JP6885705B2 - セラミック焼結体およびこれを用いた配線基板、ならびに、この配線基板を備えた実装部品、モジュールおよび電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック焼結体およびこれを用いた配線基板、ならびに、この配線基板を備えた実装部品、モジュールおよび電子機器に関する。

従来より、ＬＳＩなどの電気素子を収納するパッケージとしてセラミック製の配線基板が用いられている。

パッケージとなる配線基板は、収納された電気素子を外部からの衝撃、湿度、熱、ガスおよび光線などから守ること、外周部に設けられた接続端子によって外部との間で正しく信号や電源を伝えること、等を目的として使用されている。

近年、例えば、自動車は、安全性や快適性などの要求から電子制御システムに各種のセンサ素子が用いられるようになってきている。

この場合、センサ素子によっては、特性の異なる複数のセンサ素子を一つの配線基板上に搭載する必要がある。このためサイズの大きい配線基板が要求されている。

また、センサ素子の中には角速度センサなどに代表されるように、外部からの振動に対して共振し難いという特性が必要なものもある。そのため配線基板としては剛性の高いものが要求されている。

さらに、ＬＳＩなどに対しては、伝送信号の高速化を図るために、絶縁層の比誘電率を低くする必要がある。

こうした要求に応える配線基板としては、熱膨張係数が大きく、機械的強度が高く、かつ比誘電率が低い、といった特性が必要となる。

このような配線基板を形成するための絶縁材料として、例えば、アルミナやガラスセラミックスが候補材料として挙げられる（例えば、特許文献１、２を参照）。

特開平１０−１５８０３２号公報 特開２０００−１８８４５３号公報

ところが、アルミナやガラスセラミックスは、上記した３つの特性をバランス良く発現させることが困難である。つまり、アルミナは基本的に熱膨張係数が小さいことが問題である。一方、ガラスセラミックスはガラス相の組成やフィラーである無機粒子の添加量によって、上記３つの特性を大きく変化させることが可能であるが、例えば、フィラーの添加量を変化させて熱膨張係数を向上させると、機械的強度が大きく低下してしまうという問題がある。

従って、本発明は、熱膨張係数が大きく、機械的強度が高く、かつ比誘電率が低い新た
なセラミック焼結体およびこれを用いた配線基板、ならびに、この配線基板を備えた実装部品、モジュールおよび電子機器を提供することを目的とする。

本発明のセラミック焼結体は、フォルステライトの結晶相が４５〜５８質量％、スピネルの結晶相が９〜２８質量％、正方晶のジルコニアの結晶相が２３〜３７質量％含まれており、残部が酸化珪素であるものである。

本発明の配線基板は、絶縁層の表面に配線を備えている配線基板であって、前記絶縁層が上記のセラミック焼結体であるものである。

本発明の実装部品は、上記の配線基板の表面または内部に、半導体素子、センサ素子および受動部品のうちの少なくとも１つの電子部品が配置されているものである。

本発明のモジュールは、マザーボード上に上記の実装部品が実装されているものである。

本発明の電子機器は、筐体と、該筐体の内部から表面に露出するようにそれぞれ設けられた電源部および表示部と、前記電源部および表示部に電気的に接続され、前記表示部を機能させる制御部とを有している電子機器であって、前記制御部が上記のモジュールを有しているものである。

本発明によれば、熱膨張係数が大きく、機械的強度が高く、かつ比誘電率が低いセラミック焼結体およびこれを用いた配線基板、ならびに、この配線基板を備えた実装部品、モジュールおよび電子機器を得ることができる。

本実施形態の配線基板を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、本実施形態の実装部品を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 本実施形態のモジュールを模式的に示す斜視図である。 本実施形態の電子機器を模式的に示した分解斜視図である。

本実施形態のセラミック焼結体は、フォルステライトを主結晶相とし、これにスピネルの結晶相と、ジルコニアの結晶相とを含んでいる。セラミック焼結体がフォルステライトを主結晶相とするものであることから、熱膨張係数が７．２×１０^−６／Ｋ以上を示すセラミック焼結体を得ることができる。これに副結晶相として、スピネルの結晶相とジルコニアの結晶相とを含んでいることから機械的強度の高いものが得られる。

ここで、主結晶相とはセラミック焼結体において含有量の最も多い結晶相のことを言い、上記のように、３つの結晶相が共存するセラミック焼結体においては４０質量％以上含まれているものを言う。副結晶相とは主結晶相よりも含有量の少ないものを言う。

本実施形態のセラミック焼結体が高熱膨張かつ高強度を示すのは、スピネルの結晶相がダイヤモンドと同様の等軸晶系であるため、単体でも機械的強度が高いからであり、しかも主結晶相であるフォルステライトとの間の融点の差が２００℃以内であることから両結晶相が焼結しやすいからである。

また、ジルコニアの結晶相は、元々、結晶に機械的な圧力が加わると、結晶構造が例え
ば正方晶系から単斜晶系へ変態する傾向を示すものである。このため結晶に圧力が加わった際に応力が分散されやすいことから靱性が高くなる性質がある。このセラミック焼結体では、上記のような性質を示すジルコニアの結晶相がフォルステライトおよびスピネルの各結晶相の間に介在することになることから機械的強度の高いものが得られる。その結果、このセラミック焼結体は、熱膨張係数が７．２×１０^−６／Ｋ以上で、機械的強度が２８８ＭＰａ以上と、高熱膨張かつ高強度の特性を有するセラミック焼結体を得ることができる。

また、このセラミック焼結体は、比誘電率が１１以下であるとともに、耐薬品性に優れるという特性を有している。

本実施形態のセラミック焼結体について、各結晶相の割合を特定すると、熱膨張係数および機械的強度がさらに高く、かつ比誘電率がより低いものとなる。

例えば、Ｘ線回折パターンにおいて、フォルステライトの主結晶相のピーク強度の大きい方から５つを合わせたピーク強度の合計をＩＦ、スピネルの結晶相について、ピーク強度の大きい方から５つを合わせたピーク強度の合計をＩＳとしたときに、ＩＳ／ＩＦ比が０．３５〜０．５５であると、熱膨張係数が７．３×１０^−６／Ｋ以上、機械的強度が３０３ＭＰａ以上であり、比誘電率が９．８以下のセラミック焼結体を得ることができる。

この場合、Ｘ線回折パターンから各結晶相を同定する際の化合物の化学式は、フォルステライトをＭｇ_２ＳｉＯ_４、スピネルをＭｇＡｌ_２Ｏ_４、また、ジルコニアをＺｒＯ_２として解析を行うが、陽イオンに対する酸素の割合は各結晶相の本来の構造が変化しない範囲で多少変動しても良い。

また、このセラミック焼結体において、ジルコニアの結晶相は正方晶系であるのが良い。ジルコニアの結晶相が正方晶系であると、セラミック焼結体に機械的な負荷が加わった際に応力が分散されやすいことから靱性が高くなる。これにより機械的強度をさらに高めることができる。具体的には、セラミック焼結体に含まれるジルコニアの結晶相が正方晶系であると、ＩＳ／ＩＦ比が０．３７〜０．５５である範囲において、熱膨張係数が７．３×１０^−６／Ｋ以上、機械的強度が３０８ＭＰａ以上のセラミック焼結体を得ることができる。

さらに、ＩＳ／ＩＦ比は０．４０〜０．５０であるのが良い。ＩＳ／ＩＦ比が０．４０〜０．５０であると、機械的強度が３０８ＭＰａ以上、熱膨張係数が８．０×１０^−６／Ｋ以上であり、比誘電率が９．７以下のセラミック焼結体を得ることができる。

ここで、本実施形態のセラミック焼結体の製造方法について説明する。このセラミック焼結体の作製には、原料粉末として、フォルステライト粉末、ジルコニア粉末およびアルミナ粉末を用いる。この場合、スピネル粉末を用いなくても、添加したアルミナ粉末がフォルステライト粉末と反応してフォルステライトの結晶相に隣接するかたちでスピネルの結晶相が形成される。これをＭｇ−Ａｌ系スピネルと言う。一方、ジルコニア粉末は、焼成後にもそのままの組成割合で結晶相として残り、フォルステライトの結晶相およびスピネルの結晶相と共存した結晶組織となる。こうして、フォルステライトを主結晶相とし、これにスピネルの結晶相とジルコニアの結晶相とを含むセラミック焼結体を得ることができる。

なお、このセラミック焼結体を構成するフォルステライト、スピネルおよびジルコニアの各結晶相の組成は、後述する実施例の調合組成に基づくならば、ジルコニアの結晶相が２３〜３７質量％、フォルステライトの結晶相が４５〜５８質量％、スピネルの結晶相が
９〜２８質量％となり、残部がフォルステライトから分離した酸化ケイ素となる。酸化ケイ素はこれらフォルステライト、スピネルおよびジルコニアの各結晶相の粒界に結晶相または非晶質相として存在する。これによりフォルステライト、スピネルおよびジルコニアの各結晶相間が強固に結合したものとなる。その結果、熱膨張係数が大きくかつ機械的強度の高いセラミック焼結体を得ることができる。

図１は、本実施形態の配線基板を模式的に示す斜視図である。本実施形態の配線基板Ａは、絶縁層１の表面１ａに、パッド２、このパッド２に接続するように設けられた配線３を備えたものを基本構造とし、絶縁層１に上記のセラミック焼結体を適用したものである。この場合、絶縁層１となるセラミック焼結体が高い熱膨張係数と高い機械的強度を有していることから、これにより高熱膨張かつ高強度の配線基板Ａを得ることができる。

配線基板Ａを構成するパッド２および配線３としては、銅および銀などの低融点金属もしくはタングステンおよびモリブデンなどの高融点金属のいずれでも適用することが可能であるが、絶縁層１と、パッド２および配線３とを同時焼成したときの焼結性の適正化を図り、パッド２および配線３を緻密にして高い導電性を引き出すという点から、これらを複合化または合金化させた金属材料を用いるのが良い。図１に示す配線基板Ａでは、配線３は絶縁層１の表面に設けたものとなっているが、これに限らず、絶縁層１の内部にビア導体を介して配置される構造であっても良い。

図２は、（ａ）は、本実施形態の実装部品を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。本実施形態の実装部品Ｂは、上記の配線基板Ａの表面１ａに、半導体素子、センサ素子および受動部品のうちの少なくとも１つの電子部品５が配置されているものである。この場合、電子部品５は、配線基板Ａを構成する絶縁層１の表面１ａに設けられた配線３との間で接続端子６を介して接続されている。この場合、接続端子６としては、接続端子６の配線長を短くできるという点から半田ボールが好適なものとなる。この実装部品Ｂにおいて、電子部品５は配線基板Ａを構成する絶縁層１の表面１ａだけではなく、絶縁層１の内部に配置されていても良い。

図３は、本実施形態のモジュールを模式的に示す斜視図である。本実施形態のモジュールＣは、マザーボード７上に上記した実装部品Ｂが実装されているものである。この場合、実装部品Ｂはマザーボード７上に所定の接続部材を介して接続されている。接続部材としては、半田ボール、ピンおよびソケットなどが用いられる。

マザーボード７としては、有機樹脂を絶縁材とし、この表面に銅箔が配線部材として形成された回路基板が好適なものとなる。絶縁材に有機樹脂を用いたマザーボード７は、熱膨張係数が１５〜３０×１０^−６／Ｋほどになる。マザーボード７にこのように熱膨張係数の大きいものを適用した場合にも、実装信頼性の高いモジュールＣを得ることができる。これは表面に実装する実装部品Ｂが上記したセラミック焼結体を絶縁層１とする配線基板Ａによって形成されたものであるため、絶縁層１としてアルミナやガラスセラミックスを適用した配線基板に比較して、熱膨張係数および機械的強度がともに高いことから、配線基板Ａとマザーボードとを接続する接続部材にもクラックが生じ難く、実装信頼性の高いモジュールＣを得ることができる。

図４は、本実施形態の電子機器を模式的に示した分解斜視図である。電子機器Ｄの例として、携帯電話、スマートフォンおよびタブレットなどを挙げることができる。本実施形態の電子機器Ｄは、上下から組まれる筐体１１ａ、１１ｂの内部に上記したモジュールＣが内蔵される構成となっている。この場合、電子機器Ｄは筐体１１ａの表面に露出するように設けられた表示部１３と、一方の筐体１１ｂ内に設置された電源部１５と、これら表示部１３および電源部１５を制御するために筐体１１ｂ内に設置された制御部１７とを有
している。これにより電子機器ＤはモジュールＣの高い実装信頼性に基づいて、長期の使用に耐え得るものとなる。

以下、本実施形態に係るセラミック焼結体を具体的に作製し、次いで、かかるセラミック焼結体を適用した配線基板を作製した。

まず、グリーンシートを作製するための混合粉末として、平均粒径が４μｍのフォルステライト粉末、平均粒径が３μｍのアルミナ粉末および平均粒径が０．３μｍのイットリア安定化ジルコニア粉末を準備し、表１に示す割合で添加してスラリーを調製した。スラリーの調製にはアクリル系バインダーとトルエンとを用いた。

次に、調製したスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み１２０μｍのグリーンシートを作製した。

得られたグリーンシートを複数枚重ねて所定厚みになるように加圧積層した。この後、特性評価用の試料となるように所定のサイズに切断して成形体を作製した。

次に、作製した成形体を所定の条件にて焼成し、特性評価用の試料となるセラミック焼結体を作製した。この場合、焼成の最高温度を１３５０℃とし、露点温度を１９℃に設定して、窒素−水素の混合雰囲気中にて、最高温度での保持時間を１時間として焼成を行った。

次に、作製したセラミック焼結体の試料について特性の評価を行った。相対密度はアルキメデス法によって求めたかさ密度を理論密度で除して求めた。この場合、理論密度は、セラミック焼結体中に含まれるフォルステライト、スピネルおよびジルコニアの各結晶相の割合に基づいた値とした。フォルステライト、スピネルおよびジルコニアの各結晶相の割合はリートベルト法を用いて測定した。この場合、各結晶相の理論密度として、フォルステライトは３．０ｇ／ｃｍ^３、スピネルは３．６ｇ／ｃｍ^３およびジルコニアは６．０ｇ／ｃｍ^３という値をそれぞれ用いた。

また、Ｘ線回折法を用いてセラミック焼結体中に含まれる結晶相の同定を行い、次いで、フォルステライトに対するスピネルの比率をピーク強度比から求めた。Ｘ線回折パターンにおいて、フォルステライトの主結晶相のピーク強度の大きい方から５つを合わせたピーク強度の合計をＩＦ、スピネルの結晶相について、ピーク強度の大きい方から５つを合わせたピーク強度の合計をＩＳとして、ＩＳ／ＩＦ比を求めた。

また、作製したセラミック焼結体を加工して、ＪＩＳＲ１６０１に基づき３点曲げ強度を測定した。

また、セラミック焼結体を直径１０ｍｍのサイズに加工し、周波数１ＭＨｚにて比誘電率を測定した。

また、セラミック焼結体を加工し、熱機械分析装置（ＴＭＡ）を用いて線熱膨張係数の測定を行った。

また、セラミック焼結体の耐薬品性を以下の方法により評価した。耐薬品性試験は、メッキ膜の形成工程を除いた前処理および後処理の工程を経る前と後との間の試料片の重量減少率を求めた。前処理および後処理の条件は、硫酸および過硫酸アンモニウムを含むエッチング液を用いた表面処理、フッ化アンモニウム溶液を用いたエッチング処理、水洗、
アルカリ脱脂および酸処理である。結果を表１に示した。

また、試料Ｎｏ．５のグリーンシートを用いて、図１に示した構成の配線基板を作製した。配線を形成するための導体材料として、銅とタングステンとをそれぞれ５０体積％含むものを適用した。

表１に示すように、フォルステライトを主結晶相とし、これにスピネルの結晶相と、ジルコニアの結晶相とが含まれているセラミック焼結体を元に作製した試料Ｎｏ．１〜１３では、３点曲げ強度が２８８ＭＰａ以上、熱膨張係数が７．２×１０^−６／Ｋ以上であり、比誘電率が１０．２以下であった。また、耐薬品性試験での重量変化率が０．１４％以下であった。

この中で、フォルステライトの主結晶相についてのＸ線回折パターンのピーク強度ＩＦに対するスピネルの結晶相のピーク強度ＩＳの比（ＩＳ／ＩＦ比）が０．３５〜０．５５である試料Ｎｏ．２〜８、１０〜１３では、熱膨張係数が７．３×１０^−６／Ｋ以上、機械的強度が３０３ＭＰａ以上であり、比誘電率が９．８以下であった。

また、セラミック焼結体を構成するジルコニアの結晶相を正方晶系とした試料の中で、ＩＳ／ＩＦ比を０．４０〜０．５０とした試料（試料Ｎｏ．３〜７、１０および１１）は、機械的強度が３０８ＭＰａ以上、熱膨張係数が８．０×１０^−６／Ｋ以上、比誘電率が９．７以下であった。

これに対し、セラミック焼結体中に、フォルステライト、スピネルおよびジルコニアの各結晶相のうちのいずれかを含まない試料（試料Ｎｏ．１４〜１６）では、３点曲げ強度が２８８ＭＰａ以上、熱膨張係数が７．２×１０^−６／Ｋ以上および比誘電率が１０．２以下のいずれかの特性を満たさないものになった。

試料Ｎｏ．５のセラミック焼結体を絶縁層として作製した配線基板においても、絶縁層の各特性は表１の試料Ｎｏ．５と同等であった。

Ａ・・・・・・・配線基板
Ｂ・・・・・・・実装部品
Ｃ・・・・・・・モジュール
Ｄ・・・・・・・電子機器
１・・・・・・・絶縁層
１ａ・・・・・・（絶縁層の）表面
２・・・・・・・パッド
３・・・・・・・配線
５・・・・・・・電子部品
６・・・・・・・接続端子
７・・・・・・・マザーボード
１１ａ、１１ｂ・筐体
１３・・・・・・表示部
１５・・・・・・電源部
１７・・・・・・制御部

Claims (7)

1. フォルステライトの結晶相が４５〜５８質量％、スピネルの結晶相が９〜２８質量％、正方晶のジルコニアの結晶相が２３〜３７質量％含まれており、残部が酸化珪素であることを特徴とするセラミック焼結体。
2. Ｘ線回折パターンにおいて、前記フォルステライトの結晶相のピーク強度の大きい方から５つを合わせたピーク強度の合計をＩＦ、前記スピネルの結晶相について、ピーク強度の大きい方から５つを合わせたピーク強度の合計をＩＳとしたときに、ＩＳ／ＩＦ比が０．３５〜０．５５であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック焼結体。
3. 前記ＩＳ／ＩＦ比が０．４０〜０．５０であることを特徴とする請求項２に記載のセラミック焼結体。
4. 絶縁層の表面に配線を備えている配線基板であって、前記絶縁層が請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセラミック焼結体であることを特徴とする配線基板。
5. 請求項４に記載の配線基板の表面または内部に、半導体素子、センサ素子および受動部品のうちの少なくとも１つの電子部品が配置されていることを特徴とする実装部品。
6. マザーボード上に請求項５に記載の実装部品が実装されていることを特徴とするモジュール。
7. 筐体と、該筐体の内部から表面に露出するようにそれぞれ設けられた電源部および表示部と、前記電源部および表示部に電気的に接続され、前記表示部を機能させる制御部とを有している電子機器であって、前記制御部が請求項６に記載のモジュールを有していることを特徴とする電子機器。

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