(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック配線基板の焼結に用いる焼結炉において、
自焼結炉の内部に設けられ、セラミック配線基板を内在させる断熱材と、
前記セラミック配線基板に対して前記断熱材の内側から前記断熱材の外側へ、前記断熱材を貫通する延在部を有するヒータと、
前記ヒータの延在部と前記断熱材の境界部分に設けられ、前記ヒータの延在部のうち前記断熱材の厚さに対応する部分を取り囲む交換用断熱材とを有することを特徴とする焼結炉。
【請求項２】
セラミック配線基板の厚さ方向にプレス盤を用いて圧力を加えた状態で、前記セラミック配線基板を焼結させる加圧焼結炉において、
前記プレス盤に圧力を伝達するプレス軸と、
前記加圧焼結炉の内部に前記プレス軸を中心とする同軸構造にて設けられ、前記プレス盤を用いて圧力が加えられ焼結工程にあるセラミック配線基板を内在させる断熱材と、
前記プレス軸に対して前記断熱材の内側から前記断熱材の外側へ、前記断熱材を貫通する延在部を有するヒータと、
前記ヒータの延在部と前記断熱材の境界部分に設けられ、前記ヒータの延在部のうち前記断熱材の厚さに対応する部分を取り囲む交換用断熱材とを有することを特徴とする加圧焼結炉。
【請求項３】
請求項２に記載の加圧焼結炉において、
前記交換用断熱材は、前記断熱材の厚さ以上の長さを有し、かつ長手方向に内穴が貫通する円筒形状であり、前記断熱材に嵌着され、前記内穴に前記ヒータの延在部が包含されるものであることを特徴とする加圧焼結炉。
【請求項４】
プレス盤によりセラミック配線基板の厚さ方向に圧力を加えた状態で、前記セラミック配線基板を焼結させる加圧焼結炉に用いる焼結炉断熱材構造であって、
前記加圧焼結炉の内部に設けられ、前記プレス盤を用いて圧力が加えられ焼結工程にあるセラミック配線基板を内在させる第１の断熱材と、
前記第１の断熱材の内側に配置されるセラミック配線基板に対して前記第１の断熱材の内側から前記第１の断熱材の外側へ、前記第１の断熱材を貫通する延在部を有するヒータと、
前記ヒータの延在部と前記第１の断熱材の境界部分に設けられ、前記ヒータの延在部のうち前記第１の断熱材の厚さに対応する部分を取り囲む第２の断熱材とを有することを特徴とする焼結炉断熱材構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無機材料部材の製造装置に係り、特に、民生用やコンピュータ用などの電子産業部門に用いられるセラミック配線基板製造用焼結炉の断熱材構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等の高密度実装に必須のセラミック配線基板は、グリーンシート法で形成されたセラミックス粉末シートに、配線導体を印刷、複数枚を積層したものを、焼結法で製造する方法が知られている。この焼結方で製造する方法において、基板のセラミックス粒は、焼結工程まで、有機バインダによって保持されている。この有機バインダは、焼結工程において、熱分解または酸化等でガス化して、基板中より除去される。
【０００３】
しかしながら、この熱分解等した有機バインダのうちの一部は、焼結炉より完全に排出されない。排出されずに焼結炉内に残存する有機バインダの一部は、焼結炉内の温度の低い断熱材内部または外壁部付近に付着する。特に、多孔質のセラミックス系材料を断熱材として使用した場合、焼結炉内に残存する有機バインダの一部は、孔から断熱材内部に浸透しやすい。従って、有機バインダの断熱材への付着が、顕著に現れる。付着した有機バインダが完全に酸化されなかった場合、炭化して電気伝導性に優れるカーボンとなる。
【０００４】
焼結炉内には、炉内を高温にするために、大電流を供給するヒータが存在する場合が多い。この場合、断熱の役割を果たす断熱材が、ヒータの保持またはヒータ表面と焼結炉筐体間の絶縁を兼ねている場合がある。このとき、ヒータにカーボンが付着すると、漏電の原因となるため、危険性が高い。
【０００５】
一方、断熱材に付着したカーボンの量は、焼結工程での焼結炉内雰囲気に左右される。この焼結炉内雰囲気中の酸素の比率が多いほど、カーボンと酸素の結合が進行して二酸化炭素になる。カーボンは、二酸化炭素になることで、焼結炉内から排出され易く、減少させることができる。
【０００６】
しかし、セラミック配線基板を焼結する場合、セラミック配線基板上には、配線導体が存在する。この配線導体に対しては、配線導体の金属の酸化を防ぐ必要がある。従って、この場合、焼結炉内に高濃度の酸素雰囲気を適用できない。
【０００７】
焼結炉内に高濃度の酸素雰囲気を適用できない場合、定期的なメンテナンスが必要となる。この場合、通常、付着したカーボンの除去にバーンアウトとよばれる方法が取られる。バーンアウトは、焼結炉内にエアを流した状態で、温度をあげてカーボンを酸化およびガス化させて除去する方法である。
【０００８】
焼結工程における焼結方法には、特開平５−２８３２７２号公報において開示されるように、基板に一定の圧力を加えて焼結させる方法がある。これは、焼結炉内にプレス機構が付加されたものである。このプレス機構の材質として耐熱鋼等の金属が用いられている場合、バーンアウトを行なうことができない。この理由は、プレス機構の表面が高温度のエア雰囲気の使用によって酸化されて、錆びるからである。酸化されることにより、表面が荒れて、精度劣化を引き起こされる。従って、特開平５−２８３２７２号公報に開示の構造を持つ焼結炉において、断熱材のカーボンを除去するには、断熱材の交換が必要となる。交換のために取り出された断熱材は、別のバーンアウト用の焼結炉でバーンアウトすることで再利用することが可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにセラミック配線基板用の焼結炉内の断熱材は、焼結工程における焼結炉内の雰囲気に限定をうける。従って、断熱材が、ヒータと焼結炉筐体との絶縁を兼ねている場合、カーボン付着が進むことにより、漏電の原因となる。漏電に至る期間は、焼結炉内に配置する基板数、または基板に含まれる有機バインダ量、有機バインダの熱分解性に依存する。
【００１０】
カーボンが付着すると、断熱材がカーボンの特徴である黒色に変化してくる。この黒色が、断熱材の変更の目安となる。しかし、断熱材に多孔質のセラミックス系材料を用いている場合、カーボンの付着は断熱材の内部にまで至る。従って、表面を清掃した程度では漏電の改善とはならない。断熱材内部に至るまで付着したカーボンを除去するためには、定期的なバーンアウトが必要である。
【００１１】
しかし、別のバーンアウト用の焼結炉でバーンアウトするには、断熱材が大形の場合、それに付随し、バーンアウト用の焼結炉も大きくなる。バーンアウト用の焼結炉が大きくなることに伴い、広範囲の場所が占有される。また、設備費も増大する。一方、多孔質のセラミックス系の材料を使用した断熱材はもろく、分解、組み立てには、作業時間大であり、熟練を要する。
【００１２】
従って、本発明の目的は、簡易に短時間で断熱材に付着したカーボンを除去できる焼結炉断熱材構造を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、断熱材のうちヒータの表面と接触する部分を交換可能な断熱材とする断熱材構造をとる。
【００１４】
焼結炉は、加圧焼結炉である。加圧焼結炉とは、セラミック配線基板の厚さ方向にプレス盤を用いて圧力を加えた状態で、前記セラミック配線基板を焼結させるものである。加圧焼結炉には、プレス盤に圧力を伝達するプレス軸が存在する。断熱材は、このプレス軸を中心とする同軸構造にて形成される。断熱材には、ヒータが接続される。ヒータは、断熱材の外側から断熱材のプレス軸側へ、断熱材を貫通して設けられる。交換可能な断熱材は、ヒータと断熱材の境界部分に設けられる。交換可能な断熱材は、ヒータのうち断熱材の厚さに対応する部分を取り囲むものである。
【００１５】
交換可能な断熱材は、ハンドリングが可能な限り小さいものが好ましい。これによれば、バーンアウト用の焼結炉も小型のものですむ。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、焼結炉内にプレス機構が付加された焼結炉の断面図である。図１は、加圧力伝達軸の中心を通る垂直断面を示す。図２は、図１のＡ部の水平断面図である。図３は、図１のＢ部の水平断面図である。図４は、図１のＣ部の水平断面図である。以下、図１から図４を用いて、焼結炉について説明する。
【００１８】
セラミック配線基板１を多孔質板２で挟み圧締力を加える構造である。複数のセラミック配線基板１を同時に処理する場合には、図１のようにさらに中間板３を挿入し段積みする。当然のことながら、これらの多孔質板２および中間板３には、耐熱性や強度が十分あると同時に平行度が規定値以上であることが要求される。圧締力を加えるためのプレス盤１１、１２を上下に配置する。プレス盤１１、１２のそれぞれに加圧力を伝達するプレス軸１３、１４が接続し主フレーム１５へと伸びている。可動側のプレス軸１３は主フレーム１５に固定された直進案内１６により支持される。直進案内１６の外側に加圧力を検出するロードセル１７を配置する。さらにその外側に加圧駆動源として移動速度可変のスクリュージャッキ１８を配置する。
【００１９】
本実施例ではプレス軸１３、１４の径を１００ｍｍ、直進案内１６のプレス軸１３と接する案内部の長さを３００ｍｍとし、装置高さを３ｍ以内に収めた。また、本実施例では加圧駆動源としてスクリュージャッキ１８を使用したが、油圧シリンダなどを使用することもかまわない。
【００２０】
プレス盤１１、１２およびプレス軸１３、１４は、いずれも高温下に晒されるため耐熱性のある材料を選択した。プレス盤１１、１２はセラミック配線基板１内温度分布の均一化を図るため熱伝導性の高い材料が望ましい。
【００２１】
一方、プレス軸１３、１４は焼結炉外への熱伝導損の低減および温度分布の均一化を図るために熱伝導性の低い材料が望ましい。本実施例では、プレス盤１１、１２に熱伝導率の大きいＳｉＣを使用した。プレス軸１３、１４には比較的熱伝導率の小さいＮｉ基の耐熱合金を使用した。また、プレス軸１３、１４の熱伝導性を低減するように構造的に改善するため、軸内を中空にする。
【００２２】
プレス軸１３、１４は、軸径を大きくすると、熱損失が過大となり、ヒータ容量の増大を招くとともにセラミック配線基板１の中央部、とくにプレス盤１１、１２に近い部位の温度追従が遅れる。温度追従が遅れることにより、セラミック配線基板１内温度分布が過大となり、焼成する上で支障となる。逆に、軸径を小さくすると機械的剛性が不足し、編荷重時の軸曲がりが過大となる。その結果、プレス軸１３、１４の平行度が維持できなくなり高精度なセラミック配線基板１の焼結体形状が得られない。
【００２３】
最高使用温度が１０００℃程度の場合は上記組み合わせでよい。しかし、アルミナ系セラミックス等の焼成で１６００℃程度まで昇温する場合には耐熱性の観点からいずれの部分にもＳｉＣなどのセラミックス系構造材を用いる必要が生じる。
【００２４】
プレス軸１３、１４を有する加熱室は、最外壁２１と、断熱用アルミナフィバ製の内部断熱壁（以下「断熱材」という）２２よりなる二重構造である。
【００２５】
加熱室を、プレス軸１３、１４を中心とする同軸構造とする。断熱材２２内側にヒータ２３を同様な同軸構造を成すように配置する。
【００２６】
本実施例において、断熱材２２は、多角形状である。しかし、完全な円形でもよい。完全な円形とすれば、ヒータ２３も壁面全面に一様に配すれば、より効果的に加熱室温度を均一にすることが可能となる。
【００２７】
また、垂直方向についてはヒータ２３を３段階に配置し、上下のプレス軸１３、１４とセラミック配線基板１をそれぞれ独立に加熱できるように配置した。
【００２８】
断熱材２２の外部の空間と内側の空間とに、それぞれ独立に雰囲気ガスを注入できる構造とする。断熱材２２の内側の空間にはプレス軸１３、１４の中空部分を介してガスを流入するようにした。断熱材２２の外側の空間に流入したガスは、断熱材２２の底部にプレス軸１３、１４に対して、軸対称的に設けた貫通孔２４を通して、断熱材２２の内部の空間に流入するようにした。
【００２９】
また、断熱材２２の内側上部のプレス軸１３の周辺に、貫通孔２４に対応して排出口２７を設けることで、外部空間への汚染ガスの回り込みを防止することが可能である。
【００３０】
断熱材２２の内側の空間の流入ガスは、導入口２４から供給される。断熱材２２の内側の空間の流入ガスは、排出口２７より断熱材２２の内側の空間の外へ排出される。断熱材２２の内側の空間は、酸化モリブデンやニクロム等を成分とするヒータ２３により高温が達成される。ヒータ２３への電力は、電力配線２８により供給される。
【００３１】
セラミック配線基板内部の最高温度は、基板材料によって異なる。しかし、好ましくは、９００℃から１６００℃の範囲である。
【００３２】
セラミック配線基板の配線導体は、酸化を防止することが好ましい。しかし、セラミック配線基板内の有機バインダは、酸化させる必要がある。従って、断熱材２２の内側の空間には、セラミック配線基板内の有機バインダを酸化させるために、雰囲気として窒素、水蒸気、水素を導入口２４から供給する。この雰囲気により、有機バインダは、熱分解および酸化されてガス化する。ガス化した有機バインダは、排出口２７より自然排気される。しかしながら、高温時に熱分解してガス化した有機バインダ（以下、バインダガスという）は、完全には排出されない。断熱材２２の内側の空間へ残留したバインダガスは、断熱材２２に付着する。
【００３３】
断熱材２２の外側であり、最外壁２１とに挟まれた空間の温度は、断熱材２２の厚さに依存する。断熱材２２に１００ｍｍの厚さを持たせた場合、断熱材２２と最外壁２１とに挟まれた空間の温度は、断熱材２２の内側の空間の温度の約半分となる。
【００３４】
図５は、従来の断熱材２２とヒータ２３との関係を示す簡略図である。図に示すように、断熱材２２に付着したバインダガスは、時間が経つにつれて炭化されてカーボン２９となる。断熱材２２の内側は高温のためカーボンは残留しない。しかし、最外壁２１に近い側の断熱材２２ほどカーボン２９の量が多くなる。このカーボン２９は、ヒータ２３に供給されている電流をプレス軸１３、１４へ短絡させる原因となる。この短絡は、漏電の原因となる。この漏電を防止するため、上述のように、従来は断熱材２２を定期的に交換していた。この交換には導入口２４、排出口２７、ヒータ２３、電力配線２８の取り外しが必要となり、断熱材２２自体も大形のため、作業には熟練と長い時間を要すこととなる。
【００３５】
これに対して、図６は、本発明の断熱材２２とヒータ２３との関係を示す簡略図である。円筒状断熱材３０は、断熱材２２のうち、ヒータ２３と接続する部分にあたる断熱材である。円筒状断熱材３０は、断熱材２２からの取り外しを可能とするものである。円筒状断熱材３０の材質は、断熱材２２と同組成であり、カーボンに汚染されていないものである。円筒状断熱材３０を、ヒータ２３と断熱材２２との接続部分に配置することにより、ヒータ２３とカーボンの付着した断熱材２２とを電気的に隔てる。
【００３６】
円筒状断熱材３０の形状を図７に示す。なお、本実施例は１例にすぎず、形状は円筒状とは限らない。四角柱形状でもよく、三角柱形状でもよい。但し、いずれの場合も、ヒータ２３用の内穴が形成されていることが必要である。
【００３７】
円筒状断熱材３０の断熱材２２からの取り外し方法を述べる。電力配線２８をヒータ２３から取り外す。円筒状断熱材３０を、断熱材２２に対して電力配線２８の方向に、移動させる。移動により、ヒータ２３から円筒状断熱材３０を電力配線２８側に引き抜く。
【００３８】
また、断熱材２２に円筒状断熱材３０を取り付ける方法を述べる。電力配線２８側から円筒状断熱材３０の円筒部分にヒータ２３をはめ込む。このようにして、断熱材２２から円筒状断熱材３０を取り外し、断熱材２２に円筒状断熱材３０を取り付けることにより、円筒状断熱材３０を交換する。
【００３９】
円筒状断熱材３０は、円筒形状とすることにより、製造が容易となる。図９は、円筒状断熱材３０の製造状況を示す。円筒状断熱材３０の製作では、まず、アルミナファイバ３１に有機バインダを含ませる。有機バインダを含ませた後に、アルミナファイバ３１の形状をシート状に形成する。円柱状の棒片にアルミナファイバ３１を巻き付ける。棒片にアルミナファイバ３１を巻き付けた状態で焼結させる。円筒状断熱材３０は、円筒内径がヒータ２３の外径より０．５〜２％程度、大きいものが好ましい。円筒内径がこの大きさを保つことにより、交換作業が容易となり、ヒータ２３の熱変形にも対応できるものとなるからである。従って、円筒状断熱材３０の製造工程での焼結においても、この寸法を考慮して焼結温度を制御する。
【００４０】
円筒状断熱材３０の外径は、アルミナファイバ３１のシート厚さおよび巻き付け回数に依存する。しかし、カーボンの断熱材２２の内部への付着は、断熱材２２の断面の厚さに依存する。従って、円筒状断熱材３０においても、断熱材の厚みが小さいほど、メンテナンスの周期が早くなる。また、円筒状断熱材３０の断熱材の厚みが大きいほど、交換時の作業性が悪くなる。
【００４１】
断熱材２２の円筒状断熱材３０用の加工穴は、円筒状断熱材３０の外形が円筒であることより、加工が容易である。円筒状断熱材３０用の加工穴は、ドリル加工で形成する。円筒状断熱材３０用の加工穴は、円筒状断熱材３０の外径より０．５〜２％大きくすることが好ましい。これにより、断熱材２２への円筒状断熱材３０の交換作業が容易となる。しかし、円筒状断熱材３０用の加工穴の外径を円筒状断熱材３０の外径より大きくした場合、断熱材２２の内側の空間の雰囲気が、断熱材２２の外側の空間にもれやすくなる。断熱材２２の内側の空間内の雰囲気がもれやすくなると、断熱材２２の内側の空間の雰囲気の制御に支障をきたす。
【００４２】
また、円筒状断熱材３０の長手方向の長さＬを、断熱材２２の厚さ幅より大きくすることが好ましい。これにより、円筒状断熱材３０を断熱材２２に取り付けたとき、円筒状断熱材３０のうちの長手方向の一部が、断熱材２２の外側の空間に突出する。この突出部分が、円筒状断熱材３０の交換作業時に、円筒状断熱材３０の取り扱いを容易とさせる。
【００４３】
断熱材２２の内側の空間でのヒータ２３の折れ曲がり形状のため、円筒状断熱材３０は、断熱材２２の内側の空間側に引き抜けない。従って、上述のように円筒状断熱材３０の交換作業は、電力配線２８を外した後、断熱材２２に対して電力配線２８の方向に引き抜くこととなる。しかし、最外壁２１と断熱材２２の空間は狭く、作業性が悪い場合がある。この場合、図８に示すように半円柱形状の半円柱状断熱材３２を、円筒状断熱材３０に代えて用いることが好ましい。半円柱状断熱材３２は、円筒状断熱材３０を、円筒状断熱材３０の内穴の中心軸を通る平面で分割した形状を有する。半円柱状断熱材３２は、２つを対として使用される。半円柱状断熱材３２は、電力配線２８をヒータ２３から取り外すことなく交換する。半円柱状断熱材３２は、断熱材２２側から断熱材２２の内側の空間側に、ヒータ２３づたいに１つずつずらして引き抜く。半円柱状断熱材３２は、断熱材２２の内側の空間側から断熱材２２側に、ヒータ２３づたいに１つずつ挿入して取り付ける。また、必要に応じて回転させながら引き抜くことにより、さらに交換作業の作業効率が向上する。
【００４４】
断熱材２２から取り外した円筒状断熱材３０または半円柱状断熱材３２に付着したカーボンは、バーンアウト用の焼結炉等を用いて、５００〜６００℃のエア雰囲気中で２〜５時間保持して除去する。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の焼結炉断熱材構造によれば、簡易に短時間で、断熱材に付着したカーボンを除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼結炉の加圧力伝達軸の中心を通る垂直断面の断面図である。
【図２】図１のＡ部の水平断面図である。
【図３】図１のＢ部の水平断面図である。
【図４】図１のＣ部の水平断面図である。
【図５】従来の断熱材とヒータとの関係を示す簡略図である。
【図６】本発明の断熱材とヒータとの関係を示す簡略図である。
【図７】円筒状断熱材の形状を示す簡略図である。
【図８】半円柱状断熱材の形状を示す簡略図である。
【図９】円筒状断熱材の製造状況を示す簡略図である。
【符号の説明】
１・・・セラミック配線基板
２・・・多孔質板
３・・・中間板
１１、１２・・・プレス盤
１３、１４・・・プレス軸
１５・・・主フレーム
１６・・・直進案内
１７・・・ロードセル
１８・・・スクリュージャッキ
１９・・・室外部分
２０・・・ベローズ
２１・・・最外壁
２２・・・断熱材
２３・・・ヒータ
２４・・・貫通孔
２７・・・排出口
２８・・・電力配線
２９・・・カーボン
３０・・・円筒状断熱材
３１・・・アルミナファイバ
３２・・・半円柱状断熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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