JPH0280372A

JPH0280372A - 半導体装置用放熱板の製造方法

Info

Publication number: JPH0280372A
Application number: JP1192514A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shinozaki; 和夫篠崎; Kazuo Anzai; 安斎　和雄; Takeshi Takano; 高野　武士; Akihiko Tsuge; 柘植　章彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1990-03-20

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を用いる
半導体装置用放熱板の製造方法に関する。

（従来の技術）窒化アルミニウム（ｉ　Ｎ）は常温から高温までの強度
が高く　（焼結体の曲げ強さは通常５０ｋｇ　／　ｍｍ
　２以上）、化学的耐性にも優れているため、耐熱材料
として用いられる一方、その高熱伝導性。

高電気絶縁性を利用して半導体装置の放熱板材料として
もを望視されている。こうしたＡ４７Ｎは通常、融点を
持たず、２２００℃以上の高温で分解するため、薄膜な
どの用途を除いては焼結体として用いられる。

ところで、ＡｇＮ焼結体は従来より常圧焼結法。

ホットプレス法により製造されている。常圧焼結法では
高密度化の目的でアルカリ土類金属酸化物などの化合物
を焼結助剤として添加することが多い。ホットプレス法
では、Ａｆ！Ｎ単独又は助剤が添加されたＡｇＮを用い
、高温高圧下にて焼結する。

しかしながら、ホットプレス法では慢雑な形状の焼結体
の製造が難しく、しかも生産性が低く、高コストとなる
という問題がある、一方、常圧焼結法ではホットプレス
法のような問題を解消できるものの、得られたＡｇＮ焼
結体はＡｇＮの理論熱伝導率（３２０Ｗ／ｍ−ｋ）い比
べて著しく低く、必ずしも良好な高熱伝導性を有するも
のではなかった。なお、ホットプレス法で造られたＡＮ
Ｎ焼結体のうち助剤が添加されたＡｆＩＮを原料とする
ものも、同様に熱伝導率の点で充分に満足するものでは
なかった。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、高熱伝導率の窒化アルミニウム焼結体を得て、
高性能の半導体用放熱板を提供しようとするものである
。

［発明の構成］（課題点を解決するための手段）本発明は、半導体用放熱板として酸素を１重−％以下含
む窒化アルミニウムを主成分とし、これにイツトリウム
、ランタン、ブロセオジム、ニオブ、サマリウム、ガド
リウム、ジスプロシウムから選ばれる希土類元素の酸化
物もしくは炭酸塩の１種以上を希土類元素換算で０．０
１〜１５重量％添加した原料粉末を成形、焼結して得ら
れた窒化アルミニウム焼結体を用いた半導体装置用放熱
板の製造方法である。

ここで放熱板とは放熱作用を奏するものであれば良く、
例えばＡｇＮ絶縁体に配線が施された回路基板、パッケ
ージ等も含む。

以下、本発明のＡｇＮ焼結体の製造方法を詳細に説明す
る。

まず、酸素が１重量％以下含むＡｇＮ粉末にイツトリウ
ム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、プロセオジム（Ｐｒ）、
ネオジウム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリウム
（Ｇｄ）、　　ジスプロシウム（Ｄｙ）から選ばれる希
土類元素の酸化物もしくは炭酸塩の１種以上を希土類元
素換算で０．０１〜１５重量％を添加し、ボールミル等
を用いて粉砕、混合して原料を調整する。但し、常圧焼
結の場合は前記ボールミル等で粉砕、混合したものに更
にバインダを加え、混線、造粒、整粒を行なって原料を
調整する。ここで、ＡｇＮ中に含まれる酸素量を限定し
た理由は、その量が１重量％を越えると、ＡｇＮ中に固
溶される酸素量が多くなって高熱伝導性のＡｇＮ焼結体
の製造が困難となるからである。また、前記希土類元素
の酸化物もしくは炭酸塩の添加量を限定した理由はその
量を希土類元素換算で０．０１重量％未未満すると焼結
性の高い緻密なＡ４７Ｎ焼結体が得られなくなり、かと
いってその量が同換算で１５重量％を越えると原料粉末
中のＡｇＮ粉末の絶対量が少なくなり、ＡｇＮ焼結体本
来の特性である耐熱性、高強度性が損われるばかりか、
高熱伝導性も低下させるからである。なお、焼結手段と
して常圧焼結を採用した場合には前記希土類元素の酸化
物もしくは炭酸塩の添加量を０．１〜１５重量％の範囲
とすることが望ましい。

次いで、前記バインダを含む原料を金型、静水圧又はシ
ート成形等の手段により成形した後、成形体をＮ２ガス
気流中にて７００℃前後で加熱してバインダを除去する
。つづいて、成形体を黒鉛又は窒化アルミニウムからな
る容器にセットし、Ｎ２ガス雰囲気中にて１６００〜１
８５０　’Ｃで常圧焼結を行なう。この際、比較的低温
（１０００〜１３００℃）で後述するガーネット組成い
はペロブスカイト相がＡｇＮの粒界に生成され、更に高
い１６００〜１８５０℃でガーネット相、ペロブスカイ
ト相が融解し、その液相焼結機構によって常圧焼結がな
される。

回路基板の場合は導体との同時焼結技術を用いても良い
し、厚膜、薄膜等の回路を形成しても良い。

一方、ホットプレス焼結の場合は前記ボールミルで粋砕
、混合して調整した原料を１６００〜１８００℃でホッ
トプレスを行なう。

上述した原料の成形、焼結によりＡｇＮ焼結体を製造す
る。かかるＡｇＮ焼結体中の酸素量を量は、該酸素量を
０．Ｏ１重量％未満にすると、焼結性の高い緻密なＩＮ
焼結体が得難く、かといってその量が２０重量％を越え
ると、熱伝導性の低下を招く。

（作　　用）本発明者らは、従来法で製造された助剤が添加されたＡ
ｇＮ焼結体の低熱伝導性について種々検討した結果、こ
の低熱伝導性はＡｇＮ焼結中の助剤量と共に焼結性に関
与する酸素含有量に起因することを究明した、ＡΩＮ焼
結性を高めて緻密なＡＩＩＮ焼結体を得るために、酸素
が含まれていることが必要であるが、酸素量が多くなる
と、高熱伝導性の阻害要因となることがわかった。

そこで、本発明者らは上記究明結果を踏えて更に鋭意研
究したところ、酸素を１重量％以下含むＡｇＮ粉末に特
定の希土類元素の酸化物もしくは炭酸塩の１種以上を希
土類元素換算で０．０１〜１５重量％添加した原料を成
形、焼結して所定の酸素を含む焼結体とすることによっ
て、熱伝導率が例えば４０Ｗ／ｍ−に以上の高熱伝導性
ＡｆＩＮ焼結体を製造できることを見い出した。このよ
う、本の酸素を１重量％以下とし、このＡ、１７Ｎ粉末
に希土類元素の酸化物もしくは炭酸塩の１種以上を発明
方法で製造されたＡｇＮ焼結体が高熱伝導性を示すのは
以下に説明する組織となることによるものと推定される
。

所定量の酸素を含むＡｊｌＮ粉末に特定の希土類元素の
酸化物もしくは炭酸塩の１種以上を所定量添加した原料
を成形し、焼結すると、希土類元素がＡｆｉＮ中に存在
する酸素と反応して、組成式３式％Ｐ「、Ｎｄ％Ｓｍ、Ｇｄ５Ｄｙから選ばれる希土類元素
）の形で表わされるガーネット構造化合物相（以下、ガ
ーネット相と略す）がＡｇＮの粒界に生成され、ＡＩＮ
の結合に寄与すると共に、酸素を固定化する。しかしな
がら、酸素量が多くなると、ガーネット相として取り込
まれない酸素が存在することになり、その酸素がＡΩＮ
粒子に固溶拡散する、絶縁体の熱伝導率は弾性波（フォ
ノン）の拡散によって支配されるが、酸素が固溶拡散し
たＡｆＩＮ粒子を含むＡｇＮ焼結体ではフォノンが該固
溶拡散された領域で散乱し、結果として熱伝導性の低下
を招く。しかるに、ＡｊｌｌＮ粉末中所定量添加して、
ＩＮ焼結体中の酸素を前記ガーネット相を構成する量に
抑えて固定化し、Ａ、１７Ｎへの固溶拡散を阻止するこ
とによって、フォノンの散乱が少なくなり、結果的には
熱伝導性が向上される。なお、ＡＪ７Ｎの粒界にはガー
ネット相とは別の組成式ＬｎＡＩ　Ｏ３（Ｌｎ　；Ｙ、
Ｌａ。

Ｐ　ｒ　ｓ　Ｎ　ｄ　ＳＳ　ｍ　ＳＧ　ｄ　ｓ　Ｄ　ｙ
から選ばれる希土類元素）の形で表わされるペロブスカ
イト構造化合物相（以下、ペロブスカイト相と略す）が
生成される場合もあり、この場合も全く同様な作用効果
を示す。

（発明の実施例）以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例１まず、酸素を１重量％含有するＡｌ７Ｎ粉末（平均粒径
１μｍ）に酸化サマリウム粉末（平均粒径１μｍ）を３
重量％添加し、ボールミルを用いて粋砕、混合して原料
を調整した。つづいて、この原料を直径１０ｍｍのカー
ボン型に充填し、圧力３００）ｃｇ／ｃｍ　　、温度１
８００℃の条件で１時間ホットプレスを行なってＡ４７
Ｎ焼結体を製造した。

比較例１酸素を３重量％含有するＡｇＮ粉末（平均粒径１μｍ）
そのものを原料として用いた以外、実施例１と同様な方
法によりＡ４７Ｎ焼結体を製造した。

比較例２酸素を２０重量％含有するＡ４７Ｎ粉末（平均粒径０．
９μｍ）に酸化サマリウム粉末（平均粒径１μｍ）を３
重量％添加し、ボールミルを用いて粉砕、混合して原料
を調製した。次いで、この原料を用いて実施例１と同様
にポットプレスを行なってＡＩＩＮ焼結体を製造した。

しかして、本実施例１及び比較例１．２で製造されたＡ
ｆｉＮ焼結体について約３．５關の熱さに研摩した後、
レーザフラッシュ法によって室温での熱伝導率を測定し
た。その結果、本実施例１のＡｊ７Ｎ焼結体では１２１
Ｗ／ｍ−にであったの対し、比較例１のｉＮ焼結体では
３５Ｗ／ｍ−に、比較例２のＡｇＮ焼結体では３２Ｗ／
ｍ−にであった。

また、Ｘ線回折で各ＡｇＮ焼結体の構成相を調べたとこ
ろ、実施例１のＡｇＮ焼結体ではＡｇＮ相及びペロブス
カイト相が、比較例１ではＡ４７Ｎ相以外にかなりの量
の酸窒化物相が、比較例２ではＡｇＮ相及びペロブスカ
イト相以外にかなりの量の酸窒化物相が、夫々検出され
た。

実施例２酸化サマリウム粉末の代わりに酸化ガドリニウム粉末を
用いた以外、実施例１と同様に原料を調製し、これをホ
ットプレスすることによりＡｇＮ焼結体を製造した。

製造されたＡｇＮ焼結体を約３．５ｍｍの厚さに研摩し
た後、レーザフラッシュ法によって室温での熱伝導率を
測定したところ、１２３Ｗ／ｍ−にと極めて高い熱伝導
性を示した。また、Ｘ線回折でＡｇＮ焼結体の組織を調
べたところ、ＡｇＮ柑、ガーネット相が検出された。

実施例３〜９下記第１表に示す酸素含有量の異なるＡｇＮ粉末（平均
粒径０．９μｍ）に酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末
を同第１表に示す割合で添加し、ボールミルを用いて１
０時時間式粉砕、混合して重量が２００ｇの混合粉末と
した後、これら混合粉末にパラフィンを夫々７重量％添
加し、造粒して７種の原料を調製した。つづいて、これ
ら原料を３００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で冷開成形して３７
ｃｍｘ３７ｃｍＸ６ＣＩｎの寸法の板状体とした、次い
で、これら板状体を窒素ガス雰囲気で６００℃まで加熱
し、１０時間保持して脱脂した後、窒化アルミニウム容
器中にセットし、窒素ガス雰囲気化にて１８００℃、２
時間常圧焼結して７種のＡｆＩＮ焼結体を製造した。

製造された各ＡｇＮ焼結体の密度、並びに実施例１と同
様なレーザフラッシュ法による室温での熱伝導率を調べ
た。その結果を同第１表に併記した。なお、第１表には
比較例３として酸化イツトリウムを添加しないＡｊｌＮ
粉末（酸素含有量１重量％）にパラフィンを７重量％添
加し、造粒した原料を用いた以外、実施例３〜９と同様
な方法により製造したＡｇＮ焼結体の密度、熱伝導率を
併記した。

第　　　１　　　表上記第１表から明らかなように本実施例３〜９のＡｆｉ
Ｎ焼結体は高密度でかつ高熱伝導性を有することがわか
る。

また、本実施例３〜９のＡＩＩＮ焼結体についてＸ線回
折により組織を調べたところ、いずれもＡの放熱板に有
効な高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を製造し得る方
法を提供できる。

ＡｇＮ相、ガーネット相、ペロブスカイト相及び僅かな
酸窒化物相が検出されたが、Ｙ２Ｏ３の添加量の多いＡ
ｇＮ焼結体はど酸窒化物相が減少して、ガーネット相が
増大していた。

実磯例１０〜１５酸素を１重量％含有するＡ４７Ｎ粉末（平均粒径１μｍ
）に平均粒径が１　ｕ　ｍ　Ｇ　ｄ　２０　ｓ粉末、Ｄ
　ｙ　２０３粉末、Ｌａ２Ｏ３粉末、Ｐ　ｒ　２０３粉
末、Ｎｄ２Ｏ３粉末及びＳｍ２Ｏ３粉末を夫々３重量％
添加し、ボールミルを用いて１０時時間式粉砕、混合し
て混合粉末とした後、これら混合粉末にパラフィンを夫
々７重量％添加し、造粒して調製した６種の原料を用い
た以外、実施例３〜９と同様な方法によりＡｊ７Ｎ焼結
体を製造した。

製造された各ＡｇＮ焼結体は、３．２９ｋｇ／ｃｍ２以
上の密度を有し、かつ８０Ｗ／ｍ−に以上の熱伝導率を
示した。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明によれば高密度で熱伝導率が
４０Ｗ／ｍ−に以上を示し、半導体装置の放熱板に有効
な高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を得ることができ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体装置用放熱板として酸素を１重量％以下含
む窒化アルミニウムを主成分とし、これにイットリウム
、ランタン、プラセオジム、ネオジウム、サマリウム、
ガドリウム、ジスプロシウムから選ばれる希土類元素の
酸化物もしくは炭酸塩の１種以上を希土類元素換算で０
．０１〜１５重量％添加した原料を成形、焼結して得ら
れた窒化アルミニウム焼結体を用いることを特徴とする
半導体装置用放熱板の製造方法。
（２）製造された窒化アルミニウム焼結体は密度が理論
密度の９０％以上で、室温における熱伝導率が４０Ｗ／
ｍ・ｋである特許請求の範囲第１項記載の半導体装置用
放熱板の製造方法。