SiCセラミックスマイクロパーツの新製作技術

泥しょう鋳込み成形法を用いたSiCセラミックスマイクロパーツの製作技術開発
従来のSiC作製法
・CVD法
マイクロサイズへの加工が困難

・焼結法
焼結助剤が必要で性質劣化
気孔率が比較的大きい

本研究で提案するSiC作製法
SiCの前駆体に高分子材料を使用
マイクロ構造体の作製が可能な泥しょう鋳込み成形法の適用
ナノサイズの原料粒子の自己焼結・前駆体から直接マイクロセラミックスを作製することでSiCのマイクロ加工が不要
・泥しょう鋳込み成形法により，セラミックスの機械加工では作製困難な複雑形状の構造体の作製も可能に．
・高分子由来の原料粒子の自己焼結により，高強度のSiCセラミックスを作製できる可能性が大．
Dept. of Mechanical & Intelligent Engineering

Materials & Intelligent Design Laboratory

University of Hyogo泥しょう鋳込み成形法
泥しょう鋳込み成形法とは･･･
粘土や，酸化物の高濃度懸濁液(泥しょう)を石膏型内に注ぎ込み，水を毛細管力で懸濁液から排出し，型の壁面に層を堆積させることにより成形する方法
利点

セラミックスの遠心成型技術(泥しょう鋳込み法)

・複雑な構造体の作製が可能
・低コスト

欠点・問題点・型となる材料の選択性が少ない
・均一化・緻密化のためには加圧が必要

前駆体法に適した新泥しょう鋳込み法の開発
Dept. of Mechanical & Intelligent Engineering

Materials & Intelligent Design Laboratory

参:産総研中部センター

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鋳型の選定鋳型に求められる条件
PCSの液体は通すが，SiCのナノパウダーは通さない孔径であること(100nm以下)
微細加工ができること

超硬合金製

硬質ポリエチレン製

孔径；30~50，80~100，200~300nm

孔径；20μm

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Dept.
Dept. of Mechanical & System Engineering
Materials & Intelligent Design Laboratory

鋳型の作製

タングステンカーバイド製の鋳型

硬質ポリエチレン製の鋳型

t=1~2mmt=3mm

気孔率；23%

気孔率；38%

空孔径；1~2μm

空孔径；20μm

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Dept.
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Materials & Intelligent Design Laboratory

WC製鋳型の表面粗さ測定
気孔率；気孔率；23%
空孔径；
空孔径；1~2µ1~2µm

算術平均粗さ Ra
2.65µmUniversity of Hyogo

WC鋳型の表面粗さは，構成粒子の粒径に依存?!
鋳型の粒径(空孔径)を小さくすることで，表面粗さを小さくすることが可能ではな
いか．
Dept.
Dept. of Mechanical & System Engineering
Materials & Intelligent Design Laboratory

PE製鋳型の表面粗さ測定
気孔率；
気孔率；38%
空孔径；空孔径；20µ20µm

算術平均粗さ Ra
6.12µmUniversity of Hyogo

今後，空孔径1µmの鋳型を作製し，粗さを比較する．

Dept.
Dept. of Mechanical & System Engineering
Materials & Intelligent Design Laboratory

WC製鋳型の水浸透実験
結果

実験方法
キムワイプ

鋳型

塗料を塗った板

４時間後・・・

板に蛍光塗料を塗り，その上にキムワイプをおき，鋳型をのせる．

水が通っていれば，塗料がキムワイプにしみこみ広がるはず・・・

さらに８時間後・・・

ゆっくり，しかし，確実に水は通っていることが分かった

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Dept.
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Materials & Intelligent Design Laboratory

吸引量測定実験
実験結果

実験方法

3.5

1. 鋳型に3mmlの純水を投入

32. 大気中，及び真空中で吸引

水
シール剤

大気圧

2.5

吸引量(ml)3. 任意時間ごとに吸引量を測定(測定にはス
ポイトを用い，鋳型の残水量を吸収して測定)

21.5

接着剤
浸透ポンプと結合

真空

10.5

シール剤
シール剤

鋳型と装置の隙
鋳型 間をパテでシール，ポンプへの継ぎ手部分からも空気が漏れないように接着．

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005101520

吸引時間(h)

吸引量と吸引量と吸引時間との吸引時間との関係との関係

真空引きにより真空引きにより，きにより，単位時間当たりの単位時間当たりの吸引量たりの吸引量(吸引速度)は格段に格段に増加することが増加することが分することが分かった．
かった．
Dept.
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SU-8の構造と特徴

利点①高粘度であるため，厚塗りが可能②高い光透過性から，深い地点まで露光が可能③高い垂直性を持った構造体の作製が可能

SU-8の構造式

欠点①疎水性で基板への塗布が難しい

C,H,Oをを含む，８つのエポキシグルー
つのエポキシグルー
プから構成から構成される構成される厚膜
される厚膜フォトレジスト
厚膜フォトレジスト

University of Hyogo②基板との密着性が乏しく，剥がれやすい③露光・ベーク後の除去が困難

Dept.
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Materials & Intelligent Design Laboratory

SU-8モールド作製プロセス
SU-8モールド作製プロセス
1.SU-8塗布

2. パターニング

Pre-Bake

UV露光
UV露光

Exposure

SUSU-8PEB
WC or PE基板
PE基板

光が当たる部分が硬化，光の当たらない部分は現像液に溶解

Develop

SU-8フォトレジスト

液体シート

長所
・比較的安価・スピンコートが可能
短所
・高い粘性を有するため，取り扱いにくい・スピンコートによる塗りムラが多い

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長所

短所・取り扱いが容易

・高価

・塗りムラが少ない

・貼り付けに時間を有する

Dept.
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液体SU-8を用いたモールド作製
作製方法
基板洗浄 → スピンコート → PreBake → UV露光 →PEB(Post Expose Bake)

最適な露光条件とPEB条件の導出が必須!!
作製結果
PE鋳型

WC鋳型

気泡の混入 膜厚が不均一

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SU-8シートを用いたモールド作製
作製方法
SU-8シート貼り付け → UV露光 → PEB(Post Expose Bake) → 現像
SU-8の塗布
液体SU-8SU-8シート

PE基板(塗布後)WC基板(塗布後)作製結果塗り斑ができ，均一に塗布できない

SU-8シート
均一な塗布が可能，実験時間が短縮

剥離!!
剥離を防ぐために・・・
CCD画像

PEB(ベーク)を低温(65℃)で長時間行う

SU-8モールド(WC)WC鋳型の密着性が悪いため，剥離が生じる．

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精細なパターニングのために・・・
最適露光・現像時間の導出
Dept.
Dept. of Mechanical & System Engineering
Materials & Intelligent Design Laboratory

SU-8モールド作製～WC鋳型～
作製法

作製結果
剥離始め

多孔質の鋳型にSU-8 シートを密着Exposure

露光時間を3段階に分けて実験① 150s② 300s③ 450sPEB
最適露光時間の抽出

Develop

現像中

現像後露光時間150s，現像1h
最も良好なパターニングができることを確認．
SU-8
露光量が少ないと，SU-8が基板から剥離．
過露光（300s以上）になると，架橋されるべきでない所のSU-8まで架橋され，固まってしまい，パターニングが困難．

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SU-8モールド作製～PE鋳型～作製法

作製結果
良好パターン

多孔質の鋳型にSU-8 シートを密着Exposure

PEB

Develop

露光時間を大きく5段階に分けて実験

① 35s
② 50s
③ 70s
④ 140s
⑤ 280s

パターン部にPE鋳型表面を明確に確認
型表面に，不純物なし

不良パターン

最適露光時間の抽出
過露光によるSU-8の硬化
パターンサイズの小型化

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Materials & Intelligent Design Laboratory露光時間の最適化～PE鋳型～
露光時間

露光時間[s]

20,253035～40

現像中に剥離現像中に剥離する箇所もあり現像時間を調整することで，良好なパターンが得られる．

露光量不足
PEB不足??

露光量不足

50～70

140，280

過露光気味
パターンサイズが小さくなると全くパターニングできず．

パターン良好過露光によるSU-8の硬化パターン良好パターン形状やサイズの依存性・パターンの微小化に伴い，光が回り込む部分が増え，SU-8が硬化・パターンのサイズや形状は，パターニングの精度に大きく影響
・最適露光時間において，直径1mm，歯幅40μm程度ならパターニング可能

露光量が３５～４５ｓの範囲では，良好なパターンを作製可能．
現像時間の調整により，直径1mmの歯車までパターニング可能．
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Materials & Intelligent Design Laboratory泥しょう鋳込みシステム

液体除去フィルター

簡易真空ポンプ

鋳型
鋳込み装置

泥しょう鋳込みシステム外観
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Dept.
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Materials & Intelligent Design Laboratory泥しょうの作製
1 SiCに対し，PCS(ポリカルボシラン) が10wt%になるように両粉末を混合し，キシレンを加えて混ぜ合わせる．

キシレン，キシレン，攪拌

2 ドライヤーで加熱しながら，超微粉末状になるまで，練り続ける．
ドライヤー加熱
ドライヤー加熱すりつぶし

3 粉末に，イソプロパノールを適量入れ，適度な泥しょうを作製する．
泥しょう完成しょう完成!!

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Materials & Intelligent Design Laboratory泥しょう鋳込み方法
泥しょう(PCS+SiCPCS with Xylene )をマイクロピペットを用いてSU-8マイクロモールド内に注入
Vacuumchamber

SU-8 micro moldPorous WC plate

Vacuum
pump
1cm

鋳込み装置
SU-8mold

鋳込み前

鋳込み後

※ 鋳込み
鋳込み時間を時間を種々に変化させ変化させ，させ，実験
slip

Porous WC plate
Vacuum

段階的に泥しょうを注入し，モールドに充填

表層部の泥しょうを除去し，鋳込み完了

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Materials & Intelligent Design Laboratory

焼成結果
SU-8500μm

1cm
焼成直後（SU-8除去前）

SU-8除去後100μm

100μm

泥しょう鋳込み成型により作製したSiCセラミックス
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Materials & Intelligent Design Laboratory表面粗さ計測
鋳込み面粗さ大気接触面粗さ

Ra；7.73µm

Ra；18.5µm

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PIP(ポリマー含浸焼成)法
減圧含浸
Void
SiC

10mmHg
PCS含浸
PCS Solution

アスピレーター20％20％PCS Solution
真空デシケーター
真空デシケーター

成型体

10mmHg まで減圧減圧することにより，PCSが鋳込み体の内部にまで浸透20％PCS Solution作製

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Materials & Intelligent Design Laboratory

PIP法によるSiCの緻密化
密度：
密度：1.98g/cm
1.98g/cm3

Non Impregnation

2nd Impregnations

密度：
密度：2.75g/cm3
約30%密度増加!!

6th Impregnations
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200µm
Dept.
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加減圧泥しょう鋳込み装置

View port

Compressor

SUSU-8 Micro moldPressurization chamber

Porous WC plate

Vacuumpump

Vacuum chamber

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Vacuum Chamber

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加減圧泥しょう鋳込みの結果
加減圧なし

加減圧あり

1mm

1mm

500µm

500µm

Void

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Materials & Intelligent Design Laboratory

加減圧泥しょう鋳込み成型体の表面粗さ
大気接触面粗さ

鋳込み面粗さRa；8.2µm
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Ra；3.4µm
Dept.
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Materials & Intelligent Design Laboratory

WC製ポーラス基板改善

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密度；
密度；12.5g/cm3

密度；
密度；12.9g/cm3

気孔率；
気孔率；19.3％

気孔率；
気孔率；16.7％

粗目

中目

密度；
密度；14.9g/cm3

密度；
密度；14.9g/cm3

気孔率；
気孔率；5.8％

気孔率；
気孔率；5.8％

細目

ラッピング処理ラッピング処理

Dept.
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Materials & Intelligent Design Laboratory表面粗さの測定法と粗さ曲線
測定条件と方法①

触針粗さ計(東京精密社製)②・Cut Off

0.8mm

③・LENGTH

3.0mm④・T-SPEED

0.3mm/s⑤3mm

一基板に付き，5点ずつ測定

0CoarseMedium

Fine

LP

粗さ曲線
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Materials & Intelligent Design Laboratory

WCポーラス基板表面粗さ（Ra）測定結果

Surface roughness, Ra, µm

0.45

0.4
CoarseMediumFine

0.35

0.30.25

LP0.2
WC plate type

表面粗さ[Ra]は，3種類とも，ほぼ一定
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Materials & Intelligent Design LaboratoryポーラスWC基板吸水性評価
0 min

0 min

Water

0 min

Water

Water

Vacuumchamber

10 min

1.5 min15 min

Water

3 min
3min

Coarse

Water

Water

15min
15min

25 min25min

MediumFine

減圧下でのWC基板吸水実験結果
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Materials & Intelligent Design Laboratory

SiCマイクロ歯車作製結果(粗目基板)

A

B

1mm500μm

SiC micro gear with 5mm indiameter and 280μm in thickness

SiC micro gear with 2mm indiameter and 280μm in thickness

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SiCマイクロ歯車作製結果(中目基板)

B

A

1mm

5mm diameter and 280μm thick

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1mm4mm diameter and 280μm thick

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SiCマイクロ歯車作製結果(細目基板)

500μm

100μm

100μm

1mm

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使用基板によって歯車の形状に差が生じる理由
歯車形状 良500μm

粗目
表面の起伏 大基板リリース時の応力集中源 多1mm

中目100μm

細目

基板気孔率 大 → 吸水性 良

鋳込み時間 長鋳込み時間が短く，モールド内の細部までナノパウダーの到達が困難．

複雑な歯車形状の形成が可能
基板粗さ 小 → 歯車の表面粗 小メカニカルクラック発生University of Hyogo

歯先などの複雑形状の形成は困難

応力集中源の低減
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マイクロ歯車表面粗さ測定結果
10A Surface of back side

Surface roughness of micro parts, Ra, μm

9B Surface of top side876

5.79525B

54

3.985255.75355.72

4.14175

A2.8543210Course

MediumFine

WC plate type
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WCポーラス基板
表面：研磨

7.85％

11.1％

20.45％

23.91％

表面：ブラスト処理
基板種類
極細目
細目
中目
粗目

11.1％

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20.45％

23.91％

密度（g/c㎥）
14.3
13.8
12.3
11.8

空孔率（％）
7.8
11.1
20.4
23.9

融点（K）

高度（HRA）

3173

93.4

WC基板物性値

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Materials & Intelligent Design Laboratory

ブラスト
ブラスト

最大高さ Rz, μm

算術平均粗さ Ra, μm

気孔率と表面粗さの関係

ブラスト
ブラスト
研磨研磨

研磨研磨

気孔率

算術平均粗さ Ra

University of Hyogo

気孔率

最大高さ Rz

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Materials & Intelligent Design Laboratory

吸水実験装置

ゴムチューブ純水

シリコーンゴム

100µl

WC基板
50µl

減圧
鋳込み装置を用いた吸水実験装置

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吸水実験装置概略図

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吸水実験結果

吸水時間 (分)長短

気孔率 (%)

気孔率と吸水時間の関係
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基板の表面形状

ブラスト処理なし

ブラスト処理あり

気孔率7.5%のWC基板気孔が見られない！

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