JP3687443B2 - 低温焼成セラミック組成物及びセラミック多層基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、銀や銅等の低融点金属と同時焼成可能な低温焼成セラミック組成物、並びに、それを用いたセラミック多層基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、高度情報化社会を支えるコンピュータ、移動体通信システム等に代表される情報処理機器においては、情報処理速度の高速化、機器の小型化、多機能化が飛躍的に進んでいる。これら情報処理機器の性能向上は主として半導体デバイスの高集積化、高速化、高機能化によって実現されている。
【0003】
従来、こうした半導体デバイスを搭載するセラミック多層基板では、焼成温度1500〜1600℃のアルミナ絶縁基板を使用していたため、それを同時焼成するためには、内層配線用の材料としてMo、Mo−Ni、W等の高融点金属を用いなければならなかった。しかしながら、これらの高融点金属は比抵抗が大きいため、半導体デバイスの性能を十分に引き出すことには限界があり、情報処理速度の高速化、高密度配線化が困難であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このようなセラミック多層基板等に用いるための絶縁材料として、特開昭62−241867号公報には、MgO及びAl2O3からなり、Al2O3の大部分がMgO・Al2O3相を有するセラミック組成物が開示されている。このセラミック組成物は、耐水和性、耐熱衝撃性に優れ、低誘電率、低tanδ、高熱伝導性を備えている。
【0005】
ところが、このセラミック組成物は焼結温度が1500〜1600℃と高く、上述したアルミナ絶縁基板と同様に、同時焼成用の配線材料としてMo、Mo−Ni、W等の高融点金属を用いなければならず、情報処理速度の高速化、高密度配線化に限界が生じていた。
【0006】
このようなセラミック組成物に焼結助剤としてガラス成分を添加すると、焼結温度を下げることが可能であるが、ガラス成分の選択の仕方によっては、セラミック多層基板の強度が著しく低下してしまうことがあった。また、セラミック多層基板の強度を保持しようとすると、Q値の低下や誘電率の変動等を引き起こし、その電気特性が低下することがあった。
【0007】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、銀や銅等の低融点金属と同時焼結可能であって、高い強度、優れた電気特性をバランス良く有する低温焼成セラミック組成物、並びに、それを用いたセラミック多層基板を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、MgO結晶相、MgAl2O4結晶相を呈するセラミック成分に、特定の重量比組成を有するガラス成分を添加、混合することによって、低温焼結可能であって、所望の強度、優れた電気特性を有する低温焼成セラミック組成物が得られることを見出した。
【0009】
すなわち、本発明は、
(A)MgO、MgAl2O4の結晶相を有するセラミック成分、
(B)酸化ケイ素:13〜50重量%、酸化ホウ素:3〜30重量%、及び、アルカリ土類金属酸化物:40〜80重量%からなるガラス成分
を混合してなることを特徴とする低温焼成セラミック組成物に係るものである。
【0010】
また、本発明の低温焼成セラミック組成物において、前記ガラス成分は、アルカリ金属酸化物を20重量%以下含有することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の低温焼成セラミック組成物においては、前記セラミック成分100重量部に対して、前記ガラス成分を20〜80重量部混合してなることを特徴とする。
【0012】
また、本発明の低温焼成セラミック組成物においては、前記セラミック成分の重量比組成式を
xMgO−yMgAl2O4
と表した時、前記x、yは、10≦x≦90、10≦y≦90(但し、x+y=100)を満たしていることを特徴とする。
【0013】
また、本発明の低温焼成セラミック組成物は、副成分として、低温焼成セラミック組成物中において酸化銅を3重量%以下含有することを特徴とする。
【0014】
また、本発明の低温焼成セラミック組成物は、比誘電率が9以下、測定周波数10GHzでのQ値が400以上であることを特徴とする。また、本発明の低温焼成セラミック組成物は、抗折強度が200MPa以上であることを特徴とする。
【0015】
また、本発明は、上述した本発明の低温焼成セラミック組成物からなる絶縁体層と、銀系、銅系又は金系の導電材料からなる導体層とを積層してなることを特徴とするセラミック多層基板に係るものである。
【0016】
本発明のセラミック多層基板においては、前記絶縁体層上に、誘電体セラミック成分とガラス成分とを混合した誘電体セラミック組成物からなる誘電体層を有していることを特徴とする。
【0017】
本発明の低温焼成セラミック組成物によれば、MgO、MgAl2O4の結晶相を有するセラミック成分に、酸化ケイ素:13〜50重量%、酸化ホウ素:3〜30重量%、及び、アルカリ土類金属酸化物:40〜80重量%からなるガラス成分を添加、混合しているので、高い強度、優れた電気特性を有し、かつそれらのバランスが良く、さらに銀や銅等の低融点金属と同時焼結可能なセラミック組成物を実現できる。
【0018】
また、本発明のセラミック多層基板によれば、前記絶縁体層を上述した本発明の低温焼成セラミック組成物で形成しているので、前記導体層を比抵抗の小さな銀系、銅系又は金系の導体材料で形成することができ、電気特性、特に高周波特性に優れた高強度のセラミック多層基板を実現できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明において、前記ガラス成分のうち酸化ケイ素及び酸化ホウ素は、ガラス網目形成酸化物であり、ガラス成分中の割合は、酸化ケイ素をSiO2換算で13〜50重量%、酸化ホウ素をB2O3換算で3〜30重量%とすることが必要である。
【0020】
特に、SiO2はガラス成分の骨格をなすものであり、ガラス成分におけるSiO2含有量が13重量%未満では、得られるセラミック組成物(セラミック焼結体:以下、同様)の結晶化度が低くなってQ値が低下する。他方、その含有量が50重量%を超えると、ガラス成分の軟化・流動性が低下して、1000℃以下での焼成が困難になる。
【0021】
また、B2O3は、ガラス成分の軟化温度を低下させ、粘性流動を促進させる融剤としての役割を果たす。ガラス成分におけるB2O3含有量が3重量%未満では、ガラス成分の軟化・流動性が低下して、1000℃以下での焼成が困難になる。他方、その含有量が30重量%を超えると、セラミック組成物の結晶化度が低くなって強度やQ値が低下する。
【0022】
また、BaO、SrO、CaO、MgO等のアルカリ土類金属酸化物は、ガラス作製時の溶融温度を下げると共に、ガラス網目構造の修飾酸化物として働くものであり、ガラス成分のうち40〜80重量%を占めることが必要である。その含有量が40重量%未満では、ガラスの軟化・流動性が低下して1000℃以下での焼成が困難になる。他方、その含有量が80重量%を超えると、結晶相の析出量が多くなりすぎてガラス構造が不安定になり、セラミック組成物の強度が低下してしまう。
【0023】
また、前記ガラス成分は、さらにアルカリ金属酸化物を含有していることが望ましい。Li2O、K2O、Na2O等のアルカリ金属酸化物はガラス作製時の溶融温度を下げる方向に働くものである。すなわち、このアルカリ金属酸化物は、ガラス作製時の軟化・流動性を促進させたい場合に添加すれば十分である。但し、ガラス成分におけるアルカリ金属酸化物の含有量が10重量%を超えるとセラミック組成物のQ値が低下し、また、電気絶縁性も低下することがあるので、その含有量は、ガラス成分の10重量%以下とすることが望ましい。
【0024】
本発明においては、前記セラミック成分100重量部に対する前記ガラス成分の割合を20〜80重量部とすることが望ましい。ガラス成分の割合が20重量部未満であると、焼成プロセスでの軟化・流動性が低下して1000℃以下での焼成が困難になることがある。他方、80重量%を超えると、特に相対密度97%以上の緻密な焼結体を得ることが難しくなり、比誘電率が小さくなって強度も低下する傾向にある。
【0025】
また、本発明においては、前記セラミック成分の重量比組成式をxMgO−yMgAl2O4と表した時、前記x、yが、10≦x≦90、10≦y≦90(但し、x+y=100)を満たしていることが望ましい。すなわち、前記セラミック成分は、XRD(X線回折法)等を用いた測定で、MgO結晶相、MgAl2O4結晶相の複合酸化物を析出するものであり、かつ、MgO結晶相が10〜90重量%、MgAl2O4結晶相が10〜90重量%であることが望ましい。
【0026】
すなわち、上述した範囲でMgO結晶相とMgAl2O4結晶相との重量比組成を適宜設定することによって、得られるセラミック組成物の熱膨張係数を選択することができる。例えば、MgO結晶相とMgAl2O4結晶相との重量比組成を1:1としたとき、その熱膨張係数は10ppm/℃程度となる。これよりもMgO結晶相の重量比組成を大きくしたときは、熱膨張係数が大きくなり、MgAl2O4結晶相の重量比組成を大きくしたときは、熱膨張係数は小さくなる。すなわち、誘電体層や導体層との熱膨張係数の整合性を考慮したうえで、特に9.2〜13.2ppm/℃の範囲で所望の熱膨張係数を設定できる。
【0027】
なお、前記セラミック成分において、MgO結晶相が10重量%未満、かつ、MgAl2O4結晶相が90重量%を超えると、1000℃以下では緻密な焼結体を得ることができず、高周波帯域でのQ値の低下や基板強度の低下に至ることがある。また、MgO結晶相が90重量%超え、かつ、MgAl2O4結晶相が10重量%未満であると、同様に、1000℃以下では、焼結体の緻密化を十分に促進させることができず、高周波帯域でのQ値の低下やその強度低下に至ることがある。
【0028】
また、前記各結晶相の重量比組成式は、xMgO−yMgAl2O4(但し、20≦x≦60、40≦y≦80、x+y=100)で表されるものであることがより望ましい。このような重量比組成範囲であると、焼成温度をさらに低下させても十分に緻密な焼結体を得ることができ、高周波帯域でのQ値に優れ、高強度のセラミック焼結体が得られる。前記各結晶相の重量比組成式は、さらに望ましくは、xMgO−yMgAl2O4(但し、30≦x≦50、50≦y≦70、x+y=100)で表されるものである。
【0029】
前記セラミック成分において、上述した重量比組成を有する各結晶相を析出するためには、例えば、Mg(OH)2粉末とAl2O3粉末とからなる原料粉末を混合し、これを成形後、焼成すればよい。この際、各酸化物粉末によるモル比組成式をaMgO−bAl2O3と表した時、58≦a≦97、3≦b≦42(但し、a+b=100)を満たすように各原料粉末を配合すればよい。
【0030】
また、本発明においては、低温焼成セラミック組成物中に酸化銅をを含有していることが望ましい。酸化銅は、ガラス成分の結晶化を促進して得られるセラミック組成物の高強度化、低損失化を促進する効果を奏する。但し、ガラス成分における酸化銅の含有量がCuO換算で3重量%を超えると、セラミック組成物のQ値が低下し、比誘電率が上昇する傾向にあるので、低温焼成セラミック組成物中において3重量%以下が望ましい。
【0031】
以上、上述した構成のセラミック組成物によれば、その焼結後には、比誘電率が9以下、測定周波数10GHzでのQ値が400以上、抗折強度が200MPa以上のセラミック層を形成することができる。すなわち、1000℃以下、さらには900℃以下の低温焼成で、比誘電率が小さく、高Q値を有し、かつ、高い強度を有するセラミック組成物が得られる。
【0032】
また、一般に、焼結助剤として結晶化ガラスを添加する場合、析出する結晶相の種類や比率はその焼成プロセスに大きく依存するため、焼成プロファイルを厳密に管理する必要があるが、本発明によれば、セラミック組成物に添加するガラス成分は非晶質ガラスであるから、焼成プロファイルの自由度が大きく、比較的容易に製造することが可能である。
【0033】
次に、本発明のセラミック多層基板を説明する。
【0034】
図1に示すように、本発明によるセラミック多層基板2は、本発明の低温焼成セラミック組成物からなる絶縁体層3aと絶縁体層3bの間に、誘電体セラミック成分とガラス成分とを混合した誘電体セラミック組成物からなる誘電体層4が挟み込まれた構造を有している。そして、高誘電率の誘電体層4には、内部電極8、9によってキャパシタC1、C2がそれぞれ形成されており、絶縁体層3a及び3bには、銀系、銅系又は金系の導電材料からなる内部配線6、7が形成されている。また、セラミック多層基板2の内部配線6、7は半導体デバイス等の高周波実装部品11〜13、キャパシタC1、C2、外部端子等を電気的に接続しており、全体としては、高周波モジュール1を構成している。
【0035】
つまり、本発明のセラミック層基板は、各種の表面実装部品を搭載した、例えばマルチチップモジュール等の高周波モジュールにも向けられる。但し、本発明のセラミック多層基板は、このようなセラミック多層基板2に限定されるものではなく、セラミックパッケージ用基板等にも適用可能である。
【0036】
次に、セラミック多層基板2の作製方法例を説明する。
【0037】
まず、絶縁体層3a及び3bの材料として、MgO結晶相、MgAl2O4結晶相を有するセラミック粉末と、所定の重量組成比を有する酸化ケイ素−酸化ホウ素−アルカリ土類金属酸化物系のガラス粉末とを用意した後、セラミック粉末にガラス粉末を所定量添加し、これを混合する。そして、得られた混合粉末に有機バインダ、分散剤、可塑剤、有機溶媒等を適量添加し、これらを混合することによって、絶縁体層用スラリーを調製する。その後、絶縁体層用スラリーをドクターブレード法等によってシート状に成形して、絶縁体層用セラミックグリーンシートを得る。
【0038】
これとは別に、高誘電率の誘電体層4の材料として、例えばチタン酸バリウム系誘電体セラミック粉末を調製した後、1000℃で1時間以上仮焼する。引き続いて、仮焼原料を粉砕した後、この仮焼原料に例えばSiO2−B2O3系ガラス粉末を混合して、誘電体セラミック粉末を作製した後、有機ビヒクル、分散剤、可塑剤、有機溶媒等を適量添加し、これらを混合することによって、誘電体層用スラリーを調製する。そして、誘電体層用スラリーをドクターブレード法等によってシート状に成形して、誘電体層用セラミックグリーンシートを得る。
【0039】
このようにして得られた絶縁体層用セラミックグリーンシート、誘電体層用セラミックグリーンシートに必要に応じてビアホール用孔を開け、その孔に導体ペーストや導体粉を充填してビアホールを形成する。また、誘電体層用セラミックグリーンシートにはキャパシタC1、C2となる導体ペーストを印刷し、必要に応じて、絶縁体層用セラミックグリーンシートにも導体パターンを形成した後、誘電体層用セラミックグリーンシート、絶縁体層用セラミックグリーンシートを積み重ねる。
【0040】
この後、積み重ねたセラミックグリーンシートをプレスし、積層体ブロックを形成する。必要に応じて、作製したブロックを適当な大きさに切断したり、溝を形成したりしてもよい。そして、このブロックを1000℃以下で焼成することにより、図1に示したようなキャパシタC1、C2等を内蔵したセラミック多層基板2を得る。その後、半導体デバイスやチップコンデンサ等の実装部品11〜13を搭載すると、同じく図1に示した高周波モジュール1が得られる。
【0041】
なお、誘電体層4は、誘電体セラミック混合粉末を有機ビヒクル、有機溶剤、可塑剤等に分散させることによってペースト化し、得られた誘電体ペーストを必要な部分に印刷することによって形成してもよい。この場合も、誘電体層の形成後に、グリーンシート積み重ね、プレス、カット、焼成等の工程を経てセラミック多層基板を作製できる。
【0042】
以上、セラミック多層基板2においては、その内部にキャパシタC1、C2が形成されているので、実装部品の数が少なく、その小型化、高密度化が達成されており、また、コンデンサを形成する電極間には高誘電率の誘電体層4が設けられているので比較的小さな電極パターンで大容量のキャパシタが形成される。
【0043】
また、絶縁体層3a及び3bは、本発明の低温焼成セラミック組成物で形成されているので、高絶縁性、高Q値等のように優れた電気特性を有している。さらに、内部配線6及び7は、銀系(Ag/Pd、Ag/Pt等を含む)、銅系、金系等の比抵抗の小さな導体材料で形成されているので、高周波特性に優れたセラミック多層基板2が形成される。なお、誘電体層4には、本発明の低温焼成セラミック組成物を構成するガラス成分とほぼ同組成のガラス成分を含有させれば、互いの接合性がさらに向上する。
【0044】
さらに、セラミック多層基板2においては、絶縁体層3a及び3bを構成するセラミック成分のMgO/MgAl2O4重量比組成を適宜選択することができるので、誘電体層4の特性(特に熱膨張係数)に合わせた絶縁体層の設計ができ、高接着強度で反りや歪みが少なく、信頼性の高いセラミック多層基板を得ることができる。
【0045】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例について説明する。
【0046】
まず、ガラス成分の原料物として、SiO2、B2O3、CaO、Li2O及びCuO(その前駆体を含む)をそれぞれ準備し、これを下記表1に示す組成比率で調合した。そして、この調合原料をPt−Rhるつぼ中において1400〜1600℃で融解した後、急冷し、さらに粉砕して、下記表1のガラスNo.A〜Mで表されるガラス粉末を得た。
【0047】
【表1】
【0048】
次に、原料粉末としてMg(OH)2とAl2O3を用い、焼成処理後に析出する結晶成分の重量比組成が下記表2及び表3に示す組成となるように秤量し、これを16時間湿式混合した後、乾燥した。さらに、この混合物を1350℃、2時間仮焼した後、粉砕して、セラミック成分を作成した。
【0049】
次いで、得られたセラミック成分とガラス成分とを下記表2及び表3に示す混合比となるように混合した後、適量のバインダを加えて造粒し、これを2000kg/cm2の圧力の下で成形して直径12mm厚さ7mmのセラミック成形体を得た。その後、この成形体を大気中、900℃〜1000℃で2時間焼成し、下記表2及び表3のNo.1〜49で表されるセラミック組成物(焼結体)を得た。
【0050】
【表2】
【0051】
【表3】
【0052】
そして、No.1〜49のセラミック組成物について、誘電体共振器法によって10GHzにおける比誘電率、Q値を測定した。また、併せて、曲げ強さ試験(JIS R1601)にしたがってその抗折強度を測定した。その測定結果を下記表4及び表5に示す。
【0053】
【表4】
【0054】
【表5】
【0055】
表4及び表5から、No.3〜5、7〜10、16〜21、23、26〜29、31〜35、37〜41のセラミック組成物(焼結体)は、相対密度が97%以上と高く、900℃又は1000℃で、焼結が緻密に行われたことが分かる。また、これらのセラミック組成物は、比誘電率εrがいずれも9以下(特にεr=8前後)であって、10GHzでのQ値は400以上と、電気特性に優れていることが分かる。また、これらのセラミック組成物は、抗折強度も200MPa以上と高く、基板強度にも優れていることが分かる。
【0056】
これに対して、上述した以外のセラミック組成物は、表4及び表5に示すように、相対密度が高くでも比誘電率εrが400以下となってしまったり、相対密度が小さいため強度が200MPa以下となってしまった。
【0057】
【発明の効果】
本発明の低温焼成セラミック組成物によれば、MgO、MgAl2O4の結晶相を有するセラミック成分に、酸化ケイ素:13〜50重量%、酸化ホウ素:3〜30重量%、及び、アルカリ土類金属酸化物:40〜80重量%からなるガラス成分を添加、混合しているので、高い強度、優れた電気特性を有し、かつそれらのバランスも良く、さらに、銀や銅等の低融点金属と同時焼結可能な低温焼成セラミック組成物を実現できる。
【0058】
本発明のセラミック多層基板によれば、絶縁体層が本発明の低温焼成セラミック組成物で形成されているので、導体層を比抵抗の小さな銀系、銅系又は金系の導体材料で形成することができ、電気特性、特に高周波特性に優れた高強度のセラミック多層基板を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態によるセラミック多層基板の概略断面図である。
【符号の説明】
1…セラミック多層モジュール
2…セラミック多層基板
3a、3b…絶縁体層
4…誘電体層
6、7…内部配線
8、9…内部電極
11、12、13…実装部品
Claims (9)
- (A)MgO、MgAl2O4の結晶相を有するセラミック成分、(B)酸化ケイ素:13〜50重量%、酸化ホウ素:3〜30重量%、及び、アルカリ土類金属酸化物:40〜80重量%からなるガラス成分、を混合してなることを特徴とする、低温焼成セラミック組成物。
- 前記ガラス成分は、アルカリ金属酸化物を10重量%以下含有することを特徴とする、請求項1に記載の低温焼成セラミック組成物。
- 前記セラミック成分100重量部に対して、前記ガラス成分を20〜80重量部混合してなることを特徴とする、請求項1又は2に記載の低温焼成セラミック組成物。
- 前記セラミック成分の重量比組成式を
xMgO−yMgAl2O4
と表した時、前記x、yは、10≦x≦90、10≦y≦90(但し、x+y=100)を満たしていることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の低温焼成セラミック組成物。 - 副成分として、低温焼成セラミック組成物中において酸化銅を3重量%以下含有することを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の低温焼成セラミック組成物。
- 比誘電率が9以下、測定周波数10GHzでのQ値が400以上であることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の低温焼成セラミック組成物。
- 抗折強度が200MPa以上であることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載の低温焼成セラミック組成物。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載の低温焼成セラミック組成物からなる絶縁体層と、銀系、銅系又は金系の導電材料からなる導体層とを積層してなることを特徴とする、セラミック多層基板。
- 前記絶縁体層上に、誘電体セラミック成分とガラス成分とを混合した誘電体セラミック組成物からなる誘電体層を有していることを特徴とする、請求項8に記載のセラミック多層基板。
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