JPH0235700B2

JPH0235700B2 -

Info

Publication number: JPH0235700B2
Application number: JP59064513A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Yamauchi; Takao Yokoyama; Takashi Inui
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1990-08-13
Also published as: JPS60210571A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は炭化珪素を含有するアルミナ質焼結体
の製造方法に係り、詳しくは炭化珪素粒子を均一
に含み、機械的性質、熱伝導性及び電気絶縁性に
優れたアルミナ質焼結体の製造方法に関する。一般にアルミナ焼結体は、硬度、常温強度、耐
熱性、化学的安定性及び電気的絶縁性に優れた材
料であり、耐蝕耐摩耗部品、電子工業用部品、点
火栓用部品などに広く使用されている。最近、省
エネルギーや新エネルギーが重要な課題となり、
耐熱性、耐蝕性、軽量性などの性質からセラミツ
クスを高温機械部品として使用する試みが多く行
なわれるようになつた。そのなかでもアルミナ焼
結体は、高温機械部品として注目されているが、
高温における硬度、強度及びクリープ特性や、破
壊じん性、さらに耐熱衝撃性が十分な特性に到つ
ていない。また、電子工業の発達に伴つて、半導
体等の電子部品材料は高速化あるいは高集積化が
進められている。そのため、集積回路内における
発熱量が増加し、基板材料の放熱性が重要な課題
となつている。ところで、アルミナ焼結体は従来
から電子工業用の基板材料として実用化されてい
るが、前述の如く高速化あるいは高集積化される
集積回路用の基板材料としては熱伝導率が低く放
熱性に劣るため大きな問題となる。前記問題を解決する材料としては高純度のアル
ミナ粉末を高温高圧下で焼結するアルミナホツト
プレス焼結体、アルミナ単結晶、さらに炭化珪素
繊維又はウイスカーとアルミナの複合材料などが
検討されている。しかしながら、前記ホツトプレ
ス焼結体は熱伝導率、高温強度、破壊じん性が十
分でなく、原料である高純度アルミナ粉末のコス
トが高く、かつ生産性が悪い。前記単結晶は熱伝
導率、高温強度は改善されているがコストが極め
て高い。また、炭化珪素繊維又はウイスカーとア
ルミナの複合材料は材料の特定方向に対して高温
強度や破壊じん性の改善がなされるが、全ての方
向に前記繊維又はウイスカーとアルミナが均一に
分散することは実質上極めて困難なことから、全
ての方向に性質を改善することが容易でないなど
の欠点であつた。本発明者らは前記諸欠点を解決することのでき
るアルミナ質常圧焼結体を鋭意研究に努めた結
果、機械的性質、熱伝導性及び電気絶縁性に優れ
た炭化珪素を含んだアルミナ質焼結体の製造方法
を完成するに至つた。次に本発明を詳細に説明する。本発明の目的は、炭化珪素粒子を均一に含んだ
アルミナ質焼結体の製造方法を提供することにあ
る。本発明によれば、アルミナ質常圧焼結体に炭化
珪素粒子を均一に含有させると、硬度、強度、破
壊じん性、熱伝導率及び耐熱衝撃性が大幅に向上
する。その理由は、炭化珪素は本質的に極めて硬
い材料であることから炭化珪素を含んだアルミナ
質焼結体の硬度は向上し、その炭化珪素が細かい
粒子として均一に分散していることからアルミナ
質常圧焼結体の強度も向上する。また、炭化珪素
とアルミナは化学的組成と結晶構造その他の諸性
質が異なる為にミクロ的な炭化珪素粒子とアルミ
ナ質粒子の間においては組成的及び構造的不均一
部分が生じ、これに基づいて破壊のクラツクが伝
播したときにその伝播エネルギーを消費してクラ
ツクの進展を防止することから破壊じん性が向上
する。さらに、炭化珪素は熱伝導率に優れた材料
であることから炭化珪素を均一に含んだアルミナ
質焼結体の熱伝導率が改善される。また本発明によれば、アルミナ質常圧焼結体に
含まれる炭化珪素は重量比で0.5〜40％の範囲で
あることが必要である。炭化珪素が0.5％より少
ないと炭化珪素を含んだことに基づく硬度、強
度、破壊じん性及び熱伝導率の改善が十分でな
く、40％より多いとアルミナと炭化珪素の焼結性
が困難となり高密度のアルミナ質常圧焼結体が得
られにくく、仮に、高密度の焼結体が得られても
炭化珪素粒子とアルミナ粒子の粒子間における不
均一部分が極めて多くなり機械的性質と熱的性質
を大幅に低下せしめるからであり、なかでも、炭
化珪素が0.5〜20％の範囲であることが最も好適
な結果が得られる。本実験によれば、重量比で炭化珪素0.5〜40％
に対して、SiO₂、MgO、CaO、SrO、BaO、
MnO₂、FeO₂、TiO₂、ZrO₂、PbO、Cr₂O₃、
B₂O₃の１種又は２種以上の添加物0.1〜20％を含
み、残部がアルミナを主体とする混合物を出発原
料とすることを特徴とする炭化珪素を含んだアル
ミナ質焼結体であることが好ましい。その理由
は、前記添加物を含むとアルミナとの間に低融点
化合物が生成し、緻密な常圧焼結体が比較的低い
温度で容易に得られるからである。さらに焼結の
温度が高いと炭化珪素中に不純物が拡散しその熱
伝導率が大きく低下するのに対し、焼結の温度が
低いと不純物の拡散が防止され熱伝導率の優れた
焼結体が得られる。前記添加物が0.1％より少な
いと生成する低融点化合物が少ないことから実質
的に効果が少なく、添加物が20％を越えると低融
点化合物が多く生成し、常圧焼結体の高温機械的
性質が劣化することから0.1〜20％の範囲である
ことが好ましい。本発明によれば、炭化珪素の平均粒径は0.05〜
5.0μｍであり、アルミナの平均粒径は0.5〜50μｍ
であることが好ましい。その理由は、炭化珪素の
平均粒径が0.05μｍより小さいとアルミナ質常圧
焼結体の強度に関しては有効な作用をもたらす
が、熱伝導率を十分に改善する為には所定量以上
含まれることが必要だからである。一般に超微粒
子のセラミツクスを他のセラミツクス中に均一分
散している状態を得るには極めて困難となる。ま
た、本発明によれば、0.05μｍ以下の炭化珪素を
十分な量を均一に含ませることは困難である。炭
化珪素の平均粒径が5.0μｍより大きいと炭化珪素
粒子とアルミナ粒子の粒子間における構造的不均
一部分が大きくなり、アルミナ質常圧焼結体の機
械的性質及び熱的性質が向上しにくいからであ
る。なかでも炭化珪素の平均粒径が0.1〜0.4μｍ
の範囲であることが最も好適である。またアルミ
ナの平均粒径が0.5μｍより小さいと十分に高密度
のアルミナ質常温焼結体を得ることが困難とな
り、アルミナ質常圧焼結体の機械的性質及び熱的
性質が十分でなく、他方アルミナの平均粒径が
50μｍより大きいとアルミナ質焼結体の機械的性
質が大幅に低下するからである。なかでも、アル
ミナが平均粒径が1.0〜10μｍの範囲であることが
最も好適である。本発明によれば、炭化珪素の結晶構造は主とし
てβ型炭化珪素であることが好ましい。その理由
はβ型炭化珪素は結晶系が立方晶系であることか
ら粒子の物理的性質において異方性を示さないこ
とから安定したミクロ構造を有するアルミナ質焼
結体が得られるからである。また、アルミナの結
晶構造はα型アルミナであることが好ましい。そ
の理由はα型アルミナは高温における安定性が優
れているからである。本発明によれば、炭化珪素はアルミナ質焼結体
に均一に分散されていることが好ましい。その理
由は、炭化珪素が均一に分散していないと、アル
ミナ質焼結体の物性が不均一となり、さらに、均
一性が著しく悪いとアルミナ質焼結体に未焼結部
分が生じ、アルミナ質常圧焼結体の機械的性質及
び熱的性質に著しい劣化を示すからである。本発明によれば、炭化珪素を含むアルミナ質焼
結体の嵩密度は、理論密度の90％以上であること
が好ましい。その理由は、理論密度が90％より少
ないと前記焼結体の内部に気孔部分が多く存在す
ることになり、熱伝導率が低下するからである。次に、本発明の炭化珪素を含んだアルミナ質焼
結体の製造方法について説明する。本発明によれば、炭化珪素を含んだアルミナ質
焼結体は図面に示すような製造工程に基づいて製
造される。すなわち、重量比で炭化珪素粉体0.5
〜40％と残部がアルミナ粉体であつて、必要によ
りSiO₂、MgO、CaO、SrO、BaO、MnO₂、
FeO、TiO₂、ZrO、PbO、CrO、B₂O₃の１種又
は２種以上の添加物0.1〜20％を配合し、前記配
合物に水又は有機溶剤を添加しボールミルなどで
十分混合した後、成形する。前記成形体を雰囲気
の管理された焼成炉に挿入し1400〜1900℃の温度
において常圧焼結することにより炭化珪素を含ん
だアルミナ質常圧焼結体が得られる。本発明によれば、前記炭化珪素粉体の平均粒径
は0.01〜4.0μｍであり、アルミナ粉体の平均粒径
は0.05〜40μｍであることが必要である。その理
由は、炭化珪素粉体の平均粒径が0.01μｍより小
さいと凝集性が極めて強く混合における分散性が
低いからであり、4.0μｍより大きいと炭化珪素粒
子とアルミナ質粒子の粒子間における不均一部分
が大きくなりアルミナ質常圧焼結体の機械的性質
及び熱的性質が劣化するからである。また、アル
ミナ粉体の平均粒径が0.05μｍより小さいと粉体
の嵩比重が低く成形体の密度が低いために高密度
なアルミナ質常圧焼結体が得られにくく、アルミ
ナ粉体の平均粒径が40μｍより大きいと粉体の活
性度が低下し焼結性が劣化するからである。本発明によれば、前記炭化珪素粉体の結晶構造
は、β型炭化珪素であり、前記アルミナ粉体の結
晶構造はα型アルミナであることが望ましい。本発明によれば、前記炭化珪素粉体、アルミナ
粉体から主としてなる前記組成物に水又はベンゼ
ン、アセトン、アルコール、トリクロルエチレ
ン、トルエン、キシレンなどの有機溶剤と必要に
より分散剤を添加し、ボールミル、アトライタ
ー、ホモミキサー、振動ミル、コロイドミル、ヘ
ンシエルミキサー、高速ミキサーなどの１種又は
２種以上の混合機を用いて均一に混合することが
重要である。さらに、混合の初期又は途中の段階
で成形助剤たとえばポリエチレングリコール、ポ
リビニールアルコール、メチルセルローズ、グリ
セリン、澱粉、アラビアゴム、フエノール樹脂、
カーボワツクス、ステアリン酸、パラフインエマ
ルジヨンなどを添加すると成形性が向上する。成
形はたとえば、金型による加圧成形、ラバー成
形、インジエクシヨン成形、押出し成形、鋳込み
成形、ドクターブレード法、カレンダー法、ペー
パーデイツピング法などによつて行なわれ、所望
の成形体が得られる。本発明によれば、前記成形体は水素、加湿水
素、窒素、アルゴン、ヘリウムの１種又は２種以
上のガスを含む雰囲気で常圧焼成することができ
るが、加湿水素中が最も好ましい。また、前記雰
囲気中にAl₂O、SiO、COの１種又は２種以上の
ガスを含むことが好ましい。その理由は、SiC＋
Al₂O₃→SiO＋Al₂O→COの反応によりSiCと
Al₂O₃が反応するが、雰囲気中にAl₂O、SiO、
COなどのガス分圧が存在するとSiCとAl₂O₃の反
応が抑制され緻密なSiCを含んだアルミナ質常圧
焼結体が得られるからである。また、前記成形体
を重量比で炭化珪素0.5〜28.2％とアルミナ71.8〜
99.5％の混合物中に埋め込んで焼成することが可
能である。その理由は焼成時に前記炭化珪素とア
ルミナとの混合物中で炭化珪素とアルミナとの反
応が生じ、Al₂O、SiO、COのガスが発生して前
記生形体中におけるSiCとAl₂O₃との反応が抑制
され緻密なSiCが容易に、かつ安価に得られるか
らである。本実験によれば、前記成形体を1300〜1900℃の
温度範囲において常圧焼結することが好ましい。
その理由は1300℃より低いとアルミナ粉体と炭化
珪素粉体の焼結性が低く十分に緻密な焼結体が得
られず、また、1900℃より高いと炭化珪素の粒子
内に不純物が拡散してアルミナ質常圧焼結体の熱
伝導率が大きく低下するからであり、最も好まし
くは1400〜1600℃の温度範囲である。次に本発明の実施例について説明する。実施例１平均粒径0.3μｍのβ型炭化珪素を重量比で０〜
20％と平均粒径0.4μｍのα型アルミナを重量比で
78〜98％及び平均粒径2.0μｍのSiO₂を重量比で２
％の配合物を５種類用意し、各配合物100ｇに対
し、水をを100ｇ添加し、ポリエチレングリコー
ル１ｇとポリビニールアルコール２ｇ及びステア
リン酸を0.5ｇ添加してボールミル中で24時間混
合した。前記混合物をスプレードライヤにて乾燥
造粒し、金型成形法により1.5t／cm²の成形圧φ40
×5tの成形体を得た。前記成形体を管状炉に挿入
し、加湿水素気流中において1600℃の温度で１時
間焼成してアルミナ質常圧焼結体を得た。このようにして得られた焼結体の嵩密度、マイ
クロビツカース硬度計による硬度、インデンテー
シヨン法によるK_IC及びレーザクラツシユ法によ
る熱伝導率を測定した結果を第１表に示した。ま
た、得られた焼結体をＸ線粉末回析したところ全
ての実施例にβ型炭化珪素の含まれていることが
みとめられた。比較例１平均粒径0.3μｍのβ型炭化珪素を重量比で50％
と平均粒径0.4μｍのα型アルミナを重量比で48％
及び平均粒径2.0μｍのSiO₂を重量比で２％の配合
物を用意し、実施例１と同様の方法で常圧焼結を
行なつた結果を第１表に示した。実施例２平均粒径が0.3μｍのβ型炭化珪素を重量比で５
％と平均粒径が0.4μｍのα型アルミナを重量比で
90％又は95％及び平均粒径約2.0μｍのSiO₂、
MnO又はMgOをそれぞれ重量比で５％の配合物
を４種類用意し、実施例１と同様の方法で混合し
乾燥し成形した後、加湿水素気流中で1500℃の温
度で２時間焼成してアルミナ質常圧焼結体が得ら
れた。このようにして得られた焼結体の物性を第
２表に示す。実施例３炭化珪素の平均粒径と結晶構造、アルミナの平
均粒径を変化させてアルミナ質常圧焼結体を得た
場合の結果を第３表に示した。なお、炭化珪素、
アルミナ及びSiO₂の組成は重量比でそれぞれ２
％、96％及び２％と一定であり、配合物の混合、
成形、焼成は実施例２と同様に行なつた。比較例２平均粒径が10μｍのα型炭化珪素と平均粒径が
0.4μｍのα型アルミナを用いて焼結したアルミナ
質常圧焼結体の物性を第３表に示す。実施例４平均粒径が0.3μｍのβ型炭化珪素を重量比で３
％と平均粒径0.4μｍのα型アルミナを重量比で94
％及び平均粒径2.0μｍのSiO₂を重量比で３％の配
合物を用意し、実施例１と同様の方法で混合し成
形した後、加湿水素気流中にて1500℃又は1600℃
で１時間焼成して得たアルミナ質常圧焼結体の物
性を第４表に示す。比較例３実施例４と同一の成形体を加湿水素気流中にて
1250℃又は2000℃の温度で１時間焼成した結果を
第４表に示す。実施例５平均粒径が0.3μｍのβ型炭化珪素を重量比で２
％と平均粒径が0.4μｍのα型アルミナを96重量％
と平均粒径2μｍのSiO₂を重量比で２％の配合物
を実施例１と同様の方法で混合、成形した後、窒
素、アルゴン、加湿水素気流及びアルミナと炭化
珪素混合物中に成形体を埋めた場合について焼成
した結果を第５表に示す。比較例４実施例５と同一の方法で成形体を得た後、酸素
気流中で焼成した結果を第５表に示す。

【表】

【表】以上の結果からも明らかなように、本発明によ
れば、アルミナ質焼結体中に炭化珪素を均一に分
散させた常圧焼結法により得られる焼結体は、特
に機械的強度、熱伝導性、電気絶縁性などが優
れ、アルミナ質焼結体の優れた電気的特性と炭化
珪素質焼結体の優れた熱伝導性とが組み合せら
れ、両者の優れた機械的強度を併有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の炭化珪素含有のアルミナ質焼結
体の製造フローシートである。

Claims

【特許請求の範囲】１炭化珪素粉末0.5〜40重量％とSiO₂、CaO、
SrO、BaO、MnO₂、FeO、TiO₂、ZrO₂、PbO、
Cr₂O₃から選ばれるいずれか少なくとも一種の酸
化物粉末0.1〜20重量％と残部がアルミナ粉末を
主成分とする組成物を均一に混合し、このように
して得られる均一混合物を成形した後、該成形体
を1300〜1900℃の温度で常圧焼結することを特徴
とする炭化珪素含有のアルミナ質焼結体の製造方
法。２前記炭化珪素粉末の平均粒径は、0.01〜4.0μ
ｍであり、アルミナ粉末の平均粒径は、0.05〜
40μｍであることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の製造方法。３前記炭化珪素粉末の結晶構造は主としてβ型
炭化珪素であり、前記アルミナ粉末の結晶構造は
α型アルミナであることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の製造方法。４前記常圧焼結中における雰囲気は、水素、加
湿水素、窒素、アルゴン、ヘリウムの１種又は２
種以上であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の製造方法。５前記常圧焼結中における雰囲気は、Al₂O、
SiO、COの１種又は２種以上のガスを含むこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の製造方
法。６前記常圧焼結は、前記成形体を重量比で炭化
珪素粉末0.5〜28.2％とアルミナ粉末71.8〜99.5％
の混合物中に埋めて焼成することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の製造方法。