CN104471091B - 阳极氧化处理性优异的铝合金和阳极氧化处理铝合金构件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阳极氧化处理性优异的铝合金，其分别含有Mg：高于3.5％并在6.0％以下、Cu：0.02％以上并在1.0％以下、Cr：0.02％以上并在0.1％以下，余量是Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质中的Si：抑制在0.05％以下，Fe：抑制在0.05％以下，通过使铝合金中所含的最大长度为4μm以上的金属问化合物在任意截面的每1mm²中的个数为50个以下，可用于实现具有高耐电压性、并且能够抑制高温下的裂纹的发生这样的耐热性也优异的阳极氧化处理性优异。

Description

阳极氧化处理性优异的铝合金和阳极氧化处理铝合金构件

技术领域

本发明涉及由阳极氧化处理铝合金构件构成的面向电子学的绝缘构件，及其所用的铝合金，例如可列举半导体制造装置和半导体用的绝缘构件。干式蚀刻装置、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置、离子注入装置、溅射装置等这样的半导体和液晶的制造设备等所使用的真空室或设于该真空室的内部的零件的原材，使用以铝合金为基材的具有阳极氧化皮膜的阳极氧化处理铝合金构件作为所述半导体制造装置用绝缘构件。另外，CPU(Central Processing Unit)、功率器件、LED(Light Emitting Diode)等的有关半导体和液晶的绝缘构件，使用阳极氧化处理铝合金构件作为所述半导体用绝缘构件。特别优选本发明涉及的是既可抑制高温下的裂纹发生，又使耐电压性进一步提高的阳极氧化处理铝合金构件，和用于得到这样的阳极氧化处理铝合金构件的铝合金。

背景技术

在以铝和铝合金等作为基材的构件的表面形成阳极氧化皮膜，并赋予该基材以耐等离子体性和耐气体腐蚀性的阳极氧化处理，一直以来都被广泛进行。例如，用于半导体制造设备的等离子体处理装置的真空室、和设于该真空室的内部的各种零件一般使用铝合金构成。但是，如果以不对所述铝合金构件进行任何的处理的状态(原本的状态。加工成零件的状态)直接在该用途中使用，则不能维持零件的耐等离子体性和耐气体腐蚀性等。由此出发而进行的是，通过在铝合金所构成的构件的表面，形成阳极氧化皮膜，从而赋予耐等离子体性和耐气体腐蚀性等。

另一方面，近年来由于布线宽度的微细化，伴随等离子体的高密度化，为了使等离子体生成所输入的电功率增加，在现有的阳极氧化皮膜中，由于在高电功率输入时发生的高温、高电压，会引起皮膜的绝缘击穿。在这样的绝缘击穿发生的部分，因为电特性产生变化，所以蚀刻均匀性和成膜均匀性劣化，由此，期望所使用的构件的高耐电压化、高温裂纹耐性化(耐热性化)。另外，在半导体用绝缘构件中，伴随半导体的微细化、小型化、高电功率化，使用环境也高温化，另外在制造工序也会曝露在高温下，因此需要高耐电压化、高温裂纹耐性化(耐热性化)。而且，以低成本实现这些要求特性也是重要的要件。

用于改善形成有阳极氧化皮膜的铝合金构件的特性的技术至今为止也提出有各种。例如，在专利文献1中提出有一种技术，其通过提高作为基材使用的铝合金的纯度，从而减少金属间化合物的个数，以改善耐电压性。然而，在这样的阳极氧化处理铝合金构件中，有高温下的皮膜裂纹发生，不能说高温裂纹耐性化得到改善。

另一方面，在专利文献2中，提出有一种太阳能电池用带绝缘层的金属基材，其通过尽可能降低铝合金中的金属Si，以改善耐电压性。在该技术中，对于高温裂纹耐性化未予考虑，会发生高温下的皮膜裂纹。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-241992号公报

专利文献2：日本特开2010-283342号公报

发明内容

本发明着眼于上述这样的情况而形成，其目的在于，提供一种具有高耐电压性，并且能够抑制高温下的裂纹的发生这样的耐热性也优异的阳极氧化处理铝合金构件，和用于实现这种阳极氧化处理铝合金构件的阳极氧化处理性优异的铝合金。

能够达成上述目的的本发明的铝合金，其特征在于，所述铝合金分别含有Mg：高于3.5％并在6.0％以下(质量％的意思，涉及化学成分以下均同)、Cu：0.02％以上并在1.0％以下、Cr：0.02％以上并在0.1％以下，余量是Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质中的Si：抑制在0.05％以下，Fe：抑制在0.05％以下，铝合金中所含的最大长度为4μm以上的金属间化合物在任意截面的每1mm²中的个数为50个以下。

在本发明的铝合金中，也能够允许在0.5％以下还含有Zn。另外，优选所述金属间化合物的每1mm²的个数在15个以下。

通过在由上述这样的铝合金构成的基材表面形成阳极氧化皮膜，能够实现具有高耐电压性，并且能够抑制高温下的裂纹的发生这样耐热性也优异的阳极氧化处理铝合金构件。所形成的阳极氧化皮膜优选由至少含有草酸的阳极氧化处理液形成。另外阳极氧化皮膜，如果从高温裂纹发生的抑制和确保耐电压性这样的观点出发，则优选其厚度为3～150μm。

根据本发明，因为适当地规定了作为基材使用的铝合金的化学成分组成和金属间化合物的大小和个数，所以能够实现兼备高耐电压性和耐热性这两种特性的阳极氧化处理铝合金构件，这样的阳极氧化处理铝合金构件，作为半导体和液晶的制造设备用构件、功率半导体用的绝缘构件是极其有用的。

具体实施方式

本发明者们致力于实现兼备高耐电压性和耐热性两种特性的阳极氧化处理铝合金构件，并从各种角度进行研究。其结果发现，如果适当规定作为基材使用的铝合金的化学成分组成和金属间化合物的大小和个数，则能够得到阳极氧化性优异的物质，以及如果在这样的铝合金的表面，由至少含有草酸的阳极氧化处理液形成阳极氧化皮膜，则能够实现合乎上述目的的阳极氧化处理铝合金构件，从而完成了本发明。以下，对于本发明所规定的各要件进行说明。

本发明中作为基材使用的铝合金，以规定量含有Mg、Cu和Cr，这些成分的范围限定理由如下述。

(Mg：高于3.5％并在6.0％以下)

阳极氧化皮膜其本身，由于变曲等形成的拉伸应力弱，所以为了补偿这种特性而使阳极氧化皮膜的高温裂纹性良好，需要尽可能提高基材的强度。另外，半导体用绝缘构件的情况下，提高强度能够使基材厚度变薄，能够减小热阻，因此能够提高散热性。从这样的观点出发，作为基材使用的铝合金中的Mg含量尽可能多。另外铝合金中的Mg含量越多，越能够加快阳极氧化皮膜的成膜速度，也将带来制造成本的削减。从这样的理由出发，铝合金中的Mg含量需要高于3.5％。优选为3.6％以上。但是，若Mg含量过剩而高于6.0％，则铝合金容易发生轧制裂纹，轧制加工变得困难。Mg含量的优选的上限为5.3％以下，更优选为4.7％以下。

(Cu：0.02％以上并在1.0％以下)

Cu是对于提高耐热性有效的元素，特别是在Mg的存在下，其性能进一步提高。从这一观点出发，需要使Cu含有0.02％以上。优选为0.03％以上。但是，若Cu含量过剩而高于1.0％，则Cu在金属间化合物中析出而成为耐电压性降低的原因。Cu含量的优选的上限为0.8％以下。

(Cr：0.02％以上并在0.1％以下)

关于Cr也与Mg同样，是对于强度提高有效的元素(再结晶晶粒的微细化)。为了发挥这样的效果，需要使Cr含有0.02％以上。优选为0.03％以上，更优选为0.04％以上。但是，若Cr含量过剩而高于0.1％，则招致结晶物尺寸的粗大化。Cr含量的优选的上限为0.08％以下，更优选为0.07％以下。

本发明的铝合金的基本成分如上述，余量是Al和不可避免的杂质，但不可避免的杂质中的Si和Fe需要以下述方式抑制。另外，也能够允许含有少量的Zn。

(Si：0.05％以下，Fe：0.05％以下)

Fe生成Al-Fe系金属间化合物，Si生成Mg-Si系金属间化合物，这些金属间化合物成为使耐电压性降低的原因，因此，为了使金属间化合物的尺寸和个数达到规定以下，需要将其均抑制在0.05％以下。为了得到更高的耐电压性，优选分别为0.02％以下。关于这些元素的下限，没有特别制定，但若含量低于0.002％，则需要极昂贵的铝合金基体，因此均优选为0.002％以上。

(Zn：0.5％以下)

Zn这样的在铝合金中均匀固溶的元素，不会对耐电压性产生影响，因此即使包含也没有问题。Zn的情况是，若高于0.5％，则Zn的析出核变大，经过前处理的蚀刻，晶界部被深深地腐蚀而形成缺陷，因此作为表面处理来说无法成为恰当的表面状态。优选为0.3％以下。关于Zn的下限，没有特别制定，但若含量低于0.002％，则需要极昂贵的铝合金基体，因此优选为0.002％以上。

(金属间化合物尺寸、个数)

使耐电压性降低的要因，是存在于铝合金中的金属间化合物在阳极氧化中没有溶解，而是大体上以金属的状态被摄取到皮膜中，其尺寸越大，单位质量的表面积越小，溶解越花费时间。由此，即使未完成溶解，不会对耐电压性产生严重影响的条件仍需要是，金属间化合物的大小(最大长度)为4μm以上的个数在任意截面每1mm²中为50个(50个/mm²)以下。如果满足这一要件，则能够发挥出充分的耐电压性。此外为了提高耐电压，优选上述个数为15个/mm²以下(更优选为10个/mm²以下)。还有，本发明中作为测量对象的金属间化合物是Al-Fe系金属间化合物、Mg-Si系金属间化合物。

本发明的阳极氧化处理铝合金构件，是在由上述这样的铝合金构成的基材表面形成阳极氧化皮膜，但作为形成该皮膜时的阳极氧化处理液，优选使用至少含有草酸的阳极氧化处理液。这是由于，阳极氧化皮膜在铝合金基材上形成草酸系皮膜，能够使高温下的耐裂纹性提高。

即，作为一般的阳极氧化处理液，可列举草酸、甲酸等的有机酸，磷酸、铬酸、硫酸等的无机酸，但要是从一边在高温下显著减少裂纹的发生一边使耐电压性提高的观点出发，优选使用至少含有草酸的阳极氧化处理液。阳极氧化处理液中的草酸浓度，以能够有效发挥预期的作用效果的方式适宜恰当控制即可，但优选大致控制在20g/L～40g/L的范围。

进行阳极氧化处理时的温度(液温)，在不缺乏生产率、且在皮膜的溶解不会显著发生的范围内设定即可，优选大致为0℃～50℃。在低温侧，虽然成膜速度慢，但皮膜致密，有耐电压变高的倾向，在高温侧，虽然成膜速度快，但耐电压有稍微变低的倾向，由此，根据生产率和所需耐电压性适宜设定温度即可。另外，考虑生产率和耐电压性，成为低温处理、高温处理相结合的皮膜构造，也可以实现两者的并立。

还有，进行阳极氧化处理时的电解电压(阳极氧化皮膜形成电压)、电流密度，以能够得到期望的阳极处理氧化皮膜的方式，适宜恰当调节即可。例如，关于电解电压，若电解电压低，则电流密度小，成膜速度慢，另一方面，若电解电压过高，则由于大电流造成的皮膜的溶解，导致阳极氧化皮膜有无法形成的倾向。电解电压所致的影响，也与所使用的电解处理液的组成，和进行阳极氧化处理的温度等相关，因此适宜设定即可。更优选使皮膜构造为多层构造，从而能够提高皮膜的耐电压性。说到原因，是由于以多孔层(皮膜的大部分)和阻挡层(基材邻域)构成的草酸系阳极氧化皮膜的多孔层，有沿着膜厚方向延长的管状的空孔(pore：细孔)，因此在绝缘上弱，但通过使该管状的细孔不连续(即，成为多层构造)，则可抑制构成绝缘击穿的起因的电子雪崩的现象，负担起使耐电压性提高的作用。另外，细孔尺寸能够通过处理电压控制(电压越大，细孔尺寸越大)，因此通过使电压不连续地变化，能够控制该皮膜构造。

阳极氧化处理时的电压(电解电压)，具体来说优选为5～100V左右(更优选为15～80V)。或者，阳极氧化处理时流通的电流的电流密度，优选为100A/dm²以下(更优选为30A/dm²以下，进一步优选为5A/dm²以下)。但是，这样的条件也与所使用的电解处理液的组成、进行阳极氧化处理的温度、和铝合金的化学成分组成等相关，因此适宜设定即可。

形成的阳极氧化皮膜的膜厚是承担耐电压性的重要因素，根据各种规格设整即可，另外，膜厚越薄，高温裂纹越难以发生，因此虽然没有特别规定，但若膜厚较厚，则耐高温裂纹性受损，因此优选为150μm以下，更优选为100μm以下。

那么，为了确保皮膜整体所需要的耐电压性，虽然也会根据半导体制造装置的种类、工艺的不同、单位厚度(每1μm厚度)的耐电压性(优选每1μm厚度为50V以上，更优选每1μm厚度为60V以上)，但优选皮膜厚度至少为3μm以上。更优选为10μm以上(进一步优选为20μm以上)。

以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明不受以下的实施例限制，在能够符合上述、下述的宗旨的范围也可以适当加以变更实施，这些均包含在本发明的技术范围内。

本申请基于2012年7月26日申请的日本国专利申请第2012-166329号主张优先权的利益。2012年7月26日申请的日本国专利申请第2012-166329号的说明书的全部内容，在本申请为了参考而援引。

【实施例】

根据通常的方法，熔化铸造下述表1所示的化学成分组成的铝合金，对于所形成的铸块，以500℃的温度进行均质化热处理，接着，通过热轧制作厚度为5mm的热态轧制板(热轧板)。接着，实施冷轧直至板厚达到0.8mm，以350℃的温度进行退火，切割下30mm×30mm×0.8mmt的基材。

将如上述这样切下的试料(基材)，作为脱脂工序，在50℃-15％NaOH水溶液中浸渍2分钟后，进行水洗。接下来，作为剥黑膜工序，将经过上述脱脂工序的试料浸渍在40℃-20％硝酸溶液中2分钟后，进行水洗，使表面清洁化。

【表1】

＊余量：Al、Si和Fe以外的不可避免的杂质

接下来，对于上述的各试料，以下述表2所示的条件(处理液种类、处理液浓度、处理液温度、电解电压)进行阳极氧化处理，制作规定的膜厚的阳极氧化皮膜，进行阳极氧化处理后，水洗并干燥，得到在基材表面形成有阳极氧化皮膜的各种阳极氧化处理铝合金构件。其中试验No.8，首先以处理电压(电解电压)为30V的条件形成皮膜8μm之后，将处理电压(电解电压)变成60V，形成皮膜25μm，成为膜厚的合计为33μm的双层构造。

【表2】

对于阳极氧化处理前的基材，根据下述的方法，测量基材中的金属间化合物的大小、个数，并且对于所得到的阳极氧化处理铝合金构件(试验No.1～9)，根据下述的方法，评价高温裂纹的发生状况、耐电压性(平均耐电压)。这些结果显示在下述表3中。

(金属间化合物的大小、个数的测量)

切下铝合金板(进行阳极氧化处理之前的状态)埋入树脂，使轧制表面为观察面而进行研磨，成为镜面(任意截面)，对于该已镜面化的面，用扫描型电子显微镜(SEM)，以倍率500倍的反射电子像观察20个视野以上。将照得比母相白的部分和照得比母相黑的部分视为作为测量对象的金属间化合物，通过图像处理求得最大长度。然后，测量最大长度为4μm以上的金属间化合物的个数，计算单位面积中的个数(个数密度：个/mm²)。

(平均耐电压的测量)

各试料的耐电压，是使用耐电压试验器(“TOS5051A”，菊水电子工业株式会社制，DC模式)，将+端子与针型的探针连接，使之在阳极氧化皮膜上接触，将-端子与铝合金基材连接，外加DC电压(直流电压)，将1mA以上的电流流通的时刻的电压的平均值(测量个数10点的平均值)作为平均耐电压。

形成阳极氧化皮膜，用测量的平均耐电压除以膜厚，求得单位厚度的耐电压(V/μm)。单位膜厚的耐电压高，能够使用于制作规格耐电压的皮膜厚变薄，生产率提高，可抑制制造成本，可以进行廉价的制作，因此该值在50V/μm以上为合格(○)，60V/μm以上为优秀(◎)[低于50V/μm为不合格(×)]。

(高温裂纹的发生状况的评价)

裂纹的发生状况是将各阳极氧化处理铝合金构件加热至300℃后，用显微镜观察阳极氧化处理铝合金构件的表面(倍率：400倍)，评价裂纹发生状况。然后，在阳极氧化皮膜表面存在明确的裂纹时，判断为耐裂纹性差(下述表3中表示为“有”)，裂纹不能目视到时判断为耐裂纹性良好(下述表3中表示为“无”)。

【表3】

由这些结果，能够进行如下考察。首先试验No.1～5、7、8是满足本发明所规定的要件的实施例，可知高温下没有发生裂纹，显示出良好的耐电压性。

相对于此，试验No.6、9是使用了不满足本发明所规定的化学成分组成的铝合金作为基材的比较例，某一特性劣化。即，试验No.6使用Mg含量不足的铝合金作为基材(关于Si、Fe、Cu、Cr也脱离本发明所规定的范围)，由于Si、Fe的过剩，导致金属间化合物的个数也变多，耐电压性不足，由于Cu不足还发生了高温下的裂纹。试验No.9使用Fe含量过剩的铝合金作为基材，金属间化合物的个数也多，耐电压性不足。

【产业上的可利用性】

本发明通过适当调整化学成分组成，并且使铝合金中所含的最大长度为4μm以上的金属间化合物在任意截面的每1mm²中的个数为50个以下，从而能够实现阳极氧化处理性优异的铝合金，其用于实现具有高耐电压性，并且能够抑制高温下的裂纹的发生这样的耐热性也优异的阳极氧化处理铝合金构件。

Claims (6)

1.一种阳极氧化处理性优异的铝合金，其特征在于，所述铝合金以质量％计分别含有Mg：高于3.5％并在6.0％以下、Cu：0.02％以上并在1.0％以下、Cr：0.02％以上并在0.1％以下，余量是Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质中的Si抑制在0.05％以下，Fe抑制在0.05％以下，铝合金中所含的最大长度为4μm以上的Al-Fe系金属间化合物、Mg-Si系金属间化合物在任意截面的每1mm²中的个数是50个以下。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其中，以质量％计还含有Zn为0.5％以下。

3.根据权利要求1所述的铝合金，其中，所述Al-Fe系金属间化合物、Mg-Si系金属间化合物的每1mm²中的个数为15个以下。

4.一种阳极氧化处理铝合金构件，其特征在于，其是在由权利要求1～3中任一项所述的铝合金构成的基材表面形成有阳极氧化皮膜而成的。

5.根据权利要求4所述的阳极氧化处理铝合金构件，其中，所述阳极氧化皮膜由至少含有草酸的阳极氧化处理液形成。

6.根据权利要求4所述的阳极氧化处理铝合金构件，其中，所述阳极氧化皮膜的厚度为3～150μm。