JPH1192228A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高熱伝導性を維持しつつ、高い靭性等の機械
的強度を有するＡｌＮ焼結体を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 平均粒径３μｍ以下の窒化アルミニウム
粒子からなる窒化アルミニウムマトリックスに、一辺の
長さが５μｍ以上の窒化アルミニウム粗粒子相および／
または２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイド（Ａｌ₉ Ｏ₃ Ｎ
₇ ）相が３０重量％未満混在した微構造を有し、熱伝導
率が１１０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
焼結体（ＡｌＮ焼結体）およびその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】電子回路は、主にＩＣなどの素子、基板
および配線等から構成されている。近年、電子回路の高
速化、小型化、大出力化に伴って、前記素子からの発熱
量が無視できない程大きな値になっている。こうのよう
な電子回路に対応して従来のアルミナセラミック基板に
代わって高熱伝導性のＡｌＮセラミックや低誘電率のガ
ラス−セラミック基板が開発されている。

【０００３】ＡｌＮセラミック基板は、熱伝導性が高
く、放熱性が優れているものの、誘電率が比較的高く、
かつ焼結温度が高い。したがって、導電成分がタングス
テンやモリブデンのような比較的低導電性の高融点金属
に限られるため、基板の低誘電化および配線の低抵抗化
が望まれている。

【０００４】ＡｌＮセラミックの熱膨張係数は、４．５
×１０^-6と従来の基板であるアルミナセラミックに比べ
て小さいため、配線形成用のメタライズの際に導電成分
と熱膨張差によりセラミックに亀裂や割れが生じる。こ
のため、前記基板を有する電子回路を組み込んだの装置
の信頼性が著しく低下する。

【０００５】一方、ガラス−セラミック基板は誘電率が
低く、焼結温度も低いために、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕのよう
な低融点の高導電性金属を配線材料として使用すること
ができる。しかしながら、熱伝導伝率が低く、かつ機械
的強度が低いという問題がある。

【０００６】前述した素材の基板の他に、近年、窒化珪
素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）セラミックを電子回路の基板として用
いることが検討されている。窒化珪素セラミックは、曲
げ強度、靭性等の機械的特性に優れている。特に、１０
００℃以上の高温下でも強度低下が少なく、耐食性に優
れているため、ガスタービン用部材、エンジン部材など
の高温高強度材料として脚光を浴びている。窒化珪素セ
ラミックは、誘電率が比較的低く、高熱伝導化も期待で
きるにも拘らず、実際に得られるセラミックの熱伝導率
が低いために電子回路の基板として使用する試みがなさ
れていない。

【０００７】ただし、特開平６−１３５７７１号公報に
は熱伝導率が〜１２０Ｗ／ｍＫの窒化珪素セラミックが
開示されている。しかしながら、その後、窒化珪素セラ
ミックの熱伝導率の向上は報告されておらず、前記熱伝
導率の値が実際上、限界であると考えられている。ま
た、窒化珪素セラミックの熱伝導率を高めるには、高温
かつ長時間の焼結を行って粒成長させるために、窒化珪
素セラミック本来の高強度、高靭性が損なわれる恐れが
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高熱伝導性
を維持しつつ、高い靭性等の機械的強度を有するＡｌＮ
焼結体およびこの焼結体を簡単かつ安定的に製造し得る
方法を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるＡｌＮ焼
結体は、平均粒径３μｍ以下のＡｌＮ粒子からなるＡｌ
Ｎマトリックスに、一辺の長さが５μｍ以上のＡｌＮ粗
粒子相および／または２７Ｒ型酸窒化アルミニウムポリ
タイポイド［２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイド（Ａｌ₉
Ｏ₃ Ｎ₇ ）］相が３０重量％未満混在した微構造を有
し、熱伝導率が１１０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴と
するものである。

【００１０】本発明に係わるＡｌＮ焼結体の製造方法
は、ＡｌＮ粉末に焼結助剤と、ＡｌＮファイバー、Ａｌ
Ｎウィスカー、および２７Ｒ型酸窒化アルミニウムポリ
タイポイド［２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイド（Ａｌ₉
Ｏ₃ Ｎ₇ ）］から選ばれる少なくとも１種の添加物を３
０重量％未満加え、成形した後、１５００℃以上、１７
００℃未満の温度で焼結することを特徴とするものであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のＡｌＮ焼結体は、平均粒径３μｍ以下のＡｌＮ
粒子からなるＡｌＮマトリックスに、一辺の長さが５μ
ｍ以上のＡｌＮ粗粒子相および／または２７Ｒ型ＡｌＯ
Ｎポリタイポイド（Ａｌ₉ Ｏ₃ Ｎ₇ ）相が３０重量％未
満混在した微構造を有する。また、このＡｌＮ焼結体は
熱伝導率が１１０Ｗ／ｍＫ以上である。

【００１２】前記ＡｌＮマトリックスのＡｌＮ粒子の平
均粒径を３μｍ以下とし、かつ前記ＡｌＮ粗粒子相およ
び／または２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイド相の一辺の
長さを５μｍ以上にすることによってＡｌＮ焼結体の亀
裂発生を抑制して、靭性を向上することが可能になる。
より好ましいＡｌＮ粒子の平均粒径は２．６μｍ以下で
ある。より好ましい前記相の量は、０．５〜２０重量％
である。

【００１３】本発明に係わるＡｌＮ焼結体において、前
記ＡｌＮマトリックスの粒界相には以下に説明するよう
に目的等に応じて（ａ）希土類アルミネート、（ｂ）ア
ルカリ土類アルミネート、（ｃ）アルカリ土類希土類ア
ルミネート、および（ｄ）遷移金属、その窒化物、炭化
物から選ばれる少なくとも１種の化合物が含有されるこ
とを許容する。

【００１４】（１）希土類アルミネート、アルカリ土類
アルミネート、アルカリ土類希土類アルミネート これらの成分は、ＡｌＮ焼結体の焼結助剤として添加し
た希土類化合物、アルカリ土類化合物が焼結により変化
したものである。希土類アルミネートとしては、例えば
Ｓｃ、Ｙ、ランタン族のアルミネート、アルカリ土類ア
ルミネートとしては例えばＣａ、Ｂａ、Ｓｒのアルミネ
ートやＣａとＹを含むアルミネートを挙げることができ
る。これらの成分は、０．１〜１０重量％添加すること
が好ましい。

【００１５】（２）遷移金属、その窒化物、炭化物 これらの成分は、ＡｌＮ焼結体の焼結促進、焼結体の黒
色化および焼結体のカラー調節、さらに焼結ムラや色ム
ラ抑制の作用をなす。遷移金属としては、例えばＴｉ、
Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ
等を挙げることができる。特に、前記成分は導電性を有
することが好ましい。導電性を有する遷移金属化合物と
しては、例えばＷ、Ｍｏの金属、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔ
ａの窒化物または炭化物を挙げることができる。これら
の成分の添加量は、１．５重量％以下にすることが好ま
しい。添加量が１．５重量％を越えると、ＡｌＮ焼結体
の電気特性が低下する恐れがある。

【００１６】本発明のＡｌＮ焼結体において、前記成分
の他にＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＣ、またはＧｅＯ₂
のようなIVｂ族元素の酸化物、窒化物、炭化物、或いは
Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＡｌＦ₃ 、ＧａＦ₃ のようなIII 族元素の
酸化物もしくはハロゲン化物を１重量％以下の範囲で添
加することを許容する。

【００１７】次に、本発明に係わるＡｌＮ焼結体の製造
方法を説明する。 （第１工程）まず、ＡｌＮ粉末に焼結助剤と、ＡｌＮフ
ァイバー、ＡｌＮウィスカー、および２７Ｒ型ＡｌＯＮ
ポリタイポイドから選ばれる少なくとも１種の添加物を
３０重量％未満加え、さらにバインダおよび有機溶剤を
加えて混練して原料を調製した後、成形する。

【００１８】前記ＡｌＮ粉末は、ＢＥＴ法による比表面
積が３．０〜４．０ｍ² ／ｇであることが好ましい。比
表面積を３．０ｍ² ／ｇ未満のＡｌＮ粉末を用いると、
粒度が粗すぎて低温での焼結が困難になる。一方、比表
面積が４．０ｍ² ／ｇを越えるとＡｌＮ粉末を用いる
と、嵩高くなって湿式混合の際に多量の有機溶剤やバイ
ンダを必要としたり、脱バインダの残炭素量が多くなっ
て焼結が困難になる恐れがある。

【００１９】前記ＡｌＮ粉末は、不純物酸素量が０．６
０〜２．２０重量％、より好ましくは０．９０〜１．８
０重量％である。前記焼結助剤としては、例えば希土類
化合物、アルカリ土類化合物、アルカリ土類希土類化合
物を用いることができる。希土類化合物としては、例え
ばＳｃ、Ｙ、ランタン族の元素の酸化物、炭化物、フッ
化物、硼化物、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、又はアル
コキシド等を挙げることができる。アルカリ土類化合物
としては、例えばＣａ、Ｂａ、Ｓｒの酸化物、炭化物、
フッ化物、硼化物、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、又は
アルコキシド等を挙げることができる。これらの焼結助
剤は、０．１〜１０重量％添加することが好ましい。前
記焼結助剤の添加量を０．１重量％未満にすると、焼結
助剤としての機能を十分達成することが困難になる。一
方、前記焼結助剤の添加量が１０重量％を越えると、Ａ
ｌＮ焼結体の表面に析出物が発生したり、焼結時間が短
い場合には熱伝導率が低下したりする恐れがある。

【００２０】前記ＡｌＮファイバー、ＡｌＮウィスカー
は、直径が１〜２０μｍ、より好ましくは２〜１５μｍ
であることが望ましい。前記ＡｌＮファイバー等の直径
を１μｍ未満にすると、焼結後にＡｌＮマトリックスに
同化し、その添加効果が得られなくなる恐れがある。一
方、前記ＡｌＮファイバー等の直径が２０μｍを越える
と常圧焼結に際し緻密化が著しく阻害される恐れがあ
る。

【００２１】前記ＡｌＮファイバー、ＡｌＮウィスカー
は、不純物酸素量が１５重量％まで含有することを許容
する。より好ましい不純物酸素量は、１２重量％以下で
ある。

【００２２】前記２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイドは、
板状結晶を有し、その長径が２〜３０μｍ、より好まし
くは４〜２０μｍである。前記ポリタイポイドの長径を
２μｍ未満にすると、焼結後にＡｌＮマトリックスに同
化し、熱伝導率が低下したり、高強度、高靭性のＡｌＮ
焼結体を得ることが困難になる。一方、前記ポリタイポ
イドの長径が３０μｍを越えると常圧焼結に際し緻密化
が著しく阻害される恐れがある。

【００２３】前記ＡｌＮファイバー、ＡｌＮウィスカ
ー、２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイドのほかに前述した
遷移金属、その窒化物、炭化物や燐化合物、アルカリ化
合物のような添加物を加えることを許容する。

【００２４】（燐化合物、アルカリ化合物）これらの成
分は、ＡｌＮ焼結体の焼結促進、さらに焼結ムラや色ム
ラ解消の作用をなす。

【００２５】燐酸塩としては、例えばＣａ（ＰＯ₄ ）
₂ 、Ｂａ（ＰＯ₄ ）₂ 、Ｓｒ（ＰＯ₄）₂ のようなアル
カリ土類燐酸塩；Ｙ₂ （ＰＯ₄ ）₃ 、Ｌａ₂ （ＰＯ₄ ）
₃ 、Ｃｅ₂ （ＰＯ₄ ）₃ 、Ｇｄ₂ （ＰＯ₄ ）₃ 、Ｙｂ₂
（ＰＯ₄ ）₃ のような希土類燐酸塩；Ｌｉ₃ ＰＯ₄ 、Ｎ
ａ₃ ＰＯ₄ 、Ｋ₃ ＰＯ₄ のようなアルカリ金属燐酸塩等
を挙げることができる。燐酸水素塩としては、例えばＣ
ａ（Ｈ₂ ＰＯ₄ ）₂ 、Ｂａ（Ｈ₂ ＰＯ₄ ）₂ 、Ｓｒ（Ｈ
₂ ＰＯ₄ ）₂ 、ＣａＨＰＯ₄ 、ＢａＨＰＯ₄ 、ＳｒＨＰ
Ｏ₄ などのアルカリ土類燐酸水素塩；ＬｉＨ₂ ＰＯ₄ 、
ＮａＨ₂ ＰＯ₄ 、ＫＨ₂ ＰＯ₄ 、Ｌｉ₂ ＨＰＯ₄ 、Ｎａ
₂ ＨＰＯ₄ 、Ｋ₂ ＨＰＯ₄ などのアルカリ金属燐酸水素
塩等が挙げられる。この他の燐酸塩としては、例えば燐
酸アルミニウム［ＡｌＰＯ₄ またはＡｌ（ＰＯ₃ ）
₃ ］、燐酸水素アルミニウム［Ａｌ₂ （ＨＰＯ₄ ）₃ ］
等が挙げられる。

【００２６】アルカリ化合物としては、例えばＮａ₂ Ｃ
Ｏ₃ 、ＮａＦ、ＮａＣｌ等のアルカリ金属の酸化物やハ
ロゲン化物、もしくは焼成過程でこれらの化合物に変化
する化合物が挙げられる。

【００２７】前記燐化合物、アルカリ化合物は、無水物
換算で０．０１〜５．０重量％添加することが好まし
い。前記化合物の添加量を０．０１重量％未満にする
と、これら化合物の添加効果である焼結ムラの抑制を十
分に発揮することが困難になる。一方、前記化合物魔添
加量が５．０重量％を越えると色ムラや焼結ムラを抑制
することが困難になる。

【００２８】前記燐化合物、アルカリ化合物の他に、Ｂ
₂ Ｏ₃ もしくは焼結過程でＢ₂ Ｏ₃に変化する化合物、
例えばＮａ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ のようなアルカリ金属のホウ酸塩
等を用いることができる。

【００２９】前記成分の他にＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｓ
ｉＣ、またはＧｅＯ₂ のようなIVｂ族元素の酸化物、窒
化物、炭化物、或いはＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＡｌＦ₃ 、ＧａＦ₃
のようなIII 族元素の酸化物もしくはハロゲン化物を１
重量％以下の範囲で添加することを許容する。

【００３０】前記バインダとしては、例えばアクリル
系、メタクリル系、ＰＶＡ系、ＰＶＢ系等が用いられ
る。これらのバインダの添加量は、使用するＡｌＮ粉末
の粒度により異なるが、２〜１２重量％、より好ましく
は４〜１０重量％にすることが望ましい。

【００３１】前記有機溶剤としては、例えばｎ−ブノー
ルなどのアルコール系、メチルイソブチル、トルエン、
キシレン等を用いることができる。前記成形方法として
は、金型を用いるプレス成形やシート成形を採用するこ
とができる。シート成形法では、ＡｌＮと添加物からな
る混合粉体、バインダを溶媒の存在下で十分に混練し、
粉体の解砕、分散を行って所定の粘度のスラリーを調製
する。得られたスラリーをドクターブレート法でシート
化した後、加熱乾燥して溶媒を除去し、グリーンシート
を作製する。

【００３２】前記成形後において、必要に応じて冷間等
圧加圧（ＣＩＰ）を施して成形体の高密度化を行っても
よい。 （第２工程）前記成形体を脱バインダ処理する。この脱
バインダ処理は、非酸化性雰囲気中で最高１０００℃以
下に加熱して行われる。非酸化性雰囲気とは、例えば窒
素、アルゴン、これらに水素、炭酸ガスを含む雰囲気を
意味する。ただし、グリーンシート中にタングステン、
モリブデンのような導体金属が含まれない場合には、酸
素を含む雰囲気で脱バインダすることを許容する。この
場合、最高加熱温度は５５０℃とすることが好ましい。

【００３３】（第３工程）前記脱バインダ後のグリーン
シートを非酸化性雰囲気中、１５００℃以上、１７００
℃未満の温度で焼結することによりＡｌＮ焼結体を製造
する。この焼結により、平均粒径が３μｍ以下のＡｌＮ
粒子からなるＡｌＮマトリックスが形成される。

【００３４】前記非酸化性雰囲気中での焼結は、例えば
ＡｌＮ、ＢＮ、アルミナ等からなる焼結容器内に前記グ
リーンシートをセットし、窒素、アルゴン、必要に応じ
てこれらに水素、炭酸ガスを一部含む雰囲気とし、カー
ボン、タングステン、モリブデン等からなるヒータで加
熱することが好ましい。

【００３５】前記焼結時の圧力は、０．０１〜１０．０
気圧にすることが好ましい。前記焼結温度を規定したの
は、その温度を１５００℃未満にすると、ＡｌＮ焼結体
を十分に緻密化することが困難になる。一方、焼結温度
を１７００℃以上にすると、ＡｌＮファイバー、ＡｌＮ
ウィスカーや２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイドとＡｌＮ
粉末との反応が顕著になり、結果としてそれら成分の添
加効果を十分に発揮できなくなるばかりか、熱伝導率も
低下する恐れがある。このような焼結において、最高温
度まで単調に昇温させてもよいが、必要に応じて最高温
度まで段階的に昇温するようにしてもよい。

【００３６】前記焼結は、常圧焼結の他に、ホットプレ
スにより焼結することが可能である。ホットプレスは、
５〜１５０ＭＰａ、より好ましくは１０〜１００ＭＰａ
の加圧下で行うことが望ましい。加圧のタイミングは、
緻密化の始まる１３００〜１４００℃付近から焼結温度
間で等速に行うことが好ましい。また、焼結温度に達し
てから加圧したり、緻密化開始温度より低い温度から加
圧する等、任意に設定することが可能である。

【００３７】本発明に係わるＡｌＮ焼結体は、平均粒径
３μｍ以下のＡｌＮ粒子からなるＡｌＮマトリックス
に、一辺の長さが５μｍ以上のＡｌＮ粗粒子相および／
または２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイド相が３０重量％
未満混在した微構造を有する。このようなＡｌＮ焼結体
は、２００〜３５０ＭＰａの４点曲げ強度、３ＭＰａ・
ｍ^0.5 の靭性を有する。本発明のＡｌＮ焼結体が優れた
機械的強度および靭性を有するメカニズニは不明であ
る。ただし、ＡｌＮマトリックスの殆どが粒界割れを生
じている一方で、ＡｌＮ粗粒子相および／または２７Ｒ
型ＡｌＯＮポリタイポイド相のいずれも粒界割れを起こ
していることから、前記相の破壊強度がＡｌＮ粒子間の
強度より高いために高靭性化したものであると考えられ
る。

【００３８】ＡｌＮ焼結体のような電気絶縁材料の熱伝
導は、結晶格子の振動を介してなされる。このタイプの
熱伝導では、結晶格子の不完全性があると、熱伝導率は
低下する。これは、格子の不完全性が格子振動の伝幡の
散乱を引き起こすためである。したがって、高熱伝導率
はＡｌＮに固溶する元素を極力少なくすることにより達
成される。例えば、酸素のようなＡｌＮ中に固溶する元
素を極力少なくする必要があった。

【００３９】本発明は、所定粒径のＡｌＮ粒子からなる
ＡｌＮマトリックスに、所定寸法のＡｌＮ粗粒子相およ
び／または２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイド相を所定量
配合した微構造を有し、かつ１７００℃未満での焼結に
より、これら添加物の反応が抑制されるため、１１０Ｗ
／ｍＫ以上の高熱伝導性を有する。

【００４０】一方、ＡｌＮ焼結体の製造において高熱伝
導性を維持しつつ高靭性を達成することは従来法では困
難であった。これは、ＡｌＮ焼結体の微構造を制御する
ことが困難であったことに起因する。例えば、多量の酸
素やＳｉ化合物を混在、添加して焼結することによりＳ
ｉＡｌＯＮの柱状粒子が生成されるため、これらの絡み
合い構造を取ることにより高靭性化が可能になる。しか
しながら、この方法では酸素やＳｉがＡｌＮ格子中に固
溶して熱伝導率が著しく低下する。

【００４１】本発明の方法のようにＡｌＮ粉末に焼結助
剤と共に、ＡｌＮファイバー、ＡｌＮウィスカー、およ
び２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイドから選ばれる少なく
とも１種の添加物を所定量加え、かつ前記添加物とＡｌ
Ｎ粉末との反応を抑えるために１７００℃未満の温度で
焼結することによって、初めて高熱伝導性を維持しつつ
微構造の制御が可能になって高靭性化されたＡｌＮ焼結
体を製造することができたものである。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 （実施例１）まず、不純物酸素量０．９重量％、平均粒
径１．１μｍ、比表面積３．１ｍ²／ｇのＡｌＮ粉末８
０．７重量部と、不純物酸素量５重量％、直径２〜８μ
ｍのＡｌＮファイバー１５重量部と、純度９９．５％の
硝酸イットリウムをＹ₂ Ｏ₃換算で３．０重量部と、純
度９９．９％の炭酸カルシウムをＣａＯ換算で１．０重
量部と、平均粒径０．１μｍ、純度９９．９％のＷＯ₃
をＷ換算で０．３重量部とからなる粉体に１−ブタノー
ルを添加して湿式ボールミルで解砕、混合した後、１−
ブタノールを除去して原料粉末を調製した。なお、この
工程で硝酸イットリウムおよび硝酸カルシウムは１−ブ
タノールに溶解した。

【００４３】次いで、この原料粉末にブチラール系バイ
ンダとエタノールからなるバインダ溶液をバインダ量で
６重量％を添加した。エタノールを除去し、造粒した
後、この造粒粉末を１００ＭＰａの一軸加圧下で成形し
て圧粉体とした。ひきつづき、この圧粉体を乾燥空気
中、５００℃まで加熱してバインダを除去した。脱バイ
ンダ後の成形体の密度、つまりグリーン密度は１．８２
ｇ／ｃｍ³ であった。次いで、この脱バインダ成形体を
ＡｌＮ焼結体からなる容器内にセットし、これをグラフ
ァイト製ヒータ炉内に入れ、窒素ガス雰囲気、１６００
℃で４時間焼成してＡｌＮ焼結体を製造した。

【００４４】（比較例１）まず、不純物酸素量０．９重
量％、平均粒径１．１μｍ、比表面積３．１ｍ²／ｇの
ＡｌＮ粉末９５．７重量部と、純度９９．５％の硝酸イ
ットリウムをＹ₂Ｏ₃ 換算で３．０重量部と、純度９
９．９％の炭酸カルシウムをＣａＯ換算で１．０重量部
と、平均粒径０．１μｍ、純度９９．９％のＷＯ₃ をＷ
換算で０．３重量部とからなる混合粉体に１−ブタノー
ルを添加して湿式ボールミルで解砕、混合した後、１−
ブタノールを除去して原料粉末を調製した。この原料粉
末を用いて実施例１と同様な方法によりＡｌＮ焼結体を
製造した。

【００４５】得られた実施例１および比較例１のＡｌＮ
焼結体は、いずれも黒色で色ムラ、焼きムラは認められ
なかった。また、前記各焼結体の密度、熱伝導率、靭性
および４点曲げ強度を測定した。その結果を下記表１に
示す。なお、密度、熱伝導率、靭性および４点曲げ強度
は、次のような方法により測定した。

【００４６】（１）密度 ＡｌＮ焼結体の密度は、アルキメデス法により測定し
た。 （２）熱伝導率 熱伝導率は、焼結体から焼結体から直径１０ｍｍ、厚さ
３ｍｍの円板を切り出し、２１℃±２℃の室温下、ＪＩ
Ｓ−Ｒ１６１１に従ってレーザフラッシュ法により測定
した。

【００４７】（３）靭性 ＪＩＳ−Ｒ１６０７に準じてＩＦ法により靭性を測定し
た。ビッカース圧子の荷重は９．８Ｎ、測定回数は１０
回でその平均値を靭性とした。 （４）４点曲げ強度 ４点曲げ強度は、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に準じて測定し
た。

【００４８】

【表１】

【００４９】前記表１から明らかなように実施例１のＡ
ｌＮ焼結体は比較例１のＡｌＮ焼結体に比べて熱伝導率
と４点曲げ強度は同等であるが、高い靭性を有すること
がわかる。実施例１の焼結体の破面を走査型電子顕微鏡
により観察した結果、ＡｌＮ粒子のマトリックス中に４
〜８μｍ幅で長さ１０〜数１０μｍの粒内割れした粒子
が混在しており、ファイバー添加により微構造が変化し
ていることから確認された。

【００５０】（実施例２−１〜２−３）まず、不純物酸
素量１．１重量％、平均粒径０．９μｍ、比表面積３．
３ｍ²／ｇのＡｌＮ粉末に対し、不純物酸素量２．５重
量％、直径２〜８μｍのＡｌＮファイバーを５重量％、
１０重量％、２０重量％それぞれ添加した。これらＡｌ
Ｎ粉末およびＡｌＮファイバーの合計量９５．７重量部
と、純度３ＮのＹ₂ Ｏ₃換算で３．０重量部と、純度９
９．９％の炭酸カルシウムをＣａＯ換算で１．０重量部
と、平均粒径０．１μｍ、純度９９．９％のＷＯ₃ をＷ
換算で０．３重量部とからなる３種の混合粉体に１−ブ
タノールを添加して湿式ボールミルで解砕、混合した
後、１−ブタノールを除去して原料粉末を調製した。こ
れら原料粉末を用いて実施例１と同様な方法により３種
のＡｌＮ焼結体を製造した。なお、焼結は１６５０℃で
４時間とした。

【００５１】得られた３種のＡｌＮ焼結体は、いずれも
黒色で色ムラ、焼きムラは認められなかった。また、前
記各焼結体の密度、熱伝導率、靭性および４点曲げ強度
を実施例１と同様な方法により測定した。その結果、下
記表２に示す。

【００５２】

【表２】

【００５３】前記表２から明らかなように実施例２−１
〜２−３のＡｌＮ焼結体は、いずれも高い靭性および十
分な熱伝導率と４点曲げ強度を有することがわかる。 （実施例３−１〜３−３）実施例２−１〜２−３と同様
な３種の混合粉体にバインダを加えずに一軸加圧成形し
た後、１５５０℃、１時間のポットプレスを行うことに
より３種のＡｌＮ焼結体を製造した。ホットプレスは、
グラファイト製ホットプレスモールド内で１３００℃か
ら加圧を開始し、１５５０℃で等速で５０ＭＰａまで加
圧した。また、前記モールドと焼結体の接合を防ぐため
に成形体とモールドの界面にＨ−ＢＮを配置し、かつ焼
結時に液相になることが予想される添加物成分を吸収す
るためにグラファイトフェルトを前記モールド内面に配
置した。

【００５４】（比較例２）まず、不純物酸素量０．９重
量％、平均粒径１．１μｍ、比表面積３．１ｍ²／ｇの
ＡｌＮ粉末９５．７重量部と、純度９９．５％の硝酸イ
ットリウムをＹ₂Ｏ₃ 換算で３．０重量部と、純度９
９．９％の炭酸カルシウムをＣａＯ換算で１．０重量部
と、平均粒径０．１μｍ、純度９９．９％のＷＯ₃ をＷ
換算で０．３重量部とからなる混合粉体をそのまま一軸
加圧成形した後、実施例３と同様な方法によりホットプ
レスすることによりＡｌＮ焼結体を製造した。

【００５５】得られた実施例３−１〜３−３および比較
例２のＡｌＮ焼結体は、黒色で色ムラ、焼きムラは認め
られなかった。また、前記各焼結体の密度、熱伝導率、
靭性および４点曲げ強度を実施例１と同様な方法により
測定した。その結果、下記表３に示す。

【００５６】

【表３】

【００５７】前記表３から明らかなように実施例３−１
〜３−３のＡｌＮ焼結体は、いずれも高熱伝導率と高い
靭性および４点曲げ強度を有することがわかる。これに
対し、比較例２のＡｌＮ焼結体は実施例３−１〜３−３
と密度、熱伝導率や４点曲げ強度に関して大きな差異が
認められなかったが、靭性が劣ることがわかる。

【００５８】（実施例４−１〜４−３）まず、ＡｌＮと
Ａｌ₂ Ｏ₃ をモル比で７：１になるように秤量し、これ
らを混合した後、窒素雰囲気中、１９００℃、６時間熱
処理して２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイドを合成した。
この粉末をＸ線回折で調べた結果、２７Ｒ型ＡｌＯＮポ
リタイポイドのほかに回折ピークの相対強度が１／５の
ＡｌＮが含まれていた。

【００５９】不純物酸素量０．９重量％、平均粒径１．
１μｍ、比表面積３．３ｍ² ／ｇのＡｌＮ粉末に対し、
長径が約１５μｍの前記２７Ｒ型ＡｌＮポリタイポイド
を５重量％、１０重量％、２０重量％それぞれ添加し
た。これらＡｌＮ粉末および２７Ｒ型ＡｌＮポリタイポ
イドの合計量９４．４重量部と、純度９９．５％のＹ₂
Ｏ₃ 換算で４．０重量部と、純度９９．９％の炭酸カル
シウムをＣａＯ換算で１．３重量部と、平均粒径０．１
μｍ、純度９９．９％のＷＯ₃ をＷ換算で０．３重量部
とからなる３種の混合粉体にエタノールを添加して湿式
ボールミルで解砕、混合した後、エタノールを除去して
原料粉末を調製した。なお、この工程で硝酸イットリウ
ムおよび硝酸カルシウムはエタノールに溶解していた。

【００６０】次いで、これらの原料粉末にブチラール系
バインダとエタノールからなるバインダ溶液をバインダ
量で６重量％を添加した。エタノールを除去し、造粒し
た後、この造粒粉末を５０ＭＰａの一軸加圧下で成形し
て圧粉体とした。ひきつづき、これらの圧粉体を窒素雰
囲気中、７００℃まで加熱してバインダを除去した。脱
バインダ後の各成形体をＡｌＮ焼結体からなる容器内に
セットし、これをグラファイト製ヒータ炉内に入れ、１
気圧の窒素ガス雰囲気、１６００℃で６時間焼成して３
種のＡｌＮ焼結体を製造した。

【００６１】得られた３種のＡｌＮ焼結体は、いずれも
黒色で色ムラ、焼きムラは認められなかった。また、前
記各焼結体の密度、熱伝導率、靭性および４点曲げ強度
を実施例１と同様な方法により測定した。その結果、下
記表４に示す。

【００６２】

【表４】

【００６３】前記表４から明らかなようにポリタイポイ
ドの添加量の増加と共にＡｌＮ焼結体の靭性が上昇し
た。また、４点曲げ強度も高く、かつ高い靭性を有する
ことがわかる。

【００６４】（実施例５−１〜５−３）実施例４−１〜
４−３と同様な３種の混合粉体にバインダを加えずに一
軸加圧成形した後、温度を１５００℃、時間を２時間と
した以外、実施例３−１〜３−３と同様な方法によりポ
ットプレスを行うことにより３種のＡｌＮ焼結体を製造
した。

【００６５】得られた３種のＡｌＮ焼結体は、いずれも
黒色で色ムラ、焼きムラは認められなかった。また、前
記各焼結体の密度、熱伝導率、靭性および４点曲げ強度
を実施例１と同様な方法により測定した。その結果、そ
の結果、下記表５に示す。

【００６６】

【表５】

【００６７】前記表５から明らかなように実施例５−１
〜５−３のＡｌＮ焼結体は高熱伝導率を保持しつつ、高
い靭性および４点曲げ強度を有することがわかる。 （実施例６）不純物酸素量１．２重量％、平均粒径０．
９μｍ、比表面積３．８ｍ² ／ｇのＡｌＮ粉末に対し、
不純物酸素量５重量％、直径２〜８μｍのＡｌＮファイ
バー１０重量部と、前記実施例４−１〜４−３と同様な
２７Ｒ型ＡｌＯＮポリタイポイドを５重量部と、純度９
９．５％の硝酸イットリウムをＹ₂ Ｏ₃ 換算で３．０重
量部と、純度９９．９％の炭酸カルシウムをＣａＯ換算
で１．０重量部と、平均粒径０．１μｍ、純度９９．９
％のＴｉＯ₂ をＴｉ換算で０．３重量部とからなる混合
粉体に１−ブタノールを添加して湿式ボールミルで解
砕、混合した後、１−ブタノールを除去して原料粉末を
調製した。なお、この工程で硝酸イットリウムおよび硝
酸カルシウムは１−ブタノールに溶解した。

【００６８】次いで、前記原料粉末にブチラール系バイ
ンダとエタノールからなるバインダ溶液をバインダ量で
６重量％を添加した。エタノールを除去し、造粒した
後、この造粒粉末を１００ＭＰａの一軸加圧下で成形し
て圧粉体とした。つづいて、この圧粉体を乾燥空気中、
５００℃まで加熱してバインダを除去した。ひきつづ
き、この脱バインダ成形体をＡｌＮ焼結体からなる容器
内にセットし、これをグラファイト製ヒータ炉内に入
れ、１気圧の窒素ガス雰囲気、１６００℃で６時間焼成
してＡｌＮ焼結体を製造した。

【００６９】得られたＡｌＮ焼結体は、黒褐色で色ム
ラ、焼きムラは認められなかった。また、前記焼結体の
密度、熱伝導率、靭性および４点曲げ強度を実施例１と
同様な方法により測定した。その結果、密度が３．２９
ｇ／ｃｍ³ 、熱伝導率が１４２Ｗ／ｍＫ、靭性が４．１
ＭＰａ／ｍ^0.5 、４点曲げ強度が３３５ＭＰａで、高熱
伝導率と高い靭性および４点曲げ強度を有することが確
認された。

【００７０】（実施例７）まず、不純物酸素量１．７重
量％、平均粒径０．７μｍ、比表面積３．９ｍ²／ｇの
ＡｌＮ粉末８４．７重量部と、不純物酸素量１重量％、
直径３〜１１μｍのＡｌＮファイバー１０重量部と、純
度９９．５％の硝酸イットリウムをＹ₂ Ｏ₃ 換算で３．
７５重量部と、純度９９．９％の炭酸カルシウムをＣａ
Ｏ換算で１．２５重量部と、平均粒径０．１μｍ、純度
９９．９％のＷＯ₃ をＷ換算で０．３重量部とからなる
粉体に１−ブタノールを添加して湿式ボールミルで解
砕、混合した後、１−ブタノールを除去して原料粉末を
調製した。なお、この工程で硝酸イットリウムおよび硝
酸カルシウムは１−ブタノールに溶解した。

【００７１】次いで、この原料粉末にブチラール系バイ
ンダとエタノールからなるバインダ溶液をバインダ量で
６重量％を添加した。エタノールを除去し、造粒した
後、この造粒粉末を１００ＭＰａの一軸加圧下で成形し
て圧粉体とした。つづいて、この圧粉体を乾燥空気中、
５００℃まで加熱してバインダを除去した。脱バインダ
後の成形体の密度、つまりグリーン密度は１．８１ｇ／
ｃｍ³ であった。ひきつづき、この脱バインダ成形体を
ＡｌＮ焼結体からなる容器内にセットし、これをグラフ
ァイト製ヒータ炉内に入れ、窒素ガス雰囲気、１６００
℃で４時間焼成してＡｌＮ焼結体を製造した。

【００７２】得られたＡｌＮ焼結体は、いずれも黒色で
色ムラ、焼きムラは認められなかった。また、この焼結
体の密度、熱伝導率、靭性および４点曲げ強度を実施例
１と同様な方法により測定した。その結果、密度は３．
２９ｇ／ｃｍ³ ，熱伝導率は１１２Ｗ／ｍＫ、靭性は
３．９ＭＰＡ・ｍ^0.5 、４点曲げ強度は３２１ＭＰａで
あり、高熱伝導率であるとともに高い靭性および４点曲
げ強度を有することがわかる。

【００７３】さらに、実施例７の焼結体の破面を走査型
電子顕微鏡により観察した結果、ＡｌＮ粒子のマトリッ
クス中に約２〜１０μｍ幅で長さ１０〜数１０μｍの粒
内割れした粒子が混在しており、ファイバー添加により
微構造が変化していることから確認された。

【００７４】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば高熱
伝導性を維持しつつ、高い靭性等の機械的強度を有する
ＡｌＮ焼結体、およびこの焼結体を簡単かつ安定的に製
造し得る方法を提供できる。

フロントページの続き (72)発明者 堀口 昭宏 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平均粒径３μｍ以下の窒化アルミニウム
   粒子からなる窒化アルミニウムマトリックスに、一辺の
   長さが５μｍ以上の窒化アルミニウム粗粒子相および／
   または２７Ｒ型酸窒化アルミニウムポリタイポイド（Ａ
   ｌ₉ Ｏ₃ Ｎ₇）相が３０重量％未満混在した微構造を有
   し、熱伝導率が１１０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴と
   するアルミニウム焼結体。
2. 【請求項２】 窒化アルミニウム粉末に焼結助剤と、窒
   化アルミニウムファイバー、窒化アルミニウムウィスカ
   ー、および２７Ｒ型酸窒化アルミニウムポリタイポイド
   （Ａｌ₉ Ｏ₃ Ｎ₇ ）から選ばれる少なくとも１種の添加
   物を３０重量％未満加え、成形した後、１５００℃以
   上、１７００℃未満の温度で焼結することを特徴とする
   アルミニウム焼結体の製造方法。