JPH01261279A - BN−AlN系複合焼結体の製造方法 - Google Patents

BN−AlN系複合焼結体の製造方法

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JPH01261279A
JPH01261279A JP63085273A JP8527388A JPH01261279A JP H01261279 A JPH01261279 A JP H01261279A JP 63085273 A JP63085273 A JP 63085273A JP 8527388 A JP8527388 A JP 8527388A JP H01261279 A JPH01261279 A JP H01261279A
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    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
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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 本発明は六方晶BN (以下すべて六方晶をさす)及び
AiNを主成分とした複合焼結体を無加圧で焼結する方
法に関する。詳しくは、電気的には絶縁体であり、比較
的高熱伝導率、低熱膨張で耐熱衝撃性に優れ、低誘電率
でかつ機械加工が容易なりN−AQN系複合焼結体を常
圧で製造する方法に関する。
さらに詳しく述べるとICパッケージ材料、IC基板用
材料、室温から高温まで使用可能な電気絶縁性放熱材料
、耐熱衝撃性材料、あるいは溶融金属、溶融塩、スラグ
等に対する耐食材料などとして利用可能なりN−AlN
系複合焼結体の製造方法に関する。
従来の技術 BN焼結体は優れた耐食性、耐熱衝撃性、電気絶縁性を
有しているためさまざまな分野で広く用いられている。
しかしながら構造材料としてはやや強度が低いこと、熱
伝導率をさらに向上したいなどの理由により、他材料と
の複合化がさかんに検討されている(例えば特開昭57
−20027Qなど)。
特にAlNとの複合化においては、マシナブルで熱伝導
率が高く、かつ構造材料として使用可能な強度を有する
焼結体が得られるため、活発に研究がなされている0例
えば特開昭58−32073には。
AlNに対してBNを0.1〜30重量%添加してなる
焼結体についての記述がなされている。
焼結体の製造方法としては、BNが難焼結性物質である
ため、通常はBNとAQNの混合粉末に必要に応じて焼
結助剤を添加し、1500〜2100℃程度の温度で2
〜50MPa程度の圧力をかけてホットプレスする方法
がとられる(例えば、特開昭60−1950130、特
開昭82−58377、特開昭49−59809など)
、この方法によれば、曲げ強さが100〜400MPa
、熱伝導率が90〜95W/■・k程度で機械的な加工
性が良好な焼結体を得ることができる。
また本発明者らによるBN−AQN系焼結体のうちのB
NがINより高い組成の焼結体(特願昭82−2382
07)の製造方法は、焼結助剤としてカルシウム化合物
、イツトリウム化合物を添加し、1500〜2000℃
、5〜100MPaの条件下でホットプレスするか、あ
るいは他の加圧加熱による方法である。この方法では、
曲げ強さが最高で140MPa程度、熱伝導率が90W
/m−に程度の焼結体が得られる。
しかしながら、ホットプレス焼結では設備コストが高く
つく、工程が複雑であるなどの欠点に加えて単純形状の
インゴットから加工しなければならないため、焼結体は
マシナブルではあるものの加工コストがかかり、また複
雑形状に加工するのが困難である場合があり、用途が限
定される可能性がある。
この問題点を解消するため、加圧加熱によらない常圧焼
結法によるAlN−BN系焼結体の製造方法に関する技
術も開示されている0例えば特開昭82−153171
の実施例にはAlNと金属Bを出発原料とし、1800
°Cで焼成を行う窒化反応焼結法、およびINとBNな
どを出発原料とした常圧下におけるA!1N−BN系焼
結体の製造方法に関する記述がある。
この方法によると、曲げ強さが400MPa以上、熱伝
導率が80W/■・k以上で快削性の焼結体が得られる
。しかしながら上記の方法においては、反応に高温を要
するばかりでなく、BNよりwl、密化しゃすいAQN
が主成分でその含有量は80wt%程度であり、BN焼
結体が有する耐熱衝撃性などの優れた特徴を十分に発揮
することは不可能である。
一方、特開昭62−123070ニは金属BトX01B
203(X:アルカリ土類金属)を出発原料とした15
00℃程度での窒化反応焼結法によるONを主成分とし
た焼結体の製造方法が開示されている。しかしながら、
上記の方法においては金属Bを100%窒化させること
は困難であり、このため焼結体の熱膨張係数が増大した
り、電気抵抗率が減少したりする可能性がある。また上
記明細書中には、焼結体の曲げ強さが78MPaである
こと以外に、特性値に関する記述は見あたらない。
発明が解決しようとする課題 本発明はこれらの問題点に鑑み、難焼結性物質であるB
NとAiNと同等かそれ以上に含有する複合焼結体を無
加圧かつ比較的低温で製造する方法を提供することを目
的とする。換言すれば、電気的に絶縁体であり、比較的
高熱伝導率、低熱膨張でl1118衝撃性に優れ、低誘
電率で機械加工性が容易なりN−AQN系複合焼結体を
無加圧かつ比較的低温で焼結する方法を提供することを
目的とする。
課題を解決するための手段 これらの品目的は、窒化物換算で35〜95wt%の金
属Bおよび/またはBNに対して窒化物換算で5〜85
wt%の金属Alおよび/またはAlN  (ただしB
NとAiNの組合せは除く)、および焼結助剤0.01
〜30wt%よりなる粉末混合物を成形し、窒素を含有
する非酸化性雰囲気下、1500℃以上の温度で窒化反
応焼結を行うことにより達成される。
本発明はまた焼結助剤として、フッ化アルミニウム、フ
ッ化カルシウム、フッ化イツトリウム、ホウ酸カルシウ
ムのうちの少くとも1種、および必要に応じてさらに酸
化アルミニウム、酸化ホウ素、酸化カルシウム、炭化カ
ルシウム、カルシウムシアナミド、炭酸カルシウム、硝
酸カルシウム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム
、酸化イツトリウム、炭化イツトリウム、硝酸イツトリ
ウムよりなる群の少くとも1種を併用する方法である。
また焼結時、 1500℃まで窒素を含有する還元性雰
囲気とし、以後窒素を含有する不活性ガス雰囲気とする
複合焼結体の製造方法である。
本発明はさらに、用いるBN粉末の粒径が1101L以
下、金属Bの粉砕後の粒径が20JLm以下であり1A
lN粉末の平均粒径が2μm以下、かつ金属AQ、の粒
径が0.1〜2QILmの範囲内である複合焼結体の製
造方法である。
作用 以下に本発明について詳述する。
BNを生成するB源としては、金属B、BN粉末を用い
る。これらは混合物として用いても良く、またどちらか
一方を単独で用いてもさしつかえない、 BNは難焼結
性物質であることから、金属Bの含有率を高めた場合に
嵩密度が大きく、曲げ強さの強い焼結体が得られる力5
.金属Bは価格が高いため、焼結体も高コストとなる。
したがってB源として用いる原料粉末の種類、あるいは
その混合割合は、所望の物性値とコストとを考慮の上決
定すべきである。
金属Bには、非晶質と結晶質の2種類があるが、本焼結
体の製造用原料としては、このうちのいずれであっても
特に支障はない、また金属Bには塊状、および粉末状が
存在するが1本方法においてはこのいずれであっても特
に支障はない、しかしながら塊状のBを使用する際は、
粉砕して用いるのが好ましい。粉砕はあらかじめ粉砕し
ておく方法と、他原料と混合する時に同時に粉砕する方
法とが考えられるが、このいずれも好適に使用され得る
。あらかじめ粉砕しておく方法としては、ボールミル、
ジェットミル、振動ミル等公知の方法が使用できる。
用いるB粉末の粒径は20Bm以下が好ましく、より好
ましくは1(lILm以下である。またON粉末の最大
粒径は10ILm以下が好ましい、これらの値を越えた
大きな粒子を用いた場合、焼結に高温長時間を要するば
かりでなく、得られる焼結体が不均質となる。また粒径
の下限は特に制限はないが、サブミクロン程度の微細粉
末を用いる場合、表面酸素量の増加が考えられるため、
必要に応じてメタノール処理などの前処理を施すことが
好ましい。
AlNを生成するM源としては金属A11. ARM粉
末を用いる。この場合も混合物として用いてもよく、ま
たどちらかを単独で用いることも可能である。金属蚊を
用いた場合、低い温度で比較的緻密な焼結体が得られ、
またコスト的にも有利であるが、高熱伝導率の焼結体を
得ようとする場合には、酸素含有量の少いAlN粉末を
用いるのがより好適である。
粉末の粒径は、金属Mについては0.1〜2G5Lmが
好ましく、より好ましくは0.5〜IQμmである* 
 0.IBm未満では、全重量に対する表面酸化層の割
合が大きくなるため金属Mを用いるメリットがなく、ま
た反応後は金属M粒子のほとんどすべてがAQN粒子と
なるため、20トm超では焼結体が不均質となる。また
AlN粉末は、平均粒子径が2μm以下で、酸素含有量
3.0wt%以下が好ましく、特に好ましくは、酸素含
有量が1.5wt%以下の粉末である。
これらの粉末の混合割合は、BN源の原料をBNに換算
して35〜95wt%、酸N源の原料をAlNに換算し
て65〜5wt%である。
ただし、本発明の製造方法においては、BNとAlNの
組合せは除外する。これは金属粉末が窒化する際に、他
の窒化物粒子との結合を起こし、緻密化および粒子間の
結合を促進するという窒化反応焼結の効果が期待できな
いからである。
又BNが35wt%付近の組成においては、熱伝導率が
高く、比較的強度が強く、かつ熱膨張係数、誘電率が比
較的大きな焼結体を得ることができ、逆にBNが95w
t%付近の組成においては、熱伝導率、強度はそれほど
大きくないものの、比較的低熱膨張で低誘電率の焼結体
を得ることができる。混合割合がこれらの範囲を越えて
、 ONが35wt%より少い焼結体では熱膨張係数、
誘電率が大きくなる。
またBNが95wt%より多い焼結体では、熱伝導率が
低く、強度が不十分な材料となる。
焼結助剤としては、フッ化アルミニウム、フッ化カルシ
ウム、フッ化イツトリウム、ホウ酸カルシウムおよび酸
化アルミニウム、酸化ホウ素、酸化カルシウム、)変化
カルシウム、カルシウムシアナミド、炭酸カルシウム、
硝酸カルシウム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウ
ム、酸化イツトリウム、炭化イツトリウム、硝酸イツト
リウムなどが好適に用いられる。焼結助剤の機能として
は、ひとつは金JiMあるいは金属Bの窒化反応焼結を
促進することがあげられる。フン化アルミニウム、フッ
化カルシウム、フッ化イツトリウムなどのフッ化物は、
金属Mの窒化によるAQNの生成を促進することが知ら
れており(科学技術庁無機材質研究所研究報告書、第4
号、p、5)、ホウ酸カルシウムは金属Bの窒化による
BNの生成および焼結を促進することが知られている(
中村専一、工業化学雑誌、μ−,[71,1489(1
989))、 Lかしながら前述のフッ化物は金属Bの
窒化によるBNの生成および焼結をも促進するため、金
属Bの窒化反応焼結の助剤としてホウ酸カルシウムを必
ずしも用いる必要はなく、フッ化物で代替することも可
能である。
またホウ酸カルシウムはホウ酸と酸化カルシウムの構成
比によって数種類の化合物が存在するが、本発明で使用
されるホウ酸カルシウムはこれらのうちのいずれであっ
ても特に支障はないものの、好ましくは前記の中村の報
告にあるホウ酸カルシウムであり、化学式は2CaO・
3B203である。
焼結助剤のもうひとつの機能としては、焼結体の緻密化
、物性値(主として熱伝導率)の向上があげられる。酸
化アルミニウム、酸化ホウ素、酸化カルシウム、炭化カ
ルシウム、カルシウムシアナミド、炭酸カルシウム、硝
酸カルシウム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム
、酸化イツトリウム、炭化イツトリウム、硝酸イツトリ
ウムがこれに該当する。これらは、組成、温度などの条
件を適当に選択することにより、液相を生成するなどの
理由によって緻密化を促進し、物性値、特に熱伝導率を
向上させる。
一例として、酸化カルシウムを添加した場合について記
述すると、MあるいはAQN表面に存在する酸化アルミ
ニウムと酸化カルシウムとが反応してアルミン酸カルシ
ウムを生成する。このアルミン酸カルシウムが1400
℃前後で融解し、液相焼結によって緻密化が促進される
。また反応によって表面の酸化物層を除去することによ
り、焼結体の熱伝導率が向上する。
焼結助剤の機能としては上述の2通りがあり。
各焼結助剤はその発現効果の大小により、どちらかに分
類され得る。しかしながら助剤には両者の機能を併有し
ている場合も多く、ひとつの助剤で両者の効果を発現さ
せることも可能であるため、助剤はフッ化物、ホウ酸カ
ルシウムを単独で用いることも可能であり、また2種以
上の複数種を併用することも可能である。さらに必要に
応じて酸化アルミニウム以下の前記の化合物を1種以上
併用することも可能である。
助剤の添加量は0.01〜30wt%が好ましく、より
好ましくは0.01〜2Qwt%、さらに好ましくは0
.05〜10wt%である。焼結助剤の一部は焼結時に
揮散し、また残りの大部分は焼結体中に酸化物、あるい
は複合酸化物などとして残存するため、0.01wt%
未満の添加では前述の焼結助剤としての機能が十分に発
現せず、30wt%超では焼結体中に残存する助剤量が
過多となり、複合焼結体の特性が失われることとなる。
助剤の適正添加量は助剤の種類にもよるが、前述の如く
、おおむね10wt96以下である。しかしながら10
wt%以上の助剤の添加においても30wt%を越えな
い範囲においては焼結体には何ら不都合となる要因はな
く、本発明においては好適に使用され得る。
これらの原料の混合方法としては、特に限定を受けるも
のではなく、公知の方法による乾式混合、湿式混合が使
用可能であるが、好ましくは湿式混合である。用いる分
散媒体は特に限定されず、アルコール類、炭化水素類、
ケトン類が好適に用いられる。水は窒化物粉末と反応し
てアンモニアガスを発生させる可能性があるため、特に
必要がある場合を除き用いない方が良い。
成形方法も特に限定を受けるものではなく、プレス成形
、鋳込成形、射出成形、ドクターブレード等によるシー
ト成形などの公知の方法を利用することが可能である。
しかしながらプレス成形、シート成形などを用いた場合
には、成形条件によりBNの鱗状粒子が配向して積層す
る場合がある。
配向による積層が生じた場合、配向面と垂直方向の熱伝
導率は小さくなり、また熱膨張係数は大きくなる。−力
積層面と平行方向では熱伝導率が大きく、熱膨張係数は
小さくなり、結果として焼結体に異方性が生じることと
なる。これらの異方性を発現させるか否かについては、
目的、用途に応じて使い分けることが好ましい。
焼結は窒素ガスを含んだ非酸化性雰囲気下で行うことが
好ましい、これは原料中に含まれる窒化物、あるいは金
属成分の酸化を防止するためである。特に金属Bや金属
Mを原料中に含む場合においては、窒素ガスを含有する
還元性雰囲気下で焼結し、金属成分の窒化を促進させる
のが好ましい、窒素ガスを含んだ還元性雰囲気としては
、アンモニアガス単体、アンモニア−窒素混合気体。
窒素−水素混合気体などがあげられる。
窒素の含有量としては約lOマo1%以上であれば、窒
化反応は進行する。金属成分の窒化反応は原料の種類、
焼結助剤などによっても異なるが。
通常1000〜1500℃程度で完了する。したがって
焼結時1500℃まで窒素を含有する還元性雰囲気とし
、以後窒素を含有する不活性ガス雰囲気とすることが好
ましい、この操作によってCaB6 、 AlB12な
どの不純物化合物などの生成を抑制することが可能とな
る。 1500℃において焼成する場合は、少くとも1
500℃における保持の間、および降温時は不活性ガス
雰囲気とするのが好ましい、特にカルシウム系の化合物
は、還元性雰囲気下においてはその揮散がはやいため、
カルシウム系化合物を助剤として用いる場合には、助剤
としての効果を発現する前に揮散する可能性があるため
、特に厳密な注意を必要とする。
焼結の最高保持温度は1500℃以上を必要とする。 
1500℃未満では焼結体は得られるものの緻密化が充
分進んでおらず、物性値も所望のものが得られない、ま
た2000℃を越える温度は、焼結体製造において何ら
不都合となる要因はないが、温度を上げただけの緻密化
効果、物性値の向上は認められないため経済的でない、
焼結時における昇温速度は金属成分の窒化反応焼結時は
ゆるやかな昇温速度とし、必要に応じて温度保持等を施
すのが好ましい、また最高温度における保持時間は、さ
ほど顕著な影響は及ぼさないものの低温の場合には長時
間、温度が高くなる程短時間での焼結が可能となり、通
常はl、〜lO時間程度の範囲で決めら終る・ また、本発明の方法によれば、焼結は生成した窒化物が
成形時の空隙に充填される形で進行するため、焼結前後
での形状変化がほとんどなく、寸法精度の高い焼結体の
作製が可能である。
以下1本発明を実施例に基づいて説明する。
実施例1 結晶質の塊状B (Harmann C,5tarck
社製、純度89.5%、粒径3′〜8腸■) 、 BN
粉末(電気化学工業社製、CPグレード、粒径1〜5I
Lm)、金属M粉末(東洋アルミニウム工業製、純度9
8.3%以上、平均粒径7〜8用m) 、 Atq粉末
(徳山作達製、Fグレード、純度98.9%以上、粒径
1.8牌m以下)、および焼結助剤としてCaF2(日
本石灰工業所製)、および前述の中村の論文(工業化学
雑誌、72.t?]、1489 (1989))に従っ
て作製した2CaD・3B20.(非晶質)を第1表に
示した割合に秤量し、アルミナ製ボールミルを用いてア
セトン中24時間湿式粉砕、混合を行った。
得られた混合粉末の粒径を調べたところ、最大で7μm
であった。この混合粉末を500kg/c■2の圧力で
予備成形し、さらに7000kg/c鵬2の圧力で静水
圧成形し、50X 50X 5 amの板状試験片を得
た。この試験片を1300℃まではN2:H2=3:1
マo1比の混合気流、1300℃到達後は、Nガス気流
中で1800℃まで昇温し、6時間保持後冷却した。
焼結体の嵩密度、熱伝導率は第1表に示した通りである
が、焼結体には88粒子の配向に起因する異方性が存在
したが、熱伝導率は積層体を横切る方向で測定した。な
おX線回折の結果、金属残留物は認められなかった。
実施例2 非晶質B粉末(Hersann C,5tarck社製
、純度95%以上、平均粒径1.0 p、 m以下) 
、 BN粉末(実施例1と同一)、金属M粉末(実施例
1と同一)、AQN粉末(実施例1と同一)、および焼
結助剤として(:aF2 (実施例1と同一) 、 2
Ca0・3B2 o3、CaO、CaC7,Y2O5を
第1表に示す割合に配向し、ポリアミド製ボールミルを
用いてアセトン中24詩間、湿式混合を行った。助剤と
して用いた試薬はいずれも特級グレードである。
混合粉末を100kg/c+s2の圧力で予w4成形し
、7000kg/cm2の圧力で静水圧成形し、実施例
1と同様50X50X5m■の板状試験片を得た。焼成
は1300℃までNH3:N2=1:1の混合気流、1
300℃到達後はNガスのみで1500℃まで昇温し、
 1500℃で6時間保持後炉冷した。得られた焼結体
の嵩密度を第1表に示した0本実施例の焼結体には88
粒子の配向は認められず、また金属残留物も認められな
かった。
実施例3 実施例2と同一の原料粉末、同様の方法により、第1表
に示した配向割合の板状試験片を作製した。焼成は18
00℃で6時間とし、1300℃まではN2:H2=3
:1の混合ガス気流中、1300℃到達後は焉ガスのみ
とした。嵩密度、熱伝導率、88粒子の配向性、金属残
留物について第1表に示した。
実施例4 8875wt%−AQN 25wt%の組成において、
原料、焼結助剤を第1表に示した割合で配向し、実施例
2と同様の方法により板状試験片を作製した。ただし使
用したBN粉末は三井東圧化学社製111BN−250
(平均粒径0.01μm)と同じく三井東圧化学社製M
BN−050(平均粒径0.1〜0.2μm)の4:1
の混合物である。
焼結温度は、助剤としてCaF2とY2O3をともに添
加した試料については1900℃、その他は1800℃
で6時間とした。雰囲気は1100℃までN2:H2=
3:lの混合気流中、1100℃到達後は為ガスに切り
換えた。焼結前後における寸法の変化は、いずれの焼結
体においても長さ方向で3%以内、厚さ方向では2%以
内であった。また得られた焼結体の諸性性値を第1表に
示す。
実施例5 実施例2と同一の原料粉末、同様の方法により第1表に
示した様なりN−AQHの組成比が異なる板状焼結体を
作製した。焼結体の嵩密度、熱伝導率を第1表に示す。
実施例6 実施例5と同一試料を用い、同様の方法により焼結体を
作製した。ただし焼結温度は2000℃で2時間とした
。焼結体の嵩密度、熱伝導率を第1表に示した。
(以下余白) 発明の効果 以上の説明から判るように、本発明によれば電気的には
絶縁体であり、比較的高熱伝導率、低熱膨張で耐熱衝撃
性に優れ、低誘電率で切削加工が容易でありかつ、焼結
前後の寸法変化が小さく、ICパッケージ、IC基板用
材料、室温から高温まで使用可能な電気絶縁性放熱材料
、耐熱衝撃性材料、あるいは溶融金属、溶融塩、スラグ
等に対する耐食材料などとして好適に利用され得るBN
、AlNを主成分とした複合焼結体を加圧することなし
に、比較的低温で製造できることが明らかであり、産業
上極めて有用である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)窒化物換算で35〜95wt%の金属Bおよび/
    または六方晶BNに対して、窒化物換算で65〜5wt
    %の金属Alおよび/またはAlN(ただしBNとAl
    Nの組合せは除く)、および焼結助剤0.01〜30w
    t%よりなる粉末混合物を成形し、窒素を含有する非酸
    化性雰囲気下、窒化反応焼結を行うことを特徴とするB
    N−AlN系複合焼結体の製造方法。
  2. (2)焼結助剤としてフッ化アルミニウム、フッ化カル
    シウム、フッ化イットリウム、ホウ酸カルシウムのうち
    の1種または2種以上を用いる請求項(1)記載のBN
    −AlN系複合焼結体の製造方法。
  3. (3)請求項(2)に記載した焼結助剤に加えて、酸化
    アルミニウム、酸化ホウ素、酸化カルシウム、炭化カル
    シウム、カルシウムシアナミド、炭酸カルシウム、硝酸
    カルシウム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム、
    酸化イットリウム、炭化イットリウム、硝酸イットリウ
    ムからなる群から選ばれた少くとも1種を併用する請求
    項(1)記載のBN−AlN系複合焼結体の製造方法。
  4. (4)焼結時、雰囲気を、金属成分の窒化反応が終了す
    るまで窒素を含有する還元性雰囲気、終了後を窒素を含
    有する不活性ガス雰囲気とする請求項(1)ないし(3
    )記載のBN−AlN系複合焼結体の製造方法。
  5. (5)用いる六方晶BN粉末の最大粒径が10μm以下
    であり、かつ用いる金属Bの最大粒径が20μm以下で
    ある請求項(1)ないし(4)記載のBN−AlN系複
    合焼結体の製造方法。
  6. (6)用いるAlN粉末の平均粒径が2μm以下で、か
    つ金属Alの粒径が0.1〜20μmの範囲にある請求
    項(1)ないし(5)記載のBN−AlN系複合焼結体
    の製造方法。
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