JP3284937B2

JP3284937B2 - 低温焼成セラミックス基板

Info

Publication number: JP3284937B2
Application number: JP24141297A
Authority: JP
Inventors: 善章山出; 一郎内山; 要一守屋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: JPH1179829A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＳＩなどで代表
される電子部品を搭載するためのセラミックス基板に関
し、より詳しくはプリント配線基板にＢＧＡ (ボールグ
リッドアレイ) またはＬＧＡ (ランドグリッドアレイ)
パッケージとして実装するのに適した、低温焼成可能な
セラミックス基板、特に多層セラミックス配線基板に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高集積化したＬＳＩを始めとする
各種電子部品を搭載する多層配線基板において、小型化
や信頼性向上の要求から、プラスチックに代わって、耐
熱性が格段に優れたセラミックスが基板材料として用い
られるようになってきた。多層セラミックス配線基板の
製造方法として、グリーンシート積層法と厚膜多層印刷
法があるのは周知の通りである。グリーンシート積層法
の方がより微細な配線の形成が可能である。

【０００３】セラミックス基板の代表例は、高強度が得
られるアルミナ基板である。アルミナ基板は、焼成温度
が1300〜1600℃と高いため、特にグリーンシート積層法
により基板と内層配線を同時焼成する場合、配線材料に
はＷやMo等の高融点材料を使用する必要がある。

【０００４】しかし、これらの配線材料は電気抵抗が比
較的高いので、配線を細線化すると電気抵抗が増大し
て、信号の伝送損失が大きくなる。また、最近はＬＳＩ
の動作電圧が低電圧化しており、電力損失を少なくする
ことが一層必要になっている。また、アルミナは、比誘
電率が約９と高いため、最近の電送信号の高周波数化に
伴って、信号遅延時間が大きくなる点も問題になってき
ている。

【０００５】このような問題点を解決するために、 850
〜1050℃の温度で焼成可能な低温焼成セラミックス基板
が開発された。焼成温度がこのように低いと、内層配線
材料にAu、Ag、Cu、Ag−Pdなどの低融点で電気抵抗率の
低い金属を使用することができ、信号の伝送損失や電力
損失が著しく減少する。低温焼成セラミックス基板に
は、結晶化ガラス系や非ガラス系といった単一組成のも
のもあるが、多くはガラスと結晶質フィラー (骨材) と
の混合物からなるガラス複合材料 (ガラスセラミック
ス) からなる。その多くは比誘電率がアルミナよりかな
り低いので、信号遅延時間が短くなる。

【０００６】一方、ＬＳＩチップを基板に搭載する方法
として、従来行われてきたワイヤーボンディングに比べ
て高密度で電気的接続性に優れたフリップチップ接続
(半田もしくは金属バンプで接続する方法) が採用され
始めている。同様の理由から、ＬＳＩパッケージをプリ
ント配線板（マザーボード）に実装する方法としても、
従来の接続用のピンをなくして、半田ボールで接続する
ＢＧＡパッケージや、ボールではなく半田で直接接続す
るＬＧＡパッケージの採用が広がっている。

【０００７】上記のフリップチップやＢＧＡ、ＬＧＡと
いった接続法は高密度接続が可能であるため、パッケー
ジの小型化や実装密度の増大といった要求に応えること
ができる。しかし、チップと基板またはパッケージとプ
リント配線板との接続部が短くなるため、より大きな熱
応力が接続部に加わるようになる。この熱応力は、チッ
プと基板、または基板とプリント配線板の熱膨張係数が
異なるため、ＬＳＩの作動で発生する熱により生ずるも
のである。

【０００８】ＬＳＩの集積度の向上とパッケージの小型
化・高密度化により、パッケージの発熱量は大きくなっ
てきているので、接続部に加わる熱応力は増大傾向にあ
る。しかし、接続部が上記のように短いと、熱応力を十
分に吸収できない。そのため、熱応力に耐えきれずに接
続部が剥離して動作不良となる確率が増すので、特に上
記の接続法では、熱応力に対する接続信頼性を確保する
ことが重要である。

【０００９】セラミックス基板へのフリップチップ接続
法に関しては、チップ材料であるシリコンの熱膨張係数
に近いセラミックス材料が開発され、高い信頼性の確保
が可能となった。さらに近年では、チップとセラミック
ス基板との間に補強樹脂を注入することで、熱膨張係数
がセラミックス基板とチップとでかなり異なっていても
接続の信頼性が確保できるようになり、フリップチップ
接続法の信頼性は高まってきている。

【００１０】一方、プリント配線板へのＢＧＡ (または
ＬＧＡ) 接続の信頼性に関しては、セラミックスパッケ
ージの場合、セラミックス基板の熱膨張係数がプリント
配線板 (代表的にはガラス／エポキシ) に比べて非常に
小さいため、高い接続信頼性を得ることが困難であっ
た。

【００１１】この場合も、チップと同様に、樹脂で補強
することにより接続信頼性を向上させることは可能であ
るが、プリント配線板への実装では部品交換の必要性か
ら、交換を不可能にする樹脂注入という手段を採用しに
くい。そのため、現在は接続部の構造を改良することで
接続信頼性の確保（即ち、長寿命化）を図っているが、
構造の改良だけでは限界があり、プリント配線板に近
い、大きな熱膨張係数を持ったセラミックス基板材料が
望まれていた。

【００１２】熱膨張係数が大きな低温焼成可能なガラス
セラミックス基板として、特開昭59−162169号公報に
は、比誘電率の低いホウケイ酸系ガラス、ホウケイ酸バ
リウムもしくはカルシウム系ガラス、またはリン酸アル
ミニウム系ガラスと、熱膨張係数が大きく、比誘電率が
低いシリカ鉱物であるクリストバライトまたは石英と
を、1000℃以下で焼結させたものが記載されている。こ
の基板は比誘電率は比較的低いが、熱膨張係数は最高で
も 100×10^-7／℃ (＝10×10^-6／℃) とやや不十分であ
る。

【００１３】特開昭63−117929号公報には、ZnO-Al₂O₃-
SiO₂系でアルカリ金属酸化物を含有しないガラスを用い
た、熱膨張係数の大きいガラスセラミックス材料が記載
されている。しかし、この公報にも記載されているよう
に、わずかな熱処理条件の差により熱膨張係数が大きく
変動し、熱膨張係数を安定して制御することができな
い。

【００１４】特開平８−279574号公報には、40〜400 ℃
での線熱膨張係数が80〜180 ×10^-7／℃の基板が記載さ
れている。この公報には、1450℃以上の高温焼成型と10
00℃以下の低温焼成型の２種類の基板が開示されてお
り、高温焼成型のものは比誘電率が5.5 以下になるが、
低温焼成型のものは比誘電率が5.7 以上と、低誘電率化
できていない。

【００１５】特開平８−330690号公報には、線熱膨張係
数の大きい結晶性ガラスと無機フィラーとを焼成した、
40〜400 ℃での線熱膨張係数が８〜18ppm(＝×10^-6) ／
℃の配線基板が記載されている。実施例を見ると、線熱
膨張係数が10×10^-6／℃以上の基板を与える結晶性ガラ
スは、SiO₂-Li₂O-Al₂O₃-P₂O₅-K₂O-ZnO-Na₂O 系ガラス
と、SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃-MgO-ZnO 系ガラスだけである。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、セラ
ミックス基板に一般に求められる特性としては、低コス
ト化、低誘電率化、そして内層導体の低抵抗化のための
低温焼成がある。さらに、高密度実装に有利なＢＧＡ、
ＬＧＡといった接続法を適用するには、接続の信頼性の
確保するために、プリント配線板の熱膨張係数に近い大
きな熱膨張係数を持つことが求められる。

【００１７】この熱膨張係数は、プリント配線板に接続
されたセラミックパッケージの実際の動作温度、即ち、
室温を中心とする温度域、で測定された値でなければな
らない。この動作温度域は、例えば−40〜125 ℃であ
る。下限の−40℃は極寒地域での使用を想定し、上限の
125 ℃は使用中の発熱による温度上昇を想定している。
例えば、 200〜400 ℃の温度域での熱膨張係数が大きく
ても、室温を中心とする温度域で熱膨張係数が小さけれ
ば、実際の使用時のセラミックパッケージのプリント配
線板への接続の信頼性は大きくならない。

【００１８】セラミックス基板の吸水率も重要である。
水は誘電率が78.5と高いので、水を吸収すると基板の絶
縁性が悪化する。従って、セラミックス基板は吸水性を
示さない (即ち、吸水率が０％) であることが望まし
い。しかし、従来の低温焼成ガラスセラミックス材料は
吸水率が数％あり、この点での改善も必要であった。

【００１９】本発明は、この点に着目し、低コスト、
低誘電率 (具体的には比誘電率が5.5 以下) 、内層
導体の低抵抗化のために低温焼成 (具体的には1050℃以
下での焼成) が可能、室温を中心とする温度域 (−40
〜125 ℃) での熱膨張係数が大きい (具体的には線熱膨
張係数が９×10^-6／℃以上) 、吸水率が０％、という
特性を全て満たすセラミックス基板を提供することを課
題とする。

【００２０】従来技術の欄に説明したように、熱膨張係
数の大きな低温焼成セラミックス基板はこれまでもいく
つか開示されている。しかし、上記の〜の全ての要
求を満たすものはなかった。

【００２１】例えば、特開昭59−162169号公報に記載の
ガラスセラミックス基板は熱膨張係数がやや低く、特に
本発明で対象とする−40〜125 ℃の温度域での熱膨張係
数は目標値の９×10^-6／℃に達しない。一方、特開昭63
−117929号公報に記載のものは熱膨張係数が不安定であ
る上、吸水率が数％以上 (例、５〜８％) と高い。

【００２２】特開平８−279574号公報に記載のセラミッ
クス基板では、低温焼成型のものは比誘電率が高い。特
開平８−330690号公報に記載のガラスセラミックス基板
も、−40℃〜125 ℃での熱膨張係数を実測したところ、
熱膨張係数が９×10^-6／℃以上になるものは1200℃以上
の高い焼成温度を必要とし、この熱膨張係数が９×10^-6
／℃以上で、低温焼成可能かつ低比誘電率のものはなか
った。焼成温度が1200℃以上と高くなると、例えば銅を
内層導体材料とした場合に、銅が焼成時に溶融し、断線
等の不具合を生ずる。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、低温焼成
可能なガラスセラミックス材料のうち、骨材または結晶
相がアルミナよりシリカ鉱物である材料の方が比誘電率
が低くなることに着目した。シリカ鉱物には、石英 (ク
オーツ) 、クリストバライト、トリジマイトがある。

【００２４】図１にこれらのシリカ鉱物の線熱膨張係数
の温度変化を示す。いずれも急激に熱膨張係数が増大す
る不連続な温度がある。この温度はシリカの低温型 (α
型)から高温型 (β型) への相転移温度であり、この相
転移に伴って急激に体積が変化する (昇温時には膨張、
降温時には収縮) ことを示している。

【００２５】クリストバライトでは、この相転移が240
℃付近で生じる。そのため、クリストバライトの線熱膨
張係数を、特開平８−279574号公報や同８−330690号公
報に記載のように40〜400 ℃という広い温度域で測定す
ると、非常に大きくなる。しかし、−40℃〜125 ℃とい
う常温を中心とする温度域では、この相転移が熱膨張に
寄与しないので、熱膨張係数はそれほど大きくない。

【００２６】このクリストバライトで見られる240 ℃付
近での急激な体積変化は、ＩＣパッケージのプリント配
線板への実装に普及してきたリフロー法によるハンダ付
けにおいて問題を生ずることが判明した。即ち、リフロ
ー法では、ハンダ付けされる部品の全体が 240〜300 ℃
付近に加熱される。そのため、クリストバライトを含む
基板は、加熱過程と冷却過程でそれぞれ相転移による大
きな体積の膨張と収縮を受けることになり、基板自体に
微小亀裂を生じて基板強度が著しく低下したり、或いは
基板の配線層やパッケージ内部の電子部品と基板との接
続部の剥離による断線を生ずる危険性が大きくなる。

【００２７】トリジマイトも、α相とβ相の相転移温度
が160 ℃付近にあり、−40℃〜125℃の温度域ではこの
相転移による膨張が寄与しない上、やはりリフロー法に
おいて、程度の差はあっても上記と同じ問題を生ずる可
能性がある。

【００２８】これに対し、石英は、α相とβ相の相転移
温度が600 ℃付近と非常に高温であるので、リフロー温
度の上限である300 ℃付近まで加熱される間に急激な体
積変化を受けない。また、室温近辺での熱膨張係数はク
リストバライトより大きいという特徴を持っている。

【００２９】これらの点から、本発明者らは、上記課題
を解決するためのガラスセラミックス材料としては、骨
材が石英であるものが最適であるとの結論に達し、焼結
剤となるガラス成分について検討を重ねた結果、SiO₂-B
aO-Na₂O-K₂O-Li₂O-Al₂O₃系ガラスにより、上記ないし
の全ての要求を満たしたセラミックス基板を実現でき
ることを見出した。

【００３０】本発明は、「石英を主成分とする骨材とSi
O ₂ -BaO-Na ₂ O-K ₂ O-Li ₂ O-Al ₂ O ₃ 系ガラスとの焼結体からな
る、1050℃以下で焼成されたセラミックス基板であっ
て、−40℃〜125 ℃の温度範囲での線熱膨張係数が９×
10 ^-6 より大きく、比誘電率が5.5 以下、吸水率が０％で
あることを特徴とする、セラミックス基板」である。

【００３１】本明細書において、「吸水率」とは、100
℃の沸騰水中に１時間浸漬した時の吸水率を意味する。
具体的には、試料を大気圧下、100 ℃の沸騰水中に１時
間浸漬した後、放冷し、表面の水分を完全に除去してか
ら秤量し、重量増加から吸水率を算出する。

【００３２】

【００３３】

【００３４】好ましくは、この骨材とガラスの割合は、
骨材50〜75％ (そのうち、石英50〜70％) 、ガラス25〜
50％であり、ガラスの組成はSiO₂: 65〜75％、BaO:10〜
15％、Na₂O: ５〜10％、K₂O:１〜５％、Li₂O: 0.1 〜0.
6 ％、Al₂O₃:２〜６％、その他不純物: 合計３％以下で
ある。

【００３５】骨材は、アルミナ、窒化アルミニウムおよ
び水酸化アルミニウムよりなる群から選ばれた１種もし
くは２種以上のアルミニウム化合物を 0.5〜５wt％の量
で含有していてもよい。本発明のセラミックス基板は、
内層導体配線を有する多層基板、特にグリーンシート積
層法で製造された多層セラミックス基板であることが好
ましい。

【００３６】

【発明の実施の形態】本発明のセラミックス基板は、組
成面からは、(A) 石英を主成分とする骨材とSiO₂-BaO-N
a₂O-K₂O-Li₂O-Al₂O₃系ガラスとの焼結体からなり、特性
として、(B)−40℃〜125 ℃の温度範囲での線熱膨張係
数が９×10^-6より大きく、比誘電率が5.5 以下、吸水率
が０％であり、1050℃以下の温度で焼成されている点に
特徴がある。

【００３７】骨材の主成分として石英を選択したのは、
既に説明したように、シリカ鉱物であるため比誘電率が
低く、室温付近の温度域での熱膨張係数が高く、しかも
リフロー法での加熱温度の上限である約300 ℃までに相
転移による急激な体積変化を生じないからである。具体
的には、石英は比誘電率が約3.5 であり、線熱膨張係数
は約600 ℃の相転移より低温側では約12×10^-6／℃と大
きい。

【００３８】これに対し、同じシリカ鉱物であるクリス
トバライトは、比誘電率は低いものの、室温付近 (125
℃以下) での熱膨張係数が石英より小さい上、リフロー
法での加熱および冷却過程で相転移に起因する急激な体
積の膨張と収縮を生ずる原因となるので、セラミックス
基板の結晶相として不適切である。この急激な体積変化
の問題はトリジマイトでも同様である。

【００３９】この石英を主成分とする骨材の焼結に用い
るガラスとしてSiO₂-BaO-Na₂O-K₂O-Li₂O-Al₂O₃系ガラス
を選択したのは、このガラスが比誘電率が低く、かつ室
温近傍での熱膨張係数が高いため、このガラスを用いて
上記骨材を焼結すると、前述した〜の全ての要求を
満たした焼結体が得られるからある。このガラスは、バ
リウムガラスに属するガラスであるが、通常のバリウム
ガラスとは異なり、酸化ホウ素(B₂O₃)を全く含有しない
か、含有しても不純物としての量である。

【００４０】本発明で用いる上記ガラスの組成は、石英
を主成分とする骨材と一緒に1050℃以下で焼成して焼結
体とした時に、−40℃〜125 ℃の温度範囲での線熱膨張
係数が９〜20×10^-6／℃で、比誘電率が5.5 以下、吸水
率が０％の焼結体が得られれば、特に制限されるもので
はない。

【００４１】しかし、実験の結果、このような焼結体
は、SiO₂: 65〜75％、BaO:10〜15％、Na₂O: ５〜10％、
K₂O:１〜５％、Li₂O: 0.1 〜0.6 ％、Al₂O₃:２〜６％、
その他不純物: 合計３％以下の組成範囲において得られ
ることが判明したので、ガラス組成をこの範囲から選択
することが好ましい。この組成を持つガラスの粉末は、
常法、例えば、各金属酸化物を所定割合で混合した混合
物を融解し、水冷ロールによる冷却または水中への注入
等により急冷し、得られたフリット (粗粒) を粉砕する
ことにより製造できる。

【００４２】このガラス組成において、SiO₂が65％を下
回ると焼結体 (基板) の比誘電率が高くなり、75％を越
えるとガラスの軟化点が高くなるため、1050℃以下では
緻密な焼結体を得ることが困難となり、ガラス相が失透
しやすくなる。SiO₂はより好ましくは68〜73％である。

【００４３】BaO が10％を下回ると基板の熱膨張係数が
小さくなり、15％より多いと、ガラス、従って基板の耐
酸性が悪くなる。BaO は、より好ましくは11.5〜13.5％
である。Na₂Oが５％を下回ると、基板の熱膨張係数が小
さくなる上、ガラスの軟化点が高くなって低温焼成に適
さなくなる。一方、Na₂Oが10％を超えると、基板の絶縁
性と誘電正接が悪くなる。Na₂Oは、より好ましくは 6.5
〜8.5 ％である。

【００４４】K₂O が１％より少ないか、Li₂Oが0.1 ％よ
り少ないと、ガラスの軟化点が高くなり、K₂O が５％を
超えるか、Li₂Oが1.6 ％を超えると、基板の絶縁性と誘
電正接が悪くなる。より好ましくは、K₂O は 2.5〜４％
であり、Li₂Oは 0.2〜0.5 ％である。

【００４５】Al₂O₃ を２〜６％と少量含有させるのは、
骨材が石英を主成分とするため、基板全体のSiO₂量が多
く、このようにSiO₂を多量に含む系では焼成時にクリス
トバライトが結晶として析出しやすいのを防ぐためであ
る。２％以下ではこの効果がなく、６％を超えると比誘
電率や熱膨張係数を悪くする。Al₂O₃は、より好ましく
は３〜５％である。

【００４６】一般に、比誘電率が低いガラスは、低誘電
率化に有効なB₂O₃を含有するものが多い。しかし、B₂O₃
を含むガラスは熱膨張係数が低いものが多い。さらに、
B₂O₃はガラス生成時に揮散しやすく、狙いとするガラス
組成が得にくいため、成分や配合に要する管理工数が増
大し、コスト高になる。本発明で用いるガラスは、B₂O₃
を含んでおらず、B₂O₃は不純物となる。

【００４７】骨材とガラス質の配合割合は、骨材50〜75
％、ガラス50〜25％の範囲内とすることが好ましい。一
般に、骨材の割合が多いほど、基板 (焼結体) の気孔率
が上昇し (気孔率が大きすぎると吸水率が大きくなり、
パッケージの信頼性の低下を招く) 、比誘電率が低下
し、熱膨張係数が大きくなり、焼結温度が高くなる傾向
がある。骨材が50〜75％の範囲で、目的とする熱膨張係
数と比誘電率を満たし、かつ吸水率が実質的に０％の低
温焼成セラミックス基板を得ることができる。より好ま
しい配合割合は、骨材55〜70％、ガラス45〜30％であ
る。

【００４８】骨材は石英100 ％から構成してもよいが、
アルミナ、窒化アルミニウム、および水酸化アルミニウ
ムから選ばれたアルミニウム化合物を少量添加すると、
クリストバライトの析出を防ぐ効果が大きくなる傾向が
あることが判明した。また、基板強度が増大し、使い勝
手のよい基板になるという効果もある。但し、アルミニ
ウム化合物の添加量が多すぎると、比誘電率や熱膨張係
数を目的とする範囲に保持できなくなるので、その配合
量は合計で５％以下とし、好ましくは３％以下とする。

【００４９】骨材とガラスの合計を100 ％として、石英
の配合割合は50〜70％を占めることが好ましい。石英の
割合が50％より少ないと、焼結体の膨張係数が小さくな
り、70％を越すと1050℃以下で焼結できないことがあ
る。より好ましい石英の割合は55〜65％である。

【００５０】上述した好ましい組成を持つガラスと石英
を主成分とする骨材とを、上記の好ましい配合割合で混
合した原料を焼成して、SiO₂: 79〜90.0％、BaO: 3〜7.
5 ％、Na₂O:1.5〜５％、K₂O: 0.3〜2.5 ％、Li₂O: 0.03
〜0.3 ％、Al₂O₃+AlN: 0.6〜7.7 ％、その他不純物: 合
計３％以下の組成を持つセラミックス基板を得ることが
好ましい。

【００５１】焼成は、前述したように、Cuや貴金属系の
低抵抗の内層導体の使用が可能になるように、1050℃以
下の温度で行う。焼成温度の下限は、緻密な焼結体が得
られる限り制限はないが、通常は850 ℃以上である。

【００５２】こうして得られる、本発明にかかるセラミ
ックス基板は、−40℃〜125 ℃の温度域で測定した線熱
膨張係数が９〜20×10^-6／℃の範囲にある。一般的なプ
リント配線板材料であるガラス−エポキシ材料の同じ温
度域での線熱膨張係数は約14〜15×10^-6／℃である。こ
のプリント配線板にセラミックス基板をＢＧＡまたはＬ
ＧＡ接続した場合、セラミックス基板の上記温度域での
線熱膨張係数が９×10^-6／℃を下回るか、20×10^-6／℃
を上回ると、基板／プリント配線板の熱膨張係数の差が
大きすぎて、動作中の温度上昇を繰り返し受けると接続
不良が起こって、接続の信頼性が悪くなり、またリフロ
ー法による接続後に基板の反りが起こることがある。こ
の線熱膨張係数は、好ましくは10〜15×10^-6／℃であ
り、より好ましくは11〜13×10^-6／℃である。

【００５３】本発明に係るセラミックス基板の比誘電率
は5.5 以下である。それにより、ＬＳＩの動作周波数が
高周波化しても良好な信号応答性を保持できる。比誘電
率は好ましくは5.1 以下であり、さらに好ましくは5.0
未満である。また、この基板は吸水率が０％であるの
で、耐湿性に優れ、基板の信頼性が著しく向上する。

【００５４】本発明のセラミックス基板は、周知のグリ
ーンシート積層法により、内部に内層導体配線を有する
多層セラミックス回路基板の構成とすることが好まし
い。焼成温度が1050℃以下と低いので、内層導体配線と
しては、Cu、またはAu、Ag、Cu、Ag−Pd、Ptなどの貴金
属が使用できる。これらはいずれも低抵抗であるので、
信号の伝送損失が少なくなる。焼成温度は、配線材料に
応じて、配線材料の融点より低くなるように設定する。
例えば、Agの場合には930 ℃以下がよく、従って、この
温度で焼成できるように、石英の配合量を調整する。焼
成雰囲気も、導体配線に応じて、例えば易酸化性の銅の
場合には非酸化性雰囲気、貴金属の場合には大気雰囲気
というように設定することができる。このような焼成条
件は当業者にはよく知られている。

【００５５】

【実施例】

(実施例１)SiO₂: 70.5％、BaO:12.8％、Na₂O:7.5％、K₂
O: 3.5％、Li₂O:0.7％、Al₂O₃:4.1 ％、その他不純物:
合計0.9 ％の組成を持つガラスフリットを、通常の融解
・急冷法により調製し、平均粒径10μｍ程度に粉砕し
た。このガラス粉末と石英粉末を、ガラス：石英＝40：
60 (重量％) の割合で配合し、ボールミル中で有機溶媒
を粉砕溶媒として約48時間混合粉砕した。ここに、アク
リル系バインダと分散剤と可塑剤を添加して混合を続け
ることによりスラリー化し、得られたスラリーからドク
ターブレード法によりシート化し、乾燥して、厚み0.1
mm厚さのグリーンシートを作製した。

【００５６】このグリーンシートを10層積層し、熱圧着
させて、１mm厚さのグリーンシートにした。このグリー
ンシートを大気中500 ℃に１時間加熱して脱バインダし
た後、大気中850 ℃で30分間焼成して、セラミックス基
板を得た。この基板の組成は、SiO₂: 88.2％、BaO: 5.1
％、Na₂O:3.0％、K₂O: 1.4％、Li₂O:0.3％、Al₂O₃:1.6
％、その他不純物: 合計0.4 ％である。

【００５７】この基板のサンプルに簡易的に被着可能な
外部電極を取付け、比誘電率を測定した。別のサンプル
で線熱膨張係数と吸水率を測定したところ、比誘電率は
4.9、−40℃〜125 ℃の熱膨張係数は13×10^-6／℃、吸
水率は０％であった。同じ操作を５回繰り返したとこ
ろ、上記測定値のばらつきは最大で５％、平均では３％
以内であった。

【００５８】(実施例２)実施例１と同様に作製した0.1
mm厚さの乾燥グリーンシート上に銀ペーストをスクリー
ン印刷して導体パターンを形成した後、このグリーンシ
ートを10層積層して熱圧着させ、内層導体ペースト層を
有する１mm厚さのグリーンシートにした。その後、実施
例１と同様に脱バインダおよび焼成して、内層導体配線
を有する多層セラミックス配線基板を製作した。

【００５９】このセラミックス配線基板の線熱膨張係数
と吸水率を測定したところ、−40℃〜125 ℃での線熱膨
張係数は13×10^-6／℃、吸水率は０％であり、内層配線
を持たない実施例１の基板と同じであった。また、この
基板のサンプルの内層配線のない端部を切り取り、比誘
電率を測定したところ、4.9 であり、やはり実施例１と
同じであった。

【００６０】(実施例３)実施例１で用いたのと同じガラ
ス粉末と石英粉末とアルミナ粉末とを、ガラス：石英：
アルミナ＝37：62.5：0.5(重量％) の割合で配合した粉
末混合物から、0.1 mm厚さの乾燥グリーンシートを作製
した。

【００６１】このグリーンシートに銅ペーストをスクリ
ーン印刷して導体パターンを形成した後、10層積層して
熱圧着させ、内層導体ペースト層を有する１mm厚さのグ
リーンシートを得た。その後、実施例１と同様に脱バイ
ンダ用の熱処理をした後、H₂＋N₂の還元性雰囲気中950
℃で30分間焼成して、内層導体配線を有する多層セラミ
ックス配線基板を製作した。

【００６２】この基板の−40℃〜125 ℃での線熱膨張係
数は13×10^-6／℃、吸水率は０％であった。また、この
基板のサンプルの内層配線のない端部を切り取り、比誘
電率を測定したところ、5.0 であった。なお、この基板
の組成は、SiO₂: 88.6％、BaO: 4.7％、Na₂O:2.8％、K₂
O: 1.3％、Li₂O: 0.26％、Al₂O₃:2.0 ％、その他不純
物: 合計0.34％である。

【００６３】(実施例４)実施例１で用いたのと同じガラ
ス粉末と石英粉末とアルミナ粉末と窒化アルミニウム粉
末とを、ガラス：石英：アルミナ：窒化アルミニウム＝
35：62.5：1.5：１ (重量％) の割合で配合した粉末混
合物から0.1 mm厚さの乾燥グリーンシートを作製した。

【００６４】このグリーンシートにAg−Pdペーストをス
クリーン印刷して導体パターンを形成した後、10層積層
して熱圧着させ、内層導体ペースト層を有する１mm厚さ
のグリーンシートを得た。その後、実施例１と同様に脱
バインダ用の熱処理をした後、大気中1050℃で30分間焼
成して、内層導体配線を有する多層セラミックス配線基
板を製作した。

【００６５】この基板の−40℃〜125 ℃での線熱膨張係
数は12×10^-6／℃、吸水率は０％であった。また、この
基板のサンプルの内層配線のない端部を切り取り、比誘
電率を測定したところ、5.0 であった。この基板の組成
は、SiO₂: 87.3％、BaO: 4.5%、Na₂O:2.6％、K₂O: 1.2
％、Li₂O:0.2％、(Al₂O₃+AlN):3.9 ％、その他不純物:
合計0.3 ％である。

【００６６】(実施例５)実施例１で用いたのと同じガラ
ス粉末と石英粉末とアルミナ粉末と水酸化アルミニウム
粉末とを、ガラス：石英：アルミナ：水酸化アルミニウ
ム＝35：60：2.5 ：2.5(重量％) の割合で配合した粉末
混合物から0.1 mm厚さの乾燥グリーンシートを作製し
た。

【００６７】このグリーンシートにAg−Pdペーストをス
クリーン印刷して導体パターンを形成した後、10層積層
して熱圧着させ、内層導体ペースト層を有する１mm厚さ
のグリーンシートを得た。その後、実施例１と同様に脱
バインダ用の熱処理をした後、大気中1050℃で30分間焼
成して、内層導体配線を有する多層セラミックス配線基
板を製作した。

【００６８】この基板の−40℃〜125 ℃での線熱膨張係
数は11×10^-6／℃、吸水率は０％であった。また、この
基板のサンプルの内層配線のない端部を切り取り、比誘
電率を測定したところ、5.1 であった。この基板の組成
は、SiO₂: 85.3％、BaO: 4.5％、Na₂O:2.6％、K₂O: 1.2
％、Li₂O: 0.2 ％、Al₂O₃: 5.9％、その他不純物: 合計
0.3 ％である。

【００６９】実施例２〜５の多層セラミックス配線基板
を用いて50mm角のマルチチップモジュールのＢＧＡパッ
ケージのサンプルを作製し、これをガラス−エポキシ製
のプリント配線板に最高温度が250 ℃の半田リフロー炉
を通して半田付けすることにより実装した。その後、こ
のプリント配線板を−40℃ (30分) と125 ℃ (30分)を
１サイクルとする冷熱サイクルテストを実施し、300 回
経過後の接続故障率を測定した。

【００７０】この故障率が0.1 ％以下であれば◎、0.1
％より高い場合を×と表示する。結果を、前述した他の
特性値と一緒に表１にまとめて示すが、実施例のセラミ
ックス基板のプリント配線板へのＢＧＡ接続の故障率は
いずれも0.1 ％以下であり、接続信頼性は良好であっ
た。

【００７１】

【表１】

【００７２】(比較例１〜３)比較のために、実施例２と
同じガラス：石英＝40：60の配合割合で、但し、ガラス
の組成を変更して、実施例２を繰り返した。使用したガ
ラスの組成は次の通りである。ここで、ガラスＡは特開
昭59−162169号公報に記載の組成、ガラスＢ、Ｃは特開
平８−330690号公報に記載の組成である。

【００７３】ガラスＡ：SiO₂: 40％、Al₂O₃:10％、MgO:
5％、B₂O₃: 40％、K₂O: 3％、その他不純物: 合計２
％、ガラスＢ：SiO₂: 74％、Li₂O: 14％、Al₂O₃: 4％、P
₂O₅:2％、K₂O: 2％、ZnO:2％、Na₂O:2％、ガラスＣ：SiO₂: 45％、Al₂O₃:28％、B₂O₃: 10％、MgO:
10％、ZnO: 7％。得られた多層セラミックス配線基板の特性を、上記実施
例と同様に評価した結果を表２にまとめて示す。

【００７４】

【表２】

【００７５】

【発明の効果】本発明に係るセラミックス基板は、低コ
ストで、1050℃以下での低温焼成により製造され、比誘
電率が5.5 以下と低く、吸水率が０％で耐湿性に優れ、
室温を中心とする温度域 (−40〜125 ℃) での線熱膨張
係数が９〜20×10^-6／℃と大きい。

【００７６】そのため、このセラミックス基板は、ＢＧ
ＡパッケージまたはＬＧＡパッケージにしてプリント配
線板に実装しても、プリント配線板との熱膨張係数の差
が小さいことから、動作環境で受ける熱応力が少ない
上、耐湿性にも優れているので、接続の信頼性を確保す
ることができる。また、低温焼成であることから、グリ
ーンシート積層法において内層導体材料に低抵抗の銅や
貴金属を使用できるので、信号の伝送損失や動作電圧を
低電圧化した時の電力損失が少ない。さらに、比誘電率
が低いことから、電送信号が高周波数化しても信号遅延
時間が大きくならない。従って、本発明のセラミックス
基板は、高密度実装が可能なＬＳＩ用基板として非常に
好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】各種シリカ鉱物の線熱膨張率の温度変化を示す
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−243963（ＪＰ，Ａ) 特開平４−182349（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−47196（ＪＰ，Ａ) 特開平８−330690（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−162169（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/14 C04B 35/16 H01L 23/15 H05K 1/03

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】石英を主成分とする骨材とSiO₂-BaO-Na₂
O-K₂O-Li₂O-Al₂O₃系ガラスとの焼結体からなる、1050℃
以下で焼成されたセラミックス基板であって、−40℃〜
125 ℃の温度範囲での線熱膨張係数が９×10^-6より大き
く、比誘電率が5.5 以下、吸水率が０％であるセラミッ
クス基板。
【請求項２】重量％で、骨材とガラスの割合が骨材50
〜75％ (うち、石英50〜70％) 、ガラス25〜50％であ
り、ガラスの組成が、SiO₂: 65〜75％、BaO:10〜15％、
Na₂O: ５〜10％、K₂O:１〜５％、Li₂O: 0.1 〜0.6 ％、
Al₂O₃:２〜６％、その他不純物: 合計３％以下である、
請求項１記載のセラミックス基板。
【請求項３】骨材が、アルミナ、窒化アルミニウムお
よび水酸化アルミニウムよりなる群から選ばれた１種も
しくは２種以上のアルミニウム化合物を、骨材とガラス
の合計量に基づいて 0.5〜５wt％の量で含有する、請求
項１または２記載のセラミックス基板。
【請求項４】内部に内層導体配線を有する多層セラミ
ックス回路基板を構成している、請求項１ないし３のい
ずれか１項に記載のセラミックス基板。