JPH046162A - Aln-bn-based composite sintered body and production thereof - Google Patents
Aln-bn-based composite sintered body and production thereofInfo
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- JPH046162A JPH046162A JP2107464A JP10746490A JPH046162A JP H046162 A JPH046162 A JP H046162A JP 2107464 A JP2107464 A JP 2107464A JP 10746490 A JP10746490 A JP 10746490A JP H046162 A JPH046162 A JP H046162A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、M N−BN系複合セラミックス焼結体およ
びその製造方法に関する。詳しくは、ICパッケージ材
料、IC基板用材料、室温から高温にいたる電気絶縁性
放熱材料として利用が可使な、電気的絶縁性、高熱伝導
率、低熱膨張性、低誘電率、易加工性などの特徴を有す
るIN−BN系複合焼結体の、特に室温における機械的
強度を向上させた複合焼結体、およびその製造方法に関
する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to an M N-BN composite ceramic sintered body and a method for manufacturing the same. For more information, please see our electrical insulation properties, high thermal conductivity, low thermal expansion, low dielectric constant, ease of processing, etc., which can be used as IC package materials, IC substrate materials, electrical insulation heat dissipation materials from room temperature to high temperatures, etc. The present invention relates to an IN-BN composite sintered body having improved mechanical strength, particularly at room temperature, and a method for producing the same.
従来の技術
AlN−BN系複合焼結体は、高熱伝導率で、かつ普通
工具で高速切削加工が可使であるため、いわゆるマシナ
ブル・セラミックスとして(例えば、特開昭60− [
5058、特開昭80−195080、特開昭81−6
3572、特開昭62−58377など)実用化されて
いる。またBNの低熱膨張性、低誘電率等の特徴を生か
すことにより、半導体材料であるSiと熱膨張係数が近
く、信号遅延時間が短く、かつ熱伝導率の高い複合体が
得られるため、ICパッケージ材料、IC基板用材料と
しての応用が検討されている(例えば、特開平1−25
2584、特開平1−261279など)。Conventional technology AlN-BN composite sintered bodies have high thermal conductivity and can be cut at high speed with ordinary tools, so they are used as so-called machinable ceramics (for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1983-1983).
5058, JP 80-195080, JP 81-6
3572, Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-58377, etc.) has been put into practical use. In addition, by taking advantage of the characteristics of BN such as low thermal expansion and low dielectric constant, it is possible to obtain a composite with a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor material Si, short signal delay time, and high thermal conductivity. Applications as packaging materials and IC board materials are being considered (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-25
2584, JP-A-1-261279, etc.).
しかしながら、この複合焼結体は、 AlNあるいはM
2O3等の他のセラミックス焼結体と比較すると、曲げ
強さが小さいという欠点を有していた。However, this composite sintered body is made of AlN or M
Compared to other ceramic sintered bodies such as 2O3, it had the disadvantage of low bending strength.
これまでに報告されている3点曲げ強さとしては、A!
lN/BN (重量比)が80/ 20テ350MPa
程度、Et5 / 3!+r 230MPa程度、40
/ [1Offi 130MPa程度と、BHの含有量
が増加するに従って曲げ強さは減少している。The three-point bending strength reported so far is A!
lN/BN (weight ratio) is 80/20te 350MPa
Degree, Et5/3! +r about 230MPa, 40
/ [1 Offi is about 130 MPa, and the bending strength decreases as the BH content increases.
またホットプレス法により、88粒子を配向させた複合
焼結体においては、ホットプレス圧力軸と平行方向にス
パンをとった場合の曲げ強さが顕著に低く、88粒子の
配向の程度によって曲げ強さの値は異なるものの、80
/ 2(lテ100〜300MPa程度の値が報告され
ている。Furthermore, in a composite sintered body in which 88 grains are oriented by the hot press method, the bending strength when the span is taken parallel to the hot press pressure axis is significantly low, and the bending strength depends on the degree of orientation of the 88 grains. Although the value of the value is different, 80
/ 2 (lte) values of about 100 to 300 MPa have been reported.
これらの低い曲げ強さは、材料を使用する上で大きなネ
ックとなるため、改善が望まれていた。These low bending strengths are a major bottleneck in the use of these materials, so improvements have been desired.
発明が解決しようとする課題
本発明はこの問題点に鑑み、高熱伝導率、電気的絶縁性
、比較的低熱膨張、低誘電率、易加工性等の優れた特徴
を維持しつつ、機械的強度が改善されたM N−BN系
複合焼結体、およびその製造方法を提供することを目的
とする。Problems to be Solved by the Invention In view of this problem, the present invention has been developed to improve mechanical strength while maintaining excellent characteristics such as high thermal conductivity, electrical insulation, relatively low thermal expansion, low dielectric constant, and easy workability. An object of the present invention is to provide an M N-BN-based composite sintered body with improved properties, and a method for manufacturing the same.
課題を解決するための手段・作用
すなわち本発明は窒化アルミニウムと窒化アルミニウム
のポリタイプの合計量40〜80重量%、および六方晶
窒化ほう素工0〜60重量%よりなるAlN−BN系複
合焼結体である。Means/effect for solving the problem, that is, the present invention provides an AlN-BN composite sintered material consisting of aluminum nitride and polytype aluminum nitride in a total amount of 40 to 80% by weight, and hexagonal boron nitride material of 0 to 60% by weight. It is a body.
また、窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイ
プの合計量40〜80重量%、六方晶窒化ほう素lO〜
GO重量%、およびカルシウム化合物、イツトリウム化
合物のいずれか1種または2種以上の0.1−10重量
%よりなるAlN−BN系複合焼結体である。さらに本
発明の焼結体中の窒化アルミニウムのポリタイプの含有
率は窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプ
の合計量の50重量%以下である。In addition, the total amount of polytypes of aluminum nitride and aluminum nitride is 40 to 80% by weight, and hexagonal boron nitride is
It is an AlN-BN based composite sintered body consisting of 0.1-10% by weight of GO and one or more of calcium compounds and yttrium compounds. Further, the content of aluminum nitride polytype in the sintered body of the present invention is 50% by weight or less of the total amount of aluminum nitride and aluminum nitride polytype.
また窒化アルミニウム粉末40〜90重量%、六方晶窒
化ほう素粉末lO〜60重量%、および酸化けい素粉末
0.5〜10重量%とからなる混合粉末を真空または不
活性ガス雰囲気下、1600〜2000℃、5〜100
MPaで加圧加熱することによるM N−BN系複合焼
結体の製造方法に関する。Further, a mixed powder consisting of 40 to 90% by weight of aluminum nitride powder, 10 to 60% by weight of hexagonal boron nitride powder, and 0.5 to 10% by weight of silicon oxide powder was heated to 1600 to 100% by weight under vacuum or an inert gas atmosphere. 2000℃, 5-100
The present invention relates to a method for producing an M N-BN composite sintered body by pressurizing and heating at MPa.
また窒化アルミニウム粉末40〜90重量%、六方晶窒
化ほう素粉末lO〜60重量%、酸化けい素粉末0.5
〜10重量%、およびカルシウム化合物、イツトリウム
化合物のいずれか1種または2種以上の0.1〜10重
量%よりなる混合粉末を真空または不活性ガス雰囲気下
、1600〜2000℃、5〜100NPaで加圧加熱
することによるAlN−BN系複合焼結体の製造方法に
関する。カルシウム化合物としては酸化カルシウム、炭
化カルシウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、フッ
化カルシウム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム
、カルシウムシアナミド、イツトリウム化合物としては
、酸化イツトリウム、炭化イツトリウム、フッ化イツト
リウム、硝酸イツトリウムである。Also, aluminum nitride powder 40-90% by weight, hexagonal boron nitride powder 10-60% by weight, silicon oxide powder 0.5
~10% by weight, and 0.1 to 10% by weight of one or more of calcium compounds and yttrium compounds under vacuum or inert gas atmosphere at 1600 to 2000°C and 5 to 100NPa. The present invention relates to a method for producing an AlN-BN composite sintered body by pressurizing and heating. Calcium compounds include calcium oxide, calcium carbide, calcium carbonate, calcium nitrate, calcium fluoride, calcium hydroxide, calcium cyanide, calcium cyanamide, and yttrium compounds include yttrium oxide, yttrium carbide, yttrium fluoride, and yttrium nitrate. .
以下、本発明の焼結体について詳述する。Hereinafter, the sintered body of the present invention will be explained in detail.
本発明の焼結体は、窒化アルミニウムと窒化アルミニウ
ムのポリタイプの合計量40〜80重量%、および六方
晶窒化ほう素10〜60%よりなる。The sintered body of the present invention consists of a total amount of 40 to 80% by weight of aluminum nitride and polytype aluminum nitride, and 10 to 60% of hexagonal boron nitride.
また本発明のもうひとつの焼結体は、窒化アルミニウム
と窒化アルミニウムのポリタイプの合計量40〜90重
量%、六方晶窒化ほう素10〜60重量%、およびカル
シウム化合物、イツトリウム化合物のいずれか1種また
は2種以上の0.1〜10重量%よりなる焼結体である
。Another sintered body of the present invention contains a total of 40 to 90% by weight of aluminum nitride and a polytype of aluminum nitride, 10 to 60% by weight of hexagonal boron nitride, and one of a calcium compound and a yttrium compound. It is a sintered body consisting of 0.1 to 10% by weight of one or more types.
焼結体中に窒化アルミニウムのポリタイプを含有するこ
とにより、焼結体の室温における機械的強度が著しく向
上する。窒化アルミニウムのポリタイプには2H127
R、21R、12H、15R、8H等結晶構造の異なる
ものがいくつか存在する(K、H,Jack。By including polytype aluminum nitride in the sintered body, the mechanical strength of the sintered body at room temperature is significantly improved. 2H127 for aluminum nitride polytype
There are several different crystal structures such as R, 21R, 12H, 15R, and 8H (K, H, Jack).
J、Mat、 Sci、、 11.1135 (197
B))が、本発明の焼結体中に含有する窒化アルミニウ
ムのポリタイプはこのうちのいずれであっても特に支障
はない。J, Mat, Sci, 11.1135 (197
B)) The polytype of aluminum nitride contained in the sintered body of the present invention may be any of these polytypes without any particular problem.
これらポリタイプは、系内に酸化アルミニウム、酸化け
い素等を含有する場合に生成し、特に酸化けい素を含有
する場合には比較的低温で生成することが知られている
。It is known that these polytypes are formed when the system contains aluminum oxide, silicon oxide, etc., and particularly when silicon oxide is contained, they are formed at relatively low temperatures.
焼結体中の窒化アルミニウムのポリタイプの含有量は、
上限が窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイ
プの合計量に対して50重量%以下、好ましくは30重
量%以下である。下限は同じく窒化アルミニウムと窒化
アルミニウムのポリタイプの合計量に対して1重量%以
上、好ましくは2重量%以上、より好ましくは5重量%
以上である。ポリタイプの含有量がこれらのを範囲をこ
えて50重量%超存在した場合、焼結体の機械的強度は
著しく向上するものの、ポリタイプの低熱伝導率に起因
して焼結体の熱伝導率が低下し、AlN−BN系焼結体
が木来有している高い熱伝導率が損なわれる可能性があ
る。またポリタイプの含有量が1重量%未満の場合、本
発明の目的であるポリタイプを含有させることによる焼
結体の機械的強度の向上がほとんど認められない。The polytype content of aluminum nitride in the sintered body is
The upper limit is 50% by weight or less, preferably 30% by weight or less, based on the total amount of aluminum nitride and aluminum nitride polytype. The lower limit is also 1% by weight or more, preferably 2% by weight or more, more preferably 5% by weight based on the total amount of aluminum nitride and aluminum nitride polytype.
That's all. If the polytype content exceeds these ranges and exceeds 50% by weight, the mechanical strength of the sintered body will be significantly improved, but the thermal conductivity of the sintered body will be poor due to the low thermal conductivity of the polytype. There is a possibility that the high thermal conductivity that the AlN-BN-based sintered body traditionally has will be lost. Furthermore, when the polytype content is less than 1% by weight, the mechanical strength of the sintered body is hardly improved by including the polytype, which is the object of the present invention.
窒化アルミニウムのポリタイプによって焼結体の機械的
強度を向上させ、かつ高い熱伝導率を得ようとする場合
には、焼結体中にカルシウム化合物、イツトリウム化合
物の1種または2種以上がポリタイプと併せて含有させ
ることにより達成される。このカルシウム化合物、イツ
トリウム化合物は、製造時に添加するカルシウム化合物
、イツトリウム化合物と、原料として用いる窒化アルミ
ニウム、六方晶窒化ほう素粉末の表面に不可避的に生成
している酸化物との反応によって主として形成される。When trying to improve the mechanical strength of the sintered body and obtain high thermal conductivity by using a polytype of aluminum nitride, one or more of calcium compounds and yttrium compounds are added to the polytype of the sintered body. This is achieved by including the type together with the type. These calcium compounds and yttrium compounds are mainly formed by the reaction between the calcium compounds and yttrium compounds added during manufacturing and the oxides that inevitably form on the surface of the aluminum nitride and hexagonal boron nitride powders used as raw materials. Ru.
形成される化合物としてはアルミン酸カルシウム、アル
ミン酸イツトリウム、ほう酸カルシウム、ほう酸イツト
リウム、あるいはこれらの化合物間の反応によって生成
する化合物等があげられる。これらの化合物は、例えば
アルミン酸カルシウムを例にとるとにaO#Vj203
の比によっていくつかの化合物が存在することが知られ
ているが、(R,W、Nurse et、 al、
: Trans、 Br1t、 Ceram、
Sac、。Examples of the compounds formed include calcium aluminate, yttrium aluminate, calcium borate, yttrium borate, and compounds produced by reactions between these compounds. These compounds include, for example, calcium aluminate, aO#Vj203
It is known that some compounds exist depending on the ratio of (R, W, Nurse et al,
: Trans, Br1t, Ceram,
Sac,.
64、 [9]、 41B (1985)、
T、Nogucgi et、 al、: Kog
y。64, [9], 41B (1985),
T, Nogucgi et al.: Kog
y.
にagaku Zasshi、 70 [81839(
19B?)) 、本発明の焼結体中に含有する化合物は
そのうちのいずれであっても特に支障はない。Agaku Zasshi, 70 [81839 (
19B? )) The compound contained in the sintered body of the present invention may be any one of them without any particular problem.
これらの化合物が焼結体中に生成することにより焼結体
を構成する窒化アルミニウム、六方晶窒化ほう素粒子の
粒界の酸化物不純物が著しく減少し、結果として高い熱
伝導率の焼結体が得られる。焼結体中に存在するカルシ
ウム化合物、イツトリウム化合物の他のものとしては、
焼結助剤がそのまま反応せずに残留している場合、ポリ
タイプを形成させるために酸化けい素を添加した場合に
は、けい素を含むカルシウム、イツトリウムの複合酸化
物などがあげられる。The formation of these compounds in the sintered body significantly reduces oxide impurities at the grain boundaries of the aluminum nitride and hexagonal boron nitride particles that make up the sintered body, resulting in a sintered body with high thermal conductivity. is obtained. Other calcium compounds and yttrium compounds present in the sintered body include:
If the sintering aid remains unreacted, or if silicon oxide is added to form a polytype, complex oxides of calcium and yttrium containing silicon may be used.
焼結体の組成比は、窒化アルミニウムと窒化アルミニウ
ムのポリタイプの合計量40〜80重量%、および六方
晶窒化ほう素10〜60重量%よりなる。The composition ratio of the sintered body is 40 to 80% by weight in total of aluminum nitride and aluminum nitride polytype, and 10 to 60% by weight of hexagonal boron nitride.
窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプの合
計量が、40重量%付近の組成では、窒化アルミニウム
ポリタイプによる機械的強度の向上が顕著に認められる
。窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプの
合計量が80重量%付近の組成においては、特に製造方
法にホットプレス法を用い、焼結体中に薄片状の六方晶
BN粒子の配向・積層が認められる場合に、それに起因
する機械的強度を著しく改善することができる。(曲げ
強さを例にとると、BN粒子の配向・積層方向にスパン
をとった場合、換言するとホー/ ドブレスの圧力軸方
向にスパンをとった場合が著しく改善される。)
組成がこれらの範囲を越えて、窒化アルミニウムと窒化
アルミニウムのポリタイプの合計量が40重量%未満で
は、機械的強度の向上は認められるものの、焼結体の熱
伝導率の低下が大きくなり、AlN−BN系焼結体の優
れた特徴が失われるため好ましくない、逆に窒化アルミ
ニウムと窒化アルミニウムのポリタイプの合計量が80
重量%を越えると、焼結体の機械的強度はAlN焼結体
のそれに近づくため、実用上大きな問題となることが少
く、また異方性が認められる焼結体においてもBNの含
有量が少くなるため、顕著な異方性が認められなくなり
、機械的強度の顕著な向上が発現しない。When the total amount of aluminum nitride and aluminum nitride polytype is around 40% by weight, the mechanical strength is significantly improved by the aluminum nitride polytype. For compositions in which the total amount of aluminum nitride and aluminum nitride polytypes is around 80% by weight, the orientation and stacking of flaky hexagonal BN particles are observed in the sintered body, especially when the hot pressing method is used as the manufacturing method. In some cases, the resulting mechanical strength can be significantly improved. (For example, bending strength is significantly improved when the span is taken in the direction of orientation and stacking of BN particles, or in other words, when the span is taken in the direction of the pressure axis of Ho/Dobres.) If the total amount of aluminum nitride and aluminum nitride polytype is less than 40% by weight, the mechanical strength will improve, but the thermal conductivity of the sintered body will decrease significantly, and the AlN-BN This is undesirable because the excellent characteristics of the sintered body are lost, and conversely, the total amount of aluminum nitride and aluminum nitride polytype is 80%.
If the BN content exceeds % by weight, the mechanical strength of the sintered body approaches that of an AlN sintered body, so it is unlikely to cause a big problem in practice, and even in a sintered body with anisotropy, the BN content As the amount decreases, no significant anisotropy is observed, and no significant improvement in mechanical strength occurs.
本発明の複合セラミックス焼結体は、例えば次に述べる
方法によって製造することができるが、これは製造方法
の好ましい一例であって必ずしも以下の方法に限定され
るわけではない0本発明の複合セラミ−2クス焼結体は
、窒化アルミニウム粉末40〜90重量%、六方晶窒化
ほう素粉末10〜60重量%、および酸化けい素粉末0
.5〜10重量%とからなる混合粉末を真空または不活
性ガス雰囲気下1600〜2000℃、5〜100MP
aで加圧加熱することによって得られる。The composite ceramic sintered body of the present invention can be manufactured, for example, by the method described below, but this is a preferred example of the manufacturing method and is not necessarily limited to the following method. -2x sintered body contains 40-90% by weight of aluminum nitride powder, 10-60% by weight of hexagonal boron nitride powder, and 0% by weight of silicon oxide powder.
.. A mixed powder consisting of 5 to 10% by weight is heated at 1600 to 2000°C and 5 to 100 MP under vacuum or inert gas atmosphere.
It can be obtained by heating under pressure at step a.
窒化アルミニウム原料粉末は、従来公知のものが使用可
能であるが、焼結体の高嵩密度化、高熱伝導率化等の観
点から粒径としては平均粒径で5gm以下、好ましくは
2gm以下、酸素含有率としては3.0wt%以下、好
ましくは1.5wt%以下である。六方晶窒化ほう素原
料粉末もこれまでに公知のものが使用可能である。As the aluminum nitride raw material powder, conventionally known ones can be used, but from the viewpoint of increasing the bulk density and high thermal conductivity of the sintered body, the average particle size is 5 gm or less, preferably 2 gm or less, The oxygen content is 3.0 wt% or less, preferably 1.5 wt% or less. Conventionally known hexagonal boron nitride raw material powders can also be used.
平均粒径が細かい粉末を用いた場合、焼結体は比較的等
史的となり、平均粒径が比較的大きい粉末(六方晶窒化
ほう素粉末の典型的形状である顕著な薄片状を呈するも
の)を用いた場合には比較的異方性の強い焼結体となる
が、本発明の製造方法ではこのうちのいずれであっても
特に支障はない。When a powder with a small average particle size is used, the sintered body becomes relatively isochronic, and a powder with a relatively large average particle size (one that exhibits a pronounced flaky shape, which is a typical shape of hexagonal boron nitride powder) ), the result is a sintered body with relatively strong anisotropy, but in the manufacturing method of the present invention, there is no particular problem in using any of them.
酸素含有率は熱伝導率を考慮に入れると、少ない方が好
丈しいが、粉末が細かくなると表面に不可避的に生成す
る酸化物のために酸素含有率が増加するため、目的・用
途に応じて適当なものを選択することが望ましい。Taking thermal conductivity into account, it is better to have a lower oxygen content, but as the powder becomes finer, the oxygen content increases due to oxides that inevitably form on the surface, so the oxygen content may vary depending on the purpose and use. It is desirable to select an appropriate one.
酸化けい素原料粉末も従来公知のものが使用可能であり
、結晶質、非晶質のいずれも好適に使用できる0粒子径
も特に限定されるものではないが、反応性、焼結性を考
慮するとできるだけ細かいものが好ましく、沈降法等に
よって製造された酸化けい素粉末等が好適に使用される
。As the silicon oxide raw material powder, conventionally known ones can be used, and both crystalline and amorphous types can be suitably used. Although the zero particle size is not particularly limited, consideration should be given to reactivity and sinterability. In this case, it is preferable that the powder be as fine as possible, and silicon oxide powder produced by a precipitation method or the like is preferably used.
また本発明の製造方法で用いる酸化けい素粉末は、出発
原料そのものが酸化けい素である場合はもちろんのこと
、焼成中に酸化けい素となる様なもの、例えば有機金属
化合物、あるいはその分解生成物なども必要に応じて使
用することが可能である。In addition, the silicon oxide powder used in the production method of the present invention can be used not only when the starting material itself is silicon oxide, but also from materials that become silicon oxide during firing, such as organometallic compounds or their decomposition products. Items can also be used as needed.
原料粉末の配合割合は、窒化アルミニウム粉末40〜9
0重量%、六方晶窒化ほう素粉末10〜60重量%、お
よび酸化けい素粉末0.5〜10重量%である。酸化け
い素粉末の配合割合が0.5重量%未満では本発明の目
的である窒化アルミニウムのポリタイプの生成による機
械的強度の顕著な向上が認められないためであり、好ま
しくは1重量%以上、より好ましくは2重量%以上であ
る。また配合割合が10重量%超では、窒化アルミニウ
ムが多い組成においても焼結体中に存在する窒化アルミ
ニウムの量が減少して窒化アルミニウムのポリタイプが
支配的となり、組成によってはサイアロンが生成し、焼
結体の熱伝導率が低下するため好ましくなく、より好ま
しくは5重量%以下である。The blending ratio of raw material powder is aluminum nitride powder 40-9
0% by weight, 10-60% by weight of hexagonal boron nitride powder, and 0.5-10% by weight of silicon oxide powder. This is because if the blending ratio of silicon oxide powder is less than 0.5% by weight, the remarkable improvement in mechanical strength due to the formation of a polytype of aluminum nitride, which is the objective of the present invention, will not be observed, and it is preferably 1% by weight or more. , more preferably 2% by weight or more. In addition, if the blending ratio exceeds 10% by weight, the amount of aluminum nitride present in the sintered body decreases even in a composition with a large amount of aluminum nitride, and the polytype of aluminum nitride becomes dominant, and depending on the composition, sialon may be generated. This is not preferable because it lowers the thermal conductivity of the sintered body, and more preferably 5% by weight or less.
焼成は1600〜2000℃の温度で、5〜100MP
aノ圧力をかけながら行う、焼成温度が1600℃より
低いと焼結体の緻密化が充分におこらず、また窒化アル
ミニウムのポリタイプも生成しないため所望の焼結体の
特性が得られない。2000℃超では経済的でないばか
りか構成成分が一部分解をはじめる可能性があるため好
ましくない。Firing at a temperature of 1600-2000℃, 5-100MP
If the sintering temperature is lower than 1600° C. while applying a pressure, the sintered body will not be sufficiently densified and the polytype of aluminum nitride will not be formed, making it impossible to obtain the desired properties of the sintered body. If the temperature exceeds 2000°C, it is not only uneconomical but also undesirable because some of the constituent components may begin to decompose.
圧力は5NPa未満では、やはり焼結体の緻密化が充分
におこらないため所望の特性が得られない、 100M
Pa超ではやはり経済的でなく、また例えばホットプレ
ス法などを適用する場合に、使用する成形型が限定され
るなどの不都合が生じる。If the pressure is less than 5NPa, the sintered body will not be sufficiently densified and the desired characteristics will not be obtained.
If it exceeds Pa, it is still not economical, and when applying a hot press method, for example, there are problems such as the molds that can be used are limited.
加圧方法は、ホットプレスの如き一軸加圧、HIP 、
雰囲気ガス圧焼結の如き等実加圧のいずれでも良いが、
等実加圧を用いる場合、粉末成形体中には開放気孔が多
数存在するため、予備焼結によって開気孔をなくすか、
カプセル処理などの予備処理を必要とする。Pressure methods include uniaxial pressure such as hot press, HIP,
Any pressure method such as atmospheric gas pressure sintering may be used, but
When using constant pressure, there are many open pores in the powder compact, so it is necessary to eliminate the open pores by pre-sintering or
Requires preliminary processing such as capsule processing.
加圧加熱は、0.5〜4時間が好ましく、より好ましく
は1〜2時間である。加圧加熱が0.5時間未満の場合
、焼結体の緻密化が充分におこらず、満足する特性値が
得られない場合がある。また4時間超の加圧加熱は特性
値には悪影響を及ぼさないものの経済的でない。The heating time under pressure is preferably 0.5 to 4 hours, more preferably 1 to 2 hours. If the pressure and heating time is less than 0.5 hours, the sintered body may not be sufficiently densified, and satisfactory characteristic values may not be obtained. Further, although heating under pressure for more than 4 hours does not adversely affect the characteristic values, it is not economical.
また、加圧加熱は窒化物粒子の酸化を防ぐため真空中あ
るいは窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行うこ
とが望ましい。Further, in order to prevent oxidation of the nitride particles, the pressurized heating is preferably performed in a vacuum or in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon.
従来、窒化アルミニウムに酸化けい素を添加した焼結体
においては、酸化けい素の添加量が増加するに伴って嵩
密度が低下し、ひいては曲げ強さ、も低下することが知
られている(米屋、弁上、柘植、窯業協会誌、89、[
81、330(1981))が、本発明では六方晶窒化
ほう素と複合化させ、かつ焼結方法に加圧加熱法を用い
ることにより、充分な緻密化が達成され、機械的強度の
向上が認められる。Conventionally, it is known that in sintered bodies made by adding silicon oxide to aluminum nitride, the bulk density decreases as the amount of silicon oxide added increases, and the bending strength also decreases ( Yoneya, Benjo, Tsuge, Ceramics Association Journal, 89, [
81, 330 (1981)), but in the present invention, by combining it with hexagonal boron nitride and using a pressure heating method as the sintering method, sufficient densification is achieved and mechanical strength is improved. Is recognized.
また窒化アルミニウム焼結体にSiが不純物として存在
すると熱伝導率が低下することが知られているが、(「
機能回路用セラミック基板j p、82(電子材料工業
会g) 1985) 、本発明では焼結体の緻密化を促
進することにより、この熱伝導率の低下を最小限に抑制
している。しかしながらより熱伝導率の高い焼結体が必
要な場合には、第4成分として、カルシウム化合物、イ
ツトリウム化合物のいずれか1種または2種以上の0.
1〜10重量%を併せ用いることにより達成される。It is also known that the presence of Si as an impurity in aluminum nitride sintered bodies reduces thermal conductivity;
Ceramic Substrates for Functional Circuits Jp, 82 (Electronic Materials Industries Association G) 1985), the present invention minimizes this decrease in thermal conductivity by promoting densification of the sintered body. However, if a sintered body with higher thermal conductivity is required, one or more of calcium compounds and yttrium compounds may be used as the fourth component.
This can be achieved by using 1 to 10% by weight.
カルシウム化合物としては酸化カルシウム、炭化カルシ
ウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、フッ化カルシ
ウム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム、カルシ
ウムシアナミドであり、好ましくは、酸化カルシウム、
炭化カルシウム、硝酸カルシウム、カルシウムシアナミ
ドである。Calcium compounds include calcium oxide, calcium carbide, calcium carbonate, calcium nitrate, calcium fluoride, calcium hydroxide, calcium cyanide, and calcium cyanamide, preferably calcium oxide,
They are calcium carbide, calcium nitrate, and calcium cyanamide.
またイツトリウム化合物としては酸化イツトリウム、炭
化イツトリウム、フッ化イツトリウム、硝酸イツトリウ
ムであり、好ましくは、酸化イツトリウム、フッ化イツ
トリウムである。Yttrium compounds include yttrium oxide, yttrium carbide, yttrium fluoride, and yttrium nitrate, with yttrium oxide and yttrium fluoride being preferred.
これらの化合物の好適な添加量は0.1〜10重量%、
好ましくは0.2〜5重量%である。添加量が0.1重
量%未満では顕著な効果が発現せず、10重量%超では
、添加量が多過ぎてかえって焼結体の熱伝導率の低下を
きたす、また、これらの化合物の添加量は焼結体の熱伝
導率に比較的大きな影響を及ぼすため、注意して添加量
を決定する必要がある。この第4成分の添加により、前
述の様に焼結体中の粒界の酸化物不純物を著しく減少さ
せることができ、結果として、熱伝導率の低下の少い、
機械的強度の向上したAllN−0N系複合焼結体が得
られる。Suitable addition amounts of these compounds are 0.1 to 10% by weight,
Preferably it is 0.2 to 5% by weight. If the amount added is less than 0.1% by weight, no significant effect will be exhibited, and if it exceeds 10% by weight, the amount added will be too large and will actually reduce the thermal conductivity of the sintered body. Since the amount has a relatively large effect on the thermal conductivity of the sintered body, it is necessary to carefully determine the amount added. By adding this fourth component, as mentioned above, it is possible to significantly reduce the oxide impurities at the grain boundaries in the sintered body, and as a result, the thermal conductivity decreases less.
An AllN-0N composite sintered body with improved mechanical strength is obtained.
以下本発明を実施例を用いて説明するが、本発明はかか
る実施例にのみ限定されるものではない。The present invention will be explained below using examples, but the present invention is not limited only to these examples.
実施例1
平均粒径1.8ルmの窒化アルミニウム粉末、平均粒径
2.5JLmの六方晶窒化ほう素粉末、二酸化けい素粉
末(沈降製、特級試薬)、および焼結助剤としてカルシ
ウム化合物、イツトリウム化合物を第1表に示した割合
で配合し、ボールミル中で24時間、アセトンを溶媒と
して湿式混合を行った。得られた粉末を充分に乾燥した
後、黒鉛製ダイスに充填し、窒素ガス雰囲気中、160
0”0で2時間ホットプレス焼結を行った。Example 1 Aluminum nitride powder with an average particle size of 1.8 JLm, hexagonal boron nitride powder with an average particle size of 2.5 JLm, silicon dioxide powder (manufactured by Precipitation, special grade reagent), and a calcium compound as a sintering aid. , yttrium compounds were blended in the proportions shown in Table 1, and wet mixing was performed in a ball mill for 24 hours using acetone as a solvent. After sufficiently drying the obtained powder, it was filled into a graphite die and heated for 160 min in a nitrogen gas atmosphere.
Hot press sintering was performed at 0"0 for 2 hours.
得られた焼結体について、結晶相の同定およびその定量
、嵩密度、曲げ強さ、熱伝導率の測定を行った。結晶相
の同定は焼結体を粉砕した後に、粉末X線回折法により
、定量は酸化アルミニウム(コランダム)を内部標準と
したX線回折法により行った。嵩密度は水を用いたアル
キメデス法により、曲げ強さはJIS規格に準じた3点
曲げ強さをホットプレス圧力軸と垂直方向にスパンをと
った場合について測定した。Regarding the obtained sintered body, the crystal phase was identified and quantified, and the bulk density, bending strength, and thermal conductivity were measured. Identification of the crystal phase was performed by powder X-ray diffraction after pulverizing the sintered body, and quantitative determination was performed by X-ray diffraction using aluminum oxide (corundum) as an internal standard. The bulk density was measured by the Archimedes method using water, and the bending strength was measured by three-point bending strength in accordance with JIS standards when the span was taken in a direction perpendicular to the hot press pressure axis.
熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。結果
を第1表に示す。Thermal conductivity was measured by the laser flash method. The results are shown in Table 1.
曲げ強さは組成によって230〜380MPaの範囲で
変化しているが、後述の比較例1のほぼ同じ組成の焼結
体と比較して20〜100MPaの程度、曲げ強さの向
上が認められる。Although the bending strength varies in the range of 230 to 380 MPa depending on the composition, it is observed that the bending strength is improved by about 20 to 100 MPa compared to the sintered body of Comparative Example 1, which will be described later, having approximately the same composition.
比較例1
実施例1で用いた窒化アルミニウム粉末、六方晶窒化ほ
う素粉末に焼結助剤としてCaC2を第1表に示した割
合に配合し、実施例1と同様にホットプレス法により焼
結体を作製し、実施例1と同じ手法で焼結体の焼結相の
同定および定量、嵩密度、曲げ強さ、熱伝導率の測定を
行った。結果を第1表に示す。Comparative Example 1 CaC2 was added as a sintering aid to the aluminum nitride powder and hexagonal boron nitride powder used in Example 1 in the proportions shown in Table 1, and sintered by the hot press method in the same manner as in Example 1. A body was prepared, and the sintered phase of the sintered body was identified and quantified, and the bulk density, bending strength, and thermal conductivity of the sintered body were measured using the same method as in Example 1. The results are shown in Table 1.
実施例2
平均粒径1.8 g mの窒化アルミニウム粉末、平均
粒径10ILmの六方晶窒化ほう素粉末、および実施例
1で使用した二酸化けい素粉末、CaC2粉末を第2表
に示した割合で配合し、ボールミル中で24時間、アセ
トンを溶媒として湿式混合を行った。焼結は実施例1と
同様1600℃で2時間ホットプレス焼結した。得られ
た焼結体について、実施例1と同様結晶相の同定および
その定量、嵩密度、3点曲げ強さ、熱伝導率の測定を行
った。Example 2 Aluminum nitride powder with an average particle size of 1.8 g m, hexagonal boron nitride powder with an average particle size of 10 ILm, and the silicon dioxide powder and CaC2 powder used in Example 1 in the proportions shown in Table 2 and wet mixing was performed in a ball mill for 24 hours using acetone as a solvent. Sintering was carried out by hot press sintering at 1600° C. for 2 hours as in Example 1. Regarding the obtained sintered body, the crystal phase was identified and quantified, and the bulk density, three-point bending strength, and thermal conductivity were measured in the same manner as in Example 1.
焼結体には顕著な異方性が認められたため、3点曲げ強
さ、熱伝導率についてはホットプレス圧力軸に垂直方向
、平行方向の値をそれぞれ測定した。結果を第2表に示
す。Since remarkable anisotropy was observed in the sintered body, three-point bending strength and thermal conductivity were measured in the direction perpendicular to and parallel to the hot press pressure axis, respectively. The results are shown in Table 2.
後述の比較例2と比較して熱伝導率の値は若干低下する
ものの、曲げ強さが著しく向上し、特にホットプレス圧
力軸に平行方向にスパンをとった場合の曲げ強さが著し
く改善されていることがわかる。Although the thermal conductivity value is slightly lower than Comparative Example 2 described later, the bending strength is significantly improved, especially when the span is taken parallel to the hot press pressure axis. You can see that
比較例2
実施例2で用いた窒化アルミニウム粉末、六方晶窒化ほ
う素粉末、CaC2を第2表に示した割合で配合し、実
施例2と同様にホットプレス焼結体を作製した。Comparative Example 2 The aluminum nitride powder, hexagonal boron nitride powder, and CaC2 used in Example 2 were blended in the proportions shown in Table 2, and a hot-pressed sintered body was produced in the same manner as in Example 2.
得られた焼結体の結晶相の同定および定量、嵩密度、曲
げ強さ、熱伝導率の測定結果を第2表に示す。Table 2 shows the results of identification and quantification of the crystal phase, bulk density, bending strength, and thermal conductivity of the obtained sintered body.
(以下余白)
発明の効果
以上に述べた如く、本発明のAlN−BN系複合焼結体
はICパフケージ材料、IC基板用材料、室温から高温
にいたる電気絶縁性放熱材料として利用が可能なAlN
−BN系複合焼結体の特に室温における機械的強度を著
しく改善したものであり、上記用途のほかにマシナブル
・セラミックス等への応用が考えられ、産業上極めて有
用である。(Left below) Effects of the Invention As stated above, the AlN-BN composite sintered body of the present invention is an AlN compound that can be used as an IC puff cage material, an IC substrate material, and an electrically insulating heat dissipating material ranging from room temperature to high temperature.
-The mechanical strength of the -BN-based composite sintered body, especially at room temperature, has been significantly improved, and in addition to the above-mentioned uses, it can be applied to machinable ceramics, etc., and is extremely useful industrially.
Claims (6)
の合計量40〜90重量%、および六方晶窒化ほう素1
0〜60重量%よりなるAlN−BN系複合焼結体。1. Total amount of aluminum nitride and polytype of aluminum nitride 40-90% by weight, and hexagonal boron nitride 1
An AlN-BN composite sintered body containing 0 to 60% by weight.
の合計量40〜90重量%、六方晶窒化ほう素10〜6
0重量%、およびカルシウム化合物、イットリウム化合
物のいずれか1種または2種以上0.1〜10重量%よ
りなるAlN−BN系複合焼結体。2. Total amount of aluminum nitride and polytype of aluminum nitride 40-90% by weight, hexagonal boron nitride 10-6
0% by weight, and 0.1 to 10% by weight of one or more of calcium compounds and yttrium compounds.
ミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプの合計量に対
して50重量%以下である請求項1または2に記載のA
lN−BN系複合焼結体。3. A according to claim 1 or 2, wherein the content of aluminum nitride polytype is 50% by weight or less based on the total amount of aluminum nitride and aluminum nitride polytype.
IN-BN composite sintered body.
化ほう素粉末10〜80重量%、および酸化けい素粉末
0.5〜10重量%からなる混合粉末を真空または不活
性ガス雰囲気下、1600〜2000℃、5〜100M
Paで加圧加熱することによるAlN−BN系複合焼結
体の製造方法。4. A mixed powder consisting of 40 to 80% by weight of aluminum nitride powder, 10 to 80% by weight of hexagonal boron nitride powder, and 0.5 to 10% by weight of silicon oxide powder was heated at 1600 to 2000°C under vacuum or an inert gas atmosphere. , 5-100M
A method for producing an AlN-BN composite sintered body by pressurizing and heating with Pa.
化ほう素粉末10〜60重量%、酸化けい素粉末0.5
〜10重量%、およびカルシウム化合物、イットリウム
化合物のいずれか1種または2種以上0.1〜10重量
%よりなる混合粉末を真空または不活性ガス雰囲気下、
1600〜2000℃、5〜100MPaで加圧加熱す
ることによるAlN−BN系複合焼結体の製造方法。5. Aluminum nitride powder 40-90% by weight, hexagonal boron nitride powder 10-60% by weight, silicon oxide powder 0.5%
~10% by weight, and a mixed powder consisting of 0.1 to 10% by weight of one or more of calcium compounds and yttrium compounds under vacuum or an inert gas atmosphere.
A method for producing an AlN-BN composite sintered body by pressurizing and heating at 1600 to 2000°C and 5 to 100 MPa.
ム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、フッ化カルシウ
ム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム、又はカル
シウムシアナミド、イットリウム化合物が酸化イットリ
ウム、炭化イットリウム、フッ化イットリウム、又は硝
酸イットリウムである請求項5記載のAlN−BN系複
合焼結体の製造方法。6. A claim in which the calcium compound is calcium oxide, calcium carbide, calcium carbonate, calcium nitrate, calcium fluoride, calcium hydroxide, calcium cyanide, or calcium cyanamide, and the yttrium compound is yttrium oxide, yttrium carbide, yttrium fluoride, or yttrium nitrate. Item 5. The method for producing an AlN-BN composite sintered body according to item 5.
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- 1990-04-25 JP JP2107464A patent/JP2752227B2/en not_active Expired - Lifetime
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| CN116283305B (en) * | 2022-12-12 | 2024-05-28 | 厦门理工学院 | Aluminum nitride and boron nitride composite ceramic and preparation method thereof |
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