JPH0424307B2

JPH0424307B2 -

Info

Publication number: JPH0424307B2
Application number: JP62046371A
Authority: JP
Inventors: Juji Umeda; Tadashi Odagiri
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1992-04-24
Also published as: JPS63215559A

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野）本発明は、誘電率が低く、且つ低温で焼成可能
なセラミツク基板に関するものである。（従来技術とその問題点）近年における電子回路の高速化、高周波化に伴
い、信号伝播遅延が少なく、信号なまりの少ない
セラミツク回路基板が求められているが、信号伝
播遅延を少なくするためには、低誘電率を有する
絶縁材料が必要であり、また信号なまりを少なく
するためには、低誘電正接を有する絶縁材料を用
い、導体材料として導通抵抗の低い銅、金、銀の
導体材料を用いることが要求されている。更に、
上述の条件を満たし、回路基板の配線密度を上げ
るために、銅、金、銀の導体材料と同時焼成可能
な絶縁材料が求められ、そのような同時焼成を達
成するために、かかる絶縁材料は、銅、金、銀の
導体の融点より低い温度で焼結することが必要と
される。また、半導体チツプを基板表面にダイレ
クトに実装可能にするには、絶縁材料の熱膨張係
数が小さいこと（Siの3.5×10^-6／℃に近いこと）
が求められている。そして、当然のことながら、
このセラミツク回路基板は、その製造途中、更に
は製品として化学的に安定であることが望まれ
る。また、低誘導率を有する絶縁材料としては、こ
れまでに種々のものが提案されており、例えば、
低誘導率のガラスとセラミツクフイラーとを混合
して焼結したものがあり、これは、ガラスとして
硼珪酸ガラスを用い、セラミツクフイラーとして
アルミナ、石英ガラス等を用いたもの（例えば、
特開昭60−254697号、特開昭58−151345号）であ
る。ところで、上述の硼珪酸ガラスには、その特性
上、セラミツクフイラーと混合して、比較的低温
で、特に銅、金、銀を主成分とする導体と同時焼
成するときは、各金属の融点以下で焼結可能であ
り、しかも熱膨張係数が小さく、誘電率が低いこ
とが求められる。このような公知の代表的な硼珪
酸ガラスとしては、例えば、後述の実施例の第１
表に示されるNo.19、21及び24のようなガラスがあ
る。これらの硼珪酸ガラスは、後述の実施例にて
明らかなように、例えばNo.19及びNo.21のガラスに
よる基板では、その製造途中の粉末成形体、例え
ばドクターブレード法によるグリーンシート、及
び／又はその焼成した基板が、高湿の環境下で
は、表面に硼酸を溶出するという問題があり、製
造の管理上或いは製品として実用化し難いという
欠点があつた。また、No.24のガラスによる基板で
は、かかる硼酸の溶出の問題はないが、誘電正接
が高くなるという欠点があつた。（発明の目的）ここにおいて、本発明は、上記事情に鑑みて為
されたものであつて、その目的とするところは、
上述の硼酸の溶出、誘電正接の悪化を防ぎ且つ低
誘電率を有し、熱膨張係数がシリコンに近いセラ
ミツク基板を提供することにある。更にまた、本
発明の他の目的とするところは、導体材料として
銅、金、銀を用い、場合により同時焼成可能な多
層配線のセラミツク基板を提供することにある。（発明の構成）そして、かかる目的を達成するために、本発明
の特徴とするところは、SiO₂：60〜82重量％と、
Al₂O₃：0.1〜15重量％と、B₂O₃：５〜14重量％
とを含み、且つ０〜２重量％のLi₂O、０〜２重
量％のNa₂O及び１〜５重量％のK₂Oを合計量で
１〜７重量％含み、更にCaO、MgO、BaO、
PbO、ZnO、SrOのうちの１種以上を合計量で
0.1〜15重量％含む化学組成を有するガラス：10
重量％以上80重量％以下と、石英ガラス：10重量
％以上50重量％以下と、アルミナ：10重量％以上
50重量％以下とからなる組成物を焼成して得られ
たセラミツク基板にある。また、焼成した上記セラミツク基板上に銅、
金、銀の何れかを主成分とする導体を形成し、更
に、その導体上に、上記組成物と実質的に同組成
の絶縁層を形成した構成も、本発明では採用可能
である。なお、ここで、実質的に同組成とは、セ
ラミツク成分が誤差範囲内で同一であることを意
味している。さらに、本発明は、SiO₂：60〜82重量％と、
Al₂O₃：0.1〜15重量％と、B₂O₃：５〜14重量％
とを含み、且つ０〜２重量％のLi₂O、０〜２重
量％のNa₂O及び１〜５重量％のK₂Oを合計量で
１〜７重量％含み、更にCaO、MgO、BaO、
PbO、ZnO、SrOのうちの１種以上を合計量で
0.1〜15重量％含む化学組成を有するガラス：30
重量％以上60重量％以下と、石英ガラス：10重量
％以上40重量％以下と、アルミナ：10重量％以上
50重量％以下とからなる組成物よりなるグリーン
シートに、銅、金、銀の何れかを主成分とする導
体が付与され、同時焼成されていることを特徴と
するセラミツク基板をも、その要旨とするもので
ある。なお、本発明にあつては、かかるグリーンシー
トに付与された導体上に、上記組成物と実質的に
同組成の絶縁層を付与して、同時焼成する印刷多
層配線のセラミツク基板、更には該導体を付与し
たグリーンシートを積層して、焼成するグリーン
シート多層配線のセラミツク基板とすることも可
能である。（構成の具体的説明）ところで、本発明者らは、前述した従来技術の
欠点である硼酸の溶出の原因を追求した結果、ガ
ラス中の硼素成分が14重量％より多い場合におい
て、その硼素と空気中の水蒸気とが反応して硼酸
（H₃BO₃）となり、グリーンシート或いは焼成し
た基板表面に硼酸の粉末として溶出することを究
明したのである。そして、更に、誘電正接の増加
については、ガラス中のアルカリ成分、特に
Na₂Oの影響であり、これはNa₂Oの含有量を減
少することで改善出来ることを究明したのであ
る。そして、これらの問題を解決するためには、ガ
ラス中の成分量として、B₂O₃が14重量％以下と
なるようにする必要があり、またアルカリ成分と
しては、Na₂O及びLi₂Oが２重量％以下、K₂Oが
５重量％以下とする必要があることを見い出した
のである。なお、アルカリ成分の合計量は、その
量が多くなり過ぎると、誘電率が大きくなり、ア
ルカリ溶出による化学的耐久性が悪くなるため、
アルカリ成分の合計は７重量％以下、好ましくは
６重量％以下としなければならない。しかし、
B₂O₃及びアルカリ成分を減らすと、溶融温度が
高くなり、経済的に溶融してガラス化することが
困難となる。工業的には約1550℃で溶融してガラ
ス化出来ることが好ましく、このためには、
B₂O₃は５重量％以上、好ましくは８重量％以上、
またアルカリ成分は合計で１重量％以上（好まし
くは２重量％以上）が必要である。また、ガラス化に関する同様な理由から、
SiO₂は82重量％以下でなければならず、また
Al₂O₃は15重量％以下でなければならない。しか
し、SiO₂が少なくなり過ぎると誘電率が大きく
なるので、そのためにSiO₂は60重量％以上でな
ければならない。また、Al₂O₃は、ガラスの化学
的耐久性を高めるために、0.1重量％以上の割合
で含有せしめることが必要である。さらに、上述した理由により決定されるSiO₂、
Al₂O₃、B₂O₃、Na₂O、K₂O、Li₂Oの重量バラン
スによる残量成分として加える成分として、化学
的に安定で、誘電率、誘電正接に悪影響を及ぼさ
ず、且つガラスの軟化点を下げるものとして、各
種の成分を検討した結果、CaO、MgO、BaO、
PbO、ZnO、SrOのうち１種以上を用い、その合
計量が0.1〜15重量％加えることが好ましいこと
が明らかとなつた。本発明におけるセラミツク基板は、ガラスマト
リツクス中に、フイラーとしてアルミナと石英ガ
ラスとを用いているが、アルミナは基板の曲げ強
度を向上させるために好適なフイラーであり、石
英ガラスは、熱膨張係数：5.5×10^-7／℃、誘電
率：3.8と何れも低く、低誘電率、低熱膨張係数
の基板とするために重要である。本発明において、ガラス、アルミナ、石英ガラ
スの混合割合は、以下の理由に鑑みて決定される
こととなる。要するに、ガラスは、その配合量が
10重量％未満では、焼成温度が高くなつて緻密に
焼結しなくなり、また80重量％を越えると、焼成
後のセラミツク基板の充分な曲げ強度が得られな
くなるのである。また、アルミナの配合量が10重
量％未満では、焼成後のセラミツク基板の充分な
曲げ高度が得られず、一方50重量％を越えると、
誘電率及び熱膨張係数が大きくなり過ぎることと
なる。そして、石英ガラスは、その配合量が10重
量％未満では、誘電率が大きくなり過ぎ、50重量
％を越えると、焼成温度が高くなつて緻密に焼結
しなくなるのである。さらに、銅、金、銀の何れかを主成分とする導
体と同時焼成するためには、ガラス、アルミナ、
石英ガラスの混合割合は、以下に示す理由により
決定されることとなる。つまり、ガラスが30重量
％未満及び石英ガラスが40重量％を越えると、
（ガラス＋アルミナ＋石英ガラス）組成物が銅、
金、銀のそれぞれの融点の1083℃、1063℃、961
℃以下において充分に焼結せず、またガラスが60
重量％を越えると、焼成温度が低くなり過ぎて、
銅、金、銀の導体が焼結しなくなるからである。
他の混合割合は、上述した理由と同様に決定され
ることとなる。つまり、アルミナが10重量％未満
では、焼成後のセラミツク基板の充分な曲げ強度
が得られず、50重量％を越えると誘電率及び熱膨
張係数が大きくなり過ぎるのであり、石英ガラス
が10重量％未満では、誘電率が大きくなり過ぎる
こととなる。なお、銅、金、銀の何れかを主成分とする導体
とは、これらのそれぞれの金属の他、これらの混
合物、合金或いは他の金属、セラミツク導電体等
を若干含んでいても良く、またガラス等の、焼結
助剤やフイラー等としてのセラミツク成分等を含
んでいても何等差支えない。また、特に、導体の
導電率を良くする必要がある用途では、銅を主成
分とする導体が好適に用いられることとなる。（実施例）以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発
明を更に具体的に明らかにすることとするが、本
発明が、そのような実施例の記載によつて何等の
制約をも受けるものでないことは、言うまでもな
いところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更
には上記の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を
逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づい
て種々なる変更、修正、改良などを加え得るもの
であることが、理解されるべきである。実施例１下記第１表に示す如き組成のガラスとなるよう
に原料を調合して、1450〜1550℃の温度で溶融
し、水砕またはフレーク状としてガラスを得た。
そして、この得られたそれぞれのガラスの軟化温
度、誘電率、誘電正接を調べると共に、それぞれ
のガラス単独、それぞれのガラスとアルミナと石
英ガラスとを混合して得られたグリーンシート、
及びそれらのグリーンシートを焼成して得られた
基板を、それぞれ、高湿中に放置したときの硼酸
の溶出の有無を調べて、それらの結果を下記第１
表に示した。下記第１表から明らかなように、本発明で用い
たガラスは、1450〜1550℃の温度で溶融してガラ
スとなり、誘電率及び誘電正接が共に低く、且つ
硼酸の溶出が全く無いものであることが判る。

【表】＊２：○；ガラス、グリーンシート、焼成基板共に硼
酸溶出なし
×；ガラス、グリーンシート、焼成基板共に硼
酸溶出あり
実施例２実施例１で作製した第１表に示されるNo.６、No.
11及びNo.24のガラスを用い、それらガラスの平均
粒径：約8μｍのもの、平均粒径：約5μｍの石英
ガラス及び平均粒径：約3μｍのアルミナとを、
下記第２表に示す割合で混合して、各種のセラミ
ツク粉末（組成物）を得た。次いで、このセラミ
ツク粉末：100重量部に対して、アクリル系バイ
ンダー：10重量部、可塑剤：２重量部、トルエ
ン：20重量部、エタノール：40重量部を加え、ボ
ールミルで24時間混合してスラリーと為し、そし
てドクターブレード法によりグリーンシートとし
た。更にその後、このグリーンシートを空気中に
おいて700〜1300℃の温度で焼成し、セラミツク
基板とした。各セラミツク粉末に関して、最も緻密に焼結す
る最適焼成温度、その温度で焼成したセラミツク
基板の誘電率、誘電正接、曲げ強度及び熱膨張係
数を、下記第２表に示す。なお、このときの本発
明に従うセラミツク基板の相対密度は95〜99％で
あつた。また、前記のグリーンシートに銅ペーストを通
常の印刷法により付与し、窒素と水蒸気の混合ガ
ス中で各組成の最適焼成温度で焼成したときの銅
導体との同時焼成の可否についても調べ、その結
果を第２表に示す。なお、金、銀の導体との同時
焼成も、銅導体との同時焼成が可能な組成のう
ち、最適焼成温度が金、銀の導体の融点より低い
組成のものでは可能であつた。下記第２表に示されるように、本発明の範囲内
のセラミツク基板は、何れも、700〜1250℃で緻
密に焼結して、誘電率、誘電正接、曲げ強度、熱
膨張係数の何れも満足出来るものであることが認
められる。また、ガラス：30〜60重量％、石英ガ
ラス：10〜40重量％、アルミナ：10〜50重量％な
る組成のセラミツク基板（No.１〜９、No.17〜26）
は、何れも銅、金、銀それぞれの融点以下で焼結
するものについては各々の導体と同時焼成可能で
あつた。

【表】

【表】実施例３実施例２の第２表に示されるNo.４の組成のセラ
ミツク粉末：100重量部に対して、芳香族系バイ
ンダ：６重量部及びトルエン：60重量部を加え
て、ボールミルにてスラリーと為し、ドクターブ
レード法でグリーンシートとした。次いで、この
グリーンシートを７cm×７cmに打ち抜き、第１図
及び第２図に示される如き配線パターンとなるよ
うにスルーホールを形成した後、各シートの表面
及びスルーホールに銅ペーストを印刷法により付
与した。なお、第１図において、ａ及びｂはそれぞれ第
一層（最上層）のグリーンシート１に形成した配
線図及びスルーホールパターン図であり、ｃ及び
ｄはそれぞれ第二層（中間層）のグリーンシート
２に形成した配線パターン図及びスルーホールパ
ターン図であり、更にｅは第三層（最下層）のグ
リーンシート３に形成された配線パターン図を示
したものであり、また第２図は、第１図の３枚の
グリーンシート１，２，３が積層された多層配線
セラミツク基板の第１図ａのＡ−Ａ断面に相当す
る模式図であり、銅導体４が三次元的に接続され
ている。そして、この印刷されたグリーンシート３枚を
150℃、100Kg／cm²の条件で積層した後、窒素と水
蒸気の混合ガス中で最高温度：960℃にて焼成し、
セラミツク基板とした。かくして得られたセラミ
ツク基板は、外観が白く、気孔率が３％と緻密で
あり、表面に形成された銅導体のハンダ濡れ性は
良好であり、また導通抵抗が1.8ｍΩ／□、ピー
ル付着強度が0.8Kg／mm²であり、中間層の銅導体
４の導通抵抗も2.0ｍΩ／□と良好であつた。（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に係る
セラミツク基板は、原料のガラス、基板の製造途
中の粉末成形体、例えばドクターブレード法によ
るグリーンシート、及び焼成基板の高湿下での硼
酸の溶出が防止され、且つ低誘電率、低誘電正接
の特性を有し、更に熱膨張係数もシリコンに近い
ものであり、また導体として導通抵抗の低い銅、
金、銀をグリーンシートと同時焼成することも出
来るものである。従つて、かくの如き本発明に従うセラミツク基
板は、回路の高速化、高周波化、低損失化を必要
とする回路基板として適しており、シリコンチツ
プをダイレクトボンドし易いため、高密度多層配
線基板、半導体パツケージ等としての使用に最適
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例３で作製された多層配線セラ
ミツク基板のパターンを示す模式図であり、また
第２図は、第１図のパターンに従つて積層された
多層配線セラミツク基板のＡ−Ａ断面模式図であ
る。１：第一層のグリーンシート、２：第二層のグ
リーンシート、３：第三層のグリーンシート、
４：銅導体。

Claims

【特許請求の範囲】１ SiO₂：60〜82重量％と、Al₂O₃：0.1〜15重量
％と、B₂O₃：５〜14重量％とを含み、且つ０〜
２重量％のLi₂O、０〜２重量％のNa₂O及び１〜
５重量％のK₂Oを合計量で１〜７重量％含み、更
にCaO、MgO、BaO、PbO、ZnO、SrOのうち
の１種以上を合計量で0.1〜15重量％含む化学組
成を有するガラス：10重量％以上80重量％以下
と、石英ガラス：10重量％以上50重量％以下と、
アルミナ：10重量％以上50重量％以下とからなる
組成物を焼成して得られたセラミツク基板。２前記セラミツク基板上に銅、金、銀の何れか
を主成分とする導体を形成した特許請求の範囲第
１項記載のセラミツク基板。３前記組成物と実質的に同組成である絶縁層を
前記導体上に形成した特許請求の範囲第２項記載
のセラミツク基板。４ SiO₂：60〜82重量％と、Al₂O₃：0.1〜15重量
％と、B₂O₃：５〜14重量％とを含み、且つ０〜
２重量％のLi₂O、０〜２重量％のNa₂O及び１〜
５重量％のK₂Oを合計量で１〜７重量％含み、更
にCaO、MgO、BaO、PbO、ZnO、SrOのうち
の１種以上を合計量で0.1〜15重量％含む化学組
成を有するガラス：30重量％以上60重量％以下
と、石英ガラス：10重量％以上40重量％以下と、
アルミナ：10重量％以上50重量％以下とからなる
組成物よりなるグリーンシートに、銅、金、銀の
何れかを主成分とする導体が付与され、同時焼成
されていることを特徴とするセラミツク基板。５前記銅、金、銀の何れかを主成分とする導体
が付与されたグリーンシートに、前記組成物と実
質的に同組成の絶縁層を印刷し、同時焼成して得
られた特許請求の範囲第４項記載のセラミツク基
板。６前記銅、金、銀の何れかを主成分とする導体
が付与された複数のグリーンシートを積層して同
時焼成して得られた特許請求の範囲第４項記載の
セラミツク基板。