JP3896610B2 - 電子部品焼成用薄肉治具およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックコンデンサやサーミスタなどの電子部品の焼成に用いられる匣鉢、棚板、セッターなどの薄肉治具およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品焼成用の治具は使用条件に応じた耐熱性と機械的強度が要求される。また、焼成される電子部品と反応しないことも重要な課題である。通常は焼成用治具の基材には耐スポーリング性に優れるアルミナ質又はアルミナ・シリカ質材料が使用される。そして被焼成部品と基材成分との反応を防止する目的でジルコニアのセッターあるいは粉末を載置したり、あるいはジルコニアの焼結層や溶射層を形成する方法が採られている。
【０００３】
焼成用治具の基材として広く使用されているアルミナ質又はアルミナ・シリカ質治具は原料粉末に適当なバインダーを添加し、プレス成形した後焼成される。このようにプレス成形により製造される治具では、肉厚を薄くしすぎると成形時に密度差が生じやすいためクラックが発生しやすく、また焼成時に変形しやすいことによりある程度の肉厚が必要となる。このため従来のプレス成形による治具の肉厚は５〜１５mmが一般的であった。
【０００４】
しかしこのような肉厚の厚い治具を用いて電子部品の焼成を行った場合、焼成炉内で積み重ねる段数が少なくなり、焼成効率は低いものであった。また肉厚の厚い治具は熱容量が大きいため昇温時には温度が上がりにくく降温時には冷めにくいものである。従って、電子部品焼成時間を短縮しようとすれば、治具に大きな熱応力が発生し割れやすくなるという耐スポーリング性における欠点もあった。
【０００５】
このため電子部品焼成用治具の耐スポーリング性の改善および電子部品焼成コストの低減を目的として、薄肉の治具が注目され特開昭６１−１３４５８５号公報には泥漿鋳込み成形による薄肉アルミナ匣鉢が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
泥漿鋳込み成形による匣鉢は薄肉といっても３〜５mmと従来の匣鉢のせいぜい半分程度の厚さであり、焼成コストの低減はある程度図れたものの満足できるものではなかった。また充分な強度を出すために焼成して得られたものは組織が緻密で磁器質なものとなるため非常に割れやすく、耐スポーリング性に劣るため実際の使用は困難であった。また泥漿の鋳込み、焼成という工程で製造されるため解膠剤や焼結助剤等の添加剤が必要であった。これらの添加剤は匣鉢の成分としてはいわば不純物であり、このため焼成時の変形や使用時の電子部品との反応等の原因となるものであった。また泥漿鋳込み成形法では積層構造の治具の成形は困難であるため、特開昭６１−１３４５８５号のアルミナ質匣鉢では電子部品との反応防止のためにジルコニア粉末を敷く等の対策が必要であり、作業能率が劣るという欠点があった。
【０００７】
薄肉体の成形方法には他にドクターブレード法、押し出し成形法、ロール成形法等があるがいずれも原料に添加剤を使用する必要があり、また製造時に焼成工程を必要とするため焼成変形あるいはクラックの発生等により製品の形状を均一に保つことは極めて困難であり、しかも焼成前の素地は薄肉となるほど強度が小さく、どうしても製品の歩留まりが低いという問題があった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、従来の電子部品焼成用治具に比べて電子部品焼成コストが低く、焼成効率に優れ電子部品の生産性向上に寄与する薄肉治具およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは電子部品焼成用薄肉治具に関する上記課題を解決すべく種々検討した結果、製造時に焼成工程が不要で薄肉製品が得られる方法として溶射に着目し、基材に溶射された溶射層を基材から離型させて得られた溶射被膜にさらに溶射を施すことにより、耐スポーリング性が格段に優れかつ被焼成物である電子部品と反応を起こさず、また電子部品焼成コストの低い薄肉治具を得ることに成功し本発明を完成させたものである。
【００１０】
即ち、本発明はセラミックの溶射により形成された溶射層を基材から離型させて得られた溶射被膜の基材側の面または両面にセラミックを溶射した溶射層のみからなることを特徴とする電子部品焼成用薄肉治具である。また本発明はセラミックの溶射により形成された溶射層を基材から離型させて得られた溶射被膜の基材側の面または両面にセラミックを溶射することを特徴とする電子部品焼成用薄肉治具の製造方法である。さらに本発明は該セラミックがアルミナまたは／およびジルコニアである前記記載の電子部品焼成用薄肉治具およびその製造方法である。以後本発明において基材から溶射層を離型させる前の溶射を第一次、離型させた後の溶射を第二次と称して説明する。
【００１１】
本発明の電子部品焼成用薄肉治具の製造方法では、基材に対して実施した第一次のセラミックの溶射層を基材から離型させて得られた溶射被膜の基材側の面または両面に第二次のセラミックの溶射を行うことが特徴である。第二次の溶射を溶射被膜の両面に行うことの利点は、焼成時に電子部品との反応防止効果を有する溶射層を両面に形成することにより治具の使用回数を大幅に増加させることができる点にある。
【００１２】
第二次の溶射を両面に行う場合はまず基材側の面から行うことが好ましい。一般に溶射被膜には溶射表面側により大きい引っ張りエネルギーが貯蔵される性質があり、溶射被膜は溶射表面側が凹状となるように変形する傾向がある。この変形は溶射被膜が薄いほど大きく、また溶射被膜を加熱した場合により顕著に現れる。このため第二次の溶射は溶射被膜の基材面側に、即ち第一次の溶射と逆方向の溶射を行うことにより溶射被膜中の引っ張りエネルギーが相殺され変形が防止されるのである。
【００１３】
第一次の溶射被膜の両面に溶射した場合には、貯蔵された引っ張りエネルギーは溶射方向の異なる溶射層を比較すると同等ではないと思われるが、この溶射被膜は加熱した場合でも変形はほとんど生じないのである。これは溶射被膜が３層以上の構造となり、厚さによる変形抑制効果が溶射の方向による引っ張りエネルギーの差から生じる変形作用を上回っているものと推察される。
【００１４】
本発明の電子部品焼成用薄肉治具は、２層以上の溶射層のみからなる。従って、溶射層自体が治具として必要な強度を有し、かつ電子部品との反応防止特性をも有するものである。第一次の溶射層を基材から離型させて得られた溶射被膜の基材側の面または両面に第二次の溶射を行う方法であれば溶射層の構成は特に限定されるものではなく、被焼成物である電子部品の材質を考慮して溶射するセラミックを選択すれば良く、第一次、第二次で同種の材料の溶射も可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の電子部品焼成用薄肉治具の製造方法においては、まず第一次溶射として基材にセラミックの溶射を行う。この第一次溶射には通常の溶射方法を用いることができる。本発明において溶射に使用されるアルミナやジルコニア等のセラミックは一般に金属材料に比して融点が高く、それらを多量に溶射するには各種溶射方法の内ではプラズマ溶射、特に水プラズマ溶射による方法が適している。水プラズマ溶射はフレームパターンが広く単位時間当たりの溶射量が多いため、ガスプラズマ溶射に比較して短時間の内にかなりの肉厚まで溶射することができ、しかも均質な溶射体を得ることができるので本発明の方法に用いるには最適である。
【００１６】
第一次溶射を行う基材の材質については特に限定されるものではなく、銅、ステンレス、アルミニウム等の金属やアルミナ質、アルミナ・シリカ質の焼成体等が使用できる。本発明においては第一次の溶射層を基材から離型させることを前提としているため、どのような離型方法を行うかによって基材の材質を選択することが好ましい。
【００１７】
第一次の溶射層を基材から離型させる方法については特に限定されるものではなく、基材を繰り返し使用することを前提とすると、溶射層と基材の熱膨張率（収縮率）の差を利用する方法や、あらかじめ基材に離型剤を塗布する方法が考えられる。一般に溶射においては溶射層と基材との接着性を向上させるために基材表面にブラスト処理等を行うが、本発明においては溶射中に剥離しない程度の接着力があればむしろ離型しやすい方が好都合であるため、基材表面の前処理は不要である。
【００１８】
第二次の溶射では基材の代わりに第一次の溶射で得られた溶射被膜に対しセラミックの溶射を行うのである。溶射方法については第一次の溶射と同様の方法を用いることができる。
【００１９】
溶射層を形成するセラミックとしてはアルミナ、ジルコニア、ジルコン、ムライト、スピネル、チタニア、クロミア等の１種または２種以上が使用できるが、いずれも第一次、第二次いずれの溶射にも使用可能である。使用するセラミックはできるだけ高純度のものが望ましい。これらのセラミックの中では、溶射層の特性を考慮するとアルミナ、ジルコニアが特に好ましい。アルミナの溶射層は加熱、冷却の繰り返しによる組織劣化がほとんどないため主として治具の強度維持に寄与するものである。また容積安定性にも優れるため耐スポーリング性向上にも貢献する。一方ジルコニアの溶射層は高温における化学的安定性に極めて優れるため、被焼成物である電子部品との反応防止効果が特に大きい。従って、例えば第一次の溶射でアルミナの溶射層を形成し、基材から離型させ次に基材側の面に第二次の溶射でジルコニアを溶射する構成や、第一次の溶射でアルミナの溶射層を形成し、得られた溶射被膜の両面にジルコニアによる第二次の溶射を行う構成等が考えられる。
【００２０】
溶射層の厚さは材料の供給速度とプラズマ炎の移動速度を適宜調整し、必要に応じて繰り返し溶射を行うことによりコントロールされる。第一次、第二次の各溶射層ごとにあるいは部分的に厚みを変えることも可能である。アルミナ、ジルコニア等のセラミックはそれぞれ単独で溶射しても良いし、それらを混合した材料の溶射や２層以上の積層構造とすることも可能である。各溶射層の厚みは少なくとも０．１mm以上であることが好ましい。この厚みが０．１mm未満の場合は強度不足となったり電子部品との反応防止効果が発揮されない危険性がある。また第一次、第二次合わせた溶射層の厚さが３mmを越えると熱容量が大きくなるため好ましくない。
【００２１】
本発明の溶射層のみからなる薄肉治具の製造方法によれば、従来の方法に比べ格段に薄い肉厚が得られるため、熱容量が小さく耐スポーリング性に優れた治具が得られる。従って、電子部品を焼成するために必要な温度までより速い昇温が可能であり、また焼成終了後は冷めやすく、必要であれば空冷等の強制冷却を行っても亀裂等発生しにくいため、電子部品焼成工程の短縮化および焼成コストの低減が可能である。また薄肉であるため、焼成炉内に積み重ねる段数が増やせることにより大幅な電子部品の焼成効率の向上も得られる。
【００２２】
製品となる溶射被膜の形状は基材の形状の選択によって任意に設定できる。例えば平板状の溶射被膜であれば使用時に電子部品を載置できるようにスペーサを置いて積み重ねて焼成が可能であるし、基材にスペーサ機能を果たすような凸部を設けておけば溶射被膜が該凸部を有することになり、治具のみを積み重ねた電子部品の焼成が可能であり作業効率は一層向上する。いずれの場合も従来の治具に比べて肉厚が薄いため、積み重ねられる数が増やせることより焼成効率が大幅に向上し、電子部品の焼成コストを低減させ、電子部品の生産性向上に大きく貢献するものである。
【００２３】
また本発明の薄肉治具はセラミックス粉末の溶射層のみからなっているため、薄肉であっても緻密で充分な強度と良好な物性を有しており、また添加剤を使用しないため電子部品との反応が生じるような問題もない。さらに、熱履歴による組織劣化がほとんどないため繰り返し使用できる回数も従来品に比べ大幅に勝るものである。
【００２４】
【実施例】
以下に本発明を実施例により説明する。
実施例１
１００×１００×２mmの形状のステンレスプレートの基材に対しＡｌ₂Ｏ₃純度９９．６％、平均粒径４５μｍのアルミナ粉末を水プラズマ溶射装置により０．４mm厚さに第一次の溶射を行った。次に溶射層を基材から離型させ、第二次溶射として溶射被膜の基材側の面に平均粒径５０μｍのＣａＯ安定型ジルコニア粉末を０．２mm厚さに溶射しアルミナ、ジルコニアの２層の溶射層のみからなる厚さ０．６mmの治具を製造した。この治具ではアルミナ溶射層が治具の強度維持に、ジルコニア溶射層が主として電子部品との反応防止に寄与するものである。
【００２５】
実施例２
実施例１と同様の基材、粉末を用いて第一次溶射としてアルミナを０．４mm厚さに溶射した後、溶射層を基材から離型させた。第二次溶射として溶射被膜の基材側の面にジルコニアを０．２mm厚さに溶射し、次に反対側のアルミナの溶射表面側にジルコニアを０．２mm厚さに溶射し、アルミナ溶射層をジルコニア溶射層で挟んだ３層構造で厚さ０．８mmの治具を製造した。この治具の各溶射層の機能は実施例１と同様であるが、ジルコニア溶射層が両面にあるため、使用可能回数の大幅な延長が期待できるものである。
【００２６】
実施例３
実施例１と同様に第一次溶射としてアルミナを０．３mm厚さに溶射し、その上にジルコニアを０．２mm厚さに溶射した後、溶射層を基材から離型させた。
次に第二次溶射として、基材側の面であるアルミナ溶射層にアルミナを０．３mm厚さに溶射し、さらにその上にジルコニアを０．２mm厚さに溶射し、２層のアルミナ溶射層をジルコニア溶射層で挟んだ４層構造で厚さ１mmの治具を製造した。この治具は構造的には実施例２と類似しているが、中央のアルミナ溶射層の厚さが厚いため、強度維持効果が大きく、より長期の安定使用が期待できるものである。
【００２７】
比較例１
実施例１と同様の基材、粉末を用いてまずアルミナを０．４mm厚さに溶射しその上にジルコニアを０．２mm厚さに溶射した後、溶射層を基材から離型させアルミナ、ジルコニアの２層の溶射層からなる厚さ０．６mmの治具を作成した。この治具は構造的には実施例１と類似しているが、２層の溶射方向が同じであり、溶射層を離型させたままの被膜からなっているものである。
【００２８】
比較例２
比較のために、泥漿鋳込み法により３mm厚さのアルミナ質治具を作成した。該治具は焼成後比較試験に供した。
【００２９】
以上の方法で得られた治具をセラミックコンデンサーの焼成に繰り返し使用し、コンデンサーと治具との反応、治具の変形、亀裂の発生状況を観察した。なお比較例２の治具はジルコニア粉末を敷いてコンデンサーの焼成を行った。コンデンサーはチタン酸バリウムを主成分とし、その他の低融成分を微量含むものである。焼成は１３００℃まで３００℃／時で昇温し、４時間保持とした。結果を表１および表２に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
表１、表２に示すとおり、本発明の電子部品焼成用薄肉治具は、従来の治具に比べ安定に使用できる回数が大幅に増加した。また従来の薄肉治具の厚さはせいぜい３mm程度であり、本発明の方法によれば１mm以下の厚さも可能である。焼成炉の高さが３００mmの場合、５mmのスペーサーを使用すると装入可能段数は従来品が３７段、本発明品は厚さ１mmとすると４９段と大幅に増加できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の電子部品焼成用薄肉治具では、亀裂、変形等の発生までの使用回数が大幅に増え、長期間の安定使用が可能である。また、熱容量が小さく耐スポーリング性にも優れるため、昇温および冷却過程を短縮でき、さらに炉内への装入可能個数が大幅に増やせるため電子部品焼成コストの低減、焼成効率の改善等、電子部品の生産性向上に大きく寄与するものである。
【００３４】
【表１】

【００３５】
【表２】

Claims (4)

1. セラミックの溶射により形成された溶射層を基材から離型させて得られた溶射被膜の基材側の面または両面にセラミックを溶射した溶射層のみからなることを特徴とする電子部品焼成用薄肉治具。
2. セラミックがアルミナまたは／およびジルコニアである請求項１記載の電子部品焼成用薄肉治具。
3. セラミックの溶射により形成された溶射層を基材から離型させて得られた溶射被膜の基材側の面または両面にセラミックを溶射することを特徴とする電子部品焼成用薄肉治具の製造方法。
4. セラミックがアルミナまたは／およびジルコニアである請求項３記載の電子部品焼成用薄肉治具の製造方法。