JP4804343B2

JP4804343B2 - セラミックシートの製造方法

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Publication number: JP4804343B2
Application number: JP2006511220A
Authority: JP
Inventors: 亮寺尾; 誠福田; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2011-11-02
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Description

本発明は、セラミックシートの製造方法に関する。

従来、回路基板は、半導体搭載用セラミックス基板の主面に導電性を有する金属回路をロウ材で接合し、金属回路の所定位置に半導体素子を搭載したものが用いられている。回路基板の高信頼性を保つには、半導体素子が発生する熱を放熱し、半導体素子の温度が過度に上昇しないようにすることが必要であり、セラミックス基板には、電気絶縁性に加えて、優れた放熱特性が要求される。近年、回路基板の小型化、パワーモジュールの高出力化が進む中、小型軽量化モジュールに関して、電気絶縁性が高く、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮと記載）焼結体を用いるセラミックス基板、並びにＡｌＮ基板の主面に金属回路を形成したセラミックス回路基板が注目されている。

セラミックス基板となるセラミックス焼結体は、一般に以下の方法で製造される。即ち、セラミックス粉末に焼結助剤、有機バインダー、可塑剤、分散剤、離型剤等の添加剤を適量混合し、それを押出成形やテープ成形によって薄板状又はシート状に成形する。一方、厚板状又は大型形状の場合は、押出成形やプレスにより成形される（本発明では、厚さ１ｍｍ未満を薄板、それ以上を厚板とする）。次いで、成形体を空気中、又は窒素等の不活性ガス雰囲気中で、４５０〜６５０℃に加熱して有機バインダーを除去した後（脱脂工程）、窒素等の非酸化性雰囲気中で、１６００〜１９００℃で０．５〜１０時間保持すること（焼成工程）によって製造される。

一般に、押出成形法を用いることで、成形厚みの制限を無くすことができ、薄板及び厚板のセラミックシート成形が可能である。まず、万能混合機、ライカイ機、ミキサー、振動篩機等を用いて、予めオレイン酸処理したセラミックス粉末と焼結助剤と有機粉末バインダーからなる混合粉末を調製する。この混合粉末に、水、有機液体バインダー、離型剤及び可塑剤等からなる混合液体を噴霧し、万能混合機、ライカイ機、ミキサー、振動篩機等を用いて顆粒状の湿紛原料を作製する（顆粒化工程）。次に、この湿紛からなるオレイン酸処理したＡｌＮ粉末とバインダー水溶液を馴染ませるため、２〜３日間低温にて放置する（寝かせ工程）。この原料を混練機の原料供給口に投入し、練土を調製した後（混練工程）、さらに、２〜３日間低温にて放置し、練土粘度を低粘度化させる。この練土をダイスが設置された１軸押出成型機の原料供給部に投入し、厚板状又はシート状に成形する（特許文献１、特許文献２参照）。
特開平２−８３２６５号公報特開平１１−２１１７４号公報

上記従来の製造方法は、原料の顆粒化（顆粒工程）及び練土の均一化（混練及び寝かせ工程）を必要とするリードタイムの長い生産方式である。さらに、この練土の均一化が不十分であると、グリーンシートの密度ムラが生じ、焼成後のセラミックス焼結体が変形するという課題がある。
本発明の目的は、従来と同等もしくはそれ以上の品質が得られ、しかも生産効率の良好なセラミックシートの製造方法を提供することである。

（１）２軸押出機の吐出口と１軸成形機の原料供給口を連結させた押出成形機を用いて、厚みが１〜１０ｍｍのセラミックシートを成形することを特徴とするセラミックシートの製造方法。
（２）２軸押出機の吐出口と１軸成形機の原料供給口の連結部分を減圧することを特徴とする上記（１）に記載のセラミックシートの製造方法。
（３）２軸押出機の吐出口と１軸成形機の原料供給口の連結部分の真空度が、１３３２．２Ｐａ以下であることを特徴とする上記（２）に記載のセラミックシートの製造方法。
（４）２軸押出機及び１軸成形機から吐出される吐出物の温度が５〜１５℃であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載のセラミックシートの製造方法。
（５）２軸押出機の混練部が、２軸押出機の３０〜７０体積％を占めることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
（６）２軸押出機の混練部が、耐摩耗性材料から構成されていることを特徴とする上記（５）に記載のセラミックシートの製造方法。
（７）２軸押出機のスクリューの中間部及び／又は先端部にスクリューを保持する構造を有することを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
（８）１軸成形機に缶の直径以上の長さを有する均圧缶を設置したことを特徴とする上記（１）〜（７）のうちいずれか一項記載のセラミックシートの製造方法。
（９）１軸成形機の吐出口に長さ5mm以上の平坦部を有する口金を設置したことを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
（１０）１軸成形機の吐出口の口金部と均圧缶の間に邪魔板を設置したことを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
（１１）（ａ）セラミックス粉末、焼結助剤及び有機バインダー粉末からなる混合粉末を２軸押出機の粉末供給部より供給し、（ｂ）液状の有機バインダー、離型剤及び可塑剤からなる液体を２軸押出機の液体供給部より供給し、（ｃ）２軸押出機内の混練部にて混合粉末と液体を混練し、（ｄ）シートダイスを取付けた１軸押出機によりシート成形を行うことを特徴とする上記（１）〜（１０）のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
（１２）セラミックス粉末が窒化物セラミックス、焼結助剤粉末が希土類酸化物、有機バインダー粉末がセルロース系又はアクリル系バインダー、液状の有機バインダーがアクリル系バインダーであることを特徴とする上記（１１）に記載のセラミックシートの製造方法。
（１３）窒化物セラミックスが窒化アルミニウムであり、シートの見掛け密度が２．５ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする上記（１２）に記載のセラミックシートの製造方法。
（１４）シート強度が１．４７ＭＰａ以上であることを特徴とする上記（１）〜（１３）のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。

本発明により、従来法と同等もしくはそれ以上の品質が得られ、しかも生産効率の良好なセラミックシートの製造方法が提供され、さらに、セラミックス基板の製造、並びに、モジュールへの適用が可能である。

本発明に係る押出成形機の一実施の形態を示す説明図。本発明に係る２軸押出機及び１軸成形機のスクリューの一実施の形態を示す説明図。本発明に係る押出成形機の一実施の形態を示す説明図。本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す説明図。

符号の説明

［図1］
１粉末供給口
２液体供給口
３２軸押出機
４ベント口
５ストランドダイス
６真空室
７ニーダー
８シートダイス
９ 1軸成形機
［図２］
１混練スクリュー
２搬送スクリュー
［図３］
１均圧缶
２邪魔板
３成形ダイス（冷却機能付き）
４口金
５平坦部
６軸保持スクリュー
［図４］
１回路側金属板
２放熱側金属板
３ AlN基板

本発明者は、セラミックスシートを製造するため、ドクターブレード法、押し出し成型法、乾式プレス法、射出成型法、スリップキャスト法について検討した。
乾式プレス法及び射出成型法は、バインダー量が多くなるため焼成時の収縮率が大きくなり、寸法精度が取れず、焼結体を研磨加工して放熱板とする必要がある。スリップキャスト法は、少ロットの異形品向きで量産性に劣り、厚みが厚い成形体は幅方向及び流れ方向に厚みムラが生じやすい。

ドクターブレード法によれば、厚み０．５〜１ｍｍの成型品は可能であるが、厚みが１ｍｍ程度を越えると厚みムラが大きくなり、特に端部と中心部の厚み差が４０μｍ以上になることもあり、大きな反りを生じるようになる。更に、厚みの厚いものは、シ−ト成型後に有機溶剤を乾燥・除去する際、蒸発する有機溶剤によって表面が荒れたりピンホールが発生し、放熱板としては不適となる。

これに対し、押出成形法は、ダイスのクリアランスを大きくするだけで容易に厚みの厚いシートを成形することができ、しかも成形圧力を５〜１０ＭＰａと高くすることができるため、成形体密度を上げることが可能で、焼成時の寸法精度が良好である。

本発明に係る、２軸押出機と１軸押出機を組合せた押出成形機を図１に示す。

２軸押出機の混錬部は、押出機の仕様に応じて適宜決められるが、２軸押出機の３０〜７０体積％を占めるのが一般的である。ここで、Dはスクリュー径、Lはスクリュー長さである。混錬部が３０体積％未満であると、混練不足が生じてセラミックスシートの密度バラツキを誘発する場合があり、一方、７０体積％を超えると、過剰混練により練土の発熱が著しくなり、配合ズレや水分蒸発に伴う流動性の低下が生じ、安定した品質のシートが得られない場合がある。2軸押出機のスクリュー構成に関して特に制限は無いが、練土の均一混練性を考慮して選択することが好ましい。

２軸押出機の混練部は、混練する材料、組成等により適宜決められるが、耐摩耗性材料から構成されることが好ましい。一般に、セラミックスは硬いため、混練時にスクリューが摩耗し、製品に悪影響を及ぼす場合がある。スクリューやバレルが摩耗しやすい金属で構成されていると、導電性の異物が製品中に混入する結果、製品の絶縁特性の低下を招く場合がある。耐摩耗性材料は特に限定されないが、例えば、ＳＵＳ４４０又はセラミックスコーティング材料等が挙げられる。

二軸押出機のスクリューの中間部及び／又は先端部にスクリューを保持する構造を有すことが好ましい。一般に、二軸押出機は、スクリューの根元のみを保持する構造であるが、硬いセラミックスの練土を混練する場合、スクリューの先端部とバレル、又はスクリュー同士が擦れ、混練時に摩耗して製品に混入するおそれがある。このため、例えばスクリューの中間部及び／又は先端部に図２に示したような保持構造を設けることにより、スクリューの先端部とバレル又はスクリュー同士の摩擦を抑えることが出来る。

スクリュー回転数は、スクリュー構成に応じて適宜決められるが、５０〜２００ｒｐｍが一般的である。回転数が５０ｒｐｍ未満では所望の吐出量が得らないため、生産性が低下する場合があり、一方、２００ｒｐｍを超えると練土の発熱が著しくなり、バインダー溶液の水分蒸発に伴う流動性の低下が生じるため、安定したシート品質が得られない場合がある。２軸押出機の混練により練土中に包括された気泡を消滅させるために、混錬部からストランドダイス間で真空引きを行う。このとき、真空度は絶対圧力表示にて１３３２．２Pa以下の真空雰囲気に保たれる。２軸押出機は冷却用チラーユニットに接続され、２軸押出機からの吐出物温度は５〜１５℃に調節される。

本発明に係る２軸押出機の特徴は、（１）２軸スクリュー間の噛み合い部において、１軸成形機よりも高いせん断応力を負荷でき、短時間で均一に混練された練土が得られる。（２）２軸スクリューは複数のパーツからなり、材料に応じて組み替えられるため混練の自由度が大きく、シート流れ方向とシート幅方向の密度バラツキを低減させることが可能である。さらに、焼結してセラミックス基板とする際は、押出方向に依存しない等方的な収縮性能を発現することから、セラミックス基板の寸法及び変形不良を低減させることができる。

練土の成分が均一で、良好な成形性が得られる場合の粘度は、降下式フローテスターでせん断応力を０．３ＭＰａとした場合、２０００〜３０００Pa・secであり、シート断面の輪郭形状はフラットとなる。粘度が２０００Pa・sec未満であると、シート幅方向において厚みムラが発生し、焼成後のセラミック基板の寸法不良や変形が生じる場合がある。一方、粘度が３０００Pa・secを超えると、シート断面の輪郭形状はフラットになるが、シート表面の流れ方向にフローマークが著しく現れるため、焼成後のセラミックス基板表面の外観が損なわれる場合がある。

１軸成形機のスクリュー径D及びスクリュー長さLに関して特に制約は無いが、１軸成形機のスクリュー径Dは２軸押出機以上にすることが好ましい。１軸成形機の回転数は吐出量に比例するため、３０〜１００ｒｐｍが好ましい。回転数が３０ｒｐｍ未満では、所望の吐出量が得られず生産性が低下する。一方、１００ｒｐｍを超えると練土の発熱が著しくなり、溶液中の水分蒸発に伴う流動性の低下が生じるため、安定した品質のシートが得られない場合がある。１軸成形機の混錬部は、2軸押出機にて十分混錬されているため不要である。１軸成形機は冷却用チラーユニットに接続され、１軸成形機からの吐出物温度は５〜１５℃に調節される。

２軸押出機の吐出口と１軸成形機の原料供給部の接続部は図１の様に設置される。この箱状容器（真空室）は、材質に制限はないが透明な容器であり、高真空下でも破損しないことが必要である。練土の表面に気泡が混入し密度低下を起こさぬよう、容器内は絶対圧力表示にて１３３２．２Pa以下の真空度に保たれる。２軸押出機及び１軸成形機と、容器の界面は真空漏れが生じないように、樹脂やゴムパッキン等のシール材が用いられる。２軸押出機の吐出口から吐出された練土は、その直下の1軸成形機の練土供給口に設置されたニーダーにより、1軸成形機内に搬送される。

本発明に係る１軸成形機の特徴は、原料供給系に起因する圧力変動が２軸押出機よりも小さく、２軸押出機のシート流れ方向の厚みバラツキがＲ＞５μｍなのに対し、１軸成形機ではＲ≦５μｍと吐出安定性に優れる。シート流れ方向の厚みバラツキがＲ＞５μｍでは、焼成後のセラミック基板幅方向の反り量が８０μｍ以上となるため、金属回路板側及び金属放熱板側との接合に不具合を発生させる場合がある。

本発明に係る１軸成形機には、図３に示したような均圧缶、吐出口に長さ5mm以上の平坦部を有する口金及び邪魔板を設置することが好ましい。

均圧缶は、缶の直径（D）以上の長さ（L）を有することが望ましい（L/D≧１）。均圧缶の長さが、缶の直径より短くなると、２軸押出機の脈動の影響を受けて、吐出口でシートの厚みが変動し、安定した厚みのシートを得ることが出来ない。また、吐出口の平坦部の長さは、5mm以上であることが好ましい。長さが5mm未満であると、平滑なシートが得られない場合がある。また、練土の流れを制御するために、均圧缶と吐出口の口金部の間に、邪魔板を設けることが好ましい。邪魔板で流れを制御することにより、より均一なシートを作製することが可能となる。

本発明において、２軸押出機と１軸成形機を組み合せた理由は、両機の欠点を補い、優れた特徴を活かすためである。２軸押出機の原料供給部は図１に示す通り、粉末と液体用の２箇所からなり、粉末及び液体供給はウエイトロス式の粉末フィーダーを用い、液体供給部へは吐出脈動の少ないウエイトロス式モノポンプあるいはウエイトロス式チューブポンプ等を用いて原料供給を行うことが好ましい。ここで重要なのは、粉末及び液体のフィードバラツキを│±Ｒ％│≦１以内に制御し、且つ粉末フィーダーと液体添加ポンプの吐出を同調化させることである。ここで、±Ｒ％は（１）及び（２）式から算出した。

ここで、Ｘｉはi回測定したときの吐出量である。

ここで、

は吐出量の平均値である。

バラツキが│±Ｒ％│≦１を外れると、粉末と液体の配合比率がズレ、練土が均一成分とならないため、グリーンシートの密度バラツキが生じることから、焼成後のセラミックス基板に著しい変形が生じる場合がある。

本発明に係るＡｌＮ粉末は、直接窒化法、アルミナ還元法等の公知の方法で製造された粉末が使用できるが、酸素量３質量％以下、平均粒径５μｍ以下のものを用い、加水分解を防止するためにステアリン酸、オレイン酸、リン酸等で表面処理することが好ましい。特に、表面処理剤はオレイン酸が好ましく、その使用割合はＡｌＮ粉末１００質量部に対して、０．５〜３質量部が好ましい。３質量部を超えると、オレイン酸の撥水作用により練土の流動性が低下し、成形性が損なわれる場合がある。

本発明に係る焼結助剤は、希土類金属、アルカリ土類、及びアルミニウム酸化物、フッ化物、塩化物、硝酸塩、硫酸塩等が使用可能である。中でも、イットリウム酸化物等の希土類酸化物を助剤とし、これとAlN粉末の表面酸化膜であるアルミニウム酸化物との液相反応により、AlNの焼結を促進させることが一般的である。本発明では、希土類酸化物の他に、さらにアルミニウム酸化物を併用し、焼成温度を低下させることはより好ましい。焼結助剤の使用量は、セラミックス粉末１００質量部に対して１〜５質量部が好ましい。１質量部未満であったり、或いは、５質量部を超えると、焼結しにくくなり、高密度な焼結体が得られない場合がある。アルミニウム酸化物の使用量は、セラミックス粉末１００質量部に対して１〜５質量部が好ましい。１質量部未満であったり、或いは、５質量部を超えると、AlN基板の熱伝導率が低下する場合がある。

本発明に係る液状の有機バインダーは特に限定されないが、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリル酸、及びメタクリル酸からなる群より選ばれた一種又は二種以上を重合してなるポリマーを含む有機バインダーを用いることが好ましい。この有機液体バインダーを用いる理由は、窒素等の不活性ガス雰囲気中の脱脂処理にて、他のバインダーよりも熱分解性が良く、残留炭素分の制御を容易に行うことができるからである。酸化雰囲気中で脱脂処理すると、ＡｌＮ脱脂体中の酸素量が増加し、焼結の際にＡｌＮ格子内に酸素が固溶してＡｌＮ焼結体の熱伝導率を低下させる場合がある。上記ポリマーのガラス転移温度は、−５０〜０℃であることが好ましい。ポリマーのガラス転移温度が−５０℃より低いと、十分な成形体強度が得られず、成形が困難となる場合があり、一方、ガラス転移温度が０℃より高いと成形体が硬く、脆いものとなり、割れが発生しやすくなる場合がある。

液体の有機バインダーの添加割合は、セラミックス粉末に対して外割配合で０．５〜３０質量％が好ましく、１〜１０質量％がより好ましい。０．５質量％より少ないと、十分な成形体強度が得られず、割れを生じる場合があり、一方、３０質量％を超えると、脱脂処理に多大な時間がかかる上に、脱脂体中の残留炭素量が多いため、焼結体基板に色むらが生じる場合がある。

本発明に係る有機バインダー粉末は特に限定されないが、可塑性及び界面活性効果を有するメチルセルロース系あるいはアクリル系等の使用が可能である。有機バインダー粉末の使用量は、セラミックス粉末１００質量部に対して１〜５質量部が好ましい。１質量部より少ないと、十分な成形体強度が得られず、割れを生じる場合がある。一方、５質量部を超えると、脱脂時のバインダー除去の際に成形体密度が低下するため、焼結時の収縮率が大きくなり、寸法不良や変形を生じる場合がある。

本発明において、上記成形体の加熱脱脂処理後の残留炭素分は、２．０質量％以下が好ましい。残留炭素分が２．０質量％を超えると、焼結を阻害して緻密な焼結体が得られなくなる場合がある。

本発明に係る可塑剤としては、精製グリセリン、グリセリントリオレート、ジエチレングリコール等が使用可能であり、その使用量は、セラミックス粉末１００質量部に対して２〜５質量部が好ましい。２質量部未満であると成形シートの柔軟性が不十分なため、プレス成形時に成形体が脆くなるため、シートへ亀裂が入りやすくなる。一方、５質量部を超えると練土粘度が低下し、シート形状の保持が困難になるため、シート幅方向の厚みムラを生じる場合がある。

本発明に係る離型剤は特別に限定されないが、ステアリン酸系やシリコン系等が使用可能であり、その使用量はセラミックス粉末１００質量部に対して２〜５質量部が好ましい。２質量部未満であると２軸押出機と1軸成形機間に設置された練土供給ニーダーに付着し、練土供給に支障をきたして生産性を低下させるだけでなく、練土性状の劣化に起因したシート厚みムラが生じる場合がある。一方、５質量部を超えると練土粘度が低下し、シート形状の保持が困難になるため、シート幅方向の厚みムラが生じる場合がある。

本発明では、必要に応じて、さらに分散剤を配合することも可能である。

本発明に係る溶媒としては、エタノールやトルエン等の使用が挙げられるが、地球環境への配慮及び防爆設備対応を考慮して、イオン交換水又は純水を使用するのが一般的である。使用量は、セラミックス粉末１００質量部に対して１〜１５質量部が好ましい。１質量部未満だと練土粘度の流動性が悪いため、シート成形に支障をきたす場合がある。一方、１５質量部を超えると、練土粘度が低下し、シート形状の保持が困難になるため、シート幅方向の厚みムラが生じる場合がある。

本発明の成形機を用いることにより、セラミックシートの見掛け密度が２．５ｇ／ｃｍ^３以上にすることが可能である。これにより、焼成後のＡｌＮ焼結体において収縮率を約１２％以下にすることが出来、焼成時の収縮に伴う寸法不良や変形不良が低減できる。セラミックシートの見掛け密度が２．５ｇ／ｃｍ^３未満だと収縮率が大きく、寸法不良や変形不良が発生し易い傾向がある。

本発明に係るセラミックシートの強度は１．４７MPa以上であることが好ましい。シート強度が１．４７MPa未満であると、シートを金型で所望の形状に打ち抜いた際、シートが契れたり、シートにクラックが入り、生産性が低下したり、製品の絶縁性に悪影響を及ぼす場合がある。このようにして作製されたシートの処理方法は特に限定されないが、窒素ガス又は空気中等の非酸化性雰囲気又は酸化性雰囲気下、３５０〜７００℃で１〜１０時間熱処理を行って有機結合剤を除去（脱脂）した後、窒化硼素製、黒鉛製又は窒化アルミニウム製等の容器に収納し、窒素、アルゴン、アンモニア、水素ガス中等の非酸化性雰囲気下、１４５０〜１８００℃で焼結されるのが一般的である。

セラミックス焼結体の一主面に金属回路用の金属板を、他の主面に放熱板用の金属板を接合した後、回路面にエッチングレジストを印刷する際、突き当てを用いて位置決めを行うが、寸法不良や変形不良により、セラミックス基板の長手・短手方向寸法及び形状に不具合があると回路パターンの印刷ズレが生じ、後工程であるモジュール組立工程において、ワーヤーボンディング設置位置が不適当になり、電気的特性の劣化を生じさせる場合がある。

本発明により製造されたセラミックス焼結体は、機械的特性に優れ、且つ、高い熱伝導率を有するので、厳しい使用条件下で用いられる回路基板、例えばパワーモジュール用回路基板に好適な材料である。本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス焼結体を用いた基板の一主面に金属回路、他の主面に放熱板を形成してなるものである。

本発明に係るセラミックス基板の厚みは特に限定されるものではなく、例えば、放熱特性を重視する場合は０．３〜１．０ｍｍ程度、高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたい場合は１〜３ｍｍ程度のものを用いるのが一般的である。

本発明により製造されるセラミックス焼結体は、練土が２軸押出機により十分に混練されるため、バインダー等の塊のない均一な焼結体を得ることが出来る。セラミックス焼結体のボイド率は、３体積％以下であることが好ましい。ボイドが少ないと、高電圧下での絶縁特性が高くなる傾向がある。基板の放電特性を示す部分放電特性に関して、本願発明に係るセラミックス回路基板は、10pＣ以上の部分放電開始電圧を５kＶ以上にすることが可能である。

金属回路と金属放熱板の材質はAl、Cu、又はAl−Cu合金であることが好ましい。これらは単層ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いることが可能である。中でも、AlはCuよりも降伏応力が小さいため塑性変形し易く、ヒートサイクル等の熱応力負荷が掛かった際に、セラミックス基板に加わる熱応力を大幅に低減することができる。そのため、AlはCuよりも、金属回路とセラミックス基板間に発生する水平クラックが発生しにくく、より高信頼性モジュールの作製が可能である。

金属回路の厚みは、特に限定されるものではないが、電気的及び熱的仕様からAl回路は０．１〜０．５ｍｍ、Cu回路は０．１〜０．５ｍｍが一般的である。一方、放熱板は、半田付け時に反りを生じない厚みにすることが必要であり、例えば、Al放熱板は０．１〜０．５ｍｍ、Cu放熱板は０．１〜０．５ｍｍが一般的である。

本発明に係るセラミックス回路基板は、板状又は研削加工により板状に加工したセラミックス焼結体を基板とし、金属板を接合した後、エッチング等の手法により回路を形成させるか、或いは、予め形成した金属回路を、接合することにより製造することが可能である。板状のセラミックス焼結体又は研削加工により板状に加工したセラミックス焼結体と金属板又は金属回路との接合は、例えば、Ａｌ−Ｃｕ、Ag、Cu、又はAg−Cu合金と、Ti、Zr、Hf等の活性金属成分を含むロウ材を介在させ、不活性ガス又は真空雰囲気中で加熱する方法（活性金属法）により可能である。

〈実験Ｎｏ．１〜３〉
振動篩機を用いて予めオレイン酸で表面処理したＡｌＮ粉末１００質量部、有機バインダー粉末３質量部、Ａｌ_２Ｏ_３２質量部、及びＹ_２Ｏ_３４質量部をボールトン混合機により乾式混合し、2軸押出機と1軸成形機を組合せた強混練型成形機の粉末供給口に、定量粉末フィーダー（供給バラツキ＜１％）を用いて２５．８ｋｇ／ｈ供給した。また、ＡｌＮ粉末１００質量部に対して、有機液体バインダーが外割で７質量％、可塑剤が３質量部、離型剤が２質量部、イオン交換水が４質量部となるように、同押出機の液体供給口へ定量液体モノポンプ（供給バラツキ＜１％）を用いて４．２ｋｇ／ｈ供給した。２軸押出機はＤ＝４６ｍｍ、Ｌ＝１８４０ｍｍ（Ｌ／Ｄ＝４０）、混練部は７０体積％（Ｄ＝４６ｍｍ、Ｌ＝１２８８ｍｍ）、スクリュー回転数１００ｒｐｍ、真空度は絶対圧力で６６６．６Ｐａであった。また、２軸押出機と１軸成形機間の真空室の真空度は６６６．６Ｐａであった。１軸成形機はＤ＝７０ｍｍ、Ｌ＝７００ｍｍからなる装置を用い、スクリュー回転速度６０ｒｐｍの運転条件（吐出量３０ｋｇ／ｈ）にて、シートダイを用いて、巾１００ｍｍ×厚み１．１７６ｍｍの帯状のシート成形を行った。成形条件を表１に、成形されたシートの物性を表２に記す。

同機により成形されたグリーンシートをベルト式乾燥機を用いて乾燥した後、金型付プレス機により７０ｍｍ（長さ）×５０ｍｍ（幅）×１．１７４ｍｍ（厚み）の寸法に調整した。これを窒化ホウ素製の坩堝に充填して、常圧下、窒素雰囲気中にて６００℃で４時間保持して脱脂した後、カーボンヒーター電気炉を用いて、絶対圧力０．１MPaの窒素雰囲気下で１８００℃、２時間焼結してＡｌＮ焼結体を作製した。得られたＡｌＮ焼結体の物性を表３に示す。

〈使用材料〉
・ＡｌＮ粉末：Ｄ５０の粉末粒径３．０μｍ、純度９９．９％、不純物含有量は鉄が４０ｐｐｍ及びシリコン１００ppm。表面処理は、ＡｌＮ粉末１００質量部に対して、オレイン酸を１．５質量部添加した。
・Ａｌ_２Ｏ_３：アドマテックス社製、商品名「ＡＯ−５００」、Ｄ５０の粉末粒径１．０μｍ、純度９９．９％。
・Ｙ_２Ｏ_３：信越化学工業株式会社製、商品名「Yttrium Oxide」、Ｄ５０の粉末粒径１．０μｍ、純度９９．９％。
・有機液体バインダー：ユケン工業株式会社製、商品名「セランダー」、主成分アクリル酸エステル、ガラス転移温度−２０℃。
・有機バインダー粉末：ダイセル化学工業株式会社製、商品名「ＣＭＣダイセル」、主成分カルボキシメチルセルロース。
・可塑剤：花王社製、商品名「エキセパール」、主成分グリセリン。
・離型剤：サンノプコ社製、商品名「ノプコセラＬＵ−６４１８」、主成分ステアリン酸。
・アルミニウム板：三菱アルミニウム株式会社製、商品名「１０８５材」（対応JIS番号）。
・ロウ合金箔：東洋精箔株式会社製、商品名「A２０１７R−H合金箔」（対応JIS番号）。
・UV硬化型レジストインク：互応化学工業株式会社製、商品名「PER−２７B−６」。
・２軸押出機スクリューのセラミックスコーティング材：アルミナ。

得られたＡｌＮ焼結体の回路基板としての性能を評価するため、金属回路及び金属放熱板としてアルミニウム板を以下の方法にて接合し、回路パターンを形成した。

AlN焼結体の両面に７０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２ｍｍｔのロウ合金箔を貼付け、さらにその両面から７０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２ｍｍｔのアルミニウム板を挟み、それを１０枚積層したものをカーボン治具にカーボンネジ締めにより設置した後、620℃で2時間保持してＡｌＮ焼結体とアルミニウム板を接合した。接合体の一主面には所定の形状の回路パターンを、もう一方の主面には放熱板パターンを形成させるべく、UV硬化型レジストインクをスクリーン印刷した後、UVランプを照射させてレジスト膜を硬化させた。次いで、レジスト塗布した部分以外を水酸化ナトリウム水溶液でエッチングした後、フッ化アンモニウム水溶液にてレジスト剥離し、図４に記載したようにアルミニウム回路AlN基板を作製した。

得られた回路基板の信頼性を評価するため熱履歴衝撃試験を実施し、１）パターン印刷ズレの有無、２）断面観察による回路面及び放熱板面とAlN基板間の接合クラック発生の有無、３）回路及び放熱板部分を溶解後、インクテストによる窒化アルミニウム基板のクラック発生の有無確認を確認した。結果を表３に示す。ここで、接合クラック発生の有無は、熱履歴衝撃試験を実施し、２０００サイクル未満にて接合クラックが発生した場合を記号１、２０００〜３０００サイクルにて接合クラックが発生した場合を記号２、３０００サイクルでも接合クラックが発生しない場合を記号３とした。回路基板としての信頼性保証基準は記号２以上である。結果を表４に示す。

〈測定方法〉
・熱履歴衝撃試験：（−２５℃、１０分→室温、１０分→１２５℃、１０分→室温、１０分）を１サイクルとして、３０００サイクルのヒートサイクルに供試体を晒す試験。
・練土粘度：降下式フローテスターにより、せん断応力０．３ＭＰa時の粘度を測定した。
・シート厚みバラツキＲ：マイクロメーターを用いて、シート幅方向の他端から５ｍｍ間隔で厚みを測定し、（３）式より求めた。

ここで、ｙ_ｉはi回測定したときのシート厚みである。

・シート密度：金型プレス後の成形体を用いて（４）式より求めた。

ここで、W_sheetは成形体重量、W_liquedは１００℃、１時間乾燥後の含水除去した成形体重量、lはシート長手方向距離、wは短手方向距離、t成形体厚み。

・焼結体の収縮率：（５）式より求めた。

ここで、SはL方向の収縮率（％）、ｌsheetは成形体の長手方向長さ、lsintered bodyは焼結体の長手方向長さ。

シート化までの日数内訳を以下に記す。粉末と液体の調製に要する日数：０．５日、粉末と液体の混合調製に要する日数：０．５日、混合品の寝かせに要するに日数：３日、混合品の混練に要する日数：１日、混練品の寝かせに要するに日数：３日とした。

・焼結体のＬ方向及びＷ方向変形率：（６）式より求めた。

ここで、l_{yeilded rate}は長手方向の変形量であり、＋符号の場合は長手方向中央部が端部より長く、−符号の場合は長手方向中央部が端部より短い、l_centerは長手方向中央部の長さ、l_endは長手方向端部の長さ。W方向変形率は同式を用いて算出する。

・焼結体密度：アルキメデス法により（７）式から算出した。

ここで、rは嵩密度，W₁は空気中での焼結体の質量，W₂は焼結体の開気孔にブタノールが含浸したときの空気中における焼結体の質量，W₃はブタノール中での焼結体質量，r_Eは密度測定時（２５℃）のブタノールの密度：０．８０４８ｇ／ｃｍ^３である。

・焼結体の抗折強度：下部スパン３０ｍｍ、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／分の条件にて3点曲げ試験（JIS R1601）を行い、その破壊荷重を（８）式により求めた（ｎ＝１０）。

ここで、σ_fは抗折強度、P_fは破壊荷重，bは試験片の幅，hは試験片の厚さ，Lは下部スパン長さである。
焼結体の熱伝導率：ＡｌＮ基板表面にカーボンスプレー処理を施し、レーザーフラッシュ法にて測定した。
焼結体の反り量：株式会社東京精密社製触針式輪郭測定器「CONTOURECORD １６００D」を用いて測定した。

ここで、シート強度は、幅10mm、長さ40mmのシートを、ＪＩＳＫ６２５１の引っ張り試験方法により測定した。

焼結体のボイド率は、セラミックス焼結体を厚みの半分まで研磨し、電子顕微鏡にて直径15μｍ以上のボイドについて、その直径を測定し、（９）式により求めた。（n=３）

部分放電開始電圧は、作製した回路基板を絶縁油（住友３Ｍ社製「フロリナートＦＣ−７７」）に浸漬して、１ｋＶ／分のスピードで電圧を印可したとき、部分放電電荷量が１０ｐＣを超した時の電圧を、部分放電開始電圧とした。（n=５）

〈実験Ｎｏ．４〜６〉
2軸押出機と1軸成形機を組合せた強混練型成形機の代わりに、２軸押し出し機又は１軸成形機のみを用いたこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表１〜４に示す。

〈実験Ｎｏ．７〉
金属回路と金属放熱板に銅板を用い、下記の方法で接合及び回路パターン形成したこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表１〜４に示す。

Ag８５質量％、Cu１０質量％、Zr２質量％、TiH３質量％からなる混合粉末と、外割で３０質量％テルピネオールからなるペースト状混合液をAlN焼結体の両面に塗布し、その両面に３インチ×２インチ×０．０２インチ厚の無酸素銅板を貼付け、それを１４枚積層したものをカーボン治具にカーボンネジ締めにより設置を行った後、850℃で2時間保持させてＡｌＮ焼結体を銅板で挟んだ接合体を作製した。接合体の一主面には所定の形状の回路パターンを、もう一方の主面には放熱板パターンを形成させるべく、UV硬化型レジストインクをスクリーン印刷した後、UVランプを照射させてレジスト膜を硬化させた。次いで、レジスト塗布した部分以外を塩化第2銅溶液でエッチングした後、フッ化アンモニウム水溶液にてレジスト剥離し、銅回路AlN基板を作製した。

〈使用材料〉
・無酸素銅板：住友金属鉱山伸銅株式会社製、商品名『３１００系』（対応JIS番号）。

〈実験Ｎｏ．８〜２０〉
シート厚み、２軸押出機のスクリューの材質、２軸押出機のスクリューの保持構造、２軸押出機と１軸成形機連結部分の真空度、均圧缶のL/D、口金の平坦部長さ、及び邪魔板の有無を変えたこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表１〜４に示す。

本発明の実施例は、シート密度が２．５ｇ／ｃｍ^３以上、AlN焼結体の収縮率が１２％以下、及び熱伝導率が１７０W／mK以上であり、熱履歴衝撃試験後に、接合クラック及び基板クラックが発生せず、回路基板として高い信頼性が得られることが判る。

なお、本出願の優先権主張の基礎となる日本特許願２００４−０７９７８７号（２００４年３月１９日に日本特許庁に出願）の全明細書の内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims

２軸押出機の吐出口と１軸成形機の原料供給口を連結させた押出成形機を用いて、厚みが１〜１０ｍｍのセラミックシートを成形することを特徴とするセラミックシートの製造方法。
２軸押出機の吐出口と１軸成形機の原料供給口の連結部分を減圧することを特徴とする請求項１に記載のセラミックシートの製造方法。
２軸押出機の吐出口と１軸成形機の原料供給口の連結部分の真空度が、１３３２．２Ｐａ以下であることを特徴とする請求項２に記載のセラミックシートの製造方法。
２軸押出機及び１軸成形機から吐出される吐出物の温度が５〜１５℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
２軸押出機の混練部が、２軸押出機の３０〜７０体積％を占めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
２軸押出機の混練部が、耐摩耗性材料から構成されていることを特徴とする請求項５に記載のセラミックシートの製造方法。
２軸押出機のスクリューの中間部及び／又は先端部にスクリューを保持する構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
１軸成形機に缶の直径以上の長さを有する均圧缶を設置したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
１軸成形機の吐出口に長さ5mm以上の平坦部を有する口金を設置したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
１軸成形機の吐出口の口金部と均圧缶の間に邪魔板を設置したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
（ａ）セラミックス粉末、焼結助剤及び有機バインダー粉末からなる混合粉末を２軸押出機の粉末供給部より供給し、（ｂ）液状の有機バインダー、離型剤及び可塑剤からなる液体を２軸押出機の液体供給部より供給し、（ｃ）２軸押出機内の混練部にて混合粉末と液体を混練し、（ｄ）シートダイスを取付けた１軸押出機によりシート成形を行うことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。
セラミックス粉末が窒化物セラミックス、焼結助剤粉末が希土類酸化物、有機バインダー粉末がセルロース系又はアクリル系バインダー、液状の有機バインダーがアクリル系バインダーであることを特徴とする請求項１１に記載のセラミックシートの製造方法。
窒化物セラミックスが窒化アルミニウムであり、シートの見掛け密度が２．５ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１２に記載のセラミックシートの製造方法。
シート強度が１．４７ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のセラミックシートの製造方法。