TWI848037B - 陶瓷構件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種陶瓷構件及其製造方法，其能夠避免成本增加，同時能夠降低導電材料的電阻。陶瓷構件100包括陶瓷的燒結體110、以及設置在燒結體110內的鋁或鋁合金的導電構件111。

Description

陶瓷構件的製造方法
本發明係關於一種陶瓷構件及其製造方法。
針對靜電夾盤、佈線基板及壓電致動器等，提出了使用陶瓷和導電材料的複合材料。陶瓷和導電材料的複合材料的製造方法如下。首先，使熔點高於對陶瓷進行燒成的溫度的金屬的粉末膏狀化，並將其塗布在陶瓷生片的表面上。準備複數個該生片，將其彼此積層，在還原氣氛下進行燒成。由此，能夠製造複合材料。作為金屬，主要使用鎢或鉬。另外，在專利文獻1中，提出了一種使用銅作為金屬以實現低電阻化的方法。
<先前技術文獻> <專利文獻>
專利文獻1：日本特開平7-015101號公報
專利文獻2：日本特開2005-223185號公報
專利文獻3：日本特開昭62-260373號公報
然而，由於銅的熔點顯著低於適合進行生片的脫脂和燒成的溫度，因此在使用銅的情況下，進行的處理會導致脫脂和燒成的長時間化等成本 的增加。
本發明的目的在於提供一種陶瓷構件及其製造方法，其能夠避免成本增加，同時能夠降低導電材料的電阻。
根據本公開的一個方面，提供一種陶瓷構件，包括：陶瓷的燒結體；以及設置在該燒結體內的鋁或鋁合金的導電構件。
依據公開的技術，能夠避免成本增加，同時能夠降低導電材料的電阻。
1、101:第一生片
2、102:第二生片
2A、102A:孔
3、103:第三生片
10、110:燒結體
11、111:導電構件
11A:鋁箔
111A:金屬膜
200:靜電夾盤
300:電感器
圖1(a)、圖1(b)及圖1(c)是示出第1實施方式中的陶瓷構件的圖。
圖2(a)及圖2(b)是示出第1實施方式中的陶瓷構件的製造方法的平面圖(其1)。
圖3(a)及圖3(b)是示出第1實施方式中的陶瓷構件的製造方法的平面圖(其2)。
圖4(a)及圖4(b)是示出第1實施方式中的陶瓷構件的製造方法的平面圖(其3)。
圖5(a)、圖5(b)及圖5(c)是示出第1實施方式中的陶瓷構件的製造方法的剖面圖(其1)。
圖6(a)、圖6(b)及圖6(c)是示出第1實施方式中的陶瓷構件的製造方法的剖面圖(其2)。
圖7(a)及圖7(b)是示出關於第1實施方式的實驗中的陶瓷構件的製造方法的 平面圖(其1)。
圖8(a)及圖8(b)是示出關於第1實施方式的實驗中的陶瓷構件的製造方法的平面圖(其2)。
圖9(a)、圖9(b)及圖9(c)是示出關於第1實施方式的實驗中的陶瓷構件的製造方法的剖面圖(其1)。
圖10(a)及圖10(b)是示出關於第1實施方式的實驗中的陶瓷構件的製造方法的剖面圖(其2)。
圖11是示出第2實施方式中的靜電夾盤的剖面圖。
圖12是示出第3實施方式中的電感器的平面圖。
對於電阻較低的導電材料，本發明人著眼於鋁。但是，由於鋁的熔點為大約660℃且較低，因此在使用鎢或鉬的粉末的膏劑的傳統方法中，無法使用鋁來代替鎢或鉬。因此，本發明人針對使用塊(bulk)狀的鋁的方法進行了深入研究。結果發現，藉由使用預定的陶瓷的生片，從而能夠使用塊狀的鋁或鋁合金來適當地製造陶瓷構件。
以下，參照圖式對實施方式具體進行說明。需要說明的是，在本說明書及圖式中，對於具有實質上相同的功能結構的構成要素賦予相同的符號並且有時會省略重複的說明。
(第1實施方式)
首先，對第1實施方式進行說明。第1實施方式係關於一種陶瓷構件。圖1是示出第1實施方式中的陶瓷構件的圖。圖1(a)是平面圖，圖1(b)是沿著圖1(a)中的線I-I的剖面圖，圖1(c)是沿著圖1(a)中的線II-II的剖面圖。
如圖1(a)~圖1(c)所示，第1實施方式中的陶瓷構件100包括陶瓷的燒結體110、以及設置在燒結體110內的鋁或鋁合金的導電構件111。在燒結體110中，可以形成有到達導電構件111的孔102A。
在如此構成的陶瓷構件100中，能夠使導電構件111的電阻率低於使用鎢或鉬的粉末的膏劑所形成的導電構件的電阻率。另外，能夠使導電構件111的熱導率高於使用鎢或鉬的粉末的膏劑所形成的導電構件的熱導率。例如，鎢的電阻率為52.8nΩm，熱導率為173W/(mK)，相比之下，鋁的電阻率為28.2nΩm，熱導率為237W/(mK)。
此外，根據後述的方法，能夠以不進行長時間的脫脂和燒成的方式製造陶瓷構件100，並且能夠抑制成本增加。
燒結體110的相對密度優選為90%以上，更優選為95%以上。如果燒結體110的相對密度小於90%，則形成連續氣孔的概率變高，容易發生作為導電構件111的材料的鋁或鋁合金的滲透或汽化損失。
燒結體110優選由難以與鋁或鋁合金進行化學反應的材料構成。例如，燒結體110優選含有96質量%以上的氧化鋁(Al2O3)，更優選含有99質量%以上的氧化鋁。與氧化鋁相比，氧化矽(SiO2)、氧化鎂(MgO)以及氧化鈣(CaO)更容易與鋁或鋁合金發生化學反應。因此，氧化矽、氧化鎂以及氧化鈣的總量優選為燒結體110的4質量%以下，更優選為1質量%以下。
接著，對第1實施方式中的陶瓷構件100的製造方法進行說明。圖2~圖4是示出第1實施方式中的陶瓷構件的製造方法的平面圖，圖5~圖6是示出第1實施方式中的陶瓷構件的製造方法的剖面圖。圖5~圖6相當於圖2~圖4中的沿著線I-I的剖面圖。
首先，如圖2(a)和圖5(a)所示，準備第一生片101。作為第一生片101，例如使用能獲得4片陶瓷構件100的大張的生片。換言之，第一生片 101具有形成有與陶瓷構件100對應的結構體的4個區域。該些區域隨後將藉由沿著切割線151進行切割而被分割。對於後述的第二生片102和第三生片103亦同樣。接著，在第一生片101上設置鋁或鋁合金的塊狀的金屬膜111A。作為金屬膜111A可以使用金屬箔。
之後，如圖2(b)和圖5(b)所示，在第一生片101上設置第二生片102，在該第二生片102上形成有到達金屬膜111A的孔102A。
接著，如圖3(a)和圖5(c)所示，在第二生片102上設置第三生片103。孔102A被第三生片103阻塞。在本實施方式中，第二生片102與第三生片103的積層體為本發明的第二生片的示例，孔102A為空隙的示例。空隙可以形成在第一生片、第二生片中的任意一者上，亦可以形成在兩者上。無論何種情況，均以阻塞該空隙的方式使第一生片和第二生片彼此積層。
接著，如圖3(b)和圖6(a)所示，藉由加熱和加壓使第一生片101、第二生片102以及第三生片103一體化。之後，藉由進行燒成，得到燒結體110。在進行該燒成時，金屬膜111A熔融、凝固從而得到導電構件111。
由於藉由燒成使得第一生片101、第二生片102以及第三生片103大致各向同性地緻密化，因此燒結體110的體積與第一生片101、第二生片102以及第三生片103的總體積相比較小。另一方面，導電構件111的體積等於塊狀的金屬膜111A的體積。在本實施方式中，在第二生片102中形成有孔102A，並且在金屬膜111A熔融的期間，燒結體110的收縮完成。因此，熔融金屬的一部分進入孔102A並凝固。因此，能夠避免伴隨燒結體110的收縮而產生內部應力。
燒結之後，如圖4(a)和圖6(b)所示，藉由對燒結體110進行研磨和拋光從而使孔102A露出。
接著，如圖4(b)和圖6(c)所示，沿著切割線151對燒結體110進行切割，將其單片化。
如此一來，能夠製造第1實施方式中的陶瓷構件100。
根據該製造方法，能夠在對一體化的第一生片101、第二生片102以及第三生片103進行燒成時，從金屬膜111A得到導電構件111。換言之，無需長時間的脫脂和燒結等用於得到導電構件111的特別處理。因此，能夠抑制製造成本的增加。另外，由於在第二生片102中形成有孔102A，因此即使伴隨燒成而發生陶瓷的體積收縮亦能夠避免產生內部應力。
此外，在傳統的使用金屬粉末的膏劑的方法中，在導電構件中會混入有夾雜物，相比之下，在本製造方法中，由於能夠使用塊狀的金屬膜111A，因此能夠避免伴隨夾雜物的混入而引起的電阻率的上升和熱導率的降低。
對於第一生片101、第二生片102以及第三生片103中的各個生片，構成生片的陶瓷中氧化鋁的比率優選為96質量%以上，更優選為99質量%以上。這是為了抑制陶瓷與鋁或鋁合金之間的化學反應。
用於得到燒結體110的燒成的溫度為金屬膜111A的熔點以上的溫度即可，例如優選為700℃以上。儘管取決於第一生片101、第二生片102以及第三生片103的材料，然而燒成溫度優選為1300℃以上。另外，如果燒成溫度超過1600℃，則在熔融金屬與陶瓷之間容易發生化學反應。因此，燒成溫度優選為1600℃以下。
用於得到燒結體110的燒成的氣氛優選為空氣氣氛等氧化氣氛。在固體的鋁或鋁合金的表面上形成亦被稱為鈍化膜的緻密的氧化膜。然而，如果鋁或鋁合金被加熱至熔點以上，則伴隨鋁或鋁合金的熔融而使氧化膜破裂，並且在真空氣氛或還原氣氛下，熔融金屬伴隨溫度的上升而持續蒸發。特別如果是在1200℃以上，則蒸氣壓大幅上升，蒸發損失較大。相比之下，在空氣氣氛等氧化氣氛下，即使氧化膜破裂，亦會迅速地形成新的氧化膜。因此，能夠抑制鋁或鋁合金的蒸發損失。
在本實施方式中，該氧化膜的破壞和再形成主要會發生在露出於金屬膜111A的孔102A的部分處。發生氧化膜破壞和再形成的範圍越大，則金屬的氧化損失越大，然而，在本實施方式中，由於發生氧化膜破壞和再形成的範圍為限定的範圍，因此亦能夠抑制鋁或鋁合金的氧化損失。
藉由在空氣氣氛下進行燒成，從而能夠迅速地去除第一生片101、第二生片102以及第三生片103中所含的有機成分。藉由去除有機成分，能夠抑制殘留碳對陶瓷特性的影響。另外，對於在空氣氣氛下進行的燒成，無需氫、氮、氨分解氣體等氣氛控制氣體。此外，與真空氣氛和還原氣氛相比，空氣氣氛還具有容易管理、設備成本較低的優點。
由第一生片101、第二生片102以及第三生片103的積層體所得到的陶瓷構件100的數量不限於4個。例如，可以以不對第一生片101、第二生片102以及第三生片103的積層體進行切割的方式製造1個陶瓷構件100。
在最終產品的陶瓷構件100中孔102A無需露出，可以由陶瓷構件100的使用者來形成與導電構件111之間的導通路徑。亦可以利用與導電構件111之間的電容來進行通信。另外，可以利用導電材料或陶瓷材料等來填充孔102A。
在此，對由本發明人進行的關於第1實施方式的實驗進行說明。圖7~圖8是示出關於第1實施方式的實驗中的陶瓷構件的製造方法的平面圖。圖9~圖10是示出關於第1實施方式的實驗中的陶瓷構件的製造方法的剖面圖。圖9~圖10相當於圖7~圖8中的沿著線I-I的剖面圖。
在該實驗中，首先，如圖7(a)和圖9(a)所示，利用刮刀法形成第一生片1。在第一生片1的形成中，使用利用球磨機對平均粒徑為1μm以下的氧化鋁粉末、聚乙烯縮丁醛、鄰苯二甲酸二丁酯、2-丙醇、以及乙酸乙酯進行了混合的漿料。第一生片1的厚度大約為0.5mm。亦以同樣的方式製作後述的第二生片2和第三生片3，其厚度亦為大約0.5mm。接著，在第一生片1上設置厚度 為大約0.03mm的鋁箔11A。鋁箔11A的平面形狀為30mm×10mm的矩形。
之後，如圖7(b)和圖9(b)所示，在第一生片1上設置第二生片2，在該第二生片2中在2處形成有到達鋁箔11的孔2A。孔的直徑為3mm。
接著，如圖8(a)和圖9(c)所示，在第二生片2上設置第三生片3，並且藉由第三生片3將孔2A阻塞。
接著，如圖10(a)所示，藉由加熱和加壓使第一生片1、第二生片2以及第三生片3一體化，然後藉由在空氣氣氛下以1500℃進行燒成，從而得到燒結體10。在進行該燒成時，鋁箔11A熔融、凝固從而得到導電構件11。
接著，如圖8(b)和圖10(b)所示，藉由對燒結體10進行研磨和拋光，從而使孔2A露出。
並且，使用具有接觸電阻的兩端子式的簡易電阻測試儀，對導電構件11的電阻進行測量。導電構件11的電阻為0.3mΩ且足夠地低。
(第2實施方式)
接著，對第2實施方式進行說明。第2實施方式係關於一種包括陶瓷構件的靜電夾盤。圖11是示出第2實施方式中的靜電夾盤的剖面圖。
如圖11所示，第2實施方式中的靜電夾盤200具有陶瓷的燒結體210、設置在燒結體210內的鋁或鋁合金的靜電電極220、以及設置在燒結體210內的鋁或鋁合金的靜電電極230。在燒結體210的一個表面210A上，形成有到達靜電電極220的孔202A和到達靜電電極230的孔203A。在孔202A內設置有與靜電電極220連接的通孔導體221，並且在孔203A內設置有與靜電電極230連接的通孔導體231。
在如此構成的靜電夾盤200中，經由通孔導體221和231向靜電電極220或230中的一者施加正電壓，並向另一者施加負電壓。由此，與形成有孔202A和203A的表面210A相反側的表面210B帶電，將半導體晶圓等對象物吸附在 該表面210B上。
在靜電夾盤200中，能夠使靜電電極220和230的電阻率低於使用鎢或鉬的粉末的膏劑所形成的靜電電極的電阻率。另外，能夠使靜電電極220和230的熱導率高於使用鎢或鉬的粉末的膏劑所形成的導電構件的熱導率。
此外，與陶瓷構件100同樣地，能夠以不進行長時間的脫脂和燒成的方式製造靜電夾盤200，並且能夠抑制成本增加。
燒結體210的相對密度優選為90%以上，更優選為95%以上。如果燒結體210的相對密度小於90%，則形成連續氣孔的概率變高，容易發生作為靜電電極220和230的材料的鋁或鋁合金的滲透或汽化損失。
燒結體210優選由難以與鋁或鋁合金進行化學反應的材料構成。例如，燒結體210優選含有96質量%以上的氧化鋁，更優選含有99質量%以上的氧化鋁。
在製造靜電夾盤200時，例如可以利用仿照陶瓷構件100的製造方法的方法，進行對使孔202A和203A露出的燒結體210進行研磨和拋光為止的處理，之後，在孔202A內形成通孔導體221，並在孔203A內形成通孔導體231。
取決於孔202A和203A的尺寸，亦可以將因陶瓷體積收縮而進入孔202A和203A中並凝固的鋁或鋁合金用作通孔導體221和231。
(第3實施方式)
接著，對第3實施方式進行說明。第3實施方式係關於一種包括陶瓷構件的電感器。圖12是示出第3實施方式中的電感器的平面圖。
如圖12所示，第3實施方式中的電感器300具有陶瓷的燒結體310、以及設置在燒結體310內的鋁或鋁合金的導電構件311。導電構件311的平面形狀為螺旋狀。在燒結體310的一個表面上，形成有到達導電構件311的一端的孔302A和到達導電構件311的另一端的孔302B。
如此構成的電感器300能夠經由孔302A和302B與外部的電路電連接。
在電感器300中，能夠使導電構件311的電阻率低於使用鎢或鉬的粉末的膏劑所形成的導電構件的電阻率。另外，能夠使導電構件311的熱導率高於使用鎢或鉬的粉末的膏劑所形成的導電構件的熱導率。
此外，與陶瓷構件100同樣地，能夠以不進行長時間的脫脂和燒成的方式製造電感器300，並且能夠抑制成本增加。
燒結體310的相對密度優選為90%以上，更優選為95%以上。如果燒結體310的相對密度小於90%，則形成連續氣孔的概率變高，容易發生作為導電構件311的材料的鋁或鋁合金的滲透或汽化損失。
燒結體310優選由難以與鋁或鋁合金進行化學反應的材料構成。例如，燒結體310優選含有96質量%以上的氧化鋁，更優選含有99質量%以上的氧化鋁。
在製造電感器300時，例如可以利用仿照陶瓷構件100的製造方法的方法，進行對使孔302A和302B露出的燒結體310進行研磨和拋光為止的處理。
以上對優選的實施方式等進行了詳細說明，然而不限於上述的實施方式等，在不脫離申請專利範圍所記載的範圍的情況下，可以對上述實施方式等進行各種變形和替換。
例如，雖然在第2實施方式中將陶瓷構件應用於靜電夾盤，在第3實施方式中將陶瓷構件應用於電感器，然而並不對陶瓷構件的用途進行限定。例如，亦可以將陶瓷構件用於功率半導體裝置等封裝基板。
100:陶瓷構件
102A:孔
110:燒結體
111:導電構件

Claims (6)

  1. 一種陶瓷構件的製造方法，包括：在第一生片與第二生片之間夾入鋁或鋁合金的金屬膜的步驟；以及在該金屬膜的熔點以上的溫度下進行該第一生片和該第二生片的燒成以得到陶瓷的燒結體的步驟，其中，在該第一生片或該第二生片或者該兩者的與該金屬膜接觸的表面的一部分處設置有空隙，構成該燒結體的陶瓷中的96質量%以上為氧化鋁，且該燒結體的相對密度為90%以上，其中，在該得到燒結體的步驟中，熔融之該金屬的一部分進入該空隙並凝固。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的陶瓷構件的製造方法，其中，在氧化氣氛下進行該燒成。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的陶瓷構件的製造方法，其中，在空氣氣氛下進行該燒成。
  4. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項所述的陶瓷構件的製造方法，其中，在700℃以上且1600℃以下的溫度下進行該燒成。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的陶瓷構件的製造方法，其中，在1300℃以上且1600℃以下的溫度下進行該燒成。
  6. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項所述的陶瓷構件的製造方法，該空隙的直徑為3mm。
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