JPS6346032B2

JPS6346032B2 -

Info

Publication number: JPS6346032B2
Application number: JP58233938A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shinozaki; Kazuo Anzai; Takeshi Takano; Akihiko Tsuge
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-12-12
Filing date: 1983-12-12
Publication date: 1988-09-13
Also published as: DE3485523D1; EP0147101B1; EP0147101A2; EP0147101A3; JPS60127267A; US4766097A

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、高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体
の製造方法に関する。（従来技術）窒化アルミニウム（AlN）は常温から高温ま
での強度が高く（焼結体の曲げ強さは通常50Kg／
mm²以上）、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、その高熱伝導性、高
電気絶縁性を利用して半導体装置の放熱板材料と
しても有望視されている。こうしたAlNは通常、
融点を持たず、2200℃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。ところで、AlN焼結体は従来より常圧焼結法、
ホツトプレス法により製造されている。常圧焼結
法では高密度化の目的でアルカリ土類金属酸化物
などの化合物を焼結助剤として添加することが多
い。ホツトプレス法では、AlN単独又は助剤が
添加されたAlNを用い、高温高圧下にて焼結す
る。しかしながら、ホツトプレス法では複雑な形状
の焼結体の製造が難しく、しかも生産性が低く、
高コストとなるという問題がある。一方、常圧焼
結法ではホツトプレス法のような問題を解消でき
るものの、得られたAlN焼結体はAlNの理論熱
伝導率（320W／ｍ・ｋ）に比べて著しく低く、
必ずしも良好な高熱伝導性を有するものではなか
つた。なお、ホツトプレス法で造られたAlN焼
結体のうち助剤が添加されたAlNを原料とする
ものも、同様に熱伝導率の点で充分に満足するも
のではなかつた。（発明が解決しようとする問題点）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、熱伝導率が40W／ｍ・ｋ以上を
有する高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造
方法を提供しようとするものである。［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明は、酸素を１重量％以下含む窒化アルミ
ニウムを主成分とし、これにイツトリウム、ラン
タン、プロセオジム、ニオブ、サマリウム、ガド
リウム、ジスプロシウムから選ばれる希土類元素
の酸化物もしくは炭酸塩の１種以上を希土類元素
換算で0.01〜15重量％添加した原料粉末を成形、
焼結して酸素を0.01〜20重量％含む窒化アルミニ
ウム焼結体とすることを特徴とする高熱伝導性窒
化アルミニウム焼結体の製造方法である。以下、本発明のAlN焼結体の製造方法を詳細
に説明する。まず、酸素が１重量％以下含むAlN粉末にイ
ツトリウム（Ｙ）、ランタン（La）、プロセオジ
ム（Pr）、ニオブ（Nb）、サマリウム（Sm）、ガ
ドリウム（Gd）、ジスプロシウム（Dy）から選
ばれる希土類元素の酸化物もしくは炭酸塩の１種
以上を希土類元素換算で0.01〜15重量％を添加
し、ボールミル等を用いて粉砕、混合して原料を
調製する。但し、常圧焼結の場合は前記ボールミ
ル等で粉砕、混合したものに更にバインダを加
え、混練、造粒、整粒を行なつて原料を調製す
る。ここで、AlN中に含まれる酸素量を限定し
た理由は、その量が１重量％を越えると、AlN
中に固溶される酸素量が多くなつて高熱伝導性の
AlN焼結体の製造が困難となるからである。ま
た、前記希土類元素の酸化物もしくは炭酸塩の添
加量を限定した理由はその量を希土類元素換算で
0.01重量％未満にすると焼結性の高い緻密なAlN
焼結体が得られなくなり、かといつてその量が同
換算で15重量％を越えると原料粉末中のAlN粉
末の絶対量が少なくなり、AlN焼結体本来の特
性である耐熱性、高強度性が損われるばかりか、
高熱伝導性も低下させるからである。なお、焼結
手段として常圧焼結を採用した場合には前記希土
類元素の酸化物もしくは炭酸塩の添加量を0.1〜
15重量％の範囲とすることが望ましい。次いで、前記バインダを含む原料を金型、静水
圧又はシート成形等の手段により成形した後、成
形体をN₂ガス気流中にて700℃前後で加熱してバ
インダを除去する。つづいて、成形体を黒鉛又は
窒化アルミニウムからなる容器にセツトし、N₂
ガス雰囲気中にて1600〜1850℃で常圧焼結を行な
う。この際、比較的低温（1000〜1300℃）で後述
するガーネツト相或いはペロブスカイト相が
AlNの粒界に生成され、更に高い1600〜1850℃
でガーネツト相、ペロブスカイト相が融解し、そ
の液相焼結機構によつて常圧焼結がなされる。一方、ホツトプレス焼結の場合は前記ボールミ
ルで粉砕、混合して調製した原料を1600〜1800℃
でホツトプレスを行なう。上述した原料の成形、焼結により酸素を0.01〜
20重量％を含むAlN焼結体を製造する。かかる
AlN焼結体中の酸素含有量を限定した理由は、
該酸素量を0.01重量％未満にすると、焼結性の高
い緻密なAlN焼結体が得難く、かといつてその
量が20重量％を越えると、熱伝導性の低下を招く
からである。（作用）本発明者らは、従来法で製造された助剤が添加
されたAlN焼結体の低熱伝導性について種々検
討した結果、この低熱伝導性はAlN焼結体中の
助剤量と共に焼結性に関与する酸素含有量に起因
することを究明した。AlN焼結性を高めて緻密
なAlN焼結体を得るために、酸素が含まれてい
ることが必要であるが、酸素量が多くなると、高
熱伝導性の阻害要因となることがわかつた。そこで、本発明者らは上記究明結果を踏えて更
に鋭意研究したところ、酸素を１重量％以下含む
AlN粉末に特定の希土類元素の酸化物もしくは
炭酸塩の１種以上を希土類元素換算で0.01〜15重
量％添加した原料を成形、焼結して所定の酸素を
含む焼結体とすることによつて、熱伝導率が
40W／ｍ・ｋ以上の高熱伝導性AlN焼結体を製
造できることを見い出した。このように、本発明
方法で製造されたAlN焼結体が高熱伝導性を示
すのは以下に説明する組織となることによるもの
と推定される。所定量の酸素を含むAlN粉末に特定の希土類
元素の酸化物もしく炭酸塩の１種以上を所定量添
加した原料を成形し、焼結すると、希土類元素が
AlN中に存在する酸素と反応して、組成式
3Ln₂O₃・5Al₂O₃（Ln；Ｙ、La、Pr、Nb、Sm、
Gd、Dyから選ばれる希土類元素）の形で表わさ
れるガーネツト構造化合物相（以下、ガーネツト
相と略す）がAlNの粒界に生成され、AlNの結
合に寄与すると共に、酸素を固定化する。しかし
ながら、酸素量が多くなると、ガーネツト相とし
て取り込まれない酸素が存在することになり、そ
の酸素がAlN粒子に固溶拡散する。絶縁体の熱
伝導率は弾性波（フオノン）の拡散によつて支配
されるが、酸素が固溶拡散したAlN粒子を含む
AlN焼結体ではフオノンが該固溶拡散された領
域で散乱し、結果として熱伝導性の低下を招く。
しかるに、AlN粉末中の酸素を１重量％以下と
し、このAlN粉末に希土類元素の酸化物もしく
は炭酸塩の１種以上を所定量添加して、AlN焼
結体中の酸素を前記ガーネツト相を構成する量に
抑えて固定化し、AlNへの固溶拡散を阻止する
ことによつて、フオノンの散乱が少なくなり、結
果的には熱伝導性が向上される。なお、AlNの
粒界にはガーネツト相とは別の組成式LnAlO₃
（Ln；Ｙ、La、Pr、Nb、Sm、Gd、Dyから選ば
れる希土類元素）の形で表わされるペロブスカイ
ト構造化合物相（以下、ペロブスカイト相と略
す）が生成される場合もあり、この場合も全く同
様な作用効果を示す。（発明の実施例）以下、本発明の実施例を詳細に説明する。実施例１まず、酸素を１重量％含有するAlN粉末（平
均粒径1μｍ）に酸化サマリウム粉末（平均粒径
1μｍ）を３重量％添加し、ボールミルを用いて
粉砕、混合して原料を調製した。つづいて、この
原料を直径10mmのカーボン型に充填し、圧力300
Kg／cm²、温度1800℃の条件で１時間ホツトプレス
を行なつてAlN焼結体を製造した。比較例１酸素を３重量％含有するAlN粉末（平均粒径
1μｍ）そのものを原料として用いた以外、実施
例１と同様な方法によりAlN焼結体を製造した。比較例２酸素を20重量％含有するAlN粉末（平均粒径
0.9μｍ）に酸化サマリウム粉末（平均粒径1μｍ）
を３重量％添加し、ボールミルを用いて粉砕、混
合して原料を調製した。次いで、この原料を用い
て実施例１と同様にポツトプレスを行なつて
AlN焼結体を製造した。しかして、本実施例１及び比較例１、２で製造
されたAlN焼結体について約3.5mmの厚さに研摩
した後、レーザフラツシユ法によつて室温での熱
伝導率を測定した。その結果、本実施例１の
AlN焼結体では121W／ｍ・ｋであつたのに対
し、比較例１のAlN焼結体では35W／ｍ・ｋ、
比較例２のAlN焼結体では32W／ｍ・ｋであつ
た。また、Ｘ線回折で各AlN焼結体の構成相を調
べたところ、実施例１のAlN焼結体ではAlN相
及びペロブスカイト相が、比較例１ではAlN相
以外にかなりの量の酸窒化物相が、比較例２では
AlN相及びペロブスカイト相以外にかなりの量
の酸窒化相が、夫々検出された。実施例２酸化サマリウム粉末の代わりに酸化ガドリニウ
ム粉末を用いた以外、実施例１と同様に原料を調
製し、これをホツトプレスすることによりAlN
焼結体を製造した。製造されたAlN焼結体を約3.5mmの厚さに研摩
した後、レーザフラツシユ法によつて室温での熱
伝導率を測定したところ、123W／ｍ・ｋと極め
て高い熱伝導性を示した。また、Ｘ線回析で
AlN焼結体の組織を調べたところ、AlN相、ガ
ーネツト相が検出された。実施例３〜９下記第１表に示す酸素含有量の異なるAlN粉
末（平均粒径0.9μｍ）に酸化イツトリウム
（Y₂O₃）粉末を同第１表に示す割合で添加し、ボ
ールミルを用いて10時間湿式粉砕、混合して重量
が200ｇの混合粉末とした後、これら混合粉末に
パラフインを夫々７重量％添加し、造粒して７種
の原料を調製した。つづいて、これら原料を300
Kg／cm²の圧力で冷間成形して37cm×37cm×６cmの
寸法の板状体とした。次いで、これら板状体を窒
素ガス雰囲気で600℃まで加熱し、10時間保持し
て脱脂した後、窒化アルミニウム容器中にセツト
し、窒素ガス雰囲気下にて1800℃、２時間常圧焼
結して７種のAlN焼結体を製造した。製造された各AlN焼結体の密度、並びに実施
例１と同様なレーザフラツシユ法による室温での
熱伝導率を調べた。その結果を同第１表に併記し
た。なお、第１表には比較例３として酸化イツト
リウムを添加しないAlN粉末（酸素含有量１重
量％）にパラフインを７重量％添加し、造粒した
原料を用いた以外、実施例３〜９と同様な方法に
より製造したAlN焼結体の密度、熱伝導率を併
記した。

【表】上記第１表から明らかなように本実施例３〜９
のAlN焼結体は高密度でかつ高熱伝導性を有す
ることがわかる。また、本実施例３〜９のAlN焼結体について
Ｘ線回析により組織を調べたところ、いずれも
AlN相、ガーネツト相、ペロブスカイト相及び
僅かな酸窒化物相が検出されたが、Y₂O₃の添加
量の多いAlN焼結体ほど酸窒化物相が減少して、
ガーネツト相が増大していた。実施例 10〜15 酸素を１重量％含有するAlN粉末（平均粒径
1μｍ）に平均粒径が1μｍGd₂O₃粉末、Dy₂O₃粉
末、La₂O₃粉末、Pr₂O₃粉末、Nd₂O₃粉末及び
Sm₂O₃粉末を夫々３重量％添加し、ボールミル
を用いて10時間湿式粉砕、混合して混合粉末とし
た後、これら混合粉末にパラフインを夫々７重量
％添加し、造粒して調製した６種の原料を用いた
以外、実施例３〜９と同様な方法によりAlN焼
結体を製造した。製造された各AlN焼結体は、3.29ｇ／cm²以上の
密度を有し、かつ80W／ｍ・ｋ以上の熱伝導率を
示した。［発明の効果］以上詳述した如く、本発明によれば高密度で熱
伝導率が40W／ｍ・ｋ以上を示し、半導体装置の
放熱板等に有効な高熱伝導性窒化アルミニウム焼
結体を製造し得る方法を提供できる。

Claims

【特許請求の範囲】１酸素を１重量％以下含む窒化アルミニウムを
主成分とし、これにイツトリウム、ランタン、プ
ロセオジム、ニオブ、サマリウム、ガドリウム、
ジスプロシウムから選ばれる希土類元素の酸化物
もしくは炭酸塩の１種以上を希土類元素換算で
0.01〜15重量％添加した原料を成形、焼結して酸
素を0.01〜20重量％含む窒化アルミニウム焼結体
とすることを特徴とする高熱伝導性窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法。２製造された窒化アルミニウム焼結体は密度が
理論密度の90％以上で、室温における熱伝導率が
40W／ｍ・ｋである特許請求の範囲第１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。