JPH0488699A - 低誘電率多層セラミック基板及びその製造方法 - 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］ 本発明はアルミナを主成分としグリーンシート多層積層
法により製造される多層セラミック基板に関する。更に
詳しくは超高速ＬＳＩを実装するに適した低誘電率多層
セラミック基板及びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 超高速ＬＳＩを実装するセラミック基板は、基板に形成
された配線パターンを伝搬するパルス信号の遅れが少な
いことが要求される。この伝搬遅延時間は基板材料の比
誘電率の平方根に比例するため、基板材料を低い比誘電
率にすることが不可欠になる。

アルミナを主成分とするセラミック基板は、比較的安価
であるうえ、耐熱性、熱伝導性、機械的強度、耐熱衝撃
性、電気絶縁性、化学的耐久性等の諸性能か非常に優れ
ているため、実用的に最もよく使われ、その加工技術も
他の材質に比べ最も進歩している。

しかし、従来のアルミナ基板の比誘電率は１０〜１１と
比較的高く、高速化に対して未だ改善する必要がある。

このため、次式に示される体積対数混合側がら導かれる
比誘電率εと気孔率Ｐの関係を利用して、気孔率を高く
し、基板材料を低い比誘電率にした低誘電率多層セラミ
ック配線基板が提案されている（特開平２−７７１９４
）。

ｌｏｇ　ｅ　　＝　　（１−Ｐ）　ｌｏｇ　ｅ。−−−
−−−（１）（ただし、ε０は材料固有の比誘電率）上
記多層セラミック配線基板は気孔率が５％以下の焼結体
層及び５〜５０％の焼結体層が積層された構造を備えて
いる。この配線基板は、気孔を外気から遮断することに
より吸水を防止し絶縁特性を低下させないように、基板
表面層、信号層、電源層、グランド層等の主として配線
パターンの形成される層には気孔率が５％以下の焼結体
層を割当て、これらの層の間には気孔率が５〜５０％の
非常に低い比誘電率を示す焼結体層を割当てている。

この配線基板はセラミック材料の気孔率を調節する手段
として、ホウケイ酸系ガラスに対する石英ガラスの比率
を変化させ、気孔率の低い焼結体層には石英ガラスの含
有量を減らし、気孔率の高い焼結体層にはその含有量を
増やしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記ガラスセラミック系基板の曲げ強度は従来
のアルミナ基板の曲げ強度が約３０ｋｇｆ／ｍｍ’ある
のに対して２０　ｋｇｆ／ｍｍ２程度しがなく、高い強
度を要求される用途には不向きである欠点があった。

また上記ガラスセラミック系基板の焼結後の寸法精度は
アルミナ基板の寸法精度が約±１．０％であるのに対し
て±２．０％程度と大きい不具合があった。

更に従来のアルミナ基板が導体パターン、抵抗体パター
ン等を形成するためのスクリーン印刷において使用実績
の豊富な導体ペースト、抵抗体ペースト等を利用できる
のに対して、上記ガラスセラミック系基板は限られた導
体ペースト、抵抗体ペースト等しか用いることができな
い問題点があった。

本発明の目的は、曲げ強度が高く、寸法精度に優れ、し
かも使用実績が豊富な導体ペースト等を利用できるアル
ミナ基板で構成された低い比誘電率の多層セラミック基
板及びその製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の基板は、多孔質セ
ラミック層の両面又は片面に緻密質セラミック層が積層
され、前記緻密質セラミック層を基板表面層及び半導体
素子の回路形成層とする低誘電率多層セラミック基板に
おいて、前記緻密質セラミック層及び前記多孔質セラミ
ック層がそれぞれアルミナ含有量９０〜９９．９％のア
ルミナ焼結体層であって、かつ前記多孔質セラミック層
が前記緻密質セラミック層より多量のアルミナを含有す
ることを特徴とする。前記多孔質セラミック層の気孔率
が２０〜６０％の範囲にあり、前記緻密質セラミック層
の気孔率が０〜５％の範囲にあることが好ましい。

また本発明のセラミック基板の製造方法では、先ず水を
分散媒としたアルミナゾルに焼結助剤と水溶性バインダ
を添加混合して緻密質層用スラリーを調製し、この緻密
質層用スラリーを成膜乾燥して緻密質層用グリーンシー
トを成形する。次いで水を分散媒としたアルミナゾルに
焼結助剤を添加せずに水溶性バインダを添加混合して多
孔質層用スラリーを調製し、この多孔質層用スラリーを
成膜乾燥して多孔質層用グリーンシートを成形する。次
に前記緻密質層用グリーンシート及び多孔質層用グリー
ンシートの所定の位置にスルーホールを形成した後、前
記緻密質層用グリーンシートにのみ導体パターン又は抵
抗体パターンを印刷する。更に続いて前記多孔質層用グ
リーンシートの両面又は片面に前記緻密質層用グリーン
シートを接着剤により接着し、前記接着したグリーンシ
ートを１２００〜１６００℃で焼成して積層焼結体を得
る。

本発明の多孔質セラミック層及び緻密質セラミック層を
構成するセラミック原料は、ともにアルミナ含有量が９
０〜９９９％の純度の高いアルミナである。緻密質層用
スラリー及び多孔質層用スラリーはともに水を分散媒と
したアルミナゾルを主成分とする。このアルミナゾルは
アルミニウムアルコキシドを加水分解し、解膠処理して
得られる、いわゆるゾル−ゲル法において調製される微
細なコロイド粒子のアルミナゾルか好ましい。

緻密質層用スラリーと多孔質層用スラリーの調製方法の
相違点は、前者に焼結助剤がアルミナゾル１００重量％
に対して０．５〜１０重量％含まれるのに対して、後者
にはセラミック層の気孔率を増大させるために焼結助剤
が全く含まれないが或いは前者より少量の焼結助剤が含
まれるところにある。アルミナの焼結助剤としては、二
酸化けい素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酢酸
マグネシウム、二酸化チタン等が挙げられる。

水溶性バインダは緻密質層用スラリー及び多孔質層用ス
ラリーにおいて、ともにアルミナゾルの固形分に対して
１０〜８０重量％添加される。このバインダは焼結時の
脱バインダによりセラミック層に気孔を生じ易いため、
気孔率を減少させる場合には上記範囲で少なめにアルミ
ナゾルに添加される。水溶性バインダとしてはポリビニ
ルアルコール、水溶性アクリル等が挙げられる。緻密質
層用スラリーに含まれるバインダは多孔質層用スラリー
に含まれるバインダと異なってもよい。

緻密質層用スラリー及び多孔質層用スラリーを成膜する
方法としては、ドクターブレード法、押出し成形法、ロ
ール圧延法、泥しよう鋳込み法等があるが、成形歪が少
なく成形体の平滑度が良好なドクターブレード法が好ま
しい。多孔質層用スラリーを成膜するときに、このスラ
リーにアンモニア、或いはアミン類のアルカリ物質を添
加してスラリー中にゲルを生成させ、気孔率を増大させ
ることもできる。

緻密質層用のスラリー及び多孔質層用のスラリーを成膜
後、３０〜９５℃でそれぞれ乾燥して緻密質層用グリー
ンシート及び多孔質層用グリーンシートを成形する。こ
れらのグリーンシートをカセットセツティングした後、
所定の位置に層間の接続のためにスルーホールを形成し
、緻密質層用グリーンシートにのみスクリーン厚膜印刷
法により導体ペースト又は抵抗体ペーストを塗工し導体
パターン又は抵抗体パターン印刷を行う。これにより導
体配線層又は抵抗体層用グリーンシートが作られる。

次いで多孔質層用グリーンシートの両面又は片面に接着
剤を塗布し、Ｏ〜７０’Ｃの温度で５〜１００　ｋｇ／
ｃｍ”の圧力で多孔質層用グリーンシートに緻密質層用
グリーンシートを接着し積層する。

この接着剤としては、セルロース誘導体、アクリル系エ
マルジョン、酢酸ビニルエマルジョン等の水系接着剤又
はアクリル系樹脂、ブチラール系樹脂、ビニール系樹脂
等の非水系接着剤を用いることができる。

これらの積層数は多孔質層用グリーンシートの両面に緻
密質層用グリーンシートを重ね合わせて積！した３層以
外に、セラミック基板の用途に応じて緻密質層と多孔質
層とを交互に重ね合わせた多数層にすることもできる。

グリーンシートを積層した後、所定の寸法に切断し、焼
成炉に入れて焼成する。焼成は目的とする気孔率を得る
ために１２００〜１６００℃の温度範囲で、１〜２時間
、大気圧下で行われる。焼成温度が高まる程、また焼成
時間が長くなる程、気孔率は減少する。１２００℃未満
であると緻密質セラミック層の気孔率が５％を越え、１
６００℃を越えると多孔質セラミック層の気孔率が２０
％未満となり易い。

即ち、本発明の多層セラミック基板は多孔質セラミック
層の気孔率が２０〜６０％の範囲に、また緻密質セラミ
ック層の気孔率が０〜５％の範囲に制御されて作られる
。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の多層セラミック基板はアル
ミナにより前記（１）式に基づく低い比誘電率の多孔質
セラミック層が形成され、これをアルミナの緻密質セラ
ミック層か補強するため、従来のアルミナ基板の長所を
備えなから、従来高かったアルミナ基板の比誘電率を極
めて低くすることができる。この結果、超高速ＬＳＩを
実装するに適した低い比誘電率の多層セラミック基板か
得られる。

［実施例］ 次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。

〈実施例１〉 アルミニウムイソプロポキシド［Ａ、Ｑ　（ＣａＨｔＯ
）ｓｌを加水分解してベーマイトＣＡ　Ｑ　ＯＯＨ］を
生成させ、これにｐＨ２〜４に調整した水を加えて解膠
し、アルミナ濃度５重量％の安定な擬ベーマイトゾルを
得た。

緻密質層用スラリーを調製するために、このゾルに焼結
助剤としてシリカコロイド、酢酸マグネシウム、酢酸カ
ルシウムを、更に水溶性バインダとしてポリビニルアル
コールを添加した。これらの焼結助剤は緻密質セラミッ
ク層に焼結したときの組成比が ＡｕｚＯａ：　５ｉ０２：　ＭｇＯ：　Ｃａ０＝９２＋
　７：　２：　１になるようにそれぞれ添加した。また
バインダはこの固形分に対して４０重量％添加混合した
。これにより固形分が１０重量％のスラリーを調製した
。

このスラリーを移動担体である高密度ポリエチレンテー
プ上にドクターブレード法により厚さ約０．３ｍｍにな
るようにコーティングした後、乾燥し、スラリーの分散
媒である水を脱離させて厚さ約３０μｍの緻密層用グリ
ーンシートを得た。

一方、多孔化し易くするために焼結助剤を添加しない以
外は上記と同様にして厚さ約１４０μ０の多孔質層用グ
リーンシートを得た。緻密層用グリーンシート及び多孔
質層用グリーンシートをカセットセツティングした後、
所定の位置にスルーホールを形成し、緻密質層用グリー
ンシートにのみスクリーン厚膜印刷法により導体ペース
トを塗工し導体パターン印刷を行った。

第１図に示すように、上記多孔質層用グリーンシート１
１の両面に接着剤として１％濃度のポリビニルブチラー
ルのイソプロピルアルコール溶液を塗工し、このシート
１１の両面に上記緻密質層用グリーンシート１２を重ね
合わせて接着し、３層に積層された厚さ約２００　Ｉｉ
ｍのグリーン成形体１０を得た。

次にこのグリーン成形体１０を焼成炉に入れた。

同時に気孔率の生成状況を調べるために上記多孔質層用
グリーンシート１１と同じ多孔質層用グリーンシートと
、導体パターンを形成していない以外は上記緻密質層用
グリーンシート１２と同じ緻密質層用グリーンシートを
焼成炉に入れ、これらのグリーンシートを１０００℃、
１２００℃、１３００℃、１４００℃、１５００℃でそ
れぞれ１時間、大気圧下で焼成した。３層アルミナ基板
の緻密質アルミナ層及び多孔質アルミナ層はそれぞれア
ルミナ含有量が９２％及び９９５％のアルミナ焼結体層
であった。この３層アルミナ基板の曲げ強度は焼成温度
１０００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃、１
５００℃でそれぞれ１８．３６．４５．４５．４５　ｋ
ｇｆ／ｍｍ”であった。

第２図に単層の多孔質アルミナ焼結シート及び単層の緻
密質アルミナ焼結シートの焼成温度による気孔率の変化
をそれぞれ示す。第２図により、緻密質層用グリーンシ
ート単独を焼成して得られた焼結シートの気孔率が０〜
４％の範囲にあることから３層アルミナ基板のうち緻密
質アルミナ層の気孔率も０〜４％の範囲にあると類推さ
れる。

また多孔質層用グリーンシート単独を焼成して得られた
焼結シートの気孔率が３８〜６０％であることから３層
アルミナ基板のうち多孔質アルミナ層の気孔率も３８〜
６０％と類推される。

また第３図に３層アルミナ基板の焼成温度による基板全
体の気孔率の変化を示す。また第４図にこの気孔率の変
化に伴う３層アルミナ基板の比誘電率の変化を実線で示
す。第４図から本実施例の３層アルミナ基板の比誘電率
は３．５〜５０の極めて低い値を示した。

更に第５図に１５００℃で焼成したときの３層アルミナ
基板の断面の粒子構造を示す。第５図は３層アルミナ基
板の多孔質層の部分を主として３５００倍に拡大した電
子顕微鏡写真図である。

この実施例の３層アルミナ基板は厚さ約７０μｍの多孔
質アルミナ層の両面にそれぞれ厚さ約１５μｍの緻密質
アルミナ層が一体的かつ強固に積層焼結していた。

〈実施例２〉 市販のアルミナ含有量９９０％の高純度アルミナ粉を分
散相とし、水を分散媒としたアルミナ濃度６重量％のア
ルミナゾルを調製した。このアルミナゾル１００重量％
に焼結助剤として酢酸マグネシウムをＭｇＯ換算で０．
０５重量％添加した。更に水溶性バインダとしてポリビ
ニルアルコールをゾル固形分に対して４０重量％添加混
合した。

以下、実施例１と同様にして８層アルミナ基板を製造し
た。この３層アルミナ基板の曲げ強度は焼成温度１００
０℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃、１５００
℃でそれぞれ１８．３６．４５．４５．４５　ｋｇｆ／
ｍｍ”であった。この３層アルミナ基板の気孔率の変化
に伴う比誘電率の変化は前記実施例とほぼ同一であって
、この３層アルミナ基板の比誘電率は従来のアルミナ基
板の比誘電率より低い値を示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の多孔質層用グリーンシートと緻
密質層用グリーンシートの積層状態を示す断面図。 第２図は単層の“多孔質アルミナ焼結シート及び単層の
緻密質アルミナ焼結シートの焼成温度による気孔率の変
化をそれぞれ示す図。 第３図は本発明実施例の３層アルミナ基板の焼成温度に
よる基板全体の気孔率の変化を示す図。 第４図はその気孔率の変化に伴う３層アルミナ基板の比
誘電率の変化を示す図。 第５図はその多孔質セラミック層の両面に緻密質セラミ
ック層が接着された焼結体の断面の粒子構造を示す電子
顕微鏡写真図。 １０ニゲリーン成形体、 １１：多孔質層用グリーンシート、 １２：緻密質層用グリーンシート。 第１ １０グリ一ン成汗メ本 図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）多孔質セラミック層の両面又は片面に緻密質セラミ
   ック層が積層され、前記緻密質セラミック層を基板表面
   層及び半導体素子の回路形成層とする低誘電率多層セラ
   ミック基板において、 前記緻密質セラミック層及び前記多孔質セラミック層が
   それぞれアルミナ含有量９０〜９９．９％のアルミナ焼
   結体層であって、かつ前記多孔質セラミック層が前記緻
   密質セラミック層より多量のアルミナを含有することを
   特徴とする低誘電率多層セラミック基板。 ２）多孔質セラミック層の気孔率が２０〜６０％の範囲
   にあり、緻密質セラミック層の気孔率が０〜５％の範囲
   にある請求項１記載の低誘電率多層セラミック基板。 ３）水を分散媒としたアルミナゾルに焼結助剤と水溶性
   バインダを添加混合して緻密質層用スラリーを調製し、 この緻密質層用スラリーを成膜乾燥して緻密質層用グリ
   ーンシートを成形し、 水を分散媒としたアルミナゾルに焼結助剤を添加しない
   か又は前記緻密質用スラリーの焼結助剤より少量の焼結
   助剤と水溶性バインダを添加混合して多孔質層用スラリ
   ーを調製し、 この多孔質層用スラリーを成膜乾燥して多孔質層用グリ
   ーンシートを成形し、 前記緻密質層用グリーンシート及び多孔質層用グリーン
   シートの所定の位置にスルーホールを形成し、 前記緻密質層用グリーンシートにのみ導体パターン又は
   抵抗体パターンを印刷し、 前記多孔質層用グリーンシートの両面又は片面に前記緻
   密質層用グリーンシートを接着剤により接着し、 前記接着したグリーンシートを１２００〜 １６００℃で焼成して積層焼結体を得る低誘電率多層セ
   ラミック基板の製造方法。 ４）アルミナゾルがアルミニウムアルコキシドを加水分
   解した後、解膠処理して得られるアルミナコロイドであ
   る請求項３記載の低誘電率多層セラミック基板の製造方
   法。