JPH0238366A - 窒化アルミニウム質焼結体及びその製造方法 - 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〕 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窒化アルミニウム質焼結体
及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より該
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
する、窒化アルミナ質焼結体が注目されている。

しかし乍ら、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有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、Ｉ［ａ族元素もしくは■ａ族元素の
化合物、例えばカルシウム、ストロンチウム、ベリリウ
ム等のアルカリ土類金属もしくはイツトリウム及び希土
類元素の化合物を添加して焼結体を得ることが行われて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし乍ら、従来の方法では窒化アルミニウム質焼結体
の粒界相に存在する焼結助剤成分の量の不均一が生じ高
熱伝導性の材料を容易に且つ安定に製造することが困難
であった。また、同時に粒界相の不均一に起因し、基板
等に用いた場合メタライズ性の不良、長期信顛性が低下
するという問題があった。このような傾向は焼結助剤と
して一般的に用いられるＹ２Ｏ，において、特に顕著に
観察される。これは、焼結助剤が窒化アルミニウムに含
まれる酸化物層と反応して粒界相を形成し、窒化アルミ
ニウムの焼結を促進するが、焼成を終了した後も、粒界
相に残存しているためであり、その結果、焼結体におい
て、色むら、しみなどの発生、熱伝導率の局所的不均一
等の問題を生じ、容易に且つ安定して製造することがで
きないという問題を有していた。

そこで、１つの対策として、焼結助剤の量を極力減らし
、粒界相を減らすことが考えられるが、焼結助剤は窒化
アルミニウムを焼結させるための不可欠の要素であるた
め、焼結助剤の量が少な過ぎると高密度の焼結体を得る
ことができないという問題があった。

〔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
−質な窒化アルミニウム質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、焼
結体中の残存粒界相量および不均一に対し、窒化アルミ
ニウムの焼結温度において用いる焼結助剤の蒸発率が大
きく関与していることを知見した。そこで、焼結助剤と
して１９００　’Ｃの温度における蒸発率が１０−ｈ〜
１０−″”ｇ／ｃ＋ａｚ−ｓｅｃの範囲にある金属ある
いは金属化合物を用い、この焼結助剤を焼成時、焼結に
必要とされる充分な液相を生成し得る量で配合すると同
時に、焼成工程中にその焼結助剤を揮散させることによ
って、最終焼結体中の粒界相を極力低減せしめると同時
に粒界相の不均一性をほとんど皆無となし、且つ高密度
化、高熱伝導化が達成できることを見い出した。

即ち、本発明は、ＡＩＮ粉末を８５〜９７重量％と、１
９００℃における蒸発率が１０−６〜１０−’ｇ／ｃｍ
”　・ｓｅｃの範囲にある金属あるいはその金属化合物
粉末を３〜１５重世％の割合で含有してなる混合粉末を
成形後、窒素ガスをｌ　Ｔｏｒｒ以上含有する非酸化性
雰囲気下、１６００〜２０００℃の温度で焼成して、前
記金属あるいは金属化合物を焼結体中の含有量が金属換
算量で０．５重世％以下になるまで揮散させることによ
って、密度３．２〜３．３ｇ／ｃｍ’、熱伝導率１７０
Ｗ／ｍ−に以上の窒化アルミニウム質焼結体を得ること
ができる。

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、１９００
℃における蒸発率（Ｖａｐｏｒａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ）
が１０−６〜１０−３ｇ／ｃｍ”−３ｅＣ％特に１０−
６〜１０−’ｇ／ｃｍ”−５ｅＣの範囲にある金属ある
いは金属化合物を用いる点にある。具体的にはＤｙ２Ｏ
：＋＋Ｅｒ２Ｏｓ＋Ｙｂ２Ｏｚが挙げられる。蒸発率は
Ｂａ１ｋｅｖｉｃｈ等の文献（Ｉｎｏｒｇ、Ｍａｔ、　
１１　（７）　、　１２　（１））に記載されるように
真空中における物質の焼結体から得られたデータである
。文献によれば、１９００℃における蒸発率はＤｙ２Ｏ
３が１．２ＸＩＯ−’ｇ／ｃｍ”、ｓｅｃ　、　Ｙｂ２
Ｏｚが２．３　Ｘｌ０−’ｇ／ｃｍ２・ｓｅｃ、　１ｌ
ｊｒ２Ｏｉが１．２Ｘ　１０−’ｇ／ｃｍ”　・ｓｅｃ
であるのに対し、通常使用されるＹ２Ｏ３は８．ＯＸ　
１０−８ｇ／ｃｍ”・ｓｅｃと小さい値を示す。

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ｉｔ１．５重量％以下、炭素含有ｉ
ｔＯ，１５重景％以下重量ルミニウムを除く陽イオン不
純物含有ｆｆ１０．１重量％以下、特にＳｔ含有量およ
びＦｅ含有量が共に１１００ｐｐ以下の平均粒径２μｍ
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、液相を充分に生成し得る量で配合され、
窒化アルミニウム粉末８５〜９７重量％、特に９０〜９
５重量％、焼結助剤３〜１５重量％、特に５〜１０重量
％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、Ａｌ１Ｎ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、押し出し成
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ｌ　Ｔｏｒｒ以上、特に７６０Ｔｏ
ｒｒ以上含有する非酸化性雰囲気で１６００〜２０００
℃の焼成温度で焼成される。焼成手段としては、常圧焼
成、窒素ガス加圧焼成が挙げられ、さらにこれらの焼成
によって得られた助剤を金属換算で０．５重量％以下含
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℃／ｍｉｎ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℃／ｍｉｎを超えると液相成分
であるアルミネートが充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、十分な焼結が
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、焼結が進行する
と同時に、焼結助剤の揮散が徐々に進行する。この時、
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、焼成が充分に進
行した後、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。

しかし乍ら、蒸気圧による揮散制御では、揮散速度が遅
いために焼成時間を長くする必要があるため、好適には
雰囲気中に炭素を含有させることにより揮散をより促進
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金属換算で
０．５重量％以下、特に０．２重量％以下になるまで揮
散させる。

焼成終了後は、焼成温度から、１２００℃までを平均４
０℃／ｍｉｎ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３．２ｇ／ｃｍｆｆ〜３．３ｇ／ｃｍ３、熱伝導率１
７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が達成される。

しかし乍ら、いくら蒸発率の高い助剤を用いても焼成に
おいて揮散を抑えるような焼成を行うと、密度が見掛は
理論密度（焼結体の各原料粉末の密度と配合比率から計
算した値）に近い値となり焼結体中の残存助剤が多く、
熱伝導率が高くならない。

なお、焼結体中の残存する助剤の量を金属換算で０．５
重量％以下に限定した理由は、この残存助剤量と熱伝導
率の間に第１図に示すような関係があり、残存助剤量が
０．５重量％を超えると熱伝導率１７０Ｗ／ｍ−Ｋ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、密度が３．２ｇ／ｃｍ″より小さいものは空孔が多
く　、３．３ｇ／ｃｍ’より大きいものは粒界相が多い
ことを意味するものである。

また、蒸気の本発明の構成において、焼結助剤の１９０
０℃における蒸発率を１０−６〜１０−’ｇ／ｃｍ”・
ｓｅＣの範囲に限定したのは、蒸発率が１０−’ｇ／ｃ
ｍ”・ｓｅｃを下回ると焼結が進行した後も焼結体内に
粒界相として残存し、色むら、しみ、熱伝導率の局所的
不均一の原因となる。また１０−”ｇ／ｃｍ２・ｓｅｃ
を超えると窒化アルミニウムの焼結が十分に進行する前
に助剤成分が蒸発してしまい、緻密化が行われなくなる
。

さらに、焼結助剤の配合量を３〜１５重量％に限定した
のは、３重量％を下回ると、焼結体の十分な緻密化が達
成されず、１５重壁量を超えると助剤の揮散が困難とな
り、粒界相が多量に残存し、熱伝導率が低下し、不均一
な焼結体になるためである。

以下、本発明を次の例で説明する。

〔実施例〕

まず、酸素含有量１．５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
量０．１重量％以下の市販の窒化アルミニウム原料粉末
と、第１表に示す蒸発率の金属酸化物を添加量を変えて
混合した。次いで、この混合粉末を室温で１０００Ｋｇ
／ｃｍ”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、１９００℃で常圧焼結
した。焼成は、１２００℃から各焼成温度まで２０℃／
ｍｉｎ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＾１２０３
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°Ｃ／ｍｉｎに設定した。但し、Ｔｈ１６は焼成炉
内の雰囲気中に炭素を含有させずに焼成した。こうして
、得られた窒化アルミニウム質焼１６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、色む
ら、じみの発生率を双眼顕微鏡による目視により、測定
、選別を行った結果を第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１９００℃の蒸発率が
１０−３ｇ／ｃｍ２・ｓｅｃを下回るＹ２Ｏ，を用いた
１ｌｈｌ。

２の試料では、いずれも密度は高いものの、助剤が２．
０重量％以上残存しており、色むら、じみの発生がひど
いものであり、熱伝導率も低い。

助剤の添加量が３重量％を下回る隘９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％を超える患１５の試料では、助剤の
残存量が太き（、色むら、じみの発生があった。添加量
が３〜１５重量％の範囲であっても、揮散を抑制した１
１ｈ１６の試料では助剤の残存量が０．５重量％を超え
、高熱伝導率が得られなかった。

これに対し、本発明の試料隘３〜８．１０−１４はいず
れも見掛は密度３．２〜３．３ｇ／Ｃｍ３、熱伝導率１
７０Ｗ／ｍ−にで、色むら、しみは発生しなかった。な
お、第１表のデータをもとに見掛密度にもよるが平均的
傾向として残存焼結助剤量（金属換算）と熱伝導率との
関係を第１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、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として多くの利点を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼結体の残存焼結助剤量（金属換算量）と熱伝
導率との関係を示す図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＡｌＮと、焼結助剤として１９００℃における蒸
   発率が１０＾−＾６〜１０＾−＾３ｇ／ｃｍ＾２・ｓｅ
   ｃの範囲にある金属あるいはその金属化合物を主成分と
   してなり、該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％以下の割合で含有された密度３．２〜
   ３．３ｇ／ｃｍ＾３、熱電導率１７０Ｗ／ｍ．Ｋ以上の
   窒化アルミニウム質焼結体。
2. （２）金属あるいは金属化合物がＤｙ＿２Ｏ＿３，Ｅｒ
   ＿２Ｏ＿３，Ｙｂ＿２Ｏ＿３から選ばれる１種以上であ
   る特許請求の範囲第１項記載の窒化アルミニウム質焼結
   体。
3. （３）ＡｌＮ粉末を８５〜９７重量％と、１９００℃に
   おける蒸発率が１０＾−＾６〜１０＾−＾３ｇ／ｃｍ＾
   ２・ｓｅｃの範囲にある金属あるいはその金属化合物粉
   末を３〜１５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、１６００〜２０００℃の温度で焼成して前記金属あ
   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％以下になるまで揮散させたことを特徴とす
   る窒化アルミニウム質焼結体の製造方法。
4. （４）金属化合物がＤｙ＿２Ｏ＿３，Ｅｒ＿２Ｏ＿３，
   Ｙｂ＿２Ｏ＿３から選ばれる１種以上である特許請求の
   範囲第３項記載の窒化アルミニウム質焼結体の製造方法
   。
5. （５）非酸化雰囲気中に炭素が含有される特許請求の範
   囲第３項記載の窒化アルミニウム質焼結体の製造方法。