(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶窒化ホウ素２０〜９０重量％と雲母８０〜１０重量％の焼結体からなる半導体、電子部品製造に使用されるリードピンのろう付け用治具。
【請求項２】
焼結体の相対密度が６０〜９０％である請求項１記載の治具。
【請求項３】
六方晶窒化ホウ素２０〜９０重量％と雲母８０〜１０重量％を配合、成形し、非加圧下で焼成することを特徴とする半導体、電子部品製造に使用されるリードピンのろう付け用治具の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、電子部品製造におけるろう付け、封止、組付け等に使用されるセラミックス製の治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばＩＣ積層基板等の半導体、電子部品の製造においては、セラミックス基板にリードピンを銀ろう付けする工程がある。
この工程において、接合部材を定位置に保持し、高温炉中で熱処理を加えて銀ろう付けするための治具が用いられている。この治具を構成する材料に要求される特性は以下の通りである。
（１）溶融した銀ろうに濡れないこと。
（２）高温炉への出し入れによる急激な温度変化に対応する耐熱衝撃性。
（３）熱膨張係数がセラミックス基板素材に近いこと。もし、差があると昇温時および冷却時にリードピンと治具が接触してしまうおそれがある。
（４）リードピンが入る穴を高密度、高精度に開ける必要があるための、易機械加工性であること。
（５）ＩＣ基板の汚染を避けるため絶縁性であること、などが挙げられる。
従来、このような条件をある程度満足する治具材料として、安価である黒鉛質の治具が広く使用されてきた。
また近年、半導体、電子部品製造用治具として、次のような六方晶窒化ホウ素（以下ｈ−ＢＮという）系材料の治具が検討されている。
【０００３】
特開昭６２−２２４４７５ではｈ−ＢＮ単味の使用が提案されている。特開平５−２０１７７６ではｈ−ＢＮとアルミナ、ムライト、窒化ケイ素、窒化アルミニウムの１種以上との複合材、特開平５−３４５６４４ではｈ−ＢＮとサイアロン、酸窒化アルミニウム、アルミナ、ムライトの１種以上との複合材、特開平６−１８１２８２ではｈ−ＢＮとアルミナ、シリカ、あるいは窒化ケイ素等との複合材が提案されている。
【０００４】
またｈ−ＢＮの焼結体として他の分野においてはｈ−ＢＮに雲母をバインダーとして添加したものが知られている（特公昭５２−３４１４）。この焼結体はアルミニウム溶湯との濡れが少ないことからアルミニウム鋳造用鋳型や、軸受等に使用されるものである。また同様にアルミニウム溶湯等の浸透を防止するため雲母等の層状鉱物を用い、これを非酸化物セラミックスとの複合材からなる耐食材が提案されている。非酸化物セラミックスの一つとしてｈ−ＢＮも挙げられている（特公昭５８−５５１０９）。
しかし、これらは鋳型等の耐食材に利用されるものであって、半導体、電子部品製造用治具とはその技術分野、要求される特性等が本質的に異なるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
黒鉛質治具は様々な利点を有する反面、本質的に酸化を受けやすい欠点を有する。熱処理雰囲気がＮ2 、Ａｒ、Ｎ2 ＋Ｈ2 中であっても、微量に含まれる酸素、水分によって治具表面が酸化脆弱化し、摩耗によって寸法精度が低下する等、結果として低寿命に終わることがある。
また、セラミックスパッケージにリードピンを固定しろう付けする際に、セラミックスパッケージやリードピンが黒鉛治具に接触し、黒鉛粉付着による絶縁不良を起こす等の問題があった。
さらに、酸化した治具の取扱い中に黒鉛粉末が飛散し、作業環境を汚染する等の問題を有している。
近年、半導体集積回路は高集積化が進み様々な産業分野で重要な役割を担っている。電子部品の不良は大事故を招きかねない状態にあり、上記のような問題点を解決するために、ｈ−ＢＮ系材料を治具として使用することが検討されている。
【０００６】
しかし、特開昭６２−２２４４７５の場合、ｈ−ＢＮ単味であり、そのためアルミナ等のセラミックス基板との熱膨張係数が異なり、銀ろう付け治具としては使用できない。またｈ−ＢＮ単味では焼結性が悪く、成形体の強度、耐摩耗性が劣る。
特開平５−２０１７７６、同５−３４５６４４及び同６−１８１２８２ではｈ−ＢＮとサイアロン、アルミナ、酸窒化アルミニウム、ムライト等を複合させているが、これらの材料はｈ−ＢＮに比べ非常に硬く、そのため複合材自体も硬く脆いものとなり、治具に加工する際の研削、切削用チップ材及びドリル等の摩耗が大きいとともに、精密に加工することが困難である。
【０００７】
治具の材料としては非加圧焼結によるのが望ましく、その例として特開平１−１３１０６６はｈ−ＢＮとアルミナとの複合材を非加圧で焼結している。しかし、この複合材では焼結前の成形時に非常に大きい圧力が必要であるため製造が容易でない。
本発明は前記したような特性を満足する半導体、電子部品の製造用治具を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは種々研究の結果、上記の課題はｈ−ＢＮと雲母からなる複合焼結体により解決されることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明はｈ−ＢＮ２０〜９０重量％と雲母８０〜１０重量％との組成物の焼結体からなる半導体、電子部品製造用治具である。
この焼結体は上記組成物を成形し、非加圧下で焼成することにより製造可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明で使用されるｈ−ＢＮは黒鉛に似た結晶構造をしており、高温安定性、耐熱衝撃性、高熱伝導性、易機械加工性など黒鉛同様優れた性質を持つ。さらに治具として好都合なことに黒鉛と異なり電気絶縁性である。
【００１０】
一方、雲母類は耐熱性絶縁材料として広く利用されている。また、黒鉛やｈ−ＢＮと同様へき開性を有するため、焼結体は機械加工が可能である。
本発明に使用できる雲母粉末には、白雲母、金雲母等の天然雲母、またフッ素金雲母、フッ素四ケイ素雲母等の市販の合成雲母が容易に使用できる。好ましくはフッ素金雲母がよい。また、前記雲母を組み合わせて使用することもできる。また、本発明に使用する雲母は、前記雲母に限定するものではない。雲母は様々なイオンを置換できることが知られている。フッ素金雲母はＫＭｇ3 （ＡｌＳｉ3 Ｏ10）Ｆ2 で示される。雲母の一般式はＸ0.5 〜1.0 Ｙ2 〜3 Ｚ4 Ｏ10（ＯＨ，Ｆ）2 で示されるが、Ｘ，Ｙ，Ｚには様々なイオンが置換できることが知られている。Ｘ，Ｙ，Ｚに置換できるイオンには次の様なものがある。Ｘ：Ｎａ+ ，Ｋ+ ，Ｃａ2+，Ｂａ2+，Ｒｂ2+，Ｓｒ2+。Ｙ：Ｍｇ2+，Ｆｅ2+，Ｎｉ2+，Ｍｎ2+，Ａｌ3+，Ｆｅ3+，Ｌｉ+ 。Ｚ：Ｓｉ4+，Ｇｅ4+，Ａｌ3+，Ｆｅ3+，Ｂ3+。このように雲母は非常に多くの種類がある。
【００１１】
本発明における治具は、ｈ−ＢＮ２０〜９０重量％（以下％は重量％）と雲母８０〜１０％との複合焼結体からなる。その焼結メカニズムは雲母が焼結材として作用していると考えられる。そのためｈ−ＢＮが９０％を越え、雲母が１０％未満では焼結が不十分となり十分な機械的強度が得られない。
雲母は前記したように耐熱性電気絶縁材料として広く利用されているが、半導体等の製造に用いられるセラミックス基板に比べ熱膨張係数が大きいため雲母を８０％以下とし、残部をｈ−ＢＮとして熱膨張係数を下げる必要がある。
【００１２】
半導体や電子部品の製造に用いられるセラミックス基板は種々の材質のものがあり、夫々熱膨張係数が異なる。これに使用される治具は基板の熱膨張係数に近いものが要求される。
本発明の治具の材料である焼結体はこの点好都合である。それはｈ−ＢＮと雲母との組成比を変えることにより熱膨張係数をコントロールすることができるからである。この点も本発明の特徴の一つである。
【００１３】
以下にその代表的な組成と熱膨張係数の例を挙げる。
ｈ−ＢＮの熱膨張係数は０．７〜０．９×１０-6であり、例えばフッ素金雲母の熱膨張係数は１３．５×１０-6とｈ−ＢＮに比べて大きい。ｈ−ＢＮと雲母の配合比を変えることにより、複合材料の熱膨張係数を任意に調整することが可能で、様々なセラミックスパッケージ材料に適用することができる。
例えばｈ−ＢＮ／フッ素金雲母配合比＝２／１（重量比）の場合、熱膨張係数は５．１×１０-6であり、ｈ−ＢＮ／フッ素金雲母配合比＝１／２（重量比）の場合、熱膨張係数は７．６×１０-6となる。これにより、現在セラミックスパッケージとして広く使用されているアルミナ（７〜８×１０-6）をはじめ、窒化アルミ（４．４×１０-6）、炭化珪素（３．８×１０-6）、酸化ベリリウム（７．４×１０-6）、ムライト（４．２×１０-6）等、将来期待されている他の基板材料にも容易に適用できる。
【００１４】
次に製造法について説明する。
本発明に使用できるｈ−ＢＮ粉末には、市販の粉末を利用することができる。粒度は、平均粒径１〜１００μｍ、好ましくは５〜５０μｍがよい。１μｍより細かいと十分な密度が得られず、１００μｍを越えると機械的強度の低下が認められる。
雲母は前記した各種の雲母が用いられるが、その粒度は、平均粒径１〜５０μｍ、好ましくは５〜３０μｍがよい。１μｍより細かいと十分な密度が得られず、５０μｍを越えると機械的強度の低下が認められる。
上記粉末は混合されるが、その場合には窒化ホウ素粉及び雲母粉を所定の割合に配合後、分散媒中で混合を行う。分散媒としては水、エタノールなどが用いられる。混合装置には市販の様々な装置が使用でき、中でもボールミルが好ましい。その後混合スラリーを乾燥造粒を行う。なお、造粒の際に、成形を容易にし焼結前の成形体の取扱いに必要な強度を与えるために、バインダー、例えばポリビニルアルコール、アクリル樹脂などを少量添加することができる。乾燥造粒には、現在知られている様々な方法を採用することができる。例えば、スプレードライヤー、スバルタンリューザー等が挙げられる。
【００１５】
造粒物は次に成形されるが、成形には成形圧力１５００ｋｇ／ｃｍ2 〜３０００ｋｇ／ｃｍ2 のプレス成形及びラバープレス等を採用することができる。好ましくは１５００ｋｇ／ｃｍ2 〜２０００ｋｇ／ｃｍ2 が良い。成形圧が３０００ｋｇ／ｃｍ2 を越えると高価な設備が必要になる。また、押出成形、射出成形も可能である。
成形体の焼結には、常圧等の非加圧焼結法またはホットプレス法を採用することができる。処理条件は、１１００〜１３００℃の真空あるいは窒素ガス等の不活性雰囲気中で行うことができる。
しかし、ホットトプレス法では高密度及び高強度な焼結体を得ることが可能であるが、大きさや形状に制限があること及び装置が高価であるためコストアップを生じるので常圧等の非加圧焼結法が好ましい。焼結処理は、焼結体の理論密度比が６０％以上が好ましく、６０％未満では機械的強度が十分ではない。治具の密度としては、理論密度比６０％以上あれば十分使用に耐えうるものであり、その上限は９０％程度である。これらを常圧等の非加圧焼結法での作成が可能であることが本発明の特徴の一つである。
【００１６】
【実施例】
以下に本発明を実施例及び比較例にて詳説する。
実施例１
平均粒径約２０μｍのｈ−ＢＮ粉末（昭和電工製ＵＨＰ−ＥＸ）２０％と平均粒径約１５μｍのフッ素金雲母粉末（トピー工業製ＰＤＭ−８００）８０％を配合し、エタノールを分散媒としてボールミル中で２４時間混合した。得られたスラリーを１２０℃で乾燥後、３００μｍ篩下に解砕し造粒粉を得た。その後圧力１５００ｋｇ／ｃｍ2 でラバープレスし成形体とした。次いでこの成形体をＮ2 雰囲気中、常圧下１２００℃で２時間焼結した。その結果、理論密度比約７３％の焼結体を得た。実施例１の焼結体強度、熱膨張係数及び加工性の評価を表１に示す。
【００１７】
実施例２
ｈ−ＢＮの含有量を３５％、残部をフッ素金雲母にすること以外は実施例１と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
実施例３
ｈ−ＢＮの含有量を６７％、残部をフッ素金雲母にすること以外は実施例１と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
実施例４
ｈ−ＢＮの含有量を８０％、残部をフッ素金雲母にすること以外は実施例１と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
実施例５
ｈ−ＢＮの含有量を９０％、残部をフッ素金雲母にすること以外は実施例１と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
実施例６
雲母を平均粒径約２０μｍのフッ素四珪素雲母（コープケミカル製ＭＫ−３００）にすること以外は実施例２と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
【００１８】
実施例７
成形圧力を２０００ｋｇ／ｃｍ2 にすること以外は、実施例２と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
実施例８
成形圧力を３０００ｋｇ／ｃｍ2 にすること以外は、実施例２と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
実施例９
成形圧力２０００ｋｇ／ｃｍ2 でラバープレスして作成した成形体を、以下の条件でホットプレス法により焼結する以外は、実施例２と同様にして焼結体を得た。ホットプレス条件は、圧力３００ｋｇ／ｃｍ2 、温度１２００℃、時間３０分。焼結体の特性を表１に示す。
実施例１０
平均粒径約３０μｍのフッ素金雲母粉末（トピー工業製ＰＤＭ−７−３２５）を使用すること以外は、実施例７と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
実施例１１
平均粒径約３０μｍのフッ素金雲母粉末（トピー工業製ＰＤＭ−７−３２５）を使用すること以外は、実施例８と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。
【００１９】
比較例１
ｈ−ＢＮの含有量を１０％、残部をフッ素金雲母にすること以外は実施例１と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。熱膨張係数が大きく治具として使用できない。
比較例２
ｈ−ＢＮの含有量を９５％、残部をフッ素金雲母にすること以外は実施例１と同様にして焼結体を得た。焼結体の特性を表１に示す。熱膨張係数が小さいとともに、曲げ強度が他に比べて低い。また、加工性試験において、チッピングが認められた。
【００２０】
尚、表１に記載した複合焼結体の各物性測定は、次の方法により行った。
（１）焼結体相対密度：
ｈ−ＢＮの真比重をＡ、雲母の真比重をＢとし、ｎを焼結体中のＡの重量割合を示すものとすると、
複合体の理論密度はｎＡ＋（１−ｎ）Ｂとなる。
この理論密度と相対密度は次のような関係にある。
相対密度＝かさ密度／理論密度×１００
ここでは、ｈ−ＢＮの真比重を２．２７、フッ素金雲母の真比重を２．８５、フッ素四珪素雲母の真比重を２．６５で計算した。
（２）３点曲げ強度：ＪＩＳ  Ｒ  １６０１に準拠して測定した。
（３）熱膨張係数：窒素雰囲気中、昇温速度５℃／ｍｉｎ、室温〜１０００℃。
（４）加工性：０．５ｍｍの穴開け加工によるチッピング等の評価。
【００２１】
【表１】
0003682344.tif 000002
【００２２】
これら実施例の焼結体は９００℃、３％水素含有アルゴン雰囲気での熱処理により、Ｃｕ２８重量％−Ａｇ７２重量％銀ろう（ＪＩＳ  Ｚ  ３２６１）に濡れないことが確認され、銀ろう付け治具として有用であった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明により、曲げ強度、耐熱衝撃性、加工性に優れ、半導体基板を汚染することがない半導体、電子部品等の製造用治具が得られる。
またｈ−ＢＮと雲母との組成比を変えることにより種々の熱膨張係数の焼結体が得られ、これによってセラミックスパッケージの各種の基板材料に適用することができる。