JPH0772092B2 - 低温焼成基板 - Google Patents

低温焼成基板

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JPH0772092B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は低温焼成基板，特に低誘電率に係るものに関す
る。
［従来技術及び課題］ 従来，電子機器の基板材料としてアルミナ基板が一般的
であるが，半導体デバイスの高機能化に伴い,IC素子（L
SI,VLSI）の高集積化，高速化，大型化に対応する基板
材料として低温焼成基板が注目されている。この低温焼
成基板には，ガラス複合系，結晶化ガラス系及び非ガラ
ス系があり，アルミナ基板に比して，低抵抗導体との同
時焼成が可能であり，又低誘電率化が可能であるという
利点を有する。
しかし，近時，高速コンピュータ基板等においては電気
素子搭載後の使用周波数（GHz）がますます高周波領域
へ向かっているため，より低誘電率の基板材料が要求さ
れている。
そのため，材料自体の誘電率を下げる種々の提案がなさ
れている他，例えば，結晶質複合酸化物及びSiO2を主成
分とし,30μｍ以下の気孔を10〜30体積％存在させるこ
とにより，比誘電率を1MHzにおいて5.0以下にしたもの
も提案されている（特開昭61-278194）。しかし，この
基板にあっても強度の関係上，誘電率は4.0が限界であ
る。又，表面層及び裏面層が強度15kgf/mm以上の材料，
その間の中間層が誘電率５以下の材料からなり，それら
を複合させてなるものも提案されている（実開昭61-134
081）。しかし，二以上の材料を複合化させるものであ
るため，その適合性を選択せねばならず，各層間の接合
性劣化が懸念される。
本発明の課題は，高強度を維持し，かつ熱膨張係数がSi
チップに近く，しかもより一層の低誘電率化をも可能と
することによって信号遅延時間の短縮化を図ることがで
き，もって近時の電子デバイスの高速化に対応し得る低
温焼成基板を開発することにある。又，かかる低温焼成
基板を容易に量産できる製法を開発することにある。
［課題の解決手段］ 本発明者は，こうした見地に鑑み，鋭意研究を重ねた結
果，本来組織が著しく緻密なものとなる結晶化ガラス系
材料を多孔質にしたところ極めて優れた結果を得ること
を見出し，本発明を完成するに至ったものであり，本発
明は上述の課題を下記手段によって達成する。
（１）結晶化ガラス系材料を主成分とし， 極微細の気孔を均一に存在させ， 誘電率を低減してなる，低温焼成基板。
（２）結晶化ガラス系原料粉末をカーボンと混合，成形
し， 成形体を加熱処理して，カーボンを焼失させると共に，
結晶化ガラス系原料を焼結することからなる， 上記（１）の低温焼成基板の製造方法。
［好適な実施態様及び作用］ 結晶化ガラス系材料とは，ガラスとして成形した後に再
加熱してなるミクロンオーダの微結晶の多結晶集合体を
いい（ガラスセラミックスと同義），ここではRO-Al2O3
‐SiO2（ROはZnO,MgO,Li2O,ZrO2,B2O3,P2O5,Y2O3,BaO等
の金属酸化物一種以上を示す）で表わされる系の材料を
指す。例えばコージェライト系（ZnO-MgO-Al2O3‐Si
O2）,CaO-B2O3‐MgO-Al2O3‐SiO2系，Y2O3‐MgO-Al2O3
‐SiO2系が挙げられ，特にコージェライト（2MgO-2Al2O
3‐5SiO2）を主結晶とするコージェライト系が好ましい
（例えば特開昭59-83957,同59-92943,同59-137341参
照）。結晶化ガラス系材料は，ガラス複合系（ガラスに
セラミックス等の充填材を添加してなるもの）又は非ガ
ラス系材料との複合系材料であってもよい（例えば特開
昭59-64545参照）。平均結晶粒径が５μｍ以下，好まし
くは３μｍ以下にするとよい。高気孔率化においても強
度を維持するためである。これらの材料のうち，緻密質
（ブロック状）の状態で誘電率（1MHz）６以下，好まし
くは５以下のものを選択するとよい。
気孔率は５〜95％にするとよい。５％未満では誘電率低
減作用が少なく，又95％を越えると短絡を防止できず，
強度低下が著しいためである。好ましくは30％以上，よ
り好ましくは60％程度にするとよく，誘電率を4.0以
下，更には3.0以下にできる。ただし,30％以上にする場
合，その多孔質層を緻密質層サンドイッチ構造にすると
よい。使用時の短絡を防止し，又表面平滑度を高めるた
めである。平均孔径は10μｍ以下にするとよい。10μｍ
を越えると短絡のおそれがあるからである。好ましくは
５μｍ以下，より好ましくは３μｍ以下である。又，同
様な見地で，孔径10μｍ以下の気孔が全気孔の50％以上
になるとよい。好ましくは全気孔の80％以上にするとよ
い。
前述のサンドイッチ構造にする場合，多孔質層と緻密質
層とは同質の材料であることが好ましい。接合性の低下
を防止し，短絡を極力抑制するためである。両層の厚み
比，即ち緻密質層の厚み／多孔質層（片側）の厚みは1/
25〜2/15にするとよい。具体的寸法で云えば，焼成処理
後において多孔質の厚みを150〜250μｍにするとよい。
150μｍ未満では絶縁が不十分となり，一方250μｍを越
えると強度に悪影響が生じるおそれがあるからである。
又，緻密質層（片側）の厚みを10〜20μｍにするとよ
い。10μｍ未満では短絡を確実に防止できず，一方20μ
ｍを越えると誘電率が4.0以上になるからである。気孔
は独立孔（閉気孔）として基板全体に均一に存在するこ
とが好ましい。連通孔が存在すると短絡のおそれが生
じ，又不均一に存在すると低誘電率化にバラツキを生ず
るからである。
このように結晶化ガラス系材料に気孔を存在させた場
合，気孔の存在部位は誘電率が１であり，しかも本発明
では結晶化ガラス系材料を主成分として気孔率を極めて
高く維持できるので，誘電率を4.0以下とすることがで
きる。好ましい態様においては3.5以下，さらには３以
下にできる。又，強度も実用上充分なレベル10〜13kg/m
m2であり，熱膨張係数についてもSiチップ（α＝3.5×1
0-6／℃）に近い値であるα＝２〜５×10-6／℃とする
ことができる。
製法について云えば，次の通りである。原料としては結
晶化ガラス系粉末を主成分とし，これを溶剤，分散剤，
可塑剤及びカーボン粉末とトロンメルで混合してスラリ
ー化する。カーボン粉末としてはカーボンブラック等を
用いる。結晶化ガラス系材料の粉末粒径は２μｍ〜３μ
ｍが好ましい。カーボンの粉末粒径は結晶化ガラス系材
料の粒径と同等以下，例えば２μｍ以下にすることが好
ましい。カーボン粉末は結晶化ガラス系材料粉末に対し
て30〜70wt％，好ましくは40〜60wt％混合させるとよ
い。このスラリーを用いてドクターブレード法によって
0.5mm厚以下，好ましくは0.1〜0.3mm厚のグリーンシー
トを作成する。カーボン粉末と結晶化ガラス粉末は比重
が近似しているので，シート化する際にカーボンが均質
に分散する。
次に，このシートを酸化雰囲気中例えば大気中にて500
℃以下，好ましくは900℃以下の温度で加熱処理するこ
とにより，まずカーボンが酸化されて焼失し，結晶化ガ
ラス系粉末が焼成されて多孔質の基板が得られる。仮焼
した後本焼成する多段階焼成であってもよいし，特にCu
O/Cuメタライズ印刷の場合には，還元雰囲気中で焼成し
てもよい。仮焼温度は500℃〜700℃にするとよい。又前
記サンドイッチ構造の基板を製造する場合，上記多孔質
層用材料と同様なもの（カーボン粉末を含有しないこと
以外，同一の成分からなるもの）を用いてスラリー得，
このスラリーを上記多孔質層の両面に塗布し，上記と同
様の温度域で焼成するとよい。カーボンの焼失によって
気孔が形成されるので，微細気孔を均一に存在させるこ
とができ，しかも揮発して残存しないため結晶化ガラス
特性に悪影響を与えない。
その後，通常のメタライズ処理即ち厚膜配線法，同時焼
成法，薄膜配線法によってメタライズ化する。尚，同時
焼成する場合，グリーンシートに導体ペーストでパター
ン形成し，同時焼成に供することは勿論である。
導体材料としては厚膜用の場合Au,Cu,Ag/Pb系，同時焼
成の内層導体用の場合Au,Pt,Pd,Cu系，薄膜用の場合,T
i,Mo,Ni,Wが好ましい。
本発明の低温焼成基板は,ICパッケージ，多層回路基
板，トランジスタ容器に使用でき，高速コンピュータ用
IC素子基板として好適である。
［実施例］ 以下，本発明の実施例を説明する。
ZnO・MgO・Al2O3・SiO2100部，バインダ（有機質バイン
ダ）10部，溶剤30部，分散剤１部，カーボン50部，
（尚，各成分粉末は５μｍ以下である）を湿式混合して
スラリー化し，ドクターブレード法で0.3mm厚のグリー
ンシートを作製する。又，上記成分と同様な成分（カー
ボンを含有しない）を用いて印刷ペーストを作製する。
次に，グリーンシートの表裏に印刷ペーストを塗布し，
金型プレスにてパンチングして所定位置にスルーホール
をあける。次に，このシートのスルーホールに導体ペー
スト（Pt/Cu,Pd/Cu,Pt,Pd,Ni,Au,Cu,Pt/Au,Pd/Au等）を
充填し，スクリーン印刷によって所定回路パターンに印
刷する。次に，導体印刷されたグリーンシートを順次積
層して４層構造とした後，所定の大きさに切断する。次
に，この４層体を樹脂抜した後ベルト炉で大気中昇温速
度２℃／分,650℃で２時間保持して加熱処理し，次いで
昇温速度２℃／分で900℃〜1000℃まで昇温し,1時間保
持して焼成を完了する。ただし,Cu,Ni等の大気中焼成で
酸化するようなメタライズを用いるときは，大気中,650
℃で２時間保持し，加熱処理した後の焼成は還元雰囲気
又は非酸化性雰囲気で行なう。このようにして，第１図
に示すように絶縁層１が多孔質層1a,緻密質層1bのサン
ドイッチ構造からなる多層回路基板を得る。絶縁層１の
厚みは多孔質層1aが250μm,緻密層1bが,15μｍであっ
た。尚，第１図において,2は導体,3はスルーホールを示
す。また，こうした処理手順をフローチャートとして第
２図に示す。比較例として，カーボン粉末を含有しない
ものを用い，絶縁層が緻密質層（厚み 280μｍ）のみ
からなる多層回路基板を得た。
その結果，本実施例のものは気孔率60％，誘電率
（εS）≒３［1MHz］であるのに対し，比較例のものは
気孔率１％，εS≒６［1MHz］であった。又，本実施例
のものは高気孔率でありながら，実用上充分な強度11kg
/mm2を維持し，しかもSi素子の熱膨張係数（α＝3.5×1
0-6／℃）に近いα値α＝3.0×10-6／℃を示す。
［発明の効果］ 以上の如く本発明によれば，高強度を維持しつつ，極め
て低誘電率（好適な態様によってはεS＝３以下を達
成）の低温焼成回路基板を得ることができ，信号遅延時
間を短縮し得るので，近時の半導体デバイスの高速化に
対応できる。高気孔率であっても実用上充分な強度（10
〜13kg/mm2）を維持し，又膨張係数についてもSi素子に
近い値（２〜５×10-6／℃）を示すので、工業上極めて
有用である。
【図面の簡単な説明】
第１図は実施例に係る多層回路基板を示す断面図，及び 第２図は，実施例に係る製造手順を示すフローチャー
ト， を夫々表わす。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】結晶化ガラス系材料を主成分とし， 極微細気孔を均一に存在させ， 誘電率を低減してなる，低温焼成基板。
  2. 【請求項２】結晶化ガラス系原料粉末をカーボンと混
    合，成形し， 成形体を加熱処理して，カーボンを焼失させると共に，
    結晶化ガラス系原料を焼結することからなる， 請求項１記載の低温焼成基板の製造方法。
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