JPH0764616B2 - セラミック材料 - Google Patents

セラミック材料

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JPH0764616B2
JPH0764616B2 JP3200237A JP20023791A JPH0764616B2 JP H0764616 B2 JPH0764616 B2 JP H0764616B2 JP 3200237 A JP3200237 A JP 3200237A JP 20023791 A JP20023791 A JP 20023791A JP H0764616 B2 JPH0764616 B2 JP H0764616B2
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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
(Al23)リッチな3Al23・2SiO2 が好まし
く、複合酸化物はAl23・SiO2 が好ましい。 【0013】重量で、ムライト(3Al23・2SiO
2 )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Al23・Si
2 は1〜15重量%が好ましく、SiO2 は15〜3
0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
-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35〜65×10-7
/℃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4
5×10-7/℃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3Al2O3 ・2SiO
2や35〜75×10-7/℃の熱膨張係数をもつAl2
3・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、Al23・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3Al23・2SiO2 ,Al
23・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、3Al23・2SiO2 をAl
23,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3Al23・2SiO2 とAl23
・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Al23
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、3Al23
・2SiO2 とAl23・SiO2 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、
3Al23・2SiO2にSiO2を添加することによ
り、3Al23・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Al23もしくは3Al23・2SiO2 と拡
散反応し、Al23・SiO2 結晶相を生成する。その
ため、セラミック絶縁材料中に3Al23・2SiO2
と3Al23・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3Al23・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、3Al23・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(Al23)1.9部及び平均粒径0.3μ
mの炭酸マグネシウム(Mg3(CO3)4(OH)3・5H2
O)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、20
0mm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
120℃,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
%,Al23・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〜500
℃)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
(3Al23・2SiO2 )とAl23・SiO2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、MgO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、3Al
23・2SiO2 とAl23・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10.2n
s/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Al23・SiO2
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Al23・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Al23添加量との関係
を示す線図である。図に示す如く、Al23の添加によ
って強度が急激に低下する。従って、Al23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80wt%
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Si
2 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Na2O量の合
計量が2.7%であるものは焼成温度が1400〜17
00℃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Al23添加量と基板に生成するA
23・SiO2 量との関係を示す線図である。図に示
す如く、Al23の添加量によってAl23・SiO2
が増加する。このAl23・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、Al23・Mg
Oと2Al23・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、3Al
23・2SiO2とAl23・SiO2の他にAl23,
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Al23・MgO,2Al23・2Mg
O・5SiO2 ができるが、焼成が十分行うことができ
る1600℃付近では、3Al23・2SiO2 及びA
23・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1w
t%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、3Al23・2SiO2 とAl2
3・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、1550
℃以上の焼成温度では、3Al23・2SiO2 とAl
23・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Al23・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〜5
00℃)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〜500
℃)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〜500
℃)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,1
9: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Al23量との関
係を示す線図。 【図4】各々曲げ強さとSiO2 及びAl23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】Al23・SiO2 量とAl23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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠原 浩一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 戸田 尭三 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社 日立製作所 生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−115895(JP,A)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.平均粒径が5μm以下のムライト粉末70重量%以
    上の主成分と、 平均粒径が2μm以下の二酸化珪素粉末30重量%以
    下、平均粒径が1μm以下の酸化アルミニウム粉末15
    重量%以下、及びアルカリ土類金属酸化物粉末1重量%
    以下を含んだ混合粉末とからなることを特徴とするセラ
    ミック材料。
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