JPH0517211A

JPH0517211A - 基板材料及び回路基板

Info

Publication number: JPH0517211A
Application number: JP3041656A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yamade; 善章山出; Kazuhiro Minagawa; 和弘皆川; Tadahisa Arahori; 忠久荒堀
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1993-01-26

Abstract

(57)【要約】【構成】酸化物換算で、ＳｉＯ₂ が６０〜８０ｗｔ
％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が０〜４ｗｔ％、Ｋ₂ Ｏが０〜３ｗｔ
％、Ｌｉ₂ Ｏが０〜３ｗｔ％、Ｂ₂ Ｏ₃ が１５〜３０ｗ
ｔ％の組成範囲のものの総量が９５ｗｔ％以上となるガ
ラス組成物粉末５０〜７０ｗｔ％と、結晶質であるムラ
イト及び／またはフォルステライト３０〜５０ｗｔ％と
からなる原料混合物の焼結体である。【効果】電気抵抗が小さく、安価である銅あるいは銀
等の導体との低温同時焼成が可能で、低誘電率の基板材
料が得られる。また、半導体チップとして用いられてい
るシリコンと導体やピン等の金属との間に熱膨張係数を
調節することができる。従って、信号処理の高速化に対
応することが可能となり、さらにピン付け及びワイヤー
ボンディング等における歩留まりが向上して、製品とし
ての信頼性を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は基板材料及び回路基板、
より詳細には多層配線回路基板等に有用であり、銅また
は銀等の導体材料との適合性が良好である基板材料及び
それを使用した回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、多層セラミックス基板材料とし
ては、従来からアルミナが用いられ、回路導体としては
タングステン及びモリブデン等の高融点金属が使用され
ているが、価格が高いばかりでなく、回路の微細化及び
高集積化を図るという点からはこれら導体材料は内部抵
抗が高い等の問題があった。そこで、電気抵抗が小さ
く、安価である導体材料として銅または銀等が用いられ
始めている。しかし、銅または銀等を用いるためにはこ
れら導体と同時に焼成する基板の焼成温度を、銅ペース
ト等の焼成温度である８５０〜１０００℃程度にする必
要があり、回路導体内装用の低焼成温度の基板材料が数
多く研究されている。

【０００３】例えば、特開昭５９−１６２１６９号公報
においては、クリストバライト、石英、ベリリア、コラ
ンダム、マグネシア、安定化ジルコニア、トリア、ステ
アタイト、フォルステライト、スピネル及びジルコン磁
器のうち少なくとも１種からなる無機フィラーと低融点
ガラスとからなる、１０００℃以下で焼結可能な基板材
料が提案されている。ただし、この場合は低融点ガラス
としてホウケイ酸ガラスを用いた場合のクリストバライ
ト析出については制御ができなかった。一般にホウケイ
酸ガラスを高温で焼成するとクリストバライトが析出
し、熱膨張係数が大きくなり過ぎる傾向にある。

【０００４】また、特開昭６４−８７５５５号公報にお
いては、ムライト−ホウケイ酸ガラス複合体にアルミ
ナ、フォルステライト、ステアタイト等のセラミックス
粉末及び／または石英、コーディエライト、β−スポジ
ュメント等のセラミックス粉末を添加することで、基板
強度が向上することが示されている。

【０００５】さらに、特開平２−１４１４５８号公報に
おいては、ガラス組成を酸化物換算で、ＳｉＯ₂ が５０
〜７０ｗｔ％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が５〜２０ｗｔ％、ＣａＯが
５〜２５ｗｔ％、ＭｇＯが０〜５ｗｔ％、Ｂ₂ Ｏ₃ が８
〜１３ｗｔ％にし、無機フィラーを添加することによっ
て銅等の導電性の良好な導体との同時焼成が可能とな
り、反り及び曲がりのない基板材料が得られることが示
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】回路導体内装用の積層
基板材料として低焼成温度の基板材料を用いる場合、そ
の基板材料がガラス単体では強度が不足するために、セ
ラミックス粉体との複合化が必要とされており、上記し
たガラス／セラミックスの複合基板材料においては、主
に焼成温度の調整と焼結体の平滑性について検討されて
いる。他方、信号処理の高速化に対応するためには基板
材料の低誘電率化が必要であるが、焼結温度、平滑性及
び低誘電率性のいずれの特性をも満足させる基板材料に
ついては検討されておらず、低誘電率化のためには主に
ガラス組成を適切なものにする必要がある。

【０００７】これら基板材料を用いてセラミックス基板
を作成し部品化する際電極となるピンのピン付け強度が
必要とされるが、セラミックス基板と、一般に半導体チ
ップとして用いられているシリコンとの熱膨張係数を完
全に合わせると、前記ピン等の電極材料との間に残留熱
応力が生じ、部品破壊の原因となり基板の信頼性及び製
品の歩留まりが低下するという課題があった。

【０００８】本発明はこのような課題に鑑み発明された
ものであって、銅または銀等の導体との低温同時焼成が
可能で、低誘電率であるとともに、半導体チップとして
用いられているシリコンと導体やピン等の金属との中間
の熱膨張係数を有しそれぞれに対する熱膨張係数差が小
さいことにより、信頼性の高い製品を作ることのできる
基板材料及び内部導体として銅または銀等の導体が用い
られた回路基板を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る基板材料は、酸化物換算で、ＳｉＯ₂が
６０〜８０ｗｔ％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が０〜４ｗｔ％、Ｋ₂ Ｏ
が０〜３ｗｔ％、Ｌｉ₂ Ｏが０〜３ｗｔ％、Ｂ₂ Ｏ₃ が
１５〜３０ｗｔ％の組成範囲のものの総量が９５ｗｔ％
以上となるガラス組成物粉末５０〜７０ｗｔ％と、結晶
質であるムライト及び／またはフォルステライト３０〜
５０ｗｔ％とからなる原料混合物の焼結体であることを
特徴とし、さらに、本発明に係る回路基板は上記基板材
料が積層化され、内部導体として銅または銀が用いられ
ていることを特徴としている。

【００１０】一般に材料の誘電率及び熱膨張係数はそれ
ぞれ固有の物性値であり、組成に大きく依存する。複合
材料については混合則に従って変化するが、多くの場
合、焼結時に化学反応により出発時とは異なる物質が生
じ、それらの特性は混合則からはずれる。本発明者ら
は、ガラス組成について種々検討した結果、銅または銀
導体との同時焼成が可能な基板材料として、上記したガ
ラス組成が適切な特性を有することを見出した。さら
に、ムライト及び／またはフォルステライトを添加する
ことにより銅または銀等の導体との同時焼結性及び強度
に優れたものが得られ、基板材料の熱膨張係数をシリコ
ンと金属との中間に調整することができ、ワイヤーボン
ディング、ピン立て等における安定性も向上することを
見出し、本発明に至ったものである。

【００１１】

【作用】上記した構成によれば、酸化物換算で、ＳｉＯ
₂ が６０〜８０ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃ が０〜４ｗｔ％、Ｋ₂
Ｏが０〜３ｗｔ％、Ｌｉ₂ Ｏが０〜３ｗｔ％、Ｂ₂ Ｏ₃
が１５〜３０ｗｔ％の組成範囲のものの総量が９５ｗ
ｔ％以上となるガラス組成物粉末５０〜７０ｗｔ％と、
結晶質であるムライト及び／またはフォルステライト３
０〜５０ｗｔ％とからなる原料混合物の焼結体であるの
で、銅及び銀等の導体との低温同時焼成が可能で、低誘
電率であるとともに、半導体チップとして用いられてい
るシリコン及び導体やピン等の金属との熱膨張係数の差
も小さいものとなる。

【００１２】また、上記した構成の回路基板によれば、
上記基板材料が積層化され、内部導体として銅または銀
が用いられているので、電気抵抗が小さく、安価でしか
も安定した特性を有する製品が得られることとなる。

【００１３】各成分を上記した範囲に限定したのは、Ｓ
ｉＯ₂ の含有量がガラス組成中６０ｗｔ％未満ではガラ
スの化学的安定性が悪化し、熱膨張係数が大きくなる。
一方、８０ｗｔ％を越えると軟化温度が上昇し、１００
０℃以下の焼成温度で十分に緻密化しなくなるためであ
る。

【００１４】また、Ａｌ₂ Ｏ₃ を含有させることにより
機械的強度は上昇するが、Ａｌ₂ Ｏ₃ の含有量がガラス
組成中４ｗｔ％を越えると軟化点が上昇する。

【００１５】さらに、Ｋ₂ Ｏ及びＬｉ₂ Ｏを含有させる
ことによりガラスの軟化点が低下するが、Ｋ₂ Ｏ及びＬ
ｉ₂ Ｏの含有量がガラス組成中３ｗｔ％を越えると化学
的安定性の低下、特に添加セラミックスとの反応が生
じ、熱膨張係数等の上昇が起こる。

【００１６】また、Ｂ₂ Ｏ₃ を含有させることによりガ
ラスの軟化点が低下してガラスフリットの作成が容易と
なるが、Ｂ₂ Ｏ₃ の含有量がガラス組成中１５ｗｔ％未
満では９００℃での粘度が高く、基板の緻密化が不十分
となる。一方、３０ｗｔ％を越えると誘電率が上昇し、
基板材料としては不適当となる。

【００１７】また、ガラス組成物粉末を原料混合物の５
０ｗｔ％より少なくすると１０００℃以下の焼結温度で
十分緻密化しない。一方、７０ｗｔ％を越えると、８５
０℃より低い温度でガラスの軟化による基板の変形が生
じるため、銅または銀等の導体との同時焼成が不可能と
なる。

【００１８】さらに、ムライトを添加することにより機
械的強度が向上するとともに、ガラス冷却過程で生じる
クリストバライトの析出が抑制され、基板材料の熱膨張
係数が低く抑えられる。また、フォルステライトを添加
することにより、基板材料の強度が向上するとともに、
ガラス成分とムライトのみでは熱膨張係数が低くなり過
ぎることがあるのが抑えられ、熱膨張係数が増加してシ
リコンと金属との中間に調節可能となる。従って、ムラ
イト及び／またはフォルステライトを３０〜５０ｗｔ％
とすることにより、目的とする熱膨張係数、比誘電率が
得られる。

【００１９】また、ムライト及びフォルステライトをそ
れぞれ結晶質で添加するのは、ガラス質に対して結晶質
の方が機械的強度にまさり、上記ガラス組成のみでは不
十分な強度が結晶質セラミックスと複合化されることで
向上するためである。

【００２０】

【実施例】以下、本発明に係る実施例を比較例とともに
説明する。まず、表１に示した組成になるように原料を
混合して、１４５０〜１５５０℃の温度で溶融、水砕
し、ガラスを得た。

【００２１】

【表１】

【００２２】なお、表中※印は本発明の範囲内のもの、
それ以外は本発明の範囲外のものを示している。

【００２３】表１より明らかなように、本発明の範囲内
の組成によって得られたガラスは、目的とする低温焼
成、低誘電率基板材料を作成するのに適していることが
分かる。

【００２４】さらに、試料番号１で得られたガラス組成
物とムライト及びフォルステライトとを表２に示した組
成で、ボールミルにて粉砕混合し、キシレン、ブタノー
ルを溶媒とし、アクリル樹脂を加え、ドクターブレード
法により厚さ２００μｍのグリーンシートを作成した。
さらにグリーンシートを３〜１０層、プレスにより積層
したものを８５０〜１０００℃のN₂ガス中で焼成し、基
板材料を作成した。

【００２５】得られた基板材料それぞれについて密度及
び気孔率を測定し、焼結性を評価した。またインピーダ
ンスアナライザーで比誘電率を、熱膨張計で熱膨張係数
を評価した。

【００２６】また、上記のように作成したグリーンシー
トを用いて銅導体または銀導体を内部導体とし、５〜１
０層の積層によって同時焼成のセラミック基板を得た。
得られたセラミック基板にシリコンチップを実装した回
路基板の特性を、シリコンと電極とのマッチングとして
評価した。それらの結果を表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】なお、表中※印は本発明の範囲内のもの、
それ以外は本発明の範囲外のものを示している。表２よ
り明らかなように、本発明の範囲内の組成で作成した基
板材料はいずれも、焼結性、誘電率及び熱膨張係数に優
れている。さらに、銅導体または銀導体を用いた同時焼
成回路基板としても有効であることが分かる。

【００２９】このような組成によって形成された基板材
料は、銅または銀等の導体との低温同時焼成が可能で、
低誘電率を実現できるので、信号処理の高速化に対応す
ることが可能となる。また、一般に半導体チップとして
用いられているシリコン及び導体やピン等の金属との熱
膨張係数の差を小さくすることができるので、基板とシ
リコン及び基板と導体やピン等の金属との間に生じる残
留熱応力を抑制することができる。従って、製品として
信頼性の高いものを作製することが可能となる。さら
に、内部導体として銅または銀が用いられているので、
電気抵抗が小さく、安価な回路基板を得ることができ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る基板材
料にあっては、酸化物換算で、ＳｉＯ₂ が６０〜８０ｗ
ｔ％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が０〜４ｗｔ％、Ｋ₂ Ｏが０〜３ｗｔ
％、Ｌｉ₂ Ｏが０〜３ｗｔ％、Ｂ₂ Ｏ₃ が１５〜３０ｗ
ｔ％の組成範囲のものの総量が９５ｗｔ％以上となるガ
ラス組成物粉末５０〜７０ｗｔ％と、結晶質であるムラ
イト及び／またはフォルステライト３０〜５０ｗｔ％と
からなる原料混合物の焼結体であるので、銅及び銀等の
導体との低温同時焼成が可能で、低誘電率を実現するこ
とができ、信号処理の高速化に対応することが可能とな
る。また、半導体チップとして用いられているシリコン
及び導体やピン等の金属との熱膨張係数の差を調節する
ことができ、ピン付け及びワイヤーボンディング等にお
ける歩留まりを向上させ、製品として信頼性の高いもの
を提供することができる。

【００３１】また、本発明に係る回路基板にあっては上
記基板材料が積層化され、内部導体として銅または銀が
用いられているので、電気抵抗が小さく、安価でしかも
安定した特性を有する製品を提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化物換算で、ＳｉＯ₂ が６０〜８０ｗ
ｔ％、Ａｌ₂ Ｏ₃ が０〜４ｗｔ％、Ｋ₂ Ｏが０〜３ｗｔ
％、Ｌｉ₂ Ｏが０〜３ｗｔ％、Ｂ₂ Ｏ₃ が１５〜３０ｗ
ｔ％の組成範囲のものの総量が９５ｗｔ％以上となるガ
ラス組成物粉末５０〜７０ｗｔ％と、結晶質であるムラ
イト及び／またはフォルステライト３０〜５０ｗｔ％と
からなる原料混合物の焼結体であることを特徴とする基
板材料。
【請求項２】請求項１記載の基板材料が積層化され、
内部導体として銅または銀が用いられていることを特徴
とする回路基板。