PCB Blog - アルミナセラミックスのLTCC低温焼結技術を紹介する

アルミナセラミックスはAl 2 O 3を主原料とし、コランダム（α— Al 2 O 3）は主結晶相のセラミック材料である。機械的強度が高く、硬度が大きく、高周波誘電損失が小さく、高温絶縁抵抗が高く、耐化学腐食性と熱伝導性が良好であるなどの優れた総合技術性能と、原料源が広く、価格が相対的に安く、加工製造技術が比較的成熟しているなどの優位性がある。

アルミナセラミックスはすでに電子、電器、機械、化学工業、紡績、自動車、冶金、航空宇宙などの業界に広く応用され、現在世界で最も使用量の多い酸化物セラミックス材料となっている。しかし、アルミナの融点が2050℃に達したことにより、アルミナセラミックスの焼結温度が一般的に高くなり、アルミナセラミックスの製造には高温発熱体や高品質の燃料、高級耐火材料を窯や窯道具として使用する必要があり、これはある程度生産とより広範な応用を制限している。

現在、アルミナセラミックスLTCC低温焼結技術の研究作業はすでに広く深く、75磁器から99磁器まで系統的な研究があり、すでに顕著な効果を得ている。表1はすでに実現された各種アルミナセラミックスの低温焼結状況である。

アルミナセラミックス回路基板

現在の各種アルミナ磁器のLTCC低温焼結技術を見渡すと、主に原料加工、配合設計、焼成技術などの3つの方面から措置を取っている。

1、Al 2 O 3粉体の細さと活性を高めることによって磁器体焼結温度を下げる。

塊状物に比べて粉体は大きな比表面積を持ち、これは外部が粉体に対して仕事をした結果である。機械的作用または化学的作用を利用して粉体を製造する際に消費される機械的エネルギーまたは化学的エネルギーは、部分的に表面エネルギーとして粉体中に貯蔵され、また、粉体の製造過程において、また粉体表面とその内部に各種の格子欠陥が現れ、格子を活性化させる。これらの理由から、粉体は高い表面自由エネルギーを持っている。粉体のこのような表面エネルギーは、その焼結の内在的な動力である。これにより、Al 2 O 3粉体の粒子が微細であるほど活性度が高くなり、粉体が焼結しやすくなり、焼結温度が低くなる。アルミナ磁器の低温焼結技術の中で、高活性焼結しやすいAl 2 O 3粉体を原料として使用することは重要な手段の一つであるため、粉末体制準備技術はセラミック低温焼結技術の基礎的な一環となっている。

現在、超微細活性化焼結しやすいAl 2 O 3粉体を製造する方法は、機械法と化学法の2つに大きく分類されている。機械法は機械外力作用を用いてAl 2 O 3粉体粒子を微細化するもので、一般的な粉砕技術はボールミル粉砕、振動粉砕、砂粉砕、気流粉砕などである。機械的粉砕方法により粉材の比表面積を高めることは有効であるが、一定の限度があり、通常は粉材の平均粒径を1まで小さくするしかないμ m程度かそれ以上細く、しかも粒径分布範囲が広く、不純物を持ち込みやすいという欠点がある。

近年、湿式化学法を用いた超微細高純度Al 2 O 3粉体の製造は比較的急速に発展しており、その中で比較的成熟しているのはゾル−ゲル法である。ゾルは非常に安定であるため、多種の金属イオンをコロイド中に均一、安定に分布させ、さらに脱水することにより均一なゲル（非晶質体）を形成し、更に適切な処理を経ることにより、活性の極めて高い超微粉混合酸化物又は均一な固溶体を得ることができる。現在、この方法には大きく次の3つのプロセスがあります。

1）金属オキシ有機基錯体ゾルの形成→加水分解し、水酸基含有三度空間高分子構造の縮合→ゾル蒸発脱水ゲル化→低温オゾン焼成活性酸化物粉料。

2）異なる金属イオンを含む酸塩溶液と有機ゴムを混合して溶液にする→ゾル蒸発脱水してゲルにする→低温オゾン焼成粉体にする。

3）異なる金属イオンを含むゾルの直接焼入れ、堆積または加熱によるゲル化→低温エンタルピ焼成粉体。湿式化学法で製造したAl 2 O 3粉体の粒径はナノスケールに達することができ、粒径分布範囲が狭く、化学純度が高く、結晶欠陥が多い。この化学法粉体の表面エネルギーと活性は機械法粉体よりずっと高い。このような超微細Al 2 O 3粉体を原料とすることにより、アルミナ磁器の焼結温度（150℃〜300℃まで下げることができる）を明らかに下げることができるだけでなく、微結晶で高強度のアルミナ磁器材料を得ることができる。

また、参考までに次の3種類の超微細Al 2 O 3粉末体制の製造方法を推薦する専門家もいる：

1）（NH 4）SO 4 Al 2（SO 4）3・2 H 2 Oと（MgCO 3）4 Mg（OH）2・5 H 2 Oを混合、1200℃に加熱して分解すると、MgO含有純度99%、微細性02～05が得られるμ mのα— Al 2 O 3超微細粉末。

2）無水二酢酸アルミニウムを1200℃に加熱して3時間以上保温すると、05未満の微細性が得られるμ mのα— Al 2 O 3超微細粉体。

3）鉄筒鋼球、数百時間の湿式研磨、スラリー加熱酸洗浄除去鉄、浮選、複数回繰り返し、微細性03-05を製造できるμ mのα— Al 2 O 3超微細粉末。

アルミナセラミックス回路基板

2、磁器材料の調合方法の設計ドーピングによる磁器体焼結温度の低下

アルミナセラミックスの焼結温度は主にその化学組成中のAl 2 O 3の含有量によって決定され、Al 2 O 3の含有量が高いほど磁器材料の焼結温度が高くなるほか、磁器材料組成システム、各組成配合比及び添加物の種類にも関係している。

例えば、Al 2 O 3含有量が相当する場合、CaO−Al 2 O 3−SiO 2系Al 2 O 3磁器材料はMgO−Al 2 O 3−SiO 2系磁器材料より焼結温度が低く、中国で現在大量生産されているCaO−MgO−Al 2 O 3−SiO 2系磁器材料に対して、低い焼結温度と良好な効果を持たせるために、SiO 2／CaOが16〜06内にあり、MgO含有量は溶剤系酸化物総量の1／3を超えないように制御するとともに、処方に少量のLa 2 O 3、Y 2 O 3を導入する。

3、特殊焼成技術を用いて磁器体焼結温度を下げる

熱圧焼結技術を用いて、ブランク体を加熱しながら加圧すると、焼結は拡散伝質によって完成するだけでなく、この時塑性流動は重要な役割を果たし、ブランク体の焼結温度は常圧焼結よりずっと低くなり、この熱圧焼結はAl 2 O 3セラミックス焼結温度を下げる重要な科学技術の一つである。

現在のホットプレス焼結法には圧力焼結法と高温などの静圧焼結法（HIP）の2種類がある。HIP法はブランクを等方性の圧力に受けることができ、セラミックスの微細構造は圧力焼結法よりも均一である。アルミナ磁器については、常圧で通常の焼結は1800℃以上の高温に焼結しなければならず、熱圧20 MPa焼結は、1000℃前後の比較的低い温度で緻密化している。

熱圧焼結技術はアルミナ磁器の焼結温度を著しく低下させるだけでなく、結晶粒の成長をよりよく抑制することができ、緻密な微結晶高強度のアルミナ磁器を得ることができ、特に透明アルミナ磁器と微結晶剛玉磁器の焼結に適している。

また、アルミナによる焼結過程はアニオンの拡散速度と関係があり、還元雰囲気はアニオン空孔の新規増加に有利であり、焼結の進行を促進することができる。これにより、真空焼結、水素雰囲気焼結などはアルミナ磁器の低温焼結を実現する有効な補助手段である。

生産実践の中で、最適な総合経済効果を得るために、上述のLTCC微熱技術はよく相互に協力して使用し、その中に助焼添加剤を添加する方法は他の方法に比べて、コストが低く、効果がよく、技術が簡便で実用的な特徴がある。中アルミニウム磁器、高アルミニウム磁器、剛玉磁器の生産に広く使用されている。また、材料の角度から見ると、改質技術をドーピングすることによって、アルミナセラミックスの各電気機械効率を大幅に向上させ、Al 2 O 3含有量の高い磁器体の代わりにAl 2 O 3含有量の低い磁器体を用いることは、企業が常用するアルミナセラミックス製品の焼結温度を下げる有効な科学技術手段でもある。例えば、材料の効能が製品の使用要求を満たす下で、90磁器や95磁器の代わりに85磁器を用い、99磁器の代わりに90磁器、95磁器を用いるなどが可能である。

アルミナセラミックスLTCC微熱技術はすでに比較的に良い経済効果を得ているが、依然として掘削可能な潜在力があり、現在もいくつかの製品があり、材料の特殊な効能要求と高温状態におけるデバイスの寸法安定性から考えて、依然として高温焼結を採用しており、どのようにこのような製品の焼結温度を下げるかは、今後の磁器体ドーピング改質などの微熱技術の努力方向である。