JP4912530B2

JP4912530B2 - 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JP4912530B2
Application number: JP2001015777A
Authority: JP
Inventors: 勝喜湯本; 信行吉野; 好彦辻村
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: JP2002220283A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱伝導・高強度・高靭性窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置用回路基板として、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックスが利用されてきた。その材質は、熱伝導率やコスト、安全性等の基準で選択され、大電力を用いるためにＣｕやＡｌ等の金属回路や放熱板を厚付けして用いられてきた。これらは、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い絶縁性が安定して得られる点が特長である。これらのセラミックスのうちで、窒化アルミニウムは、高熱伝導率、高絶縁性、無害性等の点で好適な材料である。
【０００３】
一方、最近では、これらの特性に加えて、耐プラズマ性やシリコンに近い熱膨張係数等にも注目されており、半導体製造装置の各種治具等としても使用されようになってきた。この使用形態も、単体、金属ヒーターの埋め込み、金属への固定等種々の態様がある。
【０００４】
窒化アルミニウムの最大の特長は、熱伝導率が大きいことである。当初は、１３０〜１５０Ｗ／ｍＫ程度であったが、最近の研究開発によって、２００Ｗ／ｍＫに近い値を持つものも出てきた。その一方で、窒化アルミニウム焼結体に金属を接合したり、金属と組み合わせて使用すると、熱膨張係数の差に起因する熱応力によって、容易にクラックが発生したり、単体でも加工時にワレ、カケやクラックが生じ易いので、信頼性の点で更なる改善の強い要求がある。その際、窒化アルミニウム焼結体に対しては、必要とする純度、熱伝導率等の特性によって、種々の焼結助剤や焼成条件が選択されてきたが、高熱伝導性を保証しようとすると、靱性、強度が思うほどには向上せず、破壊靭性はＩＦ法で測定されたＫ_1Cで２．１〜２．５ＭＰａ・ｍ^1/2程度、強度も３００〜４００ＭＰａ程度であり、窒化ケイ素焼結体等に比べて低く、用途が拡大しにくい一因となっていた。
【０００５】
特開平７−１７２９２１号公報によれば、窒化アルミニウム粉末にイットリア粉末等とＳｉ成分とアルミナ粉末とを添加し焼成することによって、破壊靭性２．８〜３．０ＭＰａ・ｍ^1/2程度、強度５００〜６００ＭＰａ程度とかなり改善されたが、肝心の熱伝導率は１９０Ｗ／ｍＫ止まりであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、窒化アルミニウム本来の高熱伝導性を損なうことなく、熱伝導率、靱性、強度のすべてが高度に改善された窒化アルミニウム焼結体、その工業的製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ超、ＩＦ法による破壊靭性が３．０ＭＰａ・ｍ^1/2超、３点曲げ強度が４５０ＭＰａ以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体である。
【０００８】
また、本発明は、質量基準で、平均粒径０．５〜３μｍの窒化アルミニウム粉末ａ７５〜８５％と、平均粒径が窒化アルミニウム粉末ａの２〜４倍である窒化アルミニウムｂ１５〜２５％と、イットリア粉末１〜８％とからなる混合原料粉末を、有機結合材を用いて成形後脱脂し、非酸化性又は真空の雰囲気下で焼成する方法であって、上記雰囲気の焼成パターンが、温度１７２０℃から焼結温度１７５０〜１７８０℃までを０．５℃／分以下の速度で高め、その焼結温度範囲内で１時間以下（０を含まず）で保持した後、一旦、１６００℃以下の温度に冷却して３０分以上保持し、再度、１６９０〜１７５０℃の熟成温度まで昇温し、その熟成温度範囲内で５〜１５時間保持した後降温するパターン、であ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である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【００１０】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、上記物性を有するものである。好ましくは、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が１９５Ｗ／ｍＫ以上、ＩＦ法による破壊靭性が３．２ＭＰａ・ｍ^1/2以上、３点曲げ強度が４８０ＭＰａ以上である。とくに好ましくは、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上、ＩＦ法による破壊靭性が３．３ＭＰａ・ｍ^1/2以上、３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上である。
【００１１】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、Ｓｉ、ＳｉＯ₂のような熱伝導率を劣化させるＳｉ成分の使用や、ＳｉＣ、高融点金属等の電気的特性（絶縁性や誘電率）を劣化させる成分との複合化を行うことなしに、基本的にはモノリシック構造からなるものであって、その高靭性化を原料の調整段階から焼成までの諸条件を厳格にコントロールし、窒化アルミニウム焼結体の粒子構造を制御して行ったものである。その一例を以下に示す。
【００１２】
本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法の第１要件は、質量基準で、平均粒径０．５〜３μｍの窒化アルミニウム粉末ａ７５〜８５％と、平均粒径が窒化アルミニウム粉末ａの２〜４倍である窒化アルミニウムｂ１５〜２５％と、イットリア粉末１〜８％とからなる混合原料粉末を用いることである。
【００１３】
窒化アルミニウム粉末ａと窒化アルミニウム粉末ｂとの併用によって、窒化アルミニウム焼結体の粒子構造が適度な粒度分布を有し、破壊靭性を３．０ＭＰａ・ｍ^1/2超とすることができる。これを窒化アルミニウム粉末ａ８５％超又は窒化アルミニウム粉末ｂ１５％未満では、破壊靭性が３．０ＭＰａ・ｍ^1/2以下となり、また窒化アルミニウム粉末ａ７５％未満又は窒化アルミニウム粉末ｂ２５％超では、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ以下となる。
【００１４】
さらに述べると、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率については、阻害因子がＡｌＮ粒子内に固溶した酸素であり、この固溶酸素がＡｌＮの結晶格子を乱すために熱の主たるキャリヤーであるフォノンの伝達を阻害してしまう。そこで、窒化アルミニウム焼結体中の酸素量を低減しやすい窒化アルミニウム粉末ａのみで高熱伝導化を図ることが一般的に行われているが、その場合の焼結体の微構造はＡｌＮ粒子の粒径が揃っているため、特に破壊靭性の低下を招き、破壊靭性は２．０ＭＰａ・ｍ^1/2程度と極めて低い値になる。
【００１５】
一方、窒化アルミニウム粉末ａの平均粒径が０．５〜３μｍ以外では、３点曲げ強度が４５０ＭＰａ未満となり、窒化アルミニウム粉末ｂの平均粒径が窒化アルミニウム粉末ａの平均粒径の２〜４倍以外であると、破壊靭性が３．０ＭＰａ・ｍ^1/2以下となる。
【００１６】
本発明においては、窒化アルミニウム粉末ａは酸素量１．０％以下の還元窒化粉、窒化アルミニウム粉末ｂは酸素量１．２％以下の直接窒化粉であることが望ましい。ここで還元窒化粉とは、アルミナとカーボンとを含む混合粉末を窒化雰囲気中で焼成して得られた窒化アルミニウム粉末（例えば、特開昭５９−５０００８号公報参照）であり、直接窒化粉とは、金属アルミニウム粉末又はこれに必要に応じて窒化アルミニウム粉末を骨材として配合された混合粉末を窒化雰囲気中で焼成し、得られたインゴットを粉砕して得られた窒化アルミニウム粉末（例えば、特開昭６２−１５３１０７号公報参照）である。
【００１７】
本発明において、窒化アルミニウム粉末ａと窒化アルミニウム粉末ｂに添加される焼結助剤は、イットリア粉末のみで、しかもその平均粒径は２〜１０μｍであることが望ましい。その理由は、以下のとおりである。
【００１８】
平均粒径が２μｍ未満であると、窒化アルミニウム粉末との混合時等に凝集が生じやすく均一分散が困難となり、また１０μｍ超であると窒化アルミニウム粉末との反応性が悪くなり、いずれの場合も窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ以下となる。
【００１９】
本発明においては、窒化アルミニウム粉末ａ、窒化アルミニウム粉末ｂ、イットリア粉末の混合は、ボールミル、振動ミル、ヘンシェルミキサー等の一般的な混合機を用いて行われる。この場合、窒化アルミニウム粉末ａ、窒化アルミニウム粉末ｂ又はこれらにイットリア粉末が混合された混合原料粉末は、あらかじめ疎水化処理されていることが好ましい。
【００２０】
疎水化処理の方法としては、疎水基を持つ界面活性剤、例えばステアリン酸、オレイン酸の脂肪族カルボン酸、脂肪族カルボン酸塩とそのエステル類、高級アルコール類、スルホン酸類等から選ばれた１種又は２種以上の疎水化処理剤を窒化アルミニウム粉末１００部（部は質量部、以下同じ）に対し、１〜３部を配合し混合することによって行うことができる。
【００２１】
本発明の第２要件は、焼成パターンの特定であり、上記混合原料粉末を成形・脱脂後、非酸化性又は真空の雰囲気下において、雰囲気温度を任意速度で温度１７２０℃まで高め、温度１７２０℃から焼結温度１７５０〜１７８０℃までを０．５℃／分以下の速度で高め、その焼結温度範囲内で１時間以下（０を含まず）で保持した後、一旦、１６００℃以下の温度に冷却して３０分以上保持し、再度、１６９０〜１７５０℃の熟成温度まで昇温し、その熟成温度範囲内で５〜１５時間保持した後降温する、ことである。
【００２２】
上記混合原料粉末は、まず、有機結合材、可塑剤及び／又は媒体を用いて成形される。有機結合材として、エチルセルロース等のセルロール類、ポリビニルブチラール、アクリル系等、媒体として、水、アルコール類、トルエン、キシレン等、可塑剤として、ジブチルフタレート、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル等のフタル酸エステル、グリセリン等が使用される。成形方法としては、ドクターブレード法、プレス法、押出成形法等の公知の成形方法でよい。
【００２３】
ついで、成形物は脱脂され焼成される。脱脂は、窒化アルミニウム粉末の酸化を極力抑えられる方法で行われ、非酸化性雰囲気下又は空気等の酸化性雰囲気下、４００〜５５０℃の温度範囲で３時間以上保持して行われる。
【００２４】
本発明においては、焼成時の焼成パターンが極めて重要であり、それは非酸化性又は真空の雰囲気下、昇温過程、焼結過程、冷却過程、熟成過程、降温過程からなっている。
【００２５】
昇温過程では、任意速度で１７２０℃まで高め、温度１７２０℃から焼結温度１７５０〜１７８０℃までを０．５℃／分以下の速度で高められる。１７２０℃からの昇温速度が、０．５℃／分超であると、焼結体中の粒成長が不均一に起こり、強度が低下する。また、１７２０℃から昇温速度を制限する理由は、この温度未満からでは、ＡｌＮ粒子の酸化が起こってしまい、熱伝導率が上がらず、得られた窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率は１９０Ｗ／ｍＫ以下となる。
【００２６】
焼結過程では、温度１７５０〜１７８０℃の間で１時間以下（０を含まず）保持される。この条件は、３点曲げ強度４５０ＭＰａ以上、破壊靱性３．０ＭＰａ・ｍ^1/2超の窒化アルミニウム焼結体を得るために必要となる。保持時間が１時間よりも長くなると、ＡｌＮ粒子の粒成長が過剰となり、３点曲げ強度が４５０ＭＰａ未満となる。好ましい保持時間は３０〜６０分である。また、焼結温度が１７８０℃超であっても、同様にして粒成長が過剰となり、３点曲げ強度が４５０ＭＰａ未満となる。
【００２７】
冷却過程では、焼結後、一旦、１６００℃以下の温度に冷却し、３０分以上好ましくは４０〜６０分間保持される。これによって、ＡｌＮ粒子の粒成長を完全に止められ、窒化アルミニウム焼結体の粒径が適度にそろった状態となる。冷却温度の下限には特に制限はないが、量産性を考慮すると１５００℃が好ましい。
【００２８】
熟成過程では、再度、任意速度で１６９０〜１７５０℃に高め、この温度範囲内で５〜１５時間保持される。これによって、ＡｌＮ粒内の固溶酸素とイットリウムを含む助剤相との化学反応（いわゆる固溶酸素の吸い出し効果）が活発化し、固溶酸素が低減し、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ超となる。熟成温度１６９０℃未満又は保持時間５時間未満では固溶酸素の吸い出し効果が十分でなく、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ超に高まらない。また、熟成温度１７５０℃超又は保持時間１５時間以上では、ＡｌＮ粒子の粒成長が再び開始し、３点曲げ強度が４５０ＭＰａ未満となる。
【００２９】
降温過程では、熟成後に冷却され、焼成炉から窒化アルミニウム焼結体が取り出される。降温速度は５℃／分以上であることが望ましい。
【００３０】
焼成が行われる雰囲気は、非酸化性又は真空である。好ましくは、窒素雰囲気中である。各過程によって雰囲気が異なってもよいが、同一条件で行われることが好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の実施例と比較例を挙げて具体的に説明する。
【００３２】
実施例１〜１０比較例１〜１６
窒化アルミニウム粉末ａと、窒化アルミニウム粉末ｂと、イットリア粉末（平均粒径２．４μｍ）を、表１に示す割合にしてボールミルで混合し、更にこの混合物１００部に対してオレイン酸２部を添加し、振動ミルにて混合し、混合原料粉末を調製した。
【００３３】
ついで、混合原料粉末１０２部に対し、有機結合材（エチルセルロース）６部、可塑剤（グリセリン）２部及び媒体（水）１２部を加えてミキサーで混合し、それを成形速度１．０ｍ／分、成形圧力５〜７ＭＰａで押出成形を行った。その後、遠赤外線にて温度１２０℃、１０分間乾燥を行った後、プレス機にて７０ｍｍ×３０ｍｍの形状に打ち抜いた。打ち抜かれた成形体にＢＮ粉離型剤を塗布した後、空気中、温度４５０℃、５時間で脱脂を行い、窒素雰囲気中、表２に示す焼成条件で焼成した。
【００３４】
得られた窒化アルミニウム焼結体をホーニング処理してＢＮ粉離型剤を除去した後、熱伝導率、破壊靱性値、３点曲げ強度、平均粒径、酸素量を測定した。それらの結果を表３に示す。
【００３５】
熱伝導率：レーザーフラッシュ法熱定数測定装置（真空理工社製「ＴＣ−７０００」）にて測定した。
破壊靱性値：ビッカース硬度測定機（明石製作所製）にて測定されたビッカース硬度から算出した。
３点曲げ強度：抗折強度測定装置（今田製作所社製「ＳＶ−３０１」）にて測定した。
平均粒径：走査型顕微鏡（日本電子社製「ＪＳＭ−５２００」）により撮影した拡大写真により算出した。
酸素量：ＬＥＣＯ社製の酸素窒素同時分析装置で測定した。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
【表３】

【００３９】
本発明の実施例によれば、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ超、破壊靭性が３．０ＭＰａ・ｍ^1/2超、３点曲げ強度が４５０ＭＰａ以上の窒化アルミニウム焼結体が得られたが、比較例ではいずれかの物性が未達であった。
【００４０】
なお、各比較例は次の条件が本発明の製造方法の条件を逸脱している。比較例１と４が窒化アルミニウム粉末ａと窒化アルミニウム粉末ｂとの平均粒径の関係、比較例２と３と５が混合原料粉末中の窒化アルミニウム粉末ａと窒化アルミニウム粉末ｂとイットリア粉末の量比関係、比較例６と７が昇温過程条件、比較例８〜１０が焼結過程条件、比較例１１と１２が冷却過程条件、比較例１３〜１６が熟成条件、である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ超、ＩＦ法による破壊靭性が３．０ＭＰａ・ｍ^1/2超、３点曲げ抗折強度が４５０ＭＰａ以上である窒化アルミニウム焼結体と、その工業的製造方法が提供される。

Claims

レーザーフラッシュ法による熱伝導率が１９０Ｗ／ｍＫ超、ＩＦ法による破壊靭性が３．０ＭＰａ・ｍ^１／２超、３点曲げ強度が４５０ＭＰａ以上であることを特徴とするモノリシック構造からなる窒化アルミニウム焼結体。
質量基準で、平均粒径０．５〜３μｍの窒化アルミニウム粉末ａ７５〜８５％と、平均粒径が窒化アルミニウム粉末ａの２〜４倍である窒化アルミニウムｂ１５〜２５％と、平均粒径２〜１０μｍのイットリア粉末１〜８％とからなる混合原料粉末を、有機結合材を用いて成形後脱脂し、非酸化性又は真空の雰囲気下で焼成する方法であって、上記雰囲気の焼成パターンが、温度１７２０℃から焼結温度１７５０〜１７８０℃までを０．５℃／分以下の速度で高め、その焼結温度範囲内で１時間以下（０を含まず）で保持した後、一旦、１６００℃以下の温度に冷却して３０分以上保持し、再度、１６９０〜１７５０℃の熟成温度まで昇温し、その熟成温度範囲内で５〜１５時間保持した後降温するパターン、であ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。