JP2001284754A

JP2001284754A - ガラスセラミック回路基板

Info

Publication number: JP2001284754A
Application number: JP2000095467A
Authority: JP
Inventors: Norio Nakano; 紀男中野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】導体抵抗が低く、高温放置等による接着力の
低下を抑制することのできる配線パターンを有するガラ
スセラミック回路基板を提供する。【解決手段】本発明は、ガラスセラミック回路基板の配
線パターンは、Ａｇを主成分とする金属粉末と、金属粉
末１００重量部に対してＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスが
０．１〜２０．０重量部及びＴｅＯ₂が０．１〜５．０
重量部を含有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、共振器、
コンデンサ、フィルタ等を高周波動作する回路または回
路素子が内蔵されたガラスセラミック回路基板に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ガラス成分と無機物フィラーであるセラ
ミック成分とからなるガラス−セラミック材料を用いた
回路基板が多用されている。このようなガラスセラミッ
ク回路基板は、比較的低温で焼結することができるもの
であり、基板の内部や表面の所定配線パターンをＡｇや
Ｃｕなどの低抵抗材料を用いることができるためであ
る。このため、基板に形成した高周波動作する電子回路
において、非常に有望なものとなる。

【０００３】この高周波動作する電子回路としては、ス
トリップ線路を用いた共振回路、電圧制御型発振回路、
局発振信号形成回路、パワーアンプ等が例示できる。

【０００４】例えば、積層状ガラスセラミック回路基板
は、複数の誘電体層（または絶縁層）を積層した基板
と、前記誘電体層の層間に形成した内部配線パターン
と、基板の表面に形成した表面配線パターンとからな
り、さらに基板内部には、内部配線導体パターンどう
し、または内部配線パターンと表面配線パターンとを接
続するビアホール導体と、表面配線パターンの一部を被
覆する絶縁層と、表面配線パターンに実装された各種電
子部品とから構成されている。

【０００５】また、単板状の基板を用いたガラスセラミ
ック回路基板は、所定表面配線パターンと、表面配線パ
ターンの一部を被覆する絶縁層と、表面配線パターンに
実装された各種電子部品とから構成されている。

【０００６】比較的低温で焼成可能なガラスセラミック
回路基板は、誘電体層（基板）を構成する材料として、
低融点ガラス成分と所定誘電体率の誘電体セラミック材
料などの無機物フィラー材とから成っていた。

【０００７】具体的には、低融点ガラス成分とは、コー
ジェライト、ムライト、アノートサイト、セルジアン、
スピネル、ガーナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペ
タライト、オオスミライト及びその置換誘電体等の結晶
相のうち少なくとも１種類を析出し得るガラス成分であ
る。また、無機物フィラー材は、クリストバライト、石
英、コランダム（αアルミナ）等が例示できる。

【０００８】また、このような低温焼成可能なガラスセ
ラミック回路基板に、所定配線パターンを形成する材料
として、Ａｇ系、Ｃｕ系、またはＡｕ系の低抵抗材料を
主成分として形成されていた。即ち、そして、Ａｇ系金
属粉末、Ｃｕ系金属粉末、またはＡｕ系金属粉末を主体
として、ガラスフリット、有機ビヒクルを混練した導電
ペーストを用いて、所定配線パターンに印刷した後、未
焼成状態のガラスセラミック回路基板とともに一体的に
焼成処理された形成されていた。

【０００９】ここで、Ａｕ系金属粉末を用いたＡｕ系ペ
ーストは、導電性に優れ、化学的にも全く安定で、且つ
基板との接着性も良く、特に耐候性に優れているが、主
成分のＡｕ系金属粉末は大変高価であるという難点があ
る。

【００１０】また、Ｃｕ系金属粉末を用いたＣｕ系ペー
ストは、主成分のＣｕ粉末は安価で導電性にも優れる
が、還元雰囲気での焼成が必要となるため焼成工程が高
価になる。

【００１１】これらの難点を解消するために、Ａｇ系金
属粉末（Ａｇ単体、またはＡｇ−ＰｄなどのＡｇ合金）
を用いたＡｇ系ペーストが多用されてきた。

【００１２】Ａｇ系ペーストを用いて、所定配線パター
ンを形成すると、このＡｇ系配線パターンは、導電性に
優れ、且つコスト的に有利となり、さらに、焼成処理に
おいても大気中などの酸化雰囲気で処理できる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】高周波動作する電子回
路を形成するには基板材料のＱ値を高くすることが必要
であるため、基板材料に含まれるガラス成分を極力減ら
すことが必要となる。しかし、この時、基板材料側のガ
ラス成分を減少させると、所定配線パターンとの界面に
存在するガラス量が減少するため、基体と配線パターン
とを接合させるガラスが減り、高温放置等による接着力
の低下が大きくなる問題があった。

【００１４】本発明は、上述の課題に鑑みて案出された
ものであり、その目的は基体のガラス成分が少なくて
も、高温放置等による基板と配線パターンとの接着力の
低下を抑制することができるガラスセラミック回路基板
を提供するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラスセラ
ミック基板の表面または内部に所定の配線パターンを形
成してなるガラスセラミック回路基板において、前記配
線パターンは、銀を主成分とする金属粉末と、金属粉末
１００重量部に対してＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスが０．
１〜２０．０重量部と、同じくＴｅＯ₂が０．１〜５．
０重量部を含有していることを特徴とするガラスセラミ
ック回路基板である。

【作用】本発明のガラスセラミック回路基板において、
所定配線パターンは、Ａｇ系導体材料を主成分として形
成されるため、比較的安価なものとなる。

【００１６】また、Ａｇ系導体材料から成る所定配線パ
ターンには、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスが添加されてい
る。これによって、ガラスセラミック材料の基体（単板
状においては基板、積層状の形状では誘電体層）と所定
配線パターンとの界面のガラス量を増加させることがで
きる。

【００１７】しかも、ＴｅＯ₂が添加されている。この
ＴｅＯ₂は、基体と配線パターンとの界面に存在する上
述のガラスのＳｉＯ₂や基板材料の酸化物、基板材料の
ガラス成分の結晶化を促進させ、基板と配線パターンと
の間のアンカー効果を助長させる。これにより、両者の
接着強度が向上し、高温放置等による接着力の低下を有
効に抑えることができる。

【００１８】なお、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスまたはＴ
ｅＯ₂の添加量が０．１重量部未満では、結晶化ガラス
によるアンカー効果が少なく、高温放置等による基板と
配線パターンとの接着力の低下を抑制することができな
い。また、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスの添加量が２０．
０％重量部を越え、または、ＴｅＯ₂の添加量が５．０
重量部を越えると、配線パターンの導通抵抗が大きくな
り、低抵抗材料であるＡｇを用いたメリットがなくな
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガラスセラミ
ック回路基板を図面に基づいて詳説する。

【００２０】図１は、本発明のガラスセラミック回路基
板の断面図である。尚、実施例の積層基体の構造として
は、例えば４層の誘電体層が積層されたものを示してい
る。

【００２１】図において、１０は積層ガラスセラミック
回路基板であり、積層ガラスセラミック回路基板１０
は、誘電体層１ａ〜１ｄが積層した積層基体１、該積層
基体１の表面に被着形成された表面配線パターン２、該
積層基体１の内部に配置された内部配線パターン３、ビ
アホール導体４とから構成されている。

【００２２】積層基体１を構成する誘電体層１ａ〜１ｄ
は、誘電体セラミック材料と低温焼成化を可能とする酸
化物や低融点ガラス材料とから構成されている。

【００２３】無機物フィラー材は、クリストバライト、
石英、コランダム（αアルミナ）などが例示できる。ま
た、低融点ガラス成分は、コージェライト、ムライト、
アノートサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、
ウイレマイト、ドロマイト、ペタライト、オオスミライ
ト及びその置換誘電体等の結晶相のうち少なくとも１種
類を析出し得るガラス成分などが例示できる。

【００２４】また、無機物フィラーとして、ＢａＯ−Ｔ
ｉＯ₂系、ＣａＯ−ＴｉＯ₂系、ＭｇＯ−ＴｉＯ₂系の誘
電体材料が例示できる。この時、ガラス成分（酸化物成
分）ＣｕＯ、Ｌｉ₂Ｏ、Ｂ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂等が例示でき
る。

【００２５】また、誘電体層１ａ〜１ｄは、１層あたり
５０〜３００μｍ程度の厚みを有し、その厚み方向にビ
アホール導体４が形成されている。

【００２６】また、誘電体層１ａ〜１ｄの層間には、所
定回路網を構成する内部配線パターン３が形成されてい
る。

【００２７】内部配線パターン３、ビアホール導体４
は、Ａｇ系（Ａｇ単体、Ａｇ−ＰｄなどのＡｇ合金）、
Ｃｕ系（Ｃｕ単体、Ｃｕ合金）の導体材料により構成さ
れている。

【００２８】この積層基体１の表面には、Ａｇ、Ｃｕな
どを主成分（Ａｇ単体またはＡｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔな
どのＡｇ合金、Ｃｕ単体またはＣｕ合金）とする導体材
料から成る表面配線パターン２が配置されている。この
表面配線パターン２は未焼成状態の積層基体１上に、表
面配線パターン２となる導体膜が被着され、積層基体１
と一体的に焼成されて構成される。この表面配線パター
ン２は、ビアホール導体４を介して内部配線パターン３
と電気的に接続し所定回路網を構成するとともに、各種
電極部品（例えばＩＣベアチップ）５が接合される電極
部、外部回路と接続する接続端子などともなる。

【００２９】上述の積層ガラスセラミック回路基板１０
の製造方法を説明する。

【００３０】まず、誘電体層１ａ〜１ｄとなるとなるグ
リーンシートを作成する。例えば、グリーンシートは、
例えば、誘電体セラミック粉末の無機物フィラーと、低
温焼成化のための酸化物粉末と、低融点ガラス粉末と、
例えばアルキルメタクリレート等の有機バインダーと、
例えばＤＢＰ等の可塑剤と、例えばトルエン等の有機溶
剤とを混合し、ボールミルで４８時間混練してスラリー
を作成する。ここで、セラミック粉末とは、平均粒径が
０．５〜５．０μｍのＢａＯ−ＴｉＯ₂系、ＣａＯ−Ｔ
ｉＯ₂系、ＭｇＯ−ＴｉＯ₂系等の粉末が例示でき、酸化
物粉末とは、ＣｕＯ、Ｌｉ₂Ｏ、Ｂ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂等であ
る。

【００３１】このスラリーをドクターブレード法や引き
上げ法を用いて、例えば１００μｍなどテープ成型し、
所定寸法に切断してグリーンシートを作成する。

【００３２】次に、所定グリーンシートにビアホール導
体４となる貫通孔を形成し、この貫通孔にビアホール導
体４となる導体、表面配線パターン２、内部配線パター
ン３となる導体膜を導電性ペーストの印刷充填により形
成する。

【００３３】ここで、上述の導電性ペーストは、例えば
所定量のＡｇ粉末等の金属粉末と、必要に応じて例えば
所定量のホウケイ酸系低融点ガラスと、ＴｅＯ₂粉末、
例えばエチルセルロース等の有機バインダーと、例えば
２．２．４−トリメチル−１．３−ペンタジオールモノ
イソブチレート等の有機溶剤を混合し、３本ロールミル
で混練して作成する。

【００３４】尚、表面配線パターン２となる導電性ペー
ストは、例えば金属成分中、９９％以上のＡｇ粉末と、
１ｗｔ％以下のＰｔ粉末と、固形成分１００重量部に対
して最大５ｗｔ％のはんだ濡れを阻害しない程度のガラ
スや酸化物粉末と有機ビヒクルを混合しても構わない。
また、各導電性ペーストの金属成分はＡｇ−Ｐｔだけで
はなく、Ａｇ−Ｐｄ等のＡｇ合金を用いても構わない。
このよう内部配線パターン３、ビアホール導体４、表面
配線パターン２となる導体膜が形成された誘電体グリー
ンシートを、積層基体１の積層順序に応じて、積層し
て、未焼成状態の積層基体１を形成する。

【００３５】その後、未焼成状態の積層基体１を一体的
に８００〜１０００℃の比較的低温で焼成する。この焼
成における脱バインダ過程は概ね６００℃以下の温度領
域であり、誘電体層１ａ〜１ｄ及びビアホール導体４と
なる導体や内部配線パターン３、各種表面配線パターン
２等に含まれている有機バインダを焼失する過程であ
る。尚、焼成条件は、例えば、ピーク温度８００〜１０
００℃、例えば９５０℃３０分の大気雰囲気、または、
中性雰囲気である。

【００３６】その後、焼成された積層基体１に、必要に
応じて、表面配線パターン２に接続するように厚膜抵抗
膜を焼き付けたり、また、絶縁保護膜を被覆したりし
て、最後に、積層ガラスセラミック回路基板１０の表面
配線パターン２に半田バンプ６等を介して各種電子部品
（ＩＣチップ）５を接合する。具体的には、積層ガラス
セラミック回路基板１０の電子部品５が搭載される表面
配線パターン２上に、クリーム状半田を塗布し、この状
態で２３０℃前後の熱処理を行うリフロー炉に投入し
て、クリーム状の半田を溶融して、徐冷・硬化して半田
接合を行う。これにより、図１に示す積層ガラスセラミ
ック回路基板１０が完成する。

【００３７】尚、上述の製造方法は、グリーンシートを
利用した多層方法であるが、誘電体層となるスラリーや
内部配線パターン３、表面配線パターン２となる導電性
ペーストを順次印刷した印刷多層を行ってもよい。この
時、スラリーに光硬化可能なモノマーを添加しておき、
グリーンシート、または、塗布印刷した誘電体塗布膜を
選択的な露光・現像処理しても構わない。

【００３８】また、未焼成状態の積層基体１を複数の基
板が抽出できるような形状としておき、焼成前に必要に
応じて分割溝を形成し、焼成後個々の回路基板に分割し
ても構わない。

【００３９】本発明は、上述の内部配線パターン３や表
面配線パターン２として、Ａｇを主成分とする金属粉末
と、金属粉末１００重量部に対してホウケ珪酸系ガラス
が０．１〜２０．０重量部及びＴｅＯ₂が０．１〜５．
０重量部を含有している。

【００４０】本発明者は、平均粒径１〜３μｍのＡｇ粉
末、Ｐｔ粉末（Ａｇ系金属粉末）、ホウ珪酸系ガラス、
ＴｅＯ₂料粉末を、表１に示す量を秤量し、上述のよう
に有機ビヒクルとともに混合したＡｇ系導電性ペースト
を作成し、特に、積層ガラスセラミック回路基板１０の
表面配線パターンにおける導体抵抗（シート抵抗）及び
接着強度を調べた。その結果を表２に示す。

【００４１】ここで用いるホウ珪酸系ガラスは、少なく
ともＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂を含むガラスである。例えば、４
０Ｂ₂Ｏ₃−３５ＳｉＯ₂−２０ＢａＯ−５Ａｌ₂Ｏ₃など
が例示できる。評価として、表面配線パターン２のシー
ト抵抗が４．０ｍΩ／□以下のもの及び１５０℃の高温
漕に２５０時間投入した後、接着強度が０．５Ｋｇ以上
のものをを良好とした。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】試料番号１、２、３に示すように、ＴｅＯ
₂粉末が金属成分に対して０．１重量部未満では、基板
１と表面配線パターン２との間のアンカー効果が充分に
得られない。

【００４５】このＴｅＯ₂粉末は、基板１と表面配線パ
ターン２との間の界面に存在するＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガ
ラス及び基板のガラス成分とを結晶化ガラスを形成しや
すして、アンカー効果を得るものであり、このＴｅＯ₂
粉末が０．１重量部未満では接着強度が充分に得られな
い。

【００４６】これに対して、試料番号４のように、Ｔｅ
Ｏ₂粉末及びホウ珪酸ガラスの添加量が０．１重量部を
越えると、実用的な接着強度である０．５Ｋｇを越え
る。

【００４７】また、試料番号１０において、ホウ珪酸ガ
ラスの添加量が２０重量部を越え、例えば２５重量部と
なると、表面配線パターン２中のガラス成分が増加し過
ぎ、その結果、シート抵抗が４．２ｍΩ／□以上となっ
てしまう。

【００４８】さらに、試料番号１４、１５のように、ホ
ウ珪酸ガラスの添加量が２０重量部であっても、ＴｅＯ
₂粉末の添加量が５．０重量部を越え、例えば７．０重
量部以上となっても、表面配線パターン２のシート抵抗
が４．０ｍΩ／□を越えてしまう。

【００４９】以上のように、表面配線パターン２のシー
ト抵抗（ホウ珪酸系ガラスやＴｅＯ ₂粉末の添加量によ
って決定）を良好な値を維持し、しかも、基板１と表面
配線パターン２との接着強度（表面配線パターン２と基
板１との間の結晶化ガラスによる互いの結合であるアン
カー効果）を所定以上にするためには、ホウ珪酸系ガラ
スの添加量を、金属成分１００重量部に対して、０．１
〜２０．０重量部、ＴｅＯ₂粉末の添加量を、金属成分
１００重量部に対して、０．１〜５．０重量部とするこ
とが重要である。

【００５０】また、本発明者の種々の実験によれは、ア
ンカー効果を充分に発揮するためには、表面配線パター
ン２を形成するための導電性ペーストに添加するホウ珪
酸系ガラスの組成も重要となる。

【００５１】例えば、ホウ珪酸系ガラスを構成するＳｉ
Ｏ₂の組成モル比率（ホウ珪酸ガラスを構成する組成１
００モル中に対して）は、１０モル％〜５０モル％が望
ましい。１０モル％未満では、アンカー効果を充分に発
揮するための表面配線パターン側のＳｉＯ₂が少な過
ぎ、仮にＴｅＯ₂粉末を添加して、結晶化ガラスの析出
を促進しても、接着強度があがらない。

【００５２】また、ＳｉＯ₂の組成モル比率が５０モル
％以を越えると、ガラスの軟化点が上がり、例えば、焼
成過程でガラスがと溶けなくなり、接着強度を低下させ
ることになる。

【００５３】また、ホウ珪酸系ガラスを構成するＢ₂Ｏ₃
の組成モル比率（ホウ珪酸ガラスを構成する組成１００
モル中に対して）は、５．０モル％〜５０．０モル％が
望ましい。５．０モル未満では、ガラス流動性が低い
く、界面でアンカー効果形成が少なくなる。また、５０
モル％を越えると、焼成過程において、Ｂ₂Ｏ₃が沸騰
し、基板１と表面配線パターン２との界面に気泡を残
し、基板１と表面配線パターン２との剥離現象が発生さ
せる。

【００５４】尚、上述の実験では、接着強度を測定しや
すい表面配線パターン２で行っているが、内部配線パタ
ーン３においても、実質的には同じメカニズムが発生し
ていると言える。

【００５５】また、本発明においては、導体特性に悪影
響を及ぼさない範囲で、内部配線パターン３、表面配線
パターン２を形成するＡｇ系導電性ペーストに、Ｓｉ、
Ｒｈ、Ｖ、Ｍｏ、Ｂｉ等の酸化物や有機物を添加含有し
ても良く、この場合さらに接着力低下の抑制や基板反り
の低減を図ることができる。

【００５６】上述の実施例では、積層状のガラスセラミ
ック回路基板を用いて説明しているが、単板状のガラス
セラミック基板であっても構わない。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、本発明のガラスセラミッ
ク回路基板では、表面配線パターンや内部配線パターン
を、Ａｇ系粉末を主成分とする金属粉末で構成したの
で、安価なガラスセラミック回路基板となる。

【００５８】また、金属粉末１００重量部に対してＢ₂
Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスを０．１〜２０．０重量部及びＴ
ｅＯ₂を０．１〜５．０重量部夫々添加したため、導体
抵抗が低く、高温放置等による接着力の低下を抑制する
ことのできる良好なガラスセラミック回路基板を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層状のガラスセラミック回路基板の
断面図である。

【符号の説明】

１０・・積層ガラスセラミック回路基板１・・積層基体１ａ〜１ｄ・・誘電体層２・・表面配線パターン３・・内部配線パターン４・・ビアホール導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスセラミック基板の表面または内部
に所定の配線パターンを形成してなるガラスセラミック
回路基板において、前記配線パターンは、Ａｇを主成分とする金属粉末と、
該金属粉末１００重量部に対してＢ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガ
ラスが０．１〜２０．０重量部と、同じくＴｅＯ₂が
０．１〜５．０重量部とを含有していることを特徴とす
るガラスセラミック回路基板。