JP5150020B2

JP5150020B2 - ＡｌＮ−Ａｌ２Ｏ３複合材料の製造法

Info

Publication number: JP5150020B2
Application number: JP2000116960A
Authority: JP
Inventors: 光芳永野; 栄田中; 智郎竹内
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: JP2001302351A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた熱伝導率を有し、高放熱性の半導体用基板や、ＩＣを組み立てる際に部品を加熱圧着して接合する治具として使用するＡｌＮ−Ａｌ_２Ｏ_３複合焼結体とその製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平２−２４８３６８号公報に記載されているように、ＡｌＮ焼結体自体は、優れた熱伝導率を有するセラミックスであることは従来から知られている。このＡｌＮ焼結体は、主成分であるＡｌＮに、焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３やＣａＯなどの酸化物を添加して窒素ガス中で普通焼結して得られたＡｌＮと焼結助剤の２成分系焼結体であって、これらの焼結助剤以外の成分は熱伝導率を阻害するものとされ、この２成分系の範囲内での高純度のものが指向されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように熱伝導性に優れたＡｌＮ焼結体ではあっても、下記欠点があることが指摘されている。
【０００４】
先ず第１は、高純度を指向するために、通常のセラミックスの場合のような粒成長抑制剤の存在は許容されず、そのため焼結中の結晶粒子成長が抑制できず、この成長した結晶粒子内に気孔が取り込まれて粒内気孔として残存し、焼結体の密度は理論密度の９９％以下となって十分に緻密化することが困難であることである。そのために、従来の熱伝導性に優れたＡｌＮ焼結体は、硬さはもとより、曲げ強度や破壊靭性などの機械的性質が劣ることである。
【０００５】
その第２は、遊離酸素やＡｌ_２Ｏ_３として存在する結合酸素の存在によって熱伝導率が低下するいう問題があるために焼結体中の酸素量を１％以下にする必要があり、焼結雰囲気が制限されることである。
【０００６】
また、その第３は、焼結体中のＡｌＮ結晶粒子同士の結合強度が低く、強度、靭性のほかに、加工時に結晶粒子が脱落し、加工面は気孔の存在と同様に、面粗度が低下し、摩擦係数が増大し、異常発熱や相手材との反応、凝着などの問題が発生する。
【０００７】
さらには、ＡｌＮは熱伝導率が高いという特性があるが、それを損なう要素の一つに気孔の存在がある。熱伝導率は粒界に不純物や気孔があると熱伝導が妨げられ、本来の熱伝導率が得られない。したがって、高い熱伝導率を得るためには気孔を減らす、すなわち、焼結体の相対密度を理論密度近くまで上げることが必要となる。
【０００８】
さらにまた、ＡｌＮ焼結体に数ミクロンから十数ミクロンの厚さのメタライズ層を形成したヒーターのような機能材として使用する用途がある。この場合にも、焼結体の気孔の存在による表面粗度の不均一がメタライズ層の厚みのばらつきを招いたり、塗布するメタライズがにじんでヒーター形状が変化し、所定の発熱特性が維持できないなどの電気的性質に悪影響を及ぼす。
【０００９】
このように、従来の窒化アルミニウムセラミック材料は、ＡｌＮ単一組成の材料であるために焼結時の結晶粒子成長のコントロールは焼結温度に依存しており、十分な密度を得るためには焼結温度を上げる必要がある。これが、結晶粒子が成長をもたらし、気孔が発生しやすい傾向にある。
【００１０】
本発明において解決しようとする課題は、ＡｌＮ焼結体自体が有する優れた熱伝導性を損なうことなく、気孔の形成を低減せしめ、表面粗度を改善し、靭性、強度を向上させるための手段、とくに、圧着治具に適した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質セラミックスを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、Ｙ_２Ｏ_３粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末とをそれぞれ、２≦Ｙ_２Ｏ_３≦７（重量％）０．５≦Ａｌ_２Ｏ_３≦１０（重量％）の範囲含有するＡｌＮ粉末をプレスし、得られたプレス品を大気雰囲気４００℃から８００℃で加熱して粉体粒子の表面酸化処理を行ない、次いで、窒素雰囲気で、粒成長が生じない１７５０〜１８５０℃の焼結温度で予備的に焼結し、さらに、１６５０〜１７５０℃の温度域で窒素ガスを用いた熱間静水圧加圧焼結によって緻密化するＡｌＮ−Ａｌ_２Ｏ_３複合材料の製造法であって、これによって、ＡｌＮ焼結体中に、結晶粒成長抑制材として、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子を分散させることで、結晶粒子の微細化による気孔の含有容量をほぼ０．１％以下とすることができ、機械的性質の向上、特に、曲げ強度・破壊靭性・硬さを向上することができる。
【００１２】
ＡｌＮ中のＡｌ_２Ｏ_３粒子はＡｌＮとは反応せずに単独でＡｌＮの結晶粒界に存在することになり、焼結中のＡｌＮ結晶粒成長を抑制する効果がある。しかしながら、過剰な添加はＡｌＮ自体の優れた熱伝導性を低下させることになるので、その添加量は、重量％で、０．５〜１０％の範囲内であることが好ましい。
【００１３】
その添加手段としては、粒子径が小さいＡｌ_２Ｏ_３原料粉末を所定量添加して混合分散するか、あるいは、ボールからの混入によっても添加できる。Ａｌ_２Ｏ_３原料粉末の一次粒子の大きさとしては、ＡｌＮの粒界に存在して粒成長を抑制し、強度靱性を改善する点から、平均粒径で０．１〜１μｍの範囲にあるのが望ましい。
【００１４】
本発明の焼結体の製造に際しては、粒界バインダー相を減らし、粒成長が生じない１７００〜１８００℃の焼結温度で予備的に焼結し、残留した内部気孔を、焼結後のＨＩＰ処理（熱間静水圧加圧焼結）によって気孔を除去して、０．１容積％以下の気孔率を有する焼結体を得ることができる。このように、焼結体は、気孔がほとんどないものとすることができるので、靭性、強度が向上した優れた熱伝導率を有する素材とすることができる。
【００１５】
さらに、焼結前に、４００〜８００℃の温度域で、大気中で酸化処理することによってＡｌＮ結晶粒子界面に酸素を導入し、それによって、粒界での結晶粒子結合力が向上し、強度、靭性はもとより、加工時の粒子脱落がなくなり、面粗度が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例によって本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
主成分として、平均粒子径が０．８ミクロンのＡｌＮ粉末、及び、焼結助剤である平均粒子径１．０ミクロンのＹ_２Ｏ_３および、平均粒径で０．５μｍのアルミナ粉を所定量添加し、メタノール溶媒中で焼結体の純度が９９．５％以上のφ１５ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３ボールを入れたナイロンポット中にて２０時間分散混合を行った。スラリー取り出しの後、アルコール系のバインダーを添加して、クローズドスプレードライヤーにて窒素雰囲気中で造粒混合を行った。
【００１８】
得られた調製造粒粉を４×５×４５ｍｍの曲げ試験片、Φ２０×３ｔｍｍの熱伝導率測定用試料を金型プレスで作製し、脱脂の後、大気雰囲気中５００℃の温度で１時間保持し、粉体粒子の表面酸化処理を行なった。その後、窒素ガス中、１７５０〜１８５０℃の温度域で予備焼結を行った。得られた試料の一部を、１６５０〜１７５０℃の温度域で窒素ガスを用いたＨＩＰ処理を行った。
【００１９】
この焼結法で作製した試料をそれぞれ、加工して、機械的性質、熱伝導率測定を行った。
【００２０】
得られた試料を研削加工し、硬さや曲げ強度などの物性調査と熱伝導率などの熱的特性の測定を行なった。また、得られた研削した試料に、タングステンを主成分とするメタライズ用ペーストを塗布し、その印刷精度、および、端部のにじみについての調査を行なった。また、研削面の面粗度を測定し、粒子脱落の有無による面粗度の変化を調査した。
【００２１】
以上の測定結果を表１の実施例１〜２０に示す。比較例５〜１３は、アルミナの添加効果を比較したものであり、比較例１４〜２０は、本願発明のＹ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３の添加効果を示すための対比のための比較例である。
【００２２】
【表１】

表１に示すように、本発明の実施例の場合は、各比較例と対比して気孔の低減と結晶粒子結合強度が向上しており、機械的性質はもとより、メタライズ特性や耐粒子脱落性も改善されていることが認められた。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によって、以下の効果を奏する。
【００２４】
１．焼結体の気孔率が低下によって、従来のＡｌＮ材料では対応できなかった曲げ強度、破壊靭性などの種々の機械的性質が向上する。
【００２５】
２．Ａｌ_２Ｏ_３を添加した本発明材料はＡｌＮ量と結晶粒界の点からは、熱伝導率が低下するが、緻密化による気孔率の低下の効果で熱伝導率は向上する。このため、総体的には、従来の２成分系ＡｌＮ並みの熱伝導率が確保された材料が得られる。
【００２６】
３．従来、ＡｌＮセラミックスは結晶粒径が大きいことによる低強度が原因で、耐摩耗部品などの用途には採用されることはなかったが、結晶粒子径が小さく、強度が改善された本材料は、耐摩耗性の向上はもとより、粒子が微細で結晶粒子の結合強度が向上しているため、ブラスト摩耗評価においても、従来のＡｌＮ焼結体よりも優れている。
【００２７】
４．メタライズ時の印刷精度は基材となる焼結体の面粗度に依存しており、気孔の多い焼結体ではメタライズ層の端がにじんで印刷精度に問題があったが、本発明による気孔がない焼結体ではメタライズ時に、微小な印刷パターンでの精度が向上し、小型で精密なメタライズヒーター部材の製造が可能となる。

Claims

Ｙ_２Ｏ_３粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末とをそれぞれ、
２≦Ｙ_２Ｏ_３≦７（重量％）
０．５≦Ａｌ_２Ｏ_３≦１０（重量％）
の範囲含有するＡｌＮ粉末をプレスし、
得られたプレス品を大気雰囲気４００℃から８００℃で加熱して粉体粒子の表面酸化処理を行ない、
次いで、
窒素雰囲気で、粒成長が生じない１７５０〜１８５０℃の焼結温度で予備的に焼結し、
さらに、
１６５０〜１７５０℃の温度域で窒素ガスを用いた熱間静水圧加圧焼結によって緻密化するＡｌＮ−Ａｌ_２Ｏ_３複合材料の製造法。
ＡｌＮ粉末に混合分散されるＡｌ_２Ｏ_３原料粉末の一次粒子の大きさが、平均粒径で０．１〜１μｍの範囲にある請求項１に記載のＡｌＮ−Ａｌ_２Ｏ_３複合材料の製造法。