JP4578076B2

JP4578076B2 - アルミナ焼結体、およびｉｃ基板

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Publication number: JP4578076B2
Application number: JP2003288451A
Authority: JP
Inventors: 祐介勝; 健光岡; 正也伊藤; 和重大林
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP2005053758A

Description

本発明は、アルミナ焼結体、およびＩＣ基板に関する。

従来、半導体ＩＣ等を実装する多層配線基板には、高強度、高熱伝導特性、低誘電損失であることが要求されている。低電気抵抗かつ高周波特性に優れた銅系導電体と同時焼成可能な材料としてＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramicの略）が提案されている。

このＬＴＣＣは、アルミナ材料およびガラス成分とを混合させ、焼結させたものであるが、ガラス成分を多く含むために、アルミナ材料が有している高強度や高熱伝導特性といった特性が失われる。

また、焼結助剤の量を増加してアルミナ材料を焼成すると、通常よりも低い温度で焼成を行うことができる。この場合でも、焼結助剤の量が増加するに伴い、生成する粒界相によってアルミナ材料が有している高強度や高熱伝導特性といった特性が失われる。

さらに、平均粒径が５〜５０ｎｍ程度のアルミナの微粉末を用い、１２００℃以下の低温でアルミナを焼成する方法が提案されている（特許文献１参照）。

特許第２６６６７４４号（請求項３）

しかしながら、前述の特許文献１記載の発明においては、平均粒径が５〜５０ｎｍ程度のアルミナの微粉末は、材料コストが高く、また、平均粒径が小さいため、製造時の作業性が悪くなるという問題もある。

本発明は、このような従来の問題点を解消し、高強度、高熱伝導特性、低誘電損失を維持しつつ、材料コストを削減でき、かつ製造時の作業性の良いアルミナ焼結体を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のアルミナ焼結体は、アルミナを主成分とし、少なくとも０．４mol％のZrと、少なくとも３．５mol％のSi、少なくとも１．２mol％のMn、少なくとも１．７mol％のTi、及び少なくとも０．６mol％の周期律表２a族元素からなる群より選択される少なくとも３種類とを酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、
アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、
熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上であることを特徴とする。

また、本発明のアルミナ焼結体は、アルミナを主成分とし、少なくとも０．４mol％のZrと、少なくとも３．５mol％のSi、少なくとも１．２mol％のMn、少なくとも１．７mol％のTi、及び少なくとも０．６mol％の周期律表２a族元素からなる群より選択される少なくとも４種類とを酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、
アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、
熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上であることを特徴とする。

さらに、本発明のアルミナ焼結体は、アルミナを主成分とし、少なくとも３．５mol％のSi、少なくとも１．２mol％のMn、少なくとも１．７mol％のTi、少なくとも０．４mol％のZr及び少なくとも０．８mol％のBaと、少なくとも０．６mol％のMg、少なくとも０．８mol％のCa、及び少なくとも０．６mol％のSrから選択される１種類以上とを酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、
アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、
熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上であることを特徴とする。

本発明のアルミナ焼結体においては、密度が３．６０ｇ/ｃｍ^３以上であり、測定周波数１〜６０ＧＨｚにおける誘電損失が、２０×１０^−４以下であることが好ましい。

本発明のアルミナ焼結体においては、密度が３．６０ｇ/ｃｍ^３以上であり、測定周波数９ＧＨｚにおける誘電損失が、２０×１０^−４以下であることが好ましい。

本発明のＩＣ基板は、前記アルミナ焼結体からなる基板にＩＣチップを備えることを特徴とする。

本発明によれば、高強度、高熱伝導特性、低誘電損失を維持しつつ、材料コストを削減でき、かつ製造時の作業性の良いアルミナ焼結体を提供することができる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係るアルミナ焼結体は、アルミナを主成分とし、Si、Mn、Ti、Zr、及び周期律表２a族元素からなる群より選択される少なくとも４種類以上を酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上である。

[アルミナ]
原料として使用するアルミナの平均粒径としては、０．１〜１．０μｍであることが好ましい。使用するアルミナの平均粒径が０．１〜１．０μｍであるので、従来と比較して、材料コストの削減が可能となる。

また、本発明に係る平均粒径が０．１〜１．０μｍアルミナの粉末は、従来の５〜５０ｎｍ程度のアルミナの微粉末よりも、大きいので、製造時の作業性が良い。

ここで、アルミナの平均粒径が、０．１μｍ未満であると、アルミナ１ｋｇ当たりの材料コストが高くなるという問題がある。アルミナの平均粒径が、１．０μｍを超えると、比較的低温で焼結させる際に高密度のアルミナ焼結体を得ることが困難となる問題がある。

[焼結助剤]
Si、Mn、Ti、Zr、及び周期律表２a族元素からなる群は、本発明のアルミナ焼結体において、焼結助剤としての機能を果たすので、以下、これらを「焼結助剤」と称する場合がある。アルミナ焼結体は、Si、Mn、Ti、Zr、及び周期律表２a族元素からなる群より選択される少なくとも４種類以上を酸化物換算で合計６〜２４mol％含有する。アルミナ焼結体が、酸化物換算で合計６〜２４mol％の範囲外の量のこれら焼結助剤を含有していると、高強度、高熱伝導特性、低誘電損失を維持することができないという問題がある。ここで、周期律表２a族元素としては、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ等が挙げられる。

[アルミナ焼結体]
アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍである。ここで、アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５μｍ未満であると、高熱伝導特性を維持することができないという問題がある。アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、２．０μｍを超えると、高強度を維持することができないという問題がある。

また、アルミナ焼結体中のアルミナ粒子のアスペクト比は、１．０〜１．５である。ここで、このアスペクト比が１．０〜１．５の範囲内であることで、図１のSEM写真に示されるように、アルミナ焼結体中の亀裂が粒界相を屈曲して進展するので、高強度のアルミナ焼結体とすることができる。なお、アスペクト比の測定は、例えば、図１に示されるような電子顕微鏡写真より、まず、粒界相の長径および短径を測定する。そして、（長径）/（短径）を計算して、アスペクト比を得る。

一方、アルミナ焼結体の熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上である。ここで、アルミナ焼結体の熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ未満であると、実用に適さないという問題がある。

本発明のアルミナ焼結体においては、密度が３．６０ｇ/ｃｍ^３以上であり、測定周波数１〜６０ＧＨｚにおける誘電損失が、２０×１０^−４以下であることが好ましい。また、本発明のアルミナ焼結体においては、密度が３．６０ｇ/ｃｍ^３以上であり、測定周波数９ＧＨｚにおける誘電損失が、２０×１０^−４以下であることが好ましい。

本発明のアルミナ焼結体を使用する用途は、パーソナルコンピュータに使用される半導体ICの基板や携帯電話に使用される基板が挙げられる。近年、半導体ICの高性能化や情報通信の高周波化に伴い、６０ＧＨｚ程度の高周波数領域における低損失材料が求められている。

本発明のアルミナ焼結体の測定周波数１〜６０ＧＨｚにおける誘電損失が、２０×１０^−４以下であり、パーソナルコンピュータや情報通信用の基板材料として好適に用いることができる。

[アルミナ焼結体の製造方法]
以上、説明したアルミナ焼結体は、以下のような手順で製造する。
[i] アルミナ粉末および上記した焼結助剤を所定の量に秤量する。

[ii] 上記[i]のアルミナ粉末および焼結助剤を、アルミナ球石をボールとするボールミルを用いて、有機系バインダおよびエタノールを溶媒として混合し、１６時間、湿式混合粉砕を行う。ここで、湿式混合粉砕は、本実施形態において、ボールミルを用いて行う。なお、ボールミル以外にも、攪拌ミル、せん断ミル、コロイドミル等を使用しても良い。

ボールミルとしては、転動ボールミル、振動ボールミル、遊星ミル等が挙げられる。転動ボールミルとしては、ポットミル、チューブミル、コニカルミル等が挙げられる。振動ボールミルとしては、円振動型振動ミル、旋廻型振動ミル、遠心ミル等が挙げられる。攪拌ミルとしては、塔式粉砕機、攪拌層型ミル、流通管型ミル、アニュラミル等が挙げられる。

ここで、湿式混合粉砕の溶媒として、本実施形態において、エタノールを使用する。なお、エタノール以外にも、アセトン、メタノール、水等を使用しても良い。

[iii] 上記[ii]の湿式混合粉砕で得られたスラリーを乾燥する。乾燥の方法としては、自然乾燥、熱風による乾燥、スプレードライ等が挙げられる。

[iv] 上記[iii]のスラリーの乾燥後、成形を行う。成形の方法としては、鋳込み成形法、押出し成形法、射出成形法、金型プレス成形法、ラバープレス成形法（ＣＩＰ法と略す場合がある）、サイクリックＣＩＰ法、ドクターブレード法、カレンダーロール法等が挙げられる。

[v] 上記[iv]の成形後、焼結を行い、アルミナ焼結体を得る。なお、焼結は、大気中で行い、各焼結温度での保持時間は、約２時間である。ここで、焼結の方法としては、雰囲気焼結法、反応焼結法、熱プラズマ焼結法、通電加熱焼結法、多軸通電加熱焼結法、放電プラズマ焼結法、熱間等方加圧式焼結法（Hot Isostatic Pressing; HIP法と略す場合がある。）等が挙げられる。

焼結温度は、１１５０〜１３５０℃であり、１２００〜１３００℃がより好ましい。この焼結温度が、１１５０℃未満であると、アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５μｍ以下となり、アルミナ焼結体の緻密化が起こらず、高強度、高熱伝導性、低誘電損失が得られない場合がある。焼結温度が、１３５０℃を超えると、アルミナ焼結体のアルミナ粒子が平均粒径２．０μｍ以上となる、異常粒成長を起こすため、アルミナ焼結体の強度が低下するという場合がある。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係るアルミナ焼結体は、アルミナを主成分とし、Si、Mn、Ti、Zr、及び周期律表２a族元素からなる群より選択される少なくとも５種類以上を酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上である。

第２実施形態に係るアルミナ焼結体においては、第１実施形態に係るアルミナ焼結体とは、上記した焼結助剤が、Si、Mn、Ti、Zr、及び周期律表２a族元素からなる群より選択される少なくとも５種類以上である点が異なる。

この第２実施形態に係るアルミナ焼結体によれば、第１実施形態に係るアルミナ焼結体と同様に、高強度、高熱伝導特性、低誘電損失を維持しつつ、材料コストを削減でき、かつ製造時の作業性の良いアルミナ焼結体とすることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係るアルミナ焼結体は、アルミナを主成分とし、Si、Mn、Ti、Zr、Baを含み、かつMg、Ca、Srから選択される１種類以上とを酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上である。

第３実施形態に係るアルミナ焼結体においては、第１実施形態に係るアルミナ焼結体とは、上記した焼結助剤が、Si、Mn、Ti、Zr、Baを含み、かつMg、Ca、Srから選択される１種類以上とで構成される点が異なる。

この第３実施形態に係るアルミナ焼結体によれば、第１実施形態に係るアルミナ焼結体と同様に、高強度、高熱伝導特性、低誘電損失を維持しつつ、材料コストを削減でき、かつ製造時の作業性の良いアルミナ焼結体とすることができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態に係るＩＣ基板を図２に示す。ＩＣ基板１は、前記第１〜３実施形態に係るアルミナ焼結体からなる基板２の表面上に配線３を備え、この配線３の上にＩＣチップ４を接合することで構成されている。

このＩＣ基板１の製造方法は、以下のとおりである。まず、前記第１〜３実施形態に係るアルミナ焼結体をシート状に形成することで基板１を得る。次に、シート状に形成された基板１の表面上にスクリーン印刷により、白金（Ｐｔ）を含むペーストを印刷し、１１５０℃、１時間の条件で焼成し、配線３を形成する。さらに、配線３上にＩＣチップ４をはんだ（図示せず）で接合し実装が完了する。

以下、実施例、参考例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。

［実施例３〜１１、参考例１、２、比較例１］
前記実施形態のアルミナ焼結体の製造方法に従って、各実施例、各参考例および比較例のアルミナ焼結体の製造を行った。

[i] アルミナ粉末および以下の表１に示す成分の焼結助剤を所定の量に秤量した。アルミナ粉末は、純度が９９．９％であり、平均粒径が０．４μｍであった。
[ii] 上記[i]のアルミナ粉末および焼結助剤を、アルミナ球石をボールとするボールミルを用いて、有機系バインダおよびエタノールを溶媒として混合し、１６時間、湿式混合粉砕を行った。
[iii] 上記[ii]の湿式混合粉砕で得られたスラリーをスプレードライにて乾燥した。
[iv] 上記[iii]のスラリーの乾燥後、金型プレスにて成形を行った。
[v] 上記[iv]の成形後、雰囲気焼結法にて焼結を行い、アルミナ焼結体を得た。なお、焼結は、大気中で行い、各焼結温度での保持時間は、２時間であった。

なお、この表１中、組成比とは、焼結助剤が、アルミナ焼結体全体に占める酸化物換算のmol/％である。アルミナ焼結体の焼結助剤以外は、アルミナが占めている。

[評価方法および評価結果]
各実施例、各参考例、比較例で各々得られたアルミナ焼結体を用いて、密度、ヤング率、熱伝導率、強度、誘電損失、平均粒径の評価を行った。各評価結果を以下の表２に示す。

[密度]
各実施例、各参考例、比較例で各々得られたアルミナ焼結体を用いて、密度を、JIS R1634（ファインセラミックスの焼結体密度の測定方法）に基づいて測定した。

[ヤング率]
各実施例、各参考例、比較例で各々得られたアルミナ焼結体を用いて、ヤング率を、JIS R1602（ファインセラミックスの弾性率試験方法）に基づいて測定した。

[熱伝導率]
各実施例、各参考例、比較例で各々得られたアルミナ焼結体を用いて、熱伝導率を、JIS R1611（ファインセラミックスのレーザーフラッシュ法による熱伝導率試験方法）に基づいて測定した。

[強度]
各実施例、各参考例、比較例で各々得られたアルミナ焼結体を用いて、強度を、JIS R1601（ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法）に基づいて測定した。

[誘電損失]
各実施例、各参考例、比較例で各々得られたアルミナ焼結体を用いて、測定周波数９ＧＨｚを印加した状態において、誘電損失を平行導体板型誘電体円柱共振器法（TE₀₁₁MODE）に基づいて測定した。

[平均粒径]
各実施例、各参考例、比較例で各々得られたアルミナ焼結体を用いて、アルミナ焼結体を鏡面研磨し、サーマルエッチングを行った後、走査型電子顕微鏡（SEM）観察を行い、得られたSEM写真より、平均粒径をインターセプト法によって算出した。

この表２によれば、各実施例は、比較例と比較して、ヤング率、熱伝導率、強度、誘電損失の点で優れていることがわかった。

本発明のアルミナ焼結体は、パーソナルコンピュータに使用される半導体IC、や携帯電話に使用される半導体IC等の基板等に用いられる。

図１は、本発明に係るアルミナ焼結体の断面の状態を示すSEM写真である。図２は、本発明に係るＩＣ基板の概略図である。

符号の説明

１ＩＣ基板
２基板
３配線
４ＩＣチップ

Claims

アルミナを主成分とし、
少なくとも０．４mol％のZrと、少なくとも３．５mol％のSi、少なくとも１．２mol％のMn、少なくとも１．７mol％のTi、及び少なくとも０．６mol％の周期律表２a族元素からなる群より選択される少なくとも３種類とを酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、
アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、
熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上であることを特徴とするアルミナ焼結体。
アルミナを主成分とし、
少なくとも０．４mol％のZrと、少なくとも３．５mol％のSi、少なくとも１．２mol％のMn、少なくとも１．７mol％のTi、及び少なくとも０．６mol％の周期律表２a族元素からなる群より選択される少なくとも４種類とを酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、
アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、
熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上であることを特徴とするアルミナ焼結体。
アルミナを主成分とし、
少なくとも３．５mol％のSi、少なくとも１．２mol％のMn、少なくとも１．７mol％のTi、少なくとも０．４mol％のZr及び少なくとも０．８mol％のBaと、少なくとも０．６mol％のMg、少なくとも０．８mol％のCa、及び少なくとも０．６mol％のSrから選択される１種類以上とを酸化物換算で合計６〜２４mol％含有し、
アルミナ焼結体中のアルミナ粒子の平均粒径が、０．５〜２．０μｍであり、
熱伝導率が、１０Ｗ/ｍＫ以上であることを特徴とするアルミナ焼結体。
密度が３．６０ｇ/ｃｍ^３以上であり、
測定周波数１〜６０ＧＨｚにおける誘電損失が、２０×１０^−４以下であることを特徴とする前記請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアルミナ焼結体。
密度が３．６０ｇ/ｃｍ^３以上であり、
測定周波数９ＧＨｚにおける誘電損失が、２０×１０^−４以下であることを特徴とする前記請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアルミナ焼結体。
前記請求項１〜４のいずれかに記載のアルミナ焼結体からなる基板にＩＣチップを備えることを特徴とするＩＣ基板。