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JPH0840773A - Aluminum nitride ceramic and its production - Google Patents

Aluminum nitride ceramic and its production

Info

Publication number
JPH0840773A
JPH0840773A JP6182145A JP18214594A JPH0840773A JP H0840773 A JPH0840773 A JP H0840773A JP 6182145 A JP6182145 A JP 6182145A JP 18214594 A JP18214594 A JP 18214594A JP H0840773 A JPH0840773 A JP H0840773A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
weight
aluminum
carbon
group
oxide
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
JP6182145A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kohei Shimoda
浩平 下田
Kazuya Kamitake
和弥 上武
Hirohiko Nakada
博彦 仲田
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.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries 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 Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP6182145A priority Critical patent/JPH0840773A/en
Publication of JPH0840773A publication Critical patent/JPH0840773A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide an aluminum nitride ceramic high in thermal conductivity and having a high strength. CONSTITUTION:100 pts.wt. of aluminum nitride powder having an oxygen content of <=1.3wt.%, 0.1-20 pts.wt. of carbon, 0.3-50 pts.wt. of aluminum oxide, 0.01-15 pts.wt. of yttrium oxide, and, if necessary, further a binder, a dispersant, etc., are mixed and molded. In the mixture, the carbon is added in an amount which is more excessive than a chemical equivalent required for the reaction with oxygen contained in the aluminum nitride powder. The aluminum oxide is added for reacting with the excessive carbon. The obtained molded product is sintered to obtain the aluminum nitride ceramic having a thermal conductivity of >=180(W/m.k) at 25 deg.C.

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、IC基板およびパッケ
ージ材料をはじめとする電子装置材料等に使用されるセ
ラミックスに関し、特に高い熱伝導率を有し、放熱性に
優れた窒化アルミニウムセラミックスおよびその製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to ceramics used for electronic device materials such as IC substrates and package materials, and more particularly to aluminum nitride ceramics having high thermal conductivity and excellent heat dissipation, and ceramics thereof. It relates to a manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】窒化
アルミニウムの熱伝導率は、約320(W/m・K)で
あり、これは金属アルミニウムの1.5倍にも相当す
る。このような高い熱伝導率に加えて、高い絶縁性、機
械的強度および金属導体と容易に接合できるといった優
れた特性のため、窒化アルミニウムセラミックス(Al
Nセラミックス)は、IC基板およびパッケージ材料と
して注目を集めている。
2. Description of the Related Art The thermal conductivity of aluminum nitride is about 320 (W / mK), which is 1.5 times that of metallic aluminum. In addition to such high thermal conductivity, the aluminum nitride ceramics (Al
N ceramics) has attracted attention as an IC substrate and a packaging material.

【0003】しかしながら、実際には、窒化アルミニウ
ムの粉末を焼結して、高い熱伝導率を有するセラミック
スを得ることは容易ではない。AlNセラミックスの熱
伝導率を向上させるため、これまでに種々の手法が開発
されてきた。これらの方法は大きく2つに分けることが
できる。第1は、セラミックスをより緻密にする方法で
ある。この方法では、共有結合性が高く難焼結材料であ
るAlNを緻密に焼結させることで熱伝導率の向上を図
ろうとする。具体的な手法として、まず、緻密化のため
23 等の焼結助剤を添加する方法が報告されている
(たとえば、篠崎ら、昭和60年窯協年会予稿集(19
85)p.517−518)。また、炭素等の焼結阻害
物質を除去することが有効であることが報告されている
(たとえば、Kurokawaら、J.Am.Cera
m.Soc.,71[7]p.588−94)。第2
は、酸化物を除去することである。AlNが酸化される
と空孔が形成され、これがAlNの熱伝導を担うフォノ
ン伝達を阻害することにより、AlNセラミックスの熱
伝導率が低下するものと考えられている。そこで、第2
の方法は、AlN中の酸化物と結合する物質を添加し
て、AlN中の酸化物を除去することで熱伝導率の向上
を図ろうとする。具体的な手法として、たとえば、Y2
3 等の焼結助剤添加によって酸化物をトラップするこ
とが開示されている(たとえば、特公昭60−1272
67号公報)。また、炭素を添加して酸化物と反応させ
除去する方法が開示される(たとえば、Huseby
ら、USP4,578,364および対応する特開昭6
1−146769号公報)。この方法において得られる
窒化アルミニウムセラミックスは、たとえば25℃で1
41〜164(W/m・K)の熱伝導率を有する。
However, in practice, it is not easy to sinter aluminum nitride powder to obtain ceramics having high thermal conductivity. In order to improve the thermal conductivity of AlN ceramics, various methods have been developed so far. These methods can be roughly divided into two. The first is a method of making ceramics more dense. In this method, it is attempted to improve the thermal conductivity by densely sintering AlN, which is a material that has a high covalent bond and is difficult to sinter. As a concrete method, first, a method of adding a sintering aid such as Y 2 O 3 for densification has been reported (for example, Shinozaki et al., 1985 Proceedings of the Ceramic Society Annual Meeting (19
85) p. 517-518). It has also been reported that it is effective to remove sintering inhibitors such as carbon (eg, Kurokawa et al., J. Am. Cera).
m. Soc. , 71 [7] p. 588-94). Second
Is to remove oxides. It is considered that when AlN is oxidized, vacancies are formed, which impede phonon transfer which is responsible for heat conduction of AlN, and thus the thermal conductivity of AlN ceramics is lowered. Therefore, the second
The method (2) attempts to improve the thermal conductivity by adding a substance that binds to the oxide in AlN and removing the oxide in AlN. As a specific method, for example, Y 2
It is disclosed that an oxide is trapped by adding a sintering aid such as O 3 (for example, Japanese Patent Publication No. 60-1272).
67 publication). Also disclosed is a method of adding carbon to react with and remove oxides (eg, Huseby).
Et al., USP 4,578,364 and corresponding JP-A-6
No. 1-146769). Aluminum nitride ceramics obtained by this method are
It has a thermal conductivity of 41 to 164 (W / m · K).

【0004】炭素は酸化物除去の点で熱伝導率の向上に
寄与する一方、未反応のまま残留した炭素はAlNの緻
密化を阻害する。このため、特開昭61−146769
号公報は、焼結すべきAlN粉末に含まれる酸素(酸化
物)と反応するのに必要な量だけ炭素を添加することを
開示し、それより過剰な炭素を添加すると焼結が困難と
なり好ましくない旨示唆している。
Carbon contributes to the improvement of thermal conductivity in terms of oxide removal, while carbon left unreacted hinders densification of AlN. Therefore, JP-A-61-146769
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) discloses that carbon is added in an amount necessary to react with oxygen (oxide) contained in the AlN powder to be sintered, and if carbon is added in excess of that, sintering becomes difficult, which is preferable. Suggests not.

【0005】一方、AlN粉末中にFe、Si、Mg等
の金属不純物が多く含まれる場合、これらの不純物もま
たフォノン伝達を阻害する。そこで、AlN粉末の純度
を上げることにより、AlNセラミックスの熱伝導率を
向上させる方法も試みられてきた。
On the other hand, when the AlN powder contains a large amount of metallic impurities such as Fe, Si and Mg, these impurities also hinder the phonon transmission. Therefore, a method of improving the thermal conductivity of the AlN ceramics has been attempted by increasing the purity of the AlN powder.

【0006】しかしながら、以上述べてきた方法よりも
さらに熱伝導率を向上させる方法が望まれている。
However, there is a demand for a method of further improving the thermal conductivity over the method described above.

【0007】また、高い熱伝導率だけでなく、より高い
強度を有する窒化アルミニウムセラミックスが望まれて
いる。
Further, aluminum nitride ceramics having high strength as well as high thermal conductivity are desired.

【0008】本発明の1つの目的は、高い熱伝導率を有
する窒化アルミニウムセラミックスを高い再現性で提供
することにある。
One object of the present invention is to provide aluminum nitride ceramics having high thermal conductivity with high reproducibility.

【0009】本発明のさらなる目的は、高い熱伝導率だ
けでなく、高い強度も兼ね備える窒化アルミニウムセラ
ミックスを提供することである。
A further object of the present invention is to provide an aluminum nitride ceramic which has not only high thermal conductivity but also high strength.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に従う方法は、窒
化アルミニウム粉末の焼結により窒化アルミニウムセラ
ミックスを製造する方法であって、窒化アルミニウム粉
末を準備し、その酸素含有量(以下x重量%とする)を
決定する工程と、少なくとも以下の(a)〜(d)の材
料をそれぞれ準備し、かつ混合する工程と、(a) 酸
素含有量が前記x重量%(ただしx≦1.3)である前
記窒化アルミニウム粉末100重量部、(b) 炭素お
よび前記焼結のための温度よりも低い温度での加熱によ
り炭素を遊離させることができる化合物からなる群から
選択される少なくとも1種の物質からなる炭素源で、
0.1〜20重量部の範囲内において0.75x重量部
を超える所定量の炭素を混合物中にもたらす量、(c)
酸化アルミニウムおよび前記焼結のための温度または
それよりも低い温度での加熱により酸化アルミニウムに
転化させることができる化合物からなる群から選択され
る少なくとも1種の物質からなる酸化アルミニウム源
で、0.3〜50重量部の範囲内のAl23 を混合物
中にもたらす量、および(d) 周期律表の2Aおよび
3A族元素の酸化物およびフッ化物、ならびに前記焼結
のための温度またはそれよりも低い温度での加熱により
2Aおよび3A族元素の酸化物に転化させることができ
る化合物からなる群から選択される物質からなる焼結助
剤で、前記2Aおよび3A族元素を0.01〜15重量
部の範囲で含む量、得られた混合物を成形する工程と、
得られた成形体を、窒素、アンモニアおよびそれらの組
合せからなる群から選択される気体を含む非酸化性雰囲
気下において焼成し、25℃での熱伝導率が180(W
/m・K)以上のセラミックスを得る工程とを備える。
The method according to the present invention is a method for producing aluminum nitride ceramics by sintering aluminum nitride powder, wherein aluminum nitride powder is prepared and its oxygen content (hereinafter x weight% and And (a) at least the following materials (a) to (d) are prepared and mixed, and (a) the oxygen content is x% by weight (where x ≦ 1.3). 100 parts by weight of said aluminum nitride powder which is: (b) at least one substance selected from the group consisting of carbon and a compound capable of liberating carbon by heating at a temperature lower than the temperature for sintering. A carbon source consisting of
An amount that provides a predetermined amount of carbon in the mixture in excess of 0.75 x parts by weight within the range of 0.1 to 20 parts by weight, (c)
An aluminum oxide source consisting of aluminum oxide and at least one substance selected from the group consisting of compounds that can be converted to aluminum oxide by heating at or below the temperature for sintering, Amounts of Al 2 O 3 in the range of 3 to 50 parts by weight in the mixture, and (d) oxides and fluorides of elements 2A and 3A of the Periodic Table, and the temperature or the temperature for said sintering. A sintering aid made of a substance selected from the group consisting of compounds that can be converted into oxides of 2A and 3A group elements by heating at a lower temperature, with 0.01 to 2% of the 2A and 3A group elements. An amount in the range of 15 parts by weight, molding the resulting mixture,
The obtained molded body is fired in a non-oxidizing atmosphere containing a gas selected from the group consisting of nitrogen, ammonia and a combination thereof, and has a thermal conductivity of 180 (W
/ M · K) or more to obtain ceramics.

【0011】また、本発明に従って、上記方法によって
製造された新規な窒化アルミニウムセラミックスを提供
することができ、このセラミックスは以下の(i)〜
(vi)の性質を備える。
Further, according to the present invention, it is possible to provide a novel aluminum nitride ceramics produced by the above method.
It has the property of (vi).

【0012】(i) 25℃において180(W/m・
K)以上の熱伝導率を有する。 (ii) 固溶酸素量が0.5重量%以下である。
(I) 180 (W / m · at 25 ° C.)
It has a thermal conductivity of K) or higher. (Ii) The amount of dissolved oxygen is 0.5% by weight or less.

【0013】(iii) 気孔の最大径が20μm以下
である。 (iv) 35kg/mm2 以上の抗折強度を有する。
(Iii) The maximum diameter of the pores is 20 μm or less. (Iv) It has a bending strength of 35 kg / mm 2 or more.

【0014】(v) 7.0以上のワイブル係数を示
す。 (vi) 周期律表の2Aおよび3A族元素の含有量が
0.01〜15重量%である。
(V) Indicates a Weibull coefficient of 7.0 or more. (Vi) The content of 2A and 3A group elements in the periodic table is 0.01 to 15% by weight.

【0015】本発明で用いる窒化アルミニウム粉末は、
いかなる製法によって調製されたものでもよいが、直接
窒化法または還元窒化法により製造されたものを用いる
ことが好ましい。窒化アルミニウム粉末の粒度は、成形
性、焼結性を阻害しない範囲のものを用いることがで
き、特にBET表面積測定に従う比表面積が1.0〜2
0m2 /gのものを好ましく用いることができる。この
粉末は、純度の高いものが好ましい。たとえば、Si含
有量が200ppm以下のAlN粉末が好ましい。一
方、粉末中にAlNセラミックスの着色等を目的とし
て、周期律表IVa、Va、VIa族元素化合物を含ん
でいてもよい。その場合、周期律表IVa、Va、VI
a族元素の単体に換算して、15重量%を越えないよう
添加物を混合することが好ましい。ここで、IVa族元
素とは、Ti、Zr、Hfであり、Va族元素とは、
V、Nb、Taであり、VIa族元素とはCr、Mo、
Wである。
The aluminum nitride powder used in the present invention is
Although it may be prepared by any manufacturing method, it is preferable to use one manufactured by a direct nitriding method or a reduction nitriding method. The particle size of the aluminum nitride powder may be within the range that does not impair the formability and sinterability, and the specific surface area according to the BET surface area measurement is 1.0 to 2 in particular.
Those of 0 m 2 / g can be preferably used. This powder preferably has high purity. For example, AlN powder having a Si content of 200 ppm or less is preferable. On the other hand, the powder may contain a group IVa, Va, or VIa group element compound of the periodic table for the purpose of coloring the AlN ceramics or the like. In that case, the periodic table IVa, Va, VI
It is preferable to mix the additives so as not to exceed 15% by weight in terms of the group a element. Here, the IVa group element is Ti, Zr, or Hf, and the Va group element is
V, Nb, Ta, and the VIa group elements are Cr, Mo,
W.

【0016】窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量は、
たとえば、赤外吸収法によって測定することができる。
窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量は、1.3重量%
以下、好ましくは0.5重量%以下に制限される。1.
3重量%より酸素が多い場合、用いられる粉末は、酸窒
化物を多く含有しており、これを除去することが困難に
なる。
The oxygen content in the aluminum nitride powder is
For example, it can be measured by an infrared absorption method.
Oxygen content in aluminum nitride powder is 1.3% by weight
Below, it is preferably limited to 0.5% by weight or less. 1.
If the oxygen content is higher than 3% by weight, the powder used contains a large amount of oxynitride, which makes it difficult to remove it.

【0017】窒化アルミニウム粉末100重量部中の酸
素含有量がx重量%であるとき、炭素源は、0.1〜2
0重量部の範囲内において、0.75x重量部を超える
過剰な炭素をもたらす量、添加される。0.75x重量
部は、x重量%の酸素と反応するために必要な炭素の化
学当量である。本発明は、この化学当量よりも過剰な炭
素を添加することを特徴とする。炭素源は、たとえば、
2倍過剰〜500倍過剰、すなわち1.5x〜375x
重量部、好ましくは4倍過剰〜400倍過剰すなわち3
x〜300x重量部の炭素をもたらす量、添加される。
When the oxygen content in 100 parts by weight of aluminum nitride powder is x% by weight, the carbon source is 0.1-2.
In the range of 0 parts by weight, it is added in an amount to provide an excess of carbon exceeding 0.75 x parts by weight. 0.75 x parts by weight is the chemical equivalent of carbon needed to react with x wt% oxygen. The present invention is characterized by adding carbon in excess of this chemical equivalent. The carbon source is, for example,
2-fold excess-500-fold excess, ie 1.5x-375x
Parts by weight, preferably 4 fold excess to 400 fold excess or 3
x-300x parts by weight of carbon, which is added.

【0018】炭素源としては、まず、炭素(C)からな
る材料を好ましく用いることができる。この場合、炭素
源に占める炭素原子の重量割合はほぼ1である。このよ
うな炭素源として、たとえば、カーボンブラック、コー
クス、グラファイト、ダイヤモンドおよびそれらの組合
せからなる群から選択される少なくとも1つの材料の粉
末を好ましく用いることができる。均一な分散のため、
炭素源において、粒度、比表面積、pHおよび揮発性成
分含量は、ある特定の範囲内に収まっていることが望ま
しい。特に粒度については、BET比表面積値が、20
0m2 /g以上のものを用いることが好ましい。BET
比表面積値が200m2 /g以上のカーボンブラック微
粉末はより好ましい材料である。
As the carbon source, first, a material composed of carbon (C) can be preferably used. In this case, the weight ratio of carbon atoms in the carbon source is approximately 1. As such a carbon source, for example, powder of at least one material selected from the group consisting of carbon black, coke, graphite, diamond and combinations thereof can be preferably used. For even distribution,
In the carbon source, it is desirable that the particle size, the specific surface area, the pH, and the content of the volatile component are within a specific range. Especially regarding the particle size, the BET specific surface area value is 20
It is preferable to use one having a density of 0 m 2 / g or more. BET
A carbon black fine powder having a specific surface area value of 200 m 2 / g or more is a more preferable material.

【0019】一方、炭素源として、焼結のための温度よ
りも低い温度での加熱により分解し、炭素原子を遊離さ
せることができる化合物からなる材料を用いることがで
きる。たとえば、150℃〜1000℃の温度で、あま
り揮発することなく分解し、炭素を生成させる材料を好
ましく用いることができる。また、炭素を生成させるた
め、これらの化合物の加熱は、非酸化性雰囲気下、たと
えば窒素またはアンモニアを含む非酸化性雰囲気下にお
いて行なわれる。このような加熱は、セラミックス形成
のための焼成工程に際して行なうことができる。このよ
うな炭素源として、ステアリン酸等の脂肪酸、フタル酸
ジブチル、フタル酸ジオクチル等の芳香族化合物、スチ
レン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂およびウレタ
ン樹脂等の有機高分子または有機樹脂、グルコース、フ
ルクトース、スクロースおよび澱粉等の炭水化物をはじ
めとする有機化合物を用いることができる。より具体的
には、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、
ポリビニルブチラール、ポリエチレンテレフタレート、
フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、グルコース、
フルクトース、スクロースおよびそれらの組合せからな
る群から選択される少なくとも1つの化合物を好ましく
用いることができる。このような炭素源を用いる場合
も、未焼結体中に均一に炭素を分散できる材料を選択す
ることが好ましい。したがって、溶液または液体の形態
で添加できる材料は好ましい。このような材料を選択す
れば、酸窒化物と炭素との反応が均一に進み、得られる
セラミックスの組成および色調等にむらを少なくするこ
とができる。
On the other hand, as the carbon source, it is possible to use a material made of a compound capable of decomposing by heating at a temperature lower than the temperature for sintering to release carbon atoms. For example, a material that decomposes at a temperature of 150 ° C. to 1000 ° C. without generating much volatilization to generate carbon can be preferably used. Further, in order to generate carbon, the heating of these compounds is performed in a non-oxidizing atmosphere, for example, a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen or ammonia. Such heating can be performed in the firing process for forming ceramics. As such a carbon source, fatty acids such as stearic acid, dibutyl phthalate, aromatic compounds such as dioctyl phthalate, organic polymers or organic resins such as styrene resins, acrylic resins, phenol resins and urethane resins, glucose, fructose, Organic compounds including carbohydrates such as sucrose and starch can be used. More specifically, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol,
Polyvinyl butyral, polyethylene terephthalate,
Dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, glucose,
At least one compound selected from the group consisting of fructose, sucrose and combinations thereof can be preferably used. Even when such a carbon source is used, it is preferable to select a material capable of uniformly dispersing carbon in the green body. Therefore, materials that can be added in the form of solutions or liquids are preferred. If such a material is selected, the reaction between the oxynitride and carbon proceeds uniformly, and unevenness in the composition and color tone of the resulting ceramic can be reduced.

【0020】本発明では、遊離炭素量に換算して0.1
〜20重量部の炭素源が添加される。添加量が0.1重
量部より少ない場合、酸窒化物の除去効果は小さく、高
い熱伝導率を高い再現性で得ることは困難となる。逆
に、添加量が20重量部より多い場合、過剰の炭素を酸
化アルミニウムの添加によって除去しきれず、残留した
炭素がAlNの焼結を阻害するようになる。この場合、
緻密なセラミックスを得ることが困難となる。
In the present invention, the amount of free carbon is 0.1.
~ 20 parts by weight of carbon source are added. When the addition amount is less than 0.1 part by weight, the effect of removing the oxynitride is small, and it becomes difficult to obtain high thermal conductivity with high reproducibility. On the contrary, when the amount added is more than 20 parts by weight, the excess carbon cannot be removed completely by adding aluminum oxide, and the residual carbon hinders the sintering of AlN. in this case,
It becomes difficult to obtain dense ceramics.

【0021】本発明では、酸窒化物を除去するため添加
した過剰の炭素を焼結時に反応させるため0.3〜50
重量部の酸化アルミニウム源を添加する。炭素源から混
合物にもたらす炭素の量をy重量部としたとき、酸化ア
ルミニウム源は、たとえば、Al23 を0.3〜50
重量部の範囲内において1.9×(y−0.75x)〜
8.0×(y−0.75x)重量部もたらす量、好まし
く添加することができる。たとえば、x=0.4、y=
1.3の場合、酸化アルミニウム源は、Al23
1.9〜8.0重量部もたらす量、好ましく添加するこ
とができる。酸化アルミニウム源としては、酸化アルミ
ニウム(Al23 )が好ましく用いられる。用いる酸
化アルミニウムは、α型、γ型等の形態を問わない。一
方、酸化アルミニウム源として、焼結のための温度、た
とえば1750℃〜2050℃、またはそれよりも低い
温度たとえば700℃〜1750℃で酸化アルミニウム
に転化させることができる化合物を用いることができ
る。このような化合物として、水酸化アルミニウム、硝
酸アルミニウム、硫酸アルミニウムおよびリン酸アルミ
ニウム等のアルミニウム無機塩、ならびにステアリン酸
アルミニウム等のアルミニウム有機酸塩、ならびにアル
ミニウムイソプロポキシド等のアルコキシド化合物を挙
げることができる。特に、水酸化アルミニウム、硝酸ア
ルミニウム、硫酸アルミニウム、リン酸アルミニウム、
ステアリン酸アルミニウムおよびそれらの組合せからな
る群から選択される化合物を好ましく用いることができ
る。
In the present invention, the excess carbon added to remove the oxynitride reacts during sintering, so that 0.3 to 50 is added.
Add parts by weight of aluminum oxide source. Assuming that the amount of carbon brought from the carbon source to the mixture is y parts by weight, the aluminum oxide source may be, for example, Al 2 O 3 of 0.3 to 50.
Within the range of parts by weight, 1.9x (y-0.75x) to
An amount of 8.0 × (y-0.75x) parts by weight, preferably added, can be added. For example, x = 0.4, y =
In the case of 1.3, the aluminum oxide source can be preferably added in an amount that provides 1.9 to 8.0 parts by weight of Al 2 O 3 . Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is preferably used as the aluminum oxide source. The aluminum oxide used may be in the form of α-type or γ-type. On the other hand, as the aluminum oxide source, a compound that can be converted into aluminum oxide at a temperature for sintering, for example, 1750 ° C to 2050 ° C, or a lower temperature, for example, 700 ° C to 1750 ° C can be used. Examples of such compounds include aluminum inorganic salts such as aluminum hydroxide, aluminum nitrate, aluminum sulfate and aluminum phosphate, aluminum organic acid salts such as aluminum stearate, and alkoxide compounds such as aluminum isopropoxide. . In particular, aluminum hydroxide, aluminum nitrate, aluminum sulfate, aluminum phosphate,
A compound selected from the group consisting of aluminum stearate and a combination thereof can be preferably used.

【0022】酸化アルミニウム源としてAl23 以外
の化合物を用いる場合、その化合物から化学量論的にど
れだけのAl23 がもたらされるか考慮して添加量が
決められる。たとえば添加量を決定するとき、酸化アル
ミニウム源のAlがすべてAl23 に変換されるもの
として、その添加量を決定することができる。この場
合、酸化アルミニウム源からもたらされるAl23
量は、酸化アルミニウム源の重量×酸化アルミニウム源
におけるアルミニウムの重量割合×1.889で求めら
れる。値1.889は、Al23 の分子量/(Al2
3 1モルに含まれるAlの重量)=101.96/5
3.963である。
When a compound other than Al 2 O 3 is used as the aluminum oxide source, the addition amount is determined in consideration of the stoichiometric amount of Al 2 O 3 produced from the compound. For example, when determining the amount of addition, it is possible to determine the amount of addition, assuming that all of the aluminum oxide source Al is converted to Al 2 O 3 . In this case, the amount of Al 2 O 3 derived from the aluminum oxide source is determined by (weight of aluminum oxide source × weight ratio of aluminum in aluminum oxide source × 1.889). The value 1.889 is the molecular weight of Al 2 O 3 / (Al 2
Weight of Al contained in 1 mol of O 3 ) = 101.96 / 5
3.963.

【0023】酸化アルミニウムの添加量は、上述したと
おり、酸化アルミニウムに換算して0.3〜50重量部
に限定される。その添加量が0.3重量部より少ない場
合、残留する炭素を十分に除去することが難しくなり、
緻密なセラミックスを得ることが困難になる。一方、添
加量が50重量部より多い場合、焼成過程において、酸
化アルミニウムとAlNとの反応による酸窒化物の生成
が顕著になり、熱伝導率の向上を阻害する。また、酸化
アルミニウムの添加量は、(y−0.75x)で求めら
れる遊離炭素量の1.9倍〜8.0倍の範囲で設定する
ことが好ましく、より好ましくは1.99〜3倍であ
る。また酸化アルミニウム源の効果を十分に生じさせる
ため、酸化アルミニウムの凝集を抑制することが好まし
い。したがって、使用する酸化アルミニウム源の粒子径
は50μm以下が好ましく、20μm以下がより好まし
く、5μm以下がさらに好ましい。また、酸化アルミニ
ウム源を溶液の形態で添加することができる。未焼結体
中に均一に分散できる材料および混合分散方法を選択す
ることが重要である。
As described above, the amount of aluminum oxide added is limited to 0.3 to 50 parts by weight in terms of aluminum oxide. If the addition amount is less than 0.3 parts by weight, it becomes difficult to sufficiently remove the residual carbon,
It becomes difficult to obtain dense ceramics. On the other hand, when the addition amount is more than 50 parts by weight, the formation of oxynitride due to the reaction between aluminum oxide and AlN becomes remarkable in the firing process, which hinders the improvement of the thermal conductivity. Further, the addition amount of aluminum oxide is preferably set in the range of 1.9 times to 8.0 times the free carbon amount obtained by (y-0.75x), and more preferably 1.99 to 3 times. Is. Further, it is preferable to suppress aggregation of aluminum oxide in order to sufficiently bring out the effect of the aluminum oxide source. Therefore, the particle size of the aluminum oxide source used is preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less, and further preferably 5 μm or less. Also, the aluminum oxide source can be added in the form of a solution. It is important to select a material and a mixing / dispersing method capable of uniformly dispersing in the green body.

【0024】本発明において、周期律表の2Aおよび3
A族元素の酸化物およびフッ化物、ならびに焼結のため
の温度またはそれよりも低い温度で加熱により2Aおよ
び3A族元素の酸化物に転化させることができる化合物
からなる群から選択される焼結助剤がさらに添加され
る。周期律表の2Aおよび3A族元素として、たとえば
イットリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ストロンチ
ウム(Sr)、スカンジウム(Sc)またはランタノイ
ド系元素が選択される。したがって、焼結助剤は、酸化
イットリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、
酸化スカンジウムおよびランタノイド系元素の酸化物か
らなる群から選択することができる。ランタノイド系元
素の酸化物には、たとえば、酸化プラセオジム、酸化ネ
オジム、酸化サマリウム、酸化ユーロピウム、酸化ガド
リニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化
エルビウム、酸化ツリウム、および酸化イッテルビウム
等がある。一方、2Aおよび3A族元素のフッ化物とし
て、たとえば、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウ
ム、フッ化バリウム、フッ化イットリウム等を用いるこ
とができる。また、2Aおよび3A族元素の酸化物に加
熱により転化させることができる化合物として、これら
の元素の水酸化物等を用いることができる。これらの焼
結助剤は、2Aおよび3A族元素に換算して0.01〜
15重量部、すなわち{(0.01〜15)/(焼結助
剤中に占める2Aおよび3A族元素の重量割合)}重量
部添加される。好ましい添加量は、2Aおよび3A族元
素に換算して、0.1〜15重量部である。添加量が
0.01重量部より少ない場合、十分に緻密なセラミッ
クスを得ることができなくなる。一方、添加量が15重
量%を越える場合、得られるAlNセラミックスの熱伝
導率が低下してくる。
In the present invention, 2A and 3 of the periodic table
Sintering selected from the group consisting of oxides and fluorides of Group A elements and compounds that can be converted to oxides of Group 2A and 3A elements by heating at or below the temperature for sintering. Further auxiliaries are added. Yttrium (Y), calcium (Ca), strontium (Sr), scandium (Sc), or a lanthanoid element is selected as the 2A and 3A group elements of the periodic table. Therefore, the sintering aid is yttrium oxide, calcium oxide, strontium oxide,
It can be selected from the group consisting of scandium oxide and oxides of lanthanide series elements. Examples of oxides of lanthanoid elements include praseodymium oxide, neodymium oxide, samarium oxide, europium oxide, gadolinium oxide, dysprosium oxide, holmium oxide, erbium oxide, thulium oxide, and ytterbium oxide. On the other hand, as the fluoride of the 2A and 3A group elements, for example, calcium fluoride, strontium fluoride, barium fluoride, yttrium fluoride or the like can be used. Further, as a compound that can be converted into an oxide of a 2A or 3A group element by heating, a hydroxide or the like of these elements can be used. These sintering aids are converted into the elements of the 2A and 3A groups in an amount of 0.01 to
15 parts by weight, that is, {(0.01 to 15) / (weight ratio of 2A and 3A group elements in the sintering aid)} parts by weight is added. The preferable addition amount is 0.1 to 15 parts by weight in terms of 2A and 3A group elements. If the addition amount is less than 0.01 part by weight, it becomes impossible to obtain sufficiently dense ceramics. On the other hand, if the amount added exceeds 15% by weight, the thermal conductivity of the obtained AlN ceramics will decrease.

【0025】本発明のプロセスにおいて、(a)〜
(d)の材料を混合するため、V型混合機やボウルミル
混合機を用いた乾式混合法、ならびにボウルミル混合機
を用いた湿式混合法等、公知の方法を用いることができ
る。混合方法および混合条件は特に限定されるものでは
ない。混合に際し、必要に応じて、有機バインダー、可
塑剤、分散剤、消泡剤またはそれらの組合せ等の他の添
加物を添加することができる。有機バインダーとして
は、パラフィン等が用いられる。分散剤としては、たと
えば、エチルアルコール等が用いられる。
In the process of the present invention, (a)-
In order to mix the materials of (d), known methods such as a dry mixing method using a V-type mixer or a bowl mill mixer and a wet mixing method using a bowl mill mixer can be used. The mixing method and mixing conditions are not particularly limited. During the mixing, other additives such as an organic binder, a plasticizer, a dispersant, a defoaming agent, or a combination thereof can be added, if necessary. Paraffin or the like is used as the organic binder. As the dispersant, for example, ethyl alcohol or the like is used.

【0026】(a)〜(d)の材料および必要に応じて
他の添加物を含む混合物は成形される。成形工程では、
ドライプレス成形法、ドクターブレードシート成形法、
押出し成形法、スリップキャスティング成形法、射出成
形法等の公知の成形法が用いられる。成形法は特に限定
されるものではない。また、それらの成形法に適したバ
インダーシステムを任意に選択することができる。
A mixture containing the materials (a) to (d) and optionally other additives is molded. In the molding process,
Dry press molding method, doctor blade sheet molding method,
Known molding methods such as an extrusion molding method, a slip casting molding method, and an injection molding method are used. The molding method is not particularly limited. Also, a binder system suitable for those molding methods can be arbitrarily selected.

【0027】成形体は、焼結体を形成するため加熱処理
される。熱処理において、まず、炭素源から炭素を遊離
させるため、150〜1000℃で成形体を加熱しても
よい。炭素を遊離させるための加熱は、酸素分圧が1体
積%以下の非酸化性雰囲気下で行なわれることが望まし
い。非酸化性雰囲気として、窒素およびアンモニアから
なる群から選択される少なくとも1種のガスを含む非酸
化性雰囲気の他、真空、アルゴン等の不活性ガス雰囲
気、不活性ガスに水素が添加された雰囲気等を用いるこ
とができる。焼結は、炭素を十分遊離させた後行われる
か、炭素を遊離させながら行なわれる。焼結は、窒素お
よびアンモニアからなる群から選択される少なくとも1
つのガスを含む非酸化性雰囲気下で行なうことが望まし
い。このときの窒素、アンモニア、またはそれらの混合
物の分圧は、5容量%以上であることが好ましい。添加
ガスの分圧が5容量%より多ければ、酸窒化物の還元除
去反応について、より効果的な速度が得られる。焼成温
度は、望ましくは1300℃以上である。1300℃よ
り低い温度の場合、酸窒化物の還元除去反応が遅くな
る。また、焼成に際し、酸窒化物をより効率的に除去す
るため、成形体の温度が1300℃から、焼結助剤と酸
化アルミニウムとの複合酸化物が反応により生成する温
度、たとえば焼結助剤としてY23 を用いる場合17
35℃に達するまで、1時間以上かけることが好まし
い。したがって、焼結のための加熱ステップは、たとえ
ば、1300℃〜1700℃で1時間以上成形体を保持
する第1の加熱ステップと、その後1700℃〜205
0℃、好ましくは1750℃〜2000℃で成形体を保
持する第2の加熱ステップとを含むことができる。焼成
を、特に1300℃以上の温度で行なう場合、非酸化性
雰囲気の露点は、−30℃以下であることが好ましい。
The compact is heat treated to form a sintered body. In the heat treatment, first, in order to release carbon from the carbon source, the molded body may be heated at 150 to 1000 ° C. The heating for liberating carbon is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere having an oxygen partial pressure of 1% by volume or less. As the non-oxidizing atmosphere, a non-oxidizing atmosphere containing at least one gas selected from the group consisting of nitrogen and ammonia, an inert gas atmosphere such as vacuum and argon, and an atmosphere in which hydrogen is added to the inert gas. Etc. can be used. Sintering is performed after the carbon has been sufficiently liberated, or while carbon is liberated. Sintering is at least one selected from the group consisting of nitrogen and ammonia.
It is desirable to carry out under a non-oxidizing atmosphere containing two gases. At this time, the partial pressure of nitrogen, ammonia, or a mixture thereof is preferably 5% by volume or more. If the partial pressure of the added gas is higher than 5% by volume, a more effective rate can be obtained for the reduction and removal reaction of oxynitride. The firing temperature is preferably 1300 ° C. or higher. When the temperature is lower than 1300 ° C., the reduction and removal reaction of oxynitride becomes slow. In addition, in order to more efficiently remove oxynitrides during firing, the temperature of the molded body is from 1300 ° C., the temperature at which the composite oxide of the sintering aid and aluminum oxide is generated by the reaction, for example, the sintering aid. When Y 2 O 3 is used as
It is preferable that it takes 1 hour or more to reach 35 ° C. Therefore, the heating step for sintering is, for example, a first heating step of holding the molded body at 1300 ° C. to 1700 ° C. for 1 hour or more, and then 1700 ° C. to 205 ° C.
A second heating step of holding the shaped body at 0 ° C., preferably 1750 ° C. to 2000 ° C. can be included. When firing is performed at a temperature of 1300 ° C. or higher, the non-oxidizing atmosphere preferably has a dew point of −30 ° C. or lower.

【0028】以上に述べてきた方法により得られた窒化
アルミニウムセラミックスは、従来の方法により得られ
たものと比較して、酸窒化物が少なく、気孔径が小さ
く、熱伝導率が高く、かつ高い強度を有する。本発明の
セラミックスは、25℃で180(W/m・K)以上の
高い熱伝導率を有する。さらに、本発明に従って、最大
孔径が20μm以下であるより緻密なセラミックスを提
供できる。このような緻密なセラミックスは、JIS
R1607に従って35kg/mm2 以上、好ましくは
40kg/mm2 以上の抗折強度を有することができ
る。JIS R1607は、三点支持法を用いた抗折試
験による曲げ強さ(抗折強度)の測定について規定す
る。また、本発明のセラミックスにおいて、AlN焼結
粒中の固溶酸素量は0.5重量%以下である。このセラ
ミックスにおいて、強度に対する信頼性を示すワイブル
係数についても高い値を得ることができ、たとえば、
7.0以上、好ましくは8.0以上の値を有するセラミ
ックスを提供することができる。
The aluminum nitride ceramics obtained by the above-mentioned method has less oxynitride, smaller pore diameter, higher thermal conductivity and higher than those obtained by the conventional method. Have strength. The ceramic of the present invention has a high thermal conductivity of 180 (W / m · K) or higher at 25 ° C. Further, according to the present invention, it is possible to provide a denser ceramic having a maximum pore size of 20 μm or less. Such dense ceramics are JIS
According to R1607, it can have a bending strength of 35 kg / mm 2 or more, preferably 40 kg / mm 2 or more. JIS R1607 stipulates the measurement of bending strength (flexural strength) by a bending test using a three-point support method. Further, in the ceramic of the present invention, the amount of dissolved oxygen in the AlN sintered grains is 0.5% by weight or less. With this ceramic, it is possible to obtain a high value for the Weibull coefficient that indicates reliability with respect to strength.
It is possible to provide a ceramic having a value of 7.0 or more, preferably 8.0 or more.

【0029】[0029]

【作用】本発明者らは、AlNセラミックスの熱伝導率
が低下する要因についての解析を行ない、その対策につ
いて鋭意検討を重ねた。そして、上述した方法により、
熱伝導率が180(W/m・K)以上のAlNセラミッ
クスを工業的に安定して作製できることを見出した。
The present inventors conducted an analysis of the factors that reduce the thermal conductivity of AlN ceramics, and conducted intensive studies on the countermeasures. Then, by the method described above,
It has been found that an AlN ceramic having a thermal conductivity of 180 (W / m · K) or more can be produced industrially and stably.

【0030】図1に模式的に示すように、原料として用
いるAlN粉末、特に還元窒化法により調製されたAl
N粉末は、その粒子表面とともに粒子の内部において酸
素含量が高くなっている。このような酸素濃度の分布を
有するAlN粉末に対し、HusebyらのUSP4,
758,364に示されるように、AlN粉末に含まれ
る酸素との反応に必要な化学当量分の炭素を添加した場
合、内部に残存する酸素まで十分効果的に還元すること
は困難であることがわかった。同公報において作製され
たセラミックスの熱伝導率は、最大で164W/m・K
程度にとどまっており、これは、未反応の酸化物が残存
しているためであると考えられた。
As schematically shown in FIG. 1, AlN powder used as a raw material, particularly Al prepared by a reduction nitriding method.
The N powder has a high oxygen content inside the particles as well as on the surface of the particles. For AlN powder having such an oxygen concentration distribution, USP4 of Huseby et al.
As shown in 758 and 364, it is difficult to effectively reduce even the oxygen remaining inside when carbon equivalent to the amount necessary for the reaction with oxygen contained in the AlN powder is added. all right. The maximum thermal conductivity of the ceramics manufactured in the publication is 164 W / m · K.
It was considered to be due to the fact that unreacted oxide remained.

【0031】また、本発明者らは、AlNセラミックス
の熱伝導率を向上させるために、従来より公知であった
セラミックスの緻密化と酸化物の除去の他に、AlNセ
ラミックス中に存在する酸窒化物の除去が非常に重要で
あることを明らかにした。α−Al23 に代表される
AlN中の酸化物は、Y23 等の焼結助剤の添加によ
る酸化物トラップや炭素添加物による酸化物との反応に
よって除去される。しかしながら、酸窒化物はこれらの
方法によっては除去することが困難であった。従来の方
法では、焼結後もAlNセラミックス中に酸窒化物が残
留し、これがフォノン伝達を阻害することによりセラミ
ックスの熱伝導率を低下させる要因となっていること、
さらには酸窒化物がセラミックスの緻密化を阻害するた
め、これが結果的に熱伝導率の低下を招くことが判明し
た。
Further, in order to improve the thermal conductivity of AlN ceramics, the present inventors have made it possible to improve the thermal conductivity of AlN ceramics, in addition to the conventionally known densification of ceramics and removal of oxides, oxynitriding existing in AlN ceramics. It became clear that the removal of things is very important. The oxide in AlN typified by α-Al 2 O 3 is removed by the reaction with the oxide by the oxide trap or the carbon additive by the addition of the sintering aid such as Y 2 O 3 . However, oxynitrides have been difficult to remove by these methods. In the conventional method, oxynitride remains in the AlN ceramics even after sintering, which causes a decrease in the thermal conductivity of the ceramics by inhibiting phonon transmission.
Further, it was found that the oxynitride hinders the densification of the ceramics, resulting in a decrease in the thermal conductivity.

【0032】以上に示す内部の酸素および酸窒化物の問
題に対し、驚くべきことに、過剰の炭素を添加すると、
内部の酸素を効果的に還元することができ、酸窒化物を
反応により除去することが可能となった。同時に、酸化
アルミニウム源を添加することにより、酸窒化物と反応
せずに残存する炭素を除去することができるため、炭素
添加による焼結阻害の悪影響を生じさせることなく、緻
密で熱伝導率の高いセラミックスが得られることが見出
された。以上のことが可能となったのは、炭素と酸化ア
ルミニウムとが反応する温度よりも炭素と酸窒化物とが
反応する温度が低いためではないかと推察された。そし
て、過剰の炭素源および酸化アルミニウムを添加した混
合物を用いることにより、より高い熱伝導率および強度
を有するセラミックスが得られるようになった。以下に
本発明についてより具体的に説明する。
Surprisingly to the above-mentioned problems of internal oxygen and oxynitride, the addition of excess carbon causes
The internal oxygen can be effectively reduced, and the oxynitride can be removed by the reaction. At the same time, by adding an aluminum oxide source, it is possible to remove the carbon that remains without reacting with the oxynitride, so that the addition of carbon does not adversely affect the sintering inhibition, and it is dense and has a high thermal conductivity. It has been found that high ceramics can be obtained. It was speculated that the above was made possible because the reaction temperature of carbon and oxynitride was lower than the reaction temperature of carbon and aluminum oxide. Then, by using a mixture in which an excess carbon source and aluminum oxide are added, it has become possible to obtain ceramics having higher thermal conductivity and strength. The present invention will be described in more detail below.

【0033】[0033]

【実施例】【Example】

実施例1 還元窒化法により製造された平均粒径0.65μm、酸
素含有率0.8重量%のAlN粉末100重量部、BE
T値が500m2 /gのカーボンブラック10重量部、
平均粒径1.2μmのα型酸化アルミニウム28重量
部、平均粒径0.8μmの酸化イットリウム5重量部、
およびバインダーとしてのパラフィン7重量部を、エチ
ルアルコール中でボールミル混合した。得られたスラリ
ーをスプレードライ乾燥し、プレス成形した。プレス成
形体を窒素雰囲気中700℃で3時間保持することによ
りパラフィンを揮発除去させた。
Example 1 100 parts by weight of AlN powder having an average particle size of 0.65 μm and an oxygen content of 0.8% by weight produced by a reduction nitriding method, BE
10 parts by weight of carbon black having a T value of 500 m 2 / g,
28 parts by weight of α-type aluminum oxide having an average particle size of 1.2 μm, 5 parts by weight of yttrium oxide having an average particle size of 0.8 μm,
And 7 parts by weight of paraffin as a binder were ball milled in ethyl alcohol. The obtained slurry was spray-dried and press-molded. Paraffin was volatilized and removed by keeping the press-molded body at 700 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere.

【0034】焼結体を、窒素雰囲気中で、炉内において
加熱し、その温度を1300℃から1735℃まで上昇
させるため3時間45分かけた。引続き炉内の温度を1
800℃に上昇させ、成形体を1800℃で3時間焼成
した。このような焼成において、雰囲気中の一酸化炭素
濃度は150ppm、露点は−55℃であった。焼成の
結果、色調が均一な乳白色である窒化アルミニウムセラ
ミックスが得られた。このような焼成工程において生じ
る液相の組成は、主にYAG(3Y23 ・5AlN2
3 )であり、その液相の生成温度は1735℃であっ
た。
The sintered body was heated in a furnace in a nitrogen atmosphere, and it took 3 hours and 45 minutes to raise the temperature from 1300 ° C to 1735 ° C. Continue to set the temperature in the furnace to 1
The temperature was raised to 800 ° C., and the molded body was baked at 1800 ° C. for 3 hours. In such firing, the carbon monoxide concentration in the atmosphere was 150 ppm and the dew point was -55 ° C. As a result of the firing, a milky white aluminum nitride ceramics having a uniform color tone was obtained. The composition of the liquid phase generated in such a firing process is mainly YAG (3Y 2 O 3 .5AlN 2
O 3 ), and the production temperature of the liquid phase was 1735 ° C.

【0035】得られたAlNセラミックスの固溶酸素量
を以下のようにして求めた。まずセラミックスの全酸素
量と周期律表IIa、IIIa族元素含有量をそれぞれ
赤外線吸収法、ICP分析法(誘導結合型プラズマ発光
分光分析法)で求めた。次に、X線回折パターンにより
同定した粒界組成物に含まれる酸素量を算出し、この値
を全酸素量より差し引いて固溶酸素量を求めた。また、
セラミックスの熱伝導率は、レーザフラッシュ法により
熱容量と熱拡散率を求め、アルキメデス法により密度を
求め、これら三者の積を求めることにより算出した。そ
の結果、固溶酸素量は0.18重量%であり、熱伝導率
は207(W/m・K)であった。
The amount of solid solution oxygen of the obtained AlN ceramics was determined as follows. First, the total oxygen content of the ceramics and the contents of the periodic table IIa and IIIa group elements were determined by an infrared absorption method and an ICP analysis method (inductively coupled plasma optical emission spectroscopy). Next, the amount of oxygen contained in the grain boundary composition identified by the X-ray diffraction pattern was calculated, and this value was subtracted from the total amount of oxygen to obtain the amount of solid solution oxygen. Also,
The thermal conductivity of ceramics was calculated by obtaining the heat capacity and thermal diffusivity by the laser flash method, the density by the Archimedes method, and the product of these three. As a result, the amount of dissolved oxygen was 0.18% by weight, and the thermal conductivity was 207 (W / m · K).

【0036】同様の方法にて作製したセラミックス50
枚の熱伝導率は、平均値で209.3(W/m・K)で
あり、最大値は225(W/m・K)、最小値は195
(W/m・K)であり、最大値と最小値の差異は20
(W/m・K)であった。
Ceramics 50 produced by the same method
The average thermal conductivity of the sheets is 209.3 (W / m · K), the maximum value is 225 (W / m · K), and the minimum value is 195.
(W / mK), and the difference between the maximum and minimum values is 20
(W / m · K).

【0037】一方、得られたセラミックスを1インチ×
1インチ×3mmに切出し、表面を表面粗さ(Ra)に
ついて0.05μmになるまで鏡面研磨した後、光学顕
微鏡で400倍の倍率にて研磨面の気孔を観察した。そ
の結果、気孔の最大径は8μmであった。また、JIS
R1607に基づく三点曲げ試験により抗折強度を求
めた。50枚のサンプルについて抗折強度を測定した結
果、45kg/mm2の平均値が得られた。そのワイブ
ル係数は9.7と高いものであった。
On the other hand, the obtained ceramics is 1 inch ×
After cutting into 1 inch × 3 mm, the surface was mirror-polished to a surface roughness (Ra) of 0.05 μm, and then the pores on the polished surface were observed with an optical microscope at a magnification of 400 times. As a result, the maximum diameter of pores was 8 μm. Also, JIS
The bending strength was determined by a three-point bending test based on R1607. As a result of measuring the bending strength of 50 samples, an average value of 45 kg / mm 2 was obtained. The Weibull coefficient was as high as 9.7.

【0038】比較例1 実施例1にて使用したAlN粉末100重量部、酸化イ
ットリウム粉末5重量部、およびバインダーとしてのパ
ラフィン7重量部をエチルアルコール中でボールミル混
合した。次いで実施例1と同様の方法によりセラミック
スを作製した。
Comparative Example 1 100 parts by weight of the AlN powder used in Example 1, 5 parts by weight of yttrium oxide powder, and 7 parts by weight of paraffin as a binder were ball-milled in ethyl alcohol. Next, ceramics were produced by the same method as in Example 1.

【0039】得られたセラミックス50枚の熱伝導率
は、平均値215.7(W/m・K)であり、最大値は
237(W/m・K)、最小値は183(W/m・K)
であり、最小値と最大値の差異は54(W/m・K)で
あった。さらに、実施例1に記載した方法により気孔
径、抗折強度、およびワイブル係数を求めた。その結
果、最大気孔径は25μm、50枚のサンプルについて
の抗折強度の平均値は33kg/mm2 、そのワイブル
係数は5.6であった。このように、本比較例で作製さ
れたセラミックスは、実施例1より強度の低いものであ
った。
The thermal conductivity of the 50 ceramics thus obtained has an average value of 215.7 (W / m · K), a maximum value of 237 (W / m · K) and a minimum value of 183 (W / m · K).・ K)
The difference between the minimum value and the maximum value was 54 (W / m · K). Furthermore, the pore size, bending strength, and Weibull coefficient were determined by the method described in Example 1. As a result, the maximum pore diameter was 25 μm, the average value of the bending strength for 50 samples was 33 kg / mm 2 , and the Weibull coefficient thereof was 5.6. Thus, the ceramics produced in this comparative example had a lower strength than that of Example 1.

【0040】実施例2 実施例1に記載する方法に従って酸化イットリウム、炭
素、酸化アルミニウムの添加量をそれぞれ変えてセラミ
ックスを作製し評価した。その結果を表1に示す。
Example 2 Ceramics were prepared and evaluated according to the method described in Example 1 by changing the amounts of yttrium oxide, carbon and aluminum oxide added. Table 1 shows the results.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】実施例3 実施例1と同様の方法において、焼結助剤を種々変えて
セラミックスを作製し評価した。その結果を表2に示
す。
Example 3 In the same manner as in Example 1, various sintering aids were used to prepare and evaluate ceramics. The results are shown in Table 2.

【0043】[0043]

【表2】 [Table 2]

【0044】実施例4 直接窒化法により製造された平均粒径0.65μm、酸
素含有率1.0重量%の窒化アルミニウム粉末100重
量部、平均粒径0.5μmのα型酸化アルミニウム10
重量部、平均粒径0.7μmの酸化イットリウム3重量
部、バインダーとしてのパラフィン7重量部、および炭
素源としてのグルコース50重量部を、実施例1と同様
の方法により混合し、プレス成形を行なった。得られた
プレス成形体を窒素雰囲気中700℃で3時間保持する
ことにより、炭素を遊離させると同時にパラフィンを揮
発除去させた。遊離炭素量を求めるためLECO法によ
り分析を行なった結果、4.5重量%の値が得られ、重
量部に換算して5.3重量部であった。
Example 4 100 parts by weight of aluminum nitride powder having an average particle size of 0.65 μm, an oxygen content of 1.0% by weight, and an α-type aluminum oxide 10 having an average particle size of 0.5 μm produced by the direct nitriding method.
By weight, 3 parts by weight of yttrium oxide having an average particle size of 0.7 μm, 7 parts by weight of paraffin as a binder, and 50 parts by weight of glucose as a carbon source were mixed in the same manner as in Example 1 and press-molded. It was By holding the obtained press-molded body in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. for 3 hours, carbon was liberated and paraffin was volatilized and removed. As a result of analysis by LECO method for obtaining the amount of free carbon, a value of 4.5% by weight was obtained, which was 5.3 parts by weight in terms of parts by weight.

【0045】成形体を窒素雰囲気中で1800℃にて3
時間焼成し、AlNセラミックスを得た。実施例1で記
載した方法により、得られたセラミックスの固溶酸素量
および熱伝導率を求めた。その結果、固溶酸素量は0.
35重量%であり、熱伝導率は185(W/m・K)で
あった。さらに実施例1と同様の方法により、得られた
セラミックスの気孔最大径、抗折強度、ワイブル係数を
求めた結果、気孔の最大径は11μm、50枚のサンプ
ルについての抗折強度の平均値は52kg/mm2 、ワ
イブル係数は8.8であった。
The molded body was heated at 1800 ° C. in a nitrogen atmosphere for 3 hours.
It was fired for a time to obtain an AlN ceramic. By the method described in Example 1, the amount of solid solution oxygen and the thermal conductivity of the obtained ceramics were determined. As a result, the amount of dissolved oxygen was 0.
It was 35% by weight and the thermal conductivity was 185 (W / m · K). Further, as a result of obtaining the maximum pore diameter, bending strength, and Weibull coefficient of the obtained ceramics by the same method as in Example 1, the maximum diameter of the pores was 11 μm, and the average bending strength of 50 samples was It was 52 kg / mm 2 , and the Weibull coefficient was 8.8.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明により
熱伝導率が180(W/m・K)以上の窒化アルミニウ
ムセラミックスを工業的に安定して作製することが可能
となった。また、本発明により、より緻密で高い強度を
有するセラミックスを得ることが可能となった。このよ
うに優れた特性を有する本発明のセラミックスは、高い
信頼性を有する基板やパッケージ材料として適用され
る。
As described above, according to the present invention, it becomes possible to industrially stably produce aluminum nitride ceramics having a thermal conductivity of 180 (W / m · K) or more. Further, according to the present invention, it becomes possible to obtain a more dense ceramic having high strength. The ceramic of the present invention having such excellent properties is applied as a highly reliable substrate or package material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】AlN粉末粒子における酸素濃度の分布を示す
模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the distribution of oxygen concentration in AlN powder particles.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化アルミニウム粉末の焼結により窒化
アルミニウムセラミックスを製造する方法であって、 窒化アルミニウム粉末を準備し、その酸素含有量(以下
x重量%とする)を決定する工程と、 少なくとも以下の(a)〜(d)の材料をそれぞれ準備
し、かつ混合する工程と、 (a) 酸素含有量が前記x重量%(ただしx≦1.
3)である前記窒化アルミニウム粉末100重量部、 (b) 炭素および前記焼結のための温度よりも低い温
度での加熱により炭素を遊離させることができる化合物
からなる群から選択される少なくとも1種の物質からな
る炭素源で、0.1〜20重量部の範囲内において0.
75x重量部を超える所定量の炭素を混合物中にもたら
す量、 (c) 酸化アルミニウムおよび前記焼結のための温度
またはそれよりも低い温度での加熱により酸化アルミニ
ウムに転化させることができる化合物からなる群から選
択される少なくとも1種の物質からなる酸化アルミニウ
ム源で、0.3〜50重量部の範囲内のAl23 を混
合物にもたらす量、および (d) 周期律表の2Aおよび3A族元素の酸化物およ
びフッ化物、ならびに前記焼結のための温度またはそれ
よりも低い温度での加熱により2Aおよび3A族元素の
酸化物に転化させることができる化合物からなる群から
選択される物質からなる焼結助剤で、前記2Aおよび3
A族元素を0.01〜15重量部の範囲で含む量、 得られた混合物を成形する工程と、 得られた成形体を、窒素、アンモニアおよびそれらの組
合せからなる群から選択される気体を含む非酸化性雰囲
気下において焼成し、25℃での熱伝導率が180(W
/m・K)以上のセラミックスを得る工程とを備える、
窒化アルミニウムセラミックスの製造方法。
1. A method for producing aluminum nitride ceramics by sintering aluminum nitride powder, comprising the steps of preparing aluminum nitride powder and determining its oxygen content (hereinafter x weight%), at least the following: (A) to (d) of each of the materials are prepared and mixed, and (a) the oxygen content is x% by weight (where x ≦ 1.
3) 100 parts by weight of the aluminum nitride powder, (b) at least one selected from the group consisting of carbon and a compound capable of liberating carbon by heating at a temperature lower than the temperature for sintering. A carbon source consisting of the substance of 0.1 to 20 parts by weight in the range of 0.1 to 20 parts by weight.
An amount that provides a predetermined amount of carbon in the mixture in excess of 75 x parts by weight, (c) consisting of aluminum oxide and a compound that can be converted to aluminum oxide by heating at or below the temperature for sintering. An aluminum oxide source consisting of at least one substance selected from the group, which provides the mixture with Al 2 O 3 in the range of 0.3 to 50 parts by weight, and (d) Groups 2A and 3A of the Periodic Table. From materials selected from the group consisting of elemental oxides and fluorides, and compounds that can be converted to oxides of Group 2A and 3A elements by heating at or below the temperatures for sintering. 2A and 3 above.
An amount of the Group A element in the range of 0.01 to 15 parts by weight, a step of shaping the obtained mixture, and a step of shaping the obtained shaped body with a gas selected from the group consisting of nitrogen, ammonia and a combination thereof. Firing in a non-oxidizing atmosphere containing 180 ° C. and a thermal conductivity of 180 (W
/ M · K) or more of the step of obtaining ceramics,
Manufacturing method of aluminum nitride ceramics.
【請求項2】 前記焼結のための温度は、1300℃以
上であり、前記成形体の温度を1300℃の温度から、
前記焼結助剤と前記酸化アルミニウムとの反応により液
相が生じる温度まで、上昇させるため、1時間以上の時
間がかけられることを特徴とする、請求項1に記載の製
造方法。
2. The temperature for the sintering is 1300 ° C. or higher, and the temperature of the molded body is changed from the temperature of 1300 ° C. to
The manufacturing method according to claim 1, wherein in order to raise the temperature to a temperature at which a liquid phase is generated by the reaction of the sintering aid and the aluminum oxide, it takes 1 hour or more.
【請求項3】 前記炭素源が、カーボンブラック粉末、
グラファイト粉末、コークス粉末、ダイヤモンド粉末、
脂肪酸、芳香族化合物、有機樹脂および炭水化物からな
る群から選択され、前記酸化アルミニウム源が、酸化ア
ルミニウム、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、
硫酸アルミニウム、リン酸アルミニウムおよびステアリ
ン酸アルミニウムからなる群から選択され、かつ前記焼
結助剤が、酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化ス
トロンチウム、酸化スカンジウム、およびランタノイド
系元素の酸化物からなる群から選択されることを特徴と
する、請求項1または2に記載の製造方法。
3. The carbon source is carbon black powder,
Graphite powder, coke powder, diamond powder,
Selected from the group consisting of fatty acids, aromatic compounds, organic resins and carbohydrates, wherein the aluminum oxide source is aluminum oxide, aluminum hydroxide, aluminum nitrate,
Aluminum sulphate, aluminum phosphate and aluminum stearate, and the sintering aid is selected from the group consisting of yttrium oxide, calcium oxide, strontium oxide, scandium oxide, and oxides of the lanthanoid series elements. The manufacturing method according to claim 1 or 2, characterized in that:
【請求項4】 前記混合工程において、有機バインダ
ー、可塑剤、分散剤および消泡剤からなる群から選択さ
れる少なくとも1つの材料が添加される、請求項1〜3
のいずれか1項に記載の製造方法。
4. The mixing step, wherein at least one material selected from the group consisting of an organic binder, a plasticizer, a dispersant, and an antifoaming agent is added.
The manufacturing method according to any one of 1.
【請求項5】 前記焼成工程が、150℃〜1000℃
の範囲の温度で前記成形体を非酸化性雰囲気下で加熱
し、前記炭素源から炭素を遊離させる工程を含むことを
特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造
方法。
5. The firing step comprises 150 ° C. to 1000 ° C.
The manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, comprising a step of heating the molded body under a non-oxidizing atmosphere at a temperature in the range of 10 to release carbon from the carbon source. .
【請求項6】 請求項1の方法により製造された以下の
(i)〜(vi)の性質を備える窒化アルミニウムセラ
ミックス。 (i) 25℃において180(W/m・K)以上の熱
伝導率を有する。 (ii) 固溶酸素量が0.5重量%以下である。 (iii) 気孔の最大径が20μm以下である。 (iv) 35kg/mm2 以上の抗折強度を有する。 (v) 7.0以上のワイブル係数を示す。 (vi) 周期律表の2Aおよび3A族元素の含有量が
0.01〜15重量%である。
6. An aluminum nitride ceramic having the following properties (i) to (vi) produced by the method of claim 1. (I) It has a thermal conductivity of 180 (W / m · K) or higher at 25 ° C. (Ii) The amount of dissolved oxygen is 0.5% by weight or less. (Iii) The maximum diameter of pores is 20 μm or less. (Iv) It has a bending strength of 35 kg / mm 2 or more. (V) Indicates a Weibull coefficient of 7.0 or more. (Vi) The content of 2A and 3A group elements in the periodic table is 0.01 to 15% by weight.
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