(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高誘電率層と低誘電率層とが間に一対の電極層を介して積層されたセラミック絶縁基板の表面あるいは内部に導体配線層を配設してなる多層配線基板において、前記高誘電率層と前記低誘電率層とが、ＳｉＯ２−ＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系のガラスに、無機フィラーを添加して焼成することにより得られる焼結体からなり、前記高誘電率層は、前記無機フィラーがＣａＴｉＯ３を含有しているとともに、前記低誘電率層は、前記無機フィラーがクォーツおよびフォルステライトの少なくともいずれかを含み、前記高誘電率層中の総Ｃａ量の２０％以上のＣａを含有していることを特徴とする多層配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高誘電率層と低誘電率層とを具備した多層配線基板に関するものであり、より詳細には、高誘電率層をコンデンサとして機能させることのできる多層配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、多層配線基板は、絶縁層が多層に積層された絶縁基板の表面または内部に導体配線層が配設された構造からなり、代表的な例として、ＬＳＩ等の半導体素子収納用パッケージが挙げられる。このようなパッケージとしては、絶縁層がアルミナ等のセラミックからなるものが多用されて来たが、最近では、銅メタライズとの同時焼成を可能にしたガラスセラミック焼結体を絶縁基板とするものも実用化されている。
【０００３】
一方、携帯電話、ノートパソコン等の携帯用情報端末の急激な普及に伴い、内蔵される電子部品の小型化が強く望まれている。一例として、携帯電話のスイッチング回路、及びパワーアンプ回路は、複数の抵抗体およびコンデンサにより構成され、従来、これらの素子は個々に電気回路基板上に設置されており、小型化、及び製造コスト削減の妨げとなっていた。このため、最近では絶縁層の上下に対向する電極を配置することによりコンデンサを形成してなる多層配線基板が提案されている。その際、電極層間の絶縁層を高誘電率の絶縁層によって形成することによって高容量のコンデンサを形成することが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多層配線基板内に内蔵されるコンデンサの容量精度が実装型のコンデンサチップより劣るために、コンデンサ内蔵の多層配線基板は実用化が進んでいない。この内蔵コンデンサの容量ばらつきの要因としては、電極層の寸法ばらつき、高誘電率層の厚みばらつきに加え、低誘電率層との同時焼成による高誘電率層の誘電率低下が挙げられる。このうち、電極の寸法ばらつきは、電極層の印刷精度、積層精度といった機械的精度の影響が大きく、高誘電率層の厚みばらつきも、機械的精度であるグリーンシート成形精度に依存するために、これらの精度を高めることによって解消できるが、高誘電率層の誘電率低下は、低誘電率層と同時焼成することにより生じるため、材料組成に起因するものであるために、材料組成を制御しないと解消できない。
【０００５】
従って、本発明は、高誘電率層および低誘電率層の材料組成を調整することにより、同時焼成による内蔵コンデンサの容量低下を防ぐことのできる多層配線基板を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題に対して種々検討を重ねた結果、例えば、ガラス成分と無機フィラー成分を混合、成形、焼成することにより得られるガラスセラミックスによって、高誘電率層および低誘電率層を形成した場合において、高誘電率層がＣａＴｉＯ3を含有するとともに、低誘電率層に所定の比率でＣａを含有せしめることによって上記目的を達し得ることを見出した。
【０００７】
即ち、本発明の多層配線基板は、高誘電率層と低誘電率層が積層されたセラミック絶縁基板の表面あるいは内部に導体配線層を配設してなる多層配線基板において、前記高誘電率層がＣａＴｉＯ3を含み、また低誘電率層もＣａを含み、前記低誘電率層に含まれるＣａ量が、前記高誘電率層に含まれる総Ｃａ量の２０％以上とすることによって、同時焼成における高誘電率層から低誘電率層へのＣａ成分の拡散を防ぐことができ、高誘電率層の組成の変動を抑制することができる。
【０００８】
前記高誘電率層と前記低誘電率層は、ＳｉＯ２−ＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系のガラスに、無機フィラーを添加して焼成することにより得られる焼結体からなり、前記高誘電率層の上下に一対の電極層を設けることによって高誘電率層をコンデンサとして機能させ、所望の静電容量を取り出すことができる。
【０００９】
尚、高誘電率層と低誘電率層とを同時焼成するためには、両方の熱膨張係数を合わせる必要があり、より詳細には、熱膨張係数の差を小さくすることが必要があり、ガラスセラミックスでは、熱膨張係数の制御を容易に行うことができる。即ち、低誘電率層の無機フィラーとして、熱膨張係数が高いクォーツと、熱膨張係数が低いフォルステライトとを用い、その比率を調整することにより、熱膨張係数を高誘電率層に合わせることが可能である。これにより、低誘電率層と高誘電率層の同時焼成が可能であるのみならず、使用時に熱サイクルが印加されても、熱膨張差に起因する熱応力の発生を抑制することができる結果、高い長期信頼性が得られる。
【００１０】
かかる本発明により、任意の誘電率を有する高誘電率層と、該高誘電率層と同時焼成可能な低誘電率層を用いることにより、設計値通りの容量を有するコンデンサを内蔵した多層配線基板の作成が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の多層配線基板は、図１に示すように、セラミック絶縁層１ａ、１ｂ、１ｃが多層に積層されたセラミック絶縁基板１の表面および、または内部に導体配線層２が配設されており、セラミック絶縁層のうち少なくとも１層１ｂを高誘電率のセラミック焼結体からなる高誘電率層とし、絶縁層１ａ、１ｃを低誘電率層によって形成し、高誘電率層１ｂの上下にＣｕなどの導体から成る電極層３、３を形成し、スルホール導体４、４などを経由して基板表面の導体配線層２と接続することにより、配線層２、２間で所定の静電容量を取り出すことができる。
【００１２】
本発明の多層配線基板においては、高誘電率層１ｂ、および低誘電率層１ａ、１ｃはいずれも、ガラス成分と無機フィラー成分との混合物を成形し、焼成した焼結体からなることが高誘電率層や低誘電率層の焼結性、誘電率、熱膨張係数などの特性の制御のしやすさの点で望ましい。
【００１３】
ガラス成分としては、ＳｉＯ２−ＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３からなるガラスを使用し、ＣａＯを５重量％以上含有し、非晶質ガラス、または焼成後にＣａを含有する酸化物系結晶、具体的にはＣａＯ・２ＳｉＯ２、ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８、ＣａＢ２Ｓｉ２Ｏ８などの結晶相を析出する結晶化ガラスが採用される。とりわけ、ガラス組成としては、ＳｉＯ２を２５〜６０重量％、ＣａＯを２〜１８重量％、Ａｌ２Ｏ３４〜１０重量％、ＢａＯ２０〜２７重量％、Ｂ２Ｏ３１１〜１５重量％の割合で含む、さらに望ましくはＺｒ化合物をＺｒＯ２換算で０．１〜３０重量％の割合で含有することによって、耐薬品性を改善することができる。
【００１４】
さらに、上記ガラスの屈伏点は、４００〜８００℃、特に４００〜７００℃であることが望ましい。これは、ガラスおよび無機フィラーからなる混合物を成形する場合、有機樹脂などの成形用バインダーを添加するが、このバインダーを効率的に除去するとともに、絶縁基体と同時に焼成されるメタライズと焼成条件のマッチングを図るために必要であり、屈伏点が４００℃より低いと、ガラスが低い温度で焼結を開始するため、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの焼結温度が６００〜８００℃のメタライズとの同時焼成ができず、また成形体の緻密化が低温で開始するためにバインダーは分解揮発できなくなり、バインダー成分が残留し、特性に影響を及ぼす結果になるためである。一方、屈伏点が８００℃より高いと、ガラス量を多くしないと焼結しにくくなり、相対的に高価なガラスの使用量が増加するため、コスト削減の妨げとなる。
【００１５】
一方、上記のガラス成分に対して配合する無機フィラー成分としては、まず、高誘電率層を形成する場合には、ガラス成分との焼結性が良好であり、１ＭＨｚにおける比誘電率が１３以上、特に２０以上であることが望ましい。
【００１６】
用いるフィラーとしては、これに限定するものではないが、ＢａＴｉＯ3（ε＝１３０００）、ＣａＴｉＯ3（ε＝１８０）、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7（ε＝４５）、ＳｒＴｉＯ3（ε＝３００）、ＴｉＯ2（ε＝８０）、ＺｒＯ2（ε＝３０）の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００１７】
上記のＳｉＯ2−ＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系ガラスとの焼結性は、ＣａＴｉＯ3、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7、ＺｒＯ2の群から選ばれる少なくとも１種、特にＣａＴｉＯ3を少なくとも含むことが望ましい。
【００１８】
上記ガラス成分、およびフィラー成分は、ガラス成分：３０〜７０重量％と、フィラー成分：３０〜７０重量％の割合で調合する。これは、ガラス成分が３０重量％よりも少なく、フィラー成分が７０重量％よりも多いと、銅と同時焼成可能な温度域において良好な緻密体が得られにくく、ガラス成分が７０体積％よりも多く、フィラー成分が３０体積％よりも少ない場合、焼結体としての誘電率を高めることが難しくなるためである。
【００１９】
こうして、高誘電率層の電気特性を得る為にガラスおよびフィラーの組成を調整した場合、得られるガラスセラミックスの熱膨張係数は必然的に決定される。このため、かかる高誘電率ガラスセラミックを内層としてコンデンサを形成するためには、低誘電率層の熱膨張係数を、高誘電率層に合わせることが望ましい。
【００２０】
これは、各層の熱膨張係数の差が１×１０-6／℃より大きい場合、焼成段階で層内、または層間において破壊が起こり、各層の熱膨張係数の差が０．５〜１×１０-6／℃の場合、同時焼成は可能であるものの、層内、または層間において局所的にクラックが発生しやすくなることから、熱膨張差は０．５×１０-6／℃以下であることが望ましい。
【００２１】
低誘電率層中のフィラー成分としては、クォーツおよび／またはフォルステライトを用い、これらのフィラーの成分比率の調整により、高誘電率層との熱膨張係数の整合を容易に行うことができる。
【００２２】
上記によって、高誘電率層と低誘電率層との同時焼成が可能となるが、ＣａＴｉＯ3をフィラーとする高誘電率層の上下に電極層を形成し内蔵コンデンサを形成した場合、コンデンサの容量が、設計値より低くなる傾向が見られる。
【００２３】
この傾向について種々検討を行った結果、高誘電率層中のＣａＴｉＯ3のＣａが低誘電率層側に拡散することによって、高誘電率層の組成が変動することによるものであり、低誘電率層中のＣａ量が高誘電率層中の総Ｃａ量の１５％以下で非常に顕著であり、より拡散を防止するために、低誘電率層中のＣａ量を高誘電率層中の総Ｃａ量中の２０％以上、特に３０％以上とすることが重要である。
【００２４】
このように、高誘電率層や低誘電率層中のＣａ量を制御するには、ＣａＴｉＯ3量、およびＳｉＯ2−ＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系ガラス量、およびガラス中のＣａＯ量を調整することが必要である。
【００２５】
本発明である多層配線基板を製造する方法としては、高誘電率層、低誘電率層ともに、まず、所定の比率で調合したガラス成分とフィラー成分の混合物に適当な溶剤、および有機樹脂バインダーを添加した後、従来周知のドクターブレード法、リップコーター法などによりセラミックグリーンシートを成形する。次に、導体配線層として、適当な金属粉末に有機バインダー、溶剤、可塑材を添加混合して得た金属ペーストを前記グリーンシートに周知のスクリーン印刷法により、所定のパターンに印刷塗布する。また、場合によっては、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工を行いスルーホールを形成し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。以上の加工の後、高誘電率層グリーンシートと低誘電率層グリーンシートとを積層し、グリーンシート積層体とメタライズを同時焼成することにより、コンデンサを内蔵する多層配線基板を得る。
【００２６】
上記の成形体の焼成にあたっては、まず、成形のために配合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去は７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、配線層用の導体として、例えばＣｕを用いる場合には、１００〜７５０℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮開始温度がこれより低いとバインダーの除去が困難となるため、成形体中の結晶化ガラスの特性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要となる。
【００２７】
焼成は、８５０〜１０５０℃の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻密化される。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻密化することができず、１０５０℃を超えると導体配線層との同時焼成でメタライズ層が溶融してしまう。本発明のガラスセラミック焼結体は、８５０〜１０５０℃の焼成温度で焼成可能であるため、Ｃｕ等の低抵抗金属との同時焼成が可能である。但し、Ｃｕを配線用導体として用いて同時焼成する場合には、非酸化性雰囲気中で焼成される。
【００２８】
【実施例】
実施例１
高誘電率材料の評価実施例を示す。ガラス粉末として、ＳｉＯ2：４３．９重量％−ＢａＯ：２３．２重量％−ＣａＯ：１２．３重量％−Ａｌ2Ｏ3：７重量％−Ｂ2Ｏ3：１３．６重量％から成るガラス、および、フィラーとしてＣａＴｉＯ3、Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7、ＺｒＯ2を表１に示す割合にて、秤量調合し、溶剤を加えてボールミルを用いて粉砕混合した後、アクリル系バインダー、可塑材を加えて重分混合させてスラリーを作製し、ドクターブレード法により厚み３００μｍのグリーンシートを作製した。
【００２９】
得られたグリーンシートを５枚密着させ、５０ｍｍ×５０ｍｍのサンプルを作成し、７００℃において水蒸気を含有する窒素雰囲気中で脱バインダー後、９１０℃において窒素雰囲気中で焼成を行った。得られた焼結体中のＣａＯ換算のＣａ量、３．２ＧＨｚにおける比誘電率、および４０〜４００℃における熱膨張係数を合わせて表１に示す。
【００３０】
【表１】
0004623851.tif 000002
【００３１】
実施例２
低誘電率材料の評価実施例を示す。ガラス粉末の構成は、高誘電率材料と同じＳｉＯ2−ＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系であるが、ＣａＯとＢａＯを置換することにより、ガラス中のＣａ量をＣａＯ換算で表２に示す割合とし、フィラーとしてクォーツおよびフォルステライト、ＺｒＯ2を表２に示す割合にて秤量調合し、上記高誘電率材料と同手法にてサンプルの作成、および評価を行った。得られた焼結体単体におけるＣａＯ換算のＣａ量、３.２ＧＨｚにおける比誘電率、および４０〜４００℃における熱膨張係数を合わせて表２に示す。
【００３２】
【表２】
0004623851.tif 000003
【００３３】
この結果より４０〜４００における熱膨張係数はいずれも、８．８〜９×１０-6／℃であるため、表１に示す全ての高誘電率材料との熱膨張係数の差は０．５×１０-6／℃以下であり、任意の組合せにて同時焼成が可能である。
実施例３
表１に示す高誘電率材料と、表２に示す低誘電率材料を用いて、容量３０ｐＦのコンデンサを内蔵した配線基板を試作した結果を表３に示す。
【００３４】
また、本実施例では、表１に示す高誘電率材料を用いて、電極寸法、高誘電率層厚みを調整することにより、容量が３０ｐＦとなる構成を設計した。
【００３５】
配線基板に内蔵されるコンデンサの作製方法としては、まず、高誘電率層、低誘電率層ともに実施例１と同様の手法にてスラリーを作成し、グリーンシートを成形する。尚、グリーンシートの厚みは、高誘電率層用は、焼成後に表３に示す所定の値となる厚みとし、低誘電率層用は、すべて１２０μｍとした。
【００３６】
次に、２枚の低誘電率層用グリーンシートの所定位置にスルーホール加工を行い、メタライズペーストを充填する。つぎに、かかる加工を施した低誘電率層用グリーンシートにコンデンサの電極となる所定面積のメタライズペーストを印刷して、同面に密着液を塗布する。
【００３７】
次に、かかる加工を施した２枚の低誘電率層用グリーンシートの電極プリント面が高誘電率層用グリーンシートと接するように、高誘電率層用グリーンシートを挟み、加圧密着する。
【００３８】
尚、両電極の重なり面積は、焼成後に表３の電極寸法となるように設計する。得られた成形体を電極の重なり部が中央となる位置にて１２ｍｍ×１２ｍｍに切断し、焼成した。
【００３９】
焼成は、７００℃において水蒸気を含有する窒素雰囲気中で脱バインダー後、９１０℃において窒素雰囲気中で焼成を行った。
【００４０】
得られたコンデンサ内蔵配線基板の上下面の電極層と接続されたスルーホール導体にリード線を接合し、内蔵コンデンサの静電容量を測定した。また、同試料を切断し、断面のＥＰＭＡ分析を行うことにより、高誘電率層に含まれるＣａ量（ｃ１）に対する、低誘電率層に含まれるＣａ量（ｃ２）の比率（＝ｃ２×１００／ｃ１（％））をＣａ含有比として表３に示した。
【００４１】
また、評価基準としては、内蔵コンデンサ容量の設計値３０ｐＦに対し、実測値のずれが設計値の３％以下の場合を○、３％より大きく５％以下の場合を△、５％より大きい場合を×とし、合わせて表３に示す。
【００４２】
【表３】
0004623851.tif 000004
【００４３】
この結果、高誘電率層の誘電率および厚み、および内蔵コンデンサの電極寸法等によらず、高誘電率層に含まれる総Ｃａ量に対する低誘電率層に含まれるＣａ量の比率を２０％以上とすることによって、コンデンサ容量の設計値からのずれを３％以下に抑制することが可能となった。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、高誘電率層および低誘電率層に含まれるＣａ量を調整することによって、高誘電率層、低誘電率層、および導体配線層を同時焼成しても、Ｃａの拡散による内蔵コンデンサの容量低下が抑えられ、設計値からのずれが３％以内の容量を有するコンデンサを得ることが出来る。また、精度の高いコンデンサを配線基板内に形成することができるために、この配線基板を実装するプリント基板など外部電気回路基板の小型化、およびコンデンサ実装コストの削減が可能である。
【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多層配線基板における一実施例を説明するための概略断面図である。
【００４６】
【符号の説明】
１  絶縁基板
１ａ、１ｂ、１ｃ  絶縁層
２  導体配線層
３  電極層
４  スルーホール導体
【図１】
0004623851.tif 000005