JPWO2019035212A1 - 焼結体、回路部品および焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

焼結体は、主相としてアルミナ相を含み、ＳｉとＭｎとを含む非晶質相と、コージェライト相とをさらに含む。気孔率は、１．１％以上５．０％以下である。好ましくは、ＸＲＤ回折法で得られるコージェライトのメインピークの強度をＩ１、アルミナのメインピークの強度をＩ２として、Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が、０．２０以上０．４５以下である。焼結体の製造では、アルミナを７０質量％以上８５質量％以下、Ｓｉ成分をＳｉＯ２換算で３質量％以上７質量％以下、Ｍｎ成分をＭｎＯ換算で３質量％以上６．５質量％以下、コージェライトを８質量％以上１５質量％以下含み、これら４成分の合計が８５質量％以上である粉末が調整される。粉末から成形体が得られ、成形体が焼成されることにより、焼結体が得られる。

Description

本発明は、主相としてアルミナ相を含む焼結体に関連する。

回路部品の高周波化が進むに従い、回路を保持する部品等に低比誘電率および低誘電正接が求められている。例えば、光通信の分野では、通信の高速化に伴い、光通信用パッケージ等の部品にて利用される周波数が高くなりつつある。信号品質を劣化させることなく高速で伝送するために、部品に使用される様々な材料には低比誘電率および低誘電正接が求められる。さらに、部品の小型化および低背化に伴い、材料の強度も求められる。

特開２００３−１０４７７２号公報（文献１）のアルミナ質焼結体は、アルミナ粉末と、焼結助剤であるＭｎ_２Ｏ_３粉末およびＳｉＯ_２粉末と、他の酸化物とを含む成形体を、１２００〜１５００℃で焼成することにより製造される。アルミナ質焼結体の相対密度は、９５％以上である。誘電正接は１２〜２８×１０^−４であり、強度は４００〜５０５ＭＰａである。文献１のアルミナ質焼結体は、ある程度の強度を有するが、高速通信等の高周波回路の材料としては誘電正接が高い。またアルミナ以外の構成成分の比誘電率は低いものでなく、相対密度より推定される気孔率も低いことから、比誘電率は８．９以上と推定され、高周波回路の材料としては比誘電率も高い。

特開２００１−９７７６７号公報（文献２）のアルミナ質焼結体は、アルミナ粉末と、焼結助剤であるＭｎ_２Ｏ_３粉末およびＳｉＯ_２粉末と、他の酸化物とを含む成形体を、１２００〜１５００℃で焼成することにより製造される。アルミナ質焼結体では、アルミナ結晶粒子の粒界相にＭｎＡｌ_２Ｏ_４およびＭｎＳｉ_２Ｏ_４が析出する。アルミナ質焼結体の相対密度は、９５％以上である。最も低い誘電正接は２０×１０^−４であり、強度は３５０〜４９２ＭＰａである。文献２のアルミナ質焼結体も、ある程度の強度を有するが、高速通信等の高周波回路の材料としては誘電正接は十分に低いとはいえない。また、文献１と同様、アルミナ以外の構成成分の比誘電率は低いものではなく、相対密度より推定される気孔率も低いことから、比誘電率は８．９以上と推定され、高周波回路の材料としては比誘電率も高い。

特開２００４−１１５２９０号公報（文献３）では、結晶化したガラスであるマトリクス中に１０〜７０質量％のアルミナ粒子が分散した複合酸化物焼結体が開示されている。複合酸化物焼結体は、９００〜１０００℃の低温で焼成される。６０ＧＨｚでの比誘電率は７．５〜９．０であり、誘電正接は６〜１５×１０^−４である。強度は３５０〜５００ＭＰａである。文献３の複合酸化物焼結体には、比誘電率が低いものもあるが、高周波回路の材料としては誘電正接は高い。焼成温度が低いため、絶縁基板と同時焼成されるメタライズ配線層（導体）には、Ｃｕが利用される。しかし、ガラスマトリクス中にアルミナ粒子が分散した複合酸化物とＣｕの熱膨張率差は大きいため、Ｃｕ配線を埋設した部品において応力が生じやすい。したがって、部品の小型化および低背化の際に、クラック、剥離、反り等が生じる虞がある。

本発明は、主相としてアルミナ相を含む焼結体に向けられており、比誘電率および誘電正接が低く、所望の曲げ強度を有する焼結体を提供することを目的としている。

本発明の一の好ましい形態に係る焼結体は、主相としてアルミナ相を含み、ＳｉとＭｎとを含む非晶質相と、コージェライト相とをさらに含む。気孔率は、１．１％以上５．０％以下である。これにより、焼結体の比誘電率および誘電正接を低くすることが実現され、ある程度の曲げ強度も得ることができる。

好ましくは、ＸＲＤ回折法で得られるコージェライトのメインピークの強度をＩ１、アルミナのメインピークの強度をＩ２として、Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が、０．２０以上０．４５以下である。さらに好ましくは、Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）は、０．２３以上０．４０以下である。

焼結体の１０ＧＨｚにおける比誘電率は、好ましくは８．５以下であり、１０ＧＨｚにおける誘電正接は、好ましくは５×１０^−４以下である。曲げ強度は、好ましくは３００ＭＰａ以上である。吸水率は、好ましくは１．０％以下である。気孔の平均直径は、好ましくは２．０μｍ以上５．５μｍ以下である。

本発明は、上記焼結体を含む回路部品にも向けられている。回路部品は、前記焼結体の表面または内部に位置する導体を含む。

本発明は、焼結体の製造方法にも向けられている。焼結体の製造では、アルミナを７０質量％以上８５質量％以下、Ｓｉ成分をＳｉＯ_２換算で３質量％以上７質量％以下、Ｍｎ成分をＭｎＯ換算で３質量％以上６．５質量％以下、コージェライトを８質量％以上１５質量％以下含み、これら４成分の合計が８５質量％以上である粉末が調製される。前記粉末から成形体が得られ、前記成形体は焼成される。

焼成温度は、好ましくは、が１２００℃以上１４００℃以下にて１時間以上３時間以下保持される。

原料となる前記粉末では、好ましくは、Ｓｉ成分のＳｉＯ_２換算質量とＭｎ成分のＭｎＯ換算質量との和は、前記粉末の１１質量％以下である。さらに好ましくは、Ｓｉ成分のＳｉＯ_２換算質量とＭｎ成分のＭｎＯ換算質量との比は、０．６以上２．０以下である。

上述の目的および他の目的、特徴、態様および利点は、添付した図面を参照して以下に行うこの発明の詳細な説明により明らかにされる。

回路部品の一例を示す断面図である。 焼結体の製造の流れの概略を示す図である。 実験例８におけるＩ１およびＩ２を例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る焼結体およびその製造方法について説明する。なお、本発明に係る焼結体およびその製造方法は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更、修正、及び改良等を加え得るものである。

本発明に係る焼結体は、主相としてアルミナ相を含む。ここで、「主相」とは、断面における気孔を除く面積の５０％以上の相を指すものとする。焼結体は、副相として、ＳｉとＭｎとを含む非晶質相と、コージェライト相とを含む。「副相」は、主相以外の相を指すものとする。焼結体には、さらに他の相が含まれてもよい。ＳｉとＭｎとを含む非晶質相は、主に、アルミナ粒子の結合性を向上するフラックス相である。一方、コージェライトはアルミナよりも比誘電率が低いため、コージェライト相を設けることで、焼結体全体の比誘電率は低くなる。なお、原料として導入したコージェライト粒子は、焼結の過程でアルミナ粒子及びフラックス成分粒子と一部が反応をし、焼結を促進する効果を生じる。つまり、本発明の焼結体は、アルミナ、フラックス、コージェライトを反応させつつ焼結を進めることで、低比誘電率化に必要な気孔を残しつつ、ある程度の緻密性、強度を発現し、焼結体の低比誘電率および低誘電正接が実現される。

高周波回路の基板や支持体として利用される焼結体では、好ましくは、比誘電率は８．５以下であり、誘電正接は５×１０^−４以下であり、曲げ強度は３００ＭＰａ以上である。このような焼結体は、光通信等の高速通信に用いられる回路部品に特に適している。

例えば、焼成前のシート状の成形体上に粉末状の導電材料を含むパターンを印刷等により形成し、このような成形体を積層する。これにより導電材料を含む積層成形体が得られる。積層成形体が焼成されることにより、内部や表面のパターンも焼成され、配線等の導体を内部や表面に有する焼結体が得られる。以下、導体を含む焼結体を「複合焼結体」という。

図１は、複合焼結体を含む回路部品の一例を示す断面図である。回路部品１は、焼結体１０である複数の基板層１１と、配線である導体１２と、電極１３とを含む。焼結体１０および導体１２は複合焼結体の主要部を構成する。回路部品１では、焼結体１０を覆う封止樹脂が設けられてもよい。各基板層１１は、焼成前はシート状の成形体である。導体１２は、焼成前は成形体上に形成された導電材料である。成形体と導体材料との同時焼成により、成形体と導電材料とが一体化し、焼結体１０の表面または内部に位置する導体１２を含む複合焼結体が作製される。なお、図１では、基板層１１を貫通する導体であるビアや他の回路部分の記載は省略している。

回路部品１では導体１２と電極１３とは電気的に接続される。導体１２は、焼結体１０の内部のみに設けられてもよく、焼結体１０の表面のみに設けられてもよい。基板層１１の数は１でもよい。導体１２は、配線以外の用途に用いられる部位であってもよい。

図２は、焼結体の製造の流れの概略を示す図である。まず、焼結体の原料粉末の調整が行われる（ステップＳ１）。焼結体の原料としては、例えば、アルミナ粉末、ＳｉＯ_２粉末、ＭｎＣＯ_３粉末、コージェライト粉末の混合物が利用される。ＳｉＯ_２粉末およびＭｎＣＯ_３粉末はフラックスとして機能する。他の代替原料が利用されてもよい。例えば、ＭｎＣＯ_３粉末に代えて、ＭｎＯ粉末が利用されてもよい。

次に、原料粉末の成形体が取得される（ステップＳ２）。後述の実験例では、乾式プレスおよびＣＩＰ（冷間等方圧プレス）により成形体が得られるが、他の様々な手法が利用可能である。例えば、ドクターブレード法、押出し法、射出法、鋳込み法等の周知の成型方法が利用可能である。また、成形に用いたバインダ等の助剤は、必要に応じて加熱等により除去されてもよい。

上述の回路部品が製造される場合は、焼成前に、成形体から積層成形体が作製される（ステップＳ３）。この場合、既述のように、成形体上に導体粉末等でパターンが形成される。複数の成形体が重ねられて積層成形体が形成される。回路を有する成形体が一層の場合は積層は行われない。回路を有さない焼結体を得る場合は、ステップＳ３は省略される。

成形体または積層成形体が準備されると、焼成が行われる（ステップＳ４）。導電材料を含む成形体が焼成される場合は、成形体と導電材料との焼成が同時に行われる。焼成温度の好ましい範囲は、１２００℃以上１４００℃以下であり、好ましくは、１３００℃以上１４００℃以下である。このような焼成温度により、Ｃｕ−Ｗ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｍｏ等の導体粉末によるパターンを成形体と同時に焼成することができる。導体との同時焼成は、好ましくは水素雰囲気下で行われる。他の雰囲気条件としては、アルゴン、窒素、真空雰囲気が想定される。

後述の実験例では、焼成時間は２時間であるが、焼成時間は焼成温度に依存し、所望の焼成温度の範囲に保持される時間は、１時間以上３時間以下が好ましい。これは、長時間の焼成（特に高温において）は、原料成分間の反応が進み過ぎ、気孔が過度に無くなることとコージェライト相が少なくなり過ぎることが生じ、比誘電率の低減の妨げとなるためである。

焼結体は、アルミナ相と比べて熱膨張率が相対的に小さいコージェライト相を含む。これにより、Ｃｕ−Ｗ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｍｏ等の導体と、焼結体との熱膨張率の差は、低減される。その結果、複合焼結体においてクラック、反り等が抑制され、特に小型の回路部品において特性の安定性や信頼性が向上する。このような焼結体材料は、高周波化および低背化が進む回路部品、例えば、通信用部品に適している。

焼結体にコージェライトを複合化する場合、原料にコージェライト自体ではなく、焼成過程で反応によりコージェライト相が生成されるのであれば、フォルステライト、エンスタタイト、サフィリン等の使用も可能である。ただし、焼結体におけるコージェライトの量は重要であり、焼成後のコージェライトの量を正確に制御するためにはコージェライト粉末が原料に含められることが好ましい。

なお、コージェライト以外の添加成分として、例えば、Ｍｇスピネルやムライトの検討も行った。しかし、Ｍｇスピネルの比誘電率は８．８でありムライトの比誘電率は６．５程度であり、これらはコージェライトの比誘電率４．８よりも高い。そのため、焼結体の比誘電率を低下させるには多量の添加が必要となり、焼結体の曲げ強度の低下および誘電正接の増加を招いた。また、導体を同時焼成する場合、水素を導入した還元性の高い雰囲気で焼成が行われる。このような雰囲気でも酸化物が還元されない添加剤としてコージェライトは適している。

原料中のコージェライトは、焼成時にアルミナおよびフラックスの一部と反応する。一方、焼結体に残存するコージェライトの量は、焼結体の各種特性に大きな影響を与える。そのため、コージェライトと他の材料とを反応させつつコージェライトを焼結体中にある程度残すことが重要となる。原材料中のコージェライトの量、フラックスの量、フラックスを構成する各成分の割合、および、焼成温度は、焼結体の製造において重要な条件となり得る。これらの条件の好ましい範囲について、以下の実験例を参照して説明する。実験例の条件および測定結果を表１Ａおよび表１Ｂに示す。

（実験例における焼結体の製造）
以下に説明する実験例における焼結体の製造方法は、一例に過ぎない。

アルミナ原料として市販の粉末を使用した。アルミナの純度は９９．９％以上であり、平均粒径は１〜３μｍである。フラックス中のＳｉ成分は、市販のＳｉＯ_２粉末を使用した。Ｍｎ成分は、市販のＭｎＣＯ_３粉末を使用した。ＳｉＯ_２粉末およびＭｎＣＯ_３粉末は、共に純度９９％以上、平均粒径１μｍである。コージェライト原料を作製するために、市販のＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の高純度粉末をコージェライトの組成となるように混合したものを準備した。各粉末は、純度９９．９％、平均粒径１μｍ以下である。混合粉末を１４００℃、大気下にて加熱合成した後に粉砕し、平均粒径１〜３μｍに調整したものをコージェライト原料とした。なお、市販のコージェライト粉末が使用されてもよい。

上記のアルミナ原料、フラックス原料、コージェライト原料を、表１Ａの各実験例に合わせて秤量し、アルミナボールおよびポリポットを用いて３時間ボールミルにて湿式混合を行い、スラリーを得た。スラリーを乾燥し、ふるいを通して調合粉末を得た。

調合粉末を乾式プレスにより１００ｋｇｆ／ｃｍ^２にて成形し、さらに、ＣＩＰにて０．７ｔｏｎｆ／ｃｍ^２にて二次成形し、直径約６５ｍｍ、厚さ約１２ｍｍの円板状成形体を得た。なお、成形体を得る手法としては他の様々な手法が採用されてもよい。

円板状成形体をアルミナ製のサヤに収め、各実験例の条件に合わせて、大気または水素雰囲気下、焼成温度（すなわち、最高温度）１３００〜１４００℃にて２時間保持し、焼結体を得た。水素雰囲気下での焼成は、埋設配線等の導体を同時焼成する場合を想定したものである。

（焼結体の評価方法）
かさ密度および吸水率は、焼結体からＪＩＳ−Ｒ１６０１に記載の３×４×４０ｍｍの抗折棒を切り出し、アルキメデス法にて測定した。

比誘電率および誘電正接は、焼結体から直径１４〜１５ｍｍ、厚さ７．０〜７．５ｍｍの円柱部材を切り出し、ＪＩＳ−Ｒ１６２７に準じて両端短絡型共振法にて１０ＧＨｚにおけるものを測定した。

曲げ強度（表１Ｂでは単に「強度」と表記）は、焼結体からＪＩＳ−Ｒ１６０１に記載の３×４×４０ｍｍの抗折棒を切り出し、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に準じて三点曲げ強度を測定した。

気孔率および気孔径は、焼結体から切出した試料の一面を鏡面状に研磨仕上し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察することにより得た。気孔率は、観察画像を二値化し、材料中の閉気孔の面積率として得た。気孔径は、数十の気孔のそれぞれの長径と短径との平均径を算出し、平均径の平均として得た。

焼結体の一部をアルミナ乳鉢にて粉砕し、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いてＸＲＤ回折法により結晶相を同定した。測定条件はＣｕＫα、４０ｋＶ、４０ｍＡ、２θ＝５〜７０°、ステップ幅を０．００２°とした。測定結果より、コージェライトのメインピークの強度Ｉ１とアルミナのメインピークの強度Ｉ２とからＩ１／（Ｉ１＋Ｉ２）を算出した。図３に、実験例８におけるＩ１およびＩ２を例示する。

（実験例の説明および評価）
表１Ａおよび表１Ｂの各実験例の条件および評価について説明する。番号の後ろに＊を付していない実験例は、本発明の実施例であり、＊を付している実験例は、本発明に対する比較例である。

実験例１，２は比較例であり、原料にコージェライトを含まない。平均粒径２．９μｍのアルミナを９０．０質量％、フラックスのＳｉ成分をＳｉＯ_２換算で５．８質量％、Ｍｎ成分をＭｎＯ換算で４．２質量％（ＳｉＯ_２／ＭｎＯ＝１．４）とした粉末を原料に用いた。なお、原料にはＭｎＣＯ_３が使用されるため、ＭｎＣＯ_３をＭｎＯ換算した質量を用いてＭｎＯの質量％を求めている。実験例１では、１３３０℃で２時間大気焼成を行い、実験例２では１３６０℃で２時間大気焼成を行った。

１３３０℃の焼成では吸水率が３．０％であり、緻密な焼結体が得られず、誘電正接は高い。１３６０℃で焼成した場合、吸水率が１．０％以下であり、緻密な焼結体が得られるが、比誘電率が８．７、誘電正接が１６×１０^−４であり、共に高い。このようにコージェライトを複合化しない場合、低比誘電率および低誘電正接を得ることができない。

実験例３〜６では、実験例１，２の原料を基にコージェライトを５．０〜１５質量％添加し、実験例１，２と同様にして、表１Ａに記載の条件にて焼成を行った。コージェライトの量は、実験例３では５．０質量％、実験例４では８．７質量％、実験例５では１０質量％、実験例６では１５質量％である。各実験例の吸水率は０．０％であり、焼結体中の気孔のほとんどは閉気孔として存在する。

実験例３は比較例であり、焼結体では原料中のコージェライト相が存在しない。誘電正接は１６×１０^−４であり、高い。実験例４〜６は、コージェライト量を変えて作製した材料であり、気孔率が１．９〜２．１％であり、ほぼ同様である。Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）は０．２９〜０．４０であり、焼結体中にコージェライト相が存在する。比誘電率は７．６〜８．３、誘電正接は１．０〜５．０×１０^−４であり、これらはＩ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が増加するにつれて低くなる。曲げ強度は３００ＭＰａ以上あり、良好である。

実験例７〜１０では、実験例１〜６と同様にして、表１Ａに記載の条件にて焼成を行った。これらの実験例では、フラックスの構成質量比（ＳｉＯ_２／ＭｎＯ）は１．０に固定され、フラックスの総量（ＳｉＯ_２＋ＭｎＯ）は、実験例７で６．５質量％、実験例８で８．５質量％、実験例９で１０．０質量％、実験例１０で８．５質量％である。実験例７〜９では、焼成温度は１３００℃であり、実験例１０では１３３０℃である。

いずれの実験例においても、吸水率、比誘電率、誘電正接、曲げ強度とも良好である。特に実験例８，９では、曲げ強度がそれぞれ４９０ＭＰａ、４６０ＭＰａであり非常に高い。両実験例での気孔径は２．０μｍであり、実験例５の気孔径５．１μｍよりも微細な気孔であるため非常に高い曲げ強度を有すると考えられる。実験例１０では、比誘電率８．４、誘電正接１．７×１０^−４、４５０ＭＰａであり、材料特性は良好である。しかし、実験例８と比較すると、１３３０℃で焼成したことで、気孔率およびＩ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が減少し、比誘電率が増加する。また、曲げ強度が低下するため、実験例１０の原料構成の場合、１３００℃で焼成することが望ましい。

表１Ｂの結晶相の欄に記載の相は、アルミナ、コージェライト以外はＸ線回折法により極微量検出されたものを示す。

実験例８の焼結体の熱膨張率をＪＩＳ−Ｒ１６１８に準じた方法により４０〜１０００℃の範囲で測定した。実験例８の熱膨張率は７．０ｐｐｍ／℃であり、アルミナ単体の熱膨張率８．２ｐｐｍ／℃よりも小さい。コージェライト相との複合化によって熱膨張率が低下するといえる。その結果、Ｃｕ−Ｗ等の導体との熱膨張率差が相対的に小さくなり、導体埋設時のクラックや反り等の発生を抑制することができる。

実験例１１〜１５では、実験例１〜１０と同様にして、表１Ａに記載の条件にて焼成を行った。これらの実験例では、フラックスの総量（ＳｉＯ_２＋ＭｎＯ）は１０．０質量％に固定される。フラックスの構成質量比（ＳｉＯ_２／ＭｎＯ）は、実験例１１では０．５、実験例１２では０．６、実験例１３では１．８、実験例１４では２．０、実験例１５では２．４である。

実験例１１はフラックスのＭｎ成分を多くし、実験例１５はフラックスのＳｉ成分を多くしたものであり、共に比較例である。実験例１１では、Ｍｎとコージェライトとがより反応しやすいため、気孔率およびＩ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が減少し、比誘電率は８．７となり、高い。実験例１５では、Ｓｉ成分が多いため、反応が進みにくい。その結果、吸水率および気孔率が増加し、誘電正接は１０×１０^−４であり、高い。実験例１２〜１４は、実験例１１，１５に対してフラックスの質量比を０．６〜２．０に調製したものである。実験例１２〜１４では、誘電率は８．５以下、誘電正接は５．０×１０^−４以下、曲げ強度は３００ＭＰａ以上であり、良好な特性が得られた。実験例１１〜１５の結果から、比誘電率８．５以下、誘電正接５．０×１０^−４以下、曲げ強度３００ＭＰａ以上の良好な特性を得るためには、フラックスの質量比は０．６〜２．０に調整することが好ましく、１．０〜１．４に調整することがより好ましいといえる。

実験例１６，１７では、実験例１〜１５と同様にして、表１Ａに記載の条件にて焼成を行った。実験例１６ではフラックスの質量を５．０質量％に、実験例１７ではフラックスの質量を１２質量％に調整した。実験例１６，１７は共に比較例である。実験例１６では、焼結不足により誘電正接が３０×１０^−４以上と高い。実験例１７では、気孔率が減少したために比誘電率が８．６と高くなったと考えられる。実験例１６，１７並びに他の実験例から、比誘電率８．５以下、誘電正接５．０×１０^−４以下、曲げ強度３００ＭＰａ以上の良好な特性を得るためには、フラックスの質量は６〜１１質量％、好ましくは、７．５〜１０質量％程度に調整することが望ましいといえる。

実験例１８，１９では、実験例１〜１７と同様にして、表１Ａに記載の条件にて焼成を行った。実験例１８の焼成温度は１３６０℃であり、実験例１９の焼成温度は１４００℃である。実験例１８，１９から、フラックスの質量比や総量を調製することで、焼成温度を上げた場合でも、比誘電率８．５以下、誘電正接５．０×１０^−４以下、３００ＭＰａ以上の良好な特性が得られることが分かる。

実験例２０〜２２では、実験例１〜１９と同様にして、表１Ａに記載の条件にて焼成を行った。実験例２０〜２２では、水素を導入した還元環境にて焼成を行った。実験例２０〜２２から、還元環境においても大気焼成時と同等の材料特性が得られることが分かる。したがって、還元雰囲気における導体との同時焼成を行うことが可能である。

上記実験例の結果から、アルミナ相を主相として含み、フラックス相とコージェライト相とをさらに含む焼結体において、気孔率が１．２％以上（実験例１２，１９，２２）４．５％以下（実験例１４）とすることにより、比誘電率および誘電正接が低く、所望の曲げ強度が得られることが分かる。ただし、比較例である実験例１７において気孔率が１．０％であり、実験例１５において気孔率が７．６％であることを考慮すると、気孔率が１．１％以上５．０％以下において、比誘電率および誘電正接が低く、所望の曲げ強度が得られると考えられる。

また、このような気孔率が得られるのであれば、アルミナ相が主相である限りコージェライト相の割合は適宜決定されてよいが、実験例の結果から、ＸＲＤ回折法で得られるコージェライトのメインピークの強度をＩ１、アルミナのメインピークの強度をＩ２として、Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が、０．２０以上０．４５以下であることが好ましいと考えられる。実験例の比較例以外におけるＩ１／（Ｉ１＋Ｉ２）の範囲を考慮すると、より好ましくは、Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）は０．２３以上０．４０以下である。

上記実験例では、低比誘電率の条件として、１０ＧＨｚにおける比誘電率が８．５以下であるとしている。低誘電正接の条件として、１０ＧＨｚにおける誘電正接が５×１０^−４以下であるとしている。これらの条件は、高周波回路部品の材料としての使用を考慮したものである。実験例の結果から、１０ＧＨｚにおける比誘電率が８．３以下、１０ＧＨｚにおける誘電正接が２×１０^−４以下である焼結体も十分に提供することができることが分かる。

焼結体全体の強度は焼結体の大きさに依存することから、曲げ強度の条件はある程度緩やかに設定可能である。回路部品の材料としては、好ましくは、曲げ強度は、３００ＭＰａ以上である。また、吸水率が大きい場合、曲げ強度が低下すると共に誘電正接が増大することから、吸水率は低いほど好ましい。吸水率は０．０％であることが最も好ましいが、１．０％以下であればよい。

実験例の結果から、気孔径、すなわち、気孔の平均直径が小さくなる条件では比誘電率は高くなる傾向にあり、気孔径は２．０μｍ以上であることが好ましい。気孔径の上限は特に定められないが、気孔径が大きすぎると曲げ強度の観点から好ましくなく、気孔径は５．５μｍ以下であることが好ましい。

実験例の結果より、原料粉末は、アルミナを７０質量％以上８５質量％以下、Ｓｉ成分をＳｉＯ_２換算で３質量％以上７質量％以下、Ｍｎ成分をＭｎＯ換算で３質量％以上６．５質量％以下、コージェライトを８質量％以上１５質量％以下含むことが好ましいと考えられる。他の添加剤の許容される割合を考慮すると、原料粉末におけるこれら４成分の合計は８５質量％以上とされ、より好ましくは９５％以上である。他の添加剤としては、例えば、焼結体の色を調整するものを挙げることができる。

焼結体に求められる特性にもよるが、原料粉末は、アルミナを８０質量％以上８３質量％以下含むことがより好ましい。Ｓｉ成分に関しては、原料粉末は、ＳｉＯ_２換算で４．２質量％以上５．８質量％以下含むことがより好ましい。Ｍｎ成分に関しては、原料粉末は、ＭｎＯ換算で３．１質量％以上５．０質量％以下含むことがより好ましい。コージェライトに関しては、原料粉末は、９質量％以上１２質量％以下含むことがより好ましい。

既述のように、原料粉末におけるフラックスの量、および、フラックスを構成する各成分の割合も焼結体の特性に影響を与える。実験例から、原料粉末において、Ｓｉ成分のＳｉＯ_２換算質量とＭｎ成分のＭｎＯ換算質量との和は、原料粉末の６質量％以上１１質量％以下であることが好ましい。より好ましくは、７．５質量％以上１０質量％以下である。

原料粉末において、Ｓｉ成分のＳｉＯ_２換算質量とＭｎ成分のＭｎＯ換算質量との比は、０．６以上２．０以下であることが好ましい。より好ましくは、１．０以上１．４以下である。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

発明を詳細に描写して説明したが、既述の説明は例示的であって限定的なものではない。したがって、本発明の範囲を逸脱しない限り、多数の変形や態様が可能であるといえる。

本発明の焼結体は、低比誘電率および低誘電正接が求められる様々な部品として利用可能である。特に、高周波化が求められる回路部品の材料に適している。

１ 回路部品
１０ 焼結体
１２ 導体
Ｓ１〜Ｓ４ ステップ

焼成温度は、好ましくは、１２００℃以上１４００℃以下にて１時間以上３時間以下保持される。

図２は、焼結体の製造の流れの概略を示す図である。まず、焼結体の原料粉末の調製が行われる（ステップＳ１）。焼結体の原料としては、例えば、アルミナ粉末、ＳｉＯ_２粉末、ＭｎＣＯ_３粉末、コージェライト粉末の混合物が利用される。ＳｉＯ_２粉末およびＭｎＣＯ_３粉末はフラックスとして機能する。他の代替原料が利用されてもよい。例えば、ＭｎＣＯ_３粉末に代えて、ＭｎＯ粉末が利用されてもよい。

１３３０℃の焼成では吸水率が３．０％であり、緻密な焼結体が得られず、誘電正接は高い。１３６０℃で焼成した場合、吸水率が１．０％以下であり、緻密な焼結体が得られるが、比誘電率が８．６、誘電正接が１６×１０^−４であり、共に高い。このようにコージェライトを複合化しない場合、低比誘電率および低誘電正接を得ることができない。

いずれの実験例においても、吸水率、比誘電率、誘電正接、曲げ強度とも良好である。特に実験例８，９では、曲げ強度がそれぞれ４９０ＭＰａ、４６０ＭＰａであり非常に高い。両実験例での気孔径は２．０μｍであり、実験例５の気孔径５．１μｍよりも微細な気孔であるため非常に高い曲げ強度を有すると考えられる。実験例１０では、比誘電率８．４、誘電正接１．７×１０^−４、曲げ強度４５０ＭＰａであり、材料特性は良好である。しかし、実験例８と比較すると、１３３０℃で焼成したことで、気孔率およびＩ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が減少し、比誘電率が増加する。また、曲げ強度が低下するため、実験例１０の原料構成の場合、１３００℃で焼成することが望ましい。

実験例１１はフラックスのＭｎ成分を多くし、実験例１５はフラックスのＳｉ成分を多くしたものであり、共に比較例である。実験例１１では、Ｍｎとコージェライトとがより反応しやすいため、気孔率およびＩ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が減少し、比誘電率は８．７となり、高い。実験例１５では、Ｓｉ成分が多いため、反応が進みにくい。その結果、吸水率および気孔率が増加し、誘電正接は１０×１０^−４であり、高い。実験例１２〜１４は、実験例１１，１５に対してフラックスの質量比を０．６〜２．０に調整したものである。実験例１２〜１４では、比誘電率は８．５以下、誘電正接は５．０×１０^−４以下、曲げ強度は３００ＭＰａ以上であり、良好な特性が得られた。実験例１１〜１５の結果から、比誘電率８．５以下、誘電正接５．０×１０^−４以下、曲げ強度３００ＭＰａ以上の良好な特性を得るためには、フラックスの質量比は０．６〜２．０に調整することが好ましく、１．０〜１．４に調整することがより好ましいといえる。

実験例１８，１９では、実験例１〜１７と同様にして、表１Ａに記載の条件にて焼成を行った。実験例１８の焼成温度は１３６０℃であり、実験例１９の焼成温度は１４００℃である。実験例１８，１９から、フラックスの質量比や総量を調整することで、焼成温度を上げた場合でも、比誘電率８．５以下、誘電正接５．０×１０^−４以下、３００ＭＰａ以上の良好な特性が得られることが分かる。

Claims (13)

1. 焼結体であって、
   主相としてアルミナ相を含み、ＳｉとＭｎとを含む非晶質相と、コージェライト相とをさらに含み、
   気孔率が、１．１％以上５．０％以下である。
2. 請求項１に記載の焼結体であって、
   ＸＲＤ回折法で得られるコージェライトのメインピークの強度をＩ１、アルミナのメインピークの強度をＩ２として、Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が、０．２０以上０．４５以下である。
3. 請求項２に記載の焼結体であって、
   Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）が、０．２３以上０．４０以下である。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の焼結体であって、
   １０ＧＨｚにおける比誘電率が、８．５以下である。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の焼結体であって、
   １０ＧＨｚにおける誘電正接が、５×１０^−４以下である。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の焼結体であって、
   曲げ強度が、３００ＭＰａ以上である。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の焼結体であって、
   吸水率が、１．０％以下である。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の焼結体であって、
   気孔の平均直径が、２．０μｍ以上５．５μｍ以下である。
9. 回路部品であって、
   請求項１ないし８のいずれか１つに記載の焼結体と、
   前記焼結体の表面または内部に位置する導体と、
   を備える。
10. 焼結体の製造方法であって、
    ａ）アルミナを７０質量％以上８５質量％以下、Ｓｉ成分をＳｉＯ_２換算で３質量％以上７質量％以下、Ｍｎ成分をＭｎＯ換算で３質量％以上６．５質量％以下、コージェライトを８質量％以上１５質量％以下含み、これら４成分の合計が８５質量％以上である粉末を調整する工程と、
    ｂ）前記粉末の成形体を得る工程と、
    ｃ）前記成形体を焼成する工程と、
    を備える。
11. 請求項１０に記載の焼結体の製造方法であって、
    前記ｃ）工程において、焼成温度が、１２００℃以上１４００℃以下に１時間以上３時間以下保持される。
12. 請求項１０または１１に記載の焼結体の製造方法であって、
    前記ａ）工程において、Ｓｉ成分のＳｉＯ_２換算質量とＭｎ成分のＭｎＯ換算質量との和が、前記粉末の１１質量％以下である。
13. 請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載の焼結体の製造方法であって、
    前記ａ）工程において、Ｓｉ成分のＳｉＯ_２換算質量とＭｎ成分のＭｎＯ換算質量との比が、０．６以上２．０以下である。

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