TW201408788A - 陽極氧化處理性優異之鋁合金及陽極氧化處理鋁合金構件 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種陽極氧化處理性優異之鋁合金，其為分別含Mg：超過3.5%且6.0%以下，Cu：0.02%以上且1.0%以下，Cr：0.02%以上且0.1%以下，其餘為Al及不可避免之雜質，且分別抑制至不可避免之雜質中的Si：0.05%以下、Fe：0.05%以下之鋁合金，其係藉由使鋁合金中所含最大長度為4μm以上之金屬間化合物於任意剖面之每1mm2中之個數成為50個以下，而得以實現具有高耐電壓性且在可抑制高溫下龜裂發生之耐熱性上亦優異之陽極氧化處理鋁合金構件。

Description

陽極氧化處理性優異之鋁合金及陽極氧化處理鋁合金構件

本發明係關於由陽極氧化處理鋁合金構件所構成之對電子絕緣構件、及關於因此之鋁合金，且列舉為例如於半導體製造裝置或半導體用之絕緣構件。如乾式蝕刻裝置、CVD(化學蒸氣沉積)裝置、離子注入裝置、濺鍍裝置等之半導體或液晶之製造設備等中使用之真空腔室中，或設置於該真空腔室內部之零件之原材料中，使用以鋁合金作為基材之具有陽極氧化皮膜之陽極氧化處理鋁合金構件作為前述半導體裝置用絕緣構件。另外，於與CPU(中央處理單元)、電源裝置、LED(發光二極體)等半導體或液晶有關之絕緣構件中，係使用陽極氧化處理鋁合金構件作為前述半導體用絕緣構件。最好，本發明係關於一面抑制了高溫下之龜裂發生，一面更提高耐電壓性之陽極氧化處理鋁合金構件、及用於獲得此陽極氧化處理鋁合金構件之鋁合金者。

在以鋁或鋁合金等作為基材之構件表面上形 成陽極氧化皮膜，並對該基材賦予耐電漿性或耐氣體腐蝕性之陽極氧化處理，過去以來已被廣泛進行。例如，半導體製造設備之電漿處理裝置中所用之真空腔室，或設置於該真空腔室內部之各種零件一般係使用鋁合金而構成。然而，若前述鋁合金構件未經任何處理(直接以無垢狀態，直接加工成零件)直接使用於該用途實，則無法維持零件之耐電漿性或耐氣體腐蝕性等。據此，藉由在以鋁合金構成之構件表面上形成陽極氧化皮膜，而進行賦予耐電漿性或耐氣體腐蝕性等。

另一方面，近年來，肇因於配線寬度之微細化，隨著電漿之高密度化，用於生成電漿所投入之電力亦增加，過去之陽極氧化皮膜會有因投入高電力時產生之高溫．高電壓，而引起皮膜絕緣破壞之情況。於產生該絕緣破壞之部分由於電氣特性改變，故蝕刻均一性、或成膜均一性均劣化，故因而期望所使用構件之高耐電壓化．高溫龜裂耐性化(耐熱性化)。且，關於半導體用絕緣構件，亦隨著半導體之微細化、小型化、高電力化，而令使用環境高溫化，且在製造步驟中亦暴露於高溫中，故需要高耐電壓化、高溫龜裂耐性化(耐熱性化)。此外，以低成本實現該等要求特性亦為重要之要件。

用於改善形成陽極氧化皮膜之鋁合金構件之特性的技術迄今為止已有各種提案。例如，專利文獻1提案藉由提高作為基材使用之鋁合金之純度，而減少金屬間化合物之個數，並改善耐電壓性之技術。然而，此陽極氧 化處理鋁合金構件會有在高溫下發生皮膜龜裂之情況，無法稱為高溫龜裂耐性化已獲得改善。

另一方面，專利文獻2中提案藉由儘可能降低鋁合金中之金屬Si，而改善耐電壓性之太陽能電池用附絕緣層之金屬基材。關於該技術，亦未考慮高溫龜裂耐性化，會有高溫下發生皮膜龜裂之情況。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：特開2002-241992號公報

專利文獻2：特開2010-283342號公報

本發明係著眼於上述情況而完成者，其目的係提供一種具有高耐電壓性，並且可抑制高溫下龜裂發生之耐熱性亦優異之陽極氧化處理鋁合金構件，及用於實現此陽極氧化處理鋁合金構件之陽極氧化處理性優異之鋁合金。

可達成上述目的之本發明之鋁合金之特徵為分別含Mg：超過3.5%且6.0%以下(意指質量%，有關化學成分於以下亦同)，Cu：0.02%以上且1.0%以下，Cr： 0.02%以上且0.1%以下，其餘為Al及不可避免之雜質，且分別抑制至不可避免之雜質中的Si：0.05%以下、Fe：0.05%以下之鋁合金，且鋁合金中所含最大長度為4μm以上之金屬間化合物於任意剖面之每1mm²中之個數為50個以下。

本發明之鋁合金中，進而亦可容許含0.5%以下之Zn。且，前述金屬間化合物於每1mm²之個數為15個以下。

藉由於由如上述之鋁合金所成之基材表面形成陽極氧化皮膜，可實現具有高耐電壓性，並且可抑制高溫下之龜裂發生之耐熱性亦優異之陽極氧化處理鋁合金構件。所形成之陽極氧化皮膜較好為以至少含草酸之陽極氧化處理液形成者。且陽極氧化皮膜就抑制高溫龜裂發生及確保耐電壓性之觀點而言，其厚度較好為3~150μm。

依據本發明，由於適當地規定作為基材使用之鋁合金中之化學成分組成及金屬間化合物之大小或個數，故可實現兼具高耐電壓性或耐熱性兩特性之陽極氧化鋁合金構件，此種陽極氧化處理鋁合金構件作為半導體或液晶之製造設備用構件、或功率半導體用之絕緣構件極為有用。

本發明人等以實現兼具高耐電壓性與耐熱性兩特性之陽極氧化處理鋁合金構件為目標，自各個角度進行檢討。結果，發現若適當地規定作為基材使用之鋁合金中之化學成分組成及金屬間化合物之大小或個數，則可成為陽極氧化性優異者，且若於此種鋁合金表面上以至少含草酸之陽極氧化處理液形成陽極氧化皮膜，則可實現適於上述目的之陽極氧化處理鋁合金構件，因而完成本發明。以下，針對本發明中規定之各要件加以說明。

本發明中作為基材使用之鋁合金為含特定量之Mg、Cu及Cr者，但該等成分之範圍限制理由如下。

(Mg：超過3.5%且6.0%以下)

陽極氧化皮膜本身由於因彎曲等引起之拉伸應力弱，故於填補此特性之陽極氧化皮膜之高溫龜裂性良好時有必要儘可能提高基材之強度。且，半導體用絕緣構件之情況，藉由提高強度可使基材厚度變薄，且可減低熱阻抗，故可提高放熱性。就該觀點觀之，則儘可能地增多作為基材使用之鋁合金中之Mg含量。且鋁合金中之Mg含量愈多，則愈可加速陽極氧化皮膜之成膜速度，且與製造成本之減低愈相關。基於該等理由，鋁合金中之Mg含量必須超過3.5%。較好為3.6%以上。然而，Mg含量過量而超過6.0%時，對於鋁合金易發生壓延破裂，使壓延加工變得困難。Mg含量之較佳上限為5.3%以下，更好為4.7%以下。

(Cu：0.02%以上1.0%以下)

Cu係提高耐熱性之有效元素，尤其是在Mg存在下使其性能進一步提高。就此觀點而言，Cu必須含0.02%以上。較好，Cu為0.03%以上。然而，Cu含量過量而超過1.0%時，Cu會析出於金屬間化合物中而成為耐電壓性下降之原因。Cu含量之較佳上限為0.8%以下。

(Cr：0.02%以上0.1%以下)

Cr亦與Mg同樣，為強度提高方面之有效元素(藉由再結晶粒之微細化)。為發揮該效果，Cr必須含0.02%以上。較好為0.03%以上，更好為0.04%以上。然而，Cr含量過量而超過0.1%時，導致晶析物尺寸之粗大化。Cr含量之較佳上限為0.08%以下，更好為0.07%以下。

本發明之鋁合金中之基本成分如上述，其餘為Al及不可避免之雜質，但不可避免之雜質中之Si及Fe必須抑制至如下述。且，亦可容許含少量之Zn。

(Si：0.05%以下，Fe：0.05%以下)

Fe係生成Al-Fe系金屬間化合物，Si係生成Mg-Si系金屬間化合物，由於該等金屬間化合物係成為使耐電壓性降低之原因，故為了使金屬間化合物之尺寸或個數成為特定以下，有必要均抑制在0.05%以下。於獲得更高耐電壓性時，較好分別為0.02%以下。該等元素之下限並無特別限定，但含量成為未達0.002%時，極昂貴的鋁合金基 體金屬變得必要，故較好均為0.002%以上。

(Zn：0.5%以下)

如Zn般之均勻固溶於鋁合金中之元素不會對耐電壓性造成影響故即使含有也沒有問題。Zn之情況，超過0.5%時，Zn之析出核變大，因前處理之蝕刻使粒界部深度蝕刻而形成缺陷，故作為表面處理並非適當的表面狀態。較好為0.3%以下。Zn之下限並未特別明訂，但含量成為未達0.002%時，極昂貴的鋁合金基體金屬變得必要，故較好為0.02%以上。

(金屬間化合物尺寸．個數)

使耐電壓性降低之主因為鋁合金中存在之金屬間化合物並未溶解於陽極氧化中，而以大致金屬狀態進入皮膜中，其尺寸愈大則每單位質量之表面積愈小，使溶解耗時。因此，即使未完成溶解，亦不會對耐電壓性造成影響之條件為金屬間化合物之大小(最大長度)為4μm以上者之個數必須為任意剖面中每1mm²為50個(50個/mm²)以下。若滿足該要件，則可發揮充分之耐電壓性。再者為了提高耐電壓性，上述個數較好為15個/mm²以下(更好為10個/mm²以下)。又，本發明中作為測定對象之金屬間化合物為Al-Fe系金屬間化合物或Mg-Si系金屬間化合物。

本發明之陽極氧化處理鋁合金構件係如上述 於由鋁合金所成之基材表面上形成陽極氧化皮膜者，但形成該皮膜時之陽極氧化處理液較好使用至少含草酸之陽極氧化處理液。其理由為陽極氧化皮膜係藉由於鋁合金基材上形成草酸系皮膜，而提高在高溫之耐龜裂性。

亦即，作為一般之陽極氧化處理液，列舉有草酸、甲酸等有機酸，磷酸、鉻酸、硫酸等無機酸，但就高溫下顯著減低龜裂發生且提高耐電壓性之觀點而言，較好使用至少含草酸之陽極氧化處理液。陽極氧化處理液中之草酸濃度只要以可有效發揮期望之作用效果之方式適當適度控制即可，大致上，較好控制在20g/L~40g/L之範圍。

進行陽極氧化處理時之溫度(液溫)只要設定在不會損及生產性，且不會顯著引起皮膜溶解之範圍即可，大致上較好為0℃~50℃。於低溫側雖然成膜速度緩慢，但有皮膜變得緻密，耐電壓提高之傾向，於高溫側雖然成膜速度快速，但有耐電壓稍低之傾向，故只要依據生產性及耐電壓性而設定適當溫度即可。且，亦可考慮生產性及耐電壓性，藉由成為符合低溫處理．高溫處理之皮膜構造而實現兼具兩者。

又，進行陽極氧化處理時之電解電壓(陽極氧化皮膜形成電壓)．電流密度只要適當適度的調節以獲得期望之陽極處理氧化皮膜即可。例如，關於電解電壓，電解電壓低時電流密度變小使成膜速度變慢，另一方面，電解電壓太高時因大電流造成皮膜溶解而有無法形成陽極 氧化皮膜之傾向。電解電壓所致之影響由於與所使用之電解處理液之組成、或進行陽極氧化處理之溫度等亦有關係，故只要適當設定即可。更好為，藉由使皮膜構造成為多層構造，而可提高皮膜之耐電壓性。理由是，由多孔質層(皮膜之大部分)與障壁層(基材附近)所成之草酸系陽極氧化皮膜之多孔質層由於係於膜厚方向延伸之管狀空孔(孔洞)故而絕緣較弱，但藉由使該管狀之孔洞不連續(亦即，成為多層構造)，則可抑制成為絕緣破壞原因之電子雪崩之現象，發揮提高耐電壓性之角色。且，孔洞尺寸由於可藉處理電壓進一步控制(電壓愈大則孔洞尺寸愈大)，故藉由使電壓不連續變化，可控制該皮膜構造。

陽極氧化處理時之電壓(電解電壓)具體而言較好為5~100V左右(更好為15~80V)。或者，陽極氧化處理時流過之電流的電流密度較好為100A/dm²以下(更好為30A/dm²以下，又更好為5A/dm²以下)。但，此條件由於與所使用之電解處理液之組成、或進行陽極氧化處理之溫度、鋁合金之化學成分組成等亦有關，故只要適當地設定即可。

所形成之陽極氧化皮膜之膜厚為負責耐電壓性之重要因子，只要依據各種規格調整即可，且膜厚愈薄則愈不容易發現高溫龜裂，故雖沒有特別規定，但由於膜厚較厚時會損及耐高溫龜裂性，故較好為150μm以下，更好為100μm以下。

不過，為了確保作為皮膜全體所需之耐電壓 性，雖亦隨著半導體製造裝置之種類或製程之差異、單位厚度(每1μm之厚度)之耐電壓性而定(厚度每1μm較好為50V以上，更好厚度每1μm為60V以上)，但皮膜厚度較好至少為3μm以上。更好為10μm以上(又更好為20μm以上)。

以下列舉實施例更具體說明本發明，但本發明並不受限於以之實施例，亦可在可適於上述、下述主旨之範圍內進行變更，該等變更均包含於本發明之技術範圍。

本申請案係基於2012年7月26日申請之日本專利申請案第2012-166329號而主張優先權權益。2012年7月26日申請之日本專利申請案第2012-166329號說明書之全部內容援用為本申請案之參考。

實施例

以通常方法將下述式1所示之化學成分組成之鋁合金溶解且鑄造成鑄塊，在500℃之溫度進行均質化處理，接著，藉由熱軋製作厚度為5mm之熱軋板(熱軋延板)。接著，施以冷軋直至板厚成為0.8mm，在350℃之溫度進行退火，切割成30mm×30mm×0.8mmt之基材。

如上述切割之試料(基材)經在50℃-15% NaOH水溶液中浸漬2分鐘後，水洗作為脫脂步驟。接著，使經過上述脫脂步驟之試料浸漬在40℃-20%硝酸溶液中2分鐘後，水洗使表面清淨化作為剝黑膜(desmut) 步驟。

接著，對於上述各試料，以下述表2所示之條件(處理液種類、處理液濃度、處理液溫度、電解電壓)進行陽極氧化處理，製作特定膜厚之陽極氧化皮膜，陽極氧化處理後，經水洗並乾燥，獲得於基材表面形成陽極氧化皮膜之各種陽極氧化處理鋁合金構件。其中試驗No.8係首先在處理電壓(電解電壓)為30V之條件形成8μm之皮膜後，將處理電壓(電解電壓)變更為60V而形成25μm之皮膜，且膜厚之合計為33μm之2層構造者。

針對陽極氧化處理前之基材，以下述方法，測定基材中之金屬間化合物之大小、個數，並且針對所得陽極氧化處理鋁合金構件(試驗No.1~9)，以下述方法，評價高溫龜裂發生狀況、耐電壓性(平均耐電壓)。該等結果示於下述表3。

(金屬間化合物之大小、個數之測定)

切出鋁合金基板(進行陽極氧化處理前之狀態)且埋入樹脂中，以壓延表面作為觀察面之方式研磨作成鏡面(任意剖面)，以掃描型電子顯微鏡(SEM)，以倍率500倍之反射電子像觀察該經鏡面化之面20個視野以上。將比母相更白的照片部分及比母相更黑的照片部分作為測定對向視為金屬間化合物，利用影像處理求出最大長度。接著，測定最大長度為4μm以上之金屬間化合物之個數，算出每單位面積之個數(個數密度：個/mm²)。

(平均耐電壓之測定)

各試料之耐電壓係使用耐電壓試驗器(「TOS5051A」，菊水電子工業股份有限公司製，DC模式)，將+端子連接於針型之探針，與陽極氧化皮膜接觸，-端子連接於鋁合金基材，施加DC電壓(直流電壓)，以流經1mA以上之電流之時點的電壓平均值(測定個數10點之平均值)作為平均耐電壓。

藉由形成陽極氧化皮膜，將所測定之平均耐電壓除以膜厚，求出每單位膜厚之耐電壓(V/μm)。每單位膜厚之耐電壓較高時，可令用以製作規格耐電壓之皮膜厚度變薄，提高生產性且抑制製造成本，而可廉價地製造，故將該值為50V/μm以上記為合格(○)，60V/μm以上記為優異(◎)[未達50V/μm記為不合格(×)]。

(高溫龜裂發生狀況之評價)

龜裂發生狀況係將各陽極氧化處理鋁合金構件加熱至300℃後，以顯微鏡觀察(倍率：400倍)陽極氧化處理鋁合金構件之表面，評價龜裂發生狀況。而且，陽極氧化皮膜表面上存在明確龜裂之情況判斷為耐龜裂性差(下述表3中表示為「有」)，未目視到龜裂之情況判斷為耐龜裂性良好(下述表3中表示為「無」)。

由該等結果可推測如下。首先試驗No.1~5、7、8為滿足本發明中規定要件之實施例，可知在高溫下未發生龜裂，且顯示良好之耐電壓性。

相對於此，試驗No.6、9為使用未滿足本發明中規定之化學成分組成的鋁合金作為基材之比較例，所有特性均差。亦即，試驗No.6係使用Mg含量不足之鋁合金作為基材者(Si、Fe、Cu、Cr均在本發明規定之範圍外)，因Si、Fe過量使金屬間化合物之個數亦變多，耐電壓性不足，因Cu不足故在高溫亦發生龜裂。試驗No.9係使用Fe含量過量之鋁合金作為基材者，金屬間化合物之個數亦變多，且耐電壓性不足。

[產業上之可利用性]

本發明藉由適當地調整化學成分組成，並且 將鋁合金中所含最大長度為4μm以上之金屬間化合物於任意剖面每1mm²中之個數成為50個以下，可實現用於實現具有高耐電壓性，並且可抑制高溫下之龜裂發生之耐熱性上亦優異之陽極氧化處理鋁合金構件的陽極氧化處理性優異之鋁合金。

Claims (6)

1. 一種陽極氧化處理性優異之鋁合金，其特徵係分別含Mg：超過3.5%且6.0%以下(意指質量%，有關化學成分於以下亦同)、Cu：0.02%以上且1.0%以下、Cr：0.02%以上且0.1%以下、其餘為Al及不可避免之雜質，且分別抑制至不可避免之雜質中的Si：0.05%以下、Fe：0.05%以下之鋁合金，且鋁合金中所含最大長度為4μm以上之金屬間化合物於任意剖面之每1mm²中之個數為50個以下。
2. 如請求項1之鋁合金，其係進而含有0.5%以下之Zn。
3. 如請求項1之鋁合金，其中前述金屬間化合物於每1mm²中之個數為15個以下。
4. 一種陽極氧化處理鋁合金構件，其特徵為於由如請求項1~3中任一項之鋁合金所成之基材表面上形成有陽極氧化皮膜者。
5. 如請求項4之陽極氧化處理鋁合金構件，其中前述陽極氧化皮膜係以至少含草酸之陽極氧化處理液所形成者。
6. 如請求項4之陽極氧化處理鋁合金構件，其中前述陽極氧化皮膜之厚度為3~150μm。