JP4852778B2

JP4852778B2 - Composition for ceramic substrate and ceramic circuit component

Info

Publication number: JP4852778B2
Application number: JP17511699A
Authority: JP
Inventors: 晃白鳥; 和雄岸田; 修横倉
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: JP2001010868A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、セラミック基板用組成物およびセラミック回路部品に関するもので、特に、１０００℃以下の低温で焼結させることが可能なセラミック基板用組成物、およびそれを用いて構成される多層集積回路部品、厚膜ハイブリッド回路部品などのセラミック回路部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、セラミック基板の主流はアルミナ基板である。しかし、アルミナ基板を得るためには、約１６００℃という高温で焼成しなければならないため、アルミナ基板をもってたとえば多層回路部品を構成する場合には、内部の導体において高融点の金属を用いなければならない。ところが、高融点金属は、一般に、高抵抗であるため、高周波化および高速化の進む多層回路部品のための導体としてはふさわしくない。
【０００３】
そこで、Ａｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ｃｕなどの低抵抗の金属を内部導体として使用することを可能にする、焼成温度が１０００℃以下のガラスセラミック基板が注目され、種々開発されている。
【０００４】
たとえば、特公平３−５３２６９号公報では、重量基準で５０〜６４％のガラス粉末と５０〜３５％のＡｌ₂Ｏ₃粉末とを混合して、８００〜１０００℃で焼結し得る低温焼結セラミック基板が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなガラス仕込み量が５０％以上の基板の場合、焼成後の基板中の結晶質割合が低くなり、基板の機械的特性に対する信頼性が低い、という問題がある。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、セラミック基板用組成物およびそれを用いて構成されるセラミック回路部品を提供しようとすることである。
【０００７】
より具体的には、この発明によれば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ｃｕなどの低抵抗の金属を内部導体として用いることを可能にする、焼成温度が１０００℃以下の電子回路用セラミック基板のための組成物が提供され、この組成物を焼成して得られたセラミック基板によれば、３５０ＭＰａを超える抗折強度を実現することが可能になる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題を解決するため、この発明に係るセラミック基板用組成物は、重量比率で、ガラス粉末を３５〜３９％、およびセラミック粉末を６１〜６５％それぞれ含有し、ガラス粉末を構成するガラスが、２８〜６４重量％のＳｉＯ₂、および３６〜５０重量％のＲＯ（ただし、Ｒは、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれた少なくとも１種）を含み、さらに、Ｂ₂Ｏ₃を含む場合には３０重量％以下の含有量をもって含み、Ａｌ₂Ｏ₃を含む場合には３０重量％以下の含有量をもって含む組成を有し、かつ、ガラス粉末を構成するガラスが、Ｌｉ ₂ Ｏ、Ｋ ₂ ＯおよびＮａ ₂ Ｏから選ばれた少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物、またはＴｉＯ ₂ 、ＺｒＯ ₂ 、Ｃｒ ₂ Ｏ ₃ 、ＣａＦ ₂ およびＣｕＯから選ばれた少なくとも１種の化合物を含有する場合には、上記ＳｉＯ ₂ 、Ｂ ₂ Ｏ ₃ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ およびＲＯの合計量１００重量部に対して５重量部以下の含有量をもって含有し、セラミック粉末の平均粒径が１μｍ未満であることを特徴としている。
【０００９】
上述のように、この発明に係るセラミック基板用組成物においては、前述した従来技術の場合に比べて、セラミックの割合を多くしながら、セラミック粉末の粒径を小さくすることによって、当該組成物を焼結させて得られたセラミック基板の機械的強度を高めようとするものである。
【００１０】
一般に、ガラスおよびセラミックからなる複合材料における焼結の駆動力は、ガラスの軟化および粘性流動によってもたらされる。そのため、セラミックの割合を増やし、ガラスの割合を減らすと、セラミック粒子のまわりのガラスが不足し、焼結性および機械的強度が低下する。
【００１１】
この発明では、セラミックの割合を増やすばかりでなく、セラミック粉末の平均粒径を１μｍ未満とすることによって、ガラスおよびセラミックからなる複合材料の成形密度を高め、焼結性の低下を防止することができる。そして、焼結後の相対密度が同程度であれば、セラミックの割合が多いほど、機械的強度は高められることになる。
【００１３】
また、セラミック粉末は、アルミナ粉末を含むことが好ましい。
【００１４】
この発明は、また、上述したようなセラミック基板用組成物を成形し１０００℃以下の温度で焼成して得られた基板と、この基板に関連して形成された導電体回路とを備える、セラミック回路部品にも向けられる。この発明に係るセラミック回路部品は、基板の抗折強度が３５０ＭＰａを超えることを特徴としている。
【００１５】
このセラミック回路部品において、導電体回路は、好ましくは、Ａｇ、ＡｕおよびＣｕから選ばれた少なくとも１種の金属を主成分として含む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明は、ガラス粉末とセラミック粉末とを含有する、低温焼成可能なセラミック基板用組成物において、重量比率で、ガラス粉末を３５〜３９％、およびセラミック粉末を６１〜６５％それぞれ含有している。このような含有比率に限定したのは次の理由による。
【００１７】
ガラス粉末が３５％より少なく、セラミック粉末が６５％より多いと、ガラスがセラミック粒子を十分に覆うことができず、緻密な焼結体が得られない。逆に、ガラス粉末が３９％より多く、セラミック粉末が６１％より少ないと、得られた焼結体は緻密であっても、ガラスが支配的となるため、機械的強度が３５０ＭＰａ以下で、セラミック基板としての機械的特性の信頼性が不十分である。
【００１８】
また、この発明において、ガラス粉末を構成するガラスは、２８〜６４重量％のＳｉＯ₂ 、および３６〜５０重量％のＲＯ（ただし、Ｒは、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれた少なくとも１種）を含み、さらに、Ｂ ₂ Ｏ ₃ を含む場合には３０重量％以下の含有量をもって含み、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ を含む場合には３０重量％以下の含有量をもって含む組成を有している。このようなガラスの組成を限定したのは次の理由による。
【００１９】
ＳｉＯ₂は、ガラスの骨格をなすものである。ＳｉＯ₂の含有量が２８重量％より少ないと、ガラスの軟化点が低くなりすぎ、得られたセラミック基板の耐熱性が悪くなる。他方、６４重量％より多くなると、ガラスの軟化点が高くなりすぎ、セラミック基板を得るために１０００℃以下の温度での焼成が適用できず、その結果、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等を導電体回路を構成するための導電成分として使用できなくなる。
【００２０】
Ｂ₂Ｏ₃は、セラミック基板を得るための焼成温度を低下させる効果を有する任意の成分であるが、その含有量が３０重量％より多くなると、耐水性および耐薬品性が悪くなり、また、高温、多湿の環境下では、セラミック基板の変質が生じる可能性があり、さらに、ガラスの軟化点が低くなりすぎ、得られたセラミック基板の耐熱性を悪くしてしまう。
【００２１】
Ａｌ₂Ｏ₃は、ガラス構造を安定化させ、得られたセラミック基板の耐熱性を向上させる効果を有する任意の成分であるが、その含有量が３０重量％を超えると、ガラスの軟化・流動性が悪くなり、セラミック基板を１０００℃以下で焼結させることができず、ガラスの結晶化も阻害されて、高機械的強度かつ低損失といった特性を実現できなくなる。
【００２２】
ＲＯは、ガラスの軟化・流動性を促進させる効果を有するものであるが、その含有量が３６重量％より少ないと、ガラスの軟化点が高くなりすぎ、セラミック基板を得るために１０００℃以下の温度での焼成が適用できず、その結果、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等を導電体回路を構成するために使用できなくなる。他方、ＲＯの含有量が５０重量％を越えると、ガラス構造が不安定となって、品質の安定したガラスが得られなくなる。
【００２３】
以上のような組成を有するガラスの作製において、軟化・流動性をより促進させたい場合は、Ｌｉ₂Ｏ、Ｋ₂ＯおよびＮａ₂Ｏから選ばれた少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物を、上述したような、Ｂ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＲＯの合計量１００重量部に対して５重量部以下の含有量をもって含有させてもよい。なお、これらアルカリ金属の酸化物の含有量が５重量部を超えると、ガラスの電気絶縁性が低下するため、焼結後のセラミック基板の絶縁抵抗が低下してしまう。
【００２４】
また、焼成過程でのガラスの結晶化をより促進して、得られたセラミック基板の高機械的強度化や低損失化を進めるため、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣａＦ₂およびＣｕＯから選ばれた少なくとも１種の化合物を、前述したＢ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＲＯの合計量１００重量部に対して５重量部以下の含有量をもって含有させてもよい。なお、これらの化合物の含有量が５重量部を超えると、ガラスの誘電率が高くなるため、焼結後のセラミック基板の誘電率が高くなりすぎる、という問題がある。
【００２５】
この発明に係るセラミック基板用組成物において含有されるセラミック粉末は、平均粒径を１μｍ未満にする必要がある。セラミック粉末の平均粒径が１μｍ以上になると、ガラスとの分散性が悪く、成形密度が低いため、焼結性が低く、焼成されて得られた焼結体すなわちセラミック基板の機械的強度が３５０ＭＰａ以下となる。
【００２６】
なお、セラミック粉末としては、たとえばアルミナ粉末を有利に用いることができる。
【００２７】
以上述べたようなセラミック基板用組成物は、これを成形し焼成して得られた基板と、この基板に関連して形成された導電体回路とを備える、セラミック回路部品を製造するために有利に用いられる。
【００２８】
図１は、上述したセラミック回路部品の一例であって、この発明の一実施形態によるセラミック多層回路部品１を図解的に示す断面図である。セラミック多層回路部品１は、概略的に言えば、セラミック基板２とこのセラミック基板２の内部および／または表面に形成される導電体回路３とを備えている。
【００２９】
セラミック基板２は、上述したような組成を有するセラミック基板用組成物を含む複数のグリーンシートを積層して得られたセラミック成形体を焼成することによって得られたものであり、複数のグリーンシートの各々の焼成によってもたらされる複数のセラミック層４を備えている。
【００３０】
導電体回路３は、たとえば、Ａｇ、ＡｕおよびＣｕから選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とする導電成分を含む導電性ペーストを上述したセラミック成形体と同時に焼成することによって形成されたものである。導電体回路３は、セラミック基板２の表面に形成されるものとして、たとえば、外部導体５、６および７等を備え、また、セラミック基板２の内部に形成されるものとして、たとえば、内部導体８、９、１０、１１および１２等を備えるとともに、バイアホール接続部１３、１４、１５、１６、１７、１８および１９等を備えている。
【００３１】
内部導体８および９は、特定のセラミック層４を介して対向し、コンデンサ部２０を構成する。また、バイアホール接続部１６〜１９ならびに内部導体１０〜１２は、交互に順次接続され、インダクタ部２１を構成する。
【００３２】
【実験例】
以下に、この発明に係るセラミック基板用組成物に関して、実験例に基づき、より具体的に説明する。
【００３３】
表１には、この実験例において作製したセラミック基板用組成物の組成が示されている。
【００３４】
【表１】

【００３５】
表１に示すように、セラミック粉末として、０．７〜１．４μｍの各粒径を有するアルミナ粉末、および０．９μｍの粒径を有するフォルステライト粉末をそれぞれ用意した。
【００３６】
他方、ガラス粉末を構成するガラスとして、表１に示すガラス組成となるように秤量した出発原料となる酸化物または炭酸塩の混合物を１３００〜１７００℃の温度で溶融させ、ガラス化した後、水中にて急冷し、急冷後のガラスを、粒径が１．４μｍになるまで粉砕し、ガラス粉末を作製した。
【００３７】
なお、表１において、出発原料となるＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、およびＭｇＯ／ＣａＯ／ＳｒＯ／ＢａＯについては、これらの間での組成比率が「重量％」の単位をもって示され、Ｌｉ₂Ｏ等の「その他」の出発原料については、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、およびＭｇＯ／ＣａＯ／ＳｒＯ／ＢａＯの合計量１００重量部に対する「重量部」を単位として示されている。
【００３８】
次いで、上述のように用意された種々の粒径のセラミック粉末と種々の組成のガラス粉末とを、表１に示すような種々の割合をもって調合し、これに溶剤（エタノール／トルエン）および分散剤（ソルビタンエステル）を加えて分散処理し、さらに、バインダ（ブチラール樹脂）および可塑剤（ジオクチルフタレート）を加えて混合し、スラリーを得た。次いで、このスラリーに対してドクターブレード法を適用することによって、グリーンシートを得た。
【００３９】
次に、上述のようにして得られた各試料に係るグリーンシートに基づき、いくつかの形態の試料を作製し、表２に示すような「抗折強度」、「誘電率」、「Ｑ」、「絶縁抵抗」および「基板の外観」をそれぞれ評価した。
【００４０】
【表２】

【００４１】
まず、各試料に係るグリーンシートを所定枚数積層し、所定寸法にカットした後、表２に示す焼成温度で焼成することによって焼結体を得、これを研磨加工することによって、長さ３６ｍｍ、幅４ｍｍおよび厚み３ｍｍの寸法とした。このようにして得られた各試料に係る焼結体について、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＲ１６０１）に準じて、抗折強度（３点曲げ）を測定した。
【００４２】
また、各試料に係るグリーンシートを用いて、図１に示すようなセラミック多層回路部品１を作製した。すなわち、グリーンシートに穴を設け、Ａｇ系ペーストをこれらに充填してバイアホール接続部１３〜１９を形成した後、Ａｇ系ペーストをスクリーン印刷して所定のパターンの外部導体５〜７ならびに内部導体８〜１２を形成した。その後、セラミック層４となるべきこれらグリーンシートを所定枚数積層し、プレスした。次いで、空気中で、表２に示す焼成温度で焼成して、セラミック多層回路部品１を作製した。
【００４３】
このようにして得られたセラミック多層回路部品１における外部導体５および６の間に周波数１ＭＨｚの電圧を印加して、コンデンサ部２０の静電容量およびＱを測定し、誘電率（ε_r）を算出した。また、外部導体５および６の間に１００Ｖの電圧を印加して、絶縁抵抗を測定した。誘電率、Ｑおよび絶縁抵抗が表２に示されている。
【００４４】
また、上述のセラミック多層回路部品１の外観を観察し、そのセラミック基板２の表面にガラスが流出していないかどうかを評価した。
【００４５】
表１および表２において、試料１〜１９は、この発明の範囲内の実施例に相当し、試料２０〜３４は、この発明の範囲外の比較例に相当している。
【００４６】
表２を参照して、実施例としての試料１〜１９によれば、焼成温度が１０００℃以下において、３５０ＭＰａを超える抗折強度に達するとともに、誘電率が７．８〜８．８であり、Ｑが１４００〜２２００となり、絶縁抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍを超え、セラミック回路部品におけるセラミック基板として十分な特性を示した。
【００４７】
特に、セラミック粉末として、アルミナ粉末とフォルステライト粉末との混合粉末を用いた試料１１においても、焼成温度が１０００℃以下であって、３５０ＭＰａを超える抗折強度に達し、また、誘電率が７．８、Ｑが１４００となり、絶縁抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍを超えている。
【００４８】
また、ガラス粉末を構成するガラス中に、Ｌｉ₂Ｏ、Ｋ₂ＯまたはＮａ₂Ｏのようなアルカリ金属の酸化物を含有させた試料１２〜１４においては、ガラスの軟化温度が低下するので、アルカリ金属を含まないことを除いて同様のガラス組成を有する試料９と比較すると、ガラス添加量が少ないにもかかわらず、同じ温度で焼成できることが確認され、また、抗折強度が若干高くなった。
【００４９】
また、ガラス中に、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣａＦ₂またはＣｕＯを含有させた試料１５〜１９においては、これらの化合物を含まないことを除いて同様のガラス組成および同様のガラス／セラミック割合を有する試料１と比較して、表２には示していないが、Ｘ線回折分析によって、結晶化が促進されていることが確認された。また、この結晶化の促進により、抗折強度およびＱ値において、試料１の場合より、高い値を示した。
【００５０】
これらに対して、比較例としての試料２０および２１によれば、セラミック粉末としてのアルミナ粉末の割合が少ないため、焼結密度は高かったが、抗折強度が３５０ＭＰａ以下となった。
【００５１】
また、試料２２および２３によれば、セラミック粉末としてのアルミナ粉末の割合が多いため、成形密度ひいては焼結密度が低くなり、抗折強度が３５０ＭＰａ以下となった。特に、アルミナ粉末の割合が７０重量％というように、６５重量％を大幅に超える試料２３では、得られたセラミック基板の密度がさらに低くなるため、低いＱしか得られなかった。
【００５２】
また、試料２４〜２６によれば、セラミック粉末としてのアルミナ粉末の粒径が大きいため、成形密度ひいては焼結密度が低くなり、抗折強度が３５０ＭＰａ以下となった。特に、アルミナ粉末の粒径が１．２μｍ以上である試料２５および２６では、セラミック基板の密度がさらに低くなるため、Ｑがより低くなった。
【００５３】
また、試料２７では、ガラス中のＳｉＯ₂量が少ないため、ガラスの軟化点が低く、焼成温度を８００℃と低くしても、ガラスが基板表面から流出した。
【００５４】
他方、試料２８では、ガラス中のＳｉＯ₂量が多いため、ガラスの軟化点が高くなり、焼成温度を１０００℃と高くしても、焼結密度が低く、抗折強度も３５０ＭＰａ以下となった。
【００５５】
また、試料２９では、ガラス中のＢ₂Ｏ₃量が多いため、ガラスの軟化点が低く、焼成温度を８００℃と低くしても、ガラスが基板表面から流出した。
【００５６】
また、試料３０では、ガラス中のＡｌ₂Ｏ₃量が多いため、ガラスの軟化点が高くなり、焼成温度を１０００℃と高くしても、焼結密度が低く、抗折強度も３５０ＭＰａ以下となった。
【００５７】
また、試料３１では、ガラス中のアルカリ土類金属酸化物すなわちＲＯの含有量が少ないため、ガラスの軟化点が高く、焼成温度を１０００℃と高くしても、焼結密度が低く、抗折強度も３５０ＭＰａ以下となった。
【００５８】
他方、試料３２では、ガラス中のアルカリ土類金属酸化物すなわちＲＯの含有量が多いため、ガラスの構造が不安定で、品質の安定したガラスが得られなかった。そのため、基板の焼結性のばらつきが大きく、抗折強度も３５０ＭＰａ以下となった。
【００５９】
また、試料３３では、ガラス中のＫ₂Ｏの含有量が多いため、絶縁抵抗が１０⁹Ω・ｃｍと低く、基板の信頼性に問題があった。
【００６０】
また、試料３４では、ガラス中のＣｕＯの含有量が多いため、誘電率が９．０と高くなった。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係るセラミック基板用組成物によれば、重量比率で、ガラス粉末を３５〜３９％、およびセラミック粉末を６１〜６５％それぞれ含有しており、セラミックの割合を多くしているにもかかわらず、セラミック粉末の粒径を１μｍ未満とすることにより、ガラスとセラミックとの分散性を良好とすることができるとともに、ガラス粉末を構成するガラスが、２８〜６４重量％のＳｉＯ₂、および３６〜５０重量％のＲＯ（ただし、Ｒは、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれた少なくとも１種）を含み、さらに、Ｂ₂Ｏ₃を含む場合には３０重量％以下の含有量をもって含み、Ａｌ₂Ｏ₃を含む場合には３０重量％以下の含有量をもって含む組成を有し、かつ、ガラス粉末を構成するガラスが、Ｌｉ ₂ Ｏ、Ｋ ₂ ＯおよびＮａ ₂ Ｏから選ばれた少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物、またはＴｉＯ ₂ 、ＺｒＯ ₂ 、Ｃｒ ₂ Ｏ ₃ 、ＣａＦ ₂ およびＣｕＯから選ばれた少なくとも１種の化合物を含有する場合には、上記ＳｉＯ ₂ 、Ｂ ₂ Ｏ ₃ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ およびＲＯの合計量１００重量部に対して５重量部以下の含有量をもって含有しているので、１０００℃以下の焼成温度で、緻密な焼結体すなわちセラミック基板を得ることができる。また、このような焼結体の緻密さに加えて、セラミックの割合が高くされることも、当該組成物を焼成して得られたセラミック基板の機械的強度を高めるのに寄与している。
【００６２】
また、上述のように、この発明に係るセラミック基板用組成物によれば、１０００℃以下の焼成温度を適用することができるので、Ａｇ系やＣｕ系などの低抵抗の金属を主成分として含む導電体回路を備えるセラミック回路部品を同時焼成によって問題なく得ることができ、そのため、低誘電率、高Ｑ、および高機械的強度を有するセラミック基板を備えるセラミック回路部品を得ることが容易になる。
【００６３】
この発明に係るセラミック基板用組成物において、ガラス粉末を構成するガラスが、Ｌｉ₂Ｏ、Ｋ₂ＯおよびＮａ₂Ｏから選ばれた少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物を、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＲＯの合計量１００重量部に対して５重量部以下の含有量をもって含有していると、ガラスの軟化・流動性が促進され、当該セラミック基板用組成物におけるガラスの含有量を少なくしても、焼結温度を比較的低く維持することができる。
【００６４】
また、この発明に係るセラミック基板用組成物において、ガラス粉末を構成するガラスが、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣａＦ₂およびＣｕＯから選ばれた少なくとも１種の化合物を、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＲＯの合計量１００重量部に対して５重量部以下の含有量をもって含有していると、ガラスの結晶化が促進され、得られたセラミック基板のさらなる高機械的強度化や低損失化に寄与させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態によるセラミック多層回路部品１を図解的に示す断面図である。
【符号の説明】
１セラミック多層回路部品
２セラミック基板
３導電体回路
４セラミック層
５〜７外部導体
８〜１２内部導体
１３〜１９バイアホール接続部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a composition for a ceramic substrate and a ceramic circuit component, and in particular, a composition for a ceramic substrate that can be sintered at a low temperature of 1000 ° C. or less, and a multilayer integrated circuit component formed using the composition. The present invention relates to ceramic circuit components such as thick film hybrid circuit components.
[0002]
[Prior art]
At present, the mainstream ceramic substrate is an alumina substrate. However, in order to obtain an alumina substrate, it must be fired at a high temperature of about 1600 ° C. Therefore, when a multilayer circuit component is formed with an alumina substrate, for example, a metal having a high melting point must be used for the internal conductor. . However, refractory metals generally have high resistance and are not suitable as conductors for multi-layer circuit components whose frequency and speed are increasing.
[0003]
Accordingly, a glass ceramic substrate having a firing temperature of 1000 ° C. or less that makes it possible to use a low-resistance metal such as Au, Ag, Ag—Pd, Ag—Pt, or Cu as an internal conductor has attracted attention and has been developed in various ways. ing.
[0004]
For example, in Japanese Examined Patent Publication No. 3-53269, low temperature sintering is possible in which 50 to 64% glass powder and 50 to 35% Al ₂ O ₃ powder are mixed and sintered at 800 to 1000 ° C. on a weight basis. A ceramic substrate is described.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a substrate having a glass charge amount of 50% or more as described above, there is a problem that the crystalline ratio in the substrate after firing is low and the reliability of the mechanical properties of the substrate is low.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a composition for a ceramic substrate and a ceramic circuit component formed using the same, which can solve the above-described problems.
[0007]
More specifically, according to the present invention, it is possible to use a low-resistance metal such as Au, Ag, Ag—Pd, Ag—Pt, or Cu as an internal conductor. A composition for a ceramic substrate for circuit is provided, and according to the ceramic substrate obtained by firing this composition, it is possible to achieve a bending strength exceeding 350 MPa.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the technical problem described above, the composition for a ceramic substrate according to the present invention comprises 35 to 39% glass powder and 61 to 65% ceramic powder, respectively, by weight ratio, and constitutes glass powder. The glass contains 28 to 64% by weight of SiO ₂ and 36 to 50% by weight of RO (wherein R is at least one selected from Mg, Ca, Sr and Ba), and B ₂ O ₃ wherein with the content of 30 wt% or less in the case including, has a composition comprising with a content of 30 wt% or less in the case of including Al ₂ O _3, and the glass constituting the glass powder, Li ₂ O, an oxide of at least one alkali metal selected from K ₂ O and Na ₂ O, or _{_{_{TiO 2, ZrO 2, Cr 2}}} O 3, at least one compound selected from CaF ₂ and CuO When containing the above-mentioned SiO _2, B ₂ O _3, it contains with a Al ₂ O ₃ and the content of more than 5 parts by weight per 100 parts by weight of the total amount of the RO, the average particle size of the ceramic powder is 1μm It is characterized by being less than.
[0009]
As described above, in the composition for a ceramic substrate according to the present invention, the composition is obtained by reducing the particle size of the ceramic powder while increasing the proportion of the ceramic as compared with the case of the above-described prior art. It is intended to increase the mechanical strength of the ceramic substrate obtained by sintering.
[0010]
In general, the driving force for sintering in composite materials made of glass and ceramic is caused by softening and viscous flow of glass. Therefore, when the proportion of ceramic is increased and the proportion of glass is reduced, the glass around the ceramic particles becomes insufficient, and the sinterability and mechanical strength are lowered.
[0011]
In this invention, not only the ratio of the ceramic is increased, but also the average particle size of the ceramic powder is made less than 1 μm, thereby increasing the molding density of the composite material made of glass and ceramic and preventing the deterioration of the sinterability. it can. And if the relative density after sintering is comparable, mechanical strength will be raised, so that there are many ratios of a ceramic.
[0013]
The ceramic powder preferably contains alumina powder.
[0014]
The present invention also provides a ceramic comprising a substrate obtained by molding the ceramic substrate composition as described above and firing at a temperature of 1000 ° C. or less, and a conductor circuit formed in association with the substrate. Also directed to circuit components . The ceramic circuit component according to the present invention is characterized in that the bending strength of the substrate exceeds 350 MPa.
[0015]
In this ceramic circuit component, the conductor circuit preferably contains at least one metal selected from Ag, Au and Cu as a main component.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
This invention contains a glass powder and a ceramic powder, and the composition for a ceramic substrate that can be fired at a low temperature contains 35 to 39% glass powder and 61 to 65% ceramic powder, respectively, by weight. . The reason for limiting to such a content ratio is as follows.
[0017]
If the glass powder is less than 35% and the ceramic powder is more than 65%, the glass cannot sufficiently cover the ceramic particles, and a dense sintered body cannot be obtained. On the contrary, when the glass powder is more than 39% and the ceramic powder is less than 61%, even if the obtained sintered body is dense, the glass becomes dominant, so the mechanical strength is 350 MPa or less, and the ceramic The reliability of mechanical properties as a substrate is insufficient.
[0018]
Further, in the present invention, at least the glass constituting the glass powder is from 28 to 64 wt% of SiO _2, Contact and 36 to 50 wt% of RO (wherein, R is selected from Mg, Ca, Sr and Ba one) only contains further, when containing B ₂ O ₃ includes with the content of 30 wt% or less has a composition comprising with a content of 30 wt% or less when containing Al ₂ O ₃ ing. The reason for limiting the composition of such glass is as follows.
[0019]
SiO ₂ forms a glass skeleton. When the content of SiO ₂ is less than 28% by weight, the softening point of the glass becomes too low, and the heat resistance of the obtained ceramic substrate is deteriorated. On the other hand, if it exceeds 64% by weight, the softening point of the glass becomes too high, and firing at a temperature of 1000 ° C. or lower cannot be applied to obtain a ceramic substrate. As a result, Au, Ag, Cu, etc. can be used as a conductor circuit. It cannot be used as a conductive component for constituting.
[0020]
B ₂ O ₃ is an optional component having an effect of lowering the firing temperature for obtaining a ceramic substrate, but when its content exceeds 30% by weight, the water resistance and chemical resistance are deteriorated, In a high temperature and high humidity environment, the ceramic substrate may be deteriorated, and the softening point of the glass becomes too low, resulting in poor heat resistance of the obtained ceramic substrate.
[0021]
Al ₂ O ₃ is an optional component that has the effect of stabilizing the glass structure and improving the heat resistance of the obtained ceramic substrate. If its content exceeds 30% by weight, the glass softens and flows. As a result, the ceramic substrate cannot be sintered at 1000 ° C. or lower, and the crystallization of the glass is hindered, so that the characteristics such as high mechanical strength and low loss cannot be realized.
[0022]
RO has the effect of promoting the softening and fluidity of glass. However, if its content is less than 36% by weight, the softening point of glass becomes too high, and in order to obtain a ceramic substrate, the temperature is 1000 ° C. or lower. Firing at temperature cannot be applied, and as a result, Au, Ag, Cu, etc. cannot be used to construct a conductor circuit. On the other hand, if the RO content exceeds 50% by weight, the glass structure becomes unstable and a glass with stable quality cannot be obtained.
[0023]
In the production of the glass having the above composition, when it is desired to further promote softening and fluidity, at least one alkali metal oxide selected from Li ₂ O, K ₂ O and Na ₂ O is used. As described above, the total amount of B ₂ O ₃ , SiO ₂ , Al ₂ O ₃ and RO may be 5 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight. If the content of these alkali metal oxides exceeds 5 parts by weight, the electrical insulation of the glass is lowered, so that the insulation resistance of the sintered ceramic substrate is lowered.
[0024]
Further, in order to further promote the crystallization of the glass during the firing process and to increase the mechanical strength and the loss of the obtained ceramic substrate, TiO ₂ , ZrO ₂ , Cr ₂ O ₃ , CaF ₂ and CuO are used. You may contain at least 1 sort (s) of compound chosen from 5 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the total amount of B ₂ O ₃ , SiO ₂ , Al ₂ O ₃ and RO described above. In addition, since the dielectric constant of glass will become high when content of these compounds exceeds 5 weight part, there exists a problem that the dielectric constant of the ceramic substrate after sintering becomes high too much.
[0025]
The ceramic powder contained in the ceramic substrate composition according to the present invention needs to have an average particle size of less than 1 μm. When the average particle size of the ceramic powder is 1 μm or more, the dispersibility with glass is poor, the molding density is low, the sinterability is low, and the sintered body obtained by firing, that is, the mechanical strength of the ceramic substrate is 350 MPa. It becomes as follows.
[0026]
For example, alumina powder can be advantageously used as the ceramic powder.
[0027]
The ceramic substrate composition as described above is advantageous for producing a ceramic circuit component comprising a substrate obtained by molding and firing the composition and a conductor circuit formed in association with the substrate. Used for.
[0028]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a ceramic multilayer circuit component 1 according to an embodiment of the present invention, which is an example of the above-described ceramic circuit component. Generally speaking, the ceramic multilayer circuit component 1 includes a ceramic substrate 2 and a conductor circuit 3 formed inside and / or on the surface of the ceramic substrate 2.
[0029]
The ceramic substrate 2 is obtained by firing a ceramic molded body obtained by laminating a plurality of green sheets containing the ceramic substrate composition having the above-described composition. It comprises a plurality of ceramic layers 4 resulting from each firing.
[0030]
The conductor circuit 3 is formed, for example, by firing a conductive paste containing a conductive component mainly composed of at least one metal selected from Ag, Au, and Cu simultaneously with the ceramic molded body described above. It is. The conductor circuit 3 is formed on the surface of the ceramic substrate 2, for example, includes

external conductors

5, 6, and 7. The conductor circuit 3 is formed inside the ceramic substrate 2, for example, the internal conductor 8. 9, 9, 11, 12, etc., and via-

hole connection parts

13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, etc.
[0031]
The inner conductors 8 and 9 are opposed to each other with a specific ceramic layer 4 and constitute a capacitor unit 20. Further, the via-hole connecting portions 16 to 19 and the inner conductors 10 to 12 are alternately connected in order to constitute the inductor portion 21.
[0032]
[Experimental example]
Hereinafter, the ceramic substrate composition according to the present invention will be described more specifically based on experimental examples.
[0033]
Table 1 shows the composition of the ceramic substrate composition produced in this experimental example.
[0034]
[Table 1]

[0035]
As shown in Table 1, alumina powder having a particle size of 0.7 to 1.4 μm and forsterite powder having a particle size of 0.9 μm were prepared as ceramic powders.
[0036]
On the other hand, as the glass constituting the glass powder, a mixture of oxides or carbonates as starting materials weighed so as to have the glass composition shown in Table 1 is melted at a temperature of 1300 to 1700 ° C., and after vitrification, The glass after rapid cooling was pulverized until the particle size became 1.4 μm to produce a glass powder.
[0037]
In Table 1, for SiO ₂ , B ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ and MgO / CaO / SrO / BaO used as starting materials, the composition ratio between them is shown in units of “% by weight”. For “other” starting materials such as Li ₂ O, the unit is “parts by weight” relative to 100 parts by weight of the total amount of SiO ₂ , B ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ , and MgO / CaO / SrO / BaO. Is shown as
[0038]
Next, ceramic powders having various particle sizes prepared as described above and glass powders having various compositions were prepared at various ratios as shown in Table 1, and a solvent (ethanol / toluene) and a dispersing agent were prepared therein. (Sorbitan ester) was added for dispersion treatment, and a binder (butyral resin) and a plasticizer (dioctyl phthalate) were added and mixed to obtain a slurry. Next, a green sheet was obtained by applying a doctor blade method to this slurry.
[0039]
Next, based on the green sheet according to each sample obtained as described above, several types of samples were prepared, and “bending strength”, “dielectric constant”, “Q” as shown in Table 2 were prepared. , “Insulation resistance” and “Appearance of substrate” were evaluated.
[0040]
[Table 2]

[0041]
First, after laminating a predetermined number of green sheets according to each sample and cutting to a predetermined size, a sintered body is obtained by firing at a firing temperature shown in Table 2, and by polishing this, a length of 36 mm, The dimensions were 4 mm width and 3 mm thickness. Thus, about the sintered body concerning each sample obtained, the bending strength (three-point bending) was measured according to JIS standard (JIS R1601).
[0042]
Moreover, the ceramic multilayer circuit component 1 as shown in FIG. 1 was produced using the green sheet concerning each sample. That is, after forming holes in the green sheet and filling them with Ag-based paste to form via-hole connecting portions 13 to 19, the Ag-based paste is screen-printed to form the outer conductors 5 to 7 and the inner conductors of a predetermined pattern. 8-12 were formed. Thereafter, a predetermined number of these green sheets to be the ceramic layer 4 were laminated and pressed. Subsequently, the ceramic multilayer circuit component 1 was produced by firing at a firing temperature shown in Table 2 in air.
[0043]
A voltage having a frequency of 1 MHz is applied between the outer conductors 5 and 6 in the ceramic multilayer circuit component 1 thus obtained, and the capacitance and Q of the capacitor unit 20 are measured, and the dielectric constant (ε _r ) is determined. Calculated. Further, a voltage of 100 V was applied between the outer conductors 5 and 6, and the insulation resistance was measured. The dielectric constant, Q and insulation resistance are shown in Table 2.
[0044]
Further, the appearance of the ceramic multilayer circuit component 1 described above was observed, and it was evaluated whether or not glass was flowing out on the surface of the ceramic substrate 2.
[0045]
In Tables 1 and 2, Samples 1 to 19 correspond to examples within the scope of the present invention, and Samples 20 to 34 correspond to comparative examples outside the scope of the present invention.
[0046]
Referring to Table 2, according to Samples 1 to 19 as examples, at a firing temperature of 1000 ° C. or lower, a bending strength exceeding 350 MPa is reached, and a dielectric constant is 7.8 to 8.8. Q was 1400 to 2200, and the insulation resistance exceeded 10 ¹⁰ Ω · cm, which showed sufficient characteristics as a ceramic substrate in ceramic circuit components .
[0047]
In particular, Sample 11 using a mixed powder of alumina powder and forsterite powder as the ceramic powder also has a firing temperature of 1000 ° C. or less, a bending strength exceeding 350 MPa, and a dielectric constant of 7. 8, Q is 1400, and the insulation resistance exceeds 10 ¹⁰ Ω · cm.
[0048]
Further, in the samples 12 to 14 in which an alkali metal oxide such as Li ₂ O, K ₂ O or Na ₂ O is contained in the glass constituting the glass powder, the softening temperature of the glass is lowered. Compared with sample 9 having the same glass composition except that it does not contain an alkali metal, it was confirmed that it could be fired at the same temperature despite the small amount of glass added, and the bending strength was slightly higher. .
[0049]
Samples 15 to 19 containing TiO ₂ , ZrO ₂ , Cr ₂ O ₃ , CaF ₂ or CuO in the glass have the same glass composition and the same glass except that these compounds are not included. / Compared with Sample 1 having a ceramic ratio, although not shown in Table 2, it was confirmed by X-ray diffraction analysis that crystallization was promoted. In addition, with the promotion of crystallization, the bending strength and the Q value were higher than those of Sample 1.
[0050]
On the other hand, according to Samples 20 and 21 as comparative examples, since the ratio of the alumina powder as the ceramic powder was small, the sintered density was high, but the bending strength was 350 MPa or less.
[0051]
Further, according to Samples 22 and 23, since the ratio of the alumina powder as the ceramic powder was large, the molding density and thus the sintered density was low, and the bending strength was 350 MPa or less. In particular, in the sample 23 in which the proportion of the alumina powder was significantly higher than 65% by weight, such as 70% by weight, the density of the obtained ceramic substrate was further reduced, so that only a low Q was obtained.
[0052]
Moreover, according to the samples 24-26, since the particle size of the alumina powder as the ceramic powder was large, the molding density and thus the sintered density was low, and the bending strength was 350 MPa or less. In particular, in Samples 25 and 26 in which the particle size of the alumina powder was 1.2 μm or more, the density of the ceramic substrate was further reduced, and thus Q was lower.
[0053]
In sample 27, since the amount of SiO _{2 in} the glass is small, the glass has a low softening point, and the glass flows out of the substrate surface even when the firing temperature is lowered to 800 ° C.
[0054]
On the other hand, in Sample 28, since the amount of SiO _{2 in} the glass is large, the softening point of the glass is high, and even when the firing temperature is increased to 1000 ° C., the sintered density is low and the bending strength is 350 MPa or less. .
[0055]
In sample 29, since the amount of B ₂ O _{3 in} the glass was large, the softening point of the glass was low, and even when the firing temperature was lowered to 800 ° C., the glass flowed out from the substrate surface.
[0056]
Further, in sample 30, since the amount of Al ₂ O _{3 in} the glass is large, the softening point of the glass is high, and even if the firing temperature is increased to 1000 ° C., the sintered density is low and the bending strength is 350 MPa or less. became.
[0057]
Further, in sample 31, since the content of alkaline earth metal oxide, that is, RO in the glass is small, the softening point of the glass is high, and even if the firing temperature is increased to 1000 ° C., the sintered density is low and the bending resistance is low. The strength was also 350 MPa or less.
[0058]
On the other hand, in Sample 32, since the content of the alkaline earth metal oxide, that is, RO in the glass was large, the glass structure was unstable and a glass with stable quality could not be obtained. Therefore, the dispersion of the sinterability of the substrate was large, and the bending strength was 350 MPa or less.
[0059]
In Sample 33, since the K ₂ O content in the glass was large, the insulation resistance was as low as 10 ⁹ Ω · cm, and there was a problem in the reliability of the substrate .
[0060]
Moreover, in the sample 34, since the content of CuO in the glass was large, the dielectric constant was as high as 9.0.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the ceramic substrate composition of the present invention, the glass powder contains 35 to 39% glass powder and 61 to 65% ceramic powder, respectively, and the ceramic ratio is increased. Nevertheless, by making the particle size of the ceramic powder less than 1 μm, the dispersibility between the glass and the ceramic can be improved, and the glass constituting the glass powder is 28 to 64% by weight. SiO ₂ and 36 to 50% by weight RO (wherein R is at least one selected from Mg, Ca, Sr and Ba), and when B ₂ O ₃ is further contained, 30% by weight or less wherein with the content of, has a composition comprising with a content of 30 wt% or less in the case of including Al ₂ O _3, and the glass constituting the glass powder, Li _₂ O, K ₂ O Oyo Oxide of at least one alkali metal selected from Na ₂ O, or when containing _{_{_{TiO 2, ZrO 2, Cr 2}}} O 3, at least one compound selected from CaF ₂ and CuO, said Since it is contained with a content of 5 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the total amount of SiO ₂ , B ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ and RO , a dense sintered body at a firing temperature of 1000 ° C. or less That is, a ceramic substrate can be obtained. Further, in addition to the density of the sintered body, an increase in the proportion of ceramic also contributes to increase the mechanical strength of the ceramic substrate obtained by firing the composition.
[0062]
In addition, as described above, according to the ceramic substrate composition of the present invention, a firing temperature of 1000 ° C. or lower can be applied, and therefore a low-resistance metal such as an Ag-based or Cu-based material is included as a main component. A ceramic circuit component including a conductor circuit can be obtained without any problem by co-firing, and therefore, it becomes easy to obtain a ceramic circuit component including a ceramic substrate having a low dielectric constant, a high Q, and a high mechanical strength.
[0063]
In the ceramic substrate composition according to the present invention, the glass constituting the glass powder is composed of at least one alkali metal oxide selected from Li ₂ O, K ₂ O and Na ₂ O, SiO ₂ , B _2. If the total content of O ₃ , Al ₂ O ₃ and RO is 100 parts by weight, the glass softening and fluidity are promoted and the glass in the ceramic substrate composition is contained. Even if the content of is reduced, the sintering temperature can be kept relatively low.
[0064]
In the composition for a ceramic substrate according to the present invention, the glass constituting the glass powder is composed of at least one compound selected from TiO ₂ , ZrO ₂ , Cr ₂ O ₃ , CaF ₂ and CuO, SiO ₂ , If the content of B ₂ O ₃ , Al ₂ O _3, and RO is 100 parts by weight or less with a content of 5 parts by weight or less, the crystallization of the glass is promoted, and the resulting ceramic substrate has a higher height. This can contribute to mechanical strength and low loss.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a ceramic multilayer circuit component 1 according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic multilayer circuit component 2 Ceramic substrate 3 Conductor circuit 4 Ceramic layer 5-7 External conductor 8-12 Internal conductor 13-19 Via-hole connection part

Claims

Containing 35 to 39% glass powder and 61 to 65% ceramic powder, respectively, by weight ratio,
The glass constituting the glass powder includes 28 to 64% by weight of SiO ₂ and 36 to 50% by weight of RO (wherein R is at least one selected from Mg, Ca, Sr and Ba), Furthermore, when it contains B ₂ O ₃ , it has a composition containing 30% by weight or less, and when it contains Al ₂ O ₃ , it has a composition containing 30% by weight or less, and
The glass constituting the glass powder is at least one alkali metal oxide selected from Li ₂ O, K ₂ O and Na ₂ O, or TiO ₂ , ZrO ₂ , Cr ₂ O ₃ , CaF ₂ and CuO. In the case where it contains at least one compound selected from the group consisting of 5 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the total amount of SiO ₂ , B ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ and RO. ,
The average particle size of the ceramic powder is less than 1 μm,
A composition for a ceramic substrate.

It said ceramic powder comprises alumina powder, a ceramic substrate composition according to claim 1.

A substrate obtained by molding the composition for a ceramic substrate according to claim 1 or 2 and firing at a temperature of 1000 ° C. or less, and a conductor circuit formed in association with the substrate, Ceramic circuit parts with a bending strength exceeding 350 MPa .

The ceramic circuit component according to claim 3 , wherein the conductor circuit includes at least one metal selected from Ag, Au, and Cu as a main component.