JPS61227967A - 高熱伝導性セラミツクス及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体か
らなる高熱伝導セラミックス及びその製造方法に関する
ものである。

（従来技術とその問題点） 近年、電子部品の小型化・高集積化が著しく、それに伴
ってそれらの単位面積当りの発熱量は増加の一途をたど
っている。電子部品にとってこれらの熱をいかにして逃
がすかが設計上の重要なポイントであり、熱伝導藁の高
い物質で構成された基板の開発が望まれている。

この目的のため（、従来から多用されているアルミナ基
板に代わるものとして炭化硅素焼結体や窒化アルミニウ
ム焼結体の基板が提案されている。しかし、炭化硅素は
熱伝導藁は高いものの電気絶縁性に劣り、また緻密化す
る゛〈はホットブレスしなければならす、使用分野が限
定されている。−１窒化アルミニウム焼結体は、熱伝導
率は炭化硅素に比べて劣るもののアルミナの２〜５倍で
あり、しかもその電気絶縁性もアルミナ並で、かつ常圧
焼結で緻密化可能なため、慣用性の高い材料といえる。

窒化アルミニウムは難焼結性物質であるため、緻密化し
た焼結体を得るには焼結助剤の添加が不可欠である。従
来から焼結助剤としているいろな物質が提案されている
。例えば周期律表第ＩＩａ族元素や第１１　ａ族元素の
酸化物等があげられる。（％公開５８−４９５１０号、
特公昭４８−７４８６号）しかし、それらの助剤を用い
た場合、緻密化が不十分であったり、色むら、クラック
が生ずるなどの不都合がしばしばおこる。

例えば周期律表第１１ａ族元素酸化物を焼結助剤として
常圧焼結した場合は、助剤添加量が狭い範囲でしか緻密
化しにくい。緻密化する範囲においては焼結体は低い熱
伝導率（最高給８０　Ｗ／　ｍＫ）　Ｌか示さない。又
周期律表第■ａ族元素の酸化物は一般に高価なため工業
的に不利であり、焼結助剤として用いると、しばしｉｆ
焼結体にしみや色むらを生ずる。又、周期律表第■１族
元索の酸化物は加水分解性があり、保存性に問題がある
。また窒化アルミニウムの熱伝導率のよい焼結体は一般
に表面が粗くなる欠点がある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、これらの欠点を改良し、均一で高熱伝導性で
あり、しかもしみ、色むら、ひびわれ等のなく表面平滑
性が高く、しかも製造において、安価で歩留りが高い、
窒化アルミニウム焼結体からなる高熱伝導性セラミック
ス及びその製造方法を提供するものである。

本発明は、雪化アルミニウムと金属複合酸化物又は窒化
アルミニウムと前記金属複合酸化物を構成する物質の混
合物の焼結体からなり、しかも窒化アルミニウム９９．
８〜８５重ｔ％と金属複合酸化物０．２〜１５重ｔ％で
あり、かつ金属複合酸化物を構成する物質がホウ素酸化
物と周期律表第ＩＩａ族元素及び／又は周期律表第１［
ｒａ族元素の酸化物である高熱伝導性セラミックス（第
１発明）であり、窒化アルミニウム粉末に対してホウ素
化合物と周期律表第１Ｉｓ族元累及び／又は周期律表ｍ
ａ族元素化合物との混合物又は前記化合物の元素を含有
する多成分金属被合酸化物粉末を０．２〜１５重ｔ％添
加混合した後成形し、次いでその成形体を非酸化性雰囲
気下、温度１６００〜１９５０℃で焼結することを特徴
とする電化アルミニウム系高熱伝導セラミックスの製造
方法。（第２発明）である。

以下さらに本発明の詳細な説明する。

まず本発明品の製造方法から説明する。

窒化アルミニウム粉末としては市販のものが使用される
が、少量の不純物を含むものであってもよい。その粒度
は、平均粒径（マイクロトラックで測定）で１０μｍ以
下、好ましくは３μｍ以下比表面積で３．５ｍＶ？　以
上である事が望ましい。ボロン化合物としては酸化ホウ
素、ホウ酸が使用できる。又、周期律表Ｉｒａ族元素及
び／又は周期律表ｍａ族元素を含有する化合物としては
それらの酸化物、炭酸塩、しゆ５ｍ塩、水酸化物、フッ
化物等である。これらの化合物の混合割合は１．ｙｃ１
ン元素と他の金属元素の厘子数の比で０．８１　：　０
．１９から０．０９：０、９１　、好ましくは０．６７
　：　０．３３から０．１３：０．８７、更に好ましく
は０．５５：０．４５から０．４５〜０．５５である。

メロ／と周期律表の第ｎ１族及び／又は第■１族元素の
多成分金属複合酸化物とし工は、カルシウムがロンオキ
サイド（３ＣａＯ−Ｂ＊Ｏい２ＣａＯ＊Ｂ１０ｇ　、Ｃ
ａＯ＊Ｂ１０３　ｍ　ＣａＯ拳２Ｂ１０ｇ）ストｃ１／
チウムゴロンオキサイド（３８ｒＯ−Ｂ１０３　、２Ｓ
ｒＯ＊Ｂ２０Ｂ　、ＢｒＯ＊Ｂ１０Ｂ、８ｒＯ”２Ｂ１
０ｇ　）バリウムが口／オキサイド（３８ａＯ＊Ｂ１０
Ｂ、２ＢａＯ＊Ｂ！Ｏ，、Ｂａ０ＩＢ、Ｏ，、Ｂａ０１
１２Ｂ、Ｏ，）スカンジウムがロンオキサイド（ｓ、ｐ
、ｏ、・Ｂ、　Ｏ，）イツトリウムが口、ンオキサイド
（ｙ、ｏ、・Ｂ、０．　）ランタンがロンオキサイド（
Ｌａ１０ｇ・Ｂ２Ｏ２）セリウム−ロンオキサイド（Ｃ
・ｔｏｎ・Ｂｔｕｓ　）ネオジムがロンオキサイド（Ｎ
ｔ３ｄｋ　”ｋｏｓ　）サマリウムがロンオキサイド（
Ｓｍ＠Ｏ＠・Ｂｔｕｓ　）カルシウムイツトリウムがロ
ンオキサイド（２ＣａＯ＊Ｙ＠Ｏ＠ｍＢ２０Ｂ　） カルシウムランタンＭロンオキサイド（２ＣａＯ−Ｌ　
ＩＬ！　Ｏ＠・Ｂ、Ｏ，） などがあげられ、これらの複合酸化物にはこれらを構成
する元素の酸化物等が不純物として含まれていてもよい
。これらの金属複合酸化物は、各々の酸化物粉を混合し
て高温で焼成しても得ることができ、それを粉砕して平
均粒径（マ・イクロトラックで測定）１０μｍ以下、好
ましくは３ａｎ　以下にすることが望ましい。窒化アル
ミニウム粉末９９．８〜８５重量％に前記焼結助剤粉末
を焼結助剤の合計が０．２〜１５重量囁好ましくは２〜
ｌＯ重量％になるように混合する。

０．２重量外未満では緻密化せず、１５重量％をこえる
と、熱伝導車が低下し好ましくない。なお、一般に市販
されている窒化アルミニウム粉末は酸素を約１〜２重量
％、金属不純物を０．１〜２重ｔ％含んでいるが、これ
より純度の高い窒化アルミニウム粉末を用いると、焼結
助剤の添加量はより少−ｔ（０，２重量％未満）で緻密
化し高熱伝導率が実現できる可能性がある。

上記混合粉末に有機バインダー、例えばＩリスチレン、
？リビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリメ
チルメタクリレート、ポリメタクリレート、ノぐラフイ
ン等を（必要に応じて溶媒を添加して）、添加・混合し
た後成形する。成形方法としては、金型を使ったコール
ドプレス、テープ成形、押出成形、射出成形等、製品の
形状に応じた方法をとることができる。

次に成形時に添加した有機バインダーを焼成分解した後
、窒素・アルがン・ヘリウム等の非酸化性ガス雰囲気下
、温度１６００〜２０００℃望ましくは１７００〜１９
００℃で焼成する。

焼結時間は３０分以上、好ましくは３０分〜３時間であ
る。

本発ＢＡＫよれば熱伝導性及び均一性の高く、ひび、し
み等の少なく、表面平滑性に優れた焼結体が得られる。

その理由は定かではないが、既知の焼結助剤とメロン酸
化物が、窒化アル２ニウム表面に存在すると考えられて
いる酸素とアルミニウムと反応して安定な低融点の物質
が生成するためであると推定される。

セリウムの酸化物は室温では４価で安定であるが、非酸
化性ガス雰囲気中では高温では３価の形で安定である。

セリウムオキサイド（ＣｅＯｌ）とぎロンオキサイド（
ｎｔｏｓ）を混合して焼成すると、セリウムメロンオキ
サイド（Ｃ＠ＢＯ１）が生成し、これは室温で比較的安
定であるため、これを焼結助剤として用いれは、焼結過
程でのセリウムの原子価変化がおきず、色むらや焼結密
度、熱伝導車の低下をさけることができる。又、一般に
周期率表ｍａ族元素を含む化合物は高価であるが、価格
の安いメロン化合物を使用する事により、原材料費を低
減する事ができる。また希土類化合物を焼結助剤として
使用した場合には一般に焼結温度は１７５０℃以上必要
であるが、ｓｏｙを含む化合物を用いる事忙より、より
低温での焼結が可能となる。

Ｃａ、　Ｂａ、　８ｒ　　の酸化物は加水分解性があり
、保存性に問題があるが、たとえばＣａＯ−１，５Ｂ１
０１のような＄ｃｘ７を含む複合酸化物を用いれば、そ
のような問題は生じない。

又、がロンを含む化合物を助剤として使用すると、得ら
れた焼結体の表面粗さを３翔以下におさえることができ
、メロンを含まない助剤を使用した場合忙比べて平滑性
が向上する。更に焼結体上に導体や抵抗体を形成した場
合、付着強度が向上し、ビール強度が従来のものより約
１０！ｇ向上する。

（実施例） 以下実施例をあげて具体的に説明する。

実施例１ 市販の酸化イツトリウム粉末（ＹｔＯｓ）（平均粒径約
２　ｍ）と酸化ざ口／をモル比で１：１．０５になるよ
うに配合して混合し、電気炉にて空気中２時間１５００
℃に加熱した。これを粉砕してＹＢＯ，を主成分とする
粉末を得た。この粉末第１表に示す割合で市販の窒化ア
ルミニウム粉末（平均粒径２．５　趨）　Ｋ添加し、混
合粉砕した後、この混合粉末１００重量部に対して、ポ
リメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の５重量％トルエ
ン溶液を１５重量部添加し混合した。

このスラリーを直径４０ｗｍ＊さ３腰の円板状に５００
＃／−でプレス成形し、Ｎ、ガス中温度４００℃で３時
間焼成してＰＭＭＡを分解除去した後、黒鉛抵抗加熱炉
により第１表に示す条件（冥験腐１〜１０）で焼結した
。得られた焼結体にはじみや、クラックの発生は認めら
れなかった〇 焼結体の密度と熱伝導率を測定したところ第１表に示す
値が得られた。なお、熱伝導率はｌＯ鰺φＸ　２　ｗｓ
　ｔ　Ｋ加工した試料をレーデ−フラッシュ熱定数測定
装＆により測定した。

また表中の相対密度とは焼結体の密度を、焼結体の各原
料粉体の密度と配合比藁から計算した見かけ上の理論密
度で割った数値である。

実施例２ 市販の水酸化カルシウムとホウ酸なモル比で１：３に混
合し、９００℃に１時間加熱してカルシウムメロンオキ
サイドＣｃａｏ＊Ｌｓｌｌ、ｏ、　）を合成し、次いで
これを用いて実施例１と同様に操作し、第１表の実装置
１１〜２０に示す条件で焼結した。得られた焼結体・の
相対密度と熱伝導車を第１表に示す。

実施例３ 市販の酸化イツトリウム粉末とホウ酸を、第２表に示す
割合で市販の雪化アル建ニウム粉末に添加し、混合粉砕
した後、実施例１と同様に操作し、第２表実験、４２１
〜２８に示す条件で焼結した。得られた焼結体の相対密
度と熱伝導車を第２表に示す。

実施例４ 各種複合酸化物と雪化アルミニウム粉末を第２＠の割合
で配合し、混合粉砕した。この混合粉体１００重量部に
対して、トリクレン／ブタノール／テトラクロロエチレ
ンが３／１／１重量比の混合溶剤を７５重量部、ポリビ
ニル１チラールを８重量部、ブチル７タロイルプチルグ
リコール４重量部を加えてメールミルで２０時間？ｊＬ
合し、得られたスラリーをドクターブレード方式により
厚さ１＋ｍのシート状に成形した。

このシートを５０ｗＸ５０ｍの寸法に切り取り、３枚′
積層して熱圧着した後、５００℃で１時間空気中で加熱
し、有機物を除去した。これをアルゴン雰囲気中で第３
表に記載の条件（実装置２９〜３８）で焼結したところ
、得られた焼結体はじみやクラックの発生は認められな
かった。

また、その相対密度及び熱伝導率を第３表に示す。

比較例 焼結助剤をＹＢＯいＣａ　Ｂ！　０４とした場合の比較
例（実装置３９〜４４）を第３表に示す。他の条件は実
施例１と同様に行った。

（発明の効果） １）本発明の窒化アルミニウム焼結体は熱伝導性、電気
絶縁性、緻密で平滑性等にすぐれ高強度のものである。

２）密化アルミニウム粉末に新規な焼結助剤を少量添加
した混合物を成形し、非酸化性雰囲気下高温で焼成する
ことにより、熱伝導性にすぐれ、しみ、そり、色むら、
ひびわれ等がなく表面が平滑なものが安価に歩留りよく
得られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）窒化アルミニウムと金属複合酸化物又は窒化アルミ
   ニウムと前記金属複合酸化物を構成する物質の混合物の
   焼結体からなり、しかも窒化アルミニウム９９．８〜８
   ５重量％と金属複合酸化物０．２〜１５重量％であり、
   かつ金属複合酸化物を構成する物質がボロン酸化物と周
   期律表第IIａ族元素及び／又は周期律表第IIIａ族元素
   の酸化物である高熱伝導性セラミックス。 ２）窒化アルミニウム粉末に対して、ボロン化合物と周
   期律表第IIａ族元素及び／又は周期律表IIIａ族元素の
   化合物との混合物又は前記化合物の元素を含有する多成
   分金属複合酸化物粉末を０．２〜１０重量％添加混合し
   た後成形し、次いでその成形体を非酸化性雰囲気下、温
   度１６００〜１９５０℃で焼結することを特徴とする窒
   化アルミニウム系高熱伝導セラミックスの製造方法。