JP2773416B2 - Aluminum nitride sintered body and method for producing the same - Google Patents
Aluminum nitride sintered body and method for producing the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 (発明の目的) [産業上の利用分野] 本発明は、窒化アルミニウム焼結体およびその製造方
法に関し、さらに詳しくは窒化アルミニウム結晶中に微
細粒子が分散した緻密、高熱伝導、高強度でかつ遮光性
に優れた窒化アルミニウム燒結体およびその製造方法に
関する。The present invention relates to an aluminum nitride sintered body and a method for producing the same, and more particularly, to a dense and high-heat method in which fine particles are dispersed in aluminum nitride crystals. The present invention relates to an aluminum nitride sintered body having high conductivity, high strength and excellent light shielding properties, and a method for producing the same.
[従来の技術] 最近の電子産業を中心とした技術進歩はめざましく、
使用される材料に要求される特性も厳しくなっている。
たとえば、半導体においてはその集積度、処理速度の増
大により、発熱量、発熱密度が急激に増大しており、基
板材料に要求される放熱特性が激しいものになってい
る。そのため従来のAl2O3基板では熱伝導率が低く放熱
性が不十分であり、半導体の発熱量増大に対応できなく
なっている。このためAl2O3に代わる基板材料として酸
化ベリリウム(BeO)が挙げられるが、BeOは毒性があり
取扱いが難しい欠点がある。そのために新しい材料が要
求されている。[Prior art] The recent technological progress centered on the electronics industry is remarkable,
The properties required for the materials used are becoming more stringent.
For example, in semiconductors, the amount of heat generation and the heat generation density are rapidly increasing due to the increase in the degree of integration and processing speed, and the heat radiation characteristics required for the substrate material are becoming severe. For this reason, the conventional Al 2 O 3 substrate has low thermal conductivity and insufficient heat dissipation, and cannot cope with an increase in the heat generation of the semiconductor. For this reason, beryllium oxide (BeO) can be cited as a substrate material in place of Al 2 O 3 , but BeO has the drawback of being toxic and difficult to handle. Therefore, new materials are required.
また自動車分野においては、地球環境の保護の必要か
らエンジン効率の向上を目指して、車体の軽量化は勿
論、エンジン系の軽量化、高効率化が追求されている。
特に高熱部分においては、軽量、高耐熱、高強度かつ高
熱伝導性の材料が必要とされ、もはや従来の金属材料で
は対応できず、セラミック材料が検討されている。しか
しながら従来のセラミック材料では、強度と熱伝導率を
同時に満足できるものは存在しなかった。In the automotive field, in order to improve engine efficiency due to the need to protect the global environment, not only weight reduction of the vehicle body but also weight reduction and high efficiency of the engine system are pursued.
Particularly, in the high heat portion, a material having a light weight, a high heat resistance, a high strength and a high thermal conductivity is required, and a conventional metal material can no longer cope therewith, and a ceramic material is being studied. However, none of the conventional ceramic materials can satisfy both strength and thermal conductivity at the same time.
一方窒化アルミニウム(AlN)は、高熱伝導性かつ高
電気絶縁性の物質であり、しかも毒性もなく資源も豊富
なことから、安価に焼結体が得られれば、上記した要求
特性を満足しうるため、古くから研究開発が行われてき
た。AlNは焼結性が悪く、AlN単独での緻密化は困難であ
る。そのため焼結助剤が添加される。たとえば特開昭60
−71575に示されるように、アルカリ土類金属、イット
リウム及びランタン族金属からなる群の一種または二種
以上の金属の化合物が用いられてきた。AlN本来の材料
特性を発揮させ、有用な材料とするための研究開発は、
このような緻密質焼結体を前提として、次の三つの方向
で行われてきた。第一の方向としては、高強度材料を得
て構造材料として用いることを意図したものであり、繊
維状の組織とすることで機械的強度向上を達成する方向
である。たとえば特公昭56−36153によれば、SiO2又は
シリケート鉱物を添加して高強度のAlN焼結体を得てい
る。しかしながらこの場合には熱伝導性を犠牲にして高
強度を達成しており、AlN本体の特性を十分に発揮させ
たとは言い難いものであった。On the other hand, aluminum nitride (AlN) is a substance having high thermal conductivity and high electrical insulation, and is toxic and has abundant resources. Therefore, if a sintered body can be obtained at low cost, the above-mentioned required characteristics can be satisfied. Therefore, research and development has been carried out for a long time. AlN has poor sinterability, and it is difficult to make AlN alone dense. Therefore, a sintering aid is added. For example,
As shown in -71575, compounds of one or more metals from the group consisting of alkaline earth metals, yttrium and lanthanum group metals have been used. Research and development to make AlN's original material properties effective and useful
On the premise of such a dense sintered body, it has been performed in the following three directions. The first direction is intended to obtain a high-strength material and use it as a structural material, and to achieve a mechanical strength improvement by forming a fibrous structure. For example, according to Japanese Patent Publication No. 56-36153, a high-strength AlN sintered body is obtained by adding SiO 2 or a silicate mineral. However, in this case, high strength was achieved at the expense of thermal conductivity, and it was hard to say that the characteristics of the AlN main body were fully exhibited.
第二の方向としては、熱伝導性を高めることを優先さ
せた開発方向である。たとえば特開昭60−71575には、
高純度のAlN原料粉末を用いることによって、高熱電導
性の焼結体を得ている。この焼結体は、波長6μmの赤
外光の吸収係数が20cm-1程度であり、60W/m・Kを越え
る熱伝導率を有するものである。さらに特開昭63−3038
63においては、焼結時間を延長し、添加した焼結助剤の
量を減少せしめることによって、さらに高い熱導伝率の
ものを得ている。この場合には200W/m・K以上の熱伝導
率で、波長500nmの光の吸収係数が50cm-1以上の透光性
のものを得ている。しかしながらこの開発方向で得られ
たAlN焼結体は、いずれも熱伝導性には優れているが、A
lN粒子の粗大化が著しいため材料強度が低く、実用上信
頼性の低いものであった。また透光性があるために、た
とえば半導体パッケージ用の材料としては好ましくない
とされている。The second direction is a development direction that prioritizes enhancing thermal conductivity. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
By using a high-purity AlN raw material powder, a sintered body having high thermal conductivity is obtained. This sintered body has an absorption coefficient of infrared light having a wavelength of 6 μm of about 20 cm −1 and a thermal conductivity exceeding 60 W / m · K. Further, JP-A-63-3038
In 63, a higher thermal conductivity is obtained by extending the sintering time and decreasing the amount of sintering aid added. In this case, a light-transmitting material having a thermal conductivity of 200 W / m · K or more and an absorption coefficient of light at a wavelength of 500 nm of 50 cm −1 or more is obtained. However, although the AlN sintered bodies obtained in this development direction have excellent thermal conductivity,
The material strength was low due to remarkable coarsening of the lN particles, and the reliability was practically low. Further, it is said that it is not preferable as a material for a semiconductor package, for example, because of its light transmitting property.
第三の方向としては、第二の方向の改良として特定の
化合物を添加して遮光性を持たせる、あるいはメタライ
ズ性を改良するといった方向である。たとえば特開昭62
−153173によれば、周期律表の4a、5a、6a、7a、8族元
素を添加し、低温焼結が可能であり緻密かつ高熱伝導性
の着色されたAlNが得られている。しかしながらこれら
のものでは、その熱伝導率は高々100W/m・K程度、その
抗折強度は高々60kg/mm2程度である。特開昭61−270262
には、メタライズ強度を向上させるために、周期律表の
4a、5a、6a族元素の硼化物、窒化物、炭化物を添加した
AlN焼結体が開示されているが、この焼結体は、添加し
たこれらのAlN粒子の粒界に存在せしめ、メタライズ性
を向上させたものである。しかしながらその熱伝導率は
120W/m・K程度と低く、その機械的強度、光の透過性に
ついては何の記述もない。特開平2−124772には、AlN
を主成分としTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Co、Mo、W、M
n、Fe、Co、Ni、Nd、Hoから選ばれた一種以上の金属元
素を含み、150W/m・K以上の熱伝導率を有するAlN焼結
体が開示されている。この焼結体は遮光性があり、かつ
高熱伝導性ではあるが、その強度については低レベルで
ある。The third direction is a direction in which a specific compound is added to improve the second direction to provide a light-shielding property, or to improve a metallizing property. For example, JP 62
According to -153173, a colored AlN that can be sintered at a low temperature, is dense and has high thermal conductivity is obtained by adding elements of Groups 4a, 5a, 6a, 7a and 8 of the periodic table. However, these materials have a thermal conductivity of at most about 100 W / m · K and a flexural strength of at most about 60 kg / mm 2 . JP-A-61-270262
In order to improve the metallization strength,
Added borides, nitrides and carbides of group 4a, 5a and 6a elements
Although an AlN sintered body is disclosed, the sintered body is present at the grain boundary of these added AlN particles to improve metallization. However, its thermal conductivity is
It is as low as about 120 W / m · K, and there is no description about its mechanical strength and light transmittance. JP-A-2-124772 discloses AlN
With Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Co, Mo, W, M
An AlN sintered body containing at least one metal element selected from n, Fe, Co, Ni, Nd, and Ho and having a thermal conductivity of 150 W / m · K or more is disclosed. This sintered body has a light-shielding property and a high thermal conductivity, but has a low level of strength.
すなわち従来のAlN焼結体の研究開発方向は、同焼結
体中の酸素を中心とした不純物を極力減少せしめること
によって、高い熱伝導性を追求することが中心であり、
その一部において機械的強度の向上を図ったり、添加物
種の検討によってその粒界相を改良してメタライズ強度
の向上やその着色を図ったりすることも行われてきた。
ましてや熱伝導性とともに機械的強度・遮光性の改善を
図るという試みについては、なされてこなかった。In other words, the research and development direction of the conventional AlN sintered body is focused on pursuing high thermal conductivity by reducing impurities, mainly oxygen, in the sintered body as much as possible.
In some of them, the mechanical strength has been improved, and the grain boundary phase has been improved by studying the type of additive to improve the metallized strength and to improve the coloring.
Furthermore, no attempt has been made to improve mechanical strength and light-shielding properties as well as thermal conductivity.
[発明が解決しようとする課題] 現在までのAlN焼結体の開発法向は、以上のようにAlN
の熱伝導性の向上という課題の追求に偏ったものであ
り、AlN本来の特性を十分に利用できるまでには至って
おらず、また実用上必要な諸特性を必ずしも充足してい
るとは言い難い状況にある。すなわち本発明の課題は、
緻密で高熱伝導性、高強度かつ遮光性に優れた窒化アル
ミニウムを提供することである。[Problems to be Solved by the Invention] The development direction of AlN sintered bodies up to now is
Of AlN has not been able to fully utilize the inherent properties of AlN, and it cannot be said that the properties required for practical use are necessarily satisfied. In the situation. That is, the object of the present invention is to
An object of the present invention is to provide aluminum nitride which is dense, has high thermal conductivity, high strength, and is excellent in light-shielding properties.
[発明の構成] (課題を解決するための手段及び作用) 本発明者等は、上記目的を達成すべくAlN焼結体につ
いて、AlN原料粉末を含めて実験を進めた結果、新規な
組織構造のAlN焼結体を見出し本発明を完成した。[Constitution of the Invention] (Means and Actions for Solving the Problems) The present inventors have conducted experiments on AlN sintered bodies, including AlN raw material powder, in order to achieve the above-mentioned object, and as a result, have found a novel microstructure. Of the present invention and completed the present invention.
すなわち特定の結晶構造を持つ微細な化合物をAlN粒
子内に分散させた特異な組織構造のAlN焼結体とするこ
とによって、優れた熱伝導性、機械的特性を有し、なお
かつ優れた遮光性を有するものの得られることが明らか
になった。一般にAlNは六方晶系に属し、ウルツ鉱型の
結晶構造をとる。本発明では、これとは異なった結晶系
に属する化合物を窒化アルミニウム結晶格子内に固溶さ
せることなく、同結晶粒子内に微細分散させる。分散さ
せる化合物の好ましい結晶系は立方晶系であり、特にNa
Cl構造であることがより好ましい。このようにすること
によって熱伝導性、遮光性とともに特に抗折強度を高め
ることができる。ちなみにAlNと同じ結晶系のBeOあるい
はTiB2等の結晶は、AlN粒子内には分布し難く、またそ
の結果上記特性の向上も十分なものとはならない。この
ようにすることによって熱伝導性、遮光性とともに特に
抗折強度を高めることができる。In other words, by forming an AlN sintered body with a unique structure structure in which a fine compound having a specific crystal structure is dispersed in AlN particles, it has excellent thermal conductivity and mechanical properties, and also has excellent light shielding properties It was found that those having the following were obtained. Generally, AlN belongs to a hexagonal system and has a wurtzite type crystal structure. In the present invention, a compound belonging to a different crystal system is finely dispersed in the aluminum nitride crystal lattice without forming a solid solution in the crystal lattice. The preferred crystal system of the compound to be dispersed is a cubic system,
More preferably, it has a Cl structure. By doing so, it is possible to enhance not only the thermal conductivity and the light-shielding property but also especially the bending strength. Incidentally crystals 2 such BeO or TiB the same crystal system as AlN is hardly distributed to the AlN particles and not as a result be sufficient improvement in the characteristics. By doing so, it is possible to enhance not only the thermal conductivity and the light-shielding property but also especially the bending strength.
すなわち本発明の提供する窒化アルミニウム焼結体
は、六方晶系のウルツ鉱構造を有する平均粒径1μm以
上の窒化アルミニウム粒子内に、その平均粒径が窒化ア
ルミニウム粒子のそれの1/5以下であるウルツ鉱構造以
外の化合物粒子を、窒化アルミニウム結晶格子に固溶さ
せることなく、微細分散したものである。特に微細分散
した粒子がNaCl構造をとる化合物であることが望まし
い。That is, the aluminum nitride sintered body provided by the present invention has an average particle diameter of 1/5 or less of aluminum nitride particles in aluminum nitride particles having a hexagonal wurtzite structure and an average particle diameter of 1 μm or more. Compound particles having a structure other than a wurtzite structure are finely dispersed without forming a solid solution in an aluminum nitride crystal lattice. In particular, it is desirable that the finely dispersed particles be a compound having a NaCl structure.
本発明の窒化アルミニウム焼結体においては、AlN粒
子の粒径と分散された化合物粒子のそれとの関係が、上
記課題達成のためには最も重要なコントロール因子の一
つであり、最終的に得られる焼結体において、分散され
る化合物粒子の平均粒径がAlN粒子のそれの1/5以下とす
る。分散される化合物粒子の平均粒径がAlN粒子のそれ
の1/5を越えると、特に上記した分散粒子による機械的
強度向上の効果が低下するからである。分散粒子の平均
粒径は小さいほどその効果は大きくなる。本発明の焼結
体では、その分散粒子の平均粒径を0.3μm以下とする
のが望ましい。またAlN粒子の平均粒径は1μm以上と
する。AlN粒子は微細な程焼結体の機械的強度は大きく
なるが、微細分散粒子の取り込みが不十分となり、分散
粒子のAlN粒界への折出量が増加するため好ましくない
からである。In the aluminum nitride sintered body of the present invention, the relationship between the particle size of AlN particles and that of dispersed compound particles is one of the most important control factors for achieving the above object, and is ultimately obtained. In the sintered body to be prepared, the average particle size of the dispersed compound particles is 1/5 or less of that of the AlN particles. If the average particle size of the compound particles to be dispersed exceeds 1/5 that of the AlN particles, the effect of improving the mechanical strength by the above-described dispersed particles is particularly reduced. The effect increases as the average particle size of the dispersed particles decreases. In the sintered body of the present invention, the average particle size of the dispersed particles is desirably 0.3 μm or less. The average particle size of the AlN particles is 1 μm or more. This is because, as the AlN particles become finer, the mechanical strength of the sintered body increases, but the incorporation of the finely dispersed particles becomes insufficient, and the amount of the dispersed particles protruding into the AlN grain boundaries increases, which is not preferable.
すなわち本発明の窒化アルミニウム焼結体において
は、通常微細分散粒子は大部分がAlN粒子内に存在し、
またAlN粒子の大部分のものに微細分散粒子が存在する
が、分散粒子の過半がAlN粒子内にあり、残りはAlN粒径
に存在するのが望ましく、分散粒子がAlN粒子内に存在
する比率が高い程好ましい。分散粒子をAlN粒子内に分
散すれば熱伝導率の低下が小さく抑えられ、また遮光性
増加、焼結体強度向上への寄与が大きくなる。That is, in the aluminum nitride sintered body of the present invention, usually finely dispersed particles are mostly present in AlN particles,
Also, most of the AlN particles have fine dispersed particles, but the majority of the dispersed particles are in the AlN particles, and the rest is desirably in the AlN particle size, and the ratio of the dispersed particles present in the AlN particles Is more preferable. If the dispersed particles are dispersed in the AlN particles, the decrease in the thermal conductivity is suppressed to a small extent, and the contribution to the increase in the light shielding property and the improvement in the strength of the sintered body is increased.
本発明の窒化アルミニウム粒子内に微細分散させた化
合物粒子は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Fe、C
o、Niからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の
化合物であるのが望ましく、またその添加量は元素換算
で0.01〜30重量%とするのが望ましい。化合物粒子はT
i、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Co、Niからなる
群より選ばれた少なくとも1種の元素の化合物であるこ
とが好ましいが、たとえばAl、Pt等でも本発明の目的と
する効果がありその限りではない。特にこれらの元素は
光の吸収効果が大きく遮光性向上に大きく寄与する。ま
たこれらの金属元素は金属でも酸化物、炭化物、窒化物
等の化合物でもよいが、AlNの結晶格子に固溶するので
はなく、あくまでも分離分散していることが必要であ
る。すなわちAlN粒子の格子内への固溶は、AlNの熱伝導
率を大きく低下させるため避ける必要があり、上記の金
属元素は、その大部分がAlN粒子の格子内に置換型ある
いは侵入型で固溶していないことが必要である。分散さ
れた粒子は、特にTi、Zr、Hf、V、Nb、Taから選ばれた
元素を含む化合物であることが好ましい。これらの化合
物はNaCl構造をとる化合物で、たとえば窒化物、炭化
物、硼化物、酸化物あるいはこれらの固溶体の形態で存
在する。特に主として窒化物からなる化合物の場合に本
発明の目的とする効果が大きい。分散粒子は、その元素
に換算して、焼結体中に0.01〜30重量%の範囲で、好ま
しくは0.01〜5.0重量%の範囲で含まれる。含有量が多
くなりすぎると、電気絶縁性の低下、緻密度の低下が起
こりこの限度内にすることが必要である。分散粒子が微
細であれば5.0重量%までの量で十分本発明の目的とす
る効果が得られる。特に1.0重量%までの量で十分な遮
光性と機械的強度を有し、高い熱伝導率、電気絶縁特性
とを兼ね備えた窒化アルミニウム焼結体を得ることが可
能である。The compound particles finely dispersed in the aluminum nitride particles of the present invention include Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Fe, C
Preferably, it is a compound of at least one element selected from the group consisting of o and Ni, and its addition amount is preferably 0.01 to 30% by weight in terms of element. Compound particles are T
The compound is preferably a compound of at least one element selected from the group consisting of i, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Fe, Co, and Ni. The effect is not limited to the above. In particular, these elements have a large light-absorbing effect and greatly contribute to improving the light-shielding property. Further, these metal elements may be metals or compounds such as oxides, carbides, nitrides, and the like, but they need to be separated and dispersed to the last extent instead of being dissolved in the AlN crystal lattice. That is, solid solution of AlN particles in the lattice must be avoided because it greatly reduces the thermal conductivity of AlN, and most of the above metal elements are substituted or interstitial in the lattice of AlN particles. It must be not dissolved. The dispersed particles are preferably a compound containing an element selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, and Ta. These compounds are compounds having a NaCl structure and exist, for example, in the form of nitrides, carbides, borides, oxides or solid solutions thereof. Particularly, in the case of a compound mainly composed of a nitride, the effect aimed at by the present invention is large. The dispersed particles are contained in the sintered body in the range of 0.01 to 30% by weight, preferably 0.01 to 5.0% by weight, in terms of the element. If the content is too large, the electrical insulation property and the compactness decrease, and it is necessary to keep the content within these limits. If the dispersed particles are fine, the desired effect of the present invention can be sufficiently obtained in an amount of up to 5.0% by weight. In particular, it is possible to obtain an aluminum nitride sintered body having sufficient light-shielding properties and mechanical strength at a content of up to 1.0% by weight, and having both high thermal conductivity and electrical insulating properties.
またAlN粒子の焼結性を向上させるために、焼結助剤
を用いることができる。焼結助剤としては、公知のアル
カリ土類、希土類元素の化合物を用いることが好まし
く、これらは、焼結体中ではAlN結晶格子内に固溶する
ことなく、AlN粉末に含まれるAlとOとの間で化合物を
形成し、AlNの粒界に存在する。焼結助剤は少なければ
熱伝導率が低下し、焼結密度が上がり難くなる。その一
方で多すぎれば焼結体の熱伝導率がかえって低下し、焼
結体表面の面粗度が悪くなる。そのためこれらの焼結助
剤の添加量は、その酸化物に換算して0.01〜10重量%、
好ましくは0.01〜3.0重量%の範囲とする。添加する形
態としては、酸化物、炭酸塩、水酸化物、ステアリン酸
化合物、アルコキシド等がある。これらは焼結体中では
主として酸化物として存在し、AlN粉末表面のAl2O3との
化合物を形成する場合が多い。Also, a sintering aid can be used to improve the sinterability of the AlN particles. As the sintering aid, known alkaline earth and rare earth element compounds are preferably used, and these are not dissolved in the AlN crystal lattice in the sintered body, and the Al and O contained in the AlN powder are not dissolved. And forms a compound with the AlN grain boundary. If the amount of the sintering aid is small, the thermal conductivity decreases and the sintering density does not easily increase. On the other hand, if it is too large, the thermal conductivity of the sintered body is rather lowered, and the surface roughness of the surface of the sintered body is deteriorated. Therefore, the amount of addition of these sintering aids is 0.01 to 10% by weight in terms of the oxide,
Preferably, it is in the range of 0.01 to 3.0% by weight. Examples of the added form include oxides, carbonates, hydroxides, stearic acid compounds, and alkoxides. These are mainly present as oxides in the sintered body, and often form a compound with Al 2 O 3 on the surface of the AlN powder.
次に得られる焼結体の特性について述べる。本発明の
焼結体は抗折力が30kg/mm2以上である。なお本発明での
抗折力は4mm幅×0.635mm厚みの板状試片を3点曲げ20mm
スパンで測定して求めたものである。好ましい製造条件
を選定することによって、50kg/mm2以上、さらには80kg
/mm2を越える強度を得ることも可能である。このような
高強度のものは、たとえばAlN粒子の平均粒径を5μm
以下とし、微細分散粒子のそれを0.3μm以下として、
これら分散粒子の過半をAlN粒子内に分散し、残りをAlN
粒界にも存在させることで得られる。このような高い強
度の発現理由は、AlN粒子の成長が適度に抑えられると
ともに、分散によるAlN粒子自体の強化および粒界との
強化との相乗効果によるものと考えられる。Next, the characteristics of the obtained sintered body will be described. The sintered body of the present invention has a transverse rupture strength of 30 kg / mm 2 or more. Note that the bending strength in the present invention is obtained by bending a plate-shaped specimen having a width of 4 mm x a thickness of 0.635 mm by three points at 20 mm.
It is obtained by measuring in span. By selecting the preferred production conditions, 50 kg / mm 2 or more, further 80kg
It is also possible to obtain strengths exceeding / mm 2 . Such high-strength ones have, for example, an average particle size of AlN particles of 5 μm.
Below, and that of finely dispersed particles as 0.3 μm or less,
The majority of these dispersed particles are dispersed in AlN particles, and the rest is AlN
It can be obtained by having it also at the grain boundaries. It is considered that the reason for the development of such high strength is that the growth of AlN particles is appropriately suppressed, and the synergistic effect of strengthening the AlN particles themselves by dispersion and strengthening with the grain boundaries is provided.
本発明の窒化アルミニウム焼結体の光の吸収係数は、
光の波長500nmにおいて50cm-1以上であり、黒色・茶色
等に着色され遮光性を示す。本発明の吸収係数は厚さ0.
5mmの板状試片を用い、分光光度計によって測定する。
なお吸収係数は簡易的に、 I=I0e−μtで算出した。ここで I0は入射光の強度 Iは透過光の強度 μは吸収係数 tは試片の厚み である。The light absorption coefficient of the aluminum nitride sintered body of the present invention is:
It is 50 cm -1 or more at a light wavelength of 500 nm, and is colored black, brown, or the like, and exhibits light-shielding properties. The absorption coefficient of the present invention is 0.
It measures with a spectrophotometer using a 5 mm plate specimen.
The absorption coefficient was simply calculated as I = I0e−μt. Here, I0 is the intensity of the incident light I is the intensity of the transmitted light μ is the absorption coefficient t is the thickness of the specimen.
このように分散粒子、焼結助剤以外は高純度のAlN結
晶粒子からなり、高い熱電導性を示すにもかかわらず、
上述のように光の吸収係数が高いのは、分散粒子の光の
吸収能が高いためと考えられる。これは分散粒子の元素
による吸収効果とももに、これらの粒子が微細にAlN粒
子内に分布しているためより効率的に入射光の散乱と吸
収に寄与しているためと考えられる。Thus, the dispersed particles, except for the sintering aid, consist of high-purity AlN crystal particles, despite showing high thermal conductivity,
It is considered that the reason why the light absorption coefficient is high as described above is that the light absorption ability of the dispersed particles is high. This is considered to be due to the fact that these particles are finely distributed in the AlN particles and contribute to the scattering and absorption of the incident light more efficiently, together with the absorption effect of the dispersed particles by the elements.
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、熱導伝率70W/m
・K以上、抗折強度30kg/mm2以上でかつ波長50nmの光の
吸収係数が50cm-1以上を同時に満足するものである。熱
伝導率は、さらに120W/m・K以上、さらには150W/m・K
以上のものが、抗折強度は、さらに50kg/mm2以上、さら
には80kg/mm2以上のものが得られる。The aluminum nitride sintered body of the present invention has a thermal conductivity of 70 W / m
-K or more, flexural strength 30 kg / mm 2 or more, and absorption coefficient of light with a wavelength of 50 nm of 50 cm -1 or more. Thermal conductivity is more than 120W / m ・ K, furthermore 150W / m ・ K
From the above, a bending strength of 50 kg / mm 2 or more, and more preferably 80 kg / mm 2 or more is obtained.
本発明における焼結体のAlN粒子は、微細に分散した
粒子以外は極めて高純度であり、AlN結晶粒子中に固溶
する不純物元素は極めて少ない。そのためAlNの格子常
数は、C軸方向が4.979Å〜4.983Å、a軸方向が3.110
Å〜3.113Åでc/aが1.602以下である。半値幅が微細分
散した粒子の影響により大きくなっているにもかかわら
ず、格子常数のc/aが小さく、AlN格子への固溶物質は極
めて少ないと考えられる。これが熱伝導性、遮光性、機
械的強度を同時に向上し得る理由であると考えられる。The AlN particles of the sintered body according to the present invention have extremely high purity except for finely dispersed particles, and the amount of impurity elements dissolved in AlN crystal particles is extremely small. Therefore, the lattice constant of AlN is 4.979 ° to 4.983 ° in the C-axis direction and 3.110 in the a-axis direction.
C / a is 1.602 or less in {3.113}. Although the half width is increased due to the effect of finely dispersed particles, the c / a of the lattice constant is small, and it is considered that the solid solution substance in the AlN lattice is extremely small. This is considered to be the reason that the thermal conductivity, the light shielding property, and the mechanical strength can be simultaneously improved.
次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。Next, a method for producing the aluminum nitride sintered body of the present invention will be described.
本発明の第一の製造方法は、窒化アルミニウム粉末
と、分散粒子として平均粒径1μm以下のTi、Zr、Hf、
V、Nb、Ta、Mo、W、Fe、Co、Niからなる群より選ばれ
た少なくとも1種の元素の化合物粉末と、加熱により遊
離炭素を形成する有機化合物を、その後の昇温段階で遊
離炭素量が0.01〜5.0重量%の範囲となるような量で混
合して混合粉末とする工程と、同混合粉末を成形して成
形体とする工程と、さらに同成形体を窒素を含む非酸化
性雰囲気中、1600〜2000℃で焼結する工程とを含む方法
である。また必要により混合粉末とする工程において、
焼結助剤となる化合物を追加して混合することもある。The first production method of the present invention comprises an aluminum nitride powder and Ti, Zr, Hf having an average particle size of 1 μm or less as dispersed particles.
A compound powder of at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Mo, W, Fe, Co, and Ni, and an organic compound that forms free carbon by heating are released in a subsequent heating step. Mixing the carbon powder in an amount such that the amount of carbon is in the range of 0.01 to 5.0% by weight to form a mixed powder, forming the mixed powder into a molded body, and further forming the molded body in a non-oxidized state containing nitrogen. Sintering at 1600 to 2000 ° C. in a neutral atmosphere. In the step of mixing powder if necessary,
In some cases, a compound serving as a sintering aid is additionally mixed.
また第二の製造方法は、窒化アルミニウムの前駆体と
なる原料から合成され、窒化アルミニウムと、分散粒子
として平均粒径0.3μm以下のTi、Zr、Hf、V、Nb、T
a、Mo、W、Fe、Co、Niからなる群より選ばれた少なく
とも1種の元素の化合物と、その後の昇温段階で0.01〜
5.0重量%の範囲の遊離炭素を形成しうる量の同炭素を
形成する有機化合物とを含む窒化アルミニウム合成粉末
を準備する工程と、同合成粉末を成形して成形体とする
工程と、同成形体を窒素を含む非酸化性雰囲気中、1600
〜2000℃で焼結する工程とを含む方法である。また必要
により合成粉末とする工程において、焼結助剤となる化
合物を追加して含ませることもある。In the second production method, aluminum, nitride, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Tb having an average particle diameter of 0.3 μm or less are synthesized from a raw material serving as a precursor of aluminum nitride.
a, Mo, W, Fe, Co, a compound of at least one element selected from the group consisting of Ni, and a
Preparing an aluminum nitride synthetic powder containing an amount of an organic compound capable of forming carbon in an amount capable of forming free carbon in a range of 5.0% by weight; forming a molded article by molding the synthetic powder; 1600 in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen
And sintering at 20002000 ° C. If necessary, a compound serving as a sintering aid may be additionally contained in the step of preparing a synthetic powder.
第一の方法に用いる窒化アルミニウム原料粉末は、通
常高純度のものを用いる。また第二の方法で用いる窒化
アルミニウムを主体とする合成粉末は、分散粒子と、焼
結助剤となる化合物と、加熱により遊離炭素を形成する
有機化合物とを含むものである。これらいずれの粉末も
焼結性、成形性に優れたものが必要であり、好ましくは
平均粒径2μm以下、酸素含有量2.0重量%以下のもの
を用いる。ただし過度に微細なAlN粉末を用いると、焼
結性は高いものの成形性(シート成形、押し出し成形、
プレス成形等)が劣り、適度な粒度であることが必要で
ある。酸素量は、同粉末中に含まれる炭素量を変動させ
ることで、後述する炭素による脱酸素の効果の度合が制
御できるため、広い量範囲で含有してもよいが、AlN粒
子内に固溶した酸素は好まくない。同様に同粒子内に固
溶した炭素が存在したり、同粉末中に未反応のAl2O3等
が存在するのは好ましくない。The aluminum nitride raw material powder used in the first method is usually of high purity. The synthetic powder mainly composed of aluminum nitride used in the second method contains dispersed particles, a compound serving as a sintering aid, and an organic compound which forms free carbon by heating. All of these powders need to be excellent in sinterability and moldability, and preferably have an average particle size of 2 μm or less and an oxygen content of 2.0% by weight or less. However, when an excessively fine AlN powder is used, the sinterability is high but the formability (sheet molding, extrusion molding,
Press molding, etc.) and have an appropriate particle size. The amount of oxygen can be contained in a wide amount range because the degree of the effect of deoxidation by carbon described later can be controlled by varying the amount of carbon contained in the powder. I don't like the oxygen I get. Similarly, it is not preferable that the solid solution contains carbon in the particles or unreacted Al 2 O 3 or the like exists in the powder.
第二の方法では窒化アルミニウムの前駆体である出発
原料(たとえばAl、Al2O3等のアルミニウム化合物)
に、予め分散粒子またはその前駆体の粉末と、焼結助剤
またはその前駆体となる粉末と、炭素または加熱により
遊離炭素を形成する有機物質の粉末を添加したものを、
窒化アルミニウム粉末を合成する各種の手順を経て、同
合成粉末が得られる。なお分散粒子となる粉末、焼結助
剤となる粉末および加熱により遊離炭素を形成する有機
物質については、合成し得られた粉末に、必要によって
はさらに追加混合してもよい。In the second method, starting materials that are precursors of aluminum nitride (for example, aluminum compounds such as Al and Al 2 O 3 )
In addition, previously added powder of dispersed particles or a precursor thereof, a powder to be a sintering aid or a precursor thereof, and a powder of carbon or an organic substance that forms free carbon by heating,
The synthetic powder is obtained through various procedures for synthesizing the aluminum nitride powder. The powder that becomes the dispersed particles, the powder that becomes the sintering aid, and the organic substance that forms free carbon by heating may be further added to the synthesized powder, if necessary.
たとえば合成粉末の製法がAl2O3の窒化還元法であれ
ば、Al2O3粉末に炭素またはその前駆体である有機物
質、微細分散粒子となる元素および/またはその化合物
の前駆体、焼結助剤となる化合物の前駆体を予め添加混
合した後、窒素含有雰囲気中、1400℃以上の温度で加熱
して同合成粉末を得ることができる。さらにAlNの合成
法によらず、たとえばAl2O3の還元窒素法以外のAlの直
接窒化法やAl成分を含む原料を用いた気相反応法でも、
AlN以外の成分を適宜追加することによって、本発明第
二の製法の合成粉末を得ることができる。For example, if preparation of the synthetic powder is nitrided reduction method of Al 2 O 3, organic substances are carbon or a precursor thereof in Al 2 O 3 powder, a precursor of the fine the dispersed particles elements and / or compounds thereof, baked After the precursor of the compound serving as a binder is added and mixed in advance, the mixture is heated in a nitrogen-containing atmosphere at a temperature of 1400 ° C. or higher to obtain the same synthetic powder. Furthermore, regardless of the method of synthesizing AlN, for example, a direct nitridation method of Al other than the reduced nitrogen method of Al 2 O 3 or a gas phase reaction method using a raw material containing an Al component,
By appropriately adding components other than AlN, a synthetic powder of the second production method of the present invention can be obtained.
分散粒子や焼結助剤となる出発原料物質としては、こ
れらの対象とする元素を含む酸化物、水酸化物、炭酸
塩、蓚酸塩等の粉末、あるいはアルコールに溶解させた
アルコキシド等の溶液であってもよい。好ましくは平均
粒径0.2μm以下の微粉末あるいは溶液等でAlN粉末に微
細混合分散させる。The starting material used as the dispersed particles and the sintering aid includes oxides, hydroxides, carbonates, and oxalates containing these target elements, or solutions of alkoxides and the like dissolved in alcohol. There may be. Preferably, it is finely mixed and dispersed in AlN powder with a fine powder having a mean particle size of 0.2 μm or less or a solution.
第一の方法では、これらの金属あるいは酸化物、炭化
物、窒化物の粉末をAlN粉末に添加し、また第二の方法
では、AlN粉末合成時に予め添加してこれに含ませる。
これら分散粒子となる成分の添加量は、最終的に焼結体
中にそれらの元素換算で0.01〜30重量%の範囲、好まく
は0.01〜5.0重量%の範囲で存在させるに必要な量とす
る。In the first method, powders of these metals or oxides, carbides, and nitrides are added to the AlN powder, and in the second method, they are added in advance and included in the AlN powder synthesis.
The added amount of these components to be dispersed particles is the amount required to be present in the sintered body finally in the range of 0.01 to 30% by weight, preferably 0.01 to 5.0% by weight in terms of their elements. I do.
焼結助剤となるアルカリ土類、希土類元素の化合物の
添加量は、最終的に焼結体中にそれらの元素換算で0.01
〜10重量%の範囲、好ましくは0.01〜3.0重量%の範囲
で存在させるに必要な量となる。The amount of the alkaline earth or rare earth compound to be added as a sintering aid is finally 0.01% in terms of those elements in the sintered body.
The amount is required to be present in the range of -10% by weight, preferably in the range of 0.01-3.0% by weight.
また同時に加える炭素または加熱により遊離炭素を形
成する有機物質の添加量は、加熱途中で、たとえば1000
℃以下の加熱により生じる遊離炭素の量が0.01〜5.0重
量%の範囲となるようにする。この炭素源となるものと
しては、たとえばアセチレンブラックやグラファイト等
の炭素、フェノール樹脂や成形助剤(バインダー)とし
て用いられるPVB等の加熱により上記の温度までに分解
して遊離炭素を生じるものがある。この遊離炭素はAlN
粉末の表面あるいは内部に存在する酸素を除去する(O
をCOガスとして除去する。たとえばAl2O3は還元され、C
Oガスを放出するか又は低級酸化物として蒸発揮散す
る)とともに、微細分散する元素およびその化合物を還
元する。例えば添加されたTiO2粉末はこの炭素によって
還元され、次いで雰囲気中の窒素により直ちに窒化され
TiNとなってAlN粒子内に取り込まれ分散する。The amount of carbon added simultaneously or the amount of organic substance that forms free carbon by heating may be, for example, 1000 during heating.
The amount of free carbon generated by heating at a temperature of not more than ℃ is in the range of 0.01 to 5.0% by weight. As a carbon source, for example, carbon such as acetylene black or graphite, or phenol resin or PVB used as a molding aid (binder) is decomposed to the above temperature by heating to generate free carbon. . This free carbon is AlN
Remove oxygen present on the surface or inside of the powder (O
Is removed as CO gas. For example, Al 2 O 3 is reduced and C
It releases O gas or evaporates as a lower oxide) and reduces finely dispersed elements and their compounds. For example, the added TiO 2 powder is reduced by this carbon and then immediately nitrided by nitrogen in the atmosphere.
It becomes TiN and is taken up and dispersed in the AlN particles.
混合粉末並びに合成粉末の成形及び焼結は、公知の方
法によって行われる。なお焼結は、窒素含有の非酸化性
雰囲気中、1600〜2000℃で行われる。The molding and sintering of the mixed powder and the synthetic powder are performed by a known method. The sintering is performed at 1600 to 2000 ° C. in a nitrogen-containing non-oxidizing atmosphere.
以下実施例を挙げて説明する。なお以下の実施例は、
製法等についての一例を示したものであり、それによっ
て本発明は何らに制限されない。Hereinafter, an example will be described. In the following examples,
This is an example of a manufacturing method and the like, and the present invention is not limited thereto.
本明細書における各特性の測定方法は以下の通りであ
る。The measuring method of each characteristic in this specification is as follows.
・粒径は、原則といてSEM又はTEMによる観察、粉末の粒
径は沈降法による平均粒径を用いた。-The particle size was observed by SEM or TEM in principle, and the average particle size by the sedimentation method was used for the particle size of the powder.
・元素分析は、金属元素またはアルカリ溶融後の定量分
析で、炭素、酸素はガス分析(Leco社製ガス分析装置に
よる)で確認した。Elemental analysis was quantitative analysis after melting of metal element or alkali, and carbon and oxygen were confirmed by gas analysis (using a gas analyzer manufactured by Leco).
・抗折強度は前述の通りである。-The bending strength is as described above.
・光の吸収係数は、分光光度計により試料の両面を鏡面
加工し、厚み0.5mmの試片とした後測定した。-The light absorption coefficient was measured after the both surfaces of the sample were mirror-finished with a spectrophotometer to obtain a 0.5 mm thick specimen.
・熱伝導率は、レーザーフラッシュ法による二次元測定
(真空理工製TC−7000相当の装置による)で行った。-Thermal conductivity was measured by two-dimensional measurement by a laser flash method (using a device equivalent to TC-7000 manufactured by Vacuum Riko).
・空孔率は、窒化アルミニウムの理論密度を3.26g/cm3
として、実測密度から算出した。The porosity is calculated based on the theoretical density of aluminum nitride as 3.26 g / cm 3
Was calculated from the measured density.
・実測密度は、アルキメデス法によって行った。-The measured density was measured by the Archimedes method.
・格子常数ならびに半値幅は、Siを標準としたX線回折
法により確認した。The lattice constant and the half width were confirmed by X-ray diffraction using Si as a standard.
実施例1 AlN粉末(平均粒径0.8μm、含有酸素量1.5重量%、A
lを除く金属不純物量0.1重量%以下、含有炭素量0.03重
量%)に、表1に示した量の平均粒径0.5μm以下の分
散化合物粉末と、焼結助剤としてY2O3粉末(平均粒径0.
5μm、純度99.9%)0.5重量%を添加し、さらにフェノ
ール樹脂を1.0重量%、PVBを10重量%加え、トルエン系
溶剤中、ナイロンボール、ナイロンポットで10時間混合
して得たスラリーを、シート状にキャスティング後乾燥
して、厚さ0.8mmのシートを得た。このシートを50mm角
に打ち抜いて角状シートとした後、BNルツボに入れ窒素
中1850℃で5時間加熱して焼結体を得た。昇温途中1000
℃で試料を取り出し炭素量を分析したところ、遊離炭素
は0.6重量%であった。得られた焼結体の特性を表1に
示す。Example 1 AlN powder (average particle size 0.8 μm, oxygen content 1.5% by weight, A
In addition to the amount of metal impurities excluding l and 0.1% by weight of carbon, and the content of carbon of 0.03% by weight), a dispersion compound powder having an average particle diameter of 0.5 μm or less shown in Table 1 and a Y 2 O 3 powder ( Average particle size 0.
5 μm, purity 99.9%) 0.5% by weight, phenol resin 1.0% by weight, PVB 10% by weight, and a slurry obtained by mixing in a toluene-based solvent for 10 hours with a nylon ball and a nylon pot, and forming a sheet. After drying in a cast, a sheet having a thickness of 0.8 mm was obtained. This sheet was punched into a 50 mm square to form a square sheet, which was then placed in a BN crucible and heated at 1850 ° C. for 5 hours in nitrogen to obtain a sintered body. 1000 during heating
When the sample was taken out at a temperature of ° C. and analyzed for the amount of carbon, the free carbon was 0.6% by weight. Table 1 shows the properties of the obtained sintered body.
実施例2 AlN粉末(平均粒径0.8μm、含有酸素量1.5重量%、A
lを除く金属不純物量0.1重量%以下、含有炭素量0.03重
量%に)、TiO2粉末(平均粒径0.1μm、純度99.9%)
を2.0重量%、焼結助剤として表2に示した量の化合物
を添加し、さらにフェノール樹脂を1.0重量%およびPMM
A(ポリメチルメタアクリレート)を10重量%を加え、
ナフサ系溶剤中でナイロンポット、ナイロンボールを用
いて10時間混合した。得られたスラリーをシート状にキ
ャステイング後乾燥して厚さ0.8mmのシートを得た。こ
のシートを50mm角に打ち抜いて角形シートとし、これを
窒素中1850℃にて、BNルツボ中で3時間加熱して焼結体
を得た。焼結体の特性は表2に示す。 Example 2 AlN powder (average particle size 0.8 μm, oxygen content 1.5% by weight, A
0.1% by weight or less of metallic impurities except l, carbon content of 0.03% by weight), TiO 2 powder (average particle size 0.1μm, purity 99.9%)
Was added in an amount shown in Table 2 as a sintering aid, and 1.0% by weight of phenol resin and PMM were added.
A (polymethyl methacrylate) is added by 10% by weight,
The mixture was mixed in a naphtha-based solvent using a nylon pot and a nylon ball for 10 hours. The resulting slurry was cast into a sheet and dried to obtain a 0.8 mm thick sheet. This sheet was punched into a 50 mm square to form a square sheet, which was heated at 1850 ° C. in nitrogen for 3 hours in a BN crucible to obtain a sintered body. Table 2 shows the characteristics of the sintered body.
実施例3 AlN粉末(平均粒径1.0μm、含有酸素量1.2重量%、A
lを除く金属不純物量0.1重量%以下、含有炭素量0.05重
量%)に、表3に示した添加物と、焼結助剤としてY2O3
を1.0重量%添加し、さらにフェノール樹脂を0.8重量%
および成形バインダーとして、PMMA(ポリメチルメタア
クリレート)を10重量%加え、ナフサ系溶剤中でナイロ
ンポット、ナイロンボールを用いて10時間混合した。得
られたスラリーをシート状にキャステイング後乾燥し
て、厚さ0.8mmのシートを得た。このシートを50mm角に
打ち抜いて角形シートとし、これを窒素中1850℃にて、
BNルツボ中で3時間加熱して焼結体を得た。焼結体の特
性は表3に示す。 Example 3 AlN powder (average particle size: 1.0 μm, oxygen content: 1.2% by weight, A
l and 0.1% by weight of metal impurities excluding l and a carbon content of 0.05% by weight) to the additives shown in Table 3 and Y 2 O 3 as a sintering aid.
1.0% by weight, and 0.8% by weight of phenol resin
Then, 10% by weight of PMMA (polymethyl methacrylate) was added as a molding binder, and mixed in a naphtha-based solvent using a nylon pot and nylon balls for 10 hours. The obtained slurry was cast into a sheet and then dried to obtain a sheet having a thickness of 0.8 mm. This sheet was punched into a 50 mm square to form a square sheet, which was then placed in nitrogen at 1850 ° C.
The sintered body was obtained by heating in a BN crucible for 3 hours. Table 3 shows the characteristics of the sintered body.
実施例4 AlN粉末(平均粒径1.2μm、含有酸素量1.0重量%、A
lを除く金属不純物量0.1重量%以下、含有炭素量0.03重
量%)に、TiO2粉末(平均粒径0.2μm、純度99.9%)
を0.5重量%、焼結助剤としてY2O3粉末を0.5重量%を添
加し、さらに遊離炭素源として表4に記載の種々の重量
割合のグラファイト、フェノール樹脂と、成形バインダ
ーとして、PMMA(ポリメチルメタアクリレート)を10重
量%加え、ナフタ系溶剤中でナイロンポット、ナイロン
ボールを用いて10時間混合した。得られたスラリーをシ
ート状にキャステイング後乾燥して厚さ0.8mmのシート
を得た。このシートを50mm角に打ち抜いて角形シートと
し、これを窒素中1800℃にて、BNルツボ中で5時間加熱
して焼結体を得た。焼結体の特性は表4に示す。 Example 4 AlN powder (average particle size 1.2 μm, oxygen content 1.0% by weight, A
TiO 2 powder (average particle size: 0.2 μm, purity: 99.9%)
And 0.5% by weight of Y 2 O 3 powder as a sintering aid, and various weight percentages of graphite and phenolic resin shown in Table 4 as a free carbon source, and PMMA (PMMA) as a molding binder. 10% by weight of polymethyl methacrylate) and mixed in a naphtha-based solvent for 10 hours using a nylon pot and a nylon ball. The resulting slurry was cast into a sheet and dried to obtain a 0.8 mm thick sheet. This sheet was punched into a 50 mm square to form a square sheet, which was heated at 1800 ° C. in nitrogen for 5 hours in a BN crucible to obtain a sintered body. Table 4 shows the characteristics of the sintered body.
実施例5 TiO2粉末(平均粒径0.1μm、純度99.9%)を0.5重量
%含むAlN粉末を直接窒化法、還元窒化法、アルキルア
ルミ分解法により合成した(その特性は表5に示す)。
このAlN粉末にY2O3粉末(平均粒径0.5μm、純度99.9
%)を0.5重量%を0.5重量%添加し、さらに遊離炭素源
としてフェノール樹脂を1.0重量%、成形用バインダー
としてPVBを10重量%添加して、トルエン系溶剤中でナ
イロンポット、ナイロンボールを用いて5時間混合し
た。得られたスラリーをシート状にキャステイング後乾
燥して厚さ0.7mmのシートを得た。このシートを50mm角
に打ち抜いて角形シートとし、これを窒素中1850℃に
て、AlN製のルツボ中で3時間加熱して焼結体を得た。
焼結体の特性は表5に示す。 Example 5 An AlN powder containing 0.5% by weight of TiO 2 powder (average particle size: 0.1 μm, purity: 99.9%) was synthesized by a direct nitridation method, a reduction nitridation method, and an alkylaluminum decomposition method (the characteristics are shown in Table 5).
This AlN powder is mixed with Y 2 O 3 powder (average particle size 0.5 μm, purity 99.9
0.5% by weight), 1.0% by weight of a phenol resin as a free carbon source, and 10% by weight of PVB as a molding binder, and using a nylon pot and a nylon ball in a toluene-based solvent. And mixed for 5 hours. The obtained slurry was cast into a sheet and dried to obtain a sheet having a thickness of 0.7 mm. This sheet was punched into a 50 mm square to form a square sheet, which was heated at 1850 ° C. in nitrogen in an AlN crucible for 3 hours to obtain a sintered body.
Table 5 shows the characteristics of the sintered body.
実施例6 種々の添加物を含むAlN粉末を直接窒化法、還元窒化
法、アルキルアルミ分解法により合成した(その特性は
表6に示す)。このAlN粉末にY2O3粉末(平均粒径0.5μ
m、純度99.9%)を0.5重量%添加し、さらに遊離炭素
源としてフェノール樹脂を1.0重量%、成形用バインダ
ーとしてPVBを10重量%を添加して、トルエン系溶剤中
でナイロンポット、ナイロンボールを用いて5時間混合
した。得られたスラリーをシート状にキャステイング後
乾燥して厚さ0.7mmのシートを得た。このシートを50mm
角に打ち抜いて角形シートとし、これを窒素中1850℃に
て、AlN製のルツボ中で3時間加熱して焼結体を得た。
焼結体の特性は表6に示す。 Example 6 AlN powders containing various additives were synthesized by a direct nitriding method, a reduction nitriding method, and an alkylaluminum decomposition method (the characteristics are shown in Table 6). Y 2 O 3 powder to the AlN powder (average particle size 0.5μ
m, purity 99.9%), 0.5% by weight of phenol resin as a free carbon source, and 10% by weight of PVB as a molding binder. And mixed for 5 hours. The obtained slurry was cast into a sheet and dried to obtain a sheet having a thickness of 0.7 mm. 50mm for this sheet
The sheet was punched into a square to form a rectangular sheet, which was heated at 1850 ° C. in nitrogen in a crucible made of AlN for 3 hours to obtain a sintered body.
Table 6 shows the characteristics of the sintered body.
実施例7 AlN粉末(平均粒径0.8μm、含有酸素量1.0重量%、A
lを除く金属不純物量0.1重量%以下、含有炭素量0.03重
量%)に、表7に示す種々のTi化合物粉末を添加し、さ
らに遊離炭素源としてフェノール樹脂を1.0重量%、成
形バインダーとして、PMMAを10重量%加え、ナフサ系溶
剤中でナイロンポット、ナイロンボールを用いて10時間
混合した。得られたスラリーをシート状にキャステイン
グ後乾燥して厚さ0.8mmのシートを得た。このシートを5
0mm角に打ち抜いて角形シートとし、これを窒素中表7
に示す温度、時間で加熱して焼結した。焼結体の特性は
表7に示す。 Example 7 AlN powder (average particle size 0.8 μm, oxygen content 1.0% by weight, A
l to 0.1% by weight of metal impurities excluding l and 0.03% by weight of carbon), various Ti compound powders shown in Table 7 were added, 1.0% by weight of a phenol resin as a free carbon source, and PMMA as a molding binder. Was added in a naphtha-based solvent for 10 hours using a nylon pot and a nylon ball. The resulting slurry was cast into a sheet and dried to obtain a 0.8 mm thick sheet. 5 this sheet
Punched into 0 mm square to form a square sheet, which was placed in nitrogen
And sintering. Table 7 shows the characteristics of the sintered body.
実施例8 AlN粉末(平均粒径0.8μm、含有酸素量1.0重量%、A
lを除く金属不純物量0.1重量%以下、含有炭素量0.03重
量%)に、平均粒径0.1μmのTiO2粉末を1.0重量%添加
し、さらに遊離炭素源としてフェノール樹脂を1.0重量
%、成形バインダーとしてPMMAを10重量%加え、ナフサ
系溶剤中でナイロンポット、ナイロンボールを用いて10
時間混合した。得られたスラリーをシート状にキャステ
イングし乾燥した後、50mm角に打ち抜き、厚さ0.8mmの
角形シートを得た。シートは1850℃にて5時間窒素気流
中で焼結した。得られた焼結体の格子常数はa軸3.111
Å、c軸4.981Åでc/aは1.601とTiO2を添加しないで同
一条件で作製したものと同一であった。なお熱伝導率は
170W/m・Kと190W/m・Kとであった。また半値値は2θ
で0.10degでTiO2を添加しない場合の0.05degよりも大き
かった。 Example 8 AlN powder (average particle size 0.8 μm, oxygen content 1.0% by weight, A
1.0% by weight of TiO 2 powder with an average particle diameter of 0.1 μm to the metal impurities (excluding metal impurities of 0.1% by weight or less, carbon content of 0.03% by weight), and 1.0% by weight of a phenol resin as a free carbon source. 10% by weight of PMMA, and use a nylon pot and nylon ball in a naphtha-based solvent.
Mix for hours. The obtained slurry was cast into a sheet and dried, and then punched into a 50 mm square to obtain a square sheet having a thickness of 0.8 mm. The sheet was sintered at 1850 ° C. for 5 hours in a nitrogen stream. The lattice constant of the obtained sintered body is 3.111 a-axis.
{, C-axis 4.981}, c / a was 1.601, the same as that produced under the same conditions without adding TiO 2 . The thermal conductivity is
It was 170 W / m · K and 190 W / m · K. The half value is 2θ
At 0.10 deg, which was larger than 0.05 deg when TiO 2 was not added.
第1図は本発明による窒化アルミニウム焼結体のTEM写
真(倍率10,000倍)であり、AlNの結晶内にTiNの粒子が
分散し、結晶粒界にAl2O3、Y2O3相が存在していること
を示す。FIG. 1 is a TEM photograph (magnification: 10,000 times) of an aluminum nitride sintered body according to the present invention, in which TiN particles are dispersed in AlN crystals, and Al 2 O 3 and Y 2 O 3 phases are present at crystal grain boundaries. Indicates that it exists.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下田 浩平 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平1−298071(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/58──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Kohei Shimoda 1-1-1 Kunyokita, Itami-shi, Itami-shi, Hyogo Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (56) References JP-A 1-298071 (JP, A (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C04B 35/58
Claims (9)
1μm以上の窒化アルミニウム粒子内に、その平均粒径
が窒化アルミニウム粒子のそれの1/5以下であるウルツ
鉱構造以外の化合物粒子を、窒化アルミニウム結晶格子
内に固溶させず、微細分散したことを特徴とする窒化ア
ルミニウム焼結体。An aluminum nitride particle having a hexagonal wurtzite structure and having an average particle diameter of 1 μm or more, and compound particles having a non-wurtzite structure having an average particle diameter of 1/5 or less of that of aluminum nitride particles. Characterized by being finely dispersed without being dissolved in an aluminum nitride crystal lattice.
であることを特徴とする特許請求の範囲(1)項に記載
の窒化アルミニウム焼結体。2. The aluminum nitride sintered body according to claim 1, wherein the finely dispersed particles are compounds having a NaCl structure.
Ta、Mo、W、Fe、Co、Niからなる群より選ばれた少なく
とも1種の元素の化合物を、元素換算で0.01〜30重量%
含むことを特徴とする特許請求の範囲(1)項に記載の
窒化アルミニウム焼結体。3. The finely dispersed particles are Ti, Zr, Hf, V, Nb,
A compound of at least one element selected from the group consisting of Ta, Mo, W, Fe, Co, and Ni in an amount of 0.01 to 30% by weight in terms of element;
The aluminum nitride sintered body according to claim 1, wherein the aluminum nitride sintered body includes:
れる粒界相が、前記微細粒子化合物を含むことを特徴と
する請求項(1)ないし(3)のいずれかの項に記載の
窒化アルミニウム焼結体。4. The method according to claim 1, wherein a grain boundary phase composed of a compound phase of a sintering aid and Al 2 O 3 contains the fine particle compound. The aluminum nitride sintered body according to the item.
であることを特徴とする特許請求の範囲(1)ないし
(4)のいずれかの項に記載の窒化アルミニウム焼結
体。5. The aluminum nitride sintered body according to claim 1 , wherein an absorption coefficient of light having a wavelength of 500 nm is 50 cm −1 or more.
平均粒径1μm以下のTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、
W、Fe、Co、Niからなる群より選ばれた少なくとも1種
の元素の化合物粉末、加熱により遊離炭素を形成する有
機化合物を、その後の昇温段階で遊離炭素量が0.01〜5.
0重量%の範囲となるような量で混合して混合粉末する
工程と、該混合粉末を成形して成形体とする工程と、該
成形体を窒素を含む非酸化性雰囲気中、1600〜2000℃で
焼結する工程とを含むことを特徴とする窒化アルミニウ
ム焼結体の製造方法。6. Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, and Ti having an average particle diameter of 1 μm or less are dispersed in aluminum nitride powder.
W, Fe, Co, a compound powder of at least one element selected from the group consisting of Ni, an organic compound that forms free carbon by heating, and a free carbon amount of 0.01 to 5.
A step of mixing and mixing powder in an amount within a range of 0% by weight, a step of molding the mixed powder to form a molded body, and a step of molding the molded body in a nitrogen-containing non-oxidizing atmosphere at 1600 to 2000 And sintering at ℃.
焼結助剤となる化合物を追加して混合することを特徴と
する特許請求の範囲(6)項に記載の窒化アルミニウム
焼結体の製造方法。7. The production of an aluminum nitride sintered body according to claim 6, wherein in the step of forming the mixed powder, a compound serving as a sintering aid is further added and mixed. Method.
合成され、窒化アルミニウムと、分散粒子として平均粒
径1μm以下のTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Fe、
Co、Niからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素の
化合物と、その後の昇温段階で0.01〜5.0重量%の範囲
の遊離炭素を形成しうる量の同炭素を形成する有機化合
物とを含む窒化アルミニウム合成粉末を準備する工程
と、該合成粉末を成形して成形体とする工程と、該成形
体を窒素を含む非酸化性雰囲気中、1600〜2000℃で焼結
する工程とを含むことを特徴とする窒化アルミニウム焼
結体の製造方法。8. An aluminum nitride precursor, which is synthesized from a raw material which is aluminum nitride, and Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Fe, and Ti having an average particle diameter of 1 μm or less as dispersed particles.
A compound of at least one element selected from the group consisting of Co and Ni, and an organic compound capable of forming free carbon in an amount capable of forming 0.01 to 5.0% by weight of free carbon in a subsequent heating step. A step of preparing an aluminum nitride synthetic powder containing, a step of molding the synthetic powder into a molded body, and a step of sintering the molded body at 1600 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen. A method for producing an aluminum nitride sintered body, comprising:
工程において、さらに焼結助剤となる化合物を追加して
含ませることを特徴とする特許請求の範囲(8)項に記
載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。9. The aluminum nitride sinter according to claim 8, wherein the step of preparing the aluminum nitride synthetic powder further comprises a compound serving as a sintering aid. How to make the body.
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