JP2666942C - - Google Patents

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１
７００〜１９００℃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、Ａｌ
Ｎ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
てより低い焼結温度（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） 本発明に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、希土類元素酸化物およびアルカリ土類元素酸化物を希土類元素
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、Ｌ
ｓ、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粉末に希土類元素酸化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。 前記アルカリ元素酸化物としては、例えばＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの酸化物を
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。 前記希土類元素酸化物としては、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酸化物は、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酸化物のＡｌＮ粉末に対する添加割
合は重量比にてＬｎ／（Ｌｎ＋Ｒ）が０．５を越え、０．９以下にすることによ
り、後述する成形、１６００℃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Ｙ
₂Ｏ₃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ＹＡｌＯ
₃やＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂とＣａＹＡｌＯ₄やＣａＹＡｌＯ系未知相（ＣａＹＡｌ₃Ｏ₇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ニ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、
希土類元素酸化物およびアルカリ土類元素酸化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３
０ｃｍ×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、Ｃ
ａＯ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、Ｃ
ａＯ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Ｃ
ａＹＡｌ₃Ｏ₇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Ａｌ
Ｎ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１１〜２２） 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、Ｃ
ａＯ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酸化物およびアルカリ土
類元素酸化物としてＹ₂Ｏ₃、ＣａＣＯ₃以外のものを用い、１６００℃以下の焼
結した実施例１１〜２７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１
６００℃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＋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／ （Ｙ₂
Ｏ₃＋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、ＣａＣ
Ｏ₃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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 窒化アルミニウムを主成分とし、希土類元素酸化物およびアルカリ土類元素酸
   化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１６０
   ０℃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。