【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウムセラミックス（ＡＩＮ焼結体）接合体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化アルミニウムセラミックス接合体としては、被接合体同士を酸化イットリウム（イットリア：Ｙ２Ｏ３）や酸化イットリウムアルミニウム（アルミン酸イットリウム：２Ｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３（ＹＡｌＯ３）、３Ｙ２Ｏ３・５Ａｌ２Ｏ３、（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２））等の接合剤で接合したもの、あるいは被接合体同士を直にホットプレス接合したものが知られている。
【０００３】
前者の窒化アルミニウムセラミックス接合体は、上述した酸化イットリウムや酸化イットリウムアルミニウム等の酸化アルミニウムセラミックスを得る焼成過程で液相若しくは液相となり得るものを被接合体の接合界面に介在させ、熱処理することにより製造され、後者の窒化アルミニウムセラミックス接合体は、被接合体としての成形体（脱脂体を含む）同士、又は成形体と焼結体（仮焼体を含む）を重ね合わせてホットプレス処理することにより製造されものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の窒化アルミニウムセラミックス接合体における接合剤を介して接合したものは、その接合強度が接合剤の強度に大きく支配され、窒化アルミニウムセラミックスの強度よりも低いものとなってしまう不具合がある。
これは、一般的な窒化アルミニウムセラミックスの曲げ強さが３００〜４００ＭＰａ程度であるのに対し、接合界面に残留する接合剤由来の酸化イットリウムアルミニウムの曲げ強さが２００〜２５０ＭＰａと低いことによる。
又、接合界面に残留する酸化イットリウムアルミニウムが靱性に乏しいため、接合部が破損し易い不具合がある。
更に、接合界面に残留する酸化イットリウムアルミニウムの熱伝導率が一般的な窒化アルミニウムセラミックスの１／１０程度と小さいため、接合部が熱伝達を阻害してしまう不具合もある。
【０００５】
一方、直にホットプレス接合したのは、隣接する一方の被接合体として必ず成形体を用いるため、その破壊を生じ易く、複雑形状の接合体を得ることが困難となる不具合がある。
又、接合界面には、ボイドが生じ易く、高い接合強度及び大きな熱伝導率を得ることが困難となる不具合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、複雑形状品を得ることができると共に、接合界面での接合強度及び熱伝導率を通常の窒化アルミニウムセラミックスとほぼ同等とし得る窒化アルミニウムセラミックス接合体及びその製造方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の窒化アルミニウムセラミックス接合体は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる被接合体同士の接合界面における窒化アルミニウム粒子が酸化イットリウムアルミニウムを粒界相として互いに焼結されてることを特徴とする。
【０００８】
一方、窒化アルミニウムセラミックス接合体の製造方法は、窒化アルミニウムを主成分とする成形体、脱脂体、仮焼体及び焼結体を、焼成によって液相の酸化イットリウムアルミニウムを生成するイットリウム化合物の含有量を隣接するもの同士で異ならせた任意の組み合わせで重ね合わせてホットプレスすることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明の窒化アルミニウムセラミックス接合体においては、接合界面部の粒子構造が、イットリウム化合物を焼結助剤とする通常の窒化アルミニウムセラミックスと同様のものとなる。
【００１０】
一方、窒化アルミニウムセラミックス接合体の製造方法においては、ホットプレスにより接合界面近傍において液相化した酸化イットリウムアルミニウムが、濃度勾配を駆動力として含有量の多い被接合体から少ない被接合体へ移動する現象を呈する。
【００１１】
焼成によって液相の酸化イットリウムアルミニウムを生成するイットリウム化合物としては、酸化イットリウム、その他が挙げられる。
隣接する一方の被接合体は、焼成によって液相の酸化イットリウムアルミニウムを生成するイットリウム化合物が零であってもよい。
この場合、一方の被接合体は、カルシウム（Ｃａ）を含有する窒化アルミニウム原料粉末等を用いて形成される。又、他方の被接合体は、イットリウム化合物をイットリウム換算で１０００〜５００００ｐｐｍ含有するようにする。
隣接する両方の被接合体が、イットリウム化合物を含有する場合、両者のイットリウム化合物の含有量の比は、１：４〜１：２であればよい。
ホットプレス温度は、酸化イットリウムアルミニウムが液相化する温度以上であればよい。この温度は、ホットプレス圧力に依存するため、一概には決められないが、一般的には１７００℃以上である。
ホットプレス圧力は、接合界面を十分に馴染ませるために接合界面において５ＭＰａ以上であることが望ましく、より望ましは１０〜３０ＭＰａである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的な実施例、比較例を参照して説明する。
実施例１〜４、比較例１〜３
先ず、平均粒径０．８μｍ、純度９９．９％の窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤として表１に示す重量割合の平均粒径１μｍの酸化イットリウム粉末、バインダ（結合剤）としてポリビニルブチラール（ＰＶＢ）３ｗｔ％、及び適量のメタノールを添加、混合してスラリーを調製し、このスラリーをスプレードライヤによって造粒して平均粒径６０μｍの造粒粉を得た。
次に、造粒粉を一軸金型プレスにより３０ＭＰａの圧力で成形し、更に、１００ＭＰａの圧力で冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）処理して表１に示す３種類の成形体１，２，３（５０×５０×５０ｍｍ）を得た。
【００１３】
【表１】
【００１４】
次いで、得られた３種類の成形体１，２，３を大気雰囲気において最高６００℃の温度で加熱して脱脂してそれぞれの脱脂体１，２，３とした後、３種類の脱脂体１，２，３を常圧窒素ガス雰囲気において最高１８５０℃の温度で焼成してそれぞれの焼結体１，２，３を得た。
得られた３種類の焼結体１，２，３中に残留するイットリウム量を誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析により定量したところ、表２に示す値となり、又、それぞれの焼結体１，２，３の４点曲げ強さ及び熱伝導率を測定したところ、それぞれ表２に示す値となった。
【００１５】
【表２】
【００１６】
次に、各種の焼結体１，２，３の被接合面を平面削盤にて研削して平滑な面とし、洗浄、乾燥した後、被接合体としての成形体１，２，３、脱脂体１，２，３及び焼結体１，２，３を表３に示す組み合わせで重ね合わせてホットプレス接合を行った。
ホットプレス条件は、窒素ガス雰囲気、加熱温度最高１７５０℃、保持時間３時間、接合圧力２０ＭＰａである。
得られた各接合体を加工し、４点曲げ法による曲げ試験（ＪＩＳ Ｒ １６２４）を行い、又、接合界面に垂直に熱伝達が生じる方向で熱伝導率測定を行ったところ、それぞれの４点曲げ強さ及び熱伝導率は、表３に示すようになった。
又、実施例１〜４の接合界面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、被接合体同士の接合界面部における窒化アルミニウム粒子が酸化イットリウムアルミニウムを粒界相として互いに焼結されており、イットリウム化合物を焼結助剤とする通常の窒化アルミニウムセラミックスと同様の粒子構造であることが分った。
【００１７】
【表３】
【００１８】
表２、表３から分かるように、被接合体を、焼成によって液相の酸化イットリウムアルミニウムを生成するイットリウム化合物の含有量を隣接するもの同士で異ならせてホットプレスすることにより、従来のホットプレス接合のように被接合体が破壊されることがなく、接合界面での接合強度及び熱伝導率がイットリウム化合物を焼結助剤とする通常の窒化アルミニウムセラミックスとほぼ同等となる。
【００１９】
なお、上述した実施の形態においては、被接合体として成形体、脱脂体及び焼結体を任意に組み合わせる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、成形体、脱脂体及び焼結体に仮焼体を被接合体として加えるようにしてもよい。
又、被接合体は、いずれも焼成によって液相の酸化イットリウムアルミニウムを生成するイットリウム化合物、すなわち、焼結助剤を含有するものとする場合に限らず、隣接する一方の被接合体は、焼結助剤を含有しないもの、例えば、カルシウムを含有する窒化アルミニウム粉末、超微粉（０．３μｍ以下程度）の窒化アルミニウム粉末等を用いて形成したものであってもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化アルミニウムセラミックス接合体によれば、接合界面部の粒子構造が、イットリウム化合物を焼結助剤とする通常の窒化アルミニウムセラミックスと同様のものとなるので、従来のように被接合体の破壊を招来することなく、複雑形状品を得ることができると共に、従来のように接合界面にボイドの残留がなく、接合界面での接合強度及び熱伝導率を、通常の窒化アルミニウムセラミックスのそれらとほぼ同等とすることができる。
【００２１】
一方、窒化アルミニウムセラミックス接合体の製造方法によれば、ホットプレスにより接合界面近傍において液相化した酸化イットリウムアルミニウムが、濃度勾配を駆動力として含有量の多い被接合体から少ない被接合体へ移動する現象を呈するので、接合界面部における各々の被接合体の窒化アルミニウム粒子を、酸化イットリウムアルミニウムを粒界相として焼結することができ、得られる窒化アルミニウム接合体を上述した効果を奏するものとすることができる。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a joined body of aluminum nitride ceramics (AIN sintered body) and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as an aluminum nitride ceramics joined body, the joined objects are made of yttrium oxide (yttrium: Y 2 O 3 ) or yttrium aluminum oxide (yttrium aluminate: 2Y 2 O 3 .Al 2 O 3 , Y 2 O 3 .Al). One bonded with a bonding agent such as 2O 3 (YAlO 3 ), 3Y 2 O 3 .5Al 2 O 3 , (Y 3 Al 5 O 12 ), or one directly hot-press bonded between the workpieces Are known.
[0003]
The former aluminum nitride ceramic bonded body is obtained by interposing a liquid phase or a liquid phase in a firing process of obtaining aluminum oxide ceramics such as yttrium oxide or yttrium aluminum oxide at a bonding interface of a bonded body and performing heat treatment. Manufactured, the latter aluminum nitride ceramics joined body, hot-press processing by superimposing molded bodies (including degreased bodies), or molded bodies and sintered bodies (including calcined bodies) as bonded bodies It is manufactured by
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, a conventional aluminum nitride ceramics joined body joined via a bonding agent has a disadvantage that the bonding strength is largely controlled by the strength of the bonding agent and is lower than the strength of the aluminum nitride ceramics.
This is because the bending strength of yttrium aluminum oxide derived from a bonding agent remaining at the bonding interface is as low as 200 to 250 MPa, while the bending strength of general aluminum nitride ceramics is about 300 to 400 MPa.
Further, since the yttrium aluminum oxide remaining at the bonding interface has poor toughness, there is a problem that the bonding portion is easily broken.
Furthermore, since the thermal conductivity of yttrium aluminum oxide remaining at the bonding interface is as small as about 1/10 of that of general aluminum nitride ceramics, there is a problem that the bonded portion hinders heat transfer.
[0005]
On the other hand, direct hot-press bonding is disadvantageous in that a molded body is always used as one of the adjoining bodies to be bonded, so that the body is easily broken and it is difficult to obtain a bonded body having a complicated shape.
Further, there is a problem that voids are easily generated at the bonding interface, and it is difficult to obtain high bonding strength and high thermal conductivity.
[0006]
Therefore, the present invention provides an aluminum nitride ceramics joined body and a method for producing the same, which can obtain a product having a complicated shape, and can have a joining strength and a thermal conductivity at a joining interface substantially equal to those of ordinary aluminum nitride ceramics. As an issue.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, an aluminum nitride ceramics joined body of the present invention is characterized in that aluminum nitride particles at a joining interface between objects to be joined made of ceramics containing aluminum nitride as a main component are mutually sintered using yttrium aluminum oxide as a grain boundary phase. It is characterized by being done.
[0008]
On the other hand, a method for producing an aluminum nitride ceramics joined body includes a method of producing a yttrium aluminum oxide in a liquid phase by firing a molded body, a degreased body, a calcined body, and a sintered body mainly containing aluminum nitride. Are hot-pressed by overlapping in any combination that is different between adjacent ones.
[0009]
[Action]
In the joined body of the aluminum nitride ceramics of the present invention, the grain structure at the joint interface is the same as that of a normal aluminum nitride ceramics using an yttrium compound as a sintering aid.
[0010]
On the other hand, in the method for manufacturing an aluminum nitride ceramics joined body, yttrium aluminum oxide liquidized near the joining interface by hot pressing moves from a high-content body to a small-body body using a concentration gradient as a driving force. Exhibit a phenomenon.
[0011]
Examples of the yttrium compound that produces yttrium aluminum oxide in a liquid phase upon firing include yttrium oxide and others.
The adjacent one of the members to be bonded may have no yttrium compound that generates yttrium aluminum oxide in a liquid phase upon firing.
In this case, one of the joined objects is formed using an aluminum nitride raw material powder containing calcium (Ca) or the like. The other member to be bonded contains the yttrium compound in an amount of 1000 to 50,000 ppm in terms of yttrium.
When both the adjoining objects contain the yttrium compound, the ratio of the contents of the two yttrium compounds may be 1: 4 to 1: 2.
The hot pressing temperature may be at least the temperature at which yttrium aluminum oxide becomes liquid. Since this temperature depends on the hot press pressure, it cannot be unconditionally determined, but is generally 1700 ° C. or higher.
The hot pressing pressure is desirably 5 MPa or more at the bonding interface in order to sufficiently adapt the bonding interface, and more desirably 10 to 30 MPa.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to specific examples and comparative examples.
Examples 1-4, Comparative Examples 1-3
First, an aluminum nitride powder having an average particle diameter of 0.8 μm and a purity of 99.9%, yttrium oxide powder having an average particle diameter of 1 μm in a weight ratio shown in Table 1 as a sintering aid, and polyvinyl butyral (binder) as a binder (binder) ( A slurry was prepared by adding and mixing 3 wt% of PVB) and an appropriate amount of methanol, and this slurry was granulated by a spray dryer to obtain granulated powder having an average particle diameter of 60 μm.
Next, the granulated powder was molded by a uniaxial die press at a pressure of 30 MPa, and further subjected to a cold isostatic press (CIP) treatment at a pressure of 100 MPa to obtain three types of molded products 1, 2, 3 shown in Table 1. (50 × 50 × 50 mm).
[0013]
[Table 1]
[0014]
Then, the obtained three types of molded bodies 1, 2, 3 are heated at a maximum temperature of 600 ° C. in an air atmosphere to degrease them to obtain degreased bodies 1, 2, 3, respectively. , 2, and 3 were fired at a maximum temperature of 1850 ° C. in a nitrogen gas atmosphere at normal pressure to obtain respective sintered bodies 1, 2, and 3.
The amount of yttrium remaining in the obtained three types of sintered bodies 1, 2 and 3 was quantified by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy, and the results shown in Table 2 were obtained. , 2, and 3 were measured for the four-point bending strength and the thermal conductivity.
[0015]
[Table 2]
[0016]
Next, the surfaces to be joined of the various sintered bodies 1, 2, 3 are ground to a smooth surface by a plane grinder, washed and dried, and then molded bodies 1, 2, 3, as the objects to be joined. The degreased bodies 1, 2, and 3 and the sintered bodies 1, 2, and 3 were overlapped with each other in combinations shown in Table 3 and hot-pressed.
The hot pressing conditions are a nitrogen gas atmosphere, a maximum heating temperature of 1750 ° C., a holding time of 3 hours, and a bonding pressure of 20 MPa.
Each of the obtained joined bodies was processed and subjected to a bending test (JIS R 1624) by a four-point bending method, and the thermal conductivity was measured in a direction in which heat transfer occurred perpendicular to the joining interface. Table 3 shows the point bending strength and the thermal conductivity.
When the bonding interfaces of Examples 1 to 4 were observed with a scanning electron microscope (SEM), it was found that aluminum nitride particles at the bonding interface between the members to be bonded were sintered to each other with yttrium aluminum oxide as a grain boundary phase. It was found that the particle structure was the same as that of a normal aluminum nitride ceramic using an yttrium compound as a sintering aid.
[0017]
[Table 3]
[0018]
As can be seen from Tables 2 and 3, the conventional hot pressing is performed by subjecting the article to be joined to hot pressing by changing the content of the yttrium compound that produces yttrium aluminum oxide in the liquid phase between adjacent ones. The joined body is not broken unlike joining, and the joining strength and the thermal conductivity at the joining interface are almost equal to those of a normal aluminum nitride ceramic using an yttrium compound as a sintering aid.
[0019]
In the above-described embodiment, a case has been described in which a molded body, a degreased body, and a sintered body are arbitrarily combined as a member to be joined. However, the present invention is not limited to this, and the molded body, the degreased body, and the sintered body are not limited thereto. A calcined body may be added to the body as a body to be joined.
In addition, each of the objects to be bonded is not limited to the case of containing an yttrium compound that generates yttrium aluminum oxide in a liquid phase upon firing, that is, a sintering aid. A material containing no binder, for example, an aluminum nitride powder containing calcium, an aluminum nitride powder of ultrafine powder (about 0.3 μm or less), or the like may be used.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the aluminum nitride ceramics joined body of the present invention, the grain structure at the joint interface is similar to that of a normal aluminum nitride ceramics using an yttrium compound as a sintering aid. As described above, it is possible to obtain a product having a complicated shape without causing the destruction of the object to be joined, and there is no void at the joining interface as in the related art, and the joining strength and the thermal conductivity at the joining interface can be reduced by a normal value. It can be almost equivalent to those of aluminum nitride ceramics.
[0021]
On the other hand, according to the method for manufacturing an aluminum nitride ceramics joined body, yttrium aluminum oxide liquidized near the joining interface by hot pressing moves from a high-joined body to a small-joined body using a concentration gradient as a driving force. Therefore, the aluminum nitride particles of each bonded object at the bonding interface can be sintered with yttrium aluminum oxide as a grain boundary phase, and the obtained aluminum nitride bonded body has the above-described effects. can do.
