JP2003020282A - Aluminum nitride sintered compact, production method therefor and its use - Google Patents

Aluminum nitride sintered compact, production method therefor and its use

Info

Publication number
JP2003020282A
JP2003020282A JP2001204559A JP2001204559A JP2003020282A JP 2003020282 A JP2003020282 A JP 2003020282A JP 2001204559 A JP2001204559 A JP 2001204559A JP 2001204559 A JP2001204559 A JP 2001204559A JP 2003020282 A JP2003020282 A JP 2003020282A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
aluminum nitride
nitride sintered
aluminum
sintered body
present
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2001204559A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5073135B2 (en
Inventor
Koji Nishimura
浩二 西村
Hideo Ishida
秀朗 石田
Nobuyuki Yoshino
信行 吉野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denka Co Ltd
Original Assignee
Denki Kagaku Kogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denki Kagaku Kogyo KK filed Critical Denki Kagaku Kogyo KK
Priority to JP2001204559A priority Critical patent/JP5073135B2/en
Publication of JP2003020282A publication Critical patent/JP2003020282A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5073135B2 publication Critical patent/JP5073135B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aluminum nitride sintered compact which has remarkably increased deflective strength and improved thermal impact resistance while maintaining its densiness and high thermal conductivity equal to or above those of the conventional one, to provide its production method, and to provide a circuit board using the aluminum nitride sintered compact as an aluminum nitride board. SOLUTION: In the aluminum nitride sintered compact, a samarium(Sm) yttrium(Y) aluminum(Al) based multiple oxide is present in an intergranular phase, and the density of the compact is >=3.1 g/cm<3> , and the three point bending strength of the compact is >=400 MPa. The method for producing an aluminum nitride sintered compact can be applied to the production of the aluminum nitride sintered compact. The circuit board uses the aluminum nitride sintered compact as an aluminum nitride board.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、機械的特性に優
れ、高熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体、その
製造方法及び用途に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an aluminum nitride sintered body having excellent mechanical properties and high thermal conductivity, a method for producing the same, and uses thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体搭載用セラミックス基板の
表面に、導電性を有する金属回路層をろう材で接合し、
更に金属回路層の所定位置に半導体素子を搭載した回路
基板が用いられている。回路基板が高信頼性をもって動
作するためには、半導体素子が発生する熱を放散し、半
導体素子の温度が過大とならないようにすることが肝要
であり、セラミックス基板材料には、電気絶縁性に加え
て、優れた放熱特性を発現するように高熱伝導率が要求
される。近年、回路基板の小型化、パワーモジュールの
高出力化が進む中、小型軽量化モジュールにおいては、
窒化アルミニウム基板が注目されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a conductive metal circuit layer is joined to the surface of a semiconductor mounting ceramic substrate with a brazing material,
Further, a circuit board having a semiconductor element mounted at a predetermined position on the metal circuit layer is used. In order for the circuit board to operate with high reliability, it is important to dissipate the heat generated by the semiconductor element so that the temperature of the semiconductor element does not become excessive. In addition, high thermal conductivity is required so as to exhibit excellent heat dissipation characteristics. In recent years, with the miniaturization of circuit boards and the higher output of power modules,
Aluminum nitride substrates are receiving attention.

【0003】窒化アルミニウム基板となる窒化アルミニ
ウム焼結体は、一般的に以下の方法で製造されている。
すなわち、窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤と、有機
バインダと、可塑剤、分散剤等の添加剤とを適当量混合
し、それを押出成型やドクターブレード法によって薄板
状又はシート状に成形する。厚板状又は大型形状の場合
はプレス成形される。ついで、成形体は、空気、窒素、
不活性ガス等の雰囲気下、350〜600℃に加熱して
有機バインダ成分を除去(脱脂)した後、窒素等の非酸
化性雰囲気下、焼結温度1800〜2000℃で4〜1
0時間保持し焼成炉の電源を切って放冷することによっ
て製造されている。
An aluminum nitride sintered body which is an aluminum nitride substrate is generally manufactured by the following method.
That is, aluminum nitride powder is mixed with an appropriate amount of a sintering aid, an organic binder, and additives such as a plasticizer and a dispersant, and the mixture is molded into a thin plate or sheet by extrusion molding or a doctor blade method. . In the case of a thick plate or a large size, press molding is performed. Then, the molded body is air, nitrogen,
After removing (degreasing) the organic binder component by heating to 350 to 600 ° C. in an atmosphere of an inert gas or the like, 4-1 at a sintering temperature of 1800 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere of nitrogen or the like.
It is manufactured by holding it for 0 hours, turning off the power of the firing furnace and allowing it to cool.

【0004】窒化アルミニウムは、共有結合性が強く難
焼結性材料であるため、焼結助剤としては、酸化イット
リウム(Y23)等の希土類酸化物を基本に、酸化カル
シウム(CaO)等のアルカリ土類金属酸化物等の種々
の化合物が検討されている(例えば特開昭60−127
267号公報、特開昭61−10071号公報、特開昭
60−71575号公報)。
Since aluminum nitride has a strong covalent bond and is difficult to sinter, the sintering aid is calcium oxide (CaO) based on rare earth oxides such as yttrium oxide (Y 2 O 3 ). Various compounds such as alkaline earth metal oxides have been investigated (for example, JP-A-60-127).
267, JP-A-61-10071, JP-A-60-71575).

【0005】焼結助剤の作用は、窒化アルミニウム原料
粉末に含まれる酸素と反応して液相を生成し、窒化アル
ミニウム焼結体の緻密化を行うと共に、熱伝導性を阻害
する酸素やFe、Ca等の陽イオン金属成分を粒界相に
固定することによって高熱伝導化を達成させる。
The function of the sintering aid is to react with oxygen contained in the aluminum nitride raw material powder to generate a liquid phase, to densify the aluminum nitride sintered body, and to prevent oxygen and Fe from interfering with thermal conductivity. High thermal conductivity is achieved by fixing cation metal components such as Ca and Ca in the grain boundary phase.

【0006】たとえば、酸化イットリウム(Y23
は、窒化アルミニウム原料粉末の酸素及び窒化アルミニ
ウム粒子表面の酸化アルミニウムと反応して、イットリ
ウム・アルミニウム・ガーネット(3Y23・5Al2
3)(以下、「YAG」という。)、イットリア・ア
ルミナ化合物(Y23・Al23)(以下、「YAL」
という。)、イットリア・アルミナ・金属化合物(2Y
23・Al23・Mxy)(以下、「YAM」とい
う。)等の複合酸化物を形成して緻密化と高熱伝導化を
促進する。また、これらの複合酸化物は、焼結時は窒化
アルミニウム粒子の周囲に液相を生成するが、焼結後は
窒化アルミニウム結晶粒の粒界相にガラス質又は結晶質
となって残存し、窒化アルミニウム焼結体の構成成分と
なっている。
For example, yttrium oxide (Y 2 O 3 )
Reacts with oxygen in the aluminum nitride raw material powder and aluminum oxide on the surface of the aluminum nitride particles to produce yttrium-aluminum-garnet (3Y 2 O 3 .5Al 2
O 3) (hereinafter, "YAG" hereinafter.), Yttria-alumina compound (Y 2 O 3 · Al 2 O 3) ( hereinafter, "YAL"
Say. ), Yttria-alumina-metal compound (2Y
2 O 3 · Al 2 O 3 · M x O y ) (hereinafter referred to as “YAM”) is formed to promote densification and high thermal conductivity. Further, these composite oxides, while forming a liquid phase around the aluminum nitride particles during sintering, remain glassy or crystalline in the grain boundary phase of the aluminum nitride crystal grains after sintering, It is a constituent of the aluminum nitride sintered body.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】このように、焼結助剤
特に希土類酸化物を基本する焼結助剤の使用によって、
窒化アルミニウム焼結体は著しく緻密化し高熱伝導化を
達成することができたが、その機械的特性、特に抗折強
度においてまだ不十分であった。抗折強度が小さいと、
窒化アルミニウム基板面に設けられた金属回路層に半導
体素子を実装する際に破損したり、半導体素子の作動に
伴う繰り返しの熱サイクルによって、金属回路層の接合
部付近の窒化アルミニウム基板にクラックが発生しやす
くなり、耐熱サイクル特性及び信頼性が高まらないとい
う問題がある。とくに最近では、パワーモジュール用セ
ラミックス基板や半導体製造装置用治具等においては、
従来以上に厳しいヒートサイクル下における使用が多く
なってきており、耐熱衝撃性ひいては抗折強度を向上さ
せる必要が急務となっている。
Thus, the use of sintering aids, especially those based on rare earth oxides,
Although the aluminum nitride sintered body was able to be highly densified and achieve high thermal conductivity, its mechanical properties, particularly bending strength, were still insufficient. If the bending strength is small,
When a semiconductor element is mounted on the metal circuit layer provided on the surface of the aluminum nitride substrate, the element is damaged, or due to repeated thermal cycles associated with the operation of the semiconductor element, a crack occurs in the aluminum nitride substrate near the junction of the metal circuit layer. Therefore, there is a problem that heat resistance cycle characteristics and reliability are not improved. Especially recently, in ceramic substrates for power modules and jigs for semiconductor manufacturing equipment,
Since it is increasingly used under heat cycles that are more severe than before, there is an urgent need to improve the thermal shock resistance and thus the bending strength.

【0008】本発明の目的は、従来と同等もしくはそれ
以上の緻密性と高熱伝導性を保持したまま抗折強度を著
しく高め、耐熱衝撃性を向上させた窒化アルミニウム焼
結体及びその製造方法、回路基板を提供することであ
る。
An object of the present invention is to provide an aluminum nitride sintered body having a significantly improved bending strength and thermal shock resistance while maintaining a compactness and a high thermal conductivity equal to or higher than those of conventional ones, and a method for producing the same. It is to provide a circuit board.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、粒
界相にサマリウム(Sm)・イットリウム(Y)・アル
ミニウム(Al)系複合酸化物が存在し、密度が3.1
g/cm3 以上、3点曲げ強度が400MPa以上であ
ることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体である。こ
の場合において、窒化アルミニウム結晶組織の3重点に
存在するサマリウム(Sm)・イットリウム(Y)・ア
ルミニウム(Al)系複合酸化物のY/Smの原子数比
が3以下であり、窒化アルミニウム結晶組織の2粒子界
面に存在するサマリウム(Sm)・イットリウム(Y)
・アルミニウム(Al)系複合酸化物のY/Smの原子
数比が3より大きいことが好ましい。
That is, according to the present invention, a samarium (Sm) -yttrium (Y) -aluminum (Al) -based composite oxide is present in the grain boundary phase and has a density of 3.1.
The aluminum nitride sintered body is characterized by having a three-point bending strength of 400 MPa or more and a g / cm 3 or more. In this case, the samarium (Sm) -yttrium (Y) -aluminum (Al) -based compound oxide present at the triple points of the aluminum nitride crystal structure has an atomic ratio of Y / Sm of 3 or less, and the aluminum nitride crystal structure is (Sm) and yttrium (Y) existing at the interface between two particles
The Y / Sm atomic ratio of the aluminum (Al) -based composite oxide is preferably larger than 3.

【0010】また、本発明は、酸素量が3質量%以下、
平均粒径が5μm以下の窒化アルミニウム原料粉末に、
アルミニウム酸化物0.02〜2質量%と、サマリウム
又はその化合物及びイットリウム又はその化合物を酸化
物換算の合計で0.1〜10質量%で、しかもSm23
/(Sm23+Y23)のモル比が0.05〜0.9と
して存在させ、非酸化性雰囲気中、1500℃以上の昇
温速度を1℃/分以下にして焼結温度1600〜190
0℃まで高め、その焼結温度内で0.2〜2時間保持し
た後冷却することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体
の製造方法である。さらに本発明は、上記窒化アルミニ
ウム焼結体を窒化アルミニウム基板として用い、その表
面に金属回路を形成させてなることを特徴とする回路基
板である。
Further, according to the present invention, the amount of oxygen is 3% by mass or less,
For aluminum nitride raw material powder having an average particle size of 5 μm or less,
Aluminum oxide 0.02 to 2% by mass, samarium or a compound thereof and yttrium or a compound thereof in an amount of 0.1 to 10% by mass in terms of oxide, and Sm 2 O 3
/ (Sm 2 O 3 + Y 2 O 3 ) in a molar ratio of 0.05 to 0.9, and the sintering temperature is set to 1500 ° C. or higher in a non-oxidizing atmosphere at 1 ° C./min or less. 1600-190
A method for producing an aluminum nitride sintered body, which comprises raising the temperature to 0 ° C., maintaining the sintering temperature for 0.2 to 2 hours, and then cooling. Furthermore, the present invention is a circuit board characterized in that the aluminum nitride sintered body is used as an aluminum nitride substrate, and a metal circuit is formed on the surface thereof.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明を更に詳しく説明す
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in more detail below.

【0012】本発明の窒化アルミニウム焼結体の特徴
は、その結晶構造を微視的に観察すると、サマリウム
(Sm)・イットリウム(Y)・アルミニウム(Al)
系の複合酸化物(以下、「Sm・Y・Al複合酸化物」
という。)を粒界相に形成していることであり、これに
よって、密度が3.1g/cm3 以上にして3点曲げ強
度を400MPa以上にできたことである。これは、焼
結助剤としてイットリウム(Y)成分とサマリウム(S
m)成分を併用すると共に、特定条件下で焼結すること
によって初めて実現できることであり、従来のY23
を用いる技術とは、焼結助剤成分と焼結条件において相
違している。
The characteristics of the aluminum nitride sintered body of the present invention are that when its crystal structure is microscopically observed, it is samarium (Sm) / yttrium (Y) / aluminum (Al).
-Based complex oxide (hereinafter referred to as "Sm / Y / Al complex oxide")
Say. ) Is formed in the grain boundary phase, which means that the density can be 3.1 g / cm 3 or more and the three-point bending strength can be 400 MPa or more. This is a yttrium (Y) component and samarium (S) as a sintering aid.
This can only be realized by using component m) together with sintering under specific conditions, and differs from the conventional technique using Y 2 O 3 or the like in the sintering aid component and the sintering conditions. .

【0013】更なる特徴は、窒化アルミニウム結晶粒か
ら構成される3重点と、窒化アルミニウム結晶の2粒子
界面とに存在するSm・Y・Al複合酸化物の組成が異
なっていることである。すなわち、図1は、本発明の窒
化アルミニウム焼結体組織の模式図であるが、窒化アル
ミニウム結晶粒(1)の3重点(2)に存在するSm・
Y・Al複合酸化物の組成は、Y/Sm原子数比が3以
下であるのに対し、窒化アルミニウム結晶の2粒子界面
(3)に存在するそれはY/Smの原子数比が3より大
きいということである。
A further feature is that the composition of the Sm.Y.Al complex oxide existing at the triple point composed of aluminum nitride crystal grains and at the interface between the two grains of the aluminum nitride crystal is different. That is, FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of the aluminum nitride sintered body of the present invention, but Sm · existing at the triple points (2) of the aluminum nitride crystal grains (1).
The composition of the Y / Al complex oxide has a Y / Sm atomic ratio of 3 or less, whereas that existing at the two-grain interface (3) of the aluminum nitride crystal has a Y / Sm atomic ratio of greater than 3. That's what it means.

【0014】本発明において、窒化アルミニウム結晶粒
の3重点(2)とは、窒化アルミニウム焼結体の研磨破
面を走査型電子顕微鏡等で観察した際に窒化アルミニウ
ム3粒子間に挟まれてできる粒界相であり、2粒子界面
(3)とは、相対する窒化アルミニウムの2粒子の面と
面の間に形成される粒界相を意味する。また、Sm・Y
・Al複合酸化物のY/Smの原子数比は、上記研磨破
面をEDS−SEMを用いて検出したYとSmのピーク
値から算出することができる。
In the present invention, the triple point (2) of aluminum nitride crystal grains is formed by being sandwiched between three aluminum nitride particles when the polishing fracture surface of the aluminum nitride sintered body is observed with a scanning electron microscope or the like. The grain boundary phase, and the two-grain interface (3) means a grain boundary phase formed between the faces of two grains of aluminum nitride facing each other. Also, Sm ・ Y
The Y / Sm atomic ratio of the Al composite oxide can be calculated from the peak values of Y and Sm detected on the polished fracture surface using EDS-SEM.

【0015】このような結晶組織をとることで強度特性
が向上する理由については、不明な点が多いが、それ
は、従来の窒化アルミニウム焼結体においては、粒界相
は3重点のみであり、その大きさは1〜5μmである
が、本発明の窒化アルミニウム焼結体では、3重点のみ
ならず2粒子界面にも粒界相が存在すること、しかもこ
れらの粒界相は比較的微小であり、特に2粒子界面の粒
界相の最大径は殆どが1μm以下であることと関係して
おり、次のように説明することができる。
There are many unclear points about the reason why the strength characteristics are improved by taking such a crystal structure. However, in the conventional aluminum nitride sintered body, the grain boundary phase has only three points. The size is 1 to 5 μm, but in the aluminum nitride sintered body of the present invention, a grain boundary phase exists not only at the triple point but also at the grain boundary of two grains, and these grain boundary phases are relatively minute. In particular, the maximum diameter of the grain boundary phase at the interface between the two grains is related to the fact that most of the grain boundary phase is 1 μm or less, which can be explained as follows.

【0016】一般的に、セラミックスの機械的特性は微
構造的な要因の影響を強く受け、粒界相の形態が結晶粒
子の結合力に大きく作用する。3重点に凝集偏析した粗
大な粒界相が存在する組織では、結晶粒子と粒界相の接
触する面積が少ないため結晶粒子間の結合力が小さく、
また粒界偏析部に結晶粒子と粒界相の熱膨張差等から起
きる歪みや残留応力等を生じるために粒界相自体の強度
も小さくなり、結果として強度特性は低いものとなる。
これに対し、2粒子界面に粒界相が存在すると、結晶粒
子と粒界相の接触する面積が増えるために結晶粒子同士
の結合力は強められる。
In general, the mechanical properties of ceramics are strongly influenced by microstructural factors, and the morphology of the grain boundary phase has a large effect on the bonding force of crystal grains. In a structure in which a coarse grain boundary phase coagulated and segregated at three points exists, the bonding force between the crystal grains is small because the contact area between the crystal grains and the grain boundary phase is small.
In addition, the grain boundary phase itself has a small strength due to strain and residual stress caused by the difference in thermal expansion between the crystal grain and the grain boundary phase at the grain boundary segregation portion, resulting in low strength characteristics.
On the other hand, when the grain boundary phase exists at the interface between the two particles, the contact area between the crystal grain and the grain boundary phase increases, so that the bonding force between the crystal grains is strengthened.

【0017】本発明においては、3重点及び2粒子界面
の粒界相の大きさは、最大径3μm以下の範囲内ででき
るだけ小さい方が好ましい。このような大きさの粒界相
は、焼結助剤の量と焼成条件によって調整することがで
きる。イットリウム(Y)及びサマリウム(Sm)の化
合物を、両者の合計が酸化物換算で0.1〜10質量%
となるようにし、窒化アルミニウム焼結体の相対密度が
90%以上となるように焼成して粒界部を緻密化させる
と、3重点及び2粒子界面の粒界相は小さくなる傾向に
ある。
In the present invention, the size of the grain boundary phase at the triple point and two grain interfaces is preferably as small as possible within the range of the maximum diameter of 3 μm or less. The grain boundary phase having such a size can be adjusted by the amount of the sintering aid and the firing conditions. A compound of yttrium (Y) and samarium (Sm) is added in a total amount of 0.1 to 10% by mass in terms of oxide.
And the grain boundary portion is densified by firing so that the relative density of the aluminum nitride sintered body becomes 90% or more, the grain boundary phase at the triple point and the two grain interfaces tends to be small.

【0018】本発明の窒化アルミニウム焼結体におい
て、3重点又は2粒子界面に存在する粒界相の組成は、
必ずしも100%がSm・Y・Al複合酸化物である必
要はなく、その存在割合が50%以上であれば、顕著な
曲げ強度の向上が認められる。粒界相の残りの成分は、
Cu−KαX線回折分析によって検出される、YAG、
YAL、YAM、サマリア・アルミナ複合酸化物(Sm
23・Al23)等である。ただし、これらの複合酸化
物は、何れも格子定数に変化が生じており、純粋な結晶
構造ではなく、一部の元素が他元素と置換した結晶構造
となっている。EDSの分析結果と合わせ解析すると、
YとSmが相互置換した結晶構造体である可能性が高
く、特にSm23・Al23相とY23・Al23相は
共にペロブスカイト型構造に属するため、相互置換が起
こっていると考えられる。その場合の構造式は、Y1-x
SmxAl23で表され、上記Y/Sm原子比の関係か
ら、窒化アルミニウム結晶の3重点に存在する結晶相の
組成は、x≧0.25であり、2粒子界面に存在する結
晶相の組成は、x<0.25となる。
In the aluminum nitride sintered body of the present invention, the composition of the grain boundary phase existing at the triple point or double grain interface is
It is not always necessary that 100% is the Sm.Y.Al composite oxide, and if the existing ratio is 50% or more, a remarkable improvement in bending strength is recognized. The remaining components of the grain boundary phase are
YAG, detected by Cu-Kα X-ray diffraction analysis,
YAL, YAM, Samaria-alumina composite oxide (Sm
2 O 3 · Al 2 O 3 ) and the like. However, in all of these complex oxides, the lattice constant is changed, and not a pure crystal structure but a crystal structure in which some elements are replaced with other elements. When analyzed together with the EDS analysis results,
It is highly possible that Y and Sm are mutually substituted crystal structures, and in particular, both the Sm 2 O 3 .Al 2 O 3 phase and the Y 2 O 3 .Al 2 O 3 phase belong to the perovskite type structure, so that they are mutually substituted. Is believed to be happening. The structural formula in that case is Y 1-x
The composition of the crystal phase represented by Sm x Al 2 O 3 and existing at the triple points of the aluminum nitride crystal is x ≧ 0.25 from the relation of the above Y / Sm atomic ratio, and the crystal existing at the interface between two particles is The composition of the phases is x <0.25.

【0019】本発明において、3重点に存在する粒界相
の組成はY/Smの原子比が3以下、より好ましくは2
〜3であり、また2粒子界面における粒界相の組成はY
/Smの原子比が3より大きいこと、より好ましくは4
〜10であることが特徴である。粒界相の組成は、必ず
しも100%がこのような原子比の範囲にある必要はな
く、その存在割合が70%以上であればよい。粒界相の
組成は上記原子比の範囲内であれば複数の組成相が存在
してもよく、例えば2粒子界面にY/Smの原子比が4
及び9(上記構造式においてY0.8Sm0.2Al23及び
0.9Sm0.1Al23)の組成を示す粒界相が混在して
いても同等程度の強度改善効果が得られる。
In the present invention, the composition of the grain boundary phase present at three points has a Y / Sm atomic ratio of 3 or less, more preferably 2
And the composition of the grain boundary phase at the interface between the two grains is Y.
The atomic ratio of / Sm is larger than 3, more preferably 4
The characteristic is that it is -10. The composition of the grain boundary phase does not necessarily have to be 100% in such an atomic ratio range, and the existence ratio thereof may be 70% or more. As for the composition of the grain boundary phase, a plurality of composition phases may exist as long as the atomic ratio is within the above range.
And 9 (in the above structural formula, Y 0.8 Sm 0.2 Al 2 O 3 and Y 0.9 Sm 0.1 Al 2 O 3 ), the same level of strength improving effect can be obtained even if the grain boundary phases having the composition are mixed.

【0020】本発明におけるSm・Y・Al複合酸化物
の生成メカニズムは、Sm23・Al23ないしはY2
3・Al23が生成するメカニズムと異なり、焼結助
剤としてイットリウム(Y)成分とサマリウム(Sm)
成分を併用すると共に、焼結温度を低温化したことと関
係している。本発明においては、3重点に凝集偏析した
粗大な粒界相が少なくなっていることから、焼成時に粒
界相の組成がY/Sm(原子比)>3となることにより、
低融点、低粘性の液相を生成し、窒化アルミニウム結晶
粒子との濡れ性が改善されていると推定できる。このた
め、窒化アルミニウム焼結体中の細かな2粒子界面にも
粒界相が形成され、顕著な曲げ強度の向上に寄与する。
The formation mechanism of the Sm.Y.Al composite oxide in the present invention is based on Sm 2 O 3 .Al 2 O 3 or Y 2
Different from the mechanism that O 3 · Al 2 O 3 is generated, yttrium (Y) component and samarium (Sm) are used as sintering aids.
This is related to the fact that the sintering temperature is lowered while using the components together. In the present invention, since the coarse grain boundary phase aggregated and segregated at three points is reduced, the composition of the grain boundary phase becomes Y / Sm (atomic ratio)> 3 during firing,
It can be presumed that a liquid phase having a low melting point and a low viscosity is generated and the wettability with the aluminum nitride crystal particles is improved. Therefore, a grain boundary phase is also formed at the fine two-grain interface in the aluminum nitride sintered body, which contributes to a remarkable improvement in bending strength.

【0021】つぎに、本発明の窒化アルミニウム焼結体
の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、本
発明の窒化アルミニウム焼結体の製造に適用できるもの
である。
Next, a method for manufacturing the aluminum nitride sintered body of the present invention will be described. The production method of the present invention can be applied to the production of the aluminum nitride sintered body of the present invention.

【0022】窒化アルミニウム原料粉末としては、直接
窒化法、アルミナ還元法等の公知の方法で製造された粉
末が使用できるが、酸素量が3質量%以下、平均粒径が
5μm以下であることが望ましい。酸素量が3質量%超
では、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率が低下する恐
れがある。また、平均粒径が5μmを超えると、焼結体
密度が低下し、熱伝導率及び強度特性が低下する恐れが
ある。また、酸素以外の不純物としては、Alを除くF
e、Ca等の陽イオン不純物0.1質量%以下、炭素1
000ppm以下であることが好ましい。これらの不純
物量を超過すると、焼結性が阻害され、熱伝導率及び強
度特性に悪影響を及ぼす恐れがある。
As the aluminum nitride raw material powder, a powder produced by a known method such as a direct nitriding method or an alumina reduction method can be used, but the amount of oxygen is 3% by mass or less and the average particle size is 5 μm or less. desirable. If the amount of oxygen exceeds 3% by mass, the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body may decrease. On the other hand, if the average particle size exceeds 5 μm, the density of the sintered body may decrease, and the thermal conductivity and strength characteristics may decrease. Further, as impurities other than oxygen, F excluding Al is used.
0.1 mass% or less of cation impurities such as e and Ca, carbon 1
It is preferably 000 ppm or less. If the amount of these impurities is exceeded, the sinterability will be impaired and the thermal conductivity and strength properties may be adversely affected.

【0023】本発明において、焼結助剤として、サマリ
ウム又はその化合物と、イットリウム又はその化合物と
が併用され、両者の合計の酸化物換算で0.1〜10質
量%(窒化アルミニウム粉末に対して内割配合、以下同
じ)で、しかもSm23/(Sm23+Y23)のモル
比が0.05〜0.9となるように配合される。焼結助
剤の存在量が酸化物換算の合計値で0.1質量%未満で
は緻密化が進行せずに密度3.1g/cm3 以上の窒化
アルミニウム焼結体の製造は困難となる。また、10質
量%超では、焼結性が悪くなるために3点曲げ強度40
0MPa以上の達成は困難となり、熱伝導率も100W
/m・K以下に低下する恐れがある。Sm23/(Sm2
3+Y23)のモル比が0.05〜0.9以外では、
サマリウム(化合物)とイットリウム(化合物)を併用する
ことによる2粒子界面における粒界相の形成(Y/Sm
原子比>3となる粒界相)が少なくなるために、顕著な
強度向上の効果が得られない。
In the present invention, samarium or a compound thereof and yttrium or a compound thereof are used together as a sintering aid, and the total oxide of both is 0.1 to 10% by mass (based on the aluminum nitride powder). It is compounded so that the molar ratio of Sm 2 O 3 / (Sm 2 O 3 + Y 2 O 3 ) is 0.05 to 0.9. If the total amount of the sintering aids in terms of oxide is less than 0.1% by mass, densification does not proceed and it becomes difficult to manufacture an aluminum nitride sintered body having a density of 3.1 g / cm 3 or more. On the other hand, if the content exceeds 10% by mass, the sinterability is deteriorated, so that the three-point bending strength is 40%.
Achieving 0 MPa or more becomes difficult, and thermal conductivity is 100 W
/ M · K or less. Sm 2 O 3 / (Sm 2
When the molar ratio of (O 3 + Y 2 O 3 ) is other than 0.05 to 0.9,
Formation of grain boundary phase at the interface between two particles by using samarium (compound) and yttrium (compound) together (Y / Sm
Since the grain boundary phase (atomic ratio> 3) is reduced, a remarkable effect of improving strength cannot be obtained.

【0024】さらには、焼結助剤として、アルミニウム
酸化物が0.05〜2質量%含有するように混合する。
この割合は、元々窒化アルミニウム原料粉末に存在する
アルミニウム酸化物量を考慮して決定される。アルミニ
ウム酸化物は、Sm・Y・Al複合酸化物を十分に生成
せしめる役割を果たし、0.05質量%未満ではSm・
Y・Al複合酸化物の生成量が不足し、強度向上の効果
が得られず、また2質量%超では窒化アルミニウム焼結
体の熱伝導率が低下し、130W/m・K以上、特に1
50W/m・K以上の実現は難しくなる。
Further, as a sintering aid, aluminum oxide is mixed so as to be contained in an amount of 0.05 to 2% by mass.
This ratio is determined in consideration of the amount of aluminum oxide originally present in the aluminum nitride raw material powder. Aluminum oxide plays a role of sufficiently generating Sm · Y · Al composite oxide, and when it is less than 0.05% by mass, Sm · Y.
The amount of Y / Al complex oxide produced is insufficient, and the effect of improving the strength cannot be obtained. If it exceeds 2% by mass, the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body decreases, and it is 130 W / m · K or more, especially 1
It will be difficult to achieve 50 W / mK or more.

【0025】サマリウム化合物、イットリウム化合物と
しては、それらの酸化物の他に、フッ化物、窒化物、炭
化物等の1種又は2種以上が使用される。取り扱いの容
易さ、コスト面を考えると、酸化物が好ましい。また、
アルミニウム酸化物としては、α−Al23,γ−Al
23等のAl23又は焼成途中にこれらの酸化物となる
前駆物質が使用される。サマリウム又はその化合物、イ
ットリウム又はその化合物、アルミニウム酸化物の純度
は、99.5%以上が好ましく、より好ましくは99.
9%以上である。またそれらの粒度は、平均粒径で5μ
m以下であり、より好ましくは1μm以下である。平均
粒径が5μm超であると、反応が不均一になり、組織の
バラツキが起こり強度が低下する恐れがある。
As the samarium compound and the yttrium compound, one or more of fluorides, nitrides, carbides and the like are used in addition to the oxides thereof. An oxide is preferable in view of easy handling and cost. Also,
Examples of aluminum oxides include α-Al 2 O 3 and γ-Al.
Al 2 O 3 such as 2 O 3 or precursors which become these oxides during firing are used. The purity of samarium or its compound, yttrium or its compound, and aluminum oxide is preferably 99.5% or more, more preferably 99.
It is 9% or more. The average particle size is 5μ.
m or less, and more preferably 1 μm or less. If the average particle size is more than 5 μm, the reaction becomes non-uniform, the structure may vary, and the strength may decrease.

【0026】製造方法の手順の一例を説明すると、ま
ず、窒化アルミニウム原料粉末に、焼結助剤の所定量を
配合しボールミル等により混合する。ついで、混合粉末
に有機バインダ及び必要に応じて各種添加剤を加え、造
粒、製粒、混練等の処理を施してから成型する。成型方
法としては、金型プレス成型、静水圧プレス成型、ドク
ターブレード法、押出成型等の中から、その所望形状に
相応しい方法が選択される。つづいて、成型体を例えば
窒素ガス等の非酸化性雰囲気中、温度350℃〜600
℃で1〜5時間加熱して有機バインダを除去する。
Explaining an example of the procedure of the manufacturing method, first, a predetermined amount of a sintering aid is mixed with aluminum nitride raw material powder and mixed by a ball mill or the like. Then, an organic binder and, if necessary, various additives are added to the mixed powder, and the mixture is subjected to treatments such as granulation, granulation and kneading, and then molded. As the molding method, a method suitable for the desired shape is selected from die press molding, hydrostatic press molding, doctor blade method, extrusion molding and the like. Subsequently, the molded body is heated at a temperature of 350 ° C. to 600 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas.
The organic binder is removed by heating at ℃ for 1 to 5 hours.

【0027】その後、脱脂処理した成型体を焼成容器内
に収容し、非酸化性雰囲気中、所定温度で焼結する。焼
結には常圧焼結法やホットプレス焼結法等を採用するこ
とができる。焼成雰囲気は、窒素ガス又は窒素ガスを含
む非酸化性雰囲気下で行われる。非酸化性ガスとして
は、H2 ガス、COガスを使用しても良い。なお、焼結
は、真空(わずかな非酸化性雰囲気を含む)、減圧、加
圧及び常圧から選ばれたいずれか又は複数で行う。
Then, the degreased molded body is placed in a firing container and sintered at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere. For sintering, an atmospheric pressure sintering method, a hot press sintering method, or the like can be adopted. The firing atmosphere is a nitrogen gas or a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen gas. As the non-oxidizing gas, H 2 gas or CO gas may be used. Note that the sintering is performed by any one or a plurality selected from vacuum (including a slight non-oxidizing atmosphere), reduced pressure, increased pressure and normal pressure.

【0028】本発明で重要なことは、焼結助剤の反応に
よって液相の生成量が増加する1500℃以上の昇温速
度を1℃/分以下にして焼結温度まで高めることであ
る。昇温速度は、好ましくは0.5℃/分以下であり、
更に好ましくは0.3℃/分以下である。昇温速度が1
℃/分を超えると、焼結助剤の反応が不均一に進み、粒
界相の組織にバラツキが生じ、強度低下する場合があ
る。
What is important in the present invention is to raise the rate of temperature increase from 1500 ° C. or higher at which the amount of liquid phase is generated by the reaction of the sintering aid to 1 ° C./min or less to the sintering temperature. The temperature rising rate is preferably 0.5 ° C./min or less,
More preferably, it is 0.3 ° C./min or less. Temperature rising rate is 1
If the temperature exceeds ° C / min, the reaction of the sintering aid proceeds nonuniformly, the structure of the grain boundary phase varies, and the strength may decrease.

【0029】本発明において、焼結は、従来のY23
や、サマリウム化合物を単独で用いた場合よりも低い温
度で進行する。焼結温度は1600〜1900℃であ
り、この温度で0.2〜2時間保持することによって焼
結される。焼結温度が1900℃を超えると、焼結炉内
での窒化アルミニウムの蒸気圧が高くなり緻密化が困難
になり、また保持時間が2時間を超えると、窒化アルミ
ニウム粒子の粒成長が過剰に促進され、粗大欠陥を形成
して強度特性が劣化する恐れがある。また、焼結温度が
1600℃未満又は保持時間が0.2時間未満である
と、焼結不足となり、密度3.1g/cm3 以上の窒化
アルミニウム焼結体の製造は困難となる。特に好ましい
焼結温度1700〜1800℃であり、保持時間は0.
5〜1時間である。
In the present invention, the sintering proceeds at a lower temperature than the conventional Y 2 O 3 or the like, or a samarium compound alone. The sintering temperature is 1600 to 1900 ° C., and sintering is performed by holding this temperature for 0.2 to 2 hours. If the sintering temperature exceeds 1900 ° C., the vapor pressure of aluminum nitride in the sintering furnace will be high, making it difficult to densify, and if the holding time exceeds 2 hours, the grain growth of aluminum nitride particles will be excessive. There is a risk of being accelerated, forming coarse defects and deteriorating the strength characteristics. If the sintering temperature is less than 1600 ° C. or the holding time is less than 0.2 hours, sintering will be insufficient and it will be difficult to manufacture an aluminum nitride sintered body having a density of 3.1 g / cm 3 or more. A particularly preferable sintering temperature is 1700 to 1800 ° C., and a holding time is 0.
5 to 1 hour.

【0030】本発明の窒化アルミニウム焼結体は、機械
的特性に優れ、窒化アルミニウム本来の高い熱伝導性を
有するので、厳しい使用条件で用いられる回路基板、例
えばパワーモジュール用の回路基板に好適な材料であ
る。
The aluminum nitride sintered body of the present invention is excellent in mechanical properties and has a high thermal conductivity inherent to aluminum nitride, and therefore is suitable for a circuit board used under severe usage conditions, for example, a circuit board for a power module. It is a material.

【0031】本発明の回路基板は、セラミックス基板の
一方の面に金属回路、他方の面には必要に応じて放熱金
属板が形成されてなる回路基板において、セラミックス
基板を、本発明の窒化アルミニウム焼結体からなる窒化
アルミニウム基板としたものである。すなわち、本発明
の回路基板は、窒化アルミニウム基板の一方の面に半導
体素子搭載用の金属回路が、またその反対面には必要に
応じて金属放熱板が形成されてなるものである。
The circuit board of the present invention is a circuit board in which a metal circuit is formed on one surface of a ceramic substrate and a heat-dissipating metal plate is formed on the other surface of the ceramic substrate, and the ceramic substrate is the aluminum nitride of the present invention. This is an aluminum nitride substrate made of a sintered body. That is, the circuit board of the present invention is one in which a metal circuit for mounting a semiconductor element is formed on one surface of an aluminum nitride substrate, and a metal heat dissipation plate is formed on the opposite surface thereof as needed.

【0032】窒化アルミニウム基板の厚みは種々あり、
放熱特性を重視する場合は0.3〜1.0mm程度、高
電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときは1〜3mm
程度のものが用いられる。
There are various thicknesses of aluminum nitride substrates,
About 0.3 to 1.0 mm if heat dissipation characteristics are important, and 1 to 3 mm if you want to significantly increase the dielectric strength under high voltage.
Something is used.

【0033】金属回路と金属放熱板の材質は、Al、C
u又はAl−Cu合金であることが好ましい。これら
は、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積
層体の形態で用いられる。AlはCuよりも降伏応力が
小さく、塑性変形に富み、ヒートサイクルなどの熱応力
負荷時において、セラミックス基板にかかる熱応力を大
幅に低減することができるので、Cuよりも窒化アルミ
ニウム基板に発生するクラックを抑制することが可能と
なり、高信頼性モジュールとなる。
The materials of the metal circuit and the metal heat sink are Al and C.
It is preferably u or an Al-Cu alloy. These are used in the form of a single body or a laminated body such as a clad including the single layer. Al has a smaller yield stress than Cu, is rich in plastic deformation, and can significantly reduce the thermal stress applied to the ceramic substrate during thermal stress load such as heat cycle. Therefore, Al is generated in the aluminum nitride substrate rather than Cu. It becomes possible to suppress cracks, resulting in a highly reliable module.

【0034】金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の点
から、Al回路の場合は、0.4〜0.5mm、Cu回
路は0.3〜0.5mmであることが好ましい。一方、
金属放熱板の厚みは、半田付け時の反りを生じさせない
ように決定される。具体的には、Al放熱板の場合は
0.1〜0.4mm、Cu放熱板は0.15〜0.4m
mであることが好ましい。
The thickness of the metal circuit is preferably 0.4 to 0.5 mm for the Al circuit and 0.3 to 0.5 mm for the Cu circuit from the viewpoint of electrical and thermal characteristics. on the other hand,
The thickness of the metal heat dissipation plate is determined so as not to cause warpage during soldering. Specifically, 0.1 to 0.4 mm for Al heat sinks and 0.15 to 0.4 m for Cu heat sinks.
It is preferably m.

【0035】本発明の回路基板は、板状の窒化アルミニ
ウム焼結体又は研削加工等により板状に加工した窒化ア
ルミニウム焼結体を窒化アルミニウム基板とし、金属板
と接合した後、エッチング等の手法を用いて金属回路を
形成させることによって製造することができる。さらに
は、窒化アルミニウム基板に打ち抜き等により予め回路
を形成した金属板を搭載して接合することによっても製
造することができる。窒化アルミニウム基板と金属回路
等の接合は、Ag、Cu、又はAg−Cu合金と、T
i、Zr、Hf等の活性金属成分とを含むろう材を窒化
アルミニウム基板と金属板の間に介在させて、不活性ガ
ス又は真空雰囲気中で加熱する方法(活性金属法)等に
よって行うことができる。
In the circuit board of the present invention, a plate-shaped aluminum nitride sintered body or a plate-shaped aluminum nitride sintered body processed by grinding or the like is used as an aluminum nitride substrate, which is joined to a metal plate and then etched or the like. Can be used to form a metal circuit. Further, it can also be manufactured by mounting a metal plate on which a circuit is formed beforehand by punching or the like on an aluminum nitride substrate and bonding them. For joining the aluminum nitride substrate and the metal circuit, etc., Ag, Cu, or an Ag-Cu alloy and T
A brazing material containing an active metal component such as i, Zr or Hf may be interposed between the aluminum nitride substrate and the metal plate and heated in an inert gas or vacuum atmosphere (active metal method) or the like.

【0036】[0036]

【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に
本発明を説明する。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.

【0037】実施例1 酸素量1.0%(質量%、以下同じ)、平均粒径1.8
μmの窒化アルミニウム粉末に、平均粒径が1.2μm
のSm23及び平均粒径1.1μmのY23を合計で
5.0%、Sm23/(Sm23+Y23)モル比が
0.33(Sm23とY23のモル比が1:2)となる
ように配合し、更に平均粒径1.5μmのα−Al23
を0.6%、有機系バインダ(アクリル系樹脂)3%を
添加して、メタノールを分散媒とした湿式ボールミルに
より2時間、混合した。混合粉末の配合比、配合量及び
焼成温度、焼成時間、1500℃以上の昇温速度を表1
に示した。
Example 1 Oxygen content 1.0% (mass%, the same applies hereinafter), average particle size 1.8
Aluminum nitride powder of μm, average particle size 1.2 μm
Of Sm 2 O 3 and Y 2 O 3 having an average particle size of 1.1 μm are 5.0% in total, and the Sm 2 O 3 / (Sm 2 O 3 + Y 2 O 3 ) molar ratio is 0.33 (Sm 2 O 3 and Y 2 O 3 are mixed in a molar ratio of 1: 2), and α-Al 2 O 3 having an average particle size of 1.5 μm is further added.
0.6% and 3% of an organic binder (acrylic resin) were added and mixed for 2 hours by a wet ball mill using methanol as a dispersion medium. Table 1 shows the blending ratio of the mixed powder, the blending amount, the firing temperature, the firing time, and the heating rate of 1500 ° C or more.
It was shown to.

【0038】この混合粉末を、ろ過、乾燥後、30MP
aの圧力でプレス成形して、50×50×5mmの成型
体とし、それを窒化ホウ素(BN)製の坩堝に充填し、
大気中、500℃で3時間加熱して脱脂した後、カーボ
ンヒーターの電気炉で、1750℃、30分間加熱して
常圧焼結した。なお、加熱時の昇温速度は、室温から1
500℃までを10℃/分、1500℃から1750℃
までを0.3℃/分とした。
This mixed powder is filtered and dried, then 30MP
Press-molding with a pressure of a to form a 50 × 50 × 5 mm molded body, which is filled in a boron nitride (BN) crucible,
After heating in air at 500 ° C. for 3 hours to degrease, it was heated in an electric furnace of a carbon heater at 1750 ° C. for 30 minutes to carry out atmospheric pressure sintering. The heating rate during heating is from room temperature to 1
10 ° C / min up to 500 ° C, 1500 ° C to 1750 ° C
Was 0.3 ° C./min.

【0039】得られた窒化アルミニウム焼結体につい
て、アルキメデス法による密度、熱伝導率及び室温の3
点曲げ強度を測定し、測定数10個の平均値を求めた。
また、焼結体を乳鉢により粉砕した粉体をX線回折法に
より分析し、粒界相結晶の同定を行った。さらには、各
焼結体の破面を鏡面研磨した後、SEM−EDSによ
り、窒化アルミニウム結晶の3重点及び2粒子界面に存
在するSm・Y・Al複合酸化物のSm,Y,Al各元
素についての定量分析を行い、Y/Sm原子数比を求め
た。熱伝導率及び曲げ強度は、窒化アルミニウム焼結体
を研削加工し、熱伝導率測定用の直径10mm×3mm
の円板及びJIS−R1601に準じて強度試験体を作
製し、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定し
た。得られた結果をXRD分析の結果と共に表2に示
す。
About the obtained aluminum nitride sintered body, the density, the thermal conductivity and the room temperature 3 according to the Archimedes method were measured.
The point bending strength was measured, and the average value of 10 measurements was obtained.
Further, the powder obtained by crushing the sintered body in a mortar was analyzed by an X-ray diffraction method to identify grain boundary phase crystals. Furthermore, after the fracture surface of each sintered body is mirror-polished, each element of Sm, Y, and Al of the Sm / Y / Al complex oxide existing at the triple point of the aluminum nitride crystal and at the interface between the two grains is analyzed by SEM-EDS. Was analyzed to determine the Y / Sm atomic number ratio. The thermal conductivity and bending strength are obtained by grinding an aluminum nitride sintered body and measuring the thermal conductivity with a diameter of 10 mm x 3 mm.
The disc and the strength test body were prepared according to JIS-R1601, and the thermal conductivity was measured by the laser flash method. The obtained results are shown in Table 2 together with the results of XRD analysis.

【0040】実施例2〜14 窒化アルミニウム粉末の種類、焼結助剤の種類とその配
合比を表1に示すように種々変えたこと以外は、実施例
1と同様にして窒化アルミニウム成型体を成形し、表1
に示す種々の焼成条件で焼成して窒化アルミニウム焼結
体を製造した。
Examples 2 to 14 Aluminum nitride compacts were prepared in the same manner as in Example 1 except that the type of aluminum nitride powder, the type of sintering aid and the compounding ratio thereof were variously changed as shown in Table 1. Molded, Table 1
The aluminum nitride sintered body was manufactured by firing under various firing conditions shown in.

【0041】比較例1〜3 焼結助剤としてY23を用いずに、Sm23とAl23
を表1に示す配合比に変えたこと以外は、実施例1,
4,5と同様にして窒化アルミニウム焼結体を製造し
た。
Comparative Examples 1 to 3 Sm 2 O 3 and Al 2 O 3 were used without using Y 2 O 3 as a sintering aid.
Example 1, except that the compounding ratio was changed to that shown in Table 1.
Aluminum nitride sintered bodies were manufactured in the same manner as in Nos. 4 and 5.

【0042】比較例4〜6 焼結助剤としてSm23を用いずに、Y23とAl23
を表1に示す配合比に変えたこと以外は、実施例1,
4,5と同様にして窒化アルミニウム焼結体を製造し
た。
Comparative Examples 4 to 6 Y 2 O 3 and Al 2 O 3 were used without using Sm 2 O 3 as a sintering aid.
Example 1, except that the compounding ratio was changed to that shown in Table 1.
Aluminum nitride sintered bodies were manufactured in the same manner as in Nos. 4 and 5.

【0043】実施例15 比較例7 実施例1で用いた窒化アルミニウム粉末に、Y(N
33・6H2O及びSm(NO33・6H2Oをそれぞ
れY23、Sm23換算で合計6質量%及び12質量
%、Sm23とY23に換算したSm23/(Sm23
+Y23)モル比がそれぞれ0.33(Sm23とY2
3のモル比が1:2)となるように配合し、更に平均
粒径1.0μmのγ−Al23を0.4質量%添加し
て、メタノールを分散媒とした湿式ボールミルにより2
時間混合した。なお、Y(NO33・6H 2O及びSm
(NO33・6H2Oはn−ブタノールに溶解し用い
た。比較例7では、Sm(NO33・6H2Oとγ−A
23を焼結助剤として用いた。
Example 15 Comparative Example 7 To the aluminum nitride powder used in Example 1, Y (N
O3)3・ 6H2O and Sm (NO3)3・ 6H2O for each
Re Y2O3, Sm2O36 mass% and 12 mass in total
%, Sm2O3And Y2O3Sm converted to2O3/ (Sm2O3
+ Y2O3) The molar ratio is 0.33 (Sm2O3And Y2
O3To give a molar ratio of 1: 2)
Γ-Al with a particle size of 1.0 μm2O30.4 mass% is added
By a wet ball mill using methanol as the dispersion medium.
Mixed for hours. Note that Y (NO3)3・ 6H 2O and Sm
(NO3)3・ 6H2O dissolved in n-butanol is used
It was In Comparative Example 7, Sm (NO3)3・ 6H2O and γ-A
l2O3Was used as a sintering aid.

【0044】ついで、実施例1に準じて、この混合粉末
をプレス成形して、窒素ガス雰囲気下、1770℃、1
2分間加熱して常圧焼結した。なお、加熱時の昇温速度
は、室温から1500℃までを10℃/分、1500℃
から1750℃までを0.25℃/分とした。
Then, in accordance with Example 1, this mixed powder was press-molded, and under a nitrogen gas atmosphere, 1770 ° C., 1
It was heated for 2 minutes and sintered under normal pressure. The rate of temperature increase during heating is from room temperature to 1500 ° C at 10 ° C / min and 1500 ° C.
To 1750 ° C. was 0.25 ° C./min.

【0045】[0045]

【表1】 [Table 1]

【0046】[0046]

【表2】 [Table 2]

【0047】表からわかるように、本発明の窒化アルミ
ニウム焼結体は、熱伝導率150W/m・K以上にし
て、密度3.1g/cm3 以上、3点曲げ強度が400
MPa以上であることがわかる。
As can be seen from the table, the aluminum nitride sintered body of the present invention has a thermal conductivity of 150 W / m · K or more and a density of 3.1 g / cm 3 or more and a three-point bending strength of 400.
It turns out that it is above MPa.

【0048】実施例16 実施例2の窒化アルミニウム焼結体を研削加工して窒化
アルミニウム基板とした(寸法:40×40×0.63
5mm)。この窒化アルミニウム基板の裏表面に接合材
(Al−9.5%Si−1%Mg合金箔)を介してAl
回路形成用とAl放熱板形成用のAl板を(厚み0.5
mm、Al純度99.9%)を重ね、黒鉛板に挟み、窒
化アルミニウム基板の垂直方向から加圧しながら、真空
中、580℃で加熱した。得られた接合体を軟X線を用
いて3倍に拡大して接合不良を検査したが、それは認め
られなかった(検出下限直径0.3mm)。ついで、裏
表面それぞれのAl板の周囲2mmを塩化第2鉄水溶液
でエッチングし、無電解Ni−Pメッキを3μm施して
回路基板を作製した。
Example 16 The aluminum nitride sintered body of Example 2 was ground to give an aluminum nitride substrate (dimensions: 40 × 40 × 0.63).
5 mm). On the back surface of this aluminum nitride substrate, through a bonding material (Al-9.5% Si-1% Mg alloy foil), Al
An Al plate for circuit formation and an Al heat dissipation plate formation (thickness 0.5
mm, Al purity 99.9%) were stacked, sandwiched between graphite plates, and heated at 580 ° C. in vacuum while applying pressure from the vertical direction of the aluminum nitride substrate. The obtained joined body was magnified 3 times using soft X-rays and inspected for joining defects, but it was not observed (detection lower limit diameter: 0.3 mm). Then, 2 mm around each Al plate on the back surface was etched with an aqueous solution of ferric chloride, and electroless Ni—P plating was performed to 3 μm to produce a circuit board.

【0049】この回路基板について、下部スパン30m
mで三点曲げ強度を測定したところ、780MPaであ
った。また、−40℃で10分保持した後、加熱により
125℃で10分保持することを1サイクルとして、合
計3000サイクルのヒートサイクル試験を行ったとこ
ろ、ヒートサイクル後の回路基板の三点曲げ強度は、7
65MPaであり、ヒートサイクル試験後も基板の亀裂
や回路の剥離は認められなかった。
About this circuit board, the lower span is 30 m
When the three-point bending strength was measured at m, it was 780 MPa. In addition, when a heat cycle test was performed for a total of 3000 cycles, with holding at -40 ° C for 10 minutes and then heating at 125 ° C for 10 minutes as one cycle, a three-point bending strength of the circuit board after the heat cycle was obtained. Is 7
It was 65 MPa, and cracks of the substrate and peeling of the circuit were not recognized even after the heat cycle test.

【0050】実施例17 実施例1に示す窒化アルミニウム粉末、焼結助剤を混合
した粉末に、成形用バインダー(水溶性セルロース系)
を10質量部、純水8質量部を添加混合して、押出成形
機でシート幅90mm、シート厚0.75mmのシート
を作製した。得られたシートは、50mm×70mmの
サイズに裁断し、表面にBNを塗布して20枚積層し、
大気中、500℃で3時間脱脂した。得られた脱脂体を
BN容器に充填し、カーボンヒーターの電気炉で、実施
例1に示す焼成条件により加熱して焼結体を製造した
後、#400のアルミナ砥粒を用いて湿式ホーニング
し、表面のBN及び変質層を除去して窒化アルミニウム
基板とした。
Example 17 The powder obtained by mixing the aluminum nitride powder and the sintering aid shown in Example 1 was mixed with a molding binder (water-soluble cellulose type).
10 parts by mass and 8 parts by mass of pure water were added and mixed, and a sheet having a sheet width of 90 mm and a sheet thickness of 0.75 mm was produced by an extruder. The obtained sheet was cut into a size of 50 mm × 70 mm, BN was applied to the surface, and 20 sheets were laminated,
Degreasing was performed in the air at 500 ° C. for 3 hours. The obtained degreased body was filled in a BN container, heated in an electric furnace of a carbon heater under the firing conditions shown in Example 1 to produce a sintered body, and then wet-honed using # 400 alumina abrasive grains. The surface BN and the altered layer were removed to obtain an aluminum nitride substrate.

【0051】この窒化アルミニウム基板の両面に活性金
属含有ろう材(Ag:Cu:Tiの質量比が80:1
5:5)を30μmの厚さでスクリーン印刷し、回路
側、放熱板側にそれぞれCu板(厚み0.25mm、純
度99.9%)を載置し、10-3Pa程度の真空雰囲気
下、850℃で30分間加熱して接合体を得た。つい
で、裏表面それぞれCu板の周囲2mmを塩化第2鉄水
溶液でエッチングし、無電解Ni−Pメッキを3μm施
して回路基板を作製した。
An active metal-containing brazing material (with a mass ratio of Ag: Cu: Ti of 80: 1) was formed on both surfaces of the aluminum nitride substrate.
5: 5) is screen-printed with a thickness of 30 μm, and a Cu plate (thickness 0.25 mm, purity 99.9%) is placed on each of the circuit side and the heat radiating side, and in a vacuum atmosphere of about 10 −3 Pa. It was heated at 850 ° C. for 30 minutes to obtain a joined body. Then, 2 mm around the Cu plate on each of the back surfaces was etched with an aqueous solution of ferric chloride, and electroless Ni—P plating was performed to 3 μm to produce a circuit board.

【0052】得られた回路基板を実施例18と同じ手法
により、三点曲げ強度測定及びヒートサイクル試験を行
ったところ、三点曲げ強度は880MPa、ヒートサイ
クル3000回後の三点曲げ強度は865MPaであっ
た。また、ヒートサイクル試験後も、基板の亀裂や回路
の剥離は認められなかった。
The obtained circuit board was subjected to three-point bending strength measurement and heat cycle test in the same manner as in Example 18. The three-point bending strength was 880 MPa, and the three-point bending strength after 3000 heat cycles was 865 MPa. Met. Further, even after the heat cycle test, neither cracking of the substrate nor peeling of the circuit was observed.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明によれば、従来と同等もしくはそ
れ以上の緻密性と高熱伝導性を保持したまま抗折強度を
著しく高め、耐熱衝撃性を向上させた窒化アルミニウム
焼結体が提供される。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided an aluminum nitride sintered body having significantly improved transverse rupture strength and improved thermal shock resistance while maintaining compactness and high thermal conductivity equal to or higher than conventional ones. It

【0054】また、本発明の窒化アルミニウム焼結体の
製造方法によれば、従来と同等もしくはそれ以上の緻密
性と高熱伝導性を保持したまま抗折強度を著しく高め、
耐熱衝撃性を向上させた窒化アルミニウム焼結体を容易
に製造することができる。
Further, according to the method for producing an aluminum nitride sintered body of the present invention, the transverse rupture strength is remarkably increased while maintaining the same denseness or higher thermal conductivity as the conventional one,
It is possible to easily manufacture an aluminum nitride sintered body having improved thermal shock resistance.

【0055】本発明の窒化アルミニウム焼結体は、信頼
性の高い構造材としてとして使用することができる。と
くに、半導体搭載用セラミックス基板、放熱板等の電子
部品として好適なものである。
The aluminum nitride sintered body of the present invention can be used as a highly reliable structural material. In particular, it is suitable as an electronic component such as a ceramics substrate for mounting semiconductors and a heat sink.

【0056】[0056]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の窒化アルミニウム焼結体組織の模式
図。
FIG. 1 is a schematic view of the structure of an aluminum nitride sintered body of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 窒化アルミニウム結晶粒 2 窒化アルミニウム結晶粒の3重点 3 窒化アルミニウム結晶の2粒子界面 1 Aluminum nitride crystal grains 2 Triple points of aluminum nitride crystal grains 3 Two-grain interface of aluminum nitride crystal

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G001 BA03 BA08 BA09 BA36 BA73 BC11 BC13 BC51 BC52 BC54 BD03 BD14 BD23 BE31    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 4G001 BA03 BA08 BA09 BA36 BA73                       BC11 BC13 BC51 BC52 BC54                       BD03 BD14 BD23 BE31

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 粒界相にサマリウム(Sm)・イットリ
ウム(Y)・アルミニウム(Al)系複合酸化物が存在
し、密度が3.1g/cm3 以上、3点曲げ強度が40
0MPa以上であることを特徴とする窒化アルミニウム
焼結体。
1. A samarium (Sm) -yttrium (Y) -aluminum (Al) -based composite oxide is present in the grain boundary phase and has a density of 3.1 g / cm 3 or more and a three-point bending strength of 40.
An aluminum nitride sintered body having a pressure of 0 MPa or more.
【請求項2】 窒化アルミニウム結晶組織の3重点に存
在するサマリウム(Sm)・イットリウム(Y)・アル
ミニウム(Al)系複合酸化物のY/Smの原子数比が
3以下であり、窒化アルミニウム結晶組織の2粒子界面
に存在するサマリウム(Sm)・イットリウム(Y)・
アルミニウム(Al)系複合酸化物のY/Smの原子数
比が3より大きいことを特徴とする請求項1記載の窒化
アルミニウム焼結体。
2. The samarium (Sm) -yttrium (Y) -aluminum (Al) -based composite oxide present at the triple points of the aluminum nitride crystal structure has an atomic ratio of Y / Sm of 3 or less, and an aluminum nitride crystal. Samarium (Sm), yttrium (Y), present at the interface between two particles of tissue
The aluminum nitride sintered body according to claim 1, wherein the atomic ratio of Y / Sm of the aluminum (Al) -based composite oxide is larger than 3.
【請求項3】 酸素量が3質量%以下、平均粒径が5μ
m以下の窒化アルミニウム原料粉末に、アルミニウム酸
化物0.02〜2質量%と、サマリウム又はその化合物
及びイットリウム又はその化合物を酸化物換算の合計で
0.1〜10質量%で、しかもSm23/(Sm23
23)のモル比が0.05〜0.9として存在させ、
非酸化性雰囲気中、1500℃以上の昇温速度を1℃/
分以下にして焼結温度1600〜1900℃まで高め、
その焼結温度内で0.2〜2時間保持した後冷却するこ
とを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
3. The amount of oxygen is 3% by mass or less, and the average particle size is 5 μm.
In the aluminum nitride raw material powder of m or less, 0.02 to 2 mass% of aluminum oxide, 0.1 to 10 mass% of samarium or its compound and yttrium or its compound in terms of oxide, and Sm 2 O 3 / (Sm 2 O 3 +
Y 2 O 3 ) is present in a molar ratio of 0.05 to 0.9,
In a non-oxidizing atmosphere, increase the temperature rise rate of 1500 ° C or more to 1 ° C /
In less than a minute, the sintering temperature is increased to 1600 to 1900 ° C,
A method for producing an aluminum nitride sintered body, which comprises holding the sintering temperature for 0.2 to 2 hours and then cooling.
【請求項4】 請求項1又は2記載の窒化アルミニウム
焼結体を窒化アルミニウム基板として用い、その表面に
金属回路を形成させてなることを特徴とする回路基板。
4. A circuit board comprising the aluminum nitride sintered body according to claim 1 or 2 as an aluminum nitride substrate, and a metal circuit formed on the surface thereof.
JP2001204559A 2001-07-05 2001-07-05 Aluminum nitride sintered body, production method and use thereof Expired - Fee Related JP5073135B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001204559A JP5073135B2 (en) 2001-07-05 2001-07-05 Aluminum nitride sintered body, production method and use thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001204559A JP5073135B2 (en) 2001-07-05 2001-07-05 Aluminum nitride sintered body, production method and use thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003020282A true JP2003020282A (en) 2003-01-24
JP5073135B2 JP5073135B2 (en) 2012-11-14

Family

ID=19041002

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001204559A Expired - Fee Related JP5073135B2 (en) 2001-07-05 2001-07-05 Aluminum nitride sintered body, production method and use thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5073135B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006062907A (en) * 2004-08-26 2006-03-09 Dowa Mining Co Ltd Aluminum-ceramic joined substrate
JP2009249221A (en) * 2008-04-04 2009-10-29 Tokuyama Corp Aluminum nitride sintered compact, and method for producing the same
JP2017132669A (en) * 2016-01-29 2017-08-03 日本特殊陶業株式会社 Aluminum nitride sintered compact and method for producing the same
KR20210078722A (en) * 2019-12-19 2021-06-29 한국세라믹기술원 Aluminium nitride sintered body having excellent thermophysical properties and manufacturing method of the same

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1154603A (en) * 1997-08-06 1999-02-26 Ngk Insulators Ltd Semiconductor support device
JP2001002474A (en) * 1999-06-17 2001-01-09 Denki Kagaku Kogyo Kk Aluminum nitride sintered body and its production and use
JP2001064079A (en) * 1999-08-25 2001-03-13 Sumitomo Electric Ind Ltd Aluminum nitride sintered body and its production

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1154603A (en) * 1997-08-06 1999-02-26 Ngk Insulators Ltd Semiconductor support device
JP2001002474A (en) * 1999-06-17 2001-01-09 Denki Kagaku Kogyo Kk Aluminum nitride sintered body and its production and use
JP2001064079A (en) * 1999-08-25 2001-03-13 Sumitomo Electric Ind Ltd Aluminum nitride sintered body and its production

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006062907A (en) * 2004-08-26 2006-03-09 Dowa Mining Co Ltd Aluminum-ceramic joined substrate
JP2009249221A (en) * 2008-04-04 2009-10-29 Tokuyama Corp Aluminum nitride sintered compact, and method for producing the same
JP2017132669A (en) * 2016-01-29 2017-08-03 日本特殊陶業株式会社 Aluminum nitride sintered compact and method for producing the same
KR20210078722A (en) * 2019-12-19 2021-06-29 한국세라믹기술원 Aluminium nitride sintered body having excellent thermophysical properties and manufacturing method of the same
KR102371925B1 (en) 2019-12-19 2022-03-07 한국세라믹기술원 Aluminium nitride sintered body having excellent thermophysical properties and manufacturing method of the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP5073135B2 (en) 2012-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5245405B2 (en) Silicon nitride substrate, manufacturing method thereof, silicon nitride wiring substrate using the same, and semiconductor module
JP4997431B2 (en) Method for producing high thermal conductivity silicon nitride substrate
US10308560B2 (en) High thermal conductive silicon nitride sintered body, and silicon nitride substrate and silicon nitride circuit board and semiconductor apparatus using the same
JP2018184333A (en) Method of manufacturing silicon nitride substrate and silicon nitride substrate
KR101751531B1 (en) Method for producing silicon nitride substrate
JP7062229B2 (en) Plate-shaped silicon nitride sintered body and its manufacturing method
JPH09157054A (en) Circuit board
US8791566B2 (en) Aluminum nitride substrate, aluminum nitride circuit board, semiconductor apparatus, and method for manufacturing aluminum nitride substrate
JP2698780B2 (en) Silicon nitride circuit board
CN116134608A (en) Silicon nitride substrate and method for manufacturing same
JP4556162B2 (en) Silicon nitride-based sintered body, method for producing the same, and circuit board using the same
JP2009215142A (en) Silicon nitride substrate, method for producing the same, silicon nitride circuit board using the same, and semiconductor module
JP5073135B2 (en) Aluminum nitride sintered body, production method and use thereof
JPH11100274A (en) Silicon nitride sintered compact, its production and circuit board
JP2002029849A (en) Sintered silicon nitride compact and method for manufacturing the same as well as circuit board using the same
JP4142556B2 (en) Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof
JP3683067B2 (en) Aluminum nitride sintered body
JP3973407B2 (en) Method for producing aluminum nitride sintered body
JP2002029851A (en) Silicon nitride composition, method for manufacturing sintered silicon nitride compact using the same and sintered silicon nitride compact
JP2000244121A (en) Silicon nitride wiring board and manufacture thereof
JP4761617B2 (en) Aluminum nitride sintered body, method for producing the same, and electronic component using the same
JP7339979B2 (en) Manufacturing method of silicon nitride sintered body
JP4763929B2 (en) Aluminum nitride sintered body, manufacturing method thereof, and circuit board using the sintered body
JP2001019555A (en) Silicon nitride sintered compact and substrate using the same
JP5043260B2 (en) Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080627

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100728

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20111101

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120104

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120417

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120515

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120814

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120822

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150831

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees