JP2828998B2 - Manufacturing method of aluminum nitride sintered body - Google Patents
Manufacturing method of aluminum nitride sintered bodyInfo
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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の製造方法に関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a method for producing an aluminum nitride sintered body.
(従来の技術) 窒化アルミニウム(AlN)は常温から高温まで高強度
性を保持し、かつ溶融金属に濡れず、更に電気絶縁性が
高く、高熱伝導性である等、多くの優れた特性を有する
ことから新素材として注目されている。特に、近年、Al
N焼結体の放熱性基板への応用研究が盛んに行われ、そ
の結果素原料や焼結技術の改善等により数年前までは熱
伝導率が100W/m・kが限界であったが、特殊な焼結方法
の採用により260W/m・kまで改良されるに到っている。(Conventional technology) Aluminum nitride (AlN) has many excellent properties such as maintaining high strength from room temperature to high temperature, not getting wet with molten metal, high electrical insulation, high thermal conductivity, etc. Therefore, it is attracting attention as a new material. In particular, in recent years, Al
The application of N-sintered bodies to heat-dissipating substrates has been actively studied, and as a result, the thermal conductivity was limited to 100 W / m · k until several years ago due to improvements in raw materials and sintering technology. It has been improved to 260 W / m · k by adopting a special sintering method.
ところで、AlN焼結体は通常AlN粉末を所望の方法によ
り成形した後、焼結することにより製造されている。焼
結は、常圧焼結法やホットプレス法により行われるが、
AlNは難焼結性物質であるため、常圧焼結法では緻密な
焼結体を得る目的で焼結助剤を添加することが必要であ
る。AlNの焼結助剤には、アルカリ土類元素の化合物や
希土類元素の化合物が知られている。これらの化合物
は、焼結時においてAlN粉末原料中に不可避的に混入さ
れている酸素と反応し、R−Al−O系化合物(R;アルカ
リ土類元素)やLn−Al−O系化合物(Ln;希土類元素)
を生成しつつ焼結体を緻密化させる。また、AlN粉末原
料中に含まれる酸素はAl−N−O系化合物を生成した
り、AlN粒子内に固溶してAlN本来の高熱伝導性を低下さ
せるが、上述した焼結助剤としてのアルカリ土類元素の
化合物や希土類元素の化合物が酸素と反応し、この生成
物を粒界相として固定するため、前記焼結助剤は高熱伝
導率化にも寄与する。By the way, an AlN sintered body is usually manufactured by molding AlN powder by a desired method and then sintering it. Sintering is performed by normal pressure sintering method or hot press method,
Since AlN is a hardly sinterable substance, it is necessary to add a sintering aid in the normal pressure sintering method in order to obtain a dense sintered body. AlN sintering aids include compounds of alkaline earth elements and compounds of rare earth elements. These compounds react with oxygen which is inevitably mixed in the AlN powder raw material during sintering, and R-Al-O-based compounds (R; alkaline earth elements) and Ln-Al-O-based compounds ( Ln; rare earth element)
And densify the sintered body. In addition, oxygen contained in the AlN powder raw material generates an Al-NO-based compound or dissolves in the AlN particles to lower the original high thermal conductivity of AlN. Since the alkaline earth compound or the rare earth compound reacts with oxygen and fixes this product as a grain boundary phase, the sintering aid also contributes to increasing the thermal conductivity.
上述したように焼結助剤をAlN粉末原料に添加するこ
とにより確かにAlN焼結体の緻密化、高熱伝導率化を達
成することが可能となるが、上記焼結助剤ではいずれも
1700〜1900℃の高温での焼結が必要である。その結果、
AlN焼結体の製造コストの高騰化の要因となっていた。
また、従来の焼結助剤を用いたAlN焼結体においては色
むら、クラック発生、膨れ発生等の不良が多発し、歩留
り低下によるコスト高を招く問題があった。かかるAlN
焼結体のコスト高は、AlN焼結体を広く利用上で極めて
重要な障害となっている。即ち、AlN焼結体は現在、高
信頼性の回路基板として広く使用されているアルミナセ
ラミックスに比べて熱放散性、シリコンとの熱膨張率の
マッチング性等の特性面で大幅に上回っているが、市場
価格がアルミナセラミックスより約1桁高いため、極め
て限られた分野への応用に止まっているのが現状であ
る。従って、AlN焼結体の製造コストの低減化を図るに
は焼結温度の低下、更には形状や外観不良による歩留り
低下を抑制することが極めて重要な課題となっている。By adding the sintering aid to the AlN powder raw material as described above, it is possible to surely achieve the densification of the AlN sintered body and increase in the thermal conductivity.
Sintering at a high temperature of 1700-1900 ° C is required. as a result,
This has been a factor in soaring the manufacturing cost of the AlN sintered body.
Further, in the conventional AlN sintered body using the sintering aid, there are problems that color defects, cracks, swelling, and other defects frequently occur, resulting in an increase in cost due to a decrease in yield. Such AlN
The high cost of the sintered body is an extremely important obstacle in widely using the AlN sintered body. In other words, the AlN sintered body is far superior in characteristics such as heat dissipation and matching of thermal expansion coefficient with silicon compared to alumina ceramics widely used as a highly reliable circuit board at present. However, since the market price is about an order of magnitude higher than that of alumina ceramics, at present the application is limited to very limited fields. Therefore, in order to reduce the manufacturing cost of the AlN sintered body, it is extremely important to reduce the sintering temperature and further suppress the decrease in yield due to poor shape and appearance.
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされた
もので、低温焼結により焼結性に優れ、かつ形状、外観
が均質な窒化アルミニウム焼結体を製造し得る方法を提
供しようとするものである。(Problems to be Solved by the Invention) The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and provides an aluminum nitride sintered body having excellent sinterability by low-temperature sintering and having a uniform shape and appearance. It is intended to provide a method that can be manufactured.
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、窒化アルミニウム(AlN)を主成分とし、
これに少なくともアルカリ土類元素希土類元素アルミニ
ウム化合物とアルカリ土類の酸化物、フッ化物、炭化物
および希土類元素の酸化物、フッ化物、炭化物から選ば
れる少なくとも1つの化合物を含む添加物を加えて1700
℃以下の温度で焼結することを特徴とする窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法である。[Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) The present invention comprises aluminum nitride (AlN) as a main component,
To this, at least an additive containing at least one compound selected from the group consisting of an oxide of an alkaline earth element, a rare earth element aluminum compound and an alkaline earth oxide, a fluoride, a carbide and a rare earth oxide, a fluoride, and a carbide is added.
A method for producing an aluminum nitride sintered body, characterized by sintering at a temperature of not more than ℃.
上記AlNとしては、酸素が0.01〜7重量%を含むもの
を用いることが望ましい。かかるAlNは、平均粒径で4
μm以下、低温焼結のためには2μm以下の粉末状のも
のを用いることが望ましい。It is desirable to use AlN containing 0.01 to 7% by weight of oxygen. Such AlN has an average particle size of 4
For low-temperature sintering, it is desirable to use a powder having a particle size of 2 μm or less.
上記添加物としては、次のような形態を挙げることが
できる。Examples of the additive include the following forms.
.アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合物と
アルカリ土類の酸化物、フッ化物、炭化物および希土類
元素の酸化物、フッ化物、炭化物から選ばれる少なくと
も1つの化合物との混合物からなる添加物。. An additive comprising a mixture of an alkaline earth element rare earth aluminum compound and an alkaline earth oxide, fluoride, carbide and at least one compound selected from rare earth oxides, fluorides, and carbides.
.アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合物と
アルカリ土類の酸化物、フッ化物、炭化物および希土類
元素の酸化物、フッ化物、炭化物から選ばれる少なくと
も1つの化合物と遷移金属化合物との混合物からなる添
加物。. An additive comprising a mixture of a transition metal compound and at least one compound selected from oxides, fluorides, carbides, and oxides, fluorides, and carbides of a rare earth element, an alkaline earth element rare earth element aluminum compound and an alkaline earth element.
.アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合物と
アルカリ土類の酸化物、フッ化物、炭化物および希土類
元素の酸化物、フッ化物、炭化物から選ばれる少なくと
も1つの化合物とアルミニウム酸化物の混合物からなる
添加物。. An additive comprising a mixture of an aluminum oxide and at least one compound selected from oxides, fluorides, carbides, and oxides, fluorides, and carbides of a rare earth element and an alkaline earth element rare earth element aluminum compound.
.アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合物と
アルカリ土類の酸化物、フッ化物、炭化物および希土類
元素の酸化物、フッ化物、炭化物から選ばれる少なくと
も1つの化合物と遷移金属化合物とアルミニウム酸化物
との混合物からなる添加物。. Alkaline earth element rare earth element aluminum compound and alkaline earth oxide, fluoride, carbide and rare earth element oxide, fluoride, carbide at least one compound selected from a transition metal compound and aluminum oxide mixture Additives.
上記添加物中に含まれるアルカリ土類元素希土類元素
アルミニウム化合物としては、例えばアルカリ土類元素
をR、希土類元素をLnとしたとき、R−Ln−Al−O径の
複合酸化物を挙げることができ、より好ましくはRLnAlO
4、RLnAl3O7の複合酸化物を用いることが望ましい。こ
こで、アルカリ土類元素としてはMg、Ca、Sr、Baを挙げ
ることかでき、特にCa、Srが好ましい。希土類元素とし
ては、Sc、Y、La、Ce、Sm、Eu、Tm、Tb、Dy、Nd、Gd、
Pr、Ho、Er、Yb等を挙げることができ、特にY、La、Ce
が好ましい。As the alkaline earth element rare earth element aluminum compound contained in the additive, for example, when the alkaline earth element is R and the rare earth element is Ln, a composite oxide having an R-Ln-Al-O diameter may be mentioned. Yes, more preferably RLnAlO
4. It is desirable to use a composite oxide of RLnAl 3 O 7 . Here, examples of the alkaline earth element include Mg, Ca, Sr, and Ba, and Ca and Sr are particularly preferable. As rare earth elements, Sc, Y, La, Ce, Sm, Eu, Tm, Tb, Dy, Nd, Gd,
Pr, Ho, Er, Yb and the like can be mentioned, and in particular, Y, La, Ce
Is preferred.
上記添加物中に含まれるアルカリ土類元素化合物とし
ては、例えばMg、Ca、Sr、Baの酸化物、フッ化物または
炭化物を挙げることができ、特にCa、Srの化合物が好ま
しい。Examples of the alkaline earth element compound contained in the additive include oxides, fluorides, and carbides of Mg, Ca, Sr, and Ba, and compounds of Ca and Sr are particularly preferable.
上記添加物中に含まれる希土類元素化合物としては、
例えばSc、Y、La、Ce、Sm、Eu、Tm、Tb、Dy、Nd、Gd、
Pr、Ho、Er、Ybの酸化物、フッ化物または炭化物を挙げ
ることができ、特にY、La、Ceの化合物が好ましい。As the rare earth element compound contained in the additive,
For example, Sc, Y, La, Ce, Sm, Eu, Tm, Tb, Dy, Nd, Gd,
Oxides, fluorides or carbides of Pr, Ho, Er, and Yb can be mentioned, and compounds of Y, La, and Ce are particularly preferable.
上記添加物中に含まれる遷移金属化合物としては、例
えばTi、Zr、Hf、Ni、Cr、Mn、Fe、Co、Vの酸化物、フ
ッ化物、窒化物又は炭化物を挙げることができ、特にT
i、Zr、Hfの化合物が好ましい。Examples of the transition metal compound contained in the additive include oxides, fluorides, nitrides, and carbides of Ti, Zr, Hf, Ni, Cr, Mn, Fe, Co, and V, and in particular, T
Compounds of i, Zr and Hf are preferred.
上記添加物中に含まれるアルミニウム酸化物として
は、例えばα−Al2O3、γ−Al2O3を挙げることができ
る。Examples of the aluminum oxide contained in the additive include α-Al 2 O 3 and γ-Al 2 O 3 .
上記添加物のAlN粉末に対する量は、陽イオン換算で
0.05〜30重量%、より好ましくは0.1〜20重量%の範囲
することが望ましい。この理由は、添加物の量を0.05重
量%未満にすると焼結体の特性改善の効果が充分ではな
く、一方その量が30重量%をを越えると熱伝導率、高温
強度等の特性劣化が無視できなくなる恐れがあるからで
ある。また、アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム
化合物の添加物中に占める量は、5重量%以上、より好
ましくは15重量%以上とすることが望ましい。この理由
は、アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合物の
添加物中に占める量を5重量%未満にすると、焼結体の
特性改善の効果が充分ではなくなる恐れがあるからであ
る。更に、添加物中に遷移金属化合物及びアルミニウム
酸化物を含ませる場合、各成分の添加物中に占める量を
夫々5重量%以下、より好ましくは3重量%以下とする
ことが望ましい。この理由は、遷移金属化合物及びアル
ミニウム酸化物の添加物中に占める量が夫々5重量%を
越えると焼結体の熱伝導率を低下させる恐れがあるから
である。The amount of the above additives with respect to AlN powder is calculated in terms of cation.
It is desirable to be in the range of 0.05 to 30% by weight, more preferably 0.1 to 20% by weight. The reason for this is that if the amount of the additive is less than 0.05% by weight, the effect of improving the properties of the sintered body is not sufficient, while if the amount exceeds 30% by weight, the properties such as thermal conductivity and high-temperature strength deteriorate. This is because it may not be ignored. The amount of the alkaline earth element rare earth element aluminum compound in the additive is preferably 5% by weight or more, more preferably 15% by weight or more. The reason for this is that if the amount of the alkaline earth element rare earth element aluminum compound in the additive is less than 5% by weight, the effect of improving the properties of the sintered body may not be sufficient. Further, when a transition metal compound and an aluminum oxide are contained in the additive, the amount of each component in the additive is preferably 5% by weight or less, more preferably 3% by weight or less. The reason for this is that if the amount of each of the transition metal compound and the aluminum oxide in the additive exceeds 5% by weight, the thermal conductivity of the sintered body may be reduced.
次に、本発明の製造方法をより具体的に説明する。 Next, the production method of the present invention will be described more specifically.
まず、AlN粉末に添加物を加え、ボールミル等を用い
て粉砕、混合して原料を調製する。但し、常圧焼結の場
合は前期ボールミル等で粉砕、混合したものに更にバイ
ンダを加え、混練、造粒を行なって原料を調製する。つ
づいて、バインダを含む原料を金型、静水圧又はシート
成形等の手段により成形した後、成形体をN2ガス気流中
にて加熱してバインダを除去する。次いで、成形体を黒
鉛、窒化硼素又は窒化アルミニウムからなる容器にセッ
トし、N2ガス雰囲気中にて1400〜1850℃で常圧焼結を行
なう。一方、ホットプレス焼結の場合は前記ボールミル
で粉砕、混合して調製した原料を1400〜1800℃の温度で
ホットプレスを行なう。First, an additive is added to AlN powder, and ground and mixed using a ball mill or the like to prepare a raw material. However, in the case of normal pressure sintering, a raw material is prepared by adding a binder to the mixture obtained by pulverizing and mixing with a ball mill or the like, kneading and granulating. Subsequently, after the raw material containing the binder is molded by means such as a mold, hydrostatic pressure or sheet molding, the molded body is heated in a stream of N 2 gas to remove the binder. Next, the compact is set in a container made of graphite, boron nitride or aluminum nitride, and subjected to normal pressure sintering at 1400 to 1850 ° C. in an N 2 gas atmosphere. On the other hand, in the case of hot press sintering, the raw material prepared by pulverizing and mixing with the ball mill is hot pressed at a temperature of 1400 to 1800 ° C.
(作用) 本発明によれば、窒化アルミニウムを主成分とし、こ
れに少なくともアルカリ土類元素希土類元素アルミニウ
ム化合物を含む添加物を加えて焼結することによって、
従来に比べてより低い焼結温度での焼結性が向上し、緻
密かつ高熱伝導率のAlN焼結体を製造できる。こうした
作用については、明らかではないが、次のようなメカニ
ズムによるものと推定される。(Action) According to the present invention, aluminum nitride is used as a main component, and an additive containing at least an alkaline earth element and a rare earth element aluminum compound is added thereto and sintered.
The sinterability at a lower sintering temperature is improved as compared with the related art, and a dense and high thermal conductivity AlN sintered body can be manufactured. Although this effect is not clear, it is presumed to be due to the following mechanism.
即ち、一般にアルカリ土類元素化合物又は希土類元素
化合物が焼結助剤として緻密化、高熱伝導率化に有効で
あるのは、焼結温度において主にAlN原料中の不純物と
反応して液相を生じ、AlNの液相焼結が進行させると考
えられている。例えば、イットリウムの場合を考え、Y2
O3を添加物としてAlN原料に加えると、まず昇温途中で
Y−Al−O系複合酸化物が生成し、これらの生成物が焼
結温度で液相となる。この場合、生成相がY3Al5O12とす
るとその液相温度は1760℃と考えられており、緻密なAl
N焼結体を得るためにはこれ以上の温度で焼結する必要
がある。このメカニズムをより詳細に述べると、Y2O3と
AlN粉末中の不純物酸素との反応は窒素(N)が何等か
の形で関与していることが考えられ、純粋なY2O3とAl2O
3の反応とは異なることが予想されるが、液相の生成温
度については正確には解明されていないのが現状であ
る。しかし、これまでの研究によれば前記1760℃に近い
温度で液相が生成されていることが確認されている。か
かる液相の生成は、他の希土類元素化を用いた場合でも
同様であり、希土類元素をLnで表わすと、Ln3Al5O12、L
nAlO3、Ln4Al2O9、LnAl11O18などの希土類元素アルミニ
ウム複合酸化物が生成され、Y2O3を用いた時と同様、緻
密で高熱伝導率のAlN焼結体が得られる。また、アルカ
リ土類元素化合物を用いた場合でも同様であり、アルカ
リ土類元素をRで表わすと、R3Al12O19、RAlO7、RAl
2O4、R12Al7O33、R3Al2Oなどのアルカリ土類元素アルミ
ニウム複合酸化物が生成され、Y2O3を用いた時と同様、
緻密で高熱伝導率のAlN焼結体が得られる。更に、アル
カリ土類元素化合物と希土類元素化合物を同時に加える
と、特定の組成範囲内で上述した複合酸化物の他にR−
Ln−Al−O系の複合酸化物、例えばRLnAlO4又はRLnAl3O
7の酸化物相が生成される。That is, in general, an alkaline earth element compound or a rare earth element compound is effective for densification and high thermal conductivity as a sintering aid because it mainly reacts with impurities in the AlN raw material at the sintering temperature to form a liquid phase. It is believed that the liquid phase sintering of AlN proceeds. For example, considering the case of yttrium, Y 2
When O 3 is added to the AlN raw material as an additive, first, a Y—Al—O-based composite oxide is generated during the temperature rise, and these products become a liquid phase at the sintering temperature. In this case, if the generated phase is Y 3 Al 5 O 12 , the liquidus temperature is considered to be 1760 ° C., and the dense Al
It is necessary to sinter at a higher temperature in order to obtain an N sintered body. To describe this mechanism in more detail, Y 2 O 3
The reaction with impurity oxygen in AlN powder is thought to involve nitrogen (N) in some form, and pure Y 2 O 3 and Al 2 O
Although it is expected that this reaction is different from the reaction of 3, the temperature at which the liquid phase is formed has not been elucidated exactly at present. However, according to previous studies, it has been confirmed that a liquid phase is formed at a temperature close to 1760 ° C. The formation of such a liquid phase is the same when other rare earth elementization is used, and when the rare earth element is represented by Ln, Ln 3 Al 5 O 12 , L
Rare earth element aluminum composite oxides such as nAlO 3 , Ln 4 Al 2 O 9 , LnAl 11 O 18 are generated, and a dense and high thermal conductivity AlN sintered body can be obtained as with Y 2 O 3 . The same applies to the case where an alkaline earth element compound is used. When the alkaline earth element is represented by R, R 3 Al 12 O 19 , RAlO 7 , RAl
Alkaline earth element aluminum composite oxides such as 2 O 4 , R 12 Al 7 O 33 , R 3 Al 2 O are generated and, like when Y 2 O 3 is used,
A dense, high thermal conductivity AlN sintered body can be obtained. Furthermore, when an alkaline earth element compound and a rare earth element compound are simultaneously added, R-
Ln-Al-O based composite oxide, for example, RLnAlO 4 or RLnAl 3 O
7 oxide phases are formed.
本発明は、AlN原料との反応過程で生成するアルカリ
土類元素希土類元素アルミニウム化合物(R−Ln−Al−
O系複合酸化物)を予め合成し、これを少なくとも含む
添加物をAlN原料に加えて焼結することによって、既述
したよう従来に比べてより低い焼結温度での焼結性が向
上し、緻密かつ高熱伝導率のAlN焼結体を得るに至った
ものであり、これは前記アルカリ土類元素希土類元素ア
ルミニウム化合物が液相温度を低下させることができる
こと、AlN原料との反応性が高いこと等によるものと考
えられる。The present invention relates to an alkaline earth element rare earth element aluminum compound (R-Ln-Al-
O-based composite oxide) is synthesized in advance, and an additive containing at least this is added to the AlN raw material and sintered, thereby improving the sinterability at a lower sintering temperature as compared with the conventional one as described above. , A dense and high thermal conductivity AlN sintered body has been obtained, which is that the alkaline earth element rare earth element aluminum compound can lower the liquidus temperature, high reactivity with the AlN raw material It is thought to be due to the above.
また、少なくともアルカリ土類元素希土類元素アルミ
ニウム化合物を含む添加物を用いることによって、形
状、外観が均質なAlN焼結体を製造することができる。
これは、次のようなメカニズムによるものと推定され
る。Also, by using an additive containing at least an alkaline earth element rare earth element aluminum compound, an AlN sintered body having a uniform shape and appearance can be manufactured.
This is presumed to be due to the following mechanism.
即ち、AlN焼結体の形状、外観は焼結過程でのAlN粉末
の性状、特に不純物量や粒度と添加物の種類や量、更に
焼結条件等の要因が複雑に関与しているが、とりわけ液
相の組成及び量が重要な要因となっている。従来の添加
物を用いて焼結を行なった場合には、前記液相の組成及
び量は添加物の種類、量とAlN原料中の不純物酸素量で
ほぼ一義的に決定される。このため、AlN焼結体の形
状、外観を均質化するための液相のコントロールが困難
であった。本発明では、焼結時において添加物中に含ま
れるアルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合物よ
る液相の組成、量のコントロールが容易となるため、前
述したように形状、外観が均質なAlN焼結体を製造する
ことができるものと推定される。In other words, the shape and appearance of the AlN sintered body are intricately involved in the properties of the AlN powder during the sintering process, especially factors such as the amount and size of impurities and the type and amount of additives, and further sintering conditions. In particular, the composition and amount of the liquid phase are important factors. When sintering is performed using a conventional additive, the composition and amount of the liquid phase are almost uniquely determined by the type and amount of the additive and the amount of impurity oxygen in the AlN raw material. For this reason, it was difficult to control the liquid phase for homogenizing the shape and appearance of the AlN sintered body. In the present invention, since the composition and amount of the liquid phase by the alkaline earth element rare earth element aluminum compound contained in the additive during sintering are easily controlled, AlN sintering having a uniform shape and appearance as described above is performed. It is presumed that the body can be manufactured.
更に、前述した〜のアルカリ土類元素希土類元素
アルミニウム化合物を含む系の添加物を用いることによ
って、より一層の焼結性の向上による緻密化と高熱伝導
率化を図ることができる。特に、遷移金属化合物を含む
系の添加物の使用によりAlN焼結体の高強度化及び着色
化を達成できる。即ち、遷移金属化合物を含む系の添加
物はAlN原料の焼結性を阻害することなく焼結体内に均
一に分布し、ピンニング効果による焼結体の強度増加を
達成できる。しかも、焼結体を着色し、また他の成分と
の組合わせにより各種の色調が得られ、焼結体の色むら
を隠蔽して美観を高め、更に半導体メモリの放熱基板と
して用いた場合に該メモリの誤動作の原因となる光を遮
蔽することができる。また、アルミニウム酸化物を含む
系の添加物の使用によりAlN焼結体の焼結性の改善化を
達成できる。とりわけ、不純物酸素量が少なく、かつ粒
径の大きいAlN粉末の焼結や成形後の脱バインダが不十
分で残留炭素量の多い成形体の焼結性を効果的に改善で
きる。Furthermore, by using the above-mentioned additive of the system containing the alkaline earth element rare earth element aluminum compound, the densification and the thermal conductivity can be further improved by further improving the sinterability. In particular, the use of a system additive containing a transition metal compound can achieve high strength and coloring of the AlN sintered body. That is, the additive of the system containing the transition metal compound is uniformly distributed in the sintered body without impairing the sinterability of the AlN raw material, and the strength of the sintered body can be increased by the pinning effect. Moreover, when the sintered body is colored and various colors are obtained by combining with other components, the unevenness of the color of the sintered body is concealed to enhance the aesthetic appearance. Light that causes a malfunction of the memory can be blocked. Further, the use of a system additive containing aluminum oxide can improve the sinterability of the AlN sintered body. In particular, it is possible to effectively improve the sinterability of a compact having a small residual oxygen content due to insufficient sintering of the AlN powder having a small impurity oxygen content and a large particle diameter and insufficient binder removal after compaction.
(発明の実施例) 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。(Examples of the Invention) Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail.
実施例1 まず、不純物としての酸素を1.4重量%含有し、平均
粒径が2.2μmのAlN粉末に重量比にて平均粒径2.5μm
のY2O3、平均粒径2.0μmのCaYAlO4、平均粒径3μmの
ZrO2及び平均粒径1.0μmのα−Al2O3を3:2:0.5:0.2の
比率で混合した添加物5.7重量%を加え、ボールミルを
用いて解砕、混合して原料を調製した。つづいて、この
原料にパラフィンを7重量%添加して造粒した後、500K
g/cm2の圧力でプレス成形して50cm×50cm×8cmの寸法の
圧粉体とした。ひきつづき、この圧粉体を窒素ガス雰囲
気で700℃まで加熱してパラフィンを除去した。次い
で、この圧粉体をカーボン製容器中にセットし、窒素ガ
ス雰囲気下にて1700℃で2時間常圧焼結してAlN焼結体
を製造した。Example 1 First, an AlN powder containing 1.4% by weight of oxygen as an impurity and having an average particle diameter of 2.2 μm was added to an AlN powder having an average particle diameter of 2.5 μm in a weight ratio.
Of Y 2 O 3 , CaYAlO 4 having an average particle size of 2.0 μm, and having an average particle size of 3 μm
5.7% by weight of an additive obtained by mixing ZrO 2 and α-Al 2 O 3 having an average particle size of 1.0 μm in a ratio of 3: 2: 0.5: 0.2 was added, and the mixture was crushed and mixed using a ball mill to prepare a raw material. . Then, after adding 7% by weight of paraffin to this raw material and granulating,
Press molding was performed under a pressure of g / cm 2 to obtain a green compact having dimensions of 50 cm × 50 cm × 8 cm. Subsequently, the green compact was heated to 700 ° C. in a nitrogen gas atmosphere to remove paraffin. Next, the green compact was set in a carbon container and sintered under normal pressure at 1700 ° C. for 2 hours under a nitrogen gas atmosphere to produce an AlN sintered body.
実施例2〜10、比較例1〜3 原料として後掲する第1表に示すAlN粉末、添加物で
ある混合粉末からなるものを用いた以外、実施例1と同
様な方法により12種のAlN焼結体を製造した。但し、第
1表中のCaOはCaCO3を重量換算して添加し、平均粒径は
n−ブタノールを分散媒とした時の遠心沈降径として示
す。Examples 2 to 10, Comparative Examples 1 to 3 12 kinds of AlN were prepared in the same manner as in Example 1 except that the raw material was composed of the AlN powder shown in Table 1 below and a mixed powder as an additive. A sintered body was manufactured. However, CaO in Table 1 is obtained by adding CaCO 3 in terms of weight, and the average particle size is shown as a centrifugal sedimentation diameter when n-butanol is used as a dispersion medium.
しかして、本実施例1〜10及び比較例1〜3で得られ
た各AlN焼結体の密度を測定した。また、各AlN焼結体を
研削して直径10mm、厚さ2.5mmの円板を作製し、これら
を試験片としてレーザフラッシュ法によって室温での熱
伝導率を測定した。更に、各AlN焼結体を研削して幅4m
m、厚さ3mm、長さ40mmの各棒を夫々6本作製し、これら
を抗折強度測定用試験片として、支点間距離20mm、クロ
スヘッド速度0.5mm/minの条件で3点曲げ強度を測定し
た。これらの結果を後掲する第1表に示す。The densities of the AlN sintered bodies obtained in Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 were measured. Further, each AlN sintered body was ground to produce a disk having a diameter of 10 mm and a thickness of 2.5 mm, and the thermal conductivity at room temperature was measured by a laser flash method using these as test pieces. Furthermore, each AlN sintered body is ground to a width of 4m.
6 bars each of m, thickness 3mm and length 40mm were prepared, and these were used as test pieces for measuring bending strength. The three-point bending strength was measured under the conditions of distance between fulcrums of 20mm and crosshead speed of 0.5mm / min. It was measured. The results are shown in Table 1 below.
後掲する第1表から明らかなように本実施例1〜10の
AlN焼結体は、比較例1〜3のAlN焼結体に比べて緻密
性、熱伝導率及び3点曲げ強度のいずれの特性について
も優れていることがわかる。As is clear from Table 1 described later, Examples 1 to 10
It can be seen that the AlN sintered body is superior to the AlN sintered bodies of Comparative Examples 1 to 3 in all of the properties of denseness, thermal conductivity, and three-point bending strength.
実施例11 まず、不純物としての酸素を0.9重量%含有し、平均
粒径が1.9μmのAlN粉末に添加物としての平均粒径2.5
μmのY2O32重量%及び平均粒径2.0μmのCaYAlO41重
量%を加え、ボールミルを用いて解砕、混合して原料を
調製した。つづいて、この原料にパラフィンを7重量%
添加して造粒した後、500Kg/cm2の圧力でプレス成形し
て30cm×30cm×8cmの寸法の圧粉体とした。ひきつづ
き、この圧粉体を窒素ガス雰囲気で700℃まで加熱して
パラフィンを除去した。次いで、この圧粉体をカーボン
製容器中にセットし、窒素ガス雰囲気下にて1500℃、16
00℃、1700℃及び1800℃で夫々2時間常圧焼結して4種
のAlN焼結体を製造した。Example 11 First, an AlN powder containing 0.9% by weight of oxygen as an impurity and having an average particle size of 1.9 μm was added to an AlN powder having an average particle size of 2.5 as an additive.
A raw material was prepared by adding 2% by weight of Y 2 O 3 μm and 1% by weight of CaYAlO 4 having an average particle size of 2.0 μm, and crushing and mixing using a ball mill. Subsequently, 7 wt% of paraffin was added to this raw material.
After adding and granulating, it was press-molded at a pressure of 500 kg / cm 2 to obtain a green compact having a size of 30 cm × 30 cm × 8 cm. Subsequently, the green compact was heated to 700 ° C. in a nitrogen gas atmosphere to remove paraffin. Next, the green compact was set in a carbon container, and heated at 1500 ° C. and 16 ° C. in a nitrogen gas atmosphere.
Atmospheric pressure sintering was performed at 00 ° C., 1700 ° C. and 1800 ° C. for 2 hours, respectively, to produce four types of AlN sintered bodies.
比較例4 まず、不純物としての酸素を0.9重量%含有し、平均
粒径が1.9μmのAlN粉末に添加物としての平均粒径2.5
μmのY2O33重量%を加え、ボールミルを用いて解砕、
混合して原料を調製した。つづいて、この原料を用いて
実施例11と同様な方法により常圧焼結して4種のAlN焼
結体を製造した。Comparative Example 4 First, an AlN powder containing 0.9% by weight of oxygen as an impurity and having an average particle size of 1.9 μm was added to an AlN powder having an average particle size of 2.5% as an additive.
Add 3% by weight of Y 2 O 3 of μm and crush using a ball mill.
The raw materials were prepared by mixing. Subsequently, using these raw materials, normal pressure sintering was performed in the same manner as in Example 11 to produce four types of AlN sintered bodies.
しかして、本実施例11及び比較例4で得られた各AlN
焼結体について密度及び室温での熱伝導率を測定した。
これらの結果を後掲する第2表に示す。Thus, each of the AlNs obtained in Example 11 and Comparative Example 4
The density and the thermal conductivity at room temperature of the sintered body were measured.
The results are shown in Table 2 below.
後掲する第2表から明らかなように本実施例11では、
1600℃という低温での焼結においても高密度で高熱伝導
率のAlN焼結体を得ることができることがわかる。As is clear from Table 2 below, in Example 11,
It can be seen that even at sintering at a low temperature of 1600 ° C., an AlN sintered body having high density and high thermal conductivity can be obtained.
実施例12〜27 原料として後掲する第3表に示すAlN粉末、添加物で
ある混合粉末からなるものを用いた以外、実施例1と同
様な方法により16種のAlN焼結体を製造した。但し、第
3表中のCaOはCaCO3を重量換算して添加し、平均粒径は
n−ブタノールを分散媒とした時の遠心沈降径として示
す。Examples 12 to 27 Sixteen types of AlN sintered bodies were produced in the same manner as in Example 1, except that AlN powder shown in Table 3 below and a mixed powder as an additive were used as raw materials. . However, CaO in Table 3 is obtained by adding CaCO 3 in terms of weight, and the average particle size is shown as a centrifugal sedimentation diameter when n-butanol is used as a dispersion medium.
しかして、本実施例12〜27のAlN焼結体について実施
例1と同様に方法により密度及び室温での熱伝導率を測
定した。その結果を後掲する第3表に併記した。The density and the thermal conductivity at room temperature of the AlN sintered bodies of Examples 12 to 27 were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3 below.
実施例28 原料として第1表に示す実施例9と同組成(添加物;
Y2O3、CaO及びCaYAlO4の混合粉末)のものを用い、これ
をドクターブレード法によりシート化した後、切断して
6.2mm×6.2mm×0.77mmの寸法のシートを100枚作製し
た。つづいて、これらシートを実施例1と同様に方法に
より脱バインダ、常圧焼結を行なって100枚のシート状A
lN焼結体を製造した。Example 28 As a raw material, the same composition as in Example 9 shown in Table 1 (additive;
Y 2 O 3, used as the CaO and mixed powder of CaYAlO 4), after a sheet by which a doctor blade method, and cut
One hundred sheets having dimensions of 6.2 mm × 6.2 mm × 0.77 mm were produced. Subsequently, these sheets were subjected to binder removal and normal pressure sintering in the same manner as in Example 1 to obtain 100 sheets of A
An 1N sintered body was manufactured.
比較例5 原料として第1表に示す比較例3と同組成(添加物;
Y2O3粉末)のものを用い、これをドクターブレード法に
よりシート化した後、切断して6.2mm×6.2mm×0.77mmの
寸法のシートを100枚作製し、これらシートを実施例1
と同様に方法により脱バインダ、常圧焼結を行なって10
0枚のシート状AlN焼結体を製造した。Comparative Example 5 As a raw material, the same composition as in Comparative Example 3 shown in Table 1 (additive;
Y 2 O 3 powder), which was formed into sheets by the doctor blade method, and then cut to produce 100 sheets having dimensions of 6.2 mm × 6.2 mm × 0.77 mm.
Perform binder removal and normal pressure sintering in the same manner as
Zero sheet-like AlN sintered bodies were produced.
しかして、本実施例28及び比較例5のAlN焼結体につ
いて目視及び顕微鏡により外観及び形状不良の検査を行
なった。なお、外観、形状不良についての検査基準は次
の如くとした。The AlN sintered bodies of Example 28 and Comparative Example 5 were visually and visually inspected for defects in appearance and shape using a microscope. The inspection criteria for appearance and shape defects were as follows.
(1)色むら;目視により色のむらがないこと。(1) Uneven color: no color unevenness is visually observed.
(2)膨れ;AlN焼結体表面での泡又はガス状包含物(も
し表面付近が破れればピンホールとなる)がないこと。(2) Swelling; no bubbles or gaseous inclusions on the surface of the AlN sintered body (a pinhole if broken near the surface).
(3)ひっつき;表面に付着したAlN焼結体の組成物又
は異物片がないこと。(3) Sticking: No AlN sintered body composition or foreign matter pieces adhered to the surface.
(4)欠け;AlN焼結体表を含む欠けによる脱落がないこ
と。(4) Chipping: No dropout due to chipping including the AlN sintered body surface.
(5)クラック;表面に発生した細長い溝又は裂け目の
線は見えるが間に隙間のない切れ目が存在しないこと。(5) Cracks: Elongated grooves or tear lines generated on the surface can be seen, but there are no gaps without gaps between them.
(6)すじ;表面上の細長い凸部がないこと。(6) Streaks; no elongated projections on the surface.
(7)異物;埋め込まれた異物や汚れがないこと。(7) Foreign matter; no embedded foreign matter or dirt.
その結果、本実施例28では100枚中、不良は色むらに
よるものが2枚、クラックによるものが1枚であり、不
良率は僅か3%であった。これに対し、比較例5では10
0枚中、不良は色むらによるものが26枚、クラックによ
るものが7枚、膨れによるものが4枚であり、不良率は
37%と極めた高いものであった。As a result, in Example 28, out of 100 sheets, the number of defects was two due to uneven color and one due to cracks, and the defect rate was only 3%. On the other hand, in Comparative Example 5, 10
Of the 0 sheets, 26 were defective due to uneven color, 7 were due to cracks, and 4 were due to blistering.
It was as high as 37%.
実施例29 原料として第1表に示す実施例1と同組成(添加物;
Y2O3、CaYAlO4、ZrO2及びα−Al2O3の混合粉末)のもの
を用い、これをドクターブレード法によりシート化した
後、切断して6.2mm×6.2mm×0.77mmの寸法のシートを50
0枚作製した。つづいて、これらシートを実施例1と同
様に方法により脱バインダ、常圧焼結を行なって500枚
のシート状AlN焼結体を製造した。Example 29 As a raw material, the same composition as in Example 1 shown in Table 1 (additive;
Y 2 O 3 , CaYAlO 4 , ZrO 2, and α-Al 2 O 3 mixed powder), and sheet it by the doctor blade method, then cut and measure 6.2 mm × 6.2 mm × 0.77 mm 50 sheets
0 sheets were produced. Subsequently, these sheets were subjected to binder removal and normal pressure sintering in the same manner as in Example 1 to produce 500 sheet-like AlN sintered bodies.
しかして、本実施例29のAlN焼結体について実施例28
と同様に目視及び顕微鏡により外観及び形状不良の検査
を行なったところ、色むらによる不良が3枚であり、不
良率は僅か0.6%であった。また、シート状AlN焼結体は
全て茶褐色を呈し、熱伝導率の平均値は173W/m・kであ
り、強度の平均値は56Kg/mm2であった。更に、AlN焼結
体の焼き上がり面の表面粗度を測定したところ、最大粗
度(Rmax)<5μm、最少粗度(Rmin)<0.8μmであ
り、回路基板としての使用上において充分優れた特性を
有することが確認された。Thus, with respect to the AlN sintered body of Example 29, Example 28
Inspection of appearance and shape defect by visual observation and microscope was carried out in the same manner as in the above. As a result, there were three defects due to uneven color, and the defect rate was only 0.6%. In addition, the sheet-like AlN sintered bodies all exhibited a brown color, the average value of the thermal conductivity was 173 W / m · k, and the average value of the strength was 56 kg / mm 2 . Further, when the surface roughness of the baked surface of the AlN sintered body was measured, the maximum roughness (Rmax) <5 μm and the minimum roughness (Rmin) <0.8 μm, which were sufficiently excellent in use as a circuit board. It was confirmed that it had characteristics.
実施例30〜46および参照例1〜4 原料として後掲する第4表に示すAlN粉末、添加物で
ある混合粉末からなるものを用いた以外、実施例1と同
様な方法により21種のAlN焼結体を製造した。但し、第
4表中のCaOはCaCO3を重量換算して添加し、平均粒径は
n−ブタノールを分散媒とした時の遠心沈降径として示
す。Examples 30 to 46 and Reference Examples 1 to 4 21 kinds of AlN powders were prepared in the same manner as in Example 1, except that AlN powders shown in Table 4 below and a mixed powder as an additive were used as raw materials. A sintered body was manufactured. However, CaO in Table 4 is obtained by adding CaCO 3 in terms of weight, and the average particle size is shown as the centrifugal sedimentation diameter when n-butanol is used as the dispersion medium.
しかして、本実施例30〜50のAlN焼結体について実施
例1と同様に方法により密度及び室温での熱伝導率、3
点曲げ強度、更に表面粗度(Ra)を測定した。その結果
を後掲する第4表に併記した。The density and the thermal conductivity at room temperature of the AlN sintered bodies of Examples 30 to 50 were determined in the same manner as in Example 1.
The point bending strength and the surface roughness (Ra) were measured. The results are shown in Table 4 below.
[発明の効果] 以上詳述した如く、本発明によれば低温焼結により焼
結性に優れ、かつ形状、外観が均質性が高く、高強度、
高熱伝導性を有し、回路基板等に有用な窒化アルミニウ
ム焼結体を高歩留りでかつ低コストで製造し得る方法を
提供できる。[Effects of the Invention] As described above in detail, according to the present invention, low-temperature sintering is excellent in sinterability, and the shape and appearance have high homogeneity, high strength,
It is possible to provide a method capable of producing an aluminum nitride sintered body having high thermal conductivity and useful for a circuit board or the like at a high yield and at low cost.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柘植 章彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−201671(JP,A) 特開 昭63−166765(JP,A) 特開 昭62−153173(JP,A) 特開 昭63−17262(JP,A) 特開 昭61−219763(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 Akihiko Tsuge 1 Toshiba-cho, Komukai, Koyuki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture (56) References JP-A-61-201671 (JP, A) JP-A-63-166765 (JP, A) JP-A-62-153173 (JP, A) JP-A-63-17262 (JP, A) JP-A-61-219763 (JP, A) (58) Fields investigated (Int .Cl. 6 , DB name) C04B 35/58
Claims (1)
なくともアルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合
物とアルカリ土類の酸化物、フッ化物、炭化物および希
土類元素の酸化物、フッ化物、炭化物から選ばれる少な
くとも1つの化合物を含む添加物を加えて1700℃以下の
温度で焼結することを特徴とする窒化アルミニウム焼結
体の製造方法。1. An aluminum nitride as a main component and at least an alkaline earth element rare earth element aluminum compound and an alkaline earth oxide, fluoride, carbide and at least one selected from rare earth oxides, fluorides and carbides. A method for producing an aluminum nitride sintered body, comprising adding an additive containing one compound and sintering at a temperature of 1700 ° C. or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63186815A JP2828998B2 (en) | 1988-07-28 | 1988-07-28 | Manufacturing method of aluminum nitride sintered body |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0238367A JPH0238367A (en) | 1990-02-07 |
JP2828998B2 true JP2828998B2 (en) | 1998-11-25 |
Family
ID=16195080
Family Applications (1)
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JP63186815A Expired - Lifetime JP2828998B2 (en) | 1988-07-28 | 1988-07-28 | Manufacturing method of aluminum nitride sintered body |
Country Status (1)
Country | Link |
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Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61201671A (en) * | 1985-03-01 | 1986-09-06 | 電気化学工業株式会社 | High heat conductor and manufacture |
JPH0717454B2 (en) * | 1985-06-28 | 1995-03-01 | 株式会社東芝 | Aluminum nitride sintered body and manufacturing method thereof |
JPH0788256B2 (en) * | 1986-07-10 | 1995-09-27 | 株式会社東芝 | Method for manufacturing aluminum nitride sintered body |
JPS63166765A (en) * | 1986-12-26 | 1988-07-09 | イビデン株式会社 | Aluminum nitride base sintered body and manufacture |
-
1988
- 1988-07-28 JP JP63186815A patent/JP2828998B2/en not_active Expired - Lifetime
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