JP3961113B2

JP3961113B2 - 窒化アルミニウム質焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP3961113B2
Application number: JP11976198A
Authority: JP
Inventors: 清横山; 武廣織田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JPH11310462A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、新幹線、地下鉄、通勤電車、エレベータ、ロボット、クレーンや空調装置等に搭載されるパワーデバイスであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) や、半導体素子が収容搭載される半導体素子収納用パッケージや、半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載される混成集積回路装置等で、大電流を流すことが可能な低抵抗配線導体を有する放熱配線基板などを製造するのに不可欠な高熱伝導性を有すると同時に高強度、高靭性をも併せ持つ窒化アルミニウム質焼結体及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワーデバイスは、最も歴史のある半導体素子であるが、近年、高耐圧化、大電流化、高速・高周波化、高機能化が著しく進み、IGBT、GTO(Gate Turn Off thyrister)、IPM(Intelligent Power Module) 、パワーMOS FET 等の高速のMOS 系パワーデバイスが出現するに至った。これらのパワーデバイスは、自動車、インバータ電車、ストロボ、電子レンジ、ゴルフカート等に広く利用されている。しかしながら、環境問題を背景にハイブリッド車、電気自動車が一般に普及しつつある昨今では、これらのパワーデバイス、特にIGBTの冷却性能の向上が要求されている。
【０００３】
これらのパワーデバイスにおいて、半導体素子を実装するための放熱配線基板用材料としては、「機能性セラミックスの進歩(1985)」第39〜45頁に示されているようにアルミナセラミックスや炭化珪素質セラミックスが、また「絶縁・誘電セラミックス(1985)」第49〜64頁に示されているように窒化アルミニウム質セラミックスが使用されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の放熱配線基板用材料は、例えば100A以上もの大電流を流すことが要求され、なおかつ、-40 ℃〜150 ℃の冷熱環境で使用されるような配線基板、例えば、環境問題への取り組みから登場を余儀なくされているハイブリッド車、電気自動車、次期新幹線に使用される各種制御機器などをはじめとする用途に使用するには、その破壊強度、破壊靭性が十分とは言えなかった。
【０００５】
もし、破壊強度、破壊靭性が十分とは言えない前記従来の放熱配線基板材料を上記の用途に使用した場合には、基板とその表面に形成した低抵抗配線導体との間の熱膨張差に起因する熱応力により、特に低抵抗配線導体端部近傍の基板に応力が集中して大きな残留応力が生じていた。
【０００６】
その結果、放熱配線基板に冷熱サイクルや外力が加わると前記残留応力と相まってきわめて大となり、破壊強度、破壊靭性が十分ではない放熱配線基板にクラックを発生させたり、そのクラックが進展して配線導体を断線する可能性があった。このことは、SHM 会誌、Vol.14,No.1 の「高信頼性パワーモジュール材料と放熱構造」に詳しく解説されている。この文献では、低抵抗配線導体に用いる金属材料を限定する事により、放熱配線基板に発生するクラックの発生を回避する手段が提案されているが、これらの手法では、放熱配線基板の構造が限定され、その適用範囲に制約があった。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
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に周期律表第３ａ族元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上と、第２ａ族元素の炭酸塩の中から選ばれる少なくとも一種以上とを合量で０．１〜３０重量％含み、窒化ジルコニウム、炭化チタン、珪化チタンまたは窒化チタンを０．１〜３０重量％含み、さらに第６ａ族元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上を０．１〜５重量％含む原料を所定形状に成形した後、窒素雰囲気中又は窒素と水素の混合ガス中において１６００℃以上の温度で焼成することを特徴とする。
【０００８】
本発明が提案する窒化アルミニウム質焼結体及びその製造方法によれば、従来の窒化アルミニウム材料に比べ、遙かに高い破壊強度、破壊靭性を有する窒化アルミニウム質焼結体が提供される。そのため、本発明の窒化アルミニウム質焼結体を放熱配線基板材料などに使用した場合、低抵抗配線導体と基板との間に両者の熱膨張差に起因する熱応力が生じても、基板へのクラックの発生やそのクラックの進展を防ぎ、低抵抗配線導体に100A以上の大電流を流すことが可能で、しかも、-40 ℃〜150 ℃の冷熱環境で繰り返し使用しても不具合の起こらない高信頼性の放熱配線基板の提供が可能となる。
【０００９】
本発明の窒化アルミニウム質焼結体は、良好な焼結性を保持したまま、硬質物質を均一に分散させることによって、高強度、クラックデフレクションによる高靭性を得るようにしたものである。硬質粒子をマトリックスに均一分散により破壊強度の向上、破壊靭性の向上が得られる理由は、熱膨張係数の異なる物質を分散させると焼成温度から冷却する過程で発生する材料内部での引っ張り応力によるところの粒子分散効果として一般に説明されているが、詳しいことは解っていない。
【００１０】
本発明において、窒化アルミニウム粉末に周期律表第３ａ族元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上と第２ａ族元素の炭酸塩の中から選ばれる少なくとも一種以上は、焼結助剤として作用し、これらの合量が０．１重量％未満では焼結性に乏しく、３０重量％を超えると破壊靭性が低下するため、０．１〜３０重量％の範囲内が好ましい。
【００１１】
また、第４ａ族元素、第５ａ族元素、第６ａ族元素の窒化物、炭化物、ケイ化物、硼化物の中から選ばれる少なくとも一種以上またはＳｉＣは、上述した硬質成分として作用し、その含有量が０．１重量％未満では、充分な破壊靭性の向上が得られず、３０重量％を超えると焼結性に乏しくなるため、０．１〜３０重量％の範囲内が好ましい。
【００１２】
さらに、第６ａ族元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上は、焼結助剤として作用するとともに、クラックの進展を防止する作用を成し、その含有量が０．１重量％未満では、均質なマイクロストラクチャーが得られず破壊強度が低下し、５重量％を超えると焼結性に乏しこうなるため、０．１〜５重量％の範囲が好ましい。
【００１３】
また、上記添加成分の合計量が４０重量％を超えると熱伝導率が低下するため、これらの合計量は４０重量％以下が好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の窒化アルミニウム質焼結体は、上記組成の原料粉末を公知の方法で所定形状に成形した後、窒素雰囲気中又は窒素と水素の混合ガス中において、１６００℃以上の温度で焼成し、相対比重９０％以上まで緻密化させることを特徴とする。これは、１６００℃未満の温度で焼結させるには、カプセルＨＩＰのような実験室レベルの焼結方法に頼らなければならないため、本発明が目指す放熱配線基板のような製品の焼成には不向きとなるからである。
【００１５】
このようにして得られた本発明の窒化アルミニウム質焼結体は、実質的にその粒界相が、窒化アルミニウム粒子間の粒界三重点に閉じこめられていることを特徴とする。これは、上記のようなマイクロストラクチャーが最も高い熱伝導特性を具現させるからである。またこのように実質的にその粒界相が窒化アルミニウム粒子間の粒界三重点に閉じこめられているマイクロストラクチャーを得るには、１７００℃以上の温度で３時間以上焼成することが望ましい。
【００１６】
【実施例】
以下に本発明の具体的実施例を示す。
【００１７】
表１に示すさまざまな組成の原料をメタノール中で２４時間振動粉砕混合し、得られたスラリーに２００メッシュパスを施した後、防爆乾燥機にて１２０℃で２４時間充分乾燥し、パラフィンワックスを１０％ＩＰＡ中にて均一に混合した後、４０メッシュパスして、窒化アルミニウム質粉末を得た。
【００１８】
この粉末を焼成収縮と研磨代を考慮して、ＪＩＳ３点曲げ用のテストピースが得られる寸法の生成形体を１ton/cm²の圧力で成形し、５００℃、窒素気流中にて脱脂し、窒素雰囲気中にて１６００℃以上の温度で１時間から１０時間、焼成を行った。
【００１９】
得られた焼結体を４００番以上のダイヤモンドホイールで平面研削し、所望の試験片を得た。破壊強度は、ＪＩＳ３点曲げに準拠して測定した。また、破壊靭性値はSEPB法で測定した。
【００２０】
結果を表１に示す。この結果より、本発明の範囲内の窒化アルミニウム質焼結体は、破壊強度４００ＭＰａ以上、破壊靭性４ＭＰａｍ^1/2以上の特性を有している。そのため、放熱基板材料などに使用した場合、破壊強度、破壊靭性が十分に高いことから、低抵抗配線導体と基板との間に両者の熱膨張差に起因する熱応力が生じても、クラックの発生やその進展を防止することができる。
【００２１】
したがって、低抵抗配線導体に100A以上の大電流を流すことが可能で、しかも、-40 ℃〜150 ℃の冷熱環境で繰り返し使用しても不具合の起こらない高信頼性の放熱配線基板の提供が可能となる。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、強度、靱性を向上させた窒化アルミニウム質焼結体を得ることができる。
【００２４】
そのため、本発明の窒化アルミニウム質焼結体を用いて放熱配線基板を構成すれば、良好な放熱性を維持したまま、大電流を流したり、冷熱環境で繰り返し使用してもクラック等の生じない高信頼性の放熱配線基板を得ることができる。

Claims

窒化アルミニウム粉末に周期律表第３ａ族元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上と、第２ａ族元素の炭酸塩の中から選ばれる少なくとも一種以上とを合量で０．１〜３０重量％含み、窒化ジルコニウム、炭化チタン、珪化チタンまたは窒化チタンを０．１〜３０重量％含み、さらに第６ａ族元素の酸化物の中から選ばれる少なくとも一種以上を０．１〜５重量％含む原料を所定形状に成形した後、窒素雰囲気中又は窒素と水素の混合ガス中において１６００℃以上の温度で焼成す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。