JP2021004854A

JP2021004854A - 回路部材およびこれを備える電子装置ならびに電磁流量計

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Publication number: JP2021004854A
Application number: JP2019120064A
Authority: JP
Inventors: 阿部　裕一; Yuichi Abe; 裕一阿部
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: JP7297556B2

Abstract

【課題】ジルコニア質セラミックスからなる基材と、基材上に設けられる導体層との密着強度に優れる回路部材およびこれを備える電子装置ならびに電磁流量計を提供する。【解決手段】本開示の回路部材は、第１面を有する基材と、前記第１面上に位置する導体層と、を備える。前記基材は、ジルコニア質セラミックスであり、該基材を構成する全成分１００質量％のうち、ＺｒをＺｒＯ２換算で８５質量％以上含有する。前記導体層は、該導体層を構成する全成分１００質量％のうち、ＡｇまたはＣｕを８０質量％以上含有する。そして、本開示の回路部材は、さらに、前記基材と前記導体層との間におけるそれぞれに接する位置に、Ｚｒと、Ｏと、Ｂｉ、Ｚｎ、ＣｕおよびＳｉから選ばれる１つの成分Ａとを含むジルコン酸化合物層を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、回路部材およびこれを備える電子装置ならびに電磁流量計に関する。

半導体素子、発熱素子、ペルチェ素子等の各種電子部品の搭載に用いられる回路部材は、セラミックスからなる基材の少なくとも一方の主面に導体層を備えてなる。

そして、セラミックスからなる基材としては、電子部品の用途等に応じて様々なものが用いられ、例えば、アルミナ質セラミックス、アルミナ−ジルコニアの複合セラミックス、ジルコニア質セラミックスなどが挙げられる。そして、導体層は、これらの基材上に設けられるものであることから、基材との密着強度の向上を図るための検討が行われている。

特開２００２−２７００３５号公報

今般においては、ジルコニア質セラミックスからなる基材と、基材上に設けられる導体層において、更なる密着強度の向上が求められている。

本開示は、このような事情を鑑みて案出されたものであり、ジルコニア質セラミックスからなる基材と、基材上に設けられる導体層との密着強度に優れる回路部材およびこれを備える電子装置ならびに電磁流量計を提供することを目的とする。

本開示の回路部材は、第１面を有する基材と、前記第１面上に位置する導体層と、を備える。前記基材は、ジルコニア質セラミックスであり、該基材を構成する全成分１００質量％のうち、ＺｒをＺｒＯ_２換算で８５質量％以上含有する。前記導体層は、該導体層を構成する全成分１００質量％のうち、ＡｇまたはＣｕを８０質量％以上含有する。そして、本開示の回路部材は、さらに、前記基材と前記導体層との間におけるそれぞれに接する位置に、Ｚｒと、Ｏと、Ｂｉ、Ｚｎ、ＣｕおよびＳｉから選ばれる１つの成分Ａとを含むジルコン酸化合物層を有する。

本開示の電子装置は、前記回路部材上に電子部品を備える。

本開示の電磁流量計は、前記回路部材と励磁コイルとを備え、前記回路部材における前記基材が管状であり、前記導体層が電極である。

本開示の回路部材は、基材と導体層との密着強度に優れる。本開示の電子装置および電磁流量計は、信頼性に優れ、長期間の使用に耐え得る。

本開示の回路部材の一例を示す、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面透視図である。

本開示の回路基材について、図面を参照しながら、以下詳細に説明する。図１は、本開示の回路部材の一例を示す、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面透視図である。

本開示の回路基材１０は、第１面を有する基材１と、第１面上に位置する導体層２と、を備える。ここで、基材１は、ジルコニア質セラミックスであり、この基材を構成する全成分１００質量％のうち、ＺｒをＺｒＯ_２換算で８５質量％以上含有する。導体層２は、導体層２を構成する全成分１００質量％のうち、ＡｇまたはＣｕを８０質量％以上含有する。

本開示の回路基材１０は、半田濡れ性、表面酸化対策、マイグレーション対策の観点で、導体層２上の少なくとも一部に位置する被覆層３を有していてもよい。なお、この被覆層３は、図１に示すように、導体層２のすべてを覆うように位置するものであってもよい。ここで、被覆層３は、Ｓｎ、Ｃｕ、ＰｄおよびＡｕのいずれかを含むものであってもよい。

そして、本開示の回路基材１０は、基材１と導体層２との間のそれぞれに接する位置に、Ｚｒと、Ｏと、Ｂｉ、Ｚｎ、ＣｕおよびＳｉから選ばれる１つの成分Ａとを含むジルコン酸化合物層４を有する。なお、ジルコン酸化合物層４とは、Ｚｒと、Ｏと、Ｂｉ、Ｚｎ、ＣｕおよびＳｉから選ばれる１つの成分Ａとを含むジルコン酸化合物が存在する層のことである。ジルコン酸化合物とは、ＡＺｒＯ_２＋Ｘで表されるものであり、Ａに、Ｂｉ、Ｚｎ、ＣｕおよびＳｉから選ばれる１つが入り、Ａに入る元素によってＸの値が決まるものである。

本開示の回路基材１０は、基材１と導体層２との間のそれぞれに接する位置に、ジルコン酸化合物層４を有していることにより、基材１と導体層２との密着強度に優れる。また、導体層２が基材１から剥がれにくいため、繰り返しの使用に耐え得るものであることから、寿命が長い。

ここで、ジルコニア質セラミックスとは、対象の基材を構成する全成分１００質量％のうち、ジルコニアを８５質量％以上含有するものである。そして、対象の基材の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて、対象試料を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なう。次に、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定によりジルコニア（酸化ジルコニウム）の存在が確認され、ＸＲＦで測定したジルコニウム（Ｚｒ）の含有量から酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）に換算した含有量が８５質量％以上であれば、ジルコニア質セラミックスである。なお、他のセラミックスに関しても、同じ方法で確認できる。

また、導体層２、被覆層３、ジルコン酸化合物層４の含有成分は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付設のエネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＳ）、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）、ＸＲＤを用いることにより確認できる。なお、含有成分の定量に関しては、ＸＲＤまたはＩＣＰ発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いることにより確認できる。また、ジルコン酸化合物層４に、Ｚｒと、Ｏと、Ｂｉ、Ｚｎ、ＣｕおよびＳｉから選ばれる１つの成分Ａとを含むジルコン酸化合物の存在は、ＸＲＤを用いることにより確認できる。

また、本開示の回路部材１０における基材１は、ジルコニア結晶の単斜晶の割合が５％以下であってもよい。このような構成を満たすときには、同じ表面性状において、ジルコニア結晶の単斜晶の割合が５％を超えるときよりも、基材１が機械的特性に優れるともに
、基材１の表面においてマイクロクラックが少ないため、基材１と導体層２との密着強度に優れる。

ジルコニア結晶における単斜晶の割合は、基材１の表面に対してＸＲＤで測定を行ない、得られたＸ線回折強度から以下の計算式で求めることができる。

単斜晶の割合（％）＝（Ｉｍ１＋Ｉｍ２）／（Ｉｍ１＋Ｉｍ２＋Ｉｔ＋Ｉｃ）
Ｉｔ：正方晶（１１１）面のＸ線回折強度
Ｉｃ：立方晶（１１１）面のＸ線回折強度
Ｉｍ１：単斜晶（１１１）面のＸ線回折強度
Ｉｍ２：単斜晶（１１−１）面のＸ線回折強度

また、本開示の回路部材１０におけるジルコン酸化合物層４は、表面粗さＲａ１が０．１〜０．８μｍであってもよい。このような構成を満たすときには、ジルコン酸化合物層４と導体層２との密着強度が向上するため、基材１と導体層２との密着強度が向上する。

また、本開示の回路部材１０は、導体層２の平均粒径が、基材１の平均結晶粒径よりも大きくてもよい。ここで、基材１を構成するジルコニア質セラミックスに含まれるジルコニア結晶は、例えば、平均結晶粒径が１μｍ以下程度に小さいものである。このとき、ＡｇまたはＣｕを８０質量％以上含む導体層２の平均粒径が、基材１の平均結晶粒径よりも大きいということは、導体層２の焼結が進んでいることを表している。そのため、上記構成を満たしているときには、基材１が緻密なセラミックスであるため、機械的特性に優れ、導体層２が焼結の進んでいるものであることから、基材１と導体層２とは密着強度が高い。

また、本開示の回路部材１０は、基材１における導体層２が位置していない領域のＲａをＲａ２としたとき、Ｒａ２＜Ｒａ１の関係を満たすものであってもよい。このような構成を満たすときには、比較して基材１における導体層２が位置していない領域のＲａ２が小さく、基材１の機械的特性の低下要因が少ないため、基材１が機械的特性に優れる。また、比較してジルコン酸化合物層４のＲａ１が大きいということは、導体層２の形成にあたり、ジルコニア質セラミックスからなる基材１との反応が進み、ジルコン酸化合物層４が形成されていることを表すものであることから、ジルコン酸化合物層４の上に位置する導体層２との密着強度が向上する。

本開示の回路部材１０におけるジルコン酸化合物層４は、スキューネスＳｓｋ１が０より大きくてもよい。このような構成を満たすときには、ジルコン酸化合物層４の表面性状において、山が尖ったものとなっていることから、基材１と導体層２との密着強度に優れる。

なお、導体層２の形成前の基材１の表面性状としては、スキューネスが０より小さくてもよい。このような構成を満たすときには、導体層２となるペーストを塗りやすく、導体層２の位置精度に優れる。

次に、表面性状に関する測定方法について記載する。

まず、ジルコン酸化合物層の表面粗さＲａ１およびスキューネスＳｓｋ１を測定するには、まずエッチングにより、導体層２を除去する。例えば、導体層２において、８０質量％以上占める成分がＡｇであるとき、エッチングには硝酸＋リン酸＋酢酸混合液、混酸(
濃硫酸：濃硝酸を３：１で混合したもの)、若しくは、１．５５％硝酸第二鉄水溶液を用
いる。導体層２において、８０質量％以上占める成分がＣｕであるとき、エッチングには
、塩化第二鉄水溶液を用いる。

そして、導体層２を完全に除去したのち、表面粗さＲａ１について表面粗さ計、スキューネスＳｓｋ１についてレーザー顕微鏡を用いて、導体層２が位置していた領域（ジルコン酸化合物層４の表面）を測定する。表面粗さＲａ１および、スキューネスＳｓｋ１は、ＪＩＳＢ０６０１（２０１３）に準拠して測定することにより求めることができる。

なお、表面粗さ計における測定条件としては、例えば、測定長さを２．５ｍｍ、カットオフ値を０．０８ｍｍとし、触針半径が２μｍの触針を用い、走査速度を０．６ｍｍ／秒に設定すればよい。そして、ジルコン酸化合物層４の表面において、少なくとも３ヵ所以上測定し、その平均値を求めればよい。

また、レーザー顕微鏡における測定条件は、ＵＶ波長のレーザー光を用い、５００μｍ×５００μｍの領域を分解能１μｍピッチ、高さ方向を０．０５μｍピッチでスキャンし、表面形状を測定したのち、解析ソフトを用いて算出する。

次に、導体層２の平均粒径および基材１の平均結晶粒径の測定方法について記載する。

導体層２の平均粒径に関しては、導体層２の表面をＳＥＭ等を用いて、観察面を１０００倍以上３０００倍以下の倍率で拡大して画像を観察したり、ＥＰＭＡによるマッピングによって確認したり、金属顕微鏡等を用いたりして、得られた画像若しくは写真を準備する。なお、粒子の形状が不明瞭であれば、３００℃〜５００℃の雰囲気で熱処理を行ない、粒子の輪郭をはっきりさせてもよい。

基材１の平均結晶粒径に関しては、１０００℃程度の熱処理を行なった後の面をＳＥＭ等を用いて観察し、画像若しくは写真を準備する。

そして、導体層２の粒径、基材１の結晶粒径のそれぞれの円相当径の大きさの平均値を算出できる画像解析ソフト（例えばＩｍａｇｅＪ）を用いることにより、導体層２の平均粒径および基材１の平均結晶粒径を求めることができる。

次に、本開示の電子装置は、回路部材上に電子部品を備える。このような構成を満たす電子装置は、電子部品が有する特性を十分に発揮することができるとともに、長期間に亘る使用が可能であることから、高い信頼性を有する。

ここで、電子部品としては、例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子、インテリジェント・パワー・モジュール（ＩＰＭ）素子、金属酸化膜型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子、ＬＥＤ素子、フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子、ジャイアント・トランジスタ（ＧＴＲ）素子、ショットキー・バリア・ダイオード（ＳＢＤ）等の半導体素子に用いることができる。また、昇華型サーマルプリンタヘッドまたはサーマルインクジェットプリンタヘッド用の発熱素子に用いることができる。さらに、ペルチェ素子に用いることができる。

また、本開示の電磁流量計は、本開示の回路部材と励磁コイルとを備え、回路部材における基材が管状であり、導体層が電極である。このとき、管状の基材は、導電性流体の流路となるものである。このような構成を満たす電磁流流量計は、基材と導体層との密着強度が高いことから、長期間に亘る使用が可能であり、高い信頼性を有する。

次に、本開示の回路部材の製造方法について以下に説明する。

まず、原料粉末として、安定化剤成分であるイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を１モル％以上５モル％以下含むジルコニア（ＺｒＯ_２）粉末と、焼結助剤粉末とを用い、公知の方法により、シート状成形体を成形する。なお、連続シートを用いて金型を用いたプレス成形によって所望の大きさのシート状成形体を得てもよい。その後、所望の温度で焼成することにより板状の基材を得る。

なお、管状の基材を得るには、まず、上記原料粉末を用い、公知の方法により顆粒を形成する。次に、サーボプレス等を用いたり、押し出し成形後に所定の長さにカットしたりすることにより、管状の成形体を得る。その後、所望の温度で焼成することにより管状の基材を得ることができる。なお、必要に応じて、外周のセンタレス加工を行なってもよい。

次に、導体層を形成するための金属ペーストは、平均粒径が０．５μｍ以上１０μｍ以下のＡｇ粉末と、ガラス粉末と、金属酸化物と、有機ビヒクルとからなる。ここで、Ａｇ粉末としては、例えば、平均粒径が０．５μｍ以上３．５μｍ以下である粉末を準備すればよい。Ｃｕが主成分である導体層とするにはＣｕ粉末を用いればよい。また、Ａｇ粉末および、Ｃｕ粉末は粒配を行ない、より充填性を向上させてもよい。

次に、ガラス粉末は、軟化点が５００℃以上７００℃以下のものを用いることが好適であり、特に、６００℃以上７００℃以下のものを用いることが好適である。また、ガラス粉末の平均粒径は、Ａｇ粉末もしくはＣｕ粉末の平均粒径に対して８％以上６０％以下であることが好適である。軟化点が６００℃以上７００℃以下であるとき、また、ガラス粉末の平均粒径が、Ａｇ粉末およびＣｕ粉末の平均粒径に対して８％以上６０％以下であるときには、金属ペースト中に含まれるガラス粉末が、焼成の際に軟化しやすく、基体側へ動きやすくなり、基体と導体層との接合強度を向上させることができる。

そして、このようなガラス粉末の種類としては、例えば、Ｒ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系（Ｒ：アルカリ金属元素）、ＳｉＯ_２−Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｒ_２Ｏ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系などが挙げられる。

また、金属酸化物としては、平均粒径が０．５μｍ以上３．０μｍ以下のＣｕＯ粉末を用いればよい。

また、有機ビヒクルは、有機バインダを有機溶剤に溶解したものであり、例えば、有機バインダと有機溶剤との比率は、有機バインダ１に対し、有機溶剤が２〜６である。そして、有機バインダとしては、例えば、ポリブチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル類、ニトロセルロース、エチルセルロース、酢酸セルロース、ブチルセルロース等のセルロース類、ポリオキシメチレン等のポリエーテル類、ポリブタジエン、ポリイソプレン等のポリビニル類から選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。

また、有機溶剤としては、例えば、カルビトール、カルビトールアセテート、テルピネオール、メタクレゾール、ジメチルイミダゾール、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルホルムアミド、ジアセトンアルコール、トリエチレングリコール、パラキシレン、乳酸エチル、イソホロンから選択される１種もしくは２種以上を混合して用いることができる。

そして、配合量比としては、例えば、金属ペースト１００質量％のうち、Ａｇ粉末を７５．０質量％以上９０．０質量％以下、ガラス粉末を０．５質量％以上５質量％以下、ＣｕＯ粉末を１質量％以上４質量％以下、有機ビヒクルを１０質量％以上２０質量％以下の
範囲とすればよい。

次に、準備した金属ペーストを用いて、公知の印刷法により金属ペーストを基材表面に任意のパターンにて印刷する。印刷後は、１００℃以上１５０℃以下の温度で乾燥させ、有機溶剤成分を除去する。

そして、４００℃以上５００℃以下の温度で６分以上３０分以下保持して脱脂し、５５０℃以上７００℃以下の温度で５分以上１５分以下保持したのち、８００℃以上９２０℃以下の最高温度で７分以上２５分以下保持して熱処理することにより、本実施形態の回路部材を得ることができる。

また、被覆層を設けるときには、導体層を構成する全成分１００質量％のうち、Ａｇを８０質量％以上含有するものであるとき、厚み０．５以上５．０μｍ以下のＣｕ層を無電解メッキにて形成し、さらに、厚み０．５以上３μｍ以下のＳｎ層を無電解メッキにて形成する。なお、Ａｇ導体上に直接厚み０．５以上７μｍ以下のＳｎ層を電解メッキにて形成してもよい。導体層がＣｕの場合は、厚み０．５以上３μm以下のＳｎ層を無電解メッ
キにて形成する。

基材におけるジルコニア結晶の単斜晶の割合を５％以下にするには、Ｄ５０が０．３〜０．７μｍのジルコニア粉末を用い、＃２４０〜４００の番手で基材の表面を研磨する。

また、ジルコン酸化合物層の表面粗さＲａ１は、上述した方法により、０．１〜０．８μｍの範囲となる。

また、導体層の平均粒径を、基材の平均結晶粒径よりも大きくするには、導体層を形成するための金属ペーストの作製において、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末として、平均粒径が０．５〜１．５μｍのものを用いればよい。また、導体層形成時の熱処理速度を遅らせてもよい。

また、ジルコン酸化合物層の表面粗さＲａをＲａ１、基材における導体層が位置しない領域の表面粗さＲａをＲａ２としたとき、Ｒａ２＜Ｒａ１の関係を満たすものとするには、ＣｕＯ粉末を金属ペースト１００質量％のうち２．０〜４．０質量％添加すればよい。また、導体層形成時の熱処理速度を遅らせてもよい。

また、ジルコン酸化合物層のスキューネスＳｓｋ１を１より大きくするには、ＣｕＯ粉末として、平均粒径が０．５〜１．０μｍのものを用いればよい。

１：基材
２：導体層
３：被覆層
４：ジルコン酸化合物層
１０：回路部材

Claims

第１面を有する基材と、
前記第１面上に位置する導体層と、を備え、
前記基材は、ジルコニア質セラミックスであり、該基材を構成する全成分１００質量％のうち、ＺｒをＺｒＯ_２換算で８５質量％以上含有し、
前記導体層は、該導体層を構成する全成分１００質量％のうち、ＡｇまたはＣｕを８０質量％以上含有し、
前記基材と前記導体層との間のそれぞれに接する位置に、Ｚｒと、Ｏと、Ｂｉ、Ｚｎ、ＣｕおよびＳｉから選ばれる１つの成分Ａとを含むジルコン酸化合物層を有する、回路部材。
前記基材は、ジルコニア結晶の単斜晶の割合が５％以下である、請求項１に記載の回路部材。
前記ジルコン酸化合物層は、表面粗さＲａ１が０．１〜０．８μｍである、請求項１または請求項２に記載の回路部材。
前記導体層の平均粒径が、前記基材の平均結晶粒径よりも大きい、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路部材。
前記基材における前記導体層が位置しない領域の表面粗さＲａをＲａ２としたとき、Ｒａ２＜Ｒａ１の関係を満たす、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回路部材。
前記ジルコン酸化合物層は、スキューネスＳｓｋ１が０より大きい、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回路部材。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回路部材上に電子部品を備える、電子装置。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回路部材と励磁コイルとを備え、
前記回路部材における前記基材が管状であり、前記導体層が電極である、電磁流量計。