(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ結晶を主体とし、開気孔率が４％以下であるとともに、Ａｌ２Ｏ３のＸ線回折スペクトルから（０，０，６）面のピーク強度Ｉ（０，０，６）と（１，１，０）面のピーク強度Ｉ（１，１，０）とを用いて算出される、ミラー指数表示の（００６）面の配向度＝Ｉ(0,0,6)／(Ｉ(1,1,0)＋Ｉ(0,0,6))×１００（％）が６５％以上であり、周波数６０ＧＨｚにおける誘電損失（ｔａｎδ）が１×１０−４以下であることを特徴とする高周波用アルミナ質焼結体。
【請求項２】
誘電率がある方向に対して平行な方向と垂直な方向とで異なることを特徴とする請求項１に記載の高周波用アルミナ質焼結体。
【請求項３】
前記アルミナ結晶の粒界相としてＭｇＯ、Ｍｎ２Ｏ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、Ｚｎ２ＳｉＯ４、周期律表３ａ族元素酸化物の結晶相の群から選ばれる少なくとも１種が存在することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波用アルミナ質焼結体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波ＩＣ基板、ＩＣパッケージ、誘電体共振器、高周波導波路、高周波コンデンサ、誘電体アンテナ等の電気通信分野またはマイクロ波透過窓等の核融合関係設備分野などの高周波用として好適に利用される高周波用アルミナ質焼結体に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、通信網の発達にともなって、使用周波数がマイクロ波やミリ波領域などの高周波領域に及びつつある。誘電体磁器は、これらの高周波領域において、集積回路基板や、共振器、アンテナ、各種高周波回路のインピーダンス整合等に応用されている。特に、フィルタやガンまたはＦＥＴマイクロ波発信器の周波数安定化のために必要となり、その需要が増大している。
【０００３】
例えば、通信用ＭＭＩＣ基板やＭＭＩＣパッケージ、マイクロ波コンデンサ、マイクロ波通信用装置用部品、ミリ波通信用装置用部品、核融合及び高エネルギー粒子加速装置のマイクロ波透過窓に用いられるアルミナ質焼結体では、誘電損失（以下、ｔａｎδと言うことがある）は６０ＧＨｚ以上のミリ波帯において２×１０-4以下であることが求められる。
【０００４】
このようなアルミナ質焼結体としては、従来、誘電損失を２×１０-4以下にするために、不純物の含有量を元素基準のｐｐｍ単位で、Ｓｉを８０ｐｐｍ以下、Ｍｇを６０ｐｐｍ以下、Ｓｉ／Ｍｇを１〜５、かつ他の金属やアルカリ成分等を総量７０ｐｐｍ以下としたアルミナ質焼結体が特開平１−２１３９１０号公報で提案されている。
【０００５】
また、特開平４−３５６９２２号公報では、マイクロ波透過窓として、マイクロ波を透過させる性質を持たせるため、含有しているアルカリ金属（Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ）の総量を１５０ｐｐｍ以下に抑制し、マイクロ波帯の誘電損失を２×１０-3以下としたアルミナ質焼結体が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には高純度アルミナ原料（純度９９．９９９％程度）を用いた場合、マイクロ波帯の１０ＧＨｚ程度の周波数において誘電損失が２×１０-4以下になったとしても、ミリ波帯の６０ＧＨｚの誘電損失が２×１０-4以下にならないという問題があった。
【０００７】
また、特開平１−２１３９１０号公報に開示されるアルミナ質焼結体では、アルカリ金属酸化物以外の不純物含有量も減少させ、全体的に磁器を高純度化させる必要があるため、生産性が低下するという問題があった。さらに焼成温度が高くなりがちであった。
【０００８】
さらに、特開平４−３５６９２２号公報に開示されるアルミナ質焼結体では、低誘電損失化させるためアルカリ金属（Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ）総量を抑制しているが、この場合でも必ずしも２×１０-4以下の誘電損失を達成できるとは限らないという問題があった。
【０００９】
従って、本発明は、高純度アルミナ原料を用いることなく、周波数６０ＧＨｚにおける誘電損失を確実に１×１０−４以下とすることができるとともに、生産性及び焼結性の高い高周波用アルミナ質焼結体を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アルミナ結晶を配向させ、特定の方向に結晶面を配列させることによって、低誘電損失が実現できるという知見に基づくもので、アルミナ原料の純度が９９．９％以下であっても、高温焼成や加圧焼成を行わない場合でも、また、焼結助剤を用いた場合でも、サファイアと同等の誘電損失を実現したものである。
【００１１】
即ち、本発明の高周波用アルミナ質焼結体は、アルミナ結晶を主体とし、開気孔率が４％以下であるとともに、Ａｌ２Ｏ３のＸ線回折スペクトルから（０，０，６）面のピーク強度Ｉ（０，０，６）と（１，１，０）面のピーク強度Ｉ（１，１，０）とを用いて算出される、ミラー指数表示の（００６）面の配向度＝Ｉ(0,0,6)／(Ｉ(1,1,0)＋Ｉ(0,0,6))×１００（％）が６５％以上であり、周波数６０ＧＨｚにおける誘電損失（ｔａｎδ）が１×１０−４以下であることを特徴とするものである。アルミナ結晶が特定方向に配向していることにより、特定の方向に誘電率と低誘電損失との特性を制御することができる。また、ミラー指数表示の（００６）面の配向度が６０％以上であることにより、誘電損失の原因となる高周波でのイオン振動の総和を低減することができ、また、電力の経路の一つとなる粒界の面積も低減できるため総合的に誘電損失が低減できる。さらに、開気孔率が４％以下であることにより、ボイド中に、例えば水分の付着を極力低減することができ、水による誘電損失の増大を抑制できる。
【００１２】
これにより、高周波領域、特にミリ波帯での基板材料として好適に用いることができる。
【００１３】
特に、誘電率がある方向に対して平行な方向と垂直な方向とで異なることが好ましい。これにより、基板の使用目的に合わせて、誘電率を所望の値に制御することができる。
【００１７】
さらに、前記アルミナ結晶の粒界相としてＭｇＯ、Ｍｎ２Ｏ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、Ｚｎ２ＳｉＯ４、周期律表３ａ族元素酸化物の結晶相の群から選ばれる少なくとも１種が存在することが好ましい。これにより、誘電損失の増大を最小限に抑制することができ、焼結性が高められ、かつ焼結性改善効果により配向性が向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用アルミナ質焼結体（以下、単にアルミナ質焼結体ということがある）は、周波数６０ＧＨｚにおける誘電損失が１×１０−４以下であることが重要であり、特に０．８５×１０−４以下であることが好ましい。ミリ波領域において、低い誘電損失を有するアルミナ焼結体は、その表面及び／又は内部に配線層を有する配線基板として好適に使用することができる。
【００２１】
従来のアルミナ焼結体は、１０ＧＨｚ程度の周波数で誘電損失が１×１０-4以下である高純度アルミナであっても、周波数と共にｔａｎδが上昇し、６０ＧＨｚでは２×１０-4を越えてしまう。そこで、本発明は、結晶粒子の配向を利用することによって、低誘電損失を実現したものである。その理由は明確ではないが、粒子配向により原子配列が焼結体全体にわたって均一化し、高周波においてのエネルギー損失が低下したものと考えられる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、７７ＧＨｚにおいても６０ＧＨｚとほぼ同一の低誘電損失を示し、この周波数帯でも基板として好適に用いることができる。
【００２３】
なお、配向度は、２θ＝１０〜８０°のＸ線回折スペクトルにおいて、ｈ、ｋ及びｌを整数としたとき、ａ軸に平行な面（ｈ，ｋ，０）とｃ軸に平行な面（０，０，ｌ）についてのピーク強度から以下の式で与えられる。
ｃ面（０，０，ｌ）の配向度（％）＝Ｉ（０，０，ｌ）／（Ｉ（０，０，ｌ）＋Ｉ（ｈ，ｋ，０））×１００
ただし、Ｉ（０，０，ｌ）、Ｉ（ｈ，ｋ，０）は２θ＝１０〜８０°の範囲において最もピーク強度の高いピークの強度を意味する。
【００２４】
また、本発明によれば、アルミナ焼結体において、ある方向を考慮したとき、その方向に対して平行な方向と垂直な方向とでアルミナ焼結体の誘電率が異なることが好ましい。これは、基板の使用目的により低誘電率が必要な場合と、高誘電率が必要な場合があるからである。即ち、伝送ロスを低減する必要がある場合、低誘電率にすれば良く、また、基板サイズの縮小やコンデンサ内蔵の必要な場合、高誘電率が有利なことがあるからである。
【００２５】
アルミナ焼結体が、特定の方向に粒子配向していることにより、低誘電率と高誘電率とを制御することができる。例えば、アルミナ焼結体の誘電率を８〜１１の間で所望の値に設定でき、低伝送ロスの目的で誘電率を８にしたり、基板サイズの縮小やコンデンサ内蔵の目的で誘電率を１１にすることが可能となる。
【００２６】
なお、粒子配向の方向は、ミラー指数表示で（００６）面に配向し、その配向度が６５％以上になることにより、製造時に安定した誘電率を得ることができる。
【００２７】
また、本発明によれば、アルミナ質焼結体は、誘電損失の低下を防ぐために緻密であることが好ましく、開気孔率が４％以下であり、特に２％以下、さらには１％以下であることが好ましい。空気中には水分が含まれており、水が開気孔の内壁面に吸着し、その吸着水があたかもセラミックスの一部として振る舞い、ｔａｎδを上昇させてしまうため、開気孔率を上記の値にすることで、低いｔａｎδを保持できる。
【００２８】
さらに、アルミナ結晶の粒界には、Ｍｇ等の周期律表２ａ族及びＹ等の３ａ族元素、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｂ、Ｚｎ等が、酸化物やガラス等の粒界相として残留していても差し支えない。その場合の含有量は、各々の含有量が０．１〜１５重量％、特に０．２〜１０重量％、さらには０．３〜５重量％であることが好ましい。この範囲であれば、低誘電損失を保ったまま、開気孔率を４％以下にすることが容易になる。
【００２９】
また、粒界相としては、ＭｇＯ、Ｍｎ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＺｎＡｌ2Ｏ4、Ｚｎ2ＳｉＯ4、周期律表３ａ族元素酸化物の結晶相のうち少なくとも１種が存在することが好ましい。これらの結晶相は、誘電損失に対する影響が少なく、低誘電損失を維持できる。これらの中でも、特に、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4及びＺｎＡｌ2Ｏ4が、低誘電損失のために好ましい。
【００３０】
このようなアルミナ質焼結体は、高い配向性を有することにより、６０ＧＨｚや７７ＧＨｚの周波数において低誘電損失であり、特にミリ波帯の配線基板として好適に用いることができる。
【００３１】
次に、本発明のアルミナ質焼結体を製造する方法について述べる。
【００３２】
まず、出発原料として、不純物の総量が０．０１〜１重量％以下のアルミナ粉末を準備する。即ち、純度９９．９９〜９９重量％のアルミナ粉末を準備する。不純物は、Ａｌ及び焼結助剤以外の金属を意味し、不純物の総量を０．０５〜０．５重量％にすることが好ましい。したがって、市販の９９．９％の原料を使用することが好ましい。この不純物は０．０１重量％未満ではアルミナ原料自体が高価になり、高コストを招く危険があるためであり、また１重量％を越えると誘電損失が２×１０-4を越えやすくなる傾向にあるためである。
【００３３】
また、このアルミナ粉末の平均粒径は、０．５〜１０μｍであることが、成形性及び成形体の充填率向上のために重要であり、特に、０．５〜５μｍ、さらには０．７〜３μｍが、磁場中で再配列しやすくなり、配向性を高めることができる点で好ましい。また、結晶型は特に制限はないが、コストと入手のしやすさでα型を用いることが好ましい。
【００３４】
次に、上記アルミナ粉末に、焼結性を高めるため、所望により、周期律表第２ａ族元素酸化物、周期律表３ａ族元素酸化物、ＴｉＯ2、Ｍｎ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、ＺｎＯ及びＳｉＯ2の群から選ばれる少なくとも１種をを１〜１５重量％、特に３〜１２重量％、さらには５〜１０重量％の割合で添加することができる。これらの中でも、焼結性を高め、優れた誘電体特性を得るため、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｇＯが好ましい。
【００３５】
なお、これらの酸化物は焼結を促進し、焼成温度を低下させることができるが、Ｂ2Ｏ3及び／又はＺｎＯとＳｉＯ2とは粒界にガラス相や結晶相を形成し、焼結を促進して緻密化を実現する点で、これらの２種を組み合わせて用いることが好ましい。
【００３６】
これらの粉末に有機溶剤と、所望により分散剤や結合剤を添加し、ボールミル等により混合又は粉砕し、スラリーを作製する。原料粉末は、磁場中で再配列しやすいように３μｍ以下、特に１μｍ以下、さらには０．５μｍ以下にすることが好ましく、また、粒子のアスペクト比を３以下、特に２以下にすることが好ましい。
【００３７】
その後、スラリーを用いて磁場中で成形することが重要であり、特に５テスラ、さらには１０テスラ以上が好ましい。これは、磁場中でアルミナ結晶を回転させて配向度を高めるためである。
【００３８】
そして、このスラリーを用いて高磁場中でアルミナ結晶粒子を配向させながら成形することが重要である。磁場は、アルミナが非磁性体で磁化異方性が小さいため、１テスラ（以下、Ｔで表す）以上の磁場を用いることが必要である。印加する磁場が１Ｔ未満のとき、アルミナの磁化率異方性が非常に小さいため十分に配向されず、例えば、極めて小さな粒子は配向が可能であるものの、市販で量産用原料では配向が起こりにくく、また、微粒子は扱いにくいため、実際の工程を考慮して１Ｔ以上の磁場を用いることが重要であり、特に５Ｔ以上、好ましくは９Ｔ以上が効率性と、より大きな粒子を配向させるために好ましい。
【００３９】
なお、磁場発生装置は、特に制限されるものではなく、一般の超伝導磁石を備えた装置を使用することができるが、磁場は平行磁場であることが、配向度を高める点で好ましい。
【００４０】
また、スラリーを用いて磁場中で成形するには、磁場発生装置内でドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法、押し出し成形法、鋳込み成型法、射出成形法等の周知の成形方法を用いることができる。特に、低粘度のスラリーを成形させるためにはドクターブレード法などいわゆるテープ成形法あるいは石膏などの型を用いる鋳込み成形又は射出成形が望ましい。さらに、アルミナ質焼結体を多層配線基板等に用いる場合、磁場中においてテープ成形を行うことが好ましい。
【００４１】
得られた成形体は、周知の焼成方法により焼成することができる。本発明によれば、ホットプレスのような非酸化性雰囲気中での加圧焼成は必要が無く、また、高純度アルミナ焼結体のように高温焼成は必要が無く、大気中、１５００〜１７００℃、特に１５５０〜１６５０℃の温度範囲で容易に焼成し、配向性の高いアルミナ焼結体を得ることができる。
【００４２】
なお、所望により焼成の前に脱脂工程を行っても良く、結合剤や分散剤を焼成前に除去することができる。
【００４３】
このようなアルミナ質焼結体の製造方法は、９９．９％程度のアルミナ原料を用いても高い配向性を実現すると共に、生産性が高く低コストで焼結体の高いアルミナ質焼結体を提供することができる。
【００４４】
【実施例】
アルミナ粉末と、周期律表３ａ族元素酸化物と周期律表第２ａ族元素であるＭｇＯと、所望により各種添加物を表１のような組成に調合した。これらの混合粉末１００ｇに対して、溶媒として水を５０ｃｃを添加し、ボールミルにて４０時間混合粉砕し、スラリー化した。
【００４５】
得られたスラリーを真空脱泡後、内径５０ｍｍの石膏型に２５ｃｃ注ぎ、ボア径１００ｍｍ、１０Ｔの磁場が発生可能な冷凍機型磁場印加装置中に石膏型を入れ、磁場中において表１に示す条件で鋳込み成形を行った。磁力は磁石の中心部からの距離による変化率をあらかじめ測定しておき、石膏型の配置位置により変化させた。
【００４６】
成形体は石膏から脱型し、室温での乾燥後５００℃の窒素気流中で脱バインダーを行い、表１の条件で大気気流中において常圧焼成を行い、焼結体を得た。
【００４７】
また、試料Ｎｏ．４０は、比較例として、高純度アルミナ原料（９９．９９９％）粉末に、ＳｉＯ２を珪素換算で０．００４５重量％、ＭｇＯをマグネシウム換算で０．００１５重量％加え、磁場を印加せずにテープ成形を行った後、表１の条件で焼成した。
【００４８】
得られた焼結体は、まずアルキメデス法により気孔率を求めた。また、Ａｌ２Ｏ３のＸ線回折スペクトルから、（０，０，ｌ）面で最大ピーク強度の（０，０，６）面を、（ｈ，ｋ，０）面で最大ピーク強度の（１，１，０）面を用いて、下記の式よりｃ軸方向の配向度を算出し、（００６）面配向度とした。ｃ面方向の配向度＝Ｉ(0,0,6)／(Ｉ(1,1,0)＋Ｉ(0,0,6))×１００（％）さらに、粒界相はＸ線回折スペクトルより同定した。また、磁場印加方向（鋳込み方向）に垂直な面から直径１０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板状試験片を切り出し、誘電体特性を測定した。この測定には、６０ＧＨｚ及び７７ＧＨｚの高周波を用いた。なお、６０ＧＨｚの時は、磁場に垂直な方向と、平行な方向とで測定を行った。結果を表１に示す。なお、試料Ｎｏ．９〜１４、２５、２８、２９、３４〜３６は参考試料である。
【００４９】
【表１】
0004808837.tif 000002
【００５０】
試料Ｎｏ．１〜８、１５〜２４、２６、２７、３０〜３３、３７〜３９は、６０ＧＨｚにおいて誘電損失が１×１０−４以下、７７ＧＨｚの高周波領域においても誘電損失が１．４×１０−４以下と低い値で、誘電率の異方性を有していた。
【００５１】
一方、高純度アルミナ粉末を用い、珪素とマグネシウムを添加した本発明の範囲外の試料Ｎｏ．３９は、６０ＧＨｚと７７ＧＨｚの誘電損失が２．１×１０-4以上と大きな値であった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、高い配向性を有し、生産性が高く、低コストで焼結体の高いアルミナ質焼結体を容易に得ることができ、６０ＧＨｚの周波数において１×１０−４以下の誘電損失を示し、特にミリ波帯の配線基板の絶縁基板として好適に用いることができる。