JP3793558B2

JP3793558B2 - High frequency porcelain

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Publication number: JP3793558B2
Application number: JP2000054008A
Authority: JP
Inventors: 吉健寺師
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: JP2001163668A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージや多層配線基板等に適用される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あり、また、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板などの有機樹脂からなる外部回路基板に対し、高い信頼性をもって実装可能であり、配線基板における絶縁基板として用いられる高周波用磁器に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、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。
【０００３】
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。このような、高周波の信号の伝送を必要とする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（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属は導体抵抗が大きく、信号の伝搬速度が遅く、また、１ＧＨｚ以上の高周波領域の信号伝搬も困難であることから、Ｗ、Ｍｏなどの金属に代えて銅、銀、金などの低抵抗金属を使用することが必要となっている。
【０００５】
このような低抵抗金属からなる配線層は、融点が低く、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、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、Ａｌ₂Ｏ₃、ジルコニア、ムライトなどのフィラーを添加したものを低抵抗金属と同時焼成した多層配線基板が提案されている。
【０００６】
また、多層配線基板や半導体素子収納用パッケージなどの配線基板にＧａＡｓなどのチップ部品を実装したり、また配線基板をマザーボードなどの有機樹脂を含むプリント基板に実装する上で、絶縁基板とチップ部品あるいはプリント基板との熱膨張差に起因して発生する応力により実装部分が剥離したり、クラックなどが発生するのを防止する観点から、絶縁基板の熱膨張係数がチップ部品やプリント基板のそれと近似していることが望まれる。
【０００７】
そこで、例えば、特開平１０−１２０４３６号公報、特開平１１−４９５３１号公報では、ディオプサイド型結晶相を析出可能なガラス粉末７０〜１００％に対して、アルミナ、ムライト等のセラミック粉末０〜３０％を添加、混合して焼成した磁器が提案され、マイクロ波帯での誘電損失を低減でき、磁器強度を２２００ｋｇ／ｃｍ²まで高めることができることが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のガラスセラミックスは、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、熱膨張係数が３〜５ｐｐｍ／℃程度と低く、ＧａＡｓ等のチップ部品（熱膨張係数６〜７．５ｐｐｍ／℃）を実装したり、プリント基板（熱膨張係数１２〜１５ｐｐｍ／℃）に実装したりする場合に、実装の信頼性が低く実用上満足できるものではなかった。
【０００９】
また、特開平１０−１２０４３６号公報、特開平１１−４９５３１号公報では、磁器強度がせいぜい２２００ｋｇ／ｃｍ²以下であり、配線基板に種々の電子部品や入出力端子等を実装する工程において、絶縁基板にかかる応力によって絶縁基板に亀裂が生じたり、破損したりする恐れがあるために、さらなる強度向上が求められていた。
【００１０】
従って、本発明は、金、銀、銅を配線導体として多層化が可能な８００〜１０００℃での焼成が可能であるとともに、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板の熱膨張係数と近似した熱膨張係数を有し、高周波領域においても低誘電率、低誘電損失で、かつ磁器強度が高い磁器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を鋭意検討した結果、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯおよびＣａＯを含み、ディオプサイド型結晶相を析出可能なガラスに対して、フィラーとして少なくともＡｌを含有する酸化物を３０重量％より多い所定の比率で配合した組成物を用い、これを成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することによって、少なくともＭｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌを含むディオプサイド型結晶相と、少なくともＡｌを含有する酸化物結晶相とを含む（但し、エンスタタイト結晶相を除く）磁器からなり、磁器中のガラス相を３０重量％以下と低減できるとともに、該ガラス相中のＳｉの含有量を酸化物（ＳｉＯ_２）換算で７０重量％以上含有せしめることができ、低誘電率で、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板の熱膨張係数と近似した熱膨張係数を有し、１ＧＨｚ以上の高周波領域においても低誘電損失を有するとともに、磁器の４点曲げ強度が２５０ＭＰａ以上の磁器が得られることを知見し、本発明に至った。
【００１２】
即ち、本発明の高周波用磁器は、少なくともＭｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌを含むディオプサイド型結晶相と、少なくともＡｌを含有する酸化物結晶相と、少なくともＳｉを酸化物（ＳｉＯ_２）換算で７０重量％以上含有するガラス相を３０重量％以下とを含有する（但し、エンスタタイト結晶相を除く）磁器からなり、且つ該磁器の室温から４００℃における熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、誘電率が１０以下、６０〜７７ＧＨｚでの誘電損失が５０×１０^−４以下、４点曲げ強度が２５０ＭＰａ以上と優れた特性を実現できることを見出した。
【００１３】
ここで、前記少なくともＡｌを含有する酸化物は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＡｌ₂Ｏ₄、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂のうち選ばれる少なくとも一種であることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記高周波用磁器のヤング率が１４０ＧＰａ以上であることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用磁器は、少なくともＭｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌを含むディオプサイド型結晶相と、少なくともＡｌを含有する酸化物結晶相と、少なくともＳｉを酸化物（ＳｉＯ_２）換算で７０重量％以上含有するガラス相を３０重量％以下とを含有する（但し、エンスタタイト結晶相を除く）磁器からなるものである。
【００１６】
上記結晶相のうち、ガラスから析出する少なくともＭｇＯとＣａＯとＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３を含むディオプサイド結晶相Ｃａ（Ｍｇ，Ａｌ）（Ｓｉ，Ａｌ）_２Ｏ_６（ＤＩ）は、約８〜９ｐｐｍ／℃の高熱膨張および誘電率６．５〜７．５の特性を有する結晶であることから、上記組成のガラスよりディオプサイド型結晶相を析出させるとともに、少なくともＡｌを含有する酸化物を特定量添加して磁器中に析出させることにより、磁器の熱膨張係数を５ｐｐｍ／℃以上に高めるとともに、磁器の誘電率を１０以下、特に８以下に、磁器の４点曲げ強度を２５０ＭＰａ以上、特に３００ＭＰａ以上に高めることが可能である。
【００１７】
また、磁器中には、上記ディオプサイド結晶相以外に、Ｃａ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（ａｋｅｒｍａｎｉｔｅ）、ＣａＭｇＳｉＯ₄（ｍｏｎｔｉｃｅｌｌｉｔｅ）、Ｃａ₃ＭｇＳｉ₂Ｏ₈（ｍｅｒｗｉｎｉｔｅ）等の類似の相が析出してもよい。
【００１８】
また、ガラス中にＳｒＯを含有する場合、ＳｒＯは上記ディオプサイド型結晶相内に固溶してもよく、また、（Ｃａ，Ｓｒ）ＳｉＯ₃、ＳｒＳｉＯ_3、（Ｃａ，Ｓｒ）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈等の別の結晶相として析出してもよい。
【００１９】
さらに、Ａｌを含有する酸化物結晶相は、強度向上の点で、平均粒径１〜２．９μｍ、特に１．５〜２．５μｍの粒子が磁器中に分散して存在することが望ましい。
【００２０】
なお、磁器中には、特にガラスの表面のみが結晶化して中心部に非晶質ガラス（Ｇ）が残在するが、磁器強度向上の点で磁器中のガラスの存在割合を３０重量％以下、特に１５重量％以下、さらに７重量％以下に低めることが重要であり、かつ、非晶質ガラス（Ｇ）は、誘電損失の低減および高熱膨張係数化の点でガラス中のＳｉ成分の含有量がＳｉＯ₂換算で７０重量％以上、特に８０重量％であることが望ましい。
【００２１】
これによって、磁器の誘電損失を低減することができ、６０〜７７ＧＨｚでの誘電損失を５０×１０^-4以下、特に３０×１０^-4以下、さらに２０×１０^-4以下に低減することができる。
【００２２】
特に、ガラス中にＳｒＯを含有しめた場合には、磁器を低い焼成温度で緻密化させることが可能であるが、磁器中に非晶質ガラス（Ｇ）が残存しやすい。これに対して、本発明によれば、ガラス中にＳｒＯを含有しめた場合においても非晶質ガラス量を３０重量％以下に低減して低誘電損失化、高強度化、高ヤング率化を図ることができる。なお、ガラス中には、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ等の他の成分が総量で３重量％以下含有されていてもよい。
【００２３】
さらに、上記ディオプサイド結晶相のヤング率は１６０ＧＰａ程度と高いものであるから、上記磁器中のディオプサイド型結晶相の析出割合を高めるとともに、Ａｌを含有する酸化物結晶相を所定量含有せしめることによって、磁器のヤング率を高めることができ、特にヤング率が１４０ＧＰａ以上、特に１５０ＧＰａ以上であることが望ましい。
【００２４】
また、本発明の高周波用磁器の全体組成としては、Ｓｉ、Ａｌ、ＭｇおよびＣａの各金属元素の酸化物換算による合量を１００重量％とした時、ＳｉＯ₂を１５〜４７．６重量％、Ａｌ₂Ｏ₃を３２．４〜６５重量％、ＭｇＯを８〜３５重量％、ＣａＯ１２〜４０重量％であるか、またはＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、ＣａおよびＳｒの各金属元素の酸化物換算による合量を１００重量％とした時、ＳｉＯ₂を１５〜４９．６重量％、Ａｌ₂Ｏ₃を３２．４〜６５重量％、ＭｇＯを８〜３５重量％、ＣａＯ２．５〜２０重量％、ＳｒＯ７．５〜２５重量％の割合から構成されることが望ましい。
【００２５】
これによって、本発明の高周波用磁器は、１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上、さらには５０ＧＨｚ以上、またさらには７０ＧＨｚ以上の高周波用配線基板の絶縁層を形成するのに好適な磁器である。
【００２６】
本発明の磁器を配線基板の絶縁基板として用いる場合、誘電率が１０以下、特に８以下と低いために高周波伝送線路やアンテナの伝送損失を低めることができる。
【００２７】
また、磁器の室温から４００℃における熱膨張係数は、実装するチップ部品等やプリント基板等の熱膨張係数に近似するように適宜調整することが望ましい。これは、上記の磁器の熱膨張係数が実装されるチップ部品等やプリント基板のそれと差がある場合、半田実装時や半導体素子の作動停止による繰り返し温度サイクルによって、チップ部品等やプリント基板とパッケージとの実装部に熱膨張差に起因する応力が発生し、実装部にクラック等が発生し、実装構造の信頼性を損ねてしまうためである。
【００２８】
具体的には、ＧａＡｓ系のチップ部品との整合を図る上ではＧａＡｓ系のチップ部品との熱膨張係数の差が２ｐｐｍ／℃以下であり、一方、プリント基板との整合を図る上ではプリント基板との熱膨張係数の差が２ｐｐｍ／℃以下であることが望ましい。
【００２９】
また、磁器の４点曲げ強度が２５０ＭＰａ以上、ヤング率が１４０ＧＰａ以上と高いために、半導体素子等の電子部品の実装時、または入出力端子部に施すリード接続時に磁器にかかる応力による破損等を防止することができる。
【００３０】
上記磁器を作製するには、まず、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯおよびＣａＯを含み、ディオプサイド型結晶相を析出可能なガラスを４０〜６９．９重量％、特に５０〜６９．９重量％と、フィラーとして少なくともＡｌを含有する酸化物原料を３０．１〜６０重量％との割合で含有する磁器組成物を準備する。
【００３１】
なお、各成分組成のうち、上記ガラスが４０重量％よりも少ないと、１０００℃以下の温度での焼成により磁器を緻密化させることが困難であり、６９．９重量％よりも多いと、磁器中の結晶化度が低下し、磁器の４点曲げ強度が２５０ＭＰａより低くなるためである。ガラスの特に望ましい範囲は、５５〜６５重量％である。
【００３２】
ここで、前記ガラスは、ガラスの軟化点が５００〜８００℃であることが望ましく、さらなる低温焼成化の点で、ＳｒＯを含有してもよい。
【００３３】
さらに、ガラスの組成はＳｉＯ₂３０〜５５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃４．５〜１５重量％、ＭｇＯ１６〜３５重量％、ＣａＯ２４〜４０重量％の割合か、またはＳｉＯ₂３０〜５５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃４〜１５重量％、ＭｇＯ１４〜３０重量％、ＣａＯ５〜２０重量％、ＳｒＯ１０〜２５重量％の割合であることが望ましい。
【００３４】
なお、上記のガラスからのディオプサイド型結晶相の析出割合を高める上では、ガラス中におけるＣａＯとＭｇＯの合計量が３５〜５０重量％であることが望ましい。
【００３５】
また、フィラーとして添加されるＡｌを含有する酸化物としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＡｌ₂Ｏ₄、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂、Ｍｇ₂Ａｌ₄Ｓｉ₅Ｏ₁₈のうち選ばれる少なくとも一種からなることが望ましく、特にＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＡｌ₂Ｏ₄、さらにはＡｌ₂Ｏ₃であることが望ましい。
【００３６】
フィラーとして少なくともＡｌを含有する酸化物が３０．１重量％よりも少ないと、磁器中の結晶化率が低下するとともに、高強度化のために寄与するフィラーの割合が減少して磁器中に存在する酸化物結晶相の割合が低下する結果、磁器強度を高めることができない。逆に、少なくともＡｌを含有する酸化物が６０重量％を越えると、難焼結性となり、１０００℃以下の焼成温度で緻密化することができず、誘電損失、磁器強度ともに低下する。少なくともＡｌを含有する酸化物の望ましい範囲は、３５〜４５重量％である。
【００３７】
さらに、８００〜１０００℃の焼成で磁器の相対密度を９７％以上、特に９９％以上に高めることが可能であり、また、高周波領域での誘電損失を低減し、機械的強度を高める上で、Ａｌを含有する酸化物原料粉末の平均粒径は、１μｍ以上であることが望ましい。
【００３８】
次に、本発明における高周波用磁器組成物を用い磁器を製造する方法について説明する。
まず、出発原料として、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯを含みディオプサイド型結晶相を析出可能な結晶化ガラス粉末４０〜６９．９重量％と、少なくともＡｌを含有する酸化物粉末を３０．１〜６０重量％との割合で秤量混合する。
【００３９】
なお、上記Ａｌを含有する酸化物粉末中には低温焼成化の点で、例えばＳｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等の不可避不純物が８重量％以下、特に１重量％以下含有されていてもよい。
【００４０】
そして、この混合粉末を用いて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、プレス成形法の周知の成型法により所定形状の成形体を作製した後、該成形体を８００〜１０００℃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。
【００４１】
ここで、焼成温度が８００℃より低いと、磁器を緻密化できないとともに結晶化度が低く磁器中のガラス相の割合を３０重量％以下とすることができず、高周波領域での誘電損失が増大し、逆に１０００℃を越えるとＣｕやＡｇ等の低抵抗金属との同時焼成ができない。
【００４２】
なお、１０００℃以下での焼成で磁器を緻密化させるためには、焼成時の昇温速度を１０００℃／時間以下で、かつ焼成時間を１０分以上とすることが望ましく、また、磁器中のガラスの含有量を３０重量％以下で、該ガラス中のＳｉＯ₂の比率を７０重量％以上に高めるためには、焼成時の降温速度を１０００℃／時間以下とすることが望ましい。
【００４３】
また、配線層を具備する配線基板を作製するには、前記混合粉末に、適当な有機溶剤、溶媒を用い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、前記金属ペーストまたはこれら金属の金属箔を用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法、転写法などによって高周波信号が伝送可能な高周波線路パターン等に配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、印刷塗布する。
【００４４】
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、８００〜１０００℃の窒素ガスや窒素−酸素混合ガス等の非酸化性雰囲気で焼成することにより、高周波用配線基板を作製することができる。
【００４５】
そして、この配線基板の表面には、適宜半導体素子等のチップ部品が搭載され配線層と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、あるいは樹脂、Ａｇ−エポキシ、Ａｇ−ガラス、Ａｕ−Ｓｉ等の樹脂、金属、セラミックス等の厚み５０μｍ程度の接着剤によりチップ部品を絶縁基板表面に固着し、ワイヤーボンディング、ＴＡＢテープなどにより配線層と半導体素子とを接続する。
【００４６】
なお、半導体素子としては、Ｓｉ系やＧａＡｓ系等のチップ部品が使用できるが、特に熱膨張係数の近似の点で、ＧａＡｓ系のチップ部品の実装に有効である。
【００４７】
さらに、半導体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り、電磁波遮蔽性を有するキャップをガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合してもよく、これにより半導体素子を気密に封止することができる。
【００４８】
（配線基板の構成）本発明の高周波用磁器を好適に使用しうる高周波用配線基板の一例である半導体素子収納用パッケージの具体的な構造とその実装構造について図１をもとに説明する。図１は、半導体収納用パッケージ、特に、接続端子がボール状端子からなるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型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Ａは、絶縁材料からなる絶縁基板１と蓋体２によりキャビティ３が形成されており、そのキャビティ３内には、ＧａＡｓ等のチップ部品４が前述の接着剤等により実装されている。
【００４９】
また、絶縁基板１の表面および内部には、チップ部品４と電気的に接続された配線層５が形成されている。この配線層５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を主成分とすることが望ましい。また、この配線層５に１ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送する場合には、高周波信号が損失なく伝送されることが必要となるため、配線層５は周知のストリップ線路、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。
【００５０】
さらに、図１のパッケージＡにおいて、絶縁基板１の底面には、接続用電極層６が被着形成されており、パッケージＡ内の配線層５と接続されている。そして、接続用電極層６には、半田などのロウ材７によりボール状端子８が被着形成されている。
【００５１】
また、上記パッケージＡを外部回路基板に実装するには、図１に示すように、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの有機樹脂を含む絶縁材料からなる絶縁基板９の表面に配線導体１０が形成された外部回路基板Ｂに対して、ロウ材を介して実装される。具体的には、パッケージＡにおける絶縁基板１の底面に取付けられているボール状端子８と、外部回路基板Ｂの配線導体１０とを当接させてＰｂ−Ｓｎなどの半田１１によりロウ付けして実装される。また、ボール状端子８自体を溶融させて配線導体１０と接続させてもよい。
【００５２】
なお、図１では、ボール状端子を用いたものであったが、半田にて直接接合することも可能である。
【００５３】
本発明によれば、ＧａＡｓ等のチップ部品４のロウ付けや接着剤により実装したり、このようなボール状端子８を介在したロウ付けによりプリント基板等の外部回路基板に実装されるような表面実装型パッケージにおいて、ＧａＡｓ等のチップ部品や外部回路基板の絶縁基板との熱膨張差を従来のセラミック材料よりも小さくできることから、かかる実装構造に対して、熱サイクルが印加された場合においても実装部での応力の発生を抑制することができる結果、実装構造の長期信頼性を高めることができる。
【００５４】
【実施例】
下記の組成

からなるディオプサイド結晶相析出可能なガラス３種（ガラスＡ〜Ｃ）と、ディオプサイド結晶相が析出しないガラスＤを準備した。
【００５５】
そして、上記ガラスに対して表１〜３のフィラー（純度９９％）を添加し、さらに、この混合物に有機バインダ、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１０〜１５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、７００℃で脱バインダ処理を行った後、乾燥窒素中で表１〜３の条件で焼成し絶縁基板用磁器を得た。なお、焼成に際しては昇温速度、降温速度を３００℃／ｈとした。
【００５６】
得られた磁器について誘電率、誘電損失を以下の方法で評価した。測定は形状、直径２〜７ｍｍ、厚み１．５〜２．５ｍｍの形状に切り出し、６０ＧＨｚ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行った。測定では、ＮＲＤガイド（非放射性誘電体線路）で、誘電体共振器の励起を行い、ＴＥ₀₂₁、ＴＥ₀₃₁モードの共振特性より、誘電率、誘電損失を算出した。
【００５７】
また、室温から４００℃における熱膨張曲線をとり、熱膨張係数を算出した。さらに、焼結体中における結晶相をＸ線回折チャートから同定した。
【００５８】
また、磁器中のガラス相の比率をリートベルト法によって評価した。具体的には、評価する磁器を粉砕した後、内部標準試料としてＺｎＯを所定の比率で添加し、エタノールを加えて湿式混合した。これを乾燥した後、Ｘ線回折測定を行い、ＺｎＯの添加比率と、リートベルト法によって得られるＺｎＯと磁器中の結晶相との比率から磁器中に存在するガラス相の比率を算出し、ＴＥＭによりガラス相中のＳｉの比率を測定してＳｉＯ₂換算での比率を算出した。また、ＪＩＳＲ１６０１に基づいて磁器の４点曲げ強度を測定し、超音波パルス法により磁器のヤング率を測定した。結果は表１〜３に示した。
【００５９】
【表１】

【００６０】
【表２】

【００６１】
【表３】

【００６２】
表１〜３の結果から明らかなように、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯを含むガラスＡ、Ｂ、Ｃの量が、５０重量％より少ない試料Ｎｏ．１、２０、３０、３３では、低温で焼結することが困難であり、緻密化しなかった。
【００６３】
また、Ａｌを含有する酸化物の添加量が３０．１重量％よりも少ない試料Ｎｏ．７、８、１３、１６、２６、２７、４０、４４、４７では、磁器の４点曲げ強度が低下した。さらに、フィラーとして平均粒径０．６μｍのＡｌ_２Ｏ_３を用いた試料Ｎｏ．１０、４１では、１０００℃の焼成で磁器を緻密化させることができず、ガラス相の割合が３０重量％を越えてしまい、誘電損失が増大した。
【００６４】
また、ガラスとして、Ｂ₂Ｏ₃を多く含むガラスＤを用いた試料Ｎｏ．５１は溶融してしまい、また、試料Ｎｏ．５２では、ディオプサイド型結晶相が消失することによって、ホウ素を含むガラスが多く残留し、誘電損失が大きくなる傾向にあった。
【００６５】
これに対して、本発明に従い、特定量の少なくともＡｌを含有する酸化物を添加した試料では、磁器中に少なくともＡｌを含有する酸化物結晶相の析出が見られ、また、いずれも熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、６０ＧＨｚの測定周波数にて、誘電率８が以上、誘電損失が５０×１０^−４以下、磁器の４点曲げ強度が２５０ＭＰａ以上、ヤング率が１４０ＧＰａ以上の優れた特性を有するものであった。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用磁器組成物によれば、１０００℃以下の低温にて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、しかも１ＧＨｚ以上の高周波領域において、誘電率が１０以下で、６０〜７７ＧＨｚでの誘電損失が５０×１０^-4以下と誘電損失が低いことから、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。
【００６７】
しかも、この組成物を用いて得られる磁器は、磁器強度が２５０ＭＰａ以上と高く、ヤング率が１４０ＧＰａ以上と高く、かつＧａＡｓチップあるいはプリント基板と近似した熱膨張特性に制御できることから、ＧａＡｓチップを実装した場合、あるいは有機樹脂を含む絶縁基板を具備するプリント基板などのマザーボードに対してロウ材等により実装した場合において優れた耐熱サイクル性を有し、高信頼性の実装構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波用磁器を用いた高周波用配線基板の一例である半導体素子収納用パッケージの実装構造の一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ半導体素子収納用パッケージ
Ｂ外部回路基板
１絶縁基板
２蓋体
３キャビティ
４チップ部品
５配線層
６接続用電極層
７ロウ材
８ボール状端子
９絶縁基板
１０配線導体
１１ロウ材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wiring board applied to a package for housing semiconductor elements, a multilayer wiring board, and the like, and in particular, can be co-fired with copper and silver, and also can be used for chip parts such as GaAs and printed boards. The present invention relates to a high-frequency porcelain that can be mounted on an external circuit substrate made of an organic resin with high reliability and is used as an insulating substrate in a wiring substrate.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a ceramic multilayer wiring board is most widely used in which a wiring layer made of a refractory metal such as tungsten or molybdenum is formed on or inside an insulating substrate made of an alumina sintered body.
[0003]
In recent years, with the advent of advanced information technology, the frequency band used is increasingly shifting to higher frequencies. In such a high-frequency wiring board that requires transmission of a high-frequency signal, the resistance of the conductor forming the wiring layer is small in order to transmit the high-frequency signal without loss, and the dielectric in the high-frequency region of the insulating substrate. Small loss is required.
[0004]
However, conventional refractory metals such as tungsten (W) and molybdenum (Mo) have high conductor resistance, slow signal propagation speed, and signal propagation in a high frequency region of 1 GHz or more is difficult. It is necessary to use low resistance metals such as copper, silver, and gold instead of metals such as Mo.
[0005]
Since the wiring layer made of such a low-resistance metal has a low melting point and cannot be co-fired with alumina, recently, so-called glass ceramics made of glass or a composite material of glass and ceramics is insulated. A wiring substrate used as a substrate is being developed. For example, as disclosed in JP-A-60-240135, there has been proposed a multilayer wiring substrate in which zinc borosilicate glass added with fillers such as Al ₂ O ₃ , zirconia, and mullite is co-fired with a low resistance metal. Yes.
[0006]
In addition, when mounting a chip component such as GaAs on a wiring substrate such as a multilayer wiring substrate or a package for housing a semiconductor element, or mounting a wiring substrate on a printed circuit board containing an organic resin such as a mother board, an insulating substrate and a chip component Alternatively, the thermal expansion coefficient of the insulating substrate is similar to that of the chip component or printed board from the viewpoint of preventing the mounting part from peeling or cracking due to the stress caused by the thermal expansion difference with the printed board. It is hoped that
[0007]
Therefore, for example, in Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-120436 and 11-49531, ceramic powders 0 to 100% of glass powder capable of precipitating a diopside-type crystal phase are used. A porcelain in which 30% is added, mixed and fired has been proposed, and it is disclosed that dielectric loss in the microwave band can be reduced and the porcelain strength can be increased to 2200 kg / cm ² .
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional glass ceramics have a low coefficient of thermal expansion of about 3 to 5 ppm / ° C. even when cofiring with a low resistance metal such as copper, silver, and gold, and chip components such as GaAs (heat When mounting an expansion coefficient of 6 to 7.5 ppm / ° C. or mounting on a printed circuit board (thermal expansion coefficient of 12 to 15 ppm / ° C.), the mounting reliability is low and not practically satisfactory.
[0009]
In Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-120436 and 11-49531, the porcelain strength is at most 2200 kg / cm ² , and in the process of mounting various electronic components and input / output terminals on the wiring board, insulation is performed. Since the insulating substrate may be cracked or broken due to the stress applied to the substrate, further improvement in strength has been demanded.
[0010]
Therefore, the present invention can be fired at 800 to 1000 ° C., which can be multilayered using gold, silver and copper as wiring conductors, and has a thermal expansion approximate to the thermal expansion coefficient of chip parts such as GaAs and printed circuit boards. An object of the present invention is to provide a porcelain having a coefficient, a low dielectric constant, a low dielectric loss and a high porcelain strength even in a high frequency region.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies on the above problems, the present inventor has obtained an oxide containing at least Al as a filler with respect to glass containing SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , MgO and CaO and capable of precipitating a diopside crystal phase. A diopside crystal containing at least Mg, Ca, Si, and Al is formed by using a composition in which a product is blended at a predetermined ratio of more than 30% by weight, and firing it at a temperature of 800 to 1000 ° C. Phase and an oxide crystal phase containing at least Al (excluding the enstatite crystal phase). The glass phase in the porcelain can be reduced to 30% by weight or less, and Si in the glass phase can be reduced. oxide content (SiO ₂₎ can be allowed to contain converted at 70% by weight or more, a low dielectric constant, thermal expansion coefficient of the chip component or a printed circuit board, such as GaAs It has an approximate thermal expansion coefficient, with also having a low dielectric loss at high frequencies above regions 1 GHz, 4-point bending strength of porcelain was found that more than porcelain 250MPa is obtained, leading to the present invention.
[0012]
That is, the high-frequency porcelain of the present invention is a diopside crystal phase containing at least Mg, Ca, Si, and Al, an oxide crystal phase containing at least Al, and at least Si in terms of oxide (SiO ₂ ). A glass phase containing 70% by weight or more and 30% by weight or less (excluding the enstatite crystal phase) , and having a coefficient of thermal expansion of 5 ppm / ° C. or more from room temperature to 400 ° C. It has been found that excellent characteristics can be realized with a rate of 10 or less, a dielectric loss at 60 to 77 GHz of 50 × 10 ⁻⁴ or less, and a four-point bending strength of 250 MPa or more.
[0013]
Here, the oxide containing at least Al is preferably at least one selected from Al ₂ O ₃ , MgAl ₂ O ₄ , ZnAl ₂ O ₄ , and 3Al ₂ O ₃ .2SiO ₂ .
[0014]
Furthermore, it is desirable that the high-frequency porcelain has a Young's modulus of 140 GPa or more.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The high-frequency porcelain of the present invention is a diopside crystal phase containing at least Mg, Ca, Si, and Al, an oxide crystal phase containing at least Al, and at least Si in terms of oxide (SiO ₂ ) in terms of 70 wt. % Of a glass phase containing 30% by weight or less (excluding the enstatite crystal phase) .
[0016]
Among the above crystal phases, the diopside crystal phase Ca (Mg, Al) (Si, Al) ₂ O ₆ (DI) containing at least MgO, CaO, SiO ₂ and Al ₂ O ₃ precipitated from glass is about 8 Since it is a crystal having a high thermal expansion of ˜9 ppm / ° C. and a dielectric constant of 6.5 to 7.5, a diopside-type crystal phase is precipitated from the glass having the above composition, and an oxide containing at least Al To increase the thermal expansion coefficient of the porcelain to 5 ppm / ° C. or more, the dielectric constant of the porcelain to 10 or less, particularly 8 or less, and the four-point bending strength of the porcelain to 250 MPa or more. In particular, it can be increased to 300 MPa or more.
[0017]
In addition to the above diopside crystal phase, similar phases such as Ca ₂ MgSi ₂ O ₇ (akermanite), CaMgSiO ₄ (monticellite), Ca ₃ MgSi ₂ O ₈ (merwinite) are precipitated in the porcelain. Also good.
[0018]
When SrO is contained in the glass, SrO may be dissolved in the diopside crystal phase, and (Ca, Sr) SiO ₃ , SrSiO _3, (Ca, Sr) Al ₂ Si _It may be precipitated as another crystal phase such as ₂ O ₈ .
[0019]
Furthermore, it is desirable that the oxide crystal phase containing Al is present in such a manner that particles having an average particle diameter of 1 to 2.9 μm, particularly 1.5 to 2.5 μm are dispersed in the porcelain from the viewpoint of improving the strength.
[0020]
In particular, in the porcelain, only the surface of the glass is crystallized, and the amorphous glass (G) remains in the central part. However, the proportion of the glass in the porcelain is 30% by weight or less in terms of improving the porcelain strength. In particular, it is important to lower it to 15% by weight or less, and further to 7% by weight or less, and the amorphous glass (G) contains Si component in the glass in terms of reduction of dielectric loss and high thermal expansion coefficient. The amount is preferably 70% by weight or more, particularly 80% by weight in terms of SiO ₂ .
[0021]
Thereby, the dielectric loss of the porcelain can be reduced, and the dielectric loss at 60 to 77 GHz can be reduced to 50 × 10 ⁻⁴ or less, particularly 30 × 10 ⁻⁴ or less, and further to 20 × 10 ⁻⁴ or less. .
[0022]
In particular, when SrO is contained in the glass, the porcelain can be densified at a low firing temperature, but the amorphous glass (G) tends to remain in the porcelain. On the other hand, according to the present invention, even when SrO is contained in the glass, the amount of amorphous glass is reduced to 30% by weight or less to reduce dielectric loss, increase strength, and increase Young's modulus. Can be planned. The glass may contain other components such as ZnO, CuO, TiO ₂ , B ₂ O ₃ , Na ₂ O, K ₂ O in a total amount of 3% by weight or less.
[0023]
Furthermore, since the Young's modulus of the diopside crystal phase is as high as about 160 GPa, the precipitation ratio of the diopside crystal phase in the porcelain is increased and a predetermined amount of oxide crystal phase containing Al is contained. It is possible to increase the Young's modulus of the porcelain, and it is particularly desirable that the Young's modulus is 140 GPa or more, particularly 150 GPa or more.
[0024]
The overall composition of the high-frequency porcelain of the present invention is 15 to 47.6% by weight of SiO ₂ when the total amount in terms of oxides of each metal element of Si, Al, Mg and Ca is 100% by weight. Al ₂ O ₃ is 32.4 to 65% by weight, MgO is 8 to 35% by weight, CaO is 12 to 40% by weight, or according to oxide conversion of each metal element of Si, Al, Mg, Ca and Sr When the total amount is 100% by weight, SiO ₂ is 15 to 49.6% by weight, Al ₂ O ₃ is 32.4 to 65% by weight, MgO is 8 to 35% by weight, CaO 2.5 to 20% by weight, It is desirable to be composed of SrO 7.5 to 25% by weight.
[0025]
Thus, the high-frequency porcelain of the present invention is a suitable porcelain for forming an insulating layer of a high-frequency wiring board having a frequency of 1 GHz or more, particularly 20 GHz or more, further 50 GHz or more, or even 70 GHz or more.
[0026]
When the porcelain of the present invention is used as an insulating substrate of a wiring board, the dielectric constant is as low as 10 or less, particularly 8 or less, so that transmission loss of a high-frequency transmission line or antenna can be reduced.
[0027]
Further, it is desirable that the thermal expansion coefficient of the porcelain from room temperature to 400 ° C. is appropriately adjusted so as to approximate the thermal expansion coefficient of a chip component or the like to be mounted or a printed board. This is because if the thermal expansion coefficient of the above porcelain is different from that of a chip component or printed circuit board on which the ceramics are mounted, the chip component or printed circuit board and the package may be affected by repeated temperature cycles during solder mounting or by stopping the operation of the semiconductor element. This is because a stress due to a difference in thermal expansion occurs in the mounting portion, and cracks or the like occur in the mounting portion, thereby impairing the reliability of the mounting structure.
[0028]
Specifically, when matching with a GaAs chip component, the difference in thermal expansion coefficient from the GaAs chip component is 2 ppm / ° C. or less, whereas when matching with a printed circuit board, the printed circuit board is used. It is desirable that the difference in thermal expansion coefficient with respect to 2 ppm / ° C. or less.
[0029]
In addition, since the four-point bending strength of porcelain is as high as 250 MPa or more and Young's modulus is 140 GPa or more, damage due to stress applied to the porcelain when mounting electronic parts such as semiconductor elements or connecting leads to the input / output terminal portion, etc. Can be prevented.
[0030]
In order to produce the above porcelain, first, 40 to 69.9 wt%, particularly 50 to 69.9% by weight of glass containing SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , MgO and CaO and capable of precipitating a diopside crystal phase. A porcelain composition containing, in a ratio of 3% to 60% by weight of an oxide raw material containing at least Al as a filler, is prepared.
[0031]
In addition, among each component composition, when the glass is less than 40% by weight, it is difficult to densify the porcelain by firing at a temperature of 1000 ° C. or less. When the glass is more than 69.9% by weight, This is because the crystallinity of the inside decreases and the four-point bending strength of the porcelain becomes lower than 250 MPa. A particularly desirable range of glass is 55 to 65% by weight.
[0032]
Here, the glass preferably has a glass softening point of 500 to 800 ° C., and may contain SrO in terms of further low-temperature firing.
[0033]
Furthermore, the composition of the glass is SiO ₂ 30 to 55 wt%, Al ₂ O ₃ 4.5 to 15 wt%, MgO16～35 wt%, or the proportion of CaO24~40 wt%, or SiO ₂ 30 to 55 wt%, It is desirable that the ratio is 4 to 15% by weight of Al ₂ O ₃ , 14 to 30% by weight of MgO, 5 to 20% by weight of CaO, and 10 to 25% by weight of SrO.
[0034]
In addition, in order to raise the precipitation rate of the diopside type crystal phase from said glass, it is desirable that the total amount of CaO and MgO in glass is 35 to 50 weight%.
[0035]
The oxide containing Al added as a filler is selected from Al ₂ O ₃ , MgAl ₂ O ₄ , ZnAl ₂ O ₄ , 3Al ₂ O ₃ .2SiO ₂ , and Mg ₂ Al ₄ Si ₅ O ₁₈ . It is desirable to be at least one selected from the group consisting of Al ₂ O ₃ , MgAl ₂ O ₄ , ZnAl ₂ O ₄ , and Al ₂ O ₃ .
[0036]
If the oxide containing at least Al as the filler is less than 30.1% by weight, the crystallization rate in the porcelain will decrease, and the proportion of filler that contributes to high strength will decrease and will exist in the porcelain As a result of the reduction in the proportion of the oxide crystal phase, the porcelain strength cannot be increased. On the other hand, if the oxide containing at least Al exceeds 60% by weight, it becomes difficult to sinter and cannot be densified at a firing temperature of 1000 ° C. or less, and both dielectric loss and ceramic strength decrease. A desirable range of the oxide containing at least Al is 35 to 45% by weight.
[0037]
Furthermore, it is possible to increase the relative density of the porcelain to 97% or more, particularly 99% or more by firing at 800 to 1000 ° C., and to reduce the dielectric loss in the high frequency region and increase the mechanical strength. The average particle diameter of the oxide raw material powder containing Al is desirably 1 μm or more.
[0038]
Next, a method for producing a porcelain using the high frequency porcelain composition of the present invention will be described.
First, as starting materials, and _{_{_{SiO 2, Al 2 O 3,}}} MgO, 40~69.9 wt% crystallinity glass powder precipitated diopside-type crystal phase comprises CaO, oxide powder containing at least Al Are weighed and mixed at a ratio of 30.1 to 60% by weight.
[0039]
In addition, in the oxide powder containing Al, inevitable impurities such as Si, Mg, Ca, and Sr may be contained in an amount of 8% by weight or less, particularly 1% by weight or less in terms of low-temperature firing.
[0040]
Then, using this mixed powder, a molded body having a predetermined shape is prepared by a known molding method such as a doctor blade method, a calender roll method, a rolling method, or a press molding method, and then the molded body is oxidized at 800 to 1000 ° C. It can be produced by firing in an atmosphere or an inert atmosphere.
[0041]
Here, if the firing temperature is lower than 800 ° C., the porcelain cannot be densified, the degree of crystallinity is low, and the proportion of the glass phase in the porcelain cannot be reduced to 30% by weight or less, increasing the dielectric loss in the high frequency region. On the other hand, if the temperature exceeds 1000 ° C., simultaneous firing with a low-resistance metal such as Cu or Ag cannot be performed.
[0042]
In order to densify the porcelain by firing at 1000 ° C. or less, it is desirable that the heating rate during firing is 1000 ° C./hour or less and the firing time is 10 minutes or more. In order to increase the glass content to 30% by weight or less and increase the SiO ₂ ratio in the glass to 70% by weight or more, it is desirable to set the temperature drop rate during firing to 1000 ° C./hour or less.
[0043]
Further, in order to produce a wiring board having a wiring layer, a slurry is prepared by mixing the mixed powder with an appropriate organic solvent or solvent, and this is prepared by a conventionally known doctor blade method or calendar roll method, or It is formed into a sheet by a rolling method or a press forming method. And after forming a through hole as needed in this sheet-like molded object, the metal paste containing at least 1 sort (s) of copper, gold | metal | money, and silver is filled in a through hole. And on the surface of the sheet-like molded body, the thickness of the wiring layer is a high-frequency line pattern that can transmit a high-frequency signal by screen printing, gravure printing, transfer, etc. using the metal paste or metal foil of these metals. Printing is applied so that the thickness is 5 to 30 μm.
[0044]
Thereafter, a plurality of sheet-like molded bodies are aligned, pressure-bonded, and fired in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas or nitrogen-oxygen mixed gas at 800 to 1000 ° C. to produce a high-frequency wiring board. Can do.
[0045]
A chip component such as a semiconductor element is appropriately mounted on the surface of the wiring board and connected to the wiring layer so that signals can be transmitted. As a connection method, the chip component is directly mounted on the wiring layer to be connected, or the chip component is bonded with an adhesive having a thickness of about 50 μm such as resin, Ag-epoxy, Ag-glass, Au-Si resin, metal, ceramics, or the like. Adhering to the surface of the insulating substrate, the wiring layer and the semiconductor element are connected by wire bonding, TAB tape or the like.
[0046]
As the semiconductor element, a Si-based or GaAs-based chip component can be used, but it is particularly effective for mounting a GaAs-based chip component in terms of approximation of the thermal expansion coefficient.
[0047]
In addition, on the surface of the wiring board on which the semiconductor element is mounted, an insulating material of the same type as that of the insulating substrate, other insulating materials, or a metal having good heat dissipation, etc., and a cap having electromagnetic wave shielding properties are made of glass, resin, brazing. The semiconductor element may be hermetically sealed by bonding with an adhesive such as a material.
[0048]
(Configuration of Wiring Substrate) A specific structure of a package for housing a semiconductor element, which is an example of a high frequency wiring substrate that can suitably use the high frequency porcelain of the present invention, and its mounting structure will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor storage package, in particular, a ball grid array (BGA) type package in which connection terminals are formed of ball-shaped terminals. According to FIG. 1, the package A has a cavity 3 formed by an insulating substrate 1 made of an insulating material and a lid 2, and a chip component 4 such as GaAs is formed in the cavity 3 by the above-described adhesive or the like. Has been implemented.
[0049]
A wiring layer 5 electrically connected to the chip component 4 is formed on the surface and inside of the insulating substrate 1. The wiring layer 5 is preferably composed mainly of a low resistance metal such as copper, silver or gold in order to reduce the conductor loss as much as possible during transmission of the high frequency signal. In addition, when a high frequency signal of 1 GHz or more is transmitted to the wiring layer 5, the high frequency signal needs to be transmitted without loss. Therefore, the wiring layer 5 includes a known strip line, microstrip line, coplanar line, It is composed of at least one of dielectric waveguide lines.
[0050]
Further, in the package A of FIG. 1, a connection electrode layer 6 is formed on the bottom surface of the insulating substrate 1 and connected to the wiring layer 5 in the package A. A ball-shaped terminal 8 is formed on the connection electrode layer 6 with a brazing material 7 such as solder.
[0051]
In order to mount the package A on an external circuit board, as shown in FIG. 1, a wiring conductor 10 is formed on the surface of an insulating substrate 9 made of an insulating material containing an organic resin such as polyimide resin, epoxy resin, or phenol resin. It is mounted on the formed external circuit board B through a brazing material. Specifically, the ball-shaped terminal 8 attached to the bottom surface of the insulating substrate 1 in the package A and the wiring conductor 10 of the external circuit substrate B are brought into contact with each other and brazed with solder 11 such as Pb-Sn. Implemented. Further, the ball terminal 8 itself may be melted and connected to the wiring conductor 10.
[0052]
In FIG. 1, a ball-shaped terminal is used. However, direct bonding with solder is also possible.
[0053]
According to the present invention, a surface that can be mounted on an external circuit board such as a printed circuit board by brazing the chip component 4 such as GaAs or the like, or by brazing via such a ball-shaped terminal 8. In mounting type packages, the thermal expansion difference between chip parts such as GaAs and the insulating substrate of the external circuit board can be made smaller than that of conventional ceramic materials, so mounting is possible even when a thermal cycle is applied to such mounting structure. As a result of suppressing the generation of stress at the portion, the long-term reliability of the mounting structure can be enhanced.
[0054]
【Example】
The following composition

3 types of glass (glasses A to C) that can be precipitated with diopside crystal phase and glass D on which no diopside crystal phase is precipitated were prepared.
[0055]
And the filler (purity 99%) of Tables 1-3 is added with respect to the said glass, Furthermore, an organic binder, a plasticizer, and toluene are added to this mixture, and after preparing a slurry, a doctor is used using this slurry. A green sheet having a thickness of 300 μm was prepared by a blade method. And 10-15 sheets of this green sheet were laminated | stacked, the pressure of 100 kg / cm < ² > was applied at the temperature of 50 degreeC, and thermocompression bonded. The obtained laminate was subjected to binder removal treatment at 700 ° C. in a steam-containing / nitrogen atmosphere and then fired in dry nitrogen under the conditions shown in Tables 1 to 3 to obtain an insulating substrate ceramic. In the firing, the temperature raising rate and the temperature lowering rate were 300 ° C./h.
[0056]
The dielectric constant and dielectric loss of the obtained porcelain were evaluated by the following methods. The measurement was cut into a shape having a shape, a diameter of 2 to 7 mm, and a thickness of 1.5 to 2.5 mm, and was performed by a dielectric cylindrical resonator method using a network analyzer and a synthesized sweeper at 60 GHz. In the measurement, the dielectric resonator was excited with an NRD guide (non-radiative dielectric line), and the dielectric constant and dielectric loss were calculated from the resonance characteristics of the TE ₀₂₁ and TE ₀₃₁ modes.
[0057]
Further, a thermal expansion curve from room temperature to 400 ° C. was taken to calculate a thermal expansion coefficient. Furthermore, the crystal phase in the sintered body was identified from the X-ray diffraction chart.
[0058]
Moreover, the ratio of the glass phase in the porcelain was evaluated by the Rietveld method. Specifically, after the porcelain to be evaluated was pulverized, ZnO was added at a predetermined ratio as an internal standard sample, and ethanol was added and wet mixed. After drying this, X-ray diffraction measurement is performed, and the ratio of the glass phase present in the porcelain is calculated from the ZnO addition ratio and the ratio between the ZnO obtained by the Rietveld method and the crystal phase in the porcelain, and TEM By measuring the ratio of Si in the glass phase, the ratio in terms of SiO ₂ was calculated. Further, the four-point bending strength of the porcelain was measured based on JIS R1601, and the Young's modulus of the porcelain was measured by an ultrasonic pulse method. The results are shown in Tables 1-3.
[0059]
[Table 1]

[0060]
[Table 2]

[0061]
[Table 3]

[0062]
As is apparent from the results in Tables 1 to ₃ , the amount of glass A, B, C containing SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , MgO, CaO is less than 50% by weight. In 1, 20, 30, and 33, it was difficult to sinter at low temperature, and it was not densified.
[0063]
Further, Sample No. in which the addition amount of the oxide containing Al is less than 30.1% by weight. In 7, 8, 13, 16, 26, 27, 40, 44, and 47, the 4-point bending strength of the porcelain decreased. Furthermore, Sample No. using Al ₂ O ₃ having an average particle diameter of 0.6 μm as a filler was used. In Nos. 10 and 41, the porcelain could not be densified by firing at 1000 ° C., the proportion of the glass phase exceeded 30% by weight, and the dielectric loss increased.
[0064]
Sample No. using glass D containing a large amount of B ₂ O ₃ as glass. 51 melted, and sample No. In No. 52, since the diopside crystal phase disappeared, a lot of glass containing boron remained, and the dielectric loss tended to increase.
[0065]
On the other hand, in accordance with the present invention, in a sample to which a specific amount of an oxide containing at least Al was added, precipitation of an oxide crystal phase containing at least Al in the porcelain was observed, and both had a thermal expansion coefficient. has but 5 ppm / ° C. or higher, at 60GHz for measuring frequency, dielectric constant 8 or more, dielectric loss 50 × ^{10 -4} or less, 4-point bending strength of porcelain over 250 MPa, excellent properties Young's modulus of more than 140GPa It was a thing.
[0066]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the high frequency porcelain composition of the present invention, since it can be fired at a low temperature of 1000 ° C. or less, a wiring layer made of a low resistance metal such as copper can be formed, and in a high frequency region of 1 GHz or more, Since the dielectric constant is 10 or less and the dielectric loss at 60 to 77 GHz is 50 × 10 ⁻⁴ or less and the dielectric loss is low, a high-frequency signal can be transmitted very well without loss.
[0067]
Moreover, the porcelain obtained using this composition has a high porcelain strength of 250 MPa or more, a high Young's modulus of 140 GPa or more, and can be controlled to have a thermal expansion characteristic similar to that of a GaAs chip or printed circuit board. In such a case, or when mounted on a mother board such as a printed circuit board having an insulating substrate containing an organic resin with a brazing material or the like, a highly reliable mounting structure having excellent heat cycle characteristics can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a mounting structure of a package for housing a semiconductor element, which is an example of a high-frequency wiring board using the high-frequency porcelain of the present invention.
[Explanation of symbols]
A Package for housing semiconductor element B External circuit board 1 Insulating board 2 Lid 3 Cavity 4 Chip component 5 Wiring layer 6 Connection electrode layer 7 Brazing material 8 Ball-shaped terminal 9 Insulating board 10 Wiring conductor 11 Brazing material

Claims

30 a diopside crystal phase containing at least Mg, Ca, Si, and Al, an oxide crystal phase containing at least Al, and a glass phase containing at least 70 wt% in terms of oxide (SiO ₂ ). Containing porcelain (except for the enstatite crystal phase) , and having a thermal expansion coefficient of 5 ppm / ° C. or more from room temperature to 400 ° C., a dielectric constant of 10 or less, and 60 to 77 GHz. A high-frequency porcelain having a dielectric loss of 50 × 10 ⁻⁴ or less and a four-point bending strength of 250 MPa or more.

The oxide crystal phase containing at least Al is at least one selected from Al ₂ O ₃ , MgAl ₂ O ₄ , ZnAl ₂ O ₄ , 3Al ₂ O ₃ .2SiO ₂ , Mg ₂ Al ₄ Si ₅ O _18. The high-frequency porcelain according to claim 1, wherein the high-frequency porcelain is provided.

The high-frequency porcelain according to claim 1 or 2, wherein Young's modulus is 140 GPa or more.