JPH01294578A - 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〕 本発明は高い熱伝導率を有す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〕

窒化アルミニウムは、その理論熱伝導率が６２０ｗ／ｍ
、にと高いうえ、焼結助剤を添加することで常圧におけ
る緻密化が充分達成され、電気的性質もアルミナ基板と
同等であるので、絶縁放熱用途としてきわめて有望な材
料である。

通常、焼結助剤として、希土類化合物やアルカリ土類金
属化合物が使用されるが、これらは、窒化アルミニウム
表面に不可避的に存在する酸素と反応し、液相を生成さ
せ、成形体の緻密化を促進させるとともに、酸素が窒化
アルミニウム粒子内に拡散固溶するのを阻止する役割を
も果九し、結果的には窒化アルミニウムの熱伝導率を向
上させるものである。最近、窒化アルミニウム原料粉の
高純度化の進歩とともに、より効果的な焼結助剤、例え
ばｙ、ｏ３．　ＹＦ３等の使用により、それから得られ
る窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率は向上の一途をた
どっており、従来は３Ｑｗ／ｍ−に程度であつ九ものが
、１５０　ｗ　／　ｍ−に以上の熱伝導率全方する焼結
体も開発されつつある。しかしながら、窒化アルミニウ
ムの理論熱伝導率を考えると、これらの改良され次焼結
体でも、その半分をわずかに超えているにしか過ぎない
。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、上記問題点を解決する几め鋭意検討を重
ねた結果、焼結助剤を添加し、常圧焼結させ九焼結体か
ら、加圧処理により粒界相全除去することで、熱伝導性
の優れた窒化アルミニウム焼結体が得られることを見い
出し本発明を完成し九〇 口課題金解決するための手段〕 すなわち、本発明は、窒化アルミニウムと焼結助剤を含
む温合粉末を成形後、非酸化性雰囲気中焼成して常圧焼
結体を作製した後、この焼結体を非酸化性雰囲気中、１
６００℃以上の温度にて加圧処理することを特徴とする
もので、とくに好ましくは、加圧処理方法として一軸加
圧法で行ない、その際の圧力ｋ　２０　ｋｇ／ｃｍ２以
上とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法である。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

窒化アルミニウム焼結体を作製するに際し、焼結助剤ｔ
−添加する効果としては、液相を生成し緻密化を促進さ
せるばかりでなく、とくに重要な効果として、窒化アル
ミニウム表面に存在する酸素と反応して、粒子内にこれ
らの酸素が拡散固溶するのを防ぐ点にある◎ 例えば、焼結助剤を添加せず、ホットプレス法にて緻密
化させ九焼結体の熱伝導率はせいぜい６Ｑ　ｗ　／　ｍ
−にであるのに対し、不純物となる焼結助剤を添加する
と１５ＤＷ／ｍ−に’！に超える焼結体が得られている
。焼結助剤として、例えば酸化イツトリウムを添加した
場合を例にとると、窒化アルミニウムと酸化イツトリウ
ムの混合系においてイツトリウムアルミネート相を形成
せしめることにより、酸化イツトリウムが窒化アルミニ
ウム含有酸素の捕獲剤として働き熱伝導率を高めている
。

さらにイツトリウムアルミネート相（３Ｙ２０３・５Ａ
ｔ２０３　、　Ｙ２Ｏ３・Ａｔｚ０３　＊　２Ｙ２０３
・Ａｔ２０３　）のうちでも、酸化イツトリウムを多く
添加し、”１０３・Ａｔ２０３や２Ｙ２０３・Ａｔ、０
３　すどＹ２Ｏ３全多く含す相’を形成せしめることが
、よシ高い熱伝導率をもたらす条件であるとされている
。

しかしながら、これらの方法を用いても、その熱伝導率
は２００　Ｗ／ｍ−に程度のものしか得られず、その理
論熱伝導率３２０Ｗ／ｍ−ｋには遠く及ばない。

本発明者らは、この原因について検討したところ、本来
、熱伝導率を向上させている焼結助剤が、熱伝導率の大
きな向上にはかえって不純物として働くこと、即ち、焼
結助剤と窒化アルミニウムの含有酸素とが反応して生成
する粒界相成分の存在が熱伝導率の大きな向上を阻害し
ていることを見い出したものである。

すなわち、本発明者らは、焼結助剤を添加して作製し之
焼結体の熱伝導率及びその焼結体から粒界相を除去する
方法、さらには粒界相のなくなった焼結体の熱伝導率に
ついて詳しく比較検討を行ったところ、粒界相を除去す
る方法としては、常圧焼結体の加熱加圧処理が有効であ
シ、とくに加圧手段としては一軸加圧法が好ましく、ま
た、この処理全行なうに際し、圧力・温度条件は、粒界
相を構成している成分で異なってくるが、温度１６００
℃以上とくに好ましくは１８００〜２００００Ｃにて加
熱すること、一方、圧力としては、２０ｋｇ　／　ｃｍ
２以上好ましくは１００〜４００に９／ｃＩＩＬ”がよ
いことを確めたものである。

このような条件にて、粒界相が何故除去できるかは未だ
明らかではないが、本発明者らの推測するところでは、
高温において粒界相が再び液相化もしくは粘性をもつこ
とによって、外部に移動しやすい状態になつ次ためと考
えている。

これらの方法によって作製された焼結体の加圧処理前後
の熱伝導率の向上度合は、加圧処理前の焼結体の粒界柏
葉に大きく依存しており、例えば、醸化イツトリウムの
場合、２重量％添加した焼結体の加圧処理で２０Ｗ／ｍ
−に以上、４重量係の添加では３Ｑｗ／ｍ−に以上の熱
伝導率の向上がある。

さらＫは、加圧処理前にＹ２Ｏ３・Ａｔ２０３相が存在
する焼結体の加圧処理では、粒界相が除去された後に２
３０ｗ／ｍ−ｋｔ超える焼結体にもなる。

また、本発明のように常圧焼結体を加圧加熱処理して粒
界相を除去する方法と、はじめから焼結助剤を添加し加
圧加熱処理する方法とを比較したところ、焼結体はいず
れもＡｔＮ単相でありながら、後者は熱伝導率が著しく
低いものしか得られなかったものであり、これは、本発
明においては、加圧処理をする前に常圧成形体の緻密化
が重要な役割を果していること金示すものである。

本発明においては、加圧処理される常圧焼結体の緻密化
度合は、相対密度で８５幅以上であることが好ましい。

このような焼結体を得るに際しての焼成温度としては、
通常、１６００〜２１００℃好ましくは１７００〜２０
００℃が適用される。

焼成温度が１６００℃未満では密度が極めて低くなって
し捷い、一方、２１００℃金超えては、窒化アルミニウ
ムの分解が著しいためである。

中 本発明で使用され焼結助剤は、希土類及び／又はアルカ
リ土類金属の化合物が望ましく、ここで希土類化合物と
は、Ｙ　、　Ｌａ　、　Ｃｅ、　Ｇｄ　、　Ｄｙ等の元
素を含む、酸化物、窒化物、炭化物、ノ・ロゲン化物、
水素化物又は加熱によってそれらになるものをさす。ま
た、アルカリ土類金属の化合物とは、Ｃａ　、　Ｓｒ　
、　Ｂａ　を含む、酸化物窒化物、炭化物、ハロゲン化
物、水素化物又は加熱によってそれらになるものをさす
。これらの焼結助剤の添加量としては、通常、１〜１０
重鎗チ好ましくは２〜６重量％である。１重量％未満で
は常圧焼結体の熱伝導率は低くなシ粒界相を除去した焼
結体の熱伝導率の向上が小さくなる。一方、１０重ｔｌ
−超えると加圧処理による粒界相の除去が困難となる。

〔実施例〕

以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的に本発明を
説明する。

実施例１ 酸素含有量が１．０重量％である窒化アルミニウム粉１
００重量部に酸化イツトリウムを各々４゜６＃８重量部
添加後、さらにポリメチルメタアクリレートのトルエン
醇液を添加し、混合粉末を得た。この混合粉末をアルミ
ナ裂ボットに入れ、ボールミルで充分混合したのち、乾
燥後、圧力４００ゆ／　ｃｍ”で−軸加工成形し、３０
ｍφ×５騙ｔの成形体を得次。これらの成形体ｔ”Ｎ２
中、７００℃で加熱し、脱脂処理を行なった後、Ｎ２１
気圧中、１９００℃で２時間焼成して常圧焼結体を得九
。

この常圧焼結体につき、密度、構成相、熱伝導率全確認
したのち、さらに、Ｎ２中（１気圧）、１９００°０．
３時間、圧力３５０ｋｇ／礪２でホットプレスを行ない
焼結体を得た。これらの焼結体につき、密度、構成相、
さらに熱伝導率を測定した。

その結果を表１に示す。

実施例２ 酸素含有量１．５重量％である窒化アルミニウム粉１０
０重景部に酸化イツトリウムを６重量部添加後、以下、
実施例１と同様の工程金へて、成形体全作製し友。

得らｉ之成形体を、Ｎｔ中（１気圧）で１８５０℃、４
時間焼成した。得られた焼結体について、密度、構成相
及び熱伝導率を測定後、以下の（１１〜（３）の条件で
ホットプレス処理ｔｍし九。

（１１Ｎｚ１気圧中で１６００℃、１２時間ホットプレ
ス（圧力４００ｋｌｉ’／α２） （２１Ｎ２１気圧中で１７００℃、１０時間ホットプレ
ス（圧力３００　ｋｇ／ｃｒｎ”　）（３１Ｎａ１気圧
中で１９００℃、８時間ホットプレス（圧力２００ゆ／
傭２） 得られた焼結体の密度、構成相及び熱伝導率の測定結果
全表２に示す。

実施例６ 酸素含有量が０．９重量％である窒化アルミニウム１０
０重量部にフッ化イツトリウムを各に３及び５重量部添
加後、実施例１と同様の方法にて成形体を作製した。こ
れらの成形体ｔ２０００℃、１時間、Ｎ２中で常圧焼結
し焼結体を得た。この焼結体音、フッ化イツトリウム３
重量部添加については、Ｎ８中、１９５０℃、１５時間
、２０ｋｇＺ１２下の圧力下、５重量部については、Ｎ
２中、１９００℃、４時間、３５０ゆ／停２の圧力下で
ホットプレスし焼結体を得た。これらの焼結体につき、
加圧処理前後における焼結体の密度、構成相及び熱伝導
重金測定した。その結果を表３に示す。

実施例４ 酸素含有量が２．０重ｉチである窒化アルミニウム１０
０重量部に酸化イツトリウム全５重量部添加し、以下実
施例１と同様な方法にて成形体を作！８ｉ後、この成形
体をＮ２中、１７００℃、１０時間焼成し常圧焼結体を
得念。この焼結体を、Ｎ２１気圧中、１８００℃にて１
時間、圧力２００ｋｇ／ｃｒｎ２下でホットプレスし、
さらに昇温し１９５００Ｃにて、圧力３００　ｋｇ／　
ｃｍ”で３時間ホットプレスした。加熱加圧処理前後の
密度、構成相及び熱伝導率の測定結果を表４に示す。

表　　　４ 実施例５ 酸素含有量が１．２重量％である窒化アルミニウム粉１
００重量部に酸化カルシウム全容々１．０゜１．５重量
部添加し、以下実施例１と同様な方法にて成形体を得た
。

この成形体ｋＮ２中、１９００℃、４時間常圧焼結した
のち、さらに、Ｎ２中１９５０℃、５時間、４００ｋｌ
？／α２の圧力下ホットプレスを行なった。加熱加圧処
理前後にお叶る焼結体の密度及び熱伝導＄１−測定した
結果を表５に示す。

実施例６ 酸素含有量が１．０重ｌｔチである窒化アルミニウム粉
１００重量部に、フッ化カルシウムヲ各々１．０　、２
．０重量部添加し、以下実施例１と同様な方法にて成形
体を炸裂した。この成形体を、Ｎ２中、１８５０°０．
６時間焼成して常圧焼結体全作製後、さらに１９００℃
にて１２時間、圧力２５０ｋｌ　／　ａｎ２のもとてホ
ットプレス全し九。

加熱加圧処理前後における焼結体の密度及び熱伝導率の
測定結果を表５に示す。

なお、加熱加圧処理前後における焼結体の構成相を調べ
たところ、処理前において多量に存在していたカルシウ
ムアルミネート相が処理後除去され之ことを確認した。

工法にて粒界相を除去することにより、高い熱伝導性を
有する窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。

特許出願人　　電気化学工業株式会社 手続補正書 昭和６３年６月１５日 特許庁長官　　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示 昭和６３年特許願第１２１９２７号 ２、発明の名称 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　■１００　東京都ｆ代田区有楽町１丁目４番１号
明細書の発明の詳細な説明の憫 ５、補正の内容 明細書第６頁第１１行の「Ｙ２Ｏ３・Ａ２□０３」をｒ
２ＹｚＯｚ・Ａ　１　ｚ　ＯｓとＹｚｏ２ｕに訂正する
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウムと焼結助剤を含む混合粉末を成
   形後、非酸化性雰囲気中焼成して常圧焼結体を作製した
   後、この焼結体を非酸化性雰囲気中、１６００℃以上の
   温度にて加圧処理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。