CN112601727A - 陶瓷坯体 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷坯体，其包含Al2O3、SiO2和MnO作为必需成分，包含Mo和Cr2O3中的至少一者作为任意成分。在陶瓷坯体中，Al2O3的含量为82.0质量％以上且95.0质量％以下，SiO2的含量为3.0质量％以上且8.0质量％以下，MnO的含量为2.0质量％以上且6.0质量％以下，以MoO3换算计的Mo的含量与Cr2O3的含量的合计为4.0质量％以下，剩余部分的含量小于0.1质量％。

Description

陶瓷坯体
技术领域
本发明涉及一种陶瓷坯体。
背景技术
专利文献1中，作为陶瓷坯体的示例，公开一种绝缘基板，其包含90质量％以上的Al2O3、1～6质量％的SiO2、以Mn2O3换算计为2～8质量％的MnAl2O4、2质量％以下的Mo。在专利文献1记载的绝缘基板中，为了改善强度的稳定性，优选以氧化物换算计以0.1～3质量％的比例含有Mg。
专利文献2中，作为陶瓷坯体的示例，公开一种绝缘基板，其包含作为主成分的Al2O3、3～7.5质量％的SiO2、以Mn2O3换算计为2～5质量％的Mn、以MgO换算计为0.3～0.7质量％的Mg、以及以MoO换算计为0.3～0.7质量％的Mo。
专利文献3中，公开一种陶瓷坯体，其含有以Al2O3换算计为89.0～92.0质量％的Al、以SiO2换算计为2.0～5.0质量％的Si、以MnO换算计为2.0～5.0质量％的Mn、以MgO换算计为0～2.0质量％的Mg、以ZrO2换算计为0.05～2.0质量％的Zr。
【现有技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本专利第4413224号公报
专利文献2：日本专利第5784153号公报
专利文献3：国际公开第2015/141099号
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1～3记载的陶瓷坯体中，存在容易产生尺寸偏差的问题。本发明人等进行深入研究，结果得到以下新的发现：除作为主成分的Al2O3、作为烧结助剂的SiO2和MnO、作为着色剂的Mo或/和Cr2O3以外的剩余部分的含量对尺寸偏差造成影响。
本发明的目的在于提供一种能够抑制尺寸偏差的陶瓷坯体。
用于解决问题的技术方案
本发明涉及的陶瓷坯体含有Al2O3、SiO2和MnO作为必需成分，含有Mo和Cr2O3中的至少一者作为任意成分。在陶瓷坯体中，Al2O3的含量为82.0质量％以上且95.0质量％以下，SiO2的含量为3.0质量％以上且8.0质量％以下，MnO的含量为2.0质量％以上且6.0质量％以下，以MoO3换算计的Mo的含量与Cr2O3的含量的合计为4.0质量％以下，剩余部分的含量小于0.1质量％。
发明效果
根据本发明，可提供一种能够抑制尺寸偏差的陶瓷坯体。
附图说明
图1是表示实施方式涉及的第一陶瓷封装体的结构的截面图。
图2是表示实施方式涉及的第二陶瓷封装体的结构的截面图。
图3是表示实施方式涉及的第二陶瓷封装体中多层电路基板的结构的截面图。
具体实施方式
(陶瓷坯体)
陶瓷坯体是通过对将陶瓷材料粉末成型为带状而得到的生片、将陶瓷材料粉末进行压粉成型而得到的成型体进行烧结而得到的组合物。本实施方式涉及的陶瓷坯体适合用于密封晶体振子等振子的陶瓷封装体、密封CMOS图像传感器等半导体元件的陶瓷封装体、或者、密封光半导体元件的陶瓷封装体等各种陶瓷封装体。
本实施方式涉及的陶瓷坯体包含作为主成分的Al2O3(氧化铝)以及作为烧结助剂的SiO2(二氧化硅)和MnO(氧化锰)作为必需成分。
陶瓷坯体包含作为着色剂的Mo(钼)和Cr2O3(氧化铬)中的至少一者作为任意成分。陶瓷坯体可以仅含有Mo作为着色剂，也可以仅含有Cr2O3作为着色剂，还可以含有Mo和Cr2O3两者作为着色剂，还可以不含有Mo和Cr2O3两者作为着色剂。在陶瓷坯体含有Mo作为着色剂的情况下，Mo的至少一部分可以以金属的形态存在，也可以使Mo的至少一部分以氧化物的形态(例如，MoO3)存在。
构成陶瓷坯体的各成分的含量如以下所示。
·Al2O3：
82.0质量％以上且95.0质量％以下
·SiO2：
3.0质量％以上且8.0质量％以下
·MnO：
2.0质量％以上且6.0质量％以下
·以MoO3换算计的Mo的含量与Cr2O3的含量的合计：
4.0质量％以下
·剩余部分：
小于0.1质量％
如此，在本实施方式涉及的陶瓷坯体中，由于Al2O3、SiO2、MnO和着色剂(Mo或/和Cr2O3)以外的剩余部分的含量被抑制为小于0.1质量％，因此各成分在不偏析地分散的状态下被均匀烧结。因此，在本实施方式涉及的陶瓷坯体中，尺寸偏差得到抑制。
另外，通过将陶瓷坯体的剩余部分的含量抑制为小于0.1质量％，各成分在不偏析地分散的状态下被均匀烧结，因此可抑制在玻璃成分的助熔剂中局部产生低熔点区域。因此，可抑制陶瓷坯体贴附于烧成承烧板。
此外，通过将陶瓷坯体的剩余部分的含量抑制为小于0.1质量％，各成分在不偏析地分散的状态下被均匀烧结，因此可使玻璃成分在烧成承烧板一侧的背面侧区域熔融的时机与玻璃成分在与烧成承烧板相反侧的表面侧区域熔融的时机一致。因此，可抑制陶瓷坯体在厚度方向翘曲。
陶瓷坯体中的剩余部分的含量更优选为小于0.05质量％。由此，可进一步抑制陶瓷坯体的尺寸偏差。
陶瓷坯体中的剩余部分的含量特别优选为0质量％。由此，不仅可进一步抑制陶瓷坯体的尺寸偏差，还可进一步抑制陶瓷坯体贴附于烧成承烧板。
在陶瓷坯体中，SiO2的含量相对于MnO的含量之比没有特别限制，优选为0.8以上且3.5以下。如果为该范围，则可抑制Mn3Al2Si3O12在陶瓷坯体中析出，因此可减少由Mn3Al2Si3O12的析出引起的色相不均的产生。此外，在将陶瓷坯体应用于密封振子或半导体元件的陶瓷封装体的情况下，SiO2的含量相对于MnO的含量之比特别优选为0.8以上且2.1以下。由此，可特别提高陶瓷坯体的弯曲强度。另一方面，在将陶瓷坯体应用于密封光半导体元件的陶瓷封装体的情况下，SiO2的含量相对于MnO的含量之比特别优选为1.9以上且3.5以下。由此，虽然陶瓷坯体的弯曲强度稍微降低，但容易将陶瓷坯体的相对介电常数调节为8.0以上且9.0以下。
陶瓷坯体包含结晶相和玻璃相。在陶瓷坯体含有Mo作为着色剂的情况下，结晶相包含作为主结晶相的Al2O3结晶相和作为副结晶相的Mo结晶相。结晶相也可以包含除Al2O3结晶相和Mo结晶相以外的结晶相(以下，称为“剩余部分的结晶相”)。另一方面，在陶瓷坯体不含有Mo作为着色剂的情况下，结晶相包含作为主结晶相的Al2O3结晶相。除Al2O3结晶相以外，结晶相也可以含有剩余部分的结晶相。结晶相可以仅含有1种结晶相作为剩余部分的结晶相，也可以含有多种结晶相作为剩余部分的结晶相。
在此，在将陶瓷坯体粉碎而由X射线衍射图案鉴定结晶相的情况下，剩余部分的结晶相的X射线衍射图案的主峰强度相对于Al2O3结晶相的X射线衍射图案的主峰强度优选为0.5以下。由此，可抑制因剩余部分的结晶相的存在而在玻璃相中产生应变，因此可提高陶瓷坯体的弯曲强度(所谓的抗折强度)。
陶瓷坯体的弯曲强度可根据应用陶瓷坯体的陶瓷封装体所要求的特性来设定。例如，在将陶瓷坯体应用于密封振子或半导体元件的陶瓷封装体的情况下，陶瓷坯体的弯曲强度优选为700MPa以上。另外，在陶瓷坯体应用于密封光半导体元件的陶瓷封装体的情况下，陶瓷坯体的弯曲强度优选为390MPa以上。在本实施方式中，“弯曲强度”是指3点弯曲强度，是依据JIS R1601(精细陶瓷的弯曲试验方法)在室温下测定的值。
陶瓷坯体的相对介电常数可根据应用陶瓷坯体的陶瓷封装体所要求的特性来设定。例如，在将陶瓷坯体应用于密封振子或半导体元件的陶瓷封装体的情况下，陶瓷坯体的相对介电常数没有特别限制。在将陶瓷坯体应用于密封光半导体元件的陶瓷封装体的情况下，陶瓷坯体的相对介电常数优选为8.0以上且9.0以下。
陶瓷坯体的气孔率可根据应用陶瓷坯体的陶瓷封装体所要求的特性来设定。例如，在将陶瓷坯体应用于密封振子或半导体元件的陶瓷封装体的情况下，陶瓷坯体的气孔率优选为3％以下。另外，在将陶瓷坯体应用于密封光半导体元件的陶瓷封装体的情况下，陶瓷坯体的气孔率优选为3％以上且8％以下。在本实施方式中，“气孔率”是指利用电子显微镜拍摄研磨后的陶瓷截面，通过图像处理软件进行2值化而测定的值。
(陶瓷封装体)
在此，参照附图对应用本实施方式涉及的陶瓷坯体的陶瓷封装体的2个结构例进行说明。
(1)第一陶瓷封装体100
图1是第一陶瓷封装体100的截面图。
第一陶瓷封装体100具备绝缘基板1、多个导体层2、金属化层3、晶体振子4、CMOS图像传感器6、镀层8以及盖体10。第一陶瓷封装体100密封晶体振子4和CMOS图像传感器6。
绝缘基板1由上述陶瓷坯体构成。构成绝缘基板1的各成分的含量如以下所示。
·Al2O3：
82.0质量％以上且95.0质量％以下
·SiO2：
3.0质量％以上且8.0质量％以下
·MnO：
2.0质量％以上且6.0质量％以下
·以MoO3换算计的Mo的含量与Cr2O3的含量的合计：
4.0质量％以下
·剩余部分：
小于0.1质量％
如此，在本实施方式涉及的绝缘基板1中，剩余部分的含量被抑制为小于0.1质量％，因此各成分在不偏析地分散的状态下被均匀烧结，由此可抑制尺寸偏差。绝缘基板1的弯曲强度优选为700MPa以上。绝缘基板1的气孔率优选为3以下。
绝缘基板1具有底部1a和侧壁部1b。侧壁部1b配置在底部1a的外缘上。底部1a和侧壁部1b可以一体地形成。
各导体层2以贯通底部1a的方式设置。金属化层3配置在侧壁部1b的上表面。金属化层3形成为环状。金属化层3可通过以作为导体的W或Mo为主成分，并在其中添加若干陶瓷成分来构成。另外，本实施方式涉及的绝缘基板1和上述金属化层3可通过在包含氢、氮、水蒸气的还原气氛中同时烧成来制作。
晶体振子4是振子的示例。晶体振子4介由导电性粘结剂5与导体层2连接。CMOS图像传感器6是半导体元件的示例。CMOS图像传感器6介由引线接合7与导体层2连接。
镀层8配置于金属化层3的上表面。镀层8形成为环状。盖体10介由共晶Ag-Cu焊料9配置在镀层8上。盖体10堵塞侧壁部1b的开口。盖体10可由金属材料构成。
(2)第二陶瓷封装体200
图2是第二陶瓷封装体200的截面图。
第二陶瓷封装体200具备基台11、电子冷却元件12、光半导体元件13、多层电路基板14、框体15、密封环16、盖17、透光性窗构件18、管19、光纤连接管20a以及光纤20b。第二陶瓷封装体200密封光半导体元件13。第二陶瓷封装体200是所谓的光模块。
基台11形成为板状。基台11由铜钨等热传导率高的材料构成。电子冷却元件12配置在基台11上。光半导体元件13配置在电子冷却元件12上。
多层电路基板14配置在基台11的外缘上。多层电路基板14设置有在封装体外部露出的输入端子30a、30b和在封装体内部露出的输出端子31a、31b。从外部向输入端子30a输入正相信号。向输入端子30b输入与正相信号反相的反相信号。输入到输入端子30a的正相信号介由接合线13a从输出端子31a输出到光半导体元件13。输入到输入端子30b的反相信号介由接合线13b从输出端子31b输出到光半导体元件13。在以下的说明中，将正相信号和反相信号合并简称为差动信号。
框体15配置在多层电路基板14上。密封环16配置在框体15的上表面。密封环16是用于对盖17进行焊接的构件。密封环16及盖17分别可由将镍及钴配合于铁而成的科瓦合金等构成。
在形成于多层电路基板14与框体15之间的孔19a中嵌入有管19。管19收纳透光性窗部件18。透光性窗构件18由蓝宝石、玻璃等构成。管19连接有光纤连接管20a。管19及光纤连接管20a分别可由科瓦合金等构成。光纤连接管20a固定有光纤20b。
在此，图3是表示多层电路基板14的结构的分解立体图。
多层电路基板14具备6层电路基板14a～14f、第一信号线21a、22a、23a、第二信号线21b、22b、23b、接地层24a、24b、24c、接地导通孔25a、25b、25c以及接地端子26a、26b、26c。
各电路基板14a～14f由上述陶瓷坯体构成。构成各电路基板14a～14f的各成分的含量如以下所示。
·Al2O3：
82.0质量％以上且95.0质量％以下
·SiO2：
3.0质量％以上且8.0质量％以下
·MnO：
2.0质量％以上且6.0质量％以下
·以MoO3换算计的Mo的含量与Cr2O3的含量的合计：
4.0质量％以下
·剩余部分：
小于0.1质量％
如此，在本实施方式涉及的各电路基板14a～14f中，剩余部分的含量被抑制为小于0.1质量％，因此各成分在不偏析地分散的状态下被均匀烧结，由此可抑制尺寸偏差。各电路基板14a～14f的相对介电常数优选为8.0以上且9.0以下。各电路基板14a～14f的弯曲强度优选为390MPa以上。各电路基板14a～14f的气孔率可为3以上且8以下。
将6层的电路基板14a～14f依次层叠。在第6层的电路基板14f上设置有上述输入端子30a、30b和输出端子31a、31b。
第一信号线21a、22a、23a中的输入侧导通孔连接部21a构成为从第6层的电路基板14f至第3层的电路基板14c贯通的导通孔导体，将第一输入端子30a与层间布线部22a之间连接。第一信号线21b、22b、23b中的输入侧导通孔连接部21b构成为从第6层的电路基板14f至第5层的电路基板14e贯通的导通孔导体，将第二输入端子30b与层间布线部22b之间连接。
第一信号线21a、22a、23a中的输出侧导通孔连接部23a构成为贯通第6层电路基板14f至第3层电路基板14c的导通孔导体，将第一输出端子31a与层间布线部22a之间连接。第二信号线21b、22b、23b中的输出侧导通孔连接部23b构成为贯通第6层的电路基板14f至第5层的电路基板14e的导通孔导体，将第二输出端子31b与层间布线部22b之间连接。
在2条层间布线部22a、22b之间配置接地层24b。在设置有层间布线部22a的第1层电路基板14a上设置有接地层24a。在设置有层间布线部22b的第5层电路基板14e上设置有接地层24c。
接地层24a、24b、24c构成导电性的金属电极。接地层24a、24b、24c介由接地导通孔25a、25b、25c与第六层电路基板14f上的接地端子26a、26b、26c连接。
通过具有以上结构的多层电路基板14，输入到输入端子30a的正相信号介由第一信号线21a、22a、23a传输到输出端子31a后，介由接合线13a输出到光半导体元件13。另外，输入到输入端子30b的反相信号介由第二信号线21b、22b、23b传输到第二输出端子31b后，介由接合线13b输出到光半导体元件13。光半导体元件13通过从输出端子31a、31b输入的差动信号驱动，将激光信号输出至透光性窗构件18侧。从光半导体元件13输出的光信号通过光纤20b传输。
【实施例】
对于实施例1～17和比较例1～8涉及的陶瓷坯体，确认尺寸偏差、与烧成承烧板的贴附、翘曲、色相不均、弯曲强度和相对介电常数。
(样品的制作)
将各原料粉末以表1所示的比例混合，得到混合粉末。
在得到的混合粉末中混合作为有机成分的聚乙烯醇缩丁醛、叔胺和邻苯二甲酸酯(邻苯二甲酸二异壬酯：DINP)，进一步混合作为溶剂的IPA(异丙醇)和甲苯，制备浆料。
使用制备的浆料，利用刮板法制作厚度50～400μm的陶瓷带。将得到的陶瓷带切割成纵50mm×横50mm，排列在Mo制烧成承烧板上，以表1所示的烧成温度(最高温度)进行烧成(2小时)。由此，分别各制作100张实施例1～17和比较例1～8的烧成基板。应予说明，以表1所示的烧成温度进行烧成时的炉内的温度偏差在±5℃的范围内。
(尺寸偏差)
对于实施例1～17和比较例1～8，分别测定以表1所示的烧成温度进行烧成时的尺寸偏差。具体而言，使用尺寸测定装置测定烧成基板的外形尺寸，算出其平均值和标准偏差，将标准偏差除以平均值而得到的值作为尺寸偏差。表1中，将尺寸偏差小于0.20的情况评价为○，将尺寸偏差为0.20以上且小于0.50的情况评价为△，将尺寸偏差为0.50以上的情况评价为×。
(与烧成承烧板的贴附)
对于实施例1～17和比较例1～8，分别计数贴附于烧成承烧板而在陶瓷坯体中产生缺损的烧成基板的片数。在表1中，将1片都未产生缺损的情况评价为○，将1～4片产生缺损的情况评价为△，将5片以上产生缺损的情况评价为×。
(翘曲)
对于实施例1～17和比较例1～8，分别使用三维形状测定器测定烧成基板的翘曲量的平均值。在表1中，将翘曲量小于100μm的情况评价为○，将翘曲量为100μm以上且小于200μm的情况评价为△，将翘曲量为200μm以上的情况评价为×。
(色相不均)
对于实施例1～17和比较例1～8，分别使用实体显微镜观察烧制基板的色相不均。在表1中，将没有色相不均的情况评价为○，将有色相不均的情况评价为×。
(强度)
对于实施例1～17和比较例1～8，分别根据JIS R1601的3点弯曲强度试验，在室温下测定烧成基板的弯曲强度。
(相对介电常数)
对于实施例1～17和比较例1～8，分别按照JIS R1641的空腔共振法，在室温、频率10GHz下测定烧成基板的相对介电常数。
【表1】
Figure BDA0002904960050000131
在实施例1～17中，与比较例1～8相比，可抑制尺寸偏差、与承烧板的贴附、以及翘曲。其原因在于，将陶瓷坯体含有的除Al2O3、SiO2、MnO和着色剂(Mo或/及Cr2O3)以外的剩余部分的含量抑制为小于0.1质量％，因此各成分在不偏析地分散的状态下可被均匀烧结。应予说明，实验已经证实，在添加MgO、ZrO2、CaO和BaO以外的添加物的情况下，也可得到同样的结果。
另外，在使剩余部分的含量为0.07质量％以下的实施例1～9和12～17中，可进一步抑制翘曲。
另外，在使剩余部分的含量小于0.05质量％的实施例1～8和12～17中，可进一步抑制尺寸偏差。
另外，在使剩余部分的含量小于0质量％的实施例1～5和12～17中，不仅可抑制尺寸偏差，还可进一步抑制与承烧板的贴附。
另外，在将SiO2的含量相对于MnO的含量之比设为0.8以上且2.1以下的实施例1～15中，可使弯曲强度为700MPa以上。因此，可知1～15适合于需要强度的陶瓷封装体(例如，密封振子或半导体元件的陶瓷封装体)。
另外，在将SiO2的含量相对于MnO的含量之比设为1.9以上且3.5以下的实施例15～17中，可兼顾8.0以上且9.0以下的相对介电常数和390MPa以上的抗折强度。因此，可知实施例15～17适合于需要比较低的相对介电常数的陶瓷封装体(例如，密封光半导体元件的陶瓷封装体)。
【符号说明】
100 第一陶瓷封装体
1 绝缘基板
200 第二陶瓷封装体
6 多层电路基板
14a～14f 电路基板。

Claims (5)

1.一种陶瓷坯体，其特征在于，含有Al2O3、SiO2和MnO作为必需成分，含有Mo和Cr2O3中的至少一者作为任意成分，
Al2O3的含量为82.0质量％以上且95.0质量％以下，
SiO2的含量为3.0质量％以上且8.0质量％以下，
MnO的含量为2.0质量％以上且6.0质量％以下，
以MoO3换算计的Mo的含量与Cr2O3的含量的合计为4.0质量％以下，
剩余部分的含量小于0.1质量％。
2.根据权利要求1所述的陶瓷坯体，其中，
剩余部分的含量小于0.05质量％。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷坯体，其中，
SiO2的含量相对于MnO的含量之比为0.8以上且3.5以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的陶瓷坯体，其中，
所述陶瓷坯体的抗折强度为700MPa以上。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的陶瓷坯体，其中，
所述陶瓷坯体的10GHz下的相对介电常数为8.0以上且9.0以下，
所述陶瓷坯体的抗折强度为390MPa以上。
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