(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックグリーンシートを加熱する加熱源と、酸化性ガスを噴射する噴射部とを備え、ガスの流れを拘束するスリット部が、炉体内部に設置されていることを特徴とするセラミックグリーンシートの脱脂装置において、上記炉体内に載置されたセラミックグリーンシートの端部から、上記スリット部までの空間直線距離は、スリット部に設けられているスリット状溝幅の長さの５倍以上であるように、炉体内にスリット部が設置されていることを特徴とするセラミックグリーンシートの脱脂装置。
【請求項２】
スリット部は管と平板により構成され、矩形または円形の穴を有し、上記管の出口にガスの流れに対して垂直方向に上記平板を配置した構造であることを特徴とする請求項１記載のセラミックグリーンシートの脱脂装置。
【請求項３】
セラミックグリーンシートを加熱する加熱源と、セラミックグリーンシートを冷却する冷却部を備え、上記冷却部の上にセッタを載せ、セッタ上にセラミックグリーンシートを載せてグリーンシートの上方または側方に加熱源を配置したことを特徴とするセラミックグリーンシートの脱脂装置。
【請求項４】
上記冷却部とセッタが接触する面には冷却用の液体または気体が通過出来る管が１つないしはそれ以上備えられ、この管の上にセッタを載せることが可能となる構造であることを特徴とする請求項３記載のセラミックグリーンシートの脱脂装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかの製造装置を用いるセラミックグリーンシートの脱脂方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電子機器の回路に広く用いるセラミックグリーンシートの脱脂装置および脱脂方法に関するものである
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子回路には、厚膜印刷法により簡便に回路形成出来る熱放散性の優れたセラミック基板を使用した電子回路が使用されている。そして、より小型高性能化を実現するために多層電子回路基板が使用され始めている。
【０００３】
セラミック基板の特性を決定する焼成工程では、品質の安定、歩留の向上を実現する焼成プロセス及び装置の開発が急がれており、特に脱脂時にはセラミックグリーンシートに極力温度差をつけないような工夫がなされている。例えば輻射熱を遮蔽するための遮蔽板を設けるなどしている。しかしながら脱脂時には、炉内の温度をコントロールしにくいなどの理由から温度のばらつきが発生するために、昇温速度を非常に緩やかにして品質の安定化をはかっている。
【０００４】
以下に図面を参照しながら、上記した従来のセラミック基板の製造方法の例について説明する。
【０００５】
図３は従来技術の第一例のセラミック基板の製造装置を示すものである。図３において、２は熱源、３はセッタ、４はセラミックグリーンシート、８はマッフルである。
【０００６】
まず、セラミックグリーンシート４に含まれる樹脂を分解する脱脂工程において、熱源２が装置内部のインコネルよりなるマッフル８を加熱し、所定温度に加熱されたマッフル８が装置内部の気体を加熱する。さらに所定温度に加熱された装置内部の気体が所定の位置におかれたセラミックグリーンシート４を加熱することで、セラミックグリーンシート４に含まれる樹脂を分解する。セラミックグリーンシート４に含まれる樹脂を分解する際の温度上昇において、炉内の温度を一様に上昇させなければならないために、およそ２４〜４８時間かけて所定温度まで上昇させる必要がある。
【０００７】
図４は従来技術の第二例によるセラミック基板の製造装置を示すものである。図４で２は熱源、３はセッタ、４は装置内部の所定の位置におかれたセラミックグリーンシートで、９は送風ファンである。
【０００８】
以下その動作について説明する。まず、熱源２で加熱された気体が装置内部の送風ファン９によってセラミックグリーンシート４の周辺に一様な流れである層流として送られる。この流れはセラミックグリーンシート４の表面近傍では流速が極めて遅くなり、緩やかな流れを形成する。セラミックグリーンシート４は、この緩やかな流れの気体を冷媒として、熱源２からの熱を受け取りセラミックグリーンシート４の内部に樹脂が分解され、セラミックグリーンシート４の近傍より除去される。この後、焼結工程を通り、セラミック基板を形成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような構成では、炉内全体の温度を一様に保たなければ、セラミックグリーンシート中で部分的に樹脂の分解が起こり、分解ガスの圧力が上昇し、層間剥離、われ、クラック等の欠陥が発生する。炉内の温度ばらつきを抑制するために、昇温速度を遅くして、単位時間当りに抜け出す分解ガスの量を少なく出来るが、脱脂工程にかかる時間が極めて長くなり、生産性が劣る。さらに従来例の第一例ではセラミックグリーンシート４から除去されたガスは装置内に滞留し、装置の内部に存在する気体内において、分解ガスの分圧が上昇してくるために、樹脂を分解するためには時間がかかる。
【００１０】
また、従来技術の第二例の方法において、セラミックグリーンシート表面近傍に存在する樹脂の分解ガスは送風ファンによって送られる流れによって除去することは難しく、この部分を濃度変化に対する送風の効果はほとんど得られない。これは、セラミックグリーンシートの表面に送られる気体が層流となるため、セラミックグリーンシート表面には上記気体の粘性のために形成される境界層が厚く形成されるためである。物体の表面近傍の気体の流れの速度ｖ1は、その粘性のために物体から離れた位置での流れの速度ｖ2よりも遅くなることが一般に知られており、境界層の厚さ（δで表される）は以下の式で定義される。
【００１１】
【数１】
0003617062.tif 000002
【００１２】
この境界層中においては、気体の流れや対流等の影響よりもむしろ物質の拡散現象の方が支配的となる。
【００１３】
境界層中の分解ガスは、一様な流れでは上記のような理由から十分除去することが出来ない。このため境界層中のガスの拡散は緩やかに起こるので樹脂の分解、除去に極めて長い時間を要するという重大な課題を有していた。
【００１４】
また、従来技術の第二例においては、一様な流れの気体によるセラミックグリーンシートの加熱方法では、セラミックグリーンシートの存在のために気体の流れに乱れが起こる。このため、炉内の熱分布にばらつきが起こる。このため樹脂の分解にもばらつきが起こり、セラミックグリーンシートそのものの温度制御が極めて困難となる。また、セラミックグリーンシート４を一様に加熱する場合、炉内の温度が樹脂の分解温度を越えると、セラミックグリーンシート表面及び内部で樹脂が急速に分解を起こす。このため単位時間当りに発生するセラミックグリーンシート４の内部の分解ガスの圧力が大きくなると層間剥離を起こし、部分的に分解ガスの圧力が大きくなると、われやクラックを起こし、品質が悪くなるという問題点を有していた。
【００１５】
さらに、分解された樹脂が基板上に残ったり、低分子となりガス化された樹脂は炉内の排気口近傍で冷却され、凝縮し炉内に付着する。このために、基板上に残った場合は、基板の絶縁抵抗の低下、炉に対してはメンテナンス性が悪いという重大な問題点を有していた。
【００１６】
本発明は上記問題点に鑑み、セラミックグリーンシートの加熱中に酸化性ガスをスリットを通してセラミックグリーンシートに吹き付け、または、セラミックグリーンシートの上面と下面に所定の温度差をつけることで樹脂の熱分解を促進し、これをセラミックグリーンシートから速やかに除去することで、短時間でわれやクラック等の欠陥の無い脱脂工程を終了させることの出来るセラミックグリーンシートの脱脂装置および脱脂方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、セラミックグリーンシートの加熱源と、ガスの噴射部が装置に備えられ、ガスの流れを拘束するスリット部が、炉体内部に設置されていることを特徴とするセラミック基板の製造装置であり、炉体内に載置されたセラミックグリーンシートの端部から、上記スリット部までの空間直線距離は、スリット部に設けられているスリット状溝幅の長さの５倍以上であるように、炉体内にスリット部が設置されていることを特徴とし上記スリット部は管と平板により構成され、矩形または円形の穴を有し、上記管の出口にガスの流れに対して垂直方向に上記平板を配置した構造であることを特徴とする。
【００１８】
さらにセラミックグリーンシートの加熱源と、セラミックグリーンシートの冷却部を備えられ、上記冷却部の上にセッタを載せ、セッタ上にセラミックグリーンシートを載せてグリーンシートの上方または側方に加熱源を配置することを特徴とするセラミック基板の製造装置であり、上記冷却部とセッタが接触する面には冷却用の液体または気体が通過できる管が１つないしはそれ以上備えられ、この管の上にセッタを載せることが可能となる構造であることを特徴とする。
【００１９】
【作用】
本発明は上記した構成によってセラミックグリーンシート表面近傍に酸化性ガスの乱流を供給し、セラミックグリーンシート表面近傍に存在する樹脂の分解ガスを除去することが可能となる。
【００２０】
所定の温度範囲で樹脂は分解されガスを発生するため、酸化性ガスの供給による樹脂の分解ガスの除去は極めて有効となる。樹脂の分解ガスは、セラミックグリーンシート表面から除去される際に、表面近傍に滞留する。この滞留する分解ガスを出来るだけ除去してやることで、セラミックグリーンシートからの分解ガスを速やかに除去することが出来る。
【００２１】
酸化性ガスは、所定の流速以上においてセラミックグリーンシートの表面近傍に滞留する樹脂の分解ガスの層を小さくする効果を持つ。即ち、分解ガス発生の化学的平衡をより速く分解ガスを除去できる方へずらせることになるため、セラミックグリーンシート中の樹脂の熱分解を加速する。
【００２２】
また吹き付ける酸化性ガスによって分解ガスを酸化し、タール化を防ぐことが出来、セラミックグリーンシート表面の熱分解中の樹脂を酸化させる効果もある。
【００２３】
また、管の出口にスリットを設けることで、管中のガスの速度の差の少ないところを選択的に取り出すことが出来、これを乱流にすることが出来るため、セラミックグリーンシートの表面近傍に供給する乱流の流速を制御することが出来る。
【００２４】
スリット部から所定の距離にはなれたところにセラミックグリーンシートを置くことで、スリット部から供給される酸化性ガスの乱流をセラミックグリーンシートに供給することが出来る。
【００２５】
また、セラミックグリーンシートの上面温度をＴｕ（℃），同じく下面をＴｄ（℃）とすると
【００２６】
【数２】
0003617062.tif 000003
【００２７】
とすることで、高温側である表面から順にセラミックグリーンシート中の樹脂を熱分解させることで、まずグリーンシート表面の樹脂が分解除去され、順に内部の樹脂が分解される。樹脂が除去された後の多孔質のセラミックグリーンシートを通過して、分解ガスはセラミックグリーンシートから速やかに除去されていく。
【００２８】
さらに、冷却部の表面に冷却液または冷却気体の通過する管を配置することで、セラミックグリーンシートの上面温度をＴｕ（℃），同じく下面をＴｄ（℃）とすると
【００２９】
【数３】
0003617062.tif 000004
【００３０】
のように温度差をつけることが出来る。
【００３１】
【実施例】
以下本発明の一実施例のセラミック基板の製造方法及び製造装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１は本発明の実施例におけるセラミック基板の製造装置を示すものである。図１において、１はスリット部、２は熱源、３はセッタ、４はセラミックグリーンシート、５は気体排出口である。
【００３３】
スリット部１は、熱源２の側方に配置されセラミックグリーンシート４に対して気体を側方から供給する形態となっている。また、スリット部１は、セラミックグリーンシート４からスリット幅の５〜７倍以上隔たって配置されている。この理由は、スリット部１から流れ出てきた気体は通常スリット幅の５〜７倍の範囲においてポテンシャルコアと呼ばれる層流拡散層を持つためである。セラミックグリーンシート４に対して層流を供給している状態ではセラミックグリーンシート４の表面には大きな境界層が存在してしまい、スリットを設けた効果が発揮出来ない。また、このポテンシャルコアの存在する領域以上はなれた位置では気体の流れは乱流となり、この乱流を分解ガスの除去に利用するためにはスリット幅の５〜７倍以上の距離を必要とする。本願第一の実施例においては、所定の気体流速でスリットの幅を１〜１０ｃｍの間で変化させた。スリット部１は複数個設けた。
【００３４】
気体はスリット部１から供給され、セラミックグリーンシート４から発生する樹脂の分解ガスを気体の流れと共に除去する。この時、スリット部１を通してセラミックグリーンシート４の表面近傍を流れる気体は乱流を形成している。この状態におけるセラミックグリーンシート４の表面に形成される境界層の厚さは、気体の流速をＶ、動粘性係数をν、気体の吹き付け方向のセラミックグリーンシート４の端面からの距離をｘとすると、ｘの位置において境界層の厚さは
【００３５】
【数４】
0003617062.tif 000005
【００３６】
である。この厚さは通常、送風ファンなどで形成される場合、
【００３７】
【数５】
0003617062.tif 000006
【００３８】
であることを考えると、極めて小さくなっている。また
【００３９】
【数６】
0003617062.tif 000007
【００４０】
となるためには吹き付ける気体の流速ｖ（ｃｍ／ｓｅｃ）は、流れ方向のセラミックグリーンシート長をＬ（ｃｍ）とすると
【００４１】
【数７】
0003617062.tif 000008
【００４２】
でなくてはならない。
【００４３】
脱脂中の分解ガスの挙動は数式的には（数８）によって支配される。
【００４４】
【数８】
0003617062.tif 000009
【００４５】
ただし、Ｄは分解ガスの気体中への拡散定数
Ｃは分解ガスの濃度
Ｖはグリーンシート中から分解していく樹脂の分解面の移動速度
この問題は、ステファン問題として研究されている。（Ｓｔｅｆａｎ．Ｊ．，Ｕｅｂｅｒ  ｄｉｅ  Ｖｅｒｄａｍｐｆｕｎｇ  ｕｎｄ  ｄｉｅ  Ａｕｆｌｏｅｓｕｎｇ  ａｌｓ  Ｖｏｒｇａｅｎｇｅ  ｄｅｒ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｓｉｔｚｂｅｒ．Ｗｉｅｎ．Ａｋａｄ．Ｍａｔ．ｎａｔｕｒｗ．，９８，１１ａ，１８８９，１４１８−１４４２）。（数８）より樹脂の分解面における樹脂成分の濃度差が極めて大きければ、
【００４６】
【数９】
0003617062.tif 000010
【００４７】
の項は極めて大きくなり樹脂の除去される速度は非常に大きくなる。このように、倫理的には分解した樹脂の濃度差を大きく取ることで樹脂工程を速やかに終了させることが出来る。
【００４８】
さらに、分解ガスは、スリット部１から供給される酸化性ガスにより酸化され、このため加熱により除去される樹脂の挙動に対して化学平衡的には影響を与えず、樹脂の気化当初の除去状態を維持したまま樹脂の除去を行うことが出来る。スリット部１から供給された気体は樹脂を分解した後、気体排出口５から除去される。
【００４９】
以上のように構成されたセラミック基板の製造装置における本実施例の条件を検討した。まず、セラミックグリーンシート４を所定の位置におき、熱源２からの熱の供給を開始する。この時の温度上昇は、毎分一定温度とし、セラミックグリーンシート４が所定の温度になった時に酸化性ガスの導入を開始する。その後所定の時間保持することで、脱脂工程を終了する。この後残存樹脂量を測定し、脱脂終了時間をもとめた。
【００５０】
（表１）は１００ｍ／ｓから１０ｍ／ｓの流速で各種の気体を導入した時の脱脂完了時間を示したものである。（表１）から明らかなように酸化性ガスの導入により脱脂時間の短縮が確認される。基板温度をさらに高温にした時も同様の効果を得た。また、本実施例においては不活性ガスに窒素を選んだが、これをアルゴンやヘリウム等の他の不活性ガスとしても同様のことであった。
【００５１】
さらに、樹脂分を除去されたセラミックグリーンシートには層間剥離やわれ、クラック等の欠陥は発見出来なかった。
【００５２】
【表１】
0003617062.tif 000011
【００５３】
以上のように第一の実施例によれば、加熱中にセラミックグリーンシートに酸化性ガスを吹き付けることにより、高品質を保ったまま従来よりも短い時間で脱脂工程を終了することができる。
【００５４】
次に本発明の第二の実施例のセラミック基板の製造方法及び製造装置について、図面を参照しながら説明する。
【００５５】
図２は本発明の第二の実施例を示すセラミック基板の製造装置図である。
【００５６】
図２にいて、２は熱源、３はセッタ、４はセラミックグリーンシートで、以上は図３の構成と同様なものである。
【００５７】
熱源２はセラミックグリーンシート４の上方に配置されセラミックグリーンシート４に対して安定して熱を供給する形態となっており、セラミックグリーンシート４の温度保持、及び温度上昇を所望の状態にすることが可能となっている。基板冷却装置６はセラミックグリーンシート４の下方に配置されており、セラミックグリーンシート４と接触しているセッタ３と接触している。基板冷却装置６は流量計とつながっており、所望の温度勾配で、冷却することが可能である。
【００５８】
加熱は熱源２によって行われ、セラミックグリーンシート４を加熱する。セラミックグリーンシート４が所定温度となった後、流量計７を調節し、基板冷却装置６を作動させ、セラミックグリーンシート４に対して所望の温度勾配をつける。
【００５９】
基板の冷却に関して、流量計によってコントロールされた冷却液または冷却気体が基板冷却装置６の温度を低温に保つ。低温に保たれた基板冷却装置６によって、セッタ３が低温に保たれセラミックグリーンシート４の下面が低温に保たれることとなる。本実施例においては、水冷方式を用いて冷却効果を確認したが、ファンを回すことなどによってセッタ３を冷却する空冷方式を用いても同様の結果を得ることが出来た。
【００６０】
セラミックグリーンシート４に含まれる樹脂は、加熱にともなって分解温度近傍から分解を開始する。この時、セラミックグリーンシート４には上面と下面で温度差がつけられているため、高温側の表面から順に熱分解が始まる。
【００６１】
分解ガスは、まずセラミックグリーンシート４の表面から熱分解され、雰囲気中に移動していく。次に、セラミックグリーンシート４表面の樹脂が除去された後の多孔質のセラミックグリーンシート４を通過して分解ガスは除去され、速やかにセラミックグリーンシート４の外へ取り出すことが出来る。
【００６２】
以上のように構成されたセラミック基板の製造装置における本実施例の条件を検討した。まず、セラミックグリーンシート４を所定の位置におき、熱源２から熱の供給を開始する。この時の温度上昇は、毎分一定温度とし、セラミックグリーンシート４が所定の温度になった時に基板の冷却を開始する。その後所定の時間保持することで、脱脂工程を終了する。（表２）は１００℃から基板冷却を開始した時の樹脂の除去時間を示したものである。（表２）から明らかなようにセラミックグリーンシートの上面温度をＴｕ（℃），同じく下面をＴｄ（℃）とすると
【００６３】
【数１０】
0003617062.tif 000012
【００６４】
としたことによる脱脂時間の短縮が確認される。基板温度をさらに高温にした時から基板の冷却を開始した時も同様の結果を得た。
【００６５】
また、１つの条件を除いて、脱脂分を除去されたセラミックグリーンシートには層間剥離やわれ、クラック等の欠陥は発見出来なかった。
【００６６】
【表２】
0003617062.tif 000013
【００６７】
以上のように、セラミックグリーンシート４に温度差をつけることにより、高品質を保ったまま従来よりも短時間で脱脂工程を終了することが出来る。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、セラミックグリーンシート表面近傍に酸化性ガスの乱流を供給し、セラミックグリーンシート表面近傍に存在する境界層を小さくすることが可能となった。所定の温度範囲で樹脂は分解され、ガスを発生するため、発生した樹脂の分解ガスを酸化性ガスを吹き付けることによる除去は極めて有効であった。樹脂の分解ガスは、セラミックグリーンシート表面から除去される際に、表面近傍に滞留するが、分解ガスを出来るだけ除去してやることで、セラミックグリーンシートからの分解ガスを速やかに除去することが出来た。
【００６９】
酸化性ガスを所定の流速以上においてセラミックグリーンシートの表面近傍に供給することで、分解ガス発生の化学的平衡をより速く分解ガスを除去出来る方へずらせることになり、セラミックグリーンシート中の樹脂の熱分解を加速することが出来た。また吹き付ける酸化性ガスが分解ガスを酸化し、タール化を防ぐことが出来た。
【００７０】
また、管の出口にスリットを設けることで、セラミックグリーンシートの表面近傍に供給する乱流の流速を制御することが出来た。スリット部から所定の距離にはなれたところにセラミックグリーンシートを置くことで、スリット部から供給される酸化性ガスの乱流をセラミックグリーンシートに供給することが出来た。
【００７１】
また、セラミックグリーンシートに温度差をつけることで、高温側である表面から順にセラミックグリーンシート中の樹脂を熱分解させることができ、まずセラミックグリーンシート表面の樹脂が分解除去され、順に内部の樹脂が分解されていった。樹脂が除去された後の多孔質のセラミックグリーンシートを通過して、分解ガスをセラミックグリーンシートから速やかに除去することができた。
【００７２】
さらに、冷却部の表面に冷却液または冷却気体の通過する管を配置することで、５０℃〜１５０℃の範囲でセラミックグリーンシートの上下面に対して温度差をつけることが出来た。
【００７３】
以上のような構成でセラミックグリーンシートを脱脂することで短時間で脱脂を完了することが出来、われやクラック等の欠陥はなかった。従って、高品質で生産性の高いセラミックグリーンシートの脱脂装置および脱脂方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるセラミックグリーンシートの脱脂装置の構成図
【図２】本発明の第２の実施例におけるセラミックグリーンシートの脱脂装置の構成図
【図３】従来のセラミックグリーンシートの脱脂装置の例を示す図
【図４】従来のセラミックグリーンシートの脱脂装置の例を示す図
【符号の説明】
１    スリット部
２    熱源
３    セッタ
４    セラミックグリーンシート
５    気体排出口
６    基板冷却装置
７    流量計
８    マッフル
９    送風ファン
【図１】
0003617062.tif 000014
【図２】
0003617062.tif 000015
【図３】
0003617062.tif 000016
【図４】
0003617062.tif 000017