JP2578114B2 - 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents
高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法Info
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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およびその製造方
法に関し、さらに詳しくは、緻密で高熱伝導性を有する
窒化アルミニウム単相からなる窒化アルミニウム焼結体
およびその製造方法に関する。
法に関し、さらに詳しくは、緻密で高熱伝導性を有する
窒化アルミニウム単相からなる窒化アルミニウム焼結体
およびその製造方法に関する。
（従来技術） 窒化アルミニウム（AlN）は高温まで強度低下が少な
く、化学的耐性にも優れているため、耐熱材料として用
いられる一方、その高温伝導性、高電気絶縁性を利用し
て半導体装置の放熱板材料、回路基板用絶縁体材料とし
ても有望視されている。こうした窒化アルミニウムは常
圧下では融点を持たず、2500℃以上の高温で分解するた
め、薄膜などの用途を除いては焼結体として用いられ
る。
く、化学的耐性にも優れているため、耐熱材料として用
いられる一方、その高温伝導性、高電気絶縁性を利用し
て半導体装置の放熱板材料、回路基板用絶縁体材料とし
ても有望視されている。こうした窒化アルミニウムは常
圧下では融点を持たず、2500℃以上の高温で分解するた
め、薄膜などの用途を除いては焼結体として用いられ
る。
かかる窒化アルミニウム焼結体は通常、窒化アルミニ
ウム、粉末を成形、焼結して得られる。超微粉（0.3μ
ｍ以下程度）のAlN粉末を用いた場合には単独でも緻密
な焼結体が得られるが、原料粉末表面の酸化層中の酸素
が焼結時にAlN格子中に固溶したり、Al−Ｏ−Ｎ化合物
を生成し、その結果無添加焼結体の熱伝導率はたかだか
100w/mk程度である。また粒径0.5μｍ以上のAlN粉末を
用いた場合は焼結性が良好でないために、ホットプレス
法による以外には無添加では緻密な焼結体を得ることは
困難である。そこで常圧で焼結体を得ようとする場合、
焼結体の高密度化およびAlN原料粉末の不純物酸素のAlN
粒内への固溶を防止するために、焼結助剤とて希土類酸
化物、アルカリ土類金属酸化物等を添加することが一般
に行なわれている（特開昭60−127267号、特開昭61−10
071号、特開昭60−71575号等）。これらの焼結助剤はAl
N原料粉末の不純物酸素と反応し液相を生成し焼結体の
緻密化を達成すると共に、この不純物酸素を粒界相とし
て固定（酸素トラップ）し、高熱伝導率化を達成すると
考えられている。
ウム、粉末を成形、焼結して得られる。超微粉（0.3μ
ｍ以下程度）のAlN粉末を用いた場合には単独でも緻密
な焼結体が得られるが、原料粉末表面の酸化層中の酸素
が焼結時にAlN格子中に固溶したり、Al−Ｏ−Ｎ化合物
を生成し、その結果無添加焼結体の熱伝導率はたかだか
100w/mk程度である。また粒径0.5μｍ以上のAlN粉末を
用いた場合は焼結性が良好でないために、ホットプレス
法による以外には無添加では緻密な焼結体を得ることは
困難である。そこで常圧で焼結体を得ようとする場合、
焼結体の高密度化およびAlN原料粉末の不純物酸素のAlN
粒内への固溶を防止するために、焼結助剤とて希土類酸
化物、アルカリ土類金属酸化物等を添加することが一般
に行なわれている（特開昭60−127267号、特開昭61−10
071号、特開昭60−71575号等）。これらの焼結助剤はAl
N原料粉末の不純物酸素と反応し液相を生成し焼結体の
緻密化を達成すると共に、この不純物酸素を粒界相とし
て固定（酸素トラップ）し、高熱伝導率化を達成すると
考えられている。
このように焼結助剤を添加することにより確かに焼結
体は緻密化、高熱伝導率化するが、他方で、結果的に残
存する粒界相（主相であるAlN相に対し副相）の存在、
完全にトラップしきれなかった酸素等の存在により、窒
化アルミニウム焼結体のそれは高々190w/mK程度と、AlN
の理論熱伝導率320w/mKに対しかなり低いものであっ
た。
体は緻密化、高熱伝導率化するが、他方で、結果的に残
存する粒界相（主相であるAlN相に対し副相）の存在、
完全にトラップしきれなかった酸素等の存在により、窒
化アルミニウム焼結体のそれは高々190w/mK程度と、AlN
の理論熱伝導率320w/mKに対しかなり低いものであっ
た。
そのため、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率の向上
を目的として種々の試みがなされているが、未だ十分満
足すべきものは得られていない。
を目的として種々の試みがなされているが、未だ十分満
足すべきものは得られていない。
（発明が解決しようとする問題点） 現在半導体搭載用の回路基板、放熱基板等ではより高
い熱伝導率を有する材料が望まれている。しかしながら
酸素その他の不純物特に、助剤添加の結果として粒界に
生成する粒界相の存在により、窒化アルミニウム焼結体
の高熱伝導度化には限界があった。
い熱伝導率を有する材料が望まれている。しかしながら
酸素その他の不純物特に、助剤添加の結果として粒界に
生成する粒界相の存在により、窒化アルミニウム焼結体
の高熱伝導度化には限界があった。
本発明は、以上の点を考慮してなされたもので、熱伝
導性に優れた窒化アルミニウム焼結体を提供することを
目的とする。
導性に優れた窒化アルミニウム焼結体を提供することを
目的とする。
（問題点を解決するための手段及び作用） 本発明者等は上記目的を達成すべく窒化アルミニウム
粉末に添加する焼結助剤や焼結条件、焼結体組成、焼結
体微細構造等と熱伝導率の関係について実験・検討を進
めた結果、以下に示す新規事項を発見し、本発明を完成
するに至った。
粉末に添加する焼結助剤や焼結条件、焼結体組成、焼結
体微細構造等と熱伝導率の関係について実験・検討を進
めた結果、以下に示す新規事項を発見し、本発明を完成
するに至った。
すなわち、添加物としてアルカリ土類金属化合物およ
び希土類化合物をAlN粉末に添加し、窒素を含む還元雰
囲気中で長時間焼成したところ、粒界相（例えばＹ−Al
−Ｏ化合物、Ca−Al−Ｏ化合物など）の存在量が従来の
窒化アルミニウム焼結体に比べて減少するということが
わかった。そして十分長時間焼結すると実質的に副相が
なくAlN単相からなり、多結晶体として非常に高い熱伝
導率を有する窒化アルミニウム焼結体が得られるという
事実をみいだした。
び希土類化合物をAlN粉末に添加し、窒素を含む還元雰
囲気中で長時間焼成したところ、粒界相（例えばＹ−Al
−Ｏ化合物、Ca−Al−Ｏ化合物など）の存在量が従来の
窒化アルミニウム焼結体に比べて減少するということが
わかった。そして十分長時間焼結すると実質的に副相が
なくAlN単相からなり、多結晶体として非常に高い熱伝
導率を有する窒化アルミニウム焼結体が得られるという
事実をみいだした。
この事実に基づいて高熱伝導率化を達成する最適条件
を種々検討した結果が本発明であり、 ａ）窒化アルミニウムを主成分とし、これにアルカリ土
類金属化合物および希土類化合物からなる添加物を、各
々の元素重量換算で0.05〜25％添加した成形体もしくは
この成形体を、1550〜2050℃、４時間未満で焼成し、Al
N以外の構成相を含む焼結体を、（ｂ）カーボンガスを
生成する焼成容器及び／又は焼成時にカーボンガスを生
成する物質を焼成容器内に含むことで還元雰囲気を具体
化する窒素ガスを含む還元雰囲気中で、（ｃ）焼成容器
の内容積と、前記成形体または焼結体との体積比が１×
100〜１×107であって、1550〜2050℃で12時間以上焼成
し、AlN以外の構成相を実質的に含まず、密度が3.120〜
3.285g/cm3、25℃における熱伝導率が230W/m・ｋを超え
るものであることを特徴とした高熱伝導性窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法である。この様な方法で得られた
窒化アルミニウム焼結体は、Ｘ線回折及び電子顕微鏡を
用いて構成相を観察してもAlN結晶粒のみ認められ、他
の相は観察されない。また成分分析を行なったところAl
Nが主成分で、希土類元素そしてアルカリ土類元素の合
計量10〜3000ppm、不純物酸素2000ppmを含有し、その他
の不純物陽イオン元素は1000ppm以下という新規な窒化
アルミニウム焼結体であった。
を種々検討した結果が本発明であり、 ａ）窒化アルミニウムを主成分とし、これにアルカリ土
類金属化合物および希土類化合物からなる添加物を、各
々の元素重量換算で0.05〜25％添加した成形体もしくは
この成形体を、1550〜2050℃、４時間未満で焼成し、Al
N以外の構成相を含む焼結体を、（ｂ）カーボンガスを
生成する焼成容器及び／又は焼成時にカーボンガスを生
成する物質を焼成容器内に含むことで還元雰囲気を具体
化する窒素ガスを含む還元雰囲気中で、（ｃ）焼成容器
の内容積と、前記成形体または焼結体との体積比が１×
100〜１×107であって、1550〜2050℃で12時間以上焼成
し、AlN以外の構成相を実質的に含まず、密度が3.120〜
3.285g/cm3、25℃における熱伝導率が230W/m・ｋを超え
るものであることを特徴とした高熱伝導性窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法である。この様な方法で得られた
窒化アルミニウム焼結体は、Ｘ線回折及び電子顕微鏡を
用いて構成相を観察してもAlN結晶粒のみ認められ、他
の相は観察されない。また成分分析を行なったところAl
Nが主成分で、希土類元素そしてアルカリ土類元素の合
計量10〜3000ppm、不純物酸素2000ppmを含有し、その他
の不純物陽イオン元素は1000ppm以下という新規な窒化
アルミニウム焼結体であった。
本発明の高熱伝導性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、添加物の種類とその添
加量、焼成雰囲気、そして焼成温度とその時間を骨子と
するものである。
法は、窒化アルミニウム原料粉、添加物の種類とその添
加量、焼成雰囲気、そして焼成温度とその時間を骨子と
するものである。
主成分である窒化アルミニウム原料粉末としては、焼
結性、熱伝導性を考慮して酸素を７重量％以下、実用上
は0.01〜７重量％含有し、平均粒径が0.05〜５μｍのも
のを使用する。
結性、熱伝導性を考慮して酸素を７重量％以下、実用上
は0.01〜７重量％含有し、平均粒径が0.05〜５μｍのも
のを使用する。
添加物としてはアルカリ土類金属化合物および希土類
化合物を用いる。これら元素の化合物としては、酸化
物、窒化物、フッ化物、酸フッ化物、酸窒化物、もしく
は焼成によりこれらの化合物となる物質が最適である。
焼成によって例えば酸化物となる物質としては、これら
元素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物などをあ
げることができる。
化合物を用いる。これら元素の化合物としては、酸化
物、窒化物、フッ化物、酸フッ化物、酸窒化物、もしく
は焼成によりこれらの化合物となる物質が最適である。
焼成によって例えば酸化物となる物質としては、これら
元素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物などをあ
げることができる。
これら添加物の添加量は、アルカリ土類金属および希
土類元重の重量換算で0.05〜25％の範囲で添加する。添
加量が0.05重量％未満であると添加物の効果が十分に発
揮されず、焼結体が緻密化されなかったり、AlN結晶中
に酸素が固溶し高熱伝導性焼結体が得られない。また、
添加量が過度に多いと、粒界相が焼結体中に残存し、こ
の結果、熱伝導率上昇の効果が充分に望めない場合が生
ずる。
土類元重の重量換算で0.05〜25％の範囲で添加する。添
加量が0.05重量％未満であると添加物の効果が十分に発
揮されず、焼結体が緻密化されなかったり、AlN結晶中
に酸素が固溶し高熱伝導性焼結体が得られない。また、
添加量が過度に多いと、粒界相が焼結体中に残存し、こ
の結果、熱伝導率上昇の効果が充分に望めない場合が生
ずる。
本発明方法においては前述の様にAlN粉末と添加物の
混合された成形体を後述の条件で焼成しても良いし、
又、従来の方法（例えば特開昭61−117160等）で製造さ
れたAlN以外の構成相として（アルカリ土類金属元素）
−Al−Ｏ化合物、および（希土類元素）−Al−Ｏ化合物
などを含む焼結体を上述した成形体の代りに用いてもよ
い。焼成雰囲気に関しては、窒素ガスを含む還元性雰囲
気中で行なう。還元性雰囲気は、CO,H2ガスおよびカー
ボン（気相および又は固相）などを少なくとも１種以上
存在させることによって作ることができる。
混合された成形体を後述の条件で焼成しても良いし、
又、従来の方法（例えば特開昭61−117160等）で製造さ
れたAlN以外の構成相として（アルカリ土類金属元素）
−Al−Ｏ化合物、および（希土類元素）−Al−Ｏ化合物
などを含む焼結体を上述した成形体の代りに用いてもよ
い。焼成雰囲気に関しては、窒素ガスを含む還元性雰囲
気中で行なう。還元性雰囲気は、CO,H2ガスおよびカー
ボン（気相および又は固相）などを少なくとも１種以上
存在させることによって作ることができる。
このうち、最も簡便なのは焼成容器としてカーボン製
容器を用いることである。焼成容器に関しては、単に焼
結体を得ることが目的であれば窒化アルミニウム、アル
ミナ、Mo製等でも十分である（特開昭61−146769号
等）。しかし、これらの容器を用いたものでは、焼結体
中に、（添加物元素）−Al−Ｏ化合物相などが存在した
ままの状態となり、高熱伝導率な焼結体は得られない。
本発明では、焼成中にカーボンガス雰囲気をつくり出す
容器を用いる。この様な焼成容器としては容器全体がカ
ーボン製の物、容器全体がカーボン製で試料を設置する
箇所にAlN板、BN板、Ｗ板等を敷いたもの、窒化アルミ
ニウム製の容器で上部蓋がカーボン製の物等を用いるこ
とができる。本発明でいうカーボンガス雰囲気とは、15
50〜2050℃の焼結温度範囲で蒸気圧が１×10-6〜５×10
-2Pa程度生成するガスをさす。このカーボンガスが、焼
成中のAlN焼結体を還元するという作用が得られ、さら
に具体的には（添加物元素）−Al−Ｏ三元系化合物等の
粒界相を焼結体中より除去する作用が働らき、窒化アル
ミニウム焼結体はAlN単相となり、高熱伝導性の焼結体
に変化していく。
容器を用いることである。焼成容器に関しては、単に焼
結体を得ることが目的であれば窒化アルミニウム、アル
ミナ、Mo製等でも十分である（特開昭61−146769号
等）。しかし、これらの容器を用いたものでは、焼結体
中に、（添加物元素）−Al−Ｏ化合物相などが存在した
ままの状態となり、高熱伝導率な焼結体は得られない。
本発明では、焼成中にカーボンガス雰囲気をつくり出す
容器を用いる。この様な焼成容器としては容器全体がカ
ーボン製の物、容器全体がカーボン製で試料を設置する
箇所にAlN板、BN板、Ｗ板等を敷いたもの、窒化アルミ
ニウム製の容器で上部蓋がカーボン製の物等を用いるこ
とができる。本発明でいうカーボンガス雰囲気とは、15
50〜2050℃の焼結温度範囲で蒸気圧が１×10-6〜５×10
-2Pa程度生成するガスをさす。このカーボンガスが、焼
成中のAlN焼結体を還元するという作用が得られ、さら
に具体的には（添加物元素）−Al−Ｏ三元系化合物等の
粒界相を焼結体中より除去する作用が働らき、窒化アル
ミニウム焼結体はAlN単相となり、高熱伝導性の焼結体
に変化していく。
この容器の内容積は、その内容積と窒化アルミニウム
成形体との体積の比（内容積／成形体の体積）が１×10
0〜１×107が良い。これ以上大きな容積を用いた場合、
試料近傍におけるカーボン蒸気圧が低く、カーボンによ
る粒界相除去効果が小さくなる。
成形体との体積の比（内容積／成形体の体積）が１×10
0〜１×107が良い。これ以上大きな容積を用いた場合、
試料近傍におけるカーボン蒸気圧が低く、カーボンによ
る粒界相除去効果が小さくなる。
焼結時間については、従来種々の助剤を用い１〜３時
間の短時間で行なわれているが、この程度の時間では、
上記焼成容器中で焼成したとしても、窒化アルミニウム
焼結体の緻密化、そして原料粉末表面の酸素を粒界相に
固定することは可能であるが、AlN粒間の陵および三重
点に粒界相が存在し、AlN単相の焼結体は得られない。
また前述の如くのカーボンガス雰囲気が得られない焼成
容器を用いた場合は、長時間の焼成によっても粒界相の
除去の効果は現われない。実質的AlN単相にするために
は、焼結助剤にもよるが12時間以上あれば最も望まし
い。
間の短時間で行なわれているが、この程度の時間では、
上記焼成容器中で焼成したとしても、窒化アルミニウム
焼結体の緻密化、そして原料粉末表面の酸素を粒界相に
固定することは可能であるが、AlN粒間の陵および三重
点に粒界相が存在し、AlN単相の焼結体は得られない。
また前述の如くのカーボンガス雰囲気が得られない焼成
容器を用いた場合は、長時間の焼成によっても粒界相の
除去の効果は現われない。実質的AlN単相にするために
は、焼結助剤にもよるが12時間以上あれば最も望まし
い。
焼成温度については、1550〜2050℃が好ましい。1550
℃より低温で焼成すると、原料粉末の粒径、酸素量にも
よるが緻密な焼結体が得られない。また焼成容器からの
カーボンガスの発生が少なくなり、粒界相を残したまま
となる。また2050℃より高温で焼成すると、AlN自体の
蒸気圧が高くなり、緻密化が困難になると共に、焼結体
中に添加元素の窒化物と推定される副相が残存し、結果
として熱伝導率が低下する場合がある。
℃より低温で焼成すると、原料粉末の粒径、酸素量にも
よるが緻密な焼結体が得られない。また焼成容器からの
カーボンガスの発生が少なくなり、粒界相を残したまま
となる。また2050℃より高温で焼成すると、AlN自体の
蒸気圧が高くなり、緻密化が困難になると共に、焼結体
中に添加元素の窒化物と推定される副相が残存し、結果
として熱伝導率が低下する場合がある。
次いで本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法の
一例を以下に述べる。
一例を以下に述べる。
まず、AlN粉末に添加物を所定量添加したのちボール
ミル等を用いて混合する。焼結には常圧焼結法を使用す
る。この場合、混合粉末にバインダーを加え、混練、造
粒、整粒を行なったのち成形する。成形法としては、金
型プレス、静水圧プレス或いはシート成形などが適用で
きる。続いて、成形体を非酸化性雰囲気中、例えば窒素
ガス気流中で加熱してバインダーを除去したのち常圧焼
結する。この時用いる焼成容器は、焼成中カーボンガス
雰囲気をつくり出す。例えばカーボン製容器で、容器内
容積と成形体体積の比が、１×100〜１×107のものを用
いる。焼結温度は1550〜2050℃に、焼結時間は４時間以
上に設定する。この様な方法により本発明焼結体を得る
ことができる。
ミル等を用いて混合する。焼結には常圧焼結法を使用す
る。この場合、混合粉末にバインダーを加え、混練、造
粒、整粒を行なったのち成形する。成形法としては、金
型プレス、静水圧プレス或いはシート成形などが適用で
きる。続いて、成形体を非酸化性雰囲気中、例えば窒素
ガス気流中で加熱してバインダーを除去したのち常圧焼
結する。この時用いる焼成容器は、焼成中カーボンガス
雰囲気をつくり出す。例えばカーボン製容器で、容器内
容積と成形体体積の比が、１×100〜１×107のものを用
いる。焼結温度は1550〜2050℃に、焼結時間は４時間以
上に設定する。この様な方法により本発明焼結体を得る
ことができる。
次に本発明の窒化アルミニウム焼結体の熱伝導の向上
効果および（添加物元素）−Al−Ｏ系化合物相等の粒界
の除去による窒化アルミニウム焼結体の純化作用につい
て説明する。緻密なメカニズムは現在のところで完全に
解明されているわけではないが、本発明者らの研究によ
れば高熱伝導率化の要因として次のように推定される。
効果および（添加物元素）−Al−Ｏ系化合物相等の粒界
の除去による窒化アルミニウム焼結体の純化作用につい
て説明する。緻密なメカニズムは現在のところで完全に
解明されているわけではないが、本発明者らの研究によ
れば高熱伝導率化の要因として次のように推定される。
まず、添加物によるAlN原料粉末の不純物酸素のトラ
ップ効果である。すなわちアルカリ土類金属および希土
類元素化合物を添加することにより、不純物酸素を（添
加物元素）−Al−Ｏ化合物等の形でAlN流界の稜および
三重点に固定するため、AlN格子中への酸素の固溶が防
止され、Alの酸窒化物（AlON）、そしてAlNのポリタイ
プ（27R型）の生成を防止する。発明者らの研究結果に
よれば、AlONそして27Rが生成した焼結体は、いずれも
熱伝導率が低いことがわかっている。この様な低熱伝導
率化の原因を抑制することが高熱伝導度化の一因として
挙げられる。
ップ効果である。すなわちアルカリ土類金属および希土
類元素化合物を添加することにより、不純物酸素を（添
加物元素）−Al−Ｏ化合物等の形でAlN流界の稜および
三重点に固定するため、AlN格子中への酸素の固溶が防
止され、Alの酸窒化物（AlON）、そしてAlNのポリタイ
プ（27R型）の生成を防止する。発明者らの研究結果に
よれば、AlONそして27Rが生成した焼結体は、いずれも
熱伝導率が低いことがわかっている。この様な低熱伝導
率化の原因を抑制することが高熱伝導度化の一因として
挙げられる。
例えば、添加元素としてＹを選んだ場合は原料粉末の
不純物酸素が、3Y2O3・5Al2O3,Y2O3・Al2O3,2Y2O3・Al2
O3、Y2O3などの化合物としてトラップされる。この状態
は、焼結初期、すなわち、焼結時間の０〜３時間で起こ
り、熱伝導率が最高190w/mK程度に達する。
不純物酸素が、3Y2O3・5Al2O3,Y2O3・Al2O3,2Y2O3・Al2
O3、Y2O3などの化合物としてトラップされる。この状態
は、焼結初期、すなわち、焼結時間の０〜３時間で起こ
り、熱伝導率が最高190w/mK程度に達する。
これ以降の焼結過程でカーボン雰囲気が粒界相を還元
し、さらに粒界相を除去し始める。次第に粒界相は窒化
アルミニウム焼結体中には存在しなくなり、焼結体の系
外へと移動する。そして最終的に焼結体は他の相を実質
的に含有しないAlN単相となり、熱伝導率は大巾に上昇
する。これは熱伝導率が小さく熱抵抗として働いていた
粒界相が除去されるためである。また長時間の焼成によ
り焼結体の粒子が成長する。AlN粒子が成長すると熱抵
抗となる粒界の数が結果的に少なくなることを意味し、
フォノンの散乱が小さな焼結体になる。
し、さらに粒界相を除去し始める。次第に粒界相は窒化
アルミニウム焼結体中には存在しなくなり、焼結体の系
外へと移動する。そして最終的に焼結体は他の相を実質
的に含有しないAlN単相となり、熱伝導率は大巾に上昇
する。これは熱伝導率が小さく熱抵抗として働いていた
粒界相が除去されるためである。また長時間の焼成によ
り焼結体の粒子が成長する。AlN粒子が成長すると熱抵
抗となる粒界の数が結果的に少なくなることを意味し、
フォノンの散乱が小さな焼結体になる。
又、上述のような副相の除去、そして粒成長以外に、
還元雰囲気下で長時間焼成することにより、AlN結晶粒
の純化、例えば格子欠陥の減少による熱伝導率上昇効果
も考えられる。
還元雰囲気下で長時間焼成することにより、AlN結晶粒
の純化、例えば格子欠陥の減少による熱伝導率上昇効果
も考えられる。
次に、本発明の実施例を説明する。
実施例１ 不純物として酸素を0.86重量％含有し、平均粒径が1.
72μｍ（遠心沈降径、堀場製作所製CAPA−500使用、分
散媒ｎ−ブチルアルコール）のAlN粉末に添加物として
平均粒径0.9μｍのY2O3を５重量％（Ｙ換算で39重量
％）そして平均粒径2.0μｍのCaCO3を１重量％（Ca換算
で0.40重量％）添加し、ボールミルを用いて混合を行な
い原料を調整した。ついで、この原料に有機系バインダ
ーを４重量％添加して造粒したのち500kg/cm2の圧力で
プレス成形して38×38×10mmの圧粉体とした。この圧粉
体を窒素ガス雰囲気中で700℃まで加熱してバインダー
を除去した。更に、BN粉末を塗布したAlN板を底板とし
てひいたカーボン製容器（焼成用容器Ａ）に脱脂体を収
容した。このとき容器Ａのの形状および大きさは、12cm
φ×6.4cmで内容積が720cm2程度である。すなわちこの
容器Ａの内容積とAlN成形体の体積の比が約５×101程度
となっている。この容器を用い窒素ガス雰囲気中（１気
圧）1900℃,96時間の条件で常圧焼結した。得られたAlN
焼結体の密度を測定した。また焼結体から、直径10mm,
厚さ3.3mmの円板を研削し、これを試験片としてレーザ
ーフラッシュ法により熱伝導率を測定した（真空理工製
TC−3000使用）。測定温度は25℃である。
72μｍ（遠心沈降径、堀場製作所製CAPA−500使用、分
散媒ｎ−ブチルアルコール）のAlN粉末に添加物として
平均粒径0.9μｍのY2O3を５重量％（Ｙ換算で39重量
％）そして平均粒径2.0μｍのCaCO3を１重量％（Ca換算
で0.40重量％）添加し、ボールミルを用いて混合を行な
い原料を調整した。ついで、この原料に有機系バインダ
ーを４重量％添加して造粒したのち500kg/cm2の圧力で
プレス成形して38×38×10mmの圧粉体とした。この圧粉
体を窒素ガス雰囲気中で700℃まで加熱してバインダー
を除去した。更に、BN粉末を塗布したAlN板を底板とし
てひいたカーボン製容器（焼成用容器Ａ）に脱脂体を収
容した。このとき容器Ａのの形状および大きさは、12cm
φ×6.4cmで内容積が720cm2程度である。すなわちこの
容器Ａの内容積とAlN成形体の体積の比が約５×101程度
となっている。この容器を用い窒素ガス雰囲気中（１気
圧）1900℃,96時間の条件で常圧焼結した。得られたAlN
焼結体の密度を測定した。また焼結体から、直径10mm,
厚さ3.3mmの円板を研削し、これを試験片としてレーザ
ーフラッシュ法により熱伝導率を測定した（真空理工製
TC−3000使用）。測定温度は25℃である。
上記焼結条件から得られた焼結体の特性を第１表に示
した。また、この焼結体のＸ線回折（理学電機製ロータ
フレックスRU−200、ゴニオメータCN2173D5,線源Cu50k
V,100mA使用）を行なった結果を第１図に、焼結体破面
のSEM写真を第２図に示した（日本電子製JSM−T20使
用）。
した。また、この焼結体のＸ線回折（理学電機製ロータ
フレックスRU−200、ゴニオメータCN2173D5,線源Cu50k
V,100mA使用）を行なった結果を第１図に、焼結体破面
のSEM写真を第２図に示した（日本電子製JSM−T20使
用）。
実施例２〜27 実施例−１で用いたAlN粉に各種の添加物を加えて、
又、焼成の温度時間を変化させて実施例−１と同様の方
法で各種の焼結体を得た。その評価結果を表−１に合わ
せて示した。
又、焼成の温度時間を変化させて実施例−１と同様の方
法で各種の焼結体を得た。その評価結果を表−１に合わ
せて示した。
実施例28〜37 焼成雰囲気の組成および圧力を変化させて実施例−１
と同様な方法で各種の焼結体を得た。その焼結体の評価
結果を表−１に合わせて示した。
と同様な方法で各種の焼結体を得た。その焼結体の評価
結果を表−１に合わせて示した。
実施例38〜43 各種のAlN粉を用いて、焼成条件、添加物の組成とそ
の量を変えて、実施例−１と同様な方法により各種焼結
体を得た。その焼結体の評価結果を表−１に合わせて示
した。
の量を変えて、実施例−１と同様な方法により各種焼結
体を得た。その焼結体の評価結果を表−１に合わせて示
した。
実施例44〜50 実施例−１と同様な方法で得た成形体を容器と成形体
の容積比が異なる他は、実施例−１と同様な方法により
各種の焼結体を得た。その焼結体の評価結果を表−２に
示した。
の容積比が異なる他は、実施例−１と同様な方法により
各種の焼結体を得た。その焼結体の評価結果を表−２に
示した。
実施例48 BN板を底板としてひいたカーボン製容器（焼成容器
Ｂ）を用いたことを除いて、実施例１と同様にして、Al
N焼結体を製造した。同様の評価を行ない。結果を表−
２に示した。
Ｂ）を用いたことを除いて、実施例１と同様にして、Al
N焼結体を製造した。同様の評価を行ない。結果を表−
２に示した。
実施例49 内側の全体がカーボン製の容器（焼成容器Ｃ）を用い
たことを除いて、実施例１と同様にしてAlN焼結体を製
造した。同様の評価を行ない結果を表−２に示した。
たことを除いて、実施例１と同様にしてAlN焼結体を製
造した。同様の評価を行ない結果を表−２に示した。
実施例50 実施例46で用いたカーボン製容器（43×44×15mm）内
に、平均粒径0.02μｍのカーボン粉末をつめ、その中に
実施例−１と同様な成形体を入れ1900℃,96時間で焼成
した。得られた焼結体を実施例１と同様に評価し、結果
を表−２に示した。
に、平均粒径0.02μｍのカーボン粉末をつめ、その中に
実施例−１と同様な成形体を入れ1900℃,96時間で焼成
した。得られた焼結体を実施例１と同様に評価し、結果
を表−２に示した。
比較例１〜３ AlN粉末そして添加物の種類および量が異なる他は実
施例１と同様な方法により得たAlN脱脂体を焼結用容器
A,BおよびＣに種々セットし、1900℃、2hr,N2雰囲気中
で常圧焼結し、焼結体を得た。これらの焼結体の特性を
表−３に示した。さらに、比較例１の焼結体を用い、Ｘ
線回折を行なった結果を第３図に、焼結体の破面のSEM
写真を第４図に示した。これらの結果および同様の評価
の結果より、副相としてイットリウムを含む化合物が観
察され、AlN単相でないことがわかり、その結果として
熱伝導率も170w/mk以下の低い値である。
施例１と同様な方法により得たAlN脱脂体を焼結用容器
A,BおよびＣに種々セットし、1900℃、2hr,N2雰囲気中
で常圧焼結し、焼結体を得た。これらの焼結体の特性を
表−３に示した。さらに、比較例１の焼結体を用い、Ｘ
線回折を行なった結果を第３図に、焼結体の破面のSEM
写真を第４図に示した。これらの結果および同様の評価
の結果より、副相としてイットリウムを含む化合物が観
察され、AlN単相でないことがわかり、その結果として
熱伝導率も170w/mk以下の低い値である。
このように焼結時間が４時間未満と短い場合、カーボ
ン製容器を用いることによる粒界相の除去が十分でない
ことがわかり、高熱伝導率を有するAlN焼結体を得るた
めには長時間（４時間以上）の焼結が必要であることが
わかる。
ン製容器を用いることによる粒界相の除去が十分でない
ことがわかり、高熱伝導率を有するAlN焼結体を得るた
めには長時間（４時間以上）の焼結が必要であることが
わかる。
比較例４〜６ 実施例１と同様な方法により得たAlN脱脂体を、比較
例４では内側の全体がAlN製の容器（焼結容器Ｄ）、比
較例５では内側の全体がアルミナ製の容器（焼結容器
Ｅ）、比較例６では内側の全体がタングステン製の容器
（焼結容器Ｆ）を用い、1900℃,96hr,N2気流中で常圧焼
結し、焼結体を得た。これらの焼結体の特性を表−３に
示す。さらに、比較例４の焼結体を用い、Ｘ線回折を行
なった結果を第５図に示した。これらの結果および、評
価の結果より、副相としてイットリウムを含む化合物が
観察され、AlN単相でないことがわかった。その結果熱
伝導率も168w/mK以下の比較的低い値である。
例４では内側の全体がAlN製の容器（焼結容器Ｄ）、比
較例５では内側の全体がアルミナ製の容器（焼結容器
Ｅ）、比較例６では内側の全体がタングステン製の容器
（焼結容器Ｆ）を用い、1900℃,96hr,N2気流中で常圧焼
結し、焼結体を得た。これらの焼結体の特性を表−３に
示す。さらに、比較例４の焼結体を用い、Ｘ線回折を行
なった結果を第５図に示した。これらの結果および、評
価の結果より、副相としてイットリウムを含む化合物が
観察され、AlN単相でないことがわかった。その結果熱
伝導率も168w/mK以下の比較的低い値である。
この様に少なくとも内部の一部が、カーボンよりなる
焼結容器を用いない場合も高熱伝導率を有するAlN焼結
体が得られず、カーボン雰囲気の有効さがわかる。
焼結容器を用いない場合も高熱伝導率を有するAlN焼結
体が得られず、カーボン雰囲気の有効さがわかる。
比較例７ 実施例１で用いたAlN粉末を、500kg/cm3の圧力でプレ
ス成形して、30×30×10mmの圧粉体とし、この圧粉体を
カーボン型中に入れ窒素ガス雰囲気中、温度1900℃,400
kg/cm3の圧力下で１時間ホットプレス焼結し、焼結体を
得た。この焼結体の特性を表−３に示した。さらにＸ線
回折を行なった結果を第６図に示した。この結果より副
相としてAl−Ｏ−Ｎ系化合物が観察され、AlN単相では
ないことがわかった。結果として熱伝導率も80w/mKとい
う低い値であった。
ス成形して、30×30×10mmの圧粉体とし、この圧粉体を
カーボン型中に入れ窒素ガス雰囲気中、温度1900℃,400
kg/cm3の圧力下で１時間ホットプレス焼結し、焼結体を
得た。この焼結体の特性を表−３に示した。さらにＸ線
回折を行なった結果を第６図に示した。この結果より副
相としてAl−Ｏ−Ｎ系化合物が観察され、AlN単相では
ないことがわかった。結果として熱伝導率も80w/mKとい
う低い値であった。
この様に希土類およびアルカリ土類金属元素化合物を
添加しないと、AlN原料粉末表面の不純物酸素とAlNが反
応し、熱伝導をさまたげるAl−Ｏ−Ｎ化合物が生成して
しまうことから、添加物の有効さがわかる。
添加しないと、AlN原料粉末表面の不純物酸素とAlNが反
応し、熱伝導をさまたげるAl−Ｏ−Ｎ化合物が生成して
しまうことから、添加物の有効さがわかる。
［発明の効果］ 以上のべた如く、本発明の窒化アルミニウム焼結体
は、実質的にAlN単相からなるもので、高純度かつ、高
熱伝導率を示すなど、優れた性質を有するものであり、
その工業的価値は極めて大きいものである。
は、実質的にAlN単相からなるもので、高純度かつ、高
熱伝導率を示すなど、優れた性質を有するものであり、
その工業的価値は極めて大きいものである。
第１図、第３図、第５図および第６図は焼結体のＸ線回
折パターン図、第２図および第４図は焼結体破面の結晶
構造を（SEM写真により）表した図である。 １……AlNの回折ピーク ２……Ｙ−Al−Ｏ化合物の回折ピーク ３……Al−Ｏ−Ｎ化合物のピーク ４……AlN粒 ５……Ｙ−Al−Ｏ化合物（粒界相）
折パターン図、第２図および第４図は焼結体破面の結晶
構造を（SEM写真により）表した図である。 １……AlNの回折ピーク ２……Ｙ−Al−Ｏ化合物の回折ピーク ３……Al−Ｏ−Ｎ化合物のピーク ４……AlN粒 ５……Ｙ−Al−Ｏ化合物（粒界相）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 佳子 川崎市幸区小向東芝町１ 株式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 堀口 昭宏 川崎市幸区小向東芝町１ 株式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 柘植 章彦 川崎市幸区小向東芝町１ 株式会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−132776（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】（ａ）窒化アルミニウムを主成分とし、こ
れにアルカリ土類金属化合物及び希土類化合物をから成
る添加物を、各々の元素の重量換算で0.05〜25％添加し
た成形体、もしくはこの成形体を1550〜2050℃、４時間
未満で焼成し、AlN以外の構成相を含む焼結体を （ｂ）カーボンガスを生成する焼成容器及び／又は焼成
時にカーボンガスを生成する物質を焼成容器内に含むこ
とで還元雰囲気を具体化する窒素ガスを含む還元雰囲気
中で、 （ｃ）焼成容器の内容積と、前記成形体または焼結体と
の体積比が１×100〜１×107であって、1550〜2050℃で
12時間以上焼成し、AlN以外の構成相を実質的に含まな
い熱伝導率が230W/m・ｋを超える焼結体を得ることを特
徴とした高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方
法。 - 【請求項２】アルカリ土類金属元素がCa,Sr,Baのうち少
なくとも１種であり、希土類元素がY,Sc,Dy,Ce,のうち
少なくとも１種である特許請求の範囲第１項記載の高熱
伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 - 【請求項３】焼結体の密度が3.120−3.285g/cm3,25℃に
おける熱伝導率が230W/m・ｋ以上であることを特徴とし
た特許請求の範囲第１項記載の高熱伝導性窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62110814A JP2578114B2 (ja) | 1987-05-08 | 1987-05-08 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62110814A JP2578114B2 (ja) | 1987-05-08 | 1987-05-08 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63277570A JPS63277570A (ja) | 1988-11-15 |
| JP2578114B2 true JP2578114B2 (ja) | 1997-02-05 |
Family
ID=14545333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62110814A Expired - Lifetime JP2578114B2 (ja) | 1987-05-08 | 1987-05-08 | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2578114B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4812144B2 (ja) * | 1998-07-22 | 2011-11-09 | 住友電気工業株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 |
| JP4937738B2 (ja) * | 2004-06-21 | 2012-05-23 | 株式会社トクヤマ | 窒化物焼結体、及びその製造方法 |
| US20080076658A1 (en) | 2006-09-26 | 2008-03-27 | Tokuyama Corporation | Aluminum nitride sintered body |
| JP5909804B1 (ja) * | 2014-12-17 | 2016-04-27 | 冨士ダイス株式会社 | 放熱性の少ないＳｉ３Ｎ４系セラミックス、およびそれを用いた刃先交換式切削チップ、エンドミルまたは耐摩耗工具 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62132776A (ja) * | 1985-12-02 | 1987-06-16 | 株式会社トクヤマ | 窒化アルミニウム組成物 |
-
1987
- 1987-05-08 JP JP62110814A patent/JP2578114B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63277570A (ja) | 1988-11-15 |
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|---|---|---|---|
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