JPH039836B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は、セラミツク・シート（セラミツク基
板）の製造装置に係り、より具体的には、セラミ
ツク・シートの焼成中に収縮、歪み、そりを防止
するためにシートに力を加える加圧装置に関す
る。

Ｂ 従来技術 セラミツク・シートは、電子産業で半導体集積
デバイスおよびその他の素子の実装に特に重要で
ある。このセラミツク基板の製造は、一般に周知
であり、セラミツクをバインダおよび各種の溶媒
と混ぜ、このセラミツク混合物の「グリーン」シ
ートを流込み成形し、グリーン・シートを乾燥さ
せ、シート中にヴアイア・ホールを打抜きまたは
押抜きし、ヴアイア・ホール中にメタラジ（配線
用金属）をスクリーン印刷し、シートを積み重ね
て積層し、積層シートを焼成し、最後にできた構
造体を焼結させることからなる。これらの種々の
加工段階の詳細については、米国特許第3423517
号、第3723276号、第4340436号、第4234367号、
および第4301324号に記載されている。

これらのセラミツク構造を加工する際とくに重
要なのは、焼結中にセラミツク構造体が受ける収
縮と歪みである。焼成中に働く凝集力が、ｘ−ｙ
平面での復元可能な収縮、ｘ−ｙ平面の非線形収
縮、ならびにそりと呼ばれるＺ方向のヴアイアの
ふくれと湾曲を引き起こす。セラミツク基板上に
チツプを配置するための位置を決めるのはｘ−ｙ
平面なので、ｘ−ｙ平面の収縮を制御することが
とくに重要である。さらに、自動ワイヤボンデイ
ング装置および自動試験装置が使用できるように
するには、ｘ−ｙ平面の寸法の精密な制御が不可
欠である。

ｘ−ｙ平面の収縮とＺ方向の歪みの効果を減ら
すために、様々な方法が提案されてきた。典型的
な歪み減少方法が、米国特許第4009238号に開示
されている。この特許は、ｘ−ｙ平面の収縮と歪
みの大部分が生じる加工中の焼結段階で、圧縮ラ
ムを用いて基板表面に圧力を加えることを示して
いる。焼結の際にこのように基板に重量または力
をかけると、焼結の凝集力が打ち消され、Ｚ方向
（基板の厚さ方向）にしか収縮を起さないように
なる。したがつて、上記の負荷を加えながら焼結
したセラミツク基板は、平坦でｘ−ｙ平面の収縮
が最小である。しかし、この焼結中に基板に力ま
たは負荷をかける標準的方法は、基板上で大きな
熱量を伴なう大きな重量物を使用する。このよう
な重量物は、標準的なセラミツク基板用コンベ
ア・ベルト上を動かすのが厄介である。これらの
重量物は熱量が大きいために、必要とされる焼結
温度にまで加熱するのにかなりの時間とエネルギ
ーを要する。典型的な場合、このような重量物を
基板上に載せた場合、焼結に必要な時間が２倍に
なる。こういつた重量物に関するもう一つの問題
点は、それを使用するには基板上でかなりの体積
を確保しておく必要があり、したがつて炉で焼結
できるセラミツク製品の厚さが制限されることで
ある。かかる重量物の使用に関するもう一つの問
題点は、その重心が高くなり、焼結炉へのおよび
焼結炉からの運搬中に安全性に問題が生じること
である。

Ｃ 解決しようとする問題点 本発明は、焼結中にセラミツク基板に負荷をか
ける現在の技術を用いて、上記の問題点を是正す
ることを目指したものである。

本発明の利点は、焼結炉内で急速に加熱でき、
したがつて必要な焼結時間とエネルギーを大幅に
減少させる、低熱量の装置を用いてセラミツク基
板の負荷が行なえることである。また、本発明の
装置は、体積が非常に小さくかつ重心が低いの
で、焼結される生成物の厚さに制限を許さず、か
つ焼結炉との間で生成物を運搬する際に安定性の
問題を生じない。

Ｄ 問題点を解決するための手段 要約すると、本発明は、加熱サイクル中にセラ
ミツク基板（通常、セルに入れられている）に圧
力をかける装置であり、下記のものを含む。

即ち、(1)対向する２つのほぼ平面状の主表面を
もつ偏平で中空のガスを封入された中空ベース
と、(2)前記中空スペースと連通してその間でガス
が流れるように連結された少なくとも１個のほぼ
円形の領域をその少なくとも１つの断面に備えた
中空でガスを封入された環状の容器とを含む、密
閉されたほぼ中空でガスを封入されたダイアフラ
ムである。このダイアフラムは、セラミツク基板
を入れたセルに対して、ダイアフラムが所期の温
度まで加熱されると、ダイアフラム内のガスが膨
張してベースの対向する２つの平面状の主表面を
押し離し、それによつてセラミツク基板を入れた
セルに所定の圧力をかけるように配置される。

本発明の一実施例では、ダイアフラムは、偏平
なベースの対向する端部と連続する、２つのほぼ
半円形の領域を備えた少なくとも１つの断面を有
する。

本発明の一実施例では、中空容器を、ベースの
平面状の主表面の周りに配置し、その主張面の円
周部分の周りでベースと連通するようにその円周
部分と連結する。

本発明のフレーム構造体は、対向する平面状の
第１および第２の表面を含み、第１の表面はその
上のセラミツク基板を入れたセルの主表面の１つ
を保持することができ、ベースの平面状の２つの
主表面の一方がフレーム構造の対向する第２の平
面状の表面と接触し、しかも中空容器がフレーム
構造と接触しないように配置される。一実施例で
は、フレーム構造体は、平面状の第２の表面がそ
こから突出した第１のペデスタル上に配置され、
第２のペデスタルがセラミツク基板を入れたセル
のもう一方の主表面とベースのもう一方の平面状
の主表面との間に配置され、しかも中空容器とは
接触しないように配置されている、外側フレーム
構造を含む。

本発明の一実施例では、密閉されたガス封入ダ
イアフラムは、室温での圧力が大気圧よりも高い
ガスを中に含む。

本発明の一実施例では、ベースの対向する２つ
の平面状の主表面は対向する平面状の円板であり
中空容器は前記円板の周りに配置され、その円周
部分の周りでベースと連通するように円周部分と
連結されている環体である。

Ｅ 実施例 本発明は、加熱サイクル中に、基板を入れたセ
ルにガス圧を利用して圧力をかける装置である。
より詳しくは、本装置は、温度が変化したときの
装置の体積変化を最小にして、圧力が温度にだい
たい正比例するように設計されている。この体積
変化の最小化は、膨張するガスの体積の大部分を
ガス容器内に納める設計を用いて実施される。こ
のガス容器は、少なくとも一断面がほぼ円形であ
り、そのために温度変化に伴う体積変化が最小限
となる。この装置の実際の加圧部は、温度変化の
際の変形を最小にするため、ガス容積が小さく設
計されている。この設計により、この加圧部によ
つてかけられる圧力は、温度変化とほぼ比例する
ようになる。

第１Ａ図および第１Ｂ図は、本発明の良好な実
施例を示す。本発明の装置は、密閉されたほぼ中
空のガス封入ダイアフラム１０を含む。ダイアフ
ラム１０は、対向する２つのほぼ平面状の主表面
１４と１６をもつ偏平状で中空のガス封入ベース
１２と、中空ベース１２と連通してその間でガス
が流れるように連結された少なくとも１個のほぼ
円形の領域を、その少なくとも一断面に備えた、
ほぼ中空のガス封入容器２０とを含む。

平偏状のベース１２は、円形、円板形、正方
形、長方形、三角形など様々な形をとる。また、
中空容器２０は、少なくとも一断面が円形である
限りにおいて、様々な構成をとることができる。
一断面がひようたん形でもよい。即ち、他の実施
例では、この中空容器２０は、偏平なベース１２
の周縁部に配置されそれらの周縁部と連通する、
２重の円環状であつてもよい。中空容器２０は、
ベース１２の平面状の主表面１４と１６の円周部
の周りに配置し、その円周部の周りでベースと連
通するように円周部に連結することが好ましい。

ダイアフラム１０の良好な実施例では、ベース
１２の対向する２つの平面状主表面１４と１６
は、第１図に示すような対向する平面状円板であ
り、また中空容器２０は、平面状主表面１４と１
６の円周部の周りに配置され円周部の周りでベー
ス１２と連通するようにその円周部に連結されて
いる、だいたい円環状の形である。この構造は、
円周部の周りに溝のある対称な２枚のデイスクに
見える。これらのデイスクは、ステンレス鋼また
は耐食性金属材料から作ることができる。

ダイアフラム１０には、温度が上がると膨張し
てより大きな圧力をかけるガスが封入されてい
る。このガスは、ダイヤフラム１０に漏れが生じ
ても漏れたガスが焼結中の基板の酸化または還元
を起こさないように、窒素やアルゴンなどの不活
性ガスとすることが好ましい。

通常、ダイアフラム１０には、標準大気圧で、
すなわち室温で１気圧でガスを封入する。ただ
し、ダイアフラム１０にガスをそれよりも高い圧
力で注入して、加熱中に装置が生成する最終圧力
に合うように調節するのが好ましいこともある。
このダイアフラム１０内の初期ガス圧は、ダイア
フラム１０を密封する際の温度と圧力の制御によ
つて制御できる。別法として、ダイアフラム１０
に、異なる基板焼結の適用例に合わせてダイアフ
ラム１０内の圧力を変えるため、ガス容器を連結
することもできる。

ベース１２の平面状の主表面１４と１６の間の
容積は、容器２０の容積よりもずつと小さいこと
に留意すべきである。すなわち、ダイアフラム１
０内のガス体積の大部分は容器２０内に納まる。
通常、ダイアフラム１０は、２つの主表面１４と
１６の間のベース容積が室温でほぼゼロ、すなわ
ち表面ないしデイスク１４と１６が接触するよう
に設計する。第１Ａ図では図面を見やすくするた
めにこれらの主表面１４と１６を離して示してあ
ることに留意すること。温度が1000℃のとき、ベ
ース容積は、ダイアフラム１０の容積の約10％と
なる。このベース１２の膨張を第１Ａ図では一点
鎖線５０で示し、第２図では図面を見やすくする
ために誇張してある。

第１図のダイアフラム１０は、たとえば、高温
で機械仕上げ金型を使つて、２つの平坦なシート
メタル・デイスクの円周部に溝を刻むだけで作る
ことができる。得られた溝つきデイスクにガスを
封入し、次に溶接または折り曲げによつて円周部
同志を接合して、密封シールを形成することがで
きる。ダイアフラム１０の典型的な寸法は、円板
形ベース１２の半径R₁が12mm、環状容器２０の
短径R₂が８mmである。

第２図には、本発明のダイアフラム装置がフレ
ーム構造体３０と一緒に示されている。フレーム
構造体３０内には焼結セル２８が配置されてい
る。焼結セル２８は、焼結または焼成しようとす
るセラミツク基板を１枚または複数枚納めること
ができる。あるいは、所期の加工結果を得るため
に各セラミツク基板の上下に特別設計したプラテ
ン層を配置して、焼結しようとするセラミツク基
板を１枚または複数枚納めることができる。たと
えば、同時係属の米国特許出願番号第859093号
は、バインダの蒸発を助けるべく基板表面の両端
間で被制御酸素の電位を維持するために、多孔質
のプラテンを使用することを開示している。これ
らのプラテンは、セラミツク基板の焼成中にガス
を放出しやすくするための浅い溝を有してもよ
い。

フレーム構造体３０の目的は、ダイアフラム１
０内で膨張するガスの力を焼結セル２８に伝える
ことである。このフレーム構造体３０は、この力
伝達機能を達成するために様々な構造をとるよう
に設計できる。第２図に示した実施例では、フレ
ーム構造体３０は、セラミツク基板を格納するセ
ル２８の主表面の一つを保持するのに適した、第
１の平面状表面３２を含み、またベース１２の２
つの平面状の平面状主表面１４と１６のうちの一
方と（後述する第２のペデイスタル４０を介し
て）接触するのに適した、第１の平面状表面と対
向する第２の平面状表面３４を含んでいる。さら
に、このフレーム構造は、中空容器２０がフレー
ム構造体３０と接触しないように特別に設計され
ている。第２図に示した実施例では、フレーム構
造体３０は、フレーム構造外殻部３６を含む。フ
レーム構造外殻部３６の頂部に第１のペデスタル
（台座）３８が形成される。このフレーム構造体
３０は、セラミツク基板を格納するセル２８の一
方の主表面とベース１２との間に配置された第２
のペデスタル４０を有している。この第２のペデ
スタル４０は、中空容器２０とは接触しないよう
になつている。このフレーム構造体３０は、ダイ
アフラム・ベース１２の膨張によつて生じる圧力
を、セラミツク基板を格納するセル２８にかけさ
せる。

フレーム構造体は、単に焼結炉の天井と床から
構成することもできることに留意すべきである。

先に論じたように、ダイアフラム１０の機能
は、セラミツク基板を格納するセル２８に圧力を
かけることであり、例えば、温度1000℃で55±
5psia（38700±3500Kg／m²）の圧力をかけること
ができる。要約すると、このダイアフラム１０の
圧力は、標準気体の法則Ｐ＝NRT／Ｖに従つて
かかる。ただし、Ｐは圧力、Ｎはダイアフラム１
０内のガスのモル数、Ｒは気体定数、Ｔはガスの
温度、Ｖはダイアフラム１０の容積である。先に
指摘した通り、ベース１２の平面状の主表面１４
と１６の間の容積は、ガス封入容器２０の容積に
比べてずつと小さく、少なくとも25％以下であ
る。したがつて、ダイアフラム１０内の元（膨張
前）のガスの体積の大部分は容器２０に納まる。
このダイアフラム１０内の体積差、および容器２
０がほぼ円形の断面をもつため非常に変形しにく
いことにより、ダイアフラム１０内のガス温度が
上がつても容器２０については最小限の体積変化
しか起こらない。したがつて、この設計では、ダ
イアフラム１０内のガス圧は温度Ｔにほぼ比例す
る。ただし、ダイアフラム１０内の温度が上がる
と、ベース１２の平面状主表面１４と１６が所定
のある小さな量だけ引き離され、それによつて基
板を格納するセル２８に圧力がかかる。このガス
封入ベース１２の容積変化は、（主として容器２
０内に保持される）ダイアフラム１０内の全ガス
体積に比べて充分に小さいため、体積変化をわず
かだと見なすことができる。したがつて、ガスの
温度測定によりベース１２の平面状主表面１４と
１６によつてかかる圧力を正確に求めることがで
きる。基本的に、基板を格納するセル２８にかか
る圧力は、ダイアフラム１０内の圧力にベース１
２の面積を掛け、基板を格納するセル２８の面積
で割つた値に等しい。

大部分のセラミツク基板では、焼成および焼結
中にある程度Ｚ方向（厚さ方向）の収縮が起こる
ことに留意すべきである。このＺ方向の収縮は、
容器２０によつて閉じ込められるダイアフラム１
０の容積を調節することによつて補償できる。こ
の容器２０の容積を調節する一つの方法は、方程
式0.25πR² ₂／R₁≧Ｚ収縮（mm）にもとづいてダイ
アフラム１０を設計するものである。この式中で
R₁はベース１２のデイスク半径、R₂は円形コン
テナ２０の半径（環状部の短径）である。

Ｆ 発明の効果 本発明は、炉内の基板を格納するセルに負荷を
かける装置である。この装置は大気圧で室温でガ
スを封入したとき、最高60psia（42000Kg／m²）ま
での圧力をかけることができる。したがつてこの
量のガスを封入したこの装置は、基本的に、銅不
純物を含むガラス／セラミツクを焼結するために
圧力をかけるのに特に適している。

先に指摘した通り、本装置は、使用するガス封
入パラメータ、すなわちガス封入の温度と圧力を
変えるだけで、特定の温度で所期の圧力をかける
ように調節することができる。また、ベース１２
の半径は、製品寸法に応じて、焼結または焼成に
必要な全重量負荷にもとづいて調整できる。ま
た、容器２０に閉じ込められた体積は、焼成中の
ガラス／セラミツクの収縮を補償するようにとく
に調整することができる。

本装置は、ダイアフラム１０内のガス温度が上
がるとき、ダイアフラム１０内の体積変化が最小
限になるように特別に設計されている。この体積
変化の最小化により、ダイアフラム１０内のガス
圧は、タイアフラム１０内の温度Ｔにほぼ比例す
るようになる。本装置またはこの設計の良好な実
施例では、ダイアフラムは、その円周部で囲まれ
円環状ガス封入容器構造体に連結された対向する
２個のデイスクからなる中央ベースを含む。大気
圧および室温でベースを形成するデイスク間の体
積はほぼ０である。この体積変化の最小化を実現
するため、焼結温度でのベースの容積は、容器２
０の容積の約10％となるように設計されている。

本発明の装置は、焼結の凝集力に対抗して基板
を格納するセルに力をかけて、そのｘ−ｙ平面で
の収縮を防止するために、フレーム構造中で利用
できる。本発明の装置は、熱容量が非常に低く、
したがつて少量のエネルギーで非常に迅速に加熱
することができる。さらに、本装置は大掛りでな
く、焼結炉との間で基板を格納するセルを伝える
際に安定性の問題を生じる恐れのある高い重力を
必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の加圧装置の一実施例の要部
を示す断面図、第１Ｂ図は前記実施例の平面図、
第２図は前記実施例の全体構成を示す断面図であ
る。 １０……ダイアフラム、１２……ベース、１
４，１６……円板、２０……円環状容器、２８…
…被加圧体としてのセラミツク基板収容セル、３
０……フレーム構造体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加熱中に、２つの対向する主表面により基板
   格納セルに圧力を加える加圧装置において、 前記基板格納セルの主表面の一つを保持するの
   に適している第１平面状表面と当該表面と対向す
   る第２の平面状表面を有するフレームと、 室温で対向する２つの平面状主表面が接触して
   いる中空ベースと、当該中空ベースと連通してそ
   の間でガスが流れるように連結された少なくとも
   １つの円形断面を備えた中空ガス封入容器とを有
   する密封された中空のガス封入ダイアフラムを備
   え、 前記密封されたガス封入ダイアフラムは、前記
   中空ベースの２つの平面状主表面のうちの１つが
   前記フレームの第２の平面状表面に接触している
   が、前記中空ガス封入容器に接触しておらず、 前記ダイアフラムは、所期の温度まで加熱され
   ると、ダイアフラム内のガスが膨張し、前記中空
   ベースの対向する２つの平面状主表面を押し離
   し、それによつて、前記基板格納セル上に前記所
   望の温度に比例する所定の圧力をかけさせるよう
   に配置されていることを特徴とする加圧装置。