JPH01242469A - 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

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、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（＊ｔＮ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【上記の材
料を製造するに当り【、窒化アルミニウム粉末に酸化イ
ツトリウムＹ２Ｏ５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ｉ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Ｋなった。

そしてこの無機材料としていわゆるセラミックスと呼ば
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、窒化はう素ＢＮ
、炭化けい素８１Ｃ１はう素化リンＢＰ、酸化ベリリウ
ムＢｅ０１窒化アルミニウムＡｔＮ％酸化アルミニウム
尼２０３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の電
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
セラミッ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って発
生するジュール熱ないかＫして除去するかということが
大きな問題となっている。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ックスを考察する
場合、セラミックス材料の固有の熱伝導度である当該セ
ラミッ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【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
しているととに基づくものと考えられる。そして容易に
入手し５るセラミックス材料のうちで炭化けい素８１Ｃ
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ＡｔＮ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く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Ｙ２Ｏ５を添加
して焼成することによっ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ァインセ
ラミックス事典（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慢の量で添加され、焼成は１８００℃〜１８５０
℃で２時間機度行なわれる。そしてこの焼結によって、
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ｋｔ’ｉｏｓなどの形で吸収されると
とＫよって起るものと老見られている。そしてこの生成
したＡＡＹＯｇ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ＡＩＹＯｓ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）　ＩＪ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、その焼我温度は上記したよう
Ｋ　１８００’〜１８５０℃の歳温度であって、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、しかじ【得
られた焼結体の熱伝導度はなお理論値（３００”／（Ｋ
ｌｍ））の２分の１−３分の１の１００〜１５０　”／
（Ｋ−ｍ）の種度でしかない。

従って、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
ととＫなる。

〔間１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った
結果、窒化アルミニウム粉末ＶＣ酸化イツ）　ＩＪ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【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って、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のもので曳い。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０．５〜２ｖｒ
ｔ、４の純度のもの、好ましくは１ｗｔ１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ＣＬ１μｍ〜０．０１μｍのもの、好ましく
は０．１　ｓｔｓ　〜０．０５．ｍ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）　ＩＪ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１０〜０．１１の量で、好
ましくは１チ〜５チの量で加えられる。

この超微粉末の酸化イツ）　ＩＪ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攪拌
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ｄ−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
圧縮底形の手段で板状体、棒状体ペレット、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
。本発明にあっては焼結は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９８１以上が望まれるが１７００℃で
はたかだか７５憾程度であった。

上記した従来方法における焼結温度の１８００゜〜１８
５０℃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って気相法によるｆ４微扮
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Ｋよって従来法
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１２４　”
／（ｘ−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３６〜５４”／（Ｋｏｍ）
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）　ＩＪ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スｉ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ェットの発生、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
ルコ０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π（Ｒａｄｉｏ　
Ｆ’ｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマ装置を用いる方法など
によって得られたものである。

次に本発明の方法を実施例によっ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
）　＋７７粉末（平均粒径５０μ濯、純度９９、９１　
）をＲＦ　（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズ
マ装置（アルプンガス５　Ａ’／ｍｉｎ十酸素ガス２０
　／／ｍｉｎのプラズマ雰囲気）に１２（Ｉｎ／時の供
給量で供給し、得られた超微粉はセルロースフィルター
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４　ＭＨｚで２４　ＫｖＡの入力エネルギーで装置
を作動させた。

得られた醸化イツトリウムの超微粉はＢＥＴ比表面積が
１４．２　ｍ２／９の球状粒子であった。これより計算
した平均粒径は８７　ｎｍ　（＝α０８７μｍ）である
。この超微粉粒子はＸ線回折の結果から立方晶及び六方
晶の混在した酸化イツ）　ＩＪ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Ｗ運株式会社製）に対して助剤としての
酸化イツトリウムを加克、または加えることなく次のよ
５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５０？に次の表ＩＫ記
芹された量（すなわち、２．３５Ｆまたは４．７Ｆ）＞
よび種類の酸化イツ）　ｌ）ラ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。

この上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
■×１０露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）　Ｋて４００　ＭＰ
ａ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った。ｍ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。１７００℃で１時間保持し
たのち、加熱を中止し、自然冷却を行った。得研摩をし
てレーザーフラッシュ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Ａ１では助剤を添加せずに焼結体を調製し、試
験＆２およびＡ５では実施例１で調製した酸化イッ）　
１７クム超微粉を助剤として用い、また試験煮ろおよび
Ａ６では市販品の信越化学工業（株）ａの醸化イツ）　
ＩＪウムを、試験／Ｉ６４および／１６７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【焼結体を調製した。

表　　１ 試験Ａ　　Ｙ２Ｏ３助剤量ｗｔｅ４　　　相対密度チ　
熱伝導率”／（Ｋ−ｉｎ）１　　無添加　　　　　　８
１３１ ２４．７チ（本法）　　　　　１０１　　　　　１２４
３　　４．７チ（信越化学展）　　　　　７５　　　　
　　　４Ｑ４　　υ１（融化成製）　　　　　７９　　
　　　　５４５　９４憾（本法＞　　　　　　９９　　
　　　１２５６　　　　　　９４嗟　（イ凋１１＆イし
ρ；ミ艷η）　　　　　　　　　　７４　　　　　　　
　　　　　　　　　３６７　　　　　９４憾　（旭イヒ
ｈ丈りミ）　　　　　　　　　　　７５　　　　　　　
　　　　　　　　５９この試験結果より、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、１７
００℃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かで【いる。

本方法で用いた酸化イツ）　ＩＪウム超微粉と、上記の
試験におい【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徴偶で調査した。

ｇＩ図は実施例１で調製した酸化イツ）　ＩＪウム超微
粉の５ｏｏｏｏ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）　＋７ウム粉末の５ｏｏ
ｏｏ倍拡大写真であり、そして第５図は市販の旭化成工
業（株）製の酸化イットリ、ラム粉末の５ｏｏｏｏ倍拡
大冗真である。

−この写真から、本方法で用いた酸化イツ）　ＩＪ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って製造した超
微粉とは異なり、湿式法によっ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で調製した酸化イツトリウム超微粉の
透過型電子顕微鏡による５００００倍拡大罪真であ９、
第２図および第６図は市販の酸化イツ）　ＩＪウム粉末
の同様の５００００倍拡大写真である。 特許出願人　　日　清　製　粉　株　式　会　社同　　
　　　　石　　崎　　幸　　三 外２名 手続補正書（方式） ％式％ ■、事件の表示 昭和６３年特許誤第６８０３７号 ２、発明の名称 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 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　東京都中央区日本橋小網町１９番１２号名称日清
製粉株式会社 （外１名） ４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和６３年６月　８日　（発送日　昭６３．６．２３）
７、補正の内容 明細書第１９頁第１〜５行を次のとおり補正します。 ［第１図は実施例１で調製した酸化イツトリウム超微粉
についての粒子構造を示す透過型電子顕微鏡による５０
０００倍拡大写真であり、第２図および第３図は市販の
酸化イツトリウム粉末についての同様の５００００倍拡
大写真である。」以　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）窒化アルミニウム粉末に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が向上
   された窒化アルミニウム焼結体を製造する方法。 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
   は気相法によつて調製された平均粒度１００ｎｍ〜１０
   ｎｍのものであることを特徴とする請求項１に記載の方
   法。 ３）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を重量基準
   で０．１〜１０％の量で窒化アルミニウム粉末に添加す
   ることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ４）焼成を１５００゜〜１８００℃の範囲で行う請求項
   １に記載の方法。