JPH04104961A - 黒色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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、黒色の窒化アルミニウム焼結体ＣＡＲＮ焼結
体）の製造方法に関する。

（従来の技術） ＡＩＮ焼結体は、熱伝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
１１ｌＮ焼結体は高温下での高強度性、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。

周知のようにＡＩＮ粉末に不可避的に含まれる酸化アル
ミニウム不純物は、焼成時に添加物と反応してアルミン
酸塩を生成し、これらアルミン酸塩は焼成時に液相を生
成し、ＡＩＩＮ焼結体の緻密化を促進すると考えられて
いる。通常、焼成後において前記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、酸化アルミ
ニウム不純物は粒界相にトラップされ、ＡＩＮ結晶自体
は高純度化される。例えば、添加物としてＹ２Ｏ，を用
いると３　Ｙ　２０３　ψ５ＡＩＩｚＯｉ、Ｙ２Ｏ３・
ＡＮ２０３等のＹ−１−０系板合酸化物を生成し、添加
物としてＣａＯを用いるとＣａ０−ＡＮ　２０３．２Ｃ
ａＯＡ４７２０３等のＣａ−Ａ、７７−０系板合酸化物
を生成し、焼結体内に残存する。

上述した複合酸化物が粒界相に混在するＡｊｌＮ焼結体
では、〜１７０Ｗ／ｍ−にと比較的高い熱伝導率を有す
る。かかる熱伝導率を有するＡ、ＱＮ焼結体では、透光
性が発現される。透光性は、応用分野によっては好まし
くない特性となる。例えば、回路基板の基材として用い
た場合には透過した光により該回路基板に実装された能
動素子の光電効果を生じて誤動作の原因となる。また、
回路基板の基材として用いた場合にはその微妙な色調の
差が目立ち、均一に着色されていることが要望されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、高熱伝導性で遮光性の優れた黒色Ａ、ＱＮ焼結
体を簡単な工程によりに製造し得る方法を提供しようと
するものである。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明に係わる黒色Ａｊ７Ｎ焼結体の製造方法は、Ａｇ
Ｎ粉末にアルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物と
遷移金属炭化物とを添加して成形した成形体を、不活性
雰囲気にて焼成することを特徴とするものである。

上記ＡｇＮ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０．３〜２．０重量％で、か
つ平均−次粒子径が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
に変化する。かかるアルカリ土類化合物としては、例え
ばＣａ　ｓ　Ｂ　ａ　ＳＳ　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ＹｌＬ　ａ　ｓ　Ｃｅ　％　Ｎ　ｄ　ｓ　Ｄ　
ｙ　ｓ　Ｐ　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、特にＹＳＬａ。

Ｃｅの化合物が好適である。

上記アルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物との添
加量は、ＡｇＮ粉末の量をＡ１これら化合物の元素換算
量をＢとした時、Ｂ／　（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３０重量％を
越えると、それら化合物の元素がＩＪＮ粒界に残留して
ＡＩＩＮ焼結体の高熱伝導性を阻害する恐れがある。

上記遷移金属炭化物としては、例えばＺｒ。

Ｎｂ５Ｔａ、Ｔｉ５Ｗの炭化物を挙げることができる。

かかる遷移金属炭化物の添加量は、ＡｊｌＮ粉末の量を
Ａ１アルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物の元素
換算量をＢ１遷移金属炭化物の元素換算量をＣとした時
、Ｃ／　（Ａ＋Ｂ十Ｃ）を１．５重量％以下、より好ま
しくは０．０１〜０，９９重量％の範囲にすることが望
ましい。この理由は遷移金属炭化物の添加量が１．５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。

上記成形体の焼成雰囲気である不活性ガスとしては、例
えばＮ２、Ａｒ５Ｈｅ等を用いることができる。特に、
ＡＩＩＮ製容器やＢＮ製容器中に前記成形体を配置して
焼成することが望ましい。

上記不純物酸素を含むＡＩＮ焼結体は、例えば前記成形
体の敷板や成形体に隣接して配置するブロックの形態で
還元性雰囲気中に共存させることができる。かかるＡＩ
Ｎ焼結体中の不純物酸素量を限定した理由は、その量を
０．０５重量％未渦にすると着色ＡＩＩＮ焼結体を製造
することができず、一方その量が１０重量％を越えると
ＡＩＮ焼結体の熱伝導率が低下する。より好ましい不純
物酸素量は、０．１〜５重量％の範囲である。

上記カーボンガスは、例えば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ものである。不活性ガスとして
は、例えばＮ２、Ａｒ、Ｈｅ等を用いることができる。

上記焼成は、１７００〜２０００℃の温度範囲で行うこ
とが望ましい。この理由は、その温度を１７００℃未満
にすると焼結性が低下し、一方２０００℃を越えるとＡ
［Ｎが昇華する恐れかある。

また、本発明に係わる別の黒色ＡｇＮ焼結体の製造方法
はＡ、９Ｎ粉末にアルカリ土類化合物及び／又は希土類
化合物と遷移金属の窒化物及び／又は酸化物とカーボン
とを添加して成形した成形体を焼成することを特徴とす
るものである。

上記遷移金属の窒化物としては、例えばＺｒ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｔ　ｉｓの窒化物を挙げることができ、遷移金属の
酸化物としては例えばＺ　ｒ　ｓ　Ｎ　ｂ　５ＴａＳＴ
ｉ、Ｗの酸化物を挙げることができる。

かかる遷移金属の添加量は、Ａ１１Ｎ粉末の量をＡ１ア
ルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物の元素換算を
Ｂ１遷移金属の窒化物及び又は酸化物の元素換算量をＣ
゛とじた時Ｃ−／　（Ａ＋Ｂ＋Ｃ−）を１．５重量％以
下、より好ましくは０．０１〜０．９９重量％の範囲に
することか望ましい。この理由は遷移金属の添加量が１
．５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。

上記カーボンの添加量は、Ａ、ＱＮ粉末の量をＡ１アル
カリ土類化合物及び／又は希土類化合物の元素換算量を
Ｂ１遷移金属の元素換算量をＣ′カーボン量をＤとした
時、Ｄ／　（Ａ十Ｂ＋Ｃ″＋Ｄ）を０．０５〜１．０重
量％、より好ましくは０．１〜０．５重量％とすること
が望ましい。この理由は、カーボン量を０．０５重量％
未満にするとカーボンによる還元作用を十分に発揮でき
ず、一方力−ボン量が０．５重量％を越えるとカーボン
過多になってＡｌｌのカーバイドを生成する恐れがある
。

（作　用） 本発明方法によれば、ｉＮ粉末にアルカリ土類化合物及
び／又は希土類化合物と遷移金属炭化物とを添加して成
形した成形体を、不活性雰囲気にて焼成することによっ
て、前記アルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物が
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て
ＡＩＩＮを緻密化する。また、前記遷移金属炭化物は焼
成過程においての定比又は不定比の窒化物又は金属に変
化するが、その過程で発生する余剰のカーボンによりＡ
ＩＮ粉末等に存在する酸素を還元して粒子及び粒界等へ
酸素の固溶を抑制して高純度化する。その結果、ＡＩＩ
Ｎの高熱伝導性（熱伝導率が１７０Ｗ　／　ｍ−に以上
）と遷移金属の窒化物の存在による黒色性（遮光性）を
合せ持った特性を有するＡＪＮ焼結体を製造できる。

更に、本発明の別の方法によればＡ、ＱＮ粉末にアルカ
リ土類化合物及び／又は希土類化合物と遷移金属の窒化
物及び／又は酸化物とカーボンとを添加して成形した成
形体を焼成することによって、前記アルカリ土類化合物
及び／又は希土類化合物が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つつＡＩＩＮの緻密化に寄与す
る。

また、前記遷移金属の窒化物及び／又は酸化物、特に酸
化物は焼成過程においての定比又は不定比の窒化物又は
金属に変化する。その過程で酸素を放出してＡＩＩＮ粒
内への固溶、粒界相中のＡｌＩ２Ｏ３量を増加させるが
、カーボンを共存させることによりその還元作用により
ＡＩＩＮ粒内への固溶を抑制して高純度化できる。その
結果、ＡＩＩＮの高熱伝導性（熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ
−に以上）と遷移金属の窒化物の存在による黒色性（遮
光性）を合せ持った特性を有するＡＩＮ焼結体を製造で
きる。

このような方法で製造された黒色Ａ、ＱＮ焼結体は、成
分分析の結果によればＡＩＮ結晶粒界内に数１１００ｐ
ｐレベルの酸素及びその他の陽イオン不純物が含有して
いた。また、ＳＥＭ写真から算出した結果ではＡＩＩＮ
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、一方遷移金属窒化物又は金属等は原料粉の
粒径をほぼそのまま維持され、殆ど焼成中での粒成長は
見られなかった。

（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０．８重量％、平均−炭粒子径０
，６μｍのＡｊ７Ｎ粉末に添加物として平均粒径０　、
１　ｕ　ｍ　ｓ純度９９．９％のＹ２Ｏ３粉末３重量％
、（Ｙ換算、　２．３８重量％）及び平均粒径０．６．
ｃｚｍ。

純度９９．９％のＴｉｃ粉末０．５重量％（Ｔｉ換算；
０．４重量％）を加え、ボールミルで混合して原料粉末
を調製した。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１２
ｇを５００に’ｇ／ｃ■２の一軸加圧下で成形して約３
０Ｘ　３０Ｘ　７ｍｍ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中で７００℃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Ａ
ＩＮ焼結体からなる容器内にセットし、カーボンヒータ
炉内にて１気圧の窒素ガス雰囲気、１８００℃で２時間
焼成してＡＩＮ焼結体を製造した。

比較例１ 不純物酸素量が０．８重量％、平均−炭粒子径０．６μ
ｍのＡｆＩＮ粉末に添加物として平均粒径０．１μｍ、
純度９９，９％のＹ２Ｏ，粉末３重量部、（Ｙ換算、　
２．３８重量％）を加え、ボールミルで混合して調製し
た原料粉末を用いた以外、実施例１と同様な方法により
ＡＩＮ焼結体を製造した。

比較例２ 不純物酸素量が０．８重量％、平均−炭粒子径０．６μ
ｍのＡＩＮ粉末に添加物として平均粒径０．１μｍｓ純
度９９．９％のＹ２Ｏ３粉末３重量部、（Ｙ換算、　２
．３８重量％）及び平均粒径０．ｌ、ｃｚｍ。

純度９９．９％のＴｉＯ□粉末０．５重量％（Ｔｉ換算
−０，３重量％）を加え、ボールミルで混合して調製し
た原料粉末を用いた以外、実施例１と同様な方法により
ＡＪ　Ｎ焼結体を製造した。

得られた本実施例１及び比較例１．２のＡＩＮ焼結体に
ついて、色調を調べた。その結果、実施例１及び比較例
２の焼結体は濃い茶褐色を呈していたが、比較例１の焼
結体は淡くオレンジを帯びた白色を呈し、透光性を示し
た。また、各Ａｌ）Ｎ焼結体について構成相、密度、熱
伝導率の各種の特性を調べた。これらの結果を下記第１
表に示した。なお、■構成相、■密度、■熱伝導率は以
下に示す方法により測定した。

■構成相 各ＡＪＮ焼結体の一片を粉砕した後、Ｘ線回折により構
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ＡＩＩＮ焼結体から直径１０１■、厚さ　３■の円板
を切り出し、２１℃±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。

実施例２〜９ 下記第２表に示す原料粉末を用いた以外、実施例１と同
様な方法により　８種のＡｇＮ焼結体を製造した。

得られた本実施例２〜９のＡｇＮ焼結体について、色調
を調べた。その結果、いずれも濃い茶褐色を呈していた
。これらのＩＮ焼結体を分析したところ、実施例２〜６
．９の焼結体ではＹＡｆ！ｏ、　、Ｙ４Ａｎ？　２０．
及び各遷移金属元素の窒化物が粒界相として含まれてい
た。実施例７では、Ｙ、　ＡＮ　ｓ　０＋２とＴ　ｉ　
Ｎ、実施例８ではＹ４　ＡｌＩ２０ｅ　、Ｙ２０３及び
ＴｉＮが粒界相として含まれていた。更に、各ＡｇＮ焼
結体について前述した密度、熱伝導率の評価の他に、電
気抵抗、絶縁破壊電圧、誘電率を調べた。その結果を同
第２表に併記した。なお、電気抵抗、絶縁破壊電圧、誘
電率の測定法はいずれもＪＩＳにのっとり、室温下で行
った。

実施例１０ ます、不純物酸素量が１．８重量％、平均−次粒子径０
．５μｍのＡ、ＱＮ粉末に添加物として平均粒径０　、
１　ｕ　ｍ　ｓ純度９９．９％のＹ２Ｏ，粉末３重量％
、（Ｙ換算、　２．３８重量％）、平均粒径０．６μｍ
、純度９９．９％のＴｌＯ２粉末０．５重量％（Ｔｉ換
算；０．３重量％）及び平均粒径０．１８ｍ１純度９９
．９％のカーボン０．３重量％を加え、ボールミルで混
合して原料粉末を調製した。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１２ｇを５００ｋｇ／　ｃｍ２の一軸加圧下
で成形して約３０Ｘ　３０Ｘ　　７ｍｍ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中で７００℃
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、カーボンヒー
タ炉内にて１気圧の窒素ガス雰囲気、１８００℃で２時
間焼成してＡｌ）Ｎ焼結体を製造した。

実施例ＩＬ　１２ ＡｐＮ粉末として下記第３表に示す組成のものを用い、
かつ焼成を同第３表に示す条件で行った以外、実施例１
０と同様な方法により　２種のＡΩＮ焼結体を製造した
。

得られた本実施例１Ｏ〜１２のＡ！ＩＮ焼結体について
、色調を調べた。その結果、いずれも濃い茶褐色又は灰
色を呈していた。また、これらのＡＩＩＮ焼結体を分析
したところ、いずれもＹ−Ａｌｌ−０系板合酸化物とＴ
ｉＮを粒界相として含んでいた。

更に、各ＡＩＮ焼結体について前述した密度、熱伝導率
、電気抵抗、絶縁破壊電圧、誘電率を調べた。その結果
を同第３表に併記した。

実施例１３ 実施例１と同組成の原料粉末にアクリル系バイダ及び溶
剤を配合してペーストとし、このペーストをドクターブ
レード法によりシート化した後、切断して６．２Ｘ　　
８．２Ｘ　Ｏ，７７団口の寸法のシートを１０００枚作
製し、これらシートを実施例１と同様な方法で脱バイン
ダ、焼成を行うことによりシート状ＡＩＱ　Ｎ焼結体を
製造した。

比較例３ 比較例２と同組成の原料粉末にアクリル系バイダ及び溶
剤を配合してペーストとし、このペーストをドクターブ
レード法によりシート化した後、切断して８．２Ｘ　　
８．２Ｘ　Ｏ，７７ｍｍの寸法のシートを１０００枚作
製し、これらシートを実施例１と同様な方法で脱バイン
ダ、焼成を行うことによりシート状Ａ１１ｌＮ焼結体を
製造した。

得られた実施例１３及び比較例３の焼結体について、目
視、顕微鏡により色ムラの有無を検査した。

その結果、比較例３では色ムラ不良が２７０枚あったの
に対し、実施例１３では僅かに　５枚に過ぎなかった。

［発明の効果コ 以上詳述した如く、本発明によれば遷移金属化合物の添
加により着色された遮光性を有し、かつＡｊｉｌＮ本来
の高温下での高強度性、溶融金属に対する安定性、更に
高熱伝導性を有し、回路基板のベース材料等として有用
な黒色Ａ４７Ｎ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。

出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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遷移金属炭化物とを添加して成形
   した成形体を、不活性雰囲気にて焼成することを特徴と
   する黒色窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
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遷移金属の窒化物及び／または酸
   化物とカーボンとを添加して成形した成形体を焼成する
   ことを特徴とする黒色窒化アルミニウム焼結体の製造方
   法。