JPS59162169A - セラミック多層配線板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、多層配線回路用基板などに有用であシ、銀及
び銅などの導体材料との適合性も好適である、セラミッ
クス及びそれを使用した多層配線板に関する。

〔従来技術〕

セラミック材料は、電気技術の分野において、電気的装
置の製造に広く適用されている。例えば一般的には、セ
ラミック絶絃材料の複数個の層と導電性金属材料の複数
個の層とを含む多層セラミック構造材の形成に適用され
ている。

従来技術において電子的適用に用いられているアルミナ
磁器のような多数のセラミック材料に関して遭遇する１
つの不利な点は、それらが比較的高い焼結温度を有して
いるということである。例えば、多層セラミック複合体
又はモジュールの形成においてセラミックスが金属体と
共に同時焼成される場合、酸化雰囲気による焼結条件が
用いられるならば白金又はパラジウムのような高融点の
貴金属を用い、あるいは還元写囲気を用いるならば、モ
リブデン、又はタングステンのような高融点の耐火性金
属を用いることが一般的に必要なことである。

酸化又は還元雰囲気中において低温で焼成され得るセラ
ミックスが得られるならば、銀、銅、金又はそれらの合
金、例えばＡｆ−Ｏｕ、ムｔ−ム駿、ムｔ−Ｐｄ　、　
Ａｕ−Ｐａ又はＡｕ−Ｐｔ等のような低融点金属体と共
に適用しうる。

従来の低融点ガラス−石英ガラス系セラミック材は、熱
膨張係数が２０〜４０Ｘ１０”’／Ｃと小さく、金属体
の熱膨張係数との差が大きいために、セラミックスに亀
裂が発生するという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、低温すなわち７５０〜ｉｏｏ。

℃のオーダーの温度において焼成可能であり、また、比
抵抗率の小さい銀、銅、金及び同種のものとの熱膨張係
数の差が少なく、同時焼成が可能なセラミックス及びそ
れを使用した多層配線板を提供することＫある。

〔発明の概要〕

本発明を概説すれば、本発明の第１の発明はセラミック
スに関する発明であって、無機材料フィラーと低融点ガ
ラスとを焼結したものがらなり、その焼結温度は１００
０℃以下であシ、かつその熱膨張係数が４０〜１２０Ｘ
１０（７℃の範囲内のものであることを特徴とする。

また本発明の第２の発明は、多層配線板に関する発明で
あって、セラミック層と、導体パターンとが交互に積層
され、該導体パターンはセラミック層にあけられたスル
ーホール内に埋込まれた導体で接続しているセラミック
多層配線板において、該セラミック層材料として、上記
本発明の第１の発明のセラミックスを使用したことを特
徴とする。

低温焼成セラミック焼結体は、７５０〜１０００℃のオ
ーダーの温度で焼成可能であるため、比抵抗率の小さい
釧、銅、金及び同種のものを導体として使用することが
できる。しかし、石英ガラス−低融点ガラス系焼結体は
、２０〜４０×１０”７℃　と熱膨張係数が小さく、導
体として使用する銀、銅、金及び同種のものの熱膨張係
数との差が大きく、スルーホールなどに充てんし同時焼
結する際にクラック等が入シ、基板としての信頼性が問
題と寿っている。ここで、銀の熱膨張係数は、１９ｏｘ
１ｏ”７℃で、銅は、１７４ＸＩ　Ｑ″″７／℃、金は
、２１４Ｘ１０”／’Ｃであり、これらの低抵抗率をも
つ導体材料とは、５〜７倍程度の熱膨張の差がある。そ
のため、熱膨張係数の比較的大きな基板材料が要求され
ている。

本発明のセラミックスの製造方法は、比較的熱膨張係数
の大きな無機材料をフィラーとして用い、低融点ガラス
を焼結助剤として加えて焼成することを特徴とする。そ
のため、目的に応じ、必要とする熱膨張係数を、フィラ
ーと低融点ガラス量や、熱膨張係数の異なるフィラー材
を用いることにより変化することができる。

本発明によれば、低融点ガラス粉末を焼結助剤として用
いることにより、無機材料フィラー粉末間に介在する該
低融点ガラス粉末がガラスの軟化点以上の温度に達する
と金体〈わたってほぼ同時に軟化し、流動して無機材料
フィラー粉末を取囲み、液相焼結を行うために、気孔の
発生が少なく、均質な焼結体を製造することができる。

無機材料フィラー粉末と低融点ガラス粉末は一般的には
粒径の小さいものの方が有用である。

特に、無機材料フィラー粉末は、融点が低融点ガラスよ
りも高いために、焼成後も、その粒径はほとんど変化し
ないだめ、粗い粒径を用いると、焼成後の基板表面の凹
凸が大きくなり、配線回路パターン等に不良を生ずる原
因となる。

そのだめ、少なくとも３２５メツシュ通過のものを用い
るのが適当であるが、できれば数ｐｍ程度まで粉砕する
ことが望ましい。もちろん、これに限定されるものでは
ない。大きな粒子を用いた場合には、無機材料フィラー
粉末と低融点ガラス、無機材料フィラー粉末同志あるい
は低融点ガラス粉末同志の接触面積が少なくなり、反応
性及び焼結性が低下するために、焼結温度を高くしたシ
、焼結に長時間費すことか必要になってくる。また粒子
を大きくすると、粒子間に介在した気孔が完全に消失せ
ず、残シやすくなってくる。使用するガラスの軟化点は
低いものほど焼成温度を低くすることができ有効である
。

無機材料フィラー及び低融点ガラス材料は、化学的に安
定なものであれば使用できる。しかし、配線回路基板を
作成するためには、セラミックスの表面に配線パターン
を印刷し、同時焼成する必要性がある。セラミックスは
、低温すなわち７５０〜１０００℃のオーダーの温度に
おいて焼結可能であるため、導体としては、銀、銅、金
又はそれらの合金及び同種のもののような低融点ガラス
材料からなるペーストを印刷しセラミックスの焼成と同
時に焼成することが必要になる。このため、配線パター
ンとして、銀、金又は酸化に強い金属及び合金系につい
ては、空気中の焼成が可能である。しかし銅又は酸化に
弱い金属、合金系の導体ペーストを配線パターンとして
印刷する場合には、焼成雰囲気は中性ないしは還元性雰
囲気が必須である。しかし、どちらの場合においても耐
湿性に劣ったり酸又はアルカリ性の水溶液に侵されやす
いものは望ましくない。また、低温すなわち７５０〜１
０００℃のオーダーの温度において焼結という条件は必
須である。セラミック焼結体の比誘電率を小さくする点
からガラス自体も低比誘電率である。

必要がちり、比誘電率の大きな化合物は、ガラスの構成
材料には、あまり望ましくない。これらの欠点のないガ
ラス系としては、ホウケイ酸系ガラス、ホウケイ酸バリ
ウム系ガラス、ホウケイ酸カルシウム系ガラス又はリン
酸アルミニウム系ガラス等に限られてくる。しかし、導
体として用いる銀、銅、金又はそれらの合金及び同種の
ものと基板材料である無機材料フィラー−低融点ガラス
系では、熱膨張係数の差があまシにも大きいため、焼成
後、冷却中にクラックの発生が生じる。そのため、セラ
ミック材料としては、熱膨張係数の比較的大きい無機材
料フィラーを選定する必要性がある。また、セラミック
材料としては、比誘電率の小さい材料が必要である。コ
ンピュータ内での電気信号の伝送遅れ（ｔａ　）と比誘
電率（す）との間には、次式が成立つことが知られてい
る。

に こで、ｔｄ　　は実装遅れ、リ　は材料の比誘電率、ｔ
は信号の伝送距離、Ｃは光の速度である。したがって、
比誘電率の小さい材料を選ぶことによりコンビ・ユータ
マシンサイクルタイムの短縮となり有効である。すなわ
ち、無機材料フィラーの中で最も小さい比誘電率をもつ
材料の１つにシリカがある。しかし、シリカとしては、
石英、石英ガラス、トリジマイト、クリストバライト等
があるが、熱膨張係数の小さいものが多い。その中で、
クリストバライト及び石英は、比較的熱膨張係数が大き
く、比誘電率も小さいため有効である。また、少し比誘
電率は高いが、熱膨張係数が大きく、導体材料との熱膨
張係数が比較的近いため、クラックが入り難い無機材料
フィラーも有効である。

無機材料フィラーと低融点ガラスとの混合比率は特に制
限はないが、低融点ガラス量が少なすぎて無機材料フィ
ラーを結合できない量ではいけないし、また、逆に無機
材料フィラー着が少なすぎて骨材としての役目ができな
いのもいけない。したがって、理想的には、無機材料フ
ィラー：低融点ガラス＝１０〜９０：９０〜１０（重量
％）が良い。

以上のことから、本発明のセラミックスで使用する無機
材料フィラーとしては、クリストバライト、石英、ベリ
リア、コランダム、マグネシア、安定化ジルコニア、ト
リア、ステアタイト、フォルステライト、スピネル及び
ジルコン磁器よりなる群から選択した少なくとも１種の
ものを使用するのが好適である。

他方、本発明のセラミックスで使用する低融点ガラスと
しては、１０００℃以下の軟化点及び６以下の比誘電率
を持つのが好適である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本
発明はこれら実施例に限定されるものではない。

なお、実施例中、部及び％とあるのは、それぞれ重量部
、重量％を意味する。

実施例１ Ｓｉｎ、を３５〜４５％、八４０３　を５〜１５％、Ｍ
ｆＯを１５〜７．５％、Ｂ２０．を３０〜５０％、Ｋ、
Ｏを１．５〜５．０πの組成で各酸化物を混合し、白金
ルツボに入れ、１５００℃で溶解する。これを室温まで
急冷し、均質なガラスを作成する。

ガラスは６５０〜７５０℃の低軟化点を持つ。

ガラスは３２５メツシユ以下に粉砕して、低融点ガラス
粉末の原料とする。

クリストバライトを平均２μｍＶで粉砕し、クリストバ
ライト粉末１０〜９０部に対して、上記で作成した低融
点ガラス粉末を９０〜１゜部秤量する。ライカイ機を用
いて、メノウ乳鉢で５時間以上湿式混合する。乾燥後、
３％ポリビニルアルコール水溶液を粉末敬の１０部加え
、ライカイ機を用いメノウ乳鉢で３０分分量混合する。

これにより、６２メツシユ以下に造粒する。これを金型
中でプレス成形（７５０に９／−）し、圧粉体を作成す
る。プレス成形を行った圧粉体をシリコニット電気炉を
用いて、大気中で、２００℃／時の昇温速度で加熱し、
それぞれ７５０〜１０００℃の温度範囲で１時間保持し
て焼成した。

低融点ガラス単相のみでは、焼成時にわずかに変形が起
ることがあり、低融点ガラスのみでは使用できず、骨材
としてクリストバライトが必要である。

低融点ガラスは、非常に低い軟化点を持っているため、
低温領域より焼成可能であり、特に、クリストバライト
：低融点ガラス＝４０部：６０部においては、７５０℃
付近よシ開気孔率０であり、また、９００℃付近まで焼
結による変形が観察されない。この系においては、広い
温度範囲で焼成が可能であるので有効である。このセラ
ミックスの熱膨張係数は、６０〜９０×１０″′？／℃
であシ、従来のガラスセラミックスに比べ２〜５倍程度
大きくなった。また、ＩＭＨｚでのセラミックスの比誘
電率は、５０であった。

実施例２ 上記実施例１と同じ組成の低融点ガラスとクリストバラ
イトを用い、それぞれ、クリストバライト１０〜９０部
、低融点ガラス９０〜１０部を秤量する。ボールミルに
入れ、２４時間混合する。更に、上記セラミックスの原
料１００部に対して結合剤とし゛て、ポリビニルブチラ
ール７．６部、可塑剤として、ブチルフタリルブチルグ
リコレート２．４部、溶剤として、トリクロロエチレン
５０．０部、テトラクロロエチレン８５部、ノルマルブ
チルアルコール１１．３部を加え、加熱かくはんし溶解
したものを原料に加え、再びボールミルによシ３時間以
上混合する。これによシ混合物はスラリーになる。スラ
リーはドクターブレードを用いてマイラーフィルム上に
連続的に厚さ０．２ｍ＋のグリーンシート材をつくる。

シートは最高温度１００℃・で加熱し、溶剤類を揮散さ
せ、グリーンシートにする。グリーンシートを所定の形
状（７ｏ×７０ｆｉ）に切断する。パンチ法により所定
の位置にスルーホールをあけ、銀の導体ペーストをスク
リーン印刷法により、パターンを形成する。導体ベース
°トは層間の接続用にスルーホール内にも形成する。

鋏の導体ペーストを形成した６枚のグリーンシートはガ
イド孔を用いて積重ね、１２０℃で７にり／ｉの圧力で
接着する。

積層したグリーンシートは炉詰めして焼成する。焼成雰
囲気に空気を用い、最高温度９００℃で少なくとも３０
分間保持した後、冷却する。

この際昇温速度は２００℃／時とし、４００℃で約１時
間保持することにより樹脂を分解揮散させ、最高温度ま
で、再び２００℃／時で昇温した。冷却に際しては炉冷
とした。

以上の工程により、導体層数６層の積層板を得た。この
積層板の導体には、銀が用いられているので導体の抵抗
率は２μΩ・個をもっている。

また、このセラミック基板材料は熱膨張係数が大きいた
めに、スルーホール部にクラックが観察されず、信頼性
が向上した。また導体パターンの線幅７０μｍ１長さ１
ｍのライン抵抗は０．４Ω／αである。従来のアルミナ
系積層板に使用されているタングステンを用いた導体は
、抵抗率が１５μΩ・ｍであり、同じ７０μｍの線幅、
長さ１傷のライン抵抗は１Ω／１Ｍである。本発明の積
層板の抵抗は小さいため、電圧降下が少なく、信号の伝
達遅れがない。また、セラミック材料にクラックの発生
がないため、導体の切断などの問題がなくなシ信頼性が
大きく向上した。加えて、比誘電率は４６〜５．２であ
シ、比誘電率９のアルミナ材料を用いたものより、信号
の伝達速度が非常に速い。

実施例３ クリストバライトを平均粒径２μｍに粉砕し、クリスト
バライト１０〜９０部に対して、実施例１で示したガラ
スを９０〜１０部を秤量する。

これをボールミルに入れ２４時間混合する。更に、メタ
クリル酸樹脂７．６部、フタル酸ジオクチル２．４部、
トリクロロエチレンｓ　ｏ、　ｏ　部、ノ（−クロロエ
チレン８０部及びブチルアルコール１１．３部を入れ、
再びボールミルで３時間混合する。これによシ混合物は
スラリーになる。スラリーはドクターブレードを用いて
マイラーフィルム上に連続的に厚さα２惰のグリーンシ
ート材をつくる。シートは最高温度１００℃で加熱し、
溶剤類を揮散させ、グリーンシートにする。グリーンシ
ートを所定の形状（７０Ｘ７０Ｗｓ）に切断する。パン
チ法によシ所定の位置にスルーホールをあけ、銅の導体
ペーストをスクリーン印刷法によシ、パターンを形成す
る。導体ペーストは層間の接続用にスルーホール内にも
′形成する。銅の導体ペーストを形成した６枚のグリー
ンシートはガイド孔を用いて積重ね、１２０℃で７　Ｋ
ｇ　／　ａｎ；’の圧力で接着する。

積層したグリーンシートを炉詰めして、焼成する。焼成
雰囲気は水素を３〜７％含む窒素雰囲気で、ガス中にわ
ずかに水蒸気を導入し、有機結合剤の熱分解を促進させ
る。昇温速度２００℃とし４００℃で約１時間保持し、
樹脂を熱分解させ、分解揮散し、その後２００℃で最高
温度９００℃で少なくとも３０分間保持した後炉冷する
。

以上の工程により、導体層数６層の積層板を得た。この
セラミック基板材料は、熱膨張係数が比較的大きいため
スルーホール周辺にもクラックの発生が認められなかっ
た。また、導体には銅が用いられているので導体の導電
性は１５μΩ・帰の抵抗率をもち、このだめ、導体ノ（
ターンの線幅７０μｍ１長さ１ｏ＊のライン抵抗はα５
Ω／αである。また、セラミック材料の比誘電率は４．
６〜５．２である。

実施例４ 低融点ガラス組成：　５ｉｏ２　　を１５〜５０％、Ａ
ｌ４０３を１０〜２０％、Ｂ２Ｏ３を３０〜５０％、Ｂ
ａＯを２０〜２５％ 上記の点を変更した以外は、実施例１と同じ要領でセラ
ミック材料を製造した。この低融点ガラスは、ホウケイ
酸バリウム系ガラスで、７００℃付近の軟化点を持ち、
耐湿性、耐酸及びアルカリ性に優れた安定なガラスであ
る。

クリストバライト：低融点ガラス−４０部＝６０部の組
成において、約８００℃以上で開気孔率０であり、焼成
時に変形がなく、完全に焼成できた。このセラミックス
の熱膨張係数は、７５〜１００×１０″７／℃で、従来
のガラスセラミックスに比べて３倍程度大きい。Ｉ　Ｍ
Ｈｚでのセラミックスの比誘電率は４．９である。また
、クリストバライト：低融点ガラス＝５０部：５０部の
組成においては、８５０〜１０００℃の温度範囲で開気
孔率０となり、完全に焼成できた。

このセラミックスの熱膨張係数は、７０〜１００×１０
７℃で大きい。ｊ　ＭＨｒｊでのセラミックスの比誘電
率は４．８である。これらのセラミックスは、熱膨張係
数が比較的大きく、比誘電率が５．０以下で良好である
ため、配線回路板用セラきツクスとして有効である。

実施例５ 上記実施例４で用いた低融点ガラスを、実施例２〜５Ｖ
Ｃ適用し、同様の要領で積層板を作成した。

導体ペーストとして銀を用いたものは、導体の導電性は
２．０μΩ・国の抵抗率である。銅を導体として焼成し
たものは、２．５μΩ・傷の抵抗率である。銀及び銅を
導体として同時焼成する際に、スルーホール周辺にクラ
ックの発生が認められず、導体の切断はなく、信頼性が
高い。また、セラミック材料の比誘電率は４．５〜５．
０である。

実施例６ 低融点ガラス組成：８１０．を３５〜５０％、ム４０３
を５〜１５％、Ｂ！０３を２５〜４０％、ＢａＯを７．
５〜１５％、Ｎ　ａ２０＋Ｋｚ　Ｏを０．１％以下上記
の点を変更した以外は、実施例１と同じ要領でセラミッ
ク材料を製造した。この低融点ガラスは、ホウケイ酸バ
リウム系ガラスに、わずかのアルカリ金属酸化物を添加
し、軟化点を低くしたものである。この組成範囲におい
ては、７００〜８００℃の軟化点を持つ。Ｉ　ＭＨｚに
おける低融点ガラスの比誘電率は４．３であり、シリカ
に非常に近い低比誘電率を持っているため、クリストバ
ライト粉末と低融点ガラス粉末を複合してセラミック材
料を作成すると、低融点ガラスの比誘電率と同等か、若
しくはクリストバライトと低融点ガラスの間の比誘電率
を示す。

クリストバライト：低融点ガラス＝７０部：５０部の組
成において、８５０℃以上の温度で焼成時の変形がなく
、開気孔率０であり、完全に焼成することができた。Ｉ
　ＭＨ２でのセラミックスの比誘電率は４．５である。

また、クリストバライト：低融点ガラス−５０部：５０
部の組成において、８００℃以上の温度で焼成時の変形
がなく、開気孔率０であり、完全に焼成できた。Ｉ　Ｍ
Ｈ２＋でのセラミックスの比誘電率は４．５である。こ
れらのセラミック材料は、耐湿性に優れ、耐酸及びアル
カリ性に優れ、配線回路板用基板材＄４．　Ｋ有効であ
る。

実施例７ 上記実施例６で用いた低融点ガラスを、実施例２〜３に
適用し、同様の要領で積層板を作成した。

銀及び銅を導体として同時焼成する際に、スルーホール
周辺部にクラックの発生が認められず、内部配線に切断
がなく、信頼性が向上した。

銀及び銅の内部配線パターンの導体線幅７０μｍ１長さ
１１：Ｍのライン抵抗は、それぞれ０．４及び０．５Ω
／ｃＭである。また、セラミック材料の比誘電率は４．
１〜４．５であシ、多層配線回路用基板材料として有効
である。

実施例８ フィラーとして用いる無機材料として、熱膨張係数の大
きいベリリア、コランダム、マグネシア、安定化ジルコ
ニア、トリア、ステアタイト、フォルステライト、スピ
ネル及びジルコン磁器等がある。これらの無機材料をフ
ィラーとして用い、上記実施例１〜７と同様な方法でセ
ラミック材料及び積層板を作成した。上記実施例中の３
種類の低融点ガラスを用いてセラミックスを作成し、熱
膨張係数を測定したが、大きな差がないため、ここでは
、低融点ガラス材料の代表として、８１０鵞を３５〜５
０％、Ａ！４０ｇを５〜１５％、Ｂ、０３を２５〜４０
％、ＢａＯｆニア、　５〜１５％、ｙ　ａ、ｏ−１−ｘ
、ｏを０．１％以下について得られた代表データを表１
に示す。

ここでフィラーとして使用した無機材料の熱膨張係数が
大きいために、クリストバライトを使用しだのと同等若
しくはそれ以上の熱膨張係数を示しており、鋏及び銅と
の適合性もよいことから、配線回路用セラミック基板材
料として有効である。しかし、熱膨張係数が４０Ｘ１０
−’／℃未満のセラミック材料に対しては、スルーホー
ル周辺にわずかにクラックの発生が観察され、使用でき
ない。特に、石英ガラスをフィラーとして用いると熱膨
張係数が２０〜３５×１０４／℃であり、スルーホール
周辺に大きなりラックが発生した。

配線回路基板用セラミック材料として使用するには、少
なくとも熱膨張係数が４０×１０４／℃以上でなければ
ならない。

実施例９ 石英を無機材、料フィラーとして用い、上記実施例１〜
７と同様な方法でセラミック材料及び積層板を作成した
。

ここで使用した石英の熱膨張係数が大きいために、クリ
ストバライトを使用したのと同様の熱膨張係数（６０〜
１００×１０−７／℃）を示しており銀及び銅との適合
性もよく、比誘電率も４．１〜５．３と小さいことから
、上記セラミックスは、多層配線板用材料として有用で
ある。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明のセラミックスは、
低温、すなわち７５０〜１０００℃のオーダーの温度に
おいて焼成可能であり、熱膨張係数が、４０〜１’２０
　Ｘ　１０−７／℃と大きいから、比抵抗率の小さい銀
、銅、金及び四純のもののような低融点金属材料を導体
として、共に焼成を行ってもクラックの発生がなく基板
材料として信頼性が向上した。また、ＩＭＨ２において
４，２〜６．０と低比鱈電率であるため、回路の信号伝
達特性の高速化が可能であるという顕著な効果が奏せら
れた。

特許出願人　株式会社　日立製作所 代理人　中本　　宏

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、無機材料フィラーと低融点ガラスとを焼結したもの
   からなり、その焼結温度は１０００℃以下であり、かつ
   その熱膨張係数が４０〜１２０Ｘ１０−７℃の範囲内の
   ものであることを特徴とするセラミックス。 ２、該無機材料フィラーが、クリストバライト、石英、
   ベリリア、コランダム、マグネシア、安定化ジルコニア
   、トリア、ステアタイト、フォルステライト、スピネル
   及びジルコン磁器よりなる群から選択した少なくとも１
   種のものである特許請求の範囲第１項記載のセラミック
   ス。 ３、該低融点ガラスが、１０００℃以下の軟化点及び６
   以下の比誘電率を持つものである特許請求の範囲第１項
   又は第２項記載のセラミックス。 ４、セラミック層と、導体パターンとが交互に積層され
   、該導体パターンはセラミック層にあけられたスルーホ
   ール内に埋込まれた導体で接続しているセラミック多層
   配線板において、該セラミック層材料として、無機材料
   フィラーと低融点ガラスとを焼結したものからなり、そ
   の焼結温度は１０００℃以下であり、かつその熱膨張係
   数が４０〜１２０　Ｘ　１０−’／℃の範囲内のもので
   あるセラミックスを使用したことを特徴とする多層配線
   板。