JPH0431366A - 窒化アルミニウム質粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、窒化アルミニウム質粉末の製造方法に関する
もので、従来より良好な熱伝導性および耐食性を有する
焼結体の得られる窒化アルミニウム質粉末を得る方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

高信頼性のＩＣ基板あるいはパッケージ材料には従来よ
りアルミナが多用されている。ＬＳＩなどの高集積化、
高速化および高出力化に伴い、半導体チップからの発熱
量が増加し、効率良く熱を系外へ散逸させる必要性が高
まり、アルミナよりも熱伝導性が良く、放熱性に優れた
材料が要望されている。

窒化アルミニウムは、高熱伝導性を有すると共に絶縁抵
抗、絶縁耐圧、誘電率等の電気的特性および強度等の機
械的特性に優れており、放熱性に優れたＩＣ基板、パッ
ケージ材料として注目されている。

熱伝導性に優れた窒化アルミニウム焼結体を得るには、
窒化アルミニウム粉末を成形し、緻密に焼結することが
必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

窒化アルミニウムは、それ単独では常圧焼結し難いため
、常圧焼結では従来からＣａＯ１ＹｚＯｓ等の酸化物を
焼結助剤として添加し、それら助剤と窒化アルミニウム
表面層のＡｌ２Ｏ３との反応を利用して緻密化する液相
焼結法が用いられてきた。

焼結助剤の中でも、特にＹ２Ｏ，は緻密化の他に不純物
酸素をトラップし高熱伝導化する効果を有するため、優
れた助剤として知られている。また、常圧焼結で高熱伝
導性のある緻密な焼結体を得るためには、Ｙ、０３を添
加した場合では１８００℃以上の高温を必要とするので
、特開昭６３−１３４５６９号公報あるいは特開昭６３
−１９０７６１号公報で開示されているように、融点の
低いＣａＯを焼結時に窒化アルミニウム粉末に添加混合
しＹ、０．と併用する方法が提案されている。しかし、
この場合１８００℃以下の焼結温度で相対密度９８．５
％以上の緻密な窒化アルミニウム焼結体が得られている
が、その熱伝導度は１５０Ｗ／ｍＫ程度である。

本発明の目的は、カルシウム化合物とＹ！０３とを同時
に添加混合する従来の添加方法では達成できなかった相
対密度を向上させようとするものであり、高熱伝導性お
よび耐食性に優れた窒化アルミニウム焼結体の得られる
窒化アルミニウム質粉末の製造方法を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は窒化アルミニウム粉末に焼結助剤と
してカルシウム化合物を窒化アルミニウムに対してＣａ
Ｏに換算して０．０１〜１重量％添加して窒化アルミニ
ウム質粉末を製造する方法において、窒化アルミニウム
粉末の解砕時にカルシウム化合物を添加することを特徴
とする窒化アルミニウム質粉末の製造方法を提供するも
のである。

本発明によれば、焼結助剤としてカルシウム化合物とＹ
２Ｏ３とを同時に添加混合する従来の場合に比べて、密
度が高（、高熱伝導性でかつ耐食性に優れた窒化アルミ
ニウム焼結体の得られる窒化アルミニウム質粉末を得る
ことができる。

窒化アルミニウムの常圧焼結は、焼結助剤として添加し
たＣａＯあるいはＹ、０３と窒化アルミニウム表面層の
Ａｌｔｏｓとが反応してＣａＡｌ＋Ｏ＋やＹ２Ａｌ５Ｏ
１２などの液相を介して緻密化が進むと考えられている
。

ＹａＡｉｓＯ□２は酸素をトラップしたまま多粒子の出
会う稜や隅で固結するために、窒化アルミニウム粒内へ
の酸素の固溶が抑えられ、この酸素のトラップ効果によ
り高熱伝導度が実現される。

しかし、ＣａＡ１．Ｏ＋はガラス相のため高熱伝導化を
阻害するので、少量でその相厚は薄い方が好ましい。

本発明者らは、窒化アルミニウム粉末の解砕時にカルシ
ウム化合物を添加することにより、窒化アルミニウム粉
末の表面にカルシウム化合物を均一にコーティングした
後でＹ、０．などの焼結助剤を添加して焼結した場合、
低融点のカルシウム化合物の効果により速やかに液相組
成物が生成するので、易焼結性を示し、生成した粒界組
成物の厚さも薄く、このため従来に比べ高密度で高熱伝
導性や耐食性に優れた窒化アルミニウム焼結体の得られ
ることを見出し、本発明の完成に至ったものである。

以下本発明について詳述する。

本発明において使用する窒化アルミニウム粉末は特に製
造法は限定されないが、純度の高い微粉末が好ましい。

また、粉末の粒子径は中心粒径が４．０μｍ以下の粉末
を用いることが好ましい。

特に１８００℃以下の温度で緻密化させるためには中心
粒径が２．５μｍ以下の微粉末を用いることが好ましい
。

焼結助剤として用いられるカルシウム化合物としては、
酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩、
蓚酸塩、ハロゲン化物、硫化物、高級脂肪酸塩などを用
いることができる。

カルシウムは化合物であればどのような物質でも良いが
、結晶水を含まない化合物が好ましい。

例えば、ＣａＯ１Ｃａ（ＯＨ）２、ＣａＣ０ａ、ＣａＳ
Ｏ４・２ＨｚＯ１Ｃａ（ＮＯ３）！　・４ＨｚＯ１Ｃａ
（ＣＨａＣｏｏ）２、Ｃａ（ＣＯＯ）２”Ｈ２Ｏ、Ｃａ
Ｆ２、ＣａＳ、　Ｃａ［ＣＨ３（ＣＨ２）＋５ＣＯＯ］
２などか用いられる。

また、これらの化合物の粒子径は微細なものほど好まし
く、特に窒化アルミニウム粉末との混合の際に用いられ
る溶媒に溶解しないか、し難い化合物を用いる場合には
、通常中心粒径５．０μｍ以下の微粉末を用いることが
好ましい。

これらのカルシウム化合物の添加量は、窒化アルミニウ
ム粉末に対してＣａＯに換算して０．０１〜１重量％の
範囲であることが好ましい。

０６０１重量％以下では本発明の効果が得られず、一方
、１重量％以上では緻密な焼結体は得られるものの高熱
伝導性のものが得られないので、この範囲を逸脱すると
好ましくない。より好ましくは窒化アルミニウム粉末に
対して０．０２〜０．７重量％の範囲である。

窒化アルミニウム粉末とカルシウム化合物との混合は、
窒化アルミニウム粉末の解砕時に同時に添加する方法を
用いる。解砕を行う装置としてはボールミル、振動ボー
ルミル、アトライター、ジェットミルなど通常用いられ
る装置を使用することができるが、簡便性という点でボ
ールミルが好ましい。

解砕時間は０．５〜３時間の範囲が好ましく、用いる窒
化アルミニウム粉末の中心粒径により、凝集粒の解砕と
カルシウム化合物の均一な分散が達成できる範囲で適宜
選ぶことができる。

このようにして得られたカルシウム化合物が均一に分散
した窒化アルミニウム質粉末とＹ２Ｏ，などの焼結助剤
との混合は、乾式混合あるいはアルコール等の非水溶媒
を用いた湿式混合を用いることができるが、通常は非水
溶媒を用いた湿式混合を用いることが好ましい。

湿式混合の際には、次の成形工程を容易にするために、
ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール、ポリア
クリル酸エステルなどのバインダーか通常添加される。

また、バインダーの他に通常は各種の分散剤、可塑剤、
湿潤剤なども添加される。

混合装置としてはボールミル、混線機など通常用いられ
る装置を使用することができる。

更に、該混合物は乾燥、造粒を行い、次の工程の成形方
法に応じて顆粒、坏土あるいはスラリーなどの各種性状
の原料形態に調製される。

成形方法は一軸プレス、ラバープレスなどの乾式法、ド
クターブレード法、押出し法などの湿式法など公知の方
法を用いることができる。また、成形と焼結を同時に行
うホットプレス法を用いても何ら差し支えない。

得られた成形体は通常匣鉢と呼ばれる容器に収納して焼
結される。その材質にはグラファイト、窒化ホウ素、窒
化アルミニウム、アルミナなどを用いることができるか
、１７００℃以上の高温焼結ではグラファイト、窒化ホ
ウ素、窒化アルミニウムから成る匣鉢を用いることが好
ましい。また、成形体を窒化アルミニウムを主成分とす
る粉末の中に埋め込んで焼結するパウダーベツド法を用
いることもできる。

焼結は焼結時の窒化アルミニウムの酸化を防止するため
に、非酸化性雰囲気で行うことが必要である。非酸化性
雰囲気としては窒素、アルゴン、窒素と水素の混合ガス
、窒素とアルゴンの混合ガスなどが使用できるが、窒素
ガス雰囲気が製造コストおよび装置の取扱い易さという
点で最も好ましい。

焼結温度は１５００〜２０００℃の範囲を適用できるが
、実用上は１５５０〜１８５０℃の範囲が好ましい。

昇温速度は特に限定されるものではないが、通常１〜５
℃／ｍｉｎの範囲である。

焼結温度での保持時間は２〜２０時間の範囲で、窒化ア
ルミニウム焼結体密度が３．１ｇ／ａＩ以上であること
が必要である。焼結体密度が３．１ｇ／ｃ＋ｄ未満でも
外観上は緻密化しているように見えるが、焼結体内に多
くの気孔を含んでおり、その結果高熱伝導性を有する焼
結体とならない。

〔発明の効果〕

本発明方法で得られる窒化アルミニウム質粉末は、カル
シウム化合物が均一に分散されており、これを用いるこ
とにより殆ど気孔を含まない高密度で熱伝導性に優れた
焼結体を容易に得ることができる。従来より良好な熱伝
導性および耐食性を有する焼結体製造用粉末として有用
なものである。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発
明はこれらにより限定されるものではない。

なお、諸物性の測定は次の方法および装置にて行った。

（酸素含有量） 方法コインパルス加熱−赤外線吸収法 装置＋　ＬＥＣＯ社製　ＴＣ−４３６型（金属不純物） 方法：ＩＣＰ発光発光分 光室：（掬島津製作所製カントレット　ＧＱＭ−７５（
粒度分布） 方法・セディグラフ 装置：（掬島津製作所製セデイグラフ　５０００ＥＴ（
焼結体密度） 方法：アルキメデス法 装置：（掬島津製作所製固体比重測定装置（熱伝導度） 方法：レーザーフラッシュ法 装置：真空理工■製　ＴＣ−７０００型（耐食性） 方法＝１０重量％ＮａＯＨ水溶液中へ２４ｈｒおよび４
８ｈｒ室温下で浸漬後の重量変化にて評価実施例１〜２ 窒化アルミニウム粉末としてアルミナの還元窒化法によ
り得られた酸素含有量が１．１％、鉄を１０ｐｐＩ１１
、シリコンを６０ｐｐｍ、チタンを１６ｐｐｍ含み、中
心粒径が２．１μｍの粉末を使用した。

また、カルシウム化合物としてＣａＣ０３（白石カルシ
ウム■製白艶華ＣＣＲ）を用いた。

上記窒化アルミニウム粉末３００ｇとＣａＣＯ３０，２
７ｇ（窒化アルミニウム粉末に対してＣａＯに換算して
０．０５重量％相当量）およびメタノール３ｇを、直径
１５耶のアルミナボールと共に５１のポリエチレン製ポ
ットに入れ、４０ｒｐｍの回転速度で３時間解砕を行っ
た。

このようにして得られた中心粒径１．４μｍの窒化アル
ミニウム質粉末２０ｇと焼結助剤としてのＹ２Ｏ３（日
本イツトリウム（株制）０．６ｇを２５０ｍ１のポリエ
チレン製ポットに入れ、ｎ−ブタノール２５ｇ１アクリ
ル系バインダー（三洋化成（株制ＣＢ−１）　１．０ｇ
を加えて、１５＋ｎｍφ鉄芯入りナイロンコーティング
ボールを用いて６０ｒｐｍの回転速度で４時間湿式ボー
ルミル混合を行った。

得られたスラリーを乾燥した後、メノウ製乳鉢で軽く解
砕して焼結用粉末を調製した。この焼結用粉末を１５０
０ｋｇ／ｃＪでプレス成形した後、グリーン成形体を窒
化アルミニウムと窒化ホウ素の混合粉末に埋め、窒素雰
囲気中で１７５０℃および１８００°Ｃで５時間常圧焼
結した。得られた焼結体の焼結密度および熱伝導度を表
１に示す。

表−１ 焼結温度　　焼結密度　　熱伝導度 実施例１　　１７５０°Ｃ：　　　３．２８ｇ／ｃ＋１
２０５Ｗ／ｍＫ実施例２　　１８００℃　　３．２９ｇ
／ｃｏ？　　　２１９Ｗ／ｍＫまた、１８００℃におけ
る焼結体の耐食性評価結果は、２４ｈｒ後の重量減少率
は２．９％、４８ｈｒ後は４．３％であった。

比較例１〜２ 窒化アルミニウム粉末とし２てアルミナの還元窒化法に
より得られた酸素含有量が１．３％、鉄を１０ｐｐｍ　
、シリコンを６０ｐｐｍ、チタンを］、６ｐｐｍ含み、
中心粒径が１．４μｍの粉末を使用した。

上記窒化アルミニウム粉末２０ｇと、焼結助剤としてＹ
、０．を０．６ｇおよびＣａＣ０，を０．０１８ｇ　（
窒化アルミニウム粉末に対してＣａＯに換算して０．０
５重量％相当量）を２５０−ポリエチレン製ポットに入
れ、以下実施例１と同様にしてスラリーを調製し焼結を
行った。得られた焼結体の焼結密度および熱伝導度を表
２に示す。

表−２ 焼結温度　　焼結密度　　熱伝導度 比較例１　　１７５０°Ｃ３，２７ｇ／ｃｆｆｌ　　　
１８６Ｗ／ｍＫ比較例２　　１８００８Ｃ３，２８ｇ／
ｃ／　　　１９５Ｗ／ｍＫまた、１８００℃における焼
結体の耐食性評価結果は、２４ｈｒ後の重量減少率は３
．９％、４８ｈｒ後は８．２％であった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　窒化アルミニウム粉末に焼結助剤としてカルシウム化
   合物を窒化アルミニウムに対してＣａＯに換算して０．
   ０１〜１重量％添加して窒化アルミニウム質粉末を製造
   する方法において、窒化アルミニウム粉末の解砕時にカ
   ルシウム化合物を添加することを特徴とする窒化アルミ
   ニウム質粉末の製造方法。