JP5354320B2

JP5354320B2 - セラミックス基板及びその製造方法

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Publication number: JP5354320B2
Application number: JP2007191319A
Authority: JP
Inventors: 利幸鈴木; 泰治宮内; 功金田
Original assignee: TDK Corp
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Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2027-07-23
Also published as: JP2009023893A

Description

本発明は、プリント配線基板に近い熱膨張係数を有するセラミックス基板に関するものであり、特に、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４を主成分とするセラミックス基板の抗折強度の改善に関するものである。

例えば、情報通信分野においては、使用周波数帯域が高周波数に移行する傾向にあり、衛星放送や衛星通信、携帯電話や自動車電話等の移動体通信では、ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯の高周波が使用されている。

前述のような高周波帯域で使用される配線層を有する回路基板では、配線間容量に起因する信号遅延を低減するため低誘電率の基板が必要になる。さらに、高周波信号を減衰させないために高いＱ値を持つ基板が必要になる。このような基板の作製には、低誘電率セラミック材料（誘電体磁器組成物）が必要であり、比誘電率εｒが６〜１１程度で、Ｑ値の大きいセラミック材料の開発が望まれるところである。

Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）は、単体ではＱ・ｆ＝２０００００ＧＨｚ以上と極めてＱの値が大きく、誘電損失が非常に小さい材料の一つであり、比誘電率εｒも比較的低いことから、前記低誘電率セラミック材料の一つとして注目されており、フォルステライト相を含有する各種ガラスセラミックスが提案されている（特許文献１や特許文献２等を参照）。

例えば、特許文献１には、絶縁基板と、その表面に形成された薄膜配線導体層とを具備してなる配線基板が開示されており、前記絶縁基板が、構成元素として少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂａ、希土類元素ＲＥ及びＯを含有し、結晶相としてフォルステライト結晶相及びガーナイト結晶相から選択される少なくとも１種と、セルジアン結晶とを含有することが記載されている。

特許文献２には、結晶相として、ガーナイト結晶相、スピネル結晶相、アスペクト比が３以上の針状晶を含むセルシアン結晶相、及びＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４から選ばれる少なくとも１種の結晶相を含有する低温焼成セラミック焼結体が開示されている。

特許文献１に記載される絶縁基板や特許文献２に記載されるセラミック焼結体は、いずれも焼成によってガラス中に各結晶相を析出させたものであり、いわゆるガラスセラミックスの範疇に属するものである。
特開２００５−９３５４６号公報特開２００３−４０６６８号公報

ところで、低温焼成可能なＬＴＣＣ基板は、安価な高周波基板として広く用いられており、部品の小型化、高集積化とともに、例えばＬＴＣＣ基板上にベアチップや表面実装部品（ＳＭＤ）等を実装したデバイス等が要求され、さらには、前記ＬＴＣＣ基板をプリント配線基板（ＰＣＢ）へ直接実装することも要求されている。

この場合、デバイスの低背化等に伴い基板自体にさらなる強度が要求されるとともに、ガラスエポキシ基板等からなるプリント配線基板との熱収縮差により基板へ加わる応力を緩和するため、プリント配線基板と近い熱膨張係数を有する基板材料が求められている。しかしながら、前述の各特許文献記載の発明では、基板の熱膨張係数に関しては全く考慮されておらず、プリント配線基板と近い熱膨張係数を実現するためにＬＴＣＣ基板をどのように設計すればよいか、ほとんど検討されていないのが実情である。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、ガラスエポキシ基板等のプリント配線基板と近い熱膨張係数を有し、高周波基板に適した特性を有し、低温焼成が可能であり、さらには基板強度に優れたセラミックス基板を提供することを目的とし、さらにはその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前述の目的を達成するために、長期に亘り研究を続けてきた。その結果、次のような知見を得るに至った。先ず第１に、誘電体材料としてＭｇ_２ＳｉＯ_４を用るとともに、低温焼成成分を適宜選定し、これらの組成を調整することで、熱膨張係数が大きく低温焼成可能なセラミックス基板を実現し得ることがわかった。ただし、この場合、強度不足が問題となる。そこで、さらに検討を進めたところ、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加が特異的に強度の改善に有効であることを見出した。

本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。すなわち、本発明のセラミックス基板は、主組成としてＭｇ_２ＳｉＯ_４及び低温焼成化成分を含み、Ｍｇ _２ＳｉＯ _４が焼結された低温焼成セラミックスからなるセラミック基板であって、前記主組成において、Ｍｇ _２ＳｉＯ _４を主成分とするとともに、ＺｎＯ、Ｂ _２Ｏ _３、ＣｕＯ及びＲＯ（ただし、Ｒはアルカリ土類金属を表す。）を低温焼成化成分として含み、前記Ｍｇ _２ＳｉＯ _４の質量をａ、ＺｎＯの質量をｂ、Ｂ _２Ｏ _３の質量をｃ、ＣｕＯの質量をｄ、ＲＯの質量をｅとしたときに、全体の質量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）に対するＺｎＯの質量ｂの比率ｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）が８％〜２０％、Ｂ _２Ｏ _３の質量ｃの比率ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）が３％〜１０％、ＣｕＯの質量ｄの比率ｄ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）が２％〜８％、ＲＯの質量ｅの比率ｅ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）が１％〜４％であり、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を２５体積％以下（零は含まず。）の割合で含有し、熱膨張係数αが９．０ｐｐｍ／℃以上、比誘電率εｒが７±１、Ｑ・ｆが２０００ＧＨｚ以上、抗折強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

本発明のセラミックス基板は、主組成としてＭｇ_２ＳｉＯ_４及び低温焼成化成分を含むものであり、例えば１０００℃以下での低温焼成が可能である。また、熱膨張係数αが９．０ｐｐｍ／℃以上と通常のセラミックス基板に比べて大きく、ガラスエポキシ基板等のプリント配線基板と近い値を有するので、プリント配線基板（ＰＣＢ）へ直接実装した場合にも、熱膨張率差による応力の発生が大幅に低減される。

さらに、本発明のセラミックス基板では、前記熱膨張係数αの値を大きくすると同時に、基板強度の向上も実現される。セラミックス基板において、熱膨張係数αの値を大きくするには、例えばＭｇ_２ＳｉＯ_４の比率を増加させる必要がある。ただし、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４の比率を増加させると、基板強度が急激に低下する。そこで、本発明のセラミックス基板においては、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を２５体積％以下（零は含まず。）の割合で添加している。ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加は、基板強度向上に有効であり、基板強度に優れた低温焼成セラミックス基板が実現される。

また、前記Ｍｇ_２ＳｉＯ_４及び低温焼成化成分を含むセラミックス基板においては、基板表面にＡｇ導体を形成した場合に、Ａｇの溶融に伴って導体周辺部が茶色に変色するという現象が見られる。前記変色の発生により、セラミックス基板の品質が大きく損なわれることになるが、前記ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加は、係る変色を防止する上でも効果的である。ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を添加することで、導体周辺部の変色を抑えることが可能である。

本発明によれば、ガラスエポキシ基板等のプリント配線基板と近い熱膨張係数を有し、高周波基板に適した特性を有し、低温焼成が可能であり、さらには基板強度に優れたセラミックス基板を提供することが可能である。また、本発明によれば、基板表面にＡｇ等により導体を形成した場合にも、導体周辺部が変色することがなく、高品質なセラミックス基板を提供することが可能である。

以下、本発明を適用したセラミックス基板の実施形態について詳細に説明する。

本発明のセラミックス基板は、主組成としてＭｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）と低温焼成成分とを含む誘電体材料により形成される低温焼成セラミックス基板である。Ｍｇ_２ＳｉＯ_４は、単体でのＱ・ｆが２０００００ＧＨｚ以上であり、これを主成分とすることで低誘電損失材料を実現することができる。したがって、主成分を１００％Ｍｇ_２ＳｉＯ_４とすることも考えられるが、例えば誘電率の調整のため必要に応じて公知の添加物を添加することも可能である。添加物としては、比誘電率εｒ＝１７前後を有するチタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉＯ_３）や、比誘電率εｒ＝２００前後を有するチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ_３）等を挙げることができる。この場合、両者ともＱ値がフォルステライトのＱ値よりも低いため、添加により得られる基板のＱ値が低下する傾向にあり、添加量を十分考慮する必要がある。

Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）において、化学量論的な組成はＭｇＯ：ＳｉＯ_２＝２：１であるが、必ずしもこれに限らず、前記組成から外れていてもよい。ただし、前記組成が化学量論的な組成から大きく外れると所定の特性が得られなくなるおそれがあることから、ＭｇＯ：ＳｉＯ_２＝１．９：１．１〜２．１：０．９とすることが好ましい。

前記Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）は、熱膨張係数αの観点からも主組成の構成成分として好適である。Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）は熱膨張係数αが大きく、主組成におけるＭｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）の比率を大きくすれば、熱膨張係数αの大きなセラミックス基板を実現することが可能になる。ただし、例えば１００％Ｍｇ_２ＳｉＯ_４とすると、低温焼成が難しくなり、基板強度も確保することができない。

そこで、本発明のセラミックス基板においては、前記Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）の比率を最適化するとともに、低温焼成成分を併用することで、比誘電率εｒ≦８、Ｑ≧２０００、熱膨張係数α≧９．０ｐｐｍ／℃以上で、且つ１０００℃以下の温度で低温焼成することが可能なセラミックス基板を実現している。Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）の組成や、低温焼成成分の種類や組成は、前記特性を満たす範囲で設定すればよい。特に、セラミックス基板の熱膨張係数αに関しては、α≧９．０ｐｐｍ／℃以上とすることにより、ガラスエポキシ基板の熱膨張係数（例えば９〜１４ｐｐｍ／℃程度）と近い値とすることができ、例えば本発明のセラミックス基板をプリント配線基板に直接実装した場合にも、熱膨張率差による応力の発生を抑えることが可能である。

前記低温焼成成分は、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）よりも低い温度で焼結するものであれば任意のものを使用することができ、各種酸化物から選択して使用すればよい。低温焼成成分の比率も任意であるが、本発明のセラミックス基板は、ガラス成分中にセラミックス成分が分散されたガラスセラミックスではなく、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）が焼結された低温焼成セラミックスであり、この点を考慮して低温焼成成分の比率を設定する必要がある。

また、主成分であるＭｇ_２ＳｉＯ_４は、前述の通り低誘電損失材料であり、比誘電率εｒも６〜７程度と低く、低誘電率の要求に適った材料である。ただし、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単体であると抗折強度が低く、実用上大きな問題である。したがって、前記低温焼成成分として、適正な酸化物を選定し添加することで、抗折強度の改善を図ることが好ましい。

本発明者らが検討を重ねたところ、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＣｕＯ及びＲＯ（ただし、Ｒはアルカリ土類金属を表す。）を前記低温焼成成分として添加することが有効である。したがって、本発明のセラミックス基板においては、これら４つの成分を前述の主成分（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）に添加し、主組成とすることが好ましい。なお、主組成における各成分の添加量には、それぞれ最適範囲があり、所定の範囲内で添加することが好ましい。

先ず、ＺｎＯについては、添加量を８質量％〜２０質量％とすることが好ましい。すなわち、前記Ｍｇ_２ＳｉＯ_４の質量をａ、ＺｎＯの質量をｂ、Ｂ_２Ｏ_３の質量をｃ、ＣｕＯの質量をｄ、ＲＯの質量をｅとしたときに、全体の質量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）に対するＺｎＯの質量ｂの比率ｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を８％〜２０％とすることが好ましい。ＺｎＯの添加量［ＺｎＯの質量ｂの比率ｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）］が８質量％未満であると、所定の効果が得られず、抗折強度が不十分となるおそれがある。逆に、ＺｎＯの添加量［全体の質量に対するＺｎＯの質量ｂの比率ｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）］が２０質量％を越えると、Ｑが低下し、Ｑ・ｆ＝２０００ＧＨｚ以上を達成することが難しくなるおそれがある。

Ｂ_２Ｏ_３については、添加量を３質量％〜１０質量％とすることが好ましい。すなわち、Ｂ_２Ｏ_３の質量をｃとしたときに、全体の質量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）に対するＢ_２Ｏ_３の質量ｃの比率ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を３％〜１０％とすることが好ましい。Ｂ_２Ｏ_３の添加量［全体の質量に対するＢ_２Ｏ_３の質量ｃの比率ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）］が３質量％未満であると、Ｑが低下し、Ｑ・ｆ＝２０００ＧＨｚ以上を達成することが難しくなるおそれがある。逆に、Ｂ_２Ｏ_３の添加量［全体の質量に対するＢ_２Ｏ_３の質量ｃの比率ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）］が１０質量％を越えると、基板密度が十分に得られなくなり、十分な強度が得られなくなる。

ＣｕＯについては、添加量を２質量％〜８質量％とすることが好ましい。すなわち、ＣｕＯの質量をｄとしたときに、全体の質量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）に対するＣｕＯの質量ｄの比率ｄ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を２％〜８％とすることが好ましい。ＣｕＯの添加量［全体の質量に対するＣｕＯの質量ｄの比率ｄ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）］が２質量％未満であると、基板密度が十分に得られないため、基板焼成温度をより高温とする必要がある。この場合、電極との同時焼成が困難になるため、基板用途が制限されることになる。逆に、ＣｕＯの添加量［全体の質量に対するＣｕＯの質量ｄの比率ｄ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）］が８質量％を越えると、Ｑが低下し、Ｑ・ｆ＝２０００ＧＨｚ以上を達成することが難しくなるおそれがある。

ＲＯ（ただし、Ｒはアルカリ土類金属を表す。）については、添加量を１質量％〜４質量％とすることが好ましい。すなわち、ＲＯの質量をｅとしたときに、全体の質量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）に対するＲＯの質量ｅの比率ｅ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を１％〜４％とすることが好ましい。ＲＯの添加量［全体の質量に対するＲＯの質量ｅの比率ｅ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）］が１質量％未満であると、基板密度が十分に得られないため、基板焼成温度をより高温とする必要がある。この場合、電極との同時焼成が困難になるため、基板用途が制限されることになる。逆に、ＲＯの添加量［全体の質量に対するＲＯの質量ｅの比率ｅ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）］が４質量％を越えると、Ｑが低下し、Ｑ・ｆ＝２０００ＧＨｚ以上を達成することが難しくなるおそれがある。

なお、前記ＲＯにおいて、Ｒ（アルカリ土類金属）は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを挙げることができる。前記ＲＯとして、これらアルカリ土類金属の酸化物の１種、あるいは２種以上を添加すればよい。

前述のように、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）を主成分とする誘電体磁器組成物に低温焼成成分として前記４つの成分（ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＣｕＯ及びＲＯ）を添加することにより、抗折強度を大幅に向上することができ、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）が有する誘電特性を生かすことができる。例えばＭｇ_２ＳｉＯ_４の質量をａ、ＺｎＯの質量をｂ、Ｂ_２Ｏ_３の質量をｃ、ＣｕＯの質量をｄ、ＲＯの質量をｅとしたときに、全体の質量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）に対するＺｎＯの質量ｂの比率ｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を８％〜２０％、Ｂ_２Ｏ_３の質量ｃの比率ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を３％〜１０％、ＣｕＯの質量ｄの比率ｄ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を２％〜８％、ＲＯの質量ｅの比率ｅ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を１％〜４％とすることで、抗折強度が１００ＭＰａ以上で、比誘電率εｒが７±１、且つＱ・ｆが２０００ＧＨｚ以上の誘電体磁器組成物を提供することが可能である。

また、全体の質量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）に対するＺｎＯの質量ｂの比率ｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を１２％〜２０％、Ｂ_２Ｏ_３の質量ｃの比率ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を３％〜９％、ＣｕＯの質量ｄの比率ｄ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を４％〜８％、ＲＯの質量ｅの比率ｅ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）を２％〜４％とすることで、抗折強度２００ＭＰａ以上を実現することが可能である。

以上が本発明のセラミックス基板に用いられる主組成の構成であるが、本発明のセラミックス基板においては、さらにＺｎＡｌ_２Ｏ_４を２５体積％以下（零は含まず。）の割合で含有することが大きな特徴事項である。

前述の通り、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）を用いた場合、基板強度が不足する。この基板強度の不足は、低温焼成成分を選定することである程度改善することができるが、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を添加することで、より一層の改善を図ることが可能である。また、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加は、Ａｇ導体周辺部の変色防止にも効果的である。ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を添加することで、Ａｇ導体を同時焼成した場合においても、導体周辺部が茶色に変色することがなくなる。

ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加量は、主組成に対して２５体積％以下（零は含まず。）とすることが好ましい。ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加量が２５体積％を越えると、抗折強度が却って低下するおそれがある。逆に、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加量が零であると、強度改善効果が得られず、基板の抗折強度が不十分になるおそれがある。ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の含有量（添加量）のより好ましい範囲としては、５体積％〜２０体積％である。

本発明のセラミックス基板を製造するには、前記ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を主組成に加えて焼成を行う。以下、本発明のセラミックス基板の製造方法について説明する。本発明のセラミックス基板を製造するには、先ず、主組成の主成分であるＭｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）を製造する。具体的には、混合工程において、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）の原料となるＭｇＯとＳｉＯ_２とを混合する。これら原料の混合は、乾式混合により行ってもよいし、湿式混合により行ってもよい。湿式混合の場合、例えば純水やエタノールを混合溶媒とし、ボールミル等を用いて混合を行えばよい。混合時間は、例えば４時間〜２４時間程度とすればよい。

前記混合を湿式混合により行った場合には、乾燥工程において混合物を十分に乾燥する。乾燥工程では、例えば温度１００℃〜２００℃、好ましくは１２０℃〜１４０℃で、１２時間〜３６時間程度乾燥を行う。

混合・乾燥した原料混合物は、次の仮焼き工程において仮焼きを行う。仮焼きは、原料であるＭｇＯとＳｉＯ_２とを反応させ、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）の結晶を合成する工程であり、当該仮焼きを行うことによって大部分がＭｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）となった仮焼物を得ることが可能である。なお、仮焼きは、温度１０００℃〜１５００℃、好ましくは１１００℃〜１３５０℃で行う。処理時間は１時間〜２４時間程度とすることが好ましい。

前記仮焼き後、仮焼物を粉砕工程において粉砕し、さらに乾燥工程において乾燥する。粉砕工程では、乾式粉砕、あるいは湿式粉砕により仮焼物を粉砕し、粉末にする。粉砕工程４を湿式粉砕により行う場合には、例えば純水やエタノールを混合溶媒とし、ボールミル等を用いて粉砕を行えばよい。混合時間は、例えば４時間〜２４時間程度とすればよい。乾燥工程５では、例えば温度１００℃〜２００℃、好ましくは１２０℃〜１４０℃で、１２時間〜３６時間程度乾燥を行う。これにより、主成分となるＭｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）の原料粉を得ることができる。

なお、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）の原料粉としては、市販のフォルステライトを用いることも可能である。ただし、その場合には、市販のフォルステライトをそのまま用いるのではなく、例えば市販のフォルステライトをボールミル等を用いて湿式粉砕し、例えば温度１００℃〜２００℃、好ましくは１２０℃〜１４０℃で、１２時間〜３６時間程度乾燥を行ったものを用いることが好ましい。

次いで、前記Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）の原料粉に対して低温焼成成分の原料（ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＣｕＯ及びＲＯ）を所定量添加し、混合工程において混合し、乾燥工程において乾燥する。混合工程は、先の混合工程と同様、乾式混合あるいは湿式混合により行えばよい。湿式混合の場合、例えば純水やエタノールを混合溶媒とし、ボールミル等を用いて混合を行えばよい。混合時間は、例えば４時間〜２４時間程度とすればよい。乾燥工程も、先の乾燥工程と同様の条件で行えばよく、例えば温度１００℃〜２００℃、好ましくは１２０℃〜１４０℃で、１２時間〜３６時間程度乾燥を行う。

さらに、仮焼き工程において、得られた原料混合粉末を仮焼きする。この仮焼き工程は、焼成温度以下の温度、例えば７００℃〜８００℃で行い、仮焼き時間は１時間〜１０時間程度とする。この仮焼き工程８を７００℃〜８００℃程度の温度で行うことで、仮焼物中にフォルステライトを結晶の形で含有させることができる。

その後、粉砕工程において仮焼物を粉砕し、乾燥工程において粉砕した粉末を乾燥する。粉砕工程は、、乾式粉砕あるいは湿式粉砕により行うが、粉砕工程を湿式粉砕により行う場合には、例えば純水やエタノールを混合溶媒とし、ボールミル等を用いて粉砕を行う。混合時間は、例えば４時間〜２４時間程度とすればよい。乾燥工程では、例えば温度１００℃〜２００℃、好ましくは１２０℃〜１４０℃で、１２時間〜３６時間程度乾燥を行う。このように仮焼きと粉砕を行うことにより、主成分と低温焼成成分とを均一にすることができる。

以上により主組成となる誘電体磁器組成物を得る。次に、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を添加し、さらに、ポリビニルアルコール系、アクリル系、エチルセルロース系等の有機バインダを添加し、ボールミル等で混合を行った後、所望の形状に成形を行う。成形は、シート法や印刷法等の湿式成形の他、プレス成形等の乾式成形等により行ってもよく、成形する形状等に応じて成形方法を適宜選択することが可能である。ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加量は、主組成に対して２５体積％以下（零は含まず。）とする。主組成に対して前記割合でＺｎＡｌ_２Ｏ_４を添加し、混合した後、所定の基板形状に成形し焼成する。なお、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加は、前述の原料粉の混合の際に同時に行っても良く、これにより同様の効果が得られる。

成形した成形体は、焼成工程において焼成を行い焼結体とする。焼成は、空気中のような酸素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。焼成温度は任意に設定することができるが、前記低温焼成成分を添加することで低温焼成化が可能であり、電極の融点以下の温度（例えば１０００℃以下）で焼成することができる。

以上の工程を経ることにより、十分な抗折強度を有し、比誘電率εｒが７±１、Ｑ・ｆが２０００ＧＨｚ以上と誘電特性にも優れたセラミックス基板を得ることができる。得られるセラミックス基板は、熱膨張係数αが９．０ｐｐｍ／℃以上であり、ガラスエポキシ基板等のプリント配線基板の熱膨張係数との差異が小さい。また、セラミックス基板の表面にＡｇ導体等を形成し、同時焼成した場合にも、導体周辺部が変色することはない。

以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。

主組成についての検討
原料粉末として、高純度のＭｇ_２ＳｉＯ_４、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、ＣａＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３を用意した。各原料粉末の平均粒径は、０．１μｍ〜１．０μｍである。Ｍｇ_２ＳｉＯ_４に対して副成分（ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）の添加量が表１に示す配合となるように秤量し、ボールミルを用いて湿式混合を１６時間行った。得られたスラリーを十分に乾燥させた後、大気中、７００℃で２時間保持する仮焼を行い、仮焼体を得た。仮焼体が平均粒径１．０μｍになるまでボールミルにより微粉砕した後、微粉砕粉末を乾燥させた。次いで、バインダとしてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を適量加えて造粒し、成形を行った後、９５０℃あるいは９７５℃（サンプル１，２については１３００℃あるいは１３５０℃）で４時間焼成を行い、焼結体を得た。

得られた各焼結体（サンプル１〜サンプル１７）について、抗折強度、比誘電率εｒ、Ｑ、及び熱膨張係数αを測定した。なお、抗折強度は、日本工業規格ＪＩＳＲ１６０１に準じて測定を行った。結果を表１に示す。

例えばＭｇ_２ＳｉＯ_４のみにより作製したサンプル１やサンプル２では、熱膨張係数αは大きな値となっているが、低温での焼結は難しく、焼成温度を１３００℃あるいは１３５０℃とすることで焼成が可能となった。ただし、その場合にも、抗折強度は著しく低い値であった。

これに対して、低温焼成成分を添加したサンプル３〜１７では、９５０℃あるいは９７５℃の低温での焼成においても焼成が可能であり、ある程度の抗折強度を実現することが可能であった。ただし、＊印を付したサンプル１５は、抗折強度、比誘電率εｒ、及びＱの値が要求を満たすものではなかった。

実施例
表１の結果から、サンプル７を主組成とし、主組成の微粉砕粉末にＺｎＡｌ_２Ｏ_４を加えて造粒、成形を行った後、９６０℃あるいは９５０℃で４時間焼成を行い、セラミックス基板を作製した。得られたセラミックス基板（実施例１〜実施例４）の抗折強度、比誘電率εｒ、Ｑ、及び熱膨張係数αを表２に示す。

表２から明らかなように、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を添加することで、抗折強度が大幅に改善されている。また、熱膨張係数αはいずれの実施例も９．０ｐｐｍ／℃以上であり、比誘電率εｒやＱの値も良好である。

また、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加量を５体積％〜３０体積％とし、各添加量における焼成温度と抗折強度の関係を調べた。主組成はサンプル７と同様とした。結果を図１に示す。ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加量を３０体積％とした場合、焼成温度を９４０℃とした場合に抗折強度の低下が見られた。

ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の添加量を５体積％〜３０体積％とした時の各添加量における焼成温度と抗折強度の関係を示す特性図である。

Claims

主組成としてＭｇ_２ＳｉＯ_４及び低温焼成化成分を含み、Ｍｇ _２ＳｉＯ _４が焼結された低温焼成セラミックスからなるセラミック基板であって、
前記主組成において、Ｍｇ _２ＳｉＯ _４を主成分とするとともに、ＺｎＯ、Ｂ _２Ｏ _３、ＣｕＯ及びＲＯ（ただし、Ｒはアルカリ土類金属を表す。）を低温焼成化成分として含み、
前記Ｍｇ _２ＳｉＯ _４の質量をａ、ＺｎＯの質量をｂ、Ｂ _２Ｏ _３の質量をｃ、ＣｕＯの質量をｄ、ＲＯの質量をｅとしたときに、全体の質量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）に対するＺｎＯの質量ｂの比率ｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）が８％〜２０％、Ｂ _２Ｏ _３の質量ｃの比率ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）が３％〜１０％、ＣｕＯの質量ｄの比率ｄ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）が２％〜８％、ＲＯの質量ｅの比率ｅ／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）が１％〜４％であり、
ＺｎＡｌ_２Ｏ_４を２５体積％以下（零は含まず。）の割合で含有し、
熱膨張係数αが９．０ｐｐｍ／℃以上、比誘電率εｒが７±１、Ｑ・ｆが２０００ＧＨｚ以上、抗折強度が１００ＭＰａ以上であることを特徴とするセラミック基板。
ＺｎＡｌ_２Ｏ_４の含有量が５体積％〜２０体積％であることを特徴とする請求項１記載のセラミック基板。