JP3805173B2 - ガラスセラミック焼結体およびそれを用いた多層配線基板 - Google Patents
ガラスセラミック焼結体およびそれを用いた多層配線基板 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱膨張係数を有するガラスセラミックスと同時焼成可能な、高誘電率のガラスセラミック焼結体と、かかる高誘電率セラミックスを具備した多層配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、多層配線基板は、絶縁層が多層に積層された絶縁基板の表面または内部にメタライズ配線層が配設された構造からなり、代表的な例として、ＬＳＩ等の半導体素子収納用パッケージが挙げられる。このようなパッケージとしては、絶縁層がアルミナ等のセラミックスからなるものが多用され、さらに最近では、銅メタライズと同時焼成を可能にしたガラスセラミックスを絶縁基板とするものも実用化されている。
【０００３】
このようなセラミックス多層配線基板においては、半導体素子の集積度が高まるに従い、プリント基板などの外部回路基板と接続するための接続端子数も増大する傾向にあり、より小型化を図る方法として、セラミック多層配線基板の下面に半田からなる球状の接続端子を取り付けた、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）が接続端子を最も高密度化できる構造として知られている。このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）は、外部電気回路上の配線導体上に前記接続端子を載置当設させ、２５０〜４００℃の温度で加熱処理することにより、前記接続端子を溶融させて接続する。
【０００４】
この実装方法では、従来のアルミナ、ムライトなどのセラミックスを用いたセラミックス回路基板の熱膨張係数が約４〜７×１０-6／℃であるのに対し、該基板を半田実装するガラス−エポキシ絶縁層を用いたプリント基板の熱膨張係数は、約１１〜１８×１０-6／℃であったため、半導体素子の作動時に発する熱により、セラミックス多層配線基板と外部回路基板の熱膨張差に起因する大きな熱応力が発生するという問題があった。そして、この熱応力は接続端子数が増加するほど影響が大きくなり、半導体素子の作動と停止の繰り返しによりこの熱応力が接続端子に印加され、接続端子が配線導体より剥離するという問題があった。
【０００５】
このような問題に対して、本出願人は、高熱膨張のガラスと高熱膨張のフィラーを用いた高熱膨張ガラスセラミック焼結体によって絶縁基板を形成した配線基板を提案した。
【０００６】
一方、携帯電話、ノートパソコン等の携帯用情報端末の急激な普及に伴い、搭載される電子部品の小型化が強く望まれている。一例として、携帯電話のスイッチング回路及びパワーアンプ回路は、複数の抵抗体およびコンデンサにより構成され、従来、これらの素子は個々に電気回路基板上に設置されており、小型化及び製造コスト削減の妨げとなっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
携帯用電子機器などに搭載される電子部品を小型化するためには、半導体素子を収納するセラミックス配線基板のみならず、該配線基板を実装するプリント板などの外部回路基板を小型化する必要がある。しかし、従来はセラミックス配線基板、コンデンサ、および抵抗を個々に外部回路基板上に実装していたため、小型化が困難という問題、および実装のための製造コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
そこで、セラミックス多層配線基板の内部に、高誘電率のセラミックス層を介装させたコンデンサ内蔵基板が提案されている。高誘電率の誘電体材料としては、従来からＢａＯ−ＴｉＯ2系、ＰｂＯ−ＴｉＯ2系などを主とする複合ペロブスカイト系誘電体材料が知られているが、かかる誘電体材料はガラスセラミックスと同時焼成することができない。
【０００９】
そこで、本出願人は、先に高熱膨張のガラスとフィラー成分としてＢａＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3などを添加した高熱膨張、高誘電率系のガラスセラミック焼結体を提案した。
【００１０】
しかしながら、かかるガラスセラミック焼結体では、ガラスの種類によっては上記のＢａＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3によって焼結性が大きく阻害され、低温で緻密質な焼結体が得られないという問題があった。
【００１１】
従って、本発明は、焼結性に優れ、高熱膨張ガラスセラミック焼結体と同時焼成が可能であり、かつ高熱膨張係数および高誘電率を有するガラスセラミック焼結体と、有機樹脂を絶縁材料とするプリント基板への実装信頼性に優れ、かつコンデンサを内蔵した多層配線基板を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に対して種々検討を重ねた結果、高熱膨張のガラス成分に、フィラーとしてチタン酸ランタンと、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタニアの群から選ばれる少なくとも１種と、ジルコニウム含有酸化物のうちの少なくとも１種を添加含有させることによって、焼結性を損なうことなく高熱膨張化とともに高誘電率化を同時に達成でき、かつ従来の高熱膨張ガラスセラミック焼結体と同時焼成可能なガラスセラミック焼結体が得られることを見出し、本発明に至った。
【００１３】
即ち、本発明のガラスセラミック焼結体は、ガラス成分５０〜７０体積％と、フィラー成分３０〜５０体積％とからなり、該フィラー成分として、ａ）チタン酸ランタンと、ｂ）チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタニアの群から選ばれる少なくとも１種と、ｃ）ＺｒＯ ２ 、ＭｇＺｒＯ ３ 、ＣａＺｒＯ ３ 、ＳｒＺｒＯ ３ 、ＢａＺｒＯ ３ の群から選ばれる少なくとも１種のジルコニウム含有酸化物と、を前記ａ）の含有量をｘ、ｂ）の含有量を（１−ｘ）として両成分の重量比を表した場合、ｘが０．２≦ｘ≦０．８の範囲になるように、且つ前記ｃ）の含有量をｙ、前記ａ）とｂ）との合計量を（１−ｙ）として両成分の重量比を表した場合、ｙが０．０５≦ｙ≦０．３の範囲になるように含み、４０〜４００℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃以上であり、かつ１ＭＨｚにおける比誘電率が１４以上であることを特徴とするものである。
【００１４】
なお、上記の構成においては、前記ａ）の含有量をｘ、ｂ）の含有量を（１−ｘ）として両成分の重量比を表した場合、ｘが０．２≦ｘ≦０．８の範囲にあることが、あるいは前記ｃ）の含有量をｙ、前記ａ）とｂ）との合計量を（１−ｙ）として両成分の重量比を表した場合、ｙが０．０５≦ｙ≦０．３の範囲にあることが望ましい。また前記ガラス成分は、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０-6／℃であることが望ましい。
【００１５】
さらに、本発明によれば、上記のガラスセラミック焼結体をセラミックス絶縁層が多層に積層された絶縁基板の表面および／または内部にメタライズ配線層が配設されている多層配線基板における絶縁基板として用いる。
【００１６】
なお、かかる多層配線基板においては、前記高誘電率のガラスセラミック焼結体からなる絶縁層が、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０-6／℃のガラス成分５０〜７０体積％と、フィラー成分３０〜５０体積％とからなり、比誘電率が１０未満の低誘電率ガラスセラミック焼結体からなる絶縁層と積層されてなること、あるいは前記高誘電率のガラスセラミック焼結体からなる絶縁層が、一対の電極層間に配設されており、該一対の電極によって所定の静電容量が引き出されることが望ましい。
【００１７】
かかる発明によれば、絶縁基板として用いるガラスセラミック焼結体が、いずれも高熱膨張特性を具備することから、プリント基板などの有機樹脂を含む絶縁基体からなる外部回路基板に実装した状態で、熱サイクルが印加されても、熱膨張差に起因する熱応力の発生を抑制することができる結果、長期にわたり安定した実装が可能となる。しかも、このガラスセラミック焼結体は、高熱膨張特性に加え、高誘電率を有することから、コンデンサとして高い静電容量を引き出すことできるためにコンデンサ素子などの部品を基板に実装する必要がなく、配線基板を含めた電子機器の小型化に寄与することができる。しかも、このガラスセラミック焼結体は、低誘電率の高熱膨張ガラスセラミック焼結体との積層化が可能であるために、配線基板内に高誘電率ガラスセラミック焼結体を内蔵させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明のガラスセラミック焼結体は、ガラス成分とフィラー成分によって構成される。ガラス成分とフィラー成分とは、ガラス成分：５０〜７０体積％と、フィラー成分：３０〜５０体積％の割合で配合する。これは、ガラス成分が５０体積％よりも少なく、フィラー成分が５０体積％よりも多いと、銅と同時焼成可能な温度域において良好な緻密体が得られず、ガラス成分が７０体積％よりも多く、フィラー成分が３０体積％よりも少ない場合、焼結体としての誘電率を高めることが難しくなるためである。
（ガラス）
ガラス成分としては、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０-6／℃あることが焼結体の高熱膨張化を図る上で望ましい。また、基板の製造過程でめっき工程を必要とすることから、耐薬品性を有することが望まれる。
【００１９】
このような高熱膨張のガラス成分としては、公知の高熱膨張性のガラスが使用でき、例えばリチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラス、ＺｎＯ系ガラスなどが使用することができる。なお、上記ガラス成分の熱膨張係数は、結晶化ガラスの場合には、焼成温度で熱処理した後の熱膨張係数を示すものであり、線膨張係数を意味する。
【００２０】
リチウム珪酸系ガラスとしては、Ｌｉ2Ｏを５〜３０重量％、特に５〜２０重量％の割合で含有するものであり、焼成後に高熱膨張係数を有するリチウム珪酸を析出するものが好適に使用される。また、上記リチウム珪酸系ガラスとしては、Ｌｉ2Ｏ以外にＳｉＯ2を必須の成分として含むが、ＳｉＯ2はガラス全量中、６０〜８５重量％の割合で存在し、ＳｉＯ2とＬｉ2Ｏとの合量がガラス全量中、６５〜９５重量％であることがリチウム珪酸結晶を析出させる上で望ましい。
【００２１】
また、こららの成分以外に、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＴｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｐ2Ｏ5、ＺｎＯ、Ｆなどが配合されていてもよい。なお、リチウム珪酸ガラス中には、Ｂ2Ｏ3は１重量％以下であることが、耐薬品性、耐水性の点から望ましい。
【００２２】
ＰｂＯ系ガラスとしては、ＰｂＯを主成分とし、さらにＢ2Ｏ3、ＳｉＯ2のうち少なくとも一成分を含有するものであり、焼成後にＰｂＳｉＯ3、ＰｂＺｎＳｉＯ4などの高熱膨張の結晶相が析出するものが好適に使用される。とりわけＰｂＯ（６５〜８５重量％）−Ｂ2Ｏ3（５〜１５重量％）−ＺｎＯ（６〜２０重量％）−ＳｉＯ2（０．５〜５重量％）−ＢａＯ（０〜５重量％）から成る結晶性ガラスや、ＰｂＯ（５０〜６０重量％）−ＳｉＯ2（３５〜５０重量％）−Ａｌ2Ｏ3（１〜９重量％）から成る結晶性ガラスが望ましい。
【００２３】
さらに、ＺｎＯ系ガラスとしては、ＺｎＯを１０重量％以上含有するものであり、焼成後にＺｎＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ・ｎＢ2Ｏ3などの高熱膨張の結晶相が析出するものが好適に使用される。ＺｎＯ成分以外に、ＳｉＯ2（６０重量％以下）、Ａｌ2Ｏ3（６０重量％以下）、Ｂ2Ｏ3（３０重量％以下）、Ｐ2Ｏ5（５０重量％以下）、アルカリ土類酸化物（２０重量％以下）、Ｂｉ2Ｏ3（３０重量％以下）などが配合されていてもよい。とりわけＺｎＯ：１０〜５０重量％−Ａｌ2Ｏ3：１０〜３０重量％−ＳｉＯ2：３０〜６０重量％から成る結晶性ガラスやＺｎＯ：１０〜５０重量％％−ＳｉＯ2：５〜４０重量％−Ａｌ2Ｏ3：０〜１５重量％−ＢａＯ：０〜６０重量％−ＭｇＯ：０〜３５重量％から成る結晶性ガラスが望ましい。
【００２４】
ＢａＯ系ガラスとしては、ＢａＯを５重量％以上含有し、非晶質ガラス、または焼成後にＢａＯ・２ＳｉＯ2、ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8、ＢａＢ2Ｓｉ2Ｏ8などの結晶相を析出する結晶化ガラスが採用される。ＢａＯ以外の成分をしてＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物、ＺｒＯ2などを含む場合もある。
【００２５】
上記のガラスのうち、特に高熱膨張化および化学的安定性の点から、ＢａＯを１５〜６０重量％、Ａｌ2Ｏ3を１〜１０重量％。ＳｉＯ2を２５〜６０重量％の割合でそれぞれ含有するＢａＯ系ガラスが最も望ましい。
【００２６】
さらに、上記ガラスの屈伏点は、４００〜８００℃、特に４００〜７００℃であることが望ましい。これは、ガラスおよびフィラーからなる混合物を成形する場合、有機樹脂などの成形用バインダーを添加するが、このバインダーを効率的に除去するとともに、絶縁基体と同時に焼成されるメタライズと焼成条件のマッチングを図るために必要であり、屈伏点が４００℃より低いと、ガラスが低い温度で焼結を開始するため、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの焼結温度が６００〜８００℃のメタライズとの同時焼成ができず、また成形体の緻密化が低温で開始するためにバインダーは分解揮発できなくなり、バインダー成分が残留し、特性に影響を及ぼす結果になるためである。一方、屈伏点が８００℃より高いと、ガラス量を多くしないと焼結しにくくなり、相対的に高価なガラスの使用量が増加するため、コスト削減の妨げとなる。
【００２７】
一方、フィラー成分としては、
ａ）チタン酸ランタン（α＝１５ｐｐｍ／℃、ε＝４５）と、
ｂ）チタン酸カルシウム（α＝１３ｐｐｍ／℃、ε＝１８０）、チタン酸ストロンチウム（α＝９ｐｐｍ／℃、ε＝３００）、チタン酸バリウム（α＝１４ｐｐｍ／℃、ε＝１３０００）、チタニア（α＝９ｐｐｍ／℃、ε＝８０）の群から選ばれる少なくとも１種と、
ｃ）ＺｒＯ ２ 、ＭｇＺｒＯ ３ 、ＣａＺｒＯ ３ 、ＳｒＺｒＯ ３ 、ＢａＺｒＯ ３ の群から選ばれる少なくとも１種のジルコニウム含有酸化物と、の３つの成分を必須の成分として含有するものである。
【００２８】
これらの成分によれば、成分ａ）は、材料の高誘電率化、高熱膨張化、焼結性の向上に寄与する。また、成分ｂ）は、上記成分ａ）のみでは、高誘電率化に限界があるのを補い、焼結体のさらに高誘電率化を向上させる役割をなす。成分ｃ）は、材料の焼結性の向上および高誘電率化の役割をなす。
【００２９】
なお、ａ）チタン酸ランタンとしては、Ｌａ2Ｏ3・ｎＴｉＯ2（ｎ＝２〜５の整数）で表され、
Ｌａ2Ｏ3・２ＴｉＯ2（α＝１５×１０-6）／℃、ε＝４５）
Ｌａ2Ｏ3・３ＴｉＯ2（α＝１４×１０-6）／℃、ε＝４７）
Ｌａ2Ｏ3・４ＴｉＯ2（α＝１４×１０-6）／℃、ε＝５１）
Ｌａ2Ｏ3・５ＴｉＯ2（α＝１３×１０-6）／℃、ε＝５５）
が挙げられる。
【００３０】
なお、ｃ）ジルコニウム含有酸化物としては、
ＺｒＯ2 （α＝１０ｐｐｍ／℃、 ε＝３０）
ＭｇＺｒＯ3（α＝９．２ｐｐｍ／℃、ε＝３２）
ＣａＺｒＯ3（α＝９．２ｐｐｍ／℃、ε＝３２）
ＳｒＺｒＯ3（α＝９．５ｐｐｍ／℃、ε＝３０）
ＢａＺｒＯ3（α＝９．３ｐｐｍ／℃、ε＝４０）
の群から選ばれる少なくとも１種、取りわけ、焼結性の向上および熱膨張化の観点からＺｒＯ2が最も望ましい。
【００３１】
さらに、本発明によれば、前記ａ）の含有量をｘ、ｂ）の含有量を（１−ｘ）として両成分の重量比を表した場合、ｘが０．２≦ｘ≦０．８の範囲にあること、また、成分ｃ）の含有量をｙ、成分ａ）と成分ｂ）との合計量を（１−ｙ）として両成分の重量比を表した場合、ｙが０．０５≦ｙ≦０．３の範囲にあることが重要である。これは、適切な焼成温度において所望する比誘電率と高熱熱膨張特性を示す緻密体を得ることができ、上記の比率ｘが０．２よりも小さいと、緻密体が得られにくく、また熱膨張係数が低くなりやすく、ｘが０．８よりも大きいと焼結性が向上するが、比誘電率が低くなる傾向にある。
【００３２】
また、上記の比率ｙが０．０５よりも小さいと緻密体の特に比誘電率が低くなりやすく、０．３よりもも大きいと熱膨張が低くなりやすい。
【００３３】
なお、フィラー成分としては、前記ａ）ｂ）ｃ）に加え、熱膨張係数などの特性を微調整するために他のフィラー成分を含有せしめることができる。例えば、クリストバライト、クォーツ（石英）、トリジマイト、ＭｇＯ、ペタライト、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3）、ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ2）、モンティセライト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ネフェリン（Ｎａ2Ｏ・Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）、リチウムシリケート（Ｌｉ2Ｏ・ＳｉＯ2）、ジオプサイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2）、メルビナイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2）、カーネギアイト（Ｎａ2Ｏ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ホウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ2Ｏ3）、セルシアン（ＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）、Ｂ2Ｏ3・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ2Ｏ3）、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ4Ｏ10）などが挙げられる。
【００３４】
本発明のガラスセラミック焼結体を作製するには、上記のガラス成分およびフィラー成分を上記の所定の割合で混合し、これに適当な有機樹脂バインダーを添加した後、所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押し出し成形、ドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法等により任意の形状に成形し、これを焼成する。
【００３５】
上記の成形体の焼成にあたっては、まず、成形のために配合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去は７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、配線導体として、例えばＣｕを用いる場合には、１００〜７５０℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮開始温度がこれより低いとバインダーの除去が困難となるため、成形体中の結晶化ガラスの特性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要となる。
【００３６】
焼成は、８５０〜１０５０℃の酸性雰囲気または非酸化性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻密化される。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻密化することができず、１０５０℃を超えるとメタライズ配線層との同時焼成でメタライズ層が溶融してしまう。但し、Ｃｕ等の配線導体と同時焼成する場合には、非酸化性雰囲気中で焼成される。
【００３７】
こうして作製された本発明のガラスセラミック焼結体中には、ガラス成分から生成した結晶相、ガラス成分とフィラー成分との反応により生成した結晶相、あるいはフィラー成分、あるいはフィラー成分が分解して生成した結晶相等が存在し、これらの結晶相の粒界にはガラス相が存在する。
【００３８】
このようにして作製された本発明のガラスセラミック焼結体は、４０〜４００℃における熱膨張係数が８×１０-6／℃以上、１ＭＨｚにおける誘電率が１４以上の高熱膨張、高誘電率のガラスセラミック焼結体である。しかも、８５０〜１０５０℃の焼成温度で焼成可能であるため、Ｃｕ等の低抵抗金属との同時焼成が可能である。
【００３９】
また、本発明によれば、上記高誘電率、高熱膨張係数セラミックスを配線基板の絶縁基板材料として用いることで配線基板の小型化を図ることができる。
【００４０】
また、図１に示すように、セラミックス絶縁層１ａ、１ｂ、１ｃが多層に積層された絶縁基板１の表面および／また内部にメタライズ配線層２が配設されている多層配線基板において、セラミックス絶縁層のうち少なくとも１層１ｂを上記高熱膨張、高誘電率のガラスセラミック焼結体によって形成し、その上下にＣｕなどの導体から成る電極層３−３を形成し、スルホール導体４−４などを経由して基板表面のメタライズ配線層２と接続することにより、配線層２−２間で所定の静電容量を取り出すことができる。
【００４１】
この時、前記高誘電率ガラスセラミック焼結体からなる絶縁層は、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０-6／℃のガラス成分５０〜７０体積％と、フィラー成分３０〜５０体積％とからなり、比誘電率が１０未満の低誘電率ガラスセラミック焼結体から成る絶縁層間に積層されていることが望ましい。
【００４２】
この低誘電率のガラスセラミック焼結体は前記のガラスセラミック焼結体から高誘電率フィラー成分を除く以外はまったく同様にして容易に形成できる。
【００４３】
このような高誘電体層を具備する多層配線基板は、前述したガラス粉末、およびフィラー粉末からなる低誘電率のガラスセラミックス組成物に、適当な有機バインダー、溶剤、可塑材を添加混合することによりスラリーを作製し、かかるスラリーを周知のドクターブレード等の塗工方式によるグリーンシート成形法により、グリーンシート状に成形する。そして、メタライズ配線層として、適当な金属粉末に有機バインダー、溶剤、可塑材を添加混合して得た金属ペーストを前記グリーンシートに周知のスクリーン印刷法により、所定のパターンに印刷塗布する。また、場合によっては、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工を行いスルーホールを形成し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。
【００４４】
一方、上記と同様の方法により成形、打ち抜き、電極層の印刷を行った高熱膨張、高誘電率のガラスセラミックグリーンシートを作製する。
【００４５】
そして、上記の低誘電率ガラスセラミックグリーンシートと高誘電率のガラスセラミックグリーンシートとを積層し、グリーンシート積層体とメタライズを同時焼成することにより、コンデンサを内蔵する多層配線基板を得ることができる。
【００４６】
本発明によって、高熱膨張、高誘電率ガラスセラミック層により構成されるコンデンサを内蔵した高熱膨張多層配線基板は、有機樹脂を含有するプリント基板などにボール状半田端子や半田を介して実装した場合においても温度サイクルに対する長期信頼性の実装が可能である。しかも、コンデンサを内蔵することにより、該基板を実装するプリント基板などの外部回路基板の小型化を図ることができる。
【００４７】
【実施例】
実施例１
ガラス粉末として、ＳｉＯ2：４１重量％−ＢａＯ：３７重量％−Ｂ2Ｏ3：１０重量％−Ａｌ2Ｏ3：７重量％−ＣａＯ：５重量％から成るガラス（屈伏点７００℃、熱膨張係数６．５×１０-6／℃、Ｐｂ量５０×１０-6以下）に対して、フィラーとしてＬａ2Ｔｉ2Ｏ7、ＣａＴｉＯ3、ＺｒＯ2を準備した。
【００４８】
上記ガラス粉末とフィラー粉末とを表１に示す比率で秤量調合し、溶剤を加えてボールミルを用いて粉砕混合した後、有機バインダー、可塑材を加えて十分混合させてスラリーを作製し、ドクターブレード法により厚み５００μｍのグリーンシートを作製した。得られたグリーンシートより、５０ｍｍ×５０ｍｍのサンプルを作製し、水蒸気を含有する窒素雰囲気中７５０℃にて脱バインダー後、９１０℃において窒素雰囲気中で焼成を行った。
【００４９】
得られた焼結体に対して、気孔率をアルキメデス法によって測定するとともに、４０〜４００℃における熱膨張係数、１ＭＨｚにおける比誘電率と、−４０〜１００℃における比誘電率の温度係数（τε）をそれぞれ測定しその結果を表１に示した。
実施例２
実施例１で用いたガラス粉末に対して、フィラーとしてＬａ2Ｔｉ2Ｏ7、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2を準備した。上記ガラス粉末を表２に示すように４５〜７５体積％、フィラー粉末合量を２５〜５５体積％の割合で変化させ秤量調合し、溶剤を加えてボールミルを用いて粉砕混合した後、有機バインダー、可塑材を加えて重分混合させてスラリーを作製し、ドクターブレード法により厚み５００μｍのグリーンシートを作製した。得られたグリーンシートより、５０ｍｍ×５０ｍｍのサンプルを作製し、７００℃において水蒸気を含有する窒素雰囲気中で脱バインダー後、９１０℃において窒素雰囲気中で焼成を行った。そして、実施例１と同様にして評価を行なった。
実施例３
ガラス粉末として、ＳｉＯ2：２９重量％−ＢａＯ：５５重量％−Ｂ2Ｏ3：７重量％−Ａｌ2Ｏ3：２重量％−ＺｎＯ：７重量％から成るガラス（屈伏点６５７℃、熱膨張係数１０．８×１０-6／℃、Ｐｂ量５０×１０-6以下）に対して、フィラーとしてＬａ2Ｔｉ2Ｏ7、ＳｒＴｉＯ3、ＺｒＯ2を準備した。上記ガラス粉末を表３のようにガラス粉末４０〜７５体積％、フィラー粉末合量を２５〜６０体積％の割合で変化させ秤量調合し、溶剤を加えてボールミルを用いて粉砕混合した後、有機バインダー、可塑材を加えて重分混合させてスラリーを作製し、ドクターブレード法により厚み５００μｍのグリーンシートを作製した。得られたグリーンシートより、５０ｍｍ×５０ｍｍのサンプルを作製し、７００℃において水蒸気を含有する窒素雰囲気中で脱バインダー後、９１０℃において窒素雰囲気中で焼成を行った。そして、実施例１と同様にして評価を行なった。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【表２】
【００５２】
【表３】
【００５３】
表１〜３に示すように、ガラス量が４５体積％の場合は、ガラス量が少ないために所望する焼成温度では緻密体が得られない。ガラス量５０体積％の場合は全体的にガラス量が少ないため緻密体が得られにくいが、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7、あるいはＺｒＯ2の添加によって緻密体が得られることがわかる。ガラス量６０体積％の場合にはいずれの組成物においても緻密体が得られるが、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7の比率が低い場合には熱膨張係数が小さく、高い場合には比誘電率が低く所望する特性が得られにくくなることがわかる。またＺｒＯ2の添加比率を高くするに従い熱膨張係数が小さくなり、比誘電率が低くなることもわかる。ガラス量７０体積％の場合には、ガラス量が多く、焼結性も高くなるが、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7やＺｒＯ2の添加比率が高い場合と一部成分の溶出があり、焼成用の治具と一部反応が観察された。
【００５４】
ガラス量が７５体積％の場合は、熱膨張係数が低く、ガラス量が多いために所望する焼成温度では成分の溶出があり焼成用の治具との反応が発生した。
【００５５】
また、フィラーとしてＣａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3のみ、または、これらとＺｒ化合物のみの場合には、熱膨張係数が８×１０-6／℃以上に高めることが難しく、またＬａ2Ｔｉ2Ｏ7、またはこれとＺｒ化合物との組み合わせでは、８×１０−６／℃以上の高熱膨張性を具備するものの、緻密性とともに比誘電率を１４以上に高めることが難しい。また、Ｚｒ化合物無添加の場合にも、緻密性を高めつつ比誘電率を１４以上に高めることが難しい。
【００５６】
これに対して、本発明品は、いずれも８×１０-6／℃以上の高熱膨張特性とともに、比誘電率を１４以上に高めることができるとともに、τεは±３００×１０-6／℃以内に抑えることができた。なお、チタン酸ランタンとチタン酸塩およびＺｒ含有化合物は、それらの含有比率ｘが０．２≦ｘ≦０．８、０．０５≦ｙ≦０．３の範囲で良好な特性を示した。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のガラスセラミック焼結体は、４０〜４００℃における熱膨張係数が８×１０-6／℃以上、且つ、１ＭＨｚにおける比誘電率が１４以上であることを特徴とし、高熱膨張ガラスセラミック絶縁層よりなる多層配線基板の内部に配設して用いることにより、コンデンサを内蔵した高熱膨張配線基板を提供できるようになる。このコンデンサ内蔵高熱膨張セラミック多層配線基板は、小型化に有効なボールグリッドアレイ実装方法の長期信頼性が高く、従来、外部回路基板に実装されていたコンデンサが不要となるため、外部回路基板の小型化、および実装コストの削減に有効であり、急速に普及しつつある携帯用電子機器の小型化に大いに貢献できるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板における一実施例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板
１ａ、１ｂ、１ｃ 絶縁層
２ メタライズ配線
３ 電極
４ スルーホール導体
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱膨張係数を有するガラスセラミックスと同時焼成可能な、高誘電率のガラスセラミック焼結体と、かかる高誘電率セラミックスを具備した多層配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、多層配線基板は、絶縁層が多層に積層された絶縁基板の表面または内部にメタライズ配線層が配設された構造からなり、代表的な例として、ＬＳＩ等の半導体素子収納用パッケージが挙げられる。このようなパッケージとしては、絶縁層がアルミナ等のセラミックスからなるものが多用され、さらに最近では、銅メタライズと同時焼成を可能にしたガラスセラミックスを絶縁基板とするものも実用化されている。
【０００３】
このようなセラミックス多層配線基板においては、半導体素子の集積度が高まるに従い、プリント基板などの外部回路基板と接続するための接続端子数も増大する傾向にあり、より小型化を図る方法として、セラミック多層配線基板の下面に半田からなる球状の接続端子を取り付けた、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）が接続端子を最も高密度化できる構造として知られている。このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）は、外部電気回路上の配線導体上に前記接続端子を載置当設させ、２５０〜４００℃の温度で加熱処理することにより、前記接続端子を溶融させて接続する。
【０００４】
この実装方法では、従来のアルミナ、ムライトなどのセラミックスを用いたセラミックス回路基板の熱膨張係数が約４〜７×１０-6／℃であるのに対し、該基板を半田実装するガラス−エポキシ絶縁層を用いたプリント基板の熱膨張係数は、約１１〜１８×１０-6／℃であったため、半導体素子の作動時に発する熱により、セラミックス多層配線基板と外部回路基板の熱膨張差に起因する大きな熱応力が発生するという問題があった。そして、この熱応力は接続端子数が増加するほど影響が大きくなり、半導体素子の作動と停止の繰り返しによりこの熱応力が接続端子に印加され、接続端子が配線導体より剥離するという問題があった。
【０００５】
このような問題に対して、本出願人は、高熱膨張のガラスと高熱膨張のフィラーを用いた高熱膨張ガラスセラミック焼結体によって絶縁基板を形成した配線基板を提案した。
【０００６】
一方、携帯電話、ノートパソコン等の携帯用情報端末の急激な普及に伴い、搭載される電子部品の小型化が強く望まれている。一例として、携帯電話のスイッチング回路及びパワーアンプ回路は、複数の抵抗体およびコンデンサにより構成され、従来、これらの素子は個々に電気回路基板上に設置されており、小型化及び製造コスト削減の妨げとなっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
携帯用電子機器などに搭載される電子部品を小型化するためには、半導体素子を収納するセラミックス配線基板のみならず、該配線基板を実装するプリント板などの外部回路基板を小型化する必要がある。しかし、従来はセラミックス配線基板、コンデンサ、および抵抗を個々に外部回路基板上に実装していたため、小型化が困難という問題、および実装のための製造コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
そこで、セラミックス多層配線基板の内部に、高誘電率のセラミックス層を介装させたコンデンサ内蔵基板が提案されている。高誘電率の誘電体材料としては、従来からＢａＯ−ＴｉＯ2系、ＰｂＯ−ＴｉＯ2系などを主とする複合ペロブスカイト系誘電体材料が知られているが、かかる誘電体材料はガラスセラミックスと同時焼成することができない。
【０００９】
そこで、本出願人は、先に高熱膨張のガラスとフィラー成分としてＢａＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3などを添加した高熱膨張、高誘電率系のガラスセラミック焼結体を提案した。
【００１０】
しかしながら、かかるガラスセラミック焼結体では、ガラスの種類によっては上記のＢａＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3によって焼結性が大きく阻害され、低温で緻密質な焼結体が得られないという問題があった。
【００１１】
従って、本発明は、焼結性に優れ、高熱膨張ガラスセラミック焼結体と同時焼成が可能であり、かつ高熱膨張係数および高誘電率を有するガラスセラミック焼結体と、有機樹脂を絶縁材料とするプリント基板への実装信頼性に優れ、かつコンデンサを内蔵した多層配線基板を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に対して種々検討を重ねた結果、高熱膨張のガラス成分に、フィラーとしてチタン酸ランタンと、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタニアの群から選ばれる少なくとも１種と、ジルコニウム含有酸化物のうちの少なくとも１種を添加含有させることによって、焼結性を損なうことなく高熱膨張化とともに高誘電率化を同時に達成でき、かつ従来の高熱膨張ガラスセラミック焼結体と同時焼成可能なガラスセラミック焼結体が得られることを見出し、本発明に至った。
【００１３】
即ち、本発明のガラスセラミック焼結体は、ガラス成分５０〜７０体積％と、フィラー成分３０〜５０体積％とからなり、該フィラー成分として、ａ）チタン酸ランタンと、ｂ）チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタニアの群から選ばれる少なくとも１種と、ｃ）ＺｒＯ ２ 、ＭｇＺｒＯ ３ 、ＣａＺｒＯ ３ 、ＳｒＺｒＯ ３ 、ＢａＺｒＯ ３ の群から選ばれる少なくとも１種のジルコニウム含有酸化物と、を前記ａ）の含有量をｘ、ｂ）の含有量を（１−ｘ）として両成分の重量比を表した場合、ｘが０．２≦ｘ≦０．８の範囲になるように、且つ前記ｃ）の含有量をｙ、前記ａ）とｂ）との合計量を（１−ｙ）として両成分の重量比を表した場合、ｙが０．０５≦ｙ≦０．３の範囲になるように含み、４０〜４００℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃以上であり、かつ１ＭＨｚにおける比誘電率が１４以上であることを特徴とするものである。
【００１４】
なお、上記の構成においては、前記ａ）の含有量をｘ、ｂ）の含有量を（１−ｘ）として両成分の重量比を表した場合、ｘが０．２≦ｘ≦０．８の範囲にあることが、あるいは前記ｃ）の含有量をｙ、前記ａ）とｂ）との合計量を（１−ｙ）として両成分の重量比を表した場合、ｙが０．０５≦ｙ≦０．３の範囲にあることが望ましい。また前記ガラス成分は、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０-6／℃であることが望ましい。
【００１５】
さらに、本発明によれば、上記のガラスセラミック焼結体をセラミックス絶縁層が多層に積層された絶縁基板の表面および／または内部にメタライズ配線層が配設されている多層配線基板における絶縁基板として用いる。
【００１６】
なお、かかる多層配線基板においては、前記高誘電率のガラスセラミック焼結体からなる絶縁層が、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０-6／℃のガラス成分５０〜７０体積％と、フィラー成分３０〜５０体積％とからなり、比誘電率が１０未満の低誘電率ガラスセラミック焼結体からなる絶縁層と積層されてなること、あるいは前記高誘電率のガラスセラミック焼結体からなる絶縁層が、一対の電極層間に配設されており、該一対の電極によって所定の静電容量が引き出されることが望ましい。
【００１７】
かかる発明によれば、絶縁基板として用いるガラスセラミック焼結体が、いずれも高熱膨張特性を具備することから、プリント基板などの有機樹脂を含む絶縁基体からなる外部回路基板に実装した状態で、熱サイクルが印加されても、熱膨張差に起因する熱応力の発生を抑制することができる結果、長期にわたり安定した実装が可能となる。しかも、このガラスセラミック焼結体は、高熱膨張特性に加え、高誘電率を有することから、コンデンサとして高い静電容量を引き出すことできるためにコンデンサ素子などの部品を基板に実装する必要がなく、配線基板を含めた電子機器の小型化に寄与することができる。しかも、このガラスセラミック焼結体は、低誘電率の高熱膨張ガラスセラミック焼結体との積層化が可能であるために、配線基板内に高誘電率ガラスセラミック焼結体を内蔵させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明のガラスセラミック焼結体は、ガラス成分とフィラー成分によって構成される。ガラス成分とフィラー成分とは、ガラス成分：５０〜７０体積％と、フィラー成分：３０〜５０体積％の割合で配合する。これは、ガラス成分が５０体積％よりも少なく、フィラー成分が５０体積％よりも多いと、銅と同時焼成可能な温度域において良好な緻密体が得られず、ガラス成分が７０体積％よりも多く、フィラー成分が３０体積％よりも少ない場合、焼結体としての誘電率を高めることが難しくなるためである。
（ガラス）
ガラス成分としては、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０-6／℃あることが焼結体の高熱膨張化を図る上で望ましい。また、基板の製造過程でめっき工程を必要とすることから、耐薬品性を有することが望まれる。
【００１９】
このような高熱膨張のガラス成分としては、公知の高熱膨張性のガラスが使用でき、例えばリチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラス、ＺｎＯ系ガラスなどが使用することができる。なお、上記ガラス成分の熱膨張係数は、結晶化ガラスの場合には、焼成温度で熱処理した後の熱膨張係数を示すものであり、線膨張係数を意味する。
【００２０】
リチウム珪酸系ガラスとしては、Ｌｉ2Ｏを５〜３０重量％、特に５〜２０重量％の割合で含有するものであり、焼成後に高熱膨張係数を有するリチウム珪酸を析出するものが好適に使用される。また、上記リチウム珪酸系ガラスとしては、Ｌｉ2Ｏ以外にＳｉＯ2を必須の成分として含むが、ＳｉＯ2はガラス全量中、６０〜８５重量％の割合で存在し、ＳｉＯ2とＬｉ2Ｏとの合量がガラス全量中、６５〜９５重量％であることがリチウム珪酸結晶を析出させる上で望ましい。
【００２１】
また、こららの成分以外に、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＴｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｐ2Ｏ5、ＺｎＯ、Ｆなどが配合されていてもよい。なお、リチウム珪酸ガラス中には、Ｂ2Ｏ3は１重量％以下であることが、耐薬品性、耐水性の点から望ましい。
【００２２】
ＰｂＯ系ガラスとしては、ＰｂＯを主成分とし、さらにＢ2Ｏ3、ＳｉＯ2のうち少なくとも一成分を含有するものであり、焼成後にＰｂＳｉＯ3、ＰｂＺｎＳｉＯ4などの高熱膨張の結晶相が析出するものが好適に使用される。とりわけＰｂＯ（６５〜８５重量％）−Ｂ2Ｏ3（５〜１５重量％）−ＺｎＯ（６〜２０重量％）−ＳｉＯ2（０．５〜５重量％）−ＢａＯ（０〜５重量％）から成る結晶性ガラスや、ＰｂＯ（５０〜６０重量％）−ＳｉＯ2（３５〜５０重量％）−Ａｌ2Ｏ3（１〜９重量％）から成る結晶性ガラスが望ましい。
【００２３】
さらに、ＺｎＯ系ガラスとしては、ＺｎＯを１０重量％以上含有するものであり、焼成後にＺｎＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ・ｎＢ2Ｏ3などの高熱膨張の結晶相が析出するものが好適に使用される。ＺｎＯ成分以外に、ＳｉＯ2（６０重量％以下）、Ａｌ2Ｏ3（６０重量％以下）、Ｂ2Ｏ3（３０重量％以下）、Ｐ2Ｏ5（５０重量％以下）、アルカリ土類酸化物（２０重量％以下）、Ｂｉ2Ｏ3（３０重量％以下）などが配合されていてもよい。とりわけＺｎＯ：１０〜５０重量％−Ａｌ2Ｏ3：１０〜３０重量％−ＳｉＯ2：３０〜６０重量％から成る結晶性ガラスやＺｎＯ：１０〜５０重量％％−ＳｉＯ2：５〜４０重量％−Ａｌ2Ｏ3：０〜１５重量％−ＢａＯ：０〜６０重量％−ＭｇＯ：０〜３５重量％から成る結晶性ガラスが望ましい。
【００２４】
ＢａＯ系ガラスとしては、ＢａＯを５重量％以上含有し、非晶質ガラス、または焼成後にＢａＯ・２ＳｉＯ2、ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8、ＢａＢ2Ｓｉ2Ｏ8などの結晶相を析出する結晶化ガラスが採用される。ＢａＯ以外の成分をしてＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物、ＺｒＯ2などを含む場合もある。
【００２５】
上記のガラスのうち、特に高熱膨張化および化学的安定性の点から、ＢａＯを１５〜６０重量％、Ａｌ2Ｏ3を１〜１０重量％。ＳｉＯ2を２５〜６０重量％の割合でそれぞれ含有するＢａＯ系ガラスが最も望ましい。
【００２６】
さらに、上記ガラスの屈伏点は、４００〜８００℃、特に４００〜７００℃であることが望ましい。これは、ガラスおよびフィラーからなる混合物を成形する場合、有機樹脂などの成形用バインダーを添加するが、このバインダーを効率的に除去するとともに、絶縁基体と同時に焼成されるメタライズと焼成条件のマッチングを図るために必要であり、屈伏点が４００℃より低いと、ガラスが低い温度で焼結を開始するため、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの焼結温度が６００〜８００℃のメタライズとの同時焼成ができず、また成形体の緻密化が低温で開始するためにバインダーは分解揮発できなくなり、バインダー成分が残留し、特性に影響を及ぼす結果になるためである。一方、屈伏点が８００℃より高いと、ガラス量を多くしないと焼結しにくくなり、相対的に高価なガラスの使用量が増加するため、コスト削減の妨げとなる。
【００２７】
一方、フィラー成分としては、
ａ）チタン酸ランタン（α＝１５ｐｐｍ／℃、ε＝４５）と、
ｂ）チタン酸カルシウム（α＝１３ｐｐｍ／℃、ε＝１８０）、チタン酸ストロンチウム（α＝９ｐｐｍ／℃、ε＝３００）、チタン酸バリウム（α＝１４ｐｐｍ／℃、ε＝１３０００）、チタニア（α＝９ｐｐｍ／℃、ε＝８０）の群から選ばれる少なくとも１種と、
ｃ）ＺｒＯ ２ 、ＭｇＺｒＯ ３ 、ＣａＺｒＯ ３ 、ＳｒＺｒＯ ３ 、ＢａＺｒＯ ３ の群から選ばれる少なくとも１種のジルコニウム含有酸化物と、の３つの成分を必須の成分として含有するものである。
【００２８】
これらの成分によれば、成分ａ）は、材料の高誘電率化、高熱膨張化、焼結性の向上に寄与する。また、成分ｂ）は、上記成分ａ）のみでは、高誘電率化に限界があるのを補い、焼結体のさらに高誘電率化を向上させる役割をなす。成分ｃ）は、材料の焼結性の向上および高誘電率化の役割をなす。
【００２９】
なお、ａ）チタン酸ランタンとしては、Ｌａ2Ｏ3・ｎＴｉＯ2（ｎ＝２〜５の整数）で表され、
Ｌａ2Ｏ3・２ＴｉＯ2（α＝１５×１０-6）／℃、ε＝４５）
Ｌａ2Ｏ3・３ＴｉＯ2（α＝１４×１０-6）／℃、ε＝４７）
Ｌａ2Ｏ3・４ＴｉＯ2（α＝１４×１０-6）／℃、ε＝５１）
Ｌａ2Ｏ3・５ＴｉＯ2（α＝１３×１０-6）／℃、ε＝５５）
が挙げられる。
【００３０】
なお、ｃ）ジルコニウム含有酸化物としては、
ＺｒＯ2 （α＝１０ｐｐｍ／℃、 ε＝３０）
ＭｇＺｒＯ3（α＝９．２ｐｐｍ／℃、ε＝３２）
ＣａＺｒＯ3（α＝９．２ｐｐｍ／℃、ε＝３２）
ＳｒＺｒＯ3（α＝９．５ｐｐｍ／℃、ε＝３０）
ＢａＺｒＯ3（α＝９．３ｐｐｍ／℃、ε＝４０）
の群から選ばれる少なくとも１種、取りわけ、焼結性の向上および熱膨張化の観点からＺｒＯ2が最も望ましい。
【００３１】
さらに、本発明によれば、前記ａ）の含有量をｘ、ｂ）の含有量を（１−ｘ）として両成分の重量比を表した場合、ｘが０．２≦ｘ≦０．８の範囲にあること、また、成分ｃ）の含有量をｙ、成分ａ）と成分ｂ）との合計量を（１−ｙ）として両成分の重量比を表した場合、ｙが０．０５≦ｙ≦０．３の範囲にあることが重要である。これは、適切な焼成温度において所望する比誘電率と高熱熱膨張特性を示す緻密体を得ることができ、上記の比率ｘが０．２よりも小さいと、緻密体が得られにくく、また熱膨張係数が低くなりやすく、ｘが０．８よりも大きいと焼結性が向上するが、比誘電率が低くなる傾向にある。
【００３２】
また、上記の比率ｙが０．０５よりも小さいと緻密体の特に比誘電率が低くなりやすく、０．３よりもも大きいと熱膨張が低くなりやすい。
【００３３】
なお、フィラー成分としては、前記ａ）ｂ）ｃ）に加え、熱膨張係数などの特性を微調整するために他のフィラー成分を含有せしめることができる。例えば、クリストバライト、クォーツ（石英）、トリジマイト、ＭｇＯ、ペタライト、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3）、ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ2）、モンティセライト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ネフェリン（Ｎａ2Ｏ・Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）、リチウムシリケート（Ｌｉ2Ｏ・ＳｉＯ2）、ジオプサイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2）、メルビナイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2）、カーネギアイト（Ｎａ2Ｏ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ホウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ2Ｏ3）、セルシアン（ＢａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）、Ｂ2Ｏ3・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ2Ｏ3）、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ4Ｏ10）などが挙げられる。
【００３４】
本発明のガラスセラミック焼結体を作製するには、上記のガラス成分およびフィラー成分を上記の所定の割合で混合し、これに適当な有機樹脂バインダーを添加した後、所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押し出し成形、ドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法等により任意の形状に成形し、これを焼成する。
【００３５】
上記の成形体の焼成にあたっては、まず、成形のために配合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去は７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、配線導体として、例えばＣｕを用いる場合には、１００〜７５０℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮開始温度がこれより低いとバインダーの除去が困難となるため、成形体中の結晶化ガラスの特性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要となる。
【００３６】
焼成は、８５０〜１０５０℃の酸性雰囲気または非酸化性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻密化される。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻密化することができず、１０５０℃を超えるとメタライズ配線層との同時焼成でメタライズ層が溶融してしまう。但し、Ｃｕ等の配線導体と同時焼成する場合には、非酸化性雰囲気中で焼成される。
【００３７】
こうして作製された本発明のガラスセラミック焼結体中には、ガラス成分から生成した結晶相、ガラス成分とフィラー成分との反応により生成した結晶相、あるいはフィラー成分、あるいはフィラー成分が分解して生成した結晶相等が存在し、これらの結晶相の粒界にはガラス相が存在する。
【００３８】
このようにして作製された本発明のガラスセラミック焼結体は、４０〜４００℃における熱膨張係数が８×１０-6／℃以上、１ＭＨｚにおける誘電率が１４以上の高熱膨張、高誘電率のガラスセラミック焼結体である。しかも、８５０〜１０５０℃の焼成温度で焼成可能であるため、Ｃｕ等の低抵抗金属との同時焼成が可能である。
【００３９】
また、本発明によれば、上記高誘電率、高熱膨張係数セラミックスを配線基板の絶縁基板材料として用いることで配線基板の小型化を図ることができる。
【００４０】
また、図１に示すように、セラミックス絶縁層１ａ、１ｂ、１ｃが多層に積層された絶縁基板１の表面および／また内部にメタライズ配線層２が配設されている多層配線基板において、セラミックス絶縁層のうち少なくとも１層１ｂを上記高熱膨張、高誘電率のガラスセラミック焼結体によって形成し、その上下にＣｕなどの導体から成る電極層３−３を形成し、スルホール導体４−４などを経由して基板表面のメタライズ配線層２と接続することにより、配線層２−２間で所定の静電容量を取り出すことができる。
【００４１】
この時、前記高誘電率ガラスセラミック焼結体からなる絶縁層は、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０-6／℃のガラス成分５０〜７０体積％と、フィラー成分３０〜５０体積％とからなり、比誘電率が１０未満の低誘電率ガラスセラミック焼結体から成る絶縁層間に積層されていることが望ましい。
【００４２】
この低誘電率のガラスセラミック焼結体は前記のガラスセラミック焼結体から高誘電率フィラー成分を除く以外はまったく同様にして容易に形成できる。
【００４３】
このような高誘電体層を具備する多層配線基板は、前述したガラス粉末、およびフィラー粉末からなる低誘電率のガラスセラミックス組成物に、適当な有機バインダー、溶剤、可塑材を添加混合することによりスラリーを作製し、かかるスラリーを周知のドクターブレード等の塗工方式によるグリーンシート成形法により、グリーンシート状に成形する。そして、メタライズ配線層として、適当な金属粉末に有機バインダー、溶剤、可塑材を添加混合して得た金属ペーストを前記グリーンシートに周知のスクリーン印刷法により、所定のパターンに印刷塗布する。また、場合によっては、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工を行いスルーホールを形成し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。
【００４４】
一方、上記と同様の方法により成形、打ち抜き、電極層の印刷を行った高熱膨張、高誘電率のガラスセラミックグリーンシートを作製する。
【００４５】
そして、上記の低誘電率ガラスセラミックグリーンシートと高誘電率のガラスセラミックグリーンシートとを積層し、グリーンシート積層体とメタライズを同時焼成することにより、コンデンサを内蔵する多層配線基板を得ることができる。
【００４６】
本発明によって、高熱膨張、高誘電率ガラスセラミック層により構成されるコンデンサを内蔵した高熱膨張多層配線基板は、有機樹脂を含有するプリント基板などにボール状半田端子や半田を介して実装した場合においても温度サイクルに対する長期信頼性の実装が可能である。しかも、コンデンサを内蔵することにより、該基板を実装するプリント基板などの外部回路基板の小型化を図ることができる。
【００４７】
【実施例】
実施例１
ガラス粉末として、ＳｉＯ2：４１重量％−ＢａＯ：３７重量％−Ｂ2Ｏ3：１０重量％−Ａｌ2Ｏ3：７重量％−ＣａＯ：５重量％から成るガラス（屈伏点７００℃、熱膨張係数６．５×１０-6／℃、Ｐｂ量５０×１０-6以下）に対して、フィラーとしてＬａ2Ｔｉ2Ｏ7、ＣａＴｉＯ3、ＺｒＯ2を準備した。
【００４８】
上記ガラス粉末とフィラー粉末とを表１に示す比率で秤量調合し、溶剤を加えてボールミルを用いて粉砕混合した後、有機バインダー、可塑材を加えて十分混合させてスラリーを作製し、ドクターブレード法により厚み５００μｍのグリーンシートを作製した。得られたグリーンシートより、５０ｍｍ×５０ｍｍのサンプルを作製し、水蒸気を含有する窒素雰囲気中７５０℃にて脱バインダー後、９１０℃において窒素雰囲気中で焼成を行った。
【００４９】
得られた焼結体に対して、気孔率をアルキメデス法によって測定するとともに、４０〜４００℃における熱膨張係数、１ＭＨｚにおける比誘電率と、−４０〜１００℃における比誘電率の温度係数（τε）をそれぞれ測定しその結果を表１に示した。
実施例２
実施例１で用いたガラス粉末に対して、フィラーとしてＬａ2Ｔｉ2Ｏ7、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2を準備した。上記ガラス粉末を表２に示すように４５〜７５体積％、フィラー粉末合量を２５〜５５体積％の割合で変化させ秤量調合し、溶剤を加えてボールミルを用いて粉砕混合した後、有機バインダー、可塑材を加えて重分混合させてスラリーを作製し、ドクターブレード法により厚み５００μｍのグリーンシートを作製した。得られたグリーンシートより、５０ｍｍ×５０ｍｍのサンプルを作製し、７００℃において水蒸気を含有する窒素雰囲気中で脱バインダー後、９１０℃において窒素雰囲気中で焼成を行った。そして、実施例１と同様にして評価を行なった。
実施例３
ガラス粉末として、ＳｉＯ2：２９重量％−ＢａＯ：５５重量％−Ｂ2Ｏ3：７重量％−Ａｌ2Ｏ3：２重量％−ＺｎＯ：７重量％から成るガラス（屈伏点６５７℃、熱膨張係数１０．８×１０-6／℃、Ｐｂ量５０×１０-6以下）に対して、フィラーとしてＬａ2Ｔｉ2Ｏ7、ＳｒＴｉＯ3、ＺｒＯ2を準備した。上記ガラス粉末を表３のようにガラス粉末４０〜７５体積％、フィラー粉末合量を２５〜６０体積％の割合で変化させ秤量調合し、溶剤を加えてボールミルを用いて粉砕混合した後、有機バインダー、可塑材を加えて重分混合させてスラリーを作製し、ドクターブレード法により厚み５００μｍのグリーンシートを作製した。得られたグリーンシートより、５０ｍｍ×５０ｍｍのサンプルを作製し、７００℃において水蒸気を含有する窒素雰囲気中で脱バインダー後、９１０℃において窒素雰囲気中で焼成を行った。そして、実施例１と同様にして評価を行なった。
【００５０】
【表１】
【表２】
【表３】
表１〜３に示すように、ガラス量が４５体積％の場合は、ガラス量が少ないために所望する焼成温度では緻密体が得られない。ガラス量５０体積％の場合は全体的にガラス量が少ないため緻密体が得られにくいが、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7、あるいはＺｒＯ2の添加によって緻密体が得られることがわかる。ガラス量６０体積％の場合にはいずれの組成物においても緻密体が得られるが、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7の比率が低い場合には熱膨張係数が小さく、高い場合には比誘電率が低く所望する特性が得られにくくなることがわかる。またＺｒＯ2の添加比率を高くするに従い熱膨張係数が小さくなり、比誘電率が低くなることもわかる。ガラス量７０体積％の場合には、ガラス量が多く、焼結性も高くなるが、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7やＺｒＯ2の添加比率が高い場合と一部成分の溶出があり、焼成用の治具と一部反応が観察された。
【００５４】
ガラス量が７５体積％の場合は、熱膨張係数が低く、ガラス量が多いために所望する焼成温度では成分の溶出があり焼成用の治具との反応が発生した。
【００５５】
また、フィラーとしてＣａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3のみ、または、これらとＺｒ化合物のみの場合には、熱膨張係数が８×１０-6／℃以上に高めることが難しく、またＬａ2Ｔｉ2Ｏ7、またはこれとＺｒ化合物との組み合わせでは、８×１０−６／℃以上の高熱膨張性を具備するものの、緻密性とともに比誘電率を１４以上に高めることが難しい。また、Ｚｒ化合物無添加の場合にも、緻密性を高めつつ比誘電率を１４以上に高めることが難しい。
【００５６】
これに対して、本発明品は、いずれも８×１０-6／℃以上の高熱膨張特性とともに、比誘電率を１４以上に高めることができるとともに、τεは±３００×１０-6／℃以内に抑えることができた。なお、チタン酸ランタンとチタン酸塩およびＺｒ含有化合物は、それらの含有比率ｘが０．２≦ｘ≦０．８、０．０５≦ｙ≦０．３の範囲で良好な特性を示した。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のガラスセラミック焼結体は、４０〜４００℃における熱膨張係数が８×１０-6／℃以上、且つ、１ＭＨｚにおける比誘電率が１４以上であることを特徴とし、高熱膨張ガラスセラミック絶縁層よりなる多層配線基板の内部に配設して用いることにより、コンデンサを内蔵した高熱膨張配線基板を提供できるようになる。このコンデンサ内蔵高熱膨張セラミック多層配線基板は、小型化に有効なボールグリッドアレイ実装方法の長期信頼性が高く、従来、外部回路基板に実装されていたコンデンサが不要となるため、外部回路基板の小型化、および実装コストの削減に有効であり、急速に普及しつつある携帯用電子機器の小型化に大いに貢献できるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板における一実施例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板
１ａ、１ｂ、１ｃ 絶縁層
２ メタライズ配線
３ 電極
４ スルーホール導体
Claims (5)
- ガラス成分５０〜７０体積％と、フィラー成分３０〜５０体積％とからなり、該フィラー成分として
ａ）チタン酸ランタンと、
ｂ）チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタニアの群から選ばれる少なくとも１種と、
ｃ）ＺｒＯ ２ 、ＭｇＺｒＯ ３ 、ＣａＺｒＯ ３ 、ＳｒＺｒＯ ３ 、ＢａＺｒＯ ３ の群から選ばれる少なくとも１種のジルコニウム含有酸化物と、
を前記ａ）の含有量をｘ、ｂ）の含有量を（１−ｘ）として両成分の重量比を表した場合、ｘが０．２≦ｘ≦０．８の範囲になるように、且つ前記ｃ）の含有量をｙ、前記ａ）とｂ）との合計量を（１−ｙ）として両成分の重量比を表した場合、ｙが０．０５≦ｙ≦０．３の範囲になるように含み、４０〜４００℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃以上であり、かつ１ＭＨｚにおける比誘電率が１４以上であることを特徴とするガラスセラミック焼結体。 - 前記ガラス成分の４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０−６／℃であることを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック焼結体。
- セラミックス絶縁層が多層に積層された絶縁基板の表面および／または内部にメタライズ配線層が配設されている多層配線基板において、前記セラミックス絶縁層のうち少なくとも１層が請求項１または請求項２記載のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする多層配線基板。
- 前記高誘電率のガラスセラミック焼結体からなる絶縁層が、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８×１０−６／℃のガラス成分５０〜７０体積％と、フィラー成分３０〜５０体積％とからなり、比誘電率が１０未満の低誘電率ガラスセラミック焼結体からなる絶縁層と積層されてなることを特徴とする請求項３記載の多層配線基板。
- 前記高誘電率のガラスセラミック焼結体からなる絶縁層が、一対の電極層間に配設されており、該一対の電極によって所定の静電容量が引き出されることを特徴とする請求項３または請求項４記載の多層配線基板。
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