Case Example: High-Precision SiC Mirror Base

A recent aerospace project required a SiC mirror base with: Flatness: 1/20 λ Surface roughness: Ra 0.003 µm Tolerance: ±0.001 mm Process route: Pre-grinding → 2. Ultrasonic finishing → 3. CMP polishing → 4. Optical interferometric inspection The final part achieved optical-grade smoothness and zero edge chipping, demonstrating the capability of controlled SiC precision machining.

Inspection and Quality Control

Precision machining of SiC requires stringent inspection at each process stage: Inspection Method Measurement Capability Purpose Coordinate Measuring Machine (CMM) ±1 µm Dimensional accuracy Optical Interferometer λ/20 flatness Surface profile & optical quality SEM / Optical Microscopy 1000× Detect subsurface cracks Surface Roughness Tester Ra < 0.01 µm Surface finish validation Parts used in semiconductor and optical systems typically demand zero visible subsurface defects under 200× magnification.

Process Optimization Techniques

Fixturing and Vibration Control Because SiC is brittle, minimizing vibration is critical. Use rigid fixtures, precision spindles, and balanced tooling. Vacuum or mechanical clamping systems should ensure even stress distribution without point loading. Coolant and Lubrication Continuous coolant flow removes debris and prevents localized heating. For fine finishing, a water-soluble oil or ionized water mist is preferred to avoid contamination and ensure consistent surface quality. Tool Path Programming CAM software must generate smooth tool paths with minimal direction changes. Sudden tool acceleration can cause micro-chipping at corners. Process Monitoring Integrating acoustic emission sensors or force monitoring helps detect tool wear and crack initiation in real-time, improving yield in high-precision production.

炭化ケイ素セラミックスを高精度に加工する方法

Q: Process Optimization Techniques

Fixturing and Vibration Control Because SiC is brittle, minimizing vibration is critical. Use rigid fixtures, precision spindles, and balanced tooling. Vacuum or mechanical clamping systems should ensure even stress distribution without point loading. Coolant and Lubrication Continuous coolant flow removes debris and prevents localized heating. For fine finishing, a water-soluble oil or ionized water mist is preferred to avoid contamination and ensure consistent surface quality. Tool Path Programming CAM software must generate smooth tool paths with minimal direction changes. Sudden tool acceleration can cause micro-chipping at corners. Process Monitoring Integrating acoustic emission sensors or force monitoring helps detect tool wear and crack initiation in real-time, improving yield in high-precision production.

今日の素材産業では、炭化ケイ素セラミックスは、間違いなく最も硬く耐久性のあるセラミック材料である。その卓越した硬度（モース硬度9.5）、高い熱伝導性、耐薬品性により、航空宇宙、半導体装置、メカニカルシールなどの分野で頻繁に使用されている。

しかし、SiCの加工は極めて難しい。従来の技術では、半導体用途に要求される精度と表面仕上げを達成することはできず、ハイエンド製造の要求を満たすには特殊なプロセスと工具が必要となる。

次に、炭化ケイ素セラミックスの高精度加工方法について概説する。

炭化ケイ素の材料特性

加工方法について説明する前に、SiCの物理的特性を理解することは、正しい加工方法を選択する上で極めて重要である。

プロパティ	典型的な値	機械加工への影響
硬度	9.5モース	ダイヤモンド工具のみ必要
密度	3.1 g/cm³	高剛性、低被削性
熱伝導率	120-270 W/m-K	研削時の優れた放熱性
破壊靭性	3～4MPa・m¹/²（1MPa・m²あたり	脆い - エッジが欠けやすい
最高使用温度	>1600°C	過酷な環境に適している

非常に高い硬度ともろさは、次のことを意味する。 塑性変形は最小そして 材料の除去は、主に脆性破壊とマイクロクラックによって起こる。.このため、加工パラメーター、特に送り速度、切り込み深さ、工具形状は非常に敏感なものとなる。

機械加工の課題

SiCの加工には3つの課題がある：

工具の摩耗：
ダイヤモンド工具でさえ、その極端な硬度と研磨性のために摩耗が早い。
表面の完全性：
不適切な送りや速度は、特に真空や高ストレス環境では、部品の弱点となる表面下の亀裂を誘発する可能性がある。
熱効果：
研削や研磨による過度の熱は、微細構造の損傷や相変態を引き起こす可能性がある。

寸法精度と欠陥のない表面の両方を達成するには、バランスをとる必要があります。 材料除去率（MRR） と 表面品質.

炭化ケイ素の加工方法

ダイヤモンド研磨

ダイヤモンド研削は、SiC部品を成形するための最も一般的な方法である。要求される精度と除去率に応じて、レジンボンドまたはメタルボンドのダイヤモンドホイールが使用されます。

粗挽き：
グリットサイズ#80-#120、高MRR、荒削りに使用。
微粉砕：
砥粒サイズ#400～#800、研磨前に使用。
超微粉砕：
粒度#1000～#3000、表面粗さRa < 0.05 µmを達成。

プロセスのヒント

熱衝撃を防ぐため、クーラントの流量を一定に保つ。
低い送り速度を使用する（ファインステージでは≤0.02 mm/min）。
ダイヤモンドの露出を保つため、ホイールは頻繁に再圧着してください。

典型的な達成可能公差： ±2-5 µm表面粗さ Ra 0.02-0.05 µm.

ダイヤモンド工具によるCNCフライス加工

複雑な形状の場合は、ダイヤモンドコーティングまたはPCD工具を装備した4軸または5軸CNCフライス盤が使用される。

重要な考慮事項

スピンドル回転数 20,000～60,000rpm
フィードレート： 10-50 mm/分
カットの深さ： 1～10μm/パス
冷却水： 正確な流量制御によるエアまたはオイルミスト

このプロセスにより、次のような製造が可能になる。 精密穴、スロット、3D輪郭 SiC基板の寸法精度を±0.001mmまで維持しながら

代表的なアプリケーション

半導体製造装置：
SiCウェハーキャリア、サセプター、エッチングチャンバー部品は、熱伝導率とプラズマ耐性が高い。
航空宇宙
エンジンおよび熱保護システム用の軽量構造部品および高温ベアリング。
光学システム：
寸法安定性と低熱膨張を必要とするミラー基板や望遠鏡構造。
真空およびレーザーシステム：
優れた剛性と超平坦な表面を持つ構造マウントとハウジング。

よくあるご質問

事例紹介高精度SiCミラーベース

最近の航空宇宙プロジェクトでは SiCミラーベース と：

平面度：1/20 λ
表面粗さRa 0.003 µm
公差：±0.001mm

プロセスルート：

前研磨 → 2.超音波仕上げ → 3.CMP研磨 → 4.光学干渉検査

最終的な部品は、光学グレードの平滑性とゼロエッジチッピングを達成し、制御されたSiC精密加工の能力を実証した。

検査と品質管理

SiCの精密加工には、各工程で厳しい検査が要求される：

検査方法	測定能力	目的
三次元測定機（CMM）	±1 µm	寸法精度
光干渉計	λ/20 平坦度	表面形状と光学的品質
SEM/光学顕微鏡	1000×	地下クラックの検出
表面粗さ計	Ra < 0.01 µm	表面仕上げの検証