JP3588224B2 - 高周波用配線基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用配線基板に関するものであり、特に、銅や、銀と同時焼成が可能で、配線層が、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、（誘電体）導波管線路のうちの少なくとも１種から構成され、マイクロ波、ミリ波用等の高周波で用いられるパッケージ、誘電体共振器、ＬＣフィルター、コンデンサ、誘電体導波路および誘電体アンテナに用いることのできる高周波用配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミック多層配線基板としては、アルミナ質焼結体からなる絶縁基板の表面または内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層が形成されたものが最も普及している。また、最近に至り、高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波化に移行しつつある。
【０００３】
このような、高周波の信号の伝送を必要を行う高周波配線基板においては、高周波信号を損失なく伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が小さいこと、また絶縁基板の高周波領域での誘電損失が小さいことが要求される。
【０００４】
ところが、従来のタングステンや、モリブデンなどの高融点金属は導体抵抗が大きく、特に３０ＧＨｚ以上のミリ波領域において高周波用配線基板には使用できないことから、これらの金属に代えて銅、銀、金などの低抵抗金属を使用することが必要である。
【０００５】
このような低抵抗金属からなる配線層は、アルミナと同時焼成することが不可能であるため、最近では、ガラス、またはガラスとセラミックスとの複合材料からなる、いわゆるガラスセラミックスを絶縁基板として用いた配線基板が開発されつつある。例えば、特公平４−１２６３９号のように、ガラスにＳｉＯ２ 系フィラーを添加し、銅、銀、金などの低抵抗金属からなる配線層と９００〜１０００℃の温度で同時焼成した多層配線基板や、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、Ａｌ２ Ｏ３ 、ジルコニア、ムライトなどのフィラーとして添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミックス材料が提案されている。
【０００６】
一方、多層配線基板に種々の電子部品や入出力端子等を接続する工程上で基板に加わる応力から基板が破壊したり、欠けを生じたりすることを防止する為に、絶縁基板を構成する絶縁材料の機械的強度が高いことも要求されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、前記の従来のガラスセラミックスでは、銅、銀、金などの低抵抗金属との同時焼成が可能であっても、周波数が１ＧＨｚ以上の高周波信号を用いる高周波用配線基板の絶縁基板として具体的に検討されておらず、そのほとんどが誘電損失が高く、十分満足できる高周波特性を有するものではなかった。また、機械的特性においても、ガラスセラミックス焼結体は、アルミナ質焼結体に比較して格段に強度が低く、せいぜい１５ｋｇ／ｍｍ２ 程度であり、実用的に満足できるものではなかった。
【０００８】
従って、本発明は、金、銀、銅を配線導体として多層化が可能となるように１０００℃以下で焼成可能であるとともに、１ＧＨｚ以上の高周波領域において誘電率が低く、誘電正接が小さく、且つ高強度を有する高周波用配線基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点を鋭意検討した結果、絶縁層の表面あるいは内部に、周波数１ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送可能な配線層が配設されてなる高周波用配線基板において、前記絶縁層中に少なくともＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含む場合、非晶質成分として、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯを含む場合、焼結体の高周波領域での損失が増大すること、非晶質相を、実質上、ＳｉＯ２ 、あるいは、ＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ から構成し、その他の金属化合物を結晶相として析出させると、高周波領域における誘電損失を大幅に低減でき、低損失で高周波信号を伝送できることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
即ち、本発明の高周波用配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部に、周波数１ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送可能な低抵抗金属からなる配線層が配設されてなる高周波用配線基板において、前記絶縁基板が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｎＯを構成成分として含む複数の結晶相と、ＳｉＯ２、またはＳｉＯ２とＢ２Ｏ３からなり、ＳｉおよびＢ以外の元素量が合計で１００ｐｐｍ以下の非晶質相とを具備する焼結体からなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記結晶相として、少なくともＺｎＯおよびＡｌ２ Ｏ３ を含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２ およびＺｎＯを含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２ およびＭｇＯ相とを含み、前記少なくともＺｎＯおよびＡｌ２ Ｏ３ を含む結晶相として、スピネル型結晶相を、前記少なくともＳｉＯ２ およびＺｎＯを含む結晶相として、ウイレマイト型結晶相を、さらに前記少なくともＳｉＯ２ およびＭｇＯ相を含む結晶相として、エンスタタイト型結晶相を含むことを特徴とする。
【００１２】
さらに、前記配線層が、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成され、前記絶縁層と同時焼成によって形成されたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用配線基板として、高周波素子を搭載したパッケージを例として図１をもとに説明する。図１は、高周波用配線基板を具備する高周波用パッケージの概略断面図である。図１によれば、パッケージ１は、絶縁材料からなる絶縁基板２と蓋体３によりキャビティ４が形成されており、そのキャビティ４内には、高周波素子５が搭載されている。なお、蓋体３は、高周波素子５からの電磁波が外部に漏洩するのを防止できる材料から構成されることが望ましい。
【００１４】
また、絶縁基板２の表面には、高周波素子５と電気的に接続された配線層６が形成されている。本発明によれば、この配線層６には、高周波信号としては、１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上、さらには、５０ＧＨｚ以上、またさらには７０ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送される。従って、配線層６としては、これらの高周波信号が損失なく伝送されることが必要となる。そのため、配線層６は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成されることが望ましい。また、配線層６は、高周波信号の伝送時に導体損失を極力低減するために、銅、銀あるいは金などの低抵抗金属からなることが望ましい。
【００１５】
図１のパッケージにおいては、配線層６は、アース層７とともにマイクロストリップ線路８を形成している。また、この絶縁基板２の裏面には、外部電気回路基板と接続される配線層９が形成され、アース層７とともにマイクロストリップ線路１０を形成している。そして、配線層６および配線層９は、その端部がアース層７に形成されたスロット孔１１を介して、各配線層の端部が対峙するように形成することにより電磁結合され、マイクロストリップ線路８とマイクロストリップ線路１０間で損失の少ない信号の伝送が行われる。
【００１６】
本発明によれば、図１に示されるような高周波パッケージにおける前記絶縁基板２を、構成成分として、少なくともＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含む焼結体から構成する。また、この焼結体は、結晶相と、その結晶相の粒界に非晶質相が存在する。本発明によれば、結晶相は、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯを構成成分とする複数の結晶相からなり、非晶質相は、実質的にＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ からなることが重要である。
【００１７】
この非晶質相は、焼結体の高周波特性を決定する１つの要因であり、特に高周波領域においては、誘電損失を左右し、特に誘電損失を大きくしてしまう要因である。本発明によれば、非晶質相が、ＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ からなる場合には、非晶質相自体の誘電損失を低減できる結果、焼結体全体としての高周波領域における誘電損失を低減することができるのである。
【００１８】
従って、非晶質相が、ＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ 以外に、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＺｎＯ、ＭｇＯなどの他の成分が含まれる場合には、非晶質相の高周波領域の誘電損失が増大し、焼結体の誘電損失も増大する結果となるのである。より具体的には、非晶質相中におけるＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇの含有量は各元素がそれぞれ５０ｐｐｍ以下であり、ＳｉおよびＢ以外の元素量が合計で１００ｐｐｍ以下であることが望ましい。また、この非晶質相は、焼結体中において、２０〜５０重量％の割合で含有されることが望ましい。
【００１９】
従って、焼結体中に含まれるＡｌ２ Ｏ３ 、ＺｎＯ、ＭｇＯは、実質的にすべて結晶相中に取り込まれていることが必要となることから、結晶相として、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯを構成成分とする複数の結晶相からなることから必要である。望ましい結晶相としては、少なくともＺｎＯおよびＡｌ２ Ｏ３ を含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２ およびＺｎＯを含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２ およびＭｇＯ相を含む結晶相を含むことが望ましい。これら３種の結晶相によって、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯおよびＺｎＯを結晶相中に取り込むことができるのである。
【００２０】
なお、さらに具体的には、図２の焼結体の組織の概略図に示すように、少なくともＺｎＯおよびＡｌ２ Ｏ３ を含む結晶相としてＺｎＡｌ２ Ｏ４ で表されるスピネル型結晶相（ＳＰ）が、少なくともＳｉＯ２ およびＺｎＯを含む結晶相としてＺｎ２ ＳｉＯ４ で表されるウイレマイト型結晶相（Ｗ）が、さらに少なくともＳｉＯ２ およびＭｇＯ相を含む結晶相としてＭｇＳｉＯ３ で表されるエンスタタイト型結晶相（Ｅ）が存在するのがよい。なお、各結晶相中には、各成分以外に他の成分が含まれてもよい。例えば、ＺｎＡｌ２ Ｏ４ には、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ からなるガーナイト型結晶が固溶して、（Ｚｎ，Ｍｇ）Ａｌ２ Ｏ４ のスピネル結晶相からなる場合もある。結晶相としては、上記の３種の結晶相以外に、ＳｉＯ２ （Ｓ）、コージェライト、Ｍｇ２ Ｂ２ Ｏ５ などの結晶相が含まれてもよい。また、これらの結晶相の粒界には、ＳｉＯ２ 、あるいはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ とからなる非晶質相（Ｇ）が存在する。
【００２１】
また、本発明における絶縁基板は、全体組成として、ＳｉＯ２ を３０〜６０重量％、Ａｌ２ Ｏ３ を１８〜２５重量％、ＭｇＯを５〜１３重量％、ＺｎＯを５〜３５重量％、Ｂ２ Ｏ３ を５〜１２重量％の割合で含むことが望ましい。
【００２２】
本発明において、上記絶縁基板は、例えば、以下の方法によって作成される。
【００２３】
まず、出発原料として、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２ Ｏ３ を含む結晶化ガラスと、ＺｎＯ粉末およびＳｉＯ２（溶融シリカ）粉末を用い、これらを所望の比率で混合する。この場合、これらの成分は、最終的に、一部のＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ を残し、残部はすべて結晶化されることが必要である。かかる観点から望ましい組成としては、結晶化ガラスが、ＳｉＯ２ ４０〜５２重量％、Ａｌ２ Ｏ３ １４〜３２重量％、ＭｇＯ４〜１５重量％、ＺｎＯ６〜１６重量％、Ｂ２ Ｏ３ ５〜１５重量％であることが望ましく、上記組成からなるガラス粉末に対して、ＺｎＯ粉末を５〜２９重量％、ＳｉＯ２ （溶融シリカ）を１〜２５重量％の割合で添加することが望ましい。
【００２４】
上記の組成で秤量混合された混合粉末を用いて所定の成形体を作成し、その成形体を８３０〜１０００℃の酸化性雰囲気または不活性雰囲気中で焼成することにより作製することができる。
【００２５】
また、上記の焼結体を用いて本発明の高周波用配線基板を作製するには、前記混合粉末を用いて、適当な有機溶剤、溶媒を用いて混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、銅、金、銀のうちの少なくとも１種を含む金属ペーストを充填する。そして、シート状成形体表面には、高周波信号が伝送可能な高周波線路パターンを金属ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などの配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、印刷塗布する。その後、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、８３０〜１０００℃の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００２６】
そして、この配線基板の表面には、高周波素子が搭載され配線層と高周波信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいはワイヤーボンディングや、ＴＡＢテープなどにより配線層と高周波素子とが接続される。
【００２７】
さらに、高周波素子が搭載された配線基板表面に、絶縁基板と同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなるキャップをガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、高周波素子を気密に封止することができ、これにより高周波用半導体装置を作製することができる。
【００２８】
【実施例】
下記の組成からなる２種のガラスを準備した。
【００２９】
ガラスＡ：ＳｉＯ２ ４４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２９重量％−ＭｇＯ１１重量％−ＺｎＯ７重量％−Ｂ２ Ｏ３ ９重量％
ガラスＢ：ＳｉＯ２ ５０重量％−Ａｌ２ Ｏ３ １５重量％−ＭｇＯ９重量％−ＺｎＯ１８重量％−Ｂ２ Ｏ３ ８重量％
そして、このガラス粉末に対して、平均粒径が１μｍ以下のＺｎＯ粉末、溶融シリカ粉末（ａ−ＳｉＯ２ ）を用いて、表１、表２の組成に従い混合した。
【００３０】
そして、この混合物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を水蒸気含有／窒素雰囲気中で７００℃で脱バインダーした後、乾燥窒素中で表１、表２の条件において焼成して高周波用多層基板用磁器組成物の焼結体を得た。
【００３１】
得られた焼結体について誘電率、誘電正接、抗折強度を以下の方法で評価した。誘電率、誘電正接は、試料形状 直径１０ｍｍ、厚み５ｍｍの試料を切り出し、１５〜２０ＧＨｚにてネットワークアナライザー、シンセサイズドスイーパーを用いて誘電体円柱共振器法により測定した。測定では、φ５０のＣｕ板治具の間に試料の誘電体基板を挟んで測定した。共振器のＴＥ０１１モードの共振特性より、誘電率、誘電正接を算出した。抗折強度は、試料形状 長さ７０ｍｍ，厚さ３ｍｍ，幅４ｍｍとし、ＪＩＳ−Ｃ−２１４１の規定に準じて３点曲げ試験を行った。測定の結果は表１、表２に示した。
【００３２】
また、焼結体中における結晶相をＸ線回折測定から同定し、さらに非晶質相中の構成元素をＥＤＸ（ＴＥＭ）によって、その量が５０ｐｐｍ以上の元素を表１、表２に示した。また、同様にリートベルト法により結晶化度を割り出し、非晶質相の重量比率を算出した。
【００３３】
また、一部の試料については、フィラー成分として、ＺｎＯ、ＳｉＯ２ （非晶質）に代わり、結晶質シリカ粉末（ｃ−ＳｉＯ２ ）、Ａｌ２ Ｏ３ 粉末、ＣａＯ粉末を用いて同様に焼結体を作製し評価した（試料Ｎｏ．１、８、９、２２、２３）。また、上記結晶化ガラスＡ、Ｂに代わり、以下の組成からなるガラスＣおよびガラスＤを用いて同様に評価を行った（試料Ｎｏ．２４〜２７）。
【００３４】
ガラスＣ：ＳｉＯ２ １０．４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２．５重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ４５．３重量％−ＺｎＯ３５．２重量％ −Ｎａ２ Ｏ６．６重量％
ガラスＤ：ＳｉＯ２ １４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２４．７重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ２２．６重量％−ＣａＯ１４．２重量％ −Ｌｉ２ Ｏ１２．８重量％−Ｎａ２ Ｏ１１．７重量％
【００３５】
【表１】
【００３６】
【表２】
【００３７】
表１、表２の結果から明らかなように、焼結体中の非晶質成分が、ＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ とからなる本発明品は、いずれも６０ＧＨｚの測定周波数において誘電損失が２０×１０−４以下、誘電率が５．５以下が達成されるとともに、強度２０ｋｇ／ｍｍ２ 以上の優れた強度が達成された。また、これらの試料に対して、６０ＧＨｚ以下の測定周波数で測定した結果、当然ながら、各試料の６０ＧＨｚでの誘電損失よりもさらに低い誘電損失を示した。
【００３８】
これに対して、非晶質相中にＳｉＯ２ 、Ｂ２ Ｏ３ 以外の成分が混入した試料Ｎｏ．１、８、９、２２〜２７は、いずれも強度や誘電率の特性上では、大きな変化はないものの、誘電損失が４０×１０−４以上と極端に大きくなった。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用配線基板は、配線層に対して、１ＧＨｚ以上のマイクロ波及びミリ波等、さらには６０ＧＨｚもの高周波の信号が伝送される場合においても絶縁基板の誘電損失が格段に低く、しかも１０００℃以下の低温で焼成できることから、銅などの低抵抗金属による配線層を形成できることから、高周波信号を極めて良好に、損失なく伝送することができる。しかも、この絶縁基板は、高い強度を有することから、配線基板の取扱いや過酷な条件下で使用される場合においてもクラック等による断線など発生がなく、高信頼性の配線基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波用配線基板を用いた高周波用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の絶縁基板における焼結体の組織を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１ 高周波用パッケージ
２ 絶縁基板
３ 蓋体
４ キャビティ
５ 高周波素子
６ 配線層
７ アース層
８、１０ マイクロストリップ線路
９ 配線層
１１ スロット孔
ＳＰ スピネル型結晶相
Ｗ ウイレマイト型結晶相
Ｅ エンスタタイト型結晶相
Ｓ ＳｉＯ２ 系結晶相
Ｇ 非晶質相
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用配線基板に関するものであり、特に、銅や、銀と同時焼成が可能で、配線層が、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、（誘電体）導波管線路のうちの少なくとも１種から構成され、マイクロ波、ミリ波用等の高周波で用いられるパッケージ、誘電体共振器、ＬＣフィルター、コンデンサ、誘電体導波路および誘電体アンテナに用いることのできる高周波用配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミック多層配線基板としては、アルミナ質焼結体からなる絶縁基板の表面または内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層が形成されたものが最も普及している。また、最近に至り、高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波化に移行しつつある。
【０００３】
このような、高周波の信号の伝送を必要を行う高周波配線基板においては、高周波信号を損失なく伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が小さいこと、また絶縁基板の高周波領域での誘電損失が小さいことが要求される。
【０００４】
ところが、従来のタングステンや、モリブデンなどの高融点金属は導体抵抗が大きく、特に３０ＧＨｚ以上のミリ波領域において高周波用配線基板には使用できないことから、これらの金属に代えて銅、銀、金などの低抵抗金属を使用することが必要である。
【０００５】
このような低抵抗金属からなる配線層は、アルミナと同時焼成することが不可能であるため、最近では、ガラス、またはガラスとセラミックスとの複合材料からなる、いわゆるガラスセラミックスを絶縁基板として用いた配線基板が開発されつつある。例えば、特公平４−１２６３９号のように、ガラスにＳｉＯ２ 系フィラーを添加し、銅、銀、金などの低抵抗金属からなる配線層と９００〜１０００℃の温度で同時焼成した多層配線基板や、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、Ａｌ２ Ｏ３ 、ジルコニア、ムライトなどのフィラーとして添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミックス材料が提案されている。
【０００６】
一方、多層配線基板に種々の電子部品や入出力端子等を接続する工程上で基板に加わる応力から基板が破壊したり、欠けを生じたりすることを防止する為に、絶縁基板を構成する絶縁材料の機械的強度が高いことも要求されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、前記の従来のガラスセラミックスでは、銅、銀、金などの低抵抗金属との同時焼成が可能であっても、周波数が１ＧＨｚ以上の高周波信号を用いる高周波用配線基板の絶縁基板として具体的に検討されておらず、そのほとんどが誘電損失が高く、十分満足できる高周波特性を有するものではなかった。また、機械的特性においても、ガラスセラミックス焼結体は、アルミナ質焼結体に比較して格段に強度が低く、せいぜい１５ｋｇ／ｍｍ２ 程度であり、実用的に満足できるものではなかった。
【０００８】
従って、本発明は、金、銀、銅を配線導体として多層化が可能となるように１０００℃以下で焼成可能であるとともに、１ＧＨｚ以上の高周波領域において誘電率が低く、誘電正接が小さく、且つ高強度を有する高周波用配線基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点を鋭意検討した結果、絶縁層の表面あるいは内部に、周波数１ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送可能な配線層が配設されてなる高周波用配線基板において、前記絶縁層中に少なくともＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含む場合、非晶質成分として、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯを含む場合、焼結体の高周波領域での損失が増大すること、非晶質相を、実質上、ＳｉＯ２ 、あるいは、ＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ から構成し、その他の金属化合物を結晶相として析出させると、高周波領域における誘電損失を大幅に低減でき、低損失で高周波信号を伝送できることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
即ち、本発明の高周波用配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部に、周波数１ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送可能な低抵抗金属からなる配線層が配設されてなる高周波用配線基板において、前記絶縁基板が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｎＯを構成成分として含む複数の結晶相と、ＳｉＯ２、またはＳｉＯ２とＢ２Ｏ３からなり、ＳｉおよびＢ以外の元素量が合計で１００ｐｐｍ以下の非晶質相とを具備する焼結体からなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記結晶相として、少なくともＺｎＯおよびＡｌ２ Ｏ３ を含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２ およびＺｎＯを含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２ およびＭｇＯ相とを含み、前記少なくともＺｎＯおよびＡｌ２ Ｏ３ を含む結晶相として、スピネル型結晶相を、前記少なくともＳｉＯ２ およびＺｎＯを含む結晶相として、ウイレマイト型結晶相を、さらに前記少なくともＳｉＯ２ およびＭｇＯ相を含む結晶相として、エンスタタイト型結晶相を含むことを特徴とする。
【００１２】
さらに、前記配線層が、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成され、前記絶縁層と同時焼成によって形成されたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用配線基板として、高周波素子を搭載したパッケージを例として図１をもとに説明する。図１は、高周波用配線基板を具備する高周波用パッケージの概略断面図である。図１によれば、パッケージ１は、絶縁材料からなる絶縁基板２と蓋体３によりキャビティ４が形成されており、そのキャビティ４内には、高周波素子５が搭載されている。なお、蓋体３は、高周波素子５からの電磁波が外部に漏洩するのを防止できる材料から構成されることが望ましい。
【００１４】
また、絶縁基板２の表面には、高周波素子５と電気的に接続された配線層６が形成されている。本発明によれば、この配線層６には、高周波信号としては、１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上、さらには、５０ＧＨｚ以上、またさらには７０ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送される。従って、配線層６としては、これらの高周波信号が損失なく伝送されることが必要となる。そのため、配線層６は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成されることが望ましい。また、配線層６は、高周波信号の伝送時に導体損失を極力低減するために、銅、銀あるいは金などの低抵抗金属からなることが望ましい。
【００１５】
図１のパッケージにおいては、配線層６は、アース層７とともにマイクロストリップ線路８を形成している。また、この絶縁基板２の裏面には、外部電気回路基板と接続される配線層９が形成され、アース層７とともにマイクロストリップ線路１０を形成している。そして、配線層６および配線層９は、その端部がアース層７に形成されたスロット孔１１を介して、各配線層の端部が対峙するように形成することにより電磁結合され、マイクロストリップ線路８とマイクロストリップ線路１０間で損失の少ない信号の伝送が行われる。
【００１６】
本発明によれば、図１に示されるような高周波パッケージにおける前記絶縁基板２を、構成成分として、少なくともＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含む焼結体から構成する。また、この焼結体は、結晶相と、その結晶相の粒界に非晶質相が存在する。本発明によれば、結晶相は、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯを構成成分とする複数の結晶相からなり、非晶質相は、実質的にＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ からなることが重要である。
【００１７】
この非晶質相は、焼結体の高周波特性を決定する１つの要因であり、特に高周波領域においては、誘電損失を左右し、特に誘電損失を大きくしてしまう要因である。本発明によれば、非晶質相が、ＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ からなる場合には、非晶質相自体の誘電損失を低減できる結果、焼結体全体としての高周波領域における誘電損失を低減することができるのである。
【００１８】
従って、非晶質相が、ＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ 以外に、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＺｎＯ、ＭｇＯなどの他の成分が含まれる場合には、非晶質相の高周波領域の誘電損失が増大し、焼結体の誘電損失も増大する結果となるのである。より具体的には、非晶質相中におけるＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇの含有量は各元素がそれぞれ５０ｐｐｍ以下であり、ＳｉおよびＢ以外の元素量が合計で１００ｐｐｍ以下であることが望ましい。また、この非晶質相は、焼結体中において、２０〜５０重量％の割合で含有されることが望ましい。
【００１９】
従って、焼結体中に含まれるＡｌ２ Ｏ３ 、ＺｎＯ、ＭｇＯは、実質的にすべて結晶相中に取り込まれていることが必要となることから、結晶相として、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯを構成成分とする複数の結晶相からなることから必要である。望ましい結晶相としては、少なくともＺｎＯおよびＡｌ２ Ｏ３ を含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２ およびＺｎＯを含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２ およびＭｇＯ相を含む結晶相を含むことが望ましい。これら３種の結晶相によって、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯおよびＺｎＯを結晶相中に取り込むことができるのである。
【００２０】
なお、さらに具体的には、図２の焼結体の組織の概略図に示すように、少なくともＺｎＯおよびＡｌ２ Ｏ３ を含む結晶相としてＺｎＡｌ２ Ｏ４ で表されるスピネル型結晶相（ＳＰ）が、少なくともＳｉＯ２ およびＺｎＯを含む結晶相としてＺｎ２ ＳｉＯ４ で表されるウイレマイト型結晶相（Ｗ）が、さらに少なくともＳｉＯ２ およびＭｇＯ相を含む結晶相としてＭｇＳｉＯ３ で表されるエンスタタイト型結晶相（Ｅ）が存在するのがよい。なお、各結晶相中には、各成分以外に他の成分が含まれてもよい。例えば、ＺｎＡｌ２ Ｏ４ には、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ からなるガーナイト型結晶が固溶して、（Ｚｎ，Ｍｇ）Ａｌ２ Ｏ４ のスピネル結晶相からなる場合もある。結晶相としては、上記の３種の結晶相以外に、ＳｉＯ２ （Ｓ）、コージェライト、Ｍｇ２ Ｂ２ Ｏ５ などの結晶相が含まれてもよい。また、これらの結晶相の粒界には、ＳｉＯ２ 、あるいはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ とからなる非晶質相（Ｇ）が存在する。
【００２１】
また、本発明における絶縁基板は、全体組成として、ＳｉＯ２ を３０〜６０重量％、Ａｌ２ Ｏ３ を１８〜２５重量％、ＭｇＯを５〜１３重量％、ＺｎＯを５〜３５重量％、Ｂ２ Ｏ３ を５〜１２重量％の割合で含むことが望ましい。
【００２２】
本発明において、上記絶縁基板は、例えば、以下の方法によって作成される。
【００２３】
まず、出発原料として、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２ Ｏ３ を含む結晶化ガラスと、ＺｎＯ粉末およびＳｉＯ２（溶融シリカ）粉末を用い、これらを所望の比率で混合する。この場合、これらの成分は、最終的に、一部のＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ を残し、残部はすべて結晶化されることが必要である。かかる観点から望ましい組成としては、結晶化ガラスが、ＳｉＯ２ ４０〜５２重量％、Ａｌ２ Ｏ３ １４〜３２重量％、ＭｇＯ４〜１５重量％、ＺｎＯ６〜１６重量％、Ｂ２ Ｏ３ ５〜１５重量％であることが望ましく、上記組成からなるガラス粉末に対して、ＺｎＯ粉末を５〜２９重量％、ＳｉＯ２ （溶融シリカ）を１〜２５重量％の割合で添加することが望ましい。
【００２４】
上記の組成で秤量混合された混合粉末を用いて所定の成形体を作成し、その成形体を８３０〜１０００℃の酸化性雰囲気または不活性雰囲気中で焼成することにより作製することができる。
【００２５】
また、上記の焼結体を用いて本発明の高周波用配線基板を作製するには、前記混合粉末を用いて、適当な有機溶剤、溶媒を用いて混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、銅、金、銀のうちの少なくとも１種を含む金属ペーストを充填する。そして、シート状成形体表面には、高周波信号が伝送可能な高周波線路パターンを金属ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などの配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、印刷塗布する。その後、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、８３０〜１０００℃の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００２６】
そして、この配線基板の表面には、高周波素子が搭載され配線層と高周波信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいはワイヤーボンディングや、ＴＡＢテープなどにより配線層と高周波素子とが接続される。
【００２７】
さらに、高周波素子が搭載された配線基板表面に、絶縁基板と同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなるキャップをガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、高周波素子を気密に封止することができ、これにより高周波用半導体装置を作製することができる。
【００２８】
【実施例】
下記の組成からなる２種のガラスを準備した。
【００２９】
ガラスＡ：ＳｉＯ２ ４４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２９重量％−ＭｇＯ１１重量％−ＺｎＯ７重量％−Ｂ２ Ｏ３ ９重量％
ガラスＢ：ＳｉＯ２ ５０重量％−Ａｌ２ Ｏ３ １５重量％−ＭｇＯ９重量％−ＺｎＯ１８重量％−Ｂ２ Ｏ３ ８重量％
そして、このガラス粉末に対して、平均粒径が１μｍ以下のＺｎＯ粉末、溶融シリカ粉末（ａ−ＳｉＯ２ ）を用いて、表１、表２の組成に従い混合した。
【００３０】
そして、この混合物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を水蒸気含有／窒素雰囲気中で７００℃で脱バインダーした後、乾燥窒素中で表１、表２の条件において焼成して高周波用多層基板用磁器組成物の焼結体を得た。
【００３１】
得られた焼結体について誘電率、誘電正接、抗折強度を以下の方法で評価した。誘電率、誘電正接は、試料形状 直径１０ｍｍ、厚み５ｍｍの試料を切り出し、１５〜２０ＧＨｚにてネットワークアナライザー、シンセサイズドスイーパーを用いて誘電体円柱共振器法により測定した。測定では、φ５０のＣｕ板治具の間に試料の誘電体基板を挟んで測定した。共振器のＴＥ０１１モードの共振特性より、誘電率、誘電正接を算出した。抗折強度は、試料形状 長さ７０ｍｍ，厚さ３ｍｍ，幅４ｍｍとし、ＪＩＳ−Ｃ−２１４１の規定に準じて３点曲げ試験を行った。測定の結果は表１、表２に示した。
【００３２】
また、焼結体中における結晶相をＸ線回折測定から同定し、さらに非晶質相中の構成元素をＥＤＸ（ＴＥＭ）によって、その量が５０ｐｐｍ以上の元素を表１、表２に示した。また、同様にリートベルト法により結晶化度を割り出し、非晶質相の重量比率を算出した。
【００３３】
また、一部の試料については、フィラー成分として、ＺｎＯ、ＳｉＯ２ （非晶質）に代わり、結晶質シリカ粉末（ｃ−ＳｉＯ２ ）、Ａｌ２ Ｏ３ 粉末、ＣａＯ粉末を用いて同様に焼結体を作製し評価した（試料Ｎｏ．１、８、９、２２、２３）。また、上記結晶化ガラスＡ、Ｂに代わり、以下の組成からなるガラスＣおよびガラスＤを用いて同様に評価を行った（試料Ｎｏ．２４〜２７）。
【００３４】
ガラスＣ：ＳｉＯ２ １０．４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２．５重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ４５．３重量％−ＺｎＯ３５．２重量％ −Ｎａ２ Ｏ６．６重量％
ガラスＤ：ＳｉＯ２ １４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２４．７重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ２２．６重量％−ＣａＯ１４．２重量％ −Ｌｉ２ Ｏ１２．８重量％−Ｎａ２ Ｏ１１．７重量％
【００３５】
【表１】
【表２】
表１、表２の結果から明らかなように、焼結体中の非晶質成分が、ＳｉＯ２ 、またはＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ とからなる本発明品は、いずれも６０ＧＨｚの測定周波数において誘電損失が２０×１０−４以下、誘電率が５．５以下が達成されるとともに、強度２０ｋｇ／ｍｍ２ 以上の優れた強度が達成された。また、これらの試料に対して、６０ＧＨｚ以下の測定周波数で測定した結果、当然ながら、各試料の６０ＧＨｚでの誘電損失よりもさらに低い誘電損失を示した。
【００３８】
これに対して、非晶質相中にＳｉＯ２ 、Ｂ２ Ｏ３ 以外の成分が混入した試料Ｎｏ．１、８、９、２２〜２７は、いずれも強度や誘電率の特性上では、大きな変化はないものの、誘電損失が４０×１０−４以上と極端に大きくなった。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用配線基板は、配線層に対して、１ＧＨｚ以上のマイクロ波及びミリ波等、さらには６０ＧＨｚもの高周波の信号が伝送される場合においても絶縁基板の誘電損失が格段に低く、しかも１０００℃以下の低温で焼成できることから、銅などの低抵抗金属による配線層を形成できることから、高周波信号を極めて良好に、損失なく伝送することができる。しかも、この絶縁基板は、高い強度を有することから、配線基板の取扱いや過酷な条件下で使用される場合においてもクラック等による断線など発生がなく、高信頼性の配線基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波用配線基板を用いた高周波用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の絶縁基板における焼結体の組織を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１ 高周波用パッケージ
２ 絶縁基板
３ 蓋体
４ キャビティ
５ 高周波素子
６ 配線層
７ アース層
８、１０ マイクロストリップ線路
９ 配線層
１１ スロット孔
ＳＰ スピネル型結晶相
Ｗ ウイレマイト型結晶相
Ｅ エンスタタイト型結晶相
Ｓ ＳｉＯ２ 系結晶相
Ｇ 非晶質相
Claims (6)
- 絶縁基板の表面あるいは内部に、周波数１ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送可能な低抵抗金属からなる配線層が配設されてなる高周波用配線基板において、前記絶縁基板が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｎＯを構成成分として含む複数の結晶相と、ＳｉＯ２、またはＳｉＯ２とＢ２Ｏ３からなり、ＳｉおよびＢ以外の元素量が合計で１００ｐｐｍ以下の非晶質相とを具備する焼結体からなることを特徴とする高周波用配線基板。
- 前記結晶相として、少なくともＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３を含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２およびＺｎＯを含む結晶相と、少なくともＳｉＯ２およびＭｇＯ相とを含むことを特徴とする請求項１記載の高周波用配線基板。
- 前記少なくともＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３を含む結晶相が、スピネル型結晶相である請求項２記載の高周波用配線基板。
- 前記少なくともＳｉＯ２およびＺｎＯを含む結晶相が、ウイレマイト型結晶相である請求項２記載の高周波用配線基板。
- 前記少なくともＳｉＯ２およびＭｇＯ相を含む結晶相が、エンスタタイト型結晶相である請求項２記載の高周波用配線基板。
- 前記配線層が、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成され、前記絶縁基板と同時焼成によって形成されたことを特徴とする請求項１記載の高周波用配線基板。
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