JP2005335265A

JP2005335265A - セラミック積層部品及びその製造方法

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Publication number: JP2005335265A
Application number: JP2004158731A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Yamamoto; 堅山元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】段差のある仮積層体と段差のない仮積層体をいっぺんに本積層するとき、仮積層体のグリーンシートの層間にはエアーの巻き込みが存在し、本積層後、仮積層体と仮積層体の界面や、仮積層体内部にエアーを巻き込み、巣や空隙ができてしまい所定の強度が得られない。
【解決手段】段差のあるセラミック板を所定枚数積層した第一の積層体と、段差のないセラミック板を所定枚数積層した第二の積層体との間に、中間層をなす他のセラミック板を介在し積層した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気、情報製品や車載部品に用いられるセラミック積層部品におけるセラミック積層体、製造方法およびこれに用いるグリーンシートに関するもので、特に機能部品を搭載するための段差や窪み等凹凸を有するセラミック積層体や、車載部品でのガスを通気させるための孔を有するセラミック積層体に関し、これらの製造方法及びこれに用いるグリーンシートに関するものである。

従来、セラミック積層部品はセラミックグリーンシートに内部回路をプリント印刷し、積層し、切断、焼成して製造したセラミック積層部品が一般的であった。最近の、電気、情報機器は小型化が著しく、これに用いる部品は低背化、小面積化が要求されている。

セラミック積層部品に他の機能部品を搭載する場合、単に上面に搭載したのではセラミック積層部品の高さがその分高くなる。背の高い機能部品をセラミック積層部品面に搭載する場合は、段差や窪みを有するセラミック積層部品を製造し、低面部に搭載することで全体の高さを低くするようにしている。

通常、凹凸を有するセラミック積層部品を作製する製造方法は、図６に示すように段差のあるセラミックグリーンシート１を所定枚数仮積層した段差のある仮積層体２にし、段差のないセラミックグリーンシート３を所定枚数仮積層した段差のない仮積層体４にし、２つの仮積層体を本積層してセラミック積層体５として焼成することで、セラミック積層部品としていた（特許文献１）。
特開２００２−１８８２５号公報

しかしながら、段差のある仮積層体と段差のない仮積層体を一度に本積層する場合、仮積層体は、密着液などで部分的に仮止めしているか、軽い圧力によりグリーンシートの層間をまだらに圧着するだけであるため、仮積層体のグリーンシートの層間にはエアーの巻き込みが発生し、本積層後に仮積層体と仮積層体の界面や仮積層体内部に巣や空隙ができてしまうため所定の強度が得られない。

また、内部回路が存在するような積層体の場合、通電した時、巣や空隙が起点となり破壊の原因となってしまうという問題がある。

また、グリーンシートは面積に対して厚みが薄いのが一般的で、ハンドリングが困難な部材であるが、段差のあるグリーンシートはより強度が低下するため取り扱い性が悪くなり、これは仮積層した後も同様であった。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、段差のあるセラミック板を所定枚数積層した第一の積層体と、段差のないセラミック板を所定枚数積層した第二の積層体との間に、中間層をなす他のセラミック板を介在し積層したことを特徴とするものである。

前記第一の積層体と第二の積層体の密度が、中間層のセラミック板の密度より大きいことを特徴とするものである。

前記第一の積層体と第二の積層体のヤング率が、中間層のセラミック板のヤング率より小さいことを特徴とするものである。

前記第一の積層体と第二の積層体に用いるセラミック板と中間層のセラミック板の組成が同種であることを特徴とするものである。

段差のあるセラミックグリーンシートを所定枚数を加熱加圧することにより本積層して第一の積層体を形成し、段差のないセラミックグリーンシートを所定枚数を加熱加圧することにより本積層して第二の積層体を形成し、第一の積層体と第二の積層体の間に他のセラミックグリーンシートを介在して両者を加熱加圧することにより本積層することを特徴とするものである。

以上詳述したとおり、本発明によれば、積層界面に巣や空隙をなくし強度をもった凹凸のあるセラミック積層部品を作製することができる。

以下、本発明を図１で示したセラミック積層部品の焼成前積層体１０について説明する。

図２は、積層体１０を作製するために用い、段差の一例として穴のあいたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０を所定枚数本積層した第一の積層体１１であり、図３は、穴あけしていないセラミックグリーンシート（セラミック板）２１を所定枚数本積層した第二の積層体１２である。

第一の積層体１１と第二の積層体１２の間に一枚介在するグリーンシート（中間層）２２を介して本積層したものがセラミック積層体１０である。

このような本発明の構造では、穴のあいたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０を所定枚数重ねて本積層し、第一の積層体１１を作製するが、仮積層だけではエアーを巻き込んだ状態のままであるが、グリーンシートが圧着する圧力で、必要であれば熱をかけた本積層をする事で巣や空隙のない穴のあいた第一の積層体１１が作製できる。

さらに、穴のあいたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０を所定枚数重ねた仮積層体２，４は強度が無く取り扱いが困難であるが、本積層する事で一体化した第一の積層体１１は強度が増しているためハンドリングが容易になる。

ここで、第一の積層体１１は段差のないセラミックグリーンシート（セラミック板）３を本積層した後に、所定の穴を金型や切削により穴をあけることで、作製しても構わない。

同様に穴のあいていないセラミックグリーンシート（セラミック板）２１を所定枚数重ねて同様な本積層をすることで、巣や空隙のない第二の積層体１２が作製できる。

第一の積層体１１と第二の積層体１２を、第一の積層体１１と第二の積層体１２の間に介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２を介在して本積層する事で、巣や空隙のない、材料の目的となる強度を保つことのできる積層体１０を得ることが可能となる。

さらに、本積層した第一の積層体１１と本積層した第二の積層体１２の密度が、第一の積層体１１と第二の積層体の間に介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２の密度より大きいと、一体に本積層する際、セラミックグリーンシート（中間層）２２の密度が第一の積層体１１、第二の積層体１２より小さいため本積層時の高圧力により、介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２が塑性変形より高密度化しようとするため、第一の積層体１１、第二の積層体１２よりも変形量が極端に大きくなり、第一の積層体１１と第二の積層体１２の間に介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２が塑性変形して進入することで、第一の積層体１１と第二の積層体１２とグリーンシート（中間層）２２の密着性がさらに向上し、積層欠陥となる巣や空隙がさらに無くなる。

さらに、本積層した第一の積層体１１と本積層した第二の積層体１２のヤング率が、第一の積層体１１と第二の積層体１２の間に介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２のヤング率より小さいと、一体に本積層する際にセラミックグリーンシート（中間層）２２のヤング率が第一の積層体１１、第二の積層体１２より大きいため、積層圧力により第一の積層体１１、第二の積層体１２よりも柔らかいことから、変形量が極端に大きくなり第一の積層体１１と第二の積層体１２の両界面との密着性がさらに向上し、積層欠陥となる巣や空隙がより無くなる。

さらには、第一の積層体１１で使用する穴の空いたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０と、第二の積層体１２で使用するグリーンシート（セラミック板）２１と、第一の積層体１１と第二の積層体１２の間に介在するグリーンシート（中間層）２２が、同種類のバインダー系を用いたグリーンシートであると、一体に本積層した際により積層体同士のなじみが良くなり密着性が向上する。

まず、穴の空いたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０を作製する。

この穴の空いたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０は、例えば、アルミナ、ムライト、スピネルの群から選ばれる少なくとも１種のセラミックスに対して、適宜、成形用有機バインダーを添加してドクターブレード法や、押出成形や、静水圧成形（ラバープレス）あるいはプレス成形などの周知の方法により作製する。

まず、平均粒径１．０μｍのアルミナ粉末に対して、アクリル系バインダー、溶剤およびメディアを混合し、４８時間撹拌してスラリーを得た。その後、ドクターブレード成形にて前記スラリーを成形、乾燥させて、１００mm×１００mmの大きさで、厚さ２００μｍのアルミナグリーンシートを作製した。

作製したグリーンシートに所定の穴をあけるため、金型にて打ち抜き、穴の空いたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０を作製した。

次に、図４の断面図に示すように、第一の積層体１１を作製した。

穴の空いたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０を金型５０に所定枚数セットし、プレス機にて５０ＭＰaにて加圧し本積層した。このとき、金型５０を７０℃にあたためて、よりセラミックグリーンシートの変形を促すいわゆる熱圧着法で本積層した。

また、金型５０は上パンチ、下パンチのほかに、セラミック積層体が変形して形状が崩れないように外周を拘束する臼が設けられており、セラミック積層体の穴部分には、金型と同材質の柱５１が設けられている。

次に、第二の積層体１２を作製した。

セラミックグリーンシート（セラミック板）２１は前記アルミナグリーンシートをそのまま使用し、第二の積層体１２は第一の積層体１１と同様の熱圧着法を用いて作製するが、金型５０には柱５１がないものを使用することになる。

次に、第一の積層体１１と第二の積層体１２とを介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２を介在して積層してできる積層体１０を作製した。このとき、介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２は、前記アルミナグリーンシートをそのまま使用するか、もしくは穴をあけたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０を使用しても良い。積層体１０は図５の断面図に示すように、金型と同材質の支柱６１を設けた金型６０に第二の積層体１２、介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２、積層体２１をセットし、プレス機にて５０ＭＰaにて加圧し本積層した。このとき、金型６０を７０℃にあたためて、よりセラミックグリーンシート（中間層）２２の変形を促すいわゆる熱圧着法で本積層した。

以上の方法により、本発明のセラミック積層部品のセラミック積層体１０を作製した。

次に、比較例として図６に示すようなセラミック積層体５を作製した。

穴の空いたセラミックグリーンシート（セラミック板）２０を所定枚数金型５０にセットし、５ＭＰaで加圧し段差のある仮積層体２を作製した。このとき、段差のある仮積層体２は第一の積層体１１と違い一体化しておらず、グリーンシート同士の界面がはっきりわかる状態である。

同様に段差のない仮積層体４を金型５０の柱５１がないものを使用して５ＭＰaで加圧し作製した。

段差のある仮積層体２と同様に一体化はしていない状態である。

段差のある仮積層体２と段差のない仮積層体４を金型６０を用いて５０ＭＰaにて加圧し本積層した。このとき、金型６０を７０℃にあたためて、段差のある仮積層体２と段差のない仮積層体４の変形をさらに促すいわゆる熱圧着法で本積層した。

以上の方法により、従来のセラミック積層部品のセラミック積層体５を作製した。

セラミック積層体５とセラミック積層体１０の焼成体を１０カ所カットし、レッドチェック液に浸し、主面に対して垂直な断面の内部に存在する空隙や積層欠陥の数を確認した。

結果を表１に示す。

また、セラミック積層体５とセラミック積層体１０の焼成体から３mm×４mm×４０mmの抗折試験片として１０本ずつ切り出し抗折強度を調べた。

結果を表２に示す。

表１、表２から分かるように、セラック積層体５はセラミック積層体１０に比べて内部に存在する空隙や巣が多く存在し、さらに、強度もセラミック積層体５はセラミック積層体１０の約８５％に低下していた。

次に、上記方法にて作製したアルミナグリーンシートにおいてバインダー量を変更することで密度の異なるアルミナグリーンシートを作製した。

セラミック積層体１０の作製と同様な方法で、介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２のかわりにバインダー量を変更して、密度を変化させたセラミックグリーンシートを用いて３種類の積層体を作製した。

第一の積層体１１、１２の密度は４８〜５０ｇ／ｃｍ^３で、介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２は、密度が（１）４５〜４７ｇ／ｃｍ^３、（２）４８〜５０ｇ／ｃｍ^３、（３）５１〜５３ｇ／ｃｍ^３のものを使用した。

上記３種類のセラミック積層体を焼成し、焼成体から３mm×４mm×４０mmの抗折試験片として１０本ずつ切り出し抗折強度を測定しその平均強度を調べた。

その結果、平均強度が（１）２７５ＭＰa、（２）２４２ＭＰa、（３）２１１ＭＰaとなり、第一の積層体１１、１２の密度が、介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２より大きいもの程、強度が大きいものとなった。

次に、同様な方法で作製したアルミナグリーンシートにおいて、バインダー量を変更して作製したグリーンシートのヤング率を測定し、３種類のヤング率の異なるグリーンシート（中間層）２２を挿入してセラミック積層体１０を作製した。このとき、第一の積層体１１、１２のヤング率は２５０〜３００ＭＰaのものを使用した。

介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２を、Ａとして３２０〜５００ＭＰa、Bとして２５０〜３００ＭＰa、Ｃとして１００〜２００ＭＰaで処理したものとし、３種類の積層体を作製焼成し、その焼成体から３mm×４mm×４０mmの抗折試験片として１０本ずつ切り出し、抗折強度を測定してその平均強度を調べた。

その結果、Ａが２８０ＭＰa、Bが１９０ＭＰa、Ｃは焼成後に介在したセラミックグリーンシート（中間層）２２近傍で剥がれるという結果になっていた。

第一の積層体１１、１２のヤング率は、介在するセラミックグリーンシート（中間層）２２よりも小さい程、強度が大きいものとなった。

次に、第一の積層体１１、１２はアクリル系アルミナグリーンシートを用い、介在するグリーンシート（中間層）２２にバインダーをブチラール系に変更し、同様な方法で作製したアルミナグリーンシートを使用した積層体（ア）と、第一の積層体１１、１２にブチラール系アルミナグリーンシートを用い、同様に介在するグリーンシートにもブチラール系アルミナグリーンシートを用いた積層体（イ）を焼成し、焼成体から、３mm×４mm×４０mmの抗折試験片として１０本ずつ切り出し、抗折強度を測定しその平均強度を調べた。

その結果、（ア）２２０ＭＰa、（イ）２８５ＭＰaであり、同種類のバインダーを用いた積層体の方が強度の大きいものとなった。

本発明のセラミック積層部品のセラミック積層体の斜視図を示す。本発明のセラミック積層部品のセラミック積層体の一部の斜視図を示す。本発明のセラミック積層部品のセラミック積層体の一部の斜視図を示す。（ａ）、（ｂ）は本発明のセラミック積層部品のセラミック積層体の作製方法の一部の断面図を示す。（ａ）、（ｂ）は本発明のセラミック積層部品のセラミック積層体の作製方法の一部の断面図を示す。従来のセラミック積層体の一例である斜視図を示す。

符号の説明

１：段差のあるセラミックグリーンシート（セラミック板）
２：段差のある仮積層体
３：段差のないセラミックグリーンシート（セラミック板）
４：段差のない仮積層体
５：セラミック積層体
１０：本発明のセラミック積層部品のセラミック積層体
１１：第一の積層体
１２：第二の積層体
２０：穴の空いたセラミックグリーンシート（セラミック板）
２１：セラミックグリーンシート（セラミック板）
２２：介在するセラミックグリーンシート（中間層）
５０：金型
５１：金型の支柱
６０：金型
６１：金型の支柱

Claims

段差のあるセラミック板を所定枚数積層した第一の積層体と、段差のないセラミック板を所定枚数積層した第二の積層体との間に、中間層をなす他のセラミック板を介在し積層したことを特徴とするセラミック積層部品。
前記第一の積層体と第二の積層体の密度が、中間層のセラミック板の密度より大きいことを特徴とする請求項１記載のセラミック積層部品。
前記第一の積層体と第二の積層体のヤング率が、中間層のセラミック板のヤング率より小さいことを特徴とする請求項１記載のセラミック積層部品。
前記第一の積層体と第二の積層体に用いるセラミック板と中間層のセラミック板の組成が同種であることを特徴とする請求項１記載のセラミック積層部品。
段差のあるセラミックグリーンシートを所定枚数加熱加圧することにより本積層して第一の積層体を形成し、段差のないセラミックグリーンシートを所定枚数加熱加圧することにより本積層して第二の積層体を形成し、第一の積層体と第二の積層体の間に他のセラミックグリーンシートを介在して両者を加熱加圧することにより本積層することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック積層部品の製造方法。