JPH0828126B2 - 複合基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば回路基板、特に
半導体チップの搭載に用いられる複合基板及びその製造
方法に関するものである。更に詳しく説明すると、導体
や抵抗体やコンデンサ材料などを同時に焼成出来る高密
度実装多層基板及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より回路基板としてアルミナ基板が
使用されて来ているが、半導体素子の高速化が進むにつ
れて素子間を結ぶ配線の信号伝播遅延が無視できなくな
り、誘電率の大きな（１ＭＨｚでの比誘電率は９．５）
アルミナ基板は高周波回路等には不適であると言われて
いる。すなわち、信号を高速伝播させる為には基板材料
の誘電率は低いことが望まれており、又、素子を裸で基
板に直接高密度に搭載できるように熱膨張係数がシリコ
ンに近く、かつ、ＣｕやＡｕといった融点の低い電極材
料と同時焼成できるように１０００℃以下の低い温度で
焼結できることが要求されている。

【０００３】このような要求を満足させる為に研究開発
が鋭意押し進められており、例えばＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ
₃ 及びＭｇＯを主成分とするガラス組成物の粉末の成形
体を焼成してなるガラス焼結体であって、前記ガラス組
成物の組成はＳｉＯ₂ が４５〜６０重量％、Ａｌ₂ Ｏ₃
が１０〜２５重量％、ＭｇＯが２５〜４０重量％、Ｔｉ
Ｏ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｎＯ₂ 、Ｐ₂ Ｏ₃ 、ＺｎＯ、Ａｓ₂
Ｏ₃ 及びＭｏＯ₃ からなる群より選ばれた少なくとも一
種の核発生剤が５重量％以下の割合であることを特徴と
するガラス焼結体が提案（特開昭６２−２５２３４０号
公報）されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、前記提案の
ガラス焼結体は、銀、銀−パラジウム、金などの低抵抗
導体金属と同時焼成でき、多層配線基板材料として用い
てもマイグレーション現象による絶縁劣化の心配がな
く、しかも誘電率も低い特長が奏されると嘔われてい
る。

【０００５】しかしながら、前記提案のガラス焼結体に
よる基板は、強度の特性が充分でないという問題点が有
る。そこで、本発明の目的は、回路基板としての機械的
強度が充分に有り、かつ、熱膨張係数がシリコンに近
く、さらには誘電率が低く、そして低温焼成が可能な基
板を提供することである。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】前記本発明の目的は、コー
ディエライト−アノーサイト−ホウ素系複合材料よりな
り、コーディエライト相内にアノーサイトが取り込まれ
た微細構造を有することを特徴とする複合基板によって
達成される。尚、コーディエライト／アノーサイトが重
量比で９５〜５０／５〜５０、より望ましくは８０〜６
０／２０〜４０であり、ホウ素がＢ₂ Ｏ₃ 換算でコーデ
ィエライトに対して０．５〜１０重量％であることが好
ましく、又、粒界部分にも殆どないが、粒界部分を除い
た部分にはガラス成分が実質上ないものが好ましい。

【０００７】又、ベーマイトゾルとシリカゾルと水溶性
マグネシウム塩と水溶性カルシウム塩とを混合してコー
ディエライト−アノーサイト複合組成ゾルを調製する複
合ゾル調製工程と、コーディエライト−アノーサイト複
合組成ゾルをゲル化するゲル化工程と、ゲル化物を仮焼
する仮焼工程と、仮焼物を焼結する焼結工程とを具備す
ることを特徴とする複合基板の製造方法によって達成さ
れる。

【０００８】尚、複合ゾル調製工程において水溶性カル
シウム塩がＣａＯ換算でコーディエライトに対して１〜
１０重量％、より望ましくは４〜８重量％混合されるも
のであることが好ましく、又、ゲル化工程においてホウ
酸がＢ₂ Ｏ₃ 換算でコーディエライトに対して０．５〜
１０重量％添加されるものであることが好ましく、又、
仮焼工程では８５０〜９００℃の仮焼によりアノーサイ
トの結晶化が行われることが好ましく、又、焼結工程で
は９５０〜１０５０℃の温度で焼成が行われることが好
ましい。

【０００９】又、ベーマイトゾルとシリカゾルと水溶性
マグネシウム塩と水溶性カルシウム塩と水溶性ホウ素化
合物を混合する複合ゾル調製工程と、複合ゾル調製工程
で得た複合ゾルを噴霧し、仮焼する噴霧・仮焼工程と、
噴霧・仮焼工程で得た粉末をシート状に成形する成形工
程と、成形体を焼結する焼結工程とを具備することを特
徴とする複合基板の製造方法によって達成される。

【００１０】尚、複合ゾル調製工程において水溶性カル
シウム塩はＣａＯ換算でコーディエライトに対して１〜
１０重量％、より望ましくは４〜８重量％混合されるも
のであることが好ましく、又、複合ゾル調製工程におい
て水溶性ホウ素化合物はＢ₂Ｏ₃ 換算でコーディエライ
トに対して０．５〜１０重量％混合されるものであるこ
とが好ましく、又、噴霧・仮焼工程において仮焼温度が
８００〜１１００℃であることが好ましく、又、焼結工
程において焼成温度が８５０〜１２００℃であることが
好ましい。

【００１１】以下、本発明について詳しく説明する。本
発明において、コーディエライト−アノーサイト系複合
材料としたのは、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ
₂ Ｏ₃ ・５ＳｉＯ₂ ）の熱膨張係数（１．５×１０^-6／
℃）がシリコンの熱膨張係数（３〜４×１０^-6／℃）よ
り小さい為、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２Ｓ
ｉＯ₂ 、熱膨張係数は４×１０^-6／℃）を混ぜることに
より、シリコンの熱膨張係数に近づけることが出来たか
らである。これにより、回路基板として用いた際に歪み
が起きにくく、好適なものとなる。かつ、アノーサイト
を混ぜることにより、特にコーディエライト相内にアノ
ーサイトが取り込まれた微細構造を有するものとさせる
ことにより、強度も著しく向上したのである。

【００１２】特に、ＣａＯ量をコーディエライトに対し
て１〜１０重量％、すなわち２ＭｇＯ・２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・
５ＳｉＯ₂ ／ＣａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ を重量比
で９５〜５０／５〜５０と調整することにより、このコ
ーディエライト−アノーサイト系複合材料はシリコンの
熱膨張係数に近く、かつ、強度も大きく、回路基板とし
て特に好適なものである。

【００１３】さらに、コーディエライト−アノーサイト
−ホウ素系複合材料といったように、ホウ素成分も含有
させておくことにより、ガラス組成が実質上出来ない低
温焼結も可能となり、強度に富んだ基板が得られる。コ
ーディエライト−アノーサイト（−ホウ素）系複合材料
の製造に際して、ゾル−ゲル法を用いたのは、原料が均
一に混合され、ガラスを粉砕する場合に比べて不純物の
混入が少ないからであり、これにより高品質なものが得
られるからである。

【００１４】水溶性マグネシウム塩や水溶性カルシウム
塩としては、硝酸塩、塩化物、炭酸塩などの形のものが
用いられる。コーディエライト−アノーサイト複合組成
ゾルの調製は、先ず、ベーマイトゾルとシリカゾルに対
して水溶性マグネシウム塩をコーディエライトの理論組
成の割合で添加し、そして出来たコーディエライト組成
ゾルに対して水溶性カルシウム塩を添加することで行わ
れる。

【００１５】次に、上記のようにして得られたコーディ
エライト−アノーサイト複合組成ゾルのゲル化が行われ
る訳であるが、このゲル化にはホウ酸を用いることが好
ましいのである。すなわち、ホウ酸の添加によりゲル化
させて得られたコーディエライト−アノーサイト−ホウ
素系複合材料は、低温焼成が可能となり、かつ、結晶化
が促進されるからである。特に、ホウ酸の量をＢ₂ Ｏ₃
換算でコーディエライトに対して０．５〜１０重量％と
することにより、上記の特長が顕著に現れる。

【００１６】そして、このようにして得られたゲル化物
が仮焼される訳であるが、この仮焼工程では８５０〜９
００℃の仮焼によりアノーサイトの結晶化が行われるこ
とが好ましい。すなわち、このような条件で仮焼させる
とコーディエライト相内にアノーサイトが取り込まれる
ようになり、このような複合磁器構造とさせることによ
って強度が著しく発現するものとなる。

【００１７】コーディエライト相内にアノーサイトが取
り込まれた構造のものを９５０〜１０５０℃の温度で焼
成するのが好ましいのは、９５０℃未満の低すぎる温度
では、焼結が不充分で強度が充分でなく、逆に、１０５
０℃を越えて高すぎる温度では、ポアが多くなり、密度
が低下し、強度が低下してしまうからである。又、ゾル
−ゲル法を用いず、複合ゾルを加熱炉中に噴霧し、仮焼
することにより球状粉末を作製し、これにバインダや各
種添加剤を加えてプレス成形法によりシート（板状のも
のも含む）を作製したり、押出成形法、ドクターブレー
ド法あるいはカレンダーロール法などによりグリーンシ
ートを作製し、必要に応じて切断、穿孔、導体印刷、積
層などの各種の加工を行ったものを焼結することによっ
ても、強度に富んだ複合基板が得られる。すなわち、ゲ
ル化工程を経なくとも、複合ゾルを噴霧・仮焼すること
により球状粉末を作製し、これより強度に富んだ複合基
板を得ることも出来る。

【００１８】この際、球状粉末を微細にするほど低い温
度で焼結できることから、球状粉末を微細に調製するこ
とが好ましい。例えば、１０μｍ以下、望ましくは５μ
ｍ以下に調製することが好ましい。尚、この調製は噴霧
条件を制御することにより実施できる。そして、このよ
うな球状粉末のみを用いても良いが、球状粉末と非球状
粉末（好ましくは４０重量％以下）とを混合したり、あ
るいは球状粉末の一部を粉砕し、この非球状粉末（好ま
しくは４０重量％以下）と混合したものを成形、焼成す
るようにしても良い。

【００１９】ところで、噴霧・仮焼工程における仮焼温
度は８００〜１１００℃、望ましくは８５０〜１０００
℃であることが好ましい。すなわち、仮焼温度が低すぎ
ると、成形性が悪く、逆に、高すぎると、粒子同士が融
着し、凝集物が出来やすいからである。焼結工程におけ
る焼成温度は８５０〜１２００℃、望ましくは９００〜
１１００℃であることが好ましい。すなわち、焼成温度
が低すぎると、焼結が十分には進まず、強度が低くなる
傾向が有り、逆に、高すぎると、焼結体内部にポアが多
くなり、密度が低下し、強度が低下してしまうからであ
る。

【００２０】

【実施例】〔実施例１〕先ず、出発ゾル原料となるアル
ミナゾル（ベーマイトゾル）は、市販ベーマイト粉末を
０．２Ｎ硝酸水溶液中に分散し、常圧下の８０℃で３時
間加熱することにより得た。

【００２１】シリカゾルは、市販コロイダルシリカ粉末
を０．２Ｎ硝酸水溶液中に分散し、常温下でｐＨを３よ
り低くして調整した。このアルミナゾルとシリカゾルに
対して硝酸マグネシウムの水溶液をコーディエライトの
理論組成であるＭｇＯ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＳｉＯ₂ ＝２：
２：５（モル比）となる割合で添加し、この後このコー
ディエライトに対して硝酸カルシウム水溶液をＣａＯ換
算で２〜１０重量％（アノーサイト換算で１０〜５０重
量％）添加し、コーディエライト−アノーサイト複合組
成ゾルを調製した。

【００２２】このコーディエライト−アノーサイト複合
組成ゾルに対してＨ₃ ＢＯ₃ 水溶液をＢ₂ Ｏ₃ 換算で
０．５〜１０重量％（コーディエライトに対して）添加
する。そうすると、溶液が粘調なものとなり、数分でゲ
ル化する。このようにして得たゲル化物を１２０℃で２
０時間乾燥した後、ボールミルで粉砕し、この後８５０
〜９００℃で仮焼した。この粉末は、Ｘ線回折によりア
ノーサイトの結晶が確認された。さらに、この仮焼粉末
を透過型電子顕微鏡で撮影した写真を図１に示すが、こ
れによればコーディエライト相内にアノーサイトが取り
込まれた微細構造を有したものであることが判る。

【００２３】そして、この粉末を１ｔ／ｃｍ² の圧力で
１軸成形し、９００〜１１００℃で焼成し、コーディエ
ライト−アノーサイト−ホウ素系複合磁器を得た。とこ
ろで、硝酸カルシウム水溶液をＣａＯ換算で４重量％
（アノーサイト換算で２０重量％）添加し、Ｈ₃ ＢＯ₃
水溶液をＢ₂ Ｏ₃ 換算で２重量％添加した場合における
焼成温度と相対密度との関係を図２に示すが、これによ
れば焼成温度が９５０℃〜１０５０℃の場合には理論密
度の９５％以上に緻密化しており、低温焼結が可能なこ
とが窺える。

【００２４】次に、コーディエライト−アノーサイト−
ホウ素系複合磁器（Ｂ₂ Ｏ₃ ２重量％、焼成温度１００
０℃、３時間）におけるアノーサイトの割合によって熱
膨張係数がどのように変化するかを調べたので、その結
果を図３に示す。これによれば、アノーサイト量が５重
量％以上の場合には、シリコンの熱膨張係数に近いこと
が窺える。特に、２０重量％以上の場合には、シリコン
の熱膨張係数に一層近くなる。

【００２５】又、コーディエライト−アノーサイト−ホ
ウ素系複合磁器（Ｂ₂ Ｏ₃ ２重量％、焼成温度１０００
℃、３時間）におけるアノーサイトの割合によって比誘
電率がどのように変化するかを調べたので、その結果を
図４に示す。これによれば、アノーサイト量が５０重量
％以下の場合には６以下であり、実用上差し支えないも
のであることが判る。特に好ましくは４０重量％以下の
場合であることも判る。

【００２６】さらに、コーディエライト−アノーサイト
−ホウ素系複合磁器の強度を調べた。コーディエライト
単独の場合には３点曲げ強度が１７０ＭＰａ程度にすぎ
ないのが、コーディエライト／アノーサイト＝９５〜５
０／５〜５０（重量比）の複合磁器のものでは２１０Ｍ
Ｐａ〜２５０ＭＰａであり、アノーサイトがコーディエ
ライト磁器中に取り込まれることによって強度の発現が
著しく向上している。

【００２７】〔実施例２〕先ず、出発ゾル原料となるア
ルミナゾル（ベーマイトゾル）は、市販ベーマイト粉末
を０．２Ｎ硝酸水溶液中に分散し、常圧下の８０℃で３
時間加熱することにより得た。シリカゾルは、市販コロ
イダルシリカ粉末を０．２Ｎ硝酸水溶液中に分散し、常
温下でｐＨを３より低くして調整した。

【００２８】このアルミナゾルとシリカゾルに対して硝
酸マグネシウムの水溶液をコーディエライトの理論組成
であるＭｇＯ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ：ＳｉＯ₂ ＝２：２：５（モ
ル比）となる割合で添加し、この後このコーディエライ
トに対して硝酸カルシウム水溶液をＣａＯ換算で２〜１
０重量％（アノーサイト換算で１０〜５０重量％）添加
し、コーディエライト−アノーサイト組成ゾルを調製し
た。

【００２９】このコーディエライト−アノーサイト組成
ゾルに対してＨ₃ ＢＯ₃ 水溶液をＢ ₂ Ｏ₃ 換算で０．５
〜１０重量％、例えば４重量％（コーディエライトに対
して）添加、混合し、ｐＨを１〜４として安定化した複
合ゾルを調製した。この後、直ちに８５０〜１０００℃
に加熱した仮焼炉中に噴霧し、球状粉末を得た。

【００３０】この球状粉末１００重量部に対して所望の
水を加えてスラリーとし、さらにエチレン−酢酸ビニル
共重合体ＥＶＡ（又はアクリル系共重合体）のエマルジ
ョン樹脂を加え、さらにグリセリン、ジブチルフタレー
ト及びブチルカルビトールアセテートを各々２〜１０重
量部、又、０．１重量部のシリコーン系の消泡剤を添
加、混合し、そして減圧下にて攪拌脱泡し、ドクターブ
レードにより０．５ｍｍ厚のグリーンシートに成形し
た。

【００３１】このグリーンシートを積層して４ｍｍ厚の
ものとし、１０００℃にて３時間焼成して焼結体とし
た。そして、この焼結体から試験片を切り出し、３点曲
げ試験を行ったので、その結果を表１に示す。又、グリ
ーンシートの乾燥割れなどについても観察したので、そ
の結果を表１に併せて示す。

【００３２】 表 １ エマルジョン グ リ ー ン シ ー ト ３点曲げ強度 乾燥割れ 柔軟性 積層接着性 （ＭＰａ） No１ ＥＶＡ ２０重量部 なし 良好 良好 ２６７ No２ ＥＶＡ ３０重量部 なし 良好 良好 ２４４ No３ アクリル１５重量部 なし 良好 良好 ２６２ No４ アクリル２０重量部 なし 良好 良好 ２５８ No５ アクリル３０重量部 なし 良好 良好 ２５１

【００３３】

【効果】本発明によれば、均一で、不純物が少なく、機
械的強度にも優れ、そして熱膨張係数がシリコンに近
く、さらには誘電率が低く、かつ、低温焼結が可能で、
例えば配線材料としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の使用も可能
となる基板を低コストで提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合粉末の微細構造を示す透過型電子顕微鏡写
真である。

【図２】焼成温度と焼結体の相対密度の関係を示すグラ
フである。

【図３】アノーサイト量と熱膨張係数との関係を示すグ
ラフである。

【図４】アノーサイト量と誘電率との関係を示すグラフ
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新井 浩 埼玉県熊谷市大字三ケ尻5310番地 秩父セ メント株式会社 ファインセラミックス本 部内 (56)参考文献 特開 昭59−83957（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−278145（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−141458（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−130052（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−243963（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−40762（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コーディエライト−アノーサイト−ホウ
   素系複合材料よりなり、コーディエライト相内にアノー
   サイトが取り込まれた微細構造を有することを特徴とす
   る複合基板。
2. 【請求項２】 コーディエライト／アノーサイトが重量
   比で９５〜５０／５〜５０であり、ホウ素がＢ₂ Ｏ₃ 換
   算でコーディエライトに対して０．５〜１０重量％であ
   ることを特徴とする請求項１の複合基板。
3. 【請求項３】 粒界部分を除いてガラス成分が実質上な
   いことを特徴とする請求項１または請求項２の複合基
   板。
4. 【請求項４】 ベーマイトゾルとシリカゾルと水溶性マ
   グネシウム塩と水溶性カルシウム塩とを混合してコーデ
   ィエライト−アノーサイト複合組成ゾルを調製する複合
   ゾル調製工程と、コーディエライト−アノーサイト複合
   組成ゾルをゲル化するゲル化工程と、ゲル化物を仮焼す
   る仮焼工程と、仮焼物を焼結する焼結工程とを具備する
   ことを特徴とする複合基板の製造方法。
5. 【請求項５】 複合ゾル調製工程において水溶性カルシ
   ウム塩がＣａＯ換算でコーディエライトに対して１〜１
   ０重量％混合されるものであることを特徴とする請求項
   ４の複合基板の製造方法。
6. 【請求項６】 ゲル化工程においてホウ酸がＢ₂ Ｏ₃ 換
   算でコーディエライトに対して０．５〜１０重量％添加
   されるものであることを特徴とする請求項４の複合基板
   の製造方法。
7. 【請求項７】 ８５０〜９００℃の仮焼によりアノーサ
   イトの結晶化が行われることを特徴とする請求項４の複
   合基板の製造方法。
8. 【請求項８】 ９５０〜１０５０℃の焼結によりコーデ
   ィエライト−アノーサイト系複合材料が得られることを
   特徴とする請求項４の複合基板の製造方法。
9. 【請求項９】 ベーマイトゾルとシリカゾルと水溶性マ
   グネシウム塩と水溶性カルシウム塩と水溶性ホウ素化合
   物を混合する複合ゾル調製工程と、複合ゾル調製工程で
   得た複合ゾルを噴霧し、仮焼する噴霧・仮焼工程と、噴
   霧・仮焼工程で得た粉末をシート状に成形する成形工程
   と、成形体を焼結する焼結工程とを具備することを特徴
   とする複合基板の製造方法。
10. 【請求項１０】 複合ゾル調製工程において水溶性カル
    シウム塩がＣａＯ換算でコーディエライトに対して１〜
    １０重量％混合されるものであることを特徴とする請求
    項９の複合基板の製造方法。
11. 【請求項１１】 複合ゾル調製工程において水溶性ホウ
    素化合物がＢ₂ Ｏ₃換算でコーディエライトに対して
    ０．５〜１０重量％混合されるものであることを特徴と
    する請求項９の複合基板の製造方法。
12. 【請求項１２】 噴霧・仮焼工程において仮焼温度が８
    ００〜１１００℃であることを特徴とする請求項９の複
    合基板の製造方法。
13. 【請求項１３】 焼結工程において焼成温度が８５０〜
    １２００℃であることを特徴とする請求項９の複合基板
    の製造方法。