(57)【要約】【課題】  電子部品の製造、組付に用いられる治具において、摩耗粉末による汚染低減、加工コストの低減、熱膨張係数を有する被処理材に適合できるよう熱膨張係数をコントロールすることが課題である。【解決手段】  珪素を含む混合粉末でなる成形体を素材として、最終形状に近い形状、寸法に生加工する工程と、窒素雰囲気中での加熱により実質的に寸法変化を生じることなく、前記珪素を窒化珪素に転化せしめるとともに焼結する工程と、必要に応じて最終加工工程を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の製造もしくは組み付けにおいてろう付け及びガラス封着する際に使用する治具であって、反応焼結窒化珪素を母相とすることを特徴とするセラミックス治具。
【請求項２】
前記母相にホウ素化合物と酸化物が分散していることを特徴とする請求項１記載のセラミックス治具。
【請求項３】
被組み付け材の熱膨張係数に応じて、前記ホウ素化合物と酸化物の配合量を調整するようにしたことを特徴とする請求項２記載のセラミックス治具。
【請求項４】
前記ホウ素化合物の分散量が質量％において１０％以上であることを特徴とする請求項２又は３記載のセラミックス治具。
【請求項５】
前記ホウ素化合物は、窒化ホウ素、ホウ化ジルコニウム、ホウ化チタン、炭化ホウ素のうち少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のセラミックス治具。
【請求項６】
前記酸化物の熱膨張係数、あるいは窒素雰囲気での焼成過程において前記複合酸化物が分解して生成する相の熱膨張係数が、窒化珪素の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載のセラミックス治具。
【請求項７】
前記酸化物は、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ３，Ｆｅ２Ｏ３，Ｎｄ２Ｏ３，ＭｎＯ，Ｂ２Ｏ３，ＷＯ３，ＳｉＯ２，ムライト，スピネル，タルク，コージエライトの群中の少なくとも１種以上を組み合わせてなることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のセラミックス治具。
【請求項８】
治具が、セラミックパッケージの製造若しくは組付においてろう付けする際に、該セラミックパッケージを構成する部品を位置決めし若しくは固定するための治具であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のセラミックス治具。
【請求項９】
治具が、測温用器具を固定するための治具であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のセラミック治具。
【請求項１０】
珪素を含む成形体を素材として、最終形状に近い形状、寸法に生加工する第１の工程と、窒素雰囲気中での加熱により実質的に寸法変化を生じることなく、前記珪素を窒化珪素に転化せしめるとともに焼結する第２の工程からなることを特徴とするセラミックス治具の製造方法。
【請求項１１】
前記第２の工程の後に、更に最終加工工程を行うことを特徴とする請求項１０記載のセラミックス治具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に溶融金属に濡れにくく、電子部品、特にセラミックパッケージや測温用器具を製造若しくは組付けに際して用いられる治具用材料、或いはかかる治具を焼成する際に用いられる治具に関する製造方法を提供するものである。ここでいう電子部品は他にオーガニックパッケージ、バックライト電極、トランジスター、ハーメチックシール他を指す。
【背景技術】
【０００２】
治具として必要な耐熱衝撃性、濡れ性、そして快削性を満足するための材料として、窒化ホウ素を質量％において３〜８０％含有したことを特徴とするセラミックス治具が開示されている（特開平６−１８１２８２）。また反応焼結窒化珪素と窒化ホウ素を主原料として反応焼結法でブレークリング等の部材を製造する方法が知られている（特開昭６０−２２６７６、特開昭５９−１０７９７９）。
【０００３】
近時半導体、電子部品、特に半導体集積回路は高集積化が進み種々の産業分野で重要な部品として使用されるに至っている。従来のカーボンを主体とする治具は、セラミックパッケージ本体や、リードフレーム等がカーボン治具に接触して、カーボン粉による汚染或いはカーボン付着により部品の短絡等の不良を招来して来る問題があった。カーボン表面をカーボンキュアしたり、ＳｉＣをコートしたりして防止する方法がとられているが、この方法は、工程が複雑化しコストが上昇するため、実用上問題があると同時に工程も長くなり、使用者のニーズに合わないものであった。又、コートの厚みも不安定で、使用時に剥離する欠点や、カーボン治具加工後に、コート処理をする為、寸法精度が悪く、精密性を要求されるフラットパッケージ、ピングリッドアレイパッケージ、水晶パッケージ、サイドブレイズパッケージ等のセラミックパッケージを製造・組付けするための治具を製造する分野では非常に沢山の解決されるべき問題を有していた。
【０００４】
さらに窒化ホウ素を所定量複合したセラミック材料を治具として使用する方法が開示されている（特開平５−３４５６４４）。ＢＮを適量分散させたことにより、快削性に優れるため、効率よく高精度の治具を得ることができる。そして溶融金属に濡れにくく、カーボン粉の飛散がなく、耐熱衝撃性に優れるといった特徴を有している。
【０００５】
今後、ろう付け治具としての課題として、摩耗粉によるリードフレーム等への汚染をさらに低減すること、金属への濡れにくさの改善、加工コストの低減、そして熱膨張係数を有する被処理材に適合できるよう熱膨張係数をコントロールできること、が挙げられる。
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−１８１２８２号公報
【特許文献２】特開昭６０−０２２６７６号公報
【特許文献３】特開昭５９−１０７９７９号公報
【特許文献４】特開平０５−３４５６４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
治具は高い寸法精度が要求され、快削性に優れるセラミックスといえどもコスト高となり、耐摩耗性の向上とあわせて、経済性を考慮した材料構成であることが望まれる。本発明では、電子部品の製造、組付に用いられる治具において、摩耗粉末による汚染低減、加工コストの低減、熱膨張係数を有する被処理材に適合できるよう熱膨張係数のコントロールを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためにこの発明が採った手段は、珪素を含む成形体を所定形状に生加工する第１の工程と、窒素雰囲気中での加熱により前記珪素を実質的に寸法変化を生じることなく窒化珪素に転化せしめるとともに焼結する第２の工程と、更に必要に応じて最終加工工程を行うことを特徴とする。
【０００９】
又、原料として、珪素、ホウ素化合物と酸化物の混合粉末を使用し、これらの酸化物の配合量を調整することによって、被組み付け材の熱膨張係数に対応させることを特徴とする。
【００１０】
高い寸法精度、快削性、耐摩耗性、経済性といった治具への要求に対して、反応焼結法では、焼結時に寸法変化がほとんど生じないために、成形体の状態でほぼ最終形状となるように加工を施しておけば、焼成後もその形状を維持することができる。加工時間も少なく、加工用の砥石や工具の消耗もすくなく経済的である。さらに焼結体の加工ではチッピングといった欠陥が生じやすくなり、使用時に飛散して汚染の原因となるが、成形加工し焼結した部材ではチッピングも生じにくい。さらに従来品に比べて、耐熱衝撃性や強度に優れ、溶湯金属に対してさらに濡れにくいといった好ましい特性を有する。焼結後に加工を施す場合に、反応焼結法では、気相を介して焼結が進行し、通常微細な結晶粒子で構成されるため加工性も通常の窒化珪素に比べて優れている。
【００１１】
更に、治具が、セラミックパッケージの製造若しくは組付においてろう付けする際に、該セラミックパッケージを構成する部品を位置決めし若しくは固定するための治具であることを特徴とする。
【００１２】
反応焼結窒化珪素について、溶融金属に対して濡れにくさ、と加工性を高めるためにはホウ素化合物を添加することが効果的である。さらに酸化物を添加して治具の熱膨張を大きくすることで被処理材の熱膨張係数に対応させることが可能となる。添加する酸化物としてはＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ３，Ｆｅ２Ｏ３，Ｎｄ２Ｏ３，ＭｎＯ，Ｂ２Ｏ３，ＷＯ３，ＳｉＯ２，ムライト，スピネル，タルク，コージエライト等が好適である。尚、添加物は反応焼結窒化珪素単体であっても一定の性能を得ることができる。
【００１３】
ホウ素化合物としては窒化ホウ素やホウ化チタン、ホウ化ジルコニウムが挙げられる。分散量としては強度と撥金属溶湯性のバランスできめることになるが、通常の場合、全体の重量に対して１０％以上の範囲にあることが望ましい。
【００１４】
出発原料の平均粒径は、珪素を０.１〜２０μm、窒化ホウ素を０.０５〜２０μmとするのが好ましいが、更に好ましくは窒化ホウ素を０.１〜２０μmとする。又、二段焼結する場合には酸化物原料は０.０５〜３μmが望ましい。尚、反応の雰囲気は常圧あるいは1０気圧程度の窒素雰囲気であることが好ましい。
【００１５】
焼結温度は１４００℃以下の場合、焼結し難く、１９００℃以上の場合、既に合成した成分が分解してしまい、材料の性質が劣化する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば電子部品の製造、組付に用いられる治具によって摩耗粉末による汚染低減、加工コストの低減を目的とした治具を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下にこの発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
質量％においてＢＮを３０％含有し、更にムライトの配合量を変化させ、残部を珪素粉末とした混合粉末を原料とし、該原料に粉末総質量の１.５倍のエタノールとポリビニルブチラールを加え、ボールミルで約６時間混合することによりスラリー化した後、スプレードライヤーを用いて造粒粉を作製した。次に該造粒分を金型内でまず予備成形した後、真空パックし、更に冷間等方圧加工装置（以下単にＣＩＰ装置という）により８０MPaの圧力を加え板状に成形した。次に０.２MPaのＮ２雰囲気内において５５０℃まで加熱することで脱脂処理を行い、更に０.９３MPaのＮ２雰囲気内において最高１４００℃まで加熱して反応焼結させた。得られた焼結体は気孔を約２０％含む多孔材であった。
【００１９】
上記工程により作製した焼結体素材から３×４×４０mmの試験片を切り出し、JIS R 1601に準じた試験法にて室温での３点曲げ強度を測定した。またムライトの添加量に伴う熱膨張係数を測定した。その結果を図１に示す。同図より熱膨張係数はムライト添加量に比例して大きくなっていくことがわかった。
【実施例２】
【００２０】
質量％においてＢＮを３０％含有し、更にアルミナ、スピネルの配合量を変化させ、残部を珪素粉末とした混合粉末を原料とし、該原料に粉末総質量の１.５倍のエタノールとポリビニルブチラールを加え、ボールミルで約６時間混合することによりスラリー化した後、スプレードライヤーを用いて造粒粉を作製した。次に該造粒分を金型内でまず予備成形した後、真空パックし、更にＣＩＰ装置により８０MPaの圧力を加え板状に成形した。次に０.２MPaのＮ２雰囲気内において５５０℃まで加熱することで脱脂処理を行い、更に０.９３MPaのＮ２雰囲気内において最高１４００℃まで加熱して反応焼結させた。得られた焼結体は気孔を約２０%含む多孔材であった。
【００２１】
上記工程により作製した焼結体素材から３×４×４０mmの試験片を切り出し、JIS R 1601に準じた試験法にて室温での３点曲げ強度を測定した。またアルミナ、スピネルの添加量に伴う熱膨張係数を測定した。その結果を図２に示す。同図よりムライト添加の場合と同様に熱膨張係数はアルミナ、スピネルの添加量に比例して大きくなっていくことがわかった。
【実施例３】
【００２２】
質量％においてＢＮを１０,２０％含有し、更にムライト配合量を変化させ、残部を珪素粉末とした混合粉末を原料とし、該原料に粉末総質量の１.５倍のエタノールとポリビニルブチラールを加え、ボールミルで約６時間混合することによりスラリー化した後、スプレードライヤーを用いて造粒粉を作製した。該造粒分を金型内でまず予備成形した後、真空パックし、更にＣＩＰ装置により８０MPaの圧力を加え板状に成形した。次に０.２MPaのＮ２雰囲気内において５５０℃まで加熱することで脱脂処理を行い、更に０.９３MPaのＮ２雰囲気内において最高１４００℃まで加熱して反応焼結させた。得られた焼結体は気孔を約２０%含む多孔材であった。
【００２３】
上記工程により作製した焼結体素材から３×４×４０mmとなるよう試験片を切り出し、JISR 1601に準じた試験法にて室温での３点曲げ強度を測定した。またムライトの添加量に伴う銀ろう融液の基板に対する接触角を測定した。その結果を図３に示す。ＢＮ配合量の増大にともない接触角は大きくなっていくことがわかるが１０質量％以上の範囲で実質的に効果のある特性が得られることがわかった。
【００２４】
尚、その他の酸化物としてＭｇＯ，Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ３，Ｆｅ２Ｏ３，Ｎｄ２Ｏ３，ＭｎＯ，Ｂ２Ｏ３，ＷＯ３，ＳｉＯ２，タルク，コージエライトについて同様の効果があることを確認した。またホウ素化合物についてはＢＮ以外にＴｉＢ２やＺｒＢ２について検討を行い、反応焼結窒化珪素の濡れ性を低下させる効果のあることがわかった。
【００２５】
この発明のセラミックス治具では、フクレ、短絡等の不良発生が全く見られず、熱衝撃性、加工性はカーボン製治具と変わりがなかった。
【００２６】
又、同様にして、自動車部品を製造するときに使用される測定用器具を固定するための治具を製造し、これで測温用器具を固定したところ、カーボン粉による汚染が生じなかったのは勿論のこと、カーボン粉付着を原因としたショートの発生もなく、きわめて良好な固定を達成することが出来た。
【００２７】
更に、上記各種セラミックス治具を焼成するための治具をこの発明に従って製造し、焼成を行ったところ、カーボン粉による汚染、カーボン粉の飛散或いは付着による不良原因の発生を防止することが出来た。
【実施例４】
【００２８】
質量％においてＢＮを３０％含有させ、更にムライトを２０質量％、残部を珪素粉末とした混合粉末を原料とし、該原料に粉末総質量の１.５倍のエタノールとポリビニルブチラールを加え、ボールミルで約６時間混合することによりスラリー化した後、スプレードライヤーを用いて造粒粉を作製した。次に該造粒分を金型内でまず予備成形した後、真空パックし、更にＣＩＰ装置により８０MPaの圧力を加え３０×５０×４mmの板状の成形体を得た。数量は５０枚である。次に段差穴あけ加工を行い、この状態で各部の寸法を測定した。次いで０.２MPaのＮ２雰囲気内において５５０℃まで加熱することで脱脂処理を行い、更に０.９３MPaのＮ２雰囲気内において最高１４００℃まで加熱して反応焼結させた。得られた焼結体は気孔を約２０％含む多孔材であった。
【００２９】
上記工程により作製した試験片の焼成後における寸法測定を行い、焼成前の寸法測定結果と比較したところ、変化量は１％以内に収まっており、ばらつきも少なく生加工の状態で加工しておけば、ほぼ焼成後においても数μmの範囲で所定形状に収めるできることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ＢＮ添加量を３０質量％としてムライト等の酸化物の配合量にともなう強度、熱膨張係数の変化を示す図である。
【図２】ＢＮ添加量を１０，２０質量％としてムライト酸化物の配合量にともなう強度、熱膨張係数の変化を示す図である。
【図３】ＢＮ添加量を変化させたときの銀ろう溶融液の試験片に対する濡れ性の結果を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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