JPH04182358A

JPH04182358A - 窒化アルミニウム質焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH04182358A
Application number: JP2312285A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Miyahara; 健一郎宮原; Shuji Tokuda; 徳田　修二
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1992-06-29
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: JP2772580B2

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、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム質焼結
体に関し、詳細には、低温焼成が可能な量産性に優れた
窒化アルミニウム質焼結体に関する。

（従来技術）近時、情報処理装置の高性能化、高速化に伴いそれを構
成する半導体集゛積回路も高密度化、高集積化が急速に
進み、そのために半導体集積回路素子の発熱量が著しく
増加し、前記半導体集積回路素子を正常に作動させるた
めに発生した熱をいかに効率的に除去するかが問題とな
っている。

かかる問題に対して最近に至り、これまで使用されてい
たアルミナ製基板や、古くから高熱伝導性基板として知
られる酸化へリリウム製基板等に代わり、常温から高温
まで高い強度を存し、電気絶縁性が高く、高熱伝導性で
あり、熱膨張係数がアルミナに比ベシリコン単結晶に近
いなどの優れた特性を有する窒化アルミニウム質焼結体
が注目されている。

ところが、窒化アルミニウムは本来難焼結性であり、単
味では高熱伝導性を有する高密度焼結体が得られないこ
とから、焼結助剤としてＹ２Ｏ３等の希土類元素酸化物
、あるいはＣａｎ等のアルカリ土類元素酸化物を添加し
て高密度化する方法が採用されている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来の方法では、高密度の窒化アルミニ
ウム質焼結体を得るのに、１７００℃以上、場合によっ
ては１９００℃以上の高温にて焼成する必要があった。

このように焼成温度が高いと、例えば、基板上に形成す
る金属導体パターンと同時に焼成を行う場合、金属導体
が粒成長するために導体の基板との接着強度が低くなる
という問題があり、また焼成炉自体の構造も耐熱性が要
求されるために生産設備等の費用が高くなるために基板
自体のコストが非常に高くなると言った問題があった。

そこで、低温焼成化を達成するために希土類元素酸化物
とアルカリ土類元素酸化物とを同時に添加する方法が特
開昭６１−１１７１６０号に記載されているが、その焼
成温度はせいぜい１７００℃以上であり、１６００’Ｃ
程度の焼成温度では緻密化は達成されていない。また、
窒化アルミニウムに希土類元素のフン化物を添加するこ
とにより焼成温度をさげる方法が特開昭６１．−２０９
９５９号に記載されているが、フン化物自体非常に高価
であり、また焼成途中でフン素酸化物が揮散するために
炉を腐食するために量産には不向きである。

（発明の目的）本発明は、上記問題点を解決することを主たる目的とす
るものであり、具体的には、熱伝導率が４０１１Ｉ／ｍ
　−Ｋ以上で、１７００℃以下の低温焼成によって相対
密度９０％以上が達成される窒化アルミニウム質焼結体
を提供することにある。

（問題点を解決するだめの手段）本発明者等は、上記の問題点に対して研究を重ねた結果
、焼結助剤として周期律表第１ＩＩａ族元素および／ま
たは第ｎａ族元素の酸化物とともに酸化リチウムを同時
に添加することにより、１７００℃以下の低温における
焼成によっても高い相対密度と熱伝導率を有する窒化ア
ルミニウム質焼結体が得られることを知見し、本発明に
至った。

即ち、本発明の窒化アルミニウム質焼結体は、周期律表
第ｎａ族および／又は第ｍａ族元素がら選ばれる少なく
とも１種の元素を酸化物換算で０゜０１〜２０重量％、
リチウムを酸化物換算でｏ、００１〜１０重量％の割合
で含有するとともに不純物酸素を０．２〜６重量％の割
合で含有することを特徴とするものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明における大きな特徴は、焼結助剤として周期律表
第ＩＩＩａ族及び／又は第Ｈａ族がら選ばれる少なくと
も１種の元素の酸化物と、リチウムを含有する化合物を
複合添加する点にある。

焼結体中における第ＩＩＩａ族及び／又は第ＩＩａ族元
素は、酸化物として０．０１〜２０重量％、特に０．１
〜１５重量％であり、リチウムは酸化物（ＬｉｚＯ）と
して０．００１〜１０重量％、特に０．０１〜５０重量
％であることが重要である。

かかる焼結助剤の量を上記の範囲に限定したのは、第１
ＩＩａ族及び／又は第ＩＩａ族元素が０．０１重量％よ
り少ないと１７００’Ｃ以下での焼成によって相対密度
９０％以上が達成されず、２０重量％を越えると熱伝導
率が４０　Ｗ／ｍ−により低くなるためである。

一方、リチウムの量が１０重量％を越えても熱伝導率が
４０　Ｗ／ｍ　−Ｋ以下になり、０．００１重量重量下
では低温焼成の効果はほとんどない。

なお、本発明におけるより好ましい形態としては、焼結
助剤成分として周期律表第ＩＩａ族元素、周期律表第１
ＩＩａ族元素およびリチウムの３成分を複合添加する。

この場合には、周期律表第ＩＩａ族元素および第１ｎａ
族元素量を酸化物換算でいずれも０．０１重量％以上と
することにより低温焼成による高密度化をより安定に行
うことができる。

また、本発明によれば、上記焼結助剤を含む焼結体中に
おける不純物酸素量が０．２〜６重量％、特に０．４〜
３．０重量％であることも重要である。

かかる不純物酸素量とは、焼結体中の全酸素量から前記
焼結助剤として混入される酸化物中の酸素を除く酸素量
であり、主として窒化アルミニウム原料粉末中の不可避
不純物としての酸素に相当する。この不純物酸素も系全
体の焼結性に大きく寄与するもので、その量が０．２重
量％より小さいと低温焼成による高密度化が達成されず
、６重量％を越えると熱伝導率が低下する。

さらに、本発明によれば、焼結体中の窒化アルミニウム
の平均結晶粒径が０．８μｍ以上、特に１゜２μｍ以上
であることが望ましい。この結晶粒径は、焼結体の熱伝
導率に大きく寄与するもので、その粒径が大きい程熱伝
導率を高めることができる。即ち、粒径が０．８μｍよ
り小さいと、結晶粒子間の粒界の占める体積（面積）が
大きいために粒界がフォノン伝導の障害物となり、熱伝
導率が低下する。

次に、かかる窒化アルミニウム質焼結体の製造方法につ
いて説明する。

まず、窒化アルミニウム原料粉末としては、直接窒化法
、アルミナ還元法等の公知の方法で製造したもので、不
純物酸素量１．５重量％以下、炭素含有量０．２重量％
以下、アルミニウムを除く陽イオン不純物含有量０．１
重量％以下、特にＳｉ含存量及びＦｅ含有量が共に１０
０　ｐｐｍ以下の平均粒径２μｍ以下の粉末が好適に使
用される。

焼結助剤成分は、周期律表第ＩＩａ族元索、第ＩＩＩａ
族元素およびリチウムのいずれも、酸化物粉末を用いる
他に焼成によって酸化物に変化しろる化合物、例えば炭
酸塩、塩化物、水酸化物等の化合物として添加すること
もてきる。また、リチウムにおいては、酢酸リチウム、
金属リチウム、フッ化リチウム、硝酸リチウム、水素化
リチウム、窒化リチウム、炭化リチウム、リチウムアミ
ド等を用いることもできる。

窒化アルミニウム原料粉末に焼結助剤成分を添加した混
合粉末は所望により有機溶媒中で混合される。この時、
有機溶媒中に含有される水分量は０．４重量％以下に設
定される。これにより窒化アルミニウム粉末の分散性を
向上させるとともに、水分との反応によって窒化アルミ
ニウム粒子表面の酸化を防止することができる。

得られた混合粉末は、公知の成形方法、例えば金型もし
くは静水圧を用いたプレス成形、シート成形、押出成形
等により、所望に形状に成形した後、焼成に移される。

焼成は、窒素ガスを含有する非酸化性雰囲気中で行われ
、焼成手段としては常圧焼成、ホットプレス焼成、窒素
ガス加圧焼成などが採用されるが、本発明によれば、こ
の時の焼成温度を１５００℃以上にすることにより相対
密度９０％以上に緻密化することができ、窒化アルミニ
ウムの平均結晶粒径も原料時の一次粒子から急激に大き
くなる。

焼成温度を１５００℃よりさらに高めるに従い焼結性は
向上するとともに、窒化アルミニウムの平均結晶粒径も
次第に大きくなるが、１７００℃を越えると焼成炉とし
ての耐熱性が要求されるために炉自体の構造が大掛かり
となる。よって量産性を考慮する場合、焼成温度は１７
００℃以下、特に１６５０℃以下に設定し、これを常圧
焼成することが望ましく、これによれば連続炉等の使用
が可能となる。

また、リチウム化合物は焼成中に一部が揮散する場合も
あるが、焼結性の点からは、原料混合時に前述したよう
な所定の量で存在させることにより、高い焼結性が得ら
れる。

（作　用）窒化アルミニウムに対して、周期律表第Ｕａ族元素およ
び／または第１Ｉ［ａ族元素の酸化物およびリチウム化
合物を複合添加することにより、焼成温度を大幅に下げ
ることのできる理由は定かではないが、第１Ｉａ族酸化
物とリチウム化合物、あるいは第ｍａ族酸化物とリチウ
ム化合物間において低融点の複合酸化物が形成されるた
めと考えられ、さらに第Ｕａ族元素酸化物と第ｎｌａ族
元素酸化物とを同時添加することによりさらに第１Ｉａ
族酸化物と第１ａ族酸化物間にさらに低融点の複合酸化
物が形成されるために、この低融点物質により窒化アル
ミニウムの液相焼結が進行するものと推察される。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例１）窒化アルミニウム原料粉末として、平均粒径（ＢＥＴ比
表面積）３．３　ｍ２／ｇ　、不純物酸素量１．１重量
％、炭素含有量０９０５重量％以下、アルミニウムを除
く陽イオン不純物含有量０．１重量％以下の市販の窒−
１０＝化アルミニウム原料粉末に対して、平均粒径が０゜９μ
ｍのＹｂｚ０３粉末を９．１重量％、平均粒径が１５μ
ｍのＣａＣＯ３粉末をＣａＯ換算で５２重量％添加混合
し、これに添加量を１重量％に固定して第１表に示す各
種の酸化物を添加した。次にこれを室温で１０００ｋｇ
／ｃｍ２の圧力でプレス成形した。この成形体を１５０
０℃，１５５０℃１１６５０’Ｃの各温度にて窒素ガス
１気圧下で３時間焼成した。焼成後の各焼結体に対して
アルキメデス法に基づき相対密度を算出するとともに、
１６５０℃焼成品については、レーザーフラッシュ法に
より熱伝導率を測定し、さらに外観観察を行いシミの有
無を判断した。

結果を第１表に示した。

（以下余白）第１表焼結助剤が、ＹｂＪ３とＣａＯの添力Ｕのみからなる試
料Ｎｏ、　１では１６５０〜１７００℃では相対密度９
０％以上の焼結体が得られたが、第１表に示す１６５０
℃より低い温度では緻密化できなかった。

そこで、各種の酸化物の添加効果を第１表から比較する
と、酸化リチウムの添加により明らかに焼成温度の低下
が認められ、１５００’Ｃにおいて相対密度９０％以上
が達成された。酸化リチウムは、焼結体の外観の改善効
果があることも確認され、さらに１重量％程度の添加で
は、熱伝導率に影響しないことがわかった。

なお、他の酸化物では低温焼成は難しく、表面にシミが
発生し好ましくなかった。

（実施例２）実施例Ｉの結果に基づき、実施例１で用いたのと全く同
じ原料を用いて、窒化アルミニウム粉末にＹｂ２Ｏ３９
，１重量％、ＣａＣ０３（ＣａＯ換算）５．２重量％に
Ｌｉ。ＣＯ３をＬｉ、Ｏ換算で１重量％添加した組成物
について、第２表に示す温度にて各３時間窒素ガス雰囲
気中で常圧焼成し、得られた各試料について、相対密度
、熱伝導率、焼結体の窒化アルミニウムの平均結晶粒径
を測定した。

結果は第２表に示した。

（以下余白）第２表第２表によれば、リチウムを添加した試料は、１５００
℃以上で相対密度９０％が達成され、熱伝導率も４Ｏｆ
ｉｔ／ｍ　−Ｋを越える。さらに温度を高めるに従い熱
伝導率も急激に上昇するが、これは結晶粒径が大きくな
るためと考えられる。

（実施例３）次に、ｙｂ２ｏ３およびＣａＣ０：＋量は実施例２と同
じに設定し、Ｌｌ　２ＣＯ３（Ｌｌ　ｚｏ換算量）を変
えて添加し、それぞれ１５００℃，１５５０℃，１６５
０℃にて窒素中、常圧で３時間焼成した。

得られた焼結体に対して、リチウｊ４をｒ　ＣＩ）分析
により定量しその酸化物換算量を第３表に示した。また
、焼結体の相対密度を測定するとともに］６５０℃焼成
品については熱伝導率および外観観察によりシミの有無
を判断した。

結果は第３表に示した。

（以下余白）第　　３　　表第３表の結果によれば、Ｌｉ、０量が０．００１重量％
を下回ると、焼結体表面にシミが認められるとともに１
５５０℃以下では相対密度９０％が達成されない。

また、ＬｉｚＯ量が１０重量％を越えると熱伝導率が大
きく低下した。よって、１，１□０量は０．００１〜１
０重量％、特重量、０１〜５．０重量％で安定した焼成
ができることを確認した。

（実施例４）次に、周期律表第Ｔｆｌａ族元素酸化物として第４表の
酸化物を用いて、また、周期律表第Ｈａ族元素酸化物と
してＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯを炭酸塩としてそれぞれ第
４表に示す割合で添加し、１５００℃１１５５０’Ｃ３
１６５０′Ｃの温度で焼成し、それぞれの相対密度およ
び１６５０℃焼成品の熱伝導率を測定した。

また、焼結体の不純物酸素量は焼結体の全酸素量から焼
結助剤として添加した酸化物に含まれる酸素量と差し引
（ことにより算出した。

結果は、第４表に示した。

（以下余白）一　ｌ　６− 第４表によれば、リチウム化合物を全く添加しなかった
試料Ｎｏ、５８　（ｍ　ａのみ）、６１．（ｌｌａのみ
）、および前記第１表の試料Ｎｏ１（［Ｉ［ａ＋１ｌＩ
ａのみ）では、いずれも１６５０’Ｃ以下の温度では相
対密度９０％以上の焼結体が得られず、リチウム化合物
を適量添加しても、周期律表第Ｔｌ１ａ族元素酸化物お
よび／または第■ａ族元素の酸化物の合量が２０重量％
を越える試料Ｎｏ、５６では、熱伝導率が低く、逆に０
．０１重量％より少ない試料Ｎｏ、７１では、相対密度
は低く熱伝導率も低いものであった。

また、焼結体の不純物酸素量が０．２重量％より小さい
試料Ｎｏ、　５７では、１６００℃未満で相対密度９０
％以上が達成されず、６重量％を越える試料Ｎｏ、４７
では相対密度は高いものの熱伝導率が大幅に低下した。

これらの比較例に対して本発明の試料ないずれも１６５
０℃の焼成温度で相対密度９７％以」二が達成され、１
５００℃においても相対密度９０％以上に緻密化でき、
しかも熱伝導率４０Ｗ／ｍ　　−に以上が達成された。

これらの中でもリチウム化合物に対して、第ＴＩａ族元
素化合物として、Ｃａ化合物を、第１ＩＩａ族元素化合
物としてＹ　ｂ　２０３を複合添加したものが焼結性と
特性の安定性の点で最も優れていた。

（発明の効果）以上詳述した通り、本発明によれば、周期律表第ＩＩａ
族元素および／またはＩｌａ族元素の酸化物に対してさ
らにリチウム化合物を所定量添加することにより焼結性
を高めることができ、焼成温度１６５０℃以下の温度で
も相対密度９０％以−ヒの高い熱伝導率を有する焼結体
を得ることができる。これにより、高熱伝導性の窒化ア
ルミニウム焼結体を製造する際の焼成炉として、特別な
ｉＪ熱溝構造必要としないことから製造の経費等を削減
することができ、これにより安価な窒化アルミニウム焼
結体を提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）窒化アルミニウムを主体とし、周期律表第ＩＩａ
族および／又は第ＩＩＩａ族元素から選ばれる少なくと
も１種の元素を酸化物換算で０．０１〜２０重量％、リ
チウムを酸化物換算で０．００１〜１０重量％、不純物
酸素を０．２〜６重量％の割合でそれぞれ含有すること
を特徴とする窒化アルミニウム質焼結体。
（２）窒化アルミニウムの平均結晶粒径が０．８μｍ以
上である請求項（１）記載の窒化アルミニウム質焼結体
。
（３）１７００℃以下の常圧にて焼成され、相対密度が
９０％以上である請求項（１）記載の窒化アルミニウム
質焼結体。