JPH06191954A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム焼結体の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱伝導率の高い窒化アルミニウム焼結体を低
い焼成温度で得ることのできる方法を提供する。 【構成】この発明にかかる窒化アルミニウム焼結体の製
造方法では、比表面積が4.0m2 /g以上で8.0m
2 /g以下の窒化アルミニウム粉末に稀土類化合物(焼
結剤a)、アルカリ土類化合物(焼結剤b)という焼結
助剤を適正量で併用添加し成型してなる成形体を非酸化
性雰囲気で1640℃以下の温度で焼成することを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、窒化アルミニウム焼
結体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】IC等に代表されるような半導体素子の
高集積化や大電力化が進み、これに伴って、放熱性の良
い電気絶縁材料が要求されるようになった。その中で
も、特に、窒化アルミニウム焼結体からなる絶縁基板
が、熱伝導性、熱膨張性、電気絶縁性等の点で優れてい
るということから、実用化が進んでいる。
【0003】しかしながら、窒化アルミニウムは共有結
合性の化合物であり、難焼結性である。そのため、セラ
ミックスを得るために焼結助剤を用いたり、ホットプレ
スを利用したりして、緻密で高熱伝導度の窒化アルミニ
ウム焼結体を得る試みがなされている。窒化アルミニウ
ム焼結体を得るのに使われる焼結助剤としては、Y2
3 (特開昭49-111909 号) やCaO(特公昭58-49510
号) が挙げられるが、こさらを用いた場合、1800℃
以上の高い温度で焼成する必要がある。焼結助剤である
2 3 とCaOを併用使用し、1700℃程度の温度
で焼成することが提案されている(特開昭61-117160
号) が、熱伝導度が十分でない。
【0004】また、焼結助剤であるY2 3 とLaB6
を併用したり(特開平03-146471 号) 、焼結助剤である
CaOとLaB6 を併用する(特開平03-197366 号)こ
とが提案されている。この場合、熱伝導度は十分である
が、1900℃の高い焼成温度が必要となる。焼成温度
が高い場合、エネルギーコスト(ランニングコスト)が
高くなる等の問題が出てくる。
【0005】加えて、焼成温度が高い場合、焼成工程で
必要となるセッター等の治具・備品が高価な材質のもの
に限られるという不都合もある。一方、得られる窒化ア
ルミニウム基板は、パワーモジュールの使用に最適な基
板なのであるが、このような用途においては、120W
/mK以上の熱伝導率のあることが好ましいため、これ
が可能であれば有用性は増すことになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記事情
に鑑み、熱伝導率の高い窒化アルミニウム焼結体を低い
焼成温度で得ることのできる方法を提供することを課題
とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、この発明にかかる窒化アルミニウム焼結体の製造方
法は、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し成型し
てなる成形体を、非酸化性雰囲気で焼成することにより
焼結させる窒化アルミニウム焼結体の製造方法におい
て、前記窒化アルミニウム粉末の比表面積が4.0m2
/g以上で8.0m 2 /g以下(比表面積より求めた平
均粒径が0.23μm以上で0.46μm以下)の範囲
にあり、前記焼結助剤として、下記の焼結剤a,bを下
記の範囲の添加量で併用のかたちで用いるとともに、前
記非酸化性雰囲気での焼成を1640℃以下の温度で行
うようにしている。
【0008】「焼結助剤a」:稀土類酸化物、および、
前記焼成で稀土類酸化物となる化合物からなる稀土類化
合物群のうちの少なくとも一種を、焼結体全体100重
量%のうち0.5〜10重量%の範囲で添加(焼成で稀
土類酸化物となる化合物は酸化物に換算) 「焼結助剤b」:アルカリ土類酸化物、および、前記焼
成でアルカリ土類酸化物となる化合物からなるアルカリ
土類化合物群のうちの少なくとも一種を、焼結体全体1
00重量%のうち0.1〜10重量%の範囲で添加(焼
成でアルカリ土類酸化物となる化合物は酸化物に換算) この発明において、焼結助剤として、下記の焼結剤cを
下記の範囲の添加量で上記の焼結剤a,bと併用のかた
ちで用いる形態は有用性が高い。
【0009】「焼結助剤c」:LaB6 を、焼結体全体
100重量%のうち0.05〜3重量%の範囲で添加
(焼成で稀土類酸化物となる化合物は酸化物に換算) さらに、この発明において、非酸化性雰囲気での焼成を
1625℃以下の温度で行ったり、あるいは、含有酸素
量が1.8重量%以下の窒化アルミニウム粉末(以下、
「AlN粉末」と言う)を用いたりする形態も有用性が
高い。
【0010】以下、この発明を、より具体的に説明す
る。窒化アルミニウム焼結体の製造方法において、低温
焼成で緻密な焼結体を得るという点では、AlN粉末の
粒径を細かくすることが非常に有用なのであるが、比表
面積が10.0〜14.0m2 /g以上のAlN粉末は
1600℃以下の温度での緻密化を可能とさせる。しか
し、AlN粉末は粒径が細かくなると含有酸素量が増
え、通常の還元窒化法で得た比表面積が10.0m2
g以上のAlN粉末では、含有酸素量が1.8重量%を
超えるようになる。他の方法で得た比表面積が10.0
2 /g以上のAlN粉末では含有酸素量が1.5重量
%程度のものもないことはないが、このようなAlN粉
末は表面に安定な酸化物層を有していないため、製造過
程なしい貯蔵の段階に劣化し易く実際の焼成段階まで初
期の低含有酸素量を維持することは困難であり、有効な
酸化抑制をとるとコスト面で引き合わなくなる。
【0011】この発明では、上記の不純物酸素の含有量
をうまく抑えるために、AlN粉末に対し一定程度の粒
径を確保するようにする一方、粒径確保に伴う焼結性低
下を焼結助剤でうまく補うようにしているのである。つ
まり、発明者らは、鋭意検討の結果、比表面積が4.0
2 /g以上で8.0m2 /g以下のAlN粉末に対し
焼結剤aを0.5〜10重量%、焼結助剤bを0.1〜
10重量%の範囲で併用することにより、1640℃以
下あるいは1625℃以下の低温の焼成で緻密で120
W/mK以上さらには130W/mKの高熱伝導率の窒
化アルミニウム焼結体が得られるということを見い出
し、これにより、上記の発明を完成させることが出来た
のである。
【0012】AlN粉末の比表面積が8.0m2 /gを
越すと含有酸素量が2.0重量%以上となり、低温焼成
で高熱伝導率化を図ることが難しくなるため、AlN粉
末には比表面積が8.0m2 /g未満で含有酸素量が
1.8重量%以下のものが好ましい。AlN粉末は、普
通、還元窒化反応法で作製されたものが使われる。還元
窒化反応法以外の方法で作製されたもので比表面積が
4.0m2 /g以上で含有酸素量の非常に少ないものも
あるが安定性に欠け製造過程での劣化で焼成時には還元
窒化反応法で作製されたAlN粉末と同程度の酸素含有
量となる。製造過程での劣化を防ぐため不活性ガスでの
取扱も考えられるが実用的ではない。
【0013】また、発明者らは、焼結剤a,bに焼結助
剤(ホウ化ランタン=LaB6 )cを併用すれば、より
高熱伝導率が図れることも見いだしている。LaB6
添加量を増すほど熱伝導率は増加するのであるが、3重
量%を越すと焼結性を低下させる傾向がある。このため
LaB6 の添加量は使用するAlN粉末の比表面積つま
り酸素含有量と密接に関係する。比表面積が小さくて焼
結性は比較的低いが酸素含有量は少なく熱伝導率の点で
は比較的良好なAlN粉末の場合はLaB6 の添加量を
少なくする。逆に、比表面積が大きくて焼結性は比較的
よいが酸素含有量が多くて熱伝導率の点では余りよくな
いAlN粉末の場合は、熱伝導率を確保するためにLa
6 の添加量を多くする。
【0014】焼結助剤aの稀土類化合物における稀土類
元素としては、Y,La,Dy,Er,Ce,Sm,N
d,Gd,Pr,Ho,Ybなどが挙げられるが、特
に、Y,Laが好適である。焼結助剤aの使用にあたっ
ては、稀土類酸化物を複数種併用したり、焼成で稀土類
酸化物となる化合物を複数種併用したり、稀土類酸化物
と焼成で稀土類酸化物となる化合物とを併用したりする
ようにしてもよい。焼成で稀土類酸化物となる化合物と
しては、炭酸化物、硝酸化物、水酸化物、しゅう酸化物
などの形態のものが挙げられる。
【0015】焼結助剤bのアルカリ土類化合物における
アルカリ土類元素としては、Mg,Ca,Sr,Baな
どが挙げられるが、特に、Caが好適である。焼結助剤
bの使用にあたっては、アルカリ土類酸化物も複数種併
用したり、焼成でアルカリ土類酸化物となる化合物を複
数種併用したり、アルカリ土類酸化物と焼成でアルカリ
土類酸化物となる化合物とを併用したりするようにして
もよい。焼成でアルカリ土類酸化物となる化合物として
は、炭酸化物、硝酸化物、水酸化物、しゅう酸化物など
の形態のものが挙げられる。
【0016】焼結助剤cであるLaB6 は、純度が9
9.9%以上で、その粒径は窒化アルミニウム粉末と均
一に分散させるために10μm未満が好ましい。焼成
は、1500〜1640℃(好ましくは1625℃以
下)の温度範囲で3〜6時間程度の時間行う。焼成雰囲
気は非酸化性雰囲気である。N2 やArなどの不活性ガ
ス雰囲気やH2 等の還元性ガス雰囲気、不活性ガスと還
元性ガスとの混合ガス雰囲気などが挙げられる。
【0017】
【作用】この発明の場合、比表面積が4.0m2 /g以
上で8.0m2 /g以下の酸素含有量の少ないAlN粉
末の焼結性を焼結剤a,bを適切な量で併用することで
補い、1640℃以下さらには1625℃以下の低温の
焼成で緻密で120W/mK以上の高熱伝導率の窒化ア
ルミニウム焼結体が得られるようになった。
【0018】LaB6 を添加した場合、AlN粉末の表
層に存在する或る種のアルミニウム酸化物と焼結助剤の
稀土類酸化物およびアルカリ土類酸化物、LaB6 との
間に反応生成した複合酸化物のうち(液相を生成する化
合物の詳細は不明であるが)或る種の低融点物質が焼結
の促進効果をもつとともに系内の熱伝導度に悪影響を及
ぼす不純物酸素をトラップし熱伝導度の障壁となる粒界
相から取り除く効果をもつものと考えられる。
【0019】このような焼結助剤の働きに加え、AlN
粉末の比表面積が4.0m2 /g以上とすることでAl
N粉末の表面エネルギーの増加による活性化が相乗的に
作用することによって従来の焼結温度よりも低温域で緻
密化が促進、同時に高熱伝導化が図られる。焼結助剤に
LaB6 を併用した場合、高熱伝導率の窒化アルミニウ
ム焼結体を得やすくなる。
【0020】また、1640℃以下の低温焼成は、エネ
ルギーコストを低減させるだけでなく、焼成工程で必要
となる高価なh−BNセッターの長寿命化を可能とした
り、h−BNに代えて安価な酸化物(例えば、アルミ
ナ)系の材質の使用を可能とする上、焼成用の炉の構造
(断熱材の材質等)も安価なものに変更が可能となるた
め、結果的な焼成コストの大きな低減が出来るようにな
る。これらの低減効果は、焼成温度が1625℃以下の
場合に顕著である。
【0021】窒化アルミニウム粉末の含有酸素量が1.
8重量%以下であれば、高熱伝導率の窒化アルミニウム
焼結体を得やすくなる。
【0022】
【実施例】以下、この発明の実施例を説明する。この発
明は下記の実施例に限らない。 −実施例1− 比表面積が5.0m2 /g、含有酸素量が1.25重量
%のAlN粉末に、下記の焼結助剤を添加し、イソプロ
ピルアルコールを溶媒にしてボールミルで混合した。
【0023】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,2.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)0.5
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,0.1重量%の添加量 得られた混合粉末を、直径20mm,高さ10mmの円
板状に成型したのち、1.5ton/cm2 の圧力でラ
バープレスし、BN容器に収納し、窒素を含む非酸化性
雰囲気で、1600℃の温度で4時間常圧焼成を行い、
窒化アルミニウム焼結体を得た。
【0024】−実施例2− 焼結助剤cのLaB6 の添加量が、0.20重量%であ
る他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニウム焼結
体を得た。 −実施例3− 焼結助剤cのLaB6 の添加量が、0.30重量%であ
る他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニウム焼結
体を得た。
【0025】−実施例4− 焼結助剤cのLaB6 の添加量が、0.40重量%であ
る他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニウム焼結
体を得た。 −実施例5− 焼結助剤cのLaB6 の添加量が、0.50重量%であ
り、焼成温度が1620℃の温度である他は、実施例1
と同様にして、窒化アルミニウム焼結体を得た。
【0026】−実施例6− AlN粉末の比表面積が4.5m2 /gであって、含有
酸素量が1.10重量%であって、焼結助剤cのLaB
6 を添加しなかった他は、実施例1と同様にして、窒化
アルミニウム焼結体を得た。 −実施例7− AlN粉末の比表面積が6.5m2 /gであって、含有
酸素量が1.40重量%であって、下記の焼結助剤a〜
cを添加するとともに1580℃の温度で4時間常圧焼
成を行った他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニ
ウム焼結体を得た。
【0027】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,2.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)0.4
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,0.6重量%の添加量 −実施例8− AlN粉末の比表面積が8.0m2 /gであって、含有
酸素量が1.75重量%であって、下記の焼結助剤a〜
cを添加するとともに1570℃の温度で4時間常圧焼
成を行った他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニ
ウム焼結体を得た。
【0028】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,3.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)0.5
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,0.5重量%の添加量 −実施例9− AlN粉末の比表面積が4.0m2 /gであって、含有
酸素量が1.0重量%であって、下記の焼結助剤a〜c
を添加した他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニ
ウム焼結体を得た。
【0029】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,3.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)2.0
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,0.1重量%の添加量 −実施例10− AlN粉末の比表面積が5.5m2 /gであって、含有
酸素量が1.32重量%であって、下記の焼結助剤a〜
cを添加した他は、実施例1と同様にして、窒化アルミ
ニウム焼結体を得た。
【0030】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,5.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)1.0
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,0.8重量%の添加量 −実施例11− AlN粉末の比表面積が7.5m2 /gであって、含有
酸素量が1.60重量%であり、下記の焼結助剤a〜c
を添加した他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニ
ウム焼結体を得た。
【0031】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,7.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)1.0
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,1.0重量%の添加量 −実施例12− AlN粉末の比表面積が4.8m2 /gであって、含有
酸素量が1.21重量%であり、下記の焼結助剤a,b
を添加した他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニ
ウム焼結体を得た。
【0032】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,1.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)1.0
重量%の添加量 −実施例13− AlN粉末の比表面積が4.6m2 /gであって、含有
酸素量が1.15重量%であり、下記の焼結助剤a〜c
を添加した他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニ
ウム焼結体を得た。
【0033】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,3.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)2.0
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,0.5重量%の添加量 −実施例14− AlN粉末の比表面積が6.0m2 /gであって、含有
酸素量が1.3重量%であって、下記の焼結助剤a〜c
を添加するとともに1620℃の温度で4時間常圧焼成
を行った他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニウ
ム焼結体を得た。
【0034】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,2.0重量%の添加量 「焼結助剤a」:La2 3 ,1.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)0.5
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,2.0重量%の添加量 −比較例1− AlN粉末の比表面積が3.3m2 /gであって、含有
酸素量が0.8重量%であって、下記の焼結助剤a,b
を添加するとともに1620℃の温度で4時間常圧焼成
を行った他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニウ
ム焼結体を得た。
【0035】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,2.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)0.5
重量%の添加量 −比較例2− AlN粉末の比表面積が3.5m2 /gであって、含有
酸素量が1.0重量%であって、下記の焼結助剤a〜c
を添加した他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニ
ウム焼結体を得た。
【0036】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,2.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)1.0
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,1.0重量%の添加量 −比較例3− AlN粉末の比表面積が3.3m2 /gであって、含有
酸素量が0.8重量%であって、下記の焼結助剤a〜c
を添加した他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニ
ウム焼結体を得た。
【0037】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,1.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)2.0
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,0.2重量%の添加量 −比較例4− AlN粉末の比表面積が9.0m2 /gであって、含有
酸素量が2.1重量%であって、下記の焼結助剤a〜c
を添加するとともに1570℃の温度で4時間常圧焼成
を行った他は、実施例1と同様にして、窒化アルミニウ
ム焼結体を得た。
【0038】 「焼結助剤a」:Y2 3 ,2.0重量%の添加量 「焼結助剤b」:CaCO3 ,(CaO換算で)0.4
重量%の添加量 「焼結助剤c」:LaB6 ,0.8重量%の添加量 実施例および比較例で得られた各窒化アルミニウム焼結
体を、直径10mm、厚み3mmの大きさに研磨した
後、相対密度の測定、および、レーザーフラッシュ法に
よる熱伝導率の測定を行った。製造条件や測定結果を、
表1および表2に記す。
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】実施例および比較例の焼結体についてのデ
ータを比較から、この発明が、比表面積が4.0m2
g以上で8.0m2 /g以下のAlN粉末と焼結助剤
a,bさらには焼結助剤cの適正量のもとでの併用によ
り、1625℃以下の低温焼成でも、緻密で120W/
mK以上の高熱伝導性窒化アルミニウムを得ることの出
来るものであることが分かる。また、実施例において、
セッターとしてアルミナ製のセッターを用いた場合も、
セッターを殆ど損なわずに実施できることも確認した。
【0042】
【発明の効果】この発明にかかる窒化アルミニウム焼結
体の製造方法では、適切な粒径の窒化アルミニウム粉末
と、稀土類化合物、アルカリ土類化合物という適切な種
類の焼結助剤が適切な添加量で併用されているため、1
640℃以下という低温の焼成で、緻密で熱伝導率の高
い高品質の窒化アルミニウム焼結体を低コストで得られ
るようになり、したがって、この発明は非常に有用であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 恭史 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加
    し成型してなる成形体を、非酸化性雰囲気で焼成するこ
    とにより焼結させる窒化アルミニウム焼結体の製造方法
    において、前記窒化アルミニウム粉末の比表面積が4.
    0m2 /g以上で8.0m2 /g以下の範囲にあり、前
    記焼結助剤として、下記の焼結剤a,bを下記の範囲の
    添加量で併用のかたちで用いるとともに、前記非酸化性
    雰囲気での焼成を1640℃以下の温度で行うことを特
    徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 「焼結助剤a」:稀土類酸化物、および、前記焼成で稀
    土類酸化物となる化合物からなる稀土類化合物群のうち
    の少なくとも一種を、焼結体全体100重量%のうち
    0.5〜10重量%の範囲で添加(焼成で稀土類酸化物
    となる化合物は酸化物に換算) 「焼結助剤b」:アルカリ土類酸化物、および、前記焼
    成でアルカリ土類酸化物となる化合物からなるアルカリ
    土類化合物群のうちの少なくとも一種を、焼結体全体1
    00重量%のうち0.1〜10重量%の範囲で添加(焼
    成でアルカリ土類酸化物となる化合物は酸化物に換算)
  2. 【請求項2】 焼結助剤として、下記の焼結剤cを下記
    の範囲の添加量で焼結剤a,bと併用のかたちで用いる
    請求項1記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 「焼結助剤c」:LaB6 を、焼結体全体100重量%
    のうち0.05〜3重量%の範囲で添加(焼成で稀土類
    酸化物となる化合物は酸化物に換算)
  3. 【請求項3】 非酸化性雰囲気での焼成を1625℃以
    下の温度で行う請求項1または2記載の窒化アルミニウ
    ム焼結体の製造方法。
  4. 【請求項4】 窒化アルミニウム粉末の含有酸素量が、
    1.8重量%以下である請求項1から3までのいずれか
    に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
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