(57)【要約】  【課題】  電気絶縁性の材料として、安価で高熱伝導性を有するセラミックス焼結体及びその製造方法を提供する。  【解決手段】  酸化マグネシウム粉末に窒化アルミニウム粉末、焼結助剤、可塑剤および溶剤を混合してなるスラリーからグリーンシートを作製し、そのグリーンシートから成形体を作製し、その成形体を不活性雰囲気下で焼結する。製造された高熱伝導性セラミックス焼結体３は、窒化アルミニウム焼結体４を主成分とするマトリックス相２中に酸化マグネシウム粒子１が分散されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウム粉末に窒化アルミニウム粉末、焼結助剤、可塑剤および溶剤を混合してなるスラリーからグリーンシートを作製し、そのグリーンシートから成形体を作製し、その成形体を不活性雰囲気下で焼結することを特徴とする高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項２】
前記酸化マグネシウム粉末の平均粒径が、１０μｍ以上、１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記酸化マグネシウム粉末の質量が前記酸化マグネシウム粉末と前記窒化アルミニウム粉末の合計質量に対して１０〜９０％であることを特徴とする請求項１または２記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項４】
前記酸化マグネシウム粉末が、疎水化処理を施した酸化マグネシウム粉末であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項５】
窒化アルミニウムを主成分とするマトリックス相中に酸化マグネシウム粒子が分散されてなることを特徴とする高熱伝導性セラミックス焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法、及び、その製造方法によって製造される高熱伝導性セラミックス焼結体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気絶縁性の材料として、酸化アルミニウムを主成分とする材料を焼結したセラミックスが良く知られている。酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスは、化学的な安定性にも優れており、半導体パッケージ等の分野、例えば回路基板用に広範に利用されてきた。
【０００３】
しかし、近年、半導体素子の高集積化や大電力化が進み、これに伴って、酸化アルミニウムを主成分とする従来のセラミックスよりも放熱性の良い電気絶縁材料が要求されるようになった。これに応えて各種の高熱伝導性セラミックス基板が提案され、中でも窒化アルミニウム基板の実用化が進んでいる（特許文献１乃至３）。しかし、窒化アルミニウム基板は、材料価格が高いため、充分に普及しているとはいえないのが現状である。
【０００４】
なお、熱伝導率の高い絶縁性材料としては酸化ベリリウムも知られているが、酸化ベリリウムの粉末は人体に有害であり、製造時や使用時の安全性に問題が残るため、基板の材料として、広く使用されるに至っていない。
【０００５】
これに対して、酸化マグネシウムは、無毒で、廃棄時の環境負荷が小さく、しかも安価であるという利点を有する。また、酸化マグネシウムの熱伝導率（約６０Ｗ／ｍ・Ｋ）は、窒化アルミニウムや酸化ベリリウムには及ばないものの、酸化アルミニウムの約２倍という高い数値である。さらに酸化マグネシウムは、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムよりも遥かに高い耐熱性（融点：２８００℃）を有し、また、酸化アルミニウムの１０倍以上の絶縁耐圧を有し、絶縁特性に優れているという利点を有する。
【０００６】
しかし一方で、酸化マグネシウムは、耐湿性に劣るため、大気中に放置すると、時間の経過と共に表面の絶縁特性が劣化するという欠点を有する。そのため、酸化マグネシウムを主体とするセラミックスの用途は、特殊用途のルツボ、焼成用セッター等に限定され、回路基板用途のセラミックスとしての実用化には至っていない。
【特許文献１】特開平６−３２１６４０号公報
【特許文献２】特開平７−１４９５７２号公報
【特許文献３】特開平７−２６７７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記背景技術に鑑み、本発明は、酸化マグネシウムの上記欠点を克服し、安価で高熱伝導性を有するセラミックス焼結体及びその製造方法を提供することを、解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法は、酸化マグネシウム粉末に窒化アルミニウムの粉末、焼結助剤、可塑剤および溶剤を混合したスラリーからグリーンシートを作製し、そのグリーンシートを成形した後、その成形体を不活性雰囲気下で焼結することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法は、請求項１記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法において、前記酸化マグネシウム粉末の平均粒径が、１０μｍ以上、１０００μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法は、請求項１または２記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法において、前記酸化マグネシウム粉末の質量が前記酸化マグネシウム粉末と前記窒化アルミニウム粉末の合計質量に対して１０〜９０％であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法にあっては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法において、前記酸化マグネシウム粉末が、疎水化処理を施した酸化マグネシウム粉末であることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体は、窒化アルミニウムを主成分とするマトリックス相中に酸化マグネシウム粒子が分散されてなることを特徴とするものである。  
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法にあっては、酸化マグネシウム粉末に窒化アルミニウム粉末、焼結助剤、可塑剤および溶剤を混合してなるスラリーからグリーンシートを作製し、そのグリーンシートから成形体を作製し、その成形体を不活性雰囲気下で焼結することを特徴とするので、共に高熱伝導性である酸化マグネシウムと窒化アルミニウムの長所の組合せにより、安価で高熱伝導性を有するセラミックス焼結体を製造し得るという効果を奏する。
【００１４】
請求項２に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法にあっては、請求項１記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法において、前記酸化マグネシウム粉末の平均粒径が、１０μｍ以上、１０００μｍ以下であることを特徴とするので、高融点且つ高熱伝導性の酸化マグネシウム粒子が溶失することなく、高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体中に分散される一方、窒化アルミニウム焼結体が連続相たるマトリックス相を形成し、熱伝導経路として機能するため、安価で高品質な高熱伝導性セラミックス焼結体を製造し得るという効果を奏する。
【００１５】
請求項３に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法にあっては、請求項１または２記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法において、前記酸化マグネシウム粉末の質量が前記酸化マグネシウム粉末と前記窒化アルミニウム粉末の合計質量に対して１０〜９０％であることを特徴とするので、高融点且つ高熱伝導性の酸化マグネシウム粒子の共存下で、マトリックス相を形成する高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体が連続相となり、熱伝導経路として機能するため、安価で高品質な高熱伝導性セラミックス焼結体を製造し得るという効果を奏する。
【００１６】
請求項４に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法にあっては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高熱伝導性セラミックス焼結体の製造方法において、前記酸化マグネシウム粉末が、疎水化処理を施した酸化マグネシウム粉末であることを特徴とするので、スラリーからグリーンシートを作製し、また、そのグリーンシートを成形する際のハンドリングが容易になるという効果を奏する。
【００１７】
請求項５に係る発明の高熱伝導性セラミックス焼結体にあっては、窒化アルミニウムを主成分とするマトリックス相中に酸化マグネシウム粒子が分散されてなることを特徴とするので、高融点且つ高熱伝導性の酸化マグネシウム粒子が高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体中に分散、内封されることとなり、酸化マグネシウム粒子が、殆ど空気に露出しないので、酸化マグネシウムが耐湿性に劣るという欠点が解消される。また、酸化マグネシウム粒子を高熱伝導性フィラーとして機能させ、他方、連続相たるマトリックス相を形成する窒化アルミニウム焼結体を、熱伝導経路として機能させることができるので、共に高熱伝導性である酸化マグネシウムと窒化アルミニウムとが巧妙に組み合わされた高熱伝導性セラミックス焼結体が得られるという効果を奏する。
【００１８】
また、このようにして得られた複合高熱伝導性セラミックス焼結体は、汎用セラミックスである酸化アルミニウムを主体とするものよりも放熱性の良い電気絶縁材料となる一方、窒化アルミニウム単体からなる焼結体よりも安価に製造しうることはもちろんである。
【００１９】
なお、本願発明の高熱伝導性セラミックス焼結体にあっては、これを構成する主要元素である窒素、酸素、マグネシウム、アルミニウム等が、総て地球の地殻近傍に豊富に存在するため、優れた環境低負荷材料であるといえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本願発明の実施形態を、実施例を交えて説明する。なお、本願発明の高熱伝導セラミックス焼結体の製造方法、及び、かかる製造方法で製造された高熱伝導セラミックス焼結体は、下記の実施形態或いは実施例にのみ限定されるものではなく、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２１】
すなわち、本願発明に係る高熱伝導セラミックス焼結体の製造方法では、酸化マグネシウム粉末に窒化アルミニウムの粉末、焼結助剤、可塑剤および溶剤を混合したスラリーからグリーンシートを作製し、そのグリーンシートを成形した後、その成形体を不活性雰囲気下で焼結するものである。
【００２２】
具体的には、まず、酸化マグネシウム粉末に窒化アルミニウムの粉末を混合した後、焼結助剤等を添加して粉砕混合し、さらにバインダー、可塑剤及び溶剤を添加し、混合・混練した後、シート状に成形してグリーンシートを得る。（なお、溶剤は、グリーンシートが得られたとき、すでに揮散している。）次に、そのグリーンシートをプレス加工等により所定の形状に形抜きして成形体を作製した後、酸化雰囲気中で約５００℃に昇温加熱し、成形体中のバインダー及び可塑剤を除去する。更に、その成形体を、常圧の窒素あるいは窒素を含むアルゴン等の不活性雰囲気中で、温度１５００〜１９００℃で焼成することにより焼結し、焼結体を得るというものである。
【００２３】
その結果、共に高熱伝導性である酸化マグネシウムと窒化アルミニウムとが組み合わされた安価な高熱伝導性セラミックス焼結体を製造し得ることとなる。
【００２４】
また、本願発明に係る高熱伝導セラミックス焼結体の製造方法では、使用する酸化マグネシウム粉末の平均粒径が、少なくとも、１０μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲のものであれば好適に目的を達成し得ることが判った。
【００２５】
これは、図１に示すように解釈される。（なお図１は、本願発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の構造の概略を模式的に示す断面図であって、正確な倍率に基づく図ではない。）すなわち、焼結した高熱伝導性の窒化アルミニウム相５は、連続相たるマトリックス相２を形成し、焼結体の熱伝導経路として機能することとなる。一方、酸化マグネシウム粒子１は上述したように高融点であるので、１０μｍ程度以上の平均粒径であれば、窒化アルミニウムを主体とするマトリックス相２中に完全に溶失することは免れ、焼結後においても窒化アルミニウム焼結体４中に散点状に分散されて、高熱伝導性フィラーとして機能する。しかし、酸化マグネシウム粒子１の平均粒径が１０００μｍ以上の場合には、スラリーからグリーンシートを作製し、そのグリーンシートを成形する際に障害ともなりうる。
【００２６】
この結果、本願発明に係る高熱伝導セラミックス焼結体の製造方法では、使用する酸化マグネシウム粉末の平均粒径が、１０μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲のものであれば、高融点且つ高熱伝導性の酸化マグネシウム粒子が溶失することなく、窒化アルミニウム焼結体中に分散される一方、連続相たるマトリックス相を形成する窒化アルミニウム焼結体が熱伝導経路として機能する安価な高熱伝導性セラミックス焼結体を製造し得ることとなる。
【００２７】
また、本願発明に係る高熱伝導セラミックス焼結体の製造方法では、酸化マグネシウム粉末の質量を前記酸化マグネシウム粉末と前記窒化アルミニウム粉末の合計質量に対して１０〜９０％とすることにより好適に目的を達成し得ることが判った。
【００２８】
すなわち、上記図１に示したように、マトリックス相２を形成する窒化アルミニウム焼結体４が、高融点且つ高熱伝導性の酸化マグネシウム粒子１の共存下で、連続相となり、熱伝導経路として機能し得るものと考えられる。
【００２９】
さらに、本願発明に係る高熱伝導セラミックス焼結体の製造方法では、焼結助剤として、希土類元素酸化物を酸化マグネシウム粉末と窒化アルミニウム粉末の合計質量に対して０．５〜１０％添加してもよい。この結果、比較的低温で高熱伝導性セラミックス焼結体を製造し得ることとなる。かかる希土類元素酸化物としては、イットリウム、ネオジム、イッテルビウム、ランタン、セリウム、プラセオジムのうちのいずれかの酸化物、又はこれらの酸化物のうち２種類以上のものの混合物が好適である。また、これら酸化物に代えて、対応する希土類元素の炭化物、炭酸塩、ホウ化物、ハロゲン化物、塩化物、硝酸塩等、焼成時に酸化物となる形態の化合物を用い、これらを焼成により酸化物に変えてもよい。
【００３０】
さらに、本願発明に係る高熱伝導セラミックス焼結体の製造方法では、焼結助剤として、上記希土類元素酸化物とは別に、または、上記希土類元素酸化物と共に、アルカリ土類元素酸化物である酸化カルシウム、酸化ストロンチウムまたは酸化バリウムのうちの１種類以上を、酸化マグネシウム粉末と窒化アルミニウム粉末の合計質量に対して合計で０．０５〜５％添加してもよい。この結果、比較的低温で高熱伝導性セラミックス焼結体を製造し得ることとなる。これら酸化物に代えて、対応するアルカリ土類元素の炭化物、炭酸塩、ホウ化物、ハロゲン化物、塩化物、硝酸塩等、焼成時に酸化物となる形態の化合物を用い、これらを焼成により酸化物に変えてもよい。
【００３１】
一方、本願発明に係る高熱伝導セラミックス焼結体の製造方法では、酸化マグネシウム粉末として、疎水化処理を施した酸化マグネシウム粉末を使用し得る。
かかる疎水化処理を施した酸化マグネシウム粉末については、合成樹脂やピッチなどのカプセル化助剤を使用して耐火物粒子(アルミナ、酸化クロム、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭素、酸化鉄、及び各種のスピネル型の鉱物等)でカプセル化するもの（特開平５−４３２７９号公報）、シランカップリング剤等で表面処理するもの（特開昭５７−５５９２１号公報、特開平５−６３１１６号公報）、金属酸化物皮膜等を形成するもの（特開平３−８７１４号公報、特開平８−１０４５７４号公報）、スピネル等の複合酸化膜皮膜を形成するもの（特開２００３−３４５２２号公報、特開２００３−３４５２３号公報、特開２００４−２７１７７号公報、特開２００４−５２０８４号公報）等が知られており、市販品も入手可能である。その結果、かかる疎水化処理を施した酸化マグネシウム粉末を使用することにより、耐湿性に劣るという酸化マグネシウム固有の欠点を相当程度矯正できるため、スラリーからグリーンシートを作製し、また、そのグリーンシートを成形する際のハンドリングが容易になる。
【実施例】
【００３２】
以下、本願発明を実施例によって具体的に説明する。
＜実験１〔実施例１〜５〕＞
原料は、酸化マグネシウム粉末として粒径３２〜１５０μｍの酸化マグネシウム（タテホ化学工業〔株〕製ＫＭＡ−Ｘ）と、比表面積が４ｍ２／ｇである窒化アルミニウムを使用した。実施例１〜５において、酸化マグネシウム含有率を、それぞれ９０％、７０％、５０％、３０％、１０％とした。ここで、酸化マグネシウム含有率（％）は、〔酸化マグネシウム粉末質量（ｇ）×１００／（酸化マグネシウム粉末と窒化アルミニウム粉末の合計質量（ｇ））〕として算出されるものである。
【００３３】
焼結助剤として酸化イットリウム粉末（Ｙ2 Ｏ3 ）を、酸化マグネシウムと窒化アルミニウムとの合計質量に対して５％添加して粉砕混合し、さらにバインダーとしてポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を上記合計質量に対して１０％、可塑剤としてフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）を上記合計質量に対して２％、溶剤としてメチルエチルケトン（ＭＥＫ）を加え、ボールミルで約２４時間混合、混練してスラリーを作製した。そのスラリーから、ドクターブレード法によりグリーンシートを得た。
【００３４】
次に、そのグリーンシートをプレス加工により所定の形状に形抜きして成形体を作製した後、大気中で約５００℃で２時間焼成して成形体中のバインダー及び可塑剤を除去した。更に、その成形体を、常圧の窒素雰囲気中で、温度１８５０℃で６時間焼結して、板厚０．７ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ５０ｍｍのセラミックス基板試料を製造した。得られたセラミックス基板試料について熱伝導率の測定を行ったところ、結果は、実施例１では３９Ｗ／ｍ・Ｋ、実施例２では６６Ｗ／ｍ・Ｋ、実施例３では７４Ｗ／ｍ・Ｋ、実施例４では８４Ｗ／ｍ・Ｋ、実施例５では８６Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００３５】
なお、焼結助剤として添加する酸化イットリウムの添加量を変化させて実験した結果、添加量は、０．５〜１０質量％の範囲に定めるのが良いとわかった。すなわち、酸化イットリウムの添加量が０．５質量％未満であると、焼結が進行し難くなり焼結体の製造が困難となる。他方、添加量を１０質量％以上にすると、焼結体の収縮率、強度等にばらつきが生じるようになる。
【００３６】
なお、さらに種々実験を行った結果、焼結助剤は、酸化イットリウム以外のネオジム、イッテルビウム、ランタン、セリウム、プラセオジム等の希土類元素の酸化物でもよいことが判明した。また、前記酸化イットリウムのかわりに、或いは、これらと共に、アルカリ土類元素の酸化物である酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムのうち、一種類または複数種類を添加しても同様の焼結助剤としての効果が得られることも判明した。上記希土類元素の酸化物を併用しない場合、これらアルカリ土類元素の酸化物の総和が０．０５質量％以下では焼結が不十分となり、５質量％以上では、焼結体の収縮率、強度等にばらつきが生じるようになる。
＜実験２〔実施例６〕＞
酸化マグネシウム粉末として、疎水化処理を施した酸化マグネシウム（タテホ化学工業〔株〕製ＣＦ２−１００−Ａ）を使用し、酸化マグネシウムと窒化アルミニウムとの合計質量に対する酸化マグネシウム含有率を７０％に固定した以外は、総て上記実験１と同様の条件でセラミックス基板試料を作製した。得られたセラミックス基板試料について実験１と同様にして熱伝導率の測定を行ったところ、６２Ｗ／ｍ・Ｋであった。
＜実験３〔比較例１〕＞
セラミックス原料粉末として、従来から用いられている酸化アルミニウム粉末（純度９９．９％、平均粒径３．０μｍ）を１００％使用した以外は、総て上記実験１、実験２と同様の条件でセラミックス基板試料を作製した。得られたセラミックス基板試料について実験１，２と同様にして熱伝導率の測定を行ったところ、２３Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００３７】
実施例１〜５の結果から判るように、本願発明の高熱伝導性セラミックス焼結体において、酸化マグネシウム含有率が減少して窒化アルミニウム含有率が増加するほど、焼結体全体としての熱伝導率は増大しているが、酸化マグネシウム含有率が９０％である実施例１でも、酸化アルミニウム単体の場合である比較例１（熱伝導率２３Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも相当程度高い熱伝導率（３９Ｗ／ｍ・Ｋ）が得られることが判った。
【００３８】
また、疎水化処理を施した酸化マグネシウムを使用した実施例６についても、疎水化処理を施していない酸化マグネシウムを使用した実施例２の熱伝導率（６６Ｗ／ｍ・Ｋ）と遜色のない熱伝導率（６２Ｗ／ｍ・Ｋ）が得られることが判った。
【００３９】
以上のように、本願発明によれば、共に高熱伝導性である酸化マグネシウムと窒化アルミニウムとが巧妙に組み合わされた安価で高性能な高熱伝導性セラミックス焼結体が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本願発明の高熱伝導性セラミックス焼結体の構造の概略を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    酸化マグネシウム粒子
２    マトリックス相
３    高熱伝導性セラミックス焼結体
４    窒化アルミニウム焼結体
５    窒化アルミニウム相
【図１】
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