JP4540239B2

JP4540239B2 - アルミノシリケート系焼結体及びこれを用いた応力緩和部材

Info

Publication number: JP4540239B2
Application number: JP2001022720A
Authority: JP
Inventors: 邦英四方; 俊之井原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: JP2002226260A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミノシリケート系焼結体に関し、特に、半導体素子収納用パッケージ等の絶縁基板磁器または磁気ディスク装置のディスク保持部材やスペーサー等に好適に用いることができる応力緩和部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックスは半導体素子収納用パッケージ等の絶縁基板または磁気ディスク装置のディスク保持部材やスペーサー等に使用され、特にセラミックスの熱膨張係数の適応範囲の広さを活かして、応力緩和部材として利用されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−２１９５７１号公報に半導体素子収納用パッケージに高熱膨張のセラミックスをプリント基板の熱膨張係数に合わせて、調整し利用されている事例が見られる。これにより、半導体素子の作動時に発する熱によってセラミックスパッケージとプリント基板の間に生じる熱応力を緩和することが可能となる。
【０００４】
このように応力緩和部材として用いるためには、幅広い熱膨張特性を有していることが求められ、具体的には、コージェライト（Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）、スポジュメン（Ｌｉ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）、ユークリプタイト（Ｌｉ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）、アノーサイト（Ｃａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）、リン酸ジルコニル及びその化合物、そして炭化珪素、窒化珪素が低熱膨張材料として知られており、その熱膨張係数は、温度範囲が４０〜８００℃でおよそ１．５〜６ｐｐｍ／℃を示す。
【０００５】
一方、熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃を超える高熱膨張材料では、アルミナ、マグネシア、フォルステライト（Ｍｇ−Ｓｉ−Ｏ）、ウォラストナイト（Ｃａ−Ｓｉ−Ｏ）、ネフェリン（Ｎａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）、セルシアン（Ｂａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）、ペタライト（Ｌｉ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）等が知られている。高熱膨張材料としては、特開平５−１５５６５７号公報に主結晶相がリューサイト／ポルサイト固溶体（Ｋ−Ｃｓ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ）であるセラミックスで温度範囲が５０〜７００℃で２〜２７ｐｐｍ／℃となる組成のものが報告されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体部品をはじめとする電気・電子関連部品は、高集積化、小型化は、加速度的に進んでいる。それに伴い、従来使用されている上記のセラミックス材料は、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素を除いて、機械的強度が劣り、小型・薄肉化対応が困難であった。
【０００７】
例えば、先に述べたネフェリンの曲げ強度は約８０〜９０ＭＰａ、セルシアンの曲げ強度は約８０〜１００ＭＰａ、ペタライトの曲げ強度は６０〜９０ＭＰａといずれも低いものであった。
【０００８】
一方、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素の高強度材料の熱膨張係数は、アルミナが７〜８ｐｐｍ／℃、炭化珪素が５〜６ｐｐｍ／℃、窒化珪素が３〜４ｐｐｍ／℃であり、ステンレス等の熱膨張係数が１０〜１５ｐｐｍ／℃の金属部材とアッセンブルする場合には、熱膨張差による剥離等、長期的な安定性の保証が難しく、応力緩和部材の用途には適していないものであった。
【０００９】
また、先に挙げた高熱膨張材料は、焼結時の液相生成が急激に起こることから、焼成温度の幅が比較的狭く、得られる磁器の特性が安定しにくいため、生産時の歩留まりが安定せず、製品化しづらいという問題もあった。さらに、アルミノシリケート基の材料は、ユークリプタイトやスポジュメンに代表されるように結晶のａ軸とｃ軸方向で熱膨張係数の異方性が大きく、焼結体にクラックが生じやすいことも歩留まりが安定しない要素となっている。
【００１０】
このように適当な磁器強度と安定性を有し、また、幅広い熱膨張係数に対応できる組成のセラミックスはなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、熱膨張係数が０〜６００℃の温度範囲で０．３〜１４ｐｐｍ／℃で曲げ強度が１５０ＭＰａ以上であり、簡略なプロセスで、歩留まりが高く、低コストの応力緩和部材を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、Ａｌ、Ｓｉ、アルカリ金属からなる複合酸化物の組成を制御するとともに、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素の少なくとも一種を添加剤として加えることによって、熱膨張係数の適用範囲が広く、また、高強度を有する応力緩和部材を容易に製造することができる。
【００１３】
即ち、アルカリ金属の少なくとも１種以上を酸化物換算で２５〜３９重量％、Ａｌを酸化物換算で２８〜３５重量％、Ｓｉを酸化物換算で３３〜４１重量％の割合からなる複合酸化物の結晶相を主成分とし、この主成分１００重量部に対して、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素の少なくとも１種以上を４０〜１５０重量部添加したことを特徴とする。
【００１４】
アルカリ金属としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋが最適であるが、この他にＣｓやＲｂも同様の特性を得ることができると考えられる。なお、アルカリ土類金属の場合、コージェライトを除いて焼成温度幅が極端に狭く、また、焼成温度が１２００℃より低いことから、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素との合成には適さない。
【００１５】
また、強度向上のために添加する成分である炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素は、単一成分でも効果を発現できるが、熱膨張係数の調整のために２種以上の組み合わせでも同様に強度の向上は発現する。
【００１６】
また、本発明のアルミノシリケート系焼結体は、温度範囲０〜６００℃における熱膨張係数が０．３〜１４．０ｐｐｍ／℃、４点曲げ強度が１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミノシリケート系焼結体は、アルカリ金属を酸化物換算で合わせて２５〜３９重量％、Ａｌを酸化物換算で２８〜３５重量％、Ｓｉを酸化物換算で３３〜４１重量％の割合からなる複合酸化物の結晶相を主成分とし、この主成分１００重量部に、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素の少なくとも１種以上を４０〜１５０重量部添加したものである。
【００１８】
ここでアルカリ金属の酸化物が２５重量％未満では焼結温度が高くなり、良好な磁器を得ることが困難となり、３９重量％を超えると結晶中にガラス相が生じ、狙いの熱膨張係数を得ることが困難となる。また、Ａｌが酸化物換算で２８重量％未満、Ｓｉが酸化物換算で３３重量％未満では、ガラス相が生じ、狙いの熱膨張係数を得ることが困難となる。逆に、Ａｌが酸化物換算で３５重量％を超える場合、Ｓｉが酸化物換算で４１重量％を超える場合には焼結温度が高くなり、良好な磁器を得ることが困難となる。
【００１９】
強度向上に寄与する添加剤として、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素の少なくとも１種以上を４０〜１５０重量部添加することにより、４点曲げ強度で１５０ＭＰａ以上の焼結体とできる。４０重量部未満では、複合化合物中の添加剤の存在割合が低いため、強度向上の効果が乏しく、１５０重量部を超えると焼成可能な温度が高くなって、主成分を成す複合酸化物の蒸発が始まり、良好な磁器が得られなくなる。
【００２０】
以上のように構成された本発明のアルミノシリケート系焼結体は、その組成を制御することにより、０〜６００℃の温度範囲で０．３〜１４ｐｐｍ／℃と広い範囲の熱膨張特性を有し、かつ、４点曲げ強度１５０ＭＰａ以上と高強度特性を有する。したがって本発明のアルミノシリケート系焼結体を半導体素子収納用パッケージ等の絶縁基板磁器または磁気ディスク装置のディスク保持部材やスペーサー等応力緩和部材として用いれば、小型化・薄肉化対応が可能でかつ近接もしくは接触する部材との熱変形応力を生じさせることが無く、経年変化の少ない部材を提供することが可能となる。また、安定して磁器を得ることが可能となることから、製造コストを低減できるため、安価な部品供給を実現できる。
【００２１】
次に本発明のアルミノシリケート系焼結体を作製する方法について説明する。
【００２２】
先ず、出発原料として純度９９％以上、平均粒径が０．６〜１．５μｍ好ましくは０．８〜１．２μｍのアルミナ粉末と、純度９９％以上、平均粒径が０．５〜２．０μｍ好ましくは０．６〜１．０μｍの二酸化珪素粉末と、純度９９％以上、平均粒径が５〜３０μｍの炭酸リチウム粉末と、純度９９％以上、平均粒径が１０〜３０μｍの炭酸ナトリウム粉末と、純度９９％以上、平均粒径が１０〜３０μｍの炭酸カリウム粉末と、純度９９．５％以上、平均粒径０．５〜１．５μｍ好ましくは０．５〜１．０μｍの炭化珪素粉末と、純度９９．５％以上、平均粒径０．５〜１．５μｍ好ましくは０．５〜１．０μｍの窒化珪素粉末を準備する。
【００２３】
炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムを２種以上添加する場合も酸化物換算で合計が２５〜３９重量％、アルミナ粉末を２８〜３５重量％、二酸化珪素粉末を３３〜４１重量％の割合で混合する。混合にはボールミルや振動ミルの粉砕装置を用いることができ、これにより、平均粒径が１μｍ未満となる粉砕原料を得ることができる。粉砕原料は、１０００〜１２００℃で熱処理することにより、アルミノシリケート基の複合酸化物を得ることができる。これを１次原料として、さらに、炭化珪素粉末、窒化珪素粉末、アルミナ粉末を１次原料１００重量部に対して、４０〜１５０重量部、２種以上を添加する場合も合計が４０〜１５０重量部の割合で混合する。混合には同様にボールミルや振動ミルの粉砕装置を用いることができ、これにより、平均粒径が１μｍ未満となる２次原料を得ることができる。
【００２４】
仮焼を行うのは、主相となるアルミノシリケート基の合成を完了したことにより、体積変化が少なく、添加剤を加えた後の焼結を容易に行うためであり、これによって焼成温度幅が広くとれるようになる。また、粒径を規定したことにより、さらに焼結は安定するようになる。
【００２５】
次に成形体の作製方法としては、所望の成形手段、例えば、金型プレス、鋳込み成形、冷間静水圧成形、押し出し成形等の手法により、所望の形状に成形することができる。この成形体を所望により脱脂を行った後、１２００〜１６００℃の温度域、好ましくは１３５０〜１５８０℃で焼成を行う。焼成温度は１２００℃未満では磁器の気孔占有率は１％を超え、平滑な磁器表面や鏡面を得ることが困難となる。１６００℃を超えると複合酸化物成分の蒸発が始まり、成形体形状が維持できなくなる。
【００２６】
また、焼成雰囲気は、添加剤がアルミナのみである場合に限り、大気雰囲気での焼結が可能となるが、その他の添加剤を含む場合は酸素分圧０．１気圧未満の不活性雰囲気を使用する。この焼成条件により、緻密で欠陥や溶融のない焼結体が得られる。
【００２７】
【実施例】
まず、比較例として、純度９９．５％、平均粒径が１．２μｍのアルミナ粉末と、純度９９％、平均粒径が１．５μｍの二酸化珪素粉末と、純度９９％、平均粒径が２７μｍの炭酸リチウム粉末と、純度９９％、平均粒径が１８μｍの炭酸ナトリウム粉末と、純度９９％、平均粒径が２５μｍの炭酸カリウム粉末を表１のＮｏ．１〜１３に示す割合で秤量した。これらの混合粉末に、溶媒としてＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を使用し、回転ミルを用いて、平均粒径をマイクロトラック法で０．９〜１．０μｍとなるように粉砕及び混合した。次に、ＩＰＡの蒸発除去の後、原料粉末を顆粒状に造粒し、１２００℃で熱処理を行い、これを１次原料とした。この１次原料を平均粒径０．９〜１．０μｍとなるように同様の手法にて粉砕した後、結合材としてパラフィンワックスを混合粉末１００重量％に対して１０重量％になるように加え、原料粉末を顆粒状に造粒し、８０ＭＰａの圧力でプレス法により縦６ｍｍ、横７ｍｍ、長さ４５ｍｍの成形体を作製した。そして、この成形体を表２のＮｏ．１〜１３の条件で焼成した。焼成雰囲気は、大気雰囲気を用いた。
【００２８】
得られた焼結体は、アルキメデス法により、気孔率と嵩比重を求めた。熱膨張係数は、ＪＩＳＲ１６１８に準じ、０〜６００℃の温度範囲で測定を行った。曲げ強度は、ＪＩＳＲ１６０１に準じ、４点曲げ試験法で測定した。
【００２９】
次に本発明の実施例として、上記１次原料と純度９９．５％、平均粒径が１．２μｍのアルミナ粉末と、純度９９．９％、平均粒径０．９μｍの炭化珪素粉末と、純度９９．５％、平均粒径１．２μｍの窒化珪素粉末を表１のＮｏ．１４〜４１に示す割合で秤量した。
【００３０】
次に、溶媒としてＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を使用し、回転ミルを用いて、平均粒径をマイクロトラック法で０．９〜１．０μｍとなるように粉砕し、これに、結合材としてパラフィンワックスを混合粉末１００重量％に対して１０重量％になるように加え、ＩＰＡの蒸発除去の後、原料粉末を顆粒状に造粒し、８０ＭＰａの圧力でプレス法により縦６ｍｍ、横７ｍｍ、長さ４５ｍｍの成形体を作製した。そして、この成形体を表２のＮｏ．１４〜４１の条件で焼成した。焼成雰囲気は、大気雰囲気と窒素雰囲気のいずれかの方法を用いた。
【００３１】
得られた焼結体は、アルキメデス法により、気孔率と嵩比重を求めた。熱膨張係数は、ＪＩＳＲ１６１８に準じ、０〜６００℃の温度範囲で測定を行った。曲げ強度は、ＪＩＳＲ１６０１に準じ、４点曲げ試験法で測定した。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
本発明の試料Ｎｏ．１５〜１８、２０〜２４、２６〜２８及び３０〜４１は、気孔率が０．８％以下、０〜６００℃の温度範囲で熱膨張係数が０．３〜１４ｐｐｍ／℃、強度が１５０ＭＰａ以上であった。
【００３５】
一方、炭化珪素、窒化珪素、アルミナを添加しない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１〜１３は、強度が５８〜１１０ＭＰａといずれも低かった。
【００３６】
また、炭化珪素が３０重量％で本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１４は、強度が１１０ＭＰａと低く、強度向上の効果はまだ見られなかった。
【００３７】
また、炭化珪素、窒化珪素、アルミナが１６０重量％と多く、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１９、２５、２９は、強度が１０８〜１２２ＭＰａと低かった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、アルカリ金属の少なくとも１種以上を酸化物換算で２５〜３９重量％、Ａｌを酸化物換算で２８〜３５重量％、Ｓｉを酸化物換算で３３〜４１重量％の割合からなる複合酸化物の結晶相を主成分とし、この主成分１００重量部に対して、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素の少なくとも１種以上を４０〜１５０重量部を添加したアルミノシリケート系焼結体とすることにより、広い範囲で熱膨張係数の調整が可能で高強度を有し、かつ安定した生産が可能な焼結体を提供することが出来る。

Claims

アルカリ金属の少なくとも１種以上を酸化物換算で２５〜３９重量％、Ａｌを酸化物換算で２８〜３５重量％、Ｓｉを酸化物換算で３３〜４１重量％の割合からなる複合酸化物の結晶相を主成分とし、この主成分１００重量部に対して、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、炭化硼素の少なくとも１種以上を４０〜１５０重量部添加したことを特徴とするアルミノシリケート系焼結体。
温度範囲０〜６００℃における熱膨張係数が０．３〜１４．０ｐｐｍ／℃、４点曲げ強度が１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載のアルミノシリケート系焼結体。
請求項１、２記載のアルミノシリケート系焼結体からなることを特徴とする応力緩和部材。