JPH0196068A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

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、放熱板に周
込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〕

窒化アルミニウムは、アルミナの５〜１０倍もの熱伝導
率を有し、べＩＪ　ＩＪヤに匹敵する熱伝導性を示し、
アルミナやベリリアよシもかなシ小さくシリコンに近い
熱膨張率を示し、アルミナやべＩＪ　ＩＪア並みの電気
絶縁性を備えるなど優れた特性を有する。従って、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
板の製造法と同様に、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
ドクターブレード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。

窒化アルミニウム焼結体を半導体基板として利用すると
き、その焼結体表面に金属層を形成することは、実用化
していくのに重要である。

このメタライズ法として、従来、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
グによシ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Ｃ
ｕ−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、Ａｇ　ｓ　Ｃｕ　ｓ　Ｔｉ％　Ｓｎ
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
、表面を粗くした後Ｃｕ　−？　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（倉元著「窒化
アルミニウム基板」、雑誌「電子材料Ｊ　１９８７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ている
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い
。この濡れ性を改善する為に、表面を酸化させたシ、焼
結助剤を工夫することが提案されている。例えば、ｆｌ
／ａｂｖａ、およびＶｉａ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１ｍ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６１−２７０２６
３号、および特開昭６１−２８１０７４号）が、また、
表面構造をＶＩａＭＯおよびこれらのホウ化物、炭化物
の最外層ト、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６１−２８１０８９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本来の特性を十
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、金属との濡れ性を改善して良好
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、次の工程（イ）〜に）がらｉることを特
徴とするものである。

（イ）主成分の窒化アルミニウム粉末にＩｌａおよびＩ
ＴＩａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種の粉
末が添加されてなる高伝熱性基材用粉末を、プレス型内
に充填する工程 （ロ）前記工程（イ）の前に、後に、または前後に、空
化アルミニウム粉末にｌＶａ、ｖａ、およびＭａ族元素
の化合物から選ばれた少なくとも１種の粉末が添加され
てなるメタライズ表面層用粉末を層状にプレス型内に装
入する工程（ハ）　前記工程でプレス、型に充填された
粉末をプレス成形する工程 に）　プレス成形体を焼結する工程 この発明の製造方法によシ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、■ａおよびＴｌＴａ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、■ａ、Ｖａ、および■ａ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
ズ表面層と； 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　ｓＳｒ　％　　１
３ａ　ｓ　　Ｓｃ　％　Ｙｘプランタイドの酸化物、ホ
ウ化物、窒化物、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％、よシ好ましくは、０．５〜１５重
量％、最も好ましくは１〜８重量％である。

この発明の好ましい態様において、メタライズ表面層に
添加される化合物は％　Ｔｉ　％　Ｚｒ％　Ｈｆ。

Ｖ％　Ｎｂ％Ｔａ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、ＷＶ）炭化物、ホ
ウ化物、窒化物、７フ化物から選ばれた少なくとも１種
からなシ、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＃チ、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、メタラ
イズ表面層に添加される化合物の含量が漸増するように
濃度勾配を設けることができる。

以下、この発明をよ−り詳細に説明する。

失−造友族 この発明の製造方法において、先ず、主成分の窒化アル
ミニウム粉末にＩＩａおよびＴｌＴａ族元素の化合物か
ら選ばれた少なくとも１種の粉末が添加されてなる高伝
熱性基材用粉末および、窒化アルミニウム粉末に■ａｓ
Ｖａｓおよび■ａ族元素の化合物から選ばれた少なくと
も１種の粉末が添加されたメタライズ表面層用粉末を調
製する０ 窒化アルミニウムに添加されるＩＩａおよび１ＩＩａ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　ｓ　Ｍｇ　ｓ　Ｃａ　ｓＳｒ　ｓ　Ｂａ
　ｓ　Ｓｃ　ｓ　Ｙ％ランタノイドの酸化物、ホウ化物
、空化物、フッ化物、シーウ酸塩、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、シェラ酸ストロンチウム、シェラ酸
バリウム、７フ化バリウム、フッ化ランタン、窒化イツ
トリウム、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、シェラ酸セリウムなど、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寸法は、所望の嗜化
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。

表面層用粉末を調製するために、窒化アルミニウムに添
加されるＩＶａ，Ｖａ，およびＭａ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表面層を形成するものである。その
ようなものとして、例えば、Ｔｉ　、、　Ｚｒ、　Ｈｆ
　％　Ｖｓ　Ｎｂ、　Ｔａ５Ｃｒ、Ｍｏ％Ｗの炭化物、
ホウ化物、窒化物、およびフッ化物、釜びにこれらの組
合わせがあシ、より具体的には、Ｔｉｃ　％　ＺｒＣｓ
　ＨｆＣ、ＶＣ％　ＶＣ２、ＮｂＣｓ　ＴａＣ２、’ｒ
ａＣ％　ＣｒＣ％　ＭＯ２Ｃ％　ＷＣ％　ＷｚＣ５ＴＩ
Ｂ２、ＺｒＩｈ、Ｈｆ１３．　ＶＢ２、ＮｂＢ％　’ｒ
ａＢ、　ＣｒＢ、ＭｏＢ。

ＷＢ、　ＴｉＮ５　ＺｒＮ、　ＨｆＮ５　ＶＮ、　Ｎｂ
Ｎ５　ＴａＮ５ＣｒＩ’ｔＬＭＯ２ＮＸ　ＴｉＦＡ、Ｚ
ｒＦ４、Ｈｆ　Ｆａ、ＶＦｓ、ＮｂＦｓ、ＴａＦ５、Ｃ
ｒＦ６、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％、よシ好まし
くは、０．１〜１５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。

高熱伝導性基材用粉末およびメタライズ表面層用粉末の
調製後、 （イ）　高伝熱性基材用粉末をプレス型内に充填し、（
ロ）　前記工程（イ）の前に、後に、または前後に、メ
タライズ表面層用粉末を層状にプレス型内に装入する。

すなわち、メタライズ表面層用粉末をプレス金型の底面
に薄く層状に散布しその上に高伝熱性基材用粉末をプレ
ス金型内に充填しプレス成形してもよいし、逆に高伝熱
性基材用粉末を先にプレス金型内に充填し最後に薄くメ
タライズ表面層用粉末を薄く層状に散布しプレス成形し
てもよい。これらの態様で成形体の片面にメタライズ表
面層を設けることができる。また、最初と最後にメタラ
イズ表面層用粉末を薄く層状に散布し、高伝熱性基材用
粉末の層を挾む様にしてプレス成形してもよく、この態
様で成形体の両面にメタライズ表面層を設けることがで
きる０ 濃度勾配を設ける場合、窒化アルミニウムに添加される
７１／ａ、Ｖａ、およびＭａ族元素の化合物の添加量を
漸次増減させたシして異なる配合量の粉末を順次プレス
金型に入れてもよい。同様に、高熱伝導性基材について
も配合量の異なる粉末をｍ次プレス金型に入れてもよい
。

メタライズ表面層用粉末および高伝熱性基材用粉末をプ
レス金型を充填した後、プレス成形する。この成形条件
は、通常の技法によシ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
によシ適宜選択することができる。

窒化アルミニウム焼結体 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＆’ＣＴｒａおよび
ｌ１ｌａ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，Ｖａ，
およびＭａ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表面層とを備える
０従って、この発明による窒化アルミニウム焼結体の表
面にはメタライズ表面層が形成され、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。すなわチ、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バッメリングによシ各
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−Ｏ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シ、ＣｕやＮｉを無電解メ
ツキする無電解メツキ法によシ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
ニウム基板の表面を形成するメタライズ層には、ＩＶａ
ＸＶａ　ｒまたは■ａ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ＩＴｔａ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表面層とが粉末の状態でプレ
スによ多接合されて焼成されるために、これらの境界面
の馴染みがよく、組成の異なる粉末の境界面が連続的に
混じυ合い、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〕

この発明によシ次の効果を得ることができる。

（イ）　この発明によシ、高熱伝導性基材とメタライズ
表面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すに
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
あシ、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シ具体的に説明する。

試料作製例 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、有機溶剤とともに２４時間ボールミルで混練した。

有機溶剤を乾燥、除去して、調製粉末を得た。

実施例 第１表の番号１〜７に示す粉末の組合せで、上記の作製
例で得られた高熱伝導性基材用粉末を厚さ２ｍｔｘにな
るように金型に充填し、最上層にメタライズ表面層用粉
末を厚さ帆５　Ｊｌｌになるように充填した。次いで、
Ｉｔ、／Ｃ１１ｔの圧力でプレス成形して全ての粉末が
一体となった成形体を得た。

この成形体を１８００℃、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。

比較例 第１表の番号８〜１０に示すこの発明の範囲外の粉末の
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

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．次の工程からな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。 （イ）主成分の窒化アルミニウム粉末にIIａおよびIII
   ａ族元素の化合物から選ばれた少なくとも１種の粉末が
   添加されてなる高伝熱性基材用粉末を、プレス型内に充
   填する工程 （ロ）前記工程（イ）の前に、後に、または前後に、窒
   化アルミニウム粉末にIVａ，Ｖａ，およびVIａ族元素の
   化合物から選ばれた少なくとも１種の粉末が添加されて
   なるメタライズ表面層用粉末を層状にプレス型内に装入
   する工程 （ハ）前記工程でプレス型に充填された粉末をプレス成
   形する工程 （ニ）プレス成形体を焼結する工程
2. ２．高伝熱性基材用粉末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、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. ３．メタライズ表面層に添加される化合物が、Ｔｉ、Ｚ
   ｒ、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. ４．メタライズ表面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. 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. ６．メタライズ表面層に添加される化合物の含量が漸増
   するように濃度勾配を有す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。