JPS6077176A - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は常圧焼結によって窒化アルミニウム焼結体を製
造する方法の改良に１列う−る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

窒化アルミニウムは安定性Ｋｆれ、常温、高温での強度
が高く、シかも化学的耐性にも優れているため、耐熱材
−料として有用であるばかシでなく、その高熱伝導性、
高電気絶縁性から電子工業用の放熱板としても有望な材
料でめる。

かかる窒化アルミニウムは通常、融点を持たず。

２２００℃以上の高温で分解するため、薄膜作製などの
場合を除いては焼結体として用いられることが多い。

ところで、窒化アルミニウム焼結体の製造方法としては
、従来よシ反応焼結法、常圧焼結法或いはホットブレス
法などが採用されている。

反応焼結法では得られた焼結体が多孔質となシ、しかも
形状によっては内部に未反応の金属が残存する可能性が
ある。し力・して、緻密な蟹化アルミニウム焼結体を得
るため（Ｃは主に常圧焼結法又はホットブレス法が採用
されでいる。常圧焼結法では高密度化を図るためには焼
結助剤の添加が必要であシ、通常アルカリ土類金属や希
土類金属の化合物が用いられている。ホットブレス法で
は原料として窒化アルミニウム粉末単独、もしくは助剤
が添加された窒化アルミニウム粉末を用いる。

しかしながら、前記ホットブレス法は生産性が低く、し
かもコストが高騰化するという欠点があった。これに対
し、常圧焼結法はせ脆化が容易でかつ低コスト化が可能
であるが、次に示すような欠点があった。

即ち、常圧焼結法で用いられる焼結助剤は一般に高温で
の蒸気圧が比較的に西＜、焼結時に粉末成形体の表面付
近の焼結助剤が蒸発飛散する。その結果、焼結体の表面
付近が緻密化しなくなったシ、或いは製品の形状によっ
ては焼結体が大巾に変形するという欠点があった。この
傾向はアルカリ土類金属化合物を焼結助剤として用いた
ときに特に著しく、また焼結体の形状が平板状の場合の
ように表面積／体積比が大きい程、著しい。なお、表面
付近での焼結助剤の蒸発についてはＸＭＡ　（Ｘ線マイ
クロアナライザ）やＥＤＸ　（螢光Ｘ線分析）Ｋよって
確認括れている。このようなことから、常圧焼結法によ
シ高密度、無変形め窒化アルミニウム焼結体を得る方法
の開発が要望されている。

〔発明の目的〕

本発明は常圧焼結法での成形体の表ｍＪ付近での焼結助
剤の蒸発飛散を抑制して変形のない高密度の窒化アルミ
ニウム焼結体を製造する方法を提供しようとするもので
ある。

〔発明の概要〕

以下１本発明の詳細な説明する。

まず、窒化アルミニウム粉末に易蒸発性の焼結助剤を添
加し、ボールミル等を用いて充分に混合した後、この混
合物にバインダを加えて造粒、整粒を行なう。ここに用
いる窒化アルミニウム粉末は平均粒径で数μｍ以下、よ
シ好ましくは１μｍ以下のものを用いることが望ましい
。前記易蒸発性の焼結助剤としては、例えばＭｇＯ。

ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ＊　ＭｇＣ０３ｒ　ＣａＣＯ３
，ＳｒＣＯ３゜Ｂ　ａＣＯ３等のアルカリ金属化合物、
　Ｙ２Ｏ３或いはＬａ２Ｏ３，ＣｅＯ２，Ｐｒ０２　、
Ｎｄ’２０５　、　Ｓｍ２Ｏ３等の希土類元素化合物を
用いることができ、その低高温での蒸発が問題となる焼
結助剤でを〕ればいかなるものも使用できる。

次いで、前記造粒粉を金型成形法、静水圧ブレス法、そ
の他シート成形法等によシ成形した後、窒素ガス気流中
にて７００℃程度まで加熱して脱脂（バインダの除去）
を行なう。

次いで、脱脂した成形体の表面付近の焼結助剤分圧を外
部からの蒸発した焼結助剤によシ高めた状態で常圧焼結
を行なう。具体的には次のような方法によシ成形体を常
圧焼結する。

■　脱脂した成形体を、該成形体と同組成もしくは焼結
助剤過剰組成の粉末が充填された容器に埋込み、蓋で密
封した後、Ｎ２芽囲気中にて１７００〜１８２０℃程度
で常圧焼結を行なう。

上記充填用粉末中の窒化アルミニウム粉末は数十μｍ程
度の大きな粒子を使用する場合と、成形体の出発材料で
ある窒化アルミニウム粉末と同程度の微細な粒子を使用
する場合とがりる。

上記充填用粉末中の焼結助剤の蚤は成形体と同一、もし
くはやや過剰にすることが必要である。充填用粉末中の
焼結助剤の量が成形体中のそれよシも少ないと、成形体
表面付近の焼結助剤分圧を充分に高められず、その焼結
助剤の蒸発飛散を防止できない。一方、充填用粉末中の
焼結助剤の量が多くなシ過ぎると、成形体表面付近の焼
結助剤分圧は高まるものの、成形体表面付近の焼結助剤
分圧がす＜７ｉ：！ｌｌ、不均一な焼結がなされる。し
かも、充填用粉末を焼結助剤を発生源として用いる方法
では成形体と充填用粉末の組成が大巾に異なると、成形
体と充填用粉末の接触部、非接触部の間で密度の局部的
な不均一を生じ、かえって焼結体の変形の原因となる。

このようなことから、充填用粉末中の焼結助剤の量は、
成形体中のそれの１〜１０倍の範囲にすることが望まし
い。具体的には、成形体の組成として窒化アルミニウム
（ＡｚＮ）粉末にＣａＣＯ３を１重量％添加したものを
用いた場合には、　ＡｔＮ粉末にＣａＣＯ３を１〜５１
量饅添加した充填用粉末を使用することが望ましい。

上記充填用粉末の粒径選定については、−概に限定でき
ないが、成形体の形状が比較的複雑な場合、或いは焼結
時の変形を極力抑制したい場合には比較的細かい粒径（
例えば０．１重数μｍ〕にすることが望ましい。但し、
細か過ぎると、充填用粉末自体が相互に強固に焼結した
シ、焼結体と固着する場合があるので好ましくない。

一方、成形体の形状が単純な場合には、粗い粒子を使用
することによって、充填用粉末自体の焼結や焼結体への
固着を防止できる。

■　また、易発性焼結助剤の混合系の場合。

易発性の差がおっても、その混合系充填用粉−中の分圧
粉−中て蒸発飛散を防止できる。具体的には成形体の組
成として、　ＡｔＮ粉にＣａＣＯ３１重量％、５ｒＣＯ
ｓ　１重量％のを・添加した混合系の場合、充填用粉末
中の添加量は上記■と同様であるが、ＣａＯがＳｒＯよ
り易発性であるため、充填用粉末中のＣａＣＯ３，５ｒ
ＣＯ，の添加比率はＣａＣ０≧Ｓ　ｒ　Ｃｏ　ｓが望ま
しい。このような混合系　− の場合は焼結時の変形が少なく均一な焼結体が得られる
。

しかして、本発明によれば窒化アルミニウム成形体の表
面付近の焼結助剤分圧を外部からの蒸発した焼結助剤に
よシ高めた状態で常圧焼結を行なうことによって、成形
体表面付近からの焼結助剤の蒸発、飛散を抑制できるた
め、表面を含む全体が均一に高密度化され、かつ変形の
ない寸法精度の高い窒化アルミニウム焼結体を得ること
ができる。

〔発明の実施例〕

次に１本発明の詳細な説明する。

実施例１ 平均粒径０．９μｍのＡｔＮ粉末例市販の高純度ＣａＣ
Ｏ３試薬を１重量％添加して混合粉２００ｇを調製し、
これにパラフィンを７重量％添加して造粒した。つづい
て、この造粒粉を３００ｋｇ／′ｃｒｎ２の圧力条件で
冷間成形して３７×３７×６ｔｍの板状の成形体を作製
した。ひきつづき、この成形体を粒径１．２μｍのＡｔ
Ｎ粉中に埋め込み窒素ガス芥囲気中で２００℃まで加熱
し、そのまま１２時間保持した後、６００Ｃまで加熱し
てパラフィンの除去（脱脂）を行なった。

次いで、脱脂した成形体を、ＡｔＮ粉末に高純度ＣａＣ
Ｏ５を２重１ｔ％添加した平均粒径１．２μｍの粉末が
充填された黒鉛製容器に埋め込んだ後、蓋を用いて容器
を密封し、窒素ガス中にて１７８０℃、２時間の常圧焼
結を行なってＡｔＮ焼結体を製造した。

比較例１ 脱脂した成形体をＡｔＮ粉末の敷粉上に配置して上記実
施例１と同様に常圧焼結を行なってＡｔＮ焼結体を製造
した。

比較例２ 脱脂した成形体をＡｔＮ粉末が充填された黒鉛製容器内
に埋め込み、蓋を用いて容器内を密封した後、実施例１
と同様に常圧焼結を行なってＡｔＮ焼結体を製造した。

しかして、本実施例１及び比較例１，２によシ得たＡｔ
Ｎ焼結体について相対密度、変形度及び焼結体の性状を
調べた。その結果を下記表に示す。なお、変形度は焼結
体の対角線を基準にして中央部と周縁部との反シの最大
値を測定するととくよ請求めた。

上表よル明らかな如く、比較例Ｊにょシ得たＡｔＮ　ｆ
ＪＦ、粘体は下面側が極度Ｋｅ、縮して変形度が大きく
なシ、シかも密度も低い。また、比較例２忙よシ得たＡ
ｔＮ焼結体は変形度が比較的低いものの１表面付近から
のＣａＯの蒸発に起因して高密度化が十分に図られず、
しかも断面が表面と内部で層状となシネ均一に焼結され
ている。

これに対し、本実施例１によシ得たＡｔＮ焼結体は変形
も少なく高密度で、断面で、観察した焼結むらも少ない
。

実施例２，３ 実施例１と同様な方法で作製した脱脂成形体を、ＡｔＮ
粉末１ｃ　Ｃｏｃｏｓを１重量％添加した平均粒径１．
２μｍの粉末が充填された黒鉛製容器に埋め込んだ後蓋
を用いて容器を密封し、実施例と同様に常圧焼結してＡ
ｔＮ焼結体を製造した。

実施例３ 実施例２と同組成のＡＡＮ−Ｃａ　ＣＯｓ粉末を１７０
０℃で熱処理した後、乳鉢で１０〜５０μｍ程度に粉砕
し、これを黒鉛製容器に充填した。つづいて、この容器
内に実施例１と同様な脱脂成形体を埋め込み、蓋を用い
て容器を密封した後、実施例１と同様に常圧焼結してＡ
ｔＮ焼結体を製造した。

しかして、実施例２，３によシ得た焼結体の変形度を調
べた。その結果、実施例２の焼結体の変形度は０．２〜
０．４程度とやや大きく、実施例３の焼結体の変形度は
０１〜０．２程度と小さかった。一方、各焼結体の他の
特性については、いずれも均質で強度的にも４０〜５０
ｋｇ／ＩＩＩＩ＋＋２の値を示した。

実施例４ 平均粒径１．５μｍのＡｔＮ粉末９９．５重量％と平均
粒径１．８μｍのＣａＯ粉末０．５重量％とを配合した
混合粉末にパラフィン５重量％を添加し混練した。つづ
いて、この混練物を２　ｔｏｎＡ”の成形圧で成形して
３０Ｘ３０Ｘ５ｔｍｍの板状の成形体を作製した。次い
で、この成形体をＮ２気流中でｉ４ラフインを除去した
後、黒鉛製容器内に前記混合粉末と同種の粉末と共に入
れ、蓋で密封した。

この後、窒素気流中にて１８００℃、６０分間焼結を行
なった。

比較例３ 板状の成形体のみを黒鉛製容器に入れ、蓋で密封して焼
結を行なった以外、実施例４と同様な方法によ、り　Ａ
ｔＮ焼結体を製造した。

しかして、実施例４及び比較例３の焼結過程での成形体
表面付近のＣａＯ濃度を測定したところ、図に示す特性
図を得た。なお１図中のＡは本実施例４の濃度特性線を
、Ｂは比較例３の濃度特性線を、夫々示す。この図よシ
明らかな如く外部からの蒸気化し九〇ａＯを与えないで
焼結した比較例３の方法では表面とそれよシ内部側との
ＣａＯ濃度が著しく異なることがわかる。これに対し、
混合粉末と同種の粉末と共に成形体を黒鉛製容器に入れ
て焼結する方法、つまシ外部からの蒸気化したＣａＯに
よシ成形体表面付近の分圧を高めて焼結を行なった本実
施例４の方法では成形体表面とその内側部分との間のＣ
ａＯ濃度がほとんどないことがわかる。

実際、実施例４のＡ／＝Ｎ焼結体は変形度が０１〜０．
２と小さく、かつ理論密度に対して９８チの相対密度を
有すると共に均質で昼緻密質のものであった。

実施例５ 平均粒、径１，２μｍのＡｔＮ粉末９９重ｆｉチと平均
粒径０．８μｍのＹ２Ｏ３粉末１重ｆｉｔ　％とを配合
した混合粉末にパラフィンを５重量％添加し、混練した
彼、この混線物を実施例４と同様に成形して板状の成形
体を作製した。つづいて、この成形体をＮ２気流中にて
・母ラフインを除去した後、黒鉛製容器内に前記混合粉
末と同種の粉末と共に入れ、蓋で密封した。この後、Ｎ
２気流中にて１８００℃、６０分間焼結を行なった。

得られた実施例５のＡｔＮ焼結体は変形度が０．１〜０
．２と小さく、かつ理論密度に対して９８．４％の相対
密度を有すると共に均質で高緻密質のものであった。

実施例６ 平均粒径１．２μｍのＡｔＮ粉末９９重量％と、平均粒
径０．７μｍのＳ　ｒ　Ｃｏ　３粉末０．５重量％と、
平均粒径０．９μｍのＣａ　Ｃ０３粉末０．５　Ｍ量チ
とを配合した混合粉末を調製し、これを用いて実施例４
と同一条件で焼結したところ、変形度が極めて小さく、
均質で高緻密質のＡｔＮ焼結体を得ることができた。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明によれば常圧焼結法に際し、
成形体表面付近での焼結助剤の蒸発飛散を抑制して変形
のない寸法精度が高く、均質でかつ高密度の窒化アルミ
ニウム焼結体を極めて簡単に製造し得る方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

図面は実施例４及び比較例３の焼結過程での成形体表面
付近のＣａＯ濃度分布を示す特性図１ある。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦床　刃杉イイ（
表面　々・ら０距角佳

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　窒化アルミニウム粉末に易蒸発性の焼結助剤を
   添カルだ後成形する工程と、この成形体の表面付近の焼
   結助剤分圧を外ｆｆ１ｓ力・らの蒸発した焼結助剤によ
   シ高めた状態で常圧焼結を行なう工程とを具備したこと
   を特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
2. （２）易蒸発性の焼結助剤がアルカリ土類金属、希土類
   金鴎及びそれらの化合物力為ら選ばれる１種又は２種以
   上の混合物であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の窒イしアルミニウム焼結体の製−遣方法。