(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスファイバー及び／又はウイスカー５〜３０重量％と、平均粒径５〜１００μｍのＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯから選ばれた少なくとも１種のセラミックス粒子７０〜９５重量％とからなり、これらが耐熱性無機質結合剤で結合された繊維間の絡み合い構造を有し、かさ密度が０.８〜１.７ｇ／ｃｍ３で、通気率が０.５×１０−３ｃｍ２以上であり、９００℃での熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする高熱伝導率の多孔質セラミックスセッター。
【請求項２】
セラミックスファイバー及び／又はウイスカー５〜３０重量％と、平均粒径５〜１００μｍのＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯから選ばれた少なくとも１種のセラミックス粒子７０〜９５重量％とを、耐熱性無機質結合剤と共に混合し、その混合物を凝集させて成形した後、８００〜１２００℃で焼成することを特徴とする高熱伝導率の多孔質セラミックスセッターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス製の電子部品及び回路基板の焼成に使用されるセラミックスセッターであって、多孔質で通気性を有すると同時に熱伝導率に優れたセラミックスセッター、及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、セラミックスコンデンサ、アルミナ基板、フェライト、圧電体、ＩＣパッケジ、セラミックス製回路基板などのセラミックス電子部品を焼成する場合、Ａｌ2Ｏ3質、ＺｒＯ2質、ムライト質などからなるセラミックスセッターの上に載せて焼成を行っている。
【０００３】
従来のセラミックスセッターは、ほぼ２種類に大別される。その一つは、かさ密度が約２.０〜４.０ｇ／ｃｍ3の緻密なセッターであり、熱伝導率はおよそ０.５〜１.５Ｗ／ｍＫ程度であるが、通気性が殆どない。他の一つは、かさ密度が０.２〜１.５ｇ／ｃｍ3程度の軽量なセッターであって、良好な通気性を有するが、熱伝導率は０.５Ｗ／ｍＫよりも小さい。
【０００４】
この緻密なセラミックスセッターは、セラミックス粒子を耐熱性無機結合剤と共に乾式プレスで成形して、焼成することにより製造される。一方、軽量なセラミックスセッターは、アルミナ質やアルミノシリケート質のセラミックスファイバーと、Ａｌ2Ｏ3粒子及び／又はムライト粒子に、耐熱性無機結合剤を混合し、脱水成形し、焼成して製造される。
【０００５】
しかし、最近のセラミックス電子部品の進歩に伴い、セラミックスセッターに対しても今までにない様々な特性が要求されるようになってきた。例えば、従来のＩＣパッケージやセラミックス製回路基板等の組成は、Ａｌ2Ｏ3含有量が９０〜９４重量％であり、メタライズ金属はＭｏ又はＷなどが使われ、焼成は１３００℃以上の高温で行っていた。この場合、焼成温度が高いため、使用できるメタライズ金属が制限され、また高温焼成による熱の歪を非常に受けやすかった。そこで、この焼成温度を下げるため、Ａｌ2Ｏ3に各種のガラス質の酸化物を添加したり、或はホットプレスを採用する方法などが開発されている。
【０００６】
これに加えて、生産効率を向上させるため、セラミックスセッターの間にセラミックス電子部品のグリーンテープを挟持し、これを複数重ねて１２００℃以下で焼成する方法が研究されている。この焼成方法では、セラミックスセッターに挟持されたグリーンテープ中の有機バインダーが、焼成時にセラミックスセッターの気孔を通して排出される必要がある。また、グリーンテープは全体にできるだけ均一な温度で焼成することが好ましい。焼成温度が不均一になると、得られるセラミックス電子部品が変形したり、その特性に悪影響がでる恐れがあるからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようなセラミックスセッターの間にグリーンテープを挟んで焼成を行う方法では、従来のセラミックスセッターは殆ど使用できなかった。なぜなら、かさ密度が２.０〜４.０ｇ／ｃｍ3の緻密なセッターでは通気性が殆どないため、焼成時にグリーンテープ中の有機バインダーがセッターを通して排出されないからである。一方、かさ密度が０.２〜１.５ｇ／ｃｍ3の軽量なセッターは通気性があるが、高温熱伝導率が小さいため焼成時におけるグリーンテープの中心部と外側部の温度差が大きくなり易いため、加熱に長い時間を要することとなり、焼成効率が悪く、生産性が低いという欠点があった。
【０００８】
本発明は、かかる従来の事情に鑑み、セラミックス電子部品や回路基板の焼成のため１２００℃程度の高温まで使用可能であり、良好な通気性を備えると同時に、高温での熱伝導率が高い多孔質のセラミックスセッターを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する多孔質セラミックスセッターは、セラミックスファイバー及び／又はウイスカー５〜３０重量％と、平均粒径５〜１００μｍのＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯから選ばれた少なくとも１種のセラミックス粒子７０〜９５重量％とからなり、これらが耐熱性無機質結合剤で結合された繊維間の絡み合い構造を有し、かさ密度が０.８〜１.７ｇ／ｃｍ３で、通気率が０.５×１０−３ｃｍ２以上であり、９００℃での熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする高熱伝導率の多孔質セラミックスセッターである。
【００１０】
また、この高熱伝導率の多孔質セラミックスセッターの製造方法は、セラミックスファイバー及び／又はウイスカー５〜３０重量％と、平均粒径５〜１００μｍのＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯから選ばれた少なくとも１種のセラミックス粒子７０〜９５重量％とを、耐熱性無機質結合剤と共に混合し、その混合物を凝集させて成形した後、８００〜１２００℃で焼成することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のセラミックスセッターの代表的な製法の概要を説明する。骨格部分となるＡｌ2Ｏ3ファイバー及び／又はアルミノシリケートファイバーを水中に撹拌しながら分散させ、次にＳｉＣなどの熱伝導率の高いセラミックス粒子を添加し、更に耐熱性無機質結合剤としてＳｉＯ2ゾル又はＡｌ2Ｏ3ゾルを添加撹拌してスラリー状とする。このスラリーに澱粉を加えて凝集させ、圧力を加えながら吸引成形して成形体を形成する。最後に、この成形体を１２０℃で乾燥し、８００〜１２００℃の温度で焼成することにより本発明のセラミックスセッターが得られる。
【００１２】
原料のセラミックスファイバーとしては、アルミナファイバー（Ａｌ2Ｏ3含有率７０％以上）、アルミノシリケートファイバー（Ａｌ2Ｏ3：ＳｉＯ2の比が３０〜６０：７０〜４０）、ＳｉＣファイバー、ＺｒＯ2ファイバーなどが好ましい。尚、アルミナファイバーには、イギリスＩＣＩ社製のサフィル（商品名）、三菱化学（株）製のマフテックバルクファイバー（商品名）等がある。アルミノシリケートファイバーとしては、イソライト工業（株）製の結晶質又は非晶質のものがある。
【００１３】
セラミックスウイスカーとしては、ＳｉＣウイスカー、ホウ酸アルミニウムウイスカーなどが好ましい。また、セラミックス粒子は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯのいずれか１種、又はこれらの２種以上を組合せて使用する。使用するセラミックス粒子の平均粒径は５〜１００μｍの範囲とし、全体の平均粒径が上記範囲内にあれば、平均粒径の異なる複数の粒子を組合せて用いることもできる。尚、耐熱性無機質結合剤とは、焼成時にセラミックスファイバーやウイスカー同士又はこれらとセラミックス粒子との接触部に融着し、これらを結合するために従来から使用されているバインダーであって、例えばシリカゾルやアルミナゾルなどが一般的に使用されている。
【００１４】
このようにして得られる本発明のセラミックスセッターは、本質的にセラミックスファイバー及び／又はウイスカーとセラミックス粒子とで構成され、これらが耐熱性無機結合剤で相互に結合された繊維間での絡み合い構造を有している。このため、本発明のセラミックスセッターは、内部に多数の連通気孔を有する多孔質であり、かさ密度が０.８〜１.７ｇ／ｃｍ3の範囲にあって非常に軽量であり、空気中においても１２００℃の高温まで十分な耐熱性を備えている。
【００１５】
かかる本発明の多孔質セラミックスセッターの大きな特徴は、優れた通気性と高い熱伝導率とを兼ね備えている点にある。具体的には、従来の軽量なセラミックスセッターと同程度の通気性を備えると同時に、９００℃での熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは０.６〜０.８Ｗ／ｍＫであり、従来の緻密なセラミックスセッターと同程度に高い。
【００１６】
このため、本発明のセラミックスセッターは、ＩＣパッケージや回路基板などのセラミックス電子部品の焼成用として好適であり、特にセラミックスセッターの間にグリーンテープを挟持して焼成する場合に、グリーンテープの中心部と外側部の温度差が小さく、具体的には５℃以下の温度差を達成でき、このため均一な加熱を実現できると同時に、グリーンテープ中の有機バインダーの排出に優れている。この有機バインダーの排出に適したセラミックスセッターは、通気率が０.５×１０-3ｃｍ2以上の場合に良好であり、更に好ましくは０.９×１０-3〜１.０ｃｍ2の範囲である。
【００１７】
この通気性と熱伝導率の二つの特性はもともと相反するものであり、一般に通気性が高いと熱伝導率が小さくなり、逆に通気性が悪くなると熱伝導率が大きくなる。このため、この二つの特性を兼ね備えたセラミックスセッターは従来存在しなかったのである。
【００１８】
一般的に、通気性を得るためには、内部に連続した気孔を持つ必要がある。この連通気孔を積極的に形成する手段として、原料スラリー中にポリスチレンビーズ、木屑、泡剤などの気泡付与剤を添加し、この気泡付与剤を焼成時に焼失させて気孔を形成する方法がある。しかし、この方法で形成される気孔はかなり大きく、例えば直径１００μｍ以上となり、このため表面が非常に粗くなるので、高い表面寸法精度又は表面粗さ精度を必要とするセラミックス製回路基板用のグリーンテープなどの焼成には使用できない。また、この方法では、大きな気孔が増える分かさ密度が小さくなり、それに伴って熱伝導率が低くなるという問題がある。
【００１９】
逆に、表面が滑らかなセラミックスセッターは、粒径の小さいセラミックス粒子のみを使い、小さい気孔を造る気泡付与剤を用いることにより製造できる。しかし、得られるセッターは、かさ密度が大きくなり過ぎたり、満足すべき通気性が得られないなどの問題がある。
【００２０】
そこで、本発明においては、セラミックスファイバー又はウイスカーが湿式成形時に繊維間で絡み合うことにより形成される凝集フロックを利用して連通気孔を形成させ、優れた通気性を保持すると同時に、熱伝導率の高い特定のセラミックス粒子の使用並びにファイバーやウイスカーの添加量の制御により、高い熱伝導率を達成し、更には満足すべき表面平滑性を得るものである。
【００２１】
即ち、セラミックスファイバーやセラミックスウイスカーは、大きなアスペクト比を持っているので、スラリー中でランダムに凝集したフロックを形成することができ、従って繊維間での絡み合った構造が得られ、これを焼成することにより多数の連通気孔が簡単に形成される。しかも、ファイバーやウイスカーのアスペクト比を変えることにより、フロック並びに気孔の大きさをコントロールできる。しかし、ファイバー又はウイスカーの添加量が５重量％未満では、多数の凝集フロックの形成が難しく、従って通気性が低下する。ファイバー又はウィスカーの添加量が３０重量％を越えると、セッターの通気率が良くなるが、かさ密度が小さくなり、これに伴って熱伝導率が低下する。
【００２２】
本発明のセラミックスセッターの熱伝導率は、粒子とファイバー又はウイスカーの両方の熱伝導率を含んでいる。一般に、熱伝導率を上げるためには気孔率を小さくすればよいが、同時に通気性も必要なので、所定の気孔率を保ちながら、いかに熱伝導率を上げるかが重要なポイントになる。
【００２３】
ところが、ファイバーやウイスカーは粒子と比べるとアスペクト比が高く、またセッター内で曲っているため、熱の伝達の抵抗が大きい。このため、ファイバーやウイスカーの量が３０重量％を越えると、同じかさ密度の場合、熱伝導率が低下する傾向がある。また、ファイバーやウイスカーは高価なため、添加量が多くなるとコストの増加につながる。高温熱伝導率を大きくするためには、一般的にかさ密度を高くするのも一つの方法であるが、ファイバーやウイスカーの添加量が３０重量％以上を越えると高いかさ密度が得にくくなる。これらの点からも、セラミックスファイバー又はウイスカーの添加量は３０重量％以下とする。
【００２４】
一方、セラミックス粒子の熱伝導率は、セッターの熱伝導率に直接影響する。そこで本発明では、セッターの熱伝導率を上げるため、材質的に高温での熱伝導率の高いセラミックス粒子を使用することとした。具体的には、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯの粒子を使用することができ、特にＳｉＣ粒子が好ましい。これらのセラミックス粒子は、いずれを使用しても高熱伝導率のセラミックスセッターを得ることができるが、製造時又は使用時の雰囲気に差がある。即ち、焼成して製造する際の及びセラミックス製の基板や部品の焼成時における雰囲気として、ＳｉＣ、ＢｅＯは特に制限がなく空気中でもよいが、他の粒子の場合は真空又は窒素などの不活性雰囲気とする必要がある。
【００２５】
これらのセラミックス粒子の添加量と粒径は、セッターの通気性と熱伝導率に関係し、同じかさ密度の場合、粒子添加量が７０重量％未満では高温熱伝導率が小さくなり、逆に９５重量％を越えると通気性が低下する傾向がある。従って、セラミックス粒子の添加量は７０〜９５重量％の範囲とする。また、セラミックス粒子の平均粒径が５μｍ未満では、同じ気孔率の場合、連続しない独立な且つ小さな気孔が増えるため通気性が低下し、熱伝導率も下がることになる。逆に平均粒径が１００μｍを越えると、通気性と熱伝導率にとっては有利になるが、セッターの表面が大きな粒子のために非常に粗くなり、この上に載せる焼成用のグリーンテープなどの焼成後の表面の平滑性を低下させる原因となる。このため、セラミックス粒子の平均粒径は５〜１００μｍの範囲とする。
【００２６】
本発明のセラミックスセッターは、上記したようにセラミックス製の電子部品及び回路基板の焼成に使用でき、１２００℃の高温まで十分に耐えるものである。しかし、含まれるセラミックス粒子がＳｉＣ、ＢｅＯ又はＭｏＳｉ2の場合には大気中を含むあらゆる雰囲気中で使用できるが、それ以外のＢＮ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＢ2の粒子を使用したセラミックスセッターでは、高温での焼成時には真空又は窒素などの不活性雰囲気を用いる。ただし、この場合でも、３００℃程度の脱バインダー処理は大気中で行ってもよい。
【００２７】
尚、本発明において、セラミックスセッターの熱伝導率と通気率は、ＪＩＳに準拠して測定した値である。
【００２８】
【実施例】
実施例１
３３ｇのＡｌ2Ｏ3ファイバー（イギリスＩＣＩ社製のサフィルＨＡ、Ａｌ2Ｏ3：９７重量％）と、５９４ｇのＳｉＣ粒子（昭和電工(株)社製のＧｒｅｅｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ粒子、平均粒径２０μｍ）を、８３ｇのＳｉＯ2ゾル（日産化学(株)社製ＳＴ−４０、ＳｉＯ2含有率４０重量％）と共に１５リットルの水に入れ、撹拌しながら分散させてスラリーを得た。このスラリーに、凝集剤として固形分２％の澱粉水溶液を加えて凝集させ、吸引加圧成形によって板状の成形体を得た。この成形体を９０℃で乾燥させ、大気中において１１００℃で２時間焼成した。
【００２９】
得られたセラミックスセッターは、寸法を縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×厚さ５ｍｍに調整した。このセラミックスセッターは表面の平滑性に優れ、気孔率が５０％で、かさ密度も本発明の範囲内であった。また、ＪＩＳの平板比較法で測定した９００℃での熱伝導率は０.７Ｗ／ｍＫ、及び通気率は１１×１０−２ｃｍ２以上であった。このセラミックスセッター２枚の間に回路基板用のグリーンテープを挟持し、これを更に数段を重ねて大気中にて１２００℃で加圧焼成を行った結果、脱バインダー性が良好であり、且つ焼成時にグリーンテープの中心部と外側部の温度差が５℃以下と小さくなり、均一な品質のセラミックス製回路基板が得られた。
【００３０】
比較のために、ＳｉＣ粒子の代わりにＡｌ2Ｏ3粒子（住友化学(株)社製、平均粒径２０μｍ）を用いた以外は上記実施例１と同様にして、セラミックスセッターを製造した。ただし、成形体の焼成は１３００℃で２時間とした。得られたセラミックスセッターは、気孔率が５０％、通気率が８.３×１０-3ｃｍ2であったが、９００℃での熱伝導率は０.４Ｗ／ｍＫと低い値であった。
【００３１】
この比較例のセラミックスセッターを用いて、上記と同様に回路基板用のグリーンテープの焼成を行ったところ、脱バインダー性は良好であったが、焼成時にグリーンテープの中心部と外側部の温度差が最大で３５℃と極めて大きく、得られた回路基板は焼成特性のバラツキが大きいものであった。
【００３２】
実施例２
上記ＳｉＣ粒子とＡｌ2Ｏ3粒子の平均粒径を変化させると共に、これらセラミックス粒子とＡｌ2Ｏ3ファイバーの合計量に対するＳｉＣ粒子又はＡｌ2Ｏ3粒子とＡｌ2Ｏ3ファイバーの添加量を、それぞれ下記表１のごとく変化させ、上記実施例１と同様の方法によりセラミックスセッターを製造した。ただし、ＳｉＯ2ゾルの添加量はスラリー全体の固形分の５重量％とした。また、このセラミックスセッターの寸法は、縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ×厚さ５ｍｍに調整した。
【００３３】
【表１】
0004071841.tif 000002
【００３４】
得られた各セラミックスセッターについて、上記と同様に気孔率、熱伝導率、及び通気率を測定し、更に表面の平滑性を観察評価して、その結果を表２に示した。また、各セラミックスセッターを用いて上記と同様にグリーンテープを焼成し、そのときの有機バインダーの排気性能、及びグリーンテープの中心部と外側部における温度差を評価し、併せて表２に示した。尚、表２における表面の平滑性の評価は、良好なものを○、表面が粗でありグリーンテープの焼成後の品質に支障をきたすものを×とした。
【００３５】
【表２】
0004071841.tif 000003
【００３６】
本発明の試料１〜４のセラミックスセッターは、所定の気孔率とかさ密度を有し、高い通気率に伴う優れた排気性能と、要求されるグリーンテープの中心部と外側部における温度差５℃以下の条件を満たしている。一方、比較例の試料５、６、８のセラミックスセッターは排気性能か又は温度差が要求される条件を満たさず、また試料７のセラミックスセッターは、熱伝導率及び通気率ともに本発明の範囲内にあり、グリーンテープを挟持して数段重ねて焼成したとき有機バインダーの排気に支障なく且つグリーンテープの中心部と外側部との温度差も殆どなかったが、大きなＳｉＣ粒子の存在によりセッター表面が粗面であるため、焼成により得られたセラミックス製品の表面にその模様がはっきり写し出されていた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミックスファイバー又はウィスカーと、ＳｉＣ粒子などのセラミックス粒子とを含む多孔質のセラミックスセッターであって、軽量で平滑な表面を有しており、通気性に優れると同時に高い高温熱伝導率を備え、１２００℃の高温まで十分に使用可能なセラミックスセッターを提供することができる。
【００３８】
従って、本発明の多孔質セラミックスセッターは、アルミナ基板のような回路基板、セラミックスコンデンサー、フェライト、圧電体、ＩＣパッケージなどのセラミックス電子部品の焼成に適しており、特にその間にセラミックス電子部品のグリーンテープを挟んで焼成する場合に、焼成時におけるグリーンテープ中の有機バインダーの排出性及び温度の均一性に優れている。