JP2587854B2 - 熱伝導度が向上された窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

熱伝導度が向上された窒化アルミニウム焼結体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気絶縁材料例えば半導体基板、プリント
配線基板などおよび、高熱伝導性の機械部品材料例えば
軸受けなどとして用いるのに好適した熱伝導度が向上さ
れた窒化アルミニウム焼結体(AlN焼結体)の製造方法
に関する。
更に具体的には、窒化アルミニウムを焼結して上記の
材料の製造するに当つて、窒化アルミニウム粉末に酸化
イツトリウムY2O3の超微粉末または酸化イツトリウムと
金属イツトリウムYとの混合物の超微粉末を添加し、こ
れを焼結して熱伝導度の向上された窒化アルミニウム焼
結体を製造する方法に関する。
〔従来の技術〕
電気絶縁材料として従来から種々の材料が使用されて
いる。近年、無機材料から成る電気絶縁材料が無機材料
が有する種々の化学的および物理的特性のために注目さ
れるようになつた。そしてこの無機材料としていわゆる
セラミツクスと呼ばれる一連の無機化合物およびその焼
結体が用いられている。これらの無機化合物の例として
は、窒化ほう素BN、炭化けい素SiC、ほう素化リンBP、
酸化ベリリウムBeO、窒化アルミニウムAlN、酸化アルミ
ニウムAl2O3などが挙げられる。
ところで電気絶縁材料としての望ましい条件として
電気伝導度が低いこと、化学的に不活性であること、
巨視的、微視的に平滑であること、絶縁耐力が大き
いこと、熱伝導度が大きいこと、熱処理に耐え、熱
膨張係数が素子と同程度であること、真空処理に適す
ること、比較的安価であることが挙げられるが上記し
たセラミツクスではこれらの条件については多くの問題
をかかえている。特にの条件に関しては問題があるも
のが多い。一方電気絶縁材料をより大電流を取り扱う用
途に使用しようとする場合、或いは高集積化に伴なつて
発生するジユール熱をいかにして除去するかということ
が大きな問題となつている。そしてそのためには用いる
材料がより大きな熱伝導度を有するものであることが好
ましい。
このような熱伝導性の観点からセラミツクスを考察す
る場合、セラミツクス材料の固有の熱伝導度である当該
セラミツクスの単結晶の熱伝導度(=理論値)、と焼結
体の熱伝導度(=実測値)に大きな差異が見られる。こ
の理論値と実測値の差異は焼結体にあつては空孔や他の
欠陥が存在することと、粒界に不純物が濃縮されまた、
粒内に不純物が混入され、これが熱伝導度の低下をもた
らしていることに基づくものと考えられる。そして容易
に入手しうるセラミツクス材料のうちで炭化けい素SiC
および酸化ベリリウムBeO2は理論値と実測値の差異が小
さく熱伝導度からみて好ましい材料であるということが
できるけれども炭化けい素には誘電率、遅延時間耐電圧
などの電気的特性が既存の材料より好ましくないことと
焼結のために高温度の焼成を必要とし、焼結に多大なエ
ネルギーを必要とするなどの問題点があり、また酸化ベ
リリウムは毒性のきわめて強い化合物であるので、安全
性において問題がある。
一方窒化アルミニウムAlNについては熱伝導度の理論
値と実測値に大きな差異があり、理論値からみれば大き
な利用性が期待できるものの、現実には焼結体の熱伝導
度が小さいことからその利用は阻まれていた。
この窒化アルミニウムの焼結体についてその熱伝導度
を向上させるために、窒化アルミニウムの焼結に当り、
窒化アルミ粉末に小量の酸化イツトリウムY2O3を添加し
て焼成することによつて焼結体の密度を向上させ、熱伝
導度の高い焼結体が得られることが例えばフアインセラ
ミツクス事典(技報堂出版)p.663に記載のように知ら
れている。この場合において酸化イツトリウムは約1%
の量で添加され、焼成は1800℃〜1850℃で2時間程度行
なわれる。そしてこの焼結によつて、熱伝導度の向上は
焼結体の緻密化と熱伝導度の向上を阻害している酸素が
AlYO3などの形で吸収されることによつて起るものと考
えられている。そしてこの生成したAlYO3などは結晶粒
界の三重点に集中し、そのために熱伝導度の向上がAlYO
3などの不純物の生成にかかわらず著しい形で実現す
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
このように、窒化アルミニウムの焼結体の製造におい
ては、酸化イツトリウムY2O3を添加して焼結体を調製す
ることにより得られる焼結体の熱伝導度が向上せしめう
るものではあるが、その焼成温度は上記したように1800
゜〜1850℃の高温度であつて、かかる高温度を焼成時間
中、(例えば1〜3時間)維持することは炉材、エネル
ギー等多くの問題があり、しかして得られた焼結体の熱
伝導度はなお理論値(300w/(K・m))の2分の1〜
3分の1の100〜150w/(K・m)の程度でしかない。
従つて、この焼成温度を低下させ、かつ焼結体の熱伝
導度を向上せしめることができれば窒化アルミニウムの
電気絶縁材料などとしての利用価値を飛躍的に向上させ
ることになる。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者らは、窒化アルミニウム電気絶縁材料につい
ての上述した問題点の解決のために種種の研究を行なつ
た結果、窒化アルミニウム粉末に酸化イツトリウムの超
微粉末または酸化イツトリウムと金属イツトリウムとの
混合物の超微粉末を配合して焼成を行なうときは、低い
焼成温度できわめて熱伝導度が向上せしめられた焼結体
が得られることを見出して本発明を完成したのである。
すなわち、本発明は、窒化アルミニウムを焼結して窒
化アルミニウムの焼結体を製造するに当つて、窒化アル
ミニウム粉末に酸化イツトリウムの超微粉末または酸化
イツトリウムと金属イツトリウムとの混合物の超微粉末
を添加し、これを焼結して熱伝導度の向上された窒化ア
ルミニウム焼結体を製造することを特徴とするものであ
る。
本発明において用いる原料の窒化アルミニウム粉末
は、普通に窒化アルミニウムの焼結体を製造するために
用いる平均粒径2μmのもので良い。電気絶縁材料とし
ての用途のためには窒化アルミニウムの純度は出来るだ
け純粋であることが好ましく、残存酸素量が0.5〜2wt%
の純度のもの、好ましくは1wt%以下の純度のものが通
常用いられる。
この窒化アルミニウム粉末に添加される酸化イツトリ
ウムの超微粉末または酸化イツトリウムと金属イツトリ
ウムとの混合物の超微粉末は、気相法で得られたもので
平均粒子径が0.1μm〜0.01μmのもの、好ましくは0.1
μm〜0.05μmの球形の粒子からなるものである。
この超微粉末の酸化イツトリウムまたは酸化イツトリ
ウムと金属イツトリウムの混合物は窒化アルミニウム粉
末に対して通常重量基準で10〜0.1%の量で、好ましく
は1%〜5%の量で加えられる。
この超微粉末の酸化イツトリウムを添加した窒化アル
ミニウム粉末は両者が均一に混合するまで充分に撹拌さ
れる。この混合には例えばアセトンをはじめとする有機
溶媒を分散媒としたボールミルのような混合手段が用い
られる。
このようにして均一に混合された酸化イツトリウムの
超微粉末または酸化イツトリウムと金属イツトリウムと
の混合物の超微粉末を添加した窒化アルミニウム粉末は
単軸プレスあるいは冷間等方圧プレス(CIP)のような
圧縮成形の手段で板状体、棒状体ペレツト、その他の形
状に予備成形される。
このように予備成形された成形体は焼結操作に付され
る。本発明にあつては焼結は1500゜〜1800℃の範囲の温
度、好ましくは1650゜〜1750℃の範囲の温度で行ないう
る。
焼結後の成形体の相対密度は実用においてきわめて重
要な値であり、通常98%以上が望まれるが1700℃ではた
かだか75%程度であつた。
上記した従来方法における焼結温度の1800゜〜1850℃
と比較して上記した本願方法の焼結温度は格段に低温度
であることから、高温度に物体を保持することの困難性
を併せて考慮すると、本発明における焼結温度の低さは
きわめて注目すべきものといわねばならない。
本願方法における上記温度での焼結は通常10分〜10時
間、好ましくは1〜5時間の間継続される。
このようにして本願方法によつて気相法による超微粉
末の酸化イツトリウムまたは酸化イツトリウムと金属イ
ツトリウムとの混合物を窒化アルミニウム粉末に添加
し、この窒化アルミニウムを焼結することによつて従来
法に比較して著しく低い焼成温度でしかも熱伝導度が改
良された焼結体をうることができたのである。
かくして得られた窒化アルミニウム焼結体は124w/
(K・m)の熱伝導度を有し、従来法による窒化アルミ
ニウム焼結体の熱伝導度の36〜54w/(K・m)と比較し
て熱伝導度の向上は顕著なものがある。
本発明の方法で使用する酸化イツトリウムまたは酸化
イツトリウムと金属イツトリウムとの混合物の超微粉末
はいわゆる気相法と呼ばれる高温プラズマを用いて固体
物質を気化させ、これを凝固させて超微粒子化する公知
の方法で製造することができる。すなわち、アーク放電
によるプラズマジエツトの発生、アーク放電によるアー
ク溶解とそれに伴うプラズマの発生などのアーク放電電
極を用いるアーク放電によるプラズマ中で金属イツトリ
アの粉末あるいは酸化イツトリウム粉末を蒸発、気化さ
せたのちこれを凝集させるか、高周波電極を用いるアル
ゴン、酸素ガスのプラズマ焔中で金属イツトリアの粉末
あるいは酸化イツトリウム粉末を蒸発、気化させたのち
これを凝集させる方法、すなわちRF(Radio Frequenc
y)プラズマ装置を用いる方法などによつて得られたも
のである。
次に本発明の方法を実施例によつて更に詳細に説明す
る。
実施例1. 酸化イツトリウムの超微粉末の製造 金属イツトリア粉末(平均粒径50μm、純度99.9%)
をRF(Radio Frequency)プラズマ装置(アルゴンガス
5/min+酸素ガス20/minのプラズマ雰囲気)に120g
/時の供給量で供給し、得られた超微粉はセルロースフ
イルターを用いて回収した。プラズマ発生に用いた高周
波の周波数は4MHzで24KVAの入力エネルギーで装置を作
動させた。
得られた酸化イツトリウムの超微粉はBET比表面積が1
4.2m2/gの球状粒子であつた。これより計算した平均粒
径は87nm(=0.087μm)である。この超微粉粒子はX
線回折の結果から立法晶及び六方晶の混在した酸化イツ
トリウムであることが確認された。
実施例2. 窒化アルミニウム焼結体の製造 窒化アルミニウム粉末(徳山曹達株式会社製)に対し
て助剤としての酸化イツトリウムを加え、または加える
ことなく次のようにして成形して焼結体を製造した。
すなわち、窒化アルミニウム粉末50gに次の表1に記
載された量(すなわち、2.35gまたは4.7g)および種類
の酸化イツトリウム粉末を分散媒としてのアセトンをは
じめとする有機溶媒と共に加えるか、またはアセトンを
はじめとする有機溶媒のみを加え、乳鉢で均一に混合し
た。
このように混合された粉末材料からアセトンをはじめ
とする有機溶媒を除去し、得られた乾燥材料を直径10φ
mm×10mmの円筒状の成形体に単軸プレスで仮成形したの
ち、冷間等方圧プレス(CIP)にて400MPaの圧力で成形
して成形体を得た。その後窒素ガス雰囲気中で常圧焼結
を行つた。焼結温度は1200℃までは20℃/分で昇温さ
せ、1200℃から1700℃までは10℃/分で昇温させた。17
00℃で1時間保持したのち、加熱を中止し、自然冷却を
行つた。得られた焼結体は相対密度を測定した後、切
断、研摩をしてレーザーフラツシユ法で熱伝導率を測定
した。
上記した焼結体の調製において、次の表1に記載のよ
うに、試験No.1では助剤を添加せずに焼結体を調製し、
試験No.2およびNo.5では実施例1で調製した酸化イツト
リウム超微粉を助剤として用い、また試験No.3およびN
o.6では市販品の信越化学工業(株)製の酸化イツトリ
ウムを、試験No.4およびNo.7では市販品の旭化成工業
(株)製の酸化イツトリウムを夫々の量で用いて焼結体
を調製した。
この試験結果により、無添加および市販の酸化イツト
リウム助剤を用いた窒化アルミニウムは本法による酸化
イツトリウム超微粉と比較して、1700℃の焼結条件では
十分緻密化せず低い相対密度であり、結果として、熱伝
導率にも大きな差がでている。
本方法で用いた酸化イツトリウム超微粉と、上記の試
験において使用した市販の酸化イツトリウム助剤とにつ
いて、その形状を透過型電子顕微鏡で調査した。
第1図は実施例1で調製した酸化イツトリウム超微粉
の50000倍拡大写真であり、第2図は市販の信越化学工
業(株)製の酸化イツトリウム粉末の50000倍拡大写真
であり、そして第3図は市販の旭化成工業(株)製の酸
化イツトリウム粉末の50000倍拡大写真である。
この写真から、本方法で用いた酸化イツトリウム超微
粉は球状粒子であるのに対して、市販品のものは棒状粒
子または多面体粒子の集合体であることが分り、これら
市販品は本方法で用いた気相法によつて製造した超微粉
とは異なり、湿式法によつて製造されたものであること
が推定される。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例1で調製した酸化イットリウム超微粉に
ついての粒子構造を示す透過型電子顕微鏡による50000
倍拡大写真であり、第2図および第3図は市販の酸化イ
ットリウム粉末についての同様の50000倍拡大写真であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡利 広司 新潟県長岡市蓮潟1丁目9番48号 モア ハイツ▲No.▼5―C (72)発明者 浜崎 豊弘 新潟県長岡市上富岡町1603―1 (56)参考文献 特開 昭58−64279(JP,A) 特開 昭62−265170(JP,A) 特開 昭63−100065(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化アルミニウム粉末に、酸化イットリウ
    ムまたは酸化イットリウムと金属イットリウムとの混合
    物の平均粒径100nm〜10nmの超微粉末を、窒化アルミニ
    ウムに対して0.1〜10重量%添加し、そして1500〜1800
    ℃の温度で焼成することからなる窒化アルミニウム焼結
    体の製造方法。
  2. 【請求項2】添加される酸化イットリウムの超微粉末ま
    たは酸化イットリウムと金属イットリウムとの混合物の
    超微粉末は気相性によって調製されたものである請求項
    1に記載の方法。
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