JPH11199324A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 - Google Patents
窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法Info
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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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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。
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。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【0017】表1に試料組成および評価結果をまとめた
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【0022】表2に試料組成および評価結果をまとめた
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【0028】表3に試料組成および評価結果をまとめた
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【0041】評価した結果を表5に示す。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【0047】評価した結果を表6に示す。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【0051】評価した結果を表7に示す。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
Claims (6)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10000054A JPH11199324A (ja) | 1998-01-05 | 1998-01-05 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10000054A JPH11199324A (ja) | 1998-01-05 | 1998-01-05 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11199324A true JPH11199324A (ja) | 1999-07-27 |
Family
ID=11463528
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10000054A Withdrawn JPH11199324A (ja) | 1998-01-05 | 1998-01-05 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11199324A (ja) |
Cited By (6)
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|---|---|---|---|---|
| WO2004075239A1 (ja) * | 2003-02-20 | 2004-09-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | メタルバック付き蛍光面および画像表示装置 |
| JP2017100937A (ja) * | 2016-11-28 | 2017-06-08 | 株式会社Maruwa | 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 |
| EP3677562A4 (en) * | 2018-09-19 | 2021-07-07 | Maruwa Co. Ltd. | ALUMINUM NITRIDE SINTER BODY AND MANUFACTURING PROCESS FOR IT |
| JP7080422B1 (ja) * | 2020-06-22 | 2022-06-03 | デンカ株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法、回路基板、並びに接合基板 |
| JPWO2022210517A1 (ja) * | 2021-03-31 | 2022-10-06 | ||
| JP2023153568A (ja) * | 2022-04-05 | 2023-10-18 | 日本特殊陶業株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体 |
Citations (11)
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-
1998
- 1998-01-05 JP JP10000054A patent/JPH11199324A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
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