JP2642253B2

JP2642253B2 - ガラス−セラミックス複合体

Info

Publication number: JP2642253B2
Application number: JP3033216A
Authority: JP
Inventors: 秀俊水谷; 一則三浦; 和夫近藤
Original assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Current assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: US5356841A; US5407871A; JPH04275975A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波絶縁材料，ＩＣ
パッケージ又は多層基板等に用いられる電気絶縁セラミ
ックス材料として、優れた物性を有するガラス−セラミ
ックス複合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子部品の基板等の電気絶縁
材料として、主に絶縁性に優れたアルミナが使用されて
いたが、近年になって、半導体チップの高速化や大型化
が進むに連れて、アルミナ基板では十分な特性が得られ
ないことがあった。つまり、アルミナ基板の誘電率が大
きく、しかも半導体チップと比較して熱膨張係数が大き
いため、信号の伝播遅延や半導体チップに加わる応力が
問題となってきた。

【０００３】また、半導体チップ等の基板に用いられる
導体としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の低抵抗導体が望ま
しいが、アルミナ基板はその焼成温度が高いために、高
融点金属しか導体として使用できず、そのため低融点の
金属である上記Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等は使用することがで
きなかった。

【０００４】そして、この様な問題を解消するために、
近年では低温焼成基板が開発されており、この低温焼成
基板としては、大別してガラス複合系，結晶化ガラス系
等が知られている。

【０００５】上記ガラス複合系では、アルミナに所定量
のアルカリ土類金属等を添加するもの（特開平２−１４
９４６４号公報参照），アルミナと比表面積を規定した
ガラス粉末とを使用するもの（特開昭６２−１１３７５
８号公報参照），ガラス組成物に高硬度の粉末を添加す
るとともに特定の結晶相を形成するもの（特開平２−２
２５３３８号公報参照）などが知られている。

【０００６】一方、結晶化ガラス系では、低誘電率・低
熱膨張係数の結晶化ガラス体（特公昭６３−３１４２０
号公報参照）や、結晶化ガラス中にＳｉＯ₂被膜を持た
せたセラミックス粒子を分散させたもの（特公昭６３−
６５０３号公報参照）などが知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の技術
のうち、ガラス複合系を使用するものでは、ガラスの強
度，寸法精度，誘電損失等の問題点があり、未だ十分で
はなく、一方、結晶化ガラス体を使用するものでは、次
のような問題点が残されており、必ずしも基板材料とし
て十分ではなかった。

【０００８】即ち、上記低誘電率・低熱膨張係数の結晶
化ガラス体では、強度が２０００Kg／cm²程度と低く、
また熱膨張係数が１６〜２６×１０^-7と低すぎるので、
例えばＩＣパッケージ等という応用を考えると十分とは
言えなかった。つまり、ＩＣパッケージには、端子等の
金具の接合及びハーメチックシールが不可欠であるの
で、基板強度が低くかつ熱膨張係数が低すぎる場合に、
ろう材又はガラス等で接合を行うと、基板に割れ等が発
生して接合が困難であるという問題があった。

【０００９】また、結晶化ガラス単体を用いる場合に
は、ある程度の強度を得るためには長時間の焼成が必要
であるので、作業コスト及び時間が多くかかり、原料費
も高いという問題もあった。

【００１０】本発明は、上記問題点を解決するためにな
され、その目的は、高い強度等の優れた物性を備えたガ
ラス−セラミックス複合体を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】即ち、上記目的を達する
ためになされた請求項１の発明は、ガラス組成が、Ｓｉ
Ｏ₂：４０〜５２重量％，Ａｌ₂Ｏ₃：２７〜３７重量
％，ＭｇＯ：１１〜１３重量％，Ｂ₂Ｏ₃：２〜８重量
％，ＣａＯ：２〜８重量％，ＺｒＯ₂：０.１〜３重量％
の範囲であり、かつコーディエライトを主結晶とする結
晶化ガラスと、アルミナ又はムライトのうち少なくとも
一方とを、重量比（８０〜５５）：（２０〜４５）の範
囲で含むことを特徴とするガラス−セラミックス複合体
を要旨とする。

【００１２】また、請求項２の発明は、ガラス組成が、
ＳｉＯ₂：４０〜５２重量％，Ａｌ₂Ｏ₃：２７〜３７重
量％，ＭｇＯ：１１〜１３重量％，Ｂ₂Ｏ₃：２〜８重量
％，ＣａＯ：２〜８重量％，ＺｒＯ₂：０.１〜３重量％
の範囲であるガラスと、アルミナ又はムライトのうち少
なくとも一方とを、重量比（８０〜５５）：（２０〜４
５）の範囲で含むことを特徴とするガラス−セラミック
ス複合体を要旨とする。

【００１３】

【作用】上記請求項１の発明のガラス−セラミックス複
合体においては、結晶化ガラスに、高強度で高熱膨張係
数を有するセラミックス粉末（アルミナ，ムライト）を
分散混合することにより、ガラスの靱性が向上するとと
もに強度が増加し、複合体全体としても熱膨張係数が向
上する。

【００１４】この様な複合材料における強度の増加因子
は、マトリックスと分散粒子の界面の結合があげられる
が、上記結晶化ガラスは、コーディエライトを主結晶と
して、残存ガラス層が良好な緻密体となっているととも
に、界面の結合が強固なものとなっているので、従来の
ガラス−セラミックス基板より少ないアルミナ添加量
で、アルミナ基板並の強度が得られる。

【００１５】また、低誘電率で低熱膨張係数の結晶化ガ
ラスマトリックスに、高強度で高膨張率のセラミックス
粉末を均一に分散させることにより、分散粒子がグリフ
ィス型欠陥の大きさを抑制するとともに、亀裂の発達・
伝播に要するエネルギーを高める。

【００１６】更に、マトリックスの熱膨張係数よりも分
散粒子の熱膨張係数の方が大きいため、冷却の間に分散
粒子とマトリックスとの界面で、放射状に引張り応力が
働くので、マトリックスは接線方向に圧縮応力を受け、
強度の増加が得られる。

【００１７】この様に、上記作用によって、本発明のガ
ラス−セラミックス複合体は、結晶化ガラス単体よりも
高強度で高熱膨張係数となり、それによって、基板の強
度が増加して金具等の接合が可能となるとともに、従来
のアルミナ基板より低誘電率の材料が得られることにな
る。

【００１８】尚、一般のガラス−セラミックス複合体
は、５０〜６０重量％のセラミックス粉末を添加するこ
とにより強度を高めているが、本発明の場合には、ガラ
ス組成が結晶相を多く析出させる組成域にあるために、
ガラス軟化時の粘性が高くなり、結果として強度が向上
する。つまり、セラミックス粉末の添加量が４５重量％
を越えると、その高い粘性のために、ガラスがセラミッ
クス粒子を十分に覆うことができず、吸水性が生ずる
が、本発明では、上記結晶相が多いために、セラミック
ス粒子の添加量を少なくすることができ、それによっ
て、吸水性を生ずることなく高強度体が得られるもので
ある。

【００１９】また、上記請求項２の発明のガラス−セラ
ミックス複合体では、例えば昇温速度等の複合体の製造
条件によっては、ガラスは必ずしも結晶化ガラスではな
く非晶質のガラスとなることもあるが、その場合でも、
上記組成でガラス−セラミックス複合体が形成されるこ
とによって、ガラスの緻密化が促進されるので、抗折強
度が向上することになる。

【００２０】尚、上記請求項１，２のアルミナ又はムラ
イトの量は、２０重量％よりも少ないと、結晶化ガラス
単体と比較して、誘電率及び熱膨張係数が高くなるだけ
で、強度が向上する効果が見られず、一方、４５重量％
を越えると、内部ポアが大きくなると同時に吸水率が０
にならず、基板材料として適さない。

【００２１】

【実施例】以下に本発明によるガラス−セラミックス複
合体の具体的実施例について、その製造方法及び性能試
験の結果を説明する。

【００２２】下記表１に示したガラス組成（組成No１〜
５）になる様に、原料粉末ＣａＣＯ ₃，Ａｌ（ＯＨ）₃，
ＳｉＯ₂，ＭｇＣＯ₃，Ｈ₃ＢＯ，ＺｒＯ₂を秤量し、それ
らを混合した。その後、この混合物を白金ルツボ（Ｐｔ
９０％，Ｒｈ１０％）にて、１４００〜１５００℃の温
度で溶融した（尚、アルミナ質ルツボを用いてもよ
い）。次に、この溶融物を水中に投下してフリットを形
成し、このフリットをアルミナ製ボールミルで粉砕し、
平均粒径３μｍ以下，比表面積４m²／g以上のガラス粉
末を製造した。尚、上記表１には、後述する比較例のガ
ラス組成の試料（組成No６，７）も併せて記載した。

【００２３】

【表１】このガラス粉末と市販の純度９９.９％のアルミナ粉
末又は純度９９.９％のムライトの粉末とを、下記表２
に示す所定の重量％（wt％）の割合で混合し、周知のグ
リーンシート法或は金型プレスにより成形体とした。そ
して、この成形体を、昇温速度１８０℃／時間で、９０
０〜１０００℃の温度で焼成して、ガラス−セラミック
ス複合体（焼成品No１〜１０）を製造した。

【００２４】そして、この様にして得られたガラス−セ
ラミックス複合体の特性を測定した。この測定では、Ｘ
線回折によりコーディエライト結晶の存在を確認し、吸
水率・比誘電率・熱膨張係数についてはＪＩＳＣ２１４
１に準じ、抗折強度についてはＪＩＳＲ１６０１に準じ
て行った。その結果、コーディエライトが主結晶として
存在することが確認された。この複合体の特性を下記表
２に併せて示す。

【００２５】

【表２】この表２から明らかな様に、本実施例のガラス−セラ
ミックス複合体は、寸法精度が高く吸水率が０の極めて
優れた緻密体である。更にセラミックス粒子の添加量の
増加につれて、熱膨張係数及び抗折強度は増加するとい
う特徴を有する。つまり、下記表３にも記す様に、従来
のアルミナ基板よりも比誘電率は大幅に減少するととも
に、従来の結晶化ガラス体よりも大きな熱膨張係数を有
し、しかも３０００Kg／cm²前後の大きな抗折強度を有
する材料となる。

【００２６】（比較例）次に、比較例として、上記実施
例及び比較例のガラスの組成No１，３，６，７の材料を
使用して、下記表３に示す様なガラスとセラミックスと
の混合比で、ガラス−セラミックス複合体（焼成品No１
１〜１９）を製造し、その特性を調べた。その結果を、
同じく表３に記す。

【００２７】尚、ここで焼成品No１１のものは、結晶化
ガラス単体の例であり、焼成品No１２のものは、純度９
９.９％のアルミナ粉末を用いたものである。また、焼
成品No１３〜１６のものは、ガラスの組成は上記実施例
と同様であるが、ガラスとセラミックスの混合比が上記
実施例の範囲外であり、更に、焼成品No１７〜２０のも
のは、ガラスとセラミックスの混合比は上記実施例と同
様であるが、ガラスの組成は上記実施例の範囲外であ
る。尚、焼成品No１２は１６００℃で焼成し、それ以外
の焼成品No１１〜２０は昇温速度１８０℃／時間で焼成
した。

【００２８】

【表３】この表３から明らかな様に、セラミックス粉末（アル
ミナ＋ムライト）の添加量が２０重量％より少ないもの
（焼成品No１３，１４）の特性は、結晶化ガラス単体
（焼成品No１１）の特性に比べて、強度の増加の効果が
ほとんど無い。また、セラミックス粉末の添加量が４５
重量％を越えるもの（焼成品No１５，１６）は、緻密化
が不十分になって吸水性があり、抗折強度も２０００kg
／cm²以下と結晶化ガラス単体よりも低くなっている。

【００２９】また、本発明のガラス組成の範囲外のもの
（焼成品No１７〜２０）も、緻密化が不十分であり実用
上十分でない。（他の実験例）更に、他の実験例として、上記実施例の
焼結品No１〜１０と同様の材料を使用した基板と、比較
例として結晶化ガラス単体を使用した基板とを製造し、
それらの基板に対して、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｕろう材を用い
て、６００〜７００℃の温度でコバールリングをろう付
けして、金具の接合状態を観察した。

【００３０】その結果、比較例の結晶化ガラス単体から
なる基板では、熱膨張係数の差及び強度の関係で、基板
の割れ等が生じたが、本実施例のガラス−セラミックス
複合体を用いたものでは、基板に割れはなく良好な接合
状態であった。

【００３１】上述した様に、本実施例のガラス−セラミ
ックス複合体は、上記ガラス組成の材料を使用するとと
もに、上記混合比のガラスとセラミックスとを使用して
いるので、緻密で吸水性がなく、低い誘電率，高い熱膨
張係数及び高い抗折強度を有しており、ＩＣパッケージ
等に好適に適用できる。

【００３２】また、本実施例のガラス−セラミックス複
合体は、上述した特公昭６３−３１４２０号に記載の結
晶化ガラスに比べて、熱膨張係数及び抗折強度が大幅に
増加するので、金具接合やハーメチックシールが可能に
なるという効果がある。

【００３３】本実施例のガラス−セラミックス複合体
は、アルミナ又はムライトの添加により、上記特開平２
−２２５３３８号に記載のガラスセラミック焼結体に比
べて、より緻密で、しかも３０００kg／cm²前後の高い
抗折強度が得られる。また、ジルコニアを大量に含有し
ていないので、α線等による悪影響が少なく、基板とし
て好適である。

【００３４】更に、本実施例のガラス−セラミックス複
合体は、上記特開昭６２−１１３７５８号に記載の結晶
化ガラスに比べて、得られる結晶化ガラスの結晶度が高
いので、アルミナの添加量が少なくても高い強度が得ら
れる。また、アルミナの添加量が少ないので、ガラスと
アルミナ界面との濡れが良好となり、内部のボイドが削
減できる。従って、多層基板等の用途に使用する場合
に、基板の表面粗さが好適であり、微細なピッチの配線
が可能となる。

【００３５】（他の実施例）次に、他の実施例について
説明する。本実施例では、上記実施例の昇温速度より非
常に大きな昇温速度（例えば１８００℃／時間）を採用
して焼成を行った。

【００３６】そして、昇温速度以外は上記実施例と同様
にしてガラス−セラミックス複合体を製造し、その特性
を測定した。下記表４にその複合体の組成及び特性を記
す。

【００３７】

【表４】本実施例では、昇温速度が速いためガラスは非晶質の
ままであり、また、この表４から明かな様に、上記焼成
品No９，１０と比較して比誘電率や熱膨張係数は大きく
なるが、ガラス自体は緻密体となるので抗折強度は上記
実施例と殆ど変わらない。

【００３８】従って、例えばＡｇメタライズ等のメタラ
イズと同時焼成を行なう場合、昇温速度が高いので、メ
タライズの基板内部への拡散を抑制することができると
いう利点がある。

【００３９】

【発明の効果】請求項１の発明のガラス−セラミックス
複合体は、コーディエライトを主結晶とし所定のガラス
組成を有する結晶化ガラスとセラミックスとを、所定の
重量比の範囲で含むものである。従って、この複合体
は、高い強度と高い熱膨張係数と低い誘電率とを備えて
いるので、端子等の金具の接合及びハーメチックシール
を支障なく行なうことができ、ＩＣパッケージ等に好適
に用いることができる。また、表面が緻密でしかも吸水
性がないので、ＩＣパッケージに限らず多層基板等にも
応用でき、多層基板に用いる場合には微細なピッチの配
線が可能である。

【００４０】また、請求項２の発明のガラス−セラミッ
クス複合体は、所定のガラス組成を有するガラスとセラ
ミックスとを、所定の重量比の範囲で含むものである。
従って、例えば高い昇温速度を採用することによって、
メタライズと同時焼成を行なう場合に、メタライズの基
板内部への拡散を抑制することができる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラス組成が、ＳｉＯ₂：４０〜５２重量
％，Ａｌ₂Ｏ₃：２７〜３７重量％，ＭｇＯ：１１〜１３
重量％，Ｂ₂Ｏ₃：２〜８重量％，ＣａＯ：２〜８重量
％，ＺｒＯ₂：０.１〜３重量％の範囲であり、かつコー
ディエライトを主結晶とする結晶化ガラスと、アルミナ
又はムライトのうち少なくとも一方とを、重量比（８０
〜５５）：（２０〜４５）の範囲で含むことを特徴とす
るガラス−セラミックス複合体。
【請求項２】ガラス組成が、ＳｉＯ₂：４０〜５２重量
％，Ａｌ₂Ｏ₃：２７〜３７重量％，ＭｇＯ：１１〜１３
重量％，Ｂ₂Ｏ₃：２〜８重量％，ＣａＯ：２〜８重量
％，ＺｒＯ₂：０.１〜３重量％の範囲であるガラスと、
アルミナ又はムライトのうち少なくとも一方とを、重量
比（８０〜５５）：（２０〜４５）の範囲で含むことを
特徴とするガラス−セラミックス複合体。