JPH068189B2 - 酸化物誘電体材料 - Google Patents

酸化物誘電体材料

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JPH068189B2
JPH068189B2 JP60059455A JP5945585A JPH068189B2 JP H068189 B2 JPH068189 B2 JP H068189B2 JP 60059455 A JP60059455 A JP 60059455A JP 5945585 A JP5945585 A JP 5945585A JP H068189 B2 JPH068189 B2 JP H068189B2
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春利 江上
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C14/00Glass compositions containing a non-glass component, e.g. compositions containing fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like, dispersed in a glass matrix
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03C8/00Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/14Glass frit mixtures having non-frit additions, e.g. opacifiers, colorants, mill-additions
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の技術分野] 本発明は酸化物誘電体材料に関し、さらに詳しくは、電
気特性及び機械的特性が優れると共に、低温での焼成が
可能な特に回路基板用として優れた酸化物誘電体材料に
関する。
[発明の技術的背景とその問題点] マイクロエレクトロニクス(ME)の発達により、オフィス
オートメーション用機器やホームエレクトロニクス機器
の小型化が急速に押し進められ、小型化されたマイクロ
エレクトロニクス機器が身近な存在となりつつある。マ
イクロエレクトロニクス機器には比較的高密度の多層配
線基板が広く利用されているが、その材料としては、電
気的特性、機械的特性及び量産性の観点から主としてア
ルミナセラミックが使用されてきた。このような多層配
線基板は、通常層間絶縁の役割を有する誘電体層と導体
層とを交互に積層した後、一体的に焼成して得ることが
できる。
アルミナ(Al2O3)は絶縁特性が優れていはいるものの
焼成温度が1500〜1600℃と高いため、使用しうる導体層
はこの焼成温度に耐え得るモリブデン(Mo),タングステ
ン(W)等の高融点金属からなるものに限定される。このM
o,W等は、比抵抗が大きいため、配線幅の減少に限界が
あり、高密度配線による装置の小型化の要求に逆行する
のみならず、その焼成には、還元雰囲気下の高温を使用
するため焼成装置の維持及び管理が困難となり、工数低
減を阻害していた。
一方、W,Mo等に比べ比抵抗の小さい白金一銀(Pt-Ag),
銀−金(Ag-Au),銅(Cu)等のペーストを用いることを考
えると、誘電体材料の焼成温度は1000℃以下程度である
ことが望まれる。このような要求に応じて主成分として
酸化鉛を含むガラス系セラミックスを誘電体として用い
るものがある(特開昭58-78496号)。この材料はAl2O3
に比べれば焼成温度は低いものの、まだ十分ではない。
さらに酸化鉛を含む系では、低分圧酸素雰囲気(Cuペー
スト焼結用)下の焼成時に酸化鉛が一部還元され、金属
鉛として析出してしまう。これは誘電体材料からなる絶
縁体層の体積抵抗率を大幅に低下し、配線間に信号のリ
ークが起る。
さらに装置の小型化による高密度配線、高速化が進展す
ると信号電播に係る誘導体層の影響が無視できなくなっ
てきている。例えば誘電率(ε)は信号伝播遅延時間に
大きく影響し(一般式 τ:1cm当りの遅延時間)、εは小さいほうが好まし
い。又、誘電損失(tanδ)は信号の損失に大きく影響
し、tanδが大きいと信号電流により配線周辺の誘電体
層に電磁界が形成され、熱エネルギーに変換され、信号
損失につながるのである。この熱エネルギーは基板の温
度上昇につながり、ICチップの破壊、ハンダ溶融等のト
ラブルの原因となる。従ってtanδが小さいことが望ま
れる。
このような基板に用いられる誘電体材料の誘電率、誘電
損失は小さい方が望ましく、従来のAl2O3,ガラス系セ
ラミックス(ε:7〜20、tanδ:2×10-3〜4×10-3
(at 1MHz))では十分ではなかった。
[発明の目的] 本発明の目的は、上記した問題点の解消にあり、電気的
特性及び機械的特性が優れると共に、低温での焼成が可
能な酸化物誘電体材料を提供することである。
[発明の概要] 本発明は、Mg,Si,B及びBaが夫々酸化物に換算して、M
gO20〜40重量%、SiO2 34〜40重量%、BaO 9〜28重量
%及びB2O3 4〜12重量%を含有しMg2SiO4フォルステラ
イトと硼珪酸バリウムガラスとのガラスセラミックを構
成することを特徴とする酸化物誘電体材料である。
本発明の誘電体材料における二酸化珪素(SiO2)は、焼成
時に酸化マグネシウムと固溶し、Mg SiO2フォルステラ
イトを形成し、又、酸化硼素、酸化バリウムと融液を形
成する役割を果たす。SiO2に換算した割合が34重量%未
満では、酸化マグネシウムと残部の成分が分離して焼成
不可能となり、40重量%を超える場合には、導体ペース
トの移行性(マイグレーション)による体積抵抗の劣化
が生じる。好ましくは36〜38重量%である。
酸化マグネシウム(MgO)は二酸化珪素と一部固溶して化
合物を形成し、本発明の誘電体材料に機械的強度を付与
する役割を果たす。MgO換算で20重量%未満の場合に
は、一般に要求される15Kg/mm2を下まわる6Kg/mm2
十分な抗析強度が得られず、MgO換算で40重量%を超え
る場合には、1000℃以下での焼結が不可能となり低温焼
結が達成できない。好ましくは27〜32重量%である。
酸化バリウムは、二酸化ケイ素,酸化硼素等の単独でガ
ラスを形成する網目形成酸化物に網目修飾酸化物として
作用し、安定なガラス相を形成し、焼結温度低下の役割
を果たす。BaO換算で9重量%未満の場合には、焼結温
度が上昇し、1000℃以下の低温焼結が困難となり、BaO
換算で28重量%を超える場合には、焼結時に発泡現象を
招き、機械的強度が15Kg/mm2以下に低下する。好まし
くは16〜20重量%である。
酸化硼素は網目形成酸化物となり、二酸化珪素,酸化バ
リウムとガラス相を形成する。また酸化マグネシウムと
二酸化珪素から成る化合物とガラスとの焼結を促進し両
者のガラス−セラミックスを得る役割を果たす。4重量
%未満の場合には、1000℃以下の低温焼結は困難とな
り、12重量%を超える場合には、流動成分が多く、成形
形状が維持できなくなると共に、表面に泡が残留してペ
ーストの印刷性、精度等に大きく影響する。好ましくは
7〜9重量%である。
なお本発明材料は各構成元素を各々酸化物若しくは焼成
により酸化物にかわる塩等を原料として混合し、焼の
後、焼結しても良いし、Mg2SiO4及びB2O3−SiO2−BaOガ
ラスを原料として粉砕、混合し焼結しても良い。この場
合、Mg2SiO4単独での焼結は困難であり、一般にAl2O3
の焼結助剤を含有する。通常Mg2SiO4中に1〜3重量%
程度含有される。あまり多いと本発明材料の焼成温度を
1000℃以上程度と高くしてしまうが、焼結助剤程度の量
であれば本発明材料に特に悪影響をおよぼすことはな
い。又、ガラス成分中にも製造上不可避の成分が含有さ
れるが、不純物程度の量であれば何等問題は生じない。
例えばCaO,SrO,K2O,TiO,Fe2O3,Na2O,ZrO2
が挙げられる。通常5重量%以下、好ましくは2重量%
以下であれば問題はない。又、PbOも含有される場合が
あるが、前述のごとく電気的特性に悪影響を与えるため
0.1重量%程度が限界である。
本発明材料はMg2SiO4とB2O3−SiO2−BaOガラスとのガラ
スセラミックスを構成する。ほぼMgO量によりMg2SiO4
量は決定されるが、Mg2SiO4が40〜80重量%のとき機械
的強度等各特性に優れたものを得ることができる。60重
量%近傍がもっとも優れているため、55〜65重量%のと
きがより好ましい範囲となる。ガラス量が多いと機械的
強度に劣り、又、少ないと焼結温度が高くなってしま
う。
つぎに、本発明の酸化物誘導体材料の一製造方法を説明
する。
Mg2SiO4フォルステライト及び硼珪酸バリウムガラスを
所定量秤量し、湿式振動ミル等で平均粒径1.0〜1.
9μm程度となるように混合・粉砕し、原料粉末とす
る。次いでこの粉末に対し、バインダー、溶剤等を加え
スラリーを作る。バインダー、溶剤は適宜選定できる
が、例えば原料粉末100重量%に対しバインダーとして
のPVB(ポリビニルブチラール)5〜20重量%、溶剤と
して1,1,1-トリクロルエタン25〜35重量%、n-ブタノー
ル10〜22重量%、テトラクロルエチレン8〜19重量%、
トリブチルホスフェート4〜13重量%のものを用いる。
混合時には原料の均一分散等のため、粘度を500cps程度
とする。その後このスラリーを脱泡し、スラリー中に溶
存する空気を脱気し、後工程で形成するグリーンシート
表面の平坦化、強度等調整のため、20000cps程度の粘度
とする。
そのスラリーを用いて、一般的な方法により、グリーン
シートを作成し、焼成を大気中および窒素雰囲気中でお
こなって、本発明の酸化物誘導体材料を得る。
なお上述の方法ではフォルステライトとガラスを原料と
して用いたが、各構成原料(MgO,SiO2,BaO,B2O3若し
くは焼等により酸化物にかわる各種塩)を混合し、
焼等によりフォルステライトを形成させても良い。多少
の化学量論比からのずれは本発明に影響を与えない。
又、この場合Mg2SiO4の焼結助剤としAl2O3を1〜3重量
%含有せしめることは有効である。
特にSiO 36〜33重量%、MgO27〜32重量%、BaO16〜20
重量%、B2O37〜9重量%を含有するものはε:6.8
〜7.0、tanδ:4×10-4以下、体積抵抗:7×1014
以上の特性を有すると共に、960℃以下の低温での焼成
が可能であるため、特に好ましい。
本発明の誘電体材料は酸化鉛を含まないため、金属鉛の
析出の恐れがなく、焼成雰囲気を選ばなくてもすること
である。従って各種の導体ペーストを用いることがで
き、回路基板製造上の利点は大なるものである。
以下において、実施例及び比較例を掲げ、本発明を更に
詳しく説明する。
[発明の実施例] 実施例1〜9 フォルステライト(Mg2SiO4)及び硼珪酸バリウムガラ
スを所定の割合で坪量し、非水系湿式混合ミル等で平均
粒径1.0〜2.0μm程度となるように混合粉砕し、
原料粉末とした。次いでこの原料粉末にバインダーとし
てPVB(ポリビニルブチラル)、溶剤として1,1,1-トリ
クロルエタン、n-ブタノール、テトラクロルエチレン、
トリブチルホスフェート等を加えスラリーを調整した。
均一分散等のため粘度は500cps程度とした。その後この
スラリーを脱泡し、スラリー中に溶存する空気を脱気
し、後工程で形成するグリーンシート表面の平坦化,強
度等の調整のため、20000cps程度の粘度とした。
同様に本発明の範囲外のものも(比較例1〜5)製造し
た。
このスラリーを用いて、一般的な方法により、グリーン
シートを作成した。表に各特性を示した。なお、焼成は
大気中および窒素雰囲気中でおこない、本発明の酸化物
誘導体材料を得た。
ε,tanδびρは円板状試料の両面にAgペーストを325メ
ッシュのスクリーン印刷により同心円状に印刷し、乾燥
後、大気中にて750℃×20分間の焼付処理行ない、17.5m
mφ×15μmの円形電極を作成して測定した。ε,tanδ
は1MHzでの値であり、ρは25℃,50%の湿度の下で、10
00V印加、1分後の最低値である。
なお表中には焼結後の組成化もあわせて示した。Al2O3
はフォルステライト中の焼結助剤であり、不純物はアル
カリ金属,ZnO等である。
いずれもPbOは0.07重量%以下であった。
表から明らかな通り、本発明の誘電体材料は、1000℃以
下の低温での焼結が可能であり、かつ抵抗強度:15Kg/
mm2以上と機械的特性も優れ、誘電率(ε):7〜8.
0、誘電正接(tanδ):3×10-4〜6×10-4及び体積
抵抗(Rv):9×1013〜1.3×1015と電気的特性も満足
すべきものである。したがって、このような良好な特性
を有するものを、低温で焼成することができるために、
例えば、導体ペーストとして従来のタングステン(W)、
モリブデン(Mo)に代えて銅(Cu)、銀(Ag)−パラジウム(P
d)、銀(Ag)−金(Au)等の低抵抗の物質及びRuO等の抵抗
ペーストを使用することができ、装置小型化を目標とす
る高密度配線化、製造工程数の低減が図れる。
これに対し、比較例5は要求される機械的特性を満足す
るものの焼成温度は1000℃以上となり、比較例3は1000
℃以下で焼成可能であるが要求される機械的特性を満足
しない。比較例1は要求される焼成温度及び機械的特性
を比較例2及び4は要求される焼成温度、機械的特性及
び電気的特性を満足できず実用上使用が困難である。
[発明の効果] 以上に詳述した通り、本発明の酸化物誘電体材料は優れ
た電気的特性及び機械的特性を有すると共に、低温で焼
成可能なものであるため、例えば、一体焼結が必要な多
層配線基板用、あるいはε、tanδが小さいため、LSIを
搭載する高密度ハイブリッド用基板用としての用途が期
待でき、その実用的価値は極めて大である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Mg,Si,B及びBaが夫々酸化物に換算し
    て、MgO20〜40重量%、SiO2 34〜40重量%、BaO 9〜2
    8重量%及びB2O3 4〜12重量%を含有しMg2SiO4フォル
    ステライトと硼珪酸バリウムガラスとのガラスセラミッ
    クを構成することを特徴とする酸化物誘電体材料。
  2. 【請求項2】Mg2SiO4フォルステライトを40〜80重量%
    含有する特許請求の範囲第1項記載の酸化物誘電体材
    料。
  3. 【請求項3】Mg2SiO4フォルステライトを55〜65重量%
    含有する特許請求の範囲第1項記載の酸化物誘電体材
    料。
JP60059455A 1985-03-26 1985-03-26 酸化物誘電体材料 Expired - Lifetime JPH068189B2 (ja)

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