JPH01305864A - セラミツクの製造方法 - Google Patents

セラミツクの製造方法

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JPH01305864A
JPH01305864A JP1093260A JP9326089A JPH01305864A JP H01305864 A JPH01305864 A JP H01305864A JP 1093260 A JP1093260 A JP 1093260A JP 9326089 A JP9326089 A JP 9326089A JP H01305864 A JPH01305864 A JP H01305864A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 A、産業上の利用分野 本発明はセラミックの製造方法、具体的には、窒化物、
好ましくはAtNからセラミックを製造する方法に関す
る。
B、従来技術 より複雑な集積回路が開発され、回路素子の密度が高く
なり、これに伴って発熱量が増大するにつ−れ、新らし
いセラミック基板の開発及び使用が必要になった。この
ような基板は回路の通常の動作と干渉しないように、発
生した熱を消散しなければならない。
現在提案されている進歩したセラミック材料の中には、
炭化シリコン、窒化シリコン及び窒化アルミニウムを含
む炭化物もしくは窒化物あるいはその両方から製造され
るものがある。
窒化物から製造される種々のセラミックについては、米
国特許第4547471号、米国特許第4591539
号、米国特許第4596781号及び1984年12月
刊の部品、ハイブリッド及び製造技術に関するIEEE
論文集第CHMT−7巻、第4号、第399−404頁
のワープツカ著の論文「窒化アルミニウムー微小回路の
高電力応用のための代替セラミック基板、(Werde
ckar 。
“Aluminum N1tride An Alte
rnative CeramicSubstrate 
for High−Power Applicatio
ns inMicrocircuits”、 I E 
E E Transactions onCompon
ents、hybrids、and Manufact
uringTechnology、Vol、CHMT 
−7、No、4 。
December 1984. Pages 399−
404)に開示されている。
窒化物のセラミックは電子回路の基板としては有望な材
料であり、優れた熱消散効果を示すが、製造過程には改
良の余地がある。それは特に焼結速度及び焼結温度が満
足すべきものでないからである。
炭化物及び窒化物の固体を焼結して完全な密度のものに
するには、特殊な問題がある。それは熱分解が顕著にな
る温度以下の温度では、その共有結合によって拡散速度
が低下するためである。
さらにセラミックの液相焼結は、特に無圧力焼結方法を
使用する時には、最終セラミックの密度が減少するとい
う問題がある。この密度の減少に関連する問題は、高温
での焼結中の窒化物の熱分解中の大きな重量の損失によ
って示される蒸発もしくは揮発によって生じるものと考
えられる。
窒化シリコンに関しては、たとえば1985年5月刊米
国セラミック協会通信C−124−126、のバイク等
による論文「窒素セラミックの液相焼結に与えるシリコ
ン活性度の効果J 、 (Baik、 etal、、 
”Effect of 5ilicon Activi
ty on Liquid−Phasa Sintar
ing of Nitrogen Ceramics”
Comm1cations of the Ameri
can Ceramic 5ociety。
C−124−126,May 1985)を参照された
い、この論文中には、稠密なセラミック部品を与えるた
めの揮発を抑圧するためにシリコンが窒化シリコン粉末
への添加物として提案されている。
密度の減少、即ち低密度は、セラミックの熱伝導度を減
少するので望ましくない。
高温では窒化物、特にAINの解離もしくは分解が欠陥
構造をつくり、酸素を結晶格子に拡散させる。 AIN
の結晶格子に酸素が混入すると熱伝導度が減少する。
C0発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、特に電子回路の基板として適したセラ
ミックを与えることにある。
本発明の他の目的は、低温でセラミックの稠密化を増大
する改良焼結方法を与えることにある。
D0問題点を解決するための手段 本発明に従えば、焼結温度が低下され、焼結速度が増大
される。焼結温度の低下と焼結速度の増大は熱伝導度の
高い窒化物セラミックの製造にとって、特に上述の高温
に関連する問題からみて望ましいことである。さらに焼
結温度の低下によって八INのようなセラミックと金属
層の共焼成(co−fire)が可能になる。
本発明はセラミックの製造方法に関する0本発明によっ
て得られるセラミックは窒化物を含む材料である1本発
明の方法は低い焼結温度を使用して、セラミックの稠密
化を改良する。さらに本発明は焼結速度を増大する。
本発明の方法は窒化物の粉末を用意し、この粉末を有機
金属化合物もしくは無機金属塩あるいはこの両方のゾル
(後でゲルになる)と接触させる段階を含む、主に複環
として粉末の境界に形成されたゲルは、焼結段階中に融
成体即ち液相に変り。
粉末と小さな接触角をなし、焼結を助ける。
E、実施例 本発明は窒化物から密度が増大したセラミックを製造す
る方法に関する。本発明に従って製造される好ましいセ
ラミックは窒化アルミニウム及び窒化シリコンをベース
とするものであるが、最も好ましいものは窒化アルミニ
ウムである。
本発明に従い、窒化物の粉末が用意される。粉末の粒子
の寸法は、通常約1μm(ミクロン)から約12μmで
あり、好ましくは約2ミクロン乃至約5ミクロン、最も
好ましい平均粒子寸法は約2ミクロンである。通常、使
用される粉末の粒子寸法の分布曲線は約2ミクロンの中
央値を有する。
粉末の化学組成を次に示す。
AIN粉末の化学組成(重量%) AQ=65.32% N =34.6% 0 =1.59% C=0.063% 5i=0.0132% 本発明に従って、この粉末は有機金属化合物もしくは無
機塩あるいはその両方のゾルと接触される。このゾルは
ゲルに変化する。このゲルの組成は、乾燥及び焼結段階
中のその後の熱処理によってゲルが分解して、残溜有機
物の存在によって還元環境を形成し、この環境が窒化物
上の酸化物層の還元を助けるごときものである。より高
い温度では、ゲルはその場で融成物もしくは液相になる
ゲルから誘導される粒界の融成物は窒化物の粉末と小さ
な接触角をなすことが重要である。従って融成物は窒化
物材料のための焼結助長剤として働き、焼結速度を増大
する。さらにゲル層の組成及び活性度は焼結段階中に解
放される窒素と反応して窒化物を形成する効果があり、
従って粒子の境界の孔で発生される圧力が減少し、従っ
て焼結が増強される。本発明の好ましい態様では、有機
金属化合物もしくは遷移金属もしくは希土類金属の無機
塩あるいはこれ等の組合せが使用される。希土類元素及
び第■族の遷移元素は窒化物を安定化し、焼結速度を増
大する。
さらに、本発明の成功にとってはゾル−ゲルの形の金属
材料を使用することが望ましい。ゾル−ゲル処理によっ
て、粉末の表面に化学的に結合する高度に反応性の生成
物としての焼結助長剤を均一に分布する。従って、液相
焼結に重要な役割を果す、粒子の境界層の分布、組成及
び活性度はゾル−ゲル処理を適切に行うことによって制
御される。
窒化物の粉末はゾルを粉末に対するゲル被覆として付着
させることにより(水でない溶剤中の)ゾルに接触でき
る。使用される技術はセラミックの粉末を通してゾルを
浸透させることに基づいている。
これに代って、粉末は、ゲルを形成することができる有
機金属化合物のゾルを含む水でない溶剤中に粉末を先ず
浸し、次に分散体を焼結用添加物及び粉末を含むゲルに
変えることによってゲルと接触させることができる。
本発明に従えば、窒化物の粉末は通常、粉末及び有機金
属化合物の組合せ固体を少なくとも約90重量%、より
通常には約90乃至約99.5重量%及び好ましくは約
95乃至99重量%を含む。
本発明に従えば、焼結を容易にするために使用する添加
材料は窒化物に容易に湿潤する、即ち焼結さるべき窒化
物の粉末と小さな接触角(約40°乃至0″)をなすこ
とが必要である。種々のニッケル合金とこれが窒化アル
ミニウムを湿潤させることができることについては、た
とえば1978年5−6月刊米国セラミック協会ジャー
ナル第61巻、第5−6号、第204−207頁のトロ
ンテリ等による論文「ニッケル合金による窒化アルミニ
ウムの湿潤J (Trontelj、 et al、。
”Wetting of Aluminum N1tr
ide by N1ckelAlloys”、 Jou
rnal of the Al1erican Cer
amicSociety、 Volumes 61. 
No、 5−6. Pages 204−207 、 
May−June 1978 )に開示されている。こ
の論文にはllf、Zr及びTiのような第■族の遷移
金屑元素を含むニッケル合金の融成体は1500℃の温
度で窒化アルミニウムの表面を湿潤することが示されて
いる。湿潤角は1500℃で6分以内に急激に30°も
しくはそれ以下に減少しでいる。第2図を参照されたい
−本発明に従う、焼結助長剤として適した金属材料はニ
ッケルもしくはコバルトあるいはこの両方とイツトリウ
ム、ランタン、スカンジウム及びセシウムのような希土
類元素との合金並びにニッケルもしくはコバルトあるい
はこの両方とハフニウム、ジルコニウム及びチタンのよ
うな遷移元素との合金を含む6通常、合金は約90乃至
30重量%のニッケルもしくはコバルトあるいはその両
方を含み、約10乃至約70重量%の合金の基剤金属を
含む。
本発明に従えば、金属材料は粉末の微細構造中で金属材
料の均一な分布を保証するゾルの形で使用されることが
必要である。これによって、焼結速度を増大することが
保証され、同時にその後の焼結温度を下げることが可能
になる。さらに、焼結されたセラミックは密度が増大し
、均一な微小構造を示す。
金属化合物のゾル−ゲルを調製する方法は一般に知られ
ているので、詳細な調製方法は本明細書の開示によって
この分野の専門家によって容易に決定できよう。
たとえば、種々のゾル−ゲルの説明については、次の文
献を参照されたい。
1979年1−2月刊米国セラミック協会ジャーナル第
62巻第1−2号、ムクヘルシー等による論文rLa2
0.−5io、系中のゲルの微小構造及び結晶的振舞い
J (Mukherjee、 et al、。
“Microstructure and Cryst
alline Behavior ofgels  i
n  System  La、  O,−5io2” 
 、  Journal  of  theAmeri
can Ceramic 5ociety、 Volu
me 62 、 N O。
1−2 、 January−February 19
79 )1982年北オランダ出版社刊非結晶固体ジャ
ーナル48.第177−184頁ムクヘルシー等による
論文「ゲル誘導単層反射防止膜」(Mukhsrjea
、 et al、、 ”Gel Derived Si
ngleLayer Antiflection Fi
lms”、 Journal of NonCryst
alline 5olids、 48 (1982) 
、 pagesl 77−184 、 North−1
1o11and PublishingCo■pany
) 1981年刊材料科学ジャーナル、16、第1980−
1988頁、プリンカー等による論文「多成分シリケー
ト・ガラス系中のモノリシック・ゲルのガラスへの変態
J (Brinker、 et al、。
“Conversion of Monolithic
 gels to glasses ina Mult
icomponent 5ilicate glass
 System”。
Journal of Materials 5cie
nce、  16 (1981)。
pages 1980−1988 ) 1980年10月北オランダ出版社刊非結晶固体ジャー
ナル、第42巻、第1−3号、第477−488頁、ム
クヘルシー等による論文「ガラス中のゾル−ゲル処理の
理論及び技術J (Mukherjee。
at al、、 ”Sol−gel Processe
s in glass 5cienceand Tec
hnology、 Vol、 42 、 No、1−3
゜0ctober 1980. pages 477−
488)ゾルもしくはゾル−ゲルについては米国特許第
4397666号、米国特許第4429051号、第4
517037号及び第4574063号に開示されてい
る。
ゾルは一般に半固体で、かなりの量の液体を含む多成分
コロイド系である。ゲル基剤成分は通常約10重量%含
まれる1本発明に従い、最初焼結助長剤の金属−有機物
前駆物質のゾルもしくは部分的に重合化された溶液が調
製され、その後pH。
濃度及び触媒のようなゲルにするためのパラメータを制
御することによって“ゲル″にされる0本発明で使用さ
れる前駆物質は、金属アルコキシド、金属アセチルアセ
トネート金属ニトレート及びアセテートである。ニッケ
ル及びイツトリウムの場合には、ゲルはNi0−Y、 
O,を含むことができる。ゾルは一般にエタノール及び
イソプロピル・アルコールを含むアルコール並びにベン
ゼン、トルエン、シクロヘキサン、メチルイソブチル・
ケトンのような芳香族炭化水素のような水でない溶剤中
にある。化学的性質の異なる前駆物質を溶解するのには
有極性及び無極性の溶剤の混合物が使用される。
使用される化合物は窒化物粉末中に均一に分布する高度
に反応性の酸化物材料を与える。
Ni0−Y、0.系中のゲルの調製手順の代表的な例を
次に示す、他の系中のゲルモ同様にして調製された。
ゾル−ゲル調製に使用される前駆物質の選択は次の因子
を基にしてなされる。
(a)水でない溶剤中の溶解度 (b)加水分解的重縮合もしくはコロイド・ゾルを形成
する能力 (c)次の因子:211、水の濃度、固体の濃度を制御
することによって1重合体溶液もしくはゾルをゲルにす
る能力 Ni0−Y、O,ゲル: NiOゲルのための前駆物質
はエタノールもしくはイソプロパツール中に溶解する硝
酸ニッケルである。Y、 O,のための前駆物質は硝酸
イツトリウムもしくはイツトリウム・イソプロポキシド
である。硝酸イツトリウムの溶液はY2O,を硝酸溶液
中に溶解されることによって調製される。
次にこの溶液を蒸発さして乾燥し、硝酸イツトリウムに
し、次にこれをpHが約3のエタノールもしくはイソプ
ロパツール中に溶解させる。これに代って、イツトリウ
ムのゾルはイツトリウム・イソプロポキシドをイソプロ
パツール中に溶解しても調製される。
硝酸ニッケル及び硝酸イツトリウムもしくはイツトリウ
ム・インプロポキシドの溶液はpHが約3の状態で混合
された。この原料のゾルはAIN粉末上にゲル被覆を形
成するか、AINとゲルを含む合成粉末を調製するのに
使用される。
合成粉末を調製するには次の技法が使用される。
(a)窒化物を約250のセンチポアズ以上の高い粘度
のゾルに加えて、pHを約7乃至8に増大するか、溶液
を蒸発させることによってゲルにする。
(b)すべてのゾルが窒化物の粉末の表面に吸収される
迄、窒化物の粉末の薄い層を通してゾルを多数回浸透さ
せる。
同じ方法は他の酸化物系のゾルを調製するのにも使用さ
れる。
他の酸化物のソースは次の通りである。
虹復−皿塁立双 ZrO2−ブタノール中のジルコニウム・ブトキシド Tie、−チタン・イソプロポキシド、チタン・ブトキ
シド C,〇−硝酸コバルト 窒化物粒子がゲルで被覆される手順に従い、ゲル中に使
用された有機物は150℃から約350℃の熱処理によ
って大部分除去されて、多孔性で反応性の表面を有する
酸化物層が形成される。しかしながら、若干の有機物が
残るが、これはその後のより高温の窒素雰囲気中の固着
段階で還元雰囲気を与える。350℃乃至約600℃の
か焼抜に得られた粉末が焼結過程を受ける。
ゲルが被覆された試料で得られた粉末の凝縮体は約15
00℃乃至約1900℃の温度、好ましくは約1600
℃乃至1800℃の温度、代表的には約1700℃の温
度で焼結される。
焼結された素地の製造には次の2つの異なる焼結技法が
使用された。(a)温圧処理及び(b)無圧焼結 さらに本発明を説明するために、次に非制限的実施例を
示す。
実施例1 加圧焼結ニゲルで被覆した粉末をN2の雰囲気中で約6
00℃迄加熱して、その後内径が1.27国の円筒上の
グラファイトのダイス型中に置く。
同じくグラファイトより成るピストンにグラフアイ1−
の箔で内張すし、ダイス型から温圧処理された標本の除
去が容易になるようにされた。この粉末は約5MPaで
冷圧され、次にタングステンのメツシュ炉中に置かれた
。温圧実験は窒素の雰囲気中で約1600℃及び約17
00℃で行われた。
炉の温度上昇時間は約1−時間である。この期中、約1
−2MPaの荷重が粉末上に保持された。
炉が所定の温度に達した後、ピストンがねじ駆動装置に
よって、一定の変位速度で移動された。
従ってクロス・ヘッド移動は次式を使用して標本の密度
に直接換算できる。
ρ/ρth= Lth/ L       (1)ここ
で、ρthは窒化アルミニウムの理論的密度(3、26
g/cur)であり、Lは密度がρの時の標本の長さで
ある。値T=thは次式によって論理的密度に関係付け
られる。
Lth=4W/πD2ρth      (2)ここで
Wは標本の重量、Dはグラファイト・ダイス型の直径で
ある。
上述のように、温圧テストは一定のクロス・ヘッド速度
で行われた。従って、ひずみ速度の大きさは、稠密化と
ともに変化(増大)する。しかしながら、初期ひずみ速
度E0は次の式を使用して表わすことができる。
E、=L/L0 ここで、Lはクロスヘツドの変位速度であり、Loは粉
末凝縮体の初期長さである。
実験中に、標本に加えられる軸方向の応力は連続的に測
定される。応力の値はピストンが受ける荷重をピストン
の断面積で割った値に等しい。荷重はセルAによって測
定される。約1700℃における、応力σの変化と、こ
れに伴うある組成の粉末凝縮体の圧縮を示す代表的曲線
を第1図に示す。これ等の組成の例を第1表に示す。
シリカ−ニッケル組成は最悪の成績を示し、イットリウ
ムーニッケルは最良の成績を示す、イツトリウムの重量
の割合を2倍にしても稠密化はわずかに改良されるだけ
である(試料IAと7を比較せよ)、イツトリウムにニ
ッケルを加えると、明確な改良がみられる(LAとIB
を比較されたい)。
第1表 X且羨’x     ゛・      支17亘IA 
 9重量%のイツトリウム  3.24+1重量%Ni 1B  10重量%イツトリウム  3.202  1
重量%Ni         3.073  2重量%
Ni         3.175A  4重量%シリ
カ      3.14+1重量% 7  19重量%イツトリウム +1重量%Ni 他方“IB”として示された曲線はイツトリウムだけを
含み、曲線2及び3はニッケルだけを含んでいる。明ら
かに、これ等のものはゲル−ゾル中にイツトリウム及び
ニッケルを含むものに対して一性質が著しく劣っている
実施例2 無圧焼結、即ち粉末凝縮体に外力が印加されない時の代
表的な例を次に説明する。
結合剤を含まない粉末凝縮体が約1分間かけて。
約140.6kg/amの圧力で冷圧縮された。このペ
レットを100ミクロン以下の圧力に排気した炉中で加
熱し、熱サイクルの前に3回窒素を充填した。このペレ
ットを毎時約580℃の加熱速度で約1880℃に加熱
し、1880℃で約2時間焼結した(完全に稠密な本体
が得られた)。
無圧焼結は通常172時間乃至2時間で、好ましくは1
乃至2時間で完了する。温度は約1700℃乃至約19
00℃の範囲にある。
最終焼結はN、雰囲気の下で行われる。約1500℃の
温度迄はNH,気体による初期熱処理が使用された。 
N+(、気体の働きはゲル層を減少して、粒子の境界の
湿潤を助ける金属もしくは窒化物あるいはこの両方を形
成することにある。
残留有機物を含む、化学的には酸化物であるゲル層は、
その後の焼結段階中、化学的及び物理的に変化する。
本発明にとっては、使用される金属材料のゲルは粉末と
して小さな接触角をなすことが重要である。このような
接触角は、上述のようにニッケルもしくはコバルトある
いはこの両方と、を土類酸化物もしくは第■族の遷移金
属酸化物あるいはこの両方との組合せを焼結助長剤とし
て使用することによって達成される。希土類酸化物と第
■族の遷移金属酸化物が個々に試みられたが、このよう
な場合は本発明にとって必要な小さな接触角は形成され
なかった。
F0発明の効果 本発明に従えば、特に電子回路の基板として適したセラ
ミックが与えられる。
【図面の簡単な説明】
第1図は種々のゾル−ゲル組成を使用して得られたセラ
ミックの稠密化を示すグラフ図である。 第2図は従来の技術文献に示された、AIN基板上のニ
ッケル合金の湿潤角と接触時間の関係を示す一グラフ図
である。 出願人  インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人  弁理士  山  本  仁  朗(外1名) 娑二

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (a)窒化物の粉末を用意し、 (b)上記粉末に、該粉末と小さな接触角を形成する金
    属化合物のゲルを接触させ、 (c)段階(b)で得られた組成から、溶剤及び有機材
    料を除去し、 (d)段階(c)で得られた組成を焼結して、セラミッ
    クを形成する段階を有する、 窒化物、もしくはその混合物の群から選択されたセラミ
    ックの製造方法。
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