JP2000007425A - 高強度アルミナ基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２５０μｍ以上３５０μｍ以下の厚さを持ち、
かつ３点曲げ測定において５５ｋｇｆ／ｍｍ²以上の高
強度を有するアルミナ基板とその製造方法を提供する。 【解決手段】〔１〕焼結体の厚さが２５０μｍ以上３５
０μｍ以下であり、その厚さの試料を用い幅１０ｍｍ、
スパン３０ｍｍで測定した３点曲げ強度が５５ｋｇｆ／
ｍｍ²以上であるアルミナ基板。 〔２〕実質的に破面を有しない多面体一次粒子よりな
り、重量累積粒度分布の微粒側から累積５０％の粒径を
Ｄ５０としたとき、１／２・Ｄ５０〜２・Ｄ５０が９０
％以上であるアルミナを用い、焼結助剤として、酸化マ
グネシウムを添加し、テープキャスト法により成形し、
得られた成形体を焼結する〔１〕記載のアルミナ基板の
製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナ基板およ
びその製造方法、詳しくは電子回路基板等の用途に用い
られるアルミナ基板およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまで各種絶縁性セラミックスについ
て電子回路基板としての用途が開発されてきた。特に、
アルミナ基板は、電気絶縁性、機械的特性、化学的安定
性に優れ、また比較的安価なことから電子回路基板用セ
ラミックスの主流を占めている。近年、携帯電子機器な
どの発達に伴って電子回路の小型化が求められ、電子素
子のみならず基板の小型化、薄型化が求められている。
このため、取り扱い性の点などから、基板の高強度化が
求められている。

【０００３】従来、セラミック基板の製造には、主とし
てドクターブレード法と呼ばれる手法が用いられてき
た。この手法では、まず原料となるセラミックス粉末に
焼結助剤、有機溶剤、分散剤、バインダー、可塑剤等を
添加し、ボールミル等で粉砕・混合することにより均一
なスラリーを作製する。次に、有機溶媒を所定量除去
し、粘度を調整した後にドクターブレードによりグリー
ンシートに形成する。次に、グリーンシートを乾燥し、
これを所定形状に裁断し、さらに焼成して目的とするセ
ラミック基板を得る。

【０００４】しかし、これら従来の技術において製造さ
れる基板の厚さは、０．６ｍｍが標準であり、たとえば
０．３ｍｍ程度の薄い基板を工業的に作製することは困
難であった。これは、原料として用いているアルミナの
粒径や形状が不均一であるため、ドクターブレードによ
るシート形成中にシート切れと呼ばれる現象が生じた
り、あるいはグリーンシート中における粒子のパッキン
グが不均一性であるために焼結時に局所的な収縮による
反りや歪みが生じたりすることによる。

【０００５】この反りや歪みは、基板厚さが小さくなる
ほど顕著となるため、より薄い基板が必要とされる場合
には、標準厚みの基板を焼成後、研削により厚みを調整
する必要があった。

【０００６】また、従来の技術によって作製されるアル
ミナ基板の強度は、理論値と比較して小さく、３点曲げ
強度で４０ｋｇｆ／ｍｍ²程度であり、ばらつきも大き
いものであった。これは、ドクターブレード法では、多
量の溶剤やバインダーなどの有機物を添加してシート成
形するため、グリーンシート中に多量の有機物が残存す
るためである。焼成時に脱脂と称してこれらの有機物が
焼失するような処理を加えるが、最適な脱脂を行った場
合でも通常の粉末プレス成形のような高充填率の成形体
が得られるわけではない。したがって、焼結後の基板内
部にもポアと呼ばれる空孔（欠陥）が多量に存在し、こ
れが基板強度を落としめる原因となっていた。

【０００７】また、高密度化および高強度化のために、
酸化マグネシウム、酸化カルシウム、シリカ等の焼結助
剤を添加する方法が一般的に用いられている。しかし、
これらの粉末は凝集粒子を含み、これが欠陥の原因にな
り、強度が低下する問題が発生していた。

【０００８】基板の高強度化の手法として、微粒アルミ
ナを原料として作製したシートを水素雰囲気で焼成する
方法（特開昭６１−１２７６６０号公報）、微粒アルミ
ナを原料として作製した低密度焼結体を熱間圧延する方
法（特開平５−２２８９１４号公報）等が開示されてい
るが、これらの方法ではそれぞれ水素焼結炉、約１００
０℃での高温熱間圧延機のような特殊な装置が必要とさ
れるために量産性やコストの面で問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、これ
らの従来の基板製造法の欠点を克服して、２５０μｍ以
上３５０μｍ以下の厚さを持ち、かつ３点曲げ測定にお
いて５５ｋｇｆ／ｍｍ²以上の高強度を有するアルミナ
基板とその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来以上
に薄く、かつ従来以上の高強度を有する基板の製造法に
ついて研究を続けてきた。本発明者らは、そのような基
板を得るためには、基板内部の欠陥生成を抑制すること
が有効であり、粒度分布の狭い、形状の均一なアルミナ
粒子を原料とし、焼結助剤として粒径の小さい、凝集粒
子のない酸化マグネシウムを添加することによりこれら
の課題が解決できることを見出し、本発明を完成させる
に至った。

【００１１】すなわち、本発明は、〔１〕焼結体の厚さ
が２５０μｍ以上３５０μｍ以下であり、その厚さの試
料を用い幅１０ｍｍ、スパン３０ｍｍで測定した３点曲
げ強度が５５ｋｇｆ／ｍｍ²以上であるアルミナ基板に
係るものである。さらに、本発明は、〔２〕実質的に破
面を有しない多面体一次粒子よりなり、重量累積粒度分
布の微粒側から累積５０％の粒径をＤ５０としたとき、
１／２・Ｄ５０〜２・Ｄ５０が９０％以上であるアルミ
ナを用い、焼結助剤として、酸化マグネシウムを添加
し、テープキャスト法により成形し、得られた成形体を
焼結する〔１〕アルミナ基板の製造方法に係るものであ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に本発明を詳細に説明する。本
発明における焼結体の厚さは、研削、研磨等の処理を施
さずに、焼結後のアルミナ基板をそのまま測定したもの
である。また、本発明における基板の３点曲げ強度は、
０．３ｍｍ程度の厚み、１０ｍｍ程度の幅、５０ｍｍ程
度の長さを有する基板をスパン間距離３０ｍｍで測定し
て得られたものである。すなわち、あらかじめグリーン
シートを１２ｍｍ幅に切断し、焼結した後にそのまま３
点曲げ試験を行ったもの、もしくは焼結基板を１０ｍｍ
に切断し、そのまま強度試験に用いたものであり、研
削、研磨、エッジの丸め処理などを施さずに得られた強
度値である。

【００１３】本発明の基板を製造するアルミナ原料とし
ては、実質的に破面を有しない多面体一次粒子よりな
り、重量累積粒度分布の微粒側から累積５０％の粒径を
Ｄ５０としたとき、１／２・Ｄ５０〜２・Ｄ５０が９０
％以上であるアルミナが好ましい。例えば住友化学工業
株式会社製の商品名スミコランダムを挙げることができ
る。

【００１４】該スミコランダムでは、平均一次粒子径
は、０．１〜３０μｍの範囲で任意に選べるが、高強度
基板の原料としては粒子径の小さいものが適している。
すなわち、原料アルミナの粒子径が大きい場合、焼結基
板の平均粒子径もそれに伴い大きくなり、基板強度が低
下する。一方、０．１μｍ等の極めて微細なアルミナ粒
子は、有機溶剤中で均一に分散させることが難しく、そ
の結果基板内部に空孔（欠陥）が生じ、基板強度が低下
する。したがって、本発明で用いるアルミナ原料粉末と
しては、平均粒径が好ましくは０．３〜０．７μｍ、さ
らに好ましくは０．４〜０．５μｍであり、形状の揃っ
た多面体アルミナ粒子が用いられる。

【００１５】上記の製造方法で得られるアルミナ粒子に
焼結助剤を加えることにより焼結時の粒成長を抑制しつ
つ緻密な焼結基板を得ることができる。焼結助剤として
は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を例示することがで
きる。その添加量は、助剤の種類によって異なるが、Ｍ
ｇＯの場合は、アルミナに対して好ましくは１００〜２
０００ｐｐｍ程度であり、さらに好ましくは３００〜１
０００ｐｐｍである。

【００１６】酸化マグネシウムは、凝集粒がないものを
用いることが好ましい。凝集粒を多く含む酸化マグネシ
ウムを用いると、それが欠陥の原因になり、強度が低下
してしまうので好ましくない。酸化マグネシウムとして
は、平均粒径が０．１μｍ以上１μｍ以下のものを用い
ることができる。特に限定はされないが、例えば、宇部
マテリアル(株)の商品名５００Ａ等を用いることができ
る。

【００１７】また、粒径が大きいものでも粉砕して用い
ることができる。通常は、アルミナ粉末と酸化マグネシ
ウム粉末を混合、ボールミル等により混合粉砕を行う
が、これでは、酸化マグネシウムの添加量が少ないの
で、十分粉砕することが難しい。このため、酸化マグネ
シウムのみを湿式の方法で粉砕し、これを添加すること
により、高強度のアルミナ基板が得られるので好まし
い。この場合の粉砕方法としては、限定はされないが、
湿式でメデイアを用いる方法、例えば、ボールミル、ア
トライター、パールミル、ダイノーミル等を用いること
ができる。用いる溶媒としては、ドクターブレードの用
いる有機溶媒が好ましい。該溶媒として、例えば、トル
エン、アルコール類、ケトン類、エーテル類等を例示す
ることができる。必要であれば、分散剤として、ポリエ
ステル系、ノニオン系、カチオン系の界面活性剤を用い
ることができる。

【００１８】次に、アルミナ粒子と焼結助剤に、有機溶
剤、分散剤、バインダー、可塑剤等を添加し、ボールミ
ル等で粉砕、混合することにより均質なスラリーを作製
することができる。該有機溶剤としては、トルエン、ア
ルコール類、ケトン類、エーテル類等を例示することが
できる。該分散剤としては、ポリエステル系、ノニオン
系、カチオン系等の界面活性剤を例示することができ
る。また、該バインダーとしてはポリビニルブチラー
ル、ポリビニルアルコール、アクリル系ポリマー等を例
示することができ、該可塑剤としては、フタル酸エステ
ル、トリオレイン、脂肪酸エステル等を例示することが
できる。

【００１９】これらの原料を混合し、ボールミル等で混
合、攪拌することにより均質なスラリーを調製すること
ができる。本発明で用いられるアルミナ原料は、粒度な
らびに形状が揃い、粗大粒や微粒が存在しないために分
散は容易であり、容易に均質なスラリーを調製すること
が可能である。

【００２０】得られたスラリーから脱気処理等により溶
媒除去ならびに脱泡を行い、粘度を調整した後に、ドク
ターブレードによりグリーンシートを形成する。本発明
で使用するアルミナ原料は、微粒子を含まないため、溶
媒除去による粘度上昇が緩慢であり、グリーンシート形
成に適した粘度に達するまでに、通常のアルミナを用い
たとき以上に溶媒を除去することが可能である。このこ
とおよびアルミナ粒子の粒度ならびに形状が整っている
ことから、グリーンシート中のアルミナ粒子の充填性は
優れており、また気泡や粗粒に起因する欠陥の大きさが
小さくまた数も少ない優れたグリーンシートを得ること
ができる。また、スラリー中に微粒子を含まないため、
粘度上昇時にチクソトロピックな挙動を示すことがな
く、粗大粒が存在しないことと相まって薄いシート作製
時にもシート切れと呼ばれる現象が起こることは少な
い。

【００２１】このグリーンシートを乾燥後、所定の大き
さに切断し、空気中で焼結させることにより所望の基板
を得ることができる。グリーンシートの脱脂のために仮
焼を行った後、所定の温度で焼結させることによりアル
ミナ基板が得られる。脱脂の温度は、好ましくは５００
℃程度、焼結温度は、好ましくは１４００〜１７００
℃、さらに好ましくは１５００〜１６００℃である。該
焼結温度が１４００℃よりも低いと焼結が進行せず、基
板強度が向上しない。一方、該焼結温度が１７００℃を
超えると、粒成長が過剰に進行するためにやはり基板強
度が低下する。

【００２２】上記手法で製造したアルミナ基板の密度
は、条件によって変化するが、好ましくは３．８５ｇ／
ｃｍ³以上であり、さらに好ましくは３．９０ｇ／ｃｍ³
以上であり、特に好ましくは３．９５ｇ／ｃｍ³以上で
ある。アルミナの理論密度は、３．９９ｇ／ｃｍ³であ
るので、上記手法により製造された基板は、好ましくは
９６．５％以上、さらに好ましくは９７．７％以上、特
に好ましくは９９．０％以上の密度を有する。基板の密
度は、基板内部の空孔（欠陥）にほぼ規定され、したが
って本発明の基板は、充分に高い充填率をもち、欠陥に
起因する強度低下が小さいことと対応する。また、上記
手法で製造したアルミナ基板の焼結体粒径は、条件によ
って変化するが、好ましくは５μｍ以下、さらに好まし
くは３μｍ以下である。焼結体強度は、焼結体粒径が小
さい方が一般的に高くなる。本発明のアルミナ基板の製
造方法によると、多面体粒子を用い、さらに微粒の酸化
マグネシウムを用いることにより焼結体粒径が小さな基
板を製造することができる。

【００２３】上記手法で製造したアルミナ基板は、高密
度であり、また内部欠陥が少ない。さらに粒径の揃った
アルミナを原料とするため、焼結基板中の粒子径も均一
であり、強度を低下させる大径の粒子が成長することも
ない。したがって、破壊の起点となる欠陥が少なく、基
板強度は優れたものとなる。基板幅約１０ｍｍ、長さ約
５０ｍｍ、厚さ約０．３ｍｍの短冊型試験片を用いたス
パン３０ｍｍで測定した３点曲げ強度試験では６０ない
し７０ｋｇｆ／ｍｍ²の強度値を示し、ばらつきも小さ
い。

【００２４】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れに限定されるものではない。実施例における物性測定
は、以下の方法により行なった。酸化マグネシウムの粒
径は、マルバーン社製マスターサイザーＭＳ２０により
測定した。アルミナ粒子の粒度分布は、島津製作所
（株）製のセデイグラフ５０００ＥＴで測定した。密度
測定は、水を用いたアルキメデス法により測定した。３
点曲げ強度は、島津製作所製オートグラフＤＳＳ−５０
０とＪＩＳ規格の測定治具を用いて測定した。ただし、
測定試料としては、幅１０ｍｍ、厚さ３ｍｍ程度の短冊
状基板を用い、スパン３０ｍｍで測定した。

【００２５】実施例１ 本実施例で用いた均一な粒径ならびに形状を持つ多面体
のα−アルミナ粒子からなる粉末（以下、多面体α−ア
ルミナ粉末と称する）は、住友化学工業（株）製スミコ
ランダムＡＡ０４を用いた。１／２・Ｄ５０〜２・Ｄ５
０は９２％だった。酸化マグネシウムは、宇部マテリア
ルの商品名５００Ａを用いた。該酸化マグネシウム粉末
の粒径は、０．４μｍであった。

【００２６】平均粒径０．４μｍの多面体α−アルミナ
粉末９９．９５重量％、酸化マグネシウム０．０５重量
％、粉末１００重量部に対してトルエン６１．５重量
部、エタノール１７．９重量部、シクロヘキサノン８．
６重量部、テキサホール３１１２（サンノプコ（株）
製：ポリエステル系分散剤）２重量部をボールミルで１
６時間混合し、さらにポリビニルブチラール（積水化学
（株）製：商品名ＢＬ−Ｓ）を７．２重量部、ジブチル
フタレート３．６重量部を添加し、ボールミルで６時間
混合し、均質なスラリーを得た。溶媒除去によりスラリ
ーの粘度を調整した後、ドクターブレード法により製膜
した。

【００２７】空気中、室温で９６時間乾燥した後、所定
の大きさに切断した。強度試験用としては、幅１２ｍｍ
で切断した。これを電気炉で空気雰囲気で焼成した。５
００℃で１時間の脱脂を行い、その後１５５０℃で１時
間焼成した。

【００２８】得られたアルミナ薄板焼結体の厚さは、平
均０．２８ｍｍ、密度は３．９７ｇ／ｃｍ³、焼結体粒
径は２．１μｍだった。この試料の３点曲げ強度を測定
したところ、６２ｋｇｆ／ｍｍ²の値が得られた。用い
た原料と得られた結果を表１に示す。

【００２９】実施例２ 酸化マグネシウムとして宇部マテリアルの商品名５００
Ａをエタノール中で６ｈｒボールミルし粒径を０．３８
μｍにしたものを用いた以外は、実施例１と同様の方法
でアルミナ基板を作製した。用いた原料と得られた結果
を表１に示す。

【００３０】実施例３ 平均粒径０．５μｍの商品名スミコランダムＡＡ０５を
用いた以外は実施例１と同様の手法で製膜した。ＡＡ０
５の１／２・Ｄ５０〜２・Ｄ５０は９３％であった。得
られた基板を１６００℃で焼成した。基板の厚さは、
０．３２ｍｍ、密度は３．９８ｇ／ｃｍ³、焼結体粒径
は４．０μｍ、３点曲げ強度は６１ｋｇｆ／ｍｍ²であ
った。用いた原料と得られた結果を表１に示す。

【００３１】実施例４ 酸化マグネシウムとして、神島化学(株)の商品名ＨＰ−
３０をエタノール中６ｈｒボールミルにより粉砕、粒径
を０．５μｍのものを用いた以外は実施例１と同様の方
法でアルミナ基板を作製した。曲げ強度は６１ｋｇ／ｍ
ｍ²であった。用いた原料と得られた結果を表１に示す。

【００３２】実施例５ 酸化マグネシウムの添加量を３００ｐｐｍにした以外は
実施例４と同様の方法でアルミナ基板を作製した。用い
た原料と得られた結果を表１に示す。

【００３３】実施例６ 酸化マグネシウムの添加量を１０００ｐｐｍにした以外
は実施例４と同様の方法でアルミナ基板を作製した。用
いた原料と得られた結果を表１に示す。

【００３４】比較例１ 住友化学工業（株）製高純度アルミナ粉末ＡＫＰ−２０
（粒径０．４μｍ）を原料とし、その他は実施例１と同
様にして製膜し、１６００℃で焼結した。ＡＫＰ２０の
１／２・Ｄ５０〜２・Ｄ５０は８６％だった。得られた
基板の強度は、３５ｋｇｆ／ｍｍ²であった。用いた原
料と得られた結果を表１に示す。

【００３５】比較例２ 昭和電工（株）製高純度アルミナ粉末商品名ＵＡ５０５
５（粒径：０．６μｍ）を原料とし、その他は実施例１
と同様にして製膜し、１６００℃で焼結した。得られた
基板の強度は５１ｋｇｆ／ｍｍ²であった。用いた原料
と得られた結果を表１に示す。

【００３６】比較例３ 大明化学（株）社製商品名タイミクロンＴＭ−ＤＡＲ
（粒径０．１μｍ）を原料とし、その他は実施例１と同
様にして製膜したが、乾燥中クラックが発生し、基板を
得ることはできなかった。用いた原料と得られた結果を
表１に示す。

【００３７】比較例４ 酸化マグネシウムとして、神島化学(株)の粒径４μｍの
商品名ＨＰ―３０をそのまま用いた以外は実施例１と同
様にして製膜し、１６００℃で焼結した。得られた基板
の強度は４５ｋｇｆ／ｍｍ²であった。用いた原料と得
られた結果を表１に示す。

【００３８】比較例５ アルミナとして住友化学工業（株）製の商品名スミコラ
ンダムＡＡ１（平均粒径：１μｍ）を用いた以外は実施
例４と同様にして製膜し、１７００℃で焼結した。得ら
れた基板の焼結体粒径は９μｍ、強度は３０ｋｇｆ／ｍ
ｍ²であった。用いた原料と得られた結果を表１に示す。

【００３９】比較例６ 酸化マグネシウムの添加量を５０ｐｐｍにした以外は実
施例１と同様の方法でアルミナを基板を作製した。得ら
れた基板焼結体粒径は７μｍ、強度は４６kg／ｃｍ²で
あった。用いた原料と得られた結果を表１に示す。

【００４０】比較例７ 酸化マグネシウムの添加量を３０００ｐｐｍにした以外
は実施例１と同様の方法でアルミナ基板を作製した。用
いた原料と得られた結果を表１に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、機械的強度に優れ、か
つ従来では作製困難であった高純度薄板アルミナ基板が
得られ、電子回路形成用基板の小型化などにおいて顕著
な効果を奏する。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焼結体の厚さが２５０μｍ以上３５０μｍ
   以下であり、その厚さの試料を用い、幅１０ｍｍスパン
   ３０ｍｍで測定した３点曲げ強度が５５ｋｇｆ／ｍｍ²
   以上であることを特徴とするアルミナ基板。
2. 【請求項２】実質的に破面を有しない多面体一次粒子よ
   りなり、重量累積粒度分布の微粒側から累積５０％の粒
   径をＤ５０としたとき、１／２・Ｄ５０〜２・Ｄ５０が
   ９０％以上であるアルミナを用い、焼結助剤として、酸
   化マグネシウムを添加し、テープキャスト法により成形
   し、得られた成形体を焼結することを特徴とする請求項
   １記載のアルミナ基板の製造方法
3. 【請求項３】実質的に破面を有しない多面体一次粒子よ
   りなり、重量累積粒度分布の微粒側から累積５０％の粒
   径をＤ５０としたとき、１／２・Ｄ５０〜２・Ｄ５０が
   ９０％以上であるアルミナのＤ５０が０．３μｍ以上
   ０．７μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の
   アルミナ基板の製造方法
4. 【請求項４】酸化マグネシウムの粒径が０．１μｍ以上
   １μｍ以下であることを特徴とする請求項２または３記
   載のアルミナ基板の製造方法
5. 【請求項５】焼結助剤として、あらかじめ湿式粉砕した
   酸化マグネシウムを用いることを特徴とする請求項２、
   ３または４記載のアルミナ基板の製造方法