JP3358589B2 - セラミック基板用組成物、グリーンシートおよびセラミック回路部品 - Google Patents
セラミック基板用組成物、グリーンシートおよびセラミック回路部品Info
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Description
用組成物、グリーンシートおよびセラミック回路部品に
関するもので、特に、1000℃以下の低温で焼結させ
ることが可能なセラミック基板用組成物、ならびにそれ
を用いて構成されるグリーンシートおよび多層集積回路
部品、厚膜ハイブリッド回路部品などのセラミック回路
部品に関するものである。
基板である。しかし、アルミナ基板を得るためには、約
1600℃という高温で焼成しなければならないため、
アルミナ基板をもってたとえば多層回路部品を構成する
場合には、内部の導体において高融点の金属を用いなけ
ればならない。ところが、高融点金属は、一般に、高抵
抗であるため、高周波化および高速化の進む多層回路部
品のための導体としてはふさわしくない。
Pt、Cuなどの低抵抗の金属を内部導体として使用す
ることを可能にする、焼成温度が1000℃以下のガラ
スセラミック基板が注目され、種々開発されている。
は、重量基準で50〜64%のガラス粉末と50〜35
%のAl2 O3 粉末とを混合して、800〜1000℃
で焼結し得る低温焼結セラミック基板が記載されてい
る。
量が50%以上の基板の場合、焼成後の基板中の結晶質
割合が少なくなり、基板の誘電損失が低くなったり、高
い機械的強度が得られにくい、という問題がある。ま
た、焼成後の基板表面に厚膜電極や厚膜抵抗を焼き付け
る場合に、残存するガラスの影響で基板が歪みやすい、
という問題もある。
原料のガラス粉末の組成を焼結後に結晶化しやすいもの
とし、焼結後の基板中の結晶質割合を高くすることが考
えられる。しかし、ガラス仕込み量が50%以上の場合
のように、出発原料中のガラス割合が多い基板では、焼
成中のガラスの結晶化によって生じる基板内の歪みの影
響が大きく、焼結後の基板に反りなどの変形や割れが発
生しやすい、という問題がある。
重量基準で10〜55%のMO(ただし、Mは、Ca、
Mg)と0〜30%のAl2 O3 と45〜70%のSi
O2と0〜30%のB2 O3 とからなるガラス粉末を4
0〜50%と、Al2 O3 粉末を60〜50%とを混合
して、1100℃以下で焼成するようにされた、低温焼
成セラミック組成物が記載されている。また、同公報に
は、出発原料中のAl 2 O3 粉末の割合を増やすことに
より、2600〜3200kgf/cm2 (255〜3
14MPa)の抗折強度が得られることが記載されてい
る。
従来から回路基板として使われているアルミナ基板の抗
折強度(350MPa前後)に比べて低い値であり、さ
らに高い強度が望まれる。
4.0から5.7ppm/℃となっている。従来は、
3.5ppm/℃の熱膨張係数を有するシリコンチップ
(IC)を直接搭載することを前提として、基板の熱膨
張係数も低い方が好ましいと考えられてきた。しかしな
がら、アンダーフィルなどの緩衝材を用いて応力緩和を
行なう搭載方法の発達などにより、セラミック基板とシ
リコンチップとの熱膨張係数のミスマッチがそれほど大
きな問題ではなくなってきている。また、以前予想され
ていたほど、シリコンチップの大型化は進んでいない。
り大型のマザーボードとなる樹脂基板へ接合した場合
の、セラミック基板と樹脂基板との熱膨張係数のミスマ
ッチの方が、むしろ大きな影響を及ぼすことになる。た
とえば、代表的なガラスエポキシ(FR−4)の場合、
14〜16ppm/℃の熱膨張係数を有し、アラミド繊
維補強エポキシの場合、約8ppm/℃の熱膨張係数を
有する。そして、セラミック基板と樹脂基板との熱膨張
係数のミスマッチの度合いが大きいと、両者の間の接続
の信頼性が失われる、という問題に遭遇する。
的は、上述したような問題を解決し得る、セラミック基
板用組成物、ならびにそれを用いて構成されるグリーン
シートおよびセラミック回路部品を提供しようとするこ
とである。
u、Ag、Ag−Pd、Ag−Pt、Cuなどの低抵抗
の金属を内部導体として用いることを可能にする、焼成
温度が1000℃以下の電子回路用セラミック基板のた
めの組成物が提供され、この組成物を焼成して得られた
セラミック基板によれば、300MPa以上の抗折強度
と1400以上のQ値(1MHz)と6.0ppm/℃
以上の熱膨張係数とを実現することが可能になる。
決するため、この発明に係るセラミック基板用組成物
は、第1の局面では、5〜17.5重量%のB2 O3 、
28〜44重量%のSiO2 、0〜20重量%のAl2
O3 、および36〜50重量%のCaOからなるホウケ
イ酸系ガラス粉末とセラミック粉末とを混合したもので
あり、ホウケイ酸系ガラス粉末を40〜49重量%、お
よびセラミック粉末を60〜51重量%それぞれ含有す
ることを特徴としている。この発明に係るセラミック基
板用組成物は、第2の局面では、5〜17.5重量%の
B 2 O 3 、28〜44重量%のSiO 2 、0〜20重量
%のAl 2 O 3 、および36〜50重量%のMO(ただ
し、MOは、CaOと、MgOおよびBaOから選ばれ
た少なくとも1種とからなる。)からなるホウケイ酸系
ガラス粉末とセラミック粉末とを混合したものであり、
ホウケイ酸系ガラス粉末を40〜49重量%、およびセ
ラミック粉末を60〜51重量%それぞれ含有し、焼成
後にウォーラストナイトの結晶相が析出し得るものであ
ることを特徴としている。
は、好ましくは、焼結後の熱膨張係数が6.0ppm/
℃以上である。
ナ粉末を含むことが好ましい。
K2 O、およびNa2 Oから選ばれた少なくとも1種の
アルカリ金属の酸化物を、第1の局面では、B2 O3 、
SiO2 、Al2 O3 およびCaOの合計量100重量
部に対して、また、第2の局面では、B 2 O 3 、SiO
2 、Al 2 O 3 およびMOの合計量100重量部に対し
て、5重量部以下の含有量をもって含有してもよい。
ZrO2 、Cr2 O3 、CaF2 、およびCuOから選
ばれた少なくとも1種の化合物を、第1の局面では、B
2 O 3 、SiO 2 、Al 2 O 3 およびCaOの合計量1
00重量部に対して、また、第2の局面では、B
2 O 3 、SiO 2 、Al 2 O 3 およびMOの合計量10
0重量部に対して、5重量部以下の含有量をもって含有
してもよい。この発明は、また、上述のようなセラミッ
ク基板用組成物を含む、グリーンシートにも向けられ
る。
ック基板用組成物を成形し焼成して得られた基板と、こ
の基板に関連して形成された導電体回路とを備える、セ
ラミック回路部品にも向けられる。
回路は、好ましくは、Ag、Au、およびCuから選ば
れた少なくとも1種の金属を主成分として含む。
粉末とアルミナ粉末のようなセラミック粉末とを混合し
てなる、低温焼成可能なセラミック基板用組成物におい
て、焼結後に結晶化しやすい組成のホウケイ酸系ガラス
粉末を焼結助剤として添加し、かつガラス添加量をセラ
ミック添加量より少量とすることによって、焼成後のセ
ラミック基板の結晶質割合を高くして、高機械的強度か
つ6.0ppm/℃以上の高熱膨張係数を有し、低損失
である、低温焼成可能なセラミック基板を実現できるこ
とを特徴としている。
に、セラミック基板中に歪みを発生させ、焼結後のセラ
ミック基板の変形の原因となるが、この発明において添
加されるガラス量は、49重量%以下にし、セラミック
添加量より少量としているため、焼成中のガラスの結晶
化に起因するセラミック基板の変形を有利に抑制するこ
とができる。
る軟化・粘性流動により、セラミック基板を1000℃
以下で焼結させるための焼結助剤として働く。この焼結
助剤としての機能を確実に働かせるためには、ガラスの
添加量は、40重量%以上でなければならない。
成分からは、容易にウォーラストナイト、アノーサイト
などの結晶相が析出するため、焼結後のセラミック基板
を高機械的強度かつ低損失にすることができる。
物であるB2 O3 およびSiO2 、ガラス網目修飾酸化
物であるCaOまたはMO(ただし、MOは、CaO
と、MgOおよびBaOから選ばれた少なくとも1種と
からなる。)、および網目修飾酸化物と協働して網目形
成能を発現するガラス網目中間酸化物であるAl2 O3
からなる。これら酸化物の割合は、前述したように、セ
ラミック基板を1000℃以下で焼結可能とするための
焼結助剤として働き、かつ焼結過程で結晶相が析出しや
すいように調整される。
あるB2 O3 、SiO2 のうち、B 2 O3 は軟化温度を
下げて粘性流動を促進するための酸化物であり、その含
有量は5〜17.5重量%に選ばれる。5重量%より少
ないと、ガラスの軟化・流動性が悪くなり、17.5重
量%より多くなると、ガラスの耐水性が十分でなく、高
温・多湿等の環境下で使用すると、セラミック基板の変
質を生じる恐れがあるとともに、ガラス自体のQ値が低
くなるので、得られたセラミック基板のQ値も低くなる
傾向がある。
O2 は、28〜44重量%の含有率に選ばれる。SiO
2 が28重量%より少ないと、残存するガラス自体の誘
電率が高くなり、低誘電率のセラミック基板を得ること
ができない。他方、44重量%より多くなると、ガラス
の軟化・流動性が悪くなり、セラミック基板を1000
℃以下で焼結させることができず、また、ガラスの結晶
化も阻害されて、高機械的強度かつ低損失といった特性
を実現できなくなるとともに、セラミック基板の熱膨張
係数が低くなる。
3 は、0〜20重量%の含有量に選ばれる。Al2 O3
は、ガラス中間酸化物として働き、ガラス構造を安定化
させる成分であるが、20重量%を超えると、ガラスの
軟化・流動性が悪くなり、セラミック基板を1000℃
以下で焼結させることができず、ガラスの結晶化も阻害
されて、高機械的強度かつ低損失といった特性を実現で
きなくなる。
MOは、ガラスの軟化・流動性を促進する成分であり、
その含有量は、36〜50重量%に選ばれる。CaOま
たはMOが36重量%より少ないと、ガラスの軟化・流
動性が悪く、また、得られたセラミック基板の熱膨張係
数が低くなる。他方、CaOまたはMOが50重量%を
越えると、ガラス構造が不安定となって、品質の安定し
たガラスが得られなくなる。
おいて、軟化・流動性をより促進させたい場合は、Li
2 O、K2 O、およびNa2 Oから選ばれた少なくとも
1種のアルカリ金属の酸化物を、上述したような、B2
O3 、SiO2 、Al2 O3およびCaOまたはMOの
合計量100重量部に対して5重量部以下の含有量をも
って含有させてもよい。なお、これらアルカリ金属の酸
化物の含有量が5重量部を超えると、ガラスの電気絶縁
性が低下するため、焼結後のセラミック基板の絶縁抵抗
が低下してしまい、また、セラミック基板の熱膨張係数
も低くなる。
促進して、得られたセラミック基板の高機械的強度化や
低損失化を進めるため、TiO2 、ZrO2 、Cr2 O
3 、CaF2 、およびCuOから選ばれた少なくとも1
種の化合物を、前述したB2O3 、SiO2 、Al2 O
3 およびMOの合計量100重量部に対して5重量部以
下の含有量をもって含有させてもよい。なお、これらの
化合物の含有量が5重量部を超えると、ガラスの誘電率
が高くなるため、焼結後のセラミック基板の誘電率が高
くなりすぎる、という問題がある。
は、これを成形し焼成して得られた基板と、この基板に
関連して形成された導電体回路とを備える、セラミック
回路部品を製造するために有利に用いられる。
例であって、この発明の一実施形態によるセラミック多
層回路部品1を図解的に示す断面図である。セラミック
多層回路部品1は、概略的に言えば、セラミック基板2
とこのセラミック基板2の内部および/または表面に形
成される導電体回路3とを備えている。
を有するセラミック基板用組成物を含む複数のグリーン
シートを積層して得られたセラミック成形体を焼成する
ことによって得られたものであり、複数のグリーンシー
トの各々の焼成によってもたらされる複数のセラミック
層4を備えている。
およびCuから選ばれた少なくとも1種の金属を主成分
とする導電成分を含む導電性ペーストを上述したセラミ
ック成形体と同時に焼成することによって形成されたも
のである。導電体回路3は、セラミック基板2の表面に
形成されるものとして、たとえば、外部導体5、6およ
び7等を備え、また、セラミック基板2の内部に形成さ
れるものとして、たとえば、内部導体8、9、10、1
1および12等を備えるとともに、バイアホール接続部
13、14、15、16、17、18および19等を備
えている。
層4を介して対向し、コンデンサ部20を構成する。ま
た、バイアホール接続部16〜19ならびに内部導体1
0〜12は、交互に順次接続され、インダクタ部21を
構成する。
成物に関して、実施例に基づき、より具体的に説明す
る。
ラミック基板用組成物の組成が示されている。
に、出発原料となる酸化物または炭酸塩を調合し、これ
をPtるつぼに入れ、ガラス組成により1300〜17
00℃の温度で1時間溶融させた。次いで、このガラス
融液を急冷した後、粉砕し、各試料に係るガラス粉末を
得た。なお、表1において、出発原料となるMO(Ca
O、MgOおよびBaO)、Al2 O3 、B2 O3 およ
びSiO2 については、これらの間での組成比率が「重
量%」の単位をもって示され、TiO2 等の「その他」
の出発原料については、MO、Al2 O3 、B2 O3 お
よびSiO2 の合計量100重量部に対する「重量部」
を単位として示されている。
ス粉末とフィラーとなる表1に示すようなアルミナ粉末
等のセラミック粉末とを、表1の「ガラス量」および
「フィラー/量」で示す割合で混合するとともに、これ
らに溶剤、バインダおよび可塑剤を加え、十分に混合
し、ドクターブレード法を適用することによって、グリ
ーンシートを得た。
係るグリーンシートに基づき、いくつかの形態の試料を
作製し、表2に示すような「抗折強度」、「比誘電率
(εr)」、「Q」、「熱膨張係数」および「析出結晶
相」をそれぞれ評価した。
枚数積層し、所定寸法にカットした後、表2に示す焼成
温度で焼成することによって焼結体を得、これを研磨加
工することによって、長さ36mm、幅4mmおよび厚
み3mmの寸法とした。このようにして得られた各試料
に係る焼結体について、JIS規格(JIS R160
1)に準じて、抗折強度(3点曲げ)を測定した。ま
た、X線回折分析によって、焼結体中の析出結晶相を同
定した。なお、表2の析出結晶相に関して、「A」はア
ルミナを示し、「W」はウォーラストナイトを示し、
「F」はフォルステライトを示している。
枚数積層した後、表2に示す焼成温度で焼成することに
よって得られた焼結体を、ダイシングソーによってカッ
トして、長さ10mm、幅3mmおよび厚み3mmの寸
法とした。このような寸法を有する焼結体について、2
5℃〜500℃での熱膨張係数を測定した。
て、図1に示すようなセラミック多層回路部品1を作製
した。すなわち、グリーンシートに穴を設け、Ag系ペ
ーストをこれらに充填してバイアホール接続部13〜1
9を形成した後、Ag系ペーストをスクリーン印刷して
所定のパターンの外部導体5〜7ならびに内部導体8〜
12を形成した。その後、セラミック層4となるべきこ
れらのグリーンシートを所定枚数積層し、プレスした。
次いで、空気中で、表2に示す焼成温度で焼成して、セ
ラミック多層回路部品1を作製した。
路部品1における外部導体5および6の間に周波数1M
Hzの電圧を印加して、コンデンサ部20の静電容量お
よびQを測定し、比誘電率(εr )を算出した。比誘電
率(εr )およびQが表2に示されている。
は、この発明の範囲内の実施例に相当し、試料25〜3
3は、この発明の範囲外の比較例に相当している。
の試料1〜24において、抗折強度が300〜350M
Paと高く、εr が7.0〜8.8の範囲にあり、ま
た、Qが1400〜5000と大きく、熱膨張係数が
6.0以上と大きく、セラミック回路部品におけるセラ
ミック基板として十分な特性を示した。
Na2 Oのようなアルカリ金属の酸化物を含有させた試
料22〜24においては、ガラスの軟化温度が低下する
ので、アルカリ金属を含まないことを除いて同様のガラ
ス組成を有する試料4と比較すると、ガラス添加量が少
ないにもかかわらず、同じ温度で焼成できることが確認
された。
r2 O3 、CaF2 またはCuOを含有させた試料12
〜21においては、表2には示していないが、X線回折
分析によって、結晶化が促進されていることが確認され
た。
中のアルカリ土類金属すなわちMの含有量が少ないた
め、1000℃以下の温度での焼成では、緻密な焼結体
が得られなかった。試料26では、ガラス中のMの含有
量が多いため、不安定なガラスとなり、焼成温度を最適
化しても、焼結体の密度が十分に上がらず、抗折強度が
250MPaと低くなった。
多すぎるため、1000℃以下の焼成温度で緻密な焼結
体が得られなかった。
なすぎるため、1000℃以下の焼成温度で緻密な焼結
体が得られなかった。試料29では、ガラス中のB2 O
3 量が多すぎるため、Qが1000と低くなった。
ないため、比誘電率(εr )が9.1と大きくなった。
試料31では、ガラス中のSiO2 量が多すぎるため、
熱膨張係数が5.8と小さくなった。
め、1000℃以下の焼成温度で焼結しなかった。試料
33では、ガラスの添加量が多すぎるため、抗折強度が
280MPaと低くなった。
ク基板用組成物によれば、1000℃以下の低温焼結が
可能であるので、Ag系やCu系などの低抵抗の金属を
主成分として含む導電体回路を備えるセラミック回路部
品を得るにあたって、これら導電体回路のための金属と
同時に焼成することができ、また、この組成物を用いて
構成されたセラミック基板によれば、基板として必要な
高機械的強度、低誘電率、低損失かつ高熱膨張係数を実
現でき、これをもって、良好な特性かつ高い信頼性を有
するたとえばセラミック多層回路部品のようなセラミッ
ク回路部品を得ることができる。
成物によれば、熱膨張係数6.0ppm/℃以上を実現
できるので、エポキシ樹脂等のマザーボードとの熱膨張
係数のマッチングが良好で、高い接続信頼性を達成でき
る。
おいて、ホウケイ酸系ガラスが、Li2 O、K2 O、お
よびNa2 Oから選ばれた少なくとも1種のアルカリ金
属の酸化物を、B2 O3 、SiO2 、Al2 O3 および
CaOまたはMOの合計量100重量部に対して5重量
部以下の含有量をもって含有していると、ガラスの軟化
・流動性が促進され、当該セラミック基板用組成物にお
けるガラスの含有量を少なくしても、焼結温度を比較的
低く維持することができる。
成物において、ホウケイ酸系ガラスが、TiO2 、Zr
O2 、Cr2 O3 、CaF2 、およびCuOから選ばれ
た少なくとも1種の化合物を、B2 O3 、SiO2 、A
l2 O3 およびCaOまたはMOの合計量100重量部
に対して5重量部以下の含有量をもって含有している
と、ガラスの結晶化が促進され、得られたセラミック基
板のさらなる高機械的強度化や低損失化に寄与させるこ
とができる。
路部品1を図解的に示す断面図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 5〜17.5重量%のB2 O3 、28〜
44重量%のSiO2 、0〜20重量%のAl2 O3 、
および36〜50重量%のCaOからなるホウケイ酸系
ガラス粉末とセラミック粉末とを混合したものであり、
前記ホウケイ酸系ガラス粉末を40〜49重量%、およ
び前記セラミック粉末を60〜51重量%それぞれ含有
する、セラミック基板用組成物。 - 【請求項2】 5〜17.5重量%のB 2 O 3 、28〜
44重量%のSiO 2 、0〜20重量%のAl 2 O 3 、
および36〜50重量%のMO(ただし、MOは、Ca
Oと、MgOおよびBaOから選ばれた少なくとも1種
とからなる。)からなるホウケイ酸系ガラス粉末とセラ
ミック粉末とを混合したものであり、前記ホウケイ酸系
ガラス粉末を40〜49重量%、および前記セラミック
粉末を60〜51重量%それぞれ含有し、焼成後にウォ
ーラストナイトの結晶相が析出し得る、セラミック基板
用組成物。 - 【請求項3】 焼結後の熱膨張係数が6.0ppm/℃
以上である、請求項1または2に記載のセラミック基板
用組成物。 - 【請求項4】 前記セラミック粉末は、アルミナ粉末を
含む、請求項1ないし3のいずれかに記載のセラミック
基板用組成物。 - 【請求項5】 前記ホウケイ酸系ガラスは、Li 2 O、
K 2 O、およびNa 2 Oから選ばれた少なくとも1種の
アルカリ金属の酸化物を、前記B 2 O 3 、SiO 2 、A
l 2 O 3 およびCaOの合計量100重量部に対して5
重量部以下の含有量をもって含有する、請求項1に記載
のセラミック基板用組成物。 - 【請求項6】 前記ホウケイ酸系ガラスは、Li2 O、
K2 O、およびNa2 Oから選ばれた少なくとも1種の
アルカリ金属の酸化物を、前記B2 O3 、SiO2 、A
l2 O3 およびMOの合計量100重量部に対して5重
量部以下の含有量をもって含有する、請求項2に記載の
セラミック基板用組成物。 - 【請求項7】 前記ホウケイ酸系ガラスは、TiO 2 、
ZrO 2 、Cr 2 O 3 、CaF 2 、およびCuOから選
ばれた少なくとも1種の化合物を、前記B 2 O 3 、Si
O 2 、Al 2 O 3 およびCaOの合計量100重量部に
対して5重量部以下の含有量をもって含有する、請求項
1に記載のセラミック基板用組成物。 - 【請求項8】 前記ホウケイ酸系ガラスは、TiO2 、
ZrO2 、Cr2 O3 、CaF2 、およびCuOから選
ばれた少なくとも1種の化合物を、前記B2O3 、Si
O2 、Al2 O3 およびMOの合計量100重量部に対
して5重量部以下の含有量をもって含有する、請求項2
に記載のセラミック基板用組成物。 - 【請求項9】 請求項1ないし8のいずれかに記載のセ
ラミック基板用組成物を含む、グリーンシート。 - 【請求項10】 請求項1ないし8のいずれかに記載の
セラミック基板用組成物を成形し焼成して得られた基板
と、前記基板に関連して形成された導電体回路とを備え
る、セラミック回路部品。 - 【請求項11】 前記導電体回路は、Ag、Au、およ
びCuから選ばれた少なくとも1種の金属を主成分とし
て含む、請求項10に記載のセラミック回路部品。
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