JP2778783B2 - Method for producing BN-AlN-based sintered body having anisotropy - Google Patents

Method for producing BN-AlN-based sintered body having anisotropy

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JP2778783B2 JP2033671A JP3367190A JP2778783B2 JP 2778783 B2 JP2778783 B2 JP 2778783B2 JP 2033671 A JP2033671 A JP 2033671A JP 3367190 A JP3367190 A JP 3367190A JP 2778783 B2 JP2778783 B2 JP 2778783B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、IC基板、ICパッケージ用材料ないしは電気
絶縁性放熱材料などとして利用可能な異方性を有するBN
−Al N系焼結体の製造方法に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an anisotropic BN that can be used as an IC substrate, a material for an IC package, or an electrically insulating heat dissipation material.
The present invention relates to a method for producing an AlN-based sintered body.

さらに詳しくは、熱伝導率の異方度が2以上あり、か
つそのうちの高い方の熱伝導率の値が150W/m・K以上で
ある異方性を有するBN−Al N系焼結体の製造方法に関す
る。
More specifically, an anisotropic BN-AlN-based sintered body having an anisotropy of thermal conductivity of 2 or more and a higher value of thermal conductivity of 150 W / m · K or more. It relates to a manufacturing method.

従来の技術 六方晶BN焼結体は、優れた被切削加工性、耐食性、耐
熱衝撃性、電気絶縁性などの性質を有しているため、さ
まざまな分野で広く用いられている。六方晶BN焼結体は
通常、酸化物系の助剤を用いたホットプレス法により製
造される。この方法により得られた焼結体は、六方晶BN
の層状の結晶構造に起因する構造的な異方性を有するこ
とが知られており、(例えばセラミックス、vol.7、No.
4、p.243(1972))、熱伝導率等の物性値にも異方性が
存在する。しかしながら、異方性が存在する焼結体にお
いても熱伝導率はあまり高くなく、最高で60W/m・K程
度の値(例えばエレクトロニクス・セラミックス、vol.
17、No.84、p.68(1986))が報告されているのみであ
る。この理由として、酸化物系の助剤ないし助剤と他成
分との反応生成物が焼結体中に多量に存在するためであ
ると考えられている。
2. Description of the Related Art A hexagonal BN sintered body is widely used in various fields because of its excellent properties such as machinability, corrosion resistance, thermal shock resistance, and electrical insulation. A hexagonal BN sintered body is usually manufactured by a hot press method using an oxide-based auxiliary agent. The sintered body obtained by this method is hexagonal BN
It is known to have structural anisotropy due to the layered crystal structure of (for example, ceramics, vol. 7, No.
4, p.243 (1972)) and physical properties such as thermal conductivity also have anisotropy. However, even in a sintered body having anisotropy, the thermal conductivity is not so high, and a value of up to about 60 W / mK (for example, electronics ceramics, vol.
17, No. 84, p. 68 (1986)). It is considered that the reason for this is that a large amount of oxide-based auxiliaries or reaction products of auxiliaries and other components are present in the sintered body.

一方、Al N焼結体の熱伝導率の向上については、IC基
板用材料、ICパッケージ材料向けの材料開発を目的とし
て盛んに研究が行われており(例えば特開昭61−27026
4、特開昭62−36069、特開昭62−41766など)、室温に
おける熱伝導率が110〜195W/m・K程度の高い値が報告
されている。しかしながらAl N焼結体は通常の構造用セ
ラミックスと同様、切削加工が困難であり、所望の形状
に加工する際に時間を要し、かつコスト高となるという
欠点を有している。
On the other hand, research on the improvement of the thermal conductivity of AlN sintered bodies has been actively conducted for the purpose of developing materials for IC substrates and IC packages (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-27026).
4, JP-A-62-36069, JP-A-62-41766), and a high value of thermal conductivity at room temperature of about 110 to 195 W / mK. However, AlN sintered bodies have the disadvantage that, like ordinary structural ceramics, cutting is difficult, and it takes time and costs to process into a desired shape.

そこでAl N焼結体の高熱伝導率を維持しつつ、主とし
て焼結体の被切削加工性を向上させるためAl Nに六方晶
のBNを複合させた焼結体やその製造方法に関する発明が
開示されている。例えば特開昭60−195059には、Al N、
BN、およびII a族金属、III a族金属化合物からなり、
破断面が多角状のAl N粒子が充填され、その粒界の一部
または全部に薄層状のBNが介在する焼結体に関する記述
がある。
Accordingly, an invention relating to a sintered body in which AlN is combined with hexagonal BN and a method for producing the same to mainly improve the machinability of the sintered body while maintaining the high thermal conductivity of the Al N sintered body is disclosed. Have been. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-195059 discloses Al N,
BN, and a Group IIa metal, a Group IIIa metal compound,
There is a description of a sintered body in which Al N particles having a fractured surface are filled and a thin layer of BN is interposed in part or all of the grain boundaries.

この焼結体の特徴として、普通工具で高速切削加工で
きる、いわゆるマシーナブルセラミック複合焼結体であ
ると述べている。また、焼結体は均質で、等方的であ
り、熱伝導率の例として55〜122W/m・K程度の値を報告
している。
The feature of this sintered body is that it is a so-called machineable ceramic composite sintered body that can be cut at a high speed with an ordinary tool. The sintered body is homogeneous and isotropic, and reports a value of about 55 to 122 W / m · K as an example of the thermal conductivity.

また、本発明者らの出願による特願昭62−329626に
は、BN40〜95重量部、Al NとAl ONの合計量5〜60重量
部、およびカルシウム化合物、イットリウム化合物のう
ちの少なくとも1種の0.01〜5重量部よりなる複合焼結
体、およびその加圧加熱法による製造方法に関する記述
がある。該焼結体の特徴としては、熱伝導率、電気絶縁
性、低熱膨張率、低誘電率で機械加工性に優れることな
どをあげている。熱伝導率の例としては40〜135W/m・K
程度の値を報告している。
Also, Japanese Patent Application No. 62-329626 filed by the present inventors discloses 40 to 95 parts by weight of BN, 5 to 60 parts by weight of a total amount of AlN and AlON, and at least one of a calcium compound and an yttrium compound. There is a description of a composite sintered body consisting of 0.01 to 5 parts by weight and a method for producing the same by a pressure heating method. The features of the sintered body include that it has excellent thermal conductivity, electrical insulation, low thermal expansion coefficient, low dielectric constant, and excellent machinability. 40 ~ 135W / m ・ K as an example of thermal conductivity
Reported values of the degree.

しかしながら、これらの焼結体においては、優れた被
切削加工性は有しているものの、熱伝導率の値が最高で
も135W/m・Kであり、IC基板、ICパッケージ用材料、あ
るいは電気絶縁性放熱材料などへの応用を考えた場合、
十分な熱電読率であるとはいい難い。
However, these sintered bodies have excellent machinability, but have a thermal conductivity of at most 135 W / mK, which is a material for IC substrates, IC packages, or electrical insulation. Considering application to conductive heat dissipation materials,
It is hard to say that the thermoelectric reading rate is sufficient.

一方、特開昭58−32073には、Al Nに立方晶ないしは
六方晶のBNを最大30重量%まで配合し、これを成形した
後、真空中ないしは非酸化性雰囲気中で焼結するか、あ
るいはホットプレス焼結することにより高熱伝導率で電
気絶縁性の焼結体を得ている。この焼結体は85〜195w/m
・K程度の熱伝導率を有すると報告されている。しかし
ながら、焼結体の異方性や普通工具等による切削加工性
に関する記載は見あたらない。
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-32073 discloses that cubic or hexagonal BN is compounded in Al N up to 30% by weight and then molded and then sintered in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere. Alternatively, a sintered body having high thermal conductivity and electrical insulation is obtained by hot press sintering. This sintered body is 85 ~ 195w / m
It is reported to have a thermal conductivity of about K. However, there is no description regarding the anisotropy of the sintered body and the cutting workability with a normal tool or the like.

またこれらのAl N−BN複合焼結体にも製造方法によっ
てはBN焼結体と同様BNの構造異方性に起因する構造異方
性、および物性の異方性が存在する場合がある(特開昭
62−56377)ものの、これまではこの異方性をなくすた
めの製造方法や、異方性の極めて小さい材料についての
利用方法が検討されてきた。
Also, depending on the production method, these Al N-BN composite sintered bodies may have structural anisotropy due to the structural anisotropy of BN and anisotropy of physical properties as in the case of the BN sintered body ( JP
62-56377) However, a manufacturing method for eliminating this anisotropy and a method for using a material having extremely small anisotropy have been studied.

一方、本発明者らの出願による特開昭63−135562に
は、かかるBNの構造異方性をホットプレスという製造方
法を用いることにより最大限に活用し、熱伝導率の異方
度が2以上あり、かつ高い方の熱伝導率の値が150W/m・
K以上である異方性を有するBN−Al N形焼結体とその製
造方法に関する記述がある。
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-135562 filed by the present inventors discloses that the structural anisotropy of BN is maximally utilized by using a manufacturing method called hot pressing, and the anisotropy of thermal conductivity is 2%. And the higher thermal conductivity value is 150W / m
There is a description on a BN-Al N-type sintered body having anisotropy of K or more and a method for producing the same.

該焼結体は高い熱伝導率およびその異方性を特徴と
し、また機械加工性に優れている。しかしながら、該焼
結体は、機械的な強度が低いという難点があり、例えば
BN/Al N=50/50(重量比)組成の材料に関しては3点曲
げ強さも熱伝導率と同様に異方性を示し、高い方の値が
140〜150MPa程度、低い方の値が70〜75MPa程度となって
おり、特に低い方の値はIC基板等に利用する場合、信頼
性の点で問題となることが考えられる。
The sintered body is characterized by high thermal conductivity and its anisotropy, and is excellent in machinability. However, the sintered body has a disadvantage of low mechanical strength, for example,
For materials with a composition of BN / Al N = 50/50 (weight ratio), the three-point bending strength also shows anisotropy as well as the thermal conductivity.
It is about 140 to 150 MPa, and the lower value is about 70 to 75 MPa. Particularly when the lower value is used for an IC substrate or the like, it may be a problem in terms of reliability.

発明が解決しようとする課題 発明者らは前記した異方性を有するBN−Al N系焼結体
の高熱伝導性を維持しつつ、該材料の強度を格段に向上
させることを目的として鋭意研究を重ねた結果、原料粉
の一つである窒化ほう素の粒度を工夫することにより目
的を達成し、本発明を完成させた。
Problems to be Solved by the Invention The inventors have conducted intensive studies for the purpose of remarkably improving the strength of a BN-AlN-based sintered body having the above-described anisotropy while maintaining high thermal conductivity. As a result, the object was achieved by devising the particle size of boron nitride which is one of the raw material powders, and the present invention was completed.

本発明は、優れた被切削加工性を有し、3次元空間の
ある2軸方向においては150W/m・K以上の高熱伝導率を
示し、かつ機械的強度が著しく向上した異方性を有する
BN−Al N系複合焼結体の製造方法に関する。
The present invention has excellent machinability, exhibits high thermal conductivity of 150 W / m · K or more in a biaxial direction having a three-dimensional space, and has anisotropy in which mechanical strength is significantly improved.
The present invention relates to a method for producing a BN-AlN-based composite sintered body.

課題を解決するための手段 すなわち、本発明は(1)六方晶窒化ほう素20〜80重
量部、窒化アルミニウム80〜20重量部、および焼結助剤
0.2〜5重量部よりなり、熱伝導率の異方度が2以上あ
り、かつ高い方の熱伝導率の値が150W/m・K以上である
異方性を有するBN−Al N系焼結体を製造するに際し、六
方晶窒化ほう素の原料粉として平均粒径が2〜100μm
の粗粉と0.01〜1μmの微粉とからなる粉末を併用し、
これと窒化アルミニウム粉末と焼結助剤からなる混合粉
末を真空中あるいは不活性ガス気流中、1700〜2200℃、
5〜50MPaでホットプレスすることを特徴とする製造方
法に関する。
Means for Solving the Problems That is, the present invention provides (1) 20 to 80 parts by weight of hexagonal boron nitride, 80 to 20 parts by weight of aluminum nitride, and a sintering aid.
Anisotropic BN-AlN based sintering consisting of 0.2 to 5 parts by weight, having an anisotropy of thermal conductivity of 2 or more and a value of higher thermal conductivity of 150 W / m · K or more In producing the body, the average particle size as a raw material powder of hexagonal boron nitride is 2 to 100 μm
Of coarse powder and fine powder of 0.01 to 1 μm in combination,
This and a mixed powder comprising aluminum nitride powder and a sintering aid in a vacuum or in an inert gas stream, at 1700 to 2200 ° C,
The present invention relates to a manufacturing method characterized by hot pressing at 5 to 50 MPa.

また、(2)六方晶窒化ほう素原料粉末中の微粉の含
有率が重量で3〜30%であることを特徴とする上記
(1)項記載の異方性を有するBN−Al N系焼結体の製造
方法に関する。
(2) The anisotropic BN-AlN-based ceramic according to the above (1), wherein the content of the fine powder in the hexagonal boron nitride raw material powder is 3 to 30% by weight. The present invention relates to a method for manufacturing a unit.

尚、本明細書中で使用する六方晶窒化ほう素や窒化ア
ルミニウム粉末の粒径(粒子径)とは一次粒子径のこと
を意味する。
The particle diameter (particle diameter) of the hexagonal boron nitride or aluminum nitride powder used in the present specification means the primary particle diameter.

作用 以下、本発明について詳述する。Action Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の異方性を有するBN−Al N系焼結体は、六方晶
窒化ほう素20〜80重量部と窒化アルミニウム80〜20重量
部の合わせて100重量部、および焼結助剤0.2〜5重量部
よりなる。六方晶窒化ほう素と窒化アルミニウムの合計
量に対して、窒化ほう素が20重量%近くの組成において
は、焼結体の曲げ強さ、ビッカース硬度が比較的大き
く、かつ異方性が比較的小さい焼結体を得ることができ
る。逆に窒化ほう素が80重量%近くの組成においては、
焼結体は顕著な異方性を示し、かつ被切削加工性が極め
て良好な焼結体を得ることができる。組成がこれらの範
囲をこえて、窒化ほう素が20重量%未満では、焼結体の
異方性が顕著でなくなり、高い方の熱伝導率も窒化アル
ミニウム焼結体の熱伝導率とほぼ等しくなり、また構成
成分がほとんど窒化アルミニウムとなるため、被切削加
工性がさほど良くない焼結体となる。また窒化ほう素が
80重量%超の焼結体では、曲げ強さが小さく、熱導電率
も低いものとなる。
The BN-AlN-based sintered body having anisotropy of the present invention has a total of 100 parts by weight of hexagonal boron nitride 20 to 80 parts by weight and aluminum nitride 80 to 20 parts by weight, and a sintering aid 0.2 to Consists of 5 parts by weight. In a composition in which boron nitride is close to 20% by weight with respect to the total amount of hexagonal boron nitride and aluminum nitride, the sintered body has relatively large bending strength and Vickers hardness and relatively low anisotropy. A small sintered body can be obtained. Conversely, in a composition in which boron nitride is close to 80% by weight,
The sintered body exhibits remarkable anisotropy, and a sintered body having extremely good machinability can be obtained. If the composition exceeds these ranges and boron nitride is less than 20% by weight, the anisotropy of the sintered body will not be remarkable, and the higher thermal conductivity is almost equal to the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body. In addition, since most of the constituent components are aluminum nitride, a sintered body having poor machinability is not obtained. Also, boron nitride
If the sintered body exceeds 80% by weight, the bending strength is low and the thermal conductivity is low.

本発明の異方性を有する焼結体は、第1図の焼結体の
模式図に示した様に、z軸方向に薄片状の窒化ほう素粒
子が配向、積層した構造を有する。このため、熱伝導率
等の物性値に異方性が生じる。ここで異方度という数字
を考える。この異方性とは、第1図におけるz軸方向の
熱伝導率とx軸およびy軸を含む平面(xy平面)上の任
意のある方向の熱伝導率の比、すなわち、xy平面上の任
意のある方向の熱伝導率/z軸方向の熱伝導率、である。
ホットプレス加圧軸をz軸方向にとった場合、z軸方向
にBNの積層が生じ、この方向は熱伝導率が悪い方向とな
る。一方、x軸、y軸およびこの両軸を含む平面(xy平
面)は高熱伝導率を示す。本発明の焼結体では熱伝導率
以外にも曲げ強さ、熱膨張係数、ビッカース硬度等の物
性値にも異方性が存在するが、本明細書中でいう異方度
とは、あくまでも熱伝導率についてのみ考える。
The sintered body having anisotropy of the present invention has a structure in which flaky boron nitride particles are oriented and laminated in the z-axis direction, as shown in the schematic view of the sintered body in FIG. For this reason, anisotropy occurs in physical property values such as thermal conductivity. Now consider the anisotropy figure. This anisotropy is defined as the ratio of the thermal conductivity in the z-axis direction to the thermal conductivity in an arbitrary direction on a plane (xy plane) including the x-axis and the y-axis in FIG. Thermal conductivity in any direction / thermal conductivity in the z-axis direction.
When the hot press pressure axis is set in the z-axis direction, BN is laminated in the z-axis direction, and this direction is a direction in which the thermal conductivity is poor. On the other hand, the x-axis, the y-axis, and a plane including both axes (xy plane) show high thermal conductivity. In the sintered body of the present invention, besides thermal conductivity, bending strength, thermal expansion coefficient, anisotropy also exists in physical property values such as Vickers hardness, but the anisotropy referred to in the present specification is to the last Consider only thermal conductivity.

本発明の焼結体は2以上の異方度を有し、かつ高い方
(x軸およびy軸を含む平面(xy平面)上の任意のある
方向の熱伝導率)の熱伝導率の値が150W/m・K以上であ
る。これらの特性を満たす組成の範囲としては、窒化ホ
ウ素の含有量が窒化ほう素と窒化合アルミニウムの合計
量の20〜80重量%である。窒化ほう素単味の焼結体にお
いてもこの異方性は存在するが、熱伝導率はそれほど高
くなく最高60W/m・K程度であり、150W/m・K以上とい
う熱伝導率は窒化アルミニウムを20重量%以上80重量%
まで配合することによって初めて達成されるものであ
る。
The sintered body of the present invention has an anisotropy of 2 or more and has a higher thermal conductivity value (thermal conductivity in any direction on a plane (xy plane) including the x-axis and the y-axis). Is 150 W / m · K or more. As a range of a composition satisfying these characteristics, the content of boron nitride is 20 to 80% by weight of the total amount of boron nitride and aluminum nitride. This anisotropy exists even in a sintered body of boron nitride alone, but its thermal conductivity is not so high, up to about 60 W / m · K, and the thermal conductivity of 150 W / m · K or more is aluminum nitride. 20% by weight to 80% by weight
This is achieved only by blending up to

焼結体を構成する結晶粒の粒径、特に窒化ほう素の粒
径は焼結体の異方度と機械的強度に大きな影響を及ぼ
す。すなわち、粗粒であるほど異方度は向上し、微粒で
あるほど強度は向上する傾向が見い出された。
The grain size of the crystal grains constituting the sintered body, particularly the grain size of boron nitride, greatly affects the anisotropy and mechanical strength of the sintered body. That is, it was found that the anisotropy increased as the size of the coarse particles increased, and the strength increased as the size of the fine particles increased.

なお、本複合材料BN−Al Nの焼結において、BN粒は焼
結後も殆ど原料BN粉末の形状とサイズを維持しており、
焼結体中に所望のサイズをもつBN粒を得るためにはそれ
に対応したサイズをもつできるだけ高純度のBN原料粉末
を使用すればよい。
In the sintering of the composite material BN-AlN, the BN particles almost maintain the shape and size of the raw material BN powder even after sintering,
In order to obtain BN particles having a desired size in the sintered body, BN raw material powder having a size corresponding to the BN particles and having as high a purity as possible may be used.

本発明の焼結体の製造に用いる窒化ほう素粉末は粗粉
と微粉とからなり、粗粉の平均粒径は2μm以上、100
μm以下であり、好ましくは5μm以上、100μm以下
である。また微粉の平均粒径は0.01μm以上、1μm以
下であり、好ましくは0.01μm以上、0.1μ以下であ
る。ただし、ここでいう窒化ほう素粉末の粒径とは、薄
片状の窒化ほう素粒子の平面方向の大きさであり、厚さ
方向の大きさではない。
The boron nitride powder used in the production of the sintered body of the present invention is composed of coarse powder and fine powder, and the coarse powder has an average particle size of 2 μm or more,
μm or less, preferably 5 μm or more and 100 μm or less. The average particle size of the fine powder is 0.01 μm or more and 1 μm or less, preferably 0.01 μm or more and 0.1 μm or less. However, the particle size of the boron nitride powder here is the size in the plane direction of the flaky boron nitride particles, not the size in the thickness direction.

粗粉の平均粒径が2μm未満では熱伝導率の異方度が
2以上になりにくく、また100μm超では焼結しにくく
なる。一方、微粉の平均粒径が1μm超では機械的強度
の向上が望みにくくなり、0.01μm未満ではBN粒子の純
度が低下して不純物(酸化物)の多い、従って熱伝導率
の低い材料となってしまう。
When the average particle size of the coarse powder is less than 2 μm, the anisotropy of the thermal conductivity is hardly 2 or more, and when it is more than 100 μm, sintering becomes difficult. On the other hand, if the average particle size of the fine powder is more than 1 μm, it is difficult to improve the mechanical strength. If the average particle size is less than 0.01 μm, the purity of the BN particles decreases and the material has many impurities (oxides). Would.

本明細書中で使われている粒径とは前述したように一
次粒子径のことを意味し、これはたとえば粉体試料を透
過型電子顕微鏡で観察することにより、だいたいの大き
さを計測することができる。発明者らのこのような観察
によれば、微粉、たとえば平均粒径0.02μmの粉体では
著しく凝集しており、大きさ約0.5〜3μm程度の凝集
粒となっているものが多かったのに比べ、粗粉、たとえ
ば平均粒径が10μmの粉体ではさほど凝集していないこ
とがかわった。
The particle size used in the present specification means the primary particle size as described above, which is roughly measured by observing a powder sample with a transmission electron microscope, for example. be able to. According to such observations by the inventors, fine powder, for example, powder having an average particle size of 0.02 μm, was remarkably agglomerated, and many of the fine powders were aggregated particles having a size of about 0.5 to 3 μm. In comparison, it was found that coarse powder, for example, powder having an average particle diameter of 10 μm was not so aggregated.

この平均粒径が10μmの粉体の粒度分布を遠心沈降法
にて測定したところ、粒径1μm未満の粒子が約10重量
部、粒径1μm以上30μm以下の粒子が約80重量部、粒
径30μm超の粒子が約10重量部計測された。平均粒径が
0.02μmの粉体については凝集しているため、一次粒子
径の分布を正確に測定することは困難であった。
When the particle size distribution of the powder having an average particle diameter of 10 μm was measured by a centrifugal sedimentation method, about 10 parts by weight of particles having a particle diameter of less than 1 μm, about 80 parts by weight of particles having a particle diameter of 1 μm to 30 μm, About 10 parts by weight of particles larger than 30 μm were measured. Average particle size
Since the 0.02 μm powder was agglomerated, it was difficult to accurately measure the primary particle size distribution.

六方晶窒化ほう素粉末中の微粉の存在率は、重量で3
〜30%、好ましくは5〜25%である。3%未満では強度
向上の作用効果が望みにくく、また30%超では熱伝導率
の異方度が2以上であることが達成されにくくなった
り、高い方の熱伝導率が150W/m・K以上であることが達
成されにくくなる。
The abundance of fine powder in the hexagonal boron nitride powder was 3% by weight.
-30%, preferably 5-25%. If it is less than 3%, the effect of improving the strength is hardly expected, and if it exceeds 30%, it is difficult to achieve an anisotropy of thermal conductivity of 2 or more, or the higher thermal conductivity is 150 W / m · K. It is difficult to achieve the above.

他方、窒化アルミニウム原料粉末は、これまで公知の
ものが使用可能であるが、高熱伝導率化の観点から平均
粒径1μm以下、酸素含有率3.0wt%以下が好ましく、
酸素含有率1.5wt%以下が特に好ましい。
On the other hand, as the aluminum nitride raw material powder, known ones can be used, but from the viewpoint of increasing the thermal conductivity, the average particle diameter is preferably 1 μm or less, and the oxygen content is preferably 3.0 wt% or less.
An oxygen content of 1.5 wt% or less is particularly preferred.

焼結助剤としては、酸化カルシウム、炭化カルシウ
ム、カルシウムシアナミド、酸化イットリウム、炭化イ
ットリウムなどの公知のものが使用できる。六方晶窒化
ほう素と窒化アルミニウムの合計量に対して、これらの
化合物のうちの少なくとも1種を0.2〜5重量%添加
し、混合粉末を得る。助剤の添加量は0.2重量%未満で
は助剤としての機能が十分に発揮されず、5重量%超で
は得られた焼結体中に残留する助剤ないしは助剤と他成
分との反応生成物の量が過多となるため熱伝導率の低下
がおこる。また焼結体の熱伝導率、とりわけ高い方の熱
伝導率の値は焼結助剤の添加量に敏感であるため注意し
て添加量を決定する必要がある。
Known sintering aids such as calcium oxide, calcium carbide, calcium cyanamide, yttrium oxide, and yttrium carbide can be used. At least one of these compounds is added in an amount of 0.2 to 5% by weight based on the total amount of hexagonal boron nitride and aluminum nitride to obtain a mixed powder. If the amount of the auxiliary agent is less than 0.2% by weight, the function as the auxiliary agent is not sufficiently exhibited, and if it is more than 5% by weight, the auxiliary agent remaining in the obtained sintered body or the reaction formation between the auxiliary agent and other components. Since the amount of the substance becomes excessive, the thermal conductivity decreases. Also, the value of the thermal conductivity of the sintered body, especially the higher value of the thermal conductivity is sensitive to the amount of the sintering aid added, so that the amount to be added needs to be determined with care.

原料および焼結助剤の混合には、ボールミルなどの公
知の方法による乾式混合、湿式混合が使用可能である
が、好ましくは湿式混合である。湿式混合に用いられる
分散媒体は特に限定されず、アルコール類、炭化水素
類、ケトン類が好適に用いられる。水は窒化物粉末と反
応してアンモニアガスを発生させる可能性があるため、
特に必要がある場合を除き、用いない方が良い。
For mixing the raw material and the sintering aid, dry mixing and wet mixing by a known method such as a ball mill can be used, but wet mixing is preferable. The dispersion medium used for the wet mixing is not particularly limited, and alcohols, hydrocarbons, and ketones are preferably used. Since water can react with the nitride powder and generate ammonia gas,
It is better not to use it unless it is particularly necessary.

本発明の焼結体を得るための焼結には一軸加圧である
ホットプレス法を用いる。プレス成形した後の常圧焼
結、HIPの如き等方的な加圧焼結法は、BN粒子の配向・
積層が起こらなかったり、あるいは起こっても不十分で
あったりするため、焼結方法として好ましくない。
For the sintering to obtain the sintered body of the present invention, a hot press method which is uniaxial pressing is used. Atmospheric pressure sintering after press molding and isotropic pressure sintering such as HIP
Since lamination does not occur or occurs even if it does not occur, it is not preferable as a sintering method.

ホットプレス焼結は1700〜2200℃、5〜50MPaの条件
で行う。1700℃未満では所望の物性値、特に熱伝導率の
高い焼結体が得られないためであり、2200℃超では経済
的でない。また加圧の圧力が5MPa未満では、焼結体の緻
密化やBN粒子の配向を起こすのに不十分な場合があり、
50MPa超ではホットプレスの際に使用できるダイスが限
定される。また焼結の際の雰囲気は、窒化物の酸化を防
ぐため窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気とすることが好
ましい。しかしながら、ある特定の焼結助剤を用いた場
合には、真空中で焼結を行うことにより、これらの焼結
助剤ないしは焼結助剤と他成分との反応生成物が比較的
すみやかに系外へ放出され、結果として熱伝導率が向上
する場合があり、この様な場合には真空中で焼結するこ
とが好ましい。
Hot press sintering is performed under the conditions of 1700 to 2200 ° C. and 5 to 50 MPa. If the temperature is lower than 1700 ° C., a desired physical property value, particularly a sintered body having a high thermal conductivity cannot be obtained, and if it exceeds 2200 ° C., it is not economical. If the pressure is less than 5 MPa, the sintered body may be insufficient to densify and orient the BN particles,
If it exceeds 50 MPa, the dies that can be used for hot pressing are limited. The atmosphere during sintering is preferably an inert gas atmosphere such as nitrogen gas to prevent oxidation of nitrides. However, when a specific sintering aid is used, by performing sintering in a vacuum, these sintering aids or reaction products of the sintering aids and other components are relatively quickly formed. It may be released outside the system, resulting in an improvement in thermal conductivity. In such a case, sintering in a vacuum is preferred.

BN粒子の配向・積層に起因する焼結体の異方性、およ
びその結果として生じる高い熱導電率はこれまで述べて
きた製造方法により達成される。
The anisotropy of the sintered body due to the orientation and lamination of the BN particles, and the resulting high thermal conductivity are achieved by the manufacturing method described above.

さらに詳細をつけ加えると、ホットプレス焼結の際に
焼結助剤として添加した酸化カルシウム、炭化カルシウ
ム、カルシウムシアナミドは、窒化アルミニウム表面に
不可避的に生成している酸化アルミニウムと反応し、カ
ルシウム・アルミニウム酸化物となり、1400℃程度から
溶融しはじめる。また酸化イットリウム、炭化イットリ
ウムを添加した場合には同じく酸化アルミニウムと反応
し、アルミニウム・イットリウム酸化物となり、1700℃
以上で溶融をはじめる。
In more detail, calcium oxide, calcium carbide and calcium cyanamide added as sintering aids during hot press sintering react with aluminum oxide inevitably formed on the aluminum nitride surface, It becomes an oxide and begins to melt at about 1400 ° C. In addition, when yttrium oxide or yttrium carbide is added, it also reacts with aluminum oxide to form aluminum-yttrium oxide.
This starts melting.

これらの溶融物はしだいに窒化ほう素や窒化アルミニ
ウムをとり囲む状態となり、窒化物粒子の表面に残存す
る酸化物層とほぼ完全に反応して粒子表面の純化を行
い、焼結体の熱伝導率を向上させる。またこの溶融物の
存在により、粒子間の緻密化は、再配列、溶解−析
出、合体というプロセスを経る、いわゆる液相焼結に
よって進行する。この液相が関与した緻密化のメカニズ
ムにより、一軸加圧によるBNの配向・積層を助長し、ホ
ットプレス圧力軸と平衡な方向にほぼ完全に窒化ほう素
粒子が積層し、異方性を有する焼結体が得られる。
These melts gradually surround boron nitride and aluminum nitride, react almost completely with the oxide layer remaining on the surface of the nitride particles, purify the surface of the particles, and conduct heat transfer of the sintered body. Improve rate. In addition, due to the presence of the melt, the densification between the particles proceeds by so-called liquid phase sintering through a process of rearrangement, dissolution-precipitation, and coalescence. Due to this liquid phase-related densification mechanism, orientation and lamination of BN by uniaxial pressing are promoted, and boron nitride particles are almost completely laminated in a direction equilibrium with the hot press pressure axis, and have anisotropy. A sintered body is obtained.

また本発明の異方性を有するBN−Al N系焼結体は、窒
化ほう素の含有率が20〜80重量%のいずれの組成におい
ても機械的な加工が容易である。
In addition, the anisotropic BN-AlN-based sintered body of the present invention can be easily mechanically processed in any composition having a boron nitride content of 20 to 80% by weight.

以下、本発明を実施例を用いて説明するが、本発明は
かかる実施例のみに限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to only these examples.

実施例1 平均粒子径0.6μmの窒化アルミニウム粉末と、第1
表のNo.1〜29に示したように粒度配合した窒化ほう素の
粉末と焼結助剤をボールミル中でアセトンを溶媒として
湿式混合した。得られた粉末を乾燥した後、黒鉛製ダイ
スに充填し、毎分2の窒素気流中、1800℃で2時間、
40MPaの圧力でホットプレス焼結を行った。冷却速度は1
0℃/minとした。
Example 1 Aluminum nitride powder having an average particle diameter of 0.6 μm,
As shown in Nos. 1 to 29 in the table, the powder of boron nitride and the sintering aid mixed in particle size were wet-mixed in a ball mill using acetone as a solvent. After the obtained powder was dried, it was filled in a graphite die, and was heated at 1800 ° C. for 2 hours in a nitrogen stream at 2 minutes per minute.
Hot press sintering was performed at a pressure of 40 MPa. Cooling rate is 1
0 ° C / min.

得られた焼結体の嵩密度、熱伝導率、3点曲げ強さ
(JIS規格に準ずる)の測定を行った。焼結体には異方
性が存在するため、熱伝導率、曲げ強さについてはホッ
トプレス圧力軸に垂直方向、平行方向の値を並記した。
熱伝導率はレーザーフラッシュ法により行った。
The bulk density, thermal conductivity, and three-point bending strength (according to JIS standards) of the obtained sintered body were measured. Since the sintered body has anisotropy, the values of the thermal conductivity and the bending strength in the direction perpendicular to and parallel to the hot press pressure axis are also listed.
Thermal conductivity was measured by a laser flash method.

結果を第1表に示す。第1表からわかるように窒化ほ
う素の含有率が80〜20重量%の範囲では異方度が2.1〜
7.8と顕著な異方性が認められ、また高い方の熱伝導率
がいずれの組成範囲においても150W/m・K以上を示して
いる。
The results are shown in Table 1. As can be seen from Table 1, when the boron nitride content is in the range of 80 to 20% by weight, the anisotropy is 2.1 to
A remarkable anisotropy of 7.8 was observed, and the higher thermal conductivity was 150 W / m · K or more in any composition range.

また曲げ強さはホットプレス圧力軸に垂直、平行の両
方の値とも、窒化ほう素含有量の減少とともに増加する
傾向にある。曲げ強さはBN/Al N=80/20組成では、ホッ
トプレス圧力軸に垂直方向の値はやや低く、100MPaを多
少上回る程度であるが、BN/Al N=60/40組成になると20
0MPaを越え、Al N組成が増加すると更に増加し、BN/Al
N=20/80組成に至っては380MPa前後の高い値を示す。ホ
ットプレス圧力軸に平行方向の曲げ強さは、垂直方向の
値と比べて各試料とも小さく概略その半分位の値を示し
ている。
Also, the flexural strength tends to increase with decreasing boron nitride content in both values perpendicular and parallel to the hot press pressure axis. The bending strength of the BN / Al N = 80/20 composition is slightly lower in the direction perpendicular to the hot pressing pressure axis, slightly higher than 100 MPa, but becomes 20 when the BN / Al N = 60/40 composition.
Over 0MPa, further increase with increasing AlN composition, BN / Al
N = 20/80 composition shows a high value of around 380 MPa. The bending strength in the direction parallel to the hot press pressure axis is smaller for each sample than the value in the vertical direction, and is approximately half the value.

次に比較例として本発明の範囲外にある焼結体材料の
特性を示す。平均粒子径0.6μmの窒化アルミニウム粉
末と、第1表のNo.30〜35に示したように平均粒径10μ
mの窒化ほう素と焼結助剤をボールミル中でアセトンを
溶媒として湿式混合し、以下前述と同様にして焼結体を
作製し、特性評価を行った。
Next, as a comparative example, characteristics of a sintered body material outside the scope of the present invention will be described. Aluminum nitride powder having an average particle diameter of 0.6 μm and an average particle diameter of 10 μm as shown in Nos. 30 to 35 in Table 1.
m of boron nitride and a sintering aid were wet-mixed in a ball mill using acetone as a solvent, and a sintered body was prepared and evaluated in the same manner as described above.

結果を第1表のNo.30〜35に示す。第1表の全体(No.
1〜35)からわかるように、原料として用いる窒化ほう
素粉に微粉を混ぜて粒度配合した場合はそうしなかった
場合よりも、各BN/Al N組成において、曲げ強さが(ホ
ットプレス圧力軸に垂直方向の値も平行方向の値も両
方)顕著に向上(20〜60%程度増加)している。また一
方熱伝導率は殆ど変化していないことがわかる。
The results are shown in Table 1 Nos. 30 to 35. Table 1 (No.
As can be seen from 1 to 35), the bending strength of each BN / Al N composition was higher than that in the case where fine particles were mixed with the boron nitride powder used as a raw material, and the particle size was not mixed. Both the value in the direction perpendicular to the axis and the value in the direction parallel to the axis are significantly improved (increased by about 20 to 60%). On the other hand, it can be seen that the thermal conductivity has hardly changed.

発明の効果 以上述べてきたように本発明の製造方法により成る異
方性を有するBN−Al N系焼結体は、高熱伝導性を有する
と共に、機械的強度が格段に向上したものであって、信
頼性の高いIC基板、ICパッケージ用材料、ないしは電気
絶縁性放熱材料などとして好適な材料であり、産業上き
わめて有用である。
Effect of the Invention As described above, the anisotropic BN-AlN-based sintered body according to the production method of the present invention has high thermal conductivity and significantly improved mechanical strength. It is a material suitable as a highly reliable IC substrate, a material for an IC package, or an electrically insulating heat dissipation material, and is extremely useful in industry.

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

第1図はホットプレス焼結体を模式的に示した斜視図で
ある。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a hot press sintered body.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−305862(JP,A) 特開 昭62−216967(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/583 - 35/5833 C04B 35/581 - 35/582────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-1-305586 (JP, A) JP-A-62-116967 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 35/583-35/5833 C04B 35/581-35/582

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】六方晶窒化ほう素20〜80重量部、窒化アル
ミニウム80〜20重量部、および焼結助剤0.2〜5重量部
よりなり、熱伝導率の異方度が2以上あり、かつ高い方
の熱伝導率の値が150W/m・K以上である異方性を有する
BN−Al N系焼結体を製造するに際し、六方晶窒化ほう素
の原料粉として2〜100μmの平均一次粒子径を有する
粗粉と、0.01〜1μmの平均一次粒子径を有する微粉と
からなる粉末を使用し、これと窒化アルミニウム粉末と
焼結助剤からなる混合粉末を真空中あるいは不活性ガス
気流中、1700〜2200℃、5〜50MPaでホットプレスする
ことを特徴とする異方性を有するBN−Al N系焼結体の製
造方法。
The present invention comprises 20 to 80 parts by weight of hexagonal boron nitride, 80 to 20 parts by weight of aluminum nitride, and 0.2 to 5 parts by weight of a sintering aid, and has an anisotropy of thermal conductivity of 2 or more, and Anisotropic with higher thermal conductivity value of 150 W / mK or more
In producing a BN-Al N-based sintered body, it is composed of a coarse powder having an average primary particle diameter of 2 to 100 μm as a raw material powder of hexagonal boron nitride, and a fine powder having an average primary particle diameter of 0.01 to 1 μm. Using a powder, the mixed powder consisting of aluminum nitride powder and a sintering aid is hot-pressed at 1700 to 2200 ° C. and 5 to 50 MPa in a vacuum or in an inert gas stream to provide anisotropy. Of producing a BN-AlN-based sintered body having the same.
【請求項2】六方晶窒化ほう素原料粉末中の該微粉末の
含有率が重量で3〜30%であることを特徴とする請求項
(1)記載の異方性を有するBN−Al N系焼結体の製造方
法。
2. The anisotropic BN-AlN according to claim 1, wherein the content of the fine powder in the hexagonal boron nitride raw material powder is 3 to 30% by weight. A method for producing a sintered body.
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