JP3236759B2 - 絶縁性磁器並びにそれを用いた多層配線基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等を搭
載する基板として好適に使用される絶縁性磁器であり、
低温で焼成される安価な絶縁性磁器並びにそれを用いた
多層配線基板に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来より、半導体素子等を搭載するための
基板材料としては、アルミナ磁器などが一般的に用いら
れ、その表面にタングステンなどの高融点金属からなる
導体層を形成し配線基板が作製されていた。

【０００３】最近では、安価に製造するために、低抵抗
率の金、銀、銅等の低融点金属を導体材料として用いて
同時焼成することが可能な低温焼成が可能な磁器が開発
されている。このような低温焼成磁器としては、液相形
成成分としてガラス粉末を用いて、これにフィラー成分
を添加したものを焼成した、いわゆるガラス−セラミッ
ク材料が提案されている。ところが、ガラス−セラミッ
ク材料において用いられるガラス粉末の原料コストは高
く、必然的に製品のコストが高くなっているのが現状で
ある。

【０００４】そこで上記問題を解決するために、例えば
特公平４−７５８６８号公報において、ムライト、ダン
ブライト、ペタライトおよびフォルステライトを所定の
割合で添加して１０００℃以下で焼成した磁器が提案さ
れている。かかる公報によれば、高価なガラスを全く使
用することなく低温焼成を可能とするために安価に製造
できるという利点を有する。

【０００５】また、特開平５−７０６０号公報では、粒
径の異なる２種類のアルミナを所定の比率で混合し、こ
れに軟化点の低いガラスを添加することによってガラス
の含有量を抑えた絶縁性磁器が提案されている。この公
報によれば、アルミナとガラスからなるグリーンシート
を非酸化性雰囲気で焼成後、この基板上にＣｕペースト
を印刷して、再び非酸化性雰囲気で焼成することによっ
て得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公平
４−７５８６８号公報の磁器では、高価なガラス粉末を
用いないため製品コストを低減できるものの、特定の複
合酸化物を使用する必要があり、その中にはαカウント
の高い天然鉱物であるダンブライト、ペタライト、フォ
ルステライトを一次原料粉末として用いているため、最
終的に絶縁性磁器のαカウントが高くなり、このような
絶縁性磁器にＩＣ等のデバイスを実装した場合にデバイ
スが正常に作動しなくなることがあった。しかも、磁器
の強度はこれらの成分の強度に依存してしまい、それ以
上の強度の向上が望めないものであった。

【０００７】また、特開平５−７０６０号公報では、軟
化点の低いガラスを用いることによってガラス量を低減
できるが、フィラーとして特定のアルミナのみしか使用
できず、しかも大量に配合されるために、絶縁性磁器の
材料特性がフィラーとして用いるアルミナに近似してし
まい、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃程度となり、絶縁性磁
器の熱膨張係数が高くシリコンチップとの熱膨張係数の
整合性に問題があった。

【０００８】このように、従来では、低温焼成と低コス
ト化を実現するには、フィラーに対して改善を加えるこ
とによりガラスを量を低減させたり、特定組成のガラス
に特定のフィラーを組合わせるなど、フィラーの選択性
が大幅に制限されてしまい、例えば低温焼成と低コスト
化にあわせ、シリコンチップとの熱膨張係数の整合性を
図ることが難しいのが現状であった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点に対して検討を重ねた結果、配合されるガラスとし
て、その屈伏点が４００〜５５０℃と、従来用いられて
いたガラスより低い屈伏点を有するガラスを用い、且つ
フィラーとしてムライトを用いることにより、低温での
焼結性を高めることができるためにムライトの含有量を
５５〜８０体積％と多く配合する、言い換えるとガラス
を少量添加で緻密な焼結体が得られることから磁器の低
コスト化が図られるとともに、シリコンチップとの熱膨
張の整合性も達成できることがわかった。

【００１０】即ち、本発明の絶縁性磁器は、４０〜４０
０℃における線熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃以下、屈伏点
が４００〜５５０℃のＰｂを含有しない結晶化ガラスを
２０〜４５体積％と、ムライトを５５〜８０体積％の割
合で混合した混合物を成形後、９００〜１０５０℃の温
度で焼成してなる磁器であって、４０〜４００℃におけ
る線熱膨張係数が４．６ｐｐｍ／℃以下であることを特
徴とするものである。

【００１１】また、本発明の多層配線基板は、絶縁性磁
器の内部あるいは表面に銅を主成分とする導体を備えた
多層配線基板において、前記絶縁性磁器が、４０〜４０
０℃における線熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃以下、屈伏点
が４００〜５５０のＰｂを含有しない結晶化ガラスを２
０〜４５体積％と、ムライトを５５〜８０体積％の割合
で混合した混合物を成形後、９００〜１０５０℃の温度
で焼成してなる磁器であって、４０〜４００℃における
線熱膨張係数が４．６ｐｐｍ／℃以下であることを特徴
とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳述する。本発明
における絶縁性磁器は、結晶化ガラス成分と、フィラー
成分により構成される。結晶化ガラスとしては、４０〜
４００℃における線熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃以下、屈
伏点が４００〜５５０℃であり、Ｐｂを含有しない結晶
化ガラスを用い、フィラー成分としては、ムライトを用
いる。

【００１３】ここで、結晶化ガラスの４０〜４００℃に
おける線熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃以下と限定するの
は、線熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃より大きい場合、絶縁
性磁器全体の線熱膨張係数がシリコンチップの熱膨張係
数との差が大きくなり、熱膨張差に起因してシリコンチ
ップと絶縁性磁器との接続不良が発生しやすくなる。望
ましくは、６ｐｐｍ／℃以下がよい。

【００１４】また、結晶化ガラスの屈伏点を４００〜５
５０℃と限定した理由は、屈伏点が４００℃より低い
と、磁器が９００℃以下で緻密化してしまい、導体とな
るＣｕと同時焼成することができず、屈伏点が５５０℃
以上では、フィラー量が５５体積％以上では絶縁性磁器
の緻密化温度が１０５０℃より高くなってしまう場合が
あり、Ｃｕと同時焼成ができなくなる場合がある。

【００１５】上記の結晶化ガラスとフィラーとは、結晶
化ガラスが２０〜４５体積％、さらには２０〜３５体積
％、フィラーが５５〜８０体積％、特に６５〜８０体積
％の割合で配合される。これは、結晶化ガラスが２０体
積％より少ない場合、つまりフィラーが８０体積％より
多い場合、絶縁性磁器の緻密化温度１０５０℃より高く
なりＣｕと同時焼成できないからであり、結晶化ガラス
が４５体積％より多い場合、つまりフィラーが５５体積
％より少ない場合、磁器の緻密化温度が９００℃より低
くなるとともに、磁器の抗折強度が２３０ＭＰａより低
くなるからである。

【００１６】また、結晶化ガラス中にはＰｂを含有しな
いことも必要である。これはＰｂが毒性を持つため、製
造工程中での被毒を防止するための格別な装置及び管理
を必要とするために焼結体を安価に製造することができ
ないからである。しかも、ガラス中にＰｂを含有される
と屈伏点が大きく低下する傾向にあり、屈伏点を上記の
範囲に制御することが難しくなる。Ｐｂが不純物として
不可避的に混入する場合を考慮すると、Ｐｂ量は０．０
５重量％以下であることが望ましい。

【００１７】上記の特性を満足する結晶化ガラスとして
は、上記の特性を満足するものであれば、格別に限定す
るものではないが、例えば、ＢａＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂
−ＺｎＯ−Ｎａ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｚｎ
Ｏ−Ｎａ₂Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏ、ＳｉＯ₂−Ａ
ｌ₂Ｏ₃−Ｌｉ₂Ｏ−ＺｎＯ−Ｋ₂Ｏが挙げられる。これら
の結晶化ガラスは焼結後においてそれぞれ、バリウムシ
リケート（ＢａＯ・２ＳｉＯ₂）、ウレマナイト（２Ｚ
ｎＯ・ＳｉＯ₂）、リチウムシリケートなどに結晶化す
る。

【００１８】また、４０〜４００℃の線熱膨張係数が８
ｐｐｍ／℃以下のフィラーとしては、アルミナが知られ
ているが、アルミナは熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃と比較
的高いため、シリコンチップとの熱膨張の整合性の点か
ら本発明ではムライトが等が望ましい。なお、本発明で
は、フィラーとして合成原料を用いることが望ましい。
これは、天然鉱物は、一般にαカウントが高いために、
このようなαカウントの高いフィラーを含有すると半導
体を搭載する基板として用いた場合に素子の誤動作を招
く恐れがあるためである。

【００１９】上記の結晶化ガラスおよびフィラーは、上
記の組成範囲で配合された後、その混合物を所望の成形
手段、例えば、ドクターブレード法などのシート成形
法、圧延法、金型プレス、冷間静水圧プレス、押出し成
形等により任意の形状に成形後、焼成する。

【００２０】焼成は、大気などの酸化性雰囲気中あるい
は窒素雰囲気中で９００〜１０５０℃、特に９００〜１
０００℃の温度で焼成する。なお、この磁器をＣｕから
なる配線導体が形成された基板を作製する場合には、酸
化性雰囲気中ではＣｕが酸化されてしまうために、窒素
中で焼成することが必要である。

【００２１】Ｃｕを主体とする導体を配設した多層配線
基板を作製する場合について、さらに具体的に説明す
る。このような多層配線基板は、例えば、前述したよう
な結晶化ガラスとフィラーからなる混合物をドクターブ
レード法などのシート成形法により成形してグリーンシ
ートを作製した後、このグリーンシートの表面にＣｕ粉
末を分散したＣｕペーストと配線パターンとなるように
スクリーン印刷法などにより印刷する。この時、グリー
ンシートには、スルーホールを形成したホール内にＣｕ
ペーストを充填することもできる。このようにして作製
したグリーンシートを積層圧着して積層体を作製する。

【００２２】そして、この積層体を８００℃以下、窒素
加湿雰囲気中で脱ダインダー処理を行った後、９００〜
１０５０℃、特に９００〜１０００℃の温度で、窒素中
乾燥雰囲気中で焼成することにより、絶縁性磁器とＣｕ
導体とを同時に焼結することができる。このようにし
て、多層配線基板を作製することができる。

【００２３】

【作用】本発明によれば、屈伏点が４００〜５５０℃の
従来用いられていたガラスより低い結晶化ガラスを用い
ることにより９００〜１０５０℃の程度での焼結性が高
まるために、原料に占める高価なガラスの添加量を低減
することができ、これにより製造コストを大幅に低減で
きる。それに伴い、フィラーの含有量を増加できる結
果、磁器の強度を高めることができる。

【００２４】また、フィラーとしてムライトを選択する
ことによって、線熱膨張係数が４．６ｐｐｍ／℃以下の
磁器を作製することが可能となり、これにより磁器全体
の熱膨張係数をシリコンチップの熱膨張係数と近似させ
ることができる。

【００２５】また、かかる磁器は９００〜１０５０℃で
焼成できるためにＣｕからなる配線導体と同時に焼成す
ることができ、その結果、安価な高信頼性の多層配線基
板を提供できる。さらに、本発明の絶縁性磁器では、フ
ィラー成分として用いる金属酸化物としては、天然鉱物
以外の合成原料を用いれば、絶縁性磁器中のαカウント
を低くすることができ、絶縁性磁器にＩＣ等のデバイス
を実装してもデバイスに悪影響を与えることがない。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の絶縁性磁器をを実施例に基づ
き詳細に説明する。ガラスとして、重量比が下記の比率
および屈伏点、４０〜４００℃における線熱膨張係数
（ｐｐｍ／℃） 屈伏点 熱膨張係数 組 成 （℃） (ppm／℃) ４３％ＢａＯ−３０％Ｂ₂Ｏ₃−１９％ＳｉＯ₂ ５２０ ５．０ −４％ＺｎＯ−３％Ｎａ₂Ｏ−１％Ａｌ₂Ｏ₃ ６０％ＳｉＯ₂−２０％Ａｌ₂Ｏ₃−９％Ｌｉ₂Ｏ ４５０ ５．４ −６％ＺｎＯ−５％Ｋ₂Ｏ ５０％ＳｉＯ₂−１８％Ｂ₂Ｏ₃−１３％ＺｎＯ ６００ ５．９ −８％Ｎａ₂Ｏ−６％ＣａＯ の３種のガラスと、フィラー成分として、ムライト（４
０〜４００℃の線熱膨張係数４ｐｐｍ／℃）を表１に示
す調合組成になるように秤量調合した。上記のように秤
量した組成物にバインダーとしてパラフィンワックスを
用いてプレス成形法して成形体を得、これを表１の温度
で焼成して絶縁性磁器を得た。

【００２７】次に、上記のようにして得られた絶縁性磁
器に対して４０〜４００℃の線熱膨張係数を測定した。
また、前記絶縁性磁器を直径６０ｍｍ、厚さ２ｍｍの形
状に加工した評価試料を作製し、該評価試料によりＪＩ
Ｓ−Ｃ−２１４１の規定に準じて周波数１ＭＨｚ、入力
信号レベル１．０Ｖｒｍｓの測定条件にて誘電率、誘電
損失を測定した。

【００２８】更に、前記絶縁性磁器を長さ７０ｍｍ、厚
さ３ｍｍ、幅４ｍｍの形状に加工した評価試料を作製
し、該評価試料によりＪＩＳ−Ｃ−２１４１の規定に準
じて抗折強度（３点曲げ試験）を測定した。これらの結
果を表１に示す。

【００２９】尚、ガスフロー比例係数管法により、本発
明の実施例である各試料のαカウントを測定した結果、
０．１ＤＰＨ／ｃｍ²であり、αカウントが低いことを
確認した。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１の結果によれば、屈伏点が５５０℃よ
りも高いガラスを用いた試料Ｎo.９〜１３では、ガラ
ス量が５５体積％を越えなければ、９００〜１０５０℃
の低温で十分に緻密化することができず、試料Ｎo.１０
〜１３では緻密化温度が高く、Ｃｕとの同時焼成はでき
ず、しかも緻密化が可能であっても強度が低いものであ
った。

【００３２】これに対して、屈伏点が４００〜５５０℃
のガラスを用いると、ガラス量が４５体積％以下で
も低温で緻密化することができた。しかもフィラーとし
てムライト、およびガラスとして熱膨張係数が８ｐｐｍ
／℃以下のものを適宜組み合わせることにより磁器全体
の熱膨張係数を４．６ｐｐｍ／℃以下とシリコンチップ
の４ｐｐｍ／℃に近似させることが可能となった。ま
た、フィラー量が増加したため抗折強度も２３５ＭＰａ
以上が達成された。

【００３３】実施例２ 表１の本発明の試料の組成物に対して結合剤、可塑剤及
び溶剤とを添加混合してスラリーを作製した。また、結
合剤にはアクリル樹脂、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチル
フタレート）、溶剤にはトルエンを用いた。

【００３４】上記のようにして作製したスラリーを離型
フィルム上にドクターブレード法により０．１〜０．５
ｍｍの厚さになるように流し、溶剤を乾燥除去すること
により所定の厚さのグリーンシートを得た。

【００３５】そして、そのグリーンシート表面に銅を主
成分とする導体ペーストを用いてスクリーン印刷法によ
り評価用配線パターンを厚膜印刷し、乾燥後、評価用配
線パターンを有するグリーンシートを表面にして１０枚
のグリーンシートを積層し圧着した。

【００３６】この積層体を水蒸気を含有した窒素雰囲気
下において加熱しグリーンシート積層体中の結合剤及び
可塑剤を分解、除去した後、７００〜８００℃で脱バイ
ンダーを行い、次に乾燥窒素雰囲気下において９００〜
１０５０℃で焼成した。

【００３７】その結果、いずれの試料もＣｕメタライズ
配線層と同時焼成により、密着性および精度のよい多層
配線基板を得ることができた。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
屈伏点の低い結晶化ガラスを用いることにより、低温で
かつ少ないガラス量で焼成することが可能であり、Ｃｕ
を配線導体とする多層配線基板を安価に製造することが
できる。また、フィラーを多量に添加できることから、
磁器の強度を高めることができ、これにより高信頼性の
多層配線基板を作製することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 民 保秀 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ 株式会社総合研究所内 審査官 武重 竜男 (56)参考文献 特開 昭62−128961（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−227858（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−305770（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−305814（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/42 - 35/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】４０〜４００℃における線熱膨張係数が８
   ｐｐｍ／℃以下、屈伏点が４００〜５５０℃のＰｂを含
   有しない結晶化ガラスを２０〜４５体積％と、ムライト
   を５５〜８０体積％の割合で混合した混合物を成形後、
   ９００〜１０５０℃の温度で焼成してなる磁器であっ
   て、４０〜４００℃における線熱膨張係数が４．６ｐｐ
   ｍ／℃以下であることを特徴とする絶縁性磁器。
2. 【請求項２】絶縁性磁器の内部あるいは表面に銅を主成
   分とする導体を備えた多層配線基板において、前記絶縁
   性磁器が、４０〜４００℃における線熱膨張係数が８ｐ
   ｐｍ／℃以下、屈伏点が４００〜５５０℃のＰｂを含有
   しない結晶化ガラスを２０〜４５体積％と、ムライトを
   ５５〜８０体積％の割合で混合した混合物を成形後、９
   ００〜１０５０℃の温度で焼成してなる磁器であって、
   ４０〜４００℃における線熱膨張係数が４．６ｐｐｍ／
   ℃以下であることを特徴とする多層配線基板。