JPH06321640A

JPH06321640A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH06321640A
Application number: JP5113457A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Yoda; 浩好余田; Noboru Hashimoto; 登橋本; Susumu Kajita; 進梶田; Yasushi Tanaka; 恭史田中
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd; Dow Chemical Co
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd; Dow Chemical Co
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1994-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】十分に緻密で高熱伝導度の窒化アルミニウム
焼結体を低温焼成により、安価に製造できる方法を提供
する。【構成】この発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方
法では、アルカリ土類化合物が均一に粒子内に含まれて
いる窒化アルミニウム粉末であって、比表面積が４．０
ｍ²／ｇ以上８．０ｍ²／ｇ以下である窒化アルミニウ
ム粉末に、稀土類元素化合物を稀土類元素量換算で０．
０１〜５wt％を添加し成形した後、非酸化性雰囲気下で
焼成することにより焼結体を得るようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、高熱伝導性
セラミック基板として使える窒化アルミニウム焼結体を
製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ等に代表される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。これに応えて、各種
の高熱伝導性セラミック基板が提案されている。その中
でも、特に窒化アルミニウム焼結体基板が、熱伝導性、
熱膨張性、電気絶縁性などの点で優れていることから、
実用化が進んでいる。

【０００３】ただ、窒化アルミニウムは共有結合性の化
合物であって、難焼結性である。そのため、焼結助剤を
用いたり、ホットプレスを用いたりして、緻密で高熱伝
導度の窒化アルミニウム焼結体を得ることが試みられて
いる。しかしながら、焼結助剤を用いて常圧焼成する場
合、十分に高い熱伝導率を確保するため、１８００℃以
上で焼成を行っている。焼成温度が１８００℃以上とな
ると、炉のヒータ材質や断熱材はカーボン材質でなけれ
ばならず、被焼成物のセッター材質や共板材質等も高価
なＢＮ材質である必要があるため、どうしても製造コス
トが高くなる。また、ホットプレスによって窒化アルミ
ニウム焼結体を得る方法は、生産性が非常に低くて、結
果的に製造コストが高くなる。

【０００４】焼成温度を下げるため、アルカリ土類と稀
土類元素の酸化物もしくはフッ化物を窒化アルミニウム
粉末に添加することも行われている（特開昭61-209959
号公報) 。しかし、これらの方法では、焼結助剤は、粉
末の形で窒化アルミニウム粉末に添加し機械的に混合し
ているため、ミクロ的にみると窒化アルミニウム粉末の
間に介在しており、分子レベルで均一に混合しているわ
けではないので、焼成温度が１６５０℃以下では、緻密
で高熱伝導度の窒化アルミニウム焼結体は得ることは困
難であった。

【０００５】そこで、発明者らは、検討し、アルカリ土
類化合物が均一に粒子内に含まれている窒化アルミニウ
ム粉末を用いることを先に提案した。詳しくは後述する
が、窒化アルミニウム粉末の製造段階でアルカリ土類化
合物を添加混合するようにして、得られた窒化アルミニ
ウム粉末の各粒子内にアルカリ土類化合物を粒子内に均
一に固溶ないし分散させるようにする。そして、この窒
化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加してから成形・焼
成して窒化アルミニウム焼結体を得るのである（特開平
２−３０６０８号公報）。

【０００６】しかしながら、この方法でも、焼成温度が
１６５０℃以下では緻密で高熱伝導度の窒化アルミニウ
ム焼結体は得ることは難しかった。

【０００７】

【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、十分に緻密で高熱伝導度の窒化アルミニウム焼
結体を低温焼成により、安価に製造できる方法を提供す
ることを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記事情に鑑み、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、アル
カリ土類化合物が均一に粒子内に含まれている窒化アル
ミニウム粉末であって、比表面積が４．０ｍ²／ｇ以上
８．０ｍ²／ｇ以下である窒化アルミニウム粉末に、稀
土類元素化合物を稀土類元素量換算で０．０１〜５wt％
を添加し成形した後、非酸化性雰囲気下で焼成すること
により焼結体を得るようにしている。

【０００９】この発明では、アルカリ土類化合物が均一
に粒子内に含まれている窒化アルミニウム粉末が用いら
れる。窒化アルミニウム粉末の製造段階でアルカリ土類
化合物を添加混合するようにして、得られた窒化アルミ
ニウム粉末の各粒子内にアルカリ土類化合物を分子オー
ダーで均一に固溶ないし分散させるようにするのである
が、具体的には、特開平２−３０６０８号公報に開示し
た方法で得られるものであり、例えば、以下のようにし
て製造することが出来る。

【００１０】なお、アルカリ土類化合物が均一に粒子内
に含まれている窒化アルミニウム粉末と、窒化アルミニ
ウム粉末とアルカリ土類化合物粉末との混合粉末との相
違は、元素分析機能を有する走査型電子顕微鏡や透過型
電子顕微鏡で確認できる。すなわち、後者の混合粉末の
場合は、窒化アルミニウム粉末以外の場所にアルカリ土
類元素が検出され、前者のアルカリ土類化合物が均一に
粒子内に含まれている窒化アルミニウム粉末の場合は、
アルカリ土類元素は粒子上に均一に検出されるか、もし
くは殆ど検出されない。

【００１１】窒化アルミニウムの主体であるアルミニウ
ムの供給源となるアルミニウム含有化合物とアルカリ土
類化合物、および、炭素含有化合物の各原料成分が分子
オーダで混合されている水溶液を作製し、この水溶液か
ら水分を除去したあと非酸化性雰囲気中で焼成するよう
にする。分子オーダの混合がうまくなされるためには、
各原料成分は水溶性であることが好ましい。焼成は、例
えば、窒素気流中、１６００℃で行う。その後、未反応
の残留カーボンを除去するため、空気中での熱処理を行
うようにしてもよい。

【００１２】アルミニウム含有化合物としては、例え
ば、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、塩化アルミ
ニウム、乳酸アルミニウム、アルミニウム多核錯体（例
えば、塩基性塩化アルミニウム等），アルミニウムアル
コキシド（例えば、アルミニウムメトキシド等）などが
好例として挙げられる。これらの化合物は水溶性であっ
て好ましい。

【００１３】アルカリ土類化合物としては、例えば、Ｃ
ａ化合物、Ｍｇ化合物、Ｓｒ化合物、Ｂａ化合物などが
あり、酸化物（例えば、ＣａＯなど）、酸化アルミニウ
ムとの複合酸化物のようなアルカリ土類アルミニウム化
合物（例えば、Ｃａ₃Ａｌ₂Ｏ_6,ＣａＡｌ₂Ｏ_4,Ｃａ₁₂
Ａｌ₄Ｏ₂₂等）、さらには、焼成でアルカリ土類酸化物
となるアルカリ土類化合物〔例えば、ＣａＣＯ₃，Ｃａ
（ＮＯ₃）₂など〕の形態の化合物が例示される。勿
論、アルカリ土類化合物は１種類だけの単独使用の他、
複数種類併用使用もある。特にＣａ化合物が、ＡｌＮ表
面に存在するアルミナ質と反応し易いことから適当であ
る。特に好ましい水溶性アルカリ土類化合物としては、
硝酸塩化合物〔Ｃａ（ＮＯ₃）₂など〕や塩化物（Ｃａ
Ｃｌ₂など）が例示される。

【００１４】炭素含有化合物（窒素も含む炭素・窒素含
有化合物でもよい）としては、グルコース、セルロース
誘導体、リグニンなどが挙げられ、炭素・窒素含有化合
物としては、尿素、メラミン、グリシン等の水溶性アミ
ノ酸などが挙げられる。炭素含有化合物は、水溶性化合
物であることが好ましい。勿論、これらの化合物は１種
類だけの単独使用の他、複数種類併用使用もある。

【００１５】得られるアルカリ土類化合物が均一に粒子
内に含まれている窒化アルミニウム粉末は、粒径が細か
い比表面積の大きいものが粒子の表面エネルギーが効果
的に働くが、細かすぎる場合は、酸化もしくは加水分解
などを受け易くなり、製造工程での純度確保が困難とな
り、焼結体としての物性（特に熱伝導度）の低下をきた
してしまうため、粒径が適切な範囲にある必要がある。
なお、窒化アルミニウム粉末の一次粒子の平均粒径Ｒ
（μｍ）と粉末の比表面積Ａ（ｍ²／ｇ）は、下記式の
関係にあって正確に対応しており、一次粒子の平均粒径
は粉末の比表面積として表すことが出来る。すなわち、
Ａ＝６÷〔３．２６×Ｒ〕なる関係にある（式中の３．
２６は真密度である）。先の事情から、窒化アルミニウ
ム粉末は、比表面積が４．０ｍ²／ｇ（比表面積より求
めた一次粒子の平均粒径でいうと０．４６μｍ）以上
８．０ｍ²／ｇ（比表面積より求めた一次粒子の平均粒
径でいうと０．２３μｍ）以下である必要があり、さら
に、比表面積が４．５ｍ²／ｇ（比表面積より求めた一
次粒子の平均粒径でいうと０．４０μｍ）以上７．０ｍ
²／ｇ（比表面積より求めた一次粒子の平均粒径でいう
と０．２６μｍ）以下であることがより好ましい。

【００１６】このアルカリ土類化合物含有の窒化アルミ
ニウム粉末におけるアルカリ土類化合物含有量は、普
通、窒化アルミニウム粉末を１００wt％として、アルカ
リ土類元素量換算で０．０１〜５wt％とする。つまり、
窒化アルミニウム粉末１００wt％のうちアルカリ土類元
素が０．０１〜５wt％の量を占めているのである。この
アルカリ土類化合物の含有量は元素量換算で、０．０５
〜１．０wt％であることが好ましい。

【００１７】アルカリ土類化合物の含有量が０．０１wt
％であると必要な窒化率および緻密度の向上作用が発現
しないし、５wt％を越えると含有量が多すぎて却って緻
密度が低下したり、アルカリ土類化合物が焼結体中に残
留して熱伝導度を低下させるなどの問題がある。次に、
上記のようにして得られた窒化アルミニウム粉末に、稀
土類元素化合物を粉末の形で添加しボールミル等で混合
する。稀土類元素化合物を粉末は比表面積が４ｍ²／ｇ
以上で粒度分布が揃った粉末が望ましい。稀土類元素化
合物を均一に混合するという点では、塩化物、硝酸塩等
を溶媒に溶解したあと、窒化アルミニウム粉末に添加し
湿式混合で窒化アルミニウム粉末と稀土類元素化合物を
混合したあと、溶媒を除去し、塩化物や硝酸塩などから
の発生ガスを除去するための熱処理を行うことも有用で
ある。

【００１８】稀土類元素化合物としては、例えば、Ｙ化
合物、Ｌａ化合物、Ｄｙ化合物、Ｅｒ化合物、Ｓｍ化合
物、Ｃｅ化合物、Ｎｄ化合物、Ｇｄ化合物、Ｐｒ化合
物、Ｈｏ化合物、Ｙｂ化合物などがあって、Ｙ化合物、
Ｌａ化合物、Ｄｙ化合物、Ｅｒ化合物が好適であり、こ
れら化合物は、酸化物、炭化物、炭酸塩、ホウ化物、ハ
ロゲン化物、塩化物、硝酸塩などや、焼成で酸化物とな
る形態の化合物が例示される。勿論、稀土類元素化合物
は１種類だけの単独使用の他、複数種類併用使用もあ
る。また、稀土類元素化合物は溶媒溶解性のあるものが
好ましいのである。溶媒（例えば、イソプロピルアルコ
ール、メタノール、水など）に溶ける稀土類元素化合物
〔Ｙ（ＮＯ₃）₃、ＹＣｌ₃など〕が適当である。

【００１９】この稀土類元素化合物含有の窒化アルミニ
ウム粉末に対する添加量は、普通、窒化アルミニウム粉
末を１００wt％として、稀土類元素量換算で０．０１〜
５wt％とする。つまり、窒化アルミニウム粉末１００wt
％に対して、０．０１〜５wt％の量の稀土類元素を添加
するのである。稀土類元素化合物の添加量が０．０１wt
％未満であると必要な緻密度の向上作用が発現しない
し、５wt％を越えると含有量が多すぎて却って緻密度が
低下したり、稀土類元素化合物が焼結体中に残留して熱
伝導度を低下させるなどの問題がある。

【００２０】このようにして得た混合粉末を仮成形した
後、静水圧プレスで成形する。ついで、得られた成形体
を、１５５０℃以上、十分な特性を確実に確保するとい
う点では好ましくは１６００〜１６５０℃の温度で焼成
することにより、高品質の窒化アルミニウム焼結体を得
ることが出来る。焼成は、非酸化性雰囲気、例えば、Ｎ
₂ガス、Ｎ₂＋Ｈ₂ガスなどの雰囲気で焼成を行う。
なお、この発明は、窒化アルミニウム粉末を作製する過
程や、それ以降の過程において、通常のセラミック粉末
や焼結体の作製過程で用いられる工程を適時加えるよう
にしてもよいことは言うまでもない。

【００２１】

【作用】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、下記のことから、ホットプレスを用いず
に、１６５０℃以下の低い焼成温度で緻密かつ熱伝導度
の高い高品質の焼結体を得ることができる。このよう
に、焼成温度が低く、生産性の低いホットプレスを用い
なくてすむと、焼結体を安価に作製することが出来るの
である。（１）窒化アルミニウム粉末が、比表面積が４．０ｍ
²／ｇ以上８．０ｍ²／ｇ以下（比表面積より求めた一
次粒子の平均粒径でいうと０．２３μｍ以上０．４６μ
ｍ以下）と適切な粒径範囲にあって、粒径が細かく比表
面積の大きな焼結性のよいものであるため緻密度が向上
するとともに低酸素含有量で安定性に富んだものである
ため高熱伝導度の焼結体が得られる。（２）窒化アルミニウム粉体の粒子内にアルカリ土類
化合物が均一に粒子内に含まれていて、このアルカリ土
類化合物で焼結度および窒化率の向上作用が全体に万遍
なく発現するため、得られる焼結体での緻密度および熱
伝導率が高くなる。（３）焼結助剤である稀土類元素化合物が適切な量で
添加されているため、稀土類元素化合物が熱伝導度の低
下を回避しつつ緻密度を向上させるように適正な働きを
する。

【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１〜９− まず、アルカリ土類化合物が均一に粒子内に含まれてい
る窒化アルミニウム粉末を以下のようにして作製した。

【００２３】水溶性アルミニウム含有化合物である塩基
性塩化アルミニウム、水溶性アルカリ土類化合物である
Ｃａ（ＮＯ₃）₂、および、水溶性炭素含有化合物であ
るグルコースを混合してなる水溶液を作製したあと乾燥
し、続いて、１６００℃、４時間、Ｎ₂ガス雰囲気で焼
成し、ついで、空気中、６５０℃、１時間ほど熱処理し
て残留炭素を除くことにより、窒化アルミニウム粉末を
得た。

【００２４】なお、水溶性アルカリ土類化合物であるＣ
ａ（ＮＯ₃）₂の含有量は元素換算（Ｃａ換算）で、表
１にみるように、０．０５〜２．０wt％の範囲である。
また、得られた窒化アルミニウム粉末の比表面積も表１
に示す。得られた窒化アルミニウム粉末１００wt％に対
し、焼結助剤としての稀土類元素化合物を表１に示す割
合で溶媒であるイソプロピルアルコールに溶解してから
窒化アルミニウム粉末に添加しボールミルで混合した。
得られた混合粉末を直径２０ｍｍ×厚み１０ｍｍの大き
さに仮成形した後、１．５ｔ／ｃｍ²の圧でラバープレ
スし、１６００℃の温度で６時間、焼成し窒化アルミニ
ウム焼結体を製造した。

【００２５】なお、焼成は窒素雰囲気中、アルミナ容器
に入れて行った。得られた焼結体を直径１０ｍｍ×厚み
３ｍｍの大きさに研磨成形した後、相対密度の測定およ
びレーザフラッシュ法による熱伝導測定を行った。測定
結果を表２に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】−実施例１０〜１３− まず、アルカリ土類化合物が均一に粒子内に含まれてい
る窒化アルミニウム粉末を以下のようにして作製した。
水溶性アルミニウム含有化合物である塩基性塩化アルミ
ニウム、水溶性アルカリ土類化合物であるＣａＣｌ₂、
および、水溶性炭素含有化合物であるグルコースを混合
してなる水溶液を作製したあと乾燥に続いて、１６００
℃、４時間、Ｎ ₂ガス雰囲気で焼成し、ついで、空気
中、６５０℃、１時間熱処理して残留炭素を除くことに
より、窒化アルミニウム粉末を得た。

【００２９】なお、水溶性アルカリ土類化合物であるＣ
ａ（ＮＯ₃）₂の含有量は元素換算（Ｃａ換算）で、表
３にみるように、窒化アルミニウム粉末（１００wt％）
のうち０．１６wt％の範囲である。また、得られた窒化
アルミニウム粉末の比表面積も表３に示す。得られた窒
化アルミニウム粉末１００wt％に対し、焼結助剤として
の稀土類元素化合物を表３に示す割合で溶媒であるイソ
プロピルアルコールに溶解してから窒化アルミニウム粉
末に添加しボールミルで混合した。得られた混合粉末を
直径２０ｍｍ×厚み１０ｍｍの大きさに仮成形した後、
１．５ｔ／ｃｍ²の圧でラバープレスし、１６００℃の
温度で６時間、焼成し窒化アルミニウム焼結体を製造し
た。

【００３０】なお、焼成は窒素雰囲気中、アルミナ容器
に入れて行った。得られた焼結体を直径１０ｍｍ×厚み
３ｍｍの大きさに研磨成形した後、相対密度の測定およ
びレーザフラッシュ法による熱伝導度の測定を行った。
測定結果を表４に示す。 −実施例１４〜１６− まず、アルカリ土類化合物が均一に粒子内に含まれてい
る窒化アルミニウム粉末を以下のようにして作製した。

【００３１】水溶性アルミニウム含有化合物である塩基
性塩化アルミニウム、水溶性アルカリ土類化合物である
ＢａＣｌ₂：実施例14、ＭｇＣｌ₂：実施例15、ＳｒＣ
ｌ₂：実施例16、および、水溶性炭素含有化合物である
グルコースを混合してなる水溶液を作製したあと乾燥
し、続いて、１６００℃、４時間、Ｎ₂ガス雰囲気で焼
成し、ついで、空気中、６５０℃、１時間熱処理して残
留炭素を除くことにより、窒化アルミニウム粉末を得
た。

【００３２】なお、水溶性アルカリ土類化合物の含有量
は元素換算で、表３にみるように、窒化アルミニウム粉
末（１００wt％）のうち０．２４wt％の範囲である。ま
た、得られた窒化アルミニウム粉末の比表面積も表３に
示す。得られた窒化アルミニウム粉末１００wt％に対
し、焼結助剤としての稀土類元素化合物を表３に示す割
合で溶媒であるイソプロピルアルコールに溶解してから
窒化アルミニウム粉末に添加しボールミルで混合した。
得られた混合粉末を直径２０ｍｍ×厚み１０ｍｍの大き
さに仮成形した後、１．５ｔ／ｃｍ²の圧でラバープレ
スし、１６００℃の温度で６時間、焼成し窒化アルミニ
ウム焼結体を製造した。

【００３３】なお、焼成は窒素雰囲気中、アルミナ容器
に入れて行った。得られた焼結体を直径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
ーザフラッシュ法による熱伝導度の測定を行った。測定
結果を表４に示す。 −比較例１，２− 比表面積、アルカリ土類化合物の含有量、稀土類元素化
合物の添加量が、表３に示す通りである他は、実施例１
と同様にして、窒化アルミニウム焼結体を得た。

【００３４】−比較例３− 比表面積、アルカリ土類化合物の含有量が、表３に示す
通りである他は実施例３と同様にして、窒化アルミニウ
ム焼結体を得た。 −比較例４− 粒子内にアルカリ土類化合物を含まなせない表３の比表
面積を持つ窒化アルミニウム粉末を得るようにするとと
もに、アルカリ土類化合物を稀土類元素化合物と一緒に
添加（量は表３の通り）しボールミルで湿式混合するよ
うにした他は、実施例８と同様にして窒化アルミニウム
焼結体を得た。

【００３５】−比較例５− 比表面積、アルカリ土類化合物の含有量が、表３に示す
通りである他は、実施例３と同様にして窒化アルミニウ
ム焼結体を得た。各比較例の焼結体も直径１０ｍｍ×厚
み３ｍｍの大きさに研磨した後、相対密度の測定および
レーザフラッシュ法による熱伝導度の測定を行った。測
定結果を表４に示す。

【００３６】

【表３】

【００３７】

【表４】

【００３８】表２，４の測定結果にみるように、この発
明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法の場合、比較例
に比べ、緻密で熱伝導度が高い焼結体が得られることが
よく分かる。

【００３９】

【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、緻密で熱伝導性のよい高品質の焼結
体を、ホットプレスを用いずに、低い焼成温度で得るこ
とが出来、しかも、得られる焼結体が安価であるため非
常に有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者余田浩好大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者橋本登大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者梶田進大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (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

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルカリ土類化合物が均一に粒子内に含
まれている窒化アルミニウム粉末であって、比表面積が
４．０ｍ²／ｇ以上８．０ｍ²／ｇ以下である窒化アル
ミニウム粉末に、稀土類元素化合物を稀土類元素量換算
で０．０１〜５wt％を添加し成形した後、非酸化性雰囲
気下で焼成することにより焼結体を得るようにする窒化
アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項２】窒化アルミニウム粉末の比表面積が、
４．５ｍ²／ｇ以上７．０ｍ²／ｇ以下である請求項１
記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項３】窒化アルミニウム粉末のアルカリ土類化
合物の含有量が、アルカリ土類元素量換算で０．０１〜
５wt％である請求項１または２記載の窒化アルミニウム
焼結体の製造方法。
【請求項４】アルカリ土類化合物が、アルカリ土類ア
ルミニウム化合物、または、焼成でアルカリ土類酸化物
となるアルカリ土類化合物のうちの少なくとも一つであ
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。
【請求項５】稀土類元素化合物が、焼成により稀土類
元素酸化物となる稀土類元素化合物である請求項１から
４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。
【請求項６】稀土類元素化合物が、溶媒に可溶であっ
て、前記溶媒に稀土類元素化合物を溶解させて窒化アル
ミニウム粉末に添加し窒化アルミニウム粉末と稀土類元
素化合物を湿式混合するようにする請求項１から５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。
【請求項７】焼成温度が１６５０℃以下である請求項
１から６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。