JPS63277571A - 高熱伝導性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の製造方法に関する
。

（従来の技術） 窒化アルミニウム（Ａｆ２　Ｎ）は高温まで強度低下が
少なく、化学的耐性にも優れているため、耐熱材料とし
て用いられる一方、その高温伝導性、高電気絶縁性を利
用して半導体装置の放熱板材料、回路基板用絶縁体材料
としても有望視されている。

こうした窒化アルミニウムは常圧下では融点を持たず、
２５００℃以上の高温で分解するため、薄膜などの用途
を除いては焼結体として用いられる。

かかる窒化アルミニウム焼結体は通常、窒化アルミニウ
ム粉末を成形、焼結して得られる。超微粉（０，３−以
下程度）のＡｓＬＮ粉末を用いた場合には単独でも緻密
な焼結体が得られるが、原料粉末表面の酸化層中の酸素
が焼結時にＡ、ＩＮ格子中に固溶したり、Ａλ−〇−Ｎ
化合物を生成し、その結果無添加焼結体の熱伝導率はた
かだか１００１／ｍＫ程度である。また粒径０．５．以
上のＡ文Ｎ粉末を用いた場合は焼結性が良好でないため
に、ホットプレス法による以外には無添加では緻密な焼
結体を得ることは困難である。そこで常圧で焼結体を得
ようとする場合、焼結体の高密度化およびＡｉＮ原料粉
末の不純物酸素のＡ４Ｎ粒内への固溶を防止するために
、焼結助剤として希土類酸化物、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（特開昭６
０−１２７２６７号、特開昭６１−１００７１号、特開
昭６０−７１５７５号等）、これらの焼結助剤はＡｉＮ
原料粉末の不純物酸素と反応し液相を生成し焼結体の緻
密化を達成すると共に、この不純物酸素を粒界相として
固定（酸素トラップ）し、高熱伝導度化をも達成する。

このように焼結助剤を添加することにより確かに焼結体
はｍ密化、高熱伝導度化するが、他方で。

結果として残存する粒界相（主相であるＡ３．Ｎ相に対
し副相）の量、完全にトラップしきれなかった酸素等の
存在により、窒化アルミニウム焼結体のそれは高々１６
０ｗ／Ｉｌ−に程度であった。

そのため、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率の向上を
目的として種々の試みがなされているが、未だ十分満足
すべきものは得られていない。

（発明が解決しようとする問題点） 現在半導体搭載用の回路基板、放熱基板等ではより高い
熱伝導率を有する材料が望まれている。

しかしながら酸素その他の不純物特に、助剤添加の結果
として粒界に生成する粒界相の存在により。

窒化アルミニウム焼結体の高熱伝導度化には限界があっ
た。

本発明は１以上の点を考慮してなされたもので。

熱伝導性に優れた窒化アルミニウム焼結体を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明者等は
上記目的を達成すべく窒化アルミニウム粉末に添加する
焼結助剤や焼結条件、焼結体組成、焼結体微細構造等と
熱伝導率の関係について実験・検討を進めた結果、以下
に示す新規事項を発見し１本発明を完成するに至った。

すなわち、焼結助剤としてイツトリウム化合物をＡ！Ｌ
Ｎ粉末に添加し、窒化アルミニウム焼成容器中で長時間
焼成したところ、粒成長がおこり。

高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体が得られ
るという事実をみいだした。この効果は。

他の希土類、　ＩＩａ族、およびＨａ族元素でも同様に
認められた。

この事実に基づいて高熱伝導度化を達成する最適条件を
種々検討した結果が本発明であり、ａ）不純物酸素量が
７重量％以下であり、平均粒径が０．０５〜５μｍであ
る窒化アルミニウム粉末と、Ｕａ族元素、ＩＩａ族元素
および希土類元素の少なくとも一種が重量換算で０．０
１〜１５重量％の、　ＩＩａ族ＩＩａ族または希土類元
素の化合物とを混合したのち成形した成形体、またはＩ
Ｉａ族、Ｈａ族および希土類元素含有量が０．０１〜１
５重ｔ％で、酸素含有量が０．０１〜２０重量％であり
、Ａ、ｇＮを主相としくＩＩａ族、Ｈａ族および希土類
元素）−Ａ又−０化合物相および／または（ＩＩａ族、
■ａ族および希土類元素）−０化合物相を含む焼結体を
。

ｂ）窒化アルミニウム焼成容器を用い。

Ｃ）非酸化性ガス雰囲気、１５５０〜２０５０℃で、４
時間以上、真空を含む雰囲気圧下で焼成することを特徴
とした高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法で
ある。

ついで、本発明の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の
製造方法について述べる。

本発明の製造方法は、窒化アルミニウム原料粉末の純度
および平均粒径、焼結助剤、焼結容器、焼成時間および
焼成雰囲気を骨子とするものである。

主成分である窒化アルミニウム原料粉末としては、焼結
性、熱伝導性を考慮して酸素を７重量％以下、実用上は
０．０１〜７重量％含有し、平均粒径が０．０５〜５μ
ｓのものを使用する。

添加物としてはｎａ族、　ＩＩＩａ族および希土類元素
化合物を用いる。これら元素の化合物としては、酸化物
、窒化物、フッ化物、酸フッ化物、酸窒化物、もしくは
焼成によりこれらの化合物となる物質が最適である。焼
成によって例えば酸化物となる物質としては、これら元
素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物などをあげ
ることができる。

ＩＩａ族、ＩＩａ族および希土類元素化合物の添加は。

これら元素の重量換算で０．０１〜１５重量％の範囲で
添加する。

本発明方法においてはこの様なＡＸＮ粉と　ｎａ族、Ｉ
ＩＩａ族および希土類元素化合物の混合された成形体を
後述の条件で焼結しても良いし、また、従来の方法（例
えば特開昭６１−１１７１６０号）で、ＩＩａ族、ＩＩ
ａ族および希土類元素含有量が０．０１〜１５重量％で
、酸素含有量が０．０１〜２０重量％であり、Ａ又Ｎを
主相としくｎａ族、ＩＩａ族および希土類元素）−Ａ、
Ｉ−０化合物相および／または（ＩＩａ族、ＩＩａ族お
よび希土類元素）−〇化合物相から成る焼結体を製造し
、上記成形体の代りに用いてもよい。

焼成容器に関しては、単に成形体をａ密化させるだけの
目的ならば、アルミナでも十分である。

しかし、この容器を用いたものでは、高熱伝導率は得ら
れない１本発明では、窒化アルミニウム焼成容器を用い
る。この容器を用いることにより、粒成長がおこり、結
果的に（ｎａ族、ＩＩａ族および希土類元素）−Ａｌ−
０化合物等の粒界相を焼結体中より除去する方向に作用
し、高熱伝導性の焼結体に変化していく。

焼結時間については、従来種々の助剤を用い１〜３時間
の短時間で行な麟れているが、この程度の時間では、上
記焼成容器中で焼成したとしても、窒化アルミニウム焼
結体の緻密化は可能であるが。

粒成長はおこらない。また、アルミナ容器を用いた場合
は、長時間の焼成によっても粒成長は生じない０粒成長
をおこさせるためには焼結温度および助剤添加量にもよ
るが、４時間以上が必要である。より好ましくは６時間
以上で、さらに好ましくは１２時間以上である。

焼成温度については、１５５０〜２０５０℃が好ましい
。

１５５０℃より低温で焼成すると、原料粉末の粒径、酸
素量にもよるが緻密な焼結体が得られず、粒成長もおこ
らない、また２０５０℃より高温で焼成すると、Ａ！Ｌ
Ｎ自体の蒸気圧が高くなり、緻密化が困難になる。焼成
温度は、より好ましくは１８００〜１９５０℃である。

焼成雰囲気は、真空、窒素ガス、水素ガス、−酸化炭素
、アルゴン等の群から選ばれる１種または２種以上の非
酸化性雰囲気が好ましい、酸化性雰囲気で焼成すると酸
素の固溶、異相生成により高熱伝導性は得られない、な
お焼結は真空、減圧。

加圧及び常圧を含む雰囲気圧下で行なう。

次いで本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法の一
例を以下に述べる。

まず、ＡｉＮ粉末に焼結添加物として希土類元素化合物
を所定量添加したのちボールミル等を用いて混合する。

焼結には常圧焼結法を使用する。

この場合、混合粉末にバインダーを加え、混練。

造粒、整粒を行なったのち成形する。成形法としては、
金型プレス、静水圧プレス或いはシート成形などが適用
できる。続いて、成形体を非酸化性雰囲気中１例えば窒
素ガス気流中で加熱してバインダーを除去したのち常圧
焼結する。焼成容器は窒化アルミニウム焼成容器を用い
る。焼結温度は１５５０〜２０５０℃に、焼結時間は４
時間以上に設定する。この様な方法により本発明焼結体
を得ることができる。

次に本発明の窒化アルミニウム焼結体の熱伝導性の向上
効果について説明する。厳密なメカニズムは現在のとこ
ろ完全に解明されているわけではないが、本発明者らの
研究によれば高熱伝導率化の要因として次のように推定
される。

窒化アルミニウム容器中で長時間焼成することにより焼
結体の粒子が成長する。　Ａ４Ｎ粒子が成長すると熱抵
抗となる粒界の数が結果的に少なくなることを意味し、
フォノンの散乱が小さな焼結体になる。

以上のような理由により高熱伝導性窒化アルミニウム焼
結体を得ることができる。

（実施例） 失庭銖よ 不純物としての酸素を１．０重量％含有し、平均粒径が
０．６−のＡｙ、Ｎ粉末に、添加物として平均粒径０．
９ｐのＹ２Ｏ，をイツトリウム元素の重量換算で２．５
重量％添加し、ボールミルを用いて混合を行ない原料を
調整した。ついで、この原料に有機系バインダーを４重
量％添加して造粒したのち５００ｋｇ／（！Ｊの圧力で
プレス成形して３８　Ｘ　３８　Ｘ　１０■の圧粉体と
した。この圧粉体を窒素ガス雰囲気中で７００℃まで加
熱してバインダーを除去し窒化アルミニウム焼成容器に
脱脂体を収容した。

この容器を用い窒素ガス雰囲気中（１気圧）ｉｇｏ。

℃、２４時間の条件で常圧焼結した。得られたＡｉＮ焼
結体の密度および粒径を測定した。また焼結体から、直
径１０■、厚さ３．３−の円板を研削し。

これを試験片としてレーザーフラッシュ法により熱伝導
率を測定した（真空理工１１ＴＣ−３０００使用）。

測定した温度は２５℃である。上記焼結条件および得ら
れた焼結体の特性を第１表に示した６来亙涯ｌ二旦 焼結添加物の添加量を種々に変えて上記実施例１と同様
にしてＡＩＮ焼結体を製造し、それぞれについて、同様
に、評価を行なった。

叉五叢且二Ｉ 焼結添加物の添加量および焼結温度を種々に変えて上記
実施例１と同様にしてＡ、、ＩＮ焼結体を製造し、それ
ぞれについて同様に評価を行なった。

失庭五炙 Ａ！ＬＮ原料粉末の粒径、不純物酸ｉｔおよび焼□結温
度を変えて上記実施例Ｊと同様にしてＡｉＮ焼結体を製
造し、同様の評価を行なった。

失凰叢ｌ二刊 焼結添加物の添加量、焼結温度および焼結雰囲気および
雰囲気圧力を種々に変えて上記実施例１と同様にしてＡ
、ＩＮ焼結体を製造し、それぞれについて同様の評価を
行なった。

失鬼青旦二Ｕ 焼結時間を種々に変えて上記実施例１と同様にしてＡ′
ＲＮ焼結体を製造し、それぞれについて同様の評価を行
なった。

失嵐叢Ｕ 不純物としての酸素を１．５重量％含有し、平均粒径が
１．５−のＡアＮ粉末に、添加物として平均粒径０．９
μｓのＹ、　Ｏ３をイツトリウム元素の重量換算で０．
８重量％添加した。窒化アルミニウム焼成容器を用い、
窒化ガス１０気圧の加圧中１７００℃、１２時間で焼結
した。得られた焼結体は上記実施例１と同様に評価を行
なった。

失五五且 焼結温度、焼結時間および焼結雰囲気を変えて上記実施
例１と同様にしてＡｌＮ焼結体を製造し。

同様の評価を行なった。

失胤五皿 焼結温度および、焼結雰囲気をＮ、＋Ｈ，（５％）の減
圧にしたことを除き、上記実施例１と同様にしてＡに！
Ｎ焼結体を製造し、同様の評価を行なった。

失盈班且二旦 添加物の陽イオンを種々のｎａ族、Ｈａ族、希土類元素
に変えて上記実施例１と同様にしてＡＪＮ焼結体を製造
し、それぞれについて同様の評価を行なった。

星艶舅工 実施例１と同様な方法により得たＡｇＮ脱脂体を窒化ア
ルミニウム焼成容器にセットし、１８００℃、２、（ｒ
、Ｎ、気流中で常圧焼結し、焼結体を得た。これらの焼
結体の特性を表２に示す、実施例１と同様の評価の結果
より、焼結時間が４時間未満と短い場合、窒化アルミニ
ウム容器を用いることによる粒成長の効果が十分でない
ことがわかり、高熱伝導を有するＡＱＮ焼結体を得るた
めには長時間（４時間以上）の焼結が必要であることが
わかる。

里艶五又二旦 比較例２，４では実施例１と同様な方法により得たＡｇ
Ｎ脱脂体を、比較例３では助剤添加量を変えて、比較例
５では助剤種を変えて実施例１と同様な方法により得た
ＡｇＮ脱脂体をアルミナ焼成容器にセットし、比較例２
，３．５は１８００℃、２イｒ、比較例４では１ｓｏｏ
℃、２４４ｒ、どちらもＮ２気流中で常圧焼結し、同様
の評価を行なった。この結果より、ＡらＯ１焼成容器を
用いた場合、高熱伝導率を有するＡＱＮ焼結体は得られ
ず、窒化アルミニウム焼成容器の有効さがわかる。

ル敗孤立 実施例１で用いたＡ、］２Ｎ粉末を、５００　ｋｇ　／
　Ｃｉの圧力でプレス成形して、３０　Ｘ　３０　Ｘ　
１０■の圧粉体とし、この圧粉体をカーボン型中に入れ
窒素ガス雰囲気中、温度１８００℃、４００ｋｇ／ｄの
圧力下で１時間ホットプレス焼結し、焼結体を得た。こ
の焼結体の特性を第２表に示した結果として熱伝導率は
８ｈｌ／ｍＫという低い値であった。

この様に希土類元素化合物無添加では、Ａｊ！Ｎ原料粉
末表面の不純物酸素とＡ３Ｎが反応し、熱伝導をさまた
げるＡλ−〇−化合物が生成してしまうことから、希土
類元素化合物の添加の有効さがわかる。

（以下余白） 〔発明の効果〕 以上述べた如く１本発明の窒化アルミニウム焼結体の製
造方法は緻密でかつ、高熱伝導率を有する窒化アルミニ
ウム焼結体を提供するものであり、その工業的価値は極
めて大きいものである。

代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　松山光之

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ａ）不純物酸素量が７重量％以下であり、平均粒
   径が０．０５〜５μｍである窒化アルミニウム粉末と、
   IIａ族元素、IIIａ族元素および希土類元素の少なくと
   も一種が重量換算で０．０１〜１５重量％の、IIａ族、
   IIIａ族または希土類元素の化合物とを混合したのち成
   形した成形体、またはIIａ族、IIIａ族および希土類元
   素の少なくとも一種の含有量が０．０１〜１５重量％で
   、酸素含有量が０．０１〜２０重量％であり、ＡｌＮを
   主相とし（IIａ族、IIIａ族または希土類元素）−Ａｌ
   −Ｏ化合物相および／または（IIａ族、IIIａ族または
   希土類元素）−Ｏ化合物相を含む焼結体を、 ｂ）窒化アルミニウム焼成容器を用い、 ｃ）非酸化性ガス雰囲気、１５５０〜２０５０℃で、４
   時間以上、真空を含む雰囲気圧下で焼成することを特徴
   とした高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
2. （２）焼成時間が２４時間以上から成る特許請求範囲第
   １項記載の高熱伝導性アルミニウム焼結体の製造方法。
3. （３）焼成温度が１５００℃以上１８００℃未満から成
   る特許請求範囲第２項記載の高熱伝導性窒化アルミニウ
   ム焼結体の製造方法。