JP6835645B2

JP6835645B2 - セラミック焼結体およびこれを用いた配線基板

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Publication number: JP6835645B2
Application number: JP2017061202A
Authority: JP
Inventors: 泉　美奈子; 美奈子泉; 俊昭高木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: JP2018162191A

Description

本開示は、セラミック焼結体とこれを用いた配線基板に関する。

従来より、光通信および無線通信等の電子機器に通信用の能動素子として半導体素子が使用されている。この場合、通信用の半導体素子を搭載するための配線基板に対しても高周波への対応が要求される。このような要求に応えるための配線基板として、ムライトを絶縁基体とするものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−９３１９７号公報

ところが、ムライトは、元々機械的強度が低いことや絶縁基体の組成によっては耐薬品性が低いと言った問題を有している。

従って本開示は、機械的強度および耐薬品性が高く、高周波特性に優れたセラミック焼結体とこれを用いた配線基板を提供することを目的とする。

本開示のセラミック焼結体は、アルミナ結晶相およびムライト結晶相の複合相を主結晶相とし、該主結晶相の粒界および前記ムライト結晶相内にカノアイト系結晶相を含むものである。

本開示の配線基板は、上記のセラミック焼結体によって構成される絶縁基体と、該絶縁基体の少なくとも表面に設けたられた導体層とを具備するものである。

本発明によれば、機械的強度および耐薬品性が高く、高周波特性に優れたセラミック焼結体とこれを用いた配線基板を得ることができる。

本実施形態のセラミック焼結体の断面模式図である。

図１は、本実施形態のセラミック焼結体の断面模式図である。本実施形態のセラミック焼結体は、アルミナ結晶相１ａおよびムライト結晶相１ｂを主結晶相１とし、主結晶相１の粒界３にカノアイト系結晶相５を含む。ここで、主結晶相１とは、アルミナ結晶相１ａとムライト結晶相１ｂとを合わせた割合が６０質量％以上ある場合を言う。

本実施形態のセラミック焼結体によれば、主結晶相１がアルミナ結晶相１ａとムライト結晶相１ｂとを複合した構成であることから、主結晶相１中にアルミナ結晶相１ａが単体で存在する場合に比較してムライト結晶相１ｂが含まれることによって、高周波特性を支配する誘電特性の一つである比誘電率を低くすることができる。

また、このセラミック焼結体は、主結晶相１が上記したように、アルミナ結晶相１ａと
ムライト結晶相１ｂとが共存した複合相であるために、主結晶相１中にムライト結晶相１ｂが単体で存在する場合に比較して機械的強度を高めることができる。

つまり、このセラミック焼結体は機械的強度に寄与するアルミナ結晶相１ａと比誘電率の低下に寄与するムライト結晶相１ｂとを主体とするものである。

さらに、このセラミック焼結体は、主結晶相１間の粒界３にカノアイト系結晶相５を含むことから、粒界３中に含まれるガラスの割合が減り、ガラスなどの非晶質相を主相とするセラミック焼結体に比較して、粒界３の耐薬品性を高めることが可能になる。なお、カノアイト系結晶相５は一部ムライト結晶相１ｂ内にも存在する。

また、上記したセラミック焼結体においては、ムライト結晶相１ｂ中に存在するアルミナ結晶相１ａの平均粒径を０．８〜５．５μｍ、特に、０．８〜３．８μｍとするのが良い。これにより上記した各種の特性をバランスさせて高めることができる。

例えば、このセラミック焼結体に含まれる各結晶相の割合が以下に示す割合となる場合には、機械的特性、誘電特性および耐薬品性などあらゆる特性をバランスさせて後述する配線基板用の絶縁基体として有用なものにすることができる。例えば、アルミナ結晶相１ａが１５〜８２質量％、ムライト結晶相１ｂが２０〜８２質量％、カノアイト系結晶相５が１〜１５質量％である場合には、機械的強度（３点曲げ強度）が２３２ＭＰａ以上、６０ＧＨｚにおける比誘電率が８．２以下、同周波数における誘電正接（ｔａｎδ）が４６×１０^−４以下、耐薬品性を評価したときの重量減少率が０．１２質量％以下となるセラミック焼結体を得ることができる。

こうしたセラミック焼結体は、図１に示しているように、ムライト結晶相１ｂがマトリックスとなり、ムライト結晶相１ｂの中に粒界３を介してアルミナ結晶相１ａが存在する構成となっている。比誘電率の高いアルミナ結晶相１ａがマトリックス状に広がったムライト結晶相１ｂに囲まれた組織構造であるため、アルミナ結晶相１ａが多く存在しても比誘電率の増加を抑えることができる。ここで、マトリックス状とは明確な粒界を有しない母相組織のことを言う。

また、このセラミック焼結体は、結晶相であるアルミナ結晶相１ａとムライト結晶相１ｂとがカノアイト系結晶相５を介して結合した構造である。つまり、３種類の結晶相同士が結合した構造であるためセラミック焼結体の機械的強度を高めることができる。

このため、セラミック焼結体の粒界３にガラス相７が存在しても、ガラス相７はカノアイト系結晶相５によって分断された状態となっているため、耐薬品性試験においてもガラス相７が溶出し難くなり、これにより耐薬品性を高めることができる。

ここで、カノアイト系結晶相とは、元素として、マンガン、マグネシウムおよびケイ素を含み、（Ｍｎ、Ｍｇ）_２（Ｓｉ_２Ｏ_６）で表される金属酸化物を主構成鉱物とするものである。つまり、本実施形態におけるカノアイト系結晶相は、カノアイト結晶相に、カノアイトを構成するＭｎ、ＭｇおよびＳｉが不定比組成となったものまで含む意である。

また、このセラミック焼結体に含まれる各結晶相の割合を以下のように限定した場合には、機械的特性を高くでき、比誘電率および誘電正接を低くできる。また、耐薬品性を評価したときの重量減少率を低減することができる。例えば、アルミナ結晶相１ａを３１〜６６質量％、ムライト結晶相１ｂを３０〜６５質量％、カノアイト系結晶相５を２〜１０質量％に限定すると、機械的強度（３点曲げ強度）が３２７ＭＰａ以上、６０ＧＨｚにおける比誘電率が７．９以下、同周波数における誘電正接（ｔａｎδ）が２８×１０^−４以
下、耐薬品性を評価したときの重量減少率が０．０９質量％以下となるセラミック焼結体を得ることができる。

さらには、カノアイト系結晶相の割合を２〜７質量％に限定した場合には、上記した機械的強度（３点曲げ強度）および耐薬品性を維持した状態で、６０ＧＨｚにおける比誘電率を７．８以下、誘電正接を１８×１０^−４以下にできる。

以上説明したセラミック焼結体は、機械的強度が高く、高周波領域での誘電特性に優れ、さらに耐薬品性が高いものであることから、高周波用の配線基板として好適なものとなる。具体的には、このセラミック焼結体を絶縁基体として用い、この絶縁基体の少なくとも表面に導体層を備えた配線基板を形成した場合に、汎用のアルミナ製の配線基板に比較して高周波領域での伝送特性が高く、また、金具付けや気密封止の面においても汎用のアルミナ製の配線基板と遜色無いものが得られる。

次に、本実施形態のセラミック焼結体を具体的に作製し、特性の評価を行った。まず、原料粉末として、純度９９．５質量％、平均粒子径が１．５μｍのアルミナ粉末、純度９９質量％、平均粒子径が２．４μｍのムライト粉末、純度９９．７質量％、平均粒子径１．５μｍのＳｉＯ_２粉末、純度９９質量％、平均粒径が１．５μｍのＭｎ_２Ｏ_３粉末、および純度９９．５質量％、平均粒径が５．０μｍのＭｇＣＯ_３粉末を準備した。

次に、上記した各原料粉末を表１に示す割合になるように混合した。原料粉末の混合にはボールミルを用いた。メディアにはアルミナボールを用いた。

次に、混合粉末に、有機ビヒクル（アクリル系バインダをトルエンに溶解させたもの）を添加してスラリーを調整した。しかる後に、ドクターブレード法によって厚みが３００μｍのグリーンシートを作製した。

次に、作製したグリーンシートを所定数枚積層し加圧加熱を行った後、所望の形状に切断して、セラミック焼結体の基になる成形体を作製した。次いで、作製した成形体を以下の条件にて焼成した。焼成は、室温から６００℃の温度において、露点を＋３０℃とした窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、露点を＋２０℃に変更して１４００℃にて１時間保持して行った。作製したセラミック焼結体の試料のサイズは、長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３．６ｍｍであった。

次に、作製したセラミック焼結体について、以下の評価を行った。アルミナ結晶相、ムライト結晶相、カノアイト系結晶相の比率は、作製したセラミック焼結体を粉砕した後、Ｘ線回折を行い、リートベルト解析を行って求めた。試料数は１個とした。この場合、結晶構造の基本形がカノアイトであるものについては、格子定数が本来のカノアイトからずれたものもカノアイト系結晶相として同定した。

アルミナ結晶相の平均粒径は、セラミック焼結体の断面を撮影した写真から求めた。具体的には、作製したセラミック焼結体から切断した試料を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、走査型電子顕微鏡を用いて結晶組織を観察し、写真を撮影した。次いで、撮影した写真の中で、約７０００μｍ^２の領域に存在するアルミナ結晶相を抽出して、画像解析によって粒径を測定し、平均値を求めた。この場合の画像解析では、まず、個々のアルミナ結晶相の輪郭を捕らえ、その輪郭によって形成される面積を一旦円に換算し直した。この後、円から直径を求めて、その直径をアルミナ結晶相の粒径とし、複数個の試料から平均値を求めて平均粒径とした。

抗折強度は、作製したセラミック焼結体を研磨によって、長さが４０ｍｍ、幅が４ｍｍ、厚みが３ｍｍのサイズとなるように加工した。また。試料の縁のＣ面加工も行った。次に、作製した試料をオートグラフにセットして、室温（２５℃）における３点曲げ試験を行った。試料数は２５個とし、平均値を算出した。

誘電特性は、空洞共振器法によって求めた。試料は、セラミック焼結体を加工して、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み０．５ｍｍのものを用意した。次に、用意した試料について、周波数５５〜６０ＧＨｚの範囲で比誘電率と誘電損失（ｔａｎδ）とを測定し、６０ＧＨｚ近傍の誘電特性を算出した。試料数は３個とした。

耐薬品性は、長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３．６ｍｍセラミック焼結体を５本づつ用意し、１０ｇ／Ｌの濃度の酸性フッ化アンモニウム水溶液に５分間浸漬したときの浸漬前後の重量変化から求めた。表２に示した質量減少率の算出方法は「質量減少率＝（「焼結体の浸漬前質量」−「焼結体の浸漬後質量」）／「焼結体の浸漬前質量」×１００）」である。

表２の結果から明らかなように、アルミナ結晶相が１５〜８２質量％、ムライト結晶相が２０〜８２質量％、カノアイト系結晶相が１〜１５質量％である試料（試料Ｎｏ．１〜７、９〜１４、１６および１８〜２０）では、機械的強度（３点曲げ強度）が２３２ＭＰａ以上、６０ＧＨｚにおける比誘電率が８．２以下、同周波数における誘電正接（ｔａｎδ）が４６×１０^−４以下、耐薬品性を評価したときの重量変化率が０．１２質量％以下であった。これらの試料はいずれもアルミナ結晶相がマトリックス状に広がったムライト結晶相に囲まれた結晶組織を成していた。

また、このセラミック焼結体について、アルミナ結晶相を３１〜６６質量％、ムライト結晶相を３０〜６５質量％、カノアイト系結晶相を２〜１０質量％に限定した試料（試料Ｎｏ．３〜５、９、１２、１３および１８〜２０）では、機械的強度（３点曲げ強度）が３２７ＭＰａ以上、６０ＧＨｚにおける比誘電率が７．９以下、同周波数における誘電正接（ｔａｎδ）が２８×１０^−４以下、耐薬品性を評価したときの重量変化率が０．０９質量％以下であった。

さらに、カノアイト系結晶相の割合を２〜７質量％に限定した試料（試料Ｎｏ．３〜５、９、１３および１８〜２０）では、機械的強度（３点曲げ強度）が３２７ＭＰａ以上、耐薬品性を評価したときの重量変化率が０．０９質量％以下を維持した状態で、６０ＧＨｚにおける比誘電率が７．８以下、誘電正接が１８×１０^−４以下であった。

これに対して、ムライト結晶相を含まないか、またはカノアイト結晶相を含まない試料（試料Ｎｏ．８、１５および１７）は、６０ＧＨｚにおける比誘電率が９．３、耐薬品性を評価したときの重量変化率が０．１６質量％以上であった。

１・・・・主結晶相
１ａ・・・アルミナ結晶相
１ｂ・・・ムライト結晶相
３・・・・粒界
５・・・・カノアイト系結晶相
７・・・・ガラス相

Claims

アルミナ結晶相およびムライト結晶相の複合相を主結晶相とし、該主結晶相の粒界および前記ムライト結晶相内にカノアイト系結晶相を含む、セラミック焼結体。
前記アルミナ結晶相が３１〜６６質量％、前記ムライト結晶相が３０〜６５質量％、前記カノアイト系結晶相が２〜１０質量％である、請求項１に記載のセラミック焼結体。
前記アルミナ結晶相はマトリックス状に広がった前記ムライト結晶相に囲まれている、請求項１または２に記載のセラミック焼結体。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセラミック焼結体によって構成される絶縁基体と、該絶縁基体の少なくとも表面に設けたられた導体層とを具備する、配線基板。