JP7108704B2 - セラミック素地 - Google Patents

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Description

本発明は、セラミック素地に関する。
特許文献1には、セラミック素地の一例として、90質量%以上のAlと、1~6質量%のSiOと、Mn換算で2~8質量%のMnAlと、2質量%以下のMoとを含む絶縁基板が開示されている。特許文献1に記載の絶縁基板では、強度の安定性改善のために、Mgを酸化物換算で0.1~3質量%の割合で含むことが好ましいとされている。
特許文献2には、セラミック素地の一例として、主成分としてのAlと、3~7.5質量%のSiOと、Mn換算で2~5質量%のMnと、MgO換算で0.3~0.7質量%のMgと、MoO換算で0.3~0.7質量%のMoとを含む絶縁基板が開示されている。
特許文献3には、AlをAl換算で89.0~92.0質量%、SiをSiO換算で2.0~5.0質量%、MnをMnO換算で2.0~5.0質量%、MgをMgO換算で0~2.0質量%、ZrをZrO換算で0.05~2.0質量%含むセラミック素地が開示されている。
特許第4413224号公報 特許第5784153号公報 国際公開第2015/141099号
特許文献1~3に記載のセラミック素地では、寸法ばらつきが生じやすいという問題がある。本発明者等は、鋭意検討した結果、主成分であるAlと、焼結助剤としてのSiO及びMnOと、着色剤としてのMo又は/及びCrとを除いた残部の含有量が寸法ばらつきに影響を与えているという新たな知見を得た。
本発明は、寸法ばらつきを抑制可能なセラミック素地の提供を目的とする。
本発明に係るセラミック素地は、Al、SiO及びMnOを必須成分として含み、Mo及びCrの少なくとも一方を任意成分として含む。セラミック素地において、Alの含有量が、82.0質量%以上95.0質量%以下であり、SiOの含有量が、3.0質量%以上8.0質量%以下であり、MnOの含有量が、2.0質量%以上6.0質量%以下であり、MoO換算でのMoの含有量とCrの含有量との合計が、4.0質量%以下であり、残部の含有量が、0.1質量%未満である。
本発明によれば、寸法ばらつきを抑制可能なセラミック素地を提供することができる。
実施形態に係る第1セラミックパッケージの構成を示す断面図である。 実施形態に係る第2セラミックパッケージの構成を示す断面図である。 実施形態に係る第2セラミックパッケージのうち多層回路基板の構成を示す断面図である。
(セラミック素地)
セラミック素地とは、セラミックス材料粉末をテープ状に成形したグリーンシートやセラミックス材料粉末を圧粉成形した成形体を焼結することによって得られる組成物である。本実施形態に係るセラミック素地は、水晶振動子などの振動子を封止するセラミックパッケージ、CMOSイメージセンサなどの半導体素子を封止するセラミックパッケージ、或いは、光半導体素子を封止するセラミックパッケージなどの各種セラミックパッケージに好適に用いられる。
本実施形態に係るセラミック素地は、主成分としてのAl(アルミナ)と、焼結助剤としてのSiO(シリカ)及びMnO(酸化マンガン)とを必須成分として含む。
セラミック素地は、着色剤としてMo(モリブデン)及びCr(酸化クロム)の少なくとも一方を任意成分として含む。セラミック素地は、着色剤として、Moのみを含有していてもよいし、Crのみを含有していてもよいし、Mo及びCrの両方を含有していてもよいし、さらに、Mo及びCrの両方を含有していなくてもよい。セラミック素地が着色剤としてMoを含有する場合、Moの少なくとも一部は金属として存在していてもよいし、Moの少なくとも一部は酸化物の形態(例えば、MoO)で存在していてもよい。
セラミック素地を構成する各成分の含有量は、以下の通りである。
・Al
82.0質量%以上95.0質量%以下
・SiO
3.0質量%以上8.0質量%以下
・MnO:
2.0質量%以上6.0質量%以下
・MoO換算でのMoの含有量とCrの含有量との合計:
4.0質量%以下
・残部:
0.1質量%未満
このように、本実施形態に係るセラミック素地では、Al、SiO、MnO及び着色剤(Mo又は/及びCr)以外の残部の含有量が0.1質量%未満に抑えられているため、各成分が偏析することなく分散された状態で均一に焼結されている。そのため、本実施形態に係るセラミック素地では、寸法ばらつきが抑制されている。
また、セラミック素地は、残部の含有量が0.1質量%未満に抑えられることによって、各成分が偏析することなく分散された状態で均一に焼結されるため、ガラス成分のフラックス中に低融点領域が局所的に発生することを抑制できる。そのため、セラミック素地が焼成セッターに貼り付くことを抑制できる。
さらに、セラミック素地は、残部の含有量が0.1質量%未満に抑えられることによって、各成分が偏析することなく分散された状態で均一に焼結されるため、焼成セッター側の裏側領域でガラス成分が溶融するタイミングを、焼成セッターと反対側の表側領域でガラス成分が溶融するタイミングに合わせることができる。そのため、セラミック素地が厚み方向に反ることを抑制できる。
セラミック素地における残部の含有量は、0.05質量%未満がより好ましい。これによって、セラミック素地の寸法ばらつきを更に抑制できる。
セラミック素地における残部の含有量は、0質量%であることが特に好ましい。これによって、セラミック素地の寸法ばらつきを更に抑制できるだけでなく、セラミック素地が焼成セッターに貼り付くことを更に抑制できる。
セラミック素地において、MnOの含有量に対するSiOの含有量の比は特に制限されないが、0.8以上3.5以下が好ましい。この範囲であれば、セラミック素地中にMnAlSi12が析出することを抑制できるため、MnAlSi12の析出に起因する色むらの発生を低減することができる。さらに、セラミック素地が、振動子又は半導体素子を封止するセラミックパッケージに適用される場合、MnOの含有量に対するSiOの含有量の比は、0.8以上2.1以下が特に好ましい。これにより、セラミック素地の曲げ強度を特に向上させることができる。一方、セラミック素地が、光半導体素子を封止するセラミックパッケージに適用される場合、MnOの含有量に対するSiO2の含有量の比は1.9以上3.5以下が特に好ましい。これにより、セラミック素地の曲げ強度は若干低下するものの、セラミック素地の比誘電率を8.0以上9.0以下に調整しやすくなる。
セラミック素地は、結晶相とガラス相とを含む。セラミック素地が着色剤としてMoを含有している場合、結晶相は、主結晶相としてのAl結晶相と、副結晶相としてのMo結晶相とを含む。結晶相は、Al結晶相及びMo結晶相以外の結晶相(以下、「残部の結晶相」という。)を含んでいてもよい。一方、セラミック素地が着色剤としてMoを含有しない場合、結晶相は、主結晶相としてのAl結晶相を含む。結晶相は、Al結晶相以外に残部の結晶相を含んでいてもよい。結晶相は、残部の結晶相として、1種の結晶相のみを含んでいてもよいし、複数種の結晶相を含んでいてもよい。
ここで、セラミック素地を粉砕してX線回折パターンから結晶相を同定した場合、残部の結晶相のX線回折パターンのメインピーク強度は、Al結晶相のX線回折パターンのメインピーク強度に対して、0.5%以下であることが好ましい。これにより、残部の結晶相の存在によりガラス相に歪みが生じることを抑制できるため、セラミック素地の曲げ強度(いわゆる、抗折強度)を向上させることができる。
セラミック素地の曲げ強度は、セラミック素地が適用されるセラミックパッケージに求められる特性に応じて設定される。例えば、セラミック素地が、振動子又は半導体素子を封止するセラミックパッケージに適用される場合、セラミック素地の曲げ強度は、700MPa以上が好ましい。また、セラミック素地が、光半導体素子を封止するセラミックパッケージに適用される場合、セラミック素地の曲げ強度は、390MPa以上が好ましい。本実施形態において、“曲げ強度”とは、3点曲げ強度を意味し、JISR1601(ファインセラミックスの曲げ試験方法)に準拠し室温にて測定した値である。
セラミック素地の比誘電率は、セラミック素地が適用されるセラミックパッケージに求められる特性に応じて設定される。例えば、セラミック素地が、振動子又は半導体素子を封止するセラミックパッケージに適用される場合、セラミック素地の比誘電率は特に制限されない。セラミック素地が、光半導体素子を封止するセラミックパッケージに適用される場合、セラミック素地の比誘電率は、8.0以上9.0以下が好ましい。
セラミック素地の気孔率は、セラミック素地が適用されるセラミックパッケージに求められる特性に応じて設定される。例えば、セラミック素地が、振動子又は半導体素子を封止するセラミックパッケージに適用される場合、セラミック素地の気孔率は、3%以下が好ましい。また、セラミック素地が、光半導体素子を封止するセラミックパッケージに適用される場合、セラミック素地の気孔率は、3%以上8%以下が好ましい。本実施形態において、“気孔率”とは、研磨したセラミック断面を電子顕微鏡で撮影し、画像処理ソフトにより2値化して測定した値である。
(セラミックパッケージ)
ここで、本実施形態に係るセラミック素地を適用したセラミックパッケージの2つの構成例について、図面を参照しながら説明する。
(1)第1セラミックパッケージ100
図1は、第1セラミックパッケージ100の断面図である。
第1セラミックパッケージ100は、絶縁基板1、複数の導体層2、メタライズ層3、水晶振動子4、CMOSイメージセンサ6、メッキ層8、及び蓋体10を備える。第1セラミックパッケージ100は、水晶振動子4及びCMOSイメージセンサ6を封止している。
絶縁基板1は、上述したセラミック素地によって構成される。絶縁基板1を構成する各成分の含有量は、以下の通りである。
・Al
82.0質量%以上95.0質量%以下
・SiO
3.0質量%以上8.0質量%以下
・MnO:
2.0質量%以上6.0質量%以下
・MoO換算でのMoの含有量とCrの含有量との合計:
4.0質量%以下
・残部:
0.1質量%未満
このように、本実施形態に係る絶縁基板1では、残部の含有量が0.1質量%未満に抑えられているため、各成分が偏析することなく分散された状態で均一に焼結されることによって、寸法ばらつきが抑制されている。絶縁基板1の曲げ強度は、700MPa以上が好ましい。絶縁基板1の気孔率は、3%以下が好ましい。
絶縁基板1は、底部1aと、側壁部1bとを有する。側壁部1bは、底部1aの外縁上に配置される。底部1aと側壁部1bは、一体的に形成されていてもよい。
各導体層2は、底部1aを貫通するように設けられる。メタライズ層3は、側壁部1bの上面に配置される。メタライズ層3は、環状に形成される。メタライズ層3は、導体としてW又はMoを主成分とし、これにセラミック成分を若干添加することによって構成できる。また、本実施形態に係る絶縁基板1と上記メタライズ層3は、水素、窒素、水蒸気を含む還元雰囲気で同時焼成することによって作製される。
水晶振動子4は、振動子の一例である。水晶振動子4は、導電性接着剤5を介して導体層2に接続される。CMOSイメージセンサ6は、半導体素子の一例である。CMOSイメージセンサ6は、ワイヤボンディング7を介して導体層2に接続される。
メッキ層8は、メタライズ層3の上面に配置される。メッキ層8は、環状に形成される。蓋体10は、共晶Ag-Cuロウ材9を介して、メッキ層8上に配置される。蓋体10は、側壁部1bの開口を塞ぐ。蓋体10は、金属材料によって構成することができる。
(2)第2セラミックパッケージ200
図2は、第2セラミックパッケージ200の断面図である。
第2セラミックパッケージ200は、基台11、電子冷却素子12、光半導体素子13、多層回路基板14、枠体15、シールリング16、蓋17、透光性窓部材18、パイプ19、光ファイバ接続管20a、及び光ファイバ20bを備える。第2セラミックパッケージ200は、光半導体素子13を封止する。第2セラミックパッケージ200は、いわゆる光モジュールである。
基台11は、板状に形成される。基台11は、銅タングステンなどの熱伝導率の高い材料によって構成される。電子冷却素子12は、基台11上に配置される。光半導体素子13は、電子冷却素子12上に配置される。
多層回路基板14は、基台11の外縁上に配置される。多層回路基板14には、パッケージ外部に露出する入力端子30a,30bと、パッケージ内部に露出する出力端子31a,31bとが設けられている。入力端子30aには、外部から正相信号が入力される。入力端子30bには、正相信号と逆相の逆相信号が入力される。入力端子30aに入力された正相信号は、ボンディングワイヤ13aを介して、出力端子31aから光半導体素子13に出力される。入力端子30bに入力された逆相信号は、ボンディングワイヤ13bを介して、出力端子31bから光半導体素子13に出力される。以下の説明では、正相信号と逆相信号とを合わせて差動信号と略称する。
枠体15は、多層回路基板14上に配置される。シールリング16は、枠体15の上面に配置される。シールリング16は、蓋17を溶接するための部材である。シールリング16及び蓋17のそれぞれは、ニッケル及びコバルトを鉄に配合したコバールなどによって構成することができる。
多層回路基板14と枠体15との間に形成された孔19aには、パイプ19が嵌め込まれる。パイプ19は、透光性窓部材18を収容する。透光性窓部材18は、サファイア、ガラスなどによって構成される。パイプ19には、光ファイバ接続管20aが接続される。パイプ19及び光ファイバ接続管20aのそれぞれは、コバールなどによって構成することができる。光ファイバ接続管20aには、光ファイバ20bが固定される。
ここで、図3は、多層回路基板14の構成を示す分解斜視図である。
多層回路基板14は、6層の回路基板14a~14f、第1信号線21a,22a,23a、第2信号線21b,22b,23b、グランド層24a,24b,24c、グランドビア25a,25b,25c、及びグランド端子26a,26b,26cを備える。
各回路基板14a~14fは、上述したセラミック素地によって構成される。各回路基板14a~14fを構成する各成分の含有量は、以下の通りである。
・Al
82.0質量%以上95.0質量%以下
・SiO
3.0質量%以上8.0質量%以下
・MnO:
2.0質量%以上6.0質量%以下
・MoO換算でのMoの含有量とCrの含有量との合計:
4.0質量%以下
・残部:
0.1質量%未満
このように、本実施形態に係る各回路基板14a~14fでは、残部の含有量が0.1質量%未満に抑えられているため、各成分が偏析することなく分散された状態で均一に焼結されることによって、寸法ばらつきが抑制されている。各回路基板14a~14fの比誘電率は、8.0以上9.0以下が好ましい。各回路基板14a~14fの曲げ強度は、390MPa以上が好ましい。各回路基板14a~14fの気孔率は、3%以上8%以下とすることができる。
6層の回路基板14a~14fは、この順で積層される。6層目の回路基板14fには、上述した入力端子30a,30bと出力端子31a,31bとが設けられる。
第1信号線21a,22a,23aのうち入力側ビア接続部21aは、6層目の回路基板14fから3層目の回路基板14cまでを貫通するビア導体として構成され、第1入力端子30aと層間配線部22aの間を接続する。第1信号線21b,22b,23bのうち入力側ビア接続部21bは、6層目の回路基板14fから5層目の回路基板14eまでを貫通するビア導体として構成され、第2入力端子30bと層間配線部22bの間を接続する。
第1の信号線21a,22a,23aのうち出力側ビア接続部23aは、6層目の回路基板14fから3層目の回路基板14cまでを貫通するビア導体として構成され、第1出力端子31aと層間配線部22aの間を接続する。第2信号線21b,22b,23bのうち出力側ビア接続部23bは、6層目の回路基板14fから5層目の回路基板14eまでを貫通するビア導体として構成され、第2出力端子31bと層間配線部22bの間を接続する。
2本の層間配線部22a,22bの間には、グランド層24bが配置される。層間配線部22aが設けられた1層目の回路基板14aには、グランド層24aが設けられる。層間配線部22bが設けられた5層目の回路基板14eには、グランド層24cが設けられる。
グランド層24a,24b,24cは、導電性の金属電極を構成する。グランド層24a,24b,24cは、グランドビア25a,25b,25cを介して、6層目の回路基板14f上のグランド端子26a,26b,26cに接続される。
以上の構成を有する多層回路基板14によって、入力端子30aに入力された正相信号は、第1信号線21a,22a,23aを介して出力端子31aに伝送された後、ボンディングワイヤ13aを介して光半導体素子13に出力される。また、入力端子30bに入力された逆相信号は、第2信号線21b,22b,23bを介して第2出力端子31bに伝送された後、ボンディングワイヤ13bを介して光半導体素子13に出力される。光半導体素子13は、出力端子31a,31bから入力される差動信号によって駆動され、レーザ光信号を透光性窓部材18側に出力する。光半導体素子13から出力された光信号は、光ファイバ20bによって伝送される。
実施例1~17及び比較例1~8に係るセラミック素地について、寸法ばらつき、焼成セッターへの貼り付き、反り、色むら、曲げ強度及び比誘電率を確認した。
(サンプルの作製)
各原料粉末を表1に示す割合で混合して混合粉末を得た。
得られた混合粉末に、有機成分としてポリビニルブチラール及び3級アミン及びフタル酸エステル(フタル酸ジイソノニル:DINP)を混合し、さらに、溶剤としてIPA(イソプロピルアルコール)及びトルエンを混合してスラリーを調製した。
調製したスラリーを用いて、ドクターブレード法にて厚さ50~400μmのセラミックテープを作製した。得られたセラミックテープを、縦50mm×横50mmにカットし、Mo製の焼成セッター上に並べて、表1に示す焼成温度(最高温度)で焼成(2時間)した。これによって、実施例1~17及び比較例1~8それぞれの焼成基板を100枚ずつ作成した。なお、表1に示す焼成温度で焼成した際の炉内の温度ばらつきは±5℃の範囲内であった。
(寸法ばらつき)
実施例1~17及び比較例1~8それぞれについて、表1に示す焼成温度で焼成した際の寸法ばらつきを測定した。具体的には、寸法測定装置を用いて焼成基板の外形寸法を測定し、その平均値および標準偏差を算出し、標準偏差を平均値で割った値を寸法ばらつきとした。表1では、寸法ばらつきが0.20未満のものを○と評価し、寸法ばらつきが0.20以上0.50未満のものを△と評価し、寸法ばらつきが0.50以上のものを×と評価した。
(焼成セッターへの貼り付き)
実施例1~17及び比較例1~8それぞれについて、焼成セッターに貼り付いてセラミック素地に欠損が生じた焼成基板の枚数を数えた。表1では、1枚も欠損が生じなかったものを○と評価し、1~4枚に欠損が生じたものを△と評価し、5枚以上に欠損が生じたものを×と評価した。
(反り)
実施例1~17及び比較例1~8それぞれについて、三次元形状測定器を用いて、焼成基板の反り量の平均値を測定した。表1では、反り量が100μm未満のものを○と評価し、反り量が100μm以上200μm未満のものを△と評価し、反り量が200μm以上のものを×と評価した。
(色むら)
実施例1~17及び比較例1~8それぞれについて、実体顕微鏡を用いて、焼成基板の色むらを観察した。表1では、色むらが無かったものを○と評価し、色むらが有ったものを×と評価した。
(強度)
実施例1~17及び比較例1~8それぞれについて、焼成基板の曲げ強度を、JISR1601の3点曲げ強度試験に従って室温で測定した。
(比誘電率)
実施例1~17及び比較例1~8それぞれについて、焼成基板の比誘電率を、JISR1641の空洞共振法に従って室温、周波数10GHzで測定した。
Figure 0007108704000001
実施例1~17では、比較例1~8に比べて、寸法ばらつき、セッターへの貼り付き、及び反りを抑制することができた。これは、セラミック素地が含有するAl、SiO、MnO及び着色剤(Mo又は/及びCr)以外の残部の含有量を0.1質量%未満に抑えたため、各成分が偏析することなく分散された状態で均一に焼結させることができたためである。なお、MgO、ZrO、CaO及びBaO以外の添加物を添加した場合においても、同様の結果を得られることが実験的に確認されている。
また、残部の含有量を0.07質量%以下とした実施例1~9及び12~17では、反りを更に抑制することができた。
また、残部の含有量を0.05質量%未満とした実施例1~8及び12~17では、寸法ばらつきを更に抑制することができた。
また、残部の含有量を0質量%未満とした実施例1~5及び12~17では、寸法ばらつきだけでなくセッターへの貼り付きも更に抑制することができた。
また、MnOの含有量に対するSiOの含有量の比を0.8以上2.1以下とした実施例1~15では、曲げ強度を700MPa以上とすることができた。従って1~15は、強度を要するセラミックパッケージ(例えば、振動子又は半導体素子を封止するもの)に好適であることが分かった。
また、MnOの含有量に対するSiOの含有量の比を1.9以上3.5以下とした実施例15~17では、8.0以上9.0以下の比誘電率と390MPa以上の抗折強度とを両立することができた。従って、実施例15~17は、比較的低い比誘電率を要するセラミックパッケージ(例えば、光半導体素子を封止するもの)に好適であることが分かった。
100 第1セラミックパッケージ
1 絶縁基板
200 第2セラミックパッケージ
6 多層回路基板
14a~14f 回路基板

Claims (5)

  1. Al 、SiO と、MnOと、Mo及びCr の少なくとも一方とを含み、
    Alの含有量が、82.0質量%以上95.0質量%以下であり、
    SiOの含有量が、3.0質量%以上8.0質量%以下であり、
    MnOの含有量が、2.0質量%以上6.0質量%以下であり、
    MoO換算でのMoの含有量とCrの含有量との合計が、4.0質量%以下であり、
    残部の含有量が、0.1質量%未満である、
    セラミック素地。
  2. 残部の含有量が、0.05質量%未満である、
    請求項1に記載のセラミック素地。
  3. MnOの含有量に対するSiOの含有量の比が、0.8以上3.5以下である、
    請求項1又は2に記載のセラミック素地。
  4. Al 、SiO 及びMnOを必須成分として含み、Mo及びCr の少なくとも一方を任意成分として含み、
    Al の含有量が、82.0質量%以上95.0質量%以下であり、
    SiO の含有量が、3.0質量%以上8.0質量%以下であり、
    MnOの含有量が、2.0質量%以上6.0質量%以下であり、
    MoO 換算でのMoの含有量とCr の含有量との合計が、4.0質量%以下であり、
    残部の含有量が、0.1質量%未満であり、
    抗折強度が、700MPa以上である、
    セラミック素地
  5. Al 、SiO 及びMnOを必須成分として含み、Mo及びCr の少なくとも一方を任意成分として含み、
    Al の含有量が、82.0質量%以上95.0質量%以下であり、
    SiO の含有量が、3.0質量%以上8.0質量%以下であり、
    MnOの含有量が、2.0質量%以上6.0質量%以下であり、
    MoO 換算でのMoの含有量とCr の含有量との合計が、4.0質量%以下であり、
    残部の含有量が、0.1質量%未満であり、
    10GHzでの比誘電率が、8.0以上9.0以下であり、
    抗折強度が、390MPa以上である、
    セラミック素地
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