JP3021586B2 - 低誘電率セラミック基板とグリーンシートの製造方法 - Google Patents

低誘電率セラミック基板とグリーンシートの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 ガラスセラミック基板の製造方法に関し、 基板間の特性のバラツキの少ない低誘電率ガラスセラ
ミック基板を実用化することを目的とし、 中空シリカ粉末，硼珪酸ガラス粉末およびセラミック
粉末との混合物を主成分とし、該混合物に可塑剤，バイ
ンタおよび溶剤を加え、混練した後に成形して得るグリ
ーンシートにおいて、前記中空シリカ粉末の膜厚を制御
し、該粉末の比重を溶剤の比重に近似させると共に、セ
ラミック粉末としてアルミニウムを構成元素として含
む、アルミナ，ムライトか或いは窒化アルミニウムを使
用してグリーンシートを形成し、これを焼成することに
より低誘電率セラミック基板の製造方法を構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は基板間の特性のバラツキが少ない低誘電率ガ
ラスセラミック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れている。
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ため、基板上にパターン
形成する導体線路は抵抗率の低い金属を用いて形成する
ことが必要である。
なお、当然のことながら、基板の誘電率，絶縁抵抗な
どの電気的特性や表面粗度，収縮率などの機械的特性は
各基板間でバラツキの少ないことが必要である。
〔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）を主成分とする
グリーンシートは1300℃以上の焼成温度を必要とするの
に対し、アルミナ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℃以下に低下することができ、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ス基板の誘電率は
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。
そこで、発明者等はセラミック基板の低誘電率化を実
現する方法としてアルミナなどのセラミックスの代わり
に中空シリカ（石英）粉末を使用することを提案してい
る。
すなわち、シリカ（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、中空シリカ粉末はメトキシシリケート〔Si（OC
H3）４］やエトキシシリケート［Si（OC2H5）４］など
の有機珪素化合物を熱分解する際、構成成分が分離して
気泡となるのを利用して作ることができ、粒径が100μ
ｍ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以下の中空シリカ粉末を用い
ることにより低誘電率化したガラスセラミックス基板を
提案している。
然し、実用化に当たっては次のような問題を生じた。
すなわち、従来のようにしてグリーンシートを形成し
た後、焼成して基板を作り、この基板の誘電率を測定し
たところ、同一のスラリーより作ったグリーンシートを
用いたにも拘らず、誘電率が異なっており、ドクタブレ
ード法でグリーンシートを作る場合、先頭部のスラリー
より作った基板の誘電率は後尾部のスラリーより作った
基板に較べて誘電率が大きいことが判った。
また、グリーンシートの焼成過程で結晶化を生じ、表
面が粗面化すると共に、熱膨張率が異常に増加し、Si半
導体チップを搭載するには適さない状態になることが判
った。
〔発明が解決しようとする課題〕
低誘電率のガラスセラミック基板を実現する手段とし
て発明者等はセラミック粉末の代わりに中空シリカ粉末
を用い、これと硼珪酸ガラス粉末との混合粉を主成分と
してグリーンシートを作り、焼成してガラスセラミック
基板を形成することを提案している。
然しながら、このようにして形成した基板の誘電率は
基板相互間でバラツキが大きいことが認められ、また、
グリーンシートの焼成仮定でシリカが結晶化を起こすと
云う問題があり、解決が必要であった。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題は中空シリカ粉末，硼珪酸ガラス粉末およ
びセラミック粉末との混合物を主成分とし、この混合物
に可塑剤，バインタおよび溶剤を加え、混練した後に成
形して得るグリーンシートにおいて、中空シリカ粉末の
膜厚を制御し、この中空シリカ粉末の比重を溶剤の比重
に近似させると共に、アルミニウムを構成元素として含
むセラミック粉末としてアルミナ、ムライト或いは窒化
アルミニウムを使用してグリーンシートを形成し、これ
を焼成して低誘電率セラミック基板を作ることにより解
決することができる。
〔作用〕
発明者等が提案している方法で作ったガラスセラミッ
ク基板の誘電率が基板間で異なる理由は、研究の結果、
中空シリカの比重が小さ過ぎ、グリーンシート形成中に
分離することが判った。
すなわち、シリカの比重はもともと2.2であるが、中
空シリカ粉末は見かけの比重が0.3〜0.4と非常に低下す
るため、グリーンシートを形成する際に、スラリー中で
分離を生じ、組成の均一な基板が形成できないのであ
る。
そこで、本発明は種々の実験を行った結果、中空シリ
カの肉厚を調節して溶剤の比重に近似させると、均一に
混合させることができ、分離しないスラリーを得ること
を見出した。
また、中空シリカ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、熱膨張率が
本来の４〜5.5×10-7/℃より１×10-5/℃程度に急増す
る現象については従来より知られており、結晶化を防ぐ
対策として、アルミニウムを含むセラミックスの添加が
行われている。
そして、従来はアルミナが添加されていた。
すなわち、従来のガラスセラミック基板の製造におい
てはアルミナ粉末と硼珪酸ガラス粉末を用いることによ
り基板の焼成温度を低下させると共に、ガラスの結晶化
が防がれていた。
さて、発明者等が提案している中空シリカ粉末と硼珪
酸ガラス粉末とを主構成分とするガラスセラミックスに
おいては結晶化防止剤としてアルミナ（Al2O3）粉末の
代わりにムライト（3Al2O3・2SiO2）粉末か窒化アルミ
ニウム（AlN）粉末を使用する。
この理由はAl2O3の誘電率が約10であるのに対し、3Al
2O3・2SiO2は約７、AlNは約９と小さい以外にAl2O3に比
べて小量の添加で結晶化防止効果があることによる。
この理由については明らかにはされていないが、ガラ
ス溶融体中での拡散性が良いためと考えられている。
以上のように本発明は中空シリカの比重を溶剤と近似
させ、また結晶化防止剤としてムライトまたは窒化アル
ミニウムを用いることにより誘電率のバラツキがなく、
また結晶化のないガラスセラミック基板を得るものであ
る。
〔実施例〕
実施例1:（誘電率のバラツキを無くした例） 従来の中空シリカは粒径が３〜20μm,肉厚は約0.5μ
ｍで見かけの比重は0.316（g/cm3）であるが、肉厚を１
〜２μｍに増加することにより比重を0.76に増加させ、
溶剤（アセトン＋メチルエチルケトン）の比重である0.
81に近似させた。
かゝる中空シリカ粉末を用い、 中空シリカ粉末 … 98g 硼珪酸ガラス …230g アルミナ粉末 …130g ポリメチルメタクリレート（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） …290g アセトン（溶剤） … 55g をボールを入れないポット中で18時間に亙って混練して
スラリーを作った。
このスラリーを脱泡処理した後、ドクタブレード法に
より成形して厚さ300μｍのグリーンシートを作成し
た。
このグリーンシートを９×9cmの大きさに打ち抜いた
後、これを８枚積層して大気中で950℃で５時間に亙っ
て焼成を行った。
そして、グリーンシートの先頭部と後尾部のものから
作った従来の積層基板と本発明に係る積層基板とについ
て1MHzにおける誘電率εを測定した。
その結果、従来法によるものは先頭部のグリーンシー
トを用いた基板のεは3.1,後尾部のグリーンシートより
なる基板のεは2.8であるのに対し、本発明を適用した
基板は両者とも3.2の値を示し、εのバラツキは認めら
れなかった。
また、基板内部も結晶化していなかった。
実施例2:（結晶化防止剤としてムライトを使用した例） 実施例１で使用した中空シリカ粉末を用い、 中空シリカ粉末 …119g 硼珪酸ガラス …215g ムライト粉末 … 25g を採り、可塑剤，バインダおよび溶剤は実施例１と同様
とし、実施例１と全く同様にしてガラスセラミック多層
基板を作り、1MHzにおける誘電率εを測定した結果、2.
4の値を得ることができた。
実施例3:（結晶化防止剤としてAlN使用例） 実施例２において、ムライト25gの代わりにAlN35gを
使用した以外は実施例１と同様にしてガラスセラミック
ス基板を作り、1MHzにおける誘電率εを測定した結果、
2.7の値を得ることができた。
〔発明の効果〕
以上記したように本発明の実施により誘電率のバラツ
キがなく、また結晶化しない低誘電率ガラスセラミック
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 今中 佳彦 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 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 (56)参考文献 特開 昭61−83674（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−237075（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−239168（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 38/08,35/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】中空シリカ粉末，硼珪酸ガラス粉末および
    セラミック粉末との混合物を主成分とし、該混合物に可
    塑剤，バインタおよび溶剤を加え、混練した後に成形し
    て得るグリーンシートにおいて、 前記中空シリカ粉末の膜厚を制御し、該中空シリカ粉末
    の比重を溶剤の比重に近似させて使用することを特徴と
    するグリーンシートの製造方法。
  2. 【請求項２】請求項１記載のセラミック粉末としてアル
    ミニウムを構成元素とし含むセラミック粉末を用いてグ
    リーンシートを形成し、焼成することを特徴とする低誘
    電率セラミック基板の製造方法。
  3. 【請求項３】請求項２記載のセラミック粉末がアルミ
    ナ，ムライト或いは窒化アルミニウム粉末を用いてグリ
    ーンシートを形成し、焼成することを特徴とする低誘電
    率セラミック基板の製造方法。
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