KR0168303B1 - 질화 알루미늄 소결체 및 그의 제조방법 - Google Patents

질화 알루미늄 소결체 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 관한 질화 알루미늄 소결체는 주기율표 IIIa족 원소, Ca, Sr, Ba로부터 선택된 적어도 1종의 원소의 산화물 1 내지 10중량%와, 탄화보론 0.2 내지 2.0중량%와, SiO2, Si3N4, SiC, Si2N2O, β-사이아론(Si-Al-O-N), α-사이아론 및 폴리타입의 질화알루미늄(Al-Si-O-N)으로부터 선택된 적어도 1종의 규소화합물을 Si 성분 환산으로 0.2중량% 이하와, 나머지를 구성하는 질화알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 구성에 의하면, AlN 소결체의 입성장을 제어하고, 소결체 조직을 미세화함과 함께 입계상과 결정입자와의 결합강도를 도모해 소결체의 강도 및 파괴이성치를 함께 개선하고, 질화 알루미늄 특유의 방열특성을 손상하지 않고 기계적 강도 및 파괴인성치를 함께 높인 AlN 소결체가 얻어진다.

Description

[발명의 명칭]
질화 알루미늄 소결체 및 그의 제조방법
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 반도체 기판 등에 사용되는 질화알루미늄 소결체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 질화 알루미늄 특유의 열전도성을 손상하지 않고, 강도 및 파괴인성치(破壞靭性値)를 함께 대폭으로 개선하고, 방열성이 우수한 질화알루미늄 소결체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
[배경기술]
종래의 금속재료와 비교하여 강도, 내열성, 내마모성, 경량성 등의 제반 특성이 우수한 세라믹스 소결체가 반도체 기판, 전자 기기 재료, 엔진용 부재, 고속 절삭 공구용 재료, 노즐, 베아링 등 종래의 금속 재료가 미치지 못하는 가혹한 온도, 응력, 마모 조건 하에서 사용되는 기계 부품, 기능 부품, 구조재나 장식품 재료로서 널리 이용되고 있다.
특히, 질화알루미늄(AlN) 소결체는 고열전도성을 갖는 절연체이며, 실리콘(Si)에 가까운 열팽창 계수를 갖는 것으로부터 고집적화시킨 반도체 장치의 방열판이나 기판으로서 그의 용도를 넓히고 있다.
종래 상기 질화알루미늄 소결체는 일반적으로 하기의 제조방법에 의해서 양산되고 있다. 즉, 질화알루미늄 원료분말에 소결조제와 유기 바인더와, 필요에 따라서 각종 첨가제나 용매, 분산제를 첨가하여 원료 혼합체를 제조하고, 얻어진 원료 혼합체를 닥터 블레이드법이나 니장 주입법(泥裝鑄入法)에 의해서 형성시켜, 박판상 내지 시트상의 형성체로 되고, 원료 혼합체를 프레스 성형하여 두꺼운 판상 내지 대형의 성형체를 형성한다. 이어서 얻어진 성형체는 공기 또는 질소가스 분위기에서 가열시켜 탈지 처리되고, 유기 바인더로서 사용되는 탄화수소 성분 등이 성형체로부터 배제(排除) 탈지된다. 그리고 탈지된 성형체는 질소가스 분위기 중에서 고온도로 가열시켜 치밀화 소결시켜 질화알루미늄 소결체가 형성된다.
상기 제조방법에 있어서, 원료 AlN 분말로서 평균입경 0.5㎛ 이하 정도의 초미세한 원료 분말을 사용하는 경우는 AlN 분말 단독이어도 어느 정도 치밀한 소결체가 얻어진다. 그렇지만, 원료분말 표면 등에 부착된 다량의 산소 등의 불순물이 소결시에 AlN 결정 격자중에 고용(固溶)되며, 격자 진동의 전파를 방해하는 Al-O-N 화합물 등의 복합 산화물을 생성하는 결과, 소결조제를 사용하지 않는 AlN 소결체의 열전도율은 비교적 낮다.
한편, 원료 분말로서 평균입경 1㎛이상의 AlN 분말을 사용하는 경우는 그의 원료 분말 단독으로는 소결성이 양호하지 않기 때문에, 핫프레스법 이외에는 조제 무첨가로는 치밀한 소결체를 얻는 것이 곤란하며, 양산성이 낮아 단점이 있다. 그래서 상압 소결법에 의해서 효율적으로 소결체를 제조하도록 하는 경우에는 소결체의 치밀화 및 AlN 원료 분말중의 불순물 산소가 AlN 결정 입자내에 고착 용해되는 것을 방지하기 위하여, 소결조제로서 산화 이트리움(Y2O3)등의 회토류 산화물이나 산화칼슘 등의 알카리토류 금속 산화물 등을 첨가하는 것이 일반적으로 행해지고 있다.
이들의 소결 조제는 AlN 원료 분말에 함유되는 불순물 산소나 Al2O3와 반응시켜 액상을 형성하고, 소결체의 치밀화를 달성함과 함께, 그의 불순물 산소를 입계상으로 고정하고, 고열전도화도 달성하는 것이 고려되고 있다.
그렇지만, 상기 종래의 제조방법에 있어서는 본래, AlN과 액상 화합물과의 젓음성이 낮아지고, 또한 액상 자체가 한쪽으로 치우치기 쉬운 성질을 갖는 것으로부터 소결 후에 액상이 응고하는 경우에 액상은 AlN입자의 간극부에 편재하도록 잔류되어, 응고되어 조대해 취약한 입계상을 형성하는 경향이 있다. 또한 결정입자의 입자성장이 진행되기 쉽고, 소결체의 결정 조직에 평균 입경이 5 내지 10㎛로 조대한 결정 입자가 형성되기 쉽고, 또한, 미소한 기공이 소멸되지 않고 결정 입자내에 잔존하고, 소결체의 치밀화를 저해하고, 최종적으로 3점 굴곡 강도가 350 내지 400MPa 정도의 저강도로 되며, 또한 파괴 인성치가 2.8MN/m3/2이하로 저인성의 질화 일루미늄 소결체 밖에 얻어지지 않는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 입경이 균일하게 미세한 질화알루미늄 원료분말을 사용하여 가급적으로 미세한 결정조직을 갖는 AlN 소결체를 형성하며, 각종 첨가물을 첨가하여 소결성을 높이기 위하여 공부도 시행하고 있다. 예를 들면 W성분등을 함유시킴으로써, 소결성을 개선시켜 고강도의 AlN소결체를 얻는 방법도 본 발명자들이 제안하였다. 그렇지만, W성분을 함유시킴으로써, 결정 조직이 미세하여 균일화되기 때문에 소결체의 강도는 개선되는 반면, 파괴인성치는 저하되어 버리는 것도 판명되었다. 따라서, 강도 및 인성치(靭性値)가 함께 우수한 반도체 기판용의 AlN 소결체를 얻는 것은 곤란하다.
최근, 반도체 소자의 고집적화, 고출력화에 동반하여 증가하는 발열량에 대응하기 위하여, 고열전도성(고방열성)을 갖는 상기 질화 알루미늄 재료가 보급되고 있으며, 그의 방열성에 대해서는 대체 만족하는 결과가 얻어지고 있다. 그렇지만, 상기와 같은 구조 부재로서의 강도 및 인성치가 부족하기 때문에, 예를 들면, 질화 알루미늄 소결체로 형성된 반도체 기판을 실장(實裝) 보드에 장착하는 경우에 작용하는 약간의 굴곡 응력이나 취급시에 작용하는 충격력으로 반도체 기판이 손상되기 쉽고, 반도체 회로기판의 제조 보유가 대폭으로 저하되버리는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, AlN 소결체의 결정입자의 크기 및 미세구조를 적정하게 제어하고, 소결체 조직을 미세화 함과 함께, 입계상과 결정입과의 결합 강화를 도모하여 소결체의 강도 및 파괴인성치의 향상을 도모하고, 방열 특성을 손상하지 않고 기계적 강도를 높인 AlN 소결체 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[발명의 개시]
본원 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여, 질화 알루미늄 분말의 합성 방법, AlN 원료 분말의 입도 분포, 원료 질화 알루미늄 분말에 첨가하는 소결조제나 첨가물의 종류나 첨가량을 종류마다 변경하여, 이들이 소결체의 결정 조직의 미세 구조, 강도 특성이나 파괴인성치 및 전열특성에 미치는 영향에 대해서 실험검토를 진행하였다.
이 결과, 소정의 AlN 원료분말에 소결조제 이외에 첨가제로서의 Si 성분 및 탄화보론(B4C)을 복합적으로 미량 첨가하고, 그의 혼합체를 성형 소결한 경우에, 평균 결정 입경이 3 내지 4.5㎛로 미세하며, 동시에 상기 탄화보론이 입계상과 AlN 결정입자와의 결합도를 개선함과 함께 균일하게 분산된 소결체 조직이 얻어지고, 강도 특성 및 파괴 인성치가 함께 우수한 AlN 소결체가 얻어졌다. 본 발명은 상기 지식에 기초하여 완성된 것이다.
즉, 본 발명에 관한 질화 알루미늄 소결체는 주기율표 Ⅲa족 원소, Ca, Sr, Ba로부터 선택된 적어도 1종의 원소의 산화물 1 내지 10중량%와, 탄화보론 0.2 내지 2.0중량%와, SiO2, Si3N4,SiC, Si2N2O, β-사이아론(Si-Al-O-N), α-사이아론 및 폴리타입의 질화알루미늄(Al-Si-O-N)으로부터 선택된 적어도 1종의 규소 화합물을 Si성분 환산으로 0.2중량%이하와, 나머지를 구성하는 질화알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, Ti, Fe, Ni, Cr, Co. Li, Mg로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소를 산화물 환산으로 0.05 내지 0.5중량% 함유시켜도 좋다. 또한 소결체의 평균 결정 입경은 2 내지 4.5㎛로 설정하여도 좋다. 그리고, 상기 조성으로 이루어지고, 동시에 넓은 결정 입경분포를 갖는 AlN 소결체는 열도율이 130W/m·K이상이며, 또한 3점 굴곡 강도가 450MPa이고, 파괴 인성치가 3.0MN/m3/2이상이 된다.
또한 본 발명에 의한 질화 알루미늄 소결체의 제조방법은 상기 첨가물이외의 불순물 양이온의 함유량이 0.2 중량% 이하인 질화 알루미늄 원료분말에, 주기율표 Ⅲa족 원소, Ca, Sr, Ba로부터 선택된 적어도 1종의 원소의 산화물 1 내지 10중량%와, 상기 Si성분 0.2중량%이하와, B4C를 0.2내지 2.0중량%를 첨가시킨 혼합분말을 형성하고, 얻어진 성형체를 비산화성 분위기 중에서 1650 내지 1900℃의 온도 범위로 소결하는 것을 특징으로 한다.
본 방법에서 사용되는 소결체의 주성분으로 되는 질화알루미늄(AlN) 원료 분말로서는 소결성 및 열전도성을 고려하여 불순물 산소 함유량이 1.5중량% 이하로 제어되고, 평균 입경이 0.5 내지 2㎛정도, 바람직하게는 1.5㎛이하의 미세한 AlN 원료분말을 사용한다. 주기율표 Ⅲa족 원소, Ca, Sr, Ba의 산화물은 소결 조제로서 작용하고, AlN 소결체를 치밀화하기 위하여, AlN 원료분말에 대해서 1 내지 10중량%의 범위로 첨가된다. 상기 소결 조제의 구체예로서는 희토류 원소(Y, Sc, Ce, Dy 등)의 산화물, 질화물, 알카리토류 금속(Ca)의 산화물, 또는 소결 조작으로 이들의 화합물로 이루어진 물질이 사용되고, 특히 산화이트리움(Y2O3), 산화세륨(CeO)이나 산화칼슘(CaO)이 바람직하다.
상기 소결 조제의 첨가량이 1중량% 미만의 경우는, 소결성의 개선효과가 충분하게 발휘되지 않고, 소결체가 치밀화되지 않아 저강도의 소결체가 형성되며, AlN 결정중에 산소가 고용(固溶)되고, 높은 열전도율을 갖는 소결체가 형성될 수 없다.
한편 첨가량이 10중량%를 초과해 과량으로 되는 경우, 소결 조제로서의 효과는 포화상태에 달해서 무의미한 것으로 되어버리고, 오히려 소결하여 얻어지는 AlN 소결체의 열전도율이 저하하는 한편, 입계상이 소결체 중에 다량으로 잔존하게 되며, 열처리에 의해 제거되는 입계상의 체적이 커지기 때문에, 소결체 중에 빈구멍(空孔)이 남게 되어 수축율이 증대되어, 변형을 일으키기 쉽다.
Si성분은 소결성을 향상시킴과 함께 소결 온도를 저하시키는 효과를 갖고, 특히 상기 소결조제와 복합 첨가함으로써, 소결체의 입성장을 저지할 수 있어, 미세한 AlN 결정 조직을 형성하고, 소결체의 구조 강도를 높이기 위하여 첨가된다. 상기 Si 성분으로서는 SiO2, Si3N4, SiC, Si2N2O, β-사이아론(Si-Al-O-N), α-사이아론 및 폴리타입의 질화알루미늄(Al-Si-O-N)등의 규소 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
이 규소 화합물의 함유량은 Si성분으로서 0.2중량 이하의 범위로 조정된다. 그렇지만, Si성분의 함유량이 0.01중량%미만의 경우는 입자 성장의 억제 효과가 불충분하며, 조대한 결정 조직이 되고, 고강도의 AlN 소결체가 얻어지지 않는다. 한편, 함유량이 0.2중량 이상이면 소결체의 열전도율이 저하됨과 함께, 굴곡 강도가 저하되는 경우도 있다.
또한, 탄화보론(B4C)은 AlN 소결체의 입계상과 결정 입자와의 결합도를 높임과 함께, 소결체 조직내에 균일하게 분산되어 균일(crack)의 전파를 방지하는 작용을 발휘하여 AlN 소결체의 파괴인성치를 더욱 향상시키는 효과를 갖으며, 이 B4C의 함유량은 0.2내지 2중량%의 범위로 조정된다. B4C의 함유량이 2중량% 미만의 경우에는 상기 인성 개선 효과가 불충분하게 되는 한편, 함유량이 2중량%이상 과대하게 하는 경우는 소결체의 열전도율이 저하되어 버린다.
Ti, Fe, Ni, Cr, Co, Li, Mg의 산화물은 소결온도를 떨어뜨려 소결성을 향상시키는 한편, 착색되어 불투명한 소결체를 형성하는 등, AlN 소결체의 특성을 개선하기 위하여 유효하며, 산화물 환산으로 0.05 내지 0.5중량%의 범위로 첨가시켜도 좋다. 첨가량이 0.05중량% 미만의 경우는 상기 특성 개선 효과가 불충분하게 되는 한편, 첨가량이 0.5중량% 이상이면, 다른 불순물과 동일하게 AlN 소결체의 열전도율을 저하시킨다.
또한, 상기 각종 첨가물 이외의 불순물 양이온은 AlN 소결체의 열전도를 저해하는 화합물을 형성하기 쉽기 때문에 AlN 소결체중의 함유량은 0.2중량% 이하로 설정된다.
상기 AlN 원료 분말, 각종 소결조제, Si 성분용 Si 화합물 및 B4C는 예를 들면 볼밀 등의 분쇄 혼합기에 투입시켜, 소정 시간을 혼합시킴으로써, 원료 혼합체로 된다. 이어서 얻어진 원료혼합체를 소정 형상의 금형에 충진, 가압 성형시켜 성형체가 형성된다. 이 경우 미리 원료 혼합체에 파라핀, 스테아린산 등의 유기 바인더를 5 내지 10중량% 첨가하여 놓으므로써 성형 조작을 원할하게 실시할 수 있다.
성형법으로서는 범용의 금형 프레스법, 니장주입법, 정수압프레스법, 압출성형법, 혹은 닥터 블레이드법에 의한 시트 성형법 등이 적용될 수 있다.
상기 성형조작에 계속하여, 성형체를 공기중에서 온도 400 내지 550℃로 가열시키며, 또는 산화성 분위기 중에서, 예를 들면 질소 가스 분위기 중에서 온도 400 내지 800℃로 가열시켜, 미리 첨가시킨 유기 바인더를 충분하게 탈지 제거한다.
이어서, 탈지 처리된 복수의 시트상의 성형체는 예를 들면, 세라믹스 소결분을 이루어질 수 있는 분말을 매개로 소성로 내에서 다단계로 적층하고, 이 배치 상태에서 복수의 성형체는 일괄하여 소정 온도로 소결된다. 소결 조작은 질소 가스 등의 비산화성 분위기로 성형체를 온도 1650 내지 1900℃에서 2 내지 6시간 정도 가열시켜 실시된다. 특히, Si 성분을 첨가함으로써, 1720 내지 1780℃ 정도인 종래보다 낮은 온도로 소결하는 것이 가능하게 된다.
소결 분위기는 AlN과 반응되지 않는 비산화성 분위기이면 좋고, 통상은 질소가스 또는 질소가스를 포함한 환원성 분위기로 행한다. 환원성 가스로서는 H2, 가스, CO 가스를 사용하여도 좋다. 또한 소결은 진공(어느 정도의 환원 분위기를 포함), 감압, 가압 및 상압(常壓)을 포함한 각종의 압력 조건의 분위기로 행하여도 좋다.
소결온도가 1650℃ 미만인 저온 상태로 소성하는 경우, 원료 분말의 입경, 함유 산소량에 의해서 다르지만, 치밀화가 곤란하며, 강도 및 열전도성 등의 특성에 곤란한 점이 생기기 쉬운 한편, 1900℃를 넘는 고온도로 소결시키는 경우, 소성로 내에 있는 AlN 자체의 증기압이 높아지며 치밀화가 곤란함과 함께 열전도율이 급격하게 저하하기 때문에 소결 온도는 상기 범위로 설정된다.
그리고, 상기 AlN 원료 분말에 소결 조제, B4C 및 Si 성분을 첨가시킨 소정의 조성을 갖는 원료 혼합체를 성형, 탈지, 소결함으로써, 평균 결정 입경이 3 내지 4.5㎛ 정도로 미세하며, 동시에 입계상과 AlN 결정입자와의 결합도가 개선됨과 함께, B4C 입자가 균일하게 분산된 결정 조직을 갖고, 열전도율이 130W/m·K 이상이며, 동시에 굴곡 강도가 450MPa 이상, 파괴인성치가 3.0MN/m3/2이상인 고강도로 고인성의 AlN 소결체가 얻어진다.
상기 구성에 의한 질화 알루미늄 소결체 및 그의 제조방법에 의하면, 주기율표 IIIa족 원소, Ca, Sr, Ba의 산화물로 이루어진 소결조제와 함께 소정량의 Si 성분 및 B4C를 복합첨가 하여 AlN 소결체로 하기 때문에, Si 성분에 의해 결정입자의 크기가 적정하게 제어된 결정조직이 얻어진다. 또한, B4C에 의해서 입계상과 AlN 결정입과의 결합도가 개선되고, 동시에 B4C 입자가 균일하게 분산된 미세구조를 갖는 결정조직이 얻어진다. 따라서, 균열의 전파가 효과적으로 저지되어 강도 특성 및 파괴인성치가 함께 우수한 질화알루미늄 소결체가 얻어진다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이어서 하기의 실시예를 참조하여 본 발명에 관한 질화알루미늄 소결체를 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예 1 내지 30]
환원 질화 합성법에 의해서 제조되는 불순물로서 산소를 0.8중량% 함유하고, 평균 입경 1㎛의 질화알루미늄 분말(A), 직접 질화 합성법에 의해서 제조되는 불순물로서 산소를 1.2중량% 함유하고, 평균 입경 1.3㎛의 질화알루미늄 분말(B), 상기 (A) 및 (B)의 질화알루미늄 분말을 중량비 1:1로 혼합시켜 조제한 질화알루미늄 분말(C)의 3종류의 질화 알루미늄 원료분말에 대해, 표 1에 나타난 바와 같이 Si 성분, B4C 및 소결조제로서의 Y2O3, TiO2, Fe2O3, NiO, Cr2O3, CoO, Li2O, MgO, SiO2, Si3N4, SiC, Si2N2O, α-사이아론, β-사이아론, 폴리타입 AlN, CaO, BaO 및 SrO를 각각 소정량씩 첨가하고, 에틸 알콜을 용매로서 볼밀로 20시간 혼합시켜 원료 혼합체를 제조하였다. 이어서 이 원료 혼합체에 유기 바인더로서의 파라핀을 5.5중량% 첨가하여 조립분을 제조하였다.
이어서, 얻어진 조립분을 프레스 성형기의 성형용 금형내에 충진시켜 1200kg/cm2의 가압력으로 일축방향으로 압축 성형하여, 세로 50mm×가로 50mm×두께 5mm의 각판상(角板狀) 성형체를 다수 제조하였다. 계속하여 각 성형체를 공기 분위기 중에서 450℃에서 1시간 가열하여 탈지처리하였다.
이어서, 탈치 처리시킨 각 성형체를 AlN제 소성 용기내에 수용하고, 소성로에서 표 1에 나타낸 소성 하한 온도 1720 내지 1780℃에서 4시간 치밀화 소결을 실시하고, 그후, 냉각속도 200℃/hr로 냉각시켜 각각 실시예 1 내지 30에 의한 AlN 소결체를 제조하였다.
[비교예 1]
한편, 표 2에 나타난 바와 같이, Si 성분 및 B4C를 전혀 첨가하지 않고, 종래의 소결조제만을 첨가하고, 1800℃에서 소결시킨 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 원료 조정, 성형, 탈지, 소결처리하여 동일 치수를 갖는 비교예 1에 의한 AlN 소결체를 제조하였다.
[비교예 2]
또한, Si 성분을 전혀 첨가하지 않고, 동시에 1780℃에서 소결시킨 이외에는 실시예 2와 동일한 조건으로 처리하여 비교예 2에 의한 AlN 소결체를 제조하였다.
[비교예 3]
비교예 10에서 이용한 AlN 원료(B)에 Si 성분을 전혀 첨가하지 않고, 동시에 1780℃에서 소결시킨 이외에는 실시예 10과 동일한 조건으로 원료 조정, 성형, 탈지, 소결처리하여 동일 치수를 갖는 비교예 3에 관한 AlN 소결체를 제조하였다.
[비교예 4]
소결조제로서 Y2O3를 과잉량 15중량% 첨가하고, 동시에 1800℃에서 소결시킨 이외에는 실시예 2와 동일한 조건으로 처리하여 비교예 4에 관한 AlN 소결체를 제조하였다.
[비교예 5]
Si 성분으로서의 Si3N4를 과잉량 0.3중량%(Si 환산) 첨가하고, 동시에 1720℃에서 소결한 이외에는 실시예 2와 동일한 조건으로 처리하여 비교예 5에 의한 AlN 소결체를 제조하였다.
[비교예 6]
B4C를 과잉량(3중량%) 첨가하고, 동시에 1780℃에서 소결시킨 이외에는 실시예 2와 동일한 조건으로 처리하여 비교예 6에 의한 AlN 소결체를 제조하였다.
[비교예 7]
소결 조제로서 Y2O3에 가하여 TiO2를 과잉량 1중량%와 Si 성분으로서의 Si2N4를 0.2중량%(Si 환산) 첨가함과 함께, B4C를 0.5중량% 첨가하고, 또한 1700℃에서 소결시킨 이외에는 실시예 7과 동일한 조건으로 처리하여 비교예 7에 의한 AlN 소결체를 제조하였다.
이렇게 얻은 실시예 1 내지 30 및 비교예 1 내지 7에 의한 각 AlN 소결체의 강도 특성 및 방열특성을 평가하기 위하여 각 시료의 3점 굴곡 강도, 파괴인성치, 열전도율 및 평균결정입경(D50)을 측정하고, 하기 표 3에 나타난 결과를 얻었다. 또한, 파괴 인성치는 마이크로인덴테이션법에 의한 신규 방식으로 측정한 값이다. 또한, 각 AlN 소성체의 조성 및 소결온도를 합쳐서 표 1 내지 2에 나타냈다.
상기 표 1 내지 표 3에 나타난 결과로부터 명확하여진 바와 같이 YO, CaO 등의 소결조제에 가하여서 BC 및 Si 성분을 미량씩 복합 첨가한 실시예 1 내지 30에 의한 AlN 소결체에 있어서는 결정 입경이 모두 3 내지 4.5㎛로 매우 미세하며, 동시에 BC 및 Si 성분에 의해서 입계상과 AlN 결정입과의 결합도가 개선됨과 함께, BC 입자가 균일하게 분산된 결정조직이 얻어지고, BC 입자에 의해서 균열 전파가 저지되기 때문에, 높은 굴곡 강도에 첨가하여 파괴인성치 및 열전도율이 함께 우수해지는 것이 판명되었다.
한편, Si 성분을 전혀 첨가하지 않은 비교예 1, 비교예 2 및 3에 의한 AlN 소결체는 열전도율에 있어서는 실시예 1 내지 30보다 우수해지는 것도 있는 반면, 일반적으로 굴곡강도가 저하되고, 내구성 및 취급성에서 난점이 있다. 또한, Si 성분을 과량으로 첨가한 비교예 5의 시료에서는 열전도율이 불충분해지며, 또한 종래의 소결 조제로서의 YO를 과량으로 첨가한 비교예 4의 시료에서는 Si 성분을 첨가함에도 불구하고, 열전도율 및 강도가 함께 저하되는 것이 확인되었다.
또한, TiO를 적정량으로 첨가한 비교예 7에 의한 AlN 소결체는 굴곡강도 및 인성치는 실시예 1 내지 30과 동등하지만, 열전도율이 불충분하게 된다. 또한, BC를 과량으로 첨가한 비교예 6에 의한 AlN 소결체는 열전도율, 굴곡 강도 및 파괴인성치가 함께 저하하는 것이 확인되었다.
[산업상의 이용 가능성]
이상 설명과 같이 본 발명에 관한 세라믹스 소결체 및 그의 제조방법에 의하면 주기율표 IIIa족 원소, Ca, Sr, Ba의 산화물로 이루어진 소결조제와 함께 소정량의 Si 성분 및 BC를 복합 첨가하여 AlN 소결체로 되어 있기 때문에, Si 성분에 의해서 결정 입자의 크기가 적정하게 제어되는 결정조직이 얻어진다. 또한, BC에 의해서 입계상과 AlN 결정입자와의 결합도가 개선되고, 동시에 BC 입자가 균일하게 분산된 미세구조를 갖는 결정조직이 얻어진다. 따라서, 균열의 전파가 효과적으로 저지되 강도특성 및 파괴인성치가 함께 우수한 질화 알루미늄 소결체가 얻어진다.

Claims (8)

  1. 주기율표 IIIa족 원소, Ca, Sr, Ba로부터 선택된 적어도 1종의 원소의 산화물 1 내지 10중량%와, 탄화보론 0.2 내지 2.0중량%와, SiO2, Si3N4, SiC, Si2N2O, β-사이아론(Si-Al-O-N), α-사이아론 및 폴리타입의 질화알루미늄(Al-Si-O-N)으로부터 선택된 적어도 1종의 규소 화합물을 Si 성분 환산으로 0.2중량% 이하와, 나머지를 구성하는 질화알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  2. 제1항에 있어서, Ti, Fe, Ni, Cr, Co, Li, Mg로부터 선택되는 적어도 1종의 금속원소를 산화물 환산으로 0.05 내지 0.5중량% 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  3. 제1항에 있어서, 파괴인성치가 3.0MN/m3/2이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  4. 제1항에 있어서, 3점 굴곡 강도가 450MPa 이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  5. 제1항에 있어서, 열전도율이 130W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  6. 질화 알루미늄 원료분말에, 주기율표 IIIa족 원소, Ca, Sr, Ba로부터 선택된 적어도 1종의 원소의 산화물 1 내지 10중량%와, 탄화보론 0.2 내지 2.0중량%와, SiO2, Si3N4, SiC, Si2N2O, β-사이아론, α-사이아론 및 폴리타입의 질화알루미늄(Al-Si-O-N)으로부터 선택된 적어도 1종의 규소 화합물을 Si 성분 환산으로 0.2중량% 이하를 첨가한 혼합분말을 성형하고, 얻어진 성형체를 비산화성 분위기 중에서 1650 내지 1900℃의 온도 범위로 소결하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 질화 알루미늄 원료 분말의 0.05 내지 0.5중량%을 Ti, Fe, Ni, Cr, Co, Li 및 Mg로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소를 산화물로 치환하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 질화알루미늄 원료 분말의 산소 함유량을 1.5중량% 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체의 제조방법.
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