JP2011057488A - Ceramic joined body and production method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミックス接合体に関する。 The present invention relates to a ceramic joined body.
窒化アルミニウムセラミックスは、高熱伝導性、電気絶縁性、ハロゲンに対する高耐食性などの優れた特性を有しており、電子回路基板や半導体製造用装置などに利用応用されている。このような窒化アルミニウムセラミックスの用途拡大に伴って部材の大型化、複雑化が求められているが、一体で成形・焼結して作製することが困難であることから、単純形状の焼結体の接合による部材化技術が必要となってきており、種々の接合技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Aluminum nitride ceramics have excellent characteristics such as high thermal conductivity, electrical insulation, and high corrosion resistance against halogens, and are used and applied to electronic circuit boards and semiconductor manufacturing equipment. As the use of aluminum nitride ceramics expands, it is required to increase the size and complexity of the members. Therefore, various joining techniques have been proposed (for example, see Patent Document 1).
特許文献１には、窒化アルミニウム焼結体間に、接合材料をはさみ込み、それを加熱処理して接合する窒化アルミニウム焼結体の接合方法において、該接合材料が、２５〜８０ｍｏｌ％の酸化アルミニウム粉末と２０〜７５ｍｏｌ％の酸化イットリウム粉末から成る混合粉末であり、該接合材料のはさみ込む量が、接合面１ｃｍ２当たり０．１ｇ以上であり、該接合材料の加熱処理する方法が、１５ｇ／ｃｍ２以上の荷重をかけながら２０００℃以下の温度で熱処理する技術が開示されている。この技術により、耐熱性及び気密性に優れた窒化アルミニウム焼結体同士の接合体が得られている。 In Patent Document 1, a joining material is sandwiched between aluminum nitride sintered bodies and the aluminum nitride sintered body is joined by heat treatment to join the aluminum nitride sintered body. A mixed powder composed of a powder and 20 to 75 mol% of yttrium oxide powder, and the amount of the bonding material sandwiched is 0.1 g or more per 1 cm 2 of the bonding surface. A technique for heat treatment at a temperature of 2000 ° C. or lower while applying a load of cm 2 or more is disclosed. By this technique, a joined body of aluminum nitride sintered bodies excellent in heat resistance and airtightness is obtained.
しかしながら、上記の接合体では、耐熱性及び気密性には優れるものの、接合強度の点では、不十分であった。 However, the above joined body is excellent in heat resistance and air tightness, but is insufficient in terms of joining strength.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、接合強度に優れたセラミックス接合体を提供するものである。 This invention is made | formed in view of such a problem, and provides the ceramic joined body excellent in joining strength.
本発明は、これらの問題を解決するため、以下に示す（１）〜（８）の発明を提供する。
（１）窒化アルミニウム焼結体同士のセラミックス接合体であって、ＹＡＧと酸化アルミニウムを含む接合層を有し、前記接合層のイットリウム成分が島型に拡散した拡散層を備えることを特徴とするセラミックス接合体。
（２）前記拡散層における島型形状の最大径は１００μｍ以下である（１）記載のセラミックス接合体。
（３）前記拡散層の厚みは６００μｍ以下である（１）または（２）記載のセラミックス接合体。
（４）前記接合層の厚みは３０μｍ以下である（１）〜（３）記載のセラミックス接合体。
（５）前記接合層は、拡散層側に酸化アルミニウム層を有し、２つの酸化アルミニウム層の間にＹＡＧ層を有する（１）〜（４）記載のセラミックス接合体。
（６）２つの窒化アルミニウム焼結体のうち、少なくとも一方に焼結助剤であるイットリウム化合物を含まない窒化アルミニウム焼結体を用いた（５）記載のセラミックス接合体。
（７）接合強度が、窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度の６０％以上である（１）〜（６）記載のセラミックス接合体。
（８）酸化アルミニウム６２．５〜９９ｍｏｌ％と酸化イットリウム１〜３７．５ｍｏｌ％を含む接合材を用意し、２つの窒化アルミニウム焼結体間に、前記接合材を挟み込み、１８００℃以上、荷重１ＭＰａ以上で熱処理するセラミックス接合体の製造方法。
In order to solve these problems, the present invention provides the following inventions (1) to (8).
(1) A ceramic joined body of sintered aluminum nitrides, comprising a joining layer containing YAG and aluminum oxide, and comprising a diffusion layer in which the yttrium component of the joining layer diffuses into an island shape. Ceramic bonded body.
(2) The ceramic joined body according to (1), wherein the maximum diameter of the island shape in the diffusion layer is 100 μm or less.
(3) The ceramic joined body according to (1) or (2), wherein the diffusion layer has a thickness of 600 μm or less.
(4) The ceramic joined body according to (1) to (3), wherein the joining layer has a thickness of 30 μm or less.
(5) The ceramic joined body according to any one of (1) to (4), wherein the joining layer includes an aluminum oxide layer on the diffusion layer side and a YAG layer between the two aluminum oxide layers.
(6) The ceramic joined body according to (5), wherein an aluminum nitride sintered body containing no yttrium compound as a sintering aid is used in at least one of the two aluminum nitride sintered bodies.
(7) The ceramic joined body according to (1) to (6), wherein the joining strength is 60% or more of the bending strength of the aluminum nitride sintered body.
(8) A bonding material containing 62.5 to 99 mol% aluminum oxide and 17.5 mol% yttrium oxide is prepared, and the bonding material is sandwiched between two aluminum nitride sintered bodies at 1800 ° C. or higher and a load of 1 MPa. The manufacturing method of the ceramic joined body which heat-processes above.
接合強度に優れたセラミックス接合体を提供することができる。 A ceramic joined body having excellent joining strength can be provided.
以下、図面を参照してより詳細に説明する。図１は、本発明のセラミックス接合体１０の概略断面図である。接合体は、窒化アルミニウム焼結体１１ａと１１ｂとが、接合層１２を介して接合されている。接合層１２の両側には、拡散層１３ａ及び１３ｂが形成されている。 Hereinafter, it will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a ceramic joined body 10 of the present invention. As for the joined body, the aluminum nitride sintered bodies 11 a and 11 b are joined through the joining layer 12. Diffusion layers 13 a and 13 b are formed on both sides of the bonding layer 12.
接合層１２は、ＹＡＧと酸化アルミニウムを含む。ＹＡＧは、イットリウムとアルミニウムの複合酸化物であり、ガーネット型の結晶構造を有する。接合材にＹＡＧと酸化アルミニウムの共晶組成を用い、所定の圧力及び温度条件により、所望の接合構造が得られ、接合強度に優れた接合体を得ることができる。接合層の組成は、ＹＡＧと酸化アルミニウムの共晶組成からなることが好ましく、その他の成分を含まないことが好ましい。ただし、不可避的な不純物は含まれていても良い。 The bonding layer 12 includes YAG and aluminum oxide. YAG is a complex oxide of yttrium and aluminum and has a garnet-type crystal structure. By using a eutectic composition of YAG and aluminum oxide as a bonding material, a desired bonded structure can be obtained under a predetermined pressure and temperature condition, and a bonded body having excellent bonding strength can be obtained. The composition of the bonding layer is preferably composed of a eutectic composition of YAG and aluminum oxide, and preferably does not contain other components. However, inevitable impurities may be included.
拡散層１３ａ及び１３ｂには、接合層から拡散したイットリウム成分が含まれ、イットリウム成分が拡散した部分は島型形状を形成している。この島型形状が接合強度を高めていると考えられる。 The diffusion layers 13a and 13b contain the yttrium component diffused from the bonding layer, and the portion where the yttrium component has diffused forms an island shape. This island shape is considered to increase the bonding strength.
図２は、拡散層を示した概略断面図である。窒化アルミニウム焼結体２１ａ側を例に説明すると、接合層２２から窒化アルミニウム焼結体２１ａ側にイットリウム成分が拡散し、拡散層２３ａが形成された構成を有している。イットリウム成分は、拡散層２３ａにおいて島型に離散されて存在し、島型形状２４ａを構成する。このような島型形状にイットリウム成分が拡散することで接合体の強度が高められる。イットリウム成分は、ＹＡＧに含まれる形で、窒化アルミニウム粒子間に存在する。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the diffusion layer. Explaining the aluminum nitride sintered body 21a side as an example, the yttrium component is diffused from the bonding layer 22 to the aluminum nitride sintered body 21a side to form a diffusion layer 23a. The yttrium component is dispersed in an island shape in the diffusion layer 23a and forms an island shape 24a. The strength of the joined body is increased by the diffusion of the yttrium component into such an island shape. The yttrium component exists between the aluminum nitride particles in a form contained in YAG.
このような島型形状は、酸化アルミニウム６２．５〜９９ｍｏｌ％と酸化イットリウム１〜３７．５ｍｏｌ％とを含む接合材を用いて、所定の温度、荷重で接合することにより得られる。図６は、ＹＡＧと酸化アルミニウムの共晶組成の接合材を用いたセラミックス接合体の接合層近傍のＳＥＭ写真（反射電子像）である。接合層６２近傍の拡散層には、島型形状のイットリウム成分が認められる。これに対し、図９に示したＹＡＧと酸化アルミニウムの共晶組成を外れた組成の接合材を用いたセラミックス接合体の接合層近傍のＳＥＭ写真を見ると、イットリウム成分が島型ではなく、層状または網状に形成された拡散層を有していることがわかる。このように、上記の接合材を用いることにより、接合時にＹＡＧと酸化アルミニウムの共晶組成が生じ、これが島型形状の形成に関係しているものと思われる。接合材は、酸化アルミニウム７７〜８２ｍｏｌ％と酸化イットリウム１８〜２３ｍｏｌ％とを含む配合とすることがより好ましい。 Such an island shape can be obtained by bonding at a predetermined temperature and load using a bonding material containing 62.5 to 99 mol% of aluminum oxide and 1 to 37.5 mol% of yttrium oxide. FIG. 6 is an SEM photograph (reflection electron image) of the vicinity of the bonding layer of the ceramic bonded body using a bonding material having a eutectic composition of YAG and aluminum oxide. An island-shaped yttrium component is observed in the diffusion layer in the vicinity of the bonding layer 62. On the other hand, when the SEM photograph in the vicinity of the bonding layer of the ceramic bonded body using the bonding material having a composition out of the eutectic composition of YAG and aluminum oxide shown in FIG. 9 is seen, the yttrium component is not an island type but a layered shape. Or it turns out that it has the diffused layer formed in mesh shape. Thus, by using the above-mentioned bonding material, a eutectic composition of YAG and aluminum oxide is produced at the time of bonding, which is considered to be related to the formation of the island shape. More preferably, the bonding material contains aluminum oxide 77 to 82 mol% and yttrium oxide 18 to 23 mol%.
接合体断面に現れた拡散層の各島型形状は離散し、少なくとも二次元断面において不連続である。そして、島型形状の最大径は、１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。ここでいう最大径の測定は、拡散層の写真からイットリウム成分が含まれる島型形状を画像解析で抽出し、各島型形状の面積からの円相当径を算出して最大径を求めた。この最大径が１００μｍを超えると島型形状の不連続性が損なわれる。島型形状の不連続性が損なわれ、連続したイットリウム成分が含まれる拡散層が形成されると、接合強度が低下する。 Each island shape of the diffusion layer appearing in the cross section of the joined body is discrete and discontinuous in at least a two-dimensional cross section. And the maximum diameter of island shape is 100 micrometers or less, More preferably, it is 30 micrometers or less. In this measurement of the maximum diameter, the island shape including the yttrium component was extracted from the photograph of the diffusion layer by image analysis, and the maximum diameter was obtained by calculating the equivalent circle diameter from the area of each island shape. If this maximum diameter exceeds 100 μm, the discontinuity of the island shape is impaired. When the discontinuity of the island shape is impaired and a diffusion layer containing a continuous yttrium component is formed, the bonding strength decreases.
図２と図３とは、いずれも本発明のセラミックス接合体の拡散層を示したものであるが、図２の島型形状２４が長細形状を有しているのに対して、図３の島型形状３４は丸形状を有している。この違いは、窒化アルミニウム焼結体に焼結助剤として含まれるイットリウムの量による。無助剤では、図２のように成り易く、助剤が添加されたものは図３のように成り易い。この違いが接合強度に及ぼす影響は定かではないが、いずれの場合であっても、上記のような島型形状を構成することにより接合強度は高くなる。図６は、接合層６２を挟んで右側が焼結助剤を含む焼結体であり、左側が焼結助剤を含まない焼結体である。焼結助剤を含む焼結体側では島状形状が比較的大きく丸形状であり、最大径は２７μｍである。一方、焼結助剤を含まない側は、島状形状が比較的小さく長細形状であり最大径は数μｍである。 2 and 3 both show the diffusion layer of the ceramic joined body of the present invention, whereas the island-shaped shape 24 of FIG. 2 has an elongated shape, whereas FIG. The island shape 34 has a round shape. This difference depends on the amount of yttrium contained as a sintering aid in the aluminum nitride sintered body. The non-auxiliary agent is likely to be as shown in FIG. 2, and the additive-added agent is likely to be as shown in FIG. Although the influence of this difference on the bonding strength is not certain, in any case, the bonding strength is increased by configuring the island shape as described above. FIG. 6 shows a sintered body containing a sintering aid on the right side of the bonding layer 62 and a sintered body containing no sintering aid on the left side. On the sintered body side containing the sintering aid, the island shape is relatively large and round, and the maximum diameter is 27 μm. On the other hand, the side not including the sintering aid has a relatively small and long island shape and a maximum diameter of several μm.
図２及び図３において、拡散層２３は厚さＴ１を有する。拡散層の厚さは、６００μｍ以下であることが好ましい。６００μｍを超える厚さの拡散層を有する場合には、熱処理に伴って同時に島型組織が粗大化して高い接合強度を得ることができなくなる。 2 and 3, the diffusion layer 23 has a thickness T1. The thickness of the diffusion layer is preferably 600 μm or less. When a diffusion layer having a thickness exceeding 600 μm is provided, the island structure is coarsened simultaneously with the heat treatment, and high bonding strength cannot be obtained.
図４及び図５は、接合層を示した概略断面図である。接合層４２、５２の両側に拡散層４３、５３が形成されている。接合層の厚さＴ２は、３０μｍ以下であることが好ましい。３０μｍを超える厚さの接合層を有する場合には、接合層から破壊する確率が高くなり、結果として接合強度の低下を引き起こす。 4 and 5 are schematic cross-sectional views showing the bonding layer. Diffusion layers 43 and 53 are formed on both sides of the bonding layers 42 and 52. The thickness T2 of the bonding layer is preferably 30 μm or less. When the bonding layer has a thickness exceeding 30 μm, the probability of breaking from the bonding layer is increased, resulting in a decrease in bonding strength.
図４では、拡散層側に酸化アルミニウム層４２２ａ及び４２２ｂを有し、この２つの酸化アルミニウム層の間にＹＡＧ層４２１を有している。このような構造は、接合する２つの窒化アルミニウム焼結体のうち少なくとも一方が、焼結助剤であるイットリウム化合物を含まずに得られたものである場合に生じる。これは接合材が加熱されて生成した液相成分により、窒化アルミニウム界面の侵食が起こり、このときイットリウム成分が優位に母材に拡散するためと考えられる。結果、窒化アルミニウム界面に酸化アルミニウムが豊富な層ができるだけでなく、侵食された部分は酸化アルミニウムが豊富となり、酸化アルミニウムのアンカー構造となる。図７は、図６に示した接合体の接合層６２近傍のＥＤＳ像である。接合層の厚さは３０μｍ以下であり、拡散層側に酸化アルミニウム層７２２ａ及び７２２ｂを有し、この２つの酸化アルミニウム層の間にＹＡＧ層７２１を有していることがわかる。 In FIG. 4, aluminum oxide layers 422a and 422b are provided on the diffusion layer side, and a YAG layer 421 is provided between the two aluminum oxide layers. Such a structure occurs when at least one of the two aluminum nitride sintered bodies to be joined is obtained without containing an yttrium compound as a sintering aid. This is probably because the liquid phase component generated by heating the bonding material causes erosion of the aluminum nitride interface, and at this time, the yttrium component is preferentially diffused into the base material. As a result, a layer rich in aluminum oxide can be formed at the aluminum nitride interface, and the eroded portion is rich in aluminum oxide, resulting in an aluminum oxide anchor structure. FIG. 7 is an EDS image near the bonding layer 62 of the bonded body shown in FIG. It can be seen that the thickness of the bonding layer is 30 μm or less, aluminum oxide layers 722a and 722b are provided on the diffusion layer side, and a YAG layer 721 is provided between the two aluminum oxide layers.
このような構造により、窒化アルミニウムの界面に酸化アルミニウムがくいこんで、アンカーの役割をしているので、接合強度が高められる。また、熱膨張係数の関係は窒化アルミニウム＜酸化アルミニウム＜ＹＡＧであることから、接合時に加熱冷却を経たときの残留応力が少なくなり、接合強度の高いものとなる。さらに、熱サイクルにも強い構造であるといえる。 With such a structure, aluminum oxide is trapped in the interface of aluminum nitride and serves as an anchor, so that the bonding strength is increased. Further, since the relationship between the thermal expansion coefficients is aluminum nitride <aluminum oxide <YAG, the residual stress when heated and cooled during bonding is reduced, and the bonding strength is high. Furthermore, it can be said that the structure is resistant to thermal cycling.
一方、図５では、図４のように酸化アルミニウム層とＹＡＧ層とに分離しておらず、酸化アルミニウムとＹＡＧが一様に混在した接合層となっている。このような構造は、接合する２つの窒化アルミニウム焼結体の両方に焼結助剤であるイットリウム化合物が含まれている場合に生じる。特に、窒化アルミニウム中の酸化イットリウム濃度が０．３質量％以上のときに、顕著に発生する現象である。接合のための熱処理温度は、窒化アルミニウム中の粒界相が液相化する温度であることから、窒化アルミニウムのクリープと関係しているものと考えられる。つまりクリープで粗になった部分に液相が流れ込むことが考えられる。図８に接合する２つの窒化アルミニウム焼結体の両方に焼結助剤が含まれる接合体の接合層近傍のＥＤＳ像を示す。上述のように接合層は、酸化アルミニウムとＹＡＧが一様に混在した接合層となっていることがわかる。 On the other hand, in FIG. 5, the aluminum oxide layer and the YAG layer are not separated as in FIG. 4, but a joining layer in which aluminum oxide and YAG are uniformly mixed is formed. Such a structure occurs when both of the two aluminum nitride sintered bodies to be joined contain an yttrium compound as a sintering aid. In particular, this phenomenon occurs remarkably when the yttrium oxide concentration in aluminum nitride is 0.3% by mass or more. The heat treatment temperature for bonding is considered to be related to the creep of aluminum nitride because it is a temperature at which the grain boundary phase in aluminum nitride becomes a liquid phase. In other words, it is conceivable that the liquid phase flows into the portion roughened by creep. FIG. 8 shows an EDS image in the vicinity of the bonding layer of the bonded body in which the sintering aid is contained in both of the two aluminum nitride sintered bodies to be bonded. As described above, it can be seen that the bonding layer is a bonding layer in which aluminum oxide and YAG are mixed uniformly.
この場合、熱膨張係数の関係は窒化アルミニウム＜ＹＡＧであることから、図４の場合と比べて残留応力の影響が大きくなるとも考えられる。しかしながら、拡散層５３ａ及び５３ｂへの拡散は、図４の場合に比べて進んでいることから、拡散層によって残留応力は小さく抑えられる。実際このような構造の違いはあっても、両者とも接合強度は母材である窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度の６０％以上を示していることから、残留応力が抑えられ接合強度が高められていることがわかる。 In this case, since the relationship of the thermal expansion coefficient is aluminum nitride <YAG, it is considered that the influence of the residual stress becomes larger than that in the case of FIG. However, since the diffusion into the diffusion layers 53a and 53b has proceeded as compared with the case of FIG. 4, the residual stress can be suppressed small by the diffusion layer. In fact, even if there is such a difference in structure, the joint strength of both of them shows 60% or more of the bending strength of the aluminum nitride sintered body as a base material, so that the residual stress is suppressed and the joint strength is increased. You can see that
接合強度の面から、接合層の結晶粒径は０．２〜２０μｍであることが望ましい。２０ｍｍよりも大きな粒径では、熱膨張係数の異方性に起因した歪みによる残留応力によって、強度低下を引き起こす。これは、降温スピードを調整することで制御可能である。 From the viewpoint of bonding strength, the crystal grain size of the bonding layer is preferably 0.2 to 20 μm. When the particle diameter is larger than 20 mm, the strength is lowered due to the residual stress due to the distortion caused by the anisotropy of the thermal expansion coefficient. This can be controlled by adjusting the temperature lowering speed.
次に本発明のセラミックス接合体の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the ceramic joined body of this invention is demonstrated.
接合に供される窒化アルミニウム焼結体は、焼結助剤無添加のもの、イットリウム化合物を焼結助剤に用いたもの等、種々用いることができる。ただし、Ｎａ、Ｃａ等のアルカリ金属やアルカリ土類金属を焼結助剤として用いたものは好ましくない。焼結方法も、常圧焼結、加圧雰囲気焼結、ホットプレス焼結等種々適用することができる。 The aluminum nitride sintered body to be used for joining can be variously used, such as those without addition of a sintering aid and those using an yttrium compound as a sintering aid. However, it is not preferable to use an alkali metal such as Na or Ca or an alkaline earth metal as a sintering aid. Various sintering methods such as atmospheric pressure sintering, pressurized atmosphere sintering, and hot press sintering can be applied.
接合材に用いられる酸化イットリウム粉末は、平均粒径５μｍ以下、純度９９．９％以上が好ましい。平均粒径が大きいと接合強度が低下し、純度が低いと拡散が制御できないためである。酸化アルミニウム粉末も同様の理由から、平均粒径１μｍ以下、純度９９．９％以上のものが好ましい。また、酸化イットリウムと酸化アルミニウムとが所定比で含まれていれば良く、ＹＡＧ等のイットリウムアルミネートの粉末が含まれていても良い。 The yttrium oxide powder used for the bonding material preferably has an average particle size of 5 μm or less and a purity of 99.9% or more. This is because when the average particle size is large, the bonding strength is lowered, and when the purity is low, diffusion cannot be controlled. For the same reason, the aluminum oxide powder preferably has an average particle size of 1 μm or less and a purity of 99.9% or more. Moreover, it is sufficient if yttrium oxide and aluminum oxide are included in a predetermined ratio, and powder of yttrium aluminate such as YAG may be included.
酸化アルミニウム６２．５〜９９ｍｏｌ％と酸化イットリウム１〜３７．５ｍｏｌ％とを含む接合材を用意する。このような配合とするのは、接合時にＹＡＧと酸化アルミニウムの共晶組成を生じさせるためである。このような接合材を用いて、所定の圧力及び温度で熱処理することにより、接合強度に優れたセラミックス接合体を得ることができる。接合材は、酸化アルミニウム７７〜８２ｍｏｌ％と酸化イットリウム１８〜２３ｍｏｌ％とを含む配合とすることがより好ましい。 A bonding material containing 62.5 to 99 mol% aluminum oxide and 17.5 mol% yttrium oxide is prepared. The reason why such a composition is used is to produce a eutectic composition of YAG and aluminum oxide at the time of bonding. By using such a bonding material and performing heat treatment at a predetermined pressure and temperature, a ceramic bonded body having excellent bonding strength can be obtained. More preferably, the bonding material contains aluminum oxide 77 to 82 mol% and yttrium oxide 18 to 23 mol%.
接合材は、種々の形態を取ることができる。例えば、これらの粉末に、分散媒、分散剤及びバインダを加えて混合しペースト状にしたものや、粉末と分散媒等と混練した混合物を押し出し成形等により成形したグリーンシート等を用いることができる。分散媒、分散剤等の配合は、所望性状のペーストやグリーンシートを得るために調整できる。 The bonding material can take various forms. For example, a dispersion medium, a dispersant, and a binder added to these powders and mixed to form a paste, or a green sheet obtained by molding a mixture obtained by kneading the powder with the dispersion medium or the like by extrusion molding or the like can be used. . The blending of the dispersion medium, the dispersant and the like can be adjusted in order to obtain a paste or green sheet having desired properties.
用意した接合材を窒化アルミニウム焼結体に塗布したり、挟み込んだりすることにより、窒化アルミニウム焼結体同士を接合材を介してはり合せる。 By applying or sandwiching the prepared bonding material to the aluminum nitride sintered body, the aluminum nitride sintered bodies are bonded together via the bonding material.
接合の熱処理温度は、１８００℃以上が好ましく、１８００〜１９００℃がより好ましい。温度が低すぎると接合層にＹＡＧと酸化アルミニウムの共晶組成が形成されず、接合強度が低下してしまう。逆に温度が高すぎると、接合材成分が母材の窒化アルミニウム焼結体に拡散しすぎてしまい、接合層にボイドができる結果、接合強度が低下する。 1800 degreeC or more is preferable and the heat processing temperature of joining has more preferable 1800-1900 degreeC. If the temperature is too low, the eutectic composition of YAG and aluminum oxide is not formed in the bonding layer, and the bonding strength decreases. On the other hand, if the temperature is too high, the bonding material component diffuses too much into the base aluminum nitride sintered body, resulting in voids in the bonding layer, resulting in a decrease in bonding strength.
接合時に接合面にかけられる荷重は１ＭＰａ以上が好ましく、１〜２ＭＰａがより好ましい。低い荷重では緻密な接合層を得ることができない。また、圧力が大きいと母材の窒化アルミニウム焼結体が大きく変形するので好ましくない。 1 MPa or more is preferable and, as for the load applied to a joint surface at the time of joining, 1-2 MPa is more preferable. A dense bonding layer cannot be obtained at a low load. Further, if the pressure is high, the base aluminum nitride sintered body is greatly deformed, which is not preferable.
熱処理の雰囲気は、真空中または不活性ガス雰囲気とすることができる。 The atmosphere of the heat treatment can be a vacuum or an inert gas atmosphere.
以下、実施例及び比較例を示して説明する。 Examples and comparative examples will be described below.
［窒化アルミニウム焼結体の作製］
窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として酸化イットリウムを３質量％添加したものと、添加しないものとを用意した。この原料粉末にＩＰＡ、有機バインダおよび可塑剤を添加し、混合、スプレードライ乾燥をすることで、原料粉末の顆粒を得た。この顆粒をＣＩＰ成形し、焼成温度１９００および２０００℃、焼成時間６時間の常圧焼成した後、加工を行い、２５×２５×２０ｍｍの板状の窒化アルミニウム焼結体を得た。この窒化アルミニウム焼結体について４点曲げ強度（ＪＩＳＲ１６０１）を測定したところ、焼結助剤を添加したものと、添加しないものとで差はなく、３１０ＭＰａであった。
[Preparation of sintered aluminum nitride]
One prepared by adding 3% by mass of yttrium oxide as a sintering aid to aluminum nitride powder and one not added were prepared. IPA, an organic binder, and a plasticizer were added to this raw material powder, mixed and spray-dried to obtain raw material powder granules. The granules were CIP-molded, fired at normal pressure with a firing temperature of 1900 and 2000 ° C. and a firing time of 6 hours, and then processed to obtain a plate-like aluminum nitride sintered body of 25 × 25 × 20 mm. When this aluminum nitride sintered body was measured for four-point bending strength (JISR1601), there was no difference between the case where the sintering aid was added and the case where it was not added, and it was 310 MPa.
［接合材の作製］
酸化イットリウム粉末（Ｙ２Ｏ３：信越化学工業製；ＲＵ−Ｐ）と窒化アルミニウム粉末（Ａｌ２Ｏ３：住友化学工業製；ＡＫＰ−５０）にエタノール、分散剤、および有機バインダを添加、混合し、ペーストを作製した。酸化イットリウム粉末と窒化アルミニウム粉末との混合比（ｍｏｌ比）を表１に示す。
[Production of bonding material]
Ethanol, dispersant, and organic binder are added to and mixed with yttrium oxide powder (Y 2 O 3 : manufactured by Shin-Etsu Chemical; RU-P) and aluminum nitride powder (Al 2 O 3 : manufactured by Sumitomo Chemical; AKP-50). A paste was prepared. Table 1 shows the mixing ratio (mol ratio) between the yttrium oxide powder and the aluminum nitride powder.
［接合］
２つの板状の窒化アルミニウム焼結体を用意し、一方の焼結体の２５×２５ｍｍの面にペーストを塗布し、もう一方の焼結体の２５×２５ｍｍの面をはり合わせた。これを大気中４８０℃で１時間保持して脱脂した後、ホットプレス焼成炉を用いて、０．６ＭＰａの窒素雰囲気中で、接合面に荷重を加えながら、または加えず（自重のみ）に１７５０℃、及び１８００℃で熱処理した。
[Join]
Two plate-like aluminum nitride sintered bodies were prepared, the paste was applied to the 25 × 25 mm surface of one sintered body, and the 25 × 25 mm surface of the other sintered body was bonded. This is degreased by holding at 480 ° C. in the air for 1 hour, and then using a hot press firing furnace in a nitrogen atmosphere of 0.6 MPa, with or without applying a load to the joint surface (self-weight only) 1750 And heat treatment at 1800C.
［評価］
得られた接合体から、接合層が中央に位置するように曲げ試験片を切り出して４点曲げ試験（ＪＩＳＲ１６０１）により接合強度を測定した。また、接合部の微構造観察を切断面のＳＥＭ及びＥＤＳによって行った。結晶粒径の測定は、線インターセプト法によって行った。評価結果を表１に示す。
[Evaluation]
A bending test piece was cut out from the obtained bonded body so that the bonding layer was located at the center, and the bonding strength was measured by a four-point bending test (JIS R1601). The microstructure of the joint was observed by SEM and EDS on the cut surface. The crystal grain size was measured by the line intercept method. The evaluation results are shown in Table 1.
接合材にＹＡＧと酸化アルミニウムの共晶組成が生じる配合を用いた実施例１〜３では、母材の窒化アルミニウム焼結体の強度に対して６０％以上の接合強度を有する接合体が得られた。これらの接合体を観察したところ、接合層が３０μｍより薄く、接合層におけるＹＡＧおよび酸化アルミニウム粒子の結晶粒径は０．２〜２０μｍであった。また、接合層近傍にはイットリウム成分の拡散層が観察され、これらの厚さは６００μｍ以下であった。 In Examples 1 to 3 using a composition in which a eutectic composition of YAG and aluminum oxide is used as the bonding material, a bonded body having a bonding strength of 60% or more with respect to the strength of the aluminum nitride sintered body of the base material is obtained. It was. When these bonded bodies were observed, the bonding layer was thinner than 30 μm, and the crystal grain sizes of YAG and aluminum oxide particles in the bonding layer were 0.2 to 20 μm. Further, a diffusion layer of an yttrium component was observed in the vicinity of the bonding layer, and the thickness thereof was 600 μm or less.
母材が共に焼結助剤を含まない実施例１及び母材の一方が焼結助剤を含まない実施例２では、図４に示したような拡散層側に酸化アルミニウム層を有し、２つの酸化アルミニウム層の間にＹＡＧ層を有した接合層の構造が認められた。一方、母材が共に焼結助剤を含む実施例３では、図５に示したような接合層が認められた。図６、図７にそれぞれ実施例２のＳＥＭ写真、ＥＤＳ像を、図８に実施例３のＥＤＳ像を示す。 In Example 1 in which the base material does not contain a sintering aid and in Example 2 in which one of the base materials does not contain a sintering aid, an aluminum oxide layer is provided on the diffusion layer side as shown in FIG. A structure of a bonding layer having a YAG layer between two aluminum oxide layers was observed. On the other hand, in Example 3 in which the base material contains a sintering aid, a bonding layer as shown in FIG. 5 was observed. 6 and 7 show an SEM photograph and an EDS image of Example 2, respectively, and FIG. 8 shows an EDS image of Example 3.
さらに、実施例１〜３の接合体の切断面観察により、接合層のイットリウム成分が島型に拡散した拡散層が認められた。この島型形状について、最大径を測定したところいずれも３０μｍ以下であった。なお、最大径の測定は、拡散層の写真からイットリウム成分が含まれる島型形状を画像解析で抽出し、各島型形状の面積からの円相当径を算出して最大径を求めた。 Furthermore, by observing the cut surfaces of the joined bodies of Examples 1 to 3, a diffusion layer in which the yttrium component of the joining layer was diffused in an island shape was observed. With respect to this island shape, when the maximum diameter was measured, all were 30 μm or less. For measurement of the maximum diameter, an island shape including an yttrium component was extracted from a photograph of the diffusion layer by image analysis, and a circle equivalent diameter from the area of each island shape was calculated to obtain the maximum diameter.
一方、比較例１〜９では、接合強度が母材の窒化アルミニウム焼結体の強度に対して６０％よりも小さくなった。これらの接合体を観察したところ、比較例６〜９は、接合層が３０μｍより厚くなった。 On the other hand, in Comparative Examples 1 to 9, the bonding strength was less than 60% with respect to the strength of the aluminum nitride sintered body as a base material. When these bonded bodies were observed, the bonding layers of Comparative Examples 6 to 9 were thicker than 30 μm.
さらに、比較例１〜９の接合体の切断面観察では、接合層のイットリウム成分が島型に拡散した拡散層が認められず、接合層に沿ってイットリウム成分が層状又は網状に連なった拡散層が形成されていた。図９に比較例１のＳＥＭ写真を示す。 Furthermore, in the observation of the cut surfaces of the joined bodies of Comparative Examples 1 to 9, a diffusion layer in which the yttrium component of the bonding layer is diffused in an island shape is not recognized, and the diffusion layer in which the yttrium component continues in layers or networks along the bonding layer Was formed. FIG. 9 shows an SEM photograph of Comparative Example 1.
比較例１０〜１２では、曲げ試験片に加工する際に剥離した。 In Comparative Examples 10-12, it peeled when processing into a bending test piece.
１０ セラミックス接合体
１１ａ、１１ｂ 窒化アルミニウム焼結体（母材）
１２、２２ 接合層
１３ａ、１３ｂ 拡散層
２４ａ、２４ｂ 島型形状
10 Ceramic bonded bodies 11a, 11b Aluminum nitride sintered body (base material)
12, 22 Bonding layers 13a, 13b Diffusion layers 24a, 24b Island shape
Claims (8)
A bonding material containing 62.5 to 99 mol% of aluminum oxide and 17.5 mol% of yttrium oxide is prepared, and the bonding material is sandwiched between two aluminum nitride sintered bodies, and heat treatment is performed at 1800 ° C. or higher and a load of 1 MPa or higher. A method for manufacturing a ceramic joined body.
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