JP2906282B2 - ガラスセラミック・グリーンシートと多層基板、及び、その製造方法 - Google Patents

ガラスセラミック・グリーンシートと多層基板、及び、その製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 ガラスセラミック多層基板の製造方法に関し、 低誘電率で且つ導体抵抗の少ない配線パターンを形成
し得るガラスセラミック多層基板を開発することを目的
とし、 中空または多孔質の石英ガラス粉末と、硼珪酸ガラス
粉末と、セラミック粉末とを主成分とする混練物を成形
したガラスセラミック・グリーンシートであって、中空
または多孔質の石英ガラス粉末は表面にアルミニウムを
構成元素として含むセラミックの薄膜が被覆されている
ことを特徴としてガラスセラミック・グリーンシートを
構成し、このガラスセラミック・グリーンシートを含む
積層体の表裏面に中空または多孔質石英ガラス粉末を含
まないガラスセラミック・グリーンシートが積層されて
いることを特徴として多層基板を構成し、このガラスセ
ラミック・グリーンシートと回路パターンの積層体で構
成されることを特徴として多層回路基板を構成する。
また、中空または多孔質の石英ガラス粉末と、硼珪酸
ガラス粉末と、セラミック粉末とを主成分とし、この成
分にバインダ樹脂、可塑剤および溶剤を加えて混練して
のち、成形することを特徴とするガラスセラミック・グ
リーンシートの製造方法において、中空または多孔質石
英ガラス粉末の表面にアルミニウムを構成元素として含
むセラミックの薄膜を被覆してなることを特徴としてガ
ラスセラミック・グリーンシートを形成し、このガラス
セラミック・グリーンシートを積層して生じた積層体の
表裏面に中空または多孔質の石英ガラス粉末を含まない
ガラスセラミック・グリーンシートを当接し、積層加圧
した後、焼成することを特徴として多層基板を形成し、
この中空または多孔質の石英ガラス粉末を含まないガラ
スセラミック・グリーンシートに回路パターンおよびス
ルーホール形成用導体部を形成することを特徴として多
層回路基板を形成するように構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は低誘電率で且つ導体抵抗の少ない配線パター
ンを備えたガラスセラミック多層回路基板の製造方法に
関する。
大量の情報を迅速に処理する必要から信号の周波数は
益々向上して光通信も行わている。
こゝで、このような高速な信号を処理する電子回路が
形成される多層回路基板は、電気信号の遅延時間τがで
きるだけ少なく、また配線間の漏話が少ないことが必要
であり、これを達成するためには、次の（１）式に示す
ように基板の誘電率εが小さいことが必要である。
τ＝ε1/2/c …（１） 但し、εは基板の誘電率 ｃは光の速度 また、伝送損失を少なくするには、基板上に形成する
電子回路を電気抵抗の少ない金属材料を用いてパターン
形成することが必要である。
〔従来の技術〕
発明者等はこのような問題を解決する手段として基板
材料としてガラスセラミックスを用い、電子回路を銅
（Cu）を用いて形成することを提案している。
すなわち、アルミナ（Al2O3，ε≒10），ムライト（3
Al2O3・2 SiO2，ε≒７）などのセラミックスを主成分
とするグリーンシートは1000℃以上の焼成温度を必要と
するのに対し、これらのセラミックス粉と硼珪酸ガラス
粉との混合物を主成分とするガラスセラミック・グリー
ンシートは焼成温度を1000℃以下に低めることができ、
そのため配線パターンの形成材料としてCu（融点1084
℃）を使用することが可能となった。
然し、このようなガラスセラミック基板の誘電率は４
〜６であり、信号の遅延時間を短縮する目的には不充分
である。
さて、本発明は中空または多孔質の石英ガラスを主成
分とするガラスセラミックを用いて基板を構成すること
により低誘電率基板を実現するものであるが、セラミッ
クス中に中空球状のセラミックを分散させた基板として
既に次のような公知例が存在する。
すなわち、特開昭59−111345は、セラミック粉末の焼
結により形成される回路基板において、誘電体であるセ
ラミックの原料マトリックス中に中空球状の粉末を分散
させた回路基板を開示しており、中空球状の粉末として
無機質の粉末例えば中空アルミナを使用している。
また、特開昭62−206861はセラミックスのマトリック
ス中に中空のセラミックス粒が分散した絶縁体層を用
い、絶縁体の比誘電率が５以下、また曲げ強さが5Kg/m2
以上であるセラミック多層回路基板を開示しており、こ
ゝで中空球状のセラミック粉末として中空のシリカ微小
球を用い、セラミックスのマトリックスの中で、初めは
非晶質の状態であり、熱処理すると結晶が析出する結晶
化ガラスを用い、基板の強度を高めることを開示してい
る。
また、特開昭62−287658は、セラミック層と配線層と
を交互に積層した多層回路基板において、セラミック層
は配線層の融点以下の温度で軟化するガラスの中に粒径
100μｍ以下の中空シリカが分散してなるセラミック層
を用いた多層回路基板を開示している。
また、特開平２−83995は、導体層が絶縁層を介して
存在すく多層回路基板において、絶縁層が気孔率の異な
る二つの領域からなり、気孔率が大きな方の領域が導体
配線に接している多層基板を開示している。
また、特開昭63−358においては、中空のガラス微小
球の概ね均一な混合物で構成される暑いフィルムよりな
る低誘電率材料を提示しており、中空シリカ微小球とガ
ラスセラミック粉末と有機ビヒクルとを混合し、これを
金属パターンを形成したアルミナのような支持層上に塗
布し、乾燥焼成して絶縁基板を得ている。
このように各種の出願がなされているが、中空シリカ
を用いると中空シリカが結晶化してクリストバライトを
形成し、膨張係数が急増することについての対策や中空
シリカの破壊防止対策などについては開示されておら
ず、むしろ基板強度の向上を目的として結晶化を促進し
ている。
〔発明が解決しようとする課題〕
スーパーコンピュータのように信号の高速伝播を必要
とする電子回路を構成する多層セラミック回路基板の必
要条件としては、 Cuのように低抵抗な金属材料を配線材料として使用で
きること、 誘電率ができるだけ低いこと、 基板の熱膨張係数がSiに近似すること、 基板面が平滑であること、 などを挙げることができる。
こゝで、ガラスセラミックは，，の条件は満た
すことはできるが、の条件は満たすことはできない。
すなわち、ガラスセラミックは焼成温度を100℃以下
に低めることができ、そのためCuよりなる配線パターン
を実現することができ、また原料として使用するガラス
成分を鉛硼珪酸ガラス，アルミノ硼珪酸ガラスなど適宜
選択することにより熱膨張係数をSiの3.5×10-6／℃に
近づけることができる。
また、成分としてガラスを含んでいるために平滑な基
板面をもつことができる。
然し、誘電率は４〜６と高く目的は添わない。
そこで誘電率が４以下で上記〜の条件を満たす多
層回路基板を実用化することが課題である。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題は、中空または多孔質の石英ガラス粉末
と、硼珪酸ガラス粉末と、セラミック粉末とを主成分と
する混練物を成形したガラスセラミック・グリーンシー
トであって、中空または多孔質の石英ガラス粉末は表面
にアルミニウムを構成元素として含むセラミックの薄膜
が被覆されていることを特徴としてガラスセラミックグ
リーンシートを構成し、このガラスセラミック・グリー
ンシートを含む積層体の表裏面に中空または多孔質の石
英ガラス粉末を含まないガラスセラミック・グリーンシ
ートが積層されていることを特徴として多層基板を構成
し、このガラスセラミック・グリーンシートと回路パタ
ーンの積層体で構成されることを特徴として多層回路基
板を構成することにより解決することができる。
また、中空または多孔質の石英ガラス粉末と、硼珪酸
ガラス粉末と、セラミック粉末とを主成分とし、この成
分にバインダ樹脂、可塑剤および溶剤を加えて混練して
のち、成形することを特徴とするガラスセラミック・グ
リーンシートの製造方法において、中空または多孔質石
英ガラス粉末の表面にアルミニウムを構成元素として含
むセラミックの薄膜を被覆してなることを特徴としてガ
ラスセラミック・グリーンシートを形成し、このガラス
セラミック・グリーンシートを積層して生じた積層体の
表裏面に中空または多孔質の石英ガラス粉末を含まない
ガラスセラミック・グリーンシートを当接し、積層加圧
した後、焼成することを特徴として多層基板を形成し、
この中空または多孔質の石英ガラス粉末を含まないガラ
スセラミック・グリーンシートに回路パターンおよびス
ルーホール形成用導体部を形成することを特徴として多
層回路基板を形成するように構成することにより解決す
ることができる。
〔作用〕
上記の課題を解決する手段として発明者等は中空また
は多孔質の石英ガラス粉末に着目した。
すなわち、石英（SiO2）は誘電率εが3.8と無機誘電
体のうちでは最も低いが、中空または多孔質とすること
により空気との複合誘電体を形成することができ、次の
（２）式に示すように誘電率を更に低下することができ
る。
ε0＝（ε1・ε2）／（ε1v2＋ε2V1） …（２） 但し、 ε0は複合誘電率、 v1は全容積に対しε1なる誘電体（石英）の占める割
合、 v2は全容積に対しε2なる誘電体（空気）の占める割
合、 なお、石英ガラス中空体はメトキシシリケート〔Si(O
CH3)4］やエトキシシリケート［Si(OC2H5)4］などの誘
起硅素化合物を熱分解する際、構成成分が分離して気泡
となることにより作ることができ、また多孔質粉体は多
孔質塊を粉砕することにより作ることができる。
そして、粒径が100μｍ以上と大きなものは現在、コ
ンクリートの増量材や樹脂成形体の軽量材として使用さ
れている。
発明者等はガラスセラミックスを構成するセラミック
スの代わりに粒径が20μｍ以下の中空あるいは多孔質の
石英ガラス粉末を用いることにより低誘電率のガラスセ
ラミックス多層回路基板を実用化するものである。
すなわち、中空あるいは多孔質の石英ガラス粉末と硼
珪酸ガラスとを主成分としてグリーンシートを形成すれ
ば、先に挙げた必要条件を満たすことができる。
然し、こゝで問題となるのは、 石英ガラス粉末を加熱してゆくとクリストバライトへ
の相転移を生じて結晶化が起こり、膨張係数が１×10-5
程度に急増する。
有機硅素化合物を熱分解して作った石英ガラスは軟化
温度が≒950℃とアルミナなどのセラミックスに較べる
と低く、信頼性の高い基板を得るには石英ガラスの軟化
温度を約1050℃に上げる必要がある。
中空あるいは多孔質の石英ガラスを用いているために
表面粗度が大きい。
これを解決する方法として、本発明においては次のよ
うな方法をとる。
すなわち、については、アルミナ，ムライト，スピ
ネル，窒化アルミニウム（AlN）などAlを含むセラミッ
クスを添加して石英ガラスの結晶化を防止する。
については石英中空体の表面に気相成長法（CVD法）
や熱分解法で例えば、酸化アルミニウム（Al2O3）膜を
形成するか、或いはメッキ法によりAl膜を作り、加熱し
てAl2O3とするなどの方法により、石英中空体をセラミ
ック膜で覆うことにより、見かけの軟化温度を1050℃に
向上することができる。
についてはグリーンシートを積層して積層体を形成す
る際に半導体チップの搭載が行われる表裏面のグリーン
シートには中空あるいは多孔質の石英ガラスの代わりに
高純度の石英粉を用いたグリーンシートを使うことによ
り平坦な基板面を得るものである。
〔実施例〕
実施例1: 平均粒径20μｍの中空石英粉末と硫酸アルミニウム
〔Al2(SO4)3〕水溶液とを混合して乾燥することによ
り、中空体の表面にAl2(SO4)3を析出させ、これを1000
℃に加熱して表面にAl2O3の皮膜をもつ石英中空体を得
た。
次に、 中空石英粉末 …100g 硼珪酸ガラス …200g ムライト粉末 …100g ポリビニルブチラール（バインダ） …50g ジブチルフタレート（可塑剤） …30g メチルエチルケトン（溶剤） …50g アセトン（溶剤） …100g を混練した後、ドクタブレード法により厚さ300μｍの
グリーンシートを作成した。
このグリーンシートにCuペーストを用いて配線パター
ンおよびスルーホールを形成した後、30層を位置合わせ
して積層した後、この上下面には中空石英粉末の代わり
に石英粉末を用いて作成したグリーンシートを積層し、
これに10MPaの等水圧プレスを加えて一体化し、N2雰囲
気で1000℃で加熱して多層セラミック回路基板を得た。
このようにして形成した基板の表面は平滑であり、変
形は生じておらず、基板内部も結晶化していない。
また、中空石英粉末を用いて得た基板の誘電率は3.5
と低く、高周波伝送用基板として適している。
実施例2: 実施例１の硼珪酸ガラスの代わりにアルミノ硼珪酸ガ
ラスを用いた以外は実施例１と同様にして多層セラミッ
ク回路基板を形成した。
このようにして形成した基板の熱膨張率は3.5×10-6
であり、Si基板と同じなものを得ることができた。
〔発明の効果〕
セラミックスの代わりに中空石英粉末あるいは多孔質
石英粉末を使用してガラスセラミック・グリーンシート
を形成する本発明の実施により、低誘電率の多層セラミ
ック回路基板を得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 亀原 伸男 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 丹羽 紘一 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 38/08 C04B 35/16

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】中空または多孔質の石英ガラス粉末と、硼
    珪酸ガラス粉末と、セラミック粉末とを主成分とし、該
    成分にバインダ樹脂、可塑剤および溶剤を加えて混練し
    てのち、成形することを特徴とするガラスセラミック・
    グリーンシートの製造方法において、前記中空または多
    孔質石英ガラス粉末の表面にアルミニウムを構成元素と
    して含むセラミックの薄膜を被覆してなることを特徴と
    するガラスセラミック・グリーンシートの製造方法。
  2. 【請求項２】請求項１記載のガラスセラミック・グリー
    ンシートを積層して生じた積層体の表裏面に中空または
    多孔質の石英ガラス粉末を含まないガラスセラミック・
    グリーンシートを当接し、積層加圧した後、焼成するこ
    とを特徴とする多層基板の製造方法。
  3. 【請求項３】請求項１記載のガラスセラミック・グリー
    ンシートと積層体の表裏面にあり中空または多孔質の石
    英ガラス粉末を含まないガラスセラミック・グリーンシ
    ートに回路パターンおよびスルーホール成形用導体部が
    形成されてなることを特徴とする多層回路基板の製造方
    法。
  4. 【請求項４】中空または多孔質の石英ガラス粉末と、硼
    珪酸ガラス粉末と、セラミック粉末とを主成分とする混
    練物を成形したガラスセラミック・グリーンシートであ
    って、前記中空または多孔質の石英ガラス粉末は表面に
    アルミニウムを構成元素として含むセラミックの薄膜が
    被覆されていることを特徴とするガラスセラミック・グ
    リーンシート。
  5. 【請求項５】ガラスセラミック・グリーンシートの積層
    体で構成される多層基板であって、請求項４記載のガラ
    スセラミック・グリーンシートを含む積層体の表裏面に
    中空または多孔質石英ガラス粉末を含まないガラスセラ
    ミック・グリーンシートが積層されていることを特徴と
    する多層基板。
  6. 【請求項６】ガラスセラミック・グリーンシートと回路
    パターンの積層体で構成される多層回路基板であって、
    前記ガラスセラミック・グリーンシートが請求項４記載
    のガラスセラミック・グリーンシートを含むことを特徴
    とする多層回路基板。
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