JP2007031269A - マシナブルガラスセラミックス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 快削性及び各種物性値に優れたマシナブルガラスセラミックスを提供する。
【解決手段】 ガラスマトリックス中に実質的にフッ素金雲母の結晶のみが分散し、且つ前記フッ素金雲母の結晶の長軸方向の平均寸法は５μｍ未満であるマシナブルガラスセラミックスを用いる。このような構造のマシナブルガラスセラミックスは、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｋ，Ｆ、Ｏを少なくとも含んでいるガラス質粉体を、成形し、脱脂した後に１０００〜１１００℃にて焼成することにより得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、快削性及び各種物性値（嵩密度、曲げ強度、ヤング率、硬度、体積抵抗、絶縁破壊耐圧、熱膨張係数など）に優れたマシナブルガラスセラミックスと、その製造方法に関する。

電子機器や精密機械あるいは検査部品の材料としてマシナブルガラスセラミックスが知られており、このマシナブルガラスセラミックスとしてはガラス質マトリックス中にフッ素金雲母（ＫＭｇ_３（ＡｌＳｉ_３）_１０Ｆ_２）の結晶が分散したものが絶縁性と切削性の他に機械的特性にも優れている。このマシナブルガラスセラミックスの先行技術としては特許文献１〜４に挙げるものが知られている。

特許文献１には、マシナブルガラスセラミックスの製造方法として、２種類のガラス粉末を混合し、この混合した原料粉体を造粒し、更にこの造粒した原料から成形体を作製し、これを１０５０〜１１５０℃で焼成することが開示されている。

特許文献２には、原料を仮焼してフッ素金雲母の結晶を含む仮焼体を得た後、この仮焼体を１１００〜１２５０℃で焼成し、この後、この焼結体にＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を施して緻密化することが開示されている。

特許文献３には、混合粉末を造粒、成形、焼成したガラスマトリックス内に、フッ素金雲母結晶およびケイ酸亜鉛結晶が析出したマシナブルガラスセラミックスが開示されている。

特許文献４には、溶融法で作製されたガラスマトリックス内に、マイカ及びジルコニアの結晶が析出したマシナブルガラスセラミックスが開示されている。
特開平３−２３２７４０号公報 特開平４−１８２３５０号公報 特開平９−２２７２２３号公報 特開２００２−１５４８４２号公報

本発明では、従来並みの強度を有しつつ、加工精度に優れたマシナブルガラスセラミックスを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく本発明に係るマシナブルガラスセラミックスは、ガラスマトリックス中にフッ素金雲母の結晶が分散してなるマシナブルガラスセラミックスであって、前記ガラスマトリックス中にはフッ素金雲母結晶が分散し、且つ前記フッ素金雲母の結晶の長軸方向の平均寸法は５μｍ未満となっている。

上記のようなマシナブルガラスセラミックスの微構造は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｋ，Ｆ、Ｏを少なくとも含んでいるガラス質粉体を、成形し、脱脂した後に１０００−１１００℃にて焼成することにより達成することができる。
また前記ガラス質粉体の好ましい組成割合はＳｉＯ_２：４０〜５０ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０ｗｔ％、ＭｇＯ：１５〜２５ｗｔ％、Ｋ_２Ｏ：５〜１５ｗｔ％、Ｆ：５〜１０ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３：０．１〜１０ｗｔ％であり、この組成のガラス粉体を用いることにより微細なフッ素金雲母の結晶を均一に析出させることが可能となる。
また前記ガラス質粉体の好ましい累積５０％粒径は２μm未満であり、この累積５０％粒径の粉体を用いることにより低温での焼成を可能とし、仮焼工程なしで微細なフッ素金雲母の結晶を均一に析出させることができる。
また前記焼成工程の後にさらにＨＩＰ処理を施すことにより焼結体中のポアを実質的になくした緻密な焼結体を製造することもできる。

本発明に係るマシナブルガラスセラミックスは、ガラスマトリックス中に分散しているフッ素金雲母の結晶が極めて小さいため、切削加工した場合の表面粗さ（Ｒａ）が小さくなる。また、機械的強度などの物性値も従来のマシナブルガラスセラミックスよりも優れたものが得られる。
更に、本発明に係るマシナブルガラスセラミックスは、ガラス溶融法に比べて均質な焼成体であるため従来よりも大型の製品をマシナブルガラスセラミックスで作製することができる。
また、フッ素金雲母結晶の長軸径が５μｍ未満なので従来並みのマシナブルガラスセラミックス強度を有しつつ、加工精度に優れたマシナブルガラスセラミックスが得られる。

上述した特許文献１にあっては、材料のガラス粉は加熱することによってフッ素金雲母を析出すると記載されているが、フッ素金雲母の化学式は（ＫＭｇ_３（ＡｌＳｉ_３）_１０Ｆ_２）であり、特許文献１にはフッ素金雲母を析出するために必要とされるＡｌ_２Ｏ_３が含まれていないので、フッ素金雲母を生成することはできない。

特許文献２に開示される方法によれば、ガラスマトリックス内にフッ素金雲母の結晶が析出したマシナブルガラスセラミックスを得ることができるが、仮焼工程を含んでいるため、結晶の大きさは５μｍ以上となり仮焼を行うことでフッ素の蒸散が多くなりフッ素金雲母生成量が少なくなる。その結果、切削面の表面粗さ（Ｒａ、Rz）が大きくなったり、所望の特性が得られない。

特許文献３に開示されるガラスセラミックスは、熱膨張係数は低いが加工性、機械的特性に劣る。

特許文献４に開示されるガラスセラミックスにあっては、ガラスマトリクス内にフッ素金雲母の結晶の他にケイ酸亜鉛結晶が析出しているため、熱膨張係数を小さくすることができるが、ガラス溶融法により作製していることから微細なフッ素金雲母の結晶を多量に析出させることができず加工性に劣る。

図６（ａ）及び（ｂ）はいずれも現在入手可能なマシナブルガラスセラミックスの結晶の大きさを示す顕微鏡写真であり、従来のマシナブルガラスセラミックスにあってはガラスマトリクス内に分散するフッ素金雲母の結晶の大きさ（長軸）は５μｍを超えている。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１（ａ）は本発明に係るマシナブルガラスセラミックスの顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、この顕微鏡写真から明らかなように、ガラスマトリックス中にフッ素金雲母の結晶が分散し、このフッ素金雲母結晶の長軸方向の平均寸法は５μｍ未満となっている。フッ素金雲母結晶の平均粒径は、ＳＥＭ観察で得られた倍率５０００倍の写真数枚をもとに約２００個のフッ素金雲母雲母結晶の長軸径を測定した平均値である。
また図１（ｂ）は本発明に係るマシナブルガラスセラミックスを用いて作製したプロ−ブカード（ＩＣチップやＬＳＩチップ等の電気的特性を測定に用いる）のガイド穴の部分の顕微鏡写真（ＳＥＭ）、（ｃ）は従来のマシナブルガラスセラミックスを用いて作製したプロ−ブカードのガイド穴の部分の顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、これらの顕微鏡写真から明らかなように、本発明に係るマシナブルガラスセラミックスを用いた場合には、フッ素金雲母の結晶の長軸方向の平均寸法は５μｍ未満と表面粗さに優れているため、従来の材料を用いた場合に比べ、穴の周りの欠け（チッピング）が殆んど生じていない。

図２は本発明に係るマシナブルガラスセラミックスの製造工程を説明したブロック図である。
先ず、原料としては、組成割合がＳｉＯ_２：４０〜５０ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０ｗｔ％、ＭｇＯ：１５〜２５ｗｔ％、Ｋ_２Ｏ：５〜１５ｗｔ％、Ｆ：５〜１０ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３：０．１〜１０ｗｔ％で、粒径が３〜５μｍのものを用いた。

上記原料をポットミルにて、累積５０％粒径（ｄ_５０）が２μｍ未満で１０μｍ以上の粗大粒子を含まない状態まで粉砕した。２μｍ未満とすることで低温で高密度焼成体を得ることができる。低温で焼成することで微細なフッ素金雲母を多量に析出させることができる。

図３は、原料粉末の平均粒径と焼成温度及び焼結体密度との関係を示すグラフであり、用意した原料粉末の平均粒径は、（1）ｄ_５０＝３．５μｍ（未粉砕）、（2）ｄ_５０＝２．１μｍ（２０ｈ ｍｉｌ）、（3）ｄ_５０＝１．４μｍ（５０ｈ ｍｉｌ）である。

図３から明らかなように、原料粉末の平均粒径が小さいほど低温で焼成でき、しかも焼結体の密度も２．４ｇ／ｃｍ^３を超えることが分かる。これは、粉砕によって粒径が小さくなることで、粒子の比表面積が大きくなり、低温域での物質移動が促進されたため密度が高くなったと考えられる。一方、１１００℃を越えるとフッ素金雲母の分解が始まりそれがポアになって密度が高くならないと考えられる。

次に造粒を行う。造粒には分散剤、バインダー及び離型剤を原料分に混合し、スプレードライ法を適用して、図４の顕微鏡写真（ＳＥＭ）に示すように、均一な顆粒状原料を得た。好ましい顆粒粒径は４０〜８０μｍであり、粒径４０μｍ未満では後工程での成形の際に原料が金型の隙間に入り込み圧力伝達が阻害される場合があり、また粒径８０μｍを超えると密度ムラが発生する場合がある。また脱脂・焼成時のクラックや割れを防止するため、顆粒状原料の水分量の制御が必要である。

造粒によって得た顆粒状原料を用いて成形を行う。成形方法としては例えばＣＩＰ成形を行う場合には、ＣＩＰ処理に先立って１軸成形機を用いて予備プレス成形し、この予備プレス成形にて得た成形体を熱圧着シートにて真空パックし、これにＣＩＰ処理を施した。
尚、予備プレス成形の圧力としては０．１〜０．５ｔ／ｃｍ^２、ＣＩＰ処理圧力としては１〜２ｔ／ｃｍ^２が好ましい。

成形体は脱脂を行い、焼成は２００〜３００℃／ｈで６００〜８００℃まで昇温し、その後４時間６００〜８００℃をキープし、次いで２００〜３００℃／ｈで１０００〜１１００℃まで昇温せしめた後、４時間キープした後に放冷する。

上記の６００〜８００℃で４時間キープしている間にフッ素金雲母結晶の核生成が行われ、１０００〜１１００℃で４時間キープすることで結晶成長が行われていた。このような焼成過程を経ることで、微細な結晶を多量に析出させることができると考えられる。

図５は本発明に係る焼結体の結晶の大きさ（結晶面積比率）と焼成温度との関係を示す顕微鏡写真を添えたグラフであり、焼成温度を１０００〜１１００℃とした場合には、密度も高く、フッ素金雲母の結晶（長軸）寸法も５μｍ未満であることが分かる。また、焼成温度を上記の温度よりも高くすると、フッ素金雲母の結晶が成長して大きくなり且つガラス相の割合も増えてくることが分かる。ガラス相が増えることはフッ素金雲母の分解が起こっているからと考えられる。

上記によって得られた焼結体には気孔が残っているため、ＨＩＰ処理を行って緻密体を得た。ＨＩＰ処理の条件は、温度８００〜１０００℃、圧力０．５〜１．５t/cm²である。

以下の（表１）は本発明に係るマシナブルガラスセラミックスと従来品との物性値を比較したものであり、（表２）は物性値の測定方法を示したものである。（表１）から本発明に係るマシナブルガラスセラミックスの物性値は従来に比較し大幅に改良されていることが分かる。

図７、図８に本発明に係るマシナブルガラスセラミックス、図９、図１０に従来品の表面粗さ（中心線平均表面粗さＲａ、１０点平均粗さＲｚ）を測定したものの結果と組織のSEM像を示す。表面粗さを測定する際の穴あけは、φ1mmの超硬ドリルを使用し、6mmの深さで2ヶ所穴あけ加工を行った。加工条件は、0.05mmステップで送り速度5mm/min、回転速度6000rpmである。穴あけしたものをテーラーホブソン製触針式表面粗さ計（S4C ultra）を用いて、加工した穴を半割し、表面粗さ計にて穴内壁を深さ方向に4.0mm走査して求めた。
本発明に係るマシナブルガラスセラミックスと従来品のものを比較したところ、従来品より明らかにＲａ、Ｒｚは小さく表面が滑らかであるため、プローブとプローブカードガイド部材との摺動が良好である。良好な摺動性を得るためにはＲａは0.2μｍ以下、Ｒｚは3.0μｍ以下であることが好ましい。また、組織のＳＥＭ像からも明らかなように本発明に係るマシナブルガラスセラミックスの方がフッ素金雲母結晶が微細であり、それが表面粗さを小さくしている。

本発明に係るマシナブルガラスセラミックスは、例えばＩＣやＬＳＩなどの半導体素子を検査する際に用いるプローブガードなどとして用いることができる。

（ａ）は本発明に係るマシナブルガラスセラミックスの顕微鏡写真（ＳＥＭ）（ｂ）は本発明に係るマシナブルガラスセラミックスを用いて作製したプロ−ブカードのガイド穴の部分の顕微鏡写真（ＳＥＭ）（ｃ）は従来のマシナブルガラスセラミックスを用いて作製したプロ−ブカードのガイド穴の部分の顕微鏡写真（ＳＥＭ） 本発明に係るマシナブルガラスセラミックスの製造工程を説明したブロック図 原料粉末の平均粒径と焼成温度及び焼結体密度との関係を示すグラフ 造粒粉の顕微鏡写真（ＳＥＭ） 本発明に係る焼結体の結晶の大きさ（結晶面積比率）と焼成温度との関係を示す顕微鏡写真を添えたグラフ （ａ）及び（ｂ）は従来のマシナブルガラスセラミックスの結晶の大きさを示す顕微鏡写真 本発明に係るマシナブルガラスセラミックスの表面粗さプロファイル 本発明に係るマシナブルガラスセラミックスの組織のＳＥＭ像 従来品のマシナブルガラスセラミックスの表面粗さプロファイル 従来品マシナブルガラスセラミックスの組織のＳＥＭ像

Claims (4)

1. ガラスマトリックス中にフッ素金雲母の結晶が分散してなるマシナブルガラスセラミックスであって、前記ガラスマトリックス中にはフッ素金雲母結晶が分散し、且つ前記フッ素金雲母の結晶の長軸方向の平均寸法は５μｍ未満であることを特徴とするマシナブルガラスセラミックス。
2. Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｋ，Ｆ、Ｏを少なくとも含んでいる累積５０％粒径（ｄ_５０）が２μｍ未満のガラス質粉体を、成形、脱脂した後に１０００−１１００℃にて焼成することを特徴とする、ガラスマトリックス中にフッ素金雲母の結晶が分散してなるマシナブルガラスセラミックスの製造方法。
3. 前記ガラス質粉体の組成割合がＳｉＯ_２：４０〜５０ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０ｗｔ％、ＭｇＯ：１５〜２５ｗｔ％、Ｋ_２Ｏ：５〜１５ｗｔ％、Ｆ：５〜１０ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３：０．１〜１０ｗｔ％であることを特徴とする請求項２に記載のマシナブルガラスセラミックスの製造方法。
4. 前記焼成の後にさらにＨＩＰ処理を施すことを特徴とする請求項２乃至３に記載のマシナブルガラスセラミックスの製造方法。