JPH0797270A

JPH0797270A - 窒化アルミニウム焼結体の製法

Info

Publication number: JPH0797270A
Application number: JP5234640A
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; Keizou Makio; 圭造槙尾; Takusane Ueda; 卓実上田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1993-06-29
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1995-04-11

Abstract

(57)【要約】【目的】アルミナ製の収納容器を使用して、表面に色
むらがなく、かつ、高密度な焼結体を得る製法を提供す
る。【構成】原料の窒化アルミニウム粉末の比表面積が
４．０ｍ²／ｇ以上であって、焼結助剤として希土類化
合物及びアルカリ土類化合物を含む窒化アルミニウムの
グリーン成形体を非酸化性雰囲気で焼結する窒化アルミ
ニウム焼結体の製法において、Ｓｉ含有量が１．５重量
％以下であるアルミナ製容器中に、とも板又は敷き粉を
介して前記のグリーン成形体を載置して収納し、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法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば電子機器等に使
用される窒化アルミニウム焼結体の製法に関する。

【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。これに応えて
各種の高熱伝導性セラミックス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の基板が熱
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、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、特開昭６１
−１１７１６０号公報に示されるように焼結助剤を用い
て焼結したり、ホットプレスで焼結することによって緻
密で高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体を得る試みが
なされている。

【０００４】しかし、ホットプレスによる窒化アルミニ
ウム焼結体の製法は生産性が低いという問題がある。

【０００５】また、焼結助剤として、希土類化合物及び
アルカリ土類化合物を用いて常圧焼結する場合は、焼結
助剤を使用しない場合に比べると低い焼結温度でも高密
度な焼結体が得られるが、それでも焼結温度は１７００
℃程度は必要であり、その温度に耐える特定の材質の収
納容器を使用せざるを得ず、一般には収納容器として窒
化硼素や窒化アルミニウムが用いられているのが現状で
ある。（例えば特公平２−５１８６７号公報には窒化硼
素が、また特開昭５９−２０７８８２号公報には窒化ア
ルミニウムを使用することが記載されている。）そし
て、窒化硼素や窒化アルミニウムを用いた収納容器の製
造では非酸化性雰囲気で行う等の複雑な工程が必要であ
るため、これらの材質の収納容器は高価格であり、ま
た、大型容器の製造が困難であるという問題がある。そ
こで、収納容器としてもっと安価な、例えばアルミナ等
の材質が使用可能な方法が要求されているが、アルミナ
製の収納容器を使用した場合には、得られる窒化アルミ
ニウム焼結体の表面に色むらが発生したり、高密度な焼
結体が得られないという問題があり、その解決策が求め
られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の事情に鑑み、本
発明は、焼結助剤として希土類化合物及びアルカリ土類
化合物を含む窒化アルミニウムのグリーン成形体を非酸
化性雰囲気で焼結する窒化アルミニウム焼結体の製法に
おいて、アルミナ製の収納容器を使用して、表面に色む
らがなく、かつ、高密度な焼結体を得る製法を提供する
ことを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、原料の窒化ア
ルミニウム粉末の比表面積が４．０ｍ²／ｇ以上であっ
て、焼結助剤として希土類化合物及びアルカリ土類化合
物を含む窒化アルミニウムのグリーン成形体を非酸化性
雰囲気で焼結する窒化アルミニウム焼結体の製法におい
て、Ｓｉ含有量が１．５重量％以下であるアルミナ製容
器中に、とも板又は敷き粉を介して前記のグリーン成形
体を載置して収納し、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法である。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。本発明で
使用する原料の窒化アルミニウム粉末については、比表
面積が４．０ｍ²／ｇ以上であることが、低温での焼結
性の点で望ましい。比表面積が４．０ｍ²／ｇ未満の窒
化アルミニウム粉末では、１６７５℃以下の温度で焼結
した場合、焼結助剤として希土類化合物及びアルカリ土
類化合物を含んでいても、緻密化が十分達成できず、相
対密度が上がらなかったり、反りや表面の色むらが生じ
たりする場合があるので、１６７５℃を越える温度での
焼結が必要となる。

【０００９】本発明で、焼結助剤の１種として使用する
希土類化合物における希土類元素としては、Ｙ，Ｌａ，
Ｃｅ，Ｓｍ，Ｄｙ，Ｎｄ，Ｇｄ，Ｐｒ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙ
ｂなどがあげられるが、特にＹ，Ｌａ，Ｄｙ，Ｅｒが好
適である。また、これらの元素の化合物としては、酸化
物，炭化物，炭酸化物，ホウ化物，ハロゲン化物，塩化
物，硝酸塩などがあげられる。これらの中でも、入手が
容易で、取扱い易く、焼結中に発生するガスの悪影響が
ない酸化物が好ましい。そして、本発明での希土類化合
物の使用量としては、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤
の合計量に対し、希土類元素換算で０．１〜５重量％で
あることが望ましい。（焼結助剤の使用量については、
以下全て希土類元素又はアルカリ土類元素の元素換算に
よる重量％で示す。）希土類化合物の使用量が０．１重
量％未満であると、焼結促進剤としての効果が弱く、高
密度の焼結体が得にくくなり、また使用量が５重量％を
越えると、希土類化合物が緻密化を阻害するという問題
が生じる。好ましくはこの希土類化合物の使用量は０．
３〜３重量％であることが望ましい。

【００１０】本発明で、焼結助剤の別の１種として使用
する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などがあげられるが、特
にＣａが好適である。また、これらの元素の化合物とし
ては、酸化物，炭酸化物，酸化アルミニウムとの複合酸
化物などがあげられる。そして、本発明でのアルカリ土
類化合物の使用量としては、窒化アルミニウム粉末と焼
結助剤の合計量に対し、アルカリ土類元素換算で０．１
〜５重量％であることが望ましい。使用量が０．１重量
％未満であると、焼結促進剤としての効果が弱く、高密
度の焼結体が得にくくなり、また使用量が５重量％を越
えると、アルカリ土類化合物が緻密化を阻害するという
問題が生じる。好ましくはこのアルカリ土類化合物の使
用量は０．３〜３重量％であることが望ましい。

【００１１】本発明では、上記の原料の窒化アルミニウ
ム粉末、希土類化合物、アルカリ土類化合物を含有する
グリーン成形体を使用する。このグリーン成形体の製法
については、特に限定するものではないが、原料の窒化
アルミニウム粉末、希土類化合物、アルカリ土類化合
物、有機バインダー及びメチルアルコール等の溶媒を配
合し、混合し、その後スプレードライ乾燥法等により造
粒粉体とし、この造粒粉体をプレス成形やドクター成形
等の方法で成形してグリーン成形体とする方法が例示で
きる。

【００１２】次いで、好ましくはグリーン成形体を空気
中又は非酸化性雰囲気中で加熱して、有機バインダーを
除去する（脱脂工程）。この加熱温度は有機バインダー
の分解温度以上であって、窒化アルミニウム粉末が反応
を起こさない温度であることが望ましい。このように脱
脂処理を施したものも、本発明では窒化アルミニウムの
グリーン成形体と呼ぶ。

【００１３】こうして得られた窒化アルミニウムのグリ
ーン成形体をＳｉ含有量が１．５重量％以下であるアル
ミナ製容器中に、とも板又は敷き粉を介して載置して収
納し、非酸化性雰囲気中で焼結して窒化アルミニウム焼
結体を得ることが本発明の特徴である。

【００１４】とも板又は敷き粉を、グリーン成形体とア
ルミナ製容器との間に介在させることにより、得られる
焼結体がアルミナ製容器に付着するのを防止し、また焼
結体のアルミナ製容器と接する面の表面粗度が大きくな
ること（表面荒れ）を防止する。このような効果を得る
には、とも板又は敷き粉の材質としては、窒化硼素、窒
化アルミニウム、モリブデン、タングステン等の焼結時
に窒化アルミニウム及びアルミナと反応しない材質が望
ましい。

【００１５】敷き粉として窒化アルミニウム粉末を使用
する場合には平均粒径３０〜２５０μｍのものを使用す
ることが好ましい。平均粒径が３０μｍ未満の場合には
焼結体への固着が生じやすく、一方平均粒径が２５０μ
ｍを越えると焼結体に敷き粉の接触跡が生じやすい。

【００１６】本発明ではグリーン成形体を非酸化性雰囲
気中にて焼結させるが、使用するアルミナ製容器は、Ｓ
ｉ含有量が１．５重量％以下であることが重要である。
Ｓｉ含有量が１．５重量％を越えると、焼結時に容器中
のＳｉ成分が雰囲気により還元され、揮発性の高いＳｉ
化合物となり、容器中から焼結雰囲気に拡散し、焼結雰
囲気が汚染されるためと考えられるが、得られる窒化ア
ルミニウム焼結体に反りが生じたり、その表面に色むら
や表面荒れが発生するという悪影響がでる。また、断熱
材や炉材等にＳｉ成分を含んでいる場合には、雰囲気が
Ｓｉに汚染される可能性があるので、本発明で使用する
アルミナ製容器は密閉可能な容器とし、グリーン成形体
と外部の雰囲気とが遮断されている状態とすることが望
ましい。この場合の密閉可能な容器とは、図１に示すよ
うにセッター（１）〔アルミナ製容器の底部の板〕とそ
の上部の枠組み（３）及びふた（２）とを組み合わせた
程度の密閉容器でよい。なお、本発明のアルミナ製容器
は上記の組合せ全部がアルミナ製の場合だけでなく、セ
ッター（１）、枠組み（３）またはふた（２）のいずれ
か一部のみがアルミナ製であって、他は従来の窒化硼素
製や窒化アルミニウム製のものである場合をも含むもの
である。

【００１７】また、本発明では高温クリープによるアル
ミナ製容器の変形に伴う製品の反りを防止するために、
アルミナ製容器が、粒径０．３ｍｍ以上のアルミナ粗粒
子を３重量％以上含有していることが望ましい。何故な
らば、粒径０．３ｍｍ以上のアルミナ粗粒子を３重量％
未満しか含有していないアルミナ製容器の場合、耐熱衝
撃性、耐高温クリープ性に劣るため、繰り返しの使用に
より、割れ、反りが発生し、焼結体の変形を招く等の問
題生じるので、繰り返し使用することが困難となるから
である。

【００１８】なお、本発明では、上述した各工程のほ
か、必要に応じて、通常のセラミックスの製法で用いら
れる工程を適宜加えることもできる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて
説明する。

【００２０】（実施例１〜１８及び比較例１〜８）下記
の表１〜６に示す比表面積の原料窒化アルミニウム粉末
に焼結助剤（Ｙ₂Ｏ₃及びＣａＣＯ₃）を添加し、さら
に有機バインダー（アクリル系バインダー）及び溶媒
（メチルアルコール）を加えたものをボールミルにて混
合した。その後、スプレードライ乾燥により造粒粉体を
作製し、プレス成形方法により５０×５０×０．８（ｍ
ｍ）の大きさに成形した。成形後、６００℃で３時間の
熱処理をして、含有する有機バインダーを除去し、窒化
アルミニウムのグリーン成形体を得た。

【００２１】次いで、図１に示す形状であって、外寸が
１２０×１２０×３６（ｍｍ）の大きさであり、肉厚が
８ｍｍの組立式のふた（２）付きアルミナ製容器中に、
図２に示す如く、窒化硼素製のとも板（５）を介する
か、または図３に示す如く平均粒径が４０μｍの窒化硼
素（ＢＮと略す）粉の敷き粉（６）または平均粒径が４
０μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮと略す）粉の敷き粉
（６）を介して、グリーン成形体（４）を収納した。な
お、使用した各アルミナ製容器のＳｉ含有量と粒径０．
３ｍｍ以上のアルミナ粗粒子の含有量を表１〜６に示
す。

【００２２】次いで、表１〜６に示す焼結条件で４時間
焼結して窒化アルミニウム焼結体を得た。得られた窒化
アルミニウム焼結体の相対密度、表面状態及び反りにつ
いて測定し、その結果を表１〜６に示す。また焼結後の
セッター（アルミナ製容器の底部の板）の反りについて
も測定し、その結果を表１〜６に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】

【００２７】

【表５】

【００２８】

【表６】

【００２９】表１〜６から下記のことが確認できた。（イ）実施例１、２、４、５に比較して、Ｓｉ含有量が
大きいアルミナ製容器を使用した比較例１、２、３、４
では得られた焼結体の相対密度が低く、表面に色むらが
発生し、反りも大きかった。（ロ）実施例２、３及び実施例５、６の結果から明らか
なように、アルミナ製容器が、粒径０．３ｍｍ以上のア
ルミナ粗粒子を含有していない場合は、セッターに反り
が生じており、グリーン成型体との間の介在物がとも板
では問題がないが、敷き粉の場合は焼結体にもセッター
のそりが悪影響を及ぼしている。（ハ）実施例７〜９と比較例５、６の結果の比較から明
らかなように、原料窒化アルミニウム粉末の比表面積が
４．０ｍ²／ｇ未満の場合でも焼結温度が１７００℃で
ある比較例５、６では問題がない。しかし、焼結温度が
１６００℃では実施例１０〜１２と比較例７、８の結果
の比較から明らかなように、原料窒化アルミニウム粉末
の比表面積が４．０ｍ²／ｇ未満である比較例７、８で
は焼結体の相対密度が低く、表面に色むらが発生し、反
りも大きいという問題が生じている。（ニ）実施例１３、１４はグラファイトヒータを使用し
ているが、金属ヒータを使用している実施例１、４と同
等の結果が得られている。（ホ）実施例１５、１６は敷き粉として平均粒径が４０
μｍのＢＮ（窒化硼素）の粉末を使用した例であり、実
施例１７、１８は敷き粉として平均粒径が４０μｍのＡ
ｌＮ（窒化アルミニウム）の粉末を使用した例でありい
ずれも良好な結果が得られている。

【００３０】

【発明の効果】この発明に係る窒化アルミニウム焼結体
の製法は、上述のとおり構成されているので、次に記載
する効果を奏する。

【００３１】請求項１〜３の製法によれば、アルミナ製
の収納容器を使用して、表面に色むらがなく、かつ、高
密度な焼結体を得ることができる。

【００３２】請求項４の製法によれば、上記の請求項１
〜３の製法の効果に加え、高温クリープによるアルミナ
製容器の変形に伴う製品の反りを防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例及び比較例で使用したアルミナ製容器の
斜視図である。

【図２】アルミナ製容器中にとも板を介してグリーン成
型体を収納し、ふたで密封した状態を示す、断面図であ
る。

【図３】アルミナ製容器中に敷き粉を介してグリーン成
型体を収納し、ふたで密封した状態を示す、断面図であ
る。

【符号の説明】

１セッター２ふた３わく組み４グリーン成型体５とも板６敷き粉

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者槙尾圭造大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者上田卓実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】原料の窒化アルミニウム粉末の比表面積
が４．０ｍ²／ｇ以上であって、焼結助剤として希土類
化合物及びアルカリ土類化合物を含む窒化アルミニウム
のグリーン成形体を非酸化性雰囲気で焼結する窒化アル
ミニウム焼結体の製法において、Ｓｉ含有量が１．５重
量％以下であるアルミナ製容器中に、とも板又は敷き粉
を介して前記のグリーン成形体を載置して収納し、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法。
【請求項２】とも板又は敷き粉の材質が窒化硼素であ
る請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体の製法。
【請求項３】敷き粉の材質が窒化アルミニウムである
請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体の製法。
【請求項４】アルミナ製容器が、粒径０．３ｍｍ以上
のアルミナ粗粒子を３重量％以上含有している請求項
１、２または３いずれか記載の窒化アルミニウム焼結体
の製法。