JPS63260867A - 高いグリーン密度および高いグリーン強度を有する窒化アルミニウム体 - Google Patents

高いグリーン密度および高いグリーン強度を有する窒化アルミニウム体

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JPS63260867A
JPS63260867A JP63010526A JP1052688A JPS63260867A JP S63260867 A JPS63260867 A JP S63260867A JP 63010526 A JP63010526 A JP 63010526A JP 1052688 A JP1052688 A JP 1052688A JP S63260867 A JPS63260867 A JP S63260867A
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powder
density
aln
milling
aluminum nitride
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JP63010526A
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ロバート、エー、マリア
ラオウフ、オー、ロートフィー
ジェームズ、シー、ウィザース
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KERAMONT ADVANCED CERAMIC PROD
KERAMONTO ADOBANSUDO CERAMIC PROD CORP
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KERAMONT ADVANCED CERAMIC PROD
KERAMONTO ADOBANSUDO CERAMIC PROD CORP
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/581Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on aluminium nitride

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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】 発明の背景 1、発明の分野 本発明は、高いグリーン密度、高いグリーン強度および
高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム体の製法に関す
る。
より詳細には、本発明は、高いグリーン密度および高い
グリーン強度を有する成形圧粉体および高い熱伝導率お
よび高い焼成密度を有するセラミック焼結体をもたらす
高純度を有する窒化アルミニウム粉末の製法を説明する
2、従来技術の説明 近年、半導体工業は、顕著な進歩を示した。半導体チッ
プなどの回路成分用材料は、非常に重要になり、高い熱
伝導率、高い機械的強度、低い比誘電率、金属による良
好な濡れおよび耐食性などの異なる性質の組み合わせを
有することが必要である。
技術上既知のセラミック材料のうち、AlNは、前記要
件を満たす最良のものになってきた。
前記性質の最良の組み合わせを有する焼結体をもたらす
AlN粉末の各種の製法は、技術上既知である。
米国特許第3,108,887号明細書には、アルミニ
ウムを窒素と反応させて良好な特性を有するAlN粉末
を得ることからなる方法が記載されている。
良好なセラミック焼結体を得るためには、長期のボール
ミル粉砕に付されたAlN粉末を使用することが必要で
あることが指摘されている。
高密度を有する焼結セラミックを得るためには、AlN
粒子の直径を厳格に規定された範囲内に保つことが必要
である。好ましくは大部分のAlNが5μm未満の大き
さになるまで、ミル粉砕を続ける。
この方法によって得られた焼結セラミックは、低い熱伝
導率を示し、更に、低いグリーン強度を示す。
英国特許第2.127.390号明細書には、より高い
熱伝導率を有する焼結セラミックを得る方法が紀裁され
ている。この方法は、Al2O3を還元剤の存在下でN
2と反応させることからなる。この特許によれば、Al
属不純物を非常に少ない量に保つ。また、この方法は、
それにも拘らず満足な特性の組み合わせを与えない。
発明の概要 驚異的なことに、AlN粉末の製法および出発AlN粉
末中の金属AIの存在とは独立に、前記性質の最適の組
み合わせを得ることが可能であることが見出された。
本発明の目的は、 (a)窒化アルミニウム粉末を焼結助剤および粉砕助剤
と混合し〔前記AlN粉末は5μm未満で0.5μmよ
りも大きい平均粒径、Al2O3+Al属の含量10@
量%以下(AIとして計算)(Al2O3含量はAl金
属不在である時にはアルミニウムとして計算して5%以
下である)、および他の不純物の含量4重量%以下(元
素として計算)を有する〕、 (b)タップ密度少なくとも1.0g/ccになるまで
、工程(a)で得られた混合物をミル粉砕して均質化し くc)1/8メツシュから200メツシュの篩を使用し
てミル粉砕混合物を篩分けする ことを特徴とする高密度高強度素地(greenbod
 Ies)を与えるAlN粉末の製法を提供することに
ある。
本発明の別の目的は、前記のように調製されたAlN体
を使用して製造されるセラミック体を提供することにあ
る。
工程(a)で使用する出発AlN粉末は、既知の方法に
従って得られる、出発物質としてA】203、Alまた
はAlCl3およびN2、NH3などの窒化剤を含むい
かなる商業的AlN粉末でもあることができる。
Al2O3を含有しまたは前記最大値で含まれる顕著な
量のAl金属含有するいかなる商業的AlN粉末も、本
発明の方法で使用できる。
AlN粉末を得る方法は、前記特許に開示されている。
焼結助剤として、技術上既知のいかなる焼結助剤、例え
ば、イツトリウム、希土類金属(ランタン、セリウム、
プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、
ジスプロシウムなど)、アルカリ土類金属(caq S
r、Ba)の群から選ばれる金属の酸化物またはフッ化
物、好ましくはY  OY F   Ca F 2が使
用できる。
これらの焼結助剤は、例えば、欧州特許出願節153.
737号明細書および第166.073号明細書および
米国特許第3,108,887号明細書に記載されてい
る。
粉砕助剤としては、技術上既知のいかなる種類の粉砕助
剤、好ましくはグリセロールトリオレエートおよびメン
ハーデン(Menhaden)  (商標)魚油、デフ
ロック(DEFLOC)なども使用できる。
ミル粉砕は、前記範囲内で篩分けするのに好適なミル粉
砕粉末を得るような加工条件下で乾式法または湿式法に
従って実施できる。一般に、粉砕は、若干の時間(3〜
4時間)を必要とする。
篩分けのためには、製品の篩分けを実施するのを可能に
する最大メツシュ値の篩を使用することが重要である。
一般に、35〜150のメツシュ値が、好適である。
乾燥AlN粉末は、しばしば篩を閉塞するので、大きい
篩(メツシュサイズ)が、必要とされる。
湿式ミル粉砕AlN粉末は、より大きいメツシュ値を有
する篩の使用を許す。
本発明のより良い理解のために、本発明に従っての処理
前または処理後のAlN粉末の性質を以下に総括する。
平均粒径d5o1.1μmおよび表面積6rrr/gを
有する商業的AlN粉末(スターク製)を使用した。
d50は、テレンスやアレンによる「パーティクル・サ
イズ・メジャーメンツ(Particle SlzeM
easurements) 、第2版、1975年、チ
ャツプマン・エンド・ホール、ロンドン(第84頁〜第
89頁)に準拠して計算する。
A)前記AlN粉末の一部分を焼結助剤としてのイツト
リアおよび粉砕助剤としてのグリセロールトリオレエー
トと混合し、更に他の処理なしでそれぞれ10,000
および30,000psiでプレス成形した。
B)同じ添加剤を含有する粉末の第二部分を、粉砕媒体
として高純度アルミナボール15kgを含有する20リ
ツトル容量のボールミル中でミル粉砕した。ミル粉砕を
3時間実施し、前記(A)と同様にプレス成形した。
C)同じ添加剤を含有する粉末の第三部分を本発明に従
って処理した。即ち、前記(B)と同様にミル粉砕した
後、35メツシュ篩を使用して篩分けした。篩分は粉末
を、ダイからのプレス成形スプリル(sprill)の
容易な剥離のためにシリコーンが予め噴霧された直径1
.2インチ(約30.5am)鋼製ダイ中でプレス成形
した。プレス成形をそれぞれ10,000および 30.000psiで実施した。
前記のように処理された粉末を化学分析し、対応スブリ
ルを、寸法および重量から計算してグリーン密度につい
て測定し、ASTM法 No、B−312−69を使用してグリーン強度試験を
実施した。
スブリルAは、受は取ったままの粉末を使用することに
よって得られた素地を意味し、スブリルBおよびCは前
記工程BおよびCを意味する。
表1かられかるように、本発明の方法は、金属AIをほ
とんど完全に除去させ、かつA 1203の含量を顕著
に減少させる。
表IAかられかるように、本発明の方法は、グリーン密
度、グリーン強度および焼成密度の最良の組み合わせを
与える。
グリーン密度は、最終焼結体の高い焼成密度に鑑みて非
常に重要な特性である。グリーン密度の値は、ミル粉砕
時の粒子の均質化のため増大する。
これに反して、グリーン強度は、ミル粉砕のため激減し
、それゆえ、焼成体の機械的強度の特性は妥協される。
ミル粉砕後に篩分けを実施する時には、グリーン密度は
高い値を維持し、一方、グリーン強度は増大する。グリ
ーン密度の高い値、従って本発明によって得られた焼結
体の焼成密度の高い値のため、これらも、熱伝導率の良
好な値を示す。熱伝導率は、次式 λ−α・C−d・100(式中、Cは比熱p     
                 pであり、dは密
度であり、αは熱拡散率である)を使用することによっ
て計算する。
下記例は、例示の目的で報告するものであって、本発明
を限定するものとはみなすべきではない。
例1 平均粒径d5o1.1μm1表面積6ゴ/gを有しかつ
表ICに報告の組成を有する窒化アルミニウム粉末S(
スターク製粉末)3000gをY2O3(焼結助剤)5
1.5gおよびグリセロールトリオレエート(粉砕助剤
)25.8gと混合した。混合物を高純度アルミナ粉砕
媒体〔直径1/2インチ(約12.7mm)を有するア
ルミナボール50%および直径3/16インチ(約4.
76mm)を有するアルミナボール50%〕15kgを
含有する°20リットルのジャーに装入した。ミル粉砕
を3時間実施した。
35メツシュ篩を使用して、ミル粉砕粉末を篩分けした
。ミル粉砕粉末およびミル粉砕篩分は粉末の化学分析を
クジエルダール(Kjeldahl)、I CP、AA
、I Sなどの通常の機器で実施した。
クジェルダール法を使用して窒素を測定し、ICP技術
を使用して元素を測定した。表1に報告のLECO分析
を使用して酸素および炭素を?#1定した。
篩分は粉末を、ダイからのスブリルの容易な剥離のため
にシリコーンが噴霧された直径1.2インチ(約30.
5mm)の鋼製ダイに入れた。粉末を10,000ps
iおよび30,000psiでプレス成形し、2種のス
ブリル〔直径1.2インチ(約30. 5++os) 
x高さ約0.25インチ(約6.35mm))を製造し
た。スブリルのグリーン密度をスブリルの寸法および重
量から計算した。ASTM法No、B−312−69を
使用してグリーン強度を11Pj定した。10,000
psiでプレス成形したスブリルを1850℃で焼結し
、この温度に2時間維持した。焼結密度をスブリルの寸
法および重量から計算した。
グリーン密度、グリーン強度、および焼成密度(AST
M37B−72)を表2に報告する。
ミル粉砕後(B)、タップ密度は、1.18g/ccで
あった。通常の「レーザーフラッシュ技術」および式 %式% (式中、λが計算された熱伝導率である時には、αは熱
拡散率であり、Cは熱容量であり、dは密度である) を使用して、熱伝導率を焼結体について計算した。
受は取ったままの(未処理)AlNから調製されたスブ
リルは焼結時に亀裂したので、このスプリルの熱伝導率
は、測定できなかった。しかしながら、有意に低い焼成
密度から(処理された粉末と比較して)、低い熱伝導率
を有すると予想できる。
表2および表IC中の結果を調べると、AlN粉末を本
発明に従って処理することが高い値の熱伝導率を生ずる
ことが明らかになる。このことは、残留At金属がほと
んど完全に排除されかつ酸素量が減少される時に、粉末
の化学組成に対するミル粉砕後の篩分けの効果(表IC
)に関連することがある。両方の不純物とも、窒化アル
ミニウム焼結体の熱伝導率の激減を生ずることが既知で
ある。
これらの材料の残部は、炭素およびNa%Sl。
Tiなどの他の微量不純物、およびそれらの化合物であ
る。
N、 A、  −分析せず。いかなる場合にも、文献か
ら、30.000ps Lでプレス成形されたスブリル
の焼成密度は、10,000ps Lでプレス成形した
時に得られるものよりも高いであろうことが自明である
例2 デンカによる商業的AlN粉末(粉末D)を使用した以
外は、例1を繰り返した。d50粒径0.96μmおよ
び表1面積4.9rrf/gを有するAlN粉末りを使
用して例1に従ってスブリルを調製した。各種の処理前
および処理後の粉末の分析値を表3に報告する。
これらの結果は、セラミック粉末で期待される出発材料
の異なる試料の不均質性を示す。この場合でさえ、ミル
粉砕後の篩分けは、元の試料に関してAl2O3含量を
変えずにAl金属排除することを可能にする。
惺<<< 粉末りを使用することによって例1と同じ方法に従うこ
とによって得られたスブリルのグリーン密度、グリーン
強度、および焼成密度を表4に報告する。
表4 A)  2.014    3.55    −B) 
 2.080    1.0    2.8QC)  
2.(1822,23,16 ミル粉砕後(B)、タップ密度は、1.32g/ccで
あった。焼成密度の実質的増大は、AlN粉末りを本発
明に従って処理することによって観察された。この増大
された焼成密度と粉末化学組成の増大(表3)との組み
合わせは、本発明に従って調製されたAlNセラミック
体のより高い熱伝導率を推論するであろう。
例3 トーシバによる商業的AlN粉末(粉末T)を使用した
以外は、例1を繰り返した。粒径4.3μm(j点参照
)および表面積1. 0rr?/gを有するAlN粉末
Tを使用して例1に従ってスブリルを調製した。8踵の
処理前および処理後の粉末の分析値を表5に報告する。
表5 A I N (wt%>    95.67    9
5.15AI 203 (wt%>   4.13  
   4.05Al属(ν1%)    0.00  
     G、00グリ一ン密度、グリーン強度、およ
び焼成密度を表6に報告する。
表6 810.000psl  2.081   0.00 
 2.5930.000psl  2.IL3   0
.00  2.7ICto、000psi  2.01
5   1.58   2.83930.0OOps!
  2.127   0.8   2.888ミル粉砕
(工程B)後、タップ密度は、1.51g/ceであっ
た。ここで再度、焼成密度の実質的増大は、本誌によっ
て高いグリーン密度を維持しながら、グリーン強度の増
大に加えて観察される。処理されたAlN粉末の比較的
高い焼成密度も、高い熱伝導率を推論するであろう。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、(a)窒化アルミニウム粉末を焼結助剤および粉砕
    助剤と混合し〔前記AlN粉末は5μm未満で0.5μ
    mよりも大きい平均粒径、Al_2O_3+Al金属の
    含量10重量%以下(Alとして計算)(Al_2O_
    3含量はAl金属が不在である時にはAlとして計算し
    て5%以下である)、および他の不純物の含量4重量%
    以下(元素として計算)を有する〕、 (b)工程(a)で得られた混合物をミル粉砕して均質
    化し、かつ、タップ密度少なくとも1.0g/ccを得
    、 (c)1/8メッシュから200メッシュの篩を使用し
    てミル粉砕混合物を篩分けする ことを特徴とする高いグリーン密度、高いフィールド密
    度および高い熱伝導率を有するAlN体を与えるAlN
    粉末の製法。 2、焼結助剤が、イットリウム、希土類金属およびアル
    カリ土類金属の群の酸化物またはフッ化物から選ばれる
    少なくとも1員である、請求項1に記載の方法。 3、AlN粉末中にAl金属が不在である、請求項1に
    記載の方法。 4、AlN粉末中でAl_2O_3+Alの含量が5重
    量%以下である、請求項1に記載の方法。 5、ミル粉砕が、乾式ミル粉砕である、請求項1に記載
    の方法。 6、請求項1に記載の粉末から調製された窒化アルミニ
    ウムセラミック体。 7、工程(c)において35メッシュの篩を使用する、
    請求項1に記載の方法。
JP63010526A 1987-01-20 1988-01-20 高いグリーン密度および高いグリーン強度を有する窒化アルミニウム体 Pending JPS63260867A (ja)

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