JP2748961B2 - 表面改質アルミナセラミックスの製造方法 - Google Patents

表面改質アルミナセラミックスの製造方法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、表面改質アルミナセラミックスの製造方法
に関し、とくにその表面の比表面積を増大させて、半導
体集積回路基板やエンジニアリングセラミックスとして
要求される金属等との接着性の改善、あるいは新規な触
媒担体を得ることに関するものである。
〔従来の技術〕
アルミナセラミックスは機械的強度、熱特性、電気的
特性等に優れているために各種の工業分野で広く用いら
れている。とくに半導体集積回路用の基板として需要が
増大しているが、基板上に接続用の電極や電気回路を形
成するためにアルミナセラミックス上に金属等の所望の
導電性材料を印刷あるいは接着の後に焼成している。と
ころが、アルミナセラミックスの表面が平滑であると表
面に形成した金属等が剥離しやすいことから、アルミナ
セラミックスと金属等との密着性を良くするために、ア
ルミナセラミックスの表面をサンドブラスト等の機械的
な方法またはフッ化水素酸、燐酸、水酸化ナトリウム等
の酸、アルカリで結晶粒界を溶出する化学的エッチング
によって粗面化することが行われている。
〔発明が解決しようとする課題〕
アルミナセラミックスの機械的な方法や化学的な方法
による粗面化は表面組織構造の荒れ方が不均一であり、
微細な溝や突起が得られにくいために金属等との密着性
が低下しやすいのみではなく、粗面化に長時間を要して
いた。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、アルミナセラミックスの表面組織構造
の荒れ方を均一化し、比表面積を増大させると共に表面
に形成する金属等との密着性を高めるために、従来のよ
うに表面の一部を機械的あるいは化学的方法によって取
り除くのではなく、逆に該セラミックス表面に極めて強
度が大きく比表面積の大きな層を形成することによって
も目的が達せられることに着目した。そこでアルミナセ
ラミックス上に形成する層について鋭意検討をしたとこ
ろアルミナセラミックスの主成分であるアルミナを含み
アルミナの焼結温度と針状結晶の成長する温度がほぼ一
致するムライトの結晶を3次元的に成長させて密生させ
ることにより比表面積および接合力が大きな層が得られ
ることを見いだした。
すなわち、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素を主成分
とする粘土鉱物、酸化アルミニウム粉末もしくは水酸化
アルミニウム粉末と二酸化ケイ素粉末もしくはケイ酸塩
ガラス粉末との混合物またはそれらの水性スラリーから
選ばれる少なくとも一種の物質をアルミナ成形体または
アルミナセラミックスの表面に塗布後に1200ないし1700
℃で焼成し、得られたアルミナセラミックスの表面に残
存するガラス成分を溶出することにより針状ムライトを
アルミナセラミックスの表面に形成させるものである。
なお、本発明におけるアルミナ成形体はセラミックス
成分としてアルミナのみからなる成形体のみではなくア
ルミナ以外のシリカ、マグネシア等の成分も含むアルミ
ナを主成分とする成形体を包含し、同様にアルミナセラ
ミックスにもアルミナのみからなるセラミックス以外に
アルミナを主成分としシリカ、マグネシア等を含むセラ
ミックスを包含する。また、本発明は未焼結のアルミナ
成形体、また焼結したアルミナセラミックスの何れにつ
いても用いることが可能である。
以下、未焼結のアルミナ成形体を用いる場合について
説明する。
アルミナとしては、粒径が0.1ないし10μmの実質的
に他の成分を含まない粉末、例えば平均粒径0.5μmの
アルミナ粉末(α型アルミナ、住友化学(株)製、商品
名ABS-12、不純物Fe2O3:0.01、SiO2:0.02、Na2O:0.03含
有、単位はいずれも重量%)、平均粒径5μmのアルミ
ナ粉末(α型アルミナ、住友化学(株)製、商品名AM-2
5、不純物Fe2O3:0.01、SiO2:0.02、Na2O:0.03含有、単
位はいずれも重量%)、平均粒径10μmのアルミナ粉末
(α型アルミナ、住友化学(株)製、商品名AM-28、不
純物Fe2O3:0.01、SiO2:0.02、Na2O:0.27含有、単位はい
ずれも重量%)等を用い、結着剤としてメチルセルロー
ス、ポリビニルアルコール、ワックス、熱硬化性樹脂、
熱可塑性樹脂等を2〜30重量%加えて押出成形、鋳込み
成形等によりペレット状、ハニカム状、薄板状に成形し
た後に充分に乾燥させてアルミナ成形体を得る。
続いて成形体の表面に、ムライトを形成する物質を塗
布あるいは浸漬して表面にムライト形成物質を付着させ
るが、ムライト形成物質としてはカオリンや陶磁器用の
陶土等の粘土鉱物が挙げられ、また石英粉末、クリスト
バライト粉末、トリジマイト粉末、板ガラス粉末、コロ
イド状シリカまたは水ガラスなどのケイ酸塩ガラスある
いは酸化アルミニウム粉末もしくは水酸化アルミニウム
粉末と二酸化ケイ素粉末との粉末状混合物等を用いるこ
とができる。二酸化ケイ素と水酸化アルミニウム、酸化
アルミニウム等との粉末状混合物を原料をとする場合に
は0.1〜100μmの範囲で選ばれるが、酸化アルミニウム
や水酸化アルミニウムでは0.1〜10μm、二酸化ケイ素
では0.5〜50μm程度が好ましい。
ケイ酸塩ガラスの粉末や二酸化ケイ素と酸化アルミニ
ウムないしは水酸化アルミニウムとの混合粉末を用いる
場合には粉末のままあるいは重量比で原料粉末1〜10、
水が99〜90の割合の原料粉末が分散したスラリーを用い
る。
ムライト形成物質を付着したアルミナ成形体あるいは
アルミナセラミックスは、1200〜1700℃の温度で0.1〜1
0時間、好ましくは1〜3時間焼成した後に、焼成体に
残存するガラス成分あるいはガラス相を、酸またはアル
カリで溶出する。酸としてフッ化水素酸を用いる場合に
は、2〜20%の濃度の酸に20〜50℃の温度で10分ないし
3時間浸漬する。また水酸化ナトリウムや水酸化カリウ
ム等のアルカリを用いる場合には0.1〜2規定の濃度の
ものを用いてオートクレーブ中で100〜200℃の温度で30
分〜10時間浸漬する。これらの溶出処理の後には水洗な
どの常用の方法により後処理する。
このような方法により、アルミナセラミックスの表面
に密着して微細な針状ムライトが3次元的に成長し、針
状結晶が交錯して密生した表面改質アルミナセラミック
スが得られる。得られた針状ムライトは、通常長径1〜
30μm、短径0.1ないし2μmのウイスカー状結晶の形
態を示し、約1750℃まで熱安定性を有し変形しにくい。
得られた表面改質アルミナセラミックスは、孔径が0.
1〜1μmの気孔が形成された多孔質のものでその気孔
率は針状ムライト層の厚さに比例し、5〜40%の範囲で
調整することが可能である。また、針状ムライトは下地
のアルミナセラミックスと強く密着しているので、400
ないし500℃で加熱後急冷しても剥離しにくい。
以上、アルミナ成型体を用いる場合について説明して
きたが、アルミナ成型体に加えて、1200℃〜1400℃では
溶融−変形しにくいガラス、例えば石英ガラス等を使用
し、その表面に、アルミナ粉末、水酸化アルミニウム粉
末に酸化ナトリウム、酸化カリウム等のアルカリ成分を
数%添加して混練したものを塗布し、焼成した後、弗化
水素酸で処理することにより石英ガラスの表面に針状ム
ライトの密生は可能である。
(作用) 本発明の方法により、簡単で効率よくアルミナセラミ
ックスの表面組織構造の荒れ方を均一化すると共に比表
面積を増大させることができるので、金属等の密着性、
イオン等の吸着性、ハンダ等の浸透性を高めうることが
可能となる。
以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
〔実施例1〕 平均粒径0.5μmのアルミナ粉末(α型アルミナ、住
友化学(株)製、商品名AHS-12、不純物Fe2O3:0.01、Si
O2:0.02、Na2O:0.03含有、単位はいずれも重量%)に対
して、結着剤としてメチルセルロースを10重量%加えて
混練後薄板状に押出成形した。得られた成形体を充分に
乾燥し、重量50gのアルミナ成形体(厚さ2mm、幅50mm、
長さ160mm)を得た。
ムライト形成物質として、平均粒径1μmの粘土鉱物
粉末10重量部に対して水90重量部を加えてムライト形成
物質が分散したスラリーを調整した。このスラリー100m
l中に該アルミナ成形体を浸漬して含浸した後、アルミ
ナ成形体を1650℃で2時間焼成した。得られたアルミナ
セラミックスに残存するガラス成分あるいはガラス相を
4.6%のフッ化水素酸で1時間溶出し、水洗して針状ム
ライトが表面に密生した表面改質アルミナセラミックス
を得た。
得られた表面改質アルミナセラミックスの表面に密生
した針状ムライト結晶の3500倍の電子顕微鏡写真を第1
図に、また該セラミックスの断面構造の1500倍の電子顕
微鏡写真を第2図にそれぞれ示す。
薄板状の表面改質アルミナセラミックスを濃度0.1モ
ル/Lの硝酸第2鉄溶液中に2時間浸漬して含浸した後に
該セラミックス中に担持された鉄を塩酸で溶出して吸光
分析で求めたところ該セラミックス1g当り2.7mgであっ
た。
また、真空蒸着法によりニッケルを10分間蒸着した後
に1規定の塩酸でニッケルを溶出し吸光分析によりニッ
ケルの付着量を求めたところ34mgであった。
ニッケルを蒸着した該セラミックスに溶融したハンダ
をつけて濡れ性を調べたところハンダがよく浸透した。
一方機械的強度については、縦50mm、横10mm、厚さ1m
mの薄板状の該セラミックスをシアノアクリレート系樹
脂で接着し、曲げ強度を調べたところ20.5Kg/mm2であっ
た。
〔実施例2〕 実施例1と同様の方法で直径0.5ないし1mmの表面改質
したアルミナセラミックスのペレットを製造し、濃度0.
1モル/Lの硝酸第2鉄溶液中に2時間浸漬して含浸した
後に該セラミックス中に担持された鉄を塩酸で溶出して
吸光分析で求めたところ該セラミックス1g当り6.5mgで
あった。
〔実施例3〕 壁の厚み0.2mmハニカム状の触媒担体用のアルミナセ
ラミックスを実施例1と同様の方法で製造し、濃度0.1
モル/Lの硝酸第2鉄溶液中に2時間浸漬して含浸した後
に該セラミックス中に担持された鉄を塩酸で溶出して吸
光分析で求めたところ該セラミックス1g当り3.5mgであ
った。
〔比較例〕
ムライトの針状結晶で表面を改質する前のアルミナセ
ラミックスの金属の担持量を実施例1、2、3と同様の
方法で測定したところ薄板、ペレット、ハニカム状触媒
担体の場合にはそれぞれアルミナセラミックス1g当り0.
8mg、2.2mgおよび1.2mgであった。
また、表面を改質していない薄板状アルミナセラミッ
クスを実施例1と同様の方法で曲げ強度を調べたところ
11.4Kg/mm2であった。
〔発明の効果〕
以上詳述したように本発明の方法によればアルミナセ
ラミックスの表面組織構造の荒れを均一かし、比表面積
を増大させることができるので、各種の金属等の密着性
やイオン等の吸着性、ハンダ等の浸透性を高めた表面改
質アルミナセラミックスを容易に製造することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の表面改質アルミナセラミックスの表面
に密生した針状ムライト結晶の構造を説明する図面に代
える電子顕微鏡写真、第2図は第1図のアルミナセラミ
ックスの断面の構造を説明する図面にかえる電子顕微鏡
写真、第3図は非改質アルミナセラミックスの表面の結
晶構造を説明する図面にかえる電子顕微鏡写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−137789(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 41/80 - 41/91 B01J 37/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミナの成形体もしくはアルミナセラミ
    ックスの表面に二酸化ケイ素を含有する物質を塗布後に
    焼成し、得られた該セラミックスの表面に残存するガラ
    ス成分を溶出することにより針状ムライトをアルミナセ
    ラミックスの表面に形成させることを特徴とする表面改
    質アルミナセラミックスの製造方法。
  2. 【請求項2】二酸化ケイ素含有物質が酸化アルミニウム
    と二酸化ケイ素を主成分とする粘土鉱物、酸化アルミニ
    ウム粉末もしくは水酸化アルミニウム粉末と、二酸化ケ
    イ素粉末もしくはケイ酸塩ガラス粉末との混合物、また
    はそれらの水性スラリーから選ばれる少なくとも一種の
    物質であることを特徴とする請求項1記載の表面改質ア
    ルミナセラミックスの製造方法。
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