JPH0244787B2

JPH0244787B2 -

Info

Publication number: JPH0244787B2
Application number: JP56152141A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Yoneya; Akihiko Tsuge; Hiroshi Inoe
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-09-28
Filing date: 1981-09-28
Publication date: 1990-10-05
Also published as: EP0075857B1; JPS5855377A; CA1186346A; US4435513A; EP0075857A2; DE3274347D1; EP0075857A3

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は窒化アルミニウム焼結体の製造方法に
係り、更に詳しくは、高緻密質で、熱伝導性など
の実用上の諸特性に優れている窒化アルミニウム
焼結体を製造する方法に関する。窒化アルミニウム（AlN）焼結体は、耐熱性、
耐食性、耐熱衝撃性を有するなど、高温材料とし
ての必須の特徴を有していると共に、高熱伝導性
を有する材料として注目を集めている。ところで、これらの諸特性をAlN焼結体に発
揮させるには、AlN焼結体が緻密質であること
が必要とされる。この為、従来から緻密なAlN
焼結体を製造する技術の確立に精力が注がれてい
る。かかるAlN焼結体は、通常、AlN粉末を成形、
焼結して得られるのであるが、AlN粉末を単独
で用いると、焼結性が良くない為に、かかる方法
によつては、緻密な焼結体を得られず、焼結体の
密度は、真密度に対して、高々82％と、可成低密
度のものとなる。この為、ホツトプレスを用いた加圧焼結の方法
を活用することも試みられたが、良好な結果は得
られていない。また、AlN粉末に酸化イツトリ
ウム（Y₂O₃）や酸化ランタン（La₂O₃）等希土
類元素の酸化物を焼結助剤として添加して焼結す
ることも試みられており、可成良質の焼結体が得
られている。しかしながら、希土類元素の酸化物は高価な
為、コストの面で難点がある上、AlN−Y₂O₃系
焼結体は熱伝導度が低下し易く、AlN本来の高
熱伝導性を維持・発揮することができないという
不都合がある。特開昭50−23411号公報には、酸化カルシウム
（CaO）、酸化バリウム（BaO）、酸化ストロンチ
ウム（SrO）等を焼成助剤として加えるAlN焼結
体の製造方法が開示されている。これらの焼成助
剤を少量加えると、AlN焼結体の高緻密化に有
利な液相を高温で形成するので、AlNが本来有
している性質を付与するのに効果的な添加物であ
ることがわかつた。しかし一方、AlN焼結体の主原料であるAlN
粉末中には、製造上不可避の酸素もしくは酸化物
が含まれ易く、これがAlN焼結体の良好な特性
の維持の弊害となることが判つた。即ち、AlN粉末には、酸素が固溶し易く、
AlN粉末の表面のみならず内部に固溶して存在
することも多い。さらにAl₂O₃としても工程中に
混入する。そのためAlN粉末を高温に焼成する
と固溶したまゝの状態で存在するか、あるいは例
えば（AlN）_x（Al₂O₃）_y（ｘ、ｙは、夫々、任意
の自然数を表わす。）なる式で表わされるスピネ
ル（spinel）が生成して、AlNが本来有している
高熱伝導度などの良好な特性を損なうこととな
り、従来のAlN焼結体の製造方法においては、
これらの問題については、何等解決されていなか
つた。本発明者等は、従来の窒化アルミニウム焼結体
の製造方法が有していた上述の不都合を解消すべ
く鋭意研究した結果、AlN焼結体の原料として
酸素を含有するAlN粉末に、CaO、BaO、SrO、
もしくは焼成によつてこれらの酸化物となる化合
物の粉末、及び炭素粉末もしくは焼成によつて炭
素となる樹脂等の粉末を加えると、この添加炭素
によつて前述したスピネルの生成が抑制されると
共に、高緻密質で、AlNが本来有している高熱
伝導性等の実用上の優れた諸特性を維持・発揮す
るAlN焼結体が得られる。また、炭素の添加は
AlN原料中に存在する酸素を還元除去するのに
効果的であるためより純度の高いAlN結晶粒を
合成することができることを見出し、本発明を完
成するに至つた。本発明の目的は、高緻密質で熱伝導性などの実
用上の諸特性に優れている窒化アルミニウム焼結
体を製造する方法を提供することにある。即ち、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造
方法は、 (a) 窒化アルミニウム粉末、 (b) 酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロ
ンチウム、及び焼成によつてこれらの酸化物と
なる化合物から選ばれた少なくとも１種の化合
物の粉末、及び、 (c) 炭素粉末もしくは焼成によつて炭素となる物
質の粉末、を含む混合粉末を、成形、次いで焼結することを
特徴とするものである。本発明に用いる、前記(a)の窒化アルミニウム粉
末は、常法により工業的に製造されたものであ
り、製造上不可避の酸素、アルミニウムの非化学
量論的な酸化物、或いは酸化アルミニウム
（Al₂O₃）等の不純物を含むものである。一般に、
AlN粉末中の酸素濃度が５％を超えると、それ
に応じて前記(b)の炭素もしくは焼成によつて炭素
を生成する物質の粉末を多量に添加しても、かか
る濃度の酸素の全部を取り除くことが難かしくな
る。従つて前記(a)の窒化アルミニウム粉末として
は、含有する酸素の濃度が５％以下、更には３％
以下であるものが好ましい。かかるAlN粉末としては、AlN粒子の粒径が
5μｍ以下、更には2μｍ以下であるものが好まし
い。本発明に用いる、前記(b)の焼成によつて、酸化
カルシウム、酸化バリウム及び酸化ストロンチウ
ムのうちの一の酸化物となる化合物としては、例
えば、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸スト
ロンチウム、硝酸カルシウム、硝酸バリウム、硝
酸ストロンチウム、水酸化カルシウム、水酸化バ
リウム、水酸化ストロンチウム、蓚酸カルシウ
ム、蓚酸バリウム、蓚酸ストロンチウムなどが挙
げられる。前記(b)の酸化カルシウム、酸化バリウ
ム、酸化ストロンチウム及び焼成によつてこれら
のうちの一の酸化物となる化合物から選ばれた少
なくとも１種の化合物の粉末の粒径は0.01〜2μ
ｍ、更には0.1〜1μｍが好ましい。また、前記(b)
の粉末の、前記混合粉末中への配合量は、前記(a)
の窒化アルミニウム粉末100重量部に対して、
CaO、BaOもしくはSrOに換算して0.05〜６重量
部、更には、0.05〜４重量部であることが好まし
い。本発明に用いる、前記(c)の炭素粉末としては、
黒鉛、カーボンブラツク等が挙げられ、焼成によ
つて炭素を生成する物質の粉末としては、砂糖、
フエノール樹脂、スチレン樹脂などが挙げられ
る。これらの粉末の粒径は、特に制限されない
が、0.01〜0.5μｍであることが取扱上好ましい。
かかる炭素粉末もしくは焼成によつて炭素を生成
する樹脂の粉末の、前記混合粉末中への配合量
は、前記(a)の窒化アルミニウム粉末100重量部に
対して、炭素量として0.1〜７重量部であること
が好ましい。0.1重量部未満であると、AlN粉末
中の酸素を除去する効果が十分に得られず、７重
量部を超えると、炭素が残存してAlNの焼結性
や、熱伝導性等の実用上の諸特性を損なう為であ
る。本発明に係る、前記の混合粉末は、前記(a)〜(c)
以外の成分として、例えば、パラフイン、ステア
リン酸、ポリビニルアルコール等のバインダー
（成形助剤）、が含まれることが通例である。本発明方法においては、前記混合粉末を、適宜
の成形圧力によつて常温圧縮して成形した後、必
要に応じて結合剤を飛散させる為に加熱し、或い
は、前記の(c)粉末として、焼成によつて炭素を生
成する物質の粉末、もしくは、前記(b)の粉末とし
て、焼成によつて酸化カルシウム、酸化バリウ
ム、酸化ストロンチウムとなる化合物を用いた場
合には、混合粉末を更に仮焼した後、成形体を焼
結する。焼結に用いる雰囲気は、窒素ガス（N₂）
を含む非酸化性雰囲気〔N₂＋アルゴンガス
（Ar）、N₂＋水素ガス（H₂）、もしくはN₂＋−酸
化炭素（CO）混合ガス等〕であることが好まし
く、焼結温度は、一般には、1600〜2000℃、更に
は、1700〜1850℃であることが好ましい。また、一旦焼結した材料を熱間静水圧加圧
（HIP）処理して更に高緻密化しても良く、或い
は、焼結工程にホツト・プレスを用いることも可
能である。本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法に
よれば、焼結体の原料である窒化アルミニウム粉
末に、炭素粉末等を添加して、焼結時のスピネル
等、弊害となる物質の生成を抑制すると共に、酸
化カルシウム等を添加して、窒化アルミニウムが
本来有している高熱伝導性等の良好な特性を損な
うことなく、高緻密質の窒化アルミニウム焼結体
が得られる。従つて、本発明方法は、高緻密質で、機械的特
性、熱的特性製など実用上の諸特性に優れている
窒化アルミニウム焼結体の製造方法として、工業
上極めて有利なものである。実施例１平均粒径1.2μｍのAlN粉末97重量部、平均粒径
0.1μｍ以下の炭素粉末1.5重量部、平均粒径0.3μｍ
のCaCO₃粉末1.5重量部及びバインダーとしてパ
ラフイン５重量部を含む混合粉末を2ton／cm²の圧
力で成形して30□mm×20mmの板状の成形体を得
た。次いで、この成形体をN₂気流中で400℃まで予
め加熱した後、AlNルツボ中に入れ、周囲に
AlN粉末をつめ粉として充填し、N₂雰囲気中、
1800℃で30分間焼結した。その結果、真密度に対
して98.5％の相対密度を有する高緻密質の焼結体
が得られた。比較例１混合粉末中に炭素粉末を配合しない以外は、実
施例１と同一の原料及び方法により焼結体を得
た。この焼結体の相対密度は98.4％であつた。かくして、実施例１及び比較例１で作製され
た、各AlN焼結体の熱伝導度を測定したところ、
夫々、0.15cal／cm・sec・℃、0.10cal／cm・
sec・℃であり、本発明方法により得られたAlN
焼結体が、混合粉末中に炭素粉末を配合しない、
従来のAlN焼結体と比べて、約50％高い熱伝導
度を有するものである。実施例２〜９、比較例２平均粒径が、夫々、1.2μｍ、0.1μｍ以下及び
0.5μｍのAlN粉末、炭素粉末及びCaCO₃粉末にバ
インダーとしてパラフインを加えて、第１表に示
した組成を有する各混合粉末を、実施例１と同一
方法により成形、焼結して、焼結体を得た。尚、
焼結は流量３／minのN₂気流中で60分間行な
い、実施例７〜９においては、焼結温度を各々
1850、1900、1850℃と代えた。かくして、本発明方法により製造されたAlN
焼結体の相対密度及び熱伝導率を測定した。結果
を第１表に示した。

【表】実施例 10 平均粒径1.2μｍのAlN粉末96重量部、平均粒径
0.1μｍ以下の炭素粉末２重量部、平均粒径0.5μｍ
のBaCO₃粉末２重量部及びバインダーとしてパ
ラフイン５重量部から成る混合粉末を原料とし
て、実施例１と同一の方法により焼結体を得た。
得られた焼結体は、相対密度98.9％と高緻密質で
あり、且つ高熱伝導度を有するものであつた。実施例 11 平均粒径1.2μｍのAlN粉末96.5重量部、平均粒
径0.1μｍ以下の炭素粉末1.5重量部、平均粒径0.5μ
ｍのSrCO₃粉末２重量部及びバインダーとしてパ
ラフイン５重量部から成る混合粉末を原料とし
て、実施例１と同一の方法により焼結体を得た。
得られた焼結体は、相対密度98.9％と高緻密質で
あり、且つ高熱伝導度を有するものであつた。実施例 12 平均粒径1.2μｍのAlN粉末96重量部、平均粒径
0.1μｍ以下の炭素粉末２重量部、平均粒径1.4μｍ
のBa（NO₃）₂をBaOに換算して２重量部、及びバ
インダーとしてパラフイン５重量部から成る混合
粉末を、2ton／cm²の圧力で成形して、約30mmφ×
10mmの円板状成形体を得た。次いでこの成形体をN₂気流中で400℃まで予め
加熱した後、AlNルツボ中に入れ、周囲にAlN
粉末をつめ粉として充填し、N₂雰囲気中、1800
℃で30分間焼結した。得られた焼結体は高緻密質
で高熱伝導度を有するものであつた。実施例 13 平均粒径1.8μｍのAlN粉末96重量部、平均粒径
0.1μｍの炭素粉末２重量部、平均粒径1.0μｍの
CaCO₃をCaOに換算して１重量部、Al₂O₃粉末１
重量％、及びバインダーとしてパラフイン５重量
部から成る混合粉末を原料として、実施例１と同
一の方法により焼結体を得た。得られた焼結体
は、高緻密質で高熱伝導度を有するものであつ
た。実施例 14 実施例１及び10で得られた各焼結体を、1750
℃、1000atm、１時間の熱間静水圧加圧（HIP）
処理を施した。この結果、焼結体の密度及び熱伝
導度が共に向上した。

Claims

【特許請求の範囲】１ (a) 窒化アルミニウム粉末、 (b) 酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロ
ンチウム、及び焼成によつてこれらの酸化物と
なる化合物から選ばれた少なくとも１種の化合
物の粉末、及び、 (c) 炭素粉末もしくは焼成によつて炭素となる物
質の粉末、を含む混合粉末を、成形、次いで焼結することを
特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。