JP3106160B2 - 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法

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【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
焼結体及びその製造方法に関し、詳しくは、高熱伝導性
と高靭性とを兼ね備え、半導体回路基板やプリント配線
基板などを製造するための電気絶縁材料や高熱伝導性及
び高靭性を要する機械部品を製造するための構造材料と
しての使用に適した高靭性窒化アルミニウム焼結体及び
その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化アルミニウムは、高い熱伝導性及び
珪素に近い熱膨張率並びに高い電気絶縁性を有するため
に、半導体実装用放熱性基板材料として注目され、更な
る改良が研究されている。例えば、Journal of Materia
ls Science Letter, vol.11, 1508(1992)には、窒化ア
ルミニウムの焼結性及び熱伝導特性の向上を図るため
に、窒化アルミニウム粉末に少量のイットリア、希土類
酸化物又はアルカリ土類金属酸化物を添加して焼結する
方法が記載されている。これにおいては、酸化物の添加
量は数%であり、焼成は1800℃以上で数時間行われ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、得られ
る焼結体の破壊靭性は低く、例えば、前述の従来方法で
得られる焼結体の破壊靭性値は概して1〜2MPa・m
1/2 である。このようなことから、窒化アルミニウム焼
結体は構造部品用材料としては普及されていない。
【0004】本発明は、これらの状況に鑑みて成された
もので、高靭性を有する窒化アルミニウム焼結体を提供
することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係る窒化アルミ
ニウム焼結体は、希土類元素−アルミニウム−酸素化合
物の針状又は柱状組織の粒界相を有する。
【0006】上記希土類元素はイットリウムを含む。
【0007】又、本発明に係る窒化アルミニウム焼結体
の製造方法は、窒化アルミニウム粉末に希土類酸化物を
混合して焼結し、焼結体を10℃/分未満の冷却速度で
冷却するものである。
【0008】上記窒化アルミニウム粉末には更にアルミ
ナ粉末を混合することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】窒化アルミニウム焼結体は等軸状
粒子で構成されているために、クラックのデフレクショ
ン効果による破壊靭性の向上が期待できない。窒化アル
ミニウムに助剤としてイットリアを添加した場合、Al
249 (以下、YAMと称する)、AlYO3
(同、YAP)及びY3 Al512(同、YAG)など
のイットリア−アルミナ結晶が単独もしくは共存状態で
粒界相として析出する。これらのイットリア−アルミナ
結晶のなかで、YAMは結晶の異方性が高いことが知ら
れている。そこで、異方性YAMの析出条件を検討し、
YAM生成による窒化アルミニウム焼結体の高靭性化を
試みた。その結果、窒化アルミニウム焼結体の粒界にY
AMを生成させるためにイットリア及びアルミナを窒化
アルミニウム粉末に添加して焼結し、焼結後に徐冷する
と、焼結体に柱状組織が析出するという知見が得られ
た。この様にして得られる窒化アルミニウム焼結体で
は、クラックは柱状組織の存在によって粒界に沿って進
行し、焼結体の破壊靭性値は従来の窒化アルミニウム焼
結体に比べて2倍程度高いことが確認された。
【0010】このような結果を踏まえて研究を重ねた結
果、本発明は、窒化アルミニウム粉末に希土類酸化物を
添加して焼結し、焼結後に徐冷して希土類元素−アルミ
ニウム−酸素化合物(希土類酸化物−アルミナ)の異方
性結晶による粒界相を生成させる窒化アルミニウム焼結
体の製造方法を提案する。この方法によって、異方性結
晶による粒界相を有する窒化アルミニウム焼結体が得ら
れ、4MPa・m1/2以上の高い破壊靭性及び150W
/mK以上の高い熱伝導性を有する窒化アルミニウム焼
結体の製造が可能となる。
【0011】以下、本発明を詳細に説明する。
【0012】本発明の高靭性窒化アルミニウム焼結体の
製造においては、まず、窒化アルミニウム粉末に希土類
酸化物を添加する。添加の際にアルコールなどの分散媒
を用いて混合することができ、粉末が均一に混合された
ら適宜乾燥して分散媒を除去すればよい。窒化アルミニ
ウム粉末は一般的に使用されるものから適宜選択して用
いることができる。希土類酸化物には、イットリウム、
スカンジウム、ランタノイド元素及びアクチノイド元素
からなる希土類元素の酸化物があり、好ましくはイット
リアが用いられる。焼結によって窒化アルミニウム粒界
に生成する希土類元素−アルミニウム−酸素化合物相つ
まり希土類酸化物−アルミナ相は、前述したイットリア
による場合のように、組成の異なる複数種の結晶が生じ
得、例えば、イットリア/アルミナ比が0.94である
と、YAM及びYAPの相が生成する。従って、イット
リアの添加量は、所望の粒界相の生成に適する希土類酸
化物/アルミナ比、窒化アルミニウム粉末の酸素(アル
ミナ)含有量、及び、焼結体に生成させる粒界相の容積
割合を考慮して適宜算定し、粒界相を生成するためのア
ルミナ量が不足する場合は必要に応じてアルミナ粉末を
添加することができる。
【0013】上述に従って希土類酸化物粉末及び必要に
応じてアルミナ粉末を添加した窒化アルミニウム粉末
は、適宜成形して、非酸化性雰囲気中で焼結する。成形
は、一軸加圧による方法、溶媒やバインダーを添加して
行うドクターブレード法、型に粉末を投入するのみの自
重による成形などの一般的な成形方法から適宜選択する
ことができる。焼結温度及び時間は、少なくとも窒化ア
ルミニウム粒界に希土類元素−アルミニウム−酸素化合
物の液相が生成可能な程度以上に設定し、通常、約18
00℃以上で2時間程度、好ましくは1900℃程度の
温度で焼結する。
【0014】焼結後、希土類元素−アルミニウム−酸素
化合物の液相から針状晶や柱状晶などの異方性結晶相が
生成するように冷却速度を制御しながら窒化アルミニウ
ム焼結体を冷却する。この冷却速度は、10℃/分未
満、好ましくは5℃/分以下、より好ましくは2℃/分
程度とする。
【0015】上述に従って得られる窒化アルミニウム焼
結体は、高い破壊靭性及び熱伝導性を有するので、これ
を用いて作製した基板は、窒化アルミニウムの高靭性化
により、従来の基板に比べて厚さを薄くでき、これを用
いた電子部品などの小型化が図られるなどの利点を有す
る。又、高靭性化により、構造用部品材料として使用し
た場合に高い信頼性が得られ、基板材料以外の用途にお
いても窒化アルミニウム焼結体の利用価値を飛躍的に高
めることができる。
【0016】
【実施例】以下、本発明について実施例に基づいて具体
的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何等限
定されるものではない。
【0017】(試料1)粒界相としてYAM及びYAP
の混合相を形成するためにイットリア/アルミナ比が
0.94となるように、且つ、粒界相の全体に対する容
積比が8.6容積%となるように、窒化アルミニウム粉
末の酸素含有量を考慮して、窒化アルミニウム粉末、イ
ットリア粉末及びアルミナ粉末を計量し、2−プロパノ
ールを用いてボールミル中で混合した後に乾燥した。得
られた混合粉を用いて一軸加圧成形により直径14mm×
厚さ46mmの円板状の成形体を作製した。
【0018】得られた成形体を電気炉中に配置して高温
に加熱して焼結を行った。焼結条件は、昇温速度を10
℃/分として1900℃で3時間保持した。また、焼結
は窒素ガス雰囲気中で行った。この後、焼結体の冷却速
度が2℃/分となるように雰囲気温度を制御して常温ま
で焼結体を冷却した。
【0019】得られた焼結体の密度をアルキメデス法に
より、熱伝導率をレーザーフラッシュ法により、破壊靭
性を圧痕法によって各々測定した。これらの結果を表1
に示す。又、焼結体の研磨面の微構造の分析をSEMに
より、組織の元素分析をEPMAにより、結晶相の同定
をX線回折法により各々行った。
【0020】(試料2〜6)焼結後の冷却速度を、各
々、3℃/分(試料2)、5℃/分(試料3)、10℃
/分(試料4)、100℃/分(試料5)及び600℃
/分(試料6)に変更したこと以外は試料1と同様の操
作を繰り返して焼結体を製造し、測定及び分析を行っ
た。測定により得られた密度、熱伝導率及び破壊靭性を
表1に示す。
【0021】
【表1】 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 試料 冷却速度 破壊靭性 熱伝導率 (℃/分) (MPa・m1/2 ) (W/mK) −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 1 2 5 178 2 3 4.6 170 3 5 4.1 163 4 10 2.4 157 5 100 2.2 150 6 600 1.9 140 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
【0022】アルキメデス法により測定した試料1〜6
の窒化アルミニウム焼結体の密度はいずれも窒化アルミ
ニウムの理論密度を超え、いずれの焼結体も緻密化して
いた。
【0023】表1の結果では、焼結後の冷却速度を60
0℃/分から2℃/分に変化させると熱伝導率は140
W/mKから178W/mKに増加しており、明らか
に、冷却速度の低下により得られる焼結体の熱伝導率は
上昇する傾向にある。又、破壊靭性は冷却速度が遅くな
るに従って増加し、冷却速度が2℃/分において5MP
a・m1/2 を示した。この破壊靭性値は、従来の窒化ア
ルミニウム焼結体の破壊靭性値に比べて2倍以上高いも
のである。
【0024】試料1の窒化アルミニウム焼結体の研磨面
に圧痕を打ち込みクラックが発生したものの研磨面をS
EMにより撮影した写真を図1に示す。この焼結体で
は、窒化アルミニウム粒界に白い柱状粒子が析出してい
るのが観察される。この白い柱状粒子は、EPMA分析
においてイットリウムの強いピークを示し、X線回折の
結果からYAM及びYAPからなる相に対応する。これ
に対し、試料4及び6の焼結体を同様に分析すると、写
真で白く表れるYAM及びYAPからなる相は球状窒化
アルミニウム粒子の隙間に存在したが、柱状粒子は観察
されなかった。
【0025】又、図1において、クラックは白い柱状粒
子や窒化アルミニウム粒子に沿って進行しているのが分
かる。これに対し、試料4及び6の焼結体では、クラッ
クが球状窒化アルミニウム粒子内を通過し、典型的な粒
内破壊を示していた。このようなことから、破壊モード
の違いが破壊靭性に強い影響を与えていると考えられ
る。
【0026】以上の結果から、焼結後の冷却速度を調整
することにより、窒化アルミニウム焼結体の粒界相の形
態を制御することができ、上記の柱状粒子のような異方
性結晶組織の発現による破壊靭性の向上が実現されるこ
とを確認した。
【0027】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、焼
成後の冷却速度を制御することにより、窒化アルミニウ
ム焼結体に柱状または針状組織の粒界相を発現でき、こ
れにより高靭性及び高熱伝導性を有する窒化アルミニウ
ム焼結体の製造が可能となる。従って、信頼性の高い構
造材として使用することができ、工業的価値は極めて大
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る窒化アルミニウム焼結体の研磨面
のSEM写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鳥山 素弘 愛知県春日井市中央台6−3−1 (72)発明者 神崎 修三 愛知県春日井市藤山台8−12−4 (72)発明者 上野 文雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 堀口 昭宏 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 加曽利 光男 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 角野 裕康 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝 研究開発センター内 審査官 深草 祐一 (56)参考文献 特開 平7−172921(JP,A) 特開 平10−25160(JP,A) 特開 平8−325060(JP,A) 特開 昭49−3913(JP,A) 特開 昭49−1454(JP,A) 特開 昭49−1414(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/581

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化アルミニウム粉末に希土類酸化物を
    混合して1800℃以上の温度で焼結し、焼結体を3℃
    /分以下の冷却速度で冷却することを特徴とする窒化ア
    ルミニウム焼結体の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記希土類酸化物はアルミナと共に混合
    され、前記焼結の温度は1900℃であり、焼結体の冷
    却速度は2℃/分である請求項1記載の窒化アルミニウ
    ム焼結体の製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の製造方法によっ
    て製造され、希土類元素−アルミニウム−酸素化合物の
    針状又は柱状組織の粒界相を全体に対して8.6容積%
    の割合で有し、前記希土類元素がイットリウムである窒
    化アルミニウム焼結体。
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