(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）酸化アルミニウムボールとその装入容器を洗浄し、乾燥後に待機する工程と、
（２）溶剤として０．５〜４重量部のノニルフェノールポリオキシエチレンをボールミル用の装入容器に入れる工程と、
（３）原料の配合割合を、酸化アルミニウム８７〜９３重量部、酸化マグネシウム０．８〜５重量部、二酸化ケイ素１〜６重量部、酸化カルシウム０．６〜４重量部、二酸化チタン０．０１〜０．５重量部、二酸化ジルコニウム０．５〜３重量部としてボールミル用の装入容器に入れ、ボールミルによる混合時間は７２時間±０.５時間である工程と、
を備え、
前記工程（１）における、酸化アルミニウムボールとその装入容器の洗浄方法は、酸化アルミニウムボールを洗浄後の装入容器に入れ、酸化アルミニウムボールが浸漬するまでエチルアルコールを入れ、装入容器を密封し、３時間±０.５時間でボールミル混合する工程を備えることを特徴とする精製白色セラミックス材料の調製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス材料及びその調製方法、特に精製白色セラミックス材料及びその調製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロニクスには密集、軽量、快速、放熱迅速という封止の要求がある。セラミックスによる封止はこれらの要求を満足し、ほかの封止材料より気密性、密封性が良く、高級密封チップをパッケージに封止することに利用され、特に軍用の封止材料としてセラミックス封止材料の安定性は金属封止材料や樹脂封止材料に代替することができない。
【０００３】
セラミックスの力学特性とは機械力による材料の変形や破壊、破壊の表れ、主に弾性、塑性、破壊性、クリープ、疲労、衝撃性などであり、破壊性はセラミックス系として最も重要な性能である。大多数の無機材料、特に条件が複雑な無機材料を使用する際、力学特性は応用において最も優先される要素の一つであり、基体材料の力学特性からの影響要素及び最適化設計、製品の研究開発及び普及応用として重要な意義がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は精製白色セラミックス材料及びその調製方法を提供し、本発明のセラミックス材料を焼成してなるセラミックスはその結晶粒の寸法が均一になり、表面のラフネスが低く、破壊抵抗性が強い。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
精製白色セラミックス材料を提供する。原料の配合比率は、酸化アルミニウム８７〜９３重量部、酸化マグネシウム０．８〜５重量部、二酸化ケイ素１〜６重量部、酸化カルシウム０．６〜４重量部、二酸化チタン０．０１〜０．５重量部、二酸化ジルコニウム０．５〜３重量部である。
【０００６】
本発明の精製白色セラミックス材料は溶剤と原料のボールミル混合法で調製される。
【０００７】
また、本発明は精製白色セラミックス材料の調製方法を提供し、本発明の調製方法は下記の工程を備えている。
（１）酸化アルミニウムボールとその装入容器を洗浄し、乾燥するまで待機する。
（２）０．５〜４重量部の溶剤ＮＰ―１０をボールミル用の装入容器に入れる。
（３）原料の配合比率は以下のようである。酸化アルミニウム８７〜９３重量部、酸化マグネシウム０．８〜５重量部、二酸化ケイ素１〜６重量部、酸化カルシウム０．６〜４重量部、二酸化チタン０．０１〜０．５重量部、二酸化ジルコニウム０．５〜３重量部。これらの原料をボールミル用の装入容器に入れ、７２±０.５時間ボールミル混合する。
【０００８】
工程（１）の酸化アルミニウムボールとその装入容器の洗浄方法は、酸化アルミニウムボールを洗浄後の装入容器に入れ、酸化アルミニウムボールが浸るまでエチルアルコールを入れ、装入容器を密封し、３時間±０.５時間ボールミル混合する工程を備えている。
【０００９】
本発明の新型セラミックスは原料の配合を調整することにより得られ、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、二酸化チタン、二酸化ジルコニウムの共同作用により、焼結の過程で結晶が大きくなることを抑える。結晶粒は細かいほど材料の結晶粒界の割合が大きい。実際には、結晶粒界における結合エネルギーは結晶粒内の結合エネルギーより弱い。例えば、多結晶Ａｌ２Ｏ３内部の破壊エネルギーは４６Ｊ／ｍ２、粒界エネルギー（γｉｎｔ）は僅か１８Ｊ／ｍ２である。従って、結合エネルギーが低いほど結晶粒界の比率が大きく、材料の強度も大きい。ミクロ範囲における材料の破壊は粒界破壊と粒内破壊とに分けられ、同じ材料の粒界破壊の際、亀裂経路が曲折しており、結晶粒が細いほど亀裂経路がより長く、また、亀裂表面に結晶粒のブリッジ接続連鎖の影響があることによって余分のエネルギーを消耗し、結晶粒界は多いほど強度が高いという現象が表れる。
【００１０】
溶剤ＮＰ―１０はノニルフェノールポリオキシエチレン（1０）エーテルであり、混合の際に分散剤として添加され、混合粉の塊状化を防止して粒子を分散させることを目的とする。
【００１１】
現在、電子パッケージングの外殻には、主に材料の破壊強度が向上するため、白色の酸化アルミニウムセラミックスがよく使用されており、多結晶のセラミックスの破壊強度σｆはＨall-Petcｈの関係に従っている。すなわち、
【００１２】
σｆ＝σ０＋ｋｄ１／２
【００１３】
上記公式の中でσ０は無限大の単結晶の強度、ｋは係数、ｄは結晶粒の直径である。
【００１４】
初期亀裂は結晶粒制限により、その寸法と結晶粒度の関係は結晶粒が小さいほど初期亀裂の寸法も小さい。従って、脆性破壊と結晶粒度の関係は下記公式のようになる。
【００１５】
σｆ＝ｋ２ｄ−１／２
【００１６】
破壊強度の性能は主に材料の化学成分、結晶粒の寸法、気孔率、結晶体の構造、微視亀裂、ガラス相、表面のラフネスなどの要素に依存する。セラミックス系封止材料においては、化学成分はその機能的な制限が多いため、破壊強度の性能にとっては、結晶粒の寸法、粒界相、表面のラフネスなどの影響が最も重要な要素である。
【００１７】
［結晶粒の寸法］
多結晶のセラミックスにとって、結晶粒は小さいほど破壊強度が高く、金属材料の特性と類似している。
【００１８】
結晶粒の寸法がナノメートルスケールになると、Ｈall-Petcｈの関係が適用されなくなるため、材料の強度と結晶粒の寸法の関係が複雑化され、結晶粒の寸法が小さいほどよいとは言えない。
【００１９】
文献の調査と、本分野での研究の経験を総合すると、結晶粒の寸法の分布は、主に２〜３μｍに集中し、最大結晶粒の寸法は５μｍを超えない分布がより合理的である。
【００２０】
［粒界相］
セラミックスは焼結の過程で大体焼結助剤を添加し、ある程度の低融点相で緻密化を促進し、焼結後の低融点相は結晶粒界かまたは隅に残って粒界相を形成する。粒界相の成分、性質、数量（厚さ）は強度に影響が大きい。この粒界相は豊富な不純物を含み、または非晶状態のため、ほとんどの場合は破壊エネルギーが低く、強度が低く、質が脆くなる。このように、強度にとって粒界相の存在は不利である。
【００２１】
［表面のラフネス］
サンプルの表面のラフネスはセラミックスの強度に著しい影響を及ぼし、表面がより滑らかで、欠陥がより少なく、欠陥の寸法がより小さいほど、強度がより高くなる。Griffitｈは、ガラス棒の引っ張り強度（６ＧＰａ）が、空気で数時間置かれた後の引っ張り強度（０．４ＧＰａ）より明らかに高く、大気腐食のために表面に亀裂が形成されることを示している。また、温湯で表面欠陥のＮａＣｌを溶かした後、その強度は５ＭＰａから１．６ＧＰａまで増加する。従って、表面欠陥は強度に影響が強いことがわかった。
【００２２】
本調製方法から調製されたセラミックス材料を焼成してなるセラミックスのＳＥＭ写真と、従来のセラミックスのＳＥＭ写真が、図１と図２に示される。このように、図１と図２を比較して見ると、改善されたセラミックスの結晶粒は寸法が均一になり、結晶粒は明らかに小さくなり、結晶粒の間が緊密に結合し、結晶粒界の分布と角度も合理的である。
【００２３】
ＳＥＮＢ（single edge notched beam）試験片を用い、本発明のセラミックス材料を焼成してなるセラミックスの破壊エネルギーを測定し、図３に示した。これを見ると本発明のセラミックス材料を焼成してなるセラミックスは従来のセラミックスより強度が６５％ほど向上し、破壊抵抗性を著しく高めている。
【発明の効果】
【００２４】
上記技術提案を用いた有益な効果は、下記の通りである。
【００２５】
原料に酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、二酸化チタンと二酸化ジルコニウムを用いた効果により、焼結の過程で結晶が大きくなることを抑えることができる。結晶粒は細いほど材料の結晶粒界の割合が大きく、または結合エネルギーは低いほど結晶粒界の比率が大きくなり、材料の強度も大きい。
【００２６】
ボールミルの際に溶剤ＮＰ―１０を入れることにより、分散粒子と混合粉の塊状化を防止する効果がある。
【００２７】
本発明のセラミックス材料を焼成してなるセラミックスは、表面のラフネスが低く、表面がより滑らかで、欠陥がより少なく、欠陥の寸法がより小さく、強度がより高い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は本発明のセラミックス材料を焼成してなるセラミックスのＳＥＭ写真である。
【図２】図２は従来のセラミックスのＳＥＭ写真である。
【図３】図３は本発明のセラミックス材料を焼成してなるセラミックスと従来のセラミックスの破壊強度試験対比図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明を添付図面と具体的な実施方法でさらに詳しく説明する。
【００３０】
［実施例１］
酸化アルミニウムボールを洗浄後の装入容器に入れ、酸化アルミニウムボールが浸るまでエチルアルコールを入れ、装入容器を密封し、ボールミル混合を３時間行い、エチルアルコールを注ぎ出し、乾燥するまで待機する。
【００３１】
２重量部の溶剤ＮＰ―１０を、ボールミル用の装入容器に入れる。
【００３２】
以下の配合割合：酸化アルミニウム９０重量部、酸化マグネシウム０．８重量部、二酸化ケイ素６重量部、酸化カルシウム１．５重量部、二酸化チタン０．０１重量部、二酸化ジルコニウム２重量部、の各原料をボールミル用の装入容器に入れ、７２時間ボールミル混合する。
【００３３】
［実施例２］
酸化アルミニウムボールを洗浄後の装入容器に入れ、酸化アルミニウムボールが浸るまでエチルアルコールを入れ、装入容器を密封し３．５時間ボールミル混合し、エチルアルコールを注ぎ出し、乾燥するまで待機する。
【００３４】
０．５重量部の溶剤ＮＰ―１０を、ボールミル用の装入容器に入れる。
【００３５】
以下の配合割合：酸化アルミニウム８７重量部、酸化マグネシウム３重量部、二酸化ケイ素１重量部、酸化カルシウム４重量部、二酸化チタン０．２５重量部、二酸化ジルコニウム３重量部、の各原料をボールミル用の装入容器に入れ、７２．５時間ボールミル混合する。
【００３６】
［実施例３］
酸化アルミニウムボールを洗浄後の装入容器に入れ、酸化アルミニウムボールが浸るまでエチルアルコールを入れ、装入容器を密封し、ボールミル混合を２．５時間行い、エチルアルコールを注ぎ出し、乾燥するまで待機する。
【００３７】
４重量部の溶剤ＮＰ―１０を、ボールミル用の装入容器に入れる。
【００３８】
以下の配合割合：酸化アルミニウム９３重量部、酸化マグネシウム５重量部、二酸化ケイ素２．５重量部、酸化カルシウム０．６重量部、二酸化チタン０．５重量部、二酸化ジルコニウム０．５重量部、の各原料をボールミル用の装入容器に入れ、７１．５時間ボールミル混合する。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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