JP2666942B2

JP2666942B2 - 窒化アルミニウム焼結体

Info

Publication number: JP2666942B2
Application number: JP63008908A
Authority: JP
Inventors: 光男加曽利; 文雄上野; 昭宏堀口; 章彦柘植
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-01-19
Filing date: 1988-01-19
Publication date: 1997-10-22
Anticipated expiration: 2012-10-22
Also published as: JPH01183469A

Description

【発明の詳細な説明】（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）窒化アルミニウム焼結体（AlN）は常温から高温まだ
高強度性を保持し、かつ溶融金属に濡れず、さらに電気
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、AlN焼結体を放熱性基板に応用することが盛んに
行われている。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まで改良されるに至っている。

ところで、AlN焼結体は通常、AlN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なわれてい
る。しかしながら、AlNは難焼結性物質であるため、常
温焼結法を採用する場合には焼結助材を添加して焼結体
を緻密化することが必要である。AlNの焼結助剤として
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AlN
粉末原料中に不可避的に混入される酸素と反応し、Ｒ−
Al−Ｏ系化合物（R;アルカリ土類元素）やLn−Al−Ｏ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、AlN粉末原料中に含まれる酸素はAl−Ｎ
−Ｏ系化合物を生成したり、AlN粒子内に固溶してAlN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化するた
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AlN粉末原料に添加することに
より確かにAlN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、前記焼結助剤では1700〜1900℃
の高温での焼結が必要である。AlN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、
低コストの観点から極めて重要である。特に、AlN焼結
体を半導体実装基板に応用することを考えると、現在広
く使用されているアルミナ基板との代替が可能になる。
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、前述した従来の課題を解決するためになさ
れたもので、従来に比べてよい低い焼結温度（特に1600
℃以下）で十分に緻密化され、かつ高熱伝導率の窒化ア
ルミニウム焼結体を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段）本発明係わる窒化アルミニウム焼結体（AlN焼結体）
は、窒化アルミニウムを主成分とし、希土類元素化合物
およびアルカリ土類元素化合物を希土類元素がアルカリ
土類元素より多く含むように添加した状態で1600℃以下
の温度にて焼結した時に、副相としてLn−Al−Ｏ系酸化
物（Ln;希土類元素）およびＲ−Ln−Al−Ｏ系酸化物
（R;アルカリ土類元素、Ln;希土類元素）が共存し、密
度が3.11g/cm³以上であることを特徴とする。

前記アルカリ土類元素としては、Mg、Ca、Sr、Baを挙
げることができる。特に、Ca、Sr、Baが好ましい。

前記希土類元素としては、Sc、Ｙ、La、Ce、Sm、Eu、
Tm、Tb、Dy、Nd、Gd、Pr、Ho、Er、Yb等を挙げることが
でき、特にＹ、Ls、Ceが好ましい。

本発明に係わるAlN焼結体におけるAlN結晶粒子の構成
比は、全体の80〜99.99重量％にすることが望ましい。

次に、前述したAlN焼結体を得るための製造方法を詳
細に説明する。

まず、AlN粉末に希土類元素化合物およびアルカリ元
素化合物を希土類元素がアルカリ土類元素より多く含ま
れるように添加した後、ボールミル等を用いて粉砕、混
合して原料を調製する。ただし、焼結法として常圧焼結
法を採用する場合には前記ボールミル等で粉砕、混合し
たものにさらにバインダを加え、混練、造粒、整粒を行
って原料を調製する。

前記AlN粉末としては、酸素が0.01〜７重量％含むも
のを用いることが好ましい。また、前記AlN粉末として
は平均粒径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好ましい。

前記アルカリ元素化合物としては、例えばMg、Ca、S
r、Baの酸化物、フッ化物、炭化物または焼結により酸
化物、フッ化物または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。

前記希土類元素化合物としては、例えばSc、Ｙ、La、
Ce、Sm、Eu、Tm、Tb、Dy、Nd、Gd、Pr、Ho、Er、Ybの酸
化物、フッ化物、炭化物または焼結により酸化物、フッ
化物または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。

前記アルカリ元素化合物および希土類元素化合物は、
前記AlN粉末と同様、平均粒径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好ましい。

前記アルカリ元素化合物と前記希土類元素化合物のAl
N粉末に対する添加割合は重量比にてLn/（Ｌ＋８）が0.
5を越え、0.9以下にすることにより、後述する成形、16
00℃以下での焼結後において副相としてLn−Al−Ｏ系酸
化物およびＲ−Ln−Al−Ｏ系酸化物が共存したAlN焼結
体を製造することが可能になる。すなわち、Ｒ化合物と
してCaOを、Ln化合物としてY₂O₃をそれぞれ用いてAlN粉
末に添加する際、Ｙ、Caが前記重量比を満たす範囲する
ことによって、AlN以外の構成相（副相）として少なく
ともYAlO₃やY₃Al₅O₁₂とCaYAlO₄やCaYAlO系未知相（CaYA
l₃O₇と推定される）とが共存される。

前記アルカリ元素化合物および前記希土類元素化合物
のAlN粉末に対する添加量は、それぞれ酸化物に換算し
て合計量で0.01〜20重量％の範囲にすることが好まし
い。これは、次のような理由によるものである。前記各
化合物の添加量を0.01重量％未満にすると、副相として
Ln−Al−Ｏ系酸化物およびＲ−Ln−Al−Ｏ系酸化物が共
存させることが困難になる。一方、前記各化合物の添加
量が20重量％を越えると耐熱性、機械的強度および熱伝
導率の低下を招く恐れがある。より好ましいアルカリ元
素化合物および希土類元素化合物の添加量は、0.01〜17
重量％である。

次いで、前記バインダを含む原料を金型、静水圧また
はシート成形等の手段より成形した後、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
形体を黒鉛または窒化アルミウムからなる容器にセット
し、N₂ガス雰囲気中にて1600℃以下で常圧焼結を行う。
一方、ホットプレス焼結の場合には、前記ボールミルで
粉砕、混合して調製した原料を前述したのと同様な温度
でホットプレスを行う。

上述した方法により製造されたAlN焼結体は、粉末Ｘ
線回折によりAlN以外の構成相（副相）として少なくと
もLn−Al−Ｏ系酸化物とＲ−Ln−Al−Ｏ系酸化物の共存
が同定される。また、AlN粉末中の酸素量が多く、かつ
前記Ｒ化合物および前記Ln化合物のの添加量が少ない組
成の原料を用いると、前記構成相の他にAl−Ｎ−Ｏ系化
合物が生成される場合がある。

（作用）本発明に係わる窒化アルミニウム焼結体は、窒化アル
ミニウムを主成分とし、希土類元素化合物およびアルカ
リ土類元素化合物を希土類元素がアルカリ土類元素より
多く含むように添加した状態で1600℃以下の温度にて焼
結した時に、副相としてLn−Al−Ｏ系酸化物（Ln;希土
類元素）およびＲ−Ln−Al−Ｏ系酸化物（R;アルカリ土
類元素、Ln;希土類元素）が共存し、密度が3.11g/cm³以
上である。このような窒化アルミニウム焼結体は、緻密
で高強度であると共に、優れた高熱伝導性を有する。

（実施例）以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

（実施例１）先ず、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AlN粉末に平均粒径0.8μｍのY₂O₃およ
びCaCO₃の混合粉末（混合重量比率;Y₂O₃/CaOの換算で3:
1）を３重量％添加し、ボールミルを用いて解粉、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、500kg/cm2の
圧力でプレス成形して約30cm×30cm×8cmの寸法の圧粉
体とした。

次いで、前記圧粉体を窒素ガス雰囲気中、700℃で加
熱してバインダを除去した。つづいて、AlN焼結体から
なる容器内に前記脱脂後の圧粉体を設置した後、1600℃
で２時間常圧焼結することによりAlN焼結体を製造し
た。

（実施例２〜10）原料として下記第１表に示すAlN粉末、添加物である
混合粉末（ただし、CaOはCaCO₃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９種のAlN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AlN粉末、添加物である
混合粉末（ただし、CaOはCaCO₃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６種のAlN焼結体を製造した。

得られた実施例１〜10および比較例１〜６のAlN焼結
体の密度を測定した。また、各AlN焼結体を研削して直
径10mm、厚さ3.5mmの円板を作製し、これらを試験片と
してレーザフラッシュ法により室温での熱伝導率を測定
した、さらに、粉末Ｘ線回折法により各AlN焼結体のAlN
以外の構成相を同定した。これらの結果を下記第１表
（つづき）に示す。なお、第１表（つづき）中の未知相
とはCa−Ｙ−Al−Ｏ系複合酸化物であり、その組成は現
時点ではCaYAl₃O₇と推定される。

また、添加物であるY₂O₃、CaCO₃のCaO/（Y₂O₃＋CaO）
の重量比を変化させた時に得られたAlN焼結体の密度、
熱伝導率の関係を第１図に示す。なお、第１図中の□は
焼結条件を1600℃に設定したAlN焼結体、●は焼結条件
を1700℃に設定したAlN焼結体、○は焼結条件を1800℃
に設定したAlN焼結体、をそれぞれ示す。添加物であるY
₂O₃、CaCO₃のCaO/（Y₂O₃＋CaO）の重量比を変化させ、
焼結温度を1600℃および1800℃に設定することにより得
られた各AlN焼結体におけるAlN以外の構成相を第２図お
よび第３図にそれぞれ示す。なお、第４図には添加物と
してY₂O₃/CaO＝1:1の重量比率のY₂O₃、CaCO₃を用い、こ
れをAlN粉末に３重量％添加し、1800℃で焼結した以
外、実施例１と同様な方法により得られたAlN焼結体の
粉末Ｘ線回折スペクトルを示す。第４図中の○はAlNの
回折ピークを示す。

前記第１表および第１図、第２図から明らかなように
1600℃以下の焼結によりＹ−Al−Ｏ系複合酸化物とCa−
Ｙ−Al−Ｏ系複合酸化物が副相として共存する実施例１
〜10のAlN焼結体は、焼結温度が同温度（1600℃）でCa
−Al−Ｏ系複合酸化物が副相として含む比較例１のAlN
焼結体、焼結温度が同温度（1600℃）でＹ−Al−Ｏ系複
合酸化物が副相として含む比較例４のAlN焼結体に比べ
て密度が3.11g/cm³以上と緻密化され、かつ高い熱伝導
率を有することがわかる。

（実施例11〜27）原料として下記第２表に示すAlN粉末、添加物である
混合粉末（ただし、CaOはCaCO₃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17種のAlN焼結体を製造した。

得られた実施例11〜27のAlN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
導率および粉末Ｘ線回折法によるAlN以外の構成相を同
定した。これらの結果を下記第２表（つづき）に示す。

前記第２表（つづき）から明らかなように希土類元素
化合物およびアルカリ土類元素化合物としてY₂O₃、CaCO
₃以外のものを用い、1600℃以下の焼結した実施例11〜2
7のAlN焼結体は、Ln−Al−Ｏ系複合酸化物（Ln;希土類
元素）とＲ−Ln−Al−Ｏ系複合酸化物（Ln;希土類元
素、R;アルカリ土類元素）が副相として共存し、密度が
3.11g/cm³以上と緻密化され、かつ高い熱伝導率を有す
ることがわかる。

（発明の効果）以上詳述したように本発明によれば、従来に比べてよ
り低い焼結温度（特に1600℃以下）で密度が3.11g/cm³
以上に緻密化され、かつ高い熱伝導率を有し、半導体実
装用基板等に有用な窒化アルミニウム焼結体を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、添加物であるY₂O₃、CaCO₃のCaO/（Y₂O₃＋Ca
O）の重量比を変化させた時に得られたAlN焼結体の密
度、熱伝導率の関係を示す特性図、第２図および第３図
は添加物であるY₂O₃、CaCO₃のCaO/（Y₂O₃＋CaO）の重量
比を変化させ、焼結温度を1600℃および1800℃に設定す
ることにより得られた各AlN焼結体におけるAlN以外の構
成相を示す図、第４図は添加物としてY₂O₃/CaO＝1:1の
重量比率のY₂O₃、CaCO₃を用い、これをAlN粉末に３重量
％添加し、1800℃で焼結して得られたAlN焼結体の粉末
Ｘ線回折スペクトル図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柘植章彦神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭61−201671（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−25278（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウムを主成分とし、希土類元
素化合物およびアルカリ土類元素化合物を希土類元素が
アルカリ土類元素より多く含むように添加した状態で16
00℃以下の温度にて焼結した時に、副相としてLn−Al−
Ｏ系酸化物（Ln;希土類元素）およびＲ−Ln−Al−Ｏ系
酸化物（R;アルカリ土類元素、Ln;希土類元素）が共存
し、密度が3.11g/cm³以上であることを特徴とする窒化
アルミニウム焼結体。