JPS5832073A - 焼結体 - Google Patents

焼結体

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JPS5832073A
JPS5832073A JP56130291A JP13029181A JPS5832073A JP S5832073 A JPS5832073 A JP S5832073A JP 56130291 A JP56130291 A JP 56130291A JP 13029181 A JP13029181 A JP 13029181A JP S5832073 A JPS5832073 A JP S5832073A
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JP
Japan
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sintered body
aluminum nitride
boron nitride
room temperature
powder
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JP56130291A
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English (en)
Inventor
竹田 幸男
荻原 康隆
康隆 鈴木
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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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】 本発明は高熱伝導率と電気絶縁性を併せ有する焼結体に
関する。
近年、半導体工業の進歩ば「1ざ捷しく、大規模集積回
路等に使用される絶縁基板は回路構成要素が高密度に形
成されるようになってきた。さらに最近では小型化に対
する要請も大きく、単位面積当りの発!$量が大幅に増
加してきた。一方では大型のシリコンチップが接着可能
な熱膨張係数がシリコンのそれに近い絶縁基板材料の開
発が望1れでいる。従来、絶縁基板材料としてアルミナ
の焼結体が使用された。しかし、アルミナ基板は熱放散
性が悪く、熱膨張係数が大きいため、はぼ限界に達した
。このため、熱放散性が良好で、しかも熱膨張係数がシ
リコンの値に近い新規な絶縁基板材料の開発が要請され
るようになってきた。
絶縁基板材料が具備すべき条件としては(1)電気絶縁
性が大きいこと。
(2)熱伝導率が大きいこと。
(3)熱膨張係数がシリコンに近いこと。
(4)機械的強度が大きいこと。
等が挙げられる。
ところで、窒化アルミニウムはその熱膨張係数が約5X
10−’/℃でアルミナ焼結体のそれの約7 X 1 
o= 7℃に比べて小さく、シリコンの熱膨張係数組3
.3 x i 0−67 ℃に近い。寸だ、機械的強度
も曲げ強さで約50kg/cm2を有し、アルミナ焼結
体の約20kg/Cm2に比べ高強度であることが知ら
れている。さらに都゛気絶縁性にも優れた材料である。
従来公知である窒化アルミニウム焼結体の製造方法には
反応焼結法、常圧焼結法、ホットプレス焼結法がある。
このうち、反応焼結法は金属アルミニウムの成形体を窒
素ガス雰囲気中で窒化反応させながら焼結する方法であ
る。反応焼結法では窒化反応が窒素ガスの拡散律速であ
ることから肉厚の製品の場合、中心部に未反応金属が残
ることと、多孔質であるため、電気絶縁材としては使用
できない。常圧焼結法では窒化アルミニウム粉末に酸化
イツトリウムと希土類酸化物、酸化イットリウノ・と二
酸化ケイ素、ニッケル、酸化カルンウノ、などの粉末を
添加して混合したのち成形体としプレス焼結法では窒化
アルミニウノ、粉本に酸化アルミニウム、酸化イノトリ
ウノ、と二酸化ケイ素などの粉末を添加して混合し7/
このち成形体とし、加圧下で加熱して焼結体を得る。従
来公知である常圧焼結法及びホットプレス焼結法によノ
′1ば緻密化した窒化アルミニウノ、焼結体をイ(Iる
ことかでき、焼結体は高強度で、電気絶縁+1及び低→
)(膨張係数を有する。しかし、上記の方法で製造した
焼結体の熱伝導率は小さく、通常007cン1 l/C
1’l! @ S・℃(室温)であり、大きいものでも
0.1 c、 ;l 1!−7(゛(口・S・℃である
。これらの点から、窒化アルミニウム焼結体は」:り高
熱伝導路を・有するものが開発されると、大規模集積回
路などの絶縁基板イ」別として極めて有用である。
本発明の]]的は熱伝導率が大きく、電気絶縁用基板何
科として好適な性能を有する材$□1及びその製造方法
を提供するにある。
本発明は窒化ホウ素を0.05〜30重Id係添加して
成る窒化アルミニウノ、の焼結体にある。該焼結体にJ
、室温に;j、・ける熱伝導率が0.3 chz、7c
m−s −’CI7. l−で、室温における電気抵抗
率が10′2ΩC1n以上で、室部から300℃におけ
る平均熱膨張係数が6X10−’/℃以下で、窒化アル
ミニウムの理論密度の90チ以十の密度を有する。
また、本発明は・(l jり粒径が2 Q /(nl以
下である窒化アルミニウム粉末に、平均粒径が5 Q 
lt m以下である窒化ホウ素粉末を0.05〜3o@
量係添加して混合(7た粉末を成形体となし、非酸化性
雰囲気中で1600〜2000℃の温度で常圧焼結する
か、1. (i 00〜2000℃の温度と1. OO
kg/ cm2以上の加圧下でホットプレスして窒化ア
ルミニウノ・の理論密度の90係以上の密度を得るに七
分な時間焼結して成る高熱伝導で電気絶縁性の優れた窒
化アルミニウム焼結体の製造方法にある。
本発明において窒化ホウ素の添加量を0.05〜30重
用係としたのは、0.05重@係より少ないと緻密な焼
結体が得られないためである。寸だ、30重′1ft%
よりも多いと焼結体は熱膨張係数が大きくなり、特にシ
リコン−゛1′導体素子用の絶縁基板として使用する場
合に間:tαになるためで2らる。
捷だ、本発明において壁化アルミニウム粉末d:平均粒
径が20μm以下、91寸しく何1. Otr…以下の
粒径を有する粉末を使用する。
窒化ホウ素を添加混合した窒化アルミニウム粉末成形体
の焼成条件も重要である。焼成は非酸化性の雰囲気中で
行う。酸化性の’r?囲気中で焼成すると窒化アルミニ
ウムが酸化してし甘い所望の焼結体をイnることかでき
ない。
焼成時の温度は1600〜2000℃、好斗しく1は1
700〜1900℃が有効である。温度が1ri00℃
より低い場合は緻密な焼結体が(4Jられす、2000
℃より高い場合は過焼成になってしJ−うほか、!14
別な効果は得られない。寸だ、焼成は常圧焼結法でも良
いし、ホットプレス法に、1:っても良い。もし、−軸
加圧式のホットプレス法で焼結体を製造する場合、収縮
は加圧軸方向にしか起らず、寸法精度が高く、高強度を
有する焼結体を14jることかでき、この場合、1.0
0 k g/ cm2以上の荷重を加えることが必要で
ある。丑だ、焼成時間に関して(1使用する原料粉末の
粒径、窒化ホウ素の添加ffl、17171度、焼成時
に加える荷重の有無及びその大きさにより最適植が決る
。一般的には原料粉末の粒径が小さく、湯度が高く、焼
成+17i i/(:荷重を加えた場合、特に加える荷
重が大きいほど短i寺間で緻密なへ11:結体を子!す
ることができる。
次に実施例を示しJL体的に、fl2明する。
実施例1 平均粒径が2μm11の窒化アルミニウム粉末に平均粒
径が17+mの大方品系の結晶形を有する窒化ホウ素粉
末を0.03〜50市吊係添加し混合した。
次いで、該混合粉末を室温で]、QQOkg/cm2の
IF力を加えて成形体とした。該成形体C2次に焼成炉
中で減圧度lXl0=〜IX]、0−’!。rlの真空
中で曽:成した。加熱は室温から1800℃捷で約11
1でy1温し、1800℃で0.511保1.5シたの
ち放冷した。十記によって製箔した窒化アルミニウム焼
結体の特性を第1表に示す。
第1表 この結果より、窒化アルミ−ラムに添加する窒化ホウ素
の量が0.1〜30重量係重量へ、焼結体は相対密度が
90係以−]ム室温に′13・ける熱伝導率がQ、 2
 ca、4/cm、 S 、 ’C以上、雷気M抗率が
101−2Q C1n以−に、熱膨張係数が6 X 1
0−”7℃以下を有することがわかる。
実施例2 実施例1に記載したものと同じ窒化アルミニウム粉末と
窒化ホウ素粉末を用い、窒化ホウ素の添力[目i−を3
重量係として混合し、成形体を得た。該成形体は真空中
で焼成条件を変えて焼結体とした。
第2表は焼結体の製造条件と得らi″Lだ焼結体の相7
J密度の関係を示す表である。
第2表 焼結体は相対密度が90%以上に緻密化した場合、室温
における熱伝導率が0.2 c r+ l−7cm *
 s・℃以上、電気抵抗率がto12ΩCIll以1−
1熱膨張係数が6xlO−67℃以下を有した。
実施例3 実施例2に記載したものと同じ様にして窒化アルミニウ
ムの成形体をイ!また。該焼結体は実施例1に記載した
ものと同様にして焼結体をイ(Iた。実施例3に於ては
焼結体の製造117#の雰囲気をアルゴンガス、ヘリウ
ムガス、窒素ガス、水素ガスとした。
得られた焼結体はいずれも実施例1に記載した焼結体の
うち窒化ホウ素の添加1仕が3重量係のものと同様の特
性を有した。
実施例4 実施例1と同じ様にして窒化アルミニウムに対して平均
粒径が11tmである立方晶系の結晶形を有する窒化ホ
ウ素粉末を加え成形体をflまた3、該成形体は実施例
1と同様にして焼結体をイkIだ。該焼結体は窒化ホウ
素の添加部が同一の場合、立方晶□ 系の窒化ホウ素粉
末を用いたときの方が熱伝導率(10) の値が実施例1に記載したものより大きいほか、他の特
性は同様であった。
実施例5 平均粒径の異なる窒化アルミニウム粉末に大方晶系の窒
化ホウ素を3重量%添加し、実施例1と同様にして焼結
体を得た。第3表は得られた焼結体の相対密度で窒化ア
ルミニウムの平均粒径が20μm以下のとき相対密度が
90%以上である焼結体が得られる。
第3表 この焼結体はいずれも実施例1に記載した窒化(11) ホウ素の添加量が3重年係の場合とほぼ同様の特性を有
した。
実施例6 本発明になる電気絶縁基板の具体的な鏑/−11例とし
て、実施例1で得た窒化ホウ素の添加量が3重量係の窒
化アルミナ基板、焼結体を絶縁基板として用いた半導体
パワーモジュールにより説明する。
第1図は従来構造の組立断面図である。導体4とヒート
シンク6及びヒートシンク6と金属支持板8の間を有機
絶縁物5及びアルミナ基板7で絶縁し、捷た、シリコン
素子1とヒートシンク6との熱膨張係数の差によるひず
みを緩和するためにモリブデンスペーザ−3を介在させ
である。第2図は本発明になる絶縁基板を用いたモジュ
ールの組立断面図である。絶縁基板15はシリコン素子
11と直接ろう付けされており、極めて簡単な構造にな
っている。
上記半導体装置を一60℃で30分保持したのち室温で
5分保持し、さらに125℃に昇温して30分保持する
ヒートサイクルを加えた。従来法(12) になる半導体装置(第1図)は20回のヒートサイクル
で半田付箇所にはがれが生じた。本発明になる半導体装
置(第2図)は150回のヒートサイクルの後でも異常
が認められなかった。
比較例 平均粒径が’11tmの窒化アルミニウム粉末に酸化イ
ツトリウムを10重重量部加して混合したのち成形体と
した。該成形体はI X 10−” orrの真空中で
温度1800℃、荷重300 kg 7cm2 、時間
0.5 hホットプレスして焼結体とした。該焼結体は
相対密度99係に緻密化した。該焼結体のその他の特性
は熱伝導率が0107Cat/Cm−5・℃(室温)、
電気抵抗率が10”Ωcm(室温)、熱膨張係数が5 
x 10−”7℃(室温〜300℃)であった。
本発明になる窒化アルミニウム焼結体は緻密化しており
、高熱伝導率、高電気抵抗弁、低熱膨張係数を併せ有す
るという特徴を有する。従って、前述した通り電気絶縁
用基板材料として有用であるばかりでなく、すyに耐熱
、耐酸化性、耐薬品性  □(13) が要求される部材、面j熱@撃性が要求される部材、高
温において高強度が要求される部材としても好適な材料
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来法によるシリコン半導体装置の組立図、第
2図は本発明になる基板を用いたシリコン半導体装置の
組立図である。 1.11・・・シリコン素子、2.12・・・リード線
、3・・・モリブデンスベーザー、4・、−・14・・
・導体、5・・・有機絶縁物、6・・・ヒート//り、
7・・・アルミナ基板、8・・・支持板、9,10.1
3・・・半田、15(14)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 窒化アルミニウムに対して窒化ホウ素を0.1〜
    30重ffr%添加して成ることを特徴とする焼結体。 2 窒化アルミニウムの理論密度に対して90%以」−
    の密度を有することを特徴とする特許請求の範囲m1項
    記載の焼結体。 3、室温における熱伝導率が0,2 Cat/CmaS
    ・℃以上であることを特徴とする特許請求の範囲第1項
    記載の焼結体。 4、室温における電気抵抗率が1013ΩCm以」−で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の焼結
    体。 5、窒化ホウ素は立方晶窒化ホウ素または六万品窒化ホ
    ウ素であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の焼結体。
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