JPH08188446A

JPH08188446A - ガラスセラミック基板

Info

Publication number: JPH08188446A
Application number: JP1837895A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Kudo; 康人工藤
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1995-01-11
Publication date: 1996-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】（１）低誘電率であること、（２）熱膨張率
をシリコンに適合できることおよび（３）機械的強度が
大きいことのいずれをも満足するガラスセラミック基板
を提供する。【構成】ガラス粉末とアルミナ粉末とからなるガラス
セラミック基板において、該ガラス粉末の組成が重量％
基準表示で、ＳｉＯ₂ １８〜３２ＺｎＯ２３〜３５Ｂ₂Ｏ₃ １０〜１８Ａｌ₂Ｏ₃ １６〜２４ＭｇＯ５〜１５ＣｕＯ０〜１であり、該ガラス粉末の組織が主結晶相としてガーナイ
ト（ＺｎＡｌ₂Ｏ₄）および／あるいはスピネル（ＭｇＡ
ｌ₂Ｏ₄）を析出した結晶化ガラスであって、該ガラス粉
末と該アルミナ粉末の配合比率は、該ガラス粉末が４５
〜６５重量％であり、残部がアルミナ粉末であることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばハイブリッドＩ
Ｃ、マルチチップモジュール等に用いるガラスセラミッ
ク基板の組成物に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス粉末とセラミックフィラーの混合
物から作製したグリーンシートにＡｇペースト等を用い
て所定の導電パターンを形成し、複数枚積層して、８０
０〜１０００℃で焼成して得られる多層回路基板が知ら
れている。この多層回路基板には、（１）低誘電率であ
ること、（２）熱膨張率をシリコンに適合できること、
（３）機械的強度が大きいこと等が求められている。こ
れらの特性を満たすために種々ガラス組成物が提案され
ている。例えば、特開平２−３２５８７は、コージェラ
イトおよびウィレマイトを析出した結晶化ガラスを提案
しており、特開昭５９−９２９４３は、コージェライト
とβ−クォーツ固溶体が析出した結晶化ガラスを提案し
ている。これらの提案により、上記（１）誘電率と上記
（２）熱膨張率の特性は満たされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記提案の
ガラスセラミック基板は、広範囲に使用されているアル
ミナ基板の機械的強度である３２０〜５００ＭＰａに比
較して半分から３／４程度と弱く、実用において欠け易
い、割れ易い等の問題があった。そこで、本発明の目的
は、上記問題を解消し、上記（１）誘電率、（２）熱膨
張率および（３）機械的強度のいずれの特性をも満足す
るガラスセラミック基板を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、本発明のガラスセラミック基板は、ガラス粉末と
アルミナ粉末とからなるガラスセラミック基板におい
て、該ガラス粉末の組成が重量％基準表示で、ＳｉＯ₂ １８〜３２ＺｎＯ２３〜３５Ｂ₂Ｏ₃ １０〜１８Ａｌ₂Ｏ₃ １６〜２４ＭｇＯ５〜１５ＣｕＯ０〜１であり、該ガラス粉末の組織が主結晶相としてガーナイ
ト（ＺｎＡｌ₂Ｏ₄）および／あるいはスピネル（ＭｇＡ
ｌ₂Ｏ₄）を析出した結晶化ガラスであって、該ガラス粉
末と該アルミナ粉末の配合比率は、該ガラス粉末が４５
〜６５重量％であり、残部がアルミナ粉末であることを
特徴とするガラスセラミック基板である。

【０００５】

【作用】本発明のガラスセラミック基板（以下、これを
基板という）において、ガラス組成を特定するのは、ガ
ラスが焼成によって結晶化し、そしてその際析出する主
結晶相を、セラミックフィラーとして用いるアルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）の熱膨張率（α＝７５×１０^-7／℃）に近
接した値を持つガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）および
／あるいはスピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）とするためであ
る。コージェライトあるいはウィレマイトのような結晶
相は、熱膨張率が極度に小さいため、結晶化後の残存ガ
ラスに引っ張り応力がかかり基板の強度が小さくなる。
以下、組成の限定理由を詳細に説明する。

【０００６】ＳｉＯ₂ は、ガラスの形成に必要不可欠で
あり、１８重量％（以下、これを％と記す）より少ない
とガラスの強度が小さくなり、３２％より多いとウィレ
マイトが結晶化析出して強度が低下する。ＺｎＯは、ガ
ーナイトを析出させるのに必須の成分であって、２３％
より少ないとガーナイトの析出が不十分であり、３５％
より多いと焼結を阻害するので、少なすぎても多すぎて
も大きな強度が得られない。Ｂ₂Ｏ₃は、フラックスの役
割をするもので、１０％より少ないとガラスの軟化点が
高くなって基板の焼結が十分に進行せず、また、１００
０℃以下で結晶化させることが困難となる。１８％より
も多いと基板の耐水性が低下し、また結晶化を阻害す
る。

【０００７】Ａｌ₂Ｏ₃は、ガーナイトを析出させるのに
必須の成分であって、１６％よりも少ないとガーナイト
の析出量が不十分であるとともに、ウィレマイトが析出
する。また、結晶化後の残存ガラス中のアルミナ量が低
下してガラスの強度が低下するために基板の強度が大き
くならない。一方、２４％よりも多いとガラスの軟化点
が高くなりすぎて基板の焼結を阻害する。ＭｇＯは、ス
ピネルの構成成分であり、ガラスの結晶化後の残存ガラ
ス中のＢ₂Ｏ₃濃度が増えて耐水性が低下するのを防ぐ。
この作用は５％よりも少ないと効果が小さく１５％より
も多いと基板の焼結を阻害する。ところで、Ａｇ系の導
体ペーストをグリーンシートに印刷して焼成すると、Ａ
ｇの周辺が黄変する。この黄変は、基板の耐電圧を低下
させることがある。この問題を解決するために、ＣｕＯ
をガラスに含有させれば良い。ＣｕＯはまた、基板の強
度向上にも寄与する。１％より多いと基板の誘電率を悪
化させるので、好ましくは０．１〜０．５％の範囲にす
ればよい。ＣｕＯは、酸化物粉末をガラス成分としてで
はなく単独で添加しても、基板の焼成過程でガラスに熔
けていくため同等の効果が得られるが、分散性の観点か
らガラスの成分として用いる方が好ましい。

【０００８】ガラスは、通常の方法で製造でき、上述の
組成になるように原料として炭酸塩、珪酸塩等を調合
し、よく混合したうえで白金るつぼに充填し１４００℃
程度で熔融する。調合物が熔融し、白金棒でよく攪拌し
た後、ローラークエンチング法、水への投入等で急冷す
ればよい。また、原料あるいは熔融るつぼ、混合機等の
製造装置・器具から混入するアルカリ金属、鉄分等の不
純物は、なるべく少ないことが望ましいが、０．１％程
度以下であれば基板の性能に著しく影響しない。熔融し
て得られたガラス塊は、ボールミル等を用いて粉砕し、
平均粒径を好ましくは、０．５〜３μｍ、より好ましく
は１μｍ程度とする。セラミックフィラーとしてのアル
ミナ粉は市販のものがそのまま使用できるが、平均粒径
０．４〜２μｍが好ましい。

【０００９】ガラス粉末とアルミナ粉末の配合比率は、
ガラス粉末が４５〜６５％であり、残部がアルミナ粉末
である。ガラスの比率が高すぎると、基板の強度が低下
するばかりでなく、焼成中にセッターと融着する不具合
が発生する。また、アルミナの比率が高すぎると焼結が
十分に進行しないので基板の強度が低下する。この配合
比率は、ガラスの軟化点、ガラスとアルミナの粒径によ
って最適な配合比率を選択すれば良い。概ね、ガラスの
軟化点が低いほど、あるいはアルミナに比してガラスの
粒径が小さいほどアルミナの配合比率を増やせばよい。
上述したガラス粉末およびアルミナ粉末の混合物を、バ
インダー、可塑剤、溶剤と共に混練してスラリー化し、
ドクターブレード法等でグリーンシートを作成する。上
記のバインダーとしては、例えばポリビニルブチラー
ル、メタアクリルポリマー、アクリルポリマー等を使用
することができる。また可塑剤としては例えばフタル酸
の誘導体等を使用することができ、溶剤としては例えば
アルコール類、ケトン類、塩素系有機溶剤等を使用する
ことができる。

【００１０】ガラスセラミック粉末のグリーンシートの
厚さは、製造すべきガラスセラミック基板の抗折強度等
を勘案して適宜調整するもので、例えば３０〜２００μ
ｍ程度に成形する。上記のようにして作成したグリーン
シートは、適当な大きさの外形寸法に切断してスルーホ
ールを形成後、該スルーホールに導体ペースト等を充
填、印刷後積層する。そして、ホットプレス機等で加
圧、加温して一体化する。そのときの圧力は例えば５０
〜３００ｋｇ／ｃｍ² 、温度は６０〜９０℃程度が好ま
しい。次に、上記の積層体をセッターの上に置き、例え
ば４５０〜６００℃程度に加熱して有機物を除去した
後、１０００℃以下、例えば９００℃で焼成して基板を
作製する。焼成された基板は、アルミナとガーナイトお
よび／あるいはスピネルを主結晶相とし、結晶化後の残
存ガラスをマトリックスとする構造体になる。

【００１１】

【実施例】試薬のＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｚｎ
Ｏ、ＭｇＣＯ₃、ＣｕＯを表１に示すガラス組成になる
ように秤量し、らいかい機で混合し、この混合物を白金
るつぼに入れて１４００℃で熔融した。熔融物を白金棒
でよく混合した後、水に投入し急冷してガラス塊を得
た。このガラス塊をスタンプミルで２００μｍ程度まで
粉砕し、次いでボールミルで平均粒径１〜２μｍになる
まで粉砕した。また、アルミナ粉末として平均粒径１．
６μｍ（昭和電工株式会社製、商品名Ａｌ-４５-１）を
用い、ガラス粉末と配合して基板原料とした。スラリー
は、上記基板原料１００重量部に対して、ボリビニルブ
チラール９重量部、フタル酸ジイソブチル７重量部、オ
レイン酸１重量部、イソプロピルアルコール４０重量
部、トリクロロエタン２０重量部を加えてボールミルで
２４時間混合して作製した。

【００１２】次に、スラリーを真空脱泡した後、ドクタ
ーブレード法でシート状に成形して厚さ１３０μｍのグ
リーンシートを作製した。このグリーンシートを１０枚
積層し、１５０ｋｇ／ｃｍ² 、８５℃の条件で加圧成形
した。この成形体を５０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切り
出し、アルミナ製セッター上に置き、５２０℃、３時間
加熱して有機物を除去した後、引き続いて９００℃、１
時間で焼成して基板を得た。焼成体の３点曲げによる抗
折強度を測定した結果を表１に示す。また、Ａｇ粉を４
％エチルセルロースのターピネオール液に分散させた銀
ペーストを印刷して回路を形成した後、８枚積層した成
形体を別に作製し、焼成後における銀配線周辺の黄変の
有無を観察した結果についても表１に示す。実施例の焼
成基板はＸ線回折の結果、ガラス粉末の組織が表１のよ
うであった。

【００１３】

【表１】実施例１２３４５６７８ガＳｉＯ₂ 18 20 25 32 25 25 25 29 ラＢ₂Ｏ₃ 15 15 15 15 10 15 15 15 スＺｎＯ 35 33 29 23 34 32 35 23 組Ａｌ₂Ｏ₃ 17 17 16 16 17 18 24 18 成ＭｇＯ 15 14.5 14.5 13.5 13.5 9.5 6 14.5 (%) ＣｕＯ 0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0.5 ガラス粉末 60 54 50 56 58 57 62 57 配合比率（％）（注１）黄変の有無無無無無無無無無抗折強度 330 350 380 330 320 360 350 400 ＭＰａガラス粉末中の G,S ＧＧＧＧＧＧＧ結晶相（注２）（注１）残部：アルミナ粉末（注２）ガーナイト：Ｇ、スピネル：Ｓ実施例９１０１１１２１３１４１５１６ガＳｉＯ₂ 28 27 30 28 28 28 28 28 ラＢ₂Ｏ₃ 10 13 10 14 14 14 14 14 スＺｎＯ 30 30 30 27 27 27 27 27 組Ａｌ₂Ｏ₃ 20 19 20 18 18 18 18 18 成ＭｇＯ 11.5 10.5 10 13 12.9 12.7 12.5 12 (%) ＣｕＯ 0.5 0.5 0 0 0.1 0.3 0.5 1.0 ガラス粉末 65 56 55 55 55 55 55 55 配合比率（％）（注１）黄変の有無無無無無無無無無抗折強度 350 380 330 360 380 390 420 400 ＭＰａガラス粉末中のＧＧＧＧＧＧＧＧ結晶相（注２）（注１）残部：アルミナ粉末（注２）ガーナイト：Ｇ（注１）残部：アルミナ粉末（注２）コージェライト：Ｃ、ウィレマイト：Ｗ

【００１４】比較例１〜５のＳｉＯ₂ の多いガラスは、
コージェライトおよびウィレマイトを析出していて抗折
強度が小さい。実施例１２〜１６は、酸化銅の添加によ
り、強度が増大することが示されている。また、実施例
１および７のように、ガラスの組成によっては酸化銅が
なくても基板の黄変が無いものもあった。

【００１５】

【発明の効果】本発明により、抗折強度の高い、欠けた
り割れたりしにくく、さらにＡｇの黄変がないガラスセ
ラミック基板用組成物を提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラス粉末とアルミナ粉末とからなるガ
ラスセラミック基板において、該ガラス粉末の組成が重
量％基準表示で、ＳｉＯ₂ １８〜３２ＺｎＯ２３〜３５Ｂ₂Ｏ₃ １０〜１８Ａｌ₂Ｏ₃ １６〜２４ＭｇＯ５〜１５であり、該ガラス粉末の組織が主結晶相としてガーナイ
ト（ＺｎＡｌ₂Ｏ₄）および／あるいはスピネル（ＭｇＡ
ｌ₂Ｏ₄）を析出した結晶化ガラスであって、該ガラス粉
末と該アルミナ粉末の配合比率は、該ガラス粉末が４５
〜６５重量％であり、残部がアルミナ粉末であることを
特徴とするガラスセラミック基板。
【請求項２】ガラス粉末とアルミナ粉末とからなるガ
ラスセラミック基板において、該ガラス粉末の組成が重
量％基準表示で、ＳｉＯ₂ １８〜３２ＺｎＯ２３〜３５Ｂ₂Ｏ₃ １０〜１８Ａｌ₂Ｏ₃ １６〜２４ＭｇＯ５〜１５ＣｕＯ１以下であり、該ガラス粉末の組織が主結晶相としてガーナイ
ト（ＺｎＡｌ₂Ｏ₄）および／あるいはスピネル（ＭｇＡ
ｌ₂Ｏ₄）を析出した結晶化ガラスであって、該ガラス粉
末と該アルミナ粉末の配合比率は、該ガラス粉末が４５
〜６５重量％であり、残部がアルミナ粉末であることを
特徴とするガラスセラミック基板。
【請求項３】ガラス粉末の平均粒径は、０．５〜３μ
ｍである請求項１または２に記載のガラスセラミック基
板。
【請求項４】アルミナ粉末の平均粒径は、０．４〜２
μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のガラスセラ
ミック基板。