JP2511011B2 - 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体 - Google Patents
高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は緻密で均一な高熱伝導性窒化アルミニウム焼
結体に関する。
結体に関する。
（従来技術） 窒化アルミニウム（AlN）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。
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（0.3μｍ
以下程度）のAlN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AlN格子中に固溶したり、Al−Ｏ−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10
0w/mK程度である。また粒径0.5μｍ以上のAlN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AlN原料粉末の不純物酸素のAlN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60−127267号、特開昭61−10
071号、特開昭60−71575号等）。これらの焼結助剤はAl
N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。
ウム粉末を成形、焼結して得られる。超微粉（0.3μｍ
以下程度）のAlN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AlN格子中に固溶したり、Al−Ｏ−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10
0w/mK程度である。また粒径0.5μｍ以上のAlN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AlN原料粉末の不純物酸素のAlN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60−127267号、特開昭61−10
071号、特開昭60−71575号等）。これらの焼結助剤はAl
N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
体は緻密化、高熱伝導度化するが、他方で、結果的にか
なり多量の粒界相が残存するために、焼結体が不均一な
微細構造を持ち、結果的に機械的特性の不均一、色調の
不均一等の問題が有った。また、この粒界相（主相であ
るAlN相に対し副相）の存在、完全にトラップしきれな
かった酸素等の存在により窒素アルミニウム焼結体のそ
れはAlNの理論熱伝導率320w/mKに対し低いものであっ
た。
体は緻密化、高熱伝導度化するが、他方で、結果的にか
なり多量の粒界相が残存するために、焼結体が不均一な
微細構造を持ち、結果的に機械的特性の不均一、色調の
不均一等の問題が有った。また、この粒界相（主相であ
るAlN相に対し副相）の存在、完全にトラップしきれな
かった酸素等の存在により窒素アルミニウム焼結体のそ
れはAlNの理論熱伝導率320w/mKに対し低いものであっ
た。
そのため、緻密かつ均一な高熱伝導性窒化アルミニウ
ム焼結体を得ること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。
ム焼結体を得ること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焼結体が不均一で、また得
られた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。
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焼結体が不均一で、また得
られた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、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。
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、本発明を完成
するに至った。
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、本発明を完成
するに至った。
すなわち、焼結助剤としてイットリウム酸化物をAlN
粉末に添加し、還元性雰囲気をつくり出す焼成容器中で
焼成したところ、従来知られていたＹ−Al−Ｏ系化合物
粒界相に代わって微量のＹ−Al−Ｃ系化合物あるいはY2
O3が生成し、その焼結体は均一で熱伝導率が向上するこ
とがわかった。この効果は他の希土類元素でも同様に認
められた。
粉末に添加し、還元性雰囲気をつくり出す焼成容器中で
焼成したところ、従来知られていたＹ−Al−Ｏ系化合物
粒界相に代わって微量のＹ−Al−Ｃ系化合物あるいはY2
O3が生成し、その焼結体は均一で熱伝導率が向上するこ
とがわかった。この効果は他の希土類元素でも同様に認
められた。
この事実に基づいてAlN焼結体の均一性、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、AlN相を主相とし、副相として（希土類元素）−Al
−Ｃ系化合物相、または（希土類元素）−Al−Ｃ系化合
物相と（希土類元素）−Ｏ系化合物相、特に（希土類元
素）−Al−Ｃ系化合物相を含有し、希土類元素量が4000
ppm以下であり、不純物酸素量が3000ppm以下であること
をことを特徴とする高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体
である。
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、AlN相を主相とし、副相として（希土類元素）−Al
−Ｃ系化合物相、または（希土類元素）−Al−Ｃ系化合
物相と（希土類元素）−Ｏ系化合物相、特に（希土類元
素）−Al−Ｃ系化合物相を含有し、希土類元素量が4000
ppm以下であり、不純物酸素量が3000ppm以下であること
をことを特徴とする高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体
である。
この焼結体は以下のようにして製造できる。
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、希土類元素
の重量換算で0.01〜15重量％の希土類元素化合物とを混
合したのち成形した成形体、または、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、AlNを主相とし、（希土類元素）−Al−Ｃ化合物
相、または（希土類元素）−Al−Ｃ化合物相と（希土類
元素）−Ｏ化合物相を含む焼結体を、 ｂ）焼成中にカーボンガス雰囲気をつくり出す焼成容器
を用い、 ｃ）非酸化性ガス雰囲気、1800〜2050℃で、２〜48時間
焼成する という方法で製造することができる。
05〜５μｍである窒化アルミニウム粉末と、希土類元素
の重量換算で0.01〜15重量％の希土類元素化合物とを混
合したのち成形した成形体、または、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、AlNを主相とし、（希土類元素）−Al−Ｃ化合物
相、または（希土類元素）−Al−Ｃ化合物相と（希土類
元素）−Ｏ化合物相を含む焼結体を、 ｂ）焼成中にカーボンガス雰囲気をつくり出す焼成容器
を用い、 ｃ）非酸化性ガス雰囲気、1800〜2050℃で、２〜48時間
焼成する という方法で製造することができる。
この様な方法で得られた窒素アルミニウム焼結体は緻
密で均一な多結晶体であり、従来に比べ高い170W/mK以
上の熱伝導率を有していた。この焼結体をＸ線回折及び
電子顕微鏡を用いて構成相を観察すると、清浄なAlN結
晶粒が互いに面接触しており、三粒子以上が接する稜お
よび三重点に極くわずかの（希土類元素）−Al−Ｃ化合
物あるいは（希土類元素）−Ｏ化合物が非常に均一に存
在している。また成分分析を行なったところ、Al,Nが主
成分で、希土類元素4000ppm以下、不純物酸素3000ppm以
下を含有し、その他の不純物陽イオン元素は1000ppm以
下という新規な窒化アルミニウム焼結体であった。熱伝
導率向上の観点から希土類元素は150〜4000ppm、不純物
酸素は1500ppm以下が好ましい。なお本発明焼結体にお
いては不純物酸素量は極力少ないことが望ましく、また
原料粉に起因する不純物陽イオンも熱伝導率低下の原因
となるため極力少ないことが望まれる。なお副相として
は（希土類元素）−Al−化合物相を必須とする場合良好
な特性を得た。
密で均一な多結晶体であり、従来に比べ高い170W/mK以
上の熱伝導率を有していた。この焼結体をＸ線回折及び
電子顕微鏡を用いて構成相を観察すると、清浄なAlN結
晶粒が互いに面接触しており、三粒子以上が接する稜お
よび三重点に極くわずかの（希土類元素）−Al−Ｃ化合
物あるいは（希土類元素）−Ｏ化合物が非常に均一に存
在している。また成分分析を行なったところ、Al,Nが主
成分で、希土類元素4000ppm以下、不純物酸素3000ppm以
下を含有し、その他の不純物陽イオン元素は1000ppm以
下という新規な窒化アルミニウム焼結体であった。熱伝
導率向上の観点から希土類元素は150〜4000ppm、不純物
酸素は1500ppm以下が好ましい。なお本発明焼結体にお
いては不純物酸素量は極力少ないことが望ましく、また
原料粉に起因する不純物陽イオンも熱伝導率低下の原因
となるため極力少ないことが望まれる。なお副相として
は（希土類元素）−Al−化合物相を必須とする場合良好
な特性を得た。
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。
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。
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0.05〜５μｍのも
のを使用する。
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0.05〜５μｍのも
のを使用する。
添加物としては希土類元素化合物（特にイットリウム
化合物が好ましい）を用いる。希土類元素の化合物とし
ては、酸化物または焼成によって酸化物となる物質例え
ば希土類元素の炭化塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物
などをあげることができる。
化合物が好ましい）を用いる。希土類元素の化合物とし
ては、酸化物または焼成によって酸化物となる物質例え
ば希土類元素の炭化塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物
などをあげることができる。
希土類元素化合物の添加は、希土類元素の重量換算で
0.01〜15重量％の範囲で添加する。この添加量が、0.01
重量％未満であると、添加物の効果が十分に発揮され
ず、結晶体が緻密化されなかったり、AlN結晶中に酸素
が固溶し高熱伝導焼結体が得られない。また、添加量が
過度に多いと、粒界相が焼結体中に残ったり、熱処理に
より除去される粒界相の体積が大きいため、焼結体中に
空孔が残ったりして、収縮率が非常に大きくなり、形状
がくずれる等の不利な点が生ずる。好ましくは、0.1〜1
5重量％であり、より好ましくは0.5〜10重量％である。
0.01〜15重量％の範囲で添加する。この添加量が、0.01
重量％未満であると、添加物の効果が十分に発揮され
ず、結晶体が緻密化されなかったり、AlN結晶中に酸素
が固溶し高熱伝導焼結体が得られない。また、添加量が
過度に多いと、粒界相が焼結体中に残ったり、熱処理に
より除去される粒界相の体積が大きいため、焼結体中に
空孔が残ったりして、収縮率が非常に大きくなり、形状
がくずれる等の不利な点が生ずる。好ましくは、0.1〜1
5重量％であり、より好ましくは0.5〜10重量％である。
本発明方法においてはこの様なAlN粉と希土類元素化
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、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、AlNを主相とし、（希土類元
素）−Al−Ｃ化合物相、または（希土類元素）−Al−Ｃ
化合物相と（希土類元素）−Ｏ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。
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、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、AlNを主相とし、（希土類元
素）−Al−Ｃ化合物相、または（希土類元素）−Al−Ｃ
化合物相と（希土類元素）−Ｏ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、単に成形体を緻密化させるだけ
の目的ならば、窒化アルミニウム、アルミナ、Mo製等で
も十分である（特開昭61−146769号等）。しかし、これ
らの容器を用いたものでは、かなり多量の（希土類元
素）−Al−Ｏ化合物相などが不均一に焼結体に存在した
ままの状態となり、高熱伝導なAlN焼結体は得られな
い。本発明では、焼成中にカーボンガス雰囲気をつくり
出す容器を用いる。この様な焼結容器としては容器全体
がカーボン製の物、容器全体がカーボン製で試料を設置
する箇所にAlN板、BN板、Ｗ板等を敷いたもの、窒化ア
ルミニウム製の容器で上部蓋がカーボン製の物等を用い
ることができる。本発明でいうカーボンガス雰囲気と
は、1800〜2050℃の焼結に蒸気圧で１×10-5〜５×10-2
Pa程度生成するガスをさす。このカーボンガスが焼成中
の窒化アルミニウムを還元するという作用が得られ、さ
らに具体的には（希土類元素）−Al−Ｏ三元系化合物等
の粒界相を焼結体中より除去するとともに、残部を（希
土類元素）−Al−Ｃ系化合物あるいは（希土類元素）−
Ｏ系化合物の形でAlN粒の稜または３重点に固定する作
用が働らき、窒化アルミニウム焼結体は均一かつ高熱伝
導性の焼結体に変化していく。
の目的ならば、窒化アルミニウム、アルミナ、Mo製等で
も十分である（特開昭61−146769号等）。しかし、これ
らの容器を用いたものでは、かなり多量の（希土類元
素）−Al−Ｏ化合物相などが不均一に焼結体に存在した
ままの状態となり、高熱伝導なAlN焼結体は得られな
い。本発明では、焼成中にカーボンガス雰囲気をつくり
出す容器を用いる。この様な焼結容器としては容器全体
がカーボン製の物、容器全体がカーボン製で試料を設置
する箇所にAlN板、BN板、Ｗ板等を敷いたもの、窒化ア
ルミニウム製の容器で上部蓋がカーボン製の物等を用い
ることができる。本発明でいうカーボンガス雰囲気と
は、1800〜2050℃の焼結に蒸気圧で１×10-5〜５×10-2
Pa程度生成するガスをさす。このカーボンガスが焼成中
の窒化アルミニウムを還元するという作用が得られ、さ
らに具体的には（希土類元素）−Al−Ｏ三元系化合物等
の粒界相を焼結体中より除去するとともに、残部を（希
土類元素）−Al−Ｃ系化合物あるいは（希土類元素）−
Ｏ系化合物の形でAlN粒の稜または３重点に固定する作
用が働らき、窒化アルミニウム焼結体は均一かつ高熱伝
導性の焼結体に変化していく。
この容器の内容積は、その内容寂と窒化アルミニウム
成形体との体積の比（内容積／成形体の体積）が１×10
0〜１×106が良い。これ以上大きな容積を用いた場合、
試料近傍におけるカーボン蒸気圧が低く、カーボンによ
る粒界相除去効果が小さくなる。この容積比は５×100
〜１×105が好ましい。
成形体との体積の比（内容積／成形体の体積）が１×10
0〜１×106が良い。これ以上大きな容積を用いた場合、
試料近傍におけるカーボン蒸気圧が低く、カーボンによ
る粒界相除去効果が小さくなる。この容積比は５×100
〜１×105が好ましい。
焼結時間については、一般的に行われている２時間未
満の短時間では上記焼成容器中で焼成したとしても多量
の（希土類元素）−Al−Ｏ系化合物相が存在し、均一で
高熱伝導のAlN焼結体は得られない。また前述の如くの
カーボンガス雰囲気が得られない焼成容器を用いた場合
は、焼成時間によらず本発明の効果は得られない。焼結
温度および助剤添加量にもよるが、本発明では２〜48時
間の焼成が必要である。
満の短時間では上記焼成容器中で焼成したとしても多量
の（希土類元素）−Al−Ｏ系化合物相が存在し、均一で
高熱伝導のAlN焼結体は得られない。また前述の如くの
カーボンガス雰囲気が得られない焼成容器を用いた場合
は、焼成時間によらず本発明の効果は得られない。焼結
温度および助剤添加量にもよるが、本発明では２〜48時
間の焼成が必要である。
焼成温度については、1800〜2050℃が好ましい。1800
℃より低温で焼成すると緻密な焼結体は得られるが、焼
成容器からのカーボンガスの発生が少なくなり、従来と
同様の（希土類元素）−Al−Ｏ系化合物粒界相を多量に
残したままとなる。また2050℃より高温で焼成すると、
AlN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1850〜2000℃である。さらには
1850〜1950℃が好ましい。
℃より低温で焼成すると緻密な焼結体は得られるが、焼
成容器からのカーボンガスの発生が少なくなり、従来と
同様の（希土類元素）−Al−Ｏ系化合物粒界相を多量に
残したままとなる。また2050℃より高温で焼成すると、
AlN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1850〜2000℃である。さらには
1850〜1950℃が好ましい。
焼成雰囲気は、真空、窒素ガス、水素ガス、一酸化炭
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
カーボンの粒界純化効果が作用しないばかりでなく、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。
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
カーボンの粒界純化効果が作用しないばかりでなく、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。
一例を以下に述べる。
まず、AlN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、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。この時用いる焼成
容器は、焼成中カーボンガス雰囲気をつくり出す、例え
ばカーボン製容器で、容器内容積と成形体体積の比が、
１×100〜１×106のものを用いる。焼結温度は1800〜20
50℃に、焼結時間は２〜48時間に設定する。この様な方
法により本発明焼結体を得ることができる。
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、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。この時用いる焼成
容器は、焼成中カーボンガス雰囲気をつくり出す、例え
ばカーボン製容器で、容器内容積と成形体体積の比が、
１×100〜１×106のものを用いる。焼結温度は1800〜20
50℃に、焼結時間は２〜48時間に設定する。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均一性あるい
は熱伝導性の向上効果および（希土類元素）−Al−Ｃ系
化合物、（希土類元素）−Ｏ系化合物の生成について説
明する。厳密なメアニズムは現在のところ完全に解明さ
れているわけではでないが、本発明者らの研究によれば
均一化、高熱伝導率化の要因として次のように推定され
る。
は熱伝導性の向上効果および（希土類元素）−Al−Ｃ系
化合物、（希土類元素）−Ｏ系化合物の生成について説
明する。厳密なメアニズムは現在のところ完全に解明さ
れているわけではでないが、本発明者らの研究によれば
均一化、高熱伝導率化の要因として次のように推定され
る。
まず、希土類元素添加によるAlN原料粉末の不純物酸
素のトラップ効果である。すなわち、希土類元素化合物
を焼結助剤として添加することにより、不純物酸素を
（希土類元素）−Al−Ｏ化合物等の形でAlN粒界の稜お
よび三重点に固定するため、AlN格子中への酸素の固溶
が防止され、Alの酸窒化物（AlON）、そしてAlNのポリ
タイプ（27R型）の生成を防止する。発明者らの研究結
果によれば、AlONそして27R型が生成した焼結体は、い
ずれも熱伝導率が低いことがわかっている。この様な低
熱伝導度化の原因を抑制することが高熱伝導度化の一因
として挙げられる。
素のトラップ効果である。すなわち、希土類元素化合物
を焼結助剤として添加することにより、不純物酸素を
（希土類元素）−Al−Ｏ化合物等の形でAlN粒界の稜お
よび三重点に固定するため、AlN格子中への酸素の固溶
が防止され、Alの酸窒化物（AlON）、そしてAlNのポリ
タイプ（27R型）の生成を防止する。発明者らの研究結
果によれば、AlONそして27R型が生成した焼結体は、い
ずれも熱伝導率が低いことがわかっている。この様な低
熱伝導度化の原因を抑制することが高熱伝導度化の一因
として挙げられる。
希土類元素としてＹを選んだ場合は原料粉末の不純物
酸素が、3Y2O3・5Al2O3、Y2O3・Al2O3、2Y2O3・Al2O3、
Y2O3などの化合物としてトラップされる。この状態は、
焼結初期、すなわち通常焼結時間の０〜１時間以内に起
こる。
酸素が、3Y2O3・5Al2O3、Y2O3・Al2O3、2Y2O3・Al2O3、
Y2O3などの化合物としてトラップされる。この状態は、
焼結初期、すなわち通常焼結時間の０〜１時間以内に起
こる。
これ以降の焼結過程でカーボン雰囲気が粒界相を還元
し、さらに粒界相を除去し始める。次第に粒界相は窒化
アルミニウム焼結体中には存在しなくなり、焼結体の系
外へと移動する。そして最終的に焼結体は微量の（希土
類元素）−Al−Ｃ系化合物あるいは（希土類元素）−Ｏ
系化合物相を均一に含有するようになり、熱伝導率、均
一性が向上する。これは熱伝導率が小さく熱抵抗として
働いていた粒界相が除去されるためである。
し、さらに粒界相を除去し始める。次第に粒界相は窒化
アルミニウム焼結体中には存在しなくなり、焼結体の系
外へと移動する。そして最終的に焼結体は微量の（希土
類元素）−Al−Ｃ系化合物あるいは（希土類元素）−Ｏ
系化合物相を均一に含有するようになり、熱伝導率、均
一性が向上する。これは熱伝導率が小さく熱抵抗として
働いていた粒界相が除去されるためである。
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。なお本発明において最も有
効である希土類元素はイットリウムであった。また本発
明における副相は微量であり、また多量の存在は熱伝導
性の低下を伴なうため、焼結体の密度は3.262〜3.280g/
cm3であることが好ましい。また焼結体粒子系は熱伝導
率を考慮して３μｍ以上であることが好ましい。
焼結体を得ることができる。なお本発明において最も有
効である希土類元素はイットリウムであった。また本発
明における副相は微量であり、また多量の存在は熱伝導
性の低下を伴なうため、焼結体の密度は3.262〜3.280g/
cm3であることが好ましい。また焼結体粒子系は熱伝導
率を考慮して３μｍ以上であることが好ましい。
（実施例） 実施例１ 不純物としての酸素を1.0重量％含有し、平均粒系が
0.6μｍのAlN粉末に、添加物として平均粒径0.9μｍのY
2O3をイットリウム元素の重量換算で４重量％添加し、
ボールミルを用いて混合を用い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/cm2の圧力でプレス成形して38×38
×10mm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た。更に、BN
粉末を塗布したAlN板を底板としてひいたカーボン製容
器に脱脂体を収容した。このとき容器Ａの形状および大
きさは、10cmφ×3.7cmで内容積が290cm3程度である。
すなわちこの容器Ａの内容積とAlN成形体の体積の比が
約２×101程度となっている。この容器を用い窒素ガス
雰囲気中（１気圧）で1950℃、24時間の条件で常圧焼結
した。得られたAlN焼結体の密度は3.268g/cm3であり、
粒径は13μｍであった。また焼結体から、直径10mm、厚
さ3.3mmの円板を研削し、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（真空理工製TC−3000
使用）。焼結体の熱伝導率は231W/mK（25℃）であっ
た。
0.6μｍのAlN粉末に、添加物として平均粒径0.9μｍのY
2O3をイットリウム元素の重量換算で４重量％添加し、
ボールミルを用いて混合を用い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/cm2の圧力でプレス成形して38×38
×10mm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た。更に、BN
粉末を塗布したAlN板を底板としてひいたカーボン製容
器に脱脂体を収容した。このとき容器Ａの形状および大
きさは、10cmφ×3.7cmで内容積が290cm3程度である。
すなわちこの容器Ａの内容積とAlN成形体の体積の比が
約２×101程度となっている。この容器を用い窒素ガス
雰囲気中（１気圧）で1950℃、24時間の条件で常圧焼結
した。得られたAlN焼結体の密度は3.268g/cm3であり、
粒径は13μｍであった。また焼結体から、直径10mm、厚
さ3.3mmの円板を研削し、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（真空理工製TC−3000
使用）。焼結体の熱伝導率は231W/mK（25℃）であっ
た。
さらに、この焼結体の分析を行なった。イットリウム
含有量はICP発光分光法（セイコー電子工業製SPS−1200
A使用）により1000ppmであった。陽イオン不純物は化学
分析により200ppm以下（主にFe,Si）であった。酸素含
有量に関しては速中性子放射化分析により行なった（東
芝製NAT−200−1C使用）結果、600ppmであった。この焼
結体のＸ線回折を行なった結果（理学電機製ロータフレ
ックスRU−200,ゴニオメータCN2173D5,線源Cu50kV,100m
A使用）、AlN以外の副相としてY3AlC0.5化合物相の存在
が確認された。
含有量はICP発光分光法（セイコー電子工業製SPS−1200
A使用）により1000ppmであった。陽イオン不純物は化学
分析により200ppm以下（主にFe,Si）であった。酸素含
有量に関しては速中性子放射化分析により行なった（東
芝製NAT−200−1C使用）結果、600ppmであった。この焼
結体のＸ線回折を行なった結果（理学電機製ロータフレ
ックスRU−200,ゴニオメータCN2173D5,線源Cu50kV,100m
A使用）、AlN以外の副相としてY3AlC0.5化合物相の存在
が確認された。
実施例２ 焼結助剤の添加量を7wt％に変えて実施例１と同様に
してAlN焼結体を製造した。焼結体は、AlNを主相とし、
副相としてY3AlC0.5が同定された。また焼結体中のＹ含
有量は1500ppm、酸素含有量は600ppm、密度は3.271g/cm
3、平均粒径は12μｍ、熱伝導率は228W/mKであった。
してAlN焼結体を製造した。焼結体は、AlNを主相とし、
副相としてY3AlC0.5が同定された。また焼結体中のＹ含
有量は1500ppm、酸素含有量は600ppm、密度は3.271g/cm
3、平均粒径は12μｍ、熱伝導率は228W/mKであった。
実施例３ 焼結温度1850℃に変えて実施例１と同様にしてAlN焼
結体を製造した。焼結体はAlNを主相とし、副相としてY
3AlC0.5、Y2O3が同定された。また焼結体中のＹ含有量
は1700ppm、酸素含量は800ppm、密度は3.272g/cm3、平
均粒径は10μｍ、熱伝導率は225W/mKであった。
結体を製造した。焼結体はAlNを主相とし、副相としてY
3AlC0.5、Y2O3が同定された。また焼結体中のＹ含有量
は1700ppm、酸素含量は800ppm、密度は3.272g/cm3、平
均粒径は10μｍ、熱伝導率は225W/mKであった。
実施例４ 焼結温度を2000℃に、焼結雰囲気を窒素10気圧に変え
て実施例１と同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結体
はAlNを主相とし、副相としてY3AlC0.5が同定された。
また焼結体中のＹ含有量は2500ppm、酸素含有量は1500p
pm、密度は3.275g/cm3、平均粒径は18μｍ、熱伝導率は
195W/mKであった。
て実施例１と同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結体
はAlNを主相とし、副相としてY3AlC0.5が同定された。
また焼結体中のＹ含有量は2500ppm、酸素含有量は1500p
pm、密度は3.275g/cm3、平均粒径は18μｍ、熱伝導率は
195W/mKであった。
実施例５ 焼結時間を12時間に、焼結雰囲気を窒素0.1気圧に変
えて実施例１と同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結
体はAlNを主相とし、副相としてY3AlC0.5が同定され
た。また焼結体中のＹ含有量は2400ppm、酸素含有量は1
100ppm、密度は3.271g/cm3、平均粒径は11μｍ、熱伝導
率は205W/mKであった。
えて実施例１と同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結
体はAlNを主相とし、副相としてY3AlC0.5が同定され
た。また焼結体中のＹ含有量は2400ppm、酸素含有量は1
100ppm、密度は3.271g/cm3、平均粒径は11μｍ、熱伝導
率は205W/mKであった。
実施例６ BN板を底板として敷いたカーボン製容器を用いたこと
以外は実施例１と同様にしてAlN焼結体を製造した。焼
結体はAlNを主相とし、副相としてY3AlC0.5が同定され
た。また焼結体中のＹ含有量は2000ppm、酸素含有量は8
00ppm、密度は3.269g/cm3、平均粒径は12μｍ、熱伝導
率は211W/mKであった。
以外は実施例１と同様にしてAlN焼結体を製造した。焼
結体はAlNを主相とし、副相としてY3AlC0.5が同定され
た。また焼結体中のＹ含有量は2000ppm、酸素含有量は8
00ppm、密度は3.269g/cm3、平均粒径は12μｍ、熱伝導
率は211W/mKであった。
実施例７ 内側全体がカーボン製容器を用いたこと以外は実施例
１と同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結体はAlNを主
相とし、副相としてY3AlC0.5が同定された。また焼結体
中のＹ含有量は1500ppm、酸素含有量は700ppm、密度は
3.270g/cm3、平均粒径は13μｍ、熱伝導率は19W/mKであ
った。
１と同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結体はAlNを主
相とし、副相としてY3AlC0.5が同定された。また焼結体
中のＹ含有量は1500ppm、酸素含有量は700ppm、密度は
3.270g/cm3、平均粒径は13μｍ、熱伝導率は19W/mKであ
った。
実施例８ Y2O3の代わりにSm2O3を用いたこと以外は実施例１と
同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結体はAlNを主相と
し、副相としてSm−Al−Ｃ系化合物と推定される相が存
在していた。また焼結体中のSm含有量は2100ppm、酸素
含有量は700ppm、密度は3.270g/cm3、平均粒径は10μ
ｍ、熱伝導率は190W/mKであった。
同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結体はAlNを主相と
し、副相としてSm−Al−Ｃ系化合物と推定される相が存
在していた。また焼結体中のSm含有量は2100ppm、酸素
含有量は700ppm、密度は3.270g/cm3、平均粒径は10μ
ｍ、熱伝導率は190W/mKであった。
実施例９ Y2O3の代わりにLa2O3を用いたこと以外は実施例１と
同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結体はAlNを主相と
し、副相としてLa−Al−Ｃ系化合物と推定される相が存
在していた。また焼結体中のLa含有量は1500ppm、酸素
含有量は800ppm、密度は3.269g/cm3、平均粒径は12μ
ｍ、熱伝導率は193W/mKであった。
同様にしてAlN焼結体を製造した。焼結体はAlNを主相と
し、副相としてLa−Al−Ｃ系化合物と推定される相が存
在していた。また焼結体中のLa含有量は1500ppm、酸素
含有量は800ppm、密度は3.269g/cm3、平均粒径は12μ
ｍ、熱伝導率は193W/mKであった。
比較例１ 実施例１と同様にして得たAlN脱脂体を内側全体がAlN
製の容器を用いて実施例１と同様にしてAlN焼結体を製
造した。焼結体はAlNを主相とし、副相としてＹ−Al−
Ｏ三元系化合物相が多量に存在していた。また焼結体中
のＹ含有量は19000ppm、酸素含有量は14000ppm、密度は
3.352g/cm3、平均粒系は12μｍ、熱伝導率は160W/mKと
いう低い値であった。
製の容器を用いて実施例１と同様にしてAlN焼結体を製
造した。焼結体はAlNを主相とし、副相としてＹ−Al−
Ｏ三元系化合物相が多量に存在していた。また焼結体中
のＹ含有量は19000ppm、酸素含有量は14000ppm、密度は
3.352g/cm3、平均粒系は12μｍ、熱伝導率は160W/mKと
いう低い値であった。
比較例２ 実施例１と同様にして得たAlN脱脂体を内側全体がタ
ングステン製の容器を用いて実施例１と同様にしてAlN
焼結体を製造した。焼結体はAlNを主相とし、副相とし
てＹ−Al−Ｏ三元系化合物相が多量に存在していた。ま
た焼結体中のＹ含有量は20000ppm、酸素含有量は15000p
pm、密度は3.360g/cm3、平均粒系は11μｍ、熱伝導率は
152W/mKという低い値であった。
ングステン製の容器を用いて実施例１と同様にしてAlN
焼結体を製造した。焼結体はAlNを主相とし、副相とし
てＹ−Al−Ｏ三元系化合物相が多量に存在していた。ま
た焼結体中のＹ含有量は20000ppm、酸素含有量は15000p
pm、密度は3.360g/cm3、平均粒系は11μｍ、熱伝導率は
152W/mKという低い値であった。
この様な比較例からカーボン雰囲気の重要性が分か
る。
る。
［発明の効果］ 以上述べた如く本発明の窒化アルミニウム焼結体はAl
N相を主相とし、（希土類元素）−Al−Ｃ系化合物相、
または（希土類元素）−Al−Ｃ系化合物相と（希土類塩
素）−Ｏ系化合物相を副相として微量に含有するもので
あり、高純度かつ均一で、高熱伝導率を示すなど優れた
性質を有するものであり、その工業的価値は極めて大き
いものである。
N相を主相とし、（希土類元素）−Al−Ｃ系化合物相、
または（希土類元素）−Al−Ｃ系化合物相と（希土類塩
素）−Ｏ系化合物相を副相として微量に含有するもので
あり、高純度かつ均一で、高熱伝導率を示すなど優れた
性質を有するものであり、その工業的価値は極めて大き
いものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柘植 章彦 川崎市幸区小向東芝町１ 株式会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−132774（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−252374（ＪＰ，Ａ)
Claims (5)
- 【請求項１】平均粒径0.05〜５μｍのAlN粉末に希土類
酸化物を添加して焼成してなるAlN焼結体であって、AlN
相が主相であって、希土類元素−Al−Ｃ系化合物相、ま
たは希土類元素−Al−Ｃ系化合物相と希土類元素−Ｏ系
化合物相が副相として微量含み、その希土類元素が4000
ppm以下であり、不純物酸素量が3000ppm以下であること
を特徴とする高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体。 - 【請求項２】希土類元素がイットリウムであることを特
徴とした特許請求の範囲第１項記載の高熱伝導性窒化ア
ルミニウム焼結体。 - 【請求項３】密度が3.262〜3.280g/cm3であることを特
徴とした特許請求の範囲第１項記載の高熱伝導性窒化ア
ルミニウム焼結体。 - 【請求項４】焼結体のAlN結晶粒径が３μｍ以上である
ことを特徴とした特許請求の範囲第１項記載の高熱伝導
性窒化アルミニウム焼結体。 - 【請求項５】希土類元素を除く不純物陽イオン元素の総
量が1000ppm以下であることを特徴とした特許請求の範
囲第１項記載の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62009034A JP2511011B2 (ja) | 1987-01-20 | 1987-01-20 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体 |
| US07/142,818 US4847221A (en) | 1987-01-13 | 1988-01-11 | AlN sintered body having high thermal conductivity and a method of fabricating the same |
| DE3800749A DE3800749A1 (de) | 1987-01-13 | 1988-01-13 | Aluminiumnitrid-sinterkoerper hoher waermeleitfaehigkeit und verfahren zu seiner herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62009034A JP2511011B2 (ja) | 1987-01-20 | 1987-01-20 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63182260A JPS63182260A (ja) | 1988-07-27 |
| JP2511011B2 true JP2511011B2 (ja) | 1996-06-26 |
Family
ID=11709368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62009034A Expired - Lifetime JP2511011B2 (ja) | 1987-01-13 | 1987-01-20 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2511011B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2620260B2 (ja) * | 1987-10-27 | 1997-06-11 | 住友電気工業株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
| JPH01179765A (ja) * | 1988-01-08 | 1989-07-17 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
| JP3461644B2 (ja) * | 1995-12-06 | 2003-10-27 | 電気化学工業株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及び回路基板 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62105962A (ja) * | 1985-07-12 | 1987-05-16 | 電気化学工業株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体製造用原料 |
| JPS6217077A (ja) * | 1985-07-12 | 1987-01-26 | 電気化学工業株式会社 | 窒化アルミニウムの焼結助剤及び焼結原料 |
| JPS6217075A (ja) * | 1985-07-12 | 1987-01-26 | 電気化学工業株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体及びその製法 |
| JPS62132776A (ja) * | 1985-12-02 | 1987-06-16 | 株式会社トクヤマ | 窒化アルミニウム組成物 |
| JPS62246867A (ja) * | 1986-04-17 | 1987-10-28 | 日本電気株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
| JPS62252374A (ja) * | 1986-04-24 | 1987-11-04 | 株式会社村田製作所 | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
| JPH07121450B2 (ja) * | 1986-07-01 | 1995-12-25 | カルソニック株式会社 | アルミニウム材製熱交換器用コアの製造方法 |
-
1987
- 1987-01-20 JP JP62009034A patent/JP2511011B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63182260A (ja) | 1988-07-27 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |