JPH02279568A

JPH02279568A - 窒化アルミニウム質焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH02279568A
Application number: JP1098497A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Ishida; 石田　政信
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1989-04-18
Filing date: 1989-04-18
Publication date: 1990-11-15
Anticipated expiration: 2013-04-22
Also published as: JP2742600B2

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、窒化アルミニウム質焼結体およびその製造方
法に関し、より詳細には高熱伝導性を有し、放熱性の基
板等の電子部品材料に好適な低温焼成可能な窒化アルミ
ニウム質焼結体およびその製造方法に関する。

（従来技術）近時、情報処理装置の高性能化、高速化に伴いそれを構
成する半導体集積回路も高密度化、高集積化が急速に進
み、そのために半導体集積回路素子の大電力化に依り該
素子の発熱量が著しく増加し、前記半導体集積回路素子
を正常に且つ安定に作動させるためには、その発生する
熱をいかに効率良く除去するかが課題となっている。

そこで、従来のアルミナを基体とする半導体パッケージ
等では熱伝導率が低く放熱が不充分であることから、熱
伝導率が高いセラミック材料として酸化ベリリウム質焼
結体が提案されているが、その毒性の点で使用上難点が
あった。

そのため、酸化ベリリウム賞焼結体に代わる高熱伝導性
基板材料として常温から高温まで高い機械的強度を有し
、電気絶縁性が高く、高熱伝導性であり、熱膨張係数が
アルミナに比ベシリコン単結晶に近いなどの優れた特性
を有する窒化アルミニウム賞焼結体が注目されている。

しかしながら、窒化アルミニウムは本来難焼結性であり
、単味では高い熱伝導率を存する高密度の焼結体を得る
ことが困難であった。そこで、窒化アルミニウム原料粉
末に焼結助剤として、周期律表Ｕａ族元素もしくはｍａ
族元素の化合物、例えばカルシウム、ストロンチウム、
バリウム等のアルカリ土類金属もしくはイツトリウムお
よび希土類元素の化合物を添加して焼結体を得る事が行
われている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来の方法では窒化アルミニウム質焼結
体を得るのに、１７００℃以上の高温で焼成する必要が
あった。このように焼成温度が高いため金属導体と同時
焼成を行う場合、焼成炉のコストおよび焼成にかかる費
用が高くなること、また金属導体が粒成長するために導
体の接着強度が低くなるなどの問題点があった。

さらに焼成温度を低下させることを目的としてＹ　、、
Ｌａ５Ｃｅ　ｓ　Ｎｃｌ、　Ｓｍ、ａｙの酸化物とアル
カリ土類金属化合物を同時に添加させる方法が特開昭６
１−１１７１６０号に記載されているが、熱伝導率はた
かだかｌｌ０Ｗ／ｎ＋−にと低いものであった。また希
土類金属のフン化物を添加することにより焼成温度を低
下させる方法が特開昭６１１．２０９９５９号に記載さ
れているがフッ化物を用いるため原料コストが非常に高
くなること、また焼成途中でフッ素酸化物が発生するた
め炉を腐食するなど製造には不向きである。

（発明の目的）本発明は上記問題点を解決することを主たる目的とする
ものであり、具体的には、高熱伝導性および高密度の均
−質で、且つ１７００℃以下の低温焼成可能な窒化アル
ミニウム賞焼結体を提供することにあり、他の目的は該
焼結体を容易に且つ安定に製造するための方法を提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段）本発明者等は上記問題点に対し、研究を重ねた結果、重
希土類金属化合物とアルカリ土類金属化合物を同時に添
加すればよいことを知見した。即ち、本発明は、ＡＩＮ
粉末を８３〜９７重量２と、重希土類金属化合物として
ＹｂｔＯｔを３〜５重量％の割合で含有し、且つアルカ
リ土類金属化合物としてＣａＯ粉末を０．０１〜２重量
％の割合で含有してなる混合物を成形後、窒素ガスを１
Ｔｏｒｒ１以上含有する非酸化性雰囲気下、１７００℃
以下の温度で焼成して、前記Ｙｂ１０３を焼結体中の含
有量が金属に換算して０．５重量２以上、ＣａＯが金属
に換算して０．００５重Ｎ％以上残存させることによっ
て、密度３．２〜３．６ｇ／ｃａｂｆｆ、熱伝導率１２
０Ｗ／ｍ　−ｋ以上の窒化アルミニウム賞焼結体を得る
ことができるというものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明における大きな特徴は焼結助剤として、重希土類
金属あるいはその金属化合物とアルカリ土類金属あるい
はその金属化合物を同時に用いる点にある。該重希土類
金属化合物としてはＹｂ２０゜が挙げられ、またアルカ
リ土類金属化合物としてはＣａＱが挙げられる。

一方、本発明において使用される窒化アルミニウム粉末
は直接窒化法、アルミナ還元法等、公知の方法で製造さ
れたもので酸素含有量１．５重量％以下、炭素含有ｆｆ
１０．１５重量％以下、アルミニウムを除く陽イオン不
純物含有量０．１重量％以下、特にＳｉ含有量およびＦ
ｅ含有量が共に１１００ｐｐ以下の平均粒径２μ−以下
の粉末である。

窒化アルミニウム粉末および焼結助剤は、焼成において
、焼結助剤が、液相を十分に生成し得る量で配合され、
窒化アルミニウム粉末は８３〜９７重量％、ＹｂｚＯ’
ｚＶ粉末３〜１５重量％、且つＣａＯ粉末を０．０１〜
２重量％の割合で配合される。

配合された粉末は、所望により、有機溶媒中で混合され
る。この時、有機溶媒中に含有される水分量は０．４重
量％以下に設定される。これにより、ＡＩＮ粉末の分散
性を向上させるとともに、溶媒中の水分との反応によっ
てＡＩＮ粒子表面の酸化を防止することができる。

得られた混合粉末は公知の成形手段、例えば金型もしく
は静水圧を用いたプレス成形、シート成形、押出成形等
により、所望の形状に成形した後、焼成に移される。

焼成は、窒素ガスを１Ｔｏｒｒ以上、特に７６０Ｔｏｒ
ｒ以上含有する非酸化性雰囲気で１５００〜１７００℃
の焼成温度で焼成される。焼成手段としては、常圧焼成
、窒素ガス圧焼成が挙げられ、さらにこれらの焼成によ
って得られた焼結体中の前記希土類金属あるいは金属化
合物が金属に換算して０．５重量％以上、アルカリ土類
金属あるいは金属化合物が金属に換算して０．００５重
量％以上含有する焼結体を熱間静水圧焼成することによ
り、緻密化を促進することができる。

本発明によれば、焼成工程において、１２００℃から焼
成温度までの昇温速度を平均４０℃／ｗｉｎ以下に設定
し、焼結が進行し始める前に、成形体中に焼結助剤と窒
化アルミニウム粉末表面の酸素との反応により液相成分
としてアルミネートを均一に生成させておくことが望ま
しく、昇温速度が平均４０’Ｃ／ｗｉｎを超えると液相
成分であるアルミネートが十分に生成されないまま、焼
成温度に到達し、焼結助剤が揮散してしまい、十分の焼
結が進行せず、高密度の焼結体が得られなくなる。

十分にアルミネートが生成した状態で焼結が十分に進行
するまで、液相成分を残留させておくために、例えば焼
成炉内に成形体中の焼結助剤と同一の助剤粉末を設置し
ておくことによって、成形体のまわりを助剤の蒸気圧と
ほぼ同一にしておき、焼成が十分に進行したのち、焼成
炉のガスを強制的に置換し、成形体のまわりを助剤の蒸
気圧より低く保つことによって助剤の揮散を促進するこ
とができる。

焼成工程において、最終的に焼結助剤の量がＹｂ属換算
で０．５重量％以上、Ｃａ金属換算で０．００５重量％
以上となるようにする。

焼成終了後は、焼成温度から、１２００℃までを平均４
０℃／ｍｊｎ以下の速度で降温することが望ましくそれ
によって焼結体表面の不均一層を皆無となし、均一化を
図ることができる。

このような製造方法によって、最終焼結体において、密
度３．２〜３．６ｇ／ｃｔａｆｆ、熱伝導率１２０Ｗ／
ｍ　・Ｋ以上が達成される。

なお、焼結体中の残存する助剤の量をＹｂ金属換算で０
．００５重量％以上に限定した理由は、残存助剤がＹｂ
金属換算で０．５重量％を下回り、Ｃａ金属換算で０．
００５重量％を下回ると焼結が不十分となり熱伝導率１
２０Ｗ／＋・にが達成されず、また、焼結体が不均一と
なるからである。また、嵩密度が３．２ｇ／ｃＩＩＩｆ
ｆより小さいものは空孔が多く　、３．６ｇ／ｃ＋＋３
より大きいものは窒化アルミニウム中の酸素と未反応の
助剤成分が多いことを意味するものである。

さらに、焼結助剤の配合量をＹｂ＊Ｏ＋粉末を３〜１５
重ｆＪ’Ｘ　、　ＣａＯ扮末を０．０１〜２．０重量％
に限定したのは、Ｙｂ２０ｉ量が３重量％を下回ると、
ＣａＯ量を多くしても焼結体の十分な緻密化が達成され
ず１５重量％を超えると窒化アルミニウム中の酸素と未
反応の助剤が多量に残存し、熱伝導率が低下し、不均一
な焼結体になるためであり、Ｃａｏ粉末が０゜０１重量
％を下回ると熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋを下回り、２
重量％を超えると熱伝導率の向上は見られないからであ
る。

以下、本発明を次の例で説明する。

なお、焼結助剤の添加に際しては、Ｙｂ、０．　、Ｃａ
Ｏの他に焼成に依ってこれら酸化物に変換し得る炭酸塩
や硝酸塩あるいはそれらの複合酸化物等の形態で添加し
ても良い。

（実施例）まず、酸素含有１１．５重量％以下、炭素含有量０．１
５重量％以下、アルミニウムを除く陽イオン不純物含有
１０．１重量％以下の市販の窒化アルミニウム原料粉末
と、ｙｂ！ｏ、とＣａＣＯ５を添加量を変えて混合した
。次いで、この混合粉末を室温で１０００Ｋｇ／ｃｔａ
　”の圧力を加えて成形体とした。この成形体を炭素を
含有した窒素ガス雰囲気下、１６００　℃で５時間常圧
焼結した。焼成は、１２００’Ｃから各焼成温度まで２
０℃／＋ｉｎの昇温速度で昇温した。

なお、この昇温速度で、いずれのサンプルもＡＩ、０．
との反応物（アルミネート）が生成していることを確認
した。焼成温度到達後は常に窒素ガスを置換した状態で
焼成した。また、１２００℃までの降温速度はいずれも
２０℃／＋＋＋ｉｎに設定した。

こうして得られた窒化アルミニウム賞焼結体の密度をア
ルキメデス法で、熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測
定を行った結果を第１表に示す。

また、焼結体中の助剤量（金属換算量）をＩＣＰ発光分
光分析法によって測定した。

〔以下余白〕

第１表の結果から明らかなようにＹ２Ｏ，を用いた隘１
８．１９の試料では、いずれも密度が低く焼結し７なか
った。

Ｙｔ）ｚｏｚの添加量が３重量％を下回る隘１の試料で
は焼結が不十分となり、高熱伝導率は達成されなかった
。また、添加量が１５重量％を超える阻７の試料では、
助剤の残存量が多く、色むら、じみの発生があった。

ＣａＯの添加量が０．０１重量％を下回る阻８，９の試
料では高熱伝導率は達成されなかった。また添加量が２
重量％を超えるｍ１７の試料では熱伝導率の向上が見ら
れなかった。

これに対し、本発明の試料階２〜６．１０〜１６はいず
れも見掛は密度３．２〜３．６ｇ／ｃｍ３、熱伝導率１
２０Ｗ／ｍ−に以上となった。

また、試料尚４と同一組成の試料の焼成温度による嵩密
度の変化を第１図に、熱伝導率の変化を第２図に示した
。

〔発明の効果〕

以上、詳述した通り、本発明の窒化アルミニウム質焼結
体は、高密度で熱伝導性に優れ、熱的特性、電気的特性
、機械的特性も良好であり、原料コストも低く且つ低温
で焼成でき、材料内での特性の不均一がなく容易に且つ
安定して製造できるため、電子部品を搭載する絶縁性基
板等電子部品材料を製造する際、金属導体との同時焼成
が可能となる等の多くの利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は試料？に４の組成における焼成温度と嵩密度と
の関係を表わした図、第２図は同じく、焼成温度と熱伝
導率との関係を表わした図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＡｌＮと焼結助剤としてイッテルビウム（Ｙｂ）
金属あるいはその金属化合物とカルシウム（Ｃａ）金属
あるいはその金属化合物を主成分としてなり、該Ｙｂ金
属あるいはその金属化合物が金属に換算して０．５重量
％以上、Ｃａ金属あるいはその金属化合物が金属に換算
して０．００５重量％以上の割合で含有された嵩密度３
．２〜３．６ｇ／ｃｍ＾３、熱伝導率１２０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上の窒化アルミニウム質焼結体
（２）ＡｌＮ粉末を８３〜９７重量％と、Ｙｂ＿２Ｏ＿
３粉末を３〜１５重量％の割合で含有し、且つＣａＯ粉
末を０．０１〜２重量％の割合で含有してなる混合物を
成形後、窒素ガスを１Ｔｏｒｒ以上含有する非酸化性雰
囲気下、１７００℃以下の温度で焼成して前記Ｙｂ金属
あるいは金属化合物を焼結体中の含有量が金属に換算し
て０．５重量％以上、Ｃａ金属あるいはその金属化合物
が金属に換算して０．００５重量％以上残存させること
を特徴とする窒化アルミニウム質焼結体の製造方法。