JPH03174365A - 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法

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JPH03174365A
JPH03174365A JP1309132A JP30913289A JPH03174365A JP H03174365 A JPH03174365 A JP H03174365A JP 1309132 A JP1309132 A JP 1309132A JP 30913289 A JP30913289 A JP 30913289A JP H03174365 A JPH03174365 A JP H03174365A
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JP
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sintered body
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aln
powder
aluminum nitride
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JP1309132A
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Fumio Ueno
文雄 上野
Mitsuo Kasori
加曽利 光男
Yoshiko Sato
佳子 佐藤
Akihiro Horiguchi
堀口 昭宏
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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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】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、窒化アルミニウム焼結体(AI N焼結体)
及びその製造方法の改良に関する。
(従来の技術) AIN焼結体は、熱転導率がアルミナなどより高く、か
つ熱膨張率がシリコン(Si)と近似しているため、半
導体装置の実装用基板として用いられている。また、A
IIN焼結体は高温ドでの高強度性、溶融金属との反応
性が乏しいなどの特性を合せ持っているため、他の分野
への応用が広がりつつある。近年、iN焼結体の熱伝導
率が向上し、〜28QW / m−Kにまで達したが、
その結果、従来には無かった好ましくない事態が生じる
こととなった。
即ち、AIN焼結体の高熱伝導率化は高純度化によって
達成されたが、高純度化されたAIN焼結体は結晶粒界
相がなく、結晶粒径が概ね5μm以上と大きいために機
械的強度が25〜35kg/ms”と通常のAIN焼結
体の強度40〜(iokg/1w2に比較して低く、か
つ後加工の際に欠は易いという問題がある。
このようなことから高熱伝導性で高強度、高靭性のA#
N焼結体の出現が要望されているが、高熱伝導性、つま
り高純度性と高強度性を開時に満足することは従来の技
術で達成することは困難であった。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、高熱伝導性で高強度かつ高靭性のAgN焼結体及
びかかるA47N焼結体を簡単な工程によりに製造し視
る方法を堤供しようとするものである。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明に係わるAgN焼結体は、実質的に窒化アルミニ
ウム結晶粒と、窒化アルミニウム粒界に分布する窒化ケ
イ素ウィスカーからなることを特徴とするものである。
上記窒化ケイ素ウィスカーとしては、長さ 5〜50μ
m、太さ 1μm以下のものを用いることが望ましい。
本発明に係わるAgN焼結体の、製造方法は、AIIN
粉末にアルカリ土類化合物及び/又は希土類化合物と窒
化ケイ素ウィスカーとを添加し、成形した後、還元性雰
囲気下で1650〜1850℃で焼成することを特徴と
するものである。
上記/j7N粉末としては、不純物酸素量が0.1〜2
.5重量%、より好ましくは0.3〜260重瓜%で、
かつ平均−時粒子径が1.5μm以下、より好ましくは
0.1〜1.2μmのものを用いることが望ましい。
上記アルカリ土類化合物及び/又は希土類化合物は、焼
成に際してアルカリ土類アルミン酸塩、希土類アルミン
酸塩、アルカリ土類希土類アルミン酸塩等の複合酸化物
に変化し、焼成終了時には焼結体の系外に除去される。
かかるアルカリ土類化合物としては、例えば(: a 
s B a −、S rの酸化物、炭化物、フッ化物、
炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、又はアルコキシド等を挙
げることができる。
また、希土類化合物としては、例えばY、La。
Ces Nd、Dy、Prの酸化物、炭化物、フッ化物
、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、又はアルコキシド等を
挙げることができ、特にY、La。
Ceの化合物が好適である。
上記アルカリ土類化合物及び/又は希土類化合物の添加
量は、これら化合物の元素換算をA1Aj7N粉末の量
をBとした時、A/ (A+B)を30重量%以下、よ
り好ましくは0.1〜20重量%の範囲にすることが望
ましい。この理由は、前記化合物の量が30ffl !
%を越えると、それら化合物の元素がAfiN粒界に残
留してAgN焼結体の高熱伝性を阻害する恐れがある。
上記窒化ケイ素ウィスカーの添加量は、AfiN粉末に
対して0.1〜20重量%の範囲とすることが望ましい
。この理由は、ウィスカーの添加量を0.1ffi量%
未満にすると高強度のAgN焼結体を得ることが困難と
なり、一方その配合量が20重量%を越えると熱伝導率
が低下するばかりか焼結性を低下させる恐れがある。
上記還元性雰囲気とは、微量のカーボンガスと不活性ガ
ス(N 2 、A r SHe等)とが混在するる雰囲
気である。カーボンガスは、焼成炉のカーボンヒータや
カーボン容器から供給されるか、不活性ガスに混在して
供給されるメタン、その他のハイドロカーボンガスの熱
分解ガスから供給される。
上記焼成時の温度を限定した理由は、1850’c未満
にすると焼結性が低下するばかりが、焼結助剤としての
アルカリ土類化合物及び/又は希土類化合物の元素がA
INjflnから抜lすず、残留し、方1850℃を越
えると窒化ケイ素ウィスカーが突貫して高強度、高靭性
のAjlN焼結体を得ることができなくなる。かかる焼
成は12時間以上行うことが望ましい。
(作用) AIN粉末と添加物からなる成形体を所定の温度下にて
焼成すると、AIJN粉末に不=S避的に含まれる酸化
アルミニウムの不純物が添加物と反応してアルミン酸塩
を生成すると共に液相化して/IN焼結体の緻密化を促
進すると考えられている。例えば、添加物としてY 2
03を用いると、3Y20s −3A1203 、Y2
03−AI 203.2Y203−Al1203等(7
)Y−Aj7−Q系復合酸化物を生威し、添加物として
CaOを用いるとCa0−Al 203.2CaO−A
j)203等のCa−Al−0系複合酸化物を生成する
。このようなアルミン酸塩は、粒界三重点に粒界相とし
て残留する。換言すれば、AIIN粉末中に含まれる酸
化アルミニウムの不純物は前記アルミン酸塩の生成によ
り粒界にトラップされ、ADN結晶自体は高純度化され
る。
しかしながら、前記アルミン酸塩が残留すると、その分
焼結体の熱伝導率が低下する。このため、還元性雰囲気
下で長時間の焼成を行って前記複合酸化物を系外に除去
することによって、−層の高純度化、つまり高熱伝導率
化が図られている。前記複合酸化物を含まないAJN焼
結体は、X線回折やSEMで評価した範囲内では実質的
にApN単相からなることが知られている。複合酸化物
が除去されるメカニズムについては、複合酸化物の還元
窒化反応及び蒸発が関係していると4えられている。前
記複合酸化物がAIN焼結体の系外に移行する速度は、
焼成雰囲気に依イメし、AIN製又はBN製焼成容器に
比ベカーボン焼成容器を用いた雰囲気では速いことが知
られている。このように既に知られている高熱伝導性A
IIN焼結体(1、AIIN単相、もしくは原料のAI
IN粉末に含まれた酸化アルミニウム不純物に起因する
前記アルミン酸塩が残留したタイプのいずれかに大別さ
れる。
本発明に係わるAjN焼結体は、AjN結晶粒及びこの
粒界近傍に均一に分散した窒化ケイ素ウィスカーのみか
らなり、上述したアルミン酸塩を含まない新規な構成物
であり、AIINの高純度化による高熱伝導性と窒化ケ
イ素ウィスカーの7/:在による高強度性、高靭性を合
せ持った特性を有するものである。
また、本発明方法によればAgN粉末にアルカリ土類化
合物及び/又は希土類化合物と窒化ケイ素ウィスカーと
を添加し、成形した後、還元性雰囲気下で1850−1
850℃で焼成することによって、AIIN粉末は窒化
ケイ素ウィスカーの存在とは無関係に前述した焼成反応
が進行して緻密化し、高純度化される。換言すれば、窒
化ケイ素ウィスカーは上記焼成過程においてはAfIN
の緻密化、高純度化に殆ど影響与えない。その結果、A
gN結晶粒子が高純度化され、しかも窒化ケイ素ウィス
カーはその粒界に均一に分散した状態のANN焼結体を
製造できる。
このような方法で製造されたApN焼結体は、X線回折
及びSEMで評価した範囲内ではAINと窒化ケイ素ウ
ィスカーだけからなるが、成分分析の結果によれば数1
100ppレベルの酸素及び他の陽イオン不純物が含有
していた。なお、高熱(zj導性の効果を顕著とするる
ためにはYなどの希土類元素の陽イオン不純物を800
0ppm以下、好ましくは3000ppm以下で、不純
物酸素が2000ppm以下が望ましい。また、SEM
写真から算出した結果ではAIN結晶粒の平均粒径は焼
成時に粒成長して5〜20μmになっており、窒化ケイ
素ウィスカーはほぼ原料段階のままの外観が維持され、
何等粒成長、反応による変質が起こしていなかった。
従って、200W/m−に以上の高熱伝導性と窒化ケイ
素ウィスカーの粒界への存在による高強度性、高靭性を
合せ持った特性をHするAρN焼結体を得ることができ
る。
(実施例) 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
実施例1 まず、不純物酸素量がt、omi%、平均−次拉子種0
.6μmのAgN粉末に添加物として平均粒径0.1μ
m、純度99.9%のY2O,粉末3重量部、(Y換算
; 4.77ffij1%)及び直径0.1〜0.4μ
m長さ5〜20μm1アスペクト比20〜100の範囲
で不純物酸素量2.5重量%のα相の窒化ケイ素ウィス
カー5重量を加え、ボ゛−ルミルで混合して原料粉末を
85:Iした。つづいて、この原料粉末にアクリル系バ
インダ5重量%を添加した造粒した後、この造粒粉末2
10gを500kg/ cm”の−軸側圧下で成形して
約48X35X  7amの圧粉体とした。ひきつづき
、この圧粉体を窒素ガス雰囲気ψで700”Cまで加熱
してアクリル系バインダを除去した。次いで、前記圧粉
体をカーボン容器内にセットし、これをカーボンヒータ
炉内に入れ、1気圧の窒素ガス雰囲気下で1800’C
で24時間焼成してAIN焼結体を製造した。
実施例2〜7 下記第1表に示す原料粉末を用い、焼成を同第1表に示
す条件で行った以外、実施例1と同様な方法により 6
種のAj7N焼結体を製造した。
実施例8 下記第1表に示す原料粉末を用い、焼成を同第1表に示
す条件(但し雰囲気はプロパンガスを1%含んだN2ガ
ス)で行った以外、実施例1と同様な方法によりA47
N焼結体を製造した。
比較例1 下記第1表に示す窒化系ウィスカーを含まない原料粉末
を用い、焼成を同第1表に示す条件で行った以外、実施
例1と同様な方法によりA、9N焼結体を製造した。
比較例2 下記第1表に示す原料粉末を用い、焼成を同第1表に示
す条件(焼成時間2時間)で行った以外、実施例1と同
様な方法によりAgN焼結体を製造した。
本実施例1〜8及び比較例1.2のAj7N焼結体につ
いて、結晶粒径、構成相、密度、熱伝導率等の各種の特
性を調べた。その結果を同第1表に併記した。なお、■
構成相、■密度、■熱伝導率、■3点曲げ強度、■破壊
靭性は、以下に示す方法により測定した。
■構成相 各AfiN焼結体の一片を粉砕した後、X線同折により
構成相を同定した。
■密度 アルキメデス法によりAIIN焼結体の密度を測定した
■熱伝導率 各ANN焼結体から直径10m園、厚さ3■の円板を切
り出し、21’C±2℃の室温下、レーザフラッシュ法
により熱伝導率を測定した。
■3点曲げ強度 各AIN焼結体を3X 4X Hasの角柱に切出し、
表面を#400のダイヤモンド回転砥石で研磨仕上げし
てサンプルとし、このサンプルを3点間げ試験法に中拠
して抗折試験を行って測定した。
■破壊靭性 前記サンプルをシングルエツジノッチドビーム法により
破壊靭性値を測定した。
上記第1表から明らかなように本実施例1〜8のAJ7
N焼結体は、熱伝導率が200 W/ m−に以上を有
すると北に、抗折強度が35kg/ am’以上、破壊
靭性値が3.5 M P a / (H”’と優れた高
強度、高靭性を有することがわかる。
〔発明の効果] 以上詳述した如く、本発明によれば高熱伝導性で高強度
かつ高靭性のAgN焼結体及びかかるAgN焼結体を簡
単かつ高歩留り製造し得る方法を提供できる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)実質的に窒化アルミニウム結晶粒と、窒化アルミ
    ニウム粒界に分布する窒化ケイ素ウイスカーからなるこ
    とを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
  2. (2)窒化アルミニウム粉末にアルカリ土類化合物及び
    /又は希土類化合物と窒化ケイ素ウイスカーとを添加し
    、成形した後、還元性雰囲気下で1650〜1850℃
    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。
JP1309132A 1989-11-30 1989-11-30 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 Pending JPH03174365A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002220283A (ja) * 2001-01-24 2002-08-09 Denki Kagaku Kogyo Kk 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法
JP2020100543A (ja) * 2018-12-20 2020-07-02 日亜化学工業株式会社 ケイ素含有窒化アルミニウム粒子、その製造方法及び発光装置

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JP2002220283A (ja) * 2001-01-24 2002-08-09 Denki Kagaku Kogyo Kk 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法
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