JPH06199541A

JPH06199541A - ガラスセラミックス組成物

Info

Publication number: JPH06199541A
Application number: JP5000253A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ochi; 博越智; Yasuyuki Baba; 康行馬場; Shigetoshi Segawa; 茂俊瀬川; Yasukazu Fukunaga; 靖一福永; Yoshio Mayahara; 芳夫馬屋原; Hiromitsu Watanabe; 広光渡邊; Kazuyoshi Shindo; 和義新藤
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-01-05
Filing date: 1993-01-05
Publication date: 1994-07-19
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JP2695587B2

Abstract

(57)【要約】【目的】１０００℃以下の温度で焼成することがで
き、かつシリコンチップの熱膨張係数に近い低い熱膨張
係数を有し、かつ高速演算処理に十分に対応できる７以
下の低誘電率を有すると共に、高い抗折強度を有するセ
ラミックス基板を作製することのできるガラスセラミッ
クス組成物を得る。【構成】重量百分率で、ガラス粉末４０〜８０％、セ
ラミックス粉末２０〜６０％からなり、該ガラス粉末が
ＳｉＯ₂２０〜５０％、Ａｌ₂Ｏ₃１０〜４０％、Ｓｒ
Ｏ１１〜２５％、ＭｇＯ６〜２０％、Ｂ₂Ｏ₃０．１〜
３０％、ＺｎＯ０．１〜３０％の組成を有することを特
徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、厚膜回路部品、ＩＣ、
及びＬＳＩ等の高密度実装に好適なセラミックス多層基
板を作製するのに用いることができるガラスセラミック
ス組成物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、セラミックス多層基板を構成する絶縁材料として
は、強度、熱伝導性及び気密性に優れたアルミナセラミ
ックスが主に用いられている。しかしながら、アルミナ
セラミックスは焼成温度が１５００〜１６００℃と極め
て高いため、内層導体の材料としては、Ｍｏ、Ｗ等の高
融点の金属材料を使用しなければならず、これらの材料
は導体抵抗が高いという欠点を有していた。従って、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の低い融点を有する金属を内層導体と
して用いることができるように、１０００℃以下の低い
温度で焼成することができるセラミックス材料が要望さ
れ検討されている。

【０００３】またアルミナセラミックスは熱膨張係数が
７０×１０^-7／℃と高いため、熱膨張係数が３５×１０
^-7／℃であるシリコンチップを直接搭載することができ
ないという問題もあった。

【０００４】さらに、アルミナセラミックスは、誘電率
（ε）が約１０と高いため、高速信号回路用の基板とし
て適さないという問題もあった。すなわち、導体中を伝
播する信号の速度は、その周囲を形成する材料の誘電率
が高いほど遅れることが一般的に知られており、アルミ
ナセラミックスは誘電率が高いため、演算処理の高速化
の要求に応えることができない。

【０００５】以上のような状況下において、近年、１０
００℃以下の低い温度で焼成することのできる低温焼成
基板用の材料として、ガラス粉末とセラミックス粉末と
を混合した材料が提案されている。例えば特開昭６４−
４５７４３号、同６４−５１３４６号、特開平１−１７
９７４１号、同１−２５２５４８号等には、ガラス粉
末、セラミックス粉末、酸化剤、ニオブの酸化物等から
なり、ガラス粉末がＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、アルカリ土
類金属の酸化物等を所定の割合で含むようなガラスセラ
ミックス組成物が開示されている。これらのガラスセラ
ミックス組成物は、機械的強度及び熱伝導率を大きく
し、絶縁抵抗及び絶縁破壊電圧の向上、及び導体のはん
だ濡れ性の向上等を目的として提案されているものであ
り、低温焼成が可能な材料であるが、シリコンチップを
直接搭載できるような低い熱膨張係数を示すものではな
く、また高速信号回路用基板に用いることができる程度
の低い誘電率を有するものではなかった。

【０００６】また、特開平１−１３２１９４号では、１
０００℃以下の低温で焼結することができ、低誘電率
で、かつ高い強度を有するガラスセラミックス組成物が
提案されているが、低誘電率を得ることを目的とするも
のの、得られているガラスセラミックス組成物焼結体の
誘電率は７．３〜７．８の範囲であり、未だ不十分なも
のであった。また低熱膨張率の点においても、明細書中
ガラスセラミックス組成物焼結体の熱膨張係数は６０×
１０^-7／℃〜７２×１０^-7／℃の範囲が適当とされてお
り、シリコンチップを直接搭載するには不適当であっ
た。

【０００７】本発明の目的は、このような従来の問題点
を解消し、１０００℃以下の低い温度で焼成することが
できるガラスセラミックス組成物であり、熱膨張係数が
シリコンチップの熱膨張係数と近似しており、高速演算
処理に十分対応することができるような７以下の低い誘
電率を有し、かつ高い抗折強度を有するセラミックス多
層基板を作製することが可能なガラスセラミックス組成
物を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のガラスセラミッ
クス組成物は、重量百分率で、ガラス粉末４０〜８０
％、セラミックス粉末２０〜６０％からなり、該ガラス
粉末がＳｉＯ₂２０〜５０％、Ａｌ₂Ｏ₃１０〜４０
％、ＳｒＯ１１〜２５％、ＭｇＯ６〜２０％、Ｂ₂Ｏ₃
０．１〜３０％、ＺｎＯ０．１〜３０％の組成を有する
ことを特徴としている。

【０００９】本発明に用いられるセラミックス粉末とし
ては、例えば、アルミナ、ムライト、コージエライト、
ジルコニア及びケイ酸ジルコニウムの群から選ばれる１
種以上を用いることができる。なお、本発明のガラスセ
ラミックス組成物を用いて多層基板を製造するには、例
えば以下の方法に従い製造することができる。

【００１０】ガラス粉末とセラミックス粉末を所定の混
合割合で秤取し、結合剤、可塑剤及び溶剤等と混合して
スラリーを調製する。結合剤としては、例えばポリビニ
ルブチラール樹脂、メタアクリル酸樹脂等を用いること
ができる。また可塑剤としては、例えばフタル酸ジブチ
ルを用いることができ、溶剤としては、例えばトルエ
ン、メチルエチルケトン等を用いることができる。

【００１１】このようにして得られたスラリーを、ポリ
エステルフィルム上にドクターブレード法により塗布
し、厚み０．２ｍｍ程度のグリーンシートを製造する。
これを乾燥し、所定の大きさに切断した後、各グリーン
シートに機械的加工によりスルーホールを形成し、導体
となる低抵抗金属材料をスルーホール及びグリーンシー
ト表面に印刷し形成する。これらのグリーンシートを複
数枚積層し、熱圧着により一体化する。

【００１２】このようにして得た積層グリーンシート
を、毎分３℃の速度で昇温し、５００℃の温度で３０分
間保持し、グリーンシート中の有機物質を除去する。そ
の後、毎分１０℃の速度で８００〜１０００℃まで昇温
し、１０分〜１時間保持して焼結させ、多層基板を得
る。

【００１３】

【作用】本発明のガラスセラミックス組成物は、ガラス
粉末組成中にＳｒＯ及びＭｇＯを所定の割合で含有する
ことを特徴としており、このようなＳｒＯ及びＭｇＯの
含有により、焼成の際ガラス相よりストロンチウム長石
及びコージエライトを同時に析出させることができ、シ
リコンチップを直接搭載可能な低い熱膨張係数、及び高
速演算処理に十分対応できる低い誘電率を実現すると共
に、高い抗折強度を有するセラミックス多層基板とする
ことができる。

【００１４】以下、本発明の数値限定の理由について説
明する。本発明のガラスセラミックス組成物は、４０〜
８０％のガラス粉末と２０〜６０％のセラミックス粉末
とからなる。ガラス粉末の含有量が４０％未満である
と、即ちセラミックス粉末が６０％を超えると、焼結体
が緻密化せず、基板強度が著しく低下する。またガラス
粉末の含有量が８０％を超えると、即ちセラミックス粉
末が２０％未満であると、結晶化後、ガラス成分が基板
表面から浮き出し、表面に印刷した導体との接着強度が
低下する。

【００１５】また本発明のガラスセラミックス組成物に
おいて、ガラス粉末組成中、ＳｉＯ ₂は２０〜５０％、
好ましくは、２５〜４５％含まれる。ＳｉＯ₂はガラス
のネットワークフォーマーであり、本発明の特徴である
焼成の際に析出するストロンチウム長石及びコージエラ
イトの結晶構成成分である。従って、ＳｉＯ₂が２０％
未満であると、結晶量が少なくなり、低熱膨張係数、低
誘電率及び十分な機械的強度を得ることができない。ま
た５０％を超えると、溶融性が悪くなると共に、軟化点
が高くなり、低温焼成が困難になる。

【００１６】Ａｌ₂Ｏ₃は１０〜４０％、好ましくは１
５〜３５％、さらに好ましくは２０〜３５％含まれる。
Ａｌ₂Ｏ₃もストロンチウム長石及びコージエライトの
結晶構成成分であり、その含有量が１０％より少ないと
結晶量が少なくなり、また４０％を超えると溶融性が悪
くなる。

【００１７】ＳｒＯは１１〜２５％含有され、好ましく
は１１〜２０％含有される。本発明においては、ＳｒＯ
がガラス粉末中の必須成分として含有されるが、これは
焼成の際にストロンチウム長石を析出させる必要がある
からである。ＳｒＯの含有量が１１％未満であると、ス
トロンチウム長石が析出せず、強度が低くなる。また２
５％を超えると、熱膨張係数が大きくなり過ぎる。

【００１８】ＭｇＯは、ＳｒＯと同様にガラス粉末中の
必須成分であり、６〜２０％、好ましくは６〜１５％含
有される。本発明においては、ＭｇＯを含むことによ
り、焼成の際にコージエライトが析出し、シリコンチッ
プの熱膨張係数に近い熱膨張係数を示すと共に、誘電率
を低くすることができる。ＭｇＯの含有量が６％未満で
あると、コージエライトが十分に析出せず、低熱膨張係
数及び低誘電率を達成することができない。またＭｇＯ
の含有量が２０％を超えると、失透が生成しやすくな
る。

【００１９】Ｂ₂Ｏ₃及びＺｎＯは、ガラスの溶融性を
向上させるためにガラス粉末中に含まれる。Ｂ₂Ｏ₃の
含有量は０．１〜３０％であり、好ましくは１〜２５％
である。ＺｎＯの含有量は０．１〜３０％であり、好ま
しくは１〜２５％である。Ｂ ₂Ｏ₃が３０％を超えて含
まれると、ガラスの耐水性が悪化する。また、ＺｎＯの
含有量が３０％を超えると、異種結晶としてガーナイト
が析出し、熱膨張係数が高くなる。一方、Ｂ₂Ｏ₃及び
ＺｎＯは、先記したようにガラスの溶融性を改善する成
分であるので、それぞれ０．１％よりも少ない含有量で
ある場合には、その効果が十分に発揮されない。

【００２０】本発明においては、上述のように、ＳｒＯ
及びＭｇＯがガラス粉末中の必須成分であり、これらの
酸化物を含むことにより、焼成の際にストロンチウム長
石及びコージエライトをガラス相より析出させ、これに
よってシリコンに近い低熱膨張係数、高速演算処理に十
分対応できる低い誘電率を示すと共に、高い抗折強度を
有するセラミックス多層基板とすることができる。

【００２１】

【実施例】表１のガラス組成となるように、二酸化珪
素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、炭酸ストロ
ンチウム、ホウ酸、及び酸化亜鉛の各原料を調合し、こ
れを白金ルツボ中に入れ、１５００℃で２時間保持して
溶融した。次に、この溶融ガラスを急冷して薄板状に成
形した後、アルミナボールで粉砕し分級することによっ
て、平均粒径が約２μｍのガラス粉末を得た。

【００２２】このようにして得られた各ガラス粉末を、
表１に示す各種セラミックス粉末と所定の割合で混合
し、直径５ｍｍ、長さ５０ｍｍの丸棒状試験体、直径４
０ｍｍ、厚み２ｍｍの円板状試験体、及び幅１５ｍｍ、
長さ５０ｍｍ、厚み１ｍｍの短冊状試験体にプレス成形
した後、９００℃で１０分間焼成した。

【００２３】丸棒状試験体を用いてディラトメーターで
熱膨張係数を測定し、円板状試験体を用いて誘電率を測
定し、短冊状試験体を用いて曲げ強度（三点荷重方式）
を測定した。結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】また、比較として、表２に示すように本発
明の範囲外の組成のガラス粉末を用い、上記実施例と同
様にしてセラミックス粉末と混合し、同様の試験体を作
製し、熱膨張係数、誘電率及び曲げ強度を測定した。結
果を表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】表１から明らかなように、本発明に従う組
成のガラスセラミックス組成物から形成したセラミック
ス基板は、シリコンチップの熱膨張係数３５×１０^-7／
℃に近い低熱膨張係数を示しており、また誘電率も７以
下の低い値を示している。また曲げ強度も高く、高い抗
折強度を有している。

【００２８】これに対して、比較例１はＭｇＯの含有量
が本発明の範囲よりも少ないガラス粉末を使用してお
り、熱膨張係数及び誘電率が高くなっている。比較例２
は、ＳｒＯの含有量が本発明の範囲よりも少なく、曲げ
強度が著しく低くなっている。

【００２９】比較例３は、Ｂ₂Ｏ₃及びＺｎＯを含まな
いガラス粉末を使用しており、緻密化した焼結体を得る
ことができなかった。比較例４はＡｌ₂Ｏ₃の含有量が
本発明の範囲よりも少ないガラス粉末を使用しており、
熱膨張係数及び誘電率が高く、また著しく曲げ強度が低
下した。

【００３０】また比較例５は、本発明の必須成分である
ＭｇＯを含有しないガラス粉末を使用し、フィラーとし
てコージエライトを６０％含有させたものである。コー
ジエライトをフィラーとして大量に含有させると、低い
熱膨張係数及び低い誘電率の焼結体が得られるものの、
これらの特性がほぼ同等である実施例３に比べて曲げ強
度が著しく劣る。これは本発明では、ＭｇＯを必須成分
として含有させることにより、焼成の際にガラス相より
コージエライトが析出し、析出したコージエライトによ
って低い熱膨張係数及び低い誘電率を達成し、しかも析
出したコージエライトが微結晶粒であるため、曲げ強度
の向上に寄与するためである。

【００３１】次に実施例９〜１１のガラスセラミックス
組成物を使用してセラミックス多層基板を作製した。図
１は焼成後のセラミックス多層基板の断面図を示したも
のであり、１はビア導体、２は内層導体パターン、３は
最外層導体、４はベアＩＣチップ、５は突起電極、６は
接合材である。また表３は作製したセラミックス多層基
板の反りや変形の有無、端子強度、接続抵抗値の変化量
をそれぞれ示している。

【００３２】

【表３】

【００３３】まず実施例９〜１１の組成を有するガラス
セラミックス組成物を用い、公知の技術によりグリーン
シートを複数枚作製した。さらに得られた各グリーンシ
ートの所定の位置にビア孔を設け、ＣｕＯビア導体を充
填してビア導体１を形成し、また印刷法によりＣｕＯ内
層導体を用いて内層導体パターン２を形成した。その
後、これらのグリーンシートを積層して多層化し、脱バ
インダーの後、Ｈ₂／Ｎ ₂グリーンガスにより還元し、
９００℃の窒素雰囲気中で１０分間焼成した。このよう
にして内層導体と同時焼成されたセラミックス多層基板
には、反りや変形は認められなかった。

【００３４】またセラミックス多層基板にＣｕ導体を印
刷して焼成し、最外層導体３を形成し、その端子強度を
測定した。端子強度が１．５ｍｍ角の電極で０．９ｋｇ
以上であれば実用レベルであるが、本実施例では表３に
示すように０．９〜１．８ｋｇ／１．５ｍｍ角の値を示
し、実用に十分耐え得ることがわかった。

【００３５】さらに６ｍｍ角のベアＩＣチップ４を、接
合材に共晶ハンダを用い、フリップチップ実装法により
セラミックス多層基板にハンダ付けした。チップ実装後
の多層基板に対して、ヒートサイクル−４０〜＋１２５
℃、１００サイクルの試験を行ったところ、接続部の断
線はなく１バンプ（ＩＣパッドの大きさは１００μｍ）
当たりの抵抗値の変化量は±２０ｍΩと良好な値を示し
た。このように熱膨張係数をシリコンチップに近づけた
組成により、優れた信頼性のフリップチップ実装された
多層基板を得ることができた。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明に従うガラスセラ
ミックス組成物をセラミックス多層基板のセラミックス
材料として用いることにより、１０００℃以下の温度で
焼成が可能であり、シリコンチップを直接搭載できる低
い熱膨張係数を有し、高速演算処理に十分に対応できる
７以下の低い誘電率を有し、かつ高い抗折強度を有する
セラミックス多層基板を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガラスセラミックス組成物を用いてセ
ラミックス多層基板を作製し、ＩＣチップを実装した状
態を示す断面図。

【符号の説明】

１…ビア導体２…内層導体パターン３…最外層導体４…ベアＩＣチップ５…突起電極６…接合材

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Ｃ０４Ｂ 35/16 Ａ 8924−4Ｇ 35/18 Ｚ 8924−4Ｇ 35/48 Ｚ (72)発明者瀬川茂俊香川県高松市寿町２丁目２番10号松下寿電子工業株式会社内 (72)発明者福永靖一香川県高松市寿町２丁目２番10号松下寿電子工業株式会社内 (72)発明者馬屋原芳夫滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内 (72)発明者渡邊広光滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内 (72)発明者新藤和義滋賀県大津市晴嵐２丁目７番１号日本電気硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量百分率で、ガラス粉末４０〜８０
％、セラミックス粉末２０〜６０％からなり、該ガラス
粉末がＳｉＯ₂２０〜５０％、Ａｌ₂Ｏ₃１０〜４０
％、ＳｒＯ１１〜２５％、ＭｇＯ６〜２０％、Ｂ₂Ｏ₃
０．１〜３０％、ＺｎＯ０．１〜３０％の組成を有する
ことを特徴とする、ガラスセラミックス組成物。
【請求項２】セラミックス粉末が、アルミナ、ムライ
ト、コージエライト、ジルコニア及びケイ酸ジルコニウ
ムの群から選ばれる１種以上であることを特徴とする、
請求項１に記載のガラスセラミックス組成物。