JP2727651B2 - Ceramic substrate - Google Patents

Ceramic substrate

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JP2727651B2 JP1120398A JP12039889A JP2727651B2 JP 2727651 B2 JP2727651 B2 JP 2727651B2 JP 1120398 A JP1120398 A JP 1120398A JP 12039889 A JP12039889 A JP 12039889A JP 2727651 B2 JP2727651 B2 JP 2727651B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、セラミックス基板に関する。The present invention relates to a ceramic substrate.

[従来の技術] 従来、マイクロエレクトロニクス用基板やパッケージ
に用いられているAl2O3基板は、熱膨張係数が75×10-7
-1とSiチップの熱膨張係数(45〜40×10-7-1)に比
較して非常に大きく、Al2O3基板やパッケージとSiチッ
プの接合部の信頼性に乏しく、かつ、Al2O3の誘電率
は、9〜11と高く、高周波回路には不向きな面を持って
いた。
[Prior Art] Conventionally, Al 2 O 3 substrate used in the substrate or package microelectronics, thermal expansion coefficient of 75 × 10 -7
-1 and the thermal expansion coefficient of the Si chip (45-40 × 10 -7-1 ), which is very large, and the reliability of the junction between the Al 2 O 3 substrate and package and the Si chip is poor. , Al 2 O 3 had a high dielectric constant of 9 to 11, and had a surface unsuitable for high-frequency circuits.

また従来、1000℃以下で焼結できるため、低抵抗のA
g、Ag−Pd、Cu等を配線用等の導体として使用できる多
層セラミックス基板に関して、SiO2−BaO−B2O3−Al2O3
−TiO2からなるもの(例えば特開昭61−281403号公報)
やCaO−Al2O3−SiO2等からなるもの(例えば特開昭60−
257195号公報)等が提案されている。しかしこれらの多
層セラミックス基板の抗折強度は1500〜2000kg/cm2程度
であり、Al2O3基板の3000kg/cm2より小さく、製造工程
中で割れてしまう等の問題があった。
Conventionally, since it can be sintered at 1000 ° C or less, low resistance A
g, Ag-Pd, Cu, etc. for multilayer ceramic substrates that can be used as conductors for wiring etc., SiO 2 -BaO-B 2 O 3 -Al 2 O 3
—Comprising TiO 2 (for example, JP-A-61-281403)
And CaO-Al 2 O 3 made of -SiO 2, etc. (for example, JP-60-
257195) and the like. However the flexural strength of these multilayer ceramic substrate is about 1500~2000kg / cm 2, Al 2 O 3 less than 3000 kg / cm 2 of substrate, there are problems such as cracked during the manufacturing process.

また、1000℃以下で焼結できるものとして提案されて
いる多層セラミックス基板(特公昭59−22399号公報)
は、抗折強度が3000kg/cm2以上を達成しているが、誘電
率が高いという欠点があった。
In addition, a multilayer ceramic substrate that can be sintered at a temperature of 1000 ° C. or lower (Japanese Patent Publication No. 59-22399)
Has achieved a transverse rupture strength of 3000 kg / cm 2 or more, but had the disadvantage of a high dielectric constant.

[発明の解決しようとする問題点] 本発明は従来技術の有していた前述の欠点を解消する
ものであり、抗折強度に優れ誘電率が低く、かつ、熱膨
張係数がSiチップに近いセラミックス基板の提供を目的
とする。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention solves the above-mentioned drawbacks of the prior art, has excellent bending strength, low dielectric constant, and a thermal expansion coefficient close to that of a Si chip. The purpose is to provide a ceramic substrate.

[問題点を解決するための手段] 本発明は、無機成分が重量%表示、酸化物換算で実質
的にAl2O3 60〜91、SiO2 5〜30、PbO 3〜20、B2O3
0.5〜15、アルカリ土類金属酸化物 0.5〜15、Ti、Zr
及びHfの酸化物から選ばれる1種以上(以下、Ti+Zr+
Hfの酸化物という) 0〜0.008、からなるセラミック
ス基板を提供する。
[Means for Solving the Problems] According to the present invention, the inorganic components are expressed in terms of% by weight, substantially in terms of oxide, Al 2 O 3 60 to 91, SiO 2 5 to 30, PbO 3 to 20, B 2 O Three
0.5-15, alkaline earth metal oxide 0.5-15, Ti, Zr
And at least one selected from oxides of Hf and Hf (hereinafter, Ti + Zr +
A ceramic substrate comprising Hf oxide).

本発明において%は特に表記しない限り重量%を意味
する。
In the present invention,% means% by weight unless otherwise specified.

本発明のセラミックス基板は、Al2O3を最も多く含ん
でおり、Al2O3の含有量は本発明にかかるセラミックス
基板の強度及び配線用等の導体との反応性に関係する。
Al2O3が60%未満ではセラミックス基板と表面導体との
反応性が高まり、その結果、導体の半田濡れ性を阻害
し、91%超では誘電率が9.0を超えて高くなる。また、A
l2O3の含有量が多い方がセラミックス基板の抗折強度は
大きくなる傾向にある。以上の点を鑑みるとAl2O3の必
要な範囲は60〜91%である。また望ましい範囲は60〜80
%であり、特に望ましい範囲は60〜70%である。
Ceramic substrate of the present invention includes most of the Al 2 O 3, Al 2 O 3 content is related to the reactivity of the conductor of the strength and the like for wiring of the ceramic substrate according to the present invention.
If the content of Al 2 O 3 is less than 60%, the reactivity between the ceramic substrate and the surface conductor is increased. As a result, the solder wettability of the conductor is hindered. If the content exceeds 91%, the dielectric constant exceeds 9.0 and becomes high. Also, A
As the content of l 2 O 3 increases, the bending strength of the ceramic substrate tends to increase. In view of the above, the required range of Al 2 O 3 is 60 to 91%. Also desirable range is 60-80
%, And a particularly desirable range is 60 to 70%.

SiO2は5%未満ではセラミックス基板が焼結しにくく
なり、30%超では抗折強度が低下するので、5〜30%が
必要である。望ましい範囲は10〜20%であり、特に望ま
しい範囲は15〜19%である。
If the content of SiO 2 is less than 5%, the ceramic substrate becomes difficult to sinter, and if it exceeds 30%, the transverse rupture strength is reduced, so 5 to 30% is necessary. A desirable range is 10 to 20%, and a particularly desirable range is 15 to 19%.

PbOは3%未満ではセラミックス基板が焼結不良とな
り、20%超ではセラミックス基板の誘電率が大きくなる
ので、必要な範囲は3〜20%である。望ましい範囲は10
〜18%であり、特に望ましい範囲は14〜17%である。
If the content of PbO is less than 3%, the ceramic substrate becomes poor in sintering, and if it exceeds 20%, the dielectric constant of the ceramic substrate becomes large, so the necessary range is 3 to 20%. Desirable range is 10
-18%, with a particularly desirable range being 14-17%.

B2O3はフラックス成分であり0.5%未満では効果がな
い。15%超では耐水性が低下するので、必要な範囲は0.
5〜15%である。望ましい範囲は1〜5%であり、特に
望ましい範囲は1〜3%である。
B 2 O 3 is a flux component and is ineffective at less than 0.5%. If it exceeds 15%, the water resistance decreases, so the necessary range is 0.
5 to 15%. A desirable range is 1 to 5%, and a particularly desirable range is 1 to 3%.

アルカリ土類金属酸化物が0.5%未満では焼結不良に
なり、15%超ではセラミックス基板の誘電率が大きくな
る。望ましい範囲は1〜5%であり、特に望ましい範囲
は1.5〜3%である。
If the alkaline earth metal oxide content is less than 0.5%, sintering will be poor, and if it exceeds 15%, the dielectric constant of the ceramic substrate will increase. A desirable range is 1 to 5%, and a particularly desirable range is 1.5 to 3%.

Ti+Zr+Hfの酸化物は、0.008%超では誘電率が悪く
なる。望ましい範囲は0.005%以下である。なお、Ti+Z
r+Hfの酸化物は、それらの酸化物のうち、1種または
2種であってもよい。
If the oxide of Ti + Zr + Hf exceeds 0.008%, the dielectric constant becomes poor. A desirable range is 0.005% or less. In addition, Ti + Z
The oxide of r + Hf may be one or two of these oxides.

なお、本発明のセラミックス基板を構成する成分は、
結晶質、非晶質、両者の併存するもの、のいずれであっ
てもよい。
The components constituting the ceramic substrate of the present invention include:
It may be crystalline, amorphous, or both.

本発明のセラミックス基板は、例えば、次のようにし
て製造される。
The ceramic substrate of the present invention is manufactured, for example, as follows.

目標組成の粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤を添
加し混練してスラリーを作成する。この有機バインダー
としては、ブチラール樹脂、アクリル樹脂、可塑剤とし
てはフタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸
ブチルベンジル、溶剤としては、トルエン、アルコール
等いずれも常用されているものが使用できる。
An organic binder, a plasticizer, and a solvent are added to powder having a target composition, and the mixture is kneaded to form a slurry. As the organic binder, a butyral resin and an acrylic resin, as a plasticizer, dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, and butyl benzyl phthalate, and as a solvent, toluene, alcohol, or the like can be used.

さらには、導体材料として、Cu、W、Mo−Mn等の空気
中で酸化される金属を用いる場合には、窒素等の不活性
雰囲気又は窒素−水素雰囲気中で、焼成する必要があ
り、その場合、セラミックス基板中の脱バインダーを促
進するため、酸化剤として、Cr2O3、V2O5、CeO2、CoO、
SnO2を単独又は混合で0.1〜10%添加するのが望まし
い。
Furthermore, when a metal oxidized in air such as Cu, W, and Mo-Mn is used as the conductor material, it is necessary to perform firing in an inert atmosphere such as nitrogen or a nitrogen-hydrogen atmosphere. In the case, in order to promote the binder removal in the ceramic substrate, as an oxidizing agent, Cr 2 O 3 , V 2 O 5 , CeO 2 , CoO,
It is desirable to add 0.1% to 10% of SnO 2 alone or mixed.

添加量が10%超では本発明にかかるセラミックス基板
の絶縁抵抗値が低下するので好ましくなく、0.1%未満
では脱バインダーが促進されにくくなるので好ましくな
い。上記酸化剤の添加量の望ましい範囲は1〜5%であ
り、特に望ましい範囲は1.5〜3%である。
If the addition amount exceeds 10%, the insulation resistance value of the ceramic substrate according to the present invention decreases, so that it is not preferable. If it is less than 0.1%, the removal of the binder becomes difficult to be promoted. A desirable range of the addition amount of the oxidizing agent is 1 to 5%, and a particularly desirable range is 1.5 to 3%.

次いで、このペーストをシートに成形し、乾燥するこ
とにより未焼結のシート、いわゆるグリーンシートが作
成される。次いで、このグリーンシートにビアホール用
等の穴を開け、片面にCu、Ag、Ag−Pd、Au、Au−Pt、N
i、W、Mo−Mn等のペーストを所定の回路に厚膜印刷す
る。このとき、ビアホールにはCu、Ag、Ag−Pd、Au、Au
−Pt、Ni、W、Mo−Mn等のペーストが満たされる。
Next, the paste is formed into a sheet and dried to form an unsintered sheet, a so-called green sheet. Next, holes for via holes and the like were made in the green sheet, and Cu, Ag, Ag-Pd, Au, Au-Pt, N
A thick film printing of a paste of i, W, Mo-Mn or the like is performed on a predetermined circuit. At this time, Cu, Ag, Ag-Pd, Au, Au
-Filled with pastes such as Pt, Ni, W, Mo-Mn.

次に、これらの印刷グリーンシートを所定の枚数重ね
合わせ、熱圧着により積層化し、焼成して、多層セラミ
ックス基板となる。焼成条件としては、Ag−Pd、Au、Au
−Pt導体を用いる場合には、空気中で900〜1050℃で焼
成を行ない、Cu、Ni、W、Mo−Mnを用いる場合には、窒
素等の不活性雰囲気又は窒素−水素雰囲気中、600〜130
0℃の温度で、焼成を行なう。
Next, a predetermined number of these printed green sheets are stacked, laminated by thermocompression bonding, and fired to form a multilayer ceramic substrate. As firing conditions, Ag-Pd, Au, Au
When using a Pt conductor, calcination is performed in air at 900 to 1,050 ° C., and when Cu, Ni, W, Mo-Mn is used, an inert atmosphere such as nitrogen or a nitrogen-hydrogen atmosphere is used. ~ 130
Baking is performed at a temperature of 0 ° C.

以上の如く製造された多層セラミックス基板は回路が
絶縁基板を介して多層に積層されたものとなる。
The multilayer ceramic substrate manufactured as described above has a circuit in which multiple layers are laminated via an insulating substrate.

以上の製造についての説明は多層セラミックス基板に
ついて行なったが、単層セラミックス基板も含むものと
する。
Although the above description has been made with respect to a multilayer ceramic substrate, it is assumed that a single-layer ceramic substrate is also included.

[実施例] 酸化物に換算して表1〜9に示した組成の粉末を用意
し、さらに上記酸化剤を添加し、次いで、これらに有機
バインダーとしてアクリル樹脂、可塑剤としてフタル酸
ジブチル、溶剤としてトルエンを添加し、混練して粘度
10,000〜30,000cPのスラリーを作成した。
[Examples] Powders having compositions shown in Tables 1 to 9 in terms of oxides were prepared, and the above oxidizing agents were further added. Then, an acrylic resin was used as an organic binder, dibutyl phthalate was used as a plasticizer, and a solvent was used. As toluene and knead
A slurry of 10,000 to 30,000 cP was prepared.

次いで、このスラリーを約0.2mm厚のシートにした
後、70℃で約2時間乾燥した。次いでこのシートを4層
に積層して、900〜1300℃、6時間焼成し、多層セラミ
ックス基板を製造した。
Next, the slurry was formed into a sheet having a thickness of about 0.2 mm, and dried at 70 ° C. for about 2 hours. Next, this sheet was laminated in four layers and fired at 900 to 1300 ° C. for 6 hours to produce a multilayer ceramic substrate.

この多層セラミックス基板について、気孔率、誘電
率、抗折強度について、特性評価した。さらに、この多
層セラミックス基板にスクリーン印刷法で導体ペースト
を印刷し、900〜1300℃で焼成し、半田濡れ性を評価し
た。結果を表1〜9のそれぞれの欄に示した。なお、表
において焼結性が悪いと気孔性が増大して抗折強度が低
下する。
The characteristics of the multilayer ceramic substrate were evaluated with respect to porosity, dielectric constant, and bending strength. Further, a conductor paste was printed on the multilayer ceramic substrate by a screen printing method, and baked at 900 to 1300 ° C. to evaluate solder wettability. The results are shown in the respective columns of Tables 1 to 9. In the table, when the sinterability is poor, the porosity increases and the transverse rupture strength decreases.

表において、Al2O3からTi+Zr+Hfの酸化物までの単
位は%であり、酸化剤の添加量はAl2O3からTi+Zr+Hf
の酸化物までの無機成分の総量に対する添加量(%)で
ある。また、試料番号に「*」を付したものは比較例で
ある。使用した導体ペースト、特性評価法は以下のとお
りである。
In the table, the unit from Al 2 O 3 to the oxide of Ti + Zr + Hf is%, and the amount of the oxidizing agent added is from Al 2 O 3 to Ti + Zr + Hf.
(%) Based on the total amount of the inorganic components up to the oxide. The sample number with "*" is a comparative example. The conductor paste used and the characteristic evaluation method are as follows.

[使用導体ペースト] Ag−Pdペースト:田中マッセイ製TE−4846、 Au−スト:田中マッセイ製TR−130C、 Cuペースト:デュポン社製9153、 Au−Ptペースト:ESL社製5800B、 Niペースト:ESL社製COND5557、 Wペースト:アサヒ化学研究所製WA−1200−AG2、 Mo−Mnペースト:アサヒ化学研究所製MA−1200−AG
1。
[Conductor paste used] Ag-Pd paste: TE-4846 manufactured by Tanaka Massey, Au-stripped: TR-130C manufactured by Tanaka Massey, Cu paste: 9153 manufactured by DuPont, Au-Pt paste: 5800B manufactured by ESL, Ni paste: ESL COND5557, W paste: WA-1200-AG2, Asahi Chemical Laboratory, Mo-Mn paste: MA-1200-AG, Asahi Chemical Laboratory
1.

[特性評価法] 熱膨張係数(単位:10-7-1):真空理工製熱膨張計T
A−1500にて25〜700℃における熱膨張率を測定した。
[Characteristic evaluation method] Thermal expansion coefficient (unit: 10 -7 ° C -1 ): Thermal expansion meter T manufactured by Vacuum Riko
The coefficient of thermal expansion at 25 to 700 ° C was measured with A-1500.

絶縁抵抗(単位:Ω・cm):タゲダ理研製振動容量型
微少電流計により100V印加時の絶縁抵抗を測定した。温
度25±1℃、湿度45±1%、基板厚み0.17mm。
Insulation resistance (unit: Ω · cm): Insulation resistance was measured when a voltage of 100 V was applied using a vibration capacitance type microammeter manufactured by Tageda Riken. Temperature 25 ± 1 ℃, humidity 45 ± 1%, substrate thickness 0.17mm.

気孔率(単位:%):アルキメデス法により測定し
た。
Porosity (unit:%): measured by Archimedes' method.

誘電率:安藤電気製交流ブリッジにより100kHzの特性
を測定し評価した。温度25±1℃、湿度45±1%。
Dielectric constant: 100 kHz characteristics were measured and evaluated using an Ando Electric AC bridge. Temperature 25 ± 1 ℃, Humidity 45 ± 1%.

抗折強度(単位:kg/cm2):東洋ボールドウィン製強
度試験機により測定した。焼結基板を幅10mm、長さ50mm
に切断し20mmの2支点。
Flexural strength (unit: kg / cm 2 ): Measured by a Toyo Baldwin strength tester. 10mm wide, 50mm long sintered substrate
Cut into two fulcrums of 20mm.

半田濡れ性(単位:%):下記条件で5秒間ディップ
後、半田の濡れた面積割合を評価した。
Solder wettability (unit:%): After dipping for 5 seconds under the following conditions, the wetted area ratio of the solder was evaluated.

Ag、Ag−Pd導体;Sn63%、Pb35%、Ag2%の半田、240
±5℃。
Ag, Ag-Pd conductor; Sn 63%, Pb 35%, Ag 2% solder, 240
± 5 ° C.

Cu、Ni、Au−PT導体;Sn64%、Pb36%の半田、250±5
℃。
Cu, Ni, Au-PT conductor; Sn 64%, Pb 36% solder, 250 ± 5
° C.

Au導体;IN50%、Pb36%、Sn14%の半田、260±5℃。 Au conductor; IN50%, Pb36%, Sn14% solder, 260 ± 5 ° C.

W、Mo−Mn導体;表面にNiメッキ後、Sn64%、Pb36%
の半田、250±5℃。
W, Mo-Mn conductor; Ni plating on the surface, Sn 64%, Pb 36%
Solder, 250 ± 5 ℃.

[発明の効果] 本発明のセラミックス基板は、抗折強度がアルミナ基
板と同程度のものも実現できるうえに、アルミナ基板と
比較すると誘電率も低く、かつ、熱膨張係数が低い優れ
た特性を有するセラミックス基板を提供できる。
[Effects of the Invention] The ceramic substrate of the present invention has excellent characteristics such that the transverse rupture strength is comparable to that of an alumina substrate, the dielectric constant is lower than the alumina substrate, and the thermal expansion coefficient is lower. A ceramic substrate having the same.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】無機成分が重量%表示、酸化物換算で実質
的にAl2O3 60〜91、SiO2 5〜30、PbO 3〜20、B2O3
0.5〜15、アルカリ土類金属酸化物 0.5〜15、Ti、Zr
及びHfの酸化物から選ばれる1種以上 0〜0.008、か
らなるセラミックス基板。
An inorganic component is expressed in terms of% by weight, substantially in terms of oxide, Al 2 O 3 60 to 91, SiO 2 5 to 30, PbO 3 to 20, B 2 O 3
0.5-15, alkaline earth metal oxide 0.5-15, Ti, Zr
And a ceramic substrate comprising at least one member selected from oxides of Hf and 0 to 0.008.
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