JPH0238369A - 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〕 この発明は窒化アルミニクムを主成分とする高熱伝導性
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〕

窒化アルミニクムは、その理論熱伝導率が６２０ｗ／ｍ
−にと高く、しかも機械的強度が優れ、電気的特性もア
ルミナ並みということから、近年、絶縁放熱板としての
用途が注目されている。

しかしながら、従来開発されてきた窒化アルミニウム焼
結体の熱伝導率は、その理論値にくらべ高く、半分程度
であり、本来もっている高熱伝導性を充分に発揮できて
いない。

窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率はその焼結体の純度
に左右されるが、なかでも酸素含有量が大きく効いてい
る。焼結体中の酸素の存在位置は、（１）窒化アルミニ
ウム結晶粒子同士の６１点や粒子の稜（焼結助剤との反
応生成物の形で）（１１）窒化アルミニクム結晶粒子内 のいずれかであるが、特に（１１）の位置に存在する場
合、熱伝導性は著しく阻害される。

通常、窒化アルミニウム焼結体を作製する場合その原料
となる窒化アルミニウム粉には、少なくとも０．８重量
％以上の酸素が含まれており、さらにこの酸素の大部分
が粒子六回に存在することから、これら表面に存在する
酸素をできるだけｍ子内部に同浴させることなく焼成す
ることが、より熱伝導性の優れた焼結体を得る基本であ
り、従来次の方法が行なわれてきた。

（ロ）焼結助剤として、希土類及び／又はアルカリ土類
元素を含む化合物を添加することにより、緻密化を促進
させるとともに、表面に存在する酸素と反応させて、こ
れら酸素を固定化する。

（特開昭３０−１２７２６７号公報） （Ｂ）　　通常の原料粉を、さらに精製することにより
、低酸素含有粉を製造する。（特開昭６１２０’１６６
８号公報） 囚のうち、特に酸化イツトリウムを添加することによっ
てかなりの成果が得られているが、この方法にかいても
、その熱伝導率は、理論値を大きく下まわっている。そ
の原因としては、次の２点があげられる。

（１１Ｙ２Ｏ３を添加したとしても、Ｙ２Ｏ３と入面の
酸素とが反応し℃いる間に、若干量の酸素が窒化アルミ
ニウム粒子内に拡散同浴してしまう。

ｆ２１　　Ｙ２Ｏ３による酸素の固定化をより大きく作
用させるには多量添加が必要となる。これによって、Ａ
ＪＮ粒子内への酸素の拡散は低減できる反面、反応生成
物であるアルミン酸イツトリウム量が増加してしまうた
め、熱伝導率向上は頭打ちになってしまう。

さらに別の問題点として、Ｙ２Ｏ３を多量に添加した場
合、焼結体に色ムラが出やすく、均質な焼結体が得にく
いという欠点もある。

また（Ｂ）の場合、ＡｌＮ粉の製造工程を充分制御する
ことにより、市販品にくらべ、酸素含有量が半分以下の
粉を得ることも可能であるが、ハンドリング等により表
面に酸素が吸着してしまい、よシ広範に使用できる粉と
しての限界がある。

以上のように、窒化アルミニウム焼結体は、その酸素不
純物の制御が充分できていないがために本来の高い熱伝
導性を充分発現できていないという問題点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、このような従来方法では達し得ない高い熱伝
導性を有し、均質なしかも色ムラ等の殆んどない窒化ア
ルミニウム焼結体を製造することを目的とするものであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ね
た結果、窒化アルミニウム粉、酸化イツトリウム粉及び
遊離炭素及び／又は有機重合体の熱分解生成物を含んで
なる形成体を焼成するに際し、その焼成条件を厳しく制
御することで、従来より極めてＹ２Ｏ３含有量が低いレ
ベルにもかかわらず、高い熱伝導率を有し色ムラ等が殆
んどなく均質な焼結体が得られることを見い出し本発明
を完成した。

すなわち、本発明は、窒化アルミニウム粉、酸化イツト
リウム粉及び遊離炭素及び／又は有機１合体の熱分解生
成物を含んでなり、かつ酸化イツトリウム粉の含有量が
窒化アルミニウム粉１００１量 を非酸化性雰囲気中で焼成するに際し、温度１３００’
Ｃ〜１７５０°ＯＫおける滞留時間を２時間以上とした
後１７５０℃を越える温度で焼成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である。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明において使用される窒化アルミニウム粉としては
、通常、金属アルミニウム直接窒化法及びアルミナ還元
窒化法等により製造されたものを使用するが、その製造
履歴等は問題ではなく、むしろ酸素含有量が３１量係以
下特に２１量％以下のものを使用することが好ましい、 従来のＹ２Ｏ３単独添加においては、その添加量は原料
窒化アルミニウム粉の含有する酸素量に応じて変化させ
てきた。例えば、１．２重量％の酸素を含む窒化アルミ
ニウム粉を使用する場合、そのＹ２Ｏ３添加量は少なく
とも５１量％以上とすることにより理論値の半分を越え
る値に到達させてきた。さらに、上記より高酸素濃度を
有する原料粉にあっては、さらにＹ２Ｏ３添加量を多く
して熱伝導性を維持することがなされてきたが、しかし
、これらＹ２Ｏ３単独系では、Ｙ２Ｏ３の多！を添加が
必要なだめ、生成するＡＩＮ以外の構成相が多くなり、
結果として不純物相の量が増加することにより、熱伝導
性向上には、自ずと限界があった。しかも生成するＡＩ
Ｎ以外の構成相量も多いため、しみ出し１集合等による
色ムラ等が生じやすかった。

本発明の特徴の１つは、たとえ、酸素含有量が多い窒化
アルミニウム原料粉を使用したとしてもＹ２Ｏ３量を窒
化アルミ、＝−クム粉１００重量部に対し０．３０〜０
．９２Ｊ重量部という低添加によって、２００　Ｗ／ｍ
−Ｋを越える高熱伝導率でしかも色ムラ等を生じにくい
焼結体を製造することにある。

このように高い熱伝導性を有する焼結体が得られる理由
としては、本発明の成形体中に含まれる遊離炭素や有機
重合体の熱分解生成物等の炭素源による表面酸素還元作
用があげられる。すなわち、（ａ）　　非酸化性雰囲気
中１３００６Ｃ〜１７５０℃の温度範囲で添加した炭素
源によシ表面酸素を充分還元させ除去する。これによシ
、たとえ焼結時に酸素がＡＪＮ粒子内に拡散しても、そ
の量は極く低量に抑えられる。

（ｂ）　　上記（ａ）の温度範囲においては、ＡＪＮ粒
内への酸素の拡散速度は遅い。

（ｃ）　　異面酸素が少ない分だけ、表面酸素固定化剤
及び焼結助剤の役割をつとめるＹ２Ｏ３量を低減できる
。

本発明において、温度１３００℃〜１７５０°Ｇにンけ
る滞留時間を２時間以上と限定しているのは、前記（ａ
）〜（ｃ）の効果をよシ円滑にすすめるうえで必要だか
らである。すなわち、この滞留時間を極端に短かくした
場合、酸素の除去効果が充分に達成されず、しかも、酸
素固定化剤としてのＹ２Ｏ３量も少ないのでＡＩＮ粒内
への酸素の固溶が抑えられ、かつ炭素が残留してしまい
、その結果、後の緻密化段階で液相が阻害されて緻密化
不足を招き、本発明の低Ｙ２Ｏ３添加による高熱伝導化
が達成できないためである。

本発明にｐいて、滞留時間とは、限定した上記温度範囲
に存在する時間をさすものであシ、その温度範囲におけ
る昇温や保持等の操作のすべてを含むものである。好ま
しい滞留操作は１４５０℃〜１６５０℃の温度で６時間
以上である。滞留操作後は１７５０℃を越える温度、好
ましくは真空等の非酸化性雰囲気下で行われる。

本発明において、遊離炭素とは、カーボンブラックやア
セチレンブラック等を意味する。また有機重合体の熱分
解生成物とは、例えば、塩化ビニル樹脂、ポリビニルア
ルコール、酢酸ビニル樹脂等の有機重合体の粒状品又は
粉末を不活性雰囲気中で加熱したものであり、常温にお
いてはピッチ状を呈する固体であり、炭素原子と水素原
子の１量比（Ｃ／Ｈ）を１０〜２５に制御したものが好
ましい。これらの熱分解生成物は有機重合体の種類を問
わず、通常、２００　’Ｏ〜５００’Ｃの温度でＡｒ又
はＮ２中にて熱処理して製造される。

本発明において使用される炭素源は上記遊離炭素、有機
１合体の熱分解生成物のうち少なくとも１棟である。こ
れらの炭素源は、窒化アルミニクム含有酸素量に応じて
適切量配合される。その量としては、（炭素源の量）／
（窒化アルミニウム含有酸素量）の重量比（以下Ｐ２Ｏ
比と記す）が０．０８〜２．５特に肌９〜１．５とする
ことによりその効果は著しく大きくなる。

本発明では、炭素源を使用することにより、酸素固定化
剤としての役割を果たすＹ２Ｏ３量を低減でき、焼結体
の高純度化が可能となる。本発明者らが検討したところ
、熱伝導率、緻密化、色ムラ等の見地から適切なＹ２Ｏ
３量は、ＡｌＮ１００重量部に対し０．３０〜０．９２
重室部好ましくは０．５０〜０．９２重量部である。０
．９２重量部を越えて添加した場合、色ムラの生成が起
こシやすくなシ、逆に、０．３０重量部未満では焼結体
の緻密化は困難となる。

本発明に２いて、成形体の作製方法は任意の方法が選択
でき、いずれの方法においても熱伝導率の優れた焼結体
が得られる。通常、プレス成形法やソート成形法が採用
されるが、いずれもその混合段階において、充分混合を
し炭素源を均一に分散させることが望ましい。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例をあげて、さらに具体的に説明す
る。

実施例１ 酸素含有量１．２！Ｊ！ｉ％である窒化アルミニウム粉
１００重量部に、アセチレンブラック金Ｐ１０比が０．
９５になるよう配合し、さらにＹ２Ｏ３を、０．５又は
０．９重量部添加し、混合物を得た。この混合物をアル
ミナ製ポットにトルエンとともに入れ、ボールミルによ
り充分混合したのち、乾燥後コレらの混合粉末を４００
　Ｋ９／Ｇｍ２の圧力で加圧成形し、２５φｔｍ　Ｘ　
５　ｔの円板状成形体を得た。

これら成形体をＮ２．１気圧中で昇温速度を２０’Ｃ／
分とし、途中１５００℃で２時間又は６時間保持したの
ち、１９００℃で２時間焼成し、焼結体を作製した。得
られた焼結体は、１０φｍｘ３ｃ　ｍｍに研削加工し密
度測定後、レーず−フラッシュ法にて、熱伝導率を測定
した。

その結果を衣１に示す。

比較例１ 実施例１と同じ組成の成形体につき、途中、１５００’
Ｃでの保持時間を０．５時間又は１時間とした以外は実
施例１と同様方法で焼結体を得た。

その結果を衣１に示す。

実施例２ 酸素含有量が１．５重量％である窒化アルミニウム粉１
００重量部に対し、炭素原子と水素原子の重責比（Ｃ／
Ｈ）が１２である塩化ビニル樹脂の熱分解生成物をＰ２
Ｏ比で０．６となるように配合しさらにＹ２Ｏ３を０．
４又は０．８″Ｍ量部添加し、混合物を得た。この混合
物をアルミナ製ポットにトリクレンとともに入れ、ボー
ルミルにより充分混合したのち、乾燥後、これらの混合
粉末を３５０ｋｇ／ｃｒＩＬ２の圧力で加圧成形し、２
５φ關Ｘ５ｃｍの円板状成形体を得た。

これら成形体をＮ２．１気圧中で、２５℃／分の速度で
昇温し、途中、１６５０℃で２時間又は３時間保持後、
１８００℃１６時間焼成して焼結体を作製した。得られ
た焼結体の密度と熱伝導率の測定結果を表２に示す。

比較例２ 実施例２と同様な成形体を、途中保持時間を０．５時間
又は１時間に変えた以外は実施例２と同様な方法４Ｃ−
Ｃ焼結体を作製した。その結果を衣２に示す実施例３ 酸素含有量が２．０３ｉｔ％である窒化アルミニウム粉
１００重量部に、塩化ビニル樹脂の熱分解生成物でＣ／
Ｈが２５であるものをＰ２Ｏ比が１．２になるように配
合し、さらにＹ２Ｏ３ｔ　Ｏ，３，０，５又は０．９２
重量部添加し、混合物を得た。これらの混合物を用い、
実施例１と同様な方法にて成形体を作製した。

これらの成形体を、Ｎ２．１気圧中、２５℃／分の昇温
速度にて昇温し、途中１４００℃で５時間保持した後、
さらに１８５０℃，４時間焼成して焼結体を作製した。

得られた焼結体につき、色ムラの肉眼観察及び密度と熱
伝導率の測定を実施した。それらの結果を表６に示す。

比較例３ 実施例６において、Ｙ２Ｏ３添加Ｊｉｔｌ−０，２，１
，０又は２．０重量部とした以外はすべて同様な方法に
て焼結体を作製した。それらの結果を表６に示す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、極めて少ない酸化イットリクムの使用
量であっても熱伝導率の高い、しかも色ムラ等を生じな
い均一な窒化アルミニウム焼結体を製造することができ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．窒化アルミニウム粉、酸化イットリウム粉および遊
   離炭素及び／又は有機重合体の熱分解生成物を含んでな
   り、かつ酸化イットリウム粉の含有量が窒化アルミニウ
   ム粉１００重量部に対し０．３０〜０．９２重量部であ
   る成形体を非酸化性雰囲気中で焼成するに際し、温度１
   ３００℃〜１７５０℃における滞留時間を２時間以上と
   した後１７５０℃を越える温度で焼成することを特徴と
   する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。