(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸水性材料の底部と非吸水性材料の側壁部とを備える成形型に原料粉末を分散させたスラリーを注型し、前記吸水性材料の吸水とともに原料粉末を着肉させて成形された鋳込み成形体を焼結して得られるアルミナ質焼結体であって、
ＸＲＤピーク強度により算出される結晶配向度Ｏ：Ｉ３００／（Ｉ３００＋Ｉ１０４）のうち、鋳込み成形の着肉方向に垂直な面の結晶配向度Ｏ１と、鋳込み成形の着肉方向に平行な面の結晶配向度Ｏ２との差：Ｏ２−Ｏ１が、０．１２〜０．１８であり、
１〜１０ＭＨｚにおける誘電正接が１０×１０−４以下であり、３点曲げ強度が４００ＭＰａ以上であり、ＳｉＯ２を０．０８〜０．８質量％含み、かつ実質的にコーディエライト相を含まないアルミナ質焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナ質焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナ質焼結体は、機械的強度、耐熱性及び耐食性等に優れること、また誘電正接（ｔａｎδ）が低いことから、マイクロ波や高周波を受けるような回路基板や半導体製造装置に用いられている。
【０００３】
ただし、アルミナ質焼結体の誘電正接を低く抑えるには、低アルカリの高純度原料を用いる必要があったためコスト高が問題であった。そこで、本出願人は、アルカリを含んでいても誘電正接が低いアルミナ質焼結体を提案した（特許文献１参照）。
【０００４】
この技術は、アルミナ質焼結体中にＳｉＯ２とＭｇＯを合計量で０．２〜１．０ｗｔ％、重量比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）で２〜４含み、そのＳｉＯ２とＭｇＯから生成されるコーディエライト相を０．３〜１．４ｗｔ％含むものである。これによれば、大幅なコスト上昇を伴う低アルカリ化しなくとも、低誘電正接のアルミナ質焼結体を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１２０４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、誘電正接は低いものの機械的強度が十分でないために部材によっては、適用できない場合があった。
【０００７】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、低誘電正接であって、かつ高強度のアルミナ質焼結体を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、吸水性材料の底部と非吸水性材料の側壁部とを備える成形型に原料粉末を分散させたスラリーを注型し、前記吸水性材料の吸水とともに原料粉末を着肉させて成形された鋳込み成形体を焼結して得られるアルミナ質焼結体であって、ＸＲＤピーク強度により算出される結晶配向度Ｏ：Ｉ３００／（Ｉ３００＋Ｉ１０４）のうち、鋳込み成形の着肉方向に垂直な面の結晶配向度Ｏ１と、鋳込み成形の着肉方向に平行な面の結晶配向度Ｏ２との差：Ｏ２−Ｏ１が、０．１２〜０．１８であり、１〜１０ＭＨｚにおける誘電正接が１０×１０−４以下であり、３点曲げ強度が４００ＭＰａ以上であり、ＳｉＯ２を０．０８〜０．８質量％含み、かつ実質的にコーディエライト相を含まないことを特徴とする。ＳｉＯ２を所定量含み、かつ実質的にコーディエライト相を含まない構成とすることで低誘電正接、かつ高強度のアルミナ質焼結体とすることができる。
【０００９】
また、本発明のアルミナ質焼結体は、吸水性材料の底部と非吸水性材料の側壁部とを備える成形型に原料粉末を分散させたスラリーを注型し、前記吸水性材料の吸水とともに原料粉末を着肉させてなる鋳込み成形体を焼結してなる。このような成形方法を用いることにより、低誘電正接かつ高強度を発現し得る微構造を形成することができる。
【００１０】
さらに本発明のアルミナ質焼結体は、ＸＲＤピーク強度により算出される結晶配向度：Ｉ３００／（Ｉ３００＋Ｉ１０４）のうち、鋳込み成形の着肉方向に垂直な面の結晶配向度Ｏ１と、鋳込み成形の着肉方向に平行な面の結晶配向度Ｏ２との差：Ｏ２−Ｏ１が、０．１２〜０．１８である。本発明によれば、コーディエライト相を含ませなくとも誘電正接を低減することができ、かつ曲げ強度の低下が抑えられて高強度のアルミナ質焼結体を提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
低誘電正接で、かつ高強度のアルミナ質焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】アルミナ質焼結体のＸＲＤチャートの一例である。
【図２】Ｉ３００とＩ１０４を抜き出して示した図である。
【図３】本発明の鋳込み成形方法を示した概略断面図である。
【図４】本発明のアルミナ質焼結体の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のアルミナ質焼結体について、より詳細に説明する。
【００１４】
本発明のアルミナ質焼結体は、鋳込み成形体を焼結してなる。特に本発明では、着肉方向を一定にした鋳込み成形方法が好適である。原料粉末を一定方向に着肉させて成形することで結晶配向に異方性が生じ、誘電正接を低減することができる。
【００１５】
結晶配向の異方性、すなわち結晶配向度Ｏは、（３００）面、及び（１０４）面のＸＲＤピーク強度をそれぞれ、Ｉ３００、Ｉ１０４と表し、Ｉ３００／（Ｉ３００＋Ｉ１０４）の式により算出される。本発明のアルミナ質焼結体において（３００）面はｃ軸に平行な面として最も大きなピーク強度を示し、（１０４）面は、ａ軸またはｂ軸に平行な面として最も大きなピーク強度を示す。本発明では、この両者の関係を結晶配向度Ｏとして評価した。
【００１６】
図１に本発明のアルミナ質焼結体のＸＲＤ測定により得られるチャート例を示す。このようなチャートから（１０４）面と（３００）面のピークを抜き出して示したものが図２である。それぞれの面についてピーク強度Ｉ３００及びＩ１０４を求めた後、結晶配向度Ｉ３００／（Ｉ３００＋Ｉ１０４）を算出することができる。
【００１７】
図１の（ａ）は、アルミナ質焼結体について鋳込み成形の着肉方向に垂直な面のＸＲＤ測定により得られたチャートであり、図１の（ｂ）は、同じアルミナ質焼結体について鋳込み成形の着肉方向に平行な面のＸＲＤ測定により得られたチャートである。各チャートで（１０４）面と（３００）面のピーク強度比が異なっているのが分かる。
【００１８】
本発明のアルミナ質焼結体では、鋳込み成形の着肉方向に垂直な面の結晶配向度Ｏ１と、鋳込み成形の着肉方向に平行な面の結晶配向度Ｏ２とに所定の差を有している。すなわち、差Ｏ２−Ｏ１を０．１２〜０．１８とすることで誘電正接を低く抑えられ、かつ高強度を示すことが分かった。この理由は定かではないが、このような結晶配向によりコーディエライト相等の他の結晶相やガラス相が生じ難くなるとともに、一定方向に着肉させることによって高強度を示す微構造が得られるためと考えられる。
【００１９】
図３は、本発明に用いる鋳込み成形法を示したものである。吸水性材料の底部３１と非吸水性材料の側壁部３２とを備える成形型３０に原料粉末を分散させたスラリー３５を注型し、前記吸水性材料の吸水とともに原料粉末を着肉させる鋳込み成形方法を用いることにより、図中に矢印で示したように着肉方向を一定とすることができる。
【００２０】
このような鋳込み成形方法により得られた成形体３６を焼成することにより、アルミナ質焼結体が得られる。図４にアルミナ質焼結体の模式図を示す。ＸＲＤの測定は、図４のアルミナ質焼結体中に矢印で示した鋳込み成形の着肉方向に垂直な面４１及び鋳込み成形の着肉方向に平行な面４２について行い。面４１のＸＲＤピーク強度による結晶配向度Ｏ１と、面４２のＸＲＤピーク強度による結晶配向度Ｏ２とを求め、その差：Ｏ２−Ｏ１を算出する。
【００２１】
表１に着肉方向に垂直な面と着肉方向に平行な面のＸＲＤ測定によって得られたピーク強度の一例を示す。これによれば、本発明のアルミナ質焼結体は、ＪＣＰＤＳカードのピーク強度と比べて、着肉方向に垂直な面では（１０４）面のピーク強度が小さく、着肉方向に平行な面では、（３００）面のピーク強度が大きくなっていることがわかる。この例では、Ｏ１が０．２８、Ｏ２が０．４５となりＯ２−Ｏ１は０．１７となる。本発明は、この点に着目し結晶配向度Ｏ２とＯ１の差を所定範囲にすることよって誘電正接を低く抑えられ、かつ強度を高められることを見出し発明に至ったものである。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
本発明のアルミナ質焼結体は１〜１０ＭＨｚにおける誘電正接が１０×１０−４以下である。上記のように結晶配向を調整すれば、コーディエライト相を実質的に含まないアルミナ質焼結体が得られ、低誘電正接化できる。
【００２４】
本発明のアルミナ質焼結体は、ＳｉＯ２を０．０８〜０．８質量％含む。ただし、上記のように焼結体には、コーディエライト相は、実質的に含まれない。これは、ＸＲＤにおいてコーディエライトの結晶ピークが検出されないことを示す。ＳｉＯ２を上記範囲で含み、さらに結晶配向度Ｏについて、鋳込み成形時の着肉方向による配向度の差を生じさせることで低誘電正接であって、高強度のアルミナ質焼結体とすることができる。
【００２５】
また、本発明のアルミナ質焼結体は、３点曲げ強度（ＪＩＳＲ１６０１）が４００ＭＰａ以上である。これは、鋳込み成形において一定方向に着肉させることによって着肉方向による配向度の差として現れる独特の微構造が形成され、他の結晶相やガラス相を含まないためと思われる。
【００２６】
アルミナ質焼結体の平均結晶粒径は２０μｍ以下であることが好ましい。低誘電正接と高強度とを両立させるためには、著しい粒成長は好ましくない。２〜１５μｍとすることがより好ましい。
【００２７】
また、アルミナ質焼結体の焼結体密度は３．９３ｇ／ｃｍ３以上とすることが好ましい。
低誘電正接かつ高強度の特性を得るには、上記焼結体密度であることが好ましい。
【００２８】
アルカリ金属の含有量は、酸化物換算で０．２ｗｔ％以下であることが好ましい。本発明では、このような範囲でアルカリ金属が含まれていても低誘電正接とすることができる。より好ましい範囲は、０．１ｗｔ％以下である。
【００２９】
次に、本発明のアルミナ質焼結体の製造方法について説明する。
【００３０】
アルミナ粉末は高純度のものを用いることが望ましい。その純度は、好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．９％以上の用いることが望ましい。アルミナ粉末の平均粒径は０．５μｍ以下であるものを用いることが好ましい。さらに好ましい範囲は０．１〜０．５μｍである。なお、アルミナ粉末には０．０１〜０．１ｗｔ％のＭｇが含まれて良い。
【００３１】
添加するＳｉＯ２としては、ＳｉＯ２粉末、シリカゾル、シリカゲル、ケイ素ハロゲン化物、ケイ素のアルコキシド、水ガラスなどが挙げられる。粉末で添加する場合は、平均粒径が０．５μｍ以下のものを用いることが好ましく、０．１μｍ以下がより好ましい。なかでもシリカゾルは本発明の鋳込み成形に適用するうえで好ましい。
【００３２】
原料粉末のスラリーを作製して、鋳込み成形に供する。スラリーの溶媒は水、アルコール等、公知のものが使用できる。成形に用いられるバインダーも特に限定されず、ポリビニルアルコールやアクリルエマルジョン等公知のものが使用でき、分散剤についてもポリカルボン酸系等の一般的な材料を適用できる。原料粉末の混合は、攪拌混合やボール混合などスラリーを用いた方法を採用できる。
【００３３】
鋳込み成形は、吸水性材料からなる底部３１、及び非吸水性材料からなる側壁部３２を備える成形型３０に原料粉末を分散させたスラリー３５を注型し、前記吸水性材料の吸水とともに原料粉末を着肉させる方法を用いることが好ましい（図３）。この方法によれば、着肉方向を一定にできるので着肉方向による配向度の差を生じさせることができる。なお、「底部」は、必ずしも低い位置にあることを意味するものではなく、着肉方向について奥底部であることを意味する。また、底部と側壁部との位置関係は、図３のように一定方向に着肉し得る構成であれば良い。
【００３４】
鋳込み成形体の密度は、焼結体密度に対して６５％まで高めることが好ましい。本発明の酸化アルミニウム焼結体では、３．９３ｇ／ｃｍ３以上の焼結体が得られることから、バインダーを含まない脱脂体において少なくとも２．５７ｇ／ｃｍ３の密度とすることが好ましい。
【００３５】
焼結は、大気、真空または不活性ガス等の種々の雰囲気中で、常圧で焼結することができる。なかでも常圧の大気雰囲気が最も好適である。
【００３６】
焼成温度は、例えば１３００〜１７００℃の範囲とすることができる。焼結体の平均結晶粒径が２０μｍ以下となり、十分に緻密化する温度であれば良い。
【００３７】
以下、実施例を示して説明する。
【００３８】
［原料の調整］
平均粒径０．５μｍ、純度９９．８％のアルミナ粉末（Ｍｇを酸化物換算で０．０５ｗｔ％含む）および平均粒径０．０２μｍ、純度９９．９％のシリカゾルを原料粉末とし、アルミナ粉末とシリカゾルを所定の割合で調整し、さらにバインダー、分散剤およびイオン交換水を加えてで樹脂ポットに入れ混合した。混合媒体として、任意量のΦ１０のアルミナボールを用い、１８時間混合してスラリーを得た。なお、本発明では、レーザー回折式粒度分布測定によるメジアン径（Ｄ５０）をもって原料粉末の平均粒径とする。
【００３９】
［鋳込み成形］
図３に示したような、箱型の成形型３０を用い、底部３１の着肉面が水平になるように成形型を水平な場所に設置して成形を行った。成形型は石こうからなる吸水性材料の底部３１と硬質プラスチックからなる非吸水性材料の側壁部３２および底部の下面を支える底板３４とからなり、側壁部３２と底板３４の連結部等はスラリーが漏れないように接着されている。真空吸引のための溝３３が底部３１に形成されており、溝３３はそれぞれ真空源（図示しない）に連結されている。
【００４０】
スラリーを成形型に注型し、真空吸引した。成形体を採取するのに十分な着肉厚さに到達したところで着肉層上にある余剰スラリーを排出し、成形体３６を得た。この成形体３６を常圧大気中、昇温速度５０℃／ｈｒで１６００℃まで加熱し、３時間保持した後、自然冷却して焼結体を得た。
【００４１】
なお、比較のため同じ原料を用いてＣＩＰ成形したもの（作製Ｎｏ．７）及び、上下側面が石膏への着肉によって成形される通常の鋳込み成形したもの（作製Ｎｏ．８）の焼結体も作製し評価した。
【００４２】
［評価］
得られたアルミナ質焼結体について、各種の測定を行った。焼結密度は、アルキメデス法により測定した。ＳｉＯ２含有量及びアルカリ金属含有量は、ＩＣＰ−ＭＳによって行った。３点曲げ強度はＪＩＳＲ１６０１に従って測定した。ＸＲＤは鏡面研磨した焼結体表面を用い、リガク社製Ｘ線回折装置ＭｕｌｔｉＦｌｅｘを使用し、ＣｕＫα線源、加速電圧４０ｋＶ、４０ｍＡで測定した。誘電正接は、目黒電波測器社製Ｑメータを用いて測定した。平均粒子径は焼結体表面を鏡面研磨後、研磨面を熱腐食し結晶粒界を析出させたあとにＳＥＭ観察を行って、インターセプト法から求めた。なお、焼結密度はすべて、３．９３ｇ／ｃｍ３以上であり、平均粒子径は１０μｍ以下であった。また、アルカリ金属の含有量は、いずれも酸化物換算で０．２ｗｔ％以下であった。
【００４３】
ＸＲＤの測定は、図４のアルミナ質焼結体中に矢印で示した鋳込み成形の着肉方向に垂直な面４１及び鋳込み成形の着肉方向に平行な面４２について行い。面４１のＸＲＤピーク強度による結晶配向度Ｏ１と、面４２のＸＲＤピーク強度による結晶配向度Ｏ２とを求め、その差：Ｏ２−Ｏ１を算出した。ＣＩＰ成形及び通常の鋳込み成形を用いた焼結体については、任意の互いに垂直な２面をＯ１及びＯ２として算出した。結果を表１に示す。
【００４４】
【表２】
0005558892.tif 000003
【００４５】
鋳込み成形の着肉方向に垂直な面の結晶配向度Ｏ１と、鋳込み成形の着肉方向に平行な面の結晶配向度Ｏ２との差：Ｏ２−Ｏ１が、０．１２〜０．１８である作製Ｎｏ．２〜５は、誘電正接が低く曲げ強度も４００ＭＰａ以上であった。
【００４６】
一方、Ｏ２−Ｏ１が、上記範囲外であった作製Ｎｏ．１及び作製Ｎｏ．６は、誘電正接は大きくなった。作製Ｎｏ．６では、曲げ強度が低下した。なお、作製Ｎｏ．１〜５のアルミナ質焼結体では、コーディエライト相は検出されなかった。
【００４７】
また、ＣＩＰ成形及び通常の鋳込み成形を用いた作製Ｎｏ．７及び作製Ｎｏ．８では、Ｏ２とＯ１にほとんど差がみられなかった。ＣＩＰ成形を用いた作製Ｎｏ．７では、低誘電正接であったが、曲げ強度は低下した。通常の鋳込み成形を用いた作製Ｎｏ．８では、誘電正接は大きくなり、曲げ強度も低下した。また、これらのアルミナ質焼結体では、コーディエライト相が検出された。
【符号の説明】
【００４８】
３０  成形型
３１  底部
３２  側壁部
３５  スラリー
３６  成形体
４１  鋳込み成形の着肉方向に垂直な面
４２  鋳込み成形の着肉方向に平行な面
【図２】
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【図３】
0005558892.tif 000005
【図４】
0005558892.tif 000006
【図１】
0005558892.tif 000007