JP2007314396A

JP2007314396A - フォルステライト基板

Info

Publication number: JP2007314396A
Application number: JP2006148010A
Authority: JP
Inventors: Teppei Yamaguchi; 哲平山口; Katsuji Mino; 勝司三野
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】レーザーの照射で基板自体に形成したマークのピーリングテストを満足すると共に、基板表面とのコントラストが明確で識別が容易であり、しかも、気密信頼性の高い安価なフォルステライト基板を提供する。
【解決手段】マグネシアと、シリカがモル比で２：１の混合物を仮焼きした後、焼結助剤と、焼結によって黒色に発色する無機着色剤が混合されて有するフォルステライト原料組成物に水、バインダー、可塑剤を添加し、粉砕しながら混合したスラリーを乾燥しながら造粒して形成する造粒体を加圧成形し、焼成して形成してなるフォルステライト基板であって、フォルステライト原料組成物に含有する焼結助剤がカルシア、アルミナ、及び酸化バリウムからなり、酸化バリウムの含有量を５〜３０重量％有すると共に、無機着色剤が酸化マンガンの一種単体を３〜２０重量％有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、フォルステライト基板の表面にレーザー光線を照射してバーコードや、文字等のマークを識別可能に形成できるフォルステライト基板に関する。

従来のフォルステライト基板は、通常、フォルステライト原料組成物の焼結助剤にカルシア（ＣａＯ）と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の混合体を１重量％〜２重量％程度用いて焼結して、強度の高いフォルステライト基板としている。また、従来のフォルステライト基板は、通常、フォルステライト原料組成物に着色剤を含有させずに焼結して、呈色を白色や、薄黄色に形成している。あるいは、従来のフォルステライト基板は、フォルステライト原料組成物の着色剤に酸化マンガン（Ｍｎ_３Ｏ_４）、酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）、及び酸化チタン（ＴｉＯ_２）の異種混合体を６重量％〜１２重量％程度用いて焼結して、呈色を茶褐色になるようにしている。そして、このような従来のフォルステライト基板等のセラミック基板にバーコードや、文字等のマークを形成する場合には、ＹＡＧレーザーや、炭酸ガスレーザー等のレーザー光線を照射して基板表面を削り取ることで形成している。

しかしながら、セラミック基板の呈色が白色や、薄黄色、あるいは茶褐色からなる従来のフォルステライト基板は、レーザーで削り取った部分の呈色と、レーザーで削り取らない部分の呈色とのコントラストが明確でなくマークの識別ができないことがある。そこで、従来のフォルステライト基板等のセラミック基板には、セラミック基板の呈色と異なる色調からなる有機被膜や、無機被膜を加熱して付着させた後、この被膜にレーザー光線を照射して照射部の被膜を削り取ることで、セラミック基板の呈色を被膜の開口部から露出させてコントラストを持たせた認識性に優れるマークを形成している（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

また、従来のセラミック基板には、多層体のセラミック基板の最外層と次層の一方が白色セラミック層で、他方が黒色セラミック層からなり、最外層に文字、記号等のマークを描くレーザー光線を照射し、最外層のレーザー光線照射部分をガラス化させて、次層のセラミック面を透視可能な状態にさせるものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開平５−２１８２１６号公報特開平８−２１３４９５号公報特開２００３−１９７７９４号公報特開平８−２６４６７０号公報

しかしながら、前述したような従来のフォルステライト基板は、次のような問題がある。
（１）フォルステライト基板のフォルステライト原料組成物に、従来の焼結助剤であるＣａＯと、Ａｌ_２Ｏ_３の混合体を１重量％〜２重量％程度用いる場合には、焼結後のフォルステライト基板のガラス量が少なく、レーザー光線を照射した部分のガラス化が十分にできなくて、例えば、レーザー光線照射部分に粘着テープを貼り付けた後、この粘着テープを剥がして剥離の有無を試験するピーリングテストを行った時に、マークが剥がれ落ちてマークの識別が困難となっている。
（２）フォルステライト基板に有機被膜を形成する場合には、製作工程が煩雑となり、フォルステライト基板のコストアップとなっている。また、有機被膜は、材料自体の強度や、フォルステライト基板との接合強度が低いので、マークに傷が発生したり、フォルステライト基板からの剥離が発生している。
（３）表面に異種材料のセラミックからなる無機被膜を貼り合わせるフォルステライト基板は、製作工程が煩雑となり、フォルステライト基板のコストアップとなる。また、フォルステライト基板は、焼成温度が比較的低いので、焼成温度の高いムライトセラミック被膜を形成することが困難である。
（４）ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）型や、ＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の撮像デバイス用等の電子部品素子等を実装するためのセラミック基板にアルミナセラミック基板を用いる場合には、例えば、電子部品素子等を実装した後、アルミナセラミック基板に水晶製蓋体をガラス接合する時にアルミナセラミック基板と水晶製蓋体の熱膨張係数が異なるので、加熱によって接合部にクラック等が発生し気密信頼性に問題が発生する。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、レーザーの照射で基板自体に形成したマークのピーリングテストを満足させると共に、基板表面とのコントラストが明確で識別が容易であり、しかも、気密信頼性の高い安価なフォルステライト基板を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るフォルステライト基板は、マグネシア（ＭｇＯ）と、シリカ（ＳｉＯ_２）がモル比で２：１の混合物（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）を仮焼きした後、焼結助剤と、焼結によって黒色に発色する無機着色剤が混合されて有するフォルステライト原料組成物に水、バインダー、可塑剤を添加し、粉砕しながら混合したスラリーを乾燥しながら造粒して形成する造粒体を加圧成形し、焼成して形成してなるフォルステライト基板であって、フォルステライト原料組成物に含有する焼結助剤がカルシア、アルミナ、及び酸化バリウムからなり、酸化バリウムの含有量を５重量％〜３０重量％有すると共に、無機着色剤が酸化マンガンの一種単体を３重量％〜２０重量％有する。
ここで、上記のフォルステライト基板は、フォルステライト原料組成物に含有する焼結助剤のカルシアと、アルミナの混合体の含有量が酸化バリウムの含有量より少ないのがよい。

請求項１又はこれに従属する請求項２記載のフォルステライト基板は、ＭｇＯと、ＳｉＯ_２がモル比で２：１の混合物（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）を仮焼きした後、焼結助剤と、焼結によって黒色に発色する無機着色剤が混合されて有するフォルステライト原料組成物に水、バインダー、可塑剤を添加し、粉砕しながら混合したスラリーを乾燥しながら造粒して形成する造粒体を加圧成形し、焼成して形成してなるフォルステライト基板であって、フォルステライト原料組成物に含有する焼結助剤がカルシア、アルミナ、及び酸化バリウムからなり、酸化バリウムの含有量を５重量％〜３０重量％有すると共に、無機着色剤が酸化マンガンの一種単体を３重量％〜２０重量％有するので、焼結助剤に酸化バリウム（ＢａＯ）の追加でガラス量を増加させ、レーザー照射で基板自体に形成するマークである照射部分のガラス化を行って照射部分からの剥離を防止でき、ピーリングテストを満足させることができる。また、無機着色剤に用いる酸化マンガンは、焼結によって黒色に発色するので、レーザーの照射で基板表面に形成したマークと、マークが形成されない基板表面とのコントラストを明確にすることができる。また、焼結助剤に追加する酸化バリウム（ＢａＯ）は、レーザー光線照射の熱溶融によって白色ガラス化するので、マークと、マークが形成されない基板表面とのコントラストをより明確にすることができる。更に、例えば、ＣＣＤ型等の電子部品素子の搭載される基板がフォルステライト基板であり、蓋体に透過性のある水晶製蓋体が用いられたとしても、フォルステライト基板と水晶製蓋体は、熱膨張係数が近似するので、ガラス接合しても気密信頼性を高くすることができる。更に、フォルステライト基板は、無機着色剤に酸化マンガンの一種単体からなるフォルステライト原料組成物のみから作成されるので、フォルステライト基板の製作工程が簡単であり安価にすることができる。

特に、請求項２記載のフォルステライト基板は、フォルステライト原料組成物に含有する焼結助剤のカルシア（ＣａＯ）と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の混合体の含有量が酸化バリウム（ＢａＯ）の含有量より少ないので、融点（ＣａＯ：２５７０℃、Ａｌ_２Ｏ_３：２０５０℃、ＢａＯ：１９２３℃）が最も低く、他の焼結助剤の混合体の含有量より多いＢａＯをレーザー光線で最初に溶融させてガラス化でき、照射部分からの剥離を防止でき、ピーリングテストを満足させることができる。

続いて、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明する。

本発明の一実施の形態に係るフォルステライト基板には、先ず、ＭｇＯと、ＳｉＯ_２がモル比で２：１の比率で含んでいる天然に存在する混合物、又は、ＭｇＯと、ＳｉＯ_２のそれぞれをモル比で２：１の比率で人工的に配合したものが準備されている。この２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２は、水を媒体としてボールミル等の粉砕機を用いて粉砕、混合した後、スラリーをフィルタープレスや、スプレードライヤー等で乾燥した原料粉末を１０００℃〜１３００℃の温度で仮焼きを行って２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２の原料粉末としている。そして、この原料粉末には、焼結助剤と、焼結によって黒色に発色する無機着色剤が加えられてフォルステライト原料組成物が形成されている。

２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２の原料粉末に焼結助剤と、無機着色剤が加えられたフォルステライト原料組成物には、再度、水と、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等のバインダーと、セロゾール等の可塑剤が添加され、ボールミル等の粉砕機を用いて粉砕しながら混合してスラリーを形成している。更に、このスラリーは、スプレードライヤーで噴霧乾燥しながら造粒して平均粒径約７０〜９０μｍ程度の顆粒状のフォルステライト造粒体に形成している。そして、この造粒体は、ダイス、上金型、下金型、ピン等で構成される粉体プレス金型の上下の間に造粒体を充填させて加圧成形して所望の形状の成形体に作製している。粉体プレス金型から取り出された成形体は、大気中の１２５０℃〜１４００℃程度の温度の焼成炉で焼成してフォルステライト基板を作製している。

通常、焼結されて形成されるフォルステライト基板は、フォルステライト原料組成物に１重量％〜２重量％程度のＣａＯと、Ａｌ_２Ｏ_３の混合体の焼結助剤を用いることで基板強度の高いフォルステライト基板とすることができる。しかしながら、このようなフォルステライト基板は、焼結後のガラス量が少ないので、炭酸ガスレーザーや、ＹＡＧレーザー等のレーザー光線を照射した時の照射部分のガラス化が十分でなく、照射部分が剥がれ落ちるようになっている。そこで、上記の本発明の一実施の形態に係るフォルステライト基板は、フォルステライト原料組成物に含有する焼結助剤にＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＢａＯの混合体を用いている。そして、このフォルステライト基板に用いられる焼結助剤は、ＢａＯを５重量％〜３０重量％の範囲で含ませて構成されている。

このフォルステライト基板に用いられる焼結助剤は、フォルステライト原料組成物にＢａＯを添加させることで、焼結後のフォルステライト基板のガラス成分を増加させて容易にガラス化できるようになる。ＢａＯは、融点が１９２３℃で、ＣａＯの２５７０℃、Ａｌ_２Ｏ_３の２０５０℃より低く、レーザー光線の照射によって、最初にガラス化することができ、照射部分の剥がれ落ちを防止することができる。また、ＢａＯは、ガラス化することで白色となるので、マークと、マークが形成されない基板表面の黒色との間でコントラストを明確にすることができ、明確に識別できるマークを形成することができる。なお、フォルステライト原料組成物のＢａＯの含有量は、５重量％を下まわると、ガラス化の程度が低くなってピーリングテストでの照射部分の剥がれ落ちの増加に伴ってマークと、マークが形成されない基板表面の黒色との間でのコントラストが低下し、明確に識別できるマークを形成することができなくなる。また、ＢａＯの含有量が３０重量％を超える場合には、フォルステライト基板中のガラス成分が多くなりすぎフォルステライト基板としての電気的特性や、絶縁特性や、基板強度等のセラミック特性が低下する。

上記のフォルステライト基板には、フォルステライト原料組成物に含有し、焼結によって黒色に発色する無機着色剤に、酸化マンガンの一種単体が用いられている。この酸化マンガンには、例えば、ＭｎＯ、ＭｎＯ_２、ＭｎＯ_３、Ｍｎ_２Ｏ_３、Ｍｎ_２Ｏ_７、Ｍｎ_３Ｏ_４等と様々な形態があるが、いずれのマンガンの酸化物からなる着色剤は、焼成させることで茶褐色とは異なる真っ黒な色を発生させることができ、フォルステライト基板を黒色にすることができる。なお、この酸化マンガンからなる着色剤は、上記の様々な形態の酸化マンガンの一種、又は複数種の混合体からなる酸化マンガンであってもよい。

また、この無機着色剤の含有量は、３重量％〜２０重量％の範囲でフォルステライト原料組成物中に含有している。この無機着色剤の含有量が３重量％を下まわる場合には、着色剤としての含有量が少なくなり、焼結後のフォルステライト基板の黒色度が低下する。従って、レーザー光線を照射した部分のバーコードや、文字等のマークは、レーザー光線を照射しない部分との色差が小さくなるので、識別が難しくなる。また、無機着色剤の含有量が２０重量％を上まわる場合には、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２との混合比率が大きくなりすぎ、フォルステライト基板の熱膨張係数が変動することがある。これにより、フォルステライト基板と、水晶製蓋体とのガラス接合時には、ガラスに熱応力を発生させ気密信頼性に問題が発生する場合がある。因みに、熱膨張係数は、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２が９〜１１×１０^−６／℃であり、例えば、ＭｎＯが１３〜１８×１０^−６／℃、Ｍｎ_２Ｏ_３が６〜９×１０^−６／℃である。

上記のフォルステライト基板のフォルステライト原料組成物に含有する焼結助剤は、ＣａＯと、Ａｌ_２Ｏ_３の混合体の含有量がＢａＯの含有量より少ないのがよい。ＢａＯは、融点がＣａＯや、Ａｌ_２Ｏ_３より低く上に、ＣａＯと、Ａｌ_２Ｏ_３の混合体の含有量より含有量が多いので、レーザー光線の照射でガラス化を早く進めることができると同時に、多くのガラス化量で照射部分からの剥離を防止でき、ピーリングテストを満足させることができる。

なお、上記のフォルステライト基板で形成される箱形形状のセラミックパッケージには、例えば、箱の中央部であるキャビティ部にＣＣＤ型や、ＭＯＳ型の撮像デバイス用等の電子部品素子が実装されるようなものがある。この電子部品素子は、キャビティ部内に露出するリードフレーム形状の外部接続端子とボンディングワイヤを介して接続することで、電子部品素子と外部接続端子が電気的に接続状態となる。このようにして電子部品素子が実装された後、パッケージの外周壁の上面には、水晶板からなる透明の蓋体がガラス接合される。この接合によって、電子部品素子は、パッケージ内に気密に封止される。フォルステライト基板と、水晶製蓋体は、熱膨張係数が近似するので、接合時の加熱があったとしても歪みの発生が少なく、気密信頼性に優れるデバイスとすることができる。

ここで、発明者は、フォルステライト基板のコントラストと、ピーリング性を試験した。試料は、フォルステライト原料組成物の焼結助剤のＢａＯの含有量がそれぞれ５重量％、１０重量％、１５重量％のフォルステライト基板を準備した。コントラストは、ミノルタ製の色彩色差計、ＣＲ−２００を用い、レーザー光線を照射した部分と、レーザー光線を照射しない部分との色差計の値の差とし、大きい値がコントラストが大きいものとなっている。また、ピーリング性は、レーザー光線を照射した部分に粘着テープを密着させ略垂直方向に力強く引き剥がして、粘着テープに剥がれ落ちた残渣があるかどうかで測定した。測定結果を表１に示す。

コントラスト値が３．０以上ある場合には、レーザー光線を照射した部分のマークの目視での識別が容易にでき、問題なく書き込まれたバーコードや、文字等のマークの情報を読みとることができる。なお、ピーリング性は、焼結助剤が従来のＣａＯと、Ａｌ_２Ｏ_３の混合体が２重量％のみの場合に、粘着テープに剥がれ落ちた残渣があったことを確認しており、ＢａＯの添加で効果があることが確認できた。

本発明のフォルステライト基板は、基板表面に直接レーザー光線を照射し、レーザー光線を照射した部分のピーリングテストでの剥がれ落ちがなく、レーザー光線を照射した部分と、レーザー光線を照射しない部分とのコントラスト値を大きくできて、レーザー光線を照射した部分のバーコードや、文字等のマークの情報を目視で容易に確認できる認識性に優れるデバイスを提供するのに用いることができる。

Claims

マグネシアと、シリカがモル比で２：１の混合物を仮焼きした後、焼結助剤と、焼結によって黒色に発色する無機着色剤が混合されて有するフォルステライト原料組成物に水、バインダー、可塑剤を添加し、粉砕しながら混合したスラリーを乾燥しながら造粒して形成する造粒体を加圧成形し、焼成して形成してなるフォルステライト基板であって、
前記フォルステライト原料組成物に含有する前記焼結助剤がカルシア、アルミナ、及び酸化バリウムからなり、該酸化バリウムの含有量を５重量％〜３０重量％有すると共に、前記無機着色剤が酸化マンガンの一種単体を３重量％〜２０重量％有することを特徴とするフォルステライト基板。
請求項１記載のフォルステライト基板において、前記フォルステライト原料組成物に含有する前記焼結助剤の前記カルシアと、前記アルミナの混合体の含有量が前記酸化バリウムの含有量より少ないことを特徴とするフォルステライト基板。