JPH046162A - ＡｌＮ―ＢＮ系複合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、Ｍ　Ｎ−ＢＮ系複合セラミックス焼結体およ
びその製造方法に関する。詳しくは、ＩＣパッケージ材
料、ＩＣ基板用材料、室温から高温にいたる電気絶縁性
放熱材料として利用が可使な、電気的絶縁性、高熱伝導
率、低熱膨張性、低誘電率、易加工性などの特徴を有す
るＩＮ−ＢＮ系複合焼結体の、特に室温における機械的
強度を向上させた複合焼結体、およびその製造方法に関
する。

従来の技術 ＡｌＮ−ＢＮ系複合焼結体は、高熱伝導率で、かつ普通
工具で高速切削加工が可使であるため、いわゆるマシナ
ブル・セラミックスとして（例えば、特開昭６０−　［
５０５８、特開昭８０−１９５０８０、特開昭８１−６
３５７２、特開昭６２−５８３７７など）実用化されて
いる。またＢＮの低熱膨張性、低誘電率等の特徴を生か
すことにより、半導体材料であるＳｉと熱膨張係数が近
く、信号遅延時間が短く、かつ熱伝導率の高い複合体が
得られるため、ＩＣパッケージ材料、ＩＣ基板用材料と
しての応用が検討されている（例えば、特開平１−２５
２５８４、特開平１−２６１２７９など）。

しかしながら、この複合焼結体は、　ＡｌＮあるいはＭ
２Ｏ３等の他のセラミックス焼結体と比較すると、曲げ
強さが小さいという欠点を有していた。

これまでに報告されている３点曲げ強さとしては、Ａ！
ｌＮ／ＢＮ　（重量比）が８０／　２０テ３５０ＭＰａ
程度、Ｅｔ５　／　３！＋ｒ　２３０ＭＰａ程度、４０
／　［１Ｏｆｆｉ　１３０ＭＰａ程度と、ＢＨの含有量
が増加するに従って曲げ強さは減少している。

またホットプレス法により、８８粒子を配向させた複合
焼結体においては、ホットプレス圧力軸と平行方向にス
パンをとった場合の曲げ強さが顕著に低く、８８粒子の
配向の程度によって曲げ強さの値は異なるものの、８０
／　２（ｌテ１００〜３００ＭＰａ程度の値が報告され
ている。

これらの低い曲げ強さは、材料を使用する上で大きなネ
ックとなるため、改善が望まれていた。

発明が解決しようとする課題 本発明はこの問題点に鑑み、高熱伝導率、電気的絶縁性
、比較的低熱膨張、低誘電率、易加工性等の優れた特徴
を維持しつつ、機械的強度が改善されたＭ　Ｎ−ＢＮ系
複合焼結体、およびその製造方法を提供することを目的
とする。

課題を解決するための手段・作用 すなわち本発明は窒化アルミニウムと窒化アルミニウム
のポリタイプの合計量４０〜８０重量％、および六方晶
窒化ほう素工０〜６０重量％よりなるＡｌＮ−ＢＮ系複
合焼結体である。

また、窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイ
プの合計量４０〜８０重量％、六方晶窒化ほう素ｌＯ〜
ＧＯ重量％、およびカルシウム化合物、イツトリウム化
合物のいずれか１種または２種以上の０．１−１０重量
％よりなるＡｌＮ−ＢＮ系複合焼結体である。さらに本
発明の焼結体中の窒化アルミニウムのポリタイプの含有
率は窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプ
の合計量の５０重量％以下である。

また窒化アルミニウム粉末４０〜９０重量％、六方晶窒
化ほう素粉末ｌＯ〜６０重量％、および酸化けい素粉末
０．５〜１０重量％とからなる混合粉末を真空または不
活性ガス雰囲気下、１６００〜２０００℃、５〜１００
ＭＰａで加圧加熱することによるＭ　Ｎ−ＢＮ系複合焼
結体の製造方法に関する。

また窒化アルミニウム粉末４０〜９０重量％、六方晶窒
化ほう素粉末ｌＯ〜６０重量％、酸化けい素粉末０．５
〜１０重量％、およびカルシウム化合物、イツトリウム
化合物のいずれか１種または２種以上の０．１〜１０重
量％よりなる混合粉末を真空または不活性ガス雰囲気下
、１６００〜２０００℃、５〜１００ＮＰａで加圧加熱
することによるＡｌＮ−ＢＮ系複合焼結体の製造方法に
関する。カルシウム化合物としては酸化カルシウム、炭
化カルシウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、フッ
化カルシウム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム
、カルシウムシアナミド、イツトリウム化合物としては
、酸化イツトリウム、炭化イツトリウム、フッ化イツト
リウム、硝酸イツトリウムである。

以下、本発明の焼結体について詳述する。

本発明の焼結体は、窒化アルミニウムと窒化アルミニウ
ムのポリタイプの合計量４０〜８０重量％、および六方
晶窒化ほう素１０〜６０％よりなる。

また本発明のもうひとつの焼結体は、窒化アルミニウム
と窒化アルミニウムのポリタイプの合計量４０〜９０重
量％、六方晶窒化ほう素１０〜６０重量％、およびカル
シウム化合物、イツトリウム化合物のいずれか１種また
は２種以上の０．１〜１０重量％よりなる焼結体である
。

焼結体中に窒化アルミニウムのポリタイプを含有するこ
とにより、焼結体の室温における機械的強度が著しく向
上する。窒化アルミニウムのポリタイプには２Ｈ１２７
Ｒ、２１Ｒ、１２Ｈ、１５Ｒ、８Ｈ等結晶構造の異なる
ものがいくつか存在する（Ｋ、Ｈ，Ｊａｃｋ。

Ｊ、Ｍａｔ、　Ｓｃｉ、、　１１．１１３５　（１９７
Ｂ））が、本発明の焼結体中に含有する窒化アルミニウ
ムのポリタイプはこのうちのいずれであっても特に支障
はない。

これらポリタイプは、系内に酸化アルミニウム、酸化け
い素等を含有する場合に生成し、特に酸化けい素を含有
する場合には比較的低温で生成することが知られている
。

焼結体中の窒化アルミニウムのポリタイプの含有量は、
上限が窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイ
プの合計量に対して５０重量％以下、好ましくは３０重
量％以下である。下限は同じく窒化アルミニウムと窒化
アルミニウムのポリタイプの合計量に対して１重量％以
上、好ましくは２重量％以上、より好ましくは５重量％
以上である。ポリタイプの含有量がこれらのを範囲をこ
えて５０重量％超存在した場合、焼結体の機械的強度は
著しく向上するものの、ポリタイプの低熱伝導率に起因
して焼結体の熱伝導率が低下し、ＡｌＮ−ＢＮ系焼結体
が木来有している高い熱伝導率が損なわれる可能性があ
る。またポリタイプの含有量が１重量％未満の場合、本
発明の目的であるポリタイプを含有させることによる焼
結体の機械的強度の向上がほとんど認められない。

窒化アルミニウムのポリタイプによって焼結体の機械的
強度を向上させ、かつ高い熱伝導率を得ようとする場合
には、焼結体中にカルシウム化合物、イツトリウム化合
物の１種または２種以上がポリタイプと併せて含有させ
ることにより達成される。このカルシウム化合物、イツ
トリウム化合物は、製造時に添加するカルシウム化合物
、イツトリウム化合物と、原料として用いる窒化アルミ
ニウム、六方晶窒化ほう素粉末の表面に不可避的に生成
している酸化物との反応によって主として形成される。

形成される化合物としてはアルミン酸カルシウム、アル
ミン酸イツトリウム、ほう酸カルシウム、ほう酸イツト
リウム、あるいはこれらの化合物間の反応によって生成
する化合物等があげられる。これらの化合物は、例えば
アルミン酸カルシウムを例にとるとにａＯ＃Ｖｊ２０３
の比によっていくつかの化合物が存在することが知られ
ているが、（Ｒ，Ｗ、Ｎｕｒｓｅ　　ｅｔ、　　ａｌ、
：　　Ｔｒａｎｓ、　　Ｂｒ１ｔ、　　Ｃｅｒａｍ、　
　Ｓａｃ、。

６４、　　［９］、　　４１Ｂ　　（１９８５）、　　
Ｔ、Ｎｏｇｕｃｇｉ　　ｅｔ、　　ａｌ、：　　Ｋｏｇ
ｙ。

にａｇａｋｕ　Ｚａｓｓｈｉ、　７０　［８１８３９（
１９Ｂ？））　、本発明の焼結体中に含有する化合物は
そのうちのいずれであっても特に支障はない。

これらの化合物が焼結体中に生成することにより焼結体
を構成する窒化アルミニウム、六方晶窒化ほう素粒子の
粒界の酸化物不純物が著しく減少し、結果として高い熱
伝導率の焼結体が得られる。焼結体中に存在するカルシ
ウム化合物、イツトリウム化合物の他のものとしては、
焼結助剤がそのまま反応せずに残留している場合、ポリ
タイプを形成させるために酸化けい素を添加した場合に
は、けい素を含むカルシウム、イツトリウムの複合酸化
物などがあげられる。

焼結体の組成比は、窒化アルミニウムと窒化アルミニウ
ムのポリタイプの合計量４０〜８０重量％、および六方
晶窒化ほう素１０〜６０重量％よりなる。

窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプの合
計量が、４０重量％付近の組成では、窒化アルミニウム
ポリタイプによる機械的強度の向上が顕著に認められる
。窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプの
合計量が８０重量％付近の組成においては、特に製造方
法にホットプレス法を用い、焼結体中に薄片状の六方晶
ＢＮ粒子の配向・積層が認められる場合に、それに起因
する機械的強度を著しく改善することができる。（曲げ
強さを例にとると、ＢＮ粒子の配向・積層方向にスパン
をとった場合、換言するとホー／　ドブレスの圧力軸方
向にスパンをとった場合が著しく改善される。） 組成がこれらの範囲を越えて、窒化アルミニウムと窒化
アルミニウムのポリタイプの合計量が４０重量％未満で
は、機械的強度の向上は認められるものの、焼結体の熱
伝導率の低下が大きくなり、ＡｌＮ−ＢＮ系焼結体の優
れた特徴が失われるため好ましくない、逆に窒化アルミ
ニウムと窒化アルミニウムのポリタイプの合計量が８０
重量％を越えると、焼結体の機械的強度はＡｌＮ焼結体
のそれに近づくため、実用上大きな問題となることが少
く、また異方性が認められる焼結体においてもＢＮの含
有量が少くなるため、顕著な異方性が認められなくなり
、機械的強度の顕著な向上が発現しない。

本発明の複合セラミックス焼結体は、例えば次に述べる
方法によって製造することができるが、これは製造方法
の好ましい一例であって必ずしも以下の方法に限定され
るわけではない０本発明の複合セラミ−２クス焼結体は
、窒化アルミニウム粉末４０〜９０重量％、六方晶窒化
ほう素粉末１０〜６０重量％、および酸化けい素粉末０
．５〜１０重量％とからなる混合粉末を真空または不活
性ガス雰囲気下１６００〜２０００℃、５〜１００ＭＰ
ａで加圧加熱することによって得られる。

窒化アルミニウム原料粉末は、従来公知のものが使用可
能であるが、焼結体の高嵩密度化、高熱伝導率化等の観
点から粒径としては平均粒径で５ｇｍ以下、好ましくは
２ｇｍ以下、酸素含有率としては３．０ｗｔ％以下、好
ましくは１．５ｗｔ％以下である。六方晶窒化ほう素原
料粉末もこれまでに公知のものが使用可能である。

平均粒径が細かい粉末を用いた場合、焼結体は比較的等
史的となり、平均粒径が比較的大きい粉末（六方晶窒化
ほう素粉末の典型的形状である顕著な薄片状を呈するも
の）を用いた場合には比較的異方性の強い焼結体となる
が、本発明の製造方法ではこのうちのいずれであっても
特に支障はない。

酸素含有率は熱伝導率を考慮に入れると、少ない方が好
丈しいが、粉末が細かくなると表面に不可避的に生成す
る酸化物のために酸素含有率が増加するため、目的・用
途に応じて適当なものを選択することが望ましい。

酸化けい素原料粉末も従来公知のものが使用可能であり
、結晶質、非晶質のいずれも好適に使用できる０粒子径
も特に限定されるものではないが、反応性、焼結性を考
慮するとできるだけ細かいものが好ましく、沈降法等に
よって製造された酸化けい素粉末等が好適に使用される
。

また本発明の製造方法で用いる酸化けい素粉末は、出発
原料そのものが酸化けい素である場合はもちろんのこと
、焼成中に酸化けい素となる様なもの、例えば有機金属
化合物、あるいはその分解生成物なども必要に応じて使
用することが可能である。

原料粉末の配合割合は、窒化アルミニウム粉末４０〜９
０重量％、六方晶窒化ほう素粉末１０〜６０重量％、お
よび酸化けい素粉末０．５〜１０重量％である。酸化け
い素粉末の配合割合が０．５重量％未満では本発明の目
的である窒化アルミニウムのポリタイプの生成による機
械的強度の顕著な向上が認められないためであり、好ま
しくは１重量％以上、より好ましくは２重量％以上であ
る。また配合割合が１０重量％超では、窒化アルミニウ
ムが多い組成においても焼結体中に存在する窒化アルミ
ニウムの量が減少して窒化アルミニウムのポリタイプが
支配的となり、組成によってはサイアロンが生成し、焼
結体の熱伝導率が低下するため好ましくなく、より好ま
しくは５重量％以下である。

焼成は１６００〜２０００℃の温度で、５〜１００ＭＰ
ａノ圧力をかけながら行う、焼成温度が１６００℃より
低いと焼結体の緻密化が充分におこらず、また窒化アル
ミニウムのポリタイプも生成しないため所望の焼結体の
特性が得られない。２０００℃超では経済的でないばか
りか構成成分が一部分解をはじめる可能性があるため好
ましくない。

圧力は５ＮＰａ未満では、やはり焼結体の緻密化が充分
におこらないため所望の特性が得られない、　１００Ｍ
Ｐａ超ではやはり経済的でなく、また例えばホットプレ
ス法などを適用する場合に、使用する成形型が限定され
るなどの不都合が生じる。

加圧方法は、ホットプレスの如き一軸加圧、ＨＩＰ　、
雰囲気ガス圧焼結の如き等実加圧のいずれでも良いが、
等実加圧を用いる場合、粉末成形体中には開放気孔が多
数存在するため、予備焼結によって開気孔をなくすか、
カプセル処理などの予備処理を必要とする。

加圧加熱は、０．５〜４時間が好ましく、より好ましく
は１〜２時間である。加圧加熱が０．５時間未満の場合
、焼結体の緻密化が充分におこらず、満足する特性値が
得られない場合がある。また４時間超の加圧加熱は特性
値には悪影響を及ぼさないものの経済的でない。

また、加圧加熱は窒化物粒子の酸化を防ぐため真空中あ
るいは窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行うこ
とが望ましい。

従来、窒化アルミニウムに酸化けい素を添加した焼結体
においては、酸化けい素の添加量が増加するに伴って嵩
密度が低下し、ひいては曲げ強さ、も低下することが知
られている（米屋、弁上、柘植、窯業協会誌、８９、［
８１、３３０（１９８１））が、本発明では六方晶窒化
ほう素と複合化させ、かつ焼結方法に加圧加熱法を用い
ることにより、充分な緻密化が達成され、機械的強度の
向上が認められる。

また窒化アルミニウム焼結体にＳｉが不純物として存在
すると熱伝導率が低下することが知られているが、（「
機能回路用セラミック基板ｊ　ｐ、８２（電子材料工業
会ｇ）　１９８５）　、本発明では焼結体の緻密化を促
進することにより、この熱伝導率の低下を最小限に抑制
している。しかしながらより熱伝導率の高い焼結体が必
要な場合には、第４成分として、カルシウム化合物、イ
ツトリウム化合物のいずれか１種または２種以上の０．
１〜１０重量％を併せ用いることにより達成される。

カルシウム化合物としては酸化カルシウム、炭化カルシ
ウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、フッ化カルシ
ウム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム、カルシ
ウムシアナミドであり、好ましくは、酸化カルシウム、
炭化カルシウム、硝酸カルシウム、カルシウムシアナミ
ドである。

またイツトリウム化合物としては酸化イツトリウム、炭
化イツトリウム、フッ化イツトリウム、硝酸イツトリウ
ムであり、好ましくは、酸化イツトリウム、フッ化イツ
トリウムである。

これらの化合物の好適な添加量は０．１〜１０重量％、
好ましくは０．２〜５重量％である。添加量が０．１重
量％未満では顕著な効果が発現せず、１０重量％超では
、添加量が多過ぎてかえって焼結体の熱伝導率の低下を
きたす、また、これらの化合物の添加量は焼結体の熱伝
導率に比較的大きな影響を及ぼすため、注意して添加量
を決定する必要がある。この第４成分の添加により、前
述の様に焼結体中の粒界の酸化物不純物を著しく減少さ
せることができ、結果として、熱伝導率の低下の少い、
機械的強度の向上したＡｌｌＮ−０Ｎ系複合焼結体が得
られる。

以下本発明を実施例を用いて説明するが、本発明はかか
る実施例にのみ限定されるものではない。

実施例１ 平均粒径１．８ルｍの窒化アルミニウム粉末、平均粒径
２．５ＪＬｍの六方晶窒化ほう素粉末、二酸化けい素粉
末（沈降製、特級試薬）、および焼結助剤としてカルシ
ウム化合物、イツトリウム化合物を第１表に示した割合
で配合し、ボールミル中で２４時間、アセトンを溶媒と
して湿式混合を行った。得られた粉末を充分に乾燥した
後、黒鉛製ダイスに充填し、窒素ガス雰囲気中、１６０
０”０で２時間ホットプレス焼結を行った。

得られた焼結体について、結晶相の同定およびその定量
、嵩密度、曲げ強さ、熱伝導率の測定を行った。結晶相
の同定は焼結体を粉砕した後に、粉末Ｘ線回折法により
、定量は酸化アルミニウム（コランダム）を内部標準と
したＸ線回折法により行った。嵩密度は水を用いたアル
キメデス法により、曲げ強さはＪＩＳ規格に準じた３点
曲げ強さをホットプレス圧力軸と垂直方向にスパンをと
った場合について測定した。

熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。結果
を第１表に示す。

曲げ強さは組成によって２３０〜３８０ＭＰａの範囲で
変化しているが、後述の比較例１のほぼ同じ組成の焼結
体と比較して２０〜１００ＭＰａの程度、曲げ強さの向
上が認められる。

比較例１ 実施例１で用いた窒化アルミニウム粉末、六方晶窒化ほ
う素粉末に焼結助剤としてＣａＣ２を第１表に示した割
合に配合し、実施例１と同様にホットプレス法により焼
結体を作製し、実施例１と同じ手法で焼結体の焼結相の
同定および定量、嵩密度、曲げ強さ、熱伝導率の測定を
行った。結果を第１表に示す。

実施例２ 平均粒径１．８　ｇ　ｍの窒化アルミニウム粉末、平均
粒径１０ＩＬｍの六方晶窒化ほう素粉末、および実施例
１で使用した二酸化けい素粉末、ＣａＣ２粉末を第２表
に示した割合で配合し、ボールミル中で２４時間、アセ
トンを溶媒として湿式混合を行った。焼結は実施例１と
同様１６００℃で２時間ホットプレス焼結した。得られ
た焼結体について、実施例１と同様結晶相の同定および
その定量、嵩密度、３点曲げ強さ、熱伝導率の測定を行
った。

焼結体には顕著な異方性が認められたため、３点曲げ強
さ、熱伝導率についてはホットプレス圧力軸に垂直方向
、平行方向の値をそれぞれ測定した。結果を第２表に示
す。

後述の比較例２と比較して熱伝導率の値は若干低下する
ものの、曲げ強さが著しく向上し、特にホットプレス圧
力軸に平行方向にスパンをとった場合の曲げ強さが著し
く改善されていることがわかる。

比較例２ 実施例２で用いた窒化アルミニウム粉末、六方晶窒化ほ
う素粉末、ＣａＣ２を第２表に示した割合で配合し、実
施例２と同様にホットプレス焼結体を作製した。

得られた焼結体の結晶相の同定および定量、嵩密度、曲
げ強さ、熱伝導率の測定結果を第２表に示す。

（以下余白） 発明の効果 以上に述べた如く、本発明のＡｌＮ−ＢＮ系複合焼結体
はＩＣパフケージ材料、ＩＣ基板用材料、室温から高温
にいたる電気絶縁性放熱材料として利用が可能なＡｌＮ
−ＢＮ系複合焼結体の特に室温における機械的強度を著
しく改善したものであり、上記用途のほかにマシナブル
・セラミックス等への応用が考えられ、産業上極めて有
用である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプ
   の合計量４０〜９０重量％、および六方晶窒化ほう素１
   ０〜６０重量％よりなるＡｌＮ−ＢＮ系複合焼結体。
2. ２．窒化アルミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプ
   の合計量４０〜９０重量％、六方晶窒化ほう素１０〜６
   ０重量％、およびカルシウム化合物、イットリウム化合
   物のいずれか１種または２種以上０．１〜１０重量％よ
   りなるＡｌＮ−ＢＮ系複合焼結体。
3. ３．窒化アルミニウムのポリタイプの含有量が窒化アル
   ミニウムと窒化アルミニウムのポリタイプの合計量に対
   して５０重量％以下である請求項１または２に記載のＡ
   ｌＮ−ＢＮ系複合焼結体。
4. ４．窒化アルミニウム粉末４０〜８０重量％、六方晶窒
   化ほう素粉末１０〜８０重量％、および酸化けい素粉末
   ０．５〜１０重量％からなる混合粉末を真空または不活
   性ガス雰囲気下、１６００〜２０００℃、５〜１００Ｍ
   Ｐａで加圧加熱することによるＡｌＮ−ＢＮ系複合焼結
   体の製造方法。
5. ５．窒化アルミニウム粉末４０〜９０重量％、六方晶窒
   化ほう素粉末１０〜６０重量％、酸化けい素粉末０．５
   〜１０重量％、およびカルシウム化合物、イットリウム
   化合物のいずれか１種または２種以上０．１〜１０重量
   ％よりなる混合粉末を真空または不活性ガス雰囲気下、
   １６００〜２０００℃、５〜１００ＭＰａで加圧加熱す
   ることによるＡｌＮ−ＢＮ系複合焼結体の製造方法。
6. ６．カルシウム化合物が酸化カルシウム、炭化カルシウ
   ム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、フッ化カルシウ
   ム、水酸化カルシウム、シアン化カルシウム、又はカル
   シウムシアナミド、イットリウム化合物が酸化イットリ
   ウム、炭化イットリウム、フッ化イットリウム、又は硝
   酸イットリウムである請求項５記載のＡｌＮ−ＢＮ系複
   合焼結体の製造方法。