JPH0512300B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は複合セラミツクス粉末及びその製造方
法に関し、更に詳しくは緻密で放熱性が良好であ
り、高熱伝導性且つ高電気絶縁性を有し、かつ、
耐薬品性の優れる窒化アルミニウム質焼結体用原
料粉末及びその製造法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

エレクトロニクス産業の急激な発展に伴ない、
電子回路等の集積化・小型化が進み、特に、絶縁
性を有するセラミツクス回路基板等には、放熱性
が良好で高熱伝導性を有する材料の必要性が増大
しており、その開発が強く希求されている。ま
た、かかる良好な放熱性を有する材料は、エレク
トロニクス産業のみならず、熱機関、産業機械等
の冷却を必要とする分野においても、その出現が
期待されている。

現在、回路基板用セラミツクス材料として広く
使用されているものとしては、アルミナ（Al₂
O₃）があるが、このアルミナは、熱伝導率が低
く、放熱性の面で問題点を有している。従つて、
回路基板の放熱性を向上させるためには、アルミ
ナに他の材料を混合するか、或いは他の材料を用
いねばならない。このような、より放熱性の良好
な物質は、化学結合様式等によりある程度限定さ
れるために、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化
ホウ素、炭化ケイ素、ベリリヤ及び窒化アルミニ
ウム等に限られる。これらのうち、窒化アルミニ
ウム（AlN）の焼結体は耐熱性、耐酸化性、耐
熱衝撃性に優れているため、最近、高温材料とし
ても注目を集めている。

しかしながら、AlNは他の高熱伝導用セラミ
ツクス材料に比べ、耐薬品性に劣るという問題が
あつた。例えば、AlNは、水、酸、アルカリと
次の反応によつて容易に分解してしまうという欠
点を有している。

2AlN＋6H₂Ｏ→2NH₃＋Al₂O₃・3H₂Ｏ AlN＋3HCl→NH₃＋AlCl₃ AlN＋3KOH→NH₃＋K₃AlO₃ 特に、水との反応はAlN焼結体製造用粉末及
びその焼結体の化学的安定性を損う原因となつて
いる。なぜなら、これら粉末もしくは焼結体を、
大気中、長時間放置しておくと、空気中の水分と
徐徐に反応して、これらの表面がAl₂O₃に転化し
てしまうからである。このため、AlN焼結体の
化学的安定性・寿命の向上のためのみならず、
AlN粉末の保存・管理の上からも、AlN粉末の
耐薬品性、特に、耐水性の改善が要望されてい
た。

〔発明の目的〕

本発明は、優れた熱伝導性、電気絶縁性を有
し、かつ、耐薬品性が大きいAlN焼結体用の原
料粉末及びその製造方法を提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を
重ねた結果、窒化アルミニウム粒子の表面に窒化
ケイ素層を形成せしめた粒子から成る複合セラミ
ツクス粉末は、窒化アルミニウム粒子に比べて耐
薬品性に優れること、及び、この粉末から得られ
る焼結体は窒化アルミニウム粉末から得られる焼
結体と同等の高熱伝導性を有することを見い出し
本発明を完成した。

即ち、本発明の複合セラミツクス粉末は、窒化
アルミニウム粒子の表面に窒化ケイ素の層が、全
重量に対して２〜43重量％被覆している粒子から
成ることを特徴とする。

本発明において、窒化アルミニウム粒子は、放
熱性・熱伝導性・耐熱性が優れ、しかも、電気抵
抗の大きな焼結体製造用粉末を得るための必須成
分である。

窒化アルミニウムは高純度であることが好まし
く、通常、純度97重量％とする。純度が97重量％
未満であると、AlNの優れた熱的・電気的特性
が得られなくなるからである。

また、窒化アルミニウム粒子の粒径は3μm以下
であることが好ましく、更に好ましくは1μm以下
とする。粒径が3μmを超えると、これによつて緻
密な焼結体を得ることが困難となるからである。

本発明において、窒化アルミニウム粒子は化学
的に安定な窒化ケイ素の保護層によつて被覆され
ている。

窒化ケイ素は低温相α型結晶の窒化ケイ素を少
なくとも60重量％含むことが好ましい。α型窒化
ケイ素の含有量が60重量％未満であると焼結体が
低下し、緻密な焼結体を得ることが困難となるか
らである。

窒化アルミニウム粒子と窒化ケイ素層とからな
る複合セラミツクス粒子全重量に対する窒化ケイ
素層の占有率は、２〜43重量％とする。窒化ケイ
素層の占有率が２重量％未満ではAlN粒子の耐
薬品性及び焼結性が十分改善されず、また、43重
量％を超えると熱伝導性が低下するからである。

また、本発明は、前記複合セラミツクスの製造
方法を提供する。即ち、本発明の複合セラミツク
スの製造方法は、シリカ粉末１重量部、炭素粉末
0.4〜２重量部及び窒化アルミニウム粉末１〜38
重量部から成る混合粉末を1350〜1550℃の温度
で、窒素又は気体状窒素化合物を含む非酸化性雰
囲気中で焼成して、表面が窒化ケイ素層で被覆さ
れた窒化アルミニウム粒子の粉末を得ることを特
徴とする。

本発明の複合セラミツクス粉末の製造法はシリ
カ還元法による窒化ケイ素粉末を合成する際、出
発素原料中にあらかじめ微細な窒化ケイ素を存在
せしめることにより、合成された窒化ケイ素が混
合粉末中に存在する窒化ケイ素粒子を核として成
長する原理を応用したものである。

この方法において、シリカ粉末は窒化ケイ素層
の構成元素であるケイ素源として必要な成分であ
る。

用いるシリカ粉末は、例えば、純石英、珪石、
珪砂、コロイダルシリカ等の高シリカ含有物質の
粉末及び高温（但し、1550℃未満の温度）でシリ
カに転化する有機ケイ素化合物、例えばメチルケ
イ酸（CH₃SiO₂）等のシリカ前駆体物質を挙げ
ることができる。

シリカ粉末の粒径は1μm以下であることが好ま
しい。粒径が1μmを超えると、シリカ粉末の反応
性が低下し、その結果、低温相のα型窒化ケイ素
粉末を得ることが困難となる。

炭素粉末はシリカの還元剤として必要な成分で
ある。

用いる炭素粉末としては、例えば、カーボンブ
ラツク、グラフアイト、ランプブラツクカーボン
等及び高温（但し、1550℃未満の温度）で炭素に
転化する有機化合物、例えばフエノール樹脂等の
炭素前駆体物質の粉末等が挙げられる。

この炭素粉末の粒径は0.2μm以下であることが
好ましい。粒径が0.2μmを超えると、炭素粉末の
反応性が低下するからである。

窒化アルミニウム粉末は本発明の複合セラミツ
クス粉末粒子の核となる必須成分である。この粒
子の粒径は3μm以下であることが好ましく、更に
好ましくは1μm以下とする。

出願原料の組成は、シリカ粉末１重量部、炭素
粉末0.4〜２重量部及び窒化アルミニウム粉末１
〜38重量部の割合とする。

シリカ−炭素−窒化アルミニウムの組成比（重
量部）をSiO₂：Ｃ：AlN＝１：0.4：〜２：１〜
38に限定する理由は次の通りである。即ち、シリ
カ１重量部当りＣが0.4重量部未満であるとSiO₂
の還元が不完全となり、AlN表面への被覆が不
十分となる。又、２重量部を超えると反応は容易
に進行するものの、反応後に多量の余剰炭素が残
存し、収率が低下するとともに、後の脱炭工程が
煩雑になる。一方、SiO₂１重量部当りAlNが１
重量部未満であると合成される複合粉末中のSi₃
N₄の割合が43重量％を超えてしまい、この粉末
を焼結しても高熱伝導性焼結体が得られない。一
方、38重量部以上ではAlNを化学的に安定化さ
せるSi₃N₄皮膜層の量が２重量％未満となる。

本発明において、前記混合粉末を窒素又は窒素
化合物を含有する非酸化性雰囲気中で焼成する。

用いる雰囲気としては、例えば、N₂、NH₃、
N₂−H₂、N₂−不活性ガス等が挙げられる。

焼成温度は1350〜1550℃とする。温度が1350℃
未満であると被膜用Si₃N₄の生成が不十分とな
り、一方、1550℃を超えるとSiCの生成量が増大
してしまう。

本発明の製造方法により表面がSi₃N₄で被覆さ
れたAlNが出来る理由は次のように考えられる。

即ち、一次反応として SiO₂＋Ｃ→SiO＋CO なる反応が進行する。この反応は固相反応であり
SiOとN₂又はNH₃は気相状態で容易に反応して
気相のSi₃N₄を生成する。しかるに本発明におい
てAlN粉末があらかじめ共存しているため、気
相で存在するSi₃N₄はAlNを核として速やかに沈
着、成長し、ちようどAlNを中心として表面層
を形成する。このようにしてAlNの化学的安定
性が達せられるものと考えられる。

〔発明の効果〕

本発明の複合セラミツクス粉末の各粒子は、耐
薬品性、焼結性に優れ、しかも固有抵抗の大きな
窒化ケイ素層によつて被覆されているので、粉末
自身が耐薬品性に優れるのみならず、この粉末に
よつて得られる焼結体は、耐薬品性、電気絶縁性
に優れ、しかも緻密である。また、該粉末の主成
分が熱伝導度の大きな窒化アルミニウムから成る
ので、得られる焼結体は放熱性に優れる。

更に、本発明の複合セラミツクス粉末の製造方
法は、製造工程が簡易であり、高価な装置を要し
ないので、前記特性を有する複合セラミツクス粉
末を安価に供給することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の複合セラミツクス及びその製造
方法を実施例に沿つて詳説する。

実施例 １ 平均粒径0.05μmシリカ粉末１重量部、平均粒
径0.02μmのランプブラツクカーボン0.5重量部及
び平均粒径0.6μmの窒化アルミニウム30重量部か
ら成る混合粉末を、窒素ガス中、1450℃、５時間
焼成した。しかる後この焼成物を大気中において
700℃、５時間加熱し、脱炭処理を行ない平均粒
径が1.1μmの本発明の複合セラミツクス粉末を得
た。

この粉末についてＸ線回折分析を行つたとこ
ろ、その回折線の大部分はSi₃N₄に帰属するもの
であつた。しかしながら、この粉末の一部を乳鉢
で粉砕した後に再びＸ線回折分析を行つたとこ
ろ、回折線の大部分がAlNに変化した。このこ
とは、AlNの表面がSi₃N₄で均一に被覆されてい
ることを示している。また、粉砕された本発明の
複合セラミツクス粉末について、化学分析による
AlとSiの分析によつてAlNとSi₃N₄の含有率を求
めたところ、この粉末はAlN97.5重量％及びSi₃
N₄2.5重量％から成つていた。

次に、粉砕されていない残りの一部の複合セラ
ミツクス粉末を用いて、その耐水性の評価を行つ
た。

耐水性の評価は、この複合セラミツクスを水中
に投入した後、100℃で５時間煮沸し、その水中
投入前と後の重量変化を求める試験によつた。

この試験によつて観察された本発明の複合セラ
ミツクスの重量増加は約３％にすぎなかつた。

更に、本発明の残りの複合セラミツクス粉末を
用いて、次の方法で焼結体の成形を行つた。

先ず、前記複合セラミツクス粉末99重量部及び
焼結助剤の炭酸カルシウム１重量部から成る混合
粉末をボールミルで24時間混合し、次いでこの混
合物にバインダーとしてパラフイン５重量部を加
え、金型成形法により300Kg／cm²で加圧し、圧粉
体を成形した。

次のこの圧粉体を1800℃、１時間加熱して焼結
体を得た。このようにして得られた焼結体の密
度、固有抵抗、熱伝導度を測定したところ、密度
は3.21ｇ／cm³、固有抵抗は10¹⁴Ωcm、比熱伝導度
は0.15cal／cm・℃・secであつた。

比較例 平均粒径0.6μmの窒化アルミニウム粉末につい
て、実施例１と同様の方法で耐水性の評価を行つ
たところ、水中投入前と後の重量増加は約20％に
達した（AlNがH₂Ｏと反応して完全にAl₂O₃に転
化した場合の理論重量増加率は24.4％である。）。

また、本発明の複合セラミツクスの代りに前記
窒化アルミニウムを用いたこと以外は全て実施例
１と同様にして、その焼結体を得たところ、焼結
体の密度は3.20ｇ／cm³、固有抵抗は10¹⁴Ωcm、比
熱伝導度は0.12cal／cm・℃・secであつた。

実施例 ２ 平均粒径0.05μmのシリカ１重量部、平均粒径
0.02μmのカーボン0.5重量部、平均粒径0.6μmの
窒化アルミニウム２重量部から成る混合粉を実施
例１と同様の方法により平均粒径1.1μmの本発明
の複合セラミツクス粉末を合成した。この粉末は
72％AlN−28％Si₃N₄から成つており、実施例１
と同様の沸騰水による化学安定性の評価では重量
増加が約1.2％であつた。

この粉末を用いて、実施例１と同様の方法によ
つて得た焼結体の密度は3.21ｇ／cm³、固有抵抗は
10¹⁴Ωcm、比熱伝導度は0.10cal／cm・℃・secで
あつた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化アルミニウム粒子の表面に窒化ケイ素の
   層が、全重量に対して２〜43重量％被覆している
   粒子から成ることを特徴とする複合セラミツクス
   粉末。 ２ 窒化アルミニウム粒子の粒径が3μm以下であ
   る特許請求の範囲第１項記載の複合セラミツクス
   粉末。 ３ シリカ粉末１重量部、炭素粉末0.4〜２重量
   部及び窒化アルミニウム粉末１〜38重量部から成
   る混合粉末を1350〜1550℃の温度で、窒素又は気
   体状窒素化合物を含む非酸化性雰囲気中で焼成し
   て、表面が窒化ケイ素層で被覆された窒化アルミ
   ニウム粒子の粉末を得ることを特徴とする複合セ
   ラミツクス粉末の製造方法。 ４ 窒化アルミニウム粒子の粒径が3μm以下であ
   る特許請求の範囲第２項記載の複合セラミツクス
   粉末の製造方法。