JPH057343B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は熱処理によつて結晶化し得るガラス粉
末にセラミツク粉末を混合した組成物であつて、
主として、高速コンピユータのロジツク回路形成
に用いられるLSI、VLSI実装基板のセラミツク
ス多層基板用低温焼結性低誘電率無機組成物に関
するものである。 ［従来の技術とその問題点］ 従来のコンピユータのロジツク回路形成のIC、
LSI実装用セラミツクス基板等を製造する最も一
般的な方法は、アルミナ等のセラミツクス基板に
金（Au）、銀（Ag）、パラジウム（Pd）、タング
ステン(W)、モリブデン（Mo）およびこれらの合
金からなる導体ペーストを用いて導体回路を印刷
し乾燥した後これを炉に入れて焼成し導体回路を
形成したり、あるいはまたより微細な導体回路を
得るためメツキ法により導体回路を形成し、次に
これら導体回路と第２層導体とを絶縁する絶縁層
を形成するために絶縁性セラミツクペーストを塗
布し、炉に入れて焼成して絶縁層を形成する方法
を用いている。この場合、絶縁層セラミツクペー
ストの塗布に際しては、第１層導体回路と第２層
導体回路を結ぶ接続孔を残す必要がある。次にこ
の絶縁層面の接続孔に導体ペーストがつまるよう
に印刷、焼成して第２層導体回路を形成する。こ
のようにして必要に応じて第３層、第４層の導体
回路および絶縁層を同じ方法で形成し、用途に応
じ最上部層にIC、あるいはLSIを実装するなどし
て所望のセラミツク多層回路基板を得る。 またもう一つの方法としてグリーンシート積層
法によるセラミツクス多層回路基板がある。この
方法はアルミナ粉末またはガラス・アルミナ混合
粉末に有機バインダーおよび溶媒を加えスラリー
を作製し、これを、ドクターブレードを用いたキ
ヤステイング法でグリーンシートを成形しこの上
面に導体印刷、または上、下導体を接続するスル
ーホールを形成する。次に形成したスルーホール
に導体ペーストがつまるように印刷しこれを積層
熱圧着し焼成して所望のセラミツクス多層回路基
板を得ている。 これら多層回路形成に必要な絶縁層は、850〜
950℃の温度で緻密に焼結でき、ピンホールが少
ないこと、ふくれが出ないこと、耐酸性（導体回
路をメツキ法で形成する場合特に要求される）、
高絶縁性、低誘電率などの要求兼ね備えているこ
とが強く要望されている。最近はスーパーコンピ
ユータ等高速化の要求が強くなり、これらの対応
としてIC、LSI実装基板の多層回路の高密度化お
よび絶縁層の低誘電率化が特に要望されている。 従来こうした目的に用いられてきた絶縁層形成
用の無機組成物は、850〜950℃の温度で焼成する
ことにより結晶化する結晶性ガラスタイプ、ガラ
ス・アルミナ混合物タイプ、または1600〜1800℃
の高温度で焼結するアルミナ等が用いられてい
る。 しかしながら、前記した従来の絶縁層形成に用
いられている絶縁性無機組成物は必ずしも満足で
きるものではなかつた。例えばコンピユータ用ロ
ジツク回路のようにセラミツク多層基板の高密度
実装回路導体には低抵抗のAu導体が用いられて
いる。このため絶縁層には比較的低温度で焼結可
能な無機組成物として硼硅酸鉛系の結晶性ガラス
および硼硅酸鉛系ガラスとアルミナの複合系無機
組成物が絶縁性ペーストとしてまたグリーンシー
ト法等の絶縁層形成に使用されているが、これら
無機組成物は鉛酸化物（PbO）またはアルミナを
含有しているため、誘電率(E)が7.5〜９と比較的
大きくコンピユータ用ロジツク回路の高速化を阻
害すると云う欠点があつた。 また、アルミナを用いたグリーンシート法によ
る絶縁層形成は、焼結温度が高いため導体として
低抵抗であるAu、Cu、Ag−Pd導体を使用でき
ないのでMo、Ｗ導体を用いている。このため導
体抵抗が大きかつたり、誘電率が９〜10と大きか
つたり、焼結温度が高い等の欠点があつた。 本発明は以上のような欠点を解決するためにな
されたもので、高速コンピユータジツク回路の高
密度実装セラミツク多層基板の絶縁層形成用無機
組成物を提供することを目的とする。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明は重量％表示でSiO₂50〜75％、B₂O₃8〜
25％、MgO0.2〜10％、CaO3〜18％、BaO0.1〜
10％、Li₂O1〜３％、Na₂O1〜５％、K₂O1〜５
％およびZrO₂0.5〜10％を合計量で100％となるよ
うにした組成を有し、かつこれらの酸化物のうち
アルカリ土類金属酸化物の合計量が５〜15重量％
の範囲の組成を有するガラス材料80〜40重量％
と、水晶または石英ガラス20〜60重量％よりなる
ことを特徴とする低温焼結性誘電率無機組成物で
ある。 このような本発明の低温焼結性低電率無機組成
物は、例えば次のような材料および方法によつて
製造し得る。すなわちガラス材料の調整に当つて
は、目標組成になるように各成分の原料を秤量し
てバツチを調整し、このバツチを1400〜1500℃で
２〜４時間加熱して熔解しガラス化する。熔解ガ
ラスを水冷し、または厚い鉄板上に流しフレーク
状に成形し、得られたガラス片をアルミナボール
ミルなどで微粉砕し、平均粒径0.5〜3μｍのガラ
ス粉末を得る。一方、水晶または石英ガラスは平
均粒径0.5〜3μｍの微粉末が適当である。 前記方法で得られたガラス粉末に、前記水晶ま
たは石英ガラス粉末を全体量の20〜60重量％とな
るように配合し、アルミナボールミルで１〜３時
間湿式混合するなどしてガラス粉末と水晶または
石英ガラス粉末との均質な混合粉末、すなわち本
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原料粉末は明確化のため
酸化物に換算表記したが、鉱物、酸化物、炭酸
塩、水酸化物などの形で通常の方法により使用さ
れてもよい。 厚膜印刷法による絶縁層形成は、前記によつて
得られた本発明の粉末状無機組成物にビヒクルを
添加混合して例えば三本ロールミル等を用いて十
分混練し、均一に分散させて印刷に適した粘度を
有する絶縁性セラミツクペーストを得る。 なお本発明においてビヒクルの成分については
何ら限定を要しない。バインダーとしてはエチル
セルロース、ポリビニルブチラールなどの通常用
いられているもので十分であり、溶媒を用いて５
〜15重量％溶液とすると好都合である。溶媒とし
ては、β−またはα−テルピネオール、ｎ−ブチ
ルカルビトール、ブチルカルビトールアセテー
ト、エチルカルビトールアセテートなどを単独ま
たは２種以上混合して用いるとよい。 グリーンシート積層法による絶縁層形成は、前
記の方法で得られた粉末状無機組成物にビヒクル
を添加混合して例えば高速ミキサーまたはボール
ミルを用い、十分混練し、均一に分散させてスラ
リーを調整し、これをドクターブレードを用いた
キヤステイング法によつて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。、バインダ
ー、溶媒、可塑剤等は通常用いられているもので
十分であり、ビヒクルの成分については何ら限定
を要しない。 次に本発明において低温焼結性低誘電率無機組
成物のガルス粉末と水晶または石英ガラス粉末と
の配合比、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如く限定した理由
について述べる。 まず、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ガラス粉末の組成につ
いて述べれば、SiO₂はガラスのネツトワークフ
オーマーであり、本発明のガラスを熱処理し、結
晶化したとき析出するケイカイ石（CaO・SiO₂）
結晶を構成する成分である。SiO₂が50重量％未
満ではガラスの軟化点が低くなり過ぎ、熱処理時
結晶化する前にガラスが軟化し流動し過ぎる。
SiO₂が75重量％をこえるとガラス化が困難であ
ると共に、結晶化のため熱処理温度が1000℃を超
える高温が必要となる。CaOもまた析出するケイ
カイ石結晶を構成する成分である。CaOが３重量
％未満ではケイカイ石の析出する量が少なく、高
密度実装セラミツクス多層回路基板の導体回路上
に形成した絶縁層にふくれが発生して好ましくな
い。CaOが18重量％をこえるとガラスが熔解時失
透し易くなる。B₂O₃はガラスの熔解時のフラツ
クスとして用いられる。B₂O₃が８重量％未満で
は、ガラス熔解性が悪くなる。B₂O₃が25重量％
をこえるとガラスの軟化点が低くなり過ぎ、熱処
理時に軟化流動し過ぎる。 MgOおよびBaOは、ガラスの熔解性を向上さ
せ得る。また絶縁層形成の際の再加熱によつてガ
ラスを結晶化させるのに寄与すると共に緻密化に
効果がある。MgOが0.2重量％未満およびBaOが
0.1重量％未満では上記効果は小さい。MgOが10
重量％をこえる場合、およびBaOが10重量％を
こえる場合にはガラスの熱膨脹係数が大きくなり
過ぎたり、結晶化のための熱処理温度が高くなり
過ぎる。CaOとMgOとBaOの合計量が５重量％
未満ではガラスの結晶化が不十分でメツキ法によ
る導体の回路上に形成した絶縁層にふくれが発生
し、また合計量が15重量％をこえると焼結時の緻
密化を阻害する。 Li₂O、Na₂OおよびK₂Oは、ガラスの熔解性を
向上させ得る。またガラスの軟化点を適度に制御
するが限定範囲より少ないとその効果はなく、限
定範囲を超えれば耐酸性が劣化し好ましくない。 ZrO₂は、ガラスの結晶化を制御するために含
有される。ZrO₂が0.5重量％未満では十分な結晶
化が達成できない。一方、ZrO₂が10重量％をこ
えるとガラスが熔解時失透し易くガラス化が困難
となり好ましくない。 低温焼結性低誘電率無機組成物のもう一つの主成
分である水晶または石英ガラス粉末を前記ガラス
粉末に置換して配合することにより、熱処理時の
結晶化の促進、結晶化後の残留ガラスによる流動
性および絶縁層の発泡の抑制を形成絶縁層の低誘
電率化の効果を与えることができる。ガラス粉末
に置換して配合する水晶または石英ガラス粉末を
20重量％未満とすると、絶縁層は緻密ではある
が、表面は発泡し易くなつたり、導体との密着性
が低下したり、また所望の低誘電率が得られず好
ましくない。水晶または石英ガラス粉末が60重量
％を超えれば、850〜950℃の比較的低い温度では
緻密な絶縁層は得られず、ピンホールが増加して
絶縁性が低下する。 ［実施例］ 以下実施例によつて本発明を詳細に説明する。
なお実施例中、％は特に断りのない限りすべて重
量基準であるものとする。 実施例１〜10、比較例１〜11 第１表に示すような組成を有するガラス粉末を
製造し、更にアルミナボールミルを用いてアルコ
ールを分散媒として48時間湿式粉砕した。これを
篩で整粒した後、アルコールを濾過乾燥させ平均
粒径1.1μｍの粒度を持つガラス粉末を得た。 次にこれらのガラス粉末と平均粒径が2.1μｍの
水晶粉末および平均粒径が1.6μｍの石英ガラス粉
末をそれぞれ第２表および第３表に示す配合比率
で配合した。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 配合はそれぞれの粉末を所定量秤量し、アルミ
ナボールで分散媒としてアルコールを用い３時間
混合した後、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ペー
スト化し、絶縁層を形成して行つた。ペースト化
のビヒクルは、エチルセルロース10％溶液とし、
溶媒にα−テルピネオールを用いた。ビヒクル30
％、混合粉末70％を三本ロールミルを用いて十分
混練し粉末をビヒクルに均一に分散させペースト
化した。 得られた絶縁性セラミツクペーストの評価に
は、50×50×0.8mmｔの96％Al₂O₂基板にAuをメ
ツキ法でメタライズして下部電極とし、この上に
実施例および比較例で調整した絶縁性セラミツク
ペーストをスクリーンで塗布乾燥した後、850〜
950℃（セラミツクス比率＞90％は1100〜1200℃）
で10分間電気炉で焼結したものを用いた。焼結時
の雰囲気は空気中で、焼結サイクル（昇温、ピー
ク温度、降温、炉外取り出し）は60分であつた。
絶縁性セラミツクペースト塗布乾燥、焼結を２度
繰り返し膜厚40μｍの絶縁層を得た。得られた絶
縁層の表面にAuペーストを塗布乾燥し930℃で８
分間焼成して上部電極とした。 これを1MHzで誘電率、誘電損失を測定し絶縁
抵抗は100VDCで行つた。 ピンホールの測定は、絶縁層中を流れる微弱な
リーク電流を測定するとピンホールが多い場合リ
ーク電流が増加し、逆にピンホールが少ない場合
リーク電流が減少することを利用して行つた。そ
の方法は先ず、前記した実施例と同じ条件で
Al₂O₃基板上に導体（Au）をメタライズしその
上に絶縁層の膜厚40μｍを形成し、メタライズの
一部を電極とする。これをNaCl5％水溶液（電解
液）に浸漬し、もう片方の電極は銅板にし同水溶
液に浸し直流電圧（DC）10Vを印加してリーク
電流を測定した。 第４表にその結果を示す。第４表から明らかな
ように誘電率は実施例１〜10では4.5〜5.2、誘電
損失0.23〜0.33％、絶縁抵抗は3.5×10¹³〜3.3×
10¹⁴Ωcm、リーク電流は０〜7μAであつた。また
比較例１、２および７で絶縁層にふくれが発生し
たり、比較例３〜６、８〜11では焼結不十分なた
めリーク電流が大きくなつたり、絶縁抵抗が低下
した。

【表】 実施例11〜15、比較例12〜17 第５表に示す組成のガラスを平均粒径1.2μｍの
粉末粒度に調整した。水晶は平均粒径2.1μｍ粒度
の水晶粉末を用いた。ガラス粉末と水晶との配合
比率は第６表のようにし、実施例１と同じ方法、
同じ条件で混合、乾燥、ペースト化し、絶縁層を
形成して諸特性を測定した。その結果を第７表に
示した。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 第７表から明らかなように実施例11〜15の誘電
率は4.5〜5.13、誘電損失0.23〜0.32％、絶縁抵抗
1.1×10¹⁴〜4.2＋10¹⁴Ωcm、リーク電流０〜7μAで
あつた。また比較例12〜17では絶縁層にふくれが
発生したり、焼結不十分なため絶縁抵抗が低下し
たり、リーク電流が大幅に増大した。 実施例16〜20、比較例18〜23 第８表に示す組成のガラスを平均粒径0.98μｍ
の粉末粒度に調整した。石英ガラスは平均粒径
1.6μｍ粒度の石英ガラス粉末を用いた。ガラス粉
末と石英ガラス粉末との配合比率は第９表のよう
にし、実施例１と同じ方向、同じ条件で混合、乾
燥、ペースト化し、絶縁層を形成して諸特性を測
定した。 その結果を第10表に示した。

【表】

【表】

【表】 第10表から明らかなように実施例16〜20の誘電
率は4.49〜5.31、誘電損失0.22〜0.31％、絶縁抵
抗2.2×10¹⁴〜4.2×10¹⁴Ωcm、リーク電流０〜5μA
であつた。また比較例でセラミツクス比率の小さ
いものは絶縁層にふくれが発生し、多い場合は焼
結不十分なため絶縁抵抗が低下したり、リーク電
流が大幅に増大した。 比較例 24〜27 SiO₂64.9％、B₂O6.8％、PbO16.6％、
Na₂O2.37％、K₂O2.17％、MgO0.41％、CaO5.37
％、BaO0.21％、ZrO₂1.17％の組成のガラスを平
均粒径1.2μｍの粉末粒度に調整した。セラミツク
ス粉末は平均粒径2.1μｍ粒度のアルミナ粉末を用
いた。ガラス粉末とアルミナ粉末との配合比率は
重量％でガラス粉末：アルミナ粉末＝70：30（比
較例24）60：40（比較例25）、50：50（比較例26）、
40：60（比較例27）を実施例１と同じ方法、同じ
条件で混合、乾燥、ペースト化し、絶縁層を形成
して諸特性を測定した。 その結果、誘電率は7.8〜8.8、誘電損失は
0.0023〜0.0048、絶縁抵抗は2.5×13¹³〜3.6×
10¹⁴Ωcm、リーク電流は０〜10μAであつた。 ［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
率無機組成物を用いた結果、従来のアルミナおよ
び硼硅酸鉛ガラス・アルミナ系の絶縁性無機組成
物に比べ、形成絶縁層の誘電率は大幅に低下し
た。またメツキ導体、たとえばAu上の絶縁被膜
層の発泡およびふくれの発生がなく、絶縁層の緻
密性、絶縁性の優れた低温焼結性低誘電率セラミ
ツクス多層回路基板の提供が可能となり、コンピ
ユータロジツク回路の実装の高密度化、高速化、
信頼性の向上に寄与することができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量％表示でSiO₂50〜75％、B₂O₃8〜25％、
   MgO0.2〜10％、CaO3〜18％、BaO0.1〜10％、
   Li₂O1〜３％、Na₂O1〜５％、K₂O1〜５％、お
   よびZrO₂0.5〜10％を合計量で100％となるように
   した組成を有し、かつこれらの酸化物のうちアル
   カリ土類金属酸化物の合計量が５〜15重量％の範
   囲の組成を有するガラス材料80〜40重量％と、水
   晶または石英ガラス20〜60重量％よりなることを
   特徴とする低温焼結性低誘電率無機組成物。