JPH01100066A

JPH01100066A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH01100066A
Application number: JP62256051A
Authority: JP
Inventors: Naomi Namiki; 尚己並木; Kazunobu Kikuchi; 菊池　和信; Minoru Takahashi; 稔高橋
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 1987-10-10
Filing date: 1987-10-10
Publication date: 1989-04-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、各種の半導体などの実装基材、放熱板に用
いることができる窒化アルミニウム焼結体に関し、より
詳細には、高熱伝導性およびメタライズ性を良好に備え
る窒化アルミニウム焼結体の製造方法に関する。

［従来の技術］電子機器の小形化、高機能化に伴う半導体チップの高密
度化、高速化の中で、窒化アルミニウムが半導体の基板
材料として注目されている。これは、窒化アルミニウム
がアルミナの５〜１０倍、ベリリヤに匹敵する熱伝導性
を有し、アルミナやヘリリアよりかなり小ざくシリコン
に近い熱膨張率を示し、アルミナやベリリア並みの電気
絶縁性を備えることなどからである。

この窒化アルミニウム焼結体基板は、従来のアルミナ基
板の製法と同様に、ブロック状焼結体を得るにはコール
ド・プレスした成形体を、薄板焼結体を得るためにはド
クター・プレート法で製造したグリーン・シートをそれ
ぞれ常圧焼結して製造することができる。

従来、窒化アルミニウム焼結体を半導体基板として実用
化していくのに重要なメタライズ法として、タングステ
ンペーストを窒化アルミニウムグリーンシートに印刷し
これを焼結して焼結とメタライズを同時に完結する同時
焼結法、セラミックス上に導体および抵抗体ペーストを
印刷しそれを焼成して混成厚膜回路基板を製造する厚膜
メタライズ法、窒化アルミニウム基板上に蒸着またはス
パッタリングにより各種の金属薄膜を形成する薄膜メタ
ライズ法、表面を酸化処理した窒化アルミニウム基板上
に銅板を重ね、コントロールされた酸素分圧下で加熱し
て界面にＣｕ−０系共晶を析出させて窒化アルミニウム
と銅とを強固に接合する方法、Ａ（７、Ｃｕ、Ｔｉ、３
ｎなどの混合金属粉末のペーストを基板に印刷し、乾燥
水素巾約９００℃の温度で焼付けするモルトンメタル法
、更に、窒化アルミニウム基板をアルカリエツチングし
、表面を粗くしだ後ＣｕやＮｉを無電解メツキする無電
解メツキ法が提案・開発されている（自元著「窒化アル
ミニウム基板」、雑誌「電子材料Ｊ１９８７年５月号、
第６４〜６８頁）。

窒化アルミニウムは素材として優れた特性を備えるが、
金属との濡れ性がアルミナなどと比べて悪く、窒化アル
ミニウム表面に金属層を強く接合することが難しかった
。この濡れ性を改善する為に、表面を酸化させたり、焼
結助剤を工夫することが提案されている。例えば、ＩＶ
ａｌＶａ、およびＶｌａ族元素の各ホウ化物および炭化
物から選ばれた少なくとも１種の化合物を窒化アルミニ
ウムに添加して基板のメタライズ性を改善すること（特
開昭６１−２７０２６２号、特開昭６１−２７０２６３
号、および特開昭６１−２８１０７４号）が、また、表
面構造をＷ、ＭＯおよびこれらのホウ化物、炭化物の最
外層と、窒化アルミニウムにＷ、ＭＯおよびこれらのホ
ウ化物、炭化物を添加した内側層とすること（特開昭６
１−２８１０８９号）が提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、従来の製造方法で得られた窒化アルミニ
ウム基板では、必ずしも窒化アルミニウム基板面とメタ
ライズされた金属層との接合強度が高くなく、また、メ
タライズ性を改善するために処理されたメタライズ処理
層が窒化アルミニウム基材との間で熱伝導率を低下させ
、高熱伝導率である窒化アルミニウムの特性を十分に利
用できない。

この発明は上述の背景に基づきなされたものであり、そ
の目的とするところは、窒化アルミニウムの高熱伝導性
を損なうことがなく、金属との濡れ性が改善されて良好
にメタライズ化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ができる。

［問題点を解決するための手段］上記の課題はこの発明の窒化アルミニウム焼結体の製造
方法により解決される。

すなわち、この発明による窒化アルミニウム焼結体を製
造する方法は、主成分の窒化アルミニウムにＩａおよび
ＩＩＩａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種の
化合物が添加された高伝熱性基材面に、窒化アルミニウ
ムにＩＶａＳＶａ、およびＶｌａ族元素の化合物から選
ばれた少なくとも１種の化合物が添加されたメタライズ
性表層シートを重ねてプレス成形し、該成形体を焼結す
ることを含むことを特徴とするものである。

この発明の製造方法により得られた窒化アルミニウム焼
結体は、（ａ）窒化アルミニウムに、ＩＩａおよびｆｌａ族元素
の化合物から選ばれた少なくとも１種の化合物が添加さ
れてなる高伝熱性基材と；（ｂ）高伝熱性基材に積層され、かつ窒化アルミニウム
に、ＩＶａ、Ｖａ、およびＶｌａ族元素の化合物から選
ばれた少なくとも１種の化合物が添加されてなるメタラ
イズ性層と；を含むことを特徴とする。

この発明の好ましい態様において、高伝熱性基材に添加
される化合物は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ
、Ｙ、ランク／イト（７）！化物、ホウ化物、窒化物お
よびフッ化物、シュウ酸塩、炭酸塩から選ばれた少なく
とも１種からなり、その化合物の含量は、０．１〜３０
重量％、より好ましくは、０．５〜１５重量％、最も好
ましくは１〜８重母％である。

この発明の好ましい態様において、メタライズ性層に添
加される化合物は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＶｌＮｂ、Ｔａ
、Ｃｒ、ＭＯｌＷの炭化物、ホウ化物、窒化物、フッ化
物から選ばれた少なくとも１種からなり、その化合物の
含量は、０．１〜３０重量％、より好ましくは、０．５
〜１５重四％、最も好ましくは１〜８重量％である。

この発明の製造方法における好ましい態様では、同種も
しくは異種の複数の該表層シートを、基材面に重ねてプ
レス成形することができる。

以下、この発明をより詳細に説明する。

製造方法この発明の製造方法において、先ず、主成分の窒化アル
ミニウムにＩａおよびＩＩＩａ族元素の化合物から選ば
れた少なくとも１種の化合物が添加された基材および、
窒化アルミニウムにＩＶａ、Ｖａ。

およびＶｌａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１
種の化合物が添加された表層シートを調製する。

窒化アルミニウムに添加されるＩＩａおよびｌｌａ族元
素の化合物は、窒化アルミニウム焼結体の内部をより高
熱伝導性にするものである。そのようなものとして、例
えばＢｅ、ＭＣＩ、Ｃａ、３ｒ。

Ｂａ、ＳＣ，Ｙ、ランタノイドの酸化物、ホウ化物、窒
化物およびフッ化物、シュウ酸塩、炭酸塩から選ばれた
少なくとも１種の焼結助剤があり、より具体的には、炭
酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウム、シ
ュウ酸カルシウム、シュウ酸ストロンチウム、シュウ酸
バリウム、フッ　　。

化バリウム、フッ化イツトリウム、フッ化セリウム、窒
化マグネシウム、窒化ランタン、ホウ化カルシウム、ホ
ウ化ランタン、酸化カルシウム、酸化イツトリウム、酸
化ランタン、酸化セリウム、酸化プラセオジム、酸化ネ
オジム、酸化サマリウム、酸化ガドリニウム、シュウ酸
セリウムなど、並びにこれらの組合わせがある。

この化合物の含量は、０．１〜３０重量％、より好まし
くは、０．５〜１５重四％、最も好ましくは１〜８重量
％である。この含量並びに粒径なと寸法は、所望の窒化
アルミニウム焼結体の特性などに応じて適宜選択・変更
することができる。

高熱伝導性基材の成形方法としては、コールド・プレス
による方法、及びグリーン・シート法による方法などが
ある。例えば、ブロック状焼結体をコールド・プレスに
よって得るには、原料粉末を溶剤とともにボールミルな
どにより混合し、その混合物を乾燥して結合剤を添加し
た後、コールド・プレスによりブロック状成形体を得る
。またミグリーン・シート法によって薄板焼結体（シー
ト状焼結体）またはブロック状焼結体を得るには、原料
粉末を結合剤、可塑剤及び溶剤とともに混練し、適当な
粘度のこの混練物からドクター・プレート法でグリーン
・シートの成形体を製造し、その成形体から薄板焼結体
を得ることができる。

一方、ドクター・プレート法で製造したグリーン・シー
トの適当枚数を重ね、それをプレスしてブロック状成形
体とした後、ブロック状焼結体を得ることができる。

表層シートを調製するために、窒化アルミニラムに添加
されるＩＶａ、Ｖａ、およびＶｌ　ａ族元素の化合物は
、窒化アルミニウム焼結体の表面の濡れ性を改善してこ
の焼結体のメタライズ性層を形成するものでおる。その
ようなものとして、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｏｒ、ＭＯ，Ｗの炭化物、ホウ化物、窒化物
、およびフッ化物、並びにこれらの組合わせが必り、よ
り具体的には、Ｔ　ｉ　Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ。

ＶＣ１ＶＣ２、ＮｂＣ，ＴａＣ２、ＴａＣ１Ｃ’　Ｃ１
μ亡ムＭ　０ＺＧ２１Ｗ　Ｃ１Ｗ２ＣＪ、Ｔ　ｉ　Ｂ２
　、ＺｒＢ２　、ＨｆＢ５ＶＢ２　、ＮｂＢ。

Ｔａｇ、ｃｒａ、ＭＯＢ、ＷＢ、ＴｉＮ、ＺｒＮ。

ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ１ＣｒＮ。

Ｍｏ２Ｎ、栴　、ＴｉＦ４、　ＺｒＦ４、ＨｆＦ４　　
、ＶＦ５　　、ＮｂＦ　　、　ＴａＦ５、ＣｒＦ　　ｌ
ＭｏＦ６　、ＷＦ６など、ならびにこれらの組合わせで
ある。

この化合物の含量は、０．１〜３０重量％、より好まし
くは、０．５〜１５重量％、最も好ましくは１〜８重量
％である。この含量並びに粒径などの寸法は、窒化アル
ミニウム焼結体の所望特性などに応じて適宜選択・変更
することができる。

表面メタライズ性を改善する表面シートの成形は、前記
のコールド・プレス法やグリーン・シート法などによっ
て行うことができる。例えば、コールド・プレス法の場
合、原料粉末を溶剤とともに混合し、それを乾燥して結
合剤を添加した後、コールド・プレスによりブロック状
成形体を得て製造することができる。また、グリーン・
シート法の場合、原料粉末を結合剤、可塑剤及び溶剤と
ともに混練して適当な粘度の混練物を形成し、次いで、
ドクター・プレート法でグリーン・シートを製造して行
うことができる。

高熱伝導性基材および表層シートの調製後、高熱伝導性
基材面に、表面メタライズ性を改善する表層シートを重
ねる。表層シートは基材面に１枚のみ重ねてもよいし、
また、複数枚重ねてもよい。

複数枚の場合、窒化アルミニウムに添加されるＩＶａ、
Ｖａ、およびＶｌａ族元素の化合物の添加量や、例えば
、結合剤、可塑剤、分散剤、消泡剤、溶剤など含量を漸
次増減させたりして異なる配合量の表層シートを用いる
こともできる。同様に、高熱伝導性基材も複数枚重ねる
ことができる他、金属やセラミックスのその他の基材と
積層した複合材とすることもできる。

高熱伝導性基材面に表層シートを重ねた後、プレス成形
する。この成形条件は、通常の技法により適宜選択する
ことができる。

この発明の製造法において、プレス成形体を焼結する。

この焼結条件（雰囲気、焼結温度など）は、通常の技法
により適宜選択することができる。

窒化アルミニウム　粘体この発明による上記の製造法により得られる窒化アルミ
ニウム焼結体は、窒化アルミニウムにＩＩａおよびｌＩ
Ｉａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種の化合
物が添加されてなる高伝熱性基材と、この高伝熱性基材
に積層されかつ窒化アルミニウムにＩＶａ、■ａ、およ
びＶｌａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種の
化合物が添加されてなるメタライズ性層とを備える。

従って、この発明による窒化アルミニウム焼結体の表面
にはメタライズ性層が形成され、金属濡れ性が改善され
る。前述したメタライズ法によりメタライズすることが
できる。すなわち、金属ペーストをこの発明の未焼結窒
化アルミニウム基板に印刷しこれを焼結して焼結とメタ
ライズを同時に完結する同時焼結法、セラミックス上に
導体および抵抗体ペーストを印刷しそれを焼成して混成
厚膜回路基板を製造する厚膜メタライズ法、窒化アルミ
ニウム基板上に蒸着またはスパッタリングにより各種の
金属薄膜を形成する薄膜メタライズ法、窒化アルミニウ
ム基板上に銅板を重ね、コントロールされた酸素分圧下
で加熱して界面にＣｕ−０系共晶を析出させて窒化アル
ミニウムと銅とを強固に接合する方法、混合金属粉末ペ
ーストを基板に印刷して乾燥水素中で焼付けするモルト
ンメタル法、更に、窒化アルミニウム基板をアルカリエ
ツチングして表面を粗くし、ＣｕやＮｉを無電解メツキ
する無電解メツキ法により金属層を形成することができ
る。

［作　用］上記のように構成されたこの発明において、窒化アルミ
ニウム基板の表層を形成するメタライズ層には、ＩＶａ
、Ｖａ、またはＶｌａ族元素の化合物が焼結助剤として
添加されているので、窒化アルミニウム基板表面の金属
濡れ性を改善する。他方、窒化アルミニウム基板内部に
は、高熱伝導性に寄与する■ａまたはｆｆ１ａ族元素の
化合物が添加されているので、窒化アルミニウム本来の
高熱伝導性を維持改善する。従って窒化アルミニウムの
内部の高熱伝導性を失わずに表面のメタライズ性を改善
することができる。しかも、この発明の製造方法におい
て、未焼成状態の高熱伝導性基材とメタライズ性層とが
プレスで接合されてから焼成されるために、これらの境
界面の馴染みがよく、従って、この境界面での熱伝導率
の低下を防止することができる。

［発明の効果］この発明により次の効果を得ることができる。

（イ）　この発明により、高熱伝導性基材とメタライス
性層との境界面での熱伝導率の低下を防止することがで
き、窒化アルミニウムの内部の高熱伝導性を失わずに表
面のメタライズ性を改善することができる。

（ロ）　プレス成形後、−度の焼成工程で所望の窒化ア
ルミニウム焼結体を得ることができ、製造工程が簡易で
あり、製造コストを低減することができる。

［実施例］この発明を実施例により具体的に説明する。

敏料作製■ 第１表に示す各焼結助剤を窒化アルミニウム粉末に添加
し、ざらに、結合剤（アクリル系）、可塑剤（ジブチル
フタレート）などの添加剤を加え、有機溶剤とともに２
４時間ボールミルで混練した。

得られた適当な粘度のスラリーを用いて、ドクターブレ
ード法によって各グリーンシートを成形した。

実施例第１表の番号１〜７に示すシートの組合せで、上記の作
製例で得られた厚さ１００μｍの高熱伝導性基材用グリ
ーンシート１０枚を重ね、同様に作製例で得られた厚さ
５０μｍのメタライズ性表層グリーンシートを最上層に
乗せ、プレス成形して全てのシートが一体となった成形
体を得た。この成形体を１８００°Ｃ１窒素常圧で２時
間焼結して所望の窒化アルミニウム焼結体を製造した。

得られた窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率およびメタ
ライズ性の測定結果を第１表に示す。

止鮫■ 第１表の番＠８〜１０に示すこの発明の範囲外のシート
の組合せで、実施例を同様に窒化アルミニウム焼結体を
製造した。その熱伝導率およびメタライズ性の測定結果
を第１表に示す。

この表から、この発明による窒化アルミニウム焼結体は
、熱伝導率およびメタライズ性の双方に良好であること
がわかる。

第１表特許出願人　日本ケミコン株式会社代理人　弁理士　杉　林　信　義

Claims

【特許請求の範囲】

１．主成分の窒化アルミニウムにＩＩａおよびＩＩＩａ
族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種の化合物が
添加された高伝熱性基材面に、窒化アルミニウムにＩＶ
ａ、Ｖａ、およびＶＩａ族元素の化合物から選ばれた少
なくとも１種の化合物が添加されたメタライズ性表層シ
ートを重ねてプレス成形し、該成形体を焼結することを
含むことを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方
法。
２．高伝熱性基材に添加される化合物が、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、ランタノイ
ドの酸化物、ホウ化物、窒化物およびフッ化物、シュウ
酸塩、炭酸塩から選ばれた少なくとも１種からなる特許
請求の範囲第１項記載の窒化アルミニウム焼結体の製造
方法。
３．メタライズ性層に添加される化合物が、Ｔｉ、Ｚｒ
、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの炭化物、ホ
ウ化物、窒化物、フッ化物から選ばれた少なくとも１種
からなる特許請求の範囲第１項記載の窒化アルミニウム
焼結体の製造方法。
４．メタライズ性層に添加される化合物の含量が、０．
１〜３０重量％である特許請求の範囲第１項乃至第３項
のいずれかに記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法
。
５．高伝熱性基材に添加される化合物の含量が、０．１
〜３０重量％である特許請求の範囲第１項乃至第４項の
いずれかに記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
６．同種もしくは異種の複数の該表層シートを、該基材
面に重ねる特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか
に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。