JP4748904B2

JP4748904B2 - ガラスセラミック焼結体およびそれを用いた配線基板

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Publication number: JP4748904B2
Application number: JP2001294748A
Authority: JP
Inventors: 信也川井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003095746A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ、多層配線基板等に適用される配線基板等に最適なガラスセラミック焼結体とそれを用いた配線基板に関するものであり、特に、銀、銅、金と同時焼成が可能であり、かつ半導体素子等の能動素子の動作時等に発生する熱を効率よく放散させるための改良に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報通信技術の急速な発達に伴い、半導体素子の高速化、大型化が進行している。そのため、半導体素子の高速化に伴い、パッケージや基板等における信号遅延の問題が大きくなっている。同時に、半導体素子の大型化に伴う発熱量の増加による、パッケージや基板等における熱抵抗の問題も大きくなっている。
【０００３】
従来より、セラミック多層配線基板としては、アルミナ質焼結体からなる絶縁層の表面または内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層が形成されたアルミナ配線基板が最も普及している。
【０００４】
ところが、従来のアルミナ配線基板では、その導体であるタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属は導体抵抗が大きく、さらにアルミナの誘電率も９〜１０程度と高いことから、信号遅延が大きいことが問題となっていた。そこで、Ｗ、Ｍｏなどの金属に代えて、銅、銀、金などの低抵抗金属を導体として使用し、さらに絶縁層の誘電率を低くすることが要求されている。
【０００５】
そのため、最近では、ガラス、または、ガラスとセラミックとの複合材料であるガラスセラミックを絶縁層として用いることにより、１０００℃以下の低温焼成を可能とし、融点の低い銅、銀、金などの低抵抗金属を導体として使用できるようにし、かつ誘電率をアルミナよりも低くすることが可能な、ガラスセラミック配線基板が開発されつつある。
【０００６】
例えば、特公平４−１２６３９号のように、ガラスにＳｉＯ₂系フィラーを添加した絶縁層と、銅、銀、金などの低抵抗金属からなる配線層とを９００〜１０５０℃の温度で同時焼成した多層配線基板や、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウ珪酸亜鉛系ガラスに、アルミナ、ジルコニア、ムライトなどのフィラーを添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミック材料も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記に挙げたような従来のガラスセラミックスにおいては、熱伝導率が０．５〜１．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低く、熱放散性において従来のアルミナ等に比べて劣っていた。
【０００８】
そこで、特開昭６３−３０７１８２号や特開平４−２５４４７７号等に記載されるような、高熱伝導性を有するＡｌＮとガラスとを焼成したガラスセラミックスを絶縁基板として用いた配線基板が提案されている。
【０００９】
しかしながら、ＡｌＮ等の非酸化物セラミックスをフィラーとして用いると、焼成中にガラスと非酸化物セラミックフィラーとが焼成中に反応し、焼成中に非酸化物セラミックフィラーが分解して、分解ガスが発生し、このガスによって磁器が膨張したり、寸法精度が上がらない等の問題があった。
【００１０】
また、磁器表面に気泡が発生したりして表面が荒れるなどの問題があり、安定して良好な磁器を得ることが難しく、歩留まりが低く、工業製品としての実用上大きな問題があり、事実上量産は困難であった。かかる現象は、特に、大気などの酸化性雰囲気中での焼成で顕著となるため、銀を導体とする配線層の形成が非常に困難であったり、銅配線を行う際に脱バインダー不良が起こり易いなどという問題があった。
【００１１】
しかも、フィラー成分としてそれ自体高熱伝導性を有するＡｌＮ等を添加してもマトリックスが低熱伝導性のガラス相のみであるために、磁器として高熱伝導化が得られにくく、しかも強度が弱いという問題があった。
【００１２】
従って、本発明は、銀、銅、金等の低抵抗金属、なかでも銀と同時焼成が可能であり、高い熱伝導率を有し、寸法精度が高いガラスセラミック組成物、焼結体、およびそれを用いた配線基板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対して鋭意検討した結果、少なくとも希土類酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含む希土類元素含有珪酸系ガラスを３０〜９５質量％と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄粉末を５〜７０質量％の割合で含有する組成物を用い、これを焼成し、焼結体として、その構成元素として少なくとも希土類元素（ＲＥ）とＳｉ、Ａｌ、Ｚｎおよび／またはＭｇとを含有し、かつ結晶相として、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種と、ＡｌＮ結晶相および／またはＳｉ₃Ｎ₄結晶相とを分散含有させた焼結体が、銀、銅、金等の低抵抗、低融点金属、なかでも銀と同時焼成を可能としつつ、ガラスと非酸化物化合物粉末との反応を抑制できるため、高い熱伝導率を有する焼結体が得られ、これにより熱放散性に優れた絶縁基板を有する配線基板が得られることを見出し、本発明に至った。
【００１７】
本発明のガラスセラミック焼結体は、希土類元素（ＲＥ）をＲＥ_２Ｏ_３換算で１〜３０質量％、ＳｉをＳｉＯ_２換算で１０〜５５質量％、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３換算で３〜３５質量％、Ｚｎおよび／またはＭｇをそれぞれＺｎＯ換算、ＭｇＯ換算で５〜３０質量％含む希土類元素含有珪酸系ガラスを３０〜９５質量％と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ _３Ｎ _４粉末を５〜７０質量％の割合で含有する組成物を焼成した焼結体であって、かつ、該焼結体は、結晶相として、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種と、ＡｌＮ結晶相および／またはＳｉ_３Ｎ_４結晶相とを含有し、相対密度が９５％以上、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、他の結晶相として、希土類元素含有結晶相が生成されていることが熱伝導率を高める上で望ましく、希土類元素含有結晶相としては、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇および／またはＲＥ₂ＳｉＯ₅であるか、さらには、ＲＥＳｉＯ₂Ｎ、ＲＥ₂Ｓｉ₃Ｏ₃Ｎ₄、ＲＥ₄Ｓｉ₂Ｏ₇Ｎ₂、ＲＥ₅Ｓｉ₃Ｏ₁₂Ｎ、ＲＥ₁₀Ｓｉ₇Ｏ₂₃Ｎ₄の群から選ばれる１種以上の酸窒化物結晶相を形成していることが望ましい。
【００１９】
さらに他の結晶相として、ムライト結晶相、コーディエライト結晶相、（Ｍ１）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相および（Ｍ２）₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相のうち少なくとも１種を含有することが望ましい。
【００２０】
そして、本発明の配線基板は、絶縁基板と、その表面および／または内部に配設された配線層を具備してなるものであり、前記絶縁基板が、上記ガラスセラミック焼結体からなることによって、金、銀、銅から選ばれる少なくも１種を配線層とし、熱放散性に優れた配線基板を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
ガラスセラミック組成物は、少なくともＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、希土類元素酸化物（以下、ＲＥ₂Ｏ₃という場合がある。）、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含む希土類元素含有珪酸系ガラスを３０〜９５質量％、特に３２．５〜８５質量％、最適には３５〜８０質量％と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ_３Ｎ_４５〜７０質量％、特に１５〜６７．５質量％、最適には２０〜６５質量％とからなるもので、かかる組成物は１０００℃以下の低温で緻密な熱伝導性に優れた焼結体を形成することができる。
【００２２】
高熱伝導性の焼結体を得る上では、組成物中に高熱伝導性を有する成分を含有していることが必要である。高熱伝導性を有する化合物としてはＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ_4、ＳｉＣ、ＢＮ等に代表される非酸化物系化合物が挙げられるが、本発明によれば、これらの非酸化物系化合物の中から、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄を選択する。これらを選択するのは、それ自体の熱伝導率が高く、また後述するガラスとの反応性が比較的低いために、焼結過程でＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄として焼結体中に残存させることが可能である。
【００２３】
こうしてガラスとの反応性の低いＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄を選択し、かつ後述するように、少なくとも希土類酸化物（ＲＥ_２Ｏ_３）、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含む希土類元素含有珪酸系ガラスと組み合わせて用いることにより、ガラスと、ＡｌＮおよび／またはＳｉ_３Ｎ_４との反応性を低く抑えることができ、分解ガスなどの発生を抑制できる。
【００２４】
各成分組成を上記範囲に限定したのは、前記希土類元素含有珪酸系ガラスが３０質量％未満、即ちＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄が７０質量％を超えると、１０００℃以下の焼成において焼結体を緻密化することが困難となり、前記希土類元素含有珪酸系ガラスが９５質量％を超える、即ちＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄が５質量％よりも少ないと、２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導化が達成できないためである。
なお、組成物中には、フィラーとして、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄以外に、ＡｌＮおよびＳｉ₃Ｎ₄の割合が上記の範囲を逸脱しない範囲において、誘電率、誘電損失、熱膨張係数、破壊強度、破壊靭性、熱伝導率等を制御する目的で、他のフィラーによって置換することも可能である。
【００２５】
そのような他のフィラーとしては、例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、ＣａＳｉＯ₃、ＳｒＳｉＯ₃、ＢａＳｉＯ₃、ＣａＺｒＯ₃、ＭｇＳｉＯ₃、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＡｌ₂Ｏ₄、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆、Ｚｎ₂Ａｌ₄Ｓｉ₅Ｏ_18、ムライト、コーディエライトの群から選ばれる少なくとも１種が挙げられ、用途に合わせて選択できる。
【００２６】
また、ガラス中には、少なくともＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＲＥ₂Ｏ₃、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含むことが必要であって、これらの成分を含有するガラスは、焼成中における非酸化物系化合物との反応性が非常に低いため、ガラスとフィラーの反応によるガスが発生し、焼結体の寸法精度の悪化や焼結体の表面での気泡発生による歩留まりの著しい低下を防ぐことが可能となる。
【００２７】
特に、希土類元素酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）は、ガラス中に含有せしめることにより、焼結体中の残留ガラス相の熱伝導率を高め、また希土類元素含有結晶相として析出させることにより、前記ガラスセラミック焼結体の熱伝導率を向上させる働きを有する。
【００２８】
より具体的には、前記希土類元素含有珪酸系ガラスの好適な組成としては、必須成分として、ＳｉＯ_２を１０〜５５質量％、特に１５〜４５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１〜３５質量％、特に３〜２５質量％、ＲＥ_２Ｏ_３を１〜３０質量％、特に２〜２０質量％、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを５〜３０質量％、特に８〜２５質量％の割合でそれぞれ含有する。
【００２９】
上記ガラスの組成を上記範囲内に制御することにより、前記非酸化物化合物粉末との反応性を抑制しつつ、後述する結晶相をガラスセラミック焼結体中に析出させることにより、高い熱伝導率とアルミナよりも低い誘電率とを同時に満足させることが可能となる。
【００３０】
また、かかるガラスは、誘電率が９以下と低いために、焼結体全体として低誘電率化も同時に達成できる。
【００３１】
さらに、前記希土類元素含有珪酸系ガラス中には、任意成分として、Ｂ₂Ｏ₃を２５質量％以下、特に２０質量％以下、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの群から選ばれる少なくとも１種をその合量で５０質量％以下、特に３５質量％以下の割合でそれぞれ含有せしめることが望ましい。上記任意成分を含有せしめると、ガラスの軟化点を低下させ、より多くの非酸化物化合物系結晶をガラスセラミック焼結体中に含有させることができ、より高い熱伝導率を得ることが出来る。
【００３２】
特に、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの群から選ばれる少なくとも１種を含有せしめることにより、さらに（Ｍ１）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相や、（Ｍ２）₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）などの結晶相を析出せしめることができ、より高い熱伝導率を達成することが可能となる。
【００３３】
一方、上記任意成分の含有量が上記範囲よりも多くなると、ガラスのガラス転移点が低温となりすぎ、焼成中にガラスの粘度が低下しすぎ、ガラスが浮きあがって焼結体表面に半球状のガラス相を形成したり、さらには、変形が著しく任意の形状を保てなくなり、焼結体の作製が困難となる場合がある。
【００３４】
さらには、上記ガラス中には、本発明から逸脱しない範囲で他の成分を含有していても差し支えない。例えば、ガラスからの析出結晶相の析出量を増加させるための核剤として、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、ＭｏＯ₃、ＣａＦ₂、ＳｎＯ₂等を含有せしめることにより、結晶化度を高め熱伝導率を向上させることが可能となる。なお、これらの他の成分の含有量は１０質量％以下、特に５質量％以下であることが望ましい。
【００３５】
ここで、上記ガラスは、そのガラス転移点（Ｔｇ）が５００〜８５０℃、特に５５０〜７５０℃の範囲内であることが望ましい。これは、ガラス転移点が５００℃より低いと焼成中のガラスの粘度が低下しすぎるために焼結体表面に半球状のガラス相ができたり、著しい変形を起たしたりする。逆に８５０℃よりも高いと、１０００℃以下の焼成にて緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【００３６】
さらに、ガラスセラミック組成物中には、酸化鉛、酸化ビスマス、アルカリ金属酸化物は、酸化物換算による合計量で０．５質量％以下、特に０．１質量％以下、最適には不可避不純物を除いて含有させないことが望ましい。これは、上記成分は、非酸化物系化合物との反応性が高く、寸法精度の悪化や気泡発生等を招き、特にアルカリ金属酸化物は絶縁性の劣化をも招くため、その含有量を極力減少させる必要があるためである。
【００３７】
一方、本発明のガラスセラミック焼結体は、構成元素として少なくともＳｉ、Ａｌ、希土類元素（以下、ＲＥと記する場合がある。）、Ｚｎおよび／またはＭｇとを含有し、かつ結晶相として、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種と、ＡｌＮ結晶相および／またはＳｉ₃Ｎ₄結晶相とを分散含有した組織からなり、その相対密度が９５％以上、特に９７％以上の緻密な焼結体からなる。
【００３８】
なお、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄の結晶相は、焼結体中に、５〜７０質量％の割合で含有されるものである。本発明によれば、ガラスとの反応性の低いＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄を選択することによって、焼結体中に残存させることができ、焼結体の高熱伝導化に寄与することができる。
【００３９】
また、本発明のガラスセラミック焼結体中には、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種の結晶相が存在することが重要である。これらの結晶相は、焼結体の熱伝導率と強度を向上させる作用を有する。ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種の結晶相は、前記組成のガラスからの析出結晶相であってもよいし、フィラーとして添加することも可能であるが、ガラスから析出させることが、より緻密な焼結体を得るのに効果的であって、熱伝導率と強度の向上効果も大きい。また、これらの結晶相が相互に固溶した、（Ｍｇ，Ｚｎ）Ａｌ₂Ｏ₄等の形で存在していても差し支えない。
【００４０】
本発明のガラスセラミック焼結体は、結晶相として、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄の結晶相およびガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種の結晶相を必須の結晶相として含有されるものであるが、この結晶相以外に、Ｓｉ、Ａｌ、希土類元素（以下、ＲＥと記する場合がある。）、Ｚｎおよび／またはＭｇを含むガラス相および／または結晶相によって形成される。特に、高熱伝導化を図る上では、できる限り結晶相を形成していることが望ましい。
そこで、本発明のガラスセラミック焼結体中において、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄結晶相およびガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイト以外の他の結晶相について説明する。
【００４１】
まず、Ｓｉ、Ａｌ、希土類元素（以下、ＲＥと記する場合がある。）、Ｚｎおよび／またはＭｇの成分のうち、ＲＥは、焼結体中の残留ガラス相の熱伝導率を高めると同時に、希土類元素を含む結晶相として析出させることにより、前記ガラスセラミック焼結体の熱伝導率を向上させる働きを有する。
そこで、第１の他の結晶相として、前記希土類元素（ＲＥ）を構成元素として含む希土類元素含有結晶相を含むことが望ましい。さらには、該希土類元素含有結晶相としては、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇および／またはＲＥ₂ＳｉＯ₅の群から選ばれる少なくとも１種のＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系結晶相が挙げられる。
【００４２】
また、第２の他の結晶相として、希土類元素および窒素（Ｎ）を含有する酸窒化物結晶相が挙げられる。このような酸窒化物結晶相としては、ＲＥＳｉＯ₂Ｎ、ＲＥ₂Ｓｉ₃Ｏ₃Ｎ₄、ＲＥ₄Ｓｉ₂Ｏ₇Ｎ₂、ＲＥ₅Ｓｉ₃Ｏ₁₂Ｎ、ＲＥ₁₀Ｓｉ₇Ｏ₂₃Ｎ₄の群から選ばれる１種以上が好適である。このような酸窒化物結晶相を焼結体中に含有せしめることにより、焼結体の熱伝導率を特に高めることが可能となると同時に、焼結体の強度を向上させることができる。
【００４３】
ここで、希土類元素（ＲＥ）としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂ、の群から選ばれる少なくとも１種であることが望ましい。これは、希土類元素のなかでも上記成分が、熱伝導率の向上に特に効果的なためであり、さらに上記成分のなかでも、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅがコストの面で比較的安価であり特に望ましい。
【００４４】
また、第３の他の結晶相として、ムライト結晶相およびコーディエライト結晶相のうち少なくとも１種を含有することが焼結体の熱伝導率と強度を向上させるために効果的である。
【００４５】
さらに、第４の他の結晶相として、（Ｍ１）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相および（Ｍ２）₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相のうち少なくとも１種を含有することが、焼結体の熱伝導率と強度の向上、特に針状に析出させることが可能であるため、強度の向上に効果的である。
【００４６】
ここで、前記第１〜第４の他の結晶相は、フィラーとして混合粉末中に添加しても差し支えないが、焼結体の相対密度を向上させると同時に、結晶化度を高め、より高い熱伝導率を得るために、ガラス中から析出させることが望ましく、さらには、その析出量や種類を制御することにより、前記ガラスセラミック焼結体の特性、例えば誘電率、誘電損失、熱膨張係数、破壊強度、破壊靭性、熱伝導率等、を制御することが可能となる。特に、より高い熱伝導率を得るためには、上記第２の他の結晶相および／または上記第４の他の結晶相を析出させることが、特に効果的である。
【００４７】
また、上記ガラスセラミック焼結体中には、前記第１〜第４の他の結晶相以外にも、本発明を逸脱しない範囲内であれば、誘電率、誘電損失、熱膨張係数、破壊強度、破壊靭性、熱伝導率等を制御する目的で、さらに第５の他の結晶相を含有していても一向に差し支えない。該第５の他の結晶相の例として、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆、Ｚｎ₂Ａｌ₄Ｓｉ₅Ｏ₁₈、ＳｒＳｉＯ₃、ＢａＳｉＯ₃、ＣａＺｒＯ₃等が挙げられ、用途に合わせて選択できる。なお、該第５の他の結晶相は、ここに例示した結晶相に限定されるものではない。
【００４８】
上記のガラスセラミック焼結体は、前記ガラスセラミック組成物を周知の方法によって所定形状に成形し、１０００℃以下、特に９５０℃以下、さらには９００℃以下の低温で焼成することによって作製することができ、得られる焼結体は、相対密度９５％以上の緻密質からなる。
【００４９】
また、上記結晶相の生成によって、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に２．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、最適には３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、また、誘電率が９以下、特に８．５以下、最適には８以下の特性を有するものである。
【００５０】
なお、この焼結体の組成としては、Ｓｉを酸化物換算で３〜５２．２５質量％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．９〜３３．２５重量％、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを１．５〜２８．５質量％、希土類元素酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）を０．３〜２８．５質量％の割合で含有することが望ましい。
【００５１】
また、この焼結体を構成する結晶相の相対的な比については、例えば、メインピークの強度から云えば、後述する実施例からも明らかなように、（Ｍ１）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）、（Ｍ２）₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄のうちの１種のメインピークが最も強く、次に、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、希土類元素含有酸化物、スピネル、ガーナイト、フォルステライトの群から選ばれる少なくとも１種のピークが強いという順である。
【００５２】
次に、上記のガラスセラミック焼結体を用いた配線基板について、半導体素子を収納搭載した半導体素子収納用パッケージを例として図１をもとに説明する。図１によれば、パッケージＡは、絶縁基板１の表面および／または内部にメタライズ配線層２が形成され、パッケージＡの下面には、複数の接続用電極３が配列されている。絶縁基板の上面中央部には、半導体素子４がガラス、樹脂等の接着剤を介して絶縁基板１に接着固定され、半導体素子４はメタライズ配線層２とボンディングワイヤ５を介して電気的に接続され、さらにその上から封止樹脂６により覆うことにより封止されている。そして、半導体素子４と、絶縁基板１の下面に形成された複数の接続用電極３とは、メタライズ配線層２を介して電気的に接続されている。
【００５３】
本発明によれば、図１に示されるようなパッケージにおける前記絶縁基板１が上記のガラスセラミック焼結体からなるものであり、特に熱伝導率が、従来のガラスセラミックの平均的な値である０．５〜１．５Ｗ／ｍ・Ｋよりも高い２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、、特に２．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、最適には３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、さらには、誘電率が９以下、特に８．５以下、最適には８以下であることが望ましい。
【００５４】
かかる配線基板は、前述したガラスセラミック組成物からなる混合粉末を用いて、適当な有機溶剤、溶媒を用いて混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、銅、金、銀のうちの少なくとも１種を含む金属ペーストを充填してビアホール導体を形成する。そして、シート状成形体表面には、高周波信号が伝送可能な高周波線路パターンを金属ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などの配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように印刷塗布する。その後、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、１０００℃以下の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００５５】
特に、本発明におけるガラスセラミック焼結体は、酸化性雰囲気での焼成であってもガラスと非酸化物系化合物との反応を抑制できるために、各種配線層を銀で形成することが可能であり、その場合には有機バインダを除去する工程を４００〜６００℃の酸化性雰囲気で行い、焼成を９００℃以下、特に８５０℃以下の酸化性雰囲気で行なうことができる。また、配線層を銅で形成する場合には、有機バインダを除去する工程を７００〜８００℃のＮ₂／Ｈ₂Ｏ雰囲気にて行い、焼成を１０００℃以下のＮ₂などの非酸化性雰囲気で行なうことができる。
【００５６】
そして、この配線基板の表面には、半導体素子が搭載され配線層と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいはワイヤーボンディングや、ＴＡＢテープなどにより配線層と半導体素子とが接続される。
【００５７】
さらに、半導体素子が搭載された配線基板表面に、絶縁基板と同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなるキャップをガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、半導体素子を気密に封止することができ、これにより半導体素子収納用パッケージを作製することができる。
【００５８】
【実施例】
表１の組成からなる平均粒径２μｍの７種のガラスを準備した。
【００５９】
【表１】

【００６０】
そして、これらのガラス粉末に対して、平均粒径がいずれも２μｍのＡｌＮ粉末（酸素含有量０．８質量％）、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末（酸素含有量１．１質量％）を用いて、表１の組成に従い混合した。
【００６１】
そして、この混合物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ²の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を大気中、５００℃で脱バインダーした後、大気中で表２の条件において焼成して絶縁基板用焼結体を得た。
【００６２】
得られた焼結体の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法（試料厚み１．５ｍｍ）にて測定した。また、アルキメデス法により焼結体の嵩密度を測定し、かつ焼結体を粉砕してＨｅ置換法にて真密度を測定し、その比（嵩密度／真密度）を相対密度として算出した。また、焼結体表面に電極を形成しＬＣＲメータを用いて静電容量を測定し比誘電率を算出した。測定の結果は表３に示した。
【００６３】
また、得られた焼結体中の結晶相をＸ線回折測定から同定し、メインピーク強度の大きい順に表３に示した。なお、ガーナイト結晶相とスピネル結晶相はピークが重なるため、ガラス中にＭｇＯとＺｎＯの両方を含む場合においては表中では区別せずにまとめてガーナイト結晶相として記述した。
【００６４】
さらに、上記のグリーンシートに対してビアホールを形成して銀ペーストを充填し、シート表面に銀ペーストを配線パターンとして印刷塗布し、また、最下層のグリーンシートの底面には、内部の配線層と導通する接続用電極層を形成した後、これを５層積層して、上記と同様な条件で焼成して３５ｍｍ角、厚み１．２ｍｍの多層配線基板をそれぞれ２００個作成した。
【００６５】
このときの、寸法ばらつきを測定し、±３５０μｍを規格とした際の寸法精度について良品率を算出した結果を表３に示した。なお、良品率９０％以上を合格とした。
【００６６】
また、一部の試料については、フィラー成分として、非酸化物系化合物粉末に代わり、コーディエライト粉末、ＺｒＯ₂粉末を用いて同様に焼結体を作製し評価した。
【００６７】
【表２】

【００６８】
【表３】

【００６９】
表１〜表３の結果から明らかなように、本発明に基づき、少なくとも希土類酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯおよび／またはＭｇＯを含む希土類元素含有珪酸系ガラス粉末と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄粉末を所定量混合、焼成して得られ、かつ構成相として少なくともスピネル型化合物結晶相およびＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄を含有する場合においては、相対密度が９５％以上、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い値を示し、高い寸法精度を有するガラスセラミック焼結体およびそれを用いた配線基板が得られることが分かる。
【００７０】
それに対して、ガラスが９５質量％よりも多く、さらにＡｌＮが５質量％よりも少ない試料Ｎｏ．１３においては、非酸化物系化合物による熱伝導率の向上効果が不十分となり、２Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い熱伝導率を示す。
【００７１】
一方、ガラスが３０質量％よりも少なく、さらにＡｌＮが７０質量％よりも多い試料Ｎｏ．１９においては、緻密な焼結体が得られないものであった。
【００７２】
また、ＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄に変えてコーディエライト、ＺｒＯ₂を用いた試料Ｎｏ．２１、２２においては、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋよりも低い値にとどまった。
【００７３】
そして、ガラス粉末中に、Ｂｉ₂Ｏ₃やアルカリ金属酸化物を多量に含有するガラスＦ、Ｇを用いた試料Ｎｏ．２９〜３２においては、ガラスとＡｌＮおよび／またはＳｉ₃Ｎ₄とが反応して発泡してしまい、まともな焼結体が得られないものであった。
【００７４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、高熱伝導率を有するガラスセラミック焼結体、およびそれを用いた配線基板を歩留まりよく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ半導体素子収納用パッケージ
１絶縁基板
２配線層
３接続用電極
４半導体素子

Claims

希土類元素（ＲＥ）をＲＥ_２Ｏ_３換算で１〜３０質量％、ＳｉをＳｉＯ_２換算で１０〜５５質量％、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３換算で３〜３５質量％、Ｚｎおよび／またはＭｇをそれぞれＺｎＯ換算、ＭｇＯ換算で５〜３０質量％含む希土類元素含有珪酸系ガラスを３０〜９５質量％と、ＡｌＮおよび／またはＳｉ _３Ｎ _４粉末を５〜７０質量％の割合で含有する組成物を焼成した焼結体であって、かつ、該焼結体は、結晶相として、ガーナイト、スピネル、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種と、ＡｌＮ結晶相および／またはＳｉ_３Ｎ_４結晶相とを含有し、相対密度が９５％以上、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするガラスセラミック焼結体。
前記希土類元素（ＲＥ）含有結晶相を含むことを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック焼結体。
前記希土類元素（ＲＥ）含有結晶相が、ＲＥ_２Ｓｉ_２Ｏ_７および／またはＲＥ_２ＳｉＯ_５であることを特徴とする請求項２記載のガラスセラミック焼結体。
前記希土類元素含有結晶相が、酸窒化物結晶相であることを特徴とする請求項２記載のガラスセラミック焼結体。
前記酸窒化物結晶相が、ＲＥＳｉＯ_２Ｎ、ＲＥ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４、ＲＥ_４Ｓｉ_２Ｏ_７Ｎ_２、ＲＥ_５Ｓｉ_３Ｏ_１２Ｎ、ＲＥ_１０Ｓｉ_７Ｏ_２３Ｎ_４の群から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項４記載のガラスセラミック焼結体。
他の結晶相として、ムライト結晶相、コーディエライト結晶相、（Ｍ１）Ａｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８（Ｍ１＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相および（Ｍ２）_２ＭｇＳｉ_２Ｏ_７（Ｍ２＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちの少なくとも１種）結晶相のうち少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載のガラスセラミック焼結体。
絶縁基板と、その表面および／または内部に配設された配線層を具備してなる配線基板において、前記絶縁基板が、請求項１乃至請求項６のいずれか記載のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする配線基板。