JP3450955B2 - 窒化アルミニウム質焼結体の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム質焼結体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種絶縁基板及び
半導体素子収納用パッケージ材料等に利用される窒化ア
ルミニウム質焼結体の製造方法に関し、詳細には170
0℃以下の温度で焼結が可能で、酸やアルカリ等の薬品
に対して劣化せず、かつ良好な熱伝導率を有する窒化ア
ルミニウム質焼結体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化に伴い、半
導体装置から発生する熱も増加しており、該半導体装置
の誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放
出する基板が必要となっている。
【0003】しかし、従来から用いられてきた各種絶縁
基板や半導体素子収納用パッケージ等のアルミナ材料
は、熱伝導率が約20W/mKと低いことから、高熱伝
導性の窒化アルミニウムが注目され始めた。その結果、
窒化アルミニウムは、単結晶では理論熱伝導率が320
W/mKと高いことから、最近では200W/mKを越
えるような焼結体も開発されている。
【0004】このような窒化アルミニウム質焼結体の製
造方法としては、希土類化合物またはアルカリ土類化合
物等の助剤を添加して1800℃以上の高温で焼成する
方法がある。
【0005】しかしながら、前記方法は、焼成に使用す
る治具の消耗、焼成炉の構造、ランニングコスト等を考
えると製造コストが高くなるという欠点があった。
【0006】そこで、係る欠点を解消して製造コストを
低減するため、焼結助剤として希土類化合物とアルカリ
土類化合物を同時に添加し、1600〜1700℃で焼
成する方法が提案されている(特公平6−49613号
公報、特公平7−17454号公報参照)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記希
土類化合物とアルカリ土類化合物を同時に添加して得ら
れた焼結体を用いてパッケージ等の製品を製造する際、
メッキ工程において酸やアルカリ等の薬品に対して劣化
するという問題があり、特にアルカリ性の薬品に対して
は、窒化アルミニウム自体が溶解するため劣化が著しい
という課題があった。
【0008】また、前記材料の耐薬品性を向上させよう
とすると、逆に熱伝導率が低下するという問題が発生
し、現在のところ、1700℃以下の温度で焼結し、酸
及びアルカリの薬品に対して劣化せず、かつ少なくとも
70W/mK以上の高熱伝導を示すような窒化アルミニ
ウム質焼結体が得られていないという課題があった。
【0009】
【発明の目的】本発明は前記課題を解消するために成さ
れたもので、その目的は製造コストを低く抑えて高熱伝
導率を維持したまま、酸及びアルカリに対する耐薬品性
に優れた窒化アルミニウム質焼結体を得る製造方法を提
供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記課題
に対して鋭意検討を重ねた結果、希土類化合物とアルカ
リ土類化合物を添加し、1700℃以下の温度で焼成す
る製造工程中、窒化アルミニウムに酸化処理を施すこと
により窒化アルミニウム質焼結体の酸及びアルカリの薬
品に対する劣化を防ぐとともに高い熱伝導率を維持し得
ることを見いだした。
【0011】即ち、本発明の窒化アルミニウム質焼結体
の製造方法は、窒化アルミニウム粉末あるいは/及び窒
化アルミニウム成形体を酸化雰囲気中で酸化処理し、窒
化アルミニウム粒子表面に酸化アルミニウム層を生成さ
せた後、非酸化性雰囲気中で焼成し、窒化アルミニウム
質焼結体の窒化アルミニウム粒子表面の結晶相をYAG
型結晶及び/またはYAP型結晶にすることにより酸及
びアルカリの薬品に対して劣化せず、しかも高い熱伝導
率を維持できることを特徴とするものである。
【0012】
【作用】本発明の窒化アルミニウム質焼結体の製造方法
よれば、窒化アルミニウムと希土類化合物とアルカリ土
類化合物から成る助剤の混合粉末を成形し、1700℃
以下の温度で焼成する際、窒化アルミニウム粉末あるい
は/及び窒化アルミニウム成形体を酸化雰囲気中で酸化
処理し、窒化アルミニウム粒子表面に酸化アルミニウム
層を生成させた後、非酸化性雰囲気中で焼成してYAG
型結晶及び/またはYAP型結晶を生成させることによ
り、高い熱伝導率を維持したまま、酸及びアルカリに対
する耐薬品性が向上することになる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例に基づき詳
細に述べる。
【0014】本発明の窒化アルミニウム質焼結体を製造
するために、先ず窒化アルミニウム粉末あるいは酸化処
理した窒化アルミニウム粉末を準備する。
【0015】次に、窒化アルミニウム粉末の酸化処理
は、700〜1200℃の温度で、雰囲気としては大気
中、水蒸気、炭酸ガス等、種々あるが、酸化性ガスであ
ればいずれの雰囲気でも良く、これらのガスを混合して
使用しても良い。
【0016】前記酸化処理による酸素の増加量として
は、酸化アルミニウムに換算して0.2〜3.2重量%
で、望ましくは0.5〜3重量%が良い。即ち、前記酸
素の増加量が0.2重量%より低くなると、表面に十分
に酸化アルミニウム層が生成せず耐薬品性が向上せず、
一方、3.2重量%より高いとAl−O−N系結晶の生
成により熱伝導率が低下するため、前記範囲に限定され
る。
【0017】次いで、前記窒化アルミニウム粉末に焼結
助剤として希土類化合物とアルカリ土類化合物を添加し
て混合する。
【0018】前記希土類化合物としては、Y、La、C
e、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、D
y、Ho、Er、Tm、Yb、Luのいずれの化合物で
も用いることができ、化合物の種類としては、酸化物、
フッ化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩等のいずれでも良
い。
【0019】また、前記アルカリ土類化合物としては、
Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Raのいずれの化合物
でも用いることができ、化合物の種類としては、酸化
物、炭化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩等のいずれでも
良い。
【0020】かくして得られた窒化アルミニウムと焼結
助剤の混合粉末は、公知の成形方法、例えば、プレス成
形、CIP、テープ成形、押出し成形、射出成形等、い
ずれの成形方法でも成形することができる。
【0021】次に、得られた成形体の酸化処理を行う
が、窒化アルミニウム原料を酸化処理した場合には必ず
しも行う必要はなく、酸化処理は前述の如く、700〜
1200℃の温度で、雰囲気は前記酸化性ガスであれば
いずれでもよく、これらのガスを混合しても良い。
【0022】以上の様にして得られた成形体を1700
℃以下、非酸化性雰囲気中で焼成し、得られた焼結体は
窒化アルミニウムとYAG型結晶及び/またはYAP型
結晶から構成されることが望ましい。
【0023】即ち、結晶相としてYAM型結晶が現れる
と、酸及びアルカリの薬品に対して劣化が起こるため、
結晶相をYAG型結晶及び/またはYAP型結晶とする
ことが必要であり、窒化アルミニウム粉末の酸素量と酸
化処理により増加した酸素量の和によるが、前記希土類
化合物の添加量は酸化物に換算して2〜15重量%が望
ましく、該添加量が2重量%より少ないとYAG型結晶
とともにAl−O−N系結晶が析出し、熱伝導率が低下
し、一方、15重量%より多いとYAM型結晶が析出し
て酸及びアルカリに対する劣化が起こることになる。
【0024】また、耐薬品性を向上させるためには、本
発明のように窒化アルミニウム粉末及び/あるいは窒化
アルミニウム成形体を酸化処理し、窒化アルミニウム粉
末表面に酸化アルミニウムを生成させることが重要とな
る。
【0025】前記酸化アルミニウムは焼結助剤として添
加した希土類化合物と反応し、YAG型結晶及び/また
はYAP型結晶が窒化アルミニウム粒子表面に均一に生
成し、窒化アルミニウム粒子を保護していると考えられ
る。
【0026】尚、前述のような酸化処理で増加する量と
同量の酸化アルミニウムを予め添加したとしても、前記
YAG型結晶及び/またはYAP型結晶は主に3重点に
生成することから、焼結体の酸及びアルカリの耐薬品性
に対する劣化防止の効果は認められず、前記課題の解消
とは成り得ない。
【0027】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき詳細に述べ
る。
【0028】平均粒径が1.9μm、酸素量が0.98
%の窒化アルミニウム原料に表1に示す焼結助剤を所定
量添加混合し、その混合粉末に対して、成形用バインダ
ーとしてパラフィンワックスをイソプロピルアルコール
を溶媒として添加し、混練乾燥後、篩を通して顆粒を
得、該顆粒を成形圧1ton/cm2 で金型プレスによ
り直径12mm、厚さ5mmの円板状に成形した。
【0029】かくして得られた成形体を所定温度で脱脂
した後、表1に示した酸化条件で酸化処理し、酸化処理
後の酸素は、試料を粉砕後、酸素窒素同時分析装置(L
ECO社製)により測定し、生成した酸化アルミニウム
の量を算出した。
【0030】
【表1】
【0031】一方、前記酸化処理した同一ロットの試料
は、1650℃の温度で3時間、窒素気流中で焼成し
た。
【0032】かくして得られた評価用の焼結体を用い
て、X線回折により結晶相の同定を行うと共に、熱伝導
率は、レーザーフラッシュ法により測定した。
【0033】また、耐薬品性は、アルカリ性の薬品とし
て4N−NaOH溶液を、酸性の薬品として46%−H
F溶液を用いて、該溶液を25℃に保持して100時間
浸漬した後、該浸漬前後の重量変化を測定すると共に外
観を目視及び顕微鏡により観察し、変化が認められない
ものを○、変化が認められるものを×で表示した。
【0034】
【表2】
【0035】表から明らかなように、本発明の請求範囲
外である酸化処理をしない試料番号10や26、あるい
は酸化処理をしても700℃未満の温度で処理した試料
番号11は、いずれも熱伝導率は高いものの耐薬品性が
悪く、また、1200℃を越える温度での酸化処理でA
l−O−N結晶相を析出した試料番号20や、酸化処理
温度は適性でも同じくAl−O−N結晶相を析出する試
料番号1では、耐薬品性は良いものの、逆に熱伝導率が
62W/mK以下と低くなってしまう。更に、結晶相に
YAM型結晶相を析出する試料番号8、9では熱伝導率
は高いものの耐薬品性が悪くなり、いずれも実用的でな
い。また、Al 生成量が3.2重量%を超える試
料No.17〜20では、熱伝導率が88W/mk以下
と低くなった。
【0036】それらに対して、本発明の試料番号のもの
は、いずれも耐薬品性も良好で熱伝導率も108W/m
以上と良好である。
【0037】
【発明の効果】以上、詳述した通り、本発明の窒化アル
ミニウム質焼結体の製造方法によれば、窒化アルミニウ
ムと希土類化合物及びアルカリ土類化合物から成る焼結
助剤の混合粉末を成形し、1700℃以下の温度で焼成
する窒化アルミニウム質焼結体の製造方法であって、窒
化アルミニウム粉末あるいは窒化アルミニウム成形体を
酸化雰囲気中で酸化処理し、窒化アルミニウム粒子表面
に酸化アルミニウム層を生成させた後、非酸化性雰囲気
中で焼成し、窒化アルミニウム質焼結体の窒化アルミニ
ウム粒子表面の結晶相をYAG型結晶及び/またはYA
P型結晶としたことから、108W/mK以上の高い熱
伝導を維持すると共に、酸及びアルカリに対する耐薬品
性の劣化を有効に防止した窒化アルミニウム質焼結体が
得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉原 安彦 鹿児島県国分市山下町1番4号 京セラ 株式会社総合研究所内 (72)発明者 柳田 司 鹿児島県国分市山下町1番4号 京セラ 株式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 平6−172037(JP,A) 特開 平6−219845(JP,A) 特公 平7−17454(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/581

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化アルミニウムと希土類化合物及びアル
    カリ土類化合物から成る焼結助剤の混合粉末を成形し、
    1700℃以下の温度で焼成する窒化アルミニウム質焼
    結体の製造方法において、窒化アルミニウム粉末あるい
    は窒化アルミニウム成形体を酸化雰囲気中、700〜1
    200℃の温度で酸化処理し、窒化アルミニウム粒子表
    面に0.2〜3.2重量%の酸化アルミニウム層を生成
    させた後、非酸化性雰囲気中で焼成し、得られた窒化ア
    ルミニウム質焼結体の窒化アルミニウム粒子表面の結晶
    相がYAG型結晶及び/またはYAP型結晶から成るこ
    とを特徴とする窒化アルミニウム質焼結体の製造方法。
  2. 【請求項2】前記酸化処理により生成する酸化アルミニ
    ウム層の量が0.5〜3.2重量%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の製造方
    法。
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