特許 6062912 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6062912

(24)【登録日】2016年12月22日

(45)【発行日】2017年1月18日

(54)【発明の名称】窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/626 20060101AFI20170106BHJP

   C04B 35/581 20060101ALI20170106BHJP

【ＦＩ】

   C04B35/58 104R

   C04B35/58 104D

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-238122(P2014-238122)

(22)【出願日】2014年11月25日

(65)【公開番号】特開2016-98159(P2016-98159A)

(43)【公開日】2016年5月30日

【審査請求日】2014年11月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】591149089

【氏名又は名称】株式会社ＭＡＲＵＷＡ

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】特許業務法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 光隆

(72)【発明者】

【氏名】加藤 大亮

(72)【発明者】

【氏名】平野 洋人

【審査官】 立木 林

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０２９４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１８３０７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３５／５８１

ＷＰＩ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ケイ素化合物、焼結助剤及び添加剤を混合して一次混合物を作製する一次混合工程と、
前記一次混合物を前記窒化アルミニウム原料粉末に混合して原料混合物を作製する二次混合工程と、
前記原料混合物を成形して所定の温度域で焼成する工程と、
を含み、
前記原料混合物は、窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、Ｓｉ元素換算で０．０２５〜０．２重量部のＳｉＯ_２と、酸化物換算で１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３と、酸化物換算で１〜５重量部の部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）とを含有する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】

前記添加剤は、Ｙ_２Ｏ_３を２〜４ｍｏｌ％固溶してなる部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）であることを特徴とする請求項１に記載の窒化アルミニウムの製造方法。

【請求項3】

前記一次混合工程は、所定量の有機溶剤及び分散剤を添加したケイ素化合物、焼結助剤及び添加剤の混合材料を第１混合時間かけて混合することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化アルミニウムの製造方法。

【請求項4】

焼結助剤及び添加剤を混合して一次混合物を作製する一次混合工程と、
前記一次混合物を前記窒化アルミニウム原料粉末に混合して原料混合物を作製する二次混合工程と、
前記原料混合物を成形して所定の温度域で焼成する工程と、
を含み、
前記原料混合物は、窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、酸化物換算で１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３と、酸化物換算で０．５〜５重量部の部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）とを含有することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化アルミニウム焼結体の製品は、優れた熱伝導性及び高い電気絶縁性を有しており、高熱伝導基板用材料として注目されている。該窒化アルミニウム焼結体は、その優れた熱伝導特性により、高熱で動作が不安定となる半導体や電子機器において、例えば、パワートランジスタモジュール基板、発光ダイオード用マウント基板、ＩＣパッケージなどの電子部品の放熱基板として広く利用されている。

【0003】

例えば、特許文献１は、窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法を開示する。特許文献１によれば、原料窒化アルミニウム粉末に添加する焼結助剤や添加剤の種類や添加量を種々変えることにより、放熱特性を損なうことなく機械的強度を高めることができることが知られている。例えば、焼結助剤は、焼結体の緻密化及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）原料粉末中の不純物酸素がＡｌＮ結晶粒子内へ固溶することを防止する。この焼結剤の具体例として、希土類元素（Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｄｙなど）の酸化物、窒化物、アルカリ土類金属（Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）の酸化物等が挙げられ、特に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）が好ましいことが知られている。また、添加剤としてのＳｉ成分は、焼結性を向上させるとともに焼結温度を低下させる効果を有する。そして、該Ｓｉ成分は、焼結助剤と複合添加することにより、焼結体の粒成長を抑止することができ、微細なＡｌＮ結晶組織を形成し、焼結体の構造強度を高めるために添加されることが知られている。さらに、Ｈｆ化合物及びＺｒ化合物は、焼結性をさらに向上させるとともに焼結体表面に発生し易い液相の凝集偏析を抑制し、適正に焼結できる温度範囲を拡大する効果を有することが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３−２０１１７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

窒化アルミニウム焼結体基板は、パワーモジュール等に利用される半導体の回路基板に多く用いられている。近年、モジュールの高出力化、小型化により、単位面積当たりの発熱量は大きくなる傾向にある。このため、セラミック絶縁基板には高い放熱性とともにより高い強度が求められている。例えば、特許文献１の窒化アルミニウム焼結体（例えば、特許文献１の実施例１５）では、高い熱伝導率を有しているが、この熱伝導性を維持したまま、さらなる強度を改善することが望ましい。そして、特許文献１のような組成的アプローチは、過去、多くの実験、研究がなされているが、製造工程を見直すことによって窒化アルミニウム焼結体の特性を改善することはあまり着目されていない。例えば、特許文献１のような従来の製造工程では、窒化アルミニウム原料粉末と、粉末状のケイ素化合物、焼結助剤及び添加剤とが一度にボールミルに投入され、ボールミルで粉砕及び混合される。本発明は、窒化アルミニウム焼結体の原料混合工程に着目し、その特性を改善するものである。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、少なくとも熱伝導性を維持しつつ、より高い強度を有する窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、
ケイ素化合物、焼結助剤、添加剤のうちの少なくとも２つを混合して一次混合物を作製する一次混合工程と、
前記一次混合物を前記窒化アルミニウム原料粉末に混合して原料混合物を作製する二次混合工程と、
前記原料混合物を成形して所定の温度域で焼成する工程と、
を含むことを特徴とする。

【0008】

本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、Ｓｉ元素換算で０．０２５〜０．１５重量部のＳｉＯ_２と、酸化物換算で１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３と、酸化物換算で０．５〜２０重量部の部分安定化ジルコニアと、を含有する原料混合物の成形体を焼成してなる。

【0009】

本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、Ｓｉ元素換算で０．０２５〜０．１５重量部のＳｉＯ_２と、酸化物換算で１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３と、酸化物換算で０．５〜５重量部の部分安定化ジルコニアと、を含有する原料混合物の成形体を焼成してなる窒化アルミニウム焼結体であって、ＺｒＮ粒子が０．４〜４．２ｗｔ％析出していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、従来の原料混合工程と比べて、ケイ素化合物と焼結助剤と添加剤とを混合して一次混合物を作製する一次混合工程を導入したことを特徴とする。そして、上記工程を導入したことにより、従来のように窒化アルミニウム原料粉末、粉末状のケイ素化合物、焼結助剤及び添加剤を一度に投入して混合した窒化アルミニウム焼結体と比べて、少なくとも熱伝導率を維持しつつ、その強度（３点曲げ強度）が改善するという知見が得られた。すなわち、一次混合工程によって、相対的に高重量部の窒化アルミニウム原料粉末に配合する前に、ケイ素化合物と焼結助剤と添加剤とを予め混合することにより、各原料が互いに分散した一次混合物が形成される。そして、ケイ素化合物、焼結助剤及び添加剤が十分に分散した一次混合物を窒化アルミニウム原料粉末に混合させることにより、各原料の分散性を相対的に高めることができる。これにより、窒化アルミニウム原料粉末中に各原料の粒子をより均一に分散させた原料混合物を作製することが可能となる。その結果、窒化アルミニウム焼結体において、材料組成を変更することなく、その強度を相対的に改善することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】従来例（比較例）の窒化アルミニウム焼結体の結晶組織を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像。

【図2】従来例（比較例）の窒化アルミニウム焼結体におけるＺｒ元素分布を示すＥＤＸ分析画像。

【図3】本発明の一実施形態（実施例４）の窒化アルミニウム焼結体の結晶組織を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像。

【図4】本発明の一実施形態（実施例４）の窒化アルミニウム焼結体におけるＺｒ元素分布を示すＥＤＸ分析画像。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本実施形態の窒化アルミニウム焼結体基板は、窒化アルミニウム原料粉末、ケイ素化合物、焼結助剤及び添加剤を準備する第１工程と、所定量のケイ素化合物、焼結助剤及び添加剤を窒化アルミニウム原料粉末に混合して原料混合物を作製する第２工程と、原料混合物を成形して所定の温度域で焼成する第３工程とを経て製造される。

【0013】

本実施形態では、ケイ素化合物は、粒径１０〜１５ｎｍのＳｉＯ_２の微粒子である。しかしながら、ケイ素化合物の粒径は、溶媒に分散可能であれば任意に変更可能である。そして、該ＳｉＯ_２の微粒子は、安定的に溶媒に分散可能な範囲として、１０ｎｍ〜１００ｎｍの粒径を有することが好ましい。そして、本実施形態のシリカゾルのシリカ固形分の濃度は３０％である。しかしながら、添加時に凝集、沈降することがなければ、その濃度を任意に変更可能である。

【0014】

該ケイ素化合物の分散溶媒は、好適には、エタノール、イソプロピルアルコール又はトルエンから選択される１種又はこれらの混合物である。しかしながら、本発明は上記溶媒に限定されず、例えば、メタノール、ジメチルアセトアミド、エチレングリコール、エチレングリコールモノｎ―プロピルエーテル（ＮＰＧ）、プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭ）、酢酸エチル（ＥＡＣ）、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＭＡ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）及びメチルイソブチルケトンからなる群から選択される少なくとも１種であってもよい。

【0015】

また、ケイ素化合物は、ＳｉＯ_２、アモルファスＳｉＯ_２、シリコンアルコキシドの加水分解物からなる群から選択される少なくとも１種であってもよい。

【0016】

すなわち、上記コロイド状ケイ素化合物において、粒子径や粒子形状、液性、粘度、分散溶媒の種類は任意に選択可能である。

【0017】

次に、窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部としてＳｉ換算で添加するＳｉの重量部を決定し、当該重量部に基づいてＳｉ源としてのコロイド状ケイ素化合物の添加量を算定する。

【0018】

そして、適量の窒化アルミニウム原料粉末とともに、適量の焼結助剤の粉末と、適量の添加剤の粉末とを準備する。窒化アルミニウム原料粉末は、金属不純物が少なく、酸素含有量が低い高純度微粉末であることが好ましい。焼結助剤は、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＣａＯからなる群から選択される少なくとも１種である。また、添加剤は、ＺｒＯ_２又は部分安定化ジルコニアを用いる。該添加剤は、好ましくは部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）である。部分安定化ジルコニアを添加することにより、通常のＺｒＯ_２の添加と比べて、強度が向上するという知見が得られている。これら焼結助剤及び添加剤は、窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部として、酸化物換算で添加量が定められる。なお、上記酸化物は、窒化物等の形態で添加されてもよい。

【0019】

続いて、第２工程において、ケイ素化合物と焼結助剤及び添加剤とを窒化アルミニウム原料粉末に混合して原料混合物を作製する。該第２工程は、ケイ素化合物（好ましくはシリカゾル）と焼結助剤と添加剤とを混合して一次混合物を作製する一次混合工程と、該一次混合物を窒化アルミニウム原料粉末に混合（又は粉砕混合）して原料混合物を作製する二次混合工程とから構成される。この混合工程（一次及び二次混合工程）では、例えばボールミル等の粉砕混合機に各材料が投入され、有機溶剤、分散剤及び／又は有機バインダー等が任意に加えられ、所定の時間をかけて混合材料が粉砕及び混合される。

【0020】

一次混合工程では、ケイ素化合物（シリカゾル）、焼結助剤及び添加剤の混合材料に所定量の有機溶剤及び分散剤を添加し、該混合材料を第１混合時間かけて粉砕及び混合する。有機溶剤は、例えばトルエン、エタノール、ブタノールを所定の割合で調合した溶剤である。その有機溶剤の分量は、窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部として１０〜２０重量部程度である。また、分散剤は、例えば、微量のリン系界面活性剤である。しかし、これら有機溶剤及び分散剤は任意に選択可能である。

【0021】

この第１混合時間は、使用する混合機の能力によって適正な混合時間が変化するが、おおむね０．５〜３時間であることが好ましい。第１混合時間が０．５時間未満であると、一次混合物における各原料の分散及び混合が不十分であり、所望の特性を有する窒化アルミニウム焼結体を得られない。他方、一次混合時間が３時間より長くなると、各原料の粒子が粉砕されすぎて、同様に所望の特性を有する窒化アルミニウム焼結体を得られない。

【0022】

そして、一次混合物が得られた後、ボールミルに所定量の窒化アルミニウム原料粉末を投入して二次混合工程を行う。該二次混合工程は、所定量の有機溶剤を加えて一次混合物と窒化アルミニウム原料粉末とを第２混合時間かけて混合する第１段階と、該第１段階で混合された所定量の混合材料にバインダー及び可塑剤を加えて、一次混合物と窒化アルミニウム原料粉末とを第３混合時間かけて混合する第２段階とを含み得る。

【0023】

第１段階において、有機溶剤は、例えばトルエン、エタノールを所定の割合で調合した溶剤である。その有機溶剤の分量は、窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部として１０〜２０重量部程度である。そして、第２混合時間は、１２〜２４時間であることが好ましい。

【0024】

第２段階において、有機溶剤は、例えばトルエン、エタノールを所定割合で追加した溶剤である。その有機溶剤の追加分量は、窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部として１０〜１５重量部程度である。また、バインダーは、例えばポリビニルブチラール樹脂（積水化学工業（株）製 ＢＭ−Ｓ）を用いる。その添加量は、窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部として５〜１０重量部程度である。可塑剤は、例えばフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）を用いる。その添加量は、窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部として１〜５重量部程度である。そして、第３混合時間は、１２〜２４時間であることが好ましい。なお、これらバインダー及び可塑剤は、同様の作用又は性質を有するものであれば、任意に選択可能である。

【0025】

上述のような第２工程によって、各原料が十分に分散及び混合したスラリー状の原料混合物が得られる。そして、第３工程において、得られた原料混合物を、押出成形法、鋳込成形法、ドクターブレード成形法等の手段により所定の形状に成形する。

【0026】

上記成形した成形体は、真空中又は非酸化性雰囲気（例えば窒素ガス）中で４００〜８００℃に加熱され、５〜１０時間かけて添加したバインダーが脱脂除去される。そして、脱脂処理された成形体は、窒素ガス雰囲気中で１７００〜１８００℃で３〜１０時間かけて焼成される。このとき、Ｓｉ成分が添加されていることにより、１７００℃程度の比較的低い温度で焼結することが可能となる。このようにして、窒化アルミニウム焼結体の基板が得られる。

【0027】

そして、窒化アルミニウム焼結体を熱伝導率測定、曲げ強度測定、Ｘ線回折による結晶相同定及び微構造観察することにより、窒化アルミニウム焼結体の特性の評価を行った。

【実施例】

【0028】

以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例によって限定解釈されるものではない。

【0029】

実施例１〜２４に係る窒化アルミニウム焼結体は以下の手順の一部又は全部を実施することによって生成された。

【0030】

（１）所定量の窒化アルミニウム原料粉末を準備した。該窒化アルミニウム原料粉末は、平均粒径約１．１μｍ、比表面積２．６ｍ^２／ｇのものを採用した。（実施例１〜２４）

【0031】

（２）コロイド状ケイ素化合物として所定量のシリカゾルを準備した。適量のシリカゾルは、窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部としたＳｉ元素換算の添加量に基づいて準備された。該シリカゾルは、粒径１０〜１５ｎｍのＳｉＯ_２の微粒子であり、分散溶媒がＩＰＡであり、且つ、シリカ固形分濃度が３０％の分散液（日産化学工業（株）製のオルガノシリカゾル）を採用した。（実施例８〜２２）
他方、実施例２３では、Ｓｉ源として純度９９．８％、粒径１．２μｍのシリカ粉末を準備した。

【0032】

（３）焼結助剤として、高純度の酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）の粉末を準備した。焼結助剤の添加量は、１〜１０重量部とするのが好適である。本実施例では、添加剤の効果をより正確に理解するため、すべて５重量部で一定とした。（実施例１〜２４）

【0033】

（４）任意の添加剤として、ＺｒＯ_２粉末と部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）粉末を準備した。該部分安定化ジルコニアは、ＺｒＯ_２にＹ_２Ｏ_３を２〜４ｍｏｌ％固溶させたものが好適に用いられるが、本実施例では３ｍｏｌ％固溶させた原料を用いた。ＰＳＺ中のＹ_２Ｏ_３はＡｌＮの重量と比べて極めて微量であるので無視することができる。（実施例１〜７，１３〜２２，２４）

【0034】

（５）上記原料を窒化アルミニウム原料粉末を１００重量部として、適量の各原料を添加して原料組成物を調製した。（実施例１〜２４）

【0035】

（６）ボールミルに各原料を段階的に投入し、表１の条件で一次混合工程、二次混合工程（第１段階、第２段階）を行った。（実施例１〜２４）

【0036】

【表1】

【0037】

（７）原料混合物をドクターブレード法によってシート状に成形し、金型（パンチング）によって所望の形状に形成した。（実施例１〜２４）

【0038】

（８）原料混合物のシート成形体を敷粉塗布し、積層して、真空中で７時間、５５０℃で加熱して脱脂処理し、続けて、窒素ガス雰囲気中で５時間、１７００〜１８００℃で加熱して焼成した。（実施例１〜２４）

【0039】

比較例１に係る窒化アルミニウム焼結体は、表１の一次混合工程を省略し、二次混合工程（第１段階、第２段階）のみを実施したものである。これ以外の工程は、実施例４に係る窒化アルミニウム焼結体の製法と同様である。

【0040】

実施例１〜２４及び比較例１の窒化アルミニウム焼結体に関し、以下の方法で特性Ａ〜Ｃの評価がなされた。

【0041】

Ａ．曲げ強度
曲げ強度測定の測定方法には、３点曲げ試験が採用された。評価用の窒化アルミニウム焼結体は、６３ｍｍ×２０ｍｍ×０．３２ｍｍｔの試験片を用いた。測定装置は、（株）島津製作所製の型式ＡＧ−ＩＳであり、その測定条件を測定数２０ｐｃｓ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分、支点間距離３０ｍｍとし、その平均値を求めた。

【0042】

Ｂ．熱伝導率
熱伝導率の測定方法には、レーザーフラッシュ法が採用された。窒化アルミニウム焼結体の試験片は、２５ｍｍ×２５ｍｍの大きさの試験片を用いた。測定装置は、アルバック理工（株）製の型式ＴＣ−７０００であり、その測定条件を測定数２ｐｃｓとし、その平均値を求めた。

【0043】

Ｃ．結晶相同定（ＺｒＮ生成量）
結晶相同定には、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折法が採用された。窒化アルミニウム焼結体を乳鉢で粉砕し、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさのホルダーに埋設し測定した。そして、ＺｒＮ生成量は、測定したＸ線回折で検出されたピーク強度（面積）に基づいてＷＰＰＦ法で算定された。測定装置は、（株）リガク製の型式ＵｌｔｉｍａＩＶを用い、測定数１ｐｃｓとした。

【0044】

各実施例の窒化アルミニウム焼結体の特性Ａ〜Ｃ（測定結果）を以下の表２に示した。なお、原料混合物の配合量は、窒化アルミニウム原料粉末（ＡｌＮ）を１００重量部に対して、酸化物換算したＹ_２Ｏ_３の重量部、酸化物換算したＺｒＯ_２の重量部、及び、Ｓｉ元素換算したケイ素化合物の重量部として示した。

【0045】

【表2】

【0046】

実施例４は、１００重量部のＡｌＮに対して、５重量部のＹ_２Ｏ_３と、２重量部のＺｒＯ_２を添加したものである。そして、実施例４（一次混合工程有り）と比較例１（一次混合工程無し）とは、配合量の点では同じであるが、一次混合工程の有無の点で相違する。そして、実施例４では、強度が５８０ＭＰａであり、且つ、熱伝導率が１４９Ｗ／ｍＫであるのに対し、比較例では、強度が４９３ＭＰａであり、且つ、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫである。すなわち、実施例４では、比較例と比較して、熱伝導率を維持しつつ、約９０ＭPａ（約１８％）の強度が向上している。したがって、一次混合工程を導入することにより、熱伝導率が低下することなく強度が改善することが確認された。

【0047】

また、実施例４（添加剤としてＰＳＺ）と実施例２４（添加剤としてＺｒＯ_２）とは、配合量の点では同じであるが、添加剤として用いたＺｒＯ_２に固溶しているＹ_２Ｏ_３の有無の点で相違する。実施例４では、強度が５８０ＭＰａであり、且つ、熱伝導率が１４９Ｗ／ｍＫであるのに対し、実施例２４では、強度が５０７ＭＰａであり、且つ、熱伝導率が１４８Ｗ／ｍＫである。すなわち、実施例４では、実施例２４と比較して、熱伝導率を維持しつつ、約７３ＭＰａ（約１４％）の強度が向上している。したがって、添加剤として部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）を採用することにより、熱伝導率が低下することなく強度が改善することが確認された。

【0048】

図１は、比較例１に係る窒化アルミニウム焼結体のＳＥＭによる表面観察（倍率８０００）の結果を示し、図２はそのＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）における分析結果（輝点がＺｒ元素）を示している。なお、表面解析及びＥＤＸ分析は（株）日立ハイテクノロジーズ製の型式Ｓ−３４００Ｎで行われた。図３は、実施例４に係る窒化アルミニウム焼結体のＳＥＭによる表面観察（倍率８０００）の結果を示している。図４はそのＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）における分析結果（輝点がＺｒ元素）を示している。なお、図１及び図３のＳＥＭ画像において、矢印で指した粒子又は塊がＺｒＮであることがＸ線回折による結晶相同定及びＥＤＸ分析により判明している。

【0049】

図１及び図２によれば、従来製法による比較例の窒化アルミニウム焼結体では、ＺｒＮが均一に分散せずに１．５μｍ以上の大きな塊となって存在していることが分かる。他方、図３及び図４によれば、一次混合工程を導入した窒化アルミニウム焼結体（実施例４）では、比較例と比べて、ＺｒＮが微小粒子として均一に分散しており、その粒径は０．１〜０．８μｍ程度であることが分かる。また、ＳＥＭ画像によれば、図１の比較例では、ＺｒＮの塊の存在により、ＡｌＮの粒子同士が部分的に離隔し（粒界のばらつき）、ＡｌＮ結晶粒子が全体として乱雑としている。他方、図３の実施例４では、ＺｒＮの微小粒子が均一に分散しているため、ＡｌＮ粒子間の結晶粒界が狭く、その粒界の幅がほぼ一様であり、ＡｌＮの結晶粒子が全体として規則的に並んでいる。すなわち、図１乃至図４に示すように、一次混合工程を導入することにより、結果物（窒化アルミニウム焼結体）において視認可能な顕著な構造的変化を生じる。その結果、窒化アルミニウム焼結体の強度が大幅に改善することが分かった。

【0050】

しかしながら、このＺｒＮの分散が窒化アルミニウム焼結体の強度改善に寄与する現象について、その原理が未だ解明されていない。

【0051】

実施例１〜７は、Ｓｉを添加せずに、ＺｒＯ_２（ＰＳＺ）配合量を変化させたものである。表２に示すとおり、１００重量部のＡｌＮに対して、ＺｒＯ_２配合量が０．５〜５重量部（実施例４、５）のとき、３点曲げ強度が５５０ＭＰａ以上であり、且つ、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫ以上である。そして、実施例６、７のように、ＺｒＯ_２配合量が５重量部を越えると、強度が上昇するが熱伝導率の低下が顕著となる。すなわち、表２によれば、Ｚｒの配合量は、酸化物換算で０．５〜５重量部であることが好ましい。

【0052】

実施例８〜１２は、ＺｒＯ_２を添加せずに、Ｓｉ（シリカゾル）配合量を変化させたものである。表２に示すとおり、１００重量部のＡｌＮに対して、Ｓｉ配合量がＳｉ元素換算で０．０２５〜０．２重量部（実施例８〜１１）のとき、３点曲げ強度が５４０ＭＰａ以上であり、且つ、熱伝導率が１４０ＭＰａ以上である。そして、実施例１２のように、Ｓｉ配合量が０．５重量部となると、強度の低下が顕著となる。すなわち、表２によれば、Ｓｉ配合量は、０．０２５〜０．２重量部であることが好ましい。

【0053】

実施例１０は、１００重量部のＡｌＮに対して、５重量部のＹ_２Ｏ_３と、Ｓｉ元素換算で０．１重量部のシリカゾル（コロイド状ケイ素化合物）を添加したものである。これに対し、実施例２３は、１００重量部のＡｌＮに対して、５重量部のＹ_２Ｏ_３と、Ｓｉ元素換算で０．１重量部のシリカ粉末を添加したものである。つまり、実施例１２と実施例２３とでは、添加（配合）するＳｉの状態が異なる。そして、実施例１０では、強度が６００ＭＰａであり、且つ、熱伝導率が１４３Ｗ／ｍＫであるのに対し、実施例２３では、強度が５２０ＭＰａであり、且つ、熱伝導率が１２７Ｗ／ｍＫである。すなわち、実施例１０では、実施例２２と比較して、約８０Ｍｐａ（約１５％）の強度が向上し、且つ、約１６Ｗ／ｍＫ（約１３％）の熱伝導率が向上している。したがって、シリカ粉末に代えてシリカゾルを採用することにより、強度及び熱伝導率が改善することが確認された。

【0054】

実施例１３〜２２は、部分安定化ジルコニア及び／又はＳｉ（シリカゾル）配合量を変化させたものである。特に、実施例１３〜２２に係る窒化アルミニウム焼結体は、６５０ＭＰａ以上の３点曲げ強度及び１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を示し、極めて良好な特性を有している。すなわち、窒化アルミニウム焼結体の原料混合物において、ＡｌＮ１００重量部に対して、５重量部のＹ_２Ｏ_３、０．５〜５重量部のＺｒＯ_２、及び、０．０２５〜０．１５重量部のＳｉの配合量が特性の上で好適である。

【0055】

実施例２〜７、１３〜２２及び２４は、ＺｒＮを析出させたものである。特に、実施例１３〜２２に係る窒化アルミニウム焼結体は、６５０ＭＰａ以上の３点曲げ強度及び１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を示し、良好な特性を有している。すなわち、窒化アルミニウム焼結体においてＺｒＮを０．４％〜４．２ｗｔ％析出させたことにより、好適な強度及び熱伝導率が得られることが確認された。

【0056】

さらに、その中でも特に、実施例１５、１７、１９、２０に係る窒化アルミニウム焼結体は、６６０ＭＰａ以上の３点曲げ強度及び１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を示し、極めて良好な特性を有している。すなわち、窒化アルミニウム焼結体の原料混合物において、窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３、２〜３重量部の部分安定化ジルコニア、及び、０．０５〜０．１重量部のＳｉの配合量であり、かつ、窒化アルミニウム焼結体においてＺｒＮ粒子を１．４〜２．５ｗｔ％析出させたことにより、特性の上で最も好適な強度及び熱伝導率が得られることが確認された。

【0057】

本実施形態（実施例１〜２４）の窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法によれば、一次混合工程を導入したことにより、上記工程を導入しない窒化アルミニウム焼結体と比べて、同組成で相対的な強度の改善を実現したものである。

【0058】

なお、上記実施例に含まれない元素や成分に関しても、焼結助剤、添加剤として同様の性質を有していれば、本発明の製造方法による恩恵を受けることが可能であり、本発明の技術範囲内であれば、任意に置換、省略及び／又は追加可能である。

【0059】

本発明は上述した実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に
属する限りにおいて種々の態様で実施しうるものである。
（付記）本明細書は、以下の構成を開示するものである。
構成１．窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、Ｓｉ元素換算で０．０２５〜０．１５重量部のＳｉＯ_２と、酸化物換算で１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３と、酸化物換算で１〜５重量部の部分安定化ジルコニアと、を含有する原料混合物の成形体の焼結体である窒化アルミニウム焼結体。

構成２．窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、Ｓｉ元素換算で０．０２５〜０．１５重量部のＳｉＯ_２と、酸化物換算で１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３と、酸化物換算で１〜５重量部の部分安定化ジルコニアと、を含有する原料混合物の成形体の焼結体であり、ＺｒＮ粒子が０．７〜４．２ｗｔ％析出していることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。

構成３．前記ＺｒＮ粒子が均一に分散して析出していることを特徴とする構成２に記載の窒化アルミニウム焼結体。

構成４．前記ＺｒＮ粒子の平均粒径が、０．１〜０．８μｍであることを特徴とする構成２又は３に記載の窒化アルミニウム焼結体。

構成５．熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ、３点曲げ強度が６５０ＭＰａ以上であることを特徴とする構成１から４のいずれかに記載の窒化アルミニウム焼結体。

構成６．窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、Ｓｉ元素換算で０．０５〜０．１重量部のＳｉＯ_２と、酸化物換算で１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３と、酸化物換算で２〜３重量部の部分安定化ジルコニアと、を含有する原料混合物の成形体の焼結体であり、ＺｒＮ粒子が１．４〜２．５ｗｔ％析出しているとともに、熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、且つ、３点曲げ強度が６６０ＭＰａ以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。

構成７．ケイ素化合物及び焼結助剤を混合して一次混合物を作製する一次混合工程と、
前記一次混合物を前記窒化アルミニウム原料粉末に混合して原料混合物を作製する二次混合工程と、
前記原料混合物を成形して所定の温度域で焼成する工程と、
を含み、
前記原料混合物は、窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、Ｓｉ元素換算で０．０２５〜０．２重量部のＳｉＯ_２と、酸化物換算で１〜１０重量部のＹ_２Ｏ_３とを含有することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】