JPH069267A - セラミック複合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 セラミックマトリックス中に高純度無定形シ
リカ繊維を含むセラミック複合体。このセラミックマト
リックスはガラスセラミック材料、ホウケイ酸塩ガラス
材料またはこれらの混合物で良い。 【効果】 このセラミック複合体は、ガラスまたはホウ
ケイ酸塩ガラス単独とほとんど同じレベルの強度を維持
しながら低下した誘電定数を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、同時焼成されたガラス及び／ま
たはセラミック（本明細書中では以後単にセラミックと
称する）構造体の分野にそして、さらに特別には、それ
らの機械及び／または電気特性を増すために繊維を含む
セラミック構造体に関する。

【０００２】

【発明の背景】通常はそして好ましくは多層のセラミッ
ク構造体は、電子基体及び装置の製造において使用され
る。多くの異なるタイプの構造体を使用することができ
るが、これらの構造体のいくつかを以下に記述する。例
えば、多層のセラミック回路基体は、絶縁体として作用
するセラミック層の間に挟まれた電気伝導体として作用
するパターン化された金属層から成って良い。これらの
基体は、半導体チップ、コネクターリード線、キャパシ
ター、抵抗、カバー等を取り付けるための成端パッドを
有するようにデザインされて良い。埋められた伝導体レ
ベルの間の相互連結は、積層に先立って形成される個々
のセラミック層中の金属ペーストで充填されたホールに
よって形成されるバイアを通して達成することができ、
そしてこれらのバイアは、シンタリングをすると、金属
を基にした伝導体のシンターされた密な金属相互連結に
なる。

【０００３】一般に、慣用のセラミック構造体は、セラ
ミック粒子、触媒（例えば、Herronらの米国特許第４,
６２７,１６０号中に開示されたような触媒）、熱可塑
性ポリマー状バインダー、可塑剤及び溶媒を混合するこ
とによって製造されるセラミック未加工シートから形成
される。この組成物を広げまたはキャストしてセラミッ
クシートまたはスリップにし、そして引き続いてこれら
のシートまたはスリップから溶媒を揮発させて凝集性で
自立性の柔軟な未加工シートにする。打ち抜き、積み重
ね及び積層の後で、ポリマー状バインダー樹脂を蒸発さ
せそしてセラミック粒子を一緒にシンターして高密度化
されたセラミック基体にするのに十分な温度でこれらの
未加工シートを結局焼成する。

【０００４】電子基体の形成において使用される電気伝
導体は、高融点金属例えばモリブデン及びタングステン
または貴金属例えば金で良い。しかしながら、低い電気
抵抗及び低いコストを有する伝導体、例えば銅及びその
合金を使用することが更に望ましい。

【０００５】電子パッケージングの領域においては、性
能の改善に対して要求が増え続けている。現在最も進ん
だ技術材料は、その開示が引用によって本明細書中に組
み込まれるKumarらの米国特許第４,３０１,３２４号中
に開示されたコーディエライトガラスセラミック材料を
含む。これらのガラスセラミック材料は、約５.０の誘
電定数及び約３０×１０^-7／℃の熱膨張係数（ＴＣＥ）
を有し、この熱膨張係数はシリコンの熱膨張係数と良く
マッチする。信号伝搬遅れを減らすための５.０未満の
誘電定数、ガラスセラミックの強度及びじん性と少なく
とも等しい強度及びじん性、並びにシリコンの熱膨張係
数に近い熱膨張係数を有する基体材料があれば望まし
い。これらの要求を満たすために、代わりの基体材料が
探求されている。

【０００６】溶融シリカは５.０よりずっと小さい誘電
定数を有するので、それを基体材料として使用すること
が提案されたが、その熱膨張係数は、基体の上に置かれ
るシリコン装置の熱膨張係数よりずっと小さい。基体材
料とシリカ装置との間の熱膨張係数におけるかなりの差
は、使用における熱応力をもたらし、それが純粋な基体
材料としての溶融シリカの使用を限られたものにする。

【０００７】本発明者らによって探求されている基体材
料の中には、セラミックマトリックス＋繊維またはウイ
スカーから成るであろう複合体がある。ガラスセラミッ
クマトリックス中の窒化ケイ素ウイスカーは、このよう
な複合材料のただ一つの例である。

【０００８】他の人々もまた、複合材料を探求してき
た。英国特許第２,１６８,３３８号は、セラミック耐火
物材料中の繊維から成る成形されたセラミック体を開示
している。これらの繊維は、例えば、シリカで良く、そ
してこの耐火物材料は、例えば、アルミノケイ酸塩材料
例えばコーディエライトまたは石英のようなシリカ材料
で良い。このセラミック体の多孔度は、２０〜７０％の
セラミック体の範囲で変わる。

【０００９】Sullivanの米国特許第４,９６２,０７０号
は、コーディエライトマトリックス中のシリカコートさ
れた炭素繊維から成るセラミック体を開示している。一
般に、炭素質を基にした繊維の誘電特性は非常に乏し
い。Claussenらの米国特許第４,８５５,２５９号は、例
えば、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、マグネシウ
ムまたはムライト繊維を含むコーディエライト体を開示
している。

【００１０】Montierthの米国特許第３,７１５,１９６
号は、ガラスセラミック構造体を一緒に接合するための
セメント接合組成物を開示している。このセメント接合
組成物は、熱的に失透可能なガラス（これは失透させる
と、例えば、コーディエライトを生成させ得る）、及び
溶融（無定形）シリカ繊維から成る繊維フラックス混合
物から成る。

【００１１】Yamamuraらの米国特許第４,６１０,９１７
号は、ガラスセラミックマトリックス中にシリコン、チ
タンまたはジルコニウムのどちらか、窒素及び酸素を含
む繊維から成る複合材料を開示している。Piersonらの
米国特許第３,９４０,２７７号は、結晶性シリカ繊維が
その場で形成されるガラスセラミック物品を開示してい
る。Meyerらの“Reinforcing Fused Silica with High
Purity Fibers”，CeramicEngineering Science Pro
c.、第６［７〜８］巻、646〜656頁（1985）は、高純度
溶融シリカマトリックス中に分散された高純度溶融シリ
カ繊維を開示している。

【００１２】この現存する問題に関するこれらの努力に
も拘わらず、５.０未満の誘電定数並びに許容できる強
度及びじん性値を有する基体材料に対するニーズがなお
残っている。従って、本発明の目的は、５.０未満の誘
電定数並びに許容できる強度及びじん性値を有する基体
材料を得ることである。

【００１３】本発明のもう一つの目的は、シリコンの熱
膨張係数に近い熱膨張係数を有する基体材料を得ること
である。本発明のこれらのそしてその他の目的は、以下
の発明の詳細な説明を参照すれば明らかになるであろ
う。

【００１４】

【発明の概要】本発明の目的は、セラミックマトリック
ス中の高純度無定形シリカ繊維を含有するセラミック複
合体を提供することによって達成された。このセラミッ
クマトリックスは、ガラスセラミック、ホウケイ酸塩ガ
ラス及びこれらの混合物から成る群から選ばれる。

【００１５】

【発明の詳述】本発明によれば、セラミックマトリック
ス中の高純度無定形シリカ（ＳｉＯ₂）繊維を含有する
セラミック複合体が開示される。このセラミックマトリ
ックスは、ガラスセラミック、ホウケイ酸塩ガラス材料
またはこれらの混合物でありうる。このようなセラミッ
ク複合体は、ガラスセラミックまたはホウケイ酸塩ガラ
ス単独とほとんど同じレベルの強度を維持しながら低下
した誘電定数を有することが見い出された。

【００１６】このガラスセラミック材料は、上で述べた
Ｋｕｍａｒらの米国特許第４,３０１,３２４号中で開示
されたコーディエライト及びスポジューメンガラスセラ
ミック材料で良い。その他のガラスセラミック材料は、
例えば、ユークリプタイト及び灰長石を含む。ガラスセ
ラミック材料は、ガラスとして始まるが加熱すると失透
を受けそして少なくとも部分的に結晶化されると認めら
れた種類の材料である。幾つかの例を表１中に与える。

【００１７】

【表１】

【００１８】ホウケイ酸塩ガラスに関しては、好ましい
ガラスは、約３０×１０^-7／℃の熱膨張係数（即ちシリ
コンの熱膨張係数とほぼ等しい）及び約４の誘電定数を
有するガラスである。このようなホウケイ酸塩ガラスの
一つの例は、Corning7070（Corning Inc.，Corning，NY
の商標）でありそして重量％で、７１％のＳｉＯ₂、２
６％のＢ₂Ｏ₃、１％のＡｌ₂Ｏ₃、０.５％のＬｉ₂Ｏ、
０.５％のＮａ₂Ｏ₂及び１％のＫ₂Ｏから成る組成を有す
る。ガラスセラミックとホウケイ酸塩ガラス材料の混合
物もまた、本発明の範囲内と見なされる。

【００１９】強度及びじん性を維持しながら誘電定数を
低下させるためにセラミックマトリックスにシリカ繊維
を添加することが有利であることが見い出されたが、シ
リカ繊維が無定形でかつ高純度であることが本発明にと
って必要である。無定形シリカ繊維は、結晶性シリカと
比較して、より低い誘電定数を有しそして、また、それ
らは、シンタリングの間に遭遇する温度のふらつきの間
に何ら相変化を受けないので無定形シリカ繊維が必要で
ある。結晶性シリカ、例えば石英は、約５７３℃で相変
化を受け、これは容積変化を伴う。材料のこのような容
積変化は、結晶性繊維を含む何らかの生成物が割れる原
因となり得る。

【００２０】高純度無定形シリカ繊維は低い誘電損失タ
ンジェントを有し、これはそれが低ノイズ材料であるこ
とを意味するので、高純度無定形シリカ繊維が必要であ
る。高純度無定形シリカは、約９９％以上の無定形シリ
カを含みそして何ら金属種を含まない材料と規定される
ことが理解されるべきである。

【００２１】本発明については繊維が特に有利であるこ
とも更に見い出された。繊維とは、おおざっぱには約３
のアスペクト比を有するものとして規定することができ
る。一定の容量％の添加剤に関しては、繊維は等しい量
の粒状物質よりももっと誘電定数を低下させるであろ
う。加えて、繊維は、粒状物体よりも材料の強度及びじ
ん性を一層維持するであろう。これらの結果の理由は、
比較的高いアスペクト比の材料は、比較的低いアスペク
ト比の材料よりも強度を一層増しそして一層の空隙容積
を作り出す（これはより低い誘電定数を導く）傾向があ
ることである。

【００２２】セラミックマトリックス中に１〜４０容量
％、そしてさらに好ましくは１０〜２５容量％の高純度
無定形シリカ繊維が存在することが好ましい。１容量％
で、材料の物理的及び電気的特性に幾らかの影響が出始
めるであろう。この影響は、約１０容量％でかなりのも
のになるであろう。領域のもう一つの端では、４０容量
％は、任意の与えられた材料が構造的な実体を維持しな
がら含むことができる繊維の量のほぼ上限である。繊維
の容量％を増すことは空隙容積を増すであろうから、あ
る点で、複合体が構造的な実体を失いそして崩壊するで
ほど多くの空隙容積が存在することになる。この上限は
複合体中の約４０容量％の繊維においてであると信じら
れている。通常は、繊維の量が少なければ少ないほどそ
れだけ有利であることが見い出されるであろう。最も有
用な複合体は最大で約２５容量％の繊維を有するであろ
うと予期される。

【００２３】これらの複合セラミック体はまた、それら
の多孔度によって特徴付けることができる。存在する繊
維の最も低い量、約１容量％では、これらの複合体は完
全に密であろう。完全に密とは、通常は約２％より多く
ない多孔度を意味する。他方、複合体中に存在する４０
容量％の繊維では、この複合体は約４５％の多孔度を含
むであろう。いずれの場合においても、この多孔度は、
複合体全体に均一にまたは均等に分配されるであろう。
複合体を本発明の教示に従って製造する時には、それら
は、５.０以下の誘電定数及び約３０×１０^-7／℃の熱
膨張係数を有するであろう。

【００２４】本発明のその他の目的及び利点は、以下の
実施例を参照した後では一層明らかになるであろう。

【００２５】

【実施例】一連のガラスセラミック未加工シートを製造
した。未加工シートは、コーディエライト形成粒子、ポ
リビニルブチラールバインダー並びにその他の慣用の添
加剤例えば銅触媒、可塑剤及び流動制御剤を含むスラリ
ーから普通にテープキャストした。コーディエライト形
成粒子は、重量％で以下の組成範囲に入った。 ＳｉＯ₂ ５０〜５５ Ａｌ₂Ｏ₃ １８〜２３ ＭｇＯ １８〜２５ Ｂ₂Ｏ₃ ０〜３ Ｐ₂Ｏ₅ ０〜３

【００２６】加えて、このスラリーは、高純度無定形シ
リカ繊維（純度９９.８％、Johns Manvilleから）、無
定形シリカ粒子（純度９９＋％、Kaopoliteから）また
は窒化ケイ素ウイスカー（純度９９＋％、ＵＢＥから）
を含んでいた。対照として、付加的な繊維または粒子無
しで幾つかの未加工シートを製造した。

【００２７】これらの未加工シートを以下の燃焼サイク
ルに従ってシンターした。フォーミングガス中で温度を
約７２５℃まで上げてバインダー熱分解を始めた。その
後で、バインダー燃焼除去のために雰囲気を湿った水素
に切り替えた。雰囲気を窒素に変えた後で、温度を９７
５℃まで上げそして高密度化及び結晶化のためにその温
度で保持した。その後で、温度を室温に下げた。各々の
複合体の誘電定数、多孔度、強度及び熱膨張係数（ＴＣ
Ｅ）を測定した。結果を以下に表２中に表示する。

【００２８】

【表２】 SIP＝ガラスセラミックマトリックス中のシリカ粒子。 SNW＝ガラスセラミックマトリックス中の窒化ケイ素ウ
イスカー。 SIF＝ガラスセラミックマトリックス中の無定形シリカ
繊維。 ＊ 無定形シリカ繊維を含む幾つかのサンプルを製造し
たが、データは予備的であると考えられる；従って、示
したデータが推定される。しかしながら、これらの無定
形シリカ繊維に関するチャート中に示した値は、無定形
シリカ粒子複合体及び窒化ケイ素ウイスカー複合体の既
知の特性の比較を基にして予測されている。

【００２９】前記窒化ケイ素ウイスカー複合体は、強度
に関する誘電特性に関して無定形シリカ粒子複合体より
も良い。窒化ケイ素ウイスカーは、シリカ粒子（Ｋ＝
３.８）またはガラスセラミック（Ｋ＝５.２）よりも高
い誘電値（Ｋ＝６）を有し、かくして窒化ケイ素ウイス
カーは誘電性能を損なうが、これは、空隙容積（空気）
を増しそして、かくして、正味の誘電値を低下させるこ
とによって克服される。無定形シリカ繊維は、窒化ケイ
素ウイスカーと類似の影響を複合体に対して持つはずで
あるが、それらはより低い誘電定数を有するので、それ
らは改善された（窒化ケイ素ウイスカー及びシリカ粒子
と比較して）低下効果を複合体の誘電特性に対して持つ
はずである。

【００３０】表２から見ることができるように、与えら
れた量の添加剤に関しては、無定形シリカ繊維を含む複
合体は、シリカ粒子を有する複合体よりも低い誘電定
数、高い多孔度及び高い強度を有すると予期される。同
等な機械的特性においては、無定形シリカ繊維添加剤は
シリカ粒子よりも良い誘電特性を与えるであろうことを
強調することは重要である。

【００３１】ここに詳細に記述した実施態様を越える本
発明のその他の改変は本発明の精神から逸脱すること無
く為すことができることは、この開示を参照した当業者
には明らかであろう。従って、このような改変は、添付
した特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範
囲内であると考えられる。

【００３２】以上本発明を詳細に説明したが、本発明は
さらに次の実施態様によってこれを要約して示すことが
できる。 １．ガラスセラミック、ホウケイ酸塩ガラス及びそれら
の混合物から成る群より選ばれたセラミックマトリック
ス中に高純度無定形シリカ繊維を含有する、セラミック
複合体。 ２．無定形シリカ繊維が複合体の約１〜約４０容量％を
構成する、前項１記載の複合体。 ３．無定形シリカ繊維が複合体の約１０〜約２５容量％
を構成する、前項２記載の複合体。 ４．複合体が約５.０またはそれ未満の誘電定数及び約
３０×１０^-7／℃の熱膨張係数を有する、前項１記載の
複合体。 ５．セラミックマトリックスが約５.０またはそれ未満
の誘電定数及び約３０×１０^-7／℃の熱膨張係数を有す
るガラスセラミックである、前項１記載の複合体。 ６．ガラスセラミックがコーディエライトである、前項
５記載の複合体。 ７．ガラスセラミックがスポジューメンである、前項５
記載の複合体。 ８．セラミックマトリックスが約４の誘電定数及び約３
０×１０^-7／℃の熱膨張係数を有するホウケイ酸塩ガラ
スである、前項１記載の複合体。 ９．複合体全体に均等に分配された４５容量％までの多
孔度を有する、前項１記載の複合体。

フロントページの続き (72)発明者 シルビア・マリー・デカー アメリカ合衆国ニユーヨーク州12590．ウ オツピンガーズフオールズ．ブライアンプ レイス８

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスセラミック、ホウケイ酸塩ガラス
   及びそれらの混合物から成る群より選ばれたセラミック
   マトリックス中に高純度無定形シリカ繊維を含有する、
   セラミック複合体。
2. 【請求項２】 無定形シリカ繊維が複合体の約１〜約４
   ０容量％を構成する、請求項１記載の複合体。
3. 【請求項３】 複合体が約５.０またはそれ未満の誘電
   定数及び約３０×１０^-7／℃の熱膨張係数を有する、請
   求項１記載の複合体。
4. 【請求項４】 セラミックマトリックスが約５.０また
   はそれ未満の誘電定数及び約３０×１０^-7／℃の熱膨張
   係数を有するガラスセラミックである、請求項１記載の
   複合体。
5. 【請求項５】 セラミックマトリックスが約４の誘電定
   数及び約３０×１０ ^-7／℃の熱膨張係数を有するホウケ
   イ酸塩ガラスである、請求項１記載の複合体。
6. 【請求項６】 複合体全体に均等に分配された４５容量
   ％までの多孔度を有する、請求項１記載の複合体。