JP2547767B2 - 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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- JP2547767B2 JP2547767B2 JP62110807A JP11080787A JP2547767B2 JP 2547767 B2 JP2547767 B2 JP 2547767B2 JP 62110807 A JP62110807 A JP 62110807A JP 11080787 A JP11080787 A JP 11080787A JP 2547767 B2 JP2547767 B2 JP 2547767B2
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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） 本発明は高熱伝導性を有する窒化アルミニウム焼結体
に関する。
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、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、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
いた場合は焼結体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号公報、特開昭61
−10071号公報、特開昭60−71575号公報等）。これらの
焼結助剤はAlN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、高熱伝導率化
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
いた場合は焼結体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号公報、特開昭61
−10071号公報、特開昭60−71575号公報等）。これらの
焼結助剤はAlN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、高熱伝導率化
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、高熱伝導率化するが、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化アルミニウム焼結体のそ
れは高々170W/mK程度と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、高熱伝導率化するが、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化アルミニウム焼結体のそ
れは高々170W/mK程度と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
生成する多量の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率化に
は限界あった。
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
生成する多量の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率化に
は限界あった。
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。
（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、窒素ガスを含む還元性雰囲気中で３時間
以上の長時間焼成したところ、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−Ｎ系化合物、
またはこれに加えY2O3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、窒素ガスを含む還元性雰囲気中で３時間
以上の長時間焼成したところ、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−Ｎ系化合物、
またはこれに加えY2O3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、高熱伝導率
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Ｙ−Ｎ系化合物相
（これに加えてＹ−Ｏ系化合物相を含む場合もあるし、
他希土類としてCe,Scを入れた場合、副相としてSc−N,C
e−Ｎ相も含む場合もある）を含有し、この場合イット
リウム元素量が２重量％以下（希土類元素としてSc,Ce
が入れる場合、個別に２重量％以下）であり、不純物酸
素量が0.1重量％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Ｙ−Ｎ系化合物相
（これに加えてＹ−Ｏ系化合物相を含む場合もあるし、
他希土類としてCe,Scを入れた場合、副相としてSc−N,C
e−Ｎ相も含む場合もある）を含有し、この場合イット
リウム元素量が２重量％以下（希土類元素としてSc,Ce
が入れる場合、個別に２重量％以下）であり、不純物酸
素量が0.1重量％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である。
本発明の窒化アルミニウム焼結体は従来に比べ高い18
0w/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、洗浄
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わずかのＹ−Ｎ化合物（またこ
れに加えたＹ−Ｏ化合物、さらにSc−Ｎ化合物、Ce−Ｎ
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、Ｙ元素２重量％以
下、不純物酸素0.1重量％以下を含有する、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
Ｙ元素は8000ppm以下で好ましく、さらに好ましくは500
0ppm以下である。また、不純物酸素は1100ppm未満が好
ましく、さらに好ましくは500〜1000ppmである。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1000
ppm以下が好ましい。
0w/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、洗浄
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わずかのＹ−Ｎ化合物（またこ
れに加えたＹ−Ｏ化合物、さらにSc−Ｎ化合物、Ce−Ｎ
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、Ｙ元素２重量％以
下、不純物酸素0.1重量％以下を含有する、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
Ｙ元素は8000ppm以下で好ましく、さらに好ましくは500
0ppm以下である。また、不純物酸素は1100ppm未満が好
ましく、さらに好ましくは500〜1000ppmである。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1000
ppm以下が好ましい。
また、本発明における副相は微量であり、多量の存在
は熱伝導性の低下を伴うため焼結体の密度は、3.10〜3.
50/cm3であることが好ましい。好ましくは3.25〜3.30g/
cm3であり、さらに好ましくは3.26〜3.30g/cm3である。
また、焼結体の粒子径は、熱伝導率を考慮して９μｍ以
上であることが好ましい。さらに好ましくは10μｍ以上
である。
は熱伝導性の低下を伴うため焼結体の密度は、3.10〜3.
50/cm3であることが好ましい。好ましくは3.25〜3.30g/
cm3であり、さらに好ましくは3.26〜3.30g/cm3である。
また、焼結体の粒子径は、熱伝導率を考慮して９μｍ以
上であることが好ましい。さらに好ましくは10μｍ以上
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。
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２重量％以下、実用上
は0.01〜1.2重量％含有し、平均粒径が１μｍ付近のも
のを使用する。
結性、熱伝導性を考慮して酸素を２重量％以下、実用上
は0.01〜1.2重量％含有し、平均粒径が１μｍ付近のも
のを使用する。
添加物としてはイットリウム等の希土類酸化物を用い
る。イットリウムの酸化物としてはY2O3の他、例えば焼
成によって酸化物となる希土類元素の炭素塩、硝酸塩、
シュウ酸塩、水酸化物などをあげることができる。
る。イットリウムの酸化物としてはY2O3の他、例えば焼
成によって酸化物となる希土類元素の炭素塩、硝酸塩、
シュウ酸塩、水酸化物などをあげることができる。
Ｙ元素化合物の添加は、Ｙ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、焼結体
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、過多な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、0.1〜15重
量％であり、より好ましくは0.5〜10重量％である。
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、焼結体
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、過多な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、0.1〜15重
量％であり、より好ましくは0.5〜10重量％である。
焼成雰囲気に関しては、窒化ガスを含む還元性雰囲気
中で行なう。還元性雰囲気はCO,H2ガスおよびＣ（ガス
そして固相）などを、一種または２種以上存在させるこ
とによって作ることができる。
中で行なう。還元性雰囲気はCO,H2ガスおよびＣ（ガス
そして固相）などを、一種または２種以上存在させるこ
とによって作ることができる。
最も簡便なのは、N2雰囲気中でカーボン製容器を用い
て焼結する方法である。
て焼結する方法である。
焼成用容器に関しては、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（特公昭58−49510号公報、特開昭61−1
46769号公報等）。しかし、これらの容器を用いたもの
では、かなり多量のＹ−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。この様な焼成様容器
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、1550〜2050℃の焼結に蒸気圧で１×
10-5〜５×10-1Pa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Ｙ−Al−Ｏ三元系化合物
等の粒界相を焼結体中より除去する作用が働き、同時に
Ｙ−Al−Ｏからなる粒界相は還元窒化され粒界には、微
量のＹ−Ｎ化合物、またはこれに加えてＹ−Ｏ化合物が
残るだけさらには他の希土類（Ce,Sc）が添加されれ
ば、その相即Se−N,Sc−Ｎ化合物も減り、高熱伝導性の
焼結体に変化していく。
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（特公昭58−49510号公報、特開昭61−1
46769号公報等）。しかし、これらの容器を用いたもの
では、かなり多量のＹ−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。この様な焼成様容器
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、1550〜2050℃の焼結に蒸気圧で１×
10-5〜５×10-1Pa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Ｙ−Al−Ｏ三元系化合物
等の粒界相を焼結体中より除去する作用が働き、同時に
Ｙ−Al−Ｏからなる粒界相は還元窒化され粒界には、微
量のＹ−Ｎ化合物、またはこれに加えてＹ−Ｏ化合物が
残るだけさらには他の希土類（Ce,Sc）が添加されれ
ば、その相即Se−N,Sc−Ｎ化合物も減り、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、その内容積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１×100
〜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１×100
〜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Ｙ−Al−Ｏ系化合物相が存在し、均一で高熱伝導のAl
N焼結体が得られない。また前述の如くのカーボンガス
雰囲気の還元性雰囲気が得られない場合は、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３時間以上の焼成時間が
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10時間以上である。
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Ｙ−Al−Ｏ系化合物相が存在し、均一で高熱伝導のAl
N焼結体が得られない。また前述の如くのカーボンガス
雰囲気の還元性雰囲気が得られない場合は、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３時間以上の焼成時間が
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10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緻密な焼結体は得られるが、焼
成用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Ｙ−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1700〜2000℃である。さらには1800〜2000
℃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
成用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Ｙ−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1700〜2000℃である。さらには1800〜2000
℃が好ましい。
なお焼結は、減圧、加圧及び常圧を含む雰囲気圧下で
行なう。
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Ｙ酸化物を所定量
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
ーに加え、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、例えば窒化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。この時用いる焼成用容器
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1550〜2050℃
に、焼結時間は３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。
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
ーに加え、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、例えば窒化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。この時用いる焼成用容器
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1550〜2050℃
に、焼結時間は３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均一性あるい
は熱伝導性の向上効果およびＹ−Ｎ系化合物、Ｙ−Ｏ系
化合物の生成について説明する。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Ｙ−Ｎ系化合物、Ｙ−Ｏ系
化合物の生成について説明する。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Ｙ
−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
の窒化化物（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。この様な低熱伝導率化の原因
を抑制することが高熱伝導率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Ｙ
−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
の窒化化物（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。この様な低熱伝導率化の原因
を抑制することが高熱伝導率化の一因として挙げられ
る。
このように希土類元素として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粒界相とし
てAlN焼結体中に固定される。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。
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粒界相とし
てAlN焼結体中に固定される。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は、焼結体中に存在するＹ−Al
−Ｏ化合物は、雰囲気中に存在する窒化ガス、そしてカ
ーボンガスおよび／またはCOガスなどの還元作用を有す
る物質により還元窒化され、Ｙ−Ｎ化合物（例えば、Y
N,ScNなど）および／又はAlNに変化する。
−Ｏ化合物は、雰囲気中に存在する窒化ガス、そしてカ
ーボンガスおよび／またはCOガスなどの還元作用を有す
る物質により還元窒化され、Ｙ−Ｎ化合物（例えば、Y
N,ScNなど）および／又はAlNに変化する。
このような、焼結体表面および内部での還元窒化反応
により（特に表面での反応がよく進む）、焼結体内部で
のＹ−Ｏ化合物および／またはＹ−Al−Ｏ化合物での濃
度勾配が生じ、これが駆動力となって、副相は粒界を経
由して焼結体表面に移動する。
により（特に表面での反応がよく進む）、焼結体内部で
のＹ−Ｏ化合物および／またはＹ−Al−Ｏ化合物での濃
度勾配が生じ、これが駆動力となって、副相は粒界を経
由して焼結体表面に移動する。
そして最終的に焼結体は、微量のＹ−Ｎ、またはこれ
に加えてY2O3を含有するAlN焼結体となり、熱伝導率は
大幅に上昇する。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、熱抵抗が非常に小さくな
ったためである。また、長時間焼成により、焼結体の粒
子が成長し、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。
に加えてY2O3を含有するAlN焼結体となり、熱伝導率は
大幅に上昇する。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、熱抵抗が非常に小さくな
ったためである。また、長時間焼成により、焼結体の粒
子が成長し、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。
また、上述のような副相の除去そして粒成長以外に還
元雰囲気下で長時間焼成することにより、AlN結晶粒の
純化、例えば不純物酸素固溶による格子欠陥の減少によ
る熱伝導率上昇効果も考えられる。
元雰囲気下で長時間焼成することにより、AlN結晶粒の
純化、例えば不純物酸素固溶による格子欠陥の減少によ
る熱伝導率上昇効果も考えられる。
（実施例） 実施例１ 不純物としての酸素を1.2重量％含有し、平均粒径が
0.8μｍのAlN粉末に、添加物として平均粒径0.9μmY2O3
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/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（焼
成用容器Ａ）を脱脂体を収容した。このとき容器Ａの形
状および大きさは、10cmφ×5.5cmで内容積が430cm3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３×10-1程度となっている。この容器を用
いて窒素ガス雰囲気中（１気圧）1950℃、24時間の条件
で常圧焼結した。得られたAlN焼結体の密度および粒径
を測定した。また焼結体から、直径10mm、厚さ3.3mm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（真空理工製TC−3000使
用）。測定した温度は25℃である。
0.8μｍのAlN粉末に、添加物として平均粒径0.9μmY2O3
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/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（焼
成用容器Ａ）を脱脂体を収容した。このとき容器Ａの形
状および大きさは、10cmφ×5.5cmで内容積が430cm3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３×10-1程度となっている。この容器を用
いて窒素ガス雰囲気中（１気圧）1950℃、24時間の条件
で常圧焼結した。得られたAlN焼結体の密度および粒径
を測定した。また焼結体から、直径10mm、厚さ3.3mm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（真空理工製TC−3000使
用）。測定した温度は25℃である。
さらに、この焼結体の分析を行なった。イットリウム
はICP発光分光法（セイコー電子工業製SPS−1200A使
用）により、陽イオン不純物の分析は化学分析により行
い、不純物酸素に関しては速中性子放射化分析により行
なった（理化学研究所160cmサイクロン使用）。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。
また、この焼結体のＸ線回折（理学電機製機ロータフレ
ックスRU−200,ゴニオメータCN2173D5,線源CU 50kV,10
0mA使用）を行なった結果を第１図に示す。副相としてY
Nのみが観察された。
はICP発光分光法（セイコー電子工業製SPS−1200A使
用）により、陽イオン不純物の分析は化学分析により行
い、不純物酸素に関しては速中性子放射化分析により行
なった（理化学研究所160cmサイクロン使用）。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。
また、この焼結体のＸ線回折（理学電機製機ロータフレ
ックスRU−200,ゴニオメータCN2173D5,線源CU 50kV,10
0mA使用）を行なった結果を第１図に示す。副相としてY
Nのみが観察された。
実施例２〜３ 焼結添加物の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AlN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。
例１と同様にしてAlN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。
実施例４〜５ 焼結温度を種々に変えて上記実施例１と同様にしてAl
N焼結体を製造し、同様の評価を行なった。
N焼結体を製造し、同様の評価を行なった。
実施例６〜７ 焼結時間を種々に変えて上記実施例１と同様にしてAl
N焼結体を製造し、同様の評価を行なった。
N焼結体を製造し、同様の評価を行なった。
実施例８〜10 焼結雰囲気を種々に変えて上記実施例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。
AlN焼結体を製造し、同様の評価を行なった。
実施例11 内側の寸法が、38.5×38.5×10.7mmの焼成用容器Ａを
使用した点を除き、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。
使用した点を除き、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。
実施例12 内側の寸法が、700φ×380mmの焼成用容器Ａを使用し
た点を除き、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。
た点を除き、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。
実施例13 成形体の寸法が、15φ×6mmで内側の寸法が、306φ×
380mmの焼成用容器Ａを使用した点を除き、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。
380mmの焼成用容器Ａを使用した点を除き、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。
実施例14 BN板を底板としてひいたカーボン製容器（焼成用容器
Ｂ）を用いたことを除いて、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。
Ｂ）を用いたことを除いて、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。
実施例15 内側の全体がカーボン製の容器（焼成用容器Ｃ）を用
いたことを除いて、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。
いたことを除いて、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。
比較例１〜３ 実施例１と同様な寸法により得たAlN脱脂体を焼成用
容器A,BおよびＣに種々にセットし、1950℃,2hr,N2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１に示す。
容器A,BおよびＣに種々にセットし、1950℃,2hr,N2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１に示す。
このように焼結時間が３時間未満と短い場合、カーボ
ン製容器を用いることによる粒界相の還元窒化および粒
界相の除去が十分でないことがわかり、高熱伝導率（18
0W/mK以上）を有するAlN焼結体を得るためには長時間
（３時間以上）の焼結が必要であることがわかる。
ン製容器を用いることによる粒界相の還元窒化および粒
界相の除去が十分でないことがわかり、高熱伝導率（18
0W/mK以上）を有するAlN焼結体を得るためには長時間
（３時間以上）の焼結が必要であることがわかる。
比較例４〜６ 実施例１と同様な方法により得たAlN脱脂体を、比較
例４では内側の全体がAlN製の容器（焼成用容器Ｄ）、
比較例５では内側の全体がアルミナ製の容器（焼成用容
器Ｅ）、比較例６では内側の全体がタングステン製の容
器（焼成用容器Ｆ）を用い、1950℃,24hr,N2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第１
表に示す。その結果より副相として（Ｙ−Al−Ｏ）化合
物が観察され、YN化合物は見られなかった。熱伝導率
も、160/mK以下の比較的低い値である。
例４では内側の全体がAlN製の容器（焼成用容器Ｄ）、
比較例５では内側の全体がアルミナ製の容器（焼成用容
器Ｅ）、比較例６では内側の全体がタングステン製の容
器（焼成用容器Ｆ）を用い、1950℃,24hr,N2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第１
表に示す。その結果より副相として（Ｙ−Al−Ｏ）化合
物が観察され、YN化合物は見られなかった。熱伝導率
も、160/mK以下の比較的低い値である。
この様に少なくとも内部の一部が、カーボンよりなる
焼成用容器を用いない場合も高熱伝導率を有するAlN焼
結体が得られず、カーボン雰囲気の有効さがわかる。
焼成用容器を用いない場合も高熱伝導率を有するAlN焼
結体が得られず、カーボン雰囲気の有効さがわかる。
比較例７ 実施例１で用いたAlN粉末を、500kg/cm2の圧力でプレ
ス成形して、30×30×10mm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1950℃、40
0kg/cm2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１表に示した。副相とし
てAl−Ｏ−Ｎ系化合物が観察され、結果として熱伝導率
も77W/mKという低い値であった。
ス成形して、30×30×10mm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1950℃、40
0kg/cm2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１表に示した。副相とし
てAl−Ｏ−Ｎ系化合物が観察され、結果として熱伝導率
も77W/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、AlN原料粉末
表面の不純物酸素とAlNが反応し、熱伝導をさまたげるA
l−Ｏ−Ｎ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。
表面の不純物酸素とAlNが反応し、熱伝導をさまたげるA
l−Ｏ−Ｎ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。
実施例16 助剤の陽イオンをＹおよびScに変え、助剤の元素重量
比がY:Sc＝1:1となるようにY2O3およびSc2O3の形で４重
量％添加し、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。
比がY:Sc＝1:1となるようにY2O3およびSc2O3の形で４重
量％添加し、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。
実施例17 助剤の陽イオンをＹおよびCeに変え、助剤の元素重量
比がY:Ce＝1:1となるようにY2O3およびCeO3の形で４重
量％添加し、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。
比がY:Ce＝1:1となるようにY2O3およびCeO3の形で４重
量％添加し、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。
以上述べた如く、本発明の窒化アルミニウム焼結体
は、副相としてＹ−Ｎ化合物、Ｙ−Ｎ化合物とＹ−Ｏ化
合物またはＹ−Ｎ化合物にCe−N,Sc−Ｎ化合物を含み高
熱伝導性を示すなど、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。
は、副相としてＹ−Ｎ化合物、Ｙ−Ｎ化合物とＹ−Ｏ化
合物またはＹ−Ｎ化合物にCe−N,Sc−Ｎ化合物を含み高
熱伝導性を示すなど、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。
第１図は焼結体のＸ線回折パターン図である。 １……AlNの回折ピーク ２……YN化合物の回折ピーク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 佳子 川崎市幸区小向東芝町１ 株式会社東芝 総合研究所内 (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62−132776（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−252374（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−219763（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】平均粒径が0.05〜５μｍのAlN粉末に希土
類元素の酸化物を添加し、これを焼成して得られるAlN
焼結体であって、AlN相が主相で希土類元素Ｙ−Ｎ化合
物相が副相であり、希土類元素が２重量％以下、酸素含
有量は0.1重量％以下で、熱伝導率180W/m・Ｋ以上であ
ることを特徴の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体。 - 【請求項２】平均粒径が0.05〜５μｍのAlN粉末にY2O3
を添加し、これを焼成して得られるAlN焼結体であっ
て、AlN相の主相で、Ｙ−Ｎ化合物相及びY2O3相が副相
であり、Ｙが２重量％以下、酸素分有量が0.1重量％以
下で、熱伝導率180W/m・Ｋ以上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。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62110807A JP2547767B2 (ja) | 1987-05-08 | 1987-05-08 | 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 |
| JP10198335A JPH1192229A (ja) | 1987-05-08 | 1998-07-14 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62110807A JP2547767B2 (ja) | 1987-05-08 | 1987-05-08 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63277567A JPS63277567A (ja) | 1988-11-15 |
| JP2547767B2 true JP2547767B2 (ja) | 1996-10-23 |
Family
ID=14545156
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62110807A Expired - Lifetime JP2547767B2 (ja) | 1987-01-13 | 1987-05-08 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体 |
| JP10198335A Pending JPH1192229A (ja) | 1987-05-08 | 1998-07-14 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10198335A Pending JPH1192229A (ja) | 1987-05-08 | 1998-07-14 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (2) | JP2547767B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230037070A (ko) * | 2021-09-06 | 2023-03-16 | (주) 네올 | 산화스칸듐을 소결조제로 포함하는 질화알루미늄 세라믹스 제조용 조성물, 질화알루미늄 세라믹스 및 그 제조방법 |
Families Citing this family (11)
| 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 |
| JPH0684265B2 (ja) * | 1988-06-03 | 1994-10-26 | 日立金属株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体 |
| JPH0238366A (ja) * | 1988-07-28 | 1990-02-07 | Kyocera Corp | 窒化アルミニウム質焼結体及びその製造方法 |
| JPH02271968A (ja) * | 1989-04-12 | 1990-11-06 | Toshiba Ceramics Co Ltd | ＡｌＮ質焼結体 |
| JP4447750B2 (ja) * | 1999-09-30 | 2010-04-07 | 日本碍子株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体および半導体製造用部材 |
| US6953761B2 (en) | 2002-12-27 | 2005-10-11 | Hitachi, Ltd. | Aluminum nitride sintered body and substrate for electronic devices |
| JP2005175039A (ja) * | 2003-12-09 | 2005-06-30 | Kenichiro Miyahara | 発光素子搭載用基板及び発光素子 |
| WO2005008683A1 (ja) * | 2003-07-16 | 2005-01-27 | Juridical Foundation Osaka Industrial Promotion Organization | 導電性セラミックス及びその製造方法並びに半導体製造装置用部材 |
| JP4783560B2 (ja) * | 2003-09-25 | 2011-09-28 | 株式会社トクヤマ | 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 |
| WO2005123627A1 (ja) * | 2004-06-21 | 2005-12-29 | Tokuyama Corporation | 窒化物焼結体、及びその製造方法 |
| JP5398430B2 (ja) * | 2009-03-31 | 2014-01-29 | 株式会社トクヤマ | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| 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 |
-
1987
- 1987-05-08 JP JP62110807A patent/JP2547767B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1998
- 1998-07-14 JP JP10198335A patent/JPH1192229A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230037070A (ko) * | 2021-09-06 | 2023-03-16 | (주) 네올 | 산화스칸듐을 소결조제로 포함하는 질화알루미늄 세라믹스 제조용 조성물, 질화알루미늄 세라믹스 및 그 제조방법 |
| KR102626997B1 (ko) * | 2021-09-06 | 2024-01-23 | (주) 네올 | 산화스칸듐을 소결조제로 포함하는 질화알루미늄 세라믹스 제조용 조성물, 질화알루미늄 세라믹스 및 그 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1192229A (ja) | 1999-04-06 |
| JPS63277567A (ja) | 1988-11-15 |
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