JPH0450170A - 高熱伝導性ＡｌＮ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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は熱伝導率の高いＡｌ２Ｎ焼結体の製造方法に関
する。

［従来の技術］ 近年、ＬＳＩなどの半導体素子の集積度が上がるにした
がってＬＳＩの発熱量が増大するために、その発生した
熱を速やかに外部へ伝熱、放熱する必要が生じた。また
、パワートランジスタ、レーザダイオードなどの高出力
素子を実装するための基板及びパッケージにおいても、
素子の動作時に発生する熱を短時間の内に素子外へ放出
しなければならない。

Ａｌｘは、高い熱伝導率をもち、その熱膨張率がＡＱ２
　ｏａよりも低くシリコンと同程度であるため、高熱伝
導性基板として近年注目を集めている。／ＩＮは本来難
焼結性であるため、酸化カルシウム等の焼結助剤を添加
する製造方法が検討されてきた。

［発明が解決しようとする課題］ 従来、Ａｊ２Ｎの焼成においては雰囲気の制御が重要と
されている。Ａｌｘの焼結には１８００℃以上の温度を
必要とするので通常炭素製の発熱体や容器を使用してい
るが、このように炭素材料が存在して、強還元性雰囲気
化となる場合には焼結前に粒界相の蒸発が起こり、焼結
ができないことが知られている。これを防止するために
Ａｌ２Ｎ製の容器中に成形体を設置したり、特開昭６２
−７０２６９号公報のように窒化硼素製の蓋付きの密閉
した容器中に成形体を設置するなどして、強還元性にな
ることを防止して、焼結を行っていた。

粒界相量を制御しつつ粒界相組成をＹ２０３の多い組成
に制御するためには、原料の酸素量を下げるか、焼成途
中に酸素量を下げるための工夫が必要となる。現在酸素
量の低い、ｌ１２Ｎ粉末は手に入らないため、焼成前の
成形体に炭素を添加するなどして粒界相組成を制御しよ
うとする試みがある（特開昭６１−１２７６６７号公報
）。

焼成前の成形体に一定量以上の炭素を含む場合、焼成途
中で炭素が抜けきらないと焼結体が灰色に着色したり、
明度が低くなるという問題点があった。これがさらにひ
どくなると焼結体が反り返ったり、変形したりして、満
足な焼結体が得られないという重大な問題が発生した。

この現象は、前述の特開昭６２−７０２６９号公報のよ
うに脱バインダを空気中で行うなどして、成形体中の炭
素量を低くしたときには特には問題にならなかった。他
方、この現象は成形体の容器内への充填率に関係があり
、成形体中の炭素量が多い場合でも、実験室レベルでの
焼結のように充填率の低い場合には問題にならなかった
が、工業規模で製造するように充填率が高い場合この頻
度が高くなるという問題があった。

一方、高熱伝導性Ａｌ２Ｎを実際の基板として使用する
ときには、この表面に厚膜印刷などによるメタライズ処
理が施される。この際、上述の問題点である基板の明度
が低い場合、印刷欠陥が発見しにくいなどの問題点が起
こり、また、色むらなどの外観異常があるとこれも問題
になった。

本発明は、上述の問題点を解決した高熱伝導性Ａｌ２Ｎ
焼結体の工業的に有利な多量焼成技術を提供するもので
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は前記課題を解決するために、焼成時の昇温中に
窒素ガスを導入しながら、焼成雰囲気圧力を４００ｔｏ
ｒｒ以下の減圧下で昇温させる。

また、別の手段として２００ｔｏｒｒ以下に減圧した後
、４００ｔｏｒｒ以上の圧力に戻す操作を１回または２
回以上行うようにしたものである。

発明者らは鋭意研究の結果、焼成後の焼結体に残留する
炭素の量と明度には相関関係があり、明度を上げるには
焼結体中の炭素量を低下させればよいことを見出し、そ
の効率的な方法を開発することによって本発明がなされ
た。

すなわち、焼成中に焼結体から炭素が抜けていく反応は
、Ａｌ２Ｎ原料に含まれている微量の酸素と反応してＣ
Ｏが抜けてい（反応と考えられる。

この反応を式で示すと以下のようになる。

Ａ　１２２０３　＋　３　Ｃ＋　Ｎ　２　＝　２　Ａβ
Ｎ＋３ＣＯ・・・（１） ＡＩ２Ｎの焼結が進む前にこの（１）式の反応を継続し
て起こすことが、焼結体中の炭素を低減し、明度の高い
Ａｌ２Ｎ焼結体を得るために、必要である。また逆に、
焼結が進んだ後（１）式の反応が起こると焼結体が反り
返ったり、変形したりするものと考えられる。

発明者らは、この反応を効率的に行うには、反応を継続
するのに必要な窒素ガスを導入しつつ、反応系の全圧を
減圧状態にすることが効果的であることを見出し、本発
明に到った。

［作用］ 反応系の全圧（雰囲気圧力）を４００ｔｏｒｒ以下にす
ることが、反応速度を促進するのに有効である。４００
ｔｏｒｒより全圧が大きいと、反応が効率的に進まない
。全圧が０．０１ｔｏｒｒ未満では、一定量の窒素ガス
を導入しながらこの圧力に保つためには、真空ポンプを
大きくしなければならないなど装置上の理由で経済的で
なくなる。好ましくは、２０ｔｏｒｒから０．０５ｔｏ
ｒｒである。また、減圧圧力が変動してもさしつかえな
い。

本発明では、窒素ガスを導入しながら昇温することが必
要であり、単に雰囲気を４００ｔｏｒｒ以下にするだけ
では不十分で、（１）式の反応を継続させることはでき
ない。

特開昭６３−３０３８６３号公報、特開平１−２３９０
６７号公報のように減圧下で焼成したり、あるいは、特
開平１−２１９０６７号公報のように脱バインダ後程で
減圧にするだけでは不十分である。

もし窒素を導入しなければ、上記（１）式の反応により
雰囲気にある窒素は消費されてしまうため、反応は継続
されなくなり、残留炭素量の多い、明度の低い焼結体し
か得られない。窒素ガスの導入量は、減圧下で（１）式
の反応が活発化する１　２００℃以上、焼結が活発化す
る１８００℃以下の温度範囲において、（１）式の反応
が起こるとして焼結前の脱バインダ後成形体に含まれる
炭素量から計算される窒素量の理論量の１０倍より多い
ことが好適であり、また、理論量の１０００倍以下が好
ましい。理論量の１０倍より少なければ、反応は継続さ
れ難いし、理論量の１０００倍より多い場合経済的でな
い。好ましくは、理論量の３０倍から３００倍である。

全圧を４００ｔｏｒｒ以下に抑えつつ、窒素ガスを導入
する方法としては、特に限定されないが、例えば、真空
ポンプで減圧に引きながら適当量窒素ガスを導入する方
法、一定量の窒素ガスを導入しながら真空引き量をバル
ブで制御する方法などを応用することができる。

焼結が開始されてからも、（１）式の反応が多少とも起
こるため、焼結中にもガス導入することが望ましい。ま
た、適度な窒素ガス量を導入することによって粒界相中
の酸素成分の蒸発が起こり、粒界相の酸素成分が減少す
るため、好適である。焼成保持時間中の窒素ガス導入量
は焼成体１ｇ当り０．０２１；！、から１０Ｉ２の範囲
が好ましい。少なければ酸素の蒸発が十分に行われない
。１０β以上では酸素の蒸発量が多（なりすぎるため焼
結が阻害される。望ましくは焼成体１ｇ当り０．０５β
から５１２である。

このときの反応系の全圧は特に規定されないが、減圧下
で焼成すれば、粒界相の蒸発量が多くなる。常圧に戻し
てもなんら差し支えない。

本発明は、成形方法によらず適用が可能である。バイン
ダ使用量の少ないプレス成形、鋳込成形にも応用するこ
とができ、また、バインダ使用量の多いドクターブレー
ド法、押出成形、射出成形にも応用することができる。

特に、バインダ使用量が多く、脱バインダ後の炭素量が
多くなる場合への適用に対し、有効に作用する。

一方、（１）式の反応が終了しないうちに焼結が開始す
ると炭素が焼結体中に取り込まれてしまい、残留炭素が
多くなり、焼結体の明度が低下する。これを防止するた
めに昇温中、昇温速度を下げたり、昇温途中で一定時間
保持することも有効であり、これらと組み合わせてもよ
い。

次に本発明の第２の発明について説明する。

第２の発明は２００ｔｏｒｒ以下に減圧した後４００ｔ
ｏｒｒ以上の圧力に復圧する操作を少なくとも１回以上
行うようにしたものである。

雰囲気の全圧を２００ｔｏｒｒ以下に減圧することによ
って、上記（１）式の反応が促進される。この機構は、
以下のように推定される。すなわち、容器内の６０分圧
と窒素分圧の比が一定以上になれば（１）の反応は停止
する。容器内を一旦減圧することによって、（１）式に
よって発生したＣＯガスが容器内から系外に排出され、
次いで、窒素ガスの圧力を４００ｔｏｒｒ以上に復圧す
ることによって、上記（１）式で必要な窒素が供給され
、反応が促進するものと考えられる。

減圧は２００ｔｏｒｒ以下とする必要がある。

減圧度が２００ｔｏｒｒに達しないと効果は少ない。好
ましくは、２０ｔｏｒｒ以下である。昇温開始時から減
圧しておくこともできるが、昇温開始時には常圧とし、
（１）式の反応が活発になってから、減圧する方がより
効果的である。この際、いずれの場合も、昇温中は、系
内に窒素ガスを導入しておくことが望ましい。

復圧は、４００ｔｏｒｒ以上にすることが必要である。

復圧が４００ｔｏｒｒ未満では効果が少ない６好ましく
は６００ｔｏｒｒ以上である。

減圧する際、窒素ガスを導入しながら減圧してもよい。

こうすることで、（１）式の反応が一層促進される。

２００ｔｏｒｒ以下に減圧した後４００ｔｏｒｒ以上に
復圧する操作を、繰り返すことで一層の効果を上げるこ
とができる。しかし、不必要に繰り返すことは、経済的
でないのは自明のことである。少なくとも１回以上とし
、好ましくは、２〜１０回程度である。

上記操作を行う温度は、上記（１）式の反応が十分に活
発化する１２００℃以上がよい。また、焼結速度が大き
いと（１）式の脱炭反応が終了する前に焼結が起こり、
焼結体中の残留炭素が多くなり、明度も向上しないため
、１８００℃以下が好ましい。望ましくは、１４００℃
〜１７００℃の範囲がよい。

［実施例］ 実施例１ 平均粒径１．　Ｏｕｍ、酸素含有量１．１％、純度９９
％のＡＪ２Ｎ粉末を主成分とし、これに平均粒径２．０
μｍのＹ２Ｏ３粉末５％を添加した。バインダとしてポ
リビニルブチラール（ＰＶＢ）を適量添加しドクターブ
レード法で成形し、この成形体を窒素中で脱脂した。

次に得られた成形体をＡｌ２Ｎ製の容器中に入れこれを
黒鉛製発熱体の電気炉に入れ、第１表に示す昇温条件で
昇温し、次いで、１９００℃、４時間焼成し、焼結体を
得た。得られた焼結体の色調、焼結状態を観察すると共
に、色彩色度計［ミノルタ製、色彩色度計ＣＲ−１００
、ＣＩＥｌ　９７６　（Ｌａｂ）］で明度りを測定した
。

明度はＣＩＥ　（国際照明委員会）で均等知覚色空間と
して推奨されているＬａｂ表色系（ＣＩＥ１９７６）を
用いた。標準の光Ｃを用いた場合、明度りは次式で定義
される。

ここに、Ｘ、Ｙ、Ｚ、は被測定物の二車１１激（直、Ｘ
ｏ、Ｙｏ、ＺＯは照明光源の三刺激値を示し、標準の光
Ｃの場合、 Ｘ、＝１００ Ｙｏ＝９８．０７ Ｚｏ＝１１８．２３ である。

また、レーザフラッシュ法で熱伝導率を汁１１足した。

得られた結果を第１表に示す。このよう１こ本発明によ
って明度が高く、熱伝導率の高ｔｚ）ＡＩ２Ｎ焼結体を
得ることが可能となる。

比較例１ 実施例１と同一の成形体を第２表の条イ牛で焼成した。

結果を同表に示す。

得られた焼結体の明度は低く、また、灰色の着色がみら
れたり、焼結不良、甚しい反りが見られた。一方、得ら
れた焼結体の熱伝導率も低いものだった。

実施例２ 実施例１と同じ原料をドクターブレード法で成形し、窒
素中で脱脂した後、第３表に示す昇温条件で昇温し、次
いで、１９００℃、４時間焼成し、焼結体を得た。得ら
れた焼結体の色調、焼結状態を観察すると共に、色彩色
度計［ミノルタ製、色彩色度計ＣＲ−１００、ＣＩＥ１
９７６（Ｌａｂ）］で明度りを測定した。

得られた結果を第３表に示す。このように本発明によっ
て明度が高く、熱伝導率の高いＡｌＮ焼結体を得ること
が可能となる。

比較例２ 実施例１と同一の成形体を第４表の条件で焼成した。結
果を同表に示す。

得られた焼結体の明度は低（、また、灰色の着色がみら
れたり、焼結不良、甚しい反りが見られた。一方、得ら
れた焼結体の熱伝導率も低いものだった。

［発明の効果〕 本発明により、焼成体の充填率が高い場合でも、灰色着
色が見られずに明度が高く、かつ、色むらなどの外観の
ばらつきの少ないＡｌ２Ｎ焼結体の製造を工業規模で実
施することが可能となり、工業的な寄与は大きい。また
、焼成コスト削減などの経済性の向上にも寄与する。ま
た、高熱伝導性／ＩＮを実際の基板といて使用する時に
厚膜印刷などによるメタライズ処理が施される際、印刷
欠陥が発見しやすくなるなどの効果を奏する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ＡｌＮを主成分とする成形体を焼結してＡｌＮ焼結
   体を製造する方法において、該 焼結時の昇温中、窒素ガスを導入しつつ、 ４００ｔｏｒｒ以下の減圧下で昇温することを特徴とす
   る高熱伝導性ＡｌＮ焼結体の製造方法。 ２　ＡｌＮを主成分とする成形体を焼結してＡｌＮ焼結
   体を製造する方法において、該焼結時の昇温中、窒素雰
   囲気又は窒素気流中 で、２００ｔｏｒｒ以下に減圧した後４００ｔｏｒｒ以
   上に復圧する操作を少なくとも１回以上行うことを特徴
   とする高熱伝導性ＡｌＮ焼結体の製造方法。