JPH0283255A - Multi-layer circuit board using mullite-based ceramic material and semiconductor module - Google Patents

Multi-layer circuit board using mullite-based ceramic material and semiconductor module

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JPH0283255A
JPH0283255A JP63234993A JP23499388A JPH0283255A JP H0283255 A JPH0283255 A JP H0283255A JP 63234993 A JP63234993 A JP 63234993A JP 23499388 A JP23499388 A JP 23499388A JP H0283255 A JPH0283255 A JP H0283255A
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JP
Japan
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mullite
circuit board
ceramic
oxide
multilayer circuit
Prior art date
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Application number
JP63234993A
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Japanese (ja)
Inventor
Kousei Nagayama
永山 更成
Nobuyuki Ushifusa
信之 牛房
Kozo Sakamoto
坂元 耕三
Satoru Ogiwara
荻原 覚
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To form a high-strength ceramic material of mullite base suitable as multi-layer circuit board material of ceramics by blending mullite as a main component with a specific amount of at least one of Cr oxide, Mn oxide and compound oxide thereof. CONSTITUTION:This mullite-based ceramic material consists of 0.1-10wt.% at least one of Cr oxide, Nn oxide and compound oxide thereof and the rest of mullite and unavoidable impurities. A ceramic layer and a wiring conductor layer are alternately laminated, the wiring conductor layers are electrically connected by a through-hole conductor to give a ceramic multi-layer circuit board, which is loaded with a semiconductor element to give a semiconductor module. In the ceramic multi-layer circuit board and the semiconductor module, a sintered material of the abovementioned mullite-based ceramic material is used as the ceramic layer.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ムライト系セラミック材料に関する。[Detailed description of the invention] [Industrial application field] The present invention relates to mullite-based ceramic materials.

このムライト系セラミック材料は、電気信号の入出力用
のためのピンを取り付けたり半導体部品を搭載して機能
モジュールを構成するのに好適なセラミック絶縁基板に
用いられ、また、半導体パッケージの封止部の熱膨張の
緩衝材(スペーサ)にも用いられる。
This mullite-based ceramic material is used for ceramic insulating substrates that are suitable for attaching pins for inputting and outputting electrical signals and for mounting semiconductor components to form functional modules, and is also used for the sealing part of semiconductor packages. It is also used as a buffer material (spacer) for thermal expansion.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、LSI等の集積回路の高速化、高密度化に伴って
、放熱や素子の高速化を図るために回路基板上に直接チ
ップを実装する方式が用いられている。この基板は、従
来、アルミナによって構成されていた。これは、アルミ
ナが高い強度をもつため、ピン等を取り付けるに際し、
割れ等の問題が生じないためである。
2. Description of the Related Art In recent years, as integrated circuits such as LSIs have become faster and more dense, a method of mounting chips directly on a circuit board has been used in order to dissipate heat and increase the speed of elements. This substrate has conventionally been made of alumina. This is because alumina has high strength, so when attaching pins etc.
This is because problems such as cracking do not occur.

しかし、この実装方式では、LSI等の集積回路のサイ
ズが大きくなるにつれて、LSI等の集積回路材料と回
路基板材料との間で実装時の温度変化によって生じる応
力が大きくなるという問題があった。すなわち、現在の
セラミック多層回路基板の主流であるアルミナ(AQ2
03)は、アルミナ自身の熱膨張係数がLSI等の集積
回路材料であるシリコンの熱膨張係数30 X 10−
7/℃(室温から500℃)に比べ、二倍以上大きい値
を示している。このため、アルミナ系多層回路基板へL
SI等のシリコン半導体チップを直接ハンダ等で接続す
る場合、ハンダ接続部に熱膨張係数差に伴う熱応力が発
生し、この部分で割れ等の欠陥が生じ実装の長寿命が得
られない問題がある。
However, this mounting method has a problem in that as the size of an integrated circuit such as an LSI increases, the stress generated between the integrated circuit material such as an LSI and the circuit board material due to temperature changes during mounting increases. In other words, alumina (AQ2), which is the mainstream of current ceramic multilayer circuit boards,
03), the thermal expansion coefficient of alumina itself is 30 x 10-
7/°C (from room temperature to 500°C), this value is more than twice as large. For this reason, the L
When silicon semiconductor chips such as SI are directly connected with solder, etc., thermal stress occurs at the solder joint due to the difference in coefficient of thermal expansion, which causes defects such as cracks and reduces the long life of the mounting. be.

特に、LSIチップの大型化、高密度化によるハンダ接
続部の微細化は、実装寿命をますます悪化させる傾向に
ある。また、アルミナでは誘電率が高く電気信号の伝播
速度が遅くなるという問題がある。これらの問題を解決
するには、多層回路基板の熱膨張係数をシリコンに近づ
け、多層回路内の電気信号の伝播速度の高速化を図るた
め、低比誘電率で高強度の基板材料を開発する必要があ
る。
In particular, the miniaturization of solder joints due to the increase in size and density of LSI chips tends to further worsen the mounting life. In addition, alumina has a high dielectric constant and has a problem in that the propagation speed of electrical signals is slow. To solve these problems, we need to develop substrate materials with low relative permittivity and high strength in order to bring the coefficient of thermal expansion of multilayer circuit boards closer to that of silicon and increase the propagation speed of electrical signals within multilayer circuits. There is a need.

この要請を満足する材料としてムライト系セラミックが
考えられる。それは、ムライトの熱膨張係数が40〜5
5X10”/’C(室温〜500’C)とシリコンの熱
膨張係数に近く、且つ、比誘電率が約6.7(LMHz
)と小さいためである。
Mullite ceramics can be considered as a material that satisfies this requirement. It is because the coefficient of thermal expansion of mullite is 40 to 5.
It has a coefficient of thermal expansion of 5X10''/'C (room temperature to 500'C), which is close to the coefficient of thermal expansion of silicon, and a relative permittivity of approximately 6.7 (LMHz
) and small.

しかし、ムライトのみ多層回路板を作製した場合、アル
ミナ系多層回路板に用いられている焼成温度1600℃
付近では、焼結が不十分なため多孔質となり、強度が小
さい焼結体しか得られないという問題がある。従って、
緻密質のムライト焼結体を得るには、さらに、高温で焼
成しなければならないが、量産上1種々の問題がある。
However, when making a multilayer circuit board using only mullite, the firing temperature used for alumina multilayer circuit boards is 1600°C.
There is a problem in that the sintered body in the vicinity becomes porous due to insufficient sintering, and only a sintered body with low strength can be obtained. Therefore,
In order to obtain a dense mullite sintered body, it must be fired at a high temperature, but this poses various problems in terms of mass production.

そこで、アルミナ系セラミック材料と同等の焼成温度で
焼結でき、高い強度のムライト系材料の開発が必要であ
った。このようなムライト系材料としてムライトとガラ
スとからなる複合材料が存在する(特開昭57−115
895号公報記載)。この従来例は、ガラス組成として
、たとえば、コージェライト(2MgO−ZAQz○a
・5sioz)より構成されている。従来のムライト系
材料は、ムライト結晶がガラス、又は、ガラスから生成
する結晶により結合されたものである。
Therefore, it was necessary to develop a high-strength mullite-based material that can be sintered at the same firing temperature as alumina-based ceramic materials. As such a mullite-based material, there is a composite material consisting of mullite and glass (Japanese Patent Application Laid-Open No. 115-1989)
(described in Publication No. 895). In this conventional example, the glass composition is, for example, cordierite (2MgO-ZAQz○a
・5sioz). In conventional mullite-based materials, mullite crystals are bonded by glass or crystals produced from glass.

従って、材料の強度はムライト結晶を結合するガラス、
又は、ガラスから生成される結晶に左右される。
Therefore, the strength of the material is the glass that binds the mullite crystals,
Or it depends on the crystals produced from the glass.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかし、従来の材料の強度は最大150 M P a程
度である。つまり、従来技術はムライトを用い、アルミ
ナの焼成温度と同等の温度で焼結可能にするためのガラ
ス組成の開発、ムライト自身の比誘電率が低い、熱膨張
係数がシリコンに近いという点に着目して開発されたも
ので、ムライト系材料の高強度化は目的ではなく、その
面に対しては検討がなされていない。
However, the strength of conventional materials is only about 150 MPa at maximum. In other words, the conventional technology uses mullite, develops a glass composition that enables sintering at a temperature equivalent to that of alumina, and focuses on the fact that mullite itself has a low dielectric constant and a coefficient of thermal expansion close to that of silicon. The purpose was not to increase the strength of mullite-based materials, and no studies have been conducted on that aspect.

従って、強度の小さいムライト系材料を多層回路基板に
適用すると、多層回路板に電気信号用の入出力用ピンを
、ろう付は等で接続した際、ろう材料と多層回路との熱
膨張係数差により発生する応力により、配線板に割れ等
の欠陥が発生し、高信頼性の配線板が得られない問題は
そのまま残る。
Therefore, if a mullite-based material with low strength is applied to a multilayer circuit board, when electrical signal input/output pins are connected to the multilayer circuit board by brazing, etc., there will be a difference in the coefficient of thermal expansion between the brazing material and the multilayer circuit. The stress generated by this causes defects such as cracks in the wiring board, and the problem of not being able to obtain a highly reliable wiring board remains.

本発明の目的は、高強度のムライト系セラミック材料、
及び、それを用いた半導体装置を提供することにある。
The object of the present invention is to provide a high-strength mullite ceramic material,
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device using the same.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

従来のムライトにガラス組成を添加している材料につい
てガラスの添加量、ガラス材料の組成等について検討し
たが、強度向上にそれほど大きな影響を与えないという
ことがわかった。次に、種々の酸化物系について検討し
た結果、Cr酸化物Mn酸化物、又は、それらの複合酸
化物の中の少なくとも、一種を添加したムライト系セラ
ミック材料は、アルミナ系材料で用いられている焼成温
度1600℃で焼結が十分なされていることが、焼結体
の収縮率等から判明した。
We investigated the amount of glass added, the composition of the glass material, etc. for conventional materials in which glass composition is added to mullite, and found that they do not have a significant effect on strength improvement. Next, as a result of examining various oxide systems, it was found that mullite-based ceramic materials containing at least one of Cr oxide, Mn oxide, or their composite oxides are used in alumina-based materials. It was found from the shrinkage rate of the sintered body that sintering was sufficient at the firing temperature of 1600°C.

本発明はかかる知見によりなされたものであり、その構
成はCr酸化物、Mn酸化物、又は、それらの複合酸化
物の中の少なくとも一種を0.1〜10重量%、残部が
ムライト、及び、不可避不純物からなる。
The present invention was made based on this knowledge, and its composition is 0.1 to 10% by weight of at least one of Cr oxide, Mn oxide, or their composite oxide, and the balance is mullite, and Consists of unavoidable impurities.

〔作用〕[Effect]

ムライトを主成分とするセラミック材料に添加するCr
酸化物、M r、酸化物、又は、それらの複合酸化物の
中の少なくとも一種が0.1〜10重景差量含むムライ
ト系セラミック材料では、従来のムライト系材料に30
重量%ガラスを添加した系に比べ、ムライト粒子を結合
するガラス相がほとんどない状態で焼結するためムライ
ト粒子の粒成長が小さい。また、添加量が0.1〜10
重量%と少ないため、ムライトとの反応により生成され
る反応生成量も少ない。従って、ムライト粒子とムライ
ト粒子間に介在する反応生成物は安定な結晶相から構成
されているため、高強度化が図れたものと考えられる。
Cr added to ceramic materials whose main component is mullite
In a mullite-based ceramic material containing at least one of oxides, Mr, oxides, or composite oxides thereof in an amount of 0.1 to 10, compared to conventional mullite-based materials, 30
Compared to a system in which % by weight of glass is added, the mullite particles are sintered in a state where there is almost no glass phase binding them together, so the grain growth of the mullite particles is small. In addition, the amount added is 0.1 to 10
Since the weight percentage is small, the amount of reaction products produced by reaction with mullite is also small. Therefore, it is considered that the reaction product interposed between the mullite particles is composed of a stable crystalline phase, thereby achieving high strength.

次に、焼結助剤としてCr酸化物、Mn酸化物、又は、
それらの複合酸化物の中の少なくとも一種を0.1〜1
0重量%と限定した理由について説明する。酸化物量が
0.1 重量%未満では、アルミナ系セラミック材料と
同等の焼成温度1600℃では、多孔質となり、緻密な
焼結体が得られないため十分な強度が得られない。なお
、この場合、焼成温度を高くすれば、HL密な焼結体と
なることも考えられるが、それでは実用上適する炉がな
いということや量産する上で問題がある。次に、10重
量%以下とした理由は、10重量%を超えるとムライト
の粒成長が起り、強度が逆に低下するためである。酸化
物量は1.0〜360重量%が、焼結体の比誘電率、及
び、強度の面で良好である。
Next, as a sintering aid, Cr oxide, Mn oxide, or
At least one of those composite oxides is 0.1 to 1
The reason why it is limited to 0% by weight will be explained. If the amount of oxide is less than 0.1% by weight, the material becomes porous and a dense sintered body cannot be obtained, so that sufficient strength cannot be obtained at a firing temperature of 1600° C., which is equivalent to that of an alumina ceramic material. In this case, it may be possible to obtain a sintered body with dense HL by increasing the firing temperature, but this poses problems in that there is no practically suitable furnace and in mass production. Next, the reason why it is set to 10% by weight or less is that if it exceeds 10% by weight, grain growth of mullite will occur, and the strength will decrease. An oxide amount of 1.0 to 360% by weight is good in terms of the dielectric constant and strength of the sintered body.

本発明のセラミック材料は、セラミック層と配線導体層
とを交互に積層し、各配線導体層間をスルーホール導体
によって電気的に接続したセラミックス多層回路板のセ
ラミックス層材として用いられ、更に、この回路板上に
セラミックスキャリア基板を介して半導体素子を搭載し
、半導体素子の裏面を冷却する冷却手段を備えた半導体
モジュールにセラミックス層材として用いられる。
The ceramic material of the present invention is used as a ceramic layer material of a ceramic multilayer circuit board in which ceramic layers and wiring conductor layers are alternately laminated and each wiring conductor layer is electrically connected by a through-hole conductor. It is used as a ceramic layer material in a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on a plate via a ceramic carrier substrate and is equipped with a cooling means for cooling the back surface of the semiconductor element.

また、本発明に係る半導体モジュールは、セラミックス
キャリア基板と半導体素子とは、はんだバンプによって
接合され、はんだバンプは有機樹脂によって被われてお
り、有機樹脂は樹脂100重量部とゴム粒子5〜10重
量部にセラミックス粉35〜60体積%を含み、ゴム粒
子はポリブタジェン、及び、シリコンゴム一種以上、及
び、セラミックス粉は石英、炭化珪素、窒化珪素、炭酸
カルシウム、ベリリウムを含有する炭化珪素の一種から
なるものが好ましい。キャリア基板は、前述の本発明の
セラミック材料によって構成され、多層回路板と全く同
一の組成、又は、それと類似の組成を持ち、熱膨張係数
が近似したものが好ましい。
Further, in the semiconductor module according to the present invention, the ceramic carrier substrate and the semiconductor element are bonded by solder bumps, and the solder bumps are covered with an organic resin, and the organic resin includes 100 parts by weight of the resin and 5 to 10 parts by weight of rubber particles. 35 to 60% by volume of ceramic powder, the rubber particles are polybutadiene and one or more silicone rubbers, and the ceramic powder is a type of silicon carbide containing quartz, silicon carbide, silicon nitride, calcium carbonate, and beryllium. Preferably. The carrier substrate is preferably made of the above-described ceramic material of the present invention, has the same composition as the multilayer circuit board, or has a similar composition, and has a coefficient of thermal expansion similar to that of the multilayer circuit board.

本発明はセラミック多層回路板材として用いられ、その
回路板をそれに設けたピンによってプリント回路板をプ
ラッタに電気的に接続したコンピュータ実装構造を用い
ることができる。前述の冷却手段は半導体素子を間接的
に水冷する方式によって行うことができ、従って、半導
体素子に熱伝導ディスクを接触させ、これと冷媒によっ
て冷却される伝熱ブロックを介して冷却することができ
る。
The present invention can be used as a ceramic multilayer circuit board material in a computer-implemented structure in which the printed circuit board is electrically connected to a platter by pins provided thereon. The above-mentioned cooling means can be performed by indirectly cooling the semiconductor element with water. Therefore, the semiconductor element can be cooled through a heat transfer disk that is brought into contact with the semiconductor element and a heat transfer block that is cooled by a refrigerant. .

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically explained with reference to Examples.

なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。以下に1部」とあるのは重量部を示し、「%」とあ
るのは重量%を示す。
Note that the present invention is not limited to these examples. Below, "1 part" indicates parts by weight, and "%" indicates weight %.

(実施例1) 第1表にムライト系セラミック材料の配合組成を示す。(Example 1) Table 1 shows the composition of the mullite ceramic material.

配合組成は重量%で示している。The composition is shown in weight%.

ムライトはムライト粉(平均粒径2μm)を用いている
。他の元素は平均粒径1〜3μmである。
Mullite powder (average particle size 2 μm) is used as the mullite. The other elements have an average particle size of 1 to 3 μm.

第1表の配合組成に重合度1000のポリビニルブチラ
ール5.9 部、トリクロロエチレン124部、テトラ
クロロエチレン32部、n−ブチルアルコール44部、
ブチルフタリルグリコール酸ブチル2部を加え、ボール
ミルで二十時間湿式混合し、スラリを作る。真空脱気処
理により、スラリから気泡を除去する。次に、スラリを
ドクターブレードを用いてポリエステルフィルム上に約
0.2nyntの厚さに塗布し、炉を通して乾燥させグ
リンシートを作る。グリンシートを50角に切断し、3
0層積層した後、熱間プレスにより圧着した。
The composition shown in Table 1 includes 5.9 parts of polyvinyl butyral with a degree of polymerization of 1000, 124 parts of trichlorethylene, 32 parts of tetrachlorethylene, 44 parts of n-butyl alcohol,
Add 2 parts of butyl phthalyl glycolate and wet mix in a ball mill for 20 hours to make a slurry. Air bubbles are removed from the slurry by vacuum degassing. The slurry is then applied onto a polyester film to a thickness of about 0.2 nynt using a doctor blade and dried through an oven to form a green sheet. Cut the green sheet into 50 square pieces,
After laminating 0 layers, they were bonded by hot pressing.

圧着条件は、温度120℃で10分間保持、圧力は40
kg/cdである。圧着後、グリンシート積層体の樹脂
抜きのため、温度1200’Cで一時間保持して脱脂を
行った。その後、温度1600’Cで1.5時間保持し
て焼成を行い、焼結体を得た。
The crimping conditions were a temperature of 120°C, held for 10 minutes, and a pressure of 40°C.
kg/cd. After the pressure bonding, in order to remove the resin from the green sheet laminate, it was held at a temperature of 1200'C for one hour to perform degreasing. Thereafter, sintering was performed by holding the temperature at 1600'C for 1.5 hours to obtain a sintered body.

1600℃で焼成したのは、配線導体材料であるW、M
o等の焼結を同時に行なわなければならないためである
。次に、焼結体を比誘電率測定、及び、抗折強度測定用
試験片に切断し、ダイヤモンドラップ砥石板を用いて胡
座した。第2表に第1表に示す材料の特性を示す。
The wiring conductor materials, W and M, were fired at 1600°C.
This is because sintering such as o must be performed at the same time. Next, the sintered body was cut into test pieces for measuring relative dielectric constant and bending strength, and the test pieces were ground using a diamond lap grinding wheel. Table 2 shows the properties of the materials shown in Table 1.

第2表 り、総合評価の0印は比誘電率9.5 (IMHz)以
下で、且つ、抗折強度150 M P a以上のものを
示し、X印のものは比誘電率が9.5 より大きく、又
、抵抗強度が150MPaより小さいものを示す。また
、比較するためにムライトにコージェライト組成からな
るガラスを30%添加したムライト系セラミックス、及
び、アルミナ系材料の特性を第3表に示す。
In Table 2, a mark of 0 in the overall evaluation indicates a dielectric constant of 9.5 (IMHz) or less and a bending strength of 150 MPa or more, and a mark of X indicates a dielectric constant of 9.5. It is larger and the resistance strength is smaller than 150 MPa. For comparison, Table 3 shows the properties of mullite-based ceramics in which 30% of glass having a cordierite composition is added to mullite, and alumina-based materials.

第2表において、総合評価は、本発明材料が多層配線基
板としての適用性をもつが否かのものであ以下、第2表
、及び、第3表の特性について説明する。第1表のNα
1〜Nα3のように、Cr酸化物、Mn酸化物、又は、
それらの複合酸化物の中の少なくとも一種が10%を超
えて添加されたものは、抗折強度が120〜150 M
 P aと低く、比誘電率は11.2−14  (LM
Hz)と大きな値を示している。N021のようにムラ
イト単体では、抗折強度が70〜80 M P aと非
常に小さい。これは、焼結が不十分なため、緻密化され
ていないためである。一方、第1表のNα4〜Nα20
の材料系では、比誘電率9.5(IMHz)以下、抗折
強度150〜290 M P aが得られて、多層配線
基板材料として十分使用することができる。この時の比
誘電率は、酸化物を10重量加えても最大9.4である
。第1表及び第2表から、比誘電率の小さい材料系を得
るときには、前述の酸化物の添加量を少なくすればよい
ことがわかり、逆に、抗折強度の高いものを得るには、
酸化物の添加量を多くすればよいことがわかる。
In Table 2, the comprehensive evaluation is based on whether the material of the present invention has applicability as a multilayer wiring board.The characteristics shown in Tables 2 and 3 will be explained below. Nα in Table 1
1 to Nα3, Cr oxide, Mn oxide, or
Those to which at least one of these composite oxides is added in an amount exceeding 10% have a bending strength of 120 to 150 M.
The relative dielectric constant is as low as P a and 11.2-14 (LM
Hz). Mullite alone, such as N021, has a very low bending strength of 70 to 80 MPa. This is because densification is not achieved due to insufficient sintering. On the other hand, Nα4 to Nα20 in Table 1
With this material system, a dielectric constant of 9.5 (IMHz) or less and a bending strength of 150 to 290 MPa can be obtained, and the material can be sufficiently used as a multilayer wiring board material. The relative dielectric constant at this time is 9.4 at maximum even if 10 weight of oxide is added. From Tables 1 and 2, it can be seen that in order to obtain a material system with a low dielectric constant, it is sufficient to reduce the amount of the above-mentioned oxide added; conversely, in order to obtain a material system with a high flexural strength,
It can be seen that it is sufficient to increase the amount of oxide added.

次に、第3表について説明する。第3表かられかるよう
に、比較材料であるアルミナ系では比誘7B、yl、1
が10 (IMHz)で、抗折強度が300MPaとな
っており、ムライト系材料に30%コージェライトが添
加されたものでは、比誘電率5.9 (IMHz)、抗
折強度が150 M P aとなっている。従って、ア
ルミナは強度的には300MPaと大きな値を示し、十
分満足しているが、比誘電率が10と大きいために信号
の伝播速度を遅くする原因となっている。一方、ムライ
ト系材料に30%コージエライ1−が添加されているも
のでは、比誘電率が5.9 と低く良好であるのに対し
、抗折強度が100〜150 M P aと小さく強度
が不十分である。これに対し、第3表の本発明材料であ
るムライト系材料では、比誘電率が9.5(L M H
z )とムライト系材料に30%ガラスを添加した系よ
り大きな値を示すが、ムライトに0.1%Cr酸化物を
添加した系では、はぼ、同様な比誘電率を示し、抗折強
度150〜160MPaが得られ、30%ガラスを添加
した材料系より抗折強度が50%以上向上している。特
に、強度に関しては、酸化物を3%添加した時に240
〜290 M P aが得られ、アルミナの強度300
MPaのへ割以上に達し比較的低比誘電率で、且つ、高
強度のムライト系セラミック月料であることが確認され
た。
Next, Table 3 will be explained. As can be seen from Table 3, the comparative material, alumina, has a dielectric constant of 7B, yl, 1
is 10 (IMHz) and the flexural strength is 300 MPa, and when 30% cordierite is added to the mullite material, the dielectric constant is 5.9 (IMHz) and the flexural strength is 150 MPa. It becomes. Therefore, although alumina exhibits a large strength value of 300 MPa, which is fully satisfactory, its relative dielectric constant is as large as 10, which causes a slowing of the signal propagation speed. On the other hand, a mullite-based material with 30% cordierite 1- added has a low dielectric constant of 5.9, which is good, but a flexural strength of 100 to 150 MPa, which is poor. It is enough. On the other hand, the mullite-based material shown in Table 3, which is the material of the present invention, has a dielectric constant of 9.5 (L M H
z) is larger than that of a system in which 30% glass is added to a mullite-based material, but a system in which 0.1% Cr oxide is added to mullite exhibits a similar dielectric constant and a lower bending strength. 150 to 160 MPa, and the bending strength is improved by 50% or more compared to the material system containing 30% glass. In particular, with regard to strength, when 3% of oxides were added, 240
~290 MPa was obtained, and the strength of alumina was 300
It was confirmed that this was a mullite-based ceramic material with a relatively low dielectric constant reaching more than 90% of MPa and high strength.

次に、焼結体のX線の解析結果について説明する。第1
表のNα11に示す焼結体のX線解析結果では、ムライ
ト以外にマンガンアルミニウムオキサイド(MnSi0
3)とマンガンシリケート(MnSi03)との安定な
結晶からなり、はとんど非晶質は認められなかった。こ
れに対し、第3表のムライト系材料に30%ガラス(コ
ージェライト)を含有した焼結体のX線回折結果では、
ムライト以外にAα20a、Si○z、MgOの少なく
とも二種の結晶相であるスピネル(A Q 2Mg04
)、サファリン(MgsAQ9Sit、t+0zo) 
、コージエライ1−(Mg2A Q 4si50t3)
 、シリマナイト(A Q zMgo5)等、数多くの
複雑な相からなっている。これは、ムライト系材料を焼
成するために含有したガラス成分がムライト系材料を焼
成するために含有したガラス成分がムライト界面で反応
生成したためである。
Next, the results of X-ray analysis of the sintered body will be explained. 1st
In the X-ray analysis results of the sintered body shown in Nα11 in the table, in addition to mullite, manganese aluminum oxide (MnSi0
3) and manganese silicate (MnSi03), and almost no amorphous material was observed. In contrast, the X-ray diffraction results of the sintered body containing 30% glass (cordierite) in the mullite-based material shown in Table 3 show that
In addition to mullite, spinel (A Q 2Mg04
), Safari (MgsAQ9Sit, t+0zo)
, Kozierai 1-(Mg2A Q 4si50t3)
, sillimanite (A Q zMgo5), and many other complex phases. This is because the glass component contained for firing the mullite-based material reacted with the glass component contained for firing the mullite-based material at the mullite interface.

従って1強度が十分得られない原因となっている。Therefore, this is the cause of not being able to obtain sufficient strength.

このように、本実施例から、ムライトにCr酸化物、M
n酸化物又は、それらの複合酸化物の中の少なくとも一
種に0.1〜10重量%を添加して焼結体を製造するこ
とにより比較的低比誘電率で、且つ、高強度の多層回路
板材料が得られる。
In this way, from this example, mullite contains Cr oxide, M
By manufacturing a sintered body by adding 0.1 to 10% by weight to at least one of n-oxides or their composite oxides, a multilayer circuit with relatively low dielectric constant and high strength can be produced. A plate material is obtained.

次に、ムライトに3%M n Ozを添加した系を用い
て、多層回路板を製造した。この多層回路板の縦断面図
を第1図に示す。第1図において、1は表面層を示し、
2はライン配線に近接した絶縁層(中間層のことであり
、シリカ系で構成されたもの)を示し、3は裏面層を示
す。この裏面M3には金−ゲルマニウムろう接部8を介
して外部接続用ピン4がろう接されている。また1表面
層1にはハンダ接続部5を介してSiチップ6が接続さ
れている。7は導体配線を示す。
Next, a multilayer circuit board was manufactured using a system in which 3% MnOz was added to mullite. A longitudinal cross-sectional view of this multilayer circuit board is shown in FIG. In FIG. 1, 1 indicates the surface layer;
2 indicates an insulating layer (an intermediate layer made of silica) close to the line wiring, and 3 indicates a back layer. External connection pins 4 are soldered to this back surface M3 via gold-germanium solder portions 8. Further, a Si chip 6 is connected to the first surface layer 1 via a solder connection portion 5 . 7 indicates conductor wiring.

次に、第1図の多層回路板の製法について説明する。実
施例1により作製したムライトに3%MnO2を添加し
たグリンシート、及び、比誘電率が約6以下のシリカ系
材料のグリンシートにパンチ器で直径100μmの孔を
設け、市販のタングステンペーストで導体配線をスクリ
ーン印刷法により形成した。第1図の表面層1と裏面層
3は本発明材料とし、ライン配線に近接した絶縁層2(
中間層)にシリカ系材料のものを用いた。導体配線後、
積層プレス機により積層体を作製した。
Next, a method for manufacturing the multilayer circuit board shown in FIG. 1 will be explained. A hole with a diameter of 100 μm was formed using a puncher in the green sheet prepared by adding 3% MnO2 to mullite prepared in Example 1, and the green sheet made of a silica-based material with a dielectric constant of about 6 or less, and a conductor was formed using a commercially available tungsten paste. Wiring was formed by screen printing. The surface layer 1 and the back layer 3 in FIG. 1 are made of the material of the present invention, and the insulating layer 2 (
A silica-based material was used for the intermediate layer. After conductor wiring,
A laminate was produced using a laminate press.

この積層体を外形切断した後、電気炉内にセットした。After cutting this laminate into an external shape, it was placed in an electric furnace.

まず、樹脂抜きのために、水蒸気を含んだN2ガス十H
2ガス雰囲気で昇温速度50℃/hで1200℃まで昇
温した。次いで、N2ガス十Hzガス雰囲気で昇温速度
100℃/hで昇温し、最高温度1600℃で1.5 
h保持し、セラミック多層回路板を製造した。このよう
にして作製したセラミック多層回路板に無電解Niめっ
き、及び、金めつきをほどこした後、カーボン治具を用
いた通常の方法でコバールピン4を金−ゲルマニウムろ
う8で接続した。また、ハンダ5でSiチップ6を直接
搭載した。このようにして得られた多層回路板では、表
面層1、及び、裏面層3はろう材料との熱膨張係数差に
より発生する応力による割れは認められず、健全で、且
つ、高信頼性の多層回路板が得られた。このような表面
層1.及び、裏面層3に電気信号出力用ピンを、ろう付
は等で接続した場合でも、ろう材料と多層回路基板との
熱膨張係数差による多層回路基板内に発生する割れが防
止でき、且つ、高寿命の多層回路基板となるものである
First, to remove the resin, use 10 H of N2 gas containing water vapor.
The temperature was raised to 1200°C at a temperature increase rate of 50°C/h in a two-gas atmosphere. Next, the temperature was raised at a rate of 100°C/h in a N2 gas atmosphere at 10 Hz, and the maximum temperature was 1.5°C at 1600°C.
h to produce a ceramic multilayer circuit board. After electroless Ni plating and gold plating were applied to the ceramic multilayer circuit board thus produced, Kovar pins 4 were connected with gold-germanium solder 8 using a conventional method using a carbon jig. In addition, the Si chip 6 was directly mounted using solder 5. In the thus obtained multilayer circuit board, the surface layer 1 and the back layer 3 are free from cracks due to stress caused by the difference in coefficient of thermal expansion with the brazing material, and are sound and highly reliable. A multilayer circuit board was obtained. Such a surface layer 1. Even when the electrical signal output pin is connected to the back layer 3 by brazing or the like, cracks that occur in the multilayer circuit board due to the difference in thermal expansion coefficient between the brazing material and the multilayer circuit board can be prevented, and This is a multilayer circuit board with a long lifespan.

実施例2 第2図は、実施例1で作製したNα10,11゜12.
13,17.18のセラミック多層回路基板を使用した
半導体モジュールの断面図である。
Example 2 FIG. 2 shows the Nα10,11°12.
13, 17, and 18 are cross-sectional views of semiconductor modules using ceramic multilayer circuit boards.

キャリア基板12は、セラミック多層回路基板と同様の
組成、及び、方法で作製した。異なる点は、スルーホー
ル位置、配線パターン、積層枚数七枚で焼成後のキャリ
ア基板の寸法がl1mn角、厚さ1mであることである
。多層板のセラミック層とキャリア基板とは同じ組成の
もの、又は、上述の組成の中ではどのものとも組合せが
可能である。
The carrier board 12 was manufactured using the same composition and method as the ceramic multilayer circuit board. The differences are that the through hole position, the wiring pattern, the number of laminated sheets is seven, and the dimensions of the carrier substrate after firing are 11 mm square and 1 m thick. The ceramic layers of the multilayer board and the carrier substrate can have the same composition or can be combined with any of the compositions mentioned above.

キャリア基板12に10nn角の半導体素子6を95%
鉛−5%錫はんだ5で接続した。半導体素子6とキャリ
ア基板12のはんだは多層板側のはんだ5より高融点を
持つ。キャリア基板12と半導体素子6の間に、エポキ
シ樹脂(EP−828)100部とボリブタジzン(C
TBNl 300x9)5〜10部の混合有機物に、平
均粒径1μmの石英端末35〜60体積%を混合し、は
んだ材料と同等の熱膨張係数である樹脂を流入させた。
95% of the 10 nn square semiconductor element 6 is placed on the carrier substrate 12.
Connection was made with lead-5% tin solder 5. The solder between the semiconductor element 6 and the carrier substrate 12 has a higher melting point than the solder 5 on the multilayer board side. Between the carrier substrate 12 and the semiconductor element 6, 100 parts of epoxy resin (EP-828) and polybutazine (C
TBNl 300x9) 5 to 10 parts of a mixed organic substance was mixed with 35 to 60 volume % of quartz terminals having an average particle size of 1 μm, and a resin having a coefficient of thermal expansion equivalent to that of the solder material was introduced.

次に。next.

コバールピン4を金−ゲルマニウムろう8で1妾続した
セラミック多層回路基板13上に9×9=81個のキャ
リア基板12(半導体素子を接続し、有機材料を主成分
とした材料を挿入したもの)を60%釦−40%錫はん
だ5で接続し、半導体モジュールを作製した。本実施例
では、セラミックス多層回路板13は上層にポリイミド
樹脂14を用いた樹脂14と回路15との層を設けたも
のである。第3図は、実施例1で作製した多層回路基板
13に半導体素子6を搭載し、その上に熱伝導ディスク
11を接触させて金属製ハウジング19で封止し、内部
にHeガスを入れた半導体モジュ−ル構造を示す部分断
面図である。熱伝導ディスク11はセラミックスからな
り、熱伝導率として室温で0.1caQ/an−sec
・℃以上をもつ焼結体が好ましい、この焼結体としてS
iCに0.1〜3重量%Beを含む(特にBeOが好ま
しい)ものが好ましい。半導体素子6は集積回路として
発熱量が大きいので、冷却口20より水が逆られ冷却さ
れる。半導体モジュール構造として第2図に示す構造の
ものを同様に使用することができる。
9×9=81 carrier substrates 12 (semiconductor elements are connected and materials mainly composed of organic materials are inserted) on a ceramic multilayer circuit board 13 in which Kovar pins 4 are connected with gold-germanium wax 8. were connected using 60% button-40% tin solder 5 to produce a semiconductor module. In this embodiment, the ceramic multilayer circuit board 13 has a layer of resin 14 using polyimide resin 14 and a circuit 15 on the upper layer. FIG. 3 shows a semiconductor device 6 mounted on the multilayer circuit board 13 produced in Example 1, a thermally conductive disk 11 brought into contact thereon, sealed with a metal housing 19, and He gas introduced inside. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the structure of a semiconductor module. The heat conductive disk 11 is made of ceramics and has a thermal conductivity of 0.1 caQ/an-sec at room temperature.
・A sintered body having a temperature of ℃ or higher is preferable, and this sintered body is S
Those containing 0.1 to 3% by weight of Be in iC (BeO is particularly preferred) are preferred. Since the semiconductor element 6 generates a large amount of heat as an integrated circuit, water is directed back through the cooling port 20 to cool it. The structure shown in FIG. 2 can be similarly used as the semiconductor module structure.

第4図は、第1図、又は、第2図の半導体モジュール2
4を第3図の構造とし、これを多層プリント回路板25
にピン4を介して装着するとともに、多層プリント回路
板25に設けられた端子を介してプラッタ26のコネク
タ27に装着した半導体モジュール24を三次元実装さ
れたコンピュータ実装構造を示す斜視図である。
FIG. 4 shows the semiconductor module 2 of FIG. 1 or 2.
4 has the structure shown in FIG. 3, and this is a multilayer printed circuit board 25.
FIG. 3 is a perspective view showing a computer mounting structure in which a semiconductor module 24 is three-dimensionally mounted, which is mounted on a connector 27 of a platter 26 via a terminal provided on a multilayer printed circuit board 25 and mounted on a connector 27 of a platter 26 via a terminal provided on a multilayer printed circuit board 25.

このような構成にすることにより、コンピュータ実装は
コンパクトにでき、前述のように比誘電率も低いので、
信号処理スピードの速いものが得られる。
With this configuration, computer implementation can be made compact, and as mentioned above, the dielectric constant is low, so
Fast signal processing speed can be obtained.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、信号処理スピードの速い多層回路板が
得られる。
According to the present invention, a multilayer circuit board with high signal processing speed can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図、第2図は本発明の一実施例の半導体モジュール
の断面図、第3図は本発明の冷却手段を備えた半導体モ
ジュールの断面図、第4図は本発明のコンピュータ実装
構造の斜視図である。 1・・・表面層、2・・・絶縁層、3・・・裏面層、4
・・・ピン、5・・・はんだ、6・・半導体素子。
1 and 2 are cross-sectional views of a semiconductor module according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor module equipped with a cooling means of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor module according to an embodiment of the present invention. FIG. 1... Surface layer, 2... Insulating layer, 3... Back layer, 4
...Pin, 5...Solder, 6...Semiconductor element.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.Cr酸化物Mn酸化物又はそれらの複合酸化物の中
の少なくとも一種を0.1〜10重量%、残部がムライ
ト及び不可避不純物からなることを特徴とするムライト
系セラミック材料。
1. A mullite-based ceramic material comprising 0.1 to 10% by weight of at least one of Cr oxide, Mn oxide, or composite oxides thereof, and the remainder consisting of mullite and unavoidable impurities.
2.セラミックス層と配線導体層とを交互に積層し、前
記各配線導体層間をスルーホール導体によって電気的に
接続したセラミックス多層回路板において、 前記セラミックス層は、Cr酸化物Mn酸化物、又は、
それらの複合酸化物の中の少なくとも一種を0.1〜1
0重量%、残部がムライト及び不可避不純物からなる焼
結体であり、前記焼結体の1メガヘルツにおける比誘電
率が9.5以下、及び、室温の抗折強度が150MPa
以上であることを特徴とするセラミックス多層回路板。
2. In a ceramic multilayer circuit board in which ceramic layers and wiring conductor layers are alternately laminated and each of the wiring conductor layers is electrically connected by a through-hole conductor, the ceramic layer is made of Cr oxide, Mn oxide, or
At least one of those composite oxides is 0.1 to 1
0% by weight, the balance being mullite and unavoidable impurities, the sintered body has a relative dielectric constant of 9.5 or less at 1 MHz, and a bending strength at room temperature of 150 MPa.
A ceramic multilayer circuit board characterized by the above.
3.セラミックス層と配線導体層とを交互に積層し、前
記各配線導体層間をスルーホール導体によつて電気的に
接続したセラミックス多層回路板に半導体素子を搭載し
た半導体モジュールにおいて、 前記セラミックス層は、Cr酸化物Mn酸化物、又は、
それらの複合酸化物の中の一種以上が0.1〜10重量
%、残部がムライト及び不可避不純物からなる焼結体で
あり、前記焼結体の1メガヘルツにおける比誘電率が9
.5以下、及び、室温の抗折強度が150MPa以上か
らなる焼結体であり、前記配線導体層はMoおよび/ま
たはWからなり、前記セラミックス多層回路板にはプリ
ント回路板に電気的に接続するピンが設けられているこ
とを特徴とする半導体モジュール。
3. A semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on a ceramic multilayer circuit board in which ceramic layers and wiring conductor layers are alternately laminated and the wiring conductor layers are electrically connected by through-hole conductors, wherein the ceramic layer is made of Cr. oxide Mn oxide, or
The sintered body is composed of 0.1 to 10% by weight of one or more of these composite oxides, and the remainder is mullite and unavoidable impurities, and the relative permittivity of the sintered body at 1 MHz is 9.
.. 5 or less and a bending strength at room temperature of 150 MPa or more, the wiring conductor layer is made of Mo and/or W, and the ceramic multilayer circuit board is electrically connected to a printed circuit board. A semiconductor module characterized by being provided with pins.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04290494A (en) * 1990-11-29 1992-10-15 Siemens Nixdorf Inf Syst Ag Multilayer printed circuit board

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6114166A (en) * 1984-06-27 1986-01-22 京セラ株式会社 Mulite sintered body and manufacture

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