JPH0532350B2 - - Google Patents
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〔産業上の利用分野〕
本発明は窒化アルミニウムグリーンシート及び
その焼結体である窒化アルミニウム焼結シートの
原料となる新規な窒化アルミニウム組成物を提供
するものである。
〔従来の技術及び発明の解決しようとする問題
点〕
従来、各種産業用及び民生用の電子機器におい
て、トランジスター、IC、LSI等の電子デバイス
の実装、回路の形成、絶縁等のためにセラミツク
基板が使用されている。例えばアルミナ基板がそ
の代表的なものである。しかし近年、パワートラ
ンジスター、ハイパワーハイブリツドIC等の特
に高熱伝導性を必要とする分野ではアルミナ基板
の伝熱性では不十分で、これに代る高熱伝導性セ
ラミツク基板の開発が要望されて来た。そのため
に種々のセラミツクについて高熱伝導性セラミツ
ク基板の開発が試みられている。しかしながら、
現在尚工業的に満足される高熱伝導性セラミツク
基板は開発されるに至つていない。
本発明者等は上記背景のもとに、高熱伝導性セ
ラミツク基板の開発を鋭意試みて来た。高熱伝導
性の性能だけを比較すれば、例えば窒化アルミニ
ウム焼結体はアルミナ焼結体の数倍の高熱伝導性
を有している。そこで、本発明者らは、高熱伝導
性の窒化アルミニウム焼結シートを得ることを目
的として、該窒化アルミニウム焼結シートの原料
として好適に使用し得る窒化アルミニウム組成物
について研究を重ねてきた。その結果、窒化アル
ミニウム焼結シートの製造に好適に使用し得る窒
化アルミニウムグリーンシート及び、さらに該窒
化アルミニウムグリーンシートの原料となる窒化
アルミニウム組成物を見い出し、既に提案した
(特願昭59−22982号)。
本発明者らは、上記の窒化アルミニウム組成物
についてさらに研究を重ねた結果、窒化アルミニ
ウム組成物中の一成分である焼結助剤としてアル
ミン酸塩を用いた時、これらのアルミン酸塩が酸
化物であるにもかかわらず、得られる窒化アルミ
ニウム焼結シートの酸素含有量が原料として用い
た窒化アルミニウム粉末の酸素含有量よりも低く
なること、即ち、酸素含有量の少ない高純度且つ
高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結シート、場合
によつては透光性の窒化アルミニウム焼結シート
が得られることを見い出した。
窒化アルミニウム焼結シート中に含まれる酸素
は酸化アルミニウムとして存在すると考えられて
おり、この酸化アルミニウムを成分として含有す
るアルミン酸塩を添加すれば、窒化アルミニウム
焼結シート中の酸素含有量はさらに大きくなると
予想される。しかしながら、前記のとおり、アル
ミン酸塩を焼結助剤として用いることにより、得
られる窒化アルミニウム焼結シート中の酸素含有
量は、原料の窒化アルミニウム粉末のそれよりも
小さくなるという予想に反した知見を本発明者ら
は得た。本発明は、このような知見に基づいて完
成されたものである。
〔問題点を解決するための手段〕
即ち、本発明は、(i)窒化アルミニウム粉末、(ii)
1400℃以下の温度で分解する有機高分子化合物よ
りなる結合剤及び(iii)一般式
nMO・Al2O3・oH2O
〔但し、Mはアルカリ土類金属であり、mは1
以上の数であり、nは0以上の数である。〕
で示されるアルミン酸塩よりなる焼結助剤より主
としてなり、該結合剤は窒化アルミニウム粉末
100重量部に対して0.1〜30重量部及び該焼結助剤
は窒化アルミニウム粉末100重量部に対して0.01
〜5重量部配合されてなる窒化アルミニウム組成
物である。
尚、本発明における窒化アルミニウムはアルミ
ニウムと窒素の1:1の化合物であり、これ以外
のものを原則としてすべて不純物として取扱う。
但し、窒化アルミニウム粉末の表面は空気中で不
可避的に酸化されたAl−N結合がAl−O結合に
置き代つているので、このAl−O結合している
アルミニウムは陽イオン不純物とはみなさない。
また焼結助剤となる成分についても陽イオン不純
物とはみなさない。更に本発明における平均粒子
径とは光透過式の粒度分布測定器による体積基準
の中間粒子径をいう。
本発明で用いられる窒化アルミニウム粉末とし
ては、公知のものが何ら制限なく使用し得る。窒
化アルミニウム粉末中の酸素含有量が少ないほ
ど、焼結助剤を添加することによる酸化アルミニ
ウム焼結シート中の酸素含有量の減少の効果が大
きく表われるという傾向にある。従つて、本発明
で用いられる窒化アルミニウム粉末は、酸素含有
量が3.0重量%以下のものが好ましい。
また、本発明に用いられる窒化アルミニウム粉
末の粒子は粒子径の小さいものが揃つているもの
が好ましい。
例えば、平均粒子径(遠心式粒度分布測定装
置、例えば堀場製作所製のCAPA500などで測定
した凝集粒子の平均粒径を言う)5μm以下であ
ることが好ましい。好適には3μm以下、最も好
適には2μm以下の粉末が採用される。特に3μm
以下の粒子を70容量%以上含む粉末が好適であ
る。また、高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結シ
ートを得る場合はAlNの含有量(AlN粉末の窒
素の含有量から計算される)は90重量%以上の窒
化アルミニウム粉末が好適に採用され、更には94
重量%以上、また高い透光性を有する焼結体を得
るためには97重量%以上の粉末を用いることが好
ましい。
本発明に於いて好適に使用される窒化アルミニ
ウム粉末としては、平均粒子径が3μm以下の粉
末で、酸素含有量が3.0重量%以下、且つ窒化ア
ルミニウム組成をAlNとするとき含有する陽イ
オン不純物が0.5重量%以下である窒化アルミニ
ウム粉末である。このような窒化アルミニウム粉
末を用いた場合には、得られる窒化アルミニウム
焼結シートの熱伝導率の向上が大きくなるために
本発明で好適に使用される。就中、平均粒子径が
2μm以下の粉末で、3μm以下の粒子を70容量%
以上含み、酸素含有量が1.5重量%以下、且つ窒
化アルミニウム組成をAlNとするとき含有する
陽イオン不純物が0.3重量%以下である窒化アル
ミニウム粉末を用いた場合には、得られる窒化ア
ルミニウム焼結シートの熱伝導率の向上と共に透
光性が改善されるために、本発明では特に好適に
使用される。
本発明で用いる窒化アルミニウム粉末の製造に
際し、後述する焼結助剤に相当する化合物を予め
原料中に添加し、焼成して得られた窒化アルミニ
ウム粉末は焼結助剤が配合された形態で得られ
る。このような窒化アルミニウム粉末は本発明の
前記(i)及び(ii)の成分を予め配合したものであり、
好ましい使用形態の1つである。
本発明の窒化アルミニウム組成物を構成する他
の成分の1つは結合剤である。本発明において用
いる結合剤は1400℃以下の温度で分解する有機高
分子化合物である。本発明の窒化アルミニウム組
成物は、例えば窒化アルミニウムグリーンシート
を経て、一般に1600〜2000℃の温度で焼結され、
窒化アルミニウム焼結シートとして好適に利用さ
れる。この場合該結合剤の分解残留物が焼結体中
に多量に残存すると目的とする焼結体物性例えば
高強度、高熱伝導率あるいは透光性を得るのが困
難となる。本発明等の知見によれば、前記要件を
有する結合剤は上記焼結体中に実質的に残留しな
いか、残留したとしても目的とする焼結体物性を
損うことが無い量となるように、その種類を選
び、処理する必要がある。一般にセラミツク粉末
の成形に用いられる結合剤は本発明においても特
に制限されず用いうるが一般には熱重量分析法
(TG)によつて分解が1400℃以下の温度範囲で
起るものが好ましい。更に好ましくは用いる結合
剤としてその分解残留物が該結合剤に対して5重
量%以下となるものを選択するのがよい。
本発明において好適に使用される結合剤をより
具体的に示せば、例えばポリビニールブチラー
ル、ポリメチルメタクリレート、セルロースアセ
テートブチレート、ニトロセルロース、ポリアク
リル酸エステル、ポリビニールアルコール、メチ
ルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、及
びポリエチレンオキサイド等の含酸素有機高分子
体、その他石油レジン、ポリエチレン、ポリプロ
ピレン、ポリスチレン等の炭化水素系合成樹脂ポ
リ塩化ビニール;アクリル系樹脂及びそのエマル
ジヨン;ワツクス及びそのエマルジヨン等の有機
高分子体が一種又は二種以上混合して使用され
る。本発明に用いる窒化アルミニウム粉末の表面
は前述のように不可避的に酸化されAl−O結合
を有している。従つて上記含酸素有機高分子体を
結合剤として使用すると、該窒化アルミニウム粉
末表面との優れた化学親和性に基づき強固な結合
力を発揮するので特に好ましい。該結合剤として
使用する有機高分子体は特に限定されないが一般
はその分子量が3000〜1000000好ましくは5000〜
300000のものを用いると、前述の成形体例えばグ
リーンシートは柔軟かつ靭性に富み種々の加工に
際して取扱いが容易となるのでさらに好適であ
る。特に該有機高分子体中、含酸素有機高分子体
は好ましく更に、分子量が30000〜100000のポリ
ビニールブチラーは最も好適である。結合剤の使
用量は、結合剤の種類や後述する溶媒の種類によ
つて異なり、また該窒化アルミニウム組成物の用
途例えば窒化アルミニウムグリーンシートの厚
さ、強度及び加工性さらに該グリーンシートの焼
結によつて得られる窒化アルミニウム焼結シート
への要求物性によつても異なるので、一概に限定
できないが、一般には窒化アルミニウム粉末100
重量部に対して0.1〜30重量部、好ましくは2.5〜
15重量部、さらに好ましくは4〜10重量部の範囲
から選択すればよい。
本発明の窒化アルミニウム組成物を構成する他
の成分の一つは、下記の一般式
nMO・Al2O3・oH2O
(但し、Mはアルカリ土類金属であり、mは1
以上の数であり、nは0以上の数である。)
で示されるアルミン酸塩よりなる焼結助剤であ
る。mは1以上の数であればよいが、mが大きい
ほど焼結助剤の効果が大きくなり、得られる窒化
アルミニウム焼結体の純度が上がる。従つて、本
発明に於いては、mは1.5以上であることが好ま
しく、さらに2以上であるアルミン酸塩がより好
ましく用いられる。また、本発明で用いられるア
ルミン酸塩は、無水物でも良く、結晶水を有する
ものであつても良い。
本発明に於いて好適に使用されるアルミン酸塩
を具体的に例示すると次のとおりである。例え
ば、CaO・Al2O3、5CaO・3Al2O3、12CaO・
7Al2O3、3CaO・Al2O3等のアルミン酸カルシウ
ム又はこれらの水和物;3BaO・Al2O3等のアル
ミン酸バリウム又はこの水和物;3SrO・Al2O3、
3SrO・Al2O3・6H2O等のアルミン酸ストロンチ
ウム又はその水和物が挙げられる。
本発明に於いて使用されるアルミン酸塩は、そ
の粒子径が小さい程焼結助剤としての効果を発揮
する。従つて、平均粒子径は10μm以下であるこ
とが好ましく、5μm以下であることがさらに好
ましい。一般に、平均粒子径が0.1〜10μm、さら
に好ましくは0.1〜5μmのアルミン酸塩を使用す
ることが好適である。
本発明における上記焼結助剤の使用量は、焼結
体に要求される性状に応じて異なり一概に限定で
きないが、一般には窒化アルミニウム粉末100重
量部に対して0.01〜5重量部好ましくは0.1〜4
重量部の範囲から選べばよい。これらの添加量は
窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量、不純物の
含有量、粒子径等によつて異なるので予めこれら
の性状に応じて好適な使用量を決定すればよい。
本発明の窒化アルミニウム組成物は、前記窒化
アルミニウム粉末、結合剤及び焼結助剤をそれぞ
れ前記配合割合で混合する他に必要に応じて解膠
剤、可塑剤等を添加混合することを何んらさまた
げるものではなく、しばしば好適な態様として利
用される。例えば、本発明の上記窒化アルミニウ
ム粉末、結合剤及び焼結助剤を、詳しくは後述す
るように溶媒中に分散して混合する場合、しばし
ば該分散を促進する意味で解膠剤を使用するのが
好適な態様である。該解膠剤は一般にセラミツク
粉末の成形の際に使用されることが公知の化合物
を特に限定されず用いうる。一般に好適に使用さ
れる代表的な解膠剤を具体的に例示すれば例えば
グリセリントリオレエート、ソルビタントリオレ
エート等の脂肪酸のグリセリン又はソルビトール
エステル;天然魚油;非イオン系の合成界面活性
剤;高級脂肪酸;ベンゼンスルホン酸等である。
これらの解膠剤の使用量は解膠剤の種類、添加す
る混合系の種類等によつて異なり一概に限定出来
ないが一般には窒化アルミニウム粉末100重量部
に対して0.01〜5重量部好ましくは0.1〜3重量
部の範囲から選べば好適である。また解膠剤の混
合態様は如何なる順序で混合してもよいが一般に
は窒化アルミニウム粉末及び焼結助剤を分散媒体
中で解膠剤と共に予め混合し、次いで結合剤或い
は更に後述する可塑剤を添加混合し、スラリー状
物として調整するのが好適である。
また前記可塑剤は本発明の窒化アルミニウム組
成物を用いて特定の成形物に加工する際に該加工
物に柔軟性を付与する目的で使用される。該可塑
剤は一般のセラミツク粉末の成形に際して上記目
的で使用されることが公知のものを特に限定され
ず用いうる。特に好適に使用される代表的なもの
を具体的に例示すれば一般にポリエチレングリコ
ール及びその誘導体;ジメチルフタレート、ジブ
チルフタレート、ブチルベンジルフタレート及び
ジオクチルフタレート等のフタール酸エステル
類;ブチルステアレート等のステアリン酸エステ
ル類;トリクレゾールフオスフエート;トリ−N
−ブチルフオスフエート;グリセリン等である。
これらの可塑剤の添加量は結合剤の種類、窒化ア
ルミニウムの性状、溶媒の種類及び使用量等によ
つて異なり一概に限定出来ないが一般には窒化ア
ルミニウム100重量部に対して15重量部以下、好
ましくは0.4〜15重量部、更に好ましくは3〜10
重量部の範囲から適宜選択して使用すればよい。
本発明の窒化アルミニウム組成物の使用態様に
ついて以下説明する。該使用に際しては一般に分
散媒体中に分散させた形態で使用するのが好適で
ある。該分散媒体の役割は一般に窒化アルミニウ
ム粉末及び焼結助剤を分散させ、また結合剤或い
は必要に応じて使用する可塑剤を溶解させて、均
一なスラリー状物を形成することである。そして
該スラリー状物を特定の形状例えばシート状に成
形した後は、溶媒は乾燥によつて実質的に除去さ
れ、窒化アルミニウム成形体、例えばグリーンシ
ート中には残存しないものが好ましい。従つて上
記分散媒体即ち溶媒は上記の分散性、溶解性及び
乾燥性の要求を満足するものであれば特に限定さ
れないが、一般的には非水系溶媒を選択するのが
好適である。特に好適に使用される溶媒の代表的
なものを具体的に例示すれば、例えばアセトン、
メチルエチルケトン及びメチルイソブチルケトン
等のケトン類、エタノール、プロパノール及びブ
タノール等のアルコール類、ベンゼン、トルエン
及びキシレン等の芳香族炭化水素類、あるいはト
リクロロエチレン、テトラクロロエチレン及びブ
ロムクロロメタン等のハロゲン化炭化水素類の1
種又は2種以上を混合して使用するのが好まし
い。溶媒の使用量も特に限定されないが、溶媒量
も多過ぎるとスラリー状物の保管中、成形時ある
いは乾燥時に窒化アルミニウム粉末や焼結助剤の
粒子が沈降分離し易くまた少な過ぎるとシート状
の成形が困難となるので適宜予め適切な量を選択
して用いればよい。一般に該溶媒の量はその種
類、結合剤及び可塑剤の種類と量にも依存する
が、窒化アルミニウム粉末100重量部に対して30
〜100重量部の範囲で選択すれば好適である。
上記本発明の窒化アルミニウム組成物の混合条
件は特に限定されず常温、常圧下で実施すればよ
く、また混合装置は不純物成分の混入を防ぐ意味
で前記窒化アルミニウム粉末の製造原料の混合態
様で説明したようにその材質を選ぶか、プラスチ
ツクで被覆したものを選ぶものが好ましい。そし
て最も一般的には球状物、棒状物等を内蔵したミ
ルを使用するのが好ましい。上記混合物は一般に
泥漿と呼ばれる粘稠なペンキ状のスラリー物とし
て用いるのがその成形に際し取扱いが容易であ
る。
前記のようにして得られた窒化アルミニウム組
成物即ち前記(i)窒化アルミニウム粉末、(ii)結合剤
及び(iii)焼結助剤或いは必要に応じて可塑剤、解膠
剤等を溶剤に混合し一般には泥漿にする。この泥
漿はシート成形機例えばドクターブレード方式の
シート成形機を用いてフイルム例えばポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミ
ド、ポリ塩化ビニル等の合成樹脂製フイルム上に
シート状に形成する。次いで該シート状の成形物
は室温〜溶剤の沸点間の温度で該溶剤を飛散させ
て乾燥し、所謂窒化アルミニウムグリーンシート
とする。該窒化アルミニウムグリーンシートは一
般に光沢ある外観を呈し柔軟で且つ屈曲に対して
も腰の強い性状を有する。該窒化アルミニウムグ
リーンシートはすでに引張強度が25Kg/cm2或いは
それ以上の強さを有するものとなる。
上記窒化アルミニウムグリーンシートはそのま
ま後述する焼結シート製造に供することも出来る
が、一般には酸素含有ガス、例えば空気又は不活
性ガス、例えば窒素ガス或いはヘリウムガス等の
ガス雰囲気下に前記結合剤、可塑剤、解膠剤等が
分解される温度、一般には例えば300〜1400℃好
ましくは500〜1000℃の温度下に熱分解処理を行
う方が好ましい。
該窒化アルミニウムグリーンシート或いは上記
熱処理を行つたシートは次いで焼結工程に供され
る。該焼結工程は特に限定されず公知の窒化物で
使用される焼結方法がそのまま採用される。一般
には常圧下、不活性雰囲気下例えば窒素雰囲気下
に1600〜2100℃の温度で焼結を実施すればよい。
該焼結時の圧力は通常、常圧で行うのが一般的で
あるが不活性ガスによつてある程度の加圧状態に
保持した焼結炉を用いてもよい。また焼結に必要
な時間は焼結に供されるシート状物の厚み、焼結
温度等の諸条件によつて異なり一概に限定出来な
いが一般に30分〜24時間の範囲から選べばよい。
これらの条件は実施に先きだち諸条件に応じて適
当な範囲を予め決定して実施するのが好ましい。
上記焼結によつて得られる焼結シートはその焼
結密度が一般に2.7g/cm3以上好ましくは2.9g/
cm3更に好ましくは3.0g/cm3以上のものとなる。
また該シートは一般に一辺の長さが少くとも5mm
以上で厚みが0.05〜10mmの範囲のものとして得ら
れる。そしてこれらの焼結シートは曲げ強度が少
くとも20Kg/mm2のすぐれたシート状物となる。
〔効果〕
本発明の窒化アルミニウム組成物を原料として
前記方法により得られた窒化アルミニウム焼結シ
ートは、酸化物であるアルミン酸塩を添加したに
もかかわらず、得られる窒化アルミニウム焼結シ
ートの酸素含有量が原料である窒化アルミニウム
粉末の酸素含有量よりも少なくなる。即ち、高純
度の窒化アルミニウム焼結シート、例えば、酸素
含有量が1.5重量%以下のもの、さらに好ましく
は1.2重量%以下の窒化アルミニウム焼結シート
が得られる。これらの窒化アルミニウム焼結シー
トは、純度が高いために熱伝導性が極めて良好で
あり、一般に120W/m・k以上、好ましくは
140W/m・k以上の熱伝導率が得られる。更に
該焼結シートは前記原料となる窒化アルミニウム
粉末中の不純物の混入量を制御することにより、
透光性のシートとすることが出来る。
従つて、本発明の窒化アルミニウム組成物を原
料とする窒化アルミニウム焼結シートは、電子機
器の放熱用基板、電子回路基板、放熱材料、絶縁
材料として工業的に極めて有用な材料となる。
本発明を更に具体的に説明するため以下実施例
を挙げて説明するが本発明はこれらの実施例に限
定されるものではない。
参考例 1
平均粒子径2.1μmの炭酸カルシウム600gと平
均粒子径0.6μmのアルミナ200gとを、アルミナ
製ポツトとボールを用いて18時間乾式混合した。
混合物を1350℃で4時間焼成した。反応物をアル
ミナ製ポツトとボールを用いて粉砕した。焼成と
粉砕を3回くり返し反応を完了した。この反応物
をジエツトミル(アルミナライニング)によつて
粉砕し平均粒子径1.4μmの粉末を得た。この粉末
はX線的に単相の3CaO・Al2O3であつた。
実施例 1
(i) 配合
平均粒子径1.42μmで3μm以下の粒子を80容量
%含む表1に示す組成をもつ窒化アルミニウム粉
末100重量部に対して、焼結助剤として参考例1
で調製した3CaO・Al2O3を2.5重量部、結合剤と
して分子量が30000〜34000のポリビニールブチラ
ールを9.0重量部、更に可塑剤としてジオクチル
フタレート5.0重量部及び解膠剤としてソルビタ
ントリオレエート1.2重量部を75重量部のトルエ
ン−エタノール−iso−プロパノール混合溶媒
(混合重量比トルエン/エタノール/iso−プロパ
ノール=55/35/10)中で後述するように混合し
てスラリーを調製した。
尚、予め熱重量分析法(TG)によつて上記ポ
リビニールブチラールの燃焼分解曲線を空気中で
測定した結果、約200℃から燃焼分解が始まり約
600℃で終了して残留物が実質的に残らないこと
を確認した。
表 1 窒化アルミニウム粉末分析値
AlN含有量 98.0%
元 素 含有量
Mg <5(PPM)
Cr 21( 〃 )
Si 81( 〃 )
Zn 9( 〃 )
Fe 14( 〃 )
Cu <5( 〃 )
Mn 5( 〃 )
N 25( 〃 )
Ti <5( 〃 )
Co <5( 〃 )
Al 64.8(wt%)
N 33.5( 〃 )
O 1.0( 〃 )
C 0.04( 〃 )
(ii) 混合
混合の操作及び手順は以下のようにした。即
ち、内容積10のナイロン製ポツトにナイロンで
被覆された直径20mmの鋼球をポツト内容積の約50
%を占める数だけ入れ、次いで窒化アルミニウム
粉末、3CaO・Al2O3及びソルビタントリオレエ
ートを上記重量部、及び上記溶媒を60重量部投入
して、回転数35rpmで24hrボールミル混合した。
その後、ポリビニールブチラール及びジオクチル
フタレートを上記重量部また上記溶媒を15重量部
ポツトに添加し、更に24hr混合した。得られたス
ラリーは、粘度2800cpsの白色ペンキ状のもので
あつた。
(iii) 脱泡及び脱溶媒
上記混合で得たスラリーを内容積4の撹拌機
付真空容器に移し、撹拌しながら1気圧から徐々
に30〜40Torrまで減圧して、前記混合の際スラ
リーに混入した気泡を除いた(脱泡)。
次いで、撹拌しながら同真空容器内を排気しつ
つ20〜40Torrに保ち溶媒の一部を蒸発除去した
(脱溶媒)。
この脱溶媒操作で除去した溶媒量は、窒化アル
ミニウム粉末100重量部に対して20重量部であつ
た。その結果、粘度20000cpsの白色粘稠なスラリ
ーを得た。
(iv) 成形
得られたスラリーからドクターブレード方式の
シート成形機を用いて、表面にシリコーン樹脂を
塗布して離型化処理したポリエステルフイルム上
にシート状に流し出し、次いでシート状物を室温
で1hr、その後50℃で4hr、溶媒を蒸発させて乾燥
した後、シート状物を上記ポリエステルフイルム
より剥離して、巾約250mm、厚さ約1mmの形状の
窒化アルミニウムグリーンシートを作製した。こ
の窒化アルミニウムグリーンシートは、白色で光
沢のある外観を呈し、柔軟でかつ屈曲に対しても
腰の強い性状を有する。金型及び打抜き機を用い
て窒化アルミニウムシートより試験片を打抜き、
オートグラフによる引張り試験を行つたところ、
引張強度は25Kg/cm2、伸び率は0.4であつた。ま
た密度は2.04g/cm3であつた。
(v) 脱脂及び焼結
上記の窒化アルミニウムグリーンシートを5cm
×5cmの角板状に打抜き、電気炉を用いて1気圧
の空気雰囲気下で650℃、3時間加熱して前記の
結合剤、可塑剤及び解膠剤を燃焼分解させて除去
し、窒化アルミニウムの角板を得た(脱脂)。
この角板を窒化ホウ素で内壁を被覆した黒鉛製
皿に入れ、1気圧の窒素流通下で1200℃まで2hr
で昇温し、1200℃から1800℃まで15℃/minの昇
温速度で昇温し、1800℃で4hr保持した後冷却し
た(焼結)。得られた窒化アルミニウム焼結シー
トは、4.1mm×4.1mm、厚さ0.8mmの半透明体で、密
度が3.25g/cm3であつた。またこの焼結シートの
熱伝導率を、理学電機製のレーザーフラツシユ法
熱定数測定装置(PS−7)を用いて測定したと
ころ163W/m・kであつた。またこの焼結シー
トの曲げ強度は40Kg/mm2であり、放射化分析法で
測定した酸素含有量は0.28重量%であり、また
0.5mmの厚みに加工研磨したものに対す5.5μmの
光の透過率は38%であつた。
実施例 2
酸素含有量の異なる数種の窒化アルミニウム粉
末、焼結助剤として種々の粒径のアルミン酸カル
シウム及び結合剤として分子量が30000〜34000の
ポリビニールブチラールを用いて以下のように窒
化アルミニウム焼結シートを作製した結果を表2
に示す。
(i) 配合
窒化アルミニウム粉末 100重量部
アルミン酸カルシウム (表2に示す量)
ポリビニールブチラール 12重量部
ジブチルフタレート 6 〃
グリセリンモノオレエート 1.5〃
トルエン(50重量%)
iso−プロパノール(35重量%)
n−ブタノール(15重量%) 80 〃
(ii) 混合
上記混合組成のものを次のように混合した。即
ち内容積10のナイロン製ポツトにナイロンで被
覆された直径20mmの鋼球をポツト内容積の50容量
%を占める量だけ入れ、これに(i)配合で示したも
のを全量投入して、回転数35rpmで40hrボールミ
ル混合した。得られたスラリーの粘度は2000〜
3500cpsの範囲であつた。
(iii) 脱泡及び脱溶媒
実施例1と同様な装置及び操作で、脱泡及び脱
溶媒を行つた。脱溶媒量は、窒化アルミニウム粉
末100重量部に対して20〜25重量部の範囲であり、
得られた白色粘稠なスラリーの粘度は21000〜
26000cpsであつた。
(iv) 成形
上記スラリーより実施例1と同様にして、引張
強度が30〜35Kg/cm2、伸び率が0.5〜0.7、密度が
1.98〜2.23g/cm3の窒化アルミニウムグリーンシ
ートを作製した。
(v) 脱脂及び焼結
上記で得た窒化アルミニウムグリーンシートを
50mm×50mmの角板状に打抜き、この角板を窒化ホ
ウ素で内壁を被覆した黒鉛製皿に入れて電気炉内
にセツトした。脱脂は0.1Torrの減圧下で室温よ
り1100℃まで2℃/minの速度で昇温して行つ
た。
その後同電気炉内で1100℃から1850℃まで15
℃/minの速度で昇温し、180℃で4hr保持した後
冷却した。得られた窒化アルミニウム焼結シート
は4.0〜4.2mm角、厚さ0.8mmの半透明体であつた。
焼結シートの物性を表2に示す。
[Industrial Application Field] The present invention provides a novel aluminum nitride composition that can be used as a raw material for aluminum nitride green sheets and aluminum nitride sintered sheets that are sintered bodies thereof. [Prior art and problems to be solved by the invention] Conventionally, in various industrial and consumer electronic devices, ceramic substrates have been used for mounting electronic devices such as transistors, ICs, and LSIs, forming circuits, and insulating them. is used. For example, an alumina substrate is a typical example. However, in recent years, the heat conductivity of alumina substrates is insufficient in fields that require particularly high thermal conductivity, such as power transistors and high-power hybrid ICs, and there has been a demand for the development of high thermal conductivity ceramic substrates as an alternative. For this purpose, attempts have been made to develop highly thermally conductive ceramic substrates using various ceramics. however,
At present, a highly thermally conductive ceramic substrate that is industrially satisfactory has not yet been developed. Based on the above background, the inventors of the present invention have earnestly attempted to develop a highly thermally conductive ceramic substrate. If only the performance of high thermal conductivity is compared, for example, an aluminum nitride sintered body has a high thermal conductivity several times that of an alumina sintered body. Therefore, with the aim of obtaining a highly thermally conductive aluminum nitride sintered sheet, the present inventors have conducted repeated research on an aluminum nitride composition that can be suitably used as a raw material for the aluminum nitride sintered sheet. As a result, we discovered an aluminum nitride green sheet that can be suitably used in the production of sintered aluminum nitride sheets, and an aluminum nitride composition that is a raw material for the aluminum nitride green sheet, which we have already proposed (Japanese Patent Application No. 59-22982). ). As a result of further research on the above-mentioned aluminum nitride composition, the present inventors found that when aluminates were used as a sintering aid, which is a component in the aluminum nitride composition, these aluminates were oxidized. Despite the fact that the resulting aluminum nitride sintered sheet has a lower oxygen content than the aluminum nitride powder used as a raw material, it has high purity and high thermal conductivity with low oxygen content. It has been found that a transparent aluminum nitride sintered sheet, in some cases a translucent aluminum nitride sintered sheet, can be obtained. The oxygen contained in the aluminum nitride sintered sheet is thought to exist as aluminum oxide, and if an aluminate containing aluminum oxide as a component is added, the oxygen content in the aluminum nitride sintered sheet can be further increased. It is expected that this will happen. However, as mentioned above, the unexpected finding was that by using aluminate as a sintering aid, the oxygen content in the resulting aluminum nitride sintered sheet was lower than that of the raw material aluminum nitride powder. The inventors obtained the following. The present invention was completed based on such knowledge. [Means for Solving the Problems] That is, the present invention provides (i) aluminum nitride powder; (ii)
A binder made of an organic polymer compound that decomposes at a temperature of 1400°C or lower, and (iii) a general formula n MO・Al 2 O 3・o H 2 O [where M is an alkaline earth metal and m is 1
or more, and n is a number of 0 or more. ] The binder consists mainly of a sintering aid consisting of an aluminate salt shown in
0.1 to 30 parts by weight per 100 parts by weight, and the sintering aid is 0.01 parts by weight per 100 parts by weight of aluminum nitride powder.
This is an aluminum nitride composition containing ~5 parts by weight. Note that aluminum nitride in the present invention is a 1:1 compound of aluminum and nitrogen, and anything other than this is treated as an impurity in principle.
However, on the surface of aluminum nitride powder, Al-N bonds that are inevitably oxidized in the air replace Al-O bonds, so aluminum with Al-O bonds is not considered a cationic impurity. .
Also, components that serve as sintering aids are not considered cationic impurities. Furthermore, the average particle diameter in the present invention refers to the volume-based median particle diameter measured by a light transmission type particle size distribution analyzer. As the aluminum nitride powder used in the present invention, any known aluminum nitride powder can be used without any restriction. There is a tendency that the lower the oxygen content in the aluminum nitride powder, the greater the effect of reducing the oxygen content in the aluminum oxide sintered sheet by adding the sintering aid. Therefore, the aluminum nitride powder used in the present invention preferably has an oxygen content of 3.0% by weight or less. Further, it is preferable that the particles of aluminum nitride powder used in the present invention have small particle diameters. For example, the average particle size (meaning the average particle size of aggregated particles measured with a centrifugal particle size distribution analyzer, such as CAPA500 manufactured by Horiba, Ltd.) is preferably 5 μm or less. Powders with a diameter of 3 μm or less, most preferably 2 μm or less are used. Especially 3μm
Powders containing 70% by volume or more of the following particles are suitable. In addition, in order to obtain a highly thermally conductive aluminum nitride sintered sheet, aluminum nitride powder with an AlN content (calculated from the nitrogen content of the AlN powder) of 90% by weight or more is preferably used;
It is preferable to use a powder of 97% by weight or more in order to obtain a sintered body having high translucency. The aluminum nitride powder preferably used in the present invention is a powder with an average particle size of 3 μm or less, an oxygen content of 3.0% by weight or less, and a cationic impurity contained when the aluminum nitride composition is AlN. Aluminum nitride powder containing 0.5% by weight or less. When such aluminum nitride powder is used, the thermal conductivity of the obtained sintered aluminum nitride sheet is greatly improved, and therefore it is preferably used in the present invention. Especially, the average particle size is
Powder of 2μm or less, 70% by volume of particles of 3μm or less
When using aluminum nitride powder containing the above, the oxygen content is 1.5% by weight or less, and the cation impurity contained is 0.3% by weight or less when the aluminum nitride composition is AlN, the obtained aluminum nitride sintered sheet It is particularly preferably used in the present invention because of its improved thermal conductivity and improved translucency. When producing the aluminum nitride powder used in the present invention, a compound corresponding to the sintering aid described below is added to the raw material in advance, and the aluminum nitride powder obtained by firing is obtained in a form containing the sintering aid. It will be done. Such aluminum nitride powder is one in which the components (i) and (ii) of the present invention are blended in advance,
This is one of the preferred usage forms. One of the other components that make up the aluminum nitride composition of the present invention is a binder. The binder used in the present invention is an organic polymer compound that decomposes at temperatures below 1400°C. The aluminum nitride composition of the present invention is generally sintered at a temperature of 1600 to 2000°C, for example via an aluminum nitride green sheet,
It is suitably used as a sintered aluminum nitride sheet. In this case, if a large amount of decomposition residue of the binder remains in the sintered body, it becomes difficult to obtain the desired physical properties of the sintered body, such as high strength, high thermal conductivity, or translucency. According to the findings of the present invention, the binder having the above requirements does not substantially remain in the sintered body, or even if it remains, the amount is such that it does not impair the desired physical properties of the sintered body. It is necessary to select the type and process it. Binders that are generally used for molding ceramic powders are not particularly limited and may be used in the present invention, but in general, binders that decompose in a temperature range of 1400° C. or lower are preferred as determined by thermogravimetric analysis (TG). More preferably, a binder is selected whose decomposition residue is 5% by weight or less based on the binder. More specific examples of binders preferably used in the present invention include polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, cellulose acetate butyrate, nitrocellulose, polyacrylic acid ester, polyvinyl alcohol, methylcellulose, hydroxymethylcellulose, and Oxygen-containing organic polymers such as polyethylene oxide, other hydrocarbon-based synthetic resins such as petroleum resins, polyethylene, polypropylene, and polystyrene; polyvinyl chloride; acrylic resins and their emulsions; waxes and their emulsions; and other types of organic polymers Or a mixture of two or more types is used. As mentioned above, the surface of the aluminum nitride powder used in the present invention is inevitably oxidized and has Al--O bonds. Therefore, it is particularly preferable to use the oxygen-containing organic polymer as a binder since it exhibits a strong bonding force based on its excellent chemical affinity with the surface of the aluminum nitride powder. The organic polymer used as the binder is not particularly limited, but generally has a molecular weight of 3,000 to 1,000,000, preferably 5,000 to 1,000,000.
300,000 is more suitable because the above-mentioned molded article, such as a green sheet, is flexible and tough and can be easily handled during various processing. Among the organic polymers, oxygen-containing organic polymers are particularly preferred, and polyvinyl butyler having a molecular weight of 30,000 to 100,000 is most preferred. The amount of binder used varies depending on the type of binder and the type of solvent described below, and also depends on the application of the aluminum nitride composition, such as the thickness, strength, and processability of the aluminum nitride green sheet, as well as the sintering of the green sheet. Although it cannot be definitively defined as it varies depending on the physical properties required for the aluminum nitride sintered sheet obtained by the process, generally aluminum nitride powder 100
0.1 to 30 parts by weight, preferably 2.5 to 30 parts by weight
The amount may be selected from the range of 15 parts by weight, more preferably from 4 to 10 parts by weight. One of the other components constituting the aluminum nitride composition of the present invention is expressed by the general formula n MO・Al 2 O 3・o H 2 O (where M is an alkaline earth metal and m is 1
or more, and n is a number of 0 or more. ) is a sintering aid made of an aluminate salt. Although m may be a number of 1 or more, the larger m is, the greater the effect of the sintering aid is, and the higher the purity of the obtained aluminum nitride sintered body. Therefore, in the present invention, it is preferable that m is 1.5 or more, and an aluminate salt in which m is 2 or more is more preferably used. Further, the aluminate used in the present invention may be anhydrous or may contain water of crystallization. Specific examples of aluminate salts preferably used in the present invention are as follows. For example, CaO・Al 2 O 3 , 5CaO・3Al 2 O 3 , 12CaO・
Calcium aluminate or hydrate thereof such as 7Al 2 O 3 , 3CaO・Al 2 O 3 ; Barium aluminate or its hydrate such as 3BaO・Al 2 O 3 ; 3SrO・Al 2 O 3 ,
Examples include strontium aluminate such as 3SrO.Al 2 O 3 .6H 2 O or its hydrate. The smaller the particle size of the aluminate used in the present invention, the more effective it is as a sintering aid. Therefore, the average particle diameter is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. Generally, it is preferable to use an aluminate having an average particle size of 0.1 to 10 μm, more preferably 0.1 to 5 μm. The amount of the sintering aid used in the present invention varies depending on the properties required of the sintered body and cannot be absolutely limited, but it is generally 0.01 to 5 parts by weight, preferably 0.1 to 100 parts by weight of aluminum nitride powder. ~4
You can choose from a range of parts by weight. Since the amount of these additives varies depending on the oxygen content, impurity content, particle size, etc. in the aluminum nitride powder, the appropriate amount to be used may be determined in advance according to these properties. The aluminum nitride composition of the present invention is prepared by mixing the aluminum nitride powder, binder, and sintering aid in the proportions described above, as well as adding and mixing a deflocculant, a plasticizer, etc. as necessary. It is not intended to be limiting and is often used as a preferred embodiment. For example, when the aluminum nitride powder, binder, and sintering aid of the present invention are dispersed and mixed in a solvent as described in detail later, a deflocculant is often used to promote the dispersion. is a preferred embodiment. As the deflocculant, any compound known to be generally used in molding ceramic powder may be used without particular limitation. Specific examples of typical deflocculants that are generally suitably used include glycerin or sorbitol esters of fatty acids such as glycerin trioleate and sorbitan trioleate; natural fish oil; nonionic synthetic surfactants; higher fatty acids ; benzenesulfonic acid, etc.
The amount of these deflocculants to be used varies depending on the type of deflocculant, the type of the mixed system to be added, etc., and cannot be absolutely limited, but in general, it is preferably 0.01 to 5 parts by weight per 100 parts by weight of aluminum nitride powder. It is preferable to select from the range of 0.1 to 3 parts by weight. Although the peptizer may be mixed in any order, generally the aluminum nitride powder and the sintering aid are mixed in advance with the peptizer in a dispersion medium, and then the binder or the plasticizer described later is added. It is preferable to add and mix them to prepare a slurry. Further, the plasticizer is used for the purpose of imparting flexibility to a specific molded product when the aluminum nitride composition of the present invention is processed into a specific molded product. The plasticizer is not particularly limited, and any plasticizer known to be used for the above purpose in molding general ceramic powder can be used. Typical examples that are particularly preferably used include generally polyethylene glycol and its derivatives; phthalate esters such as dimethyl phthalate, dibutyl phthalate, butylbenzyl phthalate and dioctyl phthalate; stearic acid such as butyl stearate. Esters; Tri-cresol phosphate; Tri-N
-butyl phosphate; glycerin, etc.
The amount of these plasticizers added varies depending on the type of binder, the properties of aluminum nitride, the type and amount of solvent used, etc., and cannot be absolutely limited, but in general, it is 15 parts by weight or less per 100 parts by weight of aluminum nitride. Preferably 0.4 to 15 parts by weight, more preferably 3 to 10 parts by weight
It may be used by appropriately selecting from the range of parts by weight. The usage mode of the aluminum nitride composition of the present invention will be explained below. When used, it is generally preferable to use it in a form dispersed in a dispersion medium. The role of the dispersing medium is generally to disperse the aluminum nitride powder and the sintering aid, and also to dissolve the binder or optionally used plasticizer to form a uniform slurry. After forming the slurry into a specific shape, such as a sheet, the solvent is preferably substantially removed by drying and does not remain in the aluminum nitride molded product, such as a green sheet. Therefore, the dispersion medium, ie, the solvent, is not particularly limited as long as it satisfies the above-mentioned requirements for dispersibility, solubility, and drying properties, but it is generally preferable to select a non-aqueous solvent. Typical solvents that are particularly preferably used include, for example, acetone,
Ketones such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone, alcohols such as ethanol, propanol and butanol, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, or halogenated hydrocarbons such as trichloroethylene, tetrachloroethylene and bromochloromethane.
It is preferable to use one species or a mixture of two or more species. The amount of solvent used is also not particularly limited, but if the amount of solvent is too large, particles of aluminum nitride powder and sintering aid will tend to settle and separate during storage, molding, or drying of the slurry, and if it is too small, the sheet-like Since molding becomes difficult, an appropriate amount may be selected and used in advance. In general, the amount of the solvent depends on the type and the type and amount of the binder and plasticizer, but 30 parts by weight per 100 parts by weight of aluminum nitride powder.
It is preferable to select the amount within the range of 100 parts by weight. The mixing conditions for the aluminum nitride composition of the present invention are not particularly limited, and the mixing may be carried out at room temperature and normal pressure, and the mixing device is explained based on the mixing mode of the raw materials for producing the aluminum nitride powder in order to prevent the mixing of impurity components. It is preferable to choose the material as shown above or choose one covered with plastic. Most generally, it is preferable to use a mill that has a built-in spherical object, rod-like object, or the like. The above-mentioned mixture is generally used as a viscous paint-like slurry called slurry, which is easy to handle during molding. The aluminum nitride composition obtained as described above, that is, the (i) aluminum nitride powder, (ii) binder, and (iii) sintering aid, or if necessary, a plasticizer, peptizer, etc. are mixed in a solvent. It is generally turned into a slurry. This slurry is formed into a sheet on a film made of a synthetic resin such as polyethylene, polypropylene, polyester, polyamide, polyvinyl chloride, etc. using a sheet molding machine such as a doctor blade type sheet molding machine. Next, the sheet-like molded product is dried by scattering the solvent at a temperature between room temperature and the boiling point of the solvent to form a so-called aluminum nitride green sheet. The aluminum nitride green sheet generally has a glossy appearance, is flexible, and has strong properties against bending. The aluminum nitride green sheet already has a tensile strength of 25 kg/cm 2 or more. The above aluminum nitride green sheet can be used as it is for the production of a sintered sheet as described below, but generally the above-mentioned binder, plasticizer, etc. It is preferable to carry out the thermal decomposition treatment at a temperature at which the agent, deflocculant, etc. are decomposed, generally, for example, from 300 to 1,400°C, preferably from 500 to 1,000°C. The aluminum nitride green sheet or the sheet subjected to the above heat treatment is then subjected to a sintering process. The sintering process is not particularly limited, and any known sintering method used for nitrides may be used as is. Generally, sintering may be carried out at a temperature of 1,600 to 2,100° C. under normal pressure, in an inert atmosphere, for example, in a nitrogen atmosphere.
The pressure during the sintering is generally normal pressure, but a sintering furnace maintained under a certain degree of pressure with an inert gas may also be used. Further, the time required for sintering varies depending on various conditions such as the thickness of the sheet material to be sintered and the sintering temperature, and cannot be absolutely limited, but it may generally be selected from a range of 30 minutes to 24 hours.
It is preferable that appropriate ranges of these conditions be determined in advance according to various conditions prior to implementation. The sintered sheet obtained by the above sintering process generally has a sintered density of 2.7 g/cm 3 or more, preferably 2.9 g/cm 3 or more.
cm 3 More preferably 3.0 g/cm 3 or more.
Additionally, the sheet generally has a side length of at least 5 mm.
With the above steps, a product having a thickness in the range of 0.05 to 10 mm is obtained. These sintered sheets form excellent sheet-like products with a bending strength of at least 20 kg/mm 2 . [Effect] The aluminum nitride sintered sheet obtained by the above method using the aluminum nitride composition of the present invention as a raw material has a high oxygen content even though aluminate, which is an oxide, is added. The oxygen content is lower than the oxygen content of the raw material aluminum nitride powder. That is, a highly purified aluminum nitride sintered sheet, for example, an aluminum nitride sintered sheet with an oxygen content of 1.5% by weight or less, more preferably 1.2% by weight or less, can be obtained. These sintered aluminum nitride sheets have extremely good thermal conductivity due to their high purity, and are generally 120 W/m・k or more, preferably
A thermal conductivity of 140W/m・k or more can be obtained. Furthermore, the sintered sheet can be produced by controlling the amount of impurities mixed in the aluminum nitride powder used as the raw material.
It can be made into a translucent sheet. Therefore, the aluminum nitride sintered sheet made from the aluminum nitride composition of the present invention is an industrially extremely useful material as a heat dissipation board for electronic equipment, an electronic circuit board, a heat dissipation material, and an insulating material. EXAMPLES In order to explain the present invention more specifically, the present invention will be described below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Reference Example 1 600 g of calcium carbonate with an average particle size of 2.1 μm and 200 g of alumina with an average particle size of 0.6 μm were dry mixed for 18 hours using an alumina pot and a ball.
The mixture was calcined at 1350°C for 4 hours. The reactants were ground using an alumina pot and ball. The reaction was completed by repeating calcination and pulverization three times. This reaction product was pulverized using a diet mill (alumina lining) to obtain a powder with an average particle size of 1.4 μm. This powder was found to be single-phase 3CaO.Al 2 O 3 by X-ray examination. Example 1 (i) Blend Reference Example 1 was added as a sintering aid to 100 parts by weight of aluminum nitride powder having the composition shown in Table 1 containing 80% by volume of particles with an average particle size of 1.42 μm and 3 μm or less.
2.5 parts by weight of 3CaO・Al 2 O 3 prepared above, 9.0 parts by weight of polyvinyl butyral with a molecular weight of 30,000 to 34,000 as a binder, 5.0 parts by weight of dioctyl phthalate as a plasticizer, and 1.2 parts by weight of sorbitan trioleate as a peptizer. 75 parts by weight of a toluene-ethanol-iso-propanol mixed solvent (mixed weight ratio toluene/ethanol/iso-propanol = 55/35/10) as described below to prepare a slurry. The combustion decomposition curve of the above polyvinyl butyral was previously measured in air using thermogravimetric analysis (TG), and it was found that combustion decomposition started at about 200℃ and reached approximately 200°C.
It was confirmed that substantially no residue remained after finishing at 600°C. Table 1 Aluminum nitride powder analysis values AlN content 98.0% Element content Mg <5 (PPM) Cr 21 ( ) Si 81 ( ) Zn 9 ( ) Fe 14 ( ) Cu <5 ( ) Mn 5 ( ) N 25 ( ) Ti <5 ( ) Co <5 ( ) Al 64.8 (wt%) N 33.5 ( ) O 1.0 ( ) C 0.04 ( ) (ii) Mixing Mixing operations and procedures was done as follows. In other words, a nylon-coated steel ball with a diameter of 20 mm is placed in a nylon pot with an internal volume of 10 mm, and the inner volume of the pot is approximately 50 mm.
%, and then the above weight parts of aluminum nitride powder, 3CaO.Al 2 O 3 and sorbitan trioleate, and 60 weight parts of the above solvent were added and mixed in a ball mill at a rotation speed of 35 rpm for 24 hours.
Thereafter, the above weight parts of polyvinyl butyral and dioctyl phthalate and 15 weight parts of the above solvent were added to the pot, and the mixture was further mixed for 24 hours. The resulting slurry was white paint-like with a viscosity of 2800 cps. (iii) Defoaming and desolvation The slurry obtained by the above mixing is transferred to a vacuum container with an internal volume of 4 equipped with a stirrer, and while stirring, the pressure is gradually reduced from 1 atm to 30 to 40 Torr, and the slurry is mixed into the slurry during the mixing. Removed air bubbles (defoaming). Next, while stirring, the vacuum container was evacuated and maintained at 20 to 40 Torr to remove a portion of the solvent by evaporation (desolvation). The amount of solvent removed in this desolvation operation was 20 parts by weight based on 100 parts by weight of aluminum nitride powder. As a result, a white viscous slurry with a viscosity of 20,000 cps was obtained. (iv) Molding Using a doctor blade type sheet molding machine, the obtained slurry is poured into a sheet onto a polyester film whose surface has been coated with silicone resin and subjected to mold release treatment, and then the sheet is molded at room temperature. After drying by evaporating the solvent for 1 hour and then at 50° C. for 4 hours, the sheet-like material was peeled from the polyester film to produce an aluminum nitride green sheet with a width of about 250 mm and a thickness of about 1 mm. This aluminum nitride green sheet has a white, glossy appearance, and is flexible and strong against bending. Punch out a test piece from an aluminum nitride sheet using a die and a punching machine,
When a tensile test was performed using an autograph,
The tensile strength was 25 Kg/cm 2 and the elongation was 0.4. Further, the density was 2.04 g/cm 3 . (v) Degreasing and sintering 5cm of the above aluminum nitride green sheet
It was punched into a square plate shape of 5 cm, heated in an electric furnace at 650°C for 3 hours in an air atmosphere of 1 atm to burn and decompose the binder, plasticizer and deflocculant, and remove the aluminum nitride. A square plate was obtained (degreased). This square plate was placed in a graphite dish whose inner wall was coated with boron nitride, and heated to 1200℃ for 2 hours under a nitrogen flow of 1 atm.
The temperature was raised from 1200°C to 1800°C at a temperature increase rate of 15°C/min, and after being held at 1800°C for 4 hours, it was cooled (sintering). The obtained aluminum nitride sintered sheet was a translucent body measuring 4.1 mm x 4.1 mm and 0.8 mm thick, and had a density of 3.25 g/cm 3 . The thermal conductivity of this sintered sheet was measured using a laser flash method thermal constant measuring device (PS-7) manufactured by Rigaku Denki and was found to be 163 W/m·k. The bending strength of this sintered sheet is 40Kg/ mm2 , and the oxygen content measured by activation analysis is 0.28% by weight.
The transmittance of light at 5.5 μm was 38% when processed and polished to a thickness of 0.5 mm. Example 2 Aluminum nitride was prepared as follows using several kinds of aluminum nitride powders with different oxygen contents, calcium aluminate of various particle sizes as a sintering aid, and polyvinyl butyral with a molecular weight of 30,000 to 34,000 as a binder. Table 2 shows the results of producing the sintered sheet.
Shown below. (i) Blend Aluminum nitride powder 100 parts by weight Calcium aluminate (amount shown in Table 2) Polyvinyl butyral 12 parts by weight Dibutyl phthalate 6 Glycerin monooleate 1.5 Toluene (50% by weight) Iso-propanol (35% by weight) n-Butanol (15% by weight) 80 (ii) Mixing The above mixture composition was mixed as follows. In other words, a nylon-coated steel ball with a diameter of 20 mm is placed in a nylon pot with an internal volume of 10, in an amount that accounts for 50% of the pot's internal volume, and the entire amount shown in (i) is added to the pot, and the mixture is rotated. Mixed in a ball mill for 40 hours at several 35 rpm. The viscosity of the obtained slurry is 2000~
It was in the range of 3500cps. (iii) Defoaming and solvent removal Defoaming and solvent removal were performed using the same equipment and operation as in Example 1. The amount of desolvation is in the range of 20 to 25 parts by weight per 100 parts by weight of aluminum nitride powder,
The viscosity of the obtained white viscous slurry is 21000 ~
It was 26000cps. (iv) Molding The above slurry was prepared in the same manner as in Example 1, with a tensile strength of 30 to 35 Kg/cm 2 , an elongation of 0.5 to 0.7, and a density of
An aluminum nitride green sheet with a weight of 1.98 to 2.23 g/cm 3 was produced. (v) Degreasing and sintering The aluminum nitride green sheet obtained above is
A square plate of 50 mm x 50 mm was punched out, and this square plate was placed in a graphite dish whose inner wall was coated with boron nitride and set in an electric furnace. Degreasing was carried out under reduced pressure of 0.1 Torr by increasing the temperature from room temperature to 1100°C at a rate of 2°C/min. After that, it was heated from 1100℃ to 1850℃ in the same electric furnace for 15 days.
The temperature was raised at a rate of 180°C/min, maintained at 180°C for 4 hours, and then cooled. The obtained aluminum nitride sintered sheet was a translucent body measuring 4.0 to 4.2 mm square and 0.8 mm thick.
Table 2 shows the physical properties of the sintered sheet.
【表】
参考例 2
平均粒子径1.8μmの炭酸バリウム600gと平均
粒子径0.6μmのアルミナ100gとをアルミナ製ボ
ールとポツトを用いて18時間乾式混合した。混合
物を1550℃で5時間焼成した。反応物をアルミナ
製ボールとポツトを用いて粉砕した。焼成と粉砕
を3回くり返し反応を完了した。この反応物をジ
エツトミル(アルミナライニング)によつて粉砕
し、平均粒子径1.6μmの粉末を得た。この粉末は
X線的的に3BaO・Al2O3の単相組成であつた。
実施例 3
実施例1で用いたのと同じ窒化アルミニウム粉
末、焼結助剤として参考例2で調製した3BaO・
Al2O3及び結合剤として分子量が50000〜60000の
ポリビニールブチラールを用いて以下のように窒
化アルミニウムグリーンシート及び窒化アルミニ
ウム焼結シートを作製した。
(i) 配合
窒化アルミニウム粉末 100重量部
3BaO・Al2O3 2重量部
ポリビニールブチラール 10 〃
ブチルベンジルフタレート
(50重量%)
ジオクチルフタレート
(50重量%) 4 〃
グリセリントリオレエート 1 〃
トルエン(60重量%)
エタノール(35重量%)
n−ブタノール(5重量%) 80 〃
(ii) 混合
実施例1で用いたものと同じボール及びポツト
に窒化アルミニウム粉末、3BaO・Al2O3、グリ
セリントリオレエートを全量及び溶媒の一部(60
重量部)を投入して、24hrボールミル混合した。
その後、同ポツトにポリビニールブチラール、ブ
チルベンジルフタレート及びジオクチルフタレー
トを全量更に溶媒の残量(20重量部)を添加し、
24hr混合した。得られたスラリーの粘度は
3200cpsであつた。
(iii) 脱泡及び脱溶媒
実施例1と同様に行い、粘度28000cpsの白色粘
稠なスラリーを得た。
(iv) 成形
上記スラリーより実施例1と同様にして窒化ア
ルミニウムグリーンシートを作製した。このグリ
ーンシートの引張強度は27Kg/cm2、伸び率は0.35
また密度は2.12g/cm3であつた。
(v) 脱脂及び焼結
焼結の際、1800℃で6hr保持した以外は実施例
1と同じ方法で行い、4.2mm×4.2mm、厚さ0.8mm
で、密度3.24g/cm3の半透明な窒化アルミニウム
焼結シートを得た。この焼結シートは、熱伝導率
が145W/m・kであり、酸素含有量は0.37重量
%であつた。
実施例 4
表3に示す種々の粒径及び酸素含有量の窒化ア
ルミニウム粉末、焼結助剤として種々の粒径の
3BaO・Al2O3を用いること以外は、実施例3と
同様の条件で混合、脱泡、脱媒、成形及び脱脂、
焼成を行い窒化アルミニウム焼結シートを作製し
た。結果を表3に示す。[Table] Reference Example 2 600 g of barium carbonate with an average particle size of 1.8 μm and 100 g of alumina with an average particle size of 0.6 μm were dry mixed for 18 hours using an alumina ball and pot. The mixture was calcined at 1550°C for 5 hours. The reactants were ground using an alumina ball and pot. The reaction was completed by repeating calcination and pulverization three times. This reaction product was pulverized using a diet mill (alumina lining) to obtain a powder with an average particle size of 1.6 μm. This powder was found to have a single phase composition of 3BaO.Al 2 O 3 by X-ray examination. Example 3 The same aluminum nitride powder used in Example 1, and 3BaO prepared in Reference Example 2 as a sintering aid.
An aluminum nitride green sheet and an aluminum nitride sintered sheet were produced as follows using Al 2 O 3 and polyvinyl butyral having a molecular weight of 50,000 to 60,000 as a binder. (i) Blend Aluminum nitride powder 100 parts by weight 3BaO・Al 2 O 3 2 parts by weight Polyvinyl butyral 10 〃 Butylbenzyl phthalate (50% by weight) Dioctyl phthalate (50% by weight) 4 〃 Glycerin trioleate 1 〃 Toluene (60% by weight) %) Ethanol (35% by weight) n-Butanol (5% by weight) 80 〃 (ii) Mixing In the same bowl and pot as used in Example 1, aluminum nitride powder, 3BaO・Al 2 O 3 and glycerin trioleate were added. Total amount and part of solvent (60
parts by weight) and mixed in a ball mill for 24 hours.
Then, add the entire amount of polyvinyl butyral, butylbenzyl phthalate, and dioctyl phthalate to the same pot, and add the remaining amount of the solvent (20 parts by weight).
Mixed for 24hr. The viscosity of the slurry obtained is
It was 3200cps. (iii) Defoaming and solvent removal The same procedure as in Example 1 was carried out to obtain a white viscous slurry with a viscosity of 28,000 cps. (iv) Forming An aluminum nitride green sheet was produced from the above slurry in the same manner as in Example 1. The tensile strength of this green sheet is 27Kg/cm 2 and the elongation rate is 0.35.
Further, the density was 2.12 g/cm 3 . (v) Degreasing and sintering Sintering was performed in the same manner as in Example 1, except that it was held at 1800°C for 6 hours, and the size was 4.2 mm x 4.2 mm, and the thickness was 0.8 mm.
Thus, a translucent aluminum nitride sintered sheet with a density of 3.24 g/cm 3 was obtained. This sintered sheet had a thermal conductivity of 145 W/m·k and an oxygen content of 0.37% by weight. Example 4 Aluminum nitride powders with various particle sizes and oxygen contents shown in Table 3, and various particle sizes as sintering aids
Mixing, defoaming, demolding, molding, and degreasing were carried out under the same conditions as in Example 3 except for using 3BaO・Al 2 O 3 .
Firing was performed to produce a sintered aluminum nitride sheet. The results are shown in Table 3.
【表】
参考例 3
平均粒子径3.2μmの炭酸ストロンチウム550g
と平均粒子径0.6μmのアルミナ100gとをアルミ
ナ製ボールとポツトを用いて18時間乾式混合し
た。混合物を1600℃で4時間焼成した。反応物を
アルミナ製ボールとポツトを用いて粉砕した。焼
成と粉砕を3回くり返し反応を完了した。この反
応物をジエツトミル(アルミナライニング)によ
つて粉砕し、平均粒子径1.4μmの粉末を得た。こ
の粉末はX線的に3SrO・Al2O3の単相組成であつ
た。
実施例 5
実施例1で用いたのと同じ窒化アルミニウム粉
末、焼結助剤として参考例3で調製した3SrO・
Al2O3及び結合剤として分子量が50000〜90000の
メタクリル酸エステル共重合体(メタクリル酸エ
チル/メタクリル酸メチル=72/28)を用いて以
下のように窒化アルミニウムグリーンシート次い
で窒化アルミニウム焼結シートを作製した。
(i) 配合
窒化アルミニウム粉末 100重量部
3SrO・Al2O3 5 〃
メタクリル酸エステル共重合体 12 〃
ジオクチルフタレート 3 〃
ソルビタントリオレエート 0.8 〃
トルエン(50重量%)
メチルエチルケトン(50重量%) 70 〃
(ii) 混合
内容積5の撹拌機付分散混合機に溶媒半量
(35重量部)入れ、撹拌しながら窒化アルミニウ
ム粉末、3SrO・Al2O3、ソルビタントリオレエー
トを全量投入した後、メタクリル酸エステル共重
合体を徐々に添加して溶解させた。次いでジオク
チルフタレートを全量投入し、更に溶媒の残量
(35重量部)を投入した後、30min撹拌を続けて
配合成分を分散あるいは溶解させスラリーを調製
した。このスラリーを実施例1で用いたボールミ
ルに移し、回転数35rpmで24hrボールミル混合し
た。得られたスラリーは粘度が1200cpsであつた。
(iii) 脱泡及び脱溶媒
実施例1と同様にして行つた。脱溶媒量は窒化
アルミニウム100重量部に対して25重量部であり、
得られた粘稠なスラリーの粘度は18000cpsであつ
た。
(iv) 成形
実施例1と同様にして巾300mm、厚み1.1mmの窒
化アルミニウムグリーンシートを得た。このグリ
ーンシートの強度は18Kg/cm2、密度は2.18g/cm3
であつた。
(v) 脱脂及び焼結
上記の窒化アルミニウムグリーンシートを65mm
×65mmの角板状に打抜き、この角板を、窒化ホウ
素で内壁を被覆した黒鉛製皿に入れて電気炉内に
セツトした。次いで、1気圧の窒素流通下で室温
より1000℃まで2℃/minの速度で昇温した。
その後同電気炉内で1気圧の窒素雰囲気下で
1000℃から1900℃の温度まで15℃/minで昇温
し、1900℃で6hr保持した後冷却した。得られた
窒化アルミニウム焼結シートは53mm×53mm、厚さ
0.85mmの半透明体で、密度が3.25g/cm3であつ
た。またこの焼結シートの熱伝導率は156W/
m・kで、酸素含有量は0.26重量%であつた。
実施例 6
表4に示す、種々の粒径及び酸素含有量の異な
る窒化アルミニウム粉末、焼結助剤として種々の
粒径の3SrO・Al2O3を用いること以外は実施例5
と同様の条件で窒化アルミニウムグリーンシート
及び焼結シートを作製した。結果を表4に示す。[Table] Reference example 3 550g of strontium carbonate with an average particle size of 3.2μm
and 100 g of alumina having an average particle size of 0.6 μm were dry mixed for 18 hours using an alumina ball and pot. The mixture was calcined at 1600°C for 4 hours. The reactants were ground using an alumina ball and pot. The reaction was completed by repeating calcination and pulverization three times. This reaction product was pulverized using a diet mill (alumina lining) to obtain a powder with an average particle size of 1.4 μm. This powder had a single phase composition of 3SrO.Al 2 O 3 based on X-rays. Example 5 The same aluminum nitride powder used in Example 1, and 3SrO prepared in Reference Example 3 as a sintering aid.
Using Al 2 O 3 and a methacrylic acid ester copolymer (ethyl methacrylate/methyl methacrylate = 72/28) with a molecular weight of 50,000 to 90,000 as a binder, an aluminum nitride green sheet and then an aluminum nitride sintered sheet were prepared as follows. was created. (i) Blend Aluminum nitride powder 100 parts by weight 3SrO・Al 2 O 3 5 〃 Methacrylic acid ester copolymer 12 〃 Dioctyl phthalate 3 〃 Sorbitan trioleate 0.8 〃 Toluene (50% by weight) Methyl ethyl ketone (50% by weight) 70 〃 ( ii) Mixing Pour half of the solvent (35 parts by weight) into a dispersion mixer with an internal volume of 5 and a stirrer, and add all of the aluminum nitride powder, 3SrO・Al 2 O 3 and sorbitan trioleate while stirring, and then add the methacrylic ester as well. The polymer was slowly added and dissolved. Next, the entire amount of dioctyl phthalate was added, and the remaining amount of the solvent (35 parts by weight) was added, and stirring was continued for 30 minutes to disperse or dissolve the ingredients to prepare a slurry. This slurry was transferred to the ball mill used in Example 1, and mixed in the ball mill for 24 hours at a rotation speed of 35 rpm. The resulting slurry had a viscosity of 1200 cps. (iii) Defoaming and solvent removal This was carried out in the same manner as in Example 1. The amount of solvent removed is 25 parts by weight per 100 parts by weight of aluminum nitride,
The viscosity of the resulting viscous slurry was 18,000 cps. (iv) Molding An aluminum nitride green sheet with a width of 300 mm and a thickness of 1.1 mm was obtained in the same manner as in Example 1. The strength of this green sheet is 18Kg/cm 2 and the density is 2.18g/cm 3
It was hot. (v) Degreasing and sintering the above aluminum nitride green sheet to 65mm
A square plate of 65 mm x 65 mm was punched out, and this square plate was placed in a graphite dish whose inner wall was coated with boron nitride and set in an electric furnace. Next, the temperature was raised from room temperature to 1000°C at a rate of 2°C/min under nitrogen flow at 1 atm. Then, in the same electric furnace under a nitrogen atmosphere of 1 atm.
The temperature was raised from 1000°C to 1900°C at a rate of 15°C/min, maintained at 1900°C for 6 hours, and then cooled. The resulting aluminum nitride sintered sheet is 53mm x 53mm thick.
It was a 0.85 mm translucent body with a density of 3.25 g/cm 3 . The thermal conductivity of this sintered sheet is 156W/
m·k, and the oxygen content was 0.26% by weight. Example 6 Example 5 except that aluminum nitride powders with various particle sizes and different oxygen contents and 3SrO.Al 2 O 3 with various particle sizes as sintering aids were used as shown in Table 4.
Aluminum nitride green sheets and sintered sheets were produced under the same conditions as described above. The results are shown in Table 4.
Claims (1)
物よりなる結合剤、 及び (iii) 一般式nMO・Al2O3・oH2O 〔但し、Mはアルカリ土類金属であり、mは1
以上の数であり、nは0以上の数である。〕 で示されるアルミン酸塩よりなる焼結助剤より主
としてなり、該結合剤は窒化アルミニウム粉末
100重量部に対して0.1〜30重量部及び該焼結助剤
は窒化アルミニウム粉末100重量部に対して0.01
〜5重量部配合されてなる窒化アルミニウム組成
物。 2 窒化アルミニウム粉末が酸素含有量3.0重量
%以下である特許請求の範囲1記載の窒化アルミ
ニウム組成物。 3 窒化アルミニウム粉末が平均粒子径5μm以
下である特許請求の範囲1記載の窒化アルミニウ
ム組成物。 4 窒化アルミニウム粉末が不純物としての金属
化合物を金属として0.5重量%以下含有している
ものである特許請求の範囲1記載の窒化アルミニ
ウム組成物。 5 結合剤が含酸素有機高分子体である特許請求
の範囲1記載の窒化アルミニウム組成物。 6 含酸素有機高分子体の分子量が3000〜
1000000である特許請求の範囲5記載の窒化アル
ミニウム組成物。[Scope of Claims] 1 (i) aluminum nitride powder, (ii) a binder made of an organic polymer compound that decomposes at a temperature of 1400°C or less, and (iii) general formula n MO・Al 2 O 3・o H 2 O [However, M is an alkaline earth metal, m is 1
or more, and n is a number of 0 or more. ] The binder consists mainly of a sintering aid consisting of an aluminate salt shown in
0.1 to 30 parts by weight per 100 parts by weight, and the sintering aid is 0.01 parts by weight per 100 parts by weight of aluminum nitride powder.
An aluminum nitride composition containing ~5 parts by weight. 2. The aluminum nitride composition according to claim 1, wherein the aluminum nitride powder has an oxygen content of 3.0% by weight or less. 3. The aluminum nitride composition according to claim 1, wherein the aluminum nitride powder has an average particle size of 5 μm or less. 4. The aluminum nitride composition according to claim 1, wherein the aluminum nitride powder contains 0.5% by weight or less of a metal compound as an impurity. 5. The aluminum nitride composition according to claim 1, wherein the binder is an oxygen-containing organic polymer. 6 Molecular weight of oxygen-containing organic polymer is 3000~
1,000,000. The aluminum nitride composition according to claim 5.
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1985
- 1985-08-28 JP JP60187417A patent/JPS6252178A/en active Granted
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