航空宇宙用途向け高純度アルミナセラミック板およびその原材料の製造
高純度アルミナセラミックセラミックプレートは、成熟した生産・加工技術、低コスト、優れた耐熱衝撃性、優れた電気絶縁性、良好な金属接着性などの利点から、現在広く使用されている基板材料です。また、宇宙船の電子ペイロードユニットにも広く応用されており、搭載マイクロ波信号伝送チャネル、能動部品搭載用キャリア、パワーチップの放熱チャネルなどが含まれます。宇宙船を構成する最も基本的なユニットである宇宙船材料の性能レベルは、宇宙船の軌道上信頼性に直接影響を及ぼします。そのため、高純度アルミナセラミックプレートの特性は、宇宙船の運用にとって非常に重要です。
しかし、高純度アルミナセラミックプレートの製造プロセスでは、次のような問題が頻繁に発生します。
❶高純度アルミナセラミック高純度アルミナ粉末からテープ成形、乾燥・切断、多層積層、静水圧プレス、焼結などの複雑な工程を経て製造されるプレートは、材料の純度が低いと誘電損失が増加し、最終的には回路性能の低下につながります。
❷材料の機械的強度が低いと、組み立てや試験工程で薄膜回路製品にひび割れや材料本体の剥離などの問題が発生します。
❸セラミック基板の表面欠陥は、その上に形成された回路フィルム層の局所的な接着力の低下や配線エッジのバリといった品質問題を引き起こす可能性があります。これらの問題は回路信号の品質に影響を与え、製品に異物が混入する可能性もあります。
高純度アルミナセラミック板作製のポイント
①鋳造スラリーの溶媒システムの最適化
異なる溶媒系は環境への適応性が異なり、調製したスラリーの固形分含有量、テープキャストフィルムの表面状態、およびフィルム形成効果に影響を与える可能性があります。分散剤、バインダー、可塑剤が固定されているという前提において、異なる溶媒系間でテープキャスト成形状態には大きな違いがあります。
②キャストフィルムの厚さ制御
単層テープキャストフィルムの厚さは、最終基板の厚さ公差に影響を与えます。テープキャストフィルムの厚さは、主にスラリーの状態とテープキャストドクターブレードの高さによって左右されます。テープキャストスラリーの固形分濃度が増加すると、焼結基板の平均密度は徐々に増加し、幅方向および厚さ方向の収縮率は安定する傾向があります。この法則に基づき、固形分濃度と焼結温度を微調整することで、焼結基板の最終寸法を精密に制御することができます。
③基板の外観と平坦性の制御
良好な外観と平坦性は、高純度アルミナセラミック板のエンジニアリング応用の基盤です。基板の外観と平坦性に影響を与える要因は数多くありますが、中でも積層、剥離、焼結が重要なプロセスとなります。
●キャストフィルムの積層工程管理。
ラミネーションおよび温間静水圧プレス (進行中) プロセス中のテープキャストフィルムの表面欠陥と平坦性の問題を回避するために、複数の実験比較を通じて次のアプローチが決定されました。
幅広のフィルムストリップラミネートを採用し、静水圧プレス後に中央部分をカットして、テープキャストフィルムストリップの端の欠陥や凹凸を回避します。ラミネートキャリアとして強化ガラスプレートを使用し、グリーンのテープキャストフィルムを強化ガラスプレートの上に平らに置き、ラミネート中に、キャリアテープから取り外された各フィルムストリップの上部と下部の表面が一貫した方向を維持するようにします。強化ガラスキャリアの使用などの対策により、フィルム表面の微小欠陥が大幅に削減され、外観品質と平坦性が効果的に向上します。
●原材料の剥離プロセスの制御。
デボンディングの機能は、成形体から有機物を除去することです。炉内空間を有効活用し、原料のデボンディング工程における反りや割れの問題を解決するため、炉内の損傷した基板に対して積層デボンディング方式を採用しました。複数の実験を経て、ラミネート＋カバーレス方式は効率のバランスを保ち、反りや割れを防止できることが示されました。ラミネート＋カバーレスデボンディング方式を採用することで、デボンディング工程における層数をさらに最適化し、最大層数を5層と決定しました。
●焼結プロセス制御。
焼結はアルミナセラミック板の製造において重要な工程です。焼結温度が高いため、不純物が炭化しやすいため、基板への汚染を防ぐには、カバープレートとパッドの選択が重要です。試験の結果、カバープレートは多孔質の高純度アルミナセラミック製、パッドプレートは緻密質の高純度アルミナセラミック製であることが確認されました。どちらも使用前に超音波洗浄が必要です。