JPH0912370A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 - Google Patents
窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法Info
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- JPH0912370A JPH0912370A JP4081628A JP8162892A JPH0912370A JP H0912370 A JPH0912370 A JP H0912370A JP 4081628 A JP4081628 A JP 4081628A JP 8162892 A JP8162892 A JP 8162892A JP H0912370 A JPH0912370 A JP H0912370A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 熱伝導率に優れ、均一な特性を持つ窒化アルミニ
ウム焼結体を提供する。 【構成】 窒化アルミニウムと炭素(C)、希土類および／また
はアルカリ土類化合物とを混合し、その混合粉を成形体に成
形し、液相生成温度以下の温度で第1段階の焼結を行
い、さらに液相生成温度以上の温度で第2段階の焼結を
行うことにより焼結過程の初期に、希土類元素等の酸化
物が生成する。次いでそれ以降の焼結過程で、被焼結体
に均一に分散する炭素(C)が被焼結体全域に渡り粒界相
を均一に還元し、粒界相が徐々に除去される。その結
果、粒界相は焼結体の系外へと移動し、焼結体はAlN単
相となると共に均一に熱伝導率が上昇する。
ウム焼結体を提供する。 【構成】 窒化アルミニウムと炭素(C)、希土類および／また
はアルカリ土類化合物とを混合し、その混合粉を成形体に成
形し、液相生成温度以下の温度で第1段階の焼結を行
い、さらに液相生成温度以上の温度で第2段階の焼結を
行うことにより焼結過程の初期に、希土類元素等の酸化
物が生成する。次いでそれ以降の焼結過程で、被焼結体
に均一に分散する炭素(C)が被焼結体全域に渡り粒界相
を均一に還元し、粒界相が徐々に除去される。その結
果、粒界相は焼結体の系外へと移動し、焼結体はAlN単
相となると共に均一に熱伝導率が上昇する。
Description
【０００１】
【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
方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものであり、特に
半導体の放熱性基板等に用いられるほぼ窒化アルミニウム単相
からなり均一な高熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体の
製造方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものである。
方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものであり、特に
半導体の放熱性基板等に用いられるほぼ窒化アルミニウム単相
からなり均一な高熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体の
製造方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化アルミニウム(AlN)は、その材料がもつ高
い電気絶縁性、Siに近い熱膨張係数、高熱伝導性等の特
性により放熱性基板としての利用が検討されている。特
に、AlN原料粉末や焼結方法を検討することにより、AlN
の特性として非常に重要である熱伝導率を向上させる研
究が各方面で盛んに行われている。
い電気絶縁性、Siに近い熱膨張係数、高熱伝導性等の特
性により放熱性基板としての利用が検討されている。特
に、AlN原料粉末や焼結方法を検討することにより、AlN
の特性として非常に重要である熱伝導率を向上させる研
究が各方面で盛んに行われている。
【０００３】一般に、AlN焼結体はAlN粉末とアルカリ土類や
希土類元素の化合物等の焼結助剤とを配合、混合、造
粒、成形し、常圧焼結により焼結体を得るという方法に
よって製作されている。これらのアルカリ土類や希土類元素
の化合物等の焼結助剤は、焼結時にAlN粉末中に不可避
的に混入されている酸素と反応し、アルミナと焼結助剤との
複合酸化物からなる液相を生成することにより焼結過程
における緻密化を可能にしている。また、この複合酸化
物の生成は、結果的に不純物酸素を粒界に固定し、粒内
への酸素の固溶を抑制しているため、熱伝導率を向上さ
せることにも寄与している。しかし、最終的に、その複
合酸化物が焼結体中に残存した場合、得られるAlN焼結
体の熱伝導率には限界があり、その熱伝導率は170W/m・K
以下であった。
希土類元素の化合物等の焼結助剤とを配合、混合、造
粒、成形し、常圧焼結により焼結体を得るという方法に
よって製作されている。これらのアルカリ土類や希土類元素
の化合物等の焼結助剤は、焼結時にAlN粉末中に不可避
的に混入されている酸素と反応し、アルミナと焼結助剤との
複合酸化物からなる液相を生成することにより焼結過程
における緻密化を可能にしている。また、この複合酸化
物の生成は、結果的に不純物酸素を粒界に固定し、粒内
への酸素の固溶を抑制しているため、熱伝導率を向上さ
せることにも寄与している。しかし、最終的に、その複
合酸化物が焼結体中に残存した場合、得られるAlN焼結
体の熱伝導率には限界があり、その熱伝導率は170W/m・K
以下であった。
【０００４】現在、半導体の高容量化が進められる中
で、半導体搭載用の回路基板、放熱基板等にはより高い
熱伝導率を有する材料が必要とされており、かかるニース゛
に応えるために窒化アルミニウムを適用するにあたっては、酸
素その他の不純物の存在、焼結助剤添加の結果として粒
界に生成する粒界相の存在等の問題を解消する必要があ
る。
で、半導体搭載用の回路基板、放熱基板等にはより高い
熱伝導率を有する材料が必要とされており、かかるニース゛
に応えるために窒化アルミニウムを適用するにあたっては、酸
素その他の不純物の存在、焼結助剤添加の結果として粒
界に生成する粒界相の存在等の問題を解消する必要があ
る。
【０００５】この様な観点から特開昭63-277573には熱
伝導性により優れた窒化アルミニウム焼結体を提供することを
目的として焼結助剤としてイットリウムおよび/またはカルシウム
化合物をAlN粉末に添加し、これを窒素カ゛スを含む還元
性雰囲気中で焼成することによって、YーAlーO系化合物お
よび／またはCa-Al-O系化合物相等の粒界相の存在量を
従来の窒化アルミニウム焼結体に比べて減少させると共に、
低温と高温の2段階で焼結する多段階のフ゜ロク゛ラムからなる
焼結を行うことによって、高い熱伝導率を有する窒化アル
ミニウム焼結体を得るための最適条件を種々検討し、かかる
検討に基づく窒化アルミニウムの製造方法が提案されている。
この特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方
法における焼結過程の反応のメカニス゛ムは、最表面の複合酸
化物が還元窒化反応により除去されると複合酸化物の濃
度勾配が生じ、それが駆動力となり、内部の複合酸化物
が表面へ移動する、という繰り返しにより高熱伝導性Al
N焼結体が作製されるというものである。
伝導性により優れた窒化アルミニウム焼結体を提供することを
目的として焼結助剤としてイットリウムおよび/またはカルシウム
化合物をAlN粉末に添加し、これを窒素カ゛スを含む還元
性雰囲気中で焼成することによって、YーAlーO系化合物お
よび／またはCa-Al-O系化合物相等の粒界相の存在量を
従来の窒化アルミニウム焼結体に比べて減少させると共に、
低温と高温の2段階で焼結する多段階のフ゜ロク゛ラムからなる
焼結を行うことによって、高い熱伝導率を有する窒化アル
ミニウム焼結体を得るための最適条件を種々検討し、かかる
検討に基づく窒化アルミニウムの製造方法が提案されている。
この特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方
法における焼結過程の反応のメカニス゛ムは、最表面の複合酸
化物が還元窒化反応により除去されると複合酸化物の濃
度勾配が生じ、それが駆動力となり、内部の複合酸化物
が表面へ移動する、という繰り返しにより高熱伝導性Al
N焼結体が作製されるというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、以上の特開昭
63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方法について
もさらに次のような問題がある。すなわち特開昭63-277
573に記載された窒化アルミニウムの製造方法によって得られ
る焼結体は、最表面と中心部では複合酸化物を形成する
焼結助剤の組成が異なり、均一な特性、特に均一な熱伝
導率を有する焼結体を得るためには還元窒素雰囲気中で
高温長時間の焼結が必要であり、それは工業的な生産過
程においては生産性の上からは非現実的な方法である。
特にこの特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製
造方法によっては、厚さのある大型AlN焼結体を工業的
な生産過程で厚さ方向に均一な高熱伝導率をもたせて生
産することはできない。
63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方法について
もさらに次のような問題がある。すなわち特開昭63-277
573に記載された窒化アルミニウムの製造方法によって得られ
る焼結体は、最表面と中心部では複合酸化物を形成する
焼結助剤の組成が異なり、均一な特性、特に均一な熱伝
導率を有する焼結体を得るためには還元窒素雰囲気中で
高温長時間の焼結が必要であり、それは工業的な生産過
程においては生産性の上からは非現実的な方法である。
特にこの特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製
造方法によっては、厚さのある大型AlN焼結体を工業的
な生産過程で厚さ方向に均一な高熱伝導率をもたせて生
産することはできない。
【０００７】本発明は、以上の従来技術における問題に
鑑みてなされたものであり、熱伝導率に優れ、均一な特
性を持つ窒化アルミニウム焼結体を提供することを目的とす
る。
鑑みてなされたものであり、熱伝導率に優れ、均一な特
性を持つ窒化アルミニウム焼結体を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は本発明の目的
を達成するために窒化アルミニウム粉末に添加する焼結助剤、
焼結条件、焼結体組成、焼結体微細構造等と熱伝導率の
関係につき種々実験・検討を重ね、新たに発見された新
規事項に基づき本発明を創出するに至った。
を達成するために窒化アルミニウム粉末に添加する焼結助剤、
焼結条件、焼結体組成、焼結体微細構造等と熱伝導率の
関係につき種々実験・検討を重ね、新たに発見された新
規事項に基づき本発明を創出するに至った。
【０００９】すなわち、AlN粉末にアルカリ土類元素および/
または希土類元素を所定量添加し、有機系ハ゛インタ゛を加
え、更に、焼結過程で粒界の複合酸化物を還元する物質
としての炭素源、例えば炭素そのもの、あるいは非酸化
性雰囲気中、加熱処理により炭素を発生する有機系ハ゛イン
タ゛等を加え、それらをホ゛ールミル等を用いて粉砕、混合し、
スフ゜レート゛ライヤーなどにより造粒する。次いでその造粒粉を
所定の形状に成形した後、加熱してハ゛インタ゛中に含まれる
水素分や酸素分を除去する。つづいて、その成形体を焼
結炉内にセットし、窒素カ゛ス雰囲気中で焼結温度を1200〜19
00℃として第1段焼結を行いさらに、1800〜2200℃で1〜
5時間保持する第2段焼結を行う。この様にして作製され
たAlN焼結体の熱伝導率は均一で、かつその焼結体の熱
伝導率は170W/m・K以上となる。
または希土類元素を所定量添加し、有機系ハ゛インタ゛を加
え、更に、焼結過程で粒界の複合酸化物を還元する物質
としての炭素源、例えば炭素そのもの、あるいは非酸化
性雰囲気中、加熱処理により炭素を発生する有機系ハ゛イン
タ゛等を加え、それらをホ゛ールミル等を用いて粉砕、混合し、
スフ゜レート゛ライヤーなどにより造粒する。次いでその造粒粉を
所定の形状に成形した後、加熱してハ゛インタ゛中に含まれる
水素分や酸素分を除去する。つづいて、その成形体を焼
結炉内にセットし、窒素カ゛ス雰囲気中で焼結温度を1200〜19
00℃として第1段焼結を行いさらに、1800〜2200℃で1〜
5時間保持する第2段焼結を行う。この様にして作製され
たAlN焼結体の熱伝導率は均一で、かつその焼結体の熱
伝導率は170W/m・K以上となる。
【００１０】本発明はかかる新たな知見に基づきなされ
たものである。すなわち本発明の窒化アルミニウム焼結体の製
造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)および／または炭素含
有物と希土類および／またはアルカリ土類化合物とを混合
し、その混合粉を直径10mmの球体を少なくとも一部に包
含し得る幾何形状を外形として有する成形体に成形し、
液相生成温度以下の温度で第1段階の焼結を行い、さら
に液相生成温度以上の温度で第2段階の焼結を行うこと
を特徴とするものである。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体の製造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)と希土類および
／またはアルカリ土類化合物とを成分とし、直径10mmの球体
を少なくとも一部に包含し得る幾何形状を外形として有
する被焼結体に液相生成温度以下の温度で第1段階の焼
結を行い、さらに液相生成温度以上の温度で第2段階の
焼結を行うことを特徴とするものである。
たものである。すなわち本発明の窒化アルミニウム焼結体の製
造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)および／または炭素含
有物と希土類および／またはアルカリ土類化合物とを混合
し、その混合粉を直径10mmの球体を少なくとも一部に包
含し得る幾何形状を外形として有する成形体に成形し、
液相生成温度以下の温度で第1段階の焼結を行い、さら
に液相生成温度以上の温度で第2段階の焼結を行うこと
を特徴とするものである。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体の製造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)と希土類および
／またはアルカリ土類化合物とを成分とし、直径10mmの球体
を少なくとも一部に包含し得る幾何形状を外形として有
する被焼結体に液相生成温度以下の温度で第1段階の焼
結を行い、さらに液相生成温度以上の温度で第2段階の
焼結を行うことを特徴とするものである。
【００１１】さらに本発明の窒化アルミニウム焼結体は、直径
10mmの球体を少なくとも一部に包含し得る3次元形状を
外形として有する窒化アルミニウム焼結体において、前記球体
の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記球体の外部の
任意の点に相当する位置の熱伝導率との比が0.85以上で
あることを特徴とするものである。本発明において用い
られる窒化アルミニウム原料粉末は酸素を1.5重量%以下、実用
上は0.01〜1.0重量%含有するものとするのが好ましい。
またその平均粒径は焼結性、熱伝導性を考慮した場合、
0.5〜5μm程度であるのが好ましい。
10mmの球体を少なくとも一部に包含し得る3次元形状を
外形として有する窒化アルミニウム焼結体において、前記球体
の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記球体の外部の
任意の点に相当する位置の熱伝導率との比が0.85以上で
あることを特徴とするものである。本発明において用い
られる窒化アルミニウム原料粉末は酸素を1.5重量%以下、実用
上は0.01〜1.0重量%含有するものとするのが好ましい。
またその平均粒径は焼結性、熱伝導性を考慮した場合、
0.5〜5μm程度であるのが好ましい。
【００１２】本発明において焼結助剤として添加される
添加物は、希土類元素化合物および/またはアルカリ土類元
素化合物である。希土類元素およびアルカリ土類元素の化合
物としては、希土類元素およびアルカリ土類元素の酸化物、
窒化物、フッ化物、酸フッ化物、酸窒化物、焼成によりこれ
らの化合物となる物質が挙げられる。例えば、焼成によ
ってこれらの酸化物となる物質には希土類元素およびアル
カリ土類元素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物等が
ある。また希土類および/またはアルカリ土類元素化合物の
添加量は、0.5〜15重量%とするのが良い。0.5重量%未満
では添加物の効果が充分に発揮されず、焼結体の緻密化
が不十分となり、AlN結晶中に酸素が固溶して高熱伝導
焼結体が得られない。一方、15重量%を超える場合は粒
界相が焼結体中に残存して、熱処理過程で除去される粒
界相の体積が大きくなるという問題が生じる。この希土
類および/またはアルカリ土類元素化合物の添加量は、好ま
しくは4.0〜12重量%とするのが良く、より好ましくは5
〜10重量%とするのが良い。
添加物は、希土類元素化合物および/またはアルカリ土類元
素化合物である。希土類元素およびアルカリ土類元素の化合
物としては、希土類元素およびアルカリ土類元素の酸化物、
窒化物、フッ化物、酸フッ化物、酸窒化物、焼成によりこれ
らの化合物となる物質が挙げられる。例えば、焼成によ
ってこれらの酸化物となる物質には希土類元素およびアル
カリ土類元素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物等が
ある。また希土類および/またはアルカリ土類元素化合物の
添加量は、0.5〜15重量%とするのが良い。0.5重量%未満
では添加物の効果が充分に発揮されず、焼結体の緻密化
が不十分となり、AlN結晶中に酸素が固溶して高熱伝導
焼結体が得られない。一方、15重量%を超える場合は粒
界相が焼結体中に残存して、熱処理過程で除去される粒
界相の体積が大きくなるという問題が生じる。この希土
類および/またはアルカリ土類元素化合物の添加量は、好ま
しくは4.0〜12重量%とするのが良く、より好ましくは5
〜10重量%とするのが良い。
【００１３】本発明においては混合粉中に、あるいは焼
結過程において複合酸化物の還元に炭素が寄与すること
ができるように、炭素を含有する物質を例えばハ゛インタ゛ー
として被焼結体に添加し焼結を行う。この炭素を添加す
る量はAlN原料粉中に存在する酸素量と最終的に目標と
する焼結体の熱伝導率により適宜調製することができ
る。例えば、原料粉末中に存在する酸素量が0.5〜1.5wt
%、目標とする熱伝導率が170〜200W/m・Kの場合、炭素含
有物質の添加量は炭素量に換算して0.5〜1.5wt%が適当
である。
結過程において複合酸化物の還元に炭素が寄与すること
ができるように、炭素を含有する物質を例えばハ゛インタ゛ー
として被焼結体に添加し焼結を行う。この炭素を添加す
る量はAlN原料粉中に存在する酸素量と最終的に目標と
する焼結体の熱伝導率により適宜調製することができ
る。例えば、原料粉末中に存在する酸素量が0.5〜1.5wt
%、目標とする熱伝導率が170〜200W/m・Kの場合、炭素含
有物質の添加量は炭素量に換算して0.5〜1.5wt%が適当
である。
【００１４】本発明では焼結過程における焼成雰囲気
は、窒素カ゛スを含む非酸化性雰囲気とする。非酸化性雰
囲気は、CO2、H2カ゛スおよびC（カ゛スそして固相）などを、
一種または二種以上存在させることによって作ることが
できる。非酸化性雰囲気、特には還元性雰囲気としてCO
雰囲気とする場合には分圧として0.01×105〜1.5×105P
a程度生成するカ゛スを1200〜1900℃の焼結温度範囲におい
て用いるのがよい。かかるカーホ゛ンカ゛スは焼成中のAlNを還
元し、粒界相を焼結体中より除去することにより窒化アル
ミニウム焼結体をAlN単相化し、その結果として高熱伝導性
のAlN焼結体が得られる。このカーホ゛ンカ゛スにより除去され
る粒界相は（希土類元素）-Al-Oまたは/および（アルカリ土
類元素）-Al-O三元系化合物である。
は、窒素カ゛スを含む非酸化性雰囲気とする。非酸化性雰
囲気は、CO2、H2カ゛スおよびC（カ゛スそして固相）などを、
一種または二種以上存在させることによって作ることが
できる。非酸化性雰囲気、特には還元性雰囲気としてCO
雰囲気とする場合には分圧として0.01×105〜1.5×105P
a程度生成するカ゛スを1200〜1900℃の焼結温度範囲におい
て用いるのがよい。かかるカーホ゛ンカ゛スは焼成中のAlNを還
元し、粒界相を焼結体中より除去することにより窒化アル
ミニウム焼結体をAlN単相化し、その結果として高熱伝導性
のAlN焼結体が得られる。このカーホ゛ンカ゛スにより除去され
る粒界相は（希土類元素）-Al-Oまたは/および（アルカリ土
類元素）-Al-O三元系化合物である。
【００１５】本発明において焼結に用いる焼成容器はカー
ホ゛ン製容器とするのが最も簡便である。すなわち焼成用
容器としてはh-BN窒化アルミニウム、アルミナ、Mo製容器を用いる
こともできるが、本発明においては焼成中にカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器を用いることもでき、そのようにす
ることが本発明の目的からは好ましい。このカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器としては、容器全体がカーホ゛ン製の
物、容器全体がカーホ゛ン製で試料を設置する箇所にAlN板、
BN板、W板等を敷いた物、窒化アルミニウム製の容器で上部蓋
がカーホ゛ン製の物等を適用することができる。
ホ゛ン製容器とするのが最も簡便である。すなわち焼成用
容器としてはh-BN窒化アルミニウム、アルミナ、Mo製容器を用いる
こともできるが、本発明においては焼成中にカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器を用いることもでき、そのようにす
ることが本発明の目的からは好ましい。このカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器としては、容器全体がカーホ゛ン製の
物、容器全体がカーホ゛ン製で試料を設置する箇所にAlN板、
BN板、W板等を敷いた物、窒化アルミニウム製の容器で上部蓋
がカーホ゛ン製の物等を適用することができる。
【００１６】次に本発明における焼結時間および焼結温
度につき説明する。焼結時間および焼結温度は使用する
AlN原料粉末の粒径、酸素量および焼結助剤種により異
なる。
度につき説明する。焼結時間および焼結温度は使用する
AlN原料粉末の粒径、酸素量および焼結助剤種により異
なる。
【００１７】本発明の窒化アルミニウムの製造方法の焼結過程
においては第1段焼結では1200〜1900℃で昇温速度を0.5
〜10.0℃/minとするのが良い。0.5℃/min未満では焼結
時間が長くなりすぎ、また10.0℃/minを越えると還元が
充分に行われないからである。この第1段階の焼結では
原料粉末表面の酸素が粒界相にトラッフ゜された後還元され
る作用が進行する。特に希土類元素化合物を焼結助剤と
して用いた場合には、最初から高温で焼結する場合には
（希土類元素）-N化合物が生成して焼結体中に残存し、
熱伝導率低下の原因となる。また、アルカリ土類元素化合物
を焼結助剤として用いた場合には、最初から高温で焼結
するとアルカリ土類元素が揮散する結果としてAlN成形体は
緻密化しない。
においては第1段焼結では1200〜1900℃で昇温速度を0.5
〜10.0℃/minとするのが良い。0.5℃/min未満では焼結
時間が長くなりすぎ、また10.0℃/minを越えると還元が
充分に行われないからである。この第1段階の焼結では
原料粉末表面の酸素が粒界相にトラッフ゜された後還元され
る作用が進行する。特に希土類元素化合物を焼結助剤と
して用いた場合には、最初から高温で焼結する場合には
（希土類元素）-N化合物が生成して焼結体中に残存し、
熱伝導率低下の原因となる。また、アルカリ土類元素化合物
を焼結助剤として用いた場合には、最初から高温で焼結
するとアルカリ土類元素が揮散する結果としてAlN成形体は
緻密化しない。
【００１８】次に第2段階焼結では第1段階より高温の18
00〜2100℃で0.5時間以上、好ましくは2時間以上焼結す
るのが良い。焼結時間が0.5時間未満では緻密化、粒界
相除去および粒成長による高熱伝導率化が充分進行せ
ず、高熱伝導率のAlN焼結体を得ることはできない。
00〜2100℃で0.5時間以上、好ましくは2時間以上焼結す
るのが良い。焼結時間が0.5時間未満では緻密化、粒界
相除去および粒成長による高熱伝導率化が充分進行せ
ず、高熱伝導率のAlN焼結体を得ることはできない。
【００１９】以上の本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方
法により得られたAlN焼結体の特性及び組織について測
定・分析した結果、 多結晶体としては非常に高い170w/mK以上の熱伝導率 構成相はAlN結晶粒のみあるいはAlN結晶粒と希土類お
よびアルカリ土類酸化物であり、他の相は観察されない。 ことが判明した。本発明の製造方法により得られる窒化
アルミニウム焼結体の最終的な不純物酸素は2.0wt%以下とする
のが好ましい。それを超えて不純物酸素が含有される場
合には、均一な熱伝導率向上という本発明の目的に対す
る悪影響が生じる。
法により得られたAlN焼結体の特性及び組織について測
定・分析した結果、 多結晶体としては非常に高い170w/mK以上の熱伝導率 構成相はAlN結晶粒のみあるいはAlN結晶粒と希土類お
よびアルカリ土類酸化物であり、他の相は観察されない。 ことが判明した。本発明の製造方法により得られる窒化
アルミニウム焼結体の最終的な不純物酸素は2.0wt%以下とする
のが好ましい。それを超えて不純物酸素が含有される場
合には、均一な熱伝導率向上という本発明の目的に対す
る悪影響が生じる。
【００２０】
【作用】次に本発明の窒化アルミニウムの製造方法により得ら
れる窒化アルミニウム焼結体につき均一な高熱伝導率の達成さ
れる要因につき説明する。本発明によれば希土類および
／またはアルカリ土類元素化合物を焼結助剤として添加する
ことによって、不純物酸素が（希土類元素）-Al-Oおよ
び/または（アルカリ土類元素）-Al-O系化合物等の形でAlN
結晶粒界に固定され、AlN格子中への酸素の固溶が防止
される結果として、Alの酸窒化物（AlON)、AlNのホ゜リタイフ
゜(27R型)の生成を防止される。この様に低熱伝導率化の
原因が抑制されることが高熱伝導率化の一因となる。
れる窒化アルミニウム焼結体につき均一な高熱伝導率の達成さ
れる要因につき説明する。本発明によれば希土類および
／またはアルカリ土類元素化合物を焼結助剤として添加する
ことによって、不純物酸素が（希土類元素）-Al-Oおよ
び/または（アルカリ土類元素）-Al-O系化合物等の形でAlN
結晶粒界に固定され、AlN格子中への酸素の固溶が防止
される結果として、Alの酸窒化物（AlON)、AlNのホ゜リタイフ
゜(27R型)の生成を防止される。この様に低熱伝導率化の
原因が抑制されることが高熱伝導率化の一因となる。
【００２１】また、第1段階目の焼結過程の初期に、例
えば希土類元素としてYを選んだ場合3Y2O3、Al2O3、Y2O
3・Al2O3、2Y2O3・Al2O3、Y2O5等の化合物が、アルカリ土類元
素としてCaを選んだ場合、1CaO・6Al2O3、1CaO・2Al2O3、
1CaO・1Al2O3、CaOなどの化合物が生成する。次いでそれ
以降の焼結過程で、被焼結体に均一に分散する炭素(C)
が被焼結体全域に渡り粒界相を均一に還元し、粒界相が
徐々に除去される。その結果、粒界相は焼結体の系外へ
と移動し、焼結体はAlN単相となると共に均一に熱伝導
率が上昇する。すなわち、被焼結体の外側の雰囲気がカー
ホ゛ン雰囲気として寄与して最表面の複合酸化物が還元窒
化反応により除去され複合酸化物の濃度勾配が生じ、そ
れが駆動力となり、内部の複合酸化物が表面へ移動する
という従来の窒化アルミニウムの製造方法のメカニス゛ムとは異な
り、本発明では特に焼結前に被焼結体に炭素(C)が均一
に分散・混合され、被焼結体の内部も含め、被焼結体全
体として複合酸化物の還元窒化反応がほぼ均一に進行す
るので、焼結体全体として均一に高い熱伝導率が達成さ
れる。またそのため長時間の焼成は必要なく、比較的短
時間でも焼結体のAlN粒子が成長し、熱抵抗となる粒界
数が減少し、工業的に適用可能な短時間の処理で窒化アル
ミニウムの熱伝導率を均一に向上させることができる。
えば希土類元素としてYを選んだ場合3Y2O3、Al2O3、Y2O
3・Al2O3、2Y2O3・Al2O3、Y2O5等の化合物が、アルカリ土類元
素としてCaを選んだ場合、1CaO・6Al2O3、1CaO・2Al2O3、
1CaO・1Al2O3、CaOなどの化合物が生成する。次いでそれ
以降の焼結過程で、被焼結体に均一に分散する炭素(C)
が被焼結体全域に渡り粒界相を均一に還元し、粒界相が
徐々に除去される。その結果、粒界相は焼結体の系外へ
と移動し、焼結体はAlN単相となると共に均一に熱伝導
率が上昇する。すなわち、被焼結体の外側の雰囲気がカー
ホ゛ン雰囲気として寄与して最表面の複合酸化物が還元窒
化反応により除去され複合酸化物の濃度勾配が生じ、そ
れが駆動力となり、内部の複合酸化物が表面へ移動する
という従来の窒化アルミニウムの製造方法のメカニス゛ムとは異な
り、本発明では特に焼結前に被焼結体に炭素(C)が均一
に分散・混合され、被焼結体の内部も含め、被焼結体全
体として複合酸化物の還元窒化反応がほぼ均一に進行す
るので、焼結体全体として均一に高い熱伝導率が達成さ
れる。またそのため長時間の焼成は必要なく、比較的短
時間でも焼結体のAlN粒子が成長し、熱抵抗となる粒界
数が減少し、工業的に適用可能な短時間の処理で窒化アル
ミニウムの熱伝導率を均一に向上させることができる。
【００２２】
【実施例】次に実施例並びに比較例によって本発明を具
体的に説明する。
体的に説明する。
【００２３】実施例1 不純物としての酸素を1.2重量%含有し、平均粒径が0.5
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化イットリウム(Y
2O3)5.7重量%添加し、さらにカーホ゛ン粉末0.6重量%を添加
した。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、フ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって100×100×15mmの直
方形状の圧粉体に成形した。この成形体は図1に示すよ
うに直径10mmの球体1を少なくとも一部に包含し得る幾
何形状を外形として有する成形体2である。さらにこの
成形体2からハ゛インタ゛ーを除去して得た被焼結体をBN製容器
に収容し、次の条件で常圧焼結した。 （１）焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から液相生成温度以下 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1900〜2000℃ 1hr 2000℃ 10min （２）焼結雰囲気 窒素カ゛ス−1気圧中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.02wt%、酸素量を
1.5wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、炭素含有量、酸素含有量、熱伝導率を測定した。
熱伝導率測定にあったっては前記球体1の中心点に相当
する位置Aの熱伝導率と前記球体1の外部の任意の点に相
当する位置Bの熱伝導率とを測定し、その比を求めた。
以上の結果を表1に示す。また、球体1の焼結体における
中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化イットリウム(Y
2O3)5.7重量%添加し、さらにカーホ゛ン粉末0.6重量%を添加
した。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、フ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって100×100×15mmの直
方形状の圧粉体に成形した。この成形体は図1に示すよ
うに直径10mmの球体1を少なくとも一部に包含し得る幾
何形状を外形として有する成形体2である。さらにこの
成形体2からハ゛インタ゛ーを除去して得た被焼結体をBN製容器
に収容し、次の条件で常圧焼結した。 （１）焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から液相生成温度以下 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1900〜2000℃ 1hr 2000℃ 10min （２）焼結雰囲気 窒素カ゛ス−1気圧中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.02wt%、酸素量を
1.5wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、炭素含有量、酸素含有量、熱伝導率を測定した。
熱伝導率測定にあったっては前記球体1の中心点に相当
する位置Aの熱伝導率と前記球体1の外部の任意の点に相
当する位置Bの熱伝導率とを測定し、その比を求めた。
以上の結果を表1に示す。また、球体1の焼結体における
中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
【００２４】実施例2 焼結助剤として 酸化シ゛スフ゜ロシウム(Dy2O3)7.0重量%（シ゛スフ゜
ロシウム元素の重量換算）を添加した他は実施例1と同様に
して焼結体を得、実施例1と同様にして焼結体の特性を
評価した。その結果を表1に示す。また、球体1の中心か
らの距離と熱伝導率との関係を図5に示す。
ロシウム元素の重量換算）を添加した他は実施例1と同様に
して焼結体を得、実施例1と同様にして焼結体の特性を
評価した。その結果を表1に示す。また、球体1の中心か
らの距離と熱伝導率との関係を図5に示す。
【００２５】実施例3 第1段階焼結における昇温速度を3℃/minとした他は実施
例1と同様にして焼結体を得、実施例1と同様にして焼結
体の特性を評価した。その結果を表1に示す。
例1と同様にして焼結体を得、実施例1と同様にして焼結
体の特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００２６】実施例4 第1段階焼結の昇温速度を5℃/minとし、最終の炭素量を
0.03wt%、酸素量を1.7wt%とした他は実施例1と同様にし
て焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様
にして特性を評価した。その結果を表1に示す。
0.03wt%、酸素量を1.7wt%とした他は実施例1と同様にし
て焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様
にして特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００２７】実施例5 第1段階焼結の焼結温度範囲を1200〜1500℃、昇温速度
を0.5℃/minとした他は実施例1と同様にして焼結体を製
造した。その焼結体につき実施例1と同様にして特性を
評価した。その結果を表1に示す。
を0.5℃/minとした他は実施例1と同様にして焼結体を製
造した。その焼結体につき実施例1と同様にして特性を
評価した。その結果を表1に示す。
【００２８】実施例6 焼結助剤としてScを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００２９】実施例7 焼結助剤としてSrを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００２９】実施例8 焼結助剤としてCaを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３０】実施例9 焼結助剤としてCeを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３１】実施例10 焼結助剤としてBaを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３２】実施例11 焼結助剤としてErを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３３】実施例12 図2に示されるように、直径10mmの球体1を少なくとも一
部に包含し得る幾何形状を外形として有する成形体とし
て20×20×20mmの成形体3を形成して焼結した他は実施
例1と同様にして焼結体を製造した。その焼結体につき
実施例1と同様にして特性を評価した。その結果を表1に
示す。
部に包含し得る幾何形状を外形として有する成形体とし
て20×20×20mmの成形体3を形成して焼結した他は実施
例1と同様にして焼結体を製造した。その焼結体につき
実施例1と同様にして特性を評価した。その結果を表1に
示す。
【００３４】実施例13 不純物としての酸素を1.2重量%含有し、平均粒径が0.5
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化シ゛スフ゜ロシウ
ム(Dy2O3)5.7重量%添加（シ゛スフ゜ロシウム元素の重量換算）し
た。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、成形し
た。成形にあたっては炭素含有有機樹脂系ハ゛インタ゛ーを炭
素分量に換算して0.8重量%添加して造粒し、さらにフ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって図1に示される100×
100×15mmの直方形状の圧粉体2に成形した。さらにこの
成形体から炭素以外のハ゛インタ゛ーをN2中にて除去して得た
被焼結体をカーホ゛ン製容器に収容し、次の条件で常圧焼結
した。 （１）焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から1800℃（液相生成温度以下） 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1950℃（液相生成温度以上）の温度1h （２）焼結雰囲気 COカ゛ス 分圧−0.2×105Pa中 窒素カ゛ス 分圧−1.8×105Pa中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.03wt%、酸素量を
1.6wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、酸素含有量、密度、粒径、熱伝導率を測定した。
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化シ゛スフ゜ロシウ
ム(Dy2O3)5.7重量%添加（シ゛スフ゜ロシウム元素の重量換算）し
た。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、成形し
た。成形にあたっては炭素含有有機樹脂系ハ゛インタ゛ーを炭
素分量に換算して0.8重量%添加して造粒し、さらにフ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって図1に示される100×
100×15mmの直方形状の圧粉体2に成形した。さらにこの
成形体から炭素以外のハ゛インタ゛ーをN2中にて除去して得た
被焼結体をカーホ゛ン製容器に収容し、次の条件で常圧焼結
した。 （１）焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から1800℃（液相生成温度以下） 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1950℃（液相生成温度以上）の温度1h （２）焼結雰囲気 COカ゛ス 分圧−0.2×105Pa中 窒素カ゛ス 分圧−1.8×105Pa中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.03wt%、酸素量を
1.6wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、酸素含有量、密度、粒径、熱伝導率を測定した。
【００３５】比較例1 他は実施例1と同様にして、カーホ゛ン無添加の造粒粉により
作製した成形体をカーホ゛ン製容器からなる還元雰囲気中で
焼結した。得られた焼結体につき実施例1と同様にして
特性を調査した結果を表1に示す。また、球体1の焼結体
の中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
作製した成形体をカーホ゛ン製容器からなる還元雰囲気中で
焼結した。得られた焼結体につき実施例1と同様にして
特性を調査した結果を表1に示す。また、球体1の焼結体
の中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
【００３６】比較例2 他は実施例2と同様にして、カーホ゛ン無添加の造粒粉により
作製した成形体を還元雰囲気中で焼結した。得られた焼
結体につき実施例2と同様にして特性を調査した結果を
表1に示す。また、球体1の中心からの距離と熱伝導率と
の関係を図5に示す。
作製した成形体を還元雰囲気中で焼結した。得られた焼
結体につき実施例2と同様にして特性を調査した結果を
表1に示す。また、球体1の中心からの距離と熱伝導率と
の関係を図5に示す。
【００３７】比較例3 特に第1段階焼結過程と第2段焼結過程として段階分けす
ることなく焼結温度範囲を0〜2000℃とすると共に、昇
温速度を5℃/minとして1段階で焼結した他は実施例1と
同様にして窒化アルミニウム焼結体を製造した。得られた焼結
体につき実施例1と同様にして特性を調査した結果を表1
に示す。
ることなく焼結温度範囲を0〜2000℃とすると共に、昇
温速度を5℃/minとして1段階で焼結した他は実施例1と
同様にして窒化アルミニウム焼結体を製造した。得られた焼結
体につき実施例1と同様にして特性を調査した結果を表1
に示す。
【００３８】以上の各実施例および比較例により得られ
た焼結体の特性を示す表1からわかるように、実施例の
焼結体はいずれも熱伝導率が170以上であり、特に図1、
図2に示される前記球体の中心点に相当する位置Ａの熱
伝導率と前記球体の外部の任意の点に相当する位置Ｂの
熱伝導率との比が0.85以上であることが確認される。一
方、比較例1、2、3の焼結体は図1、図2に示される前記
球体の中心点に相当する位置Ａの熱伝導率と前記球体の
外部の任意の点に相当する位置Ｂの熱伝導率との比が0.
85未満であり、焼結体各部における熱伝導率が不均一で
あることが確認される。この点については特に図4、5に
示されるように実施例1および実施例2の焼結体では前記
球体1の中心部からの距離が大きくなっても熱伝導率は
ほぼ均一に高い数値を示すのに対し、比較例1、2の焼結
体では球体1の中心部における熱伝導率が低く、中心部
からの距離が大きくなるに従い、熱伝導率が増加する傾
向を示し、焼結体の中心部と外側部とでは熱伝導率が不
均一であり、特に中心部の熱伝導率が低いことがわか
る。また、カーホ゛ン無添加であっても、直径10mmの球体を
内部に包含し得ない幾何形状を外形として有する焼結体
は、その内部の熱伝導率と外部の熱伝導率との比が0.85
以上であり、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は特
に直径10mmの球体を内部に包含し得る幾何形状を外形と
して有する大型焼結体を得る方法として有効であること
がわかる。
た焼結体の特性を示す表1からわかるように、実施例の
焼結体はいずれも熱伝導率が170以上であり、特に図1、
図2に示される前記球体の中心点に相当する位置Ａの熱
伝導率と前記球体の外部の任意の点に相当する位置Ｂの
熱伝導率との比が0.85以上であることが確認される。一
方、比較例1、2、3の焼結体は図1、図2に示される前記
球体の中心点に相当する位置Ａの熱伝導率と前記球体の
外部の任意の点に相当する位置Ｂの熱伝導率との比が0.
85未満であり、焼結体各部における熱伝導率が不均一で
あることが確認される。この点については特に図4、5に
示されるように実施例1および実施例2の焼結体では前記
球体1の中心部からの距離が大きくなっても熱伝導率は
ほぼ均一に高い数値を示すのに対し、比較例1、2の焼結
体では球体1の中心部における熱伝導率が低く、中心部
からの距離が大きくなるに従い、熱伝導率が増加する傾
向を示し、焼結体の中心部と外側部とでは熱伝導率が不
均一であり、特に中心部の熱伝導率が低いことがわか
る。また、カーホ゛ン無添加であっても、直径10mmの球体を
内部に包含し得ない幾何形状を外形として有する焼結体
は、その内部の熱伝導率と外部の熱伝導率との比が0.85
以上であり、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は特
に直径10mmの球体を内部に包含し得る幾何形状を外形と
して有する大型焼結体を得る方法として有効であること
がわかる。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法によれば、特性が均一で、かつ高熱
伝導性のAlNが得られる。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体によれば、直径10mmの球体を少なくとも一部に包含し
得る3次元形状を外形として有する大型窒化アルミニウム焼結
体の前記球体の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記
球体の外部の任意の点に相当する位置の熱伝導率との比
が0.85以上であることから、強い放熱機能を発揮すると
共に、かかる大型焼結体を切断して使用に供した場合
も、個々の切断片につき熱伝導率等の特性の不均一とい
う問題が生じないという極めて優れた効果が奏される。
ウム焼結体の製造方法によれば、特性が均一で、かつ高熱
伝導性のAlNが得られる。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体によれば、直径10mmの球体を少なくとも一部に包含し
得る3次元形状を外形として有する大型窒化アルミニウム焼結
体の前記球体の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記
球体の外部の任意の点に相当する位置の熱伝導率との比
が0.85以上であることから、強い放熱機能を発揮すると
共に、かかる大型焼結体を切断して使用に供した場合
も、個々の切断片につき熱伝導率等の特性の不均一とい
う問題が生じないという極めて優れた効果が奏される。
【図1】 本発明の一実施例の焼結体の形態を示す斜視
図である。
図である。
【図2】 本発明の他の実施例の焼結体の形態を示す斜
視図である。
視図である。
【図3】 本発明の実施例1の焼結体と比較例1の焼結体
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。
【図4】 本発明の実施例2の焼結体と比較例2の焼結体
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。 A 球体中心点 B 球体の外部の任意の点に相当する位置 1 球体 2,3 成形体
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。 A 球体中心点 B 球体の外部の任意の点に相当する位置 1 球体 2,3 成形体
【表１】
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年１２月２２日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものであり、特に
半導体の放熱性基板等に用いられるほぼ窒化アルミニウム単相
からなり均一な高熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体の
製造方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものである。
方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものであり、特に
半導体の放熱性基板等に用いられるほぼ窒化アルミニウム単相
からなり均一な高熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体の
製造方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化アルミニウム(AlN)は、その材料がもつ高
い電気絶縁性、Siに近い熱膨張係数、高熱伝導性等の特
性により放熱性基板としての利用が検討されている。特
に、AlN原料粉末や焼結方法を検討することにより、AlN
の特性として非常に重要である熱伝導率を向上させる研
究が各方面で盛んに行われている。
い電気絶縁性、Siに近い熱膨張係数、高熱伝導性等の特
性により放熱性基板としての利用が検討されている。特
に、AlN原料粉末や焼結方法を検討することにより、AlN
の特性として非常に重要である熱伝導率を向上させる研
究が各方面で盛んに行われている。
【０００３】一般に、AlN焼結体はAlN粉末とアルカリ土類や
希土類元素の化合物等の焼結助剤とを配合、混合、造
粒、成形し、常圧焼結により焼結体を得るという方法に
よって製作されている。これらのアルカリ土類や希土類元素
の化合物等の焼結助剤は、焼結時にAlN粉末中に不可避
的に混入されている酸素と反応し、アルミナと焼結助剤との
複合酸化物からなる液相を生成することにより焼結過程
における緻密化を可能にしている。また、この複合酸化
物の生成は、結果的に不純物酸素を粒界に固定し、粒内
への酸素の固溶を抑制しているため、熱伝導率を向上さ
せることにも寄与している。しかし、最終的に、その複
合酸化物が焼結体中に残存した場合、得られるAlN焼結
体の熱伝導率には限界があり、その熱伝導率は170W/m・K
以下であった。
希土類元素の化合物等の焼結助剤とを配合、混合、造
粒、成形し、常圧焼結により焼結体を得るという方法に
よって製作されている。これらのアルカリ土類や希土類元素
の化合物等の焼結助剤は、焼結時にAlN粉末中に不可避
的に混入されている酸素と反応し、アルミナと焼結助剤との
複合酸化物からなる液相を生成することにより焼結過程
における緻密化を可能にしている。また、この複合酸化
物の生成は、結果的に不純物酸素を粒界に固定し、粒内
への酸素の固溶を抑制しているため、熱伝導率を向上さ
せることにも寄与している。しかし、最終的に、その複
合酸化物が焼結体中に残存した場合、得られるAlN焼結
体の熱伝導率には限界があり、その熱伝導率は170W/m・K
以下であった。
【０００４】現在、半導体の高容量化が進められる中
で、半導体搭載用の回路基板、放熱基板等にはより高い
熱伝導率を有する材料が必要とされており、かかるニース゛
に応えるために窒化アルミニウムを適用するにあたっては、酸
素その他の不純物の存在、焼結助剤添加の結果として粒
界に生成する粒界相の存在等の問題を解消する必要があ
る。
で、半導体搭載用の回路基板、放熱基板等にはより高い
熱伝導率を有する材料が必要とされており、かかるニース゛
に応えるために窒化アルミニウムを適用するにあたっては、酸
素その他の不純物の存在、焼結助剤添加の結果として粒
界に生成する粒界相の存在等の問題を解消する必要があ
る。
【０００５】この様な観点から特開昭63-277573には熱
伝導性により優れた窒化アルミニウム焼結体を提供することを
目的として焼結助剤としてイットリウムおよび/またはカルシウム
化合物をAlN粉末に添加し、これを窒素カ゛スを含む還元
性雰囲気中で焼成することによって、YーAlーO系化合物お
よび／またはCa-Al-O系化合物相等の粒界相の存在量を
従来の窒化アルミニウム焼結体に比べて減少させると共に、
低温と高温の2段階で焼結する多段階のフ゜ロク゛ラムからなる
焼結を行うことによって、高い熱伝導率を有する窒化アル
ミニウム焼結体を得るための最適条件を種々検討し、かかる
検討に基づく窒化アルミニウムの製造方法が提案されている。
この特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方
法における焼結過程の反応のメカニス゛ムは、最表面の複合酸
化物が還元窒化反応により除去されると複合酸化物の濃
度勾配が生じ、それが駆動力となり、内部の複合酸化物
が表面へ移動する、という繰り返しにより高熱伝導性Al
N焼結体が作製されるというものである。
伝導性により優れた窒化アルミニウム焼結体を提供することを
目的として焼結助剤としてイットリウムおよび/またはカルシウム
化合物をAlN粉末に添加し、これを窒素カ゛スを含む還元
性雰囲気中で焼成することによって、YーAlーO系化合物お
よび／またはCa-Al-O系化合物相等の粒界相の存在量を
従来の窒化アルミニウム焼結体に比べて減少させると共に、
低温と高温の2段階で焼結する多段階のフ゜ロク゛ラムからなる
焼結を行うことによって、高い熱伝導率を有する窒化アル
ミニウム焼結体を得るための最適条件を種々検討し、かかる
検討に基づく窒化アルミニウムの製造方法が提案されている。
この特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方
法における焼結過程の反応のメカニス゛ムは、最表面の複合酸
化物が還元窒化反応により除去されると複合酸化物の濃
度勾配が生じ、それが駆動力となり、内部の複合酸化物
が表面へ移動する、という繰り返しにより高熱伝導性Al
N焼結体が作製されるというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、以上の特開昭
63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方法について
もさらに次のような問題がある。すなわち特開昭63-277
573に記載された窒化アルミニウムの製造方法によって得られ
る焼結体は、最表面と中心部では複合酸化物を形成する
焼結助剤の組成が異なり、均一な特性、特に均一な熱伝
導率を有する焼結体を得るためには還元窒素雰囲気中で
高温長時間の焼結が必要であり、それは工業的な生産過
程においては生産性の上からは非現実的な方法である。
特にこの特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製
造方法によっては、厚さのある大型AlN焼結体を工業的
な生産過程で厚さ方向に均一な高熱伝導率をもたせて生
産することはできない。
63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方法について
もさらに次のような問題がある。すなわち特開昭63-277
573に記載された窒化アルミニウムの製造方法によって得られ
る焼結体は、最表面と中心部では複合酸化物を形成する
焼結助剤の組成が異なり、均一な特性、特に均一な熱伝
導率を有する焼結体を得るためには還元窒素雰囲気中で
高温長時間の焼結が必要であり、それは工業的な生産過
程においては生産性の上からは非現実的な方法である。
特にこの特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製
造方法によっては、厚さのある大型AlN焼結体を工業的
な生産過程で厚さ方向に均一な高熱伝導率をもたせて生
産することはできない。
【０００７】本発明は、以上の従来技術における問題に
鑑みてなされたものであり、熱伝導率に優れ、均一な特
性を持つ窒化アルミニウム焼結体を提供することを目的とす
る。
鑑みてなされたものであり、熱伝導率に優れ、均一な特
性を持つ窒化アルミニウム焼結体を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は本発明の目的
を達成するために窒化アルミニウム粉末に添加する焼結助剤、
焼結条件、焼結体組成、焼結体微細構造等と熱伝導率の
関係につき種々実験・検討を重ね、新たに発見された新
規事項に基づき本発明を創出するに至った。
を達成するために窒化アルミニウム粉末に添加する焼結助剤、
焼結条件、焼結体組成、焼結体微細構造等と熱伝導率の
関係につき種々実験・検討を重ね、新たに発見された新
規事項に基づき本発明を創出するに至った。
【０００９】すなわち、AlN粉末にアルカリ土類元素および/
または希土類元素を所定量添加し、有機系ハ゛インタ゛を加
え、更に、焼結過程で粒界の複合酸化物を還元する物質
としての炭素源、例えば炭素そのもの、あるいは非酸化
性雰囲気中、加熱処理により炭素を発生する有機系ハ゛イン
タ゛等を加え、それらをホ゛ールミル等を用いて粉砕、混合し、
スフ゜レート゛ライヤーなどにより造粒する。次いでその造粒粉を
所定の形状に成形した後、加熱してハ゛インタ゛中に含まれる
水素分や酸素分を除去する。つづいて、その成形体を焼
結炉内にセットし、窒素カ゛ス雰囲気中で焼結温度を1200〜19
00℃として第1段焼結を行いさらに、1800〜2200℃で1〜
5時間保持する第2段焼結を行う。この様にして作製され
たAlN焼結体の熱伝導率は均一で、かつその焼結体の熱
伝導率は170W/m・K以上となる。
または希土類元素を所定量添加し、有機系ハ゛インタ゛を加
え、更に、焼結過程で粒界の複合酸化物を還元する物質
としての炭素源、例えば炭素そのもの、あるいは非酸化
性雰囲気中、加熱処理により炭素を発生する有機系ハ゛イン
タ゛等を加え、それらをホ゛ールミル等を用いて粉砕、混合し、
スフ゜レート゛ライヤーなどにより造粒する。次いでその造粒粉を
所定の形状に成形した後、加熱してハ゛インタ゛中に含まれる
水素分や酸素分を除去する。つづいて、その成形体を焼
結炉内にセットし、窒素カ゛ス雰囲気中で焼結温度を1200〜19
00℃として第1段焼結を行いさらに、1800〜2200℃で1〜
5時間保持する第2段焼結を行う。この様にして作製され
たAlN焼結体の熱伝導率は均一で、かつその焼結体の熱
伝導率は170W/m・K以上となる。
【００１０】本発明はかかる新たな知見に基づきなされ
たものである。すなわち本発明の窒化アルミニウム焼結体の製
造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)および／または炭素含
有物と希土類および／またはアルカリ土類化合物とを混合
し、その混合粉を直径10mmの球体を少なくとも一部に包
含し得る幾何形状を外形として有する成形体に成形し、
液相生成温度以下の温度で第1段階の焼結を行い、さら
に液相生成温度以上の温度で第2段階の焼結を行うこと
を特徴とするものである。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体の製造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)と希土類および
／またはアルカリ土類化合物とを成分とし、直径10mmの球体
を少なくとも一部に包含し得る幾何形状を外形として有
する被焼結体に液相生成温度以下の温度で第1段階の焼
結を行い、さらに液相生成温度以上の温度で第2段階の
焼結を行うことを特徴とするものである。
たものである。すなわち本発明の窒化アルミニウム焼結体の製
造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)および／または炭素含
有物と希土類および／またはアルカリ土類化合物とを混合
し、その混合粉を直径10mmの球体を少なくとも一部に包
含し得る幾何形状を外形として有する成形体に成形し、
液相生成温度以下の温度で第1段階の焼結を行い、さら
に液相生成温度以上の温度で第2段階の焼結を行うこと
を特徴とするものである。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体の製造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)と希土類および
／またはアルカリ土類化合物とを成分とし、直径10mmの球体
を少なくとも一部に包含し得る幾何形状を外形として有
する被焼結体に液相生成温度以下の温度で第1段階の焼
結を行い、さらに液相生成温度以上の温度で第2段階の
焼結を行うことを特徴とするものである。
【００１１】さらに本発明の窒化アルミニウム焼結体は、直径
10mmの球体を少なくとも一部に包含し得る3次元形状を
外形として有する窒化アルミニウム焼結体において、前記球体
の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記球体の外部の
任意の点に相当する位置の熱伝導率との比が0.85以上で
あることを特徴とするものである。本発明において用い
られる窒化アルミニウム原料粉末は酸素を1.5重量%以下、実用
上は0.01〜1.0重量%含有するものとするのが好ましい。
またその平均粒径は焼結性、熱伝導性を考慮した場合、
0.5〜5μm程度であるのが好ましい。
10mmの球体を少なくとも一部に包含し得る3次元形状を
外形として有する窒化アルミニウム焼結体において、前記球体
の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記球体の外部の
任意の点に相当する位置の熱伝導率との比が0.85以上で
あることを特徴とするものである。本発明において用い
られる窒化アルミニウム原料粉末は酸素を1.5重量%以下、実用
上は0.01〜1.0重量%含有するものとするのが好ましい。
またその平均粒径は焼結性、熱伝導性を考慮した場合、
0.5〜5μm程度であるのが好ましい。
【００１２】本発明において焼結助剤として添加される
添加物は、希土類元素化合物および/またはアルカリ土類元
素化合物である。希土類元素およびアルカリ土類元素の化合
物としては、希土類元素およびアルカリ土類元素の酸化物、
窒化物、フッ化物、酸フッ化物、酸窒化物、焼成によりこれ
らの化合物となる物質が挙げられる。例えば、焼成によ
ってこれらの酸化物となる物質には希土類元素およびアル
カリ土類元素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物等が
ある。また希土類および/またはアルカリ土類元素化合物の
添加量は、0.5〜15重量%とするのが良い。0.5重量%未満
では添加物の効果が充分に発揮されず、焼結体の緻密化
が不十分となり、AlN結晶中に酸素が固溶して高熱伝導
焼結体が得られない。一方、15重量%を超える場合は粒
界相が焼結体中に残存して、熱処理過程で除去される粒
界相の体積が大きくなるという問題が生じる。この希土
類および/またはアルカリ土類元素化合物の添加量は、好ま
しくは4.0〜12重量%とするのが良く、より好ましくは5
〜10重量%とするのが良い。
添加物は、希土類元素化合物および/またはアルカリ土類元
素化合物である。希土類元素およびアルカリ土類元素の化合
物としては、希土類元素およびアルカリ土類元素の酸化物、
窒化物、フッ化物、酸フッ化物、酸窒化物、焼成によりこれ
らの化合物となる物質が挙げられる。例えば、焼成によ
ってこれらの酸化物となる物質には希土類元素およびアル
カリ土類元素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物等が
ある。また希土類および/またはアルカリ土類元素化合物の
添加量は、0.5〜15重量%とするのが良い。0.5重量%未満
では添加物の効果が充分に発揮されず、焼結体の緻密化
が不十分となり、AlN結晶中に酸素が固溶して高熱伝導
焼結体が得られない。一方、15重量%を超える場合は粒
界相が焼結体中に残存して、熱処理過程で除去される粒
界相の体積が大きくなるという問題が生じる。この希土
類および/またはアルカリ土類元素化合物の添加量は、好ま
しくは4.0〜12重量%とするのが良く、より好ましくは5
〜10重量%とするのが良い。
【００１３】本発明においては混合粉中に、あるいは焼
結過程において複合酸化物の還元に炭素が寄与すること
ができるように、炭素を含有する物質を例えばハ゛インタ゛ー
として被焼結体に添加し焼結を行う。この炭素を添加す
る量はAlN原料粉中に存在する酸素量と最終的に目標と
する焼結体の熱伝導率により適宜調製することができ
る。例えば、原料粉末中に存在する酸素量が0.5〜1.5wt
%、目標とする熱伝導率が170〜200W/m・Kの場合、炭素含
有物質の添加量は炭素量に換算して0.5〜1.5wt%が適当
である。
結過程において複合酸化物の還元に炭素が寄与すること
ができるように、炭素を含有する物質を例えばハ゛インタ゛ー
として被焼結体に添加し焼結を行う。この炭素を添加す
る量はAlN原料粉中に存在する酸素量と最終的に目標と
する焼結体の熱伝導率により適宜調製することができ
る。例えば、原料粉末中に存在する酸素量が0.5〜1.5wt
%、目標とする熱伝導率が170〜200W/m・Kの場合、炭素含
有物質の添加量は炭素量に換算して0.5〜1.5wt%が適当
である。
【００１４】本発明では焼結過程における焼成雰囲気
は、窒素カ゛スを含む非酸化性雰囲気とする。非酸化性雰
囲気は、CO2、H2カ゛スおよびC（カ゛スそして固相）などを、
一種または二種以上存在させることによって作ることが
できる。非酸化性雰囲気、特には還元性雰囲気としてCO
雰囲気とする場合には分圧として0.01×105〜1.5×105P
a程度生成するカ゛スを1200〜1900℃の焼結温度範囲におい
て用いるのがよい。かかるカーホ゛ンカ゛スは焼成中のAlNを還
元し、粒界相を焼結体中より除去することにより窒化アル
ミニウム焼結体をAlN単相化し、その結果として高熱伝導性
のAlN焼結体が得られる。このカーホ゛ンカ゛スにより除去され
る粒界相は（希土類元素）-Al-Oまたは/および（アルカリ土
類元素）-Al-O三元系化合物である。
は、窒素カ゛スを含む非酸化性雰囲気とする。非酸化性雰
囲気は、CO2、H2カ゛スおよびC（カ゛スそして固相）などを、
一種または二種以上存在させることによって作ることが
できる。非酸化性雰囲気、特には還元性雰囲気としてCO
雰囲気とする場合には分圧として0.01×105〜1.5×105P
a程度生成するカ゛スを1200〜1900℃の焼結温度範囲におい
て用いるのがよい。かかるカーホ゛ンカ゛スは焼成中のAlNを還
元し、粒界相を焼結体中より除去することにより窒化アル
ミニウム焼結体をAlN単相化し、その結果として高熱伝導性
のAlN焼結体が得られる。このカーホ゛ンカ゛スにより除去され
る粒界相は（希土類元素）-Al-Oまたは/および（アルカリ土
類元素）-Al-O三元系化合物である。
【００１５】本発明において焼結に用いる焼成容器はカー
ホ゛ン製容器とするのが最も簡便である。すなわち焼成用
容器としてはh-BN窒化アルミニウム、アルミナ、Mo製容器を用いる
こともできるが、本発明においては焼成中にカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器を用いることもでき、そのようにす
ることが本発明の目的からは好ましい。このカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器としては、容器全体がカーホ゛ン製の
物、容器全体がカーホ゛ン製で試料を設置する箇所にAlN板、
BN板、W板等を敷いた物、窒化アルミニウム製の容器で上部蓋
がカーホ゛ン製の物等を適用することができる。
ホ゛ン製容器とするのが最も簡便である。すなわち焼成用
容器としてはh-BN窒化アルミニウム、アルミナ、Mo製容器を用いる
こともできるが、本発明においては焼成中にカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器を用いることもでき、そのようにす
ることが本発明の目的からは好ましい。このカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器としては、容器全体がカーホ゛ン製の
物、容器全体がカーホ゛ン製で試料を設置する箇所にAlN板、
BN板、W板等を敷いた物、窒化アルミニウム製の容器で上部蓋
がカーホ゛ン製の物等を適用することができる。
【００１６】次に本発明における焼結時間および焼結温
度につき説明する。焼結時間および焼結温度は使用する
AlN原料粉末の粒径、酸素量および焼結助剤種により異
なる。
度につき説明する。焼結時間および焼結温度は使用する
AlN原料粉末の粒径、酸素量および焼結助剤種により異
なる。
【００１７】本発明の窒化アルミニウムの製造方法の焼結過程
においては第1段焼結では1200〜1900℃で昇温速度を0.5
〜10.0℃/minとするのが良い。0.5℃/min未満では焼結
時間が長くなりすぎ、また10.0℃/minを越えると還元が
充分に行われないからである。この第1段階の焼結では
原料粉末表面の酸素が粒界相にトラッフ゜された後還元され
る作用が進行する。特に希土類元素化合物を焼結助剤と
して用いた場合には、最初から高温で焼結する場合には
（希土類元素）-N化合物が生成して焼結体中に残存し、
熱伝導率低下の原因となる。また、アルカリ土類元素化合物
を焼結助剤として用いた場合には、最初から高温で焼結
するとアルカリ土類元素が揮散する結果としてAlN成形体は
緻密化しない。
においては第1段焼結では1200〜1900℃で昇温速度を0.5
〜10.0℃/minとするのが良い。0.5℃/min未満では焼結
時間が長くなりすぎ、また10.0℃/minを越えると還元が
充分に行われないからである。この第1段階の焼結では
原料粉末表面の酸素が粒界相にトラッフ゜された後還元され
る作用が進行する。特に希土類元素化合物を焼結助剤と
して用いた場合には、最初から高温で焼結する場合には
（希土類元素）-N化合物が生成して焼結体中に残存し、
熱伝導率低下の原因となる。また、アルカリ土類元素化合物
を焼結助剤として用いた場合には、最初から高温で焼結
するとアルカリ土類元素が揮散する結果としてAlN成形体は
緻密化しない。
【００１８】次に第2段階焼結では第1段階より高温の18
00〜2100℃で0.5時間以上、好ましくは2時間以上焼結す
るのが良い。焼結時間が0.5時間未満では緻密化、粒界
相除去および粒成長による高熱伝導率化が充分進行せ
ず、高熱伝導率のAlN焼結体を得ることはできない。
00〜2100℃で0.5時間以上、好ましくは2時間以上焼結す
るのが良い。焼結時間が0.5時間未満では緻密化、粒界
相除去および粒成長による高熱伝導率化が充分進行せ
ず、高熱伝導率のAlN焼結体を得ることはできない。
【００１９】以上の本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方
法により得られたAlN焼結体の特性及び組織について測
定・分析した結果、 多結晶体としては非常に高い170w/mK以上の熱伝導率 構成相はAlN結晶粒のみあるいはAlN結晶粒と希土類お
よびアルカリ土類酸化物であり、他の相は観察されない。 ことが判明した。本発明の製造方法により得られる窒化
アルミニウム焼結体の最終的な不純物酸素は2.0wt%以下とする
のが好ましい。それを超えて不純物酸素が含有される場
合には、均一な熱伝導率向上という本発明の目的に対す
る悪影響が生じる。
法により得られたAlN焼結体の特性及び組織について測
定・分析した結果、 多結晶体としては非常に高い170w/mK以上の熱伝導率 構成相はAlN結晶粒のみあるいはAlN結晶粒と希土類お
よびアルカリ土類酸化物であり、他の相は観察されない。 ことが判明した。本発明の製造方法により得られる窒化
アルミニウム焼結体の最終的な不純物酸素は2.0wt%以下とする
のが好ましい。それを超えて不純物酸素が含有される場
合には、均一な熱伝導率向上という本発明の目的に対す
る悪影響が生じる。
【００２０】
【作用】次に本発明の窒化アルミニウムの製造方法により得ら
れる窒化アルミニウム焼結体につき均一な高熱伝導率の達成さ
れる要因につき説明する。本発明によれば希土類および
／またはアルカリ土類元素化合物を焼結助剤として添加する
ことによって、不純物酸素が（希土類元素）-Al-Oおよ
び/または（アルカリ土類元素）-Al-O系化合物等の形でAlN
結晶粒界に固定され、AlN格子中への酸素の固溶が防止
される結果として、Alの酸窒化物（AlON)、AlNのホ゜リタイフ
゜(27R型)の生成を防止される。この様に低熱伝導率化の
原因が抑制されることが高熱伝導率化の一因となる。
れる窒化アルミニウム焼結体につき均一な高熱伝導率の達成さ
れる要因につき説明する。本発明によれば希土類および
／またはアルカリ土類元素化合物を焼結助剤として添加する
ことによって、不純物酸素が（希土類元素）-Al-Oおよ
び/または（アルカリ土類元素）-Al-O系化合物等の形でAlN
結晶粒界に固定され、AlN格子中への酸素の固溶が防止
される結果として、Alの酸窒化物（AlON)、AlNのホ゜リタイフ
゜(27R型)の生成を防止される。この様に低熱伝導率化の
原因が抑制されることが高熱伝導率化の一因となる。
【００２１】また、第1段階目の焼結過程の初期に、例
えば希土類元素としてYを選んだ場合3Y2O3、Al2O3、Y2O
3・Al2O3、2Y2O3・Al2O3、Y2O5等の化合物が、アルカリ土類元
素としてCaを選んだ場合、1CaO・6Al2O3、1CaO・2Al2O3、
1CaO・1Al2O3、CaOなどの化合物が生成する。次いでそれ
以降の焼結過程で、被焼結体に均一に分散する炭素(C)
が被焼結体全域に渡り粒界相を均一に還元し、粒界相が
徐々に除去される。その結果、粒界相は焼結体の系外へ
と移動し、焼結体はAlN単相となると共に均一に熱伝導
率が上昇する。すなわち、被焼結体の外側の雰囲気がカー
ホ゛ン雰囲気として寄与して最表面の複合酸化物が還元窒
化反応により除去され複合酸化物の濃度勾配が生じ、そ
れが駆動力となり、内部の複合酸化物が表面へ移動する
という従来の窒化アルミニウムの製造方法のメカニス゛ムとは異な
り、本発明では特に焼結前に被焼結体に炭素(C)が均一
に分散・混合され、被焼結体の内部も含め、被焼結体全
体として複合酸化物の還元窒化反応がほぼ均一に進行す
るので、焼結体全体として均一に高い熱伝導率が達成さ
れる。またそのため長時間の焼成は必要なく、比較的短
時間でも焼結体のAlN粒子が成長し、熱抵抗となる粒界
数が減少し、工業的に適用可能な短時間の処理で窒化アル
ミニウムの熱伝導率を均一に向上させることができる。
えば希土類元素としてYを選んだ場合3Y2O3、Al2O3、Y2O
3・Al2O3、2Y2O3・Al2O3、Y2O5等の化合物が、アルカリ土類元
素としてCaを選んだ場合、1CaO・6Al2O3、1CaO・2Al2O3、
1CaO・1Al2O3、CaOなどの化合物が生成する。次いでそれ
以降の焼結過程で、被焼結体に均一に分散する炭素(C)
が被焼結体全域に渡り粒界相を均一に還元し、粒界相が
徐々に除去される。その結果、粒界相は焼結体の系外へ
と移動し、焼結体はAlN単相となると共に均一に熱伝導
率が上昇する。すなわち、被焼結体の外側の雰囲気がカー
ホ゛ン雰囲気として寄与して最表面の複合酸化物が還元窒
化反応により除去され複合酸化物の濃度勾配が生じ、そ
れが駆動力となり、内部の複合酸化物が表面へ移動する
という従来の窒化アルミニウムの製造方法のメカニス゛ムとは異な
り、本発明では特に焼結前に被焼結体に炭素(C)が均一
に分散・混合され、被焼結体の内部も含め、被焼結体全
体として複合酸化物の還元窒化反応がほぼ均一に進行す
るので、焼結体全体として均一に高い熱伝導率が達成さ
れる。またそのため長時間の焼成は必要なく、比較的短
時間でも焼結体のAlN粒子が成長し、熱抵抗となる粒界
数が減少し、工業的に適用可能な短時間の処理で窒化アル
ミニウムの熱伝導率を均一に向上させることができる。
【００２２】
【実施例】次に実施例並びに比較例によって本発明を具
体的に説明する。
体的に説明する。
【００２３】実施例1 不純物としての酸素を1.2重量%含有し、平均粒径が0.5
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化イットリウム(Y
2O3)5.7重量%添加し、さらにカーホ゛ン粉末0.6重量%を添加
した。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、フ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって100×100×15mmの直
方形状の圧粉体に成形した。この成形体は図1に示すよ
うに直径10mmの球体1を少なくとも一部に包含し得る幾
何形状を外形として有する成形体2である。さらにこの
成形体2からハ゛インタ゛ーを除去して得た被焼結体をBN製容器
に収容し、次の条件で常圧焼結した。 （１）焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から液相生成温度以下 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1900〜2000℃ 1hr 2000℃ 10min （２）焼結雰囲気 窒素カ゛ス−1気圧中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.02wt%、酸素量を
1.5wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、炭素含有量、酸素含有量、熱伝導率を測定した。
熱伝導率測定にあったっては前記球体1の中心点に相当
する位置Aの熱伝導率と前記球体1の外部の任意の点に相
当する位置Bの熱伝導率とを測定し、その比を求めた。
以上の結果を表1に示す。また、球体1の焼結体における
中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化イットリウム(Y
2O3)5.7重量%添加し、さらにカーホ゛ン粉末0.6重量%を添加
した。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、フ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって100×100×15mmの直
方形状の圧粉体に成形した。この成形体は図1に示すよ
うに直径10mmの球体1を少なくとも一部に包含し得る幾
何形状を外形として有する成形体2である。さらにこの
成形体2からハ゛インタ゛ーを除去して得た被焼結体をBN製容器
に収容し、次の条件で常圧焼結した。 （１）焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から液相生成温度以下 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1900〜2000℃ 1hr 2000℃ 10min （２）焼結雰囲気 窒素カ゛ス−1気圧中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.02wt%、酸素量を
1.5wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、炭素含有量、酸素含有量、熱伝導率を測定した。
熱伝導率測定にあったっては前記球体1の中心点に相当
する位置Aの熱伝導率と前記球体1の外部の任意の点に相
当する位置Bの熱伝導率とを測定し、その比を求めた。
以上の結果を表1に示す。また、球体1の焼結体における
中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
【００２４】実施例2 焼結助剤として 酸化シ゛スフ゜ロシウム(Dy2O3)7.0重量%（シ゛スフ゜
ロシウム元素の重量換算）を添加した他は実施例1と同様に
して焼結体を得、実施例1と同様にして焼結体の特性を
評価した。その結果を表1に示す。また、球体1の中心か
らの距離と熱伝導率との関係を図5に示す。
ロシウム元素の重量換算）を添加した他は実施例1と同様に
して焼結体を得、実施例1と同様にして焼結体の特性を
評価した。その結果を表1に示す。また、球体1の中心か
らの距離と熱伝導率との関係を図5に示す。
【００２５】実施例3 第1段階焼結における昇温速度を3℃/minとした他は実施
例1と同様にして焼結体を得、実施例1と同様にして焼結
体の特性を評価した。その結果を表1に示す。
例1と同様にして焼結体を得、実施例1と同様にして焼結
体の特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００２６】実施例4 第1段階焼結の昇温速度を5℃/minとし、最終の炭素量を
0.03wt%、酸素量を1.7wt%とした他は実施例1と同様にし
て焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様
にして特性を評価した。その結果を表1に示す。
0.03wt%、酸素量を1.7wt%とした他は実施例1と同様にし
て焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様
にして特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００２７】実施例5 第1段階焼結の焼結温度範囲を1200〜1500℃、昇温速度
を0.5℃/minとした他は実施例1と同様にして焼結体を製
造した。その焼結体につき実施例1と同様にして特性を
評価した。その結果を表1に示す。
を0.5℃/minとした他は実施例1と同様にして焼結体を製
造した。その焼結体につき実施例1と同様にして特性を
評価した。その結果を表1に示す。
【００２８】実施例6 焼結助剤としてScを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００２９】実施例7 焼結助剤としてSrを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３０】実施例 8 焼結助剤としてCaを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３１】実施例 9 焼結助剤としてCeを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３２】実施例 10 焼結助剤としてBaを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３３】実施例 11 焼結助剤としてErを添加し、他は実施例1と同様にして
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
【００３４】実施例 12 図2に示されるように、直径10mmの球体1を少なくとも一
部に包含し得る幾何形状を外形として有する成形体とし
て20×20×20mmの成形体3を形成して焼結した他は実施
例1と同様にして焼結体を製造した。その焼結体につき
実施例1と同様にして特性を評価した。その結果を表1に
示す。
部に包含し得る幾何形状を外形として有する成形体とし
て20×20×20mmの成形体3を形成して焼結した他は実施
例1と同様にして焼結体を製造した。その焼結体につき
実施例1と同様にして特性を評価した。その結果を表1に
示す。
【００３５】実施例 13 不純物としての酸素を1.2重量%含有し、平均粒径が0.5
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化シ゛スフ゜ロシウ
ム(Dy2O3)5.7重量%添加（シ゛スフ゜ロシウム元素の重量換算）し
た。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、成形し
た。成形にあたっては炭素含有有機樹脂系ハ゛インタ゛ーを炭
素分量に換算して0.8重量%添加して造粒し、さらにフ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって図1に示される100×
100×15mmの直方形状の圧粉体2に成形した。さらにこの
成形体から炭素以外のハ゛インタ゛ーをN2中にて除去して得た
被焼結体をカーホ゛ン製容器に収容し、次の条件で常圧焼結
した。 （１）焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から1800℃（液相生成温度以下） 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1950℃（液相生成温度以上）の温度1h （２）焼結雰囲気 COカ゛ス 分圧−0.2×105Pa中 窒素カ゛ス 分圧−1.8×105Pa中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.03wt%、酸素量を
1.6wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、酸素含有量、密度、粒径、熱伝導率を測定した。
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化シ゛スフ゜ロシウ
ム(Dy2O3)5.7重量%添加（シ゛スフ゜ロシウム元素の重量換算）し
た。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、成形し
た。成形にあたっては炭素含有有機樹脂系ハ゛インタ゛ーを炭
素分量に換算して0.8重量%添加して造粒し、さらにフ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって図1に示される100×
100×15mmの直方形状の圧粉体2に成形した。さらにこの
成形体から炭素以外のハ゛インタ゛ーをN2中にて除去して得た
被焼結体をカーホ゛ン製容器に収容し、次の条件で常圧焼結
した。 （１）焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から1800℃（液相生成温度以下） 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1950℃（液相生成温度以上）の温度1h （２）焼結雰囲気 COカ゛ス 分圧−0.2×105Pa中 窒素カ゛ス 分圧−1.8×105Pa中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.03wt%、酸素量を
1.6wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、酸素含有量、密度、粒径、熱伝導率を測定した。
【００３６】比較例1 他は実施例1と同様にして、カーホ゛ン無添加の造粒粉により
作製した成形体をカーホ゛ン製容器からなる還元雰囲気中で
焼結した。得られた焼結体につき実施例1と同様にして
特性を調査した結果を表1に示す。また、球体1の焼結体
の中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
作製した成形体をカーホ゛ン製容器からなる還元雰囲気中で
焼結した。得られた焼結体につき実施例1と同様にして
特性を調査した結果を表1に示す。また、球体1の焼結体
の中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
【００３７】比較例2 他は実施例2と同様にして、カーホ゛ン無添加の造粒粉により
作製した成形体を還元雰囲気中で焼結した。得られた焼
結体につき実施例2と同様にして特性を調査した結果を
表1に示す。また、球体1の中心からの距離と熱伝導率と
の関係を図5に示す。
作製した成形体を還元雰囲気中で焼結した。得られた焼
結体につき実施例2と同様にして特性を調査した結果を
表1に示す。また、球体1の中心からの距離と熱伝導率と
の関係を図5に示す。
【００３８】比較例3 特に第1段階焼結過程と第2段焼結過程として段階分けす
ることなく焼結温度範囲を0〜2000℃とすると共に、昇
温速度を5℃/minとして1段階で焼結した他は実施例1と
同様にして窒化アルミニウム焼結体を製造した。得られた焼結
体につき実施例1と同様にして特性を調査した結果を表1
に示す。
ることなく焼結温度範囲を0〜2000℃とすると共に、昇
温速度を5℃/minとして1段階で焼結した他は実施例1と
同様にして窒化アルミニウム焼結体を製造した。得られた焼結
体につき実施例1と同様にして特性を調査した結果を表1
に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】 以上の各実施例および比較例により得られ
た焼結体の特性を示す表1からわかるように、実施例の
焼結体はいずれも熱伝導率が170以上であり、特に図1、
図2に示される前記球体の中心点に相当する位置Ａの熱
伝導率と前記球体の外部の任意の点に相当する位置Ｂの
熱伝導率との比が0.85以上であることが確認される。一
方、比較例1、2、3の焼結体は図1、図2に示される前記
球体の中心点に相当する位置Ａの熱伝導率と前記球体の
外部の任意の点に相当する位置Ｂの熱伝導率との比が0.
85未満であり、焼結体各部における熱伝導率が不均一で
あることが確認される。この点については特に図4、5に
示されるように実施例1および実施例2の焼結体では前記
球体1の中心部からの距離が大きくなっても熱伝導率は
ほぼ均一に高い数値を示すのに対し、比較例1、2の焼結
体では球体1の中心部における熱伝導率が低く、中心部
からの距離が大きくなるに従い、熱伝導率が増加する傾
向を示し、焼結体の中心部と外側部とでは熱伝導率が不
均一であり、特に中心部の熱伝導率が低いことがわか
る。また、カーホ゛ン無添加であっても、直径10mmの球体を
内部に包含し得ない幾何形状を外形として有する焼結体
は、その内部の熱伝導率と外部の熱伝導率との比が0.85
以上であり、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は特
に直径10mmの球体を内部に包含し得る幾何形状を外形と
して有する大型焼結体を得る方法として有効であること
がわかる。
た焼結体の特性を示す表1からわかるように、実施例の
焼結体はいずれも熱伝導率が170以上であり、特に図1、
図2に示される前記球体の中心点に相当する位置Ａの熱
伝導率と前記球体の外部の任意の点に相当する位置Ｂの
熱伝導率との比が0.85以上であることが確認される。一
方、比較例1、2、3の焼結体は図1、図2に示される前記
球体の中心点に相当する位置Ａの熱伝導率と前記球体の
外部の任意の点に相当する位置Ｂの熱伝導率との比が0.
85未満であり、焼結体各部における熱伝導率が不均一で
あることが確認される。この点については特に図4、5に
示されるように実施例1および実施例2の焼結体では前記
球体1の中心部からの距離が大きくなっても熱伝導率は
ほぼ均一に高い数値を示すのに対し、比較例1、2の焼結
体では球体1の中心部における熱伝導率が低く、中心部
からの距離が大きくなるに従い、熱伝導率が増加する傾
向を示し、焼結体の中心部と外側部とでは熱伝導率が不
均一であり、特に中心部の熱伝導率が低いことがわか
る。また、カーホ゛ン無添加であっても、直径10mmの球体を
内部に包含し得ない幾何形状を外形として有する焼結体
は、その内部の熱伝導率と外部の熱伝導率との比が0.85
以上であり、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は特
に直径10mmの球体を内部に包含し得る幾何形状を外形と
して有する大型焼結体を得る方法として有効であること
がわかる。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法によれば、特性が均一で、かつ高熱
伝導性のAlNが得られる。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体によれば、直径10mmの球体を少なくとも一部に包含し
得る3次元形状を外形として有する大型窒化アルミニウム焼結
体の前記球体の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記
球体の外部の任意の点に相当する位置の熱伝導率との比
が0.85以上であることから、強い放熱機能を発揮すると
共に、かかる大型焼結体を切断して使用に供した場合
も、個々の切断片につき熱伝導率等の特性の不均一とい
う問題が生じないという極めて優れた効果が奏される。
ウム焼結体の製造方法によれば、特性が均一で、かつ高熱
伝導性のAlNが得られる。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体によれば、直径10mmの球体を少なくとも一部に包含し
得る3次元形状を外形として有する大型窒化アルミニウム焼結
体の前記球体の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記
球体の外部の任意の点に相当する位置の熱伝導率との比
が0.85以上であることから、強い放熱機能を発揮すると
共に、かかる大型焼結体を切断して使用に供した場合
も、個々の切断片につき熱伝導率等の特性の不均一とい
う問題が生じないという極めて優れた効果が奏される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例の焼結体の形態を示す斜視
図である。
図である。
【図2】 本発明の他の実施例の焼結体の形態を示す斜
視図である。
視図である。
【図3】 本発明の実施例1の焼結体と比較例1の焼結体
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。
【図4】 本発明の実施例2の焼結体と比較例2の焼結体
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。
【符号の説明】 A 球体中心点 B 球体の外部の任意の点に相当する位置 1 球体 2,3 成形体
Claims (6)
- 【請求項1】 窒化アルミニウムと炭素(C)および／または炭素
含有物と希土類および／またはアルカリ土類化合物とを混合
し、その混合粉を直径5mmの球体を少なくとも一部に包
含し得る幾何形状を外形として有する成形体に成形し、
液相生成温度以下の温度で第1段階の焼結を行い、さら
に液相生成温度以上の温度で第2段階の焼結を行うこと
を特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 - 【請求項2】 直径5mmの球体を少なくとも一部に包含し
得る3次元形状を外形として有する窒化アルミニウム焼結体に
おいて、前記球体の中心点に相当する位置の熱伝導率と
前記球体の外部の任意の点に相当する位置の熱伝導率と
の比が0.85以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結
体。 - 【請求項3】 直径10mmの球体を少なくとも一部に包含
し得る3次元形状を外形として有する窒化アルミニウム焼結体
において、前記球体の中心点に相当する位置の熱伝導率
と前記球体の外部の任意の点に相当する位置の熱伝導率
との比が0.85以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼
結体。 - 【請求項4】 熱伝導率が170w/m・k以上である請求項2ま
たは請求項3に記載した窒化アルミニウム焼結体。 - 【請求項5】 焼結を非酸化性雰囲気中で行う請求項1に
記載した窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 - 【請求項6】 第1段階の焼結温度を1200〜1900℃とする
と共に、第2段階の焼結温度を1800〜2100℃とする請求
項1に記載した窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04081628A JP3141505B2 (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04081628A JP3141505B2 (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0912370A true JPH0912370A (ja) | 1997-01-14 |
| JP3141505B2 JP3141505B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=13751602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04081628A Expired - Lifetime JP3141505B2 (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3141505B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6271163B1 (en) * | 1998-07-22 | 2001-08-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Aluminum nitride sintered body and method of preparing the same |
| JP2002293637A (ja) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及び用途 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2703564C1 (ru) * | 2018-09-18 | 2019-10-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" | Композитный контактный провод |
-
1992
- 1992-03-03 JP JP04081628A patent/JP3141505B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6271163B1 (en) * | 1998-07-22 | 2001-08-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Aluminum nitride sintered body and method of preparing the same |
| US6428741B2 (en) | 1998-07-22 | 2002-08-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Aluminum nitride sintered body and method of preparing the same |
| JP2002293637A (ja) * | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及び用途 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3141505B2 (ja) | 2001-03-05 |
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