JPH0442861A - 高強度な窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野コ 本発明は、高熱伝導で、且つ高強度を有する窒化アルミ
ニウム焼結体の製造方法に関する。本発明で得られる窒
化アルミニウム焼結体は、特に、電子材料分野に於て、
高放熱特性を要求される工ＣおよびＬＳＩの絶縁基板、
ＨＩＣ基板等に用いられる。

［従来の技術］ 近年、半導体技術の進歩に伴い、半導体用基板材料にも
、様々な特性が求められるようになった。

その中の一つに、半導体チップの高密度化、高出力化に
伴う基板材料の放熱特性の向上がある。従来の基板材料
としては、アルミナ基板が、その絶縁特性や機械的な強
度、そして価格の点から、最も多く用いらｔできた。し
かし、アルミナ基板では、その材料の持つ熱伝導率や熱
膨張率から、放熱特性の向上には限界があった。これま
で、このような高放熱特性を要求される分野では、ベリ
リア基板が使用されてきたが、ベリリアは毒性を有し、
又非常に高価であるという欠点があった。

このようなことから、アルミナ並の材料特性を有し、放
熱特性の高い基板材料が求められている。

そこで、熱伝導率が高く、熱膨張率が半導体チップに近
く、絶縁特性の良好な窒化アルミニウム基板が注目され
いてる。しかしながら、窒化アルミニウムは、共有結合
性が強く難焼結性材料であるので、単体では緻密化が困
難である。よって、焼結により、窒化アルミニウム基板
を作成する場合。

加圧焼結をおこなう（特公昭６２−２２９５２）か、焼
結助剤を添加する（例えば、特公昭４７−１８６５５、
　　特公昭６３−３１４３４など）ことにより液相焼結
を生じさせ緻密化している。

窒化アルミニウムは、水や空気と反応し易いため、通常
粉末は幾分かの酸素を含んでいる。よって、加圧焼結を
行った場合、この不純物酸素により、熱伝導率は、余り
高い値とならない、現在では、この不純物酸素を液相成
分として有効に使う焼結助剤により緻密化する方法が広
く行われている。この場合、焼結助剤としては、イント
リア等が用いられている。しかしながら、この不純物酸
素量が多いと、添加する焼結助剤の量が多くなる、或は
、出来た焼結体の熱伝導率が低いものとなってしまうと
いった点から、従来の技術では、窒化アルミニウムの焼
結体を作製する工程に於いては、できるだけ酸素の量の
増加の生じないような手法が取られてきている。

この方法により、現在では、容易に１００Ｗ／ｍ−に以
上の窒化アルミニウム焼結体が得られるようになった。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これまでに作製されている窒化アルミニ
ウム焼結体では、焼結体の抗折強度が低く、特に、厚膜
の半導体用セラミックス基板用途として利用する場合、
実作動時に、活性金属法などで厚膜回路として接合した
銅板との熱膨張率の差により生じる繰り返し応力に耐え
ることが出来ず、必要とされる耐久時間以前にクランク
や破壊を生じてしまい、製品として利用することが出来
なかった。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、窒化アルミニウムの焼結体の製造を鋭意
研究し、従来の１００Ｗ／ｍ−に以上の熱伝導率を維持
しつつ、抗折強度の高い窒化アルミニウムの製法を完成
した。

本発明の方法は、平均粒径が５μｍ以下、不純物酸素量
が３　ｗ　ｔ％以下、陽イオン不純物量が０゜３ｗｔ％
以下の窒化アルミニウム粉末を主成分とし、希土類又は
アルカリ土類金属酸化物焼結助剤を添加して、高熱伝導
の窒化アルミニウム焼結体を作製するに当たり、平均粒
径５μｍ以下であるα−アルミナ粉末０．６〜５ｗｔ％
を上記の窒化アルミニウム粉末の混合物に、添加するこ
とを特徴とする高熱伝導で、高強度な窒化アルミニウム
焼結体の製造方法である。

即ち、窒化アルミニウム粉末を主成分とし、イツトリア
をはじめとする希土類又はアルカリ土類金属酸化物焼結
助剤に、さらに平均粒径５μｍ以下であるα−アルミナ
粉末を０．６〜５　ｗ　ｔ％を添加することを特徴とし
、これらの混合粉末に。

バインダー、解膠剤、可塑剤、溶剤等を適宜添加し、均
一に混合し、スラリーを作成した後、通常のセラミック
スの成形法により成形し、その成形体を大気中、真空中
、窒素雰囲気中、およそ４００から１０００℃の温度で
揮発成分を除去し、窒素雰囲気、あるいは窒素を含む不
活性雰囲気中。

１６００から２０００℃の温度で焼結する高強度の窒化
アルミニウム焼結体の製造方法に関するものである。

以下に、本発明の詳細な説明する。

本発明で用いられる窒化アルミニウム粉バは、金属アル
ミニウムの直接窒化法により製造した粉末でも、アルミ
ナ還元窒化法により製造した粉末でもよいが、平均ａ径
が５μｍ以下で、不純物酸素量が３　ｗ　ｔ％以下、陽
イオン不純物量が０．　３ｗｔ％以下の窒化アルミニウ
ム粉末でなければならない。窒化アルミニウムの平均粒
径を５μｍと限定した理由は、これを超える粒径の粉末
では、焼結で緻密化するのが困難だからである。尚、こ
こで粉末の平均粒径とは、ＳＥＭ等により観察される粒
子の一次粒径の平均値の大きさであり、よって、粒子の
形態が、解膠剤によって容易にほぐれるもの、あるいは
軽い粉砕によってほぐれ、上記の粒径になる粉末であれ
ば、凝集体であっても構わない。不純物酸素量とは、窒
化アルミニウム粉末表面に固溶していると考えられる酸
素をいい、粉末のＸ線回折によりアルミナのピークとし
て現れない酸素量のことである。上記の範囲を越えた場
合でも、適度の焼結助剤を添加することで、緻密化は達
成されるが、熱伝導率の低い焼結体となる。陽イオン不
純物量を上記のように限定する理由は、この範囲を越え
る粉末では、同様に窒化アルミニウムの大きな特徴であ
る高熱伝導を維持することが難しくなるからである。

焼結助剤としては、イツトリアを始めとする希土類酸化
物またはカルシア等のアルカリ土類金属酸化物を使用す
ることができる。この焼結助剤の添加量は、使用する窒
化アルミニウム粉末の特性により異なるが、おおよそ０
．１から２０　ｗ　ｔ％であり、より好ましくは、１か
ら７ｗｔ％の添加量である。

本発明の特徴である、α−アルミナ粉末を添加すること
に際しては、粉末のアルミナ純度が８０ｗｔ％以上が好
ましく、９９ｗｔ％以上のα−アルミナ粉末は、より好
適である。８０ｗｔ％末溝の純度では、焼結体の熱伝導
率の・低下を招くから好ましくない。また、α−アルミ
ナ粉末の平均粒径としては、５μｍ以下がよく、この理
由としては、５μｍを超える粒径では１本発明の特徴で
ある強度への寄与が夕なく、且つ焼結体の緻密化を阻害
してしまうからである。このα−アルミナ粉末の添加量
としては、０．６〜５ｗｔ％である。

この範囲未満の添加量では、本発明の目的である窒化ア
ルミニウム焼結体の高強度化を十分にはかることが出来
ず、またこの範囲を越える添加量では、窒化アルミニウ
ムの特徴である高熱伝導を達成することが出来ない。

尚、本発明に於けるα−アルミナの添加は、上記のよう
に粉末の形態で、窒化アルミニウム粉末に添加しても、
あるいは、アルミナボールを粉砕メディアとして意図的
にアルミナのコンタミネーションを生じさせ、添加する
などの方法によってもよい。

本発明に於いて、上記の粉末の混合物によるスラリーの
作成は、通常のセラミックスの成形でなされているバイ
ンダー、解膠剤、可塑剤、溶剤などを適宜添加し、均一
に混合する方法をそのまま利用できる。但し、窒化アル
ミニウムは、水と反応性が高いために、有機溶剤系のス
ラリー作成方法が適用され、それにあったバインダー、
解膠剤、可塑剤が使用される。スラリーの作成には、通
常ボールミル混合が行われる。本発明に於けるボールミ
ル混合は、通常湿式で行うが、この湿式のボールミル混
合の前に、乾式の混合を実施してもよい。この時の、ポ
ット及びボールとしては、溶剤との反応性が低く、且つ
摩耗しにくい樹脂、あるいは窒化アルミニウム、または
アルミナ等で出来たポット及びボールが用いられる。

このスラリーを用いた窒化アルミニウム粉末成形体の成
形方法としては１通常のセラミックスの成形法であるド
クターブレードによるシート成形法、泥しよう鋳込み、
スプレードライヤーにより顆粒を作成した後、プレス成
形法で成形体を作製すること等が、適用可能である。

この方法により作成した成形体を焼結する場合、焼結の
前に、成形体に適度の強度と柔軟性を与えるために添加
した。バインダーや可塑剤等の揮発成分を除去しなけれ
ばならない。この揮発成分の除去工程は、通常のセラミ
ックスの焼結工程の方法である加熱して除去する方法が
利用される。この時の雰囲気としては、大気、真空、窒
素雰囲気のいずれでも構わない。但し、大気の場合には
、窒化アルミニウムの不純物酸素量を極端に増やさない
ために、空気に含まれる水分量、及び空気の流量を適度
にコントロールしなければならない。

この脱バインダー工程に於ける加熱温度としては。

４００から１０００℃程度の適度な温度を選ぶことがで
きる。但し、大気中での脱バインダーを行う場合には、
窒化アルミニウムの分解が生じるので、６５０℃以下の
温度で実施するのが好ましい。

脱バインダーを行った成形体は、窒素雰囲気、あるいは
窒素を含む不活性雰囲気中にて焼結される。

この時の温度は、１６００から２０００℃の範囲、より
好ましくは、１７５０から１９５０℃の範囲である。こ
れより低い温度では、焼結体の緻密化が不十分であり、
又、この範囲を超える温度では、窒化アルミニウムの昇
華が無視できない状態になると共に、焼結体の焼結ムラ
が生じ易くなる。

［作用コ 以上の方法により作製した窒化アルミニウム焼結体は、
焼結体の抗折強度が、３５　ｋ　ｇ　／　ｍ　ｍ　２以
上であり、且つ熱伝導率は１００Ｗ／ｍ−に以上を有し
ていると共に、厚膜の半導体用セラミックス基板用途と
して利用する場合、実作動時に生じる温度差で、窒化ア
ルミニウムと接合した銅板との熱膨張率の差により生じ
る繰り返し応力に耐えることができ、クランクや破壊を
生じず、充分に製品として利用することが出来る。こう
した作用については、明かではないが、次のようなメカ
ニズムによるものと考えられる。

すなわち１本発明による窒化アルミニウム成形体を焼結
する場合、その成形体が収縮を始める直前の状態は、各
々の窒化アルミニウム粒子の表面には１表面に固溶して
いた酸素から発生したアルミナが存在すると考えられる
。添加した焼結助剤粒子は、近くの窒化アルミニウム粒
子表面のアルミナと反応し、複合酸化物系の液相を生成
し、生じだ液相は１粒子表面のアルミナとの反応を繰り
返しながら、窒化アルミニウム粒子表面を次々に広がっ
ていき、同時に窒化アルミニウムの収縮が始まるという
ことが、一般的に考えられている。

同時に、焼結助剤粒子は、周囲の液相の広がりと共に、
液相に成分を吐き出すことで、小さくなり、やがて消滅
する。収縮が進むと同時に、窒化アルミニウム粒子の粒
成長が発生し、粒子表面は、液相で覆われるであろう。

同時に、添加したアルミナ粒子は、窒化アルミニウム粒
子の間に存在しており、窒化アルミニウム粒子の表面に
生じた液相と反応し、粒子自体が液相へと変化し始める
が、その時は、逆に、その液相を粒子の中へと集め始め
る。当然、焼結助剤粒子も、最終的には、複合酸化物系
の液相となるが、アルミナ粒子と、窒化アルミニウム表
面の液相との移動度は、固相、あるいは固相に近いアル
ミナ粒子の方が少ないはずであり、アルミナ源として液
相に流れ出すよりも、液相を集める効果の方が大きいで
あろうことが推定される。

このアルミナ粒子の液相を集める作用により。

アルミナ粒子は、最終的に液相へと変化するが。

それと同時に、窒化アルミニウム粒界の液相はなくなる
。この作用により、窒化アルミニウム焼結体の結晶粒同
士の強度が高まり、焼結体の強度が向上するものと推定
される。

［実施例］ 以下に１本発明の実施例を具体的に示すが、本発明の趣
旨を外れない限り、本発明の技術的範囲は、これに限定
されるものではない。

実ＪＬ例」− 市販の還元窒化法による窒化アルミニウム粉末（平均粒
径０．　８μｍ）に焼結助剤としてイツトリアを３　ｗ
　ｔ％、及びアルミナ純度９９．９ｗｔ％で平均粒径が
０．　６μｍのアルミナ粒子を１ｗｔ％添加した混合粉
末に、バインダー、可塑剤。

分散剤、及び溶剤を加えて、ボールミル混合を９６時間
行い、スラリーを作製した。

この方法により作製したスラリーを払い出した後、粘度
を調整し、１２０℃の窒素気流中で、スラリーを噴霧乾
燥し、顆粒を作製した。この顆粒を次に、金型を使用し
乾式プレス法で１０００ｋｇ　ｆ　／　ｃ　ｍ　２の圧
力下、１分間保持して６０　ｍ　ｍ角の窒化アルミニウ
ムグリーン成形体を作製した。

この成形体を、次に真空中で、８００℃まで加熱して脱
脂した。この脱脂した窒化アルミニウム成形体を窒素雰
囲気中１８００℃の温度で、４時間焼結した。

以上の方法により、窒化アルミニウム焼結体を１０枚作
製した。この焼結体の大きさは、５０ｍｍ角で厚みが８
　ｍ　ｍのベージュ色の均質で緻密な焼結体であった。

この焼結体を用いて、４ｍｍＸ３　ｍ　ｍ　Ｘ　４０　
ｍ　ｍの抗折強度試験片と、１０　ｍ　ｍ径で厚みが２
　ｍ　ｍの熱伝導率測定用試験片を加工した。この試験
片による測定結果は、抗折強度が４２　ｋ　ｇ　ｆ　／
ｍｍ２．　　＋熱伝導率が１６５Ｗ／ｍ・ｋであった。

尚、この時の熱伝導率の値は、レーザーフラッシュ法に
より求めた。

次Ｊ１童Ｌ２一 実施例１に於て、バインダーと可塑剤の量を変更し、ス
ラリーを作製した。このスラリーの粘度を調整した後、
　ドクターブレード法によるテープ成形を行い、厚さ０
．９ｍｍの窒化アルミニウムグリーンシートを作製した
。

上記のグリーンシートを６０　ｍ　ｍ　Ｘ　６０　ｍ　
ｍの寸法に金型で打ち抜いた後、そのグリーンシートを
６枚重ねて、１２０℃で１００　ｋ　ｇ　ｆ　／　ｍ　
ｍ　２の圧力下３０分間保持し、グリーンシートの熱圧
着を行った。これを実施例１の方法と同様に脱脂と焼結
をおこなった。

この焼結体から、実施例１と同様の方法で試験片を作製
し、焼結体の抗折強度と、熱伝導率を測定した。その結
果、　　抗折強度は３９ｋｇｆ／ｍｍ２であり、熱伝導
率は１６９Ｗ／ｍ−にであった。

〜 実施例１と同様の方法で、焼結助剤及び、アルミナの添
加量と種類を変更し、窒化アルミニウム焼結体を作製し
た。この結果を表１に示す。

比」１事［よ 実施例１に於いて、アルミナを添加せずに同様の方法で
窒化アルミニウム焼結体を作製した。この時の、焼結体
の抗折強度は２７ｋｇｆ／ｍｍ２、熱伝導率は１７３ｗ
／ｍ−にだった。

友絞豊ユ 実施例２に於いて、アルミナを添加せずに同様の方法で
窒化アルミニウム焼結体を作製した。この時の、焼結体
の抗折強度は３０　ｋ　ｇ　ｆ　／ｍｍ２、熱伝導率は
１６７ｗ／ｍ−にだった。

［発明の効果］ 上述の実施例から明らかなように、本発明により高熱伝
導で且つ高強度の窒化アルミニウム焼結体が出来るよう
になった。

本発明により、厚膜の銅接合基板への適用を始めとし、
各種半導体用の高放熱特性を要求される分野での、高熱
伝導絶縁基板としての窒化アルミニウム基板の使用に貢
献するところが大である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）平均粒径が５μｍ以下、不純物酸素量が３ｗｔ％
   以下、陽イオン不純物量が０．３ｗｔ％以下の窒化アル
   ミニウム粉末を主成分とし、希土類又はアルカリ土類の
   酸化物焼結助剤を添加して、高熱伝導の窒化アルミニウ
   ム焼結体を作製するに当たり、平均粒径５μｍ以下であ
   るα−アルミナ粉末０．６〜５ｗｔ％を上記の窒化アル
   ミニウム粉末の混合物に、添加することを特徴とする高
   熱伝導で、高強度な窒化アルミニウム焼結体の製造方法