JPH01167259A - 電子部品パッケージング用のガラスセラミック基盤、その製造方法、およびそれに用いるガラス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本願発明は集積回路のパッケージに用いる多層基盤に特
に適したガラスセラミック物質、その製造方法、および
それに用いる熱結晶性ガラスに関する。

（従来技術） 集積回路のパッケージに適した多層ガラスセラミック基
盤の製造に広く使用されている方法はテープキャスティ
ングを含む。この方法は次の９つの一般的工程から成る
。

（ｉ）所望する組成のガラス形成バッチを溶融する。

（２）その溶融物を冷却してガラスにする。

（３）そのガラスを大変細かい粒子（フリットと呼ばれ
る）に微粉砕する。

（４）　　そのフリットを水性および／または有機バイ
ンダー／白ヒクルにブレンドしてスリップまたはスラリ
ーを形成する。

（５）そのスラリーを薄い支持フィルム（通常有＝　　
４　− 機物）上に層として沈積させる（通常ドクターブレード
を用いる）。

（６）その層を乾燥する。

（７）その乾燥した層（テープと呼ぶ）を支持フィルム
から取りはずす。

（８）　　これらの層のいくつかを積み重ねて積層物を
形成する。

（９）その積層物をフリット粒子が互いに焼結して一体
物となるように焼成し、ガラスを現場で結晶化させてガ
ラスセラミックとする。

現在の多層共焼成基盤システムにおいて、穴を乾燥テー
プに打ち抜くか他の方法で形成して〔タームドブアイア
（ｔｅｒｍｅｄ　Ｖｉａ））各層間の接続を可能にし、
テープを導体および抵抗体パターンと共にメタライズし
、その後積層体を焼成する。得られた多層パッケージは
、その底面と上面にいくつかの複雑なシリコンチップを
支持できる電子システムを構成する。

Ａｇ２Ｏ３は集積回路パッケージのセラミック基盤の製
造に最も一般的に使用される材料を構成するが、このＡ
ｇ２Ｏ３は下記のような不都合な点を有する。

集積回路装置が複雑になるにつれて、つまりより多くの
能動電子素子がシリコンチップにパッケージされるにつ
れて、信号を各チップ間またはオペレーティングアプリ
ケーションへおよびオペレーティングアプリケーション
から伝達するためにシステム信号応答時間をより速くす
る必要がある。

各チップ間の信号経路を短くし、改良された電気特性、
つまりより小さい誘電率とより小さい損失係数を有する
セラミック材料を使用し、そして信号導体の抵抗を減じ
、ノイズを低減することにより、接続間の信号速度およ
び接合性を高めることができる。チップをより近接して
配するためには大変細かい、近接して配された信号路と
細かいブアイア（Ｖｉａ）を有する多層パッケージを必
要とする。高い寸法精度の表面の平滑さと平坦さは満足
な細かい経路メタライゼーションおよび満足なブアイア
の位置決めを達成するために極めて重要である。Ａｇ２
Ｏ３から作られた基盤や多層パッケージはすり、そして
研磨して平滑で平坦な表面にすることかできるが、高密
度のブアイアおよびパッドの位置決めを確実にする際に
、機械加工の困難さとＡｇ２Ｏ３の大きい熱収縮（ｚ１
８％）が問題となる。更に、周囲温度でのＡｇｚ０３の
比較的大きい誘電率（ｚ９〜１０）が混線とノイズをさ
けながら信号経路を互いに大変近接して配することを制
限し、また信号の速度を遅らせる。更に、Ａｇ２Ｏ３の
線熱膨張率がシリコンよりずっと大きいので、これらの
間の接合を確実にする際に問題が生じる。

更に、集積回路パッケージｉ＝Ａ、＆　２０３を使用す
る際の欠点として、Ａ、ＱｚＯ：＋の焼結には高い焼成
温度（≧１５００°Ｃ）が必要なため、メタライゼーシ
ョンにモリブデンやタングステンなどの高い耐熱性の金
属を使用する必要があるということである。モリブデン
およびタングステンの電気抵抗は比較的小さいが、銅、
金、および銀に比べるとかなり大きく、更にモリブデン
やタングステンは焼結前に金メツキしなければならない
。

（発明の目的） 従って本願発明の目的は、Ａ、０２０３を使用したもの
より優れた特性を示す多層パッケージの新規なセラミッ
ク基盤を提供することであり、すなわち小さい誘電率（
く５）および１０００℃未満の焼結温度を有し、余分に
すったり研磨したりすることなく平滑で平坦な表面を有
し、ブアイアおよびパッドの位置決めに優れた寸法精度
を有するセラミック基盤を提供することである。

（発明の構成） 本願発明は、ＢＰＯ，を主要結晶相として含有するガラ
スセラミックが基盤を構成する場合に前記目的が達成さ
れるという発見に基づく。

米国特許第４，５７６．９２０号は、ＢＰＯ，が主要結
晶相を構成するガラスセラミック製品の製造を開示して
いる。この特許に記載されているように、このガラスセ
ラミック製品は、酸化物の重量％基準で約５〜３５％の
Ｂ２Ｏ３，１０〜５０％のＳｉＯ２および２５〜７５％
のＰ２Ｏ５（ここでＢ２Ｏ３十Ｓ　ｉ　Ｏ，！十Ｐ２０
５　＞９０％）から成る前駆体ガラス製品を加熱処理す
ることによる調製される。

これらのガラスセラミックに関する記載にあるように、
組成中の理論的に可能なりＰＯ４のモル％と比べてこの
製品中に存在する結晶化度が大変大きいので、少くとも
その結晶化のいくらかはＳｉＯ２とＢＰＯ，の固溶体か
ら成ると考えられる。この特許中に用いられているよう
に、本明細書で使用するＢＰＯａという用語はＢＰＯ４
とＳｉＯ２の固溶体を含む。

これらのガラスセラミックの２つの特性により、これら
を集積回路パッケージ用の基盤として使用することが強
く推奨される。すなわち、その２つの特性とは、比較的
小さい熱膨張率（０〜３００°Ｃの範囲で約４５〜６５
　Ｘ　１０−’／　’Ｃ）と優れた誘電特性である。周
囲温度におけるこれらのガラスセラミックの小さい誘電
率（約４）は電子部品パッケージングの分野において特
に興味あることである。

テープキャスティングおよび米国特許第４．５７８，９
２０号に開示された範囲の組成を有するフリットの焼成
により多層集積回路パッケージを製造できる可能性を決
定するために行われた最初の実験は、ＢＰＯ，核形成が
大変有効に起こったために結晶化前のガラス粉末の流動
および稠密化が効果的に防止できたことを明らかにして
いる。このような状況は、ＢＰＯ，の結晶化を遅らせる
ため、ガラスセラミックの基本特性に悪影響を与えずに
種々の金属を添加する必要性へと導く。例えば、Ｌｉ２
０．Ｎａ２０およびに２０などのアルカリ金属酸化物の
存在が与える電気特性上の逆効果はガラスおよびセラミ
ック業界に公知である。

アルカリ土類金属酸化物、Ｍ　ｎ　Ｏ、およびＺｎＯの
実験的添加は、これらそれぞれの酸化物がＢＰＯ４の現
場結晶を著しく遅らせることを示した。事実、これらは
全て効果があり過ぎる程で、何分の１％かの添加でさえ
、この結晶化をほとんど抑えてしまう。これらの添加か
ら得られたガラス状物質は通常耐水性が悪く、約９００
〜１０００℃まで加熱されると大きな変形を起こした。

Ａｇ２Ｏ３の添加は、ＢＰＯ，より大きい熱膨張率を示
すＡ、ＱＰＯ４固溶体相の結晶化を起こさせる。更に、
フリットを焼結して高密度にするのを困難にする程結晶
化前の流動を著しく減少させる。従って、Ａｇ２Ｏ３の
添加は３％以下でなければならず、好ましくは２％未満
、最も好ましくはＬｉ２０．Ｎａ２０．ＫＺ　Ｏ，Ｍｎ
Ｏ，ＺｎＯおよびアルカリ土類金属酸化物と同様にほと
んど含まれない、すなわちもし存在しても１％未満であ
るようにする。一般に、Ｂ２０３　＋Ｐ２０５　＋Ｓｉ
Ｏ２の合計は９５％を越えることが好ましい。

少量のＳｉＯ２添加はフリットの焼結性をいくらか向上
させるが、１０００℃未満の温度で一体物の完全な稠密
化を可能にする程ではない。

５ｉＣ）Ｂの含有量を５０重量％より大きくし、Ｂ２Ｏ
３およびＰ２Ｏ５の濃度を注意深くコントロールするこ
とにより、約８７５〜１０００℃の温度で焼成した際に
優れた焼結性を示すフリットを調製できることがわかっ
た。ガラスは現場で結晶化してＢＰＯ４を主要結晶相と
して含むガラスセラミックを与える。本願発明の製品は
２５〜３００℃の範囲で３０×１０−７／℃より大きく
約４５ＸｌＯ−７／℃未満の線熱膨張率、および室温で
５未満、通常３〜４の範囲の誘電率を示す。従ってこの
線熱膨張率はシリコンとそれに近く、この２つの物質量
で良好な接合を可能にする。更に、この小さい誘電率は
回路素子間の混線やノイズのない高密度の回路構成を可
能にする。更に、高いレベルのＳ　ｉ　０２は良好な耐
水性を示すフリットや最終製品を与える。

テープキャスティングに用いるフリットのような粉末状
のガラスを扱う際は湿気に対する耐性が特に重要である
。最終製品が細粒状のガラクセラミックなので、平滑で
平坦な表面を得るために余分な仕上げをする必要がない
。

本願発明のガラスは酸化物の重量％基準で約１０〜２５
％のＢ２Ｏ３，２０〜４０％のＰ２Ｏ５および〉５０〜
６５％のＳｉＯ２から成る。ガラスセラミック体は、こ
れらの範囲の組成を有するフリットから、次の４つの一
般的工程に従って調製し得る。

（ｉ）所望する組成のガラスを得るだめのバッチを溶融
する。

（２）その溶融物をその転移範囲より低い温度ま＝　　
１２　− で冷却し、同時に所望の形状のガラス体を成形する。

（３）そのガラス体をフリットに微粉砕する。

（４）そのフリットを約８７５〜１０００℃の温度で焼
結し現場で結晶化して細粒状で実質的に非多孔性のガラ
スセラミック一体物を形成する。

ここで、転移範囲とは溶融した溶融物がアモルファス固
体に転換する温度として定義され、通常ガラスのアニー
ル点付近にあると考えられている。

フリットが所望されるため、溶融物はしばしば細い流れ
として冷水のバッチに注ぎ込まれ、得られたガラスの粒
子は更に必要な粒径に微粉砕される。このプラスチイス
を“トリゲージング（ｄｒｉｇａｇｉｎｇ）　”と呼ぶ
。

好ましい組成は、酸化物の重量％基準で約１５〜２５％
のＢ２Ｏ３，２５〜３５％のＰ２Ｏ５および５２〜６０
％のＳｉＯｚ（ここでＢ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５＋５ｆ０２＞
９５％）から成る。

（実　施　例） 本願発明を実施例に基づいて更に詳細に説明す表１は本
願発明のガラス組成を酸化物の重量部で示している。こ
こで個々の成分の合計がほとんど１００に近いので、便
宜上、重量％を表わしていると見なしてさしつかえない
。実際のバッチ成分は、溶融した際に適切な割合の所望
する酸化物に変換される酸化物または他の化合物から構
成し得る。例えば、ホウ酸はＢ２Ｏ３の供給源となる。

バッチを混ぜ合わせ、ボールミルして均一な溶融物を得
やすいようにし、シリカるつぼに充填した。次にそのる
つほにふたをし、約１６００℃で作動している炉に導入
し、バッチを約２〜４時間溶融した。いくらかの溶融物
をガラススラブにキャストし、これらのスラブを６′　
（χ１５０＋ｎｍ）幅、０．２５’　　（：；Ｂ、２５
ｍｍ）厚のガラスシートに圧延し、直ちに約６００℃で
作動するアニーラ−にラフした。

他の溶融物は比較的薄い流れとして水槽中に注ぎ込み、
溶融したガラスを小さな粒子に急冷した（トリゲージ）
。

前記の記載は研究室の実験によるものだが、この組成を
工業用の大きなスケールによるガラス製造設備および技
術を用いて溶融し、成形できることは明らかである。

表　　　　１ ＳｉＯ２４９，８５３，１５４，１５Ｇ、７Ｐ２０５３
３．７３Ｌ、４２８．５２８．８Ｂ２Ｏ３１Ｂ、５１５
．４１７．４１８．４Ｓｉ０２５４．９５７Ｊ　５９．
４５Ｂ、ＩＦ５０ｓ　２Ｇ、０２４．６２３．４２２．
１Ｂ２０３１９．Ｌ　１８．１．１７．２２１．７ガラ
スシートおよび／またはトリゲージしたガラス粒子を砕
き、粉砕して約３〜１０ミクロンのメジアン粒径を有す
るフリットとした。このフリットを有機バインダー／ビ
ヒクルと（固体：有機バインダー／ビヒクルの重量比が
１：１）ボールミル中で２４時間混合した。この有機バ
インダー／ビー　　１５　　＝ ヒクルは、バインダー（ポリビニルブチラール）、溶剤
（トルエン）、および界面活性剤（リン酸エステル）か
ら構成した。得られたスリップを、０．０２５　’　　
に　Ｏ，８２５ｍｍ）のドクターブレードを用いて０．
００２’　　（：；　０．０５１＋ｎｍ）の厚さを有す
るシリコーン被覆ポリエステル支持フィルムに連続的に
施した。この被覆フィルムを空気中、室温（ｚ２５℃）
で乾燥し、有機溶剤を蒸発させて約０．００７’−０，
００９’　　（：０．１８〜０．２４ｍｍ）の厚さの生
テープを得た。生テープとは、その上にある粒子は乾燥
しであるが、焼結するために焼成されていないことを表
わしている。

粒子の層を支持フィルムからはがし、約３’　ｘ３’　
　（：；７５ｍｍＸ７５＋＋＋＋ｎ）の正方形に切断し
、その正方形６個を重ね合わせた。この正方形を重ね合
わせる際、それぞれ次のシートを９０°反時計方向にま
わし、重ね合わせるうちに累積される端どうしの厚みの
違いをへらした。この重ね合わせた物を７５℃で作動し
ている乾燥オーブンに入れ、約１５分間その中に置いて
予備加熱した。次に、この重ね＝　１７− 合わせ物を、７５°Ｃまで加熱された定盤を有するホッ
トプレスに入れ、２５００ｐｓｉ（：　１７６ｋｇ／ｃ
Ｊ）の圧力で１５秒間プレスした。次に重ね合わせ物を
プレスからはずし、ひっくり返して９０°まわし、７５
℃、２５００ｐｓｉ（χ１７６ｋｇ／ｃＪ）で更に１５
秒間プレスした。

この再プレスは加えられる負荷の不均一性を減少させる
。得られた積層物は約０．０５０’　　（ＩＩ；１．２
５ｍｍ）の厚さを有していた。

表２は、はぼ完全な密度と現場でのＢＰＯ，の結晶化を
達成するために積層物を焼結した温度を示している。そ
れぞれの例について、温度を約３００°Ｃ／時の割合で
上げていき、示された温度に１時間保った。結晶化した
積層物を試料に切断し、この試料について２５〜３００
°Ｃの温度における×１０−７／°Ｃで表わした線熱膨
張率、室温（χ２５０Ｃ）　、１００ｋＨｚでの誘電率
、および室温（χ２５°Ｃ）、１００ｋＨｚでの損失係
数をテストした。

表　　　　　２ 焼結温度　１０００°Ｃ１０００°Ｃ１０００°ｃ　　
　１ｏｏｏ’ｃ線熱膨張率　　４５．３　　　　４４．
０　　　　４２．８　　　　４１．１誘電率　３．９２
　　３．８１　　３，７０　　３．８３損失係数＜　０
．０００５　　＜　０．０００５　　＜　０．０００５
　　＜　０．［１００５焼結温度　１０００６Ｃ１００
０℃　　１０００°ｃ　　　１ｏｏｏ℃線熱膨張率　　
４１．８　　　　４０．６　　　　　’ｉ、６　　　　
４０．７誘電率　−３，５３３，７１３，５３ 損失係数　　−＜　０．０００５　　＜　０．０００５
　　＜　０．０００５組成のコントロールが重要である
ことは例１が示す物性から明らかである。つまり、低い
レベルのＳ　ｉ　０２は所望する線熱膨張率より高い線
熱膨張率を示すことがわかる。

例７が最も好ましい組成であると考えられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）フリットの形態をしており、１０００℃未満の温度
   で焼結し、現場で結晶化してＢＰＯ＿４を主要結晶相と
   して含有するガラスセラミック一体物になることができ
   、約３０〜４５×１０＾−＾７／℃の範囲の線熱膨張率
   および５未満の誘電率を示し、酸化物の重量％基準で約
   １０〜２５ｗｔ％のＢ＿２Ｏ＿３、２０〜４０ｗｔ％の
   Ｐ＿２Ｏ＿５、および＞５０〜６５ｗｔ％のＳｉＯ＿２
   から成る熱結晶性ガラス。 ２）１５〜２５ｗｔ％のＢ＿２Ｏ＿３、２５〜３５ｗｔ
   ％のＰ＿２Ｏ＿５および５２〜６０ｗｔ％のＳｉＯ＿２
   （ここでＢ＿２Ｏ＿３＋Ｐ＿２Ｏ＿５＋ＳｉＯ＿２＞９
   ５ｗｔ％）から成ることを特徴とする請求項１記載の熱
   結晶性ガラス。 ３）約３０〜４５×１０＾−＾７／℃の範囲の線熱膨張
   率および５未満の誘電率を示し、主要結晶相として ＢＰＯ＿４を含み、酸化物の重量％基準で約１０〜２５
   ％のＢ＿２Ｏ＿３、２０〜４０％のＰ＿２Ｏ＿５および
   ＞５０〜６５％のＳｉＯ＿２から成る組成を有するガラ
   スセラミック体。 ４）１５〜２５％のＢ＿２Ｏ＿３、２５〜３５％のＰ＿
   ２Ｏ＿５および５２〜６０％のＳｉＯ＿２（ここでＢ＿
   ２Ｏ＿３＋Ｐ＿２Ｏ＿５＋ＳｉＯ＿２＞９５％）から成
   る組成を有することを特徴とする請求項３記載のガラス
   セラミック体。 ５）約３０〜４５×１０＾−＾７／℃の線熱膨張率およ
   び５未満の誘電率を示し、主要結晶相としてＢＰＯ＿４
   を含み、酸化物の重量％基準で約１０〜２５％のＢ＿２
   Ｏ＿３、２０〜４０％のＰ＿２Ｏ＿５および＞５０〜６
   ５％のＳｉＯ＿２から成る組成を有するガラスセラミッ
   ク物質から構成される電子部品パッケージング用の基盤
   。 ６）前記ガラスセラミック物質が１５〜２５％のＢ＿２
   Ｏ＿３、２５〜３５％のＰ＿２Ｏ＿５および５２〜６０
   ％のＳｉＯ＿２（ここでＢ＿２Ｏ＿３＋Ｐ＿２Ｏ＿５＋
   ＳｉＯ＿２＞９５％）から成る組成を有することを特徴
   とする請求項５記載の電子部品パッケージング用の基盤
   。 ７）（ａ）酸化物の重量％基準で約１０〜２５％のＢ＿
   ２Ｏ＿３、２０〜４０％のＰ＿２Ｏ＿５および＞５０〜
   ６５％のＳｉＯ＿２から成るガラス用のバッチを溶融し
   、 （ｂ）該溶融物を少くともその転移範囲より低い温度で
   冷却し、同時にその溶融物を所望の形状のガラス体に成
   形し、 （ｃ）該ガラス体をフリットに微粉砕し、 （ｄ）該フリットを水性および／または有機バインダー
   ／ビヒクルに混合してスリップを形成し、（ｅ）該スリ
   ップを薄い支持フィルム上に層として沈積させ、 （ｆ）該フィルム上の層を乾燥し、 （ｇ）該乾燥した層を該フィルムから取りはずし、（ｈ
   ）該乾燥した層を所望の寸法のシートに切断し、 （ｉ）所望の数のシートを積み重ねて積層物を形成し、
   そして （ｊ）フリット粒子が互いに焼結して一体物となり、ガ
   ラスが現場で結晶化してＢＰＯ＿４を主要結晶相として
   含有するガラスセラミックになるのに十分な時間、約８
   ７５〜１０００℃で前該積層物を焼成する、 の各工程から成る、電子部品パッケージング用の多層ガ
   ラスセラミック基盤を製造する方法。 ８）前記ガラスが１５〜２５％のＢ＿２Ｏ＿３、２５〜
   ３５％のＰ＿２Ｏ＿５および５２〜６０％のＳｉＯ＿２
   （ここでＢ＿２Ｏ＿３＋Ｐ＿２Ｏ＿５＋ＳｉＯ＿２＞９
   ５％）から成ることを特徴とする請求項７記載の電子部
   品パッケージング用の多層ガラスセラミック基盤を製造
   する方法。