AlN の熱伝導率を高める方法は何ですか?

窒化アルミニウム（AlN）セラミックス AlNは優れた熱伝導性を有するため、電子パッケージングや放熱用途に広く使用されています。しかし、不純物や焼結条件はAlNの性能に大きく影響します。本稿では、粉末の精製、焼結助剤、プロセスの最適化、焼結時間の延長など、AlNの熱伝導性を向上させるための主要なアプローチについて解説します。

（1）AlN粉末の品質管理と酸素不純物含有量の低減

合成方法の改善 AlN粉末 高熱伝導性AlNセラミックスを製造するには、粒径1μm未満、酸素含有量1%の高純度粉末を製造することが必須条件です。さらに、焼結助剤を含むAlN粉末の場合、適量の炭素を導入することで、焼結過程（緻密化前）においてAlN粉末表面の酸化物を還元・炭化することができ、AlNセラミックスの熱伝導率を向上させることができます。この観点から、炭素熱還元法で製造されたAlN粉末は、AlNセラミックスの熱伝導率向上に効果的であると考えられます。

（2）適切な焼結助剤の種類と量の選択

広範な研究により、希土類金属の酸化物やフッ化物、アルカリ土類金属の酸化物やフッ化物などが焼結助剤として働き、AlNの熱伝導率を改善できることがわかっています。焼結助剤はAlN中のアルミナと反応してアルミン酸塩液相を形成し、液相焼結と成形体の緻密化を促進します。一方、焼結助剤はAlN格子中の酸素含有量を減らし、AlN粒子間の接触を強化することで熱伝導率を改善します。しかし、添加剤の量は適切である必要があり、量が多すぎると不純物含有量が増加して熱伝導率が低下し、量が少なすぎると効果的な焼結助剤として機能しません。前述のように、最近の研究では、複合添加剤は単独の添加剤よりも熱伝導率を高め、焼結温度を下げるのに効果的であることが示されています。

添加剤による熱伝導率向上の有効性は、数多くの実験によって確認されています。適切な添加剤の導入は現在広く採用されている方法ですが、添加剤の選択と組み合わせ、最適な量、添加方法については統一された結論が得られておらず、更なる詳細かつ体系的な検討が必要です。

（3）焼結プロセスの最適化

AlN セラミックの場合、焼結中にゆっくり加熱する方が急速加熱よりも有利です。変形が低減されるだけでなく、グリーン体の密度が向上し、AlN セラミックの性能が向上するからです。

焼結プロセスには最適な焼結温度も重要です。温度が高すぎると、過剰な粒成長が起こり、粒界相が増加し、緻密性が低下し、熱伝導率に悪影響を及ぼします。

焼結時間を適切に延長すると、結晶格子がさらに精製され、粒成長が促進され、多孔性が大幅に減少し、それによって熱伝導率が向上します。

一般的に、窒素保護下での還元雰囲気での焼結は、AlN中の酸素不純物を低減することができる。 炭素熱窒化 還元は熱伝導率の向上に効果的です。加圧焼結はAlNの焼結性能を大幅に向上させ、必要な焼結助剤の量を削減します。圧力の上昇はAlNの緻密化を促進し、これらはすべてAlNセラミックスの性能向上に貢献します。さらに、粉末床法もAlNセラミックスの熱伝導率に影響を与えます。

（4）焼結時間の延長

焼結助剤の導入や焼結プロセスの最適化に加え、焼結時間を延長することでもAlNセラミックスの熱伝導率を向上させることができます。例えば、還元雰囲気下でのアニール処理により、AlNから酸素や二次相を除去できます。中野らも同様の方法を用い、Y₂O₃を添加した焼結AlNを還元窒素雰囲気下で1900℃で熱処理しました。20時間後には熱伝導率は220 W/m·Kに達し、100時間後には272 W/m·Kに増加しました。

厦門ジュチテクノロジーについて

ジュシテクノロジーは、高純度の原材料、複合添加剤技術、精密焼結プロセス、柔軟なカスタマイズ能力を備え、安定的に大量生産できる数少ない国内企業の1つとなっています。 高熱伝導性AlNセラミックス特に、高出力LED、IGBTモジュール、航空宇宙などのハイエンド分野の需要に適しています。

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