JPS6054980A - 複合セラミツクス粉末及びその製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は複合セラミックス粉末及びその製造方法に関し
、更に詳しくは緻密で放熱性が良好であシ、高熱伝導性
且つ高電気絶縁性を有し、かつ、耐薬品性の優れる窒化
アルミニウム質焼結体用原料粉末及びその製造法に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

エレクトロニクス産業の急激な発展に伴ない、電子回路
等の集積化・小型化が進み、特に、絶縁性を有するセラ
ミックス回路基板等には、放熱性が良好で高熱伝導性を
有す石材料の必要性が増大しており、その開発が強く希
求されている。また、かかる良好な放熱性を有する材料
は、エレクトロニクス産業のみならず、熱機関、産業機
械等の冷却を必要とする分野においても、その出現が期
待されている。

現在、回路基板用セラミックス材料として広く使用され
ているものとしては、アルミナ（Ａｔ２０３）があるが
、このアルミナは、熱伝導率が低く、放熱性の面で問題
点を有している。従って、回路基板の放熱性を向上させ
るためには、アルミナに他の材料を混合するか、或いは
他の材料を用いねば々らない。このような、より放熱性
の良好な物質は、化学結合様式等によりある穆度限定さ
れるだめに、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素
、炭化ケイ素、べＩＪ　ＩＪヤ及び空化アルミニウム等
に限られる。これらのうち、窒化アルミニウム（Ａ／＝
Ｎ　）の焼結体は耐熱性、耐酸化性、耐熱衝撃性に優れ
ているため、最近、高温材料としても注目を集めている
。

しかしながら、ＡｔＮは他の高熱伝導用セラミックス材
料に比べ、耐薬品性に劣るという問題があった。例えば
、ＡｔＮは、水、酸、アルカリと次の反応によって容易
に分解してしまうという欠点を有している。

２　ｋＬＮ　＋　６　Ｈ２０→２　ＮＨ，＋　Ａｔ２０
．・３１１２０ＡｔＮ　＋３　ＨＣｌ−４ＮＨ，＋に、
ｔｃｔ。

Ａ／！、Ｎ　＋３　ＫＯＨ→Ｍ■３＋　Ｋ３Ａｔｏ。

特に、水との反応はＡｔＮ焼結体製造用粉末及びその焼
結体の化学的安定性を損う原因となっている。なぜなら
、これら粉末もしくは焼結体を、大気中、長時間放置し
ておくと、空気中の水分と除徐に反応して、これらの表
面がＡｔ２０３に転化してしまうからである。とのため
、ＡｔＮ焼結体の化学的安定性・寿命の向上のためのみ
ならず、ＡｔＮ粉末の保存・管理の上からも、ＡｔＮ粉
末の耐薬品性、特に、耐水性の改善が要望されていた。

〔発明の目的〕

本発明は、優れた熱伝導性、電気絶縁性を有し、かつ、
耐薬品性が大きいＡｔＮ焼結体用の原料粉末及びその製
造方法を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結
果、窒化アルミニウム粒子の表面に窒化ケイ素層を形成
せしめた粒子から成る複合セラミックス粉末は、窒化ア
ルミニウム粒子に比べて耐薬品性に優れること、及び、
との粉末から得られる焼結体は窒化アルミニウム粉末か
ら得られる焼結体と同等の高熱伝導性を有することを見
い出し本発明を完成した。

即ち、本発明の複合セラミックス粉末は、窒化アルミニ
ウム粒子の表面に窒化ケイ素の層が、全重量に対して２
〜４３重量％被覆している粒子から成ることを特徴とす
る。

本発明において、密化アルミニウム粒子は、放熱性・熱
伝導性・耐熱性が優れ、しかも、電気抵抗の大きな焼結
体製造用粉末を得るための必須成分である。

窒化アルミニウムは高純度であることが好ましく、通常
、純度９７１ｉ１％とする。純度が９７重量％未満であ
ると、ｋｔＮの優れた熱的・電気的特性が得られなくな
るからである。

また、窒化アルミニウム粒子の粒径は３μｍ以下である
ことが好ましく、更に好ましくは１μｍ以下とする。粒
径が３μｍを超えると、これによって緻密な焼結体を得
ることが困難となるからである。

本発明において、窒化アルミニウム粒子は化学的に安定
な窒化ケイ素の保護層によって被覆されている。

窒化ケイ素は低温相α型結晶の窒化ケイ素を少なくとも
６０重量％含むことが好ましい。α型窒化ケイ素の含有
量が６０重量％未満であると焼結性が低下し、緻密な焼
結体を得ることが困難となるからである。

窒化アルミニウム粒子と窒化ケイ素層とからなる複合セ
ラミックス粒子全重量に対する窒化ケイ素層の占有率は
、２〜４３重量％とする。窒化ケイ素層の占有率が２重
量−未満ではｋｔＮ粒子の耐薬品性及び焼結性が十分改
善されず、また、４３重量％を超えると熱伝導性が低下
するからである。

また、本発明は、前記複合セラミックスの製造方法を提
供する。即ち、本発明の複合セラミックスの製造方法は
、シリカ粉末１重量部、炭素粉末０、４〜２重量部及び
窒化アルミニウム粉末１〜３８重量部から成る混合粉末
を１３５０〜１５５０℃の温度で、窒素又は気体状窒素
化合物を含む非酸化性雰囲気中で焼成して、表面が窒化
ケイ素層で被覆された窒化アルミニウム粒子の粉末を得
ることを特徴とする。

本発明の複合セラミックス粉末の製造法はシリカ還元法
による窒化ケイ素粉末を合成する際、出発素原料中にあ
らかじめ微細な窒化ケイ素を存在せしめることにより、
合成された窒化ケイ素が混合粉末中に存在する窒化ケイ
素粒子を核として成長する原理を応用したものである。

この方法において、シリカ粉末は窒化ケイ素層の構成元
素であるケイ素源として必ザな成分である。

用いるシリカ粉末は、例えば、純石英、珪石、珪砂、コ
ロイダルシリカ等の高シリカ含有物質の粉末及び高温（
但し、１５５０℃未満の温度）でシリカに転化する有機
ケイ素化合物、例えばメチルケイ酸（ＣＨ，５ｉｎ２）
等のシリカ前駆体物質を挙げることができる。

シリカ粉末の粒径は１μｍ以下であることが好ましい。

粒径が１μｍを超えると、シリカ粉末の反応性が低下し
、その結果、低温相のα型窒化ケイ素粉末を得ることが
回船となる。

炭素粉末はシリカの還元剤として必要な成分である。

用いる炭素粉末としては、例えば、カーデンブラック、
グラファイト、ラングブラックカーがン等及び高温（但
し、１５５０℃未満の温度）で炭素に転化する有機化合
物、例えばフェノール樹脂等の炭素前駆体物質の粉末等
が挙げられる。

この炭素粉末の粒径は０．２μｍ以下であることが好ま
しい。粒径が０．２μｍを超えると、炭素粉末の反応性
が低下するからである。

窒化アルミニウム粉末は本発明の複合セラミックス粉末
粒子の核となる必須成分である。この粒子の粒径は３μ
ｍ以下であることが好ましく、更に好ましくは１μｍ以
下とする。

出願原料の組成は、シリカ粉末１重量部、炭素粉末０．
４〜２重量部及び窒化アルミニウム粉末１〜３８重量部
の割合とする。

シリカ−炭素−窒化アルミニウムの組成比（重量部）を
８１０２：　Ｃ：　ＡｔＮ＝　１　：　０．４〜２：１
〜３８に限定する理由は次の通シである。即ち、シリカ
１重量部当りＣが０．４重縮Ｓ部未満であると５ｔＯ２
の還元が不完全となり、ＡｔＮ表面への被覆が不十分と
なる。又、２重量部を超えると反応は容易に進行するも
のの、反応後に多量の余剰炭素が残存し、収率が低下す
るとともに、後の脱炭工程が煩雑になる。一方、５ｉｎ
２１重量部当、ｊ　Ａ／、Ｎが１重量部未満であると合
成される複合粉末中の８１　、Ｎ４の割合が４３重１チ
を超えてしまい、この粉末を焼結しても高熱伝導性焼結
体が得られかい。一方、３８重量部以上ではＡｔＮを化
学的に安定化させる８１、Ｎ４被膜層の量が２重量％未
満となる。

本発明において、前記混合粉末を窒素又は窒素化合物を
含有する非酸化性雰囲気中で焼成する。

用いる雰囲気としては、例えば、Ｎ２１　ＮＨ，ｌＮ２
−　Ｎ２．　Ｎ２−不活性ガス等が挙げられる。

焼成温度は１３５０〜１５５０℃とする。温度が１３５
０℃未満であると被膜用８１　、Ｎ４の生成が不十分と
なシ、一方、１５５０℃を超えるとＳｉＣの生成量が増
大してしまう。

本発明の製造方法により表面がＳ　ｉ　３Ｎ４で被覆さ
れたＡｔＮが出来る理由は次のように考えられる。

即ち、−次反応として ８１０２＋　Ｃ→ｓｔｏ＋ｃ。

なる反応が進行する。との反応は固相反応で５ｂＳｔＯ
とＮ２又はＮＨ３は気相状態で容易に反応して気相のＳ
　１３Ｎ４を生成する。しかるに本発明においてＡｔＮ
粉末があらかじめ共存しているため、気相で存在する５
１３Ｎ４はＡｔＮを核として速やかに沈着、成長し、ち
ょうどＡ／、Ｎを中心として表面層を形成する。このよ
うにしてＡｔＮの化学的安定性が達せられるものと考え
られる。

〔発明の効果〕

本発明の複合セラミックス粉末の各粒子は、耐薬品性、
焼結性に優れ、しかも固有抵抗の大きな窒化ケイ素層に
よって被覆されているので、粉末自身が耐薬品性に優れ
るのみならず、この粉末によって得られる焼結体は、耐
薬品性、電気絶縁性に優れ、しかも緻密である。また、
該粉末の主成分が熱伝導度の大きな窒化アルミニウムか
ら成るので、得られる焼結体は放熱性に優れる。

更に、本発明の複合セラミックス粉末の製造方法は、製
造工程が簡易であり、高価な装置を要しないので、前記
特性を壱する複合セラミックス粉末を安価に供給するこ
とがでなる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の複合セラミックス及びその製造方法を実
施例に沿って詳説する。

実施例１ 平均粒径０．０５μｍのシリカ粉末１重量部、平均粒径
０．０２μｍのランゾ！ラックカーｄナン０．５重量部
及び平均粒径０．６μｍの窒化アルミニウム３０重量部
から成る混合粉末を、窒素ガス中、１４５０℃、５時間
焼成した。しかる後この焼成物を大気中において７００
℃、５時間加熱し、脱炭処理を行ない平均粒径が１，１
μｍの本発明の複合セラミックス粉末を得た。

この粉末についてＸ線回折分析を行ったととろ、その回
折線の大部分は８１．Ｎ４に帰属するものであった。し
かしながら、この粉末の一部を乳鉢で粉砕した後にｉｌ
ＴびＸａ回折分析を行ったところ、回折線の大部分がＡ
ｔＮに変化した。このことは、ＡｔＮの表面がＳｉ、Ｎ
４で均一に被覆されていることを示している。また、粉
砕された本発明の複合セラミックス粉末について、化学
分析によるＡｔとｓｉの分析によってＡｔＮと５１３Ｎ
４の含有率をめたところ、この粉末はＡｔＮ　９７．５
重量％及び５１３Ｎ４２．５重量％から成っていた。

次に１粉砕されていない残シの一部の複合セラミックス
粉末を用いて、その耐水性の評価を行った。

耐水性の評価は、この複合セラミックスを水中に投入し
た後、１００℃で５時間煮沸し、その水中投入前と後の
重量変化をめる試験によった。

この試験によって観察された本発明の複合セラミックス
の重量増加は約３優にすぎなかった。

更に、本発明の残如の複合セラミックス粉末を用いて、
次の方法で焼結体の成形を行った。

先ず、前記複合セラミックス粉末９９重量部及び焼結助
剤の炭酸カルシウム１重量部から成る混合粉末を？−ル
ミルで２４時間混合し、次いでこの混合物にバインダー
としてパラフィン５重量・部を加え、金型成形法により
３００　ｋｌ／ｃｔｎ２で加圧し、圧粉体を成形した。

次のとの圧粉体を１８００℃、１時間加熱して焼結体を
得た。このようにして得られた焼結体の密度、固有抵抗
、熱伝導度を測定したところ、密度は３．２１９７ｔＭ
”、固有抵抗は１０”　ｒＬｃｍ、比熱伝導度は０．１
５０ＩＬｔ／ｃｒｎ・℃・ｓｅａであった。

比較例 平均粒径０．６μｍの窒化アルミニウム粉末について、
実施例１と同様の方法で耐水性の評価を行ったところ、
水中投入前と後の重両・増加は約２０チに達した（Ａ／
！、ＮがＨ２Ｏと反応して完全にＡｔ２０３に転化した
場合の理論重量増加率は２４．４チである。）。

また、本発明の複合セラミックスの代シに前記窒化アル
ミニウムを用いたこと以外は全て実施例１と同様にして
、その焼結体を得たところ、焼結体の密度は３．２０１
１　／ｌｙｎ”　、固有抵抗は１０１４Ωの、比熱伝導
度は０．１２　ｏ＊ｔ／ｃｒｓ・’Ｃ・ｓｅａであった
。

実施例２ 平均粒径０１０５μｍのシリカ１重量部、平均粒径０．
０２μｍのカー２７０．５重量部、平均粒径０．６μｍ
の窒化アルミニウム２重量部から成る混合粉を実施例１
と同様の方法によシ平均粒径１．１μｍの本発明の複合
セラミックス粉末を合成した。この粉末は７２チＡｔＮ
　−２８チＳ　ｉ　３Ｎ４から成っておシ、実施例１と
同様の沸騰水による化学安定性の評価では重量増加が約
１．２チであった。

この粉末を用いて、実施例１と同様の方法によって得た
焼結体の密度は３．２１　ｆｉ／α３、固有抵抗は１０
１４Ω鋸、比熱伝導度は０．１０ｃａｔ／ｃＩｎ・℃・
ｓｅｃであった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、窒化アルミニウム粒子の表面に窒化ケイ素の層が、
   全重量に対して２〜４３重ｌＬ俤被覆している粒子から
   成ることを特徴とする複合セラミックス粉末。 ２、窒化アルミニウム粒子の粒径が３μｍ以下である特
   許請求の範囲第１項記載の複合セラミックス粉末。 ３、　シリカ粉末１重量部、炭素粉末０．４〜２重量部
   及び窒化アルミニウム粉末１〜３８重量部から成る混合
   粉末を１３５０〜１５５０℃の温度で、窒素又は気体状
   窒素化合物を含む非酸化性雰囲気中で焼成して、表面が
   窃化ケイ素層で被覆された窒化アルミニウム粒子の粉末
   を得ることを特徴とする複合セラミックス粉末の製造方
   法。 ４、窒化アルミニウム粒子の粒径が３μｍ以下である特
   許請求の範囲第２項記載の複合セラミックス粉末の製造
   方法。