JPH02124772A

JPH02124772A - 窒化アルミニウム焼結体および製造法

Info

Publication number: JPH02124772A
Application number: JP1090839A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamakawa; 晃山川; Masaya Miyake; 雅也三宅; Koichi Sogabe; 浩一曽我部; Hitoshi Sakagami; 坂上　仁之; Hisao Takeuchi; 久雄竹内
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-05-16
Filing date: 1989-04-12
Publication date: 1990-05-14

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］本発明は着色した窒化アルミニウム焼結体に係り、より
詳しくは、緻密質で高熱伝導率をもち、かつ黒色、茶色
、緑色等の色調をもった窒化アルミニウム焼結体および
該焼結体の製造に用いる粉末ならびに該焼結体を用いた
回路基板および半導体パッケージに関する。

［従来の技術］最近のＬＳＩの進歩はめざましく、集積度の向上が著し
い。これには、ＩＣチップサイズの向上も寄与しており
、ＩＣチップサイズの向上に伴ってパッケージ当りの発
熱量が増大している。このため基板材料の放熱性が重要
視されるようになってきた。また、従来ＩＣ基板として
用いられていたアルミナ焼結体の熱伝導率では放熱性が
不十分であり、ＩＣチップの発熱量の増大に対応できな
くなりつつある。このためアルミナ基板に代わるものと
して、高熱伝導性のベリリア基板が検討されているが、
ベリリアは毒性が強く取扱いが難しいという欠点がある
。

一方、窒化アルミニウム（Ａ　Ｉ　Ｎ）焼結体は、本来
、材質的に高熱伝導性、高絶縁性を有し、毒性もないた
め、半導体工業において回路Ｍ［２材料あるいはパッケ
ージ材料として注口を集めている。

［発明が解決しようとする課題］上述のように窒化アルミニウムは理論的には１、ｌｉ結
晶としては高熱伝導性、高絶縁性を有する材料である。

しかしながら、窒化アルミニウム粉末から焼結体を製造
する場合、窒化アルミニウム粉末自体の焼結性が良くな
いため、粉末成形後、焼結して得られる窒化アルミニウ
ム焼結体の相対密度（窒化アルミニウムの理論密度３．
２６ｇ／ｃｍ３を基準とする）は、焼結条件にもよるが
、高々７０〜８０％しか示さず、多量の気孔を包含する
。

一方、窒化アルミニウム焼結体の如き絶縁性セラミック
スの熱伝導機構は、フォノン散乱を主体とするため気孔
、不純物等の欠陥はフォノン散乱を起こし、熱伝導性は
低レベルのものしか得られない。これらの状況に対し、
高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を得るために種々の
提案がなされている。

しかしながら、高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体を
製造するためには、高純度の原料を使用し、また工程中
の不純物の混合も極力防ぐことが必要とされており、こ
のようにして得られた窒化アルミニウムは白色透明もし
くは薄く着色したものに限られ、光の透過を問題とする
用途等には使用できなかった。そこで、光の透過を問題
とする用途等に着色窒化アルミニウムの開発が望まれて
いた。

本発明は、こうした実情に鑑み、高熱伝導性をＨし、か
つ着色した窒化アルミニウム焼結体、およびかかる焼結
体を製造するための原料粉末ならびに該焼結体を利用し
た回路基板および半導体パッケージを提供することを目
的とするものである。

［課題を解決するための手段］本発明者は、上記課題を解決するため従来より研究を重
ねてきたが、窒化アルミニウムに対しある種の元素又は
その化合物を添加することが有効であることを知見し、
本発明に至った。

すなわち、本発明の第１はＡＩＮを主成分とし、ＴｉＳ
　Ｚ　ｒＳ　Ｃａ、Ｈｆ、ＶＳ　Ｎｂｓ　Ｔａ。

Ｃ［、〜ＩｏＳＷ、Ｍｎ５Ｆ　ｅＳＣｏ、Ｎｉ。

Ｎｄ及びＨｏからなる群から選択ばれた１種以上の金属
元素及び／又はその化合物を０．０１〜１．０’ｆｆＺ
ｆｆ１％、あるいはさらにＩＩａ、Ｉ［Ｉａ族元素を０
．０１〜１．０重２％含有し、青色を呈し、かつ熱伝導
率が１５０ｗ／ｍｋ以上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。

上記着色窒化アルミニウム焼結体の製造は、ＡＩＮを主
成分とし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ５Ｈｆ。

Ｖ　ｓ　　Ｎ　ｂ　ｓ　　Ｔ　ａ　ｓ　　Ｃｒ、Ｍｏ、
ＷＳ　Ｍｎ、　　Ｆ　　ｅ。

Ｃｏ％Ｎｉ、ＮｄおよびＨｏからなる群から選ばれた少
なくとも１種の金属元素を０．０１〜１．０重量％含有
する原料粉末を使用して、又、必要な場合には上記原料
粉末に焼結助剤としてのＵａ又は■ａ族元索を元素換算
で０．０１〜１．０重量％となるように酸化物、窒化物
、フッ化物又は炭化物等の化合物として添加し、成形し
、非酸化性の窒素含有雰囲気中にて１７００〜２１００
℃で焼結する。

又、かかる原料粉末はＡｌ２Ｏ３粉末と炭素粉末とを重
量比で１　：　０．２〜］：２の割合で混合し、Ｔｉ、
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ。

Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆ　ｅ、Ｃｏｓ　Ｎ　ｉ。

ＮｂおよびＨｏからなる群から選ばれた１種以上の金属
元素を共存させながら、窒素含有非酸化性雰囲気中にお
いて１４００〜１８００℃で焼成することを特徴とする
方法により製造できる。

上記の添加金属元素を共存させるには、粉末（酸化物そ
の他の化合物でも良い。）とじてＡｌ２Ｏ：１粉末と炭
素粉末に添加する方法が簡単であるが、ガスとして反応
装置内に導入することも可能であり、更にはこれらの金
属元素を所定量含有するＡｌ２Ｏ３粉末及び／又は炭素
粉末を用いてもよい。

本発明において高熱伝導性の着色窒化アルミニウムを得
るために使用する着色用添加剤としては、次のような元
素又はその化合物を挙げることができる。

黒色用添加剤としては、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＣａＣ０
ｚ、ＨｆＯ；＋、Ｖ２Ｏ：１．Ｎｂ２Ｏ３、Ｔ　　ａ　
　２　　０　３　　、　　Ｃｒ　　Ｓ　　Ｍ　　ｏ　　
ｓ　　　Ｗ　　Ｏ３、Ｍ　　ｎ　　Ｏ％ＦｅｚＯ３、Ｃ
ｏｏ、ＮｉＯ等、茶色用添加剤としては、ＮｄｚＯｘ等
、緑色用添加剤としてはＨｏ２０３等である。これらは
酸化物に限定されず、加熱分解し、これらの元素を放出
する化合物であれば用いることができる。このような例
として例えば炭酸塩、水酸化物、有機化合物等である。

これらの着色用添加剤は、所望により組合せて用いるこ
ともできる。

また、本発明の焼結体の製造には、周期律表１１ａ、ｍ
ａ族の元素又はその化合物を０．０１〜０．１重量％で
焼結助剤として使用する場合があるが、これらは具体的
にはＣａ０１Ｙ２０３、ＣａＣＯ３、ＣｅＯ２、ＣａＣ
２などが例示できる。

かかる焼結助剤を用いる場合には、窒化アルミニウムを
主成分とし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ５Ｔａ、Ｃｒ
ＳＭｏ、ＷＳＭｎ、Ｆｅ。

ＣＯ％　Ｎ　ｓ　％　Ｎ　ｂ　％　Ｈｏから選ばれた１
種以上の金属元素を０．００２５〜０．１％含む窒化ア
ルミニウム粉末に、ｎ　ａ　ｓ　ＩＩ　ａ族元素を元素
換算で０、０１〜１．０重量％となる化合物を添加し、
さらにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ５Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ５Ｍ０
ＳＷ、　Ｍｎ５Ｆ　ｅ、　Ｃｏ、　Ｎ　ｉ　、、　Ｎｄ
。

Ｈｏから選ばれた１種以上の金属元素化合物を製品中の
合計量が０．０１〜１．０ｍｍ％になるように添加した
粉末を成形したのち、非酸化性の窒素含有雰囲気で焼成
するとよい。

［作　用］本発明においては、発色剤としてＴｉ、Ｚｒ。

Ｃａ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ５ＣｒＳＭｏ、ＷｌＭｎ、
Ｆｅ％Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｄ及びＨｏからなる群から選ばれ
た少なくとも１種の金属元素を０．０１−１．０ｍｍ％
含有させた窒化アルミニウム粉末を原料粉末として用い
焼結することによって、着色しかつ高熱伝導率の窒化ア
ルミニウム焼結体が得られる。

この場合窒化アルミニウム粉末は、高純度のものを用い
る必要がある。酸素量としては２．５ｍｍ％以ド、炭素
を０．５重量％以下、遷移金属又はその化合物以外の不
純物を０．０１重量％以下、そして金属元素又はその化
合物は合計で０．１ｍｍ％以下の粉末でなければ、必要
な熱伝導率と色調を同時に満足しない。

窒化アルミニウム粉末の比表面積は、２．Ｏｒｒ？／ｇ
以上のものが好ましい。比表面積がこれより小さいと緻
密質の焼結体が得られない。

本発明において黒色以外の茶色、緑色に着色した高熱伝
導性の窒化アルミニウム焼結体を得るためには、さらに
高純度の窒化アルミニウム粉末を使用することが必要で
あり、遷移金属元素又はその化合物は０　、０１　ｆｆ
ｉ　量％以下となるように窒化アルミニウム粉末の純度
をコントロールする。

そして、このような窒化アルミニウム粉末に焼結助剤お
よび着色剤としてたとえばＮｄを用いれば、茶色に青色
した窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。

ＩＮＫ料粉米粉末るＡＩＮ粉末中におけるこれらの金属
元素の含有量が０．０１重量％未満では青色ＡＩＮ焼結
体の色調が薄く、光の透過を防止する用途に用いるため
には不充分であり、１．０重量％を超えると金属元素の
ＡＩＮ中への固溶によって焼結体の熱伝導率が通常１０
０ｖ／ｆｆ１−に以下に低下し、ＩＣ基板等として使用
できない。又、ＡＩＮ粉末の他の特性として、高熱伝導
率と着色を同時に得るために酸素含有量は０．５〜２．
５重回％の範囲が好ましく、発色剤として添加する金属
元素以外のＳｉ等のＡＩＮへの固溶元素の含有量もｌｏ
ｏｏｐｐｍ以下であることが好ましい。

更に、ＡＩＮ粉末の比表面積は、緻密な焼結体をｉυる
ため２．０〜５．０ｍ２／ｇが好ましい。

発色剤としての金属元素をｅＥＨしたＡＩＮ粉末の製造
において、Ａｌ２Ｏ３粉末と炭素粉末とを重量化で１　
：　０．２〜１：２の割合とするのは、１　：　０．２
未満では炭素が不足してＡｌ２Ｏ３の残留やＡ　Ｉ　Ｎ
の凝集が起こり、１２を超えると逆に炭素が過剰となる
からである。

本発明では又ｎａ、Ｈａ族元素を所定量添加すると容色
効果とともに高い熱伝導率を得ることができる。これら
の添加量が０．０１重量％未満あるいは１．０重量％を
越えると、所期の効果が得られない。

本発明においては、同色の青色剤を複数組合せて用いる
ことも、また異った色の着色剤を複数組合せて用いるこ
とが可能である。

上記のようにして得られた本発明の着色した窒化アルミ
ニウム焼結体は、いずれも１５０／νｉＫ以上の高い熱
伝導性を有しており、緻密質な焼結体表面にＡｇ、Ａｕ
等の厚膜ペースト、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属ペーストを
印刷し、焼成することによって、窒化アルルミニウム回
路基板として有用である。

さらにこのような基板に半導体素子、リードフレームを
組合わせてＩＣパッケージとして用いる。

［実施例〕次に実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。

実施例１窒化アルミニウム粉末（Ｂ　Ｅ　Ｔ　３．５＋ｎ２／ｇ
、酸素０．０１重量％、金属不純物０　、　Ｏｉ　ｍ　
ｍ％）に、フェノール樹脂を　１．０車量％、Ｙ２Ｏ３
を０．５重量％、さらに下記の表１に示した添加物を加
え、３０Ｘ　３０Ｘ　３ｍｍの成形体を製造した。

成形体は窒素フロー中１９５０℃で５時間焼成し、板状
の焼結体を得た。得られた焼結体の色調、熱伝導率、密
度を７１１１１定した。本発明の焼結体が着色された高
熱伝導の窒化アルミニウムであり、従来にない性能をも
っことがわかる。

実施例２実施例１に示した番号１の焼結体に市販のＡｕペースト
を印刷し、９３０℃大気中で焼成したところ、接着強度
３ｋｇ／ｍ　’をもつ導体回路が形成されることがわか
った。すなわち、本発明の窒化アルミニウム焼結体は高
熱伝導の回路基板として使用可能である。

実施例３窒化アルミニウム粉末（ＢＥＴ３．０〜４．Ｏｎ＋２／
ｇ、酸素１．０〜１．５ｖ１０、金属元素含有は表２に
示す）に、フェノール樹脂を１．０重量％、焼結助剤（
Ｙ２Ｏ２）、添加剤を表２に示すように添加し直径１０
ｆｆｌＩ１１で厚さ３ｎ＋ｍの円形体を１軸ブレス成形
した。プレス体は窒素ガスフロー中１９５０℃で５時間
焼成し、板状焼結体を得た。得られた焼結体の色調、熱
伝導率、密度、曲げ強度をａｐｌ定し表２に併記した。

表実施例４ ’ｔｚ均粒径０．５μｉのａ−Ａ１２０ｚ粉末と、・１
４均粒径０．１μｍのアセチレンブラックを重量比で１
＝１に混合し、この混合粉末中に下表３に列挙した発色
剤金属元素の酸化物を表示の割合で加え、窒素気流中に
おいて１ＧＯＯ’ｃて加熱焼成した。得られた粉末を大
気中で７００℃に加熱して、余剰炭素を燃焼除去し、残
留したＡＩＮ粉末の元素分析を行った。分析結果として
、ＡＩＮ粉末中の発色剤元素のｔ震度を下表に併記した
。尚、ＡＩＮ粉末中の発色剤元素以外の含＆！移金属は
全て１０ｐｐｍ以下であった。

得られた各ＡＩＮ粉末に、焼結助剤としてｙ２ｏ３粉末
を夫々　０２８重量％添加して充分混合した後、−軸ブ
レスで直径１２ｍｍで厚さ　５ｒＢＩ１１の円板に成形
し、窒素気流中において１９５０℃にて３時間焼結した
。

得られたＡＩＮ焼結体の熱伝導率、及び色調を下表３に
併せて示した。

東比較例表［発明の効果コ以上説明したように、本発明によれば、白色゛上透明で
はなく黒色、茶色、緑色等に告色された光熱伝導の窒化
アルミニウム焼結体が得られ、ＩＣ基板、パッケージ等
高放熱基板材料あるいは高放熱部品として用いられ、光
の透過をきらう用途、光学式センサーにかけられ、自動
化ラインへの適用が必要な用途等にも適用可能なセラミ
ックスである。

特許出願人　住友電気工業株式会社代理人　弁理士　小　松　秀　岳

Claims

【特許請求の範囲】（１）ＡｌＮを主成分とし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｄ及びＨｏからなる群から選ばれ
た１種以上の金属元素及び／又はその化合物を０．０１
〜１．０重量％含有し、着色を呈し、かつ熱伝導率が１
５０ｗ／ｍｋ以上であることを特徴とする窒化アルミニ
ウム焼結体。（２）ＡｌＮを主成分とし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｄ及びＨｏからなる群から選ばれ
た少なくとも１種の金属元素を２０〜１０００ｐｐｍ含
有する請求項（１）記載の窒化アルミニウム焼結体製造
用窒化アルミニウム粉末。（３）酸素含有量が０．５〜２．５重量％、比表面積が
２．０〜５．０ｍ＾２／ｇである請求（２）記載の窒化
アルミニウム焼結体製造用窒化アルミニウム粉末。（４）Ａｌ＿２Ｏ＿３粉末と炭素粉末とを重量比で１：
０．２〜１：２の割合で混合し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ
、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｄ及びＨｏからなる群から
選ばれた１種以上の金属元素を０．０１〜１．０重量％共存させながら、窒素含有非酸
化性雰囲気中において１４００〜１８００℃で焼成する
ことを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。（５）窒化アルミニウムを主成分とし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈ
ｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｎｄ及びＨｏから選ばれた１種以上の金属元
素を０．０１〜１．０重量％、IIａ、IIIａ族元素を０
．０１〜１．０重量％含有し、黒色を呈し、かつ熱伝導
率が１５０ｗ／ｍｋ以上、曲げ強度が２０ｋｇ／ｍｍ＾
２以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体
。（６）窒化アルミニウムを主成分とし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈ
ｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｈｏから選ばれた１種以上の金属元素
を０．００２５〜０．１％含む窒化アルミニウム粉末に
、IIａ、IIIａ族元素を元素換算で０．０１〜１．０重
量％となる化合物を添加し、さらにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｈｏから選ばれた１種
以上の金属元素化合物を製品中の合計量が０．０１〜１
．０重量％になるように添加した粉末を成形したのち、
非酸化性の窒素含有雰囲気で焼成することを特徴とする
窒化アルミニウム焼結体の製造法。（７）窒化アルミニウムを主成分とし、熱伝導率が１５
０ｗ／ｍｋ以上で着色を呈した窒化アルミニウム焼結体
上に、導電性ペーストにより回路を形成したことを特徴
とする窒化アルミニウム回路基板。（８）窒化アルミニウムを主成分とし、熱伝導率が１５
０ｗ／ｍｋ以上で着色を呈した窒化アルミニウム焼結体
基板と半導体素子とリードフレームからなる高熱伝導性
セラミック・パッケージ。