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JPH05254923A - セラミック組成物及びセラミック回路基板 - Google Patents

セラミック組成物及びセラミック回路基板

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Publication number
JPH05254923A
JPH05254923A JP4051298A JP5129892A JPH05254923A JP H05254923 A JPH05254923 A JP H05254923A JP 4051298 A JP4051298 A JP 4051298A JP 5129892 A JP5129892 A JP 5129892A JP H05254923 A JPH05254923 A JP H05254923A
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JP
Japan
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weight
ceramic
volume
composition
thermal expansion
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Pending
Application number
JP4051298A
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English (en)
Inventor
Heikichi Tanei
平吉 種井
Shoichi Iwanaga
昭一 岩永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Priority to US08/028,219 priority patent/US5342674A/en
Priority to DE4307600A priority patent/DE4307600A1/de
Publication of JPH05254923A publication Critical patent/JPH05254923A/ja
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、セラミック組成物及び集積回路搭載
基板に係り、Ｓｉの熱膨張係数に近く、比誘電率が低
く、高強度が得られる低温焼結セラミック組成物及びセ
ラミック基板に関するものである。 【構成】本発明のセラミック組成物は、硼珪酸ガラス：
４７〜６３重量％（５５〜７０体積％）、フィラーとし
てのアルミナ：８〜４４重量％（５〜３０体積％）、コ
ージェライト：５〜３７重量％（５〜３５体積％）、石
英ガラス：０〜１８重量％（０〜２０体積％）とからな
る。 【効果】本発明のセラミック組成物及びセラミック基板
は、Ｓｉ半導体素子を高い信頼性をもって搭載でき、し
かも高速信号伝播ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミック組成物及び
集積回路搭載基板に係り、特に１０００℃以下の低温で
焼結する組成物に係り、また、導体層と絶縁層を多層化
し、それらを同時に焼結して製造する多層セラミック回
路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、シリコンを用いた半導体集積回路
素子を搭載する多層回路基板は、絶縁材料として、アル
ミナ（Ａｌ2Ｏ3）が主に用いられ、導体材料として、ア
ルミナと同時焼結可能な高融点金属であるモリブデン
（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）が用いられている。しか
し、アルミナの熱膨張係数が約７×１０~ 6／℃と大き
いので、アルミナ基板にシリコン半導体素子を直接搭載
する場合には、それらの接続導体部に大きな応力が作用
し、信頼性が得られない。さらに、アルミナの比誘電率
が約１０と比較的大きく、多層回路基板としての信号伝
搬がまだ十分速くない。その上、上記高融点金属の抵抗
は比較的大きい。そこで、上記問題点を解決するため
に、特公平２−４９５５０号公報、特開昭６３−４０３
９７号公報には、絶縁材料としてアルミナに代えて１０
１０℃以下で焼結し、比誘電率が６以下で熱膨張係数が
シリコンのそれに近いガラスセラミックスを用い、導体
材料として高融点金属に代えて低抵抗の銅を用いた多層
回路基板が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のシリコン半導体
集積回路素子搭載用多層セラミック回路基板の性能向上
と信頼性向上を図るには、基板材料のセラミックスが低
抵抗金属の銅や銀等が使用できるように、１０００℃以
下で焼結すること、より好ましくは８５０〜９５０℃で
焼結すること、そして比誘電率が小さく、熱膨張係数が
シリコンの熱膨張係数と整合し、しかもより大きな曲げ
強度を有することが要求される。そこで、本発明の目的
は、これらの要求特性をすべて満足する材料、その材料
を用いた多層セラミック回路基板、及びその多層セラミ
ック基板を用いた電子計算機や電子機器を提供すること
にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題はセラミック回
路基板における絶縁材料に、特定量の硼珪酸ガラス、ア
ルミナ、コージェライト、石英ガラスとからなる組成物
を用いることにより解決される。すなわち、その組成物
はフィラーとしてのアルミナが８〜４４重量％、コージ
ェライトが５〜３７重量％、石英ガラスが０〜１８重量
％で、残部が硼珪酸ガラスからなるものである。硼珪酸
ガラスの組成は、ＳｉＯ2が６５〜８５重量％、Ｂ2Ｏ3
が１０〜２５重量％、Ｋ2Ｏが１〜５重量％、Ａｌ2Ｏ3
が０〜５重量％である。上記絶縁材料のより好ましい組
成物は、フィラーとしてのアルミナが２０〜３７重量
％、コージェライトが１４〜２５重量％、石英ガラスが
０〜９重量％で、残部が硼珪酸ガラスからなるものであ
る。
【０００５】
【作用】高性能な多層セラミック回路基板を達成するに
は、基板材料を構成するセラミッスが、低抵抗金属の
銅や銀等が使用できるように、１０００℃以下で焼結す
ること、比誘電率が小さく、熱膨張係数がシリコン
の熱膨張係数に近いこと、機械的強度が大きいことな
どが必要である。
【０００６】本発明の硼珪酸ガラスは、軟化温度が７５
０〜８６０℃であり、１０００℃以下の焼成時、軟化
し、焼結の推進役を担い、本発明の複合体組成物の連続
相（マトリックス相）を構成する。しかも、硼珪酸ガラ
スの比誘電率は４．２前後で小さく、本発明の複合体組
成物の比誘電率の低減に寄与し、硼珪酸ガラスの熱膨張
係数は１．６〜３．０×１０~ 6／℃と小さく、フィラ
ーとして、熱膨張係数の大きいアルミナ等の添加を許容
することができる。本発明の第１のフィラーとしてのア
ルミナは、上記硼珪酸ガラスマトリックス相中に分散す
る粒子として構成され、本発明の複合体組成物の機械的
強度の向上に寄与する。アルミナの添加量が８重量％
（５体積％）未満の場合には、機械的強度向上の効果が
小さく、４４重量％（３０体積％）を超える場合には、
複合体組成物の比誘電率や熱膨張係数が大きくなり、適
さない。
【０００７】本発明の第２のフィラーとしてのコージェ
ライトは、上記硼珪酸ガラスマトリックス相中に分散す
る粒子として構成され、本発明の複合体組成物の機械的
強度の向上及び低比誘電率、低熱膨張係数の維持に寄与
する。コージェライトの添加量が５重量％（５体積％）
未満の場合には、機械的強度向上の効果が小さく、３７
重量％（３５体積％）を超える場合には、複合体組成物
の熱膨張係数が小さくなり、適さない。
【０００８】本発明の第３のフィラーとしての石英ガラ
スは必須成分ではないが、本発明の複合体組成物の低比
誘電率化及び低熱膨張化に寄与する。石英ガラスの添加
量が１８重量％（２０体積％）を超える場合には、複合
体組成物の機械的強度が低下し、適さない。
【０００９】
【実施例】組成が重量％でＳｉＯ2が７７％、Ｂ2Ｏ3が
１９％、Ａｌ2Ｏ3が０．３％、Ｋ2Ｏが３％からなる硼
珪酸ガラス粉末（軟化温度：８４０℃、熱膨張係数：
２．３×１０~ 6／℃）に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、コ
ージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）、
石英ガラス（ＳｉＯ2ガラス）を表１〜４の組成となる
ように添加した。
【００１０】
【表１】
【００１１】
【表２】
【００１２】
【表３】
【００１３】
【表４】
【００１４】表１〜４の組成物の試料の作製は、上記硼
珪酸ガラス粉末と上記各フィラー粉末の秤量物（全量：
４００ｇ）をアルミナボールミルを用い、エタノールを
溶媒とする湿式混合を２４時間行った。ボールミルによ
る混合物を乾燥した後、３％ＰＶＡ水溶液をバインダと
して適量加えて造粒し、５００kg／cm2のプレス圧で、
直径が６０mm、厚さが約５mmの円板状にプレスした。次
に、前記プレス成形体を、電気炉中で、５００℃に１時
間保持して脱バインダした後、８５０℃〜１０００℃の
温度で２時間保持してセラミック焼結体を作製した。
【００１５】得られた円板状セラミック焼結体の熱膨張
係数、比誘電率、曲げ強度を測定するため、それぞれの
測定に適した形状に加工した。例えば、熱膨張係数の測
定では、直径が約４mm、長さが約１５mmに加工した試料
をレーザ干渉方式熱膨張計で測定し、室温から２００℃
の範囲における熱膨張係数を求めた。比誘電率の測定で
は、直径が約４５mm、厚さが０．５mmに加工し、電極と
して、銀ペーストをセラミック焼結体の両面に塗布し、
ＬＣＲメーターで測定周波数：１ＭＨｚ、入力信号レベ
ル：１Ｖｒｍｓの条件で容量を測定し、比誘電率を求め
た。曲げ強度の測定では、ＪＩＳ規格（Ｒ１６０１）に
従い、長さが３８mm、幅が４mm、厚さが３mmになるよう
に加工し、スパン：３０mmの３点曲げ試験を行い、曲げ
強度を求めた。
【００１６】硼珪酸ガラスとアルミナ、コージェライ
ト、石英ガラスの各フィラーとからなる種々の組成物の
測定結果を表１〜４に示した。
【００１７】焼結温度は、焼成時間２ｈで、焼成物の相
対密度が９５％以上となる温度である。表１〜４から分
かるように、焼結温度は硼珪酸ガラス含有量に影響さ
れ、その含有量が５体積％増加すると、焼結温度は５０
℃低くなる。熱膨張係数、比誘電率、強度の特性は表１
〜４の通り、組成に影響される。強度については、焼成
物の微細構造にも著しく影響され、大きな気孔の欠陥が
できないように原料粉末の粒度やプロセス工程の適正化
が図られている。
【００１８】表１〜４に示す通り、本発明のセラミック
組成物は、８５０℃〜１０００℃で焼結でき、熱膨張係
数は、２．４〜４．０×１０~ 6／℃でＳｉの熱膨張係
数：３．１×１０~ 6／℃に近く、比誘電率は４．５〜
５．３と低く、曲げ強度も１７〜２６kg／cm2と高く、
総合的に極めて優れた特性を有する。アルミナの添加量
が８重量％（５体積％）未満の場合には、機械的強度向
上の効果が小さく、４４重量％（３０体積％）を超える
場合には、複合体組成物の比誘電率や熱膨張係数が大き
くなり、適さない。コージェライトの添加量が５重量％
（５体積％）未満の場合には、機械的強度向上の効果が
小さく、３７重量％（３５体積％）を超える場合には、
複合体組成物の熱膨張係数が小さくなり、適さない。石
英ガラスの添加量が１８重量％（２０体積％）を超える
場合には、複合体組成物の機械的強度が低下し、適さな
い。
【００１９】
【発明の効果】本発明のセラミック組成物は、８５０℃
〜１０００℃の低温で焼結できるので、銅、銀、金等の
低抵抗導体との同時焼結が可能であり、熱膨張係数が、
２．４〜４．０×１０~ 6／℃でＳｉの熱膨張係数：
３．１×１０~ 6／℃に近く、本組成物を用いたセラミ
ック基板上にＳｉからなる半導体素子を搭載した場合、
両者の熱膨張係数差による接続導体部に生じる応力が小
さく、高い信頼性が得られ、比誘電率は４．５〜５．３
と低いので、回路基板として、信号伝播が高速となり、
曲げ強度も１７〜２６kg／cm2と高いので、高い信頼性
が得られる効果がある。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】硼珪酸ガラス：４７〜６３重量％（５５〜
    ７０体積％）、フィラーとしてのアルミナ：８〜４４重
    量％（５〜３０体積％）、コージェライト：５〜３７重
    量％（５〜３５体積％）、石英ガラス：０〜１８重量％
    （０〜２０体積％）とからなることを特徴とするセラミ
    ック組成物。
  2. 【請求項２】硼珪酸ガラスの組成がＳｉＯ2：６５〜８
    ５重量％、Ｂ2Ｏ3：１０〜２５重量％、Ｋ2Ｏ：１〜５
    重量％、Ａｌ2Ｏ3：０〜５重量％であること、あるいは
    硼珪酸ガラスの軟化温度が７５０〜８６０℃であり、熱
    膨張係数が１．６〜３．０×１０~ 6／℃であることを
    特徴とする請求項１記載のセラミック組成物。
  3. 【請求項３】セラミック層と導体層とからなるセラミッ
    ク回路基板において、セラミック層が硼珪酸ガラス：４
    ７〜６３重量％（５５〜７０体積％）、フィラーとして
    のアルミナ：８〜４４重量％（５〜３０体積％）、コー
    ジェライト：５〜３７重量％（５〜３５体積％）、石英
    ガラス：０〜１８重量％（０〜２０体積％）とからなる
    ことを特徴とするセラミック回路基板。
  4. 【請求項４】硼珪酸ガラスの組成がＳｉＯ2：６５〜８
    ５重量％、Ｂ2Ｏ3：１０〜２５重量％、Ｋ2Ｏ：１〜５
    重量％、Ａｌ2Ｏ3：０〜５重量％であること、あるいは
    硼珪酸ガラスの軟化温度が７５０〜８６０℃であり、熱
    膨張係数が１．６〜３．０×１０~ 6／℃であることを
    特徴とする請求項３記載のセラミック回路基板。
  5. 【請求項５】請求項３又は４記載のセラミック基板を集
    積回路搭載基板に用いた電子計算機、及び電子機器。
JP4051298A 1992-03-10 1992-03-10 セラミック組成物及びセラミック回路基板 Pending JPH05254923A (ja)

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