JP3403500B2 - 窒化アルミニウム粉末及び窒化アルミニウム焼結体の製造法 - Google Patents

窒化アルミニウム粉末及び窒化アルミニウム焼結体の製造法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム粉末
及び窒化アルミニウム焼結体の製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、ロボット・モーター等の産業機器
の高性能化に伴い、大電力・高効率インバーター等大電
力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生
する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく
放散させるため、パワーモジュール用回路基板では従来
より様々な方法がとられてきた。特に最近、優れた熱伝
導性と電気絶縁性を有ししかも熱膨張係数がシリコンの
それに近い窒化アルミニウムが注目され、パワーモジュ
ール用回路基板のセラミックス基板として利用されてい
る。
【0003】このような窒化アルミニウム基板において
は、その表面に銅板を接合してから化学エッチング法に
より銅回路が形成され、そのままあるいはメッキ等の処
理を施してから半導体素子が実装される。銅回路を形成
させた反対面には放熱フィンを取り付けるための銅製放
熱板が接合される構造もある。
【0004】従来、この種の窒化アルミニウム基板を製
造するための窒化アルミニウム粉末としては、アルミナ
還元法又は金属アルミニウム直接窒化法によって得られ
たものが一般的であるが、これらには一長一短がある。
アルミナ還元法窒化アルミニウム粉末は、金属アルミニ
ウム直接窒化法のものに比べて粒径が揃っているので焼
結しやすくまた高熱伝導性のものが得られやすいが、焼
成時の収縮が大きくしかもそれが炉内雰囲気によって変
わり易いので規格寸法の厳格なこの種の用途のために
は、製法と取扱において格段の注意が必要であった。ま
た、この窒化アルミニウム粉末は高価である。
【0005】一方、金属アルミニウム直接窒化法によれ
は、製造が容易で安価な窒化アルミニウム粉末を得るこ
とができるが、焼成時の収縮はアルミナ還元法窒化アル
ミニウム粉末ほどではないにしてもそれがあり、また熱
伝導性も高くないという問題がある。
【0006】本発明は、上記問題を解消することを目的
とするものであり、熱伝導性と焼成時の収縮を更に改善
することのできる金属アルミニウム直接窒化法による窒
化アルミニウム粉末及びそれを用いた窒化アルミニウム
焼結体の製造法を提供するものである。
【0007】すなわち、本発明は、金属アルミニウムを
直接窒化して得られたものであって、粒度構成が累積1
0体積%粒径0.45〜0.60μm、累積50体積%
粒径4〜5μm、累積90体積%粒径13〜16μmで
しかも粒径2.63μm以下の粒子35〜45体積%で
あり、酸素量が0.6〜1.0重量%であることを特徴
とする窒化アルミニウム粉末、及びこの窒化アルミニウ
ム粉末とイットリウム又はイットリウム化合物を含む成
形体を非酸化性雰囲気下で焼成することを特徴とする窒
化アルミニウム焼結体の製造法である。
【0008】以下、更に詳しく本発明を説明する。
【0009】本発明者らは、熱伝導率が120W/mK
以上でしかも焼成時の収縮とそのバラツキの小さい窒化
アルミニウム焼結体を製造するための金属アルミニウム
直接窒化法による窒化アルミニウム粉末の粒度構成と酸
素量について種々検討したところ、金属アルミニウムを
直接窒化して製造された窒化アルミニウムインゴットを
粉砕して窒化アルミニウム粉末とする際、その粉砕時間
を長くして微粉を多くすると焼結性はよくなるが酸素量
が増大して熱伝導率が低下し、逆に粗粉を多くすると焼
結性が低下して熱伝導率も小さくなるのでその低下を焼
成温度の増大によって阻止しようとすると焼成時の収縮
が大きくなることを見いだした。
【0010】そこで、熱伝導性と焼成時の収縮をバラン
スさせるべき窒化アルミニウム粉末の粒度構成と酸素量
について更に検討を進めた結果、上記のように限定した
ものである。
【0011】本発明の窒化アルミニウム粉末は、粒度構
成と酸素量の異なる2種又は3種以上の窒化アルミニウ
ム粉末を準備し、それらを適切量配合することによって
も得ることができるが、窒化アルミニウムインゴットの
粉砕を以下のようにすることによって製造することがで
きる。
【0012】まず、窒化アルミニウムインゴットは、粒
径250μm以下の金属アルミニウム粉末又は金属アル
ミニウムと窒化アルミニウムとの混合粉末を窒素とアン
モニアを含む雰囲気中、窒素分圧0.75以下、温度6
00〜1100℃間における窒化反応を1.5kcal
/mol・Hr以下に制御しながら1400℃程度まで
昇温し窒化させることによって製造することができる。
この詳細については、特開昭62−56310号公報に
記載されている。
【0013】得られた窒化アルミニウムインゴットは、
ロールクラッシャー等で1mm以下程度に粗粉砕し、次
いでその粗粉砕物を振動ミルとボールミルとの組合せ粉
砕を行うことによって本発明の窒化アルミニウム粉末を
製造することができる。
【0014】すなわち、本発明においては、粗粉砕物を
球状の粉砕媒体を用いた通常のボールミルによる粉砕で
は微粉が多く生成するので適当ではないので、まず線接
触により粉砕可能となるシリンダー状の粉砕媒体を用い
た振動ミルで5〜20時間程度粉砕して最大粒径30μ
m以下とし、次いで適切量の微粉をつくるために純度9
8重量%程度の高純度アルミナボールを用いたボールミ
ルで5〜12時間程度の粉砕を行う。
【0015】本発明の窒化アルミニウム粉末の粒度構成
は、レーザー回折法によって測定されたものであり、そ
の市販測定機器のほとんどは累積体積10%(DP1
0)、50%(DP50)及び90%(DP90)の値
と2.63μm以下の粒子の割合を測定することができ
るので、本発明においても便宜の点からそれらにおける
値で特定した。
【0016】窒化アルミニウム粉末の酸素量の調整は、
その粉砕雰囲気の酸素量を調節することによって行うこ
とがきる。窒化アルミニウムインゴットの酸素量は通常
0.5重量%以下である。
【0017】次に、本発明の窒化アルミニウム焼結体の
製造法について説明する。本発明で使用される焼結助剤
は、イットリウム又はイットリウムの酸化物、フッ化
物、塩化物、硝酸塩、硫酸塩等であるが、特にイットリ
アが最適である。焼結助剤の使用量は窒化アルミニウム
粉末100部(部は重量部。以下同じ)に対し1〜5部
が好ましい。
【0018】窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む成
形物例えばシート成形を行うためのスラリーは、窒化ア
ルミニウム粉末と焼結助剤の合計100部に対し、有機
結合剤3〜12部、可塑剤1〜10部、分散剤1〜3
部、溶剤10〜40部を配合しボールミルで混合するこ
とによって調製することができる。
【0019】有機結合剤としてはポリビニルブチラー
ル、ポリビニルアルコール、アクリルポリマー等、可塑
剤としてはジブチルフタレート、ジオクチルフタレート
等、分散剤としてはグリセリントリオレート等の脂肪酸
エステル等、また溶剤としてはトルエン、キシレン、イ
ソプロパノール等のアルコール系、ケトン系、芳香族
系、パラフィン系、塩素系等が使用できる。
【0020】シート成形方法としては、ドクターブレー
ド法が好適であるがこれに限られることはなくカレンダ
ーロール法や押出し成形法を採用することもできる。成
形にあたっては、前工程として真空脱泡を行い粘度調整
を行うことが好ましい。
【0021】上記のようにして成形されたシートはプレ
ス装置にて所定形状に打ち抜かれ、脱脂後焼成される。
脱脂条件は、通常は窒素及び/又は空気中で行われ、温
度は900℃以下特に空気を含む雰囲気では600℃以
下である。焼成は、窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気
下、温度1800〜2000℃程度で行われる。
【0022】本発明によって得られた窒化アルミニウム
焼結体の一用途としては、パワーモジュール用回路基板
がある。これは、厚み0.3〜0.8mm程度の窒化ア
ルミニウム基板の一方の面に銅回路を形成し、その反対
面には通常は銅製放熱板が形成されるが何も形成させな
い構造のものもある。
【0023】窒化アルミニウム基板に銅回路又は銅製放
熱板を形成させるための銅板の接合法としては活性金属
ろう付け法が好ましく、また銅板から銅回路又は銅製放
熱板を形成するには化学エッチング法が採用される。活
性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分としては、
銀と銅を主成分とし、溶融時の窒化アルミニウム基板と
の濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。活
性金属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの
化合物である。これらの割合としては、銀69〜75部
と銅25〜31部の合計量100部あたり活性金属3〜
35部である。
【0024】
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。
【0025】実施例1 粒径250μm以下、純度99.5重量%の金属アルミ
ニウム粉末を窒素分圧0.4とした窒素とアンモニアの
混合雰囲気下において、温度600℃までの昇温速度を
50℃/時、600〜1100℃の間を5℃/時、11
00〜1350℃の間を40℃/時として昇温しその温
度で3時間保持して窒化を行った。
【0026】得られた窒化アルミニウムインゴットをロ
ールクラッシャーで1mm以下に粗粉砕し、次いでその
粗粉砕物を純度99%のアルミナ製シリンダー状粉砕媒
体を用いた振動ミルで6時間粉砕後、更に純度99%の
アルミナ製ボールを用いたボールミルで5時間粉砕して
窒化アルミニウム粉末を製造し、粒度構成と酸素量を以
下に従って測定した。その結果を表1に示す。
【0027】窒化アルミニウム粉末粉95部、イットリ
ア5部、ポリビニルブチラール8部、ジブチルフタレー
ト4部、グリセリントリオレート1部、トルエン35
部、イソプロパノール15部をジルコニア製の容器とボ
ールを使用したボールミルで24時間混合した。得られ
たスラリーを脱泡槽で粘度を15000cpsに調整し
てからドクターブレード装置により厚み0.75mmの
グリーンシートを成形した。
【0028】このグリーンシートを60mm×35mm
の大きさに打ち抜き、シート表面にBN粉を塗布したも
のを5枚重ねて脱脂炉に入れ、温度500℃の空気中で
5時間保持して脱脂を行った。次いで、常圧窒素雰囲気
中、温度1850℃で45分間焼成を行った後、温度1
700℃までの冷却速度を1.5℃/分として室温まで
冷却した。得られた窒化アルミニウム焼結体は、51m
m×34mm×厚み0.64mmの寸法であり、以下に
従って測定された密度、熱伝導率及び収縮率は表1のと
おりであった。
【0029】(1)粒度(n=5の平均):レーザー回
折法、N&L製「マイクロトラックSPA−7997」
による。 (2)酸素量(n=5の平均):LECO社製「TC−
136型」O/N同時分析計による。 (3)密度(n=5の平均):アルキメデス法による。 (4)熱伝導率(n=5の平均):真空理工社製「TC
−3000」による。 (5)収縮率(ロット数5 n=20の平均):ノギス
によりグリーンシートと窒化アルミニウム焼結体の外寸
を測定し、収縮率(%)=(グリーンシートの外寸−窒
化アルミニウム焼結体の外寸)×100/(グリーンシ
ートの外寸)により算出した。
【0030】実施例2 振動ミルによる粉砕時間を8時間、ボールミルの粉砕時
間を6時間としたこと以外は、実施例1と同様にして窒
化アルミニウム粉末を製造した。得られた窒化アルミニ
ウム粉末の粒度構成のグラフを図1に示す。
【0031】実施例3 振動ミルによる粉砕時間を15時間、ボールミルの粉砕
時間を10時間としたこと以外は、実施例1と同様にし
て窒化アルミニウム粉末を製造した。
【0032】比較例1 振動ミルによる粉砕時間を2時間、ボールミルの粉砕時
間を4時間としたこと以外は、実施例1と同様にして窒
化アルミニウム粉末を製造した。
【0033】比較例2 振動ミルによる粉砕時間を25時間、ボールミルの粉砕
時間を14時間としたこと以外は、実施例1と同様にし
て窒化アルミニウム粉末を製造した。
【0034】比較例3 振動ミルによる粉砕時間を14時間、ボールミルの粉砕
時間を14時間としたこと以外は、実施例1と同様にし
て窒化アルミニウム粉末を製造した。
【0035】比較例4 振動ミルによる粉砕時間を4時間、ボールミルの粉砕時
間を18時間としたこと以外は、実施例1と同様にして
窒化アルミニウム粉末を製造した。
【0036】比較例5 振動ミルによる粉砕時間を0時間、ボールミルの粉砕時
間を15時間としたこと以外は、実施例1と同様にして
窒化アルミニウム粉末を製造した。この例は従来法の典
型例である。
【0037】
【表1】
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、密度3.0g/cm3
以上かつ熱伝導率120W/mK以上であり、しかも収
縮率が15%以下でそのバラツキの小さな窒化アルミニ
ウム焼結体を製造することのできる窒化アルミニウム粉
末が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例2で製造された窒化アルミニウム粉末の
粒度構成を示すグラフである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−103961(JP,A) 特開 平5−17109(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 21/00 - 21/50 C04B 35/581 C04B 35/626

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属アルミニウムを直接窒化して得られ
    たものであって、粒度構成が累積10体積%粒径0.4
    5〜0.60μm、累積50体積%粒径4〜5μm、累
    積90体積%粒径13〜16μmでしかも粒径2.63
    μm以下の粒子35〜45体積%であり、酸素量が0.
    6〜1.0重量%であることを特徴とする窒化アルミニ
    ウム粉末。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の窒化アルミニウム粉末と
    イットリウム又はイットリウム化合物を含む成形体を非
    酸化性雰囲気下で焼成することを特徴とする窒化アルミ
    ニウム焼結体の製造法。
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