JP2000219571A - 高熱膨張ガラスセラミック焼結体およびその製造方法、配線基板ならびにその実装構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ＢａＯを含有するガラスを用いた低温焼成基板
の焼結性を改善したガラスセラミック焼結体と、かかる
ガラスセラミック焼結体を絶縁基板として、有機樹脂を
含有する外部回路基板に対して強固に且つ長期にわたり
安定した接続状態を維持できる配線基板とその実装構造
を提供する。 【解決手段】絶縁基板１の表面あるいは内部にメタライ
ズ配線層３が配設されたパッケージなどの配線基板にお
いて、絶縁基板１をＢａＯを５〜６０重量％含有するガ
ラスと、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐ
ｐｍ／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィラーとからな
る焼結体であって、前記金属酸化物粒子の粒度分布図に
おいて少なくとも０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２
つのピークが存在し、粗粒側のピークＤ₁ （μｍ）と微
粒側のピークＤ₂ （μｍ）との比率（Ｄ₁ ／Ｄ₂ ）が２
〜６であり、且つ４０℃〜４００℃における線熱膨張係
数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃のガラスセラミック焼結体
によって構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高熱膨張性を有す
るガラスセラミック焼結体およびその製造方法と、それ
を絶縁基板とする、半導体素子収納用パッケージなどに
使用される配線基板と、その実装構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来技術】従来、配線基板は、絶縁基板の表面あるい
は内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。
また、この配線基板を用いた代表的な例として、半導体
素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体素
子を収容する半導体素子収納用パッケージがある。

【０００３】この半導体素子収納用パッケージは、一般
にアルミナセラミックス等のセラミック絶縁基板の表面
に半導体素子を搭載し、また絶縁基板の表面、内部には
ＷやＭｏなどの金属から成るメタライズ配線層が形成さ
れ、絶縁基板の裏面にはこれらのメタライズ配線層と接
続された複数の接続パッドが形成されており、その接続
パッドには、外部回路基板と接続するための接続端子が
取り付けられている。そして、絶縁基板の表面に搭載さ
れた半導体素子は、メタライズ配線層とワイヤなどによ
って接続された後、蓋体によって気密に封止される。

【０００４】また、半導体素子収納用パッケージは、絶
縁基板下面の接続パッドに接続された接続端子と外部回
路基板の配線導体とを半田等により電気的に接続するこ
とによって外部回路基板に実装される。

【０００５】一般に、半導体素子の集積度が高まるほ
ど、半導体素子に形成される電極数も増大するが、これ
に伴いこれを収納する半導体収納用パッケージにおける
端子数も増大することになる。ところが、電極数が増大
するに伴いパッケージ自体の寸法を大きくするにも限界
があり、より小型化を要求される以上、パッケージにお
ける端子の密度を高くすることが必要となる。

【０００６】これまでのパッケージにおける端子の密度
を高めるための構造としては、ピングリッドアレイ（Ｐ
ＧＡ）、パッケージの４つの側面のすべてからガルウイ
ング状（Ｌ字状）の金属ピンが導出された構造のクワッ
ドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、さらに接続端子を半
田からなる球状端子により構成したボールグリッドアレ
イ（ＢＧＡ）等があり、これらの中でもＢＧＡが最も高
密度化が可能であると言われている。

【０００７】このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）は接
続端子を接続パッドに半田などのロウ材からなる球状端
子をロウ付けした端子により構成し、この球状端子を外
部電気回路基板の配線導体上に載置当接させ、しかる
後、前記端子を約２５０〜４００℃の温度で加熱溶融
し、球状端子を配線導体に接合させることによって外部
電気回路基板上に実装することが行われている。このよ
うな実装構造により、半導体素子収納用パッケージの内
部に収容されている半導体素子はその各電極がメタライ
ズ配線層及び接続端子を介して外部電気回路に電気的に
接続される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のセラミック絶縁
基板として使用されているアルミナ、ムライトなどのセ
ラミックスは、２００ＭＰａ以上の高強度を有し、しか
もメタライズ配線層などとの多層化技術として信頼性の
高いことで有用ではあるが、その熱膨張係数は約４〜７
ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パッケージが実装さ
れる外部電気回路基板として最も多用されているガラス
−エポキシ絶縁層にＣｕ配線層が形成されたプリント基
板の熱膨張係数は１１〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大き
い。

【０００９】そのため、半導体素子収納用パッケージの
内部に半導体素子を収容し、しかる後、プリント基板な
どの外部回路基板に実装した場合、半導体素子の作動時
に発する熱が絶縁基板と外部回路基板の両方に繰り返し
印加されると絶縁基板と外部回路基板との間の熱膨張差
に起因する熱応力が発生し、この熱応力が外部回路基板
との接続部に影響し、クラックや端子の剥離などが生
じ、パッケージを外部回路基板に長期にわたり安定に電
気的接続させることができないものであった。

【００１０】また、アルミナやムライトなどのセラミッ
クスは、焼成温度が１５００℃以上と高いために、同時
焼成してメタライズ配線層を形成する場合、タングステ
ンなどの高融点金属からなる抵抗の高い金属を用いる必
要があった。

【００１１】そこで、本発明者らは、先にＢａＯを５〜
６０重量％の割合で含有する低軟化点、高熱膨張のガラ
スを用いて、所定のフィラーとを混合し焼成した高熱膨
張性を有し、しかも１０００℃以下の低温でＣｕなどの
低抵抗金属と同時焼成可能なガラスセラミック焼結体を
絶縁基板とすることを提案した。

【００１２】しかしながら、上記ＢａＯを含有する低軟
化点のガラスでは、ガラスの軟化流動により焼結体表面
が内部より早く緻密化してしまい、内部まで十分に緻密
な焼結体を得ることが難しく、絶縁基板の強度が低下す
るという問題があった。

【００１３】従って本発明は、ＢａＯを含有するガラス
を用いた低温焼成基板の焼結性を改善したガラスセラミ
ック焼結体とその製造方法と、かかるガラスセラミック
焼結体を絶縁基板として、有機樹脂を含有する外部回路
基板に対して強固に且つ長期にわたり安定した接続状態
を維持できる配線基板とその実装構造を提供することを
目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点に対して検討を重ねた結果、ＢａＯを５〜６０重量％
含有するガラスと、４０℃〜４００℃における線熱膨張
係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィラ
ーとからなる焼結体を作製するにあたり、前記金属酸化
物として、粗粉末と微粉末との混合物によって構成し、
前記粗粉末と微粉末の平均粒径比を特定の範囲に制御す
ることにより、焼結性を高め、相対密度の高い焼結体を
得ることができることを見いだした。

【００１５】即ち、本発明の高熱膨張ガラスセラミック
焼結体は、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、
４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃
以上の金属酸化物粒子を含むフィラーとからなる４０℃
〜４００℃における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ
／℃の焼結体であって、前記金属酸化物粒子の粒度分布
図において０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２つのピ
ークＤ₁ が存在し、粗粒側ピーク位置をＤ₁ （μｍ）、
微粒側のピーク位置をＤ₂ （μｍ）とした時、比率（Ｄ
₁ ／Ｄ₂ ）が２〜６とすると、焼結体表面が内部より早
く緻密化するのを防止し、緻密な焼結体を安定して得る
ことができ、しかも焼結可能温度範囲を大幅に広くする
ことができ、相対密度が９０％以上の寸法安定性に優れ
た緻密な焼結体を再現よく製造することができる。

【００１６】また、本発明の高熱膨張ガラスセラミック
焼結体の製造方法は、ＢａＯを５〜６０重量％含有する
ガラス成分と、平均粒径ｄ₁ が３〜６μｍの粗粉末と、
平均粒径ｄ₂ が０．５〜２μｍの微粉末との混合粉末か
らなり、前記粗粉末の平均粒径ｄ₁ と前記微粉末の平均
粒径ｄ₂ のｄ₁ ／ｄ₂ で表される平均粒径比が２〜６で
ある４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ
／℃以上の金属酸化物粉末を含有するフィラー成分とを
混合した後、成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成
することを特徴とするものであり、特に、前記粗粉末と
前記微粉末とは、重量比で９５：５〜５０：５０の範囲
にあることが望ましい。

【００１７】また、本発明によれば、絶縁基板の表面あ
るいは内部に、メタライズ配線層が配設された配線基板
において、前記絶縁基板を上記の高熱膨張ガラスセラミ
ック焼結体によって構成することにより、Ｃｕなどのメ
タライズ配線層を絶縁基板との同時焼成によって形成す
ることができ、また、かかる配線基板は、その表面にお
いて半導体素子を気密に封止し、且つ該絶縁基板の裏面
に前記半導体素子と電気的接続された接続端子を設ける
ことにより、パッケージとして機能し得る。

【００１８】また、上記の配線基板を少なくとも有機樹
脂を含む絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部
回路基板上に載置し、該配線基板の接続端子を前記配線
導体にロウ付け接合し実装してすることにより、外部回
路基板との熱膨張特性が近似し、長期信頼性にわたり安
定した実装状態を維持することができる。特に、上記の
接続端子としては、ボール状端子からなることが望まし
い。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のガラスセラミッ
ク焼結体の応用例として、配線基板、とりわけ、ＢＧＡ
型の半導体素子収納用パッケージとその実装構造の一実
施例を示す概略断面図である。このパッケージは、絶縁
基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設され
た、いわゆる配線基板を基礎的構造とするものであり、
Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部回路基板を
それそれ示す。

【００２０】半導体素子収納用パッケージＡは、絶縁基
板１と蓋体２とメタライズ配線層３と接続端子４により
構成され、絶縁基板１及び蓋体２は半導体素子５を内部
に気密に収容するためのキャビティ６を形成する。そし
て、キャビティ６内にて半導体素子５は、ガラス、樹脂
等の接着材を介して絶縁基板１に接着固定される。

【００２１】また、絶縁基板１の表面および内部には、
メタライズ配線層３が配設されており、半導体素子５と
絶縁基板１の下面に形成された接続端子４と電気的に接
続するように配設されている。図１のパッケージによれ
ば、接続端子４は、接続パッド４ａを介して高融点の半
田（錫−鉛合金）から成る球状端子４ｂがロウ材により
取着されている。

【００２２】一方、外部回路基板Ｂは、絶縁体７と配線
導体８により構成されており、絶縁体７は、少なくとも
有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス
−エポキシ系複合材料などのように４０〜４００℃の線
熱膨張係数が１２〜１６ｐｐｍ／℃の特性を有し、一般
にはプリント基板等が用いられる。また、この基板Ｂの
表面に形成される配線導体８は、絶縁体７との熱膨張係
数の整合性と、良電気伝導性の点で、通常、Ｃｕ、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体から
なる。

【００２３】半導体素子収納用パッケージＡを外部回路
基板Ｂに実装するには、パッケージＡの絶縁基板１下面
の球状端子４ｂを外部回路基板Ｂの配線導体８上に載置
当接させ、しかる後、低融点の半田等のロウ材により約
２５０〜４００℃の温度で半田を溶融させて配線導体と
球状端子４ｂとの接合することにより、実装される。こ
の時、配線導体８の表面には球状端子４とのロウ材によ
る接続を容易に行うために予めロウ材が被着形成されて
いることが望ましい。

【００２４】本発明によれば、このような外部回路基板
Ｂの表面に実装される半導体素子収納用パッケージなど
の配線基板における絶縁基板１として、４０〜４００℃
の温度範囲における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ
／℃、特に８．５〜１４ｐｐｍ／℃の焼結体を用いるこ
とが重要である。これは、前述した外部回路基板Ｂとの
熱膨張差により熱応力の発生を緩和し、外部回路基板Ｂ
とパッケージＡとの電気的接続状態を長期にわたり良好
な状態に維持するために重要であり、この線熱膨張係数
が８．５ｐｐｍ／℃より小さいか、あるいは１８ｐｐｍ
／℃より大きいと、いずれも熱膨張差に起因する熱応力
が大きくなり、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気
的接続状態が悪化することを防止することができない。

【００２５】本発明の絶縁基板を形成するガラスセラミ
ック焼結体は、ガラス成分とフィラー成分との混合物を
成形、焼成して作製されたものである。そこで以下に本
発明のガラスセラミック焼結体の製造方法について説明
する。

【００２６】まず、本発明によれば、ガラス成分とし
て、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスを用いるこ
とが重要である。このＢａＯ含有ガラスは低軟化点であ
り、比較的高い熱膨張係数を有しているために、ガラス
量を少なく、且つ高熱膨張のフィラーを多く添加するこ
とが可能であり、高い熱膨張係数を有する焼結体が容易
に得られる。ＢａＯ量を上記の範囲に限定したのは、５
重量％よりも少ないと、ガラスの低軟化点化が困難とな
るとともに、熱膨張係数が低くなり、高熱膨張の焼結体
を得ることが難しくなり、６０重量％よりも多いとガラ
ス化が困難であり、特性が不安定となりやすく、また、
耐薬品性が著しく低下するからである。特に、ＢａＯ量
は２０〜４０重量％が望ましい。

【００２７】また、このガラス中にはＰｂを実質的に含
まないことが望ましい。これは、Ｐｂが毒性を有するた
め、製造工程中での被毒を防止するための格別な装置お
よび管理を必要とするために焼結体を安価に製造するこ
とができないためである。Ｐｂが不純物として不可避的
に混入する場合を考慮すると、Ｐｂ量は０．０５重量％
以下であることが望ましい。

【００２８】また、ガラスの４０℃〜４００℃における
熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、特に７〜１３ｐｐｍ
／℃であることが望ましい。これは、熱膨張係数が上記
範囲を逸脱するとフィラーとの熱膨張差が生じ、焼結体
の強度の低下の原因になるためである。

【００２９】さらに、上記ＢａＯ含有ガラスの屈伏点は
４００℃〜８００℃、特に４００〜７００℃であること
が望ましい。これは、ガラスおよびフィラーからなる混
合物を成形する場合、有機樹脂等の成形用バインダーを
添加するが、このバインダーを効率的に除去するととも
に、絶縁基体と同時に焼成されるメタライズとの焼成条
件のマッチングを図るために必要であり、屈伏点が４０
０℃より低いとガラスが低い温度で焼結が開始されるた
めに、例えばＡｇ、Ｃｕ等の焼結開始温度が６００〜８
００℃のメタライズとの同時焼成ができず、また成形体
の緻密化が低温で開始するためにバインダーは分解揮散
できなくなりバインダー成分が残留し特性に影響を及ぼ
す結果になるためである。一方、屈伏点が８００℃より
高いとガラス量を多くしないと焼結しにくくなるため、
高価なガラスを大量に必要とするために焼結体のコスト
を高めることになる。

【００３０】上記の特性を満足するガラスとしては、上
記ＢａＯ以外に、少なくともＳｉＯ₂ を２５〜６０重量
％の割合で含み、残部がＢ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｃａ
Ｏ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ₂ 、ＺｎＯの群から選ばれ
る少なくとも１種によって構成される。

【００３１】一方、上記ガラスと組み合わせるフィラー
成分としては、４０℃〜４００℃における熱膨張係数が
６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を少なくとも含有するこ
とが焼結体の高熱膨張化を図る上で重要である。熱膨張
係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含有しないと、
焼結体の熱膨張係数を８．５ｐｐｍ／℃以上に高めるこ
とができないためである。

【００３２】このような熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上
の金属酸化物としては、クリストバライト（Ｓｉ
Ｏ₂ ）、クォーツ（ＳｉＯ₂ ）、トリジマイト（ＳｉＯ
₂ ）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ）、スピ
ネル（ＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、ウォラストナイト（Ｃａ
Ｏ・ＳｉＯ₂ ）、モンティセラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ
・ＳｉＯ₂ ）、ネフェリン（Ｎａ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・Ｓ
ｉＯ₂ ）、ジオプサイド（ＣａＯ・ＭｇＯ・２Ｓｉ
Ｏ₂ ）、メルビナイト（３ＣａＯ・ＭｇＯ・２Ｓｉ
Ｏ₂ ）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２Ｓｉ
Ｏ₂ ）、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）、カーネギアイト（Ｎａ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２
ＳｉＯ₂ ）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ）、ホ
ウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ₂Ｏ₃ ）、セルシアン
（ＢａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ ）、Ｂ₂ Ｏ₃ ・２Ｍ
ｇＯ・２ＳｉＯ₂ 、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）
の群から選ばれる少なくとも１種以上が挙げられる。こ
れらの中でも、クリストバライト、クオーツ、トリジマ
イトなどのＳｉＯ₂ 系材料や、フォルステライト、エン
スタタイトの群から選ばれる少なくとも１種が高熱膨張
化を図る上で望ましい。

【００３３】また、上記金属酸化物からなるフィラー粉
末を、平均粒径ｄ₁ が３〜６μｍの粗粉末と、平均粒径
ｄ₂ が０．５〜２μｍの微粉末との混合粉末からなり、
前記粗粉末の平均粒径ｄ₁ と前記微粉末の平均粒径ｄ₂
のｄ₁ ／ｄ₂ で表される平均粒径比が２〜６となるよう
に調整する。

【００３４】これは、ｄ₁ ／ｄ₂ 比が２より小さい場
合、低軟化点のガラスを用いているため脱バインダーが
終了する前に焼結体表面がガラスで覆われてしまい、緻
密な焼結体を得ることができなくなり、上記比率が６よ
り大きい場合、テープ化工程においてフィラー中の微粒
の影響でスラリー特性が劣化し、テープの良品歩留まり
が低下するためである。なお、上記比率は、３種類以上
の粉末を混合する場合には、最も粗粒側の粉末の平均粒
径をｄ₁ 、最も微粒側の粉末の平均粒径をｄ₂ として計
算する。

【００３５】また、粗粉末の平均粒径ｄ₁ が３μｍより
も小さいと、焼結性が改善されず、緻密な焼結体を得る
ことができず、６μｍよりも大きいと、緻密な焼結体を
得るのが難しく、また、微粉末の平均粒径ｄ₂ が０．５
μｍより小さいと、スラリー特性が劣化し、テープの良
品歩留りが低下し、２μｍよりも大きいと焼結性が改善
されず、緻密な焼結体を得ることが難しくなる。

【００３６】また、平均粒径ｄ₁ の粗粉末と、平均粒径
ｄ₂ の微粉末とは、重量比で９５：５〜５０：５０の範
囲で混合されることが望ましい。これは、微粉末の重量
比が５より小さい場合、緻密な焼結体を得ることができ
にくく、緻密な焼結体を得ることができたとしても焼成
可能温度範囲の温度幅が１０℃と狭く、製品の寸法安定
性やメタライズと同時焼成する場合の焼結体とメタライ
ズとの焼結挙動の整合の観点から不利となる。また、フ
ィラー中の微粉末の重量比が５０より大きい場合、テー
プ化工程においてフィラー中の微粒の影響でスラリー特
性が劣化しテープの良品歩留まりが低下しやすいためで
ある。

【００３７】本発明によれば、上記のガラス粉末とフィ
ラー粉末とを、焼成温度や最終的に得られる焼結体の熱
膨張特性などの目的に応じて適当な比率で混合する。本
発明において用いられる上記ＢａＯ含有ガラスは、フィ
ラー無添加では収縮開始温度は７００℃以下で、８５０
℃以上では溶融してしまい、メタライズ配線層等を配設
することができない。しかし、フィラーを混合すること
により焼成過程において結晶の析出が起こり、フィラー
成分を液相焼結させるための液相を適切な温度で形成さ
せることができる。また、成形体全体の収縮開始温度を
上昇させることができるため、このフィラーの含有量の
調整により用いるメタライズの種類によりメタライズ配
線層との同時焼成条件のマッチングを図ることができ
る。

【００３８】好適には、上記ガラス粉末を２０〜８０体
積％と、フィラー粉末を８０〜２０体積％の割合で混合
した混合物を成形した成形体を焼成してなる焼結体によ
り構成する。このガラスとフィラー成分の量を上記の範
囲に限定したのは、ガラス成分量が２０体積％より少な
い、言い換えればフィラー成分が８０体積％より多いと
液相焼結することが難しく、焼成温度が高くなり、メタ
ライズ配線層との同時焼成時にメタライズ配線層が溶融
してしまう恐れがある。また、ガラスが８０体積％より
多い、言い換えるとフィラー成分が２０体積％より少な
いと焼結体の特性がガラスの特性に大きく依存してしま
い、材料特性の制御が困難となるとともに、焼結開始温
度が低くなるためにメタライズ配線層との同時焼成が難
しくなるという問題が生じる。また、ガラス量が多いた
めに原料のコストも高くなる傾向にある。

【００３９】また、フィラー成分量は、ＢａＯガラスの
屈伏点に応じ、その量を適宜調整することが望ましい。
即ち、ガラスの屈伏点が４００℃〜７００℃と低い場
合、低温での焼結性が高まるためフィラーの含有量は４
０〜８０体積％と比較的多く配合できる。これに対し
て、ガラスの屈伏点が７００℃〜８００℃と高い場合、
焼結性が低下するためフィラーの含有量は２０〜５０体
積％と比較的少なく配合することが望ましい。

【００４０】また、本発明によれば、フィラー成分また
はガラス成分の一部として、Ｚｒ化合物をＺｒＯ₂ 換算
で０．１〜３０重量％の割合で含有させることにより、
このＺｒがＢａＯ含有ガラス中に溶融し、ガラスの耐酸
化性を高めることができる結果、焼結体の耐薬品性を向
上させることができる。その結果、酸性溶液あるいはア
ルカリ性溶液での処理後の焼結体の外観の変化やメタラ
イズ強度の劣化が抑制される。

【００４１】Ｚｒ化合物の配合方法としては、例えば、
Ｚｒ化合物粉末としてフィラー成分中の一成分として混
合する。この場合、添加時のＺｒ化合物、特にＺｒＯ₂
のＢＥＴ比表面積によって、焼結体の耐薬品性が変化す
る傾向にあり、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ² ／ｇ以上であ
ることが望ましく、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ² ／ｇより
も小さいと、耐薬品性の改善効果が小さくなる傾向にあ
る。また、他の配合形態としては、ガラス粉末として、
ＢａＯ、ＳｉＯ₂ 以外の成分としてＺｒ化合物を含有す
るガラスを用いてもよい。

【００４２】その他に、着色成分として、酸化クロム、
酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ニッケルの群から選
ばれる少なくとも１種を配合してもよい。

【００４３】上記のように調合されたガラス粉末とフィ
ラー粉末との混合物に、適当な成形の有機樹脂バインダ
ーを添加した後、所望の成形手段、例えば、ドクターブ
レード、圧延法、金型プレス等によりシート状に任意の
形状に成形後、焼成する。

【００４４】なお、配線基板を作製する場合には、シー
ト状成形体に対して、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの
うちの１種以上からなる金属粉末に有機バインダー、可
塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを前記グリ
ーンシートに周知のスクリーン印刷法により所定パター
ンに印刷塗布する。また、場合によっては、前記グリー
ンシートに適当な打ち抜き加工してスルーホールを形成
し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。
そしてこれらのグリーンシートを複数枚積層圧着した
後、以下の方法で焼成する。

【００４５】焼成にあたっては、まず、成形のために配
合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去
は、７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、配線導
体としてＣｕを用いる場合には、１００〜７００℃の水
蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。この時、成形
体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが
望ましく、かかる収縮開始温度がこれより低いとバイン
ダーの除去が困難となるため、成形体中のガラスの特
性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要と
なる。

【００４６】焼成は、８５０℃〜１１００℃の酸化性雰
囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻
密化される。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻
密化することができず、１１００℃を越えるとメタライ
ズ配線層との同時焼成でメタライズ層が溶融してしま
う。但し、配線導体としてＣｕを用いる場合には、８５
０〜１０５０℃の非酸化性雰囲気中で行われる。

【００４７】このようにして作製されたガラスセラミッ
ク焼結体中には、ＢａＯ含有ガラス相と、フィラー相、
あるいは、ガラスとフィラーとの反応により生成した結
晶相やフィラー成分が分解して生成した結晶相等が存在
する場合もある。析出する結晶相としては、焼結体全体
の熱膨張係数を高める上で、少なくとも４０〜４００℃
における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶
相が析出することが望ましい。４０〜４００℃における
熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相として
は、前述したような４０〜４００℃における熱膨張係数
が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相が挙げられる。

【００４８】また、本発明によれば、前述したようにフ
ィラー粉末を粗粉末と微粉末との混合粉末によって構成
したことにより、フィラー相を構成する金属酸化物の粒
子は、焼結体の断面による金属酸化物粒子の長径による
粒度分布図から、０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２
つのピークが存在し、粗粒側ピーク位置をＤ₁ （μ
ｍ）、微粒側のピーク位置をＤ₂ （μｍ）とした時、比
率（Ｄ₁ ／Ｄ₂ ）が２〜６となる相対密度９０％以上の
高密度の焼結体となる。なお、上記比率は、上記範囲に
ピークが３つ以上存在する場合には、最も粗粒側のピー
ク位置をＤ₁ 、最も微粒側のピーク位置をＤ₂ として計
算する。

【００４９】このように、金属酸化物のフィラーを上記
のような所定の粒度分布によって構成することにより、
焼結体表面が内部より早く緻密化するのを防止し、緻密
な焼結体を安定して得ることができ、しかも焼結可能温
度範囲を大幅に広くすることができ、寸法安定性に優れ
た緻密な焼結体を再現よく製造することができる。

【００５０】また、本発明のガラスセラミック焼結体
は、上記のように、ＢａＯ含有ガラスと、高熱膨張を有
する金属酸化物からなるフィラーによって、４０℃〜４
００℃における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃
の高熱膨張特性を有することから、かかる焼結体をパッ
ケージなどの配線基板の絶縁基板として用いた場合、有
機樹脂を含有する絶縁材料を有するプリント基板などの
外部回路基板に対して、配線基板を接続端子を介して実
装した場合においても、熱膨張特性を近似させることが
できることから長期信頼性にわたり安定した実装状態を
維持することができる。

【００５１】

【実施例】ＢａＯ含有ガラスとして表１に示すガラス粉
末を準備した。なお、表中の熱膨張係数は４０〜４００
℃における熱膨張係数を示す。

【００５２】

【表１】

【００５３】このガラスに対して表２に示すようにフィ
ラー成分として、表１に示すようにフィラー成分とし
て、平均粒径が１〜７μｍの種々のクォーツ（Ｓｉ
Ｏ₂ 、線熱膨張係数１５ｐｐｍ／℃）粉末を表１の比率
で添加するとともに、比表面積が１８０ｃｍ² ／ｇのＺ
ｒＯ₂ 粉末を５重量％の割合で配合した。

【００５４】この混合物を粉砕後、有機バインダー、有
機溶剤を添加して十分に混合した後、ドクターブレード
法によりテープ化し、積層した後、所望の形状の成形体
を作製し、この成形体を７００℃のＮ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ中で脱
バインダ処理した後、窒素雰囲気中で表１の温度で焼成
してガラスセラミック焼結体を作製した。

【００５５】得られた焼結体に対して、アルキメデス法
に基づいて相対密度を算出した。なお、各組成系におけ
る焼結可能温度範囲は相対密度が９０％以上となる範囲
を示したものである。

【００５６】次に、上記のようにして得られた焼結体に
対して４０〜４００℃の熱膨張係数を測定し表２、３に
示した。また、表面積が５ｃｍ² の焼結体を切り出し、
それを１０ｇのＮＨ₄ Ｆ・ＨＦを１リットルの水に溶解
させた常温のフッ酸溶液に９０秒浸漬した後の焼結体の
表面のＳＥＭ観察を行った。

【００５７】また、得られた焼結体の断面をＳＥＭ（走
査型電子顕微鏡）観察を行い、ＳｉＯ₂ 粒子の粒度分布
を画像解析し、Ｄ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₁ ／Ｄ₂ を求めた。

【００５８】（実装試験）実装信頼性試験の評価サンプ
ルについて以下に説明する。各試料の混合粉末のスラリ
ーを用いてドクターブレード法によってテープを作製
し、テープの表面にＣｕメタライズペーストをスクリー
ン印刷法によりメタライズ配線層を塗布した。また、グ
リーンシートの所定箇所にスルーホールを形成しスルー
ホール内が最終的に基板の下面に露出するように形成
し、そのスルーホール内にもＣｕメタライズペーストを
充填した。そして、メタライズペーストが塗布されたグ
リーンシートをスルーホールの位置合わせを行いながら
６枚積層し圧着した。

【００５９】この積層体を７００℃でＮ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ中で
脱バインダ後、各焼成温度で窒素雰囲気中でメタライズ
配線層と絶縁基板とを同時に焼成しパッケージ用の配線
基板を作製した。次に、配線基板の下面にスルーホール
に接続する箇所に凹部を形成しＣｕメタライズからなる
接続パッドを作製した。そして、その接続パッドに図１
に示すように半田（錫３０〜１０％−鉛７０〜９０％）
からなる接続端子を取着した。なお、接続端子は、１ｃ
ｍ² 当たり３０端子の密度で配線基板の下面全体に形成
した。

【００６０】一方、ガラス−エポキシ基板からなる４０
〜８００℃における線熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶
縁体の表面に銅箔からなる配線導体が形成されたプリン
ト基板を準備した。そして、上記のパッケージ用配線基
板をプリント基板の上の配線導体とパッケージ用絶縁基
板の接続端子が接続されるように位置合わせし、これを
Ｎ₂ の雰囲気中で２６０℃で３分間熱処理しパッケージ
用配線基板をプリント基板表面に実装した。この熱処理
によりパッケージ用配線基板の半田からなる接続端子が
溶けてプリント基板の配線導と電気的に接続されたこと
を確認した。次に、上記のようにしてパッケージ用配線
基板をプリント基板面に実装したものを大気の雰囲気に
て−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に試験
サンプルを１５分／１５分の保持を１サイクルとして最
高１０００サイクル繰り返した。そして、１００サイク
ル毎にプリント基板の配線導体とパッケージ用配線基板
との電気抵抗を測定し電気抵抗に変化が現れるまでのサ
イクル数を測定した。

【００６１】

【表２】

【００６２】

【表３】

【００６３】表２、３より明らかなように、平均粒径の
異なる２種類以上のＳｉＯ₂ を用いていない試料Ｎo.１
では、緻密な焼結体を得ることができなかった。また、
試料Ｎo.２、３では緻密な焼結体を得ることができた
が、焼成可能温度範囲が１０℃の幅しかなく、製品の寸
法安定性やメタライズと同時焼成する場合の焼結体とメ
タライズとの焼結挙動の整合の観点から不利となる。

【００６４】これらに対して、平均粒径の異なる２種類
以上のＳｉＯ₂ 粉末を用いた試料Ｎo.４〜１４、１６、
１７、１９〜２２では十分緻密な焼結体を得ることがで
きるとともに、焼成可能温度範囲も２０〜４０℃あり、
製品の寸法安定性やメタライズと同時焼成する場合の焼
結体とメタライズとの焼結挙動の整合の観点で非常に有
利である。

【００６５】しかし、ｄ₁ ／ｄ₂ 比、Ｄ₁ ／Ｄ₂ 比が２
〜６を逸脱する試料Ｎo.１５、１６では、いずれも相対
密度９０％以上の焼結体を得ることができなかった。

【００６６】さらに、ガラスとしてＢａＯ量が５重量％
よりも少ないガラスを用いた試料Ｎo.２３では、軟化
点（屈伏点）が高くなり、ガラスを多量に添加しないと
焼結できず、得られた焼結体の熱膨張特性も６ｐｐｍ／
℃と低いものであった。

【００６７】なお、上記ＺｒＯ₂ を添加した表２、表３
の試料は、試験後においても全く表面に変化がなく、い
ずれも耐薬品性に優れたものであった。また、ＺｒＯ₂
を添加しない場合について試験を行った結果、試験後の
表面からガラス相が欠除しており耐薬品性に劣ることが
わかった。

【００６８】また、熱サイクル試験においては、熱膨張
係数が８．５ｐｐｍ／℃以上の試料は、いずれも２００
０回の熱サイクル後も全く変化なく優れた実装構造を示
したが、熱膨張係数が８．５ｐｐｍ／℃よりも低い試料
Ｎo.２３では、２００サイクルで抵抗の変化が生じ、実
装信頼性に劣るものであった。

【００６９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ＢａＯ含有ガラスに対して添加する金属酸化物フィラー
を粗粒と微粒によって構成することにより、緻密な焼結
体を得ることができるとともに、緻密な焼結体を得るこ
とのできる焼成可能温度範囲を大幅に広くすることがで
きる。しかも、熱膨張係数がプリント基板に近いため
に、半導体素子収納用パッケージなどの絶縁基板に適用
し、線熱膨張係数が大きいプリント基板などの外部電気
回路基板に実装した場合に、両者の線熱膨張係数の差に
起因する応力発生を抑制し、パッケージと外部電気回路
とを長期間にわたり正確、かつ強固に電気的接続させる
ことが可能となる。しかも、半導体回路素子の大型化に
よる多ピン化に十分対応できる信頼性の高い配線基板の
実装構造を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの実装構
造を説明するための概略断面図である。

【符号の説明】

Ａ 半導体素子収納用パッケージ Ｂ 外部回路基板 １ 絶縁基板 ２ 蓋体 ３ メタライズ配線層 ４ 接続端子 ５ 半導体素子 ６ キャビティ ７ 絶縁体 ８ 配線導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古久保 洋二 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株 式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 4G030 AA03 AA08 AA10 AA17 AA32 AA35 AA36 AA37 BA12 GA20 GA22 PA22

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラス
   と、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ
   ／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィラーとからなる焼
   結体であって、前記金属酸化物粒子の粒度分布図におい
   て０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２つのピークが存
   在し、粗粒側ピーク位置をＤ₁ （μｍ）、微粒側のピー
   ク位置をＤ₂ （μｍ）とした時、比率（Ｄ₁ ／Ｄ₂ ）が
   ２〜６であり、且つ４０℃〜４００℃における線熱膨張
   係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃であることを特徴とする
   高熱膨張ガラスセラミック焼結体。
2. 【請求項２】ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラス成
   分と、平均粒径ｄ₁ が３〜６μｍの粗粉末と、平均粒径
   ｄ₂ が０．５〜２μｍの微粉末との混合粉末からなり、
   前記粗粉末の平均粒径ｄ₁ と前記微粉末の平均粒径ｄ₂
   のｄ₁ ／ｄ₂ で表される平均粒径比が２〜６である４０
   ℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上
   の金属酸化物粉末を含有するフィラー成分とを混合した
   後、成形後、８００〜１１００℃の温度で焼成すること
   を特徴とする高熱膨張ガラスセラミック焼結体の製造方
   法。
3. 【請求項３】前記粗粉末と、前記微粉末との重量比が９
   ５：５〜５０：５０の範囲にあることを特徴とする請求
   項２記載の高熱膨張ガラスセラミック焼結体の製造方
   法。
4. 【請求項４】絶縁基板の表面あるいは内部に、メタライ
   ズ配線層が配設された配線基板において、前記絶縁基板
   が、請求項１記載の高熱膨張ガラスセラミック焼結体か
   らなることを特徴とする配線基板。
5. 【請求項５】前記絶縁基板の表面において、半導体素子
   が気密に封止され、且つ該絶縁基板の裏面に、前記半導
   体素子と電気的接続された接続端子を具備することを特
   徴とする請求項４記載の配線基板。
6. 【請求項６】請求項１記載の高熱膨張ガラスセラミック
   焼結体からなる絶縁基板の表面あるいは内部にメタライ
   ズ配線層が配設され、前記絶縁基板の表面において半導
   体素子が気密に封止され、且つ前記絶縁基板の裏面に、
   前記半導体素子と電気的接続された接続端子を具備する
   配線基板を少なくとも有機樹脂を含む絶縁体の表面に配
   線導体が被着形成された外部回路基板上に載置し、該配
   線基板の接続端子を前記配線導体にロウ付け接合し実装
   してなることを特徴とする配線基板の実装構造。
7. 【請求項７】前記接続端子が、ボール状端子からなるこ
   とを特徴とする請求項６記載の配線基板の実装構造。