JPH0313190B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、絶縁基板、ヒートシンク等に使用さ
れる高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法
に関するものであり、特に、メタライズの容易な
高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法に関
する。 ［従来の技術］ 近年、電子機器の小形化や機械向上に対する要
求は極めて大きくなつており、それに伴つて半導
体は集積密度の向上、多機能化、高速化、高出力
化、高信頼化の方向に急速に進展している。これ
らに対応して半導体から発生する熱量はますます
増加しており、従来のAl₂O₃基板にかわる放熱能
力の大きい基板が要求されるようにつている。 この放熱能力の大きい基板材料、即ち熱伝導性
の高い材料としては、ダイヤモンド、立方晶BN
（窒化硼素）、SiC（炭化硅素）、BeO（ベリリア）、
AlN（窒化アルミニウム）、Si等をあげることがで
きる。しかし、ダイヤモンド、立方晶BNは基板
として利用できる大きさを製造することが困難で
あり、又、非常に高価である。SiCは半導体であ
るために電気絶縁性、誘電率等の電気特性が
Al₂O₃より劣り、Al₂O₃基板のかわりとして使用
できない。BeOは電気特性が非常に優ているが、
成形時、研削加工時等に発生する粉末が毒性をも
つために国内で生産されず、海外から求める必要
があるために供給が不安性となる恐れがある。Si
は電気特性が悪く、又、機械的強度も小さいの
で、基板材料として使用は限られる。AlNは高
絶縁性、高絶縁耐圧、低誘電率などの優れた電気
特性に加えて、常圧焼結が適用できる所要面に金
属層が形成出来ず、末だ高出力用の多層基板は開
発されていないのが実情である。 ［発明の解決しようとする問題点］ この様に、AlNは、金属との濡れ性が悪いた
めに、メタライズできず基板としての使用は困難
であつた。 又、例えば、特開昭50−75208や特開昭59−
40404のように、AlN基板表面を酸化させてから
メタライズしたり、特開昭53−102310のように、
先ず、AlN基板表面に金属酸化物を設け、その
後にメタライズする等の技術が知られているが、
いずれも焼結体表面にメタライズすることは出来
ても、多層化を目的とする同時焼成法には、適用
することが出来ず、又メタライズされた金属層と
AlN基板との間に比較的熱伝導率の低い層が介
在することになるために熱伝導率の低下はさけら
れないといつた欠点を有していた。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記問題点を解決するAlN基板を実
現するために次の手段を採用した。 本発明の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の
製造法は、 窒化アルミニウムを100重量部と、 周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の単体にそ
の化合物を加えた群から選ばれた１種又は２種以
上を上記元素単体に換算して0.1〜10重量部とか
らなる混合物を、 硼素及び／又は炭素の供給源を有する非酸化性
雰囲気中にて1500〜2000℃で常圧で焼結して、表
面に直接メタラズ可能な焼結体を形成することを
特徴とする。 周期律表の４ａ族元素は、Ti，
Zr，Hfのことであり、５ａ族元素は、Ｖ，Nb，
Taのことであり、６ａ族元素はCr，Mo，Ｗの
ことである。 周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の化合物と
しては、例えば、酸化物や加熱に際して金属又は
酸化物を生成する硫酸塩、アンモニウム塩、水酸
化物等を使用することができる。 窒化アルミニウム粉末と上記元素及び／又は化
合物は、ボールミル等によつて、均一に混合され
る。 この周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の単体
及び周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の化合物
から選ばれた１種又は２種以上が、金属元素に換
算して総量でAlN100重量部に対し、0.1重量部以
上10重量部以下であるのは、この範囲より少ない
とAlN焼結体の金属との濡れ性が改善されない
ためであり、逆にこの範囲より多いとAlN焼結
体の高熱伝導性が劣化し、又、焼結性が劣化する
ためである。 本発明は上記成分のみでも十分であるが、必要
に応じてY₂O₃やCaO等の焼結助剤をAlN100重量
部に対して５重量部をえない範囲で含んでもよ
い。 硼素の供給源としては、例えば雰囲気に添加す
るボラン、混合物に添加する硼酸、酸化硼素、離
型剤として用いる窒化硼素等を用いることができ
る。これらは、いずれも混合物に含まれる周期律
表の４ａ，５ａ，６ａ族元素及び／又はその化合
物が硼化するに十分な量供給されることが必要で
あるが、上記元素や化合物の含有量が少ないため
に、例えば、通常離型剤として用いる窒化硼素の
量程度でも十分である。従つて硼素の供給源とし
て上記窒化硼素を離型剤として使用すると、特に
硼素の供給源を必要としないので好ましい。 又、炭素の供給源としては、例えば混合物に添
加する炭素質化合物、カーボンブラツクや、焼結
時に使用するカーボンさや、発熱体として用いる
炭素等がある。この炭素の量も前述の硼素と同じ
く少量でよいためにさやや、発熱体として用いる
炭素から供給される量で十分である。従つて炭素
の供給源としてさやや、発熱体に炭素を使用する
と特に炭素の供給源を必要としないので好まし
い。 非酸化性雰囲気としては窒素、アルゴン、水素
及びアンモニア分解ガス等を使用できる。 焼成温度は1500〜2000℃であることが必要であ
るが、この範囲より温度が低いと焼結が不十分で
あり、又、この範囲より温度が高いと窒化アルミ
ニウムが分解しはじめる。 ［作用］ 混合物中の周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素
の単体及び／又はその化合物は、硼素及び／又は
炭素の供給源を有する非酸化性雰囲気下で焼結す
ることにより、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元
素の硼化物及び／又は炭化物となる。更に非酸化
性雰囲気が窒素ガスの場合は、周期律表の４ａ，
５ａ族元素の一部は窒化物となる。 この周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の硼化
物及び／又は周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素
の炭化物、及び雰囲気が窒素ガスの場合はそれに
加えて周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の窒化
物、はAlN粒子中に固溶することなく、AlN粒
子間、即ち、粒界に存在して金属と結合するため
に、本発明による窒化アルミニウム焼結体は、
AlNの金属との濡れ性を改善すると思われる。 又、通常、粒界に添加物が存在すると熱伝導性
は低下するが、本発明は、本発明による窒化アル
ミニウム焼結体が前述の硼化物、炭化物又はそれ
に加えて窒化物がAlNの粒界に存在するにもか
かわらず、AlNの高熱伝導性を損わないことを
見出したものである。この理由は、これらの化合
物がAlNと反応して他の化合物を生成すること
がなく、又、AlN粒子全体を覆う様にして存在
しない為に、AlN粒子同士の結合は損なわれず、
AlN本来の特性を維持しながらAlNの金属との
濡れ性を改善出来るものと思われる。また、本願
発明のように、常圧で焼結することによつて、
AlNの粒子成長が妨げられることがない、よつ
て、熱伝導性が向上する。 ［発明の効果］ 本発明は表面に直接メタライズ可能な焼結体を
形成するために、接合強度、熱伝導性において優
れた性質をもつ高熱伝導性窒化アルミニウム焼結
体の製造法を提供するものである。 本発明により製造された表面に直接メタライズ
可能な焼結体である高熱伝導性窒化アルミニウム
焼結体は、メタライズ時に基板表面に酸化物等の
層を設けないために、メタライズした金属層と
AlN基板とを直接結合することが出来る。その
ため本発明をIC等の基板やヒートシンクなどの
製造法に利用することにより、放熱性に優れた電
子部品の多層基板を同時焼成法で容易に得ること
ができる。 ［実施例］ 本発明の一実施例について説明する。 本実施例は、平均粒径1.0μmのAlN粉末100重
量部に対して周期律表の４，５ａ，６ａ族元素の
単体又は酸化物を第１表に示す金属換算の所定量
混合し、エタノール中で４時間、湿式混合して原
料粉末をつくり、その後、該原料粉末を成形し、
第１表に示す硼素及び／又は炭素の供給源を有す
る窒素雰囲気下で焼成することにより密度，熱伝
導率及び生成した化合物測定用の試料と、金属と
の濡れ性測定用の料とを得た。 密度及び熱伝導率の測定は、原料粉末を直径11
mm厚さ３mmに成形圧力1.5ton／cm²で成形した後、
1700℃の窒素雰囲気中で１時間常圧焼結を行つて
得た試料について行つた。密度は相対密度（理論
密度に対する見掛け比重比％）として測定し、
又、熱伝導率は、試料の厚みを２mmに平研加工し
た後にレーザーフラツシユ法を用いて測定した。 生成した化合物はこの試料をメノウ乳鉢にて粉
砕した後Ｘ線回析装置にかけることにより測定し
た。 金属との濡れ性は、メタライズの接着強度とし
て測定した。メタライズの接着強度は、原料粉末
を30×10×５mmに金型プレスで成形した後に、通
常メタライズに用いられるＷ粉末（平均粒径
1.0μm）を含むペーストを該成形体表面に２×２
mm厚さ約20μmに塗布し、乾燥して、1700℃窒素
雰囲気下で１時間常圧焼結し、次いで、該焼結体
表面に電解NiメツキによつてNi層を２〜5μm形
成し、850℃、10分間シンターした後に、共晶銀
ローを用いて１×１mmのコバール（コバルトと鉄
を含むニツケル合金）板を930℃、５分間でロー
付し、その接着強度をピール強度として測定し
た。このピール強度は上記コバール板に接合され
たリード線を接着面に対して垂直方向に向つて
0.5mm／secの速度で引張り、上記コバール板が試
料から剥離したときの強度である。 第１表に相対密度、熱伝導率、ピール強度の測
定結果を示す。又、第１表に示された組成以外は
全てAlNであり、組成の含有量の単位はAlN100
重量部に対する金属換算の重量部である。

【表】

【表】 本実施例より、第１表に示す如く、周期律表の
４ａ，５ａ，６ａ族元素の単体及びその酸化物か
ら選ばれた１種又は２種以上をAlNに金属に換
算して0.1〜10重量部含有させた混合物を硼素又
は炭素の供給源を有する窒素雰囲気中で焼結する
ことにより、熱伝導率が高く、ピール強度の高
い、即ち、金属との濡れ性の良好な焼結体が得ら
れることが分かつた。 尚、従来のAlN焼結体（相対密度99％）の熱
伝導率は0.14〜0.24cal／cm．sec.℃でピール強度
は0.5Kg／mm²より小さい。又、Al₂O₃（相対密度99
％）の熱伝導率は0.04〜0.07cal／cm．sec.℃で、
ピール強度は２〜５Kg／mm²である。 尚、焼成温度が1500℃より低いと焼結が不十分
のため、強度が低く、熱伝導率も低かつた。逆に
焼成温度が2000℃を超えるとAlNが分解をはじ
めてしまつた。 又、第１表に示す以外の周期律表の４ａ，５
ａ，６ａ族元素の単体、とその化合物を用いて、
本実施例と同様にして実験した所、上述の元素単
体及び／又はその化合物をAlNに元素単体に換
算して0.1〜10重量部含有させることにより、熱
伝導率が高く、ピール強度の高い焼結体を得るこ
とができた。 さらに雰囲気をアンモニア分解ガスとした場合
も窒素ガス雰囲気と同様に、上述の元素単体及
び／又はその化合物をAlNに元素単体に換算し
て0.1〜10重量部含有させることが熱伝導率が高
く、ピール強度の高い焼結体を得る上で必要であ
ることがわかつた。 次に、熱伝導率の比較実験例について説明す
る。この実験例では比較例として、本実施例の試
料No.１〜９の組成の材料を使用して、ホツトプレ
ス（250Kg／cm²、1750℃、１時間）にて焼結を行
い、の熱伝導率を測定した。その結果を下記第２
表に示す。尚、本実施例の熱伝導率としては、第
１表の値を用いた。

【表】 この第２表から明かな様に、本実施例では、常
圧焼結によつて、例えば半導体の絶縁基板として
必要な、0.2前後の高い熱伝導率を達成できるが、
比較例では、ホツトプレスを行つているので、最
大のものでも0.15程度の低い熱伝導率であり、半
導体の絶縁基板として好適ではない。 つまり、比較例のものは放熱性が低く、例えば
半導体の絶縁基板、特に発熱量が大きい高出力の
半導体の絶縁基板として好ましくない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化アルミニウムを100重量部と、 周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の単体にその
   化合物を加えた群から選ばれた１種又は２種以上
   を、上記元素単体に換算して0.1〜10重量部とか
   らなる混合物を、 硼素及び／又は炭素の供給源を有する非酸化性
   雰囲気中にて1500〜2000℃で常圧で焼結して、表
   面に直接メタライズ可能な焼結体を形成すること
   を特徴とする高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体
   の製造法。 ２ 上記化合物が、酸化物である特許請求の範囲
   第１項記載の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体
   の製造法。 ３ 上記化合物が加熱に際して上記元素単体又は
   酸化物を生成する化合物である特許請求の範囲第
   １項記載の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の
   製造法。 ４ 硼素の供給源が、焼結体に離形剤として用い
   る窒化硼素である特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項いずれか記載の高熱伝導性窒化アルミニウム
   焼結体の製造法。 ５ 炭素の供給源が、焼結時にさや又は発熱体と
   して用いる炭素である特許請求の範囲第１項ない
   し第４項いずれか記載の高熱伝導性窒化アルミニ
   ウム焼結体の製造法。 ６ 非酸化性雰囲気が窒素、アルゴン、水素及び
   アンモニア分解ガスのいずれかである特許請求の
   範囲第１項ないし第５項いずれか記載の高熱伝導
   性窒化アルミニウム焼結体の製造法。