JPH0251868B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、充分緻密で割れや反りの無い窒化ア
ルミニウム焼結シートの製造方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

アルミナに代わる半導体装置の新しい放熱板材
料として窒化アルミニウムが注目されている。し
かしながら、窒化アルミニウムは、その難焼結性
の為に、焼結助剤を必要とし、さらに焼結温度も
1800℃以上にしないと充分に緻密な焼結体は得ら
れない。この為、焼結容器に使用する材料も限定
され、一般には黒鉛が用いられている。しかも、
窒化アルミニウムの蒸発を抑える目的で、グリー
ンシートを窒化アルミニウム粉末で包埋して黒鉛
容器内にセツトするのが一般的である。しかしな
がら、この方法には次のような欠点がある。

すなわち、グリーンシート及び包埋粉が含有す
る酸化物と黒鉛容器との反応で生成したCOガス
によつて、緻密化が阻害され、充分に緻密な焼結
体が得られ難い。但し、グリーンシートと黒鉛容
器と距離を十分にとつてやれば、緻密化は可能で
ある。しかし、この場合は、焼結時にグリーンシ
ートと成形体近傍の包埋粉との付着が起る。そし
て、グリーンシート近傍の包埋粉はわずかだが焼
結しある程度の強度を持つ半焼結塊となる。ま
た、グリーンシートは充分に緻密化することか
ら、包埋粉とグリーンシート間に存在する収縮量
の差のため、グリーンシートは引つ張りを受け割
れを生じることがある。特に大型のシートは割れ
を生じ易い。仮に、割れの無い焼結体が得られた
としてもほとんどが大なり小なりの反りを生じて
おり、何らかの後処理を施して反りを矯正しない
と実用には供せない。さらに包埋粉と焼結体とが
強く付着しており、包埋粉の除去に多大の労力を
要するという欠点がある。加えて、グリーンシー
トと黒鉛容器との距離を十分にとつてやる必要が
あることから容積効率が極めて悪いという問題も
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明者は、これらの欠点を解決し、緻密で割
れが無く、さらに反りや包埋粉の付着もない窒化
アルミニウム焼結シートが得られる方法について
鋭意検討を重ねた結果、グリーンシートをBNを
主成分とする物質で作つた重し材でおさえて焼結
すれば、前記問題点のない極めて良好なシートが
得られることを見い出し、本発明を完成した。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、焼結助剤を含む窒化アル
ミニウムグリーンシートをBNを主成分とする重
し材でおさえて焼結することを特徴とする窒化ア
ルミニウム焼結シートの製造方法である。

以下、本発明についてさらに詳しく説明する。

先ず、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加
してボールミル等で充分に混合する。ここで、使
用する窒化アルミニウム粉は、一般に市販されて
いる平均粒径6μ以下のものが使用できるが、よ
り均質な焼結シートを得るには3μ以下の粉末を
用いるのが好ましい。また、添加する焼結助剤と
しては、ａ族、ａ族および希土類元素の酸化
物が知られており、これらが使用できるが、これ
らに限らず、窒化アルミニウムの焼結に有効な物
質ならいかなるものを焼結助剤として使用しても
良い。

次に、この混合粉末に一次結晶剤として有機バ
インダーを加え、プレス成形、ドクターブレード
法又は他の成形法を用いて薄板状に成形し窒化ア
ルミニウムグリーンシートとする。これをそのま
ま焼結工程に廻しても良いが、さらに、これを空
気中又は窒素等の不活性雰囲気中で加熱して一次
結合剤の除去（脱脂）を行なう。

この脱脂工程の加熱温度は、通常、一次結合剤
の分解開始温度から900℃までの温度範囲で行う
が、目的は有機物質の除去であるから、これが達
成されるのであれば特にこの温度範囲にこだわる
必要はない。但しこの工程を空気中で行なう場合
には、窒化アルミニウムの酸化が起り始めること
から650℃以下で行なうのが好ましい。この様な
脱脂処理を施したものも本発明では窒化アルミニ
ウムグリーンシートと呼ぶ。より緻密な焼結シー
トを得るには、充分に脱脂を行つた後、焼結工程
に廻すのが好ましい。

こうして得られた窒化アルミニウムグリーンシ
ートを主成分がBNである物質で作られた重し材
でおさえて炉内にセツトし、温度1600〜2000℃、
不活性雰囲気又はN₂中で常圧焼結を行なう。
こゝでいう主成分がBNである物質で作られた重
し材としては、BN単味のインゴツトから切り出
して重し材に加工したものが最も好ましいが、生
成用バインダーを含むBNインゴツトから重し材
に加工したものでも使用できる。この場合はBN
インゴツトが含有する酸素量としては５重量％以
下であることが望ましい。

さらに、炉内にグリーンシートをセツトする
際、グリーンシート下面と接する面は、窒化アル
ミニウムの焼結を阻害しない物質であること及び
窒化アルミニウムと焼結助剤とは反応しない物質
であることが望ましいので、その材質は、本発明
の重し材と同質のものが最も適切である。なお重
し材は、反りの無い焼結シートを得る為に少くと
もシートと接する面は平滑であり、グリーンシー
トと同じかやゝ大きめの寸法である必要がある。
そして、グリーンシートと重し材を交互に積層す
ることによつて炉容積の有効利用が図れることか
ら、重し材は上下面が平滑でやゝ薄めの平板が適
切である。

さらに好ましい態様について説明すると重し材
で単におさえただけでは、シート端部の焼結助剤
は一部飛散し、焼結シートの端部がわずかに変色
することがある。これを防ぐ為、グリーンシート
を重し材でおさえた後そのまま密閉可能容器内に
収納して焼結するのが良い。但し、密閉可能容器
の構成材料としては、炭素質のものは窒化アルミ
ニウムの焼結を阻害するので好ましくないが、非
還元性の高融点物質なら使用可能である。しかし
ながら、ヒーター材や炉材に黒鉛又は炭素製品を
使用している様な炉の場合には、酸化物で構成し
たものでは還元され一方、高融点金属では焼結温
度によつては変化を起すおそれがあるので、この
密閉可能容器の材質としてはBNを主成分とする
ものが最も好ましい。こうして得られた焼結シー
トは、充分に緻密で重し材との付着はなく、割れ
と反りもないものであり、ロツド間のバラツキも
小さいものとなる。

〔実施例〕

以下、実施例をあげてさらに具体的に本発明を
説明する。

実施例 １ 市販の窒化アルミニウム粉末（電気化学社製）
に、焼結助剤として酸化イツトリウムを内割りで
３重量％添加しこれをボールミルで４時間混合し
た。この混合粉末100重量部に10％PVA水溶液を
15重量部添加し簡単な混合を行つた後、70φの金
型ダイスを用いて250Kg／cm²の圧力でプレス成形
し、１mm厚の薄い円板を作製した。これをニクロ
ム炉中空気雰囲気下で500℃で１時間加熱して
PVAの分解除去を行つた。PVAの分解除去を施
した窒化アルミニウムの円板状グリーンシート
を、BNのホツトプレス成形体（電気化学社製
「HGタイプ」）から切り出して加工した円板
（75φ×３mm^t）上におき、さらに、グリーンシー
トの上下に敷いたのと同じ材質と形状の円板を重
し材としてのせ、これを抵抗加熱列中にセツト、
窒素雰囲気中、1800℃で２時間保持して焼結を終
了した。得られた焼結シートの緻密化度は、98.5
％であり、反りや割れは全く認められず、BN板
との付着もなかつた。しかし、シート端部約1.5
mm程がわずかに茶かつ色に変色していた。

実施例 ２ 市販の窒化アルミニウム（電気化学社製）に、
焼結助剤として酸化セリウム（CeO₂）を内割り
で４重量％添加しこれをボールミルで12時間混合
した。このの混合粉末100重量部に対し、一次結
合材としてポリビニルブラール８重量部、可塑剤
としてジブチルフタレート４重量部、分散剤とし
てトリオレイン１重量部、さらにトルエン−エタ
ノール混合溶剤60重量部を加えてボールミルで24
時間混合しドクターブレード用スラリーを調製し
た。このスラリーをドクターブレード装置を用い
て30cm巾、1.2mm厚、１ｍ長さののシートを作製
した。このシートを乾燥後裁断し125mm□シート
とした。これをニクロム炉中空気雰囲気下で500
℃１時間加熱して有機質材料の分解除去を行つ
た。この有機質材料の分解除去を行つたグリーン
シート５枚を、BNのホツトプレス成形体（電気
化学社製「Ｎ−１タイプ」）から切り出した重し
材（125mm□×2.5mm厚）６枚中に１枚毎に交互に
積層した（一番下のグリーンシートの下には６枚
の重し材のうちの一枚を敷いた）。次にこれをTa
製の箱形容器に収納し、さらにTa製のフタをし
て密閉した後、抵抗加熱炉中にセツトし、N₂雰
囲気下、1800℃で２時間保持し焼結を完了した。
得られた５枚の焼結シートの緻密化度はいずれも
99％以上であり、反りや割れも認められず、BN
板（重し材）との付着もなく、実施例１で見られ
た変色もなかつた。しかもシートの表面粗さも
5μ以下で研磨等の後処理は不要であつた。しか
しながら密閉容器として使用したTa容器は脆
化・変形しており長期の使用には耐えられないと
判断された。

実施例 ３ 密閉可能容器として、Taの代りにBNのホツ
トプレス成形体（電気化学社製「Ｎ−１タイプ」）
から加工したものを使用した以外は実施例２と全
く同じ手順で窒化アルミニウム焼結シート５枚を
得た。５枚の焼結シートの緻密化度は、いずれも
99％以上であり、反り、割れ、BN板との付着、
端部の変色も見られなかつた。表面粗さも5μ以
下で研磨等の後処理は不用であつた。しかも、重
し材、容器共何の損傷も見られず、繰り返し使用
が可能で長期の使用に充分耐えうるものと判断さ
れた。

比較例 実施例２と同様にして脱脂されたグリーンシー
トを作製した。このグリーンシートを、やゝ粗め
の窒化アルミニウム粉を約30mm厚みに敷きつめた
内寸法140mm□、深さ70mmの黒鉛容器内に静かに
置き、さらにその上に、下に敷きつめたのと同じ
窒化アルミニウム粉を約30mm厚みにかぶせグリー
ンシートが窒化アルミニウム粉で完全に包埋され
る様にした。次に、この黒鉛容器を抵抗加熱炉内
にセツトし、N₂気流中、1800℃で２時間保持し
て焼結を終了した。冷却後、容器を取り出して観
察したところ、窒化アルミニウム包埋粉は上部か
ら約５mm深さまでは黒く変色していたが焼結はし
ていなかつた。一方、内部のシート中央付近の包
埋粉は変色は見られなかつたが、比較的強い焼結
塊となつており焼結シートと強く付着していた。
焼結シートには３つの大きな裂け目があり、か
つ、大きく反つていた。また、黒鉛容器壁に近い
焼結シート端部は、茶かつ色に変色しておりその
付近の包埋粉は黒く変色していた。このシートを
機械加工して密度測定を行つたところ、その緻密
化度は中央部が98.4％、端部が86％であつた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次の効果を奏するものであ
る。

(1) 充分に緻密でかつ重し材との付着もなく、割
れと反りのない焼結シートを製造することがで
きる。

(2) 焼結時に焼結助剤の飛散を抑制することがで
きるのでロツト間のバラツキの少ない焼結シー
トを製造することができる。

(3) 包埋粉を使用する必要はない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 焼結助剤を含む窒化アルミニウムグリーンシ
   ートをBNを主成分とする重し材でおさえて焼結
   することを特徴とする窒化アルミニウム焼結シー
   トの製造方法。 ２ 重し材でおさえつけ、さらに密閉可能容器内
   に収納して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シートの
   製造方法。 ３ 密閉可能容器がBNを主成分とする物質でつ
   くられていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の窒化アルミニウム焼結シートの製造方
   法。