JPH01305862A - 異方性を有するＢＮ−ＡｌＮ系焼結体およびその製造方法 - 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、ＩＣ基板、ＩＣパッケージ用材料ないしは電
気絶縁性放熱材料などとして利用可能な異方性を有する
ＢＮ−ＡｌＮ系焼結体およびその製造方法に関する。

さらに詳しくは、熱伝導率の異方度が２以上あり、かつ
そのうちの高い方の熱伝導率の値が１５０貿／厘・ｋ以
上である異方性を有するＢＮ−ＭＮ系焼結体およびその
製造方法に関する。

従来の技術 六方晶ＢＮ焼結体は、優れた被切削加工性、耐食性、耐
熱衝撃性、電気絶縁性などの性質を有しているため、さ
まざまな分野で広く用いられている。六方晶ＢＮ焼結体
は通常、酸化物系の助剤を用いたホットブレス法により
製造される。この方法により得られた焼結体は、六方晶
ＢＮの層状の結晶構造に起因する構造的な異方性を有す
ることが知られており（例えばセラミックス、マｏ１．
７、Ｎｏ、４、ｐ、　２４３（１９７２））　、熱伝導
率等の物性値ニモ異方性が存在する。しかしながら、異
方性が存在する焼結体においても熱伝導率はあまり高く
なく、最高で８０Ｗ／ｍ・に程度の値（例えばエレクト
ロニクｅセラミックス、ｖｏｌ、１７、Ｎｏ、８４　、
　ｐ、８Ｂ（１９８Ｂ））が報告されているのみである
。この理由として、酸化物系の助剤ないしは助剤と他成
分との反応生成物が焼結体中に多量に存在するためであ
ると考えられている。

一方、ＭＮ焼結体の熱伝導率の向上については、ＩＣ基
板用材料、ＩＣパッケージ材料向けの材料開発を目的と
して盛んに研究が行われており（例えば特開昭８ｌ−２
７０２ｆｔ４　、特開昭６２−３６０８９、特開昭ｆ３
２−４１７８８など）、室温における熱伝導率が１１０
〜１９５１１１ｍ１１に程度の高い値が報告されている
。しかしながらＡｌＮ焼結体は通常の構造用セラミック
スと同様、切削加工が困難であり、所望の形状に加工す
る際に時間を要し、かつコスト高となるという欠点を有
している。

そこでＡＱＮ焼結体の高熱伝導率を維持しつつ。

主として焼結体の被切削加工性を向上させるためＡＱＮ
に六方晶のＢＮを複合させた焼結体やその製造方法に関
する発明が開示されている０例えば特開昭８０−１θ５
０５９ニは、ＵＮ、ＢＮ、およびＩｌａ族金属、■ａ族
金属化合物からなり、破断面が多角状のＩＮ粒子が充填
され、その粒界の一部または全部に薄層状のＢＮが介在
する焼結体に関する記述がある。

この焼結体の特徴として、普通工具で高速切削加工でき
る、いわゆるマシーナブルセラミック複合焼結体である
と述べている。また、焼結体は均質で、等方的であり、
熱伝導率の例として５５〜１２２豐１１１１１に程度の
値を報告している。

また、本発明者らの出願による特願昭６２−３２９８２
６には、ＢＮ４Ｇ〜８５重量部、ＭＮとＮＯＨの合計量
５〜６０重量部、およびカルシウム化合物、イツトリウ
ム化合物のうちの少なくとも１種の０．０１〜５重量部
よりなる複合焼結体、およびその加圧加熱法による製造
方法に関する記述がある。該焼結体の特徴としては、熱
伝導率、電気絶縁性、低熱膨張率、低誘電率で機械加工
性に優れることなどをあげている。熱伝導率の例として
は４０〜１３５Ｗ／ｍ・に程度の値を報告している。

しかしながら、これらの焼結体においては、優れた被切
削加工性は有しているものの、熱伝導率の値が最高でも
１３５Ｗ／■・にであり、ＩＣ基板、ＩＣパッケージ用
材料、あるいは電気絶縁性放熱材料などへの応用を考え
た場合、十分な熱伝導率であるとはいい難い。

一方、特開昭５８−３２０７３には、ＡｌＮに立方晶な
いしは六方晶のＢＮを最大３０重量％まで配合し、これ
を成形した後、真空中ないしは非酸化性雰囲気中で焼結
するか、あるいはホットブレス焼結することにより高熱
伝導率で電気絶縁性の焼結体を得ている。この焼結体は
８５〜１９！Ｊ／ｍ１１に程度の熱伝導率を有すると報
告されている。しかしながら、焼結体の異方性や普通工
具等による切削加工性に関する記載は見あたらない。

またこれらのＩＮ−ＢＮ複合焼結体にも製造方法によっ
てはＢＮ焼結体と同様ＢＮの構造異方性に起因する構造
異方性、および物性の異方性が存在する場合がある（特
開昭８２−５８３７７）ものの、これまではこの異方性
をなくすための製造方法や、異方性の極めて小さい材料
についての利用方法が検討されてきた。

発明が解決しようとする課題 発明者らは、ＢＮ焼結体の構造異方性を維持したままで
、ＭＮを配合することにより、ＭＮの配合量がある範囲
において、優れた切削加工性は維持されたままで、３次
元直交座標軸のある１軸方向は熱伝導率がそれほどよく
ないものの、残りの２軸方向、換言すればある平面内の
熱伝導率が飛１＆的に向上することを見出し、本発明を
完成させるに至った。

本発明は、優れた被切削加工性を有し、かつ３次元空間
のある２軸方向においては１５０Ｗ／■・に以上の高熱
伝導率を示す異方性を有するＢＮ−ＭＮ系複合焼結体お
よびその製造方法に関する。

課題を解決するための手段 すなわち１本発明は（１）六方晶窒化ほう素２０〜８０
重賃部、窒化アルミニウム８０〜２０重量部、および焼
結助剤０．２〜５重量部よりなり、熱伝導率の異方度が
２以上あり、かつ高い方の熱伝導率の値が１５０Ｗ／ｍ
・に以上である異方性を有するＢＮ−ＪＶｊＮ系焼結体
に関する。

（２）また六方晶窒化ほう素粉束２０〜８０重量部、窒
化アルミニウム粉末８０〜２０重量部、および焼結助剤
０．２〜５重量部からなる混合粉末を真空中あるいは不
活性ガス気流中、１７００〜２２００℃、５〜５０ＭＰ
δでホットブレスすることを特徴とする上記（１）項記
載の異方性を有するＢＮ−Ａ！Ｎ系焼結体の製造方法に
関する。

作用 以下１本発明について詳述する。

本発明の異方性を有するＢ　Ｎ−ＡＲＮ系焼結体は、六
方晶窒化ほう素２０〜８０重量部と窒化アルミニウム８
０〜２０重量部の合わせて１００重量部、および焼結助
剤０．２〜５重量部よりなる。大方晶窒化ほう素と窒化
アルミニウムの合計量に対して、窒化ほう素が２０重量
％近くの組成においては、焼結体の曲げ強さ、ビッカー
ス硬度が比較的大きく、また熱膨張係数が比較的大きく
、かつ異方性が比較的小さい焼結体を得ることができる
。逆に窒化ほう素が８０重量％近くの組成においては、
焼結体は顕著な異方性を示し、ある２次元子面では比較
的低熱膨張で、かつ被切削加工性が極めて良好な焼結体
を得ることができる０組成がこれらの範囲をこえて、窒
化ほう素が２０重量％未満では、焼結体の異方性が顕著
でなくなり、高い方の熱伝導率も窒化アルミニウム焼結
体の熱伝導率とほぼ等しくなり、また構成成分がほとん
ど窒化アルミニウムとなるため、被切削加工性がさほど
良くない焼結体となる。また窒化ほう素が８０重量％超
の焼結体では、曲げ強さが小さく、熱伝導率も低いもの
となる。

本発明の異方性を有する焼結体は、第１図の焼結体の模
式図に示した様に、ｚ軸方向に薄片状の窒化ほう素粒子
が配向、積層した構造を有する。

このため、熱伝導率等の物性値に異方性が生じる。ここ
で異方度という数字を考える。この異方度とは、第１図
におけるＺ軸方向の熱伝導率とＸ軸およびｙ軸を含む平
面Ｃｘｙ平面）上の任意のある方向の熱伝導率の比、す
なわち、ｘｙ平面上の任意のある方向の熱伝導率／２軸
方向の熱伝導率、である、ホットブレス加圧軸を２軸方
向にとった場合、２軸方向にＢＮの積層が生じ、この方
向は熱伝導率が悪い方向となる。一方、Ｘ軸、ｙ軸およ
びこの両軸を含む平面Ｃｘｙ平面）は高熱伝導率を示す
０本発明の焼結体では熱伝導率以外にも曲げ強さ、熱膨
張係数、ビッカース硬度等の物性値にも異方性が存在す
るが、本明細書中でいう異方度とは、あくまでも熱伝導
率についてのみ考える。

本発明の焼結体は２以上の異方度を有し、かつ高い方（
Ｘ軸およびｙ軸を含む平面（ｘｙ平面）上の任意のある
方向の熱伝導率）の熱伝導率の値が１５０Ｗ／層・ｋ以
上である。これらの特性を満たす組成の範囲としては、
窒化ほう素の含有量が窒化ほう素と窒化アルミニウムの
合計量の２０〜８０重ム１％である。窒化ほう素単味の
焼結体においてもこの異方性は存在するが、熱伝導率は
それほど高くなく最高６０冒／ｍ＠に程度であり、１５
０Ｍ／腸・に以上という熱伝導率は窒化アルミニウムを
２０重量％以ｈ８０ｆｆｕａ％まで配合することによっ
て初めて達成されるものである。

焼結体を構成する結晶粒の粒径、特に窒化ほう素の粒径
は焼結体の異方度大きな影響を及ぼす。

本発明の焼結体を構成する窒化ほう素の平均粒径は・Ｌ
ｍ以りであり、好ましくは５牌ｍｋｆ１である。平均粒
径１７ｚｍ以上の窒化ほう素粒子から構成される焼結体
の組成を変えたときの熱伝導率の変化については実施例
で詳述するが、窒化アルミニウムの含有率を増加させた
時、高い方の熱伝導率の値は窒化ほう素が７５〜５０重
量％程度で最大値を示す、さらに窒化アルミニウムの含
有率を増加させると、この高い方の熱伝導率の値は徐々
に減少し、しだいに窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率
の値に近づく。

一方、低い方の熱伝導率、すなわち第１図におけるＺ軸
方向の熱伝導率の変化は、窒化ほう素が５０重量％程度
まではほぼ一定の値を示すが、窒化アルミニウムが５０
屯量％以上になるとしだいにこの熱伝導率の値は大きく
なって窒化アルミニウム焼結体の値に近づき、異方性が
解消される傾向をとる。

この熱伝導率の変化を異方度でみると、異方度は窒化ほ
う素が７５〜５０重量％程度の組成で最大となり、その
値はおおむね１０以上、大きい場合には１５程度にも達
する。窒化ほう素５０重量％程度より窒化アルミニウム
の含有率が多くなると異方度はしだいに小さくなり、窒
化ほう素２０重量％−窒化アルミニウム８０重量％程度
で異方度がおよそ２どなる。

一方、平均粒径１４ｍ未満の窒化ほう素粒子から構成さ
れる焼結体の異方度について簡単に述べる。平均粒径的
０．１１重ｍの窒化ほう素粒子から構成される焼結体の
異方度は本発明の焼結体の１７５〜１／１０程度に減少
する。したがっである特定の組成範囲において、異方度
が２以上で、高い方の熱伝導率が１５０Ｗ／層・に以上
となる。また平均粒径が約０．０１１重ｍの窒化ほう素
粒子から構成される焼結体の場合、異方度はほとんどｌ
に等しくなり、組成比による熱伝導率の変化としては窒
化アルミニウムの含有率が増加するに従って熱伝導率が
単調に増加するという傾向を示す、すなわち１本発明の
異方性を有する焼結体は、焼結体を構成する窒化ほう素
粒子の平均粒径がｌＩＬｍ以上であると窒化ほう素の含
有率が２０〜８０％という組成範囲において、所望の熱
伝導率、および異方度を容易に達成することができる。

ただし、ここでいう窒化ほう素粒子の粒径とは、薄片状
の窒化ほう素粒子の平面方向の大きさであり、厚さ方向
の大きさではない。

また、焼結体には、焼結助剤として従来公知の酸化カル
シウム、炭化カルシウム、カルシウムシアナミド、酸化
イツトリウム、炭化イツトリウム、あるいはこれらと他
成分との反応生成物を０．２〜５重量部含有する。

以下に１本発明の異方性を有するＢＮ−ＡｌＮ系焼結体
を最も好適に製造しうる方法について述べる。すなわち
六方晶窒化ほう素２０〜８０重量部、窒化アルミニウム
８０〜２０重量部、および焼結助剤０．２〜５重量部よ
りなる混合粉末を真空中あるいは不活性ガス気流中、１
７００〜２２００℃、５−５５−５Ｏでホットブレスす
る製造方法である。

窒化アルミニウム原料粉末はこれまでに公知のものが使
用可能であるが高熱伝導率化の観点から平均粒径２ＩＬ
ｍ以下、酸素含有率３．０ｗｔ％以下が好ましく、酸素
含有率１．５ｗｔ％以下が特に好ましい。

窒化ほう素原料粉末もこれまでに公知のものが使用可能
であるが、平均粒径が１ｇｍ以上、好ましくは５４ｍｆ
ｉの粉末を用いた場合１本発明の焼結体を好適に製造す
ることができるため特に好ましい、しかしながら平均粒
径ＩＪＬｍ未猫の原料粉末を用いた場合においても、焼
結助剤、ホットブレス条件などを工夫することにより本
発明の焼結体を製造することが可能である。なお、用い
る窒化ほう素原料粉末の純度はできるだけ高い方が好ま
しい。

焼結助剤としては、酸化カルシウム、炭化カルシウム、
カルシウムシアナミド、酸化イツトリウム、炭化イツト
リウムなどの公知のものが使用できる。六方晶窒化ほう
素と窒化アルミニウムの合計１１Ｖに対して、これらの
化合物のうちの少なくとも１種を０．２〜５重量％添加
し、混合粉末を得る。助剤の添加量は０．２重に％未満
では助剤としての機能が十分に発揮されず、５重量％超
では得られた焼結体中に残留する助剤ないしは助剤と他
成分との反応生成物の量が過多となるため熱伝導率の低
下がおこる。また焼結体の熱伝導率、とりわけ高い方の
熱伝導率の値は焼結助剤の添加量に敏感であるため注意
して添加量を決定する必要がある。

原料および焼結助剤の混合には、ボールミルなどの公知
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。湿式混合に用いられる分散
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。

本発明の焼結体を得るための焼結には一軸加圧であるホ
ー、ドブレス法を用いる。プレス成形した後の常圧焼結
、ＨＩＰの如き等方的な加圧焼結法は、ＢＮ粒子の配向
・積層が起こらなかったり、あるいは起こっても不十分
であったりするため、焼結方法として好ましくない、ホ
ットブレス焼結を行う際には、得られた粉末をそのまま
黒鉛製ダイスに充填する。あるいは１０ＭＰａ程度まで
のできるだけ低い圧力で一軸成形した後、−軸成形のプ
レス軸がホットブレスのプレス軸となる様にダイスに充
填する。混合粉末を静水圧下で高圧プレス（例えば２　
ｔｏｎ／ｃ＋＊２）成形した後、ダイスに充填し、ホッ
トブレス焼結を行うと、焼結体の異方性が減少し、より
等方的な焼結体となる（例えば特開昭６２〜５８３７７
）　。

ホットブレス焼結は１７００〜２２００℃、５〜５０Ｍ
Ｐａの条件で行う、　１７００℃未満では所望の物性値
、特に熱伝導率の高い焼結体が得られないためであり、
２２００℃超では経済的でない、また加圧の圧力が５　
ＭＰａ未満では、焼結体の緻密化やＢＮ粒子の配向を起
こすのに不十分な場合があり、　５０ＭＰａ超ではホッ
トブレスの際に使用できるダイスが限定される。また焼
結の際の雰囲気は、窒化物の酸化を防ぐため窒棗ガスな
どの不活性ガス雰囲気とすることが好ましい、しかしな
がら、ある特定の焼結助剤を用いた場合には、真空中で
焼結を行うことにより、これらの焼結助剤ないしは焼結
助剤と他成分との反応生成物が比較的すみやかに系外へ
放出され、結果として熱伝導率が向上する場合があり、
この様な場合には真空中で焼結することが好ましい。

ＢＮ粒子の配向・積層に起因する焼結体の異方性、およ
びその結果としてし生じる高い熱伝導率はこれまで述べ
てきた製造方法により達成される。

さらに詳細をつけ加えると、ホットブレス焼結の際に焼
結助剤として添加した酸化カルシウム、炭化カルシウム
、カルシウムシアナミドは、窒化アルミニウム表面に不
可避的に生成している酸化アルミニウムと反応し、カル
シウムφアルミニウム酸化物となり、　１４００℃程度
から溶融しはじめる。また酸化イツトリウム、炭化イツ
トリウムを添加した場合には同じく酸化アルミニウムと
反応し、アルミニウム・イツトリウム酸化物となり、１
７００℃以上で溶融をはじめる。

これらの溶融物はしだいに窒化ほう素や窒化アルミニウ
ムをとり囲む状態となり、窒化物粒子の表面に残存する
酸化物層とほぼ完全に反応して粒子表面の純化を行い、
焼結体の熱伝導率を向上させる。またこの溶融物の存在
により、粒子間の緻密化は、■再配列、■溶解−析出、
０合体というプロセス奢経る、いわゆる液相焼結によっ
て進行する。この液相が関与した緻密化のメカニズムに
より、−軸加工によるＢＮの配向−積層を助長し、ホッ
トブレス圧力軸と平行な方向にほぼ完全に窒化ほう素粒
子が積層し、異方性を有する焼結体が得られる。

また本発明の異方性を有するＢ　Ｎ　−ＡＱＮ系焼結体
は、窒化ほう素の含有率が２０〜８０重量％のいずれの
ＭＩ成においても機械的な加工が容易である。

以下１本発明を実施例を用いて説明するが、本発明はか
かる実施例にのみ限定されるものではない。

実施例１ モ均粒子径６ＩＬｍの六方晶窒化ほう素粉末、平均粒子
径１．８Ｂｍ以下の窒化アルミニウム粉末、および焼結
助剤として炭化カルシウムを第１表に示した割合で配合
し、ボールミル中で２４時間、アセトンを溶媒として湿
式混合を行った。

得られた粉末を乾燥した後、黒鉛製ダイスに充填し、毎
分２立の窒素気流中、１８００℃で２時間、４０ＭＰａ
の圧力でホットブレス焼結を行った。冷却速度はｌＯ℃
／ｗｉｎとした。

得られた焼結体の嵩密度、熱伝導率、熱膨張係数、曲げ
強さ、ビッカース硬度、比誘電率、電気抵抗率の測定を
行った。焼結体には異方性が存在するため、熱伝導率、
熱膨張係数、曲げ強さ、ビッカース硬度についてはホー
、ドブレス圧力軸に垂直方向、平行方向の値を並記した
。嵩密度は水を用いたアルキメデス法により、熱伝導率
はレーザーフラッシュ法により、ビッカース硬度は荷重
１〜５ｋｇを用い、熱膨張係数は酸化アルミニウム（コ
ランダム）焼結体を標準物質とした示差方式により０〜
４００℃の平均値をそれぞれ測定し、曲げ強さはＪＩＳ
規格に準じた３点曲げ強さである。

結果を第１表に示す、第１表かられかる様に、窒化ほう
素の含有率が８０〜２０重量％の範囲では異方度が２．
１〜１３．６と顕著な異方性が認められ、また高い方の
熱伝導率がいｆれの組成範囲においても１５０Ｗ／鵬・
に以上を示している。窒化ほう素置有量の減少とともに
熱膨張係数の異方性は緩和される傾向にある。また曲げ
強さはホットブレス圧力軸に垂直、平行の両方の値とも
窒化ほう素置有量の減少とともに増加する傾向にある。

しかしながらこの強度の両方の値の比はいずれの組成に
おいてもほぼ一定で約２である。ビッカース硬度はやは
り窒化ほう素含有率の減少とともに増加するが、窒化ほ
う素含有率が特に５０重量％程度を境にして急激な増加
を示し、異方性もしだいに緩和されることがわかる。

実施例２ 六方晶窒化ほう素原料を平均粒径１０ｐｍの粉末とし、
また焼結助剤として酸化イツトリウムを添加し、実施例
１と同様の方法によりホットブレス焼結を行った。得ら
れた焼結体の物性値を第１表に示す、いずれの組成にお
いても実施例１とほぼ同様の結果が得られている。熱伝
導率は高い方の値が、いずれも１５０Ｗ／諺・に以上、
異方度は２．１〜１４．２であった。

（以下余白） 発明の効果 以上述べた如く、本発明の複合セラミックス焼結体は、
ＢＮ粒子の配向・積層に起因する異方性が存在し、３次
元直交座標のある１軸方向は熱伝導率がそれほど高くな
いものの、残りの２軸方向およびこれらを含む平面内に
おては熱伝導率が極めて高い。

加えて、機械的な被切削加工性が良好であるため幅広い
応用が可ｆ距であり、特にＩＣ，７Ｊ、板、ＩＣパッケ
ージ用材料、ないしは電気絶縁性放熱材料などとして好
適な材料であり、産業上きわめて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図はホットブレス焼結体を模式的に示した図である
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）六方晶窒化ほう素２０〜８０重量部、窒化アルミ
   ニウム８０〜２０重量部、および焼結助剤０．２〜５重
   量部よりなり、熱伝導率の異方度が２以上あり、かつ高
   い方の熱伝導率の値が１５０Ｗ／ｍ・ｋ以上である異方
   性を有するＢＮ−ＡｌＮ系焼結体。
2. （２）六方晶窒化ほう素粉末２０〜８０重量部、窒化ア
   ルミニウム粉末８０〜２０重量部、および焼結助剤０．
   ２〜５重量部からなる混合粉末を真空中あるいは不活性
   ガス気流中、１７００〜２２００℃、５〜５０ＭＰａで
   ホットブレスすることを特徴とする請求項（１）項記載
   の異方性を有するＢＮ−ＡｌＮ系焼結体の製造方法。