JPS6374957A - 低温焼結性低誘電率無機組成物 - 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］ 本発明は熱処理によって結晶化し得るガラス粉末にセラ
ミックス粉末を混合した組成物であって、主として、高
速コンピュータのロジック回路形成に用いられるＬＳＩ
、ＶＬＳＩ実装基板のセラミックス多層基板用低温焼結
性低誘電率無機組成物に関するものである。

［従来の技術とその問題点］ 従来コンピュータのロジック回路形成のＩＣ１ＬＳＩ実
装用セラミツクス基板等を製造する最も一般的な方法は
、アルミナ等のセラミックス基板に金（ＡＵ）、銀（Ａ
ｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、モリ
ブデン（Ｍｏ＞およびこれらの合金からなる導体ペース
トを用いて導体回路を印刷し乾燥した後これを炉に入れ
て焼成し導体回路を形成したり、あるいはまたより微細
な導体回路を得るためメッキ法により導体回路を形成し
、次にこれら導体回路と第２層導体とを絶縁する絶縁層
を形成するために絶縁性セラミックペーストを塗布し、
炉に入れて焼成して絶縁層を形成する方法を用いている
。この場合、絶縁層セラミックペーストの塗布に際して
は、第１層導体回路と第２層導体回路を結ぶ接続孔を残
す必要がある。次にこの絶縁層面の接続孔に導体ペース
トがつまるように印刷、焼成して第２層導体回路を形成
する。このようにして必要に応じて第３層、第４層の導
体回路および絶縁層を同じ方法で形成し、用途に応じ最
上部層にＩＣ１あるいはＬＳＩを実装するなどして所望
のセラミック多層回路基板を得る。

またもう一つの方法としてグリーンシート積層法による
セラミックス多層回路基板がある。この方法はアルミナ
粉末またはガラス・アルミナ混合粉末に有機バインダー
および溶媒を加えスラリーを作製し、これをドクターブ
レードを用いたキャスティング法でグリーンシートを成
形しこの上面に導体印刷、または上、不導体を接続する
スルーホールを形成する。次に形成したスルーホールに
導体ペーストがつまるように印刷しこれを積層熱圧着し
焼成して所望のセラミックス多層回路基板を得ている。

これら多層回路形成に必要な絶縁層は、８５０〜９５０
℃の温度で緻密に焼結でき、ピンホールが少ないこと、
ふくれが出ないこと、耐酸性（導体回路をメッキ法で形
成する場合特に要求される）、高絶縁性、低誘電率など
の要求を兼ね備えていることが強く要望されている。最
近はスーパーコンピュータ等高速化の要求が強くなり、
これらの対応としてＩＣ，ＬＳＩ実装基板の多層回路の
高密度化および絶縁層の低誘電率化が特に要望されてい
る。

従来こうした目的に用いられてきた絶縁層形成用の無機
組成物は、８５０〜９５０℃の温度で焼成することによ
り結晶化する結晶性ガラスタイプ、ガラス・アルミナ混
合物タイプ、または１６００〜１８００℃の高温度で焼
結するアルミナ等が用いられている。

しかしながら、前記した従来の絶縁層形成に用いられて
いる絶縁性無機組成物は必ずしも満足できるものではな
かった。例えばコンピュータ用ロジック回路のようにセ
ラミック多層基板の高密度実装回路導体には低抵抗のＡ
ｕ導体が用いられている。このため絶縁層には比較的低
温度で焼結可能な無機組成物として硼硅酸鉛系の結晶性
ガラスおよび硼硅酸鉛系ガラスとアルミナの複合系無機
組成物が絶縁性ペーストとして、またグリーンシート法
等の絶縁層形成に使用されているが、これら無機組成物
は鉛酸化物（ＰｂＯ）またはアルミナを含有しているた
め、誘電率（Ｅ）が７．５〜９と比較的大きくコンピュ
ータ用ロジック回路の高速化を阻害すると云う欠点があ
った。

また、アルミナを用いたグリーンシート法による絶縁層
形成は、焼結温度が高いため導体として低抵抗であるＡ
ｕ、Ｃｕ、Ａｇ−Ｐｄ導体を使用できないのでＭ０．Ｗ
導体を用いている。このため導体抵抗が大きかったり、
誘電率が９〜１０と大きかったり、焼結温度が高い等の
欠点があった。

本発明は以上のような欠点を解決するためになされたも
ので、高速コンピュータロジック回路の高密度実装セラ
ミック多層基板の絶縁層形成用無機組成物を提供するこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は重量％表示でＳ　ｉ　０２５０〜７５％、Ｂ２
Ｏ３８〜２５％、ＭｇＯ０，２〜１０％、ＣａＯ３〜１
８％、Ｂ２Ｏ０，１〜１０％、し１２０１〜３％、Ｎａ
２０１〜５％、Ｋ２Ｏ１〜５％およびＺｒＱ２　０．５
〜１０％を合計量で１００％となるようにした組成を有
し、かつこれらの酸化物のうちアルカリ土類金属酸化物
の合計量が５〜１５重量％の範囲の組成を有するガラス
材料８０〜４０重量％と、水晶または石英ガラス２０〜
６０重量％よりなることを特徴とする低温焼結性低誘電
率無機組成物である。

このような本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物は、
例えば次のような材料および方法によってｖａ造し得る
。すなわちガラス材料の調整に当っては、目標組成にな
るように各成分の原料を秤量してバッチを調整し、この
バッチを１４００〜１５００°Ｃで２〜４時間加熱して
熔解しガラス化する。熔解ガラスを水冷し、または厚い
鉄板上に流しフレーク状に成形し、得られたガラス片を
アルミナボールミルなどで微粉砕し、平均粒径０．５〜
３μｍのガラス粉末を得る。一方、水晶または石英ガラ
スは平均粒径０．５〜３μｍの微粉末が適当である。

前記方法で得られたガラス粉末に、前記水晶または石英
ガラス粉末を全体量の２０〜６０重發％となるように配
合し、アルミナボールミルで１〜３時間湿式混合するな
どしてガラス粉末と水晶または石英ガラス粉末との均質
な混合粉末、すなわち本発明の低温焼結性低誘電率無機
組成物を得る。

なおこの際用いられる原料粉末は明確化のため酸化物に
換算表記したが、鉱物、酸化物、炭酸塩、水酸化物など
の形で通常の方法により使用されてもよい。

厚膜印刷法による絶縁層形成は、前記によって得られた
本発明の粉末状無機組成物にビヒクルを添加混合して例
えば三本ロールミル等を用いて十分混練し、均一に分散
させて印刷に適した粘度を有する絶縁性セラミックペー
ストを得る。

なお本発明においてビヒクルの成分については何ら限定
を要しない。バインダーとしてはエチルセルロース、ポ
リビニルブチラールなどの通常用いられているもので十
分であり、溶媒を用いて５〜１５重量％溶液とすると好
都合である。溶媒としては、β−またはα−テルピネオ
ール、ｎ−ブチルカルピトール、ブチルカルピトールア
セテート、エチルカルピトールアセテートなどを単独ま
たは２種以上混合して用いるとよい。

グリーンシート積層法による絶縁層形成は、前記の方法
で得られた粉末状無機組成物にビヒクルを添加混合して
例えば高速ミキサーまたはボールミルを用い、十分混練
し、均一に分散させてスラリーを調整し、これをドクタ
ーブレードを用いたキャスティング法によって絶縁層を
形成するのに適した膜厚のグリーンシートとする。バイ
ンダー、溶媒、可塑剤等は通常用いられているもので十
分であり、ビヒクルの成分については何ら限定を要しな
い。

次に本発明において低温焼結性低誘電率無機組成物のガ
ラス粉末と水晶または石英ガラス粉末との配合比、ガラ
ス粉末の組成についてそれぞれの範囲を特許請求の範囲
に記した如く限定した理由について述べる。

まず、本発明に係る低温焼結性低誘電率無機組成物の主
成分の一つであるガラス粉末の組成について述べれば、
ＳｉＯ２はガラスのネットワークフォーマ−であり、本
発明のガラスを熱処理し、結晶化したとき析出するケイ
カイ石（ＣａＯ・５ｉＯ２）結晶を構成する成分である
。ＳｉＯ２が５０重發％未満ではガラスの軟化点が低く
なり過ぎ、熱処理時結晶化する前にガラスが軟化し流動
し過ぎる。ＳｉＯ２が７５重量％をこえるとガラス化が
困難であると共に、結晶化のための熱処理温度が１００
０℃を超える高温が必要となる。ＣａＯもまた析出する
ケイカイ石結晶を構成する成分である。ＣａＯが３重量
％未満ではケイカイ石の析出する量が少なく、高密度実
装セラミックス多層回路基板の導体回路上に形成した絶
縁層にふくれが発生して好ましくない。ＣａＯが１８重
量％をこえるとガラスが熔解時失透し易くなる。Ｂ２Ｏ
３はガラスの熔解時のフラックスとして用いられる。

Ｂ２Ｏ３が８重１％未満では、ガラスの熔解性が悪くな
る。Ｂ２Ｏ３が２５重量％をこえるとガラスの軟化点が
低くなり過ぎ、熱処理時に軟化流動し過ぎる。

ＭｇＯおよびＢａＯは、ガラスの熔解性を向上させ得る
。また絶縁層形成の際の再加熱によってガラスを結晶化
させるのに寄与すると共に緻密化に効果がある。ＭＣｌ
０が０．２重量％未満およびＢａＯが０．１重量％未満
では上記効果は小さい。

ＭＣｌ０が１０重量％をこえる場合、およびＢａＯが１
０重量％をこえる場合にはガラスの熱膨張係数が大きく
なり過ぎたり、結晶化のための熱処理温度が高くなり過
ぎる。ＣａＯとＭｇＯとＢａＯの合計量が５重量％未満
ではガラスの結晶化が不十分でメッキ法による導体の回
路上に形成した絶縁層にふくれが発生し、また合計量が
１５重量％をこえると焼結時の緻密化を阻害する。

Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏおよびに２０は、ガラスの熔解性を
向上させ得る。またガラスの軟化点を適度に制御するが
限定範囲より少ないとその効果はなく、限定範囲を超え
れば耐酸性が劣化し好ましくない。

ＺｒＯ２は、ガラスの結晶化を制御するために含有され
る。ＺｒＯ２が０．５重量％未満では十分な結晶化が達
成できない。一方、ＺｒＯ２が１０重量％をこえるとガ
ラスが熔解時失透し易くガラス化が困難となり好ましく
ない。

低温焼結性低誘電率無機組成物のもう一つの主成分であ
る水晶または石英ガラス粉末を前記ガラス粉末に置換し
て配合することにより、熱処理時の結晶化の促進、結晶
化後の残留ガラスによる流動性および絶縁層の発泡の抑
制と形成絶縁層の低誘電率化の効果を与えることができ
る。ガラス粉末に置換して配合する水晶または石英ガラ
ス粉末を２０重量％未満とすると、絶縁層は緻密ではあ
るが、表面は発泡し易くなったり、導体との密着性が低
下したり、また所望の低誘電率が得られず好ましくない
。水晶または石英ガラス粉末が６０重量％を超えれば、
８５０〜９５０℃の比較的低い温度では緻密な絶縁層は
得られず、ピンホールが増加して絶縁性が低下する。

［実施例］ 以下実施例によって本発明の詳細な説明する。

なお実施例中、％は特に断りのない限りすべて重量基準
であるものとする。

実施例１〜１０、比較例１〜１１ 第１表に示すような組成を有するガラス粉末を製造し、
更にアルミナボールミルを用いてアルコールを分散媒と
して４８時時間式粉砕した。これを篩で整粒した後、ア
ルコールを濾過乾燥させ平均粒径１，１μｍの粒度を持
つガラス粉末を得た。

次にこれらのガラス粉末と平均粒径が２．１μｍの水晶
粉末および平均粒径が１．６μｍの石英ガラス粉末をそ
れぞれ第２表および第３表に示す配合比率で配合した。

第　　　１　　　表 第　　　２　　　表 第　　　３　　　表 配合はそれぞれの粉末を所定量秤量し、アルミナボール
で分散媒としてアルコールを用い３時間混合した後、ア
ルコールを濾過乾燥させ均質な混合粉末とした。得られ
た無機組成物の評価はペースト化し、絶縁層を形成して
行った。ペースト化のビヒクルは、エチルセルロース１
０％溶液とし、溶媒にα−テルピネオールを用いた。ビ
ヒクル３０％、混合粉末７０％を三本ロールミルを用い
て十分混線し粉末をビヒクルに均一に分散させペースト
化した。

得られた絶縁性セラミックペーストの評価には、５０Ｘ
５０Ｘ　ｏ、ａｍｍｔの９６％Ａ、ｌ！２０２基板にＡ
ｕをメッキ法でメタライズして下部電極とし、この上に
実施例および比較例で調整した絶縁性セラミックペース
トをスクリーンで塗布乾燥した俊、８５０〜９５０℃（
セラミックス比率〉９０％は１１００〜１２００℃）で
１０分間電気炉で焼結したものを用いた。焼結時の雰囲
気は空気中で、焼結サイクル（昇温、ピーク温度、降温
、炉外取り出し）は６０分であった。絶縁性セラミック
ペースト塗布乾燥、焼結を２度繰り返し膜厚４０μｍの
絶縁層を得た。得られた絶縁層の表面にＡＬＪペースト
を塗布乾燥し９３０℃で８分間焼成して上部電極とした
。

これをＩＭＨ２で誘電率、誘電損失を測定し絶縁抵抗は
１００Ｖ　Ｄ　Ｃで行った。

ピンホールの測定は、絶縁層中を流れる微弱なリーク電
流を測定するとピンホールが多い場合リーク電流が増加
し、逆にピンホールが少ない場合リーク電流が減少する
ことを利用して行った。

その方法は先ず、前記した実施例と同じ条件でＡ、９２
０３基板上に導体（ＡＵ＞をメタライズしその上に絶縁
層の膜厚４０μｍを形成し、メタライズの一部を電極と
する。これをＮａＣＪ２５％水溶液（電解液）に浸漬し
、もう片方の電極は銅板にし同水溶液に浸し直流電圧（
ＤＣ＞ＩＯＶを印加してリーク電流を測定した。

第４表にその結果を示す。第４表から明らかなように誘
電率は実施例１〜１０では４．５〜５．２、誘電損失０
．２３〜０．３３％、絶縁抵抗は３．５Ｘ１０１３〜３
．３Ｘ　１０１４Ωα、リーク電流はＯ〜７μＡであつ
た。また比較例１．２および７で絶縁層にふくれが発生
したり、比較例３〜６．８〜１１では焼結不十分なため
リーク電流が大きくなったり、絶縁抵抗が低下した。

（：ン 実施例１１〜１５、比較例１２〜１７ 第５表に示す組成のガラスを平均粒径１．２μｍの粉末
粒度に調整した。水晶は平均粒径２．１μｍ粒度の水晶
粉末を用いた。ガラス粉末と水晶との配合比率は第６表
のようにし、実施例１と同じ方法、同じ条件で混合、乾
燥、ペースト化し、絶縁層を形成して緒特性を測定した
。その結果を第７表に示した。

第　　　５　　　表 第　　　６　　　表 第７表から明らかなように実施例１１〜１５の誘電率は
４．５〜５．１３、誘電損失０．２３〜０．３２％、絶
縁抵抗１．ｌＸ１０１４〜４．２Ｘ１０１４Ω口、リー
ク電流Ｏ〜７μＡであった。また比較例１２〜１７では
絶は層にふくれが発生したり、焼結不十分なため絶は抵
抗が低下したり、リーク電流が大幅に増大した。

宛施例１６〜２０１比較例１８〜２３ 第８表に示す組成のガラスを平均粒径０．９８ｕｍの粉
末粒度に調整した。石英ガラスは平均粒子１．６μｍ粒
度の石英ガラス粉末を用いた。ガラス粉末と石英ガラス
粉末との配合比率は第９表のようにし、実施例１と同じ
方法、同じ条件で混合、乾燥、ペースト化し、絶縁層を
形成して緒特性を制定した。

その結果を第１０表に示した。

第　　　８　　　表 第　　　９　　　表 第１０表から明らかなように実施例１６〜２０の誘電率
は４．４９〜５．３１　、誘電損失０．２２〜０．３１
％、絶縁抵抗２．２ｘｌＯ１４〜４．２ｘ１０１’Ωｍ
１リーク電流Ｏ〜５μＡであった。また比較例でセラミ
ックス比率の小さいものは絶縁層にふくれが発生し、多
い場合は焼結不十分なため絶縁抵抗が低下したり、リー
ク電流が大幅に増大した。

比較例２４〜２１ ３　ｉ　Ｑ２６４．９％、Ｂ２Ｏ６．８％、ＰｂＯ１６
，６％、Ｎ　Ｂ２Ｏ２．３７％、Ｋ２０２．１７％、Ｍ
Ｃｌ００．４１％、ＣａＯ３，３７％、３ａＱ０．２１
％、ＺｒＯ２１，１７％の組成のガラスを平均粒径１．
２μｍの粉末粒度に調整した。セラミックス粉末は平均
粒径２．１μｍ粒度のアルミナ粉末を用いた。

ガラス粉末とアルミナ粉末との配合比率は重量％でガラ
ス粉末：アルミナ粉末＝　７０　：　３０　（比較例２
４）６０　：　４０　（比較例２５）　、５０：５０（
比較例２Ｂ）　、４０：６０（比較例２７）を実施例１
と同じ方法、同じ条件で混合、乾燥、ペースト化し、絶
縁層を形成して諸特性を測定した。

その結果、誘電率は７．８〜８．８、誘電損失は０、０
０２３〜０．００４＆　、絶縁抵抗は２．５Ｘ１０１３
〜３、６Ｘ　１０１４Ωｃｍ、リーク電流はＯ〜１０μ
Ａであった。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の低温焼結性低誘電率無機組
成物を用いた結果、従来のアルミナおよび硼硅酸鉛ガラ
ス・アルミナ系の絶縁性無機組成物に比べ、形成絶縁層
の誘電率は大幅に低下した。

またメッキ導体、たとえばＡｕ上の絶縁被膜層の発泡お
よびふくれの発生がなく、絶縁層の緻密性、絶縁性の優
れた低温焼結性低誘電率セラミックス多層回路基板の提
供が可能となり、コンピュータロジック回路の実装の高
密度化、高速化、信頼性の向上に寄与することができる
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％表示でＳｉＯ＿２５０〜７５％、Ｂ＿２Ｏ
   ＿３８〜２５％、ＭｇＯ０．２〜１０％、ＣａＯ３〜１
   ８％、ＢａＯ０．１〜１０％、Ｌｉ＿２Ｏ１〜３％、Ｎ
   ａ＿２Ｏ１〜５％、Ｋ＿２Ｏ１〜５％、およびＺｒＯ＿
   ２０．５〜１０％を合計量で１００％となるようにした
   組成を有し、かつこれらの酸化物のうちアルカリ土類金
   属酸化物の合計量が５〜１５重量％の範囲の組成を有す
   るガラス材料８０〜４０重量％と、水晶または石英ガラ
   ス２０〜６０重量％よりなることを特徴とする低温焼結
   性低誘電率無機組成物。