JP4748904B2

JP4748904B2 - Glass ceramic sintered body and wiring board using the same

Info

Publication number: JP4748904B2
Application number: JP2001294748A
Authority: JP
Inventors: 信也川井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003095746A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ、多層配線基板等に適用される配線基板等に最適なガラスセラミック焼結体とそれを用いた配線基板に関するものであり、特に、銀、銅、金と同時焼成が可能であり、かつ半導体素子等の能動素子の動作時等に発生する熱を効率よく放散させるための改良に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報通信技術の急速な発達に伴い、半導体素子の高速化、大型化が進行している。そのため、半導体素子の高速化に伴い、パッケージや基板等における信号遅延の問題が大きくなっている。同時に、半導体素子の大型化に伴う発熱量の増加による、パッケージや基板等における熱抵抗の問題も大きくなっている。
【０００３】
従来より、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層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アルミナ配線基板が最も普及している。
【０００４】
ところが、従来のアルミナ配線基板では、その導体であるタングステン（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、さらにアルミナの誘電率も９〜１０程度と高いことから、信号遅延が大きいことが問題となっていた。そこで、Ｗ、Ｍｏなどの金属に代えて、銅、銀、金などの低抵抗金属を導体として使用し、さらに絶縁層の誘電率を低くすることが要求されている。
【０００５】
そのため、最近では、ガラス、または、ガラスとセラミックとの複合材料であるガラスセラミックを絶縁層として用いることにより、１０００℃以下の低温焼成を可能とし、融点の低い銅、銀、金などの低抵抗金属を導体として使用できるようにし、かつ誘電率をアルミナよりも低くすることが可能な、ガラスセラミック配線基板が開発されつつある。
【０００６】
例えば、特公平４−１２６３９号のように、ガラスにＳｉＯ₂系フィラーを添加した絶縁層と、銅、銀、金などの低抵抗金属からなる配線層とを９００〜１０５０℃の温度で同時焼成した多層配線基板や、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウ珪酸亜鉛系ガラスに、アルミナ、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ものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミック材料も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記に挙げたような従来のガラスセラミックスにおいては、熱伝導率が０．５〜１．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低く、熱放散性において従来のアルミナ等に比べて劣っていた。
【０００８】
そこで、特開昭６３−３０７１８２号や特開平４−２５４４７７号等に記載されるような、高熱伝導性を有するＡｌＮとガラスとを焼成した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提案されている。
【０００９】
しかしながら、ＡｌＮ等の非酸化物セラミックスをフィラーとして用いると、焼成中にガラスと非酸化物セラミックフィラーとが焼成中に反応し、焼成中に非酸化物セラミックフィラーが分解して、分解ガスが発生し、このガスによって磁器が膨張したり、寸法精度が上がらない等の問題があった。
【００１０】
また、磁器表面に気泡が発生したりして表面が荒れるなどの問題があり、安定して良好な磁器を得ることが難しく、歩留まりが低く、工業製品としての実用上大きな問題があり、事実上量産は困難であった。かかる現象は、特に、大気などの酸化性雰囲気中での焼成で顕著となるため、銀を導体とする配線層の形成が非常に困難であったり、銅配線を行う際に脱バインダー不良が起こり易いなどという問題があった。
【００１１】
しかも、フィラー成分としてそれ自体高熱伝導性を有するＡｌＮ等を添加してもマトリックスが低熱伝導性のガラス相のみであるために、磁器として高熱伝導化が得られにくく、しかも強度が弱いという問題があった。
【００１２】
従って、本発明は、銀、銅、金等の低抵抗金属、なかでも銀と同時焼成が可能であり、高い熱伝導率を有し、寸法精度が高いガラスセラミック組成物、焼結体、およびそれを用いた配線基板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対して鋭意検討した結果、少なくとも希土類酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含む希土類元素含有珪酸系ガラスを３０〜９５質量％と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄粉末を５〜７０質量％の割合で含有する組成物を用い、これを焼成し、焼結体として、その構成元素として少なくとも希土類元素（ＲＥ）とＳｉ、Ａｌ、Ｚｎおよび／またはＭｇとを含有し、かつ結晶相として、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種と、ＡｌＮ結晶相および／またはＳｉ₃Ｎ₄結晶相とを分散含有させた焼結体が、銀、銅、金等の低抵抗、低融点金属、なかでも銀と同時焼成を可能としつつ、ガラスと非酸化物化合物粉末との反応を抑制できるため、高い熱伝導率を有する焼結体が得られ、これにより熱放散性に優れた絶縁基板を有する配線基板が得られることを見出し、本発明に至った。
【００１７】
本発明のガラスセラミック焼結体は、希土類元素（ＲＥ）をＲＥ_２Ｏ_３換算で１〜３０質量％、ＳｉをＳｉＯ_２換算で１０〜５５質量％、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３換算で３〜３５質量％、Ｚｎおよび／またはＭｇをそれぞれＺｎＯ換算、ＭｇＯ換算で５〜３０質量％含む希土類元素含有珪酸系ガラスを３０〜９５質量％と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ _３Ｎ _４粉末を５〜７０質量％の割合で含有する組成物を焼成した焼結体であって、かつ、該焼結体は、結晶相として、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種と、ＡｌＮ結晶相および／またはＳｉ_３Ｎ_４結晶相とを含有し、相対密度が９５％以上、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、他の結晶相として、希土類元素含有結晶相が生成されていることが熱伝導率を高める上で望ましく、希土類元素含有結晶相としては、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇および／またはＲＥ₂ＳｉＯ₅であるか、さらには、ＲＥＳｉＯ₂Ｎ、ＲＥ₂Ｓｉ₃Ｏ₃Ｎ₄、ＲＥ₄Ｓｉ₂Ｏ₇Ｎ₂、ＲＥ₅Ｓｉ₃Ｏ₁₂Ｎ、ＲＥ₁₀Ｓｉ₇Ｏ₂₃Ｎ₄の群から選ばれる１種以上の酸窒化物結晶相を形成していることが望ましい。
【００１９】
さらに他の結晶相として、ムライト結晶相、コーディエライト結晶相、（Ｍ１）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相および（Ｍ２）₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相のうち少なくとも１種を含有することが望ましい。
【００２０】
そして、本発明の配線基板は、絶縁基板と、その表面および／または内部に配設された配線層を具備してなるものであり、前記絶縁基板が、上記ガラスセラミック焼結体からなることによって、金、銀、銅から選ばれる少なくも１種を配線層とし、熱放散性に優れた配線基板を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
ガラスセラミック組成物は、少なくともＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、希土類元素酸化物（以下、ＲＥ₂Ｏ₃という場合がある。）、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含む希土類元素含有珪酸系ガラスを３０〜９５質量％、特に３２．５〜８５質量％、最適には３５〜８０質量％と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ_３Ｎ_４５〜７０質量％、特に１５〜６７．５質量％、最適には２０〜６５質量％とからなるもので、かかる組成物は１０００℃以下の低温で緻密な熱伝導性に優れた焼結体を形成することができる。
【００２２】
高熱伝導性の焼結体を得る上では、組成物中に高熱伝導性を有する成分を含有していることが必要である。高熱伝導性を有する化合物としてはＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ_4、ＳｉＣ、ＢＮ等に代表される非酸化物系化合物が挙げられるが、本発明によれば、これらの非酸化物系化合物の中から、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄を選択する。これらを選択するのは、それ自体の熱伝導率が高く、また後述するガラスとの反応性が比較的低いために、焼結過程でＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄として焼結体中に残存させることが可能である。
【００２３】
こうしてガラスとの反応性の低いＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄を選択し、かつ後述するように、少なくとも希土類酸化物（ＲＥ_２Ｏ_３）、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含む希土類元素含有珪酸系ガラスと組み合わせて用いることにより、ガラスと、ＡｌＮおよび／またはＳｉ_３Ｎ_４との反応性を低く抑えることができ、分解ガスなどの発生を抑制できる。
【００２４】
各成分組成を上記範囲に限定したのは、前記希土類元素含有珪酸系ガラスが３０質量％未満、即ちＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄が７０質量％を超えると、１０００℃以下の焼成において焼結体を緻密化することが困難となり、前記希土類元素含有珪酸系ガラスが９５質量％を超える、即ちＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄が５質量％よりも少ないと、２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導化が達成できないためである。
なお、組成物中には、フィラーとして、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄以外に、ＡｌＮおよびＳｉ₃Ｎ₄の割合が上記の範囲を逸脱しない範囲において、誘電率、誘電損失、熱膨張係数、破壊強度、破壊靭性、熱伝導率等を制御する目的で、他のフィラーによって置換することも可能である。
【００２５】
そのような他のフィラーとしては、例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、ＣａＳｉＯ₃、ＳｒＳｉＯ₃、ＢａＳｉＯ₃、ＣａＺｒＯ₃、ＭｇＳｉＯ₃、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＡｌ₂Ｏ₄、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆、Ｚｎ₂Ａｌ₄Ｓｉ₅Ｏ_18、ムライト、コーディエライトの群から選ばれる少なくとも１種が挙げられ、用途に合わせて選択できる。
【００２６】
また、ガラス中には、少なくともＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＲＥ₂Ｏ₃、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含むことが必要であって、これらの成分を含有するガラスは、焼成中における非酸化物系化合物との反応性が非常に低いため、ガラスとフィラーの反応によるガスが発生し、焼結体の寸法精度の悪化や焼結体の表面での気泡発生による歩留まりの著しい低下を防ぐことが可能となる。
【００２７】
特に、希土類元素酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）は、ガラス中に含有せしめることにより、焼結体中の残留ガラス相の熱伝導率を高め、また希土類元素含有結晶相として析出させることにより、前記ガラスセラミック焼結体の熱伝導率を向上させる働きを有する。
【００２８】
より具体的には、前記希土類元素含有珪酸系ガラスの好適な組成としては、必須成分として、ＳｉＯ_２を１０〜５５質量％、特に１５〜４５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１〜３５質量％、特に３〜２５質量％、ＲＥ_２Ｏ_３を１〜３０質量％、特に２〜２０質量％、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを５〜３０質量％、特に８〜２５質量％の割合でそれぞれ含有する。
【００２９】
上記ガラスの組成を上記範囲内に制御することにより、前記非酸化物化合物粉末との反応性を抑制しつつ、後述する結晶相をガラスセラミック焼結体中に析出させることにより、高い熱伝導率とアルミナよりも低い誘電率とを同時に満足させることが可能となる。
【００３０】
また、かかるガラスは、誘電率が９以下と低いために、焼結体全体として低誘電率化も同時に達成できる。
【００３１】
さらに、前記希土類元素含有珪酸系ガラス中には、任意成分として、Ｂ₂Ｏ₃を２５質量％以下、特に２０質量％以下、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの群から選ばれる少なくとも１種をその合量で５０質量％以下、特に３５質量％以下の割合でそれぞれ含有せしめることが望ましい。上記任意成分を含有せしめると、ガラスの軟化点を低下させ、より多くの非酸化物化合物系結晶をガラスセラミック焼結体中に含有させることができ、より高い熱伝導率を得ることが出来る。
【００３２】
特に、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの群から選ばれる少なくとも１種を含有せしめることにより、さらに（Ｍ１）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相や、（Ｍ２）₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）などの結晶相を析出せしめることができ、より高い熱伝導率を達成することが可能となる。
【００３３】
一方、上記任意成分の含有量が上記範囲よりも多くなると、ガラスのガラス転移点が低温となりすぎ、焼成中にガラスの粘度が低下しすぎ、ガラスが浮きあがって焼結体表面に半球状のガラス相を形成したり、さらには、変形が著しく任意の形状を保てなくなり、焼結体の作製が困難となる場合がある。
【００３４】
さらには、上記ガラス中には、本発明から逸脱しない範囲で他の成分を含有していても差し支えない。例えば、ガラスからの析出結晶相の析出量を増加させるための核剤として、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、ＭｏＯ₃、ＣａＦ₂、ＳｎＯ₂等を含有せしめることにより、結晶化度を高め熱伝導率を向上させることが可能となる。なお、これらの他の成分の含有量は１０質量％以下、特に５質量％以下であることが望ましい。
【００３５】
ここで、上記ガラスは、そのガラス転移点（Ｔｇ）が５００〜８５０℃、特に５５０〜７５０℃の範囲内であることが望ましい。これは、ガラス転移点が５００℃より低いと焼成中のガラスの粘度が低下しすぎるために焼結体表面に半球状のガラス相ができたり、著しい変形を起たしたりする。逆に８５０℃よりも高いと、１０００℃以下の焼成にて緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【００３６】
さらに、ガラスセラミック組成物中には、酸化鉛、酸化ビスマス、アルカリ金属酸化物は、酸化物換算による合計量で０．５質量％以下、特に０．１質量％以下、最適には不可避不純物を除いて含有させないことが望ましい。これは、上記成分は、非酸化物系化合物との反応性が高く、寸法精度の悪化や気泡発生等を招き、特にアルカリ金属酸化物は絶縁性の劣化をも招くため、その含有量を極力減少させる必要があるためである。
【００３７】
一方、本発明のガラスセラミック焼結体は、構成元素として少なくともＳｉ、Ａｌ、希土類元素（以下、ＲＥと記する場合がある。）、Ｚｎおよび／またはＭｇとを含有し、かつ結晶相として、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種と、ＡｌＮ結晶相および／またはＳｉ₃Ｎ₄結晶相とを分散含有した組織からなり、その相対密度が９５％以上、特に９７％以上の緻密な焼結体からなる。
【００３８】
なお、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄の結晶相は、焼結体中に、５〜７０質量％の割合で含有されるものである。本発明によれば、ガラスとの反応性の低いＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄を選択することによって、焼結体中に残存させることができ、焼結体の高熱伝導化に寄与することができる。
【００３９】
また、本発明のガラスセラミック焼結体中には、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種の結晶相が存在することが重要である。これらの結晶相は、焼結体の熱伝導率と強度を向上させる作用を有する。ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種の結晶相は、前記組成のガラスからの析出結晶相であってもよいし、フィラーとして添加することも可能であるが、ガラスから析出させることが、より緻密な焼結体を得るのに効果的であって、熱伝導率と強度の向上効果も大きい。また、これらの結晶相が相互に固溶した、（Ｍｇ，Ｚｎ）Ａｌ₂Ｏ₄等の形で存在していても差し支えない。
【００４０】
本発明のガラスセラミック焼結体は、結晶相として、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄の結晶相およびガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種の結晶相を必須の結晶相として含有されるものであるが、この結晶相以外に、Ｓｉ、Ａｌ、希土類元素（以下、ＲＥと記する場合がある。）、Ｚｎおよび／またはＭｇを含むガラス相および／または結晶相によって形成される。特に、高熱伝導化を図る上では、できる限り結晶相を形成していることが望ましい。
そこで、本発明のガラスセラミック焼結体中において、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄結晶相およびガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイト以外の他の結晶相について説明する。
【００４１】
まず、Ｓｉ、Ａｌ、希土類元素（以下、ＲＥと記する場合がある。）、Ｚｎおよび／またはＭｇの成分のうち、ＲＥは、焼結体中の残留ガラス相の熱伝導率を高めると同時に、希土類元素を含む結晶相として析出させることにより、前記ガラスセラミック焼結体の熱伝導率を向上させる働きを有する。
そこで、第１の他の結晶相として、前記希土類元素（ＲＥ）を構成元素として含む希土類元素含有結晶相を含むことが望ましい。さらには、該希土類元素含有結晶相としては、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇および／またはＲＥ₂ＳｉＯ₅の群から選ばれる少なくとも１種のＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系結晶相が挙げられる。
【００４２】
また、第２の他の結晶相として、希土類元素および窒素（Ｎ）を含有する酸窒化物結晶相が挙げられる。このような酸窒化物結晶相としては、ＲＥＳｉＯ₂Ｎ、ＲＥ₂Ｓｉ₃Ｏ₃Ｎ₄、ＲＥ₄Ｓｉ₂Ｏ₇Ｎ₂、ＲＥ₅Ｓｉ₃Ｏ₁₂Ｎ、ＲＥ₁₀Ｓｉ₇Ｏ₂₃Ｎ₄の群から選ばれる１種以上が好適である。このような酸窒化物結晶相を焼結体中に含有せしめることにより、焼結体の熱伝導率を特に高めることが可能となると同時に、焼結体の強度を向上させることができる。
【００４３】
ここで、希土類元素（ＲＥ）としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂ、の群から選ばれる少なくとも１種であることが望ましい。これは、希土類元素のなかでも上記成分が、熱伝導率の向上に特に効果的なためであり、さらに上記成分のなかでも、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅがコストの面で比較的安価であり特に望ましい。
【００４４】
また、第３の他の結晶相として、ムライト結晶相およびコーディエライト結晶相のうち少なくとも１種を含有することが焼結体の熱伝導率と強度を向上させるために効果的である。
【００４５】
さらに、第４の他の結晶相として、（Ｍ１）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相および（Ｍ２）₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相のうち少なくとも１種を含有することが、焼結体の熱伝導率と強度の向上、特に針状に析出させることが可能であるため、強度の向上に効果的である。
【００４６】
ここで、前記第１〜第４の他の結晶相は、フィラーとして混合粉末中に添加しても差し支えないが、焼結体の相対密度を向上させると同時に、結晶化度を高め、より高い熱伝導率を得るために、ガラス中から析出させることが望ましく、さらには、その析出量や種類を制御することにより、前記ガラスセラミック焼結体の特性、例えば誘電率、誘電損失、熱膨張係数、破壊強度、破壊靭性、熱伝導率等、を制御することが可能となる。特に、より高い熱伝導率を得るためには、上記第２の他の結晶相および／または上記第４の他の結晶相を析出させることが、特に効果的である。
【００４７】
また、上記ガラスセラミック焼結体中には、前記第１〜第４の他の結晶相以外にも、本発明を逸脱しない範囲内であれば、誘電率、誘電損失、熱膨張係数、破壊強度、破壊靭性、熱伝導率等を制御する目的で、さらに第５の他の結晶相を含有していても一向に差し支えない。該第５の他の結晶相の例として、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆、Ｚｎ₂Ａｌ₄Ｓｉ₅Ｏ₁₈、ＳｒＳｉＯ₃、ＢａＳｉＯ₃、ＣａＺｒＯ₃等が挙げられ、用途に合わせて選択できる。なお、該第５の他の結晶相は、ここに例示した結晶相に限定されるものではない。
【００４８】
上記のガラスセラミック焼結体は、前記ガラスセラミック組成物を周知の方法によって所定形状に成形し、１０００℃以下、特に９５０℃以下、さらには９００℃以下の低温で焼成することによって作製することができ、得られる焼結体は、相対密度９５％以上の緻密質からなる。
【００４９】
また、上記結晶相の生成によって、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に２．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、最適には３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、また、誘電率が９以下、特に８．５以下、最適には８以下の特性を有するものである。
【００５０】
なお、この焼結体の組成としては、Ｓｉを酸化物換算で３〜５２．２５質量％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．９〜３３．２５重量％、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを１．５〜２８．５質量％、希土類元素酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）を０．３〜２８．５質量％の割合で含有することが望ましい。
【００５１】
また、この焼結体を構成する結晶相の相対的な比については、例えば、メインピークの強度から云えば、後述する実施例からも明らかなように、（Ｍ１）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）、（Ｍ２）₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄のうちの１種のメインピークが最も強く、次に、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、希土類元素含有酸化物、スピネル、ガーナイト、フォルステライトの群から選ばれる少なくとも１種のピークが強いという順である。
【００５２】
次に、上記のガラスセラミック焼結体を用いた配線基板について、半導体素子を収納搭載した半導体素子収納用パッケージを例として図１をもとに説明する。図１によれば、パッケージＡは、絶縁基板１の表面および／または内部にメタライズ配線層２が形成され、パッケージＡの下面には、複数の接続用電極３が配列されている。絶縁基板の上面中央部には、半導体素子４がガラス、樹脂等の接着剤を介して絶縁基板１に接着固定され、半導体素子４はメタライズ配線層２とボンディングワイヤ５を介して電気的に接続され、さらにその上から封止樹脂６により覆うことにより封止されている。そして、半導体素子４と、絶縁基板１の下面に形成された複数の接続用電極３とは、メタライズ配線層２を介して電気的に接続されている。
【００５３】
本発明によれば、図１に示されるようなパッケージにおける前記絶縁基板１が上記のガラスセラミック焼結体からなるものであり、特に熱伝導率が、従来のガラスセラミックの平均的な値である０．５〜１．５Ｗ／ｍ・Ｋよりも高い２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、、特に２．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、最適には３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、さらには、誘電率が９以下、特に８．５以下、最適には８以下であることが望ましい。
【００５４】
かかる配線基板は、前述したガラスセラミック組成物からなる混合粉末を用いて、適当な有機溶剤、溶媒を用いて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してビアホール導体を形成する。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を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の配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように印刷塗布する。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た後、１０００℃以下の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００５５】
特に、本発明におけるガラスセラミック焼結体は、酸化性雰囲気での焼成であってもガラスと非酸化物系化合物との反応を抑制できるために、各種配線層を銀で形成することが可能であり、その場合には有機バインダを除去する工程を４００〜６００℃の酸化性雰囲気で行い、焼成を９００℃以下、特に８５０℃以下の酸化性雰囲気で行なうことができる。また、配線層を銅で形成する場合には、有機バインダを除去する工程を７００〜８００℃のＮ₂／Ｈ₂Ｏ雰囲気にて行い、焼成を１０００℃以下のＮ₂などの非酸化性雰囲気で行なうことができる。
【００５６】
そして、この配線基板の表面には、半導体素子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、あるいはワイヤーボンディングや、ＴＡＢテープなどにより配線層と半導体素子とが接続される。
【００５７】
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るキャップをガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、半導体素子を気密に封止することができ、これにより半導体素子収納用パッケージを作製することができる。
【００５８】
【実施例】
表１の組成からなる平均粒径２μｍの７種のガラスを準備した。
【００５９】
【表１】

【００６０】
そして、これらのガラス粉末に対して、平均粒径がいずれも２μｍのＡｌＮ粉末（酸素含有量０．８質量％）、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末（酸素含有量１．１質量％）を用いて、表１の組成に従い混合した。
【００６１】
そして、この混合物に有機バインダー、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５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ²の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を大気中、５００℃で脱バインダーした後、大気中で表２の条件において焼成して絶縁基板用焼結体を得た。
【００６２】
得られた焼結体の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法（試料厚み１．５ｍｍ）にて測定した。また、アルキメデス法により焼結体の嵩密度を測定し、かつ焼結体を粉砕してＨｅ置換法にて真密度を測定し、その比（嵩密度／真密度）を相対密度として算出した。また、焼結体表面に電極を形成しＬＣＲメータを用いて静電容量を測定し比誘電率を算出した。測定の結果は表３に示した。
【００６３】
また、得られた焼結体中の結晶相をＸ線回折測定から同定し、メインピーク強度の大きい順に表３に示した。なお、ガーナイト結晶相とスピネル結晶相はピークが重なるため、ガラス中にＭｇＯとＺｎＯの両方を含む場合においては表中では区別せずにまとめてガーナイト結晶相として記述した。
【００６４】
さらに、上記のグリーンシートに対してビアホールを形成して銀ペーストを充填し、シート表面に銀ペーストを配線パターンとして印刷塗布し、また、最下層のグリーンシートの底面には、内部の配線層と導通する接続用電極層を形成した後、これを５層積層して、上記と同様な条件で焼成して３５ｍｍ角、厚み１．２ｍｍの多層配線基板をそれぞれ２００個作成した。
【００６５】
このときの、寸法ばらつきを測定し、±３５０μｍを規格とした際の寸法精度について良品率を算出した結果を表３に示した。なお、良品率９０％以上を合格とした。
【００６６】
また、一部の試料については、フィラー成分として、非酸化物系化合物粉末に代わり、コーディエライト粉末、ＺｒＯ₂粉末を用いて同様に焼結体を作製し評価した。
【００６７】
【表２】

【００６８】
【表３】

【００６９】
表１〜表３の結果から明らかなように、本発明に基づき、少なくとも希土類酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含む希土類元素含有珪酸系ガラス粉末と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄粉末を所定量混合、焼成して得られ、かつ構成相として少なくともスピネル型化合物結晶相およびＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄を含有する場合においては、相対密度が９５％以上、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い値を示し、高い寸法精度を有するガラスセラミック焼結体およびそれを用いた配線基板が得られることが分かる。
【００７０】
それに対して、ガラスが９５質量％よりも多く、さらにＡｌＮが５質量％よりも少ない試料Ｎｏ．１３においては、非酸化物系化合物による熱伝導率の向上効果が不十分となり、２Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い熱伝導率を示す。
【００７１】
一方、ガラスが３０質量％よりも少なく、さらにＡｌＮが７０質量％よりも多い試料Ｎｏ．１９においては、緻密な焼結体が得られないものであった。
【００７２】
また、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄に変えてコーディエライト、ＺｒＯ₂を用いた試料Ｎｏ．２１、２２においては、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い値にとどまった。
【００７３】
そして、ガラス粉末中に、Ｂｉ₂Ｏ₃やアルカリ金属酸化物を多量に含有するガラスＦ、Ｇを用いた試料Ｎｏ．２９〜３２においては、ガラスとＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄とが反応して発泡してしまい、まともな焼結体が得られないものであった。
【００７４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、高熱伝導率を有するガラスセラミック焼結体、およびそれを用いた配線基板を歩留まりよく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板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
１絶縁基板
２配線層
３接続用電極
４半導体素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device housing package, relates wiring board using the same and applied optimal glass ceramic sintered body to a wiring board or the like to the multilayer wiring board or the like, in particular, silver, copper, and gold The present invention relates to an improvement for efficiently dissipating heat that can be simultaneously fired and that is generated during operation of an active element such as a semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the era of advanced information technology, with the rapid development of information communication technology, the speed and size of semiconductor devices are increasing. For this reason, with the increase in the speed of semiconductor elements, the problem of signal delay in packages, substrates, and the like has increased. At the same time, the problem of thermal resistance in packages, substrates and the like due to an increase in the amount of heat generated with the increase in the size of semiconductor elements is also increasing.
[0003]
Conventionally, as a ceramic multilayer wiring board, an alumina wiring board in which a wiring layer made of a refractory metal such as tungsten or molybdenum is formed on the surface or inside of an insulating layer made of an alumina sintered body is most popular.
[0004]
However, in a conventional alumina wiring board, a refractory metal such as tungsten (W) or molybdenum (Mo), which is a conductor, has a large conductor resistance, and the dielectric constant of alumina is as high as about 9 to 10, so that The problem was the large delay. Therefore, it is required to use a low-resistance metal such as copper, silver, or gold as a conductor instead of a metal such as W or Mo, and further reduce the dielectric constant of the insulating layer.
[0005]
Therefore, recently, by using glass or glass ceramic, which is a composite material of glass and ceramic, as an insulating layer, low temperature firing at 1000 ° C. or lower is possible, and low resistance such as copper, silver, and gold having a low melting point. Glass ceramic wiring boards are being developed that allow metals to be used as conductors and that have a lower dielectric constant than alumina.
[0006]
For example, as in Japanese Patent Publication No. 4-12639, an insulating layer obtained by adding a SiO ₂ filler to glass and a wiring layer made of a low-resistance metal such as copper, silver, or gold are simultaneously fired at a temperature of 900 to 1050 ° C. Multilayered wiring boards, and those obtained by co-firing zinc borosilicate glass with fillers such as alumina, zirconia, mullite and the like with a low resistance metal as disclosed in JP-A-60-240135 have been proposed. Yes. In addition, JP-A-5-298919 also proposes a glass ceramic material in which mullite or cordierite is precipitated as a crystal phase.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional glass ceramics as described above have a low thermal conductivity of about 0.5 to 1.5 W / m · K, and are inferior to conventional alumina or the like in heat dissipation.
[0008]
Accordingly, wiring boards using glass ceramics obtained by firing AlN having high thermal conductivity and glass as described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 63-307182 and 4-254477 have been proposed. Yes.
[0009]
However, when non-oxide ceramics such as AlN are used as fillers, the glass and non-oxide ceramic filler react during firing, and the non-oxide ceramic filler decomposes during firing, generating decomposition gas. However, there have been problems such as expansion of porcelain by this gas and increase in dimensional accuracy.
[0010]
In addition, there are problems such as the generation of bubbles on the surface of the porcelain, and the surface becomes rough. It is difficult to obtain a stable and good porcelain, the yield is low, and there is a big problem in practical use as an industrial product. Mass production was difficult. This phenomenon is particularly noticeable when firing in an oxidizing atmosphere such as the atmosphere. Therefore, it is very difficult to form a wiring layer using silver as a conductor, or a debinding defect occurs when copper wiring is performed. There was a problem that it was easy.
[0011]
Moreover, even when AlN or the like having high thermal conductivity is added as a filler component, the matrix is only a low thermal conductive glass phase, so that it is difficult to obtain high thermal conductivity as a porcelain and the strength is weak. there were.
[0012]
Accordingly, the present invention is a glass ceramic composition, a sintered body, and a low-resistance metal such as silver, copper, and gold that can be co-fired with silver, have high thermal conductivity, and high dimensional accuracy. An object is to provide a wiring board using the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies on the above problems, the inventor has developed a rare earth element-containing silicate glass containing at least a rare earth oxide (RE ₂ O ₃ ), SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , ZnO and / or MgO to 30 to 30. A composition containing 95% by mass and AlN and / or Si ₃ N ₄ powder in a proportion of 5 to 70% by mass is baked to form a sintered body, and at least a rare earth element (RE) as a constituent element thereof And Si, Al, Zn and / or Mg, and the crystal phase is at least one selected from the group of garnite, spinel, forsterite and enstatite, and the AlN crystal phase and / or Si ₃ N ₄ crystal The sintered body in which the phase is dispersed and dispersed is a low resistance, low melting point metal such as silver, copper, gold, etc., and the reaction between glass and non-oxide compound powder while enabling simultaneous firing with silver. As a result, it was found that a sintered body having a high thermal conductivity was obtained, whereby a wiring board having an insulating substrate having excellent heat dissipation was obtained, and the present invention was achieved.
[0017]
In the sintered glass ceramic of the present invention, the rare earth element (RE) is 1 to 30% by mass in terms of RE ₂ O ₃ , Si is 10 to 55% by mass in terms of SiO ₂ , and Al is 3 to _{3 in} terms of Al ₂ O 3. 35% by mass, Zn and / or Mg are converted into ZnO, and 30 to 95% by mass of rare earth element-containing silicate glass containing 5 to 30% by mass in terms of MgO , and AlN and / or Si ₃ N ₄ powder is 5 to 70 %. A sintered body obtained by firing a composition containing a mass% ratio, and the sintered body is at least one selected from the group of garnite, spinel, forsterite, enstatite as a crystal phase, It contains an AlN crystal phase and / or a Si ₃ N ₄ crystal phase, and has a relative density of 95% or more and a thermal conductivity of 2 W / m · K or more.
[0018]
In addition, it is desirable that a rare earth element-containing crystal phase is generated as another crystal phase in order to increase the thermal conductivity. As the rare earth element-containing crystal phase, RE ₂ Si ₂ O ₇ and / or RE ₂ SiO ₅ may be used. Or selected from the group consisting of RESiO ₂ N, RE ₂ Si ₃ O ₃ N ₄ , RE ₄ Si ₂ O ₇ N ₂ , RE ₅ Si ₃ O ₁₂ N, and RE ₁₀ Si ₇ O ₂₃ N _4. It is desirable to form one or more oxynitride crystal phases.
[0019]
Still other crystal phases include mullite crystal phase, cordierite crystal phase, (M1) Al ₂ Si ₂ O ₈ (M1 = at least one of Ca, Sr, Ba) crystal phase and (M2) ₂ MgSi _2. It is desirable to contain at least one of O ₇ (at least one of M2 = Ca, Sr, Ba) crystal phases.
[0020]
The wiring board of the present invention includes an insulating substrate, which formed by including the surface and / or inside arranged the wiring layer, the insulating substrate, it having upper Symbol glass ceramic sintered body Thus, it is possible to obtain a wiring board excellent in heat dissipation by using at least one selected from gold, silver and copper as a wiring layer.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Glass ceramic composition is at least _SiO 2, _Al 2 _{O 3,} rare earth oxide (hereinafter sometimes referred to RE ₂ O _3.), 30~ the rare earth-containing silicate based glass containing ZnO and / or MgO 95% by weight, in particular 32.5 to 85% by weight, optimally 35 to 80% by weight, AlN and / or Si ₃ N ₄ 5 to 70% by weight, in particular 15 to 67.5% by weight, optimally 20 It consists of ˜65 mass%, and such a composition can form a dense sintered body having excellent heat conductivity at a low temperature of 1000 ° C. or lower.
[0022]
In order to obtain a sintered body having high thermal conductivity, it is necessary that the composition contains a component having high thermal conductivity. Examples of the compound having high thermal conductivity include non-oxide compounds typified by AlN, Si ₃ N _4, SiC, BN and the like. According to the present invention, among these non-oxide compounds, Select AlN and / or Si ₃ N ₄ . These are selected because of their high thermal conductivity and relatively low reactivity with glass described later, so that they remain in the sintered body as AlN and / or Si ₃ N ₄ during the sintering process. It is possible to make it.
[0023]
This will then select a lower AlN and / or Si ₃ N ₄ reactivity with glass, and as will be described later, at least a rare earth oxide _{_{_{_{(RE 2 O 3), SiO}}}} 2, Al 2 O 3, ZnO and / Alternatively, when used in combination with a rare earth element-containing silicate glass containing MgO, the reactivity between the glass and AlN and / or Si ₃ N ₄ can be kept low, and the generation of decomposition gas and the like can be suppressed.
[0024]
Each component composition is limited to the above range because the rare earth element-containing silicate glass is less than 30% by mass, that is, when AlN and / or Si ₃ N ₄ exceeds 70% by mass, sintering is performed at 1000 ° C. or less. If the rare earth element-containing silicate glass exceeds 95% by mass, that is, if AlN and / or Si ₃ N ₄ is less than 5% by mass, a high heat of 2 W / m · K or more is obtained. This is because conduction cannot be achieved.
In the composition, as a filler, in addition to AlN and / or Si ₃ N ₄ , the ratio of AlN and Si ₃ N ₄ does not deviate from the above range, permittivity, dielectric loss, thermal expansion coefficient, For the purpose of controlling the fracture strength, fracture toughness, thermal conductivity, etc., it is possible to substitute with other fillers.
[0025]
Such other fillers, for _{_{_{example, SiO 2, Al 2 O 3}}} , ZrO 2, TiO 2, ZnO, CaSiO 3, SrSiO 3, BaSiO 3, CaZrO 3, MgSiO 3, Mg 2 SiO 4, MgAl 2 O ₄ , ZnAl ₂ O ₄ , Zn ₂ SiO ₄ , CaMgSi ₂ O ₆ , Zn ₂ Al ₄ Si ₅ O _18, mullite, _and cordierite, and can be selected according to the application.
[0026]
Further, the glass must contain at least SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , RE ₂ O ₃ , ZnO and / or MgO, and the glass containing these components is a non-oxide during firing. Since the reactivity with the compound is very low, gas is generated due to the reaction between the glass and the filler, preventing the deterioration of the dimensional accuracy of the sintered body and the significant decrease in yield due to the generation of bubbles on the surface of the sintered body. It becomes possible.
[0027]
In particular, the rare earth element oxide (RE ₂ O ₃ ) is contained in the glass to increase the thermal conductivity of the residual glass phase in the sintered body and to precipitate as a rare earth element-containing crystal phase. It has a function of improving the thermal conductivity of the glass ceramic sintered body.
[0028]
More specifically, as a suitable composition of the rare earth element-containing silicate glass, as essential components, SiO ₂ is 10 to 55% by mass, particularly 15 to 45% by mass, and Al ₂ O _{3 is 1} to 35% by mass. , Especially 3 to 25% by weight, RE ₂ O ₃ 1 to 30% by weight, especially 2 to 20% by weight, ZnO and / or MgO 5 to 30% by weight, in particular 8 to 25% by weight, respectively. The
[0029]
By controlling the composition of the glass within the above range, while suppressing the reactivity with the non-oxide compound powder, by depositing a crystal phase to be described later in the glass ceramic sintered body, high thermal conductivity And a dielectric constant lower than that of alumina can be satisfied at the same time.
[0030]
In addition, since the glass has a low dielectric constant of 9 or less, it is possible to simultaneously achieve a low dielectric constant for the entire sintered body.
[0031]
Furthermore, the rare earth element-containing silicate glass contains, as an optional component, B ₂ O ₃ in an amount of 25% by mass or less, particularly 20% by mass or less, and at least one selected from the group consisting of CaO, SrO and BaO. It is desirable to contain each at a ratio of 50% by mass or less, particularly 35% by mass or less. When the above-mentioned optional components are included, the softening point of the glass is lowered, more non-oxide compound crystals can be contained in the glass ceramic sintered body, and higher thermal conductivity can be obtained.
[0032]
In particular, by containing at least one selected from the group of CaO, SrO, BaO, (M1) Al ₂ Si ₂ O ₈ (M1 = at least one of Ca, Sr, Ba) crystal phase, Crystal phases such as (M2) ₂ MgSi ₂ O ₇ (M2 = at least one of Ca, Sr, and Ba) can be precipitated, and higher thermal conductivity can be achieved.
[0033]
On the other hand, when the content of the optional component is larger than the above range, the glass transition point of the glass becomes too low, the viscosity of the glass decreases too much during firing, the glass floats up and becomes hemispherical on the surface of the sintered body. In some cases, a glass phase is formed, and further, the deformation is extremely difficult to maintain an arbitrary shape, making it difficult to produce a sintered body.
[0034]
Furthermore, the glass may contain other components without departing from the present invention. For example, by adding ZrO ₂ , TiO ₂ , WO ₃ , MoO ₃ , CaF ₂ , SnO _2, etc. as a nucleating agent for increasing the amount of precipitated crystal phase precipitated from glass, the crystallinity is increased and heat is increased. The conductivity can be improved. The content of these other components is desirably 10% by mass or less, particularly 5% by mass or less.
[0035]
Here, as for the said glass, it is desirable for the glass transition point (Tg) to be in the range of 500-850 degreeC, especially 550-750 degreeC. This is because if the glass transition point is lower than 500 ° C., the viscosity of the glass being fired is too low, so that a hemispherical glass phase is formed on the surface of the sintered body or significant deformation occurs. Conversely, when it is higher than 850 ° C., it becomes difficult to obtain a dense sintered body by firing at 1000 ° C. or lower.
[0036]
Further, in the glass ceramic composition, lead oxide, bismuth oxide, and alkali metal oxides are 0.5% by mass or less, particularly 0.1% by mass or less, optimally inevitable impurities in terms of oxide. It is desirable not to contain it. This is because the above components are highly reactive with non-oxide compounds, leading to deterioration of dimensional accuracy and generation of bubbles, etc. Especially alkali metal oxides also cause deterioration of insulation, so the content should be reduced as much as possible. This is because it needs to be reduced.
[0037]
On the other hand, the glass ceramic sintered body of the present invention contains at least Si, Al, rare earth elements (hereinafter sometimes referred to as RE), Zn and / or Mg as constituent elements, and as a crystal phase, It consists of a structure containing at least one selected from the group of garnite, spinel, forsterite and enstatite and an AlN crystal phase and / or Si ₃ N ₄ crystal phase dispersed therein, and the relative density is 95% or more, in particular 97 % Of dense sintered body.
[0038]
The crystal phase of AlN and / or Si ₃ N ₄ is contained in the sintered body at a ratio of 5 to 70% by mass. According to the present invention, by selecting AlN and / or Si ₃ N ₄ having low reactivity with glass, it can be left in the sintered body, contributing to high thermal conductivity of the sintered body. it can.
[0039]
Further, it is important that at least one crystal phase selected from the group of garnite, spinel, forsterite and enstatite is present in the glass ceramic sintered body of the present invention. These crystal phases have the effect of improving the thermal conductivity and strength of the sintered body. At least one crystal phase selected from the group of garnite, spinel, forsterite and enstatite may be a precipitated crystal phase from the glass having the above composition, or may be added as a filler. Precipitating from is effective in obtaining a denser sintered body, and also has a large effect of improving thermal conductivity and strength. Further, these crystal phases may exist in the form of (Mg, Zn) Al ₂ O ₄ or the like in which they are solid-solved with each other.
[0040]
The glass-ceramic sintered body of the present invention has a crystal phase in which at least one crystal phase selected from the group of garnite, spinel, forsterite, and enstatite is essential as a crystal phase of AlN and / or Si ₃ N _4. Although it is contained as a phase, in addition to this crystalline phase, depending on the glass phase and / or crystalline phase containing Si, Al, rare earth elements (hereinafter sometimes referred to as RE), Zn and / or Mg It is formed. In particular, in order to achieve high thermal conductivity, it is desirable to form a crystal phase as much as possible.
Therefore, the AlN and / or Si ₃ N ₄ crystal phase and other crystal phases other than garnite, spinel, forsterite and enstatite in the sintered glass ceramic of the present invention will be described.
[0041]
First, among the components of Si, Al, rare earth elements (hereinafter sometimes referred to as RE), Zn and / or Mg, RE simultaneously increases the thermal conductivity of the residual glass phase in the sintered body. By precipitating as a crystal phase containing a rare earth element, the glass ceramic sintered body has a function of improving the thermal conductivity.
Therefore, it is desirable to include a rare earth element-containing crystal phase containing the rare earth element (RE) as a constituent element as the first other crystal phase. Furthermore, examples of the rare earth element-containing crystal phase include at least one RE—Si—O-based crystal phase selected from the group of RE ₂ Si ₂ O ₇ and / or RE ₂ SiO ₅ .
[0042]
Further, as the second other crystal phase, an oxynitride crystal phase containing a rare earth element and nitrogen (N) can be cited. Such oxynitride crystal phases include RESiO ₂ N, RE ₂ Si ₃ O ₃ N ₄ , RE ₄ Si ₂ O ₇ N ₂ , RE ₅ Si ₃ O ₁₂ N, and RE ₁₀ Si ₇ O ₂₃ N ₄ . One or more selected from the group is preferred. By including such an oxynitride crystal phase in the sintered body, the thermal conductivity of the sintered body can be particularly increased, and at the same time, the strength of the sintered body can be improved.
[0043]
Here, the rare earth element (RE) is preferably at least one selected from the group consisting of Y, La, Ce, Nd, Er, and Yb. This is because among the rare earth elements, the above components are particularly effective for improving the thermal conductivity, and among these components, Y, La, and Ce are particularly inexpensive because they are relatively inexpensive. .
[0044]
In addition, it is effective to contain at least one of a mullite crystal phase and a cordierite crystal phase as the third other crystal phase in order to improve the thermal conductivity and strength of the sintered body.
[0045]
Further, as the fourth other crystal phase, (M1) Al ₂ Si ₂ O ₈ (M1 = at least one of Ca, Sr, Ba) crystal phase and (M2) ₂ MgSi ₂ O ₇ (M2 = Ca) , At least one of Sr, Ba) It is possible to improve the thermal conductivity and strength of the sintered body, in particular, to deposit in a needle shape, by containing at least one of the crystal phases. It is effective for improvement.
[0046]
Here, the first to fourth other crystal phases may be added as fillers in the mixed powder, but at the same time the relative density of the sintered body is improved and the degree of crystallinity is increased and higher. In order to obtain the thermal conductivity, it is desirable to deposit from the glass, and furthermore, by controlling the amount and type of precipitation, the characteristics of the glass ceramic sintered body, such as dielectric constant, dielectric loss, thermal expansion coefficient, etc. It is possible to control the fracture strength, fracture toughness, thermal conductivity, and the like. In particular, in order to obtain higher thermal conductivity, it is particularly effective to precipitate the second other crystal phase and / or the fourth other crystal phase.
[0047]
In addition, in the glass ceramic sintered body, in addition to the first to fourth other crystal phases, the dielectric constant, dielectric loss, thermal expansion coefficient, fracture strength are within the range not departing from the present invention. Furthermore, for the purpose of controlling fracture toughness, thermal conductivity, etc., it may be included in a single direction even if it contains a fifth other crystal phase. Examples of the fifth other crystal phase include SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , TiO ₂ , ZnO, Zn ₂ SiO ₄ , CaMgSi ₂ O ₆ , Zn ₂ Al ₄ Si ₅ O ₁₈ , SrSiO ₃ , BaSiO _3, CaZrO _3, and the like, can be selected to suit the application. The fifth other crystal phase is not limited to the crystal phase exemplified here.
[0048]
The glass ceramic sintered body can be produced by forming the glass ceramic composition into a predetermined shape by a well-known method and firing at a low temperature of 1000 ° C. or less, particularly 950 ° C. or less, and even 900 ° C. or less. The obtained sintered body is made of a dense material having a relative density of 95% or more.
[0049]
Further, due to the generation of the crystal phase, the thermal conductivity is 2 W / m · K or more, particularly 2.5 W / m · K or more, optimally 3 W / m · K or more, and the dielectric constant is 9 or less. In particular, it has a characteristic of 8.5 or less, and optimally 8 or less.
[0050]
In addition, as composition of this sintered compact, Si is ₃ to 52.25 mass% in terms of oxide, Al ₂ O ₃ is 0.9 to 33.25 wt%, ZnO and / or MgO is 1.5 to 28.5 wt%, desirably contains a rare earth element oxide (RE ₂ O ₃₎ in a proportion of 0.3 to 28.5 wt%.
[0051]
The relative ratio of the crystal phases constituting the sintered body is, for example, (M1) Al ₂ Si ₂ O ₈ ( M1 = at least one of Ca, Sr, Ba), (M2) ₂ MgSi ₂ O ₇ (M2 = at least one of Ca, Sr, Ba), AlN, one of Si ₃ N ₄ The main peak is the strongest, followed by at least one peak selected from the group consisting of AlN, Si ₃ N ₄ , rare earth element-containing oxide, spinel, garnite, and forsterite.
[0052]
Next, a wiring board using the above-mentioned glass ceramic sintered body will be described with reference to FIG. 1 by taking as an example a package for housing semiconductor elements in which semiconductor elements are housed. According to FIG. 1, the package A has a metallized wiring layer 2 formed on the surface and / or inside of an insulating substrate 1, and a plurality of connection electrodes 3 are arranged on the lower surface of the package A. The semiconductor element 4 is bonded and fixed to the insulating substrate 1 through an adhesive such as glass or resin at the center of the upper surface of the insulating substrate, and the semiconductor element 4 is electrically connected to the metallized wiring layer 2 via the bonding wires 5. Further, it is sealed by covering with a sealing resin 6 from above. The semiconductor element 4 and the plurality of connection electrodes 3 formed on the lower surface of the insulating substrate 1 are electrically connected through the metallized wiring layer 2.
[0053]
According to the present invention, the insulating substrate 1 in the package as shown in FIG. 1 is made of the above glass ceramic sintered body, and in particular, the thermal conductivity is an average value of a conventional glass ceramic. 2 W / m · K higher than 0.5 to 1.5 W / m · K, particularly 2.5 W / m · K or higher, optimally 3 W / m · K or higher, and the dielectric constant is It is desirable that it is 9 or less, particularly 8.5 or less, and optimally 8 or less.
[0054]
Such a wiring board is prepared by using a mixed powder composed of the glass ceramic composition described above, mixing with an appropriate organic solvent, a solvent, and preparing a slurry, which is a conventionally known doctor blade method or calendar roll method, or It is formed into a sheet by a rolling method or a press forming method. And after forming a through hole as needed in this sheet-like molded object, the via-hole conductor is formed by filling the metal paste containing at least 1 sort (s) of copper, gold | metal | money, and silver in a through-hole. Then, a high-frequency line pattern capable of transmitting a high-frequency signal is printed and applied on the surface of the sheet-like molded body using a metal paste so that the thickness of the wiring layer such as a screen printing method or a gravure printing method is 5 to 30 μm. Thereafter, the plurality of sheet-like molded bodies are aligned and laminated and pressure-bonded, and then fired in an oxidizing atmosphere or non-oxidizing atmosphere of 1000 ° C. or lower, whereby a wiring board can be manufactured.
[0055]
In particular, the sintered glass-ceramic in the present invention can suppress the reaction between glass and non-oxide compounds even when fired in an oxidizing atmosphere, so various wiring layers can be formed of silver. In this case, the step of removing the organic binder can be performed in an oxidizing atmosphere of 400 to 600 ° C., and the baking can be performed in an oxidizing atmosphere of 900 ° C. or lower, particularly 850 ° C. or lower. Further, when the wiring layer is formed of copper, the step of removing the organic binder is performed in an N ₂ / H ₂ O atmosphere at 700 to 800 ° C., and firing is performed in a non-oxidizing atmosphere such as N ₂ at 1000 ° C. or less. Can be done.
[0056]
A semiconductor element is mounted on the surface of the wiring board and connected to the wiring layer so that signals can be transmitted. As a connection method, the wiring layer and the semiconductor element are connected by mounting directly on the wiring layer or by wire bonding or TAB tape.
[0057]
In addition, a cap made of the same insulating material as the insulating substrate, other insulating materials, or a metal with good heat dissipation is attached to the surface of the wiring board on which the semiconductor element is mounted with an adhesive such as glass, resin, or brazing material. By bonding, the semiconductor element can be hermetically sealed, whereby a package for housing a semiconductor element can be manufactured.
[0058]
【Example】
Seven types of glass having an average particle diameter of 2 μm having the composition shown in Table 1 were prepared.
[0059]
[Table 1]

[0060]
And, with respect to these glass powders, using AlN powder (oxygen content 0.8 mass%) and Si ₃ N ₄ powder (oxygen content 1.1 mass%) both having an average particle diameter of 2 μm, Mix according to the composition of Table 1.
[0061]
Then, an organic binder, a plasticizer, and toluene were added to this mixture to prepare a slurry, and then a green sheet having a thickness of 300 μm was produced using this slurry by a doctor blade method. And 5 sheets of this green sheet were laminated | stacked, the pressure of 100 kg / cm < ² > was applied at the temperature of 50 degreeC, and thermocompression bonded. The obtained laminate was debindered at 500 ° C. in the air, and then fired in the air under the conditions shown in Table 2 to obtain a sintered body for an insulating substrate.
[0062]
The thermal conductivity of the obtained sintered body was measured by a laser flash method (sample thickness 1.5 mm). Further, the bulk density of the sintered body was measured by Archimedes method, the sintered body was pulverized and the true density was measured by the He substitution method, and the ratio (bulk density / true density) was calculated as a relative density. In addition, an electrode was formed on the surface of the sintered body, the capacitance was measured using an LCR meter, and the relative dielectric constant was calculated. The measurement results are shown in Table 3.
[0063]
Further, the crystal phases in the obtained sintered body were identified from the X-ray diffraction measurement, and are shown in Table 3 in descending order of the main peak intensity. Since the peaks of the garnite crystal phase and the spinel crystal phase overlap, when the glass contains both MgO and ZnO, they are collectively described as the garnite crystal phase without distinction in the table.
[0064]
Furthermore, via holes are formed in the above green sheet and filled with silver paste, and the silver paste is printed and applied as a wiring pattern on the surface of the sheet. After forming conductive electrode layers for conduction, five layers were laminated and fired under the same conditions as above to prepare 200 multilayer wiring boards each having a 35 mm square and a thickness of 1.2 mm.
[0065]
Table 3 shows the result of measuring the dimensional variation at this time and calculating the non-defective rate for the dimensional accuracy when ± 350 μm is standard. A non-defective product ratio of 90% or more was regarded as acceptable.
[0066]
For some samples, cordierite powder and ZrO ₂ powder were used instead of non-oxide compound powder as filler components, and sintered bodies were similarly produced and evaluated.
[0067]
[Table 2]

[0068]
[Table 3]

[0069]
As is apparent from the results of Tables 1 to ₃ , a rare earth element-containing silicate glass containing at least a rare earth oxide (RE ₂ O ₃ ), SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , ZnO and / or MgO based on the present invention. In a case where a predetermined amount of powder and AlN and / or Si ₃ N ₄ powder are mixed and fired, and contain at least a spinel compound crystal phase and AlN and / or Si ₃ N ₄ as constituent phases, It can be seen that a glass ceramic sintered body having a density of 95% or higher and a thermal conductivity of 2 W / m · K or higher and having high dimensional accuracy and a wiring board using the same are obtained.
[0070]
On the other hand, the sample No. 5 has more glass than 95% by mass and AlN less than 5% by mass. In No. 13, the effect of improving the thermal conductivity by the non-oxide compound is insufficient, and the thermal conductivity is lower than 2 W / m · K.
[0071]
On the other hand, sample No. 1 with less glass than 30% by mass and more AlN than 70% by mass. In No. 19, a dense sintered body could not be obtained.
[0072]
In addition, the sample No. using cordierite and ZrO ₂ instead of AlN and / or Si ₃ N ₄ was used. In 21 and 22, the thermal conductivity remained at a value lower than 2 W / m · K.
[0073]
Then, into a glass powder, a glass F, G containing a large amount of Bi ₂ O ₃ and alkali metal oxides Sample No. In Nos. 29 to 32, the glass and AlN and / or Si ₃ N ₄ reacted and foamed, and a proper sintered body could not be obtained.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide good glass-ceramics sintered body having a high thermal conductivity, and a wiring board using the same yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a wiring board of the present invention.
[Explanation of symbols]
A Semiconductor device housing package 1 Insulating substrate 2 Wiring layer 3 Connection electrode 4 Semiconductor device

Claims

Rare earth element (RE) 1-30 mass% in terms of RE ₂ O ₃ , Si 10-55 mass% in terms of SiO ₂ , Al 3-35 mass% in terms of Al ₂ O ₃ , Zn and / or Mg A composition containing 30 to 95% by mass of a rare earth element-containing silicate glass containing 5 to 30% by mass in terms of ZnO and MgO, and 5 to 70% by mass of AlN and / or Si ₃ N ₄ powder, respectively. The sintered body is a sintered body, and the sintered body has at least one selected from the group of garnite, spinel, forsterite, and enstatite as a crystal phase, an AlN crystal phase, and / or Si ₃ N _4. A glass-ceramic sintered body comprising a crystalline phase, having a relative density of 95% or more and a thermal conductivity of 2 W / m · K or more.

2. The glass ceramic sintered body according to claim 1, comprising the rare earth element (RE) -containing crystal phase.

The glass ceramic sintered body according to claim 2, wherein the rare earth element (RE) -containing crystal phase is RE ₂ Si ₂ O ₇ and / or RE ₂ SiO ₅ .

The glass ceramic sintered body according to claim 2, wherein the rare earth element-containing crystal phase is an oxynitride crystal phase.

The oxynitride crystal phase is selected from the group consisting of RESiO ₂ N, RE ₂ Si ₃ O ₃ N ₄ , RE ₄ Si ₂ O ₇ N ₂ , RE ₅ Si ₃ O ₁₂ N, and RE ₁₀ Si ₇ O ₂₃ N _4. The glass ceramic sintered body according to claim 4, wherein the glass ceramic sintered body is one or more kinds.

Other crystal phases include mullite crystal phase, cordierite crystal phase, (M1) Al ₂ Si ₂ O ₈ (at least one of M1 = Ca, Sr, Ba) crystal phase and (M2) ₂ MgSi ₂ O ₇ (M2 = at least one of Ca, Sr, and Ba) The glass ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 5, comprising at least one of crystal phases.

A wiring board comprising an insulating substrate and a wiring layer disposed on the surface and / or inside thereof, wherein the insulating substrate is made of the glass ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 6. A wiring board characterized by that.