JPS61278194A

JPS61278194A - セラミツク絶縁基板

Info

Publication number: JPS61278194A
Application number: JP11882185A
Authority: JP
Inventors: 信之牛房; 永山　更成; 浩一篠原; 荻原　覚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-06-03
Filing date: 1985-06-03
Publication date: 1986-12-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、セラミック多層配線基板に係り、特に電気信
号の入出力のためのピンを取り付けたり半導体部品を取
り付けて機能モジュールを構成するのに好適なセラミッ
ク絶縁基板に関する。

〔発明の背景〕

近年、ＬＳＩ等の集積回路は、高速化、高密度化に伴っ
て放熱や信号伝播の高速化を計るために回路基板上に直
接素子を実装する方式が用いられるようになってきてい
る。従来より回路基板としては、アルミナが使用されて
いるが、アルミナを主成分とする焼結体を絶縁層に用い
た基板の最大の欠点は、比誘電率が９〜１０（１ＭＨｚ
）と高く、信号伝播速度が遅いということである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、信号の伝播速度の高速化に有用な低誘
電率のセラミック絶縁基板を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、絶縁層と導体層とが交互に積層され互いの導
体層がスルーホール導体により連結されたセラミック多
層配線基板において、絶縁層に結晶質複合酸化物を主成
分とし非晶質複合酸化物を含有し、外部接続部の絶縁層
の曲げ強さ１．５ｋｇｆ／　ｍ、ｍ”以上、ライン配線
導体に隣接した絶縁層の比誘電率５．０　以下であるセ
ラミック絶縁基板に関する。

現在開発が進んでいる回路基板としては、信号伝播速度
が速くするために、低誘電率の材料を使用した回路基板
の開発が望まれている。また、ピン付などをする時の熱
応力に耐えつる強度が必要である。しかし、従来から行
われているようなアルミナなどの高強度材料の上に厚膜
技術等で多層化させる方法では、多数の層を重ねること
が困難である。そこで、多層配線基板を作製するのに、
グリーンシート法を用い、外部接続部の絶縁層に使用さ
ｔＶ鉢るグリーンシートと、ライン配線導体に隣接した
絶縁層に使用されるグリーンシートを異なる組成のもの
とする。ここで、外部接続部の絶縁層に使用される材料
は、ピン付時の熱サイクルによる熱応力に耐えつる強度
の材料からなるグリーンシートとし、ライン配線導体に
隣接した絶縁層は、低誘電率の材料からなるグリーンシ
ートとし、外部接続部の絶縁層のグリーンシートの間に
ライン配線導体に隣接した絶縁層のグリーンシートをは
さみ、一体化し焼成することにより、外部接続部の絶縁
層は高強度で、ライン配線導体に隣接した絶縁層は低誘
電率であるセラミック多層配線基板を得ることができる
。

ここでいう外部接続部の絶縁層とは、ＬＳＩチップを装
着する層と、信号入出力用のピンを付ける層をいう。

セラミック多層配線基板の構成としては、ライン配線が
なされた層が主に信号伝播速度に大きな影響を与える部
分で、回路基板の大部分を占め。

外部接続部の絶縁層の暦数はピン付時やＬＳＩチップを
装着する時の熱応力に耐えるのに必要な暦数である。外
部接続部の絶縁層中には、ＬＳＩチップの配線の再配列
にともなう配線が存在することがあるが、主なる配線は
、ライン配線がなされた層であり、本発明からはずれる
ものではない。

特許請求の範囲第１項において、外部接続部の絶縁層の
曲げ強さ１５　ｋｇ　ｊ　／ｍｍ”以上とあるのは、ピ
ン付などによる熱応力に耐えられるようにするためであ
る。また、ライン配線導体に隣接した絶縁層の比誘電率
５．０以下（ＩＭＨ２）とあるのは、従来のアルミナ（
比誘電率約１０）を用いた回路基板に比べて、信号伝播
速度を３０％以上速めるために必要であるためである。

また、ライン配線導体に隣接した絶縁層中に、３０μｍ
以下の気孔が１０〜３０体積％存在するとあるのは、ラ
イン配線導体に隣接した絶縁層の誘電率を下げるためで
ある。気孔の大きさを３０μｍ以下と限定したのは、こ
れを越えると内部の配線導体の短絡または断線などが生
じる可能性がある。また、気孔が１０体積％より少ない
と誘電率の低下にあまり効果がなく、比誘電率を５．０
以下にするのが困難であるためである。一方、気孔が３
０体積％より多いと、互いの気孔が接し、いくつもの気
孔がつながる可能性があり、気孔の大きさが３０ｐｍよ
り大きい場合と同様に、内部の配線導体の短絡または断
線などが生じる可能性がある。

焼結体中に３０μｍ以下の気孔が１０〜３０体積％存在
すると、結晶質複合酸化物と非晶質複合酸化物のみから
なるち密な焼結体に比べて、比誘電率を約１０〜３０％
小さくすることができる。

結晶質複合酸化物としては、比較的比誘電率の小さいＡ
ｇ２Ｏ３，ＭｇＯまたはＳ　ｉ　Ｏ２からなるもの、ま
たは、これらにアルカリ金属酸化物を含んだものが望ま
しい。

結晶ｇｔ複合酸化物と非晶質複合酸化物のみからなるち
密な焼結体の比誘電率が７．０　　（１ＭＨｚ）であれ
ば、比誘電率を５　、０　　（Ｉ　Ｍ　Ｈｚ　）以下に
するためには焼結体中に気孔を３０体積％より多く含む
必要がある。気孔を３０体積％より多くすると、導体配
線の断線または短絡が生じる可能性がある。そのため、
結晶質複合酸化物と非晶質複合酸化物のみからなるち密
な焼結体の比誘電率は７　、０　　（Ｉ　Ｍ　Ｈｚ　）
より小さくする必要がある。

好ましくは、５．５　　（１ＭＨｚ）以下が良い。

また、非晶質複合酸化物は、一般に結晶質複合酸化物よ
り比誘電率は小さい。また、酸化物中量も比誘電率が小
さいものにＳｉｎ、がある。これらを利用して、ち密な
焼結体として比誘電率５．５（ｌ　Ｍ　Ｈｚ　）以下に
なるように調整すれば良い。

すなわち、結晶質複合酸化物と非晶質複合酸化物のみか
らなるち密な焼結体の比誘電率を５８５（１ＭＨｚ）以
下にすることにより、焼結体中に１０〜３０体積％気孔
を含むと、焼結体の比誘電率は５　、０　　（Ｉ　Ｍ　
Ｈｚ　）以下となる。

特許請求の範囲第２項において、ライン配線導体に隣接
した絶縁層中に気孔を含んだ直径５０μｍ以下の粒子を
含有するのは、比誘電率を小さくするためである。誘電
率は、材料固有のものであり、同じ材質で誘電率を下げ
るためには、内部に気孔を含む必要がある。この気孔は
閉気孔が望ましい。また、直径５０μｍを越える粒子で
あれば、グリーンシート表面の凹凸が大きくなり配線導
体を印刷する際に支障が生じる。気孔を含んだ粒子の比
誘重心を４．５以下（Ｉ　Ｍ　Ｈｚ　）としたのは、こ
の気孔を含んだ粒子を複合酸化物で焼成する必要があり
、セラミック絶縁層を形成した際に比誘電率を５．０以
下（１ＭＨｚ）にするために必要なためである。

気孔を含んだ粒子は、結晶質複合酸化物または。

これらの構成酸化物を混合し、相対密度４０〜６０％の
成形体を作製した後加熱し、原料粉末が結合し始める温
度まで昇温する。これらの原料粉末のみでは、融点近傍
まで昇温しでも、ち密な焼結体を得ることができない。

このようにして作製した焼結体を直径５０μｍ以下に粗
粉砕し、気孔を含んだ粒子を作製する。また、ＪＭ料粉
末を５０μｍ以下にスプレードライ法などによって造粒
し。

仮焼することによっても、気孔を含んだ粒子は作製でき
る。しかし、気孔を含んだ粒子を作製する温度は、これ
らを用いてセラミック絶縁基板を作製する際の温度より
高くなくてはならない。

特許請求の範囲第３項において、発泡性無機材料を原料
粉末として混合するとあるのは、焼成後に内部に気孔を
生成することにより、：ａ電率を下げるためである。Ｓ
　ｉ　Ｏ，、Ａ　Ｉ２．Ｏ，などを主成分とし、水分な
どの気化成分を含有する天然の発泡性無機材料としては
、黒曜石、真珠石、松脂石。

蛭石、カオリナイトなどがある。これらは、焼成時に膨
張し、気孔を生成する。このような物質を原料粉末中に
少量混合することにより、内部に気孔を生成することが
できる。また、発泡性無機材料としては、天然物以外に
水酸基、炭酸基、結晶水などをもつ無機材料がある。こ
れらの粒径は、できるだけ小さいものがよく、内部に生
成される気孔を小さくするため、５μｍ以下のものが良
い。

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）を作製する必要がある。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。

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ブレー
ドを有したグリーンシート作製機によりグリーンシート
を作製する方法である。

スリップキャスティング法は、原料粉に水２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。

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、造粒した後金型内に入れて荷重を加えて作製
する方法である。

インジェクションモールド法は、原料粉に熱可塑性の樹
脂またはワックス等を加えて射出成形する方法である。

以上の作製方法により、外部接続部の絶縁層とライン配
線導体に隣接した絶縁層の２種類のグリーンボディを積
層、焼成して、高強度、低誘電率の回路基板を作製する
。

焼結体中の気孔率の測定は、焼結体の研磨面または破面
を走査型電子顕微鏡により撮影し、これを画像処理する
ことにより、マトリックスと気孔の面積比から算出した
。気孔率の測定は、それぞれ５視野以上の平均とした。

〔発明の実施例〕

本発明のセラミック多層配線基板の一実施例を第１図に
断面図として示す。図において、１は外部接続部の絶縁
層、２はライン配線導体３に隣接した絶縁層であり、こ
れらは密着積層されて多層基板１ｏを構成している。外
部接続部の絶縁層１の表面には、表面配線導体４，５が
形成されている。他方、ライン配線導体３は絶縁層２同
志の界面に形成されている。これら配線導体は図中の太
線で示されている。またこれら各配線導体の相互間は図
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。６は表面配線導体４に金−インジウム
ろう７で接続されたコバールピン、８は表面配線導体５
に半田９で接続されたシリコン半導体素子（ＬＳＩチッ
プ）である。

外部接続部の絶縁層１及びライン配線導体に隣接した絶
縁層２は、結晶質複合酸化物を主成分とし、非晶質複合
酸化物を含有したものである。

外部接続部の絶縁層１は１曲げ強さ１５ｋｇｆ／ｍｍ２
以上であり、コバールピン６及びシリコン半導体素子８
の取付、保持に十分な熱的９機械的強度を有する。

他方、ライン配線導体に隣接した絶縁層２は、比誘電率
５．０以下という低い値を有し、これにより、これらの
絶Ａ［２に挾まれたライン配線導体３の信号伝播遅延時
間は７ｎｓ／ｍ以下という小なる値になっている。

次に、本発明のセラミック絶縁基板の作製方法の実施例
を説明する。なお、以下の記載中、特に断らない限り、
部とあるのは重量部を、％とあるのは重量％を意味する
。

実施例１外部接続部の絶縁層の組成を第１表、ライン配線導体に
隣接した絶縁層の組成を第２表に示す。

原料粉末は特に指定した物思外は粒径５μｍ以下である
。第１表及び第２表の組成の粉末材料１００部にポリビ
ニルブチラール５．９部を加え、ボールミルに入れ、３
時間軸式混合した。さらに、ブチルフタリルグリコール
酸ブチル１．９部、トリクロルエチレン１２４部、テト
ラクロルエチレン３２部、ノルマルブチルアルコール４
４部を加え、２０時時間式混合しスラリを作製した。次
に。

真空脱気処理によりスラリから気泡を除去した。

次いでスラリをドクターブルードを用いてポリエステル
フィルム支持体上に０．２ｎ＋ｍの厚さに塗布し、炉に
通して乾燥しグリーンシートを作製した。

これらのグリーンシートを２００ｍｍＸ　２００ｍｎ＋
の大きさに切断した後、パンチ法により所定位置にスル
ーホールをあけた。さらに各グリーンシールに第１表及
び第２表に示した金屡粉末二ニトロセルロース：エチル
セルロース：ポリビニルブチラール：トリクロルエチレ
ン＝１００：３：１：２：２３（重量比）の導体ペース
トをスクリーン印刷法により夫々所定回路パターンにし
たがって印刷した。導体ペーストは眉間の接続のためス
ルーホール内にも充填した。

ここで、第１図に示した外部接続部の絶縁層１には第１
表に示した粉末材料を用いたグリーンシートを対応させ
、ライン配線導体に隣接した絶縁層２には第２表に示し
た粉末材料を用いたグリーンシートを対応させて、これ
らのグリーンシート　“を第３表に示した組み合せとし
、ガイド穴の位置を合わせて第１図のように１１枚積層
し、温度１２０℃で加圧し積層した。次に積層されたグ
リーンシートを焼成炉内に入れ、導体材料にタングステ
ン又はモリブデンを用いた系については水素３〜７容量
％を含み且つＷ量の水蒸気を含む窒素雰囲気中で、第３
表に示した最高温度で１時間保持して焼成して第１図の
ようなセラミック多層配線基板を完成した。また、導体
材料に銀を用いた系は人気中で、銅を用いた系では窒素
雰囲気中で焼成した。

このようにして作製されたセラミック多層配線基板にお
いては、外部接続部の絶縁層１とライン配線導体に隣接
した絶縁層２の特性を第３表に示す。これらの絶縁層間
の接合状態は良好であり、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
表面配線導体４にコバールピン６を金−インジウムろう
７にて接続した。また、表面配線導体５にはシリコン半
導体素子（ＬＳＩチップ）８を半田９にて接続した。コ
バールピンの金−インジウムろう接続部７及びシリコン
半導体素子の半田接続部９は一６５℃〜＋１５０℃での
３０００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充
分な接続寿命を保証できの強度であった。

一方、第２表に示した組成の絶縁層２に挾まれたライン
配線導体３の信号伝播遅延時間は７．２ｎ　ｓ　／　ｍ
以下であった。この値は絶縁層２の比誘電率が５．０　
以下（１ＭＨｚ）であったことに対応している。これは
、気孔を１０〜２５％含有したことによる。全ての絶縁
層がアルミナを主成分とする焼結体でできている従来の
セラミック多層配線回路板では、アルミナを主成分とす
る絶縁層の比誘電率が約１０（１ＭＨｚ）であり、信号
伝播遅延時間が約７０％以下に低減されたことになる。

実施例２実施例１と同様の組成で行い、同様の方法でセラミック
多層配線基板を作製した。第１表及び第２表に示した結
晶質複合酸化物またはＳｉｎ、は内部に気孔を含有した
粒子である。

気孔を含んだ粒子は、結晶質複合酸化物Ｓｉｎ＠または
これらの構成酸化物を混合し、相対密度４０〜６０％の
圧粉成形体を作製した後加熱し、原料粉末が結合し始め
る温度まで昇温する。焼結密度約７０〜８０％とした後
、直径５０μｍ以下に粗粉砕し、気孔を含んだ粒子を作
製した。このようにして作製した気孔を含んだ粒子は、
平均粒径３０μｍであった。この粒子には、１０μｍ以
下の気孔が２０〜３０体積％含まれていた。この気孔を
含んだ粒子を用いてセラミック多層配線基板を作製した
。

このようにして作製されたセラミック多層配線基板にお
いては、外部接続部の絶縁層１とライン配線導体に隣接
した絶縁層２の特性を第４表に示す。これらの絶縁層間
の接合状態は良好であり、実施例１と同様にしてコバー
ルピンとシリコン半導体素子を接続した。コバールピン
の金−インジウムろう接続部７及びシリコン半導体素子
の半田接続部９は一６５℃〜＋１５０℃での３０００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。

一方、第２表に示した組成の絶縁層２に挾まれたライン
配線導体３の信号伝播遅延時間は６．８ｎ　ｓ　／　ｍ
以下であった。この値は絶縁層２の比誘電率４．５　　
（ＩＭＨ２）以下であったことに対応している。絶縁層
２中に１５〜３０％気孔を含有したことによるものであ
る。全ての絶縁層がアルミナを主成分とする焼結体でで
きている従来のセラミック多層配線基板に比べて信号の
伝播遅延時間が約６７％以下に低減されたことになる。

実施例３外部接続部の絶縁層の組成を第５表、ライン配線導体に
隣接した絶縁層の組成を第６表に示す。

ライン配線導体に隣接した絶縁層の組成には、原料粉末
粒径約３μｍの発泡性無機材料を添加した。

またこれ以外の原料粉末は粒径５μｍ以下である。

実施例１と同様の方法でセラミック多層配線基板を作製
した。外部接続部の絶縁層１とライン配線導体に隣接し
た絶縁層２の特性を第７表に示す。

これらの絶縁層間の接合状態は良好であり、実施例１と
同様にしてコバールピンとシリコン半導体素子を接続し
た。コバールピンの金−インジウムろう接続部７及びシ
リコン半導体素子の半田接続部９は一６５℃〜＋１５０
℃での３０００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。

一方、第６表に示した組成の絶縁層２に挾まれたライン
配線導体３の信号伝播遅延時間は６．７ｎ　ｓ　／　ｍ
以下であった。絶縁層２中には気孔を１６〜２８％含有
していた。全ての絶縁層がアルミナを主成分とする焼結
体でできている従来のセラミック多層配線基板に比べて
、信号の伝播遅延時間が約６６％以下に低減されたこと
になる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、外部接続部の絶縁層は、ピン付は等の
熱サイクルによる熱応力に耐え得る強度を有し、信号伝
播速度を左右するライン配線導体に隣接した絶縁層は低
誘電率であるため、高密度配線を有する回路基板の性能
向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミック多層配線基板を用いた機能
モジュールの説明図である。１・・・外部接続部の絶縁層、２・・・ライン配線導体
に隣接した絶縁層、３・・・ライン配線導体、４，５・
・・表面配線導体、６・・・コバールピン、７・・・金
−インジウムろう、８・・・シリコン半導体素子（ＬＳ
Ｉチップ）、９・・・半田、１０・・・セラミック多層
配線基板。

Claims

【特許請求の範囲】１、絶縁層と導体層とが交互に積層され、互いの導体層
がスルーホール導体により連結されたセラミック多層配
線基板において、外部接続部の絶縁層が結晶質複合酸化
物及びＳｉＯ＿２の少なくとも１種以上を主成分とし、
曲げ強さ１５ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上であり、ライン配線
導体に隣接した絶縁層が結晶質複合酸化物及びＳｉＯ＿
２の少なくとも１種以上を主成分とし、３０μｍ以下の
気孔が１０〜３０体積％存在し、比誘電率が５．０以下
（１ＭＨｚ）であることを特徴としたセラミック絶縁基
板。２、特許請求の範囲第１項において、ライン配線導体に
隣接した絶縁層中に気孔を含んだ直径５０μｍ以下の粒
子（比誘電率４．５以下（１ＭＨｚ））を含有すること
を特徴としたセラミック絶縁基板。３、特許請求の範囲第１項において、ライン配線導体に
隣接した絶縁層中の気孔を、水分などの気化成分を含有
する粒径５μｍ以下の発泡性無機材料を原料粉末に混合
して焼成することにより生成することを特徴としたセラ
ミック絶縁基板。