JPH02212364A - 窒化アルミニウム質セラミック体の製造方法 - 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、銅、銀、銀−パラジウム系、金等と同時焼成
可能で、しかも熱伝導率が高い窒化アルミニウムを主体
とした焼成体の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

エレクトロニクス素子の高集積化がますます進展するに
従って、素子が発生する単位面積あたりの熱量が増大し
ているが、基板の熱伝導率が低いために素子の発生する
熱で素・子の温度が上昇し、素子の機能に障害が生じる
ことが問題になってきており、さらなる高集積化を妨げ
ている。

そこで、素子の発生する熱の放散を効率的に行なえる熱
伝導率の高い基板材料が求められており、現在窒化アル
ミニウムが高熱伝導性物質として注目されているが、そ
の焼成には焼結助剤を使用しても１６００〜２０００℃
の高い温度が必要である。

一般に、電子回路は高温で焼結して得られた窒化アルミ
ニウム基板上に、銅、銀、銀−パラジウム系、金等の粉
末のペーストを印刷して配線を形成し、その後配線材料
の融点以下で焼成して配線を焼付け、さらに素子を取り
付けることによって作製される。

また、より実装密度の高い多層基板を用いたハイブリッ
ドＩＣを、より効率的に安価に製造するために、低温で
焼成可能なアルミナ−ガラス基板が製造されている。

たとえば、アルミナとガラスの粉末を適当なバインダー
等に加えて混合し、ドクターブレード法でグリーンシー
トを作製し、その上に銅、銀、銀−パラジウム系、金等
の粉末のペーストを印刷して配線を形成し、それらの配
線材料が溶融しない温度で焼成し、グリーンシートの焼
成と配線の焼付けとを同時に行なう方法が採用されてい
る。

これらの配線材料の中では、融点は銅が最も高＜　１０
８４℃であるから、少なくとも１０５０℃以下で焼成し
なければならない。

ガラスを使用せず、酸化イツトリウムや酸化カルシウム
等の焼結助剤を数％混合して成型した窒化アルミニウム
成形体の上に、金属粉末ペーストで配線を描き、焼成し
て窒化アルミニウムの焼結と配線の焼付けとを同時に行
なうことも可能であるが、焼結温度が１６００〜２００
０℃の範囲で焼付は可能な金属は、電気抵抗が比較的高
いタングステンかモリブデンに限られる。

〔発明が解決しようとする課題〕 アルミナの焼結体の基板は１０〜２０Ｗ／ｍに程度の熱
伝導率であるが、低温焼成が可能な同時焼成用のアルミ
ナ−ガラス複合焼成体の熱伝導率はせいぜい３１１／ｍ
Ｋ程度であり、素子からの放熱の問題に充分対応できる
ような熱伝導性を有しているとは言えない。

一方、窒化アルミニウムの成形体で同時焼成を行なう場
合は、窒化アルミニウムの熱伝導率が１００　Ｗ／ｍに
以上のものが容易に得られるが、その焼成には１６００
〜２０００℃の高温が必要なため、高温焼成用の高価な
炉と多くのエネルギーとを必要とするだけでなく、配線
材料としてはタングステンまたはモリブデンしか使用で
きず、さらに配線材料の電気抵抗が高いことが問題であ
る。

そこで、配線材料として電気抵抗が小さい銅、銀、銀−
パラジウム系、金等を使用するには、その融点以下で焼
成する必要があり、低温でも焼成可能でしかも高い熱伝
導率が得られるものとして、窒化アルミニウム−ガラス
複合体について検討した。

アルミナより高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム粉
末に、１０５０℃以下で液相を生成するガラス粉末を添
加することにより、低温で焼成可能な窒化アルミニウム
組成物を得ることができるという考えは、すでに特開昭
６３−２１００４３号公報に開示されているが、緻密で
しかも高い熱伝導率が安定して得られるものではなかっ
た。

〔課題を解決するための手段〕

この問題点を解決するために、窒化アルミニウム粉末に
他の熱伝導率の高いセラミック粉末を混合し、それらの
粉末の粒径と焼成体の熱伝導率との関係について研究検
討を重ねた結果、窒化アルミニウム粉末に対して、窒化
ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、アルミナから選ばれ
た少なくとも１種以上で、中心粒径が窒化アルミニウム
粉末の１７２以下である粉末を混合し、１０５０℃以下
で液相を生成する低融点物質を焼結助剤として用いて焼
成すると、焼成体の緻密化および熱伝導率の向上に効果
があることを見出した。

一般に、窒化アルミニウムより窒化ケイ素、炭化ケイ素
、窒化ホウ素等の方が細かい粉末が得られやすく、窒化
アルミニウムに対して中心粒径の異なるこれらセラミッ
ク粉末を混合することにより、焼成前の成形体の嵩密度
を高めることができ、それによって緻密でしかも熱伝導
率の高い焼成体を安定して得ることができる。

すなわち、本発明は中心粒径が２〜５０μｍの窒化アル
ミニウム粉末に、中心粒径が該窒化アルミニウム粉末の
中心粒径の１７２以下の窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化
ホウ素、アルミナから選ばれた少なくとも１種以上の粉
末とガラス粉末とを加え、成形後、焼成することを特徴
とする窒化アルミニウム質セラミック体の製造方法に関
するものである。

本発明によれば、緻密で熱伝導率の高い焼成体を安定し
て得ることができる。

以下、本発明について詳述する。

高い嵩密度を得るためには、窒化アルミニウム粉末の中
心粒径より小さな中心粒径を持つセラミック粉末を１種
以上部合して用いることが有効である。

ただし、混合するセラミック粉末のうちの最大の中心粒
径が窒化アルミニウム粉末の中心粒径の１７２より大き
いと緻密化の効果がないので、中心粒径比は１７２以下
、好ましくは１７３以下、さらに好ましくは１／４以下
である。

また、中心粒径の比が１７２以下であっても、窒化アル
ミニウム粉末の中心粒径が小さすぎると均一な混合が困
難となり、２種以上の異なる中心粒径の粉末を混合した
ことによる成形体嵩密度の向上の効果が得られないこと
がある。

また、使用する窒化アルミニウムの粒子が大き過ぎると
、特に数百μｍの薄いシート状に成形しようとする場合
、成形が困難になる。

したがって、使用できる窒化アルミニウム粉末の中心粒
径の範囲は２〜５０μｍ１好ましくは３〜３０μｍ１さ
らに好ましくは５〜２０μｍである。

混合するセラミック粉末の窒化アルミニウム粉末に対す
る割合は１０〜５０重量％、好ましくは２０〜４０重量
％の範囲である。

ガラスについては、ホウケイ酸ガラスが用いられるが、
ホウケイ酸鉛ガラスやリン酸系ガラスも用いることがで
きる。

例えば、Ｓ１０．が４０〜７０重量％、Ｂ、０．が５〜
２０重量％、＾１２０．が５〜１５重量％、ＭｇＯが１
〜１０重量％、Ｎａ、０が１〜５重量％から成る組成の
ものを用いることができる。

ガラス粉末の添加量が少なすぎると、焼成時に生成する
液相の量も少ないので緻密化せず、多すぎても熱伝導率
の向上を阻害するので、ガラス粉末の添加量は粉末全体
に対してｌＯ〜７０体積％である。

成形体を作製するには、混合粉末に適当なバインダーを
加え、ボールミル等で混合し、スラリーのままドクター
ブレード法でシート状に成形する方法が適用できる。

バインダーとしてはポリビニルブチラールやポリメチル
メタクリレート等を用いることができる。

また、湿式ボールミルで生成したスラリーを乾燥させた
り、乾式で混合するなどして得た混合粉末をプレス成形
により成形することもできる。

なお、本発明は成形方法について特に限定するものでは
ない。

得られた成形体に銅、銀、銀−パラジウム系、金等のペ
ーストで印刷する。

印刷方法についても特に限定するものではない。

得られた成形体は、大気中または非酸化性雰囲気中で配
線に用いた材料の融点以下の温度で焼成して窒化アルミ
ニラ・ム焼成体を得る。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれ
等に限定されるものではない。

なお、諸物性の測定は次の装置および方法で行った。

（酸素含有量） インパルス加熱−赤外線吸収法 装置：堀場製作所　ＥＭＧＡ−２８００（粒径分布） Ｘ線透過式沈降法 装置：　Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社　Ｓｅｄｉｇｒ
ａｐｈ　５０００ＢＴ（熱伝導率） レーザーフラッシュ法 装置：真空理工　ＴＣ−７０００型 実施例　１ 中心粒径３．１μｍ１酸素量０．８重量％の窒化アルミ
ニウム粉末に、中心粒径が１．２μｍの窒化ケイ素粉末
を、窒化アルミニウム粉末に対して重量比で１７２の割
合で加え、乾式ボールミルで混合して混合粉末を得た。

該混合粉末に対し、５１０２−８２０ｓ　系ガラス粉末
を全体の４０体積％になるように混合し、金型で３００
にｇ／ｃｍ″の圧力で成形し、さらに１５００にｇ／ｃ
ｍ’のラバープレスを行なった後、９５０　℃で３０分
焼成して焼成体を得た。

熱伝導率はＩＯＷ／ｍにであった。

実施例　２ 中心粒径３；１μｍ１酸素量０．８重量％の窒化アルミ
ニウム粉末に、中心粒径が０．７μｍの窒化ケイ素粉末
を、窒化アルミニウム粉末に対して重量比で１７２の割
合で加え、乾式ボールミルで混合して混合粉末を得た。

該混合粉末に対し、Ｓｉｎ、−Ｂ、Ｏｓ系ガラス粉末を
全体の４０体積％になるように混合し、実施例１と同様
にして焼成体を得た。

熱伝導率は１４Ｗ／ｍＫであった。

実施例　３ 中心粒径５．０μｍ１酸素量０．７重量％の窒化アルミ
ニウム粉末６０重量部に、中心粒径０．３μｍの炭化ケ
イ素粉末を４０重量部の割合で加え、湿式ボールミルで
混合した。

該混合粉末に対し、Ｓｌ［１２−Ｂｚ［１３系ガラス粉
末を全体の５０体積％になるように混合し、実施例１と
同様にして焼成体を得た。

熱伝導率は２１Ｗ／ｍにであった。

実施例　４ 中心粒径５．０μｍ１酸素量０．７重量％の窒化アルミ
ニウム粉末に、中心粒径１．８μｍのアルミナ粉末を２
：１の重量比で加えて混合粉末を得た。

該混合粉末に対し、５ｉ０２−８２０．系ガラス粉末を
全体の５０体積％になるように混合し、バインダとして
はポリビニルブチラールを用い、トリクレン−エタノー
ル混合溶媒系で湿式ボールミルにより混合した。

得られたスラリーをドクターブレード法によりシートに
成形し、−辺２インチの正方形に金型で打抜いた後、９
５０　℃で３０分焼成した。

熱伝導率は９１１／ｍＫであった。

比較例　１ 中心粒径３．１μｍ１酸素量０．８重量％の窒化アルミ
ニウム粉末６０重量部に、中心粒径２．２μｍの窒化ケ
イ素粉末を４０重量部の割合で加え、湿式ボールミルで
混合した。

該混合粉末に対し、ＳｉＯ□−Ｂ２０３　系ガラス粉末
を全体の５０体積％になるように混合し、実施例１と同
様にして焼成体を得た。

熱伝導率は５Ｗ／ｍＫであった。

比較例　２ 中心粒径１．５μｍ１酸素量０゜９重量％の窒化アルミ
ニウム粉末に、中心粒径１．５μｍの窒化ケイ素を１：
１の重量比で加え、乾式ボールミルで混合した。

該混合粉末に対し、５ｉ０２−８２０．系ガラス粉末を
全体の５０体積％になるように混合し、実施例１と同様
にして焼成体を得た。

熱伝導率は２Ｗ／ｍにであった。

比較例　３ 中心粒径１．５μｍ１酸素量０．７重量％の窒化アルミ
ニウム粉末に、中心粒径１．５μｍの窒化ケイ素を１：
１の重量比で加え、乾式ボールミルで混合した。

該混合粉末に対し、５ｉ０２−８２０＋　系ガラス粉末
を全体の５０体積％になるように混合し、実施例１と同
様にして焼成体を得た。

熱伝導率は４Ｗ／ｍＫであった。

比較例　４ 中心粒径１．５μｍ１酸素量０．９重量％の窒化アルミ
ニウム粉末に、５１０２−８２０ｓ系ガラス粉末を全体
の５０体積％になるように混合し、実施例１と同様にし
て焼成体を得た。

熱伝導率は２Ｗ／ｍＫであった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、銅、銀、銀−パラジウム系、金等と同
時焼成可能で、１０５０℃以下の低温で焼成することが
でき、しかも従来のアルミナ−ガラス基板の熱伝導率３
Ｗ／ｍＫよりかなり高い熱伝導率を持った、窒化アルミ
ニウムを主体としたセラミック焼成体を得ることができ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　中心粒径が２〜５０μｍの窒化アルミニウム粉末に、
   中心粒径が該窒化アルミニウム粉末の中心粒径の１／２
   以下の窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、アルミナ
   から選ばれた少なくとも１種以上の粉末とガラス粉末と
   を加え、成形後、焼成することを特徴とする窒化アルミ
   ニウム質セラミック体の製造方法。