JPH0465367A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、窒化アルミニウム焼結体（ｌ　Ｎ焼結体）の
製造方法に関するものである。

（従来の技術） Ａｆ１Ｎ焼結体は、熱伝導率がアルミナなどより高く、
かつ熱膨張率がシリコン（Ｓｔ）と近似しているため、
半導体装置の実装用基板として用いられている。また、
ＡｇＮ焼結体は高温下での高強度性、溶融金属との反応
性か乏しいなどの特性を合せ持っているため、他の分野
への応用が広がりつつある。近年、ＡＩＪＮ焼結体を高
純度化すことなどで〜２７０Ｗ／ｍ−にの高熱伝導率化
が可能なった。２７０Ｗ／ｍ−にのＡ、９Ｎ焼結体には
、不純物酸素量、そして陽イオン不純物がそれぞれ数百
ｐｐｍ程度しか含まれていないことがよく知られている
。

周知のようにＡＩＪＮ粉末に不可避的に含まれる酸化ア
ルミニウム不純物は、焼成時に添加物と反応してアルミ
ン酸塩を生成し、これらアルミン酸塩は焼成時に液相を
生成しＡ、ＱＮ焼結体の緻密化を促進する。通常、前記
アルミン酸塩は粒界三重点に粒界相として残留する。換
言すれば、酸化アルミニウムム不純物は粒界相にトラッ
プされ、ＡｇＮ結晶自体を高純度化される。例えば、添
加物としてＹ２Ｏ，を用いると、３Ｙ２０３５ＡｉＪ２
０３　　　Ｙ２Ｏ３ＡＮ２０３２　Ｙ　２０３　・Ａｌ
１２０＜等のＹ−Ａｇ−０系複合酸化物を生成し、添加
物としてＣａＯを用いるとＣａ０−Ａ１２０３．２Ｃａ
ｏ　ｅ　ＡＪ７２０３等のＣａ−Ａｊ７−０系板合酸化
物を生成し、焼結体内に残存する。このようなアルミン
酸塩は、粒界三重点に粒界相として残留する。

上述した複合酸化物が粒界相に混在すると、その分焼結
体の熱伝導率が低下する。このため、還元性雰囲気下で
長時間の焼成を行って前記複合酸化物を系外に除去する
ことによって、−層の高純度化、つまり高熱伝導率化が
図られている。前記複合酸化物を含まないＡＩＮ焼結体
は、Ｘ線回折やＳＥＭで評価した範囲内ではＡＩＪＮ単
相からなることが知られている。複合酸化物が除去され
るメカニズムについては、いくつかの説が報告されてい
るが、定説には至っておらず、複合酸化物の還元窒化反
応及び蒸発が関係していると考えられている。前記複合
酸化物がＡ１！Ｎ焼結体の系外に移行する速度は、焼成
雰囲気に依存し、ヒータ又は焼成容器などから微量のカ
ーボンガスが発生する雰囲気では速いことが知られてい
る。

高熱伝導性ＡＩＩＮ単一相焼結体の製造において、焼成
雰囲気の影響は極めて多大である。焼成雰囲気により、
粒界相の除去される速度、焼結体内に残存する不純物量
が異なる。その結果、焼結体の特性は大きく変化する。

従来より、Ａ、ＱＮ単一相焼結体を製造する場合、焼成
容器を変えることによって焼成雰囲気を制御することが
行われていた。

前記焼成容器には、カーボンガスの供給源のグラファイ
トの他、ＡＩＮ焼結体、ＢＮ（窒化硼素）、タングステ
ン等が用いられていた。しかしなから、かかる方法でも
高熱伝導性ＡｐＮ焼結体を必すしも安定的に製造するこ
とか難しく、特に焼結体寸法が大形化した場合には、よ
り顕著となるという問題があった。

（発明か解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、高熱伝導性の優れたＡ、ＯＮ焼結体を簡単かつ
安定的に製造し得る方法を提供しようとするものである
。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、窒化アルミニウム粉末にアルカリ土類化合物
及び／又は希土類化合物を添加した成形体を、不純物酸
素量が０．５重量％未満の窒化アルミニウム焼結体とグ
ラファイトとを共存させた不活性雰囲気にて焼成するこ
とを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法であ
る。

上記Ａｌ）Ｎ粉末としては、不純物酸素量が０．１〜２
．５重量％、より好ましくは０．３〜２．０重量％で、
かつ平均−時粒子径が１．５μｍ以下、より好ましくは
０．１〜１．２μｍのものを用いることが望ましい。

上記アルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物は、焼
成に際してアルカリ土類アルミン酸塩、希土類アルミン
酸塩、アルカリ土類希土類アルミン酸塩等の複合酸化物
に変化し、焼成終了時には焼結体の系外に除去される。

かかるアルカリ土類化合物としては、例えばＣａ、Ｂａ
％Ｓｒの酸化物、炭化物、フッ化物、炭酸塩、シュウ酸
塩、硝酸塩、又はアルコキシド等を挙げることができる
。

また、希土類化合物としては、例えばＹ、Ｌａ。

Ｃｅ、Ｎｄ、Ｄｙ５Ｐｒの酸化物、炭化物、フッ化物、
炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、又はアルコキシド等を挙
げることができ、特にＹ、Ｌａ。

Ｃｅの化合物が好適である。

上記アルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物の添加
量は、これら化合物の元素換算をＡ、ＡｇＮ粉末の量を
Ｂとした時、Ａ／　（Ａ＋Ｂ）を３０重量％以下、より
好ましくは０，１〜２０重量％の範囲にすることが望ま
しい。この理由は、前記化合物の量が３０重量％を越え
ると、それら化合物の元素がＩＯＮ粒界に残留してＡΩ
Ｎ焼結体の高熱伝性を阻害する恐れがある。

上記不純物酸素を含むＡ、ＱＮ焼結体は、例えば前記成
形体の敷板や成形体に隣接して配置するブロックの形態
で還元性雰囲気中に共存させることができる。かかるＡ
ρＮ焼結体中の不純物酸素量を限定した理由は、その量
を０．５重量％以上にするとＡ１１Ｎ焼結体の熱伝導率
の低下、焼結体中の色ムラ発生が起こる。より好ましい
不純物酸素量は、０．４重量％以下である。

上記グラファイトは、微量のカーボンガスの発生源とし
て作用し、例えば焼成炉のグラファイトヒータやグラフ
ァイト容器の形態で雰囲気中に共存される。不活性ガス
としては、例えばＮ２、Ａｒ５Ｈｅ等を用いることがで
きる。

上記焼成は、１８００〜２０００℃の温度範囲で行うこ
とが望ましい。この理由は、その温度を１８００℃未満
にすると焼結性か低下するばかりが、焼結助剤としての
アルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物の元素がＡ
、９Ｎ粒界から抜けず、残留し、方２０００℃を越える
とＡ、ＱＮが昇華するばかりか雰囲気中のカーボンガス
と反、応してカーバイドが生成される恐れかある。また
、ががる焼成は前記焼成温度範囲で低温側（１８００’
Ｃ）では６時間以上、高温側（２０００℃）では４時間
以上行うことが望ましい。

本発明方法における焼成対象物は、上述した成形体の他
に、ＡＩＨを主成分とし、粒界相としてアルカリ土類元
素アルミニウム酸化物、希土類元素アルミニウム酸化物
、アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム酸化物から
選ばれる少なくとも１種を含む焼結体を用いてもよい。

（作　用） 本発明方法は、Ａ４７Ｎ粉末にアルカリ土類化合物及び
／又は希土類化合物を添加した成形体を、不純物酸素量
が０，５重量％未満のＡ、ＱＮ焼結体とグラファイトと
を共存させた不活性雰囲気下にて焼成する。かかる焼成
工程において、前記添加物はアルカリ土類アルミン酸塩
、希土類アルミン酸塩、アルカリ土類希土類アルミン酸
塩等の複合酸化物に変化し、前記グラファイトから発生
する微量のカーボンガスの作用により焼成終了時には焼
結体の系外に除去される。つまり、前記添加物はＡＩＨ
の緻密化及び不純物酸化アルミニウムのトラップに寄与
した後、系外に除去される。また、雰囲気中に共存され
るＡ、９Ｎ焼結体によって、得ようとするＡ、ＱＮ焼結
体の重量減少を防止できる。

しかも、雰囲気中に共存させるＡｇＮ焼結体の不純物酸
素を０．５重量％未満に特定化することによって、得よ
うとするＡｇＮ焼結体の色ムラの発生、熱伝導率の低下
を防止できる。その結果、ＡＩＨの高純度化による高熱
伝導性（熱伝導率が２４０Ｗ／　ｍ　＊　Ｋ以上）を有
するＡ、ＱＮ単一相焼結体を簡単かつ安定的に製造でき
る。

（実施例） 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例１ まず、不純物酸素量が１．０重量％、平均−次粒子径０
．６μｍのＡＩＮ粉末に添加物として平均粒径０．１．
ｃｚｍ、純度９９．９％のＹ２Ｏ，粉末３重量部、（Ｙ
換算、　２．３８重量％）を加え、ボールミルで混合し
て原料粉末を調製した。つづいて、この原料粉末にアク
リル系バインダ５重量％を添加した造粒した後、この造
粒粉末１２ｇを５００ｋｇ／　ｃｍ２の一軸加圧下て成
形して約３０Ｘ　３０Ｘ　７ｍｍの圧粉体とした。ひき
つづき、この圧粉体を窒素ガス雰囲気中で７００℃まで
加熱してアクリル系バインダを除去した。次いで、前記
圧粉体を不純物酸素ｆｆ１０．２１重量％のＡ、ＱＮ焼
結体からなる直径９０１１１１％厚さ　１１ｍの敷板上
に載せ、これを内寸法で直径１００１１１０％高さ　１
００ＩＩＩＩＩのグラフアイ製容器内にセットし、グラ
ファイト製ヒータ炉内にて１気圧の窒素ガス雰囲気、１
９００℃で２４時間焼成してＡｆｉＮ焼結体を製造した
。

比較例１ 圧粉体を載せる敷板として、不純物酸素量］、５重量％
のＡｇＮ焼結体からなるものを用いた以外、実施例１と
同様な方法によりＡ、ＱＮ焼結体を製造した。

比較例２ 圧粉体を載せる敷板として、７５ｍｎ角、厚さ０．０５
ｍａｎのタングステンシートからなるものを用いた以外
、実施例１と同様な方法によりＡｇＮ焼結体を製造した
。

比較例３ 圧粉体をタングステンシートを用いずにクラフィト製容
器にそのままセットした以外、実施例１と同様な方法に
よりＡ、９Ｎ焼結体を製造した。

得られた本実施例１及び比較例１〜３のＡ、１７Ｎ焼結
体について、それらの粉砕物をＸ線回折により構成相を
調べたところ、単一のＩｃＩＮ相からなるものであった
。但し、比較例３の焼結体では粉砕時に異臭を発つし、
なんらかの微量不純物が混入されていることが推定され
る。また、これらＡＪＮ焼結体について、密度、熱伝導
率及び外観を調べた。これらの結果を下記第１表に示し
た。

なお、■密度、■熱伝導率は以下に示す方法により測定
した。

■密度 アルキメデス法によりＡｐＮ焼結体の密度を測定した。

■熱伝導率 各Ａ１１１Ｎ焼結体から直径ＩＤｌｌＩＤ１％厚さ　３
■の円板を切り出し、２１．’Ｃ±２℃の室温下、レー
ザフラッシュ法により熱伝導率を測定した。

実施例２〜６ 圧粉体を載せる敷板として、下記第２表に示す不純物酸
素量を有するＡρＮ焼結体からなるものを用いた以外、
実施例１と同様な方法により　５種のＡ４７Ｎ焼結体を
製造した。

得られた本実施例２〜６のＡｌ）Ｎ焼結体について、前
述した実施例１と同様な方法により密度、熱伝導率を調
べた。その結果を同第２表に併記した。

実施例７〜１３ 下記第３表に示すＡＩＮ粉末及び添加物からなる原料粉
末を用いた以外、実施例１と同様な方法により　７種の
Ａｆｉ　Ｎ焼結体を製造した。

得られた本実施例７〜１３のＡ、ＱＮ焼結体について、
前述した実施例１と同様な方法により密度、熱伝導率の
評価すると共に、電気抵抗、絶縁破壊電圧、誘電率を調
べた。その結果を同第３表に併記した。なお、電気抵抗
、絶縁破壊電圧、誘電率の測定法はいずれもＪＩＳにの
っとり、室温下で行った。

実施例１４〜１８ ＩＮ粉末として下記第４表に示す組成のものを用い、か
つ焼成を同第４表に示す条件で行った以外、実施例１と
同様な方法により　５種のＡ、ＱＮ焼結体を製造した。

但し、実施例１Ｂでは造粒粉６ｇを加圧成形して製造に
供した。

得られた本実施例１４〜１８のＡＩＮ焼結体について、
前述したのと同様な方法により密度、熱伝導率、電気抵
抗、絶縁破壊電圧、誘電率を調べた。

その結果を同第４表に併記した。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば色ムラがなく、２４
０Ｗ　／　ｍ　Ｋ以上の高熱伝導性を有するＡｇＮ焼結
体を簡単かつ安定的に製造でき、ひいては歩留まりの向
上、低コスト化を図ることができる等顕著な効果を奏す
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 窒化アルミニウム粉末にアルカリ土類化合物及び／又は
   希土類化合物を添加した成形体を、不純物酸素量が０．
   ５重量％未満の窒化アルミニウム焼結体とグラファイト
   とを共存させた不活性雰囲気にて焼成することを特徴と
   する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。