JPH01183466A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

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） 本発明は窒化アルミニウム焼結体の製造方法に関するも
のである。

（従来の技術） 近年、半導体デバイスの高集積化、高出力化に伴って素
子の発熱が問題となっている。従来、高出力デバイス用
の基板材料としてはべりリア（Ｂｅｄ）が用いられてい
るが、毒性やコスト高といった点で実用上問題がある。

そこで現在注目されているのが窒化アルミニウム（ＡＩ
Ｎ）である。窒化アルミニウムの熱伝導率は理論値で３
２０Ｗ／ｍ−にとベリリア並であり、他の特性、例えば
抵抗率、誘電率、強度等も基板材料として十分な値を有
している。

しかしながら窒化アルミニウムは難焼結性物質であり、
高密度の焼結体を得るためには２０００’Ｃ近くの高温
が必要である。さらに、窒化アルミニウムの熱伝導率は
不純物酸素の存在によって著しく低下する。特に窒化ア
ルミニウムは酸素と反応しやすく、その粉末表面には大
気中の酸素や水分による、酸素量に換算して敬重量パー
セントの酸化物層や水酸物層が不可避的に存在する。こ
の粉末中の不純物酸素は焼結途中で窒化アルミニウムと
反応し低熱伝導相である酸窒化物を生成する。

従って、セラミック基板として実用性のある窒化アルミ
ニウム焼結体を製造するために、高密度化と低酸素化の
点から開発が進められてきた。

焼結体の高密度化に対しては高温高圧下で焼結する、い
わゆるホットプレス法が有効である。この方法では焼結
助剤を用いなくても高密度の焼結体を得ることが可能で
あるが、熱伝導率は４０Ｗ／ｍ−に程度と低い。しかも
、ホットプレス法では複雑な形状の焼結体の製造が困難
である上に、生産性が低く実用上問題がある。そこで窒
化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し、常圧焼結する
ことによって高密度の焼結体を得る試みが数多く検討さ
れてきた。その結果、焼結助剤としてアルカリ土類金属
化合物あるいはイツトリウムおよびランタン系列元素の
酸化物を用いた場合に高密度かつ高熱伝導率を有する窒
化アルミニウム焼結体が得られることが見出された。具
体例としては、特開昭６１−１００７１や特開昭６２−
５２１８１等があげられる。

これらの焼結助剤を用いる方法の特徴は、焼結中に窒化
アルミニウム粉末中のアルミナと反応して複合酸化物の
液相を生じる点にある。これらの液相の一部は焼結体の
外部に飛散することにより酸素量を減少させ、さらに液
相焼結による高密度化が可能となる。しかしながら、こ
れらの焼結助剤を用いても、熱伝導率は１００Ｗ／ｍ−
に程度で、助剤を用いない場合に比べて向上するものの
窒化アルミニウムの本来の熱伝導率（３２０Ｗ／ｍ−ｋ
）に比べて著しく低い。これは助剤が酸化物であるため
に、窒化アルミニウムの熱伝導率を低下させる原因であ
る不純物酸素を新たに加える結果になっているためと考
えられる。さらに助剤を加えても１００Ｗ／ｍ−に以上
の熱伝導率を有する実用性のある窒化アルミニウム焼結
体を得るには１８００’Ｃ以上の焼結温度が必要である
。このように焼結温度が高いと、ＡＩＮの分解昇華が進
行する上に、焼結体中に残留した不純物酸素が結晶粒内
に固溶するために焼結体の熱伝導率が低下するといった
問題が生じる。

この点を考えると窒化アルミニウムの焼結温度としては
１６００℃以下、望ましくは従来の混成集積回路基板材
料として用いられているアルミナの焼結温度である１５
００℃以下にすることが望ましい。

これに対して、焼結助剤として酸化物以外の化合物を用
いる方法も検討されている。例えば特開昭６１−１００
７３ではフッ化イツトリウム（ＹＦ３）を用いている。

しかしこの場合においても熱伝導率は８０Ｗ／ｍ−に程
度と低く、しかも焼結温度は１８００℃と高い。また、
特開昭６１−２０９９５９においてはフッ化イツトリウ
ムの他にフッ化カルシウム、フッ化ランタンを加え、最
高１３０Ｗ／ｍ−にの熱伝導率をもつ窒化アルミニウム
焼結体が得られているが、焼結温度は１７００℃であり
まだ十分とはいえない。さらに、助剤の種類が増えるに
従って助剤に含まれる不純物が無視できなくなるといっ
た問題がある。

以上述べたように、単に添加物の種類を検討するだけで
は、１６００℃以下の焼結温度で実用上十分な１００Ｗ
／ｍ−に以上の熱伝導率を持つ窒化アルミニウム焼結体
を得ることはできなかった。

一方、原料粉末の平均粒径を小さくすることによって低
温で焼結する方法も考えられる。一般にセラミック原料
粉末の粒径が小さくなると焼結温度が低下すると言われ
ている。しかし、これを窒化アルミニウム粉末に応用で
きるかどうかは必ずしも明らかではないし、また次のよ
うな問題が生じる。すなわち、窒化アルミニウム粉末の
粒径が小さくなると粒径の逆数に比例して表面積が大き
くなり、従って前述したように不純物酸素量が増加する
結果となる。このように酸素量の多い窒化アルミニウム
粉末を原料として用いた場合、焼結体の熱伝導率が低下
することは容易に推定できる。このため、例えば特開昭
６０−７１５７５に見られるように高熱伝導化のために
は窒化アルミニウム粉末中の酸素量が３．５重量パーセ
ント以下に限定され、従って平均粒径を０．１μｍ以下
にすることはできなかった。

（発明が解決しようとする問題点） 以上述べたように低温で高密度を有する窒化アルミニウ
ム焼結体を製造するためには原料の微粒子化が不可欠で
ある。そこで本発明者らは高周波熱プラズマ法を用い、
平均粒径が０．１μｍ以下の窒化アルミニウム超微粒子
を合成することに成功した。さらにこの窒化アルミニウ
ム超微粒子は焼結助剤なして１５００℃以下の低温でも
十分緻密化し、実用価値の高い粉末であることを明らか
にした。

しかしながら、この窒化アルミニウム超微粒子に対して
、従来用いられてきた焼結助剤および焼結方法をもって
して、高密度かつ高熱伝導率を有する窒化アルミニウム
焼結体を得ることはできなかった。具体的には、焼結体
中に割れや気泡を生じるために密度が低下したり、ある
いはこのような問題が生じない場合においても熱伝導率
は従来に比べて低かった。

（問題を解決するための手段） 本発明者らは、窒化アルミニウム超微粒子を用いた際に
生じる種々の問題点が以下のような原因であると考え、
本発明に至った。即ち従来用いられている焼結助剤の融
点が焼結温度に対して高いためである。前述したように
窒化アルミニウムの低酸素化は粉末表面に存在するアル
ミナ層と焼結助剤との反応によるものである。従って、
焼結助剤の融点が焼結温度に比べて高い場合、その反応
は固体同志が接触した近傍といったように極めて局所的
に起こる。ところが、超微粒子のように著しく表面積が
大きい場合においては、このような局所的な反応によっ
てすべての不純物酸素を除去することは非常に困難で、
ある。

これに対して、フッ化イツトリウムは融点が１１５０℃
と、焼結温度に比べて低く、焼結途中の昇温過程中に液
相となり、毛管現象により窒化アルミニウム粉末の表面
を覆うために、不純物酸素との反応が効率よく行われる
と予想される。しかしながら０．１μｍ以下の窒化アル
ミニウム超微粒子の場合、焼結による急激な密度増加が
１３００℃前後で生じるため、従来性われてきたような
連続的な昇温による焼結方法ではフッ化イツトリウムの
液相が窒化アルミニウム超微粒子表面を覆うことは困難
である。従って、フッ化イツトリウムの融点以上でかつ
、窒化アルミニウム超微粒子の焼結が起こる以前の温度
において一定時間保持し、フッ化イツトリウムの液相が
超微粒子全体を覆うようにすることが必要となる。

（作用） 以上述べた観点から、平均粒径が０．１μｍ以下でかつ
不純物酸素の含有量が１０重量パーセント以下の窒化ア
ルミニウム粉末にフッ化イツトリウムを全体量に対し２
０重量パーセント以下混合した粉末を１１５０℃〜工２
５０℃の温度範囲から選ばれた温度で３０分以上保持し
た後、１４００℃以上の温度で焼結することにより、熱
伝導率が１００Ｗ／ｍ−に以上の窒化アルミニウム焼結
体を製造することが可能となる。

ここで、平均粒径が０．１μｍ以上の窒化アルミニウム
粉末を用いた場合、焼結温度が１８００℃以下では十分
緻密化せず、熱伝導率も低い。また、たとえ平均粒径が
０．１μｍ以下でも不純物酸素量が１０重量パーセント
以上になると熱伝導率の低下が著しい。−方、フッ化イ
ツトリウムの添加量に関しては、２０重量パーセントを
超えると焼結性が悪くなる。

またその最適添加量は窒化アルミニウム粉末に含まれる
不純物酸素量に応じて２０重量パーセント以内で適当に
選べばよい。

（実施例） 平均粒径が（１０６μｍ、酸素含有量が４重量パーセン
トの窒化アルミニウム粉末にフッ化イツトリウム粉末を
全体量に対して５．１０．１５．２０重量パーセントと
なるように秤量し、１．１．１−　）リクロロエタンを
分散媒としてホモジナイザーにより３０分間混合した。

この混合粉を窒素気流中６０℃で乾燥した後、２０００
ｋｇ／ａｍ２の圧力でラバープレスを行ない直径的１５
ｍｍ、厚さ約４ｍｍのペレットを作製し焼結用試料とし
た。このベレットを窒素雰囲気中、室温から１２００℃
まで２０℃／分の速度で昇温し、１２００℃で３０分間
保持した後所定の温度まで２０℃／分で昇温抜工０時間
常圧焼結を行なった。このようにして得られた焼結体は
アルキメデス法により密度を測定した後、レーザーフラ
ッシュ法により熱伝導率を測定し、その結果を第１表に
示した。

（比較例１） 実施例においてフッ化イツトリウムを３重量パーセント
と２２重量パーセント添加した場合について同様の実験
を行なった結果を第２表に示した。

（比較例２） 平均粒径が０．５２μｍ、酸素含有量が１．５重量パー
セントの窒化アルミニウム粉末について実施例と同様の
方法で実験を行なった（第３表）。

（比較例３） 実施例と同様の粉末を用い、焼結する際に所定の温度ま
で２０℃／分で連続的に昇温した後、１０時間常圧焼結
を行なった（第４表）。

（比較例４） 平均粒径が０．０３μｍ、酸素含有量が１２重量パーセ
ントの窒化アルミニウム粉末を用いて同様の実験を行な
った（第５表）。

第１表 第２表 第３表 第４表 第５表 発明の効果 本発明によれば、アルミナと同程度の１６００℃以下の
焼結温度においても高密度でしかも １００Ｗ／ｍ−に以上という実用上十分な熱伝導率を有
する窒化アルミニウム焼結体を製造することが可能とな
り実用性は極めて大きい。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウム焼結体の製造方法において、（
   ａ）窒化アルミニウム粉末の平均粒径が０．１μｍ以下
   でかつ不純物酸素の含有量が１０重量パーセント以下、 （ｂ）焼結助剤がフッ化イットリウムであり、かつその
   含有量が窒化アルミニウム粉末組成物に対して２０重量
   パーセント以下 である窒化アルミニウム粉末組成物を用いることを特徴
   とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
2. （２）焼結を行なう際に１１５０℃〜１２５０℃の温度
   範囲の一定の温度において３０分以上保持した後、１４
   ００℃以上の温度で焼結することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法
   。