JPH0312363A - 窒化アルミニウム質焼結体およびその製造方法 - 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、窒化アルミニウム質焼結体およびその製造方
法に関し、より詳細には高熱伝導性を有し、放熱性の基
板等の電子部品材料に好適で且つ導体材料と同時焼成可
能な窒化アルミニウム質焼結体およびその製造方法に関
する。

（従来技術） 近時、情報処理装置の高性能化、高速化に伴いそれを構
成する半導体集積回路も高密度化、高集積化が急速に進
み、そのために半導体集積回路素子の大電力化により該
素子の発熱量が著しく増加し、前記半導体集積回路素子
を正常に且つ安定に作動させるためには、その発生する
熱をいかに効率良く除去するかが問題となっている。

そこで、従来のアルミナを基体とする半導体パッケージ
等では熱伝導率が低く放熱が不十分であることから、熱
伝導率が高いセラミック材料として酸化ベリリウム質焼
結体が提案されているが、その毒性の点で使用上難点が
あった。

そのため、酸化ベリリウム質焼結体に代わる高熱伝導性
基板材料として常温から高温まで高い機械的強度を有す
るとともに電気絶縁性が高く、高熱伝導性であり、熱膨
張係数がアルミナに比ベシリコン単結晶に近いなどの優
れた特性を有する窒化アルミニウム質焼結体が注目され
ている。

しかしながら、窒化アルミニウムは本来難焼結性であり
、単味では高い熱伝導率を有する高密度焼結体を得るこ
とが困難であった。そこで従来から焼結助剤として、周
期律表第■、族元素もしくは■、族元素の化合物、例え
ばカルシウム、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ
土類金属もしくはイツトリウム及び希土類元素の化合物
を添加することにより高密度の焼結体を得ることが行わ
れている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の方法、特にイツトリウムの酸化物
（ＹｚＯｓ）を助剤に用いた場合、焼成温度を高くする
必要があるため、酸化カルシウム（Ｃａｂ）と複合添加
して焼成温度を下げることが行われている。ところが、
こうして得られた焼結体は、その抗折強度が不十分であ
るため取扱時に割れやクランク等が生じやすく、また基
板作成時、配線を成す導体材料と同時焼成を行った際、
その接着強度が不十分であるという問題があった。

一方、熱伝導率を高めるために焼結体中の粒界を除去す
ることも行われているが焼結温度を高く設定する必要が
あり、また焼結体の表面に荒れが生じるために平滑性が
失われるため、研磨工程を必要とするなど量産性の点か
らも好ましくない。

（発明の目的） 本発明は上記問題点を解決することを主たる目的とする
ものであり、具体的には高熱伝導性を有し、均−質で且
つ表面平滑性に優れるとともに、導体材料との同時焼成
が可能な高密度の窒化アルミニウム質焼結体を提供する
ことにあり、他の目的は該焼結体を容易に且つ安定に製
造するための方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明者等は上記問題点に対し、研究を重ねた結果、実
質上カーボンを含まない雰囲気下で焼成することにより
表面の滑らかな焼結体が得られること、焼成中に生成す
る液相が焼結体中で均一に存在することによりじみの発
生、収縮の不拘−反りを抑えることが可能であること、
実用には特定の重希土類金属化合物とアルカリ土類金属
化合物を同時に添加すればよいことを知見した。

即ち、本発明は、ＡＩＮ　８８乃至９８重量％と、重希
土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）あるいはその金属化
合物を２〜１０重量％の割合で含有し、且つアルカリ土
類金属としてカルシウム（Ｃａ）あるいはその金属化合
物粉末を酸化物に換算して２．０重量％、カルシウム（
Ｃａ）金属あるいはその金属化合物を成形後、実質上カ
ーボンを含まない非酸化性雰囲気中、１６００〜２００
０℃の温度で前記焼結助剤がいずれも酸化物に換算して
添加量の９０％以上の割合で残存するように焼成すると
ともに、焼結体の粒界相にＥｒＪｌ、ｓＯ＋ｚが残存し
ないように焼成することにより嵩密度３．２〜３．６ｇ
／　ｃれ熱伝導率１２０〜２００Ｗ／ｍ　−Ｋの窒化ア
ルミニウム質焼結体を得ることができるというものであ
る。

以下、本発明を詳述する。

本発明における大きな特徴は焼結助剤として、該重希土
類金属としてエルビウム（Ｅｒ）を用い、またアルカリ
土類金属としてはカルシウム（Ｃａ）を用いることにあ
る。これは、−船釣に用いられるＹ２Ｏ、や軽希土類は
強度の点で望ましくなく、他の重希土類、例えばＹｂ等
は揮散が生じ易く、焼成の安定性が悪く、表面の荒れが
生じやすい等の問題がある。これら焼結助剤は金属単体
あるいは化合物として添加されるが、この好ましくは酸
化物、炭酸塩あるいは硝酸塩など焼成によって酸化物に
変換されるものが用いられる。

一方、本発明において使用される窒化アルミニウム粉末
は直接窒化法、アルミナ還元性等公知の方法で製造され
たものが使用できるが、特に酸素含有量０．４〜１．５
重量％、アルミニウムを除く陽イオン不純物０．１重量
％以下、炭素量１１０００ｐｐ以下であり、また粉末中
の硫黄（Ｓ）とアルミニウム（ＡＩ）との蛍光Ｘ線強度
の比が１０−３以下である（０を含まず）ことが望まし
い。

窒化アルミニウム粉末および焼結助剤は焼成において、
焼結助剤が液相を十分に生成し得る量で配合され、窒化
アルミニウム粉末８８〜９８重量％、前記重希土類元素
あるいはその化合物粉末を酸化物換算で２〜１０重量％
、特に４乃至８重量％、且つ前記アルカリ土類金属ある
いはその金属化合物粉末化合物を酸化物に換算して２．
０重量％以下特に０．０１〜１．０重量％の割合で配合
される。

配合された粉末は所望により、有機溶媒中で混合される
。この時、有機溶媒中に含有される水分量は０．４重量
％以下に設定される。これにより、ＡＩＮ粉末の分散性
を向上させるとともに、溶媒中の水分との反応によって
ＡＩＮ粒子表面の酸化を防止することができる。

得られた混合粉末は公知の成形手段、例えば金型もしく
は静水圧を用いたプレス成形、シート成形、押し出し成
形等により所望の形状に成形した後、焼成に移される。

また基板作成時にはＷ　、　Ｍｏ、Ｃｕ、　Ｍｎ等の１
種又は２種からなるの導体材料を公知の方法、例えばス
クリーン印刷法等により成形体の表面に形成することも
可能である。

焼成は実質上にカーボンを含まない非酸化性雰囲気、例
えば窒素、水素およびこれらの混合雰囲気で１５００〜
２０００℃の焼成温度で焼成される。焼成手段としては
１．常圧焼成法、窒素ガス圧焼成法が挙げられ、さらに
これらの焼成によって得られた焼結体を熱間静水圧焼成
することにより、緻密化を促進することができる。

この時、本発明では成形体中の前記助剤が酸化物に換算
して添加量の９０％以上割合で残存するように焼結する
ことが重要である。即ち、残存量が９０重量％未満では
助剤の揮散により焼結体表面に荒れが生じ、平滑性が失
われるために商品価値がなく、さらに基板製造時、導体
材料との同時焼成ができないためである。

本発明によれば、焼成工程において、１２００℃から焼
成温度までの昇温速度を平均４０℃／ｍｉｎ以下に設定
し、焼結が進行し始める前に、成形体中に焼結助剤と窒
化アルミニウム粉末表面の酸素との反応により液相成分
としてアルミネートを均一に生成させておくことが望ま
しく昇温速度が平均４０゛Ｃ／ｍｉｎを超えると液相成
分であるアルミネートが十分に生成されないまま、焼成
温度に到達し、液相生成が不均一となりしみ、そりが発
生しやすくなる。

焼成終了後は、焼成温度から、１２００℃までを平均４
０°（：　／ｍｉｎ以下の速度で降温することが望まし
くそれによって焼結体表面の不均一層を皆無となし、均
一化を図ることができる。

このような製造方法によって、最終焼結体において、密
度３．２〜３．６ｇ／　ｃｔｌ、熱伝導率１２０〜２０
０Ｗ／ｍ−に以上が達成される。

なお、焼結体の密度が３．２ｇ／　ｃｆｆｌより小さい
ものは空孔が多く、３．６ｇ／　Ｃ１１ｌより大きいも
のは窒化アルミニウム中の酸素と未反応の助剤成分が多
いことを意味するものである。

また、最終焼結体の粒界には焼成中に生成されたアルミ
ネートが存在する。このアルミネートは希土類とアルミ
ニウムとの複合酸化物であり、Ｙ３ＡＩＳＯＩ□（ＹＡ
Ｇ）　、ＹＡＩＯＩ（ＹＡＰ）あるいはＹ、Ａｌ２Ｏ２
（ＹＡＭ）の構造からなる３種が主である。本発明では
このうちＹＡＧ構造の複合酸化物、即ちＥｒ３ＡｌｓＯ
＋ｚは熱伝導性に対し悪影響を及ぼすためこのＹＡＧ構
造以外の前記複合酸化物が粒界の主相であることが重要
である。

さらに、焼結助剤としてエルビウム（Ｅｒ）あるいはそ
の金属化合物量を酸化物換算で２乃至１０重量％、カル
シウム（Ｃａ）あるいはその金属化合物粉末を酸化物換
算で２．０重量％以下に限定したのは、前記重希土類金
属化合物量が２．０重量％下回るとアルカリ土類金属の
添加量を多くしても焼結体の十分な緻密化達成されず、
１０重量％を超えると窒化アルミニウム中の酸素と未反
応の助剤が多量に残存し、不均一な焼結体になるためで
あり、前記アルカリ土類金属量が２．０重量％超えると
最適焼成温度が高（なるからである。

また、ＡｌＮ粉末、及び焼結体中の硫黄量を限定したの
は、硫黄量が多くなると焼結体の熱伝導率および電気特
性が劣化するためである。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例１） まず、酸素含有量０．９重量％、炭素含有量０．０５重
量％、アルミニウムを除（陽イオン不純物含有量ｏ、ｉ
重量％以下、硫黄含有量５　Ｘｌ０−’（ＡＩに対する
蛍光Ｘ線強度比）の窒化アルミニウム原料粉末と、Ｅｒ
、０３粉末と、ＣａＣ０ｚ粉末をそれぞれ添加量を変え
て混合した。ついで、この混合組成のテープをドクター
ブレード法を用いて成形した。このテープを脱脂後、炭
素を含有しない窒素含有雰囲気下、１７００℃で常圧焼
成した。なお、焼成時の昇温速度は２０’Ｃ／ｍｉｎ、
また降温速度２０°（：／ｍｉｎで行ったゆ 得られたサンプルに対しＸ線回折により粒界相の主相を
同定した。また焼結体の密度をアルキメデス法で、熱伝
導率をレーザーフラッシュ法で、助剤量（酸化物換算量
）をＩＣＰ発光分光分析法により、さらに抗折強度は４
点曲げ法により測定を行った。

また、各サンプルを４Ｎ−ＮａＯＨの水溶液中に３０分
浸漬して攪拌後、焼結体の単位面積当たりの重量減少量
を測定し、耐アルカリ性を評価した。

各実施例の結果を第１表に示す。

（以下余白） 第１表の結果から明らかなようにＹ２Ｏ３を用いたＮｏ
　１６．１７．１８の試料では、いずれもＥｒｚＣｈを
用いた試料に比べ抗折強度が低い。

ＥｒｚＯ，ｌの添加量が２重量％を下回るＮｃｔｌ、２
の試料では焼結が不十分となり、高熱伝導率は達成され
ず、且つ抗折強度も低い。また添加量が１０重量％を超
えるＮα１５の試料では粒界相量が多く、熱伝導率が低
く且つ色ムラ、じみの発生があった。

アルカリ土類金属化合物の添加量２．０重量％超えるＮ
α１１の試料では粒界相量が多（、熱伝導率が低くなっ
た。また添加していないＮｏ、　７の試料では焼結が不
十分となった。

これに対し本発明の試料Ｎｏ、　３〜６．８〜１０．１
２〜１４はいずれも密度３．２〜３．６ｇ／ｃｍ’、熱
伝導率１２０１＋ｌ／ｍ　−Ｋ以上、抗折強度３０Ｋｇ
／ｍｍ”以上の優れた特性を示した。

（実施例２） 実施例１の方法と全く同様な方法で第１表Ｎα４および
Ｎα１６の組成のテープ成形体にＷから成る導電性ペー
ストを印刷し、脱脂後１７６０℃で焼成し基板を作成し
た。得られた基板の導体部分にビンをハンダ付けして外
ピンを引張り、メタライズの接着強度を測定した。

測定の結果、希土類としてＹ２Ｏ，を用いたＮｏ、　４
の試料はその接着強度が３．１　ｋｇ／ｍｍ”であった
のに対し、希土類としてＥｒｚＯ３を用いたＮｏ４の試
料では３．９ｋｇ／ｍｍ２の優れた強度を示した。

（発明の効果） 以上詳述した通り、本発明の窒化アルミニウム質焼結体
は、高密度で熱伝導に優れ、熱的特性、電気的特性、機
械的特性も良好であり、かつ低温で焼成ができ、しかも
導体材料と同時焼成した場合にメタライズの接着強度を
向上することができることから、電子部品を搭載する絶
縁性基板等電子部品材料としての多くの利点を有する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ＡｌＮと焼結助剤としてエルビウム（Ｅｒ）金
   属あるいはその金属化合物とカルシウム（Ｃａ）金属あ
   るいはその金属化合物を主成分としてなり、該Ｅｒ金属
   あるいはその金属化合物が酸化物に換算して２〜１０重
   量％、Ｃａ金属あるいはその金属化合物が酸化物に換算
   して２．０重量％以下（０を含まず）の割合で含有して
   なり、主粒界相がＥｒ＿３Ａｌ＿５Ｏ＿１＿２以外のア
   ルミネートからなる嵩密度３．２〜３．６ｇ／ｃｍ＾３
   の窒化アルミニウム質焼結体。
2. （２）　前記焼結助剤がそれぞれ酸化物に換算して添加
   量の９０％以上の割合で残存したものである特許請求の
   範囲第１項記載の窒化アルミニウム質焼結体。
3. （３）　ＡｌＮを８８乃至９８重量％と、エルビウム（
   Ｅｒ）金属あるいはその金属化合物を酸化物換算で２〜
   １０重量％、カルシウム（Ｃａ）金属あるいはその金属
   化合物を２．０重量％以下（０を含まず）の割合で含有
   してなる混合物を成形後、実質上カーボンを含有しない
   非酸化性雰囲気下で１５００〜２０００℃の温度で焼成
   して前記Ｅｒ金属あるいはその金属化合物が酸化物に換
   算して添加量の９０％以上、Ｃａ金属あるいはその金属
   化合物が酸化物に換算して添加量の９０％以上の割合で
   残存させることを特徴とする窒化アルミニウム質焼結体
   の製造方法。