JPS6217076A

JPS6217076A - 窒化アルミニウム粉末組成物

Info

Publication number: JPS6217076A
Application number: JP60152173A
Authority: JP
Inventors: 正浩伊吹山; 明宮井; 石井　正司; 征彦中島
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1985-07-12
Filing date: 1985-07-12
Publication date: 1987-01-26

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】（産業上の利用分野）この発明は、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体か
らなる高熱伝導セラミックスを展進するための窒化アル
ミニウム粉末組成物に関するものである。

（従来技術とその問題点）近年、電子部品の小型化・高集積化が著しく、それに伴
ってそれらの単位面積当りの発熱量は増加の一途をたど
っている。電子部品にとってこれらの熱をいかにして逃
がすかが設計上の重要なポイントであり、熱伝導率の高
い物質で構成された基板やパッケージの開発が望まれて
いる。

この目的のために、従来から多用されているア　　□ル
ミナ基板忙代わるものとして炭化硅素焼結体や窒化アル
ミニウム焼結体の基板が提案されている。

しかし、炭化硅素は熱伝導率は高いものの電気絶縁性に
劣り、また緻密化するにはホットプレスをしなければな
らず、使用分野が限定されている。

一方、窒化アルミニウム焼結体は、熱伝導率は炭化硅素
に比べて劣るもののアルミナの２〜５倍で　　゛あり、
しかもその電気絶縁性もアルミナ並で、かつ常圧焼結で
緻密化可能なため、汎用性の高い材　　。

料といえる。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
・［窒化アルミニウム粉末は難焼結性物質であるため、
緻密な焼結体を得るには焼結助剤の添加が不　　５可欠
である。従来から焼結助剤としているいろな物質が提案
されている。例えば周期律表第１ｅａ族元素や第１１ａ
族元素の酸化物等があげられる（％公昭５８−４９５１
０号公報、特公昭４８−７４８６号公報）。

これらの焼結助剤を用いる場合、緻密化に最低必要な量
よりも少し多くしたところに最大の熱伝導率を示し、さ
らに多くすると熱伝導率が低下するとされている。例え
ば、Ｙ２Ｏ３（酸化イツトリウム）が約３ｉ量係（窒化
アルミニウム粉末に対して外削）の添加でＩ　Ｑ　Ｑ　
Ｗ　／　ｍ−にの熱伝導率を示すことが記載されている
が（窯業協会昭和５９年年会予稿集第３０１頁）、十分
に満足できる値ではない。しかも、アルミナ基板に比べ
て表面平滑性が劣るという欠点がある。さらには、導体
や抵抗体のパターンを窒化アルミニウム基板に印刷・焼
付けする場合、一般のアルミナ基板用のペーストは使え
ず、密着強度も十分でないという欠点があった。

（問題点を解決するだめの手段）本発明者は、以上の欠点を解決する目的で種々検討した
結果、従来から開示されている焼結助剤量よりも多い添
加量範囲で、優れた熱伝導率と、表面平滑性、導体や抵
抗体との密着性を兼ねそなえた窒化アルミニウム焼結体
が得られることを見い出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、３重ｉｌｌ以下の酸素を含む窒化
アルミニウム粉末に対し、ｌａ族元素及び［１ａ族元素
の酸素を含む化合物から選ばれた少くとも１種の焼結助
剤を５重量係を越え２０１量係以下の割合で含有させて
なることを特徴とする窒化アルミニウム粉末組成物であ
る。

以下、さらに詳しく本発明について説明する。

本発明で使用される窒化アルミニウム粉末は、酸素を３
重量係以下を含むものであって、これよりも酸素量が多
いと焼結助剤の添加量によらず熱伝導率が低下するので
所期の目的を達成することはできない。また、その粒度
は、体積平均径（マイクロトラックで測定）で１０μｍ
以下特に３μｍ以下が好ましく、また、その比表面積は
３．５ｍ”／、ｌｉ＋以上とするのが、焼結時の十分な
緻密化のために望ましい。

以上の窒化アルミニウム粉末としては市販品を必要に応
じて粉砕して用いることができる。市販品は、一般に、
金属アルミニウム窒化法又はアルミナもしくは水酸化ア
ルミニウムのカーボン還元窒化法によって創造されるが
、本発明の目的のためには、前者の方法によって得られ
たものが望ましい。また、少量の不純物の含有は何ら差
支えな（１゜本発明で使用される焼結助剤は、ｌａ族元素及びｌｌａ
族元素の酸素を含む化合物から選ばれた１種以上である
。［ａ族元素の化合物としては、カルシウム、バリウム
、ストロンチウム等の酸化獣炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸
塩などがあげられ、また、ｌ［ａ族元素の化合物として
は、イツトリウム、セリウム、ランタン、ネオジム、サ
マリウム等の酸化物、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩など
をあげることができ、これらから選ばれた１種又は２種
以上を用いることができる。これらの中、焼結助剤の安
定性、入手の容易さ、価格などの点から好ましいものは
、イツトリウム、セリウム、ランタンの酸化物である。

焼結助剤の粒度は、体積平均径（マイクロトラックで測
定）で１０μｍ以下特に３μｍ以下とするのが焼結時の
緻密化のために好ましい。また、粉末組成物中の焼結助
剤の含量は５〜２０重ｔ％好ましくは１０〜１５重量係
である。

焼結助剤の割合が、２０重重量上りも多かったり、また
、５重ｔ１以下であったりすると、高い熱伝導率は得ら
れず、しかも表面平滑性と導体や抵抗体等のパターンの
密着性が劣るようになる。

次に、本発明の窒化アルミニウム粉末組成物を用いて焼
結体を創造する好ましい方法について説明する。窒化ア
ルミニウム粉末と焼結助剤はボールミル等を用いて混合
する。この混合粉末に有機バインダー、例えばポリスチ
レン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、
ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリレート、パラ
フィン等を（必要に応じて溶媒を添加して）、添加・混
合した後成形する。成形方法としては、コールドプレス
成形、テープ成形、押出成形、射出成形等、製品の形状
に応じた方法をとることができる。

次に、成形時に添加した有機バインダーを焼成分解した
後、窒素・アルゴン・ヘリウム等の非酸化性ガス雰囲気
下、温度１６００〜２０００℃望ましくは１，８００〜
１，９５０℃で焼成する。焼結時間は６０分以上、好ま
しくは６０分〜３時間である。

得られた焼結体について、ＨＩＰ　（熱間静水圧プレス
）処理を行なって密度をさらにあげ、熱伝導率及び機械
的強度を向上させることもできる。また、焼結方法とし
て、ホットプレスを用℃・ることモテキる。ホットプレ
スを用いることニヨリ、焼結助剤添加量の広い範囲にお
いて緻密化が容易となり、高熱伝導の実現が容易となる
。

（実施例）以下実施例をあげて具体的に説明する。

実施例１市販の酸化イツトリウム粉末（Ｙ２Ｏ３）　（平均粒径
２μｍ）を第１表に示す割合で市販の窒化アルミニウム
粉末（平均粒径２，５μｍ、酸素含有量１．８重量係）
に添加し、混合粉砕した後、この混合粉末１００重量部
に対して、ポリメチルメタクリレ−）　（ＰＭＭＡ　）
の５重量係トルエン溶液を１５重量部添加し混合した。

このスラリーを直径４０朋厚さ３　＊ｔｔｔの円板状に
５００　ｋｇ／ａｒｔ２でプレス成形し、Ｎ２ガス中温
度４００℃で３時間焼成してＰＭＭＡを分解除去した後
、黒鉛抵抗加熱炉により第１表に示す条件（実験／１６
１〜４）で焼結した。

焼結体の密度と熱伝導率を測定したところ第１表に示す
値が得られた。なお、熱伝導率は１０龍ＯＸ２冨１ｔに
加工した試料をレーデ−フラッシュ熱定数測定装置によ
り測定した。

また表中の相対密度とは焼結体の密度を、焼結体の各原
料粉体の密度と配合比率から計算した見かけ上の理論密
度で割った数値である。

実施例２市販の酸化セリウム粉末（ＣｅＯ２）と窒化アルミニウ
ム粉末を第１表の割合で配合し、混合粉砕した。この混
合粉体１０口重量部に対して、トリクレン／ブタノール
／テトラクロロエチレンが３／１／１重量比の混合溶剤
を７５重量部、ポリビニルブチラールを８重量部、ブチ
ルフタロイルブチルグリコール４重量部を加えてボール
ミルで２０時間混合し、得られたスラリーをドクタープ
レーＰ方式により厚さＩＸＩのシート状に成形した。

このシートを５０ｗＸ５０ｍの寸法に切り取り、６枚積
層して熱圧着した後、５００℃で１時間空気中で加熱し
７、有機物を除去ｔ７た。これをアルゴン雰囲気中で第
１表に記載の条件（実験／１６５〜８）で焼結した。そ
の相対密度及び熱漬率の測定結果を第１表に示す。

実施例３市販の酸化セリウム粉末（Ｃ８０２）と窒化アルミニウ
ム粉末を第１表の実験４９の割合で混合し、ホットプレ
スにより焼結した。その相対密度と熱伝導率を第１表に
示す。

実施例４市販の酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化ネオジム（Ｎ
ｄ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化ユ□
−ロピウム（Ｅ！ｕ２０３　）、酸化イッテルビウム（
Ｙｂ２Ｏ３）粉末を用いて第１表に示す割合で窒化アル
ミニウム粉末に混合した。その他は実施例２と同様にし
て行い、密度及び熱伝導率を測定しもその結果を第１表
に示す（実験４１０〜１８）。

比較例市販の酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ３）又は酸化セリウム
（ＣｅＯ２）を用いた場合の比較例を第１表（実験鷹１
９〜２６）に示す。実験、％２２及び２３に使用した窒
化アルミニウム粉は酸素含有量が６．３重量係である。

その他の条件は実施例１と同様に行った。

実施例５焼結助剤として酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ３）を用い、
窒化アルミニウムに対して５．８１量係を添加し、以下
実施例２と同様の操作釦より焼結体を得た。

その表面粗さは、Ｒ１！ｌａ工で２μｍであり、従来の
５μｍよりも大幅に改善されていることがわかった。ま
た、Ａｇ／　ｐａ導体ペーストを印刷・焼成して、その
付着強度を測定したところ、２龍口　あたり５　ｋｇ／
ａｍ”であり、通常のアルミナ基板との付着強度と同程
度の好結果であった。

（発明の効果）本発明によれば、高熱伝導率を示し、かつ、表面平滑性
と導体や抵抗体等のパターンの密着強度にすぐれた焼結
体を製造することができる窒化アルミニウム粉末組成物
を得ることができる。特に高熱伝導率の付与効果は、従
来は焼結助剤の添加量をできるだけ少量におさえていた
のに対し、高添加で可能とした点で画期的である。

これらの理由忙ついては、定がでないが次のように考え
ている。

窒化アルミニウムに含まれる酸素量に応じて、それらと
化合するに十分な焼結助剤を添加することにより、焼結
体中の窒化アルミニウム粒子同士の界面において、アル
ミナと窒化アルミニウム又は焼結助剤で構成される対称
性の低い結晶構造を持つ化合物が生成するのを防止する
ことができる。

事実、透過型電子顕微鏡観察によれば、本発明の焼結助
剤添加量範囲以下の量しか添加しなかった焼結体中には
、窒化アルミニウム粒子間に多層構造を持つ物質が存在
しており、その組成分析により、Ａｌ２Ｏ３とＡ４Ｎの
化合物や、六方晶の多層構造をとるＣｅ２Ｏ３・ｆＬＡ
７２０３に類似の化合物であると推定された。これらの
化合物の存在が熱伝導率の低下をもたらすものと推定さ
れる。

また、焼結助剤を多量に添加して高熱伝導化した焼結体
の組織を走査屋電子顕微鏡により観察したところ、低添
加の焼結体よりも粒子サイズが小さく、粒成長が抑制さ
れていることがわかった。

これが焼結体の表面平滑性を向上させている原因と考え
られる。

また、導体や抵抗体等の印刷パターンの密着性が、助剤
添加量すなわち焼結体中の酸化物層の量によってかわる
のは、印刷用ペースト中のガラス成分が、窒化アルミニ
ウムよりも窒化アルミニウム粒子間の酸化物層によくな
じむためであると考えられる。従って、一定値以上の密
着強度を得るためには助剤添加量を一定値以上にする必
要がある。

なお、本発明の窒化アルミニウム粉末組成物を用いて製
造された焼結体は、ハイブリッドＸＣ用基板や放熱板等
として有用なものである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）３重量％以下の酸素を含む窒化アルミニウム粉末
に対し、IIａ族元素及びIIIａ族元素の酸素を含む化合
物から選ばれた少くとも１種の焼結助剤を５重量％を越
え２０重量％以下の割合で含有させてなることを特徴と
する窒化アルミニウム粉末組成物。
（２）焼結助剤の含有量が１０〜１５重量％であること
を特徴とする、特許請求範囲第１項に記載の窒化アルミ
ニウム粉末組成物。