JP3827491B2 - 高周波用磁器組成物および高周波用磁器並びに高周波用磁器の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波帯で用いられる配線基板等として好適な高周波用磁器組成物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組成物および高周波用磁器並びに高周波用磁器の製造方法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】
他方、特開平１０−１２０４３６号公報では、ガラス中にディオプサイド型酸化物結晶相を析出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ることが開示されており、また、特開平１１−４９５３１号公報では、ディオプサイド型酸化物結晶相が析出可能なガラス中にＣｕＯを１％以下の割合で添加することによりＡｇの拡散が抑制でき、導体としてＣｕやＡｇを使用できることが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６０−２４０１３５号公報の多層配線基板では、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、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／℃）に実装する場合に、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し、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。
【０００８】
また、特開平１０−１２０４３６号公報や特開平１１−４９５３１号公報の磁器では、いずれもディオプサイド型酸化物結晶相が析出しても磁器中に多量のガラスが残存して高周波帯、特に１３ＧＨｚ以上のミリ波帯での誘電損失が大きいものであった。
【０００９】
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、特に、ガラスセラミックスのガラスの結晶化度を高めて、高周波領域においても低誘電損失な磁器およびその製造方法並びにそれを作製可能な高周波用磁器組成物を提供することを目的とする。
【００１０】
【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 ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４．５〜１５重量％と、ＭｇＯ１６〜３５重量％と、ＣａＯ２４〜４０重量％とからなるか、または、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４〜１５重量％と、ＭｇＯ１４〜３０重量％と、ＣａＯ５〜２０重量％と、ＳｒＯ１５〜２５重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスに対して、無機フィラーとして、少なくとも、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を特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、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、ガラス中からディオプサイド型酸化物結晶相の析出割合を高め、６０ＧＨｚ以上の高周波領域においても低誘電損失を有する磁器が得られることを知見し本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明の高周波用磁器組成物は、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４．５〜１５重量％と、ＭｇＯ１６〜３５重量％と、ＣａＯ２４〜４０重量％とからなるか、または、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４〜１５重量％と、ＭｇＯ１４〜３０重量％と、ＣａＯ５〜２０重量％と、ＳｒＯ１５〜２５重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスと、無機フィラーとを含有するものであって、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を０．０５〜２０重量％含有することを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、本発明の高周波用磁器は、上述の高周波用磁器組成物を焼成して成り、少なくともＭｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌを含むディオプサイド型酸化物結晶相と、少なくともＨｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種の金属または化合物とを含有し、且つ室温から４００℃における熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、６０〜７７ＧＨｚでの誘電損失が４５×１０-4以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
また、磁器がガラスを含有している場合、該ガラス中のＳｉ成分の含有量がＳｉＯ ２ 換算で７０重量％以上であり、かつ前記ガラスの存在割合が２５重量％以下であることが望ましい。
【００１６】
さらに、本発明の高周波用磁器の製造方法は、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４．５〜１５重量％と、ＭｇＯ１６〜３５重量％と、ＣａＯ２４〜４０重量％とからなるか、または、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４〜１５重量％と、ＭｇＯ１４〜３０重量％と、ＣａＯ５〜２０重量％と、ＳｒＯ１５〜２５重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスに、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物０．０５〜２０重量％添加した混合物を成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用磁器組成物は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯおよびＣａＯを含み、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスと無機フィラーとを含有する高周波用磁器組成物であって、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を０．０５〜２０重量％含有するものである。
【００１８】
一般に、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2を含むガラス相の熱膨張係数は４〜５ｐｐｍ／℃と低い。これに対し、ＭｇＣａＳｉ2Ｏ6、Ｃａ（Ｍｇ，Ａｌ）（Ｓｉ，Ａｌ）2Ｏ6のディオプサイド型酸化物結晶相は、約８〜９ｐｐｍ／℃の高熱膨張特性を有することから、上記組成のガラスよりディオプサイド型酸化物結晶相を析出させることにより、熱膨張係数を５ｐｐｍ／℃以上に高めることができる。
【００１９】
また、上記ガラスの含有量は、５０〜９９．９５重量％、特に、５５〜８５重量％であることが望ましく、これによって１０００℃以下の温度での焼成により磁器を緻密化できるとともに、ガラスからのディオプサイド型酸化物結晶相の析出比率を高めて磁器の誘電損失を低減することができる。
【００２０】
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い。
【００２２】
また、上記のガラスからのディオプサイド型酸化物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。
【００２３】
本発明においては、上記ディオプサイド型酸化物結晶相析出可能なガラスに対して、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を０．０５〜２０重量％含有することが大きな特徴であり、これら成分は上記ガラスのディオプサイド型酸化物結晶相への結晶化を促進するものであり、その結果、磁器中のガラスの割合を低めて高周波帯での誘電損失を低減することができる。
【００２４】
上述の無機フィラーとしては、酸化物、窒化物、炭化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等が使用可能であるが、製造時の取り扱いが容易な酸化物であることが望ましい。
【００２５】
また、結晶化促進効果の点で、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、ＣｕＡｌ2Ｏ4であることが望ましい。
【００２６】
また、前記無機フィラー量を上記範囲としたのは、前記無機フィラーが０．０５重量％よりも少ないと、磁器中のガラスの結晶化度が低下して、高周波帯での誘電損失が増大するためであり、逆に、前記無機フィラー量が２０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ないために、ＣｕやＡｇ等の低抵抗導体との同時焼成ができないためである。
【００２７】
さらに、磁器中には、上述の無機フィラー以外に、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＭｇＯ、ＺｎＡｌ2Ｏ4、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2、Ｍｇ2Ａｌ4Ｓｉ5Ｏ18、ＴｉＯ2、ＭｇＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3、Ｚｎ2ＴｉＯ4等の他の無機フィラーを添加することもできる。
【００２８】
上述した他の無機フィラーのうち、ＴｉＯ2、ＭｇＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3、Ｚｎ2ＴｉＯ4は、磁器の誘電率を高める作用をなし、また、ＳｉＯ2、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2、Ｍｇ2Ａｌ4Ｓｉ5Ｏ18は、磁器の誘電率を低める作用をなす。さらに、Ａｌを含有する酸化物は磁器強度を高める作用をなす。
【００２９】
特に、ＳｉＯ2は磁器の誘電率を低めるとともに、磁器の熱膨張係数を高める働きをなす。
【００３０】
なお、上記無機フィラーの粒径は、低温焼成化、高強度化等の点で、５μｍ以下、特に１〜２μｍ以下、さらに０．５〜１．５μｍであることが望ましい。
【００３１】
しかも、上記無機フィラーは、高周波帯、特にミリ波帯での誘電損失が小さいものであることから、磁器の低誘電損失化をも図ることができる。
【００３２】
上記の態様の磁器組成物は、８００〜１０００℃の温度範囲での焼成によって相対密度９７％以上まで緻密化することができる。
【００３３】
また、上記磁器中には、結晶相として、ガラスから析出する少なくともＭｇＯとＣａＯとＳｉＯ2とを含むディオプサイド型酸化物結晶相Ｃａ（Ｍｇ，Ａｌ）（Ｓｉ，Ａｌ）2Ｏ6（ＤＩ）以外に、Ｃａ2ＭｇＳｉ2Ｏ7（ａｋｅｒｍａｎｉｔｅ）、ＣａＭｇＳｉＯ4（ｍｏｎｔｉｃｅｌｌｉｔｅ）、Ｃａ3ＭｇＳｉ2Ｏ8（ｍｅｒｗｉｎｉｔｅ）等の類似の相が析出してもよい。
【００３４】
また、ガラス中にＳｒＯを含有する場合、（Ｃａ，Ｓｒ）ＳｉＯ3、ＳｒＳｉ2Ａｌ２Ｏ8、（Ｓｒ，Ｃａ）Ｓｉ2Ａｌ２Ｏ8、ＳｒＳｉＯ3が析出してもよい。ＳｉＯ2相はクオーツ、クリストバライト、トリジマイト結晶相のいずれかとして析出するが安定な熱膨張挙動の点でクオーツとして析出することが望ましい。
【００３５】
なお、上述のようにガラス中にＳｒＯを含有させることによって、磁器の低温焼成化を図ることができるが、低温焼成によって磁器の緻密化は促進されるもののガラスの結晶化度が低下し、磁器の誘電損失が増大する傾向にある。そこで、本発明によれば、フィラーとしてＨｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種の特定元素を含有する化合物を添加することによって、低温焼成であってもディオプサイド型酸化物結晶相の結晶化を高め磁器の誘電損失を低減できるとの作用をなす。
【００３６】
本発明の磁器は、結晶相として、少なくともＭｇ、Ｃａ、Ｓｉを含むディオプサイド型酸化物結晶相と、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種の金属または化合物を含有する。
【００３７】
さらに、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種は、磁器中、金属または酸化物として存在することが望ましく、さらに、０．１〜１０ｎｍオーダーの微粒子が磁器を構成するディオプサイド型酸化物結晶相等内に析出、分散することが、電気的特性および強度の安定化の点で望ましい。
【００３８】
なお、磁器中には上記の結晶相の粒界に非晶質ガラス（Ｇ）が残存してもよいが、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％以上であること、かつ磁器強度向上の点で磁器中のガラスの存在割合を２５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望ましい。
【００３９】
本発明の磁器は、室温から４００℃における熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、特に８ｐｐｍ／℃以上、６０〜７７ＧＨｚでの誘電損失が４５×１０-4以下、特に３０×１０-4以下、さらに２０×１０-4以下であることが望ましい。
【００４０】
これによって、本発明の磁器組成物は、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。
【００４１】
本発明の磁器を配線基板の絶縁基板として用いる場合、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、磁器強度が２００ＭＰａ以上と高いことが望ましく、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。
【００４５】
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に対して、平均粒径５μｍ以下、特に１〜２μｍ以下のＨｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物である、酸化物、窒化物、炭化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等を０．０５〜２０重量％添加、混合する。
【００４６】
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。なお、ＳｒＯを添加すると上記焼成温度を１０℃以上低めることができる。
【００４７】
ここで、焼成温度を上記範囲に限定した理由は、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２５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するためであり、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ためである。
【００４８】
なお、ガラスの結晶化度を高める上では、上記焼成時間は１時間以上とすることが望ましく、また、焼成時の昇降温速度を１０００℃／時間以下とすることが望ましい。これによって、磁器中の結晶内への特定元素を含むフィラー成分の拡散を促進できる。
【００４９】
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、高周波信号が伝送可能な高周波線路パターン等に前記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によって配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、印刷塗布する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（配線基板の構成）
本発明の磁器組成物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。
【００５５】
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からなることが望ましい。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。
【００５６】
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。なお、接続用電極層６はボール状端子８を形成せず半田のみで形成してもよい。
【００５７】
また、上記パッケージＡを外部回路基板Ｂ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。
【００５８】
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、このような所望によりボール状端子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。
【００５９】
【実施例】
下記の組成
からなるディオプサイド型酸化物結晶相析出可能なガラス（ガラスＡ〜Ｃ）３種と、ディオプサイド型酸化物結晶相が析出しないガラスＤおよびＣｕＯを含有するディオプサイド型酸化物結晶相析出可能なガラスＥを準備した。
【００６０】
そして、上記ガラスに対して純度９９％以上、平均粒径２μｍのフィラーを表１〜３に示すように添加し、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１×１０-2ｋｇ／ｍ2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、焼成時間２時間とした。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、磁器中のガラス相の比率をリートベルト法を用いて評価した。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た。また、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。さらに、ＪＩＳＲ１６０１に基づいて磁器の４点曲げ強度を測定した。結果は表１〜３に示した。
【００６４】
【表１】
【００６５】
【表２】
【００６６】
【表３】
【００６７】
表１〜３の結果から明らかなように、特定元素を含有する化合物の含有量が０．０５重量％より少ない試料Ｎｏ．１、３６では、ガラスの結晶化度が低く、誘電損失が増大した。また、特定元素を含有する化合物の含有量が２０重量％より多い試料Ｎｏ．８、３６、４７では、焼結性が低下して強度が低下した。また、絶縁性が低下して誘電率および誘電損失を測定できなかった。さらに、基板の絶縁性が劣化する傾向にあった。
【００６８】
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．５０では、ディオプサイド型酸化物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、誘電損失が大きく誘電率および誘電損失を測定することができなかった。
【００６９】
さらに、ガラス中にＣｕＯを含有し、特定元素を含有する無機フィラーを添加しない試料Ｎｏ．５２では、ディオプサイド型酸化物結晶相の比率を高めることができず、誘電損失が増大した。
【００７０】
これに対して、本発明に従い、特定元素を含有する無機フィラーを添加した試料では、磁器中のガラスの結晶化度が向上してガラスの残存率が２５％以下、特に１０％以下となり、また、いずれも熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、６０ＧＨｚの測定周波数にて、誘電損失が４５×１０-4以下、特に２０×１０-4以下、磁器強度２００ＭＰａ以上の優れた特性を有するものであった。
【００７１】
【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６０〜７７ＧＨｚの高周波領域での誘電損失が４５×１０−４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。
【００７２】
さらに、この組成物を用いて得られる磁器は、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】本発明の組成物を焼成した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
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波帯で用いられる配線基板等として好適な高周波用磁器組成物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組成物および高周波用磁器並びに高周波用磁器の製造方法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】
他方、特開平１０−１２０４３６号公報では、ガラス中にディオプサイド型酸化物結晶相を析出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ることが開示されており、また、特開平１１−４９５３１号公報では、ディオプサイド型酸化物結晶相が析出可能なガラス中にＣｕＯを１％以下の割合で添加することによりＡｇの拡散が抑制でき、導体としてＣｕやＡｇを使用できることが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６０−２４０１３５号公報の多層配線基板では、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、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／℃）に実装する場合に、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し、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。
【０００８】
また、特開平１０−１２０４３６号公報や特開平１１−４９５３１号公報の磁器では、いずれもディオプサイド型酸化物結晶相が析出しても磁器中に多量のガラスが残存して高周波帯、特に１３ＧＨｚ以上のミリ波帯での誘電損失が大きいものであった。
【０００９】
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、特に、ガラスセラミックスのガラスの結晶化度を高めて、高周波領域においても低誘電損失な磁器およびその製造方法並びにそれを作製可能な高周波用磁器組成物を提供することを目的とする。
【００１０】
【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 ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４．５〜１５重量％と、ＭｇＯ１６〜３５重量％と、ＣａＯ２４〜４０重量％とからなるか、または、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４〜１５重量％と、ＭｇＯ１４〜３０重量％と、ＣａＯ５〜２０重量％と、ＳｒＯ１５〜２５重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスに対して、無機フィラーとして、少なくとも、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を特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、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、ガラス中からディオプサイド型酸化物結晶相の析出割合を高め、６０ＧＨｚ以上の高周波領域においても低誘電損失を有する磁器が得られることを知見し本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明の高周波用磁器組成物は、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４．５〜１５重量％と、ＭｇＯ１６〜３５重量％と、ＣａＯ２４〜４０重量％とからなるか、または、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４〜１５重量％と、ＭｇＯ１４〜３０重量％と、ＣａＯ５〜２０重量％と、ＳｒＯ１５〜２５重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスと、無機フィラーとを含有するものであって、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を０．０５〜２０重量％含有することを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、本発明の高周波用磁器は、上述の高周波用磁器組成物を焼成して成り、少なくともＭｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌを含むディオプサイド型酸化物結晶相と、少なくともＨｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種の金属または化合物とを含有し、且つ室温から４００℃における熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、６０〜７７ＧＨｚでの誘電損失が４５×１０-4以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
また、磁器がガラスを含有している場合、該ガラス中のＳｉ成分の含有量がＳｉＯ ２ 換算で７０重量％以上であり、かつ前記ガラスの存在割合が２５重量％以下であることが望ましい。
【００１６】
さらに、本発明の高周波用磁器の製造方法は、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４．５〜１５重量％と、ＭｇＯ１６〜３５重量％と、ＣａＯ２４〜４０重量％とからなるか、または、ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４〜１５重量％と、ＭｇＯ１４〜３０重量％と、ＣａＯ５〜２０重量％と、ＳｒＯ１５〜２５重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスに、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物０．０５〜２０重量％添加した混合物を成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用磁器組成物は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯおよびＣａＯを含み、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスと無機フィラーとを含有する高周波用磁器組成物であって、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を０．０５〜２０重量％含有するものである。
【００１８】
一般に、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2を含むガラス相の熱膨張係数は４〜５ｐｐｍ／℃と低い。これに対し、ＭｇＣａＳｉ2Ｏ6、Ｃａ（Ｍｇ，Ａｌ）（Ｓｉ，Ａｌ）2Ｏ6のディオプサイド型酸化物結晶相は、約８〜９ｐｐｍ／℃の高熱膨張特性を有することから、上記組成のガラスよりディオプサイド型酸化物結晶相を析出させることにより、熱膨張係数を５ｐｐｍ／℃以上に高めることができる。
【００１９】
また、上記ガラスの含有量は、５０〜９９．９５重量％、特に、５５〜８５重量％であることが望ましく、これによって１０００℃以下の温度での焼成により磁器を緻密化できるとともに、ガラスからのディオプサイド型酸化物結晶相の析出比率を高めて磁器の誘電損失を低減することができる。
【００２０】
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い。
【００２２】
また、上記のガラスからのディオプサイド型酸化物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。
【００２３】
本発明においては、上記ディオプサイド型酸化物結晶相析出可能なガラスに対して、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を０．０５〜２０重量％含有することが大きな特徴であり、これら成分は上記ガラスのディオプサイド型酸化物結晶相への結晶化を促進するものであり、その結果、磁器中のガラスの割合を低めて高周波帯での誘電損失を低減することができる。
【００２４】
上述の無機フィラーとしては、酸化物、窒化物、炭化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等が使用可能であるが、製造時の取り扱いが容易な酸化物であることが望ましい。
【００２５】
また、結晶化促進効果の点で、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、ＣｕＡｌ2Ｏ4であることが望ましい。
【００２６】
また、前記無機フィラー量を上記範囲としたのは、前記無機フィラーが０．０５重量％よりも少ないと、磁器中のガラスの結晶化度が低下して、高周波帯での誘電損失が増大するためであり、逆に、前記無機フィラー量が２０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ないために、ＣｕやＡｇ等の低抵抗導体との同時焼成ができないためである。
【００２７】
さらに、磁器中には、上述の無機フィラー以外に、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＭｇＯ、ＺｎＡｌ2Ｏ4、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2、Ｍｇ2Ａｌ4Ｓｉ5Ｏ18、ＴｉＯ2、ＭｇＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3、Ｚｎ2ＴｉＯ4等の他の無機フィラーを添加することもできる。
【００２８】
上述した他の無機フィラーのうち、ＴｉＯ2、ＭｇＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3、Ｚｎ2ＴｉＯ4は、磁器の誘電率を高める作用をなし、また、ＳｉＯ2、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2、Ｍｇ2Ａｌ4Ｓｉ5Ｏ18は、磁器の誘電率を低める作用をなす。さらに、Ａｌを含有する酸化物は磁器強度を高める作用をなす。
【００２９】
特に、ＳｉＯ2は磁器の誘電率を低めるとともに、磁器の熱膨張係数を高める働きをなす。
【００３０】
なお、上記無機フィラーの粒径は、低温焼成化、高強度化等の点で、５μｍ以下、特に１〜２μｍ以下、さらに０．５〜１．５μｍであることが望ましい。
【００３１】
しかも、上記無機フィラーは、高周波帯、特にミリ波帯での誘電損失が小さいものであることから、磁器の低誘電損失化をも図ることができる。
【００３２】
上記の態様の磁器組成物は、８００〜１０００℃の温度範囲での焼成によって相対密度９７％以上まで緻密化することができる。
【００３３】
また、上記磁器中には、結晶相として、ガラスから析出する少なくともＭｇＯとＣａＯとＳｉＯ2とを含むディオプサイド型酸化物結晶相Ｃａ（Ｍｇ，Ａｌ）（Ｓｉ，Ａｌ）2Ｏ6（ＤＩ）以外に、Ｃａ2ＭｇＳｉ2Ｏ7（ａｋｅｒｍａｎｉｔｅ）、ＣａＭｇＳｉＯ4（ｍｏｎｔｉｃｅｌｌｉｔｅ）、Ｃａ3ＭｇＳｉ2Ｏ8（ｍｅｒｗｉｎｉｔｅ）等の類似の相が析出してもよい。
【００３４】
また、ガラス中にＳｒＯを含有する場合、（Ｃａ，Ｓｒ）ＳｉＯ3、ＳｒＳｉ2Ａｌ２Ｏ8、（Ｓｒ，Ｃａ）Ｓｉ2Ａｌ２Ｏ8、ＳｒＳｉＯ3が析出してもよい。ＳｉＯ2相はクオーツ、クリストバライト、トリジマイト結晶相のいずれかとして析出するが安定な熱膨張挙動の点でクオーツとして析出することが望ましい。
【００３５】
なお、上述のようにガラス中にＳｒＯを含有させることによって、磁器の低温焼成化を図ることができるが、低温焼成によって磁器の緻密化は促進されるもののガラスの結晶化度が低下し、磁器の誘電損失が増大する傾向にある。そこで、本発明によれば、フィラーとしてＨｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種の特定元素を含有する化合物を添加することによって、低温焼成であってもディオプサイド型酸化物結晶相の結晶化を高め磁器の誘電損失を低減できるとの作用をなす。
【００３６】
本発明の磁器は、結晶相として、少なくともＭｇ、Ｃａ、Ｓｉを含むディオプサイド型酸化物結晶相と、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種の金属または化合物を含有する。
【００３７】
さらに、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種は、磁器中、金属または酸化物として存在することが望ましく、さらに、０．１〜１０ｎｍオーダーの微粒子が磁器を構成するディオプサイド型酸化物結晶相等内に析出、分散することが、電気的特性および強度の安定化の点で望ましい。
【００３８】
なお、磁器中には上記の結晶相の粒界に非晶質ガラス（Ｇ）が残存してもよいが、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％以上であること、かつ磁器強度向上の点で磁器中のガラスの存在割合を２５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望ましい。
【００３９】
本発明の磁器は、室温から４００℃における熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、特に８ｐｐｍ／℃以上、６０〜７７ＧＨｚでの誘電損失が４５×１０-4以下、特に３０×１０-4以下、さらに２０×１０-4以下であることが望ましい。
【００４０】
これによって、本発明の磁器組成物は、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。
【００４１】
本発明の磁器を配線基板の絶縁基板として用いる場合、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、磁器強度が２００ＭＰａ以上と高いことが望ましく、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。
【００４５】
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に対して、平均粒径５μｍ以下、特に１〜２μｍ以下のＨｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物である、酸化物、窒化物、炭化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等を０．０５〜２０重量％添加、混合する。
【００４６】
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。なお、ＳｒＯを添加すると上記焼成温度を１０℃以上低めることができる。
【００４７】
ここで、焼成温度を上記範囲に限定した理由は、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２５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するためであり、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ためである。
【００４８】
なお、ガラスの結晶化度を高める上では、上記焼成時間は１時間以上とすることが望ましく、また、焼成時の昇降温速度を１０００℃／時間以下とすることが望ましい。これによって、磁器中の結晶内への特定元素を含むフィラー成分の拡散を促進できる。
【００４９】
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、高周波信号が伝送可能な高周波線路パターン等に前記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によって配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、印刷塗布する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（配線基板の構成）
本発明の磁器組成物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。
【００５５】
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からなることが望ましい。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。
【００５６】
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。なお、接続用電極層６はボール状端子８を形成せず半田のみで形成してもよい。
【００５７】
また、上記パッケージＡを外部回路基板Ｂ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。
【００５８】
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、このような所望によりボール状端子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。
【００５９】
【実施例】
下記の組成
【００６０】
そして、上記ガラスに対して純度９９％以上、平均粒径２μｍのフィラーを表１〜３に示すように添加し、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１×１０-2ｋｇ／ｍ2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、焼成時間２時間とした。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、磁器中のガラス相の比率をリートベルト法を用いて評価した。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た。また、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。さらに、ＪＩＳＲ１６０１に基づいて磁器の４点曲げ強度を測定した。結果は表１〜３に示した。
【００６４】
【表１】
【表２】
【表３】
表１〜３の結果から明らかなように、特定元素を含有する化合物の含有量が０．０５重量％より少ない試料Ｎｏ．１、３６では、ガラスの結晶化度が低く、誘電損失が増大した。また、特定元素を含有する化合物の含有量が２０重量％より多い試料Ｎｏ．８、３６、４７では、焼結性が低下して強度が低下した。また、絶縁性が低下して誘電率および誘電損失を測定できなかった。さらに、基板の絶縁性が劣化する傾向にあった。
【００６８】
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．５０では、ディオプサイド型酸化物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、誘電損失が大きく誘電率および誘電損失を測定することができなかった。
【００６９】
さらに、ガラス中にＣｕＯを含有し、特定元素を含有する無機フィラーを添加しない試料Ｎｏ．５２では、ディオプサイド型酸化物結晶相の比率を高めることができず、誘電損失が増大した。
【００７０】
これに対して、本発明に従い、特定元素を含有する無機フィラーを添加した試料では、磁器中のガラスの結晶化度が向上してガラスの残存率が２５％以下、特に１０％以下となり、また、いずれも熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、６０ＧＨｚの測定周波数にて、誘電損失が４５×１０-4以下、特に２０×１０-4以下、磁器強度２００ＭＰａ以上の優れた特性を有するものであった。
【００７１】
【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６０〜７７ＧＨｚの高周波領域での誘電損失が４５×１０−４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。
【００７２】
さらに、この組成物を用いて得られる磁器は、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】本発明の組成物を焼成した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
Claims (7)
- ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４．５〜１５重量％と、ＭｇＯ１６〜３５重量％と、ＣａＯ２４〜４０重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスと、無機フィラーとを含有する高周波用磁器組成物であって、前記無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を０．０５〜２０重量％含有することを特徴とする高周波用磁器組成物。
- ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４〜１５重量％と、ＭｇＯ１４〜３０重量％と、ＣａＯ５〜２０重量％と、ＳｒＯ１５〜２５重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラス、と無機フィラーとを含有する高周波用磁器組成物であって、前記無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物を０．０５〜２０重量％含有することを特徴とする高周波用磁器組成物。
- 請求項１または２記載の高周波用磁器組成物を焼成して成り、少なくともＭｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌを含むディオプサイド型酸化物結晶相と、少なくともＨｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種の金属または化合物とを含有し、且つ室温から４００℃における熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃以上、６０〜７７ＧＨｚでの誘電損失が４５×１０−４以下であることを特徴とする高周波用磁器。
- ガラスを含有しており、該ガラス中のＳｉ成分の含有量がＳｉＯ ２ 換算で７０重量％以上であり、かつ前記ガラスの存在割合が２５重量％以下であることを特徴とする請求項３記載の高周波用磁器。
- ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４．５〜１５重量％と、ＭｇＯ１６〜３５重量％と、ＣａＯ２４〜４０重量％とからなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスに、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物０．０５〜２０重量％添加した混合物を成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することを特徴とする高周波用磁器の製造方法。
- ＳｉＯ ２ ３０〜５５重量％と、Ａｌ ２ Ｏ ３ ４〜１５重量％と、ＭｇＯ１４〜３０重量％と、ＣａＯ５〜２０重量％と、ＳｒＯ１５〜２５重量％からなり、ディオプサイド型酸化物結晶相を析出可能なガラスに、無機フィラーとして、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐおよび３ａ族元素の群から選ばれる少なくとも１種を含む化合物０．０５〜２０重量％添加した混合物を成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することを特徴とする高周波用磁器の製造方法。
- 高周波用磁器が含有しているガラス中のＳｉ成分の含有量がＳｉＯ ２ 換算で７０重量％以上であり、かつ該ガラスの存在割合が２５重量％以下であることを特徴とする請求項５または６記載の高周波用磁器の製造方法。
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