JPH0590446A

JPH0590446A - 多層ガラスセラミツク基板とその製造方法

Info

Publication number: JPH0590446A
Application number: JP3276198A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Inata; 一洋生稲; Yuzo Shimada; 勇三嶋田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-09
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JP2504350B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高密度微細配線で、しかも高速化が期待でき
る機械的強度の優れた多層ガラスセラミック基板とその
製造方法を提供する。【構成】内層に導体を含む多層ガラスセラミック基板
のガラスセラミック層を、アルミナ１２〜５９．６重量
％、コーディエライト１０〜３０重量％、ホウケイ酸系
ガラス１８〜６９．６重量％、アノーサイト結晶１〜５
０重量％で総量１００％になるように構成し、その製造
原料としては、アルミナ１０〜５０重量％、コーディエ
ライト１０〜５０重量％、ホウケイ酸カルシウム系ガラ
ス４０〜７０重量％で総量１００％になる混合粉末を用
いるか、またはアルミナ０．５〜３μｍ、コーディエラ
イト１〜１０μｍ、ホウケイ酸系ガラス１〜５μｍ、ア
ノーサイト１〜１０μｍ平均粒子を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ素子を実装する
ための多層ガラスセラミック基板に関し、特に低温焼結
できる多層ガラスセラミック基板とその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体技術の発展に伴い、電子装置、シ
ステムの小型化、高速化が増々要求されている。半導体
素子においては、ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩと高密度化、高集
積化され、これらをアセンブリするための実装技術は極
めて高密度微細化が必要とされている。特に半導体素子
を搭載するための実装基板は、配線密度の増大による微
細配線化とともに、配線抵抗の低減化、高速化に対応し
た基板材料の低誘電率化、および高密度配線化が要求さ
れる。基板材料として従来から使用されているものにア
ルミナ多層基板がある。この基板の製造方法としては、
厚膜印刷多層法およびグリ―ンシ―ト積層法があるが、
高密度化の要求に対しては、グリ―ンシ―ト積層法が有
利である。グリ―ンシ―ト積層法は、薄いセラミックグ
リ―ンシ―ト各層に配線を印刷形成し、一体に積層して
得られるため、配線層数を任意に多くすることができ、
その結果、厚膜印刷多層よりも配線密度を高くすること
ができる。しかし、アルミナセラミックは焼結温度が１
５００℃以上と高く、配線導体に電気抵抗の比較的高い
Ｍｏ，Ｗ金属を使わなければならず、配線の微細化が困
難であった。

【０００３】一方、最近、低抵抗導体のＡｕ，Ａｇ−Ｐ
ｄ，Ａｇ，Ｃｕ等を用いる低温焼結型のセラミック材料
が開発されている。例えば、アルミナとホウケイ酸鉛系
ガラスの複合材料の場合、１０００℃以下の低温で焼結
が可能で、Ａｕ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇを配線導体に用いた
多層基板が開発されている。しかしながら、この材料は
鉛を含んでいるため、卑金属であるＣｕを配線に用いる
ことは困難であり、更に誘電率においても７．５以上に
しか低減することができない。また、低誘電率化と１０
００℃以下の還元雰囲気焼成をねらったホウケイ酸系ガ
ラスを用いたガラスセラミック材料も開発されている。
これは誘電率が５．５程度と低く抑えられ、Ｃｕ配線に
よる多層化が、ガラスセラミックと導体との同時焼結法
により実現されているが、焼結時に結晶化を起こしてお
らず、機械的強度が著しく低くなる欠点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のアルミナ多層基
板では、高温でしか焼結できないため電気抵抗の高いＭ
ｏ，Ｗしか導体に利用できないため、配線抵抗が高くな
ったり、微細配線が不可能であった。またアルミナの誘
電率は約１０と高く、信号の高速化には不利であった。
アルミナとホウケイ酸鉛系ガラスの複合材料は、低温焼
結化ができ、低抵抗導体を配線に使えるが、還元雰囲気
焼成や卑金属導体配線の実現が困難であった。更にホウ
ケイ酸系ガラスを用いたガラスセラミック基板では、Ｃ
ｕ多層配線および低誘電率化は可能であるが、機械的強
度が著しく低くなった。基板の機械的強度は、極めて重
要な特性であり、特に基板上に多数の半導体素子が実装
されるマルチチップ実装基板においては、基板サイズが
大面積化するとともに入出力端子またはピンが多数接続
されるため、アセンブリ―工程ばかりでなく製品の状態
で基板破損や金属との接合不良等の問題が発生する。本
発明の目的は、このような従来の実装基板の課題を解決
することにより、１０００℃以下の低温で、しかも酸化
性ばかりでなく中性および還元雰囲気で焼成でき、誘電
率の低い、機械的強度のすぐれた多層ガラスセラミック
基板を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラスセラミ
ック層がアルミナ、コーディエライト、ホウケイ酸系ガ
ラスおよびアノーサイト結晶からなる無機組成物であっ
て、アルミナ１２〜５９．６重量％、コーディエライト
１０〜３０重量％、ホウケイ酸系ガラス１８〜６９．６
重量％、アノーサイト結晶１〜５０重量％の組成範囲で
総量１００％になるように構成され、複数の導体層を前
記ガラスセラミック層を介して積層したことを特徴とす
る多層ガラスセラミック基板である。また、その製造方
法の第１は、原料粉末にアルミナ粉末１０〜５０重量
％、コーディエライト粉末１０〜５０重量％およびホウ
ケイ酸カルシウム系ガラス粉末４０〜７０重量％で総量
１００％になるように混合した混合粉末を用いることを
特徴とする。この方法において、ホウケイ酸カルシウム
系ガラス中に含まれるカルシウム組成は、酸化物換算表
記に従ったとき、ガラス組成に対して酸化カルシウムが
５重量％以上であることを好適とする。製造方法の第２
は、原料粉末として、アルミナ粉末、コーディエライト
粉末、ホウケイ酸系ガラス粉末およびアノ―サイト粉末
を用い、それぞれの平均粒径がアルミナ粉末０．５〜３
μｍ、コーディエライト粉末０．５〜１０μｍ、ホウケ
イ酸系ガラス粉末１〜５μｍ、アノ―サイト粉末１〜１
０μｍの範囲にあり、これらの粉末を混合する工程と、
混合した粉末をスラリー状態にしたのちグリーンシート
化する工程と、該グリーンシートにヴィアホールを形成
すると共に、導体を印刷および穴埋めする工程と、印刷
されたシートを積層・熱圧着し、１０００℃以下の温度
で焼成する工程とを含むことを特徴とする。

【０００６】本発明のガラスセラミック基板は、１００
０℃以下の温度で焼結可能となるため、所望のグリ―ン
シ―ト積層法によって容易に多層化ができ、また導体と
してＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ等の元素ばかりでなく、中
性または還元雰囲気で焼成するＣｕ，Ｎｉ等の卑金属の
元素を含め、それぞれ１種およびこれらの２種類以上を
含む合金が安心して使用できるようになり、実装密度が
高く機械的強度に優れた多層ガラスセラミック基板を実
用に供することが可能となる。ここで本発明による基板
の機械的強度は、抗折強度で２０００ｋｇ／ｃｍ²以上
を有しており、十分な強度を有している。

【０００７】次に、本発明の各構成成分を限定した理由
について記す。アルミナが１２重量％未満の場合、抗折強度が２０
００ｋｇ／ｃｍ²未満となり不充分となる。また５９．
６重量％を超えると１０００℃以下の温度で焼結が不充
分となり、その結果、絶縁抵抗が低下するとともに抗折
強度も２０００ｋｇ／ｃｍ²未満となる。更に誘電率も
７を超えるため高速化に不利となり、実用的な多層ガラ
スセラミック基板が得られない。コーディエライトが１０重量％未満の場合、誘電率
が７を超えてしまう。また３０重量％を超えると焼結が
不十分となり、絶縁抵抗を低下させ、抗折強度も２００
０ｋｇ／ｃｍ²未満に低下してしまう。ホウケイ酸系ガラスが１８重量％未満の場合、アル
ミナ粒子間の空隙を占有するのに十分なガラス相を得る
ことができなくなるため、強度が低下するとともに信頼
性が得られない。６９．６重量％を超えるとガラスの本
来持つ強度が支配的となり抗折強度２０００ｋｇ／ｃｍ
²未満になってしまう。

【０００８】アノーサイト結晶が１重量％未満の場
合、アノーサイト結晶による強度補強効果がなくなり、
抗折強度２０００ｋｇ／ｃｍ²以上が得られない。５０
重量％を超えると多層ガラスセラミック基板の収縮性が
不均一になり信頼性が低下する。原料粉末として用いるアルミナ粉末が１０重量％未
満の場合、焼結時のアノーサイト結晶生成に対しガラス
との化学反応性が低下し、結晶生成が不十分となるか、
あるいは結晶が不均一に生成することになり、その結
果、抗折強度が２０００ｋｇ／ｃｍ²未満になってしま
う。５０重量％を超えると１０００℃以下の温度で焼結
が不十分となり絶縁抵抗が低下するとともに抗折強度も
低下する。また誘電率も７を超えてしまう。原料粉末として用いるホウケイ酸カルシウム系ガラ
ス粉末が４０重量％未満の場合、アルミナとの反応性が
低下し、アノーサイト結晶の生成が大きく阻害され、不
均一な結晶生成が起こるため強度が低下する。７０重量
％を超える場合には焼成時のガラス軟化反応が進むため
焼成基板の寸法安定性が悪くなり、実用的な基板が得ら
れない。

【０００９】原料粉末として用いるホウケイ酸カル
シウム系ガラスのカルシウム組成が酸化物換算表記に従
ったとき酸化カルシウムで５重量％未満のときは、焼成
時にアノーサイト結晶がほとんど生成されない。原料粉末として用いるアルミナ粉末が０．５μｍ未
満および３μｍを超える場合、コーディエライト粉末が
０．５μｍ未満および１０μｍを超える場合、ホウケイ
酸系ガラス粉末が１μｍ未満および５μｍを超える場
合、更にアノーサイト粉末が１μｍ未満および１０μｍ
を超える場合には、混合物の焼結性が悪く多層ガラスセ
ラミック基板の特性上の信頼性を著しく低下させるた
め、実用的な多層ガラスセラミック基板が得られない。

【００１０】

【作用】本発明の多層ガラスセラミック基板の組成は、
１０００℃以下の温度で焼結できるがその理由を次に示
す。ホウケイ酸カルシウム系ガラスまたはホウケイ酸系
ガラスは焼成の際、約７００℃以上で軟化を開始する。
この液相化したガラスがアルミナとコーディエライトま
たはアルミナ、コーディエライトとアノーサイトとのセ
ラミック粉末間の空隙を埋めることになり緻密化が進行
する。こうして８００〜１０００℃の温度領域で十分緻
密なガラスセラミック体が形成され焼結を完了する。次
に還元雰囲気で焼結できる理由は、本組成物がこの条件
下で酸化物状態から還元されて金属元素に変化すること
が抑えられる元素を用いているためである。例えば酸化
鉛を含んだ組成物の場合、還元雰囲気下では金属鉛に変
化し、ガラスセラミック体の絶縁性が著しく劣化する。
機械的強度は多層ガラスセラミック基板において重要な
特性の一つであり、本発明は特にこの特性に対して効果
が大である。強度を２０００ｋｇ／ｃｍ²以上に実現で
きる理由は、焼結後のガラスセラミック体の構造に起因
する。つまりアルミナと液相化したガラスとは焼結時に
化学反応を伴いアノーサイト結晶を生成することができ
る。こうして焼結後のガラスセラミック体にはアルミナ
粒子、コーディエライト粒子とガラス質部分およびアノ
ーサイト結晶とが三次元的に緻密に構成されることにな
り、セラミックとガラスとが強固に結合され、その結果
基板として抗折強度の十分な特性が得られる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。実施例１アルミナ粉末、コーディエライト粉末とホウケイ酸カル
シウム系ガラス粉末を表１記載のように、（アルミナ粉
末＋コーディエライト粉末）：ホウケイ酸カルシウム系
ガラス＝３０重量％：７０重量％〜６０重量％：４０重
量％の比率で十分に混合し、グリーンシート積層法によ
ってシート状に成形する。このとき、アルミナ粉末は少
なくとも１０重量％以上含まれており、またここで用い
られたホウケイ酸カルシウム系ガラス粉末には酸化物換
算表記で酸化カルシウムが５重量％含まれている。グリ
ーンシートに作成する方法は、混合粉をポリビニルブチ
ラール、ポリビニルアルコールあるいはポリアクリル系
樹脂などの有機バインダとともに溶媒中に分散し泥漿化
したのちスリップキャスティング法により形成する。グ
リーンシート厚みは１０〜４００μｍの範囲で均一にし
かも自由にコントロールすることが可能である。

【００１２】次に上下導体を接続するためのヴィアホー
ルを打ち抜き装置によりグリーンシートに形成する。該
ヴィアホールに電気的接続を行うための導体ペーストの
埋め込みおよび配線パタ―ン印刷を行う。ここで用いた
導体としては、Ａｕ，Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｉ，
Ａｇ−Ｐｔ等を主成分とする導体ペ―ストであり、スク
リ―ン印刷法によって所定の位置に印刷される。導体パ
タ―ンが印刷されヴィアフィルされたグリ―ンシ―トを
所定の層数になるように積層し、熱圧着する。成形時に
添加された有機バインダおよび溶剤を４００〜７００℃
の温度の脱バインダ工程により除去した後、８００〜１
０００℃の温度範囲で焼成し多層ガラスセラミック基板
を得た。本焼成に際し、ガラスが軟化し、アルミナ粒子
間の空隙をガラスが占有することになり緻密化が進む。
更にアルミナとの化学反応によりアノーサイト結晶が生
成される。得られたガラスセラミック層の組成比を表２
に示す。なお、表２における試料番号１〜６は、表１の
原料番号１〜６に対応したものである。

【００１３】実施例２次に、ガラスセラミック体の他の製造方法を示す。アル
ミナ粉末を粉砕により平均粒径０．５〜３μｍになるよ
うにコントロールする。コーディエライト粉末も同様に
平均粒径０．５〜１０μｍに粉砕する。またホウケイ酸
系ガラスを例えばアルミナボールミル等により平均粒径
１〜５μｍになるように粉砕し微粉末化する。更にアノ
ーサイト粉末を同様に１〜１０μｍになるように粉砕す
る。これらの粉末を目標組成になるように秤量し、アル
ミナボールミル等により均一に混合する。該混合粉末を
ポリアクリル系樹脂、ポリビニルブチラールおよびポリ
ビニルアルコールなどの有機バインダとともに溶媒中に
分散し泥漿にする。該泥漿をドクターブレード法やロー
ル法等の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、例えば１０〜４００μｍの範囲で
グリーンシートとする。次に上下導通を得るためのヴィ
アホールをグリーンシートにダイおよびポンチで形成す
る。ヴィアホールの形成されたシートに導体ペーストを
埋め込み、配線パターン印刷を施す。印刷およびペース
トが埋め込まれたシートを複数枚積層し、１００〜１２
０℃の温度で１００〜３００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で熱圧
着し積層体を得る。４００〜６００℃で有機バインダを
分解・除去したのち８００〜１０００℃の範囲で焼結を
完了する。ここで用いた導体ペーストはＡｕ、Ａｇ、Ａ
ｇ−Ｐｄ、Ｃｕ等を主成分としたペーストを用いた。得
られたガラスセラミック体の組成比を表２〜表３の試料
番号７〜４０に示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】

【表３】

【００１７】表４〜表７には、実施例１および２におい
て多層ガラスセラミック基板を作製したときの焼成条
件、配線仕様および特性を示した。焼結後の基板におけ
るガラスセラミック層の組成を示した表２および表３の
試料番号と表４〜表７の試料番号は対応している。

【００１８】

【表４】

【００１９】

【表５】

【００２０】

【表６】

【００２１】

【表７】

【００２２】表４〜表７からも明らかなように、本発明
の組成物を使用することにより、容易に高密度で微細な
配線を形成されるばかりでなく特性上も優れ、かつ、実
用に供されるために必要な機械的強度も充分満足する多
層ガラスセラミック基板を得ることができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば１
０００℃以下の低温焼結が可能で、中性、還元雰囲気を
問わず焼成でき、かつ誘電率も十分に低くでき、機械的
強度としての抗折強度が大きな基板を得ることができ
る。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｋ 3/46 Ｈ 6921−4ＥＴ 6921−4Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスセラミック層がアルミナ、コーデ
ィエライト、ホウケイ酸系ガラスおよびアノーサイト結
晶からなる無機組成物であって、アルミナ１２〜５９．
６重量％、コーディエライト１０〜３０重量％、ホウケ
イ酸系ガラス１８〜６９．６重量％、アノーサイト結晶
１〜５０重量％の組成範囲で総量１００％になるように
構成され、複数の導体層を前記ガラスセラミック層を介
して積層したことを特徴とする多層ガラスセラミック基
板。
【請求項２】請求項１に記載した多層ガラスセラミッ
ク基板の製造方法であって、原料粉末にアルミナ粉末１
０〜５０重量％、コーディエライト粉末１０〜５０重量
％およびホウケイ酸カルシウム系ガラス粉末４０〜７０
重量％で総量１００％になるように混合した混合粉末を
用いることを特徴とする多層ガラスセラミック基板の製
造方法。
【請求項３】ホウケイ酸カルシウム系ガラス中に含ま
れるカルシウム組成が酸化物換算表記に従ったとき、ガ
ラス組成に対して酸化カルシウムが５重量％以上である
請求項２記載の多層ガラスセラミック基板の製造方法。
【請求項４】請求項１に記載した多層ガラスセラミッ
ク基板の製造方法であって、原料粉末として、アルミナ
粉末、コーディエライト粉末、ホウケイ酸系ガラス粉末
およびアノーサイト粉末を用い、それぞれの平均粒径が
アルミナ粉末０．５〜３μｍ、コーディエライト粉末
０．５〜１０μｍ、ホウケイ酸系ガラス粉末１〜５μ
ｍ、アノーサイト粉末１〜１０μｍの範囲にあり、これ
らの粉末を混合する工程と、混合した粉末をスラリー状
態にしたのちグリーンシート化する工程と、該グリーン
シートにヴィアホールを形成すると共に、導体を印刷お
よび穴埋めする工程と、印刷されたシートを積層・熱圧
着し、１０００℃以下の温度で焼成する工程とを含むこ
とを特徴とする多層ガラスセラミック基板の製造方法。