JP2002121066A

JP2002121066A - アルミナ質焼結体及びその製造方法

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Publication number: JP2002121066A
Application number: JP2000309786A
Authority: JP
Inventors: Yoshitake Terashi; 吉健寺師
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-23
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: JP4808837B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高純度アルミナ原料を用いることなく、周波数
６０ＧＨｚにおける誘電損失を確実に２×１０^-4以下と
することができるとともに、生産性及び焼結性の高いア
ルミナ質焼結体とその製造方法を提供する。【解決手段】アルミナ結晶を主体とする焼結体からな
り、周波数６０ＧＨｚにおける誘電損失（ｔａｎδ）が
２×１０^-4以下であることを特徴とするものであり、特
に、ミラー指数表示の（００６）面の配向度が６０％以
上であることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波ＩＣ基板、
ＩＣパッケージ、誘電体共振器、高周波導波路、高周波
コンデンサ、誘電体アンテナ等の電気通信分野またはマ
イクロ波透過窓等の核融合関係設備分野などの高周波用
として好適に利用されるアルミナ質焼結体に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、通信網の発達にともなって、使用周
波数がマイクロ波やミリ波領域などの高周波領域に及び
つつある。誘電体磁器は、これらの高周波領域におい
て、集積回路基板や、共振器、アンテナ、各種高周波回
路のインピーダンス整合等に応用されている。特に、フ
ィルタやガンまたはＦＥＴマイクロ波発信器の周波数安
定化のために必要となり、その需要が増大している。

【０００３】例えば、通信用ＭＭＩＣ基板やＭＭＩＣパ
ッケージ、マイクロ波コンデンサ、マイクロ波通信用装
置用部品、ミリ波通信用装置用部品、核融合及び高エネ
ルギー粒子加速装置のマイクロ波透過窓に用いられるア
ルミナ質焼結体では、誘電損失（以下、ｔａｎδと言う
ことがある）は６０ＧＨｚ以上のミリ波帯において２×
１０^-4以下であることが求められる。

【０００４】このようなアルミナ質焼結体としては、従
来、誘電損失を２×１０^-4以下にするために、不純物の
含有量を元素基準のｐｐｍ単位で、Ｓｉを８０ｐｐｍ以
下、Ｍｇを６０ｐｐｍ以下、Ｓｉ／Ｍｇを１〜５、かつ
他の金属やアルカリ成分等を総量７０ｐｐｍ以下とした
アルミナ質焼結体が特開平１−２１３９１０号公報で提
案されている。

【０００５】また、特開平４−３５６９２２号公報で
は、マイクロ波透過窓として、マイクロ波を透過させる
性質を持たせるため、含有しているアルカリ金属（Ｎａ
₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ）の総量を１５０ｐｐｍ以下に抑制し、マイ
クロ波帯の誘電損失を２×１０^-3以下としたアルミナ質
焼結体が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
は高純度アルミナ原料（純度９９．９９９％程度）を用
いた場合、マイクロ波帯の１０ＧＨｚ程度の周波数にお
いて誘電損失が２×１０ ^-4以下になったとしても、ミリ
波帯の６０ＧＨｚの誘電損失が２×１０^-4以下にならな
いという問題があった。

【０００７】また、特開平１−２１３９１０号公報に開
示されるアルミナ質焼結体では、アルカリ金属酸化物以
外の不純物含有量も減少させ、全体的に磁器を高純度化
させる必要があるため、生産性が低下するという問題が
あった。さらに焼成温度が高くなりがちであった。

【０００８】さらに、特開平４−３５６９２２号公報に
開示されるアルミナ質焼結体では、低誘電損失化させる
ためアルカリ金属（Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ）総量を抑制してい
るが、この場合でも必ずしも２×１０^-4以下の誘電損失
を達成できるとは限らないという問題があった。

【０００９】従って、本発明は、高純度アルミナ原料を
用いることなく、周波数６０ＧＨｚにおける誘電損失を
確実に２×１０^-4以下とすることができるとともに、生
産性及び焼結性の高いアルミナ質焼結体とその製造方法
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、アルミナ結晶
を配向させ、特定の方向に結晶面を配列させることによ
って、低誘電損失が実現できるという知見に基づくもの
で、アルミナ原料の純度が９９．９％以下であっても、
高温焼成や加圧焼成を行わない場合でも、また、焼結助
剤を用いた場合でも、サファイアと同等の誘電損失を実
現したものである。

【００１１】即ち、本発明の高周波用アルミナ質焼結体
は、アルミナ結晶を主体とする焼結体からなり、測定周
波数６０ＧＨｚにおける誘電損失（ｔａｎδ）が２×１
０^-4以下であることを特徴とするものである。

【００１２】これにより、高周波領域、特にミリ波帯で
の基板材料として好適に用いることができる。

【００１３】特に、誘電率がある方向に対して平行な方
向と垂直な方向で異なることが好ましい。これにより、
基板の使用目的に合わせて、誘電率を所望の値に制御す
ることができる。

【００１４】また、前記アルミナ結晶が特定方向に配向
していることが好ましい。これにより、特定の方向に誘
電率と低誘電損失との特性を制御することができる。

【００１５】さらに、ミラー指数表示の（００６）面の
配向度が６０％以上であることが好ましい。これによ
り、誘電損失の原因となる高周波でのイオン振動の総和
を低減することができ、また、電力の経路の一つとなる
粒界の面積も低減できるため総合的に誘電損失が低減で
きる。

【００１６】また、開気孔率が４％以下であることが好
ましい。これにより、ボイド中に、例えば水分の付着を
極力低減することができ、水による誘電損失の増大を抑
制できる。

【００１７】さらに、前記アルミナ結晶の粒界相にＭｇ
Ｏ、Ｍｎ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＡｌ₂Ｏ₄、Ｚｎ₂Ｓ
ｉＯ₄、周期律表３ａ族元素酸化物の結晶相の群から選
ばれる少なくとも１種がが存在することが好ましい。こ
れにより、誘電損失の増大を最小限に抑制することがで
き、焼結性が高められ、かつ焼結性改善効果により配向
性が向上する。また、本発明のアルミナ質焼結体の製造
方法は、粒子径が０．５〜１０μｍのアルミナ粉末を含
むスラリーに、１テスラ以上の磁場を印加させてアルミ
ナ粉末を配向させ、その配向を維持したままの状態で成
形体を作製し、焼成することを特徴とするものである。
これにより、高度の配向したアルミナ質焼結体を実現す
ることにより、高周波領域において低誘電損失を有する
セラミックスを実現できる。

【００１８】特に、純度が９９〜９９．９％であるアル
ミナ粉末を原料として用いることが好ましく、これによ
り、低コストで高信頼性のアルミナ質焼結体を実現でき
る。

【００１９】また、前記スラリーに、焼結助剤として周
期律表３ａ族元素酸化物、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂、Ｍｎ
₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、ＺｎＯ及びＳｉＯ₂の群から選ばれる少
なくとも１種を添加することが好ましい。これにより、
焼成温度を低下させることができ、また、誘電損失を低
下させずに緻密なアルミナ質焼結体を実現することがで
きる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明のアルミナ質焼結体は、周
波数６０ＧＨｚにおける誘電損失が２×１０ ^-4以下であ
ることが重要であり、特に１×１０^-4以下、さらには
０．８５×１０ ^-4以下であることが好ましい。ミリ波領
域において、低い誘電損失を有するアルミナ焼結体は、
その表面及び／又は内部に配線層を有する配線基板とし
て好適に使用することができる。

【００２１】従来のアルミナ焼結体は、１０ＧＨｚ程度
の周波数で誘電損失が１×１０^-4以下である高純度アル
ミナであっても、周波数と共にｔａｎδが上昇し、６０
ＧＨｚでは２×１０^-4を越えてしまう。そこで、本発明
は、結晶粒子の配向を利用することによって、低誘電損
失を実現したものである。その理由は明確ではないが、
粒子配向により原子配列が焼結体全体にわたって均一化
し、高周波においてのエネルギー損失が低下したものと
考えられる。

【００２２】さらに、本発明によれば、７７ＧＨｚにお
いても６０ＧＨｚとほぼ同一の低誘電損失を示し、この
周波数帯でも基板として好適に用いることができる。

【００２３】なお、配向度は、２θ＝１０〜８０°のＸ
線回折スペクトルにおいて、ｈ、ｋ及びｌを整数とした
とき、ａ軸に平行な面（ｈ，ｋ，０）とｃ軸に平行な面
（０，０，ｌ）についてのピーク強度から以下の式で与
えられる。ｃ面（０，０，ｌ）の配向度（％）＝Ｉ
（０，０，ｌ）／（Ｉ（０，０，ｌ）＋Ｉ（ｈ，ｋ，
０））×１００ただし、Ｉ（０，０，ｌ）、Ｉ（ｈ，
ｋ，０）は２θ＝１０〜８０°の範囲において最もピー
ク強度の高いピークの強度を意味する。

【００２４】また、本発明によれば、アルミナ焼結体に
おいて、ある方向を考慮したとき、その方向に対して平
行な方向と垂直な方向とでアルミナ焼結体の誘電率が異
なることが好ましい。これは、基板の使用目的により低
誘電率が必要な場合と、高誘電率が必要な場合があるか
らである。即ち、伝送ロスを低減する必要がある場合、
低誘電率にすれば良く、また、基板サイズの縮小やコン
デンサ内蔵の必要な場合、高誘電率が有利なことがある
からである。

【００２５】これを実現するため、特に、アルミナ焼結
体が、特定の方向に粒子配向してなることが好ましい。
アルミナ粒子が配向していることにより、低誘電率と高
誘電率とを制御することができる。例えば、アルミナ焼
結体の誘電率を８〜１１の間で所望の値に設定でき、低
伝送ロスの目的で誘電率を８にしたり、基板サイズの縮
小やコンデンサ内蔵の目的で誘電率を１１にすることが
可能となる。

【００２６】なお、粒子配向の方向は、いずれの結晶方
向であっても誘電損失の改善が見られたが、特に、ミラ
ー指数表示で（００６）面に配向していることが誘電損
失を低減できる点で好ましく、また、その配向度が６０
％以上になることが製造時に安定性した誘電率を得やす
いことから、好ましい。

【００２７】また、本発明によれば、アルミナ質焼結体
は、誘電損失の低下を防ぐために緻密であることが好ま
しく、開気孔率が４％以下、特に２％以下、さらには１
％以下であることが好ましい。空気中には水分が含まれ
ており、水が開気孔の内壁面に吸着し、その吸着水があ
たかもセラミックスの一部として振る舞い、ｔａｎδを
上昇させてしまうため、開気孔率を上記の値にすること
で、低いｔａｎδを保持できる。

【００２８】さらに、アルミナ結晶の粒界には、Ｍｇ等
の周期律表２ａ族及びＹ等の３ａ族元素、Ｔｉ、Ｍｎ、
Ｓｉ、Ｂ、Ｚｎ等が、酸化物やガラス等の粒界相として
残留していても差し支えない。その場合の含有量は、各
々の含有量が０．１〜１５重量％、特に０．２〜１０重
量％、さらには０．３〜５重量％であることが好まし
い。この範囲であれば、低誘電損失を保ったまま、開気
孔率を４％以下にすることが容易になる。

【００２９】また、粒界相としては、ＭｇＯ、Ｍｎ
₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＡｌ₂Ｏ₄、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、周
期律表３ａ族元素酸化物の結晶相のうち少なくとも１種
が存在することが好ましい。これらの結晶相は、誘電損
失に対する影響が少なく、低誘電損失を維持できる。こ
れらの中でも、特に、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄及びＺｎＡ
ｌ ₂Ｏ₄が、低誘電損失のために好ましい。

【００３０】このようなアルミナ質焼結体は、高い配向
性を有することにより、６０ＧＨｚや７７ＧＨｚの周波
数において低誘電損失であり、特にミリ波帯の配線基板
として好適に用いることができる。

【００３１】次に、本発明のアルミナ質焼結体を製造す
る方法について述べる。

【００３２】まず、出発原料として、不純物の総量が
０．０１〜１重量％以下のアルミナ粉末を準備する。即
ち、純度９９．９９〜９９重量％のアルミナ粉末を準備
する。不純物は、Ａｌ及び焼結助剤以外の金属を意味
し、不純物の総量を０．０５〜０．５重量％にすること
が好ましい。したがって、市販の９９．９％の原料を使
用することが好ましい。この不純物は０．０１重量％未
満ではアルミナ原料自体が高価になり、高コストを招く
危険があるためであり、また１重量％を越えると誘電損
失が２×１０^-4を越えやすくなる傾向にあるためであ
る。

【００３３】また、このアルミナ粉末の平均粒径は、
０．５〜１０μｍであることが、成形性及び成形体の充
填率向上のために重要であり、特に、０．５〜５μｍ、
さらには０．７〜３μｍが、磁場中で再配列しやすくな
り、配向性を高めることができる点で好ましい。また、
結晶型は特に制限はないが、コストと入手のしやすさで
α型を用いることが好ましい。

【００３４】次に、上記アルミナ粉末に、焼結性を高め
るため、所望により、周期律表第２ａ族元素酸化物、周
期律表３ａ族元素酸化物、ＴｉＯ₂、Ｍｎ₂Ｏ₃、Ｂ
₂Ｏ₃、ＺｎＯ及びＳｉＯ₂の群から選ばれる少なくとも
１種をを１〜１５重量％、特に３〜１２重量％、さらに
は５〜１０重量％の割合で添加することができる。これ
らの中でも、焼結性を高め、優れた誘電体特性を得るた
め、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＭｇＯが好ましい。

【００３５】なお、これらの酸化物は焼結を促進し、焼
成温度を低下させることができるが、Ｂ₂Ｏ₃及び／又は
ＺｎＯとＳｉＯ₂とは粒界にガラス相や結晶相を形成
し、焼結を促進して緻密化を実現する点で、これらの２
種を組み合わせて用いることが好ましい。

【００３６】これらの粉末に有機溶剤と、所望により分
散剤や結合剤を添加し、ボールミル等により混合又は粉
砕し、スラリーを作製する。原料粉末は、磁場中で再配
列しやすいように３μｍ以下、特に１μｍ以下、さらに
は０．５μｍ以下にすることが好ましく、また、粒子の
アスペクト比を３以下、特に２以下にすることが好まし
い。

【００３７】その後、スラリーを用いて磁場中で成形す
ることが重要であり、特に５テスラ、さらには１０テス
ラ以上が好ましい。これは、磁場中でアルミナ結晶を回
転させて配向度を高めるためである。

【００３８】そして、このスラリーを用いて高磁場中で
アルミナ結晶粒子を配向させながら成形することが重要
である。磁場は、アルミナが非磁性体で磁化異方性が小
さいため、１テスラ（以下、Ｔで表す）以上の磁場を用
いることが必要である。印加する磁場が１Ｔ未満のと
き、アルミナの磁化率異方性が非常に小さいため十分に
配向されず、例えば、極めて小さな粒子は配向が可能で
あるものの、市販で量産用原料では配向が起こりにく
く、また、微粒子は扱いにくいため、実際の工程を考慮
して１Ｔ以上の磁場を用いることが重要であり、特に５
Ｔ以上、好ましくは９Ｔ以上が効率性と、より大きな粒
子を配向させるために好ましい。

【００３９】なお、磁場発生装置は、特に制限されるも
のではなく、一般の超伝導磁石を備えた装置を使用する
ことができるが、磁場は平行磁場であることが、配向度
を高める点で好ましい。

【００４０】また、スラリーを用いて磁場中で成形する
には、磁場発生装置内でドクターブレード法、カレンダ
ーロール法、圧延法、押し出し成形法、鋳込み成型法、
射出成形法等の周知の成形方法を用いることができる。
特に、低粘度のスラリーを成形させるためにはドクター
ブレード法などいわゆるテープ成形法あるいは石膏など
の型を用いる鋳込み成形又は射出成形が望ましい。さら
に、アルミナ質焼結体を多層配線基板等に用いる場合、
磁場中においてテープ成形を行うことが好ましい。

【００４１】得られた成形体は、周知の焼成方法により
焼成することができる。本発明によれば、ホットプレス
のような非酸化性雰囲気中での加圧焼成は必要が無く、
また、高純度アルミナ焼結体のように高温焼成は必要が
無く、大気中、１５００〜１７００℃、特に１５５０〜
１６５０℃の温度範囲で容易に焼成し、配向性の高いア
ルミナ焼結体を得ることができる。

【００４２】なお、所望により焼成の前に脱脂工程を行
っても良く、結合剤や分散剤を焼成前に除去することが
できる。

【００４３】このようなアルミナ質焼結体の製造方法
は、９９．９％程度のアルミナ原料を用いても高い配向
性を実現すると共に、生産性が高く低コストで焼結体の
高いアルミナ質焼結体を提供することができる。

【００４４】

【実施例】アルミナ粉末と、周期律表３ａ族元素酸化物
と周期律表第２ａ族元素であるＭｇＯと、所望により各
種添加物を表１のような組成に調合した。これらの混合
粉末１００ｇに対して、溶媒として水を５０ｃｃを添加
し、ボールミルにて４０時間混合粉砕し、スラリー化し
た。

【００４５】得られたスラリーを真空脱泡後、内径５０
ｍｍの石膏型に２５ｃｃ注ぎ、ボア径１００ｍｍ、１０
Ｔの磁場が発生可能な冷凍機型磁場印加装置中に石膏型
を入れ、磁場中において表１に示す条件で鋳込み成形を
行った。磁力は磁石の中心部からの距離による変化率を
あらかじめ測定しておき、石膏型の配置位置により変化
させた。

【００４６】成形体は石膏から脱型し、室温での乾燥後
５００℃の窒素気流中で脱バインダーを行い、表１の条
件で大気気流中において常圧焼成を行い、焼結体を得
た。

【００４７】また、試料Ｎｏ．３９は、比較例として、
高純度アルミナ原料（９９．９９９％）粉末に、ＳｉＯ
₂を珪素換算で０．００４５重量％、ＭｇＯをマグネシ
ウム換算で０．００１５重量％加え、磁場を印加せずに
テープ成形を行った後、表１の条件で焼成した。

【００４８】得られた焼結体は、まずアルキメデス法に
より気孔率を求めた。また、Ａｌ₂Ｏ₃のＸ線回折スペク
トルから、（０，０，ｌ）面で最大ピーク強度の（０，
０，６）面を、（ｈ，ｋ，０）面で最大ピーク強度の
（１，１，０）面を用いて、下記の式よりｃ軸方向の配
向度を算出し、（００６）面配向度とした。ｃ面方向の
配向度＝Ｉ(0,0,6)／(Ｉ(1,1,0)＋Ｉ(0,0,6))×１００
（％）さらに、粒界相はＸ線回折スペクトルより同定し
た。また、磁場印加方向（鋳込み方向）に垂直な面から
直径１０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板状試験片を切り出し、
誘電体特性を測定した。この測定には、６０ＧＨｚ及び
７７ＧＨｚの高周波を用いた。なお、６０ＧＨｚの時
は、磁場に垂直な方向と、平行な方向とで測定を行っ
た。結果を表１に示す。

【００４９】

【表１】

【００５０】本発明の試料Ｎｏ．１〜３８は、６０ＧＨ
ｚと７７ＧＨｚの高周波領域において誘電損失が２×１
０^-4以下と低い値で、誘電率の異方性を有していた。

【００５１】一方、高純度アルミナ粉末を用い、珪素と
マグネシウムを添加した本発明の範囲外の試料Ｎｏ．３
９は、６０ＧＨｚと７７ＧＨｚの誘電損失が２．１×１
０^-4以上と大きな値であった。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、高い配向性を有し、生
産性が高く、低コストで焼結体の高いアルミナ質焼結体
を容易に得ることができ、６０ＧＨｚの周波数において
２×１０^-4以下の誘電損失を示し、特にミリ波帯の配線
基板の絶縁基板として好適に用いることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ結晶を主体とする焼結体からな
り、周波数６０ＧＨｚにおける誘電損失（ｔａｎδ）が
２×１０^-4以下であることを特徴とするアルミナ質焼結
体。
【請求項２】誘電率がある方向に対して平行な方向と垂
直な方向で異なることを特徴とすることを特徴とする請
求項１記載のアルミナ質焼結体。
【請求項３】前記アルミナ結晶が特定方向に配向してい
ることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミナ質焼
結体。
【請求項４】ミラー指数表示の（００６）面の配向度が
６０％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のう
ちいずれかに記載のアルミナ質焼結体。
【請求項５】開気孔率が４％以下であることを特徴とす
る請求項１乃至４のうちいずれかに記載のアルミナ質焼
結体。
【請求項６】前記アルミナ結晶の粒界相にＭｇＯ、Ｍｎ
₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＡｌ₂Ｏ₄、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄、周
期律表３ａ族元素酸化物の結晶相の群から選ばれる少な
くとも１種が存在することを特徴とする請求項１乃至５
のうちいずれかに記載のアルミナ質焼結体。
【請求項７】平均粒子径が０．５〜１０μｍのアルミナ
粉末を含むスラリーに、１テスラ以上の磁場を印加させ
てアルミナ粉末を配向させた状態で成形体を作製し、焼
成することを特徴とするアルミナ質焼結体の製造方法。
【請求項８】純度が９９〜９９．９％であるアルミナ粉
末を原料として用いることを特徴とする請求項７記載の
アルミナ質焼結体の製造方法。
【請求項９】前記スラリーに、焼結助剤として周期律表
３ａ族元素酸化物、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂、Ｍｎ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ
₃、ＺｎＯ及びＳｉＯ₂の群から選ばれる少なくとも１種
を添加することを特徴とする請求項７又は８記載のアル
ミナ質焼結体の製造方法。