JPH0579626B2 - - Google Patents

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JPH0579626B2
JPH0579626B2 JP63005235A JP523588A JPH0579626B2 JP H0579626 B2 JPH0579626 B2 JP H0579626B2 JP 63005235 A JP63005235 A JP 63005235A JP 523588 A JP523588 A JP 523588A JP H0579626 B2 JPH0579626 B2 JP H0579626B2
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JP
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aluminum nitride
sintering
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thermal conductivity
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Kazuhiro Baba
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/581Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on aluminium nitride

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野) 本発明は窒化アルミニウム焼結体の製造方法に
関するものである。 (従来の技術) 近年、半導体デバイスの高集積化、高出力化に
伴つて素子の発熱が問題となつている。従来、高
出力デバイス用の基板材料としてはベリリア
(BeO)が用いられているが、毒性やコスト高と
いつた点で実用上問題がある。そこで現在注目さ
れているのが窒化アルミニウム(AIN)である。
窒化アルミニウムの熱伝導率は理論値で320W/
m・kとベリリア並であり、他の特性、例えば抵
抗率、誘電率、強度等も基板材料として十分な値
を有している。 しかしながら窒化アルミニウムは難焼結性物質
であり、高密度の焼結体を得るためには2000℃近
くの高温が必要である。さらに、窒化アルミニウ
ムの熱伝導率は不純物酸素の存在によつて著しく
低下する。特に窒化アルミニウムは酸素と反応し
やすく、その粉末表面には大気中の酸素が水分に
よる、酸素量に換算して数重量パーセントの酸化
物層や水酸物層が不可避的に存在する。この粉末
中の不純物酸素は焼結途中で窒化アルミニウムと
反応し低熱伝導相である酸窒化物を生成する。従
つて、セラミツク基板として実用性のある窒化ア
ルミニウム焼結体を製造するために、高密度化と
低酸素化の点から開発が進められてきた。 焼結体の高密度化に対しては高温高圧下で焼結
する、いわゆるホツトプレス法が有効である。こ
の方法では焼結助剤を用いなくても高密度の焼結
体を得ることが可能であるが、熱伝導率は40W/
m・k程度と低い。しかも、ホツトプレス法では
複雑な形状の焼結体の製造が困難である上に、生
産性が低く実用上問題がある。そこで窒化アルミ
ニウム粉末に焼結助剤を添加し、常圧焼結するこ
とによつて高密度の焼結体を得る試みが数多く検
討されてきた。その結果、焼結助剤としてアルカ
リ土類金属化合物あるいはイツトリウムおよびラ
ンタン系列元素の酸化物を用いた場合に高密度か
つ高熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体が
得られることが見出された。具体例としては、特
開昭61−10071や特開昭62−52181等があげられ
る。これらの焼結助剤を用いる方法の特徴は、焼
結中に窒化アルミニウム粉末中のアルミナと反応
して複合酸化物の液相を生じる点にある。これら
の液相の一部は焼結体の外部に飛散することによ
り酸素量を減少させ、さらに液相焼結による高密
度化が可能となる。しかしながら、これらの焼結
助剤を用いても、熱伝導率は100W/m・k程度
で、助剤を用いない場合に比べて向上するものの
窒化アルミニウムの本来の熱伝導率(320W/
m・k)に比べて著しく低い。これは助剤が酸化
物であるために、窒化アルミニウムの熱伝導率を
低下させる原因である不純物酸素を新たに加える
結果になつているためと考えられる。さらに助剤
を加えても100W/m・k以上の熱伝導率を有す
る実用性のある窒化アルミニウム焼結体を得るに
は1800℃以上の焼結温度が必要である。このよう
に焼結温度が高いと、AINの分解昇華が進行す
る上に、焼結体中に残留した不純物酸素が結晶粒
内に固溶するために焼結体の熱伝導率が低下する
といつた問題が生じる。 この点を考えると窒化アルミニウムの焼結温度
としては1600℃以下、望ましくは従来の混成集積
回路基板材料として用いられているアルミナの焼
結温度である1500℃以下にすることが望ましい。 これに対して、焼結助剤として酸化物以外の化
合物を用いる方法も検討されている。例えば特開
昭61−10073ではフツ化イツトリウム(YF3)を
用いている。しかしこの場合においても熱伝導率
は80W/m・k程度と低く、しかも焼結温度は
1800℃と高い。また、特開昭61−209959において
はフツ化イツトリウムの他にフツ化カルシウム、
フツ化ランタンを加え、最高130W/m・kの熱
伝導率をもつ窒化アルミニウム焼結体が得られて
いるが、焼結温度は1700℃でありまだ十分とはい
えない。さらに、助剤の種類が増えるに従つて助
剤に含まれる不純物が無視できなくなるといつた
問題がある。 以上述べたように、単に添加物の種類を検討す
るだけでは、1600℃以下の焼結温度で実用上十分
な100W/m・k以上の熱伝導率を持つ窒化アル
ミニウム焼結体を得ることはできなかつた。 一方、原料粉末の平均粒径を小さくすることに
よつて低温で焼結する方法も考えられる。一般に
セラミツク原料粉末の粒径が小さくなると焼結温
度が低下すると言われている。しかし、これを窒
化アルミニウム粉末に応用できるかどうかは必ず
しも明らかではないし、また次のような問題が生
じる。すなわち、窒化アルミニウム粉末の粒径が
小さくなると粒径の逆数に比例して表面積が大き
くなり、従つて前述したように不純物酸素量が増
加する結果となる。このように酸素量の多い窒化
アルミニウム粉末を原料として用いた場合、焼結
体の熱伝導率が低下することは容易に推定でき
る。このため、例えば特開昭60−71575に見られ
るように高熱伝導化のためには窒化アルミニウム
粉末中の酸素量が3.5重量パーセント以下に限定
され、従つて平均粒径を0.1μm以下にすることは
できなかつた。 (発明が解決しようとする問題点) 以上述べたように低温で高密度を有する窒化ア
ルミニウム焼結体を製造するためには原料の微粒
子化が不可欠である。そこで本発明者らは高周波
熱プラズマ法を用い、平均粒径が0.1μm以下の窒
化アルミニウム超微粒子を合成することに成功し
た。さらにこの窒化アルミニウム超微粒子は焼結
助剤なして1500℃以下の低温でも十分緻密化し、
実用価値の高い粉末であることを明らかにした。 しかしながら、この窒化アルミニウム超微粒子
に対して、従来用いられてきた焼結助剤および焼
結方法をもつてして、高密度かつ高熱伝導率を有
する窒化アルミニウム焼結体を得ることはできな
かつた。具体的には、焼結体中に割れや気泡を生
じるために密度が低下したり、あるいはこのよう
な問題が生じない場合においても熱伝導率は従来
に比べて低かつた。 (問題を解決するための手段) 本発明者らは、窒化アルミニウム超微粒子を用
いた際に生じる種々の問題点が以下のような原因
であると考え、本発明に至つた。即ち従来用いら
れている焼結助剤の融点が焼結温度に対して高い
ためである。前述したように窒化アルミニウムの
低酸素化は粉末表面に存在するアルミナ層と焼結
助剤との反応によるものである。従つて、焼結助
剤の融点が焼結温度に比べて高い場合、その反応
は固体同志が接触した近傍といつたように極めて
局所的に起こる。ところが、超微粒子のように著
しく表面積が大きい場合においては、このような
局所的な反応によつてすべての不純物酸素を除去
することは非常に困難である。 これに対して、フツ化イツトリウムは融点が
1150℃と、焼結温度に比べて低く、焼結途中の昇
温過程中に液相となり、毛管現象により窒化アル
ミニウム粉末の表面を覆うために、不純物酸素と
の反応が効率よく行われると予想される。しかし
ながら0.1μm以下の窒化アルミニウム超微粒子の
場合、焼結による急激な密度増加が1300℃前後で
生じるため、従来行われてきたような連続的な昇
温による焼結方法ではフツ化イツトリウムの液相
が窒化アルミニウム超微粒子表面を覆うことは困
難である。従つて、フツ化イツトリウムの融点以
上でかつ、窒化アルミニウム超微粒子の焼結が起
こる以前の温度において一定時間保持し、フツ化
イツトリウムの液相が超微粒子全体を覆うように
することが必要となる。 (作用) 以下述べた観点から、平均粒径が0.1μm以下で
かつ不純物酸素の含有量が3〜10重量パーセント
の窒化アルミニウム粉末にフツ化イツトリウムを
全体量に対し5〜20重量パーセント混合した粉末
を1150℃〜1250℃の温度範囲から選ばれた温度で
30分以上保持した後、1400℃以上の温度で焼結す
ることにより、熱伝導率が100W/m・k以上の
窒化アルミニウム焼結体を製造することが可能と
なる。ここで、平均粒径が0.1μm以上の窒化アル
ミニウム粉末を用いた場合、焼結温度が1800℃以
下では十分緻密化せず、熱伝導率も低い。また、
たとえ平均粒径が.1μm以下でも不純物酸素量
が10重量パーセント以上になると熱伝導率の低下
が著しい。一方、フツ化イツトリウムの添加量に
関しては、20重量パーセントを超えると焼結性が
悪くなる。またその最適添加量は窒化アルミニウ
ム粉末に含まれる不純物酸素量に応じて5〜20重
量パーセントの範囲で適当に選べばよい。 (実施例) 平均粒径が0.06μm、酸素含有量が4重量パー
セントの窒化アルミニウム粉末にフツ化イツトリ
ウム粉末を全体的に対して5,10,15,20重量パ
ーセントとなるように秤量し、1,1,1−トリ
クロロエタンを分散媒としてホモジナイザーによ
り30分間混合した。この混合粉を窒素気流中60℃
で乾燥した後、2000Kg/cm2の圧力でラバープレス
を行ない直径約15mm、厚さ約4mmのペレツトを作
製し焼結用試料とした。このペレツトを窒素雰囲
気中、室温から1200℃まで20℃/分の速度で昇温
し、1200℃で30分間保持した後所定の温度まで20
℃/分で昇温後10時間常圧焼結を行なつた。この
ようにして得られた焼結体はアルキメデス法によ
り密度を測定した後、レーザーフラツシユ法によ
り熱伝導率を測定し、その結果を第1表に示し
た。 (比較例 1) 実施例においてフツ化イツトリウムを3重量パ
ーセントと22重量パーセント添加した場合につい
て同様の実験を行なつた結果を第2表に示した。 (比較例 2) 平均粒径が0.52μm、酸素含有量が1.5重量パー
セントの窒化アルミニウム粉末について実施例と
同様の方法で実験を行なつた(第3表)。 (比較例 3) 実施例と同様の粉末を用い、焼結する際に所定
の温度まで20℃/分で連続的に昇温した後、10時
間常圧焼結を行なつた(第4表)。 (比較例 4) 平均粒径が0.03μm、酸素含有量が12重量パー
セントの窒化アルミニウム粉末を用いて同様の実
験を行なつた(第5表)。
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】 発明の効果 本発明によれば、アルミナと同程度の1600℃以
下の焼結温度においても高密度でしかも100W/
m・k以上という実用上十分な熱伝導率を有する
窒化アルミニウム焼結体を製造することが可能と
なり実用性は極めて大きい。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 窒化アルミニウム焼結体の製造方法におい
    て、 (a) 窒化アルミニウム粉末の平均粒経が0.1μm以
    下でかつ不純物酸素の含有量が3〜10重量パー
    セント (b) 焼結助剤がフツ化イツトリウムであり、かつ
    その含有量が窒化アルミニウム粉末組成物に対
    して5〜20重量パーセント である窒化アルミニウム粉末組成物を用い、焼結
    を行う際に1150℃〜1250℃の範囲の一定の温度に
    おいて30分以下保持した後、1400℃以上の温度で
    焼結することを特徴とする窒化アルミニウム焼結
    体の製造方法。
JP63005235A 1988-01-12 1988-01-12 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 Granted JPH01183466A (ja)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6110073A (ja) * 1984-06-26 1986-01-17 株式会社東芝 窒化アルミニウム焼結体
JPS62105960A (ja) * 1985-10-30 1987-05-16 株式会社トクヤマ 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6110073A (ja) * 1984-06-26 1986-01-17 株式会社東芝 窒化アルミニウム焼結体
JPS62105960A (ja) * 1985-10-30 1987-05-16 株式会社トクヤマ 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

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