JPS63215559A

JPS63215559A - セラミツク基板

Info

Publication number: JPS63215559A
Application number: JP62046371A
Authority: JP
Inventors: 勇治梅田; 正小田切
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1988-09-08
Also published as: JPH0424307B2

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】（技術分野）本発明は、誘電率が低く、且つ低温で焼成可能なセラミ
ック基板に関するものである。

（従来技術とその問題点）近年における電子回路の高速化、高周波化に伴い、信号
伝播遅延が少なく、信号なまりの少ないセラミック回路
基板が求められているが、信号伝播遅延を少なくするた
めには、低誘電率を有する絶縁材料が必要であり、また
信号なまりを少なくするためには、低誘電正接を有する
絶縁材料を用い、導体材料として導通抵抗の低い銅、金
、銀の導体材料を用いることが要求されている。更に、
上述の条件を満たし、回路基板の配線密度を上げるため
に、銅、金、−銀の導体材料と同時焼成可能な絶縁材料
が求められ、そのような同時焼成を達成するために、か
かる絶縁材料は、銅、金、根の導体の融点より低い温度
で焼結することが必要とされる。また、半導体チップを
基板表面にダイレクトに実装可能にするには、絶縁材料
の熱膨張係数が小さいこと（Ｓｉの３．５　Ｘ　１　ｏ
−’ｚ”ｃに近いこと）が求められている。そして、当
然のことながら、このセラミック回路基板は、その製造
途中、更には製品として化学的に安定であることが望ま
れる。

また、低誘電率を有する絶縁材料としては、これまでに
種々のものが提案されており、例えば、低誘電率のガラ
スとセラミックフィラーとを混合して焼結したものがあ
り、これは、ガラスとして硼珪酸ガラスを用い、セラミ
ックフィラーとしてアルミナ、石英ガラス等を用いたも
の（例えば、特開昭６０−２５４６９７号、特開昭５８
−１５１３４５号）である。

ところで、上述の硼珪酸ガラスには、その特性上、セラ
ミックフィラーと混合して、比較的低温で、特に銅、金
、銀を主成分とする導体と同時焼成するときは、各金属
の融点以下で焼結可能であり、しかも熱膨張係数が小さ
く、誘電率が低いことが求められる。このような公知の
代表的な硼珪酸ガラスとしては、例えば、後述の実施例
の第１表に示される隘１９．２１及び２４のようなガラ
スがある。これらの硼珪酸ガラスは、後述の実施例にて
明らかなように、例えばｔｌｈ１９及び隘２１のガラス
による基板では、その製造途中の粉末成形体、例えばド
クターブレード法によるグリーンシート、及び／又はそ
の焼成した基板が、高湿の環境下では、表面に硼酸を溶
出するという問題があり、製造の管理上或いは製品とし
て実用化し難いという欠点があった。また、ｌ１ｈ２４
のガラスによる基板では、かかる硼酸の溶出の問題はな
いが、誘電正接が高くなるという欠点があった。

（発明の目的）ここにおいて、本発明は、上記事情に鑑みて為されたも
のであって、その目的とするところは、上述の硼酸の溶
出、誘電正接の悪化を防ぎ且つ低誘電率を有し、熱膨張
係数がシリコンに近いセラミック基板を提供することに
ある。更にまた、本発明の他の目的とするところは、導
体材料として銅、金、銀を用い、場合により同時焼成可
能な多層配線のセラミック基板を提供することにある。

（発明の構成）そして、かかる目的を達成するために、本発明の特徴と
するところは、ＳｉＯ２：６０〜８２重量％と、Ａ　ｌ
　ｔｏｓ　　？　０．１〜１５重量％と、Ｂ　ｔ　Ｏｚ
：５〜１４重量％とを含み、且つ０〜２重量％のＬｉ２
Ｏ、０〜２重量％のＮａ２Ｏ及び１〜５重量％のに２Ｏ
を合計量で１〜７重量％含み、更にＣａｂＳＭｇＯｌＢ
ａｄＳＰｂＯ，ＺｎＯ１ＳｒＯのうちの１種以上を合計
量で０．１〜１５重量％含む化学組成を有するガラス：
１０重量％以上８０重量％以下と、石英ガラス＝１０重
量％以上５０重景％以下と、アルミナ：１０重量％以上
５０重量％以下とからなる組成物を焼成して得られたセ
ラミック基板にある。

また、焼成した上記セラミック基板上に銅、金、銀の何
れかを主成分とする導体を形成し、更に、その導体上に
、上記組成物と実質的に同組成の絶縁層を形成した構成
も、本発明では採用可能である。なお、ここで、実質的
に同組成とは、セラミック成分が誤差範囲内で同一であ
ることを意味している。

さらに、本発明は、ＳｉＯ□　：６０〜８２重量％と、
Ａβｚｏｉ：０．１〜１５重量％と、Ｂ２０゜：５〜１
４重量％とを含み、且つ０〜２重量％のｌｉ２Ｏ、０〜
２重量％のＮａ２Ｏ及び１〜５重量％のＫ２Ｏを合計量
で１〜７重世％含み、更にＣａｂ、Ｍｇ０ＳＢａｄ、Ｐ
ｂＯ５ＺｎＯ，ＳｒＯのうちの１種以上を合計量で０．
１〜１５重量％含む化学組成を有するガラス：３０重量
％以上６０重量％以下と、石英ガラス：ｌＯ重重量以上
４０重量％以下と、アルミナ：１０重量％以上５０重量
％以下とからなる組成物よりなるグリーンシートに、銅
、金、銀の何れかを主成分とする導体が付与され、同時
焼成されていることを特徴とするセラミック基板をも、
その要旨とするものである。

なお、本発明にあっては、かかるグリーンシートに付与
された導体上に、上記組成物と実質的に同組成の絶縁層
を付与して、同時焼成する印刷多層配線のセラミック基
板、更には該導体を付与したグリーンシートを積層して
、焼成するグリーンシート多層配線のセラミック基板と
することも可能である。

（構成の具体的説明）ところで、本発明者らは、前述した従来技術の欠点であ
る硼酸の溶出の原因を追求した結果、ガラス中の硼素成
分が１４重量％より多い場合において、その硼素と空気
中の水蒸気とが反応して硼酸（Ｈ３ＢＯ＋）となり、グ
リーンシート或いは焼成した基板表面に硼酸の粉末とし
て溶出することを究明したのである。そして、更に、誘
電正接の増加については、ガラス中のアルカリ成分、特
にＮａ２Ｏの影響であり、これはＮａｚＯの含有量を減
少することで改善出来ることを究明したのである。

そして、これらの問題を解決するためには、ガラス中の
成分量として、Ｂ２０．が１４重量％以下となるように
する必要があり、またアルカリ成分としては、ＮａｔＯ
及びＬｉ２Ｏが２重量％以下、Ｋ　ｚ　Ｏが５重量％以
下とする必要があることを見い出したのである。なお、
アルカリ成分の合計量は、その量が多くなり過ぎると、
誘電率が大きくなり、アルカリ溶出による化学的耐久性
が悪くなるため、アルカリ成分の合計は７重量％以下、
好ましくは６重量％以下としなければならない。しかし
、Ｂ２Ｏ３及びアルカリ成分を減らすと、溶融温度が高
くなり、経済的に溶融してガラス化することが困難とな
る。工業的には約１５５０℃で溶融してガラス化出来る
ことが好ましく、このためには、Ｂ　ｚ　Ｏ３は５重量
％以上、好ましくは８重量％以上、またアルカリ成分は
合計で１重量％以上（好ましくは２重量％以上）が必要
である。

また、ガラス化に関する同様な理由から、ＳｉＯ□は８
２重量％以下でなければならず、またＡｌ１２０３は１
５重重量以下でなければならない。

しかし、Ｓ　ｓ　Ｏｚが少なくなり過ぎると誘電率が大
きくなるので、そのためにＳ　ｉＯｚは６０重量％以上
でなければならない。また、Ａｌｔｏｓは、ガラスの化
学的耐久性を高めるために、０．１重量％以上の割合で
含有せしめることが必要である。

さらに、上述した理由により決定されるＳｉＯ□、Ａ１
ｚ０３　、ＢｚＯ，、ＮａｔＯ１Ｋ２０、Ｌｉ２Ｏの重
量バランスによる残量成分として加える成分として、化
学的に安定で、誘電率、誘電正接に悪影響を及ぼさず、
且つガラスの軟化点を下げるものとして、各種の成分を
検討した結果、ＣａＯ３ＭｇＯ，Ｂａｄ、ＰｂＯ，Ｚｎ
Ｏ１Ｓｒｏのうち１種以上を用い、その合計量が０．１
〜１５重■％加えることが好ましいことが明らかとなっ
た。

本発明におけるセラミック基板は、ガラスマトリックス
中に、フィラーとしてアルミナと石英ガラスとを用いて
いるが、アルミナは基板の曲げ強度を向上させるために
好適なフィラーであり、石英ガラスは、熱膨張係数：　
５．５　Ｘ　１０−’／”Ｃ１誘電率＝３．８と何れも
低く、低誘電率、低熱膨張係数の基板とするために重要
である。

本発明において、ガラス、アルミナ、石英ガラスの混合
割合は、以下の理由に鑑みて決定されることとなる。要
するに、ガラスは、その配合量が１０重量％未満では、
焼成温度が高くなって緻密に焼結しなくなり、また８０
重量％を越えると、焼成後のセラミック基板の充分な曲
げ強度が得られなくなるのである。また、アルミナの配
合量が１０重量％未満では、焼成後のセラミック基板の
充分な曲げ強度が得られず、一方５０重量％を越えると
、誘電率及び熱膨張係数が大きくなり過ぎることとなる
。そして、石英ガラスは、その配合量が１０重量％未満
では、誘電率が大きくなり過ぎ、５０重里％を越えると
、焼成温度が高くなって緻密に焼結しなくなるのである
。

さらに、銅、金、銀の何れかを主成分とする導体と同時
焼成するためには、ガラス、アルミナ、石英ガラスの混
合割合は、以下に示す理由により決定されることとなる
。つまり、ガラスが３０重量％未満及び石英ガラスが４
０重量％を越えると、（ガラス＋アルミナ十石英ガラス
）組成物が銅、金、銀のそれぞれの融点の１０８３℃、
１０６３℃、９６１℃以下において充分に焼結せず、ま
たガラスが６０重量％を越えると、焼成温度が低くなり
過ぎて、銅、金、銀の導体が焼結しなくなるからである
。他の混合割合は、上述した理由と同様に決定されるこ
ととなる。つまり、アルミナが１０重量％未満では、焼
成後のセラミック基板の充分な曲げ強度が得られず、５
０重量％を越えると誘電率及び熱膨張係数が大きくなり
過ぎるのであり、石英ガラスが１０重量％未満では、誘
電率が大きくなり過ぎることとなる。

なお、銅、金、銀の何れかを主成分とする導体とは、こ
れらのそれぞれの金属の他、これらの混合物、合金或い
は他の金属、セラミック導電体等を若干含んでいても良
く、またガラス等の、焼結助剤やフィラー等としてのセ
ラミック成分等を含んでいても何等差支えない。また、
特に、導体の導電率を良くする必要がある用途では、銅
を主成分とする導体が好適に用いられることとなる。

（実施例）以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発明を更に
具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのよ
うな実施例の記載によって何等の制約をも受けるもので
ないことは、言うまでもないところである。

また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記
の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限り
において、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正
、改良などを加え得るものであることが、理解されるべ
きである。

実施例　１下記第１表に示す如き組成のガラスとなるように原料を
調合して、１４５０〜１５５０℃の温度で溶融し、水砕
またはフレーク状としてガラスを得た。そして、この得
られたそれぞれのガラスの軟化温度、誘電率、誘電正接
を調べると共に、それぞれのガラス単独、それぞれのガ
ラスとアルミナと石英ガラスとを混合して得られたグリ
ーンシート、及びそれらのグリーンシートを焼成して得
られた基板を、それぞれ、高温中に放置したときの硼酸
の溶出の有無を調べて、それらの結果を下記第１表に示
した。

下記第１表から明らかなように、本発明で用いたガラス
は、１４５０〜１５５０℃の温度で溶融してガラスとな
り、誘電率及び誘電正接が共に低く、且つ硼酸の溶出が
全（無いものであることが判る。

実施例　２実施例１で作製した第１表に示される患６、隘１１及び
階２４のガラスを用い、それらガラスの平均粒径：約８
μｍのもの、平均粒径：約５μｍの石英ガラス及び平均
粒径：約３μｍのアルミナとを、下記第２表に示す割合
で混合して、各種のセラミック粉末（組成物）を得た。

次いで、このセラミック粉末：１００重量部に対して、
アクリル系バインダー：１０重量部、可塑剤：２重量部
、トルエン：２０重量部、エタノール＝４ｏ重ｆｆ１部
を加え、ボールミルで２４時間混合してスラリーと為し
、そしてドクターブレード法によりグリーンシートとし
た。更にその後、このグリーンシートを空気中において
７００〜１３００℃の温度で焼成し、セラミック基板と
した。

各セラミック粉末に関して、最も緻密に焼結する最適焼
成温度、その温度で焼成したセラミック基板の誘電率、
誘電正接、曲げ強度及び熱膨張係数を、下記第２表に示
す。なお、このときの本発明に従うセラミック基板の相
対密度は９５〜９９％であった。

また、前記のグリーンシートに銅ペーストを通常の印刷
法により付与し、窒素と水蒸気の混合ガス中で各組成の
最適焼成温度で焼成したときの銅導体との同時焼成の可
否についても調べ、その結果を第２表に示す。なお、金
、銀の導体との同時焼成も、銅導体との同時焼成が可能
な組成のうち、最適焼成温度が金、銀の導体の融点より
低い組成のものでは可能であった。

下記第２表に示されるように、本発明の範囲内のセラミ
ック基板は、何れも、７００〜１２５０℃で緻密に焼結
して、誘電率、誘電正接、曲げ強度、熱膨張係数の何れ
も満足出来るものであることが認められる。また、ガラ
ス：３０〜６０重量％、石英ガラス：１０〜４０重景％
、重量ミナ８１０〜５０重量％なる組成のセラミック基
板（階１〜９、隘１７〜２６）は、何れも銅、金、銀そ
れぞれの融点以下で焼結するものについては各々の導体
と同時焼成可能であった。

実施例　３実施例２の第２表に示される１ｌｋＬ４の組成のセラミ
ック粉末：１００重量部に対して、芳香族系バインダ：
６重量部及びトルエン：６０重量部を加えて、ボールミ
ルにてスラリーと為し、ドクターブレード法でグリーン
シートとした。次いで、このグリーンシートを７ｃｍＸ
７ｃｍに打ち抜き、第１図及び第２図に示される如き配
線パターンとなるようにスルーホールを形成した後、各
シートの表面及トスルーホールに銅ペーストを印刷法に
より付与した。

なお、第１図において、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ第
一層（最上１ｉｉ）のグリーンシート１に形成した配線
図及びスルーホールパターン図であり、（ｃ）及び（ｄ
）はそれぞれ第二層（中間Ｎ）のグリーンシート２に形
成した配線パターン図及びスルーホールパターン図であ
り、更に（ｅ）は第三層（最下層）のグリーンシート３
に形成された配線パターン図を示したものであり、また
第２図は、第１図の３枚のグリーンシート１，２．３が
積層された多層配線セラミック基板の第１図（ａ）のＡ
−Ａ断面に相当する模式図であり、銅導体４が三次元的
に接続されている。

そして、この印刷されたグリーンシート３枚を１５０℃
、１００　ｋｇ／ａｍ”の条件で積層した後、窒素と水
蒸気の混合ガス中で最高温度：９６０℃にて焼成し、セ
ラミック基板とした。かくして得られたセラミック基板
は、外観が白（、気孔率が３％と緻密であり、表面に形
成された銅導体のハンダ濡れ性は良好であり、また導通
抵抗が１．８ｍΩ／口、ビール付着強度が０．８　ｋｇ
　／　ｎ　”であり、中間層のｗ４導体４の導通抵抗も
２．０ｍ０７口と良好であった。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に係るセラミッ
ク基板は、原料のガラス、基板の製造途中の粉末成形体
、例えばドクターブレード法によるグリーンシート、及
び焼成基板の高湿下での硼酸の溶出が防止され、且つ低
誘電率、低誘電正接の特性を有し、更に熱膨張係数もシ
リコンに近いものであり、また導体として導通抵抗の低
い銅、金、銀をグリーンシートと同時焼成することも出
来るものである。

従って、かくの如き本発明に従うセラミック基板は、回
路の高速化、高周波化、低損失化を必要とする回路基板
として適しており、シリコンチップをダイレクトボンド
し易いため、高密度多層配線基板、半導体パッケージ等
としての使用に最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例３で作製された多層配線セラミック基
板のパターンを示す模式図であり、また第２図は、第１
図のパターンに従って積層された多層配線セラミック基
板のＡ−Ａ断面模式図である。１：第一層のグリーンシート２：第二層のグリーンシート３：第三層のグリーンシート４：銅導体第１ｖＩＪ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＳｉＯ＿２：６０〜８２重量％と、Ａｌ＿２Ｏ＿
３：０．１〜１５重量％と、Ｂ＿２Ｏ＿３：５〜１４重
量％とを含み、且つ０〜２重量％のＬｉ＿２Ｏ、０〜２
重量％のＮａ＿２Ｏ及び１〜５重量％のＫ＿２Ｏを合計
量で１〜７重量％含み、更にＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、
ＰｂＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯのうちの１種以上を合計量で０
．１〜１５重量％含む化学組成を有するガラス：１０重
量％以上８０重量％以下と、石英ガラス：１０重量％以
上５０重量％以下と、アルミナ：１０重量％以上５０重
量％以下とからなる組成物を焼成して得られたセラミッ
ク基板。
（２）前記セラミック基板上に銅、金、銀の何れかを主
成分とする導体を形成した特許請求の範囲第１項記載の
セラミック基板。
（３）前記組成物と実質的に同組成である絶縁層を前記
導体上に形成した特許請求の範囲第２項記載のセラミッ
ク基板。
（４）ＳｉＯ＿２：６０〜８２重量％と、Ａｌ＿２Ｏ＿
３：０．１〜１５重量％と、Ｂ＿２Ｏ＿３：５〜１４重
量％とを含み、且つ０〜２重量％のＬｉ＿２Ｏ、０〜２
重量％のＮａ＿２Ｏ及び１〜５重量％のＫ＿２Ｏを合計
量で１〜７重量％含み、更にＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、
ＰｂＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯのうちの１種以上を合計量で０
．１〜１５重量％含む化学組成を有するガラス：３０重
量％以上６０重量％以下と、石英ガラス：１０重量％以
上４０重量％以下と、アルミナ：１０重量％以上５０重
量％以下とからなる組成物よりなるグリーンシートに、
銅、金、銀の何れかを主成分とする導体が付与され、同
時焼成されていることを特徴とするセラミック基板。
（５）前記銅、金、銀の何れかを主成分とする導体が付
与されたグリーンシートに、前記組成物と実質的に同組
成の絶縁層を印刷し、同時焼成して得られた特許請求の
範囲第４項記載のセラミック基板。
（６）前記銅、金、銀の何れかを主成分とする導体が付
与された複数のグリーンシートを積層して同時焼成して
得られた特許請求の範囲第４項記載のセラミック基板。