JPS6121965A

JPS6121965A - アルミナ質焼結体とその製造方法

Info

Publication number: JPS6121965A
Application number: JP59144796A
Authority: JP
Inventors: 山内　英俊; 横山　隆夫; 犬井　敬司
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1984-07-11
Filing date: 1984-07-11
Publication date: 1986-01-30

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】本発明は炭化珪素を含有するアルミナ質焼結体一般にア
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、点火栓用部品など広く使用され
ている。近年、電子工業技術の進歩に伴い、電子機器に
対する高密度化あるいは演算機能の高速化が進められて
いる。

その結果、集積回路内における発熱量が増加するため、
集積回路の性能を確保し、高い信頼性を維持することが
困難になるという問題を生じる。したがって、集積回路
用基板あるいはＩＣパッケージ用材料としての電子回路
用基板には電気的絶縁性、気密性、様械的強度、破壊靭
性などの特性ｉこ加えて、放熱特性に優れていることが
要求されている。ところで、アルミナ焼結体は従来から
電子工業用の集積回路用基板あるいはパッケージとして
広く実用化されているが、前述の如く高速化あるいは高
密度化される集積回路用基板あるいはパッケージの材料
としては、熱伝導率が低く放熱性に劣るために大きな問
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ットプレス焼結体、
アルミナ単結晶、さらに炭化珪素繊維又はウィスカーと
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、前記ホットプレス焼結体は熱伝導率、高温強度、破
壊しん性が十分でなく、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ィ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しん性の
改善がなされるが、全ての方向に前記繊維又はウィスカ
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
なし１などの欠点であった。

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
ナ質常圧焼結体を種々研究し、先に特願昭５９−６４５
１３号により「炭化珪素含有のアルミナ質焼結体および
その製造方法」に係る発明を提案している。

ところで、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くみ、かつ、高密度のアルミナ
質焼結体はその熱伝導率が改善される。しかし、炭化珪
素はアルミナの焼結工程においてアルミナの緻密化を妨
害して粒子間に気孔を残しやすいことから高密度のアル
ミナ質焼結体が得られにくく、その熱伝導率は十分に改
善、されないことがある。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炭化
珪素とアルミナ焼結体に不均一部分が生じるが、この不
均一部分が必要以上に存在するとアルミナ質焼結体の熱
伝導率が向上しにくいことがある。

本研究者らは前記炭化ケイ素含有のアルミナ質焼結体を
さらに鋭意研°究に努めた結果、熱伝導率に極めて優れ
た炭化ケイ素を含んだアルミナ質焼結体を完成するに至
った。

次に本発明の詳細な説明する。

本発明の目的は、炭化珪素粒子を均一に含み、熱伝導性
に優れたアルミナ質焼結体とその製造方法を提供するこ
とにある。

本発明によれば、アルミナ質焼結体に炭化珪素粒子を均
一に含み、さらに、その嵩密度が理論密度の９５％以上
であるとλが０．０４ｍ／？＾８．”Ｃ以上の熱伝導率
に優れた焼結体が得られる。その理由は、密度が低いと
焼結体中に熱伝導率の極めて低い気孔が存在することか
ら好ましくないが、さらに、炭化珪素とアルミナは化学
組成がそれぞれＳｉＣは共有結合性が高いのに対して、
Ａｌ　ｚ　Ｑ　ｓはイオン結合性も相当高い。また、結
晶構造や熱膨張係数（以下αと称す）が大きく異なりＳ
ｉＣのαは約４Ｘ１０’／Ｃなのに対し、Ａｌｔｏ３の
αは約７Ｘ１０’／”Ｃである。したがって、これらの
化学的及び物理的性質の相違により炭化珪素とアルミナ
の粒子間に不均一部分が生じるが、特に、密度が９５％
より低いと粒子間においてこれらの不均一部分が実質的
に気孔として存在し、さらに、これらの気孔は焼結体に
熱が伝わる場合に熱の伝わる方向に対して直列に位置す
ることから熱伝導率が大巾に低下する。しかるに、密度
が９５％以上であると粒子間に存在する気孔が少なくな
り、かつ熱伝導率の高い炭化珪素が存在することから熱
伝導率に優れた焼結体が得られ、さらに、密度が９７．
５％以上であることがいっそう好ましい。

本発明によれば、炭化珪素の平均粒径は０．２〜５μｍ
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０．２μｍより小さいと平均粒径が大きい場合と比
較してアルミナ粒子との接触面積が多くなり、炭化ケイ
素によるアルミナ粒子の粒成長を抑制する作用が著しく
大きくなることから十分に密度の高いアルミナ質焼結体
が得られない。

これは特に、アルミナ質常圧焼結体において顕著である
。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。またアルミナの平均
粒径が１．０μｍ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１．０〜１０Ｉｘｎの
範囲あることが最も好適である。

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０．５〜４６％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（硬度、強度、破壊しん性及び熱伝
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＜＜、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
〜５％の範囲であることが最も好適な結果が得られる。

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
。

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１重量比で炭化珪累粉体０．５〜４０％と残部がア
ルミナ粉体であって、必要により５ｉ０２．ＭｆＯ１Ｃ
ａＯ５ＳｒＯ１ＢａＯ１Ｍｎ０２、Ｆｅ０１ＴｉＯｚ、
ＺｎＯ１ＺｎＯｌＰｂ０１ＣｒＯ１Ｂ２０１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ＩＷｉ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°Ｃ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０．０
１〜５０μｍであり、アル主す粉体の平均粒径は０．０
５〜４０μｍ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く、かつ、炭化
珪素粉体とアルミナ粉体との接触面積が多くなり、炭化
珪素によるアルミナの粒成長を抑制する作用が著しく大
きくなることから十分に密度の高いアルミナ質焼結体が
得られにくいからであり、５．０μｍ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下するか
らである。尤かでも、炭化珪素粉体の平均粒径が０．２
〜５．０％ｍであり、アルミナ粉体の平均粒径が０．０
５〜１０μｍでもあることが最も好適である、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、ヘンシェルミキサー、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、メチル士ルローズ、グリセリン、澱粉、アラビア
ゴム、フェノ−〃樹脂、カーボワックス、ステアリン酸
、パラフィンエマルジョ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、インジエクシ冒ン成形、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、ペーパーディッ
ピング法などによって行なわれ、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Ａ／
２０．８ｉ０、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、８ｉＣ＋ＡｌｘＯｓ→８ｉ
０＋ＡｌｚＯ＋ＣＯの反応により８ｉＣとＡＪ？２０ｇ
が反応するが、雰囲気中にｋｌｚＯ１８ｉ０、ＣＯなど
のガス分圧が存在するとＳｉＣとＡｌｔｏ３の反応が抑
制され緻密な８ｉＣ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、Ａ１２ｏ、８ｉ
０．Ｃｏのガスが発生して前記生形体中における８ｉＣ
とｋｌ　２０３との反応が抑制され緻密な８ｉＣが容易
に、か゛っ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１３００〜１９ｏｏ℃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、　１９０６°℃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１４００〜１
６０（）’Ｃの温度節理である。

次に本発明の実施例について説明する。

実施例ｌ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８ｉ０ｚを重量比で
２％の配合物を５種類用意し、各配合物１００　ｆに対
し、水を１００９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−ｔｖ２ｆ及びステアリン酸を０
．５１添加してボールミル中で２４時間聞易した。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／ｄの成形圧Ｉｔ４０Ｘ５ｔ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、マイクロビッ
カース硬度計による硬度、インデンチーシラン法による
ＫＩＯ及びレーザフラッシュ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Ｓ　ｉｏ２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
った結果を第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８　ｊｏ２、Ｍ
ｎＯ又はＭＩＯ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°Ｃ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５ｉＯｚ
の組成は重量比でそれぞれ２ｇ６．％％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
行なった。

比較例２平均粒径が１０μｍのα型炭化珪素と平均粒径が０．４
μｍ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２．０μｍの８ｉ０ｚ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″Ｃ又は１６００℃で１時
間焼成して得たアルミナ質常圧焼　１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。　　　　　　　　　　　　　　　　Ｉ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％重量％と平均
粒径２μｍの８ｉ０ｚ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。

第　　１　　表（註）　　ＫＩＯ＝破壊しん性　　（焼成温度１６００
℃加湿水素気流中）第　　２　　表（焼成条件１５００℃加湿水素気流中）第　　３　　表（焼成条件１６００℃加湿水素気流中）第　　４　　表第　　５　　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）炭化珪素が重量比で０．５〜４０％含有され、残
部がアルミナを主成分とする組成物で構成された炭化珪
素含有のアルミナ質焼結体において、前記アルミナ質焼
結体の嵩密度が理論密度の９５％以上であり、かつ、熱
伝導率が０．０４ｃａｌ／ｃｍ、Ｓ、℃以上であること
を特徴とするアルミナ質焼結体。
（２）炭化珪素が重量比で０．５〜４０％に対し、Ｓｉ
Ｏ＿２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＭｎＯ＿２
、ＦｅＯ、ＴｉＯ＿２、ＺｎＯ＿２、ＰｂＯ、Ｃｒ＿２
Ｏ＿３、Ｂ■＿２Ｏ＿３の１種又は２種以上の酸化物が
重量比で０．１〜２０％含有され、残部がアルミナを主
成分とする組成物で構成されることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の焼結体。
（３）前記炭化珪素は平均粒径が０．２〜５μｍであり
、重量比で０．５〜５％含有されるものであって、残部
が平均粒径１．０〜５０μｍのアルミナを主成分とする
組成物で構成されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の焼結体。
（４）前記アルミナ質焼結体の嵩密度が理論密度の９７
．５％以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の焼結体。
（５）前記炭化珪素の結晶構造が主としてβ型炭化珪素
であり、アルミナの結晶構造が主として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項記載の焼結
体。
（６）前記アルミナ質焼結体が常圧焼結法にて製造され
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の焼結体
。
（７）炭化珪素粉末が重量比で０．５〜４０％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
。
（８）重量比で、炭化珪素粉末０．５〜４０％とＳｉＯ
＿２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＭｎＯ＿２、
ＦｅＯ、ＴｉＯ＿２、ＺｎＯ＿２、ＰｂＯ、Ｃｒ＿２Ｏ
＿３、Ｂ＿２Ｏ＿３の１種又は２種以上の混合物の０．
１〜２０％、および残部がアルミナ粉体を主体とする組
成物から成ることを特徴とする特許請求の範囲第７項記
載の製造方法。
（９）前記炭化珪素粉体の平均粒径は０．０１〜５．０
μｍであり、アルミナ粉体の平均粒径は０．０５〜４０
μｍであることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載
の製造方法。
（１０）前記炭化珪素粉体の平均粒径は０．２〜５．０
μｍであり、アルミナ粉体の平均粒径は０．０５〜１０
μｍであることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載
の製造方法。
（１１）前記炭化珪素粉末が重量比で０．５〜５％とＳ
ｉＯ＿２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＭｎＯ＿
２、ＦｅＯ、ＴｉＯ＿２、ＺａＯ＿２、ＰｂＯ、Ｃｒ＿
２Ｏ＿３、Ｂ＿２Ｏ＿３の１種又は２種以上の混合物０
．１〜２０％、および残部がアルミナ粉体を主体とする
組成物から成ることを特徴とする特徴とする特許請求の
範囲第７項記載の製造方法。