JPH1095672A - 窒化アルミニウム焼結体と水との接触方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化アルミニウム焼結体と水とが接触する環境
において、窒化アルミニウムの加水分解を効果的に抑制
することが可能な、窒化アルミニウム焼結体と水との新
規な接触方法を提供する。 【解決手段】窒化アルミニウム焼結体と水とを接触させ
るに際し、該水１００重量部に対して、例えば、多価ア
ルコール等のアルコール性の水酸基を有する有機化合物
を１０〜１００重量部添加し、且つ、緩衝液によってｐ
Ｈが５〜１０となる条件下で接触させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
焼結体と水とが接触する環境において、窒化アルミニウ
ムの加水分解を効果的に抑制することが可能な、窒化ア
ルミニウム焼結体と水との新規な接触方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化アルミニウムは、ＧＴＯサイリスタ
やＩＧＢＴなどの半導体素子の高出力化に伴う発熱量増
大に伴い、高熱伝導率を有する性質を利用して放熱材料
として脚光を浴びている。かかる用途において、窒化ア
ルミニウム焼結体は、上記半導体素子と接触する冷却面
を有し、その内部に空洞を設けた冷却器に成形して使用
される。そして、該冷却器の空洞に伝熱性媒体を供給し
て冷却面の冷却が行われる。上記伝熱性媒体としては、
安全性やコストの面で従来より一般に水が使用されてい
る。

【０００３】ところが、窒化アルミニウム焼結体をかか
る冷却器の材料に使用し、これに伝熱性媒体として水を
用いた場合、加水分解により窒化アルミニウム焼結体の
表面が水酸化アルミニウム等の生成によって腐食し、そ
の機械強度が著しく低下するという問題を有していた。

【０００４】こうした問題に対して、材料面からは、被
覆材として窒化アルミニム焼結体表面にα−アルミナ等
の被膜を形成する方法や、また、伝熱性媒体の面から
は、水にグリセリン等を添加することにより窒化アルミ
ニウムの加水分解を抑える方法が採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
窒化アルミニウム焼結体表面にα−アルミナ等の被膜を
形成した場合は、被膜に存在するポアやマイクロクラッ
ク等の欠陥のために耐水性が不十分であったり、また、
グリセリン等を水に添加した場合では、少量添加の場
合、窒化アルミニウム表面の膜生成が不十分なために腐
食防止効果が得られなかったり、また、多量に添加した
場合は、伝熱性媒体としての水の割合が減少し、熱伝導
率の低下や粘性係数が高くなるために伝熱性媒体として
の伝熱能力が低下し、添加前と同等の熱交換能力を発揮
しようとした場合にはより能力の大きい大型の熱交換器
が必要となる等の問題を有していた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
を解決すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、窒化ア
ルミニウム焼結体を水と接触させる際、その表面に特に
前記α−アルミナ等の被覆材を施すことをしなくても、
アルコール性の水酸基を有する特定量の有機化合物を含
有させると共に、緩衝液によって特定のｐＨに調整した
条件下に水と接触させることにより、水の伝熱性媒体と
しての特性を著しくて生かさせることなく、上記の目的
を達成することを見い出し、本発明を提案するに至っ
た。

【０００７】即ち、本発明は、窒化アルミニウム焼結体
と水とを接触させるに際し、該水１００重量部に対し
て、アルコール性の水酸基を有する有機化合物を１０〜
１００重量部添加し、且つ、緩衝液によってｐＨを５〜
１０に調整した条件下で接触させることを特徴とする窒
化アルミニウム焼結体と水との接触方法である。

【０００８】本発明において、窒化アルミニウム焼結体
は、特に制限されるものではなく、公知の窒化アルミニ
ウム焼結体に対して適用することができるが、特に効果
的な窒化アルミニウム焼結体は、その表面から内部への
水の浸入量が少ない、相対密度が９０％以上、好ましく
は９５％以上の窒化アルミニウム焼結体である。

【０００９】また、上記窒化アルミニウムは、前記した
冷却器等の用途において十分な冷却能力を発揮するため
に、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１８０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

【００１０】前記窒化アルミニウム焼結体は、一般に、
窒化アルミニウム単独及び窒化アルミニウムと焼結助剤
０．１〜１０重量％から構成される。焼結助剤として
は、アルカリ土類化合物や希土類化合物等の公知の焼結
助剤より一種以上を選択して用いられる。

【００１１】本発明において、窒化アルミニウム焼結体
の表面処理は実質的に不要であるが、該窒化アルミニウ
ム焼結体の伝熱性を著しく阻害しない範囲で、必要に応
じて、研削や研磨等による表面加工や無機物及び有機物
による表面の被覆を行っても何ら問題とはならない。

【００１２】本発明において、アルコール性水酸基を有
する有機化合物の水への添加量は、水１００重量部に対
して１０〜１００重量部でなければならい。該有機化合
物の添加量が１０重量部未満の場合は、窒化アルミニウ
ムの加水分解による腐食が進行し本発明の耐水性の効果
が得られないために好ましくない。また、有機化合物の
添加量が１００重量部を越える場合は、該水溶液の比熱
が小さくなり、伝熱能力が低下するために好ましくな
い。本発明の更に好ましい範囲としては１５〜９０重量
部、特に１５〜５０重量部である。

【００１３】本発明に使用されるアルコール性水酸基を
有する有機化合物は、何ら制限は無いが、多価アルコー
ル類及び糖類が実用上好適に使用される。好適に使用さ
れる該有機化合物を具体的に例示すれば、メチルアルコ
ール、エチルアルコール、プロピルアルコール、イソプ
ロピルアルコール、ブチルアルコール等の１価アルコー
ル、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリ
メチレングリコール、ブチレングリコール等のグリコー
ル類及びグリコールエーテル類、グリセリン、エリスリ
トール、グルシトール、マンニトール等の多価アルコー
ル類、また、糖類として、グリセリンアルデヒド、エリ
トロース、リボース、アラビノース、キシロース、ガラ
クトース、マンノース、グルコース等のアルドース類；
リブロース、フルクトース等のケトース類等及びこれら
の環状物及び多糖類等、以上に例示した該有機化合物の
１種または２種以上が混合して使用される。本発明にお
いては、多価アルコールが更に好ましく採用される。

【００１４】本発明において、水に該有機化合物を添加
した水溶液のｐＨを緩衝液によって５〜１０に調節する
ことが重要である。緩衝液を添加しない場合は、窒化ア
ルミニウム焼結体との接触前の該水溶液のｐＨが５〜１
０であっても、窒化アルミニウム焼結体との接触後、窒
化アルミニウムの加水分解の進行によりＰＨが更に上昇
し、窒化アルミニウムの腐食を抑制することができない
ために好ましくない。

【００１５】また、緩衝液を添加した場合でも、上記ｐ
Ｈの範囲に調整することが重要であり、ｐＨが５未満の
場合は、窒化アルミニウム粒子の脱離等による腐食の進
行やアルコール性水酸基を有する有機化合物の変質等に
より膜質が劣化し耐水性の低下が発生したりするために
好ましくない。また、ｐＨが１０を越える場合は、窒化
アルミニウムの加水分解を抑制することができず腐食が
進行し、本発明の耐水性の効果が得られないために好ま
しくない。特に該ｐＨは、５．２〜９．８であることが
更に好ましい。

【００１６】ここで、該水溶液のｐＨを上記範囲に調整
する手段は、公知の緩衝液を使用する方法が特に制限な
く用いられる。かかる緩衝液は、水に可溶でｐＨ５〜１
０に調整可能な緩衝液であれば特に制限はない。好適に
使用される緩衝液を具体的に例示すれば、フタル酸水素
カリウムと水酸化ナトリウム、燐酸二水素カリウムと水
酸化ナトリウム、ホウ酸と塩化カリウムと水酸化ナトリ
ウム、グリシンと塩化ナトリウムと水酸化ナトリウム、
ホウ砂と塩酸、ホウ砂と水酸化ナトリウム、クエン酸ナ
トリウムと水酸化ナトリウム、燐酸二水素カリウムと燐
酸水素二ナトリウム、クエン酸水素カリウムと水酸化ナ
トリウム、コハク酸とホウ砂、クエン酸水素カリウムと
ホウ砂、燐酸二水素カリウムとホウ砂、ホウ砂と炭酸ナ
トリウム、塩化アンモニウムとアンモニア水、ジエチル
バルビチル酸ナトリウムと酢酸ナトリウムと塩酸、ジエ
チルバルビツル酸ナトリウムと塩酸、ホウ酸と塩化カリ
ウムと炭酸ナトリウム、ホウ酸と塩化ナトリウムとホウ
砂、燐酸水素二ナトリウムとクエン酸、炭酸ナトリウム
と炭酸水素ナトリウム、酢酸と酢酸ナトリウム、酢酸と
酢酸カリウム、酢酸と酢酸アンモニウム、プロピオン酸
とプロピオン酸ナトリウム、ブチリン酸とブチリン酸ナ
トリウム、バレリン酸とバレリン酸ナトリウム、マロン
酸とマロン酸ナトリウム、コハク酸とコハク酸ナトリウ
ム、グルタール酸とグルタール酸ナトリウム、アジピン
酸とアジピン酸ナトリウム、ピメリン酸とピメリン酸ナ
トリウム等が好ましく使用される。特に、酸性側につい
ては、配管等の他の材料として使用される金属等の腐食
を抑えるために、カルボン酸とその塩やジカルボン酸と
その塩による緩衝液が好適に使用される。

【００１７】上記緩衝液の濃度は、０．０１〜１Ｎが好
ましく、０．０１〜０．７Ｎであることが、他に使用す
る金属材料等の材料の腐食を抑えるために更に好まし
い。

【００１８】本発明において、水溶液中にアンモニウム
イオンを含むことが耐水性に関して更に効果的である。
アンモニウムイオンの供給方法としては、前記した酢酸
と酢酸アンモニウムや塩化アンモニウムと水酸化アンモ
ニウム等の、緩衝液として添加する方法や緩衝液以外に
別途添加する方法等が採用される。アンモニウムイオン
は、水１００重量部に対して、５×１０^-3〜２重量部の
濃度となるよう調整することが好ましい。

【００１９】本発明において、前記したアルコール性水
酸基を有する有機化合物の添加量が１０〜１００重量部
で、該水溶液のｐＨが５〜１０の双方を満足する水溶液
の調製方法は特に制限されないが、水と緩衝液による混
合溶液にアルコール性水酸基を有する有機化合物を添加
する方法或いは、水とアルコール性水酸基を有する有機
化合物を混合後、緩衝液を添加する方法等が好適に採用
される。

【００２０】本発明の方法の実施において、窒化アルミ
ニウム焼結体と上記水溶液との好適な接触条件は用途に
よって異なり、一概に限定されるものではないが、一般
に、温度は−５０〜１５０℃の範囲で使用され、静水及
び５ｍ／秒以下の流速を有する流水において接触を行う
ことが望ましい。

【００２１】本発明の方法は、前記冷却器をはじめ、熱
交換器、ヒーター、ヒーターカバー、配管等の熱源や放
熱材等、の窒化アルミニウム焼結体と水とが接触する用
途に好適に利用される。

【００２２】

【発明の効果】本発明の窒化アルミニウム焼結体と水と
の接触方法は、水を伝熱性媒体として使用する窒化アル
ミニウム焼結体よりなる冷却器等に対して、耐水性の面
から極めて有効な方法を提供するものである。本来、窒
化アルミニウムは、水と接触すると加水分解を起こすた
め耐水性の面から実用化が困難であったが、本発明によ
り、伝熱性媒体の性能を落とすことなく、水を伝熱性媒
体と使用した窒化アルミニウム冷却体への実用化が可能
となり、窒化アルミニウムの工業材料としての用途をま
すます広げるものである。

【００２３】

【実施例】本発明を更に具体的に説明するために、以下
に実施例及び比較例を挙げるが、本発明は、これらの実
施例に限定されるものではない。

【００２４】尚、以下の実施例及び比較例における各種
の物性の測定は次の方法により行った。

【００２５】１） ｐＨ測定 横河電機（株）製「Ｍｏｄｅｌ ｐＨ８１」を用いて、
測定を行った。３回測定し、平均値を測定値とした。

【００２６】２） 重量変化 ３×４×４０ｍｍの試験サンプルの試験後の重量から試
験開始前の重量を差し引いた重量の変化分を該サンプル
の表面積で除して求めた。５サンプルの平均値を測定値
とした。

【００２７】３） 曲げ強度 ＪＩＳ Ｒ−１６０１に準じて、３点曲げ強度を測定し
た。５サンプルの平均値を測定値とした。

【００２８】４） 外観 試験後のサンプルの表面を目視にて観察評価した。

【００２９】実施例１ 緩衝液として、０．１Ｎの酢酸水溶液と０．１Ｎの酢酸
Ｎａ水溶液を１対１６の比率に混ぜた水溶液を作製し、
次いで水に換算して１００重量部の該水溶液とエチレン
グリコール３０重量部を混合し、混合水溶液を作製し
た。該混合水溶液のｐＨは６．１であった。水としては
蒸留水を使用した。

【００３０】この混合水溶液をテフロン製容器に１００
ｃｃ入れ、次いで、相対密度が９９％、熱伝導率が１８
２Ｗ／ｍ・Ｋ、曲げ強度が３７５Ｎ／ｍｍ²を有する３
×４×４０ｍｍの重量既知の窒化アルミニウム焼結体の
試験片を５本浸漬し、９０℃で１０日間放置し耐水性試
験を行った。目視において外観に異常は認められなかっ
た。その後、試験片を取り出し、試験片の重量変化、曲
げ強度及び混合水溶液のｐＨを測定した。上記の条件を
表１のＮｏ．１に、結果を表２のＮｏ．１に示した。

【００３１】実施例２〜４ ０．１Ｎの酢酸水溶液と０．１Ｎの酢酸Ｎａ水溶液の混
合比率を変えｐＨを変更したこととエチレングリコール
の添加量を変更したこと以外は、実施例１と同様にして
耐水性試験を行った。目視において外観に異常は認めら
れなかった。上記の条件を表１に、結果を表２に示し
た。

【００３２】実施例５〜７ エチレングリコールを他のアルコール性水酸基を有する
有機化合物に変更した以外は、実施例１と同様にして耐
水性試験を行った。目視において外観に異常は認められ
なかった。上記の条件を表１に、結果を表２に示した。

【００３３】実施例８〜１３ 緩衝液である０．１Ｎの酢酸水溶液と０．１Ｎの酢酸Ｎ
ａ水溶液を他の緩衝液に変更したこと以外は、実施例１
と同様にして耐水性試験を行った。目視において外観に
異常は認められなかった。上記の条件を表１に、結果を
表２に示した。

【００３４】比較例１ 緩衝液である０．１Ｎの酢酸水溶液と０．１Ｎの酢酸Ｎ
ａ水溶液を使用せず、蒸留水を使用したこと以外実施例
１と同様にして耐水性試験を行った。目視においてサン
プル表面の白色化が認められた。上記の条件を表１に、
結果を表２に示した。

【００３５】比較例２ 緩衝液である０．１Ｎの酢酸水溶液と０．１Ｎの酢酸Ｎ
ａ水溶液を４対１に混合したこと以外は、実施例１と同
様にして耐水性試験を行った。目視においてサンプル表
面の白色化が認められた。上記の条件を表１に、結果を
表２に示した。

【００３６】比較例３ エチレングリコールを添加しなかったこと以外は、実施
例１と同様にして耐水性試験を行った。目視においてサ
ンプル表面の白色化が認められた。上記の条件を表１
に、結果を表２に示した。

【００３７】比較例４ エチレングリコールを５重量部添加したこと以外は、実
施例１と同様にして耐水性試験を行った。目視において
サンプル表面の白色化が認められた。上記の条件を表１
に、結果を表２に示した。

【００３８】比較例５ 緩衝液として、０．０５Ｍの炭酸ナトリウム水溶液と
０．１Ｎの炭酸水素ナトリウム水溶液を９対１に混合し
たこと以外は、実施例１と同様にして耐水性試験を行っ
た。目視においてサンプル表面の白色化が認められた。
上記の条件を表１に、結果を表２に示した。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】実施例１４〜１７ 実施例１、１０、１１、１２において、３０日間放置し
たこと以外は、それぞれ同様にして耐水性試験を行っ
た。実施例１５と１６については目視において外観に異
常は認められなかったが、実施例１４と１７において、
サンプル表面の白色化が若干認められた。上記の条件を
表３に、結果を表４に示した。

【００４２】

【表３】

【００４３】

【表４】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウム焼結体と水とを接触さ
   せるに際し、該水１００重量部に対して、アルコール性
   の水酸基を有する有機化合物を１０〜１００重量部添加
   し、且つ、緩衝液によってｐＨを５〜１０に調整した条
   件下で接触させることを特徴とする窒化アルミニウム焼
   結体と水との接触方法。
2. 【請求項２】 水溶液中にアンモニウムイオンを含むこ
   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
   と水との接触方法。