CN103097845A - 烧成用机架 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于多层烧成电子陶瓷元件的烧成用机架,其利用承烧板保持装置在垂直方向上以多层方式保持多张平板状承烧板。该承烧板保持装置由选自含有0.01—30%的Si的Si-SiC、重结晶SiC、Si3N4-SiCf的任意材质构成,该承烧板保持装置以露出各平板状承烧板的外周侧面的70—100%的状态保持各平板状承烧板。由此成为一种能效和批量生产效率优异,且多层烧成的各层均热性优异的烧成用机架。
Description
技术领域
本发明涉及一种主要适用于电子陶瓷元件多层烧成的烧成用机架。
背景技术
通常电子陶瓷元件以如下方式制造:在作为主原料的陶瓷粉末体中添加并混合烧结辅助材料和成形辅助剂之后,通过成形形成未烧成元件,并将该未烧成元件载置于称为承烧板(setter)的陶瓷制板上装入烧成炉中,以规定的温度和气氛条件控制炉内的同时进行烧成。
承烧板通常以多层层叠的方式使用,作为在多层重叠的承烧板之间形成分别形成空间的结构,例如公开了如下结构:如图9所示般,在上面周缘形成了突起8的托盘上嵌合平板状承烧板而层叠(专利文献1)。另外,以如下方式形成的结构也被所知,即:在承烧板自身的上面周缘形成周壁部使其呈皿状,并层叠该皿状承烧板,其中该周壁部以确保可耐层积强度的方式形成(专利文献2)。
但是,如图9所示般,在托盘上完全嵌入承烧板的结构中,承烧板的外周侧面被托盘覆盖。而且当层积承烧板时,炉内气体的流动因突起部8而受到阻碍,并且最下层承烧板下面的整个面直接或通过托盘与炉体接触,因此极大地受到来自炉体的热传导的影响,所以各层的均热化困难。例如最下层承烧板中已施行热处理的电子陶瓷元件与上层中已施行热处理的电子陶瓷元件相比,存在产品成品率差的问题。
另外,如专利文献2般,当在周围层积皿状承烧板时,存在如下问题:炉内气体的流动因周壁部受到阻碍,而且以确保可耐层积强度的方式形成的周壁部相对承烧板整体所占的重量和体积阻碍了能效和批量生产效率的高效化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特开2000-74571号公报
专利文献2:特开2009-227527号公报
发明内容
发明要解决的课题
因此本发明的目的在于,解决上述现有问题,并且提供一种多层烧成电子陶瓷元件时能效和批量生产效率优异,且多层烧成的各层均热性优异的烧成用机架。
解决课题的方法
为解决上述课题的本发明烧成用机架,其利用承烧板保持装置在垂直方向上以多层方式保持多张平板状承烧板,其特征在于,该承烧板保持装置由选自含有0.01—30%的Si的Si-SiC、重结晶SiC、Si3N4-SiC的任意材质构成,该承烧板保持装置将各平板状承烧板以使其外周侧面的70—100%露出的状态保持。
基于权利要求1的烧成用机架的权利要求2所述的发明,其特征在于,承烧板保持装置具备:多根垂直支柱,其具有承烧板保持机构;下端支撑框架,其用于支撑该垂直支柱下端部;上端支撑框架,其用于支撑该垂直支柱上端部,该承烧板保持机构包括选自形成在垂直支柱内侧面的多个凹部或凸部、或者架设在夹着平板状承烧板而对置的垂直支柱之间的梁中的至少一种。如权利要求3所述,优选地,垂直支柱也可包括构成其4个角的垂直边的角部垂直支柱、和垂直配置在该角部垂直支柱间的中间垂直支柱。
基于权利要求1烧成用机架的权利要求4的发明,其特征在于,承烧板保持装置包括在周边部具有多个层积用突起的框状平板构件,并且在保持平板状承烧板的状态下以多层方式层叠。
基于权利要求1烧成用机架的权利要求5的发明,其特征在于,承烧板保持装置包括:一对直线构件,其具有多个层积用突起且相对置而配置;梁,其架设在各层积用突起的上部凹面间,并且将平板状承烧板保持在这些梁上的状态下以多层方式层叠。
此外,优选地,当构成承烧板保持装置的构件由含有0.01-30%的Si的Si-SiC构成时,其化学成分为SiC:70—99%、Si:1—30%,将SiC+Si作为100%时,进一步含有Al:0.01—0.2%、Fe:0.01—0.2%、Ca:0.01—0.2%。如权利要求11所述,优选地,平板状承烧板的材质也是含有0.01—30%的Si的Si-SiC。
另外,优选地,当构成承烧板保持装置的构件由重结晶SiC构成时,其化学成分为SiC:99—100%,将SiC作为100%时,进一步含有Al:0.01—0.2%、Fe:0.01—0.2%、Ca:0.01—0.2%。
另外,当构成承烧板保持装置的构件由Si3N4-SiC构成时,其化学成分为SiC:70—80%、Si3N4:20—30%,将SiC+Si3N4作为100%时,进一步含有Al:0.1—0.5%、Fe:0.1—0.5%、Ca:0.01—0.2%。
发明的效果
本发明烧成用机架通过由选自含有0.01—30%的Si的Si-SiC、重结晶SiC、Si3N4-SiC的任意材质构成的承烧板保持装置,将多张平板状承烧板以使其外周侧面的70—100%露出的状态保持。由这些材质构成的承烧板保持装置与一般使用的氧化铝等相比,热辐射率大,而且使平板状承烧板的外周侧面的70—100%露出,因此能够将炉内气氛温度迅速传递至平板状承烧板上的电子陶瓷元件。从而多层烧成各层的均热性优异。
另外,有这些材质构成的承烧板保持装置与一般使用的氧化铝等比较,由于高温条件下的强度大,因此相应地能够实现小型轻量化。从而多层烧成电子陶瓷元件时的能效和批量生产效率优异。
另外在现有技术中,存在如下问题:当在各承烧板间用突起部形成空间的同时,多层层积承烧板时,以确保可耐层积强度的方式形成的突起部所占的重量和体积阻碍能效和批量生产效率的高效化。但是,如权利要求2的发明的烧成用机架,由于具有多根垂直支柱、用于支撑该垂直支柱下端部的下端支撑框架、用于支撑该垂直支柱上端部的上端支撑框架,而且是具有将多张平板状承烧板在垂直方向上以多层方式保持的承烧板保持机构的结构,因此不需要以确保可耐层积强度的方式形成的突起部,与现有技术相比,能够实现能效和批量生产效率的高效化。
另外在现有技术中,由于当在各承烧板间用突起部形成空间的同时,多层层积承烧板时,最下层承烧板下面的整个面直接或通过托盘与炉体接触,因此极大地受到来自炉体的热传导的影响,因此,例如最下层承烧板中已施行热处理的电子陶瓷元件与上层中已施行热处理的电子陶瓷元件相比,存在产品成品率差等各层均热化困难的问题。但是根据权利要求2的发明的烧成用机架,在最下层承烧板的下部面和炉体之间形成有空间,能够降低来自炉体的热传导的影响,并且该承烧板保持机构使各平板状承烧板外周侧面的70—100%从各垂直支柱之间露出。由此,使得对烧结有害的粘合剂分解气体的排出等炉内气体的流动难以受到阻碍,并且传向构成各层的承烧板的热传递变得更均匀,从而能够实现各层的均热化。
根据权利要求3的发明,能够更加稳定地保持承烧板。另外,特别是根据在中间垂直支柱间架设梁的结构,经由该梁向各层承烧板中央部进行热传导,因此能够实现与受到角部垂直支柱的热传导影响的承烧板缘部之间的均热化。
根据权利要求4的发明,承烧板保持装置包括在周边部具有多个层积用突起的框状平板构件,并且采用了在保持平板状承烧板的状态下以多层方式层叠的结构,因此能够使承烧板保持装置的热容量变小,从而能够提高多层烧成电子陶瓷元件时的能效和批量生产效率。另外,与炉内气体的接触性优异,并且多层烧成的各层均热性优异。
根据权利要求5所述的发明,承烧板保持装置包括:相对置而配置的一对直线构件,其具有多个层积用突起;梁,其架设在各层积用突起上部凹面间,并且采用了在这些梁之上保持平板状承烧板的状态下以多层方式层叠的结构,因此能够得到与权利要求4的发明相同的效果。
附图说明
图1是表示第一实施方案的烧成用机架的整体立体图。
图2是表示将平板状承烧板插入于烧成用机架的状态的立体图。
图3是表示第一实施方案的变形例的整体立体图。
图4是构成本发明承烧板保持装置的Si-SiC的热辐射率的图表。
图5是表示第二实施方案的烧成用机架的整体立体图。
图6是表示将平板状承烧板插入于烧成用机架的状态的侧视图。
图7是表示第三实施方案的烧成用机架的整体立体图。
图8是表示将平板状承烧板插入于烧成用机架的状态的侧视图。
图9是将现有的承烧板多层层叠的状态的说明图。
具体实施方式
(第一实施方案)
图1和图2是表示本发明第一实施方案的图。本实施方案的烧成用机架1具有大致立方体的形状,承烧板保持装置包括:4根角部垂直支柱2,其构成4个角的垂直边;大致ロ字状的下端支撑框架4,其用于支撑该4根角部垂直支柱2(2a、2b、2c、2d)的下端部;大致ロ字状的上端支撑框架3,其用于支撑该4根垂直支柱2的上端部。如图1所示,该烧成用机架1是插入平板状承烧板7而使用的装置。
在各角部垂直支柱2的内侧面以与该平板状承烧板7的插入方向平行地形成有水平沟部21,从而构成承烧板保持机构。平板状承烧板7插入于该水平沟部21位置并被保持。该水平沟部21形成有多个,并且在各水平沟部21保持多个平板状承烧板7,由此能够形成图2所示的多层烧成用烧成夹具。如此地,将平板状承烧板插入于机架而构成多层烧成用烧成夹具,由此与现有的在各承烧板之间用突起部形成空间的同时层积承烧板的结构相比,能够提高能效和批量生产效率的高效化。承烧板保持机构的形式并不限于该水平沟部21,此外,还可采用形成在角部垂直支柱2的内侧面的多个凹部或凸部,或者采用架设在夹着平板状承烧板而对置的角部垂直支柱2之间的梁等形状。
本实施方案的烧成用机架1在邻接的角部垂直支柱间(2a和2b间以及2c和2d间),在夹着平板状承烧板7而对置的位置上成对地具有中间垂直支柱5(5a和5b)。该一对中间垂直支柱(5a和5b)在各内侧面具有多个水平孔部51,梁6架设于在夹着平板状承烧板7而对置的位置上成对的水平孔部51之间。该梁6的高度以能够从下面支撑保持在各水平沟部21的平板状承烧板7中央部的方式配置。由此,能够更稳定地保持承烧板,从而能够实现承烧板的薄壁化。另外,经由该梁,能够进行向各层承烧板中央部的热传导,从而能够实现与受到角部垂直支柱2的热传导影响的承烧板缘部之间的均热化。但是,例如图3所示,也可设成不具备中间垂直支柱5的烧成用机架1。
将保持在水平沟部21的平板状承烧板4的外周侧面长度,例如图2所示般,设为(L1+L2)×2时,其中水平沟部21形成在各角部垂直支柱2的内侧面,则在本实施方案中,角部垂直支柱2的宽度s与被中间垂直支柱5的宽度t覆盖的外周侧面的比例满足{(s+t)×4}/{(L1+L2)×2}×100=5—30%,使得平板状承烧板4的外周侧面的70—95%露出于烧成炉内。由此,能够确保各层承烧板所有面的良好的炉内气体流动。
另外,如图9所示的现有例子般,当在各承烧板间用突起部8来形成空间,同时多层层积承烧板时,最下层承烧板的下面整个面直接或通过托盘与烧成炉的炉体接触,因此极大地受到来自炉体热传导的影响。例如在最下层承烧板已施行热处理的电子陶瓷元件与上层已施行热处理的电子陶瓷元件相比,存在产品成品率差等、各层均热化困难的问题。但是,在本发明中,由于具有多根角部垂直支柱2和中间垂直支柱5(以下称为垂直支柱)以及支撑该垂直支柱下端部的下端支撑框架4和用于支撑该垂直支柱上端部的上端支撑框架3,并且该承烧板保持机构采用由形成在该垂直支柱内侧面的多个水平沟部21构成的结构,因此最下层承烧板的下部面与炉体之间也形成了空间,能够降低来自炉体热传导的影响。
此外,从即使烧成用机架自身倾斜也能够稳定地保持承烧板的观点出发,优选地,使垂直支柱2、5下端部和上端部分别与形成在下端支撑框架4和上端支撑框架3的嵌合部相嵌合而被固定,而且烧成机架整体相对水平地面倾斜30度时,使相对下端支撑框架的垂直支柱的倾斜角度在2°以下。当倾斜角度在2°以上时,具有产生如下问题的危险性,即:使用时的振动变大,并且因与烧成时的炉内搬送相伴的振动,导致非烧成物受损。根据本发明的所述结构能够有效回避该问题。
如上所述,根据本发明的结构,能够降低来自烧成炉炉体的热传导的影响,且能够确保良好的空气流动,因此向构成各层的承烧板的热传递变得更加均匀,能够实现各层的均热化。
(承烧板保持装置的材质)
本发明的烧成用机架通常在惰性气体气氛下且1300—1450℃左右的高温条件下使用。因此在本发明中,承烧板保持装置由选自含有0.01—30%的Si的Si-SiC、重结晶SiC、Si3N4-SiC中的任一种的材质构成。
Si-SiC是一种在SiC粒子间含浸Si的被称为Si含浸SiC的材质。优选地,作为其化学成分含有70—99%的SiC、1—30%的Si,进一步作为微量成分另外(将SiC+Si作为100%时进一步)含有0.01—0.2%的Al、0.01—0.2%的Fe、0.01—0.2%的Ca。当Si的含有率大于30%时,会引起强度的降低和热辐射率的降低,因此不优选。
另外,优选地,算数平均表面粗糙度为Ra=0.1—30μm、弹性率为200—400GPa、强度为100—400MPa、室温热传导率为150—240W/m·k、气孔率在1%以下。通过采用具有如上述的化学成分和物性的材质,能够实现烧成用机架1的轻量、高强度以及长寿命。
由该Si-SiC构成的承烧板保持装置的热辐射率如图4图表中实线所示,优选地,波长8μm时为80—100%、波长12μm时为20—40%、波长19μm时为60—80%。热辐射率能够通过化学成分和表面粗糙度来规定,在本发明中如上所述那样,以如下方式来实现该热辐射率:作为化学成分采用含有70—99%的SiC、1—30%的Si、进一步作为微量成分另外含有0.01—0.2%的Al、0.01—0.2%的Fe、0.01—0.2%的Ca的结构;表面粗糙度采用Ra=0.1—30μm的结构,进一步优选采用Ra=10—30μm的结构。此外,图4的虚线是将作为现有承烧板主成分而一般被使用的氧化铝作为化学成分采用时的热辐射率。如图4所示,用Si-SiC来替换作为现有承烧板主成分一般被使用的氧化铝,从而能够提高各构成构件(2、5、3、4)的热辐射率,并且能够有效利用来自炉内各构成构件(2、3、4)的辐射热,进而使高能效的烧成成为可能。
优选地,在构成承烧板保持装置的各构成构件(2、5、3、4)的表层具有被膜,该被膜作为化学成分含有90%以上的SiO2且厚度为1—10μm。通过该被膜,能够抑制因气氛气体的各构成构件(2、5、3、4)的反应劣化,能够实现烧成用机架的长寿命。
除了上述的Si-SiC之外,还能够使用重结晶SiC或Si3N4-SiC。重结晶SiC是通过重结晶操作热粘接SiC粒子间而得到的变致密的物质,其化学成分为SiC:99—100%。将SiC作为100%时,进一步含有作为微量成分的Al:0.01—0.2%、Fe:0.01—0.2%、Ca:0.1—0.2%。
另外Si3N4-SiC是将Si3N4作为键的SiC,比Si-SiC更适合于在高温领域中使用。其化学成分为SiC:70—80%、Si3N4:20—30%,将SiC+Si3N4作为100%时,进一步含有Al:0.1—0.5%、Fe:0.1—0.5%、Ca:0.01—0.2%。此外,这3种材质在以下说明的第二、第三实施方案中也以相同方式采用。
此外,对平板状承烧板7的材质没有特别限定,但是为了耐于使用温度,优选采用与承烧板保持装置相同的材质,特别优选含有0.01—30%的Si的Si-SiC。这是因为该材质的高温强度大,能够实现承烧板的薄壁化。平板状承烧板7的形状不用必须是平坦的板状,例如也可以是蜂窝状、网状。如果采用这些形状,炉内气体能够贯通平板状承烧板7而流动,因此能够实现进一步的均热化。此外,当烧成温度为比较低的低温时,还能够采用钛等耐热金属网。
(第二实施方案)
图5和图6是表示本发明第二实施方案的图。本实施方案的烧成用机架1是承烧板保持装置由在周边部具有多个层积用突起11的框状平板构件10构成的装置。在图5的实施方案中,长方形的平板构件10在左右两侧具有四边形的孔12,平板状承烧板7放置在该部分。在与平板构件10的一边的左右两端以及与该一边相对置的边的中央部,分别突出设置有层积用突起11,在围绕孔12的位置上突出设置有比层积用突起11低的定位用突起13。
图6是在该承烧板保持装置上保持平板状承烧板7后进行了多层层叠的状态的侧视图,平板状承烧板7用点线表示。这样,在该实施方案中平板状承烧板7的外周侧面的70%以上也露出于烧成炉内。另外,其材质是选自热辐射率高的Si-SiC、重结晶SiC、Si3N4-SiC中的任一种,因此如第一实施方案般能够确保优异的均热性。另外,由于能够在将平板状承烧板7保持在承烧板保持装置的情况下进行层积,因此与第一实施方案相比具有操作性优异的优点。
(第三实施方案)
图7和图8是表示本发明第三实施方案的图。本实施方案的烧成用机架1承烧板保持装置包括相对置配置的一对直线构件16和梁18,其中该一对直线构件16具有多个层积用突起15;该梁18架设在各层积用突起15的上部凹面17之间。层积用突起15是山型的突起,在其下侧形成有凹部19。梁18是剖面角型的棒状体,其两端嵌入在层积用突起15的上部凹面17,在其上放置有平板状承烧板7。
图8是在这些梁18之上保持平板状承烧板7后进行了多层层叠的状态的侧视图,平板状承烧板7用点线表示。如图8所示,下侧凹部19嵌入在梁18的上侧,从而稳定层叠状态。
如图8所示,在该实施方案中,能够将平板状承烧板7的接近100%的外周侧面露出于烧成炉内。另外,其材质是选自热辐射率高的Si-SiC、重结晶SiC、Si3N4-SiC中的任一种,因此如第一实施方案般能够确保优异的均热性。第三实施方案的烧成用机架也能够在将平板状承烧板7保持在承烧板保持装置的情况下进行层积,因此与第一实施方案相比具有操作性优异的优点。
实施例
[表1]
使用在本发明烧成用机架上插入150mm×150mm×2mm的平板状承烧板而构成15层的层积结构烧成夹具的装置(实施例1),和上面周缘具有15mm突起部的150mm×150mm×5mm的承烧板层积15层而构成的装置(比较例1),在相同烧成条件下,进行了陶瓷电容器烧成(1300℃、10小时)。在表1中分别表示对各层产品成品率调查的结果(“产品成品率(%)”)、对构成各层的承烧板端部与中央部之间的温度差测定的结果(“承烧板温度差(℃)”)、最上层的承烧板中央部的温度与构成各层的承烧板中央部的温度差(“承烧板中央温度差(℃)”)。
如表1所示,通过使用本发明烧成用机架,能够实现各层的均热化,且能够提高产品成品率。
[表2]
为调查材质的影响,以表2所示的各成分比,构成本发明权利要求1的烧成用机架(实施例2—6、比较例2—4),并插入150mm×150mm×2mm的平板状承烧板,构成15层的层积结构的烧成夹具。使用该烧成夹具,在相同烧成条件下,进行了陶瓷电容器的烧成(1300℃、10小时)。在表2中分别示出,对实施例2—6、比较例2—4的烧成用机架的物性(弹性率、弯曲强度、热传导率、气孔率、辐射率)测定的结果、对中断的产品成品率调查的结果、烧成用机架自身寿命(“多层组合架寿命(次)”)。
表2所示的实施例2、3、4为含有0.01—30%的Si的Si-SiC、实施例5是重结晶SiC、实施例6是Si3N4-SiC,比较例2是Si含有率过剩的Si-SiC、比较例3是氧化铝、比较例4是氧化铝—二氧化硅。如表2所示,以选自含有0.01—30%的Si的Si-SiC、重结晶SiC、Si3N4-SiC中的任一种材质来构成权利要求1的烧成用机架,由此能够实现产品成品率的提高和烧成用机架的长寿命化。一方面,当以具有比较例2—4的化学成分的构件构成本发明权利要求1的烧成用机架时,可以观测到产品成品率变差,特别是组合架的寿命显著降低。
附图标记说明
1 烧成用机架
2 (2a、2b、2c、2d)角部垂直支柱
21 水平沟部
3 上端支撑框架
4 下端支撑框架
5 (5a和5b)中间垂直支柱
51 水平孔部
6 梁
7 平板状承烧板
8 突起部
10 平板构件
11 层积用突起
12 四边形孔
13 定位用突起
15 层积用突起
16 直线构件
17 上部凹面
18 梁
19 凹部
Claims (11)
1.一种烧成用机架,其利用承烧板保持装置在垂直方向上以多层方式保持多张平板状承烧板,其特征在于,该承烧板保持装置由选自含有0.01-30%的Si的Si-SiC、重结晶SiC、Si3N4-SiC的任意材质构成,该承烧板保持装置将各平板状承烧板以使其外周侧面的70—100%露出的状态保持。
2.权利要求1所述的烧成用机架,其特征在于,
承烧板保持装置具备:多根垂直支柱,其具有承烧板保持机构;下端支撑框架,其用于支撑该垂直支柱下端部;上端支撑框架,其用于支撑该垂直支柱上端部,
该承烧板保持机构包括选自形成在垂直支柱内侧面的多个凹部或凸部、或者架设在夹着平板状承烧板而对置的垂直支柱之间的梁中的至少一种。
3.权利要求2所述的烧成用机架,其特征在于,垂直支柱包括构成其4个角的垂直边的角部垂直支柱、和垂直配置在该角部垂直支柱间的中间垂直支柱。
4.权利要求1所述的烧成用机架,其特征在于,承烧板保持装置包括在周边部具有多个层积用突起的框状平板构件,并且在保持平板状承烧板的状态下以多层方式层叠。
5.权利要求1所述的烧成用机架,其特征在于,承烧板保持装置包括:一对直线构件,其具有多个层积用突起且相对置而配置;梁,其架设在各层积用突起的上部凹面间,而且将平板状承烧板保持在这些梁上的状态下以多层方式层叠。
6.权利要求1-4中任一项所述的烧成用机架,其特征在于,构成承烧板保持装置的构件由Si-SiC构成,其化学成分为SiC:70—99%、Si:1—30%,将SiC+Si作为100%时,进一步含有Al:0.01—0.2%、Fe:0.01-0.2%、Ca:0.01—0.2%。
7.权利要求6所述的烧成用机架,其特征在于,构成承烧板保持装置的构件的热辐射率在波长8μm时为80—100%、波长12μm时为20-40%、波长19μm时为60-80%。
8.权利要求6或7所述的烧成用机架,其特征在于,构成承烧板保持装置的算数平均表面粗糙度为Ra=0.1-30μm、弹性率为200-400GPa、强度为100—400MPa、室温热传导率为150-240W/m·k、气孔率在1%以下。
9.权利要求1-4中任一项所述的烧成用机架,其特征在于,构成承烧板保持装置的构件由重结晶SiC构成,其化学成分为SiC:99—100%,将SiC作为100%时,进一步含有Al:0.01—0.2%、Fe:0.01—0.2%、Ca:0.01-0.2%。
10.权利要求1-4中任一项所述的烧成用机架,其特征在于,构成承烧板保持装置的构件由Si3N4-SiC构成,其化学成分为SiC:70—80%、Si3N4:20-30%,将SiC+Si3N4作为100%时,进一步含有Al:0.1—0.5%、Fe:0.1—0.5%、Ca:0.01—0.2%。
11.权利要求1-4中任一项所述的烧成用机架,其特征在于,平板状承烧板的材质为含有0.01-30%的Si的Si-SiC。
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