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JP2000226261A - Aluminum nitride sintered body and method of manufacturing the same - Google Patents

Aluminum nitride sintered body and method of manufacturing the same

Info

Publication number
JP2000226261A
JP2000226261A JP11029436A JP2943699A JP2000226261A JP 2000226261 A JP2000226261 A JP 2000226261A JP 11029436 A JP11029436 A JP 11029436A JP 2943699 A JP2943699 A JP 2943699A JP 2000226261 A JP2000226261 A JP 2000226261A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sintered body
aluminum nitride
powder
less
particle size
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP11029436A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinji Uchida
真治 内田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP11029436A priority Critical patent/JP2000226261A/en
Publication of JP2000226261A publication Critical patent/JP2000226261A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】焼結助剤として酸化イットリウムを添加した窒
化アルミニウム焼結体において、機械的強度が強く、高
熱伝導率をもつ窒化アルミニウム焼結体およびその製造
方法を提供する。 【解決手段】窒化アルミニウム結晶の粒界に生じるイッ
トリウム化合物の最大粒径を10μm 以下とする。製造
方法としては、平均粒子径が1.0μm 以下、または比
表面積が10m2/g以上の酸化イットリウム粉末を添加し
て、1800℃で2時間焼成し、1700℃まで10℃
/ 分以上の降温速度で冷却する。
(57) Abstract: An aluminum nitride sintered body to which yttrium oxide is added as a sintering aid has high mechanical strength and high thermal conductivity, and a method for producing the same. A maximum particle size of an yttrium compound generated at a grain boundary of an aluminum nitride crystal is set to 10 μm or less. As a production method, yttrium oxide powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less or a specific surface area of 10 m 2 / g or more is added, and calcined at 1800 ° C. for 2 hours.
Cool at a cooling rate of at least / min.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、機械的強度および熱伝
導性が良好な窒化アルミニウム(以下AlNと記す)焼
結体およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sintered body of aluminum nitride (hereinafter referred to as AlN) having good mechanical strength and thermal conductivity, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】大容量のトランジスタ、IGBT等のパ
ワーモジュールには、絶縁放熱用の基板としてセラミッ
クス基板が使われている。従来、セラミックス基板とし
ては、絶縁性が良好であり熱伝導率が高く強度も高いこ
とから酸化アルミニウム(以下Al2 3 と記す)板が
広く使用されてきた。近年、パワーモジュールの小型
化、高機能化に向けて放熱性改善のために、さらに熱伝
導率が高い絶縁材料としてAlN焼結板が使用されつつ
ある。
2. Description of the Related Art In power modules such as large-capacity transistors and IGBTs, a ceramic substrate is used as a substrate for insulating and radiating heat. Conventionally, an aluminum oxide (hereinafter referred to as Al 2 O 3 ) plate has been widely used as a ceramic substrate because of its good insulation properties, high thermal conductivity and high strength. In recent years, an AlN sintered plate has been used as an insulating material having a higher thermal conductivity in order to improve heat dissipation for miniaturization and high performance of a power module.

【0003】AlNの粉末単独で常圧では緻密な焼結体
を得ることが困難であり、イットリウムやランタン等の
希土類元素の酸化物や弗化物、カルシウム等のアルカリ
土類元素の酸化物や弗化物等の焼結助剤を添加して焼結
を行っている。特に、焼結助剤の中で酸化イットリウム
(以下Y2 3 と記す)を用いると、AlNを1800
℃程度の温度で緻密化でき、高い熱伝導率を有する焼結
体が得られることが知られている。
[0003] It is difficult to obtain a dense sintered body at normal pressure by using AlN powder alone, and oxides or fluorides of rare earth elements such as yttrium and lanthanum, oxides of alkaline earth elements such as calcium, and fluorides. Sintering is performed by adding a sintering aid such as a compound. In particular, when yttrium oxide (hereinafter, referred to as Y 2 O 3 ) is used as a sintering aid, AlN is reduced to 1,800.
It is known that a sintered body that can be densified at a temperature of about ° C and has high thermal conductivity can be obtained.

【0004】これは、焼成時に焼結助剤のY2 3 が、
AlN粉末の極く表面付近に存在する酸化物あるいは酸
窒化物等と反応し、イットリウム化合物からなる液相を
生成するため、液相焼結により常圧での焼結が可能にな
るためと考えられている。
[0004] This is because the sintering aid Y 2 O 3 during firing is
It is thought that liquid phase sintering at normal pressure is possible by liquid phase sintering because it reacts with oxides or oxynitrides existing very near the surface of AlN powder to generate a liquid phase composed of an yttrium compound. Have been.

【0005】また、一般に、原料として用いられる市販
のAlN粉末中には、0.5〜1重量%の酸素が含まれ
ているが、焼結の際にこのAlN粒子に含まれる酸素を
粒界に排出することなどにより、高い熱伝導率が得られ
ると考えられている。
In general, commercially available AlN powder used as a raw material contains 0.5 to 1% by weight of oxygen, but the oxygen contained in the AlN particles is reduced at the grain boundary during sintering. It is considered that high thermal conductivity can be obtained by discharging the gas to the air.

【0006】特に、特開平1−242469号公報にお
いて、市販されているY2 3 粉末ではなく、気相法に
よって調製された、平均粒子径が10〜100nmのY2
3を用いることにより、1500〜1700℃でAl
N焼結体を製造できることが開示されている。なお、以
下ではAlN、Y2 3 等の原料粉末の直径を粒子径
と、焼結した多結晶体の結晶粒の直径を粒径と称するこ
とにする。
[0006] In particular, in JP-A 1-242469 discloses, not the Y 2 O 3 powder sold were prepared by gas phase method, the average particle diameter of 10 to 100 nm Y 2
By using O 3 , Al at 1500 to 1700 ° C.
It is disclosed that an N sintered body can be manufactured. In the following, the diameter of a raw material powder such as AlN or Y 2 O 3 will be referred to as a particle diameter, and the diameter of crystal grains of a sintered polycrystal will be referred to as a particle diameter.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】市販されているY2
3 を焼結助剤としたAlN焼結板は、4点曲げ強度が3
00〜350MPa 程度である。このAlN焼結板をパワ
ーモジュールの絶縁放熱基板として用いた場合、金属電
極接合時の応力により破壊したり、電極接合後のヒート
サイクルで電極との熱膨張差から生じる応力により破壊
したり、ネジ締め付け時に破壊したりと、その強度が不
十分であり、一層の強化が求められていた。
SUMMARY OF THE INVENTION Commercially available Y 2 O
An AlN sintered plate using 3 as a sintering aid has a four-point bending strength of 3
It is about 00 to 350 MPa. When this AlN sintered plate is used as an insulating heat radiation substrate of a power module, it may be broken by stress at the time of metal electrode bonding, may be broken by stress generated from a difference in thermal expansion with the electrode in a heat cycle after electrode bonding, or may be screwed. If it is broken when tightened, its strength is insufficient, and further reinforcement has been required.

【0008】このような状況から本発明の目的は、熱伝
導性を低下させることなく機械的強度を更に高めた窒化
アルミニウム焼結体およびその製造方法を提供すること
にある。
[0008] Under such circumstances, an object of the present invention is to provide an aluminum nitride sintered body having further enhanced mechanical strength without lowering thermal conductivity, and a method for producing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】AlN焼結体の破断面の
観察から、AlNの粒径が5μm以下の小さい結晶粒か
らなる場合には、その破壊は粒界での破壊が支配的であ
ることを見出した。また、AlNの結晶粒界に生じるイ
ットリウム化合物結晶の粒径と四点曲げ強度との関係か
ら、粒界のイットリウム化合物結晶の最大粒径が10μ
m を越すと、破壊クラックの進行が著しく、急激に強度
が低下すること、逆にイットリウム化合物の粒径が小さ
いほど機械的強度が向上することを見いだした。
According to the observation of the fractured surface of the AlN sintered body, when the AlN is composed of small crystal grains of 5 μm or less, the destruction is mainly at the grain boundary. I found that. From the relationship between the grain size of the yttrium compound crystal generated at the grain boundary of AlN and the four-point bending strength, the maximum grain size of the yttrium compound crystal at the grain boundary is 10 μm.
When m is exceeded, it was found that the fracture crack progressed remarkably and the strength rapidly decreased, and conversely, the smaller the particle size of the yttrium compound, the higher the mechanical strength.

【0010】よって、AlNの結晶粒径を5μm以下に
するとともに粒界に存在するイットリウム化合物結晶の
最大粒径を10μm 以下にする。これにより、粒界での
破壊が支配的であり、高強度のAlN焼結体とすること
ができる。
Therefore, the crystal grain size of AlN is set to 5 μm or less, and the maximum grain size of the yttrium compound crystal existing at the grain boundary is set to 10 μm or less. Thereby, the fracture at the grain boundary is dominant, and a high-strength AlN sintered body can be obtained.

【0011】AlN焼結体の粒界に生じるイットリウム
化合物結晶の最大粒径を10μm以下に小さくするため
には、平均粒子径が約3μm のAlN粉末に添加するY
2 3 原料粉末を高分散させる必要があり、平均粒子径
が1.0μm 以下のY2 3粉末か、比表面積が10m2/
g 以上のY2 3 粉末および結合剤を加えるかし、約
1800℃で2時間焼成すれば良い。そのようにすれ
ば、イットリウム化合物結晶の最大粒径を10μm 以下
に小さくできることが実験で確かめられた。
Yttrium generated at grain boundaries of AlN sintered body
To reduce the maximum particle size of compound crystals to 10 μm or less
In addition, Y added to AlN powder having an average particle diameter of about 3 μm
TwoO ThreeIt is necessary to highly disperse the raw material powder, and the average particle size
Is less than 1.0 μmTwoOThreePowder or specific surface area 10mTwo/
Y over gTwoOThreeAdd the powder and binder or about
What is necessary is just to bake at 1800 degreeC for 2 hours. Just like that
If the maximum particle size of the yttrium compound crystal is 10 μm or less
Experiments have shown that it can be made smaller.

【0012】あらかじめY2 3 の原料粉末と溶剤のみ
でボールミル粉砕すれば、平均粒子径が1.0μm 以下
のY2 3 粉末が得られることが実験で確かめられた。
但し、AlN原料粉末も一緒に入れてボールミル粉砕を
おこなうと、焼結体中の酸素量が多くなり、強度が低下
するので好ましくない。焼成時の降温速度を10℃/分
以上とすることが重要である。
[0012] If pre-Y 2 O 3 ball milling only raw material powder and a solvent, the average particle size is obtained the following Y 2 O 3 powder 1.0μm was confirmed experimentally.
However, if the AlN raw material powder is also added and ball milling is performed, the amount of oxygen in the sintered body increases and the strength decreases, which is not preferable. It is important that the rate of temperature decrease during firing is 10 ° C./min or more.

【0013】同じ平均粒子径の原料粉末を使用しても、
焼成時の降温速度でイットリウム化合物結晶の粒径が変
化することもわかり、1800℃〜1700℃の範囲を
10℃/ 分以上の速度で冷却させる必要があることも見
出した。
[0013] Even if raw material powders having the same average particle size are used,
It was also found that the particle size of the yttrium compound crystal changed with the temperature decreasing rate during firing, and it was also found that it was necessary to cool the range of 1800 ° C. to 1700 ° C. at a rate of 10 ° C./min or more.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下に本発明に至るまでの実験の
経過および結果について詳細に述べる。 [実験1]0.95重量%の酸素を含有する平均粒子径
約3μm の市販のAlN粉末を準備した。そのAlN粉
末に対して、焼結助剤として平均粒子径が0.1〜8μ
mと異なる各種のY2 3 粉末を4重量% 添加し、さら
にバインダとしてポリビニルブチラール(以下PVBと
記す)を約10% 添加した。それらを、直径10mmのジ
ルコニアボール25個とともに1000mlのポリエチレ
ン製ポットのボールミルに入れ、溶媒としてキシレン、
4メチル2ペンタノール、イソプロピルアルコール(I
PA)を添加して、回転数10rpm で、回転しながら混
合し、スラリーを作製した。試料番号4のY2 3 粉末
は、試料番号5と同じ平均粒子径であるが、製法が異な
り偏平な形状をしているため、比表面積が倍ぐらい大き
くなっている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The progress and results of experiments leading to the present invention will be described in detail below. [Experiment 1] A commercially available AlN powder having an average particle diameter of about 3 μm and containing 0.95% by weight of oxygen was prepared. The average particle diameter of the AlN powder is 0.1 to 8 μm as a sintering aid.
4 wt% of various Y 2 O 3 powders different from m were added, and about 10% of polyvinyl butyral (hereinafter referred to as PVB) was added as a binder. They were put into a 1000 ml polyethylene ball mill with 25 zirconia balls having a diameter of 10 mm, and xylene,
4-methyl-2-pentanol, isopropyl alcohol (I
PA) was added and mixed while rotating at a rotation speed of 10 rpm to form a slurry. The Y 2 O 3 powder of Sample No. 4 has the same average particle diameter as Sample No. 5, but has a flattened shape due to a different manufacturing method, so that the specific surface area is about twice as large.

【0015】そのスラリーからドクターブレード法によ
りシート成形を行い、得られたグリーンシートを所定サ
イズに成形した後、カーボンヒータ電気炉を用いて45
0〜500℃大気中で2時間の脱バインダを行った。更
に、窒素雰囲気で昇温速度5℃/ 分で1800℃まで昇
温後2時間保持し焼成した。その後、降温速度10℃/
分で室温まで冷却した。
A sheet is formed from the slurry by a doctor blade method, and the obtained green sheet is formed into a predetermined size.
The binder was removed in an atmosphere of 0 to 500 ° C. for 2 hours. Further, the temperature was raised to 1800 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min in a nitrogen atmosphere, followed by holding for 2 hours and firing. After that, the cooling rate was 10 ° C /
Cooled to room temperature in minutes.

【0016】得られたAlN焼結体を加工し、JIS−
R−1601に準じて四点曲げ強度試験を行った。試料
片の大きさは、26mm×56mm、厚さ0.63mmであ
る。また、レーザーフラッシュ法により室温での熱伝導
率を求めた。試料の断面を鏡面研磨し、走査型電子顕微
鏡(SEM)観察をおこない、画像処理により、イット
リウム化合物の最大粒径を長軸径として測定した。
The obtained AlN sintered body is processed and subjected to JIS-
A four-point bending strength test was performed according to R-1601. The size of the sample piece is 26 mm × 56 mm and the thickness is 0.63 mm. The thermal conductivity at room temperature was determined by a laser flash method. The cross section of the sample was mirror-polished, observed with a scanning electron microscope (SEM), and the maximum particle diameter of the yttrium compound was measured by image processing as a major axis diameter.

【0017】結果を第1表に示す。The results are shown in Table 1.

【表1】 イットリウム化合物の最大粒径は、Y2 3 粉末の平均
粒子径が大きい程大きくなっている。そしてこのとき、
四点曲げ強度は次第に小さくなっている。熱伝導率は殆
ど変化していない。
[Table 1] The maximum particle size of the yttrium compound increases as the average particle size of the Y 2 O 3 powder increases. And at this time,
The four-point bending strength is gradually decreasing. The thermal conductivity has hardly changed.

【0018】最後の欄に、半導体装置用基板として適当
な目安である四点曲げ強度が400MPa 以上で、熱伝導
率が160W/(m・K)以上のものに○印を、どちらかを満
足しないものに×印をした。
In the last column, the four-point bending strength which is a suitable standard for a semiconductor device substrate is 400 MPa or more and the thermal conductivity is 160 W / (m · K) or more. Those that do not are marked with a cross.

【0019】この結果から、イットリウム化合物の最大
粒径が10μm 以下のAlN焼結体は、曲げ強度400
MPa以上で、かつ熱伝導率が160W/(m・K)以上であ
り、半導体用の基板として良好な特性をもつことがわか
る。
From these results, it was found that the AlN sintered body having a maximum particle size of the yttrium compound of 10 μm or less has a bending strength of 400 μm.
It is more than MPa and the thermal conductivity is more than 160 W / (m · K), which indicates that the substrate has good characteristics as a semiconductor substrate.

【0020】また、イットリウム化合物の最大粒径が1
0μm 以下であるようにするには、添加するY2 3
末の平均粒子径を1.0μm 以下にするか、比表面積を
15m2/gとすればよいことがわかる。
The maximum particle size of the yttrium compound is 1
It can be seen that the average particle diameter of the Y 2 O 3 powder to be added should be 1.0 μm or less or the specific surface area should be 15 m 2 / g in order to make it 0 μm or less.

【0021】この方法は、1500〜1700℃という
低温では焼結できず約1800℃の熱処理を必要とする
が、平均粒子径が10〜100nmの気相法で調整した
23 微細粉末を使用する特開平1−242469号
公報の方法に比べ、市販のY 2 3 粉末で間に合うの
で、容易に実施できる利点がある。また、約1800℃
で十分な焼結がおこなわれるため、熱伝導率が特開平1
−242469号公報の方法による約120W/(m・K)に
比べ、160W/(m・K)以上とかなり大きくできるという
特長もある。 [実験2]実験1 において、Y2 3 粉末の平均粒子径
を1.0μm 以下にすれば強靱なAlN基板が得られる
ことがわかった。そこで、焼結助材としてのY2 3
末の適当な処理条件を確立するための実験をおこなっ
た。
This method is carried out at 1500 to 1700 ° C.
Cannot be sintered at low temperature and requires heat treatment at about 1800 ° C
Was adjusted by a gas phase method having an average particle diameter of 10 to 100 nm.
YTwoOThreeJP-A-1-242469 using fine powder
Compared with the method of the gazette, a commercially available Y TwoOThreeI can make it with powder
Therefore, there is an advantage that it can be easily implemented. Also, about 1800 ° C
Is sufficient for sintering, the thermal conductivity is
Approximately 120 W / (mK) by the method of JP-A-242469
Compared to 160W / (m ・ K)
There are also features. [Experiment 2] In Experiment 1, YTwoOThreeAverage particle size of powder
Is set to 1.0 μm or less, a tough AlN substrate can be obtained.
I understand. Therefore, Y as a sintering aidTwoOThreepowder
Experiments to establish appropriate processing conditions
Was.

【0022】平均粒子径が8μm のY2 3 粉末を準備
し、1000mlのポリエチレン製ポットに直径10mmの
ジルコニアボールを25個入れたボールミルに、Y2
3 粉末とIPAのみを秤量して入れ、120rpmの回転
数で、1〜20時間粉砕した。
The average particle diameter was prepared Y 2 O 3 powder of 8 [mu] m, zirconia balls having a diameter of 10mm in a polyethylene pot 1000ml into 25 placed ball mill, Y 2 O
Only 3 powders and IPA were weighed and charged, and pulverized at 120 rpm for 1 to 20 hours.

【0023】その後、AlN粉末、ポリビニルブチラー
ル(PVB)、キシレン、4メチル2ペンタノールを加
えた。さらに、実施例1と同様にボールミルで混合しス
ラリーとし、同じように試料を作製、評価した。また、
最初からY2 3 粉末とIPAに加えてAlN原料粉末
もボールミルに投入したものも同様に作製した( 試料番
号13)。
Thereafter, AlN powder, polyvinyl butyral (PVB), xylene, and 4-methyl-2-pentanol were added. Further, a slurry was prepared by mixing with a ball mill in the same manner as in Example 1, and a sample was prepared and evaluated in the same manner. Also,
From the beginning, in addition to the Y 2 O 3 powder and IPA, an AlN raw material powder and one charged into a ball mill were similarly prepared (Sample No. 13).

【0024】得られたAlN焼結体について実験1と同
様にして、四点曲げ強度、室温での熱伝導率、イットリ
ウム化合物の最大粒径を評価した。
In the same manner as in Experiment 1, the obtained AlN sintered body was evaluated for the four-point bending strength, the thermal conductivity at room temperature, and the maximum particle size of the yttrium compound.

【0025】結果を第2表に示す。最後の欄に、半導体
装置用基板として適当な目安である四点曲げ強度が40
0MPa 以上で、熱伝導率が160W/(m・K)以上のものに
○印を、どちらかを満足しないものに×印をした。
The results are shown in Table 2. In the last column, the four-point bending strength, which is a suitable standard for a semiconductor device substrate, is 40.
A mark of 0 MPa or more and a heat conductivity of 160 W / (m · K) or more was marked with a circle, and those not satisfying either were marked with a cross.

【0026】[0026]

【表2】 試料番号7は、ボールミル粉砕時間0であり、実験1の
試料番号7のデータである。
[Table 2] Sample No. 7 has a ball mill crushing time of 0 and is data of Sample No. 7 of Experiment 1.

【0027】表2から、ボールミル粉砕時間が長いほ
ど、四点曲げ強度が向上している。ただし、熱伝導率
は、大きな変化は見られない。すなわち、Y2 3 粉末
をボールミルすることにより、焼結体の強度を強化でき
ることがわかる。
From Table 2, it can be seen that the longer the ball milling time, the higher the four-point bending strength. However, there is no significant change in the thermal conductivity. That is, it is understood that the strength of the sintered body can be enhanced by ball milling the Y 2 O 3 powder.

【0028】今回の実験ではボールミル時間10時間以
上で、曲げ強度が400MPa以上のものが得られた。ま
た、その時の熱伝導率も160W/(m・K)以上で良好な特
性を示した。これは、実験1の結果と合わせて考える
と、Y2 3 粉末をボールミルで粉砕して微細な粉末と
したことにより、焼結体中のイットリウム化合物の最大
粒径が10μm 以下となったためである。10時間以上
粉砕した後のY2 3 粉末は、平均子粒径が1μm 以下
になっていた。
In this experiment, a ball mill having a bending strength of 400 MPa or more was obtained with a ball milling time of 10 hours or more. Also, the thermal conductivity at that time was 160 W / (m · K) or more, showing good characteristics. This is because, in consideration of the results of Experiment 1, the maximum particle size of the yttrium compound in the sintered body became 10 μm or less by pulverizing the Y 2 O 3 powder with a ball mill to obtain fine powder. is there. After pulverization for 10 hours or more, the Y 2 O 3 powder had an average particle diameter of 1 μm or less.

【0029】ボールミルは、ポット容量、ボール材質、
ボール径、回転数で大きくその粉砕効果が変化する。そ
のため、一概に粉砕時間を10時間以上おこなえば良い
とは言えない。
The ball mill has a pot capacity, a ball material,
The crushing effect changes greatly depending on the ball diameter and the number of revolutions. Therefore, it cannot be said that the pulverization time should be generally 10 hours or more.

【0030】最初からAlN原料粉末も加えて粉砕した
試料番号13は、焼結体中のイットリウム化合物の粒径
は8.5μm であるが、四点曲げ強度は十分でなかっ
た。この原因は、AlN粉末も更に粉砕されて、表面積
が増したため、焼結体中の酸素量が多くなり、強度が低
下したと考えられる。
Sample No. 13, which was pulverized from the beginning with the AlN raw material powder, had a particle size of the yttrium compound of 8.5 μm in the sintered body, but did not have sufficient four-point bending strength. This is considered to be because the AlN powder was further pulverized and the surface area increased, so that the amount of oxygen in the sintered body increased and the strength decreased.

【0031】この方法は、市販のY2 3 粉末をボール
ミルで粉砕するだけであるので、気相法で調整したY2
3 微細粉末を使用する特開平1−242469号公報
の方法に比べて容易に実施できる利点がある。
[0031] This method, since a commercially available Y 2 O 3 powder is only pulverized in a ball mill and adjusted by a gas phase method Y 2
O 3 can advantageously be readily implemented as compared with JP-A 1-242469 discloses a method of using a fine powder.

【0032】[実験3]実験1に記した焼成条件のう
ち、最高温度と、保持時間は極めて重要である。180
0℃以下では、焼成が不十分であり、1810℃以上で
保持時間を2時間にすると結晶粒が大きくなり過ぎる。
[Experiment 3] Of the firing conditions described in Experiment 1, the maximum temperature and the holding time are extremely important. 180
If the temperature is lower than 0 ° C., the sintering is insufficient.

【0033】比較的制御し易い条件として、焼成時の1
800℃〜1700℃の範囲の降温速度を1℃/ 分から
20℃/ 分まで変化させて焼結体を作製した。1700
℃以下は10℃/ 分で降温させた。平均粒子径が1.0
μm 、比表面積が8m2/gのY 2 3 粉末を用い、他の作
製条件、評価方法は第1の実施例と同様である。
As a condition that is relatively easy to control, the 1
The cooling rate in the range from 800 ° C to 1700 ° C is from 1 ° C / min.
A sintered body was produced by changing the temperature to 20 ° C./min. 1700
The temperature was lowered at a rate of 10 ° C./min. Average particle size is 1.0
μm, specific surface area is 8mTwo/ g Y TwoOThreeUsing powder, other crops
The manufacturing conditions and the evaluation method are the same as in the first embodiment.

【0034】得られたAlN焼結体について実験1と同
様にして、四点曲げ強度、室温での熱伝導率、イットリ
ウム化合物の最大粒径を評価した。結果を表3に示す。
In the same manner as in Experiment 1, the obtained AlN sintered body was evaluated for the four-point bending strength, the thermal conductivity at room temperature, and the maximum particle size of the yttrium compound. Table 3 shows the results.

【0035】最後の欄に、半導体装置用基板として適当
な目安である四点曲げ強度が400MPa 以上で、熱伝導
率が160W/(m・K)以上のものに○印を、どちらかを満
足しないものに×印をした。
In the last column, if the four-point bending strength, which is a suitable standard for a semiconductor device substrate, is 400 MPa or more and the thermal conductivity is 160 W / (m · K) or more, a circle is satisfied. Those that do not are marked with a cross.

【0036】[0036]

【表3】 降温速度が小さい程四点曲げ強度が小さく、8℃/ 分以
下では、曲げ強度が400MPa 未満である。但し熱伝導
率は大きい。逆に降温速度が10℃/ 分以上では、曲げ
強度が400MPa 以上のものが得られた。また、その時
の熱伝導率も160W/(m・K)以上で良好な特性を示し
た。
[Table 3] The lower the cooling rate, the lower the four-point bending strength. At 8 ° C./min or less, the bending strength is less than 400 MPa. However, thermal conductivity is large. Conversely, when the temperature was lowered at a rate of 10 ° C./min or more, a material having a bending strength of 400 MPa or more was obtained. Also, the thermal conductivity at that time was 160 W / (m · K) or more, showing good characteristics.

【0037】降温速度が8℃/ 分以下では、焼結体中の
イットリウム化合物の最大粒径が10μm を越し、降温
速度が10℃/ 分以上では、最大粒径が10μm 以下で
ある。粒径の大きいもの程強度が低下するこの傾向は、
実験1の結果と一致している。
When the cooling rate is 8 ° C./min or less, the maximum particle size of the yttrium compound in the sintered body exceeds 10 μm, and when the cooling rate is 10 ° C./min or more, the maximum particle size is 10 μm or less. This tendency that the strength decreases as the particle size increases,
This is consistent with the result of Experiment 1.

【0038】すなわち、降温速度を変化させることによ
り、焼結体中のイットリウム化合物の粒径が変化し、降
温速度10℃/ 分以下では、降温中に粒成長が進んで焼
結体中のイットリウム化合物の最大粒径が10μm 以上
となり、曲げ強度が400MPa 以下になると思われる。
従って結晶粒成長が起きる1700℃以上の範囲で降温
速度を10℃/ 分以上にすることが非常に重要である。
That is, by changing the cooling rate, the particle size of the yttrium compound in the sintered body changes, and at a cooling rate of 10 ° C./min or less, the grain growth proceeds during the cooling and the yttrium in the sintered body increases. It is considered that the maximum particle size of the compound becomes 10 μm or more and the bending strength becomes 400 MPa or less.
Therefore, it is very important that the temperature drop rate be 10 ° C./min or more in the range of 1700 ° C. or more where crystal grain growth occurs.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、焼
結助剤としてY2 3 を加えたAlN焼結体において、
粒界に生じるイットリウム化合物の平均粒径を10μm
以下とすることにより、強度、熱伝導率の優れたAlN
焼結体とすることができる。
As described above, according to the present invention, in an AlN sintered body to which Y 2 O 3 is added as a sintering aid,
The average particle size of the yttrium compound generated at the grain boundary is 10 μm
AlN with excellent strength and thermal conductivity
It can be a sintered body.

【0040】そのようなAlN焼結体の製造方法として
は、平均粒子径が1.0μm 以下のY2 3 粉末を加え
るか、または比表面積が10m2/gのY2 3 粉末を加え
れば良く、また、1800℃、2時間の焼成後の170
0℃までの降温速度を10℃/ 分以上とすれば良い。
[0040] As a method for producing such AlN sintered body, if the average particle diameter is added to the following Y 2 O 3 powder 1.0 .mu.m, or specific surface area is added to Y 2 O 3 powder of 10 m 2 / g 170 ° C after firing at 1800 ° C for 2 hours.
The rate of temperature decrease to 0 ° C. may be 10 ° C./min or more.

【0041】本発明による機械的強度および熱伝導性が
良好なAlN焼結体は、ヒートサイクルに対し強い半導
体装置用基板、パッケージ等に適し、特にパワーデバイ
スの発展に寄与するものである。
The AlN sintered body having good mechanical strength and thermal conductivity according to the present invention is suitable for a substrate or a package for a semiconductor device which is resistant to a heat cycle, and particularly contributes to the development of a power device.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】イットリウム酸化物を添加し、焼成した窒
化アルミニウム焼結体において、窒化アルミニウムの平
均結晶粒径が5μm以下であり、粒界に存在するイット
リウム化合物の最大粒径が10μm 以下であることを特
徴とする窒化アルミニウム焼結体。
An aluminum nitride sintered body to which an yttrium oxide has been added and fired has an average crystal grain size of aluminum nitride of 5 μm or less and a maximum grain size of an yttrium compound present at a grain boundary of 10 μm or less. An aluminum nitride sintered body characterized in that:
【請求項2】平均粒子径が約3μm の窒化アルミニウム
粉末に平均粒子径が1.0μm 以下の酸化イットリウム
粉末および結合剤を加え、約1800℃で2時間焼成す
ることを特徴とするイットリウム化合物の最大粒径が1
0μm 以下である窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
2. An aluminum nitride powder having an average particle diameter of about 3 μm, a yttrium oxide powder having an average particle diameter of not more than 1.0 μm and a binder are added, and the mixture is calcined at about 1800 ° C. for 2 hours. Maximum particle size is 1
A method for producing an aluminum nitride sintered body having a size of 0 μm or less.
【請求項3】平均粒子径が約3μm の窒化アルミニウム
粉末に比表面積が10m2/g 以上の酸化イットリウム粉
末を加え、約1800℃で2時間焼成することを特徴と
するイットリウム化合物の最大粒径が10μm 以下であ
る窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
3. A maximum particle size of an yttrium compound, characterized by adding an yttrium oxide powder having a specific surface area of at least 10 m 2 / g to an aluminum nitride powder having an average particle size of about 3 μm and firing at about 1800 ° C. for 2 hours. A method for producing an aluminum nitride sintered body having a particle size of 10 μm or less.
【請求項4】あらかじめ酸化イットリウムの原料粉末と
溶剤のみでボールミルすることを特徴とする請求項2記
載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
4. The method for producing an aluminum nitride sintered body according to claim 2, wherein the ball mill is performed in advance using only a raw material powder of yttrium oxide and a solvent.
【請求項5】焼成時の約1800℃〜1700℃の範囲
の降温速度を10℃/ 分以上とすることを特徴とする請
求項2ないし4のいずれかに記載の窒化アルミニウム焼
結体の製造方法。
5. The production of an aluminum nitride sintered body according to claim 2, wherein a temperature decreasing rate in a range of about 1800 ° C. to 1700 ° C. during firing is 10 ° C./min or more. Method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002042241A1 (en) * 2000-11-22 2002-05-30 Ibiden Co., Ltd. Aluminum nitride sintered body, method for producing aluminum nitride sintered body, ceramic substrate and method for producing ceramic substrate
JP2004175656A (en) * 2002-11-14 2004-06-24 Ngk Insulators Ltd Aluminum nitride-based ceramic, semiconductor producing member and method for producing aluminum nitride sintered compact

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