JPH01242468A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱放散性を要求される電子回路用セラミック
ス基板等に適用される窒化アルミニウム焼結体の製造方
法に関する。

［従来の技術］ 電子回路用セラミックス基板材料の性能として、熱伝導
性、電気抵抗性、熱膨張、強度などが要求される。本発
明に係る窒化アルミニウム焼結体は、上述のいずれの性
能も具備しているため、近年基板材料として注目されて
いる。

窒化アルミニウムは難焼結性の物質であるため、常圧焼
結を行うには、焼結助剤の添加が必要となる。従来は、
焼結助剤として、緻密化促進効果の大きい酸化物系助剤
、例えば、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロ
ンチウムなどが用いられている。

また、特開昭６１−２８６２６７号には非酸化物系の焼
結助剤としてホウ素又はホウ化物を用いて、ホットプレ
スによる加圧焼結を行う窒化アルミニウムの焼結体の製
造方法が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ 窒化アルミニウム焼結体の熱伝導性は焼結体内に内在す
る酸素に起因して阻害される。その酸素は、原料粉末中
に不可避的に存在するものや酸化物系焼結助剤の添加に
より外部から取り込まれるものがある。原料粉末中の酸
素量は、原料粉末製造プロセス上、１％以下に低減する
ことは困難である。この酸素は通常、原料粉末粒子の結
晶格子中に固溶されたり、あるいは粉末粒子表面に酸化
アルミニウムの層を形成し、焼結後においても、焼結体
内にそのまま存在して焼結体の熱伝導性を阻害するとい
う問題がある。

他方、酸化物系焼結助剤は、緻密化促進効果が大きいた
め、従来、難焼結性の窒化アルミニウムに使用されてい
るが、焼結反応中に、酸化物から酸素が一部分離して粉
末粒子の結晶格子中に侵入したり、粒界に化合物を生成
して異相として存在し、焼結体の熱伝導性を阻害すると
いう問題がある。

さらに窒化アルミニウムは難焼結性のため、従来は一般
にホットプレスにより焼結されているが、ホットプレス
を用いると成形体の形状に制約を受け、焼結後、最終形
状まで仕上げ加工を施さなければならず、生産性が悪い
という問題もある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その
課題解決のための手段は、窒化アルミニウム粉末に非酸
化物系の焼結助剤としてのホウ素化合物と還元剤として
の炭素あるいはコールタール、樹脂等の炭化熱処理によ
って炭素を生成する有機物とを添加、混合して形成した
後、還元剤として炭素を用いた場合にはそのまま該成形
体を非酸化性雰囲気中で常圧焼結する方法であり、また
、還元剤としてコールタール、樹脂等の有機物を用いた
場合には、成形後、該成形体に炭化熱処理を施して炭素
を生成させ、引続いて該成形体を非酸化性雰囲気中で常
圧焼結する方法である。さらに、上述の窒化アルミニウ
ム焼結体の製造方法においで、熱伝導性に優れ、かつ緻
密な窒化アルミニウム焼結体を得るために、ホウ素化合
物の添加量を窒化アルミニウム粉末に対して、ホウ素換
算で０．０５〜３．０重量％に限定するものである。

［作用コ 本発明において、焼結助剤として用いられるホウ素化合
物中のホウ素は焼結過程において、原料粉末粒子表層部
に拡散し、粒界移動の有力な駆動力となる。しかしなが
ら、窒化アルミニウム粉末の表層部は酸化アルミニウム
の薄い層により覆われているため、ホウ素は先に酸化ア
ルミニウムと反応して、ホウ素本来の粒界移動促進作用
が薄れてしまう。そこで本発明においては、還元剤とし
て作用する炭素を原料粉末に添加し、焼結過程で前記酸
化アルミニウムを炭素と反応させ、−酸化炭素として系
外に排出させる。この作用により、窒化アルミニウム粉
末の表面は酸化物層のない清浄で活性に冨んだ状態とな
り、ホウ素は容易に窒化アルミニウム粉末表層に拡散す
ることができる。従って、難焼結剤といわれる窒化アル
ミニウムでも常圧焼結により空隙量の極めて少ない高密
度の焼結体を得ることができる。焼結体において、密度
の高いものは熱伝導性が優れていることは一般に周知で
あるが、第１図は常圧焼結した窒化アルミニウム焼結体
における焼結助剤としての炭化ホウ素の添加量と相対密
度との関係を求めたものである。この場合の焼結体の製
造条件は以下のとおりである。

原料粉末、窒化アルミニウム 焼結助剤：炭化ホウ素 還元剤、コールタールピッチ 炭素換算１０重量％添加 炭化熱処理：　６００℃×２時間 焼結方法：常圧焼結 第１図から明らかなように、窒化アルミニウム粉末に対
してホウ素換算で０．０５〜３．０重量％の範囲で９０
％以上の高密度が得られている。

０．０５重量％未満の添加では助剤としての緻密化促進
作用が十分あられれず、また、３．０重量％を超えて添
加すると、過剰のホウ素が窒素と反応し安定な窒化ホウ
素になるため焼結促進作用が阻害されるものと考えられ
る。

なお、焼結助剤を０．０５〜３．０重量％の範囲で添加
した窒化アルミニウム焼結体には粒界相は観察されず、
窒化アルミニウム単相となっていることが確認された。

非酸化物系焼結助剤として炭化ホウ素を用いて第１図の
関係を求めたが、ホウ化アルミニウム、ホウ化ランタン
、リン化ホウ素等のすべてのホウ素化合物も、炭化ホウ
素の同等物として焼結助剤の作用を為し、はぼ第１図と
同一の挙動を示すものと考えられるので、本発明では焼
結助剤として炭化ホウ素に限定されるものではなく、す
べてのホウ素化合物が使用可能である。

また、還元剤として添加した炭素は前述の如く粉末表層
部の酸化アルミニウムと反応するほかに、粉末粒子の結
晶格子内に固溶された酸素とも反応し、焼結体中の酸素
を低減する作用がある。

この場合、還元剤として有効に作用する炭素量は原料粉
末中に存在する酸素量に依存し、酸素量に応じて、０．
５〜５．０重量％の範囲で適量添加されるべきである。

０．５重量％未満では原料粉末中に不可避的に存在する
酸素を十分に還元除去できず、また、５．０重量％を超
えると炭素が過剰になり焼結体内にそのまま残存したり
、炭化物を生成して焼結性を阻害する。

還元剤としてコールタールや樹脂等の有機物を用いた場
合には、焼結前にこれらの有機物を炭化するための炭化
熱処理を施す必要がある。

成形方法はプレスを用いた金型成形、ＣＩＰ等を用いた
高圧成形、鋳込み成形、ドクターブレード装置を用いた
シート成形等いずれも可能であり、特に限定されるもの
ではない。

非酸化性雰囲気としては窒素ガス、アルゴンガス、真空
等が使用可能であるがその中でも窒素ガスの使用が好ま
しい。

［実施例］ 平均粒子径１μｍ、不純物酸素量１％の窒化アルミニウ
ム粉末に焼結助剤として、炭化ホウ素をホウ素換算で０
．２重量％添加し、これと同時に還元剤として、予めベ
ンゼンにより抽出、乾燥を終えたコールタールピッチを
炭素換算で１．０重量％添加し、それぞれを配合し、ベ
ンゼンを分散媒に用いて、振動ミルにより混合した。こ
れを乾燥して８０メツシユのふるいにより造粒粉とした
。この造粒粉をラバープレス法により直径１２ｍｍ、厚
さ約８闘の成形体とした。この成形体に６００℃×２時
間の炭化処理を施し、次いで、窒素雰囲気中において２
１ｏＯ℃×２時間の常圧焼結を行った。得られた焼結体
にてその相対密度と熱伝導率を測定し、その測定結果を
第１表に示す。なお第１表には、比較のために焼結助剤
として酸化イツトリウムを１％添加し、ホットプレスを
用いて焼結した窒化アルミニウム焼結体の相対密度と熱
伝導率の測定結果を併記した。

第１表 第１表から明らかなように、本発明の方法で得られた焼
結体と従来の方法で得られた焼結体の相対密度および熱
伝導性の比較から、両者の相対密度はほぼ同一であるに
もかかわらず、熱伝導率に：よ著しい差があられれ、本
発明の方法によれば熱伝導性の優れた焼結体が得れる。

本実施例が従来例にくらべて高い熱伝導率を示すのは、
炭素の還元作用による酸素の低減に起因しているものと
考えられる。

［発明の効果コ 請求項１．２．３では、難焼結性の窒化アルミニウム粉
末に非酸化物系の焼結助剤および還元剤としての炭素を
添加することにより、粉末中の酸素量が低減され、常圧
焼結でも緻密性および熱伝導性の優れた窒化アルミニウ
ム焼結体を得ることができる。また、常圧焼結が可能な
ため、成形体の形状に制約されない窒化アルミニウム焼
結体が得られる。

請求項４では、ホウ素化合物の添加量を最適化すること
により、熱伝導性が高く、さらに、緻密性が極めて高い
窒化アルミニウム焼結体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法における焼結助剤（炭化ホウ
素）の添加量と相対密度（緻密性）の関係を示す図であ
る。 特許出願人　株式会社日本製鋼所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）窒化アルミニウム粉末にホウ素化合物および炭素を
   添加、混合して成形した後、該成形体を非酸化性雰囲気
   中で常圧焼結する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 ２）窒化アルミニウム粉末に、ホウ素化合物および、有
   機物を添加、混合して成形した後、該成形体に炭化熱処
   理を施し、ついで、該成形体を非酸化性雰囲気中で常圧
   焼結してなる窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 ３）前記有機物はコールタール、樹脂のいずれか一つ、
   またはこれらの混合物である請求項２記載の窒化アルミ
   ニウム焼結体の製造方法。 ４）ホウ素化合物の添加量が窒化アルミニウム粉末に対
   してホウ素換算で０．０５〜３．０重量％である請求項
   １から３までのいずれかに記載の窒化アルミニウム焼結
   体の製造方法。