JP2005533744A - ガラス−セラミック複合材料、該複合材料を有するセラミックシート、セラミック層状複合体またはマイクロハイブリッドならびに該ガラス−セラミック複合材料、該セラミックシート、該セラミック層状複合体またはマイクロハイブリッドの製造法 - Google Patents
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Abstract
少なくとも範囲的にガラス状のマトリックスおよびセラミック充填剤を有するガラス−セラミック複合材料ならびに該複合材料を有するセラミックシート、セラミック層状複合体またはマイクロハイブリッド（５）が提案されており、この場合マトリックスは、リチウム、珪素、アルミニウムおよび酸素を含有し、少なくとも範囲的に少なくとも１つの結晶相を有する。更に、該ガラス−セラミック複合材料、該セラミックシート、該セラミック層状複合体またはマイクロハイブリッドの製造法が提案されており、この場合結晶範囲を有するガラスは、ＳｉＯ２３０質量％〜６８質量％、Ａｌ２Ｏ３１０質量％〜２５質量％、Ｌｉ２Ｏ５質量％〜２０質量％、Ｂ２Ｏ３０質量％〜３５質量％、Ｐ２Ｏ５０質量％〜１０質量％、Ｓｂ２Ｏ３０質量％〜１０質量％およびＺｒＯ２０質量％〜３質量％を含有する出発混合物から溶融され、ガラス粉末に変換され、さらにガラス粉末には、セラミック充填剤、殊に粉末状窒化アルミニウムが混入され、この粉末混合物は、殊に他の成分の添加後に最終的に焼結される。
Description
本発明は、ガラス−セラミック複合材料、該複合材料を有するセラミックシート、セラミック層状複合体またはマイクロハイブリッドならびに請求項１１に記載された、該ガラス−セラミック複合材料の製造法または該ガラス−セラミック複合材料を含有する構造部材の製造法に関する。
背景技術
ＬＴＣＣ使用のための基板材料（”低温同時焼結セラミックス”）は、近年、なかんずく焼結温度を減少させ、１つの工程で低融点の金属、例えば銀を用いて同時焼結、即ち全部の材料複合体の焼結を可能にさせるという目的をもって開発された。この場合には、同時に金属との相容性が保証されていなければならなかった。更に、特に高周波の範囲内での使用のためにＬＴＣＣ基板の誘電特性の性質を改善し、ＬＴＣＣ基板の熱導出に関連して熱伝導率を上昇させるという目的を有していた。
ＬＴＣＣ使用のための基板材料（”低温同時焼結セラミックス”）は、近年、なかんずく焼結温度を減少させ、１つの工程で低融点の金属、例えば銀を用いて同時焼結、即ち全部の材料複合体の焼結を可能にさせるという目的をもって開発された。この場合には、同時に金属との相容性が保証されていなければならなかった。更に、特に高周波の範囲内での使用のためにＬＴＣＣ基板の誘電特性の性質を改善し、ＬＴＣＣ基板の熱導出に関連して熱伝導率を上昇させるという目的を有していた。
欧州特許出願公開第０４９９８６５号明細書Ａ１の記載から、低い焼結温度の際に比較的高い熱伝導率および良好な誘電特性の性質を有するガラス−窒化アルミニウム複合材料は、公知である。この複合材料は、窒化アルミニウムがセラミック粉末成分として添加されている、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化硼素およびアルカリ土類金属酸化物、例えばＭｇＯ、ＣａＯまたはＳｒＯを有するガラス粉末から出発する。欧州特許出願公開第０４９９８６５号明細書Ａ１の記載によれば、出発混合物を複合材料に焼結させる場合、ＭｇＯを使用する場合には、菫青石が形成され、ＣａＯを使用する場合には、灰長石が形成され、一方で、珪素、マグネシウムおよびアルミニウムのガラスマトリックスは貧化される。
本発明の課題は、セラミックシートに加工することができるかまたはセラミック層状複合体中もしくはマイクロハイブリッド中に使用することができ、できるだけ８Ｗ／ｍＫ〜１２Ｗ／ｍＫの範囲内の高い全熱伝導率を有する、ＬＴＣＣへの使用のためのガラス−セラミック複合材料、殊に基板材料を提供することであった。
発明の利点
本発明によるガラス−セラミック複合材料は、公知技術水準と比較して、ＬＴＣＣ基板のための基板材料として極めて好適でありかつこの種の基板を有するマイクロハイブリッドを形成させるために極めて好適であり、殊に熱伝導率が通常、２Ｗ／ｍＫ〜３Ｗ／ｍＫである従来のＬＴＣＣ基板材料と比較して明らかに高められた、殊に８Ｗ／ｍＫ〜１２Ｗ／ｍＫの好ましい範囲内の熱伝導率を有するという利点を有する。こうして、マイクロハイブリッドの場合に一般に熱的案内部または所謂”熱的バイアス”、即ち基板を横断する、金属で充填された通路として形成されている、必要とされる熱導出部の数は、減少させることができる。それによって、この種のマイクロハイブリッドの構造寸法を明らかに減少させるかまたはレイアウト密度を高めるという可能性が明らかになる。
本発明によるガラス−セラミック複合材料は、公知技術水準と比較して、ＬＴＣＣ基板のための基板材料として極めて好適でありかつこの種の基板を有するマイクロハイブリッドを形成させるために極めて好適であり、殊に熱伝導率が通常、２Ｗ／ｍＫ〜３Ｗ／ｍＫである従来のＬＴＣＣ基板材料と比較して明らかに高められた、殊に８Ｗ／ｍＫ〜１２Ｗ／ｍＫの好ましい範囲内の熱伝導率を有するという利点を有する。こうして、マイクロハイブリッドの場合に一般に熱的案内部または所謂”熱的バイアス”、即ち基板を横断する、金属で充填された通路として形成されている、必要とされる熱導出部の数は、減少させることができる。それによって、この種のマイクロハイブリッドの構造寸法を明らかに減少させるかまたはレイアウト密度を高めるという可能性が明らかになる。
従って、前記ガラス−セラミック複合材料を有するＬＴＣＣ基板を基礎とする、本発明によるガラス−セラミック複合材料で製造されたセラミック層状複合体またはマイクロハイブリッドは、熱的バイアスを節約し、よりいっそう高い集積密度を達成する可能性を提供する。また、最後に、熱的バイアスを充填するために通常使用される銀は、熱的バイアスの数の減少によって部分的に節約される。
本発明の好ましい他の形成は、請求項２から９までのいずれか１項および請求項１２から１４までのいずれか１項に記載された手段から明らかである。
即ち、セラミック充填剤が１００ｎｍ〜１０μｍ、殊に１μｍ〜１０μｍの平均粉末粒径を有する窒化アルミニウムであることは、特に好ましい。この場合、充填剤は、例えば１μｍ〜３μｍの平均粒径を有する被覆されていない窒化アルミニウムであってもよいし、好ましくは、例えば６μｍ〜７μｍの平均粒径を有する被覆された窒化アルミニウムであってもよく、この場合被覆は、有利に疎水性表面変態であるかまたは酸素含有の表面被覆である。使用される窒化アルミニウム粉末が殊に酸素含有表面被覆に基づいて０．５質量％〜２．０質量％の酸素含量を有することは、特に好ましく、この場合には、一般に、よりいっそう低い酸素含量は、使用された窒化アルミニウムセラミック粉末の高められた熱伝導率を生じるということが言える。
それとともに、マトリックスが結晶相としてＬＩ−Ａｌ−Ｓｉ2Ｏ3混晶および／またはＬｉ−Ａｌ−Ｓｉ−窒化酸化物を有しおよび／またはＬｉ−Ａｌ−珪酸塩および／または珪酸リチウムを結晶相として有し、ならびにさらに少なくとも微少含量で窒素が溶解可能である残留ガラス相からなることは、好ましい。特に、マトリックスができるだけ珪酸リチウムを含有しないかまたはできるだけ殆んど珪酸リチウムを含有しないことは、好ましい。
更に、出発混合物中にＢ２Ｏ３が使用されており、したがって少なくとも範囲的に（bereichsweise）Ｌｉ−Ｂ−酸化物が結晶相としてマトリックス中に生成されうることは、好ましい。
複合材料中のセラミック充填剤の含量は、有利に２５体積％〜７０体積％、殊に３０体積％〜５０体積％である。充填剤含量により、特に簡単に８Ｗ／ｍＫ〜１２Ｗ／ｍＫの達成しようと努力された範囲内で熱伝導率が生じうる。
本発明を図および以下の明細書中で詳説する。
実施例
図１は、ＬＴＣＣシートまたはＬＴＣＣ層状複合体の形のセラミック基板１０を有する原理的に公知のマイクロハイブリッド５を示し、この場合基板１０は、範囲的に熱的案内部１４、所謂”熱的バイアス”を有し、この場合この熱的バイアスは、基板１０を横断し、金属、例えば銀で充填されている。また、さらに基板１０を横断する電気的引き込み線１１、所謂”電気的バイアス”が設けられており、この電気的バイアスにより、基板１０の上側に案内された導体路１２は、基板１０の下側から接触可能である。最後に、基板１０の上側には、例示的に印刷された抵抗体１３が図示されており、この抵抗体は、同様に印刷された導体路１２と結合されている。
図１は、ＬＴＣＣシートまたはＬＴＣＣ層状複合体の形のセラミック基板１０を有する原理的に公知のマイクロハイブリッド５を示し、この場合基板１０は、範囲的に熱的案内部１４、所謂”熱的バイアス”を有し、この場合この熱的バイアスは、基板１０を横断し、金属、例えば銀で充填されている。また、さらに基板１０を横断する電気的引き込み線１１、所謂”電気的バイアス”が設けられており、この電気的バイアスにより、基板１０の上側に案内された導体路１２は、基板１０の下側から接触可能である。最後に、基板１０の上側には、例示的に印刷された抵抗体１３が図示されており、この抵抗体は、同様に印刷された導体路１２と結合されている。
本発明の核心は、図１に示した基板１０を製造するためのガラス−セラミック複合材料を提供することである。
そのために、最初にガラスは、ＳｉＯ２２０質量％〜６８質量％、Ａｌ２Ｏ３１０質量％〜２５質量％、Ｌｉ２Ｏ５質量％〜２５質量％、Ｂ２Ｏ３０質量％〜３３質量％、Ｐ２Ｏ５０質量％〜１０質量％、Ｓｂ２Ｏ３０質量％〜１０質量％およびＺｒＯ２０質量％〜３質量％を含有する出発混合物から溶融される。
好ましくは、出発混合物は、ＳｉＯ２４８質量％〜６６質量％、Ａｌ２Ｏ３１４質量％〜２２質量％、Ｌｉ２Ｏ４質量％〜２０質量％、Ｂ２Ｏ３０質量％〜２０質量％、Ｐ２Ｏ５０質量％〜５質量％、Ｓｂ２Ｏ３０質量％〜５質量％およびＺｒＯ２０質量％〜２質量％からなる。
特に好ましくは、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ｓｂ２Ｏ３およびＺｒＯ２の成分の場合には、これらの成分は、Ｂ２Ｏ３３質量％〜２０質量％および／またはＰ２Ｏ５２質量％〜５質量％および／またはＳｂ２Ｏ３１質量％〜５質量％および／またはＺｒＯ２１質量％〜２質量％の含量で添加される。
第１の実施例の範囲内で、出発混合物は、ＳｉＯ２６５質量％、Ａｌ２Ｏ３１５質量％およびＬｉ２Ｏ２０質量％からなる。
第２の実施例の範囲内で、出発混合物は、ＳｉＯ２６５質量％、Ａｌ２Ｏ３１５質量％、Ｌｉ２Ｏ１２質量％およびＢ２Ｏ３８質量％からなる。
第２の実施例においては、出発混合物は、ＳｉＯ２５０質量％、Ａｌ２Ｏ３１６質量％、Ｌｉ２Ｏ１２質量％およびＢ２Ｏ３２０質量％からなる。
第４の実施例の場合、出発混合物は、ＳｉＯ２６５質量％、Ａｌ２Ｏ３２１質量％、Ｌｉ２Ｏ４質量％、Ｂ２Ｏ３４質量％、Ｐ２Ｏ５４質量％およびＺｒＯ２２質量％からなる。
前記の出発混合物からなるガラスを製造する場合には、リチウム、珪素、アルミニウムおよび酸素を含有しかつ範囲的に少なくとも１つの結晶相を有するマトリックスが生じる。この結晶相は、例えばＬｉ−Ａｌ−Ｓｉ２Ｏ３混晶、Ｌｉ−Ａｌ−Ｓｉ−窒化酸化物、Ｌｉ−Ａｌ−珪酸塩、珪酸リチウムまたは多数のこの種の結晶相である。更に、マトリックスの非結晶性の範囲は、残留ガラス相を形成し、この残留ガラス相中では、僅かな含量で窒素が溶解しうる。
前記のガラスを製造するために、最初に出発混合物中に装入された粉末成分は、均質化され、１２００℃〜１６００℃の温度で溶融される。次に、溶融液の均質化後、この溶融液は、例えば水中に注入され、即ちフリット化され、こうして得られたガラスは、約１μｍ〜５μｍの平均粒径、例えば３μｍになるまで微粉砕される。引続き、このガラス粉末には、セラミック充填剤として１００ｎｍ〜１０μｍの平均粒径、有利に１μｍを有する粉末状窒化アルミニウムが添加される。
ガラス−セラミック複合材料をガラス粉末およびセラミック充填剤から製造するための第１の実施例の範囲内で、前記のガラス粉末の１つおよびセラミック充填剤として窒化アルミニウム粉末は、有機溶剤中、例えばイソプロパノール中で均質化され、こうして得られた粉末混合物は、最初に乾燥され、引続き成形、例えば一軸圧縮成形に掛けられる。
引続き、得られた圧縮成形体は、さらに最大１０５０℃の温度で空気、窒素または酸素および／または窒素を含有するガス混合物に接して焼結され、したがって最終的に緊密に焼結されたガラス−セラミック複合材料を得ることができ、この場合、範囲的に結晶相を有するガラス状のマトリックス中には、セラミック窒化アルミニウム粒子が埋設されている。
更に、前記のガラス−セラミック複合材料については、”ホット−ディスク法（Hot-Disc-Verfahren）”により熱伝導率が測定された。この場合、この熱伝導率は、添加されるセラミック充填剤の含量に依存することが判明した。
即ち、ガラスを製造するための出発混合物中にＳｉＯ２６５質量％、Ａｌ２Ｏ３１５質量％およびＬｉ２Ｏ２０質量％を有するガラスの場合およびガラス−セラミック複合材料中の前記ガラス７０体積％および窒化アルミニウム粒子３０体積％の含量の場合には、９．１Ｗ／ｍＫの熱伝導率が測定され、前記ガラス６５体積％および窒化アルミニウム粒子３５体積％の含量の場合には、８．９Ｗ／ｍＫの熱伝導率が測定され、かつ前記ガラス６０体積％および窒化アルミニウム粒子４０体積％の含量の場合には、１２．５Ｗ／ｍＫの熱伝導率が測定された。
一般に、窒化アルミニウムの含量が増加するとガラス−セラミック複合材料中での熱伝導率は上昇することが判明した。
ガラス６５体積％および窒化アルミニウム３５体積％の組成の場合に停滞する、熱伝導率の値は、形成された結晶性珪酸リチウムの高い含量に帰因する。従って、ガラス−セラミック複合材料が珪酸リチウムを可能な限り殆んど含有していないかまたは全く含有していないことは、有利である。
ところで、ガラス−セラミック複合材料のマトリックス中での結晶相についての試験およびこの結晶相の検出は、Ｘ線回折法および走査電子顕微鏡によって行なわれた。
セラミックシート、セラミック層状複合体または基板１０を有するマイクロハイブリッド５を前記のガラス−セラミック複合材料から製造するために、最初に記載されたガラスの１つが製造され、記載された粒径に微粉砕され、記載されたセラミック充填剤と窒化アルミニウムは混合される。その後に、この粉末混合物には、有利に自体公知の例えばの成分、例えば溶剤、有機結合剤ならびに特に分散剤が添加され、混合物は、成形されて、殊にシート、層または層状複合体に変わる。更に、成形には、有利に最初に脱結合およびその後に最大１０５０℃で空気、窒素または酸素および／または窒素を含有するガス混合物に接しての焼結が続く。こうして、添加された結合剤または溶剤ならびに分散剤は、少なくとも熱分解によって十分に再び除去され、したがってこの一時的な成分を十分に含まないガラス−セラミック複合材料が望ましい形で生じる。こうして、例えばマイクロハイブリッド５のための基板１０として使用される、製造されたシート上で、このマイクロハイブリッドは、さらに通常の方法で構造化技術で構造化される。
５ マイクロハイブリッド、 １０ セラミック基板、 １１ 電気的引き込み線、 １２ 導体路、 １３ 印刷された抵抗体、 １４ 熱的案内部
Claims (14)
- 少なくとも範囲的にガラス状のマトリックスおよびセラミック充填剤を有するガラス−セラミック複合材料において、マトリックスがリチウム、珪素、アルミニウムおよび酸素を含有し、少なくとも範囲的に少なくとも１つの結晶相を有することを特徴とする、ガラス−セラミック複合材料。
- マトリックスがＳｉＯ２２０質量％〜６８質量％、Ａｌ２Ｏ３１０質量％〜２５質量％、Ｌｉ２Ｏ５質量％〜２５質量％、Ｂ２Ｏ３０質量％〜３５質量％、Ｐ２Ｏ５０質量％〜１０質量％、Ｓｂ２Ｏ３０質量％〜１０質量％およびＺｒＯ２０質量％〜３質量％を含有するかまたはこれらの物質を含有するかまたはこれらの物質からなる出発混合物から溶融されたものである、請求項１記載のガラス−セラミック複合材料。
- マトリックスがＳｉＯ２４８質量％〜６６質量％、Ａｌ２Ｏ３１４質量％〜２２質量％、Ｌｉ２Ｏ４質量％〜２０質量％、Ｂ２Ｏ３０質量％〜２０質量％、Ｐ２Ｏ５０質量％〜５質量％、Ｓｂ２Ｏ３０質量％〜５質量％およびＺｒＯ２０質量％〜２質量％を含有するかまたはこれらの物質を含有するかまたはこれらの物質からなる出発混合物から溶融されたものである、請求項２記載のガラス−セラミック複合材料。
- マトリックスがＢ２Ｏ３３質量％〜３３質量％および／またはＰ２Ｏ５２質量％〜５質量％および／またはＳｂ２Ｏ３１質量％〜５質量％および／またはＺｒＯ２１質量％〜２質量％を含有するかまたはこれらの物質を含有するかまたはこれらの物質からなる出発混合物から溶融されたものである、請求項２または３記載のガラス−セラミック複合材料。
- セラミック充填剤が殊に１００ｎｍ〜１０μｍの平均粒径を有する、窒化アルミニウムまたは表面的に被覆を備えているかまたは表面変性を備えている窒化アルミニウムである、請求項１記載のガラス−セラミック複合材料。
- マトリックスが結晶相としてＬｉＡｌＳｉ２Ｏ３混晶および／またはＬｉ−Ａｌ−Ｓｉ−窒化酸化物および／またはＬｉ−Ａｌ−珪酸塩および／またはＬｉ−珪酸塩および／またはＬｉ−Ｂ−酸化物を有する、請求項１から５までのいずれか１項に記載のガラス−セラミック複合材料。
- マトリックスが少なくとも１つの結晶相として残留ガラス相、殊に僅かな含量で窒素が溶解しうる残留ガラス相を有する、請求項１記載のガラス−セラミック複合材料。
- セラミック充填剤の含量が複合材料中で２５体積％〜６０体積％、殊に３０体積％〜５０体積％である、請求項１から７までのいずれか１項に記載のガラス−セラミック複合材料。
- 複合材料が８Ｗ／ｍＫ〜１２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する、請求項１から８までのいずれか１項に記載のガラス−セラミック複合材料。
- 請求項１から８までのいずれか１項に記載のガラス−セラミック複合材料を有するセラミックシート、セラミック層状複合体またはマイクロハイブリッド。
- 請求項１から１０までのいずれか１項に記載のガラス−セラミック複合材料、セラミックシート、セラミック層状複合体またはマイクロハイブリッドの製造法において、結晶範囲を有するガラスをＳｉＯ２２０質量％〜６８質量％、Ａｌ２Ｏ３１０質量％〜２５質量％、Ｌｉ２Ｏ５質量％〜２０質量％、Ｂ２Ｏ３０質量％〜３５質量％、Ｐ２Ｏ５０質量％〜１０質量％、Ｓｂ２Ｏ３０質量％〜１０質量％およびＺｒＯ２０質量％〜３質量％を含有する出発混合物から溶融し、ガラス粉末に変換し、ガラス粉末にセラミック充填剤、殊に粉末状窒化アルミニウムを混入し、この粉末混合物を、殊に他の成分の添加後に焼結させることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のガラス−セラミック複合材料、セラミックシート、セラミック層状複合体またはマイクロハイブリッドの製造法。
- 粉末混合物を焼結前に圧縮するかまたは殊にシート、層または層状複合体に形成させる、請求項１１記載の方法。
- 焼結を最大１０５０℃の温度で空気、窒素に接触させてかまたは酸素および／または窒素を含有するガス混合物中で行なう、請求項１１または１２記載の方法。
- 粉末混合物を焼結前に溶剤中で分散剤を使用しながら後処理し、殊に後加工のために有機結合剤を添加する、請求項１１から１３までのいずれか１項に記載の方法。
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