JPH0283255A

JPH0283255A - ムライト系セラミツク材料を用いた多層回路板及び半導体モジュール

Info

Publication number: JPH0283255A
Application number: JP63234993A
Authority: JP
Inventors: Kousei Nagayama; 永山　更成; Nobuyuki Ushifusa; 信之牛房; Kozo Sakamoto; 坂元　耕三; Satoru Ogiwara; 荻原　覚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-21
Filing date: 1988-09-21
Publication date: 1990-03-23

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、ムライト系セラミック材料に関する。

このムライト系セラミック材料は、電気信号の入出力用
のためのピンを取り付けたり半導体部品を搭載して機能
モジュールを構成するのに好適なセラミック絶縁基板に
用いられ、また、半導体パッケージの封止部の熱膨張の
緩衝材（スペーサ）にも用いられる。

〔従来の技術〕

近年、ＬＳＩ等の集積回路の高速化、高密度化に伴って
、放熱や素子の高速化を図るために回路基板上に直接チ
ップを実装する方式が用いられている。この基板は、従
来、アルミナによって構成されていた。これは、アルミ
ナが高い強度をもつため、ピン等を取り付けるに際し、
割れ等の問題が生じないためである。

しかし、この実装方式では、ＬＳＩ等の集積回路のサイ
ズが大きくなるにつれて、ＬＳＩ等の集積回路材料と回
路基板材料との間で実装時の温度変化によって生じる応
力が大きくなるという問題があった。すなわち、現在の
セラミック多層回路基板の主流であるアルミナ（ＡＱ２
０３）は、アルミナ自身の熱膨張係数がＬＳＩ等の集積
回路材料であるシリコンの熱膨張係数３０　Ｘ　１０−
７／℃（室温から５００℃）に比べ、二倍以上大きい値
を示している。このため、アルミナ系多層回路基板へＬ
ＳＩ等のシリコン半導体チップを直接ハンダ等で接続す
る場合、ハンダ接続部に熱膨張係数差に伴う熱応力が発
生し、この部分で割れ等の欠陥が生じ実装の長寿命が得
られない問題がある。

特に、ＬＳＩチップの大型化、高密度化によるハンダ接
続部の微細化は、実装寿命をますます悪化させる傾向に
ある。また、アルミナでは誘電率が高く電気信号の伝播
速度が遅くなるという問題がある。これらの問題を解決
するには、多層回路基板の熱膨張係数をシリコンに近づ
け、多層回路内の電気信号の伝播速度の高速化を図るた
め、低比誘電率で高強度の基板材料を開発する必要があ
る。

この要請を満足する材料としてムライト系セラミックが
考えられる。それは、ムライトの熱膨張係数が４０〜５
５Ｘ１０”／’Ｃ（室温〜５００’Ｃ）とシリコンの熱
膨張係数に近く、且つ、比誘電率が約６．７（ＬＭＨｚ
）と小さいためである。

しかし、ムライトのみ多層回路板を作製した場合、アル
ミナ系多層回路板に用いられている焼成温度１６００℃
付近では、焼結が不十分なため多孔質となり、強度が小
さい焼結体しか得られないという問題がある。従って、
緻密質のムライト焼結体を得るには、さらに、高温で焼
成しなければならないが、量産上１種々の問題がある。

そこで、アルミナ系セラミック材料と同等の焼成温度で
焼結でき、高い強度のムライト系材料の開発が必要であ
った。このようなムライト系材料としてムライトとガラ
スとからなる複合材料が存在する（特開昭５７−１１５
８９５号公報記載）。この従来例は、ガラス組成として
、たとえば、コージェライト（２ＭｇＯ−ＺＡＱｚ○ａ
・５ｓｉｏｚ）より構成されている。従来のムライト系
材料は、ムライト結晶がガラス、又は、ガラスから生成
する結晶により結合されたものである。

従って、材料の強度はムライト結晶を結合するガラス、
又は、ガラスから生成される結晶に左右される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の材料の強度は最大１５０　Ｍ　Ｐ　ａ程
度である。つまり、従来技術はムライトを用い、アルミ
ナの焼成温度と同等の温度で焼結可能にするためのガラ
ス組成の開発、ムライト自身の比誘電率が低い、熱膨張
係数がシリコンに近いという点に着目して開発されたも
ので、ムライト系材料の高強度化は目的ではなく、その
面に対しては検討がなされていない。

従って、強度の小さいムライト系材料を多層回路基板に
適用すると、多層回路板に電気信号用の入出力用ピンを
、ろう付は等で接続した際、ろう材料と多層回路との熱
膨張係数差により発生する応力により、配線板に割れ等
の欠陥が発生し、高信頼性の配線板が得られない問題は
そのまま残る。

本発明の目的は、高強度のムライト系セラミック材料、
及び、それを用いた半導体装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

従来のムライトにガラス組成を添加している材料につい
てガラスの添加量、ガラス材料の組成等について検討し
たが、強度向上にそれほど大きな影響を与えないという
ことがわかった。次に、種々の酸化物系について検討し
た結果、Ｃｒ酸化物Ｍｎ酸化物、又は、それらの複合酸
化物の中の少なくとも、一種を添加したムライト系セラ
ミック材料は、アルミナ系材料で用いられている焼成温
度１６００℃で焼結が十分なされていることが、焼結体
の収縮率等から判明した。

本発明はかかる知見によりなされたものであり、その構
成はＣｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、又は、それらの複合酸化
物の中の少なくとも一種を０．１〜１０重量％、残部が
ムライト、及び、不可避不純物からなる。

〔作用〕

ムライトを主成分とするセラミック材料に添加するＣｒ
酸化物、Ｍ　ｒ、酸化物、又は、それらの複合酸化物の
中の少なくとも一種が０．１〜１０重景差量含むムライ
ト系セラミック材料では、従来のムライト系材料に３０
重量％ガラスを添加した系に比べ、ムライト粒子を結合
するガラス相がほとんどない状態で焼結するためムライ
ト粒子の粒成長が小さい。また、添加量が０．１〜１０
重量％と少ないため、ムライトとの反応により生成され
る反応生成量も少ない。従って、ムライト粒子とムライ
ト粒子間に介在する反応生成物は安定な結晶相から構成
されているため、高強度化が図れたものと考えられる。

次に、焼結助剤としてＣｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、又は、
それらの複合酸化物の中の少なくとも一種を０．１〜１
０重量％と限定した理由について説明する。酸化物量が
０．１　重量％未満では、アルミナ系セラミック材料と
同等の焼成温度１６００℃では、多孔質となり、緻密な
焼結体が得られないため十分な強度が得られない。なお
、この場合、焼成温度を高くすれば、ＨＬ密な焼結体と
なることも考えられるが、それでは実用上適する炉がな
いということや量産する上で問題がある。次に、１０重
量％以下とした理由は、１０重量％を超えるとムライト
の粒成長が起り、強度が逆に低下するためである。酸化
物量は１．０〜３６０重量％が、焼結体の比誘電率、及
び、強度の面で良好である。

本発明のセラミック材料は、セラミック層と配線導体層
とを交互に積層し、各配線導体層間をスルーホール導体
によって電気的に接続したセラミックス多層回路板のセ
ラミックス層材として用いられ、更に、この回路板上に
セラミックスキャリア基板を介して半導体素子を搭載し
、半導体素子の裏面を冷却する冷却手段を備えた半導体
モジュールにセラミックス層材として用いられる。

また、本発明に係る半導体モジュールは、セラミックス
キャリア基板と半導体素子とは、はんだバンプによって
接合され、はんだバンプは有機樹脂によって被われてお
り、有機樹脂は樹脂１００重量部とゴム粒子５〜１０重
量部にセラミックス粉３５〜６０体積％を含み、ゴム粒
子はポリブタジェン、及び、シリコンゴム一種以上、及
び、セラミックス粉は石英、炭化珪素、窒化珪素、炭酸
カルシウム、ベリリウムを含有する炭化珪素の一種から
なるものが好ましい。キャリア基板は、前述の本発明の
セラミック材料によって構成され、多層回路板と全く同
一の組成、又は、それと類似の組成を持ち、熱膨張係数
が近似したものが好ましい。

本発明はセラミック多層回路板材として用いられ、その
回路板をそれに設けたピンによってプリント回路板をプ
ラッタに電気的に接続したコンピュータ実装構造を用い
ることができる。前述の冷却手段は半導体素子を間接的
に水冷する方式によって行うことができ、従って、半導
体素子に熱伝導ディスクを接触させ、これと冷媒によっ
て冷却される伝熱ブロックを介して冷却することができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。以下に１部」とあるのは重量部を示し、「％」とあ
るのは重量％を示す。

（実施例１）第１表にムライト系セラミック材料の配合組成を示す。

配合組成は重量％で示している。

ムライトはムライト粉（平均粒径２μｍ）を用いている
。他の元素は平均粒径１〜３μｍである。

第１表の配合組成に重合度１０００のポリビニルブチラ
ール５．９　部、トリクロロエチレン１２４部、テトラ
クロロエチレン３２部、ｎ−ブチルアルコール４４部、
ブチルフタリルグリコール酸ブチル２部を加え、ボール
ミルで二十時間湿式混合し、スラリを作る。真空脱気処
理により、スラリから気泡を除去する。次に、スラリを
ドクターブレードを用いてポリエステルフィルム上に約
０．２ｎｙｎｔの厚さに塗布し、炉を通して乾燥させグ
リンシートを作る。グリンシートを５０角に切断し、３
０層積層した後、熱間プレスにより圧着した。

圧着条件は、温度１２０℃で１０分間保持、圧力は４０
ｋｇ／ｃｄである。圧着後、グリンシート積層体の樹脂
抜きのため、温度１２００’Ｃで一時間保持して脱脂を
行った。その後、温度１６００’Ｃで１．５時間保持し
て焼成を行い、焼結体を得た。

１６００℃で焼成したのは、配線導体材料であるＷ、Ｍ
ｏ等の焼結を同時に行なわなければならないためである
。次に、焼結体を比誘電率測定、及び、抗折強度測定用
試験片に切断し、ダイヤモンドラップ砥石板を用いて胡
座した。第２表に第１表に示す材料の特性を示す。

第２表り、総合評価の０印は比誘電率９．５　（ＩＭＨｚ）以
下で、且つ、抗折強度１５０　Ｍ　Ｐ　ａ以上のものを
示し、Ｘ印のものは比誘電率が９．５　より大きく、又
、抵抗強度が１５０ＭＰａより小さいものを示す。また
、比較するためにムライトにコージェライト組成からな
るガラスを３０％添加したムライト系セラミックス、及
び、アルミナ系材料の特性を第３表に示す。

第２表において、総合評価は、本発明材料が多層配線基
板としての適用性をもつが否かのものであ以下、第２表
、及び、第３表の特性について説明する。第１表のＮα
１〜Ｎα３のように、Ｃｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、又は、
それらの複合酸化物の中の少なくとも一種が１０％を超
えて添加されたものは、抗折強度が１２０〜１５０　Ｍ
　Ｐ　ａと低く、比誘電率は１１．２−１４　　（ＬＭ
Ｈｚ）と大きな値を示している。Ｎ０２１のようにムラ
イト単体では、抗折強度が７０〜８０　Ｍ　Ｐ　ａと非
常に小さい。これは、焼結が不十分なため、緻密化され
ていないためである。一方、第１表のＮα４〜Ｎα２０
の材料系では、比誘電率９．５（ＩＭＨｚ）以下、抗折
強度１５０〜２９０　Ｍ　Ｐ　ａが得られて、多層配線
基板材料として十分使用することができる。この時の比
誘電率は、酸化物を１０重量加えても最大９．４である
。第１表及び第２表から、比誘電率の小さい材料系を得
るときには、前述の酸化物の添加量を少なくすればよい
ことがわかり、逆に、抗折強度の高いものを得るには、
酸化物の添加量を多くすればよいことがわかる。

次に、第３表について説明する。第３表かられかるよう
に、比較材料であるアルミナ系では比誘７Ｂ、ｙｌ、１
が１０　（ＩＭＨｚ）で、抗折強度が３００ＭＰａとな
っており、ムライト系材料に３０％コージェライトが添
加されたものでは、比誘電率５．９　（ＩＭＨｚ）、抗
折強度が１５０　Ｍ　Ｐ　ａとなっている。従って、ア
ルミナは強度的には３００ＭＰａと大きな値を示し、十
分満足しているが、比誘電率が１０と大きいために信号
の伝播速度を遅くする原因となっている。一方、ムライ
ト系材料に３０％コージエライ１−が添加されているも
のでは、比誘電率が５．９　と低く良好であるのに対し
、抗折強度が１００〜１５０　Ｍ　Ｐ　ａと小さく強度
が不十分である。これに対し、第３表の本発明材料であ
るムライト系材料では、比誘電率が９．５（Ｌ　Ｍ　Ｈ
ｚ　）とムライト系材料に３０％ガラスを添加した系よ
り大きな値を示すが、ムライトに０．１％Ｃｒ酸化物を
添加した系では、はぼ、同様な比誘電率を示し、抗折強
度１５０〜１６０ＭＰａが得られ、３０％ガラスを添加
した材料系より抗折強度が５０％以上向上している。特
に、強度に関しては、酸化物を３％添加した時に２４０
〜２９０　Ｍ　Ｐ　ａが得られ、アルミナの強度３００
ＭＰａのへ割以上に達し比較的低比誘電率で、且つ、高
強度のムライト系セラミック月料であることが確認され
た。

次に、焼結体のＸ線の解析結果について説明する。第１
表のＮα１１に示す焼結体のＸ線解析結果では、ムライ
ト以外にマンガンアルミニウムオキサイド（ＭｎＳｉ０
３）とマンガンシリケート（ＭｎＳｉ０３）との安定な
結晶からなり、はとんど非晶質は認められなかった。こ
れに対し、第３表のムライト系材料に３０％ガラス（コ
ージェライト）を含有した焼結体のＸ線回折結果では、
ムライト以外にＡα２０ａ、Ｓｉ○ｚ、ＭｇＯの少なく
とも二種の結晶相であるスピネル（Ａ　Ｑ　２Ｍｇ０４
）、サファリン（ＭｇｓＡＱ９Ｓｉｔ、ｔ＋０ｚｏ）　
、コージエライ１−（Ｍｇ２Ａ　Ｑ　４ｓｉ５０ｔ３）
　、シリマナイト（Ａ　Ｑ　ｚＭｇｏ５）等、数多くの
複雑な相からなっている。これは、ムライト系材料を焼
成するために含有したガラス成分がムライト系材料を焼
成するために含有したガラス成分がムライト界面で反応
生成したためである。

従って１強度が十分得られない原因となっている。

このように、本実施例から、ムライトにＣｒ酸化物、Ｍ
ｎ酸化物又は、それらの複合酸化物の中の少なくとも一
種に０．１〜１０重量％を添加して焼結体を製造するこ
とにより比較的低比誘電率で、且つ、高強度の多層回路
板材料が得られる。

次に、ムライトに３％Ｍ　ｎ　Ｏｚを添加した系を用い
て、多層回路板を製造した。この多層回路板の縦断面図
を第１図に示す。第１図において、１は表面層を示し、
２はライン配線に近接した絶縁層（中間層のことであり
、シリカ系で構成されたもの）を示し、３は裏面層を示
す。この裏面Ｍ３には金−ゲルマニウムろう接部８を介
して外部接続用ピン４がろう接されている。また１表面
層１にはハンダ接続部５を介してＳｉチップ６が接続さ
れている。７は導体配線を示す。

次に、第１図の多層回路板の製法について説明する。実
施例１により作製したムライトに３％ＭｎＯ２を添加し
たグリンシート、及び、比誘電率が約６以下のシリカ系
材料のグリンシートにパンチ器で直径１００μｍの孔を
設け、市販のタングステンペーストで導体配線をスクリ
ーン印刷法により形成した。第１図の表面層１と裏面層
３は本発明材料とし、ライン配線に近接した絶縁層２（
中間層）にシリカ系材料のものを用いた。導体配線後、
積層プレス機により積層体を作製した。

この積層体を外形切断した後、電気炉内にセットした。

まず、樹脂抜きのために、水蒸気を含んだＮ２ガス十Ｈ
２ガス雰囲気で昇温速度５０℃／ｈで１２００℃まで昇
温した。次いで、Ｎ２ガス十Ｈｚガス雰囲気で昇温速度
１００℃／ｈで昇温し、最高温度１６００℃で１．５　
ｈ保持し、セラミック多層回路板を製造した。このよう
にして作製したセラミック多層回路板に無電解Ｎｉめっ
き、及び、金めつきをほどこした後、カーボン治具を用
いた通常の方法でコバールピン４を金−ゲルマニウムろ
う８で接続した。また、ハンダ５でＳｉチップ６を直接
搭載した。このようにして得られた多層回路板では、表
面層１、及び、裏面層３はろう材料との熱膨張係数差に
より発生する応力による割れは認められず、健全で、且
つ、高信頼性の多層回路板が得られた。このような表面
層１．及び、裏面層３に電気信号出力用ピンを、ろう付
は等で接続した場合でも、ろう材料と多層回路基板との
熱膨張係数差による多層回路基板内に発生する割れが防
止でき、且つ、高寿命の多層回路基板となるものである
。

実施例２第２図は、実施例１で作製したＮα１０，１１゜１２．
１３，１７．１８のセラミック多層回路基板を使用した
半導体モジュールの断面図である。

キャリア基板１２は、セラミック多層回路基板と同様の
組成、及び、方法で作製した。異なる点は、スルーホー
ル位置、配線パターン、積層枚数七枚で焼成後のキャリ
ア基板の寸法がｌ１ｍｎ角、厚さ１ｍであることである
。多層板のセラミック層とキャリア基板とは同じ組成の
もの、又は、上述の組成の中ではどのものとも組合せが
可能である。

キャリア基板１２に１０ｎｎ角の半導体素子６を９５％
鉛−５％錫はんだ５で接続した。半導体素子６とキャリ
ア基板１２のはんだは多層板側のはんだ５より高融点を
持つ。キャリア基板１２と半導体素子６の間に、エポキ
シ樹脂（ＥＰ−８２８）１００部とボリブタジｚン（Ｃ
ＴＢＮｌ　３００ｘ９）５〜１０部の混合有機物に、平
均粒径１μｍの石英端末３５〜６０体積％を混合し、は
んだ材料と同等の熱膨張係数である樹脂を流入させた。

次に。

コバールピン４を金−ゲルマニウムろう８で１妾続した
セラミック多層回路基板１３上に９×９＝８１個のキャ
リア基板１２（半導体素子を接続し、有機材料を主成分
とした材料を挿入したもの）を６０％釦−４０％錫はん
だ５で接続し、半導体モジュールを作製した。本実施例
では、セラミックス多層回路板１３は上層にポリイミド
樹脂１４を用いた樹脂１４と回路１５との層を設けたも
のである。第３図は、実施例１で作製した多層回路基板
１３に半導体素子６を搭載し、その上に熱伝導ディスク
１１を接触させて金属製ハウジング１９で封止し、内部
にＨｅガスを入れた半導体モジュ−ル構造を示す部分断
面図である。熱伝導ディスク１１はセラミックスからな
り、熱伝導率として室温で０．１ｃａＱ／ａｎ−ｓｅｃ
・℃以上をもつ焼結体が好ましい、この焼結体としてＳ
ｉＣに０．１〜３重量％Ｂｅを含む（特にＢｅＯが好ま
しい）ものが好ましい。半導体素子６は集積回路として
発熱量が大きいので、冷却口２０より水が逆られ冷却さ
れる。半導体モジュール構造として第２図に示す構造の
ものを同様に使用することができる。

第４図は、第１図、又は、第２図の半導体モジュール２
４を第３図の構造とし、これを多層プリント回路板２５
にピン４を介して装着するとともに、多層プリント回路
板２５に設けられた端子を介してプラッタ２６のコネク
タ２７に装着した半導体モジュール２４を三次元実装さ
れたコンピュータ実装構造を示す斜視図である。

このような構成にすることにより、コンピュータ実装は
コンパクトにでき、前述のように比誘電率も低いので、
信号処理スピードの速いものが得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、信号処理スピードの速い多層回路板が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の一実施例の半導体モジュール
の断面図、第３図は本発明の冷却手段を備えた半導体モ
ジュールの断面図、第４図は本発明のコンピュータ実装
構造の斜視図である。１・・・表面層、２・・・絶縁層、３・・・裏面層、４
・・・ピン、５・・・はんだ、６・・半導体素子。

Claims

【特許請求の範囲】

１．Ｃｒ酸化物Ｍｎ酸化物又はそれらの複合酸化物の中
の少なくとも一種を０．１〜１０重量％、残部がムライ
ト及び不可避不純物からなることを特徴とするムライト
系セラミック材料。
２．セラミックス層と配線導体層とを交互に積層し、前
記各配線導体層間をスルーホール導体によって電気的に
接続したセラミックス多層回路板において、前記セラミックス層は、Ｃｒ酸化物Ｍｎ酸化物、又は、
それらの複合酸化物の中の少なくとも一種を０．１〜１
０重量％、残部がムライト及び不可避不純物からなる焼
結体であり、前記焼結体の１メガヘルツにおける比誘電
率が９．５以下、及び、室温の抗折強度が１５０ＭＰａ
以上であることを特徴とするセラミックス多層回路板。
３．セラミックス層と配線導体層とを交互に積層し、前
記各配線導体層間をスルーホール導体によつて電気的に
接続したセラミックス多層回路板に半導体素子を搭載し
た半導体モジュールにおいて、前記セラミックス層は、Ｃｒ酸化物Ｍｎ酸化物、又は、
それらの複合酸化物の中の一種以上が０．１〜１０重量
％、残部がムライト及び不可避不純物からなる焼結体で
あり、前記焼結体の１メガヘルツにおける比誘電率が９
．５以下、及び、室温の抗折強度が１５０ＭＰａ以上か
らなる焼結体であり、前記配線導体層はＭｏおよび／ま
たはＷからなり、前記セラミックス多層回路板にはプリ
ント回路板に電気的に接続するピンが設けられているこ
とを特徴とする半導体モジュール。