(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高体積分率SiC予備成形体を製造する方法において、
０．２〜４８μｍ範囲の粒径が互いに異なる２種類以上のSiC粒子、有機バインダー、無機バインダー、凝集剤及び蒸留水を混合してボールミリングによりSiC粒子を含むスラリーを製造する段階と、
上部金型及び下部金型に吸収体を設置した金型内部に前記SiC粒子を含むスラリーを入れて加圧してスラリーの残留水分量を減少させる段階と、
加圧後、残留水分量が減少したSiC粒子を含むスラリーを、常温において４８時間以内で自然乾燥した後、１００℃において２７時間以内で強制乾燥する二段階乾燥工程により完全乾燥して、SiC予備成形体を製造する段階と、
この予備成形体を焼成する段階とを有することを特徴とする高体積分率SiC予備成形体の製造方法。
【請求項２】
有機バインダーとしてカチオン性澱粉を０．１〜５重量％の濃度で添加することを特徴とする請求項１に記載の高体積分率SiC予備成形体の製造方法。
【請求項３】
無機バインダーとしてコロイドシリカを０．１〜１０重量％の濃度で添加することを特徴とする請求項１に記載の高体積分率SiC予備成形体の製造方法。
【請求項４】
凝集剤としてポリアクリルアミドを０．１〜５重量％の濃度で添加することを特徴とする請求項１に記載の高体積分率SiC予備成形体の製造方法。
【請求項５】
前記スラリーの加圧は０．５０〜３．００MPaの圧力で一軸加圧することを特徴とする請求項１に記載の高体積分率SiC予備成形体の製造方法。
【請求項６】
前記焼成は８００〜１１００℃で２〜６時間の間焼成することを特徴とする請求項１に記載の高体積分率SiC予備成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属複合材料（Ｍｅｔａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）に使用される予備成形体の製造方法に関するものであり、より詳細にはＳｉＣ粉末をボールミリング加圧法（ｂａｌｌ  ｍｉｌｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）により体積分率７０％以上の高体積分率ＳｉＣ予備成形体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９９０年代に入って電子部品関連産業が急激に発展したのに伴って、電子パッケージング用素材には以下のような特性が要求されるようになってきている。
【０００３】
第１は、半導体チップと類似した熱膨張係数である。半導体チップと類似した熱膨張係数によって、電子パッケージング部品で熱が発生したときに熱膨張係数の差による熱的ストレスを最小化して半導体素子の寿命向上に寄与することができる。
【０００４】
第２に、半導体素子で発生する熱を効率的に発散させることができる高熱伝導特性を有した素材を選択しなければならない。半導体素子は熱及び衝撃に敏感なために半導体素子を使用した製品は衝撃から保護されなければならず、熱の発散が容易でなければならない。
【０００５】
近年、各種電子製品で携帯に便利な小型化が進み、低密度特性を有した部品素材が望ましくなっており、電子パッケージング用素材のうち最近関心が集まっている金属複合材料（Ｍｅｔａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）も例外ではない。
【０００６】
金属複合材料は、金属基材を使用することで熱伝導度が高く、機械的特性が優れて比較的加工性が良好であり、強化材であるセラミックの低い熱膨張係数によって金属基材の熱膨張が制限されるため既存の金属材料に比べて熱膨張係数が大幅に低くなり、また強化材の体積分率を調節することによって熱膨張係数を所望の水準に調節することができるという設計特性を有することができ、最近では熱膨張による寸法変化を厳格に制御しなければならない人工衛星などの宇宙航空用の素材及び電子パッケージング用素材としての応用に関心が集まっている。
【０００７】
金属複合材料への関心の増大によって、金属複合材料に使用する強化材の予備成形体に対する関心も増大している。
【０００８】
既存の予備成形体の製造方法としては、繊維予備成形体を製造する際に主に使用される真空圧抽出法（ｖａｃｕｕｍ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）を挙げることができる。真空圧抽出法は強化材とバインダーのスラリーを撹拌器で機械的に混合した後、真空圧で液体を抽出する方法であり、真空圧抽出法による粒子強化材の平均の体積分率は５０％程度である。しかし、電子パッケージング分野への応用において、電子パッケージング素材に金属複合材料を使用するためには、強化材の体積分率が７０％以上になってはじめて半導体チップと類似な６〜７ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を得ることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はボールミリング加圧法（ｂａｌｌ  ｍｉｌｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）を利用して、金属複合材料に強化材として使用することができる高体積分率のＳｉＣ予備成形体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
すなわち、本発明によれば粒径が互いに異なるＳｉＣ粉末、蒸留水、有機バインダー及び無機バインダーをスラリー状態でボールミルで混合して、強化材であるＳｉＣ粒子の混合均一度と積層効率を最大化させた予備成形体を成形して、これを上部金型及び下部金型に吸収体を設置した金型内部に入れて一軸加圧して予備成形体内部の水分を上部金型及び下部金型の吸収体に吸収させて残留水分量を最小にして、これを乾燥及び焼成することによりＳｉＣ粉末を用いた予備成形体の体積分率が７０ｖｏｌ％以上に向上したＳｉＣ予備成形体の製造方法を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明によれば、高体積分率SiC予備成形体を製造する方法において、０．２〜４８μｍ範囲の粒径が互いに異なる２種類以上のSiC粒子、有機バインダー、無機バインダー、凝集剤及び蒸留水を混合してボールミリングによりSiC粒子を含むスラリーを製造する段階と、上部金型及び下部金型に吸収体を設置した金型内部に前記SiC粒子を含むスラリーを入れて加圧してスラリーの残留水分量を減少させる段階と、加圧後、残留水分量が減少したSiC粒子を含むスラリーを、常温において４８時間以内で自然乾燥した後、１００℃において２７時間以内で強制乾燥する二段階乾燥工程により完全乾燥して、SiC予備成形体を製造する段階と、この予備成形体を焼成する段階とを有することを特徴とする高体積分率SiC予備成形体の製造方法が提供される。
【００１２】
以上のような本発明の目的、他の特徴及び長所などは、以下において参照する本発明の好適な実施例についての説明から明確になるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、前記した本発明を、望ましい実施例を図示した添付図面を参考にしてより詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明のＳｉＣ予備成形体を製造する工程図であり、本発明を図１の工程によって詳細に説明する。
【００１５】
本発明で使用されるＳｉＣ粒子は０．２〜４８μｍの粒径であり、主に平均粒径が３μｍ、６．５μｍ、８μｍ、１０μｍ、４０μｍ、４８μｍを使用し、ＳｉＣ予備成形体の体積分率を向上させるために大きい粒径のＳｉＣと小さい粒径のＳｉＣを混合する。本発明で大きい粒径と小さい粒径を混合したＳｉＣ粒子は、３μｍ＋４０μｍ、６．５μｍ＋４０μｍ、１０μｍ＋４０μｍ及び８μｍ＋４８μｍであり、混合重量比は各々１：９から９：１の範囲とした。
【００１６】
また、最終的に得られる予備成形体の強度及び熱伝導特性を考慮してＳｉＣ粒子と蒸留水に無機バインダーであるコロイドシリカを０．１〜１０重量％の濃度で添加し、良好なスラリーの製造のために有機バインダーであるカチオン性澱粉（ｃａｔｉｏｎｉｃ  ｓｔａｒｃｈ）を０．１〜１．５重量％、凝集剤であるポリアクリルアミドを０．５〜１．５重量％で添加し、添加粒子の等電点（Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｏｉｎｔ）及び無機バインダーのゲル化の影響を考慮して酢酸を０．５〜２％で混合して酸性度（ｐＨ）を２．７〜３．５に調節したスラリーを製造する。
【００１７】
そして、スラリー混合物をアルミナボールを使用するボールミリングで４〜１２時間の間混合してＳｉＣ粒子の破損を最小にしながら、ＳｉＣ粒子と有機バインダー、無機バインダー及び凝集剤をよく分散させて均一混合になるようにする。
【００１８】
その次に、ＳｉＣ粒子を含むスラリーを上部金型及び下部金型に吸収体を設置した金型内部に入れて０．５〜３．０ＭＰａの圧力で一軸加圧してＳｉＣ粒子を含むスラリー中の水分を上部金型及び下部金型の吸収体に吸収させたり金型外部に排出させてスラリーの残留水分量を最小とする。
【００１９】
残留水分量を最小としたＳｉＣ粒子を含むスラリーは完全乾燥工程を経るが、例えば常温において４８時間以内で自然乾燥した後、１００℃の乾燥オーブンにおいて２７時間以内で強制乾燥する二段階乾燥方法を使用して予備成形体を完全乾燥する。乾燥工程で予備成形体の乾燥が不十分な場合には、乾燥段階後の工程である焼成段階時に予備成形体内の水分の急激な蒸発によって予備成形体の亀裂等の欠陥が発生し、金属基材を予備成形体に含浸させ複合材料を製造する時に局部的に強化材である予備成形体が存在しない金属基材層が発生することによって複合材料の製造が困難になるだけでなく複合材料の性能低下の原因になる。
【００２０】
したがって、本発明では前記で言及したとおりに自然乾燥及び強制乾燥の二段階乾燥をすることによって乾燥工程で生じるかもしれない予備成形体の不十分な乾燥を未然に防止する。
【００２１】
予備成形体の焼成（ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ）工程は無機バインダーの結晶（クリストバライト）が発生し始める８００〜１１００℃で２〜６時間の間実施する。
【００２２】
図２ａは吸収体を設置した金型モールドを利用して製造した予備成形体の微細組織写真であり、図２ｂは吸収体を設置しない金型モールドを利用して製造した予備成形体の微細組織を示した写真である。図２ｂの予備成形体の微細組織より図２ａの微細組織のほうが均一で一定な形態を揃えていることがわかる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を参考例、実施例、比較例及び適用例によって説明する。しかしこれらが本発明を限定することはない。
【００２４】
<参考例１−６および実施例７−９>
粒径３μｍのSiC粒子（参考例１）、粒径６．５μｍのSiC粒子（参考例２）、粒径８μｍのSiC粒子（参考例３）、粒径１０μｍのSiC粒子（参考例４）、粒径４０μｍのSiC粒子（参考例５）、粒径４８μｍのSiC粒子（参考例６）、１０μｍの粒子と４０μｍの粒子が１：２の体積で混合されたSiC粒子（実施例７）、８μｍの粒子と４８μｍの粒子が１：２の体積で混合されたSiC粒子（実施例８）、０．２μｍの粒子と３μｍの粒子と４８μｍ粒子が１：２：７の体積で混合されたSiC粒子（実施例９）と蒸留水に無機バインダーのシリカコロイドを３％、有機バインダーであるカチオン性澱粉１％、凝集剤であるポリアクリルアミドを０．５％添加し、添加粒子の等電点及び無機バインダーのゲル化の影響を考慮して酢酸を１％混合して酸性度（pH）が３であるスラリーを製造した。
【００２５】
このようなスラリー状態の混合物をアルミナボールを使用するボールミリングで８時間の間混合してＳｉＣ粒子の破損を最小にしながらＳｉＣ粒子と有機バインダー、無機バインダー及び凝集剤をよく分散させて均一混合になるようにした。
【００２６】
ＳｉＣ粒子を含むスラリーを上部金型及び下部金型に吸収体を設置した金型内部に入れて１．２ＭＰａの圧力で一軸加圧してＳｉＣ粒子を含むスラリー中の水分を上部金型及び下部金型の吸収体に吸収させてスラリーの残留水分量を最小とした。
【００２７】
残留水分量を最小としたＳｉＣ粒子を含むスラリーを常温において４８時間の間自然乾燥した後、１００℃の乾燥オーブンにおいて２４時間の間強制乾燥する二段階乾燥方法を使用して予備成形体を製造した。
【００２８】
予備成形体の焼成工程は無機バインダーの結晶が発生し始める１０００℃で５時間の間実施した。
【００２９】
それぞれの参考例および実施例により製造したSiC予備成形体の体積分率（vol％）をイメージアナライザーを利用して測定した結果を下の表１に示した。
【００３０】
【表１】
0003588320.tif 000002
上記表１の測定結果からわかるように、８μｍの粒子と４８μｍの粒子が混合されたSiCの体積分率（vol％）は７１．０、特に粒径が０．２μｍ、３μｍ、４８μｍであるSiCを混合した場合にはSiCの体積分率（vol％）は７６．０であり、７０vol％以上の高体積分率のSiC予備成形体を製造することができた。表１の測定結果を図３に示した。
【００３１】
＜実施例１０＞
前記実施例９の方法でＳｉＣ予備成形体を製造する時に、一軸加圧力（０．５〜３．０ＭＰａ）によるＳｉＣ予備成形体の体積分率及び圧縮強度を測定し、その結果を各々図４及び図５に示した。
【００３２】
図４から予備成形体の製造時の加圧力による体積分率の差はほとんどないことがわかる。また、図５から加圧力を１．２ＭＰａとして予備成形体を製造した場合、予備成形体が６０ＭＰａ以上の圧縮強度を示すことがわかる。
【００３３】
＜実施例１１＞
前記実施例９の方法によりＳｉＣ予備成形体を製造する際に、焼成時間及び焼成温度を変化させてこれによるＳｉＣ予備成形体の圧縮強度変化を測定し、その結果を図６ａ及び図６ｂに示した。図６ａは焼成温度を１１００℃に固定し、焼成時間による予備成形体の圧縮強度を示すものである。焼成時間を４時間にすると圧縮強度が１００ＭＰａに近づき、以後焼成時間を増やしても特に圧縮強度の増加がないことがわかった。図６ｂは焼成時間を４時間に固定し、焼成温度による予備成形体の圧縮強度変化を示すものである。焼成温度が８００℃〜１２００℃の範囲で高くなるほど予備成形体の圧縮強度が順次増加することがわかる。
【００３４】
＜比較例１−９＞
従来の真空圧抽出法を利用して下の表２の組成によりＳｉＣ予備成形体を製造し、イメージアナライザーを利用してＳｉＣ予備成形体の体積分率を測定し、下の表２に整理して示した。
【００３５】
【表２】
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前記表２から真空圧抽出法を利用してＳｉＣ予備成形体を製造した場合、ＳｉＣ体積分率（ｖｏｌ％）が５０〜５５であり、本発明によるＳｉＣ体積分率７１〜７６より高体積分率のＳｉＣ予備成形体の製造が困難であることがわかる。
【００３６】
【発明の効果】
前記で示したように本発明で提示した予備成形体の製造方法は装置設備の負担がほとんどないし製造時間が短くて製造が容易で大量生産が容易な新しい製造方法であるということができる。また、本発明で製造した予備成形体は高強化材体積分率を維持しながら金属基材を含浸させ低い熱膨張係数と高い熱伝導度が要求される電子パッケージング及び宇宙航空産業用部品の生産のための複合材料製造用基礎素材として広範囲に使用されるものとして期待される。
【００３７】
以上では本発明を実施例によって詳細に説明したが、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく本発明を修正または変更できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による予備成形体の製造方法の工程図である。
【図２ａ】本発明によって吸収体を設置した金型モールドを利用して製造した予備成形体の微細組織を示した写真である。
【図２ｂ】従来の吸収体を設置しない金型モールドを利用して製造した予備成形体の微細組織を示した写真である。
【図３】ＳｉＣ粒子混合比による予備成形体の体積分率を示したグラフである。
【図４】予備成形体の製造時に加圧力による予備成形体の体積分率変化を示したグラフである。
【図５】予備成形体の製造時に加圧力による予備成形体の圧縮強度変化を示したグラフである。
【図６ａ】焼成時間による予備成形体の圧縮強度変化を示したグラフである。
【図６ｂ】焼成温度による予備成形体の圧縮強度変化を示したグラフである。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003588320.tif 000009
【図６ａ】
0003588320.tif 000010
【図６ｂ】
0003588320.tif 000011