JPH04243962A - 多層セラミックパッケージ用低誘電性無機組成物、及びその調製方法 - Google Patents
多層セラミックパッケージ用低誘電性無機組成物、及びその調製方法Info
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- JPH04243962A JPH04243962A JP3206679A JP20667991A JPH04243962A JP H04243962 A JPH04243962 A JP H04243962A JP 3206679 A JP3206679 A JP 3206679A JP 20667991 A JP20667991 A JP 20667991A JP H04243962 A JPH04243962 A JP H04243962A
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- C03C4/16—Compositions for glass with special properties for dielectric glass
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- H01L2924/301—Electrical effects
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は誘電性組成物に関する。
より詳細には、本発明は、低温で焼結して低い熱膨張係
数及び4.2未満の誘電率を有する高密度体を形成する
、ガラス及びセラミック材料に関する。
数及び4.2未満の誘電率を有する高密度体を形成する
、ガラス及びセラミック材料に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、ミクロ電子工学用パッケージ
には誘電性材料としてアルミナ(Al2 O3 )が用
いられる。アルミナは、優れた電気的(絶縁)、熱的、
及び機械的(特に強度)特性を有する。一般に4〜10
重量%のガラスを含有するアルミナ基材のパッケージは
1500℃を超える焼結温度を必要とするので、電気接
続にはパッケージと同時焼成できるようにモリブデンま
たはタングステンのような耐熱金属を使用することが必
要となる。これらの金属の導電性は銅のような良導体金
属と比較して劣るものであり、そして第二番目には、こ
れらの金属は同時焼成中に強い還元雰囲気を使用しなけ
ればならず、高価な炉設備を必要とする。
には誘電性材料としてアルミナ(Al2 O3 )が用
いられる。アルミナは、優れた電気的(絶縁)、熱的、
及び機械的(特に強度)特性を有する。一般に4〜10
重量%のガラスを含有するアルミナ基材のパッケージは
1500℃を超える焼結温度を必要とするので、電気接
続にはパッケージと同時焼成できるようにモリブデンま
たはタングステンのような耐熱金属を使用することが必
要となる。これらの金属の導電性は銅のような良導体金
属と比較して劣るものであり、そして第二番目には、こ
れらの金属は同時焼成中に強い還元雰囲気を使用しなけ
ればならず、高価な炉設備を必要とする。
【0003】多層セラミック回路基板の開発は、高周波
、高密度、及び高速度装置を目指している。Al2 O
3 は、比較的高い誘電率約9.9を有しており、大き
な信号伝搬遅延及び低い信号対雑音比(クロストーク)
の原因となる。セラミック基板中の信号伝搬遅延(t)
は、次式:t=(k′)0.5 /C(式中、Cは光の
速度)において基板の実効誘電率(k′)により影響さ
れる。信号伝搬遅延は基板の実効誘電率の減少により著
しく低減されうることが理解できる。例えば、材料の誘
電率が10(およそAl2O3 のk′)から5に減少
すると、信号伝搬遅延は30%低減できる。非常に高密
度の集積回路、例えば超大規模集積回路(VLSI)を
有するチップを収容する基板としては、小さい信号伝搬
遅延が特に重要である。
、高密度、及び高速度装置を目指している。Al2 O
3 は、比較的高い誘電率約9.9を有しており、大き
な信号伝搬遅延及び低い信号対雑音比(クロストーク)
の原因となる。セラミック基板中の信号伝搬遅延(t)
は、次式:t=(k′)0.5 /C(式中、Cは光の
速度)において基板の実効誘電率(k′)により影響さ
れる。信号伝搬遅延は基板の実効誘電率の減少により著
しく低減されうることが理解できる。例えば、材料の誘
電率が10(およそAl2O3 のk′)から5に減少
すると、信号伝搬遅延は30%低減できる。非常に高密
度の集積回路、例えば超大規模集積回路(VLSI)を
有するチップを収容する基板としては、小さい信号伝搬
遅延が特に重要である。
【0004】さらにアルミナは、シリコンの3.4×1
0−6/℃に対して約7.4×10−6/℃(20℃〜
200℃範囲)の熱膨張係数を有する。この熱膨張の不
一致は、シリコンウエファーを基板に取り付けた場合に
、設計の制約及び信頼性の不信を生じる。
0−6/℃に対して約7.4×10−6/℃(20℃〜
200℃範囲)の熱膨張係数を有する。この熱膨張の不
一致は、シリコンウエファーを基板に取り付けた場合に
、設計の制約及び信頼性の不信を生じる。
【0005】今までに多層回路に用いられてきた誘電体
材料のほとんどは、慣例の厚膜組成物である。典型的回
路は、通常92〜96%Al2 O3 であるセラミッ
ク基板上に機能性の厚膜を順に印刷、乾燥、及び焼成す
ることにより組み立てられる。必要とされる多段階は、
この技術プロセスを多数の処理段階で集約させ、そして
損失を生じさせて高いコストの一因となる。それにもか
かわらず、厚膜技術はミクロ電子工学における重要な必
要性を満たし、そして予見できる将来においてもそうし
続けるであろう。
材料のほとんどは、慣例の厚膜組成物である。典型的回
路は、通常92〜96%Al2 O3 であるセラミッ
ク基板上に機能性の厚膜を順に印刷、乾燥、及び焼成す
ることにより組み立てられる。必要とされる多段階は、
この技術プロセスを多数の処理段階で集約させ、そして
損失を生じさせて高いコストの一因となる。それにもか
かわらず、厚膜技術はミクロ電子工学における重要な必
要性を満たし、そして予見できる将来においてもそうし
続けるであろう。
【0006】最近、低誘電率を有する誘電体厚膜組成物
が導入された。しかしながら、4.5未満の低誘電率及
びシリコンの熱膨張係数(3.4ppm /℃)に等し
い熱膨張係数を有するセラミック基板は、容易には入手
できない。
が導入された。しかしながら、4.5未満の低誘電率及
びシリコンの熱膨張係数(3.4ppm /℃)に等し
い熱膨張係数を有するセラミック基板は、容易には入手
できない。
【0007】多層回路の加工方法として、低温同時焼成
(LTCF)技術が最近導入された。この技術は高温同
時焼成(HTCF)技術の処理利点及び厚膜技術の材料
利点の組合せを提供する。これらのLTCFテープ方式
は、1000℃未満の焼成温度を有し、そして銀、金、
銀/パラジウム、及び銅(しかしながら、銅は還元雰囲
気を必要とする)のような高導電性金属の使用を許容す
る。これらのテープ方式のほとんどは、6〜8の間の誘
電率を有し、そして一連の熱膨張係数(TCE)範囲を
包含する。
(LTCF)技術が最近導入された。この技術は高温同
時焼成(HTCF)技術の処理利点及び厚膜技術の材料
利点の組合せを提供する。これらのLTCFテープ方式
は、1000℃未満の焼成温度を有し、そして銀、金、
銀/パラジウム、及び銅(しかしながら、銅は還元雰囲
気を必要とする)のような高導電性金属の使用を許容す
る。これらのテープ方式のほとんどは、6〜8の間の誘
電率を有し、そして一連の熱膨張係数(TCE)範囲を
包含する。
【0008】現在のところ、低誘電率(4.5未満)及
びシリコンに適合した熱膨張係数(3.4ppm /℃
)両方を提供する、ガラスプラスセラミックを用いた低
温同時焼成誘電体テープ方式は容易には利用できない。
びシリコンに適合した熱膨張係数(3.4ppm /℃
)両方を提供する、ガラスプラスセラミックを用いた低
温同時焼成誘電体テープ方式は容易には利用できない。
【0009】銅導体用の多層セラミック回路基板を作製
する方法が、Kuriharaらの米国特許第4,64
2,148号に記述されている。α−アルミナ10〜7
5重量%、非晶質石英(溶融シリカ)5〜70重量%、
及びホウケイ酸ガラス20〜60重量%を含むセラミッ
ク組成物が開示されている。その焼成材料の誘電率は4
.8〜9.6の範囲にあった。
する方法が、Kuriharaらの米国特許第4,64
2,148号に記述されている。α−アルミナ10〜7
5重量%、非晶質石英(溶融シリカ)5〜70重量%、
及びホウケイ酸ガラス20〜60重量%を含むセラミッ
ク組成物が開示されている。その焼成材料の誘電率は4
.8〜9.6の範囲にあった。
【0010】Shinohara らの米国特許第4,
672,152号は、結晶性ガラス50〜95重量%及
びセラミック充填材5〜50重量%の混合物から調製さ
れたセラミックを含む、多層セラミック回路基板を記述
する。その材料は、5.1〜6.0の間の誘電率及び1
50MPa を超える曲げ強さを有する。結晶性ガラス
は、酸化リチウム5〜20重量%、二酸化珪素60〜9
0重量%、酸化アルミニウム1〜10重量%、及び酸化
リチウム以外のアルカリ金属酸化物1〜5重量%から成
る。セラミック充填材は、二酸化珪素、β−ユークリプ
タイト(LiAlSiO4 )、及び酸化アルミニウム
から成る群より選択される。
672,152号は、結晶性ガラス50〜95重量%及
びセラミック充填材5〜50重量%の混合物から調製さ
れたセラミックを含む、多層セラミック回路基板を記述
する。その材料は、5.1〜6.0の間の誘電率及び1
50MPa を超える曲げ強さを有する。結晶性ガラス
は、酸化リチウム5〜20重量%、二酸化珪素60〜9
0重量%、酸化アルミニウム1〜10重量%、及び酸化
リチウム以外のアルカリ金属酸化物1〜5重量%から成
る。セラミック充填材は、二酸化珪素、β−ユークリプ
タイト(LiAlSiO4 )、及び酸化アルミニウム
から成る群より選択される。
【0011】DiLazzaro の米国特許第4,7
55,490号は、4.5〜6.1の間の誘電率を有す
る低焼成温度セラミック材料を記述する。その材料は3
.9〜4.2cm/cm/℃×10−6の間の熱膨張係
数を有する。例11はk′=4.5及びTCE=3.9
を示す。材料は、アルミナ10〜50重量%、溶融シリ
カ0〜30重量%、並びにCaO約4重量%、MgO約
12重量%、B2 O3 約29重量%、及びSiO2
約42重量%から成るフリット50〜60重量%(お
よそ60〜70体積%)の混合物から調製される。組成
物は1000℃未満の温度で焼成される。
55,490号は、4.5〜6.1の間の誘電率を有す
る低焼成温度セラミック材料を記述する。その材料は3
.9〜4.2cm/cm/℃×10−6の間の熱膨張係
数を有する。例11はk′=4.5及びTCE=3.9
を示す。材料は、アルミナ10〜50重量%、溶融シリ
カ0〜30重量%、並びにCaO約4重量%、MgO約
12重量%、B2 O3 約29重量%、及びSiO2
約42重量%から成るフリット50〜60重量%(お
よそ60〜70体積%)の混合物から調製される。組成
物は1000℃未満の温度で焼成される。
【0012】Barringer らの米国特許第4,
788,046号は、低焼結温度を有する集積回路用ガ
ラス−セラミック系パッケージを記述する。焼結組成物
は、セラミック粒子をガラスでコーティングし、コーテ
ィングした粒子をガラスから分離し、次いでコーティン
グした粒子を圧粉体に成形することにより加工される。 石英を用いると最低誘電率(4.5)を有する材料が得
られる。この材料は、5を超える熱膨張係数を有する。
788,046号は、低焼結温度を有する集積回路用ガ
ラス−セラミック系パッケージを記述する。焼結組成物
は、セラミック粒子をガラスでコーティングし、コーテ
ィングした粒子をガラスから分離し、次いでコーティン
グした粒子を圧粉体に成形することにより加工される。 石英を用いると最低誘電率(4.5)を有する材料が得
られる。この材料は、5を超える熱膨張係数を有する。
【0013】Burnの米国特許第4,879,261
号は、5.0未満の誘電率を有する低誘電体材料を記述
する。その材料は、シリカ70〜85重量%及び亜鉛ホ
ウ砂融剤15〜30重量%から本質的に成る微粉粒子混
合物を酸化雰囲気中1065℃で焼成することにより調
製される。その組成物は、未処理テープ並びに多層コン
デンサー及び多層内部接続のような内部銅導体を有する
多層装置を作製するために使用できる。
号は、5.0未満の誘電率を有する低誘電体材料を記述
する。その材料は、シリカ70〜85重量%及び亜鉛ホ
ウ砂融剤15〜30重量%から本質的に成る微粉粒子混
合物を酸化雰囲気中1065℃で焼成することにより調
製される。その組成物は、未処理テープ並びに多層コン
デンサー及び多層内部接続のような内部銅導体を有する
多層装置を作製するために使用できる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】先述より、(1)低誘
電率(4.5未満)を有し、(2)シリコンの熱膨張係
数値(3.4ppm /℃)に非常に近い熱膨張係数を
有し、そして(3)空気中において低温(950℃未満
)で焼成できる誘電体であって、このようにして金、銀
、及び銀/パラジウムのような高導電性金属の使用を許
容する低温同時焼成可能なテープ誘電体の実質的必要性
が存在することが理解できる。
電率(4.5未満)を有し、(2)シリコンの熱膨張係
数値(3.4ppm /℃)に非常に近い熱膨張係数を
有し、そして(3)空気中において低温(950℃未満
)で焼成できる誘電体であって、このようにして金、銀
、及び銀/パラジウムのような高導電性金属の使用を許
容する低温同時焼成可能なテープ誘電体の実質的必要性
が存在することが理解できる。
【0015】本発明の主目的は、4.2未満の誘電率及
び4.0ppm /℃未満の熱膨張係数を有する物体に
焼結することができ、そして空気中において950℃未
満の温度で焼成できる材料を提供することである。
び4.0ppm /℃未満の熱膨張係数を有する物体に
焼結することができ、そして空気中において950℃未
満の温度で焼成できる材料を提供することである。
【0016】本発明の他の目的は、低温で焼結して低熱
膨張係数及び4.2未満の誘電率を有する高密度体(9
5%を超える理論密度)を生産し、そして40体積%未
満のガラス含量を有するセラミック材料を提供すること
である。焼結体のガラス含量を低減することは、同時焼
成中の形状の歪または反りの原因がガラス相である点か
ら非常に望まれる。焼結体が電子パッケージに使用され
るべき場合には、金属及びセラミックの同時焼成中に高
い体積パーセントのガラス含量と組み合わされた形状歪
がスルーホール(via hole)の心狂いを引き起
こす。50体積%未満のガラス含量は反りが起こる可能
性を低減する。
膨張係数及び4.2未満の誘電率を有する高密度体(9
5%を超える理論密度)を生産し、そして40体積%未
満のガラス含量を有するセラミック材料を提供すること
である。焼結体のガラス含量を低減することは、同時焼
成中の形状の歪または反りの原因がガラス相である点か
ら非常に望まれる。焼結体が電子パッケージに使用され
るべき場合には、金属及びセラミックの同時焼成中に高
い体積パーセントのガラス含量と組み合わされた形状歪
がスルーホール(via hole)の心狂いを引き起
こす。50体積%未満のガラス含量は反りが起こる可能
性を低減する。
【0017】
【課題を解決するための手段、作用、及び効果】本発明
は、約4.2未満の誘電率を有するセラミック誘電体を
形成し、金、銀、及び銀/パラジウムのような高導電性
金属と同時焼成可能なセラミック組成物に関する。本組
成物は、ホウケイ酸ガラス25〜50体積%及び高シリ
カガラス50〜75体積%の微粉粒子混合物から成る。
は、約4.2未満の誘電率を有するセラミック誘電体を
形成し、金、銀、及び銀/パラジウムのような高導電性
金属と同時焼成可能なセラミック組成物に関する。本組
成物は、ホウケイ酸ガラス25〜50体積%及び高シリ
カガラス50〜75体積%の微粉粒子混合物から成る。
【0018】第2番目の態様において、本発明は、ポリ
マー性結合剤中に分散させた上記組成物から成る未焼成
未処理テープに関する。
マー性結合剤中に分散させた上記組成物から成る未焼成
未処理テープに関する。
【0019】さらなる態様において、本発明は、上記組
成物の層及びその間に銅の内部接続導体層を含んで成る
多層セラミック基板、並びにその組立体を焼成して高密
度の気密構造を形成することに関する。
成物の層及びその間に銅の内部接続導体層を含んで成る
多層セラミック基板、並びにその組立体を焼成して高密
度の気密構造を形成することに関する。
【0020】また別の態様において、本発明は、上記組
成物の層及びその間に銅の導体層を有して成る多層セラ
ミックコンデンサー、並びにその組立体を焼成して高密
度の気密構造を形成することに関する。
成物の層及びその間に銅の導体層を有して成る多層セラ
ミックコンデンサー、並びにその組立体を焼成して高密
度の気密構造を形成することに関する。
【0021】本発明の好ましいガラスプラスセラミック
組成物は、2つの主成分、すなわちホウケイ酸ガラス及
び高シリカガラス、の混合物を含んで成る。各成分の割
合は、焼成したセラミック材料の望まれる最終特性に依
存して、以下に記述する範囲内で変化できる。高密度セ
ラミック体は、通常の製造技術及び低温(すなわち、8
50〜1000℃)焼結によりこのような組成物から生
産できる。本発明の好ましい用途においては、このよう
な組成物が薄いテープに加工され、テープに沿って所望
の位置にスルーホールが打抜かれ、そしてその打抜テー
プ上に一つ以上の金属導体通路が形成される。導体通路
に適した金属には、銅、銀、金、白金/金、及びパラジ
ウム/銀が含まれる。テープは、典型的には2つ以上の
部分が共に積層されて多層回路基板を形成させた後に、
実質的に低温で焼結される。
組成物は、2つの主成分、すなわちホウケイ酸ガラス及
び高シリカガラス、の混合物を含んで成る。各成分の割
合は、焼成したセラミック材料の望まれる最終特性に依
存して、以下に記述する範囲内で変化できる。高密度セ
ラミック体は、通常の製造技術及び低温(すなわち、8
50〜1000℃)焼結によりこのような組成物から生
産できる。本発明の好ましい用途においては、このよう
な組成物が薄いテープに加工され、テープに沿って所望
の位置にスルーホールが打抜かれ、そしてその打抜テー
プ上に一つ以上の金属導体通路が形成される。導体通路
に適した金属には、銅、銀、金、白金/金、及びパラジ
ウム/銀が含まれる。テープは、典型的には2つ以上の
部分が共に積層されて多層回路基板を形成させた後に、
実質的に低温で焼結される。
【0022】驚くことに、低焼成温度ガラスプラスセラ
ミック組成物が、ホウケイ酸ガラスを50体積%未満で
含有する混合物から作製できることが見出された。上述
のように、焼結体のガラス含量の低減は、ガラス相が同
時焼成中の形状歪及び反りの原因である点から、非常に
望まれる。50体積%未満のガラス含量は、スルーホー
ルの心狂い及び反りが起こる可能性を低減する。本発明
の低焼成温度ガラスプラスセラミック組成物は、ホウケ
イ酸ガラス25〜50体積%及び高シリカガラス50〜
75体積%を含有する粉末原料混合物を提供することに
より生産され、そして前記ホウケイ酸ガラスは、Al2
O3 ,B2 O3 ,CaO,K2 O,Li2
O,Na2 O、及びSiO2 から成り且つ前記混合
物が793℃の軟化点を有するような量で存在する。次
いで、いくらかの量の混合物を従来手順により所望の形
状に加工し、そして少なくとも850℃、好ましくは8
50〜950℃、及び最も好ましくは900〜950℃
の温度で焼結する。焼結温度は酸化、中性、または還元
雰囲気中で行うことができる。
ミック組成物が、ホウケイ酸ガラスを50体積%未満で
含有する混合物から作製できることが見出された。上述
のように、焼結体のガラス含量の低減は、ガラス相が同
時焼成中の形状歪及び反りの原因である点から、非常に
望まれる。50体積%未満のガラス含量は、スルーホー
ルの心狂い及び反りが起こる可能性を低減する。本発明
の低焼成温度ガラスプラスセラミック組成物は、ホウケ
イ酸ガラス25〜50体積%及び高シリカガラス50〜
75体積%を含有する粉末原料混合物を提供することに
より生産され、そして前記ホウケイ酸ガラスは、Al2
O3 ,B2 O3 ,CaO,K2 O,Li2
O,Na2 O、及びSiO2 から成り且つ前記混合
物が793℃の軟化点を有するような量で存在する。次
いで、いくらかの量の混合物を従来手順により所望の形
状に加工し、そして少なくとも850℃、好ましくは8
50〜950℃、及び最も好ましくは900〜950℃
の温度で焼結する。焼結温度は酸化、中性、または還元
雰囲気中で行うことができる。
【0023】ここで使用される語句「ガラスプラスセラ
ミック」は、結晶性セラミック及びガラスの混合物から
作られた焼結セラミック組成物を記述する。「ガラスプ
ラスセラミック」組成物のセラミック及びガラス相は焼
成後に別々に残る。「ガラスプラスセラミック」中のガ
ラスは、焼成後にそのガラス特性を保持し、そしてその
組成物中において非晶性ガラスと呼ばれる。「ガラスプ
ラスセラミック」という語句は、非晶性ガラスを含有す
る系と、ガラスが焼成中に制御した失透を経て結晶にな
る「ガラス−セラミック」系とを区別するためにここで
使用される。
ミック」は、結晶性セラミック及びガラスの混合物から
作られた焼結セラミック組成物を記述する。「ガラスプ
ラスセラミック」組成物のセラミック及びガラス相は焼
成後に別々に残る。「ガラスプラスセラミック」中のガ
ラスは、焼成後にそのガラス特性を保持し、そしてその
組成物中において非晶性ガラスと呼ばれる。「ガラスプ
ラスセラミック」という語句は、非晶性ガラスを含有す
る系と、ガラスが焼成中に制御した失透を経て結晶にな
る「ガラス−セラミック」系とを区別するためにここで
使用される。
【0024】ここで使用される語句「ホウケイ酸ガラス
」は、酸化ホウ素(B2 O3 )20〜35重量%及
び酸化珪素(SiO2 )60〜80重量%を含有する
ガラス族を記述する。
」は、酸化ホウ素(B2 O3 )20〜35重量%及
び酸化珪素(SiO2 )60〜80重量%を含有する
ガラス族を記述する。
【0025】ここで使用される語句「高シリカガラス」
は、95重量%を超える酸化珪素(SiO2 )を含有
するガラス族を記述し、そしてB2O3 3〜4重量%
及びAl2 O3 0〜1重量%を含有する。「高シリ
カガラス」は1500℃を超える軟化点を有し、そして
1000℃未満で焼成されるセラミック組成物中に用い
た場合に失透しない。「高シリカガラス」は、材料の他
のセラミック成分とは区別されて残るので、それゆえ結
晶性充填剤のようにふるまうと言われる。
は、95重量%を超える酸化珪素(SiO2 )を含有
するガラス族を記述し、そしてB2O3 3〜4重量%
及びAl2 O3 0〜1重量%を含有する。「高シリ
カガラス」は1500℃を超える軟化点を有し、そして
1000℃未満で焼成されるセラミック組成物中に用い
た場合に失透しない。「高シリカガラス」は、材料の他
のセラミック成分とは区別されて残るので、それゆえ結
晶性充填剤のようにふるまうと言われる。
【0026】「高シリカガラス」は、「溶融シリカガラ
ス」が実質的に100%のSiO2 を含有する点にお
いて、「溶融シリカガラス」とは異なる。本発明の目的
に対しては、「高シリカガラス」と「溶融シリカガラス
」との差異が重要である。「溶融シリカガラス」は、失
透しそして高温でクリストバライトの微結晶を形成する
傾向が「高シリカガラス」よりも強い。焼成中に形成し
たクリストバライト相は冷却時に材料中に残存し、そし
て焼結生成物中に存在する前記相が生成物の熱膨張係数
(TCE)を増加させ且つ生成物の機械強度を低下させ
る。機械強度の損失は、微小亀裂を発生する相転移に伴
う体積変化に起因する。「高シリカガラス」は約100
0℃未満の温度ではクリストバライトに結晶化すること
がない。
ス」が実質的に100%のSiO2 を含有する点にお
いて、「溶融シリカガラス」とは異なる。本発明の目的
に対しては、「高シリカガラス」と「溶融シリカガラス
」との差異が重要である。「溶融シリカガラス」は、失
透しそして高温でクリストバライトの微結晶を形成する
傾向が「高シリカガラス」よりも強い。焼成中に形成し
たクリストバライト相は冷却時に材料中に残存し、そし
て焼結生成物中に存在する前記相が生成物の熱膨張係数
(TCE)を増加させ且つ生成物の機械強度を低下させ
る。機械強度の損失は、微小亀裂を発生する相転移に伴
う体積変化に起因する。「高シリカガラス」は約100
0℃未満の温度ではクリストバライトに結晶化すること
がない。
【0027】ここで使用される語句「微粉」は、約5ミ
クロン寸法未満に粉砕された材料を記述する。
クロン寸法未満に粉砕された材料を記述する。
【0028】ガラスは、所望の成分を所望の比率で混合
し、そして混合物を加熱して溶融させることによる従来
のガラス製造技術で調製できる。該技術分野において周
知であるように、溶融体が完全に液体及び均一になるよ
うな最高温度及び時間において、加熱が行われる。
し、そして混合物を加熱して溶融させることによる従来
のガラス製造技術で調製できる。該技術分野において周
知であるように、溶融体が完全に液体及び均一になるよ
うな最高温度及び時間において、加熱が行われる。
【0029】上述のガラスは、分極性が小さく低い誘電
率のため、VLSI用途のような電子パッケージに用い
るのに特に望ましい。ホウケイ酸ガラス自体は低い軟化
点を有する傾向があるので、高SiO2 濃度を有する
他のガラスを多量添加することにより軟化点を増大させ
る必要がある。高シリカガラスは、高B2 O3 濃度
を有するものよりも耐久性がある。
率のため、VLSI用途のような電子パッケージに用い
るのに特に望ましい。ホウケイ酸ガラス自体は低い軟化
点を有する傾向があるので、高SiO2 濃度を有する
他のガラスを多量添加することにより軟化点を増大させ
る必要がある。高シリカガラスは、高B2 O3 濃度
を有するものよりも耐久性がある。
【0030】好ましいホウケイ酸ガラスは、Al2 O
3 約0〜1重量%、B2 O3 25〜30重量%、
CaO0〜1重量%、K2 O0〜1重量%、Li2
O0〜1重量%、Na2 O0〜1重量%、ZnO・B
2 O3 0〜0.5重量%、及びSiO2 65〜7
5重量%を含んで成る。ホウケイ酸ガラスの使用量は焼
結温度に影響を与える。ホウケイ酸ガラスの使用量が少
な過ぎると(例えば、本実施態様において約25体積%
未満)、焼結温度が高過ぎて本発明の利益を達成するこ
とができない。これらの利益を得るためには、約25〜
50体積%の範囲内でホウケイ酸ガラス比率を維持する
ことが必要である。
3 約0〜1重量%、B2 O3 25〜30重量%、
CaO0〜1重量%、K2 O0〜1重量%、Li2
O0〜1重量%、Na2 O0〜1重量%、ZnO・B
2 O3 0〜0.5重量%、及びSiO2 65〜7
5重量%を含んで成る。ホウケイ酸ガラスの使用量は焼
結温度に影響を与える。ホウケイ酸ガラスの使用量が少
な過ぎると(例えば、本実施態様において約25体積%
未満)、焼結温度が高過ぎて本発明の利益を達成するこ
とができない。これらの利益を得るためには、約25〜
50体積%の範囲内でホウケイ酸ガラス比率を維持する
ことが必要である。
【0031】好ましい高シリカガラス組成物はCorn
ing7913の商標で市販されており、そしてアルミ
ナ0.5重量%、B2 O3 3重量%、及びSiO2
96.5重量%を含有する。
ing7913の商標で市販されており、そしてアルミ
ナ0.5重量%、B2 O3 3重量%、及びSiO2
96.5重量%を含有する。
【0032】以下の例は、本発明のガラスプラスセラミ
ック組成物の好ましい組成範囲を例示するものである。 各例において、ホウケイ酸ガラスはAl2 O3 0.
98重量%、B2 O3 26.7重量%、CaO0.
11重量%、K2 O0.84重量%、Li2 O0.
78重量%、Na2 O0.2重量%、及びSiO2
69.8重量%から成り、そして高シリカガラスはCo
rningの7913である。
ック組成物の好ましい組成範囲を例示するものである。 各例において、ホウケイ酸ガラスはAl2 O3 0.
98重量%、B2 O3 26.7重量%、CaO0.
11重量%、K2 O0.84重量%、Li2 O0.
78重量%、Na2 O0.2重量%、及びSiO2
69.8重量%から成り、そして高シリカガラスはCo
rningの7913である。
【0033】
【実施例】例1
本例では、出発原料は高シリカガラス75体積%及びホ
ウケイ酸ガラス25体積%から本質的に成る。ホウケイ
酸ガラス及び高シリカガラスは、1.3ガロンのボール
ミルで16時間別々に粉砕して2〜4ミクロンの粒径に
した。ホウケイ酸ガラス及び高シリカガラスの密度はほ
ぼ等しいので、体積%と重量%は概略的に等価である。 本例では、混合物の実際の重量%は、高シリカガラス7
5.2重量%及びホウケイ酸ガラス24.8重量%であ
る。この無機材料混合物を、ポリエチレングリコール結
合剤5体積%及び1−プロパノール50体積%と混合し
、そして管状混合器中で2時間混合した。次いで材料を
80℃で2時間炉乾燥し、そして選別した。次いで、粉
砕混合物を金型中13,000psi(910kg/c
m2)で圧縮することにより、材料を直径1.9cm、
高さ0.3cmのペレットに乾燥圧縮加工した。次いで
ペレットを空気中で焼成した。焼成は二段階で行った。 第一段階で結合剤を完全燃焼した。第一段階は、ペレッ
トを500℃に加熱して1時間保持することにより行っ
た。次ぎに、800℃〜1000℃の範囲の各種温度で
4時間恒温的にペレットを焼結した。焼結した材料の焼
結密度は、ASTM手順C373−72に従い水置換法
により定量した。熱膨張係数(TCE)は、膨張計を用
いて室温から200℃の温度範囲で定量した。誘電率及
び誘電損失は、1MHz におけるHP 4192
ACインピーダンスにより定量した。材料の焼結密度
を表1に報告する。 得られた焼結セラミック材料が950℃で95%理論密
度(T.D.)を超える密度を有することが認められる
。材料の誘電率(k′)、誘電正接(D.F.)、及び
線熱膨張率(TCE)を表2に記録する。
ウケイ酸ガラス25体積%から本質的に成る。ホウケイ
酸ガラス及び高シリカガラスは、1.3ガロンのボール
ミルで16時間別々に粉砕して2〜4ミクロンの粒径に
した。ホウケイ酸ガラス及び高シリカガラスの密度はほ
ぼ等しいので、体積%と重量%は概略的に等価である。 本例では、混合物の実際の重量%は、高シリカガラス7
5.2重量%及びホウケイ酸ガラス24.8重量%であ
る。この無機材料混合物を、ポリエチレングリコール結
合剤5体積%及び1−プロパノール50体積%と混合し
、そして管状混合器中で2時間混合した。次いで材料を
80℃で2時間炉乾燥し、そして選別した。次いで、粉
砕混合物を金型中13,000psi(910kg/c
m2)で圧縮することにより、材料を直径1.9cm、
高さ0.3cmのペレットに乾燥圧縮加工した。次いで
ペレットを空気中で焼成した。焼成は二段階で行った。 第一段階で結合剤を完全燃焼した。第一段階は、ペレッ
トを500℃に加熱して1時間保持することにより行っ
た。次ぎに、800℃〜1000℃の範囲の各種温度で
4時間恒温的にペレットを焼結した。焼結した材料の焼
結密度は、ASTM手順C373−72に従い水置換法
により定量した。熱膨張係数(TCE)は、膨張計を用
いて室温から200℃の温度範囲で定量した。誘電率及
び誘電損失は、1MHz におけるHP 4192
ACインピーダンスにより定量した。材料の焼結密度
を表1に報告する。 得られた焼結セラミック材料が950℃で95%理論密
度(T.D.)を超える密度を有することが認められる
。材料の誘電率(k′)、誘電正接(D.F.)、及び
線熱膨張率(TCE)を表2に記録する。
【0034】例2
無機組成物が高シリカガラス70体積%及びホウケイ酸
ガラス30体積%(それぞれ、70.2重量%及び29
.8重量%)であること以外、例1の手順を繰り返した
。材料の焼結密度を表1に報告する。得られた焼結セラ
ミック材料の密度は、900℃を超える温度で95%理
論密度(T.D.)を超えることが定量された。材料の
誘電率(k′)、誘電正接(D.F.)、及び線熱膨張
率(TCE)を表2に記録する。
ガラス30体積%(それぞれ、70.2重量%及び29
.8重量%)であること以外、例1の手順を繰り返した
。材料の焼結密度を表1に報告する。得られた焼結セラ
ミック材料の密度は、900℃を超える温度で95%理
論密度(T.D.)を超えることが定量された。材料の
誘電率(k′)、誘電正接(D.F.)、及び線熱膨張
率(TCE)を表2に記録する。
【0035】例3
無機組成物が高シリカガラス60体積%及びホウケイ酸
ガラス40体積%(それぞれ、60.2重量%及び39
.8重量%)であること以外、例1の手順を繰り返した
。材料の焼結密度を表1に報告する。得られた焼結セラ
ミック材料の密度は、850℃を超える温度で95%理
論密度(T.D.)を超えることが定量された。材料の
誘電率(k′)、誘電正接(D.F.)、及び線熱膨張
率(TCE)を表2に記録する。
ガラス40体積%(それぞれ、60.2重量%及び39
.8重量%)であること以外、例1の手順を繰り返した
。材料の焼結密度を表1に報告する。得られた焼結セラ
ミック材料の密度は、850℃を超える温度で95%理
論密度(T.D.)を超えることが定量された。材料の
誘電率(k′)、誘電正接(D.F.)、及び線熱膨張
率(TCE)を表2に記録する。
【0036】例4
無機組成物が高シリカガラス50体積%及びホウケイ酸
ガラス50体積%(それぞれ、50.3重量%及び49
.7重量%)であること以外、例1の手順を繰り返した
。材料の焼結密度を表1に報告する。得られた焼結セラ
ミック材料の密度は、800℃を超える温度で95%理
論密度(T.D.)を超えることが定量された。材料の
誘電率(k′)、誘電正接(D.F.)、及び線熱膨張
率(TCE)を表2に報告する。
ガラス50体積%(それぞれ、50.3重量%及び49
.7重量%)であること以外、例1の手順を繰り返した
。材料の焼結密度を表1に報告する。得られた焼結セラ
ミック材料の密度は、800℃を超える温度で95%理
論密度(T.D.)を超えることが定量された。材料の
誘電率(k′)、誘電正接(D.F.)、及び線熱膨張
率(TCE)を表2に報告する。
【0037】
【表1】
【0038】
【表2】
【0039】例1〜4の生成物は、文献中に報告されて
いるガラス含量(60体積%を超える)よりもはるかに
低いガラス含量(25〜50体積%)を有する。低ガラ
ス含量は、同時焼成中の形状歪を回避することができる
ので、非常に望ましい。例1〜4の生成物は、空気中8
00〜950℃の温度で得られた高い焼結密度(理論密
度の95%を超える)を有した。この焼結温度は貴金属
、例えば金及び銀/パラジウムの焼結温度と一致し、こ
のことが同時焼成セラミック/金属電子パッケージング
方式における前記組成物の利用を可能にする。
いるガラス含量(60体積%を超える)よりもはるかに
低いガラス含量(25〜50体積%)を有する。低ガラ
ス含量は、同時焼成中の形状歪を回避することができる
ので、非常に望ましい。例1〜4の生成物は、空気中8
00〜950℃の温度で得られた高い焼結密度(理論密
度の95%を超える)を有した。この焼結温度は貴金属
、例えば金及び銀/パラジウムの焼結温度と一致し、こ
のことが同時焼成セラミック/金属電子パッケージング
方式における前記組成物の利用を可能にする。
【0040】さらに、例1〜4の材料は低い誘電率(3
.8〜4.1)及び誘電損失(1MHz で0.1〜0
.4%)を有し、このことはセラミック基板中の信号伝
搬遅延を低減するために非常に望ましい。
.8〜4.1)及び誘電損失(1MHz で0.1〜0
.4%)を有し、このことはセラミック基板中の信号伝
搬遅延を低減するために非常に望ましい。
【0041】例1から4の材料を用いて多層高周波回路
パッケージを作製することができる。多層高周波回路パ
ッケージ用の誘電層を形成するためには、出発原料をこ
れが2〜4ミクロンの平均粒径になるまでボールミルで
粉砕する。次いで微粉砕粉末を、可塑剤及び結合剤のよ
うな適当な溶剤及び他の通常の添加剤と、該技術分野に
おいて周知の方法で混合することによりスラリーを形成
する。スラリーを、約75〜400ミクロン厚の薄い「
グリーン」(未焼成)シートに、通常のドクターブレー
ド法を用いてキャストする。その後グリーンシートを、
別々の125平方mmシートまたはテープに打抜く。 次ぎにスルーホールを打抜き法によりグリーンシート中
に形成する。スルーホールは約125ミクロンの直径を
有することが可能であり適している。導体ペーストを、
スクリーン印刷法を用いて所望のパターンで打抜きシー
トに適用する。ペーストはまた、導体パターン間の接続
を形成するためにスルーホール内にも適用する。ペース
トの金属主成分は、金、銀、銅、銀/パラジウム合金、
金/パラジウム合金、または他の適当な材料であること
ができる。次いで、印刷したグリーンシートを、正確な
位置を保証するための整合孔(アライメントホール)を
用いて所望の順に積み重ね、そして約35〜250kg
/cm2 の圧力下50〜100℃で共に積層する。最
後に、積層したグリーンシートを1000℃以下の温度
で焼成して、高密度の焼結セラミック多層回路基板を形
成させる。導体金属が焼成温度で酸化され易くない場合
には、焼成を空気中で行うことができる。例えば、還元
または中性雰囲気を必要とする銅を除く上記金属を使用
する場合がそうである。記述した方法で作製したシート
はより低いガラス含量を有し、それゆえ曲がるまたは反
る傾向が小さい。
パッケージを作製することができる。多層高周波回路パ
ッケージ用の誘電層を形成するためには、出発原料をこ
れが2〜4ミクロンの平均粒径になるまでボールミルで
粉砕する。次いで微粉砕粉末を、可塑剤及び結合剤のよ
うな適当な溶剤及び他の通常の添加剤と、該技術分野に
おいて周知の方法で混合することによりスラリーを形成
する。スラリーを、約75〜400ミクロン厚の薄い「
グリーン」(未焼成)シートに、通常のドクターブレー
ド法を用いてキャストする。その後グリーンシートを、
別々の125平方mmシートまたはテープに打抜く。 次ぎにスルーホールを打抜き法によりグリーンシート中
に形成する。スルーホールは約125ミクロンの直径を
有することが可能であり適している。導体ペーストを、
スクリーン印刷法を用いて所望のパターンで打抜きシー
トに適用する。ペーストはまた、導体パターン間の接続
を形成するためにスルーホール内にも適用する。ペース
トの金属主成分は、金、銀、銅、銀/パラジウム合金、
金/パラジウム合金、または他の適当な材料であること
ができる。次いで、印刷したグリーンシートを、正確な
位置を保証するための整合孔(アライメントホール)を
用いて所望の順に積み重ね、そして約35〜250kg
/cm2 の圧力下50〜100℃で共に積層する。最
後に、積層したグリーンシートを1000℃以下の温度
で焼成して、高密度の焼結セラミック多層回路基板を形
成させる。導体金属が焼成温度で酸化され易くない場合
には、焼成を空気中で行うことができる。例えば、還元
または中性雰囲気を必要とする銅を除く上記金属を使用
する場合がそうである。記述した方法で作製したシート
はより低いガラス含量を有し、それゆえ曲がるまたは反
る傾向が小さい。
【0042】本発明の組成物を使用して、実質的に通常
の技術で硬質の非孔質セラミック体を作製することも可
能である。例えば、前記例のいずれかのバッチ原料を水
及び有機結合剤と混合し、そして約20時間ボールミル
摩砕する。得られたスラリーをスプレー乾燥して、実質
的に球状粒子の粉末を提供する。この粉末を用いて、乾
燥または等圧圧縮のような標準加工技術により所望の各
種形状体を作製することができる。次いで前記形状体を
1000℃以下の適当な温度で焼成して、高密度の焼結
セラミック体を提供する。
の技術で硬質の非孔質セラミック体を作製することも可
能である。例えば、前記例のいずれかのバッチ原料を水
及び有機結合剤と混合し、そして約20時間ボールミル
摩砕する。得られたスラリーをスプレー乾燥して、実質
的に球状粒子の粉末を提供する。この粉末を用いて、乾
燥または等圧圧縮のような標準加工技術により所望の各
種形状体を作製することができる。次いで前記形状体を
1000℃以下の適当な温度で焼成して、高密度の焼結
セラミック体を提供する。
【0043】本発明は高シリカガラスに関して記述され
てきたが、本発明の実施において他の形態のシリカを使
用できることは考えられる。しかしながら、石英及び/
またはクリストバライトは、それらの熱膨張係数が高い
ので使用できるとは考えられない。さらに、1000℃
以下の温度で焼成すると失透する溶融シリカを使用する
ことは望ましくない。
てきたが、本発明の実施において他の形態のシリカを使
用できることは考えられる。しかしながら、石英及び/
またはクリストバライトは、それらの熱膨張係数が高い
ので使用できるとは考えられない。さらに、1000℃
以下の温度で焼成すると失透する溶融シリカを使用する
ことは望ましくない。
【0044】ここで記述及び請求した本発明の原理から
逸脱することなく、上述の実施態様において各種の変更
及び改変を行い同じまたは等価の結果を達成することが
可能であることは、該関連技術の当業者にとって自明で
ある。すべてのこのような変更及び改変は、特許請求の
範囲に包含されるものと意図される。
逸脱することなく、上述の実施態様において各種の変更
及び改変を行い同じまたは等価の結果を達成することが
可能であることは、該関連技術の当業者にとって自明で
ある。すべてのこのような変更及び改変は、特許請求の
範囲に包含されるものと意図される。
Claims (9)
- 【請求項1】 微粉粒子から形成されたセラミック組
成物であって、前記セラミック組成物が約4.2未満の
誘電率及び約4.0ppm /℃未満の熱膨張係数を有
し、そして前記組成物が、以下の(a)及び(b)、す
なわち、(a)B2 O3 約20〜35重量%及びS
iO2 約60〜80重量%を含んで成るホウケイ酸ガ
ラス25〜50体積%;及び(b)アルミナ0.5〜1
重量%、B2 O3 1〜5重量%、及びSiO2 9
5〜98重量%から本質的に成るガラス50〜75体積
%、から本質的に成ることを特徴とする、セラミック組
成物。 - 【請求項2】 前記ホウケイ酸ガラスが以下の組成、
すなわち、アルミナ0〜3重量%、B2 O3 20〜
30重量%、CaO0〜3重量%、K2 O0〜3重量
%、Li2 O0〜3重量%、Na2 O0〜3重量%
、及びSiO2 60〜80重量%、を有することを特
徴とする、請求項1記載のセラミック組成物。 - 【請求項3】 形成したセラミック誘電体が、約3.
0〜4.0ppm /℃の範囲の熱膨張係数を有するこ
とを特徴とする、請求項1記載のセラミック組成物。 - 【請求項4】 前記微粉粒子混合物が有機媒体中に分
散したことを特徴とする、請求項1記載のセラミック組
成物。 - 【請求項5】 前記有機媒体が、有機溶剤に溶解した
ポリマー結合剤から成ることを特徴とする、請求項4記
載のセラミック組成物。 - 【請求項6】 前記有機溶剤が揮発性溶剤であり、そ
して前記分散体がキャスト可能な濃度であることを特徴
とする、請求項5記載のセラミック組成物。 - 【請求項7】 以下の(a)及び(b)、すなわち、
(a)B2 O3 20〜35重量%及びSiO2 約
60〜80重量%から本質的に成るホウケイ酸ガラス2
5〜50体積%と、並びにアルミナ0.5〜1重量%、
B2 O3 1〜5重量%、及びSiO2 95〜98
重量%から本質的に成るガラス50〜75体積%との混
合物;及び(b)有機溶剤に溶解したポリマー結合剤か
ら成る有機媒体15〜30重量%、から本質的に成る、
キャスト可能なセラミック組成物。 - 【請求項8】 約4.2未満の誘電率及び約4.0p
pm /℃未満の熱膨張係数を有するセラミック誘電体
の作製方法であって、以下の(a)及び(b)、すなわ
ち、(a)B2 O3 20〜35重量%及びSiO2
約60〜80重量%から本質的に成るホウケイ酸ガラ
ス25〜50体積%、並びにアルミナ0.5〜1重量%
、B2 O3 1〜5重量%、及びSiO2 95〜9
8重量%から本質的に成るガラス50〜75体積%、か
ら本質的に成る微粉粒子混合物を提供すること;及び(
b)前記混合物を空気中約1000℃以下の温度で焼結
すること、の段階から本質的に成ることを特徴とする、
セラミック誘電体の作製方法。 - 【請求項9】 約4.2未満の誘電率及び約2.7〜
4.0ppm /℃の範囲の熱膨張係数を有する、電子
パッケージ用セラミック基板の作製方法であって、以下
の(a)及び(b)、すなわち、(a)B2 O3 約
20〜35重量%及びSiO2 約60〜80重量%を
含んで成るホウケイ酸ガラス25〜50体積%、並びに
アルミナ0.5〜1重量%、B2 O3 1〜5重量%
、及びSiO2 95〜98重量%から本質的に成るガ
ラス50〜75体積%、から本質的に成る微粉粒子混合
物を提供すること;及び(b)前記混合物を空気中約1
000℃以下の温度で焼結すること、の段階から本質的
に成ることを特徴とする、セラミック基板の作製方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/571,203 US5071793A (en) | 1990-08-23 | 1990-08-23 | Low dielectric inorganic composition for multilayer ceramic package |
US571203 | 1990-08-23 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04243962A true JPH04243962A (ja) | 1992-09-01 |
Family
ID=24282739
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3206679A Pending JPH04243962A (ja) | 1990-08-23 | 1991-08-19 | 多層セラミックパッケージ用低誘電性無機組成物、及びその調製方法 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5071793A (ja) |
EP (1) | EP0472165A1 (ja) |
JP (1) | JPH04243962A (ja) |
KR (1) | KR920004304A (ja) |
CA (1) | CA2048558A1 (ja) |
TW (1) | TW222615B (ja) |
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