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JP7346366B2 - Aluminum nitride sintered body and its manufacturing method - Google Patents
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Description

本発明は、窒化アルミニウム焼結体と、窒化アルミニウム焼結体の製造方法に関する。 The present invention relates to an aluminum nitride sintered body and a method for manufacturing the aluminum nitride sintered body.

窒化アルミニウム(AlN)焼結体は、熱伝導性・熱放射性(放熱)、耐熱衝撃性、電気絶縁性に優れ、シリコン半導体素子に近い熱膨張率を有することから、半導体実装用の放熱基板や半導体製造装置の部品に用いられている。 Aluminum nitride (AlN) sintered bodies have excellent thermal conductivity, thermal radiation (heat dissipation), thermal shock resistance, and electrical insulation, and have a coefficient of thermal expansion close to that of silicon semiconductor elements, so they are used as heat dissipation substrates for semiconductor packaging. Used in parts of semiconductor manufacturing equipment.

窒化アルミニウム焼結体を放熱基板に用いる場合、表面にメタライズ層を形成して使用する。基板とメタライズ層との熱膨張率差により、メタライズ層の端部にクラックが発生する場合がある。このクラックを抑制するためには基板の破壊靭性を向上させることが有効である。 When an aluminum nitride sintered body is used as a heat dissipation substrate, a metallized layer is formed on the surface. Cracks may occur at the ends of the metallized layer due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the metallized layer. In order to suppress this cracking, it is effective to improve the fracture toughness of the substrate.

窒化アルミニウム焼結体が半導体製造装置の部品に用いられる場合にも破壊靭性の向上が必要となる。半導体製造装置の部品は長期間の使用が求められており、部品の信頼性を確保するためである。 Improvement in fracture toughness is also required when aluminum nitride sintered bodies are used for parts of semiconductor manufacturing equipment. Parts of semiconductor manufacturing equipment are required to be used for a long period of time, and this is to ensure the reliability of the parts.

また、高出力化が図られているLEDやLD用、等の放熱基板は、熱抵抗を下げるために薄肉化が求められているが、薄肉化を行うと基板が破損し易くなるため、機械的強度を高める必要がある。 In addition, heat dissipation boards for LEDs, LDs, etc., which are designed to achieve high output, are required to be made thinner in order to lower thermal resistance. It is necessary to increase the strength of the objective.

そこで、従来、窒化アルミニウムの破壊靭性を向上させる試みが多くなされている。例えば、特開昭62-078160号公報(特許文献1)には、切削工具等に用いるために高い硬度を具備する複合強化焼結体を提供することを目的として、SiCウィスカ5~50重量%と焼結助剤0.5~10重量%と残部AlNとからなる複合強化焼結体が記載されており、組成によって、6.0MPa・m1/2から最大で7.9MPa・m1/2の破壊靭性が得られている。 Therefore, many attempts have been made to improve the fracture toughness of aluminum nitride. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-078160 (Patent Document 1) discloses that SiC whiskers are present in an amount of 5 to 50% by weight for the purpose of providing a composite reinforced sintered body having high hardness for use in cutting tools, etc. A composite reinforced sintered body consisting of 0.5 to 10% by weight of a sintering aid and the balance AlN is described, and depending on the composition, the strength ranges from 6.0 MPa・m 1/2 to a maximum of 7.9 MPa・m 1/ A fracture toughness of 2 was obtained.

特開平3-174365号公報(特許文献2)には、窒化アルミニウム粒界中に窒化ケイ素ウィスカが分布した窒化アルミニウム焼結体が記載されており、最大で4.7MPa・m1/2の破壊靭性が得られている。 JP-A-3-174365 (Patent Document 2) describes an aluminum nitride sintered body in which silicon nitride whiskers are distributed in the aluminum nitride grain boundaries, and the maximum fracture strength is 4.7 MPa・m 1/2 . Toughness has been obtained.

特開2001-122671号公報(特許文献3)には、強度や靭性値を向上させるために、窒化アルミニウム粒子から主として構成される焼結体マトリックス内に、繊維状窒化アルミニウムの表面にアルミネートが存在する粗大粒子が分散配置された窒化アルミニウム焼結体が記載されており、最大で5.2MPa・m1/2の破壊靭性が得られている。 JP-A No. 2001-122671 (Patent Document 3) discloses that aluminate is added to the surface of fibrous aluminum nitride in a sintered matrix mainly composed of aluminum nitride particles in order to improve strength and toughness. An aluminum nitride sintered body in which existing coarse particles are dispersed is described, and a maximum fracture toughness of 5.2 MPa·m 1/2 is obtained.

特開2009-76649号公報(特許文献4)には、熱サイクル時における亀裂の進展が抑制されるとともに、耐久性が向上されるパワーモジュール用基板を提供することを目的として、板状窒化アルミニウム粒子と、繊維状窒化アルミニウム粒子と、球状窒化アルミニウム粒子とを有する窒化アルミニウム粒子からなるセラミックス焼結体が記載されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-76649 (Patent Document 4) discloses a plate-shaped aluminum nitride substrate for the purpose of providing a power module substrate that suppresses the propagation of cracks during thermal cycles and improves durability. A ceramic sintered body comprising aluminum nitride particles having aluminum nitride particles, fibrous aluminum nitride particles, and spherical aluminum nitride particles is described.

特開昭61-84036号公報(特許文献5)には、半導体に実装するため熱伝導性を大きくすることを目的として、Al-Si-O-Nの化学構造を有する窒化アルミニウムポリタイプからなる針状結晶の析出部が基板板厚の1/3以内である窒化アルミニウムセラミックス基板が記載されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-84036 (Patent Document 5) discloses that an aluminum nitride polytype having a chemical structure of Al-Si-O-N is used for the purpose of increasing thermal conductivity for mounting on a semiconductor. An aluminum nitride ceramic substrate is described in which the precipitated portion of acicular crystals is within ⅓ of the thickness of the substrate.

特開平7-82047号公報(特許文献6)には、破壊靭性等を改善向上させることを目的として、窒化アルミニウムマトリックスに炭化ケイ素の球状粒子または窒化ケイ素の球状粒子を添加したセラミックス複合焼結体が記載されており、マトリックスに炭化ケイ素の球状粒子を添加した場合には8MPa・m1/2の破壊靭性、マトリックスに窒化ケイ素の球状粒子を添加した場合には8.3MPa・m1/2の破壊靭性が得られている。 JP-A-7-82047 (Patent Document 6) discloses a ceramic composite sintered body in which spherical particles of silicon carbide or spherical particles of silicon nitride are added to an aluminum nitride matrix for the purpose of improving fracture toughness and the like. The fracture toughness is 8 MPa・m 1/2 when silicon carbide spherical particles are added to the matrix, and 8.3 MPa・m 1/2 when silicon nitride spherical particles are added to the matrix. fracture toughness has been obtained.

特開昭62-078160号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-078160 特開平3-174365号公報Japanese Patent Application Publication No. 3-174365 特開2001-122671号公報Japanese Patent Application Publication No. 2001-122671 特開2009-76649号公報Japanese Patent Application Publication No. 2009-76649 特開昭61-84036号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-84036 特開平7-82047号公報Japanese Patent Application Publication No. 7-82047

車載用の放熱基板の信頼性を確保するためには、破壊靭性が5.0MPa・m1/2以上であることが望ましく、6.0MPa・m1/2以上であることがより望ましい。 In order to ensure the reliability of a heat dissipation board for use in a vehicle, the fracture toughness is preferably 5.0 MPa·m 1/2 or more, more preferably 6.0 MPa·m 1/2 or more.

特許文献1に記載の複合強化焼結体では、最大の7.9MPa・m1/2の破壊靭性が得られる組成では熱伝導率が0.17cal/cm・s・℃(71W/mK)に過ぎず、高い熱伝導性を必要とする放熱基板に用いることができない。 In the composite reinforced sintered body described in Patent Document 1, the thermal conductivity is 0.17 cal/cm・s・℃ (71W/mK) at the composition that provides the maximum fracture toughness of 7.9 MPa・m 1/2 . Therefore, it cannot be used for a heat dissipation board that requires high thermal conductivity.

また、特許文献2に記載の窒化アルミニウム焼結体では、最大の4.7MPa・m1/2の破壊靭性が得られる組成で235W/mKの熱伝導率が得られているが、より高い破壊靭性が得られていない。 In addition, in the aluminum nitride sintered body described in Patent Document 2, a thermal conductivity of 235 W/mK is obtained with a composition that provides the maximum fracture toughness of 4.7 MPa・m 1/2 , but Toughness is not achieved.

特許文献3に記載の窒化アルミニウム焼結体は、破壊靭性は最大で5.2MPa・m1/2となっているが、その時の熱伝導率は87W/mKに過ぎない。 The aluminum nitride sintered body described in Patent Document 3 has a maximum fracture toughness of 5.2 MPa·m 1/2 , but its thermal conductivity at that time is only 87 W/mK.

特許文献4には、パワーモジュール用基板の具体的な破壊靭性や熱伝導率について記載されていない。 Patent Document 4 does not describe specific fracture toughness or thermal conductivity of the power module substrate.

特許文献5に記載の熱伝導性AlNセラミックス基板は、80~100W/mKの熱伝導率が得られているが、破壊靭性については記載されていない。 The thermally conductive AlN ceramic substrate described in Patent Document 5 has a thermal conductivity of 80 to 100 W/mK, but the fracture toughness is not described.

特許文献6に記載のセラミックス複合焼結体は、炭化ケイ素ウィスカを添加した場合に8MPa・m1/2の破壊靭性、窒化ケイ素ウィスカを添加した場合に8.3MPa・m1/2の破壊靭性が得られているが、熱伝導率については考慮されていない。 The ceramic composite sintered body described in Patent Document 6 has a fracture toughness of 8 MPa·m 1/2 when silicon carbide whiskers are added, and a fracture toughness of 8.3 MPa·m 1/2 when silicon nitride whiskers are added. is obtained, but thermal conductivity is not taken into consideration.

このように、従来、破壊靭性を高くすると熱伝導率が下がってしまい、破壊靭性と熱伝導率を両立させることができなかった。 As described above, conventionally, increasing fracture toughness lowers thermal conductivity, making it impossible to achieve both fracture toughness and thermal conductivity.

そこで、本発明の目的は、窒化アルミニウムの高熱伝導性を維持したままで破壊靭性を向上させることが可能な窒化アルミニウム焼結体とその製造方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an aluminum nitride sintered body that can improve fracture toughness while maintaining the high thermal conductivity of aluminum nitride, and a method for manufacturing the same.

本発明者らは、鋭意研究の結果、針状単結晶である窒化アルミニウムウィスカの酸素含有量と破壊靭性および熱伝導率との関係に着目し、単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素含有量と焼結体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量とが特定の関係となるように添加することにより、高い熱伝導率を得ながら破壊靭性を向上することができることを見出した。本発明者らのこのような知見に基づいて、本発明は以下のように構成される。 As a result of intensive research, the present inventors focused on the relationship between the oxygen content of aluminum nitride whiskers, which are needle-shaped single crystals, and fracture toughness and thermal conductivity. It has been found that fracture toughness can be improved while obtaining high thermal conductivity by adding so that the content of single crystal aluminum nitride whiskers in the body has a specific relationship. Based on the above findings of the present inventors, the present invention is constructed as follows.

本発明に従った窒化アルミニウム焼結体は、主として窒化アルミニウム多結晶粒から構成され、少なくとも窒化アルミニウム粉末と単結晶窒化アルミニウムウィスカとを含む、主として窒化アルミニウム粉末から構成された成型体を焼結させた窒化アルミニウム焼結体である。成型体は、窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上含む。成型体において、単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積は1以上40以下である。 The aluminum nitride sintered body according to the present invention is obtained by sintering a molded body mainly composed of aluminum nitride powder, which is mainly composed of polycrystalline aluminum nitride grains and includes at least aluminum nitride powder and single-crystal aluminum nitride whiskers. It is a sintered aluminum nitride body. The molded body contains 1% by weight or more of single crystal aluminum nitride whiskers based on 100% by weight of aluminum nitride powder. In the molded body, the product of the oxygen concentration (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whiskers and the content (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whiskers relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. be.

成型体において単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積が1以上40以下であることは、言い換えれば、成型体において窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカの全量の酸素濃度は、0.01重量%以上0.40重量%以下である。 In the molded body, the product of the oxygen concentration (wt%) of the single crystal aluminum nitride whiskers and the content (wt%) of the single crystal aluminum nitride whiskers relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. In other words, the oxygen concentration of the total amount of single crystal aluminum nitride whiskers is 0.01% by weight or more and 0.40% by weight or less with respect to 100% by weight of aluminum nitride powder in the molded body.

このようにすることにより、高熱伝導性と高破壊靭性とを両立させることが可能な窒化アルミニウム焼結体を提供することができる。 By doing so, it is possible to provide an aluminum nitride sintered body that can achieve both high thermal conductivity and high fracture toughness.

本発明に従った窒化アルミニウム焼結体においては、単結晶窒化アルミニウムウィスカは、酸素濃度が3重量%以下であることが好ましい。 In the aluminum nitride sintered body according to the present invention, the single crystal aluminum nitride whisker preferably has an oxygen concentration of 3% by weight or less.

このようにすることにより、より高い熱伝導率を得ることができる。 By doing so, higher thermal conductivity can be obtained.

本発明に従った窒化アルミニウム焼結体においては、単結晶窒化アルミニウムウィスカは、長さ(L50)が20μm以下であることが好ましい。 In the aluminum nitride sintered body according to the present invention, the single crystal aluminum nitride whisker preferably has a length (L50) of 20 μm or less.

このようにすることにより、単結晶窒化アルミニウムウィスカ同士が強く絡まり合うことを防ぎ、焼結阻害を防ぐことができる。 By doing so, it is possible to prevent the single crystal aluminum nitride whiskers from becoming strongly entangled with each other, thereby preventing sintering inhibition.

本発明に従った窒化アルミニウム焼結体は、嵩密度が3.25g/cm以上であることが好ましい。 The aluminum nitride sintered body according to the present invention preferably has a bulk density of 3.25 g/cm 3 or more.

本発明に従った上述の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤と、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上加え、混合し、成型した後、1900℃以上の温度で焼成した焼結体を得る工程を含む。 The method for manufacturing the above-mentioned aluminum nitride sintered body according to the present invention includes adding a sintering aid and single crystal aluminum nitride whiskers to aluminum nitride powder in an amount of 1% by weight or more, mixing the mixture, molding, and then heating the mixture to 1900°C or higher. The method includes the step of obtaining a sintered body fired at a temperature of .

本発明に従った窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、単結晶窒化アルミニウムウィスカを還元処理することによって単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度を3重量%以下に低減させる工程を含む。 The method for producing an aluminum nitride sintered body according to the present invention includes the step of reducing the oxygen concentration of single-crystal aluminum nitride whiskers to 3% by weight or less by subjecting the single-crystal aluminum nitride whiskers to a reduction treatment.

本発明に従った上述の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、成型後に窒素中で脱脂する工程とを含む。 The method for manufacturing the above-described aluminum nitride sintered body according to the present invention includes a step of degreasing in nitrogen after molding.

本発明に従った窒化アルミニウム成型体は、少なくとも窒化アルミニウム粉末と単結晶窒化アルミニウムウィスカとを含み、主として窒化アルミニウム粉末から構成され、窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上含む。単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積は1以上40以下である。 The aluminum nitride molded body according to the present invention contains at least aluminum nitride powder and single-crystal aluminum nitride whiskers, and is mainly composed of aluminum nitride powder, with 1 weight of single-crystal aluminum nitride whiskers per 100 weight % of aluminum nitride powder. Contains more than %. The product of the oxygen concentration (weight %) of the single crystal aluminum nitride whiskers and the content (weight %) of the single crystal aluminum nitride whiskers relative to 100 weight % of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less.

本発明に従った窒化アルミニウム成型体においては、単結晶窒化アルミニウムウィスカは、酸素濃度が3重量%以下であることが好ましい。 In the aluminum nitride molded body according to the present invention, the single crystal aluminum nitride whisker preferably has an oxygen concentration of 3% by weight or less.

本発明に従った窒化アルミニウム成型体においては、単結晶窒化アルミニウムウィスカは、長さ(L50)が20μm以下であることが好ましい。 In the aluminum nitride molded body according to the present invention, the single crystal aluminum nitride whisker preferably has a length (L50) of 20 μm or less.

このようにすることにより、高熱伝導性と高破壊靭性とを両立させることが可能な窒化アルミニウムとその製造方法を提供することができる。 By doing so, it is possible to provide aluminum nitride and its manufacturing method that can achieve both high thermal conductivity and high fracture toughness.

針状単結晶である窒化アルミニウムウィスカのSEM像である。This is a SEM image of aluminum nitride whiskers, which are needle-like single crystals. 窒化アルミニウムウィスカが単結晶であることを示す電子線回折像である。This is an electron diffraction image showing that the aluminum nitride whisker is a single crystal. 窒化アルミニウムウィスカを粉砕処理した後のウィスカが絡まり、塊状になったことを示すSEM像である。This is a SEM image showing that the aluminum nitride whiskers are tangled and form a lump after being pulverized. 窒化アルミニウムウィスカが塊状のまま焼結体中に残存していることを示すSEM像である。This is a SEM image showing that aluminum nitride whiskers remain in the sintered body in a lumpy state.

本発明に従った窒化アルミニウム焼結体は、主として窒化アルミニウム多結晶粒から構成され、少なくとも窒化アルミニウム粉末と単結晶窒化アルミニウムウィスカとを含む、主として窒化アルミニウム粉末から構成された成型体を焼結させた窒化アルミニウム焼結体である。成型体は、窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上含む。成型体において、単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積は1以上40以下である。 The aluminum nitride sintered body according to the present invention is obtained by sintering a molded body mainly composed of aluminum nitride powder, which is mainly composed of polycrystalline aluminum nitride grains and includes at least aluminum nitride powder and single-crystal aluminum nitride whiskers. It is a sintered aluminum nitride body. The molded body contains 1% by weight or more of single crystal aluminum nitride whiskers based on 100% by weight of aluminum nitride powder. In the molded body, the product of the oxygen concentration (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whiskers and the content (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whiskers relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. be.

成型体において、単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積が1以上40以下であることは、言い換えれば、成型体において、窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカの全量の酸素濃度は、0.01重量%以上0.40重量%以下である。 In the molded body, the product of the oxygen concentration (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whisker and the content (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whisker relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. In other words, in the molded body, the oxygen concentration of the entire amount of single crystal aluminum nitride whiskers is 0.01% by weight or more and 0.40% by weight or less with respect to 100% by weight of the aluminum nitride powder.

まず、本発明に従った窒化アルミニウム焼結体を製造するための成型体の各成分について説明する。以下の各成分の含有量と酸素濃度は、特に断りがない限り、成型体中の含有量である。 First, each component of the molded body for manufacturing the aluminum nitride sintered body according to the present invention will be explained. The content and oxygen concentration of each component below are the content in the molded body unless otherwise specified.

本発明に従った窒化アルミニウム焼結体の製造に用いられる成型体中の窒化アルミニウム粉末は、平均粒径が0.8~2.5μmであることが好ましく、0.8~1.4μmであることがより好ましい。酸素濃度は0.7~0.9重量%であることが好ましい。比表面積は2.3~2.9m/gであることが好ましい。 The aluminum nitride powder in the molded body used for producing the aluminum nitride sintered body according to the present invention preferably has an average particle size of 0.8 to 2.5 μm, and preferably 0.8 to 1.4 μm. It is more preferable. The oxygen concentration is preferably 0.7 to 0.9% by weight. The specific surface area is preferably 2.3 to 2.9 m 2 /g.

本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造に用いられる成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカは、アルミニウムを原料とし窒素ガスと高温で反応させ合成される。図1に示すように、得られる単結晶窒化アルミニウムは針状単結晶である。図2に示すように、このようにして得られる単結晶窒化アルミニウムの電子線回折像には規則正しい回折斑点が見られるので、電子線回折像によって窒化アルミニウムウィスカが単結晶であることを確認することができる。 The single-crystal aluminum nitride whisker in the molded body used for manufacturing the aluminum nitride sintered body of the present invention is synthesized by using aluminum as a raw material and reacting it with nitrogen gas at high temperature. As shown in FIG. 1, the obtained single crystal aluminum nitride is a needle-shaped single crystal. As shown in Figure 2, regular diffraction spots can be seen in the electron diffraction image of single crystal aluminum nitride obtained in this way, so it is necessary to confirm that the aluminum nitride whisker is a single crystal by looking at the electron diffraction image. Can be done.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカは、直径(短軸径)と長さ(長軸径)に分布を有する。単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径の分布(D10、D50、D90)と長さの分布(L10、L50、L90)は、例えば、画像解析法によって測定される。具体的には、液中によく分散した単結晶窒化アルミニウムウィスカを撮影し、撮影された画像から個々の単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径と長さを測定し、それらの分布を求める。あるいは、ガラス板上によく分散した単結晶窒化アルミニウムウィスカを撮影し、撮影された画像から分布を求めてもよい。単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径と長さの分布は他の方法によって求められてもよい。 The single crystal aluminum nitride whiskers in the molded body have a distribution in diameter (short axis diameter) and length (long axis diameter). The diameter distribution (D10, D50, D90) and length distribution (L10, L50, L90) of single-crystal aluminum nitride whiskers are measured, for example, by an image analysis method. Specifically, single-crystal aluminum nitride whiskers well-dispersed in a liquid are photographed, and the diameter and length of each single-crystal aluminum nitride whisker are measured from the photographed image to determine their distribution. Alternatively, single crystal aluminum nitride whiskers well dispersed on a glass plate may be photographed and the distribution may be determined from the photographed image. The diameter and length distribution of single crystal aluminum nitride whiskers may be determined by other methods.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径(D10)は、0.8~1.5μmであることが好ましく、1.0~1.5μmであることがより好ましい。単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径(D10)が1.0~1.5μmの範囲内であることによって、焼成時に単結晶窒化アルミニウムウィスカが消失することを防ぐことができ、焼成後に残存する単結晶窒化アルミニウムウィスカによって破壊靭性を向上させることができる。 The diameter (D10) of the single crystal aluminum nitride whisker in the molded body is preferably 0.8 to 1.5 μm, more preferably 1.0 to 1.5 μm. By setting the diameter (D10) of the single crystal aluminum nitride whisker within the range of 1.0 to 1.5 μm, it is possible to prevent the single crystal aluminum nitride whisker from disappearing during firing, and the single crystal nitride that remains after firing can be prevented. Fracture toughness can be improved by aluminum whiskers.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径(D50)は、具体的には、1μm以上であることが好ましく、1.5~2.5μmであることがより好ましい。単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径(D50)が1.5~2.5μmの範囲内であることによって、焼成時に単結晶窒化アルミニウムウィスカが消失することを防ぐことができ、焼成後に残存する単結晶窒化アルミニウムウィスカによって破壊靭性を向上させることができる。 Specifically, the diameter (D50) of the single crystal aluminum nitride whisker in the molded body is preferably 1 μm or more, more preferably 1.5 to 2.5 μm. By having the diameter (D50) of the single crystal aluminum nitride whiskers within the range of 1.5 to 2.5 μm, it is possible to prevent the single crystal aluminum nitride whiskers from disappearing during firing, and the single crystal aluminum nitride whiskers remaining after firing can be prevented from disappearing. Fracture toughness can be improved by aluminum whiskers.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径(D90)は、3.5~5.0μmであることが好ましく、3.5~4.0μmであることがより好ましい。単結晶窒化アルミニウムウィスカの直径(D90)が3.5~4.0μmの範囲内であることによって、焼成時に焼結阻害を起こし窒化アルミニウム焼結体の密度が低下することを防ぐことができ、緻密な焼結体を得ることができる。また、単結晶窒化アルミニウムウィスカ自体が欠陥として作用して強度を低下させることを防ぐことができる。 The diameter (D90) of the single crystal aluminum nitride whisker in the molded body is preferably 3.5 to 5.0 μm, more preferably 3.5 to 4.0 μm. By having the diameter (D90) of the single crystal aluminum nitride whisker within the range of 3.5 to 4.0 μm, it is possible to prevent sintering inhibition during firing and a decrease in the density of the aluminum nitride sintered body, A dense sintered body can be obtained. Furthermore, it is possible to prevent single crystal aluminum nitride whiskers themselves from acting as defects and reducing strength.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さ(L10)は、5~10μmであることが好ましく、7~10μmであることがより好ましい。単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さ(L10)が7~10μmの範囲内であることによって、焼成時に単結晶窒化アルミニウムウィスカが消失することを防ぐことができ、焼成後に残存する単結晶窒化アルミニウムウィスカによって破壊靭性を向上させることができる。 The length (L10) of the single crystal aluminum nitride whisker in the molded body is preferably 5 to 10 μm, more preferably 7 to 10 μm. By setting the length (L10) of the single crystal aluminum nitride whisker within the range of 7 to 10 μm, it is possible to prevent the single crystal aluminum nitride whisker from disappearing during firing, and the single crystal aluminum nitride whisker remaining after firing can prevent the single crystal aluminum nitride whisker from disappearing. Fracture toughness can be improved.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さ(L50)は、5~20μmであることが好ましく、10~15μmであることがより好ましい。合成直後の単結晶窒化アルミニウムウィスカは図1に示すように単結晶窒化アルミニウムウィスカ同士が独立した状態である。図1に示すような単結晶窒化アルミニウムウィスカを粉砕処理すると、図3に示すように塊状になりやすい。このとき、単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さ(L50)が20μm以下であれば、単結晶窒化アルミニウムウィスカ同士が強く絡まり合うことを防ぐことができ、塊状になった単結晶窒化アルミニウムウィスカが窒化アルミニウム多結晶粒中に分散されにくくなることを防ぐことができる。図4に示すように、強く絡まりあった塊状の単結晶窒化アルミニウムウィスカは焼結体中に塊状の状態で残存し、焼結阻害を起こす場合がある。焼結阻害が起こると、焼結体の密度が低下し、密度の低下は熱伝導率及び破壊靭性の低下を引き起こし得る。したがって、単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さ(L50)は、粉砕されても強く絡まり合いにくいよう、20μm以下であることが好ましい。 The length (L50) of single crystal aluminum nitride whiskers in the molded body is preferably 5 to 20 μm, more preferably 10 to 15 μm. The single crystal aluminum nitride whiskers immediately after synthesis are in a state where the single crystal aluminum nitride whiskers are independent from each other, as shown in FIG. When single-crystal aluminum nitride whiskers as shown in FIG. 1 are pulverized, they tend to become lumpy as shown in FIG. 3. At this time, if the length (L50) of the single crystal aluminum nitride whiskers is 20 μm or less, it is possible to prevent the single crystal aluminum nitride whiskers from becoming strongly entangled with each other, and the lumped single crystal aluminum nitride whiskers are It can be prevented from becoming difficult to be dispersed in polycrystalline grains. As shown in FIG. 4, the strongly entangled lump-like single-crystal aluminum nitride whiskers remain in the sintered body in a lump-like state and may cause sintering inhibition. When sintering inhibition occurs, the density of the sintered body decreases, and the decrease in density can cause a decrease in thermal conductivity and fracture toughness. Therefore, the length (L50) of single-crystal aluminum nitride whiskers is preferably 20 μm or less so that even if they are crushed, they are unlikely to get entangled strongly.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さ(L90)は、25~50μmであることが好ましく、30~40μmであることがより好ましい。単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さ(L90)が30~40μmの範囲内であることによって、単結晶窒化アルミニウムウィスカが塊状になっても窒化アルミニウム多結晶粒中に分散され易くなり、焼結阻害を起こすことを防ぎ、窒化アルミニウム焼結体の密度の低下を防ぐことができる。 The length (L90) of single crystal aluminum nitride whiskers in the molded body is preferably 25 to 50 μm, more preferably 30 to 40 μm. By setting the length (L90) of the single crystal aluminum nitride whisker within the range of 30 to 40 μm, even if the single crystal aluminum nitride whisker becomes lumpy, it is easily dispersed in the aluminum nitride polycrystalline grains, thereby inhibiting sintering. This can prevent the aluminum nitride sintered body from decreasing in density.

単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さが適切な分布を有していない場合、分級処理や沈降処理、機械的に粉砕して分布を調整することができる。粉砕方法としては、ボールミル、ジェットミル、ディスクせん断等、公知のどのような方法を用いてもよい。 If the length of single crystal aluminum nitride whiskers does not have an appropriate distribution, the distribution can be adjusted by classification treatment, sedimentation treatment, or mechanical crushing. As the pulverization method, any known method such as a ball mill, jet mill, disk shearing, etc. may be used.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度は12重量%以下であることが好ましく、3重量%以下であることがより好ましい。単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度が3重量%以下であることによって、得られる窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率をより高めることができる。単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度を低くすることによって、窒化アルミニウム焼結体内に熱伝導率の悪い酸化アルミニウム層が形成されて熱伝導率が低下することを防ぐことができる。 The oxygen concentration of the single crystal aluminum nitride whiskers in the molded body is preferably 12% by weight or less, more preferably 3% by weight or less. When the oxygen concentration of the single crystal aluminum nitride whisker is 3% by weight or less, the thermal conductivity of the obtained aluminum nitride sintered body can be further increased. By lowering the oxygen concentration of the single crystal aluminum nitride whiskers, it is possible to prevent the formation of an aluminum oxide layer with poor thermal conductivity within the aluminum nitride sintered body, thereby preventing the thermal conductivity from decreasing.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素量は、燃焼法または蛍光X線分析、または他の公知の方法によって測定されるが、本願明細書において単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素量は、JIS Z2613による不活性ガス中で融解し、発生した一酸化炭素を赤外線吸収法よって測定されるものとする。 The oxygen content of single crystal aluminum nitride whiskers in the molded body is measured by a combustion method, fluorescent X-ray analysis, or other known methods. The carbon monoxide generated by melting in an inert gas is measured by infrared absorption method.

単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度が高い場合には、例えば、真空中もしくは水素フロー中で800~1200℃の温度で1~20時間処理することで、酸素濃度を低減させることができる。また、窒化アルミニウム粉末の合成方法と同様にカーボンを添加し、窒素雰囲気で1600~1700℃で1~20時間処理することで酸素濃度を低減させることができる。また、単結晶窒化アルミニウムウィスカの合成方法によって酸素濃度を低減することができる他、単結晶窒化アルミニウムウィスカの粉砕時の雰囲気を窒素雰囲気にすること、単結晶窒化アルミニウムウィスカの粉砕後に真空、窒素、または、水素中で熱処理することによって酸素濃度を低減させることができる。 When the oxygen concentration of single crystal aluminum nitride whiskers is high, the oxygen concentration can be reduced by, for example, treating in vacuum or in a hydrogen flow at a temperature of 800 to 1200° C. for 1 to 20 hours. Furthermore, the oxygen concentration can be reduced by adding carbon and treating in a nitrogen atmosphere at 1,600 to 1,700° C. for 1 to 20 hours in the same manner as the method for synthesizing aluminum nitride powder. In addition, oxygen concentration can be reduced by the method of synthesizing single crystal aluminum nitride whiskers, and the atmosphere when crushing single crystal aluminum nitride whiskers can be made into a nitrogen atmosphere, and after crushing single crystal aluminum nitride whiskers, vacuum, nitrogen, Alternatively, the oxygen concentration can be reduced by heat treatment in hydrogen.

成型体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量は1重量%以上であり、好ましくは1~10重量%であり、より好ましくは3~10重量%である。単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量が1重量%未満である場合、破壊靭性の向上に寄与する単結晶窒化アルミニウムウィスカが少なく、破壊靭性の向上の効果が得られにくい場合がある。一方、単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量が15重量%を超える場合、焼結阻害を起こし、窒化アルミニウム焼結体の密度を低下させる場合がある。 The content of single crystal aluminum nitride whiskers in the molded body is 1% by weight or more, preferably 1 to 10% by weight, more preferably 3 to 10% by weight. When the content of single-crystal aluminum nitride whiskers is less than 1% by weight, there are few single-crystal aluminum nitride whiskers that contribute to improving fracture toughness, and it may be difficult to obtain the effect of improving fracture toughness. On the other hand, if the content of single crystal aluminum nitride whiskers exceeds 15% by weight, sintering may be inhibited and the density of the aluminum nitride sintered body may be reduced.

成型体において、単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積は、1以上40以下である。言い換えれば、成型体において、窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカの全量の酸素濃度は、0.01重量%以上0.40重量%以下である。 In the molded body, the product of the oxygen concentration (wt%) of single-crystal aluminum nitride whiskers and the content (wt%) of single-crystal aluminum nitride whiskers relative to 100 wt% of aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. It is. In other words, in the molded body, the oxygen concentration of the total amount of single crystal aluminum nitride whiskers is 0.01% by weight or more and 0.40% by weight or less with respect to 100% by weight of the aluminum nitride powder.

焼結助剤としては、希土類元素の酸化物、アルカリ土類元素の酸化物、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、等が用いられる。より具体的には、希土類元素の酸化物を用いることが好ましい。焼結助剤は窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、酸化物換算で1~5重量%含まれることが好ましい。 As the sintering aid, rare earth element oxides, alkaline earth element oxides, carbonates, oxalates, nitrates, etc. are used. More specifically, it is preferable to use oxides of rare earth elements. The sintering aid is preferably contained in an amount of 1 to 5% by weight in terms of oxide based on 100% by weight of the aluminum nitride powder.

次に、本発明に従った窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing an aluminum nitride sintered body according to the present invention will be described.

まず、窒化アルミニウム粉末に、酸素濃度を調整した単結晶窒化アルミニウムウィスカ、焼結助剤、結合剤、有機溶媒または水の分散媒を加え、ボールミルで混合し、スラリーを作製する。また、成型方法がプレス成型であればスプレードライヤー等による造粒を行う。得られる顆粒の粒径は50~60μmが好ましい。 First, a single-crystal aluminum nitride whisker with an adjusted oxygen concentration, a sintering aid, a binder, an organic solvent, or a water dispersion medium are added to aluminum nitride powder, and the mixture is mixed in a ball mill to prepare a slurry. Furthermore, if the molding method is press molding, granulation is performed using a spray dryer or the like. The particle size of the resulting granules is preferably 50 to 60 μm.

得られた混合スラリーまたは粉末顆粒を成型する。成型は、金型プレス、ラバープレス、鋳込み成型、シート成型等、用途や大きさに応じて要求される形状に適した成型方法によって行うことができる。得られた成型体は、例えばブロック状であり、大きさは、例えば50mm×50mm×8mmである。装置や治具を適宜選択して、適切な大きさの成型体を得ることができる。金型プレスによって成型する場合、1軸加圧によって単結晶窒化アルミニウムウィスカの配向が生じる。一方、ラバープレスによって成型する場合、等圧加圧であるため、単結晶窒化アルミニウムウィスカの配向は生じない。 The resulting mixed slurry or powder granules are shaped. Molding can be performed by a molding method suitable for the shape required depending on the purpose and size, such as die press, rubber press, cast molding, and sheet molding. The obtained molded body is, for example, block-shaped and has a size of, for example, 50 mm x 50 mm x 8 mm. A molded body of an appropriate size can be obtained by appropriately selecting a device or a jig. When molding is performed using a mold press, the single-crystal aluminum nitride whiskers are oriented by uniaxial pressure. On the other hand, when molding is performed using a rubber press, the single-crystal aluminum nitride whiskers are not oriented because pressure is applied at a constant pressure.

次に、成型体を脱脂し、焼成し、窒化アルミニウム焼結体が得られる。脱脂と焼成は公知の方法によって行われる。脱脂は窒素中で行われることが好ましい。脱脂の温度は、500~1000℃であることが好ましく、500~800℃であることがより好ましい。脱脂の時間は1~20時間が好ましい。焼成の温度は1700~1950℃が好ましく。1900℃以上がより好ましい。焼成の時間は、1~20時間であることが好ましく、2~12時間であることがより好ましい。成型体のサイズや厚みにより焼成条件については適切な条件を選択する。焼成は窒素中で行われ、常圧焼成、加圧焼成のいずれを用いてもよいが、経済性や大型の焼結体を作製するためにも常圧焼成で行うことが好ましい。 Next, the molded body is degreased and fired to obtain an aluminum nitride sintered body. Degreasing and firing are performed by known methods. Preferably, degreasing is carried out under nitrogen. The degreasing temperature is preferably 500 to 1000°C, more preferably 500 to 800°C. The time for degreasing is preferably 1 to 20 hours. The firing temperature is preferably 1700 to 1950°C. More preferably, the temperature is 1900°C or higher. The firing time is preferably 1 to 20 hours, more preferably 2 to 12 hours. Appropriate firing conditions are selected depending on the size and thickness of the molded body. Firing is performed in nitrogen, and either normal pressure firing or pressure firing may be used, but it is preferable to perform normal pressure firing for economic efficiency and for producing a large sintered body.

得られた窒化アルミニウム焼結体中には、単結晶窒化アルミニウムウィスカと単結晶窒化アルミニウムウィスカ由来の繊維状粒子が存在する。繊維状粒子の存在は、破面または研磨面を、光学顕微鏡または電子顕微鏡で観察することによって確認できる。 In the obtained aluminum nitride sintered body, single crystal aluminum nitride whiskers and fibrous particles derived from the single crystal aluminum nitride whiskers are present. The presence of fibrous particles can be confirmed by observing the fractured or polished surface with an optical microscope or an electron microscope.

上述のように、成型方法によって窒化アルミニウム焼結体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカが配向する。配向した単結晶窒化アルミニウムウィスカは配向組織を形成する場合がある。成型時の配向は焼成後にも維持される。窒化アルミニウム焼結体中の単結晶窒化アルミニウムウィスカの配向は、例えばX線回折法によって確認することができる。単結晶窒化アルミニウムウィスカの長さ方向に平行な(100)面と垂直な(002)面からのピーク強度比I(100)/I(002)によって配向が求められる。X線回折のデータベースJCPDS-25-1133でのI(f)値によれば、等方的な焼結体ではI(100)/I(002)は1.67であるが、配向が強くなるほど、I(100)/I(002)の値が大きくなる。単結晶窒化アルミニウムウィスカが配向していることが要求される場合には、I(100)/I(002)の値が2以上であることが、さらに強い配向が要求される場合は、I(100)/I(002)の値が3以上であることが好ましい。 As described above, the single crystal aluminum nitride whiskers in the aluminum nitride sintered body are oriented by the molding method. Oriented single crystal aluminum nitride whiskers may form an oriented texture. The orientation during molding is maintained even after firing. The orientation of single-crystal aluminum nitride whiskers in the aluminum nitride sintered body can be confirmed, for example, by X-ray diffraction. The orientation is determined by the peak intensity ratio I(100)/I(002) from the (100) plane parallel to the length direction of the single crystal aluminum nitride whisker and the (002) plane perpendicular to it. According to the I(f) value in the X-ray diffraction database JCPDS-25-1133, I(100)/I(002) is 1.67 in an isotropic sintered body, but the stronger the orientation, the more , I(100)/I(002) increases. When single crystal aluminum nitride whiskers are required to be oriented, the value of I(100)/I(002) is 2 or more, and when stronger orientation is required, I( 100)/I(002) is preferably 3 or more.

単結晶窒化アルミニウムウィスカの配向を制御することによって、焼結体の特性を制御することができる。例えば、破壊靭性は単結晶窒化アルミニウムウィスカの配向方向に垂直な方向に沿ってクラックが進行する場合に高くなる。そこで、焼結体の使用時にクラックの進行を妨げたい方向に対して垂直な方向に沿って単結晶窒化アルミニウムウィスカを優先的に配置することによって、破壊靭性を高めることができる。 By controlling the orientation of single crystal aluminum nitride whiskers, the properties of the sintered body can be controlled. For example, fracture toughness increases when cracks propagate along a direction perpendicular to the direction of orientation of single-crystal aluminum nitride whiskers. Therefore, by arranging single crystal aluminum nitride whiskers preferentially along a direction perpendicular to the direction in which crack propagation is desired to be inhibited when the sintered body is used, fracture toughness can be improved.

このような配向によるクラック進展の抑制効果は、例えばビッカースクラックの長さを測定することで確認できる。配向方向に対して垂直な方向と平行な方向に沿ってビッカース圧子の四角錐の頂点が位置するように圧子を打ち込み、そのクラックの長さを測定する。配向に応じて垂直方向のクラック長さ(Lt)と平行方向のクラック長さ(Lp)に差が生じる。クラックが短い方向は、進展抑制効果が高い方向である。進展抑制効果が要求される場合、Lp/Ltの値が1.1以上であることが好ましい。 The effect of suppressing crack growth due to such orientation can be confirmed, for example, by measuring the length of Vickers cracks. The indenter is driven so that the apex of the square pyramid of the Vickers indenter is located along the direction perpendicular to and parallel to the orientation direction, and the length of the crack is measured. Depending on the orientation, a difference occurs between the crack length in the vertical direction (Lt) and the crack length in the parallel direction (Lp). The direction in which the crack is short is the direction in which the effect of suppressing the growth is high. When a growth suppressing effect is required, it is preferable that the value of Lp/Lt is 1.1 or more.

このようにして、嵩密度が3.25g/cm以上であり、熱伝導率が170W/mK以上であり、かつ、破壊靭性が5.0MPa・m1/2以上である窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。窒化アルミニウム焼結体は、嵩密度が3.25g/cm以上であることが好ましい。また、窒化アルミニウム焼結体は、相対密度が97.5%以上であることが好ましい。 In this way, an aluminum nitride sintered body having a bulk density of 3.25 g/cm 3 or more, a thermal conductivity of 170 W/mK or more, and a fracture toughness of 5.0 MPa・m 1/2 or more can be obtained. The aluminum nitride sintered body preferably has a bulk density of 3.25 g/cm 3 or more. Moreover, it is preferable that the aluminum nitride sintered body has a relative density of 97.5% or more.

焼結体の熱伝導率は、例えばレーザーフラッシュ法や熱線法、等により測定することができるが、本発明ではレーザーフラッシュ法により熱伝導率の測定を行うものとする。 The thermal conductivity of a sintered body can be measured, for example, by a laser flash method, a hot wire method, etc., and in the present invention, the thermal conductivity is measured by a laser flash method.

焼結体の破壊靭性は、破壊靭性の測定は、例えば予き裂を導入しない圧子圧入法、切り欠き加工法、予き裂を導入する方法(SEPB法)により測定することができるが、本明細書ではSEPB法により破壊靭性の測定を行うものとする。 The fracture toughness of a sintered body can be measured, for example, by an indentation method that does not introduce a pre-crack, a notch processing method, or a method that introduces a pre-crack (SEPB method). In the specification, fracture toughness is measured by the SEPB method.

本発明を実施例、試験例により更に詳しく説明するが、本発明がこれらによって限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail by Examples and Test Examples, but the present invention is not limited thereto.

[単結晶窒化アルミニウムウィスカの調製]
公知の方法によって単結晶窒化アルミニウムウィスカを合成し、得られた綿状の単結晶窒化アルミニウムウィスカを有機溶剤中に投入し、沈降したものと、有機溶剤中に分散したもの二水準に分級した。各実施例および比較例で、表1に示す分級の単結晶窒化アルミニウムウィスカを用いた。分級された単結晶窒化アルミニウムウィスカは、ボールミルにより粉砕して、長さを調整した。さらに、実施例1~5では、粉砕された単結晶窒化アルミニウムウィスカを水素フロー中、1000℃で5時間処理して酸素濃度を低減させた。各実施例および比較例の単結晶窒化アルミニウムウィスカの分級、長さ(L50)、酸素濃度(重量%)を表1に示す。なお、比較例1,2の焼結体には単結晶窒化アルミニウムウィスカを添加しなかった。単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度はJIS Z2613による不活性ガス中で融解し、発生した一酸化炭素を赤外線吸収法よって測定した。
[Preparation of single crystal aluminum nitride whiskers]
Single-crystal aluminum nitride whiskers were synthesized by a known method, and the resulting cotton-like single-crystal aluminum nitride whiskers were placed in an organic solvent and classified into two levels: those that had settled and those that had been dispersed in the organic solvent. In each Example and Comparative Example, single crystal aluminum nitride whiskers classified as shown in Table 1 were used. The classified single-crystal aluminum nitride whiskers were ground with a ball mill to adjust the length. Furthermore, in Examples 1 to 5, the crushed single crystal aluminum nitride whiskers were treated at 1000° C. for 5 hours in a hydrogen flow to reduce the oxygen concentration. Table 1 shows the classification, length (L50), and oxygen concentration (wt%) of the single crystal aluminum nitride whiskers of each example and comparative example. Note that single crystal aluminum nitride whiskers were not added to the sintered bodies of Comparative Examples 1 and 2. The oxygen concentration of single crystal aluminum nitride whiskers was determined by melting the single crystal aluminum nitride whiskers in an inert gas according to JIS Z2613, and measuring the generated carbon monoxide by an infrared absorption method.

Figure 0007346366000001
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[窒化アルミニウム焼結体の調製]
[スラリーの調製]
窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、酸化イットリウムを5重量%添加し、純水、分散剤、消泡剤を適量添加し、アルミナボールミルで所定時間の混合を行った。実施例1~6および比較例3~7では、別の容器で先に混合した窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカのみを表2に示す含有量で添加し、純水、分散剤、消泡剤を適量添加し、単結晶窒化アルミニウムウィスカが短くならないようにナイロンボールミルにより所定時間、混合した。図2に示すように粉砕処理後の単結晶窒化アルミニウムウィスカは塊状になり易い。単結晶窒化アルミニウムウィスカが長い程、単結晶窒化アルミニウムウィスカが分散しにくく、スラリー化しにくい傾向が観察された。その後、先に混合した窒化アルミニウム粉末を含むスラリーを、単結晶窒化アルミニウムウィスカを混合した容器に投入した後、所定時間、ナイロンボールミル混合した。その後、バインダーを添加し、再度、ナイロンボールミル今後を行い、スラリーを作製した。比較例1,2は単結晶窒化アルミニウムウィスカを添加せずに所定時間の混合後、原料粉の容器にバインダーを添加し、再度、所定時間の混合を行ってスラリーを作製した。
[Preparation of aluminum nitride sintered body]
[Preparation of slurry]
5% by weight of yttrium oxide was added to 100% by weight of aluminum nitride powder, appropriate amounts of pure water, a dispersant, and an antifoaming agent were added, and the mixture was mixed for a predetermined time using an alumina ball mill. In Examples 1 to 6 and Comparative Examples 3 to 7, only single crystal aluminum nitride whiskers were added at the content shown in Table 2 to 100% by weight of aluminum nitride powder mixed previously in a separate container, and purified water, Appropriate amounts of a dispersant and an antifoaming agent were added, and the mixture was mixed for a predetermined time using a nylon ball mill so as not to shorten the single crystal aluminum nitride whiskers. As shown in FIG. 2, single-crystal aluminum nitride whiskers after pulverization tend to form lumps. It was observed that the longer the single-crystal aluminum nitride whiskers, the more difficult it was to disperse the single-crystal aluminum nitride whiskers, and the more difficult it was to form a slurry. Thereafter, the slurry containing the previously mixed aluminum nitride powder was put into the container in which the single crystal aluminum nitride whiskers were mixed, and then mixed in a nylon ball mill for a predetermined period of time. After that, a binder was added and the mixture was subjected to nylon ball milling again to prepare a slurry. In Comparative Examples 1 and 2, after mixing for a predetermined time without adding single crystal aluminum nitride whiskers, a binder was added to the raw material powder container, and mixing was performed again for a predetermined time to prepare a slurry.

[成型]
実施例1~5および比較例1~7では、作製したスラリーをスプレードライヤーにより顆粒を造粒した。得られた顆粒の粒径のD50はいずれも50~60μmの範囲内であった。顆粒を金型プレスにより一軸加圧によりプレス成型を行い、50×50×8mmの成形体を作製した。実施例6では、スラリーを用いて、シート成形法により厚み300μmのシートを作製した。シートを55×40mmに切り抜き、積層したのち、150℃で圧着をおこない、55×40×6mmの成型体を作製した。
[Molding]
In Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 7, the prepared slurry was granulated using a spray dryer. The particle diameter D50 of the obtained granules was in the range of 50 to 60 μm. The granules were press-molded by uniaxial pressure using a die press to produce a molded body of 50 x 50 x 8 mm. In Example 6, a sheet with a thickness of 300 μm was produced using the slurry by a sheet molding method. The sheets were cut out to a size of 55 x 40 mm, laminated, and then crimped at 150°C to produce a molded body of 55 x 40 x 6 mm.

[脱脂と焼成]
脱脂は大気中(実施例1、比較例1,3~6)、または、窒素中(実施例2~6,比較例2,7)、600℃、3時間で実施した。焼成は窒素中、常圧焼成により、1.5℃/分で昇温し、1900℃、2時間保持し、0.5℃/分で降温して実施した。
[Degreasing and firing]
Degreasing was carried out at 600° C. for 3 hours in the air (Example 1, Comparative Examples 1 and 3 to 6) or in nitrogen (Examples 2 to 6 and Comparative Examples 2 and 7). Firing was carried out in nitrogen atmosphere by normal pressure firing, increasing the temperature at 1.5° C./min, holding at 1900° C. for 2 hours, and decreasing the temperature at 0.5° C./min.

得られた窒化アルミニウム焼結体について、焼結体の嵩密度、相対密度、熱伝導率、破壊靭性を測定した。結果を表2に示す。表2中、「ウィスカ酸素濃度」は単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)、「ウィスカ含有量」は窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)、「酸素量×含有量」は単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)との積、「嵩密度」「相対密度」「熱伝導率」「破壊靭性」は、それぞれ焼結体の嵩密度(g/cm)、焼結体の相対密度(%)、焼結体の熱伝導率(W/mK)、焼結体の破壊靭性(MPa・m1/2)を意味する。 The bulk density, relative density, thermal conductivity, and fracture toughness of the obtained aluminum nitride sintered body were measured. The results are shown in Table 2. In Table 2, "whisker oxygen concentration" is the oxygen concentration (wt%) of single-crystal aluminum nitride whiskers, "whisker content" is the content (wt%) of single-crystal aluminum nitride whiskers relative to 100 wt% of aluminum nitride powder, " Oxygen amount Relative density, thermal conductivity, and fracture toughness are the bulk density of the sintered body (g/cm 3 ), the relative density of the sintered body (%), and the thermal conductivity of the sintered body (W/mK), respectively. , means the fracture toughness (MPa·m 1/2 ) of the sintered body.

焼結体の嵩密度は、得られた焼結体を8mm×30mm×4mmに加工した後、アルキメデス法により測定を実施した。 The bulk density of the sintered body was measured by the Archimedes method after processing the obtained sintered body into a size of 8 mm x 30 mm x 4 mm.

相対密度は、酸化イットリウムの添加量を考慮し、理論嵩密度を3.33g/cmとして算出した。 The relative density was calculated taking into account the amount of yttrium oxide added and assuming a theoretical bulk density of 3.33 g/cm 3 .

熱伝導率は、得られた焼結体を8mm×8mm×4mmに加工し、レーザーフラッシュ法で測定を実施した。 The thermal conductivity was measured by processing the obtained sintered body into a size of 8 mm x 8 mm x 4 mm using a laser flash method.

破壊靭性は、3×4×40mmに加工し、SEPB法により測定を実施した。 Fracture toughness was measured using the SEPB method after processing the sample into a size of 3 x 4 x 40 mm.

Figure 0007346366000002
Figure 0007346366000002

表2に示すように、単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積が1以上40以下、言い換えれば、窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカの全量の酸素濃度は、0.01重量%以上0.40重量%以下である実施例1~6では、170W/mK以上の熱伝導率を維持した状態で、5.0MPa・m1/2を超える破壊靭性が得られた。 As shown in Table 2, the product of the oxygen concentration (wt%) of single-crystal aluminum nitride whiskers and the content (wt%) of single-crystal aluminum nitride whiskers relative to 100 wt% of aluminum nitride powder is 1 or more. 40 or less, in other words, in Examples 1 to 6, the oxygen concentration of the total amount of single crystal aluminum nitride whiskers is 0.01% by weight or more and 0.40% by weight or less with respect to 100% by weight of aluminum nitride powder, 170W/ A fracture toughness exceeding 5.0 MPa·m 1/2 was obtained while maintaining a thermal conductivity of mK or higher.

また、表2に示すように、比較例1,2から、単結晶窒化アルミニウムウィスカを添加していない状態では、大気中よりも窒素脱脂の熱伝導率が高いことが判った。また、実施例1,2から、単結晶窒化アルミニウムウィスカを添加しても、大気中よりも窒素脱脂の方が熱伝導率は高く、破壊靭性はほぼ変わらないことがわかった。 Further, as shown in Table 2, from Comparative Examples 1 and 2, it was found that the thermal conductivity of nitrogen degreasing was higher than that in the air in a state where single crystal aluminum nitride whiskers were not added. Further, from Examples 1 and 2, it was found that even if single-crystal aluminum nitride whiskers were added, the thermal conductivity was higher in nitrogen degreasing than in the air, and the fracture toughness remained almost unchanged.

また、比較例7の単結晶窒化アルミニウムウィスカは、酸素濃度は実施例4と同じ2.8重量%であるが、含有量が15重量%と高く、窒化アルミニウム粉末100重量%に対する単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積が40を超えている。比較例7の窒化アルミニウム焼結体は、嵩密度と相対密度が低く、緻密な焼結体が得られず、熱伝導率及び破壊靭性の低下を引き起こしたと考えられる。窒化アルミニウム焼結体は、嵩密度が3.25g/cm以上であることが好ましい。また、窒化アルミニウム焼結体は、相対密度が97.5%以上であることが好ましい。 In addition, the single crystal aluminum nitride whisker of Comparative Example 7 has an oxygen concentration of 2.8% by weight, the same as in Example 4, but the content is as high as 15% by weight, and the single crystal aluminum nitride whisker is The product of the whisker content (weight %) exceeds 40. The aluminum nitride sintered body of Comparative Example 7 had a low bulk density and a low relative density, making it impossible to obtain a dense sintered body, which is considered to have caused a decrease in thermal conductivity and fracture toughness. The aluminum nitride sintered body preferably has a bulk density of 3.25 g/cm 3 or more. Moreover, it is preferable that the aluminum nitride sintered body has a relative density of 97.5% or more.

実施例6の窒化アルミニウム焼結体について、シート積層面でX線回折法により配向を測定した。シート積層面からの回折において、I(100)/I(002)は39.5であった。 The orientation of the aluminum nitride sintered body of Example 6 was measured by X-ray diffraction on the laminated sheet surface. In diffraction from the laminated sheet surface, I(100)/I(002) was 39.5.

実施例6の窒化アルミニウム焼結体について、シート積層の側面にビッカースクラックを導入し、長さを測定したところ、Lp/Ltは1.3であった。 Regarding the aluminum nitride sintered body of Example 6, a Vickers crack was introduced into the side surface of the laminated sheet, and the length was measured, and Lp/Lt was 1.3.

以上に開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変形を含むものである。 The embodiments and examples disclosed above should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than the above description, and includes meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope.

Claims (14)

主として窒化アルミニウム多結晶粒から構成され、少なくとも窒化アルミニウム粉末と単結晶窒化アルミニウムウィスカとを含む、主として窒化アルミニウム粉末から構成された成型体を焼結させた窒化アルミニウム焼結体であって、
170W/mK以上の熱伝導率を有し、かつ、5.0MPa・m 1/2 より大きい破壊靭性を有し、
前記成型体は、前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上10重量%以下含み、
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対する前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積は1以上40以下である、窒化アルミニウム焼結体。
An aluminum nitride sintered body made by sintering a molded body mainly composed of aluminum nitride powder, which is mainly composed of polycrystalline aluminum nitride grains and contains at least aluminum nitride powder and single-crystal aluminum nitride whiskers,
It has a thermal conductivity of 170 W/mK or more and a fracture toughness of more than 5.0 MPa m 1/2 ,
The molded body contains 1% by weight or more and 10% by weight or less of single crystal aluminum nitride whiskers based on 100% by weight of the aluminum nitride powder,
The product of the oxygen concentration (wt%) of the single crystal aluminum nitride whisker and the content (wt%) of the single crystal aluminum nitride whisker relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. , aluminum nitride sintered body.
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカは、長さ(L50)が20μm以下である、請求項に記載の窒化アルミニウム焼結体。 The aluminum nitride sintered body according to claim 1 , wherein the single crystal aluminum nitride whisker has a length (L50) of 20 μm or less. 前記単結晶窒化アルミニウムウィスカは、長さ(L90)が30μm以上40μm以下である、請求項1または請求項2に記載の窒化アルミニウム焼結体。The aluminum nitride sintered body according to claim 1 or 2, wherein the single crystal aluminum nitride whisker has a length (L90) of 30 μm or more and 40 μm or less. 嵩密度が3.25g/cm以上である、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の窒化アルミニウム焼結体。 The aluminum nitride sintered body according to any one of claims 1 to 3, having a bulk density of 3.25 g/cm 3 or more. 前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対する前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積が27以上40以下である、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の窒化アルミニウム焼結体。The product of the oxygen concentration (wt%) of the single crystal aluminum nitride whisker and the content (wt%) of the single crystal aluminum nitride whisker relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 27 or more and 40 or less. , The aluminum nitride sintered body according to any one of claims 1 to 4. 前記成型体が常圧で焼結された、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の窒化アルミニウム焼結体。The aluminum nitride sintered body according to any one of claims 1 to 5, wherein the molded body is sintered under normal pressure. 窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤と、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上10重量%以下加え、混合し、成型した後、1900℃以上の温度で焼成した焼結体を得る工程を含む、請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 Includes the step of adding a sintering aid and single crystal aluminum nitride whiskers to aluminum nitride powder in an amount of 1% by weight or more and 10% by weight or less , mixing, shaping, and then obtaining a sintered body by firing at a temperature of 1900°C or higher. , A method for producing an aluminum nitride sintered body according to any one of claims 1 to 6 . 前記単結晶窒化アルミニウムウィスカを還元処理することによって前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度を3重量%以下に低減させる工程を含む、請求項に記載の製造方法。 8. The manufacturing method according to claim 7 , comprising the step of reducing the oxygen concentration of the single crystal aluminum nitride whisker to 3% by weight or less by subjecting the single crystal aluminum nitride whisker to a reduction treatment. 前記成型した後、窒素中で脱脂する工程を含む、請求項または請求項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 7 or 8 , further comprising a step of degreasing in nitrogen after the molding. 前記焼成は常圧で行われる、請求項7から請求項9までのいずれか1項に記載の製造方法。The manufacturing method according to any one of claims 7 to 9, wherein the firing is performed at normal pressure. 主として窒化アルミニウム粉末から構成され、
前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上10重量%以下含み、
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対する前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積は1以上40以下であり、
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカは、長さ(L50)が20μm以下である、窒化アルミニウム成型体。
Mainly composed of aluminum nitride powder,
Containing 1% by weight or more and 10% by weight or less of single crystal aluminum nitride whiskers based on 100% by weight of the aluminum nitride powder,
The product of the oxygen concentration (wt%) of the single crystal aluminum nitride whisker and the content (wt%) of the single crystal aluminum nitride whisker relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. the law of nature,
The single crystal aluminum nitride whisker is an aluminum nitride molded body having a length (L50) of 20 μm or less .
主として窒化アルミニウム粉末から構成され、Mainly composed of aluminum nitride powder,
前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上10重量%以下含み、Containing 1% by weight or more and 10% by weight or less of single crystal aluminum nitride whiskers based on 100% by weight of the aluminum nitride powder,
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対する前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積は1以上40以下であり、The product of the oxygen concentration (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whisker and the content (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whisker relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. ,
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカは、長さ(L90)が30μm以上40μm以下である、窒化アルミニウム成型体。The single crystal aluminum nitride whisker is an aluminum nitride molded body whose length (L90) is 30 μm or more and 40 μm or less.
主として窒化アルミニウム粉末から構成され、Mainly composed of aluminum nitride powder,
前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対し、単結晶窒化アルミニウムウィスカを1重量%以上10重量%以下含み、Containing 1% by weight or more and 10% by weight or less of single crystal aluminum nitride whiskers based on 100% by weight of the aluminum nitride powder,
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対する前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積は1以上40以下であり、The product of the oxygen concentration (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whisker and the content (wt%) of the single-crystal aluminum nitride whisker relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 1 or more and 40 or less. ,
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカは、長さ(L50)が20μm以下であり、長さ(L90)が30μm以上40μm以下である、窒化アルミニウム成型体。The single crystal aluminum nitride whisker has a length (L50) of 20 μm or less, and a length (L90) of 30 μm or more and 40 μm or less.
前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの酸素濃度(重量%)の数値と、前記窒化アルミニウム粉末100重量%に対する前記単結晶窒化アルミニウムウィスカの含有量(重量%)の数値との積が27以上40以下である、請求項11から請求項13までのいずれか1項に記載の窒化アルミニウム成型体。The product of the oxygen concentration (wt%) of the single crystal aluminum nitride whisker and the content (wt%) of the single crystal aluminum nitride whisker relative to 100 wt% of the aluminum nitride powder is 27 or more and 40 or less. , The aluminum nitride molded body according to any one of claims 11 to 13.
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