JP3141505B2 - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 - Google Patents
窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法Info
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Description
方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものであり、特に
半導体の放熱性基板等に用いられるほぼ窒化アルミニウム単相
からなり均一な高熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体の
製造方法および窒化アルミニウム焼結体に関するものである。
い電気絶縁性、Siに近い熱膨張係数、高熱伝導性等の特
性により放熱性基板としての利用が検討されている。特
に、AlN原料粉末や焼結方法を検討することにより、AlN
の特性として非常に重要である熱伝導率を向上させる研
究が各方面で盛んに行われている。
希土類元素の化合物等の焼結助剤とを配合、混合、造
粒、成形し、常圧焼結により焼結体を得るという方法に
よって製作されている。これらのアルカリ土類や希土類元素
の化合物等の焼結助剤は、焼結時にAlN粉末中に不可避
的に混入されている酸素と反応し、アルミナと焼結助剤との
複合酸化物からなる液相を生成することにより焼結過程
における緻密化を可能にしている。また、この複合酸化
物の生成は、結果的に不純物酸素を粒界に固定し、粒内
への酸素の固溶を抑制しているため、熱伝導率を向上さ
せることにも寄与している。しかし、最終的に、その複
合酸化物が焼結体中に残存した場合、得られるAlN焼結
体の熱伝導率には限界があり、その熱伝導率は170W/m・K
以下であった。
で、半導体搭載用の回路基板、放熱基板等にはより高い
熱伝導率を有する材料が必要とされており、かかるニース゛
に応えるために窒化アルミニウムを適用するにあたっては、酸
素その他の不純物の存在、焼結助剤添加の結果として粒
界に生成する粒界相の存在等の問題を解消する必要があ
る。
伝導性により優れた窒化アルミニウム焼結体を提供することを
目的として焼結助剤としてイットリウムおよび/またはカルシウム
化合物をAlN粉末に添加し、これを窒素カ゛スを含む還元
性雰囲気中で焼成することによって、YーAlーO系化合物お
よび/またはCa-Al-O系化合物相等の粒界相の存在量を
従来の窒化アルミニウム焼結体に比べて減少させると共に、
低温と高温の2段階で焼結する多段階のフ゜ロク゛ラムからなる
焼結を行うことによって、高い熱伝導率を有する窒化アル
ミニウム焼結体を得るための最適条件を種々検討し、かかる
検討に基づく窒化アルミニウムの製造方法が提案されている。
この特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方
法における焼結過程の反応のメカニス゛ムは、最表面の複合酸
化物が還元窒化反応により除去されると複合酸化物の濃
度勾配が生じ、それが駆動力となり、内部の複合酸化物
が表面へ移動する、という繰り返しにより高熱伝導性Al
N焼結体が作製されるというものである。
63-277573に記載された窒化アルミニウムの製造方法について
もさらに次のような問題がある。すなわち特開昭63-277
573に記載された窒化アルミニウムの製造方法によって得られ
る焼結体は、最表面と中心部では複合酸化物を形成する
焼結助剤の組成が異なり、均一な特性、特に均一な熱伝
導率を有する焼結体を得るためには還元窒素雰囲気中で
高温長時間の焼結が必要であり、それは工業的な生産過
程においては生産性の上からは非現実的な方法である。
特にこの特開昭63-277573に記載された窒化アルミニウムの製
造方法によっては、厚さのある大型AlN焼結体を工業的
な生産過程で厚さ方向に均一な高熱伝導率をもたせて生
産することはできない。
鑑みてなされたものであり、熱伝導率に優れ、均一な特
性を持つ窒化アルミニウム焼結体を提供することを目的とす
る。
を達成するために窒化アルミニウム粉末に添加する焼結助剤、
焼結条件、焼結体組成、焼結体微細構造等と熱伝導率の
関係につき種々実験・検討を重ね、新たに発見された新
規事項に基づき本発明を創出するに至った。
または希土類元素を所定量添加し、有機系ハ゛インタ゛を加
え、更に、焼結過程で粒界の複合酸化物を還元する物質
としての炭素源、例えば炭素そのもの、あるいは非酸化
性雰囲気中、加熱処理により炭素を発生する有機系ハ゛イン
タ゛等を加え、それらをホ゛ールミル等を用いて粉砕、混合し、
スフ゜レート゛ライヤーなどにより造粒する。次いでその造粒粉を
所定の形状に成形した後、加熱してハ゛インタ゛中に含まれる
水素分や酸素分を除去する。つづいて、その成形体を焼
結炉内にセットし、窒素カ゛ス雰囲気中で焼結温度を1200〜19
00℃として第1段焼結を行いさらに、1800〜2200℃で1〜
5時間保持する第2段焼結を行う。この様にして作製され
たAlN焼結体の熱伝導率は均一で、かつその焼結体の熱
伝導率は170W/m・K以上となる。
たものである。すなわち本発明の窒化アルミニウム焼結体の製
造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)および/または炭素含
有物と希土類および/またはアルカリ土類化合物とを混合
し、その混合粉を直径10mmの球体を少なくとも一部に包
含し得る幾何形状を外形として有する成形体に成形し、
液相生成温度以下の温度で第1段階の焼結を行い、さら
に液相生成温度以上の温度で第2段階の焼結を行うこと
を特徴とするものである。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体の製造方法は、窒化アルミニウムと炭素(C)と希土類および
/またはアルカリ土類化合物とを成分とし、直径10mmの球体
を少なくとも一部に包含し得る幾何形状を外形として有
する被焼結体に液相生成温度以下の温度で第1段階の焼
結を行い、さらに液相生成温度以上の温度で第2段階の
焼結を行うことを特徴とするものである。
10mmの球体を少なくとも一部に包含し得る3次元形状を
外形として有する窒化アルミニウム焼結体において、前記球体
の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記球体の外部の
任意の点に相当する位置の熱伝導率との比が0.85以上で
あることを特徴とするものである。本発明において用い
られる窒化アルミニウム原料粉末は酸素を1.5重量%以下、実用
上は0.01〜1.0重量%含有するものとするのが好ましい。
またその平均粒径は焼結性、熱伝導性を考慮した場合、
0.5〜5μm程度であるのが好ましい。
添加物は、希土類元素化合物および/またはアルカリ土類元
素化合物である。希土類元素およびアルカリ土類元素の化合
物としては、希土類元素およびアルカリ土類元素の酸化物、
窒化物、フッ化物、酸フッ化物、酸窒化物、焼成によりこれ
らの化合物となる物質が挙げられる。例えば、焼成によ
ってこれらの酸化物となる物質には希土類元素およびアル
カリ土類元素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、水酸化物等が
ある。また希土類および/またはアルカリ土類元素化合物の
添加量は、0.5〜15重量%とするのが良い。0.5重量%未満
では添加物の効果が充分に発揮されず、焼結体の緻密化
が不十分となり、AlN結晶中に酸素が固溶して高熱伝導
焼結体が得られない。一方、15重量%を超える場合は粒
界相が焼結体中に残存して、熱処理過程で除去される粒
界相の体積が大きくなるという問題が生じる。この希土
類および/またはアルカリ土類元素化合物の添加量は、好ま
しくは4.0〜12重量%とするのが良く、より好ましくは5
〜10重量%とするのが良い。
結過程において複合酸化物の還元に炭素が寄与すること
ができるように、炭素を含有する物質を例えばハ゛インタ゛ー
として被焼結体に添加し焼結を行う。この炭素を添加す
る量はAlN原料粉中に存在する酸素量と最終的に目標と
する焼結体の熱伝導率により適宜調製することができ
る。例えば、原料粉末中に存在する酸素量が0.5〜1.5wt
%、目標とする熱伝導率が170〜200W/m・Kの場合、炭素含
有物質の添加量は炭素量に換算して0.5〜1.5wt%が適当
である。
は、窒素カ゛スを含む非酸化性雰囲気とする。非酸化性雰
囲気は、CO2、H2カ゛スおよびC(カ゛スそして固相)などを、
一種または二種以上存在させることによって作ることが
できる。非酸化性雰囲気、特には還元性雰囲気としてCO
雰囲気とする場合には分圧として0.01×105〜1.5×105P
a程度生成するカ゛スを1200〜1900℃の焼結温度範囲におい
て用いるのがよい。かかるカーホ゛ンカ゛スは焼成中のAlNを還
元し、粒界相を焼結体中より除去することにより窒化アル
ミニウム焼結体をAlN単相化し、その結果として高熱伝導性
のAlN焼結体が得られる。このカーホ゛ンカ゛スにより除去され
る粒界相は(希土類元素)-Al-Oまたは/および(アルカリ土
類元素)-Al-O三元系化合物である。
ホ゛ン製容器とするのが最も簡便である。すなわち焼成用
容器としてはh-BN窒化アルミニウム、アルミナ、Mo製容器を用いる
こともできるが、本発明においては焼成中にカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器を用いることもでき、そのようにす
ることが本発明の目的からは好ましい。このカーホ゛ンカ゛ス雰
囲気を作り出す容器としては、容器全体がカーホ゛ン製の
物、容器全体がカーホ゛ン製で試料を設置する箇所にAlN板、
BN板、W板等を敷いた物、窒化アルミニウム製の容器で上部蓋
がカーホ゛ン製の物等を適用することができる。
度につき説明する。焼結時間および焼結温度は使用する
AlN原料粉末の粒径、酸素量および焼結助剤種により異
なる。
においては第1段焼結では1200〜1900℃で昇温速度を0.5
〜10.0℃/minとするのが良い。0.5℃/min未満では焼結
時間が長くなりすぎ、また10.0℃/minを越えると還元が
充分に行われないからである。この第1段階の焼結では
原料粉末表面の酸素が粒界相にトラッフ゜された後還元され
る作用が進行する。特に希土類元素化合物を焼結助剤と
して用いた場合には、最初から高温で焼結する場合には
(希土類元素)-N化合物が生成して焼結体中に残存し、
熱伝導率低下の原因となる。また、アルカリ土類元素化合物
を焼結助剤として用いた場合には、最初から高温で焼結
するとアルカリ土類元素が揮散する結果としてAlN成形体は
緻密化しない。
00〜2100℃で0.5時間以上、好ましくは2時間以上焼結す
るのが良い。焼結時間が0.5時間未満では緻密化、粒界
相除去および粒成長による高熱伝導率化が充分進行せ
ず、高熱伝導率のAlN焼結体を得ることはできない。
法により得られたAlN焼結体の特性及び組織について測
定・分析した結果、多結晶体としては非常に高い170w
/mK以上の熱伝導率構成相はAlN結晶粒のみあるいはAl
N結晶粒と希土類およびアルカリ土類酸化物であり、他の相
は観察されない。ことが判明した。本発明の製造方法に
より得られる窒化アルミニウム焼結体の最終的な不純物酸素は
2.0wt%以下とするのが好ましい。それを超えて不純物酸
素が含有される場合には、均一な熱伝導率向上という本
発明の目的に対する悪影響が生じる。
れる窒化アルミニウム焼結体につき均一な高熱伝導率の達成さ
れる要因につき説明する。本発明によれば希土類および
/またはアルカリ土類元素化合物を焼結助剤として添加する
ことによって、不純物酸素が(希土類元素)-Al-Oおよ
び/または(アルカリ土類元素)-Al-O系化合物等の形でAlN
結晶粒界に固定され、AlN格子中への酸素の固溶が防止
される結果として、Alの酸窒化物(AlON)、AlNのホ゜リタイフ
゜(27R型)の生成を防止される。この様に低熱伝導率化の
原因が抑制されることが高熱伝導率化の一因となる。
えば希土類元素としてYを選んだ場合3Y2O3、Al2O3、Y2O
3・Al2O3、2Y2O3・Al2O3、Y2O5等の化合物が、アルカリ土類元
素としてCaを選んだ場合、1CaO・6Al2O3、1CaO・2Al2O3、
1CaO・1Al2O3、CaOなどの化合物が生成する。次いでそれ
以降の焼結過程で、被焼結体に均一に分散する炭素(C)
が被焼結体全域に渡り粒界相を均一に還元し、粒界相が
徐々に除去される。その結果、粒界相は焼結体の系外へ
と移動し、焼結体はAlN単相となると共に均一に熱伝導
率が上昇する。すなわち、被焼結体の外側の雰囲気がカー
ホ゛ン雰囲気として寄与して最表面の複合酸化物が還元窒
化反応により除去され複合酸化物の濃度勾配が生じ、そ
れが駆動力となり、内部の複合酸化物が表面へ移動する
という従来の窒化アルミニウムの製造方法のメカニス゛ムとは異な
り、本発明では特に焼結前に被焼結体に炭素(C)が均一
に分散・混合され、被焼結体の内部も含め、被焼結体全
体として複合酸化物の還元窒化反応がほぼ均一に進行す
るので、焼結体全体として均一に高い熱伝導率が達成さ
れる。またそのため長時間の焼成は必要なく、比較的短
時間でも焼結体のAlN粒子が成長し、熱抵抗となる粒界
数が減少し、工業的に適用可能な短時間の処理で窒化アル
ミニウムの熱伝導率を均一に向上させることができる。
体的に説明する。
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化イットリウム(Y
2O3)5.7重量%添加し、さらにカーホ゛ン粉末0.6重量%を添加
した。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、フ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって100×100×15mmの直
方形状の圧粉体に成形した。この成形体は図1に示すよ
うに直径10mmの球体1を少なくとも一部に包含し得る幾
何形状を外形として有する成形体2である。さらにこの
成形体2からハ゛インタ゛ーを除去して得た被焼結体をBN製容器
に収容し、次の条件で常圧焼結した。 (1)焼結温度・昇温速度・焼結時間 (2)焼結雰囲気 窒素カ゛ス−1気圧中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.02wt%、酸素量を
1.5wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、炭素含有量、酸素含有量、熱伝導率を測定した。
熱伝導率測定にあったっては前記球体1の中心点に相当
する位置Aの熱伝導率と前記球体1の外部の任意の点に相
当する位置Bの熱伝導率とを測定し、その比を求めた。
以上の結果を表1に示す。また、球体1の焼結体における
中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
ロシウム元素の重量換算)を添加した他は実施例1と同様に
して焼結体を得、実施例1と同様にして焼結体の特性を
評価した。その結果を表1に示す。また、球体1の中心か
らの距離と熱伝導率との関係を図5に示す。
例1と同様にして焼結体を得、実施例1と同様にして焼結
体の特性を評価した。その結果を表1に示す。
0.03wt%、酸素量を1.7wt%とした他は実施例1と同様にし
て焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様
にして特性を評価した。その結果を表1に示す。
を0.5℃/minとした他は実施例1と同様にして焼結体を製
造した。その焼結体につき実施例1と同様にして特性を
評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
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焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
焼結体を製造した。その焼結体につき実施例1と同様に
して特性を評価した。その結果を表1に示す。
部に包含し得る幾何形状を外形として有する成形体とし
て20×20×20mmの成形体3を形成して焼結した他は実施
例1と同様にして焼結体を製造した。その焼結体につき
実施例1と同様にして特性を評価した。その結果を表1に
示す。
μmの窒化アルミニウム粉末に焼結助剤として、 酸化シ゛スフ゜ロシウ
ム(Dy2O3)5.7重量%添加(シ゛スフ゜ロシウム元素の重量換算)し
た。この混合粉末をホ゛ールミルで混合、造粒した後、成形し
た。成形にあたっては炭素含有有機樹脂系ハ゛インタ゛ーを炭
素分量に換算して0.8重量%添加して造粒し、さらにフ゜レス
成形(1000kg/cm2)することによって図1に示される100×
100×15mmの直方形状の圧粉体2に成形した。さらにこの
成形体から炭素以外のハ゛インタ゛ーをN2中にて除去して得た
被焼結体をカーホ゛ン製容器に収容し、次の条件で常圧焼結
した。 (1)焼結温度・昇温速度・焼結時間 第1段階焼結−1200から1800℃(液相生成温度以下) 昇温速度1℃/min 第2段階焼結−1950℃(液相生成温度以上)の温度1h (2)焼結雰囲気 COカ゛ス 分圧−0.2×105Pa中 窒素カ゛ス 分圧−1.8×105Pa中 以上の焼結により最終的な炭素量を0.03wt%、酸素量を
1.6wt%まで減少した焼結体を得た。得られた焼結体を分
析し、酸素含有量、密度、粒径、熱伝導率を測定した。
作製した成形体をカーホ゛ン製容器からなる還元雰囲気中で
焼結した。得られた焼結体につき実施例1と同様にして
特性を調査した結果を表1に示す。また、球体1の焼結体
の中心からの距離と熱伝導率との関係を図4に示す。
作製した成形体を還元雰囲気中で焼結した。得られた焼
結体につき実施例2と同様にして特性を調査した結果を
表1に示す。また、球体1の中心からの距離と熱伝導率と
の関係を図5に示す。
ることなく焼結温度範囲を0〜2000℃とすると共に、昇
温速度を5℃/minとして1段階で焼結した他は実施例1と
同様にして窒化アルミニウム焼結体を製造した。得られた焼結
体につき実施例1と同様にして特性を調査した結果を表1
に示す。
た焼結体の特性を示す表1からわかるように、実施例の
焼結体はいずれも熱伝導率が170以上であり、特に図1、
図2に示される前記球体の中心点に相当する位置Aの熱
伝導率と前記球体の外部の任意の点に相当する位置Bの
熱伝導率との比が0.85以上であることが確認される。一
方、比較例1、2、3の焼結体は図1、図2に示される前記
球体の中心点に相当する位置Aの熱伝導率と前記球体の
外部の任意の点に相当する位置Bの熱伝導率との比が0.
85未満であり、焼結体各部における熱伝導率が不均一で
あることが確認される。この点については特に図4、5に
示されるように実施例1および実施例2の焼結体では前記
球体1の中心部からの距離が大きくなっても熱伝導率は
ほぼ均一に高い数値を示すのに対し、比較例1、2の焼結
体では球体1の中心部における熱伝導率が低く、中心部
からの距離が大きくなるに従い、熱伝導率が増加する傾
向を示し、焼結体の中心部と外側部とでは熱伝導率が不
均一であり、特に中心部の熱伝導率が低いことがわか
る。また、カーホ゛ン無添加であっても、直径10mmの球体を
内部に包含し得ない幾何形状を外形として有する焼結体
は、その内部の熱伝導率と外部の熱伝導率との比が0.85
以上であり、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は特
に直径10mmの球体を内部に包含し得る幾何形状を外形と
して有する大型焼結体を得る方法として有効であること
がわかる。
ウム焼結体の製造方法によれば、特性が均一で、かつ高熱
伝導性のAlNが得られる。また本発明の窒化アルミニウム焼結
体によれば、直径10mmの球体を少なくとも一部に包含し
得る3次元形状を外形として有する大型窒化アルミニウム焼結
体の前記球体の中心点に相当する位置の熱伝導率と前記
球体の外部の任意の点に相当する位置の熱伝導率との比
が0.85以上であることから、強い放熱機能を発揮すると
共に、かかる大型焼結体を切断して使用に供した場合
も、個々の切断片につき熱伝導率等の特性の不均一とい
う問題が生じないという極めて優れた効果が奏される。
図である。
視図である。
とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。
体とで熱伝導率の均一性を対比して示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 窒化アルミニウムと炭素(C)および/
または炭素含有物と希土類および/またはアルカリ土類
化合物とを混合し、その混合粉を成形体として直径10
mmの球体を内包する外形に成形し、液相生成温度以下
の温度で第1段階の焼結を行い、さらに液相生成温度以
上の温度で第2段階の焼結を行うことを特徴とする窒化
アルミニウム焼結体の製造方法。 - 【請求項2】 直径10mmの球体を内包する外形であ
る窒化アルミニウム焼結体において、任意焼結体断面の
任意位置の熱伝導率比が任意二点間において0.85以
上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。 - 【請求項3】 熱伝導率が170w/m・k以上である
請求項2に記載した窒化アルミニウム焼結体。 - 【請求項4】 焼結を非酸化性雰囲気中で行う請求項1
に記載した窒化アルミニウム焼結体の製造方法。 - 【請求項5】 第1段階の焼結温度を1200〜190
0℃とすると共に、第2段階の焼結温度を1800〜2
100℃とする請求項1に記載した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 |
---|---|---|---|
JP04081628A JP3141505B2 (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04081628A JP3141505B2 (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0912370A JPH0912370A (ja) | 1997-01-14 |
JP3141505B2 true JP3141505B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=13751602
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP04081628A Expired - Lifetime JP3141505B2 (ja) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3141505B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2703564C1 (ru) * | 2018-09-18 | 2019-10-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" | Композитный контактный провод |
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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 |
JP5031147B2 (ja) * | 2001-03-29 | 2012-09-19 | 電気化学工業株式会社 | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
-
1992
- 1992-03-03 JP JP04081628A patent/JP3141505B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
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RU2703564C1 (ru) * | 2018-09-18 | 2019-10-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" | Композитный контактный провод |
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