JPH0558720A - 多層ガラスセラミツク基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高密度微細配線で、しかも高速化が期待でき
る低温焼結性で機械的強度の優れた多層ガラスセラミッ
ク基板を提供する。 【構成】 内層に導体を含む多層ガラスセラミック基板
のガラスセラミック層を、酸化物換算表記で、酸化アル
ミニウム３０〜６０重量％、二酸化ケイ素２０〜５０重
量％、酸化カルシウム４．５〜１５重量％、酸化ホウ素
３〜１５重量％、Ｉ族元素酸化物０〜５重量％、II族元
素（但しＣａは除く。）酸化物０〜５重量％、IV族元素
（但しＣ，Ｓｉ，Ｐｂは除く。）酸化物０〜５重量％の
組成範囲で総量１００％になる材料で構成し、かつアノ
―サイト結晶を含むものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ素子を実装する
ための多層ガラスセラミック基板に関し、特に低温焼結
できる多層ガラスセラミック基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体技術の発展に伴い、電子装置、シ
ステムの小型化、高速化が増々要求されている。半導体
素子においては、ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩと高密度化、高集
積化され、これらをアセンブリするための実装技術は極
めて高密度微細化が必要とされている。特に半導体素子
を搭載するための実装基板は、配線密度の増大による微
細配線化とともに、配線抵抗の低減化、高速化に対応し
た基板材料の低誘電率化、および高密度配線化が要求さ
れる。基板材料として従来から使用されているものにア
ルミナ多層基板がある。この基板の製造方法としては、
厚膜印刷多層法およびグリ―ンシ―ト積層法があるが、
高密度化の要求に対しては、グリ―ンシ―ト積層法が有
利である。グリ―ンシ―ト積層法は、薄いセラミックグ
リ―ンシ―ト各層に配線を印刷形成し、一体に積層して
得られるため、配線層数を任意に多くすることができ、
その結果、厚膜印刷多層よりも配線密度を高くすること
ができる。しかし、アルミナセラミックは焼結温度が１
５００℃以上と高く、配線導体に電気抵抗の比較的高い
Ｍｏ，Ｗ金属を使わなければならず、配線の微細化が困
難であった。

【０００３】一方、最近、低抵抗導体のＡｕ，Ａｇ−Ｐ
ｄ，Ａｇ，Ｃｕ等を用いる低温焼結型のセラミック材料
が開発されている。例えば、アルミナとホウケイ酸鉛系
ガラスの複合材料の場合、１０００℃以下の低温で焼結
が可能で、Ａｕ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇを配線導体に用いた
多層基板が開発されている。しかしながら、この材料は
鉛を含んでいるため、卑金属であるＣｕを配線に用いる
ことは困難であり、更に誘電率においても７．５以上に
しか低減することができない。また、低誘電率化と１０
００℃以下の還元雰囲気焼成をねらったホウケイ酸系ガ
ラスを用いたガラスセラミック材料も開発されている。
これは誘電率が５．５程度と低く抑えられ、Ｃｕ配線に
よる多層化が、ガラスセラミックと導体との同時焼結法
により実現されているが、焼結時に結晶化を起こしてお
らず、機械的強度が著しく低くなる欠点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のアルミナ多層基
板では、高温でしか焼結できないため電気抵抗の高いＭ
ｏ，Ｗしか導体に利用できないため、配線抵抗が高くな
ったり、微細配線が不可能であった。またアルミナの誘
電率は約１０と高く、信号の高速化には不利であった。
アルミナとホウケイ酸鉛系ガラスの複合材料は、低温焼
結化ができ、低抵抗導体を配線に使えるが、還元雰囲気
焼成や卑金属導体配線の実現が困難であった。更にホウ
ケイ酸系ガラスを用いたガラスセラミック基板では、Ｃ
ｕ多層配線および低誘電率化は可能であるが、機械的強
度が著しく低くなった。基板の機械的強度は、極めて重
要な特性であり、特に基板上に多数の半導体素子が実装
されるマルチチップ実装基板においては、基板サイズが
大面積化するとともに入出力端子またはピンが多数接続
されるため、アセンブリ―工程ばかりでなく製品の状態
で基板破損や金属との接合不良等の問題が発生する。本
発明の目的は、このような従来の実装基板の課題を解決
することにより、１０００℃以下の低温で、しかも酸化
性ばかりでなく中性および還元雰囲気で焼成でき、誘電
率の低い、機械的強度のすぐれた多層ガラスセラミック
基板を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラスセラミ
ック層がアノ―サイト結晶を含み、かつ酸化物換算表記
に従ったとき、酸化アルミニウム３０〜６０重量％、二
酸化ケイ素２０〜５０重量％、酸化カルシウム４．５〜
１５重量％、酸化ホウ素３〜１５重量％、Ｉ族元素酸化
物０〜５重量％、II族元素（但し、カルシウムは除
く。）酸化物０〜５重量％、IV族元素（但し、炭素、ケ
イ素、鉛は除く。）酸化物０〜５重量％の組成範囲で総
量１００％となるように選んだ組成物で構成され、複数
の導体層を前記ガラスセラミック層を介して積層したこ
とを特徴とする多層ガラスセラミック基板である。

【０００６】本発明のガラスセラミック基板は、１００
０℃以下の温度で焼結可能となるため、所望のグリ―ン
シ―ト積層法によって容易に多層化ができ、また導体と
してＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ等の元素ばかりでなく、中
性または還元雰囲気で焼成するＣｕ，Ｎｉ等の卑金属の
元素を含め、それぞれ１種およびこれらの２種類以上を
含む合金が安心して使用できるようになり、実装密度が
高く機械的強度に優れた多層ガラスセラミック基板を実
用に供することが可能となる。ここで本発明による基板
の機械的強度は、抗折強度で２０００ｋｇ／ｃｍ²以上
を有しており、十分な強度を有している。本発明による
ガラスセラミック基板の製造方法としては、例えばＡｌ
₂Ｏ₃を除く他の組成物をガラスとして調製し、このガラ
ス粉末とＡｌ₂Ｏ₃とを均一に混合したものをグリ―ンシ
―ト法により製造する方法が挙げられるが、これに限定
されるものではない。

【０００７】次に、本発明の各構成成分を限定した理由
について記す。 アルミニウムが酸化物換算で３０重量％未満の場合、
抗折強度が２０００ｋｇ／ｃｍ²未満となり不充分であ
り、６０重量％を越えると１０００℃以下の温度では焼
結が不充分となり、その結果、絶縁抵抗が低下するとと
もに抗折強度も２０００ｋｇ／ｃｍ²未満となる。また
誘電率も７を超え高くなるため、高速化に不利である。
したがって実用的な多層ガラスセラミック基板が得られ
ない。 ケイ素が二酸化物換算で２０重量％未満では、ガラス
セラミックが焼結しにくくなり、５０重量％を超えると
抗折強度が２０００ｋｇ／ｃｍ²より小さくなるので好
ましくない。 カルシウムが酸化物換算で４．５重量％未満では、ア
ノ―サイト結晶の生成が起こらず、抗折強度は著しく低
下し、２０００ｋｇ／ｃｍ²を下まわる。１５重量％を
超えると誘電率が７より高くなり、かつ焼結しにくくな
り好ましくない。 ホウ素が酸化物換算で３重量％未満ではガラスセラミ
ック中のボイドや空隙が多くなり、１５重量％を超える
と絶縁抵抗を劣化させるので好ましくない。 Ｉ族元素が酸化物換算で５重量％を超えた場合、耐水
性が劣化し、絶縁抵抗を低下させるので好ましくない。 II族元素が酸化物換算で５重量％を超えると、焼結時
にクラックを生じ、基板の信頼性が低下するので好まし
くない。 IV族元素が酸化物換算で５重量％を超えると、誘電率
が７を超え高くなり、かつ導体金属とガラスセラミック
との密着性が悪くなるので実用的な多層ガラスセラミッ
ク基板が得られない。

【０００８】

【作用】本発明の多層ガラスセラミック基板の組成は、
１０００℃以下の温度で焼結できるがその理由を次に示
す。本組成物においては、焼成の際、ガラス質の部分が
約７００℃以上の温度で軟化を開始する。この時点でガ
ラス質の部分が液相として働きセラミック粉末間の空隙
を埋めることになり、緻密化が進行する。緻密化が進む
につれガラス質およびセラミック質の界面が活性になり
微結晶の生成が起こる。こうして８００〜１０００℃の
温度領域で十分緻密なガラスセラミック体が形成され、
焼結を完了する。以上の焼結反応が１０００℃以下の温
度で起こるのは、すべて基板を構成している本組成物に
よるのである。次に還元雰囲気で焼結できる理由は、本
組成物がこの条件下で酸化物状態から還元され、金属元
素に変化することが抑えられる元素を用いているためで
ある。例えば酸化鉛を含んだ組成物の場合、還元雰囲気
下では金属鉛に変化し、ガラスセラミック体の絶縁性が
著しく劣化する。機械的強度は多層ガラスセラミック基
板において重要な特性の一つであり、本発明は特にこの
特性に対して効果が大である。強度を２０００ｋｇ／ｃ
ｍ²以上に実現できる理由は、焼結時の微結晶の生成に
起因する。本発明は、この微結晶としてアノ―サイトが
生成するように設計されているところに最大の特徴をも
っている。つまりセラミック粒子間にガラス質が存在し
ているだけの構造では従来のガラスセラミック体のごと
く２０００ｋｇ／ｃｍ²未満の不十分な強度しか得られ
ないが、本発明の場合、セラミック粒子とガラス質との
界面にアノ―サイトの微結晶が生成しセラミックとガラ
スとを強固に結合させる作用が働き、その結果基板とし
て抗折強度の十分な特性が得られることになる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。 実施例１ ガラスセラミック層を形成する組成物を酸化物に換算し
て、表１〜表３に示すような組成の粉末状のものとして
用意する。該粉末の作製方法としては種々あるが、一例
として次に示す。Ａｌ₂Ｏ₃を除く他の組成物をガラスと
して調製する。即ち、ガラスの目標組成となるように各
成分の原料を秤量し、次に１４００℃以上の高温で２〜
４時間加熱、溶融しガラス化させる。溶融ガラスを水冷
あるいは厚い鉄板上に流してフレ―ク状に成形し、得ら
れたガラス片をアルミナボ―ルミル等で微粉砕し、平均
粒径０．５〜３μｍのガラス粉末を得る。次に平均粒径
０．５〜３μｍにコントロ―ルされたＡｌ₂Ｏ₃粉末と粉
砕されたガラス粉末を目標組成になるように秤量し、ア
ルミナボ―ルミル等により均一に混合し、表１〜表３に
示す組成物の粉末として準備する。

【００１０】前記によって得られた混合された無機粉末
は、例えばグリ―ンシ―ト積層法によってシ―ト状に成
形される。即ち、粉末をポリビニルブチラ―ル、ポリビ
ニルアルコ―ルあるいはポリアクリル系樹脂などの有機
バインダとともに溶媒中に分散し泥漿にする。この泥漿
をドクタ―ブレ―ド法やロ―ル法等のスリップキャステ
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
―ンシ―トとする。グリ―ンシ―ト厚みは、１０μｍ〜
４００μｍの範囲で、均一にしかも自由にコントロ―ル
することが可能である。次に上下導体を接続するための
ビアホ―ルを打抜き装置によりグリ―ンシ―トに形成す
る。該ビアホ―ルに電気的接続を行うための導体ペ―ス
トの埋込みおよび配線パタ―ン印刷を行う。ここで用い
た導体としては、Ａｕ，Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎ
ｉ，Ａｇ−Ａｔ等を主成分とする導体ペ―ストであり、
スクリ―ン印刷法によって所定の位置に印刷される。導
体パタ―ンが印刷されビアフィルされたグリ―ンシ―ト
を所定の層数になるように積層し、熱圧着する。成形時
に添加された有機バインダおよび溶剤を４００〜７００
℃の温度の脱バインダ工程により除去した後、８００〜
１０００℃の温度範囲で焼成し、多層ガラスセラミック
基板を得た。表１〜表３に示した組成の無機粉末を用い
て多層ガラスセラミック基板を作製した時の焼成条件、
配線仕様および特性を表４〜表９に示す。なお、無機粉
末の試料番号は、それぞれ表１〜表３で示す基板の試料
番号に対応している。

【００１１】

【表１】

【００１２】

【表２】

【００１３】

【表３】

【００１４】

【表４】

【００１５】

【表５】

【００１６】

【表６】

【００１７】

【表７】

【００１８】

【表８】

【００１９】

【表９】

【００２０】表４〜表９からも明らかなように、本発明
の組成物を使用することにより、容易に高密度で微細な
配線が形成されるばかりでなく、特性上もすぐれ、かつ
実用に供されるために必要な機械的強度も十分満足する
多層ガラスセラミック基板を得ることができる。なお、
ガラスセラミック層の組成を酸化物に換算して表現した
が、これは酸化物を出発原料として使用することを制約
するものではない。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の多層ガラ
スセラミック基板は、１０００℃以下の低温で、酸化性
あるいは還元雰囲気を問わず焼成できると共に、誘電率
が十分に低く、機械的強度の優れたものである。従って
配線導体として低抵抗のＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｇ−Ｐｄ
等を用いることが可能となり、高密度微細配線で、しか
も高速化が期待できる実装基板を提供できる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスセラミック層がアノ―サイト結晶
   を含み、かつ酸化物換算表記に従ったとき、酸化アルミ
   ニウム３０〜６０重量％、二酸化ケイ素２０〜５０重量
   ％、酸化カルシウム４．５〜１５重量％、酸化ホウ素３
   〜１５重量％、Ｉ族元素酸化物０〜５重量％、II族元素
   （但し、カルシウムは除く。）酸化物０〜５重量％、IV
   族元素（但し、炭素、ケイ素、鉛は除く。）酸化物０〜
   ５重量％の組成範囲で総量１００％となるように選んだ
   組成物で構成され、複数の導体層を前記ガラスセラミッ
   ク層を介して積層したことを特徴とする多層ガラスセラ
   ミック基板。