JPH03224287A - 窒化アルミニウム質基板の製造方法 - 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１ 本発明は、窒化アルミニウム質基板の製造方法に関し、
より詳細には高熱伝導性を有するとともに、放熱性基板
等の電子部品材料に好適な窒化アルミニウム質基板の製
造方法に関する。

［従来技術１ 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つつある。このような半導
体集積回路素子を正常にか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十分であることから、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変わる高熱伝導性基
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質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有する高密度化の焼結体を得
ることが困難であった。そこで、従来から窒化アルミニ
ウム原料に焼結助剤として周期律表第■１族元素もしく
は第■１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成し高密
度焼結体を得ることが行われている。

また、この窒化アルミニウム質焼結体を用いて基板を作
製する方法としては、前記焼結助剤を含有する高密度焼
結体表面に、例えば厚膜法等では導体ペーストを塗布し
、加熱処理により焼付ける方法、あるいは成形体表面に
導体ペーストを塗布し成形体と同時に焼成する方法等が
採用されている。

［発明が解決しようとする問題点１ しかしながら、従来の方法では焼成工程において焼成助
剤、特にイツトリウム等の希土類元素は還元窒化、昇華
および分解等を生じやすいために焼結体表面粗さが悪く
なる原因となっている。このため、このような焼結体表
面に導体ペーストを塗布し焼付けする場合、あるいは同
時焼成した際に焼結体表面に形成された導体層の平滑性
、密着強度、耐薬品性の低下等をきたすため、電子部品
への応用を阻害する大きな問題となっている。また、製
品の品質管理において密着強度や強度の測定を行うにし
ても実際に製品に対し測定を必要とするため、その管理
を煩雑なものにしていた。

］発明の目的１ 本発明は上記問題点を解決することを目的とするもので
あり、具体的には、高熱伝導性および高密度を有し、且
つ導体層の表面状態や密着強度に優れた窒化アルミニウ
ム質基板を製造するために方法を提供することにある。

また、非破壊検査により製品の品質管理を容易に行うこ
とのできる製造方法を提供することにある。

［問題を解決するための手段１ 本発明者蔓は、上記問題点に対し研究を重ねた結果、導
体層が形成される母材である成形体表面における希土類
金属の濃度および焼成後の焼結体表面の希土類金属の濃
度を特定の範囲に管理し、かつ焼成前後での希土類金属
の濃度比を所定に範囲に管理することにより、希土類金
属の導体層への悪影響を低減し上記問題点が解決できる
ことを知見した。

即ち、本発明は導体層が形成される母材を窒化アルミニ
ウムおよび希土類金属酸化物を主成分とする組成から構
成するとともに、該組成の成形体の表面の蛍光Ｘ線強度
測定における前記希土類金属のピーク強度をＩ　ＲＥ％
アルミニウムのピーク強度をＩＡＩとした時、（ｉ　Ｒ
Ｅ／　Ｉ　ＡＩ　）で表されるピーク強度比１が０　、
００５〜０．０５の範囲になるように調製し、該成形体
を焼成するに際し、焼成後の焼結体表面の蛍光Ｘ線強度
測定における前記希土類金属のピーク強度をＩＲＥ’、
アルミニウムのピーク強度をＩ＾１゛　とした時、（Ｉ
ＲＥ’／Ｉ＾１゛）で表されるピーク強度比Ｉ’が０．
００５〜０．０５（７）範囲にあり、かつ（ビ／りで表
される比率が０．８〜１．１の範囲になるように焼成す
ることを特徴とするするものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明における窒化アルミニウム質基板の製造方法によ
れば、まず成形体として窒化アルミニウムを主成分とし
、希土類金属化合物を含有し、且つ表面の蛍光Ｘ線強度
測定における前記希土類金属のピーク強度を１れ、アル
ミニウムのピーク強度をｒａｔとした時、（１１１／　
Ｉ＾Ｉ）で表されるピーク強度比！が０．００５〜０．
０５の範囲にある成形体を調製する。

上記成形体の調製に当たり、使用される窒化アルミニウ
ム粉末は直接窒化法、アルミナ還元法等の公知の方法で
製造されたもので、酸素含有量０゜４〜１．５重量％、
炭素量１０００ｐｐ＋ｓ以下のものが望ましく、また粉
末中の硫黄（Ｓ）とアルミニウム（Δりとの蛍光Ｘ線強
度の比が１Ｏ−３以下（ゼロを含まず）であることが高
熱伝導率を有し電気特性に優れた焼結体を得る上で望ま
しい。一方、希土類金属化合物としては、酸化物、炭化
物、フッ化物等が挙げられ、希土類金属としてはＹ、Ｄ
ｙ、Ｅｒ。

Ｙｂ等が挙げられる。

これら窒化アルミニウム粉末および希土類金属化合物は
、上述のように成形後の成形体表面の蛍光Ｘ線強度測定
においてアルミニウムおよび希土類金属の各元素のピー
ク強度比Ｉが前記所定の範囲になるように調合する。具
体的には希土類金属化合物をおよそ２〜ＩＯ重量％の割
合で調合すればよい。調合された各粉末は、所望により
有機溶媒中で混合される。この時の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、窒化アルミニウム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窒化アルミニウム粒
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さらに場合により公知の成形用バイ
ンダーを添加した後に公知の成形手段、例えば金型もし
くは静水圧を用いたプレス成形、シー］・成形、押出し
成形、射出成形等により、所望の形状に成形する。成形
後は所望により脱バインダーを行う。この脱バインダー
処理はカーボンを含まない雰囲気で行うことが望ましい
。

このようにして得られる成形体の前記アルミニウムおよ
び希土類金属の蛍光Ｘ線強度のピーク強度比Ｉを０．０
０５〜０．０５に限定したのは、比率■が０　、００５
未満では窒化アルミニウムの焼結性が不十分となるため
であり、また０、０５を越えると希土類金属の偏析が発
生しやすくなり焼結体表面でのしみ、電気特性異常、熱
伝導率の不均一等の原因となるからである。

次に、上記成形体を焼成する。焼成は一般に窒素やアル
ゴン等の非酸化性雰囲気中で１６００〜２０００°Ｃの
温度で焼成する。焼成手段としては常圧焼成窒素ガス焼
成が挙げられ、さらにこれらの焼成によって得られた焼
結体を熱間静水圧焼成法により１５００〜２０００°Ｃ
，５００〜２０００気圧の高温下で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、この焼成により得られた焼結体の表面
の蛍光Ｘ線強度測定における希土類金属のピーク強度Ｉ
　ＲＥ’　　とアルミニウムのピーク強度ＩＡ１°の（
１れ’／ＩＡＩ“）で表されるピーク強度比Ｉ’が０．
００５〜０．０５、特に０．０１−０．０３の範囲にあ
り、且つ前記成形体におけるピーク強度比Ｉとの比率（
Ｉ’／Ｉ）が０．８〜１．１　、特に０．８５〜１゜０
５になるように焼成することが重要である。

これは、前述したように焼成中に希土類金属の還元窒化
、昇華、分解を極力抑制し、希土類金属の量を実質的に
焼成前と同一に保持することを意味するものである。即
ち、比率Ｉ’が０．００５未満では焼結体が焼結不足ま
たは表面からの希土類金属の揮散が多く表面平滑性が損
なわれ、また０、０５を越えると焼結体表面において希
土類金属化合物が過多であり熱伝導率が低くなる。焼結
体内部から染みだし、表面に偏析部を作っているためで
ある。また、比率（ビ／ｌ）が０．８を下回ると焼結中
に希土類金属化合物の揮散が起きたことを意味し、これ
により焼結体ならびに導体層の表面粗さが悪く、導体層
の密着強度に悪影響を与え、１．１を越えると希土類金
属が内部から焼結体表面に偏析していることを意味し、
これにより焼結体の表面特性や導体層に悪影響を及ぼす
からである。

このように焼結性を促進しつつ前記比率（ビ／１）を特
定の範囲に成るように焼成する方法としては、まず、焼
成工程において１２００°Ｃから焼成温度までの昇温速
度を平均４０°Ｃ／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を越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、焼成温度に達し、液相
の生成が不均一となり焼成むら、しみ、そりが生じやす
くなる。また焼成治具、例えばヒータや炉材とし°ζは
タングステン金属（Ｗ）等の高融点金属を用い、かつ焼
成中のガス流量を２１／分以下に設定する。

焼成終了後は、焼成温度から１２００°Ｃまでを平均４
０”Ｃ／ｍｉｎ以下の速度で降下させることより、焼結
体表面の不均一層を皆無となし、均一化を図るとともに
希土類金属の還元窒化、昇華、分解をほとんど抑制する
ことができる。

これに対し、従来における焼成方法によれば、例えば、
ヒータあるいは炉材としてカーボンを用いると焼成雰囲
気中にカーボンが遊離し、これが希土類金属化合物の還
元を促進するために希土類金属化合物が揮散し前記比率
（Ｉ’／Ｉ）は殆ど０．８を下回ってしまう。また、希
土類金属の揮散を抑制するために焼成時、成形体を希土
類元素を含有する粉末中に埋めて焼成する方法等が提案
されるものの、この方法では焼結体の表面荒れが生じ、
しかも雰囲気にカーボンが存在したり、雰囲気中のガス
流量が大きいと希土類金属の揮散を本発明の範囲内に抑
制するこ、とは困難である。さらに、前記高融点金属に
よりヒータや炉材を構成しても、雰囲気中のガス流量が
大きくても希土類金属の揮散の抑制は難しい。

次に、本発明によれば、上記により得られた焼結体に対
し導体層の形成を行うもので、具体的には、焼結体の表
面にＷ、Ｍｏ、Ｍｏ−Ｍｎ、、Ａｕ、Ａｇ等の金属導体
粉末に場合により粒成長抑制剤、有機バインダーあるい
は基板との熱膨張率を合わせるために窒化アルミニウム
や焼結助剤等を添加して調製した導体ペーストをスクリ
ーン印刷法等の手法により塗布し、その後非酸化性雰囲
気で９００〜１６００’Ｃの温度で処理し、焼付けする
ことにより形成することができる。この時、焼結体表面
は平滑性に優れ且つ均質であることから、焼結体自体を
研磨する必要もなく、導体層自体の平滑性および母材と
の密着性を高めることができる。

また、本発明によれば、導体層を形成する方法として上
記のように、焼結体の表面にペースト等を塗布し焼き付
ける方法の他に、焼成前の成形体表面に導体ペーストを
塗布し、成形体とともに同時に焼成することもできる。

この方法によれば、例えば導体層と基板とが交互に積層
した構造の基板を作製することができる。この時の導体
ペーストの塗布も周知の厚膜法によるもので、スクリー
ン印刷法等の手法により塗布すればよい。

この方法においても、焼成時に成形体内の成分のｒｌＩ
１敗等が生しないために導体層に悪影響を及ぼすことな
く、平滑性及び密着強度に優れた導体層を形成すること
ができる。

また、本発明によれば、焼結体を形成する組成として窒
化アルミニウムおよび希土類金属化合物の他にＣａＯ１
ＳｒＯ，ＢａＯ等のアルカリ土類金属化合物や、周期律
表第１Ｖａ、Ｖａ、Ｖｌａ、■ａおよび■族金属の化合
物を５．０重量％以下の割合で添加しても何ら差し支え
ない。

以下、本発明を次の例で説明する。

１実施例〕 原料粉末として、窒化アルミニウム粉末（酸素含有量１
．０重量％、比表面積３．．８ｍ”／ｇ、カーボン量２
８０　ＰＰｍ　、硫黄とアルミニウムとの蛍光Ｘ線強度
比５ｘ１０−’）と、比表面積６．０　ｍ２／ｇの希土
類金属酸化物、その他ＭｏＯ３、ＷＯ３、Ｔ　ｉ０２、
Ｔａｚ　０５、ＷＳ　ｉｚ　、Ｍｎ０ｚ　、Ｃｏ３０ａ
を用い、第１表に示す割合で秤量後、ボールミルで充分
に混合した。

この混合物を用いて次に示す２つの方法で基板を作製し
た。

■この混合粉末を１ｔｏｎ／ｃｆｆｌの圧力で３０　Ｘ
　３０　Ｘ２　（ｓ＋ｍ）の形状にプレス成形した。

この成形体をＷヒータおよびＷ製の炉材からなる焼成炉
内に設置し、第１表に示す条件で焼成した。

その後、焼結体の表面にＭｏ−Ｍｎからなる導体ペース
トを２０μ謙の厚みで塗布し、１４００°Ｃの温度で焼
付けを行った。

結果は、試料Ｎｏ、　１〜１０．１６に示した。

上記の方法で得られた各基板に対して、相対密度、熱伝
導率、および導体層の表面状態を目視により判断し、ま
た導体層の密着強度を測定した。

なお、比較のための製造方法■°として」１記焼成炉に
代わり、カーボンヒータ、カーボン炉壁からなる焼成炉
で焼成する以外は全く上記と同様にして基板（試料番号
１４．１５　）を作製し、評価を行った。

■この混合粉末に有機バインダー、可塑剤を添加してス
ラリーを調製後、ドクターブレード法により厚さ６００
μｍのシート状成形体を作製した。

この成形体の表面に１〜２μｍのＷ金属粉末と有機ビヒ
クルの混合物からなる導体ペーストを厚さ２０μｍに塗
布した。

この成形体をＷヒータおよびＷ製の炉材からなる焼成炉
内に設置し、第１表に示す条件で焼成して試料番号１２
．１３．１４．１７を作製し、上記と同様に方法で特性
評価を行った。

（以下余白） 第１表の結果によれば、焼成前のＩＲＥ／ＩＡＩ比が過
少の試料Ｎα５では焼結不足が生じ、過多の試料Ｎｏ、
　７では焼結体にじみが認められ、導体層表面にも荒れ
が生じた。焼成前のＩＲＥ／ＩＡＩ比が適正であっ′ζ
も焼成後のｆａｔ’／Ｉ＾１′比が小さくＩとビとの比
率が小さい試料Ｎｏ、１４〜１７では導体層の荒れおよ
び密着強度の劣化が生じた。特にカーボン類を用いた試
料Ｎｏ、１４，１５では希土類金属の揮散が著しいもの
であった。Ｗ炉を用いた場合においてもガス流量が大き
すぎるとビ／Ｉ比が小さくなった。

これらの比較例に対し、本発明の試料はいずれも高密度
を有するとともに導体層の表面状態および密着強度に優
れたものであった。

［発明の効果１ 以上、詳述した通り、本発明の窒化アルミニウム質焼結
体の製造方法によれば、それ自体の表面平滑性に優れる
とともにその表面に形成される導体ペースト層との同時
焼成時においても導体層に対する焼結助剤の揮散による
悪影響を抑制し表面平滑性に優れ、且つ基板との密着性
をも向上することができる。また、製造後の基板に対す
る品質を評価するに際し、焼成前後での蛍光Ｘ線強度測
定からの評価に基づき非破壊検査により管理可能なため
、基板の量産性に非常に有利である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウムおよび希土類金属化合物を主成
   分とし、且つ表面の蛍光Ｘ線強度測定における前記希土
   類金属のピーク強度をＩ＿Ｒ＿Ｅ、アルミニウムのピー
   ク強度をＩ＿Ａ＿ｌとした時、（Ｉ＿Ｒ＿Ｅ／Ｉ＿Ａ＿
   ｌ）で表されるピーク強度比Ｉが０．００５〜０．０５
   の範囲にある成形体を調製する工程と、 該成形体を焼成後の焼結体表面の蛍光Ｘ線強度測定にお
   ける希土類金属のピーク強度をＩ＿Ｒ＿Ｅ’、アルミニ
   ウムのピーク強度をＩ＿Ａ＿ｌ’とした時、（Ｉ＿Ｒ＿
   Ｅ’／Ｉ＿Ａ＿ｌ’）で表されるピーク強度比Ｉ’が０
   ．００５〜０．０５の範囲にあり、かつ（Ｉ’／Ｉ）で
   表される比率が０．８〜１．１の範囲になるように焼成
   する工程と、 該焼結体表面に導体層を被着形成する工程と、を具備す
   ることを特徴とする窒化アルミニウム質基板の製造方法
   。
2. （２）窒化アルミニウムおよび希土類金属化合物を主成
   分とし、且つ表面の蛍光Ｘ線強度測定における前記希土
   類金属のピーク強度をＩ＿Ｒ＿Ｅ、アルミニウムのピー
   ク強度をＩ＿Ａ＿ｌとした時、（Ｉ＿Ｒ＿Ｅ／Ｉ＿Ａ＿
   ｌ）で表されるピーク強度比Ｉが０．００５〜０．０５
   の範囲にある成形体を調製する工程と、 該成形体表面に導体ペースト層を被着形成する工程と、 該成形体を焼成後の表面の蛍光Ｘ線強度測定における前
   記希土類金属のピーク強度をＩ＿Ｒ＿Ｅ’、アルミニウ
   ムのピーク強度をＩ＿Ａ＿ｌ’とした時、（Ｉ＿Ｒ＿Ｅ
   ’／Ｉ＿Ａ＿ｌ’）で表されるピーク強度比Ｉ’が０．
   ００５〜０．０５の範囲にあり、かつ（Ｉ’／Ｉ）で表
   される比率が０．８〜１．１の範囲になるように導体ペ
   ースト層とともに同時焼成する工程と、 を具備することを特徴とする窒化アルミニウム質基板の
   製造方法。