JPH07172921A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 - Google Patents
窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法Info
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- JPH07172921A JPH07172921A JP5344922A JP34492293A JPH07172921A JP H07172921 A JPH07172921 A JP H07172921A JP 5344922 A JP5344922 A JP 5344922A JP 34492293 A JP34492293 A JP 34492293A JP H07172921 A JPH07172921 A JP H07172921A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】ＡｌＮ焼結体の粒成長を抑制し、焼結体組織を
微細化するとともに結晶粒径分布を適正に制御して焼結
体の強度ならびに破壊靭性値を共に改善し、窒化アルミ
ニウム特有の放熱特性を損うことなく機械的強度および
破壊靭性値を共に高めたＡｌＮ焼結体およびその製造方
法を提供する。 【構成】窒化アルミニウムの結晶粒から成る結晶組織を
有し、破壊靭性値が２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上，３点曲げ
強度が４９０ＭＰａ以上，熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上であることを特徴とする。また結晶組織において、
粒径が１μｍ未満の結晶粒の割合が１０容量％以下，粒
径が１μｍ以上２μｍ未満の結晶粒の割合が１０〜２０
容量％以下，粒径が２μｍ以上３μｍ未満の結晶粒の割
合が１０〜３０容量％以下，粒径が３μｍ以上４μｍ未
満の結晶粒の割合が３０〜５０容量％以下，粒径が４μ
ｍ以上５μｍ未満の結晶粒の割合が５〜１０容量％以
下，粒径が５μｍ以上の結晶粒の割合が１０容量％とな
るように結晶粒度分布が調整される。
微細化するとともに結晶粒径分布を適正に制御して焼結
体の強度ならびに破壊靭性値を共に改善し、窒化アルミ
ニウム特有の放熱特性を損うことなく機械的強度および
破壊靭性値を共に高めたＡｌＮ焼結体およびその製造方
法を提供する。 【構成】窒化アルミニウムの結晶粒から成る結晶組織を
有し、破壊靭性値が２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上，３点曲げ
強度が４９０ＭＰａ以上，熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上であることを特徴とする。また結晶組織において、
粒径が１μｍ未満の結晶粒の割合が１０容量％以下，粒
径が１μｍ以上２μｍ未満の結晶粒の割合が１０〜２０
容量％以下，粒径が２μｍ以上３μｍ未満の結晶粒の割
合が１０〜３０容量％以下，粒径が３μｍ以上４μｍ未
満の結晶粒の割合が３０〜５０容量％以下，粒径が４μ
ｍ以上５μｍ未満の結晶粒の割合が５〜１０容量％以
下，粒径が５μｍ以上の結晶粒の割合が１０容量％とな
るように結晶粒度分布が調整される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板等に使用さ
れる窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法に係
り、特に窒化アルミニウム特有の熱伝導性を損うことな
く、強度ならびに破壊靭性値を共に大幅に改善し、放熱
性に優れた窒化アルミニウム焼結体および製造方法に関
する。
れる窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法に係
り、特に窒化アルミニウム特有の熱伝導性を損うことな
く、強度ならびに破壊靭性値を共に大幅に改善し、放熱
性に優れた窒化アルミニウム焼結体および製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来の金属材料と比較して強度、耐熱
性、耐食性、耐摩耗性、軽量性などの諸特性に優れたセ
ラミックス焼結体が、半導体基板、電子機器材料、エン
ジン用部材、高速切削工具用材料、ノズル、ベアリング
など、従来の金属材料の及ばない苛酷な温度、応力、摩
耗条件下で使用される機械部品、機能部品、構造材や装
飾品材料として広く利用されている。
性、耐食性、耐摩耗性、軽量性などの諸特性に優れたセ
ラミックス焼結体が、半導体基板、電子機器材料、エン
ジン用部材、高速切削工具用材料、ノズル、ベアリング
など、従来の金属材料の及ばない苛酷な温度、応力、摩
耗条件下で使用される機械部品、機能部品、構造材や装
飾品材料として広く利用されている。
【０００３】特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体は
高熱伝導性を有する絶縁体であり、シリコン（Ｓｉ）に
近い熱膨張係数を有することから高集積化した半導体装
置の放熱板や基板として、その用途を拡大している。
高熱伝導性を有する絶縁体であり、シリコン（Ｓｉ）に
近い熱膨張係数を有することから高集積化した半導体装
置の放熱板や基板として、その用途を拡大している。
【０００４】従来上記窒化アルミニウム焼結体は一般的
に下記の製造方法によって量産されている。すなわち、
窒化アルミニウム原料粉末に焼結助剤と、有機バインダ
と、必要に応じて各種添加剤や溶媒、分散剤とを添加し
て原料混合体を調製し、得られた原料混合体をドクター
ブレード法や泥漿鋳込み法によって成形し、薄板状ない
しシート状の成形体としたり、原料混合体をプレス成形
して厚板状ないし大型の成形体を形成する。次に得られ
た成形体は、空気または窒素ガス雰囲気において加熱さ
れ脱脂処理され、有機バインダとして使用された炭化水
素成分等が成形体から排除脱脂される。そして脱脂され
た成形体は窒素ガス雰囲気等で高温度に加熱され緻密化
焼結されて窒化アルミニウム焼結体が形成される。
に下記の製造方法によって量産されている。すなわち、
窒化アルミニウム原料粉末に焼結助剤と、有機バインダ
と、必要に応じて各種添加剤や溶媒、分散剤とを添加し
て原料混合体を調製し、得られた原料混合体をドクター
ブレード法や泥漿鋳込み法によって成形し、薄板状ない
しシート状の成形体としたり、原料混合体をプレス成形
して厚板状ないし大型の成形体を形成する。次に得られ
た成形体は、空気または窒素ガス雰囲気において加熱さ
れ脱脂処理され、有機バインダとして使用された炭化水
素成分等が成形体から排除脱脂される。そして脱脂され
た成形体は窒素ガス雰囲気等で高温度に加熱され緻密化
焼結されて窒化アルミニウム焼結体が形成される。
【０００５】上記製造方法において、原料ＡｌＮ粉末と
して平均粒径が０．５μｍ以下程度の超微細な原料粉末
を使用する場合は、ＡｌＮ粉末単独でもかなりの緻密な
焼結体が得られる。しかしながら、原料粉末表面等に付
着した多量の酸素等の不純物が焼結時に、ＡｌＮ結晶格
子中に固溶したり、格子振動の伝播を妨げるＡｌ−Ｏ−
Ｎ化合物等の複合酸化物を生成する結果、焼結助剤を使
用しないＡｌＮ焼結体の熱伝導率は比較的に低かった。
して平均粒径が０．５μｍ以下程度の超微細な原料粉末
を使用する場合は、ＡｌＮ粉末単独でもかなりの緻密な
焼結体が得られる。しかしながら、原料粉末表面等に付
着した多量の酸素等の不純物が焼結時に、ＡｌＮ結晶格
子中に固溶したり、格子振動の伝播を妨げるＡｌ−Ｏ−
Ｎ化合物等の複合酸化物を生成する結果、焼結助剤を使
用しないＡｌＮ焼結体の熱伝導率は比較的に低かった。
【０００６】一方原料粉末として平均粒径１μｍ以上の
ＡｌＮ粉末を使用する場合は、その原料粉末単独では焼
結性が良好でないため、ホットプレス法以外には助剤無
添加では緻密な焼結体を得ることが困難であり、量産性
が低い欠点があった。そこで常圧焼結法によって効率的
に焼結体を製造しようとする場合には、焼結体の緻密化
およびＡｌＮ原料粉末中の不純物酸素がＡｌＮ結晶粒子
内へ固溶することを防止するために、焼結助剤として、
酸化イットウリム（Ｙ2 Ｏ3 ）などの希土類酸化物や酸
化カルシウムなどのアルカリ土類金属酸化物等を添加す
ることが一般に行なわれている。
ＡｌＮ粉末を使用する場合は、その原料粉末単独では焼
結性が良好でないため、ホットプレス法以外には助剤無
添加では緻密な焼結体を得ることが困難であり、量産性
が低い欠点があった。そこで常圧焼結法によって効率的
に焼結体を製造しようとする場合には、焼結体の緻密化
およびＡｌＮ原料粉末中の不純物酸素がＡｌＮ結晶粒子
内へ固溶することを防止するために、焼結助剤として、
酸化イットウリム（Ｙ2 Ｏ3 ）などの希土類酸化物や酸
化カルシウムなどのアルカリ土類金属酸化物等を添加す
ることが一般に行なわれている。
【０００７】これらの焼結助剤は、ＡｌＮ原料粉末に含
まれる不純物酸素やＡｌ2 Ｏ3 と反応して液相を形成
し、焼結体の緻密化を達成するとともに、この不純物酸
素を粒界相として固定し、高熱伝導率化も達成するもの
と考えられている。
まれる不純物酸素やＡｌ2 Ｏ3 と反応して液相を形成
し、焼結体の緻密化を達成するとともに、この不純物酸
素を粒界相として固定し、高熱伝導率化も達成するもの
と考えられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の製造方法においては、本来、ＡｌＮと液相化合物との
濡れ性が低く、また液相自体が偏析し易い性質を有する
ことから、焼結後に液相が凝固する際に、液相はＡｌＮ
粒子の間隙部に偏在するように残留し、凝固して粗大で
脆弱な粒界相を形成する傾向がある。また、結晶粒の粒
成長が進行し易く、図２に示すように焼結体の結晶組織
に平均粒径が５〜１０μｍと粗大な結晶粒が形成され易
く、また微小な気孔が消滅せずに結晶粒内に残存し、焼
結体の緻密化を阻害し、最終的に３点曲げ強度が３５０
〜４００ＭＰａ程度の低強度であり、また破壊靭性値が
２．８ＭＮ／ｍ3/2 以下という低靭性の窒化アルミニウ
ム焼結体しか得られない問題点があった。
の製造方法においては、本来、ＡｌＮと液相化合物との
濡れ性が低く、また液相自体が偏析し易い性質を有する
ことから、焼結後に液相が凝固する際に、液相はＡｌＮ
粒子の間隙部に偏在するように残留し、凝固して粗大で
脆弱な粒界相を形成する傾向がある。また、結晶粒の粒
成長が進行し易く、図２に示すように焼結体の結晶組織
に平均粒径が５〜１０μｍと粗大な結晶粒が形成され易
く、また微小な気孔が消滅せずに結晶粒内に残存し、焼
結体の緻密化を阻害し、最終的に３点曲げ強度が３５０
〜４００ＭＰａ程度の低強度であり、また破壊靭性値が
２．８ＭＮ／ｍ3/2 以下という低靭性の窒化アルミニウ
ム焼結体しか得られない問題点があった。
【０００９】上記問題点を解決するために、粒径が均一
で細かい窒化アルミニウム原料粉末を使用して可及的に
微細な結晶組織を有するＡｌＮ焼結体を形成したり、各
種添加物を添加して焼結性を高める工夫も試行されてい
る。例えばＷ成分等を含有させることにより、焼結性を
改善して高強度のＡｌＮ焼結体を得る方法も本願発明者
らが発案した。しかしながら、Ｗ成分を含有させること
により、結晶組織が微細で均一化されるため、焼結体の
強度は改善される反面、破壊靭性値は逆に低下してしま
うことも判明した。したがって、強度および靭性値が共
に優れた半導体基板用のＡｌＮ焼結体を得ることは困難
であった。
で細かい窒化アルミニウム原料粉末を使用して可及的に
微細な結晶組織を有するＡｌＮ焼結体を形成したり、各
種添加物を添加して焼結性を高める工夫も試行されてい
る。例えばＷ成分等を含有させることにより、焼結性を
改善して高強度のＡｌＮ焼結体を得る方法も本願発明者
らが発案した。しかしながら、Ｗ成分を含有させること
により、結晶組織が微細で均一化されるため、焼結体の
強度は改善される反面、破壊靭性値は逆に低下してしま
うことも判明した。したがって、強度および靭性値が共
に優れた半導体基板用のＡｌＮ焼結体を得ることは困難
であった。
【００１０】近年、半導体素子の高集積化、高出力化に
伴って増加する発熱量に対応するために、高熱伝導性
（高放熱性）を有する上記窒化アルミニウム材料が普及
しつつあり、その放熱性については大体満足する結果が
得られている。しかしながら上記のように構造部材とし
ての強度ならびに靭性値が不足するため、例えば窒化ア
ルミニウム焼結体で形成した半導体基板を実装ボードに
装着する際に作用する僅かな曲げ応力や取扱時に作用す
る衝撃力によって半導体基板が損傷し易く、半導体回路
基板の製造歩留りが大幅に低下してしまう問題点があっ
た。
伴って増加する発熱量に対応するために、高熱伝導性
（高放熱性）を有する上記窒化アルミニウム材料が普及
しつつあり、その放熱性については大体満足する結果が
得られている。しかしながら上記のように構造部材とし
ての強度ならびに靭性値が不足するため、例えば窒化ア
ルミニウム焼結体で形成した半導体基板を実装ボードに
装着する際に作用する僅かな曲げ応力や取扱時に作用す
る衝撃力によって半導体基板が損傷し易く、半導体回路
基板の製造歩留りが大幅に低下してしまう問題点があっ
た。
【００１１】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、ＡｌＮ焼結体の結晶粒の大きさと粒
径分布を適正に制御して焼結体の強度ならびに破壊靭性
値の向上を図り、放熱特性を損うことなく機械的強度を
高めたＡｌＮ焼結体およびその製造方法を提供すること
を目的とする。
されたものであり、ＡｌＮ焼結体の結晶粒の大きさと粒
径分布を適正に制御して焼結体の強度ならびに破壊靭性
値の向上を図り、放熱特性を損うことなく機械的強度を
高めたＡｌＮ焼結体およびその製造方法を提供すること
を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本願発明者は上記目的を
達成するため、窒化アルミニウム原料粉末の合成方法，
ＡｌＮ原料粉末の粒度分布，原料窒化アルミニウム粉末
に添加する焼結助剤や添加物の種類や添加量を種々変え
て、それらが焼結体の結晶組織，結晶粒度分布，強度特
性や破壊靭性値および伝熱特性に及ぼす影響について実
験検討を進めた。
達成するため、窒化アルミニウム原料粉末の合成方法，
ＡｌＮ原料粉末の粒度分布，原料窒化アルミニウム粉末
に添加する焼結助剤や添加物の種類や添加量を種々変え
て、それらが焼結体の結晶組織，結晶粒度分布，強度特
性や破壊靭性値および伝熱特性に及ぼす影響について実
験検討を進めた。
【００１３】その結果、所定のＡｌＮ原料粉末に焼結助
剤の他に添加剤としてのＳｉ成分を複合的に微量添加
し、その混合体を成形焼結したときに、平均結晶粒径が
２〜４．５μｍと微細であり、かつ結晶粒の粒径分布が
従来のものより広い焼結体組織が得られ、強度特性およ
び破壊靭性値が共に優れたＡｌＮ焼結体が得られた。本
発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
剤の他に添加剤としてのＳｉ成分を複合的に微量添加
し、その混合体を成形焼結したときに、平均結晶粒径が
２〜４．５μｍと微細であり、かつ結晶粒の粒径分布が
従来のものより広い焼結体組織が得られ、強度特性およ
び破壊靭性値が共に優れたＡｌＮ焼結体が得られた。本
発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
【００１４】すなわち本発明に係る窒化アルミニウム焼
結体は、窒化アルミニウムの結晶粒から成る結晶組織を
有し、破壊靭性値が２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上，３点曲げ
強度が４９０ＭＰａ以上，熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上であることを特徴とする。さらに周期律表IIIa族元
素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種の
元素の酸化物を１〜１０重量％含有するとともに、Ｓｉ
成分濃度が０．０１〜０．２重量％であり、Ａｌ2 Ｏ3
含有量が１．５重量％以下であることを特徴とする。ま
たＳｉ成分は、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＣ，Ｓｉ2
Ｎ2 Ｏ，β−サイアロン，α−サイアロンおよびポリタ
イプの窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）から選
択された少なくとも１種のけい素化合物として含有させ
るとよい。さらにＴｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｌ
ｉ，Ｍｇから選択される少なくとも１種の金属元素を酸
化物換算で０．０５〜０．５重量％含有させるとよい。
またＭｏ等の不純物陽イオンの含有量は０．２重量％以
下にするとよい。さらに焼結体の平均結晶粒径が２〜
４．５μｍに設定するとよい。そして上記組成から成
り、かつ上記のような広い結晶粒径分布を有するＡｌＮ
焼結体は、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ま
た３点曲げ強度が４９０ＭＰａであり、破壊靭性値が
２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上となる。
結体は、窒化アルミニウムの結晶粒から成る結晶組織を
有し、破壊靭性値が２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上，３点曲げ
強度が４９０ＭＰａ以上，熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上であることを特徴とする。さらに周期律表IIIa族元
素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種の
元素の酸化物を１〜１０重量％含有するとともに、Ｓｉ
成分濃度が０．０１〜０．２重量％であり、Ａｌ2 Ｏ3
含有量が１．５重量％以下であることを特徴とする。ま
たＳｉ成分は、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＣ，Ｓｉ2
Ｎ2 Ｏ，β−サイアロン，α−サイアロンおよびポリタ
イプの窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）から選
択された少なくとも１種のけい素化合物として含有させ
るとよい。さらにＴｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｌ
ｉ，Ｍｇから選択される少なくとも１種の金属元素を酸
化物換算で０．０５〜０．５重量％含有させるとよい。
またＭｏ等の不純物陽イオンの含有量は０．２重量％以
下にするとよい。さらに焼結体の平均結晶粒径が２〜
４．５μｍに設定するとよい。そして上記組成から成
り、かつ上記のような広い結晶粒径分布を有するＡｌＮ
焼結体は、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、ま
た３点曲げ強度が４９０ＭＰａであり、破壊靭性値が
２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上となる。
【００１５】また本発明に係る窒化アルミニウム焼結体
の製造方法は、上記添加物以外の不純物陽イオンの含有
量が０．２重量％以下である窒化アルミニウム原料粉末
に、周期律表IIIa族元素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択さ
れる少なくとも１種の元素の酸化物１〜１０重量％と、
Ｓｉ成分０．０１〜０．２重量％と，Ａｌ2 Ｏ3 を１．
５重量％以下とを添加した混合粉末を成形し、得られた
成形体を非酸化性雰囲気中で１６５０〜１９００℃の温
度域で焼結することを特徴とする。
の製造方法は、上記添加物以外の不純物陽イオンの含有
量が０．２重量％以下である窒化アルミニウム原料粉末
に、周期律表IIIa族元素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択さ
れる少なくとも１種の元素の酸化物１〜１０重量％と、
Ｓｉ成分０．０１〜０．２重量％と，Ａｌ2 Ｏ3 を１．
５重量％以下とを添加した混合粉末を成形し、得られた
成形体を非酸化性雰囲気中で１６５０〜１９００℃の温
度域で焼結することを特徴とする。
【００１６】本発明方法において使用され、焼結体の主
成分となる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）原料粉末として
は、焼結性および熱伝導性を考慮して不純物酸素含有量
が１．５重量％以下に抑制され、平均粒径が０．５〜２
μｍ程度、好ましくは１．５μｍ以下の微細なＡｌＮ原
料粉末を使用する。
成分となる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）原料粉末として
は、焼結性および熱伝導性を考慮して不純物酸素含有量
が１．５重量％以下に抑制され、平均粒径が０．５〜２
μｍ程度、好ましくは１．５μｍ以下の微細なＡｌＮ原
料粉末を使用する。
【００１７】ところで、窒化アルミニウム原料粉末は、
一般に直接窒化合成法または還元窒化合成法によって製
造されたものが使用される。直接窒化合成法は、アルミ
ニウム金属棒を電極として窒素気流中でアーク放電させ
て電極先端部に高純度化されたＡｌＮを生成する方法で
ある。一方、還元窒化合成法は、酸化アルミニウム微粉
末に還元剤としての黒鉛をまたは黒鉛を生成する有機化
合物を混合し、この混合体を窒素またはアンモニア気流
中で加熱することにより、酸化アルミニウムを還元する
と同時に窒化して窒化アルミニウムを合成する方法であ
る。
一般に直接窒化合成法または還元窒化合成法によって製
造されたものが使用される。直接窒化合成法は、アルミ
ニウム金属棒を電極として窒素気流中でアーク放電させ
て電極先端部に高純度化されたＡｌＮを生成する方法で
ある。一方、還元窒化合成法は、酸化アルミニウム微粉
末に還元剤としての黒鉛をまたは黒鉛を生成する有機化
合物を混合し、この混合体を窒素またはアンモニア気流
中で加熱することにより、酸化アルミニウムを還元する
と同時に窒化して窒化アルミニウムを合成する方法であ
る。
【００１８】本発明に係る窒化アルミニウム焼結体用の
原料粉末としては、上記いずれの合成法によって製造し
た原料粉末を使用してもよいが、粒径分布が異なる双方
の原料粉末を混合した窒化アルミニウム混合粉末を使用
した方が粒径分布のばらつきが大きくなり、その結果得
られる焼結体の結晶粒度分布も広くなり、高強度と高靭
性とを共に満足するＡｌＮ焼結体が得られるので、より
好ましい。
原料粉末としては、上記いずれの合成法によって製造し
た原料粉末を使用してもよいが、粒径分布が異なる双方
の原料粉末を混合した窒化アルミニウム混合粉末を使用
した方が粒径分布のばらつきが大きくなり、その結果得
られる焼結体の結晶粒度分布も広くなり、高強度と高靭
性とを共に満足するＡｌＮ焼結体が得られるので、より
好ましい。
【００１９】周期律表IIIa族元素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの
酸化物は、焼結助剤として作用し、ＡｌＮ焼結体を緻密
化するために、ＡｌＮ原料粉末に対して１〜１０重量％
の範囲で添加される。上記焼結助剤の具体例としては希
土類元素（Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｄｙなど）の酸化物、窒化
物、アルカリ土類金属（Ｃａ）の酸化物、もしくは焼結
操作によりこれらの化合物となる物質が使用され、特に
酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）、酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ）や酸化カルシウム（ＣａＯ）が好ましい。上記焼結
助剤の添加量が１重量％未満の場合は、焼結性の改善効
果が充分に発揮されず、焼結体が緻密化されず低強度の
焼結体が形成されたり、ＡｌＮ結晶中に酸素が固溶し、
高い熱伝導率を有する焼結体が形成できない。一方添加
量が１０重量％を超える過量となると、焼結助剤として
の効果は飽和状態に達して無意味となるばかりでなく、
却って焼結して得られるＡｌＮ焼結体の熱伝導率が低下
する一方、粒界相が焼結体中に多量に残存したり、熱処
理により除去される粒界相の体積が大きいため、焼結体
中に空孔が残ったりして収縮率が増大し、変形を生じ易
くなる。
酸化物は、焼結助剤として作用し、ＡｌＮ焼結体を緻密
化するために、ＡｌＮ原料粉末に対して１〜１０重量％
の範囲で添加される。上記焼結助剤の具体例としては希
土類元素（Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｄｙなど）の酸化物、窒化
物、アルカリ土類金属（Ｃａ）の酸化物、もしくは焼結
操作によりこれらの化合物となる物質が使用され、特に
酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）、酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ）や酸化カルシウム（ＣａＯ）が好ましい。上記焼結
助剤の添加量が１重量％未満の場合は、焼結性の改善効
果が充分に発揮されず、焼結体が緻密化されず低強度の
焼結体が形成されたり、ＡｌＮ結晶中に酸素が固溶し、
高い熱伝導率を有する焼結体が形成できない。一方添加
量が１０重量％を超える過量となると、焼結助剤として
の効果は飽和状態に達して無意味となるばかりでなく、
却って焼結して得られるＡｌＮ焼結体の熱伝導率が低下
する一方、粒界相が焼結体中に多量に残存したり、熱処
理により除去される粒界相の体積が大きいため、焼結体
中に空孔が残ったりして収縮率が増大し、変形を生じ易
くなる。
【００２０】Ｓｉ成分は、焼結性を向上させるとともに
焼結温度を低下させる効果を有するが、特に上記焼結助
剤と複合添加することにより、焼結体の粒成長を抑止す
ることができ、微細なＡｌＮ結晶組織を形成し、焼結体
の構造強度を高めるために添加される。上記Ｓｉ成分と
しては、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，SiC ，Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏ，
β−サイアロン，α−サイアロンおよびポリタイプの窒
化アルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）等のけい素化合
物を使用することが望ましい。このけい素化合物の含有
量はＳｉ成分として０．０１〜０．２重量％の範囲に調
整される。Ｓｉ成分の含有量が０．０１重量％未満の場
合は、粒成長の抑止効果が不充分となり、粗大な結晶組
織となり、高強度のＡｌＮ焼結体が得られない。一方、
含有量が０．．２重量％を超える過量となると、焼結体
の熱伝導率が低下するとともに、曲げ強度が低下する場
合もある。
焼結温度を低下させる効果を有するが、特に上記焼結助
剤と複合添加することにより、焼結体の粒成長を抑止す
ることができ、微細なＡｌＮ結晶組織を形成し、焼結体
の構造強度を高めるために添加される。上記Ｓｉ成分と
しては、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，SiC ，Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏ，
β−サイアロン，α−サイアロンおよびポリタイプの窒
化アルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）等のけい素化合
物を使用することが望ましい。このけい素化合物の含有
量はＳｉ成分として０．０１〜０．２重量％の範囲に調
整される。Ｓｉ成分の含有量が０．０１重量％未満の場
合は、粒成長の抑止効果が不充分となり、粗大な結晶組
織となり、高強度のＡｌＮ焼結体が得られない。一方、
含有量が０．．２重量％を超える過量となると、焼結体
の熱伝導率が低下するとともに、曲げ強度が低下する場
合もある。
【００２１】またＡｌ2 Ｏ3 はＡｌＮ焼結体の破壊靭性
値をさらに向上させる効果を有し、このＡｌ2 Ｏ3 の含
有量は１．５重量％以下の範囲に調整される。Ａｌ2 Ｏ
3 の含有量が１．５重量％を超える過量となると、焼結
体の熱伝導率が低下してしまう。Ａｌ2 Ｏ3 のより好ま
しい含有量は１重量％以下である。なお、このＡｌ2 Ｏ
3 成分の添加方法としては、添加剤として別途添加した
り、ＡｌＮ原料の粉砕時に酸化によって生成するＡｌ2
Ｏ3 を混入添加させる方法や、ＡｌＮ原料粉末を酸素含
有雰囲気中で加熱し、表面酸化によって生成するＡｌ2
Ｏ3 成分を添加する方法でもよい。
値をさらに向上させる効果を有し、このＡｌ2 Ｏ3 の含
有量は１．５重量％以下の範囲に調整される。Ａｌ2 Ｏ
3 の含有量が１．５重量％を超える過量となると、焼結
体の熱伝導率が低下してしまう。Ａｌ2 Ｏ3 のより好ま
しい含有量は１重量％以下である。なお、このＡｌ2 Ｏ
3 成分の添加方法としては、添加剤として別途添加した
り、ＡｌＮ原料の粉砕時に酸化によって生成するＡｌ2
Ｏ3 を混入添加させる方法や、ＡｌＮ原料粉末を酸素含
有雰囲気中で加熱し、表面酸化によって生成するＡｌ2
Ｏ3 成分を添加する方法でもよい。
【００２２】さらに直接窒化合成法にて製造したＡｌＮ
原料粉末を使用する場合には、上記Ａｌ2 Ｏ3 の成分を
添加しなくても、ある程度の強度および靭性値が確保で
きる。しかるに還元窒化合成法にて製造したＡｌＮ原料
粉末を使用する場合には、上記Ａｌ2 Ｏ3 成分を添加す
ることにより、靭性値が大幅に向上することが確認され
ている。
原料粉末を使用する場合には、上記Ａｌ2 Ｏ3 の成分を
添加しなくても、ある程度の強度および靭性値が確保で
きる。しかるに還元窒化合成法にて製造したＡｌＮ原料
粉末を使用する場合には、上記Ａｌ2 Ｏ3 成分を添加す
ることにより、靭性値が大幅に向上することが確認され
ている。
【００２３】Ｔｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｌｉ，Ｍ
ｇの酸化物は、焼結温度を下げて焼結性を向上させる一
方、着色して不透明な焼結体を形成する等、ＡｌＮ焼結
体の特性を改善するために有効であり、酸化物換算で
０．０５〜０．５重量％の範囲で添加してもよい。添加
量が０．０５重量％未満の場合は、上記特性改善効果が
不充分となる一方、添加量が０．５重量％を超える過量
となると、他の不純物と同様にＡｌＮ焼結体の熱伝導率
を低下させる。
ｇの酸化物は、焼結温度を下げて焼結性を向上させる一
方、着色して不透明な焼結体を形成する等、ＡｌＮ焼結
体の特性を改善するために有効であり、酸化物換算で
０．０５〜０．５重量％の範囲で添加してもよい。添加
量が０．０５重量％未満の場合は、上記特性改善効果が
不充分となる一方、添加量が０．５重量％を超える過量
となると、他の不純物と同様にＡｌＮ焼結体の熱伝導率
を低下させる。
【００２４】また上記各種添加物以外のＭｏ等の不純物
陽イオンはＡｌＮ焼結体の熱伝導を阻害する化合物を形
成し易いため、ＡｌＮ焼結体中の含有量は０．２重量％
以下に設定される。
陽イオンはＡｌＮ焼結体の熱伝導を阻害する化合物を形
成し易いため、ＡｌＮ焼結体中の含有量は０．２重量％
以下に設定される。
【００２５】上記ＡｌＮ原料粉末、各種焼結助剤，Ｓｉ
成分用Ｓｉ化合物および必要に応じて添加されるＡｌ2
Ｏ3 は、例えばボールミル等の粉砕混合機に投入され、
所定時間混合されることによって原料混合体となる。次
に得られた原料混合体を所定形状の金型に充填し加圧成
形して成形体が形成される。このとき予め原料混合体に
パラフィン、ステアリン酸等の有機バインダを５〜１０
重量％添加しておくことにより、成形操作を円滑に実施
することができる。
成分用Ｓｉ化合物および必要に応じて添加されるＡｌ2
Ｏ3 は、例えばボールミル等の粉砕混合機に投入され、
所定時間混合されることによって原料混合体となる。次
に得られた原料混合体を所定形状の金型に充填し加圧成
形して成形体が形成される。このとき予め原料混合体に
パラフィン、ステアリン酸等の有機バインダを５〜１０
重量％添加しておくことにより、成形操作を円滑に実施
することができる。
【００２６】成形法としては、汎用の金型プレス法、泥
漿鋳込み法、静水圧プレス法、押出し成形法あるいはド
クターブレード法のようなシート成形法などが適用でき
る。
漿鋳込み法、静水圧プレス法、押出し成形法あるいはド
クターブレード法のようなシート成形法などが適用でき
る。
【００２７】上記成形操作に引き続いて、成形体を非酸
化性雰囲気中、例えば窒素ガス雰囲気中で温度４００〜
８００℃に加熱して、予め添加していた有機バインダを
充分に脱脂除去する。
化性雰囲気中、例えば窒素ガス雰囲気中で温度４００〜
８００℃に加熱して、予め添加していた有機バインダを
充分に脱脂除去する。
【００２８】次に脱脂処理された複数のシート状の成形
体は、例えばセラミックス焼結粉から成るしき粉を介し
て焼成炉内において多段に積層され、この配置状態で複
数の成形体は一括して所定温度で焼結される。焼結操作
は、窒素ガスなどの非酸化性雰囲気で成形体を温度１６
５０〜１９００℃で２〜６時間程度加熱して実施され
る。特にＳｉ成分を添加することにより、１７２０〜１
７８０℃程度と従来より低い温度で焼結することが可能
となる。焼結雰囲気は、ＡｌＮと反応しない非酸化性雰
囲気あればよいが、通常は窒素ガス、または窒素ガスを
含む還元性雰囲気で行なう。還元性ガスとしてはＨ2 ガ
ス、ＣＯガスを使用してもよい。なお、焼結は真空（僅
かな還元雰囲気を含む）、減圧、加圧および常圧を含む
雰囲気で行なってもよい。焼結温度が１６５０℃未満と
低温状態で焼成すると、原料粉末の粒径、含有酸素量に
よって異なるが、緻密化が困難であり、強度および熱伝
導性などの特性に難点が生じ易い一方、１９００℃より
高温度で焼成すると、焼成炉内におけるＡｌＮ自体の蒸
気圧が高くなり緻密化が困難になるとともに熱伝導率が
急激に低下するおそれがあるため、焼結温度は上記範囲
に設定される。
体は、例えばセラミックス焼結粉から成るしき粉を介し
て焼成炉内において多段に積層され、この配置状態で複
数の成形体は一括して所定温度で焼結される。焼結操作
は、窒素ガスなどの非酸化性雰囲気で成形体を温度１６
５０〜１９００℃で２〜６時間程度加熱して実施され
る。特にＳｉ成分を添加することにより、１７２０〜１
７８０℃程度と従来より低い温度で焼結することが可能
となる。焼結雰囲気は、ＡｌＮと反応しない非酸化性雰
囲気あればよいが、通常は窒素ガス、または窒素ガスを
含む還元性雰囲気で行なう。還元性ガスとしてはＨ2 ガ
ス、ＣＯガスを使用してもよい。なお、焼結は真空（僅
かな還元雰囲気を含む）、減圧、加圧および常圧を含む
雰囲気で行なってもよい。焼結温度が１６５０℃未満と
低温状態で焼成すると、原料粉末の粒径、含有酸素量に
よって異なるが、緻密化が困難であり、強度および熱伝
導性などの特性に難点が生じ易い一方、１９００℃より
高温度で焼成すると、焼成炉内におけるＡｌＮ自体の蒸
気圧が高くなり緻密化が困難になるとともに熱伝導率が
急激に低下するおそれがあるため、焼結温度は上記範囲
に設定される。
【００２９】そして上記ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤およ
びＳｉ成分を添加した所定の組成を有する原料混合体を
成形、脱脂、焼結することにより、平均結晶粒径が２〜
４．５μｍ程度である微細な結晶組織を有し、その結晶
組織において、粒径が１μｍ未満の結晶粒の割合が１０
容量％以下，粒径が１μｍ以上２μｍ未満の結晶粒の割
合が１０〜２０容量％以下，粒径が２μｍ以上３μｍ未
満の結晶粒の割合が１０〜３０容量％以下，粒径が３μ
ｍ以上４μｍ未満の結晶粒の割合が３０〜５０容量％以
下，粒径が４μｍ以上５μｍ未満の結晶粒の割合が５〜
１０容量％以下，粒径が５μｍ以上の結晶粒の割合が１
０容量％以下であるような結晶粒径分布を有し、熱伝導
率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ曲げ強度が４９
０ＭＰａ以上，破壊靭性値が２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上で
ある高強度で高靭性のＡｌＮ焼結体が得られる。
びＳｉ成分を添加した所定の組成を有する原料混合体を
成形、脱脂、焼結することにより、平均結晶粒径が２〜
４．５μｍ程度である微細な結晶組織を有し、その結晶
組織において、粒径が１μｍ未満の結晶粒の割合が１０
容量％以下，粒径が１μｍ以上２μｍ未満の結晶粒の割
合が１０〜２０容量％以下，粒径が２μｍ以上３μｍ未
満の結晶粒の割合が１０〜３０容量％以下，粒径が３μ
ｍ以上４μｍ未満の結晶粒の割合が３０〜５０容量％以
下，粒径が４μｍ以上５μｍ未満の結晶粒の割合が５〜
１０容量％以下，粒径が５μｍ以上の結晶粒の割合が１
０容量％以下であるような結晶粒径分布を有し、熱伝導
率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ曲げ強度が４９
０ＭＰａ以上，破壊靭性値が２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上で
ある高強度で高靭性のＡｌＮ焼結体が得られる。
【００３０】
【作用】上記構成に係る窒化アルミニウム焼結体および
その製造方法によれば、周期律表IIIa族元素，Ｃａ，Ｓ
ｒ，Ｂａの酸化物から成る焼結助剤とともに所定量のＳ
ｉ成分および必要に応じてＡｌ2 Ｏ3 とを複合添加して
ＡｌＮ焼結体としているため、Ｓｉ成分によって結晶粒
の大きさとその粒径分布が適正に制御された結晶組織が
得られる。したがって、強度特性および破壊靭性値が共
に優れた窒化アルミニウム焼結体が得られる。
その製造方法によれば、周期律表IIIa族元素，Ｃａ，Ｓ
ｒ，Ｂａの酸化物から成る焼結助剤とともに所定量のＳ
ｉ成分および必要に応じてＡｌ2 Ｏ3 とを複合添加して
ＡｌＮ焼結体としているため、Ｓｉ成分によって結晶粒
の大きさとその粒径分布が適正に制御された結晶組織が
得られる。したがって、強度特性および破壊靭性値が共
に優れた窒化アルミニウム焼結体が得られる。
【００３１】
【実施例】次に下記の実施例を参照して本発明に係る窒
化アルミニウム焼結体をより具体的に説明する。
化アルミニウム焼結体をより具体的に説明する。
【００３２】実施例１〜３０ 還元窒化合成法によって製造され、不純物として酸素を
０．８重量％含有し、平均粒径１μｍの窒化アルミニウ
ム粉末（Ａ），直接窒化合成法によって製造され、不純
物として酸素を１．２重量％含有し、平均粒径１．３μ
ｍの窒化アルミニウム粉末（Ｂ），上記（Ａ）および
（Ｂ）の窒化アルミニウム粉末を重量比１：１で混合し
て調製した窒化アルミニウム粉末（Ｃ）の３種類の窒化
アルミニウム原料粉末に対して、表１および表２に示す
ようにＳｉ成分および焼結助剤としてのＹ2 Ｏ3 ，Ｔｉ
Ｏ2 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，ＮｉＯ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，CoO ，Ｌｉ2
Ｏ，ＭｇＯ，ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＣ，Ｓｉ2 Ｎ
2 Ｏ，α−サイアロン，β−サイアロン，ポリタイプＡ
ｌＮ，ＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ，およびＡｌ2 Ｏ3をそ
れぞれ所定量ずつ添加し、エチルアルコールを溶媒とし
てボールミルで２０時間混合して原料混合体を調製し
た。次にこの原料混合体に有機バインダとしてのポリビ
ニルアルコール（ＰＶＡ）を５．５重量％添加して造粒
粉を調製した。次に得られた造粒粉をプレス成形機の成
形用金型内に充填して1200kg／cm2 の加圧力にて一軸方
向に圧縮成形して、縦５０mm×横５０mm×厚さ５mmの角
板状成形体を多数調製した。引き続き各成形体を空気中
で４５０℃で１時間加熱して脱脂処理した。
０．８重量％含有し、平均粒径１μｍの窒化アルミニウ
ム粉末（Ａ），直接窒化合成法によって製造され、不純
物として酸素を１．２重量％含有し、平均粒径１．３μ
ｍの窒化アルミニウム粉末（Ｂ），上記（Ａ）および
（Ｂ）の窒化アルミニウム粉末を重量比１：１で混合し
て調製した窒化アルミニウム粉末（Ｃ）の３種類の窒化
アルミニウム原料粉末に対して、表１および表２に示す
ようにＳｉ成分および焼結助剤としてのＹ2 Ｏ3 ，Ｔｉ
Ｏ2 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，ＮｉＯ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，CoO ，Ｌｉ2
Ｏ，ＭｇＯ，ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＣ，Ｓｉ2 Ｎ
2 Ｏ，α−サイアロン，β−サイアロン，ポリタイプＡ
ｌＮ，ＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ，およびＡｌ2 Ｏ3をそ
れぞれ所定量ずつ添加し、エチルアルコールを溶媒とし
てボールミルで２０時間混合して原料混合体を調製し
た。次にこの原料混合体に有機バインダとしてのポリビ
ニルアルコール（ＰＶＡ）を５．５重量％添加して造粒
粉を調製した。次に得られた造粒粉をプレス成形機の成
形用金型内に充填して1200kg／cm2 の加圧力にて一軸方
向に圧縮成形して、縦５０mm×横５０mm×厚さ５mmの角
板状成形体を多数調製した。引き続き各成形体を空気中
で４５０℃で１時間加熱して脱脂処理した。
【００３３】次に脱脂処理した各成形体をＡｌＮ製焼成
容器内に収容し、焼成炉において表１および表２に示す
焼成下限温度１７２０〜１７８０℃で４時間緻密化焼結
を実施し、その後冷却速度２００℃／hrで冷却してそれ
ぞれ実施例１〜３０に係るＡｌＮ焼結体製造した。
容器内に収容し、焼成炉において表１および表２に示す
焼成下限温度１７２０〜１７８０℃で４時間緻密化焼結
を実施し、その後冷却速度２００℃／hrで冷却してそれ
ぞれ実施例１〜３０に係るＡｌＮ焼結体製造した。
【００３４】比較例１ 一方、Ｓｉ成分を全く添加せず、従来の焼結助剤のみを
添加し１８００℃で焼結した以外は実施例１と同一条件
で原料調整、成形、脱脂、焼結処理して同一寸法を有す
る比較例１に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
添加し１８００℃で焼結した以外は実施例１と同一条件
で原料調整、成形、脱脂、焼結処理して同一寸法を有す
る比較例１に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
【００３５】比較例２ また、Ｓｉ成分としてのＳｉＯ2 を過剰量０．３重量％
（Ｓｉ換算）添加した以外は実施例３と同一条件で処理
して比較例２に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
（Ｓｉ換算）添加した以外は実施例３と同一条件で処理
して比較例２に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
【００３６】比較例３ 焼結助剤としてのＹ2 Ｏ3 を過剰量１５重量％添加し、
かつ１８００℃で焼結した以外は実施例３と同様に処理
して比較例３に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
かつ１８００℃で焼結した以外は実施例３と同様に処理
して比較例３に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
【００３７】比較例４ 焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 に加えてＴｉＯ2 を１重量％添
加するとともに、Si成分としてのＳｉ3 Ｎ4 を過剰量
０．３重量％（Ｓｉ換算）添加し、かつ１７６０℃で焼
結した以外は実施例１６と同様に処理して比較例４に係
るＡｌＮ焼結体を製造した。
加するとともに、Si成分としてのＳｉ3 Ｎ4 を過剰量
０．３重量％（Ｓｉ換算）添加し、かつ１７６０℃で焼
結した以外は実施例１６と同様に処理して比較例４に係
るＡｌＮ焼結体を製造した。
【００３８】比較例５ 焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 に加えてＷＯ3 を０．３重量％
添加するとともに、Ｓｉ成分としてのＳｉ3 Ｎ4 を０．
１重量％（Ｓｉ換算）添加し、かつ１７６０℃で焼結し
た以外は実施例１６と同様に処理して比較例５に係るＡ
ｌＮ焼結体を製造した。
添加するとともに、Ｓｉ成分としてのＳｉ3 Ｎ4 を０．
１重量％（Ｓｉ換算）添加し、かつ１７６０℃で焼結し
た以外は実施例１６と同様に処理して比較例５に係るＡ
ｌＮ焼結体を製造した。
【００３９】比較例６ Ｓｉ成分を全く添加せず、従来の焼結助剤に加えてＴｉ
Ｏ2 を０．２重量％添加し１８００℃で焼結した以外は
実施例１６と同一条件で原料調整，成形，脱脂，焼結処
理して同一寸法を有する比較例６に係るＡｌＮ焼結体を
製造した。
Ｏ2 を０．２重量％添加し１８００℃で焼結した以外は
実施例１６と同一条件で原料調整，成形，脱脂，焼結処
理して同一寸法を有する比較例６に係るＡｌＮ焼結体を
製造した。
【００４０】比較例７ 焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 に加えてＴｉＯ2 を０．２重量
％とＳｉ成分としてのＳｉ3 Ｎ4 を０．０５重量％（Ｓ
ｉ換算）添加すると共にＡｌ2 Ｏ3 を過剰量２重量％添
加し、かつ１７８０℃で焼結した以外は実施例２０と同
様に処理して比較例７に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
％とＳｉ成分としてのＳｉ3 Ｎ4 を０．０５重量％（Ｓ
ｉ換算）添加すると共にＡｌ2 Ｏ3 を過剰量２重量％添
加し、かつ１７８０℃で焼結した以外は実施例２０と同
様に処理して比較例７に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
【００４１】比較例８〜９ 実施例８および９で用いたＡｌＮ原料（Ｂ），（Ｃ）に
それぞれＳｉ成分を全く添加せず、従来の焼結助剤のみ
を添加し１８００℃で焼結した以外は実施例１と同一条
件で原料調整，成形，脱脂，焼結処理して同一寸法を有
する比較例８および９に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
それぞれＳｉ成分を全く添加せず、従来の焼結助剤のみ
を添加し１８００℃で焼結した以外は実施例１と同一条
件で原料調整，成形，脱脂，焼結処理して同一寸法を有
する比較例８および９に係るＡｌＮ焼結体を製造した。
【００４２】こうして得られた実施例１〜３０および比
較例１〜９に係る各ＡｌＮ焼結体の強度特性および放熱
特性を評価するために、各試料の３点曲げ強度、破壊靭
性値，熱伝導率，平均結晶粒径（Ｄ５０）および結晶粒
の粒径分布を測定し、下記表３および表４に示す結果を
得た。なお、破壊靭性値は、マイクロインデンテーショ
ン法における新原方式により測定した値である。
較例１〜９に係る各ＡｌＮ焼結体の強度特性および放熱
特性を評価するために、各試料の３点曲げ強度、破壊靭
性値，熱伝導率，平均結晶粒径（Ｄ５０）および結晶粒
の粒径分布を測定し、下記表３および表４に示す結果を
得た。なお、破壊靭性値は、マイクロインデンテーショ
ン法における新原方式により測定した値である。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
【表３】
【００４６】
【表４】
【００４７】上記表３および表４に示す結果から明らか
なように、Ｙ2 Ｏ3 ，ＣａＯ等の焼結助剤に加えてＳｉ
成分を微量ずつ複合添加した実施例１〜３０に係るＡｌ
Ｎ焼結体においては、結晶粒径がいずれも２〜４．５μ
ｍと極めて微細であり、結晶組織において、粒径が１μ
ｍ未満の結晶粒の割合が１０容量％以下，粒径が１μｍ
以上２μｍ未満の結晶粒の割合が１０〜２０容量％以
下，粒径が２μｍ以上３μｍ未満の結晶粒の割合が１０
〜３０容量％以下，粒径が３μｍ以上４μｍ未満の結晶
粒の割合が３０〜５０容量％以下，粒径が４μｍ以上５
μｍ未満の結晶粒の割合が５〜１０容量％以下，粒径が
５μｍ以上の結晶粒の割合が１０容量％以下となるよう
に結晶粒の粒径分布が制御され、高い曲げ強度に加えて
破壊靭性値および熱伝導率が共に優れていることが判明
した。
なように、Ｙ2 Ｏ3 ，ＣａＯ等の焼結助剤に加えてＳｉ
成分を微量ずつ複合添加した実施例１〜３０に係るＡｌ
Ｎ焼結体においては、結晶粒径がいずれも２〜４．５μ
ｍと極めて微細であり、結晶組織において、粒径が１μ
ｍ未満の結晶粒の割合が１０容量％以下，粒径が１μｍ
以上２μｍ未満の結晶粒の割合が１０〜２０容量％以
下，粒径が２μｍ以上３μｍ未満の結晶粒の割合が１０
〜３０容量％以下，粒径が３μｍ以上４μｍ未満の結晶
粒の割合が３０〜５０容量％以下，粒径が４μｍ以上５
μｍ未満の結晶粒の割合が５〜１０容量％以下，粒径が
５μｍ以上の結晶粒の割合が１０容量％以下となるよう
に結晶粒の粒径分布が制御され、高い曲げ強度に加えて
破壊靭性値および熱伝導率が共に優れていることが判明
した。
【００４８】一方、Ｓｉ成分を全く添加しない比較例
１，比較例６，比較例８および比較例９に係るＡｌＮ焼
結体は、熱伝導率においては実施例１〜３０より優れて
いるものがある反面、概して曲げ強度が低く、耐久性お
よび取扱性において難点がある。またＳｉ成分を過量に
添加した比較例２および比較例４の試料では、熱伝導率
が不充分となり、また従来の焼結助剤としてのＹ2 Ｏ3
を過量に添加した比較例３の試料では、Ｓｉ成分を添加
したにも拘らず、熱伝導率および強度が共に低下するこ
とが確認された。
１，比較例６，比較例８および比較例９に係るＡｌＮ焼
結体は、熱伝導率においては実施例１〜３０より優れて
いるものがある反面、概して曲げ強度が低く、耐久性お
よび取扱性において難点がある。またＳｉ成分を過量に
添加した比較例２および比較例４の試料では、熱伝導率
が不充分となり、また従来の焼結助剤としてのＹ2 Ｏ3
を過量に添加した比較例３の試料では、Ｓｉ成分を添加
したにも拘らず、熱伝導率および強度が共に低下するこ
とが確認された。
【００４９】さらにＴｉＯ2 等の焼結助剤の代りにＷＯ
3 を添加した比較例５に係るＡｌＮ焼結体は曲げ強度な
らびに熱伝導率は実施例１〜３０と同等であるが、破壊
靭性値が低く、耐久性および取扱性において難点があ
る。またＡｌ2 Ｏ3 を過量に添加した比較例７に係るＡ
ｌＮ焼結体は曲げ強度ならびに破壊靭性値は実施例１〜
３０と同等であるが熱伝導率が低下することが確認され
た。
3 を添加した比較例５に係るＡｌＮ焼結体は曲げ強度な
らびに熱伝導率は実施例１〜３０と同等であるが、破壊
靭性値が低く、耐久性および取扱性において難点があ
る。またＡｌ2 Ｏ3 を過量に添加した比較例７に係るＡ
ｌＮ焼結体は曲げ強度ならびに破壊靭性値は実施例１〜
３０と同等であるが熱伝導率が低下することが確認され
た。
【００５０】また実施例１〜３０に係る各ＡｌＮ焼結体
の破面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したとこ
ろ、いずれも図１に示すように、微細で結晶粒の粒径分
布が広い結晶組織が観察され、各ＡｌＮ結晶粒子の周辺
に粒界相が均一に分散形成されていることが確認され
た。一方、比較例１，比較例６，比較例８および比較例
９に係る焼結体においては、Ｓｉ成分の添加による粒成
長抑制効果が少ないため、図２に示すようにＡｌＮ粒子
自体も粗大であり、隣接するＡｌＮ粒子の周辺に粗大な
粒界相が凝集されるように形成されていた。
の破面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したとこ
ろ、いずれも図１に示すように、微細で結晶粒の粒径分
布が広い結晶組織が観察され、各ＡｌＮ結晶粒子の周辺
に粒界相が均一に分散形成されていることが確認され
た。一方、比較例１，比較例６，比較例８および比較例
９に係る焼結体においては、Ｓｉ成分の添加による粒成
長抑制効果が少ないため、図２に示すようにＡｌＮ粒子
自体も粗大であり、隣接するＡｌＮ粒子の周辺に粗大な
粒界相が凝集されるように形成されていた。
【００５１】また、比較例５に係る焼結体においては、
図３に示すようにＳｉ成分およびＷＯ3 の複合添加によ
り粒成長が抑制され過ぎて微細で結晶粒が揃った粒径分
布の狭い結晶組織が形成されており、これが破壊靭性値
の低下の原因となったと推定される。
図３に示すようにＳｉ成分およびＷＯ3 の複合添加によ
り粒成長が抑制され過ぎて微細で結晶粒が揃った粒径分
布の狭い結晶組織が形成されており、これが破壊靭性値
の低下の原因となったと推定される。
【００５２】
【発明の効果】以上説明の通り本発明に係るセラミック
ス焼結体およびその製造方法によれば、周期律表IIIa族
元素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物から成る焼結助剤とと
もに所定量のＳｉ成分を複合添加してＡｌＮ焼結体とし
ているため、Ｓｉ成分による結晶粒成長が効果的に抑止
され、かつ、粒径分布が広い微細な結晶組織が得られ
る。したがって、強度特性および破壊靭性値が共に優れ
た窒化アルミニウム焼結体が得られる。
ス焼結体およびその製造方法によれば、周期律表IIIa族
元素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物から成る焼結助剤とと
もに所定量のＳｉ成分を複合添加してＡｌＮ焼結体とし
ているため、Ｓｉ成分による結晶粒成長が効果的に抑止
され、かつ、粒径分布が広い微細な結晶組織が得られ
る。したがって、強度特性および破壊靭性値が共に優れ
た窒化アルミニウム焼結体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化アルミニウム焼結体の結晶組
織を示す走査型電子顕微鏡写真。
織を示す走査型電子顕微鏡写真。
【図２】従来の窒化アルミニウム焼結体の結晶組織を示
す走査型電子顕微鏡写真。
す走査型電子顕微鏡写真。
【図３】比較例５に係る靭性値の低い窒化アルミニウム
焼結体の結晶組織を示す走査型電子顕微鏡写真。
焼結体の結晶組織を示す走査型電子顕微鏡写真。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年５月１７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２７】上記成形操作に引き続いて、成形体を空気
中で４００〜５５０℃に加熱したり、または非酸化性雰
囲気中、例えば窒素ガス雰囲気中で温度４００〜８００
℃に加熱して、予め添加していた有機バインダを充分に
脱脂除去する。
中で４００〜５５０℃に加熱したり、または非酸化性雰
囲気中、例えば窒素ガス雰囲気中で温度４００〜８００
℃に加熱して、予め添加していた有機バインダを充分に
脱脂除去する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４５】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４６】
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 １０４ Ｄ
Claims (8)
- 【請求項１】 窒化アルミニウムの結晶粒から成る結晶
組織を有し、破壊靭性値が２．８ＭＮ／ｍ3/2 以上，３
点曲げ強度が４９０ＭＰａ以上，熱伝導率が１５０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼
結体。 - 【請求項２】 結晶組織において、粒径が１μｍ未満の
結晶粒の割合が１０容量％以下，粒径が１μｍ以上２μ
ｍ未満の結晶粒の割合が１０〜２０容量％以下，粒径が
２μｍ以上３μｍ未満の結晶粒の割合が１０〜３０容量
％以下，粒径が３μｍ以上４μｍ未満の結晶粒の割合が
３０〜５０容量％以下，粒径が４μｍ以上５μｍ未満の
結晶粒の割合が５〜１０容量％以下，粒径が５μｍ以上
の結晶粒の割合が１０容量％以下であることを特徴とす
る請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体。 - 【請求項３】 周期律表IIIa族元素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ
から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を１〜１
０重量％含有するとともに、Ｓｉ成分濃度が０．０１〜
０．２重量％であり、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１．５重量％
以下であることを特徴とする請求項１または２記載の窒
化アルミニウム焼結体。 - 【請求項４】 Ｓｉ成分が、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ｓ
ｉＣ，Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏ，β−サイアロン，α−サイアロン
およびポリタイプの窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ
−Ｎ）から選択された少なくとも１種のけい素化合物と
して含有されることを特徴とする請求項３記載の窒化ア
ルミニウム焼結体。 - 【請求項５】 Ｔｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｌｉ，
Ｍｇから選択される少なくとも１種の金属元素を酸化物
換算で０．０５〜０．５重量％含有することを特徴とす
る請求項３記載の窒化アルミニウム焼結体。 - 【請求項６】 窒化アルミニウム原料粉末に、周期律表
IIIa族元素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくと
も１種の元素の酸化物を１〜１０重量％と、Ｓｉ成分を
０．０１〜０．２重量％と，Ａｌ2 Ｏ3 を１．５重量％
以下とを添加した混合粉末を成形し、得られた成形体を
非酸化性雰囲気中で１６５０〜１９００℃の温度域で焼
結することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造
方法。 - 【請求項７】 窒化アルミニウム原料粉末の０．０５〜
０．５重量％を、Ti，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｌｉお
よびＭｇから選択される少なくとも１種の金属元素の酸
化物で置換することを特徴とする請求項６記載の窒化ア
ルミニウム焼結体の製造方法。 - 【請求項８】 窒化アルミニウム原料粉末の酸素含有量
を１．５重量％以下に設定することを特徴とする請求項
６記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5344922A JPH07172921A (ja) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
| DE69427722T DE69427722T2 (de) | 1993-05-21 | 1994-05-19 | Sinterkörper aus Aluminiumnitriol und Verfahren zu seiner Herstellung |
| EP94107781A EP0626359B1 (en) | 1993-05-21 | 1994-05-19 | Aluminum nitride sintered body and method for manufacturing the same |
| US08/246,763 US5508240A (en) | 1993-05-21 | 1994-05-20 | Aluminum nitride sintered body and method for manufacturing the same |
| KR1019940011154A KR960016070B1 (ko) | 1993-05-21 | 1994-05-21 | 질화알루미늄 소결체 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5344922A JPH07172921A (ja) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07172921A true JPH07172921A (ja) | 1995-07-11 |
Family
ID=18373044
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5344922A Pending JPH07172921A (ja) | 1993-05-21 | 1993-12-20 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07172921A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6294275B1 (en) | 1998-05-06 | 2001-09-25 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Aluminum-nitride sintered body, method for fabricating the same, and semiconductor substrate comprising the same |
| JP2001261444A (ja) * | 2000-03-24 | 2001-09-26 | Toshiba Corp | 窒化アルミニウム基板およびその製造方法 |
| JP2001322874A (ja) * | 2000-05-09 | 2001-11-20 | Toshiba Corp | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
| JP2002173373A (ja) * | 2000-12-07 | 2002-06-21 | Toshiba Corp | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法、並びにそれを用いた電子用部品 |
| JP2005029458A (ja) * | 2003-06-19 | 2005-02-03 | Ngk Insulators Ltd | 窒化アルミニウム焼結体、窒化アルミニウムの製造方法、及び窒化アルミニウムの評価方法 |
| JP2005200287A (ja) * | 2003-12-16 | 2005-07-28 | Tokuyama Corp | 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 |
| JP2009076649A (ja) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板 |
| US8394199B2 (en) | 2005-03-16 | 2013-03-12 | Ngk Insulators, Ltd. | Processing device |
-
1993
- 1993-12-20 JP JP5344922A patent/JPH07172921A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6294275B1 (en) | 1998-05-06 | 2001-09-25 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Aluminum-nitride sintered body, method for fabricating the same, and semiconductor substrate comprising the same |
| JP2001261444A (ja) * | 2000-03-24 | 2001-09-26 | Toshiba Corp | 窒化アルミニウム基板およびその製造方法 |
| JP2001322874A (ja) * | 2000-05-09 | 2001-11-20 | Toshiba Corp | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
| JP2002173373A (ja) * | 2000-12-07 | 2002-06-21 | Toshiba Corp | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法、並びにそれを用いた電子用部品 |
| JP2005029458A (ja) * | 2003-06-19 | 2005-02-03 | Ngk Insulators Ltd | 窒化アルミニウム焼結体、窒化アルミニウムの製造方法、及び窒化アルミニウムの評価方法 |
| JP2005200287A (ja) * | 2003-12-16 | 2005-07-28 | Tokuyama Corp | 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 |
| US8394199B2 (en) | 2005-03-16 | 2013-03-12 | Ngk Insulators, Ltd. | Processing device |
| JP2009076649A (ja) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板 |
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