JPH0383850A - 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］ 本発明は低温焼結性低誘電率無機組成物に関し、さらに
詳しくは、主として超高速ＶＬＳＩ素子を実装する多層
セラミック配線基板に用いられ、ｉ　ｏｏｏ℃以下の低
温での焼結が可能で、誘電率の低い無機組成物に関する
ものである。

［従来の技術］ 従来、ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子はガラスエポキシ等
のプリント回路基板あるいはアルミナセラミック基板に
実装されていたが、半導体素子の高集積化、微細化、高
速化に伴い、実装用基板に対しても高密度微細配線化、
高速伝送化、高周波数化、高熱放散化の要求が増えてき
た。従来のプリント基板には、スルーホールメツキ性、
加工性、多層化接着、高温での熱変形等の問題があり、
高密度化には限界がある。そのため、高密度実装基板と
しては未だ実用化には至っておらず、セラミック基板の
ほうが可能性を秘めている。

しかし、アルミナ基板も１５００℃以上の高温で焼結し
なければならないため、同時焼成される配線導体材料と
しては比較的比抵抗の高いＷ、ＭＯ等の高融点金属に限
定される。したがって、パルス信号の伝送損失を考慮に
入れた場合、配線パターンの微細化には限界が生じてし
まう。

そこで開発されたのが低温焼結性多層セラミック基板で
ある。絶縁材料としては、アルミナとガラスの複合材料
系や結晶化ガラス系等があるが、いずれも１ｏｏｏ℃以
下で焼結するため、配線導体材料として比抵抗の低いＡ
ｕ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｃｕ等の低融点金属を用いることがで
きる。また、グリーンシート多層化法を使うことができ
るため、高密度微細配線化に非常に有利である。

［発明が解決しようとする課題］ 一方、高速伝送化に対しては、パルス信号の伝播遅延時
間が基板材料の誘電率の平方根に比例するため、基板材
料の低誘電率化が必要不可欠となる。ところが、アルミ
ナ基板（誘電率＝約１０　）はもちろんのこと、最近開
発されている低温焼結性セラミック基板もアルミナに比
べ低いものの、十分な低誘電率化は図られておらず高速
化に対してまだ改善する必要がある。

例えば、特公昭６１−２１０１９５号公報および同６１
−２１８４０７号公報に示される低温焼結性低誘電率無
機組成物でも、セラミック材料として誘電率の低いコー
ディエライト、石英ガラス、水晶（α−石英）が用いら
れているにもかかわらず、ガラスの誘電率が高い分、低
誘電率化は不十分である。

本発明の目的はこのような従来の問題点を解決して、十
分低い誘電率を有し、かつ１０００　’Ｃ以下の低温焼
成が可能な高密度実装多層セラミック基板の絶縁層用無
機組成物を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、セラミック材料のコーディエライト、石英ガ
ラスおよびホウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組
成物であって、コーディエライト＝×１石英ガラス：Ｙ
１ホウケイ酸系ガラス：Ｚ（重量％比率〉と表示したと
き（Ｘ＋Ｙ＋Ｘ＝１００　＞　、この３成分系組成図に
おいて以下の組成点、 （Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｚ＝１００　＞　　　　−（ａ）（
Ｘ　＝　４５、Ｙ＝０、Ｚ−５５＞　　　　　・・・（
ｂ）（Ｚ＝０．Ｙ＝４５、Ｚ−５５＞　　　　　・・・
（Ｃ）の各点を結ぶ線上、およびこの３点に囲まれる組
成範囲にあ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。またホウケイ酸系ガラスは、酸化物換算
表記に従ったとき、主成分が酸化ケイ素：７５〜８５重
量％、酸化ホウ素：１５〜２０５〜２０重量アルミニウ
ム：０．１〜５重量％、王族元素酸化物：０．１〜５重
量％、■族元素酸化物ｏ、ｉ〜１重量％、酸化チタン：
０〜０．０５重量％の組成範囲で、合計量が１００重量
％になるように構成されていることを好適とする。

本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物は、例えば次の
ような材料や方法によって製造できる。

即ち、ホウケイ酸系ガラスの調整に当たっては、目標組
成となるように各成分の原料を秤量してバッチを作製し
、このバッチを１４００℃以上の高温で２〜４時間加熱
、溶解し、ガラス化させる。溶解ガラスを水冷、あるい
は厚い鉄板上に流して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等で微粉砕し、平均粒径Ｏ
９５〜３如のガラス粉末を得る。一方、コーディエライ
トや石英ガラスも粉砕により平均粒径０．５〜５１Ｊ！
ｎの微粉末とする。

前記方法で得られたガラス粉末に、前記コーディエライ
トや石英ガラス粉末を目標組成となるように配合し、ボ
ールミル等で１〜３時間混合し、ホウケイ酸系ガラス粉
末とコーディエライト、石英ガラス粉末との均質な混合
粉末、即ち本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物を得
る。なお、この際用いられるホウケイ酸系ガラス粉末は
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、水酸化物等の形で、通常の方法により使用して
もよい。

さらに、前記によって得られた本発明の粉末状無機組成
物は、例えばグリーンシート積層法により成形される。

即ち、粉末にビヒクルを添加混合し、高速ミキサーやボ
ールミル等を用い十分混練、均一に分散させてスラリー
を調製し、これをスリップキャスティング法により絶縁
層を形成するのに適した膜厚のグリーンシートとする。

なお、バインダや溶剤等の有機ビヒクル類は通常用いら
れているもので十分であり、成分については何等限定を
要しない。

次に、上下導体を接続するスルーホールをシートに形成
した後、導体印刷をスルーホールに導体ペーストが詰ま
るように印刷し、これらを所望の多層構造となるように
積層、熱圧着する。成形時に添カロされた有機ビヒクル
を除去した後、焼成すると多層セラミック配線基板が得
られる。

次に、本発明の低温焼結性低誘電率無機組成物のホウケ
イ酸系ガラス粉末、コーディエライトおよび石英ガラス
粉末の組成や、ホウケイ酸系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ごとく限定し
た理由について述べる。

本発明に係る低温焼結性低誘電率無機組成物の成分組成
範囲を示す３成分系組成図を第１図に示す。図中、（ａ
）　、　（ｂ）および（Ｃ）は各組成点を表し、本発明
に含まれる組成範囲は図の斜線で示す範囲およびその境
界上である。

成分組成範囲を表す３成分系組成図において、Ｚ（ホウ
ケイ酸系ガラス重量比率）が５５未満の本発明の範囲に
含まれない領域では、１０００　’Ｃ以下での低温焼結
が困難で、かつ緻密な層が得られないため吸水が起こり
、信頼性が低下してしまう。

次に、本発明に係る低温焼結性低誘電率無機組成物の主
成分の一つであるホウケイ酸系ガラス粉末の組成につい
て述べれば、酸化ケイ素および酸化ホウ素はいずれもガ
ラスのネットワークフォマーである。酸化ケイ素が８５
重量％を超えると、ガラス化が困難で、たとえ溶解して
もガラスの軟化点は高く、低温での焼成が難しくなる。

逆に７５重量％未満ではガラスの軟化点が低くなり過ぎ
たり、他の成分の増加に伴って結晶化が起こり、重要な
実装基板特性の一つである熱膨張係数に悪影響をおよぼ
すクリストバライト等が析出し易くなったり、あるいは
最も重要な特性である誘電率が上昇してしまう。一方、
酸化ホウ素の場合、２０重量％を超えると、急激にガラ
スの軟化点は下がり、熱処理時の変形や反りが起こり易
くなる。

また、１５重量％未満では、酸化ケイ素の量が多い分軟
化点を下げる必要があるのに効果がなく、酸化ケイ素の
結晶化抑制作用も不十分となる。他の成分は、ガラスの
溶解性あるいは安定性を制御するために、いずれも微量
ずつ加えられているが、多すぎると誘電率や熱膨張係数
は上昇してしまう。

したがって、ホウケイ酸系ガラス粉末における酸化ケイ
素と酸化ホウ素の比率が本発明において最も重要な意味
を持っている。

［実施例］ 以下、実施例および比較例により、本発明の詳細な説明
する。なお、実施例および比較例中の％表示は特に断わ
りがない限り、すべて重量基準であるものとする。

実施例１〜２６、比較例１〜４ 第１表に示すような組成を有するガラス粉末を製造し、
更にアルコールを分散媒として４８時時間式粉砕した。

これをふるいで整粒した後、アルコールを濾過、乾燥さ
せ、平均粒径１．９柳、ＢＦＴ比表面積１２ｍ２／ｇの
粒度を有するガラス粉末を得た。

（以下余白） 第 １ 表 次に、これらのガラス粉末と、平均粒径が２．６朔、Ｂ
ＥＴ比表面積が５ｍ２／’Ｆのコーディエライト粉末お
よび平均粒径が３．７祠、ＢＥＴ比表面積が５ｍ２／ｇ
の石英ガラス粉末をそれぞれ第２表に示す比率で配合し
た。配合は、それぞれの粉末を所定量秤量し、ボールミ
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グリーンシート積層法によ
り作製した印刷を施していない生積層体を切断、電気炉
中で有機ビヒクルの除去後焼成した試料を用い行った。

なお、本発明の組成範囲の試料は、空気中８００〜１０
００℃の温度で２時間焼成した。評価として、■焼結温
度（吸水が起こらなくなる温度、即ち間空隙が消滅する
温度と定義した〉、■誘電率、■絶縁抵抗、■熱膨張係
数の測定を各々の試料について行った。吸水のチエツク
は、試料を水中に入れて煮沸し、十分水を含ませた重量
と乾燥重量との差から行った。誘電率は１ＭＨ２で測定
した。なお、電極は試料の上下面に導電性銀ペーストを
塗布後、６００″Ｃで焼き付けた。絶縁抵抗は印加電圧
１００Ｖで測定した。熱膨張係数は室温〜２５０℃まで
の試料の伸びから算出した。

このようにして得られた無機組成物のコーディエライト
、石英ガラスおよびホウケイ酸系ガラスの配合比率と焼
結温度、誘電率、絶縁抵抗および熱膨張係数の関係を第
２表に示す。

第２表から明らかなように、コーディエライト・石英ガ
ラスおよびホウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組
成物において、本発明の成分組成範囲内のもの（実施例
１〜２６）は、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な構
造となる温度、即ち焼結温度が１０００℃以下で、誘電
率も４．０４〜４．８３と十分低く、絶縁抵抗がいずれ
も１０１３Ω・ｃｍ以上と高く、絶縁性も保持されてい
る。更に、熱膨張係数も１３．７〜４５．２　ｘｌＯ−
７／”Ｃと低いことから、ガラスの結晶化による高熱膨
張性結晶クラス１ヘパライトの析出は起こっていないこ
とがわかる。

一方、本発明の成分組成範囲外のものく比較例１〜４）
は焼結温度が高く、１０００℃以下の焼成では開空隙の
残留により一見誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低く、
信頼性の面で問題がある。

（以下余白） 実施例２７〜５２、比較例５〜８ 第３表に示す組成のガラスを平均粒径２．０調、ＢＥＴ
比表面積１１ｍ２／Ｊの粉末粒度に調製した。

第　　　３　　　表 これらのガラス粉末とコーディエライトおよび石英ガラ
ス粉末を第４表に示す配合比率で、実施例１〜２６と同
様の方法で試料を作成、評価した。

その結果を第４表に示す。

第４表から明らかなように、コーディエライト、石英ガ
ラスおよびホウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機粗
戊物において、本発明の成分組成範囲内のもの〈実施例
２７〜５２）は、焼結体の吸水が起こらなくなり緻密な
構造となる温度、即ち焼結温度が１０００℃以下で、誘
電率も３．９８〜４．８０と十分低く、絶縁抵抗がいず
れも１０１３Ω・ｃｍ以上と高く、絶縁性も保持されて
いる。更に、熱膨張係数も１２．４〜４３．９　ｘｌＯ
−７／℃と低いことから、ガラスの結晶化による高熱膨
張性結晶クリストバライトの析出は起こっていないこと
がわかる。

一方、本発明の成分組成範囲外のもの（比較例５〜８）
は焼結温度が高く、１０００℃以下の焼成では開空隙の
残留により一見誘電率は低くなるが、絶縁抵抗は低く信
頼性の面で問題がある。

なお、実施例および比較例で用いた成分配合比における
各組成点を第２図に示す。図中の番号１゜２、・・・・
・・、　３０はそれぞれ第２表および第４表における成
分配合比番号に相当する。

［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
組成物は、低温焼結性や絶縁特性、耐水性等の信頼性を
維持しながら、従来のアルミナ、ガラスセラミック系、
結晶化ガラス系よりも低い誘電率を有するものである。

したがって、超高速ＶＬＳＩ素子実装用多層セラミック
配線基板の提供が可能となり、実装の高密度化や高速伝
送化の向上に大きく寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の３成分系組成範囲を示す組成図、第２
図は本発明の３成分系組成範囲と実施例および比較例に
示した組成点との関係を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック材料のコーディエライト、石英ガラス
   およびホウケイ酸系ガラスからなる３成分系無機組成物
   であって、コーデイエライト：Ｘ、石英ガラス：Ｙ、ホ
   ウケイ酸系ガラス：Ｚ（重量％比率）と表示したとき（
   Ｘ＋Ｙ＋Ｘ＝１００）、この３成分系組成図において以
   下の組成点、（Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｚ＝１００） （Ｘ＝４５、Ｙ＝０、Ｚ＝５５） （Ｚ＝０、Ｙ＝４５、Ｚ＝５５） の各点を結ぶ線上、およびこの３点に囲まれる組成範囲
   にあることを特徴とする低温焼結性低誘電率無機組成物
   。
2. （２）ホウケイ酸系ガラスは、酸化物換算表記に従った
   とき、主成分が酸化ケイ素：７５〜８５重量％、酸化ホ
   ウ素：１５〜２０重量％、酸化アルミニウム：０．１〜
   ５重量％、 I 族元素酸化物：０．１〜５重量％、II族
   元素酸化物０．１〜１重量％、酸化チタン：０〜０．０
   ５重量％の組成範囲で、合計量が１００重量％になるよ
   うに構成されている請求項（１）に記載の低温焼結性低
   誘電率無機組成物。