JP3521954B2 - Manufacturing method of aluminum nitride green sheet - Google Patents

Manufacturing method of aluminum nitride green sheet

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好彦 辻村
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明 宮井
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウムグリ
ーンシートの製造方法に関する。 【0002】近年、ロボット・モーター等の産業機器の
高性能化に伴って大電力・高能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、最近では高熱伝導性の窒化アルミニウム
基板が利用されている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】従来、窒化アルミニウ
ム基板は、ドクターブレード法で成形された窒化アルミ
ニウムグリーンシートを焼結することによって製造され
ている。ドクターブレード法は、PET等のフィルム上
にスラリーを塗布しシート化されたものを乾燥すること
からなるが、しばしばグリーンシート内で溶剤の膨張が
起きボイドが発生する。このボイドはそのまま窒化アル
ミニウム焼結体中のボイドとなり強度や熱抵抗を悪化さ
せ信頼性を損なわせる大きな原因となっていた。特に、
窒化アルミニウムはアルミナに比べて溶剤との吸着力が
強いのでボイドの問題は深刻であった。 【0004】本発明者らは、以上の問題点を解決するた
めに種々検討した結果、窒化アルミニウム粉末の比表面
積に応じてグリーンシートの初期乾燥速度を制御すれば
ボイドの発生を著しく低減できることを見いだし、本発
明を完成させたものである。 【0005】 【課題を解決するための手段】 すなわち、本発明は、
窒化アルミニウム粉末を溶剤でスラリー化しそれをドク
ターブレードでシート化した後乾燥する方法において、
窒化アルミニウム粉末をスラリー化するのに要した溶剤
量をV重量部としたときに、窒化アルミニウム粉末の比
表面積が4m /g未満であるときは、0.7Vまで
の蒸発を0.01V〜0.015V/分の速度で乾燥
し、窒化アルミニウム粉末の比表面積が4m /g以
上であるときは、0.6Vまでの蒸発を0.01V〜
0.015V/分の速度で乾燥することを特徴とする窒
化アルミニウムグリーンシートの製造方法である。 【0006】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。 【0007】ドクターブレード法によって窒化アルミニ
ウムグリーンシートを成形するためのスラリーは、通
常、窒化アルミニウム粉末100部(部は重量部。以下
同じ)に対し、焼結助剤1〜8部、有機結合剤3〜15
部、可塑剤1〜10部、分散剤0.3〜3部、溶剤10
〜100部を配合しボールミルで混合することによって
調製される。 【0008】焼結助剤としてはアルカリ土類金属の酸化
物や炭酸塩、アルミナ、希土類元素の酸化物等が使用さ
れるがイットリアが最適である。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、分散剤としてはダイナマイトグリ
セリン、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、塩素系等の有機溶剤が使用される。 【0009】スラリーは、真空脱泡装置で粘度1000
0〜30000cps程度に調整されてからPET等の
フィルム上にドクターブレードにより塗布されシート化
してから乾燥される。 【0010】乾燥工程で蒸発する主なものは溶剤であ
る。スラリー中の溶剤の存在形態について詳しく観察す
ると、ある量の溶剤はスラリーの溶媒として作用する
が、残りは窒化アルミニウム粉末の凝集粒子中に担持さ
れたような状態で存在している。この溶媒作用にあずか
った溶剤は即座に蒸発し系外に飛び去るが、窒化アルミ
ニウム粉末の凝集粒子中に担持されてたものは系内の温
度が上昇し沸点近くになってもすぐには蒸発せずにその
ままの状態にある。 【0011】したがって、塗布後まもなくまだ溶剤量が
多い段階で急激に温度上昇させると、溶媒としての溶剤
が急激に蒸発してしまう。このような溶剤はシート表面
に存在していれば特に問題はないが、シートの内部に存
在していると蒸発して系外に飛び去る前にシート中で膨
張してしまいその部分がボイドとなり、更に状況が悪化
するとその部分が割れてクラックとなる。溶媒としての
溶剤がほとんどなくなり窒化アルミニウム粉末の凝集粒
子中に担持されている溶剤が支配的となると、低い温度
ではすぐには蒸発しないので温度をかなり高くする必要
がある。 【0012】溶媒としての溶剤と窒化アルミニウム粉末
の凝集粒子中に担持されている溶剤との割合は、溶剤の
種類よりもむしろ窒化アルミニウム粉末の比表面積と密
接に関係している。スラリー中の窒化アルミニウム粉末
の凝集状態や表面張力等との兼ね合いから窒化アルミニ
ウム粉末のBET比表面積が4m2 /gを境にその割合
は変化し、比表面積が4m2 /gよりも小さいと溶媒と
しての溶剤が70重量%程度となり、4m2 /g以上で
あると60重量%程度となる。 【0013】そこで、ボイドが生じないようにグリーン
シートを乾燥するには、スラリー化するのに要した溶剤
量をV重量部としたときに、用いた窒化アルミニウム粉
末の比表面積が4m2 /g未満である場合には0.7V
までの蒸発すなわちスラリー中の溶剤が0.3Vに減少
するまでの乾燥速度を0.01V〜0.015V/分と
し、また窒化アルミニウム粉末の比表面積が4m2 /g
以上である場合には0.6Vまでの蒸発すなわちスラリ
ー中の溶剤が0.4Vに減少するまでの乾燥速度を0.
01V〜0.015V/分として行うことである。 【0014】いずれの比表面積の場合においても、乾燥
速度が0.01V/分未満では生産性が低下し、また
0.015Vをこえるとボイドの生成を抑止する効果が
小さくなる。このような乾燥速度の調節は、乾燥ゾーン
の温度調節、温風を送風する場合はその温度と送風量の
調節等によって行うことができる。 【0015】本発明によって製造された窒化アルミニウ
ムグリーンシートは、脱脂後焼成されて窒化アルミニウ
ム焼結体となる。脱脂条件は、通常、窒素及び/又は空
気中、温度900℃以下特に空気を含む雰囲気では60
0℃以下で行われる。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。 【0016】 【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。 【0017】実施例1〜3 比較例1〜3 比表面積の異なる2種類の窒化アルミニウム粉末100
部に対し、イットリア4部、ポリビニルブチラール6
部、ブチルフタレート3部、グリセリントリオレート1
部及びキシレン60部(V=60)をナイロンポットに
て24時間混合した。得られたスラリーをドクターブレ
ーディングによりPETフィルム上に幅30cmのシー
ト状に広げ、表1に示す乾燥プロファイル1〜3の条件
で乾燥した。乾燥速度の調節は、グリーンシートの重量
減少を溶剤の蒸発による減少とみなし、その減少量を常
時計測しながら乾燥ゾーンの温度調節により行った。 【0018】得られたグリーンシートを30cm×30
cmに切断し液体窒素で固化させてから破断し、その
0.3mm×0.3mm断面をSEM(走査型電子顕微
鏡)にて観察し、15〜30μmのボイドと30μmを
こえるボイドの数を任意の断面5カ所についてカウント
した。このような測定を別のシート4枚(合計5枚)に
ついて行った。その結果の平均値を表2に示す。 【0019】比較例4 ドクターブレーディングによりPETフィルム上に広げ
られたシートを温度100℃に保たれた乾燥器で60分
間乾燥したこと以外は、実施例1と同様にしてグリーン
シートを製造しボイドの数を測定した。この例は、従来
法の典型例である。 【0020】 【表1】 【0021】 【表2】【0022】 【発明の効果】本発明によれば、ボイド数の少ない窒化
アルミニウムグリーンシートを製造することができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing aluminum nitride green sheets. [0002] In recent years, high-power modules such as high-power and high-efficiency inverters have been changing along with the high performance of industrial equipment such as robots and motors, and the heat generated from semiconductor elements has also been increasing. . In order to efficiently dissipate this heat, an aluminum nitride substrate having high thermal conductivity has recently been used. Conventionally, an aluminum nitride substrate has been manufactured by sintering an aluminum nitride green sheet formed by a doctor blade method. The doctor blade method consists of applying a slurry on a film of PET or the like and drying the formed sheet. However, the solvent often expands in the green sheet and voids are generated. These voids become voids in the aluminum nitride sintered body as they are, which is a major cause of deteriorating strength and thermal resistance and impairing reliability. In particular,
The problem of voids was serious because aluminum nitride has a higher adsorptive power to the solvent than alumina. The inventors of the present invention have conducted various studies to solve the above problems, and have found that controlling the initial drying speed of the green sheet according to the specific surface area of the aluminum nitride powder can significantly reduce the generation of voids. They have found and completed the present invention. [0005] That is, the present invention provides:
In a method in which aluminum nitride powder is slurried with a solvent and then sheeted with a doctor blade and then dried,
When the amount of solvent required to make the aluminum nitride powder into a slurry is V parts by weight , the ratio of the aluminum nitride powder is
When the surface area is less than 4 m 2 / g, the evaporation up to 0.7 V is dried at a rate of 0.01 V to 0.015 V / min.
And the specific surface area of the aluminum nitride powder is 4 m 2 / g or less.
When it is above, evaporation up to 0.6 V is performed from 0.01 V to
A method for producing an aluminum nitride green sheet , comprising drying at a rate of 0.015 V / min . Hereinafter, the present invention will be described in more detail. A slurry for forming an aluminum nitride green sheet by the doctor blade method is usually 1 to 8 parts of a sintering aid and 100 parts (parts by weight) of an aluminum nitride powder, and an organic binder. 3 to 15
Parts, plasticizer 1 to 10 parts, dispersant 0.3 to 3 parts, solvent 10
It is prepared by blending ボ ー ル 100 parts and mixing with a ball mill. As the sintering aid, oxides and carbonates of alkaline earth metals, alumina, oxides of rare earth elements and the like are used, and yttria is most suitable. Organic binders such as polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, acrylic polymers, etc., plasticizers such as dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, etc. Organic solvents such as alcohols such as isopropanol, ketones, aromatics, paraffins and chlorines are used. The slurry has a viscosity of 1000 in a vacuum defoamer.
After being adjusted to about 0 to 30,000 cps, it is coated on a film of PET or the like by a doctor blade, formed into a sheet, and then dried. The main thing that evaporates in the drying step is a solvent. When observing the existence form of the solvent in the slurry in detail, a certain amount of the solvent acts as a solvent for the slurry, but the rest is present in a state of being supported in the aggregated particles of the aluminum nitride powder. The solvent that has participated in this solvent action evaporates immediately and jumps out of the system, but the one carried in the agglomerated particles of aluminum nitride powder evaporates immediately even when the temperature in the system rises and approaches the boiling point Without any changes. Therefore, if the temperature is rapidly increased shortly after the application and the amount of the solvent is still large, the solvent as the solvent will evaporate rapidly. There is no problem if such a solvent exists on the sheet surface, but if it exists inside the sheet, it evaporates and expands in the sheet before flying off the system, and that part becomes a void. If the situation worsens, the part is broken and cracked. If the solvent almost disappears as the solvent and the solvent carried in the aggregated particles of the aluminum nitride powder becomes dominant, the temperature does not evaporate immediately at a low temperature, so that the temperature needs to be considerably increased. The ratio between the solvent as the solvent and the solvent carried in the aggregated particles of the aluminum nitride powder is closely related to the specific surface area of the aluminum nitride powder rather than the type of the solvent. The ratio changes when the BET specific surface area of the aluminum nitride powder is 4 m 2 / g, depending on the cohesion state and surface tension of the aluminum nitride powder in the slurry, and when the specific surface area is smaller than 4 m 2 / g, the solvent is reduced. Is about 70% by weight, and when it is 4 m 2 / g or more, about 60% by weight. In order to dry the green sheet so as not to cause voids, the specific surface area of the aluminum nitride powder used is 4 m 2 / g when the amount of the solvent required for slurrying is V parts by weight. 0.7V if less than
Until the solvent in the slurry is reduced to 0.3 V, the drying speed is 0.01 V to 0.015 V / min, and the specific surface area of the aluminum nitride powder is 4 m 2 / g.
In the case above, the evaporation rate up to 0.6 V, that is, the drying rate until the solvent in the slurry is reduced to 0.4 V is set to 0.1.
It is performed at a voltage of 01 V to 0.015 V / min. Regardless of the specific surface area, if the drying rate is less than 0.01 V / min, the productivity is reduced, and if it exceeds 0.015 V, the effect of suppressing the generation of voids is reduced. Such adjustment of the drying speed can be performed by adjusting the temperature of the drying zone, and adjusting the temperature and the amount of air when hot air is blown. The aluminum nitride green sheet produced according to the present invention is degreased and fired to form an aluminum nitride sintered body. The degreasing condition is usually set to a temperature of 900 ° C. or less in nitrogen and / or air, especially in an atmosphere containing air.
Performed at 0 ° C. or lower. The firing is performed at a temperature of about 1800 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon. The present invention will be specifically described below with reference to examples and comparative examples. Examples 1 to 3 Comparative Examples 1 to 2 Two types of aluminum nitride powders 100 having different specific surface areas
Parts, yttria 4 parts, polyvinyl butyral 6
Parts, butyl phthalate 3 parts, glycerin triolate 1
Parts and 60 parts of xylene (V = 60) were mixed in a nylon pot for 24 hours. The obtained slurry was spread on a PET film into a sheet having a width of 30 cm by doctor blading, and dried under the conditions of drying profiles 1 to 3 shown in Table 1. The drying speed was adjusted by adjusting the temperature of the drying zone while constantly measuring the amount of decrease in the weight of the green sheet as a decrease due to evaporation of the solvent. The obtained green sheet is 30 cm × 30
cm, solidified with liquid nitrogen, and then fractured. Observe a 0.3 mm × 0.3 mm cross section with a scanning electron microscope (SEM), and determine the number of voids of 15 to 30 μm and more than 30 μm. 5 sections were counted. Such a measurement was performed for four other sheets (total of five sheets). Table 2 shows the average value of the results. Comparative Example 4 A green sheet was produced in the same manner as in Example 1 except that the sheet spread on the PET film by doctor blading was dried for 60 minutes in a drier kept at a temperature of 100 ° C. Was measured. This example is a typical example of the conventional method. [Table 1] [Table 2] According to the present invention, an aluminum nitride green sheet having a small number of voids can be manufactured.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−132664(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/00 - 35/22 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-6-132664 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C04B 35/00-35/22

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 窒化アルミニウム粉末を溶剤でスラリー
化しそれをドクターブレードでシート化した後乾燥する
方法において、窒化アルミニウム粉末をスラリー化する
のに要した溶剤量をV重量部としたときに、窒化アルミ
ニウム粉末の比表面積が4m /g未満であるとき
は、0.7Vまでの蒸発を0.01V〜0.015V/
分の速度で乾燥し、窒化アルミニウム粉末の比表面積が
4m /g以上であるときは、0.6Vまでの蒸発を
0.01V〜0.015V/分の速度で乾燥することを
特徴とする窒化アルミニウムグリーンシートの製造方
法。
(57) [Claims 1] In a method of slurrying aluminum nitride powder with a solvent, sheeting it with a doctor blade, and drying, the amount of solvent required for slurrying the aluminum nitride powder is determined. V parts by weight, aluminum nitride
When the specific surface area of the lithium powder is less than 4 m 2 / g
Is, 0.01V~0.015V the evaporation of up to 0.7V /
Minutes, the aluminum nitride powder has a specific surface area of
When it is 4 m 2 / g or more, evaporation up to 0.6 V
A method for producing an aluminum nitride green sheet , comprising drying at a rate of 0.01 V to 0.015 V / min .
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