JPH11199324A - Aluminum nitride sintered body and method for producing the same - Google Patents

Aluminum nitride sintered body and method for producing the same

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JPH11199324A
JPH11199324A JP10000054A JP5498A JPH11199324A JP H11199324 A JPH11199324 A JP H11199324A JP 10000054 A JP10000054 A JP 10000054A JP 5498 A JP5498 A JP 5498A JP H11199324 A JPH11199324 A JP H11199324A
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JP
Japan
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added
amount
powder
sintered body
aln
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Application number
JP10000054A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinji Uchida
真治 内田
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】機械的強度が大で、熱伝導が良好な窒化アルミ
ニウム焼結体を得る。 【解決手段】AlN粉末にY2 O3 粉末を添加して焼結
するAlN焼結体の製造方法において、Y2 O3 以外の
原料に由来する酸素添加量とY2 O3 粉末の添加量との
質量比を1:3〜1:5の範囲とすることによって、Y
−Alの複合酸化物であるY3 Al5 O12とYAlO3
との混合相からなる結晶粒界相を生じさせ、150W/
(m・K)以上の高熱伝導率で、450MPa以上の高
強度の基板とする。AlN粉末にYF3 粉末を添加して
焼結するAlN焼結体の製造方法においては、原料に由
来する酸素添加量とYF3 粉末の添加量との質量比を
1:2〜1:4の範囲とすれば、同様に高強度の基板と
することができる。
(57) [Abstract] (with correction) [PROBLEMS] To obtain an aluminum nitride sintered body having high mechanical strength and good heat conduction. The A AlN powder was added Y 2 O 3 powder in the production method of the AlN sintered body is sintered, oxygenation derived from materials other than Y 2 O 3 and Y 2 O 3 added amount of powder By setting the mass ratio to 1: 3 to 1: 5, Y
A composite oxide of -Al Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3
To form a grain boundary phase consisting of a mixed phase with 150 W /
A substrate having a high thermal conductivity of not less than (m · K) and a high strength of not less than 450 MPa. In a method of manufacturing an AlN sintered body in which YF 3 powder is added to AlN powder and sintered, the mass ratio between the amount of oxygen added from the raw material and the amount of YF 3 powder added is 1: 2 to 1: 4. Within this range, a high-strength substrate can be similarly obtained.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばパワートラ
ンジスタモジュールなどにおいて半導体チップを搭載す
る、機械的強度および熱伝導性が良好な窒化アルミニウ
ム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 an aluminum nitride sintered body having good mechanical strength and thermal conductivity, for example, for mounting a semiconductor chip in a power transistor module or the like, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】大容量のトランジスタ、IGBT(絶縁
ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワーモジュール
には、絶縁放熱基板としてセラミックスが使われてい
る。セラミックスとしては、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A
l2 O3 と記す)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窒化アルミ
ニウム(以下AlNと記す)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 (insulated gate bipolar transistors), ceramics are used as an insulating heat dissipation substrate. As ceramics, aluminum oxide (hereinafter referred to as A) has good insulation, high thermal conductivity and high strength.
l 2 O 3 ) has been widely used. In recent years, aluminum nitride (hereinafter abbreviated as AlN) has been used as an insulating material having a higher thermal conductivity in order to improve heat dissipation for miniaturization and high performance of power modules.

【0003】通常、AlN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る。イットリウム(以下Yと
記す)やランタン(La)等の希土類元素の酸化物や弗
化物、カルシウム(Ca)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 O 3
と記す)や弗化イットリウム(以下YF3 と記す)を使
用すると、AlNを1800℃程度の比較的低温で緻密
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。これは、焼成時にY2 O3 やYF3 の焼
結助剤が、AlN粉末の極く表面層付近に存在する酸化
物あるいは酸窒化物と反応して、Y−Al−O系からな
る複合酸化物の液相を生成し、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。またこの時、
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る。一般に、
原料として用いる市販のAlN粉末中には、0.5〜1
質量%の酸素が含まれている。
[0003] Normally, AlN powder alone is densely sintered at normal pressure.
It is difficult to obtain solidification. Yttrium (hereinafter Y
Oxides or fluorides of rare earth elements such as lanthanum (La)
Of alkaline earth elements such as chlorides and calcium (Ca)
Sintering is performed by adding a sintering aid such as a material or a fluoride.
In particular, yttrium oxide (hereinafter referred to as YTwoO Three
Yttrium fluoride (hereinafter referred to as YF)ThreeWritten)
When used, AlN is dense at a relatively low temperature of about 1800 ° C.
And a sintered body with high thermal conductivity can be obtained.
Are known. This is because YTwoOThreeAnd YFThreeBaked
Oxidation when the binder is present near the surface layer of AlN powder
Reacts with oxides or oxynitrides to produce Y-Al-O
Liquid phase of the composite oxide which is produced at normal pressure by liquid phase sintering.
It is considered that sintering becomes possible. At this time,
For discharging oxygen contained in AlN particles to grain boundaries
It is considered that higher thermal conductivity is obtained. In general,
Among commercially available AlN powders used as raw materials, 0.5 to 1
Contains oxygen by mass.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】現在、市販されている
AlN焼結体は、4点曲げ強度が300〜350MPa
程度である。特に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、その信頼性に問題があった。そのため、高強
度のAlN焼結体が求められていた。
The commercially available AlN sintered body has a four-point bending strength of 300 to 350 MPa.
It is about. In particular, when used as an insulating heat-dissipating substrate for power modules, it can be destroyed by stress when joining metal electrodes, destroyed by stress caused by the difference in thermal expansion with the electrodes during the heat cycle after joining electrodes, or destroyed when tightening screws. And there was a problem with its reliability. Therefore, a high-strength AlN sintered body has been required.

【0005】本発明の目的は、機械的強度が大で、しか
も熱伝導率が良好なAlN焼結体およびその製造方法を
提供することにある。
An object of the present invention is to provide an AlN sintered body having high mechanical strength and good thermal conductivity, and a method for producing the same.

【0006】[0006]

【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の結晶粒径が5μmより大きい結晶粒
からなる場合には、その破壊は粒内での破壊が支配的で
あり、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がわかった。
よって、結晶粒径を5μm以下にするとともに粒界を強
固にすることによって機械的強度を向上させることがで
きると考えられる。
According to the observation of the fracture surface of the AlN sintered body, when the crystal grain size of AlN is larger than 5 μm, the breakdown is predominantly within the grain. It has been found that when the crystal grains are as small as 5 μm or less, the fracture is dominated by the fracture at the grain boundary.
Therefore, it is considered that the mechanical strength can be improved by reducing the crystal grain size to 5 μm or less and strengthening the grain boundaries.

【0007】粒界破壊の場合の機械的強度と粒界相の関
係から、粒界相にY4 Al2 O9 なる複合酸化物が存在
すると低強度となることがわかった。そして、Y3 Al
5 O 12、或いはYAlO3 なる複合酸化物が粒界に単独
で存在する場合に比べ、Y3Al5 O12とYAlO3 と
が共存した時の方が、高強度となることがわかった。ま
た、粒界相の組成の変化は、以上のように機械的強度へ
の影響が大きいものの、熱伝導率に対しては影響が小さ
いことがわかった。
The relationship between mechanical strength and intergranular phase in the case of intergranular fracture
From the result, YFourAlTwoO9 Complex oxide exists
Then, it turned out that it becomes low strength. And YThreeAl
FiveO 12Or YAlOThree Composite oxide alone at the grain boundary
Compared to the case whereThreeAlFiveO12And YAlOThree When
It was found that the strength was higher when coexisted. Ma
In addition, the change in the composition of the grain boundary phase
Effect is large, but has little effect on thermal conductivity
I understood that.

【0008】このような状況下において、上記の課題解
決のため本発明は、結晶粒界相が主としてY−Alの複
合酸化物であるY3 Al5 O12とYAlO3 との混合相
からなるAlN焼結体において、結晶粒界相中にジルコ
ニウム、ハフニウム、ホウ素のいずれかの窒化物粒子、
酸窒化物粒子を有するものとする。そのような窒化物粒
子、酸窒化物粒子が結晶粒界相中に存在すれば、結晶粒
成長を抑制し、また粒界での亀裂の進行を妨げる効果を
持ち、更に高強度化する。
Under these circumstances, in order to solve the above-mentioned problems, according to the present invention, the crystal grain boundary phase is mainly composed of a mixed phase of Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 which is a composite oxide of Y—Al. In the AlN sintered body, any one of zirconium, hafnium and boron nitride particles in the grain boundary phase,
It has oxynitride particles. If such nitride particles and oxynitride particles are present in the grain boundary phase, they have the effect of suppressing the growth of crystal grains and preventing the progress of cracks at the grain boundaries, and further increase the strength.

【0009】AlN粉末にY2 O3 粉末を添加して焼結
するAlN焼結体の製造方法においては、Y2 O3 以外
の原料に由来する添加酸素量とY2 O3 添加量との質量
比を1:3〜1:5の範囲とするのがよく、AlN粉末
にYF3 粉末を添加して焼結するAlN焼結体の製造方
法においては、原料に由来する添加酸素量とYF3 粉末
の添加量との質量比を1:2〜1:4の範囲とするのが
よい。
[0009] AlN powder by adding Y 2 O 3 powder in the production method of the AlN sintered body sintered, the additive amount of oxygen and Y 2 O 3 amount derived from materials other than Y 2 O 3 The mass ratio is preferably in the range of 1: 3 to 1: 5. In a method of manufacturing an AlN sintered body in which YF 3 powder is added to AlN powder and sintered, the amount of added oxygen derived from the raw material and YF (3) The mass ratio to the amount of the powder added is preferably in the range of 1: 2 to 1: 4.

【0010】そのような範囲とすれば、Y3 Al5 O12
とYAlO3 とが共存した粒界相となり、他のY4 Al
2 O9 なる複合酸化物や、Y3 Al5 O12、或いはYA
lO 3 が粒界に単独で存在する場合に比べ、高強度とな
る。AlN粉末を粉砕することにより、添加酸素量を調
整することもできる。粉砕すればAlN粉末の粒径が小
さくなり比表面積が大きくなるため吸着酸素或いは水分
量が増し、反応して生じる酸化アルミニウム(以下Al
2 O3 と記す)も増える。そのAl2 O3 とY2 O3 か
ら複合酸化物Y3 Al5 O12、YAlO3 を生じる。ま
たこの場合、原料の結晶粒径が小さいため比較的低温で
焼結される。微細粒の焼結では、粒界相の総量が相対的
に増加するので、比較的低温で焼結でき、焼結体の粒径
も小さいままで、空孔の無い焼結緻密化が可能である。
With such a range, YThreeAlFiveO12
And YAlOThree And a coexisting grain boundary phase, and other YFourAl
TwoO9 Complex oxide, or YThreeAlFiveO12Or YA
10 Three Is stronger than when solely exists at the grain boundaries.
You. The amount of added oxygen is adjusted by grinding the AlN powder.
Can also be adjusted. If crushed, particle size of AlN powder is small
Adsorbed oxygen or moisture
Aluminum oxide (hereinafter referred to as Al)
TwoOThreeWill increase). The AlTwoOThreeAnd YTwoOThreeOr
Composite oxide YThreeAlFiveO12, YAlOThree Is generated. Ma
In this case, since the crystal grain size of the raw material is small,
Sintered. In fine grain sintering, the total amount of grain boundary
Sintering at a relatively low temperature, and the particle size of the sintered body
Sintering and densification without porosity can be achieved while keeping the size small.

【0011】Al2 O3 或いはジルコニウム(Zr)、
ハフニウム(Hf)、ホウ素(B)のいずれかの酸化物
またはそれらの複数の酸化物を添加することにより、添
加酸素量を調整することもできる。酸素供給元として、
焼結温度、雰囲気中で、Alより還元しやすい元素の酸
化物を加えれば、還元されてY3 Al5 O12とYAlO
3 とが共存した粒界相となる。特に、ZrやHfやBの
酸化物や複合酸化物の場合には、還元されて窒化物また
は酸窒化物となり、AlN焼結体中の粒界に微粒子で高
分散状態として存在し、その粒子が焼結時のAlNの粒
成長を妨げるため、小さい粒径の焼結体が得られる。ま
た、粒界での亀裂の進行を妨げる効果を持つ。
Al 2 O 3 or zirconium (Zr),
The amount of added oxygen can also be adjusted by adding any oxide of hafnium (Hf) or boron (B) or a plurality of oxides thereof. As an oxygen source,
If an oxide of an element that is more easily reduced than Al is added in the sintering temperature and atmosphere, it is reduced to Y 3 Al 5 O 12 and YAlO.
3 becomes a grain boundary phase coexisting. In particular, in the case of oxides or composite oxides of Zr, Hf, or B, the oxides are reduced to nitrides or oxynitrides, and are present in a highly dispersed state with fine particles at grain boundaries in the AlN sintered body. Inhibits the grain growth of AlN during sintering, so that a sintered body having a small particle size can be obtained. Further, it has the effect of preventing the progress of cracks at grain boundaries.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下本発明に係る実験の結果およ
び実施例を説明する。なお、以下に示す組成比は、特に
ことわる場合を除きAlN粉末に対する重量%で表した
が、質量比でも同じである。 [実験1]AlN焼結体の熱的、機械的特性を評価する
ために、AlNに加える焼結助剤としてY2 O3 量を
2.5〜5%の間でほぼ0.5%毎に加えたセラミック
ス基板試料を作製した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The results of experiments according to the present invention and examples thereof will be described below. The composition ratios shown below are expressed in terms of% by weight with respect to the AlN powder unless otherwise specified, but the same applies to the mass ratio. [Experiment 1] Thermal of AlN sintered body, in order to evaluate the mechanical properties, approximately every 0.5% between 2.5 to 5% of Y 2 O 3 amount as a sintering aid to be added to AlN The ceramic substrate sample added to was prepared.

【0013】市販の平均粒径2.0μmのAlN粉末を
準備した。このAlN粉末は、酸素窒素分析計により分
析したところ、0.85%の酸素を含有していることが
わかった。そのAlN粉末に、焼結助剤として平均粒径
1μmのY2 O3 を2.5〜5%添加し、さらにバイン
ダーとしてポリビニルアルコール(以下PVAと略す)
を5%添加して乳鉢にて混合した後、メッシュ造粒し
て、混合粉末を調製した。
A commercially available AlN powder having an average particle size of 2.0 μm was prepared. The AlN powder was analyzed by an oxygen nitrogen analyzer, and was found to contain 0.85% oxygen. To the AlN powder, 2.5 to 5% of Y 2 O 3 having an average particle diameter of 1 μm is added as a sintering aid, and polyvinyl alcohol (hereinafter abbreviated as PVA) as a binder.
Was mixed in a mortar and mesh-granulated to prepare a mixed powder.

【0014】その混合粉末を金型に入れ、約100MP
aの圧力で角棒状および円盤状にプレス成形をおこな
い、電気炉を用いて450〜500℃、大気中で2時
間、仮焼成して成形体中のバインダーを除去した。その
後、窒化ホウ素(以下BNと記す)製の箱に入れ、BN
製のセッター板と敷き粉を用いて、カーボンヒータ電気
炉で窒素雰囲気中、1780〜1820℃、2時間焼結
した。焼結温度は、Y2 O 3 の添加量に応じて、空孔が
消滅する温度とした。例えば、添加量3%の場合は18
20℃である。それより高温で焼成すると、粒成長が進
行し結晶粒径が5μm以上になり粒内破壊が顕著に見ら
れるようになる。そして強度も低下する。
The mixed powder is put in a mold and is
Press forming into a square rod and disk shape with the pressure of a
2 hours in the air at 450-500 ° C using an electric furnace
During this time, the binder was removed from the molded body by calcination. That
After that, put in a box made of boron nitride (hereinafter referred to as BN)
Electric heater using carbon-made setter plate and litter
Sintering at 1780-1820 ° C for 2 hours in a nitrogen atmosphere in a furnace
did. The sintering temperature is YTwoO ThreeDepending on the amount of
The temperature was set to disappear. For example, when the addition amount is 3%, 18
20 ° C. Firing at a higher temperature promotes grain growth.
The crystal grain size became 5 μm or more, and intragranular fracture was remarkably observed.
Will be able to And the strength also decreases.

【0015】得られた3×4×40mmの角棒状のAl
N焼結体を、面取り加工(C0.2)し、JIS−R−
1601に準じて四点曲げ強度試験を行った。一方、円
盤状のAlN焼結体を直径10mm、厚さ3mmに加工
して、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。また、走査型電子顕微鏡(以下SEMと記す)
観察により空孔の有無を観察し、粉末X線回折(以下X
RDと記す)測定により第二相の組成を決定した。
The obtained 3 × 4 × 40 mm square bar-shaped Al
The N sintered body is chamfered (C0.2) and JIS-R-
A four-point bending strength test was performed in accordance with 1601. On the other hand, a disk-shaped AlN sintered body was processed into a diameter of 10 mm and a thickness of 3 mm, and the thermal conductivity at room temperature was determined by a laser flash method. Scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM)
The presence or absence of vacancies is observed by observation, and powder X-ray diffraction (hereinafter referred to as X
The composition of the second phase was determined by measurement.

【0016】また、これらの試料について、それぞれ常
法に従って観察試料等を作製し、透過型電子顕微鏡(以
下TEMと記す)観察と、粒内と粒界部についての電子
線回折をおこなった。その結果、結晶粒内はAlNであ
り、粒界および三重点に析出した相である粒界相が、X
RD測定により決定した第二相であることが確認され
た。
Observation samples and the like were prepared for each of these samples according to a conventional method, and observed by a transmission electron microscope (hereinafter abbreviated as TEM), and electron diffraction was performed on the inside and at the grain boundaries. As a result, the inside of the crystal grains is AlN, and the grain boundary phase, which is a phase precipitated at the grain boundaries and triple points, is X
The second phase was determined by RD measurement.

【0017】表1に試料組成および評価結果をまとめたTable 1 summarizes sample compositions and evaluation results.

【0018】[0018]

【表1】 試料番号1〜6は、Y2 O3 の添加量を2.5〜5%の
範囲で変えたものである。表1に示す結果より、Y2 O
3 の添加量が増すと、曲げ強度が増大し、3.5%で最
大490MPaに達した後、次第に低下している。この
間で、熱伝導率は、180W/(m・K)で変わってい
ない。すなわち、熱伝導率が150W/(m・K)以上
で、曲げ強度が450MPa以上を良好とすると、Y2
O3 の添加量としては3〜4%が適することがわかる。
この範囲の最後の欄に○印を付した。
[Table 1] Sample Nos. 1 to 6 were obtained by changing the amount of Y 2 O 3 added in the range of 2.5 to 5%. From the results shown in Table 1, Y 2 O
As the addition amount of 3 increases, the flexural strength increases, and reaches 3.5% at a maximum of 490 MPa, and then gradually decreases. During this time, the thermal conductivity has not changed at 180 W / (m · K). That is, if the thermal conductivity is 150 W / (m · K) or more and the bending strength is 450 MPa or more, Y 2
It is understood that 3 to 4% is suitable as the added amount of O 3 .
The last column of this range was marked with a circle.

【0019】この範囲では、粒界相がY3 Al5 O12と
YAlO3 との共存状態にあり、そのことが曲げ強度の
高い理由と考えられる。Y2 O3 の3〜4%の添加量
は、原料AlNの酸素含有量0.85%に対して、3.
5〜4.7倍に相当する。実験1より大きい粒径のAl
N粉末を用い、それに応じて粒界相がY3 Al5O12と
YAlO3 との混合相になるようにY2 O3 添加量を調
整すると、含有酸素量が少ないため、焼結時に粒界相を
形成する液相量が少な過ぎて、焼結体中に空孔が若干残
留しており、そのため強度が少し低下した。
In this range, the grain boundary phase is in the coexistence state of Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3, which is considered to be the reason for the high bending strength. The addition amount of 3 to 4% of Y 2 O 3 is based on 0.85% of oxygen content of the raw material AlN.
It corresponds to 5-4.7 times. Experiment 1 Al with a larger particle size
When N powder is used and the amount of Y 2 O 3 added is adjusted so that the grain boundary phase becomes a mixed phase of Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 , the oxygen content is small. The amount of the liquid phase forming the boundary phase was too small, and some pores remained in the sintered body, and the strength was slightly reduced.

【0020】[実験2]実験1で使用した市販の平均粒
径2.0μmのAlN粉末を、更にボールミルで粉砕し
たものを出発原料として、実験をおこなった。市販の平
均粒径2.0μmのAlN粉末200gとイソプロピル
アルコール(IPA)を、直径10mmで純度99.9
%のアルミナボールとともに内径80mmで容量500
mlのポリエチレン製ポットに入れ、120rpmの回
転速度で6時間または12時間粉砕した。
[Experiment 2] An experiment was carried out using the commercially available AlN powder having an average particle size of 2.0 μm used in Experiment 1 and further pulverized with a ball mill as a starting material. 200 g of a commercially available AlN powder having an average particle size of 2.0 μm and isopropyl alcohol (IPA) were prepared with a diameter of 10 mm and a purity of 99.9.
% Alumina ball with inner diameter 80mm and capacity 500
The mixture was placed in a polyethylene pot of 100 ml and ground at a rotation speed of 120 rpm for 6 hours or 12 hours.

【0021】ボールミルで6、12時間粉砕したものに
ついて、レーザ散乱法による粒径の測定と酸素窒素分析
計による酸素量分析をおこなった。その結果、6時間粉
砕のものは平均粒径が1.5μm、酸素量が1.15%
であり、12時間のものは平均粒径が1.2μm、酸素
量が1.8%であった。ボールミルで粉砕したAlN粉
末に、焼結助剤としてY2 O3 粉末を、6時間のものに
ついては3〜6%、12時間のものについては4〜10
%添加し、10rpmのゆっくりした回転速度で混合し
た。それを乾燥し、さらにバインダとしてPVAを5%
添加し、乳鉢にて混合、メッシュ造粒して、混合粉末を
調整した。この後の試料作製方法と評価方法は、実験1
と同様におこなった。
The particles crushed by a ball mill for 6 to 12 hours were subjected to measurement of a particle size by a laser scattering method and analysis of an oxygen content by an oxygen nitrogen analyzer. As a result, those milled for 6 hours had an average particle size of 1.5 μm and an oxygen content of 1.15%.
In the case of 12 hours, the average particle size was 1.2 μm and the oxygen content was 1.8%. The AlN powder was ground in a ball mill, a Y 2 O 3 powder as a sintering aid, 3-6% for those 6 hours, for those 12 hours 4-10
% And mixed at a slow rotation speed of 10 rpm. Dry it and add 5% PVA as binder
The mixture was added, mixed in a mortar, and mesh-granulated to prepare a mixed powder. The subsequent sample preparation method and evaluation method are described in Experiment 1.
The same was done.

【0022】表2に試料組成および評価結果をまとめたTable 2 summarizes sample compositions and evaluation results.

【0023】[0023]

【表2】 試料番号1〜4は、粉砕時間6時間でY2 O3 の添加量
3〜6%に対応している。表2に示す結果より、Y2 O
3 の添加量が増すと、曲げ強度が増大し、5%で最大5
20MPaに達した後、低下している。熱伝導率は、こ
の間でやや低下して175W/(m・K)になってい
る。熱伝導率が150W/(m・K)以上で、曲げ強度
が450MPa以上を良好とすると、Y2 O3 の添加量
が4〜5%が適することがわかる。この範囲の最後の欄
に○印を付した。
[Table 2] Sample No. 1-4 corresponds to the amount 3-6% of Y 2 O 3 in the grinding time of 6 hours. From the results shown in Table 2, Y 2 O
When the addition amount of 3 increases, the bending strength increases, and at 5%, a maximum of 5
It drops after reaching 20 MPa. During this period, the thermal conductivity slightly decreased to 175 W / (m · K). Assuming that the thermal conductivity is 150 W / (m · K) or more and the bending strength is 450 MPa or more, the addition amount of Y 2 O 3 is 4 to 5%. The last column of this range was marked with a circle.

【0024】試料番号5〜8は、粉砕時間12時間でY
2 O3 の添加量4〜10%に対応している。Y2 O3 の
添加量が増すと、曲げ強度が増大し、8%で最大520
MPaに達した後、低下している。熱伝導率は、この間
で更に低下して170W/(m・K)になっているが、
150W/(m・K)よりはまだ十分大きい。熱伝導率
が150W/(m・K)以上で、曲げ強度が450MP
a以上を良好とすると、Y2 O3 の添加量が6〜8%が
適することがわかる。この範囲の最後の欄に○印を付し
た。
Sample Nos. 5 to 8 were obtained by grinding for 12 hours with Y
This corresponds to an addition amount of 2 O 3 of 4 to 10%. As the addition amount of Y 2 O 3 increases, the bending strength increases, and at 8%, the maximum is 520.
After reaching MPa, it decreases. The thermal conductivity further decreased during this period to 170 W / (m · K),
It is still sufficiently larger than 150 W / (m · K). Thermal conductivity of 150W / (m · K) or more, bending strength of 450MP
Assuming that a is equal to or more than a, it is understood that the addition amount of Y 2 O 3 is preferably 6 to 8%. The last column of this range was marked with a circle.

【0025】ボールミル粉砕を行ったことにより、原料
AlN粉末の酸素量が実験1の0.85%から1.15
%、1.8%に増加した。そして、それに応じて実験1
の最適範囲よりY2 O3 量を増した領域で、曲げ強度が
大きく、熱伝導度も高いAlN焼結体が得られることが
わかる。但し、Y2 O3 の添加量は、原料AlNの酸素
含有量に対する比として見ると、6時間粉砕のもので
3.5〜4.3倍、12時間粉砕のもので3.3〜4.
4倍と実験1の場合とほぼ同じ範囲である。
By performing ball milling, the oxygen content of the raw material AlN powder was reduced from 0.85% in Experiment 1 to 1.15%.
%, 1.8%. And experiment 1
It can be seen that an AlN sintered body having a high bending strength and a high thermal conductivity can be obtained in a region where the amount of Y 2 O 3 is increased from the optimum range of the above. However, the addition amount of Y 2 O 3 is 3.5 to 4.3 times in the case of pulverization for 6 hours and 3.3 to 4.3 in the case of pulverization for 12 hours in terms of the ratio to the oxygen content of the raw material AlN.
4 times, which is almost the same range as in the case of Experiment 1.

【0026】すなわち、Y2 O3 の添加量に対して、一
定の割合の酸素を供給することによって、450MPa
以上の機械的強度と150W/(m・K)以上熱伝導率
とをもつAlN焼結体が得られ、その割合は、酸素量に
対して、Y2 O3 の添加量が3〜5倍の比率であるとい
える。○印の試料ではいずれも粒界相がY3 Al5 O12
とYAlO3 との共存状態にある。しかも、原料AlN
の酸素含有量およびY2 O3 の添加量は実験1より多く
なっているので、粒界相の総量が増大していると考えら
れ、そのことが曲げ強度が、最大500MPa以上と実
験1より高い水準にある理由と考えられる。
That is, by supplying a fixed ratio of oxygen to the amount of Y 2 O 3 added, 450 MPa
An AlN sintered body having the above mechanical strength and thermal conductivity of 150 W / (m · K) or more can be obtained, and the proportion thereof is such that the addition amount of Y 2 O 3 is 3 to 5 times the amount of oxygen. It can be said that this is the ratio of In all the samples marked with a circle, the grain boundary phase is Y 3 Al 5 O 12
And YAlO 3 coexist. Moreover, the raw material AlN
Since the oxygen content and the addition amount of Y 2 O 3 are larger than those in Experiment 1, it is considered that the total amount of the grain boundary phase is increased. This is probably because of the high standard.

【0027】また、粒界相の総量が増大していることに
より、焼成温度1800℃以下で緻密化でき、もともと
の原料粉末の粒径が小さい効果も加わって、平均2μm
程度の小さい粒径からなる焼結体となっていた。これも
実験1のものより高強度になった理由の一つと考えられ
る。 [実験3]焼結助剤として実験1のY2 O3 に代えてY
F3 を1.5〜4%添加する実験をおこなった。他の試
料作製方法は、実験1と同様とした。評価方法も、実験
1と同様に、四点曲げ強度試験、レーザーフラッシュ法
による熱伝導率測定、SEM観察、XRD法による測定
粒界相の組成同定を行った。
Further, since the total amount of the grain boundary phase is increased, densification can be performed at a sintering temperature of 1800 ° C. or less, and the effect of reducing the particle size of the original raw material powder is added.
The sintered body had a small particle size. This is also considered to be one of the reasons why the strength was higher than that of Experiment 1. [Experiment 3] In place of Y 2 O 3 in Experiment 1, Y was used as a sintering aid.
The F 3 work was performed adding 1.5 to 4%. Other sample preparation methods were the same as in Experiment 1. As in the evaluation method, as in Experiment 1, a four-point bending strength test, thermal conductivity measurement by a laser flash method, SEM observation, and composition identification of a grain boundary phase measured by an XRD method were performed.

【0028】表3に試料組成および評価結果をまとめたTable 3 summarizes sample compositions and evaluation results.

【0029】[0029]

【表3】 試料番号1〜6は、YF3 の添加量1.5〜4%に対応
している。表3に示す結果より、YF3 の添加量が増す
と、曲げ強度が増大し、2.5%で最大490MPaに
達した後、低下している。熱伝導率は、この間で変わら
ず180W/(m・K)である。熱伝導率が150W/
(m・K)以上で、曲げ強度が450MPa以上を良好
とすると、YF3 の添加量が2〜3%が適することがわ
かる。この範囲の最後の欄に○印を付した。
[Table 3] Sample No. 1-6 corresponds to the amount from 1.5 to 4% of YF 3. From the results shown in Table 3, it can be seen that as the addition amount of YF 3 increases, the flexural strength increases, reaches 2.5% at a maximum of 490 MPa, and then decreases. The thermal conductivity remains at 180 W / (m · K) during this period. Thermal conductivity 150W /
If the bending strength is not less than (m · K) and the bending strength is not less than 450 MPa, it is understood that the addition amount of YF 3 is preferably 2 to 3%. The last column of this range was marked with a circle.

【0030】この範囲では、粒界相がY3 Al5 O12と
YAlO3 との共存状態にあるのは前二例と同様であっ
た。YF3 の2〜3%の添加量は、原料AlNの酸素含
有量0.85%に対して、2.4〜3.5倍に相当す
る。また、実験2と同様のボールミルで粉砕したAlN
粉末を用いて、YF3 を焼成助剤として焼結する実験を
おこなったところ、やはり、AlN粉末中の酸素量に対
してYF3 量を2〜4倍として焼結したAlN焼結体
が、曲げ強度、熱伝導率の両者がともに良いという結果
を示した。
In this range, the grain boundary phase was in the coexistence state of Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 as in the previous two examples. The addition amount of YF 3 of 2 to 3% corresponds to 2.4 to 3.5 times the oxygen content of the raw material AlN of 0.85%. Also, AlN pulverized by the same ball mill as in Experiment 2 was used.
When an experiment of sintering YF 3 as a sintering aid using powder was performed, an AlN sintered body obtained by sintering the amount of YF 3 by 2 to 4 times the amount of oxygen in the AlN powder, The results showed that both the bending strength and the thermal conductivity were good.

【0031】すなわち、YF3 の添加量に対して、一定
の割合の酸素を供給することによって、450MPa以
上の機械的強度と150W/(m・K)以上熱伝導率と
をもつAlN焼結体が得られ、その割合は、酸素量に対
して、YF3 の添加量が1:2〜1:4の範囲であると
いえる。AlN粉末を更に粉砕して添加酸素量を調節す
るこの方法は、添加される酸素の分散が均一になされる
ので、粒界相の分布も均一になされるので、強度も全体
的に強化される。
That is, by supplying a fixed ratio of oxygen to the amount of YF 3 added, an AlN sintered body having a mechanical strength of 450 MPa or more and a thermal conductivity of 150 W / (m · K) or more. It can be said that the ratio is such that the addition amount of YF 3 is in the range of 1: 2 to 1: 4 with respect to the oxygen amount. In this method of further pulverizing the AlN powder to adjust the amount of added oxygen, since the added oxygen is uniformly dispersed, the distribution of the grain boundary phase is also made uniform, and the strength is enhanced as a whole. .

【0032】[実験4]市販の平均粒径2.0μmのA
lN粉末に、焼結助剤としてY2 O3 を3〜7%添加
し、更に粒径50〜100nmの酸化ジルコニウム(以
下ZrO2 と記す)を0.5〜4%添加して焼結したA
lN焼結体の熱的、機械的特性を評価した。他の試料作
製方法は、実験1と同様とした。評価方法も、実験1と
同様に、四点曲げ強度試験、レーザーフラッシュ法によ
る熱伝導率測定、SEM観察、XRD法による測定粒界
相の組成同定を行った。
[Experiment 4] Commercially available A having an average particle size of 2.0 μm
To 1N powder, 3 to 7% of Y 2 O 3 is added as a sintering aid, and 0.5 to 4% of zirconium oxide (hereinafter referred to as ZrO 2 ) having a particle size of 50 to 100 nm is added and sintered. A
The thermal and mechanical properties of the 1N sintered body were evaluated. Other sample preparation methods were the same as in Experiment 1. As in the evaluation method, as in Experiment 1, a four-point bending strength test, thermal conductivity measurement by a laser flash method, SEM observation, and composition identification of a grain boundary phase measured by an XRD method were performed.

【0033】試料について、TEM観察し、電子線回折
を行った。その結果、粒内はAlNであり、粒界および
三重点にY−Al−O複合酸化物と窒化ジルコニウムが
確認された。また、酸素、窒素分析計により分析した結
果、焼結体に含まれる酸素の総量は、出発原料のものと
変わらなかった。この結果から、ZrO2 が酸素発生源
となり、AlN、または、Y−Al−O複合酸化物に酸
素を供給したと考えられる。
The sample was observed with a TEM and subjected to electron beam diffraction. As a result, the inside of the grains was AlN, and a Y-Al-O composite oxide and zirconium nitride were confirmed at the grain boundaries and the triple points. Further, as a result of analysis by an oxygen and nitrogen analyzer, the total amount of oxygen contained in the sintered body was not different from that of the starting material. From this result, it is considered that ZrO 2 became an oxygen generation source and supplied oxygen to AlN or the Y—Al—O composite oxide.

【0034】この場合も、微粒子のZrO2 粉末を添加
しているので、反応が均一におこなわれ、粒界相の分布
も均一であった。 [実験4−1]Y2 O3 添加量を5%で一定とし、Zr
O2 を0.5〜4%添加して焼結したAlN焼結体の熱
的、機械的特性を評価した結果を表4に示す。
Also in this case, since the fine ZrO 2 powder was added, the reaction was performed uniformly and the distribution of the grain boundary phase was uniform. [Experiment 4-1] With the addition amount of Y 2 O 3 fixed at 5%, Zr
The O 2 was added 0.5 to 4% thermal sintering the AlN sintered body, the result of evaluating the mechanical properties shown in Table 4.

【0035】[0035]

【表4】 試料番号1〜5は、ZrO2 の添加量0.5〜4%に対
応している。 ZrO 2 から供給される酸素をAlNに
対する質量比で計算すると、ZrO2 を0.5〜4%添
加した場合、酸素の供給分としては、0.13〜1.0
4%となる。表4に示す結果より、ZrO2 の添加量が
増すと、曲げ強度が増大し、2%で最大600MPaに
達した後、低下している。
[Table 4]Sample numbers 1 to 5 are ZrOTwo0.5 to 4%
I am responding. ZrO TwoOxygen supplied from AlN
Calculated by mass ratio to ZrOTwoWith 0.5-4%
When added, the supply amount of oxygen is 0.13 to 1.0
It becomes 4%. From the results shown in Table 4, ZrOTwoAmount of
As it increases, the bending strength increases, and at 2%, up to 600 MPa
After reaching, it has fallen.

【0036】これは、窒化ジルコニウム粒子が粒界に存
在することで、粒界での亀裂の進行を妨げる効果を持
ち、更に高強度化したと考えられる。熱伝導率は、この
間で180〜145W/(m・K)と次第に低下してい
る。熱伝導率が150W/(m・K)以上で、曲げ強度
が450MPa以上を良好とすると、ZrO2 の添加量
が1.0〜3.0%が適することがわかる。この範囲の
最後の欄に○印を付した。
This is presumably because the presence of the zirconium nitride particles at the grain boundaries has the effect of inhibiting the progress of cracks at the grain boundaries, and further increases the strength. During this time, the thermal conductivity gradually decreases to 180 to 145 W / (m · K). Assuming that the thermal conductivity is 150 W / (m · K) or more and the bending strength is 450 MPa or more, the addition amount of ZrO 2 is preferably 1.0 to 3.0%. The last column of this range was marked with a circle.

【0037】この範囲では、粒界相がY3 Al5 O12と
YAlO3 との共存状態にあるのは前の例と同様であっ
た。Y2 O3 の添加量5%は、AlN粉末とZrO2 の
1.0〜3.0%添加に由来する酸素量に対して、3.
2〜4.6倍に相当する。Y2 O3 量の添加量が多いた
め、実験1の時よりも粒界相の総量が増し、焼成温度も
1800℃以下で緻密化できた。また、窒化ジルコニウ
ム粒子が焼結時のAlNの粒成長を妨げるため、2μm
程度の小さい粒径の焼結体となっていた。これらも高強
度に寄与していると考えられる。
In this range, the grain boundary phase coexists with Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 as in the previous example. Amount of 5% Y 2 O 3, relative to the amount of oxygen derived from the 1.0% to 3.0% addition of AlN powder and ZrO 2, 3.
It corresponds to 2-4.6 times. Since the amount of Y 2 O 3 added was large, the total amount of the grain boundary phase was larger than in the case of Experiment 1, and the sintering temperature could be reduced to 1800 ° C. or less. Also, since the zirconium nitride particles hinder the growth of AlN grains during sintering, 2 μm
The sintered body had a small particle size. These are also considered to contribute to high strength.

【0038】[実験4−2]ZrO2 添加量を2.0%
と固定し、Y2 O3 を3.0〜7.0%添加して焼結し
たAlN焼結体の熱的、機械的特性を評価した結果も表
4に示した。試料番号6〜10は、Y2 O3 の添加量
3.0〜7.0%に対応している。Y 2 O3 の添加量が
増すと、曲げ強度が増大し、5%で最大600MPaに
達した後、低下している。窒化ジルコニウム粒子が粒界
に存在することで、高強度化したと考えられる。熱伝導
率は、この間で170〜160W/(m・K)と余り変
わらない。熱伝導率が150W/(m・K)以上で、曲
げ強度が450MPa以上を良好とすると、Y2 O3 の
添加量が4.0〜6.0%が適することがわかる。この
範囲の最後の欄に○印を付した。
[Experiment 4-2] ZrOTwo2.0% added amount
And YTwoOThreeIs added to 3.0 to 7.0% and sintered.
Table also shows the results of evaluating the thermal and mechanical properties of the AlN sintered body
The results are shown in FIG. Sample numbers 6 to 10 are YTwoOThreeAmount of
It corresponds to 3.0 to 7.0%. Y TwoOThreeAmount of
As it increases, the bending strength increases, and up to 600 MPa at 5%
After reaching, it has fallen. Zirconium nitride particles are grain boundaries
It is considered that the presence of the carbon steel increased the strength. Heat conduction
The rate changed between 170 and 160 W / (mK) during this period.
I don't know. With thermal conductivity of 150W / (mK) or more, music
If the bending strength is 450 MPa or more, YTwoOThreeof
It is understood that the amount of addition is preferably 4.0 to 6.0%. this
A circle was marked in the last column of the range.

【0039】この範囲では、粒界相がY3 Al5 O12と
YAlO3 との共存状態にあるのは前の例と同様であっ
た。Y2 O3 の添加量4.0〜6.0%は、AlN粉末
とZrO2 の2.0%添加に由来する酸素量に対して、
3.0〜4.5倍に相当する。すなわち、Y2 O3 の添
加量に対して、一定の割合の酸素を供給することによっ
て、450MPa以上の機械的強度と150W/(m・
K)以上熱伝導率とをもつAlN焼結体が得られ、その
割合は、酸素量に対して、Y2 O3 の添加量が3〜5倍
の比率であるといえる。特に酸素をZrO2 の添加によ
って供給することにより、窒化ジルコニウム粒子が析出
し、更に高強度が得られる。
In this range, the grain boundary phase was in the coexistence state of Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 as in the previous example. Amount from 4.0 to 6.0% of Y 2 O 3, relative to the amount of oxygen derived from the 2.0% addition of AlN powder and ZrO 2,
It corresponds to 3.0 to 4.5 times. That is, by supplying a fixed ratio of oxygen to the added amount of Y 2 O 3 , mechanical strength of 450 MPa or more and 150 W / (m ·
K) An AlN sintered body having a thermal conductivity of not less than that can be obtained, and it can be said that the ratio is such that the addition amount of Y 2 O 3 is 3 to 5 times the amount of oxygen. In particular, by supplying oxygen by adding ZrO 2 , zirconium nitride particles are precipitated, and higher strength can be obtained.

【0040】[実験5] [実験5−1]市販の平均粒径2.0μmのAlN粉末
に、焼結助剤としてY2 O3 を5%添加し、更に粒径5
0〜100nmの酸化ハフニウム(以下HfO2 と記
す)を0.5〜4%添加して焼結したAlN焼結体の熱
的、機械的特性を評価した。他の試料作製方法は、実験
4−1と同様とした。評価方法も、実験1と同様に、四
点曲げ強度試験、レーザーフラッシュ法による熱伝導率
測定、SEM観察、XRD法による粒界相の組成同定を
行った。
[Experiment 5] [Experiment 5-1] To a commercially available AlN powder having an average particle size of 2.0 μm, 5% of Y 2 O 3 was added as a sintering aid, and
The thermal and mechanical properties of an AlN sintered body obtained by adding 0.5 to 4% of hafnium oxide (hereinafter referred to as HfO 2 ) of 0 to 100 nm and sintering were evaluated. Other sample preparation methods were the same as in Experiment 4-1. As in the evaluation method, as in Experiment 1, a four-point bending strength test, thermal conductivity measurement by a laser flash method, SEM observation, and composition identification of a grain boundary phase by an XRD method were performed.

【0041】評価した結果を表5に示す。Table 5 shows the results of the evaluation.

【0042】[0042]

【表5】 試料番号1〜5は、HfO2 の添加量0.5〜8%に対
応している。 HfO 2 から供給される酸素をAlNに
対する質量比で計算すると、HfO2 を0.5〜8%添
加した場合、酸素の供給分としては、0.08〜1.2
2%となる。表5に示す結果より、HfO2 の添加量が
増すと、曲げ強度が増大し、2%で最大580MPaに
達した後、低下している。この場合も窒化ハフニウム粒
子が粒界に存在することで、粒界での亀裂の進行を妨げ
る効果を持ち、更に高強度化したと考えられる。熱伝導
率は、この間で170〜140W/(m・K)と次第に
低下している。熱伝導率が150W/(m・K)以上
で、曲げ強度が450MPa以上を良好とすると、Hf
O2 の添加量が1.0〜3.0%が適することがわか
る。この範囲の最後の欄に○印を付した。
[Table 5]Sample numbers 1 to 5 are HfOTwo0.5 to 8%
I am responding. HfO TwoOxygen supplied from AlN
HfOTwo0.5 to 8%
When added, the supply amount of oxygen is 0.08 to 1.2.
2%. From the results shown in Table 5, HfOTwoAmount of
As it increases, the bending strength increases and the maximum is 580 MPa at 2%.
After reaching, it has fallen. Also in this case, hafnium nitride particles
Presence of cracks at grain boundaries hinders crack propagation at grain boundaries
It is considered that the strength is further improved. Heat conduction
During this period, the rate gradually increased to 170-140 W / (mK)
Is declining. Thermal conductivity is 150W / (m ・ K) or more
If the bending strength is 450 MPa or more, Hf
OTwoIt is clear that 1.0 to 3.0% is suitable for
You. The last column of this range was marked with a circle.

【0043】この範囲では、粒界相がY3 Al5 O12と
YAlO3 との共存状態にあるのは前の例と同様であっ
た。Y2 O3 の添加量5%は、AlN粉末とHfO2 の
1.0〜4.0%添加に由来する酸素量に対して、3.
4〜5.0倍に相当する。 [実験5−2]市販の平均粒径2.0μmのAlN粉末
に、焼結助剤としてY2 O3 を5%添加し、更に微粒の
ZrO2 とHfO2 とを0.5〜5%添加して焼結した
AlN焼結体の熱的、機械的特性を評価した。ZrO2
とHfO2 との添加量の割合は、1対1とした。
In this range, the grain boundary phase was in the coexistence state of Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 as in the previous example. Amount of 5% Y 2 O 3, relative to the amount of oxygen from 1.0 to 4.0 percent addition of AlN powder and HfO 2, 3.
4 to 5.0 times. [Experiment 5-2] To a commercially available AlN powder having an average particle size of 2.0 μm, 5% of Y 2 O 3 was added as a sintering aid, and 0.5 to 5% of fine ZrO 2 and HfO 2 were further added. The thermal and mechanical properties of the AlN sintered body added and sintered were evaluated. ZrO 2
The ratio of the added amounts of HfO 2 and HfO 2 was 1: 1.

【0044】焼結した試料について評価した結果を表5
に示した。試料番号6〜10は、ZrO2 とHfO2 と
の添加量0.5〜5%に対応している。それらの酸化物
から供給される酸素をAlNに対する質量比として計算
すると、それらの酸化物を0.5〜5%添加した場合、
酸素の供給分としては、0.10〜0.96%となる。
表5に示す結果より、ZrO2 とHfO2 との添加量が
増すと、曲げ強度が増大し、2%で最大590MPaに
達した後、低下している。この場合も窒化ジルコニウ
ム、窒化ハフニウム粒子が粒界に存在することで、粒界
での亀裂の進行を妨げる効果を持ち、更に高強度化した
と考えられる。熱伝導率は、この間で175〜140W
/(m・K)と次第に低下している。熱伝導率が150
W/(m・K)以上で、曲げ強度が450MPa以上を
良好とすると、ZrO2 とHfO2 の添加量が1.0〜
4.0%が適することがわかる。この範囲の最後の欄に
○印を付した。
Table 5 shows the evaluation results of the sintered samples.
It was shown to. Sample numbers 6 to 10 correspond to the addition amounts of ZrO 2 and HfO 2 of 0.5 to 5%. When the oxygen supplied from these oxides is calculated as a mass ratio to AlN, when these oxides are added in an amount of 0.5 to 5%,
The supply of oxygen is 0.10 to 0.96%.
From the results shown in Table 5, the bending strength increases as the addition amount of ZrO 2 and HfO 2 increases, reaches 2 0% at a maximum of 590 MPa, and then decreases. Also in this case, it is considered that the presence of zirconium nitride and hafnium nitride particles at the grain boundaries has an effect of preventing the progress of cracks at the grain boundaries, and further increases the strength. Thermal conductivity is between 175 and 140 W
/ (M · K). Thermal conductivity 150
If the flexural strength is not less than W / (m · K) and the bending strength is not less than 450 MPa, the added amount of ZrO 2 and HfO 2 is 1.0 to
It turns out that 4.0% is suitable. The last column of this range was marked with a circle.

【0045】この範囲では、粒界相がY3 Al5 O12と
YAlO3 との共存状態にあるのは前の例と同様であっ
た。Y2 O3 の添加量5%は、AlN粉末とZrO2 と
HfO2 の1.0〜4.0%添加に由来する酸素量に対
して、3.1〜4.8倍に相当する。すなわち、Y2 O
3 の添加量に対して、一定の割合の酸素を供給すること
によって、450MPa以上の機械的強度と150W/
(m・K)以上熱伝導率とをもつAlN焼結体が得ら
れ、その割合は、酸素量に対して、Y2 O3 の添加量が
3〜5倍の比率であるといえる。
In this range, the grain boundary phase was in the coexistence state of Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 as in the previous example. Amount of 5% Y 2 O 3, relative to the amount of oxygen from 1.0 to 4.0 percent addition of AlN powder and ZrO 2 and HfO 2, which corresponds to 3.1 to 4.8 times. That is, Y 2 O
By supplying a constant ratio of oxygen to the addition amount of 3 , the mechanical strength of 450 MPa or more and 150 W /
An AlN sintered body having a thermal conductivity of (m · K) or more can be obtained, and it can be said that the ratio is such that the addition amount of Y 2 O 3 is 3 to 5 times the amount of oxygen.

【0046】特に酸素をHfO2 の添加、またはZrO
2 とHfO2 の添加によって供給することにより、窒化
ハフニウム粒子または窒化ジルコニウム粒子と窒化ハフ
ニウム粒子とが析出し、更に高強度が得られる。 [実験6]市販の平均粒径2.0μmのAlN粉末に、
焼結助剤としてY2 O3 を5%添加し、更に50〜10
0nmの酸化ほう素(以下B2 O3 と記す)を0.1〜
1.5%添加して焼結した窒化アルミニウム焼結体の熱
的、機械的特性を焼結した。他の試料作製方法は、実験
4−1と同様とした。評価方法も、実験4−1と同様と
した。
Particularly, oxygen is added to HfO 2 or ZrO 2
By supplying by adding 2 and HfO 2 , hafnium nitride particles or zirconium nitride particles and hafnium nitride particles are precipitated, and higher strength can be obtained. [Experiment 6] Commercially available AlN powder having an average particle size of 2.0 μm
5% of Y 2 O 3 is added as a sintering aid, and 50 to 10
0 nm boron oxide (hereinafter referred to as B 2 O 3 )
The thermal and mechanical properties of the aluminum nitride sintered body sintered by adding 1.5% were sintered. Other sample preparation methods were the same as in Experiment 4-1. The evaluation method was the same as in Experiment 4-1.

【0047】評価した結果を表6に示す。Table 6 shows the results of the evaluation.

【0048】[0048]

【表6】 試料番号1〜6は、B2 O3 の添加量0.1〜1.5%
に対応している。B2O3 から供給される酸素をAlN
に対する質量比として計算すると、B2 O3 を0.1〜
1.5%添加した場合、酸素の供給分としては、0.0
7〜1.03%となる。表6に示す結果より、B2 O3
の添加量が増すと、曲げ強度が増大し、0.5%で最大
550MPaに達した後、低下している。この場合も窒
化ほう素粒子が粒界に存在することで、粒界での亀裂の
進行を妨げる効果を持ち、更に高強度化したと考えられ
る。熱伝導率は、この間で175〜150W/(m・
K)と次第に低下している。熱伝導率が150W/(m
・K)以上で、曲げ強度が450MPa以上を良好とす
ると、B2 O3 の添加量が0.25〜1.0%が適する
ことがわかる。この範囲の最後の欄に○印を付した。
[Table 6] Sample Nos. 1 to 6 show the addition amount of B 2 O 3 of 0.1 to 1.5%
It corresponds to. Oxygen supplied from B 2 O 3 is converted to AlN
0.1 When calculated as mass ratio, the B 2 O 3 with respect to
When 1.5% is added, the supply amount of oxygen is 0.0%.
It becomes 7 to 1.03%. From the results shown in Table 6, B 2 O 3
Increases, the flexural strength increases, reaches a maximum of 550 MPa at 0.5%, and then decreases. Also in this case, it is considered that the presence of the boron nitride particles at the grain boundaries has the effect of preventing the progress of cracks at the grain boundaries, and further increases the strength. The thermal conductivity is between 175 and 150 W / (m
K), which is gradually decreasing. Thermal conductivity is 150W / (m
・ K) and above, when the bending strength is 450 MPa or more, it is understood that the addition amount of B 2 O 3 is preferably 0.25 to 1.0%. The last column of this range was marked with a circle.

【0049】この範囲では、粒界相がY3 Al5 O12と
YAlO3 との共存状態にあるのは前の例と同様であっ
た。Y2 O3 の添加量5%は、AlN粉末とB2 O3 の
0.25〜1.00%添加に由来する酸素量に対して、
3.2〜4.9倍に相当する。すなわち、Y2 O3 の添
加量に対して、一定の割合の酸素を供給することによっ
て、450MPa以上の機械的強度と150W/(m・
K)以上熱伝導率とをもつAlN焼結体が得られ、その
割合は、酸素量に対して、Y2 O3 の添加量が3〜5倍
の比率であるといえる。特に酸素をB2 O3 の添加によ
って供給することにより、窒化ほう素粒子が析出し、高
強度が得られる。
In this range, the grain boundary phase coexists with Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 , as in the previous example. The added amount of Y 2 O 3 of 5% is based on the amount of oxygen derived from the addition of 0.25 to 1.00% of AlN powder and B 2 O 3 .
It corresponds to 3.2 to 4.9 times. That is, by supplying a fixed ratio of oxygen to the added amount of Y 2 O 3 , mechanical strength of 450 MPa or more and 150 W / (m ·
K) An AlN sintered body having a thermal conductivity of not less than that can be obtained, and it can be said that the ratio is such that the addition amount of Y 2 O 3 is 3 to 5 times the amount of oxygen. In particular, by supplying oxygen by adding B 2 O 3 , boron nitride particles are precipitated and high strength is obtained.

【0050】ZrO2 、HfO2 、B2 O3 のように焼
結温度、雰囲気で還元され、窒化物となるような金属酸
化物は同様に使用できるであろうと類推される。 [実験7]市販の平均粒径2.0μmのAlN粉末に、
焼結助剤としてY2 O3 を5%添加し、更に50〜10
0nmのAl2 O3 を0.25〜2.5%添加して焼結
したAlN焼結体の熱的、機械的特性を評価した。他の
試料作製方法は、実験4−1と同様とした。評価方法
も、実験4−1と同様とした。
It is presumed that metal oxides such as ZrO 2 , HfO 2 , and B 2 O 3 which are reduced at the sintering temperature and atmosphere to become nitrides can be used similarly. [Experiment 7] Commercially available AlN powder having an average particle size of 2.0 μm
5% of Y 2 O 3 is added as a sintering aid, and 50 to 10
The thermal and mechanical properties of an AlN sintered body sintered by adding 0.25 to 2.5% of Al 2 O 3 of 0 nm were evaluated. Other sample preparation methods were the same as in Experiment 4-1. The evaluation method was the same as in Experiment 4-1.

【0051】評価した結果を表7に示す。Table 7 shows the results of the evaluation.

【0052】[0052]

【表7】 試料番号1〜6は、Al2 O3 の添加量0.25〜2.
5%に対応している。Al2 O3 から供給される酸素を
AlNに対する質量比としてで計算すると、Al2 O3
を0.25〜2.5%添加した場合、酸素の供給分とし
ては、0.12〜1.18%となる。表7に示す結果よ
り、Al2 O3 の添加量が増すと、曲げ強度が増大し、
1%で最大520MPaに達した後、低下している。こ
の場合は、窒化物粒子が粒界に存在しないので、強度は
比較的小さくなったと考えられる。熱伝導率は、この間
で180〜170W/(m・K)と次第に低下してい
る。熱伝導率が150W/(m・K)以上で、曲げ強度
が450MPa以上を良好とすると、Al2 O3 の添加
量が0.5〜1.5%が適することがわかる。この範囲
の最後の欄に○印を付した。
[Table 7] Sample Nos. 1 to 6 have the added amount of Al 2 O 3 of 0.25 to 2.
It corresponds to 5%. When oxygen supplied from Al 2 O 3 is calculated as a mass ratio to AlN, Al 2 O 3
When 0.25 to 2.5% is added, the supply amount of oxygen is 0.12 to 1.18%. From the results shown in Table 7, as the addition amount of Al 2 O 3 increases, the bending strength increases,
It drops after reaching a maximum of 520 MPa at 1%. In this case, it is considered that the strength was relatively small because the nitride particles did not exist at the grain boundaries. During this time, the thermal conductivity gradually decreases to 180 to 170 W / (m · K). If the thermal conductivity is 150 W / (m · K) or more and the bending strength is 450 MPa or more, it is understood that the addition amount of Al 2 O 3 is preferably 0.5 to 1.5%. The last column of this range was marked with a circle.

【0053】この範囲では、粒界相がY3 Al5 O12と
YAlO3 との共存状態にあるのは前の例と同様であっ
た。この場合も、微粒子のAl2 O3 粉末を添加してい
るので、粒界相の分布も均一であった。Y2 O3 の添加
量5%は、AlN粉末とAl2 O3 の0.5〜1.5%
添加に由来する酸素量に対して、3.2〜4.6倍に相
当する。
In this range, the grain boundary phase coexists with Y 3 Al 5 O 12 and YAlO 3 as in the previous example. Also in this case, the distribution of the grain boundary phase was uniform since the fine Al 2 O 3 powder was added. Amount of 5% Y 2 O 3 is 0.5% to 1.5% of AlN powder and Al 2 O 3
This corresponds to 3.2 to 4.6 times the amount of oxygen derived from the addition.

【0054】すなわち、Y2 O3 の添加量に対して、一
定の割合の酸素を供給することによって、450MPa
以上の機械的強度と150W/(m・K)以上熱伝導率
とをもつAlN焼結体が得られ、その割合は、酸素量に
対して、Y2 O3 の添加量が3〜5倍の比率であるとい
える。 [実施例]平均粒径2.0μmのAlN粉末に、焼結助
剤として5%のY2 O3 粉末および粒径50〜100n
mのZrO2 を2%添加し、さらにバインダーとしてポ
リビニルアルコールを5%添加して乳鉢にて混合した
後、メッシュ造粒して、混合粉末を調製した。その混合
粉末を金型に入れ、約100MPaの圧力でプレス成形
をおこない、電気炉を用いて450〜500℃、大気中
で2時間、仮焼成して成形体中のバインダーを除去した
後、窒化ホウ素(以下BNと記す)製の箱に入れ、BN
製のセッター板と敷き粉を用いて、カーボンヒータ電気
炉で窒素雰囲気中、1800℃、2時間焼結して、Al
N基板(板厚0.63mm)を作製した。
That is, by supplying a fixed ratio of oxygen to the added amount of Y 2 O 3 , 450 MPa
An AlN sintered body having the above mechanical strength and thermal conductivity of 150 W / (m · K) or more can be obtained, and the proportion thereof is such that the addition amount of Y 2 O 3 is 3 to 5 times the amount of oxygen. It can be said that this is the ratio of [Example] to AlN powder having an average particle size of 2.0 .mu.m, 5% as a sintering aid Y 2 O 3 powder and particle size 50~100n
After adding 2% of ZrO 2 of m and polyvinyl alcohol of 5% as a binder and mixing them in a mortar, they were mesh-granulated to prepare a mixed powder. The mixed powder is put into a mold, press-molded at a pressure of about 100 MPa, and calcined at 450 to 500 ° C. for 2 hours in the air using an electric furnace to remove the binder in the molded body. Put in a box made of boron (hereinafter referred to as BN)
Sintering at 1800 ° C for 2 hours in a nitrogen atmosphere with a carbon heater electric furnace using
An N substrate (plate thickness: 0.63 mm) was produced.

【0055】このようにして製造されたAlN基板は、
熱伝導率が175W/(m・K)で、四点曲げ強度が6
00MPaであり、実際に、そのAlN基板を使用して
トランジスタモジュールを試作し、実用できるものであ
ることを確認した。
The AlN substrate thus manufactured is
Thermal conductivity is 175W / (mK) and four-point bending strength is 6
It was 00 MPa, and a transistor module was actually fabricated using the AlN substrate, and it was confirmed that the transistor module could be used practically.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、A
lN粉末にY2 O3 粉末を添加して焼結するAlN焼結
体の製造方法において、Y2 O3 以外の原料に由来する
添加酸素量とY2 O3 粉末の添加量との質量比を1:3
〜1:5の範囲とすることによって、結晶粒界相が主と
してY−Alの複合酸化物であるY3 Al5 O12とYA
lO3 との混合相からなり、150W/(m・K)以上
の高熱伝導率で、450MPa以上と従来のAlN焼結
体より30%以上高強度の基板とすることができること
を示した。
As described above, according to the present invention, A
in lN powder by adding Y 2 O 3 powder in the production method of the AlN sintered body is sintered, the weight ratio of the added amount of oxygen and Y 2 O 3 added amount of powder from a raw material other than Y 2 O 3 1: 3
By setting the range to 主 と し て 1: 5, the crystal grain boundary phase is mainly composed of Y 3 Al 5 O 12 and YA, which are composite oxides of Y—Al.
It was shown that a substrate composed of a mixed phase with 10 3 and having a high thermal conductivity of 150 W / (m · K) or more and a strength of 450 MPa or more and 30% or more higher than a conventional AlN sintered body could be obtained.

【0057】AlN粉末にYF3 粉末を添加して焼結す
るAlN焼結体の製造方法においては、原料に由来する
添加酸素量とYF3 粉末の添加量との質量比を1:2〜
1:4の範囲とすれば、同様のAlN焼結体より30%
以上高強度の基板とすることができる。Y2 O3 以外の
酸素添加の方法としては、AlN粉末を粉砕して表面の
Al2O3 の量を増したり、ZrO2 、HfO2 、B2
O3 、Al2 O3 等の酸化物を加えても良い。特にZr
O2 、HfO2 、B2 O3 の場合は、粒界相に窒化物の
微粒子が分散し、結晶の粒成長を抑制し、またクラック
の伝播を防止して、更に高強度化する効果がある。
In a method for producing an AlN sintered body in which YF 3 powder is added to AlN powder and sintered, the mass ratio between the amount of oxygen added from the raw material and the amount of YF 3 powder added is 1: 2.
If it is in the range of 1: 4, it is 30% higher than the same AlN sintered body.
As described above, a high-strength substrate can be obtained. As a method of adding oxygen other than Y 2 O 3 , AlN powder is pulverized to increase the amount of Al 2 O 3 on the surface, or ZrO 2 , HfO 2 , B 2
Oxides such as O 3 and Al 2 O 3 may be added. Especially Zr
In the case of O 2 , HfO 2 , and B 2 O 3 , fine particles of nitride are dispersed in the grain boundary phase, suppressing the grain growth of crystals, preventing the propagation of cracks, and further increasing the strength. is there.

【0058】機械的強度と高熱伝導率の優れた本発明に
かかる焼結体を、例えば半導体装置用基板として用いれ
ば、ヒートサイクルに対して強く、パワーデバイスのパ
ッケージや放熱フィンなどに最適である。特にパワート
ランジスタモジュールなどの基板に適用することで、半
導体装置の小型化、低コスト化並びに電流容量の増大等
が図れる。
When the sintered body according to the present invention, which has excellent mechanical strength and high thermal conductivity, is used as a substrate for a semiconductor device, for example, it is resistant to a heat cycle and is most suitable for a package of a power device, a radiation fin, and the like. . In particular, by applying the present invention to a substrate such as a power transistor module, miniaturization and cost reduction of a semiconductor device and increase in current capacity can be achieved.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】結晶粒界相が主としてイットリウム−アル
ミニウムの複合酸化物であるY3 Al5 O12とYAlO
3 との混合相からなる窒化アルミニウム焼結体におい
て、結晶粒界相中にジルコニウム、ハフニウム、ホウ素
のいずれかの窒化物粒子、酸窒化物粒子を有することを
特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
1. A grain boundary phase mainly yttrium - Y 3 Al 5 O 12 is a composite oxide of aluminum and YAlO
3. An aluminum nitride sintered body comprising a mixed phase of ( 3) and ( 3 ), characterized by having any one of zirconium, hafnium and boron nitride particles and oxynitride particles in a crystal grain boundary phase.
【請求項2】窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム
粉末を添加して焼結する窒化アルミニウム焼結体の製造
方法において、酸化イットリウム以外の原料に由来する
添加酸素量と酸化イットリウム粉末の添加量との質量比
を1:3〜1:5の範囲とすることを特徴とする窒化ア
ルミニウム焼結体の製造方法。
2. A method for manufacturing an aluminum nitride sintered body in which yttrium oxide powder is added to aluminum nitride powder and sintered, the mass of the amount of added oxygen derived from raw materials other than yttrium oxide and the amount of yttrium oxide powder added A method for producing an aluminum nitride sintered body, wherein the ratio is in the range of 1: 3 to 1: 5.
【請求項3】窒化アルミニウム粉末に弗化イットリウム
粉末を添加して焼結する窒化アルミニウム焼結体の製造
方法において、原料に由来する添加酸素量と弗化イット
リウム粉末の添加量との質量比を1:2〜1:4の範囲
とすることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造
方法。
3. A method for producing an aluminum nitride sintered body in which yttrium fluoride powder is added to aluminum nitride powder and sintered, the mass ratio of the amount of oxygen added from the raw material to the amount of yttrium fluoride powder added is determined. A method for producing an aluminum nitride sintered body, which is in a range of 1: 2 to 1: 4.
【請求項4】窒化アルミニウム粉末を粉砕することによ
り、添加酸素量を調整することを特徴とする請求項2ま
たは3に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 amount of added oxygen is adjusted by pulverizing the aluminum nitride powder.
【請求項5】酸化アルミニウムを添加することにより、
添加酸素量を調整することを特徴とする請求項2または
3に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
5. The method according to claim 5, wherein the aluminum oxide is added.
The method for producing an aluminum nitride sintered body according to claim 2 or 3, wherein the amount of added oxygen is adjusted.
【請求項6】ジルコニウム、ハフニウム、ホウ素のいず
れかの酸化物またはそれらの複数の酸化物を添加するこ
とにより、添加酸素量を調整することを特徴とする請求
項2または3に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方
法。
6. The aluminum nitride according to claim 2, wherein the amount of oxygen added is adjusted by adding an oxide of any of zirconium, hafnium and boron or a plurality of oxides thereof. A method for manufacturing a sintered body.
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