JPH04254475A - 半導体装置用放熱板 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高熱伝導性窒化アルミ
ニウム焼結体からなる放熱板にに関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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５０
ｋｇ／ｍｍ２　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
有望視されている。かかるＡｌＮ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ている。

【０００３】ところで、ＡｌＮ焼結体は従来より常温焼
結法、ホットプレス法により製造されている。ホットプ
レス法では、ＡｌＮ粉末単独または助剤が添加されたＡ
ｌＮ粉末を用い、高温高圧下にて焼結を行うものである
。しかしながら、ホットプレス法では複雑な形状の焼結
体の製造が難しく、しかも生産性が低いためにコスト高
となる。

【０００４】これに対し、常圧焼結法では高密度化の目
的で、ＡｌＮ粉末に酸化ケイ素などを焼結助剤として添
加した原料が用いられる。かかる常圧焼結法では、前述
した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ＡｌＮ焼結体の熱伝導率はＡｌＮの理論熱伝導
率が３２０Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、高々４０Ｗ／ｍ
・Ｋと低い。このため、前記ＡｌＮ焼結体を前記半導体
装置の放熱板材料として用いた場合には必ずしも良好な
放熱性を発揮できないという問題があった。なお、前記
ホットプレス法により製造されたＡｌＮ焼結体（助剤が
添加されたＡｌＮ粉末を原料として使用）においても熱
伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の問題
点を解決するためになされたもので、高熱伝導性のＡｌ
Ｎ焼結体からなり、優れた放熱特性を有する放熱板を提
供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる放熱板は
、酸素を０．００１〜７重量％含む窒化アルミニウムと
、最終的に酸化物となるアルカリ土類金属及びその化合
物から選ばれる１種以上をアルカリ土類金属換算で０．
００２〜１５重量％とを混合し、焼結してなる窒化アル
ミニウム焼結体からなることを特徴とするものである。

【０００７】前記ＡｌＮ中の酸素量を限定したのは、次
のような理由によるものである。前記酸素量を０．００
１重量％未満にすると、焼結性を高められず、緻密なＡ
ｌＮ焼結体を得ることが困難となる。一方、前記酸素量
が７重量％を越えるとＡｌＮの酸素が粒界に移行されず
に残留するために熱伝導性の低下を招く。ただし、焼結
法として常圧焼結法を採用する場合には前記ＡｌＮ中の
酸素量を０．０５〜５重量％、より好ましくは０．０５
〜１重量％の範囲にすることが望ましい。ホットプレス
法を採用する場合には、前記ＡｌＮ中の酸素量を０．０
１〜３重量％、より好ましくは０．００１〜１重量％の
範囲にすることが望ましい。

【０００８】前記アルカリ土類金属としては、Ｃａ、Ｓ
ｒ、Ｂａ、Ｍｇを挙げることができ、前記アルカリ土類
金属化合物としては酸化物、炭酸塩、シュウ酸塩、硫酸
塩、硝酸塩等を挙げることができる。かかるアルカリ土
類金属またはその化合物は、１種でもよいし、２種以上
の混合物でもよい。

【０００９】前記アルカリ土類金属及びその化合物の混
合量（アルカリ土類金属換算）を限定したのは、次のよ
うな理由によるものである。前記混合量を０．００２重
量％未満にすると、焼結性を高められず、緻密なＡｌＮ
焼結体を得ることが困難となる。一方、前記混合量が１
５重量％を越えるとＡｌＮの絶対量が少なくなり、Ａｌ
Ｎ焼結体本来の特性である耐熱性、高強度性が損なわれ
るばかりか、高熱伝導性も低下する。なお、これらアル
カリ土類金属およびその化合物の混合にあたってはＡｌ
Ｎ原料中の含有酸素量が多い場合には前記範囲（０．０
０２〜１５重量％）内において、多くすることが望まし
い。また、焼結法として常圧焼結法を採用する場合には
、前記アルカリ土類金属等の混合量を０．１〜１５重量
％とすることが望ましい。本発明に係わる放熱板は、そ
の表面に銅などからなる回路パターンを形成することを
許容する。さらに、前記放熱板にヒートシンクを接続さ
せてもよい。次に、本発明の放熱板を構成するＡｌＮ焼
結体を（１）常圧焼結法および（２）ホットプレス法に
より製造する方法を説明する。

【００１０】（１）まず、所定量の酸素を含有するＡｌ
Ｎ粉末にアルカリ土類金属およびその化合物を添加し、
ボールミル等を用いて混合した後、バインダを加え、混
練、造粒、整粒を行ない、金型、静水圧プレス或いはシ
ート成形により成形体を作製する。つづいて、成形体を
Ｎ２　ガス気流中で７００℃前後で加熱してバインダを
除去する。次いで、前記成形体を黒鉛または窒化アルミ
ニウムの容器にセットし、Ｎ２　ガス雰囲気中にて１６
００〜１９００℃で常圧焼結を行なってＡｌＮ焼結体を
製造する。この際、比較的低温（１０００〜１３００℃
）で後述するアルカリ土類金属・アルミニウム複合酸化
物が生成され、さらに高温で融解され、その液相焼結機
構によって常圧焼結がなされる。

【００１１】（２）所定量の酸素を含有するＡｌＮ粉末
にアルカリ土類金属およびその化合物を添加し、ボール
ミル等を用いて混合した原料を１６００〜１９００℃で
ホットプレスすることによりＡｌＮ焼結体を製造する。

【００１２】

【作用】本発明者らは、放熱板として用いられるＡｌＮ
焼結体（助剤を含む）を従来法で製造した場合における
低熱伝導性について種々検討した結果、その低熱伝導性
はＡｌＮ焼結体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。ＡｌＮ原料中には、
焼結性を高めて緻密なＡｌＮ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。

【００１３】そこで、本発明者らは前記究明結果を踏ま
えて鋭意研究を重ねたところ、酸素を０．００１〜７重
量％含む窒化アルミニウムに最終的に酸化物となるアル
カリ土類金属およびその化合物から選ばれる１種以上を
アルカリ土類金属換算で０．００２〜１５重量％混合し
、焼結することによって従来の窒化アルミニウム焼結体
に比べて熱伝導性の極めて高い窒化アルミニウム焼結体
からなる放熱板を見い出だした。このように本発明の放
熱板を構成する窒化アルミニウム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。

【００１４】アルカリ土類金属またはそれらの化合物を
添加した、酸素を含むＡｌＮ原料を成形して焼結すると
、前記アルカリ土類金属がＡｌＮ中の酸素（通常、酸化
アルミニウムとして存在）と反応して、組成式６Ａｌ２
　Ｏ３　−ＭｅＯ、２Ａｌ２　Ｏ３・ＭｅＯ、３Ａｌ２
　Ｏ３　・５ＭｅＯ、Ａｌ２　Ｏ３　・ＭｅＯ〔ただし
、Ｍｅはアルカリ土類金属〕の形で表わされるアルカリ
土類金属・アルミニウム複合酸化物のうちのいくつかの
形態のものを生成し、前記複合酸化物が焼結を促進する
と共に、最終的にＡｌＮの粒界に集まり、ＡｌＮ中の酸
素を固定化する。前記アルカリ土類金属・アルミニウム
複合酸化物のうち、いずれが生成するかはＡｌＮ中の酸
素量、アルカリ土類金属の添加量および焼結条件との兼
ね合いで決まる。

【００１５】前記焼結工程において、酸素量の多いＡｌ
Ｎ原料を用いると、前記アルカリ土類金属・アルミニウ
ム複合酸化物として取り込み切れない酸素が残留するこ
とになり、その酸素がＡｌＮ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ＡｌＮ粒子を含むＡｌ
Ｎ焼結体ではフォノンが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。

【００１６】このようなことから、ＡｌＮ原料中の酸素
をアルカリ土類金属の添加量との兼ね合いでアルカリ土
類金属・アルミニウム複合酸化物の生成に全て寄与する
量（０．００１〜７重量％）に抑えて固定化し、ＡｌＮ
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、結果として熱伝導性が向上されたＡｌＮ焼結
体が得られるものと推定される。以上のようなＡｌＮ焼
結体からなる放熱板は、その優れた熱伝導性により良好
な放熱特性を有するため、半導体装置の実装基板等に利
用できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 実施例１

【００１８】まず、酸素を０．８７重量％含有する窒化
アルミニウム粉末（平均粒径１μｍ）にシュウ酸ストロ
ンチウム粉末（平均粒径１μｍ）を３重量％添加し、ボ
ールミルを用いて粉砕、混合を行って原料を調製した。 つづいて、この原料を直径１０ｍｍのカーボン型に充填
し、圧力３００ｋｇ／ｃｍ２　、温度１８００℃の条件
で１時間ホットプレスを行なってＡｌＮ焼結体を製造し
た。その後、ＡｌＮ焼結体を所定の寸法に加工して放熱
板を製作した。 比較例１

【００１９】酸素を３重量％含有する窒化アルミニウム
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ＡｌＮ焼結体を製造し
、さらに加工を施して放熱板を製作した。 比較例２

【００２０】酸素を１０重量％含有する窒化アルミニウ
ム粉末（平均粒径１μｍ）にシュウ酸ストロンチウム粉
末（平均粒径１μｍ）を３重量％添加し、ボールミルを
用いて粉砕、混合を行って原料を調製した。つづいて、
この原料を実施例１と同様にホットプレスを行なってＡ
ｌＮ焼結体を製造し、さらに所定の寸法に加工して放熱
板を製作した。

【００２１】実施例１および比較例１、２により得られ
た各放熱板を、それぞれ約３．５ｍｍの厚さに研磨した
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、実施例１の放熱板では１０６Ｗ／ｍ
・Ｋであったのに対し、比較例１の放熱板では３６Ｗ／
ｍ・Ｋ、比較例２の放熱板では３２Ｗ／ｍ・Ｋであった
。

【００２２】また、Ｘ線回折により前記実施例１および
比較例１、２の各放熱板の材料であるＡｌＮ焼結体の構
成相を調べた。その結果、実施例１のＡｌＮ焼結体では
ＡｌＮ相およびＡｌ２　Ｏ３　・ＳｒＯ相、２Ａｌ２　
Ｏ３　・ＳｒＯ相が、比較例１のＡｌＮ焼結体ではＡｌ
Ｎ相以外にかなりの量の酸窒化物相が、比較例２のＡｌ
Ｎ焼結体ではＡｌＮ相以外にかなりの量の酸窒化物相が
、それぞれ検出された。 実施例２

【００２３】シュウ酸ストロンチウム粉末の代りに、炭
酸カルシ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してＡｌＮ焼結体を製造
し、さらに所定の寸法に加工して放熱板を製作した。

【００２４】得られた放熱板を、約３．５ｍｍの厚さに
研磨した後、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、１２０Ｗ／ｍ・Ｋと極めて高い
熱伝導性を示した。また、Ｘ線回折により前記放熱板の
材料であるＡｌＮ焼結体の構成相を調べた。その結果、
ＡｌＮ相およびＡｌ２　Ｏ３・ＣａＯ相、２Ａｌ２　Ｏ
３・ＣａＯ相が検出された。 実施例３〜８

【００２５】まず、酸素を０．９５重量％含有する窒化
アルミニウム粉末（平均粒径１μｍ）に炭酸カルシウム
粉末（平均粒径１μｍ）をそれぞれ０．１重量％、０．
５重量％、１重量％、３重量％および５重量％添加し、
ボールミルを用いて粉砕、混合して重量が２００ｇの５
種の原料を調製した。つづいて、これら原料にそれぞれ
パラフィンを７重量％添加し、造粒した後、圧力３００
ｋｇ／ｃｍ２　で冷間成形して３７ｍｍ×３７ｍｍ×６
ｃｍの寸法の板状とした。次いで、これら板状体を窒素
ガス雰囲気中で７００℃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
ガス雰囲気にて１８００℃、２０時間常圧焼結して６種
のＡｌＮ焼結体を製造した。その後、これら焼結体を所
定の寸法に加工して放熱板を製作した。

【００２６】実施例３〜８の各放熱板について、密度お
よび熱伝導率を調べた。その結果を下記表１に示した。 なお、表１中には炭酸カルシウムを添加しない窒化アル
ミニウム粉末そのものを原料とした以外、実施例３と同
様な方法によりＡｌＮ焼結体を製造し、所定の寸法に加
工して製作した放熱板について比較例３として併記した
。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　表　　　　１　　　　　　　　　　　　
　　　　ＣａＣＯ３　の添加量　　　　密　　　　　　
度　　　　熱　　伝　　導　　率　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　（重量％）　　　　　　（ｇ／ｃ
ｍ３　）　　（Ｗ／ｍ・Ｋ）　　　　　　比較例３　　
　　　　　　０　　　　　　　　　　　　　　　　２．
０３　　　　　　　　　　　　８　　　　　　実施例３
　　　　　　　　０．１　　　　　　　　　　　　３．
０７　　　　　　　　　　６５　　　　　　実施例４　
　　　　　　　０．５　　　　　　　　　　　　３．１
９　　　　　　　　　　８１　　　　　　実施例５　　
　　　　　　１　　　　　　　　　　　　　　　　３．
２３　　　　　　　　１１０　　　　　　実施例６　　
　　　　　　２　　　　　　　　　　　　　　　　３．
２０　　　　　　　　１０５　　　　　　実施例７　　
　　　　　　３　　　　　　　　　　　　　　　　３．
２１　　　　　　　　１１０　　　　　　実施例８　　
　　　　　　５　　　　　　　　　　　　　　　　３．
２１　　　　　　　　１０５

【００２７】また、実施例
３〜７の各放熱板の材料であるＡｌＮ焼結体の構成相を
調べた。その結果、いずれもＡｌＮ相および６Ａｌ２　
Ｏ３　・ＣａＯ相、２Ａｌ２　Ｏ３　・ＣａＯ相、３Ａ
ｌ２　Ｏ３　・５ＣａＯ相、Ａｌ２　Ｏ３　・ＣａＯ相
および僅かな酸窒化物相が検出されたが、ＣａＣＯ３　
の添加量が増すに従って、酸窒化物相が減少し、アルカ
リ土類金属・アルミニウム複合酸化物相が増大した。し
かも、同複合酸化物相の中でもＣａＣＯ３　の添加量が
増すに従ってＣａＯ／Ａｌ２　Ｏ３　比が大きい酸化物
相の割合が増大した。 実施例９〜１１

【００２８】酸素を１重量％含有する窒化アルミニウム
粉末（平均粒径１μｍ）に平均粒径が１μｍのＣａＣＯ
３　、ＳｒＣＯ３　、ＢａＣＯ３　をそれぞれ３重量％
添加し、ボールミルを用いて粉砕、混合して３種の原料
を調製した。つづいて、これら原料を用いて実施例３と
同様な方法により常圧焼結して３種のＡｌＮ焼結体を製
造した。その後、これら焼結体を所定の寸法に加工して
放熱板を製作した。

【００２９】実施例９〜１１の各放熱板について、熱伝
導率を調べた。その結果を下記表２に示した。なお、表
２中には助剤を加えない窒化アルミニウム粉末そのもの
を原料として１８００℃でホットプレスしてＡｌＮ焼結
体を製造し、所定の寸法に加工して製作した放熱板につ
いて参照例として併記した。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　表　　　　２　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　添加助剤　　　　　
　　　熱　　伝　　導　　率　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　（Ｗ／ｍ・Ｋ）　　　　　　　　　　　
　　　実施例９　　　　　　ＣａＣＯ３　　　　　　　
　　　　１０５　　　　　　　　　　　　　　実施例１
０　　　　ＳｒＣＯ３　　　　　　　　　　　　　９０
　　　　　　　　　　　　　　実施例１１　　　　Ｂａ
ＣＯ３　　　　　　　　　　　　　８０　　　　　　　
　　　　　　　参照例　　　　　　　　　　無添加　　
　　　　　　　　　　　　５０また、実施例９〜１１の
各放熱板は密度が３．２ｇ／ｃｍ３　以上であった。 実施例１２〜１５

【００３０】酸素を３．５重量％含有する窒化アルミニ
ウム粉末（平均粒径１．１μｍ）にＣａ（ＮＯ３　）２
　・４Ｈ２　Ｏを１５重量％添加した。これを実施例３
と同様な条件（但し、焼結は下記表３に示す条件）によ
り常圧焼結して４種のＡｌＮ焼結体を製造した。その後
、これら焼結体を所定寸法に加工して放熱板を製作した
。実施例１２〜１５の各放熱板について、熱伝導率を調
べた。 その結果を同表３に併記した。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　表　　　　３　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　焼　　結　　　　条　　
件　　　　熱　　伝　　導　　率　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　温　　　　度　　　
　時間　　　　（Ｗ／ｍ・Ｋ）　　　　　　　　　　　
　実施例１２　　　　１７５０℃　　２ｈｒ　　　　　
　　　６２　　　　　　　　　　　　実施例１３　　　
　１８００℃　　２ｈｒ　　　　　　　　６６　　　　
　　　　　　　　実施例１４　　　　１８５０℃　　８
ｈｒ　　　　　　　　７０　　　　　　　　　　　　実
施例１５　　　　１８００℃　　２ｈｒ　　　　　　　
　９５

【００３１】また、実施例１２〜１５の各放熱板
は密度が３．２ｇ／ｃｍ３　以上であり、充分に緻密化
されたものであった。実施例２〜１５の各放熱板の材料
であるＡｌＮ焼結体のＸ線回折結果によれば、いずれも
ＡｌＮ相の他に２Ａｌ２　Ｏ３　・ＣａＯ相、Ａｌ２　
Ｏ３　・ＣａＯ相、１２Ａｌ２　Ｏ３　・７ＣａＯ相、
Ａｌ２　Ｏ３　・３ＣａＯ相が検出された。 実施例１６〜１９

【００３２】酸素を５重量％含有する窒化アルミニウム
粉末（平均粒径０．７μｍ）に平均粒径が１μｍのＣａ
ＣＯ３　を１０重量％、５重量％、ＳｒＣＯ３　を１０
重量％、ＢａＣＯ３　を１０重量％それぞれ添加し、ボ
ールミルを用いて粉砕、混合して３種の原料を調製した
。これら原料を実施例３と同様な条件（但し、焼結は下
記表４に示す条件）により常圧焼結して４種のＡｌＮ焼
結体を製造した。その後、これら焼結体を所定寸法に加
工して放熱板を製作した。実施例１６〜１９の各放熱板
について、熱伝導率を調べた。その結果を同表４に併記
した。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　表　　　　４　　　　　　　　　　　　
　　　　添　　加　　　　助　　剤　　　　焼　　結　
　条　　件　　　　熱　　伝　　導　　率　　　　　　
　　　　　　　　　　種類　　　　　　添加量　　　　
温　　度　　　　時間　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　（ｗｔ％）　　　　　
（℃）　　　　（ｈｒ）　　　　（Ｗ／ｍ・Ｋ）　　実
施例１６　　ＣａＣＯ３　　　１０　　　　　　１８０
０　　２　　　　　　　　　　　　６２　　実施例１７
　　ＣａＣＯ３　　　　　５　　　　　　１８００　　
２　　　　　　　　　　　　５８　　実施例１８　　Ｓ
ｒＣＯ３　　　１０　　　　　　１８００　　２　　　
　　　　　　　　　６２　　実施例１９　　ＢａＣＯ３
　　　１０　　　　　　１８００　　２　　　　　　　
　　　　　５９また、実施例１６〜１９の各放熱板は密
度が３．２ｇ／ｃｍ３　以上であり、充分に緻密化され
たものであった。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、高熱
伝導性のＡｌＮ焼結体からなり、優れた放熱特性を有し
、半導体装置の実装基板等に有用な放熱板を提供するこ
とができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　酸素を０．００１〜７重量％含む窒化
   アルミニウムと、最終的に酸化物となるアルカリ土類金
   属及びその化合物から選ばれる１種以上をアルカリ土類
   金属換算で０．００２〜１５重量％とを混合し、焼結し
   てなる窒化アルミニウム焼結体からなることを特徴とす
   る放熱板。