JPS6110071A

JPS6110071A - 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体

Info

Publication number: JPS6110071A
Application number: JP59128756A
Authority: JP
Inventors: 和夫篠崎; 加曽利　光男; 高野　武士; 今川　宏; 安斎　和雄; 柘植　章彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-06-22
Filing date: 1984-06-22
Publication date: 1986-01-17

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〕本発明は高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

窒化アルミニウム（ＡＪＱＪ）は常温から高温までの強
度が高く（焼結体の曲げ強さは通常５０に２／１１１２
以上）、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板材料としても有望視されてい
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は
焼結体として用いられる。

ところで、ＡＩＮ焼結体は従来より常圧焼結法、ホット
プレス法によシ製造されている。ホットプレス法では、
ＡＩＮ単独又は助剤が添加されたＡＡ’Ｎを用い、高温
高圧下にて焼結する。しかしながら、ホットプレス法で
は複雑な形状の焼結体の製造が難しく、しかも生産性が
低く、コスト高となる。

これに対し、常圧焼結法では高密度化の目的で、酸化ケ
イ素などを焼結助剤として添加する。

かかる常圧焼結法ではホットプレス法のような問題を解
消できるものの、得られたＡＩＮ焼結体の熱伝導率はＡ
ＩＮの理論熱伝導率が３２０　Ｗ／ｍ−にであるのに対
し、高々４０　Ｗ／ｍ・Ｋと低い。なお、ホットプレス
法で造られたＡ／Ｎ焼結体のうち助剤が添加されたＡＪ
Ｎを原料とするものも、熱伝導率が４０　Ｗ／ｒｎ・Ｋ
程度と低い。

〔発明の目的〕

本発明は従来のもの比べて熱伝導率を向上した高熱伝導
性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。

〔発明の概要〕

本発明者らは、従来法で製造された助剤が添加されたＡ
ｌＮ焼結体の低熱伝導性について種々検討した結果、こ
の低熱伝導性はＡｌＮ焼結体中の助剤量と共に焼結性に
関与する酸素含有量に起因することを究明した。ＡＩＮ
の原料中には焼結性を高めて緻密なＡＡ’Ｎ焼結体を得
るために、酸素が含まれていることが必要であるが、酸
素量が多くなると、高熱伝導性の阻害要因となることが
わかった。

そこで、本発明者らは上記究明結果を踏えて更に鋭意研
究したところ、酸素を０．００１〜７重量％含む窒化ア
ルミニウムに最終的に酸化物となるアルカリ土類金属及
びその化合物から選ばれる１種以上をアルカリ土類金属
換算で０．００２〜１５重量％混合し、焼結することに
よって、従来の窒化アルミニウム焼結体に比べて熱伝導
率の極めて高い高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を見
い出した。このように本発明の窒化アルミニウム焼結体
が高熱伝導性を示すのは以下に説明する組織となること
によるものと推定される。

アルカリ土類金属またはそれを含む化合物を添加した、
酸素を含むＡＪＮ原料を成形して焼結すると、アルカリ
土類金属がＡＩＮ中の酸素（通常、酸化アルミニウムと
して存在）と反応して、組成式６　Ａｌ２Ｏ，−ＭｅＯ
，２Ａｌ２Ｏ３−Ｍｅｏ　、　３　Ａｌ２Ｏ，−５Ｍｅ
ＯＸＡＡ！２０５　・ＭｅＯ（但し、Ｍｅはアルカリ土
類金属〕の形で表わされるアルカリ土類金属・アルミニ
ウム複合酸化物のうちのいくつかを生成し、この化合物
が焼結を促進すると共に、最終的にＡＩＮの粒界に集ま
シ、ＡｌＮ中の酸素を固定化する。アルカリ土類金属・
アルミニウム複合酸化物のうち、どれが生成するかは窒
化アルミニウム中の酸素量、アルカリ土類金属の添加量
および焼成条件との兼ね合いで決まる。

しかしながら、ＡＪＮ原料原料酸素量が多くなると、ア
ルカリ土類金属・アルミニウム複合酸化物として取り込
みきれない酸素が存在することになり、その酸素がＡＩ
Ｎ粒子に固溶拡散する。

絶縁体の熱伝導率は弾性波（フォノン）の拡散によって
支配されるが、酸素が固溶拡散したＡＩＮ粒子を含むＡ
ｌＮ焼結体ではフォノンが該固溶拡散された領域で散乱
し、結果として熱伝導性の低下を招く。しかるに、ＡＩ
Ｎ原料原料酸素をアルカリ土類金属の添加量との兼ね合
いで、アルカリ土類金属・アルミニウム複合酸化物を構
成する量に抑えて固定化し、ＡＩＮへの固溶拡散を阻止
することによって、フォノンの散乱が少なくなシ、結果
的には熱伝導性が向上する。

即ち、本発明は酸素を０．００１〜７重量％含む窒化ア
ルミニウムと、最終的に酸化物となるアルカリ土類金属
及びその化合物から選ばれる１種以上をアルカリ土類金
属換算で０．００２〜１５重量％とを混合し、焼結して
なるものである。

上記ＡＩＮ中の酸素量を限定した理由は、その量をｏ、
ｏ　ｏ　ｉ重量％未満にすると、焼結性の高い靭密なＡ
ｌＮ焼結体が得に＜＜、かといってその量が７重量％を
越えると、生成した化合物が粒を包みこむ傾向が強くな
り熱伝導性の低下を招く。また焼結方法として常圧焼結
法を用いる際は前述の酸素含有量を０．０５〜５重量％
、さらには０．０５〜１重量％とする事が望ましく、ホ
ットプレス法を用いる際には０．００１〜３重量％、さ
らには０．００１〜１重量％とする事が望ましい。

上記アルカリ土類金属としては、Ｍｇ、、Ｃａ１Ｓｒ、
　Ｂａを挙げることができ、アルカリ土類金属化合物と
しては酸化物、炭酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、硝酸塩等
を挙げることができる。こうしたアルカリ土類金属等は
１種でもよいし　２種以上の混合物でもよい。かかるア
ルカリ土類金属等の含有割合を上記範囲に限定した理由
は、その量を０．００２重量−未満にすると、焼結性の
高い緻密なＡＪＮ焼結体が得られなくなり、かといって
その量が１５重量−を越えると、ＡｌＮの絶対量が少な
くなり、ＡｌＮ焼結体本来の特性である耐熱性、高強度
性が損なわれるはがシが、熱伝導性も低下する。なお、
これらアルカリ土類金属及びその化合物等の含有にあた
っては、ＡＩＮ原料中の酸素含有量が多いい場合には上
記範囲（０，００２〜１５重量％）内において、多くす
ることが望ましい。また、常圧焼結を採用する場合には
、アルカリ土類金属等の割合を０．１〜１５重量％にす
ることが望ましい。

次に、本発明のＡＩＩＮ焼結体を得るための一製造方法
を説明する。

まず、所定量の酸素を含有するＡＩＮ粉末にアルカリ土
類金属及びその化合物を添加し、ボールミル等を用いて
混合した後、常圧焼結の場合はバインダーを加え、混線
、造粒、整粒を行ない、金型、静水圧プレス或いはシー
ト成形にょシ成形を行なう。つづいて、成形体をＮ２ガ
ス気流中で７００℃前後で加熱してバインダーを除去す
る。次いで、成形体を黒鉛又は窒化アルミニウムの容器
にセットし、Ｎ２ガス雰囲気中にて１６００〜１９００
℃で常圧焼結を行なう。この際、比較的低温（１０００
〜１３００℃）で前述したアルカリ土類金属・アルミニ
ウム複合酸化物が生成され、更に高温で融解し、その液
相焼結機構によって常圧焼結がなされる。

一方、ホットプレス焼結の場合は前記ボールミル等で混
合した原料を１６００〜１９００℃でボットゲレスする
。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の詳細な説明する。

実施例１まず、酸素を３重量％含有する窒化アルミニウム粉末（
平均粒径１μｍ）にシュウ散ストロンチウム粉末（平均
粒径１μｍ）を３重量％添加し、ボールミルを用いて粉
砕、混合を行なって原料を調製した。つづいて、この原
料を直径１０ｍのカーボン型に充填し、圧カ３００ψ−
１温度１８００℃の条件で１時間ホットプレスを行なっ
てＭＮ焼結体を製造した。

比較例１酸素を３重量％含有する窒化アルミニウム粉末（平均粒
径１μｍ）そのものを原料として用いた以外、実施例１
と同様な方法によｆｉ　ＡＩＮ焼結体を製造した。

比較例２酸素を１０重量％含有する窒化アルミニウム粉末（平均
粒径０．９μｍ）にシュウ醗ストロンチウム粉末（平均
粒径１μｍ）を３重量％添加し、ボールミルを用いて粉
砕、混合して原料を調製した。次いで、この原料を用い
て実施例１と同様にホットプレスを行なってＡＩ！Ｎ焼
結体を製造した。

しかして、上記実施例１及び比較例１．２によシ得たＡ
ＪＮ焼結体を夫々的３．５關の厚さに研摩した後、レー
ザフラッシュ法によって室温での熱伝導率を測定した。

その結果、本実施例１のＡＪＮ焼結体では５８　Ｗ／ｉ
ｎ−にであったのに対し、比較例１のＡＪＩＮ焼結体で
は３６　Ｗ／ｉｍ・Ｋ、比較例２のＡＩＮ焼結体では３
２　Ｗ／ｒｎ・Ｋであった。

また、Ｘ線回析で各ＡＡ’Ｎ焼結体の構成相を調べたと
ころ、実施例１のＡＩＮ焼結体ではＡ／Ｎ相及ヒｋ１２
０３−８ｒＯ％　２ｋ１２０．−８ｒＯ相が、比較例１
ではＡＪｉ’Ｎ相以外にかなシの量の酸窒化物相が、比
較例２ではＡｌＮ相及びＡｌ２Ｏ５・Ｓｒ０　、２Ａ１
２０．−８ｒＯ相以外にかな９の量の酸窒化物相が、夫
々検出された。

実施例２シュウ醗ストロンチウム粉末の代９に、炭酸カルシウム
粉末を用いた以外、実施例１と同様に原料を調製し、こ
れをホットプレスしてＡＩＮ焼結体を製造した。

得られたＡＩＮ焼結体を約３．５ｍの厚さに研摩した後
、レーザフラッシュ法によって室温での熱伝導率を測定
したところ、７５　Ｗ／ｉｎ・Ｋと極めて高い熱伝導性
を示した。また、Ｘ線回析でＡ／Ｎ焼結体の組織を調べ
たところ、Ａ７Ｎ相、Ａｚ２ｏ、・ｃａｏ　、　２ＡＪ
ｚＯｓ・ＣａＯ相が検出された。

実施例３〜８酸素を３重量％含有する窒化アルミニウム粉末（平均粒
径０９μｍ）に炭酸カルシウム粉末（平均粒径１μｍ）
を０．１重量％、０．５重量％、１重量％、２重量％、
３重量％及び５重量％添加した後、メールミルを用いて
１０時時間式粉砕、混合して重量が２００９の５種の原
料を調製した。つづいて、これら原料に夫々ノやラフイ
ンを７重量％添加し、造粒した後３００　ｋｇ７ｃｍ２
の圧力で冷間成形して３７ｍＸ３７ｍＸ６ｃｒｎの寸法
の板状体とした。次いで、これら板状体を窒素ガス雰囲
気で２００℃まで加熱し、１０時間保持して脱脂した後
、窒化アルミニウム容器中にセットシ、窒素ガス雰囲気
下にて１８００℃、２時間常圧焼結して６種のＡｌＮ焼
結体を製造した。

得られた各ＡＩ！Ｎ焼結体の密度、並びに熱伝導率を調
べた。その結果を下記第１表に示した。

なお、第１表中には炭酸カルシウムを添加しない窒化ア
ルミニウム粉末そのものを原料とした以外、実施例３と
同様な方法によシ製造したＡｌＮ焼結体について比較例
３として併記した。

第１表また、本実施例３〜７のＡｌＮ焼結体について、Ｘ線回
析によシ組織を調べた。その結果、いずし４　Ａ＃Ｊ相
、６ｋ１２０３−ＣａＯ％　２ＡＡ！２０．−ＣｈＯ％
　３Ａ１２０３　’５ＣａＯ１Ａ１２０．・ＣａＯ相及
び僅かな酸窒化物相が検出されたが、ＣａＣＯ３の添加
量が増すに従って、酸窒化物相が減少し、アルカリ土類
金属・アルミニウム複合酸化物相が増大した。しかも、
同複合酸化物相の中でもＣａ　Ｃ０３の添加量が増すに
従ってＣａＯ／Ａｌｌ　２０５比が大きい酸化物相の割
合が増大する。

実施例９〜１２酸素を１重量％含有する窒化アルミニウム粉末（平均粒
径１μｍ）に平均粒径が１μｍのＭｇＣＯ３、ＣａＣＯ
５，５ｒＣＯ５、ＢａＣＯ５を夫々３重量％添加し、メ
ールミルを用いて湿式粉砕、混合して４種の原料を調製
した。つづいて、これら原料を用いて実施例３と同様な
方法により常圧焼結した。

得られた本実施例９〜１２の各ＡＡ’Ｎ焼結体の熱伝導
率を調べた。その結果を下記第２表に示した。なお、第
２表中には助剤を加えない窒化アルミニウム粉末そのも
のを原料として同一温度でホットプレスしたＡＡ’Ｎ焼
結体について参照例として併記した。

第２表また、本実施例９〜１２の各Ａ７Ｎ焼結体は３．２１１
７ｃｍ３以上の密度を有していた。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明によれば従来のものに比して
熱伝導率が極めて高く、半導体装置の放熱板等に有効な
高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を提供できる。

Claims

【特許請求の範囲】

酸素を０．００１〜７重量％含む窒化アルミニウムと、
最終的に酸化物となるアルカリ土類金属及びその化合物
から選ばれる１種以上をアルカリ土類金属換算で０．０
０２〜１５重量％とを混合し焼結してなる高熱伝導性窒
化アルミニウム焼結体。