JPS6236069A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - 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 本発明は窒化アルミニウム焼結体の製造方法に関わり、
更に詳しくは緻密質で熱伝導性、絶縁性（誘電率）など
の実用上の緒特性に優れた窒化アルミニウム焼結体の製
造方法に関する。

従来の技術 半導体装置、これらを利用ずろ装置、機器は、半導体素
子、抵抗器類、コイル類等における発熱のために複雑な
熱系を構成するが、このような熱は各種熱伝導様式、例
えば熱伝導、熱輻射、対流等により装置外に放出される
ことになる。

一般に、半導体素子には特性上並びに信頼性の点から最
大限許される温度（最高許容温度）があり、また、雑音
余裕の点からも素子内あるいは素子相互間の温凌差にも
許容範囲が存在する。

従って、これら素子等を安定かつ信頼性よく動作させる
べく、最良の熱設計を行うことは、半導体装置等の設計
、製作において極めて重要である。

更に、近年、半導体素子の高速化、高密度化、大型化の
動向がみられ、それに伴い半導体素子の発熱量の増大が
大きな問題となっている。そこで、半導体装置用基板に
ついても、放熱性の改良、即ち基板全体としての板厚方
向の熱伝導性のより一層の改良が要求されている。その
ために、半導体装置用基板については、同時に高い電気
絶縁性と、高い放熱性とを有することが要求されること
になる。

その結果、従来ＩＣ基板として用いられていたアルミナ
焼結体は、その熱伝導率が低く放熱性が不十分であるた
めに、上記のようなＩＣチップ等の高集積化に伴う発熱
の増大に対して十分に対応できなくなりつつある。そこ
で、この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
強く取り扱いが困難であるばかりでなく、供給量も少な
く高価であるので実用的でない。

一方で、窒化アルミニウム（ＡＪＮ）は、本来材質的に
高熱伝導性、高絶縁性を存し、毒性も少ないために、半
導体工業において、絶縁材料やパッケージ材料として注
目を集めている。

しかしながら、ＡＩＮ粉末からその焼結体を製造する場
合、ＡｆＮ粉末自体の焼結性が良くないために、粉末成
形後、焼結して得られるＡＩＮ焼結体の相対密度（Ａｆ
ｆｉＮの理論密度３．２６ｇ／ｃｊを基準とする）は、
焼結条件にもよるが、高々７０〜８０％程度に過ぎず、
しかも多量の気孔を有している。ところで、窒化アルミ
ニウム焼結体の如き絶縁性セラミックの熱伝導機構はこ
のものがイオン結合、共有結合からなるために、主とし
て格子振動間の非調和相互作用によるフォノン伝導を主
体としているため、多量の気孔、不純物等の欠陥を有す
る場合には、フォノン散乱が著しく、低熱伝導度のもの
しか得られない。

そこで、緻密質で良好な熱伝導率を有するＡｚＮｆｉ結
体を得るために、ＡＪＮ粉末に種々の焼結助剤を添加し
、ホットプレスあるいは常圧焼結することが試みられて
おり、かなり良質のＡ１Ｎ焼結体を得ることができるよ
うになってきた。

例えば、酸化カルシウム（Ｃａｂ）、酸化バリウム（Ｂ
ａｄ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）などをＡＩＮ粉
末に０．１〜１０重量％の割合で添加し、焼結する方法
が特公昭５８−４９５１０号公報明細書に開示されてい
る。この方法によれば、相対密度９８％以上で、熱伝導
率０．１〜０．１３ｃａｌ／ｃ＋ｍ、ｓｅｃ、ｄｅｇ　
（４２〜５４Ｗ／ｍ、ｋ）　（室温）の製品が得られて
いる。しかしながら、この程度の値では、今後のＩＣ，
ＬＳＩ等の集積度向上に伴う大きな発熱量に十分対応で
きるとはいえない。

また、ホットプレス法としてはＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ
などを０．０１〜１．０重量％の割合でＡＩＮ粉末に添
加して焼結する方法がある。（特開昭５９−５００７７
号公報発明参照）、シかしながら、この方法においても
熱伝導率６０〜７０Ｗ／請、に程度のものしか得られて
いない、しかも、このホットプレス法では・得られる焼
結体の形状に制限があり、その上この工程は高価なプリ
セスであるために、前述のＩＣ。

ＬＳＩ等の基板として用いるには経済的に不利である。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、半導体装置の高集積化に伴って、Ｉ
Ｃチップ等の大型化がみられ、これら素子、デバイスの
発熱量は著しく増大するものと予想されるが、従来の基
板はこのような発熱量の増大に対し十分に対応し得なく
なってきており、新しい基板材料の開発が望まれている
。このような状況の下で、高耐熱性の高温構造材料とし
て、注目を集めているＡｆＮが熱伝導性、電気絶縁性、
両者において優れていることから、半導体工業における
絶縁材料、パッケージ材料として期待されているが、そ
の実情は既に述べた通りであり、実用に耐え得る優れた
物性のＡＩＮ焼結体は今のところ得られていない。

そこで、本発明の目的は熱伝導性の良好なＡＩＮ焼結体
を経済的に有利に製造する方法を提供することにあり、
勿論１００Ｗ／麟、に以上の高い熱伝導性を有し、かつ
緻密質の新規なＡＪＮ焼結体を提供することも本発明の
目的の一つである。

問題点を解決するための手段 本発明者等はＡＩＮ焼結体の製造法における上記の如き
従来の現状に鑑みて、熱伝導率１００Ｗ／ｍ、に以上の
高熱伝導性を有するＡＩＮ焼結体を経済的に有利な常圧
焼結法により得ることのできる方法を開発すべく、原料
粉末純度、焼結助剤、焼結条件等を詳細に検討した結果
、低酸素含有量のＡｊ！Ｎ粉末を用い、また焼結用添加
剤として酸化カルシウム　（Ｃａｂ）および弗化カルシ
ウム　（ＣａＦｚ）を少量添加することが上記目的達成
のために極めて有利であることを見出し、本発明を完成
した。

即ち、本発明のＡｊ！Ｎ焼結体の製造方法は、０．５〜
１．５重量％の酸素含有量率を有するＡＩＮ粉末に、０
．０１〜０．０７重量％の酸化カルシウムおよび０．１
〜０．７重量％の弗化カルシウムとを添加し、混合した
後成形し、次いで１７００〜２２００℃の範囲内の温度
にて、非酸化性雰囲気中で常圧焼結することを特徴とす
るものである。

本発明の方法において、非酸化性雰囲気とは、真空ある
いは窒素ガス、水素ガス、−酸化炭素ガス、アルゴンガ
ス、ヘリウムガス、などからなる群から選ばれた少なく
とも一種で構成される雰囲気を意味する。

本発明の方法においても、ＡＡＮ焼結体を一般にみられ
るセラミックと同じように、各成分の調合、成形、焼成
の一連の工程に従って製造する。

本発明の方法を更に説明すると、まず、ＡＩＮと所定量
の酸化カルシウムおよび弗化カルシウムを混合する。次
いで所定の形状に成形し、常圧焼結する。ここで成形法
としては特に制限はなく、従来公知の、例えば目的とす
る製品の形状、寸法に応じて金型成形、ラバープレス、
押し出し成形、射出成形、鋳込み成形等の中から最適な
方法を選び実施する。

また、このような成形法と生地の機械加工とを併用して
複雑な形状の目的製品を得ることもでき、この機械加工
法としては均質に、しかも最終製品の寸法精度、表面欠
陥等の発生などを考慮すれば高精度の技術の利用が必要
になり、ＮＣ研削加工、レーザー加工等の利用が望まし
い。

作　　用 −ａに焼結性が良くないとされているＡ６Ｎの緻密質、
かつ高熱伝導率を有する焼結体を得るために、特に問題
とならていた点は最終製品中に残存する大量の気孔であ
った。そこで、この気孔量を減じ、高熱伝導率のＡＩＮ
焼結体製品とするために各種の焼結助剤を用いる方法が
提案されたが、従来使用されてきたものは未だ不十分で
あり、大型化、高集積化の図られた半導体装置等の十分
な放熱性を６１保する基板はまだ知られていない。

ところで、本発明に従って、焼結助剤として酸化カルシ
ウムおよび弗化カルシウムを用いることによって緻密か
つ高熱伝導のＡＩＮ焼結体を有利に得ることが可能とな
った。

本発明の方法において、目的とする特に熱伝導率が１０
０Ｗ／ｍ、に以上の高い放熱性のＡＩＮ焼結体を得る際
に、いくつかの条件は臨界的に作・用する。

まず、ＡＩＮ粉末中の酸素含有率は０．５〜１．５重量
％でなければならない、というのは、この上限を越えて
酸素が存在する場合、焼結工程において酸素力Ａｌ５ｏ
　ｚ　アルイはＡｌ０Ｎ（７）形でＡｌ１Ｎ焼結体中に
混入してしまい、既に述べたようにフォノン散乱を生じ
、熱伝導率の低いものが得られてしまい、目的とする１
００Ｗ／ｍ、に以上の高熱伝導率のＡＩＮ焼結体を得る
ことができないからである。

また、０．５重量％未満ではＡｊ！Ｎ粉末の焼結性が著
しく阻害され、９５％以上の相対密度が得られなむ１結
果、熱伝導率も１００１へ、に以上を得られない。

次に焼結助剤として添加する酸化カルシウムおよび弗化
カルシウムの添加量は各々０．Ｏ１〜０．０７重量％お
よび０．１〜０．７重量％の範囲内とすることが必要で
ある。即ち、下限の０．０１重量％及び０．１重量％に
満たない量で使用した場合には十分に緻密な常圧焼結体
を得ることができず、逆に上限の０．０７重量％および
０．７重量％を越えて使用した場合には、得られる焼結
体の熱伝導率が低下し、目的とする放熱性良好なＡｆＮ
焼結体が得られない。

酸化カルシウムおよび弗化カルシウムは各々単独で添加
した場合はその効果は小さく、混合物として添加して始
めて１００Ｗ／ｍ、に以上の熱伝導率が得られることが
わかっている。

また、焼結温度は１７００〜２２００℃の範囲内とする
ことが好ましい、なんとなれば、１７００℃未満では十
分に焼結が進行せず、相対密度９５％以上の緻密な製品
を得ることができず、また、２２００　’Ｃを越える温
度で焼結した場合にはＡｌ１Ｎ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るためである。

以上述べたように、本発明の方法によればＡｆＮの焼結
助剤として酸化カルシウムおよび弗化カルシウムを用い
ることにより、緻密なＡ７！Ｎ焼結体を得ることが可能
となる。また、大量の発熱量を有する高集積化半導体デ
バイスのパッケージ用基板として有用な高い放熱性を与
えるＡＩＮ焼結体を得るためには、酸化カルシウムおよ
び弗化カルンウムの添加量、ＡＩｔＮ中の酸素含有率、
焼結温度等の各条件を上記のような範囲とする必要があ
り、これによって焼結法としては最も経済性のよい常圧
焼結法で、高い熱伝導率（１００Ｗ／ｍ、に以上）と繊
密性（高相対密度）のＡβＮ焼結体が有利に提供される
。

酸化カルシウムおよび弗化カルシウムの混合物がＡＩＮ
の焼結を促進する機構は明らかではないが、ＣａＯとＣ
ａＦｚおよびＡｆＮの反応によりガラス様の液相が発生
し、液相焼結による緻密化及び結晶Ｍｉ織の粒状化が起
こり、熱伝導率の改善がなされるものと考えられる。

また、後記の実施例で示されるように、熱伝導率はＣａ
Ｏ及びＣａＦｔを添加しない窒化アルミニウム焼結体に
較べ、著しい増加を示している。これは最適な酸素含有
量のＡβＮ粉末とＣａＯ及びＣａＦｚの組み合わせによ
り、窒化アルミニウム焼結体の緻密化並びに低欠陥濃度
化が十分達成されたためと考えられる。また、結晶組織
の粒状化が熱伝導率の向上に寄与していると考えられる
。

実施例 以下、本発明を実施例により説明するが、これら実施例
は本発明の範囲を制限す北ものではない。

実施例１ 酸素含有量が０．５〜１．５重量％の範囲内の各種の窒
化アルミニウム粉末に、酸化カルシウムを０．０５％弗
化カルシウムを０．４％混合添加し、ボールミルで１２
時間混合し混合粉末を作製した。これを２トン／ｃａｔ
の圧力下で成形し、１９００℃にて３時間１気圧のＮ！
ガス雰囲気中で常圧焼結した。得られた各焼結体試料に
つき相対密度および熱伝導率を測定し、結果を以下の第
１表に示した。

比較例１ 酸素含有量が１．５重量％を越える窒化アルミニウム粉
末または、酸素含有量が０．５重量％未満の窒化アルミ
ニウム粉末を用い、実施例１と同様に酸化カルシウムお
よび弗化カルシウムを添加・混合し、成形、焼結して比
較試料を作製した。同様に相対密度と熱伝導率を測定し
、結果を第１表に示した。

この結果から、また熱伝導率を１００Ｗ／ｍ、に以上と
するためにはＡＩＮの酸素含有率は０．５〜１．５重量
％である必要があることがわかる。更に、本発明の方法
で得られる焼結体は極めて大きな相対密度（９９％以上
）を有し、気孔率が大幅に改善されていることを容易に
理解することができる。

実施例２ 酸素含有量１．２重量％の窒化アルミニウム粉末に酸化
カルシウムを０．０１〜０．０７重量％、弗化カルシウ
ムを０．１〜０．７重量％の範囲の種々の量で添加・混
合し、実施例１と同様な方法で成形し、焼結し本発明の
窒化アルミニウム焼結体を製作した。

得られた焼結体の相対密度および熱伝導率は以下、Ｘ の第２表に示す通りであった。

比較例２ 酸素含有Ｎ１．２重量％の窒化アルミニウム粉末に酸化
カルシウム及び弗化カルシウムを本発明の範囲外の量で
添加・混合し、以下実施例１と同様に処理して比較試料
を作製した。相対密度、熱伝導率の測定結果を第２表に
示す。

第２表の結果は酸化カルシウムを０．０１〜０６０７重
量％および弗化カルシウムを０．１〜０．７重量％の量
で使用することにより、１００Ｗ／ｍ、に以上の高熱伝
導率の窒化アルミニウム焼結体を有利に得ることができ
ることを示している。

実施例３ 酸素含有量１．２重量％の窒化アルミニウム粉末に酸化
カルシウムを０．０５重量％、弗化カルシウムを０．５
重量％混合添加し、実施例１と同様な方法で焼結体試料
を得た。尚、焼結は１，７００〜２，２００℃の範囲内
の温度にて３時間１気圧のＮ２ガス雰囲気中で常圧焼結
法に従って実施した。得られた焼結体の特性の測定結果
を第３表に示す。

比較例３ 酸素含有Ｎ１．２重量％の窒化アルミニウム粉末に酸化
カルシウムおよび弗化カルシウムを各々０．０５重量％
および０．５重量％添加・混合し、実施例１と同様に成
形した後、本発明の範囲外の焼結温度にて焼結し比較試
料を得た。物性の測定結果を第３表に示す。

実施例３および比較例３は、本発明の方法において所定
の特性を有する焼結体を得るためには焼結温度が臨界条
件であることを示すために行ったものであるが、第３表
の結果は下県の１７００℃に満たない場合には十分な熱
伝導率、相対密度が確保できないことを明賄に示してい
る。

発明の効果 以上詳しく説明したように、本発明の方法に従えば、酸
素含有ｌ００５〜１．５重量％の窒化アルミニウム粉末
に、０．０１−０．０７重量％の酸化カルシウムおよび
０．１〜０．７重量％の弗化カルシウムを混合添加後成
形し、次いで１．７００〜２，２００℃の温度にて非酸
化性雰囲気下で常圧焼結することにより、￥１ｔＩｆ！
買かつ特に熱伝導性に優れた、半導体装置の放熱材料あ
るいはパッケージ材料として有用である。

本発明の方法により得られる窒化アルミニウム焼結体は
、サーディンプ用基板、サーパンク用基板、バイブリフ
トＩＣ用基板等のＩＣ基板ばかりでなく、パワートラン
ジスタ、パワーダイオードおよびレーザダイオード用の
ヒートシンクとして、更にレーザ発振器用部品、或いは
マイカ代替用絶縁性薄板として好適に利用でき、実用的
に優れた効果を発揮するものと期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による製造方法で得られた窒化アルミ
ニウム焼結体の結晶組織の代表例を倍率ｘｚｏｏにて示
す光学顕微鏡写真である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　酸素含有量０．５〜１．５重量％の窒化アルミニウム
   粉末に、０．０１〜０．０７重量％の酸化カルシウムお
   よび０．１〜０．７重量％の弗化カルシウムとを混合成
   形し、次いで１７００〜２２００℃の温度で非酸化性雰
   囲気中で常圧焼結し、粒状の結晶組織を生成せしめるこ
   とを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。