JP7174161B2

JP7174161B2 - セラミックパッケージ及びその製造方法

Info

Publication number: JP7174161B2
Application number: JP2021535403A
Authority: JP
Inventors: 真二中本; 強田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2040-07-29
Also published as: WO2021020473A1; JPWO2021020473A1

Description

本開示は、セラミックパッケージ及びその製造方法に関するものである。

例えば、特開２０００－１４８１５６号公報に記載されるように、容器に球体等の封入物を可動状態に閉じ込めた密閉構造が振動吸収等の用途に利用されている。

本開示の１つの態様のセラミックパッケージは、複数のセラミック部品と、接合材と、可動体と、を備えている。複数のセラミック部品は、内部が密閉された容器を構成するように接合材を介して互いに接合されている。可動体は、容器の内部に位置している。可動体の焼成温度は、接合材の焼成温度よりも高い。また、接合材はセラミック材である。

本開示の１つの態様のセラミックパッケージの製造方法は、セラミック材からなる接合材と、複数のセラミック部品と、を準備する工程と、前記複数のセラミック部品を第１の温度で焼成する第１焼成工程と、前記第１焼成工程により焼成された前記複数のセラミック部品を、前記接合材を介して所望の配置に組み立てて、組立体を得る組み立て工程と、前記第１の温度より低い第２の温度で前記組立体を焼成することにより前記接合材を介して前記複数のセラミック部品同士を接合して、内部が密閉された容器を得る第２焼成工程と、を備える。前記組み立て工程において、前記組立体の内部に、前記第２の温度より融点が高い可動体を封入して、前記複数のセラミック部品を、前記接合材を介して組み立てるとともに、前記可動体が封入された前記組立体に対して前記第２焼成工程を実行する。

本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの斜視図である。本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの正面図である。本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの分解斜視図であり、接合材が環状の場合を示す。本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの断面図であり、接合材が環状の場合を示す。本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの分解斜視図であり、接合材が板状の場合を示す。本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの断面図であり、接合材が板状の場合を示す。粒状体が付着したセラミック球の模式図である。セラミック球とパッケージ内面との間に粒状体が介在する様子を示した模式図である。本開示の第２実施形態に係るセラミックパッケージの正面図である。本開示の第２実施形態に係るセラミックパッケージの断面図である。本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの正面図であり、接合材が引っ込んでいる構造を示す。本開示の第２実施形態に係るセラミックパッケージの正面図であり、接合材が引っ込んでいる構造を示す。本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの正面図であり、接合材が突出している構造を示す。本開示の第２実施形態に係るセラミックパッケージの正面図であり、接合材が突出している構造を示す。本開示の第１実施形態に係るセラミックパッケージの正面図であり、接合材が引っ込んでいたり、突出していたりする構造を示す。本開示の第２実施形態に係るセラミックパッケージの正面図であり、接合材が引っ込んでいたり、突出していたりする構造を示す。

図面を参照して本開示の一実施形態のセラミックパッケージ及びその製造方法について説明する。
〔第１実施形態〕
図１から図６に示すセラミックパッケージ１０は、複数のセラミック部品と、接合材と、を備えている。複数のセラミック部品は、接合材を介して接合されることで内部に密閉空間を構成する。密閉空間は、密閉された容器と言い換えることができる。具体的には、セラミックパッケージ１０は、枠体１１と、当該枠体１１の開口１１ａを塞ぐ蓋体１２とを含む２つのセラミック部品を有する。
セラミックパッケージ１０は容器を構成する複数のセラミック部品１１，１２が接合材１３を介して接合することにより密閉される。
また、セラミックパッケージ１０は、容器の内部１０Ｒに可動体としてのセラミック球Ｂが位置している。本実施形態のセラミック球Ｂは、容器の内部で自由に可動することができる。なお、可動体としては、特定の一方向等、限定された方向のみの可動性を有して保持されたものであってもよい。また、可動体の形状および材質は、例示している形状以外の形状および材質であってもよい。
本実施形態の枠体１１は、周壁部材と一端の開口を塞ぐ部材（図において底面の部材）とが一体となった構造である。つまり、一端が開口している構造である。一端が開口している構造以外にも、枠体は両端が開口している構造であってもよい。両端が開口している構造である場合、セラミックパッケージ１０は、両端の開口をそれぞれ塞ぐ蓋体を２つ有していればよい。

図３及び図４に示すセラミックパッケージ１０Ａは、接合材１３Ａが環状である。
すなわち、接合材１３Ａは、枠体１１の開口１１ａ周囲の端面１１ｂと蓋体１２とに挟まれている。そして、接合材１３Ａは、開口１１ａ周囲の端面１１ｂと蓋体１２とを接合している。接合材１３Ａは、開口１１ａに沿った環状の形状である。
したがって、蓋体１２が、開口１１ａを閉じる容器の内部１０Ｒの内面の一部を構成している。
セラミック球Ｂは、容器の内部１０Ｒにおいて、枠体１１にも、蓋体１２にも衝突し得る。

図５及び図６に示すセラミックパッケージ１０Ｂは、接合材１３Ｂが孔の無い板状であるものである。
すなわち、接合材１３Ｂは、その周縁部１３Ｂ１が枠体１１の開口１１ａ周囲の端面１１ｂと蓋体１２とに挟まれている。そして、接合材１３Ｂは、開口１１ａ周囲の端面１１ｂと蓋体１２とを接合するとともに、その中央部１３Ｂ２が当該開口１１ａを覆い、当該開口１１ａに対向する蓋体１２の面を接合している。
したがって、接合材１３Ｂの蓋体１２に対する接合面積が大きくなり、接合強度が向上する。
セラミック球Ｂは、枠体１１が構成する容器の内面および接合材１３Ｂが構成する容器の内面には衝突し得るが、蓋体１２に直接衝突することはない。

図７に示すセラミック球Ｂは、表面に金属又はカーボンの導電性を有する粒状体Ｇが付着している。
図８に示すように、粒状体Ｇによってセラミック球Ｂと内面１０Ｉとの間の滑りまたは転がりの抵抗が低減され、セラミック球Ｂが移動しやすくなる。
そのため、セラミックパッケージ１０の振動時にセラミック球Ｂの速度が上昇しやすくなるので、ボールセンサなどの用途とした場合に、セラミックパッケージ１０は、センサ感度に優れる。
粒状体Ｇの材料は、例えば、マグネシウム、タングステン等の金属材料、またはカーボンが挙げられる。

枠体１１と蓋体１２とは同一のセラミック材料である。なお、ここでセラミック材料とは、下記のように多少の不純物等（１０％程度）が混ざっているものであってもよい。そして、同一のセラミック材料とは、主成分となるセラミック材料が同一であるということであり、不純物等が異なっていてもよいし、同じであってもよい。
枠体１１及び蓋体１２の物性値及び主成分の実施例として以下を挙げることができる。
・焼成温度（第１の温度）：１５００～１６００℃
・材質：アルミナ９０％
・強度：３００～５００ＭＰａ
・ビッカース硬さ：１１００～１３００
（＊強度は３点曲げの強度。以下同じ）

接合材１３の物性値及び主成分の実施例として以下を挙げることができる。
・焼成温度（第２の温度）：１２００～１５００℃
・材質：アルミナ９０％
・強度：４００～８００ＭＰａ
・ビッカース硬さ：９００～１２００

セラミック球Ｂの物性値及び主成分の実施例として以下を挙げることができる。
・融点：２５００～２８００℃
・材質：ジルコニア
・強度：１１００～１３００ＭＰａ
・ビッカース硬さ：１２００～１３００

以上挙げたように、接合材１３は、複数のセラミック部品（１１，１２）より低い焼成温度を有するセラミック材である。なお、ここでいうセラミック材とは、主成分がセラミック材料であるもののことであり、多少の不純物が含まれていてもよい。
また、接合材１３は、複数のセラミック部品（１１，１２）より高い強度を有する。
セラミック球Ｂは、接合材１３の焼成温度より高い融点を有する。

製造方法は以下の通りである。
枠体１１及び蓋体１２を成形する。
（１）まず、枠体１１及び蓋体１２を構成するセラミックグリーンシートを形成する。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体である枠体１１及び蓋体１２を得る場合には、Ａｌ₂Ｏ₃の粉末に焼結助材としてシリカ（ＳｉＯ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）またはカルシア（ＣａＯ）等の粉末を添加し、さらに適当なバインダー、溶剤および可塑剤を添加し、次にこれらの混合物を混錬してスラリー状となす。その後、ドクターブレード法またはカレンダーロール法等の成形方法によって、枠体１１及び蓋体１２のそれぞれの多数個取り用のセラミックグリーンシートを得る。
（２）次に、前述のグリーンシートを金型等によって加工する。ここで枠体１１に開口部を形成する。
（３）次に枠体１１及び蓋体１２のそれぞれに各絶縁層となるセラミックグリーンシートを積層して加圧する。このことにより各絶縁層となるグリーンシートを積層し、枠体１１及び蓋体１２となるセラミックグリーンシート積層体を作製してもよい。
（４）次にグリーンシートの所定の位置に、金型、パンチング、またはレーザー等を用いて分割溝を設けてもよい。なお、分割溝は、焼成後にスライシング装置により多数個取り配線基板の厚みより小さく切り込むことによって形成することができるが、多数個取り配線基板用のセラミックグリーンシート積層体にカッター刃を押し当てたり、スライシング装置によりセラミックグリーンシート積層体の厚みより小さく切り込んだりすることによって形成してもよい。
（５）次に、このセラミックグリーンシート積層体を約１５００℃～１８００℃の温度で焼成して、枠体１１及び蓋体１２が複数配列された多数個取り配線基板を得る。
（６）次に、焼成して得られたそれぞれの多数個取り配線基板を複数の枠体１１及び蓋体１２に分断する。この分断においては、枠体１１及び蓋体１２の外縁となる箇所に沿って多数個取り配線基板に（５）の工程で分割溝を形成しておき、この分割溝に沿って破断させて分割する方法がある。また、（５）の工程を行わずスライシング法等により枠体１１及び蓋体１２の外縁となる箇所に沿って切断する方法もある。
上述したように、枠体１１及び蓋体１２を第１の温度で焼成する第１焼成工程を実施する。ここで、第１の温度は、上掲の材料で１５００～１６００℃の範囲とする。
一方、セラミック球Ｂの表面に金属又はカーボンの粒状体Ｇを付着させておく。
次に、容器の内部に可動体が封入される場合には、粒状体Ｇが付着しているセラミック球Ｂ（可動体）を容器の内部１０Ｒに封入して、枠体１１及び蓋体１２を、接合材１３を介して所望の配置に組み立てて、組立体（セラミックパッケージ１０の焼成前）を得る組み立て工程を実施する。次に、第１の温度より低い第２の温度で組立体（セラミックパッケージ１０の焼成前）を焼成することにより当該接合材１３を介して配置された枠体１１及び蓋体１２を接合して、内部が密閉された容器を得る第２焼成工程を実行する。
ここで、第２の温度は、上掲の材料で１２００～１５００℃とされる。

以上の実施形態のセラミックパッケージ１０によれば、容器を構成する部品１１，１２に加え、接合材１３がセラミック材であるため、セラミックパッケージ１０は、高耐熱、高強度である。また、容器を構成する複数のセラミック部品１１，１２は、接合材１３より高い焼成温度である。さらに、接合材１３の焼成時の温度負荷により部品１１，１２に欠陥が発生することも低減できるから、高耐熱、高強度の品質を保持できる。

以上の実施形態のセラミックパッケージの製造方法によれば、容器を構成する部品１１，１２及び接合材１３がセラミック材であるため高耐熱、高強度のセラミックパッケージを製造することができる。また、接合時の温度より高い焼成温度を選択できるので、容器を構成する複数のセラミック部品１１，１２は高強度である。さらに、部品１１，１２の焼成温度より低い焼成温度で接合材１３を焼成して部品１１，１２を接合するため、接合材１３の焼成時の温度負荷により部品１１，１２に欠陥を発生させることを低減することができ、高耐熱、高強度の品質を保持したセラミックパッケージを歩留まり良く製造することができる。

以上述べたようにセラミックパッケージ１０は、耐熱性が高く、例えば６００℃以上の高温環境下に投入が可能である。
接合材１３が蓋体１２に比較して強度が高いため、蓋体１２が変形することを低減できる。特に図５及び図６に示したセラミックパッケージ１０Ｂによれば、蓋体１２の周縁部１３Ｂ１のみならず、中央部１３Ｂ２が蓋体１２に接合しているので、蓋体１２が変形することを低減できる。
図３及び図４に示したセラミックパッケージ１０Ａによれば、容器の内部１０Ｒの内面を、同一のセラミック材料である枠体１１と蓋体１２とで構成することができ、反発係数を均一化することが容易である。
セラミックパッケージ１０は、気密性があり液体中でも内部のセラミック球Ｂは自由に動くことができる。
セラミック球Ｂは、接合材１３の焼成温度より高い融点を有し、さらには枠体１１及び蓋体１２の焼成温度より高い融点を有するので、接合材１３の焼成工程及びその後の高温使用環境下において変形することなく耐えることができる。

〔第２実施形態（球体パッケージの実施形態）〕
次に、球体のセラミックパッケージの実施形態を開示する。
図９及び図１０に示すようにセラミックパッケージ２０にあっては、複数のセラミック部品２１，２１は、１つの中空球体を分けた２つの半球体２１，２１である。
接合材２２は、２つの半球体２１，２１の開口２１ａ周囲の端面２１ｂ，２１ｂ同士に挟まれてこの両者に接合するとともに、当該開口２１ａに沿った円環状の形状である。
以上のようにすれば、セラミックパッケージ２０を球体とすることができる。その他は、上記第１実施形態と同様に実施する。

〔接合材の外周端の位置について〕
図１１から図１６に示すように接合材１３，２２の外周端の位置を様々に配置し得る。
図１１及び図１２に示す構造では、接合材１３（２２）の外周端は、当該接合材１３（２２）が接合している２つのセラミック部品１１，１２（２１，２１）の外面に対して、容器の内部１０Ｒに近づく方向に引っ込んでいる。このとき、接合材１３（２２）の外周端は、当該接合材１３（２２）が接合している２つのセラミック部品１１，１２（２１，２１）の外面に対して、全てが容器の内部１０Ｒに近づく方向に引っ込んでいてもよいし、一部のみが容器の内部１０Ｒに近づく方向に引っ込んでいてもよい。
図１３及び図１４に示す構造では、接合材１３（２２）の外周端は、当該接合材１３（２２）が接合している２つのセラミック部品１１，１２（２１，２１）の外面に対して、容器の内部１０Ｒから離れる方向に突出している。このとき、接合材１３（２２）の外周端は、当該接合材１３（２２）が接合している２つのセラミック部品１１，１２（２１，２１）の外面に対して、全てが容器の内部１０Ｒから離れる方向に突出していてもよいし、一部のみが容器の内部１０Ｒから離れる方向に突出していてもよい。
図１５及び図１６に示す構造では、接合材１３（２２）の外周端は、当該接合材１３（２２）が接合している２つのセラミック部品１１，１２（２１，２１）の外面に対して、外周位置により、容器の内部１０Ｒに近づく方向に引っ込んでいたり、容器の内部１０Ｒから離れる方向に突出していたりする。

以上のように、接合材１３，２２の外周端の位置を様々に配置し得る。
接合材１３（２２）が容器の内部１０Ｒから離れる方向に突出している構造では、２つのセラミック部品１１，１２（２１，２１）の接合寸法を大きく確保できて、接合強度、気密性を高く保持できる。
接合材１３（２２）が容器の内部１０Ｒに近づく方向に引っ込んでいる構造では、接合材１３（２２）の外周端への物の衝突が低減されるので、破損しにくい。
接合材１３の外周端の一部が容器の内部１０Ｒに近づく方向に引っ込んでいる構造では、特定方向において外圧等による衝突を低減できる。また、接合材１３の外周端の一部が容器の内部１０Ｒから離れる方向に突出している構造では、特定方向の接合強度または気密性もしくはその両方が高い。
第２実施形態の球体のセラミックパッケージ２０の場合は、図１２に示す接合材２２が容器の内部１０Ｒに近づく方向に引っ込んでいる構造により、セラミックパッケージ２０が良好な転がり性を持つことができる。

以上本開示の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として示したものであり、この他の様々な形態で実施が可能であり、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の省略、置き換え、変更を行うことができる。

本開示は、セラミックパッケージ及びその製造方法に利用することができる。

１０セラミックパッケージ
１０Ａセラミックパッケージ
１０Ｂセラミックパッケージ
１０Ｉ内面
１０Ｒ容器の内部
１１枠体（セラミック部品）
１１ａ開口
１１ｂ端面
１２蓋体（セラミック部品）
１３接合材
１３Ａ接合材
１３Ｂ接合材
１３Ｂ１周縁部
１３Ｂ２中央部
Ｂセラミック球（可動体）
Ｇ粒状体
２０セラミックパッケージ
２１半球体（セラミック部品）
２２接合材

Claims

複数のセラミック部品と、接合材と、可動体と、を備えており、
前記複数のセラミック部品は、内部が密閉された容器を構成するように前記接合材を介して互いに接合されており、
前記可動体は、前記容器の前記内部に位置し、
前記可動体の焼成温度は、前記接合材の焼成温度より高く、
前記接合材は、セラミック材であるセラミックパッケージ。
前記接合材の焼成温度は、前記複数のセラミック部品の焼成温度より低い請求項１に記載のセラミックパッケージ。
前記接合材の強度は、前記複数のセラミック部品の強度より高い請求項１又は請求項２に記載のセラミックパッケージ。
前記容器の前記内部に位置する可動体を更に備えており、
前記可動体の表面に粒状体を有している請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のセラミックパッケージ。
前記複数のセラミック部品は、開口部を有する枠体と、前記枠体の前記開口部を塞ぐ蓋体とを有し、
前記接合材は、前記枠体の前記開口部と前記蓋体とに挟まれてこの両者に接合するとともに、前記枠体の前記開口部に沿った環状の形状であり、
前記蓋体が、前記容器の内面を構成している請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のセラミックパッケージ。
前記枠体と前記蓋体とは、同一のセラミック材料からなる請求項５に記載のセラミックパッケージ。
前記複数のセラミック部品は、開口部を有する枠体と、前記枠体の前記開口部を塞ぐ蓋体とを有し、
前記接合材は、前記枠体の前記開口部と前記蓋体とに挟まれてこの両者に接合するとともに、前記枠体の前記開口部の開口を覆う形状であり、当該開口に対向する前記蓋体の面にも接合しており、
前記接合材が、前記容器の内面を構成している請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のセラミックパッケージ。
前記複数のセラミック部品は、１つの中空球体を分けた２つの半球体であり、
前記接合材は、前記２つの半球体の開口部同士に挟まれてこの両者に接合するとともに、前記開口部に沿った円環状の形状である請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のセラミックパッケージ。
前記接合材の外周端は、当該接合材が接合している２つのセラミック部品の外面に対して、引っ込んでいる請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のセラミックパッケージ。
前記接合材の外周端は、当該接合材が接合している２つのセラミック部品の外面に対して、突出している請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のセラミックパッケージ。
セラミック材からなる接合材と、複数のセラミック部品と、を準備する工程と、
前記複数のセラミック部品を第１の温度で焼成する第１焼成工程と、
前記第１焼成工程により焼成された前記複数のセラミック部品を、前記接合材を介して所望の配置に組み立てて、組立体を得る組み立て工程と、
前記第１の温度より低い第２の温度で前記組立体を焼成することにより前記接合材を介して前記複数のセラミック部品同士を接合して、内部が密閉された容器を得る第２焼成工程と、
を備え、
前記組み立て工程において、前記組立体の内部に、前記第２の温度より融点が高い可動体を封入して、前記複数のセラミック部品を、前記接合材を介して組み立てるとともに、
前記可動体が封入された前記組立体に対して前記第２焼成工程を実行するセラミックパッケージの製造方法。
前記組み立て工程において、前記可動体として、表面に金属又はカーボンの粒状体が付着した可動体を適用する請求項１１に記載のセラミックパッケージの製造方法。