JPH0832597B2

JPH0832597B2 - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH0832597B2
Application number: JP61278000A
Authority: JP
Inventors: 憲一郎柴田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1986-11-21
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPS63134570A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は高熱伝導性を有する窒化アルミニウム焼結体
の製造方法に関し、さらに詳細には、放熱性が必要な半
導体装置等に好適に用いられる高熱伝導性窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法に関するものである。

従来の技術最近のLSIの進歩はめざましく、集積度の向上が著し
い。これに伴って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るようにな
っている。また、従来IC基板として用いられていたアル
ミナ焼結体の熱伝導率では放熱性が不十分であり、ICチ
ップの発熱量の増大に対応できなくなりつつある。この
ためアルミナ基板に代わるものとして、高熱伝導性のベ
リリア基板が検討されているが、ベリリアは毒性が強く
取扱いが難しいという欠点がある。

一方、窒化アルミニウム（AIN）は、本来、材質的に
高熱伝導性、高絶縁性を有し、毒性もないため、半導体
工業において絶縁材料あるいはパッケージ材料として注
目を集めている。

発明が解決しようとする問題点上述のように窒化アルミニウムは理論的には単結晶と
して高熱伝導性、高絶縁性を有する材料である。しかし
ながら、窒化アルミニウム粉末から焼結体を製造する場
合、窒化アルミニウム粉末自体の焼結性が低いため、粉
末成形後、焼結して得られる窒化アルミニウム焼結体の
相対密度（窒化アルミニウムの理論密度3.26g/cm³を規
準とする）は、焼結条件にも依るが、高々70〜80％しか
示さず、多量の気孔を包含する。

一方、窒化アルミニウム焼結体の如き絶縁性セラミッ
クスの熱伝導機構はフォノン伝導を主体とするため、気
孔、不純物等の欠陥はフォノン散乱を起し、熱伝導率は
低レベルのものしか得られない。

従来知られている窒化アルミニウム焼結体のほとんど
は熱伝導率が60〜100W/mK程度であり、窒化アルミニウ
ム単結晶の理論熱伝導率（320W/mK）に比較して未だ低
い値であった。

このような焼結体を製造するのに用いられてきた窒化
アルミニウム粉末は、いわゆる「金属アルミニウム直接
窒化法」により得られたもので、平均粒子径は２μｍ以
下で、酸素含有量が1.5〜3.0重量％程度であり、Mg、C
r、Si、Zn、Fe、Cu、Mn、Ni、Ti、Co、Ｖ、Zr等の陽イ
オン不純物の含有量が0.2〜0.4重量％程度のもので、比
較的低価格ではあるが、純度が低いものであった。従っ
て、この粉末を用いた焼結体では、含有酸素および金属
不純物によるフォノン散乱により熱伝導率が大幅に低下
するとされていた。

一方、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上する
ために数多くの試みがなされている。例えば、特開昭59
-50008号公報に記載の発明によれば、いわゆる「アルミ
ナ還元法」、すなわち高純度で微細なアルミナ粉末をカ
ーボンで還元しながら窒化することにより、平均粒子径
が２μｍ以下の粉末で、酸素含有量が1.5重量％以下、
且つ、含有する陽イオン不純物が0.3重量％以下の窒化
アルミニウム粉末が得られる。この窒化アルミニウム粉
末を用いて製造した窒化アルミニウム焼結体は100〜140
W/mKの熱伝導率を有し、高熱伝導性の窒化アルミニウム
焼結体として市販されている。

しかしながら、この従来技術に記載の窒化アルミニウ
ム粉末は高純度、微細で、均粒であるが、製造工程が複
雑で高価格であるため、その窒化アルミニウム粉末を用
いて製造された窒化アルミニウム焼結体の市場は限定的
なものであった。

このように、従来の窒化アルミニウム粉末を用いた窒
化アルミニウム焼結体は、「金属アルミニウム直接窒化
法」の窒化アルミニウム粉末で製造した窒化アルミニウ
ム焼結体の場合、熱伝導率が100W/mK以下と低く、ま
た、「アルミナ還元法」の窒化アルミニウム粉末で製造
した窒化アルミニウム焼結体の場合、高価格であるとい
う問題もあり、さらに熱伝導率はせいぜい140W/mKしか
得られないという問題があった。

従って、本発明の目的は、安価な窒化アルミニウム粉
末を使用しながらも熱伝導率の高い窒化アルミニウム焼
結体を製造しうる窒化アルミニウム焼結体の製造方法を
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の問題点に鑑み、従来と異なる観点
から窒化アルミニウム粉末の特性と窒化アルミニウム焼
結体の熱伝導率との関係を種々実験、検討した結果、特
定の粒径あるいは比表面積の窒化アルミニウム粉末を用
いることにより粉末の製法にかかわらず、また、金属不
純物量がある程度多くても、高熱伝導性窒化アルミニウ
ム焼結体を得ることが可能なことを見出したものであ
る。

すなわち、本発明に従うと、150W/mK以上の高い熱伝
導率を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法であっ
て、平均粒径４〜20μｍ、且つ、比表面積0.5〜3.0m²/g
の窒化アルミニウム粉末に、アルカリ土類金属、希土類
金属およびこれらの元素を含有する化合物からなる群よ
り選択した少なくとも１種を焼結助剤として0.1〜15重
量％添加して原料粉末とし、該原料粉末を成形密度1.6g
/cm³以上に成形した後、焼結することを特徴とする方法
が提供される。

従来技術では高熱伝導性で緻密な窒化アルミニウム焼
結体を得るためには平均粒径２μｍ以下の微細な窒化ア
ルミニウム粉末を用いることが必須と考えられてきた。
本発明はこの常識に反するものであり、平均粒径２〜20
μｍ、好ましくは４〜20μｍ、且つ、比表面積0.5〜3.0
m²/gという従来にない粗粒の窒化アルミニウム粉末を用
い、特定の焼結助剤を一定範囲の量で添加した後、成形
密度1.6g/cm³以上の高密度に成形し、焼結することによ
り、緻密で高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体を得る
ことに成功したものである。本発明による場合、金属不
純物量は0.2〜0.4重量％含有していても120〜200W/mKの
高熱伝導性が得られるため、高純度な窒化アルミニウム
粉末を得るための高価なプロセスをとる必要がなく、経
済的にも有利な窒化アルミニウム焼結体が得られる。

本発明の方法において、窒化アルミニウム粉末を高密
度に成形する際、窒化アルミニウム粉末の成形体１cm²
の面積当り４〜10ton/cm²の圧力でプレスして成形する
のが好ましい。

本発明の方法において、焼結は、非酸化性雰囲気、す
なわち真空または窒素ガス、水素ガス、一酸化炭素ガ
ス、アルゴンガスまたはヘリウムガスの雰囲気中で1900
〜2100℃の範囲の温度で各成形物の形状、大きさに応じ
た時間で実施するのが好ましい。

作用本発明は、平均粒径２〜20μｍ、且つ比表面積1.5〜
3.0m²/gという粗粒の窒化アルミニウム粉末を用いるこ
とにより、120〜200W/mKの高熱伝導性窒化アルミニウム
焼結体を得ることに成功したものである。

窒化アルミニウムは共有結合性化合物であるため焼結
性が悪く、従来は平均粒径２μｍ以下の微粒窒化アルミ
ニウム粉末に焼結助剤を添加することにより緻密且つ高
熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体を得ることができる
とされてきた。

しかしながら、平均粒径の小さな窒化アルミニウム粉
末は当然比表面積（BET）が通常3.5〜７m²/gと大きいた
め、空気中の水分等を吸着し易く、窒化アルミニウム粉
末の表面が水酸化物あるいは酸化物となり易い。これは
窒化アルミニウムが本質的に加水分解性を有することに
も関連し、窒化アルミニウム粉末の酸素含有の主原因と
考えられる。窒化アルミニウム粉末に含有される酸素は
焼結後、窒化アルミニウム焼結体中に拡散し、フォノン
散乱による熱伝導率低下の原因となり得るものであり、
できる限り低減する必要がある。

本発明者等は、こうした観点から、平均粒径が大き
く、比表面積（BET）が小さい程、酸素含有量の少ない
窒化アルミニウム粉末が得られるという知見を得た。

このような知見に基づく本発明者等による詳細な、実
験、検討の結果、平均粒径が２μｍ以上で、比表面積
（BET）が３m²/g以下の粉末であれば、酸素含有量を1.0
重量％以下に抑制でき、しかも、焼結助剤を添加し且つ
成形密度を制御することにより緻密で120W/mK以上の高
熱伝導性の窒化アルミニウム焼結が得られることが判っ
た。

しかしながら、粗粒になればなる程、焼結性は低下す
る問題がある。すなわち、平均粒径が20μｍを超えまた
は比表面積（BET）が0.5m²/g未満の粗粒の窒化アルミニ
ウム粉末では、焼結性が悪く、緻密な窒化アルミニウム
焼結体が得られない。

本発明の方法では焼結助剤として、アルカリ土類金
属、希土類金属及びそれら元素の含有化合物を用いる
が、これらの焼結助剤は焼結過程で窒化アルミニウムと
反応して液相を生ぜしめ、これにより焼結を進行させ、
緻密化させる作用を有し、粗粒の窒化アルミニウム粉末
を用いる本発明の方法ではこれらの焼結助剤の使用は極
めて有効である。このようなアルカリ土類金属または希
土類金属の化合物としては、それらの酸化物、窒化物、
酸窒化物、弗化物を主として使用できる。また、これら
の焼結助剤の添加量は0.1重量％未満では添加効果がな
く、焼結密度が十分に上らず、120W/mK以上の熱伝導率
が得られない。一方、15重量％を超える量での添加は窒
化アルミニウムの相対的割合を低下せしめ、その結果熱
伝導性を劣化させることとなる。

また、本発明の１態様に従うと、焼結前の成形体の密
度は1.6g/cm³以上であるが、1.6g/cm³未満では、粉末が
粗粒であるので得られる焼結体の密度が低下して好まし
くない。このような成形体密度は、金型内の成形体の面
積１cm²当り４〜10トン／cm²以上の圧力で加圧して得
る。

本発明の方法において、焼結は非酸化性雰囲気、すな
わち真空または窒素ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、
アルゴンガス、ヘリウムガスの雰囲気中で1900〜2100℃
の温度で各成形物の形状、大きさに応じた時間で実施す
るのが好ましい。

焼結温度について説明すると、1900℃未満の焼結温度
では十分に焼結が進行しない。一方、窒化アルミニウム
の焼結温度は高い方が望ましいが、2100℃を超えると、
窒化アルミニウムの分解反応が著しく促進され、焼結体
の重量減少が大きくなり経済的でない。従って、本発明
の方法では、1900〜2100℃の温度範囲で焼結を行うこと
とした。

以上説明の如く、本発明の方法では、窒化アルミニウ
ム粉末が比較的粗粒でよいため、窒化アルミニウム粉末
製造工程中の粉砕工程を従来に比べ短縮でき、粉末の低
価格化を図れる。また、粉砕工程で混入する不純物元素
の混入をも低減できるため、焼結体の透光性も改善し得
る。

さらに本発明の方法では、窒化アルミニウム粉末中の
不純物元素の影響をあまり受けずに、120W/mK以上の高
熱伝導性窒化アルミニウム焼結体が得られる。従来法で
は、Fe、Si、Mg等の金属系不純物元素が数百〜1000ppm
混入すれば、30〜40W/mKの熱伝導率の低下をきたし、10
0W/mK程度の熱伝導率しか得られないとされた。本発明
では金属不純物元来の含有量が0.2〜0.4重量％であって
も、120W/mK以上の高熱伝導材を得ることができる。従
って、窒化アルミニウム粉末を製造する場合、それほど
高純度な金属アルミあるいはアルミナを用いる必要がな
くなるため、低価格の窒化アルミニウム粉末原料で高熱
伝導性の窒化アルミニウム焼結体が得られる。

実施例以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこ
れらの実施例により何ら制限を受けるものではない。

実施例１平均粒径２〜20μｍ、且つ、比表面積（BET）0.5〜3.
0m²/gの範囲内の各種窒化アルミニウム粉末に、焼結助
剤としてアルカリ土類金属または希土類金属を含有する
化合物を0.1〜15重量％の範囲で添加し、ボールミルを
用いて粉砕混合後、乾燥し、混合粉末を調製した。少量
のバインダー材を添加した後、内径13mmφ金型にて2.2t
on/cm²の圧力下で成形密度16〜18g/cm³、厚さ5mmに成形
し、バインダー材を焼却除去して、成形体を得た。これ
を焼却炉に挿入し、1950℃の温度でN₂ガスの雰囲気で焼
結した。

得られた窒化アルミニウム焼結体を各々、直径10mm、
厚さ2.5mmに加工した後、レーザーフラッシュ法により
室温での熱伝導率を測定した。

以上の結果を第１表の試料番号１〜15に示す。

比較例１平均粒径２μｍ未満または比表面積3.0m²/gを超える
数種の窒化アルミニウム粉末を用い、実施例１と全く同
様の工程を経て、窒化アルミニウム焼結体を製作、評価
した。

この結果を第１表の試料番号16〜19に示す。

第１表に示す結果より、本発明の範囲で製造した窒化
アルミニウム焼結体は、熱伝導特性に優れていることが
判る。特に、粒径が４μｍ以上の場合に150W/mK以上の
高熱伝導度が得られる。

発明の効果本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法によれ
ば、特定の粒径及び比表面積の窒化アルミニウム粉末を
用いることにより、従来よりも格段に高い熱伝導率を有
する窒化アルミニウム焼結体を安価に製造することが可
能となる。

本発明の方法で使用する窒化アルミニウム粉末は比較
的粗粒でよいため、窒化アルミニウム粉末製造工程中の
粉砕工程を従来に比べ短縮でき、粉末の製造価格の大幅
な低下が図れる。また、原料粉末の粉砕工程の短縮がさ
れるので、粉砕工程で混入する不純物元素の混入をも低
減でき、焼結体の透光性も改善し得る。

さらに本発明の方法では、不純物元素が多くとも、そ
の影響をあまり受けずに、120W/mK以上の高熱伝導性AlN
焼結体が得られる。本発明では、窒化アルミニウム粉末
中の金属不純物元来の含有量が0.2〜0.4重量％であって
も、この粉末を用いて120W/mK以上の高熱伝導材を得る
ことができる。従って、窒化アルミニウム粉末を製造す
る場合、それほど高純度な金属アルミあるいはアルミナ
を用いる必要がなくなるため、低価格の窒化アルミニウ
ム粉末原料で高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体が得
られる利点がある。

さらに、本発明の方法で製造される窒化アルミニウム
焼結体は半導体装置の放熱材料のみならず、HIC用基
板、パワートランジスタ用ヒートシンク、レーザダイオ
ード用ヒートシンク等で従来のアルミナあるいはベリリ
アに代わるものとして好適に使用できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】150W/mK以上の高い熱伝導率を有する窒化
アルミニウム焼結体の製造方法であって、平均粒径４〜20μｍ、且つ、比表面積0.5〜3.0m²/gの窒
化アルミニウム粉末に、アルカリ土類金属、希土類金属
およびこれらの元素を含有する化合物からなる群より選
択した少なくとも１種を焼結助剤として0.1〜15重量％
添加して原料粉末とし、該原料粉末を成形密度1.6g/cm³
以上に成形した後、焼結することを特徴とする方法。
【請求項２】上記成形が、窒化アルミニウム粉末の成形
体の面積１cm²当たり４〜10ton/cm²の圧力で行われるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の窒化アルミ
ニウム焼結体の製造方法。
【請求項３】上記焼結が、非酸化性雰囲気中で1900〜21
00℃の範囲内の温度で実施されることを特徴とする特許
請求の範囲第１項または第２項に記載の窒化アルミニウ
ム焼結体の製造方法。