JPH03141153A

JPH03141153A - 低温焼結性低誘電率無機組成物

Info

Publication number: JPH03141153A
Application number: JP1275972A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Ho; 慶一郎方; Yuzo Shimada; 嶋田　勇三
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1989-10-25
Publication date: 1991-06-17
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JP2500692B2

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］本発明は低温焼結性低誘電率無機組成物に関し、さらに
詳しくは、主として超高速ＶＬＳＩ素子を実装する多層
セラミック配線基板に用いられ、１０００℃以下の低温
での焼結が可能で、誘電率の低い無機組成物に関するも
のでおる。

し従来の技術］従来、ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子はガラスエポキシ等
のプリント回路基板おるいはアルミナセラミック基板に
実装されていたが、半導体素子の高集積化、微細化、高
速化に伴い、実装用基板に対しても高密度微細配線化、
高速伝送化、高周波数化、高熱放散化の要求が増えてき
た。従来のプリント基板には、スルーホールメツキ性、
加工性、多層化接着、高温での熱変形等の問題があり、
高密度化には限界がある。そのため、高密度実装基板と
しては未だ実用化には至っておらず、セラミック基板の
ほうが可能性を秘めている。

しかし、アルミナ基板も１５００℃以上の高温で焼結し
なければならないため、同時焼成される配線導体材料と
しては比較的比抵抗の高いＷ、ＭＯ等の高融点金属に限
定される。したがって、パルス信号の伝送損失を考慮に
入れた場合、配線パタンの微細化には限界が生じてしま
う。

そこで開発されたのが低温焼結性多層セラミック基板で
ある。絶縁材料としては、アルミナとガラスの複合材料
系や結晶化ガラス系等があるが、いずれも１ｏｏｏ　’
ｃ以下で焼結するため、配線導体材料として比抵抗の低
いＡＵ、Ａｇ−Ｐｄ、ＣＵ等の低融点金属を用いること
ができる。また、グリーンシート多層化法を使うことが
できるため、高密度微細配線化に非常に有利である。

［発明が解決しようとする課題］一方、高速伝送化に対しては、パルス信号の伝播遅延時
間が基板材料の誘電率の平方根に比例するため、基板材
料の低誘電率化が必要不可欠となる。ところが、アルミ
ナ基板（誘電率＝約１０）はもらろんのこと、最近開発
されている低温焼結性セラミック基板もアルミナに比べ
低いものの、十分な低誘電率化は図られておらず高速化
に対してまだ改善する必要がある。

例えば、特公昭６１−２１０１９５号公報および同６１
２１８４０７号公報に示される低温焼結性低誘電率無機
組成物でも、セラミック材料として誘電率の低いコーデ
ィエライト、石英ガラス、水晶（α−石英）が用いられ
ているにもかかわらず、ガラスの誘電率が高い分、低誘
電率化は不十分である。

本発明の目的はこのような従来の問題点を解決して、十
分低い誘電率を有し、かつ１０００　’Ｃ以下の低温焼
成が可能な高密度実装多層セラミック基板の絶縁層用無
機組成物を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明は、セラミック材料の水晶（α−石英〉、石英ガ
ラスおよびホウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組
成物であって、水晶（α−石英）：Ｘ１石英ガラス：Ｙ
１ホウケイ酸系ガラス：Ｚ（重量％比率）と表示したと
き（Ｘ＋Ｙ十Ｘ＝１００）、この３成分系組成図におい
て以下の組成点、（Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｚ＝１００　＞　　　　・（ａ）（
Ｘ　＝　４５、Ｙ＝Ｏ１Ｚ＝５５＞　　　　　・・・（
ｂ）（Ｚ＝０、Ｙ＝４５、Ｚ　＝　５５　）　　　　　
・・・（Ｃ）の各点を結ぶ線上、およびこの３点に囲ま
れる組成範囲におることを特徴とする低温焼結性低誘電
率無機組成物である。またホウケイ酸系ガラスは、酸化
物換粋表記に従ったとき、主成分が酸化ケイ素：７５〜
８５重量％、酸化ホウ素：１５〜２０重量％、酸化アル
ミニウム：０．１〜５重量％、王族元素酸化物：０．１
〜５重量％、■族元素酸化物ｏ、ｉ〜１重Ｒ％、酸化チ
タン：Ｑ−０，０５重間％の組成範囲で、合泪量が１０
０重足％になるように構成されていることを好適とする
。

本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物は、例えば次の
ような材料や方法によって製造できる。

即ち、ホウケイ酸系ガラスの調製に当たっては、目標組
成となるように各成分の原料を秤量してバッチを作製し
、このバッチを１４００℃以上の高温で２〜４時間加熱
、溶解し、ガラス化させる。溶解ガラスを水冷、あるい
は厚い鉄板上に流してフレーク状に成形し、得られたガ
ラス片をアルミナボールミル等で微粉砕し、平均粒径０
．５〜３盟のガラス粉末を得る。一方、水晶や石英ガラ
スも粉砕により平均粒径０．５〜５１ＪＪｎの微粉末と
する。

前記方法で得られたガラス粉末に、前記水晶や石英ガラ
ス粉末を目標組成となるように配合し、ボールミル等で
１〜３時間混間部、ホウケイ酸系ガラス粉末と水晶、石
英ガラス粉末との均質な混合粉末、即ち本発明の低温焼
結性低誘電率無機組成物を得る。なお、この際用いられ
るホウケイ酸系ガラス粉末は明確化のため酸化物に換瞳
表記したが、鉱物、酸化物、炭酸塩、水酸化物等の形で
、通常の方法により使用してもよい。

ざらに、前記によって１昇られた本発明の粉末状無機組
成物は、例えばグリーンシート積層法により成形される
。即ち、粉末にビヒクルを添加混合し、高速ミキサーや
ボールミル等を用いて十分混練した後、均一に分散させ
てスラリーを調製し、これをスリップキャスティング法
により絶縁層を形成するのに適した膜厚のグリーンシー
トとする。

なお、バインダや溶剤等の有機ビヒクル類は通常用いら
れているもので十分であり、成分についてはなんら限定
を要しない。

次に、上下導体を接続するスルーホールをシトに形成し
た後、導体印刷をスルーホールに導体ペーストが詰まる
ように行い、これらを所望の多層構造となるように積層
、熱圧着する。成形時に添加された有機ビヒクルを除去
した後、焼成すると多層セラミック配線基板か得られる
。

次に、本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物のホウケ
イ酸系ガラス粉末、水晶および石英ガラス粉末の組成や
、ホウケイ酸系ガラス粉末の組成についてそれぞれの範
囲を特許請求の範囲に記したごとく限定した理由につい
て述べる。

本発明に係る低温焼結性低誘電率無機組成物の成分組成
範囲を示す３成分系組成図を第１図に示す。図中、（ａ
）　、　（ｂ）および（Ｃ）は各組成点を表し、本発明
に含まれる組成範囲は図の斜線で示す範囲およびその境
界上である。

成分組成範囲を表す３成分系組成図において、Ｚ（ホウ
ケイ酸系ガラス重量比率）が５５未満の本発明の請求範
囲に含まれない領域では、１０００°Ｃ以下での低温焼
結が困難で、緻密な層が得られないため吸水が起こり、
信頼性が低下してしまう。

次に、本発明に係る低温焼結性低誘電率無機組成物の主
成分の一つであるホウケイ酸系ガラス粉末の組成につい
て述べれば、酸化ケイ素および酸化ホウ素はいずれもガ
ラスのネッ１〜ワークフォーーマーである。酸化ケイ素
が８５重量％を超えると、ガラス化が困難で、たとえ溶
解してもガラスの軟化点は高く、低温での焼成が難しく
なる。逆に７５手吊％未満ではガラスの軟化点が低くな
り過ぎたり、他の成分の増加に伴って結晶化が起こり、
重要な実装基板特性の一つである熱膨張係数に悪影響を
及ぼすクリストバライト等が析出しやすくなったり、あ
るいは最も重要な特性である誘電率が上昇してしまう。

一方、酸化ホウ素の場合、２０重量％を超えると、急激
にガラスの軟化点は下かり、熱処理時の変形や反りが起
こりやすくなる。また、１５重弔％未満では、酸化ケイ
素の吊が多い分軟化点を下げる必要があるのに効果がな
く、酸化ケイ素の結晶化抑制作用も不十分となる。

他の成分は、ガラスの溶解性あるいは安定性を制御する
ために、いずれも微量ずつ加えられているが、多すぎる
と誘電率ヤ熱膨張係数は上昇してしまう。したがって、
ホウケイ酸系ガラス粉末における酸化ケイ素と酸化ホウ
素の比率が本発明において最も重要な意味を持っている
。

［実施例１以下、実施例および比較例により、本弁明を詳細に説明
する。なお、実施例および比較例中の％表示は特に断わ
りがない限り、すべて重量基準であるものとする。

実施例１〜２７、比較例１〜３第１表の組成比［Ｉ］に示すような組成を有するガラス
粉末を製造し、更にアルコールを分散媒として４８時時
間式粉砕した。これをふるいで整粒した後、アルコール
を濾過、乾燥させ、平均粒径１．９ｔｍ、ＢＥＴ比表面
積１２ｍ２　／ｇ（１）粒Ｗヲ有するホウケイ酸系ガラ
ス粉末を得た。

次に、これらのホウケイ酸系ガラス粉末と、平均粒径が
２．５卯、ＢＥＴ比表面積が６ｍ２／ＳＪの水晶粉末お
よび平均粒径が３．７塵、ＢＥＴ比表面積が６ｍ２／９
の石英ガラス粉末をそれぞれ第２表に示す比率で配合し
た。配合は、それぞれの粉末を所定量秤量し、ボールミ
ルで分散媒としてアルコールを用い、３時間部合した後
、アルコールを濾過、乾燥させ、均質な混合粉末とした
。

得られた無機組成物の評価は、グリーンシート積層法に
より作製した印刷を施していない生積層体を切断、電気
炉中で有機ビヒクルの除去後焼成した試料を用いて行っ
た。なお、本発明の組成範囲の試料は、空気中８００〜
１０００　’Ｃの温度で２時間焼成した。評価として、
■焼結温度（吸水が起こらなくなる温度、即ち開空隙が
消滅する温度と定義した）、■誘電率、■絶縁抵抗、■
熱膨張係数の測定を各々の試料について行った。吸水の
チエツクは、試料を水中に入れて煮沸し、十分水を含ま
せた重量と乾燥単量との差から行った。誘電率は１　Ｍ
　ＨＺで測定した。なお、電極は試料の上下面に導電性
銀ペーストを塗布後、６００　’Ｃで焼き付けた。絶縁
抵抗は印加電圧１ｏｏｖで測定した。

熱膨張係数は室温・〜２５０’Ｃまでの試料の伸びから
締出した。

このようにして得られた無機組成物の水晶、石英ガラス
およびホウケイ酸系ガラスの配合比率と焼結温度、誘電
率、絶縁抵抗および熱膨張係数の関係を第２表に示す。

第２表から明らかなように、水晶、石英ガラスおよびホ
ウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組成物において
、本発明の成分組成範囲内のもの（実施例１〜２７）は
、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な構造となる温度
、即ち焼結温度が１０００　’Ｃ以下で、誘電率も４．
０３〜４．５２と十分低く、絶縁抵抗がいずれも１０１
３Ω・ｃｍ以上と高く、絶縁性も保持されている。更に
、熱膨張係数も１３．５〜５３．８Ｘ１叶７／°Ｃと低
いことから、ガラスの結晶化による高熱膨張性結晶クリ
ストバライトの析出は起こっていないことがわかる。

一方、本発明の成分組成範囲外のもの（比較例１〜３）
は焼結温度が高く、１０００℃以下の焼成では聞空隙の
残留により一児誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低く、
信頼性の面で問題がある。

実施例２８〜５４、比較例４〜６第１表の組成比°［■］に示す組成のガラスを平均粒径
２．０庫、ＢＥＴ比表面積１１ｍ２／９の粉末粒度に調
製した。

これらのホウケイ酸系ガラス粉末と水晶および石英ガラ
ス粉末を第３表に示す配合比率で、実施例１〜２７と同
様の方法で試料を作成、評価した。

その結果を第３表に示す。

第３表から明らかなように、水晶、石英ガラスおよびホ
ウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組成物において
、本発明の成分組成範囲内のもの（実施例２８〜５４）
は、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な構造となる温
度、即ち焼結温度が１０００℃以下で、誘電率も３．９
８〜４．４１と十分低く、絶縁抵抗がいずれも１０１３
Ω・ｃｍ以上と高く、絶縁性も保持されている。更に、
熱膨張係数も１２．４〜５０．０　Ｘ１０−７／’Ｃと
低いことから、ガラスの結晶化による高熱膨張性結晶ク
リストバライトの析出は起こっていないことがわかる。

一方、本発明の成分組成範囲外のもの（比較例４〜６）
は焼結温度が高く、１０００　’Ｃ以下の焼成では開空
隙の残留により一児誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低
く、信頼性の面で問題がおる。

実施例５５〜８１、比較例７〜９第１表の組成比［Ｉ１１］に示す組成のガラスを平均粒
径１．８μｓ、ＢＥＴ比表面積１２　ｍ２　／９（Ｄ粉
末粒度に調製した。これらのホウケイ酸系ガラス粉末と
水晶および石英ガラス粉末を第４表に示す配合比率で、
実施例１〜２７と同様の方法で試料を作成、評価した。

その結果を第４表に示す。

第４表から明らかなように、水晶、石英ガラスおよびホ
ウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組成物において
、本発明の成分組成範囲内のもの〈実施例５５〜８１）
は、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な構造となる温
度、即ち焼結温度が１０００　’Ｃ以下で、誘電率も３
，９８〜４．５０と十分低く、絶縁抵抗がいずれも１０
１３Ω・ｃｍ以上と高く、絶縁性も保持されている。更
に、熱膨張係数も１１．９〜５３．Ｉ　Ｘｌ０−７／’
Ｃと低いことから、ガラスの結晶化による高熱膨張性結
晶クリストバライトの析出は起こっていないことがわか
る。

一方、本発明の成分組成範囲外のもの（比較例７〜９）
は焼結温度が高く、１０００　’Ｃ以下の焼成では開空
隙の残留により一児誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低
く、信頼性の面で問題がある。

実施例８２〜１０８、比較例１０〜１２第１表の組成比
［ＩＶ］に示す組成のガラスを平均粒径２．０柳、ＢＥ
Ｔ比表面積１１　ｍ２　／ｇの扮未粒度に調製した。こ
れらのホウケイ酸系ガラス粉末と水晶および石英ガラス
粉末を第５表に示す配合比率で、実施例１〜２７と同様
の方法で試料を作成、評価した。その結果を第５表に示
す。

第５表から明らかなように、水晶、石英ガラスおよびホ
ウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組成物において
、本発明の成分組成範囲内のもの（実施例８２〜１０８
）は、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な構造となる
温度、即ち焼結温度が１０００℃以下で、誘電率も４，
０４〜４．５０と十分低く、絶縁抵抗がいす”れも１０
１３Ω・ｃｍｃｌ上と高く、絶縁性も保持されている。

更に、熱膨張係数も１３．７〜５４．３　ｘｌＯ−７／
’Ｃと低いことから、ガラスの結晶化による高熱膨張性
結晶クリストバライトの析出は起こっていないことがわ
かる。

一方、本発明の成分組成範囲外のものく比較例１０〜１
２）は焼結温度が高く、１０００℃以下の焼成では聞空
隙の残留により一見誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低
く、信頼性の面で問題がある。

実施例１０９〜１３５、比較例１３〜１５第１表の組成
比［Ｖ］に示す組成のガラスを平均粒径１．８柳、ＢＥ
Ｔ比表面積１２　ｍ２　／ｇの粉末粒度に調製した。こ
れらのホウケイ酸系ガラス粉末と水晶および石英ガラス
粉末を第６表に示す配合比率で、実施例１〜２７と同様
の方法で試料を作成、評価した。その結果を第６表に示
す。

第６表から明らかなように、水晶、石英ガラスおよびホ
ウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組成物において
、本発明の成分組成範囲内のもの（実施例１０９〜１３
５）は、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な構造とな
る温度、即ち焼結温度が１０００℃以下で、誘電率も３
．９７〜４，５２と十分低く、絶縁抵抗がいずれも１０
１３Ω・Ｃｍ１ｌ上と高く、絶縁性も保持されている。

更に、熱膨張係数も１２．７〜５２．Ｉ　Ｘｌ０−７／
’Ｃと低いことから、ガラスの結晶化による高熱膨張性
結晶クリストバライトの析出は起こっていないことがわ
かる。

一方、本発明の成分組成範囲外のもの（比較例１３〜１
５）は焼結温度が高く、１ｏｏｏ℃以下の焼成では開空
隙の残留により一見誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低
く、信頼性の面で問題がある。

なあ、実施例および比較例で用いた成分配合比にあける
各組成点を第２図に示す。図中の番号１゜２、・・・・
・・、　３０はそれぞれ第２〜６表における成分配合比
番号に相当する。

（以上余白）［発明の効果］以上説明したように、本発明の低温焼結性低誘電率無機
組成物は、低温焼結性や絶縁特性、耐水性等の信頼性を
維持しながら、従来のアルミナ、ガラスセラミック系、
結晶化ガラス系よりも低い誘電率を有するものである。

したがって、超高速ＶＬＳＩ素子実装用多層セラミック
配線基板の提供か可能となり、実装の高密度化や高速伝
送化の向上に大きく寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の３成分系組成範囲を示す組成図、第２
図は本発明の３成分系組成範囲と実施例および比較例に
示した組成点との関係を示す図でおる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セラミック材料の水晶（α−石英）、石英ガラス
およびホウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組成物
であつて、水晶（α−石英）：Ｘ、石英ガラス：Ｙ、ホ
ウケイ酸系ガラス：Ｚ（重量％比率）と表示したとき（
Ｘ＋Ｙ＋Ｘ＝１００）、この３成分系組成図において以
下の組成点、（Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｚ＝１００）（Ｘ＝４５、Ｙ＝０、Ｚ＝５５）（Ｚ＝０、Ｙ＝４５、Ｚ＝５５）の各点を結ぶ線上、およびこの３点に囲まれる組成範囲
にあることを特徴とする低温焼結性低誘電率無機組成物
。
（２）ホウケイ酸系ガラスは、酸化物換算表記に従った
とき、主成分が酸化ケイ素：７５〜８５重量％、酸化ホ
ウ素：１５〜２０重量％、酸化アルミニウム：０．１〜
５重量％、 I 族元素酸化物：０．１〜５重量％、II族
元素酸化物０．１〜１重量％、酸化チタン：０〜０．０
５重量％の組成範囲で、合計量が１００重量％になるよ
うに構成されている請求項（１）に記載の低温焼結性低
誘電率無機組成物。