JPH01305863A

JPH01305863A - 窒化アルミニウム焼結体

Info

Publication number: JPH01305863A
Application number: JP63136770A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Iyori; 裕介井寄; Hideko Fukushima; 英子福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1988-06-03
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1989-12-11
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: JPH0684265B2

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］本発明は熱伝導性に優れる窒化アルミニウム焼結体及び
その製造方法並びにそれを用いた電子部品に関するもの
である。

［従来の技術］近年、電子機器の小型化・高集積化が進むなかにあって
、ＩＣチップなど電子機器に搭載される各種の半導体素
子から発生する熱をいかにして除去するかが極めて重要
な課題となっており、部品設計、回路設計、材料等の面
から種々の提案がされている。

高集積ＩＣなどの半導体用基板材料としては、現在、は
とんど酸化アルミニウム（熱伝導性理論値２８Ｗ／ｍ−
Ｋ）が使用されている。しかし、近年急速に進展するＩ
Ｃの高集積化及び高速化に伴いチップの放熱量が増すに
つれて、さらに熱伝導率が高く高放熱性の基板材料が要
求されるようになった。そのため、基板材料として熱伝
導率が高い酸化ベリリウム（熱伝導性理論値２１８Ｗ／
ｍ・Ｋ）や炭化珪素（熱伝導性理論値２７０Ｗ／ｍ−Ｋ
）等が検討された。しかし、酸化ベリリウムは、粉塵に
毒性があり、また高価格であるという欠点がある。また
、炭化珪素は、常圧焼結法では焼結が十分に出来ないた
め、ホットプレス法で焼結しなければならず、生産性に
問題があった。

このため最近、酸化アルミニウムや酸化ベリリウムと同
等以上の強度を有し、常圧焼結が可能で、かつ熱伝導率
が高い窒化アルミニウム（熱伝導性理論値３２０Ｗ／ｍ
−Ｋ）が基板材料として注目されている。しかし１通常
、市販されている窒化アルミニウム粉末（ＡＩＮ粉末）
には酸素が１〜３゜５重量％程度含有されているため、
このような粉末を使用した場合には、熱伝導率の高い窒
化アルミニ市ム焼結体を得ることが難しいとされている
（例えば、「窯業協会誌ＪＶｏ１．９３．　Ｎｏ、９．
１９８５年５１７〜５２２頁、あるいは「エレクトロニ
ク・セラミックスＪＶｏ１．１６．　Ｎｏ、３．１９８
５年３月号２２〜２７頁など参照）。

そこで、酸素や陽イオン不純物の混入は、原料である金
属アルミニウムを粉砕する工程あるいは生成した窒化ア
ルミニウムを焼結用原料粉にするために粉砕する工程で
生ずることに着目し、（イ）アルミナと、（ロ）アルカ
リ土類金属、イツトリウム及びランタン族金属、または
これらの金属化合物と、（ハ）カーボンとを、それぞれ
適量液体分散媒体中で混合し、窒素中又はアンモニア雰
囲気中で焼成した後、未反応のカーボンを酸化除去して
平均結晶粒径２μｍ以下の粉末状窒化アルミニウム組成
物を得ることにより、粉砕工程を無くし、もって窒、化
アルミニウムの焼結性及び熱伝導率を向上させる方法が
提案されている（特開昭６０−６５７６８号参照）。

しかしながら、この方法により得られた窒化アルミニウ
ム粉末を原料粉とし、Ｃａ　ＯあるいはＢａ（Ｎ　Ｏｘ
　）ｚ等を添加して作製された窒化アルミニウム焼結体
は、酸素含有量は０．５〜１．５重量％とすくないもの
の、その熱伝導率は数１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、必ず
しも満足できる特性のものは得られていない。

また、例えば、平均粒径３μｍ以下のＡＩＮ粉末に、０
．０５〜２重量％の炭素を添加した混合粉末を５０ｋｇ
／ｃｄ以上の圧力下で焼結する方法など、ＡＩＮ粉末に
炭素のみを添加する方法も提案されている（特開昭６０
−１８６４７９号公報、特開昭６０−７１５７６号公報
など参照）。

この方法においては、添加物を炭素のみとしているため
非常に高純度の焼結体を得ることが出来るものの、焼結
助剤を添加しないために焼結性に難点があり、このため
加圧焼結を施している。しかし、それでも必ずしも十分
な密度が得られておらず、その熱伝導率も高々数１０Ｗ
／ｍ・Ｋ程度である。

［発明が解決しようとする問題点］更にまた。酸素含有窒化アルミニウム粉末、酸化イツト
リウム、および遊離炭素よりなる混合物を形成し、この
混合物を特定組成のコンパクトに形成し、このコンパク
トを窒素含有非酸化雰囲気中で１３５０℃程度に加熱し
て脱酸し、得られた脱酸コンパクトを窒素含有非酸化性
雰囲気中で約１８５０℃程度の温度で焼結する方法も提
案されている（特開昭６１−９１０６８号公報、特開昭
６１−１２７６６７号公報、特開昭６１−１４６７６９
号公報、特開昭６１−２１９７６３号公報など）。

この方法は、■Ａｌ２Ｏ，の個別粒子、■ＡＩＮ粉末粒
子を覆うおそらくはＡｌ２Ｏ，としての酸化物被覆、お
よび■ＡＩＮ格子に溶解した酸素、の３つの異なる酸素
源によってもたらされたＡＩＮ粉末に存在する酸素は、
遊離炭素を利用することにより除去出来るとの考えに基
づいて成されたものであるとされている。すなわち、窒
化アルミニウム粉末を炭素である程度まで脱酸し、次い
で酸化イツトリウムを利用してさらに脱酸および／また
は焼結することによって、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い
熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体を得ようとす
るものであり、約１７０Ｗ／ｍ・Ｋの事例が開示されて
いることからみても、非常に優れた方法である。

ところで、この方法は、前述したように、まず添加した
カーボンの働きにより脱酸コンパクトを作成し、この脱
酸コンパクトをＹおよび０を主成分とし少量のＡｌおよ
びＮを含有する液相によって焼結するものである。した
がって、この方法においては、後に液相焼結に寄与する
Ｙおよび０を適当量残存している脱酸コンパクトが形成
できる程度のカーボンを添加することが重要であり、余
剰のカーボンを添加して脱酸が過剰となり焼結困難とな
らないようにすべきとされている。また。

脱酸コンパクトをＹおよび０を主成分とする液相によっ
て焼結するために、得られた焼結体には、Ｙ２Ｏ３やＹ
、Ａｌ□ｏｇ等からなる第２相が比較的多く存在し、酸
素量で約１〜４重量％程度残存しているものとなってい
る。

一方、半導体用基板あるいは放熱板等の電子部品用途に
おいては、半導体ＩＣの高集積化にともないＳｉチップ
の発熱量とチップサイズはますます増大の方向にある。

また、宇宙通信や自動車電話などの通信機回路に用いら
れる高周波トランジスタ、レーザーダイオードでは高電
流密度で動作させるために発熱が特に著しくなっている
（例えば１０’Ｗ／ｄ以上）、シたがって、放熱が極め
て重要であり、そこで従来実現されている熱伝導率より
も高い１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは２００Ｗ／ｍ
・Ｋ以上の熱伝導率を持つものが要求され始めており、
かかる要求に応える材料の出現が望まれている。

本発明の目的は、かかる実情に鑑み、電子部品用として
十分に高い１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有すると
ともに良好な機械的強度も有する窒化アルミニウム焼結
体を提供することである。

また、本発明の他の目的は、上記特性を有する窒化アル
ミニウム焼結体を特性のバラツキなく安定して提供する
ことができる製造方法を提供することである。

［発明を解決するための手段］本願における第１の発明は、重量比で、５％以下の希土
類金属酸化物および残部実質的に窒化アルミニウムから
なり、残存するカーボン量および酸素の量が夫々０．１
％以下および１％以下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。また、その熱伝導率は１８０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とするものである。本発
明における窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウ
ムを主相とするものであって、ディスプロシウムなどの
希土類金属の酸化物を主体とする第２相は３容量％以下
と少ないものであることが好ましい。

第２相が少ないことによって、より高熱伝導率のものが
実現できるためである。

本願における第２の発明は、窒化アルミニウム粉末を主
体とし０．５〜１３重景％重量土類金属酸化物粉末を配
合してなる粉末に、１重量％以下の炭素を配合し、混合
し成形した後、不活性雰囲気中で１７００〜２０ｏＯ℃
の温度で焼結す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。本発明において、上記希土類金
属酸化物としては１種々の希土類金属の酸化物を適用で
きるが、特にデシプロシウム酸化物またはイツトリウム
の酸化物を用いることが好ましい。

本願における第３の発明は、上記第１の発明の窒化アル
ミニウム焼結体を、熱伝導部または放熱部などを構成す
る部材として使用することを特徴とする電子部品である
。

本発明者らは、粒界に存在する第２相は熱伝導率の向上
を阻害するものであるとの観点に立ち、その減少を図る
ことによって特性を改善することを試みて本発明を成し
たものである。

本発明における添加カーボンの作用は必ずしも明確にさ
れていないが、比較的低い温度領域（約１０００℃以上
）で生ずる固相反応過程においては、主として添加した
カーボンが窒化アルミニウム原料粉末に含有されている
酸素を脱酸する（例えばＡＩＮ粒子表面のＡ１□０１層
の厚さを薄くする）ように作用し、さらに高温度（約１
７００℃以上）の液相焼結過程領域においては、粒界面
および３重点に第２相として形成され存在している希土
類金属および／またはアルミニウムの酸化物などを還元
し、その存在量を減少せしめるように作用するものと考
えられる。このことは、本発明による焼結体において、
ディスプロシウムなどが脱酸されるとともに窒素雰囲気
により窒化されて形成されたようなディスプロシウム窒
化物層が１表面部分に約０．３ｍ程度形成される場合の
あることなどから推測されるものである。すなわち１本
発明においては、比較的低い温度領域では希土類金属／
アルミニウムの酸化物などのうちの主としてアルミニウ
ムを脱酸し、より高い温度領域ではディスプロシウムな
どの希土類金属を脱酸し、粒界面および３重点に存在す
る第２相を分離・移動せしめ減少させているものと考え
られる。したがって、本発明による窒化アルミニウム焼
結体中に残存する第２相は極めて少いのが特徴である。

本発明において、より低い温度領域からカーボンと希土
類金属酸化物とを反応させ、容易に第２相が粒界から抜
けるようにするためには、窒化アルミニウムの焼結助剤
として良く知られているイツトリウムよりも、ディスプ
ロシウムを用いた場合のほうが好ましい結果が得られる
。

本発明においては１通常、各原料粉末を個々に配合し混
合して使用するが１例えば、Ｄｙのアルコキシドを含有
するＡ１８粒子の分散液を生成し、これを加水分解し沈
澱物を仮焼して得られるＡ１８粒子の外周に酸化ディス
プロシウムの微粉が付着した複合粉末を用いても良い。

この場合には。

窒化アルミニウム結晶粒子相の平均粒径が２〜１０μｓ
程度であり酸素含有の極めて少ない焼結体を得ることが
出来る利点がある。一方、窒化アルミニウム結晶粒子の
平均粒径が２ｔｍ未満であると窒化アルミニウム結晶粒
子間の３重点などに希土類酸化物（例えば、ディスプロ
シウム酸化物）が移動しにくく、１０−を越えると焼結
体の機械的強度が低下する。尚、より望ましい平均粒径
範囲は３〜７ｕｍである。

また、窒化アルミニウム結晶粒子相の割合は９５．７容
量％以上であることが望ましく、残余は実質的にディス
プロシウム酸化物相などからなる第２相である。第２相
としての酸化物の割合が５重量％を超えると、窒化アル
ミニウム結晶粒子間の３重点などへ酸化物相が多く残存
するので熱伝導率が低くなる。したがって、５重量％以
下とすることが望ましく、より好ましくは３重量％以下
が良い、一方、第２相があまりにも少なくなると。

焼結性が悪くなり強度も低くなるので、全く存在しない
よりは、ある程度第２相が存在することが望ましい、す
なわち、０．１容量％程度（ディスプロシウム酸化物換
算で約０．２重量％程度、イツトリウム酸化物換算で約
０．１重量％）以上は、第２相がある方が好ましい、し
たがって、残存する酸素は少なくとも約０．０１〜０．
０２重量％程度以上ある方が好ましいといえるこのような組成及び組織状態を有する本発明窒化アルミ
ニウム焼結体は理論密度の９９％以上の密度を有する。

密度が９９％未満であると上記組成及び組成上の要件を
満たしていても十分な熱伝導性が得られず、また機械的
強度も劣る６密度は好まシくは９９．４％以上、特に９
９．９％以上であれば優れた特性のものが得られる。

また、このような本発明の窒化アルミニウム焼結体は室
温において１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率及び３０ｋ
ｇ／ｆｆ１ｍ”以上の曲げ強度を有する。

本発明の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を得るため
には、窒化アルミニウム粉末とディスプロシウムの酸化
物粉末およびカーボン粉末とを混合し、成形後焼結すれ
ばよい６尚、熱伝導率が高く、かつ焼結性も十分な窒化
アルミニウム焼結体を安定して製造するためには、焼結
条件に留意することが望ましく、常圧の窒素雰囲気中で
、１８００〜２０００℃の温度で焼結することが好まし
い。また、諸条件に考慮をすれば、その他の特殊な焼結
法２例えば、ホットプレス法、ＨＩＰ法等を用いること
もできることはいうまでもない。

［実施例］本発明を実施例により、更に詳細に説明する。

実施例１平均粒子径０．５４の市販の窒化アルミニウム粉末（酸
素含有量１．２重量％）に、平均粒子径６μｓのＤ　Ｙ
　ｚ　Ｏｚ粉末を７重量％配合したちの１００重斌％に
対し、平均粒径が数１０〜１００人のＣ粉末０．３７重
重量を配合し、エチルアルコール５００ｃｃを入れたプ
ラスチック製ボールミル容器中でプラスチックボールを
用いて２４時間混合した６混合後乾燥、造粒、成形し、
１気圧のＮ２ガス中で１９００℃の温度にて５０時間か
けて焼結した。

得られた焼結体の熱伝導率を測定したところ２３０Ｗ／
ｍ・Ｋであった。また、ＤＶｚＯｓの含有量は０．３重
量％であり、Ｃ量は０．０３重量％、酸素量は０．０９
９〜０．１２２重量％であった。

尚、ＤＶｚＯｓの分析は蛍光Ｘ線分析法で行い、Ｃおよ
び酸素の含有量は燃焼法により分析した。また、ＳＥＭ
　（走査型電子顕微＃りによる破断面の組織観察写真を
第１図（ｂ）に示す、第１図（ｂ）においても、Ｄｙ等
を含有する第２相の存在は殆どｉ察されない。したがっ
て、本発明による窒化アルミニウム焼結体には、第２相
が非常に少なく存在し；かつ残存するＣおよび酸素が少
ないこと、とりわけ酸素量が極めて少ないという特徴が
あることがわかる。

一方、比較のためにＣ粉末を配合せず、焼結を１８００
℃、１時間で行なったほかは、上記と全く同様にして作
製した窒化アルミニウム焼結体のＳＥＭによる組織ｓｉ
ｎ写真を第１図（ａ）に示す。

本発明のものとは異なり、３重点などにＤｙｚＯａを含
む第２相が比較的多く存在していることが明らかである
。尚、この焼結体の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍ・Ｋであり
、ＤＶｚＯｓの量は７．０重量％、酸素量は１．０重量
％であった。

実施例２平均粒子径０．５ｔｍの市販の窒化アルミニウム粉末（
酸素含有、ｆｉＬｌ、２重量％）に、平均粒子径０゜７
虜のＹ２Ｏ，粉末を３重量％配合したちの１００重量％
に対し、平均粒径が数１０〜１００人のＣ粉末０．４重
量％を配合し、エチルアルコール５００ｃｃを入れたプ
ラスチック製ボールミル容器中でプラスチックボールを
用いて２４時間混合した。

混合後乾燥、造粒、成形し、１気圧のＮ２ガス中で１９
２０℃の温度にて３５時間かけて焼結した。

得られた焼結体の熱伝導率を測定したところ２２０Ｗ／
ｍ・Ｋであった。また、Ｙ２Ｏ，の含有量は０．２７重
量％であり、Ｃ量は０．０２重量％、酸素量は０．０６
重量％であった。

一方、比較のためにＣ粉末を配合せず、焼結を１９２０
℃、３５時間で行なったほかは、上記と全く同様にして
作製した窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率は１３２Ｗ
／ｍ・Ｋであり、Ｙ、Ｏ，の含有量は２．９重量％であ
り、残存する酸素量は１．４重量％であった。

実施例３平均粒子径が０．５μｓの窒化アルミニウム粉末（酸素
含有量１．２重量％）に平均粒子径が６ｔｎａのＤｙ２
０１粒子を第１表に示す容量を配合したもの１００重量
％に対し、Ｃ微粉末を０，３５重量％配合し、エチルア
ルコール５００ｃｃを入れたプラスチック製ボールミル
容器中でプラスチックボールを用いて２４時間混合した
。混合後頁空中で乾燥し、１気圧のＮ２ガス中で、第１
表に示す各条件で焼結した。得られた焼結体の熱伝導率
を第１表に示す。また、走査型電子顕微鏡による組織観
察の結果、Ｄｙ等を含有する第２相の量は非常に少なく
、いずれも３容量％以下であることが確認できた。

第１表に示した結果から本発明におけるＤｙ２０、の添
加量は、焼結条件との兼ね合いもあるが、通常は、０．
５〜１３重量％程度であれば良いことがわかる。

尚、Ｄ　３’　ｚ　Ｏ３に代えてＹ２Ｏ，を用いて、同
様に添加量を検討したところ、Ｙ、Ｏ，の場合には、最
適熱処理条件に差異はあるもののＤ）’ｔｏｙの約半分
の重量％の添加で、はぼ同じような結果が得られること
を確認した。

第１表実施例４実施例３と同じ原料粉末を使用し、窒化アルミニウムに
Ｄ’／２０ｓ粉末を７重量％配合したちの１００重量％
と、第２表に示す容量のＣ粉末とをそれぞれ配合し、ボ
ールミルで混合後乾燥し、成形後１気圧のＮ２ガス中で
１９００℃×５時間の焼結条件で焼結した。得られた焼
結体の熱伝導率。

密度、Ｄ　’／　２０３量、カーボン量および酸素量な
どを第２表に示す。本発明による焼結体が、Ｃ無添加よ
りも良い熱伝導率を示すこと、焼結体中の第２相の量お
よび酸素量が極めて少ないことなどが明らかである。

また、第２図は、カーボンの添加量が０％、０゜２％、
０．４％、および０．６％の各場合について、１８００
℃、２時間焼結し得た焼結体の破断面組織のＳＥＭＩ！
察写真である。この図から、カーボンの含有量が少ない
場合、第２相は３重点以外の粒界面にも多く存在するが
、カーボン量が増えるに従い粒界面の第２相は少なくな
るなど、残存する第２相の量および部位が変化している
ことがわかる。

尚、Ｄ）’２０ｍ粉末に代えてＹ２Ｏ，粉末を４重量％
配合した他は上記と同様にして、Ｃ添加効果を検討した
ところ、はぼ同じような傾向のあることが確認された。

実施例５平均粒子径０．５４の窒化アルミニウム粉末（酸素含有
量１．２重量％）に平均粒子径６μｓのＤｙ２０、粒子
を５重量％を配合したもの１００重量％に対し、Ｃ微粉
末０．３重量％を配合し、１気圧のＮ２ガス中で、１８
００℃の湿度で１０時間焼結し、　１０ｍｍＸ　１０ｍ
ｍＸ　２＋ａｍの大きさの板状窒化アルミニウム焼結体
を作成した。得られた焼結体の熱伝導率は１９３Ｗ／ｍ
・Ｋであった。次いで、この板状焼結体を酸素分圧が約
０．２気圧の雰囲気において１０００℃に加熱し、２０
分保持して厚さ約１μのアルミナ表面層を形成した。次
に上記アルミナ層の表面に、蒸着法により膜厚０．３μ
ｍのチタン層、膜厚０．７μｌのニッケル層、および０
．２５μｍの金の層を夫々順次形成して電子部品を構成
するための半導体基板を作製した。

得られた半導体基板上に溶融はんだを載せ、はんだとの
濡れ性および窒化アルミニウムの侵食状態を調べたとこ
ろ、主として金がはんだを構成する錫および鉛との合金
層を形成することにより、濡れ性が充分に確保されると
ともに窒化アルミニウムへの侵食は全く無いことが確認
できた。また、この半導体基板の表裏にエポキシシ樹脂
を介してアルミニウムピンを固着し、接合強度の評価を
行なったところ、接合強度は７　Ｋ　ｇ　／　ｍｍ”以
上もあり、形成された表面層各層間は相互に強固に密着
していることがわかった。

なお、本実施例においては、熱処理することによりアル
ミナ表面層を形成したが、電子部品の用途によっては必
ずしもこの表面層の形成を必要としないことは言うまで
もない。また、本実施例ではニッケル層、チタン層、お
よび金の層を形成したが、用途によって銀など他の金属
または合金層を表面層として選択して良いことは勿論で
あり、その形成方法もメツキ法との組合せなど、蒸着以
外の方法を採用することも可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明は、残存酸素量を極めて少
なくし、ディスプロシウムの酸化物等を主体とする第２
相が殆ど存在しない窒化アルミニウム焼結体としたこと
により、厚肉材料においてもその熱伝導率が高く、１８
０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の優れた特性を有するものであるから
、熱伝導または放熱などの働きを求められる例えば内部
配線を設けた多層基板などのような電子部品の基板、キ
ャップあるいはケースなどを構成する部材として優れた
効果を発揮出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、カーボンを所定量添加して焼結
して得た本発明による窒化アルミニウム焼結体と、カー
ボンを添加しない従来の焼結体との破断面をＳＥＭ（走
査型電子顕微鏡）によりＩｌ！察第１・、−λ）（）、ｉ２．ｖｏ）（ｙ−ｈｏｅ）一゛　　３≧稔・。Ｃつ、゛け、外（×妬００）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比で、５％以下の希土類金属酸化物および残
部実質的に窒化アルミニウムからなり、残存するカーボ
ン量および酸素の量が夫々０．１％以下および１％以下
であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
（２）熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１
記載の窒化アルミニウム焼結体。
（３）上記希土類金属がデシプロシウムであることを特
徴とする請求項１または２記載の窒化アルミニウム焼結
体。
（４）上記希土類金属がイットリウムであることを特徴
とする請求項１または２記載の窒化アルミニウム焼結体
。
（５）０．５〜１３重量％の希土類金属酸化物粉末と残
部窒化アルミニウム粉末との総量１００重量％に対し、
１重量％以下の炭素を配合し、混合し成形した後、不活
性雰囲気中１７００〜２０００℃の温度で焼結すること
を特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（６）請求項１乃至４のいずれかの項に記載の窒化アル
ミニウム焼結体を、熱伝導部または放熱部を構成する部
材として使用することを特徴とする電子部品。