JP2001151575A - 窒化アルミニウム質焼結体の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム質焼結体の製造方法

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JP2001151575A
JP2001151575A JP33670799A JP33670799A JP2001151575A JP 2001151575 A JP2001151575 A JP 2001151575A JP 33670799 A JP33670799 A JP 33670799A JP 33670799 A JP33670799 A JP 33670799A JP 2001151575 A JP2001151575 A JP 2001151575A
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aluminum nitride
sintered body
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average particle
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Kazuhiro Nishizono
和博 西薗
Usou Ou
雨叢 王
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Abstract

(57)【要約】 【課題】緻密で結晶の粒径が小さい窒化アルミニウム質
焼結体を提供する。 【解決手段】平均粒径dμmの窒化アルミニウム原料粉
末を主成分とする成形体を作製した後、前記窒化アルミ
ニウム原料粉末の平均粒径dμmに対して2800/d
≦f(MHz)≦28000/dの周波数のマイクロ波
を前記成形体に照射することによって焼成する。

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
質焼結体の製造方法に関するものであり、特に焼成にマ
イクロ波を用いた窒化アルミニウム質焼結体の製造方法
に関する。
【0002】
【従来技術】近年、窒化アルミニウム質焼結体は、高熱
伝導性、耐熱性、耐食性、電気絶縁性、圧電性等多くの
優れた特性を有していることから、配線基板の絶縁材料
や構造材料、機能材料として応用が進められている。
【0003】従来、窒化アルミニウム質焼結体を製造す
るには、単体では難焼結性を示すため、焼結助剤成分を
添加し、ホットプレス炉等にて、加圧下、1800℃程
度の高温にて焼成する方法や、焼結助剤成分を多量に添
加し、窒素雰囲気中、ヒータ加熱炉にて、1700℃程
度の比較的低い温度にて焼成する方法が知られている。
【0004】一方、窒化アルミニウム質焼結体中の結晶
粒径を微細化することにより、高強度化できることが知
られており、例えば特開昭63−274669号公報の
ように添加物により結晶粒成長を抑制する方法や、特開
平6−247772号公報では、平均粒径0.8μmの
窒化アルミニウム原料粉末に対して助剤を添加して一軸
加圧した後、該成形体に4MHz程度のマイクロ波を照
射して焼成することが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ホットプレス炉やヒータ加熱炉を用いて焼成する方法で
は、焼成炉の加熱および冷却に時間がかかるために、焼
成時の昇温時や冷却時に窒化アルミニウム粒子の粒成長
が容易に起こり、結晶粒径が粗大になり、窒化アルミニ
ウムの強度等を低下させるという問題があった。また、
特開昭63−274669号公報のように多量の添加物
を添加すると、窒化アルミニウムの熱伝導率が低下した
り、誘電損失が増大する等の電気的性質が劣化する等の
問題があった。
【0006】さらに、特開平6−247772号公報の
4MHz程度のマイクロ波を利用した焼成では、窒化ア
ルミニウムのマイクロ波を吸収する効率が低いため焼結
を促進することができず、緻密体を得るのが困難であっ
た。
【0007】本発明は上記課題に対してなされたもの
で、その目的は、緻密で結晶の粒径が小さい窒化アルミ
ニウム質焼結体を製造することによって、高強度の窒化
アルミニウム質焼結体を得ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化アル
ミニウム粉末が誘電損失の周波数依存性を有し、特定の
周波数領域で誘電損失が極大値を持つことおよび該誘電
損失が極大となる周波数が粉末の粒径に依存することを
利用して、成形体中の窒化アルミニウム粉末の粒径に対
して前記誘電損失が極大となる周波数領域のマイクロ波
を照射して焼成することによって焼結を著しく促進でき
ることを見いだし、本発明に至った。
【0009】すなわち、本発明の窒化アルミニウム質焼
結体の製造方法は、窒化アルミニウム粉末を主成分とす
る成形体を作製した後、該成形体の窒化アルミニウム粉
末の平均粒径dμmに対して、2800/d≦f(MH
z)≦28000/dの周波数のマイクロ波を照射する
ことによって焼成することを特徴とするものである。
【0010】また、前記窒化アルミニウム質焼結体の平
均粒径が1μm以下であることが望ましい。
【0011】
【作用】図1に平均粒径4.9μmの窒化アルミニウム
結晶についての誘電損失の周波数依存性を示した。図1
から明らかなように、窒化アルミニウムは特定の周波数
(図1では1GHz)近傍において誘電損失が極大化す
るという特異な性質を有する。
【0012】また、図2に前記誘電損失が極大値となる
周波数と窒化アルミニウムの平均粒径との関係を表した
が、図2から明らかなように、前記誘電損失が極大値と
なる周波数は窒化アルミニウムの平均粒径と逆比例関係
にあり、例えば平均粒径1μmの窒化アルミニウムに対
する前記誘電損失が極大値となる周波数は10GHz程
度であることがわかる。
【0013】本発明によれば、上記性質とともに誘電損
失が熱に変換されることを利用して所定の平均粒径を有
する窒化アルミニウム質成形体に対して、窒化アルミニ
ウムの上記誘電損失が極大化する領域の周波数のマイク
ロ波を照射することによって、窒化アルミニウムを短時
間で効率よく加熱でき、結晶を粒成長させることなく緻
密化できる。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の窒化アルミニウム質焼結
体の製造方法について説明する。まず、純度99%以上
で、平均粒径20μm以下、望ましくは3μm以下、特
に1.0μm以下、さらに0.7μm以下、さらにまた
0.3μm以下の窒化アルミニウム原料粉末を準備す
る。窒化アルミニウム原料粉末は、直接窒化法、還元窒
化法およびCVD法等により作製されたものが好適に使
用できる。なお、原料中には不可避不純物として2%以
下、特に1%以下の酸素、カーボン等が存在してもよ
い。
【0015】この窒化アルミニウム原料粉末に対して、
所望により、焼結体の緻密化を促進するために、純度9
9%以上で、望ましくは平均粒径3.0μm以下、特に
1.0μm以下のCaO、SrO、BaO等のアルカリ
土類族酸化物やY23、La23、CeO2、Yb23
等の希土類酸化物等を、例えば、窒化アルミニウム原料
粉末に対して酸化物換算での合計量で3重量%以下、望
ましくは1重量%以下の割合で焼結助剤として添加す
る。
【0016】さらに、所望により、アクリル系、ブチラ
ール系、アルコール系等の有機バインダ、溶媒等を添加
し、ボールミル、振動ミル等の公知の混合方法によって
混合する。
【0017】次に、得られた混合粉末またはスラリーを
一軸プレス法、鋳込法、押出成形法、ドクターブレード
法等の公知の成型法によって所定形状に成形する。な
お、焼成時の窒化アルミニウム粉末の焼結性を向上さ
せ、焼結体を緻密化させるためには加圧圧力が80MP
a以上、特に100MPa以上とするか、成形後、さら
に200MPa以上の圧力で冷間静水圧プレス成型を行
うことが望ましい。
【0018】本発明によれば、得られた成形体に対し
て、該成形体中の前記窒化アルミニウム原料粉末の平均
粒径dμmに対する2800/d≦f(MHz)≦28
000/d、例えば成形体の平均粒径0.5〜1.2μ
mに対して2.45GHz〜56GHz、特に20〜3
0GHzの周波数のマイクロ波を照射することによって
焼成することが大きな特徴である。
【0019】すなわち、マイクロ波を吸収するエネルギ
ーPはマイクロ波の周波数と粒子の誘電損失と相関があ
り、P=2πfε0εrtanδ・E2で表されることが
知られている。ここで、f:マイクロ波の周波数、
ε0:真空の誘電率、εr:比誘電率、tanδ:誘電損
失、E:電界強度である。そこで、粒子の誘電損失を
0.001以上、特に0.01以上とすることにより、
エネルギーPを高めてマイクロ波の吸収効率を著しく向
上させ、緻密な焼結体を得ることができる。
【0020】従って、この範囲の周波数領域では窒化ア
ルミニウムの誘電損失が高いことから、窒化アルミニウ
ム粉末が効率的に自己加熱され、焼結体を短時間で緻密
化させることができ、焼成によっても窒化アルミニウム
原料粉末がほとんど粒成長することがない。
【0021】また、焼成においては、真空雰囲気または
不活性雰囲気、望ましくは窒素雰囲気中にて、5分〜3
時間焼成することが望ましく、また、マイクロ波加熱に
よって成形体の温度が1400℃〜1800℃、特に1
500℃〜1600℃であることが望ましい。さらに、
上記焼成前に焼成温度より低い温度で水素および/また
はアンモニア等のガスを流す前処理を行ってもよく、こ
れによって成形体中の窒化アルミニウム粒子表面に酸化
物が存在していた場合でも、これを窒化アルミニウムに
還元することができる。
【0022】上記焼成によって、相対密度90%以上、
特に95%以上、さらに98%以上の窒化アルミニウム
質焼結体を作製することができる。
【0023】次に、上述した方法によって作製される窒
化アルミニウム質焼結体は、平均粒径3μm以下、特に
1μm以下、さらに0.5μm以下の窒化アルミニウム
粒子を主として含有する。
【0024】また、その粒界には、粒界相が存在する
が、例えば一般化学式Al5312(Y:希土類元素)
で表される希土類酸化物とアルミナとの複合酸化物であ
る、いわゆるYAG型結晶相や、RAl24、RAl4
7(R:アルカリ土類元素)で表されるアルカリ土類
金属酸化物とアルミナ系結晶相等の粒界相を含有するこ
とが機械的強度を高める点で望ましい。さらに、焼結体
中には少なくともSi、Al、酸素を含有する非晶質相
が存在してもよい。
【0025】また、上記態様の焼結体は、JISR16
01に基づく3点曲げ強度が400MPa以上、特に5
00MPa以上、2800/d以下、特に2450MH
z程度の周波数における誘電損失が0.01以下、特に
0.001以下、2800/d≦f(MHz)≦280
00/dの周波数における誘電損失が0.001以上、
特に0.01以上であり、周波数に対して特異な誘電損
失を有するものである。
【0026】
【実施例】(実施例1)純度99%で、還元窒化法で作
製され、粉砕、分級によって表1に示す平均粒径の窒化
アルミニウム原料粉末を用意した。この窒化アルミニウ
ム原料粉末に対して、焼結助剤としてY233重量%、
CaCO3をCaO換算で1重量%の割合で添加、混合
した後、成形圧45MPaの一軸プレスによってφ20
×10tの成形体を作製し、さらに該成形体に対して2
00MPaの冷間静水圧プレス(CIP)を施した。こ
の各成形体の相対密度を測定したところ45%以上であ
り、また、成形体中の窒化アルミニウム粒子の平均粒径
dμmを成形体の破断面のSEM写真からインターセプ
ト法により算出して表1に示した。
【0027】そして、得られた成形体をマイクロ波焼成
炉中に設置し、窒素1atm雰囲気にて、出力0.8k
Wにて表1に示す周波数fのマイクロ波を30分間照射
することにより加熱した。この際、試料の表面からの放
熱を極力抑えるために試料周囲にアルミナファイバより
作製した断熱材を設置した。なお、試料No.11につ
いて試料に熱電対を接触して測温したところ1650℃
であった。得られた試料について、アルキメデス法によ
り理論密度に対する比率である相対密度を測定した。ま
た、焼結体の研磨面でのSEM写真からインターセプト
法により窒化アルミニウム結晶の平均粒径を算出した。
さらに、JISR1601に基づく3点曲げ強度を強度
として測定した。結果は表1に示した。
【0028】(実施例2)実施例の試料No.13に対
して、成形体を作製する際にCIP処理をせず、成形体
の相対密度40%の成形体を作製する以外は実施例と同
様にして焼結体を作製し、評価した(試料No.1
6)。
【0029】
【表1】
【0030】表1から明らかなように、f×d値が28
00より小さい条件で作製した試料No.1,2,5,
6およびf×d値が28000より大きい条件で作製し
た試料No.14,15では、いずれも焼結体の相対密
度が95%より低く、強度が低いものであった。
【0031】これに対して、本発明の範囲内であるf×
d値が2800〜28000の条件で作製した試料はい
ずれも相対密度が95%以上の優れた特性を有するもの
であった。
【0032】さらに、図3に表1の試料について、窒化
アルミニウム原料の粒径および照射したマイクロ波の周
波数を座標軸として、各点での焼結体の相対密度が95
%以上のものを●印、95%未満のものを△印として表
示した。なお、図中、線Xはf=2800/dのライ
ン、線Yはf=28000/dのラインである。
【0033】図3から、線Xと線Y間の領域内では焼結
体の相対密度が95%以上、線Xと線Yの外側の領域で
は相対密度が95%未満となることがわかり、本発明の
範囲内であれば相対密度95%以上の緻密な焼結体を得
ることができた。
【0034】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の窒化アルミ
ニウム質焼結体の製造方法によれば、窒化アルミニウム
原料の平均粒径に対して誘電損失が極大化する近傍の特
定周波数のマイクロ波を照射することによって、窒化ア
ルミニウムを短時間で効率よく加熱でき、結晶を粒成長
させることなく緻密化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】平均粒径d=4.9μmの窒化アルミニウムに
おける周波数fと誘電損失の関係を示した図である。
【図2】図1の窒化アルミニウムについて、誘電損失が
極大値となる周波数と窒化アルミニウムの平均粒径との
関係を示す図である。
【図3】実施例の試料No.16を除く試料について、
窒化アルミニウム原料の粒径および照射したマイクロ波
の周波数を座標軸として、各点での焼結体の相対密度を
示した図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G001 BA05 BA07 BA09 BA10 BA11 BA36 BA60 BA73 BA75 BA81 BB01 BB05 BB07 BB09 BB10 BB36 BB67 BC13 BC23 BC25 BC26 BC51 BC52 BC54 BC63 BD03 BD14 BD23 BE22 BE26 BE33

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化アルミニウム粉末を主成分とする成形
    体を作製した後、該成形体の窒化アルミニウム粉末の平
    均粒径dμmに対して、2800/d≦f(MHz)≦
    28000/dの周波数のマイクロ波を照射することに
    よって焼成することを特徴とする窒化アルミニウム質焼
    結体の製造方法。
  2. 【請求項2】前記窒化アルミニウム質焼結体の平均粒径
    が1μm以下であることを特徴とする請求項1記載の窒
    化アルミニウム質焼結体の製造方法。
JP33670799A 1999-11-26 1999-11-26 窒化アルミニウム質焼結体の製造方法 Pending JP2001151575A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009076755A (ja) * 2007-09-21 2009-04-09 Seiko Instruments Inc 希土類系焼結磁石の製造方法及び希土類系ボンド磁石の製造方法
JP2009076631A (ja) * 2007-09-20 2009-04-09 Seiko Instruments Inc 希土類系メタルボンド磁石の製造方法

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