JPH0676227B2

JPH0676227B2 - ガラスセラミツク焼結体

Info

Publication number: JPH0676227B2
Application number: JP61254325A
Authority: JP
Inventors: 久光 ▲高▼橋; 政行石原; 圭造槙尾; 昭一岡
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1986-10-24
Publication date: 1994-09-28
Anticipated expiration: 2009-09-28
Also published as: JPS63107838A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕この発明は、銀，銀−パラジウム，金などの低抵抗金属
と同時焼成でき、高集積化したLSIを多数搭載するため
の多層配線基板などの絶縁材料を製造するのに用いられ
るガラスセラミック焼結体に関する。

〔背景技術〕

近年、高集積化したLSIや各種の素子を多数搭載する多
層配線基板では、小型化や高信頼性の要求が高まるにつ
れて、セラミック材の多層配線基板の利用が広がってき
ている。

セラミック多層配線基板は、アルミナを主材にしてグリ
ーンシートを形成し、このグリーンシート上に高融点金
属（Mo,W等）の導体配線を厚膜技術により印刷形成す
る。そのあと、このグリーンシートを貼り合わせて積層
した多層グリーンシートを約1500〜1600℃の高温非酸化
雰囲気中で焼成して得られる。

しかし、アルミナを主材料とする上述のような多層配線
基板では、アルミナの高い比誘電率と、微細化配線導体
（Mo,W等の高融点金属）の高い抵抗によって、多層構造
の配線中を伝播する信号の伝達時間が長くなり、高速化
の要望に応え難かった。

この問題を解決するために、高抵抗の高融点金属材料の
代わりに低抵抗金属材料（Au、Ag、Ag−Pd、Cu等）を使
って微細化配線を形成することも考えられる。しかしな
がら、上記の各低抵抗金属材料は融点が1000℃付近であ
り、アルミナの焼結温度よりもはるかに低くなってい
る。そのため、仮に用いたとしても、焼結以前に配線パ
ターンが融解して表面張力で収縮し断線してしまうとい
う問題があった。

この問題を解決するため、ガラス、あるいはガラス粉末
焼結体（ガラス−セラミック体）の多層配線基板が提案
されている。

このようなガラス粉末焼結体、とくに、SiO₂−Al₂O₃−M
gO系（以下に、「コーディエライト系」と記す）の具体
例が、特公昭59-22399号公報、特開昭59-178752号公
報、特公昭57-6257号公報、および、特公昭59-46900号
公報に記載されている。しかし、特公昭59-22399号公
報、特公昭57-6257号公報および特開昭59-178752号公報
公報に記載されているガラス粉末焼結体は、いずれも、
組成にNa,K,Li,Pbという比較的イオン伝導性の高い元素
を含んでいることから、マイグレーション現象が生ず
る。そのため、基板としてもっとも重要な特性である絶
縁性の劣化が生じやすいという問題がある。一方、特公
昭59-46900号公報に記載されているガラス粉末焼成体
は、イオン伝導性の高い上記の元素をほとんど含んでお
らず、上記マイグレーションに伴う絶縁性の劣化という
ものはない。しかも、特公昭59-46900号公報記載のガラ
ス粉末焼結体は、950℃近辺の焼成温度で緻密な焼結体
となる。しかしながら、1000℃を超えるとバルク中の未
結晶なガラス相の融解が生じ上部の配線が切れたりす
る。また、900℃付近の焼成温度ではα−コージィエラ
イトよりむしろμ−コージィエライトが多くなり、目的
の電気特性や熱膨張率が得られない。そればかりか、α
型とμ型の混在した再現性の悪い結晶体しか得られない
と言う問題があった。また、従来のガラスセラミック粉
末の中には、導体配線と成形体との焼成収縮率がうまく
合致しないために、低抵抗金属配線を成形体（グリーン
シート）上に印刷形成しておいて同時焼成を行うとき
に、焼成後の基板が反ったり、寸法精度が悪くなるとい
う欠点を持つものもあった。しかも、原料配合物を融解
するときの温度が高く（1500℃以上）、通常の製造方法
で製造する場合には難点があった。

〔発明の目的〕

この発明は、このような事情に鑑みて、1000℃以下の低
い温度での焼成でも十分緻密化されていて、誘電率も低
く、しかも、多層配線基板材料として用いても、マイグ
レーション現象による絶縁劣化が起こらないばかりか、
低抵抗金属材料による配線形成にも適したガラスセラミ
ック焼結体を提供することを目的とする。

〔発明の開示〕

前記の目的を達成するため、発明者らは、新しいタイプ
のガラス（結晶化するガラス）と、フィラーとの組み合
わせで焼結体の性能の向上をはかるべく鋭意検討を行っ
た。その結果、この発明を完成させた。

すなわち、この発明は、ガラス組成物粉末とフィラーと
の混合物を焼成して得られるガラスセラミック焼結体で
あって、前記ガラス組成物粉末が、 SiO₂ 48〜63重量％、 Al₂O₃ 10〜25重量％、 B₂O₃ ４〜10重量％、 MgO 10〜25重量％、からなる母ガラスの前記MgOのうち３〜20重量％がBaO,S
rOおよびCaOからなる群より選ばれた少なくとも１つで
置換されてなる主成分に対し、TiO₂,ZrO₂,SnO₂,P₂O₅,Zn
O,MoO₃,Ta₂O₅,Nb₂O₅,As₂O₃およびLi₂Oからなる群より選
ばれた少なくとも１つの核発生剤が３重量％以下の割合
で添加されてなる組成を有し、このガラス組成物粉末と
フィラーとが、ガラス組成物粉末 70〜95重量％、フィラー５〜30重量％、の割合で混合されていることを特徴とするガラスセラミ
ック焼結体を要旨とする。

以下に、この発明にかかるガラスセラミック焼結体を詳
しく説明する。

母ガラスの組成は、SiO₂が48〜63重量％、Al₂O₃が10〜2
5重量％、B₂O₃が４〜10重量％、MgOが10〜25重量％から
なる。このような母ガラスにおいて、MgOの３〜20重量
％がBaO,SrOおよびCaOからなる群より選ばれた少なくと
も１つ（以下、「RO」とのみ記す）で置換されている。
このようにすれば、アルミナの持つ比較的高い誘電率
（96％アルミナで約10）に比べかなり低いレベルの誘電
率を有するようになる。上記のように、SiO₂−Al₂O₃−M
gO−B₂O₃系のガラス組成物のうちMgOを、BaO,SrO,CaOな
どのアルカリ土類金属酸化物で３〜20重量％置換して
も、置換されていない上記組成範囲のSiO₂−Al₂O₃−MgO
−B₂O₃系のガラス組成物と同様に、850℃付近、高々950
℃までの焼成温度で非多孔質の焼結を行うことができ
る。そして、上記したように、焼結体の主結晶相はコー
ディエライトとなるため、誘電率が低く、機械的強度も
大きくなる。また、ガラス原料の溶解温度も1400℃で十
分できるため、溶融が通常の粘土ルツボや溶解炉で十分
間にあうので、製造上からも都合がよい。このガラス組
成物にさらに、３重量％以下、好ましくは、0.5〜２重
量％の核発生剤を添加するようにすると、焼結体の結晶
をより確実にα−コーディエライトとすることができ
る。核発生剤としては、TiO₂,ZrO₂,SnO₂,P₂O₅,ZnO,Mo
O₃,Ta₂O₅,Nb₂O₅,As₂O₃およびLi₂Oなどが挙げられる。

SiO₂の組成割合が63重量％を越えると、緻密な焼結体と
なり難い。48重量％を下回ると、ガラス粉末の結晶化温
度が上昇して、950℃以下の焼成温度では十分に結晶化
することができなかったり、緻密化が難しくなる。

Al₂O₃の組成割合が25重量％を越えると、焼結できる温
度が上昇し、950℃以下の焼成温度では十分な焼結が行
えない。10重量％を下回ると、コーディエライト結晶が
少なくなり、SiO₂−MgO系の結晶が多く析出するので、
比誘電率が上昇する。

MgOの組成割合が25重量％を越えると、恐らくは、ケイ
酸マグネシウムが析出するためと思われるが、変形が大
きくなり実用性に乏しい。10重量％を下回ると、緻密な
焼結体となり難い。

コーディエライト系のガラス組成物に対してB₂O₃を添加
するようにすれば、さらに、低温で焼成でき、μ−コー
ディエライトからα−コーディエライトへの相変化も10
00℃以下で行えるのであるが、B₂O₃の組成割合が10重量
％を越えると、ガラス相が多く、発泡しやすくなり、焼
成可能な温度範囲も狭くなる。また、機械的強度も弱く
実用性に乏しくなる。４重量％を下回ると、ガラス粉末
の表面層の結晶化が急激に進みすぎるため、緻密な焼結
体となり難い。

MgOと置換するROの置換率は、20重量％を越えると、MgO
成分が少なくなるため、α−コーディエライト結晶の析
出が悪くなり、電気特性が悪くなる。３重量％を下回る
と、効果が現れない。

核発生剤は、３重量％を越えると、結晶化が急激に進み
すぎて緻密な焼結体とならない。

この発明で用いるフィラーとしては、特に限定するもの
ではないが、α−石英，溶融シリカ，クリストバライ
ト，コーディエライト，ステアタイト，フォルステライ
ト，ウォラストナイト，アノーサイト，セルジアン，ア
ルミナから選ばれた少なくとも１種などが挙げられる。

前記フィラーは、焼結体の機械的強度を上昇させるばか
りでなく、比誘電率を減少させるなどの働きがある。添
加割合は、５重量％〜30重量％、好ましくは、５重量％
〜20重量％である。フィラーの添加割合が30重量％を越
えると、焼結しにくくなり、1000℃以下での焼結ができ
なくなる。また、焼結体バルク内部にポアーを多く含む
ようになる。フィラーが５重量％を下回ると、フィラー
を添加する狙いである、誘電率の低下、熱膨張率の調
整、熱伝導率の向上などの効果が認められにくくなる。

上記に挙げられたフィラーのうち、α−石英，溶融シリ
カ，クリストバライト，コーディエライトなどのグルー
プのものを用いれば、特に、熱膨張率がシリコン並に近
い値を有するようになるので、高密度多層基板として有
用で、上記以外のグループのものを用いれば、特に、熱
伝導率が向上するので、多層基板として有用であるとい
う傾向がある。

フィラーとして、比較的イオン伝導性の高い上記元素を
ふくんでいないものを用いるようにすると、焼結体を多
層配線基板材料として用いても、マイグレーション現象
による絶縁性の劣化が生じるおそれがない。

上記ガラス組成物の粉末は、たとえば、重量％組成が上
記範囲内となるように各成分を配合して溶融し、この溶
融体を結晶を析出させないように急冷して透明なガラス
を得たのち、微粉砕すれば得られるが、他の方法によっ
て得るようにしてもよい。

ガラス組成物の粉末の粒度は、特に限定されないが、平
均粒径として１〜10μｍとするのが好ましい。平均粒径
が10μｍを越えると、ガラスセラミック焼結体の表面凹
凸がはげしくなり、配線基板とした場合、回路の導体精
度も悪くなることがある。また、結晶化温度が高くなる
ことがあるので、1000℃以下の焼成では充分な結晶析出
が起こらず、結晶量の低い焼結体となるため、誘電率の
低下が望めなくなるおそれがある。同時に機械的強度が
低くなることがあるので、実用性に欠けるおそれがあ
る。他方、１μｍを下回ると、ガラス組成物の結晶化速
度が早まることがあり、充分な焼結が起こるまでに、結
晶化が終了してしまうことが発生し、焼結密度が上がり
にくくなるおそれがある。

フィラーの粒度も、特に限定はしないが、概ね上記ガラ
ス組成の粒度と同等か、若干小さめに設定するのが好ま
しい。

上記ガラス組成物とフィラーを混合する方法は、特に限
定されず、湿式または乾式のいずれによっても良い。成
形体を得るのに樹脂，溶媒などの有機物を用いた場合に
は、あらかじめ前焼成を行って有機物を除去したのち
に、焼結のための焼成を行うようにするのがよい。な
お、前記有機物は特に限定されず、種々のものが用いら
れる。また、有機物以外のものが用いられたり、何も用
いずに成形体を得てもよい。

上記ガラス組成物の粉末とフィラーが混合されてなる粉
末の成形体としては、たとえば、グリーンシートたはこ
れを複数枚積層したものなどがあるが、これらに限るも
のではない。

前記成形体を焼成する条件は、特に限定されないが、上
記の低抵抗金属材料の融点（1000℃前後）よりも低い温
度で焼成を行っても焼結できるので、その温度で焼成す
るようにすれば、低抵抗金属材料を印刷などして同時焼
成できる。もちろん、同時焼成でなくてもよい。

この発明にかかるガラスセラミック焼結体の用途は多層
配線基板などの配線基板に限定されない。

つぎに、この発明にかかるガラスセラミック焼結体を実
施例に基づいて詳しく説明する。

第１表の配合割合で、ガラス組成物Ｇ−１〜Ｇ−18（こ
のうち、Ｇ−１〜Ｇ−14は実施例のもの、Ｇ−15〜Ｇ−
18は比較例のものである）の原料を調合し、アルミナ質
ルツボ内に入れて約1400〜1500℃の加熱温度下で溶融し
た。このようにして得られた溶融液を水中に投下して、
透明性のガラス組成物（フリット）を得た。この組成物
を、湿式または乾式で、アルミナ質ボールミル中で充分
粉砕して、平均粒径１〜10μｍのガラス粉末とした。

このようにして得た各ガラス粉末と各フィラーとを、第
２表に示す割合で調合し、さらに、有機バインダとして
ポリブチルメタクリレート樹脂、可塑剤としてフタル酸
ジブチル、溶剤としてトルエン等を加え混練し、減圧下
で脱泡処理した。そのあと、この混練体を用いてドクタ
ブレード法によりフィルムシート上に0.2mm厚の連続シ
ートを作製した。これを乾燥した後、フィルムシートか
らはがし、5mm角となるように打ち抜きしてグリーンシ
ートを作製した。

つぎに、個々のグリーンシートにスルホールおよび低抵
抗金属材料による配線パターンを印刷形成した。この配
線パターンなどが形成されたグリーンシートを複数枚積
層し、プレス成形により成形体とした。

この積層グリーンシートを、まず、毎時150℃の速度で5
00℃まで昇温し、２時間45分そのままで保持してグリー
ンシート中の有機物質を除去した。その後毎時200℃／
時間の速度で、第２表に示した所定の焼成温度温度まで
昇温し、この状態を３時間保持したあと、毎時110℃の
速度で400℃まで降温し、以後、自然放冷して焼結体を
得た。

このようにして得た実施例１〜20および比較例１〜８の
焼結体について誘電率（比誘電率）および吸水率を測定
し、その結果を第２表に併せて示した。なお、熱膨張
率、熱伝導率も併せて示した。比誘電率の測定は、1MHz
の周波数で行った。吸水率の測定は、JIS C-2141に従っ
て行った。

第２表にみるように、実施例１〜20の焼結体では、比較
例１〜８の焼結体と比べて、950℃以下の焼結体温度で
あるにもかかわらず極めて緻密な焼結状態が達成されて
いる。比誘電率も、充分に実用性のある小さな値となっ
ている。熱膨張率、熱伝導率も良好である。

なお、比較例１〜８の焼結体は、1100℃以上の温度で焼
成しないと、緻密な焼結体とはならなかった。また、比
較例１〜８の焼結体は緻密な焼結状態ではないので、そ
の比誘電率の値は見掛け上の値（測定値は小さめに出
る）であって、材料そのものの真の値ではない。このた
め、比較例では、比誘電率、熱膨張率、熱伝導率は表示
していない。

〔発明の効果〕

この発明のガラスセラミック焼結体は、以上にみたよう
に、特別に選ばれた組成を有するガラス組成物の粉末と
フィラー粉末とが混合されてなる粉末の成形体を焼成し
てなるので、緻密で、しかも、比誘電率の小さいものと
なっている。しかも、それが100℃以下の焼結温度で達
成することができる。緻密で低比誘電率であることか
ら、この焼結体は、多層配線基板材料に適するものとな
り、1000℃以下の焼成温度であるため、低抵抗金属材料
を印刷するなどして同時に焼成を行い、配線を形成する
こともできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｋ 3/46 Ｔ 6921−4Ｅ // Ｃ０３Ｃ 3/091 10/08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラス組成物粉末とフィラーとの混合物を
焼成して得られるガラスセラミック焼結体であって、前
記ガラス組成物粉末が、 SiO₂ 48〜63重量％、 Al₂O₃ 10〜25重量％、 B₂O₃ ４〜10重量％、 MgO 10〜25重量％、からなる母ガラスの前記MgOのうち３〜20重量％がBaO,S
rOおよびCaOからなる群より選ばれた少なくとも１つで
置換されてなる主成分に対し、TiO₂,ZrO₂,SnO₂,P₂O₅,Zn
O,MoO₃,Ta₂O₅,Nb₂O₅,As₂O₃およびLi₂Oからなる群より選
ばれた少なくとも１つの核発生剤が３重量％以下の割合
で添加されてなる組成を有し、このガラス組成物粉末と
フィラーとが、ガラス組成物粉末 70〜95重量％、フィラー５〜30重量％、の割合で混合されていることを特徴とするガラスセラミ
ック焼結体。
【請求項２】フィラーが、α−石英、溶融シリカ、クリ
ストバライト、コーディエライト、ステアタイト、フォ
ルステライト、ウォラストナイト、アノーサイト，セル
ジアンおよびアルミナからなる群より選ばれた少なくと
も１種である特許請求の範囲第１項記載のガラスセラミ
ック焼結体。