JPH04114931A

JPH04114931A - ガラスセラミック焼結体の製法

Info

Publication number: JPH04114931A
Application number: JP23162490A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nawa; 正弘名和; Masayuki Ishihara; 政行石原; Keizou Makio; 槙尾　圭造
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1992-04-15

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、例えば、各種半導体部品を搭載したり、電気
信号の入出力端子などを取りつける多層配線基板の製造
に用いられるガラスセラミンク焼結体の製法に関する。

［従来の技術］ＬＳＩなどの各種電子部品を多数搭載する多層配線基板
においては小型化や高信頼性の要求に対応するために、
基板材料としてセラミックを利用することが広まってき
ている。セラミック材料としては比較的に高い強度を有
するアルミナが割れや欠けの生しにくい、好ましい材料
として多く使用されている。しかしアルミナ基板は比誘
電率が高く、多層配線板における電気信号の伝播速度が
遅く、高速化を要求される機器ではアルミナ基板より比
誘電率の低い基板が求められている。またアルミナの熱
膨張係数は搭載されるＬＳＩなどの材料であるシリコン
の熱膨張係数の約２倍と高いため、熱膨張係数の差に起
因する故障の発生の問題がある。

これらの問題を解決するために、発明者らは比誘電率お
よび、熱膨張係数の低い基板材料として焼結後の結晶構
造が主としてα−コージェライトとなるガラス組成物の
開発を行ってきたが、このガラス組成物を用いて得られ
る基板の性能は比誘電率および熱膨張係数については低
く、優れているが抗折強度は１２０〜１７０ＭＰａと低
く、そのために配線板とした場合、配線板に電気信号の
入出力用ピンをろう付は等で取りつける際に、ろう材と
基板との熱膨張差で生しる熱応力で割れが生しる問題や
、ろう付は後に負荷応力が加わった時、ろう付は部で基
板の剥離などが生じ、そのため導通不良などの故障が発
生ずる問題があった。

［発明が解決しようとする課題］本発明の課題は比誘電率および熱膨張係数が低く、かつ
強度の高い焼結体が得られるガラスセラミンク焼結体の
製法を提供することにある。

［課題を解決するための手段１本発明は、組成が、５ｉＯｚ　　　：４８〜６３重量％Ａ重量Ｏ，１，Ｏ〜２５重量％ＭｇＯ：１０〜２５重景％Ｂ重量３　　　：　　４〜１０重景％重量分を有し、かつＭｇＯ成分全体に対して０〜２０重
量％のＭｇＯがＣａＯ１ＢａＯ，ＳｒＯの中から選ばれ
た一種類以上の成分で置換さているガラス組成物粉末に
、ウィスカーと、前記ガラス組成物粉末の焼結体の熱膨
張係数より低い熱膨張係数の無機粉末とを添加して得ら
れる混合物を焼結してガラスセラミック焼結体とするガ
ラスセラミック焼結体の製法である。

本発明の原料として用いるガラス組成物粉末は焼結後の
結晶構造が主としてα−コージェライトとなるＳ　ｉＯ
ｚ　　Ａｌｚ　０３　　ＭｇＯを主成分きするガラス組
成物の一種であり、３１０２　　Ａｌｚ　Ｃｈ　−Ｍｇ
Ｏを主成分とするガラス組成物粉末の焼結体は比誘電率
が低く、熱膨張係数がシリコンに近い値となることが知
られている。

通常、ガラス組成物粉末の焼結法により製造される多層
配線基板は、導体をガラス組成物粉末およびを機バイン
ダーなどよりなるグリーンシート上に形成したものを焼
結して製造される。このグリーンシート上に形成する導
体としてはＡｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｃｕなどの低い電
気抵抗の金属であることがが好ましい。これらの低い電
気抵抗の金属の融点は１０００°Ｃ付近にあるため、導
体の金属を溶融させずに多層配線基板を得るためには、
グリーンシートの焼結温度は１０００°Ｃ以下であるこ
とが望ましい。従って、本発明では焼結を１０００°Ｃ
以下の温度で行った場合でも、緻密な焼結体となるＳｉ
Ｏ□−Ａｌ１０３−ＭｇＯを主成分とするガラス組成物
粉末を原料に用いるものである。このようなガラス組成
物粉末の組成としては５ｉＯｚ　　　：４８〜６３重量％Ａ重量０３　：１０〜２５重量％ＭｇＯ：ｉ、ｏ〜２５重景％重量Ｏｉ　　　：　　４〜１０重量％の成分を有し、かつＭｇＯ成分全体の０〜２０重量％の
ＭｇＯがＣａｂ、Ｂａｄ、ＳｒＯの中から選ばれた成分
の少なくとも一種類以上の成分で置換されてなる組成で
あることが必要であり、その理由を以下に各成分毎に説
明する。

ＳｉＯ□の組成割合が６３重量％を越えるとガラス熔融
温度が上昇するとともに、焼結時にガラス粒子表面が象
、激に結晶化するため焼結を助けるガラス相が不足し、
緻密な焼結体が得難くなる。

４８重量％未満であるとガラス粉末の結晶化温度が上昇
し、緻密な焼結体が得られる焼結温度が高くなり、１０
００°Ｃ以下で焼結した場合、未焼結の状態の焼結体し
か得られない問題が生じる。

Ａ１．Ｏ，の組成割合については、２５重蓋％を越える
と緻密な焼結体が得られる焼結温度が高くなり、Ｉ　０
００　’Ｃ以下で焼結した場合、未焼結の状態の焼結体
しか得られない問題が生じる６１０重量％未満であると
α−コージェライト結晶が少なくなり、Ｓｉｎ、−Ｍｇ
Ｏ系の結晶が多く析出し、比誘電率が高くなる問題を生
じる。

ＭｇＯの組成割合については２５重量％を越えると、ケ
イ酸マグネシウムが析出するためと推定されるが、焼結
時の変形が大きくなり、実用性に乏しくなる。１０重量
％未満であると緻密な焼結体を得られないという問題を
生じる。

ＢｚＯｓの組成割合については、１０重量％を越えると
、焼結時に発泡しやすくなり、焼結可能な温度範囲が狭
くなると共に、焼結体の強度が低下する問題が生じる。

４重量％未満であると、ガラス粒子表面層の結晶化が急
激に進み、１０００゛Ｃ以下の焼結では緻密な焼結体が
得られない問題が生じる。

ＭｇＯを置換するアルカリ土類金属酸化物に関しては、
緻密な焼結体が得られるように、必要に応し適宜用いう
るが、アルカリ土類金属酸化物がＭｇＯの２０重量％を
越えると、ＭｇＯ成分が少なくなり、α−コージェライ
ト結晶の析出が悪くなり比誘電率が高くなる問題が生し
る。

本発明は、前記のガラス組成物粉末にウィスカーと、前
記ガラス組成物粉末の焼結体の熱膨張係数より低い熱膨
張係数の無機粉末とを添加して得られる混合物を焼結し
てガラスセラミック焼結体とするものであり、このよう
にして得られる焼結体は、ウィスカー及び無機粉末を添
加していないガラス組成物粉末の焼結体に比べ、強度が
大幅に改善される特徴を有する。これはウィスカー及び
無機粉末が焼結体において不均一相として分散している
ことにより、破壊エネルギーの散逸源として作用し、破
壊に必要なエネルギーを増大させるため焼結体の強度が
向上するものと考えられる。

また、本発明の特徴である、ガラス組成物粉末にウィス
カーと無機粉末の両者を共に添加した場合、ウィスカー
または無機粉末を単独で添加した場合より強度が向上す
るのは、いわゆるマルチタフニング効果と呼ばれる相乗
作用によるものと考えられる。

本発明の添加するウィスカーは、焼結体において破壊エ
ネルギーの散逸源として作用するには、焼結後の焼結体
中にウィスカーとして分散していることが望ましく、ガ
ラス組成物粉末の焼結温度では溶融し難い窒化珪素、ホ
ウ酸アルミまたは炭化珪素のウィスカーが好適である。

また、本発明の添加する無機粉末としては、ガラスセラ
ミック焼結体の強度向上に有効であると共に、ガラスセ
ラミック焼結体の比誘電率を高くすることがないという
性質を有するコージェライト、石英ガラス、チタン酸ア
ルミニウム、β−スポジュメン、β−ユークリプタイト
の中から選ばれた少なくとも１種以上の粉末であること
が好ましい。

本発明における、ウィスカーと無機粉末の合計の添加割
合はガラス組成物粉末にウィスカー及び無機粉末を添加
して得られる混合物全体に対し密度換算で５０体積％以
下であることが有効である（以下の体積％はすべで密度
換算により求めた値である）この理由は添加割合が５０体積％を越えると、焼結性が
阻害され、緻密な焼結体が得られず、焼結体の強度が低
くなる問題が生じるためである。

また、ウィスカーと無機粉末の合計の添加割合が少なす
ぎると、焼結体の強度を向上させる効果が乏しくなるた
め、ウィスカーと無機粉末の合計の添加割合はガラス組
成物粉末にウィスカー及び無機粉末を添加して得られる
混合物全体に対し２体積％以上であることが望ましい。

本発明の混合物を焼結してガラスセラミック焼結体とす
る場合の焼結温度は、前記したようにＡｕ、Ａｇ、、Ａ
ｇ−Ｐｄ、Ｃｕなとの低抵抗の金属からなる導体層を形
成したグリーンシートを焼結する場合は、１０００℃以
下が望ましいが、導体＝１０層を形成しない場合や、導体材料の融点によっては１０
００°Ｃより高い温度で焼結しても問題を生じない。

本発明の製法によって得られたガラスセラミック焼結体
は、そのまま、多層配線基板などとして使用出来るが、
焼結した後、焼結温度以下の温度で加熱処理することに
より、さらに高強度のガラスセラミンク焼結体を得るこ
ともできる。この焼結後の加熱で強度が向上する理由は
、加熱処理により焼結時に生じたひずみが取り除かれた
り、焼結体の表面または内部に存在する微細欠陥が鈍化
させられたりするためと考えられる。

本発明の製法によるガラスセラミンク焼結体の用途は前
記した多層配線基板が好適であるが、これに限定される
ものではなく、高強度、低い比誘電率、低い熱膨張係数
を必要とする各種分野に適用可能である。

［作用］本発明で用いるガラス組成物粉末は、焼結後の焼結体が
低い比誘電率、低い熱膨張係数となる作用をする。また
、このガラス組成物粉末と複合するウィスカー及び無機
粉末は焼結体中に分散させられていることにより、破壊
エネルギーの散逸源として作用し、焼結体の破壊に必要
なエネルギーを増大させる作用をする。

［実施例］本発明の実施例および比較例について、焼結体の製法お
よび得られた焼結体の性能試験の結果について説明する
。

各実施例および比較例についての混合物の製法および焼
結体の製法は次のようにして行った。

各配合成分（ＳｉＯｚ、ＡＩ。０３　、ＭｇＯ１Ｂ２０
３など）を第１表に示す割合で配合し、それぞれをアル
ミナ質ルツボに入れ、約１５００〜１５５０　’Ｃで加
熱し溶解した。得られた溶融液を水中に投下し、ガラス
組成物とした後、アルミナ質ボールミル中で湿式粉砕ま
たは乾式粉砕をし、平均粒径２〜４μｍのガラス組成物
粉末を得た。

第１表のＧ−１〜Ｇ−１０のガラス組成物粉末は本発明
の組成範囲内の組成のガラス組成物粉末であり、Ｇ−１
１〜Ｇ−１４のガラス組成物粉末は本発明の組成範囲を
外れた組成のガラス組成物粉末である。

こうして得られたガラス組成物粉末に対して、各種のウ
ィスカーおよび無機粉末を第２表および第３表に示す体
積分率（混合物全体に対する体積％）で添加し、ナイロ
ン質ボールミル中でエヂルアルコールを添加して２４時
時間式混合した後、乾燥し、ウィスカーおよび無機粉末
を添加した混合物を得た。なお、各種のウィスカーはい
ずれも市販の、平均直径０５〜１．０μｍ、平均長さ１
０〜１００μｍ前後のものであり、ガラス組成物粉末に
添加する前に、純水中で超音波を照射した後、開口径５
０μｍ（＃３２５メツシュ）のフィルターを通過させた
ものを用いた。

こうして得られた混合物を黒鉛製モールドを用いて、ア
ルゴン雰囲気中、昇温スピード１０°Ｃ／分、焼結温度
１０００　’Ｃ１保持時間１時間、プレス圧力３５ＭＰ
ａの条件下でボンドプレス焼結し、５０ｍｍφの円盤状
のガラスセラミック焼結体を得た。得られた５０ｍｍφ
の円盤状のガラスセラミンク焼結体について、周波数Ｉ
ＭＨｚにおける比誘電率を測定した。またこの焼結体か
ら切断および研削加工により、４Ｘ３Ｘ３５ｍｍの寸法
の試験片を作成し、熱膨張係数およびＪＩＳ−Ｒ１６０
１の３点曲げによる抗折強度の測定を行った。その結果
を第２表、第３表に示す。

第２表に示す実施例１〜１１は本発明の組成範囲内の組
成のガラス組成物粉末を用いて実施したものであり、何
れの場合も得られた抗折強度は２２０〜４５１．ＭＰａ
と高い値を示しており、また比誘電率および熱膨張係数
も実用上、充分な値が得られた。この結果から本発明の
実施例の焼結体は、比誘電率が低く、熱膨張係数が低く
、かつ強度が強いことが実証された。

これに対し、第３表の比較例１〜４ではウィスカーと無
機粉末の合計の添加割合が６０〜７０体積％と５０体積
％より多いため、緻密な焼結体が得られず、抗折強度は
５２〜１６４ＭＰａと低い値であった。また、第３表の
比較例５〜８ではガラス組成物粉末の各成分の配合割合
が本発明の組成範囲を外れたものであり、この場合ウィ
スカー及び無機粉末を添加することにより、さらに焼結
性が悪くなり、ウィスカーと無機粉末の合計の添加割合
が１０体積％であるにもかかわらず１０００°Ｃの焼結
では緻密な焼結体が得られず、抗折強度は８６〜１６７
ＭＰａと低い値であった。

次に、前記の実施例１〜５で得られたガラスセラミンク
焼結体を、アルゴン雰囲気中、昇温スピード１０°Ｃ／
分、８００　’Ｃ１保持時間５時間の条件で加熱処理し
た後で、各特性を測定した。その結果を、第４表の実施
例１２〜１６として示す。

第４表から、加熱処理した場合、加熱処理をしない場合
に比べ、約１０％程度の強度向上効果があることが実証
された。

１１４９３Ｈ９）Ｕ発明の効果］本発明の製法によるガラスセラミック焼結体は、比誘電
率が低く、熱膨張係数が低く、かつ強度が強い焼結体と
なるため、多層配線基板とするに好適なガラスセラミッ
ク焼結体の提供が可能となった。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）組成が、ＳｉＯ＿２：４８〜６３重量％Ａｌ＿２Ｏ＿３：１０〜２５重量％ＭｇＯ：１０〜２５重量％Ｂ＿２Ｏ＿３：４〜１０重量％の成分を有し、かつＭｇＯ成分全体に対して０〜２０重
量％のＭｇＯがＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯの中から選ばれ
た一種類以上の成分で置換さているガラス組成物粉末に
、ウィスカーと、前記ガラス組成物粉末の焼結体の熱膨
張係数より低い熱膨張係数の無機粉末とを添加して得ら
れる混合物を焼結してガラスセラミック焼結体とするガ
ラスセラミック焼結体の製法。
（２）添加するウィスカーと無機粉末の合計の添加割合
がガラス組成物粉末にウィスカー及び無機粉末を添加し
て得られる混合物全体に対し密度換算で５０体積％以下
である請求項１記載のガラスセラミック焼結体の製法。
（３）ウィスカーが、窒化珪素、ホウ酸アルミ、炭化珪
素の中から選ばれた少なくとも１種以上のウィスカーで
ある請求項１または２記載のガラスセラック焼結体の製
法。
（４）無機粉末が、コージェライト、石英ガラス、チタ
ン酸アルミニウム、β−スポジュメン、β−ユークリプ
タイトの中から選ばれた少なくとも１種以上の粉末であ
る、請求項１ないし３のいずれか記載のガラスセラミッ
ク焼結体の製法。