JPH0446060A - 着色窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、着色された窒化アルミニウム焼結体（ｌ　Ｎ
焼結体）及びその製造方法に関するものである。

（従来の技術） ＡｇＮ焼結体は、熱伝導率か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
、ＱＮ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約、他の分野
への応用が広がりつつある。近年、ＡｇＮ焼結体の熱伝
導率が向上し、〜２ＥＩＯＷ　／　ｍ−Ｋにまで達した
が、その結果、以下に説明するように従来には無かった
好ましくない事態が生じることとなった。

周知のようにＡｐＮ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Ａ１１Ｎ焼結体の緻密化を促進する。通常、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、酸化アルミニウムム不純物は粒界相にトラップ
され、ＡｇＮ結晶自体は高純度化される。例えば、添加
物としてＹ　２０　Ｂを用いると、３Ｙ２０３５ＡΩ２
０３　　Ｙ２Ｏ３Ａｉ）２０３２Ｙ２０３　・Ａｌｔ　
２０３等のＹ−Ａｉ７−０系複合酸化物を生成し、添加
物としてＣａＯを用いるとＣａＯ＊ＡΩ２０３．２　Ｃ
ａ　Ｏ−Ａ　ｐ　２０３等のＣａ−ＡＮ−０系複合酸化
物を生成し、焼結体内に残存する。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。これらの
複合酸化物が混在すると、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ＡｆｉＮ焼結体は、Ｘ線回折や
ＳＥＭで評価した範囲内では実質的にＡｆｉＮ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、いくつかの説が報告されているが、
定説には至っておらず、複合酸化物の還元窒化反応及び
蒸発が関係していると考えられている。前記複合酸化物
がＡｇＮ焼結体の系外に移行する速度は、焼成雰囲気に
依存し、ヒータ又は焼成容器などから微量のカーボンガ
スが発生する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ＡｊｌＮ焼結体
は、Ａｊ７Ｎ単相、もしくは原料のＡｆｉＮ粉末に含ま
れた酸化アルミニウム不純物に起因するアルミン酸塩が
残留したタイプのいずれかに大別される。

以上のようにＡｇＮ焼結体の高熱伝導率化は、高純度化
によって達成されている。熱伝導率が２６０Ｗ／ｍ・Ｋ
のＡｊ７Ｎ焼結体には、不純物酸素及び陽イオン不純物
がそれぞれ数百Ｉ）Ｉ）ｌ程度しか含まれていないこと
が知られている。かかる高純度化されたＡＩＩＮ焼結体
は、必然的に本来の性質が発現され、透光性になる。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充電効果を
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。

このようなことから高熱伝導性で遮光性（均一に着色さ
れた）のＡｆｌＮ焼結体の田現が要望されているが、高
熱伝導性、つまり高純度性と遮光性を同時に満足するこ
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、高熱伝導性で遮光性の優れた着色Ａ４７Ｎ焼結体
及びかかる着色ＡＫＩＮ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） 本発明に係わる着色ＡｇＮ焼結体は、ＡｇＮを主成分と
し、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上で酸炭化アルミニ
ウムを含有することを特徴とするものである。

上記酸炭化アルミニウムは、現在のところ明快な組成決
定が困難であるが、ＡｆｉＮの格子定数の変化からＡＮ
２ｏｃである可能性が高い。即ち、Ａｇ２０ＣはＡｊＮ
と結晶形が同じで格子定数はａ軸、ａ軸とも僅かに大き
く、ＡＮＮに固溶することが確認されている。本発明に
係わるＡＩＩＮ焼結体の格子定数は、ａ軸、ａ軸ともＡ
ｐＮ本来の値よりも大きいこと、焼結体中の酸素量が多
いことから、Ａｉ）２０Ｃの形態で酸炭化アルミニウム
が存在するものと推定される。かかる酸炭化アルミニウ
ムの含有割合は、１〜４０モル％の範囲することが望ま
しい。

本発明に係わる着色ＡｇＮ焼結体の製造方法は、ＡｊＮ
粉末にアルカリ土類化合物及び／又は希土類化合物を添
加した成形体を、不純物酸素量が０．５〜ｌＯ重量％の
窒化アルミニウム焼結体とカーボンガスとを共存させた
不活性雰囲気下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Ｃａ５Ｂａ
、Ｓｒ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。

Ｃｅ　ｓ　Ｎ　ｄ　ＳＤ　ｙ　ＳＰ　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／又は希土類化合物の添加
量は、これら化合物の元素換算をＡ、Ａｊ７Ｎ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３０重量％を越
えると、それら化合物の元素がＡＩ！Ｎ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。

上記不純物酸素を含むＡ、９Ｎ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Ａ
ｇＮ焼結体中の不純物酸素量を限定した理由は、その量
を０．５重量％未満にすると着色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
Ａ１！Ｎ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、０．７〜１，５重量％の範囲である。

上言己カーボンガスは、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、Ａｒ５Ｈｅ等を用いることができる
。

上記焼成は、１８００〜１９５０℃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１８００℃未満
にすると焼結性か低下するばかりか、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
ｇＮ粒界から抜けず、残留し、方１９５０℃を越えると
ＡｇＮが昇華するばかりか雰囲気中のカーボンガスと反
応してカーバイドが生成される恐れがある。また、かか
る焼成は前記焼成温度範囲で低温側（１８００℃）では
６時間以上、高温側（１９５０℃）では４時間以上行う
ことが望ましい。

（作　用） 本発明に係わる着色ＡｇＮ焼結体は、Ａ、９Ｎ結晶粒及
び酸炭化アルミニウムを含有し、上述したアルミン酸塩
を含まない新規な構成物であり、ＡｇＮの高純度化によ
る高熱伝導性（熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上）と酸
炭化アルミニウムの存在による着色性（遮光性）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／又は希土類化合物を添加し、成形した後、不
純物酸素量が０．５〜１０重量％のＡ、ＱＮ焼結体とカ
ーボンガスを共存させた不活性雰囲気下にて焼成する。

かかる焼成工程において、前記添加物はアルカリ土類ア
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。つまり、前記添加物はＡｇ
Ｎの緻密化及び不純物酸化アルミニウムのトラップに寄
与した後、系外に除去される。また、雰囲気中に共存さ
れる特定量の不純物酸素を含むＡｇＮ焼結体と微量のカ
ーボンガスによりＡｇＮ成形体の焼結過程で微量の酸素
もしくは酸化アルミニウムガスとカーボンガスが拡散さ
れて酸炭化アルミニウムが焼結体中に生成される。その
結果、ＡｇＮの高純度化による高熱伝導性（熱伝導率が
２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上）と酸炭化アルミニウムの存在に
よる着色性（遮光性）を合せ持った特性を有する着色Ａ
ｇＮ焼結体を製造できる。

このような方法で製造された着色Ａｆ；！Ｎ焼結体は、
Ｘ線回折及びＳＥＭで評研した範囲内ではＡ９Ｎ単一相
であるが、成分分析の結果によれば数１０００ｐｐ−レ
ベルの酸素及び約１００１）Ｉ）ｍのその他の陽イオン
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、高熱伝導率は２００Ｗ／ｍ
・Ｋ以上であった。

（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１．０重量％、平均−炭粒子径０
．６μｍのＡＩＮ粉末に添加物として平均粒径０．１μ
ｍ、純度９９６９％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、二〇造粒粉
末１２ｇを５００ｋｇ／　ｃｇ＋２の一軸加圧下で成形
して約３０Ｘ３０ｘ　　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
粉体を不純物酸素量１，１重量％のＡｇＮ焼結体からな
る直径９０■、厚さ　１■の敷板上に載せ、これを内寸
法で直径１００■、高さ　１００ｍｍのカーボン製容器
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、１８５０℃で４８時間焼成してＡＩＩＮ焼結
体を製造した。

比較例１ バインダ除去後の圧粉体をタングステンシートに載せ、
これをカーボン製容器内にセットした以外、実施例１と
同様な方法によりＡｇＮ焼結体を製造した。

比較例２ バインダ除去後の圧粉体を不純物酸素量０．０３重量％
のＡＪＮ焼結体からなる直径９０ｓ＋ｓ、厚さ　１■の
敷板上に載せ１、これをカーボン製容器内にセットした
以外、実施例１と同様な方法によりＡｊ７Ｎ焼結体を製
造した。

得られた本実施例１及び比較例１〜３のＡｇＮ焼結体に
ついて、色調を調べた。また、各Ａｊ２Ｎ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ＡｇＮ焼結体の一片を粉砕した後、粉末Ｘ線回折によ
り構成相を同定した。また、Ａ１１２０Ｃについては組
成分析としてＡ、９Ｎの格子定数から予測した。

■密度 アルキメデス法によりＡｇＮ焼結体の密度を測定した。

■熱伝導率 各ＡｇＮ焼結体から直径１０■ｌ、厚さ　３■の円板を
切りａ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ｆＪＩ定した。

実施例２〜８ 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　７種のＡｇＮ焼結体を製造した。

得られた本実施例２〜８のＡｆｌＮ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、十分な遮光性を示した。また、これらのＡｇＮ焼
結体を分析したところ、すべてＡ１！Ｎ以外にＡｌｌ！
２０Ｃを含んでいた。更に、各Ａｊ７Ｎ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ａ［定
法はいずれもＪＩＳにのっとり、室温下で行った。

実施例９〜１３ Ａ４７Ｎ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と同様な方法により　５種のＡＩＩＮ焼結体を製造し
た。但し、実施例６では造粒粉６ｇを加圧成形して製造
に供した。

得られた本実施例９〜１３のＡＪＮ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、十分な遮光性を示した。また、これらのＡＩＪＮ
焼結体を分析したところ、すべてＡ、９Ｎ以外にＡ＃２
０Ｃを含んでいた。更に、各ＡｆｌＮ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。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によればＡ７７Ｎと酸炭化ア
ルミニウムからなり、高熱伝導性と遮光性を合せ持った
回路基板のベース材料等として有用な着色ＡＩＮ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）窒化アルミニウムを主成分とし、熱伝導率が２０
   ０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で酸炭化アルミニウムを含有すること
   を特徴とする着色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
   ／又は希土類化合物を添加した成形体を、不純物酸素量
   が０．５〜１０重量％の窒化アルミニウム焼結体とカー
   ボンガスとを共存させた不活性雰囲気にて焼成すること
   を特徴とする着色窒化アルミニウム焼結体の製造方法。