JPS63265859A - セラミツク絶縁材料 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明はセラミック回路基板に使用できるセラミック絶
縁材料に関するものである。

（背景技術） セラミック回路基板に使用されるセラミック絶縁材料と
しては、緻密な焼成体が得られ、かつ優れた物理的特性
を有する高品質のものであることが要求される。具体的
には、演算素子などの信号の伝播時間短縮のために比誘
電率が低いのがよく、またシリコンチップとの間の熱応
力の関係で熱膨張係数がシリコンチップの熱膨張係数に
近いもの程よ（、さらには強度上抗折強度の高いものが
よい等種々の特性が要求される。

従来、セラミンク回路基板に使用されるセラミンク絶縁
材料としてはアルミナセラミックが一般的であった。し
かし、アルミナは比誘電率が約９（１ＭＨｚ）と高いた
め、演算素子などの信号の伝播遅延時間が大きい。また
、熱膨張係数が７．０Ｘ１０−６／℃とシリコンチップ
の３．５　Ｘｌ０−６／”Ｃに比して大きく異なるため
、シリコンチップとセラミック基板との間の熱応力によ
りシリコンチップにクランクが入ったり、シリコンチッ
プが剥がれたりする問題点がある。アルミナセラミック
に対するこれらの問題点は、最近の集積回路に要求され
ている高密度化、高速化、高信頼性化の障害となってい
る。

一方、比較的比誘電率及び熱膨張係数とも小さい材料と
して、最近注目されているものの１つに、Ａ！２２０３
とＳｉＯ２　　の二成分系から成る化合物のムライト（
３Ａｆｆ２０３・　２Ｓｉ０２）がある。ムライトは比
誘電率が６．５〜７．０　　（１ＭＨｚ）　、熱膨張係
数が５．０ｘｌＱ−６／℃という特性を有している。し
かし、従来のムライト原料粉末は粒径が大きく　、１６
００℃以下の温度では、充分な緻密化は達成されない。

さらに従来のムライトを含むアルミナ−シリカ系原料粉
末は、純度が低く、原料粉末中にＮａ−、Ｋ、Ｌｉ等の
不純物を多く含み、焼結体の絶縁特性、強度および半導
体素子等に悪影響を及ぼしているという問題点がある。

（発明の目的） 本発明は上記問題点を解消すべくなされたものであり、
その目的とするところは、集積回路の高速化、高密度化
にともない、従来のムライト質焼結体より低温で焼成が
可能であり、比誘電率が低く、熱膨張係数がシリコンの
それに近く、しかも基板材料として充分な抗折強度を有
するセラミック絶縁材料を提供するにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的による本発明に係るセラミック絶縁材料は、酸
化物換算で、Ａ　０２０３とＳｉＯ２とが、１０重量％
≦Ａβ２０３＜　６０重量％、９０重量％≧ＳｉＯ２＞
４０重量％の範囲で実質的に１００重量％となる化学組
成を有し、１６００℃以下の温度で焼成して成ることを
特徴としている。

一般にアルミナ（Ａｆｆ２０３）単独の場合の焼成温度
は１６００°Ｃよりもかなり高い温度を必要とする。

そして＾２２０３にシリカ（Ｓｉ０２）を混入させるこ
とで焼成温度を低下させることができる。この場合、Ｓ
ｉＯ２が４０重量％を超えると焼成温度低下の幅が大き
くなって（る。しかし、従来のように粒径が数μｍ以上
と大き（、かつ焼結体の絶縁性、強度および半導体素子
等に悪影響を及ぼす不純物濃度の高いＡｆｆ２０３とＳ
ｉＯ２とを単に混合させて焼成するのでは反応性に乏し
く　、１６００℃以下の温度で充分な緻密度を有するセ
ラミックを得ることはできない。

本発明では、Ａｆｆ２０ａとＳｉＯ２の粒子の平均粒径
が４μｍ以下、特に好適には１μｍ以下となるように調
整している。このように両粒子をファイン化することで
、両粒子が分子レベルで混在し、反応性が向上する。ま
た、＾ｅ２０３．ＳｉＯ２粉末を、Ａβ、Ｓｉ以外のＮ
ａ、　Ｋ　、　Ｌｉ等の焼結体の絶縁性、強度および半
導体素子等に悪影響を及ぼす元素の混入量が２５００ｐ
ｐｒｒ１以下、特に好適には１１００ｐｐ以下となるよ
うに純度が高いものに調整している。

本発明では、Ａｆｆ２０ａ、ＳｉＯ２の原料混合粉末を
、Ａ　ｆ２２０３が１０重量％以上で６０重量％未満、
ＳｉＯ２が９０重量％以下で４０重量％を超える範囲の
間の組成のものとし、前記したムライトの組成のものよ
りＳｉＯ２の量が多くなるように設定して、まず組成的
に低温焼成がし易くなるようにしている。

そして単に両粉末を混合しただけでは前記したように緻
密、かつ必要な特性を有している焼結体が得られないも
のであるところを、上記のように両粉末の平均粒径が４
μｍ以下で、かつＮａ、　Ｋ、Ｌｉ等の元素の不純物濃
度が２５００ｐｐｍ以下という両条件が相乗的に作用す
ることで初めて１６００’ｃ以下の温度で、緻密かつ所
望の特性を有するセラミック材料が得られることを見い
出したのである。

本発明では上記の組成範囲内においてＡ　Ｉ２Ｏ３と５
ｉＱ２とが実質的に１００重量％となるようにする。

実質的にとは前記のＮａ、　Ｋ　、　Ｌｉ等の不純物元
素の所定量の混入は許容するという意味である。

焼成温度的に見れば、本発明においてもやはりＡ　ｅ２
０３が多くなる程焼成温度が高くなり、約６０重量％で
１６００”Ｃ程度の温度が必要となる。八β２０３が少
なくなればなる程焼成温度が低くてよ＜　、１３００℃
程度の低温焼成が可能となる。しかし、Ａ　２２０３が
１０重量％よりも低くなると抗折強度が低くなるので好
ましくない。

なお本発明の化学組成においても、焼成温度が高いか、
温度保持時間が長いなどの焼成条件によっては、ＳｉＯ
２の一部がクリストバライトとして析出し、みかけの熱
膨張係数を大きくするなどの特性の低下が起こる。

本発明では、焼成条件を適宜設定することにより、クリ
ストバライトを析出させることなしに、すなわちムライ
ト相とシリケートガラス相から成る緻密な焼結体を得る
ことを可能としたものである。

また、焼成温度の低減を図るため、焼結体の電気的特性
に悪影舌を与えないアルカリ土類元素の酸化物（ＢａＯ
、ＳｒＯ、ＭｇＯ、ＣａＯなど）を焼結助剤として０．
５〜５．０重量％添加した結果、焼結性が向上し、一層
低温での焼成が可能となると共に焼結助剤を添加しない
場合と同様基板材料として良好な電気的、熱的、機械的
特性を有することを明らかにした。

本発明で提供されるセラミック材料は比誘電率（１ＭＨ
ｚ）が６．５以下のものが得られる。これは前記したム
ライトが６．５〜７．０の範囲であるのに比して優れ、
特にＳｉＯ２量を増量することで比誘電率（ＩＭ）ｌｚ
）が５以下のものが得られる。

熱膨張係数は１．５〜５．ＯｘｌＯ−６／”ｃ　（３０
〜４００℃）程度となり、シリコンチップの熱膨張係数
の３．５　ｘｌＯ−６／℃に接近している。

また抗折強度はＡ　２２０３の量が多い程高いものとな
るが、Ａ　２２０３が１０重量％程度であっても１５ｋ
ｉｒ／ｍｍ２以上となり、実用上全く問題はない。

前記した原料粉末の調整は、金属アルコキシドを出発原
料として調整することができる。なお他の原料を出発原
料として用いても上記と同様の組成および条件が得られ
れば本発明に包含されることはいうまでもない。

（実施例） 以下には本発明の具体的な実施例を示す。

なお本発明はこれら実施例に限定されないことはもちろ
んである。

実施例１ アルミニウムイソプロポキシドとメチルシリケートに濃
アンモニア水を加え、ｐＨｌｌで加水分解を行い、Ａβ
２０３とＳｉＯ２の混合粉末を得た。これら粉末の粒度
は平均粒径１μｍ以下であり、またＡＡ、Ｓｔ、以外の
元素の酸化物混入量は１１００ｐｐ以下であった。

Ａ　ｆ１２０３．ＳｉＯ２の混合比率は出発原料のアル
ミニウムイソプロポキシドとメチルシリケートの量を調
整することで種々変えることができる。

上記のようにして得られた混合粉末を１２００°Ｃにて
１時間加熱処理した。この加熱処理によりムライトが一
部生成した。。

上記加熱処理した粉末に溶媒を加え、振動ミルにて２４
時間粉砕後、乾燥、造粒し、静水加圧法により板状の成
形体を作成した。

成形体を酸化性雰囲気中で最高温度１３００°Ｃで４時
間保持して焼成した。

本実施例による、八β２０３とＳｉＯ２の種々の組成比
率における各焼結体の焼成密度、比誘電率（１ＭＨｚ）
、熱膨張係数（３０〜４００℃）および抗折強度を表１
に示す。

なお、同じ組成でもより高温で焼成した場合などには、
クリストバライトが析出する。クリストバライトが存在
する場合には、比誘電率はやや高くなり、熱膨張係数は
２００″Ｃ付近の体積変化に伴明細書の浄占（内ｅＦＩ
：変更なしン 表　　　１ 実施例２ アルミニウムイソプロポキシドとメチルシリケートに濃
アンモニア水を加え、ＰＨＩＩで加水分解を行い、Ａ　
ｆｉ２０ａとＳｉＯ２の混合粉末を得た。これら粉末の
粒度は平均粒径４μｍ以下であり、またへｌ、Ｓｉ以外
のＮａ−、Ｋ　、Ｌｌ等の焼結体の絶縁性、強度および
半導体素子等に悪影響を及ぼす元素の混入量は２５００
ｐｐｍ以下であった。

Ａ　１２０ａ、５ｉＯｚの混合比率は出発原料のアルミ
ニウムイソプロポキシドとメチルシリケートの量を調整
することで種々変えることができる。

上記のようにして得られた混合粉末を１２００℃にて１
時間加熱処理した。この加熱処理によりムライトが一部
生成した。

上記加熱処理した粉末をボールミルに入れ、さらに有機
溶剤、結合剤、可塑剤、分散剤を加え、７２時間混合し
てスラリーを作成した。真空脱気処理により、スラリー
から気泡を除去した。スラリーをドクターブレード法に
より厚さ０．４〜０．８ｍｍのグリーンシートを作成し
た。

このグリーンシートを酸化性雰囲気中で最高温度１３０
０℃で４時間保持して焼成した。

本実施例で得られた焼結体の緒特性は、実施例１で示し
た値とほぼ同じであった。

実施例３ アルミニウムイソプロポキシドとメチルシリケートに濃
アンモニア水を加え、Ｐ）Ｉｌｌで加水分解を行い、Ａ
　２２０ｓとＳｉＯ２の混合粉末を得た。これら粉末の
粒度は平均粒径１μｍ以下であり、またＡｌ、Ｓｉ以外
のＮａｓ　Ｋ　％　Ｌｌ等の焼結体の絶縁性、強度およ
び半導体素子等に悪影響を及ぼす元素の混入量が１１０
０ｐｐ以下であった。

Ａ　ｆｌｖ　Ｏａ、５ｉＱ２の混合比率は出発原料のア
ルミニウムイソプロポキシドとメチルシリケートの量を
調整することで種々変えることができる。

上記のようにして得られた混合粉末を１２００℃にて１
時間加熱処理した。この加熱処理によりムライトが一部
生成した。

ここで得られた粉末にＭｇＯを０．５．１．０重量％添
加し２、溶媒を加え、振動ミルにて２４時間粉砕後、明
ａ書の浄書（内容に変更なり 乾燥、造粒し、Ｄ水加工法により板状の成形体を作成し
た。

成形体を酸化性雰囲気中で最高温度１５５０．１５００
℃で２時間保持して焼成した。

本実施例による＾βｚＯａ　４０　重量％、ＳｉＯ２５
９．５および５９．０重量％の各組成焼結体の焼成密度
、比誘電率（ＩＭＩｌｚ）　、熱膨張係数（３０〜４０
０℃）及び抗折強度を表２に示す。

表　　　２ （発明の効果） 本発明により、酸化物換算でＡＲ２０３が１０重量％で
６０重量％未満、ＳｉＯ２が９０重量％以下で４０重量
％を超える範囲の化学組成とすることにより、１６００
°Ｃ以下の低温で焼成可能で、比誘電率が低く、シリコ
ンに近い熱膨張係数を有し、さらに基板材料として充分
使用可能な抗折強度を有するセラミック絶縁材料が提供
された。

特にクリストバライトが析出しない低温度での焼成が可
能となり、焼成後の構成相がムライト相およびシリケー
トガラス相からなる緻密な焼結体の提供が可能となった
。

本発明によるセラミック絶縁材料は、今後の回路基板に
要求される高速化、高密度化、大型化に充分対応できる
セラミック絶縁材料として使用できる。

また、上記原料粉末に焼結助剤としてアルカリ土類元素
の酸化物を０．５〜５．０重量％添加し、焼成して得ら
れた焼結体も上記同様、回路基板用セラミック絶縁材料
として有望である。

手続補正書 昭和６２年　８月１２日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 ２、発明の名称 セラミック絶縁材料 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ４．１に迎入 ８、補正の内容

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸化物換算で、Ａｌ＿２Ｏ＿３とＳｉＯ＿２とが、
   １０重量％≦Ａｌ＿２Ｏ＿３＜６０重量％、９０重量％
   ≧ＳｉＯ＿２＞４０重量％の範囲で実質的に１００重量
   ％となる化学組成を有し、１６００℃以下の温度で焼成
   して成るセラミック絶縁材料。 ２、前記Ａｌ＿２Ｏ＿３の化学組成が１０重量％≦Ａｌ
   ＿２Ｏ＿３≦５０重量％の範囲で、１４００℃以下の温
   度で焼成してなる特許請求の範囲第１項記載のセラミッ
   ク絶縁材料。 ３、前記焼成後の構成相がムライト相およびシリケート
   ガラス相からなる特許請求の範囲第１項または第２項記
   載のセラミック絶縁材料。 ４、比誘電率が６．５（１ＭＨｚ）以下である特許請求
   の範囲第１項、第２項または第３項記載のセラミック絶
   縁材料。 ５、熱膨張係数が１．５〜５．０×１０＾−＾６／℃（
   ３０〜４００℃）である特許請求の範囲第１項、第２項
   、第３項または第４項記載のセラミック絶縁材料。 ６、抗折強度が１５〜５０ｋｇ／ｍｍ＾２である特許請
   求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項または第５項
   記載のセラミック絶縁材料。