JP3089973B2 - ガラスセラミックス積層体の焼結方法 - Google Patents
ガラスセラミックス積層体の焼結方法Info
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Description
体の焼結方法に関し、より詳細にはLSI等を搭載しそ
れらを接続する機能を有するセラミックス基板を作製す
る際のガラスセラミックス積層体の焼結方法に関する。
子部品を搭載する配線基板において、小型化、高信頼性
等の要求から基板材料としてセラミックスが用いられる
ことが多くなってきている。その中で、アルミナ配線基
板は強度が大きい等の利点を有するため、基板材料用セ
ラミックス中に占めるアルミナの割合は大きい。しか
し、一方アルミナ基板は比誘電率が大きいため伝送信号
の遅延を生じさせ、また熱膨張係数がシリコンに比べて
非常に大きいため、部品を実装した際の温度変化に対す
る信頼性を確保するのが困難であるという問題点を有し
ている。さらに、アルミナの焼成温度は約1550℃と
高いため、内層の配線として、融点が高くかつ電気抵抗
率の大きいW又はMoを使用する必要があり、配線を微
細化した場合には配線の電気抵抗値が大きくなるという
問題点をも有している。
配線材料と同時焼成を行うことができる低温焼成セラミ
ックス基板の開発が進められており、その中でも、前記
特性に加え、誘電率が低く伝送損失が小さく、かつ熱膨
張率がシリコンに近いためにフリップチップ方式による
実装が可能な、ガラスを含有するセラミックス基板(以
下、ガラスセラミックス基板と記す)が注目されてい
る。前記ガラスセラミックス基板に用いられるガラス材
料としては、ホウ珪酸系ガラス、コージェライト(Mg
O−Al2 O3 −SiO2 )系ガラス、アノーサイト
(CaO−Al2 O3 −SiO2 )系ガラス等が挙げら
れ、通常、これらのガラス粉末に骨材を添加した原料を
用いて前記ガラスセラミックス基板が製造される。
説明すると、まずガラスセラミックスの原料となるガラ
ス粉末や骨材となるセラミックス粉末をボールミルに投
入し、さらに粉砕用のボールと共に湿式媒を添加し、適
当な粒径になるように湿式混合粉砕を行う。この後、前
記湿式媒を除去し、得られた原料粉末にバインダー、分
散剤、可塑剤、有機溶媒等を添加して湿式混合を行い、
スラリーを調製する。次に、前記スラリーを用いてドク
ターブレード法等によりグリーンシート(以下、ガラス
セラミックスグリーンシートと記す)を作製する。その
後、必要によりビアホール等を形成し、前記ガラスセラ
ミックスグリーンシートに配線用の導体ペーストを印刷
し、前記ビアホール部分には導体ペーストを埋め込んで
おく。前記工程により作製された種々のガラスセラミッ
クスグリーンシートを積層して積層体を形成する。これ
らの工程の後、脱脂工程及び焼成工程を経ることにより
ガラスセラミックス基板が製造される。
に従い、セラミックス基板に搭載されるLSI等と前記
セラミックス基板に形成された配線とのボンディング法
も、従来のワイヤボンディング法から、マルチチップ化
や高密度実装に適したTAB(Tape Automated Bondin
g) 方式又はフリップチップ方式が採用されるようにな
ってきている。従って、これらガラスセラミックス基板
に対する要求も前記した基板自身の物性のみでなく、こ
のような高密度実装に対応することができるよう、前記
方法により製造を行う際のセラミックス基板の寸法や形
状等についても精密な制御技術が要求されるようになっ
てきている。すなわち、前記ガラスセラミックス基板に
求められる寸法精度は、従来の同時焼成方法では達成が
困難な±0.1%以下になってきている。
御ひいてはセラミックス積層体の寸法等の制御を行う方
法として、以下のような方法が提案されている。すなわ
ち、特公平5−22671号公報には、セラミックスグ
リーンシートの上下面に気体が流出入可能な壁面を対向
させ、前記壁面を通じて前記セラミックスグリーンシー
トの上下方向に圧力を加え、かつ前記壁面から気体を流
入、又は流出させながら、前記セラミックスグリーンシ
ートを焼成する方法が開示されている。前記公報におい
ては、このように上下方向から機械的な圧力や気体によ
る圧力を印加することにより、焼結体の反り、歪、収縮
等を抑えることができることが記載されている。
下面に無機物粒子を含む強制層が形成されたガラスセラ
ミックスグリーンシートを、そのまま焼成炉に載置し
て、又は上下方向から圧力を印加しながら焼成する方法
が開示されており、このような方法を採ることにより、
ガラスセラミックス基板の反りを無くすことができると
共に、平面方向の収縮をも減少させることができること
が記載されている。
る積層体が平坦な場合に付いてのみ考慮されているので
あって、積層体がキャビティーを有する場合はキャビテ
ィー底部の平坦化は不可能である。このため特開平5−
167253号公報においては未焼結ガラスセラミック
ス積層体の片面もしくは両面に、前記積層体の焼成温度
では焼結しない無機成分から成る組成物を加圧成形によ
り形成し、その後焼成する方法、具体的には金型中での
プレスにより成形する方法が記載されている。
するための模式的断面図であり、図中32はキャビティ
部32aを有する未焼結のガラスセラミックス積層体を
示している。ガラスセラミックス積層体32はそれより
も高い焼結温度を有する無機成分から成る組成物33に
より挟み込まれている。組成物33により挟み込まれた
ガラスセラミックス積層体32は金型31により上下方
向に加圧されている。このような構成によれば平面方向
の収縮を阻止することができるとされている。
ィ部32aとそれ以外の部分とでガラスセラミックスの
厚み方向の収縮量に差が生じ、このため組成物33を介
して負荷される圧力がガラスセラミックス積層体32の
最も薄い部分であるキャビティ部32a下部に集中して
かかることになり、キャビティ部32aとその周辺部と
の間に割れが発生したり、キャビティ部32a下部の平
坦性が失われたりするといった課題があった。
あり、ガラスセラミックス積層体がキャビティ部を有す
る場合であっても、キャビティ部底部の平坦性、キャビ
ティ部周辺の変形、割れを抑制し、焼結中の水平方向の
収縮を抑制し、緻密に焼結させることができるガラスセ
ラミックス積層体の焼結方法を提供することを目的とし
ている。
に本発明に係るガラスセラミックス積層体の焼結方法
は、ガラス質を含有し、低温焼結が可能なガラスセラミ
ックスグリーンシートを積層し、焼結させるガラスセラ
ミックス積層体の焼結方法において、前記ガラスセラミ
ックスグリーンシートのキャビティ部を含む上面にガラ
スセラミックスよりも焼結温度の高い無機成分からなる
成形体層を形成し、さらにその上部に前記ガラスセラミ
ックスと同一あるいは異なる組成からなるキャビティ部
形状のガラスセラミックス成形体を配置し、その後均一
に加圧する工程を含んでいることを特徴としている。
焼結方法において、ガラスセラミックスの原料粉末を主
成分とするガラスセラミックスグリーンシートは、「従
来の技術」において記載した方法とほぼ同様の方法で作
製することができ、通常は前述したように複数枚のグリ
ーンシートを積層してガラスセラミックス積層体とす
る。またグリーンシート上への導体含有層の形成も任意
である。
は、前記ガラスセラミックスの原料粉末、有機溶媒、可
塑剤、及びバインダー等から構成される。前記ガラスセ
ラミックスの原料粉末は、ホウ珪酸系ガラス、コージェ
ライト(MgO−Al2 O3 −SiO2 )系ガラス、ア
ノーサイト(CaO−Al2 O3 −SiO2 )系ガラス
等の粉末とAl2 O3 等の骨材の粉末を混合したもので
あり、前記有機溶媒としては、例えばトルエン、キシレ
ン等が挙げられ、前記可塑剤としては、例えばジブチル
フタレート、ジオキシルフタレート等が挙げられ、前記
バインダーとしては、例えばアクリル樹脂、ブチラール
樹脂等が挙げられる。これらの混合割合は、ガラスセラ
ミックスの原料粉末100重量部に対し、有機溶媒が3
0〜50重量部、可塑剤が1〜5重量部、バインダーが
5〜15重量部が好ましい。前記グリーンシート上に導
体含有層を形成する場合には、Ag、Cu、Au、Ag
−Pd等が導体材料として用いられる。
積層する、ガラスセラミックス原料粉末の焼結温度では
焼結しない無機成分(以下、難焼結性無機成分と記す)
の粉末を主成分とする成形体層(グリーンシート状態及
び塗布層状態である場合を含む)も通常のグリーンシー
トの作製方法及びプレス、鋳込み、印刷、スラリーの塗
布及びそれに類似する方法のいずれかにより形成するこ
とができる。前記成形体層は、前記難焼結性無機成分の
粉末、有機溶媒、可塑剤、及びバインダー等から構成さ
れる。
l2 O3 、AlN、MgO、ZrO2 、TiO2 、Be
O、BN、3Al2 O3 ・2SiO2 等が挙げられる。
前記有機溶媒としては、例えばトルエン、キシレン等が
挙げられ、前記可塑剤としては、例えばジブチルフタレ
ート、ジオキシルフタレート等が挙げられ、また前記バ
インダーとしては、例えばブチラール樹脂、アクリル樹
脂等が挙げられる。これらの混合割合は、難焼結性無機
成分の粉末100重量部に対し、有機溶媒が30〜50
重量部、可塑剤が1〜5重量部、バインダーが5〜15
重量部が好ましい。
なる組成からなるキャビティ部形状を有するガラスセラ
ミックス成形体の成形方法は、グリーンシート法、プレ
ス、鋳込み、印刷、スラリーの塗布及びそれに類似する
方法のいずれかであり、その成形体の配置方法、軟化特
性、初期充填密度は焼成過程において目的とするガラス
セラミックス積層体に対し、その厚み方向に一定の圧力
を負荷し得るように設計されている。
るガラスセラミックス積層体と、その上部に配置される
前記ガラスセラミックスと同一あるいは異なる組成から
なるキャビティ部形状を有するガラスセラミックス成形
体とが直接接触することのないよう、それぞれの間には
難焼結性無機成分から成る成形体層が介在している。ま
た、未焼結ガラスセラミックス成形体はガラスセラミッ
クスグリーンシート同士の厚みの合計が平面内で一定と
なるよう配置され、それに伴い前記難焼結性無機成分か
ら成る成形体層の厚みが同じく平面内で一定となるよう
配置される。通常はさらにこれら積層体の上下面に前記
難焼結性無機成分から成るグリーンシートが配置され、
加圧される。
成した後、通常の酸化性雰囲気で有機成分を分解、消失
させる脱脂工程を行い、さらに焼成を行う。前記脱脂工
程での温度は、200〜600℃程度が好ましく、焼成
温度は800〜1000℃程度が好ましい。
セラミックス積層体がキャビティ部を有する場合であっ
ても、キャビティ部底部の平坦性、周辺の変形、割れを
抑制し、焼結中の水平方向の収縮を抑制し、緻密に焼結
させることができ、一概には言えないが、例えばガラス
セラミックスとしてコージェライト結晶化ガラスを用い
た場合には、その線収縮率を0.1%以下に抑えること
ができる。
によれば、ガラス質を含有し、低温焼結が可能なガラス
セラミックスグリーンシートを積層し、焼結させるガラ
スセラミックス積層体の焼結方法において、前記ガラス
セラミックスグリーンシートのキャビティ部を含む上面
にガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成分か
らなる成形体層を形成し、さらにその上部に前記ガラス
セラミックスと同一あるいは異なる組成からなるキャビ
ティ部形状のガラスセラミックス成形体を配置し、その
後均一に加圧しながら焼成する工程を含んでいるので、
焼成時の収縮が厚み方向のみに生じ、水平方向の収縮が
生じない。これは、ガラスセラミックス積層体上面に形
成された上記無機成分から成る成形体により収縮が抑制
される効果もあると考えられるが、仮に前記成形体が圧
力を負荷しなければ水平方向の収縮を抑制しきれない程
度の厚さであっても、加圧治具により上下面から圧力を
負荷することにより、水平方向の収縮は前記加圧治具と
の摩擦及び圧力により制御される。その場合、ガラスセ
ラミックス積層体の上面に形成された前記成形体層は、
加圧治具としての役割及びガラスセラミックス同士の反
応を抑制する一種の離型剤としての役割を持つ。
の焼結方法によれば、ガラスセラミックス積層体のキャ
ビティ部にガラスセラミックス成形体を配置し、かつ厚
み方向におけるガラスセラミックスの厚みの合計を全平
面内で一定にし、厚み方向における前記成形体層の厚み
も平面内で一定とすることで焼成過程における負荷圧力
を一定に保つことが可能となる。この原因は以下のよう
に考えられる。まず、ガラスセラミックス及び前記成形
体層の厚みをそれぞれ平面内で一定にすることにより、
焼結前の成形体の上下面はそれぞれ平面となり、よって
収縮開始前の圧力は均一に負荷されることとなる。また
焼結過程については、ガラスセラミックスは焼結により
厚み方向に約60%に収縮するのに対し、前記無機物か
らなる成形体は焼結しないため成形時に含有する有機物
の飛散を原因としても数%以下の収縮しか起こさない。
しかしながら、前記したようにガラスセラミックスおよ
び前記積層体層の厚みの合計がそれぞれ一定であるの
で、積層体全体が厚み方向には均一に収縮することとな
り、焼成中において圧力も均一に分布し続ける。
る部分は全て難焼結性無機物の成形体層からなっている
ため焼結後の積層体から前記成形体層を容易に除去する
ことが可能となる。
ックス積層体の焼結方法の実施例及び比較例を図面に基
づいて説明する。
スセラミックスには、アノーサイト結晶化ガラスを用い
た。また、このガラスセラミックスの焼成温度では焼結
しない無機成分としてアルミナを用いた。それぞれの粉
末に対し、有機溶媒、アクリルバインダー、可塑剤、分
散剤を添加し、ボールミルにて混合して、スラリーとし
た。次に、このスラリーを用いてドクターブレード法に
よりグリーンシートを形成した。ガラスセラミックスグ
リーンシートの厚みは0.3mm、アルミナグリーンシ
ートの厚みは0.32mmとした。さらに金型及びNC
パンチを用いグリーンシートを所望の形状に加工した
後、熱プレスによりガラスセラミックス積層体を形成し
た。
結方法を説明するための模式的断面図であり、図中1は
ガラスセラミックス積層体を示している。ガラスセラミ
ックス積層体1はガラスセラミックスグリーンシート1
aの積層体であり、キャビティ部2を有している。キャ
ビティ部2を含む上面にはガラスセラミックスよりも焼
結温度の高い無機成分から成る成形体層(アルミナグリ
ーンシート積層体)3が形成されている。この場合、積
層後のキャビティ部2の上部に形成された成形体層3の
上面高さはガラスセラミックス積層体1の上面より上に
なるよう形成されている。さらにその上部には前記ガラ
スセラミックスと同一あるいは異なる組成から成るキャ
ビティ部と同一形状、同一容積のガラスセラミックス成
形体4が配置されており、キャビティ部2以外の上面に
形成された成形体層3とガラスセラミックス成形体4と
はその上面が同一平面となっている。その同一の平面上
及びガラスセラミックス積層体1の下面には成形体層3
と同一の無機成分から成るグリーンシート5が積層され
ている。
50mm角、キャビティ部2の寸法は10mm角とし、
上記構成物全体を100℃の温度で50kgf/cm2
の圧力でプレスし、一体化した。
形体の上下から1kgf/cm2 の圧力を掛けながら、
900℃で20分焼成した。焼成後、超音波洗浄により
表面の未焼結アルミナ粉を除去した後、全体の寸法及び
キャビティ底部の平坦度を測定した。
0.05%であり、キャビティ部2の平坦度は垂直方向
/水平方向で表示すると20μm/10mmとなり、十
分平坦化が達成された。
ミックス積層体1の焼結方法によれば、ガラス質を含有
し、低温焼結が可能なガラスセラミックスグリーンシー
ト1aを積層し、焼結させるガラスセラミックス積層体
1の焼結方法において、ガラスセラミックスグリーンシ
ート1aのキャビティ部2を含む上面にガラスセラミッ
クスよりも焼結温度の高い無機成分からなる成形体層3
を形成し、さらにその上部に前記ガラスセラミックスと
同一あるいは異なる組成からなるキャビティ部形状のガ
ラスセラミックス成形体3を配置し、その後均一に加圧
する工程を含んでいるので、焼成過程における負荷圧力
を均一に保つことができ、ガラスセラミックス積層体1
がキャビティ部2を有する場合であっても、キャビティ
部2の底部の平坦性、キャビティ部2の周辺の変形、割
れを抑制し、焼結中の水平方向の収縮を抑制し、緻密に
焼結させることができる。このとき、ガラスセラミック
ス積層体の上面に形成された成形体層3は、加圧治具と
しての役割及びガラスセラミックス同士の反応を抑制す
る一種の離型剤としての役割を持つ。
である場合を示したが、何らこれに限定されるものでは
なく、別の実施例では図2に示すようにキャビティ部2
が複数段形成されている場合であっても同様に焼結させ
ることができる。
セラミックス積層体の焼結方法を説明するための模式的
断面図であり、実施例1と同一の機能を有する構成部位
には同一の符号を付す。ガラスセラミックス積層体1と
しては実施例1と同じアノーサイト結晶化型のガラスセ
ラミックスグリーンシートを用い、キャビティ部2は2
段の形状を有するものとした。さらに同一のガラスセラ
ミックスグリーンシートでキャビティ部2の形状を反転
した形のガラスセラミックス成形体4を作製した。次に
アルミナ粉末と有機溶媒バインダーを混合して形成した
アルミナスラリー中にガラスセラミックス成形体4を浸
し、さらに乾燥させることによりガラスセラミックス成
形体4の表面にアルミナから成る成形体層3aを形成し
た。その後図3に示すように成形体層3aが形成された
ガラスセッラミックス成形体4をキャビティ部2のなか
に配置し積層した。また、図3に示すようにキャビティ
部2以外のガラスセラミックス積層体上面にはアルミナ
+粉末有機溶媒+バインダーのペーストを印刷してアル
ミナから成る成形体層3bを形成し、その厚みはキャビ
ティ部2における成形体層3aの厚みと同じになるよう
にした。次にこれら積層体の上下面に成形体層3a及び
3bと同一成分(アルミナ)から成るグリーンシート5
を積層した。
/cm2 の圧力で加圧し一体化した後、実施例1と同じ
条件で焼成し、同じく超音波洗浄により表面のアルミナ
層を除去した。この時キャビティ部2に配置されたガラ
スセラミックス成形体4は、成形体層3が介在するため
にガラスセラミックス基板1とは融着せず、超音波洗浄
時に容易に取り外すことができた。
坦度を測定した結果、水平方向の寸法収縮は焼成前の
0.05%であり、キャビティ部2の平坦度は垂直方向
/水平方向で表示すると20μm/10mmとなり、十
分平坦化が達成された。
ミックス積層体1の焼結方法によれば、実施例1と同様
の効果が得られると共に、キャビティ部2の形状が複雑
であっても成形体層3を容易に形成することができ、全
体の工程を単純化することができる。
セラミックス積層体の焼結方法を説明するための模式的
断面図であり、実施例1と同一の機能を有する構成部品
には同一の符号を付す。
ラミックスグリーンシート1aによりキャビティ部2を
有するガラスセラミックス積層体1を作製した。ガラス
セラミックス積層体1の上下面にはアルミナから成るグ
リーンシート5を積層し、キャビティ部2に成形体層3
を形成することなく、後は実施例1、2の場合と同一の
焼成方法、条件で焼成した後、同一の方法で表面のアル
ミナを除去した。その結果得られた焼結体はキャビティ
部2の底部にガラスセラミックスの割れが生じ、実用不
可能な焼結体となった。
セラミックス積層体の焼結方法によれば、ガラス質を含
有し、低温焼結が可能なガラスセラミックスグリーンシ
ートを積層し、焼結させるガラスセラミックス積層体の
焼結方法において、前記ガラスセラミックスグリーンシ
ートのキャビティ部を含む上面にガラスセラミックスよ
りも焼結温度の高い無機成分からなる積層体層を形成
し、さらにその上部に前記ガラスセラミックスと同一あ
るいは異なる組成からなるキャビティ部形状のガラスセ
ラミックス積層体を配置し、その後均一に加圧する工程
を含んでいることを特徴としているので、前記ガラスセ
ラミックス積層体がキャビティ部を有する場合であって
も、前記キャビティ部の底部の平坦性、周辺の変形、割
れを抑制し、焼結中の水平方向の収縮を抑制し、緻密に
焼結させることができる。
体の焼結方法を説明するための模式的断面図である。
焼結方法を説明するための模式的断面図である。
層体の焼結方法を説明するための模式的断面図である。
方法を説明するための模式的断面図である。
方法を説明するための模式的断面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 ガラス質を含有し、低温焼結が可能なガ
ラスセラミックスグリーンシートを積層し、焼結させる
ガラスセラミックス積層体の焼結方法において、前記ガ
ラスセラミックスグリーンシートのキャビティ部を含む
上面にガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成
分からなる成形体層を形成し、さらにその上部に前記ガ
ラスセラミックスと同一あるいは異なる組成からなるキ
ャビティ部形状のガラスセラミックス成形体を配置し、
その後均一に加圧する工程を含んでいることを特徴とす
るガラスセラミックス積層体の焼結方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP07047100A JP3089973B2 (ja) | 1995-03-07 | 1995-03-07 | ガラスセラミックス積層体の焼結方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07047100A JP3089973B2 (ja) | 1995-03-07 | 1995-03-07 | ガラスセラミックス積層体の焼結方法 |
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JPH08245268A JPH08245268A (ja) | 1996-09-24 |
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JP07047100A Expired - Lifetime JP3089973B2 (ja) | 1995-03-07 | 1995-03-07 | ガラスセラミックス積層体の焼結方法 |
Country Status (1)
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- 1995-03-07 JP JP07047100A patent/JP3089973B2/ja not_active Expired - Lifetime
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