JPH0442862A

JPH0442862A - ＡｌＮ焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH0442862A
Application number: JP2149489A
Authority: JP
Inventors: Takao Noda; 野田　孝男; Toshiaki Sakaida; 敏昭坂井田; Toshikazu Moriguchi; 敏和森口
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1990-06-06
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 1992-02-13

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、不純物酸素量が少なく、高熱伝導性を有する
ＡｌＮ焼結体の製造方法に関する。

従来の技術最近のＬＳＩの進歩により、集積度の向上ならびにＩＣ
チップサイズの向上が行われ、それに伴いパッケージ当
りの発熱量が増大している。

このため、基板材料の放熱性が重要視され、アルミナ基
板に代わるものとして、高熱伝導性のベリリア基板が使
用されているが、ベリリアは毒性が強く取扱いが難しい
という欠点があり、近年はＡｐＮ基板の開発が盛んに行
われている。

Ａｌ）Ｎは、本質的に難焼結性であるため、−船釣には
、常圧焼結においては、カルシア、イツトリア等の焼結
助剤を用いているが、こうした焼結助剤は、ＡｌＮ原料
に含まれる不純物酸素がＡ９Ｎ焼結体中に固溶するのを
防止し、焼結体の熱伝導性を向上する効果があることも
知られている。

しかし、不純物酸素が固溶するのを防止する焼結助剤を
使用しても、１６０Ｗ／ｍ　、　Ｋ程度の熱伝導率の焼
結体しか得られていなかった。

更に、近年、カーボンガス雰囲気をつくり出す容器にて
非酸化性（ガス）雰囲気中で焼成したり（特開昭６３−
１８２２８０）　、ＡＩ　Ｎ成形体中にカーボンを残留
させたり（特開平１−１７２２７２）　して、２００〜
２２０Ｗ／ｍ−に程度の熱伝導率品が得られている。

発明が解決しようとする課題前述の特開昭６３−１８２２６０の様に、還元性雰囲気
を利用して、Ａｊ２Ｎ焼結体中の不純物酸素量を減少し
て高熱伝導化することはできるが、焼結助剤であるイツ
トリア等が炭化物や窒化物になりＡｌＮ焼結体を着色さ
せたり、色むらが起こったり、更には焼結体を変形させ
たりする問題がある。

また、前述の特開平１−１７２２７２の様に成形体中の
残留カーボンを利用してＡｊ７Ｎ焼結体中の不純物酸素
量を十分に低下させ、高熱伝導化しうることもあるが、
微粉同士の混合の難しさのためか、原料ＡｌＮ粉中の不
純物酸素量に対して過剰のカーボンを成形体中に残留さ
せる必要がある。そのためか、焼結体が緻密化した後も
、カーボンが残留して、安定化して高熱伝導率品のＡＩ
ＩＮ焼結体を得難く、場合によっては熱伝導性、絶縁性
等の低い焼結体となったりする。更に、残留カーボンが
過剰であることが原因と思われる着色、色むらおよび変
形を生じ易いという問題もある。

この様に特性の劣るＡＩＩＮ焼結体は勿論のこと、焼結
体の着色、色むら、変形もＡｊｌｌＮ焼結体の生産にお
いて、その収率を落とすことにつながることである。

そこで、本発明は、高熱伝導性を維持して、前述の様な
焼結体の着色、色むら、変形をなくし、安定して高収率
に高熱伝導性のＡ１１ＩＮ焼結体を造ることを目的とす
る。

課題を解決するための手段本発明者は、上記の問題点を解決すべく種々焼結条件等
につき検討した結果、焼結用ＡｆｉＮ微粉末に焼結助剤
、有機バインダーを添加し成形した後、脱脂しカーボン
を残留している脱脂済成形体を非酸化性雰囲気中で焼結
しＡ、ＱＮ焼結体を製造する方法において、１４００〜
１７００℃の温度範囲で少なくとも１回雰囲気を減圧に
することを特徴とするＡｌＮ焼結体の製造方法を見出し
た。

次に、本発明につき詳細に説明する。

主原料であるＡＩＮ微粉末は純度９５％以上の平均粒径
が２０ｍ以下、好ましくは５−以下の粒径を有し、金属
不純物量としては５００ｐＩ）ｆｆｌ以下のものが、ま
た含有０２量としては２ｗｔ％以下のものが好ましい。

焼結助剤としては、希土類の酸化物、ハロゲン化物等や
アルカリ土類金属の酸化物、ハロゲン化物、硝酸塩、炭
酸塩等を用いることができ、特にイツトリア等のイツト
リウム化合物を使用する場合、焼結体の着色、色むらが
顕著であるため、本発明の焼結方法が有効な手段となる
。また、使用する焼結助剤の粉末は、平均粒子径として
２ｔｒｍ以下が好ましく、その添加量は、ＡｆＩＮに対
し１〜１０ｗｔ％、好ましくは２〜５νｔ％である。

ＡＩＮ微粉末と焼結助剤との混合は、乾式混合、または
有機溶媒を使用した湿式混合により行なうが、後者の湿
式混合の方がよ（混合でき好ましい。

混合粉末に更に、パラフィンワックス、ポリビニルブチ
ラール、エチルセルロース等の有機バインダーを混合粉
末に対し、３〜１５νｔ％、好ましくは５〜ＩＯνｔ％
添加して、適当な成形手段、例えば乾式プレス法、ラバ
ープレス法、押出法、射出法、ドクターブレードシート
成形法等によって所定の形状に成形する。

本発明では、Ａ、ＱＮ焼結体の熱伝導率を高水準にする
ため、焼結体中の酸素含有量を減少させる必要があり、
そのため、成形後の脱脂処理された脱脂済成形体中にカ
ーボンを残留させる。

この残留するカーボン量は、脱脂済成形体を非酸化性雰
囲気中または真空雰囲気中で、１３００℃で加熱された
後に、成形体中に含有されているトータルカーボン量を
本発明では表わすものとする。

残留カーボンの適切な量は、使用するＡ、ＱＮ原料粉末
の純度等により変わってくるか、例えば純度９８％以上
のＩＮ原料を使用する場合は、０，２〜２．５ｖｔ％と
するのが好ましい。残留カーボン量が２．５ｗｔ％を越
え多くなると、焼結体が緻密化した後も、カーボンが残
留し易くなり、安定して熱伝導の高い焼結体が得難いか
らであり、０．２ｗｔ％未満だと、Ａ、ＱＮの脱酸素効
果が小なくて、熱伝導度を高くすることができないから
である。

なお、この残留カーボンは、添加した有機バインダーが
熱分解した残渣であってもよいし、カーボンブラックの
様なカーボン源にもとづくものであってもよく、その両
者の混合であってもよい。

残留カーボン量が０．２〜０．５ｗｔ％の範囲では、Ａ
１１Ｎ焼結体は着色、色むら、変形が起こったり、起こ
らなかったりするが、その理由はよく分からない。この
範囲の残留カーボン量の場合、着色等が起こって良質の
ＡｌＮ焼結体の収率を落とすよりは、本発明による減圧
操作をすることにより安定して良質のＡ１１Ｎ焼結体を
得ることができる。

残留カーボン量が０．５〜２．５ｖｔ％では、はぼ必ず
ＡｌＮ焼結体は、着色、色むら、変形を起こすので本発
明は、その防止に有効な手段である。

本発明では、Ａｌ）Ｎ微粉末、焼結助剤、有機ノくイン
ダーさらに必要ならカーボンブラック等のカーボン源を
前述の様な適正量混合し、成形した後、その成形体を脱
脂処理する。その脱脂条件は、有機バインダーの種類に
よるが４００〜１０００℃で０〜１２時間保持して行な
うのが一般的で、その際の昇温速度は５０〜ｂ理時の雰囲気はＡｌＮが酸化され易いので、真空中また
はＮ　２　、Ａ　ｒガス等の非酸化性雰囲気中とするの
が好ましい。

次に、残留カーボンを含有する脱脂済成形体をＮ　２　
、　Ａ　ｒガス等の非酸化性雰囲気中で焼結する方法に
おいて、１４００〜１７００℃の温度範囲で少なくとも
１回雰囲気を減圧にして焼結するのが本発明の特徴であ
る。１４００〜１７００℃の範囲でずつと減圧に保持し
ていてもよいし、１回減圧にした後、再び非酸化性ガス
を流し込み、焼結炉内を常圧に戻してもよい。また、減
圧操作は１４００〜１７００℃の範囲で温度を保持して
行なってもよいし、昇温し続けながら行なってもよい。

減圧操作の温度範囲を１４００〜１７００℃としたのは
、１４００℃未満では、成形体中の残留カーボンによる
ＡＩＩＮの脱酸素効果が小さく、Ａ１１Ｈの不純物酸素
量を十分に減少することができずＡＩＩＮ焼結体の安定
した高熱伝導率が得難いからである。逆に、１７００℃
を超えて減圧操作を行なうと、ＡＩＮが分解してしまう
ことになり、あるいは、成形体の緻密化かかなり進行し
ているため、残留カーボンの除去が困難になり、かえっ
てＡＩＮ焼結体の高熱伝導率の不安定化をまねくことに
もなり、焼結体の着色、色むらの改善や低減も困難とな
る。

また、１４００〜１７００℃の範囲での減圧操作の減圧
度は、脱脂体中の残留カーボン量にもよるが、基本的に
は焼結体中にカーボンが残留せず、かつＡｌＮが分解し
ない程度であれば良く、焼結炉内の圧力を１６０〜ｔ６
０ｉｍｌ１ｇ程度にするのが望ましい。

減圧操作をした後、最終的に、非酸化雰囲気で１７５０
〜１９５０℃で２〜１０時間程度焼結処理される。

本発明は、焼結炉の炉材には制限されない。すなわち、
ヒーターや炉材がカーボン質である場合、その影響と思
われる着色、色むら等の問題が焼結体に生じるが、その
様な場合、密閉性の保てるｈＢＮ、ｌ！Ｎ等の材質の容
器内に入れて焼結すれば良い。ヒーターがＷてあり、炉
材がＷおよび／またはＭｏである場合には、上記の様な
容器に入れる必要はない。

ＡＩＮはＮ　２　、　Ａ　ｒガス等の非酸化性雰囲気で
焼結するのが一般的であり、特開昭６３−２７７５７１
の実施例１５に例示されるごとく、真空（減圧）雰囲気
でずっと焼結するとＡ、ＱＮ焼結体の熱伝導率は、１３
５Ｗ／ｍ−Ｋにしかならず低い値となるのが普通である
。

実施例本発明を実施例にて詳細に以下説明する。

実施例　１比表面積４．０ｒｄ／ｇ、平均粒子径１．５雁、含有不
純物酸素量（インパルス炉抽出法（Ｌｅｃｏ社製装置）
による）■、５νｔ％、金属不純物２００ｐｐｍ以下の
焼結用ＡＪＮ微粉末に、比表面積１５ｒｒｒ／　ｇ　、
平均粒子径０．４」、純度９９．９ｗｔ％のＹ２Ｏ３微
粉末を２ｖｔ％添加し、更に、これらの混合粉末１００
部に対し外削として７部のポリビニルブチラールおよび
６部のフタル酸ジ−ｎ−ブチル（可塑剤）を加え、ブタ
ノール：キシレン−２：１混合の有機溶剤でスラリー濃
度７２ｖｔ％として、生シート厚さ１龍にシート成形し
、２５℃で２日間乾燥した。

その後、Ｎ２中で１００℃／ｈｒの昇温で６００℃にて
１０時間の条件で脱脂した。この脱脂体の残留カーボン
量は、Ｎ２雰囲気中１３００℃での測定でｏ、ｓｖｔ％
であった。

この脱脂体を密閉性の保てる六方晶ＢＮ製容器に入れ、
ヒーターおよび炉材がカーボン材である焼結炉内にて、
Ｎ２雰囲気下で１００℃／ｈｒで昇温し、１６００℃に
到達したところで保持しながら、真空ポンプで焼結炉内
を２ＥｉＯｍａＨｇまで減圧し、２６０部ｍＨｇに減圧
度が到達したらＮ２ガスを導入し、常圧に炉内を戻し、
引続き１８００”Ｃまで昇温し、その温度に１０時間保
持して焼結を行なった。

その結果、着色、色むら、変形がなく、熱伝導率２２４
Ｗ／　ｍ−にと優れたＡｌＮ焼結体が得られた。これら
およびその他の特性値等を表・１に示す。

得られたＡｌ）Ｎ焼結体の熱伝導率、酸素含有量および
残留カーボン量は、それぞれレーザーフラッシュ法（真
空理工製Ｔ　Ｃ−７０００型装置）、インパルス炉抽出
法（Ｌｅｃｏ社製装置）、および酸素気流中燃焼−赤外
線吸収法により測定した。なお、これらの測定は、焼結
体表面を研削してから行なった。

実施例　２，３Ｙ２Ｏ３微粉末の添加量を３および５ｗｔ％にした以外
は実施例１と同様な条件で、実施例２および３のＡｌＮ
焼結体を得た。ともに、脱脂体中のＮ２雰囲気中１３０
０℃での測定値である残留カーボン量も、実施例１と同
じ値の０．８ｖｔ％であった。

得られたＡｌＮ焼結体は両者とも着色、色むら、変形が
なく、熱伝導率も表・１に示す如く優れた焼結体であっ
た。

実施例　４比表面積４．Ｏｒｄ／ｇ、平均粒子径１．５庫、含有不
純物酸素量１　、５ｗｔ％、金属不純物２００ｐｐｍ以
下の焼結用Ａ、ＱＮ微粉末に、比表面積１５ｒｒｆ／ｇ
、平均粒子径０．４虜、純度９９．９ｗｔ％のＹ　２０
　ａ微粉末を５ｖｔ％添加し、更に、これらの混合粉末
１００部に対し外削として５部のポリビニルブチラール
および５部のフタル酸ジ−ｎ−ブチルを加え、ブタノー
ル：キシレン−２：１混合の有機溶剤でスラリー濃度７
２ｖｔ％として、生シート厚さ１關にシト成形し、２５
℃で２日間乾燥した。

その後、Ｎ２中で１００℃／ｈｒの昇温で６００℃にて
１０時間の条件で脱脂した。この脱脂体の残留カーボン
量は、Ｎ２雰囲気中１３００℃での測定で０．５νｔ％
であった。

この脱脂体を密閉性の保てる六方晶ＢＮ製容器に入れ、
ヒーターおよび炉材がカーボン材である焼結炉内にて、
Ｎ２雰囲気下で１００℃／ｈｒて昇模し、１４００℃に
到達したところで保持しながら、真空ポンプで焼結炉内
を３６０層ｔｓＨｇまで減圧し、３ＢＯｓｍＨｇに減圧
度が到達したらＮ２ガスを導入し、常圧に炉内を戻し、
引続き１８００℃まで昇温Ｉ７、その温度に６時間保持
して焼結を行なった。

その結果、着色、色むら、変形がなく、熱伝導率１７１
Ｗ／ｍ−にと優れた。ＪＮ焼結体が得られた。これらお
よびその他の特性値等を表・１に示す。

なお、ＡｌＮ焼結体等の物性特性値の測定法は実施例１
と同様である。

実施例　５〜７減圧操作温度を１４００℃の代わりに１５００℃、　１
６００℃および１７００℃とした以外は実施例４と同一
条件で、それぞれ実施例５〜７のＡｌＮ焼結体を得た。

なお、減圧度は、実施例４と同じ３６０＋ｕｎ＋Ｈｇと
した。

得られたＡｌＮ焼結体は、着色、色むら、変形がなく、
熱伝導率も表・１に示す如く優れた焼結体であった。

実施例　８比表面積４．Ｏｒｄ／ｇ、平均粒子径１．５コ、含有不
純物酸素量２．Ｏｖｔ％、金属不純物２００ｐｐａ＋以
下の焼結用ＡＩＮ微粉末に、比表面積Ｌ５ｒｄ／ｇ、平
均粒子径０，４即、純度９９．９ｖｔ％のＹ２Ｏ３微粉
末を５ｖｔ％添加し、更に、これらの混合粉末１００部
に対し外削として７部のポリビニルブチラール、６部の
フタル酸ジ−ｎ−ブチルおよびカーボンブラック（電気
化学製デンカブラック）ｌ、７部を加え、ブタノール：
キシレン−２：１混合の有機溶剤でスラリー濃度７２ｗ
ｔ％として、生シート厚さ１關にシート成形し、２５℃
で２日間乾燥した。

その後、Ｎ２中で１００℃／ｈｒの昇温て６００℃にて
１０時間の条件で脱脂した。この脱脂体の残留カーボン
量は、Ｎ２雰囲気中１３００℃での測定で２．５ｖｔ％
であった。

その後、この脱脂体を実施例１と同一条件で処理した。

ただ、焼結温度１８００℃の保持時間は、６時間とした
。

その結果、着色、色むら、変形がなく、表・１に示す様
なＡ１１Ｎ焼結体が得られた。

比較例　１減圧操作を行なわなかったこと以外は、実施例１と同一
条件で処理しＩＮ焼結体を得た。

このＡ４７　Ｎ焼結体は、カーボンが残ったために生じ
たと思われる着色および色むらがあり、また大きく変形
し、表・１に示す様に熱伝導率は、１５３Ｗ／ｍ−にと
低かった。

比較例　２実施例３と同一のｐ、Ｉ　Ｎ、Ｙ２Ｏ３等の原料を同一
条件で配合し、シート成形化し、その後、同様に６００
℃で１０時間脱脂した。

この脱脂体を密閉性の保てる六方晶ＢＮ製容器に入れ、
ヒーターおよび炉材がカーボン材である焼結炉内にて、
Ｎ２雰囲気下で１００℃／ｈｒで昇温し、１３００℃に
到達したところで保持しながら、真空ポンプで焼結炉内
を２８０ａ＋ａ＋Ｈｇまで減圧し、２６０＋＋＋ｍＨｇ
に減圧度が到達したらＮ２ガスを導入し、常圧に炉内を
戻し、実施例１と同様に、引続き１８００℃まで昇温し
、その温度に１０時間保持して焼結を行なった。

この場合、１３００℃で減圧処理後の成形体中の残留カ
ーボン量は０．１５ｗｔ％であった。

得られたＡｌＮ焼結体は、着色、色むら、変形はなかっ
たものの、表−１に示す様に熱伝導率は１４７Ｗ／　ｍ
−にと低かった。

比較例　３減圧操作を１３００℃の代わりに１７５０℃で行なうこ
と以外の条件は、比較例２と同一条件にてＡｌ）Ｎ焼結
体を得た。その焼結体は、着色、色むら、変形があった
。そのうち良好な部分を切り出し物性値を求めたが、熱
伝導率も低かった。

比較例　４比表面積４．Ｏｒｄ／ｇ、平均粒子径１．５趨、含有不
純物酸素量１．５νｔ％、金属不純物２００ｐｐＩ１１
以下の焼結用ＡｐＮ微粉末に、比表面積１５ｒｄ／ｌｒ
、平均粒子径０．４」、純度９９．９ｗｔ％のＹ２Ｏ３
微粉末を５ｗｔ％添加し、更に、これらの混合粉末１０
０部に対し４割として７部のポリビニルブチラール、６
部のフタル酸ジ−ｎ−ブチルおよび実施例８と同一のカ
ーボンブラック２．２部を加え、実施例１と同様に有機
溶剤でスラリー化し、シート成形化、乾燥し、脱脂した
。

この脱脂体の残留カーボン量はＮ２雰囲気中１３００℃
での測定で３．０ｗｔ％てあった。

この脱脂体を、実施例１と同様に、ｈＢＮ容器に入れ、
同一焼結炉内で、昇温し、同一の１６００℃、２６０ａ
＋ｍＨｇの減圧操作を行ない、Ｎ２ガスで常圧に戻し、
引続き１８００℃まで昇温し、その温度に６時間保持し
て焼結した。

得られたＡｊ７Ｎ焼結体は、着色および色むらがひどく
、変形も太き（、熱伝導率も低かった。

発明の効果本発明によって、カーボンが残留する脱脂体を減圧処理
することにより、ＡＩＨの脱酸素を促進するとともに、
余剰のカーボンを除去し、安定して高熱伝導率で、着色
、色むらがないＡ、ＱＮ焼結体を得ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

　焼結用ＡｌＮ微粉末に焼結助剤、有機バインダーを添
加し成形した後、脱脂しカーボンを残留している脱脂済
成形体を非酸化性雰囲気中で焼結しＡｌＮ焼結体を製造
する方法において、１４００〜１７００℃の温度範囲で
少なくとも１回雰囲気を減圧にすることを特徴とするＡ
ｌＮ焼結体の製造方法。