JP4998833B2 - ガラスセラミック基板の製造方法およびガラスセラミック基板 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスセラミック基板およびガラスセラミック基板の製造方法に関する。

高周波では誘電体の損失が増大するため、ミリ波帯での使用に堪えるためには、マイクロ波帯で使用する以上に低誘電損失な材質であることが求められる。一方、誘電率に関しては、ストリップラインの幅が大きくなるほど、誘電体の誘電率が大きくなるほど、ストリップラインのインピーダンスが小さくなるため、同じインピーダンスの場合、誘電率が小さいほどストリップラインの幅を大きくすることができるため、誘電率が低い方が導体の形成上は望ましい。また、基板にアンテナを形成する場合、アンテナの特性上の点からも誘電率が低いことが望ましい。
これらの要求特性のうち、低誘電率を満たす低温焼成セラミックとしては、ホウケイ酸ガラス等の低誘電率のガラス材と、低誘電率の無機フィラーを混合して作製する方法が知られている。 しかし、一般にガラスは高周波における誘電損失が大きいため、前記のような用途には不適である。そこで、高周波における誘電損失の小さい低温焼成セラミックの製造方法において、焼成工程において、ガラスから結晶を析出する結晶化ガラスを用いることによって、焼成後の残余ガラス成分を低減し、それによって誘電損失を低減する方法が知られている。

特許文献１では、ガラス粉末に無機フィラーとしてコーディエライトを添加する方法について述べている。

特許文献２では、ガラス原料粉末を１０００℃以下で熱処理して得られた粉末を用いることにより、従来の溶融−急冷法によって作製されたガラス粉末を使用することなく、低温焼成化できることを述べている。

特開２００５−１７９１３７号公報 特許３３６９７８０号公報

特許文献１で述べられている方法では、ガラスセラミック複合基板の製造方法は、図３に示すように、予め製造したガラス粉末とセラミック粉末を混合し、成形し、焼成する方法によっていた。即ち、ガラス粉末は目標組成となるように原料粉末を秤量したものを混合し、高温にて加熱して原料粉末の混合物が溶融させた後、急冷して固化させたガラス塊を粗粉砕してカレットを得た後、さらに微粉砕することによってガラス粉末を得るという方法で作製されている。

このような従来の製造方法では、上記のようにガラス原料を溶融用の炉が必要になることや、ガラス塊を粉砕するための工程があるため、煩雑さ、コストの点で問題がある。その他、装置上の問題点としては、ガラスの溶融時には高温にて運転する必要があるため、炉体の損傷が激しいという問題がある。

特許文献２で述べられている方法では、従来のようなガラス粉末作製工程を経ていないため比較的容易に作製できる。一方、比誘電率については明記されていないものの、比誘電率は７以上と推測され、前記の用途には適さないという問題がある。

従来のガラス粉末の製造方法は、目標組成となるように原料粉末を秤量したものを混合し、高温にて加熱して原料粉末の混合物が溶融させた後、急冷して固化させたガラス塊を粗粉砕してカレットを得た後、さらに微粉砕することによってガラス粉末を得るという方法であるのに対して、本発明は、目標組成となるように原料粉末を秤量し、混合した後、仮焼を行うことによって、これらを反応させて一部をガラス化させることにより、従来の溶融−急冷法によって作製されたガラス粉末と同様の効果を得ることができる。
第１の発明となるガラスセラミック基板の製造方法は、目標組成となるように原料粉末を秤量、混合して得られる混合粉末を、前記混合粉末の溶融温度以下の温度で仮焼し、微粉砕して得られた低温焼結化材と、無機フィラーとしてコーディエライトを、混合比率が、低温焼結化材と無機フィラーの合計に対して１５体積％より大きく４０体積％より小さい範囲で混合して作製した粉末を用いて、成形し、焼成して比誘電率が６以下のガラスセラミックとする工程を備える。前記原料粉末はＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｕ、Ｍｎの酸化物を含むのが好ましく、前記無機フィラーは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉの酸化物を仮焼して得らるのが好ましい。
第２の発明は、前記成形により得られたグリーンシートに導体パターンを形成し、積層してなる積層体を焼成してミリ波帯用の多層セラミック基板としたことを特徴とするガラスセラミック基板である。

本発明によれば、溶融−急冷法で作製されたガラス粉末を使用することなく、ガラスセラミック基板を作製できるため、従来の方法より、前記の工程の煩雑さ、コストや装置の損傷の問題を改善することができる。その結果、作製が容易で、その結果コストの点でも有利に低温焼成セラミック組成物を製造できる。さらに、無機フィラーとして低誘電率の物質を用いることにより、比誘電率を低くすることができる。

以下、本発明のガラスセラミック基板について製造方法を含めて説明する。図３は、従来の製造プロセスを示すフローチャートであり、図１は、本発明の製造プロセスを示すフローチャートであり、図２はその変形である。本発明では、従来のガラス粉末に対応する低温焼結化材を以下のように作製する。原料を秤量、混合したものを乾燥させて得られた粉末を仮焼する。仮焼工程においては、仮焼温度を適切に設定することによって、素原料の反応を進行させ、一部をガラス化させてもよい。このように仮焼して得られた粉末を、ボールミル等の方法によって所望の粒径まで粉砕し、所望の粉末を得る。無機フィラーとして用いるセラミック粉末としては、石英などの低誘電率材の原料をそのまま使用してもよいし、コーディエライトなどの低誘電率の物質を得るために、複数の素原料を混合、仮焼、粉砕することによって作製された粉末を使用してもよい。このようにして得られた低温焼結化材とフィラーを適切な比率で混合して得られた粉末を造粒し、成形し、焼成することによって、所望の焼結体が得られる。
なお、所望の結晶が析出し、所望の特性が得られるのであれば、前述のように低誘電率のフィラーを作製した後に低温焼結化材と混合する方法でなく、図２の実施例のように低温焼結化材の素原料とフィラーの素原料を混合したものを仮焼し、粉砕する方法によってもよく、この方法が可能な材料においては、工程が簡略化されるため、より望ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３：１６質量％、ＳｉＯ_２：５８質量％、ＳｒＯ：１６質量％、Ｂｉ_２Ｏ_３：４質量％、Ｎａ_２Ｏ：３質量％、Ｋ_２Ｏ：１質量％、ＣｕＯ：１質量％、Ｍｎ_３Ｏ_４：１質量％の組成となるように素原料を秤量、混合し、混合して得られた粉末を７５０℃で仮焼し、これを１μｍ程度に微粉砕して低温焼結化材の粉末を作製した。なお、ＳｒＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏの素原料としては、それぞれ、ＳｒＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３を用いた。無機フィラーとして、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２をコーディエライトの組成となるように秤量、混合した後、１３５０℃で仮焼し、これを１μｍ程度に微粉砕してコーディエライト粉末を得た。この後、前記低温焼結化材と前記無機フィラーを所望の比率となるように秤量、混合した。このようにして得られた粉末をＰＶＡ溶液を用いて造粒した後に、円柱形に成形し、９００℃で焼成を行った。得られた焼結体について、誘電体共振器法（ＪＩＳ Ｒ１６２７）で、誘電特性を評価した。その結果を、表１に示す。

コーディエライトの混合量が４０体積％以上では、９００℃で緻密化しない、という問題があり、コーディエライトの混合量が１５体積％以下では、９００℃で焼成した際にポーラスになってしまうという問題があった。ここで、ポーラスになる原因は未特定であるが、焼結が進み、結晶の粒成長が進むことによって、ポアが粗大化したためと推測される。このため、コーディエライトの混合量は、１５体積％より大きく４０体積％より小さい必要がある。

次に、得られた低温焼結化材と無機フィラーの混合粉末を用いたガラスセラミック基板を下記のように作製した。低温焼結化材と無機フィラーの混合粉末１００質量部に対して有機バインダとしてＰＶＢを１５質量部、可塑剤としてＤＯＰ（フタル酸ビス(2-エチルヘキシル)）を１０質量部加えて、更に溶剤として、エタノールとブタノールの混合物を使用し、ボールミルにて２０時間分散した。得られたスラリーを、減圧下にて脱泡し一部溶剤を揮発させて、ドクターブレード法にてシート成形した。比較用として、無機フィラーとしてコーディエライトでなく、アルミナを用いたセラミック材についても同様の手順にてシート成形した。
得られた基体用グリーンシート（厚さ：８０μｍ）を、キャリアフィルムと一緒に所定の大きさに裁断し、所定の導体パターンをＡｇペーストにてスクリーン印刷して形成した。なお、導体パターンは焼成後のセラミックの誘電率を考慮して形成した。具体的には、無機フィラーとしてアルミナを用いたものは、コーディエライトを用いたものより高誘電率であるので、インピーダンスを合わせるために導体の幅を小さくした。
スクリーン印刷によって導体パターンを形成したグリーンシートの各層を順次、位置合わせ後、約６０℃、圧力９．８ＭＰａで熱圧着し、仮圧着状態の積層体を得た。その後、表層導体パターンやオーバコート材を形成し、ＣＩＰ装置にて９．８ＭＰａ、８５℃で熱圧着し、各層が一体化した未焼結多層セラミック体を得た。この未焼結多層セラミック体の脱バインダを行い、９００℃で２時間保持し焼結体となし、多層セラミック基板を得た。
多層セラミック基板の評価は以下のように行った。アジレント社製ネットワークアナライザとミリ波用テストセットを用いて、８０ＧＨｚでの導体パターンの伝送損失を評価した。伝送損失については、焼成後の導体パターンの長さが５ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍとなるように導体パターンを形成し、それぞれについて伝送損失を測定し、その差分から、まず１ｃｍあたりの伝送損失を求め、さらにそれらの平均値を求めた。

この結果、比誘電率が低い材料を用いた基板ほど伝送損失が小さくなること、比誘電率が６以下の材料では、伝送損失が２ｄＢ／ｃｍより小さくできることを確認した。このため、基板材料としては、比誘電率６以下の材料を用いる必要がある。

本発明における製造プロセスを示すフローチャート 本発明の変形例を示すフローチャート 従来の技術における製造プロセスを示すフローチャート

Claims (4)

1. 目標組成となるように原料粉末を秤量、混合して得られる混合粉末を、前記混合粉末の溶融温度以下の温度で仮焼し、微粉砕して得られた低温焼結化材と、
   無機フィラーとしてコーディエライトを、混合比率が、低温焼結化材と無機フィラーの合計に対して１５体積％より大きく４０体積％より小さい範囲で混合して作製した粉末を用いて、成形し、焼成して比誘電率が６以下のガラスセラミックとする工程を備えたことを特徴とするガラスセラミック基板の製造方法。
2. 前記原料粉末はＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｕ、Ｍｎの酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載のガラスセラミック基板の製造方法。
3. 前記無機フィラーは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉの酸化物を仮焼して得られたことを特徴とする請求項１又２に記載のガラスセラミック基板の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のガラスセラミック基板の製造方法により製造されたガラスセラミック基板であって、
   前記成形により得られたグリーンシートに導体パターンを形成し、積層してなる積層体を焼成してミリ波帯用の多層セラミック基板としたことを特徴とするガラスセラミック基板。

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