JP2004256345A

JP2004256345A - 低温焼成磁器組成物および低温焼成磁器並びに配線基板

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Publication number: JP2004256345A
Application number: JP2003048235A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Nakao; 吉宏中尾; Yoshitake Terashi; 吉健寺師; Hiromi Yamada; 裕美山田; Tsutae Iryo; 伝井料
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: JP4540297B2

Abstract

【課題】低誘電率化とともに、特に、機械的強度の高い低温焼成磁器とそれを用いた配線基板を提供する。
【解決手段】ＳｉＯ_２を３０〜４５モル％とＢ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＡｌ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＭｇＯを３０〜４５モル％とを総量で９９％以上含むガラス成分を１５〜７０体積％と、アルミナを１５〜５５体積％の割合で含有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温焼成磁器組成物および低温焼成磁器並びに配線基板に関し、特に、低誘電率かつ高強度を有する低温焼成磁器と、それを絶縁層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に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、光通信や高速インターフェースといったＧＨｚレベル以上の高周波信号を処理する電子機器として携帯電話やＰＤＡなどモバイル機器が急速に発達している。このような電子機器等に使用される配線基板としては、誘電損失による伝送信号の減衰を抑制するために、より低い比誘電率を有することとともに、携帯時の不意な落下や衝撃にも耐え得る充分な機械的強度を有する絶縁基板が求められている。
【０００３】
そして、従来より用いられてきたアルミナ質セラミックスからなる絶縁基板にかわり、アルミナよりも低誘電率化が可能なガラス成分とフィラー成分とを混合して形成された低温焼成磁器が開発されているが、例えば、下記に示す特許文献１によれば、ＳｉＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３およびアルカリ土類金属酸化物等を含有するガラス粉末とアルミナ粉末とを混合したものを焼成し、結晶相としてストロンチウム長石を析出させることにより、絶縁基板の低誘電率化および高強度化が図られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−５８４５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された低温焼成磁器は、比誘電率は最低で５まで低くなっているものの、機械的強度が未だ低いという問題があった。他方、磁器を高強度化する試みも行われているが、この場合には依然として比誘電率が高いものであった。
【０００６】
従って、本発明は、低誘電率化とともに、特に、機械的強度の高い低温焼成磁器とそれを用いた配線基板を提供することを目的とすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に対して検討を重ねた結果、ＳｉＯ_２を３０〜４５モル％とＢ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＡｌ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＭｇＯを３０〜４５モル％とからなるガラス成分とアルミナとを含む組成物を焼成することによって、得られる低温焼成磁器の抗折強度を高めつつ、高周波領域における比誘電率を７．５よりも低くすることができることを見出し、本発明に至った。
【０００８】
即ち、本発明の低温焼成磁器組成物は、ＳｉＯ_２を３０〜４５モル％とＢ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＡｌ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＭｇＯを３０〜４５モル％とを総量で９９モル％以上含むガラス成分を１５〜７０体積％と、アルミナを１５〜５５体積％の割合で含有することを特徴とする。
【０００９】
そして、本発明の低温焼成磁器は上記の低温焼成磁器組成物を８５０〜１０５０℃で焼成してなることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、低温焼成磁器の比誘電率を７．５よりも低くでき、また、このような低温焼成磁器を用いることにより携帯時の不意な落下や衝撃にも耐え得る充分な機械的強度を有する絶縁基板を得ることができる。
【００１１】
上記低温焼成磁器では、磁器中に結晶相として、少なくともコーディライト及びサフィリンを含有してなることが望ましい。
【００１２】
低温焼成磁器中に、結晶相として少なくともコーディライト及びサフィリンを含有させることにより、１ＧＨｚにおける比誘電率を低くでき、さらには磁器の機械的強度（抗折強度）をも高めることができる。
【００１３】
上記低温焼成磁器では、前記低温焼成磁器のＸ線回折測定における前記コーディライトの（２２２）回折ピーク強度をＣ、前記サフィリンの（−２５２）回折ピーク強度をＳとしたとき、Ｓ／Ｃで表されるピーク比が０．１以上であることが望ましい。
【００１４】
低温焼成磁器中に形成されるコーディライトとサフィリンの関係において、サフィリンの生成比率を多くすることにより、磁器を低誘電率化できかつ機械的強度をさらに高めることができる。
【００１５】
本発明の配線基板は、セラミック絶縁層が多層に積層された絶縁基板の表面及び／または内部にメタライズ配線層が配設されている配線基板において、前記セラミックス絶縁層のうち少なくとも１層が上記の低温焼成磁器からなることを特徴とする。本発明の低誘電率かつ高強度の低温焼成磁器を用いて配線基板を形成することにより伝送特性が高くかつ実装や製品の落下衝撃耐性に優れた配線基板を形成できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の低温焼成磁器は、基本成分としてガラス成分とフィラー成分とから構成されるものである。
【００１７】
ガラス成分は、そのガラス成分中にＳｉＯ_２を３０〜４５モル％とＢ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＡｌ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＭｇＯを３０〜４５モル％とを総量で９９モル％以上含有することを特徴とするものである。
【００１８】
また、ガラス成分自体の比誘電率を低くするという点で、ＳｉＯ_２は３５〜４０モル％、Ｂ_２Ｏ_３は１３〜１８モル％、Ａｌ_２Ｏ_３は７〜１２モル％、ＭｇＯは３３〜４０モル％であることが望ましい。
【００１９】
さらに、本発明の低温焼成磁器を構成するガラス成分中には、磁器の比誘電率や機械的強度を劣化させなければ上記のＳｉＯ_２Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ以外に、不可避不純物を含有してもよい。
【００２０】
なお、ガラス成分中に含まれるＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯの割合を上記範囲に限定したのは、ＳｉＯ_２が４５モル％より多いか、Ｂ_２Ｏ_３が２０モル％より多いか、Ａｌ_２Ｏ_３が１モル％より少ないか、ＭｇＯが３０モル％より少ないと、ガラスのヤング率乃至は強度が低くなる傾向にあり、磁器の高強度化が困難となるためであり、また、ＳｉＯ_２が３０モル％より少ないか、Ｂ_２Ｏ_３が１モル％より少ないか、Ａｌ_２Ｏ_３が２０モル％より多いか、ＭｇＯが４５モル％より多いと、ガラス成分の比誘電率が高くなる傾向にあり、磁器の比誘電率を７．５よりも低くすることが困難となるためである。また、後者の場合、ガラス化も困難となる傾向がある。
【００２１】
また、ガラス成分を主として構成するＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯの総量としては、比誘電率を低くしかつ機械的強度を高めるという本発明の低温焼成磁器の特性を向上させるという理由から９９モル％以上、特に９９．５モル％以上であることが望ましい。なお、本発明の低温焼成磁器を構成するガラス成分は、磁器の比誘電率および機械的強度に影響を与えない程度であれば製造工程中に混入してくる不可避不純物を含有しても差し支えない。
【００２２】
また、前記ガラス以外のガラス成分としてはアルミナよりも比誘電率の低いガラスであることが望ましく、例えば、ホウ珪酸ガラス、クォーツ結晶化ガラス、コーディライト結晶化ガラス、エンスタタイト結晶化ガラス、フォルステライト結晶化ガラス、ムライト結晶化ガラス、ジオプサイド結晶化ガラス、アノーサイト結晶化ガラス等が挙げられる。
【００２３】
また、本発明の低温焼成磁器中にはフィラー成分としてアルミナを含有することが重要である。これは本発明のガラス成分とともに、ガラス成分との濡れ性がよく比較的低誘電率で高ヤング率を示すアルミナを含有させることにより本発明の低温焼成磁器磁器の比誘電率を低く抑えかつ機械的強度を高めることができる。
【００２４】
また、本発明の低温焼成磁器組成物中には、前記アルミナ以外に他のフィラーを含有してもよいが、この場合、アルミナより比誘電率の低い金属酸化物であることが望ましく、例えば、クオーツ（ＳｉＯ_２）、コーディライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、ジオプサイド（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ_２）、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）等の金属酸化物が挙げられる。これらの中でも、クオーツ、コーディライトが磁器の低誘電率化を図る上で望ましい。
【００２５】
また、本発明の低温焼成磁器組成物においては、低誘電率及び高強度を得るという理由から前記ガラス成分が１５〜７０体積％、フィラー成分としてアルミナ１５〜５５体積％の割合で含有することが重要であり、特には、ガラス成分量が５４〜５９体積％、アルミナが３０〜４６体積％であることがより望ましい。ガラス成分が１５体積％より少ないかまたはアルミナが５５体積％より多い場合には焼結性が低下しボイドの多い磁器しか得られず比誘電率も高くなる。
【００２６】
一方、ガラス成分が７０体積％より多いかまたはアルミナが１５体積％より少ない場合には過剰なガラス成分のために焼成時に溶融しやすくなり機械的強度も低下し実装工程などにおいてクラックが発生しやすくなる。
【００２７】
上述したようにガラス成分とアルミナとを上記のような割合で構成した本発明の低温焼成磁器中には、結晶相として、少なくともコーディライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）及び／またはサフィリン（４ＭｇＯ・５Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）を含有していることが望ましく、特に、前記低温焼成磁器のＸ線回折測定における前記コーディライトの（２２２）回折ピーク強度をＣ、前記サフィリンの（−２５２）回折ピーク強度をＳとしたとき、Ｓ／Ｃで表されるピーク比が０．１以上であることが望ましく、０．１３以上、特に、０．１７以上、０．２１以上、さらには０．３３以上であることがより望ましい。
【００２８】
磁器中にコーディライトおよび／またはサフィリンを含有することによって比誘電率をさらに低くできかつ機械的強度を高めることができる。上述したように、本磁器中においては前記コーディライトおよびサフィリンが析出する際に、磁器の比誘電率を低下させることができるため、前記低温焼成磁器の平均抗折強度を従来使用されているアルミナ等の磁器と同等にできる。
【００２９】
そして、本発明の低温焼成磁器では、１ＧＨｚにおける比誘電率は７．５よりも低くでき、機械的強度は２４０ＭＰａ以上に高めることができる。特に、本発明の低温焼成磁器では、同周波数において比誘電率が７．３以下、さらに７．１以下、一方、機械的強度が２８０ＭＰａ以上、３００ＭＰａ以上、特に、３１０ＭＰａ以上がより望ましい。
【００３０】
また、本発明の低温焼成磁器は、上記のように機械的強度を高めさらに配線基板としての耐湿性を向上させるという理由から、磁器の表面および／または内部に形成される気孔は最大径が１０μｍ以下であることが望ましく、特に、５μｍ以下がより望ましい。本発明では、磁器中に結晶相としてコージエライトおよびサフィリンを含有させることにより緻密化した場合にも低い比誘電率が得られかつ高強度化できる。
【００３１】
次に、本発明の低温焼成磁器を作製するための方法について説明する。
【００３２】
まず、出発原料として、上記のガラス成分となるガラス粉末と、フィラー成分となるアルミナ粉末とを、焼成温度や熱膨張係数等の目的に応じて、前述した所定の比率で混合する。
【００３３】
本発明では、かかる低温焼成磁器中のボイドの最大径を小さくし焼結性を高めるという理由から、この磁器にかかるガラス粉末の平均粒径は０．１〜５μｍ、特に、１〜３μｍ、一方、アルミナ粉末の平均粒径は０．１〜５μｍ、特に、１〜３μｍであることが望ましい。
【００３４】
また、本発明において用いられる上記ガラス粉末は、フィラー粉末であるアルミナを添加しない場合には、焼成収縮開始温度は８００℃以下で９００℃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、アルミナ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、アルミナ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。
【００３５】
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、かかるアルミナ粉末の含有量の調整により、用いる金属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。
【００３６】
また、アルミナ粉末の配合量は、上記ガラス粉末の屈伏点に応じ、その配合量を適宜調整することが望ましい。屈伏点とは、ガラスが急激に溶融して最も大きな体積変化を示す温度範囲の中心の温度をいい、通常、ガラス転移点よりも３０〜６０℃高い温度である。即ち、ガラス粉末の屈伏点が５５０〜７００℃と低い場合には、低温での焼結性が高まるため、アルミナ量は４０〜７０体積％と比較的多く配合できる。これに対して、ガラス粉末の屈伏点が７００〜８５０℃と高い場合には、焼結性が低下するためアルミナ量は２０〜５０体積％と比較的少量配合することが望ましい。ここで用いるアルミナはフィラー粉末の原料コストを低減するという理由から中実球であることが望ましい。
【００３７】
また、本発明の低温焼成磁器は、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、酸化鉄および酸化銅の群から選ばれる少なくとも１種を、上記のガラス粉末とアルミナとの混合物１００体積％に対して１体積％以下の割合で配合しても良い。
【００３８】
本発明によれば、上記のように配合されたガラス粉末とアルミナ粉末との混合物に、適当な成形の有機バインダを添加した後、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所定の形状に成形後、焼成する。
【００３９】
焼成にあたっては、まず、成形のために配合した有機バインダ成分を除去する。有機バインダの除去は、７００℃前後の大気雰囲気中または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有機バインダの除去が困難となるため、成形体中のガラス成分の特性、特に、屈伏点を前述したように制御することが望ましい。
【００４０】
焼成は、８５０℃〜１０５０℃の酸化性雰囲気中または非酸化性雰囲気中で行われる。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻密化することが難しく、さらに１０５０℃を越えると後述する配線基板を作製する場合に、銅や銀などのメタライズ配線層との同時焼成が難しくなる。特に、９００〜１０００℃、さらには、９００〜９７５℃の温度範囲で焼成することが望ましい。
【００４１】
即ち、本発明においては、上記の範囲の平均粒径を有するガラス粉末とアルミナ粉末とを混合したものを用いることにより磁器中の気孔を低減することができ、さらに磁器中にコージェライトおよび／またはサフィリンという特定の低誘電率の結晶相を析出させることにより、低誘電率かつ高強度の低温焼成磁器を得ることができる。
【００４２】
図１は本発明の低温焼成磁器の応用例として、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ぞれ示す。
【００４３】
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。
【００４４】
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）から成るボール状端子４ｂがロウ材により取着されている。
【００４５】
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１２〜１６×１０^−６／℃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、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎ等の金属導体からなる。
【００４６】
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下面のボール状端子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ボール状端子４ｂとを接合することにより、実装される。この時、配線導体８の表面にはボール状端子４ｂ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。
【００４７】
本発明によって、高強度、低誘電率を有する低温焼成磁器を用いて構成される多層配線基板は、従来使用されているアルミナ等の多層配線基板と同様、機械的特性に優れ、信頼性が高く有用であり、さらに、誘電特性に優れ、高周波信号を扱う上でも、誘電体損失による信号減衰を抑えることが可能である。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明の低温焼成磁器およびそれを用いた配線基板について実施例に基づき具体的に説明する。まず、ガラス粉末として、表１に示す２種類のガラス粉末と、フィラーとしてアルミナ粉末とクオーツとを用意し、表２に示す割合になるように秤量混合した。ガラス粉末の平均粒径は３μｍ、アルミナおよびクオーツの平均粒径は１μｍとした。
【００４９】
次に、この混合物を粉砕後、有機バインダ、有機溶剤を添加し十分混合してスラリーを作製しドクターブレード法により厚み３００μｍのグリーンシートを作製した。
【００５０】
得られたグリーンシートを８枚及び１５枚積層圧着した後、６０ｍｍ×６０ｍｍ×２．４ｍｍ及び５．５ｍｍ×６０ｍｍ×４．５ｍｍのサンプルを作製し、７００℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中にて脱バインダ処理後、表２に示す焼成温度×１時間の窒素雰囲気中にて焼成を行った。
【００５１】
次に、上記のようにして得られた低温焼成磁器に対して、１ＧＨｚにおける比誘電率及び三点曲げ抗折強度を測定した。また、この低温焼成磁器に対して、Ｘ線回折測定を行いＸ線回折パターンより結晶相の同定を行った。さらに、コーディライトおよびサフィリンが検出された試料に関しては、コーディライトの（２２２）回折ピークの強度Ｃとサフィリンの（−２５２）回折ピークの強度Ｓとの比Ｓ／Ｃを求めた。その結果を表２に示した。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５４】
表２の結果から明らかなように、本発明の試料Ｎｏ．２〜８、１１、１２、１４、１５では、何れも１ＧＨｚにおける比誘電率が７．３と低くなり、かつ、抗折強度が２４０ＭＰａ以上と高かった。これに焼成温度を９００〜９７５℃とした本発明の試料Ｎｏ．３〜８、および１４では、何れもコーディライトおよびサフィリンが検出され、そのＸ線回折におけるピーク強度比Ｓ／Ｃが０．１７以上となり、１ＧＨｚにおける比誘電率を７以下で抗折強度を２８５ＭＰａ以上にできた。特に、試料Ｎｏ．６、７では、Ｘ線回折におけるピーク強度比Ｓ／Ｃが０．３３以上となり、比誘電率は６．９以下とさらに低くでき、かつ、機械的強度を３１５ＭＰａ以上にまで高めることができた。
【００５５】
一方、磁器の組成範囲を本発明の範囲外とした試料Ｎｏ．１、９、１０、１３では、焼成後の磁器が未焼結かまたは過焼結となった。または比誘電率が高いかまたは低い抗折強度しか得られなかった。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の低温焼成磁器組成物及び低温焼成磁器では、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯを主成分として含むガラス成分とアルミナとを所定の割合で組み合わせることにより磁器の低誘電率化を図ることができる。特に、磁器中に少なくともコーディライト及び／またはサフィリンを含有させることにより、低誘電率かつ高強度化を図ることができる。
【００５７】
また、このような低温焼成磁器を用いることにより、高周波信号を扱う上でも、誘電損失による信号減衰を抑えかつ落下試験等によるクラックの発生を防止できる配線基板を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多層配線基板の一実施例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１絶縁基板
２蓋体
３メタライズ配線層
４接続端子
４ａ電極パッド
４ｂボール状端子
５半導体素子
６キャビティ
７絶縁体
８配線導体
９電極層
１０ビアホール導体
Ａ半導体素子収納用パッケージ
Ｂ外部電気回路基板

Claims

ＳｉＯ_２を３０〜４５モル％とＢ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＡｌ_２Ｏ_３を１〜２０モル％とＭｇＯを３０〜４５モル％とを総量で９９モル％以上含むガラス成分を１５〜７０体積％と、アルミナを１５〜５５体積％の割合で含有することを特徴とする低温焼成磁器組成物。
請求項１に記載の前記低温焼成磁器組成物を８５０〜１０５０℃で焼成してなることを特徴とする請求項１に記載の低温焼成磁器。
前記低温焼成磁器中に結晶相として、少なくともコーディライト及びサフィリンを含有してなることを特徴とする請求項２に記載の低温焼成磁器。
前記低温焼成磁器のＸ線回折測定における前記コーディライトの（２２２）回折ピーク強度をＣ、前記サフィリンの（−２５２）回折ピーク強度をＳとしたとき、Ｓ／Ｃで表されるピーク比が０．１以上であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の低温焼成磁器。
セラミック絶縁層が多層に積層された絶縁基板の表面及び／または内部にメタライズ配線層が配設されている配線基板において、前記セラミック絶縁層のうち少なくとも１層が請求項２乃至４のうちいずれか記載の低温焼成磁器からなることを特徴とする配線基板。