(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚が０．４〜１ｍｍ、温度５００〜１０００℃における長手方向の反り量が５０ｍｍ長あたりに換算して３〜５ｍｍ、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、破壊靭性値が５．５ＭＰａｍ１／２以上、バネ定数が２Ｎ／ｍｍ以上の窒化珪素板からなることを特徴とする、回路基板の製造における金属板とセラミック板との接合の押圧用治具に用いる板バネ材。
【請求項２】
請求項１の板バネ材からなることを特徴とする、回路基板の製造における金属板とセラミック板との接合の押圧用治具。
【請求項３】
窒化珪素グリーンシートを、長手方向の反り量が５０ｍｍ長あたり３〜５ｍｍに湾曲した部分を有する治具で挟み、荷重を更に加えた状態で脱脂した後、焼結することを特徴とする請求項１記載の板バネ材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属板とセラミック板の押圧用治具として好適な窒化珪素製板バネ材とその製造方法及び用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般的にバネ材としては炭素鋼材等の金属材料が知られている。しかし、近年、高温雰囲気でも物性等の変化が少ないセラミック材料の開発が進み、金属材料では耐久性等に不安があるときに使用されるバネ材としてセラミック材料の検討が行われている。
【０００３】
たとえば、パワーモジュールに使用される回路基板の製造におけるセラミック板と金属板との接合においては、両者の間に接合材を介して又は介さないで両者を積層し、その積層体の複数個を横方向に押圧した状態で枠に配列し、それを炉で加熱することが行われている。この際の押圧は、上記枠の外部からねじによる締め付けによって行われていたので、金属板とセラミック板の熱膨張差によって温度が高くなるとねじのゆるみが発生し、押圧力が不足して、接合強度の不十分な接合体も含まれて製造され、歩留まりが低下することがあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、バネ定数の大きい窒化珪素板からなる板バネ材、特に金属板とセラミック板の押圧用治具として好適な板バネ材とその製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、バネ定数が２Ｎ／ｍｍ以上の窒化珪素板からなることを特徴とする板バネ材である。また、板厚が０．４〜１ｍｍ、温度５００〜１０００℃における長手方向の反り量が５０ｍｍ長あたりに換算して３〜５ｍｍ、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、バネ定数が２Ｎ／ｍｍ以上の窒化珪素板からなることを特徴とする板バネ材である。さらに本発明は、上記板バネ材からなることを特徴とする金属板とセラミック板の押圧用治具である。また、本発明は、窒化珪素グリーンシートを、長手方向の反り量が５０ｍｍ長あたり３〜５ｍｍに湾曲した部分を有する治具で挟み、荷重を更に加えた状態で脱脂した後、焼結することを特徴とするバネ定数２Ｎ／ｍｍ以上の窒化珪素板からなる板バネ材の製造方法である。この製造方法において、上記治具は窒化硼素製であることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明する。
【０００７】
本発明で使用される窒化珪素板は、バネ定数が２Ｎ／ｍｍ以上であることが必要である。これよりも小さいバネ定数では、反発力が小さいので、上記金属板とセラミック板の押圧用治具として十分な機能を果たせなくなる。このような窒化珪素板の製造方法については後記する。
【０００８】
ここで、バネ定数（ｋ）は次のようにして測定することができる。すなわち、試験体の凸面を上方にして定盤に置いて反り量を測定する。つぎに、３点曲げ強度を測定するときと同様に、クロスヘッドにて試験体中央部を上方から下方へ移動させる。試験体が折れない程度まで荷重（Ｐ、単位：Ｎ）をかけ、その際の変位量（ｘ、単位：ｍｍ）を測定し、式、ｋ＝Ｐ／ｘ、によって算出する。
【０００９】
本発明の好ましい板バネ材は、板厚が０．４〜１ｍｍ、温度５００〜１０００℃における長手方向の反り量が５０ｍｍ長あたりに換算して３〜５ｍｍ、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上、バネ定数２Ｎ／ｍｍ以上の窒化珪素板からなるものである。この特性値の他に、ＩＦ法（ＪＩＳ  Ｒ  １６０７）による破壊靭性値が５．５ＭＰａｍ1/2以上で、熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ以上であるものが更に好ましい。
【００１０】
板厚が０．４ｍｍよりも薄いと、耐荷重が小さすぎてバネ機能が十分でなくなり、１ｍｍよりも厚いと、荷重に対する変形量が小さすぎて割れやすくなる。反り量が、５０ｍｍ長あたりに換算して、３ｍｍよりも小さいと、バネ定数が十分でなく大きな反発力が得られなくなり、５ｍｍよりも大きいと、窒化珪素板自身にかかる応力が集中し割れやすくなる。３点曲げ強度が６００ＭＰａよりも小さいか、破壊靭性値が５．５ＭＰａｍ1/2 よりも小さいと、バネ定数を十分に大きくすることが困難となる。熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ未満では、押圧用治具としての伝熱が不足することがある。
【００１１】
板バネ材の大きさと形状には特に規定しないが、用途が金属板とセラミック板の押圧用治具である場合、３０×３０ｍｍ〜８０×５０ｍｍの矩形板であることが望ましい。
【００１２】
本発明の板バネ材の用途としては、従来の金属材料からなる板バネ材の代替用途、例えば軸受け部材等があげられるが、特に金属板とセラミック板の押圧用治具として好適である。この押圧用治具の使用法は上記したが、その枚数は１枚に限らず複数枚であってもよい。これによって、接合ろう材を介した金属板とセラミック板の積層体が、高温下、接合ろう材の溶融により縮んで外部からのねじによる締め付力が弱まっても、板バネの伸縮作用によってその縮みに追従して良好な接合状態を保持する結果、十分な接合強度を持った接合体を歩留まり良く製造することができる。
【００１３】
つぎに、本発明の板バネ材の製造方法について説明する。
【００１４】
本発明の板バネ材は、窒化珪素粉末とアルミナ、マグネシア、イットリア等の焼結助剤とバインダ−とを含む混合物をグリーンシートに成形し、それを脱脂・焼結を行って窒化珪素板となし、その加工工程を経て製造される。
【００１５】
板バネ材のバネ定数を２Ｎ／ｍｍ以上とするには、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上、ＩＦ法（ＪＩＳ  Ｒ  １６０７）による破壊靭性値が５．５ＭＰａｍ1/2以上の窒化珪素板を製造し、その温度５００〜１０００℃における長手方向の反り量を５０ｍｍ長あたりに換算して３〜５ｍｍとすることがあげられる。３点曲げ強度６００ＭＰａ以上、ＩＦ法（ＪＩＳ  Ｒ  １６０７）による破壊靭性値５．５ＭＰａｍ1/2 以上は、例えば特開平９−１５７０５４号公報の実施例によって実現させることができる。また、反り量は、大きな窒化珪素板の研削加工によっても可能であるが、窒化珪素グリーンシートに反りを持たせた状態で焼結する方法が生産性の点で好ましい。
【００１６】
窒化珪素グリーンシートに反りを持たせるには、長手方向の反り量が５０ｍｍ長あたり３〜５ｍｍに湾曲した部分を有する治具で窒化珪素グリーンシートを挟むこと、例えば凸形状を保有する板の上にグリーンシートを載せ、その上に該グリーンシートに対して凹形状を保有する板を載せることによって行うことができる。その治具は、板状の窒化アルミニウム、窒化硼素等の窒化物セラミックが好ましく、中でも窒化硼素製が最適である。
【００１７】
ついで、治具で挟まれた窒化珪素グリーンシートは、０．０１ＭＰａ程度の荷重を更に加え、焼結時にズレが起こらないようにして脱脂した後焼結される。脱脂は、空気又は不活性雰囲気中、温度４００〜５００℃、保持時間５〜２０時間で行われ、また焼結は、窒素等の非酸化性雰囲気下、温度１８００〜２０００℃で行われる。得られた窒化珪素板は、所望形状に加工されて板バネ材となる。
【００１８】
上記製造方法において、熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ以上であるものは、特開平９−１５７０５４号公報に記載のように、Ａｌ、Ｆｅの不純物を制限することによって製造することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２０】
実施例１〜６  比較例１〜４
窒化ケイ素粉末に、焼結助剤としてマグネシアとイットリアをそれぞれ３％（質量％、以下同じ）と５％を内割り添加し、バインダーとしてメチルセルロース、水を加えてスラリーを調合した。これをシート成形した後、表１に示すＢＮ製湾曲治具で挟み（但し、実施例４では治具は不使用）、空気中、５００℃で脱脂を行い、続いて窒素雰囲気中、１８５０℃、４時間焼結を行なって、６０×３０×０．６３５ｍｍの窒化珪素板からなる板バネ材を製造した。それらのバネ定数、３点曲げ強度、熱伝導率、ＩＦ法による破壊靭性値を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１から、本発明の製造条件で製造された板バネ材（実施例１〜６）は、バネ定数２Ｎ／ｍｍ以上となることがわかる。
【００２３】
実施例７  比較例５
窒化アルミニウム粉末９６部（質量部、以下同じ）、焼結助剤（イットリア）４部、表面処理剤（オレイン酸）２部を振動ミルで予備混合した後、有機結合材（エチルセルロース）８部、可塑剤（グリセリントリオレート）３部及び水１２部を配合してミキサーで混合し、これを押出成型した。ついで、押出成型体を１２０℃×５分間の乾燥を行った後、４８０℃で１０時間空気中で脱脂を行い、１８６０℃×２時間の焼成を行った。得られた焼結体を６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍのサイズに加工し、表面をホーニング処理して窒化アルミニウム板を製造した。
【００２４】
銀粉末９０部、銅粉末１０部、ジルコニウム粉末３部、チタン粉末３部及びテルピネオール１５部と有機結合剤（ポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液）を固形分で全体に対し５％加えてよく混練し、ろう材ペーストを調製した。このろう材ペーストを窒化アルミニウム板の両面にスクリーン印刷によって全面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００２５】
つぎに、ろう材ペーストの塗布された窒化アルミニウム板の片面に６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．３ｍｍの銅板を、また反対面には６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．１５ｍｍの銅板をそれぞれ接触配置して積層体を形成した。
【００２６】
上記積層体の２０個を横方向に配列し、その両端部をカーボン製支持部材で支え、その積層体の端部とカーボン製支持部材との間に実施例２で製造された板バネ材を配置し、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、８３０℃で３０分間保持した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した（実施例７）。比較例５は、上記板バネ材を使用しないで接合体を製造した例である。
【００２７】
上記で得られた接合体の銅板上にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不要部分を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離した。このエッチング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム板との反応物があるので、それを除去するため、温度６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬した。
【００２８】
これら一連の処理を経て製作された、一方の面に銅回路、反対面に放熱銅板の形成された回路基板について、各１８単位体より１枚ずつサンプルを抜き取り、超音波探傷測定機によって接合層中のボイドの観測を行った。
【００２９】
その結果、比較例５の回路基板にはボイド径１ｍｍ以上のボイドが１枚あたり平均１０個検出されたが、実施例７で作製された回路基板にはボイド径１ｍｍ以上のボイドが１枚あたり平均０．５個検出されたにとどまった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、バネ定数の大きい窒化珪素製板バネ材、特に金属板とセラミック板の押圧用治具として好適な板バネ材とその製造方法が提供される。