JPH01183469A - 窒化アルミニウム焼結体 - 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】 ［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し、特に新規な
組成を有する易焼結性の窒化アルミニウム焼結体に係わ
る。

（従来の技術） 窒化アルミニウム（Ａｌ！Ｎ）は常温から高温まで高強
度性を保持し、かつ溶融金属に濡れず、更に電気絶縁性
が高く、高熱伝導性である等、多くの優れた特性を有す
ることから新素材として注目されている。特に、近年、
Ａ、１１’Ｎ焼結体の放熱性基板への応用研究が盛んに
行われ、その結果素原料や焼結技術の改善等により数年
前までは熱伝導率が１００Ｗ／ｍ−ｋが限界であったが
、２６０Ｗ／ｍ−ｋまで改良されるに到っている。

ところで、ＡノＮ焼結体は通常１ｔ’Ｎ粉末を所望の方
法により成形した後、焼結することにより製造されてい
る。焼結は、常圧焼結法やホットプレス法により行われ
るが、Ａ、４７Ｎは難焼結性物質であるため、常圧焼結
法では緻密な焼結体を得る目的で焼結助剤を添加するこ
とが必要である。

ｌｔ’Ｎの焼結助剤には、アルカリ土類元素の化合物や
希土類元素の化合物が知られている。これらの化合物は
、焼結時においてＡノＮ粉末原料中に不可避的に混入さ
れている酸素と反応し、Ｒ−１Ｊ７−０糸孔合物（Ｒ：
アルカリ土類元素）やＬｎ−Ａｌ−〇系化合物（Ｌｎ　
；希土類元素）を生成しつつ焼結体を緻密化させる。ま
た、Ａ、ｉ７Ｎ粉末原料中に含まれる酸素はＡノーＮ−
０県北合物を生成したり、Ａｌ！Ｎ粒子内に固溶してＡ
ノＮ本来の高熱伝導性を低下させるが、上述した焼結助
剤としてのアルカリ土類元素の化合物や希土類元素の化
合物が酸素と反応し、この生成物を粒界相として固定す
るため、前記焼結助剤は高熱伝導率化にも寄与する。

このように焼結助剤をＡノＮ粉末原料に添加することに
より確かにＡ、ｌ’Ｎ焼結体の緻密化、高熱伝導率化を
達成することが可能となるが、上記焼結助剤ではいずれ
も１７００〜１９００℃の高温での焼結が必要である。

ＡノＮ焼結体が広く利用されるためには、いくつかの課
題が残されているが、その一つが焼結温度の低減化であ
る。焼結温度の低減化は、低コスト化の観点から極めて
重要である。

特に、Ａ１Ｎ焼結体の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、かかる状況では徹底的な低コスト化が必要である
。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、焼結性に優れ、従来に比べてより低い焼結温度で
充分な緻密化が可能な窒化アルミニウム焼結体を提供し
ようとするものである。

［発明の構成］ （ｍ題を解決するための手段） 本発明は、窒化アルミニウムを主成分とし、副相の少な
くとも一部としてアルカリ土類元素希土類元素アルミニ
ウム化合物を含むことを特徴とする窒化アルミニウム焼
結体である。

上記アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合物と
しては、例えばアルカリ土類元素をＲ１希土類元素をＬ
ｎとしたとき、Ｒ−Ｌｎ−Ａノー〇系の酸化物を挙げる
ことができる。ここで、アルカリ土類元素としてはＭｇ
５Ｃａ、、５ｒＳＢａを挙げることかでき、特にＣａ　
ＳＳ　ｒ％Ｂａが好ましい。希土類元素としてはＳ　ｃ
　ＳＹ　、Ｌ　ａ　ｓＣｅ、Ｓｍ　、Ｅｕ、Ｔａｇ、Ｔ
ｂ　Ｓ　Ｄｙ、Ｎｄ。

Ｇｄ５Ｐｒ、Ｈｏ５Ｅｒ、Ｙｂ等を挙げることができ、
特にＹ、Ｌａ　、Ｃｅが好ましい。

上記ＡノＮ焼結体におけるＡノＮ結晶粒子の構成比は、
全体の８０〜９９．９９重量％とすることが望ましい。

次に、本発明のｌｔ’Ｎ焼結体を得るための製造方法を
説明する。

まず、Ａ、ＮＮ粉末に希土類元素化合物及びアルカリ土
類元素化合物を所定量添加した後、ボールミル等を用い
て粉砕、混合して原料を調製する。

但し、常圧焼結の場合は前記ボールミル等で粉砕、混合
したものに更にバインダを加え、混練、造粒、整粒を行
なって原料を調製する。前記ＡノＮ粉末としては、酸素
が０．０１〜７重量％含むものを用いることが望ましい
。このＡ、１７Ｎ粉末は、平均粒径で４μｍ以下、低温
焼結のためには２μｍ以下のものを用いることが望まし
い。前記希土類元素化合物としては、例えばＳｃ、Ｙ、
、Ｌａｓ　Ｃｅ５ＳｓＳＥｕＳＴ１Ｔｂ％Ｄｙｓ　Ｎｄ
ｓ　Ｇｄ５Ｐｒ、Ｈｏｓ　Ｅｒ、Ｙｂの酸化物、フッ化
物、炭化物或いは焼結により酸化物、フッ化物、炭化物
となる化合物を用いることができ、これらは単独でも２
種以上の混合物で使用してもよい。前記アルカリ土類元
素化合物としては、例えばＭｇ１Ｃａ　ＳＳｒ　、Ｂａ
の酸化物、フッ化物、炭化物或いは焼結により酸化物、
フッ化物、炭化物となる化合物を用いることができ、こ
れらは単独でも２種以上の混合物で使用してもよい。こ
れらの希土類元素化合物及びアルカリ土類元素化合物は
、Ａ、ｆｆＮ粉末と同様、平均粒径で４μｍ以下、より
好ましくは２μｍ以下の粉末を用いることが望ましい。

また、前記希土類元素化合物及びアルカリ土類元素化合
物のＡノＮ粉末に対する添加量は、夫々酸化物の状態に
換算して合計で０．０１〜２０重量％の範囲することが
望ましい。この理由は、それら化合物の添加量を０．０
１重量％未満にすると目的とする希土類元素アルカリ土
類元素アルミニウム化合物の副相の生成が困難となり、
一方それら化合物の添加量が２０重量％を越えると耐熱
性、機械的強度及び熱伝導率の低下を招く恐れがあるか
らである。より好ましい希土類元素化合物及びアルカリ
土類元素化合物の添加量は、０．０１−１７重量％の範
囲である。

次いで、前記バインダを含む原料を金型、静水圧又はシ
ート成形等の手段により成形した後、成形体をＮ２ガス
気流中にて加熱してバインダを除去する。つづいて、成
形体を黒鉛又は窒化アルミニウムからなる容器にセット
し、Ｎ２ガス雰囲気中にて１５５０〜１９５０℃で常圧
焼結を行なう。一方、ホットプレス焼結の場合は前記ボ
ールミルで粉砕、混合して調製した原料を前記と同様な
温度でホットプレスを行なう。この際、高熱伝導性のＡ
、ｔ’Ｎ焼結体を得る場合には１８００〜１９５０℃で
、高熱伝導性よりも低温焼結性を優先する場合には１５
５０〜１７００℃で夫々焼結を行なう。

上述した焼結により製造されたＡｉＮ焼結体のＡ、ｔ’
Ｎ以外の構成相を粉末Ｘ線回折により同定すると、Ｌｎ
／Ｈの添加比率により■Ｌｎ　−Ａノー〇系のみ存在、
■Ｒ−Ｌｎ−ＡノーＯ系とＬｎ　−Ａｊ？−０系の共存
、■Ｒ−Ｌｎ−Ａノー〇系のみ存在、■Ｒ−Ｌｎ−Ａノ
ー〇系とＲ−Ａｌ！−０系の共存、■Ｒ−、Ａノー〇系
のみ存在、と変化する。

また、ＡノＮ粉末中の酸素量が多くかつ前記Ｌｎ化合物
及びＲ化合物の添加量が少ない原料組成では、上記構成
相の他にＡノーＮ−０糸孔合物が生成する場合もある。

本発明では、適正なＡＪＮ粉末の使用や前記Ｌｎ／Ｈの
添加比率の最適化によって製造された前記■〜■のよう
にＲ−Ｌｎ−Ａノー〇系を構成相（副相）として少なく
とも含むＡｉＮ焼結体が用いられる。

また、前述した副相としてのＲ−Ｌｎ　−Ａ、ｆｆ−〇
系の酸化物を生成するには、ＡノＮ粉末の性状によるが
、希土類元素（Ｌｎ　）とアルカリ土類元素（Ｒ）との
添加比率を、重量比にてＬｎ／（Ｌｎ　＋Ｒ）が０．９
〜０．１の範囲にすることが望ましい。即ち、Ｌｎ化合
物としてＹ２Ｏ３を、Ｒ化合物としてＣａＯを夫々用い
てＡ、１７Ｎ粉末に添加する際、重量比にてＹ２０３　
／　（Ｙ２０３＋Ｃａ０）が０．９〜０．１の範囲とす
ることによってＡ、ｔ’Ｎ以外の構成相として少なくと
もＣａＹＡＪ！０４やＣａ　ＹＡｌＯ系未知相（Ｃａ　
ＹＡＪ！３０７と推定される）が生成する。

（作用） 本発明によれば、窒化アルミニウムを主成分とし、副相
の少なくとも一部としてアルカリ土類元素希土類元素ア
ルミニウム化合物を含む構成とすることによって、従来
に比べてより低い焼結温度で充分な緻密化が達成され、
かつ高熱伝導率の窒化アルミニウム焼結体を得ることが
できる。

（発明の実施例） 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例１〜３ まず、不純物としての酸素を０．８６重量％含有し、平
均粒径が１．８μｍのＡノＮ粉末に平均粒径０．８μｍ
のＹ２Ｏ３及びＣａ　Ｃｏ３の混合粉末（混合比率；Ｙ
２Ｏ３／ＣａＯの換算で３＝１）を３重量％添加し、ボ
ールミルを用いて解砕、混合して原料を調製した。つづ
いて、この原料にアクリル系バインダを５重量％添加し
て造粒した後、５００幻／ｉの圧力でプレス成形して約
３０ｃＭＸ　３０ｎ　Ｘ　８αの寸法の圧粉体とした。

ひきつづき、この圧粉体を窒素ガス雰囲気で７００℃ま
で加熱してバインダを除去した。次いで、ＡＪ！Ｎ焼結
体からなる容器中にセットし、窒素ガス雰囲気下にて１
６００℃、１７００℃、１８００℃の各温度で２時間常
圧焼結して３種のＡノＮ焼結体を製造した。

実施例４〜２１ 原料として下記第１表に示すＡノＮ粉末、添加物である
混合粉末（但し、ＣａＯはＣａ　ＣＯ３の形で添加）か
らなるものを用い、同第１表に示す条件で焼結した以外
、実施例１と同様な方法により１８種のＡｉＮ焼結体を
製造した。

比較例１〜６ 原料として下記第１表に示すＡノＮ粉末、添加物からな
るものを用い、同第１表に示す条件で焼結した以外、実
施例１と同様な方法により６種のＡノＮ焼結体を製造し
た。

しかして、本実施例１〜２１及び比較例１〜６で得られ
た各ＡノＮ焼結体の密度を測定した。また、各１４’Ｎ
焼結体を研削して直径１０１１１１、厚さ３．５　ｘｍ
の円板を作製し、これらを試験片としてし−ザララッシ
ュ法によって室温での熱伝導率を測定した。更に、粉末
Ｘ線回折により各人ノＮ焼結体のＡ、ｆｆＮ以外の構成
相を同定した。その結果を同第１表に併記した。なお、
第１表中の未知相とはＣａ−Ｙ−ＡノーＯ系複合酸化物
であり、その組成は現時点ではＣａ　ＹＡノ３０７と推
定される。

また、本実施例１〜２１及び比較例１〜６で得られた各
Ａ、１７Ｎ焼結体におけるＣａ　Ｏ／（Ｙ２０３　＋Ｃ
ａ　Ｏ）の重量比と密度、熱伝導率との関係を第１図に
示した。なお、第１図中にプロットされた口は焼結条件
を１６００℃に設定したＡノＮ焼結体を、同・は焼結条
件を１７００　”Ｃに設定したＡノＮ焼結体を、同Ｏは
焼結条件を１８００℃に設定したＡノＮ焼結体を夫々示
す。実施例及び比較例の中で焼結条件を１６００℃、１
８００℃に設定したＡ、ｆｆＮ焼結体のＡノＮ以外の構
成相を第２図及び第３図に示した。更に、第４図に実施
例１５のＡ、ｆｆＮ焼結体の粉末Ｘ線回折スペクトルを
示した。

なお、第４図中のＯはＡ７Ｎの回折ピークを示す。

上記第１表及び第１図〜第４図から明らかなようにＣａ
−Ｙ−Ａノー〇系複合酸化物を副相として含む本実施例
のＡ、ｉ’Ｎ焼結体はＣａ　−Ａノー〇系酸化物を副相
として含む比較例１〜３のＡノＮ焼結体やＹ−Ａノー〇
系酸化物を副相として含む比較例４〜６のｊｌ’Ｎ焼結
体に比べて低い焼結温度で熱伝導性の向上、緻密化を達
成できることがわかる。

実施例２２〜４０ 原料として下記第２表に示すＡノＮ粉末及び該ＡノＮ粉
末に対する添加量を１〜７重量％とした添加物である混
合粉末（但し、ＣａＯはＣａ　００３の形で添加）から
なるものを用い、同第２表に示す条件で焼結した以外、
実施例１と同様な方法により１９種のＡ、ｉ’Ｎ焼結体
を製造した。

しかして、本実施例２２〜４０のＡｉＮ焼結体について
実施例１と同様、密度、レーザフラッシュ法による室温
での熱伝導率熱伝導性及び粉末Ｘ線回折によるＡノＮ以
外の構成相の同定を行なった。その結果を同、第２表に
併記した。

実施例４１〜６０ 原料として下記第３表に示すＡ、ＮＮ粉末及び添加物で
ある混合粉末（但し、ＣａＯはＣａ　ＣＯ３の形で、Ｓ
ｒＯはＳｒ　ＣＯ３の形で添加）からなるものを用い、
同第３表に示す種々の条件で焼結した以外、実施例１と
同様な方法により２０種のＡノＮ焼結体を製造した。

しかして、本実施例４１〜６０のｌＪ？Ｎ焼結体につい
て実施例１と同様、密度、レーザフラッシュ法による室
温での熱伝導率熱伝導性及び粉末Ｘ線回折によるｌｔ’
Ｎ以外の構成相の同定を行なった。その結果を同第３表
に併記した。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば窒化アルミニウムを
主成分とし、副相の少なくとも一部としてアルカリ土類
元素希土類元素アルミニウム化合物を含む構成とするこ
とによって、従来に比べてより低い焼結温度で充分な緻
密化が達成され、かつ高熱伝導率の窒化アルミニウム焼
結体を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼結温度を１６００℃、１７００℃、１８００
℃に設定して得られたＡｉＮ焼結体におけるＣａＯ／　
（Ｙ２０３　＋Ｃａ　Ｏ）　（７）重量比と密度、熱伝
導率との関係を示す特性図、第２図及び第３図は夫々焼
結条件を１６００℃、１８００℃に設定したＡノＮ焼結
体におけるＣａ　Ｏ／　（Ｙ２０３　＋Ｃａ　Ｏ）の重
量比とｌｌ？Ｎ以外の構成相との関係を示す特性図、第
４図は実施例１５のＡノＮ焼結体の粉末Ｘ線回折スペク
トルを示する特性図である。 出願人代理人　弁理士　　鈴江武彦 ＣａＯ／（Ｙ２０３＋ＣａＯ）１１ａｍ１００１５１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）．窒化アルミニウムを主成分とし、副相の少なく
   とも一部としてアルカリ土類元素希土類元素アルミニウ
   ム化合物を含むことを特徴とする窒化アルミニウム焼結
   体。
2. （２）．アルカリ土類元素希土類元素アルミニウム化合
   物は、アルカリ土類元素を，Ｒ、希土類元素をＬｎとし
   たとき、Ｒ−Ｌｎ−Ａｌ−Ｏ系の酸化物である請求項１
   記載の窒化アルミニウム焼結体。