JP3101966B2 - High thermal expansion Al2O3-SiO2-based sintered body and method for producing the same - Google Patents

High thermal expansion Al2O3-SiO2-based sintered body and method for producing the same

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JP3101966B2
JP3101966B2 JP07076218A JP7621895A JP3101966B2 JP 3101966 B2 JP3101966 B2 JP 3101966B2 JP 07076218 A JP07076218 A JP 07076218A JP 7621895 A JP7621895 A JP 7621895A JP 3101966 B2 JP3101966 B2 JP 3101966B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、半導体装置等
のパッケ−ジ材料や多層配線基板の絶縁材料として使用
されたり、室温〜200℃の低温においてAl2 3
焼結体よりも高熱膨張で、かつ低誘電率のAl2 3
SiO2 系焼結体およびその製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION This invention is, for example, packages such as semiconductor devices - or used as an insulating material for di- material or multi-layer wiring board, than Al 2 O 3 quality sintered at a low temperature of room temperature to 200 DEG ° C. Al 2 O 3 − with high thermal expansion and low dielectric constant
The present invention relates to a SiO 2 -based sintered body and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、LSI等の集積回路は、一般に高
熱伝導性を有するとともに強度的に優れたアルミナを絶
縁基板とするセラミック製のパッケージ(例えば、ピン
グリッドアレイパッケージ)に収納され、ガラスエポキ
シなどのプリント基板に実装されて使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, integrated circuits such as LSIs are generally housed in a ceramic package (for example, a pin grid array package) using alumina as an insulating substrate which has high thermal conductivity and excellent strength, and is made of glass epoxy. It is used by being mounted on a printed circuit board.

【0003】また、近年においては、ますますLSIの
信号伝播速度の高速化が要求され、配線パターンが高密
度化しているため、LSIの熱放散性や信号伝播速度の
高速化を図る必要がある。熱放散性を改善するには、集
積回路素子から発生する熱を効率的に除去するためにC
u製のヒートシンクをアルミナ基板に取り付けることも
行われている。
In recent years, it has been required to increase the signal propagation speed of the LSI, and the wiring pattern has been increased in density. Therefore, it is necessary to increase the heat dissipation of the LSI and increase the signal propagation speed. . In order to improve heat dissipation, it is necessary to use C
A heat sink made of u is also attached to an alumina substrate.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする問題点】ところが、室温〜2
00℃において、プリント基板の熱膨張係数は14〜1
6×10-6/℃であるのに対し、アルミナの熱膨張係数
は約7×10-6/℃であるため、プリント基板とパッケ
ージとの熱膨張率差により熱応力が発生して、パッケー
ジが破損したり、プリント基板とパッケージとの接合不
良が発生する等の不具合があった。
Problems to be Solved by the Invention However, room temperature to 2
At 00 ° C., the thermal expansion coefficient of the printed circuit board is 14 to 1
Whereas it is 6 × 10 -6 / ℃, the thermal expansion coefficient of the alumina is about 7 × 10 -6 / ℃, thermal stress is generated by the difference in thermal expansion coefficient between the printed circuit board and the package, the package Of the printed circuit board and the occurrence of defective bonding between the printed circuit board and the package.

【0005】また、ヒートシンクのCuの熱膨張係数も
約18×10-6/℃とアルミナの熱膨張係数と大きな差
があるため、基板やパッケージに引っ張り応力が発生
し、クラック等の不具合が発生する。
Further, since the thermal expansion coefficient of Cu of the heat sink is about 18 × 10 −6 / ° C., which is a large difference from the thermal expansion coefficient of alumina, a tensile stress is generated on a substrate or a package, and defects such as cracks occur. I do.

【0006】また、信号伝播速度の高速化を図るために
は、比誘電率が小さいものを用いる必要があるが、アル
ミナは比誘電率が10程度と高いため、信号伝播速度が
遅くなるという問題があった。
In order to increase the signal propagation speed, it is necessary to use a material having a small relative dielectric constant. However, since alumina has a high relative dielectric constant of about 10, the signal propagation speed is reduced. was there.

【0007】そこで、従来のアルミナからなるパッケー
ジや基板等の欠点を解消するために、プリント基板やC
uとほぼ同様の熱膨張率(室温〜200℃において、1
2×10-6/℃以上)を有し、比誘電率が小さいパッケ
ージや基板用のセラミックスが必要である。このような
セラミックスはこれまで報告されていなかった。
In order to solve the drawbacks of conventional alumina packages and substrates, a printed circuit board or a C
thermal expansion coefficient similar to that of u (at room temperature to 200 ° C., 1
(2 × 10 −6 / ° C. or higher), and ceramics for packages and substrates having a small relative dielectric constant are required. Such ceramics have not been reported before.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の問
題点に対して検討を重ねた結果、結晶相としてクリスト
バライトが180〜270℃においてβ−クリストバラ
イトからα−クリストバライトへの変態が生じることか
ら、室温〜200℃における平均熱膨張係数が30〜5
0×10-6/℃と大きな熱膨張係数を有していることに
着目し、このようなクリストバライトを含有する緻密質
な焼結体を得る方法を検討した。
The inventors of the present invention have studied the above problems and found that cristobalite as a crystal phase undergoes a transformation from β-cristobalite to α-cristobalite at 180 to 270 ° C. Therefore, the average coefficient of thermal expansion from room temperature to 200 ° C. is 30 to 5
Focusing on a large thermal expansion coefficient of 0 × 10 −6 / ° C., a method for obtaining such a dense sintered body containing cristobalite was studied.

【0009】その結果、所定の割合で混合されたAl2
3 とSiO2 とムライトの混合粉末、あるいはSiO
2 とムライト粉末に、周期律表第2a族元素化合物や周
期律表第3a族元素化合物を添加し、全組成中のAlの
酸化物換算量/Siの酸化物換算量の重量比を一定とし
た混合粉末を焼成することにより、ムライト主結晶以外
にクリストバライトおよび/またはSiO2 を主成分と
するガラスを含有する高熱膨張Al2 3 −SiO2
焼結体を得ることができることを知見し、本発明に至っ
た。
As a result, Al 2 mixed at a predetermined ratio
Mixed powder of O 3 , SiO 2 and mullite, or SiO
2 and the mullite powder, a Group 2a element compound of the periodic table and a Group 3a element compound of the periodic table are added, and the weight ratio of the oxide equivalent of Al / the oxide equivalent of Si in the entire composition is kept constant. It has been found that by firing the mixed powder thus obtained, a high thermal expansion Al 2 O 3 —SiO 2 based sintered body containing cristobalite and / or glass containing SiO 2 as a main component in addition to the mullite main crystal can be obtained. This has led to the present invention.

【0010】即ち、本発明の高熱膨張Al2 3 −Si
2 系焼結体は、少なくともAlと、Siとを酸化物換
算量で合計92〜99.5重量%、周期律表第2a,3
a族元素のうち少なくとも1種を酸化物換算で0.5〜
8重量%の割合で含有し,且つ前記AlのAl2 3
算量の前記SiのSiO2 換算量に対する重量比率が
0.6以上、1未満のAl2 3 −SiO2 系焼結体で
あって、該焼結体は、ムライトを主結晶相とし、さらに
30重量%以上のクリストバライトおよび/またはSi
2 を主成分とするガラスを含み、常温から200℃の
熱膨張係数が12ppm/℃以上であることを特徴とす
る高熱膨張Al2 3 −SiO2 系焼結体を特徴とする
ものである。
That is, the high thermal expansion Al 2 O 3 —Si of the present invention
The O 2 -based sintered body contains at least 92 to 99.5% by weight of at least Al and Si in terms of oxide in terms of oxides.
at least one of group a elements is 0.5 to
Al 2 O 3 —SiO 2 based sintered body containing at a ratio of 8% by weight and having a weight ratio of the Al 2 O 3 equivalent of Al to the SiO 2 equivalent of Si of 0.6 or more and less than 1 The sintered body has mullite as a main crystal phase, and further contains 30% by weight or more of cristobalite and / or Si.
A high-thermal-expansion Al 2 O 3 —SiO 2 -based sintered body containing glass containing O 2 as a main component and having a thermal expansion coefficient from room temperature to 200 ° C. of 12 ppm / ° C. or more. is there.

【0011】また、かかる焼結体を製造する方法とし
て、Al2 3 粉末と、SiO2 粉末と、周期律表第2
a族元素化合物および周期律表第3a族元素化合物のう
ち少なくとも一種の粉末と、ムライト粉末との混合粉末
であって、前記Al2 3 粉末と前記SiO2 粉末と前
記ムライト粉末を合計で92〜99.5重量%、前記周
期律表第2a族元素化合物および周期律表第3a族元素
化合物のうち少なくとも一種の粉末を酸化物換算で0.
5〜8重量%の割合で含み、且つ、前記ムライト粉末を
0.5重量%以上含む場合、全量中におけるAlのAl
23 換算量/SiのSiO2 換算量の重量比率が0.
72以上、1未満、前記ムライト粉末を10重量%以上
含む場合、全量中におけるAlのAl2 3 換算量/S
iのSiO2 換算量の重量比率が0.6以上、1未満、
の条件を満足するように調合した混合粉末を所定形状に
成形した後、1700℃以下で焼成して、ムライトを主
結晶相とし、さらに30重量%以上のクリストバライト
および/またはSiO2 を主成分とするガラスを含む焼
結体を得ることを特徴とするものである。
As a method for producing such a sintered body, Al 2 O 3 powder, SiO 2 powder,
A mixed powder of a powder of at least one of a group a element compound and a group 3a element compound of the periodic table, and a mullite powder, wherein the Al 2 O 3 powder, the SiO 2 powder, and the mullite powder have a total of 92%. -99.5% by weight, and at least one powder of the Group 2a element compound of the periodic table and the Group 3a element compound of the periodic table is 0.1% in terms of oxide.
5 to 8% by weight, and 0.5% by weight or more of the mullite powder, the Al in the total amount of Al
The weight ratio of the amount of 2 O 3 converted to the amount of Si converted to SiO 2 is 0.
72 or more and less than 1, when the mullite powder contains 10% by weight or more, the amount of Al in terms of Al 2 O 3 in the total amount / S
The weight ratio of i in terms of SiO 2 is 0.6 or more and less than 1,
The mixed powder prepared so as to satisfy the conditions is molded into a predetermined shape, and then fired at 1700 ° C. or lower to make mullite into a main crystal phase and further contain 30% by weight or more of cristobalite and / or SiO 2 as a main component. The present invention is characterized in that a sintered body containing glass to be obtained is obtained.

【0012】さらに他の方法としては、SiO2 粉末
と、周期律表第2a族元素化合物および周期律表第3a
族元素化合物のうち少なくとも一種の粉末と、ムライト
粉末との混合粉末であって、前記SiO2 粉末と前記ム
ライト粉末とを合計で92〜99.5重量%、前記周期
律表第2a族元素化合物および周期律表第3a族元素化
合物のうち少なくとも一種の粉末を酸化物換算で0.5
〜8重量%、前記ムライト粉末を10重量%以上の割合
でそれぞれ含有するとともに、全組成中におけるAlの
酸化物換算量/Siの酸化物換算量の重量比率が0.6
以上、1未満の範囲となるように調合した混合粉末を所
定形状に成形した後、1700℃以下で焼成して、ムラ
イトを主結晶相とし、さらに30重量%以上のクリスト
バライトおよび/またはSiO2 を主成分とするガラス
を含む焼結体を得ることを特徴とする。
Still another method is as follows: SiO 2 powder, an elemental compound belonging to Group 2a of the Periodic Table and 3a
A mixed powder of at least one powder of the group-group element compounds and mullite powder, wherein the total amount of the SiO 2 powder and the mullite powder is 92 to 99.5% by weight; And at least one kind of powder of the Group 3a element compound of the periodic table in terms of oxides,
-8% by weight, and the mullite powder in a proportion of 10% by weight or more.
As described above, the mixed powder prepared so as to have a range of less than 1 is formed into a predetermined shape, and then calcined at 1700 ° C. or lower to obtain mullite as a main crystal phase, and further contain 30% by weight or more of cristobalite and / or SiO 2 . It is characterized by obtaining a sintered body containing glass as a main component.

【0013】以下、本発明を詳述する。本発明のAl2
3 −SiO2 系焼結体の1つの製造方法によれば、出
発原料として、Al2 3 粉末、SiO2 粉末、周期律
表第2a族元素化合物および周期律表第3a族元素化合
物のうち少なくとも一種の粉末と、ムライト粉末を用い
る。これらの出発原料粉末のうち、ムライト粉末は、S
iO2 成分とAl2 3成分に一部分離することから、
ムライト粉末の添加量に応じて上記粉末の混合組成を制
御する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. Al 2 of the present invention
According to one method for producing an O 3 —SiO 2 -based sintered body, Al 2 O 3 powder, SiO 2 powder, a Group 2a element compound of the periodic table, and a Group 3a element compound of the periodic table are used as starting materials. Among them, at least one kind of powder and mullite powder are used. Of these starting material powders, mullite powder is S
Since the iO 2 component and the Al 2 O 3 component are partially separated,
The mixed composition of the powder is controlled according to the amount of the mullite powder added.

【0014】具体的には、Al2 3 粉末とSiO2
末とムライト粉末とを合計で92〜99.5重量%の割
合で含有するが、ムライト粉末量が0.5重量%以上の
場合、全量中におけるAlのAl2 3 換算量/Siの
SiO2 換算量の重量比率が0.72以上、1未満とな
るようにAl2 3 粉末およびSiO2 粉末を添加す
る。Al2 3 /SiO2 の重量比率を上記の範囲に限
定したのは、Al2 3/SiO2 の重量比率が0.7
2より小さいと焼結性が低下し、その熱膨張異常のため
破壊し、また、1以上となると(アルミナ過剰)クリス
トバライトやSiO2 主体のガラスの生成が少なく、室
温から200℃において12×10-6/℃以上の熱膨張
係数が得られないからである。なお、ムライト粉末が
0.5重量%よりも少ないと焼結体にそりが発生した
り、また、液相生成の促進という効果が殆どなく、緻密
な焼結体を得ることができない。ムライト粉末は0.5
重量%以上添加すれば良いが、多量に添加すると高コス
トになるので、0.5〜30重量%添加することが望ま
しい。
[0014] More specifically, when the Al 2 O 3 powder, the SiO 2 powder and the mullite powder are contained in a ratio of 92 to 99.5% by weight in total, but the mullite powder amount is 0.5% by weight or more, The Al 2 O 3 powder and the SiO 2 powder are added so that the weight ratio of Al converted to Al 2 O 3 / Si converted to SiO 2 in the total amount is 0.72 or more and less than 1. The weight ratio of Al 2 O 3 / SiO 2 was limited to the above range because the weight ratio of Al 2 O 3 / SiO 2 was 0.7
If it is less than 2, the sinterability deteriorates and it breaks due to its abnormal thermal expansion. If it is 1 or more, cristobalite or SiO 2 -based glass is little produced, and it is 12 × 10 2 from room temperature to 200 ° C. This is because a thermal expansion coefficient of −6 / ° C. or more cannot be obtained. If the amount of the mullite powder is less than 0.5% by weight, warpage occurs in the sintered body, and there is almost no effect of accelerating the generation of a liquid phase, and a dense sintered body cannot be obtained. Mullite powder is 0.5
It is advisable to add at least 0.5% by weight, but adding a large amount increases the cost, so it is desirable to add 0.5 to 30% by weight.

【0015】また、前記ムライト粉末が10重量%以上
である場合には、全量中におけるAlのAl2 3 換算
量/SiのSiO2 換算量の重量比率が0.6以上、1
未満となるように、Al2 3 粉末とSiO2 粉末の量
を制御する。この場合には、ムライトの割合が増加する
ことにより組織がより均一になり、高強度化するため、
発生する熱応力に耐えることができるからである。
When the mullite powder is 10% by weight or more, the weight ratio of Al equivalent to Al 2 O 3 / Si equivalent to SiO 2 in the total amount is 0.6 or more and 1% or more.
The amounts of the Al 2 O 3 powder and the SiO 2 powder are controlled so as to be less than. In this case, the structure becomes more uniform due to the increase in the proportion of mullite, and the strength is increased.
This is because it can withstand the generated thermal stress.

【0016】本発明におけるさらに他の製造方法では、
出発原料としてSiO2 粉末と、周期律表第2a族元素
化合物および周期律表第3a族元素化合物のうち少なく
とも一種の粉末と、ムライト粉末との混合粉末を用い
る。この場合には、SiO2 粉末と前記ムライト粉末と
を合計で92〜99.5重量%であり、特にムライト粉
末を10重量%以上の割合でそれぞれ含有するととも
に、全組成中におけるAlの酸化物換算量/Siの酸化
物換算量の重量比率が0.6以上、1未満の範囲となる
ように調合する。
In still another manufacturing method according to the present invention,
As a starting material, a mixed powder of a SiO 2 powder, at least one powder of a Group 2a element compound of the Periodic Table and a Group 3a element compound of the Periodic Table, and a mullite powder is used. In this case, the total content of the SiO 2 powder and the mullite powder is 92 to 99.5% by weight, and particularly the mullite powder is contained in a proportion of 10% by weight or more, and the oxide of Al in the entire composition is contained. The mixture is prepared so that the weight ratio of the reduced amount / the converted amount of the oxide of Si is 0.6 or more and less than 1.

【0017】上記の各場合におけるムライト量、Al2
3 /SiO2 重量比の各条件を満足しないといずれも
焼結不足となり、所望の高密度、高熱膨張の焼結体を得
ることができない。
In each of the above cases, the amount of mullite, Al 2
If the respective conditions of the O 3 / SiO 2 weight ratio are not satisfied, sintering becomes insufficient in any case, and a sintered body having a desired high density and high thermal expansion cannot be obtained.

【0018】なお、出発原料の場合において、周期律表
第2a族元素化合物および周期律表第3a族元素化合物
のうち少なくとも一種の粉末は、上記のいずれの場合に
おいても、酸化物換算で0.5〜8重量%の割合で添加
する。この量を上記の範囲に限定したのは、第2a,3
a族化合物が0.5重量%より少ないと、1700℃以
下での焼成が困難となるからである。また、8重量%を
越えると低融点の液相が多量に生成し、ボイドが増加し
やすく、また焼成温度が1450℃以下となり、基板と
WやMo等の高融点金属のメタライズを同時に焼成する
ことが難しくなる。好適には1〜6重量%がよい。
In the case of the starting material, at least one powder of the Group 2a element compound of the periodic table and the Group 3a element compound of the periodic table in any of the above cases has a powder content of 0.1% in terms of oxide. It is added at a rate of 5 to 8% by weight. The reason for limiting this amount to the above range is that
If the amount of the group a compound is less than 0.5% by weight, it is difficult to perform firing at 1700 ° C. or lower. On the other hand, if the content exceeds 8% by weight, a large amount of a liquid phase having a low melting point is generated and voids are likely to increase, and the sintering temperature becomes 1450 ° C. or less. It becomes difficult. Preferably, the content is 1 to 6% by weight.

【0019】尚、周期律表第2a族元素としては、C
a,Mg,Sr,Ba,Raがあり、それらの化合物と
しては、その酸化物,水酸化物およびこれらを実質的に
含む炭酸塩,硝酸塩等の塩やハロゲン化物、ホウ化物等
がある。また、周期律表第3a族元素としては、Sc,
Y,La,Nd,Sm,Dy,Er,Yb等があり、そ
れらの化合物としては、その酸化物およびこれらを実質
的に含む水酸化物,炭酸塩,硝酸塩等の塩やハロゲン化
物,ホウ化物が挙げられる。
The elements of Group 2a of the periodic table include C
There are a, Mg, Sr, Ba, and Ra. Examples of such compounds include oxides and hydroxides thereof, and salts, such as carbonates and nitrates, halides, borides and the like substantially containing these oxides and hydroxides. Further, Sc, as an element of Group 3a of the periodic table,
There are Y, La, Nd, Sm, Dy, Er, Yb and the like. Examples of such compounds include oxides and salts substantially containing these, such as hydroxides, carbonates, nitrates, halides, and borides. Is mentioned.

【0020】次に、上記の組成で混合した混合物にさら
にブチラール等のバインダーを添加したものを所望の成
形手段、例えば、金型プレス,冷間静水圧プレス,押出
し成形、ドクターブレード法等により任意の形状に成形
後、焼成する。焼成は1700℃以下の還元性雰囲気や
酸化性雰囲気中で10分〜3時間程度焼成することによ
り緻密化することができる。焼成温度は望ましくは、1
450〜1650℃がよい。これは、1450℃よりも
低い温度で焼成すると、基板とWやMoのメタライズペ
ーストとの同時焼成ができないからである。なお、焼成
温度が1700℃よりも高いと、焼成設備が高コストと
なるからである。
Next, a mixture obtained by further adding a binder such as butyral to the mixture obtained by mixing the above components is arbitrarily formed by desired molding means, for example, a die press, a cold isostatic press, an extrusion molding, a doctor blade method and the like. After being formed into the shape shown in FIG. The baking can be made dense by baking for about 10 minutes to 3 hours in a reducing atmosphere or an oxidizing atmosphere at 1700 ° C. or lower. The firing temperature is desirably 1
450-1650 degreeC is good. This is because if firing is performed at a temperature lower than 1450 ° C., simultaneous firing of the substrate and the metallized paste of W or Mo cannot be performed. If the firing temperature is higher than 1700 ° C., the cost of the firing equipment increases.

【0021】また、上記製造方法によれば、配線層を有
する基板を製造する場合には、ドクターブレード法など
により形成されたグリーンシートの表面にW、Mo、R
eなどの高融点金属を含有するペーストをスクリーン印
刷法等により印刷し、場合によってはグリーンシートに
スルーホールに上記ペーストを充填し、これらのシート
を積層圧着した後、この積層体を上記の条件で同時に焼
成することにより作製できる。
According to the above manufacturing method, when a substrate having a wiring layer is manufactured, the surface of a green sheet formed by a doctor blade method or the like is coated with W, Mo, R
e. A paste containing a high melting point metal such as e is printed by a screen printing method or the like, and in some cases, the paste is filled in a through hole in a green sheet, and these sheets are laminated and pressed. At the same time.

【0022】上記製造方法により得られる焼結体は、ム
ライト(一般式3Al2 3 ・2SiO2 )を主結晶相
とし、さらに30重量%以上のクリストバライトおよび
/またはSiO2 を主成分とするガラスを含むものであ
る。ムライト以外の成分は、焼成温度により左右され、
焼成温度が1600℃以下の場合にはクリストバライト
が析出するが、焼成温度が1600℃を超える温度では
クリストバライトがガラス化し、SiO2 主成分のいわ
ゆるSiO2 ガラスが生成されることになる。このSi
2 ガラスもクリストバライトと同様に高熱膨張を有す
るため、焼結体全体としての熱膨張を高めることができ
る。
The sintered body obtained by the above-mentioned production method has mullite (general formula 3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) as a main crystal phase, and further contains 30% by weight or more of cristobalite and / or glass containing SiO 2 as a main component. Is included. Components other than mullite depend on the firing temperature,
When the firing temperature is 1600 ° C. or lower, cristobalite precipitates. However, when the firing temperature exceeds 1600 ° C., cristobalite vitrifies, and so-called SiO 2 glass containing SiO 2 as a main component is generated. This Si
Since O 2 glass also has high thermal expansion like cristobalite, the thermal expansion of the whole sintered body can be increased.

【0023】なお、これらクリストバライトおよび/ま
たはSiO2 を主成分とするガラスの量は、出発原料お
よび組成に依存し、前述の範囲に制御することにより、
後述する実施例に記載されるように30重量%以上で任
意の量を析出させることができる。
The amount of the glass containing cristobalite and / or SiO 2 as a main component depends on the starting material and the composition.
As described in Examples described later, an arbitrary amount can be precipitated at 30% by weight or more.

【0024】これにより、本発明の高熱膨張Al2 3
−SiO2 質焼結体は、常温から200℃の熱膨張係数
が12ppm/℃以上であることが重要であり、前述の
クリストバライトおよび/またはSiO2 を主成分とす
るガラスの量を30重量%以上に制御することにより達
成される。この熱膨張係数が12ppm/℃以下ではプ
リント基板への実装ができず、またCuヒートシンクを
取り付けることができない。
Thus, the high thermal expansion Al 2 O 3 of the present invention
-SiO 2 quality sintered body, the thermal expansion coefficient of 200 ° C. from room temperature is important that at 12 ppm / ° C. or higher, the amount of glass 30 wt% consisting mainly of cristobalite and / or SiO 2 in the aforementioned This is achieved by controlling as described above. If the coefficient of thermal expansion is 12 ppm / ° C. or less, it cannot be mounted on a printed circuit board, and a Cu heat sink cannot be attached.

【0025】また、本発明の焼結体は、熱膨張曲線にお
いて200℃から300℃の間に伸びの屈曲点を持つこ
とも大きな特徴である。これは、βクリストバライトか
らαクリストバライトへの変態によるものである。この
ような屈曲点を有することにより、実装時に発生する熱
応力を小さくすることができるとともに、低熱膨張のW
やMoの高融点金属との同時焼成により発生する熱応力
も小さくすることができる効果を奏する。
The sintered body of the present invention is also characterized by having an elongation bending point between 200 ° C. and 300 ° C. in the thermal expansion curve. This is due to the transformation from β cristobalite to α cristobalite. By having such a bending point, the thermal stress generated at the time of mounting can be reduced, and the low thermal expansion W
And Mo can be reduced in thermal stress generated by simultaneous firing with a high melting point metal.

【0026】尚、本発明のAl2 3 −SiO2 質焼結
体によれば、前述の組成系に対して、公知の顔料成分、
例えば、Mo,W,Re,Fe,Cr,Co,Ni,C
u,Mnを金属,酸化物,水酸化物,塩,ハロゲン化
物,ホウ化物等の形で添加しても良く、この場合には所
望の色に着色した焼結体が得られる。また、Y2 3
どの安定化材を含むZrO2 を3〜20重量%添加し
て、正方晶あるいは単斜晶のZrO2 を分散させること
により焼結体の高強度化を図ることができる。さらに、
ZnO,B2 3 などを添加すると焼成温度をさらに低
下させることができ、この場合には配線基板における導
体金属をNi,Co,Au,Ag,Cu等にする必要が
ある。
According to the Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body of the present invention, a known pigment component,
For example, Mo, W, Re, Fe, Cr, Co, Ni, C
u and Mn may be added in the form of metals, oxides, hydroxides, salts, halides, borides and the like, in which case a sintered body colored in a desired color is obtained. Further, by adding 3 to 20% by weight of ZrO 2 containing a stabilizing material such as Y 2 O 3 to disperse tetragonal or monoclinic ZrO 2 , it is possible to increase the strength of the sintered body. it can. further,
By adding ZnO, B 2 O 3 or the like, the firing temperature can be further lowered. In this case, it is necessary to make the conductive metal in the wiring board Ni, Co, Au, Ag, Cu, or the like.

【0027】[0027]

【作用】本発明によれば、Al2 3 粉末、SiO2
末および周期律表第2a、3a族化合物との混合粉末、
あるいはSiO2 粉末および周期律表第2a、3a族化
合物との混合粉末に、ムライト粉末を所定の割合で添加
することにより、ムライトがAl2 3 、SiO2 、周
期律表第2a,3a族元素からなる液相に溶解し、Si
2 ,Al2 3 との濡れ性のよい液相を増加させるこ
とにより生じる反応性液相による焼結が生じる。このよ
うに、液相の生成反応が促進されるとともに反応性液相
による焼結がスムーズに生じる結果、ムライト相以外に
クリストバライトおよび/またはSiO2 を主成分とす
るガラスが析出し、室温から200℃における熱膨張率
が12×10-6/℃以上のプリント基板やCuとほぼ同
等の熱膨張率を有する緻密な焼結体を得ることができ
る。
According to the present invention, an Al 2 O 3 powder, a SiO 2 powder, and a mixed powder with a compound of Groups 2a and 3a of the periodic table,
Alternatively, mullite is added at a predetermined ratio to a mixed powder of SiO 2 powder and a compound of Groups 2a and 3a of the Periodic Table, whereby mullite is formed of Al 2 O 3 , SiO 2 , Group 2a and 3a of the Periodic Table. Dissolved in the liquid phase
Sintering due to the reactive liquid phase caused by increasing the liquid phase having good wettability with O 2 and Al 2 O 3 occurs. As described above, the generation reaction of the liquid phase is promoted, and the sintering by the reactive liquid phase occurs smoothly. As a result, a glass mainly composed of cristobalite and / or SiO 2 is deposited in addition to the mullite phase, and a temperature of 200 ° C. It is possible to obtain a printed circuit board having a coefficient of thermal expansion at 12 ° C./° C. or higher of 12 ° C./° C. or a dense sintered body having a coefficient of thermal expansion substantially equal to that of Cu.

【0028】その結果、このAl2 3 −SiO2 質焼
結体を絶縁基板として配線層を具備する多層配線基板や
半導体素子を収納するパッケージをプリント基板に実装
した場合に熱膨張差に起因するプリント基板との電気的
接続不良などの発生を抑制し長期に安定した実装構造を
提供することができる。
As a result, when this Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body is used as an insulating substrate, a multilayer wiring board having a wiring layer or a package containing a semiconductor element is mounted on a printed circuit board. This makes it possible to provide a stable mounting structure for a long period of time by suppressing the occurrence of poor electrical connection with the printed circuit board.

【0029】[0029]

【実施例】【Example】

実施例1 平均粒径が0.6μmのAl2 3 粉末と、平均粒径
0.8μmのSiO2 粉末、平均粒径が1.0μmのム
ライト粉末(Al2O3/SiO2=72/28,重量比)、および平均
粒径1.5μmの周期律表第3a、2a族元素の炭酸塩
を用いて、表1の組成となるように秤量混合し、公知の
溶剤とバインダー及び可塑剤等を混合しこれをドクター
ブレード法により0.5mm厚に成形した後、シートを
加熱・加圧積層した積層体を作製した。そして,この積
層体を表1の焼成温度条件で焼成した。尚、表中のMg
O、CaO量はいずれもMgCO3 、CaCO3 から換
算したものである。また、得られた焼結体に対して、結
晶相をX線回折測定により同定した。さらに室温〜20
0℃の熱膨張率を測定した。
Example 1 Al 2 O 3 powder having an average particle size of 0.6 μm, SiO 2 powder having an average particle size of 0.8 μm, and mullite powder having an average particle size of 1.0 μm (Al 2 O 3 / SiO 2 = 72 / 28, weight ratio) and carbonates of Group 3a and 2a elements of the Periodic Table having an average particle size of 1.5 μm were weighed and mixed so as to have the composition shown in Table 1, and a known solvent, binder and plasticizer were used. And the like were formed into a thickness of 0.5 mm by a doctor blade method, and then a sheet was heated and pressed to form a laminate. The laminate was fired under the firing temperature conditions shown in Table 1. In addition, Mg in the table
The amounts of O and CaO are both converted from MgCO 3 and CaCO 3 . Further, the crystal phase of the obtained sintered body was identified by X-ray diffraction measurement. Room temperature to 20
The coefficient of thermal expansion at 0 ° C. was measured.

【0030】また、焼結体を直径60mm、厚さ2mm
に加工し、JISC2141の手法で比誘電率を求め
た。測定はLCRメータ(Y.H.P4284A)を用
いて行い、1MHz,1.0Vrsmの条件で25℃に
おける静電容量を測定し、この静電容量から25℃にお
ける比誘電率を測定した。
The sintered body has a diameter of 60 mm and a thickness of 2 mm.
And the relative dielectric constant was determined by the method of JISC2141. The measurement was performed using an LCR meter (YHP4284A), the capacitance at 25 ° C. was measured under the conditions of 1 MHz and 1.0 Vrsm, and the relative dielectric constant at 25 ° C. was measured from the capacitance.

【0031】さらに、X線マイクロアナライザーを用い
た検量線法により焼結体の組成を分析し、X線回折の内
部標準法を用いてムライトおよびクリストバライトの析
出量を測定し、クリストバライトと残部のガラスの合量
を表2に示した。
Further, the composition of the sintered body was analyzed by a calibration curve method using an X-ray microanalyzer, the amounts of mullite and cristobalite precipitated were measured by an internal standard method of X-ray diffraction, and cristobalite and the remaining glass were measured. Are shown in Table 2.

【0032】[0032]

【表1】 [Table 1]

【0033】[0033]

【表2】 [Table 2]

【0034】上記表1、2より、ムライト粉末を全く添
加しない試料No.4、22ではいずれも焼結できず、そ
れ以外のムライト粉末を添加して焼成した焼結体は、緻
密なものであった。しかし、ムライトの添加量が0.5
重量%より少ない試料No.6では焼結不足でそりが発生
した。ムライトを0.5重量%以上添加した場合でも、
Al2 3 /SiO2 比が0.72未満の試料No.1、
2では緻密化できず、試料No.1ではクラックが発生し
た。よって、ムライトを0.5重量%添加すればAl2
3 /SiO2 重量比が0.72以上の範囲で良好な焼
結体となることがわかる。ただし、ムライト量が10重
量%以上ではAl2 3 /SiO2 重量比が0.6以上
で緻密化できることがわかる。
From Tables 1 and 2, it can be seen that Samples Nos. 4 and 22 in which no mullite powder was added could not be sintered either, and the sintered bodies fired by adding other mullite powders were dense. there were. However, the amount of mullite added was 0.5
In Sample No. 6 having less than the weight%, warpage occurred due to insufficient sintering. Even when mullite is added in an amount of 0.5% by weight or more,
Sample No. 1 having an Al 2 O 3 / SiO 2 ratio of less than 0.72,
No. 2 could not be densified, and sample No. 1 had cracks. Therefore, if mullite is added at 0.5% by weight, Al 2
It can be seen that a favorable sintered body is obtained when the O 3 / SiO 2 weight ratio is in the range of 0.72 or more. However, it can be seen that when the amount of mullite is 10% by weight or more, the Al 2 O 3 / SiO 2 weight ratio can be made dense with 0.6 or more.

【0035】さらに、Al2 3 /SiO2 重量比が1
以上の試料No.23では熱膨張係数が小さくなり、1未
満で室温〜200℃における熱膨張率が12×10-6
℃以上となり、プリント基板やCuの熱膨張率(12〜
18×10-6/℃)と近く、プリント基板への表面実装
やCuのヒートシンクの使用が可能となることが判る。
Further, when the weight ratio of Al 2 O 3 / SiO 2 is 1
In the above sample No. 23, the coefficient of thermal expansion was small, and the coefficient of thermal expansion from room temperature to 200 ° C. was less than 12 × 10 −6 / 1 at less than 1.
° C or higher, and the coefficient of thermal expansion of the printed circuit board or Cu (12 to
18 × 10 −6 / ° C.), which indicates that surface mounting on a printed circuit board and use of a Cu heat sink are possible.

【0036】また、本発明の焼結体では、いずれも比誘
電率が5.8以下とアルミナの10よりも低く、信号伝
播速度を向上することができるものである。
Further, the sintered body of the present invention has a relative dielectric constant of 5.8 or less, which is lower than that of alumina, and can improve the signal propagation speed.

【0037】なお、図1に、表1における試料No.8の
温度に対する伸びの熱膨張曲線を示す図である。この図
1より、クリストバライトを含有することにより、室温
〜200℃の範囲のみ熱膨張率が大きく、高温側では熱
膨張率が小さく、通常のWやMoのメタライズが可能で
あることが判る。また熱膨張の屈曲点が200〜300
℃の間にあり、室温〜200℃の平均熱膨張率が12×
10-6/℃以上であることが判る。
FIG. 1 is a diagram showing a thermal expansion curve of elongation with respect to temperature of sample No. 8 in Table 1. From FIG. 1, it can be seen that by containing cristobalite, the coefficient of thermal expansion is large only in the range of room temperature to 200 ° C., and the coefficient of thermal expansion is small on the high temperature side, so that ordinary metallization of W and Mo is possible. The bending point of thermal expansion is 200 to 300.
° C, the average coefficient of thermal expansion from room temperature to 200 ° C is 12x
It turns out that it is 10 <-6 > / degreeC or more.

【0038】上記試料No.8と同様にクリストバライト
を含有する試料は、いずれも図1に示すように、150
〜300℃付近に伸びの熱膨張曲線において屈曲点を有
するものであった。
As shown in FIG. 1, all of the samples containing cristobalite as in Sample No.
It had an inflection point in the thermal expansion curve of elongation at about 300 ° C.

【0039】実施例2 原料として平均粒径0.8μmのSiO2 粉末、平均粒
径が1.0μmのムライト粉末(Al2O3/SiO2=72/28,重
量比)、および平均粒径1.5μmの周期律表第3a、
2a族元素の炭酸塩を用いて、表3の組成に秤量混合
し、これをドクターブレード法により成形してグリーン
シートを作製し、このグリーンシートを複数枚積層して
表3に示すような焼成温度条件で焼成した。また、得ら
れた焼結体に対して、上記実施例1と同様にして結晶相
を同定し、室温〜200℃の熱膨張率および比誘電率、
焼結体の組成、クリストバライト+SiO2 ガラスの相
析出量を測定し、この結果を表4に示した。
Example 2 As raw materials, SiO 2 powder having an average particle size of 0.8 μm, mullite powder having an average particle size of 1.0 μm (Al 2 O 3 / SiO 2 = 72/28, weight ratio), and average particle size 1.5 μm periodic table 3a,
Using a carbonate of a Group 2a element, the components were weighed and mixed into the composition shown in Table 3 and molded by a doctor blade method to produce a green sheet. A plurality of the green sheets were laminated and fired as shown in Table 3. It was fired under temperature conditions. Further, a crystal phase was identified for the obtained sintered body in the same manner as in Example 1 above, and the coefficient of thermal expansion and relative dielectric constant at room temperature to 200 ° C.
The composition of the sintered body and the amount of cristobalite + SiO 2 glass phase precipitation were measured. The results are shown in Table 4.

【0040】[0040]

【表3】 [Table 3]

【0041】[0041]

【表4】 [Table 4]

【0042】上記表3、4より、ムライトを10重量%
以上添加してもAl2 3 /SiO2 比が0.6未満の
試料No.24では焼結体にクラックが発生した。
According to Tables 3 and 4, mullite was 10% by weight.
Even with the above addition, cracks occurred in the sintered body in Sample No. 24 in which the Al 2 O 3 / SiO 2 ratio was less than 0.6.

【0043】これに対して、Al2 3 /SiO2 の重
量比が0.6以上、ムライト粉末を10重量%以上添加
して焼成した本発明の範囲内の焼結体はいずれも緻密質
で、室温〜200℃における熱膨張係数が12×10-6
/℃以上であり、プリント基板やCuの熱膨張率(12
〜18×10-6/℃)と近く、プリント基板への表面実
装やCuのヒートシンクの使用が可能となることが判
る。さらに、本発明の焼結体では、比誘電率が5.8以
下とアルミナの10よりも低く、信号伝播速度を向上す
ることができる。
On the other hand, all sintered bodies within the range of the present invention, which were baked with an Al 2 O 3 / SiO 2 weight ratio of 0.6 or more and a mullite powder of 10% by weight or more, were dense. And the coefficient of thermal expansion from room temperature to 200 ° C. is 12 × 10 −6
/ ° C or higher, and the thermal expansion coefficient (12
-18 × 10 −6 / ° C.), which indicates that surface mounting on a printed circuit board and use of a Cu heat sink are possible. Furthermore, in the sintered body of the present invention, the relative dielectric constant is 5.8 or less, which is lower than that of alumina, and the signal propagation speed can be improved.

【0044】なお、図1に、表3における試料No.26
の温度に対する伸びの熱膨張曲線を示した。この図1よ
り、クリストバライトを含有することにより、室温〜2
00℃の範囲のみ熱膨張率が大きく、高温側では熱膨張
率が小さく、通常のWやMoのメタライズが可能である
ことが判る。また熱膨張の屈曲点が200〜300℃の
間にあり、室温〜200℃の平均熱膨張率が12×10
-6/℃以上であることが判る。
FIG. 1 shows the sample No. 26 in Table 3.
3 shows a thermal expansion curve of elongation with respect to temperature. From FIG. 1, it can be seen that by containing cristobalite, room temperature to 2
It can be seen that the coefficient of thermal expansion is large only in the range of 00 ° C., and the coefficient of thermal expansion is small on the high temperature side, so that normal metallization of W and Mo is possible. Further, the bending point of thermal expansion is between 200 and 300 ° C., and the average thermal expansion coefficient between room temperature and 200 ° C. is 12 × 10
It turns out that it is -6 / degreeC or more.

【0045】上記試料No.26と同様にクリストバライ
トを含有する試料は、いずれも図1に示すように、15
0〜300℃付近に伸びの熱膨張曲線において屈曲点を
有するものであった。
As shown in FIG. 1, each of the samples containing cristobalite as in Sample No.
It had a bending point in the thermal expansion curve of elongation at around 0 to 300 ° C.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明のAl2 3 −SiO2 系焼結体
の製造方法では、Al2 3 とSiO2 の混合粉末にム
ライト粉末を添加したので、液相の生成反応が促進され
るとともに反応性液相による焼結がスムーズに生じ、ボ
イドの発生を抑制して、クリストバライトを含有する緻
密なAl2 3 −SiO2 系焼結体を得ることができ
る。従って、本発明のAl2 3 −SiO2 系焼結体の
製造方法では、安価にかつ容易に焼結体を得ることがで
きる。
According to the method for producing an Al 2 O 3 —SiO 2 sintered body of the present invention, mullite powder is added to a mixed powder of Al 2 O 3 and SiO 2 , so that the reaction of forming a liquid phase is accelerated. In addition, sintering due to the reactive liquid phase occurs smoothly, and the generation of voids is suppressed, so that a dense Al 2 O 3 —SiO 2 -based sintered body containing cristobalite can be obtained. Therefore, in the method for producing an Al 2 O 3 —SiO 2 based sintered body of the present invention, a sintered body can be easily obtained at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の試料No.8,26の温度に対する伸び
を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the elongation of samples Nos. 8 and 26 of the present invention with respect to temperature.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】少なくともAlと、Siとを酸化物換算量
で合計92〜99.5重量%、周期律表第2a,3a族
元素のうち少なくとも1種を酸化物換算で0.5〜8重
量%の割合で含有し,且つ前記AlのAl2 3 換算量
の前記SiのSiO2 換算量に対する重量比率が0.6
以上,1未満のAl2 3 −SiO2 系焼結体であっ
て、該焼結体は、ムライトを主結晶相とし、さらに30
重量%以上のクリストバライトおよび/またはSiO2
を主成分とするガラスを含み、常温から200℃の熱膨
張係数が12ppm/℃以上であることを特徴とする高
熱膨張Al2 3 −SiO2 系焼結体。
1. A total of 92 to 99.5% by weight of at least Al and Si in terms of oxides, and 0.5 to 8 in terms of oxides of at least one of Group 2a and 3a elements of the periodic table. % By weight, and the weight ratio of the Al equivalent to Al 2 O 3 to the Si equivalent to SiO 2 is 0.6.
As described above, the Al 2 O 3 —SiO 2 based sintered body of less than 1 has a main crystal phase of mullite,
% By weight of cristobalite and / or SiO 2
A high thermal expansion Al 2 O 3 —SiO 2 based sintered body comprising a glass having as a main component, and having a thermal expansion coefficient from room temperature to 200 ° C. of 12 ppm / ° C. or more.
【請求項2】Al2 3 粉末と、SiO2 粉末と、周期
律表第2a族元素化合物および周期律表第3a族元素化
合物のうち少なくとも一種の粉末と、ムライト粉末との
混合粉末であって、前記Al2 3 粉末と前記SiO2
粉末と前記ムライト粉末を合計で92〜99.5重量
%、前記周期律表第2a族元素化合物および周期律表第
3a族元素化合物のうち少なくとも一種の粉末を酸化物
換算で0.5〜8重量%の割合で含み、且つ、 前記ムライト粉末を0.5重量%以上含む場合、全量中
におけるAlのAl23 換算量/SiのSiO2 換算
量の重量比率が0.72以上、1未満、 前記ムライト粉末を10重量%以上含む場合、全量中に
おけるAlのAl2 3 換算量/SiのSiO2 換算量
の重量比率が0.6以上、1未満、の条件を満足するよ
うに調合した混合粉末を所定形状に成形した後、170
0℃以下で焼成して、ムライトを主結晶相とし、さらに
30重量%以上のクリストバライトおよび/またはSi
2 を主成分とするガラスを含む焼結体を得ることを特
徴とする高熱膨張Al2 3 −SiO2 系焼結体の製造
方法。
2. A mixed powder of Al 2 O 3 powder, SiO 2 powder, powder of at least one of Group 2a element compound and Periodic Table 3a element compound of the periodic table, and mullite powder. And the Al 2 O 3 powder and the SiO 2
Powder and the mullite powder in a total amount of 92 to 99.5% by weight, and at least one powder of the Group 2a element compound and the Group 3a element compound in the periodic table is 0.5 to 8 in terms of oxide. % Of the mullite powder and 0.5% by weight or more of the mullite powder, the weight ratio of the Al equivalent to Al 2 O 3 / the Si equivalent to SiO 2 in the total amount is 0.72 or more, When the mullite powder is contained in an amount of 10% by weight or more, the weight ratio of the amount of Al in terms of Al 2 O 3 / the amount of Si in terms of SiO 2 in the total amount is 0.6 or more and less than 1. After forming the prepared mixed powder into a predetermined shape, 170
Firing at 0 ° C. or lower to make mullite into a main crystal phase, and further, 30% by weight or more of cristobalite and / or Si
Method for producing a high thermal expansion Al 2 O 3 -SiO 2 -based sintered body, characterized in that to obtain a sintered body of O 2 comprises a glass composed mainly.
【請求項3】SiO2 粉末と、周期律表第2a族元素化
合物および周期律表第3a族元素化合物のうち少なくと
も一種の粉末と、ムライト粉末との混合粉末であって、
前記SiO2 粉末と前記ムライト粉末とを合計で92〜
99.5重量%、前記周期律表第2a族元素化合物およ
び周期律表第3a族元素化合物のうち少なくとも一種の
粉末を酸化物換算で0.5〜8重量%、前記ムライト粉
末を10重量%以上の割合でそれぞれ含有するととも
に、全組成中におけるAlの酸化物換算量/Siの酸化
物換算量の重量比率が0.6以上、1未満の範囲となる
ように調合した混合粉末を所定形状に成形した後、17
00℃以下で焼成して、ムライトを主結晶相とし、さら
に30重量%以上のクリストバライトおよび/またはS
iO2 を主成分とするガラスを含む焼結体を得ることを
特徴とする高熱膨張Al2 3 −SiO2 系焼結体の製
造方法。
3. A mixed powder of SiO 2 powder, at least one powder of a Group 2a element compound of the Periodic Table and a Group 3a element compound of the Periodic Table, and mullite powder,
The total of the SiO 2 powder and the mullite powder is 92 to
99.5% by weight, 0.5 to 8% by weight in terms of oxide of at least one powder of the Group 2a element compound of the periodic table and the Group 3a element compound of the periodic table, and 10% by weight of the mullite powder. The mixed powders contained in the above proportions and prepared so that the weight ratio of the equivalent amount of Al oxide / the equivalent amount of Si oxide in the entire composition is in the range of 0.6 or more and less than 1 in a predetermined shape. After molding to 17
Baking at a temperature of not more than 00 ° C. to make mullite into a main crystal phase, and further containing at least 30% by weight of cristobalite and / or S
method for producing a high thermal expansion Al 2 O 3 -SiO 2 -based sintered body, characterized in that to obtain a sintered body containing glass and iO 2 as a main component.
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JPH0626900U (en) * 1992-09-04 1994-04-12 有限会社きのした Far infrared radiation health clothing

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