JP2009208981A - Manufacturing method of green sheet, green sheet and silicon nitride ceramic substrate - Google Patents

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広実 菊池
Junichi Watanabe
渡辺  純一
Yoichiro Kaga
洋一郎 加賀
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the uniformity of a film thickness of a green sheet to become a silicon nitride ceramic, and also to appropriately perform the control of an orientation degree of particles and to easily manufacture a silicon nitride ceramic substrate having good characteristics. <P>SOLUTION: A sheet-shaped form is maintained, as it is, in a raw sheet 14 even after a Mylar sheet 12 is wound up by a winding side roll 16 and a raw sheet is separated from the Mylar sheet 12 (separating step). The raw sheet 14 after the separating step passes a heating device 18 (heating step). The raw sheet 14 is heated again and a binder component contained in the heating device 18 is softened. A constant shape property is obtained by evaporating an organic solvent at the drying step in the raw sheet 14. The orientation of a β-type silicon nitride particles progresses and a plane orientation degree in the silicon nitride ceramic substrate can be set at ≥0.4 by performing a rolling step at a softening temperature or above of the binder after that. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化珪素セラミックス基板を製造する際に用いられるグリーンシートの製造方法、この製造方法によって製造されたグリーンシート、及びこのグリーンシートを焼成することにより製造された窒化珪素セラミックス基板に関する。   The present invention relates to a green sheet manufacturing method used when manufacturing a silicon nitride ceramic substrate, a green sheet manufactured by the manufacturing method, and a silicon nitride ceramic substrate manufactured by firing the green sheet.

機械的強度、熱伝導率、及び電気的絶縁性が高いセラミックス基板(例えば窒化珪素セラミックス)は、例えば、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール等に用いられている。こうしたセラミックス基板を製造するにあたっては、このセラミックスを構成する材料粉末がバインダー、有機溶媒等と混合されて定形化されたグリーンシートが製造され、このグリーンシートが高温で焼成されてセラミックス基板となる。一般に、グリーンシートは、この焼成の際に収縮してセラミックス基板となる。   Ceramic substrates (for example, silicon nitride ceramics) having high mechanical strength, thermal conductivity, and electrical insulation are used, for example, as power semiconductor modules capable of high voltage and large current operation as inverters for electric vehicles. . In manufacturing such a ceramic substrate, a green sheet in which the material powder constituting the ceramic is mixed with a binder, an organic solvent, and the like is formed into a regular shape, and the green sheet is fired at a high temperature to be a ceramic substrate. In general, the green sheet shrinks during the firing to become a ceramic substrate.

この際、セラミックス基板の厚さを所定の値に設定し、かつその厚さを均一とすることが必要であるが、これらの特性は、主にグリーンシートの製造工程で決定される。すなわち、グリーンシートにおいては、厚さが適切に設定され、その厚さが均一であり、かつその密度が均一であることが要求される。従って、特にこうした特性を良好とすることのできるグリーンシートの製造方法が提案されている。   At this time, it is necessary to set the thickness of the ceramic substrate to a predetermined value and make the thickness uniform, but these characteristics are mainly determined in the manufacturing process of the green sheet. That is, the green sheet is required to have an appropriate thickness, a uniform thickness, and a uniform density. Therefore, a method for producing a green sheet capable of particularly improving such characteristics has been proposed.

特許文献1には、キャリアフィルム上にドクターブレード法によってグリーンシートを形成し、これを乾燥炉を通過させてから、回転するローラ間を通過させる、アルミナセラミックスのグリーンシートの製造方法が記載されている。   Patent Document 1 describes a method for producing a green sheet of alumina ceramics, in which a green sheet is formed on a carrier film by a doctor blade method and then passed through a drying furnace and then passed between rotating rollers. Yes.

ここで、ドクターブレード法においては、ドクターブレードの刃先とキャリアフィルムとの間隔の設定によって、略一定の厚さのシート(生シート)が形成される。ただし、この箇所を通過した後の生シートにおいては、厚さの均一性と、密度の均一性は不充分である。従って、ここでは乾燥炉で生シート中の有機溶媒を蒸発させ、ある程度の定形性が保たれるが可塑性のある状態にした上で、回転するローラ間を通過させ、厚さの均一性と密度の均一性とを向上させたグリーンシートを得る。この方法によって製造されたグリーンシートを焼成した場合、厚さ、密度の均一性が向上し、機械的強度、熱伝導率、電気的絶縁性が良好なセラミックス基板となる。   Here, in the doctor blade method, a sheet (raw sheet) having a substantially constant thickness is formed by setting the distance between the blade edge of the doctor blade and the carrier film. However, the thickness uniformity and the density uniformity are insufficient in the raw sheet after passing through this portion. Therefore, in this case, the organic solvent in the green sheet is evaporated in a drying oven to maintain a certain degree of formability, but in a plastic state, it is passed between rotating rollers, and the thickness uniformity and density A green sheet with improved uniformity is obtained. When the green sheet produced by this method is fired, the uniformity of thickness and density is improved, and a ceramic substrate having good mechanical strength, thermal conductivity, and electrical insulation is obtained.

また、グリーンシートが焼成されて焼結体となる際には、有機成分が蒸発して、かつ構成粒子同士が焼結されるために収縮するが、その収縮率に異方性があると、セラミックス基板の膜厚の制御性に悪影響を与える。特許文献2には、グリーンシート表面を一旦凹凸形状にしてからその後にこれを平坦化する製造方法が記載されている。この方法においては、粒子の向きをランダムにして、この方法によって異方性が低減される。従って、この方法によって、配向性が適度に調整され、良好な特性のセラミックス基板を得ることができる。   In addition, when the green sheet is fired to become a sintered body, the organic component evaporates, and the constituent particles shrink because they are sintered together. This adversely affects the controllability of the thickness of the ceramic substrate. Patent Document 2 describes a manufacturing method in which the surface of a green sheet is once made uneven, and then flattened. In this method, the anisotropy is reduced by this method by randomizing the direction of the particles. Therefore, by this method, the orientation is moderately adjusted, and a ceramic substrate having good characteristics can be obtained.

一方、特に窒化珪素セラミックスの場合には、これを構成するβ型窒化珪素粒子の異方性が高いため、その配向性によって、得られるセラミックス基板の特性は大きく異なる。特許文献3には、このセラミックス基板においては、面内配向度の値を0.4〜0.8の範囲とすることによって特にクラックに対する耐性と熱伝導率とを高くすることができることが記載されている。この面内配向度はその材料(グリーンシートの材料)等を調整することによって調整でき、その値を上記の範囲とすることができる。   On the other hand, particularly in the case of silicon nitride ceramics, since the β-type silicon nitride particles constituting the anisotropy are high in anisotropy, the characteristics of the obtained ceramic substrate vary greatly depending on the orientation. Patent Document 3 describes that in this ceramic substrate, by setting the in-plane orientation value in the range of 0.4 to 0.8, resistance to cracks and thermal conductivity can be particularly increased. ing. This in-plane orientation degree can be adjusted by adjusting the material (green sheet material) and the like, and the value can be set in the above range.

特開昭55−111207号公報JP-A-55-111207 特開昭58−96508号公報JP 58-96508 A 国際公開WO2006/118003International Publication WO2006 / 118003

特許文献1、2に記載されたグリーンシートの製造方法においては、アルミナのセラミックス基板を製造することが想定されていた。これに対し、より機械的強度、熱伝導率、及び電気的絶縁性が高いセラミックス材料として、窒化珪素の重要性が近年高まっている。特許文献3に記載されるように、窒化珪素セラミックスの場合には、面内配向度を適切な範囲に設定することによって特に良好な特性が得られるが、膜厚や密度の均一性を向上させると共に、粒子の配向度を適切な範囲に容易に設定することのできるグリーンシートの製造方法は存在しなかった。   In the manufacturing method of the green sheet described in Patent Documents 1 and 2, it was assumed that an alumina ceramic substrate was manufactured. On the other hand, the importance of silicon nitride has been increasing in recent years as a ceramic material with higher mechanical strength, thermal conductivity, and electrical insulation. As described in Patent Document 3, in the case of silicon nitride ceramics, particularly good characteristics can be obtained by setting the in-plane orientation degree to an appropriate range, but the uniformity of film thickness and density is improved. At the same time, there has been no green sheet manufacturing method that can easily set the degree of orientation of particles within an appropriate range.

すなわち、窒化珪素セラミックスとなるグリーンシートにおける膜厚の均一性を向上させると共に、粒子の配向度の制御を適切に行い、良好な特性の窒化珪素セラミックス基板を容易に製造することは困難であった。   That is, it was difficult to easily produce a silicon nitride ceramic substrate having good characteristics by improving the uniformity of the film thickness in the green sheet to be silicon nitride ceramics and appropriately controlling the degree of orientation of particles. .

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項1に記載の発明の要旨は、焼成後に窒化珪素セラミックス基板となるグリーンシートを製造する、グリーンシートの製造方法であって、少なくともα型窒化珪素粉末、バインダー、及び有機溶媒が混合されたスラリーを、ドクターブレード法によってキャリアフィルム上に生シートとして形成する成形工程と、前記生シートを加熱して前記有機溶媒を蒸発させる乾燥工程と、該乾燥工程後の生シートを前記キャリアフィルムから離脱させる離脱工程と、前記離脱された生シートを、前記バインダーの軟化温度以上の温度に加熱する加熱工程と、前記加熱された生シートを圧延してグリーンシートを製造する圧延工程と、を具備することを特徴とする、グリーンシートの製造方法に存する。
請求項2に記載の発明の要旨は、前記加熱工程における加熱温度は50℃以上、150℃未満であることを特徴とする請求項1に記載のグリーンシートの製造方法に存する。
請求項3に記載の発明の要旨は、前記成形工程における、前記キャリアフィルムとドクターブレードとの間隔は1.6〜1.9mmとし、前記圧延工程において、前記生シートは0.03〜0.2mmの間隔の圧延ローラ間を通過することを特徴とする請求項1または2に記載のグリーンシートの製造方法に存する。
請求項4に記載の発明の要旨は、膜厚の均一性の工程能力指数が1.33以上であり、かつ密度が50%以上であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のグリーンシートの製造方法によって製造されたことを特徴とするグリーンシートに存する。
請求項5に記載の発明の要旨は、焼成時の厚さ方向の収縮率が20%以下であることを特徴とする請求項4に記載のグリーンシートに存する。
請求項6に記載の発明の要旨は、請求項4または5に記載のグリーンシートを焼成することによって製造された窒化珪素セラミックス基板であって、面内配向度が0.4〜0.8の範囲であることを特徴とする窒化珪素セラミックス基板に存する。
請求項7に記載の発明の要旨は、厚さ方向の破壊靱性値が、面内方向の破壊靱性値よりも大きなことを特徴とする請求項6に記載の窒化珪素セラミックス基板に存する。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The gist of the invention described in claim 1 is a green sheet manufacturing method for manufacturing a green sheet to be a silicon nitride ceramic substrate after firing, wherein at least α-type silicon nitride powder, a binder, and an organic solvent are mixed. A forming step of forming a slurry as a raw sheet on a carrier film by a doctor blade method, a drying step of heating the raw sheet to evaporate the organic solvent, and releasing the raw sheet after the drying step from the carrier film A releasing step, a heating step of heating the released green sheet to a temperature equal to or higher than a softening temperature of the binder, and a rolling step of rolling the heated green sheet to produce a green sheet. The present invention resides in a method for producing a green sheet.
The gist of the invention described in claim 2 resides in the method for producing a green sheet according to claim 1, wherein the heating temperature in the heating step is 50 ° C. or higher and lower than 150 ° C.
The gist of the invention described in claim 3 is that, in the molding step, the distance between the carrier film and the doctor blade is 1.6 to 1.9 mm, and in the rolling step, the raw sheet is 0.03 to 0.00 mm. The green sheet manufacturing method according to claim 1, wherein the green sheet passes between rolling rollers having an interval of 2 mm.
The gist of the invention described in claim 4 is that the process capability index of film thickness uniformity is 1.33 or more and the density is 50% or more. It exists in the green sheet characterized by being manufactured by the manufacturing method of the green sheet of any one of Claims.
The gist of the invention described in claim 5 resides in the green sheet according to claim 4, wherein the shrinkage ratio in the thickness direction during firing is 20% or less.
The gist of the invention described in claim 6 is a silicon nitride ceramic substrate manufactured by firing the green sheet according to claim 4 or 5, wherein the in-plane orientation degree is 0.4 to 0.8. It exists in the silicon nitride ceramic substrate characterized by being the range.
The gist of the invention described in claim 7 resides in the silicon nitride ceramic substrate according to claim 6, wherein the fracture toughness value in the thickness direction is larger than the fracture toughness value in the in-plane direction.

本発明は以上のように構成されているので、窒化珪素セラミックスとなるグリーンシートにおける膜厚の均一性を向上させると共に、粒子の配向度の制御を適切に行い、良好な特性の窒化珪素セラミックス基板を容易に製造することができる。   Since the present invention is configured as described above, the silicon nitride ceramic substrate having good characteristics can be obtained by improving the uniformity of the film thickness in the green sheet used as the silicon nitride ceramic and appropriately controlling the degree of orientation of the particles. Can be easily manufactured.

発明者は、特に窒化珪素セラミックス基板を製造するためのグリーンシートを製造する際には、グリーンシートの製造工程において、乾燥後に、更に加熱された状態で圧延する工程を設け、その際の加熱温度を適度に調整することによって、配向度が適度に調整されることを知見した。ここで配向度が調整されたグリーンシートを焼成することによって、厚さ及び配向の制御が容易かつ十分に行われ、良好な特性の窒化珪素セラミックシートを容易に製造することができる。   The inventor, in particular, when manufacturing a green sheet for manufacturing a silicon nitride ceramic substrate, provides a step of rolling in a heated state after drying in the manufacturing process of the green sheet, and the heating temperature at that time It has been found that the degree of orientation can be adjusted appropriately by adjusting the angle. Here, by firing the green sheet of which the degree of orientation is adjusted, the thickness and orientation can be controlled easily and sufficiently, and a silicon nitride ceramic sheet having good characteristics can be easily manufactured.

以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。   The present invention will be described below with reference to specific embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments.

本発明の実施の形態となる製造方法を実現する製造装置10の構成図が図1である。この製造装置10においては、所望の混合比率となった窒化珪素セラミックス製造用グリーンシート原料となるスラリー11は、ドクターブレード法によって、マイラーシート(キャリアフィルム)12とドクターブレード13との間の隙間から、この隙間と略等しい所望の厚さとなってマイラーシート12上に生シート14となって流れ出す(成形工程)。可撓性のあるマイラーシート12は、巻き出し側ロール15から巻き出され、巻き取り側ロール16に巻き取られる。この間に、マイラーシート12上の生シート14は、乾燥炉17中を通過する(乾燥工程)。この際、スラリー11(生シート14)中の揮発成分は揮発し、乾燥炉17を通過後にはその定形性が得られる。このため、マイラーシート12が巻き取り側ロール16で巻き取られ、生シートがマイラーシート12から離脱した(離脱工程)後でも、生シート14においてはそのままシート状となった形態が維持される。ただし、この状態の生シート14においては、シート状の形態は保たれているが、可塑性が全く無くなった状態となってはいない。   FIG. 1 is a configuration diagram of a manufacturing apparatus 10 that realizes a manufacturing method according to an embodiment of the present invention. In this manufacturing apparatus 10, the slurry 11, which is a green sheet raw material for manufacturing silicon nitride ceramics having a desired mixing ratio, is removed from the gap between the mylar sheet (carrier film) 12 and the doctor blade 13 by the doctor blade method. Then, it becomes a desired thickness substantially equal to this gap and flows out as a raw sheet 14 on the mylar sheet 12 (molding step). The flexible mylar sheet 12 is unwound from the unwinding side roll 15 and wound around the winding side roll 16. During this time, the raw sheet 14 on the mylar sheet 12 passes through the drying furnace 17 (drying process). At this time, the volatile component in the slurry 11 (raw sheet 14) is volatilized, and its regularity is obtained after passing through the drying furnace 17. For this reason, even after the mylar sheet 12 is wound up by the winding side roll 16 and the raw sheet is detached from the mylar sheet 12 (detachment process), the raw sheet 14 is maintained in a sheet-like form as it is. However, in the raw sheet 14 in this state, the sheet-like form is maintained, but the plasticity is not completely lost.

ここで、この製造装置10においては、定形性が保たれた離脱工程後の生シート14は、加熱装置18を通過する(加熱工程)。この加熱装置18中においては、生シート14は再びバインダーの軟化温度以上に加熱され、その中に含まれるバインダー成分が軟化する。なお、この加熱工程においては、前記の乾燥工程とは異なり、マイラーシート12は存在しないため、生シート14を、図1における上下方向から均一に加熱することが可能である。   Here, in this manufacturing apparatus 10, the raw sheet 14 after the separation process in which the regularity is maintained passes through the heating apparatus 18 (heating process). In the heating device 18, the raw sheet 14 is again heated to the softening temperature of the binder or higher, and the binder component contained therein is softened. In this heating step, unlike the drying step, since the mylar sheet 12 does not exist, the raw sheet 14 can be heated uniformly from the vertical direction in FIG.

その後、この生シート14は2個の圧延ロール19間を通過して、グリーンシート20となる(圧延工程)。なお、便宜上図1においては加熱装置18と圧延ロール19とを分離して記載しているが、これらを同一の装置に設け、加熱工程と圧延工程とを同時に行うことも可能である。   Thereafter, the raw sheet 14 passes between two rolling rolls 19 to become a green sheet 20 (rolling step). For convenience, FIG. 1 shows the heating device 18 and the rolling roll 19 separately, but it is also possible to provide them in the same device and simultaneously perform the heating step and the rolling step.

ここで用いられるスラリー11には、生シート14を構成する材料として、α型窒化珪素粉末、バインダー、有機溶媒が少なくとも含まれる。   The slurry 11 used here contains at least an α-type silicon nitride powder, a binder, and an organic solvent as materials constituting the raw sheet 14.

α型窒化珪素粉末はグリーンシート20の主成分であり、このグリーンシート20が焼成された後には、例えば特許文献3に記載されるように(002)面をその長手方向に持つアスペクト比の大きな、すなわち異方性の大きな細長い粒子で構成され、この細長い粒子同士が結合され、窒化珪素セラミックス基板を構成する。従って、このセラミックス基板の特性、例えば破壊靱性や熱伝導率は、この粒子の配向度に左右される。   The α-type silicon nitride powder is the main component of the green sheet 20, and after the green sheet 20 is fired, for example, as described in Patent Document 3, the aspect ratio having a (002) plane in the longitudinal direction is large. That is, it is composed of elongated particles having large anisotropy, and these elongated particles are bonded to each other to form a silicon nitride ceramic substrate. Therefore, the characteristics of the ceramic substrate, such as fracture toughness and thermal conductivity, depend on the degree of orientation of the particles.

有機溶媒としては、例えばトルエン・ブタノール溶液が用いられる。この有機溶媒は、液状のスラリー11における溶媒として用いられ、乾燥工程において蒸発する揮発成分となる。トルエン・ブタノール溶液の場合、例えば乾燥炉17で50℃以上に加熱されること(乾燥工程)によって蒸発するため、乾燥炉17を通過後の生シート14においては、シート形状が保たれる。   As the organic solvent, for example, a toluene / butanol solution is used. This organic solvent is used as a solvent in the liquid slurry 11 and becomes a volatile component that evaporates in the drying step. In the case of a toluene / butanol solution, for example, it evaporates by being heated to 50 ° C. or higher (drying step) in the drying furnace 17, and thus the raw sheet 14 after passing through the drying furnace 17 maintains the sheet shape.

バインダーとしては、例えばポリビニル系の有機バインダー(PVB)が用いられる。この材料は、グリーンシート20(生シート14)において、窒化珪素粒子同士を結合させ、その定形性を保つために添加される。ポリビニル系の有機バインダーの場合、その軟化温度は50℃である。ここで、加熱装置18においては、この軟化温度以上の温度に生シート14が加熱される(加熱工程)。   As the binder, for example, a polyvinyl organic binder (PVB) is used. This material is added to bond the silicon nitride particles in the green sheet 20 (raw sheet 14) and maintain its regularity. In the case of a polyvinyl organic binder, the softening temperature is 50 ° C. Here, in the heating device 18, the raw sheet 14 is heated to a temperature equal to or higher than the softening temperature (heating step).

更に、必要に応じ、焼結を良好に行うための焼結助剤としてY2やMgO等を複合添加し、原料粉の凝集を防ぐための分散剤として例えばカチオン系セルロース誘導体を用いた界面活性剤(商品名レオガードGP)等、生シートに可塑性を持たせるための可塑剤としてジメチルフタレート等を更にスラリー11に混合することができる。 Furthermore, if necessary, Y 2 O 3 , MgO or the like is added in combination as a sintering aid for good sintering, and for example, a cationic cellulose derivative is used as a dispersant for preventing aggregation of the raw material powder. Dimethyl phthalate or the like can be further mixed with the slurry 11 as a plasticizer for imparting plasticity to the raw sheet, such as a surfactant (trade name Leogard GP).

製造されたグリーンシート20に対して、よく知られるように、その後に例えば窒素雰囲気中で1700〜2000℃程度の温度での焼成を行うことによって、窒化珪素セラミックス基板が得られる。   As is well known, the manufactured green sheet 20 is then fired at, for example, a temperature of about 1700 to 2000 ° C. in a nitrogen atmosphere to obtain a silicon nitride ceramic substrate.

この製造装置10において、加熱工程前(乾燥工程後)の生シート14の進行方向に垂直な断面における形状が図2(a)である。この生シート14の厚さは、ドクターブレード13を通過した直後には、マイラーシート12とドクターブレード13との間隔で決まる厚さに均一に設定されている。しかしながら、乾燥炉17において有機溶媒が蒸発する際には、有機溶媒の蒸発は均一に進まずに端部から進み、かつその際に収縮が発生して歪むために、結局、図2(a)のように、中心部から端部にかけて不均一な膜厚となる。ただし、有機溶媒が蒸発したこの状態の生シート14はまだ可塑性を有しているため、圧延工程後には、この生シート14は図2(b)に示す断面形状となる。すなわち、圧延ロール19によって成形されて、膜厚及び密度の均一性が向上する。この場合、グリーンシート20の最終的な膜厚は、マイラーシート12とドクターブレード13との間隔、及び圧延ロール19の間隔によって決まる。   In this manufacturing apparatus 10, the shape in the cross section perpendicular | vertical to the advancing direction of the raw sheet 14 before a heating process (after a drying process) is Fig.2 (a). The thickness of the raw sheet 14 is set to a thickness determined by the distance between the mylar sheet 12 and the doctor blade 13 immediately after passing through the doctor blade 13. However, when the organic solvent evaporates in the drying furnace 17, the evaporation of the organic solvent does not proceed uniformly but proceeds from the end portion, and at that time, shrinkage occurs and distortion occurs. Thus, the film thickness is nonuniform from the center to the end. However, since the raw sheet 14 in this state where the organic solvent has evaporated is still plastic, the raw sheet 14 has a cross-sectional shape shown in FIG. 2B after the rolling process. That is, the film is formed by the rolling roll 19 and the uniformity of the film thickness and density is improved. In this case, the final film thickness of the green sheet 20 is determined by the distance between the mylar sheet 12 and the doctor blade 13 and the distance between the rolling rolls 19.

以上の作用・効果については特許文献1に記載されたものと同様である。すなわち、圧延工程によってグリーンシート20の膜厚の均一性と密度の均一性が向上する。   About the above effect | action and effect, it is the same as that of what was described in patent document 1. FIG. That is, the uniformity of the film thickness and density of the green sheet 20 is improved by the rolling process.

前記の通り、グリーンシート20は、α型窒化珪素粉末(粒子)をその主成分とする。グリーンシート20におけるα型窒化珪素粒子の配向性は、これを焼成して得られる窒化珪素セラミックス基板におけるβ型窒化珪素粒子の配向度、すなわち、窒化珪素セラミックスにおける配向度に直接関連する。そして、特にβ型窒化珪素粒子の異方性は、アルミナ粒子等と比べて大きいために、この配向度が窒化珪素セラミックス基板の特性に与える影響も、アルミナセラミックスの場合よりも大きい。   As described above, the green sheet 20 contains α-type silicon nitride powder (particles) as its main component. The orientation of the α-type silicon nitride particles in the green sheet 20 is directly related to the orientation degree of the β-type silicon nitride particles in the silicon nitride ceramic substrate obtained by firing this, that is, the orientation degree in the silicon nitride ceramics. In particular, since the anisotropy of β-type silicon nitride particles is larger than that of alumina particles or the like, the influence of this degree of orientation on the characteristics of the silicon nitride ceramic substrate is also greater than in the case of alumina ceramics.

特に窒化珪素セラミックス基板となるグリーンシート20をこの製造装置10で製造する場合、前記の厚さの均一性に対する影響に加え、グリーンシート20中におけるα型窒化珪素粒子の配向性も、この加熱工程以降の影響を受ける。すなわち、この製造方法によって製造されたグリーンシート20を焼成した窒化珪素セラミックス基板における配向性も、この加熱工程以降の影響を受ける。   In particular, when the green sheet 20 to be a silicon nitride ceramic substrate is manufactured by the manufacturing apparatus 10, in addition to the influence on the thickness uniformity, the orientation of the α-type silicon nitride particles in the green sheet 20 is also affected by this heating step. Later affected. That is, the orientation in the silicon nitride ceramic substrate obtained by firing the green sheet 20 manufactured by this manufacturing method is also affected after the heating step.

図3は、加熱工程における加熱温度と、得られた窒化珪素焼結体の配向度との関係を測定した結果である。ここで、スラリー11の組成は窒化珪素78mol%、酸化物換算でMgO:20mol%、Y23:2mol%とし、乾燥工程は100℃で行い、全体の移動速度(マイラーシート12の移動速度)は8cm/minとした。マイラーシート12とドクターブレード13との間隔は1.8mmとし、圧延ロール18間の間隔は0.03mmとした。 FIG. 3 shows the results of measuring the relationship between the heating temperature in the heating step and the degree of orientation of the obtained silicon nitride sintered body. Here, the composition of the slurry 11 is silicon nitride 78 mol%, MgO in terms of oxides: 20mol%, Y 2 O 3 : and 2 mol%, the moving speed of the drying process is carried out at 100 ° C., the overall movement speed (Mylar sheet 12 ) Was 8 cm / min. The distance between the Mylar sheet 12 and the doctor blade 13 was 1.8 mm, and the distance between the rolling rolls 18 was 0.03 mm.

ここでいう配向度とは、窒化珪素セラミックスに対してX線回折を行った結果から得られ、式(1)で定義される面内配向度faである(特許文献3あるいはF.K.Lotgerling:J.Inorg,Nucl.Chem.,9(1959)113.参照)。   The degree of orientation referred to here is obtained from the result of X-ray diffraction performed on silicon nitride ceramics, and is the in-plane degree of orientation fa defined by Equation (1) (Patent Document 3 or FK Rotgerling). : J. Inorg, Nucl. Chem., 9 (1959) 113.).

Figure 2009208981
Figure 2009208981

式(1)において、Pは式(2)で表され、試料となる窒化珪素セラミックスにおいて、β型窒化珪素粒子の長軸を法線とする面のX線回折強度の和の、X線回折において現れる全ての面の回折強度の和に対する比率である。一方、Pは式(3)で表され、配向性が全くない(ランダムな)窒化珪素セラミックスにおけるPの値である。ここで、I(110)等は試料における(110)面等のX線回折強度を表し、I’(110)は、無配向の窒化珪素セラミックスにおける(110)面等のX線回折強度を表す。すなわち、ここでは、β型窒化珪素粒子の長手方向は(110)、(200)、(210)、(310)、(320)方向となることを反映している。 In the formula (1), P is represented by the formula (2), and in the silicon nitride ceramic as the sample, the X-ray diffraction of the sum of the X-ray diffraction intensities of the surface having the long axis of the β-type silicon nitride particles as the normal Is the ratio to the sum of the diffraction intensities of all surfaces appearing in. On the other hand, P 0 is represented by the formula (3) and is a value of P in a silicon nitride ceramic having no orientation (random). Here, I (110) represents the X-ray diffraction intensity of the (110) plane in the sample, and I ′ (110) represents the X-ray diffraction intensity of the (110) plane in the non-oriented silicon nitride ceramic. . That is, here, it is reflected that the longitudinal direction of the β-type silicon nitride particles is the (110), (200), (210), (310), (320) directions.

Figure 2009208981
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Figure 2009208981
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窒化珪素セラミックス基板はβ型窒化珪素の粗大な柱状粒子と微細な粒子を主成分として構成されているが、面内配向度faは粗大なβ型窒化珪素の柱状粒子の向きによって決まる。面内配向度faが0の場合は粗大な柱状粒子が無秩序に配置されているが、面内配向度faが0より大きい場合は窒化珪素基板の厚さ方向に対する長軸の傾きが45°より大きい柱状粒子をより多く含んでいることを示しており、面内配向度faの値が1に近いほど、窒化珪素基板の厚さ方向に対する柱状粒子の長軸の向きが90°に近いことを示している。   The silicon nitride ceramic substrate is composed mainly of coarse columnar particles and fine particles of β-type silicon nitride, but the in-plane orientation degree fa is determined by the orientation of the coarse β-type silicon nitride columnar particles. When the in-plane orientation degree fa is 0, coarse columnar particles are randomly arranged, but when the in-plane orientation degree fa is greater than 0, the inclination of the major axis with respect to the thickness direction of the silicon nitride substrate is more than 45 °. This shows that the larger the number of columnar particles is contained, the closer the value of the in-plane orientation fa to 1, the closer the major axis direction of the columnar particles to the thickness direction of the silicon nitride substrate is closer to 90 °. Show.

図3において、加熱工程を行わない場合(加熱温度20℃)には面内配向度faが0.4未満であったものが、加熱温度を50℃とした場合に面内配向度faが0.4近傍まで上昇し、その後も上昇傾向にある。加熱温度を120℃とした場合には面内配向度faは0.4以上の高い値を示すことが確認できる。しかし120℃を越えるとバインダーの熱分解の影響が出始めて面内配向度faは徐々に下降傾向を示す。   In FIG. 3, when the heating step is not performed (heating temperature 20 ° C.), the in-plane orientation degree fa is less than 0.4, but when the heating temperature is 50 ° C., the in-plane orientation degree fa is 0. It has risen to around 4 and has continued to rise. When the heating temperature is 120 ° C., it can be confirmed that the in-plane orientation degree fa shows a high value of 0.4 or more. However, when the temperature exceeds 120 ° C., the influence of thermal decomposition of the binder starts to appear, and the in-plane orientation degree fa gradually decreases.

更に、この生シート14に対して、加熱工程と圧延工程とを複数回連続して行うこともできる。この場合のこれらの回数(圧延回数)と、面内配向度faとの関係を調べた結果が図4である。圧延回数を増やすことによって徐々に面内配向度faが向上することが確認できる。圧延回数2回以上で面内配向度faは0.4程度以上となった。また、この圧延回数に代えて圧延ローラの送り速度を遅くすることによっても同等の効果を得ることができることを確認している。従って、製造現場や工程の都合によって圧延回数あるいは送り速度を設定するかの選択をすることが望ましい。   Furthermore, a heating process and a rolling process can be performed on the raw sheet 14 a plurality of times. FIG. 4 shows the result of examining the relationship between the number of times in this case (number of times of rolling) and the in-plane orientation degree fa. It can be confirmed that the in-plane orientation degree fa is gradually improved by increasing the number of rolling. The in-plane orientation degree fa was about 0.4 or more when the number of rolling was 2 or more. Further, it has been confirmed that the same effect can be obtained by slowing the feed speed of the rolling roller instead of the number of rolling. Therefore, it is desirable to select whether to set the number of rollings or the feed rate according to the manufacturing site and the process.

この効果は、バインダーの軟化温度以上の温度で圧延が行われる際には、グリーンシート20(生シート14)において、細長い形状のβ型窒化珪素粒子の配向が進むために得られる。すなわち、生シート14においては、乾燥工程で有機溶媒が蒸発することによって定形性が得られ、その後でバインダーの軟化温度以上での圧延工程を行うことにより、β型窒化珪素粒子の配向が進み、窒化珪素セラミックス基板における面内配向度を0.4以上の値とすることができる。従って、加熱工程における温度は、バインダーの軟化温度以上とすることが必要であり、バインダーとしてポリビニル系有機バインダーを用いた場合には、50℃以上となる。一方、この温度が150℃以上となると、バインダーが熱分解し、生シートの形状が維持できなくなるため、この温度は150℃以下とすることが好ましい。このように通常のバインダー材を用いた加熱工程における加熱温度は50℃以上、150℃未満で行われる。図3に示すように望ましくは80℃以上、120℃以下である。   This effect is obtained because the orientation of the elongated β-type silicon nitride particles proceeds in the green sheet 20 (raw sheet 14) when rolling is performed at a temperature higher than the softening temperature of the binder. That is, in the raw sheet 14, the formability is obtained by evaporating the organic solvent in the drying process, and then the orientation of the β-type silicon nitride particles proceeds by performing a rolling process at the softening temperature of the binder or higher. The in-plane orientation degree in the silicon nitride ceramic substrate can be set to a value of 0.4 or more. Accordingly, the temperature in the heating step needs to be equal to or higher than the softening temperature of the binder. When a polyvinyl organic binder is used as the binder, the temperature is 50 ° C. or higher. On the other hand, when the temperature is 150 ° C. or higher, the binder is thermally decomposed and the shape of the raw sheet cannot be maintained. Therefore, the temperature is preferably 150 ° C. or lower. Thus, the heating temperature in the heating process using a normal binder material is performed at 50 ° C. or higher and lower than 150 ° C. As shown in FIG. 3, it is desirably 80 ° C. or higher and 120 ° C. or lower.

面内配向度faを0.4〜0.8の範囲とすることにより、特許文献3に記載されるように、厚さ方向の破壊靱性値を面内の破壊靱性値と比べて大きくすることができ、クラックに対する耐性が向上する。ここで、破壊靱性値とは、図5に示すように、ビッカース圧子を被測定点に打ち込み、その際に発生した圧痕の寸法とクラックの大きさとからJISR1607に規定されるIF(Indentation Fracture)法によって算出される。   By setting the in-plane orientation degree fa in the range of 0.4 to 0.8, as described in Patent Document 3, the fracture toughness value in the thickness direction is made larger than the in-plane fracture toughness value. And resistance to cracking is improved. Here, as shown in FIG. 5, the fracture toughness value is an IF (Indentation Fracture) method defined in JIS R1607 based on the size of the indentation and the size of the crack generated when a Vickers indenter is driven into a measurement point. Is calculated by

すなわち、特許文献3に記載されるように、JISR1607に準拠して、窒化珪素質基板の側面にビッカース圧子を所定荷重(例えば、2kgf)で押し込む。このとき、ビッカース圧子はビッカース圧痕の一方の対角線が基板の厚さ方向と垂直になるように押し込む。この場合、図5に示すように、ビッカース圧痕の上端部及び下端部から厚さ方向に、及びビッカース圧痕の左端部及び右端部から面内方向(厚さ方向と垂直な方向)にクラックがそれぞれ伸びる。   That is, as described in Patent Document 3, a Vickers indenter is pushed into a side surface of a silicon nitride substrate with a predetermined load (for example, 2 kgf) in accordance with JIS R1607. At this time, the Vickers indenter is pushed so that one diagonal line of the Vickers indentation is perpendicular to the thickness direction of the substrate. In this case, as shown in FIG. 5, cracks are formed in the thickness direction from the upper end and the lower end of the Vickers indentation, and in the in-plane direction (direction perpendicular to the thickness direction) from the left end and the right end of the Vickers indentation, respectively. extend.

特に半導体モジュール等における回路基板にこの窒化珪素セラミックス基板が用いられる際の構造を図6(配線等は省略)に示す。この半導体モジュール30は、窒化珪素セラミックス基板31の両面に金属回路板32と金属放熱板33がそれぞれ接合された形態の回路基板において、金属回路板32上に半導体チップ34が搭載されて構成される。金属回路板32と金属放熱板33は共に銅をその主成分とする。ここで、半導体チップ34は使用の際には発熱する。従って、この半導体モジュールの使用の際には加熱と冷却とが繰り返され、その冷熱サイクルの際には、窒化珪素と銅との熱膨張差によって歪みが発生し、図6に示すようにクラック40が発生する。このクラックは、図6に示すように、例えば金属回路板32の端部から発生して、初めに厚さ方向に進展し、その後で水平方向(面内方向)に大きく進展して、この窒化珪素セラミックス基板31を破壊させる。従って、特にこの初期の厚さ方向のクラックの進展を抑制することが、窒化珪素セラミックス基板31の耐久性(機械的強度)を高める上で有効である。   In particular, a structure when this silicon nitride ceramic substrate is used for a circuit substrate in a semiconductor module or the like is shown in FIG. 6 (wiring is omitted). The semiconductor module 30 is configured by mounting a semiconductor chip 34 on a metal circuit board 32 in a circuit board in which a metal circuit board 32 and a metal heat radiating plate 33 are respectively bonded to both surfaces of a silicon nitride ceramic substrate 31. . Both the metal circuit board 32 and the metal heat sink 33 are mainly composed of copper. Here, the semiconductor chip 34 generates heat during use. Therefore, heating and cooling are repeated during the use of this semiconductor module, and during the cooling and heating cycle, distortion occurs due to the difference in thermal expansion between silicon nitride and copper, and cracks 40 are generated as shown in FIG. Will occur. As shown in FIG. 6, this crack is generated, for example, from the end portion of the metal circuit board 32, and first propagates in the thickness direction, and then greatly progresses in the horizontal direction (in-plane direction). The silicon ceramic substrate 31 is destroyed. Therefore, in particular, suppressing the progress of cracks in the initial thickness direction is effective in increasing the durability (mechanical strength) of the silicon nitride ceramic substrate 31.

従って、ここでは、厚さ方向にクラックが生じにくい窒化珪素セラミックス基板を得ることが重要である。そのための指針として、ここでは厚さ方向の破壊靱性値を図5の形態から算出した。厚さ方向の破壊靱性値とは、図5におけるビッカース圧痕の厚さ方向の対角線の長さ、上端部及び下端部から伸びるクラックの長さを用いてIF法によって算出する。同様に、面内方向の破壊靱性値とは、図5におけるビッカース圧痕の面内方向の対角線の長さ、左端部及び右端部から伸びるクラックの長さを用いてIF法によって算出する。   Therefore, it is important here to obtain a silicon nitride ceramic substrate that is less prone to crack in the thickness direction. As a guideline for this purpose, the fracture toughness value in the thickness direction was calculated from the configuration shown in FIG. The fracture toughness value in the thickness direction is calculated by the IF method using the length of the diagonal line in the thickness direction of the Vickers indentation in FIG. 5 and the length of the crack extending from the upper end and the lower end. Similarly, the fracture toughness value in the in-plane direction is calculated by the IF method using the length of the diagonal line in the in-plane direction of the Vickers indentation in FIG. 5 and the length of the crack extending from the left end portion and the right end portion.

ここで、厚さ方向の破壊靭性値は6MPa・m1/2以上、面内方向の破壊靭性値は3MPa・m1/2以上であることが好ましい。この厚さ方向と面内方向の破壊靱性値は共にβ型窒化珪素粒子の配向性、すなわち、面内配向度faの影響を受けるが、β型窒化珪素粒子の配向が一方に有利であれば、他方に不利となることは明らかである。従って、これらの破壊靱性値においては、厚さ方向の破壊靱性値の面内方向の破壊靱性値に対する比率を大きくすることが、クラックの発生を抑制するためには有効となる。このためには、面内配向度faを0.4〜0.8の範囲とすることが特に有効である。 Here, the fracture toughness value in the thickness direction is preferably 6 MPa · m 1/2 or more, and the fracture toughness value in the in-plane direction is preferably 3 MPa · m 1/2 or more. Both the fracture toughness values in the thickness direction and in-plane direction are affected by the orientation of β-type silicon nitride particles, that is, the in-plane orientation degree fa, but if the orientation of β-type silicon nitride particles is advantageous to one side Obviously, it is disadvantageous to the other. Therefore, in these fracture toughness values, increasing the ratio of the fracture toughness value in the thickness direction to the fracture toughness value in the in-plane direction is effective in suppressing the occurrence of cracks. For this purpose, it is particularly effective to set the in-plane orientation degree fa in the range of 0.4 to 0.8.

前記の通りにグリーンシートの製造条件を変えて得られた窒化珪素セラミックス基板の面内配向度faと、厚さ方向及び面内方向の破壊靱性値との関係を調べた結果を図7に示す。また、同様の資料において、面内配向度faと、厚さ方向の破壊靱性値の面内方向の破壊靱性値に対する比率との関係を調べた結果を図8に示す。   FIG. 7 shows the result of examining the relationship between the in-plane orientation degree fa of the silicon nitride ceramic substrate obtained by changing the production conditions of the green sheet as described above, and the fracture toughness value in the thickness direction and the in-plane direction. . Further, FIG. 8 shows the result of examining the relationship between the in-plane orientation degree fa and the ratio of the fracture toughness value in the thickness direction to the fracture toughness value in the in-plane direction in the same material.

この結果から、上記の製造方法によって面内配向度faを向上させ、これを特に0.4以上とすることにより、厚さ方向の破壊靱性値の面内方向の破壊靱性値に対する比率を1.2以上、2.6以下と高めることが好ましく、これによりセラミックス基板のクラックに対する耐性を高めることができる。ただし、faが0.8よりも大きいと面内方向の破壊靭性値が3MPa・m1/2以下となり、面内でのクラック進展速度が大きくなり、面内方向に大きなクラックが発生する。例えば半導体モジュールの回路側金属板の剥離が発生するため、面内配向度faは0.8以下が好ましい。 From this result, the ratio of the fracture toughness value in the thickness direction to the fracture toughness value in the in-plane direction is set to 1. It is preferable to raise it to 2 or more and 2.6 or less, and this can increase the resistance against cracks of the ceramic substrate. However, when fa is larger than 0.8, the fracture toughness value in the in-plane direction becomes 3 MPa · m 1/2 or less, the crack propagation speed in the plane increases, and a large crack is generated in the in-plane direction. For example, since the peeling of the circuit side metal plate of the semiconductor module occurs, the in-plane orientation degree fa is preferably 0.8 or less.

このセラミックス基板においては、破壊靱性と同様に、熱伝導率にも異方性が生ずる。図6に示す構造の半導体モジュール30においては、金属回路板32上に搭載される半導体チップ34からの発熱が窒化珪素セラミックス基板31を介して金属放熱板33に伝わり、放熱される。この場合、特に望ましいのは、厚さ方向(図6における上下方向)における熱伝導率が高いことである。これに対して、面内配向度faを0.4以上とすることにより、熱伝導において抵抗となる粒界相の割合を厚さ方向において小さくすることができるため、厚さ方向の熱伝導率を高く保つことができる。   In this ceramic substrate, anisotropy occurs in thermal conductivity as well as fracture toughness. In the semiconductor module 30 having the structure shown in FIG. 6, heat generated from the semiconductor chip 34 mounted on the metal circuit board 32 is transmitted to the metal heat radiating plate 33 via the silicon nitride ceramic substrate 31 and is radiated. In this case, it is particularly desirable that the thermal conductivity in the thickness direction (vertical direction in FIG. 6) is high. On the other hand, by setting the in-plane orientation degree fa to 0.4 or more, the ratio of the grain boundary phase that becomes a resistance in heat conduction can be reduced in the thickness direction. Can be kept high.

従って、この製造方法によって面内配向度faを0.4〜0.8の範囲とすることにより、クラックに対する耐性が高く、かつ半導体モジュールに使用する際に重要である厚さ方向の熱伝導率も高くすることができる。   Accordingly, by making the in-plane orientation degree fa in the range of 0.4 to 0.8 by this manufacturing method, the thermal conductivity in the thickness direction, which has high resistance to cracks and is important when used in a semiconductor module, is used. Can also be high.

また、加熱工程においては、キャリアフィルムが存在しないため、生シート14に対する加熱を均一かつ容易に行うことができる。従って、ここで用いられる加熱装置18としては、単純な構成のものを用いることができ、例えば特許文献1に記載の技術と比べても特にその製造工程は複雑にはならない。すなわち、容易にこの製造方法を実現することができる。   In addition, in the heating step, since there is no carrier film, the raw sheet 14 can be heated uniformly and easily. Therefore, as the heating device 18 used here, one having a simple configuration can be used, and the manufacturing process thereof is not particularly complicated even when compared with the technique described in Patent Document 1, for example. That is, this manufacturing method can be easily realized.

なお、前記の通り、この製造方法においては、グリーンシートの膜厚及び密度の均一性も向上する。図9は、加熱工程における温度と、グリーンシートの膜厚の均一性の工程能力指数Cpとの関係である。図9に示すように、厚さ分布Cpは、加熱工程における温度を50℃以上とすることでCp=1.33以上が得られ、温度の上昇と共に厚さ分布Cpも上昇している。120℃を越えての測定はしていないが、150℃付近でバインダーの熱分解が始まるので120℃〜150℃の間に臨界点があると考えられる。そこでシートの軟化度合いや加熱装置の能力、コストを加味すれば加熱温度は120℃程度までが良いと考えられる。ここで、Cpは以下の式で定義される。工程能力指数Cpは高い数値であれば望ましいが通常1.33以上であれば良好である。尚、Cpは一般には工程能力指数であるが、図9ではグリーンシートの幅方向の厚さ分布の指標として、厚さ分布Cpで示した。   As described above, in this manufacturing method, the film thickness and density uniformity of the green sheet are also improved. FIG. 9 shows the relationship between the temperature in the heating process and the process capability index Cp for the uniformity of the film thickness of the green sheet. As shown in FIG. 9, a thickness distribution Cp of Cp = 1.33 or more is obtained by setting the temperature in the heating process to 50 ° C. or higher, and the thickness distribution Cp increases as the temperature increases. Although measurement above 120 ° C. is not performed, it is considered that there is a critical point between 120 ° C. and 150 ° C. because the thermal decomposition of the binder starts around 150 ° C. Therefore, it is considered that the heating temperature should be about 120 ° C. in consideration of the degree of softening of the sheet, the capacity of the heating device, and the cost. Here, Cp is defined by the following equation. The process capability index Cp is preferably a high numerical value, but is usually 1.33 or higher. Cp is generally a process capability index, but in FIG. 9, the thickness distribution Cp is shown as an index of the thickness distribution in the width direction of the green sheet.

Figure 2009208981
Figure 2009208981

ここで、σは膜厚の標準偏差である。加熱圧延を行うことによって、この工程能力指数も向上することが確認できる。また、図10は、この工程能力指数Cpと面内配向度faとの関係を調べた結果であり、Cpの向上と共に面内配向度faが高くなることも確認できる。   Here, σ is a standard deviation of the film thickness. It can be confirmed that the process capability index is improved by performing the heat rolling. FIG. 10 shows the result of examining the relationship between the process capability index Cp and the in-plane orientation degree fa, and it can be confirmed that the in-plane orientation degree fa increases as Cp improves.

上記の製造方法においては、成形工程におけるグリーンシートの設定厚さ及び圧延工程後のグリーンシートの設定厚さから、キャリアフィルムとドクターブレードとの間隔と、圧延工程における圧延ローラ間の間隔が重要となる。すなわち、焼結体の厚さは0.3mm±10%の範囲で、かつ焼結体の厚さ分布Cp値が1.55以上が要求されるため、それに合うようなグリーンシートの厚さ及び圧延後のグリーンシートの厚さを得ることが逆に必要となってくる。表1にこれらの間隔を求めた実験例(実施例)を示す。キャリアフィルムとドクターブレードとの間は、1.6〜1.9mmの間隔とすることによって設定内のグリーンシートの厚さを得ることができている。また、その後の圧延工程における圧延ローラ間の間隔は、0.03〜0.2mmとすることによって設定内の圧延後グリーンシート厚さを得ることができた。なお、No.3〜5のようにグリーンシートの厚さに対して圧延ローラの間隔が狭い場合でも圧延後の厚みは設定内に納めることが出来るが、このときのローラ間の押圧力はかなり高くなる。このような負荷の点でNo.2のような条件の方が量産製造には望ましいと言える。また、キャリアフィルムとドクターブレードとの間隔が1.9mmを越えるとグリーンシートが厚くなりすぎてシート材料の無駄が増える。一方、圧延ローラ間の間隔を0.03mm未満にすることは設備面や設計面で困難をともなう。このようなことから、キャリアフィルムとドクターブレードとの間隔を1.6〜1.9mmの範囲とし、圧延工程における圧延ロール19の間隔を0.03〜0.2mmの範囲とすることが、特にグリーンシート20の厚さ分布を向上させ、かつその密度を高めることができるために好ましい。この場合、このグリーンシートが焼成されて窒化珪素セラミックスとなる場合の収縮率が小さくなるために、基板の設計寸法の制御が容易である。   In the above manufacturing method, from the set thickness of the green sheet in the molding process and the set thickness of the green sheet after the rolling process, the distance between the carrier film and the doctor blade and the distance between the rolling rollers in the rolling process are important. Become. That is, the thickness of the sintered body is in the range of 0.3 mm ± 10%, and the thickness distribution Cp value of the sintered body is required to be 1.55 or more. On the contrary, it is necessary to obtain the thickness of the green sheet after rolling. Table 1 shows experimental examples (examples) for obtaining these intervals. By setting the distance between the carrier film and the doctor blade to 1.6 to 1.9 mm, the green sheet thickness within the setting can be obtained. Moreover, the green sheet thickness after the rolling within the setting was able to be obtained by setting the space | interval between the rolling rollers in a subsequent rolling process to 0.03-0.2 mm. In addition, No. Even when the interval between the rolling rollers is narrow with respect to the thickness of the green sheet as in 3 to 5, the thickness after rolling can be kept within the setting, but the pressing force between the rollers at this time becomes considerably high. No. in terms of such a load. It can be said that the condition 2 is preferable for mass production. On the other hand, if the distance between the carrier film and the doctor blade exceeds 1.9 mm, the green sheet becomes too thick and the waste of sheet material increases. On the other hand, it is difficult to make the interval between the rolling rollers less than 0.03 mm in terms of equipment and design. For this reason, the distance between the carrier film and the doctor blade is in the range of 1.6 to 1.9 mm, and the distance between the rolling rolls 19 in the rolling process is preferably in the range of 0.03 to 0.2 mm. It is preferable because the thickness distribution of the green sheet 20 can be improved and the density can be increased. In this case, since the shrinkage rate when the green sheet is fired to become silicon nitride ceramics is small, the design dimensions of the substrate can be easily controlled.

Figure 2009208981
Figure 2009208981

表2に、長辺方向が170mm、短辺方向が142mmの矩形のグリーンシートを、バインダーとしてポリビニル系有機バインダーを用いた同様のスラリーを用いて、従来の製造方法(加熱工程なし)、と本発明の実施例の製造方法(加熱工程で120℃に加熱)を用いて製造した場合をそれぞれ比較例、実施例として比較した結果を示す。ここで、グリーンシートの密度は、焼結体密度に対する比率(%)で示してある。実施例では比較例と比べて1.33以上の値の高いCpが得られ、厚さの均一性が向上しており、密度が50%以上と高くなった。これを反映して、実施例では焼成の際の収縮率が小さくなり、特に厚さ方向でも20%以下と小さくなることが確認できた。なお、得られた窒化珪素セラミックスの面内配向度faが0.4以上となり、クラックに対する耐性と厚さ方向の熱伝導率が高いことは前記の通りである。   Table 2 shows a conventional manufacturing method (without a heating step) using a rectangular green sheet having a long side direction of 170 mm and a short side direction of 142 mm using a similar slurry using a polyvinyl organic binder as a binder. The case where it manufactured using the manufacturing method (heating at 120 degreeC by a heating process) of the Example of invention is shown as a comparative example and an example, respectively, is shown. Here, the density of the green sheet is shown as a ratio (%) to the sintered body density. In the example, Cp having a value higher than 1.33 was obtained as compared with the comparative example, the uniformity of thickness was improved, and the density was increased to 50% or more. Reflecting this, in the examples, it was confirmed that the shrinkage rate during firing was small, and in particular, it was as small as 20% or less even in the thickness direction. The in-plane orientation degree fa of the obtained silicon nitride ceramic is 0.4 or more, and the resistance to cracks and the thermal conductivity in the thickness direction are high as described above.

Figure 2009208981
Figure 2009208981

本発明の実施の形態に係るグリーンシートの製造方法を実現する製造装置の構成図である。It is a block diagram of the manufacturing apparatus which implement | achieves the manufacturing method of the green sheet which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るグリーンシートの製造方法において、加熱工程前の生シートの断面形状(a)と圧延工程後の生シートの断面形状(b)を示す図である。In the manufacturing method of the green sheet which concerns on embodiment of this invention, it is a figure which shows the cross-sectional shape (a) of the raw sheet before a heating process, and the cross-sectional shape (b) of the raw sheet after a rolling process. グリーンシートを焼成後の窒化珪素セラミックス基板における面内配向度と、加熱工程における加熱温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the in-plane orientation degree in the silicon nitride ceramic substrate after baking a green sheet, and the heating temperature in a heating process. グリーンシートを焼成後の窒化珪素セラミックス基板における面内配向度と、加熱・圧延回数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the in-plane orientation degree in the silicon nitride ceramic substrate after baking a green sheet, and the frequency | count of heating and rolling. 厚さ方向及び面内方向の破壊靱性値を測定する原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle which measures the fracture toughness value of thickness direction and in-plane direction. 本発明の窒化珪素セラミックス基板が用いられる半導体モジュールの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor module in which the silicon nitride ceramic substrate of this invention is used. 厚さ方向及び面内方向の破壊靱性値の、面内配向度依存性を調べた結果である。It is the result of investigating the in-plane orientation degree dependence of the fracture toughness value in the thickness direction and in-plane direction. 厚さ方向の破壊靱性値の面内方向の破壊靱性値に対する比率の、面内配向度依存性を調べた結果である。It is the result of investigating the in-plane orientation dependence of the ratio of the fracture toughness value in the thickness direction to the fracture toughness value in the in-plane direction. グリーンシートの膜厚の均一性の工程能力指数と、加熱工程における加熱温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the process capability index of the film thickness uniformity of a green sheet, and the heating temperature in a heating process. 窒化珪素セラミックス基板における面内配向度と、グリーンシートの膜厚の均一性の工程能力指数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the in-plane orientation degree in a silicon nitride ceramic substrate, and the process capability index of the film thickness uniformity of a green sheet.

符号の説明Explanation of symbols

10 グリーンシート製造装置
11 スラリー
12 マイラーシート(キャリアフィルム)
13 ドクターブレード
14 生シート
15 巻き出し側ロール
16 巻き取り側ロール
17 乾燥炉
18 加熱装置
19 圧延ロール
20 グリーンシート
30 半導体モジュール
31 窒化珪素セラミックス基板
32 金属回路板
33 金属放熱板
34 半導体チップ
40 クラック
10 Green sheet manufacturing equipment 11 Slurry 12 Mylar sheet (carrier film)
13 Doctor blade 14 Raw sheet 15 Unwinding side roll 16 Winding side roll 17 Drying furnace 18 Heating device 19 Rolling roll 20 Green sheet 30 Semiconductor module 31 Silicon nitride ceramic substrate 32 Metal circuit board 33 Metal heat sink 34 Semiconductor chip 40 Crack

Claims (7)

焼成後に窒化珪素セラミックス基板となるグリーンシートを製造する、グリーンシートの製造方法であって、
少なくともα型窒化珪素粉末、バインダー、及び有機溶媒が混合されたスラリーを、ドクターブレード法によってキャリアフィルム上に生シートとして形成する成形工程と、
前記生シートを加熱して前記有機溶媒を蒸発させる乾燥工程と、
該乾燥工程後の生シートを前記キャリアフィルムから離脱させる離脱工程と、
前記離脱された生シートを、前記バインダーの軟化温度以上の温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱された生シートを圧延してグリーンシートを製造する圧延工程と、
を具備することを特徴とする、グリーンシートの製造方法。
A green sheet manufacturing method for manufacturing a green sheet to be a silicon nitride ceramic substrate after firing,
A forming step of forming a slurry in which at least α-type silicon nitride powder, a binder, and an organic solvent are mixed as a raw sheet on a carrier film by a doctor blade method;
A drying step of evaporating the organic solvent by heating the raw sheet;
A separation step of separating the green sheet after the drying step from the carrier film;
A heating step of heating the detached raw sheet to a temperature equal to or higher than a softening temperature of the binder;
A rolling step of rolling the heated raw sheet to produce a green sheet;
A method for producing a green sheet, comprising:
前記加熱工程における加熱温度は50℃以上、150℃未満の範囲であることを特徴とする請求項1に記載のグリーンシートの製造方法。   2. The method for producing a green sheet according to claim 1, wherein the heating temperature in the heating step is in a range of 50 ° C. or more and less than 150 ° C. 3. 前記成形工程における、前記キャリアフィルムとドクターブレードとの間隔は1.6〜1.9mmとし、
前記圧延工程において、前記生シートは0.03〜0.2mmの間隔の圧延ローラ間を通過することを特徴とする請求項1または2に記載のグリーンシートの製造方法。
In the molding step, the distance between the carrier film and the doctor blade is 1.6 to 1.9 mm,
3. The green sheet manufacturing method according to claim 1, wherein in the rolling step, the green sheet passes between rolling rollers having an interval of 0.03 to 0.2 mm.
膜厚の均一性の工程能力指数が1.33以上であり、かつ密度が50%以上であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のグリーンシートの製造方法によって製造されたことを特徴とするグリーンシート。   The green sheet manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the process capability index for uniformity of film thickness is 1.33 or more and the density is 50% or more. A green sheet manufactured by the method. 焼成時の厚さ方向の収縮率が20%以下であることを特徴とする請求項4に記載のグリーンシート。   The green sheet according to claim 4, wherein the shrinkage in the thickness direction during firing is 20% or less. 請求項4または請求項5に記載のグリーンシートを焼成することによって製造された窒化珪素セラミックス基板であって、面内配向度が0.4〜0.8の範囲であることを特徴とする窒化珪素セラミックス基板。   A silicon nitride ceramic substrate manufactured by firing the green sheet according to claim 4 or 5, wherein the in-plane orientation degree is in the range of 0.4 to 0.8. Silicon ceramic substrate. 厚さ方向の破壊靱性値が、面内方向の破壊靱性値よりも大きなことを特徴とする請求項6に記載の窒化珪素セラミックス基板。   The silicon nitride ceramic substrate according to claim 6, wherein the fracture toughness value in the thickness direction is larger than the fracture toughness value in the in-plane direction.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2599603A3 (en) * 2011-12-02 2014-07-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung Device for the production of green films made from ceramic and/or metallic material
US11046617B2 (en) 2017-09-20 2021-06-29 Lg Chem, Ltd. Tape casting slurry composition for preparing silicon nitride sintered body

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