JPH02192467A - 窒化アルミニウム―六方晶窒化ほう素系焼結体の製造方法 - 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、ＩＣ基板用、ＩＣパッケージ用材料、あるい
は電気絶縁性放熱材料などとして利用可能な、特定平面
内での熱伝導率が高く、かつ電気的に絶縁体である窒化
アルミニウム−六方晶窒化ほう素糸焼結体の製造方法に
関する。

従来の技術 窒化アルミニウム−六方晶窒化ほう素糸複合焼結体は、
高熱伝導率のマシーナブルセラミックスであるため、電
子材料用、構造材料用セラミックスとして幅広い応用が
考えられ、多数特許出願されている。

例えば特開昭８０−１９５０５９には、窒化アルミニウ
ム、窒化ほう素、およびＩＩａ族金属、［［［ａ族金属
化合物からなり、破断面が多角状の窒化アルミニウム粒
子が充填され、その粒界の一部または全部に薄層状の窒
化ほう素が介在する焼結体に関する記載がある。この焼
結体の特徴として、普通工具で高速切削加工ができる。

いわゆるマシーナブルセラミック複合焼結体であると述
べている。

また、特開昭８０−１９５０８０には、この複合焼結体
を製造する際の窒化アルミニウム粉末の粒径・純度を、
特開昭８１−８３５７２には、焼結時の昇温速度の範囲
について開示されている。

また、特開昭１３１−３１３１１１０には、窒素ガス加
圧下での複合焼結体の製造方法について開示されている
。

さらに、本発明者らの発明になる特願昭８２−３２９８
２８には、窒化ほう素４０〜９５重量部、窒化アルミニ
ウムと酸窒化アルミニウムの合計量５〜８０重量部、お
よびカルシウム化合物、イツトリウム化合物のうちの少
なくとも１種の０．０１〜５重量部よりなる複合焼結体
、およびその加圧加熱法による製造方法に関する記載が
ある。該焼結体の特徴としては、熱伝導率、電気絶縁性
、低熱膨張率、低誘電率で機械加工性に優れることなど
をあげている。これらの焼結体の熱伝導率として４０〜
１３５Ｗ／鳳・Ｋ程度の値を報告している。

一方、該焼結体の特定平面における熱伝導率を改善した
例として、本発明者らの発明による特願昭ｆ１３−１３
５５１３２がある。該明細書中には、六方晶窒化ほう素
２０〜８０重量部、窒化アルミニウム８０〜２０重量部
、および焼結助剤０．２〜５重量部よりなり、熱伝導率
の異方度が２以上あり、かつ高７い方の熱伝導率の値が
１５０　Ｗ／ｍ・に以上である異方性、を有する焼結体
、および１７００〜２２００℃、５〜５０ＭＰａでホッ
トプレスすることによる該焼結体の製造方法についての
記載がある。

熱伝導率の値としては、高い方が１５３〜２５８Ｗ／ｌ
１１１Ｋ、低い法が１６〜８０Ｗ／ＩＩＩＩＫと報告し
ており、その他の特徴として、良好な被切削加工性をあ
げている。しかしながらＩＣ基板、ＩＣパッケージ用と
しての利用を考えた場合、半導体チップからの放熱効率
を高めるために、より熱伝導率の高い材料が求められて
いることは言うまでもない。

発明が解決しようとする課題 本発明はこれら問題点に鑑み、ある特定平面内ではより
熱伝導率の高い窒化アルミニウム−窒化ほう素糸複合焼
結体の製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 すなわち、本発明は、（１）窒化アルミニウム９５〜５
重量部、六方晶窒化ほう素５〜９５重量部、および焼結
助剤０．２〜５重量部よりなる混合粉末を５　ＭＰａ以
上の圧力で一軸成形した後、一軸成形の加圧軸方向がホ
ットプレス焼結の加圧軸方向と一致する様に成形体をダ
イスに充填し、ホットプレス焼結することを特徴とする
窒化アルミニウム−六方晶窒化ほう素糸焼結体の製造方
法に関する。

また（２）原料として用いる六方晶窒化ほう素粉束の平
均粒子径がＩＩＬｍ以上である前記の窒化アルミニウム
−六方晶窒化ほう素糸焼結体の製造方法に関する。

作用 以下、本発明について詳述する。

本発明の製造方法によれば、原料混合粉末を５にＰａ以
上の圧力で一軸成形した後、一軸成形の加圧軸方向がホ
ットプレス焼結の加圧軸方向と一致する様にダイスに充
填し、ホットプレス焼結を行う。

ホットプレス焼結の前工程として、５　ＭＰａ以上の圧
力の一軸成形を行うことにより、この一軸成形の際に窒
化ほう素粒子の配向・積層を起こさせることができ、そ
の後、該一軸成形の加圧軸方向が、ホットプレス焼結の
加圧軸方向と一致するように一軸成形体を黒鉛製ダイス
に充填し、ホットプレス焼結することにより、一軸成形
時に起こった窒化ほう素粒子の配向・積層を助長するこ
とができる。

その結果として、粉体をそのまま黒鉛製ダイスに充填す
るか、あるいは５　）ｌＰａ未渦０圧力で一軸成形した
後、ホットプレス焼結した場合と比較して、より異方性
の大きな焼結体となり、ホットプレス圧力軸（一軸成形
の圧力軸）と垂直方向の熱伝導率が顕著に向上する。一
方、ホットプレス圧力軸（一軸成形の圧力軸）と平行方
向の熱伝導率は若干低下するもののほとんど変化しない
。

一軸成形の成形圧は５　ＭＰａ以上が好ましい。５ＭＰ
ａ未満では、一軸成形の際の窒化ほう素粒子の配向・積
層がほとんど起こらず、一軸成形を行ったことによる熱
伝導率の増大の効果がはとなど認められない。また成形
圧は高ければ高いほど窒化ほう素粒子の配向・積層が顕
著となるため好ましいが、ある圧力以上では、圧力の増
加に伴う窒化ほう素粒子の配向・積層の程度が顕著でな
くなるため、必要以上の高圧力を用いることは得策では
ない、窒化ほう素粒子の粒径がｌｐｍ程度で、１００Ｍ
Ｐａ程度が成形圧の上限のひとつの目安である。

原料混合粉末は、窒化アルミニウム９５〜５重量部、六
方晶窒化ほう素５〜９５重量部、および焼結助剤０．２
〜５重量部よりなる。

窒化アルミニウムが９５重量部付近の組成においては、
窒化ほう素の配向・積層による熱伝導率向上の効果はそ
れほど大きくないものの、曲げ強さ、ビッカース硬度等
が比較的大きく、また熱膨張係数の比較的大きな焼結体
が得られる。

また窒化アルミニウムが５重量部近傍の組成においては
、窒化ほう素の配向・積層による顕著な熱伝導率向上の
効果が認められる。

また、この組成の焼結体は、曲げ強さはそれほど大きく
ないものの切削加工性が極めて良好な焼結体が得られる
。

原料粉末の配合割合がこれらの範囲を越えて窒化アルミ
ニウムの含有量が９５重量部超の場合、含有する六方晶
窒化ほう素の量が少ないため窒化ほう素粒子の配向−積
層による効果が期待できない、また窒化アルミニウムの
含有量が５重量部未満の場合には、窒化ほう素粒子の配
向春積層による熱伝導率の向上は認められるものの、緻
密な焼結体を得るために多量の焼結助剤が必要であり、
このため熱伝導率の高い焼結体が得られにくく、ＩＣ基
板用、パッケージ用材料などとしての使用には適さない
。

原料として用いる窒化ほう素粒子の粒径は、ＩＢｍ以上
が好ましい０粒径が１ｇｍ未満の粉末を用いた場合、一
軸成形およびホットプレス焼結における窒化ほう素粒子
の配向Φ積層が顕著にはおこらず、焼結体がより等方的
なものとなる。とりわけ本発明の一軸成形による窒化ほ
う素粒子の配向・積層という効果がほとんど発現しない
、なお、ここで述べた窒化ほう素粒子の粒径とは、薄片
状の窒化ほう素粒子の平面方向の大きさであり、厚さ方
向の大きさではない。

原料混合粉末は、窒化アルミニウム、窒化ほう素の他に
焼結助剤を０．２〜５重量部含有する。

０．２重量部より少ない場合は、焼結助剤としての効果
が期待できず、５重量部より多い場合には、焼結体の熱
伝導率の低下が起るため好ましくない、また、熱伝導率
、とりわけ高い方の値は、焼結助剤の添加量に敏感であ
るため、熱伝導率の高い焼結体を製造しようとする場合
には、注意して添加量を決定する必要がある。

焼結助剤としては、酸化カルシウム、炭化カルシウム、
カルシウムシアナミド、酸化イツトリウム、炭化イツト
リウムなどの公知のものが使用できる。しかしながら、
窒化ほう素粒子の配向・積層を起こさせることを考えた
場合、窒化アルミニウム粉末や窒化ほう素粉末の表面に
不可避的に生成している酸化物と反応し、より低温で液
相を生成する可能性から考えてカルシウム系の化合物が
より好ましいと言える。

これらの粉末の混合には、ボールミルなどの公知の方法
による乾式混合、湿式混合が使用可能であるが、好まし
くは湿式混合である。湿式混合に用いられる分散媒体は
特に限定されず、アルコール類、炭化水素類、ケトン類
が公的に用いられる。水は窒化物粉末と反応してアンモ
ニアを発生させる可能性があるため、特に必要がある場
合を除き、用いない方がよい。

原料混合粉末は、前述の如く一軸成形した後、一軸成形
の加圧軸方向が、ホットプレス焼結の加圧軸方向と一致
する様に黒鉛製のダイスに充填し、ホットプレス焼結を
行う、ホットプレス焼結は窒化ほう素−窒化アルミニウ
ム系焼結体の製造方法としては公知の１７００〜２２０
０℃、５〜５０）ＩＰａ程度の条件で行う。

１７００℃未満では所望の物性値、特に熱伝導率の高い
焼結体が得られないためであり、２２００℃超では経済
的でない、また加圧の圧力が５　ＮＰａ未満では焼結体
の緻密化や窒化ほう素粒子の配向を起こすのに不十分な
場合があり、５０ＭＰａ超ではホットプレスの際に使用
できるダイスが限定される。最高温度における保持時間
は４時間までの間で選択することができる、保持時間が
４時間超の場合、焼結体の特性には顕著な影響は及ぼさ
ないものの経済的でない。

焼結の際の雰囲気は、窒化物の酸化を防ぐため、窒素ガ
スなどの不活性ガス雰囲気とすることが好ましい、しか
しながら、ある特定の焼結助剤を用いた場合には真空中
で焼結を行うことにより、これらの焼結助剤ないしは焼
結助剤と他成分との反応生成物が比較的すみやかに系外
に放出され、結果として焼結体の熱伝導率が向上する場
合があり、この様な場合には真空中で焼結することが好
ましい。

以下、本発明を実施例を用いて説明する。

実施例１ 平均粒子径６ＩＬｍの六方晶窒化ほう素粉束、平均粒子
径１．８μｍ以下の窒化アルミニウム粉末、および焼結
助剤として炭化カルシウムを第１表に示した割合で配合
し、ボールミル中で２４時間、アセトンを溶媒として湿
式混合を行った。

得られた粉末を乾燥した後、第１表に示した条件で一軸
成形を行い、一軸成形の加圧軸方向がホットプレスの加
圧軸方向と一致する様に黒鉛製ダイスに充填し、毎分２
文の窒素気流中、１８００℃で２時間、４０ＭＰａの圧
力でホットプレス焼結を行った。冷却速度は１０℃／ｓ
ｉｎとした。

得られた焼結体の嵩密度、熱伝導率の値を測定した。焼
結体には異方性が存在するため熱伝導率については、ホ
ットプレス圧力軸に垂直方向、平行方向の値を併記した
。嵩密度は、水を用いたアルキメデス法により、熱伝導
率はレーザーフラッシュ法により測定した。なお表中に
は比較のため、低圧力で一軸成形を行った場合、および
一軸成形を行わなかった場合の焼結体の値についても記
した。

結果を第１表に示す、第１表かられかる様に窒化アルミ
ニウムの含有量が９５〜５重量部のいずれの組成におい
ても、５　ＭＰａ以上の圧力で一軸成形を行った焼結体
において、一軸成形をしなかったか、あるいは５　ＭＰ
ａ未満で一軸成形を行った焼結体と比較して、ホットプ
レスの圧力軸と垂直方向の熱伝導率の値（高い方の値）
が５〜５０Ｗ／ｍ−に向上していることがわかる。一方
、ホットプレスの圧力軸と平行方向の値（低い方の値）
については若干低くなる場合があるもののほとんど変化
していない、ない、嵩密度の値は両者でほとんど差異が
認められなかった。

実施例２ 大方晶窒化ほう素原料を平均粒径１０ｇｍの粉末とし、
また焼結助剤として酸化イツトリウムを添加し、実施例
１と同様の方法によりホットプレス焼結を行った。

得られた焼結体の嵩密度、熱伝導率の測定結果を第１表
に示す、いずれの組成においても、５１１［Ｐａ以上の
圧力で　一軸成形した焼結体とそれ以外の焼結体におい
て、実施例とほぼ同様の結果が得られており、高い方の
熱伝導率の値が２０〜３５Ｗ／■・に程度向上している
。

（以下余白） 発明の効果 以上述べた如く１本発明の窒化アルミニウム−窒化ほう
素糸複合セラミックス焼結体の製造方法は、ホットプレ
ス法により焼結体を製造する際に、その前段階として５
　）！Ｐａ以上の圧力で一軸成形した後、成形時の圧力
軸がホットプレス焼結の圧力軸と一致する様に成形体を
ダイスに充填し、ホットプレス焼結をする方法であり、
これによりホー２ドブレス圧力軸と垂直方向の熱伝導率
を向上させることができる。

したがってＩＣ基板用、ＩＣパッケージ用材料として利
用が可能である高熱伝導率の窒化アルミニウム−窒化ほ
う素糸複合焼結体の製造方法として好適であり、産業上
極めて有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．窒化アルミニウム９５〜５重量部、六方晶窒化ほう
   素５〜９５重量部、および焼結助剤０．２〜５重量部よ
   りなる混合粉末を、５ＭＰａ以上の圧力で一軸成形した
   後、一軸成形の加圧軸方向がホットプレス焼結の加圧軸
   方向と一致する様に成形体をダイスに充填し、ホットプ
   レス焼結することを特徴とする窒化アルミニウム−六方
   晶窒化ほう素系焼結体の製造方法。
2. ２．原料として用いる六方晶窒化ほう素粉末の平均粒子
   径が１μｍ以上である請求項１記載の窒化アルミニウム
   −六方晶窒化ほう素系焼結体の製造方法。