JPH02255574A - 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］ 本発明は窒化アルミニウム粉末を主成分とする原材料に
よって所定形状に成形された成形体を加熱焼成する窒化
アルミニウム焼結体の製造方法に関する。

［従来の技術］ 一般に、窒化アルミニウム焼結体は電気絶縁性、熱伝導
性及び機械的強度等に優れた特性を有するため、電子回
路用基板として利用されている。このよう３窒化アルミ
ニウム焼結体の製造方法としては、例えば、特公昭６３
−４６０３２号公報に開示されているように、窒化アル
ミニウム単独での難焼結性を解決するため、窒化アルミ
ニウム粉末及び焼結助剤を含む原材料を所定形状の成形
体に成形した後、１６００〜１８００℃で常圧焼結した
り、前記原材料をホットプレス法によって焼成したりす
る方法がある。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記のホットプレス法では、多大な設備費を
要求されるばかりでなく、複雑な形状の焼結体の生成が
困難で、生産性も低いという問題がある。一方、上記の
常圧焼結法によって製造された焼結体には、窒化アルミ
ニウムと焼結助剤とによって生成される異物の層が粒界
に形成され、それに起因するものと推察されるが、その
異物層による局部的な灰色のシミや縞模様が発生し易い
。

即ち、このような外観上の欠点を有することは焼結体内
部の構造が不均一であることを意味し、その使用におい
て悪影響を及ぼす恐れがあるため、このような焼結体は
製品から除外される。そのため、生産性が低くなり、原
材料も無駄に消費されるという問題があった。

また、これら外観上の欠陥は材料の性能、例えば電子回
路基板としての熱伝導率あるいは導体回路との密着性等
に影響をもたらし、均一な性能を得られないことがあっ
た。

本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、そ
の目的は局部的な灰色のシミや縞模様等の発生を未然に
防止して、色調と性能即ち構造の均一な窒化アルミニウ
ム焼結体を、常圧で確実かつ安価に製造することが可能
な窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供することに
ある。

［課Ｕを解決するための手段及び作用］上記課題を解決
するために、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方
法は、窒化アルミニウム粉末を酸化物焼結助剤を併用し
て焼結する方法において、ルツボに、窒化アルミニウム
粉末を主成分とする原材料から成形された成形体を、前
記ルツボ内面から離間させた状態ア収容すると共に、焼
成時におけるルツボ内の酸化アルミニウムの蒸気圧を制
御するために、前記ルツボ内に酸化アルミニウム成分を
含む粉末を収容して、加熱することとした。

一般に、窒化アルミニウムを常圧焼結するために焼結助
剤としてイツトリウム等のＨａ族元素の酸化物を併用す
る焼結過程では、窒化アルミニウム（以下ＡｊＮと略す
）粒子の結晶粒界に、酸化物助剤（Ｍ２０ｓ　、ＭはＩ
ｔＩａ族元素）と、酸化アルミニウム（ＡＪ＋　２０ｓ
　）との共融物が溶出している。このＡｊ２０ｉは、原
料ＡＪＮ中に含まれた不純物と、ＡＪＮとＭ　２０　ｓ
との反応によって生じるものとを含むものである。加熱
終了後、冷却するとＡｊＮ粒子の結晶粒界には、組成式
％式％ で表されるガーネット型構造の析出物と、組成式２Ｍ＊
　Ｏｓ　−Ａｊ２０ｓ で表されるペロブスカイト型構造の析出物とが現れ、こ
のペロブスカイト型構造の析出物が前述の色調及び性能
を阻害する原因となる。尚、焼結助剤としてｉｌａ族元
素の酸化物を使用した場合も上記と同様の現象を生ずる
。

本発明では、酸化アルミニウム成分を含む粉末をルツボ
内に収容しておくことによって、ルツボ内気相の酸化ア
ルミニウムの蒸気圧を制御し、この蒸気圧制御によって
、焼成時、ＡｊＮ粒子の結晶粒界に溶出したＡｊ２ｏｓ
がルツボ内気相に揮散するのを抑制する。そして、結晶
粒界における共融物組成がＡｊ２０ｓに対し酸化物割合
の多いものになるのを極力阻止し、加熱焼成後の冷却過
程において、酸化物割合の多い組成を有するペロブスカ
イト型構造析出物の析出を抑制すると共に、Ａ　ｊ　＊
　Ｏｓ割合の多い組成を有するガーネット型構造析出物
の現出を促進する。こうして、前述したシミや縞模様等
の発生が防止される。

以下に、本発明における窒化アルミニウム焼結体の製造
方法について詳述する。

原材料は、１００重量部のＡＪＮ粉末と、ｎａ族又は１
［ａ族元素の酸化物からなる適量（０，１〜２０重量部
）の焼結助剤と、適量（１〜１０重量部）のアクリル樹
脂等からなるバインダーとを含んでいる。

焼結助剤としては、酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ、）、酸
化セリウム等の希土類を含むＩ［［ａ族元素の酸化物が
用いられる他、ＩＩａ族元素酸化物も使用可能である。

このような焼結助剤をＡｊＮ粉末に添加することで原料
粉末の融点を下げ、焼成温度域におけるＡｊＨの焼結を
促進する。焼結助剤が前記所定量よりも過剰に存在する
と、ＡＪＩＮ粒子の粒界に多量の析出物が生成してシミ
等が出易くなり、前記所定量に満たないと、Ａ１Ｎ焼結
体の強度低下を招く、尚、特に焼結助剤としてＹ２Ｏ５
を用いた場合、焼結体の熱伝導率が向上する。

また、バインダー量が前記所定量よりも過剰に存在する
と、ＡｊＮ焼結体の不純物濃度が増加し、前記所定量に
満たないと、成形体の成形に支障を来す。

上記原材料を混合、乾燥させた後、所定形状、例えば薄
板状の成形体を得る。成形方法としてはプレス法、ドク
ターブレード法、鋳込、押し出し法等種々の方法を適用
することができる。

次に、この成形体をルツボ内にその内面から離間させた
状態に収容すると共に、ルツボ内には酸化アルミニウム
成分を含む粉末を収容して、加熱焼成する。

焼成用治具としてのルツボは、窒化硼素によって成形さ
れることが好ましい、窒化硼素は窒化アルミニウムとの
反応性が低く、高温（１８００〜２５００℃）でも安定
であり、本発明の治具材料として好適である。特に、一
般に使用されている黒鉛製ルツボとは異なり、黒鉛の酸
化反応により生成される一酸化炭素によって焼結体の緻
密化が阻害されるという問題が生じないという利点があ
る。また、ルツボはＡｊＮで成形されてもよいが、窒化
硼素に比較し耐久性が低くコスト高となる。

酸化アルミニウム成分を含む粉末としては、ＡＪＩＮ粉
末と前記酸化物助剤との混合物が使用できる。ＡＮ　Ｎ
の粉末原料は０．５〜１．０重量％の酸素濃度に相当す
るＡ４１２０ｇを含有しており、また、前記両成分の反
応によってＡｌｌ　２０．が生成するためである。従っ
て、酸化アルミニウム成分を含む粉末としてＡｊＮ粉末
を単独で用いても良く、高純度のＡ１□Ｏｓ粉末を使用
してもよい。

ＡＩＩＮ粉末と前記酸化物助剤との混合物による場合、
混合粉末の融点降下によってＡｊ２ｏｓ蒸気が発生し易
くなり、ルツボ内を短時間でＡｊｚＯ１蒸気で飽和させ
ることができる。

また、前記ＡｊＮと酸化物助剤の配合組成は前記成形体
の原材料の配合組成と同一にすることが好ましく、これ
によってルツボ内気相のＡｌ２Ｏ、蒸気圧は１．ＩＮ焼
結体の結晶粒界に溶出しているＡｊ２０ｉとの平衡状態
を保持できる蒸気圧になる。

成形体をルツボ内面から離間させるために、ＡｊＮを主
成分とする敷粉を介在させたり、成形体とルツボ内面と
の間に窒化硼素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム
等の耐熱性材料によって形成された脚台を介在させる。

この場合、成形体は脚台により３点あるいは４点の点接
触状態で保持され、接触面積は極めて少なく設定される
。これによって、焼結体の結晶粒界に溶出した余剰の酸
化−助剤が敷粉中に吸収され、あるいは結晶粒界から流
れ落ちる。そのため、結晶粒界にはシミや縞模様が発生
しなくなる。また、詰粉を使用する場合より、粉を節約
することができる。

更に、前記酸化アルミニウム成分を含む粉末として、上
記敷粉を兼用することが可能である。仮に、敷粉の配合
が成形体の組成とほぼ同じであって焼結時に敷粉が成形
体に付着したとしても、焼結後には容易に敷粉を取り除
くことができる。

前記成形体は窒素雰囲気による常圧下で、所定時間（０
，１〜１０時間）にわたり、所定温度（１６００〜２０
００℃）で焼成される。

焼成温度が前記所定温度を超えると、ＡｊＮ焼結体にお
けるＡｊ！Ｎ粒子が成長しすぎて、強度低下を招き、所
定温度未満であると、粒界に液相が形成されず、焼結が
困雛になる。また、焼成時間が前記所定時間範囲外であ
ると、焼成が不十分になったり、熱エネルギーを無駄に
消費するので望ましくない。

［実施例１〜３及び比較例１〜４コ 以下に、本発明を具体化した実施例１〜３及び比較例１
〜４について説明する。

（実施例１） １００重量部のＡＪＩＮ粉末（平均粒径１．３μｍ）に
対し、５重量部のＹ２Ｏ１粉末及び９重量部のアクリル
樹脂製バインダーを添加して混合し、プレス成形により
薄板状の成形体を得る。一方、ＣＶＤ法により作製され
た相対密度９０％の窒化硼素製ルツボの内底面には、１
００重量部のＡＪＮ粉末（平均粒径１．３μｍ）に対し
、５重量部のＹ２Ｏ５粉末を配合してなる敷粉を敷き詰
め、この敷粉上に上記成形体を載置した後、ルツボ内を
窒素置換して密閉する。そして、このルツボを１８００
℃で１時間加熱して、ＡｊＮ焼結体を得た。

下記表−１に示すように、得られた焼結体の表面には灰
色のシミや縞模ＩＩ（表−１でいう色環）が観察されず
、色調の均一な白色表面を呈していた。尚、窒化硼素製
ルツボは峨密体である方が多孔質体であるよりもＡｊＮ
分子の揮散を防止できるため、少ない敷粉量で同等の効
果を得ることができる。ここで緻密な窒化硼素とは、相
対密度が８５％以上のものをいい、ルツボはホットプレ
ス法による焼結体であるよりも更に緻密なＣＶＤ法によ
る焼結体である方がよい。

（実施例２並びに比較例１及び２） 前記実施例１に対し、実施例２並びに比較例１及び２で
は、敷粉の種類を変更して実施例１と同様に焼成した。

即ち、実施例２では敷粉として窒化アルミニウム粉末を
、比較例１では窒化硼素粉末を、比較例２では黒鉛粉末
をそれぞれ使用した。

下記表−１に示すように、実施例２では焼結体表面に色
環は観察されなかったが、比較例１及び２では色環が観
察された。

（比較例３） 比較例３では、敷粉を一切使用せず、窒化硼素製ルツボ
の内底面に直接成形体を載置して実施例１と同様に焼成
しな。

下記表−１に示すように、比較例３では色環が観察され
た。

（実施例３及び比較例４） 実施例３及び比較例４では、ルツボの種類を変更して実
施例１と同様に焼成した。即ち、実施例３では窒化アル
ミニウム製ルツボを、比較例４では黒鉛製ルツボをそれ
ぞれ使用した。

下記表−１に示すように、実施例３では色環は観察され
なかったが、比較例４ではＡＪＨの焼結性が極めて悪く
、色環が１察された。

表−１実施例１〜３及び比較例１〜４ ＊１）○・・・焼結体表面に色環なし。

Ｘ・・・焼結体表面に色環あり。

＊２）焼結体の焼結性が悪い。

〔発明の効果コ 以上詳述したように本発明の窒化アルミニウム焼結体の
製造方法によれば、焼結体に局部的な灰色のシミや縞模
様等が発生するのを未然に防止して、色調と性能即ち構
造の均一な窒化アルミニウム焼結体を、常圧で確実かつ
安価に製造することができるという優れた効果を奏する
。

特許出願人　　　イビデン株式会社 代　理　人　　　弁理士　恩田博宣 （ほか１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　窒化アルミニウム粉末を酸化物焼結助剤を併用して
   焼結する窒化アルミニウム焼結体の製造方法において、 ルツボに、窒化アルミニウム粉末を主成分とする原材料
   から成形された成形体を、前記ルツボ内面から離間させ
   た状態で収容すると共に、焼成時におけるルツボ内の酸
   化アルミニウムの蒸気圧を制御するために、前記ルツボ
   内に酸化アルミニウム成分を含む粉末を収容して、加熱
   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。 ２　ルツボは窒化硼素によって成形されていることを特
   徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウム焼結体の製
   造方法。 ３　酸化アルミニウム成分を含む粉末は成形体の原材料
   と同一の組成を有することを特徴とする請求項１又は２
   に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 ４　酸化アルミニウム成分を含む粉末はルツボ内底面上
   に敷き詰められ、その粉末上に前記成形体が配置される
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載
   の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。