JP5457992B2 - アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法 - Google Patents
アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5457992B2 JP5457992B2 JP2010240181A JP2010240181A JP5457992B2 JP 5457992 B2 JP5457992 B2 JP 5457992B2 JP 2010240181 A JP2010240181 A JP 2010240181A JP 2010240181 A JP2010240181 A JP 2010240181A JP 5457992 B2 JP5457992 B2 JP 5457992B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- aluminum
- ceramic composite
- composite
- ceramic
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 94
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims description 73
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 30
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 41
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 25
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 19
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 19
- RQMIWLMVTCKXAQ-UHFFFAOYSA-N [AlH3].[C] Chemical compound [AlH3].[C] RQMIWLMVTCKXAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 9
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 7
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 5
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 37
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N alumanylidynesilicon Chemical compound [Al].[Si] CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 11
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 6
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 6
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 4
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- VRAIHTAYLFXSJJ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical compound [AlH3].[AlH3] VRAIHTAYLFXSJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000008119 colloidal silica Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000004512 die casting Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229920000609 methyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001923 methylcellulose Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
本発明は、アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法に関する。
セラミックスを分散粒子として添加し、マトリックスを金属とする金属−セラミックス複合体は、金属とセラミックスの両方の特性を兼ね備えており、セラミックスの持つ低熱膨張特性、高剛性等の特徴を活かしながら、金属の持つ高靱性、加工性を付加した材料であり、いろいろな分野での利用が期待されている。
従来、低熱膨張率、高熱伝導率が要求される材料としては、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の材料が検討されていたが、比重が大きく、大型の構造部品として用いる場合に問題があり、機械装置メーカー等の業界より、次世代材料として金属−セラミックス複合体が注目されている。
金属−セラミックス複合体としては、金属としてアルミニウムをマトリックスとする材料が、近年、活発に研究されている（特許文献１）。アルミニウムは、軽量で熱伝導特性に優れ且つ融点が低い為、比較的容易に複合化できる特徴がある。この様な、アルミニウム−セラミックス複合体の製造方法としては、従来、高圧鍛造法にてアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を含浸するものが知られており、セラミックス粒子又は繊維による多孔体（以下プリフォームと云う）を作製し、高温、高圧下でアルミニウム合金を複合化させる方法である。
アルミニウム−セラミックス複合体の製法については、高圧鍛造法以外にも加圧を行わずに含浸を行う非加圧含浸法（特許文献２）、セラミックス粉末とアルミニウム粉末を混合して温度と圧力を加えて製造を行う粉末冶金法（特許文献３）等の製法がある。
半導体製造装置等の構造部品としては、一般に、アルミニウム合金製の部品が用いられている。一方で、Ｓｉウエハー等の大口径化、及び、高温、高真空等の使用環境の変化に伴い、従来のアルミニウム合金製の部品では、セラミックス部品と接合する際に、熱膨張率差が大きすぎ、反りが発生する等の課題があった。
半導体製造装置等の構造部品として、熱膨張率の小さいチタンを用いることが検討されているが、チタンは、非常に硬く加工が難しいため、穴加工や溝加工を必要とする部材では、加工費用が高価となるといった課題があった。
一方、半導体製造装置等の構造部品として、低熱膨張率のアルミニウム−セラミックス複合体を用いることも検討されている。大型のアルミニウム−セラミックス複合体を溶湯鍛造法等で作製する場合、アルミニウム−セラミックス複合体の外周部に不可避的に存在するアルミニウム合金層とアルミニウム−セラミックス複合体の熱膨張差に起因する残留応力により、両者の界面で剥離や、クラックが発生すると云った課題があった。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低熱膨張であり、且つ熱伝導率等の特性が損なわれることのない大型部品にも適用可能なアルミニウム−セラミックス複合体構造部品を安価に提供することにある。
本発明者らは、上記目標を達成するため鋭意検討した結果、最終形状より大きな外周形状に成形又は加工したセラミックス多孔体の外周部に、気孔率が１０〜４０体積％の炭素成形体を配置して、アルミニウム合金を加圧含浸することにより、含浸後にアルミニウム−セラミックス複合体と外周部のアルミニウム合金の間に発生する応力を、低弾性率のアルミニウム−炭素複合体部で緩衝させ、加工時に発生するクラック等を低減すると共に、加工性を改善した。以下本発明について詳細に説明する。
即ち、本発明は、以下の（１）、（２）によるアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法である。
（１）平板のセラミックス多孔体を製品形状より大きな外周形状に成形又は加工した後、外周部に気孔率が１０〜４０体積％の炭素成形体を配置し、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を３０ＭＰａ以上の圧力で含浸してなるアルミニウム−セラミックス複合体の作製。
（２）該複合体の外周部のアルミニウム合金層を研削加工等により除去した後、機械加工又はウォータージェット加工にて、アルミニウム−炭素複合体部分を加工した後、温度４５０〜６００℃で１０分間以上のアニール処理を行った後、最終形状に外周部、両主面、穴部及び溝部分を加工する。
（１）平板のセラミックス多孔体を製品形状より大きな外周形状に成形又は加工した後、外周部に気孔率が１０〜４０体積％の炭素成形体を配置し、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を３０ＭＰａ以上の圧力で含浸してなるアルミニウム−セラミックス複合体の作製。
（２）該複合体の外周部のアルミニウム合金層を研削加工等により除去した後、機械加工又はウォータージェット加工にて、アルミニウム−炭素複合体部分を加工した後、温度４５０〜６００℃で１０分間以上のアニール処理を行った後、最終形状に外周部、両主面、穴部及び溝部分を加工する。
また、本発明は、両主面がアルミニウム−セラミックス複合体が露出してなることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法である。
更に、本発明は、セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの少なくとも１種以上からなることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法である。
加えて、本発明は、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、並びに、温度４０℃から１５０℃の熱膨張係数が４×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法である。
更にまた、本発明は、外周部のアルミニウム−炭素複合体の、温度４０℃〜１５０℃の熱膨張係数が４×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであり、かつ弾性率が１０〜１００ＧＰａであることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法である。
本発明の放熱部品は、低熱膨張、並びに高熱伝導という特性を有しており、半導体製造治具等の大型の装置部品として用いる放熱部品として好適である。加えて、大型形状品を加工する際に、クラック等の発生を抑え、特性の優れた放熱部品を安価に提供することができる。
アルミニウム−セラミックス複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち大型部品としては、熱伝導率等の特性面から、実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々の製法が有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う方法（高圧鍛造法）がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。
本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、大型で緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法が好ましい。高圧鍛造法は、高圧容器内に、セラミックスのプリフォームを装填し、これにアルミニウム合金の溶湯を高温、高圧下で含浸させて複合体を得る方法である。
以下、本発明について、溶湯鍛造法による製法例を説明する。原料であるセラミックス粉末（必要に応じて例えばシリカ等の結合材を添加する）を、成形、焼成してプリフォームを作製する。得られたプリフォームは、所定の平面度を確保する為に、必要に応じて面加工を行う場合もある。一方、厚み及び外周形状は、最終製品にてアルミニウム−セラミックス複合体を露出させるために、最終製品の厚み寸法や外形寸法より大きな寸法とする。
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体に用いられるセラミックスは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの群から選ばれる少なくとも１種以上からなることが好ましい。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、その用途から高熱伝導性が要求される。アルミニウム−セラミックス複合体の熱伝導率は、セラミックス材料自体の熱伝導率と、アルミニウム合金との界面状態により決まる。この為、セラミックス材料は、熱伝導率、アルミニウム合金との濡れ性、並びに密着性の点から、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの群から選ばれることが好ましい。更に、本発明に係る多孔体には、本発明の前記効果を阻害しない限りに於いて、少量の酸化アルミニウム、二酸化珪素等の酸化物を含有することもできる。
本発明に係るプリフォームの製造方法に関して特に制限はなく、公知の方法で製造することが可能である。例えば、セラミックスが炭化珪素の場合、炭化珪素粉末にコロイダルシリカ或いはアルミナ等を結合材として添加して混合、成形し、８００℃以上で焼成することによって得ることができる。成形方法についても特に制限は無く、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等公知の方法を用いることができ、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。
本発明に用いるプリフォームの気孔率は、１０〜５０体積％が好ましく、１５〜４０体積％がより好ましい。アルミニウム−セラミックス複合体の特性、特に膨張係数は、用いるセラミックスの膨張係数、弾性率とその含有量により決まる。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体を、例えば静電チャックモジュールの放熱部品として用いる場合、静電チャックの素材（アルミナ、窒化アルミニウム等）との膨張係数の差が大きくなると、接合時に接合部に応力が発生し、部品が反る場合がある。この為、アルミニウム−セラミックス複合体の膨張係数を小さくする為、気孔率の上限は５０体積％が好ましく、４０体積％がより好ましい。一方、気孔率が１０体積％未満では、アルミニウム合金との複合化が難しく、複合化時に気孔が残留する等の弊害が生じ、その結果、熱伝導率が低下する場合がある。プリフォームの気孔率は、用いるセラミックス粉末の種類、粒子形態、粒度及び配合比を調整することにより制御できる。また、プリフォームの気孔率は、成形方法によっても調整することができる。
プリフォームを積層して一つのブロックとする方法は特に限定されるものではないが、例えば、次の方法が挙げられる。前記プリフォームを、図１に示す様に、外周部に気孔率が１０〜４０体積％の炭素成形体を配置し、離型剤を塗布した離型板で挟み積層して一つのブロックとする方法である。
ここで、プリフォームの外周部に配置する炭素成形体の気孔率は１０〜４０体積％である。この炭素成形体にアルミニウム合金が含浸してなるアルミニウム−炭素複合体は、加工性に優れ、且つ、低弾性率の材料であり、含浸時に、アルミニウム合金部とアルミニウム−セラミックス複合体の間に発生する応力を緩衝する働きがある。このため、複合体とした際の熱膨張率をアルミニウム−セラミックス複合体に近づける必要性から４０体積％以下であり、好ましくは、２０体積％以下である。気孔率が１０体積％未満では、複合化が難しく、上述した応力緩衝の働きが不十分であり好ましくない。
一方、アルミニウム−炭素複合体は、加工性に優れる反面、製品表面に露出した場合、ダスト発生や、欠け等の機械的特性の問題があり、半導体製造装置等の部材として用いるには好ましくない。このため、本発明では、セラミックス多孔体を製品形状より大きな外周形状とし、その外周部に炭素成形体を配置（図１）して、アルミニウム合金を複合化した後、加工によりアルミニウム−炭素複合体を製品表面に残留させないようにしている。
前記ブロックを５００〜７５０℃程度で予備加熱後、高圧容器内に１個または２個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐために出来るだけ速やかにアルミニウム合金の溶湯を給湯して３０ＭＰａ以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をプリフォームの空隙中に含浸させることで、アルミニウム−セラミックス複合体が得られる。
次に、該複合体の外周部のアルミニウム合金層を研削加工等により除去した後、機械加工又はウォータージェット加工にて、アルミニウム−炭素複合体部分を加工した後、含浸時の歪み除去の目的で、温度４５０〜６００℃で１０分間以上のアニール処理を行う。アニール処理温度が４５０℃未満又は処理時間が１０分間未満では、含浸時の歪み除去が不足し、製品使用時の熱サイクル等で変形する問題がある。一方、アニール処理温度が６００℃を超えると、アルミニウム合金が溶解し、一部が複合体から漏れ出て気孔の発生がありこの好ましくない。
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体中のアルミニウム合金は、アルミニウムの他にマグネシウム等が含まれることがある。このようなアルミニウム合金として、例えばマグネシウム０．２〜３質量％含有したアルミニウム合金を用いる場合がある。マグネシウムを含有させることにより、セラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になり好ましい。更に、含浸時にプリフォームの空隙内に十分にアルミニウム合金を浸透させるため、アルミニウム合金の融点がなるべく低いことが好ましいため、例えばシリコンを５〜２５質量％含有したアルミニウム合金を用いる場合もある。アルミニウム合金中のアルミニウム、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていても良い。
得られたアルミニウム−セラミックス複合体の加工方法の例を説明する。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、高圧鍛造法で作製するため、周囲をアルミニウム合金で覆われている。先ず、この表面アルミニウム合金層をグラインダー等で除去した後、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工を行い平板状のアルミニウム−セラミックス複合体とする。尚、表面のアルミニウム合金層を除去せずに、直接、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工することもできる。次に、マシニングセンター、ウォータージェット加工機、放電加工機等により、外周部のアルミニウム−炭素複合体部を加工する。その後、含浸時の歪み除去のため、アニール処理を行った後、ダイヤモンド製の工具を用いて、平面研削盤、円筒研削盤、マシニングセンター等の加工機で、製品形状に外周、面、穴、溝等の形状加工を行う。
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、上述した加工手順で加工を行うことにより、含浸後にアルミニウム−セラミックス複合体と外周部のアルミニウム合金の間に発生する応力を、低弾性率のアルミニウム−炭素複合体部で緩衝させ、加工時に発生するクラック等を低減することができる。更に、本発明では、平板で両主面においてアルミニウム−セラミックス複合体が露出してなることを特徴とする。表面のアルミニウム合金層が完全に除去できず残留した場合、アルミニウム−セラミックス複合体とアルミニウム合金層の熱膨張率の差より、使用時の温度変化で反りが発生し、温度勾配のある環境下で高精度の平坦度等が要求される用途で用いられる治具、例えば半導体製造治具等に用いる場合、必要とする平坦度等が確保できなくなることがある。
本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ以下であることが好ましく、温度勾配のある環境下で高精度の平坦度等が要求される用途で用いられる治具、例えば半導体製造治具等に好適である。温度１５０℃の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋを超えると、上記した半導体製造治具等に用いる場合、使用時の微妙な温度勾配により、複合体自体の熱膨張により平坦度等が確保できなくなることがある。熱膨張係数については、例えばセラミックス製の静電チャック等の部材と接合して用いる場合、接合する部材の熱膨張係数に合わせることが好ましい。
また、本発明の複合体は、温度２５℃における熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これは、放熱が要求される部品に用いる場合に好適であり、且つ上記した半導体製造治具等に用いる場合にも、熱伝導特性に優れる材料は、複合体自他の熱勾配を低減する効果があり好ましい。
（実施例１）
炭化珪素（以下、ＳｉＣという）粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−８０、平均粒径：２００μｍ）１５００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）１５００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）１５００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）４５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３６０ｍｍ×２０ｍｍの寸法の平板状に圧力１０ＭＰａでプレス成形した。
炭化珪素（以下、ＳｉＣという）粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−８０、平均粒径：２００μｍ）１５００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−１５０、平均粒径：１００μｍ）１５００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）１５００ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）４５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３６０ｍｍ×２０ｍｍの寸法の平板状に圧力１０ＭＰａでプレス成形した。
得られた成形体を、温度１２０℃で２時間乾燥後、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、気孔率が３０％のＳｉＣプリフォームを得た。得られたＳｉＣプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、１８ｍｍの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ３５０ｍｍの形状に外周部を加工した。
得られたＳｉＣプリフォームは、図１に示す様に、外周部に外径Φ４２０ｍｍ／内径Φ３５０ｍｍの気孔率２０％の等方性黒鉛（東海カーボン社製Ｇ３４７）を外周部に配置した後、両面をカーボンコートしたΦ４２０ｍｍ×０．８ｍｍの寸法のステンレス板で挟んで、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つのブロックとした。次に、このブロックを電気炉で７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径５００ｍｍのプレス型内に収め、マグネシウムを０．８質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧してＳｉＣプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだステンレス板をはがした後、周囲のアルミニウム合金層をグラインダーで除去した後、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工を行い、厚みが１７ｍｍの平板状の外周部がアルミニウム−炭素複合体で囲まれたアルミニウム−セラミックス複合体（図２）を作製した。次に、ウォータージェット加工機により、外周部のアルミニウム−炭素複合体部をΦ３５２ｍｍの形状に加工した。その後、含浸時の歪み除去のため、５３０℃の温度で３時間アニール処理を行い、アルミニウム−炭化珪素複合体を得た。
得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は６．５×１０-6／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は２１５Ｗ／ｍＫであった。
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが：１５ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ３４０の形状に外周部を研削加工して構造部品を作製した。
（実施例２）
実施例１にて、アルミニウム合金として、シリコンを１２質量％とマグネシウムを０．８質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を用いた以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素複合体を作製した。得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は６．１×１０-6／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は２１０Ｗ／ｍＫであった。
実施例１にて、アルミニウム合金として、シリコンを１２質量％とマグネシウムを０．８質量％含有するアルミニウム合金の溶湯を用いた以外は、実施例１と同様にしてアルミニウム−炭化珪素複合体を作製した。得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数、温度２５℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は６．１×１０-6／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は２１０Ｗ／ｍＫであった。
次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体は、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが１５ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ３４０×１５ｍｍの形状に外周部を研削加工した。次に、研削加工を施したアルミニウム−炭化珪素複合体は、図３の形状に、アルミニウム−炭化珪素複合体部に貫通穴（φ１０ｍｍ）と溝部（Φ２２０ｍｍ−Φ１００ｍｍ×８ｍｍｔ）の加工を行った後、平面研削盤にて各面を０．５ｍｍ厚み研削加工して、厚みが１４ｍｍの構造部品を作製した。
（実施例３）
窒化珪素粉末（電気化学工業社製、ＮＰ−２００、平均粒子径：１μｍ）５０００ｇ、酸化イットリウム粉末（平均粒子径：１μｍ）２５０ｇ、酸化マグネシウム粉末（岩谷化学社製、ＭＪ−３０、平均粒子径：１μｍ）１５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３８０ｍｍ×２３ｍｍの寸法の円板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
窒化珪素粉末（電気化学工業社製、ＮＰ−２００、平均粒子径：１μｍ）５０００ｇ、酸化イットリウム粉末（平均粒子径：１μｍ）２５０ｇ、酸化マグネシウム粉末（岩谷化学社製、ＭＪ−３０、平均粒子径：１μｍ）１５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３８０ｍｍ×２３ｍｍの寸法の円板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
得られた成形体を、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気下、温度１８８０℃で４時間焼成して、気孔率が１３体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ３６０ｍｍ×１８ｍｍの形状に加工した。得られたプリフォームより、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。その結果、３点曲げ強度が、１５０ＭＰａであった。
次に、得られたプリフォームを、実施例２と同様の方法で処理して、アルミニウム−窒化珪素複合体を得た。
得られたアルミニウム−窒化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は４．５×１０-6／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫであった。
次に、得られたアルミニウム−窒化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが１５ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ３４０の形状に外周部を研削加工して、実施例２と同様の形状に、穴加工及び溝加工を行った後、厚みが１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工して構造部品を作製した。
（実施例４）
窒化アルミニウム粉末（平均粒子径２μｍ）５０００ｇ、酸化イットリウム粉末（信越レア・アース社製、ＵＵグレード、平均粒子径１μｍ）２００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース）２５０ｇ、純水２５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３８０ｍｍ×２３ｍｍの寸法の平板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
窒化アルミニウム粉末（平均粒子径２μｍ）５０００ｇ、酸化イットリウム粉末（信越レア・アース社製、ＵＵグレード、平均粒子径１μｍ）２００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース）２５０ｇ、純水２５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ３８０ｍｍ×２３ｍｍの寸法の平板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、窒素雰囲気下、温度１７８０℃で４時間焼成して、気孔率が２２体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ３５０ｍｍ×１８ｍｍの形状に加工した。得られたプリフォームより、研削加工により３点曲げ強度測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を作製し、３点曲げ強度を測定した。３点曲げ強度は９０ＭＰａであった。
次に、得られたプリフォームを、実施例２と同様の方法で処理して、アルミニウム−窒化アルミニウム複合体を得た。
得られたアルミニウム−窒化アルミニウム複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で測定した。その結果、温度１５０℃の熱膨張係数は５．５×１０-6／Ｋ、温度２５℃での熱伝導率は１８０Ｗ／ｍＫであった。
次に、得られたアルミニウム−窒化アルミニウム複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが１５ｍｍとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ３４０の形状に外周部を研削加工して、実施例２と同様の形状に、穴加工及び溝加工を行った後、厚みが１４ｍｍとなるように両面を均一に研削加工して構造部品を作製した。
１）セラミックス多孔体
２）炭素成形体
３）離型板
４）アルミニウム−セラミックス複合体
５）アルミニウム−炭素複合体
６）貫通穴（φ１０ｍｍ）
７）溝部（Φ２２０ｍｍ−Φ１００ｍｍ×８ｍｍｔ）
２）炭素成形体
３）離型板
４）アルミニウム−セラミックス複合体
５）アルミニウム−炭素複合体
６）貫通穴（φ１０ｍｍ）
７）溝部（Φ２２０ｍｍ−Φ１００ｍｍ×８ｍｍｔ）
Claims (5)
- 以下の（１）、（２）によるアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法。
（１）平板のセラミックス多孔体を製品形状より大きな外周形状に成形又は加工した後、外周部に気孔率が１０〜２０体積％の炭素成形体を配置し、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を３０ＭＰａ以上の圧力で含浸してなるアルミニウム−セラミックス複合体の作製。
（２）該複合体の外周部のアルミニウム合金層を研削加工等により除去した後、機械加工又はウォータージェット加工にて、アルミニウム−炭素複合体部分を加工した後、温度４５０〜６００℃で１０分間以上のアニール処理を行った後、最終形状に外周部、両主面、穴部及び溝部分を加工する。 - 両主面がアルミニウム−セラミックス複合体が露出してなることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法。
- セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムの少なくとも１種以上からなることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法。
- アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、並びに、温度４０℃から１５０℃の熱膨張係数が４×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載のアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法。
- アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の外周部のアルミニウム−炭素複合体の、温度４０℃〜１５０℃の熱膨張係数が４×１０−６〜１０×１０−６／Ｋであり、かつ弾性率が１０〜１００ＧＰａであることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010240181A JP5457992B2 (ja) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010240181A JP5457992B2 (ja) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012091959A JP2012091959A (ja) | 2012-05-17 |
| JP5457992B2 true JP5457992B2 (ja) | 2014-04-02 |
Family
ID=46385783
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010240181A Active JP5457992B2 (ja) | 2010-10-26 | 2010-10-26 | アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5457992B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104178708A (zh) * | 2014-07-22 | 2014-12-03 | 安徽冠宇光电科技有限公司 | 一种led用含改性无碱玻璃纤维的铝基复合散热材料 |
| CN104178709A (zh) * | 2014-07-22 | 2014-12-03 | 安徽冠宇光电科技有限公司 | 一种led用含改性水镁石纤维的铝基复合散热材料 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH108164A (ja) * | 1996-03-29 | 1998-01-13 | Hitachi Metals Ltd | 低熱膨張・高熱伝導性アルミニウム複合材料の製造方法及びその複合材料 |
| JP3948797B2 (ja) * | 1997-10-21 | 2007-07-25 | 電気化学工業株式会社 | 炭化珪素質複合体の製造方法 |
| JP4344934B2 (ja) * | 2003-05-16 | 2009-10-14 | 日立金属株式会社 | 高熱伝導・低熱膨張複合材及び放熱基板並びにこれらの製造方法 |
| JP2007270340A (ja) * | 2006-03-06 | 2007-10-18 | Taiheiyo Cement Corp | 金属−セラミックス複合材料およびその製造方法 |
| JP4764357B2 (ja) * | 2007-01-31 | 2011-08-31 | 電気化学工業株式会社 | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 |
| JP2009018319A (ja) * | 2007-07-10 | 2009-01-29 | Denki Kagaku Kogyo Kk | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 |
| CN102149655B (zh) * | 2008-07-17 | 2013-10-23 | 电气化学工业株式会社 | 铝-金刚石类复合体的制备方法 |
| JP5208616B2 (ja) * | 2008-08-11 | 2013-06-12 | 電気化学工業株式会社 | アルミニウム−炭化珪素質複合体及びその製造方法 |
-
2010
- 2010-10-26 JP JP2010240181A patent/JP5457992B2/ja active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2012091959A (ja) | 2012-05-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4996600B2 (ja) | アルミニウム−炭化珪素質複合体及びそれを用いた放熱部品 | |
| JP4761157B2 (ja) | アルミニウム−炭化珪素質複合体 | |
| JP5021636B2 (ja) | アルミニウム−炭化珪素質複合体及びその加工方法 | |
| JP5988977B2 (ja) | 半導体素子用放熱部品 | |
| JP5759152B2 (ja) | アルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法 | |
| WO2010007974A1 (ja) | アルミニウム－ダイヤモンド系複合体の製造方法 | |
| JP5755895B2 (ja) | アルミニウム−ダイヤモンド系複合体及びその製造方法 | |
| WO2015141729A1 (ja) | アルミニウム－炭化珪素質複合体及びパワーモジュール用ベース板 | |
| JP6636924B2 (ja) | アルミニウム‐炭化珪素質複合体及びその製造方法 | |
| JP4187739B2 (ja) | アルミニウム合金−炭化珪素窒化珪素質複合体 | |
| JP4864593B2 (ja) | アルミニウム−炭化珪素質複合体の製造方法 | |
| JP2011139000A (ja) | パワーモジュール構造体及びその製造方法 | |
| JP2009018319A (ja) | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 | |
| JP5037883B2 (ja) | 放熱部品及びその製造方法 | |
| JP4764357B2 (ja) | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 | |
| JP2020123638A (ja) | 放熱部材およびその製造方法 | |
| JP5388464B2 (ja) | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 | |
| JP5457992B2 (ja) | アルミニウム−セラミックス複合体構造部品の製造方法 | |
| JP4732430B2 (ja) | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 | |
| JP2010042945A (ja) | アルミニウム−炭化珪素質複合体及びその製造方法 | |
| JP4191124B2 (ja) | アルミニウム合金−セラミックス質複合体及びその製造方法 | |
| JP4244210B2 (ja) | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 | |
| JP2010024488A (ja) | アルミニウム−炭化珪素質複合体及びその製造方法 | |
| JP4319939B2 (ja) | アルミニウム合金−セラミックス質複合体の製造方法 | |
| JP2009013460A (ja) | アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120620 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130620 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130709 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130906 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140107 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140110 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5457992 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |