JPH11310462A - 窒化アルミニウム質焼結体及びその製造方法 - Google Patents
窒化アルミニウム質焼結体及びその製造方法Info
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- JPH11310462A JPH11310462A JP10119761A JP11976198A JPH11310462A JP H11310462 A JPH11310462 A JP H11310462A JP 10119761 A JP10119761 A JP 10119761A JP 11976198 A JP11976198 A JP 11976198A JP H11310462 A JPH11310462 A JP H11310462A
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Abstract
させる。 【解決手段】窒化アルミニウム粉末に周期律表第3a族
元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上と、
第2a族元素の炭酸塩の中から選ばれる少なくとも一種
以上とを合量で0.1〜30重量%含み、Si、第4a
族元素、第5a族元素、第6a族元素の窒化物、炭化
物、ケイ化物、硼化物の中から選ばれる少なくとも一種
以上を0.1〜30重量%含み、さらに第6a族元素の
酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上を0.1〜
5重量%含有する。
Description
ブリッド車、新幹線、地下鉄、通勤電車、エレベータ、
ロボット、クレーンや空調装置等に搭載されるパワーデ
バイスであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transisto
r) や、半導体素子が収容搭載される半導体素子収納用
パッケージや、半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等
の各種電子部品が搭載される混成集積回路装置等で、大
電流を流すことが可能な低抵抗配線導体を有する放熱配
線基板などを製造するのに不可欠な高熱伝導性を有する
と同時に高強度、高靭性をも併せ持つ窒化アルミニウム
質焼結体及びその製造方法に関するものである。
体素子であるが、近年、高耐圧化、大電流化、高速・高
周波化、高機能化が著しく進み、IGBT、GTO(Gate Turn
Off thyrister)、IPM(Intelligent Power Module) 、パ
ワーMOS FET 等の高速のMOS 系パワーデバイスが出現す
るに至った。これらのパワーデバイスは、自動車、イン
バータ電車、ストロボ、電子レンジ、ゴルフカート等に
広く利用されている。しかしながら、環境問題を背景に
ハイブリッド車、電気自動車が一般に普及しつつある昨
今では、これらのパワーデバイス、特にIGBTの冷却性能
の向上が要求されている。
素子を実装するための放熱配線基板用材料としては、
「機能性セラミックスの進歩(1985)」第39〜45頁に示されてい
るようにアルミナセラミックスや炭化珪素質セラミック
スが、また「絶縁・誘電セラミックス(1985)」第49〜64頁に示
されているように窒化アルミニウム質セラミックスが使
用されてきた。
来の放熱配線基板用材料は、例えば100A以上もの大電流
を流すことが要求され、なおかつ、-40 ℃〜150 ℃の冷
熱環境で使用されるような配線基板、例えば、環境問題
への取り組みから登場を余儀なくされているハイブリッ
ド車、電気自動車、次期新幹線に使用される各種制御機
器などをはじめとする用途に使用するには、その破壊強
度、破壊靭性が十分とは言えなかった。
ない前記従来の放熱配線基板材料を上記の用途に使用し
た場合には、基板とその表面に形成した低抵抗配線導体
との間の熱膨張差に起因する熱応力により、特に低抵抗
配線導体端部近傍の基板に応力が集中して大きな残留応
力が生じていた。
外力が加わると前記残留応力と相まってきわめて大とな
り、破壊強度、破壊靭性が十分ではない放熱配線基板に
クラックを発生させたり、そのクラックが進展して配線
導体を断線する可能性があった。このことは、SHM 会
誌、Vol.14,No.1 の「高信頼性パワーモジュール材料と
放熱構造」に詳しく解説されている。この文献では、低
抵抗配線導体に用いる金属材料を限定する事により、放
熱配線基板に発生するクラックの発生を回避する手段が
提案されているが、これらの手法では、放熱配線基板の
構造が限定され、その適用範囲に制約があった。
質焼結体は、窒化アルミニウム粉末に周期律表第3a族
元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上と、
第2a族元素の炭酸塩の中から選ばれる少なくとも一種
以上とを合量で0.1〜30重量%含み、Si、第4a
族元素、第5a族元素、第6a族元素の窒化物、炭化
物、ケイ化物、硼化物の中から選ばれる少なくとも一種
以上を0.1〜30重量%含み、更に第6a族元素の酸
化物の中から選ばれる少なくとも一種以上を0.1〜5
重量%含む窒化アルミニウム質焼結体を特徴とする。
体及びその製造方法によれば、従来の窒化アルミニウム
材料に比べ、遙かに高い破壊強度、破壊靭性を有する窒
化アルミニウム質焼結体が提供される。そのため、本発
明の窒化アルミニウム質焼結体を放熱配線基板材料など
に使用した場合、低抵抗配線導体と基板との間に両者の
熱膨張差に起因する熱応力が生じても、基板へのクラッ
クの発生やそのクラックの進展を防ぎ、低抵抗配線導体
に100A以上の大電流を流すことが可能で、しかも、-40
℃〜150 ℃の冷熱環境で繰り返し使用しても不具合の起
こらない高信頼性の放熱配線基板の提供が可能となる。
好な焼結性を保持したまま、硬質物質を均一に分散させ
ることによって、高強度、クラックデフクションによる
高靭性を得るようにしたものである。硬質粒子をマトリ
ックスに均一分散により破壊強度の向上、破壊靭性の向
上が得られる理由は、熱膨張係数の異なる物質を分散さ
せると焼成温度から冷却する過程で発生する材料内部で
の引っ張り応力によるところの粒子分散効果として一般
に説明されているが、詳しいことは解っていない。
周期律表第3a族元素の酸化物の中から選ばれる少なく
とも一種以上と第2a族元素の炭酸塩の中から選ばれる
少なくとも一種以上は、焼結助剤として作用し、これら
の合量が0.1重量%未満では焼結性に乏しく、30重
量%を超えると破壊靭性が低下するため、0.1〜30
重量%の範囲内が好ましい。
素、第6a族元素の窒化物、炭化物、ケイ化物、硼化物
の中から選ばれる少なくとも一種以上は、上述した硬質
成分として作用し、その含有量が0.1重量%未満で
は、充分な破壊靭性の向上が得られず、30重量%を超
えると焼結性に乏しくなるため、0.1〜30重量%の
範囲内が好ましい。
ばれる少なくとも一種以上は、焼結助剤として作用する
とともに、クラックの進展を防止する作用を成し、その
含有量が0.1重量%未満では、均質なマイクロストラ
クチャーが得られず破壊強度が低下し、5重量%を超え
ると焼結性に乏しこうなるため、0.1〜5重量%の範
囲が好ましい。
を超えると熱伝導率が低下するため、これらの合計量は
40重量%以下が好ましい。
体は、上記組成の原料粉末を公知の方法で所定形状に成
形した後、窒素雰囲気中又は窒素と水素の混合ガス中に
おいて、1600℃以上の温度で焼成し、相対比重90
%以上まで緻密化させることを特徴とする。これは、1
600℃未満の温度で焼結させるには、カプセルHIP
のような実験室レベルの焼結方法に頼らなければならな
いため、本発明が目指す放熱配線基板のような製品の焼
成には不向きとなるからである。
ミニウム質焼結体は、実質的にその粒界相が、窒化アル
ミニウム粒子間の粒界三重点に閉じこめられていること
を特徴とする。これは、上記のようなマイクロストラク
チャーが最も高い熱伝導特性を具現させるからである。
またこのように実質的にその粒界相が窒化アルミニウム
粒子間の粒界三重点に閉じこめられているマイクロスト
ラクチャーを得るには、1700℃以上の温度で3時間
以上焼成することが望ましい。
ール中で24時間振動粉砕混合し、得られたスラリーに
200メッシュパスを施した後、防爆乾燥機にて120
℃で24時間充分乾燥し、パラフィンワックスを10%
IPA中にて均一に混合した後、40メッシュパスし
て、窒化アルミニウム質粉末を得た。
JIS3点曲げ用のテストピースが得られる寸法の生成
形体を1ton/cm2 の圧力で成形し、500℃、窒素気流
中にて脱脂し、窒素雰囲気中にて1600℃以上の温度
で1時間から10時間、焼成を行った。
ンドホイールで平面研削し、所望の試験片を得た。破壊
強度は、JIS3点曲げに準拠して測定した。また、破
壊靭性値はSEPB法で測定した。
の範囲内の窒化アルミニウム質焼結体は、破壊強度40
0MPa以上、破壊靭性4MPam1/2 以上の特性を有
している。そのため、放熱基板材料などに使用した場
合、破壊強度、破壊靭性が十分に高いことから、低抵抗
配線導体と基板との間に両者の熱膨張差に起因する熱応
力が生じても、クラックの発生やその進展を防止するこ
とができる。
大電流を流すことが可能で、しかも、-40 ℃〜150 ℃の
冷熱環境で繰り返し使用しても不具合の起こらない高信
頼性の放熱配線基板の提供が可能となる。
に周期律表第3a族元素の酸化物の中から選ばれる少な
くとも一種以上と、第2a族元素の炭酸塩の中から選ば
れる少なくとも一種以上とを合量で0.1〜30重量%
含み、Si、第4a族元素、第5a族元素、第6a族元
素の窒化物、炭化物、ケイ化物、硼化物の中から選ばれ
る少なくとも一種以上を0.1〜30重量%含み、さら
に第6a族元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一
種以上を0.1〜5重量%含有して窒化アルミニウム質
焼結体を構成することによって、強度、靱性を向上させ
ることができる。
結体を用いて放熱配線基板を構成すれば、良好な放熱性
を維持したまま、大電流を流したり、冷熱環境で繰り返
し使用してもクラック等の生じない高信頼性の放熱配線
基板を得ることができる。
Claims (4)
- 【請求項1】窒化アルミニウム粉末に周期律表第3a族
元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上と、
第2a族元素の炭酸塩の中から選ばれる少なくとも一種
以上とを合量で0.1〜30重量%含み、Si、第4a
族元素、第5a族元素、第6a族元素の窒化物、炭化
物、ケイ化物、硼化物の中から選ばれる少なくとも一種
以上を0.1〜30重量%含み、さらに第6a族元素の
酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上を0.1〜
5重量%含むことを特徴とする窒化アルミニウム質焼結
体。 - 【請求項2】上記添加成分の合計量が40重量%以下で
あることを特徴とする請求項1記載の窒化アルミニウム
質焼結体。 - 【請求項3】実質的にその粒界相が、窒化アルミニウム
粒子間の粒界三重点に閉じこめられていることを特徴と
する請求項1又は2記載の窒化アルミニウム質焼結体。 - 【請求項4】窒化アルミニウム粉末に周期律表第3a族
元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上と、
第2a族元素の炭酸塩の中から選ばれる少なくとも一種
以上とを合量で0.1〜30重量%含み、Si、第4a
族元素、第5a族元素、第6a族元素の窒化物、炭化
物、ケイ化物、硼化物の中から選ばれる少なくとも一種
以上を0.1〜30重量%含み、さらに第6a族元素の
酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上を0.1〜
5重量%含む原料を所定形状に成形した後、窒素雰囲気
中又は窒素と水素の混合ガス中において1600℃以上
の温度で焼成し、相対比重90%以上まで緻密化させる
ことを特徴とする窒化アルミニウム質焼結体の製造方
法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP11976198A JP3961113B2 (ja) | 1998-04-28 | 1998-04-28 | 窒化アルミニウム質焼結体の製造方法 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| JPH11310462A true JPH11310462A (ja) | 1999-11-09 |
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