JP2010120801A - セラミックス基板 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス基板を緻密に焼成すること。
【解決手段】本発明のセラミックス基板は、非晶質ガラス相１１、アルミナ粒子１２、及びアルミナ以外の結晶粒子１３を有するセラミックスからなり、このセラミックスにおけるＳＥＭ画像において、粒子の最小幅に対する最大幅の比であるアスペクト比の値が１．５以下のアルミナ粒子１２の個数が９０％以上であり、且つ、ＳＥＭ画像において、最大幅１．５μｍ以下のアルミナ粒子１２が１５％以下であることを特徴とする。上記アルミナ粒子１２を用いることにより、セラミックス基板内にアルミナ粒子以外の結晶粒子１３が存在しても、ガラス融液がアルミナ粒子を十分に濡らすことができるようになる。これにより、セラミックス基板を緻密に焼成させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高周波用のセラミックス基板と、これを用いた電子部品に関するものである。

近年、携帯電話など、モバイル電子機器の薄型化、高性能化に伴い、弾性波デュプレクサなどの高周波電子部品の小型化、高性能化が求められており、部品の基板内部に回路を組み込む、多層回路が実用化されている。この多層回路用のセラミックス基板としては、一般的にアルミナが用いられているが、アルミナの焼成温度は約１５００℃と高温であるために、内部導体には、高電気抵抗のＷやＭｏなどを使用しなければならず、多層回路として信号遅延の課題を有していた。そこで、低融点かつ低電気抵抗のＣｕやＡｇ導体を用いること、すなわちこれら導体と同時焼成可能な低温焼成セラミックス基板を用いた多層回路の開発、実用化が進められている。

なお、この出願に関する先行技術文献としては、例えば、下記特許文献１が知られている。
特許第３００８５４８号公報

従来の低温焼成セラミッス基板は一般的にガラス相と結晶粒子とから成るものである。結晶粒子としては、一般的にアルミナ粒子が用いられる。焼成時、温度上昇とともにガラス原料粉末が溶融し、結晶粒子を濡らしながら緻密化する。この低温焼成セラミックスは、その抗折強度２００ＭＰａ以上など、求められる特性を満たすために、結晶粒子の体積割合は５０％であることが望ましい。しかしながら近年、セラミックス基板の高強度化や低誘電損失化などが期待できるとし、フィラーとしてアルミナ粒子とそれ以外の結晶質セラミックス粒子を添加したり、ガラスから結晶が析出する結晶化ガラスを用いたりするなど、セラミックス基板はより多相系となってきている。このため、セラミックス基板の焼成緻密化が困難となってきている。これは、フィラー粒子を濡らすのに十分なガラス融液が確保できないためである。その結果、強度の低下や、誘電損失のばらつきなどの問題が生じる。

そこで本発明は、ガラス相、アルミナ粒子、及びアルミナ以外の結晶粒子を含み、焼結性良好なセラミックス基板を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、上記３種類の相のうち、様々な粒径や形態の粒子が容易に入手可能なアルミナ粒子に着目することにした。本発明のセラミックス基板は、セラミックスからなる複数の誘電体層を積層して形成されたセラミックス基板であって、複数の誘電体層間に形成された内部電極を備え、セラミックスは、ガラス相、アルミナ粒子、及びアルミナ以外の結晶粒子を有し、セラミックスにおけるＳＥＭ画像において、粒子の最小幅に対する最大幅の比であるアスペクト比の値が１．５以下のアルミナ粒子の個数が９０％以上であり、且つ、ＳＥＭ画像において、粒子の最大幅１．５μｍ以下のアルミナ粒子の個数が１５％以下であることを特徴とする。

本発明のセラミックスは、上記アルミナ粒子を用いることにより、セラミックス基板内にアルミナ粒子以外の結晶粒子が存在し、且つアルミナ粒子と結晶粒子の体積割合がガラス相よりも多くても、ガラス融液がアルミナ粒子を十分に濡らすことができるようになる。これにより、セラミックス基板を緻密に焼成させることが容易となる。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１のセラミックス基板１について、図面を用いて説明する。

図１は、実施の形態１のセラミックス基板１を用いた電子部品２の断面模式図である。セラミックス基板１は、セラミックスからなる複数の誘電体層３を積層されて形成されている。また、セラミックス基板１は、その内部に内部電極を有する。この内部電極は、例えば、複数の誘電体層３間に形成された内部電極層４と、この内部電極に接続されて誘電体層３を貫通するように形成されたビア電極５とを有する。これら内部電極層４とビア電極５により、共振器、コンデンサ、インダクタ等の機能部品がセラミックス基板１の内部に三次元的に構成される。さらに、この内部電極は、セラミックス基板１の下面に設けられた下部電極６により例えばマザー基板（図示せず）に接続され、セラミックス基板１の上面に設けられた上部電極８により、例えば弾性波フィルタ７に接続される。

さらに、電子部品２は、弾性波フィルタ７の下部領域に空間を設ける為に弾性波フィルタを覆うように形成された樹脂９と、樹脂９の外面にシールドとして形成された金属層１０とを備える。

次に上記誘電体層３を構成するセラミックスについて図２を用いて説明する。図２は、実施の形態１の誘電体層３を構成するセラミックス内部構造の断面模式図である。図２に示す様に、誘電体層３を構成するセラミックスは、ガラス相１１、アルミナ粒子１２、及びアルミナ以外の結晶粒子１３を有する。

また、上記セラミックスの５０μｍ四方ＳＥＭ画像３視野において、最小幅に対する最大幅の比であるアスペクト比の値が１．５以下のアルミナ粒子の個数が９０％以上であり、且つ、ＳＥＭ画像において、最大幅１．５μｍ以下のアルミナ粒子の個数が１５％以下である。アスペクト比の算出方法については、図３に示すように、アルミナ粒子の最大幅をａとし、アルミナ粒子の最小幅をｂとしたとき、ａ／ｂで求める。

ガラス相１１は、例えば、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、及びＺｎＯ等が添加されたＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＲＯ（Ｒはアルカリ土類）系ガラスである。また、上記アルミナ以外の結晶粒子１３は、例えば、エンスタタイト、フォルステライト、アノーサイト、ディオプサイド、スポジュメン、イルメナイト、ガーナイト、ウレマタイトのうち少なくとも１種類である。より好ましいのは、請求項２記載のエンスタタイト、フォルステライト、アノーサイト、ディオプサイドである。このように結晶粒子１３を含むセラミックスをセラミックス基板１として用いることによって、セラミックス基板１の電気的特性向上が期待できる。これは、結晶粒子１３は、原子が規則的に配列されていることにより、セラミックス基板１の誘電損失が少なくなるからである。さらに、結晶粒子１３は原子同士が規則的に結合していることにより、セラミックス基板１の強度を高めることができるのである。

誘電体層３のアルミナ以外の結晶粒子１３が、ガラス相１１の原料成分から析出する場合、すなわち結晶化ガラスを用いた場合、焼成の昇温時、ガラスの溶融と同時に結晶化が起こり、ガラス融液の流動性が低下し、アルミナ粒子１２を十分に濡らすことができなくなり、セラミックス基板の緻密化が困難となる。特に、セラミックス基板１における結晶粒子１３の体積が、ガラス相１１の体積より大きい場合、又、ガラス転移温度と結晶化開始温度との差が８０℃以下である場合に、この事象が深刻な問題となる。そこでアルミナ粒子１２を、最小幅に対する最大幅の比であるアスペクト比の値が１．５以下とする、即ち、略球形に近づけ、さらに、１．５μｍ以下のアルミナ粒子１２の微粉を少なくすることにより、ガラス相１１および結晶粒子１３を含む結晶化ガラスセラミックスを基板材料として用いても、ガラス融液がアルミナ粒子１２を十分に濡らすことができるようになる。これにより、セラミックス基板１を１０００℃以下の焼成温度で緻密に焼成させることが容易となる。その結果、このセラミックスは、内部電極層４としてＡｇやＣｕ等の高周波特性の優れた金属を用いることができる。

以下、本実施の形態１のセラミックス基板１の焼成工程における比較実験について説明する。

誘電体層３を構成するガラス相１１およびアルミナ以外の結晶粒子１３の原料として、エンスタタイト系の結晶化ガラス原料粉末を用いた。アルミナ粒子１２としては、（表１）に示すように、粒径やアスペクト比の異なる粒子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの７種類を用いた。セラミックスにおけるアルミナの重量割合が３０％となるように、アルミナ粒子１２とガラス原料粉末を混合した。混合は、６００ｍｌのポット中に、上記粉末と、粉末全体に対して重量比２〜３％のバインダーと、φ１０のジルコニアボール６００ｇと、エタノールとを加え、回転速度８４ｒｐｍにて、１０時間行った。混合後、スラリーを乳鉢に移し、エタノールが揮発して粉末が乾燥するまで乳棒で攪拌し続けた。

乾燥した粉末を、＃３２メッシュパス後、径φ１３ｍｍ、厚み約１０ｍｍになるように、１．５ＭＰａで一軸プレスを行い、ペレット状の成形体を作製し、８７５℃で焼成を行った。セラミックス焼成体の乾燥重量Ｗ（ｇ）及び、セラミックス焼成体の寸法から、セラミックス焼成体の嵩密度（ｇ／ｃｍ³）を算出し、更に、セラミックス焼成体の乾燥重量Ｗ（ｇ）と純水中にて３０分間脱泡したセラミックス焼成体を、含水した後に固く絞ったガーゼで拭き取り測定した重量Ｗ_w´（ｇ）から、セラミックス焼成体の吸水率（ｗｔ％）を算出した。ここで、セラミックスの給水率が０．１ｗｔ％以下でセラミックスは緻密に焼成されたものであると判断した。吸水率（ｗｔ％）は以下の式から算出した。

又、セラミックス焼成体断面研磨面のＳＥＭ観察を行い、セラミックスの５０μｍ四方ＳＥＭ画像３視野において、アルミナ粒子１２の、最小幅に対する最大幅の比であるアスペクト比の値を算出し、又最大幅１．５μｍ以下のアルミナ粒子１２の個数の割合を調べた。又、上記ＳＥＭ画像の色を２値化することでガラス相１１と結晶粒子相（アルミナ粒子１２とアルミナ以外の結晶粒子１３）に分け、その面積比を３／２乗することで、ガラス相１１と、結晶粒子相の体積比を求めた。その結果、いずれの焼成体においても結晶粒子相のセラミックスにおける体積割合は８０％以上であることが分かった。

（表１）に、７種類のアルミナ粒子を用いた場合の、セラミックス焼成体の嵩密度、吸水率、アスペクト比１．５以下のアルミナ粒子１２の個数割合、更に最大幅１．５μｍ以下のアルミナ粒子１２の個数の割合を示す。請求項１に示す、アスペクト比の値が１．５以下のアルミナ粒子１２の個数が９０％以上であり、且つ、前記ＳＥＭ画像において、最大幅１．５μｍ以下のアルミナ粒子１２が１５％以下であるという条件を満たさないようなアルミナ粒子Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｇを用いた場合には、セラミックス焼成体の嵩密度は総じて低く、吸水率も０．１ｗｔ％以上となった。特に、上記どちらの条件も満たさないアルミナ粒子Ａ、Ｃを用いた場合にはセラミックス焼成体の吸水率は３．５２〜３．２６ｗｔ％と、非常に大きな値を示し、緻密化が困難であったことが分かる。逆に、上記条件を共に満たすアルミナ粒子Ｂ、Ｆを用いた場合にはセラミックス焼成体の嵩密度は高く、吸水率０．１ｗｔ％以下であり、緻密に焼成ができた。これは、上述したように、アルミナ粒子を略球形に近づけ、微粉を少なくすることにより、アルミナ粒子の比表面積が減少し、ガラス融液がアルミナ粒子を十分に濡らすことができるようになったためと考えられる。

以上説明したように、本発明によれば、ガラス相、アルミナ粒子、及びアルミナ以外の結晶粒子を含むセラミックス基板を緻密に焼成することができ、このセラミックス基板を携帯電話等の電子機器におけるノイズ除去フィルタとして利用可能である。

本発明の実施の形態１におけるセラミックス基板を用いた電子部品の断面摸式図 同セラミックス基板における誘電体層の断面模式図 同セラミックス基板の説明図

符号の説明

１ セラミックス基板
２ 電子部品
３ 誘電体層
４ 内部電極層
５ ビア電極
６ 下部電極
１１ 非晶質ガラス相
１２ アルミナ粒子
１３ アルミナ以外の結晶粒子

Claims (8)

1. セラミックスからなる複数の誘電体層が積層されたセラミックス基板であって、
   前記セラミックス基板に形成された内部電極を備え、
   前記セラミックスは、ガラス相、アルミナ粒子、及びアルミナ以外の結晶粒子を有し、
   前記アルミナ粒子とアルミナ以外の粒子の体積の割合の和が５０％以上であり、かつ
   前記セラミックスのＳＥＭ画像において、最小幅に対する最大幅の比であるアスペクト比の値が１．５以下のアルミナ粒子の個数が９０％以上であり、且つ、前記ＳＥＭ画像において、最大幅１．５μｍ以下のアルミナ粒子が１５％以下であるセラミックス基板。
2. 前記ガラス相は、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＲＯ（Ｒはアルカリ土類）系ガラスであり、
   かつ、前記結晶粒子は、エンスタタイト、フォルステライト、アノーサイト、ディオプサイド、ガーナイトのうち少なくとも１種類を含む請求項１に記載のセラミックス基板。
3. 前記セラミックス基板は、結晶が析出するようなガラス原料粉末を用いていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス基板。
4. 前記アルミナ以外の結晶粒子の体積は、前記ガラス相の体積より大きい請求項１に記載のセラミックス基板。
5. 前記内部電極の主成分は、ＡｇもしくはＣｕである請求項１に記載のセラミックス基板。
6. 前記セラミックスにおける前記アルミナ粒子の重量割合は４５％以下となるように配合した請求項１に記載のセラミックス基板。
7. 前記セラミックスはガラス転移点と結晶化温度との差は８０℃以上であるガラス粉末を用いた請求項１に記載のセラミックス基板。
8. 請求項１に記載のセラミックス基板と、
   前記セラミックス電子基板上に搭載された弾性波フィルタを備えた電子部品。

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