JP3944839B2 - COMPOSITE CERAMIC COMPONENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents

COMPOSITE CERAMIC COMPONENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度、高熱伝導で、低誘電率の部位を有する絶縁層の表面に低抵抗導体を具備し、半導体パッケージ、電子部品実装回路基板又は高周波用回路基板等に好適に使用できる複合セラミック部品とその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
近年、半導体素子の高集積化並びに高周波化に伴い、高密度実装や回路部品内部に機能を内蔵した配線基板が用いられている。一方で、高集積化により半導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特性としては、演算速度の高速化により信号の遅延が問題となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体を用いることが要求されてきた。
【0003】
このような半導体素子を搭載した配線基板としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックスを絶縁基板とし、その表面あるいは内部にWやMoなどの高融点金属からなる導体層を被着形成したセラミック配線基板が多用されている。
【0004】
しかし、従来から多用されているこれら高融点金属からなる導体層では、抵抗を高々8mΩ/□程度までしか低くできず、発熱して配線基板の温度を上昇させ、また、信号が損失し易く、配線長が制限されるという問題があった。
【0005】
そこで、CuとW又はMoとを組み合せた導体層と絶縁層を1500℃以下と低い温度で同時焼成することによって導体層の低抵抗化を図ることが、特開2000−151045号公報に提案されている。
【0006】
また、低温焼成可能な組成を用いて誘電率の異なる絶縁層を一体化することによって、低抵抗のCu配線を使用可能とするため、信号の高速化に対応することが特開平10−106880号公報に提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開2000−151045号公報に記載の方法では、導体層にCuを含むため、抵抗が低下するものの、絶縁層にアルミナを用いることから誘電率が9程度と高いため、信号の高周波化に伴い、周波数が60GHz程度の領域では入力信号の反射による損失が大きくなり、特性の低下がおこるという問題があった。
【0008】
また、特開平10−106880号公報に記載の方法では、絶縁層がガラスセラミックスからなり、たとえ強化ガラスを用いた場合でも高々200MPaの曲げ強度であると同時に、熱伝導率が低く、放熱性が悪いという問題があった。
【0009】
本発明は、高熱伝導、高強度で、且つ高周波領域の信号損失の小さい複合セラミック部品と、それを簡便な方法で作製する製造方法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】
本発明は、高強度、高熱伝導のアルミナと低誘電率材料を一体化する際に、低誘電率材料の組成を制御し、同時焼成することによって、約60GHzの高周波領域でも入力信号の反射による損失を低減できるとの知見に基づくものである。
【0011】
また、副成分が全量中10質量%を越え、20質量%以下の割合で含まれる場合であっても、焼成温度を1200〜1300℃に精密に制御することによって、緻密で、且つ基板反りや割れの発生を抑制した複合セラミック部品を実現できるという知見に基づくものである。
【0012】
即ち、同時焼成によって、アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率の誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相とし、副成分として、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を全量中0.1〜10質量%の割合で含むこと、又は同時焼成によって、アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率の誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相とし、副成分として、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を、全量中10質量%を超え、20質量%以下の割合で含むことを特徴とするものである。これにより、アルミナ質絶縁層と誘電体層とが高い密着性を有し、強度及び熱伝導率がガラスセラミックスに比べて著しく向上する。また、誘電率の低い誘電体層の組成を上記のように設定することで、高周波領域での信号の損失を低減する事が可能となる。
【0013】
特に、前記誘電体層がコージェライトを全量中20〜40質量%の割合で含むことが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層との熱膨張率の差が低減され、アルミナ質絶縁層との剥離やクラックの発生を効果的に抑制し、低誘電率セラミックス絶縁層の比誘電率が6以下と抑えてより効果的に信号の損失を低減できる。
【0014】
また、前記アルミナ質絶縁層の曲げ強度が350MPa以上であることが好ましい。これにより、素子の自動実装時等に基板が割れ、歩留りが低下することを低減できる。
【0015】
さらに、前記アルミナ質絶縁層が、Mnを酸化物換算で2〜15質量%、Siを酸化物換算で2〜15質量%、Mg、Ca、B、Nb、Cr及びCoのうち少なくとも1種を酸化物換算で0.1〜4質量%含むとともに、相対密度が95%以上であることが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率を維持することが容易となる。
【0016】
さらにまた、前記導体層、Cu10〜70体積%、WおよびMoの少なくとも一方を30〜90体積%の割合で含有することが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁層の表面又はヴィアホール内に形成される導体層の抵抗を低減することが容易となる。
【0017】
また、本発明の複合セラミック部品の製造方法は、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種を含む酸化物粉末および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を全量中0.1〜10質量%の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を1200〜1500℃で焼成することを特徴とするものである。これにより、強度及び熱伝導率に優れるアルミナセラミックスと、低誘電率の誘電体層を同時に焼成することが可能であり、さらに基板の内部及び表面に導体層を形成することが可能となる。
【0018】
また、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種を含む酸化物粉末および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を、全量中10質量%を越え、20質量%以下の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を1200〜1300℃で焼成することを特徴とするものである。これにより、副成分が多くても低誘電率の誘電体層を同時に焼成することが可能であり、さらに基板の内部及び表面に導体層を形成することが可能となる。
【0019】
特に、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートの積層に先立って、前記低誘電グリーンシートおよび前記アルミナ質グリーンシートの少なくとも一方にヴィアホールを形成し、該ヴィアホール中に導体ペーストを充填することが好ましい。これにより、セラミック内部に3次元の配線が可能となり、多層セラミック基板の小型が容易になるとともに、キャパシタやインダクタなどの機能を内蔵することが可能となる。
【0020】
さらに、前記コージェライト粉末を全量中20〜40質量%の割合で加えて前記低誘電グリーンシートを作製することが好ましい。これにより、アルミナ質グリーンシートとの熱膨張率の差を整合させ、焼成時の反りやクラックを少なくすることができる。
【0021】
さらにまた、Mn23が2〜15質量%、SiO2が2〜15質量%、MgO、Mg(OH)2、MgCO3、CaO、Ca(OH)2、CaCO3、B25、Nb25、Cr23及びCo34のうち少なくとも1種が0.1〜4質量%、残部がアルミナ粉末となるように混合した後、成形してアルミナ質グリーンシートを作製することが好ましい。これにより、焼成温度を低減しても、アルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率をほぼ維持したまま、製品歩留まりを向上することが容易となる。
【0022】
さらにまた、Cu粉末を10〜70体積%、W粉末およびMo粉末の少なくとも一方を30〜90体積%の割合で混合し、前記導体ペーストを作製することが好ましい。これにより、Cuの融点よりも高い1200℃〜1500℃の焼成温度でも低抵抗の導体層を形成することが容易となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の複合セラミック部品を、図を用いて説明する。図1は、本発明の複合セラミック部品の概略断面図である。即ち、アルミナを主体とする薄層焼結体であるアルミナ質絶縁層1と、アルミナ質絶縁層1よりも誘電率の低い誘電体層2が一体的に積層されている。そして、表面導体層3a及び内部導体層3bからなる導体層3とヴィア4とが、絶縁基板5の表面及び内部に形成されている。
【0024】
本発明によれば、誘電体層2が、フォルステライト及びコージェライトを主結晶相とすることが重要である。フォルステライトは、アルミナ質絶縁層1よりも低誘電率にするために必要であり、コージェライトは、アルミナ質絶縁層1との熱膨張係数の差を小さくし、焼成による残留応力を低減して基板の反りや割れの発生を抑制することができる。
【0025】
誘電体層2の熱膨張係数は、フォルステライトとコージェライトとの含有量を調整して決定することができ、特にコージェライトを20〜40質量%、更には25〜35質量%であることが好ましい。
【0026】
また、副成分として、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を含むことが重要である。この副成分は、焼成時にアルミナ質グリーンシートとの反応を促進し、アルミナ質絶縁層1との接着強度を高め、アルミナ質絶縁層1と誘電体層2との一体化を確保する。
【0027】
特に、上記の副成分が、誘電体層2における全量中0.1〜10質量%であることが重要であり、特に1〜8質量%、更には3〜6質量%の割合で含まれることが好ましい。また、上記の副成分が、誘電体層2における全量中10質量%を越え、20質量%以下の割合で含まれることが重要であり、特に、12〜19質量%、14〜18質量%が好ましい。これは、0.1質量%未満では添加効果が十分得られない場合があり、また20質量%を超えると1200℃の焼成温度でも焼成時に液相が流出してしまい、誘電体層7の形状を保持できず、基板の反りや割れが発生するためである。
【0028】
絶縁層1は、アルミナを主体とするアルミナ質焼結体からなり、具体的には酸化アルミニウムを84質量%以上の割合で含み、Mnを酸化物換算で2〜15質量%、Siを酸化物換算で2〜15質量%、Mg、Ca、B、Nb、Cr及びCoのうち少なくとも1種を酸化物換算で0.1〜4質量%含むことが好ましい。この組成を用いると、低温でも緻密化し、高強度且つ高熱伝導率を維持することが容易となる。
【0029】
本発明によれば、絶縁基板5の熱伝導率と強度を高めるため、アルミナ質絶縁層1の相対密度が95%以上、特に97%以上、更には98%以上が好ましく、また曲げ強度は350MPa以上、特に400MPa以上、更には450MPa以上であることが好ましい。さらに、熱伝導率は10W/m・K以上、特に15W/m・K以上、更には17W/m・K以上であることが望ましい。
【0030】
絶縁層1を形成するアルミナ主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、この主結晶相の平均結晶粒径は、1.5〜5μmであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が1.5μmよりも小さいと、高熱伝導化が難しくなる傾向があり、また平均粒径が5μmよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなる傾向にあるためである。
【0031】
また、この絶縁層1中に、SiO2およびMgO、CaO、SrO、BaO等のアルカリ土類元素酸化物をCu含有導体との同時焼結性を高める上で合計で0.1〜4質量%の割合で含有せしめることが望ましい。
【0032】
さらに着色成分として、WやMo等の遷移金属を2質量%以下の割合で含んでもよい。
【0033】
導体層3は、Cu10〜70体積%、特に30〜60体積%、WおよびMoの少なくとも一方を30〜90体積%、特に40〜70体積%の割合で含有することが好ましい。
このような組成を有する導体層3は、その電気抵抗が十分低く、導体層3および誘電体層2の少なくとも一方との密着性を確保し、導体層3の剥離が発生したり、ヴィア4の表面の凹凸が大きくなり、更には焼成時にヴィア4の金属が欠落する不具合を抑制することが容易になる。
【0034】
また、上記組成のCuとWおよびMoの少なくとも一方に加えて、Zr、Al、Li、Mg、Znのうち少なくとも1種を金属元素換算で0.05〜3.0質量%含有させることが望ましい。これにより、導体層3の低抵抗化を容易にし、絶縁層1および誘電体層2の少なくとも一方との密着性をさらに高める効果がある。
【0035】
また、本発明によれば、WおよびMoの少なくとも一方が、平均粒径1〜10μmの球状結晶の状態で、又は数個の粒子が焼結して結合した状態としてCuからなるマトリックス中に分散含有している組織を有していることが、低抵抗と保形性の観点で望ましい。特に、導体層の抵抗、Cu成分の分離、にじみなどの観点からWおよびMoの少なくとも一方の平均粒子径は1.3〜5μm、更には1.5〜3μmの大きさで分散されていることがより望ましい。
【0036】
なお、本発明のセラミック複合部品においては、Cuの融点を越える温度での同時焼成によって、表面導体層3aや内部導体層3b中のCu成分が絶縁層1及び誘電体層2中に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記少なくともCuを含む導体層3の周囲の誘電体層2および絶縁層1の少なくとも一方へのCuの拡散距離が20μm以下、特に10μm以下であることが望ましい。これにより、導体層3間の絶縁性を確保し、配線基板としての信頼性を高めるためである。
【0037】
上記の構成を有する本発明の複合セラミック部品は、強度及び熱伝導性に優れ、高周波信号の反射損失が小さいので、半導体パッケージ、電子部品実装回路基板及び高周波用配線基板等に好適に用いることができる。
【0038】
次に、本発明の複合セラミック部品の製造方法について説明する。
【0039】
まず、絶縁層1を形成するために、主成分となるアルミナ原料として、平均粒径が0.5〜2.5μm、特に0.5〜2.0μmの粉末を用いることが望ましい。平均粒径は0.5μmよりも小さいと、粉末の取扱い難く、また粉末のコストが高くなる傾向があり、2.5μmよりも大きいと、1500℃以下の温度で焼成することが難しくなることが多いためである。
【0040】
また、上記酸化アルミニウム粉末に対して、Mn23粉末を2〜15質量%、特に3〜7質量%、SiO2粉末を2〜15質量%、特に3〜7質量%の割合で添加する。また、適宜、MgO、Mg(OH)2、MgCO3、CaO、Ca(OH)2、CaCO3、B25、Nb25、Cr23及びCoO3のうち少なくとも1種の粉末を0.1〜4質量%となるように加えることが好ましい。これにより、低温での焼成を可能とするため、緻密なアルミナ質絶縁層が得られ、強度及び熱伝導率をほぼ維持したまま、焼成時に導体層3及びヴィア4の金属が溶融して流出することを防止し、製品歩留まりを高め易くすることができる。
【0041】
さらに、上記の粉末組成に、W、Mo、Crなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で2質量%以下の割合で添加することができる。
【0042】
一方、誘電体層2を形成するために、フォルステライト粉末、コージェライト粉末、さらに副成分としてZn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種を含む酸化物粉末および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を全量中0.1〜10質量%の割合、又は10質量%を越え、20質量%以下の割合で含むように添加することが重要であり、特に1〜8質量%、更には3〜6質量%、又は特に12〜19質量%、更には14〜18質量%の割合で添加することが好ましい。
【0043】
副成分を全量中0.1〜10質量%、又は10質量%を越え、20質量%以下の割合で添加することによって、焼成時にアルミナ質グリーンシートとの反応が促進され、強固な反応層を作り、密着性を向上することが可能となる。また、上記コージェライト粉末は、焼結性を高め、焼成時の残留応力を低減させるために20〜40質量%、特に25〜35質量%の割合で加えることが好ましい。
【0044】
ここで、副成分のアルカリ土類金属は、Mg、Ca、Sr、Ba等の酸化物粉末であり、また非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を用いるのは、鉛は環境への負担が著しく、アルカリは配線間の絶縁不良を生じるためであり、例えばSi−Al−B−O系、Si−B−Ca−O系、Si−Al−B−Mg−Zn−O系等を例示できる。
【0045】
なお、MgO、Al23、SiO2およびこれらの複合酸化物でフォルステライト及びコージェライトを析出するような組成になるように、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末の少なくとも一部を置換しても良い。また、上記酸化物の添加に当たっては、酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加しても良い。
【0046】
次に、各々の混合粉末を用いて絶縁層1を形成するためのシート状成形体を作製する。シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記の混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調製した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形、押出し成形等により所定の厚みのシート状成形体を作製できる。そしてこのシート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザー等によりヴィアホール導体用スルーホールを形成しても良い。
【0047】
このようにして作製したシート状成形体に対して、導体成分として、平均粒径が1〜10μmのCu粉末を10〜70体積%、特に30〜60体積%、平均粒径が1〜10μmのW粉末およびMo粉末の少なくとも一方を30〜90体積%、特に40〜70体積%の割合で含有し、かつ所望によりZr、Al、Li、Mg及びZnのうち少なくとも1種を金属元素換算で0.05〜3.0質量%、特に0.2〜2.0質量%含有してなる導体ペーストを調製する。
【0048】
Cu粉末が10体積%未満では導体層3の抵抗が高くなり易く、また、70体積%よりも多いと、アルミナ質絶縁層1、誘電体層2及び導体層3の同時焼成において保形性を維持し難くなり、にじみや断線が発生し、或いはアルミナ質絶縁層1および誘電体層2の少なくとも一方からの導体層3の剥離が発生し、又はヴィア4内部の金属が欠落する等の不具合が生じる。
【0049】
そして、このペーストを各シート状成形体に施したヴィア4内に充填し、また、各シート状成形体表面に塗布する。なお、導体層を形成する際は、上記導体ペーストを絶縁層1に対して、スクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により印刷塗布する。
【0050】
これらの導体ペースト中には、絶縁層1との密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶縁層1を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を0.05〜2体積%の割合で添加することも可能である。
【0051】
次いで、導体ペーストを表面及び/又はヴィア4に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を焼成温度が1200〜1500℃の温度となる条件で焼成することが重要である。特に、副成分が1〜10質量%の場合、1225〜1450℃、更には1250〜1400℃、より好適には1275〜1350℃で焼成することが好ましい。
【0052】
副成分が1〜10質量%の場合に、焼成温度が1200℃よりも低いと、アルミナ質絶縁層1が相対密度95%まで達することができず、熱伝導性と強度が低下するとともに、誘電体層2も十分に緻密化することができない。一方、焼成温度が1500℃よりも高いと、WあるいはMo自体の焼結が進み、Cuの流動により導体層3の均一組織を維持することが困難となり、その結果、低抵抗を維持することができない。
【0053】
また、副成分が10質量%を越え、20質量%以下の場合、1200〜1300℃で焼成することができ、特に1220〜1290℃、更には1240〜1280℃が焼結性の点で好ましい。ここで、焼成温度が1300℃を超えると、助剤成分が多いため、誘電体層を保持することができないため、基板が反り、或いは割れが生じ、反射損失が大きくなるとともに、配線導体に異常が発生する。
【0054】
また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、導体層3中のCuの拡散を抑制する上では、水素及び窒素を含み露点+30℃以下、特に0〜25℃の非酸化性雰囲気であることが望ましい。焼成時の露点が+30℃より高いと、焼成中に導体材料と雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、アルミナ質絶縁層1とCu含有導体のCuが反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、Cuの拡散を助長してしまうためである。なお、焼成雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
【0055】
以上のような構成による複合セラミック部品の製造方法は、アルミナ質絶縁層、誘電体層2及び電気抵抗の小さな導体層3を同時焼成することが重要である。この方法によって、信号の損失が少なく、高強度且つ高熱伝導性絶縁基板を備えた複合セラミック部品を実現できる。
【0056】
【実施例】
アルミナ質絶縁層として、アルミナ粉末(平均粒径1.8μm)、Mn23粉末、SiO2粉末、MgO粉末、CaO粉末、B25粉末、Nb25粉末、Cr23粉末、Co34粉末を、表1のような組成に調合し、成形用有機樹脂(バインダー)としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚さ250μmのシート状に成形した。そして、所定箇所に焼成後のホール径が100〜200μmのヴィアホールを形成した。
【0057】
また、低誘電率の誘電体層として、フォルステライト粉末、コージェライト粉末、Zn2SiO4粉末、Mn23粉末、CaO粉末、MgO粉末、BaO粉末、SrO粉末及び非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を、表1のような組成に調合し、成形用有機樹脂(バインダー)としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した。これらのスラリーをドクターブレード法にて厚さ250μmのシート状に成形した後、所定箇所に焼成後のホール径が100〜200μmのヴィアを形成した。
【0058】
次に、平均粒径が5μmのCu粉末と、平均粒径が5μmのW粉末又はMo粉末とを表1に示す比率で混合し、アクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として導体ペーストを作製した。
【0059】
次に、シート状成形体上に上記導体ペーストを印刷塗布し、各シート状成形体のヴィアに上記導体ペーストを充填した。上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。
【0060】
その後、この成形体積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中で脱脂を行った後、表1に示す焼成温度、25℃の露点の窒素水素混合雰囲気にて焼成して図1のような複合セラミック部品を作成した。
【0061】
得られた焼結体の比重をアルキメデス法によって測定し、真比重から相対密度を算出した。また、作製した複合セラミック部品全体の反り、割れを確認し、配線・ヴィアの外観の確認を行った。
【0062】
比誘電率は、JIS R1627に基づいて空洞共振器法により測定周波数60GHzで比誘電率を測定した。さらに、アルミナ質絶縁層の強度は、JIS R1601に基づいて室温における3点曲げ強度を測定した。
【0063】
誘電体層中の主結晶相は、X線回折により得られたピークを同定して決定した。
【0064】
フォルステライト及びコージェライトの含有量は、X線回折並びにリードベルト解析を用いて測定した。また、反射損失はネットワークアナライザとウエハープローブを用いて60GHzの信号に対する反射損失を測定した。詳細にはセラミック部品を実装する基板とセラミック部品内に設けた測定用電極間の値を測定した。結果を表1、2に示した。
【0065】
【表1】

Figure 0003944839
【0066】
【表2】
Figure 0003944839
【0067】
本発明の試料No.1〜3、5〜48は、配線・ヴィアの外観、基板の反り、割れが無く、反射損失も−12.5dB以下であった。
【0068】
一方、副成分のない試料No.4は、緻密な低誘電率層が得られなかった。
【0069】
また、副成分が20質量%を超える本発明の範囲外の試料No.49は、焼成時に液相が流出し、形状を保持できなかった。
【0070】
【発明の効果】
本発明の複合セラミック部品は、アルミナ質絶縁層と、低誘電率の誘電体層とを一体的に積層し、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備えた構造を有し、誘電体層の組成を制御したことにより、高周波領域に対応できる高強度、高熱伝導、低抵抗導体配線の複合セラミック部品を実現した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合セラミック部品の一実施態様を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1・・・アルミナ質絶縁層
2・・・誘電体層
3・・・導体層
3a・・・表面導体層
3b・・・内部導体層
4・・・ヴィア
5・・・絶縁基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a composite having a low-resistance conductor on the surface of an insulating layer having a high-strength, high-thermal conductivity, low-dielectric constant part, and can be suitably used for a semiconductor package, an electronic component mounting circuit board, a high-frequency circuit board, or the like. The present invention relates to a ceramic part and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with high integration and high frequency of semiconductor elements, high density mounting and wiring boards with built-in functions inside circuit components are used. On the other hand, heat generated from the semiconductor device is also increasing due to high integration. In order to eliminate the malfunction of the semiconductor device, a wiring substrate capable of releasing such heat to the outside of the device is required. On the other hand, as an electrical characteristic, signal delay becomes a problem due to an increase in calculation speed, and it has been required to use a conductor having a small conductor loss, that is, a low resistance.
[0003]
As a wiring board on which such a semiconductor element is mounted, a ceramic in which alumina ceramics is used as an insulating board and a conductor layer made of a refractory metal such as W or Mo is deposited on the surface or inside thereof from the viewpoint of reliability. Wiring boards are frequently used.
[0004]
However, in the conductor layer made of these refractory metals, which has been widely used in the past, the resistance can only be lowered to about 8 mΩ / □ at most, heat is generated, the temperature of the wiring board is increased, and signals are easily lost. There was a problem that the wiring length was limited.
[0005]
Therefore, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-151045 proposes to reduce the resistance of the conductor layer by simultaneously firing the conductor layer and the insulating layer in which Cu and W or Mo are combined at a temperature as low as 1500 ° C. or less. ing.
[0006]
Further, by integrating insulating layers having different dielectric constants using a composition that can be fired at a low temperature, a low-resistance Cu wiring can be used. Proposed in the gazette.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-151045, although the conductor layer contains Cu, the resistance is lowered, but since the dielectric constant is as high as about 9 because alumina is used for the insulating layer, the frequency of signals is increased Along with this, there is a problem that in the region where the frequency is about 60 GHz, the loss due to the reflection of the input signal becomes large and the characteristics deteriorate.
[0008]
Further, in the method described in JP-A-10-106880, the insulating layer is made of glass ceramics, and even when tempered glass is used, the bending strength is at most 200 MPa, at the same time, the thermal conductivity is low, and the heat dissipation is low. There was a problem of being bad.
[0009]
An object of the present invention is to provide a composite ceramic component having high thermal conductivity, high strength, and low signal loss in a high frequency region, and a manufacturing method for producing the composite ceramic component by a simple method.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention controls the composition of the low dielectric constant material when the high strength, high thermal conductivity alumina and the low dielectric constant material are integrated, and by co-firing, the reflection of the input signal is achieved even in a high frequency region of about 60 GHz. This is based on the knowledge that loss can be reduced.
[0011]
Moreover, even when the subcomponent exceeds 10 mass% in the total amount and is contained in a proportion of 20 mass% or less, by precisely controlling the firing temperature to 1200 to 1300 ° C., it is dense and the substrate warpage or This is based on the knowledge that a composite ceramic part that suppresses the occurrence of cracks can be realized.
[0012]
That is, by co-firing, the alumina insulating layer and the dielectric layer having a lower dielectric constant than the alumina insulating layer are laminated and integrated, and the surface and internal At least one of An insulating substrate having a conductor layer formed thereon, wherein the dielectric layer has forsterite and cordierite as a main crystal phase, and as a subcomponent, at least one of Zn, Mn, and alkaline earth metal and Lead-free and non-alkali borosilicate glass At least one of In an amount of 0.1 to 10% by mass in the total amount, or by simultaneous firing, an alumina insulating layer and a dielectric layer having a lower dielectric constant than the alumina insulating layer are laminated and integrated. And the surface and internal At least one of An insulating substrate having a conductor layer formed thereon, wherein the dielectric layer has forsterite and cordierite as a main crystal phase, and as a subcomponent, at least one of Zn, Mn, and alkaline earth metal and Lead-free and non-alkali borosilicate glass At least one of In a total amount exceeding 10% by mass and not more than 20% by mass. As a result, the alumina insulating layer and the dielectric layer have high adhesion, and the strength and thermal conductivity are remarkably improved as compared with glass ceramics. Further, by setting the composition of the dielectric layer having a low dielectric constant as described above, it is possible to reduce signal loss in the high frequency region.
[0013]
In particular, the dielectric layer preferably contains cordierite in a proportion of 20 to 40% by mass in the total amount. This reduces the difference in thermal expansion coefficient with the alumina insulating layer, effectively suppresses the peeling and cracking from the alumina insulating layer, and the relative dielectric constant of the low dielectric constant ceramic insulating layer is 6 or less. It is possible to suppress signal loss more effectively.
[0014]
The bending strength of the alumina insulating layer is preferably 350 MPa or more. Thereby, it can reduce that a board | substrate breaks at the time of automatic mounting of an element, etc., and a yield falls.
[0015]
Further, the alumina insulating layer contains 2 to 15% by mass of Mn in terms of oxide, 2 to 15% by mass of Si in terms of oxide, and at least one of Mg, Ca, B, Nb, Cr and Co. While containing 0.1 to 4% by mass in terms of oxide, the relative density is preferably 95% or more. Thereby, it becomes easy to maintain the strength and thermal conductivity of the alumina insulating layer.
[0016]
Furthermore, the conductor layer Is , Cu The 10-70% by volume, W and Mo At least one of It is preferable to contain in the ratio of 30-90 volume%. Thereby, it becomes easy to reduce the resistance of the conductor layer formed on the surface of the alumina insulating layer or in the via hole.
[0017]
In addition, the method for producing a composite ceramic component of the present invention includes an oxide powder containing at least one of Zn, Mn, and an alkaline earth metal with respect to forsterite powder and cordierite powder. and Lead-free and non-alkali borosilicate glass powder At least one of Was obtained by laminating the low dielectric green sheet and the alumina green sheet after applying a conductor paste to the low dielectric green sheet and alumina green sheet containing 0.1 to 10% by mass in the total amount The laminate is fired at 1200 to 1500 ° C. As a result, it is possible to simultaneously fire the alumina ceramics excellent in strength and thermal conductivity and the dielectric layer having a low dielectric constant, and further, it is possible to form a conductor layer inside and on the surface of the substrate.
[0018]
Also, oxide powder containing at least one of Zn, Mn, and alkaline earth metal with respect to forsterite powder and cordierite powder and Lead-free and non-alkali borosilicate glass powder At least one of Is applied to a low dielectric green sheet and an alumina green sheet containing 10% by mass in a total amount of 20% by mass or less, and the low dielectric green sheet and the alumina green sheet are laminated. The obtained laminate is fired at 1200 to 1300 ° C. Thereby, even if there are many subcomponents, a dielectric layer having a low dielectric constant can be fired at the same time, and a conductor layer can be formed inside and on the surface of the substrate.
[0019]
In particular, prior to the lamination of the low dielectric green sheet and the alumina green sheet, the low dielectric green sheet and Alumina green sheet At least one of Preferably, a via hole is formed in the via hole and a conductor paste is filled in the via hole. As a result, three-dimensional wiring is possible inside the ceramic, and the multilayer ceramic substrate can be easily reduced in size, and functions such as capacitors and inductors can be incorporated.
[0020]
Furthermore, it is preferable to produce the low dielectric green sheet by adding the cordierite powder at a ratio of 20 to 40% by mass in the total amount. Thereby, the difference in thermal expansion coefficient with the alumina green sheet can be matched, and warpage and cracks during firing can be reduced.
[0021]
Furthermore, Mn 2 O Three 2-15% by mass, SiO 2 2 to 15 mass%, MgO, Mg (OH) 2 , MgCO Three , CaO, Ca (OH) 2 , CaCO Three , B 2 O Five , Nb 2 O Five , Cr 2 O Three And Co Three O Four It is preferable that at least one of them be mixed so that 0.1 to 4% by mass and the balance is alumina powder, and then molded to produce an alumina green sheet. Thereby, even if the firing temperature is reduced, it is easy to improve the product yield while maintaining the strength and thermal conductivity of the alumina insulating layer.
[0022]
Furthermore, 10 to 70% by volume of Cu powder, W powder and Mo powder At least one of Are preferably mixed at a rate of 30 to 90% by volume to produce the conductor paste. This makes it easy to form a low-resistance conductor layer even at a firing temperature of 1200 ° C. to 1500 ° C., which is higher than the melting point of Cu.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The composite ceramic component of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a composite ceramic component of the present invention. That is, the alumina insulating layer 1 which is a thin layer sintered body mainly composed of alumina and the dielectric layer 2 having a lower dielectric constant than the alumina insulating layer 1 are integrally laminated. A conductor layer 3 and vias 4 including the surface conductor layer 3 a and the inner conductor layer 3 b are formed on the surface and inside of the insulating substrate 5.
[0024]
According to the present invention, it is important that the dielectric layer 2 has forsterite and cordierite as the main crystal phase. Forsterite is necessary to make the dielectric constant lower than that of the alumina insulating layer 1, and cordierite reduces the difference in thermal expansion coefficient with the alumina insulating layer 1 and reduces the residual stress due to firing. Generation | occurrence | production of the curvature and crack of a board | substrate can be suppressed.
[0025]
The thermal expansion coefficient of the dielectric layer 2 can be determined by adjusting the contents of forsterite and cordierite, and in particular, cordierite is 20 to 40% by mass, more preferably 25 to 35% by mass. preferable.
[0026]
Further, as a subcomponent, at least one of Zn, Mn and alkaline earth metal and Lead-free and non-alkali borosilicate glass At least one of It is important to include This subcomponent promotes the reaction with the alumina green sheet during firing, increases the adhesive strength with the alumina insulating layer 1, and ensures the integration of the alumina insulating layer 1 and the dielectric layer 2.
[0027]
In particular, it is important that the above-mentioned subcomponent is 0.1 to 10% by mass in the total amount in the dielectric layer 2, particularly 1 to 8% by mass, and further 3 to 6% by mass. Is preferred. Further, it is important that the above-mentioned subcomponent is contained in a proportion of more than 10% by mass and not more than 20% by mass in the total amount in the dielectric layer 2, and in particular, 12 to 19% by mass and 14 to 18% by mass are included. preferable. If the amount is less than 0.1% by mass, the effect of addition may not be sufficiently obtained. If the amount exceeds 20% by mass, the liquid phase flows out even at a firing temperature of 1200 ° C., and the shape of the dielectric layer 7 This is because the substrate cannot be held and warping or cracking of the substrate occurs.
[0028]
The insulating layer 1 is made of an alumina sintered body mainly composed of alumina. Specifically, the insulating layer 1 contains aluminum oxide in a proportion of 84% by mass or more, Mn is 2 to 15% by mass in terms of oxide, and Si is an oxide. It is preferable that 2-15 mass% in terms of conversion, and at least one of Mg, Ca, B, Nb, Cr and Co is contained in an amount of 0.1-4 mass% in terms of oxide. When this composition is used, it becomes easy to densify even at a low temperature and maintain high strength and high thermal conductivity.
[0029]
According to the present invention, in order to increase the thermal conductivity and strength of the insulating substrate 5, the relative density of the alumina insulating layer 1 is preferably 95% or more, particularly preferably 97% or more, more preferably 98% or more, and the bending strength is 350 MPa. As described above, it is particularly preferably 400 MPa or more, and more preferably 450 MPa or more. Furthermore, the thermal conductivity is preferably 10 W / m · K or more, particularly 15 W / m · K or more, and more preferably 17 W / m · K or more.
[0030]
The alumina main crystal phase forming the insulating layer 1 exists as granular or columnar crystals, and the average crystal grain size of the main crystal phase is preferably 1.5 to 5 μm. In addition, when the main crystal phase is composed of columnar crystals, the average crystal grain size is based on the minor axis diameter. If the average crystal grain size of the main crystal phase is smaller than 1.5 μm, it tends to be difficult to achieve high thermal conductivity, and if the average grain size is larger than 5 μm, sufficient strength required for use as a substrate material is required. This is because it tends to be difficult to obtain.
[0031]
Further, in this insulating layer 1, SiO 2 2 In addition, it is desirable to contain alkaline earth element oxides such as MgO, CaO, SrO, BaO in a ratio of 0.1 to 4% by mass in total in order to enhance the simultaneous sintering property with the Cu-containing conductor.
[0032]
Furthermore, you may contain transition metals, such as W and Mo, in the ratio of 2 mass% or less as a coloring component.
[0033]
Conductor layer 3 is Cu The 10-70% by volume, especially 30-60% by volume, W and Mo At least one of It is preferable to contain in the ratio of 30-90 volume%, especially 40-70 volume%.
The conductor layer 3 having such a composition has a sufficiently low electric resistance, and the conductor layer 3 and Dielectric layer 2 At least one of As a result, the conductor layer 3 is peeled off, the surface of the via 4 becomes uneven, and further, it is easy to suppress problems that the metal of the via 4 is missing during firing.
[0034]
Also, Cu and W of the above composition and Mo At least one of In addition, it is desirable to contain at least one of Zr, Al, Li, Mg, and Zn in an amount of 0.05 to 3.0% by mass in terms of metal element. Thereby, the resistance of the conductor layer 3 can be easily reduced, and the insulating layer 1 and Dielectric layer 2 At least one of There is an effect to further improve the adhesion.
[0035]
Also, according to the present invention, W and Mo At least one of However, it is low that it has a structure that is dispersed and contained in a matrix made of Cu in a state of spherical crystals having an average particle diameter of 1 to 10 μm, or in a state in which several particles are sintered and bonded. Desirable in terms of resistance and shape retention. In particular, from the viewpoint of resistance of the conductor layer, separation of the Cu component, bleeding, etc. and Mo At least one of It is more desirable that the average particle diameter is dispersed with a size of 1.3 to 5 μm, more preferably 1.5 to 3 μm.
[0036]
In the ceramic composite part of the present invention, the Cu component in the surface conductor layer 3a and the inner conductor layer 3b diffuses into the insulating layer 1 and the dielectric layer 2 by simultaneous firing at a temperature exceeding the melting point of Cu. However, according to the present invention, the dielectric layer 2 around the conductor layer 3 containing at least Cu is provided. and Insulating layer 1 At least one of It is desirable that the diffusion distance of Cu to be 20 μm or less, particularly 10 μm or less. Thereby, the insulation between the conductor layers 3 is ensured, and the reliability as a wiring board is enhanced.
[0037]
The composite ceramic component of the present invention having the above configuration is excellent in strength and thermal conductivity and has low reflection loss of high frequency signals. it can.
[0038]
Next, the manufacturing method of the composite ceramic component of this invention is demonstrated.
[0039]
First, in order to form the insulating layer 1, it is desirable to use a powder having an average particle size of 0.5 to 2.5 μm, particularly 0.5 to 2.0 μm, as an alumina raw material as a main component. When the average particle size is smaller than 0.5 μm, it is difficult to handle the powder and the cost of the powder tends to increase. When larger than 2.5 μm, it may be difficult to fire at a temperature of 1500 ° C. or less. This is because there are many.
[0040]
Also, with respect to the aluminum oxide powder, Mn 2 O Three 2-15% by weight of powder, especially 3-7% by weight, SiO 2 The powder is added in a proportion of 2 to 15% by weight, in particular 3 to 7% by weight. Also, MgO, Mg (OH) as appropriate 2 , MgCO Three , CaO, Ca (OH) 2 , CaCO Three , B 2 O Five , Nb 2 O Five , Cr 2 O Three And CoO Three Of these, it is preferable to add at least one powder in an amount of 0.1 to 4% by mass. Thereby, in order to enable firing at a low temperature, a dense alumina insulating layer is obtained, and the metal of the conductor layer 3 and the via 4 melts and flows out at the time of firing while substantially maintaining the strength and the thermal conductivity. This can be prevented and the product yield can be easily increased.
[0041]
Furthermore, transition metal metal powders and oxide powders such as W, Mo, and Cr can be added to the above powder composition as a coloring component in a proportion of 2% by mass or less in terms of metal.
[0042]
On the other hand, in order to form the dielectric layer 2, forsterite powder, cordierite powder, and oxide powder containing at least one of Zn, Mn, and alkaline earth metal as subcomponents and Lead-free and non-alkali borosilicate glass powder At least one of Is preferably added so as to contain 0.1 to 10% by mass in the total amount, or more than 10% by mass and 20% by mass or less, particularly 1 to 8% by mass, and further 3 to 6%. It is preferable to add at a ratio of mass%, or particularly 12 to 19 mass%, more preferably 14 to 18 mass%.
[0043]
By adding the subcomponent in a proportion of 0.1 to 10% by mass or exceeding 10% by mass and not more than 20% by mass, the reaction with the alumina green sheet is promoted at the time of firing, and a strong reaction layer is formed. Making it possible to improve adhesion. Further, the cordierite powder is preferably added in a proportion of 20 to 40% by mass, particularly 25 to 35% by mass in order to enhance the sinterability and reduce the residual stress during firing.
[0044]
Here, the alkaline earth metal of the accessory component is an oxide powder such as Mg, Ca, Sr, Ba, etc. Further, the use of a non-lead / non-alkali borosilicate glass powder has a significant burden on the environment. This is because alkali causes insulation failure between wirings, and examples thereof include Si—Al—B—O, Si—B—Ca—O, and Si—Al—B—Mg—Zn—O.
[0045]
MgO, Al 2 O Three , SiO 2 In addition, at least a part of the forsterite powder and the cordierite powder may be substituted so as to have a composition that precipitates forsterite and cordierite with these composite oxides. In addition to the oxide powder, the oxide may be added as carbonate, nitrate, acetate, or the like capable of forming an oxide by firing.
[0046]
Next, the sheet-like molded object for forming the insulating layer 1 using each mixed powder is produced. The sheet-like molded body can be produced by a known molding method. For example, an organic binder or solvent is added to the above mixed powder to prepare a slurry, and then formed by a doctor blade method, or an organic binder is added to the mixed powder, and a predetermined thickness is obtained by press molding, rolling molding, extrusion molding, or the like. The sheet-like molded body can be produced. Then, via hole conductor through holes may be formed on the sheet-like molded body by a micro drill, a laser, or the like.
[0047]
Thus, with respect to the produced sheet-like molded object, as a conductor component, Cu powder with an average particle diameter of 1-10 micrometers is 10-70 volume%, especially 30-60 volume%, and an average particle diameter is 1-10 micrometers. W powder and Mo powder At least one of 30 to 90% by volume, particularly 40 to 70% by volume, and optionally, at least one of Zr, Al, Li, Mg and Zn is 0.05 to 3.0% by mass in terms of metal element. In particular, a conductor paste containing 0.2 to 2.0% by mass is prepared.
[0048]
When the Cu powder is less than 10% by volume, the resistance of the conductor layer 3 tends to be high. When the Cu powder is more than 70% by volume, the shape retention is improved in simultaneous firing of the alumina insulating layer 1, the dielectric layer 2, and the conductor layer 3. It becomes difficult to maintain, bleeding or disconnection occurs, or the alumina insulating layer 1 and Dielectric layer 2 At least one of The conductor layer 3 is peeled off from the metal or the metal inside the via 4 is lost.
[0049]
Then, the paste is filled in the vias 4 applied to the respective sheet-like molded bodies, and applied to the surface of each sheet-like molded body. When forming the conductor layer, the conductor paste is applied to the insulating layer 1 by a method such as screen printing or gravure printing.
[0050]
In these conductor pastes, 0.05 to 2% by volume of aluminum oxide powder or the same composition powder as the oxide ceramic component forming the insulating layer 1 is used in order to enhance the adhesion to the insulating layer 1. It is also possible to add in proportions.
[0051]
Next, it is important that the sheet-like molded body having the conductor paste on the surface and / or the via 4 is aligned and laminated and pressure-bonded, and then the laminated body is fired under conditions where the firing temperature is 1200 to 1500 ° C. is there. In particular, when the subcomponent is 1 to 10% by mass, it is preferable to fire at 1225 to 1450 ° C, further 1250 to 1400 ° C, and more preferably 1275 to 1350 ° C.
[0052]
In the case where the subcomponent is 1 to 10% by mass, if the firing temperature is lower than 1200 ° C., the alumina insulating layer 1 cannot reach the relative density of 95%, the thermal conductivity and the strength decrease, and the dielectric The body layer 2 cannot be sufficiently densified. On the other hand, if the firing temperature is higher than 1500 ° C., the sintering of W or Mo itself proceeds and it becomes difficult to maintain the uniform structure of the conductor layer 3 due to the flow of Cu, and as a result, low resistance can be maintained. Can not.
[0053]
Moreover, when a subcomponent exceeds 10 mass% and it is 20 mass% or less, it can be baked at 1200-1300 degreeC, Especially 1220-1290 degreeC, Furthermore, 1240-1280 degreeC is preferable at the point of sinterability. Here, when the firing temperature exceeds 1300 ° C., since there are many auxiliary components, the dielectric layer cannot be held, so the substrate is warped or cracked, the reflection loss increases, and the wiring conductor is abnormal. Will occur.
[0054]
The non-oxidizing atmosphere at the time of firing is preferably nitrogen or a mixed atmosphere of nitrogen and hydrogen. In particular, in order to suppress the diffusion of Cu in the conductor layer 3, hydrogen and nitrogen are used. A non-oxidizing atmosphere with a dew point of + 30 ° C. or lower, particularly 0 to 25 ° C. is desirable. When the dew point at the time of firing is higher than + 30 ° C., the conductor material reacts with moisture in the atmosphere during firing to form an oxide film, and the alumina-based insulating layer 1 and Cu of the Cu-containing conductor react with each other. This is because it not only hinders resistance reduction but also promotes Cu diffusion. Note that an inert gas such as an argon gas may be mixed in the firing atmosphere as desired.
[0055]
In the method of manufacturing a composite ceramic component having the above-described configuration, the alumina insulating layer, the dielectric layer 2 and the conductor layer 3 having a small electric resistance can be simultaneously fired. is important. By this method, a composite ceramic part having a low strength, high strength and high thermal conductivity insulating substrate can be realized.
[0056]
【Example】
As an alumina insulating layer, alumina powder (average particle size 1.8 μm), Mn 2 O Three Powder, SiO 2 Powder, MgO powder, CaO powder, B 2 O Five Powder, Nb 2 O Five Powder, Cr 2 O Three Powder, Co Three O Four The powder was prepared in the composition shown in Table 1, and after preparing a slurry by mixing an acrylic binder as a molding organic resin (binder) and toluene as a solvent, a sheet having a thickness of 250 μm was formed by a doctor blade method. Molded into. And the via hole whose hole diameter after baking is 100-200 micrometers was formed in the predetermined location.
[0057]
For dielectric layers with low dielectric constant, forsterite powder, cordierite powder, Zn 2 SiO Four Powder, Mn 2 O Three Powder, CaO powder, MgO powder, BaO powder, SrO powder and non-lead / non-alkali borosilicate glass powder are prepared in the composition shown in Table 1, and acrylic binder and toluene are used as the molding organic resin (binder). A slurry was prepared by mixing as a solvent. After these slurries were formed into a sheet having a thickness of 250 μm by the doctor blade method, vias having a hole diameter after firing of 100 to 200 μm were formed at predetermined locations.
[0058]
Next, Cu powder having an average particle diameter of 5 μm and W powder or Mo powder having an average particle diameter of 5 μm were mixed at a ratio shown in Table 1, and an acrylic binder was used as a solvent to prepare a conductor paste.
[0059]
Next, the conductor paste was printed and applied onto the sheet-like molded body, and the vias of each sheet-like molded body were filled with the conductor paste. Each sheet-like molded body produced as described above was positioned and laminated and pressure-bonded to produce a molded body laminate.
[0060]
Thereafter, this molded body laminate was degreased in an oxygen-containing atmosphere substantially free of moisture, and then fired in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere having a dew point of 25 ° C. as shown in Table 1. Such composite ceramic parts were made.
[0061]
The specific gravity of the obtained sintered body was measured by the Archimedes method, and the relative density was calculated from the true specific gravity. In addition, warpage and cracking of the entire composite ceramic part were confirmed, and the appearance of wiring and vias was confirmed.
[0062]
The relative dielectric constant was measured at a measurement frequency of 60 GHz by the cavity resonator method based on JIS R1627. Furthermore, the strength of the alumina insulating layer was measured by a three-point bending strength at room temperature based on JIS R1601.
[0063]
The main crystal phase in the dielectric layer was determined by identifying the peak obtained by X-ray diffraction.
[0064]
The content of forsterite and cordierite was measured using X-ray diffraction and lead belt analysis. The reflection loss was measured for a 60 GHz signal using a network analyzer and a wafer probe. Specifically, the value between the substrate on which the ceramic component was mounted and the measurement electrode provided in the ceramic component was measured. The results are shown in Tables 1 and 2.
[0065]
[Table 1]
Figure 0003944839
[0066]
[Table 2]
Figure 0003944839
[0067]
Sample No. of the present invention. 1 to 3 and 5 to 48 had no external appearance of wiring / via, no warpage of the substrate, no cracks, and a reflection loss of −12.5 dB or less.
[0068]
On the other hand, sample no. In No. 4, a dense low dielectric constant layer was not obtained.
[0069]
In addition, the sample No. out of the scope of the present invention in which the minor component exceeds 20% by mass. In No. 49, the liquid phase flowed out during firing, and the shape could not be maintained.
[0070]
【The invention's effect】
The composite ceramic component of the present invention is formed by integrally laminating an alumina insulating layer and a low dielectric constant dielectric layer. and internal At least one of A composite ceramic part with high strength, high thermal conductivity, and low resistance conductor wiring that can handle high frequency regions has been realized by controlling the composition of the dielectric layer by having a structure with an insulating substrate on which a conductor layer is formed. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of a composite ceramic component of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Alumina insulating layer
2 ... Dielectric layer
3. Conductor layer
3a ... surface conductor layer
3b ... Inner conductor layer
4 ... Via
5 ... Insulating substrate

Claims (12)

同時焼成によって、アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率の誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相とし、副成分として、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を全量中0.1〜10質量%の割合で含むことを特徴とする複合セラミック部品。Insulation in which an alumina insulating layer and a dielectric layer having a dielectric constant lower than that of the alumina insulating layer are laminated and integrated by cofiring, and a conductor layer is formed on at least one of the surface and the inside. comprising a substrate, wherein the dielectric layer is a main crystal phase forsterite and cordierite, as a secondary component, Zn, at least one of the at least one and a non-lead-non-alkali borosilicate glass of Mn and alkaline earth metal A composite ceramic component comprising 0.1 to 10% by mass in the total amount. 同時焼成によって、アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率の誘電体層とが積層されて一体にされているとともに、表面および内部の少なくとも一方に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記誘電体層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相とし、副成分として、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスの少なくとも一方を、全量中10質量%を超え、20質量%以下の割合で含むことを特徴とする複合セラミック部品。Insulation in which an alumina insulating layer and a dielectric layer having a dielectric constant lower than that of the alumina insulating layer are laminated and integrated by cofiring, and a conductor layer is formed on at least one of the surface and the inside. comprising a substrate, wherein the dielectric layer is a main crystal phase forsterite and cordierite, as a secondary component, Zn, at least one of the at least one and a non-lead-non-alkali borosilicate glass of Mn and alkaline earth metal A composite ceramic component comprising 10% by mass in a total amount and 20% by mass or less. 前記誘電体層がコージェライトを全量中20〜40質量%の割合で含むことを特徴とする請求項1又は2記載の複合セラミック部品。3. The composite ceramic component according to claim 1, wherein the dielectric layer contains cordierite in a proportion of 20 to 40% by mass in the total amount. 前記アルミナ質絶縁層の3点曲げ強さが350MPa以上であ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複合セラミック部品。The composite ceramic component according to any one of claims 1 to 3, wherein the alumina insulating layer has a three-point bending strength of 350 MPa or more. 前記アルミナ質絶縁層が、Mnを酸化物換算で2〜15質量%、Siを酸化物換算で2〜15質量%、Mg、Ca、B、Nb、Cr及びCoのうち少なくとも1種を酸化物換算で0.1〜4質量%含むとともに、相対密度が95%以上であ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複合セラミック部品。The alumina insulating layer is an oxide of at least one of Mg, Ca, B, Nb, Cr and Co, Mn being 2 to 15% by mass in terms of oxide, Si being 2 to 15% by mass in terms of oxide 5. The composite ceramic component according to claim 1, wherein the composite ceramic component is contained in an amount of 0.1 to 4% by mass and has a relative density of 95% or more. 前記導体層、Cu10〜70体積%、WおよびMoの少なくとも一方を30〜90体積%の割合で含有す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複合セラミック部品。The composite ceramic component according to any one of claims 1 to 5, wherein the conductor layer contains 10 to 70% by volume of Cu and 30 to 90% by volume of at least one of W and Mo. フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種を含む酸化物粉末および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を全量中0.1〜10質量%の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を1200〜1500℃で焼成することを特徴とする複合セラミック部品の製造方法。Against forsterite powder and cordierite powder, Zn, in at least one of the total amount of oxide powder and lead-free, non-alkali borosilicate glass powder containing at least one of Mn and alkaline-earth metals 0.1 to 10 After applying a conductor paste to the low dielectric green sheet and alumina green sheet containing at a mass percentage, the low dielectric green sheet and the alumina green sheet are laminated, and the resulting laminate is 1200 to 1500 ° C. A method for producing a composite ceramic part, comprising firing. フォルステライト粉末及びコージェライト粉末に対して、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種を含む酸化物粉末および非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末の少なくとも一方を、全量中10質量%を超え、20質量%以下の割合で含む低誘電グリーンシート及びアルミナ質グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートとを積層し、得られた積層体を1200〜1300℃で焼成することを特徴とする複合セラミック部品の製造方法。Against forsterite powder and cordierite powder, Zn, at least one oxide powder and lead-free, non-alkali borosilicate glass powder containing at least one of Mn and alkaline earth metals, a 10 mass% in the total amount After the conductive paste is applied to the low dielectric green sheet and the alumina green sheet that are included in a proportion exceeding 20% by mass, the low dielectric green sheet and the alumina green sheet are laminated, and the obtained laminate is 1200. A method for producing a composite ceramic component, comprising firing at ˜1300 ° C. 前記低誘電グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートの積層に先立って、前記低誘電グリーンシートおよび前記アルミナ質グリーンシートの少なくとも一方にヴィアホールを形成し、該ヴィアホール中に導体ペーストを充填することを特徴とする請求項7又は8記載の複合セラミック部品の製造方法。Prior to the lamination of the low dielectric green sheet and the alumina green sheet, a via hole is formed in at least one of the low dielectric green sheet and the alumina green sheet, and a conductor paste is filled in the via hole. The method for producing a composite ceramic part according to claim 7 or 8, characterized in that: 前記コージェライト粉末を全量中20〜40質量%の割合で加えて前記低誘電グリーンシートを作製することを特徴とする請求項7乃至9のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。The method for producing a composite ceramic component according to any one of claims 7 to 9, wherein the cordierite powder is added at a ratio of 20 to 40% by mass in the total amount to produce the low dielectric green sheet. Mnが2〜15質量%、SiOが2〜15質量%、MgO、Mg(OH)、MgCO、CaO、Ca(OH)、CaCO、B、Nb、Cr及びCoのうち少なくとも1種が0.1〜4質量%、残部がアルミナ粉末となるように混合した後、成形してアルミナ質グリーンシートを作製することを特徴とする請求項7乃至10のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。Mn 2 O 3 is 2 to 15% by mass, SiO 2 is 2 to 15% by mass, MgO, Mg (OH) 2 , MgCO 3 , CaO, Ca (OH) 2 , CaCO 3 , B 2 O 5 , Nb 2 O 5 , at least one of Cr 2 O 3 and Co 3 O 4 is mixed in an amount of 0.1 to 4% by mass and the balance is alumina powder, and then molded to produce an alumina green sheet. A method for producing a composite ceramic part according to claim 7. Cu粉末を10〜70体積%、W粉末およびMo粉末の少なくとも一方を30〜90体積%の割合で混合し、前記導体ペーストを作製することを特徴とする請求項7乃至11のうちいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方法。12. The conductor paste is produced by mixing 10 to 70% by volume of Cu powder and at least one of W powder and Mo powder at a rate of 30 to 90% by volume. A method for producing the composite ceramic component as described.
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