JP5784153B2 - アルミナ質セラミックスおよびそれを用いたセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージ - Google Patents

アルミナ質セラミックスおよびそれを用いたセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージ Download PDF

Info

Publication number
JP5784153B2
JP5784153B2 JP2013554722A JP2013554722A JP5784153B2 JP 5784153 B2 JP5784153 B2 JP 5784153B2 JP 2013554722 A JP2013554722 A JP 2013554722A JP 2013554722 A JP2013554722 A JP 2013554722A JP 5784153 B2 JP5784153 B2 JP 5784153B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ceramic
alumina
mass
crystal phase
sio
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013554722A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2014002306A1 (ja
Inventor
東　登志文
登志文 東
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2013554722A priority Critical patent/JP5784153B2/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5784153B2 publication Critical patent/JP5784153B2/ja
Publication of JPWO2014002306A1 publication Critical patent/JPWO2014002306A1/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111—Fine ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206—Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3256—Molybdenum oxides, molybdates or oxide forming salts thereof, e.g. cadmium molybdate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
    • C04B2235/3265—Mn2O3
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3418—Silicon oxide, silicic acids or oxide forming salts thereof, e.g. silica sol, fused silica, silica fume, cristobalite, quartz or flint
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5445—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof submicron sized, i.e. from 0,1 to 1 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/76—Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
    • C04B2235/762—Cubic symmetry, e.g. beta-SiC
    • C04B2235/763—Spinel structure AB2O4
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/78—Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/785—Submicron sized grains, i.e. from 0,1 to 1 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/78—Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/786—Micrometer sized grains, i.e. from 1 to 100 micron
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W76/00—Containers; Fillings or auxiliary members therefor; Seals
    • H10W76/10—Containers or parts thereof
    • H10W76/17—Containers or parts thereof characterised by their materials
    • H10W76/18—Insulating materials, e.g. resins, glasses or ceramics

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

本発明は、高強度の要求される絶縁基板に適したアルミナ質セラミックスと、そのアルミナ質セラミックスを適用したセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージに関する。
従来より、半導体素子や水晶振動子等の電子部品を収納するパッケージに使用される配線基板として、機械的強度が比較的高くかつ気密性に優れるという点からセラミック配線基板が多用されている。
図２に、電子部品を搭載するためのセラミックパッケージの分解斜視図の一例を示す。水晶応用製品等の電子部品を搭載するためのセラミックパッケージは、例えば、アルミナ質焼結体からなるセラミック基板１０１の表面に導体１０２が形成されており、その導体１０２の表面に実装される電子部品（例えば、水晶応用製品）１０９を気密封止するための金属部材１０５（ここでは、蓋体１０５）がメタライズ層１０３に塗られた銀ロウなどの接合部材１０７を介して接合される構成となっている（例えば、特許文献１を参照）。
本出願人は、以前、この種のセラミックパッケージに適用される基板材料として、銅系導体との同時焼成を可能とする低温焼成タイプのアルミナ質セラミックスを提案した（例えば、特許文献２、特許文献３を参照）。
近年、携帯電話やＩＣカード等のモバイル電子機器が普及しているが、これらの電子機器は、ますます小型化、薄型化および高性能化が要求されてきており、そのため、これらの電子機器に組み込まれる電子部品１０９やこれを収納するためのセラミックパッケージについても一層の小型化や薄型化が求められている。
セラミックパッケージの小型化および薄型化を行う場合、セラミックパッケージの底面に位置するセラミック基板１０１を構成する基板底部１０１ａの厚みｔ、および蓋体１０５を接合する部分となる基板堤部１０１ｂの幅ｗ０を狭くする必要がある。
ところが、基板底部１０１ａの厚みｔおよび基板堤部１０１ｂの幅ｗ０が、例えば、０．５ｍｍ以下と極めて薄くなるような場合には、上記した基板材料を適用しても、蓋体１０５を接合する際にセラミック基板１０１の基板底部１０１ａや基板堤部１０１ｂが変形し、これによってセラミック基板１０１にクラックが発生するという問題があった。
特開２００１−１９６４８５号公報 特開２００３−１０１２３８号公報 特開２００６−１００３６４号公報
従って、本発明は、機械的強度の高いアルミナ質セラミックスとそれを適用した高強度の配線基板ならびにセラミックパッケージを提供することを目的とする。
本発明のアルミナ質セラミックスは、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガンをＭｎ２Ｏ３換算で２．０〜５．０質量％およびケイ素をＳｉＯ２換算で３．０〜７．５質量％含み、前記マンガンおよび前記ケイ素の組成式をそれぞれＭｎ ２ Ｏ ３ およびＳｉＯ ２ としたときに、Ｍｎ ２ Ｏ ３ ／（Ｍｎ ２ Ｏ ３ ＋ＳｉＯ ２ ）で表される質量比率が３０〜５０％で
あり、さらに、マグネシウムおよびモリブデンを含み、前記マグネシウムがＭｇＯ換算で０．３〜０．７質量％、前記モリブデンがＭｏＯ換算で０．３〜０．７質量％であり、Ｘ線回折のリートベルト解析により求められる前記酸化アルミニウムを主成分とする結晶相の割合が９９．０〜９９．９質量％であるとともに、前記結晶相の平均粒径が０．８〜１．５μｍであり、かつ単位面積当たりのボイドの面積割合が３．０％以下であることを特徴とする。
本発明のセラミック配線基板は、絶縁基板の表面にメタライズ層を有してなるセラミック配線基板であって、前記絶縁基板が上記のアルミナ質セラミックスにより構成されていることを特徴とする。
本発明のセラミックパッケージは、絶縁基板の表面に接合部材を介して金属部材が接合されてなるセラミックパッケージであって、前記絶縁基板が上記のアルミナ質セラミックスにより構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、機械的強度の高いアルミナ質セラミックスを得ることができる。また、このようなアルミナ質セラミックスを絶縁基板の材料として適用することにより、高強度のセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージを得ることができる。
本発明のセラミックパッケージの一実施形態を示す分解斜視図である。 従来のセラミックパッケージの一実施形態を示す分解斜視図である。
以下、この発明の実施の形態を説明する。本実施形態のアルミナ質セラミックスは、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガンをＭｎ２Ｏ３換算で２．０〜５．０質量％およびケイ素をＳｉＯ２換算で３．０〜７．５質量％含んでいる。
また、このアルミナ質セラミックスは、Ｘ線回折のリートベルト解析により求められる酸化アルミニウムを主成分とする結晶相の割合が９９．０〜９９．９質量％である。
さらに、このアルミナ質セラミックスは、酸化アルミニウムを主成分とする結晶相（以下、アルミナ結晶相という。）の平均粒径が０．８〜１．５μｍであり、かつ単位面積当たりのボイドの面積割合が３．１％以下である。
本実施形態のアルミナ質セラミックスによれば、主成分である酸化アルミニウムの他にマンガンやケイ素を相当量含有するものの、主結晶相であるアルミナ結晶相の割合が９９質量％以上と高く、また、その結晶相の平均粒径が小さくかつボイドの面積割合も少ないために機械的特性に優れた材料となり、３点曲げ強度が６８０ＭＰａ以上のアルミナ質セラミックスを実現することができる。
通常、酸化アルミニウムに酸化マンガンなどの助剤成分を含有させると、磁器であるアルミナ質セラミックスのアルミナ結晶相の粒界に、例えば、ＭｎＡｌ２Ｏ４等の複合酸化物に由来する結晶相が形成されやすいが、本実施形態のアルミナ質セラミックスでは、アルミナ結晶相の粒界に存在する同定可能な結晶相の割合を１質量％以下とし、アルミナ結晶相が酸化マンガンや酸化ケイ素に由来する非晶質相を介して焼結した状態としたことにより、アルミナ結晶相に隣接して結晶構造の異なる他の結晶相が存在する場合に比べて、結晶相間での転移の進展が抑えられ、これにより焼結体であるアルミナ質セラミックスの高強度化を図ることができる。ここで、アルミナ結晶相は粒子状を成す結晶粒子の形態で磁器中に存在している。
これに対し、Ｘ線回折のリートベルト解析により求められるアルミナ結晶相の割合が９９．０質量％よりも低い場合には、アルミナ質セラミックス中にアルミナ結晶相以外の結晶相が多く存在することになるため、これによりアルミナ質セラミックスの機械的強度が低くなる。
Ｘ線回折のリートベルト解析により求められるアルミナ結晶相の割合が９９．９質量％よりも高い場合には、酸化マンガンや酸化ケイ素などの焼結助剤量がかなり少ない状態になることから、アルミナ結晶相同士の接着力が低下し、この場合も機械的強度は低下する傾向にある。
アルミナ質セラミックス中に含まれるマンガンの含有量がＭｎ２Ｏ３換算した割合で２．０質量％より少ないか、またはＳｉＯ２換算したケイ素の含有量が３．０質量％よりも少ない場合には、焼結助剤となる成分量が少なくなることから、アルミナ結晶相の粒界に焼結助剤が行き渡らない部分が多くなり、また、アルミナ結晶相自体も粒成長しやすくなることから、この場合も機械的強度は低下してしまう。
アルミナ質セラミックス中に含まれるマンガンの含有量がＭｎ２Ｏ３換算で５．０質量％より多いか、またはＳｉＯ２換算したケイ素の含有量が７．５質量％よりも多い場合には、アルミナ質セラミックス中に高強度材料であるアルミナ結晶相の割合が少なくなるために、この場合も機械的強度は低下する傾向にある。
また、アルミナ結晶相の平均粒径が０．８〜１．５μｍの範囲から外れる場合もアルミナ質セラミックスの機械的強度は低下する。ここで、アルミナ結晶相の平均粒径が０．８μｍよりも小さい場合に機械的強度が低下するのは、アルミナ結晶相が微粒化し、比表面積が大きくなるために、アルミナ結晶相の粒界によっては酸化マンガンや酸化ケイ素などの助剤が行き渡らない部分が存在するからと考えられる。
アルミナ結晶相の平均粒径が１．５μｍよりも大きくなったときに機械的強度が低下するのは、セラミックスの機械的強度は破壊源のサイズが大きくなると低下する傾向にあるが、アルミナ結晶相の平均粒径が大きくなると荷重を受けたときに発生する破壊源のサイズが大きくなるためであると考えられる。
また、このアルミナ質セラミックスの単位面積当たりのボイドの面積割合が３．１％よりも大きくなった場合も破壊源のサイズが大きくなるために機械的強度は低下してしまう。
ここで、アルミナ質セラミックス中に含まれる結晶相の割合は、アルミナ質セラミックスを粉砕して得られた粉末状の試料のＸ線回折を行い、得られたＸ線回折パターンに対してリートベルト解析を行って各結晶相の質量比を求める。
アルミナ質セラミックスに含まれる各成分の含有量は原子吸光分析およびＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）分析により求める。この場合、得られたアルミナ質セラミックスを酸性溶液に溶解させて、原子吸光分析によりアルミナ質セラミックスに含まれる元素の定性分析を行い、次いで、特定した各元素について標準液を希釈したものを標準試料として、ＩＣＰ発光分光分析にかけて定量化する。なお、周期表に示された各元素の価数に基づき酸素量を求める。
アルミナ結晶相の平均粒径は、アルミナ質セラミックスの試料の断面を研磨した研磨面について、走査型電子顕微鏡を用いて１０００〜５０００倍の写真を撮り、次いで、この写真を用いてインターセプト法により求める。
ボイドの面積割合は、アルミナ質セラミックスの表面を鏡面研磨した後、画像解析装置を用いて観察範囲とする所定の面積内に認められるボイド（開気孔）の総面積を求め、観察範囲である所定の面積に対する割合として求める。
機械的強度はＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づく方法によって求める。
上述したように、本実施形態のアルミナ質セラミックスは、マンガンやケイ素などの添加成分を相当量含んでいてもアルミナ結晶相以外の結晶相の生成を抑制した結晶組織としていることから機械的特性に優れた材料となるが、このアルミナ質セラミックスにおいて、マンガンおよびケイ素の組成式をそれぞれＭｎ２Ｏ３およびＳｉＯ２としたときに、Ｍｎ２Ｏ３／（Ｍｎ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）で表される質量比率を３０〜５０％とし、さらに、マグネシウムおよびモリブデンを含ませて、マグネシウムの含有量をＭｇＯ換算で０．３〜０．７質量％、モリブデンの含有量をＭｏＯ換算で０．３〜０．７質量％とし、ボイド率を３．０％以下としたときには、アルミナ質セラミックスの機械的強度（３点曲げ強度）を７００ＭＰａ以上にすることができる。
また、この構成のアルミナ質セラミックスは、マンガンおよびケイ素に加えて、マグネシウムおよびモリブデンの組成まで調整されたものであるため、色むら（磁器シミも含む）が無く、外観、意匠的に美麗なセラミックスにすることができる。
また、この構成のアルミナ質セラミックスを後述するような絶縁基板として、その表面にメタライズ層を形成したときには、メタライズ強度を高めることが可能となる。
さらに、このアルミナ質セラミックスにおいて、Ｍｎ２Ｏ３／（Ｍｎ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）で表される質量比率を３０〜４０％としたときには、３点曲げ強度を７１０ＭＰａ以上にまで高めることができる。この場合、アルミナ質セラミックス中に含まれる酸化アルミニウムを主成分とする結晶相の割合は９９．２〜９９．９質量％であることが望ましい。
上述のように、本実施形態のアルミナ質セラミックスは機械的特性に優れていることから各種のセラミック配線基板やセラミックパッケージ等の絶縁基板として好適なものとなる。
この場合、アルミナ質セラミックスからなる絶縁基板の表面にメタライズ層を形成するとメタライズ強度を４３Ｎ（ｋｇ・ｍ／ｓ２）以上、特に、５１Ｎ（ｋｇ・ｍ／ｓ２）以上にすることができる。これはアルミナ結晶相の周囲を取り巻いているマンガンおよびケイ素を含む酸化物の非晶質相が、アルミナ質セラミックスの表面に形成されたメタライズ層（金属粉末の焼結体）側へも濡れ性良く浸透するためである。
図１は、本発明のセラミックパッケージの一実施形態を示す分解斜視図である。
本実施形態のセラミックパッケージは、セラミックス製の絶縁基板１の表面に周状に配置されたメタライズ層３を有してなるものであり、その周状に配置されたメタライズ層３の上面には、蓋体や金属枠等の金属部材５をメタライズ層３と接合するための接合部材７が設けられている。
絶縁基板１は、板状の基板底部１ａと、その基板底部１ａの周縁部に設けられた基板堤部１ｂとから構成されており、基板底部１ａの表面には電子部品９を実装するための導体１１が形成されている。
このセラミックパッケージは、絶縁基板である基板底部１ａおよび基板堤部１ｂに本実施形態の高強度のアルミナ質セラミックスを適用させたものであるが、セラミックパッケージのサイズを小さくするために、基板底部１ａの厚みｔおよび基板堤部１ｂの幅ｗ０を薄くしても、蓋体である金属部材５を接合する際に発生する基板底部１ａや基板堤部１ｂの変形を抑制でき、クラックの発生を防止することができる。また、このようなセラミックパッケージによれば、温度サイクル試験などの信頼性試験を行っても絶縁基板１とメタライズ層３との界面に生じる歪みを小さくすることが可能となり、高信頼性のセラミックパッケージを得ることができる。この場合、基板底部１ａの平均厚みは０．０５〜０．３ｍｍ、特に、０．０５〜０．２ｍｍ、また、基板堤部１ｂの平均厚みは０．１５ｍｍ以下であるような薄型のセラミックパッケージに好適である。
メタライズ層３を形成する材料は、接合部材７に用いる材料よりも融点の高い金属材料であれば良く、セラミック基板１との同時焼成を可能にするという点で、モリブデンやタングステンあるいはこれらの合金を主成分とするものが良い。この場合、絶縁基板１の組成および焼結温度に合わせてモリブデンやタングステンに銅や銀などを複合させてもよい。
また、メタライズ層３に含ませるセラミック成分としては、メタライズ層３の金属材料が焼結する温度領域においても溶融することなく、焼結後にもメタライズ層３の内部に残るような融点の高いセラミック材料が望ましい。この場合、例えば、アルミナ、ジルコニア、マグネシアおよび希土類元素の酸化物等が好適であるが、モリブデンやタングステンなどを主成分とするメタライズ層３の強度を高められるという点で、絶縁基板１の主成分である酸化アルミニウム（アルミナ）が好ましい。なお、導体１１も同様の組成とすることが望ましい。
接合部材７としては、加熱したときに比較的低い温度（ここでは、９００℃以下）で溶融し、低粘度となり、メタライズ層３中に拡散しやすい材料が好ましく、例えば、銀ロウ（Ａｇ−Ｃｕ）やウッドメタル等の低融点金属を含む材料が好適である。
金属部材５としては、コバール、４−２アロイ、アルシック（ＡＬＳｉＣ）などの金属材料および金属材料にセラミックスを複合化したもの、あるいはセラミック材料を適用することができる。
次に、本実施形態のアルミナ質セラミックスおよびこれを適用したセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージを製造する方法を説明する。
まず、酸化アルミニウム粉末（以下、アルミナ粉末という。）、酸化マンガン粉末（Ｍｎ２Ｏ３粉末）および酸化ケイ素粉末（ＳｉＯ２粉末）を所定量混合したセラミック粉末に対して有機バインダを添加した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法等の周知の成形方法によって、例えば、板状の生の成形体を形成する。この場合、Ｍｎ２Ｏ３粉末およびＳｉＯ２粉末の割合を、Ｍｎ２Ｏ３／（Ｍｎ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）比（質量比率）で３０〜５０％とすると、得られるアルミナ質セラミックスに含まれるアルミナ結晶相以外の結晶相の割合をさらに低減させることができる。
ここで用いるアルミナ粉末、Ｍｎ２Ｏ３粉末およびＳｉＯ２粉末の平均粒径はいずれも０．３〜１．０μｍの範囲にあるものが良く、これにより焼成後のアルミナ質セラミックス中のアルミナ結晶相の平均粒径を０．８〜１．５μｍとすることができるとともに、アルミナ結晶相の粒界にアルミナ結晶相以外の結晶相の析出を抑えることが可能となる。
次に、この生の成形体の表面に必要に応じて導体パターンを形成した後、例えば、還元雰囲気中、１３００〜１６００℃の温度にて焼成する。
図１に示す構成のセラミックパッケージを製造する場合、まず、基板底部１ａとなる生の成形体としてグリーンシートを作製し、次いで、その表面に導体パターンを形成する。
基板堤部１ｂとなる生の成形体は、グリーンシートに穴加工を施し、次いで、そのグリーンシートの穴の周囲の表面に部分的に導体パターンを形成したものを作製する。このとき、必要に応じて穴加工を施しただけのシートも準備しておく。
次に、基板底部１ａとなるグリーンシートの導体パターンを形成した側に、穴の周囲の表面に導体パターンを形成したグリーンシートを積層し、密着させて、図１に示す形状のセラミックパッケージ用成形体を形成する。
導体パターン用のペーストとしては、セラミック粉末の焼結温度に合わせて種々の組成の金属材料を用いることが可能であるが、生の成形体に、例えば、アルミナ粉末を８０質量％以上含むセラミック粉末を用いる場合には、モリブデンやタングステン等の高融点の金属材料を用いるのが良い。
また、得られたセラミックパッケージのメタライズ層３の表面にニッケルのめっき膜を形成し、ニッケルのめっき膜を形成したメタライズ層３の表面に接合部材７を介して、蓋体や金属枠などの金属部材５を接合する。
このようにして作製された金属部材５を有するセラミックパッケージは、絶縁基板１の機械的強度が高く、また、メタライス層３と接合部材７を介しての金属部材５との接合強度が高く、外観不良も無く、さらに、絶縁基板１に蓋体を接合したときには気密性の高いものとすることができる。
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
まず、アルミナ質セラミックスを作製するための原料粉末として、いずれも平均粒径が０．５μｍのアルミナ粉末、Ｍｎ２Ｏ３粉末、ＳｉＯ２粉末、ＭｇＯ粉末およびＭｏＯ３粉末を準備した。
次に、これらの原料粉末を表１に示す割合で混合した後、成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダを用い、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調整し、しかる後に、ドクターブレード法にて所定厚みのグリーンシートを作製した。
得られたグリーンシートを所定厚みに積層し、必要に応じて表１に示す金属を主成分とする導体パターンを印刷して、表１に示す温度にて焼成を行った。焼成雰囲気は、露点を＋２５℃とした窒素−水素の混合雰囲気を用いた。
次に、得られたアルミナ質セラミックスについて以下の評価を行った。
各結晶相の割合は、得られたアルミナ質セラミックスを粉砕し、Ｘ線回折により主結晶相を同定し、リートベルト解析より求めた。
アルミナ結晶相の平均粒径は、アルミナ質セラミックスの試料の断面を断面研磨した研磨面について、走査型電子顕微鏡を用いて約３０００倍の写真を撮り、次に、この写真を用いてインターセプト法により求めた。
ボイドの面積割合は、アルミナ質セラミックスの表面を研磨剤により鏡面研磨した後、画像解析装置（ニレコ製 ＬＵＺＥＸ−ＦＳ）を用いて所定の面積内に認められるボイド（開気孔）の総面積を求め、所定の面積に対する割合として求めた。このとき顕微鏡倍率は約１００倍、測定面積を９．０×１０４μｍ２として１０箇所測定し、算出した。
機械的強度は、厚み３ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの梁状試料を作製し、ＪＩＳ Ｒ１６０１に基づいて、室温にて３点曲げ強度として測定し、３５本の平均値から求めた。
メタライズ強度は、グリーンシート上に、焼成後に２ｍｍ×２０ｍｍのサイズになるように導体パターンを形成し、上記と同様の方法で焼成した後、Ｎｉめっきを施し、これに共晶Ａｇ−Ｃｕロウ材を用いてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏのリードピンを接着し、２０ｍｍ／ｍｉｎの速度で垂直に引っ張り上げて剥離した時の荷重をメタライズ強度として評価した。
また、アルミナ質セラミックスの表面に形成したメタライズ層に無電解のニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）のめっき膜を形成した後、実体顕微鏡を用いて約４０倍にてその外観を観察し、アルミナ質セラミックスの表面の色むら（添加成分の発色によるシミ）の有無を評価した。また、めっき付着の有無についても評価し、色むらやめっき付着の見られる試料を不良（×）として判定した。なお、表１において、○の判定は外観不良の無いものである。
また、作製した試料の組成を原子吸光分析およびＩＣＰ分析により求めた。この場合、得られたアルミナ質セラミックスを酸性溶液に溶解させて、原子吸光分析によりアルミナ質セラミックスに含まれる元素の定性分析を行い、次いで、特定した各元素について標準液を希釈したものを標準試料として、ＩＣＰ発光分光分析にかけて定量化した。周期表に示された各元素の価数に基づき酸素量を求めた。試料の組成はいずれも表１に示した調合組成に一致するものであった。
表１の結果から明らかなように、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガンをＭｎ２Ｏ３換算で２．０〜５．０質量％およびケイ素をＳｉＯ２換算で３．０〜７．５質量％含み、Ｘ線回折のリートベルト解析により求められる酸化アルミニウムを主成分とする結晶相の割合が９９．０〜９９．９質量％であるとともに、アルミナ結晶相の平均粒径が０．８〜１．５μｍであり、かつ単位面積当たりのボイドの面積割合が３．１％以下である試料Ｎｏ．１〜４、６〜８、１０〜１７、１９および２０は、３点曲げ強度がいずれも６８０ＭＰａ以上であった。
また、マンガンおよびケイ素の組成式をそれぞれＭｎ２Ｏ３およびＳｉＯ２としたときに、Ｍｎ２Ｏ３／（Ｍｎ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）で表される質量比率が３０〜５０％であり、さらに、マグネシウムおよびモリブデンを含み、マグネシウムがＭｇＯ換算で０．３〜０．７質量％、モリブデンがＭｏＯ換算で０．３〜０．７質量％であるとともに、ボイド率が３．０％以下である試料Ｎｏ．１、３、４、７、８、１１、１２、１５、１６、１９および２０では、３点曲げ強度がいずれも７０５ＭＰａ以上であった。また、これらの試料はいずれもメタライズ強度が５１Ｎ以上であり、試料の表面に色むらやメッキ付着も無く良好な外観を保っていた。
この中で特に、アルミナ結晶相の割合が９９．２〜９９．９質量％であり、Ｍｎ２Ｏ３／（Ｍｎ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）で表される質量比率を３０〜４０％とした試料Ｎｏ．１、３、４、７、１１、１２、１５、１６、１９および２０では、３点曲げ強度がいずれも７１０ＭＰａ以上であった。
これに対して、試料Ｎｏ．５、９、１８、２１〜２４では、３点曲げ強度がいずれも６８０ＭＰａよりも低かった。
１、１０１・・・・・・・・・・絶縁基板
１ａ、１０１ａ・・・・・・・・基板底部
１ｂ、１０１ｂ・・・・・・・・基板堤部
３、１０３・・・・・・・・・・メタライズ層
５、１０５・・・・・・・・・・金属部材（蓋体）
７、１０７・・・・・・・・・・接合部材
９、１０９・・・・・・・・・・電子部品
１１、１０２・・・・・・・・・導体

Claims (4)

  1. 酸化アルミニウムを主成分とし、マンガンをＭｎ２Ｏ３換算で２．０〜５．０質量％およびケイ素をＳｉＯ２換算で３．０〜７．５質量％含み、前記マンガンおよび前記ケイ素の組成式をそれぞれＭｎ ２ Ｏ ３ およびＳｉＯ ２ としたときに、Ｍｎ ２ Ｏ ３ ／（Ｍｎ ２ Ｏ ３ ＋ＳｉＯ ２ ）で表される質量比率が３０〜５０％であり、さらに、マグネシウムおよびモリブデンを含み、前記マグネシウムがＭｇＯ換算で０．３〜０．７質量％、前記モリブデンがＭｏＯ換算で０．３〜０．７質量％であり、Ｘ線回折のリートベルト解析により求められる前記酸化アルミニウムを主成分とする結晶相の割合が９９．０〜９９．９質量％であるとともに、前記結晶相の平均粒径が０．８〜１．５μｍであり、かつ単位面積当たりのボイドの面積割合が３．０％以下であることを特徴とするアルミナ質セラミックス。
  2. 前記酸化アルミニウムを主成分とする結晶相の割合が９９．２〜９９．９質量％であるとともに、Ｍｎ２Ｏ３／（Ｍｎ２Ｏ３＋ＳｉＯ２）で表される前記質量比率が３０〜４０％であることを特徴とする請求項１に記載のアルミナ質セラミックス。
  3. 絶縁基板の表面にメタライズ層を有してなるセラミック配線基板であって、前記絶縁基板が請求項１または２に記載のアルミナ質セラミックスにより構成されていることを特徴とするセラミック配線基板。
  4. 絶縁基板の表面に接合部材を介して金属部材が接合されてなるセラミックパッケージであって、前記絶縁基板が請求項１または２に記載のアルミナ質セラミックスにより構成されていることを特徴とするセラミックパッケージ。
JP2013554722A 2012-06-25 2012-11-28 アルミナ質セラミックスおよびそれを用いたセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージ Active JP5784153B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013554722A JP5784153B2 (ja) 2012-06-25 2012-11-28 アルミナ質セラミックスおよびそれを用いたセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージ

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012142109 2012-06-25
JP2012142109 2012-06-25
JP2013554722A JP5784153B2 (ja) 2012-06-25 2012-11-28 アルミナ質セラミックスおよびそれを用いたセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージ
PCT/JP2012/080740 WO2014002306A1 (ja) 2012-06-25 2012-11-28 アルミナ質セラミックスおよびそれを用いたセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP5784153B2 true JP5784153B2 (ja) 2015-09-24
JPWO2014002306A1 JPWO2014002306A1 (ja) 2016-05-30

Family

ID=49782521

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013554722A Active JP5784153B2 (ja) 2012-06-25 2012-11-28 アルミナ質セラミックスおよびそれを用いたセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージ

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP5784153B2 (ja)
CN (1) CN103732558B (ja)
WO (1) WO2014002306A1 (ja)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6437786B2 (ja) * 2014-10-27 2018-12-12 京セラ株式会社 センサ基板、センサ装置およびセンサ基板の製造方法
KR20160124321A (ko) * 2015-04-16 2016-10-27 삼성전기주식회사 세라믹 패키지를 위한 절연체 조성물 및 그 제조방법
KR20170138221A (ko) * 2016-06-07 2017-12-15 삼성전기주식회사 절연체 조성물 및 이를 이용한 전자 부품의 제조 방법
CN112601727A (zh) * 2018-10-22 2021-04-02 日本碍子株式会社 陶瓷坯体
WO2021070373A1 (ja) * 2019-10-11 2021-04-15 日本碍子株式会社 パッケージ
CN110903076B (zh) * 2019-12-03 2020-12-25 浙江科奥陶业有限公司 一种通氢钼棒加热炉用刚玉耐火制品及其应用方法
JP7165842B1 (ja) * 2021-02-18 2022-11-04 デンカ株式会社 セラミック板、及びセラミック板の製造方法
WO2022208900A1 (ja) * 2021-03-29 2022-10-06 Ｎｇｋエレクトロデバイス株式会社 セラミック焼結体及び半導体装置用基板
CN113185270B (zh) * 2021-05-12 2023-01-10 四川锐宏电子科技有限公司 一种陶瓷基印制电路板及其制备工艺
WO2023243542A1 (ja) * 2022-06-13 2023-12-21 Ｎｇｋエレクトロデバイス株式会社 焼結体

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000164992A (ja) * 1998-11-26 2000-06-16 Kyocera Corp 配線基板およびその製造方法
JP2003163425A (ja) * 2001-11-29 2003-06-06 Kyocera Corp 配線基板
JP2004119735A (ja) * 2002-09-26 2004-04-15 Kyocera Corp 連結基板及びその製造方法並びにセラミックパッケージ
JP4012861B2 (ja) * 2003-07-29 2007-11-21 京セラ株式会社 セラミックパッケージ
JP4220869B2 (ja) * 2003-09-25 2009-02-04 京セラ株式会社 セラミックパッケージの製造方法
CN101538170B (zh) * 2009-03-04 2012-11-14 安徽华东光电技术研究所 一种用于陶瓷金属化的组合物及其使用方法
CN102086118B (zh) * 2010-12-10 2013-03-06 天津市中环电陶有限公司 一种易于Mo－Mn金属化的氧化铝陶瓷及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2014002306A1 (ja) 2016-05-30
WO2014002306A1 (ja) 2014-01-03
CN103732558B (zh) 2016-03-30
CN103732558A (zh) 2014-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5784153B2 (ja) アルミナ質セラミックスおよびそれを用いたセラミック配線基板ならびにセラミックパッケージ
JP5263226B2 (ja) 多層セラミック基板およびその製造方法
JP5575231B2 (ja) ムライト質焼結体およびこれを用いた配線基板、並びにプローブカード
JP4012861B2 (ja) セラミックパッケージ
JP3517062B2 (ja) 銅メタライズ組成物及びそれを用いたガラスセラミック配線基板
JPWO2014148457A1 (ja) セラミックパッケージ及び電子部品
JP3911470B2 (ja) セラミックパッケージ及びその製造方法
JPH05152463A (ja) ムライト−アルミナ多層基板及びその製造方法並びにセラミツクパツケージ
JPH0323512B2 (ja)
JP4220869B2 (ja) セラミックパッケージの製造方法
JP5840993B2 (ja) アルミナ質セラミックス、およびそれを用いた配線基板
JP3411140B2 (ja) メタライズ組成物およびそれを用いた配線基板の製造方法
JP5886529B2 (ja) ムライト質焼結体およびこれを用いた多層配線基板ならびにプローブカード
JPWO2016175206A1 (ja) 回路基板およびこれを備える電子装置
JP3420424B2 (ja) 配線基板
JPH118447A (ja) 配線基板
JP4413223B2 (ja) セラミックパッケージ
JP2014043382A (ja) 半導体装置とその製造方法
JP2013131703A (ja) セラミックパッケージ
JP7720485B2 (ja) 金属－セラミック基材、その製造方法及びモジュール
JP2013131702A (ja) セラミックパッケージ
JP3928645B2 (ja) 絶縁ペースト及び絶縁ペーストを用いた絶縁層の形成方法
JP3273113B2 (ja) 多層配線基板
JP2004228533A (ja) セラミックパッケージ
JP2002128581A (ja) 銅メタライズ組成物ならびにそれを用いたセラミック配線基板およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150623

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150721

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5784153

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150