(57)【要約】【課題】  Ｘ−Ｙ方向の収縮率が少なく、かつ、絶縁信頼性に優れたガラスセラミック多層配線基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】  第１ガラス粉末および第１セラミック粉末を主成分とする第１グリーンシートおよび第２ガラス粉末および第２セラミック粉末を主成分とする第２グリーンシートを作製する工程と、それらのうちの少なくとも一方に導体層となる導体ペーストを塗布する工程と、それらを積層して積層体を作製する工程と、前記積層体を焼成する工程とを具備するガラスセラミック多層配線基板の製造方法であって、前記第２ガラス粉末として、前記第１ガラス粉末よりも軟化点の高いガラス粉末を用いるとともに、前記第１ガラス粉末として、融解したときの、前記第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性が、前記第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性より悪いガラス粉末を用いる。【選択図】  図１
2009231542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ガラスおよび第１セラミックスを含む第１ガラスセラミック層と、第２ガラスおよび前記第１セラミックスとは異なる第２セラミックスを含み、前記第１ガラスセラミック層より焼成収縮開始温度が高い第２ガラスセラミック層と、導体層とが積層されており、前記第１ガラスセラミック層は厚さが５μｍ以下であり、かつ前記第１ガラスセラミック層はボイド率が５％以下であることを特徴とするガラスセラミック多層配線基板。
【請求項２】
第１ガラス粉末および第１セラミック粉末を主成分とする第１グリーンシートを作製する工程Ａと、第２ガラス粉末および第２セラミック粉末を主成分とする第２グリーンシートを作製する工程Ｂと、前記第１グリーンシートおよび前記第２グリーンシートのうちの少なくとも一方に導体層となる導体ペーストを塗布する工程Ｃと、前記第１グリーンシートおよび前記第２グリーンシートを積層して積層体を作製する工程Ｄと、前記積層体を焼成する工程Ｅとを具備するガラスセラミック多層配線基板の製造方法であって、前記第２グリーンシートと積層された前記第１グリーンシートには、焼成後の厚さが５μｍ以下のものがあり、かつ前記第２ガラス粉末として、前記第１ガラス粉末よりも軟化点の高いガラス粉末を用いるとともに、前記第１ガラス粉末として、融解したときの、前記第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性が、前記第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性より悪いガラス粉末を用いることを特徴とするガラスセラミック多層配線基板の製造方法。
【請求項３】
前記第１ガラス粉末として、前記工程Ｅにおいて、前記第１ガラス粉末が融解したガラスの最低粘度が１０４〜５×１０６Ｐａ・ｓであるガラス粉末を用いることを特徴とする請求項２記載のガラスセラミック多層配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板に適したガラスセラミック多層配線基板およびその製造方法に関するものであり、特に、寸法精度の優れたガラスセラミック多層配線基板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミックスを絶縁基板とする多層配線基板が半導体パッケージ用基板やハイブリッドＩＣ用基板として用いられている。近年、多層配線基板に対して種々の機能の付加することが求められており、異種のセラミックスを組み合わせた多層配線基板が提案されている。例えば、強度の弱い絶縁層を強度の強い絶縁層で補強した多層配線基板や、多層配線基板の中に容量値の高いキャパシタを内蔵するために、低誘電率の絶縁層と高誘電率の絶縁層とを積層した多層配線基板が知られている。
【０００３】
絶縁基板としてはアルミナ焼結体が広く用いられているが、アルミナ焼結体は１５００℃以上の温度で焼成しなければならないため、１０５０℃程度で融解するＣｕ、ＡｇおよびＡｕ等の低抵抗金属を主成分としたメタライズ導体層をセラミック多層配線基板と同時焼成して使用することができなかった。そのため、Ｃｕ、ＡｇおよびＡｕ等の低抵抗金属を主成分としたメタライズ導体層をセラミック多層配線基板と同時焼成して使用できるように、１０５０℃以下の低温で焼結が可能なガラスセラミック焼結体が絶縁基板として用いられるようになった。ガラスセラミック焼結体は、一般にガラス粉末とアルミナ等のセラミック粉末をフィラーとして混合し、焼成することにより得られるもので、焼成時にガラス粉末が軟化流動してフィラーの間にぬれ広がり、フィラーが再配列することによりち密化する。
【０００４】
ところが、多層配線基板の低コスト化や、多層配線基板上に形成された電極の寸法精度向上のため、焼成時の多層配線基板の積層方向に垂直な方向（Ｘ−Ｙ方向）における多層配線基板の収縮率を小さくすることが要求されており、上記従来のセラミック多層配線基板では、この要求を達成することが難しかった。
【０００５】
このような要求を満足するため、未焼成の絶縁層の積層体に対して、アルミナ焼結板を介して加圧しながら焼成して積層方向（Ｚ方向）への焼成収縮を増大させる加圧焼成法が提案されている。また、積層体の表面に積層体の焼成温度では焼結しない未焼結セラミック層を積層して、焼成することにより、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮を抑制し、主にＺ方向へ焼成収縮させた後、未焼結セラミック層を取り除く方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
しかしながら、前者の加圧焼成法では、反りのないアルミナ焼結板が必要であるとともに特殊な加圧手段が必要であり、コストが高くなるという問題があった。また、後者の方法では、焼成終了後に未焼結セラミック層を取り除く必要があるため、製造工程が増えるという問題があった。
【０００７】
そこで、第１ガラスセラミック層とこの第１ガラスセラミック層より焼成収縮開始温度が高い第２ガラスセラミック層とが積層されたガラスセラミック多層配線基板を製造する際に、第２ガラスセラミック層の焼成収縮開始温度より低温で第１ガラスセラミック層が最終焼成体積収縮量の９０％以上焼成収縮しているようにする製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
これにより、焼成時に、第１ガラスセラミック層が収縮する温度域では、第１ガラスセラミック層が、焼結前の第２ガラスセラミック層によりＸ−Ｙ方向の焼成収縮が拘束されるため、主にＺ方向へ収縮し、第２ガラスセラミック層が収縮する温度域では、第２ガラスセラミック層は、焼成収縮した第１ガラスセラミック層によりＸ−Ｙ方向の焼成収縮が拘束されるため、主にＺ方向へ収縮することにより、このようなガラスセラミック多層配線基板は、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮が抑制されるため、Ｘ−Ｙ方向の寸法精度を高くすることができる。
【特許文献１】特開平４−２４３９７８号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、特許文献２に記載の多層配線基板の製造方法は、Ｘ−Ｙ方向の収縮率を０に近づけることができ、寸法精度の高いガラスセラミック多層配線基板が得られるが、第１ガラスセラミック層となる第１グリーンシートにはその焼成温度では軟化流動しない、すなわち、焼結しないセラミック粉末がフィラーとして多く含まれているため、フィラーの間をガラスが埋め尽くすことが困難である、すなわち焼成後の第１ガラスセラミック層にボイド等の欠陥が形成され、絶縁信頼性が得られないという問題があった。
【００１０】
Ｘ−Ｙ方向の収縮を抑制しないガラスセラミック多層配線基板では、収縮が等方的なため、焼成中に第１ガラスセラミック層となる原料粉末が互いの位置を少しずつ変えて、再配置されながらち密化していく。これに対して、Ｘ−Ｙ方向の収縮を抑制したガラスセラミック多層配線基板では、収縮が主にＺ方向へ起こるために原料粉末の再配置が起こりにくく、フィラーの間をガラスで埋め尽くすのが難しいとい問題が顕著になる。そこで、低温側で収縮する第１ガラスセラミック層中のフィラーに対するガラスの比率を高くすることによりボイドを少なくなくしようとすることが考えられるが、この場合、フィラーが少ないために軟化したガラスを第１ガラスセラミック層中に保持できず、軟化したガラスが未焼結の第２グリーンシートへ流動するため、ボイドを少なくすることができなかった。
【００１１】
このボイドの発生する現象は、第１グリーンシートの厚さが、ガラス粉末やフィラーの平均粒径に近くなるに従って影響が大きくなり、特に第１グリーンシートの厚さがガラス粉末やフィラーの平均粒径の５倍以下では顕著であった。
【００１２】
したがって、本発明は、Ｘ−Ｙ方向の収縮率が少なく、かつ、ガラスセラミック層が薄くてもボイドの少ないガラスセラミック多層配線基板およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のガラスセラミック多層配線基板は、  第１ガラスおよび第１セラミックスを含む第１ガラスセラミック層と、第２ガラスおよび前記第１セラミックスとは異なる第２セラミックスを含み、前記第１ガラスセラミック層より焼成収縮開始温度が高い第２ガラスセラミック層と、導体層とが積層されており、前記第１ガラスセラミック層は厚さが５μｍ以下であり、かつ前記第１ガラスセラミック層はボイド率が５％以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明のガラスセラミック多層配線基板の製造方法は、第１ガラス粉末および第１セラミック粉末を主成分とする第１グリーンシートを作製する工程Ａと、第２ガラス粉末および第２セラミック粉末を主成分とする第２グリーンシートを作製する工程Ｂと、前記第１グリーンシートおよび前記第２グリーンシートのうちの少なくとも一方に導体層となる導体ペーストを塗布する工程Ｃと、前記第１グリーンシートおよび前記第２グリーンシートを積層して積層体を作製する工程Ｄと、前記積層体を焼成する工程Ｅとを具備するガラスセラミック多層配線基板の製造方法であって、前記第２グリーンシートと積層された前記第１グリーンシートには、焼成後の厚さが５μｍ以下のものがあり、かつ前記第２ガラス粉末として、前記第１ガラス粉末よりも軟化点の高いガラス粉末を用いるとともに、前記第１ガラス粉末として、融解したときの、前記第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性が、前記第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性より悪いガラス粉末を用いることを特徴とするものである。
【００１５】
前記第１ガラス粉末として、前記工程Ｅにおいて、前記第１ガラス粉末が融解したガラスの最低粘度が１０４〜５×１０６Ｐａ・ｓであるガラス粉末を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のガラスセラミック多層配線基板によれば、第１ガラスおよび第１セラミックスを含む第１ガラスセラミック層と、第２ガラスおよび前記第１セラミックスとは異なる第２セラミックスを含み、前記第１ガラスセラミック層より焼成収縮開始温度が高い第２ガラスセラミック層と、導体層とが積層されており、前記第１ガラスセラミック層は厚さが５μｍ以下であり、かつ前記第１ガラスセラミック層はボイド率が５％以下であることにより、Ｘ−Ｙ方向の収縮率が少なく、かつ、第１ガラスセラミック層が薄くても絶縁信頼性に優れる。
【００１７】
また、本発明のガラスセラミック多層配線基板の製造方法によれば、第１ガラス粉末および第１セラミック粉末を主成分とする第１グリーンシートを作製する工程Ａと、第２ガラス粉末および第２セラミック粉末を主成分とする第２グリーンシートを作製する工程Ｂと、前記第１グリーンシートおよび前記第２グリーンシートのうちの少なくとも一方に導体層となる導体ペーストを塗布する工程Ｃと、前記第１グリーンシートおよび前記第２グリーンシートを積層して積層体を作製する工程Ｄと、前記積層体を焼成する工程Ｅとを具備するガラスセラミック多層配線基板の製造方法であって、前記第２グリーンシートと積層された前記第１グリーンシートには、焼成後の厚さが５μｍ以下のものがあり、かつ前記第２ガラス粉末として、前記第１ガラス粉末よりも軟化点の高いガラス粉末を用いるとともに、前記第１ガラス粉末として、融解したときの、前記第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性が、前記第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性より悪いガラス粉末を用いることにより、前記第１ガラス粉末が軟化しても、軟化したガラスの前記第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれが、前記第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれよりも悪いため、軟化した前記第１ガラス粉末が前記第１グリーンシートに積層された前記第２グリーンシートにまでぬれ広がることが抑制でき、第１ガラスセラミック層のボイドの量を少なくできる。そのため、前記第１グリーンシートが焼結した第１ガラスセラミック層のボイドが少ないガラスセラミック多層配線基板を提供することができる。
【００１８】
また、前記第１ガラス粉末として、前記工程Ｅにおいて、前記第１ガラス粉末が融解したガラスの最低粘度が１０４〜５×１０６Ｐａ・ｓであるガラス粉末を用いる場合、粘度が低くなり過ぎないために、軟化した前記第１ガラス粉末が前記第１グリーンシートの外にまでぬれ広がることがより抑制できるので、前記第１ガラスセラミック層のボイドの量を少なくできるとともに、粘度が高くなり過ぎないために、軟化した前記第１ガラス粉末が第１セラミック粉末の間にぬれ広がるために、前記第１ガラスセラミック層のボイドの量を少なくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明のガラスセラミック多層配線基板の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガラスセラミック多層配線基板１０の縦断面図である。ガラスセラミック多層配線基板１０はガラスセラミック層１ａ〜１ｋからなるガラスセラミック多層基板１の表面および内部に形成された導体層２と、導体層２間を厚さ方向に接続する貫通導体３とを有している。
【００２０】
ガラスセラミック多層基板１は、第１ガラスと第１セラミックスとを主成分とする第１ガラスセラミック層と、第２ガラスと第１セラミックスとは異なる第２セラミックスとを含み、前記第１ガラスセラミック層より焼成収縮開始温度が高い第２ガラスセラミック層とが積層されたものである。図１では、ガラスセラミック層１ａ、１ｃ、１ｅ、１ｇ、１ｉおよび１ｋが第１ガラスセラミック層であり、ガラスセラミック層１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈおよび１ｊが第２ガラスセラミック層である。
【００２１】
なお、第１ガラスセラミック層および第２ガラスセラミック層は、目的に応じて、例えば、比誘電率、曲げ強度、熱膨張係数、誘電損失、熱伝導率、嵩密度などの他の特性を変えた材料設計を行なうことができる。
【００２２】
焼成収縮開始温度とは、単一のガラスセラミック層を焼成して、ＸＹＺの各方向へほぼ等方的に収縮させた際のＴＭＡ（熱機械的分析）の線収縮率が１％となる温度のことである。Ｘ−Ｙ方向の収縮率を小さくするには、第２ガラスセラミック層の焼成収縮開始温度より低温で第１ガラスセラミック層が最終焼成体積収縮量の９０％以上焼成収縮していることが好ましい。
【００２３】
ガラスセラミック層の最終焼成体積収縮量とは、焼成により減少するガラスセラミック層の体積のことであり、具体的には、積層後のガラスセラミック層（グリーンシート）の嵩から焼成後のガラスセラミック層の体積を引いた量のことである。
【００２４】
図１では、第１ガラスセラミック層１ａ、１ｃ、１ｅ、１ｇ、１ｉ、１ｋの厚さＴ１は５μｍ、第２ガラスセラミック層１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈ、１ｊの厚さＴ２は５０μｍである。一般的に焼成収縮開始温度の高いガラスセラミック層の方が析出させる結晶の選択肢が広がるなど、所望の比誘電率、曲げ強度、熱膨張係数などを得やすい。
そのため、所望の機能の実現は、主に第２ガラスセラミック層の特性により行ない、第１ガラスセラミック層は主に収縮を少なくする役目を果たす。その場合、第１ガラスセラミック層はできるだけ薄い方が、第２ガラスセラミック層の特性を生かしたガラスセラミック多層基板１が実現できる。そのため、第１ガラスセラミック層の厚さＴ１は、５μｍ以下、特に３μｍ以下が好ましい。また、ガラスセラミック多層基板１の厚さＴに占める第１ガラスセラミック層１ａ、１ｃ、１ｅ、１ｇ、１ｉ、１ｋの厚さの合計（Ｔ１×６）の割合は２０％以下、特に１０％以下であることが好ましい。なお、図１では、すべての第１ガラスセラミック層の厚さが同じで、すべての第２ガラスセラミック層の厚さも同じものを示したが、それぞれ異なる厚さの層が混在してもよい。
【００２５】
また、第１ガラスセラミック層および第２ガラスセラミック層の積層形態としては、第１ガラスセラミック層をＡ、および第２ガラスセラミック層をＢと表すと、図１では、積層方向にＡＢＡＢＡＢＡＢＡとなっているものを示したが、積層数および積層順はこれに限らず、例えば、ＡＢＢＢＡ、ＡＢＡＢＡ、ＡＡＢＡＡ、ＡＢＡＡＡおよびＡＢＢＡＡ等でもよく、さらに、これらのＡとＢとを入れ替えたものでもよい。
【００２６】
またさらに、第１ガラスセラミック層および第２ガラスセラミック層以外に組成の異なる第３ガラスセラミック層が設けられていてもよい。また、第１ガラスセラミック層および第２ガラスセラミック層以外のガラスセラミック層が複数種類であってもよい。
【００２７】
第１ガラスセラミック層は、第１ガラス粉末および第１セラミック粉末を主成分とする第１グリーンシートを焼成したものであり、第２ガラスセラミック層は第２ガラス粉末および第２セラミック粉末を主成分とする第２グリーンシートを焼成したものである。なお、以下で、第１ガラス粉末および第２ガラス粉末が、軟化した後などで粉末でない状態のものを、それぞれ第１ガラスおよび第２ガラスということがある。
【００２８】
第１ガラス粉末が融解した第１ガラスは、第１ガラス粉末がガラスセラミック多層基板の焼成温度では結晶化しないガラスである場合は、焼成後の第１ガラスセラミック層に含まれる第１ガラスと同じ組成のものである。しかし、第１ガラス粉末がガラスセラミック多層基板の焼成温度で結晶を生じるガラスである場合は、焼成前の第１ガラス粉末と第１セラミック粉末とは次のようになる。焼成温度が上がり第１ガラス粉末が軟化してから第１ガラス粉末から結晶が生じる前までは、第１ガラス粉末が軟化したガラスと第１セラミック粉末とが混合した状態になる。さらに焼成温度が上がり第１ガラス粉末から結晶が生じると、第１ガラス粉末から生じた結晶と、第一ガラス粉末から前記結晶の分が少なくなり軟化しているガラスと、第１セラミック粉末とが混合した状態になる。そして、これが第１ガラスセラミック層になるので、この場合の第１ガラスセラミック層に含まれる第１ガラスは、第一ガラス粉末から析出した結晶の分が少なくなったガラスであり、第１ガラスセラミック層に含まれる第１セラミックスは、第１セラミックス粉末と第１ガラスから析出した結晶とが合わせたものである。
【００２９】
導体層２および貫通導体３は金属を主成分とするものであり、第２ガラスセラミック層の焼結する温度が１０５０℃以下であれば銀、銅および金の中のうちの少なくとも１種の金属を用いることができ、これらの金属を主成分とするものは導体抵抗を低くできるため好ましい。
【００３０】
ガラスセラミック多層配線基板１０の層構成のうちの第１ガラスセラミック層と第２ガラスセラミック層とが積層された中に第１ガラスセラミック層の厚さＴ１が５μｍ以下の層があり、その第１ガラスセラミック層のボイド率が５％以下であることにより、第１ガラスセラミック層が薄くても絶縁信頼性に優れる。第１ガラスセラミック層のボイド率は４％以下、さらには３％以下が好ましく、０％でもよい。
【００３１】
また、第１ガラスセラミック層を薄くすることにより、ガラスセラミック多層配線基板１０を薄くすることができる。さらに、第１ガラスセラミック層を薄くすることによりガラスセラミック多層配線基板１０に占める第２ガラスセラミック層の比率を高くできるので、第２ガラスセラミック層は、第１ガラスセラミック層よりもセラミック粉末を多く含ませたり、焼結収縮温度が高いことにより析出させる結晶の選択肢が広がるので、高強度や低誘電損失などの特性を持たせることができ、セラミック多層配線基板１０を高強度や低誘電損失にできる。またさらに、薄くした第１ガラスセラミック層を導体層２で挟んで高容量のコンデンサとすることができる。
【００３２】
本発明のガラスセラミック多層配線基板の製造法は、第１ガラス粉末および第１セラミック粉末を主成分とする第１グリーンシートを作製する工程Ａと、第２ガラス粉末および第２セラミック粉末を主成分とする第２グリーンシートを作製する工程Ｂと、前記第１グリーンシートおよび前記第２グリーンシートのうちの少なくとも一方に導体層となる導体ペーストを塗布する工程Ｃと、前記第１グリーンシートおよび前記第２グリーンシートを積層して積層体を作製する工程Ｄと、前記積層体を焼成する工程Ｅとを具備するガラスセラミック多層配線基板の製造方法であって、前記第２ガラス粉末として、前記第１ガラス粉末よりも軟化点の高いものを用いるとともに、前記第１ガラス粉末として、融解したときの、前記第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性が、前記第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性より悪いガラス粉末を用いることが重要である。
【００３３】
なお、ここでガラスの軟化点とは、温度を上げていった際に、ガラスの粘度が１０６．６Ｐａ・ｓになる温度のことである。ただし、ガラスの組成によっては、温度が上がっていくに従い、粘度が低くなっていくが、粘度が１０６．６Ｐａ・ｓ以下になる前に、ガラスから結晶が析出して粘度が上がるため、粘度が１０６．６Ｐａ・ｓ以下にならないものもある。このようなガラスについては、粘度がもっとも低くなる温度が大きく焼成収縮する温度域であると考えられるので、粘度がもっとも低くなる温度を軟化点として扱うこととする。
【００３４】
また、第１グリーンシートは、第１ガラス粉末および第１セラミック粉末を主成分とするとは、第１グリーンシートに含まれる全無機成分のうち第１ガラス粉末および第１セラミック粉末が９０体積％以上、好ましくは９５体積％以上を占めていることである。第１ガラス粉末および第２セラミック粉末以外の第１グリーンシートに含まれる無機成分としては、顔料や酸化剤などが挙げられる。同様に、第２グリーンシートは、第２ガラス粉末および第２セラミック粉末を主成分とするとは、第２グリーンシートに含まれる全無機成分のうち第２ガラス粉末および第２セラミック粉末が９０体積％以上、好ましくは９５体積％以上を占めていることである。
【００３５】
また、第１グリーンシートには、全無機成分に対して第１セラミック粉末を２０〜４０体積％含まれていることが良く、それにより第１ガラスセラミック層の抗折強度が強くなり、ガラスセラミック多層配線基板１０の抗折強度を強くすることができる。
【００３６】
さらに、第２グリーンシートには、全無機成分に対して第２セラミック粉末を３０〜５０体積％含まれていることが良く、それにより第２ガラスセラミック層の抗折強度が強くなり、ガラスセラミック多層配線基板１０の抗折強度を強くすることができる。
【００３７】
第１ガラス粉末の平均粒径は１．２〜２．４μｍが好ましい。第１ガラス粉末の平均粒径を２．４μｍ以下にすることにより、軟化流動が起こりやすくなり、第１ガラスセラミック層がよりち密になる。第１ガラス粉末の平均粒径を１．２μｍ以上にすることにより、第１グリーンシートを作製する際に粉末の凝集が起こりにくく、第１グリーンシートの粉末の充填率が高くなり、第１ガラスセラミック層がよりち密になるとともに、粉砕して作製するガラスのコストが安くなる。より好ましい第１ガラス粉末の平均粒径の範囲は１．４〜２．０μｍである。
【００３８】
続いて、第１ガラスセラミック層となる第１グリーンシートと第２ガラスセラミック層となる第２グリーンシートとが積層された積層体が焼成される際の状態を説明する。第１グリーンシートには第１ガラス粉末と第１セラミック粉末が含まれ、第２グリーンシートには第１ガラス粉末よりも軟化点の高い第２ガラス粉末と第１セラミック粉末とは異なる第２セラミック粉末が含まれている。
【００３９】
焼成温度が上がると、まず第１ガラス粉末が軟化し、第１セラミック粉末の間にぬれ広がっていく。このとき、第１グリーンシートは、まだ焼成収縮していない第２グリーンシートと積層されているため、Ｘ−Ｙ方向へはあまり収縮せず、主にＺ方向へ収縮していく。
【００４０】
このように収縮が制限された状態では、収縮が等方的に起こる状態と比べると、第１セラミック粉末が第１ガラスの中で配置があまり変わることができず、十分ち密化されず、ボイドが多くなる傾向がある。さらに、第２グリーンシートと積層されている第１グリーンシートでは、軟化した第１ガラスが第２グリーンシート中へもぬれ広がっていく（以下、浸透という場合がある）ため、第１グリーンシート中の第１ガラスの量が少なくなり、よりち密化し難くなる。特に、焼成後の第１ガラスセラミック層の厚さが５μｍ以下の場合、焼成前の第１グリーンシートの厚さは７〜９μｍ程度以下になり、第１ガラス粉末の平均粒径が１．２〜２．４μｍであれば、第１グリーンシートは第１ガラス粉末３〜７個分程度の厚さしかなくなるそのような場合、第２グリーンシートへの第１ガラスの浸透がわずかであっても、第１グリーンシート中の第１ガラスの割合が少なくなり、第１グリーンシートはち密化し難くなる。これに対して、通常のガラスセラミックスのようにガラスの量を増やすことによりち密化させようとしても、第２グリーンシートに浸透するガラスの量が増えて、Ｘ−Ｙ方向への収縮抑制が不十分になったり、第２ガラスセラミック層の特性が変動したりしてしまう。
【００４１】
これに対して、第１ガラスがぬれ広がる際に、第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対する第１ガラスのぬれ性が、第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対する第１ガラスのぬれ性よりも悪いと、第１ガラスが第２グリーンシート中にぬれ広がることが抑制され、第１ガラスは第１グリーンシート内に留まりやすい。そして、第１ガラスが第１グリーンシート中に多く留まるため、第１グリーンシートが十分収縮し、ボイドが少なくなる。
【００４２】
第１ガラスがぬれ広がる際に、第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対する第１ガラスのぬれ性を、第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対する第１ガラスのぬれ性よりも悪くすることは、主に第１セラミックスおよび第２セラミックスの組成を調整することにより行なうことができる。ガラスとセラミックスとのぬれ性において、ガラスの影響は、ガラスの組成そのものにより影響よりも、組成が変わることにより、ガラスが軟化したときの粘度が変わる影響の方が大きい。そして、そのようなガラスの影響よりも、セラミックスの組成の差の方の影響が大きい。一般的に、非酸化物セラミックスは、酸化物セラミックスよりもぬれ性が悪い。酸化物セラミックスの中でも、アルミナはガラスに対するぬれがよく、クォーツはぬれが悪い。
【００４３】
また、第１ガラスセラミック層の厚さが２μｍより薄くなる、すなわち焼成前のり薄さが３〜４μｍ程度より薄くなると、第１ガラス粉末の平均粒径が１．２〜２．４μｍであれば、第１グリーンシートは第１ガラス粉末２〜３個分程度の厚さしかなくなり、第１グリーンシート中の第１ガラス粉末の分散が良くない場合には、第１ガラスがＸ−Ｙ方向に連続した固まりにならず、第１グリーンシートの収縮がいびつになることがあるため、台ガラスセラミック層の厚さは２μｍ以上、特に３μｍ以上が好ましい。
【００４４】
焼成中の第１ガラスの最低粘度は、１０４〜５×１０６Ｐａ・ｓであることが好ましい。１０４Ｐａ・ｓ以上であることにより、粘度が低いことにより第１ガラスが第２グリーンシート中にぬれ広がることをより抑制できる。また、５×１０６Ｐａ・ｓ以下であることにより、粘度が高いことにより第１グリーンシートのち密化が不十分になることをより抑制できる。なお、ここでいう第１ガラスの粘度とは、第１ガラスから析出した結晶がある場合は、その結晶とガラス状態を保っているガラスとの混合物の粘度を指し、結晶が析出した後にガラス状態を保っているガラスだけの粘度のことではない。
【００４５】
その後、焼成温度が第２ガラスの軟化点に達するより低温で、第１ガラスは結晶を析出することが好ましい。結晶が析出することにより、第１ガラスのうちガラス状態を保ったままでいるものの量が少なくなり、温度が上がった際に、第１ガラスの粘度が低くなり、第２グリーンシートにぬれ広がっていくことが抑制できるとともに、第１ガラスセラミック層（焼成収縮した第１グリーンシート）が変形し難くなるため、さらに温度が高くなって、第２グリーンシートが収縮する際に、第２グリーンシートのＸ−Ｙ方向の収縮をより抑制することができる。
【００４６】
この後さらに焼成温度が上がると、第２ガラス粉末が軟化し、第２グリーンシートが焼結して、ガラスセラミック多層配線基板１０となる。第２グリーンシートが焼成収縮する際は、第１ガラスセラミック層によりＸ−Ｙ方向の収縮が抑制されるため、第２グリーンシートは主にＺ方向へ収縮する。Ｘ−Ｙ方向の収縮をより抑制するためには、第１ガラス粉末の軟化点と第２ガラス粉末の軟化点の差が大きいことが好ましく、その差は６０℃以上、さらに８０℃以上、特に１００℃以上が好ましい。また、第１ガラス粉末が焼成により結晶が析出するガラスであり、その結晶化温度が第２ガラスの軟化点よりも低いと、第２ガラスが軟化する際に、第１ガラスセラミック層は第１ガラス粉末から析出した結晶により変形し難くなっているため、Ｘ−Ｙ方向の収縮がより抑制されるので好ましい。
【００４７】
上述のように第１ガラスセラミック層をち密にするためには、第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対する第１ガラス（軟化した第１ガラス粉末）のぬれ性が、第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対する第１ガラスのぬれ性よりも悪いことが重要である。なお、第２ガラス粉末は、ガラス粉末であるため、基本的に第１ガラス粉末に対するぬれ性がよく、第２ガラス粉末の組成の差により生じる第１ガラスの第２グリーンシートへの浸透の差は少ない。セラミックスは組成の差によりガラスとのぬれ性が大きく変わるため、第１ガラス粉末の第２グリーンシートへの浸透は、第１セラミック粉末と第２セラミック粉末とをそれぞれ焼結させたセラミックスに対するぬれ性の差に大きな影響を受ける。
【００４８】
ここで、セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するガラスのぬれ性を評価する方法を説明する。評価は接触角を測ることにより行なう。接触角の測定は、例えば、図２に示すサンプルで行なう。図２（ａ）はセラミック板２０と、熱が加わったことによりその上にぬれ広がったガラス３０とを上から見た平面図である。Ａは上から見た場合に、円形にぬれ広がったガラス３０の中心を通る線である。図２（ｂ）はＡにおける断面概略図で、接触角４０はセラミック板２０とガラス３０の端部が成す角度である。
【００４９】
このようなサンプルは、例えば、次のように作製する。セラミック板２０は、セラミック粉末と同一組成であることが好ましいが、少量の添加剤が加えられたものでもよい。すなわち、ガラスや焼結助剤などの添加剤を加えられて焼成されたものでもよい。添加剤の含有量は少ない方が好ましく、セラミック板２０の組成と評価するセラミック粉末の組成とは９５％以上、好ましくは９８％以上共通するものであることが好ましい。精度良く測定するためには、セラミック板２０は、表面粗さＲａを５μｍ以下、５ｃｍ×５ｃｍ内の反りが１００μｍ以下の平坦なものを使用する。セラミック板２０の上に、評価するガラス粉末を５〜１０ＭＰａの圧力でプレスした円柱プレス体を置く。円柱プレス体の寸法は、直径５ｍｍ、厚さ２ｍｍとし、円柱プレス体の形を保つためにパラフィンなどの少量のバインダを加えてプレスしても良い。セラミック板２０とガラス粉末とを大気中９００℃、１時間保持の条件で焼成する。焼成後のセラミック板２０とガラス３０の断面を研磨し、マイクロ顕微鏡で観察して、セラミック板２０とガラス３０との接触角を測定する。
【００５０】
ガラスの粘度は、ガラス粉末を５〜１０ＭＰａの圧力でプレスして、直径１２ｍｍ、高さ６ｍｍの円柱プレス体を作製し、貫入法、平行平板法および平行板回転法により粘度を測定する。１０４Ｐａ・ｓ以下では平行平板法、１０４〜１０７Ｐａ・ｓの範囲では平行板回転法、１０７Ｐａ・ｓ以上では法貫入法を用いて測定するのが良い。
【００５１】
第１ガラスセラミック層の残留ガラスは、基板のＸ−Ｙ方向の収縮抑制効果や基板の曲げ強度、誘電損失の観点から、１０体積％以下であることが好ましい。一方、配線導体との界面を平滑にし、高周波伝送における導電率を向上する観点から、残留ガラスがわずかに存在してもかまわない。
【００５２】
なお、残留ガラスの量は、ＸＲＤ回折パターンからリートベルト解析により求めることができる。リートベルト法については、J.Am.Ceram.Soc.,81[11]2978-82(1998)に記載されている方法を用いる。具体的には、解析対象の試料とＣｒ２Ｏ３の標準試料とを所定の比率で混合し、ディフラクトメーター法で測定した２θ＝１０°以上８０°以下の範囲のＸ線回折パターンに対して、ＲＩＥＴＡＮ−２０００プログラムを使用することにより、Ｃｒ２Ｏ３の標準試料により回折されたパターンと加えたＣｒ２Ｏ３の標準試料の量の相関関係から、評価対象の試料中に含まれる結晶の種類およびその量を評価する。なお、焼成途中の状態は、所望の温度で焼成炉から取り出した試料を解析することにより調べることができる。
【００５３】
第１ガラスセラミック層を焼成する際に生成させる結晶としては、ディオプサイド、ハーディストナイト、セルシアン、コージェライト、アノーサイト、ガーナイト、ウィレマイト、スピネル、ムライト、フォルステライト、スーアナイトのうち少なくとも１種を形成することが好ましい。第１ガラスから析出する結晶は、上記の結晶を１種以上含んでいればよく、上記以外の結晶を含んでいてもかまわない。第１ガラスから析出する結晶としては、比較的低温で析出しやすいディオプサイドやガーナイトが好ましい。
【００５４】
本発明のセラミック多層配線基板に用いられるガラスセラミック層は、ガラスおよびセラミックスからなるガラスセラミックスを採用できるため、１０５０℃以下での焼成が可能であり、導体層としてＣｕ、Ａｇ、Ａｌなどの低抵抗導体を用いて形成することが可能となり、また、低誘電率化も可能であり、高速伝送化に適している。
【実施例】
【００５５】
表１に示す組成のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥおよびＦの平均粒径１．６μｍのガラス粉末と平均粒径が２．０μｍのアルミナ、コージェライト、クォーツおよび窒化アルミニウムのセラミック粉末を用いて、表２に示した組成の第１ガラスセラミック層となる第１グリーンシートおよび第２ガラスセラミック層となる第２グリーンシートを作製する。第１グリーンシートの厚さは、焼成後の第１ガラスセラミック層の厚さが表１に記載したものになるようにし、第２グリーンシートの厚さは、焼成後の第２ガラスセラミック層の厚さが５０μｍになるようにした。なお、ガラスＣは、温度を上げていくと粘度が１０６．６Ｐａ・ｓ以下になる前に結晶が析出して粘度が高くなっていくガラスであり、最低粘度は４４１℃での３×１０７Ｐａ・ｓである。なお、ここではこのガラスの軟化点は４４１℃として扱うこととする。
【００５６】
表２記載の比率で混合したガラス粉末とセラミック粉末と有機バインダであるイソブチルメタクリレートと有機溶剤であるトルエンとを混合してスラリーを作製し、これをドクターブレード法により成形し、第１、第２ガラスセラミック層となる第１、第２グリーンシートをそれぞれ作製した。
【００５７】
得られた各グリーンシートの所定の位置にパンチング等により貫通孔を形成し、この貫通孔にＡｇ粉末を含む導電性ペーストを充填するとともに、Ａｇ粉末を含む導電性ペーストをグリーンシート表面にスクリーン印刷して配線パターンを形成した後、これを乾燥させた。
【００５８】
図１に示した層構成の積層体となるように、第１グリーンシートと第２グリーンシートとを積層し、積層体を作製した。
【００５９】
得られた積層体を、大気中４００℃で脱バインダ処理し、さらに９１０℃で焼成し、図１に示すガラスセラミック多層配線基板１０を作製した。第１ガラスセラミック層１ａ、１ｃ、１ｅ、１ｇ、１ｉおよび１ｋの厚さＴ１は表１に示したものとし、第２ガラスセラミック層１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈおよび１ｊの厚さＴ２は５０μｍとした。ガラスセラミック多層配線基板１０の大きさは、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍとした。
【００６０】
焼成前の積層体および焼成後のガラスセラミック多層配線基板１０の、所定の位置の間の長さを測定することにより、ガラスセラミック多層配線基板１０のＸ−Ｙ方向の収縮率を測定した。なお、収縮率は、各試料番号について１０個の試料を作製してそれぞれ収縮率を測定し、それら平均値を収縮率とした。なお、ここでいう収縮率は焼成前の長さをＸ０、焼成後の長さをＸ１としたときに、（Ｘ０−Ｘ１）／Ｘ０で計算されるものである。
【００６１】
また、ガラスセラミック多層配線基板１０を主面と平行に研磨して、研磨面における第１ガラスセラミック層１ａのボイド率を、倍率１０００倍の走査型電子顕微鏡像の視野３０００μｍ×３０００μｍの範囲に対して、画像解析装置（ルーゼックス）により測定した。
【００６２】
また、ガラスセラミック多層配線基板１０にコンデンサを作製し、その絶縁信頼性を評価した。コンデンサは、導体層２で形成した０．５ｍｍ×０．５ｍｍの電極２枚とそれらに挟まれた表２に記載された厚さの第１ガラスセラミック層により形成された平行平板コンデンサを作製した。コンデンサは１０個作製し、これらに１０Ｖの直流電圧を印加し、温度８５℃、湿度８５％の槽内に１０００時間放置した後、コンデンサ部の絶縁抵抗を測定し、１０９Ω以下の試料を不良として絶縁信頼性不良率を出した。
【００６３】
また、第１セラミック粉末および第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対する第１ガラスのぬれ性は、上述したセラミック板上でガラス粉末を融解させて接触角を測定する方法で評価した。評価に使用したアルミナのセラミック板は、アルミナの含有率９８％以上であるとともに、表面粗さＲａ１．５μｍで、５ｃｍ×５ｃｍ内の反りが１００μｍ以内のものを使用した。窒化アルミニウムのセラミック板は含有率９８％以上のもの、クォーツおよびコージェライトのセラミック板は含有率９５％以上のもので、それぞれ表面粗さＲａ２μｍ以下で、５ｃｍ×５ｃｍ内の反り１００μｍ以内のものを使用した。接触角の評価結果を表２に示した。
【００６４】
また、粘度はガラス粉末を直径１２ｍｍ×６ｍｍにプレス法を用いて成形し、ガラス転移点＋２０℃、１５分の熱処理を行なったサンプルを作製し、このサンプルを加熱し、温度を上昇させながら、粘度を低下させ、それぞれの粘度に適した測定方法、具体的には、平行平板法、平行板回転および法貫入法を用いて室温〜９１０℃の温度範囲で粘度を測定し、その最低値を表２に示した。いずれのガラスも焼成により結晶の析出するガラスであり、粘度は９１０℃より低い温度で極小値を示し、その極小値が最低値であった。
【００６５】
【表１】
2009231542.tif 000003
【００６６】
【表２】
2009231542.tif 000004
【００６７】
本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１〜４は、第１セラミック粉末と第２セラミック粉末が同じセラミックスである。試料Ｎｏ．１および３は、第１ガラスセラミック層の厚さが１５μｍと厚いため、第１セラミック粉末と第２セラミック粉末が同じセラミックスであっても、ボイド率が５％以下で、絶縁信頼性不良率０％となっている。試料Ｎｏ．１および３とそれぞれ同じ材料で作製した本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２および４は、第１ガラスセラミック層の厚さが５μｍと薄く、第１セラミック粉末と第２セラミック粉末が同じセラミックスであるため、焼成途中で第１ガラス粉末が軟化して、第２ガラスセラミック層に浸透していくため、ボイド率が２０％で絶縁信頼性不良率６０％以上となった。
【００６８】
また、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１２では、第１ガラス粉末として、融解したときの、前記第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性が、前記第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性より良いガラス粉末を使用しているため、第１ガラス焼成途中で第１ガラス粉末が軟化して、第２ガラスセラミック層に浸透していくため、第１ガラスセラミック層のボイド率は２８％と高くなった。
【００６９】
これに対して、本発明の試料Ｎｏ．５〜１１および１３〜１５は、第１ガラス粉末として、融解したときの、前記第２セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性が、前記第１セラミック粉末を焼結させたセラミックスに対するぬれ性より悪いガラス粉末を使用しているため、第１ガラスセラミック層の厚さが３あるいは５μｍと薄くても、ボイド率を５％以下と低くでき、絶縁信頼性の高いガラスセラミック多層配線基板となった。
【００７０】
なお、それぞれの第１グリーンシートおよび第２グリーンシートは、単独あるいは同じ原料のグリーンシート同士を積層して焼成した場合、つまり等方的に収縮した場合の収縮率は１５〜１７％であり、これに対して試料Ｎｏ．５〜１１および１３〜１５の収縮率は低くなっている。
【００７１】
特に、試料Ｎｏ．５〜１１および１４は、焼成中の第１ガラスの最低粘度が１０４〜５×１０６Ｐａ・ｓの範囲内であるため、第１ガラスセラミック層のボイドが４％以下と少なくなった。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のガラスセラミック多層配線基板の概略断面図である。
【図２】（ａ）接触角を測定するサンプルの平面図である。（ｂ）（ａ）のサンプルのＡ線で切った断面である。
【符号の説明】
【００７３】
１・・・ガラスセラミック多層基板
１ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｉ、ｋ・・・第１ガラスセラミック層
１ｂ、ｄ、ｆ、ｈ、ｊ・・・第２ガラスセラミック層
２・・・導体層
３・・・貫通導体
１０・・・ガラスセラミック多層配線基板
２０・・・セラミック板
３０・・・ガラス
４０・・・接触角
【図１】
2009231542.tif 000005
【図２】
2009231542.tif 000006