JPH04357162A

JPH04357162A - セラミック材料

Info

Publication number: JPH04357162A
Application number: JP3200237A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Ushifusa; 信之牛房; Satoru Ogiwara; 覚荻原; Kousei Nagayama; 永山　更成; Koichi Shinohara; 浩一篠原; Akizo Toda; 尭三戸田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: JPH0764616B2

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】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、新規なセラミック材料に
係り、特に半導体部品を搭載する配線回路基板に用いる
ために好適なセラミック材料に関する。

【０００２】

【発明の背景】近年、ＬＳＩ等の集積回路は、高速化，
高密度化にともなって、放熱や素子の高速化を計るため
にセラミック基板上に直接チップを実装する方式が用い
られるようになってきている。しかしながら、この実装
方式においては、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セラミック配
線回路基板材料との間で実装時の温度変化によって生ず
る応力が大きくなるという問題点があった。すなわち、
従来より一般にセラミック配線回路基板の絶縁材料とし
て使用されているアルミナの熱膨張係数は７５×１０−
７／℃（室温〜５００℃）であり、この値はＬＳＩ等の
集積回路材料であるシリコンの熱膨張係数３５×１０−
７／℃（室温〜５００℃）に比べて２倍以上大きいため
、実装時の温度変化により生ずる応力が大きくなり、接
続部の信頼性低下という問題があった。また、アルミナ
系材料の焼成温度は１５００〜１６５０℃であり、配線
回路をセラミックスの構成と同時に形成するために適用
できる導体材料はタングステンまたはモリブデンなどで
ある。しかしながら、タングステンまたはモリブデンの熱膨張
係数がそれぞれ４５×１０−７，５４×１０−７／℃（
室温〜５００℃）であり、アルミナ系材料と同時焼成す
ると、これらの熱膨張係数の差により、配線基板にクラ
ックが発生する問題があった。また、アルミナを主成分
とする焼結体を絶縁材料に使った基板の問題は、電気信
号の伝播速度が遅いということであり、この原因として
は、アルミナ自身の比誘電率が９．５％（１ＭＨｚ）と
大きいためである。

【０００３】従って、セラミック材料の熱膨張係数がシ
リコンのそれに近く、また比誘電率が小さい基板の一例
として特開昭５５−１３９７０９号「ムライト基板の製
造方法」である。この公報によれば、コージェライトが
ムライト主結晶間に生成されることにより、コージェラ
イトの熱膨張係数が１０〜２０×１０−７／℃（室温〜
５００℃）である事を利用してムライト基板の熱膨張係
数をムライト単体より下げる事によりシリコンに近い熱
膨張係数３８〜３９×１０−７／℃を得ている。

【０００４】しかし、このような利点があるにもかかわ
らずセラミックス材料と導体材料を交互に積層し、同時
焼成してなるセラミック多層配線回路基板とできないの
は、コージェライト相が存在する１５００℃付近の温度
で焼成しなければならないため、焼結しにくい導体材料
であるタングステンまたはモリブデンと同時焼成できな
いからである。また、タングステンまたはモリブデンの
熱膨張係数は各々４５×１０−７／℃，５４×１０−７
／℃であるので、その熱膨張差が大きく、同時焼成時に
アルミナと同時にクラックが発生するからである。

【０００５】

【発明の目的】本発明の目的は、タングステンまたはモ
リブデンの熱膨張係数に近く、低比誘電率で且つ高強度
のセラミック配線回路基板に用いるのに好適なセラミッ
ク材料を提供することにある。

【０００６】

【発明の概要】本発明は、ムライト粉末を主成分とし、
二酸化珪素粉末，酸化アルミニウム粉末、及びアルカリ
土類金属酸化物粉末を含んだ混合粉末からなるセラミッ
ク材料である。

【０００７】前記各粉末の平均粒径は、ムライト粉末５
μｍ以下，二酸化珪素粉末２μｍ以下及び酸化アルミニ
ウム粉末１μｍ以下であることが好ましい。

【０００８】前記各粉末は、重量で、ムライト粉末７０
％以上，二酸化珪素粉末３０％以下，酸化アルミニウム
粉末１５％以下及びアルカリ土類金属酸化物粉末１％以
下であることが好ましい。

【０００９】本発明は、ムライト粉末，二酸化珪素粉末
及び酸化アルミニウム粉末を含み、焼結後に酸化アルミ
ニウムと二酸化珪素とからなる複合酸化物を形成する組
成割合の混合粉末であるセラミック材料である。

【００１０】前記各粉末は、重量で、ムライト粉末を７
０％以上，二酸化珪素粉末を３０％以下及び酸化アルミ
ニウム粉末を１５％以下含むことが好ましい。

【００１１】前記複合酸化物は、酸化アルミニウムと二
酸化珪素とがモル比で１対０．７〜１であることが好ま
しい。

【００１２】前記複合酸化物はアンダルサイト，カイア
ナイト及びシリマナイトの少なくとも１つであることが
好ましく、ムライトは化学量論的に酸化アルミニウム（
Ａｌ２Ｏ３）リッチな３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　が好
ましく、複合酸化物はＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　が好まし
い。

【００１３】重量で、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２Ｓｉ
Ｏ２　）７０％以上，二酸化珪素３０％以下及び複合酸
化物３０％以下であるのが好ましいが、特にＡｌ２Ｏ３
・ＳｉＯ２　は１〜１５重量％が好ましく、ＳｉＯ２　
は１５〜３０重量％が好ましい。

【００１４】また本発明は、アルカリ土類金属酸化物を
含み、場合によってはアルカリ金属酸化物を含んでいて
も良い。いずれにしても、アルカリ土類金属酸化物また
はアルカリ金属酸化物は、１％以下が好ましい。

【００１５】アルカリ金属酸化物には、リチウム，ナト
リウム，カリウム，ルビジウム，セシウム酸化物があり
、アルカリ土類金属酸化物にはベリリウム，マグネシウ
ム，カルシウム，ストロンチウム，バリウム酸化物があ
る。

【００１６】前記酸化アルミニウム粉末は粒径１μｍ以
下であり、１５重量％以下の含有量が好ましい。酸化ア
ルミニウムはムライトの焼結助剤として用いられ、ムラ
イト，シリマナイトを生成する。

【００１７】ＳｉＯ２　の添加は比誘電率を低め、かつ
ムライトの生成に際し粒成長を押え、強度を向上させる
。ＳｉＯ２　は１０〜３０％が好ましい。４０％では強度
上好ましくない。セラミック多層配線回路基板を作製す
る場合には、導体配線材料を印刷したグリーンシートを
多数枚積層する方法により、高密度に配線されたセラミ
ック多層配線回路基板が作製される。しかし、内部配線
導体を高密度に配線しようとすると、セラミック絶縁材
料と配線導体材料との熱膨張係数差によりクラックが発
生する。セラミック絶縁材料としてアルミナを用い、配
線導体材料としてタングステンを用いて高密度に配線し
た場合には、アルミナの熱膨張係数７５×１０−７／℃
（室温〜５００℃）とタングステンの熱膨張係数４５×
１０−７／℃（室温〜５００℃）の差による熱応力のた
めに、基板内部にクラックが発生するという問題が生じ
た。そこで、内部配線導体材料に用いるタングステンま
たはモリブデンの熱膨張係数４５×１０−７及び５４×
１０−７／℃に近いセラミック絶縁材料を開発する必要
がある。また、セラミック多層配線回路基板に直接はん
だ等で搭載する半導体部品の熱膨張係数にも近いセラミ
ック絶縁材料が要求される。アルミナを主成分としたセ
ラミック絶縁材料の熱膨張係数は７５×１０−７／℃（
室温〜５００℃）であるため、半導体部品であるシリコ
ン半導体素子の熱膨張係数３５×１０−７／℃（室温〜
５００℃）の２倍以上熱膨張係数が異なる。そのため、
実装時の温度変化により生ずる応力が大きくなり、接続
部の信頼性が低下し、断線等が生じる問題があった。ま
た、近年半導体部品にガリウム−ヒ素半導体素子が用い
られつつある。このガリウム−ヒ素半導体素子の熱膨張係数は６５×１
０−７／℃である。そのため、シリコン半導体素子とガ
リウム−ヒ素半導体素子を同一基板上に搭載する場合に
は、これらの半導体素子の熱膨張係数に近いセラミック
絶縁材料である必要がある。シリコン半導体素子の熱膨
張係数３５×１０−７／℃とガリウム−ヒ素半導体素子
の熱膨張係数６５×１０−７／℃のどちらにも近いセラ
ミック絶縁材料すなわち、熱膨張係数が３５〜６５×１
０−７／℃であること、好ましくは、４０〜６０×１０
−７／℃であることが必要である。この値は、内部配線
導体材料を用いるタングステンまたはモリブデンの熱膨
張係数４５×１０−７／℃と５４×１０−７／℃に近い
。このような熱膨張係数をもつセラミック絶縁材料とし
ては、４２〜４５×１０−７／℃の熱膨張係数をもつ３
Ａｌ２Ｏ３　・２ＳｉＯ２や３５〜７５×１０−７／℃
の熱膨張係数をもつＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２等がある。こ
れらの結晶相を主成分とした焼結体は、熱膨張係数４０
〜６０×１０−７／℃のセラミック絶縁材料となる。ま
た、Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　としては、アンダルサイト
，カイアナイト及びシリマナイトなる結晶相があるが、
いずれも熱膨張係数がほぼ同じであり、いずれの結晶相
であっても熱膨張係数はほとんど変らない。一方、アル
ミナを主成分とする焼結体をセラミック絶縁材料に用い
たセラミック多層配線回路基板は、アルミナの比誘電率
が９．５（１ＭＨｚ）と大きいために、電気信号の伝播
速度が遅いという問題がある。比誘電率を低くするため
には、セラミック絶縁材料を構成する結晶相の比誘電率
を低くする必要がある。配線導体材料として用いられる
タングステンまたはモリブデン導体材料と同時に構成で
きる可能性があり比誘電率が小さいアルミノシリケート
材料として３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　，Ａｌ２Ｏ３・
ＳｉＯ２　等がある。これらのセラミック絶縁材料は、
それ自身の比誘電率は６〜７（１ＭＨｚ）である。これらの結晶相からなるセラミック絶縁材料は、比誘電
率が小さく、電気信号の伝播速度が速いセラミック多層
配線回路基板が得られる。

【００１８】また、３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　をＡｌ
２Ｏ３，ＳｉＯ２　，アルカリ土類金属酸化物またはア
ルカリ金属酸化物で焼結する系として添加するＳｉＯ２
　量を多くして、焼成後に３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　
とＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　の結晶相を形成することにし
た。しかし、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸
化物の量が多いと、焼結性は良くなるが、これらの酸化
物とＡｌ２Ｏ３またはＳｉＯ２　との結晶相もしくは非
晶質複合酸化物が生成されセラミック絶縁材料の強度が
低下した。また、比誘電率も高いことから、アルカリ金
属酸化物とアルカリ土類金属酸化物の合計量は１ｗｔ％
以下で、３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　とＡｌ２Ｏ３・Ｓ
ｉＯ２　の固溶限を越えないことが要求される。すなわ
ち、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物から
なる結晶相を含まないセラミック絶縁材料としなければ
ならない。また、アルカリ金属酸化物とアルカリ土類金
属酸化物を１ｗｔ％より多く含んだセラミック絶縁材料
では、焼成が十分に行える温度範囲で、焼成収縮率がば
らつき、安定した焼結体を得ることができなかった。こ
れは、焼結体中の結晶相が安定しないためであることが
Ｘ線回折により確認された。

【００１９】また、アルカリ金属酸化物とアルカリ土類
金属酸化物は大気中では非常に不安定な物質であり、放
置していると水分等を吸収する。そのため、これらの酸
化物を添加する時には、炭酸化物または水酸化物として
添加する方法がとられる。炭酸化物または水酸化物は、
昇温過程で分解し、炭酸ガスまたは水分を放出する。こ
の際、酸化物は活性な状態となり、焼結性をよくする効
果もある。

【００２０】二酸化珪素（ＳｉＯ２　）は酸化物中最も
比誘電率が小さく、添加する量を多くすることによりセ
ラミック絶縁材料の比誘電率を小さくできる。すなわち
、３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２にＳｉＯ２を添加すること
により、３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　の比誘電率より低
くすることになる。また、ＳｉＯ２　を添加することに
より同時に添加したＡｌ２Ｏ３もしくは３Ａｌ２Ｏ３・
２ＳｉＯ２　と拡散反応し、Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　結
晶相を生成する。そのため、セラミック絶縁材料中に３
Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　と３Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　
なる結晶相ができる。これらの結晶相は非常に安定であ
り、１６００℃付近の温度では変化しない。このことに
より焼成収縮率がある温度以上での焼成によって安定し
、セラミック多層配線回路基板材料としては有望である
。また、ＳｉＯ２　を多く添加すると、焼成時に３Ａｌ
２Ｏ３・２ＳｉＯ２　の粒成長を抑制する効果があるこ
とがわかった。このことにより比誘電率の低下とともに
強度の向上が得られた。ＳｉＯ２の添加量としては、３
Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　以外の原料成分中７５ｗｔ％
より多く添加することにより最も効果が大きいことがわ
かった。

【００２１】セラミック多層配線回路基板の作製方法に
は、まずグリーンボディ（生の成形体）を作製し、これ
に配線導体を形成し多数枚一括積層し同時焼成を行う必
要がある。それには、グリーンシート法の他にスリップ
キャスティング法，プレス法による金型成形法，インジ
ェクションモールド法等がある。

【００２２】グリーンシート法は、原料粉に溶剤及び熱
可塑性の樹脂を添加し、撹拌したスラリを脱気した後ド
クタープレードを有したグリーンシート作製装置により
グリーンシートを作製する方法である。

【００２３】スリップキャスティング法は、原料粉に水
，分散剤及び熱可塑性等の樹脂を添加し撹拌したスラリ
を例えば石こう型内へ流し込んで作製する方法である。

【００２４】プレスによる金型成形法は、原料粉に溶剤
及び熱可塑性等の樹脂を添加し、らいかい機等で混合撹
拌した原料粉をふるい、造粒した後、金属内に入れて荷
重を加えて作製する方法である。

【００２５】インジェクションモールド法は、原料粉に
熱可塑性樹脂またはワックス等を加えて射出成形する方
法である。

【００２６】

【発明の実施例】

（実施例１）本発明のセラミック材料を用いた一実施例
を図１に断面図として示す。図において、１はセラミッ
ク絶縁材料であり、図中の太線で示されているのが配線
導体材料８である。また、これらの導体層の相互間は図
中の上下方向の太線で示した所定のスルーホール導体で
接続されている。４は、金−インジウムろう５で接続さ
れたコバールビン、６は、はんだ７で接続された半導体
部品を示している。

【００２７】次に、本発明のセラミック材料を用いたセ
ラミック多層配線回路基板の製造方法の実施例を説明す
る。なお、以下の記載中、部とあるのは重量部を、％と
あるのは重量％を意味する。

【００２８】平均粒径２μｍの若干アルミナリッチのム
ライト粉末（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　）７２部，平
均粒径１μｍの石英粉末（ＳｉＯ２　）２５．３部，平
均粒径０．４μｍのアルミナ粉末（Ａｌ２Ｏ３）１．９
部及び平均粒径０．３μｍの炭酸マグネシウム（Ｍｇ３
（ＣＯ３）４（ＯＨ）３・５Ｈ２Ｏ）をＭｇＯに換算し
て０．８部に、樹脂として平均重合度１０００のポリビ
ニルブチラール５．９　部をボールミルに入れ、３時間
乾式混合する。さらに、可塑剤としてブチルフタリルグ
リコール酸ブチル１．９ｍｌ、溶媒としてトリクロルエ
チレン４６部、テトラクロルエチレン１７部、ｎ−ブチ
ルアルコール１８部を加え２０時間湿式混合しスラリを
作製する。次に真空脱気処理によりスラリから気泡を除
去し、粘度調整を行う。次いで、スラリをドクターブレ
ードを用いてシリコン処理したポリエステルフイルム支
持体上に０．２３　ｍｍの厚さに塗布し、炉を通して乾
燥し、セラミックグリーンシートを作製する。このセラ
ミックグリーンシートをシリコン処理したポリエステル
フイルム支持体より取りはずし、２２０ｍｍ間隔に切断
する。このようにして作製したセラミックグリーンシー
トをグリーンシートパンチ部を用いて、２００ｍｍ切断
し、ガイド用の穴を施す。その後、このガイド用の穴を
利用してセラミックグリーンシートを固定し、パンチ法
により直径０．１５ｍｍ　の穴を所定位置にスルーホー
ルをあけた。さらにタングステン粉末：ニトロセルロー
ス：エチルセルローズ：ポリビニルプチラール：トリク
ロルエチレン＝１００：３：１：２：２３（重量比）の
導体ペーストをセラミックグリーンシートにあけたスル
ーホールに充填し、次に、スクリーン印刷法により所定
回路パターンにしたがって上述した導体ペーストを印刷
する。これらのセラミックグリーンシートをガイド用の
穴の位置を合わせて図１のように３０枚積層し、温度１
２０℃，２０〜３０Ｋｇ／ｃｍ２で加圧し積層した。次
に、積層されたセラミックグリーンシートを焼成炉内に
入れ、水素３〜７容量％を含み且つ微量の水蒸気を含む
窒素雰囲気中で、１２００℃まで５０℃／ｈの昇温速度
で昇温し、セラミックグリーンシートを作製する際に使
用した樹脂分を除去した。その後１００℃／ｈの昇温速
度で昇温し最高温度１６２０℃で１時間保持し、無加圧
焼成して図１のようなセラミック多層配線回路基板を完
成した。このムライト多層板は重量で、ムライト約６７
％，Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２９％及びＳｉＯ２　ガラス成
分が約２４％であった。

【００２９】このようにして作製したセラミック多層配
線回路基板に、無電解ニッケルメッキ及び金メッキを施
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−インジウムろう５にて接続した。また、半導
体部品６をフェースダウンにて直接はんだ７で接続して
搭載した。このようにして図１に示す機能モジュールを
作製した。

【００３０】セラミック多層配線回路基板に用いたセラ
ミック絶縁材料の熱膨張係数は５０×１０−７／℃（室
温〜５００℃）であり、内部配線導体材料に用いたタン
グステンの熱膨張係数４５×１０−７／℃（室温〜５０
０℃）と一致しており、セラミック絶縁材料と配線導体
材料の熱膨張係数の差による熱応力が発生せず、全くク
ラックが生じなかった。また、スルーホールピッチが０
．３ｍｍ　の高密度配線も可能であった。また、焼成法
のセラミック絶縁材料の中に、結晶相としては、ムライ
ト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　）とＡｌ２Ｏ３・Ｓｉ
Ｏ２である。これらの安定した結晶相は、互いに熱膨張
係数が同様の値であるため、内部応力がほとんどかから
ない。また、添加したＭｇ３（ＣＯ３）４（ＯＨ）２・
５Ｈ３Ｏは、昇温中にＭｇＯとなるが、焼成法には、Ｍ
ｇＯと他の成分との複合酸化物は存在しないことが、Ｘ
線回折法及びＸ線マイクロアナライザにより確認された
。

【００３１】コバールビンの引張り強度は４Ｋｇ／ピン
以上あり、十分実使用に耐えうる強度であった。また、
半導体部品６のはんだ接続部７は−６５℃〜１５０℃で
の２０００サイクル以上の温度サイクル後にも断線が生
じなかった。このように過酷な使用条件下においても十
分な接続寿命を保証できる強度であった。この原因は、
３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　とＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　
からなる焼結体の熱膨張係数が５０×１０−７／℃であ
って半導体部品として使用するシリコン半導体の熱膨張
係数３５×１０−７／℃（室温〜５００℃）に近く、ま
た、ガリウム−ヒ素半導体の熱膨張係数６５×１０−７
／℃（室温〜５００℃）に近くシリコン半導体とガリウ
ム−ヒ素半導体を混成したセラミック多層配線回路基板
において、加熱された場合の基板と半導体部品の伸び量
の差が少なく、はんだ接続部に熱応力があまり加わらな
いためである。従来のアルミナを主成分とする基板の場
合は、アルミナの熱膨張係数が７５×１０−７／℃であ
って、現在半導体部品として主成分のシリコン半導体素
子の熱膨張係数と大きく異なり、このため加熱された場
合にはんだ接わらないためである。従来のアルミナを主
成分とする基板の場合は、アルミナの熱膨張係数が７５
×１０−７／℃であって、現在半導体部品として主成分
のシリコン半導体素子の熱膨張係数と大きく異なり、こ
のため加熱された場合にはんだ接続部に熱応力が加わっ
て早期に断線が起こっていた。

【００３２】一方、内部配線導体２による信号の伝播遅
延時間は８．１ｎｓ／ｍ　であった。この値は、セラミ
ック絶縁材料の比誘電率が６．２であったことに対応し
ている、アルミナを主成分となる絶縁体でできている従
来の多層配線回路基板では、セラミック絶縁材料の比誘
電率が約９．５　であり、信号の伝播遅延時間が１０．
２ｎｓ／ｍであるため、本実施例によれば信号の伝播遅
延時間が約２０％低下されたことになる。

【００３３】（実施例２）セラミック原料粉末の配合量
を第１〜３表（重量％）に示すようにした以外は、実施
例１と同様の方法でセラミック多層配線回路基板を作製
した。表１中のアルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金
属酸化物は、炭酸化物または水酸化物を酸化物に換算し
て示した。実施例１と同様の方法を用いて、図１に示す
機能モジュールを作製した。ムライト以外の添加原料を
フラックスとする。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】表４は得られた基板のＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ
２相の含有量（重量％）及び表５は同じく得られた基板
のガラス成分の含有量（重量％）である。得られた基板
の組織は主成分としてムライトであり、ＭｇＯはムライ
ト中、或いはＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２中に固溶するが、そ
の固溶量は原料のＭｇＯに換算して１％以下である。そ
れを越えると別の結晶相が形成され、基質と異なる熱膨
張係数となるので好ましくない。ムライト量７０ｗｔ％
（Ｎｏ．１〜７）及び８０ｗｔ％（Ｎｏ．２２〜２８）
について、フラックス中のＳｉＯ２　量と曲げ強さの関
係を図２に示す。曲げ試験は、ＪＩＳに基づき４点曲げ
法とした。図より、ガラス成分を増加するに従い、曲げ
強さが急激に増加する方向にある。すなわち、ムライト
量７０ｗｔ％の場合には、曲げ強さ１８０ＭＰａ以上と
なるのは、フラックス中のＳｉＯ２　量が８０ｗｔ％よ
り多い組成であり、また、ムライト量８０ｗｔ％の場合
は、フラックス中のＳｉＯ２　量が７５ｗｔ％より多い
組成である。

【００３８】図３は、添加したＳｉＯ２　量と曲げ強度
との関係を示す線図である。図に示す如く、ＳｉＯ２　
の添加によってムライトの焼結性が向上し、急激に強度
が向上するが、２０％以上になると逆に急激に強度が低
下するので、過剰に添加するのは好ましくない。特に、
４０％以上になると焼結性が低下し強度が低下する。

【００３９】ＳｉＯ２　の添加によってムライトの焼結
性を向上させ強度を高めるのはガラス成分の形成による
ものと考えられる。

【００４０】

【表４】

【００４１】

【表５】

【００４２】図４は曲げ強さとＡｌ２Ｏ３添加量との関
係を示す線図である。図に示す如く、Ａｌ２Ｏ３の添加
によって強度が急激に低下する。従って、Ａｌ２Ｏ３の
添加量は５％以下が好ましい。

【００４３】次に、ムライト量７０ｗｔ％及び８０ｗｔ
％について、フラックス中のＳｉＯ２量と比誘電率の関
係を図５に示す。比誘電率の測定は１ＭＨｚ一定とした
。フラックス中のＳｉＯ２　量を増加するに従い、比誘
電率も減少する傾向を示す。すなわち、ムライト量８０
ｗｔ％の場合には、比誘電率６．７　以下となるのは、
フラックス中のＳｉＯ２　量８５ｗｔ％より多い組成で
あり、また、ムライト量７０ｗｔ％の場合は、フラック
ス中のＳｉＯ２　量約５０ｗｔ％でも比誘電率は６．７
　より小さくなっている。

【００４４】図６は比誘電率とＳｉＯ２　添加量との関
係を示す線図である。ＳｉＯ２　の添加によって比誘電
率が顕著に低下する。特に、１５％以上で急激に比誘電
率が低下するので、それ以上の添加が好ましい。

【００４５】図７は各試料の焼成温度と焼成収縮率との
関係を示す線図である。図に示す如く、実施例１の試料
は１５８０℃以上の焼成温度で一定の収縮率となるが、
ＭｇＯ量がＮｏ．１　の４．１％及びＣａＯ量とＮａ２
Ｏ量の合計量が２．７％であるものは焼成温度が１４０
０〜１７００℃の間で変化して一定にならない。このこ
とは電気炉中に大量に焼成する場合に、炉中の温度が場
所によって異なることから同じ組成のものでも異なる焼
成収縮率のものが得られ、製品にバラツキを生じるので
まずい。

【００４６】図８はＡｌ２Ｏ３添加量と基板に生成する
Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　量との関係を示す線図である。図に示す如く、Ａｌ２Ｏ３の添加量によってＡｌ２Ｏ３
・ＳｉＯ２　が増加する。このＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　
はムライトと同等の性質を有する。

【００４７】これらの結果より、曲げ強さが大きく比誘
電率が小さい組成は、ムライト量７０ｗｔ％の場合には
、フラックス中のＳｉＯ２　量が８０ｗｔ％より多い組
成であり、また、ムライト量８０ｗｔ％の場合は、フラ
ックス中のＳｉＯ２　量が８５ｗｔ％より多い組成であ
る。すなわち、アルカリ土類金属酸化物（ＭｇＯ）とし
て、１ｗｔ％以下の組成である。

【００４８】次に、これらの組成のセラミック絶縁材料
について、焼結体中の結晶相の同定を行うためにＸ線回
折を行った。アルカリ土類金属酸化物（ＭｇＯ）量が１
ｗｔ％より多い場合には、焼成過程で、Ａｌ２Ｏ３・Ｍ
ｇＯと２Ａｌ２Ｏ３・２ＭｇＯ・５ＳｉＯ２　ができる
が、焼成が十分行えことができる１６００℃付近では、
３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２の他
にＡｌ２Ｏ３，ＭｇＯ及びＳｉＯ２からなる結晶相が数
多くできるため同定することができない。そのため、各
温度における焼成収縮率が一定とならず、ばらつきが大
きい問題点がある。

【００４９】一方、アルカリ土類金属酸化物（ＭｇＯ）
量が１ｗｔ％以下の場合には、焼成過程で、多量に添加
したＳｉＯ２　とＡｌ２Ｏ３・ＭｇＯ，２Ａｌ２Ｏ３・
２ＭｇＯ・５ＳｉＯ２　ができるが、焼成が十分行うこ
とができる１６００℃付近では、３Ａｌ２Ｏ３・２Ｓｉ
Ｏ２　及びＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　のみとなり安定な結
晶相となる。そのため、１５５０℃よりも高い焼成温度
、すなわち十分焼成できる温度では結晶相の変化がなく
焼成収縮量も安定している。また、表２，表３のＮｏ．
２９〜５６に示した組成についても同様の結果であった
。すなわち、アルカリ金属酸化物とアルカリ土類金属酸
化物の合計量が１ｗｔ％より多い場合には、曲げ強さが
１８０ＭＰａより低いか、比誘電率が６．７　より大き
くなる。また、焼成後の結晶相も安定せず、３Ａｌ２Ｏ
３・２ＳｉＯ２　とＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　以外にも不
安定な結晶相ができた。

【００５０】一方、アルカリ金属酸化物とアルカリ土類
金属酸化物の合計量が１ｗｔ％以下であれば、曲げ強さ
が１８０ＭＰａ以上で、且つ比誘電率が６．７　以下で
あった。また、焼成後の結晶相も安定しており、１５５
０℃以上の焼成温度では、３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２　
とＡｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　の２種類の結晶相のみであっ
た。すなわち、添加したアルカリ金属酸化物とアルカリ
土類金属酸化物は、３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２またはＡ
ｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　結晶相中に拡散固溶している。

【００５１】表１〜表３に示した組成のセラミック絶縁
材料の熱膨張係数は４０〜６０×１０−７／℃（室温〜
５００℃）の範囲であり、内部配線導体材料に用いたタ
ングステンの熱膨張係数４５×１０−７／℃（室温〜５
００℃）とほぼ一致しており、セラミックス絶縁材料と
配線導体材料の熱膨張係数の差による熱応力が小さく、
全くクラックが認められなかった。

【００５２】アルカリ金属酸化物とアルカリ土類金属酸
化物の合計量が１ｗｔ％以下の組成（表１〜表３）にお
いては、コバールビンの引張り強度は４Ｋｇ／ピン以上
あり、十分実使用に耐えうる強度であった。また、半導
体部品のはんだ接続部は−６５℃〜１５０℃での２００
０サイクル以上の温度サイクル後にも断線が生じなかっ
た。このような苛酷な使用条件下においても十分な接続
寿命を保証できる強度であった。これは、半導体部品と
して使用するシリコン半導体の熱膨張係数３５×１０−
７／℃（室温〜５００℃）に近く、また、ガリウム−ヒ
素半導体の熱膨張係数６５×１０−７／℃（室温〜５０
０℃）にも近く、これらを混成したセラミック多層配線
回路基板においても、加熱された場合の基板と半導体部
品の伸び量の量が少なく、はんだ接続部に応力があまり
加わらないためである。

【００５３】一方、内部配線導体による信号の伝播遅延
時間は８．４ｎｓ／ｍ　以下であった。この値は、セラ
ミック絶縁材料の比誘電率が６．７　以下であることに
対応している。アルミナ系のセラミック絶縁材料が約９
．５％　であり、信号の伝播遅延時間が１０．２ｎｓ／
ｍ　であるため、本実施例によれば、信号の伝播遅延時
間が約１７％以上低減されたことになる。

【００５４】図９は本発明の実施例１で製作した基板を
用いた半導体装置実装の構成図である。１１：ＬＳＩチ
ップ，１２：本表明基板，１３：ＣＣＢ（はんだ３５０
〜４００℃），１４：炭化ケイ素封止体，１５：プリン
ト回路板，１６：バックボード（プリント回路板），１
７：はんだ（２５０〜３００℃），１８：冷却水，１９
：低温はんだ（１５０〜２００℃）。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、ムライト粉末を主成分
とし、二酸化珪素粉末，酸化アルミニウム粉末、及びア
ルカリ土類金属酸化物粉末を含んだ混合粉末からなるセ
ラミック材料を用いることにより、内部導体配線層に用
いるタングステンまたはモリブデンとの熱膨張係数の適
合性が良い配線回路基板が得られることから高密度配線
が可能となり、また、比誘電率が低く、且つ高強度のセ
ラミック配線回路基板が得られる。これにより、セラミ
ック絶縁材料と配線導体材料の熱膨張係数の差によるク
ラックの発生がなく、また、熱による応力で発生する基
板のクラック及び基板と半導体部品の接続部の断線等を
防止し、高品質で且つ高信頼性のセラミック配線回路基
板が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック材料を用いた配線回路基板
及びそれを用いた絶縁モジュールの断面図。

【図２】フラックス中のＳｉＯ２　量と曲げ強さの関係
を示す線図。

【図３】各々曲げ強さとＳｉＯ２　及びＡｌ２Ｏ３量と
の関係を示す線図。

【図４】各々曲げ強さとＳｉＯ２　及びＡｌ２Ｏ３量と
の関係を示す線図。

【図５】フラックス中のＳｉＯ２　量と比誘電率の関係
を示す線図。

【図６】比誘電率とＳｉＯ２　量との関係を示す線図。

【図７】焼成温度と焼成収縮率との関係を示す線図。

【図８】Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２　量とＡｌ２Ｏ３量との
関係を示す線図。

【図９】本発明の材料から成る基板を用いた半導体装置
の実装構造の１例を示す構成図。

【符号の説明】

１…本発明のセラミック絶縁材料、２…配線導体材料、
３…本発明のセラミック材料を用いた配線回路基板、４
…コバールビン、５…金−インジウムろう、６…半導体
部品、７…はんだ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ムライト粉末を主成分とし、二酸化珪素粉
末，酸化アルミニウム粉末、及びアルカリ土類金属酸化
物粉末を含んだ混合粉末からなることを特徴とするセラ
ミック材料。
【請求項２】前記各粉末の平均粒径が、ムライト粉末５
μｍ以下，二酸化珪素粉末２μｍ以下及び酸化アルミニ
ウム粉末１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記
載のセラミック材料。
【請求項３】前記各粉末は、重量で、ムライト粉末７０
％以上，二酸化珪素粉末３０％以下，酸化アルミニウム
粉末１５％以下及びアルカリ土類金属酸化物粉末１％以
下であることを特徴とする請求項１記載のセラミック材
料。
【請求項４】ムライト粉末，二酸化珪素粉末及び酸化ア
ルミニウム粉末を含み、焼結後に酸化アルミニウムと二
酸化珪素とからなる複合酸化物を形成する組成割合の混
合粉末であることを特徴とするセラミック材料。
【請求項５】前記各粉末は、重量で、ムライト粉末を７
０％以上，二酸化珪素粉末を３０％以下及び酸化アルミ
ニウム粉末を１５％以下含むことを特徴とする請求項４
記載のセラミック材料。
【請求項６】前記複合酸化物は、酸化アルミニウムと二
酸化珪素とがモル比で１対０．７〜１であることを特徴
とする請求項４記載のセラミック材料。
【請求項７】前記複合酸化物はアンダルサイト，カイア
ナイト及びシリマナイトの少なくとも１つであることを
特徴とする請求項４記載のセラミック材料。