JPH03290371A

JPH03290371A - 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03290371A
Application number: JP2088543A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Ikeda; 達也池田; Mitsuru Tamaoki; 充玉置; Tatsuya Takemura; 達也竹村; Atsushi Kanda; 篤神田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1990-02-05
Filing date: 1990-04-03
Publication date: 1991-12-20

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、黒色又は灰色の窒化アルミニウム焼結体及び
その製造方法に関し、半導体を搭載等する絶縁基板等の
各種電子部品等に広く利用される。

〔従来の技術〕

近年、電子機器の小型化、機能向上の要求は大きく、半
導体は集積密度を増し、多機能化、高速化、高出力化を
目指して急速に発展してきている。それにつれて半導体
から発生する熱量は、増加傾向にあり、半導体基板とし
て現在のものより熱伝導率の高い材料が求められている
。

この材料として、従来使用されているアルミナ焼結体よ
りも、熱伝導率が高く、また熱膨張率が半導体であるシ
リコンに近くてシリコンとの接合性の良い、窒化アルミ
ニウム焼結体の使用が望まれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の窒化アルミニウム焼結体は、白色を呈し
透光性であり、焼きムラ、色ムラが生じ易い。また、こ
れは実装する際の汚れが目立つという問題もある。

本発明は、前記問題点を全て解決するものであり、熱伝
導率が高く、熱膨張率がシリコンと整合し、遮光性があ
る黒色等をした窒化アルミニウム焼結体、及びその製造
方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本第１発明の窒化アルミニウム焼結体は、該焼結体構成
成分が窒化アルミニウム成分（Ａ）、酸化チタン威勢及
び酸化クロム成分のうち少なくとも一種類からなる着色
剤成分（Ｂ）、並びに焼結助剤成分（Ｃ）からなり、前
記窒化アルミニウムが１００重量部、前記着色剤成分が
０．１重量部を越えて１０．０重量部未滴であることを
＃Ｆｍとする。ここで「焼結体構成成分」とは、焼結体
中に含まれる構成成分を広くいい、例えば「窒化アルミ
ニウム成分」とは、焼結体中に窒化アルミニウム単独と
して存在する成分も、また窒化アルミニウムと酸化チタ
ン等と反応した反応物中に含まれる成分も含むという意
味である。以下の第２発明についても、同じである。

本第２発明の焼結体において、着色剤成分（Ｂ）は、酸
化モリブテン成分及び酸化クロム成分のうちの少なくと
も一種類からなり、この着色剤成分割合は、前記第１発
明と同割合であることを特徴とする。

前記第１．２発明において、酸化チタン、酸化クロム、
酸化モリブデンの各金属は、チタン（ＩＶ）、クロム（
■）、モリブデン（ＶＩ）のように通常原料粉末で用い
るような価数の金属のみならず、これが還元されたチタ
ン（■、ＩＩＩ）、クロム（■）、モリブデン（１’Ｖ
）の価数の金属も含む意味、又はその全部が前記還元さ
れた金属という意味である。即ち、これらの還元状態の
金属からなる金属酸化物はいずれも黒色等をしており、
これは、通常、前記第３．４発明の製造方法に示すよう
に、非酸化雰囲気により焼成することにより達成できる
。

本第３発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、１
００重量部の窒化アルミニウム粉末と、０．１重量部を
越えて１０．０重量部未満である二酸化チタン（ｒＶ）
　　（Ｔ　ｉ　０２　）粉末及び酸化クロム（Ｉ［ｌ）
　　（Ｃｒ　２０３　）粉末のうちの少なくとも一種類
からなる着色剤粉末と、焼結助剤粉末とを混合し、所定
形状に成形し、その後、この成形体を非酸化雰囲気にて
焼成することを特徴とする。

本第４発明の製造方法は、着色剤粉末として、酸化モリ
ブデン粉末及び酸化クロム（ＩＩＩ）粉末のうちの少な
くとも一種類を用いて、前記第３発明と同様にして焼結
体を型造するものである。

前記第１〜４発明において、着色剤成分又は着色剤粉末
の組成割合又は配合量が、０．１重量部（単に、重量部
という場合は、窒化アルミニウム１００重量部に対して
の意味である。）以下の場合は焼結体の着色性が悪く遮
光性が不十分となり、また１０重量部以上の場合は焼結
体表面に着色剤が多量に析出し、更に内部に空隙が発生
し、そのため強度の低下、熱伝導率の低下を起こすため
である。更に、この配合量等は０．５〜５０重量部が好
ましい。この範囲では、遮光性並びに強度及び熱伝導率
等の性能のバランスが大変よいからである。

また、前記焼成における非酸化雰囲気としては、アルゴ
ン、ヘリウム、窒素、−酸化炭素又は水素等のガス、或
いはこれらの混合ガス、更には真空中を使用できるが、
特にこの中では窒素ガス中が望ましい。

また、前記焼成温度は、通常、１６００〜２１００℃で
ある。これが、工６００℃未満では焼結が十分行われず
、また２１００℃を超えては窒化アルミニウム自体の分
解が起こるからである。この温度は、好ましくは１６５
０〜１８００℃である。これは、窒化アルミニウムの分
解を抑止するとともに十分な焼結性を確保できるからで
ある。

また、焼成方法としては、通常、常圧焼結法を用いるが
、ホットプレス法、加圧焼結法等を用いても良い。尚、
後者の場合には、焼成温度を低下させることができる。

前記窒化アルミニウム粉末の粒径は、特に問わないが、
平均粒径１０μｍ以下の細かいものが好ましく、更には
２μｍ以下が好ましい。また、前記酸化チタン粉末、酸
化クロム粉末、酸化モリブテン粉末、更には焼結助剤粉
末も、平均粒径１０μｍ以下の細かいものが好ましく、
更には５μｍ以下が好ましい。このように、細かいもの
程、焼結性が向上するためである。

第１〜４発明において、前記焼結助剤の種類及びその粉
末添加量は特に問わず、通常用いる種類を通常量使用す
る。その種類としては、例えば、イツトリア、カルシＴ
　（Ｃａｂ）　、酸化バリウム（Ｂａ、Ｏ）、炭酸カル
シウム、炭酸バリウム等を用いることができる。

なかんずく、この焼結助剤成分（粉末）としては、イツ
トリア（イツトリア粉末）が好ましい。

これは、焼結性及び焼結体の熱伝導性、使用の利便性に
優れるからである。この焼結助剤成分（粉末）の組成（
添加）量は１４０〜１０．０重量部が好ましい。これが
、１．０重量部未満の場合は難焼結性で十分な熱伝導率
が得られないため好ましくなく、また１０，０重量部を
越えると窒化アルミニウム焼結体の表面に焼結助剤が析
出し、また熱伝導率の低下を起こすため好ましくないか
らである。

〔作用〕

本焼結体は窒化アルミニウム成分を主要横絞成分とする
ので、熱伝導率が高く、また熱膨張率もシリコンに近い
。また、本焼結体は、酸化チタン成分、酸化モリブデン
成分、酸化クロム成分の着色剤成分を含むので、焼結体
が黒色等に着色し、そのため遮光性に優れる。

更に、本製造方法によれば、前記有用な作用を有する焼
結体を製造できるとともに、所定量の着色剤粉末が添加
されるので、遮光性を確保するとともに、焼結体表面へ
の着色剤の多くの析出を防止でき、焼きムラ、色ムラを
防止でき、かつ緻密性に優れた焼結体を製造できる。

また、本製造方法では、非酸化雰囲気にて焼成するので
、窒化アルミニウムが酸化されない。更に、焼成前の原
料金属酸化物の金属の一部若しくは全部が還元されて、
黒色を示す低原子価の金属化合物が生じる。従って、焼
成前の着色剤の色〔酸化チタンの場合は白色、酸化クロ
ム（ＩＩＩ）の場合は緑色、酸化モリブデン（■）の場
合は青色〕が黒色、灰黒色又は灰色になる。尚、この黒
色等になるのは、各原料粉末が反応して複雑な黒色化合
物を生じている可能性も否定できない。

特に、着色剤種類を変えることにより、種々の黒色等の
色とすることができる。例えば、酸化チタンのみの場合
はやや赤みがかった黒色、酸化クロムのみの場合は灰色
〜灰黒色、酸化モリブデンのみの場合はやや青みがかっ
た黒色、酸化チタンと酸化モリブデンの組合せ及び酸化
クロムと酸化モリブデンの組合せの場合はほぼ真黒色と
することができる。

〔発明の効果〕

本発明において、前記作用を有するので、本焼結体は熱
量の放出を容易にでき集積密度を向上させることができ
、シリコンとの整合性にも優れ、更に遮光性に優れるの
で実装する際の汚れも防止できる。

また、本製造方法によれば、前記作用に示すように、前
記優れた効果を具備する焼結体を製造できる。更に、本
製造方法によれば、着色剤の種類、添加量を変えること
によって、灰色、灰黒色、やや青みがかった黒色、やや
赤みがかった黒色、はぼ真黒色の焼結体を、必要に応じ
て自由に製造できる。

〔実施例〕

以下実施例により本発明を具体的に説明する。

本実施例は、着色剤粉末として二酸化チタン粉末及び酸
化クロム（ＩＩＩ）粉末の一方又は両方を用いたもので
ある。

まず、平均粒径０．９μｍの窒化アルミニウム粉末（Ａ
ｉＮ）１００重量部に、平均粒径１．１μｍのイツ）　
ＩＪア（Ｙ２Ｏ，〉粉末５重量部を添加する。その後、
第１表に示すように、０．５０〜５．００重量部までの
着色剤粉末を添加する。

この着色剤粉末として平均粒径が０．６μｍの二酸化チ
タン（ＴｉＯ２）粉末及び１．４μｍの酸化クロム（Ｉ
［［）　　（Ｃｒ　２０ｓ　）粉末のうちの少なくとも
一種類を使用する。

更に、バインダー（ポリビニルアルコール）を加えて、
前記各粉末から構成される混合物（造粒粉）を作製する
。次いで、この混合物を、プレス成形機によって室温で
約１０００　ｋｇ／ｃｉで加圧して所定形状の成形体を
底形する。

そして、この成形体のバインダーを除去（脱脂〉した後
、窒素雰囲気中、１７３５℃、５時間に亘って常圧焼結
法によって焼成して、焼結体を製造した。

■比較例１〜６本比較例は、前記実施例１〜１８と比較するためのもの
である。第２表に示す各原料粉末割合により、前記と同
様にして焼結体（比較例１〜６）を製造した。

（２）焼結体の性能評価、構造分析前記各焼結体の色、外観、密度及び熱伝導率を評価、測
定し、それらを第１表に示した。熱伝導率はレーザーフ
ラッシュ法によって測定し、密度はアルキメデス法によ
って測定した。

尚、比較例１は、着色剤粉末を用いない従来品である。

比較例６において大量の着色剤を用いて、この焼結体の
着色原因を調査しようとして、Ｘ線回折等を実施し、そ
の結果を第１図に示したが、十分な結果が得られなかっ
た。即ち、同図にて、○印を付したＡＩＮ、Δ印を付し
たＴｉＮのピークは明らかに生じたが、その他の化合物
の存在を示すピークは明確に示すことができなかった。

従って、以上の実施例１〜１８においても同様に、ＡＪ
Ｎ、ＴｉＮ以外は、現在の所、同定できなかった。

以上を総合すると、これらの焼結体は、焼成前の金属原
子の一部が還元され、黒色となる低原子価金属原子を含
む黒色金属酸化物と考えられる。

（３）実施例１〜１８、比較例１〜６の効果この比較例
１　（着色剤粉末不添加）と比較例２（その添加量が０
．１０重量部と少ない。）の焼結体は、熱伝導率は大き
いが、灰白色及び灰色を呈し着色性が悪く、遮光性が不
十分である。また、比較例３〜６は、着色剤粉末の添加
量が１０重量部以上と多いので、この焼結体の表面には
着色剤が顕著に析出し、また、熱伝導率が大変量さい。

これは、内部には空隙が発生しているためと考えられ、
これは延いては強度の低下も招く。尚、これらの密度が
大きいのは、着色剤の添加効果によるものである。

一方、実施例１〜１８（着色剤粉末が０．５〜５．００
重量部の場合）は、いずれも、遮光性の黒色等を示し、
着色剤が表面に析出することもなく、熱伝導率も大きく
、大変バランスが良い。特に、実施例１〜１１（着色剤
が０．５０〜３ｙＯＯ重量部の場合〉は、熱伝導率が１
２５〜１８７Ｗ／ｍ−にであり、比較例３〜５と比べて
１．７〜３．７倍、従来のアルミナと比べて約６〜９倍
も大きく、遮光性も良い。

また、雨着色剤粉末を用いる場合、及び二酸化チタン粉
末のみを用いる場合は、黒色焼結体となり遮光性が大変
優れる。

更に、実施例６．１５〜１８において、焼結助剤粉末と
してのイツトリア粉末の添加量を変化させて、比較して
みた。その結果、その添加量が１〜１０重量部のいずれ
も、黒色で、かつ密度も熱伝導率も良好であった。尚、
この中で、それが１００重量部と少ない場合（実施例１
５〉は、密度がやや小さく、熱伝導率もやや小さかった
。これは、焼結性がやや低下したものと考えられる。

（４）実施例１９〜３６本実施例は、着色剤粉末として酸化モリブデン（ＶＩ）
粉末及び酸化クロム（ＩＩＩ）粉末の一方又は両方を用
いたものである。

第３表に示すように、前記実施例において着色剤粉末の
１つとして用いた二酸化チタン粉末の代わりに、酸化モ
リブテン（ＶＩ）粉末（平均粒径；１．８μｍ）を用い
たこと以外は、前記実施例と同様の方法により窒化アル
ミニウム焼結体（実施例１９〜３６）を製造した。そし
て、これらの各焼結体の性能も、同様にして評価して、
第３表にその結果を示した。

尚、これらの焼結体のＸ線回折結果によれば、ＡｆＮ以
外は、現在の所、同定できなかった。

第３表（５）比較例７〜１２本比較例は前記実施例１９〜３６と比較するためのもの
である。第４表に示す各原料粉末割合により、前記と同
様にして焼結体く比較例７〜１２）を製造し、この各焼
結体の色、外観、密度、熱伝導率を第４表に示した。尚
、比較例７は着色剤粉末を用いない従来品で、前記比較
例１と同一品である。

尚、前記と同様に、比較例１２において大量の着色剤を
用いて、この焼結体の着色原因を調査しようとして、Ｘ
線回折を実施し、その結果を第２図に示したが、十分な
結果が得られなかった。即ち、同図にて、○印を付した
ＡＩＮのピークは明らかに生じたが、その他の化合物の
存在を示すピークは明確に示すことができなかった。従
って、以上の実施例１９〜３６においても同様に、ＡＩ
Ｎ以外は、現在の所、同定できなかった。

（６）実施例１９〜３６、比較例７〜１２の効果本比較
例７〜１２も、前記比較例１〜６とほぼ同様な効果を示
した。

即ち、着色剤粉末を不添加（比較例７）、又はそれが少
ない場合（比較例８）は、熱伝導率は大きいが、灰白色
又は灰色を呈し着色性が悪く、遮光性が不十分である。

また、着色剤粉末の添加量が１０重量部以上と多い場合
（比較例９〜１２＞は、この焼結体の表面には着色剤が
顕著に析出し、かつ熱伝導率が大変小さい。

一方、実施例１９〜３６　（着色剤粉末が０．５〜５．
００重量部の場合）は、いずれも、遮光性の黒色等を示
し、着色剤が表面に析出することもなく、熱伝導率も大
きく、大変バランスが良い。

特に、実施例１９〜２９（着色剤が０．５０〜３００重
量部の場合〉は、熱伝導率が１５４〜２０２Ｗ／ｍ−に
であり、比較例９〜１２と比べて２１〜３．８倍、従来
のアルミナと比べて約８〜１０倍も大きく、遮光性も良
い。

また、雨着色剤粉末を用いる場合、及び酸化モリブデン
（ＶＩ）粉末のみを用いる場合は、黒色焼結体となり遮
光性が大変優れる。

更に、実施例２４．３３〜３６において、焼結助剤粉末
としてのイツ）　ＩＪア粉末の添加量を変化させて、比
較してみた。その結果も前記実施例１５〜１８とほぼ同
様な結果を示した。即ち、その添加量が１〜ｌＯ重量部
のいずれも、黒色で、かつ密度も熱伝導率も良好であっ
た。尚、この中で、それが１．００重量部と少ない場合
（実施例３３）は、密度がやや小さく、熱伝導率もやや
小さかった。

以上のように、窒化アルミニウム粉末と所定量の前記着
色剤粉末と所定量の焼結助剤くイッ）　ＩＪア）粉末と
を用いて、非酸化性雰囲気で焼成することにより、前記
効果を有する黒色等の窒化アルミニウム焼結体を製造す
ることができた。

（７）変形例尚、本発明においては、前記具体的実施例に示すものに
限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変
更した実施例とすることができる。前記においては、窒
素雰囲気にて焼成しているが、アルゴンの不活性雰囲気
にて、それ以外は例えば実施例６と同様の条件下で焼成
しても、同様に黒色焼結体が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は比較例６の焼結体のｘａｉｉ＋回折の結果を示
すグラフ、第２図は比較例１２の焼結体のＸ線回折の結
果を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）窒化アルミニウム焼結体において、該焼結体構成
成分が窒化アルミニウム成分（Ａ）、酸化チタン成分及
び酸化クロム成分のうちの少なくとも一種類からなる着
色剤成分（Ｂ）、並びに焼結助剤成分（Ｃ）からなり、
前記窒化アルミニウム成分が１００重量部、前記着色剤
成分が０．１重量部を越えて１０．０重量部未満である
ことを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
（２）窒化アルミニウム焼結体において、該焼結体構成
成分が窒化アルミニウム成分（Ａ）、酸化モリブテン成
分及び酸化クロム成分のうちの少なくとも一種類からな
る着色剤成分（Ｂ）、並びに焼結助剤成分（Ｃ）からな
り、前記窒化アルミニウム成分が１００重量部、前記着
色剤成分が０．１重量部を越えて１０．０重量部未満で
あることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
（３）１００重量部の窒化アルミニウム粉末と、二酸化
チタン粉末及び酸化クロム（III）粉末のうちの少なく
とも一種類からなり０．１重量部を越えて１０．０重量
部未満である着色剤粉末と、焼結助剤粉末とを混合し、
所定形状に成形し、その後、この成形体を非酸化雰囲気
にて焼成することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体
の製造方法。
（４）１００重量部の窒化アルミニウム粉末と、酸化モ
リブテン（VI）粉末及び酸化クロム（III）粉末のうち
の少なくとも一種類からなり０．１重量部を越えて１０
．０重量部未満である着色剤粉末と、焼結助剤粉末とを
混合し、所定形状に成形し、その後、この成形体を非酸化雰囲気にて焼成することを
特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。