JPS63242972A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - 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の製造方法に関し、
詳しくは熱伝導性が良好な窒化アルミニウム焼結体の製
造方法に係わる。

（従来の技術） 窒化アルミニウム（Ａ）Ｎ）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
用いられている一方、その高熱伝導性、高電気絶縁性を
利用して半導体装置の放熱材料としても冑望視されてい
る。こうしたＡｉＮは、通常、融点を持たず、２２００
℃以上の高温で分解するため、薄膜などの用途を除いて
焼結体として用いられている。

ところで、Ａ、１７Ｎ焼結体は、通常ＡｉＮ粉末を成形
、焼結することにより得られる。しかしながら、Ａ、／
Ｎ粉末を単独で用いた場合には焼結性が劣るため、ホッ
トプレス法以外で緻密な焼結体を得ることが困難である
。

このようなことから常圧焼結する場合には、従来より焼
結体の高密度化を目的としてＡＩ！Ｎ粉末に焼結助剤と
しての希土類酸化物又はアルカリ土類酸化物の粉末を添
加し、成形、焼結を行なっている。また、ｌｔ’Ｎ焼結
体の熱伝導性や強度の向上、低温での焼結を目的として
他の元素、特に遷移元素を含む化合物粉末を添加して焼
結する方法も行われている。

しかしながら、上記焼結助剤等をＡノＮ粉末に添加して
Ａ、１１’Ｎ焼結体を製造する方法では粒界の存在や添
加元素の不均一性等が生じて必ずしも期待した程の高熱
伝導性や高強度化等を達成できない問題があった。これ
は、主として使用するＡ、１７Ｎ粉末に対して添加する
助剤等の化合物粉末が大き過ぎたり、分散性が劣ったり
することに起因する。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、緻密で高熱伝導性のＡｉＮ焼結体を製造し得る
方法を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本願節１の発明は、窒化アルミニウム粉末に、希土類元
素もしくはアルカリ土類元素を中心原子とする金属アル
コキシド［Ｍ　（ＯＲ）　ｘ　、但しＭは中心原子、Ｏ
Ｒはアルコキシ基、ＸはＭの価数を示す］又はその誘導
体の少なくとも一種を接触せしめて該窒化アルミニウム
粉末表面に該金属アルコキシド又はその誘導体或いはそ
の分解生成物を付着せしめる工程と、この金属アルコキ
シド又はその誘導体或いはその分解生成物が付着された
窒化アルミニウム粉末を成形、焼結する工程とを具備し
たことを特徴とする窒化アルミニウムの製造方法である
。

上記希土類元素としては、例えばＹ、、Ｌａ。

Ｃｅ’　ｓ　Ｓ　１Ｄ　ｙ　ｓ　Ｎ　ｄ　ｓ　Ｇ　ｄ　
ｓ　Ｐ　ｒ　、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ等を挙げることができ
、特にＹ、Ｌａ。

Ｃｅが好ましい。また、アルカリ土類元素としては、例
えばＢ　ｅ　ＳＭ　ｇ　ｓ　Ｃａ　ｓ　Ｓ　ｒ　、Ｂ　
ａ等を挙げることができ、特にＣａ、Ｓｒ、Ｂａが好ま
しい。

金属アルコキシドを形成するＯＲはアルコキシ基で、Ｒ
としては通常炭素数１〜５のアルキル基又はフェニル基
が望ましい。

上記金属アルコキシドの誘導体としては、アセチルアセ
トナト又はその塩などが代表的なものとして挙げること
ができる。

上記金属アルコキシド又はその誘導体をＡノＮ粉末に接
触、付着させる手段としては、例えばバインダ又は溶剤
と混合或いは溶解してＡノＮ粉末に加える方法、ＡノＮ
粉末を溶剤に分散させ、液状又は溶液とした金属アルコ
キシドもしくはその誘導体を加え、濾過、乾燥する方法
、金属アルコキシドもしくはその誘導体を蒸発させ、Ａ
、ｆｆＮ粉末を該蒸気に曝す方法等を採用し得る。金属
アルコキシドもしくはその誘導体を溶液とする場合には
、溶液温度の調節、水分や酸、アルカリの添加などによ
り分解を進行させた状態で用いてもよい。

上記焼結には、常圧焼結法、ホットプレス法などを採用
し得る。常圧焼結法による場合には、前記金属アルコキ
シド又はその誘導体或いはその分解生成物が付着された
窒化アルミニウム粉末にバインダを加え、混線、造粒、
整粒を行なった後、金型ブレス、静水圧プレス又はシー
ト成形等により成形を行なう。この際、バインダを添加
する前に前記ＡＩ！Ｎ粉末表面に付着した金属アルコキ
シド又はその誘導体を乾燥等の手段により更に分解の進
んだ状態にしＭい。また、金属アルコキシド又はその誘
導体或いはその分解生成物が付着された窒化アルミニウ
ム粉末を成形する前に、窒化アルミニウム粉末に第ＩＶ
ａ族遷移元素（例えばＹｌ　、Ｚｒ％　Ｈｆ等）、第Ｖ
ａ族遷移元素（例えばＶＳＮｂ　、Ｔａ等）、第ＩＶａ
族遷移元素（例えばＣｒ、ＭＯ，Ｗ等）、第１ａ族遷移
元素（例えばＭ　ｎ　％　Ｒｅ等）、第■族遷移元素（
例えばＦＱ。

Ｃｏ　、、Ｎ　１等）の化合物（酸化物、窒化物、フッ
化物、酸フッ化物、酸窒化物等）粉末を配合してもよい
。つづいて、成形体を例えばＮ２ガス気流中で加熱して
バインダを除去した後、常圧焼結する。焼結温度は、使
用するＡｆＮ粉末、金属アルコキシド又はその誘導体、
その他の添加物等により適宜選択すればよい。

本願第２の発明は、窒化アルミニウム粉末に、希土類元
素もしくはアルカリ土類元素を中心原子とする金属アル
コキシド［Ｍ　（ＯＲ）　ｘ　、但しＭは中心原子、Ｏ
Ｒはアルコキシ基、ＸはＭの価数を示す］又はその誘導
体の少なくとも一種と、第ＩＶａ族、第Ｖａ族、第ＶＩ
ａ族、第ＶＩＩａ族、第■族の遷移元素を中心原子とす
る金属アルコキシド［Ｍ−（ＯＲ−）ｘ′、但しＭ′は
中心原子、ＯＲ−はアルコキシ基、Ｘ″はＭの価数を示
す］又はその誘導体の少なくとも一種と接触せしめて該
窒化アルミニウム粉末表面に各金属アルコキシド又はそ
の誘導体或いはその分解生成物を付着せしめる工程と、
各金属アルコキシド又はその誘導体或いはその分解生成
物が付着された窒化アルミニウム粉末を成形、焼結する
工程とを具備したことを特徴とする窒化アルミニウムの
製造方法である。

上記第１ａ族遷移元素としては、例えばＹｌ、Ｚ　ｒ　
、Ｈｒ等を、第Ｖａ族遷移元素としては、例えばＶ、Ｎ
ｂ％Ｔａ等を、第ＩＶａ族遷移元素としては、例えばＣ
ｒ５Ｍ０１Ｗ等を、第ＶＩＩａ族遷移、元素としては、
例えばＭ　ｎ　ｓ　Ｒｅ等を、第■族遷移元素としては
、例えばＦ　ｅ　ｓ　Ｃｏ　、Ｎ　ｉ等を挙げることが
できる。

上記金属アルコキシドを形成するＯＲ”は、アルコキシ
基で、Ｒ″としては通常炭素数１〜５のアルキル基又は
フェニル基が望ましい。

上記各金属アルコキシドの誘導体としては、アセチルア
セト９又はその塩などが代表的なものとして挙げること
ができる。

上記各金属アルコキシドもしくはその誘導体をＡＪＮ粉
末に接触、付着させる手段としては、例えばバインダ又
は溶剤と混合或いは溶解してｌｔ’Ｎ粉末に加える方法
、ｌｔ’Ｎ粉末を溶剤に分散させ、液状又は溶液とした
金属アルコキシドもしくはその誘導体を加え、濾過、乾
燥する方法、金属アルコキシドもしくはその誘導体を蒸
発させ、Ａｊ？Ｎ粉末を該蒸気に曝す方法等を採用し得
る。

各金属アルコキシドもしくはその誘導体を溶液とする場
合には、溶液温度の調節、水分や酸、アルカリの添加な
どにより分解を進行させた状態で用いてもよい。また、
複合アルコキシドとして用いる場合には両者を還流等の
手段で複合化してもよく、或いは一方の成分を塩の形で
加えて複合アルコキシドを生成してもよい。

上記焼結は、前述した本願第１の発明と同様な方法で行
なえばよい。

（作用） しかして、本発明によれば金属アルコキシドもしくはそ
の誘導体をＡノＮ粉末に接触させることによって、焼結
助剤成分等の添加元素をＡノＮ粉に対して均一に添加す
ることができる。このことは、金属アルコキシドもしく
はその誘導体がＡｉＮ粉末表面の水分又は添加した水分
、酸、熱等により容易に分解し、０．５μｍ程度以下の
微粒子としてＡノＮ粉末表面に付着するか被膜としてＡ
ノＮ粉末を覆うことができることによる。従って、かか
る金属アルコキシドもしくはその誘導体が付着されたＡ
、ｆｆＮ粉末を成形、焼結するこによって、助剤等の添
加量を減少させても焼結性が高められること、表面での
助剤と酸素の反応が促進されてＡ、ｆｆＮ粉末中への酸
素拡散が抑制されること等により緻密、高熱伝導性で高
強度化が達成されたｌｔ’Ｎ焼結体を製造できる。

（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、不純物として酸素を１重量％含有し、平均粒径が
０．９μｍのＡｊ７Ｎ粉末を濃度の異なる３種のＹ　（
ＯＣ４Ｈ９）　３のベンゼン溶液に夫々浸漬し、攪拌し
た後、濾過し、残留物を自然乾燥して粉体を調製した。

これら３種の粉体について、Ｙ２Ｏ３の含存重量を測定
したところ、約１％、３％、５％であった。つづいて、
これら粉体にバインダとしてのパラフィンを７重量％夫
々添加して造粒した後、３００　Ｋｌ／ｃｄの圧力でプ
レス成形して５Ｑｘ　５０Ｘ　８０ｍｍの圧粉体とした
。これら圧粉体を窒素ガイ雰囲気中で７００℃まで加熱
してパラフィンを除去した後、カーボン製容器に収納し
、窒素ガイ雰囲気中、１８００℃において２時間常圧焼
結して３種のＡノＮ焼結体を製造した。

比較例１〜３ 不純物として酸素を１重量％含有し、平均粒径が０．９
μｍのＡ、１７Ｎ粉末に対してＱ、９μｍのＹ２Ｏ３を
夫々１．３．５重量％添加し、ボールミルで混合して粉
体を調製した後、実施例１と同様な方法で成形、焼結し
て３種のＡ、ｆ？Ｎ焼結体を製造した。

しかして、本実施例１〜３及び比較例１〜３のＡｉＮ焼
結体について、密度、熱伝導率の測定及びＸ線回折によ
る生成相の同定を行なった。その結果を下記第１表に示
した。なお、熱伝導率は焼結体から直径１０．ｍ、厚さ
２．５　ｔｕの円板に研削し、これを試験片としてレー
ザフラッシュ法で７１Ｉ＋１定した。

実施例４〜７ 酸素含有量３．６重量％、平均粒径２．２μｍのｌｔ’
Ｎ粉末に対しテＹ　（ＯＣ４Ｈ９）　３　ノ０．２　モ
ル／ｉ濃度ベンゼン溶液、Ｃａ　　（ＯＣ２Ｈ５）　２
の０．２モル／ｉ濃度エタノール溶液、Ｚｒ　　（ＯＣ
４Ｈｌｌ　）３の０．４モル／ｉ濃度酢酸ブチル溶液及
び平均粒径３μｍのＺ「０２粉末を下記第２表に示す酸
化物換算で添加して実施例１と同様に粉体を調製し、更
に成形、焼成して４種のＡ、ｔ’Ｎ焼結体を製造した。

但し、Ｚｒ　０２を添加した例ではボールミルを用いて
粉砕、混合した。

比較例４〜６ 酸素含有！　３．８重量％、平均粒径２．２μｍのｌｔ
’Ｎ粉末に対して平均粒径２．５μｍのＹ２Ｏ３、平均
粒径３μｍのＣａＯ及び平均粒径３μｍのＺｒ　０２粉
末を同第２表に示す割合で添加し、ボールミルで混合し
て粉体を調製した後、実施例１と同様な方法で成形、焼
結して３種のｌｔ’Ｎ焼結体を製造した。

しかして、本実施例４〜７及び比較例４〜６のＡノＮ焼
結体について、密度、熱伝導率を測定した。その結果を
同第２表に併記した。

第２表 上記第１、第２表から明らかなように、本発明の方法で
製造されたＡ、ｉ７Ｎ焼結体は高い熱伝導率を有するこ
とがわかる。これは、生成する相が助剤成分とＡ、ｇ２
ｏ、、の状態図から予想される生成物にほぼ近いことか
らもわかるように、均一にＡノＮ粉末表面を覆った助剤
成分の酸素との反応が早く進行し、ＡＪ！Ｎ中への酸素
拡散を抑制するためと考えられる。比較例のように助剤
粉末を配合する方法では、不均一な系となり、Ａ、ｉ’
ＯＮの生成や無効な助剤成分が認められる。

助剤成分は、二種以上同時に混合することも付効である
が、その場合には二種以上の金属アルコキシドの混合液
を用いればミクロレベルで均一な助剤添加が可能である
。この時、いずれか一方の成分がＡ、１７Ｎ粉末に対し
て優先的に機能するためＡノＮ焼結体の不均質性は生じ
ない。

更に、上記実施例５〜７及び比較例５のＡノＮ焼結体か
ら研削加工により幅４１！！１１厚さ３１１１％長さ４
０ｍの角棒を製作し、これらを抗折強度測定用試験片と
して、支点間２０ｍ５クロスヘッド速度０．５Ｂ／αｉ
ｎの条件で３点曲げ強度を測定した。

その結果、実施例５〜７の焼結体では５８〜６５ｇ／ｌ
！ｌ１１２の強度であったのに対し、比較例５の焼結体
では５５ｇ／＋ｍ２であった。このように第二の添加物
（Ｚｒ　０２　）を加えた系（実施例６）においても、
該Ｚ「０２による強度向上効果に対して良好な影響を及
ぼすことがわかる。

［発明の効果コ 以上詳述した如く、本発明によれば高密度、高強度で高
熱伝導性のＡ７Ｎ焼結体を簡単に製造でき、ひいては各
種の構造部品や半導体装置の放熱板などの機能部品等に
有効に利用できる等顕著な効果を有する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、窒化アルミニウム粉末に、希土類元素もしくは
   アルカリ土類元素を中心原子とする金属アルコキシド［
   Ｍ（ＯＲ）＿ｘ、但しＭは中心原子、ＯＲはアルコキシ
   基、ｘはＭの価数を示す］又はその誘導体の少なくとも
   一種を接触せしめて該窒化アルミニウム粉末表面に該金
   属アルコキシド又はその誘導体或いはその分解生成物を
   付着せしめる工程と、この金属アルコキシド又はその誘
   導体或いはその分解生成物が付着された窒化アルミニウ
   ム粉末を成形、焼結する工程とを具備したことを特徴と
   する窒化アルミニウムの製造方法。
2. （２）、金属アルコキシド又はその誘導体或いはその分
   解生成物が付着された窒化アルミニウム粉末を成形する
   前に、窒化アルミニウム粉末に第IVａ族、第Ｖａ族、第
   VIａ族、第VIIａ族、第VIII族の遷移元素の化合物粉末
   を配合することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
3. （３）、窒化アルミニウム粉末に、希土類元素もしくは
   アルカリ土類元素を中心原子とする金属アルコキシド［
   Ｍ（ＯＲ）＿ｘ、但しＭは中心原子、ＯＲはアルコキシ
   基、ｘはＭの価数を示す］又はその誘導体の少なくとも
   一種と、第IVａ族、第Ｖａ族、第VIａ族、第VIIａ族、
   第VIII族の遷移元素を中心原子とする金属アルコキシド
   ［Ｍ′（ＯＲ′）＿ｘ＿′、但しＭ′は中心原子、ＯＲ
   ′はアルコキシ基、ｘ′はＭの価数を示す］又はその誘
   導体の少なくとも一種と接触せしめて該窒化アルミニウ
   ム粉末表面に各金属アルコキシド又はその誘導体或いは
   その分解生成物を付着せしめる工程と、各金属アルコキ
   シド又はその誘導体或いはその分解生成物が付着された
   窒化アルミニウム粉末を成形、焼結する工程とを具備し
   たことを特徴とする窒化アルミニウムの製造方法。