JPS6317262A

JPS6317262A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPS6317262A
Application number: JP61160820A
Authority: JP
Inventors: 加曽利　光男; 和夫篠崎; 堀口　昭宏; 文雄上野; 柘植　章彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1986-07-10
Publication date: 1988-01-25
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: JPH0788256B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は窒化アルミニウム焼結体に関するものであり、
特に、高密度でしかも高熱伝導性の窒化アルミニウム焼
結体を提供することを目的とするものである。

（従来の技術）電気絶縁性が高く、高熱伝導性であるなど、多くの優れ
た特性を有しており新素材として注目されている。

近年、半導体基板への応用研究が活発に行われ、量産可
能なＡｌ２Ｎ焼結体の熱伝導率は数年前まで４０〜６０
Ｗ／ｍ、にであったものが、〜２００　Ｗ／ｍ、ｋまで
改良されるに到った。

窒化アルミニウム焼結体の高熱伝導率化の達成について
は高純度Ａｌ２Ｎ原料、特に酸素含有量の少ないＡｎＮ
粉の量産が可能になったことが第１の要因である。

酸素含有量の少ないＡｌ１Ｎ粉を主成分とし、焼結助剤
の最適化により、高熱伝導性のＩＮ焼結体が得られるよ
うになったが、一方、酸素含有量が少なくなると共に焼
結性が悪くなる傾向があり、緻密な焼結体を得るために
は従来に比べてより高温での焼結が必要となってきた。

すなわち、従来酸素量が多いＡ４２Ｎ粉はその粉末から
得た焼結体の熱伝導率は低いが焼結性においては優れて
いたと言える。半導体装基板への応用を考える時、現在
広く使用されているアルミナ基板との代替が考えられる
が、このような応用を考える時、徹底的な低コスト化が
必要であり、焼結温度の上昇は製造コストの増加となり
、好ましくないものであった。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は高純度で低酸素含有量のＡＪＰＮを用いて、そ
の高熱伝導性を損うことなく焼結性を改良し、低温での
焼結を可能とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）本発明者等は、
各種添加物を加えたＡρＮ焼結体の焼結性および熱伝導
率について、種々研究を行った結果、アルカリ土類化合
物および又は希土類化合物および遷移金属元素又はそれ
らの化合物、およびアルミニウム酸化物から成る添加物
を加えることにより、高純度ＩＮ原料本来の高熱伝導性
を扱うことなく焼結性が改良されることを見い出した。

すなわち本発明はＡｌ１Ｎを主成分とし、これにアルカ
リ土類金属化合物および又は希土類化合物および遷移金
属化合物およびアルミニウム酸化物から成る添加物を各
々の酸化物に換算して０．０５〜２０重量％添加して焼
結したことを特徴とする。

本発明においてアルカリ土金属元素としてはＣａ、３ａ
、３ｒが、希土類元素としてはＹ。

ｌａ、Ｃｅがそして遷移金属元素としてはＺｒ。

Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎ　ｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏそしてＶ
が特に有効であり、これらの元素から成る化すなわち、
酸化物、フッ化物、窒化物又は炭化物等を添加するもの
である。更には、アルカリ土類化合物および又は希土類
化合物の合計量が各々の酸化物換算で０．０２〜１５重
量％、遷移金属化合物が同じく酸化物換算で０．０２〜
３重量％アルミニウム酸化物が０．０２〜３重量％添加
して焼結することが望ましい。

一般にアルカリ土類金属化合物、希土類化合物が焼結助
剤として、緻密化に有効であるのは、焼結温度において
主にＡρＮ原料中の不純物酸素と反応して液相を生じ、
、Ａｌ２　Ｎの液相焼結を進行させると考えられている
。このような焼結殿構において、低酸素含有なＡｕＮ原
料では、焼結性が低下するのは、上述のような焼結助剤
と反応して焼結時に生じる液相量が少なくなるため、焼
結が進行し難なるためであろうと推測される。すなわち
、低酸素含有なＡｌ２Ｎ原料においては、アルミニウム
酸化物およびアルカリ土類金属および又は希土類化合物
を添加することによって焼結に充分な液相量が生じ、更
に添加したアルミニウム酸化物はＡｌ２Ｎと反応してＡ
ｆｌの酸窒化物、スピネル又はα−Ａ４２２０３などを
生成することなく、アルカリ土類金属アルミネート化合
物又は希土類アルミネート化合物となって生成するため
、熱伝導率を低下させることはないものであろうと推定
される。

更に、本発明から成るＡＪ２Ｎ焼結体では、遷移金属元
素又はそれらの化合物、中でも周期律表第ｉＶの族、す
なわち、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｈｆを加えると、高熱伝導性に加
えて、極めて高強度のものとなる。

従来よりアルカリ土類金属そして希土類の化合物がｉＮ
の焼結助剤としておよび高熱伝導率化に有効であること
が知られていた。これらの添加物はＭＮ中に不可避的に
含まれている不純物酸素と反応し、例えば添加物がアル
カリ土類金属化合物のＣａＯである時は焼結俊にＣａ０
・２ＭｚＯｓ。

ＣａＯ＠Ａｕ　ｚ０３などの副相となって、不純物酸素
を取り込んだ生成物となり、焼結体を高熱伝導率化する
ものと考えられている。又、このような添加物を全く含
まずにＡＪ２Ｎ単味で焼結すると、不純物酸素はＡＪ２
Ｎと反応してＡ１の酸窒化物（Ａｌ１　（８／３＋ｘ／
３）０４−ＸＮ　ｘ　）又はスピネル（Ａｌ１９０３　
Ｎ７　）’！’α−Ａｊ２ｚＯａ等を生成し、たとえホ
ットプレス焼結により緻密化したとしても熱伝導率を大
幅に低下させることが知られている。

一般に高熱伝導率なｉＮ焼結体を得るためにはアルミニ
ウム酸化物は有害な不純物として極力混入しないように
するのが常道的な考え方である。

しかしながら、本発明者等の研究結果では、アルカリ土
類金属化合物および又は希土類化合物および遷移金属化
合物と共にアルミニウム酸化物と添加すると、何ら熱伝
導率を損うことなく、かえって焼結性を向上させること
が判明したものである。

更に、本発明の焼結体は、第２の添加物である遷移元素
を含有することによって着色され、しかも、その色調は
添加物元素の種類とその添加量及び組合わせによって様
々に変えることが可能である。即ち、一般に、ＡＪ２Ｎ
原料ではＡｎ／Ｎモル比が必ずしも１ではなく、Ａｊ２
リッチである場合が多く、このような原料では焼結体の
色は灰色又は黒色となる。又、原料が、ＡＪ２リッチで
おるほど黒色化が進む一方で、熱伝導率が低下してしま
うことが通例である。したがって、ＡＪ２Ｎ原料におい
て、ＡＪ２Ｎモル比がなるべく１に近く、かつ含有され
る不純物量が少ないほど熱伝導率が向上し、かつ白色な
いしは半透明の焼結体が得られるのである。つまり、従
来は、高熱伝導率のものを得ようとすると、必然的に焼
結体の色は白色ないし半透明となってしまい、一方、着
色したものを得ようとすると、熱伝導率が低下してしま
う。これに対して、本発明ではアルカリ土類元素及び／
又は希土類元素と遷移金属元素とを同時に添加するこ−
とにより、Ｍｌ／Ｎモル比が１に近く、しかも不純物量
の少ないＡＪ２Ｎ原料を用い高い熱伝導率を確保しつつ
、添加元素の種類又は組合せを適宜選択して、種々に着
色した焼結体を得ることが可能である。例えば、Ｃｒ　
２０３等を添加すると、濃灰色に着色され、又、Ｔ！Ｏ
ｚを添加すると茶色に着色される。一方、Ｅ　ｕ　２０
３　、　Ｓｍ２０３等を添加すると淡赤色となり、Ｔ！
ＯｚとＣｒ２Ｏ３を同時に添加すると濃灰色から黒色の
ものが得られる。したがって、本発明によれば、所望の
色調を呈するＡｕＮ焼結体を製造することが可能である
。このように着色されたＡｆｌＮ焼結体は、熱の放射率
が高くなるので放熱性が更に良好となり、半導体回路の
誤動差の要因となる光を遮ぎり、又、着色により製造時
の焼結ムラ等を回避することができ製品の美観を高める
ことができる等の利点を有するものである。

本発明において、アルカリ土類金属化合物および又は希
土類化合物およびアルミニウム酸化物の合計量を０．０
５〜２０重量％としたのは０．０５重量％未満では、目
的とする効果が得られないためであり、２０重量％を超
えると、耐熱性、機械的強度が損われるばかりか、熱伝
導率も低下してしまう場合があるためである。又、アル
カリ土類金属化合物および希土類化合物は、酸化物、フ
ッ化物、窒化物、炭化物が望ましいが、焼成途中にこれ
らの化合物となるものでも何ら支障はない。更に、アル
ミニウム酸化物は、α−Ａｎ　２０３　、γ−ＡＪ２２
０３などのＡｕ２０ａ又は焼成途中にこれらの酸化物と
なるものを用いることができる。

次に、本発明のＡＪ２Ｎ焼結体を得るための一製造方法
を説明する。

まず、ｉＮ粉末に所定量の添加物を加え、ボールミル等
を用いて混合した後、常圧焼結の場合はバインダーを加
え、混線、造粒、整粒を行い、金型、静水圧プレス或い
はシート成形により成形を行う。つづいて、成形体をＮ
２ガス気流中で７００℃前後で加熱してバインダーを除
去する。次いで、成形体を黒鉛又は窒化アルミニウムの
容器にセットし、Ｎ２ガス雰囲気中にて１６００〜１８
５０℃で常圧焼結を行う。

一方、ホットプレス焼結の場合は前記ボールミル等で混
合した原料を１６００〜１８００　’Ｃでホットプレス
する。

〔発明の実施例〕

実施例１不純物としての酸素を１．４重量％含有し、平均粒径が
２．２−のｉＮ粉末に、平均粒径２．５Ｍ１のＹ２Ｏ３
を３重量％及び平均粒径３ＪＪＪｎのＺｒＯ２を０．５
重量％平均粒径１．０ＪｉＩｎのＣｌ−Ａ１２０３０．
２重量％添加し、ボールミルを用いて粉砕、混合を行い
原料を調製した。次いで、この原料にバインダーとして
パラフィンを７重量％添加して造粒したのち、３００に
’Ｊ／ｃｒＡの圧力でプレス成形して５０Ｘ５０×８＃
の圧粉体とした。この圧粉体を窒素ガス雰囲気中で７０
０　’Ｃまで加熱してパラフィンを除去した。更に、カ
ーボン製容器に収容し、窒素ガス雰囲気中、１８００　
’Ｃにおいて２時間常圧焼結した。得られたＡｆＩＮ、
焼結体の密度を測定した。又、焼結体から直径１０ｍ、
厚さ２．５ｍの円板を研削し、これを試験片としてレー
ザフラッシュ法により熱伝導率を測定した。

又、得られた焼結体から幅４ｍ厚さ３＃長さ４０Ｍの角
棒を６本研削加工し、これを抗折強度測定用試験片とし
て、支点間距離２０ｍ、クロスヘッド速度０．５Ｎｎ／
ｍｉｎの条件で３点曲げ強度を測定した。これらの結果
を第１表に示した。

実施例２〜２４．比較例１〜５ＡＪ２Ｎ粉末の種類並びに添加物の種類を種々に変えて
、上記実施例と同様にしてＡＩＮ焼結体を製造し、それ
ぞれについて、同じく密度熱伝導率および３点曲げ強度
を測定した。結果を、各ＡｇＮ粉末の粒径、酸素含有量
、焼結添加物の種類、添加量とともに第１表に示した。

実施例２５平均粒径２．８−で不純物酸素量が１．８重量％のｉＮ
粉末に平均粒径２．５−のＹ２Ｏ３５重量％および、平
均粒径１．０ＪＪＩ！１のγ−ＡＪ２２０３０．２重５
、量％および平均粒径２．１Ｊ１１ｎのＴ　！　０２　
０．５重量％を添加し、ボールミルで粉砕・混合して原
料を調整した。

次いで、この原料にバインダーとしてパラフィンを７重
量％添加して造粒したのち、５００に！Ｊ／ｄの圧力下
でプレス成形して３０ｘ　３０ｘ　３　Ｂの圧粉体とし
た。この圧粉体を窒素気流中で最高温度７００°Ｃまで
加熱してパラフィンを除去した。

次にカーボン容器中にセットして、窒素ガス雰囲気下で
１６５０．１７００．１７５０．１８００．１８５０．
１９００’Ｃの各温度で２時間加熱して常圧焼結した。

１ｑられた各焼結体の密度を測定した。又、各焼結体が
ら直径１０＃１厚ざ２．５．の円板を切り出し、これを
試験片とＬ／てレーザーフラッシュ法により、熱伝導率
を測定した。この結果を第２表および第１図ののＡとし
て示した。

比較例６実施例２５で用いた１２Ｎ粉末に、同じ〈実施例２５で
用いたＹ２Ｏ３５重量％を添加し、実施例２５と同様な
方法で常圧焼結体６ケを製造した。各焼結体の密集を測
定し１．又実施例２５と同様に熱伝導率を測定した。こ
れらの結果を実施例２５の結果と同じく第２表そして第
１図の８としての合わせて示した。

実施例２６実施例２２で用いた。ＩＮ粉末に、実施例２５で用いた
Ｙ２Ｏ３粉末３重口％および同じ〈実施例２５で用いた
Ｔ　！　０２　０．５重量％および同じ〈実施例２５で
用いたγ−Ａｆｆｌ　２０３　０．２重量％を添加し、
ボールミルを用いて粉砕・混合を行い原料を調整した。

この原料粉を５００Ｋｇ／ｃｔｉの圧力でプレス成形し
て、直径１２１Ｍ１、厚さ１０ｍの圧粉体とした。しか
るのち、この圧力粉体をカーボン型中に入れ、窒素ガス
雰囲気中、温度１７００℃で４００ＫＩ／ｃｒＡの圧力
下でホットプレス焼結を行った。実施例２５と同様にし
て、得られた焼結体の密度、熱伝導率を測定し、結果を
第３表に示した。

実施例２７〜３３．比較例７〜１１ＡＪ２Ｎの粉末ならびに添加物の種類を変えて、上記実
施例２６と同様にしてＡＪ２Ｎ焼結体をホットプレス焼
結により製造した。得られた各焼結体の密度、熱伝導率
を測定し、結果を第３表に示した。

実施例３４実施例１で用いたＡＪ２Ｎ粉末にＹ　（ＮＯ３）　ｓ・
６Ｈ２０をＹ２Ｏ３換算で５重量％、およびＣａ　（Ｎ
Ｏ３）２　・４Ｈ２０をＣａＯ換算で２重量％および平
均粒径１，５−のＴｉ粉末を０．５重量％、および平均
粒径１．０−のγ−ＡｎｚＯ３を０．３重量％を加えて
ボールミルを用いて粉砕混合を行い原料粉を調整した。

このとき、Ｙ（８０３）３・６Ｈ２０およびＣａ　（Ｎ
Ｏ３）２　・４Ｈ２０はあ〜　　　　；　　　　　　　
　’　　　”　　　　’　　　　　　ｒｔ＋、　　　　
　、土日落漿−ｎ−ブタノールに溶解し、他の粉末と混
合せしめた。次いで実施例２５と同様にして、圧粉体を
成形し、パラフィンを除去し、カーボン容器中、窒素ガ
ス雰囲気下で１８００　’Ｃ１１時間加熱して常圧焼結
体を得た。得られた焼結体の密度と熱伝導率を測定し、
結果を表−３に示した。

以下余白〔発明の効果〕以上述べた如く、本発明によれば、低酸素含有なＡＪ２
Ｎ半分を用いた場合の焼結性の低下を、本来の高熱伝導
性を何ら損うことなく、抑制しうるちのである。

更に本発明によれば、高強度でしかも高熱伝導性の／’
ＪＮ焼結体および高強度で高熱伝導性でしかも遮光性の
ＡＩＮ焼結体の製造も可能となる。

このような焼結体は、例えば半導体用放熱基板などの応
用に適し、その工業的価値は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は各焼結温度に対する焼結体の密度と熱伝導率の
変化を示す図。代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　　　竹　花　喜久男＋６５０　　１７００　　１７５０　１８００　　１８
５０　１９００焼結澁崖　（０Ｃ）第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）窒化アルミニウムを主成分としこれにｉ）アルカ
リ土類元素および又は希土類元素；ｉｉ）遷移金属元素
又はそれらの化合物；ｉｉｉ）アルミニウム酸化物から成る添加物を、各々の酸化物に換算して０．０５〜
２０重量％添加して焼結したことを特徴とする窒化アル
ミニウム焼結体。
（２）窒化アルミニウム原料中の酸素含有量が２重量％
以下である特許請求範囲第１項記載の窒化アルミニウム
焼結体。
（３）アルカリ土類元素がＣａ、Ｂａ、Ｓｒのうち少な
くとも１種である特許請求範囲第２項記載の窒化アルミ
ニウム焼結体。
（４）希土類元素がＹ、Ｌａ、Ｃｅのうち少なくとも１
種類である特許請求範囲第２項記載の窒化アルミニウム
焼結体。
（５）遷移金属元素が、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ
、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＶのうち少なくとも１種であ
る特許請求範囲第２項記載の窒化アルミニウム焼結体。
（６）アルカリ土元素がＣａ、Ｂａ、Ｓｒのうち少なく
とも１種、希土類元素がＹ、Ｌａ、Ｃｅのうち少なくと
も１種、遷移金属元素がＺｒ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ
、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＶのうち少なくとも１種であ
る特許請求範囲第２項記載の窒化アルミニウム焼結体。
（７）ＡｌＮ以外の添加物組成物が、アルカリ土類化合
物および又は希土類化合物の酸化物換算での合計量が０
．０２〜１５重量％、遷移金属元素又はそれらの化合物
は酸化物換算で０．０２〜３重量％、アルミニウム酸化
物が０．０２〜３重量％からなる特許請求範囲第６項記
載の窒化アルミニウム焼結体。
（８）焼結に用いる粉末の平均粒径が５μｍ以下である
特許請求範囲第７項記載の窒化アルミニウム焼結体。