CN103732558B - 氧化铝质陶瓷及使用其的陶瓷配线基板和陶瓷封装件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机械强度高的氧化铝质陶瓷及应用其的配线基板和陶瓷封装件。以三氧化二铝作为主成分，含有以Mn2O3换算为2.0～5.0质量%的锰以及以SiO2换算为3.0～7.5质量%的硅，通过X射线衍射的Rietveld分析求得的以三氧化二铝为主成分的晶相的比例为99.0～99.9质量%，并且晶相的平均粒径为0.8～1.5μm，并且每单位面积的孔隙的面积比例为3.1%以下。

Description

氧化铝质陶瓷及使用其的陶瓷配线基板和陶瓷封装件
技术领域
本发明涉及适用于要求高强度的绝缘基板的氧化铝质陶瓷及应用了该氧化铝质陶瓷的陶瓷配线基板和陶瓷封装件。
背景技术
以往，作为用于收纳半导体元件、晶体振子等电子部件的封装件所使用的配线基板，从机械强度比较高并且气密性优异的观点出发，多用陶瓷配线基板。
图2中，示出了用于搭载电子部件的陶瓷封装件的分解斜视图的一例。用于搭载晶体应用制品等电子部件的陶瓷封装件如下构成，例如，在包含氧化铝质烧结体的陶瓷基板101的表面形成导体102，用于对在该导体102的表面安装的电子部件（例如，晶体应用制品）109进行气密密封的金属构件105（在此，为盖体105）经由被涂覆于金属化层103的银钎料等接合构件107而接合的构成（例如，参照专利文献1）。
本申请人，之前，作为适用于这种陶瓷封装件的基板材料，已提出了可与铜系导体同时烧成的低温烧成型的氧化铝质陶瓷（例如，参照专利文献2，专利文献3）。
近年，手机、IC卡等移动电子设备逐渐普及，这些电子设备越发要求小型化、薄型化和高性能化，因此，装入这些电子设备中的电子部件109或用于收纳电子部件的陶瓷封装件也要求进一步的小型化和薄型化。
进行陶瓷封装件的小型化和薄型化时，需要使构成位于陶瓷封装件底面的陶瓷基板101的基板底部101a的厚度t、和成为将盖体105接合的部分的基板堤部101b的宽度w0变窄。
但是，在基板底部101a的厚度t和基板堤部101b的宽度w0例如变得极薄而达到0.5mm以下的情况下，即使应用上述的基板材料，仍存在接合盖体105时陶瓷基板101的基板底部101a或基板堤部101b变形，由此在陶瓷基板101上发生裂纹的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-196485号公报
专利文献2：日本特开2003-101238号公报
专利文献3：日本特开2006-100364号公报
发明内容
发明所要解决的课题
因此，本发明目的在于提供机械强度高的氧化铝质陶瓷及应用其的高强度的配线基板和陶瓷封装件。
用于解决课题的方法
本发明的氧化铝质陶瓷的特征在于，以三氧化二铝为主成分，含有以Mn2O3换算为2.0～5.0质量%的锰以及以SiO2换算为3.0～7.5质量%的硅，通过X射线衍射的Rietveld分析求得的以所述三氧化二铝为主成分的晶相的比例为99.0～99.9质量%，并且所述晶相的平均粒径为0.8～1.5μm，并且每单位面积的孔隙的面积比例为3.1%以下。
本发明的陶瓷配线基板的特征在于，其通过在绝缘基板表面具有金属化层而成，所述绝缘基板由上述的氧化铝质陶瓷构成。
本发明的陶瓷封装件的特征在于，其通过在绝缘基板的表面经由接合构件接合金属构件而成，所述绝缘基板由上述的氧化铝质陶瓷构成。
发明效果
根据本发明，可以得到机械强度高的氧化铝质陶瓷。另外，通过将这样的氧化铝质陶瓷作为绝缘基板的材料来应用，可以得到高强度的陶瓷配线基板和陶瓷封装件。
附图说明
图1是表示本发明的陶瓷封装件的一个实施方式的分解斜视图。
图2是表示以往的陶瓷封装件的一个实施方式的分解斜视图。
具体实施方式
下面，说明本发明的实施的方式。本实施方式的氧化铝质陶瓷以三氧化二铝为主成分，含有以Mn2O3换算为2.0～5.0质量%的锰以及以SiO2换算为3.0～7.5质量%的硅。
另外，就该氧化铝质陶瓷而言，通过X射线衍射的Rietveld分析求得的以三氧化二铝为主成分的晶相的比例为99.0～99.9质量%。
而且，就该氧化铝质陶瓷而言，以三氧化二铝为主成分的晶相（以下称为氧化铝晶相。）的平均粒径为0.8～1.5μm，并且每单位面积的孔隙的面积比例为3.1%以下。
根据本实施方式的氧化铝质陶瓷，虽然除作为主成分的三氧化二铝以外还含有相当量的锰和硅，但作为主晶相的氧化铝晶相的比例高达99质量%以上，另外，该晶相的平均粒径小且孔隙的面积比例也小，因此成为机械特性优异的材料，可以实现3点弯曲强度为680MPa以上的氧化铝质陶瓷。
通常，如果使三氧化二铝中含有氧化锰等助剂成分，则在作为瓷器的氧化铝质陶瓷的氧化铝晶相的晶界上，例如容易形成源自MnAl2O4等复合氧化物的晶相，但在本实施方式的氧化铝质陶瓷中，使氧化铝晶相的晶界上存在的可识别的晶相的比例在1质量%以下，形成氧化铝晶相借助源自氧化锰或氧化硅的非晶相而烧结的状态，因此相比于结晶结构不同的其他晶相与氧化铝晶相邻接存在的情况，晶相间的转变的发展被抑制，由此可以实现作为烧结体的氧化铝质陶瓷的高强度化。在此，氧化铝晶相以形成颗粒状晶粒的方式存在于瓷器中。
与此相对，在通过X射线衍射的Rietveld分析求得的氧化铝晶相的比例比99.0质量%低的情况下，氧化铝质陶瓷中氧化铝晶相以外的晶相将大量存在，因此，由此氧化铝质陶瓷的机械强度变低。
在通过X射线衍射的Rietveld分析求得的氧化铝晶相的比例比99.9质量%高的情况下，由于成为氧化锰和氧化硅等烧结助剂量相当少的状态，因此氧化铝晶相相互之间的粘接力降低，该情况下还存在机械强度降低的趋势。
在氧化铝质陶瓷中含有的锰的含量以Mn2O3换算的比例计少于2.0质量%、或者SiO2换算的硅的含量少于3.0质量%的情况下，由于成为烧结助剂的成分量变少，因此在氧化铝晶相的晶界上，未遍及烧结助剂的部分变多，另外，由于氧化铝晶相自身也变得易于发生晶粒生长，因此该情况也会导致机械强度降低。
在氧化铝质陶瓷中含有的锰的含量以Mn2O3换算多于5.0质量%、或者SiO2换算的硅的含量多于7.5质量%的情况下，在氧化铝质陶瓷中作为高强度材料的氧化铝晶相的比例变少，因此，在该情况下也存在机械强度降低的趋势。
另外，在氧化铝晶相的平均粒径为0.8～1.5μm范围以外的情况下，氧化铝质陶瓷的机械强度也降低。在此，认为在氧化铝晶相的平均粒径小于0.8μm的情况下机械强度降低的原因在于，氧化铝晶相微粒化，比表面积变大，因此对于氧化铝晶相的晶界而言存在未遍及氧化锰、氧化硅等助剂的部分。
认为在氧化铝晶相的平均粒径大于1.5μm时机械强度降低的原因在于，存在如果破坏源的尺寸变大则陶瓷的机械强度降低的趋势，如果氧化铝晶相的平均粒径变大则受到载荷时产生的破坏源的尺寸变大。
另外，在该氧化铝质陶瓷的每单位面积的孔隙的面积比例大于3.1%的情况下破裂源的尺寸也变大，因此导致机械强度降低。
在此，氧化铝质陶瓷中含有的晶相的比例如下求得，即，对将氧化铝质陶瓷粉碎得到的粉末状的试样进行Ｘ射线衍射，对得到的Ｘ射线衍射图样进行Rietveld分析，进而求得各晶相的质量比。
氧化铝质陶瓷中含有的各成分的含量可以通过原子吸收分析和ICP（InductivelyCoupledPlasma）分析求得。此时，将所得的氧化铝质陶瓷溶解于酸性溶液，通过原子吸收分析进行氧化铝质陶瓷中所含有的元素的定性分析，接着，将稀释标准液而得的液体作为标准试样，利用ICP发光分光分析对特定的元素进行定量化。需要说明的是，依据元素周期表中所示的各元素的价数求得氧含量。
氧化铝晶相的平均粒径如下求得，即，对于将氧化铝质陶瓷的试样的断面研磨后的研磨面，利用扫描型电子显微镜拍摄1000～5000倍的照片，接着，利用该照片通过截距法求得。
孔隙的面积比例如下求得，即，将氧化铝质陶瓷的表面镜面研磨后，利用图像分析装置求得在设为观察范围的规定面积内所观察到的孔隙（开孔）的总面积，进而求得该总面积相对于观察范围即规定面积的比例。
机械强度通过基于JIS-R1601的方法求得。
如上所述，就本实施方式的氧化铝质陶瓷而言，即使含有相当量的锰和硅等添加成分，仍形成氧化铝晶相以外的晶相生成受到抑制的结晶组织，因此成为机械特性优异的材料，在该氧化铝质陶瓷中，在使锰和硅的组成式分别为Mn2O3和SiO2时，使Mn2O3/(Mn2O3＋SiO2)所表示的质量比为30～50%，而且，在使上述氧化铝质陶瓷含有镁和钼、使镁的含量以MgO换算为0.3～0.7质量%、使钼的含量以MoO换算为0.3～0.7质量%、并使孔隙率为3.0%以下时，可以使氧化铝质陶瓷的机械强度（3点弯曲强度）为700MPa以上。
另外，就该构成的氧化铝质陶瓷而言，除了锰和硅以外，还甚至对镁和钼的组成进行了调整，因此可以制成无颜色不均（包括瓷器渗色（磁器シミ））、外观具有创意性的漂亮的陶瓷。
另外，在将该构成的氧化铝质陶瓷作为后述那样的绝缘基板，在其表面形成金属化层时，可以提高金属化强度。
进而，在该氧化铝质陶瓷中，在Mn2O3/(Mn2O3＋SiO2)所表示的质量比为30～40%时，可以将3点弯曲强度提高到710MPa以上。此时，希望氧化铝质陶瓷中含有的以三氧化二铝为主成分的晶相的比例为99.2～99.9质量%。
如上所述，本实施方式的氧化铝质陶瓷在机械特性方面优异，因此适宜作为各种陶瓷配线基板、陶瓷封装件等的绝缘基板。
此时，如果在包含氧化铝质陶瓷的绝缘基板的表面形成金属化层，则可以使金属化强度达到43N（kg·m/s2）以上，特别是达到51N（kg·m/s2）以上。其原因在于，包围氧化铝晶相周围的含锰和硅的氧化物的非晶相，向在氧化铝质陶瓷的表面形成的金属化层（金属粉末的烧结体）侧润湿性良好地浸透。
图1是表示本发明的陶瓷封装件的一个实施方式的分解斜视图。
本实施方式的陶瓷封装件通过在陶瓷制的绝缘基板1的表面具有呈围绕状地配置的金属化层3而成，在该呈围绕状配置的金属化层3的上面，设置有用于将盖体、金属框等金属构件5与金属化层3接合的接合构件7。
绝缘基板1由板状的基板底部1a、和在该基板底部1a的边缘部设置的基板堤部1b构成，在基板底部1a的表面形成有用于安装电子部件9的导体11。
该陶瓷封装件将本实施方式的高强度的氧化铝质陶瓷应用于作为绝缘基板的基板底部1a、和基板堤部1b，并减小陶瓷封装件的尺寸，因此，即便使基板底部1a的厚度t和基板堤部1b的宽度w0变薄，也可以抑制将作为盖体的金属构件5接合时所产生的基板底部1a、基板堤部1b的变形，可以防止裂纹的发生。另外，根据这样的陶瓷封装件，即使进行温度循环试验等可靠性试验，也可以减小绝缘基板1和金属化层3的界面处产生的形变，可以得到高可靠性的陶瓷封装件。此时，适于基板底部1a的平均厚度为0.05～0.3mm、特别是0.05～0.2mm，另外，基板堤部1b的平均厚度为0.15mm以下这样薄型陶瓷封装件。
形成金属化层3的材料只要是比接合构件7使用的材料熔点高的金属材料即可，从可以与陶瓷基板1同时烧成的观点考虑，适宜为以钼、钨或它们的合金为主成分的材料。此时，也可以配合绝缘基板1的组成和烧结温度而使钼、钨中复合铜、银等。
另外，作为金属化层3中含有的陶瓷成分，希望是即便在金属化层3的金属材料进行烧结的温度区域中也不熔融、在烧结后仍残留于金属化层3内部这样的熔点高的陶瓷材料。此时，例如，氧化铝、氧化锆、氧化镁和稀土类元素的氧化物等是适宜的，从提高以钼、钨等为主成分的金属化层3的强度方面考虑，优选三氧化二铝（氧化铝）作为绝缘基板1的主成分。需要说明的是，希望导体11也是相同的组成。
作为接合构件7，优选加热时在比较低的温度（在此，为900℃以下）下熔融、呈低粘度、在金属化层3中容易扩散的材料，例如，含银焊料（Ag-Cu）、伍德合金等低熔点金属的材料是适宜的。
作为金属构件5，可以应用可伐合金（コバール）、4-2合金、铝碳化硅（ALSiC）等金属材料和金属材料中复合化有陶瓷的材料、或者陶瓷材料。
接着，对制造本实施方式的氧化铝质陶瓷、应用了该氧化铝质陶瓷的陶瓷配线基板、和陶瓷封装件的方法进行说明。
首先，向将三氧化二铝粉末（以下称为氧化铝粉末。）、氧化锰粉末（Mn2O3粉末）和氧化硅粉末（SiO2粉末）按规定量混合后的陶瓷粉末中添加有机粘合剂后，将其通过压制法、刮刀法、压延法、注射法等公知的成形方法形成例如板状的未加工的成形体。此时，如果使Mn2O3粉末和SiO2粉末的比例以Mn2O3/(Mn2O3＋SiO2)比（质量比）计为30～50%，则可以进一步降低所得的氧化铝质陶瓷中含有的氧化铝晶相以外的晶相比例。
可以使在此使用的氧化铝粉末、Mn2O3粉末和SiO2粉末的平均粒径均处于0.3～1.0μm的范围，由此可以使烧成后的氧化铝质陶瓷中的氧化铝晶相的平均粒径为0.8～1.5μm，并且可以抑制氧化铝晶相以外的晶相在氧化铝晶相的晶界的析出。
接着，在该未加工的成形体的表面上根据需要形成导体图样后，例如、在还原气氛中，在1300～1600℃的温度下烧成。
在制造图1所示的构成的陶瓷封装件时，首先，制作生坯片作为用作基板底部1a的未加工的成形体，接着，在其表面形成导体图样。
用作基板堤部1b的未加工的成形体如下制作，即，对生坯片进行孔加工，接着，在该生坯片的孔周围的表面上部分地形成导体图样。此时，根据需要也可以预先准备仅进行了孔加工的片材。
接着，在用作基板底部1a的生坯片的形成了导体图样的一侧，层叠在孔周围的表面上形成了导体图样生坯片，使其密合，形成图1所示形状的陶瓷封装件用成形体。
作为导体图样用的糊剂，可以配合陶瓷粉末的烧结温度而使用各种组成的金属材料，在未加工的成形体例如使用含有80质量%以上的氧化铝粉末的陶瓷粉末的情况下，可以使用钼、钨等的高熔点的金属材料。
另外，在所得的陶瓷封装件的金属化层3表面形成镍的镀膜，在形成了镍的镀膜的金属化层3的表面，经由接合构件7而使盖体、金属框等金属构件5接合。
就这样制作的具有金属构件5的陶瓷封装件而言，绝缘基板1的机械强度高，另外，金属化层3与经由接合构件7的金属构件5的接合强度高，无外观不良，而且，在绝缘基板1上接合了盖体时可实现高气密性。
实施例
接着，对用于确认本发明的效果进行的实验例进行说明。
首先，作为用于制作氧化铝质陶瓷的原料粉末，准备了平均粒径均为0.5μm的氧化铝粉末、Mn2O3粉末、SiO2粉末、MgO粉末和MoO3粉末。
接着，将这些原料粉末以表1所示的比例混合后，采用丙烯酸类粘合剂作为成形用有机树脂（粘合剂），以甲苯作为溶剂进行混合制备浆料，然后，采用刮刀法制作规定厚度的生坯片。
将所得的生坯片层叠至规定厚度，根据需要印刷以表1所示的金属为主成分的导体图样，在表1所示的温度下进行烧成。烧成气氛采用露点为+25℃的氮-氢混合气氛。
接着，关于所得的氧化铝质陶瓷进行了以下评价。
各晶相的比例如下求得，即，粉碎所得的氧化铝质陶瓷，通过Ｘ射线衍射识别主晶相，通过Rietveld分析求得。
氧化铝晶相的平均粒径如下求得，即，对氧化铝质陶瓷的试样的断面进行断面研磨，对所得的研磨面利用扫描型电子显微镜拍摄约3000倍的照片，接着，利用该照片通过截距法求得。
孔隙的面积比例如下求得，即，将氧化铝质陶瓷的表面通过研磨剂镜面研磨后，利用图像分析装置（Nireco制LUZEX-FS）求得在规定的面积内观察到的孔隙（开口气孔）的总面积，求得该总面积相对于规定的面积的比例。此时显微镜倍率约为100倍，使测定面积为9.0×104μm2而测定10处，由此算出。
机械强度如下求得，即，制作厚度3mm、宽度4mm、长度40mm的梁状试样，基于JISR1601在室温下测定3点弯曲强度，由35根的平均值求得。
就金属化强度而言，在生坯片上，以烧成后成为2mm×20mm的尺寸的方式形成导体图样，用与上述相同的方法烧成后，进行镀Ni，采用共晶Ag-Cu钎焊材料对其接合Fe-Ni-Co的引脚，将以20mm/min的速度垂直向上拉拽而剥离时的载荷作为金属化强度来进行评价。
另外，在形成于氧化铝质陶瓷的表面的金属化层上形成无电解的镍（Ni）和金（Au）的镀膜后，采用体视显微镜以约40倍观察其外观，对氧化铝质陶瓷表面的颜色不均（由添加成分的显色引起的渗色）的有无进行评价。另外，对镀敷附着的有无也进行评价，将观察到颜色不均或镀敷附着的试样判定为不良（×）。需要说明的是，在表1中，○的判定是没有外观不良的试样。
另外，通过原子吸收分析和ICP分析求得制作出的试样的组成。此时，将所得的氧化铝质陶瓷溶解于酸性溶液，通过原子吸收分析进行氧化铝质陶瓷中所含元素的定性分析，接着，将稀释标准液而得液体作为标准试样，利用ICP发光分光分析对特定的各元素的进行定量化。依据元素周期表中所示的各元素的价数求得氧含量。试样的组成均与表1所示的调制组成一致。
由表1的结果可知试样No.1～4、6～8、10～17、18和19的3点弯曲强度均为680MPa以上，其中，上述试样以三氧化二铝为主成分，含有以Mn2O3换算为2.0～5.0质量%的锰以及以SiO2换算为3.0～7.5质量%的硅，通过X射线衍射的Rietveld分析求得的以三氧化二铝为主成分的晶相的比例为99.0～99.9质量%，并且氧化铝晶相的平均粒径为0.8～1.5μm，并且每单位面积的孔隙的面积比例为3.1%以下。
另外，试样No.1、3、4、7、8、11、12、15、16、19和20的3点弯曲强度均为705MPa以上，其中，上述试样在使锰和硅的组成式分别为Mn2O3和SiO2时，Mn2O3/(Mn2O3＋SiO2)所表示的质量比为30～50%，上述试样还含有镁和钼，镁以MgO换算为0.3～0.7质量%，钼以MoO换算为0.3～0.7质量%，并且孔隙率为3.0%以下。另外，这些试样的金属化强度均为51N以上，试样的表面无颜色不均、镀敷附着，保持良好的外观。
其中，特别是，就氧化铝晶相的比例为99.2～99.9质量%，且Mn2O3/(Mn2O3＋SiO2)所表示的质量比为30～40%的试样No.1、3、4、7、11、12、15、16、19和20而言，其3点弯曲强度均为710MPa以上。
与此相对，就试样No.5、9、18、21～24而言，其3点弯曲强度均低于680MPa。
附图说明
1、101…绝缘基板
1a、101a…基板底部
1b、101b…基板堤部
3、103…金属化层
5、105…金属构件（盖体）
7、107…接合构件
9、109…电子部件
11、102…导体

Claims (4)

1.一种氧化铝质陶瓷，其特征在于，以三氧化二铝为主成分，含有以Mn2O3换算为2.0～5.0质量％的锰以及以SiO2换算为3.0～7.5质量％的硅，
在使所述锰和所述硅的组成式分别为Mn2O3和SiO2时，Mn2O3/(Mn2O3+SiO2)所表示的质量比为30～50％，
所述氧化铝质陶瓷还含有镁和钼，
所述镁以MgO换算为0.3～0.7质量％，
所述钼以MoO换算为0.3～0.7质量％，
所述氧化铝质陶瓷具有以三氧化二铝为主成分的晶相、MnAl2O4晶相和Mo晶相，通过X射线衍射的Rietveld分析求得的所述以三氧化二铝为主成分的晶相的比例为99.0～99.9质量％，并且
合并所述MnAl2O4晶相和所述Mo晶相而得的晶相的比例为1质量％以下，
此外，所述以三氧化二铝为主成分的晶相的平均粒径为0.8～1.5μm，
并且每单位面积的孔隙的面积比例为3.0％以下。
2.根据权利要求1所述的氧化铝质陶瓷，其特征在于，所述以三氧化二铝为主成分的晶相的比例为99.2～99.9质量％，并且Mn2O3/(Mn2O3+SiO2)所表示的所述质量比为30～40％。
3.一种陶瓷配线基板，其特征在于，其通过在绝缘基板表面设置金属化层而成，所述绝缘基板由权利要求1或2所述的氧化铝质陶瓷构成。
4.一种陶瓷封装件，其特征在于，其通过在绝缘基板的表面经由接合构件接合金属构件而成，所述绝缘基板由权利要求1或2所述的氧化铝质陶瓷构成。
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