JP5185556B2 - セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス粉末を射出成形し、脱脂、焼結することにより焼結体を製造するセラミックス焼結体の製造方法に関する。

従来、電子部品の基板等に用いられる所望の形状のセラミックス焼結体を得るにあたっては、粉末射出成形が広く用いられている。

この場合、まずセラミックス粉末にバインダを混合し、金型を装着した射出成形機を用いて粉末射出成形し、成形体（グリーン体）を成形する。このグリーン体を加熱脱脂することによりバインダを除去し、脱脂後の成形体（ブラウン体）を得る。この成形体を焼成することにより焼結させ、所望の形状のセラミックス焼結体を得ることができる（特許文献１，２参照）。

上記粉末射出成形時にセラミックス粉末にバインダを混入するのは、粉末射出成形時にセラミックス粉末の流動性を確保して未充填を防止すると共に、グリーン体の保形性を確保するためのである。このようなバインダは、１００質量部のセラミックス粉末１に対して１５〜２５質量部の割合で含有させることが一般的である。
特開２００５−１７９１４７号公報 特開２００６−６２９１２号公報

しかしながら、薄肉部分や複雑形状を有する焼結体を製造する場合、射出成形時に金型内でセラミックス粉末が流動する経路が狭くなったり経路長が長くなったりすると、未充填が生じやすくなる。この問題に対して、バインダの含有量を増大させることで流動性を向上させようとすると、脱脂後のブラウン体中におけるバインダが抜けた後の空隙が大きくなってしまい、割れが生じたり形状が崩れるなどの不良が発生してしまう。また、脱脂に要する時間を低減して製造効率を向上させるためにも、バインダの含有量は少ない方が好ましい。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、バインダを含むセラミックス粉末の粉末射出成形後、脱脂、焼結を経てセラミックス焼結体を得るにあたり、バインダの含有量を増大させることなく、或いはバインダの含有量を低減しても、射出成形時のセラミックス粉末の流動性を向上することができて、薄肉部分や複雑形状を有する焼結体を得る場合であっても未充填を抑制すると共に緻密なセラミックス焼結体を得ることができ、且つ脱脂時間を短縮して製造効率を向上することができるセラミックス焼結体の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、セラミックス粉末１とバインダ２とを含む成形材料３を射出成形し、得られた成形体４を加熱脱脂した後に焼結させるセラミックス焼結体７の製造方法であって、射出成形時に前記成形材料３に微細気泡５を混入することを特徴とする。
前記成形材料３に化学的発泡剤として粒子径０．２μｍ以下の結晶性粉末を配合することで、射出成形の過程で前記成形材料３に微細気泡５を混入することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１において、上記微細気泡５が、セラミックス粉末１の平均粒径よりも小さいことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、上記成形材料３中の１００質量部のセラミックス粉末１に対するバインダ２の含有量が１０〜１５質量部の範囲であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか一項において、上記バインダ２が低融点のワックス類と高融点のポリマー類との混合物であって、前記ポリマー類の配合量が６０〜６５質量％の範囲であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか一項において、上記成形材料３に対して１．７質量％以下の割合で化学的発泡剤６を含有させることにより、成形材料３の射出成形時に前記化学的発泡剤６を発泡させて、成形材料３中に微細気泡５を混入することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか一項において、上記成形材料３の射出成形時に成形材料３中に物理的気泡混入手段を用いて微細気泡５を混入することを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれか一項において、上記成形材料３中の微細気泡５が不活性ガスにて形成されていることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１乃至７のいずれか一項において、上記微細気泡５内の圧力が大気圧以下であることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項１乃至８のいずれか一項において、上記成形体４の加熱脱脂を、加圧雰囲気下で行うことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、成形材料３中の微細気泡５によって射出成形時の成形材料３の流動性を向上することができて未充填の発生を防止することができ、且つ成形体４中におけるセラミックス粒子間の空隙が大きくならないようにして、焼成後の粒子間の空隙の残留を抑制することができて、薄肉部分や複雑形状を有するセラミックス焼結体７を得る場合であっても未充填なく緻密なセラミックス焼結体７を得ることができる。また成形材料３の流動性を微細気泡５によって確保することができるため、バインダ２の使用量を低減することができ、このため加熱脱脂に要する時間を短縮して生産効率の向上に寄与することができる。

請求項２に係る発明によれば、成形体４におけるセラミックス粉末１の粒子間の間隔の拡大を更に低減し、セラミックス焼結体７の更なる緻密化に寄与することができる。

請求項３に係る発明によれば、このようにバインダ２の使用量を低減しても成形材料３の良好な流動性及び成形体４の保形性を確保すると共に、このようにバインダ２の使用量を低減することから脱脂に要する時間を短縮することができ、製造効率を向上することができる。

請求項４に係る発明によれば、成形材料３中における微細気泡５を維持しつつ射出成形時の成形材料３の特に低温流動性を確保すると共に、成形体４に十分な強度を確保することができる。

請求項５に係る発明によれば成形材料３に混入された化学的発泡剤６を射出成形時に発泡させることにより成形材料３中に微細気泡５を混入することができる。

請求項６に係る発明によれば、成形材料３に混入された物理的発泡剤を発泡させることより成形材料３中に微細気泡５を混入することができる。

請求項７に係る発明によれば、成形体４の加熱脱脂時に微細気泡５中のガスとバインダ２とが反応して酸化燃焼を起こすなどして膨張することにより成形体４に割れなどが生じることを防止することができる。

請求項８に係る発明によれば、成形体４の加熱脱脂時にバインダ２が軟化した際に微細気泡５が膨張してセラミックス粉末１の粒子間の間隙が大きくなることを抑制し、より緻密なセラミックス焼結体７を得ることができるものである。

請求項９に係る発明によれば、成形体４の加熱脱脂時にバインダ２が軟化した際に微細気泡５が膨張してセラミックス粉末１の粒子間の間隙が大きくなることを抑制し、より緻密なセラミックス焼結体７を得ることができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

セラミックス焼結体７の製造原料としては、セラミックス粉末１とバインダ２とを含む成形材料３を用いる。

セラミックス粉末１としては、焼結体７を得るために好適なものを適宜採用することができるが、例えばアルミナ粉末（例えば住友化学株式会社製の平均粒径０．５μｍの低ソーダ易焼結アルミナ「ＡＥＳ−１１」など）、部分安定化ジルコニア（例えば第一稀元素化学工業株式会社製の平均粒径０．８μｍの部分安定化ジルコニア「ＨＳＹ−３．０Ｂ」）、窒化ケイ素（電気化学工業株式会社製の平均粒径０．７μｍの窒化ケイ素「ＳＮ−９ＦＷＳ」など）等を挙げることができる。

このセラミックス粉末１の、株式会社島津製作所製のレーザ回折式粒度分布測定器により測定される平均粒径は、０．５〜０．８μｍであることが好ましい。この範囲より大きいと微細気泡５の有無に関係なく焼結体７に開気孔が生じやすくなって、緻密な焼結体７を得ることが困難となる。逆にこの範囲より小さい粉末は入手することが困難で実用的ではなく、また、成形体４におけるセラミックス粉末１の粒子間の間隔が小さくなりすぎて微細気泡５によって生じる粒子間との差が大きくなり、このため脱脂時等の成形体４に割れが生じるおそれがある。

バインダ２としてはセラミックス粉末１の射出成形に用いられる適宜のものを採用し得るが、好ましくは低融点のワックス類と高融点のポリマー類との混合物を用いることができる。前記低融点のワックス類としては、パラフィンワックス、ステアリン酸を挙げることができる。またポリマー類としては、ポリスチレン等を挙げることができる。

このようなバインダ２において、ポリマー類の含有量は６０〜６５質量％の範囲であることが好ましい。この範囲において、成形体４中への微細気泡５の混合が良好となる。これに対して、ポリマー類の配合量が少ないとグリーン体４ａの強度が弱くなって脱脂時に割れが生じるおそれがあり、また微細気泡５の径が大きくなる傾向にある。逆にポリマー類の配合量が多いと、成形時の低温流動性が悪くなり、その分、充填圧力を大きくする必要があることから、微細気泡５が発生しなくなるおそれがある。

上記成形材料３中におけるセラミックス粉末１に対するバインダ２の割合は、１００質量部のセラミックス粉末１に対して１０〜１５質量部の範囲であることが好ましい。本発明によればこのような範囲においても成形材料３に優れた流動性を付与することができると共に、バインダ２の割合を低く抑えることで、後述するようにブラウン体４ｂにおける空隙の増大を抑制すると共に脱脂時間の短縮を図ることができる。

このようなバインダの具体的な例としては、ワックス類としてパラフィンワックスを２０質量％、ステアリン酸を２０質量％含有し、ポリマー類としてポリスチレンを６０質量％含有するものが挙げられる。

この成形材料３中には射出成形時に微細気泡５を混入するものであるが、そのための方法としては、成形材料３中に化学的発泡剤６を含有させる方法や、成形材料３に物理的気泡混入手段により微細気泡５を混入する方法などが挙げられる。これらの手法を用いる場合には、微細気泡５は後述するように射出成形の過程で成形材料３に混入される。

化学的発泡剤６としては、例えば４，４’−オキシビス（ベンゼンスルホニルヒドラジド）等の結晶性粉末を用いることが好ましい。このような結晶性粉末はボールミル等にて粉砕することで微細化することが容易であり、このため微細気泡５の径の微細化に寄与することができる。前記のように化学的発泡剤６は微細気泡５の微細化のために粉砕等により微細化することが好ましいが、その粒子径は０．２μｍ以下とすることが好ましい。この化学的発泡剤６の粒子径を調整することにより、成形材料３中に混入される微細気泡５の径を調整することができる。

化学的発泡剤６を用いる場合には、その含有量を調整することで成形材料３中への微細気泡５の混入量を調整することができる。この化学的発泡剤６の含有量は、化学的発泡剤６を除く成形材料３の全量１００質量部に対して１．７質量部以下の割合であることが好ましい。発泡剤の含有量が前記割合を超えると脱脂時に成形体４に割れが生じるおそれがある。また、化学的発泡剤６の含有量の下限は特に制限されないが、成形材料３の流動性を十分に向上すると共に脱脂時間を十分に短縮するためには、前記割合が１．０質量部以上であることが望ましい。

また物理的発泡手段を用いる場合には、射出成形時に炭酸ガス、窒素ガス等の不活性ガスを超臨界状態とした超臨界流体を成形材料３中に混合することができる。

成形材料３の調製にあたっては、セラミックス粉末１、バインダ２等を所定の割合で混合したものを、まず、図２（ａ）に示す混練工程により混練する。この混練工程は二機の攪拌羽根１０を備えた加圧ニーダ１１などを用いることができる。また、この成形材料３に化学的発泡剤６を含有させる場合には、成形材料３と化学的発泡剤６とを混合し、ポットミル等で均一分散することが好ましい。このように調製された成形材料３は必要に応じてペレタイズしてペレット状に加工する。

この成形材料３を図２（ｂ）に示す成形工程により、射出成形機１２を用いて成形材料３を所定の金型１３内に射出成形して成形体４（グリーン体４ａ）を成形する。

この射出成形機１２では、バンドヒータ２０を有するバレル１８内にスクリュ１９を設け、このバレル１８をノズルを介して金型１３に接続している。バレル１８にはホッパ１４が接続され、このホッパ１４から成形材料３が供給されるようになっている。

化学的発泡剤６を含有する成形材料３がホッパ１４に供給されると、回転駆動するスクリュ１９によって成形材料３がバレル１８内を先端に向けて移動すると共にバンドヒータ２０により加熱されてバインダ２が溶融する。この状態で成形材料３が金型１３内のキャビティに射出される。このときの成形条件は適宜設定可能であるが、例えばスクリュ１９の回転時には背圧が３ＭＰａ以下と殆どかからないようにし、射出時には成形圧を２０〜４０ＭＰａ、成形温度を１６０〜１８０℃とすることが望ましい。この成形過程において、成形材料３中で化学的発泡剤６が加熱発泡し、成形材料３中に微細気泡５が生成して混入される（図１（ａ）（ｂ）参照）。このため、成形材料３の流動性が高くなり、金型１３内のキャビティに薄肉部分や複雑形状を有す部分が存在しても、成形材料３が未充填なくキャビティ内に充填される。これにより金型１３内において成形体４（グリーン体４ａ）が形成される。

また、物理的発泡手段により成形材料３中に微細気泡５を混入させる場合には、バレル１８におけるホッパ１４の形成位置とノズルとの間に、バレル１８内に不活性ガスを供給するためのガス供給口２１を設ける。このガス供給口２１からは、図示しないガス供給機構により不活性ガスが超臨界数ＭＰａ〜２０ＭＰａの圧力でバレル１８内の成形材料３に注入されるようになっている。このような射出成形機１２としては、米国ＴＲＥＸＥＬ社製のＭｕＣｅｌｌ射出成形機を挙げることができる。尚、当該射出成形機は本来樹脂成形用の射出成形機であるが、本発明に適用可能なものである。

この場合、成形材料３がホッパ１４に供給されると、上記と同様に回転駆動するスクリュ１９によって成形材料３がバレル１８内を先端に向けて移動すると共にバンドヒータ２０により加熱されてバインダ２が溶融する。このときの成形条件は適宜設定可能であるが、例えばスクリュ１９の回転時には背圧が３ＭＰａ以下と殆どかからないように、射出時には成形圧を２０〜４０ＭＰａ、成形温度を１６０〜１８０℃とすることが望ましい。このように成形材料３がバレル１８内を移動する過程において、ガス供給口２１から不活性ガスが１〜３ＭＰａの圧力でバレル１８内の成形材料３に注入される。注入した不活性ガスは超臨界流体となり、成形材料３中に混入される。

このように物理的発泡手段にて成形材料３中に微細気泡５が生成して混入されるため（図１（ａ）（ｂ）参照）、成形材料３の流動性が高くなり、金型１３内のキャビティに薄肉部分や複雑形状を有す部分が存在しても、成形材料３が未充填なくキャビティ内に充填される。これにより金型１３内において成形体４（グリーン体４ａ）が形成される。尚、キャビティ内に充填される際に減圧機構等によりキャビティ内を減圧することは、微細気泡５の大径化を招くおそれがあるために、好ましくない。

ここで、射出成形時の成形材料３の流動性は、加熱溶融したバインダによってもたらされるが、成形材料３を金型に射出する過程ではバインダが冷却されることからその粘度が低下し或いはバインダが冷却固化することによって成形材料３の流動性は低下している。しかし、上記のように射出成形の過程において成形材料３中に微細気泡５が混入されていると、成形材料３中における加熱溶融されたバインダからの熱の放散が前記微細気泡５によって阻害され、バインダの冷却が抑制される。このため、射出成形の過程でバインダが加熱溶融した状態が維持されることとなり、結果的に成形材料３の流動性が向上するものである。

このようにして形成された成形体４（グリーン体４ａ）中では、セラミックス粉末１の粒子間にバインダ２と微細気泡５とが存在する状態となっている（図１（ｂ）参照）。このとき、径の小さな微細気泡５が成形体４中に分散しているため、微細気泡５が存在している箇所においてセラミックス粉末１の粒子間の間隔が大きくなることが抑制される。

次に、図２（ｃ）に示す脱脂工程により、成形体４中に含まれているバインダ２を分解除去する。脱脂工程はセッター１５を用いて成形体４を多段に積み上げ、これを脱脂炉１６で加熱して行うことができる。加熱条件は適宜設定可能であるが、例えば、最高温度を４００〜６５０℃、最高温度での保持時間を０〜３時間とすることができる。

このようにして形成された脱脂後の成形体４（ブラウン体４ｂ）では、セラミック粉末の粒子間におけるバインダ２及び微細気泡５が存在していた領域に隙間が形成されるが、上記のようにグリーン体４ａではセラミックス粉末１の粒子間の間隔が大きくなるようなことがないため、ブラウン体４ｂ内においてもセラミックス粉末１の粒子間の空隙が大きくなることが抑制されている（図１（ｃ）参照）。このとき、特に微細気泡５内のガスが窒素ガスや炭酸ガス等の不活性ガスであると、加熱脱脂時にバインダ２が微細気泡５内のガスと反応して酸化燃焼することを防止することができ、このため、前記酸化燃焼により微細気泡５が膨張して成形体４に割れ等が生じることを防止することができる。

ここで、加熱脱脂の際にはまずグリーン体４ａ中のバインダ２が熱により軟化するが、この過程において微細気泡５内の圧力が高いと微細気泡５が膨張してセラミックス粉末１の粒子間隔が拡大するおそれがある。このため、グリーン体４ａ中における微細気泡５内の圧力は低い方が好ましく、特にこの圧力が大気圧以下であることが望ましい。

また、このような微細気泡５の膨張を抑制するためには、グリーン体４ａの加熱脱脂を加圧雰囲気下で行うことも好ましい。この場合、大気圧を超える雰囲気下で加熱脱脂を行うことが好ましい。ここで、脱脂工程における全ての工程を加圧雰囲気下で行っても良いが、微細気泡５の膨張はバインダ２が軟化を開始した後、このバインダ２が分解される前に生じるため、少なくともこのようなバインダ２の軟化が生じる脱脂工程の初期はグリーン体４ａの周囲の雰囲気を加圧雰囲気とすることが好ましい。

このようにして得られたブラウン体４ｂを、図２（ｄ）に示す焼結工程により、焼結炉１７内で焼成する。焼結工程はセッター１５を用いて成形体４を多段に積み上げ、これを焼結炉１７で加熱して行うことができる。このときの焼成温度は、セラミック粉末１の種類に応じ、このセラミック粉末１の溶融温度以下における焼結可能な適宜の温度とすることができる。例えばセラミックス粉末１が住友化学株式会社製の平均粒径０．５μｍの低ソーダ易焼結アルミナ「ＡＥＳ−１１」である場合には最高温度を１５９０〜１６５０℃の範囲とすることができる。また、焼成時間もセラミックス粉末１が焼結可能な適宜の時間とするが、例えば０．５〜４時間とすることができる。

このようにしてブラウン体４ｂを焼結させると、セラミックス粉末１の粒子同士が結合してセラミックス焼結体７が得られる（図１（ｄ）参照）。このとき上記の通りブラウン体４ｂにおけるセラミックス粉末１の粒子間の空隙が小さくなっていることから、焼結により粒子間の空隙が埋められ、緻密なセラミックス焼結体７を得ることができる。

このように緻密なセラミックス焼結体７を得るためには、グリーン体４ａやブラウン体４ｂ中のセラミックス粉末１の粒子間隔が微細気泡５によって大きくなりすぎないようにして、焼結によってセラミックス粉末１の粒子同士が結合する際にセラミックス焼結体７中に空隙が残留することを防止することが望ましい。ここで、前記粒子間隔が８μｍ以下であれば焼結により緻密なセラミックス焼結体７を得ることが可能であることから、微細気泡５の径は８μｍ以下であることが好ましく、またこの微細気泡５の径がセラミックス粉末１の平均粒径以下であることも好ましい。尚、この微細気泡５の径の下限は特に制限されない。

成形材料３中における微細気泡５の径を直接確認するのは困難であるが、ブラウン体４ｂ内におけるセラミックス粉末１の粒子間隔を電子顕微鏡等で観察することで、成形材料３中に混入されていた微細気泡５の径の最大値を間接的に確認できる。すなわち、微細気泡５の径は、ブラウン体４ｂにおけるセラミックス粉末１の粒子間隔の最大値を超えることはないため、ブラウン体４ｂ内におけるセラミックス粉末１の粒子間隔の最大値を測定することにより、微細気泡５の径が少なくとも前記粒子間距離の最大値以下であることを確認することができる。

ここで、成形材料１への微細気泡５を混入の有無以外は同一の条件で成形したブラウン体４ｂにつき、各ブラウン体４ｂにおけるセラミックス粉末１の粒子間隔を測定した結果がそれぞれ０．８μｍ程度で差異が認められない場合であっても、両者の密度をアルキメデス法にて測定した場合には微細気泡５を混入した場合の方が僅かながら密度が低くなるという結果が得られる。これは、微細気泡５を混入させることでその分、ブラウン体４ｂの密度が低くなっても、微細気泡５の径が０．８μｍ以下と微細であれば粒子間隔の拡大を引き起こさないことを示すものである。

（ａ）〜（ｄ）は成形材料からセラミックス焼結体を製造する過程における成形材料、成形体及び焼結体の構造の変化を模式的に示す断面図である。 成形材料からセラミックス焼結体を製造する工程の一例を示すものであり、（ａ）〜（ｄ）は断面図である。

符号の説明

１ セラミックス粉末
２ バインダ
３ 成形材料
４ 成形体
５ 微細気泡
６ 化学的発泡剤
７ セラミックス焼結体

Claims (9)

1. セラミックス粉末とバインダとを含有する成形材料を射出成形し、得られた成形体を加熱脱脂した後に焼結させるセラミックス焼結体の製造方法であって、前記成形材料に化学的発泡剤として粒子径０．２μｍ以下の結晶性粉末を配合することで、射出成形の過程で前記成形材料に微細気泡を混入することを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
2. 上記微細気泡が、セラミックス粉末の平均粒径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
3. 上記成形材料中の１００質量部のセラミックス粉末に対するバインダの含有量が１０〜１５質量部の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
4. 上記バインダが、低融点のワックス類と高融点のポリマー類との混合物であって、前記ポリマー類の配合量が６０〜６５質量％の範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
5. 上記成形材料に対して１．７質量％以下の割合で化学的発泡剤を含有させることにより、成形材料の射出成形時に前記化学的発泡剤を発泡させて、成形材料中に微細気泡を混入することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
6. 上記成形材料の射出成形時に成形材料中に物理的気泡混入手段を用いて微細気泡を混入することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
7. 上記成形材料中の微細気泡を不活性ガスにて形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
8. 上記微細気泡内の圧力が大気圧以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
9. 上記成形体の加熱脱脂を、加圧雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。

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