特開 2023-40431 ガラスセラミックス基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023040431

(43)【公開日】2023-03-23

(54)【発明の名称】ガラスセラミックス基板

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/18 20060101AFI20230315BHJP

   H05K 1/03 20060101ALI20230315BHJP

【ＦＩ】

C04B35/18

H05K1/03 610D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021147379

(22)【出願日】2021-09-10

(71)【出願人】

【識別番号】592205159

【氏名又は名称】山村フォトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100204467

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 好文

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100195833

【弁理士】

【氏名又は名称】林 道広

(72)【発明者】

【氏名】山口 亮

(72)【発明者】

【氏名】生沼 貴久

(57)【要約】

【課題】抗折強度が高いガラスセラミックス基板を提供する。
【解決手段】ガラス粉末とセラミックスフィラーとの混合物を焼成することで得られるガラスセラミックス基板であって、ガラスセラミックス基板の断面には、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線上において、粒径が０．５μｍ～１．５μｍのフィラー粒子の数が平均３０個以上存在する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガラス粉末とセラミックスフィラーとの混合物を焼成することで得られるガラスセラミックス基板であって、
前記ガラスセラミックス基板の断面には、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線上において、粒径が０．５μｍ～１．５μｍのフィラー粒子の数が平均３０個以上存在することを特徴とするガラスセラミックス基板。

【請求項2】

前記ガラスセラミックス基板の断面には、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線上において、存在する前記フィラー粒子の数が平均７５個以下であることを特徴とする請求項１に記載のガラスセラミックス基板。

【請求項3】

前記ガラスセラミックス基板の表面には、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線上において、前記フィラー粒子の数が平均３５～５０個存在することを特徴とする請求項１または２に記載のガラスセラミックス基板。

【請求項4】

前記ガラス粉末の含有量は５０質量％よりも少ないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガラスセラミックス基板。

【請求項5】

前記ガラス粉末の含有量は４０質量％以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のガラスセラミックス基板。

【請求項6】

前記セラミックスフィラーの主成分はアルミナであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のガラスセラミックス基板。

【請求項7】

前記ガラスセラミックス基板の厚みは０．２～１０ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のガラスセラミックス基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、配線基板用の絶縁基板などに用いられるガラスセラミックス基板に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体の分野などで用いられる基板には、アルミナ等のセラミックス材料が一般的に用いられている。セラミックス材料を用いた基板は、任意のビアパターンや配線パターンが形成された複数種類のセラミックスシートを積層した状態で焼成し、表面にめっき加工を施し、個片化することで構成されている。セラミックスは焼成工程が高温、例えばアルミナでは約１５００℃と高温であるため、ビアに充填する導体材料として融点が高いタングステンやモリブデンを使用する必要があった。しかしながら、タングステンやモリブデンは電気抵抗が大きいという問題があった。

【0003】

そこで、特許文献１のようなガラスセラミックス基板が知られている。このガラスセラミックス基板は、ガラス粉末とセラミックスフィラーとの混合物から成るグリーンシートにビアパターンや配線パターンを形成し、複数種類のグリーンシートを積層した状態で焼成し、表面にめっき加工を施し、個片化することで構成されている。ガラスセラミックス基板は、１０００℃以下の温度で焼成できるため、電気抵抗の小さい銀や金を導体材料として使用できるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９－７１４７２号公報（第３頁）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のガラスセラミックス基板にあっては、電気抵抗の小さい導体材料を使用することで信号の伝送損失を低減できるものの、ガラスの凝集などにより、セラミックスフィラー領域よりも大きな範囲でガラス領域が偏って形成されることがあり、該ガラス領域に応力が集中してガラスセラミックス基板が破損しやすくなる虞があった。

【0006】

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、抗折強度が高いガラスセラミックス基板を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するために、本発明のガラスセラミックス基板は、
ガラス粉末とセラミックスフィラーとの混合物を焼成することで得られるガラスセラミックス基板であって、
前記ガラスセラミックス基板の断面には、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線上において、粒径が０．５μｍ～１．５μｍのフィラー粒子の数が平均３０個以上存在することを特徴としている。
この特徴によれば、フィラー粒子は大部分がセラミックス粒子であって、粒子はガラスセラミックス基板の断面において密にかつ適度に分散して配置されており、ガラスは粒子を結合するように粒子の周辺に配置され、大きな塊では凝集していない。板厚方向に外力が作用すると、微視的にはせん断力を厚さ方向に略均等に多数箇所で分担支持することから、ガラスセラミックス基板は抗折強度が高い。

【0008】

前記ガラスセラミックス基板の断面には、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線上において、存在する前記フィラー粒子の数が平均７５個以下であることを特徴としている。
この特徴によれば、ガラスセラミックス基板の断面において、フィラー粒子が過剰に配置されることを防止できるので、ガラスセラミックス基板の焼成温度を低く抑えることができる。

【0009】

前記ガラスセラミックス基板の表面には、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線上において、前記フィラー粒子の数が平均３５～５０個存在することを特徴としている。
この特徴によれば、ガラスセラミックス基板の表面は内部に比べてガラス領域が大きく形成されており、ガラス領域はセラミックスフィラー領域よりも伸縮性に優れるため、ガラスセラミックス基板の表面は厚み方向への曲げに対して追従しやすく、ガラスセラミックス基板の抗折強度が高くなる。

【0010】

前記ガラス粉末の含有量は５０質量％よりも少ないことを特徴としている。
この特徴によれば、セラミックスフィラーが主成分であるため、ガラスセラミックス基板の強度が高い。

【0011】

前記ガラス粉末の含有量は４０質量％以下であることを特徴としている。
この特徴によれば、セラミックスフィラーの含有量が多いため、ガラスセラミックス基板の強度を更に高めることができる。

【0012】

前記セラミックスフィラーの主成分はアルミナであることを特徴としている。
この特徴によれば、アルミナによりガラスセラミックス基板の抗折強度と絶縁性能を確保することができる。尚、セラミックスフィラーの主成分とは、セラミックスフィラーに対して５０質量％以上の成分組成比であることを意味する。

【0013】

前記ガラスセラミックス基板の厚みは０．２～１０ｍｍであることを特徴としている。
この特徴によれば、ガラスセラミックス基板の厚みは０．２～１０ｍｍであるため抗折強度を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施例１におけるガラスセラミックス基板の断面を走査電子顕微鏡で見た画像である。

【図2】ガラスセラミックス基板の断面におけるアルミナとガラスの状態を示す模式図である。

【図3】比較例１におけるガラスセラミックス基板の断面を走査電子顕微鏡で見た画像である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

ガラスセラミックス基板は、配線基板用の絶縁基板として用いられるＬＴＣＣ基板（Low Temperature Co-fired Ceramics）である。

【0016】

ガラスセラミックス基板は、複数種類のグリーンシートにより構成されている。グリーンシートは、ガラス粉末とセラミックスフィラーと溶剤とバインダーとを混合したスラリーをドクターブレード法や押し出し成形等により形成される。グリーンシートは、２０～５００μｍ程度の厚みのシートである。

【0017】

グリーンシートは適当な大きさに切断し、各グリーンシートには所望の位置にビアパターンを形成し、該ビアには導電ペーストを充填し、各グリーンシートの表面には導電ペーストによる配線パターンを形成する。

【0018】

次いで、各グリーンシートを複数積層して大気雰囲気中で１０００℃以下、例えば８００℃～１０００℃程度で焼成することにより１０ｍｍのガラスセラミックス基板が得られる。尚、ガラスセラミックス基板の厚さは０．２～１０ｍｍであればよい。
［配合比］

【0019】

実施例１～４、比較例１，２のガラスセラミックス基板、詳細にはグリーンシートを表１に示す配合比でそれぞれ作成した。

【0020】

【表1】

【0021】

例えば、実施例１の配合比は、ガラス粉末が３４質量％、アルミナ粉末が６６質量％となっている。比較例１の配合比は、ガラス粉末が５０質量％、アルミナ粉末が５０質量％となっている。
［ガラス粉末の成分組成比］

【0022】

ガラス粉末の成分組成比の例Ａ～Ｅは以下の表２の通りである。尚、実施例１～４、比較例１，２のガラスセラミックス基板で用いられるガラス粉末の成分組成比は例Ａのものを使用した形態について説明している。

【0023】

【表2】

【0024】

ガラス粉末の成分組成比は、ＳｉＯ_２は、６０～８０質量％（好ましくは６２～７５質量％）、Ｂ_２Ｏ_３は１０～３０質量％（好ましくは１１～２２質量％）、ＭｇＯは０～８質量％（好ましくは０．５～１質量％）、ＣａＯは５～２０質量％（好ましくは７～１７質量％）、ＢａＯは０～１０質量％（好ましくは０．５～７質量％）、Ｎａ_２Ｏは０～５質量％（好ましくは１～３質量％）、Ｋ_２Ｏは０～５質量％（好ましくは１～２．５質量％）、ＴｉＯ_２は０～５質量％（好ましくは０～１質量％）、ＺｒＯ_２は０～５質量％（好ましくは０～１質量％）であればよい。また、ガラス粉末の成分組成としてＡｌ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、ＺｎＯが含有されていてもよい。
［セラミックスフィラー粒径分布］

【0025】

実施例１～４、比較例１，２のセラミックスフィラーとして用いられるアルミナ粉末の粒径の分布は以下の表３の通りである。実施例２～４に用いられるコージェライトの粒径の分布は以下の表４の通りであり、比較例２に用いられるジルコニアの粒径の分布は以下の表５の通りである。尚、粒径の分布は、粒子径分布測定装置（日機装株式会社製「マイクロトラックＨＲＡ」）を用いてＪＩＳ規格等により分析した。

【0026】

【表3】

【0027】

【表4】

【0028】

【表5】

【0029】

次いで、各ガラスセラミックス基板について説明する。
［密度］

【0030】

実施例１、比較例１の各ガラスセラミックス基板の密度をアルキメデス法を用いて測定した。

【0031】

実施例１のガラスセラミックス基板の密度は、３．１ｇ／ｃｍ^３であった。対して、比較例１のガラスセラミックス基板の密度は、２．９ｇ／ｃｍ^３であった。言い換えれば、実施例１のガラスセラミックス基板は比較例１のガラスセラミックス基板よりも空隙が少ないことがわかった。
［断面観察］

【0032】

実施例１のガラスセラミックス基板の断面と、比較例１のガラスセラミックス基板の断面と、を走査電子顕微鏡を用いて観察した。

【0033】

図１は、実施例１のガラスセラミックス基板の断面を走査電子顕微鏡で見た画像であり、図２は、図１の要部を拡大した模式図であり、図３は、比較例１のガラスセラミックス基板の断面を走査電子顕微鏡で見た画像である。

【0034】

図１の画像と図３の画像とを比較すると、実施例１のガラスセラミックス基板の断面（図１参照）の方が比較例１のガラスセラミックス基板の断面（図３）よりもアルミナ（すなわちセラミックス粒子）を主とする粒子が密にかつ適度に分散して配置されていることがわかる。

【0035】

また、ガラス粒子は溶け形状が変形しており、ガラスは粒子を結合するように粒子の周辺に配置され、大きな塊では凝集していない（特に図１，２を参照）。

【0036】

次いで、各断面画像を目視によって所定の線分長におけるアルミナの粒子数を測定した。具体的には、実施例１のガラスセラミックス基板の断面の任意の５箇所（測定箇所ａ～ｅ）、比較例１のガラスセラミックス基板の断面の任意の５箇所（測定箇所ａ’～ｅ’において、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線Ｉおよび対角線ＩＩ上のアルミナの粒子数を測定した。

【0037】

【表6】

【0038】

このように実施例１のガラスセラミックス基板の断面には、１つの対角線に対し３８～４９個のアルミナ粒子が配置されており、比較例１のガラスセラミックス基板の断面には、１つの対角線に対し１７～３０個のアルミナ粒子が配置されていることが確認された。すなわち、実施例１のガラスセラミックス基板の断面には、比較例１のガラスセラミックス基板の断面よりもアルミナ粒子が密に配置されていることが確認された。
［表面観察］

【0039】

上記とほぼ同様に目視によって、ガラスセラミックス基板の表面におけるアルミナの粒子数を測定した。尚、実施例１のガラスセラミックス基板の表面の任意の３箇所（測定箇所ｆ～ｈ）、比較例１のガラスセラミックス基板の断面の任意の３箇所（測定箇所ｆ’～ｈ’において、４３μｍ×４３μｍの範囲における対角線Ｉおよび対角線ＩＩ上のアルミナの粒子数を測定した。

【0040】

【表7】

【0041】

このように実施例１のガラスセラミックス基板の表面には、１つの対角線に対し３４～４３個のアルミナ粒子が配置されており、比較例１のガラスセラミックス基板の表面には、１つの対角線に対し２５～４３個のアルミナ粒子が配置されていることが確認された。

【0042】

実施例１のガラスセラミックス基板の表面のアルミナの粒子数と、比較例１のガラスセラミックス基板の表面のアルミナの粒子数とはほとんど同数となっている。すなわち、比較例１のガラスセラミックス基板は、内部よりも表面側の粒子数が多いが、実施例１のガラスセラミックス基板は、表面側よりも内部の粒子数が多くなっていることが確認された。
［抗折強度、ヤング率、比誘電率］

【0043】

実施例１～４、比較例１，２のガラスセラミックス基板の抗折強度、ヤング率、比誘電率を分析して比較した。

【0044】

【表8】

【0045】

尚、抗折強度は、試験機（株式会社レオテック製「レオメータ」）を用いた３点曲げ試験により測定した。ヤング率は、超音波パルス法により測定した。比誘電率は、試験機（日置電機製「ＬＣＲメータ」）を用いて測定した。

【0046】

実施例１～４のガラスセラミックス基板は、比較例１，２のガラスセラミックス基板よりも抗折強度及びヤング率が高いことが確認された。これは、実施例１～４のガラスセラミックス基板は、ガラス粉末の含有量が５０質量％よりも少ない、より詳しくは４０質量％以下であるため、セラミックス粒子がガラスセラミックス基板の断面において密にかつ適度に分散して配置され、板厚方向に外力が作用すると、微視的にはせん断力を厚さ方向に略均等に多数箇所で分担支持することが一因であることが推察される。また、ガラスは粒子を結合するように粒子の周辺に配置され、大きな塊では凝集していないため、ガラス領域に曲げ方向への応力が集中しにくいことも一因であることが推察される。

【0047】

また、高抗折強度及び高ヤング率の観点からは、実施例１のガラスセラミックス基板が最も優れている。しかしながら、実施例１のガラスセラミックス基板の比誘電率は、実施例２～実施例４のガラスセラミックス基板の比誘電率よりも高くなっている。

【0048】

また、低比誘電率の観点からは、実施例３のガラスセラミックス基板が最も優れている。しかしながら、実施例３のガラスセラミックス基板の抗折強度及びヤング率は、実施例１、２、４のガラスセラミックス基板の抗折強度及びヤング率よりも低くなっている。

【0049】

実施例２，４のガラスセラミックス基板は、抗折強度およびヤング率が高く、かつ比誘電率が低く抑えられている。これによれば、コージェライトの含有量は５重量％～２０質量％以下が好ましく、５重量％～１５重量％以下がさらに好ましい。

【0050】

また、比較例２のグリーンシートは、ジルコニアを含有している。ジルコニアを含有する比較例２のガラスセラミックス基板は、ジルコニアを含有しない比較例１のガラスセラミックス基板よりも抗折強度及びヤング率が低く、比誘電率は高くなることが確認された。したがって、ガラスセラミックス基板はジルコニアを含有しない方が好ましい。

【0051】

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

【0052】

例えば、ガラスセラミックス基板は、複数のグリーンシートを積層して焼結することで形成されることに限られず、１枚の厚手のグリーンシートを焼結することで形成されていてもよい。

【図1】

【図2】

【図3】