JPH08157262A

JPH08157262A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08157262A
Application number: JP6298361A
Authority: JP
Inventors: Michiyasu Komatsu; 通泰小松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 1996-06-18

Abstract

(57)【要約】【目的】特に１６５０℃以下の低温度で焼結して形成し
た場合であっても、ＡｌＮ焼結体本来の高熱伝導性を維
持するとともに、従来のＡｌＮ焼結体と同等以上の緻密
さを有し、さらに機械的強度を改善したＡｌＮ焼結体お
よびその製造方法を提供する。【構成】１６５０℃以下で低温焼成して成る窒化アルミ
ニウム焼結体であり、周期律表IIIa族元素から選択され
る少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜７重量％
と、酸化カルシウムを０．５〜３重量％と、酸化アルミ
ニウムを１．５重量％以下と、酸化ほう素を０．１〜
０．５重量％と、酸化ナトリウムを０．０５〜０．２重
量％と、酸化カリウムを０．０５〜０．２重量％と、酸
化リチウム，酸化マンガン，酸化クロム，酸化ジルコニ
ウム，酸化ストロンチウムおよび酸化チタンから選択さ
れる少なくとも１種を０．５重量％以下と、タングステ
ンを酸化物換算で１重量％以下と、残部を構成する窒化
アルミニウムとから成ることを特徴とする。また酸化カ
ルシウムおよびタングステン酸化物に代えてタングステ
ン酸カルシウムを１〜３重量％配合してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板等の電子部
品や構造部品として使用される窒化アルミニウム焼結体
およびその製造方法に係り、特に１６５０℃以下の低温
度で焼結して形成した場合であっても、窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）焼結体本来の高熱伝導性を備え、また従来
のＡｌＮ焼結体と同等以上の緻密さを有し、さらに耐食
性を改善した窒化アルミニウム焼結体および製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の金属材料と比較して強度、耐熱
性、耐食性、耐摩耗性、軽量性などの諸特性に優れたセ
ラミックス焼結体が、半導体基板、電子機器材料、エン
ジン用部材、高速切削工具用材料、ノズル、ベアリング
など、従来の金属材料の及ばない苛酷な温度、応力、摩
耗条件下で使用される機械部品、機能部品、構造材や装
飾品材料として広く利用されている。

【０００３】特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体は
高熱伝導性を有する絶縁体であり、シリコン（Ｓｉ）に
近い熱膨張係数を有することから高集積化した半導体装
置の放熱板や基板として、その用途を拡大している。

【０００４】従来上記窒化アルミニウム焼結体は一般的
に下記の製造方法によって量産されている。すなわち、
窒化アルミニウム原料粉末に焼結助剤と、有機バインダ
と、必要に応じて各種添加剤や溶媒、分散剤とを添加し
て原料混合体を調製し、得られた原料混合体をドクター
ブレード法や泥漿鋳込み法によって成形し、薄板状ない
しシート状の成形体としたり、原料混合体をプレス成形
して厚板状ないし大型の成形体を形成する。次に得られ
た成形体は、空気または窒素ガス雰囲気において加熱さ
れ脱脂処理され、有機バインダとして使用された炭化水
素成分等が成形体から排除脱脂される。そして脱脂され
た成形体は窒素ガス等の非酸化性雰囲気中で１７００〜
１９００℃程度の高温度に加熱され緻密化焼結されて窒
化アルミニウム焼結体が形成される。

【０００５】上記製造方法において、原料ＡｌＮ粉末と
して平均粒径が０．５μｍ以下程度の超微細な原料粉末
を使用する場合は、ＡｌＮ粉末単独でもかなりの緻密な
焼結体が得られる。しかしながら、原料粉末表面等に付
着した多量の酸素等の不純物が焼結時に、ＡｌＮ結晶格
子中に固溶したり、格子振動の伝播を妨げるＡｌ−Ｏ−
Ｎ化合物等の複合酸化物を生成する結果、焼結助剤を使
用しないＡｌＮ焼結体の熱伝導率は比較的に低かった。

【０００６】一方原料粉末として平均粒径１μｍ以上の
ＡｌＮ粉末を使用する場合は、その原料粉末単独では焼
結性が良好でないため、ホットプレス法以外には助剤無
添加では緻密な焼結体を得ることが困難であり、量産性
が低い欠点があった。そこで常圧焼結法によって効率的
に焼結体を製造しようとする場合には、焼結体の緻密化
およびＡｌＮ原料粉末中の不純物酸素がＡｌＮ結晶粒子
内へ固溶することを防止するために、焼結助剤として、
酸化イットウリム（Ｙ₂Ｏ₃）などの希土類酸化物等を
添加することが一般に行なわれている。

【０００７】これらの焼結助剤は、ＡｌＮ原料粉末に含
まれる不純物酸素やＡｌ₂Ｏ₃と反応して液相を形成
し、焼結体の緻密化を達成するとともに、この不純物酸
素を粒界相として固定し、高熱伝導化も達成するものと
考えられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の製造方法においては、焼結温度が１７００〜１９００
℃と極めて高いため、焼成炉を含めた製造設備費が高く
なるとともに連続式の製造プロセスを採用することが困
難であり、ＡｌＮ焼結体の製造コストの上昇および量産
性の低下は避けられない状況であった。すなわち焼結温
度が高いため、焼成炉の断熱材やヒータ材料として耐熱
性に優れた高価な黒鉛（カーボン）材を使用した高温度
対応の焼成炉が必須であった。ところがこの黒鉛材を使
用しても熱影響が大きいため、焼成炉の寿命が短い難点
があり、２〜３年に１度の頻度で断熱材を交換する必要
があり、いずれにしても製造設備費および保守費が膨大
になる問題点があった。また密閉した高温度雰囲気を効
果的に維持するためには、バッチ式（回分式）の焼成炉
を採用せざるを得ず、連続式の製造プロセスを導入する
ことは困難となり、焼結体の量産性が低くなる難点があ
った。

【０００９】特に熱伝導率が高いＡｌＮ焼結体を得るた
めには、カーボンや窒素を含む１９００℃程度の高温度
で成形体を２０〜１００時間と長時間にわたって焼成
し、熱抵抗となる粒界相を除去する必要があるため、上
記のような設備上の問題および量産性の問題は、より深
刻化する。

【００１０】また上記従来の製造方法においては、本
来、ＡｌＮと液相化合物との濡れ性が低く、また液相自
体が偏析し易い性質を有することから、焼結後に液相が
凝固する際に、液相はＡｌＮ粒子の間隙部に偏在するよ
うに残留し、凝固して粗大で脆弱な粒界相を形成する傾
向がある。また、結晶粒の粒成長が進行し易く、平均粒
径が５〜１０μｍと粗大な結晶粒が形成され易く、また
微小な気孔が消滅せずに結晶粒内に残存し、焼結体の緻
密化を阻害し、最終的に３点曲げ強度が３５０〜４００
ＭＰａ程度の低強度の窒化アルミニウム焼結体しか得ら
れない問題点があった。

【００１１】近年、半導体素子の高集積化、高出力化に
伴って増加する発熱量に対応するために、高熱伝導性
（高放熱性）を有する上記窒化アルミニウム材料が普及
しつつあり、その放熱性については大体満足する結果が
得られている。しかしながら上記のように構造部材とし
ての強度が不足するため、例えば窒化アルミニウム焼結
体で形成した半導体基板を実装ボードに装着する際に作
用する僅かな曲げ応力や取扱時に作用する衝撃力にって
半導体基板が損傷し、半導体回路基板の製造歩留りが大
幅に低下してしまう問題点もあった。

【００１２】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、特に１６５０℃以下の低温度で焼結
して形成した場合であっても、ＡｌＮ焼結体本来の高熱
伝導性を維持するとともに、従来のＡｌＮ焼結体と同等
以上の緻密さを有し、さらに機械的強度を改善したＡｌ
Ｎ焼結体およびその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願発明者は上記目的を
達成するため、原料窒化アルミニウム粉末に添加する焼
結助剤や添加物の種類や添加量および焼結温度を種々変
えて、それらが焼結体の密度，強度特性および伝熱特性
に及ぼす影響について実験により比較検討を進めた。

【００１４】その結果、IIIa族元素酸化物から成る焼結
助剤の他に添加剤としてのＢ，Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｎ，
Ｗなどの酸化物を複合的に微量添加したときに、焼結性
が大幅に改善され、１６５０℃以下の低温焼結であって
も、従来品と同等以上の熱伝導性，密度，強度を有する
ＡｌＮ焼結体が得られるという知見を得た。本発明は上
記知見に基づいて完成されたものである。

【００１５】すなわち本発明に係る第１の窒化アルミニ
ウム焼結体は、１６５０℃以下で低温焼成して成る窒化
アルミニウム焼結体であり、周期律表IIIa族元素から選
択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜７重
量％と、酸化カルシウムを０．５〜３重量％と、酸化ア
ルミニウムを１．５重量％以下と、酸化ほう素を０．１
〜０．５重量％と、酸化ナトリウムを０．０５〜０．２
重量％と、酸化カリウムを０．０５〜０．２重量％と、
酸化リチウム，酸化マンガン，酸化クロム，酸化ジルコ
ニウム，酸化ストロンチウムおよび酸化チタンから選択
される少なくとも１種を０．５重量％以下と、タングス
テンを酸化物換算で１重量％以下と、残部を構成する窒
化アルミニウムとから成ることを特徴とする。

【００１６】また本発明に係る第２の窒化アルミニウム
焼結体は、１６５０℃以下で低温焼成して成る窒化アル
ミニウム焼結体であり、周期律表IIIa族元素から選択さ
れる少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜５重量％
と、タングステン酸カルシウムを１〜３重量％と、酸化
アルミニウムを１．５重量％以下と、酸化ほう素を０．
１〜０．５重量％と、酸化ナトリウムを０．０５〜０．
２重量％と、酸化カリウムを０．０５〜０．２重量％
と、酸化リチウム，酸化マンガン，酸化クロム，酸化ジ
ルコニウム，酸化ストロンチウムおよび酸化チタンから
選択される少なくとも１種を０．５重量％以下と、残部
を構成する窒化アルミニウムとから成ることを特徴とす
る。

【００１７】またＦｅ，Ｍｇ等の不純物陽イオンの含有
量は０．２重量％以下にするとよい。特にＭｇはＡｌＮ
組織中に熱抵抗が大きいスピネル化合物を形成し焼結体
の熱伝導率を下げ易いため、注意を要する。さらに焼結
体の平均結晶粒径は１〜４μｍの範囲が好適である。そ
して上記組成から成るＡｌＮ焼結体は、熱伝導率が１１
０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。

【００１８】また本発明に係る第１の窒化アルミニウム
焼結体の製造方法は、窒化アルミニウム原料粉末に、周
期律表IIIa族元素から選択される少なくとも１種の元素
の酸化物を０．５〜７重量％と、酸化カルシウムを０．
５〜３重量％と、酸化アルミニウムを１．５重量％以下
と、酸化ほう素を０．１〜０．５重量％と、酸化ナトリ
ウムを０．０５〜０．２重量％と、酸化カリウムを０．
０５〜０．２重量％と、酸化リチウム，酸化マンガン，
酸化クロム，酸化ジルコニウム，酸化ストロンチウムお
よび酸化チタンから選択される少なくとも１種を０．５
重量％以下と、タングステンを酸化物換算で１重量％以
下とを添加した原料混合体を成形し、得られた成形体を
非酸化性雰囲気中で１６５０℃以下の低温度で焼結せし
めることを特徴とする。

【００１９】また本発明に係る第２の窒化アルミニウム
焼結体の製造方法は、窒化アルミニウム原料粉末に、周
期律表IIIa族元素から選択される少なくとも１種の元素
の酸化物を０．５〜５重量％と、タングステン酸カルシ
ウムを１〜３重量％と、酸化アルミニウムを１．５重量
％以下と、酸化ほう素を０．１〜０．５重量％と、酸化
ナトリウムを０．０５〜０．２重量％と、酸化カリウム
を０．０５〜０．２重量％と、酸化リチウム，酸化マン
ガン，酸化クロム，酸化ジルコニウム，酸化ストロンチ
ウムおよび酸化チタンから選択される少なくとも１種を
０．５重量％以下とを添加した原料混合体を成形し、得
られた成形体を非酸化性雰囲気中で１６５０℃以下の低
温度で焼結せしめることを特徴とする。

【００２０】本発明方法において使用され、焼結体の主
成分となる窒化アルミニウム(AlN)原料粉末としては、
焼結性および熱伝導性を考慮して不純物酸素含有量が
１．３重量％以下に抑制され、かつ平均粒径が０．５〜
２μｍ程度、好ましくは１．５μｍ以下の微細なＡｌＮ
粉末を使用するとよい。

【００２１】周期律表（長周期型）のIIIa族元素の酸化
物は、焼結助剤として作用し、ＡｌＮ焼結体を緻密化す
るために、ＡｌＮ原料粉末に対して０．５〜７重量％の
範囲で添加される。上記焼結助剤の具体例としては希土
類元素（Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｄｙなど）の酸化物、もしく
は焼結操作によりこれらの化合物となる物質が使用さ
れ、特に酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）が好ましい。上
記焼結助剤の添加量が０．５重量％未満の場合は、焼結
性の改善効果が充分に発揮されず、焼結体が緻密化され
ず低強度の焼結体が形成されたり、ＡｌＮ結晶中に酸素
が固溶し、高い熱伝導率を有する焼結体が形成できな
い。一方添加量が７重量％を超える過量となると、焼結
助剤としての効果は飽和状態に達して無意味となるばか
りでなく、却って焼結して得られるＡｌＮ焼結体の熱伝
導率が低下する一方、粒界相が焼結体中に多量に残存し
たり、熱処理により除去される粒界相の体積が大きいた
め、焼結体中に空孔が残ったりして収縮率が増大し、変
形を生じ易くなる。また高密度の焼結体とするために
は、焼結温度を高く設定する必要があり、焼成炉の構成
部品の耐熱仕様を高度化したり、連続焼成操作が困難に
なり、いずれも焼結体の製造コストおよび量産性が低下
してしまう。IIIa族元素酸化物のより好ましい添加量は
１〜２重量％である。

【００２２】酸化カルシウム（ＣａＯ）は、特にIIIa族
元素の酸化物やＷＯ₃と複合添加した場合に、より効果
的に焼結温度を下げ焼結性を改善できる成分であり、本
発明では０．５〜３重量％の範囲で添加される。添加量
が０．５重量％未満と過少な場合には、焼結性の改善効
果が少ない。一方、添加量が３重量％を超えると酸やア
ルカリに対する焼結体の耐食性が低下するとともに、熱
伝導率が低下し、ある所定の密度を得るためには焼結温
度を高く設定する必要が生じる。したがって添加量は上
記範囲に設定されるが、０．５〜１．５重量％の範囲が
より好ましい。

【００２３】酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）は焼結温
度を下げるとともに、ＡｌＮ焼結体の破壊靭性値を向上
させる効果を有し、このＡｌ₂Ｏ₃の含有量は１．５重
量％以下の範囲に調整される。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が
１．５重量％を超える過量となると、焼結体の熱伝導率
が低下してしまう。Ａｌ₂Ｏ₃のより好ましい含有量は
１重量％以下である。なお、このＡｌ₂Ｏ₃成分の添加
方法としては、添加剤として別途添加したり、ＡｌＮ原
料の粉砕時に酸化によって生成するＡｌ₂Ｏ₃を混入添
加させる方法や、ＡｌＮ原料粉末を酸素含有雰囲気中で
加熱し、表面酸化によって生成するＡｌ₂Ｏ₃成分を添
加する方法でもよい。

【００２４】酸化ほう素（Ｂ₂Ｏ₃）も他の添加剤とと
もに複合添加した場合に、焼結温度を下げ焼結性を改善
できる成分であり、０．１〜０．５重量％の範囲で添加
される。添加量が０．１重量％未満の場合は、焼結性の
改善効果が少ない一方、添加量が０．５重量％を超える
場合には、他の不純物と同様にＡｌＮ焼結体の熱伝導率
を低下させる。

【００２５】酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）も他の添加剤
とともに複合添加した場合に、焼結温度を下げ焼結性を
改善できる成分であり、０．０５〜０．２重量％の範囲
で添加される。添加量が０．０５重量％未満の場合は、
焼結性の改善効果が少ない一方、添加量が０．２重量％
を超える場合には、他の不純物と同様にＡｌＮ焼結体の
熱伝導率を低下させる。

【００２６】酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）も他の添加剤とと
もに複合添加した場合に、焼結温度を下げ焼結性を改善
できる成分であり、０．０５〜０．２重量％の範囲で添
加される。添加量が０．０５重量％未満の場合は、焼結
性の改善効果が少ない一方、添加量が０．２重量％を超
える場合には、他の不純物と同様にＡｌＮ焼結体の熱伝
導率を低下させる。

【００２７】酸化リチウム（ＬｉＯ₂），酸化マンガン
(MnO) ，酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃），酸化ジルコニウム
（ＺｒＯ₂），酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）および酸
化チタン（ＴｉＯ₂）も、焼結温度を下げて焼結性を向
上させるために有効であり、０．５重量％以下の範囲で
添加される。特に酸化マンガン（ＭｎＯ）が好適であ
る。添加量が０．５重量％を超える過量となると、他の
不純物と同様にＡｌＮ焼結体の熱伝導率を低下させる。

【００２８】ＷＯ₃などのタングステン酸化物は、特に
酸化カルシウム（ＣａＯ）とともに複合添加した場合
に、より効果的に焼結温度を下げ焼結性を改善できる成
分であり、上記第１のＡｌＮ焼結体においては、１重量
％以下の範囲で添加される。添加量を１重量％超と過大
にした場合には、他の不純物と同様にＡｌＮ焼結体の熱
伝導率を低下させる。

【００２９】なお第１のＡｌＮ焼結体において添加した
酸化カルシウム（ＣａＯ）およびタングステン酸化物
（ＷＯ₃）に代えて、タングステン酸カルシウム（Ｃａ
ＷＯ₄）を添加したものが第２のＡｌＮ焼結体である。
前記の通り、ＣａＯとＷＯ₃とを複合添加することによ
り、焼結温度の低減効果が特に顕著になる。この場合Ｃ
ａＷＯ₄の添加量は１〜３重量％の範囲に設定される。
この添加量が１重量％未満の場合には、焼結温度の低減
効果が少ない。一方、３重量％を超えると、ＡｌＮ焼結
体の熱伝導率が低下してしまう。

【００３０】またＦｅ，Ｍｇ等の不純物陽イオンはＡｌ
Ｎ焼結体の熱伝導を阻害する化合物を形成し易いため、
ＡｌＮ焼結体中の含有量は０．２重量％以下に設定され
る。

【００３１】上記ＡｌＮ原料粉末、各種焼結助剤および
添加剤は、例えばボールミル等の粉砕混合機に投入さ
れ、所定時間混合されることによって均一な原料混合体
となる。次に得られた原料混合体を所定形状の金型に充
填し加圧成形して成形体が形成される。このとき予め原
料混合体にパラフィン、ステアリン酸等の有機バインダ
を５〜１０重量％添加しておくことにより、成形操作を
円滑に実施することができる。

【００３２】成形法としては、汎用の金型プレス法、泥
漿鋳込み法、静水圧プレス法、あるいはドクターブレー
ド法のようなシート成形法などが適用できる。

【００３３】上記成形操作に引き続いて、成形体を空気
中で４００〜５５０℃に加熱したり、または非酸化性雰
囲気中、例えば窒素ガス雰囲気中で温度４００〜８００
℃に加熱して、予め添加していた有機バインダを充分に
脱脂除去する。

【００３４】次に脱脂処理された複数のシート状の成形
体は、例えばセラミックス焼結粉から成るしき粉を介し
て焼成炉内において多段に積層され、この配置状態で複
数の成形体は一括して所定温度で焼結される。焼結操作
は、窒素ガスなどの非酸化性雰囲気で成形体を１６５０
℃以下の低温度で２〜１０時間程度加熱して実施され
る。特にＢ，Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｗ等の酸化
物成分を複合添加することにより、１５００〜１６５０
℃程度と従来より大幅に低い温度で焼結することが可能
となる。

【００３５】焼結雰囲気は、ＡｌＮと反応しない非酸化
性雰囲気あればよいが、通常は窒素ガス、または窒素ガ
スを含む還元性雰囲気で行なう。還元性ガスとしてはＨ
₂ガス、ＣＯガスを使用してもよい。なお、焼結は真空
（僅かな還元雰囲気を含む）、減圧、加圧および常圧を
含む種々の圧力条件の雰囲気で行なってもよい。

【００３６】焼結温度が１５００℃未満であるような低
温状態で焼成すると、原料粉末の粒径、含有酸素量によ
って異なるが、緻密化が困難であり、強度および熱伝導
性などの特性に難点が生じ易い。

【００３７】一方、１６５０℃を超える高温度で焼成す
ると、焼成炉の耐熱仕様をより高温側に設定する必要が
あり、製造設備が高額になるとともに、連続式の製造プ
ロセスの採用が困難になる。したがって焼結温度は１５
００〜１６５０℃の範囲に設定される。

【００３８】そして上記ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤およ
び各種元素の酸化物を添加した所定の組成を有する原料
混合体を上記条件で成形、脱脂、焼結することにより、
１６５０℃以下の低温度焼成であっても、耐食性に優れ
た緻密な結晶組織を有し、熱伝導率が１１０Ｗ／（ｍ・
Ｋ）以上である高強度のＡｌＮ焼結体が得られる。

【００３９】

【作用】上記構成に係る窒化アルミニウム焼結体および
その製造方法によれば、周期律表IIIa族元素の酸化物等
から成る焼結助剤とともに所定量のＢ，Ｎａ，Ｋ，Ｃ
ａ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｗ等の酸化物を複合添加してＡｌＮ焼
結体としているため、焼結性が大幅に改善され、１６５
０℃以下の低温焼結であっても、従来例と同等以上の熱
伝導性，密度，強度を有するＡｌＮ焼結体が得られる。
特に１６５０℃以下の低温度で焼成することが可能とな
るため、高温度仕様の高価な焼成炉を使用する必要な
く、安価な断熱材を使用した通常の焼成炉を使用してＡ
ｌＮ焼結体を連続的に製造することが可能となる。した
がって、ＡｌＮ焼結体の製造コストおよび量産性を飛躍
的に改善することができる。

【００４０】

【実施例】次に下記の実施例を参照して本発明に係る窒
化アルミニウム焼結体をより具体的に説明する。

【００４１】実施例１〜１５不純物として酸素を０．８重量％含有し、平均粒径１μ
ｍの窒化アルミニウム粉末に対して、表１〜２に示すよ
うに焼結助剤としてのＹ₂Ｏ₃，ＣｅＯ，ＷＯ₃，Ｔｉ
Ｏ₂，ＺｒＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＷＯ₄，Ｂ₂Ｏ₃，
Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，Ｌｉ₂Ｏ，ＭｎＯ，Ｃｒ₂Ｏ₃，Ｃ
ａＯ，ＳｒＯ，Ｎｄ₂Ｏ₃をそれぞれ所定量ずつ添加
し、エチルアルコールを溶媒としてボールミルで２０時
間混合して原料混合体を調製した。次にこの原料混合体
に有機バインダとしてのパラフィンを５．５重量％添加
して造粒粉を調製した。

【００４２】次に得られた造粒粉をプレス成形機の成形
用金型内に充填して1200kg／cm²の加圧力にて一軸方向
に圧縮成形して、縦５０mm×横５０mm×厚さ５mmの角板
状成形体を多数調製した。引き続き各成形体を空気雰囲
気中で４５０℃で１時間加熱して脱脂処理した。

【００４３】次に脱脂処理した各成形体をＡｌＮ製焼成
容器内に収容し、焼成炉において表１に示す焼結温度１
５２５〜１６２５℃で４時間緻密化焼結を実施し、その
後、冷却速度２００℃／hrで冷却してそれぞれ実施例１
〜１５に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００４４】比較例１一方、表３〜４に示すように、ＣａＯ，Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ
₂Ｏ，Ｋ₂ＯおよびＷＯ₃を全く添加せず、IIIa族元素
酸化物から成る焼結助剤（Ｙ₂Ｏ₃）のみを添加し、１
７８０℃で焼結した以外は実施例３と同一条件で原料調
整、成形、脱脂、焼結処理して同一寸法を有する比較例
１に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００４５】比較例２Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂ＯおよびＷＯ₃を全く添加せ
ず、焼結助剤（Ｙ₂Ｏ₃）およびＣａＯを添加し、１６
８０℃で焼結した以外は実施例３と同一条件で原料調
整、成形、脱脂、焼結処理して同一寸法を有する比較例
２に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００４６】比較例３Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂ＯおよびＷＯ₃を全く添加せ
ず、３重量％のＹ₂Ｏ₃，１重量％のＣａＯおよび１重
量％のＡｌ₂Ｏ₃を添加し、１６８０℃で焼結した以外
は実施例３と同一条件で原料調整、成形、脱脂、焼結処
理して同一寸法を有する比較例３に係るＡｌＮ焼結体を
製造した。

【００４７】比較例４ＣａＯを過剰量（４重量％）添加し、０．５重量％のＢ
₂Ｏ₃を添加し、またＡｌ₂Ｏ₃を添加せず、１６８０
℃で焼結した以外は実施例３と同一条件で原料調整，成
形，脱脂，焼結処理して同一寸法を有する比較例４に係
る窒化アルミニウム焼結体を製造した。

【００４８】比較例５また、表２に示すようにＡｌ₂Ｏ₃を過剰量（２重量
％）添加し、１５５０℃で焼結した以外は実施例２と同
一条件で処理して比較例５に係るＡｌＮ焼結体を製造し
た。

【００４９】比較例６また、Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏをそれぞれ過剰量添
加し、１５００℃で焼結した以外は実施例２と同一条件
で処理して比較例６に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００５０】比較例７ＷＯ₃に代えて過剰量（１重量％）のＭｎＯを添加し、
１５７５℃で焼結した以外は実施例２と同一条件で処理
して比較例７に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００５１】比較例８焼結助剤としてのＹ₂Ｏ₃を過剰量（１０重量％）添加
し、かつ１７２５℃で焼結した以外は実施例２と同様に
処理して比較例８に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００５２】比較例９ＣａＯを全く添加せず、焼結助剤として３重量％のＹ₂
Ｏ₃に加えてＡｌ₂Ｏ₃を１重量％添加し、かつ１７０
０℃で焼結した以外は実施例３と同様に処理して比較例
９に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００５３】比較例１０焼結助剤としてのIIIa族元素酸化物を全く添加せず、３
重量％のＣａＯおよび１重量％のＡｌ₂Ｏ₃を添加し、
１７５０℃で焼結した以外は実施例１と同様に処理して
比較例１０に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００５４】比較例１１ＣａＯおよびＷＯ₃に代えて過剰量（４重量％）のＣａ
ＷＯ₄を添加し、１６８０℃で焼結した以外は、実施例
３と同様に処理して比較例１１に係るＡｌＮ焼結体を製
造した。

【００５５】なお上記比較例１〜１１のうち、比較例１
〜４および比較例８〜１１に係るＡｌＮ成形体を、温度
１６００℃に加熱し４時間の緻密化焼結を実施したが、
いずれも充分に緻密化されないため、表３〜４に示す焼
結温度まで上昇させて緻密化焼結を実施した。

【００５６】こうして得られた実施例１〜１５および比
較例１〜１１に係る各ＡｌＮ焼結体の強度特性および放
熱特性を評価するために、各試料の強度に対応する密度
および熱伝導率を測定し、下記表１〜表４に示す結果を
得た。

【００５７】

【表１】

【００５８】

【表２】

【００５９】

【表３】

【００６０】

【表４】

【００６１】上記表１〜表４に示す結果から明らかなよ
うに、Ｙ₂Ｏ₃，ＣａＯ等の焼結助剤に加えてＡｌ，
Ｂ，Ｎａ，Ｋ，Ｗ，Ｌｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｒ，Ｚ
ｒ等の酸化物成分を微量ずつ複合添加した実施例１〜１
５に係るＡｌＮ焼結体においては、１６５０℃以下の低
温焼結によって製造したにも拘らず、結晶組織が緻密で
微細であり、密度および熱伝導率が共に優れていること
が判明した。ちなみに密度は３．２５〜３．４０と従来
と同等以上であり、また熱伝導率は１１８〜１５０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）と優れていることが確認できた。

【００６２】一方、Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，ＷＯ
₃を全く添加しない比較例１〜３に係るＡｌＮ焼結体
は、１６５０℃以下の低温焼成では緻密化できず、１６
８０〜１７８０℃の高温焼成が必要となるため、本発明
が目的とする低温焼成による設備費低減および量産性の
改善効果は得られない。またＣａＯを４重量％と過量に
添加した比較例４に係るＡｌＮ焼結体においても、１６
８０℃以上の高温焼成が必要となる。さらにＡｌ₂Ｏ₃
を過量に添加した比較例５の試料においては、低温焼成
は可能であるが熱伝導率の低下が著しくなった。

【００６３】またＢ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏを過量に
添加した比較例６の試料では、熱伝導率が不充分とな
り、さらにＭｎＯを過量に添加した比較例７の試料にお
いては、熱伝導率がさらに悪化した。また焼結助剤とし
てのＹ₂Ｏ₃を１０重量％と過量に添加した比較例８の
試料では、Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏを添加したにも
拘らず、１７２５℃以上の高温焼結が必要になるととも
に、耐アルカリ腐食性が低下することが確認された。

【００６４】さらに焼結助剤としてのＣａＯを全く添加
しない比較例９に係るＡｌＮ焼結体は、１７００℃以上
の高温焼成が必要であることが判明した。またIIIa族元
素酸化物を全く添加しない比較例１０に係るＡｌＮ焼結
体においては、ＣａＯおよびＷＯ₃を添加し、かつＢ₂
Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏを添加したにも拘らず、１７５
０℃以上の高温焼成が必要であり、またＣａＯの添加に
起因する腐食が急増することが判明した。同様にＣａＷ
Ｏ₄を過剰量添加した比較例１１に係るＡｌＮ焼結体に
おいても、１６８０℃以上の高温焼成が必要であり、ア
ルカリ耐食性が低下することが確認できた。

【００６５】一方、各実施例に係るＡｌＮ焼結体の製造
方法によれば、原料粉末中にＹ，Ｃａ，Ａｌ，Ｂ，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｗ，Ｌｉ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｒ等の
酸化物を複合的に配合しているため、１５２５〜１６２
５℃程度の低温度焼結の場合であっても、緻密で高強
度，高熱伝導性および高耐食性を有するＡｌＮ焼結体が
得られた。したがって高温度用の焼成炉を用いることな
く、通常の安価な耐熱部品で構成した焼成炉を使用して
連続運転が可能であり、ＡｌＮ焼結体の製造コストおよ
び量産性を大幅に改善することが可能となった。

【００６６】また表１〜２において実施例１，２，７，
９，１１に示す結果から明らかなように、焼結助剤とし
てのIIIa族元素酸化物に加えて、ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，
Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，Ｌｉ₂Ｏ，ＭｎＯ，Ｚｒ
Ｏ₂，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＳｒＯ，ＷＯ₃，ＴｉＯ₂などを複
合添加することにより、焼結温度を１５２５〜１５７５
℃程度まで下げることが可能となり、低温焼結による製
造条件の緩和がより効果的に実現することが実証され
た。

【００６７】また実施例１〜１５に係る各ＡｌＮ焼結体
表面部を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したとこ
ろ、いずれも微細なＡｌＮ結晶粒子の周辺に粒界相が均
一に分散形成されていることが確認された。一方、比較
例１〜３に係る焼結体においては、Ｂ₂Ｏ₃，Ｎａ
₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの添加による焼結性改善効果が少ないた
め、ＡｌＮ粒子自体も粗大であり、隣接するＡｌＮ粒子
の周辺に粗大な粒界相が凝集されるように形成されてい
た。

【００６８】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る窒化アルミ
ニウム焼結体およびその製造方法によれば、周期律表II
Ia族元素の酸化物等から成る焼結助剤とともに所定量の
Ｂ，Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｗ等の酸化物を複合
添加してＡｌＮ焼結体としているため、焼結性が大幅に
改善され、１６５０℃以下の低温焼結であっても、従来
例と同等以上の熱伝導性，密度，強度を有するＡｌＮ焼
結体が得られる。特に１６５０℃以下の低温度で焼成す
ることが可能となるため、高温度仕様の高価な焼成炉を
使用する必要なく、安価な断熱材を使用した通常の焼成
炉を使用してＡｌＮ焼結体を連続的に製造することが可
能となる。したがって、ＡｌＮ焼結体の製造コストおよ
び量産性を飛躍的に改善することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１６５０℃以下で低温焼成して成る窒化
アルミニウム焼結体であり、周期律表IIIa族元素から選
択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜７重
量％と、酸化カルシウムを０．５〜３重量％と、酸化ア
ルミニウムを１．５重量％以下と、酸化ほう素を０．１
〜０．５重量％と、酸化ナトリウムを０．０５〜０．２
重量％と、酸化カリウムを０．０５〜０．２重量％と、
酸化リチウム，酸化マンガン，酸化クロム，酸化ジルコ
ニウム，酸化ストロンチウムおよび酸化チタンから選択
される少なくとも１種を０．５重量％以下と、タングス
テンを酸化物換算で１重量％以下と、残部を構成する窒
化アルミニウムとから成ることを特徴とする窒化アルミ
ニウム焼結体。
【請求項２】１６５０℃以下で低温焼成して成る窒化
アルミニウム焼結体であり、周期律表IIIa族元素から選
択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜５重
量％と、タングステン酸カルシウムを１〜３重量％と、
酸化アルミニウムを１．５重量％以下と、酸化ほう素を
０．１〜０．５重量％と、酸化ナトリウムを０．０５〜
０．２重量％と、酸化カリウムを０．０５〜０．２重量
％と、酸化リチウム，酸化マンガン，酸化クロム，酸化
ジルコニウム，酸化ストロンチウムおよび酸化チタンか
ら選択される少なくとも１種を０．５重量％以下と、残
部を構成する窒化アルミニウムとから成ることを特徴と
する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】熱伝導率が１１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上で
あることを特徴とする請求項１または２記載の窒化アル
ミニウム焼結体。
【請求項４】窒化アルミニウム原料粉末に、周期律表
IIIa族元素から選択される少なくとも１種の元素の酸化
物を０．５〜７重量％と、酸化カルシウムを０．５〜３
重量％と、酸化アルミニウムを１．５重量％以下と、酸
化ほう素を０．１〜０．５重量％と、酸化ナトリウムを
０．０５〜０．２重量％と、酸化カリウムを０．０５〜
０．２重量％と、酸化リチウム，酸化マンガン，酸化ク
ロム，酸化ジルコニウム，酸化ストロンチウムおよび酸
化チタンから選択される少なくとも１種を０．５重量％
以下と、タングステンを酸化物換算で１重量％以下とを
添加した原料混合体を成形し、得られた成形体を非酸化
性雰囲気中で１６５０℃以下の低温度で焼結せしめるこ
とを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項５】窒化アルミニウム原料粉末に、周期律表
IIIa族元素から選択される少なくとも１種の元素の酸化
物を０．５〜５重量％と、タングステン酸カルシウムを
１〜３重量％と、酸化アルミニウムを１．５重量％以下
と、酸化ほう素を０．１〜０．５重量％と、酸化ナトリ
ウムを０．０５〜０．２重量％と、酸化カリウムを０．
０５〜０．２重量％と、酸化リチウム，酸化マンガン，
酸化クロム，酸化ジルコニウム，酸化ストロンチウムお
よび酸化チタンから選択される少なくとも１種を０．５
重量％以下とを添加した原料混合体を成形し、得られた
成形体を非酸化性雰囲気中で１６５０℃以下の低温度で
焼結せしめ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。
【請求項６】窒化アルミニウム原料粉末の酸素含有量
を１．３重量％以下に設定したことを特徴とする請求項
４または５記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。