JPH0524928A - セラミツク基板及びその製造方法 - Google Patents

セラミツク基板及びその製造方法

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JPH0524928A
JPH0524928A JP3063607A JP6360791A JPH0524928A JP H0524928 A JPH0524928 A JP H0524928A JP 3063607 A JP3063607 A JP 3063607A JP 6360791 A JP6360791 A JP 6360791A JP H0524928 A JPH0524928 A JP H0524928A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 AlN系材料に、特殊な方法で窒化ホウ素を
加えることにより、厚み方向に組成傾斜を持たせ、基板
材料としての機械的強度を保有しながら、切削加工性を
もたせ、合わせて誘電率を低減する。また、AlN−A
2 3 系で構成し、AlNで高熱伝導性をもたせ、A
2 3 で機械的強度をもたせる。更に、多孔質ガラス
−Al2 3 系で構成し、多孔質ガラスで誘電率を下
げ、Al 2 3 で機械的強度をもたせる。 【構成】 セラミック基板において、窒化アルミニウム
粉末(AlN)と窒化ホウ素粉末(BN)の混合体を焼
結した、Al1-x x N系(0.3≧X≧0)であり、
厚さ方向に組成を傾斜させている。そして、BNにより
マシナビリティーを持たせ、厚み方向に切削性を持たせ
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、エレクトロニクス回路
用の高熱伝導性基板に係り、特に組成を傾斜させること
により、基板にマシナビリティーを付与させたセラミッ
ク基板及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば(1)「機能性セラミックス」金属 1989年
1月号 72〜76頁、(2)「傾斜機能材料の発想と
開発動向」工業材料 第38巻 第12号(1990年
10月号)18〜25頁などに記載されるものがあっ
た。
【0003】電子機器に対する小形化、高機能化、高信
頼性化、低コスト化への要求は極めて大きく、これに応
じて半導体チップは、高集積密度化、高速化の方向にめ
ざましく発達してきている。これに伴って、セラミック
基板に対しても、従来から用いられているアルミナ基板
以上の特性が求められるようになってきている。アルミ
ナ基板の欠点の一つは、その熱伝導率が20W/(m・
K)程度であり、それ程放熱性がよくないことである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】電子機器の軽薄短小化
とともに、ハイブリッドモジュールの集積度が大幅に大
きくなり、単位面積当たりの発熱量が問題になっている
折から、アルミナに代わる新しい高熱伝導性基板が求め
られている。高熱伝導性基板としては、すでにいくつか
の材料が検討されており、炭化シリコン(SiC)に少
量の酸化ベリリウム(BeO)を加えたSiC−BeO
系で熱伝導率として270W/(m・K)が得られてい
る。この値は、アルミナの熱伝導率の値の10倍以上も
あり、大変有望な材料であるが、比誘電率εr が1MH
zで40もあり、アルミナの比誘電率の4倍以上であ
る。
【0005】一般に、基板の比誘電率は回路の伝搬速度
に大きく影響し、信号の遅延時間は√εr に比例する。
従って、上記のSiC系のようにεr の大きなものは、
基板用セラミックとしては不向きである。一方、高熱伝
導性セラミックスとして、窒化アルミニウム(AlN)
も有望視されている。熱伝導率も改善され、現在270
W/(m・K)という値が得られるようになった。更
に、比誘電率もアルミナに比べ、やや小さく8.7程度
であり、実用化に向けてその開発が急がれている。しか
し、AlNは一般に硬くて脆いという欠点がある。
【0006】本発明は、上記問題点を解決するために、
厚み方向に組成傾斜を持たせた選択された材料により、
各種の優れた特性を有するセラミック基板及びその製造
方法を提供することを目的とする。より具体的には、A
lN系材料に、特殊な方法で窒化ホウ素を加えることに
より、厚み方向に組成傾斜を持たせ、基板材料としての
機械的強度を保有しながら、切削加工性をもたせ、合わ
せて誘電率を低減し得るセラミック基板及びその製造方
法を提供する。
【0007】また、厚み方向に組成傾斜を持たせたAl
N−Al2 3 系で構成し、AlNで高熱伝導性をもた
せ、Al2 3 で機械的強度をもたせるセラミック基板
及びその製造方法を提供する。更に、厚み方向に組成傾
斜を持たせた多孔質ガラス−Al2 3 系で構成し、多
孔質ガラスで誘電率を下げ、Al2 3で機械的強度を
もたせるセラミック基板及びその製造方法を提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記目
的を達成するために、セラミック基板において、厚み方
向に組成傾斜を持たせたAl1-x x N系(0.3≧X
≧0)で、高熱伝導性を有し、かつマシナブルである。
また、Al1-x x N系に高熱伝導性を付与させるため
に加えられた全重量が、10モル%以下のCaO,Ca
2 ,AlF3 ,Y2 3 ,YF3 から選ばれた少なく
とも一種を含む組成を有する。
【0009】更に、基板面の片側(X=0又は微小なX
の値)は高熱伝導性を有し、機械的強度も強く、もう一
方の片側(X≠0)は切削加工を可能にしたものであ
る。また、厚み方向に組成傾斜を持たせたAlN−Al
2 3 系で構成し、AlNで高熱伝導性をもたせ、Al
2 3で機械的強度をもたせるようにしたものである。
【0010】更に、厚み方向に組成傾斜を持たせた多孔
質ガラス−Al2 3 系で構成し、多孔質ガラスで誘電
率を下げ、Al2 3 で機械的強度をもたせるようにし
たものである。
【0011】
【作用】上記したように、本発明によれば、セラミック
基板は、 (1)窒化アルミニウム粉末(AlN)と窒化ホウ素粉
末(BN)の混合体を焼結した、Al1-x x N系
(0.3≧X≧0)であり、厚さ方向に組成を傾斜させ
ている。そして、BNによりマシナビリティーを持た
せ、厚み方向に切削性を持たせることができる。 (2)窒化アルミニウム粉末(AlN)とアルミナ(A
2 3)の混合体を焼結して成るものであり、厚さ方
向に組成を傾斜させる。そして、熱伝導率は、AlNで
かせいで、機械的強度はアルミナでカバーすることがで
き、高強度高熱伝導性基板を得ることができる。 (3)ポーラスガラス(B2 3 −SiO2 )とアルミ
ナ(Al2 3 )の混合体を焼結して成るものであり、
厚さ方向に組成を傾斜させる。そして、上部は誘電率の
低いポーラスガラス(多孔質ガラス:誘電率εr は4以
下)を用いて誘電率εr を下げ、下部はアルミナにより
基板の強度をかせぐことにより、誘電率の小さく、しか
も機械的強度のある基板を得ることができる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施例を
示すセラミック基板の構成図である。この実施例のセラ
ミック基板は、窒化アルミニウム粉末(AlN)と窒化
ホウ素粉末(BN)の混合体を焼結して成るものである
が、厚さ方向に組成を傾斜させているところに特徴があ
る。一般に、AlNとBNは固溶せず複合体となり、A
lNマトリックス中に析出するBNが破壊エネルギーを
吸収し、切削加工を可能としている。即ち、BNにより
マシナビリティーを持たせ、厚み方向に切削性を持たせ
るようにしている。
【0013】ここで、厚さ方向に組成傾斜をもたせる方
法は、一般的に次のように行なえば可能である。即ち、
Al1-x x N系において、Xを0より0.3迄いくつ
かの値を選び、幾種類かの混合粉を用意する。例えば、
X=0、0.05、0.1、0.15、0.20、0.
25、0.30と7種を選ぶとする。これらの粉末を通
常のセラミックス製造法に従って、厚み0.5mm、直
径10mmφ程度の円板(ペレット)とする。これら7
板の円板(ペレット)を積み重ねて一体化し、所定の温
度、雰囲気で焼成することによって、厚さ方向にほぼ連
続的にXの異なる組成傾斜のセラミック基板が得られ
る。
【0014】このように、Al1-x x N系において、
X=0〜0.3の範囲で幾種類かのペレットを用意し、
それらを合体し、焼成して、傾斜組成を有するセラミッ
ク基板を得るようにしている。ここで、X=0の側は、
熱伝導率も高く、機械的強度も大きい。一方、X≠0で
BNを含む側は、熱伝導率はBNの増加とともに低下す
るが、マシナビリティーが改善されている。
【0015】ここで、X=0.3としたのは、Xの増加
とともに熱伝導率が低下することになり、Xが0.3を
超えると基板材料として望ましい100W/(m・K)
以上の値が得られなくなるからである。基本的には、A
1-x x N系において高熱伝導性基板が得られるが、
一般にAlNは難焼結体であり、種々の添加物が焼結性
を高め、更に、高熱伝導化に効果がある。添加物として
有用な効果が見られるものは、CaO,CaF2 ,Al
3 、Y2 3 、YF3 等の酸化物、フッ化物であり、
全重量で10モル%以下が有効である。10モル%以上
になると、熱伝導率100W/(m・K)以上のものが
得られないので、10モル%以下とした。
【0016】以下、具体的な実施例について説明する。 『実施例 1』CaO 2モル%、CaF2 2モル%
を含むAlN、Al0.960.04N、Al0.91
0.09N、Al0.870.13N、Al0.820.18N、
Al0.760.24Nの6種類の粉末を用意する。これらの
粉末を有機バインダー等を加えて、ドクターブレード法
で0.2mm厚のシートを作成する。これら6枚のシー
トを順番に重ね、加圧圧縮により一体化する。この積層
シートを、例えば、窒素気流中で1900℃、6時間焼
成する。得られた基板は、次のような特性を示す。
【0017】 熱伝導率(AlNの面) 180W/m・K 比誘電率(1MHz) 8.5 切削加工時間(AlNと対抗面との対比) 1/10 『実施例 2』AlF3 1モル%、Y2 3 3モル
%を含むAl0.990.01N、Al 0.960.04N、
Al0.900.10N、Al0.860.14N、Al0.75
0.25Nの5種の粉末を用意し、有機バインダーを加え
て、10mmφ厚み0.3mmの円板を各々作成する。
これら5枚の円板を順番に重ね、加圧圧縮により一体化
する。この積層円板を、窒素気流中で1850℃、10
時間焼成する。得られた円板は、次のような特性を有す
る。
【0018】 熱伝導率(Al0.990.01N面) 195W/(m・
K) 比誘電率(1MHz) 8.6 切削加工時間(Al0.990.01N面と対抗面との対比)
1/18 『実施例 3』Y2 3 1.5モル%、YF3 4モ
ル%、CaO 1モル%を含むAlN、Al0.95
0.05N、Al0.900.10N、Al0.880.12N、
Al0. 860.14N、Al0.780.22N、Al0.78
0.29Nの7種類の粉末を用意する。これらの粉末を有機
バインダーを加えて、ドクターブレード法で0.15m
m厚のシートを作成する。これらのシートを順番に重
ね、加圧圧縮により一体化する。この積層シートを、例
えば、1940℃、5時間、窒素気流中で焼成して基板
を得る。得られた基板の特性は下記の特性を示す。
【0019】 熱伝導率(AlN面) 145W/(m・K) 比誘電率(1MHz) 8.5 切削加工時間(AlNと対抗面との対比) 1/15 『実施例 4』CaO 0.5モル%、CaF2 1.
2モル%、Y2 3 1.4モル%を含むAlN、A
0.960.04N、Al0.920.08N、Al0.88
0.12N、Al0.830.17N、Al0.800.20N、
Al0.760.24Nの7種の粉末を用意する。有機バイン
ダーを加え、15mmφ厚み0.35mmの円板を各々
作成し、これらの7枚の円板を順番に重ね、加圧圧縮に
より一体化する。この積層円板を窒素気流中で、192
0℃、8時間焼成して円板を得る。得られた円板は以下
の特性を有する。
【0020】 熱伝導率(AlN面) 210W/(m・K) 比誘電率(1MHz) 8.7 切削加工時間(AlNと対抗面との対比) 1/13 また、セラミック基板の低誘電率化の観点からすると、
Al1-x x N系では、AlNに比べて、それ程の低誘
電率化には限界がある。しかし、各種の添加物を10モ
ル%以下添加することによって、AlN単体より低くす
ることが可能であることがわかり、添加物は低誘電率化
にも作用効果のあることがわかった。
【0021】ここで、切削加工の評価については、一例
として、200gの重さのおもりを72m/secの速
度で負荷し、1mmの厚さを切削するのに要する時間を
比較してみると、X=0では約50分間かかるのに対し
て、X=0.1では約10分間、X=0.2では約5分
間、更にX=0.3では2.5分間となり、Xの増加と
ともに大幅に短縮されることがわかった。
【0022】以上のように、本発明の利点は、基板とし
て必要な面は、機械的強度も高く、熱伝導率も大きく、
更に比誘電率を低下させることができる。また、組成を
傾斜させることにより、もう一方の片側から切削加工が
可能であるという利点を有している。例えば、BN面か
らなら上下配線用の穴(スルーホール)を微小ドリル
(0.5mmφ)で容易に形成することができる。
【0023】このようにして、傾斜機能材料を利用した
高熱伝導性マシナブル基板を得ることができる。このよ
うな基板は、多層高密度配線用基板として好適である。
次に、図2は本発明の第2の実施例を示すセラミック基
板の構成図である。この実施例のセラミック基板は、窒
化アルミニウム粉末(AlN)とアルミナ(Al
2 3 )の混合体を焼結して成るものであるが、厚さ方
向に組成を傾斜させる。
【0024】このように構成することにより、AlN系
は熱伝導率が高く(200W/m・K)、アルミナは機
械的強度が大であであるので、即ち、熱伝導率はAlN
でかせいで、機械的強度はアルミナでカバーすることが
でき、高強度高熱伝導性基板を得ることができる。因み
に、アルミナの熱伝導率は20W/m・K以下である。
【0025】その製造方法は、原料粉末として、Al
N、AlON、Al23 を用意する。厚み方向に組成
を傾斜させるには、次のような幾種類かの混合粉を用意
する。例えば、AlN、0.75AlN−0.25A
lON、0.5AlN−0.5AlON、0.75
AlON−0.25Al2 3 、0.50AlON−
0.5Al2 3 、0.25AlON−0.75Al
2 3、Al2 3 の7種を選ぶとする。これらの粉
末を通常のセラミックス製造法に従って、厚み0.5m
m、直径10mmφ程度の円板とする。これら7枚の円
板を一体化し、所定の温度、雰囲気で焼成することによ
って、厚さ方向にほぼ連続的に窒素Nの異なる組成傾斜
のセラミックスが得られる。この系においては、機械的
強度を改善するために、MgO、Y2 3 、CaO等の
添加物が有効である。
【0026】以下、具体的な実施例について説明する。 『実施例1』MgO 1モル%を含むAlN、0.
8AlN−0.2AlON、0.5AlN−0.5A
lON、0.2AlN−0.8AlON、0.8A
lON−0.2Al2 3 、0.5AlON−0.5
Al2 3 、0.2AlON−0.8Al2 3
Al2 3 の8種の粉末を用意し、これらの粉末を有機
バインダー等を加え、ドクターブレード法で0.2mm
厚のシートを作成する。これらのシートを順番に重ね、
加圧圧縮により一体化する。この積層シートを、例え
ば、コントロールされた窒素気流中で、1830℃で5
時間焼成する。得られた基板は、次のような特性を有す
る。
【0027】 熱伝導率(AlN面) 130W/(m・K) 比誘電率(1MHz) 8.9 硬さ(ビッカース)(Al2 3 面) 2500kg/
mm2 硬さ(ビッカース)(AlN面) 1300kg/
mm2 次に、図3は本発明の第3の実施例を示すセラミック基
板の構成図である。
【0028】この実施例のセラミック基板は、ポーラス
ガラス(B2 3 −SiO2 )とアルミナ(Al
2 3)の混合体を焼結して成るものであるが、厚さ方
向に組成を傾斜させる。このように構成することによ
り、上部は誘電率の低いポーラスガラス(多孔質ガラ
ス:誘電率εr は4以下)を用いて誘電率εr を下げ、
下部はアルミナにより基板の強度をかせぐことにより、
誘電率の小さく、しかも機械的強度のある基板を得るこ
とができる。このようなセラミック基板は、低誘電率で
あるために、配線の容量成分が減少し、信号の遅延をな
くすことができる。
【0029】従って、高速コンピュータ用基板などに好
適である。その製造方法は、原料粉末として、ホウケイ
酸ガラス(B2 3 −SiO2 )とアルミナを用意す
る。厚み方向に組成を傾斜させるには、次のような幾種
類かの混合粉を用意する。例えば、モル%で、(B2
3 −SiO2 )30−Al 2 3 70、(B2 3
−SiO2 )40−Al2 3 60、(B2 3 −S
iO2 )30−Al2 3 70の3種を選ぶものとす
る。これらの粉末を通常のセラミックス製造法に従っ
て、厚さ0.3mm、直径10mmφ程度の円板とす
る。これらの3枚の円板を一体化し、所定の温度、雰囲
気で焼成することによって、厚さ方向にほぼ連続的にA
2 3 の異なる組成傾斜のセラミックスが得られる。
この系において、多孔質にするためには、500〜70
0℃程度で熱処理をし、ガラスを析出させ、その後ガラ
ス成分を酸流により除去することによって得られる。ま
た、ガラス成分のホウケイ酸ガラス以外のガラスでも同
様の効果が得られる。
【0030】以下、具体的な実施例について説明する。 『実施例1』モル%で、(B2 3 −SiO2 )35
−Al2 3 65、(B2 3−SiO2 )40−A
2 3 60、(B2 3 −SiO2 )50−Al2
3 50、(B2 3 −SiO2 )60−Al2 3
40の4種の粉末を用意し、これらの粉末を有機バイン
ダー等を加え、ドクターブレード法で0.25mm厚の
シートを作成する。これらのシートを順番に重ね、加圧
圧縮により一体化する。この積層シートを1050℃で
3時間空気中で焼成する。この焼結体を600℃で2時
間熱処理をし、ガラス成分を析出させ、ガラス成分を塩
酸(Hcl)で除去して得た多孔質セラミック基板は、
次のような特性を有する。
【0031】 比誘電率(B2 3 −SiO2 60−Al2 3 40の
面)(1MHz) 4.3 硬さ(ビッカース)(B2 3 −SiO2 35−Al2
3 65の面)1500kg/mm2 なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これ
らを本発明の範囲から排除するものではない。
【0032】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、厚み方向に組成傾斜を持たせた選択された材料
により、各種の優れた特性を有するセラミック基板を得
ることができる。即ち、AlN系材料に、特殊な方法で
窒化ホウ素を加えることにより、厚み方向に組成傾斜を
持たせ、基板材料としての機械的強度を保有しながら、
切削加工性をもたせ、合わせて誘電率を低減することが
できるセラミック基板を得ることができる。また、組成
を傾斜させることにより、もう一方の片側から切削加工
が可能であるという実用的効果を奏する。
【0033】更に、厚み方向に組成傾斜を持たせたAl
N−Al2 3 系で構成し、AlNで高熱伝導性をもた
せ、Al2 3 で機械的強度をもたせるセラミック基板
を得ることができる。また、厚み方向に組成傾斜を持た
せた多孔質ガラス−Al2 3 系で構成し、多孔質ガラ
スで誘電率を下げ、Al2 3 で機械的強度をもたせる
セラミック基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示すセラミック基板の
構成図である。
【図2】本発明の第2の実施例を示すセラミック基板の
構成図である。
【図3】本発明の第3の実施例を示すセラミック基板の
構成図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H05K 1/03 B 7011−4E

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 厚み方向に組成傾斜を持たせたAl1-x
    x N系(0.3≧X≧0)で、高熱伝導性を有し、か
    つマシナブルであることを特徴とするセラミック基板。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のセラミック基板におい
    て、Al1-x x N系に高熱伝導性を付与させるために
    加えられた全重量が、10モル%以下のCaO、CaF
    2 、AlF3 、Y2 3 、YF3 から選ばれた少なくと
    も一種を含む組成を有するセラミック基板。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のセラミック基板におい
    て、基板面の片側(X=0又は微小なXの値)は高熱伝
    導性を有し、機械的強度も強く、もう一方の片側(X≠
    0)は切削加工が可能であることを特徴とするセラミッ
    ク基板。
  4. 【請求項4】 厚み方向に組成傾斜を持たせたAl1-x
    x N系(0.3≧X≧0)のセラミック基板の製造方
    法において、(a)前記Xを0より0.3迄いくつかの
    値を選定して得られる複数個のペレットを用意し、
    (b)該ペレットを順次積み重ねて一体化し、(c)所
    定の温度、雰囲気で焼成し、(d)厚さ方向にほぼ連続
    的に前記Xの異なる組成傾斜をさせることを特徴とする
    セラミック基板の製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のセラミック基板の製造方
    法において、添加物として全重量が、10モル%以下の
    CaO、CaF2 、AlF3 、Y2 3 、YF3 から選
    ばれた少なくとも一種を添加することを特徴とするセラ
    ミック基板の製造方法。
  6. 【請求項6】 厚み方向に組成傾斜を持たせたAlN−
    Al2 3 系で構成し、AlNで高熱伝導性をもたせ、
    Al2 3で機械的強度をもたせることを特徴とするセ
    ラミック基板。
  7. 【請求項7】 請求項6記載のセラミック基板におい
    て、機械的強度をもたせるためにMgO、Y2 3 、C
    aOから選ばれた少なくとも一種の添加物を有するセラ
    ミック基板。
  8. 【請求項8】 厚み方向に組成傾斜を持たせたAlN−
    Al2 3 系のセラミック基板の製造方法において、
    (a)原料粉末がAlN、AlON、Al2 3 からな
    る複数個のペレットを用意し、(b)該ペレットを順次
    積み重ねて一体化し、(c)所定の温度、雰囲気で焼成
    し、(d)厚さ方向にほぼ連続的にNの異なる組成傾斜
    をさせることを特徴とするセラミック基板の製造方法。
  9. 【請求項9】 厚み方向に組成傾斜を持たせた多孔質ガ
    ラス−Al2 3 系で構成し、多孔質ガラスで誘電率を
    下げ、Al2 3 で機械的強度をもたせることを特徴と
    するセラミック基板。
  10. 【請求項10】 厚み方向に組成傾斜を持たせた多孔質
    ガラス−Al2 3 系のセラミック基板の製造方法にお
    いて、(a)原料粉末が多孔質ガラスとAl2 3 から
    なる複数個のペレットを用意し、(b)該ペレットを順
    次積み重ねて一体化し、(c)所定の温度、雰囲気で焼
    成し、(d)厚さ方向にほぼ連続的にAl2 3 の異な
    る組成傾斜をさせることを特徴とするセラミック基板の
    製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0730044A3 (en) * 1995-03-01 1998-09-09 Sumitomo Electric Industries, Limited Boron-aluminum nitride coating and method of producing same
JP2009158549A (ja) * 2007-12-25 2009-07-16 Panasonic Electric Works Co Ltd 立体回路基板用窒化アルミニウム系基材、その製造方法、及び立体回路基板
JP2016500626A (ja) * 2012-09-27 2016-01-14 アロメット コーポレイション 傾斜機能性材料の新規組成物を有する金属またはセラミック物品を形成する方法およびそれを含有する物品

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