記アルミナ粉の平均粒径によ
り最適な配合比率を選択すれば良い。概ねガラス粉の軟
化点が低いほど、あるいはアルミナ粉に比してガラス粉
の平均粒径が小さいほど、アルミナ粉の配合比率を増や
すのが好ましい。

【００１８】前記のガラス粉とアルミナ粉の混合粉をバ
インダー、可塑剤、溶剤とから共に混練してスラリー化
し、ドクターブレード法等によりグリーンシートを製作
する。グリーンシートの厚さは特に制限はないが、一般
的には３０〜２００μｍ程度にする。

【００１９】前記のバインダーとしては、例えばポリビ
ニルブチラール、メタアクリルポリマー、アクリルポリ
マー等を使用でき、前記溶剤としてはアルコール類、ケ
トン類、塩素系有機溶剤等が使用できる。

【００２０】前記グリーンシートを任意形状に切断後、
導体ペースト等をスルーホールに充填し、配線印刷した
ものを複数枚積層し、ホットプレス機等で加圧して一体
化して積層体とする。ホットプレスは一般に圧力５０〜
３００ｋｇｆ／ｃｍ²、温度６０〜９０℃でおこなえば
良い。前記積層体をセッターに載せ、例えば温度４５０
〜６００℃で加熱して有機物を除去した後、温度８２０
〜１０００℃で焼成して基板を作製する。

【００２１】

【実施例】試薬のＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｚｎ
Ｏ、ＣａＣＯ₃、ＣｕＯを種種の所定量秤量し、擂潰機
で混合したものを白金るつぼに入れて１４００℃で溶融
した。前記の溶融物を白金棒で良く混合した後に、水に
投入して急冷してガラス塊を得た。該ガラス塊をスタン
プミルで約２００μｍ以下の粒度まで粉砕し、続いてボ
ールミルにより平均粒径１〜２μｍになるまで粉砕して
ガラス粉とした。該ガラス粉と平均粒径１．６μｍのア
ルミナ粉（昭和電工株式会社製商品名Ａｌ−４５−
１）とを所定量混合して種々の組成の低温焼成ガラスセ
ラミック基板用組成物を得た。

【００２２】前記低温焼成ガラスセラミック基板用組成
物１００重量部に、ポリビニルブチラール９重量部、フ
タル酸ジイソブチル７重量部、オレイン酸１重量部、イ
ソプロピルアルコール４０重量部、トリクロロエタン２
０重量部を加えて、ボールミルで２４時間混合してスラ
リーとした。

【００２３】前記スラリーを真空脱泡した後に、ドクタ
ーブレード法により成形して厚さ１３０μｍのグリーン
シートを作製した。Ａｇ粉を４重量％のターピネオール
液に分散させた銀ペーストを印刷して回路を形成したも
のを８枚積層し、圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ²で温度８５
℃で加圧成形し積層体とした。該積層体をアルミナ製セ
ッター上に置き、温度５２０℃、３時間加熱して有機物
を除去した後、続いて温度９００℃、１時間大気中で焼
成して基板を得た。

【００２４】前記基板の断面を研磨し光学顕微鏡で観察
して、銀配線周辺部のマイクロクラック及び前記基板の
発泡の有無を調べた。結果を表１及び表２に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】さらに、銀ペーストを印刷しない外は前記
と同様にして基板を作製した。該基板の厚さは１ｍｍで
あった。該基板を幅１０ｍｍ長さ４０ｍｍに切断したも
のを、支点間距離３０ｍｍ、加圧速度０．５ｍｍ／分で
ＪＩＳＲ１６０１に準拠して、常温で３点曲げ坑折
試験により坑折強度を測定した。また、前記基板をＸ線
回折法によりガラスマトリックス中の結晶相の同定を行
った。結果を併せて表１及び表２に示す。

【００２８】更に、アルミナ粉の代わりに平均粒径１〜
２μｍのムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）粉、セル
シアン（ＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）粉或いはジル
コン（ＺｒＯ・ＳｉＯ₂）粉を使用した以外は前記と同
様にして基板を作製し、前記と同様な試験を行った。結
果を表３に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】実施例３はガーナイトが結晶相として有し
ており、他の実施例はガーナイトの外に微量のアノーサ
イトが認められたがその析出量は微量であった。また、
実施例１０及び比較例１７〜１８から、結晶化ガラスの
外に添加するセラミック粉としてはアルミナ粉が最も優
れているいることが分かる。

【００３１】

【発明の効果】本発明により、坑接強度の高い、欠けた
り割れたりしにくく、さらには銀ペーストとの同時焼成
時に銀配線の周辺にマイクロクラックの発生しない基板
を得る低温焼成ガラスセラミック基板用組成物を提供す
ることができた。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】無機成分が３５〜５５重量％のアルミナ
粉と６５〜４５重量％の結晶化ガラス粉とからなり、該
結晶化ガラス粉が、本質的にＳｉＯ₂ １５〜３０重量
％、ＺｎＯ２３〜３５重量％、Ｂ₂Ｏ₃ １０〜１５重
量％、Ａｌ₂Ｏ₃ １６〜２４重量％、ＣａＯ５〜１５
重量％、ＣｕＯ０．１〜１重量％からなり、析出する
主結晶相がガーナイトである低温焼成ガラスセラミック
基板用組成物。