JPH01290556A - 低温焼成セラミック焼結体 - 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） 本発明は低温焼成セラミック焼結体に関する。

（従来の技術） 電子機器の小型軽量化、多機能化、高性能化にともない
半導体素子の高集積化、高性能化が進展し、それととも
に半導体素子を搭載するセラミックパッケージやセラミ
ック基板などの回路基板の一層の特性向上が要求されて
いる。

半導体素子を搭載する回路基板に要求される特性として
は、低熱膨張率であること、低誘電率であること、低抵
抗導体の使用が可能であること等が挙げられる。

ここで、低熱膨張率であるとは回路基板と半導体素子（
シリコン）との熱膨張率の相違に起因する熱的な歪みを
小さくすることであり、回路基板の熱膨張係数をシリコ
ンの熱膨張係数（３，５Ｘ　ＩＱ−Ｇ／’Ｃ）に近い値
にすることである。

また、低誘電率であることは基板材料の誘電率を低くし
て信号が伝播する際の遅延時間を短縮させることを目的
とする。

また、低抵抗導体を用いることは回路配線の抵抗値を低
くして信号の伝送損失を小さくすることを目的としてい
る。従来もっとも一般的な基板材料として用いられてい
るアルミナは緻密化して焼成させるためには１５００℃
以上の焼成温度が必要であり、したがって基板材料とし
てアルミナを用いる場合は同時焼成用の導体材料として
間０、Ｗ等の高融点金属が用いられる。しかしながら、
これらＮｏ、Ｗは導体抵抗が高いため配線の抵抗値が高
くなり信号の伝送損失が大きいという問題点がある。

また一方、低抵抗金属であるΔｇ、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ｃ
ｕ、　Ａｕ等を導体材料として用いる場合はこれら金属
が低融点金属であるため、基板材料は１０００℃程度以
下の低温で焼成できるものであることが要求される。

（発明が解決しようとする課題） 従来、導体材料としてＡｇ、　Ａｇ−Ｐｄ合金、Ｃｕ、
　Ａｕ等の低抵抗金属を用いることのできる低温焼成セ
ラミックとして、ガラスにアルミナ、ムライ１へ、フォ
ルステライトなどの添加材料が添加されたガラス複合系
、および結晶化ガラス系、非ガラス材料系等の低温焼成
セラミックが提供されている。

しかしながら、前記ガラス複合系は、特性的にはガラス
および添加材料の種類を適宜選択することにより誘電率
を低下させることができ、熱膨張係数をシリコンの熱膨
張係数に近い値まで近づけ得るものではあるが、ガラス
複合材料は全く別々の熱処理を経て得られるガラスと添
加材料とを使用するため、原料粉末を得るまでにガラス
を得るための熱処理と添加材料を得るための熱処理との
少なくとも２回の熱処理が必要であること、また、ガラ
スおよび添加材料の粒度および両者の混合状態を厳密に
管理する必要があり、これらが適切でない場合は焼結体
中に空孔が多数残ってしまうなど均質な焼結体が得にく
いという製造上の問題点がある。また、ガラス複合材料
は一般的に抗折強度が低いという問題点がある。

一方、結晶化ガラス系、非ガラス材料系は前記ガラス複
合系とは異なり、コーディエライトを主結晶とする結晶
化ガラスまたはＢａ５ｎ（［１０３）、のように単一成
分から成るので均質な焼結体を得ることができる。しか
しながら、これらは単一成分であるため成分の選択余地
がなく、所望の誘電率、熱膨張係数等の特性を満足する
ものは得られていない。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、製造工程が簡素でかつ１
０００℃以下の温度で均質で緻密な組織が得られ、特性
的には誘電率が低く、熱膨張係数がシリコンの値に近く
、抗折強度が実用上問題のない値を有する低温焼成セラ
ミック焼結体を得ることのできる低温焼成セラミック焼
結体の装造方法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため次の構成をそなえる。

すなわち、Ｓｉ成分がＳｉＯ、に換算して４０重量％以
上６０重量％未満、＾ｌ成分がＡＩｔＯｉに換算して１
５重量％以上３５重景％未満、Ｂ成分が８２０．に換算
して５重量％以上２５重量％未満、Ｂａ成分がＢａＯに
換算して４重量％以上２５重量％未満の範囲内で実質的
に１００重景％となる化学組成の混合物を仮焼し粉砕し
た原料粉末を成形し焼成して成り、また前記原料粉末を
成形して７５０℃〜１０００℃の焼成温度で焼成して成
り、また前記混合物の仮焼温度を１１００℃〜１６５０
℃として得たことを特徴とし、また焼結体の楕成相がム
ライト相と非晶質相、あるいはムライト相、コランダム
相および非晶質相から成ることを特徴とする。

（発明の概要） 本発明の低温焼成セラミック焼結体は、　Ｓｉ、Δ■、
［３−［３ａの酸化物、もしくは焼成時に分解してＳｉ
、Δ１．　Ｂ、口ａの酸化物になる化合物を、Ｓｉ成分
がＳｉｇｈに換算して４０重量％以上６０重景％未満、
Δ１成分がΔ１２０．に換算して１５重量％以上３５重
景％未満、Ｂ成分がＢ２Ｏ．に換算して５重量％以上２
５重量％未満、口ａ成分がＢａＯに換算して４重量％以
上２５重量％未満の範囲内で実質的に１００重景差量な
る化学組成になるように秤量、調合し、この混合物を１
１００℃〜１６５０℃で仮焼し、得られた仮焼物を粉砕
して粉体に形成し、この粉体を所定形状に成形して、７
５０℃〜１０００℃で焼成することによって得られる。

上記焼結体用粉体を成形し焼成して得られた焼結体の端
成相は、非晶質相とムライＩ−相、あるいは非晶質相、
ムライト相及びコランダム相の混合相であるが、抗折強
度の高い焼結体を得るためには焼結体中にできるだけ多
く結晶相が生成される方が望ましい、したがって、でき
るだけ多くの結晶相が生成されるように出発原料のシリ
カ源、アルミナ源の種類及び仮焼条件を選択する。

具体的には、シリカ源及びアルミナ源として粒径１μｍ
以下の５ｉＯ７、Δ１２０ｉを使用して、仮焼温度を１
１００℃〜１４５０℃とすると焼結体の結晶相はムライ
ト単一組となり抗折強度が高い焼結体が得られる。

なお、シリカ源及びアルミナ源として粒径１μｍ以下の
５ｉＯｚ、Δ■２Ｏ．を用い、仮焼温度を１６５０℃と
した場合は結晶相はムライト単一組にはなるが、焼結体
中の結晶相の生成量が上記例にくらべて少なく抗折強度
が低下する。

また、シリカ源として１μｍ以下の５ｉＯ７，アルミナ
源として粒径３μｍ以下のコランダムを使用して仮焼温
度を１１００℃とすると、焼結体の結晶相はムライト相
とコランダム相の混合相になり、焼結体の抗折強度は結
晶相がムライト単一組の焼結体より高くなったが、熱膨
張係数も大きくなった。

前述したように、本発明に係る低温焼成セラミック焼結
体は、出発原料となる各化合物を所定の配合比で混合し
た後、いったん仮焼し、仮焼して得られた仮焼物を粉砕
して低温焼成用の粉体を形成し、この粉体を成形し焼成
して得られる。前記仮焼物は仮焼の段、諧でガラス化お
よびムライト化が起こり、前記粉体はこの仮焼物を粉砕
することによって得られるから、得られた粉体は前記ガ
ラス複合系等で用いられる原料粉末等にくらべて混合状
態の不均質性がなく、これを用いて焼成することにより
はるかに均質な焼結体が得られる。また、上記のように
混合物を仮焼することにより、結晶相が分散した粉末を
得ることができるため、製造工程の簡素化が実現できる
。

得られた焼結体は、誘電率がＩＭＩＩｚで６以下と低く
、また熱膨張係数もシリコンの熱膨張係数に近く、焼結
体中に結晶相を多く存在させることにより高い抗折強度
を有する。

また、同時焼成で導体をメタライズする場合は、上記粉
体を成形した成形体上にΔｇ、へｇ−Ｐｄ合金、Ｃｕ−
Ａｕ、　Ｎｉなどの導電材料を含む導電性ペース１−を
用いて回路パターンを印刷し、導電材料に応じた雰囲気
を選択して、７５０℃〜１０００℃で焼成すると良い。

導電材料にＣｕ、　Ｎｉなどを選んだ場合にはこれらの
酸化を防ぐために非酸化性雰囲気中で焼成することが望
ましい。

なお、多層セラミック基板の製造方法にはセラミック基
板上に導体層および絶Ｂｃ層をそれぞれ印刷して焼成を
繰り返す厚膜印刷法と、導体層が印刷されたグリーンシ
ートを積層して焼成するグリーンシート法があるが、こ
れらいずれの場合も上述した製法が適用できる。

以下、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

〔実施例１〕 アルミニウムイソプロポキシドとメチルシリケー１−を
溶媒中で均一に混合した溶液に濃アンモニア水を加え、
ＰＩＩＩＯ〜１１で加水分解を行い、得られた粒径１μ
ｍ以下、のΔｌ２Ｏ．と５ｉＯｚの混合粉末、Ｂａ（Ｎ
ｏ　３）２、ｌｌ：＋Ｉ３０．を表１試料番号１〜■４
の組成になるように秤量し、これらに溶媒を加えボール
ミルにて２４時間混合した後、乾燥、造粒し、１１００
℃にて１時間仮焼した。この仮焼によりムライト相が生
成した。

これら仮焼物に溶媒を加え、振動ミルにて２４時間粉砕
後、乾燥、造粒して粉体を形成した。そして、この粉体
を静水圧加圧法により成形し、板状および柱状の成形体
を作成した。

ついで、この成形体を空気中にて表２試料番号１〜１４
に示した各温度で焼成して焼結体を得た。

得られた焼結体のかさ密度、熱膨張係数、誘電率および
抗折強度を表２に示す。

前述したようにセラミック基板材料は１０００℃以下の
焼成温度で緻密化し、熱膨張係数がシリコンの値に近い
こと、誘電率が低いこと、抗折強度が実用上問題ないこ
とが要求されていることから、判定基準は次に示す通り
とした。

焼成温度：　１ｏｏｏ℃以下 熱膨張係数：４．５Ｘ　１０−’／℃以下（３０〜４０
０℃）誘電率＝６以下（Ｉ　Ｍｌｌｚ） 抗折強度：　８ｋｇｆ／ｍｍ’以上 この判定基準にしたがうと、５ｉｆｔが４０重重量未満
あるいは６０重量％以上とすると抗折強度が８ｋｇｆ／
ｍｍ’より小さくなり好ましくない。

また、Δｌ２Ｏ．が１５重量％未満では抗折強度が８ｋ
ｇｆ／ｍｍ’より小さくなり好ましくない、また、ＡＩ
、Ｏｉが３５重量％以上では焼成温度が１０００℃より
も高くなり好ましくない。

また、Ｂ２Ｏ．が５重量％未満では焼成温度が１０００
℃よりも高くなり好ましくない。また、２５重量％以上
の場合は抗折強度が８ｋｇｆ／　ｍｍ’より小さくなり
好ましくない。

また、ｌ３ａＯが４重量％未満あるいは２５重量％以上
の場合は、抗折強度が８ｋｇｆ／ｍｍ’より小さくなり
好ましくない。

以上より、原材料の混合物の好ましい化学組成としては
Ｓｉ成分がＳ　ｉ　Ｏｘに換算して４０重量％以上６０
重量％未満、Δｌ成分が酎２Ｏ．に換算して１５重量％
以上３５重量％未満、Ｂ成分がＢ２Ｏ．に換算して５重
量％以上２５重量％未満、Ｂａ成分が［３ａＯに換算し
て４重量％以上２５重量％未満の範囲内で実質的に１０
０重量％となるものである。

〔実施例２〕 表１の試料番号１と同じ組成となるように配合した＾１
，０．　　（ただし、粒径３μｍ以下のコランダム粉末
）と５ｈｏｔ　　（粒径１μｍ以下）の混合粉末を用い
、他の条件は実施例１と同じにした試料（試料番号］５
）を作成した。この試料についてかさ密度、熱膨張係数
、誘電率および抗折強度を測定した結果を表２（試料番
号１５）に示す。

本実施例の焼結体の構成相はムライ１〜相、コランダム
相、非晶質相であった。誘電率は試料番号１とほぼ同じ
値を示したが、抗折強度、熱膨張係数は試料番号１に比
べていずれも高い値を示した。

〔実施例３〕 表１の試料番号と同じ原材料を用い、仮焼温度のみを１
６５０℃とし、他の操作は実施例１と同じとして試料（
試料番号１６）を作成した６かさ密度、熱膨張係数、誘
電率および抗折強度の測定結果をを表２（試料番号１６
）に示す。

本実施例の焼結体の構成相はムライト相と非晶質相であ
ったが、ムライ１〜生成量は試料番号１より少なかった
。誘電率は試料番号１とほぼ同じ値を示したが、抗折強
度は試料番号１と比べ低い値を示し、熱膨張係数は高い
値を示した。

表、１ （単位：重量％） 表２ 表２に示す各測定値の単位は次のとおりである。

焼成温度［℃］、かさ密度［ｇ／ｃｍ’　］　、熱膨張
係数［ｘｌＯ−’／’Ｃコ、抗折強度［ｋＨｆ／ｍｍ２
］（発明の効果） 本発明の低温焼成セラミック焼結体は低温焼成によって
得ることができるから、導体材料として低融点金属であ
るΔｇ、Δｇ−Ｐｄ合金、Ｃｕ、　Ａｕ等の低抵抗金属
を使用することができる。また、混合物を仮焼した仮焼
物から粉体を形成し、この粉体を用いて焼成するから均
質で緻密な焼結体となる。

また、製造に際しては１回の熱処理で済み製造工程が簡
素化できる。また、特性的にはシリコンの熱膨張係数に
近い値を有するとともに低誘電率を有する等の優れた特
性を有する。

また、混合物を１１００℃〜１６５０℃で仮焼し、焼成
することにより焼結体中に結晶相を分散することができ
、さらにモきるだけ多くの結晶相を分散することにより
抗折強度の高い焼結体が得られる等の著効を奏する。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．Ｓｉ成分がＳｉＯ＿２に換算して４０重量％以上６
   ０重量％未満、Ａｌ成分がＡｌ＿２Ｏ＿３に換算して１
   ５重量％以上３５重量％未満、Ｂ成分がＢ＿２Ｏ＿３に
   換算して５重量％以上２５重量％未満、Ｂａ成分がＢａ
   Ｏに換算して４重量％以上２５重量％未満の範囲内で実
   質的に１００重量％となる化学組成の混合物を仮焼し粉
   砕した原料粉末を成形し焼成して成る低温焼成セラミッ
   ク焼結体。
2. ２．原料粉末を成形して７５０℃〜１０００℃の焼成温
   度で焼成して成る請求項１記載の低温焼成セラミック焼
   結体。
3. ３．混合物の仮焼温度を１１００℃〜１６５０℃として
   得た請求項１記載の低温焼成セラミック焼結体。
4. ４．焼結体の構成相がムライト相と非晶質相、あるいは
   ムライト相、コランダム相および非晶質相から成る請求
   項１記載の低温焼成セラミック焼結体。