JP5043260B2 - Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof - Google Patents
Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP5043260B2 JP5043260B2 JP2001204560A JP2001204560A JP5043260B2 JP 5043260 B2 JP5043260 B2 JP 5043260B2 JP 2001204560 A JP2001204560 A JP 2001204560A JP 2001204560 A JP2001204560 A JP 2001204560A JP 5043260 B2 JP5043260 B2 JP 5043260B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- aluminum nitride
- aluminum
- sintered body
- nitride sintered
- mass
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高絶縁破壊電圧を有する窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法、用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化アルミニウム基板の一方の面に銅等の金属回路、反対面には銅等の金属放熱板を形成してなる回路基板において、その金属回路面に半導体素子を半田付けされてなるモジュールが使用されている。このようなモジュールにおいては、半導体素子から発生した熱をいかに効率良く除去するかが重要な課題あり、その解決法の１つに窒化アルミニウム基板の熱伝導率をその理論値（約３２０Ｗ／ｍＫ）に近づけることの努力が行われている。
【０００３】
窒化アルミニウム基板の熱伝導率を高めるには、その焼結体を緻密化することが必要であり、従来より多くの焼結助剤が検討されている。その効果の大きいとされているランタノイド元素を用いる例をあげれば、イットリウム、ランタノイド元素金属及びアルカリ土類金属からなる群より選ばれた１種以上の金属酸化物と、イットリウム、ランタノイド元素金属及びアルカリ土類金属からなる群より選ばれた１種以上の金属ハロゲン化物とを併用する特開昭６２−１０５９６０号公報発明、酸化サマリウム、酸化ジスプロシウム、酸化ネオジウムの中から選ばれた１種以上を用いる特開平１−９６０６７号公報発明等である。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、このような焼結助剤を使用した場合、均一な粒界層を形成させ緻密な焼結体とするには、その焼成温度を１８００℃以上の高温にしなければならない。さらには、従来の焼結助剤では、最適な焼成領域は狭く、焼成温度範囲は±１０℃で管理する必要があった。最適な焼成領域を超えると、粒界層が表面に析出してしみだしや色むらが発生する。その結果、焼結体内部の粒界層に空洞が発生し、絶縁破壊電圧はボイド放電により低下し、１０ｋＶ／ｍｍ程度と小さくなった（特開平５−５８７４４号公報）。このような窒化アルミニウム焼結体を回路基板の構成材とすると、絶縁不良を起こすという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上にして、しみだしや色むらがなく、絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／ｍｍ以上であり、窒化アルミニウム基板として好適な窒化アルミニウム焼結体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、このような窒化アルミニウム焼結体を最適な焼成領域を広めて容易に製造することができる窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供することである。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
すなわち、本発明は、粒界層に２種以上のランタノイド元素を含み、絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／ｍｍ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。粒界層に、さらにアルミニウム元素を含有してなるものが好ましい。また、本発明は、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下で焼成する方法において、上記焼結助剤がランタノイド元素の硝酸塩、炭化物及び窒化物から選ばれた２種以上の化合物であって、しかもランタノイド元素種が異なっていることを特徴とする絶縁破壊電圧に優れた窒化アルミニウム焼結体の製造方法である。窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混合粉末が、更にアルミニウム又はアルミニウム化合物を含んでいることが好ましい。さらに本発明は、上記窒化アルミニウム焼結体をセラミックス基板として用い、その表面に金属回路を形成させてなる回路基板である。
【０００７】
【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。
【０００８】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粒子とその粒子間を埋める粒界層からなるものであって、窒化アルミニウム粒子の大きさとしては０．５〜１０μｍであることが好ましい。窒化アルミニウム焼結体における粒界層の構成割合は１〜２０％であることが好ましく、またその粒界層は、結晶化率が２０％以上、特に５０％以上であることが好ましい。
【０００９】
粒界層の構成割合は、アルカリ溶解法（分析化学，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１１３３−１１３７（１９９６）に準ずる）によって窒化アルミニウム粒子を溶解し、粒界層のみにしたものを、ＥＰＭＡによって測定することができる。また、粒界層の結晶化率は、Ｘ線回折法によって測定することができる。
【００１０】
本発明の窒化アルミニウム焼結体の第１の条件は、粒界層に２種以上のランタノイド元素を含有していることである。ランタノイド元素（以下、「Ｌｎ」という。）としては、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等があげられる。これらの中でも、Ｓｍ、Ｙｂ及びＧｄが絶縁破壊電圧の向上の点から特に好ましい。特に好ましくは、原子比率を０．１〜０．９、特に０．３〜０．７とすることである。
【００１１】
粒界層中のＬｎは、酸化物の形態で存在することが好ましく、またＬｎの粒界層中の含有率は３０％以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明の窒化アルミニウム焼結体の第２の条件は、絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／ｍｍ以上であることである。本発明でいう絶縁破壊電圧とは、ＪＩＳ Ｃ ２１１０に準じて試料に電圧を加えたときに破壊する最小の電圧のことである。
【００１３】
本発明の窒化アルミニウム焼結体の粒界層には、少量のアルミニウム元素を含有していることが好ましい。アルミニウム元素は本発明の窒化アルミニウム焼結体を製造する際の最適な焼成温度範囲を広めるために窒化アルミニウム粉末原料に添加されるものであって、窒化アルミニウム焼結体中には粒界層に存在するが、それによって絶縁破壊電圧が損なうことはない。アルミニウム元素の粒界層中の含有率は３〜３０％であることが好ましい。
【００１４】
粒界層中のアルミニウム元素は、アルカリ溶解法によって粒界層のみにしたものをＥＰＭＡによって測定することができる。
【００１５】
つぎに、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。本発明は、上記した絶縁破壊電圧に優れた本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造に適用できるものである。
【００１６】
本発明の最大の特徴は、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下で焼成する方法において、焼結助剤として、Ｌｎの硝酸塩、炭化物及び窒化物から選ばれた２種以上の化合物を用い、しかもＬｎ種が異なっているものを使用することにある。
【００１７】
本発明で使用される窒化アルニミウム粉末としては、直接窒化法、アルミナ還元法等公知の方法で製造された粉末で十分であるが、酸素含有量２質量％以下、炭素量１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。酸素含有量が２質量％超であるか、炭素量１０００ｐｐｍ超であると、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となる。なお、アルミニウムを除くＦｅ、Ｃａ等の陽イオン不純物は合計で０．１質量％以下であることが好ましい。また、窒化アルミニウム粉末の粒度は、平均粒子径で１０μｍ以下、特に１μｍ以下がましい。平均粒子径が１０μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率および強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１８】
本発明で使用される焼結助剤は、Ｌｎの硝酸塩、炭化物及び窒化物から選ばれた少なくとも２種であり、しかもＬｎ種が異なっているものである。Ｌｎが単味又は酸化物であると、その異なる２種以上のＬｎを用いてもしみだしや色むらが発生しやすくなり、また絶縁破壊電圧が小さくなる。また、Ｌｎの硝酸塩、炭化物及び窒化物を用いても、それを単独で使用するか、又は異ならないＬｎ種の異なる化合物を使用すると、焼結温度を高める必要があるため、しみだしや色むらが発生しやすくなり、また絶縁破壊電圧が小さくなる。
【００１９】
本発明においては、ｘ種類のＬｎ種をＬn1，Ｌn2，・・・，Ｌnx-1，Ｌnxとすると、Ｌｎ種合計の原子数（Ｌn1+Ｌn2，・・・+Ｌnx-1+Ｌnx）に対する、ある１種のＬｎの原子数（Ｌn）の比、Ｌn／（Ｌn1+Ｌn2，・・・+Ｌnx-1+Ｌnx）が、０．１〜０．９、特に０．３〜０．７であることが好ましい。原子数の比が０．１未満又は０．９を超えると、しみだしや色むらが発生しやすくなり、また絶縁破壊電圧が小さくなる。本発明においては、ＬｎがＳｍであり、（Ｌn1+Ｌn2，・・・+Ｌnx-1+Ｌnx）が、ＳｍとＹｂ、又はＳｍとＹｂとＧｄであることが好ましく、それらの硝酸塩、炭化物、窒化物が使用される。中でも、Ｓｍ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏと、Ｙｂ（ＮＯ3）3・３Ｈ2Ｏ及び／又はＧｄ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏとを併用することが絶縁破壊電圧の向上の点から好ましい。
【００２０】
Ｌｎの硝酸塩、炭化物、窒化物の使用量は、窒化アルミニウム粉末１００質量部に対し、これらのＬｎ化合物の合計で０．１〜１５質量部、特に１〜５質量部とすることが好ましい。０．１質量部未満であると緻密化が阻害される恐れがあり、また１５質量部を超えると、相対的に窒化アルミニウム粉末の割合が少なくなるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となる。
【００２１】
Ｌｎとしては、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等であり、これらの硝酸塩、炭化物、窒化物が使用される。これらのＬｎ化合物の純度は９９．５％以上、特に９９．９％以上であることが好ましい。純度が９９．５％未満であると、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となる。また、Ｌｎ化合物の粒度は、平均粒子径で５μｍ以下、特に１μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が５μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率および強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００２２】
本発明においては、上記Ｌｎ化合物と共に少量のアルミニウム又はアルミニウム化合物を窒化アルミニウム粉末に存在させることによって、最適な焼成領域を広め、焼結温度を低めて所期の目的を達成することができる。アルミニウム又はアルミニウム化合物の使用量は、窒化アルミニウム粉末１００質量部に対してアルミニウム又はアルミニウム化合物の合計で０．１〜５質量部、特に０．５〜３質量部であることが好ましい。０．１質量部未満であると上記効果が小さくなり、また５質量部を超えると、液相にガーネット相が生成するなどして強度発現に悪影響を及ぼす。また、相対的に窒化アルミニウム粉末の割合が少なくなるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となる。
【００２３】
アルミニウム又はアルミニウム化合物としては、金属アルミニウム、フッ化アルミニウム、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウム等があげられるが、酸化アルミニウムは熱伝導率を低下させることがあるのであまり推奨できない。アルミニウム又はアルミニウム化合物の純度は９９．５％以上、特に９９．９％以上が好ましい。９９．５％未満であると、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となる。また、アルミニウム又はアルミニウム化合物の粒度は、平均粒子径で５μｍ以下、特に１μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が５μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率および強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００２４】
窒化アルミニウム粉末に焼結助剤、又は焼結助剤とアルミニウム又はアルミニウム化合物を混合するには、ボールミル等が使用される。ついで、この混合原料には、常圧焼結の場合はバインダーが加えられ、金型、静水圧プレスあるいはシート成形により成形をされる。その後、成形体を窒素ガス等の気流中、３５０〜７００℃で１〜５時間加熱してバインダーを除去した後、窒化硼素製、黒鉛製又は窒化アルミニウム製等の容器に入れ、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化性雰囲気中、温度１６００〜１８００℃で常圧焼結される。一方、ホットプレス焼結の場合は、上記混合原料を１５５０〜１７５０℃でホットプレスする。
【００２５】
つぎに、本発明の回路基板について説明すると、本発明の回路基板は、従来構造において、窒化アルミニウム基板を本発明の窒化アルミニウム焼結体からなる窒化アルミニウム基板としたものである。すなわち、本発明の回路基板は、窒化アルミニウム基板の一方の面に半導体素子搭載用の金属回路が形成され、必要に応じてその反対面には金属放熱板が形成されてなるものである。
【００２６】
窒化アルミニウム基板の厚みは種々あり、放熱特性を重視する場合は０．５〜１．０ｍｍ程度、高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときには１〜３ｍｍ程度がのもが用いられる。
【００２７】
金属回路と金属放熱板の材質は、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。Ａｌは、Ｃｕよりも降伏応力が小さく、塑性変形に富み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、窒化アルミニウム基板にかかる熱応力を大幅に低減できるので、Ｃｕよりも窒化アルミニウム基板に発生するクラックを抑制することが可能となり、高信頼性モジュールとなる。
【００２８】
金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の点からＡｌ回路の場合は０．４〜０．５ｍｍ、Ｃｕ回路は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、金属放熱板の厚みは、半田付け時の反りを生じさせないように決定される。具体的には、Ａｌ放熱板の場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕ放熱板は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００２９】
窒化アルミニウム基板に金属回路、金属放熱板を形成させるには、金属板と窒化アルミニウム基板とを接合した後エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び放熱板のパターンを窒化アルミニウム基板に接合する方法等によって行うことができる。窒化アルミニウム基板と金属回路等との接合は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分とを含むろう材を用いる活性金属ろう付け法等によって行うことができる。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例をあげて、さらに具体的に本発明を説明する。
【００３１】
実施例１
酸素含有量０．７質量％、炭素含有量３５０ｐｐｍ、Ｆｅ、Ｃａ等の陽イオン金属不純物０．０３質量％の窒化アルミニウム粉末（平均粒子径０．７μｍ）１００質量部に対し、Ｌｎ硝酸塩（純度 ９９．９５％、平均粒子径 ０．８μｍ）と、フッ化アルミニウム粉末（純度９９．９５％、平均粒子径０．５μｍ）を表１に示す割合で配合し、ボールミルで混合した。ついで、バインダー（アクリル系樹脂）を加え、混練、造粒、整粒を行い、シート状に成形した。これを窒素気流中、５００℃ ２時間保持して脱脂後、窒素ガス雰囲気中、表１に示す焼成温度で２時間、常圧焼成した。
【００３２】
得られた窒化アルミニウム焼結体の密度をアルキメデス法で、また熱伝導率をレ−ザ−フラッシュ法で測定した。さらに、絶縁破壊電圧をＪＩＳ Ｃ ２１１０ に準じ、絶縁油中で測定した。それらの結果を表２に示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
表から、２種以上のＬｎの硝酸塩、炭化物、窒化物を併用することにより、焼成温度が低下し、しみだしや色むらが無く、絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／ｍｍに向上することがわかる。
【００３６】
実験番号５の窒化アルミニウム焼結体を表面研削して窒化アルミニウム基板（寸法：０．６３５×５０×５０ｍｍ）とした。この窒化アルミニウム基板の表裏面に接合材（Ａｌ−９．５質量％Ｓｉ−１質量％Ｍｇ合金箔）を介してＡｌ回路形成用とＡｌ放熱板形成用のＡｌ板（厚み０．５ｍｍ、Ａｌ純度９９．９％）を重ね、黒鉛板に挟み、窒化アルミニウム基板の垂直方向から加圧しながら、真空中、５８０℃で加熱した。得られた接合体を軟Ｘ線を用い３倍に拡大して接合不良を検査したがそれは認められなかった（検出下限直径０．３ｍｍ）。
【００３７】
ついで、表裏面それぞれのＡｌ板の周囲２ｍｍを塩化第２鉄水溶液でエッチングし、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ施してモジュールとした。その一方のＡｌ面を回路面として１２．５ｍｍ角のシリコンチップを中央に共晶半田で半田付けし、その反対面を放熱板面としてＡｌ製ヒートシンクに半田付けした。
【００３８】
この状態で、−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして３０００サイクルの熱履歴試験を実施し、膨れ、剥がれ等の外観チェックと、断面観察による半田クラックの発生の有無を調べたが、全く異常は認められなかった。
【００３９】
実施例２
表３に示すＬｎ化合物を用いたこと以外は、実施例１と同様な試験を行った。それらの結果を表４に示す。
【００４０】
【表３】
【００４１】
【表４】
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、しみだしや色むらがほとんどなく、絶縁破壊電圧が高く、高放熱性基板等として好適な窒化アルミニウム焼結体とその製造方法が提供される。また、本発明によれば、高電圧パワーモジュール用回路基板が提供される。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aluminum nitride sintered body having a high breakdown voltage, a method for producing the same, and an application.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a circuit board in which a metal circuit such as copper is formed on one surface of an aluminum nitride substrate and a metal heat sink such as copper is formed on the opposite surface, a module in which a semiconductor element is soldered to the metal circuit surface is provided. in use. In such a module, there is an important problem of how to efficiently remove the heat generated from the semiconductor element. One of the solutions is the thermal conductivity of the aluminum nitride substrate as its theoretical value (about 320 W / mK). Efforts are being made to approach
[0003]
In order to increase the thermal conductivity of the aluminum nitride substrate, it is necessary to densify the sintered body, and more sintering aids have been studied than ever. Examples of using a lanthanoid element that is considered to have a large effect include one or more metal oxides selected from the group consisting of yttrium, lanthanoid element metals and alkaline earth metals, yttrium, lanthanoid element metals and alkalis. One or more selected from the invention of JP-A-62-105960, samarium oxide, dysprosium oxide and neodymium oxide, which is used in combination with one or more metal halides selected from the group consisting of earth metals Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-96067.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when such a sintering aid is used, in order to form a uniform grain boundary layer and form a dense sintered body, the firing temperature must be set to 1800 ° C. or higher. Furthermore, in the conventional sintering aid, the optimum firing region is narrow, and the firing temperature range must be controlled at ± 10 ° C. When the optimum firing region is exceeded, the grain boundary layer is deposited on the surface, causing oozing and color unevenness. As a result, cavities were generated in the grain boundary layer inside the sintered body, and the dielectric breakdown voltage was reduced by void discharge and decreased to about 10 kV / mm (Japanese Patent Laid-Open No. 5-58744). When such an aluminum nitride sintered body is used as a constituent material of a circuit board, there is a problem that insulation failure occurs.
[0005]
An object of the present invention is to provide an aluminum nitride sintered body that has a thermal conductivity of 100 W / mK or more, has no bleeding or color unevenness, has a dielectric breakdown voltage of 20 kV / mm or more, and is suitable as an aluminum nitride substrate. It is in. Another object of the present invention is to provide a method for producing an aluminum nitride sintered body that can easily produce such an aluminum nitride sintered body by expanding an optimum firing region.
[0006]
[Means for solving problems]
That is, the present invention is an aluminum nitride sintered body characterized in that the grain boundary layer contains two or more lanthanoid elements and has a dielectric breakdown voltage of 20 kV / mm or more. What contains an aluminum element further in a grain boundary layer is preferable. Further, the present invention provides a method in which a mixed powder containing an aluminum nitride powder and a sintering aid is molded and then fired in a non-oxidizing atmosphere, and the sintering aid is selected from nitrates, carbides and nitrides of lanthanoid elements. This is a method for producing an aluminum nitride sintered body excellent in dielectric breakdown voltage, characterized in that these are two or more kinds of compounds and the lanthanoid element types are different. It is preferable that the mixed powder containing the aluminum nitride powder and the sintering aid further contains aluminum or an aluminum compound. Furthermore, the present invention is a circuit board obtained by using the aluminum nitride sintered body as a ceramic substrate and forming a metal circuit on the surface thereof.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[0008]
The aluminum nitride sintered body of the present invention is composed of aluminum nitride particles and a grain boundary layer filling the space between the particles, and the size of the aluminum nitride particles is preferably 0.5 to 10 μm. The composition ratio of the grain boundary layer in the aluminum nitride sintered body is preferably 1 to 20%, and the grain boundary layer preferably has a crystallization rate of 20% or more, particularly 50% or more.
[0009]
The composition ratio of the grain boundary layer is obtained by dissolving the aluminum nitride particles by the alkali dissolution method (analytical chemistry, Vol. 37, No. 12, pp. 1133 to 1137 (1996)) and forming only the grain boundary layer. , Can be measured by EPMA. Further, the crystallization rate of the grain boundary layer can be measured by an X-ray diffraction method.
[0010]
The first condition of the aluminum nitride sintered body of the present invention is that the grain boundary layer contains two or more lanthanoid elements. Examples of the lanthanoid element (hereinafter referred to as “Ln”) include La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. Among these, Sm, Yb, and Gd are particularly preferable from the viewpoint of improving the dielectric breakdown voltage. Particularly preferably, the atomic ratio is 0.1 to 0.9, particularly 0.3 to 0.7.
[0011]
Ln in the grain boundary layer is preferably present in the form of an oxide, and the content of Ln in the grain boundary layer is preferably 30% or more.
[0012]
The second condition of the aluminum nitride sintered body of the present invention is that the dielectric breakdown voltage is 20 kV / mm or more. The dielectric breakdown voltage as used in the field of this invention is the minimum voltage which destroys when a voltage is applied to a sample according to JIS C2110.
[0013]
The grain boundary layer of the aluminum nitride sintered body of the present invention preferably contains a small amount of aluminum element. The aluminum element is added to the aluminum nitride powder raw material in order to widen the optimum firing temperature range when producing the aluminum nitride sintered body of the present invention. Exists but does not compromise the breakdown voltage. The content of aluminum element in the grain boundary layer is preferably 3 to 30%.
[0014]
As the aluminum element in the grain boundary layer, only the grain boundary layer formed by the alkali dissolution method can be measured by EPMA.
[0015]
Below, the manufacturing method of the aluminum nitride sintered compact of this invention is demonstrated. The present invention can be applied to the production of the aluminum nitride sintered body of the present invention excellent in the above-mentioned breakdown voltage.
[0016]
The most important feature of the present invention is that, in a method of forming a mixed powder containing aluminum nitride powder and a sintering aid and firing it in a non-oxidizing atmosphere, as a sintering aid, Ln nitrate, carbide and nitride are used. The object is to use two or more selected compounds and different Ln species.
[0017]
As the aluminum nitride powder used in the present invention, a powder produced by a known method such as a direct nitriding method or an alumina reduction method is sufficient, but an oxygen content of 2% by mass or less and a carbon content of 1000 ppm or less. preferable. If the oxygen content exceeds 2% by mass or the carbon content exceeds 1000 ppm, it becomes difficult to make the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body 100 W / mK or more, particularly 150 W / mK or more. In addition, it is preferable that cationic impurities, such as Fe and Ca except aluminum, are 0.1 mass% or less in total. The particle size of the aluminum nitride powder is preferably 10 μm or less, particularly 1 μm or less in terms of average particle size. When the average particle diameter exceeds 10 μm, the sintered density is lowered, which may adversely affect the thermal conductivity and strength.
[0018]
The sintering aid used in the present invention is at least two selected from nitrates, carbides and nitrides of Ln, and the Ln types are different. When Ln is simple or an oxide, even if two or more different types of Ln are used, bleeding or color unevenness is likely to occur, and the dielectric breakdown voltage is reduced. Further, even if Ln nitrate, carbide and nitride are used alone, or if different compounds of different Ln types are used, it is necessary to increase the sintering temperature. Is likely to occur, and the breakdown voltage is reduced.
[0019]
In the present invention, if the L types of x are Ln1, Ln2,..., Lnx-1, Lnx, the total number of atoms (Ln1 + Ln2,... + Lnx-1 + Lnx) The ratio of the number of Ln atoms (Ln), Ln / (Ln1 + Ln2,... + Lnx-1 + Lnx) is 0.1 to 0.9, particularly 0.3 to 0.7. Preferably there is. When the ratio of the number of atoms is less than 0.1 or exceeds 0.9, bleeding and color unevenness are likely to occur, and the dielectric breakdown voltage is reduced. In the present invention, Ln is Sm, and (Ln1 + Ln2,... + Lnx-1 + Lnx) is preferably Sm and Yb, or Sm, Yb and Gd, and their nitrates, carbides, Nitride is used. Among them, the combination of Sm (NO 3 ) 3 · 6H 2 O and Yb (NO 3 ) 3 · 3H 2 O and / or Gd (NO 3 ) 3 · 6H 2 O improves the breakdown voltage. To preferred.
[0020]
The amount of nitrate, carbide, and nitride used in Ln is preferably 0.1 to 15 parts by mass, particularly 1 to 5 parts by mass, based on 100 parts by mass of the aluminum nitride powder. If the amount is less than 0.1 parts by mass, densification may be hindered. If the amount exceeds 15 parts by mass, the proportion of aluminum nitride powder is relatively reduced, so the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body is reduced. It becomes difficult to set it to 100 W / mK or more, particularly 150 W / mK or more.
[0021]
Ln includes La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and the like, and nitrates, carbides, and nitrides thereof are used. The purity of these Ln compounds is preferably 99.5% or more, particularly preferably 99.9% or more. When the purity is less than 99.5%, it becomes difficult to make the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body 100 W / mK or more, particularly 150 W / mK or more. Further, the particle size of the Ln compound is preferably 5 μm or less, particularly 1 μm or less in terms of average particle size. When the average particle diameter exceeds 5 μm, the sintered density is lowered, which may adversely affect the thermal conductivity and strength.
[0022]
In the present invention, by allowing a small amount of aluminum or aluminum compound to be present in the aluminum nitride powder together with the Ln compound, it is possible to widen the optimum firing region and lower the sintering temperature to achieve the intended purpose. The amount of aluminum or aluminum compound used is preferably 0.1 to 5 parts by mass, particularly 0.5 to 3 parts by mass in total of aluminum or aluminum compound with respect to 100 parts by mass of aluminum nitride powder. When the amount is less than 0.1 parts by mass, the above effect is reduced. When the amount exceeds 5 parts by mass, a garnet phase is generated in the liquid phase, which adversely affects the strength expression. Further, since the proportion of the aluminum nitride powder is relatively reduced, it becomes difficult to make the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body 100 W / mK or more, particularly 150 W / mK or more.
[0023]
Examples of aluminum or aluminum compounds include metal aluminum, aluminum fluoride, aluminum nitrate, aluminum oxide, and the like, but aluminum oxide is not recommended because it may reduce the thermal conductivity. The purity of aluminum or aluminum compound is preferably 99.5% or more, particularly preferably 99.9% or more. If it is less than 99.5%, it becomes difficult to make the thermal conductivity of the aluminum nitride sintered body 100 W / mK or more, particularly 150 W / mK or more. The particle size of the aluminum or aluminum compound is preferably 5 μm or less, particularly 1 μm or less in terms of average particle size. When the average particle diameter exceeds 5 μm, the sintered density is lowered, which may adversely affect the thermal conductivity and strength.
[0024]
A ball mill or the like is used to mix the sintering aid or the sintering aid with aluminum or an aluminum compound in the aluminum nitride powder. Next, a binder is added to the mixed raw material in the case of atmospheric pressure sintering, and the mixed raw material is molded by a mold, an isostatic press or sheet molding. Thereafter, the molded body is heated in a stream of nitrogen gas at 350 to 700 ° C. for 1 to 5 hours to remove the binder, and then put into a container made of boron nitride, graphite, or aluminum nitride, and then nitrogen gas, argon Normal pressure sintering is performed at a temperature of 1600 to 1800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as gas. On the other hand, in the case of hot press sintering, the mixed raw material is hot pressed at 1550 to 1750 ° C.
[0025]
Next, the circuit board of the present invention will be described. The circuit board of the present invention is a conventional structure in which the aluminum nitride substrate is an aluminum nitride substrate made of the aluminum nitride sintered body of the present invention. That is, the circuit board of the present invention is formed by forming a metal circuit for mounting a semiconductor element on one surface of an aluminum nitride substrate and forming a metal heat sink on the opposite surface as necessary.
[0026]
There are various thicknesses of the aluminum nitride substrate, and about 0.5 to 1.0 mm is used when the heat radiation characteristic is important, and about 1 to 3 mm is used when it is desired to significantly increase the withstand voltage under high voltage.
[0027]
The material of the metal circuit and the metal heat sink is preferably Al, Cu or Al—Cu alloy. These are used in the form of a single body or a laminated body such as a clad including this as a single layer. Al has a lower yield stress than Cu, is rich in plastic deformation, and can significantly reduce the thermal stress applied to the aluminum nitride substrate when subjected to a thermal stress such as a heat cycle. Can be suppressed, and a highly reliable module is obtained.
[0028]
The thickness of the metal circuit is preferably 0.4 to 0.5 mm in the case of an Al circuit and 0.3 to 0.5 mm in the case of a Cu circuit in terms of electrical and thermal characteristics. On the other hand, the thickness of the metal heat radiating plate is determined so as not to cause warpage during soldering. Specifically, it is preferable that the Al heat sink is 0.1 to 0.4 mm, and the Cu heat sink is 0.15 to 0.4 mm.
[0029]
To form a metal circuit and a metal heat sink on an aluminum nitride substrate, a method of etching after joining the metal plate and the aluminum nitride substrate, a circuit punched from the metal plate, and a pattern of the heat sink are bonded to the aluminum nitride substrate. It can be performed by a method or the like. The aluminum nitride substrate and the metal circuit or the like can be joined by an active metal brazing method using a brazing material containing Ag, Cu or an Ag—Cu alloy and an active metal component such as Ti, Zr, and Hf. .
[0030]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0031]
Example 1
Ln nitrate (purity) with respect to 100 parts by mass of aluminum nitride powder (average particle diameter 0.7 μm) having an oxygen content of 0.7% by mass, a carbon content of 350 ppm, and a cationic metal impurity such as Fe and Ca of 0.03% by mass 99.95%, average particle size 0.8 μm) and aluminum fluoride powder (purity 99.95%, average particle size 0.5 μm) were blended in the proportions shown in Table 1 and mixed by a ball mill. Next, a binder (acrylic resin) was added, kneaded, granulated, and sized, and formed into a sheet. This was held in a nitrogen stream at 500 ° C. for 2 hours, degreased, and then fired at normal temperature for 2 hours in a nitrogen gas atmosphere at the firing temperature shown in Table 1.
[0032]
The density of the obtained aluminum nitride sintered body was measured by the Archimedes method, and the thermal conductivity was measured by the laser flash method. Furthermore, the dielectric breakdown voltage was measured in insulating oil according to JIS C2110. The results are shown in Table 2.
[0033]
[Table 1]
[0034]
[Table 2]
[0035]
From the table, it can be seen that by using two or more kinds of Ln nitrates, carbides, and nitrides in combination, the firing temperature is lowered, there is no oozing or color unevenness, and the dielectric breakdown voltage is improved to 20 kV / mm.
[0036]
The aluminum nitride sintered body of Experiment No. 5 was subjected to surface grinding to obtain an aluminum nitride substrate (size: 0.635 × 50 × 50 mm). Al plates (thickness 0.5 mm, Al) for forming an Al circuit and an Al heat sink through bonding materials (Al-9.5 mass% Si-1 mass% Mg alloy foil) on the front and back surfaces of the aluminum nitride substrate. (99.9% purity), and sandwiched between graphite plates, and heated in a vacuum at 580 ° C. while pressing from the vertical direction of the aluminum nitride substrate. The obtained bonded body was magnified 3 times using soft X-rays and examined for bonding failure, but it was not observed (lower limit detection diameter 0.3 mm).
[0037]
Subsequently, 2 mm around each of the front and back Al plates was etched with a ferric chloride aqueous solution, and electroless Ni—P plating was applied to 3 μm to obtain a module. One Al surface was used as a circuit surface, and a 12.5 mm square silicon chip was soldered to the center with eutectic solder, and the opposite surface was soldered to an Al heat sink as a heat sink surface.
[0038]
In this state, a thermal history test of 3000 cycles is performed with −40 ° C., 30 minutes → room temperature, 10 minutes → 125 ° C., 30 minutes → room temperature, 10 minutes as one cycle, appearance check such as swelling and peeling, and cross section The presence or absence of solder cracks was examined by observation, but no abnormality was found.
[0039]
Example 2
The same test as in Example 1 was performed except that the Ln compounds shown in Table 3 were used. The results are shown in Table 4.
[0040]
[Table 3]
[0041]
[Table 4]
[0042]
【Effect of the invention】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, there is almost no oozing and color unevenness, an insulation breakdown voltage is high, and the aluminum nitride sintered compact suitable as a high heat dissipation board | substrate etc. and its manufacturing method are provided. Moreover, according to this invention, the circuit board for high voltage power modules is provided.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001204560A JP5043260B2 (en) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001204560A JP5043260B2 (en) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003020283A JP2003020283A (en) | 2003-01-24 |
| JP5043260B2 true JP5043260B2 (en) | 2012-10-10 |
Family
ID=19041003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001204560A Expired - Fee Related JP5043260B2 (en) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5043260B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4850667B2 (en) * | 2006-11-17 | 2012-01-11 | 電気化学工業株式会社 | Aluminum nitride sintered body and manufacturing method thereof |
| JP5558160B2 (en) * | 2010-03-29 | 2014-07-23 | 京セラ株式会社 | Ceramic circuit board for probe card and probe card using the same |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62105960A (en) * | 1985-10-30 | 1987-05-16 | 株式会社トクヤマ | Manufacture of aluminum nitride sintered body |
| JPH0558744A (en) * | 1991-04-11 | 1993-03-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Aluminum nitride sintered body |
| JP3404813B2 (en) * | 1992-09-04 | 2003-05-12 | 住友電気工業株式会社 | Aluminum nitride sintered body and method for producing the same |
| JP3145519B2 (en) * | 1992-12-28 | 2001-03-12 | 京セラ株式会社 | Aluminum nitride sintered body |
| JPH0797265A (en) * | 1993-09-27 | 1995-04-11 | Denki Kagaku Kogyo Kk | Sintered material of aluminum nitride and circuit board produced by using the same |
| JP4458722B2 (en) * | 2000-10-23 | 2010-04-28 | 日本碍子株式会社 | Low volume resistance material, aluminum nitride sintered body and semiconductor manufacturing member |
-
2001
- 2001-07-05 JP JP2001204560A patent/JP5043260B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003020283A (en) | 2003-01-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5023165B2 (en) | Ceramic circuit board | |
| JP5245405B2 (en) | Silicon nitride substrate, manufacturing method thereof, silicon nitride wiring substrate using the same, and semiconductor module | |
| JP4812144B2 (en) | Aluminum nitride sintered body and manufacturing method thereof | |
| US10308560B2 (en) | High thermal conductive silicon nitride sintered body, and silicon nitride substrate and silicon nitride circuit board and semiconductor apparatus using the same | |
| JP3629783B2 (en) | Circuit board | |
| JP2007197229A (en) | High-thermal conductive silicon nitride substrate and method of manufacturing the same | |
| JP2698780B2 (en) | Silicon nitride circuit board | |
| JP3193305B2 (en) | Composite circuit board | |
| JP4556162B2 (en) | Silicon nitride-based sintered body, method for producing the same, and circuit board using the same | |
| JP2939444B2 (en) | Multilayer silicon nitride circuit board | |
| JP5043260B2 (en) | Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof | |
| JP2772273B2 (en) | Silicon nitride circuit board | |
| JP2004119735A (en) | Connected substrate, its manufacturing method and ceramic package | |
| JP3973407B2 (en) | Method for producing aluminum nitride sintered body | |
| JP4763929B2 (en) | Aluminum nitride sintered body, manufacturing method thereof, and circuit board using the sintered body | |
| JP2772274B2 (en) | Composite ceramic substrate | |
| JP2899893B2 (en) | Aluminum nitride sintered body and method for producing the same | |
| JP5073135B2 (en) | Aluminum nitride sintered body, production method and use thereof | |
| JP2677748B2 (en) | Ceramics copper circuit board | |
| JP4220869B2 (en) | Manufacturing method of ceramic package | |
| JP3683067B2 (en) | Aluminum nitride sintered body | |
| JP2003073169A (en) | Aluminum nitride sintered compact, its manufacturing method and circuit substrate using the same | |
| JP2000244121A (en) | Silicon nitride wiring board and manufacture thereof | |
| JP4142556B2 (en) | Aluminum nitride sintered body, manufacturing method and use thereof | |
| JP3230861B2 (en) | Silicon nitride metallized substrate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080611 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100729 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111101 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111229 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120424 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120515 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120710 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120712 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150720 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |