JP5130846B2 - 熱伝導性絶縁材料及びその製造方法 - Google Patents

熱伝導性絶縁材料及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を有する熱伝導性絶縁材料、及びその製造方法に関する。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）結晶は、熱伝導性がよく、かつ絶縁性に優れた材料として知られている。そのため、ＡｌＮ結晶は、熱伝導性が要求される絶縁材料、即ち熱伝導性絶縁材料として用いられている。具体的には、このような熱伝導性絶縁材料は、例えば半導体回路の放熱板等として用いられている。
従来、ＡｌＮ結晶は、ＡｌＮ粒子を適当なバインダーと共に成形し、これを焼成してなるＡｌＮ焼結体が用いられていた（特許文献１参照）。
しかしながら、ＡｌＮ焼結体からなるＡｌＮ結晶は、熱伝導性が不十分であるという問題があった。その熱伝導性を向上させるために、焼結体に熱伝導性に優れた金属粒子等を配合することもおこなわれていたが、この場合には、絶縁性が損なわれてしまうおそれがあった。
特開平１０−２６５２６７号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、絶縁性及び熱伝導性に優れた熱伝導性絶縁材料及びその製造方法を提供しようとするものである。
第１の発明の一態様は、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
Ｎ2ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程とを有し、
上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ基板上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法にある（請求項１）。
また、第１の発明の他の態様は、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
Ｎ 2 ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程とを有し、
上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法にある（請求項３）。
また、第１の発明のさらに他の態様は、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
Ｎ 2 ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程とを有し、
上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記反応工程は加熱炉中で行い、
上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法（請求項６）にある。
また、第１の発明のさらに他の態様は、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
Ｎ 2 ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程とを有し、
形成した上記ＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ 2 雰囲気下で加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層を積層形成するという積層工程を少なくとも１回以上繰り返して行う連続積層工程を有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法にある（請求項１０）。
上記第１の発明においては、上記溶融アルミニウム層形成工程と上記反応工程とを行う。上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記のごとく、非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する。このように、上記溶融アルミニウム層形成工程を非酸化性ガス雰囲気下で行うことにより、アルミナ（酸化アルミニウム）の生成を防止しながら上記溶融アルミニウム層を形成することができる。
次いで、上記反応工程においては、上記のごとく、Ｎ2ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する。上記反応工程は、上記Ｎ2ガス雰囲気下で行っているため、上記溶融アルミニウム層にＮ2ガスが溶解する。このとき、上記溶融アルミニウム層中のＡｌ元素と上記溶融アルミニウム層中に溶解したＮ元素とが反応してＡｌＮ結晶を生成させることができる。
上記第１の発明の製造方法によって製造された熱伝導性絶縁材料は、ＡｌＮ結晶が本来有する絶縁性を損ねることなく、優れた熱伝導性を示すことができる。
上記第１の発明の製造方法によって製造された熱伝導性絶縁材料が上記のごとく優れた熱伝導性を示す理由は次のように考えられる。
上記反応工程において生成するＡｌＮ結晶（ＡｌＮ層）は、上記ＡｌＮ基板表面の六方晶のＡｌＮ結晶粒子の結晶構造を継承することができる。即ち、上記ＡｌＮ基板表面のＡｌＮ結晶粒子を起点として結晶粒が一定の方向に成長してなるＡｌＮ結晶が得られる。
そのため、結晶粒子間の空隙が少なく、比較的アスペクト比の大きな結晶粒を有するＡｌＮ結晶を製造することができる。それ故、上記熱伝導性絶縁材料は、上述のごとく優れた熱伝導性を発揮できると考えられる。
第２の発明は、上記第１の発明の製造方法によって製造されたことを特徴とする熱伝導性絶縁材料にある（請求項２１）。
上記第２の発明の上記熱伝導性絶縁材料は、上記第１の発明の製造方法によって製造されたものである。かかる熱伝導性絶縁材料は、上述のごとく、結晶粒子間の空隙が少なく、比較的アスペクト比の大きな結晶粒からなるＡｌＮ結晶を含有する。該ＡｌＮ結晶は、ＡｌＮが本来有する優れた絶縁性を示すことができると共に、優れた熱伝導性を示すことができる。それ故、上記熱伝導性絶縁材料は、優れた熱伝導性と絶縁性とを示すことができる。
第３の発明は、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶と、該ＡｌＮ結晶上に積層形成され、かつその積層方向において上記ＡｌＮ結晶から離れるにつれてＡｌ濃度が大きくなる、Ａｌ及びＡｌＮを含有するＡｌグラジュエント層とを有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
Ｎ2雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程と、
形成したＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ2雰囲気下で加熱するという加熱工程を少なくとも２回以上繰り返すと共に、該加熱工程を繰り返すにつれて上記溶融アルミニウム層へのＮ2ガスの溶解量を小さくしていくことにより、上記Ａｌグラジュエント層を形成するグラジュエント工程とを有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法にある（請求項２２）。
第３の発明においては、上記溶融アルミニウム層形成工程と上記反応工程と上記グラジュエント工程とを行う。
上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記反応工程は、上記第１の発明と同様の工程である。その結果、結晶粒子間の空隙が少なく、比較的アスペクト比の大きな結晶粒を含有するＡｌＮ結晶からなる上記ＡｌＮ層を形成することができる。
上記加熱工程においては、形成した上記ＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ2雰囲気下で加熱する。即ち、上記ＡｌＮ基板上に形成した上記ＡｌＮ層上に上記溶融アルミニウム層形成工程と同様にして上記溶融アルミニウム層を形成し、さらに上記反応工程と同様にして上記ＡｌＮ層を形成することができる。
また、上記第３の発明においては、上記加熱工程を２回以上繰り返し行う上記グラジュエント工程を行う。該グラジュエント工程においては、上記加熱工程を繰り返すにつれて上記溶融アルミニウム層へのＮ2ガスの溶解量を小さくしていく。Ｎ2ガスの溶解量を少なくすると、上記溶融アルミニウム層はＮ2ガスと十分に反応できずに、Ａｌが残留したＡｌＮ層が形成される。上記加熱工程を繰り返すにつれて上記Ｎ2ガスの溶解量を徐々に低下させていくと残留するＡｌ量が徐々に増加する。そのため、上記Ａｌグラジュエント層を形成することができる。
このようにして、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ層と、該ＡｌＮ結晶上に積層形成され、かつその積層方向において上記ＡｌＮ結晶から離れるにつれてＡｌ濃度が大きくなる、Ａｌ及びＡｌＮを含有するＡｌグラジュエント層とを有する熱伝導性絶縁材料を作製することができる。
第４の発明は、上記第３の発明の製造方法によって製造されたことを特徴とする熱伝導性絶縁材料にある（請求項４８）。
上記第４の発明の上記熱伝導性絶縁材料は、上記第３の発明の製造方法によって製造されたものである。かかる熱伝導性絶縁材料は、結晶粒子間の空隙が少なく、比較的アスペクト比が大きな結晶粒子からなるＡｌＮ結晶を有する。即ち、上記熱伝導性絶縁材料は、上記ＡｌＮ結晶によって優れた絶縁性及び熱伝導性を示すことができる。
また、上記熱伝導性絶縁材料は、上記Ａｌグラジュエント層を有している。
そのため、上記熱伝導性絶縁材料を、上記Ａｌグラジュエント層を形成した側で、例えば冷却装置及び発熱体等の外部の熱伝導体に接合させる場合に、金属材料を用いて接合させることができる。即ち、熱伝導性に優れた金属材料の特性を生かして、上記熱伝導性絶縁材料と上記熱伝導体との間で熱伝導性を損ねることなく、接合を行うことができる。また、上記Ａｌグラジュエント層は、金属であるＡｌを含有しているため、接合用の金属材料と容易に接合させることができる。
さらに、上記Ａｌグラジュエント層においては、上記ＡｌＮ結晶から離れるにつれてＡｌ濃度が増加する。そのため、上記Ａｌグラジュエント層の最外層と上記ＡｌＮ結晶との間の熱膨張差を緩和することができる。そのため、例えば上記Ａｌグラジュエント層と上記ＡｌＮ層との間の熱膨張差によって、上記熱伝導性絶縁材料が変形したり破損したりすることを防止することができる。
次に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
まず第１の発明について説明する。
上記第１の発明の上記溶融アルミニウム層形成工程においては、非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する。
上記非酸化性ガス雰囲気は、Ｎ2ガス雰囲気であることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程を上記反応工程と同様のＮ2ガス雰囲気で行うことができるため、雰囲気条件の制御が容易になる。また、上記溶融アルミニウム層形成工程においても、Ｎ2ガスを上記溶融アルミニウム層に溶解させることができる。そのため、上記ＡｌＮ層の形成を促進させることができる。
上記溶融アルミニウム層形成工程は、例えば温度６５０〜１５００℃で行うことができる。
上記溶融アルミニウム層形成工程においては、厚さ０．００１〜１ｍｍで上記溶融アルミニウム層を形成することが好ましい。
溶融アルミニウム層の厚みが０．００１ｍｍ未満の場合には、上記反応工程において形成される上記ＡｌＮ結晶中の結晶粒が小さくなるおそれがある。そのため、結晶粒内の結晶粒子同士の界面が多くなり、熱の移動時に熱は多くの界面を経由する必要が生じるため、熱の伝導が阻害されるおそれがある。その結果、熱伝導性が低下するおそれがある。一方、１ｍｍを越える場合には、溶融アルミニウム層の内部までＮ2ガスと反応させることが困難になり、ＡｌＮ層中にＡｌが残留し易くなるおそれがある。その結果、上記熱伝導性絶縁材料の絶縁性が低下するおそれがある。より好ましくは、上記溶融アルミニウム層の厚みは１０μｍ〜５０μｍであることがよい。
上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ基板上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することが好ましい。
この場合には、均一な厚みで上記ＡｌＮ基板上に上記溶融アルミニウム層を容易に作製することができる。また、上記液滴の粒径を調整することにより、上記溶融アルミニウム層の厚みの制御を容易に行うことができる。さらに、上記溶融アルミニウム層形成工程をＮ2ガス雰囲気下で行う場合には、上記溶融アルミニウムの液滴が上記ＡｌＮ基板上に到達するまでに上記液滴にＮ2ガスを溶融させることができるため、ＡｌＮ層の形成を促進させることができる。
上記液滴の粒径は０．００１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。
粒径０．００１ｍｍ未満の場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程において、上記液滴を上記ＡｌＮ基板上に配列させることが困難になるおそれがある。即ち、上記溶融アルミニウムの液滴をその自重により落下させて上記ＡｌＮ基板上に配列させる際に、上記液滴が反応容器内の気流等の影響を受けて、反応容器の側壁等に付着し、上記ＡｌＮ基板上に配列させることが困難になるおそれがある。また、この場合にも、上述のごとく、上記ＡｌＮ結晶中の結晶粒が小さくなり、熱の移動時に熱が多くの結晶粒同士の界面を経由しなければならなくなるため、熱の伝導が阻害されるおそれがある。一方、１ｍｍを越える場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程において、上記ＡｌＮ基板上に上記液滴を配列させたときに、液滴間に空間が生じるおそれがある。そのため、高密度の上記ＡｌＮ層を形成することが困難になるおそれがある。
また、上記溶融アルミニウム層形成工程において、溶融アルミニウムの液滴を滴下させると上記ＡｌＮ基板に到達するまでに、液滴は周囲のＮ2ガスと反応してその表面の少なくとも一部にＡｌＮが形成される。このとき、液滴の内部は、まだアルミニウムの溶融状態を維持しているが、表面のＡｌＮの部分は、若干硬化した状態になる。特に、液滴を長い距離落下させると、その表面に形成されるＡｌＮ層の厚みはより大きくなる。好ましくは、落下中には薄いＡｌＮの殻が形成される状態にし、上記ＡｌＮ基板に到達したときに殻が破れ、内部の溶融アルミニウムが流出し、均一な厚みの溶融アルミニウム層が形成されるように、液滴の落下距離等を制御することがよい。また、このとき、液滴の粒径が１ｍｍを越える場合には、上記溶融アルミニウム層の外周に形成されるＡｌＮからなる殻の量が多くなるおそれがある。そのため、殻が破れて内部の溶融アルミニウムが流出したときに、破れた殻が均一な厚みの上記溶融アルミニウム層の形成を阻害するおそれがある。また、ＡｌＮからなる殻の部分からランダムに結晶成長が進行するおそれがある。その結果、上記ＡｌＮ結晶中の結晶粒の大きさ、形状、結晶方向等にばらつきが生じて、ＡｌＮ結晶の緻密性が低下するおそれがある。そのため、熱伝導性が低下するおそれがある。より好ましくは、１０μｍ〜５０μｍであることがよい。
上記液滴は、例えば、上記ＡｌＮ基板の上方に配置した溶融アルミニウム供給タンクから上記ＡｌＮ基板上に自重により滴下させることができる。このとき、上記ＡｌＮ基板と上記溶融アルミニウム供給タンクとを相対的に移動させることにより、上記ＡｌＮ基板上に均一な厚みで上記溶融アルミニウム層を形成させることができる。また、上記溶融アルミニウム供給タンクの底部に径及び開閉速度を制御できる液滴供給穴を設けることにより、滴下する液滴の粒径を制御することができる。
また、上記溶融アルミニウムの液滴を滴下する際には、複数の液滴供給穴から液滴を供給することが好ましい。この場合には、上記ＡｌＮ基板上に一度に複数の液滴を滴下させることができため、上記溶融アルミニウム層を形成するまでの時間を短縮させることができる。
上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程における上記溶融アルミニウム層の形成時に、マグネシウムが上記溶融アルミニウムの例えば表面等に形成された酸化物（アルミナ）から酸素を奪い取り、反応性に優れた上記溶融アルミニウム層を形成することができる。その結果、上記反応工程において、上記溶融アルミニウム層と窒素（Ｎ）との反応が進行し易くなり、ＡｌＮ結晶の形成を促進させることができる。
アルミニウム合金としては、Ｍｇを例えば１０質量％以下で含有する合金を採用することができる。
上記アルミニウム合金としては、具体的には、５０００系のアルミニウム合金等を採用することができる。
上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することが好ましい。
この場合には、均一な厚みで上記ＡｌＮ基板上に上記溶融アルミニウム層を容易に作製することができる。また、上記アルミニウムシートの厚みを調整することにより上記溶融アルミニウム層の厚みの制御を容易に行うことができる。さらにこの場合には、ＡｌＮ層中のアルミナ（酸化アルミニウム）量を抑制することができる。アルミニウムシートにおいては、その表面だけが酸化されるからである。
上記アルミニウムシートの厚みは０．００５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましい。
厚み０．００５ｍｍ未満の場合には、アルミニウムシートの表面のＡｌ2Ｏ3等の酸化物層の割合が多くなるおそれがある。即ち、一般にアルミニウムシートには、その厚みにほとんど関係なく両表面に数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の酸化物層が形成されているため、アルミニウムシートの厚さを小さくすると、上述のごとく酸化物層の割合が多くなってしまう。その結果、上記ＡｌＮ層中に酸化物が残留し、上記ＡｌＮ層の熱伝導性が低下するおそれがある。ＡｌＮの熱伝導率は、２００〜３００Ｗ／ｍ／Ｋであるのに対し、Ａｌ2Ｏ3の熱伝導率は１０〜２０Ｗ／ｍ／ＫであることからもＡｌＮ層中のＡｌ2Ｏ3等の酸化物を低減することが好ましいことがわかる。
一方、アルミニウムシートの厚みが１ｍｍを越える場合には、厚み１ｍｍ以下の上記溶融アルミニウム層を形成することが困難になるおそれがある。そのため、上述のごとく、溶融アルミニウム層の内部までＮ2ガスを溶融させてＡｌＮ生成反応を十分に進行させることが困難になり、ＡｌＮ層中にＡｌが残留し易くなるおそれがある。より好ましくは、１０μｍ〜５０μｍであることがよい。
上記ＡｌＮ基板にアルミニウムシートを配置する際には、上記ＡｌＮ基板の温度を制御することができる。
アルミニウムの融点以上の温度（例えば６５０℃以上）に加熱した上記ＡｌＮ基板上に上記アルミニウムシートを配置した場合には、アルミニウムシートがＡｌＮ基板に接触したときに少なくとも一部が溶融アルミニウムになる。そのため、アルミニウムシートを溶解させながら上記ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成することができる。
また、アルミニウムの融点未満の温度の上記ＡｌＮ基板上に配置した場合には、上記ＡｌＮ基板上に上記アルミニウムシートを配置した後、アルミニウムの融点以上の温度に加熱することによりアルミニウムシートを溶融させ上記溶融アルミニウム層を形成することができる。
上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程における上記溶融アルミニウム層の形成時に、マグネシウムが上記アルミニウムシートの例えば表面等に形成された酸化物（アルミナ）から酸素を奪い取り、反応性に優れた上記溶融アルミニウム層を形成することができる。その結果、上記反応工程において、上記溶融アルミニウム層と窒素（Ｎ）との反応が進行し易くなり、ＡｌＮ結晶の形成を促進させることができる。
アルミニウム合金としては、Ｍｇを例えば１０質量％以下で含有する合金を採用することができる。
上記アルミニウム合金としては、具体的には、５０００系のアルミニウム合金等を採用することができる。
また、上記ＡｌＮ基板は、その少なくとも表面がＡｌＮからなる基板である。具体的には、ＡｌＮを主成分とする基板や、Ａｌ、Ｃｕ、スチール等の金属基板又はＳｉ等からなる基板の表面にＡｌＮを主成分とするＡｌＮ被覆層が形成された基板等を用いることができる。上記ＡｌＮ被覆層は、金属基板又はＳｉ基板等の表面全体に形成されていてもよいが、少なくとも上記溶融アルミニウム層を形成する側の面に形成されていればよい。
上記ＡｌＮ基板は、Ｃｕを主成分とするＣｕ基板と、該Ｃｕ基板上に形成されたＡｌＮを主成分とするＡｌＮ被覆層とからなることが好ましい（請求項１９）。
この場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程と上記反応工程とを行うことにより、上記ＡｌＮ被覆層上にＡｌＮ結晶を作製することができる。このとき得られるＡｌＮ結晶は、その端部に上記Ｃｕ基板を含有している。そのため、上記ＡｌＮ結晶を例えば冷却装置及び発熱体等の外部の熱伝導体と接合させる場合に、金属材料を用いて接合させることができる。熱伝導性に優れた金属材料の特性を生かして、上記ＡｌＮ結晶と上記熱伝導体との間で熱伝導性を損ねることなく、接合を行うことができる。また、上記Ｃｕ基板は、金属であるＣｕを主成分とするため、接合用の金属材料と容易に接合させることができる。
上記Ｃｕ基板上に上記ＡｌＮ被覆層形成する方法としては、例えば上記Ｃｕ基板にＡｌＮ粉末をプラズマ溶射等により溶射する方法を採用することができる。
また、上記Ｃｕ基板と上記ＡｌＮ被覆層との間には、ＣｕとＡｌＮとを含有し、かつ上記Ｃｕ基板から上記ＡｌＮ被覆層に向けてＣｕ濃度が小さくなると共にＡｌＮ濃度が高くなるＣｕグラジュエント層を有することが好ましい（請求項２０）。
この場合には、上記Ｃｕ基板と上記ＡｌＮ被覆層及び上記ＡｌＮ結晶との間に、熱膨張差による歪みが発生して上記熱伝導性絶縁材料が破損することを防止することができる。
上記Ｃｕ基板上に上記Ｃｕグラジュエント層を有する上記ＡｌＮ基板は、例えば上記Ｃｕ基板上にＡｌＮ粉末とＣｕ粉末との混合粉末を溶射する際に、徐々に混合粉末中のＡｌＮ粉末量を増加させながら溶射していくことにより作製することができる。
上記ＡｌＮ基板は、その少なくとも上記溶融アルミニウム層を形成する側の表面に分散されたＢＮ粒子を有していることが好ましい（請求項８）。
この場合には、窒化硼素（ＢＮ）粒子がＡｌＮの生成を促す触媒機能として役割を果たすことができる。このときＢＮ粒子は、Ｎ元素を含有する溶融アルミニウムと反応してＡｌＮを生成しつつ、ＡｌＢ12となる。
上記ＢＮ粒子が表面に分散された上記ＡｌＮ基板は、例えばＡｌＮ基板上にＢＮ粒子を溶射することにより作製すことができる。
また、上記ＡｌＮ基板の表面は必ずしも平坦でなくてもよい。表面に複数の段差、又は凹凸を有するＡｌＮ基板を用いることもできる。
次に、上記反応工程においては、Ｎ2ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱する。これにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成することができる。
上記Ｎ2ガス雰囲気においては、ガス圧力を０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａにすることが好ましい。
０．１ＭＰａ未満の場合には、上記溶融アルミニウム層にＮ2ガスを十分に溶解させることが困難になり、ＡｌＮ結晶の生成に要する時間が長くなるおそれがある。また、Ａｌが多量に残存してしまうおそれがある。一方、１０ＭＰａを越える場合には、ＡｌＮ生成反応のスピードが速くなりすぎて、ＡｌＮ結晶粒の大きさ、形状等にばらつきが発生し、ＡｌＮ結晶の緻密性が低下するおそれがある。
また、高温高圧状態の反応容器が要求されるという観点から、上記ガス圧力は１ＭＰａ以下であることが好ましい。
また、上記Ｎ2ガス雰囲気は、Ｎ2ガスの他にＨ2ガスを含有することが好ましい。
この場合には、上記溶融アルミニウム層の酸化を防止することができる。
Ｈ2ガスの含有量は、０．００１〜４Ｖｏｌ％であることが好ましい。
上記反応工程においては、上記ＡｌＮ基板を温度６５０℃〜１５００℃で加熱することが好ましい（請求項９）。
温度６５０℃未満の場合には、溶融アルミニウムから十分なＡｌＮが生成するに前に上記溶融アルミニウム層が固化してしまうおそれがある。一方、１５００℃を越える場合には、ＡｌＮの生成反応が早く進行しすぎて、ＡｌＮ結晶の緻密性が低下するおそれがある。より好ましくは７５０℃〜１２００℃がよい。
また、上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記反応工程は加熱炉中で行うことが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記反応工程における温度制御及び雰囲気制御等を容易に行うことができる。
上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うことが好ましい。
この場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程における上記溶融アルミニウム層の形成時に、上記雰囲気中の上記金属マグネシウムがアルミニウムの例えば表面などに形成された酸化物（アルミナ）から酸素を奪い取り、反応性に優れた上記溶融アルミニウム層を形成することができる。その結果、上記反応工程において、上記溶融アルミニウム層と窒素（Ｎ）との反応が進行し易くなり、ＡｌＮ結晶の形成を促進させることができる。
また、上記金属マグネシウムは、上記溶融アルミニウム層形成工程において蒸発して雰囲気（上記非酸化性ガス雰囲気）中に含有されていればよいが、その後の上記反応工程における雰囲気ガス（上記Ｎ2ガス雰囲気）中にも含有させることができる。
上記金属マグネシウムとしては、例えば板状又はペレット状等のマグネシウムを採用することができる。
また、形成した上記ＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ2雰囲気下で加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層を積層形成するという積層工程を少なくとも１回以上繰り返して行う連続積層工程を有することが好ましい。
この場合には、ＡｌＮ層が複数積層されてなる厚みの大きなＡｌＮ結晶を作製することができる。また、積層数を調整することにより、ＡｌＮ結晶の厚みを制御することができる。
このとき、１回目の積層工程においては、上記反応工程において作製した上記ＡｌＮ層の結晶構造を継承したＡｌＮ結晶を成長させることができる。さらに、２回以上繰り返して行う場合においても、前回行った積層工程において形成されたＡｌＮ層中のＡｌＮ結晶の結晶構造を継承したＡｌＮ結晶を成長させることができる。そのため、上記連続積層工程においても、結晶粒子間の空隙が少なく、結晶粒がそれぞれ一定の方向に成長してなるＡｌＮ結晶を形成することができる。
上記積層工程においては、上記溶融アルミニウム層形成工程と同様に、上記ＡｌＮ層上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ層上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することができる（請求項１１）。
また、上記積層工程においても、上記溶融アルミニウム層形成工程と同様の理由により、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項１２）。
また、上記積層工程においては、上記溶融アルミニウム層形成工程と同様に、上記ＡｌＮ層上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することもできる（請求項１３）。
また、上記積層工程においても、上記溶融アルミニウム層形成工程と同様の理由により、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項１４）。
また、上記溶融アルミニウム層形成工程と同様に、上記積層工程は加熱炉中で行うことができる（請求項１５）。
このとき、上記溶融アルミニウム層形成工程と同様に、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うができる（請求項１６）。
また、上記積層工程においては、上記反応工程と同様の理由により、上記ＡｌＮ基板を温度６５０℃〜１５００℃で加熱することが好ましい（請求項１７）。
上記反応工程においては、ＡｌＮ結晶粒が均一に配列され、かつ結晶粒子同士間の空隙が小さくなるように結晶成長させることが好ましい。具体的には、上記反応工程における温度制御及び上記溶融アルミニウム層の厚み等を制御することによって実現できる。
また、溶融アルミニウム層に十分量のＮ2ガスを溶解させることが重要である。そのため、上述のごとくＮ2ガスの圧力０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａに制御することが好ましい。
また、上記Ａｌ結晶を形成した後においては、該ＡｌＮ結晶から上記ＡｌＮ基板を取り除く除去工程を行うことができる（請求項１８）。
この場合には、上記ＡｌＮ基板を有していない熱伝導性絶縁材料を得ることができる。上記除去工程は、熱伝導性絶縁材料の用途に応じて適宜行うことができる。
次に、上記第３の発明の製造方法について説明する。
上記第３の発明においては、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶と、該ＡｌＮ結晶上に形成Ａｌグラジュエント層とを有する熱伝導性絶縁材料を製造する。Ａｌグラジュエント層は、Ａｌ及びＡｌＮを含有し、上記ＡｌＮ層からなる上記ＡｌＮ結晶から積層方向（該ＡｌＮ結晶と上記グラジェント層との積層方向）に離れる向きにＡｌ濃度が大きくなる。
上記第３の発明においては、上記第１の発明と同様に、上記溶融アルミニウム層形成工程と上記反応工程とを行う。
したがって、上記第３の発明においても、上述のように上記第１の発明と同様の好ましい形態で上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記反応工程を実施することができる。
例えば、上記第２の発明においても、上記第１の発明と同様に、上記非酸化性ガス雰囲気は、Ｎ2ガス雰囲気であることが好ましい（請求項２３）。
また、上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ基板上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することが好ましい（請求項２４）。
また、このとき、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項２５）。
また、上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することが好ましい（請求項２６）。
このとき、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項２７）。
さらに、上記ＡｌＮ基板は、その少なくとも上記溶融アルミニウム層を形成する側の表面に分散されたＢＮ粒子を有していることが好ましい（請求項４４）。
上記ＡｌＮ結晶から上記ＡｌＮ基板を取り除く除去工程を有することが好ましい（請求項４６）。
上記ＡｌＮ基板は、Ｃｕを主成分とするＣｕ基板と、該Ｃｕ基板上に形成されたＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層とからなることが好ましい（請求項４６）。
上記Ｃｕ基板と上記ＡｌＮ層との間には、ＣｕとＡｌＮとを含有し、かつ上記Ｃｕ基板から上記ＡｌＮ層に向けてＣｕ濃度が小さくなると共にＡｌＮ濃度が高くなるＣｕグラジュエント層を有することが好ましい（請求項４７）。
また、上記第３の発明においては、上記グラジュエント工程を行う。上記グラジュエント工程においては、形成した上記ＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ2雰囲気下で加熱するという加熱工程を少なくとも２回以上繰り返して行う。このとき、上記加熱工程を繰り返すにつれて上記溶融アルミニウム層へのＮ2ガスの溶解量を小さくしていくことにより、上記Ａｌグラジュエント層を形成する。
上記グラジュエント工程においては、例えばＮ2雰囲気におけるＮ2ガスの圧力を上記加熱工程を繰り返すにつれて徐々に低下させていくことにより上記Ａｌグラジュエント層を形成することができる。また、上記加熱工程における加熱時間を徐々に短くすることにより上記Ａｌグラジュエント層を形成することもできる。また、上記加熱工程における加熱温度を徐々に低下させることにより上記Ａｌグラジュエント層を形成することもできる。また、これらの方法を組み合わせることもできる。
上記Ａｌグラジュエント層の最外層上にＡｌからなるＡｌ層を形成するＡｌ層形成工程を有することが好ましい（請求項３５）。
この場合には、上記ＡｌＮ基板側とは反対側の端部にＡｌ層を有する上記熱伝導性絶縁材料を作製することができる。そのため、上記熱伝導性絶縁材料を例えば冷却装置及び発熱体等の外部の熱伝導体と接合させる場合に、上記Ａｌ層側で金属材料を用いて接合させることができる。即ち、熱伝導性に優れた金属材料の特性を生かして、上記熱伝導性絶縁材料と上記熱伝導体との間で熱伝導性を損ねることなく、接合を行うことができる。また、上記Ａｌ層は、金属であるＡｌを主成分とするため、接合用の金属材料と容易に接合させることができる。
上記Ａｌ層形成工程は、例えば上記加熱工程を繰り返して行う上記グラジュエント工程において、最後に行う加熱工程をＮ2ガスをほとんど含まない雰囲気中で行うことにより簡単に実現できる。
上記加熱工程においては、上記溶融アルミニウム層形成工程と同様に、上記ＡｌＮ層上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ層上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することができる（請求項２８）。
このとき、上記溶融アルミニウム層形成工程の場合と同様に、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項２９）。
また、上記加熱工程においては、上記溶融アルミニウム層形成工程と同様に、上記ＡｌＮ層上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することもできる（請求項３０）。
このとき、上記溶融アルミニウム層形成工程の場合と同様に、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項３１）。
また、上記溶融アルミニウム層形成工程、上記反応工程、及び上記加熱工程は、加熱炉中で行うことができる（請求項３２）。
この場合には、上記溶融アルミニウム層形成工程、上記反応工程、及び上記加熱工程における温度制御及び雰囲気制御を容易に行うことができる。
また、上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記加熱工程においては、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うことが好ましい（請求項３３）。
この場合には、上記第１の発明と同様に、上記溶融アルミニウム層の形成時に、上記雰囲気中の上記金属マグネシウムがアルミニウムの例えば表面などに形成された酸化物（アルミナ）から酸素を奪い取り、反応性に優れた上記溶融アルミニウム層を形成することができる。その結果、上記反応工程において、上記溶融アルミニウム層と窒素（Ｎ）との反応が進行し易くなり、ＡｌＮ結晶の形成を促進させることができる。
また、上記金属マグネシウムは、上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記加熱工程において蒸発して雰囲気（上記非酸化性ガス雰囲気）中に含有されていればよいが、上記反応工程における雰囲気ガス（上記Ｎ2ガス雰囲気）中にも含有させることができる。
上記金属マグネシウムとしては、例えば板状又はペレット状等のマグネシウムを採用することができる。
また、上記反応工程及び上記加熱工程においては、上記第１の発明の上記反応工程と同様の理由により、上記ＡｌＮ基板を温度６５０℃〜１５００℃で加熱することが好ましい（請求項３４）。
上記反応工程と上記グラジュエント工程との間には、上記第１の発明と同様に、形成したＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ2雰囲気下で加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層を積層形成するという積層工程を少なくとも１回以上繰り返して行う連続積層工程を行うことが好ましい（請求項３６）。
上記積層工程においては、上記第１の発明と同様の好ましい実施形態を採用することができる。
例えば、上記積層工程においては、上記ＡｌＮ層上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ層上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することが好ましい（請求項３７）。
このとき、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項３８）。
また、上記積層工程においては、上記ＡｌＮ層上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することが好ましい（請求項３９）。
このとき、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることが好ましい（請求項４０）。
また、上記積層工程は加熱炉中で行うことができる（請求項４１）。
また、このとき、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うことができる（請求項４２）。
さらに上記積層工程においては、上記ＡｌＮ基板を温度６５０℃〜１５００℃で加熱することが好ましい（請求項４３）。
（実施例１）
次に、本発明の実施例につき、図１〜図１３を用いて説明する。
本例においては、溶融アルミニウム層形成工程と反応工程とを行うことにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を作製する。
図８に示すごとく、本例の熱伝導性絶縁材料１は、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０を含有する。特に本例においては、複数のＡｌＮ層１５が積層形成されてなるＡｌＮ結晶１５０を含有する熱伝導性絶縁材料１を作製する。
溶融アルミニウム層形成工程においては、図３に示すごとく、非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板１１上に溶融アルミニウム層１２０を形成する。本例の溶融アルミニウム層形成工程においては、図２及び図３に示すごとく、ＡｌＮ基板１１上にアルミニウムシート１２を配置し、アルミニウムシート１２を溶融させることにより、溶融アルミニウム層１２０を形成する。また、反応工程においては、Ｎ2ガス雰囲気下で、溶融アルミニウム層１２０を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶を形成する。
以下、本例の熱伝導性絶縁材料１の作製方法について、図１〜図９を用いて詳細に説明する。
本例においては、図９に示すごとく、加熱炉２を用いて熱伝導性絶縁材料を製造する。加熱炉２は、底部に可動装置（図示略）を内蔵した台座２１を有している。台座２１からは可動装置の可動部２２が突出し、可動部２２には断面凹形状の可動台座２３が連結されている。可動台座２３は、可動装置を作動させることにより図中矢印ａの方向及び矢印ａと垂直な方向に平行移動させることができる。また、可動台座２３内には、ＡｌＮ基板１１を配置するための坩堝２４が配置される。つぼ状の可動台座２４の底部及び外壁内にはヒータ２５が内蔵されており、坩堝２３内に配置されたＡｌＮ基板１１を加熱することができる。
また、可動台座２３の上方には、厚み０．０１８ｍｍのアルミニウムシート（アルミフォイル）１２（１３）をロール上に巻回させてなるアルミロール１９が配置されている。
まず、図１に示すごとく、表面にＢＮ粒子１１５が分散配置されたＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ基板１１を準備した。
次に、図９に示すごとく、ＡｌＮ基板１１を加熱炉２内の可動台座２３上の坩堝２４内に配置した。次いで、加熱炉２内の真空引きを行い、約１０-6Ｐａというほぼ真空状態にした後、加熱炉２内にＮ2ガスを導入して加熱炉２内の圧力を１ＭＰａにした。本例において用いたＮ2ガスは、N2の他に約４ｖｏｌ％のＨ2を含有する。
次いで、図９に示すごとく、ヒータ２５を作動させ、坩堝２３内に配置されたＡｌＮ基板１１を温度８００℃に加熱し、アルミニウムシート１２がたれ下がるようにアルミロール１９を回転させてアルミニウムシート１２をＡｌＮ基板１１上に配置させた。このとき、可動台座２３を平行移動させることにより、ＡｌＮ基板１１上の一方の端部から他方の端部に向けてアルミニウムシート１２を配置させた（図２参照）。アルミロール１９に連なるアルミニウムシートは、ＡｌＮ基板１１上に配置されたアルミニウムシート１２が溶融することにより、アルミロール１９から分断される。
このようにして、ＡｌＮ基板１１上にアルミニウムシート１２を配置すると共に、加熱されたＡｌＮ基板１１の熱によってアルミニウムシート１２を溶融させて、図３に示すごとく、ＡｌＮ基板１１上に厚み約０．０１８ｍｍの溶融アルミニウム層１２０を形成した。
次に、ヒータ２５によりＡｌＮ基板１１上の溶融アルミニウム層１２０を温度８００℃で２時間加熱した（図９及び図３参照）。これにより、溶融アルミニウム層１２０が加熱炉２内のＮ2ガスと反応し、ＡｌＮ基板１１上にＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層１２５を形成した（図３、図４、及び図９参照）。このようにして、ＡｌＮ基板１１上にＡｌＮ層１２５からなるＡｌＮ結晶を作製した。
また、本例においては、形成したＡｌＮ層１２５上に再度溶融アルミニウム層１３０を形成し、溶融アルミニウム層１３０をＮ2雰囲気下で加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層１３５を積層形成するという積層工程を繰り返して行う連続積層工程を行った（図５〜図８参照）。
即ち、図５に示すごとく、上記のようにしてＡｌＮ基板１１上に形成したＡｌＮ層１２５上に、上述した方法と同様の方法により、アルミロール１９から供給されるアルミニウムシート１３を配置すると共に、アルミニウムシート１３を溶融させて、図６に示すごとく、ＡｌＮ基板１１上に溶融アルミニウム層１３０を形成した。次いで、この溶融アルミニウム層１３０を加熱することにより、溶融アルミニウム層１３０とＮ2ガスとを反応させ、図７に示すごとく、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層１３５を積層形成した。さらに積層形成を繰り返すことにより、図８に示すごとく、複数のＡｌＮ層１５が積層形成されてなるＡｌＮ結晶１５０を作製した。このようにして、ＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料１を得た。これを試料Ｅとする。
次に、本例においては、上記のようにして作製した試料Ｅの特徴を明らかにするため、その比較用として、ＡｌＮ粒子を焼結させてなるＡｌＮ結晶（試料Ｃ）を作製した。
具体的には、まずＡｌＮ粒子と有機バインダーとを混合し、混合原料を得た。次いで、この混合原料をシート状に成形して成形体を得た。次に、成形体を温度約１５００℃約４時間で焼成することにより、ＡｌＮ焼結体からなるＡｌＮ結晶を得た。これを試料Ｃとする。
次に、試料Ｅと試料Ｃについて、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、結晶構造の違いを比較した。なお、試料Ｅについては、ＡｌＮ結晶１５０の断面をＳＥＭで観察した（図８参照）。その結果を図１０（試料Ｅ）及び図１１（試料Ｃ）に示す。
図１１に示すごとく、試料Ｃにおいては、略球形状のＡｌＮ結晶粒が焼結してなっていることがわかる。これに対し、図１０に示すごとく、試料Ｅにおいては、結晶粒がそれぞれ一定の方向に成長して、アスペクト比の大きなＡｌＮ結晶粒を形成していることがわかる。また、試料Ｅにおいては、ＡｌＮ結晶粒間の空隙は小さく、ＡｌＮ結晶粒が密集していることがわかる。
このように、試料Ｅは、焼結によって作製したＡｌＮ結晶（試料Ｃ）とは明らかに異なる結晶構造を有していた。
試料Ｅにおいて、上記のような特徴的な結晶構造が形成された理由は、溶融アルミニウム層１２０、１３０とＮ2ガスとを反応させてＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶を形成させる工程（反応工程及び積層工程）において、析出するＡｌＮ結晶粒がＡｌＮ基板１１又はＡｌＮ層１２５の表面の六方晶のＡｌＮ結晶粒子の結晶構造を継承して成長したためであると考えられる（図３、図４、図６、及び図７参照）。その結果、上記のごとく、結晶粒子間の空隙が少なく、アスペクト比の高いＡｌＮ結晶粒子からなるＡｌＮ結晶を有する熱伝導性絶縁材料を作製できると考えられる。そのため、本例の熱伝導性絶縁材料は、絶縁性を示すと共に、優れた熱伝導性を発揮することができる。
また、本例においては、ＡｌＮからなるＡｌＮ基板を用いたが、ＡｌＮ基板は必ずしも全体がＡｌＮからなるものを用いる必要はなく、少なくとも溶融アルミニウム層を形成する面がＡｌＮからなるものであればよい。
また、図１２に示すごとく、Ｃｕを主成分とするＣｕ基板３２と、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ被覆層３６と、Ｃｕ基板３２及びＡｌＮ被覆層３６の間に形成されたＣｕグラジュエント層３３、３４、３５とを有するＡｌＮ基板３１を用いることもできる。このＣｕグラジュエント層３３、３４、３５は、ＣｕとＡｌＮとを含有し、かつＣｕ基板３２からＡｌＮ被覆層３６に向けてＣｕ濃度が小さくなると共にＡｌＮ濃度が高くなっていく層である。
このようなＣｕグラジュエント層３３、３４、３５を有するＡｌＮ基板３１は、ＡｌＮ粉末及び／又はＣｕ粉末をＣｕ基板３２上にプラズマ溶射等により溶射することにより作製することができる。
即ち、まず、Ｃｕ基板３２上にＡｌＮ粉末とＣｕ粉末との混合粉末を溶射し、Ｃｕ粉末とＡｌＮ粉末とからなるＣｕ−Ａｌ層３３を形成する。次いでＣｕ−Ａｌ層３３上にさらに混合粉末を順次溶射していくことによりＣｕ−Ａｌ層３４、３５を順次積層形成する。このとき、Ｃｕ−Ａｌ層３３（３４）上にＣｕ−Ａｌ層３４（３５）を順次積層形成するごとに、徐々に混合粉末中のＣｕ粉末の配合割合を減らすと共に、ＡｌＮ粉末の割合を増加させることにより、上記のごとくＣｕグラジュエント層３３、３４、３５を形成することができる。
次に、Ｃｕグラジュエント層３５上にＡｌＮ粉末を溶射することにより、ＡｌＮ被覆層３６を形成することができる。
以上のようにして、図１２に示すごとく、Ｃｕ基板３２とＣｕグラジュエント層３３、３４、３５とＡｌＮ被覆層３６とを順次積層してなるＡｌＮ基板３１を得ることができる。
このＡｌＮ基板３１を用いて、上述のごとく、本例と同様の溶融工程、反応工程、及び連続積層工程を行ってＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０を形成すると、図１３に示すごとく、積層方向の一方の端部にＣｕ基板３２を有し、もう一方の端部側にＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０を有する熱伝導性絶縁材料３を作製することができる。
熱伝導性絶縁材料３は、Ｃｕ基板３２を端部に有しているため、熱伝導性絶縁材料３を例えば冷却装置及び発熱体等の外部の熱伝導体と接合させる場合には、Ｃｕ基板３２側において金属材料を用いて接合させることができる。この場合には、熱伝導性に優れた金属材料の特性を生かして、熱伝導性絶縁材料３と熱伝導体との間の熱伝導性がほとんど損われることなく、両者の接合を行うことができる。また、Ｃｕ基板３２は、金属であるＣｕを主成分とするため、接合用の金属材料と比較的容易に接合させることができる。
また、熱伝導性絶縁材料３は、Ｃｕ基板３２とＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０との間にＣｕグラジュエント層３３、３４、３５を有している。そのため、熱伝導性絶縁材料２においては、Ｃｕグラジュエント層３３、３４、３５によってＣｕ基板とＡｌＮ層との間の熱膨張差が緩和される。したがって、熱膨張差による変形や破損等を防止することができる。
（実施例２）
本例は、実施例１とは異なる方法によって溶融アルミニウム層を形成し、熱伝導性絶縁材料を作製する例である。
即ち、本例においては、図１４、図１５及び図２１に示すごとく、ＡｌＮ基板４１上に溶融アルミニウムの液滴４２を滴下しつつ該液滴４２をＡｌＮ基板４１上に配列させることにより、溶融アルミニウム層４２０を形成する。
本例においては、図２１に示すような加熱炉５を用いて、熱伝導性絶縁材料４を作製する。
同図に示すごとく、加熱炉５は、その底部に、実施例１の加熱炉２（図９参照）と同様の構成で、台座５１、可動装置（図示略）、可動部５２、可動台座５３、坩堝５４、ヒータ５５を備えている。また、加熱炉５の上部には、可動台座５３と対向する位置に、溶融アルミニウム供給タンク６が配置されている。溶融アルミニウム供給タンク６は、底部の中央に直径１０〜３００μｍの液滴供給穴６２５が形成された坩堝６２と、この坩堝６２５を保持するための加熱炉５の上部に連結された台座６１とを有している。台座６１には、液滴供給穴６２５を通過して落下する液滴４２が通過できる孔６４が形成されている。また、台座６１内には、ヒータ６１５が内蔵されており、このヒータ６１５によって坩堝６２内を加熱することができる。
坩堝６２の液滴供給穴６２５には、供給穴６２５の開閉を可能にする制御棒６３が挿入されている。この制御棒６３の供給穴６２５への抜き差しを制御することにより、液滴供給穴６２５の開閉を制御することができる。
以下、本例の熱伝導性絶縁材料の製造方法について詳細に説明する。
まず、実施例１と同様に、図１４に示すごとく、表面にＢＮ粒子４１５が分散配置されたＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ基板４１を準備した。このＡｌＮ基板４１を加熱炉５内の可動台座５３上の坩堝５４内に配置した（図２１参照）。
また、溶融アルミニウム供給タンク６の坩堝６２内に溶融アルミニウムを供給するとともに、ヒータ６２５の加熱によって、その溶融状態を保持させた。このとき、液滴供給穴６２５には制御棒６３が挿入されて液滴供給穴６２５は塞がれた状態になっている。
次いで、実施例１と同様にして、加熱炉５内の真空引きを行った後、加熱炉５内にＨ2ガスを約４ｖｏｌ％含有するＮ2ガスを導入した。そして、ヒータ５５を作動させて、坩堝５４内に配置したＡｌＮ基板４１を温度８００℃に加熱した。
次に、制御棒６３を液滴供給穴６２５から引き抜く操作と、液滴供給穴６２５に挿入する操作とを一定の周期で繰り返し行うことにより、液滴供給穴６２５から連続的に粒径１０〜５０μｍの溶融アルミニウムの液滴４２を滴下させた。そして、図１４及び図２１に示すごとく、液滴４２がＡｌＮ基板４１上に到達する毎に、一定の間隔で可動台座５３を矢印ｂの方向及び矢印ｂと垂直な方向に平行移動させることにより、溶融アルミニウムの液滴５４をＡｌＮ基板４１上に配列させた。この操作を繰り返し行うことにより、図１５に示すごとくＡｌＮ基板４１上に溶融アルミニウム層４２０を形成した。
その後、実施例１と同様にして、溶融アルミニウム層４２０をＮ2ガス雰囲気下で加熱して溶融アルミニウム層４２０とＮ2ガスとを反応させ、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層４２５を形成した（図１６参照）。さらに、形成したＡｌＮ層４２５上に溶融アルミニウムの液滴４３を滴下しすることにより再度溶融アルミニウム層４３０を形成し、この溶融アルミニウム層４３０をＮ2雰囲気下で加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層４３５を積層形成するという積層工程を繰り返し行った（図１７〜図２０参照）。
このようにして、図２０に示すごとく、ＡｌＮ基板４１上にＡｌＮ層４５からなるＡｌＮ結晶４５０を有する熱伝導性絶縁材料４を作製した。
本例において作製した熱伝導性絶縁材料４のＡｌＮ結晶４５０においても、実施例１と同様に、アスペクト比の大きなＡｌＮ結晶粒が形成されていた（図示略）。また、ＡｌＮ結晶粒間の空隙は小さく、ＡｌＮ結晶粒が密集していた。
（実施例３）
本例は、図２６に示すごとく、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０と、ＡｌＮ及びＡｌを含有し、かつＡｌＮ層１５上に形成されると共に該ＡｌＮ層１５から離れるにつれてＡｌ濃度が増加するＡｌグラジュエント層１７１、１７２、１７３とを有する熱伝導性絶縁材料７を製造する例である。
本例の熱伝導絶縁材料７の作製にあたっては、まず、実施例１と同様にして、加熱炉２を用いて、試料Ｅ１と同様の熱伝導性絶縁材料１を作製した（図８及び図９参照）。
次いで、熱伝導性絶縁材料１のＡｌＮ結晶１５０上に実施例１と同様にしてアルミニウムシート１２９を配置し（図２２参照）、このアルミニウムシート１２９を溶融させて溶融アルミニウム層１９０を形成した（図２３参照）。さらに、加熱を行うことにより溶融アルミニウム層１９０中のＡｌＮを部分的にＮ2ガスと反応させてＡｌＮを析出させた。このようにして、ＡｌとＡｌＮとを含有するＡｌグラジュエント層１７１を形成した。
さらに、このＡｌＮグラジュエント層１７１上に、再びアルミニウムシートを配置して溶融アルミニウム層を形成する工程と、Ｎ2ガス雰囲気で加熱する工程を繰り返すことによりＡｌＮグラジュエント層１７１、１７２、１７３を積層形成した（図２５参照）。本例のＡｌＮグラジュエント層１７１、１７２、１７３は、積層形成を繰り返す毎に加熱炉内のＮ2ガス圧力を低下させることにより形成した。よって、Ａｌグラジュエント層１７１、１７２、１７３においては、ＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０から離れるにつれてより高濃度のＡｌを含有する。その後、Ｎ2ガスを含有しない雰囲気条件（非酸化性ガス雰囲気下）でＡｌグラジュエント層１７３上に溶融アルミニウム層を形成し、これを冷却固化させることによりＡｌ層１８を形成した（図２５参照）。
次に、図２５及び図２６に示すごとく、アルミニウム結晶１５０からＡｌＮ基板１１を切断により取り除いた。
このようにして、図２６に示すごとく、結晶成長によって形成されたＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０と、Ａｌグラジュエント層１７１、１７２、１７３と、ＡｌＮ層１８とが順次積層形成された熱伝導性絶縁材料７を得た。
本例の熱伝導性絶縁材料７は、Ａｌグラジュエント層１７１、１７２、１７３を有している。そのため、熱伝導性絶縁材料７を、そのＡｌグラジュエント層を形成した側で、例えば冷却装置及び発熱体等の外部の熱伝導体に接合させる場合に、金属材料を用いて接合させることができる。即ち、熱伝導性に優れた金属材料の特性を生かして、熱伝導性絶縁材料７と上記熱伝導体との間で熱伝導性を損ねることなく、接合を行うことができる。また、Ａｌグラジュエント層は金属であるＡｌを含有しているため接合用の金属材料と容易に接合させることができる。
さらに、Ａｌグラジュエント層１７１、１７２、１７３は、Ａｌ層１８とＡｌＮ結晶１５０との間の熱膨張差を緩和することができる。そのため、例えばＡｌグラジュエント層とＡｌＮ結晶１５０との間で熱膨張差による歪みが発生し、熱伝導性絶縁材料７が破損することを防止することができる。
また、本例において作製した熱伝導性絶縁材料７を２つ作製し、これらをＡｌＮ結晶１５０側で接着させることにより、図２７に示すごとく、ＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を有すると共に、その積層方向の両端部にＡｌグラジュエント層１７１、１７２、１７３及びＡｌ層１８をそれぞれ有する熱伝導性絶縁材料８１を作製することができる。接着にもちいる接着剤としては、例えば低融点のＳｉＯ2等を用いることができる。
また、実施例１におけるＣｕ基板３２とＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０との間にＣｕグラジュエント層３３、３４、３５を有する熱伝導性絶縁材料２と、本例の熱伝導性絶縁材料７とをＡｌＮ結晶１５０同士で接着させることもできる。この場合には、図２８に示すごとく、ＡｌＮ層１５からなるＡｌＮ結晶１５０を有すると共に、その積層方向の一方の端部にＡｌグラジュエント層１７１、１７２、１７３及びＡｌ層１８を有し、もう一方の端部にはＣｕグラジュエント層３３、３４、３５及びＣｕ基板３２をそれぞれ有する熱伝導性絶縁材料８２を作製することができる。
（実施例４）
実施例１〜３においては、ＢＮ粒子が分散されたＡｌＮ基板を用いて熱伝導性絶縁材料を作製したが、本例においては、ＢＮ粒子が分散されていないＡｌＮ基板を用いて、ＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する。また、本例においては、加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、その少なくとも一部を加熱炉内の雰囲気中に蒸発させてＡｌＮ基板上にＡｌＮ結晶を形成する。
まず、本例においては、図２９（ａ）に示すごとく、Ｓｉ基板９１１と、該Ｓｉ基板９１１上に形成されたＡｌＮ被膜層９１０とを有するＡｌＮ基板９１を作製する。
具体的には、スパッタリングにより、厚さ０．６ｍｍのＳｉ基板９１１上に厚さ約１μｍのＡｌＮからなるＡｌＮ被膜層９１０を形成した。
スパッタリングにおいては、真空チャンバー（真空度０．０００１〜０．０１Ｐａ、温度室温〜２００℃）内にアルミニウム板をターゲットとして設置し、高電圧をかけてプラズマを発生させ、窒素をアルミニウム板に衝突させる。これにより、アルミニウム板からアルミニウムがはじきとばされると共にＡｌＮが生成し、Ｓｉ基板の表面に到達して上記ＡｌＮ被膜層を形成する。このようにして、図２９（ａ）に示すごとく、Ｓｉ基板９１１上にＡｌＮ被膜層９１０が形成されたＡｌＮ基板９１を得た。
このようにして得られたＡｌＮ基板９１のＡｌＮ皮膜層９１０について、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定（ＸＲＤ、θ−２θ法）を行った。その結果（ＸＲＤパターン）を図３１に示す。なお、同図には、参照用として、ＪＣＰＤＳカードに登録されているＡｌＮ、ＭｇＯ（ペリクレース）、ＭｇＡｌ2Ｏ4（スピネル）、Ｓｉ（シリコン）、及びＭｇＣＯ3（マグネサイト）のＸＲＤパターンを併記してある。
図３１より知られるごとく、本例のＡｌＮ基板９１のＡｌＮ被膜層９１０は、ＡｌＮ由来のピーク（●印）を示しており、ＡｌＮが形成されていることがわかる。また、ＡｌＮ被膜層９１０は、後述の溶融アルミニウム層を形成する面において、２θ＝約４２°の位置に顕著なピークを有している。このピークは、ＡｌＮ結晶構造の（００２）面に由来するピークであることから、ＡｌＮ皮膜層９１０の溶融アルミニウム層形成面においては、主に（００２）面が配向していることがわかる。また、２θ＝約８３°及び２θ＝約９２°の位置にも比較的強いピーク（▽印）を有しているが、これはＳｉ基板９１１のＳｉ由来のピークである。
次に、図３０に示すごとく、加熱炉２０を準備した。
本例の加熱炉２０は、実施例１の加熱炉と同様とほぼ同様の構成を有している。即ち加熱炉２０は、図３０に示すごとく、底部に可動装置（図示略）を内蔵した台座２１を有している。台座２１からは可動装置の可動部２２が突出し、可動部２２には断面凹形状の可動台座２３が連結されている。可動台座２３は、可動装置を作動させることにより図中矢印ａの方向及び矢印ａと垂直な方向に平行移動させることができる。また、可動台座２３内には、ＡｌＮ基板９１を配置するための坩堝２４が配置されている。つぼ状の可動台座２３の底部及び外壁内にはヒータ２５が内蔵されており、坩堝２４内に配置されたＡｌＮ基板９１を加熱することができる。
また、可動台座２３の上方には、厚み０．０１８ｍｍのアルミニウムシート（アルミフォイル）９２をロール上に巻回させてなるアルミロール９９が配置されている。
本例の加熱炉２０は、断面凹形状の可動台座２３の突出部分に、金属マグネシウム９０を配置するためのＭｇ台座２８を有しており、Ｍｇ台座２８には、ペレット状の金属マグネシウム９０が配置されている。Ｍｇ台座２８に配置された金属マグネシウム９０は、可動台座２３に内蔵されたヒータ２５により加熱される。
次に、この加熱炉２０内の可動台座２３上の坩堝２４内に、本例において作製した上記ＡｌＮ基板９１を配置した。次いで、加熱炉２０内の真空引きを行い、加熱炉２０内を約０．００１〜０．１Ｐａというほぼ真空状態にした後、加熱炉２０内にＮ2ガスを導入して加熱炉２０内の圧力を約０．１ＭＰａにした。
次いで、実施例１と同様に、ヒータ２５を作動させ、坩堝２３内に配置されたＡｌＮ基板９１を温度９００℃に加熱し、アルミニウムシート９２がたれ下がるようにアルミロール９９を回転させてアルミニウムシート９２をＡｌＮ基板９１上に配置させた。このとき、可動台座２３を平行移動させることにより、ＡｌＮ基板９１上の一方の端部から他方の端部に向けてアルミニウムシート９２を配置させた。図３０に示すごとく、アルミロール９９に連なるアルミニウムシート９２は、ＡｌＮ基板９１上に配置されたアルミニウムシート９２が溶融することにより、アルミロール９９から分断される。
このようにして、ＡｌＮ基板９１のＡｌＮ皮膜層９１０上にアルミニウムシート９２を配置させた（図２９（ｂ）参照）。また、加熱されたＡｌＮ基板９１の熱によってＡｌＮ基板９１上に配置されたアルミニウムシート９２は溶融し、図２９（ｃ）に示すごとく、ＡｌＮ基板９１上で溶融アルミニウム層９２０を形成した。
また、図３０に示すごとく、ヒータ２５の作動時には、Ｍｇ台座２８に配置された金属マグネシウム９０も加熱される。加熱された金属マグネシウム９０の一部は、溶融して気化し、加熱炉２０内のＮ2ガス雰囲気中に分散される。加熱炉２０内の雰囲気ガス中に分散されたＭｇは、アルミニウムシート９２の例えば表面等に形成されたアルミナからなる酸化物層から酸素を除去することができる。その結果、アルミニウムシート９２の表面が活性化され、アルミニウムシート９２と後述のＮ2ガスとの反応が促進される。
次に、図２９（ｃ）及び図３０に示すごとく、ヒータ２５によりＡｌＮ基板９１上の溶融アルミニウム層９２０を温度９００℃で２時間加熱した。これにより、溶融アルミニウム層９２０が加熱炉２０内のＮ2ガスと反応し、図２９（ｄ）に示すごとく、ＡｌＮ基板９１上にＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層９２５を形成した。このようにして、ＡｌＮ基板９１上にＡｌＮ層９２５からなるＡｌＮ結晶を作製した。
また、本例においても、実施例１と同様に、形成したＡｌＮ層上に再度溶融アルミニウム層を形成し、溶融アルミニウム層をＮ2雰囲気下で加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層を積層形成するという積層工程を繰り返して行う連続積層工程を行った。このようにして、図２９（ｅ）に示すごとく、ＡｌＮ基板９１上に複数のＡｌＮ層９２５が積層形成されてなる厚み約１０μｍのＡｌＮ結晶９５０を作製し（図２９（ｅ）参照）、ＡｌＮ結晶９５０を含有する熱伝導性絶縁材料９を得た。
このようにして得られた熱伝導性絶縁材料の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した。その観察結果を図３２（ＳＥＭ写真）及び図３３（図３２の模式図）に示す。
図３２及び図３３より知られるごとく、本例において作製した熱伝導性絶縁材料９においては、Ｓｉ基板９１１と、その上に形成されたＡｌＮ被膜層９１０とを有するＡｌＮ基板９１上に、ＡｌＮ結晶９５０が形成されている。ＡｌＮ結晶９５０は、ＡｌＮ基板９１上に形成された厚み１μｍのＡｌＮ被膜層９１０上に形成されている。
また、本例の熱伝導性絶縁材料のＡｌＮ結晶について、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折測定（ＸＲＤ、θ−２θ法）を行った。その結果（ＸＲＤパターン）を図３４に示す。なお、同図には、参照用として、ＪＣＰＤＳカードに登録されているＡｌＮ、Ｓｉ（シリコン）、ＭｇＳｉＮ2、ＭｇＯ（ペリクレース）、及びＳｉＣ（モアッサナイト）のＸＲＤパターンを併記してある。同図において、各物質名（化学式）の左隣に示してある数字は、ＪＣＰＤＳカードの登録番号である。
図３４より知られるごとく、本例の熱伝導性絶縁材料のＡｌＮ結晶は、ＡｌＮ由来のピーク（●印）を示しており、ＡｌＮが形成されていることがわかる。また、ＡｌＮ結晶は、２θ＝約４２°の位置に比較的顕著なピークを有している。このピークは、ＡｌＮ結晶構造の（００２）面に由来するピークであることから、ＡｌＮ結晶９５０は、主に（００２）面が配向していることがわかる。上述のごとく、ＡｌＮ基板上のＡｌＮ被膜層も（００２）面が主に配向していたことから、ＡｌＮ結晶はＡｌＮ被膜の結晶配向を引き継いで成長したと考えられる。
また、ＡｌＮ結晶は、ＭｇＯ由来のピークを有している。これは、加熱炉中に分散させたＭｇがアルミナから酸素を奪いとって生じたＭｇＯがＡｌＮ結晶中に検出されたためであると考えられる。
以上のように、本例によれば、ＢＮ粒子が分散されていないＡｌＮ基板を用いても、ＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造することができる。また、加熱炉中に金属マグネシウムを配置することにより、ＡｌＮ結晶の形成を促進させることができる。
（実施例５）
本例は、アルミニウム合金からなるアルミニウムシートを用いて熱伝導性絶縁材料を製造する例である。
具体的には、本例においては、まず、実施例４と同様にして、Ｓｉ基板上にＡｌＮ被膜層が形成されたＡｌＮ基板を作製した（図２９（ａ）参照）。
次いで、実施例１と同様の構成の加熱炉を用いて、上記ＡｌＮ基板上でアルミニウムシートを溶融させて溶融アルミニウム層を形成し、この溶融アルミニウム層をＮ2ガスと反応させることにより、ＡｌＮ結晶を作製した。本例においてはアルミニウムシートとして、アルミニウム合金（５Ｎ０２材料）を用いた。
即ち、本例においては、実施例１と同様の加熱炉を用いて、金属マグネシウムを加熱炉中に配置する代わりにアルミニウム合金からなるアルミニウムシートを用いた点を除いては、上述の実施例４と同様にしてＡｌＮ結晶を作製した。
この場合には、アルミニウム合金中に含まれるマグネシウムがアルミニウムの溶解温度付近で液化し、気化する。このとき、アルミニウムシート表面の酸化物から酸素を取り除くことができる。そのため、溶融アルミニウム層とＮ2ガスとを反応させてＡｌＮを生成させる際に、その反応性を向上させることができる。
このように、上記溶融アルミニウム層形成工程において、アルミニウム合金を用いて溶融アルミニウム層を形成することにより、ＡｌＮ結晶の形成を促進させることができる。
実施例１にかかる、ＡｌＮ基板の構成を示す説明図。 実施例１にかかる、ＡｌＮ基板にアルミニウムシートを配置した状態を示す説明図。 実施例１にかかる、ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成した状態を示す説明図。 実施例１にかかる、ＡｌＮ基板上にＡｌＮ層を形成した状態を示す説明図。 実施例１にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層上にアルミニウムシートを配置した状態を示す説明図。 実施例１にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層上に溶融アルミニウム層を形成した状態を示す説明図。 実施例１にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層上にＡｌＮ層を積層形成した状態を示す説明図。 実施例１にかかる、Ａｌ基板上にＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成した状態を示す説明図。 実施例１にかかる、加熱炉の構成を示す説明図。 実施例１にかかる、熱伝導性絶縁材料（試料Ｅ）のＡｌＮ結晶の断面を電子顕微鏡で観察した様子を示す写真代用図。 実施例１にかかる、焼結によって作製したＡｌＮ結晶（試料Ｃ）の断面を電子顕微鏡で観察した様子を示す写真代用図。 実施例１にかかる、Ｃｕ基板とＡｌＮ被覆層との間にＣｕグラジュエント層を有するＡｌＮ基板の構成を示す説明図。 実施例１にかかる、Ｃｕグラジュエント層を有するＡｌＮ基板上にＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成した状態を示す説明図。 実施例２にかかる、ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウムの液滴を配置させる様子を示す説明図。 実施例２にかかる、ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成した状態を示す説明図。 実施例２にかかる、ＡｌＮ基板上にＡｌＮ層を形成した状態を示す説明図。 実施例２にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層上に溶融アルミニウムの液滴を配置させる様子を示す説明図。 実施例２にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層上に溶融アルミニウム層を形成した状態を示す説明図。 実施例２にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層上にＡｌＮ層を積層形成した状態を示す説明図。 実施例２にかかる、Ａｌ基板上にＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成した状態を示す説明図。 実施例２にかかる、加熱炉の構成を示す説明図。 実施例３にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶上にアルミニウムシートを配置した状態を示す説明図。 実施例３にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶上に溶融アルミニウムを形成した状態を示す説明図。 実施例３にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶上にＡｌグラジュエント層（１層目）を形成した状態を示す説明図。 実施例３にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶上にＡｌグラジュエント層とＡｌ層とを形成した状態を示す説明図。 実施例３にかかる、ＡｌＮ結晶とＡｌグラジュエント層とからなる熱伝導性絶縁材料の構成を示す説明図。 実施例３にかかる、ＡｌＮ層が積層形成されてなるＡｌＮ結晶の積層方向の両端部に、Ａｌグラジュエント層及びＡｌ層をそれぞれ有する熱伝導性絶縁材料の構成を示す説明図。 実施例３にかかる、ＡｌＮ層が積層形成されてなるＡｌＮ結晶の積層方向の一方の端部に、Ａｌグラジュエント層及びＡｌ層を有し、もう一方の端部にＣｕグラジュエント層及びＣｕ基板を有する熱伝導性絶縁材料の構成を示す説明図。 実施例４にかかる、ＡｌＮ基板の断面構成を示す説明図（ａ）、ＡｌＮ基板上にアルミニウムシートを配置した状態の断面構造を示す説明図（ｂ）、ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成した状態の断面構造を示す説明図（ｃ）、ＡｌＮ基板上にＡｌＮ層を形成した状態の断面構造を示す説明図（ｄ）、ＡｌＮ基板上に複数のＡｌＮ層を積層させて形成した状態の断面構造を示す説明図（ｅ）。 実施例４にかかる、加熱炉の構成を示す説明図。 実施例４にかかる、ＡｌＮ基板上にスパッタリングにより形成したＡｌＮ被膜層のＸＲＤ回折パターンを示す説明図。 実施例４にかかる、ＡｌＮ基板とその上に形成されたＡｌＮ結晶とからなる熱伝導性絶縁材料の断面のＳＥＭ写真を示す説明図。 実施例４にかかる、ＡｌＮ基板とその上に形成されたＡｌＮ結晶とからなる熱伝導性絶縁材料の断面構造を示す説明図（図３２の概略図）。 実施例４にかかる、ＡｌＮ基板上に形成したＡｌＮ結晶のＸＲＤ回折パターンを示す説明図。
符号の説明
１ 熱伝導性絶縁材料
１１ ＡｌＮ基板
１２ アルミニウムシート
１２０ 溶融アルミニウム層
１２５ ＡｌＮ層
１３ アルミニウムシート
１３０ 溶融アルミニウム層
１３５ ＡｌＮ層
１５ ＡｌＮ層
１５０ ＡｌＮ結晶

Claims (48)

  1. ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
    非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
    Ｎ2ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程とを有し、
    上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ基板上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  2. 請求項１において、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  3. ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
    非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
    Ｎ 2 ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程とを有し、
    上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  4. 請求項３において、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項において、上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記反応工程は加熱炉中で行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  6. ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
    非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
    Ｎ 2 ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程とを有し、
    上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記反応工程は加熱炉中で行い、
    上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項において、上記非酸化性ガス雰囲気は、Ｎ2ガス雰囲気であることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記ＡｌＮ基板は、その少なくとも上記溶融アルミニウム層を形成する側の表面に分散されたＢＮ粒子を有していることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項において、上記反応工程においては、上記ＡｌＮ基板を温度６５０℃〜１５００℃で加熱することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  10. ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を含有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
    非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
    Ｎ 2 ガス雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程とを有し、
    形成した上記ＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ 2 雰囲気下で加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層を積層形成するという積層工程を少なくとも１回以上繰り返して行う連続積層工程を有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  11. 請求項１０において、上記積層工程においては、上記ＡｌＮ層上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ層上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  12. 請求項１１において、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  13. 請求項１０において、上記積層工程においては、上記ＡｌＮ層上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  14. 請求項１３において、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  15. 請求項１０〜１４のいずれか一項において、上記積層工程は加熱炉中で行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  16. 請求項１５において、上記積層工程においては、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  17. 請求項１０〜１６のいずれか一項において、上記積層工程においては、上記ＡｌＮ基板を温度６５０℃〜１５００℃で加熱することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  18. 請求項１〜１７のいずれか一項において、上記ＡｌＮ結晶から上記ＡｌＮ基板を取り除く除去工程を有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  19. 請求項１〜１７のいずれか一項において、上記ＡｌＮ基板は、Ｃｕを主成分とするＣｕ基板と、該Ｃｕ基板上に形成されたＡｌＮを主成分とするＡｌＮ被覆層とからなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  20. 請求項１９において、上記Ｃｕ基板と上記ＡｌＮ被覆層との間には、ＣｕとＡｌＮとを含有し、かつ上記Ｃｕ基板から上記ＡｌＮ被覆層に向けてＣｕ濃度が小さくなると共にＡｌＮ濃度が高くなるＣｕグラジュエント層を有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  21. 請求項１〜２０のいずれか一項に記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする熱伝導性絶縁材料。
  22. ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶と、該ＡｌＮ結晶上に積層形成され、かつその積層方向において上記ＡｌＮ結晶から離れるにつれてＡｌ濃度が大きくなる、Ａｌ及びＡｌＮを含有するＡｌグラジュエント層とを有する熱伝導性絶縁材料を製造する方法において、
    非酸化性ガス雰囲気下で、少なくとも表面がＡｌＮからなるＡｌＮ基板上に溶融アルミニウム層を形成する溶融アルミニウム層形成工程と、
    Ｎ 2 雰囲気下で、上記溶融アルミニウム層を加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層からなるＡｌＮ結晶を形成する反応工程と、
    形成したＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ 2 雰囲気下で加熱するという加熱工程を少なくとも２回以上繰り返すと共に、該加熱工程を繰り返すにつれて上記溶融アルミニウム層へのＮ 2 ガスの溶解量を小さくしていくことにより、上記Ａｌグラジュエント層を形成するグラジュエント工程とを有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  23. 請求項２２において、上記非酸化性ガス雰囲気は、Ｎ2ガス雰囲気であることを特徴とするグラジュエント熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  24. 請求項２２又は２３において、上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ基板上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  25. 請求項２４において、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  26. 請求項２２又は２３において、上記溶融アルミニウム層形成工程においては、上記ＡｌＮ基板上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  27. 請求項２６において、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  28. 請求項２２〜２７のいずれか一項において、上記加熱工程においては、上記ＡｌＮ層上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ層上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  29. 請求項２８において、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  30. 請求項２２〜２７のいずれか一項において、上記加熱工程においては、上記ＡｌＮ層上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  31. 請求項３０において、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  32. 請求項２２〜３１のいずれか一項において、上記溶融アルミニウム層形成工程、上記反応工程、及び上記加熱工程は、加熱炉中で行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  33. 請求項３２において、上記溶融アルミニウム層形成工程及び上記加熱工程においては、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  34. 請求項２２〜３３のいずれか一項において、上記反応工程及び上記加熱工程においては、上記ＡｌＮ基板を温度６５０℃〜１５００℃で加熱することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  35. 請求項２２〜３４のいずれか一項において、上記Ａｌグラジュエント層の最外層上にＡｌからなるＡｌ層を形成するＡｌ層形成工程を有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  36. 請求項２２〜３５のいずれか一項において、上記反応工程と上記グラジュエント工程との間に、形成したＡｌＮ層上に非酸化性ガス雰囲気下で溶融アルミニウム層を形成し、該溶融アルミニウム層をＮ2雰囲気下で加熱することにより、ＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層を積層形成するという積層工程を少なくとも１回以上繰り返して行う連続積層工程を行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  37. 請求項３６において、上記積層工程においては、上記ＡｌＮ層上に溶融アルミニウムの液滴を滴下しつつ該液滴を上記ＡｌＮ層上に配列させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  38. 請求項３７において、上記溶融アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  39. 請求項３６において、上記積層工程においては、上記ＡｌＮ層上にアルミニウムシートを配置し、該アルミニウムシートを溶融させることにより、上記溶融アルミニウム層を形成することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  40. 請求項３９において、上記アルミニウムシートは、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  41. 請求項３６〜４０のいずれか一項において、上記積層工程は加熱炉中で行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  42. 請求項４１において、上記積層工程においては、上記加熱炉内に金属マグネシウムを配置し、該金属マグネシウムの少なくとも一部を上記加熱炉内の上記非酸化性ガス雰囲気中に蒸発させ、該非酸化性ガス雰囲気中で上記溶融アルミニウム層の形成を行うことを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  43. 請求項３６〜４２のいずれか一項において、上記積層工程においては、上記ＡｌＮ基板を温度６５０℃〜１５００℃で加熱することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  44. 請求項２２〜４３のいずれか一項において、上記ＡｌＮ基板は、その少なくとも上記溶融アルミニウム層を形成する側の表面に分散されたＢＮ粒子を有していることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  45. 請求項２２〜４４のいずれか一項において、上記ＡｌＮ結晶から上記ＡｌＮ基板を取り除く除去工程を有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  46. 請求項２２〜４５のいずれか一項において、上記ＡｌＮ基板は、Ｃｕを主成分とするＣｕ基板と、該Ｃｕ基板上に形成されたＡｌＮを主成分とするＡｌＮ層とからなることを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  47. 請求項４６において、上記Ｃｕ基板と上記ＡｌＮ層との間には、ＣｕとＡｌＮとを含有し、かつ上記Ｃｕ基板から上記ＡｌＮ層に向けてＣｕ濃度が小さくなると共にＡｌＮ濃度が高くなるＣｕグラジュエント層を有することを特徴とする熱伝導性絶縁材料の製造方法。
  48. 請求項２２〜４７のいずれか一項の製造方法によって製造されたことを特徴とする熱伝導性絶縁材料。
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