JPH01270566A - アルミナ焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、新規アルミナ焼結体に関するものである。

（従来の技術） 近年、セラミック材料の発達はめざましく、特にアルミ
ナ焼結体は、その電気絶縁性、熱伝導性、化学的安定性
、機械的強度等において、優れた物性を有するため電子
材料分野において、蒸着基板、ハイブーリッドＩＣ基板
、抵抗基板等の各種基板に使用されている。かかる基板
材料として、アルミナ焼結体を使用する際に、最近、基
板上に形成する配線、抵抗、コイル、半導体等各種素子
の微細化に伴ない、表面平滑性の向上が強く要求される
ようになってきた。

また、基板に実装される素子が高密度化するに伴ない、
基板上で多量に発生する熱の除去が大きな問題となって
きており、その対策の１つとして、基板の厚さを薄くす
ることが注目されている。その際、取り扱い上基板の強
度が極めて重要な問題となり、これまで−船釣に用いら
れてきた。表面平滑性の悪い低密度な基板では、強度の
点で実用上厚さ０．５　ｍｍ程度が限度である。従って
、基板の、　厚めを更に薄くするためには、基板の強度
の向上が要求されるのである。以上のように基板」二素
子の微細化、高密度化のためには、基板の平滑性と強度
の両物性の向上が極めて重要な問題となってくるのであ
る。

通常市販されているアルミナ基板の表面粗さＲａば０．
１　μｍ以上ときわめて粗いものであるが、近年、基板
表面の平滑性を向上させるべく種々の開発が為されてお
り、例えば、特開昭６２−９１４６２号では、原料アル
ミナ粉体の高純度化により、又、特公昭５４−８３６２
号ではＣｒｚ０３を添加することにより、基板表面平滑
性についてはかなりの改善が試みられている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、これまで基板の表面平滑性と強度の両方の改善
ずなわち表面粗さＲａが０．１　μｍ以下でかつ曲げ強
度が６０ｋｇ／ｍｍ２を有する基板の開発を目的とした
試みは全（なされていない。通常得られている高密度ア
ルミナ焼結体又はアルミナ基板の曲げ強度は３０〜５０
ｋｇ／ｍｍ２と報告されており、上記平滑基板の強度も
せいぜいこの程度と考えられる。

（問題点を解決するための手段） そこで本発明者らは、アルミナ基板の表面平滑性と強度
の両方を向上させるべく研究を重ねた結果、ジルコニウ
ム、又はジルコニウム化合物を含むアルミナ粉体を原料
とし、ドクターブレード法により成形し、焼成すること
により優れた表面平滑性と同時に高い強度を有する基板
が得られることを見い出し、本発明をなすに至った。す
なわち、本発明の構成は特許請求の範囲に記載のとおり
である。

本発明においては、ジルコニウムとしての含有量は０．
００５〜１．０００重景重量範囲でなりればならず、好
ましくは０．００５〜０．７００重量％、更に好ましく
は０．０１〜０．５０重量％である。ジルコニウム含有
量が０．００５重量％未満では、その効果が得られず、
又、１．００重量％を超える範囲では、焼結性の低下を
招き、又、アルミナ焼結体の基板としての特性、特に比
誘電率と誘電損失の増大、或は熱伝導率の低下等をもた
らし好ましくない。これは、ジルコニウム化合物として
、例えばジルコニアの場合、比誘電率が約３３とアルミ
ナの約１０に比べて大きく、また、熱伝導率がアルミナ
に比較して非常に低いことに依る。なお、本来ジ月江ｌ
ニアは、高い強度、じん性を有するため、一般に構造＋
Ａ用セラミックスとして注目され、また、他のセラミッ
ク旧材に、数十％添加し、複合化することにより、高し
ん性化する目的で利用されているかこれまで基板用セラ
ミック材料に極く微量含有させ高平滑化と同時に、高強
度化を目的として利用された例は全く見当たらない。

本発明のアルミナ基板の表面平滑性は、焼き上がりです
なわち焼結したままの状態で、中心線平均粗さＲａにし
て０．０６〜０．０１μｍであるか、好ましくは０．０
４５〜０．０１　μｍ、更に好ましくは０．０３５〜０
．０１μｍである。また、この焼結体の３点曲げ強度は
、６０　ｋｇ／ｍｍ２以上であり、好ましくは７０ｋｇ
／ｍｍ２以上、更に好ましくは７５ｋｇ／ｍｍ２以上で
ある。

次に、本発明のアルミナ焼結体の製造方法について述べ
る。原料のアルミナ粉体ば、焼結性に優れた微粒なもの
、ずなわち、平均粒径０．２〜０．７μｍ、比表面積６
〜１７ｒｒｒ／ｇ、純度９９％以上のものを使用するこ
とか望ましい。さらに、本発明におけるジルコニウム又
はその化合物は、原料のアルミナ粉体中に十分均一に分
散して含有されることが必要であり、たとえば、微粒な
ジルコニウム又はその酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化
物等の粉末として、添加、混合する方法、へロケン化物
、酸素酸塩、有機酸塩等の種々のジルコニウム塩の水溶
液、有機溶液として、湿式で添加し、その後、必要なら
ばジルコニウム塩を加熱分解する方法等、各種の方法が
考えられる。なお最初からジルコニウムを均一に含有し
て合成されたアルミナ粉体を用いてもよい。

上記のような原料粉体に、結合剤、可塑剤、分散剤、溶
媒を加え、十分に混合してスリップを作製する。この際
、アルミナ粒子の分散を良くするために、スリップ粘度
は５００〜１００００ｃｐ’ｓ、好ましくは７００〜８
０００ｃｐｓになるようにスリップ組成を選ぶことが望
ましい。このスリップをろ過、脱胞し、ドクターブレー
ド法でシート状に成形し、乾燥後、脱バインダーを行い
１４．　ＯＯ〜１’８００℃の温度で焼成し、十分に緻
密化させる。焼成の際、雰囲気に酸素を含む場合、ジル
コニラＪ、は主にＺｒＯ□として存在し、また、水素、
窒素、アルゴン、真空、その他の非酸化雰囲気の場合、
最初に添加したままの状態で存在すると思ねれるが、本
発明においては、いずれの場合でも特に差異は認められ
ない。また、焼成においては、高温はど、焼結体表面の
平滑性が悪くなりゃすいため、十分に緻密化する範囲で
できるだけ低温度での焼成が好ましい。これは、焼成温
度の上昇に伴ない焼結体構成粒子の粒成長が進行し、そ
の結果、表面の凹凸が顕著になることに起因していると
思われる。それ故、本発明の焼結体の様に、焼き上がり
での表面平滑性に優れたもの、すなわち中心線平均粗さ
Ｒａにして０．０６μｍ以下であるためには、焼結体表
面の粒子の大きさは、最大のもので１０μｍ以下である
ことが望ましい。好ましくは７μｍ以下、更に好ましく
は５μｍ以下、最も好ましくは３μｍ以下であることが
望ましく、表面平滑性も向上させやすい。

本発明の製造方法に従うと基板の厚さとして、２０μｍ
の極めて薄く、かつ、がなりの強度を有した薄板焼結体
の製造が可能であり、更には、強度的にはやや劣るが厚
み１０μｍ程度の焼結体の製造も十分可能である。

本発明におりるジルコニウムの効果は、極メチ微少量、
均一に含有することにより焼結体構成粒子の大きさが均
一で、残留気孔が少なく、その結果、非常に緻密で、均
一組織で、がっ、極めて優れた表面平滑性及び強度を有
する焼結体が得られる点である。ジルコニウムを添加し
ない場合、焼結体組織は非常に不均一、すなわち、多く
の大粒子や残留気孔が形成されやすく、その結果、低密
度で表面平滑性の悪い焼結体になる。このようなものは
薄板にした場合、低強度となり、電子材料用基板として
は好ましくない。

本発明のアルミナ焼結体は、ジルコニウムを含有しなが
ら、比誘電率、電気抵抗、誘電損失等の電気特性は、ジ
ルコニウムを含まない高純度アルミナ焼結体と全（同一
である。

（発明の効果） 本発明のアルミナ焼結体は、高密度で非常に平滑な表面
を有し、また、高純度アルミナ焼結体と同等の電気特性
、化学的及び物理的特性を有しているため、電子材料用
基板、特に薄膜基板とじての利用が有効である。そして
、なおかつ、焼結体の三点曲げ強度は、６０ｋｇ／ｍｍ
２以上を有し、通常得られているアルミナ焼結体の曲げ
強度値３０〜５０ｋｇ／ｍｍ２に比較して極めて高い値
を有しており、基板の薄板化が可能となる。

また、本発明の製造方法に従うと通常のアルミナ基板市
販品の厚みのものはもちろんのこと厚さ１０〜２０μｍ
という極めて薄いものにまで製造可能であるため、高強
度を有する薄板状のセラミックス構造材、例えば、振動
板、刃物への利用も非常に有望である。

また、本発明のアルミナ焼結体は、非常に緻密で均一組
織であるため、厚み５００μｍ以下の薄板になると、極
めて優れた透光性を有し、透光性セラミックスとしても
利用可能である。

以上のように本発明は、産業上極めて優れたセラミック
材料及びその製造方法を提供するものである。

（実施例） 実施例１ 旭化成工業（株）製平均粒径０．４８μｍ、比表面積９
．２　ｎ（／ｇ、純度９９．９９％の高純度アルミナ粉
体を原料とし、これに、比表面積２２ｎ（／ｇの微細で
、凝集のないジルコニア粉体をジルコニウムとして０．
１重量％となるように加え、回転ボールミルを用い、メ
タノール中で２４時間混合し、十分に分散させた。この
ようにして得られた粉体１００重量部に、結合剤として
ポリビニルブチラール１０重量部、可塑剤としてジブチ
ルフタレート５重量部、溶媒としてアセトン８０重量部
、分散剤としてソルビタントリオレート１重量部をボー
ルミルで十分混合した。このときのスリップ粘度は１５
００ｃｐｓであった。このスリップを用いドクターブレ
ード法により、焼き上がりで２５０μｍとなるように製
膜し、グリーンシートを作製した。ごれを７００°Ｃで
５時間仮焼し、脱バインダーを行い、大気中１４５０°
Ｃで２時間焼成した。

得られた焼結体は、表面粗さＲａが０．０２８μｍで、
また、密度は３．９７ｇ／ｃｍ３と十分に緻密化してい
た。焼結体の３点曲げ強度ば７７ｋｇ／ｍｍ２であった
。また、ＳＥＭ観察により焼結体内及び表面には、粒径
２μｍ以」−の粒子は見られず、非常Ｑこ均一な組織を
有したものであった。また、焼結体は、下の文字が透け
て、楽に読める程の透光性を有していた。なお、誘導結
合高周波プラスマ分光分析（ＩＣＰ）法で、焼結体内の
ジルコニウム含有量は、０．１重量％であることを確認
した。

実施例２ 旭化成工業（株）製の平均粒径０．６’４ｕｍ、比表面
積６．７　ｄ／ｇ、純度９９．９％を原料とし、これに
硝酸ジルコニルＺｒ０（Ｎ０３）ｚの水溶液で、ジルコ
ニウムとして０．０５重量％となるよ・うに均一・に添
加し、実施例１と同し方法で、焼き」二かりて６３５μ
ｍのＩ”ｌ　＝７Ｊになるように、グリーンシー１へを
作製し、脱バインダーを行った。これを水素雰囲気】７
００°Ｃで１時間焼成した。得られた焼結体は、表面粗
さＲａが０．０４１　ｐ　ｍ、密度３．９３ｇ／ｃｍ３
．３点曲げ強度６’　１　ｋｇ　／　ｍｍ２であり、焼
結体構成粒子で最大のものの粒子径は、４．６　μｍで
あった。

実施例３ 実施例１の−アルミナ粉体を原料とし、実施例２と同し
方法でジル′：１ニウムを添加し、焼き」−かりて２５
μｍになるようクリーンシートを作製し、脱バインダー
を行った。これを水素雰囲気１５００′ｃて３０分焼成
した。得られた焼結体の表面粗さＲａば０．０３５　ｐ
　ｍ、密度３．９７［７ｃｍ３．３点曲げ強度７２ｋｇ
／ｍｍ２であり、極めて高い透光性を有していた。また
、この焼結体は２０ｍｍψの円筒に巻きイマ１げられる
程のｉｉＪとう性を有していた。

なお、本発明において、アルミナ粉体の平均粒径は、セ
イシン企業（株）製の光透過式粒度分布４（１１定器（
ミクじ１ン・フォート・リ−・イザー１、型式：ＳＫΔ
−５０００）により、沈降法により０．２％−＼ギリメ
タリン酸す１〜リウム水溶液を分散媒として、充分に分
散後に測定し、５０重重量径を平均粒子径とした。

焼イ２１体の表面粗さＲａは、小板研究所（株）製の表
面粗さ測定器り・−フ、Ｘ７−ダＳＩＦ、−３０Ｃを用
い、カノトオフイ直λＣ・・０．０８ｍｍ、　ｉ若り速
さ０．０５ｍｍ／ｓｅａ、基【ｉｔＢ長さ２．５　ｍｍ
の条件で測定した値である。

焼結体の密度は、溶媒に水を用いたアル−）−メデス法
により求めた。

さらに、３点曲げ強度の測定は、中１０ｍｍ、長さ３５
ｍｍの試験片を使い、支点間距離２０ｍｍの条件で行っ
た。

特許出願人　旭化成工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ジルコニウムを０．００５〜１．０００重量％含み、表
   面の平滑性が中心線平均粗さ、Ｒａで０．０６〜０．０
   １μｍである面を有することを特徴とするアルミナ焼結
   体