JPH0336782B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、窒化アルミニウムを主成分とする熱
伝導性の優れた焼結体と、その製造方法に関す
る。 更に詳細には本発明は熱伝導率が120W／ｍ・
Ｋ以上であり、IC基板、ヒートシンク、レーザ
ーデイスクおよびマイカ代替絶縁性薄板等の材料
として好適な新規な焼結体とその製造方法に関す
る。 従来の技術 最近のLSI技術の進歩は目覚ましく、集積度の
向上が著しい。これには、ICチツプサイズの向
上も寄与しており、ICチツプサイズの拡大に伴
つてパツケージ当りの発熱量は増大している。こ
のため基板材料の熱伝導性が重要視されるように
なつてきた。 一方、IC基板には従来アルミナが用いられて
きたが、アルミナ焼結体は熱伝導率が低くいので
放熱性が不十分ではない。従つて、ICチツプの
発熱量の増大に対応できなくなりつつある。そこ
で、アルミナ基板に代わる材料として、極めて熱
伝導性の高いベリリア基板を使用することが試み
られているが、ベリリアは毒性が強いので取扱い
が難しいという欠点があり、用途は限定されてい
る。以上のような技術的背景から、熱伝導性の優
れた新規な基板材料の開発が切望されている。 発明が解決しようとする問題点 上述のような用途に使用することができる熱伝
導性に優れた基板材料として、アルミナよりも遥
かに高い熱伝導性を有する窒化アルミニウムの焼
結体が知られている。即ち、窒化アルミニウム単
結晶は、理論的には300W／ｍ・Ｋ程度の熱伝導
率を有している。 ところが、実際に基板材料として使用される窒
化アルミニウム焼結体の熱伝導率は、せいぜい
50W／ｍ・Ｋ程度である。そこで、焼結体として
の窒化アルミニウムの熱伝導性を改善するため
に、原料粉末に各種の化合物を添加して焼結し、
焼結体の熱伝導度の向上を図る試みが種々提案さ
れている。しかしながら、いまのところ達成され
ている窒化アルミニウムの熱伝導率は100W／
ｍ・Ｋ程度である。 従つて、本発明の目的は、放熱性の高いIC基
板、ヒートシンクマイカ代替絶縁性薄板の材料と
して使用することが可能な120W／ｍ・Ｋ以上の
熱伝導率を有する、窒化アルミニウムを主成分と
した新規な焼結体とその製造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 即ち、本発明に従うと、窒化アルミニウムを主
成分とする焼結体の製造方法であつて、原料とな
る窒化アルミニウム粉末を、非酸化性雰囲気中で
1600℃以上の温度領域まで加熱して、該窒化アル
ミニウム粉末中の酸素含有量を低減せしめる熱処
理工程と、該熱処理後に得られた粉末を焼結して
焼結体を形成する焼結工程とを含むこと特徴とす
る熱伝導性の高い焼結体の製造方法が提供され
る。 また、本発明により、窒化アルミニウムを主成
分とする焼結体であつて、該焼結体に含まれる窒
化アルミニウム結晶粒子内部の酸素含有量が0.5
重量％以下であることを特徴とする熱伝導性の高
い焼結体が提供される。 作 用 本発明者らは、窒化アルミニウムを主成分とす
る焼結体の熱伝導率が、焼結体に含まれる窒化ア
ルミニウム結晶粒子中の酸素の含有率に強く依存
することを見出し、原料となる窒化アルミニウム
粉末中の酸素含有量を低減することにより、最終
的に得られる焼結体の熱伝導率の著しい改善を達
成した。 本発明に係る窒化アルミニウムを主成分とする
焼結体は、その原料粉末としての窒化アルミニウ
ムの酸素含有量を低減されていることをその主要
な特徴としている。 即ち、焼結体材料として市販されている窒化ア
ルミニウム粉末を使用する場合、原料粉末には、
通常１重量％以上の不純物酸素が含まれている。
この不純物酸素は、調製後の窒化アルミニウム粉
末が大気に触れた際に、粉末粒の表面が酸化され
て取り込まれたものと考えられ、大半の不純物酸
素が粉末の表面に存在していると考えられる。こ
のような、表面に不純物酸素を含む窒化アルミニ
ウム粉末を焼結すると、焼結処理中に、粉末粒表
面にあつた不純物酸素が窒化アルミニウム格子中
に拡散してAI原子位置に空孔が生じ、この空孔
によりフオノンが散乱されて焼結体の熱伝導率げ
劣化すると考えられる。 これに対して、本発明によれば、窒化アルミニ
ウム原料粉末中に含まれている不純物酸素量を焼
結処理以前に低減し、高純度化された窒化アルミ
ニウム粉末により焼結体を作製することにより、
窒化アルミニウムを主成分とする焼結体の熱伝導
性を著しく改善することができる。換言すれば、
酸素含有率の低い窒化アルミニウムを主として含
む焼結体は高い熱伝導性を有している。 本発明者の研究によれば、非酸化性雰囲気中で
1600℃以上の温度で熱処理することにより、窒化
アルミニウム粉末に含有される不純物酸素を効果
的に除去することができる。この熱処理により窒
化アルミニウム粉末に含まれる酸素量が減少する
機構については、窒化アルミニウム原料粉末粒の
表面に存在している、アルミナよりも不安定な形
態のアルミニウム酸化物の分解蒸発によるものと
考えられるが、現在更に研究を進めている。 本発明に係る方法において、窒化アルミニウム
粉末に対する熱処理工程の雰囲気は、非酸化性雰
囲気であることが必須である。ここで、非酸化性
の雰囲気とは、真空、窒素ガス、水素ガス、一酸
化炭素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスより成
る群から選ばれる１種または２種以上の雰囲気で
ある。これらの雰囲気はいずれも窒化アルミニウ
ム原料粉末中の不純物酸素量を減少させるのに有
効であるが、真空中あるいは窒素ガス雰囲気で熱
処理することが特に好ましい。 また、熱処理温度は、1600℃未満では不純物酸
素量を減少させる効果が小さく、1600℃以上の温
度が必要である。一方、処理温度が2300℃を越え
ると窒化アルミニウムの分解反応が発生し、最終
的に得られる焼結体の実質重量が減少すると共に
強度が低下するので好ましくない。 更に、本発明の好ましい一実施態様に従えば、
熱処理後の窒化アルミニウム粉末は、最終的な焼
結工程が終了するまで大気を含む酸化性雰囲気に
触れないようにすることが有利である。従つて、
熱処理工程後の窒化アルミニウム粉末を、例えば
窒素を充填したグローボツクス等に収容して取り
扱い、空気に触れさせることなく焼結工程を完了
させることが望ましい。 以上のような本発明に係る独自の製造方法によ
り、焼結体中の窒化アルミニウム結晶粒子内に含
まれる酸素が0.5重量％以下であるような、窒化
アルミニウムを主成分とする焼結体が提供され
る。この焼結体は、窒化アルミニウム結晶粒子内
の酸素含有量の減少につれて熱伝導率が向上し、
120W／ｍ・Ｋ以上の優れた熱伝導率が実現可能
である。尚、結晶粒子内の酸素含有量は、透過型
電子顕微鏡を使用して、試料に電子ビームを照射
した際に発生する特性Ｘ線を検出するEDS分析
により測定することができる。 本発明に係る方法は、不可避的不純物を除いて
窒化アルミニウム粉末だけで形成された焼結体の
みならず、窒化アルミニウムを主成分として他の
元素または化合物を添加した焼結体の熱伝導性の
改善にも有効である。 即ち、本発明の一実施態様に従うと、周期率表
ａ族系列元素およびａ族系列元素の酸化物、
窒化物およびフツ化物からなる群から選択された
少なくとも１種の化合物を0.1重量％以上、20重
量％未満添加され、残部を、酸素の含有量が0.5
重量％以下の窒化アルミニウムにより形成された
高熱伝導性の焼結体が提供される。 ここで、焼結体中の窒化アルミニウムの含有量
が80重量％よりも低くなると、窒化アルミニウム
結晶粒子相互の間に他の元素または化合物が多く
介在することになり、窒化アルミニウム自体の熱
伝導率の改善の効果が焼結体全体に及ばなくな
る。また、焼結体に添加された窒化アルミニウム
以外の元素または化合物の、窒化アルミニウム結
晶粒内への拡散の影響が顕著になる。殊に、添加
化合物が酸化物であるような場合は、添加化合物
から窒化アルミニウム結晶粒内への酸素の拡散が
無視し得ぬものとなり、窒化アルミニウム結晶粒
内の酸素含有量を0.5重量％以下に維持すること
が困難になる。従つて、焼結体の良好な熱伝導率
を維持するためには、添加化合物の添加量を20重
量％未満とすることが必須である。一方、周期率
表ａ族系列元素およびａ族系列元素の酸化
物、窒化物およびフツ化物などの添加化合物は、
その含有量が0.1重量％未満になると、添加剤と
しての効果が実質的に得られなくなる。従つて、
最終的に緻密な焼結体が得られ難くなるので、添
加化合物の添加量は、上記範囲以上とする必要が
ある。 尚、上記焼結体において、添加化合物は、一般
に結晶粒界に粒界相として存在するものであり、
結晶粒子内に拡散するものではない。従つて、添
加化合物を添加したことにより、主成分たる窒化
アルミニウム粒子の酸素含有量が劣化することは
ない。 以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説
明するが、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲を何ら限定するものでは
ない。 実施例 １ 1.3重量％の酸素を含有する市販の窒化アルミ
ニウム粉末を1.5×10^-3torrの真空、１気圧の窒素
ガス雰囲気、１気圧のヘリウムガス雰囲気の３種
の雰囲気中で、それぞれ1600℃で20時間保持して
熱処理を施した。熱処理後の窒化アルミニウム粉
末の酸素含有量を第１表に示す。尚、酸素の含有
量は、透過型電子顕微鏡を使用したEDS分析に
よつて行つた。 上述のような熱処理後の各窒化アルミニウム粉
末を、それぞれ１気圧の窒素ガス雰囲気中で、50
Kg／cm²の加圧下で1800℃に１時間保持してホツト
プレスすることにより焼結を行つた。得られた各
焼結体の熱伝導率の測定結果を第１表に併せて示
す。 また、同じ出発原料を用いて、同じ３種類の雰
囲気中で、それぞれ1500℃に20時間保持して熱処
理を施した後、同一のホツトプレス条件で焼結し
て比較例の試料を作製した。各比較例の熱処理後
の窒化アルミニウム粉末の酸素含有量と、焼結処
理後の焼結体の熱伝導率の測定結果を第１表に併
せて示す。

【表】 上記の第１表から判るように、本発明に係る方
法に従つて製造された窒化アルミニウム焼結体
は、全て120W／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を示して
いる。これらに対して、本発明の範囲よりも低い
1500℃で熱処理した比較例では、いずれも熱伝導
率が著しく低い。このように、本発明に従う熱処
理工程が窒化アルミニウムの脱酸素処理に有効で
あり、脱酸素処理された窒化アルミニウム粉末に
より形成された焼結体の熱伝導率が優れているこ
とが確認できる。 実施例 ２ 1.7重量％の酸素を含有する市販窒化アルミニ
ウム粉末を1.8×10^-3torrの真空、0.9気圧の酸素
ガスと0.1気圧の水素ガスの混合雰囲気、１気圧
の窒素ガス雰囲気の３種の雰囲気中で、それぞれ
1800℃に10時間保持して熱処理を施した後、１気
圧の窒素ガス雰囲気中で、20Kg／cm²の加圧下で
2000℃に２時間保持してホツトプレスすることに
より焼結を行つた。 こうして得られた試料について、各試料の熱処
理後の窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量と、
焼結体の熱伝導率とを測定した。測定結果を第２
表に示す。

【表】 第２表に示した本実施例の測定結果と、第１表
に示した実施例１の測定結果とを比較すると、真
空雰囲気下で処理した試料は、真空度を高くする
ことにより、最終的に得られる焼結体の熱伝導率
が上昇していることが判る。また、他の試料にお
いても、熱処理温度が高くなる程、焼結体の熱伝
導率が向上していることが判る。 実施例 ３ 1.4重量％の酸素を含有する市販の窒化アルミ
ニウム粉末を、２気圧の窒素ガス雰囲気と、0.9
気圧の窒素ガスおよび0.1気圧の一酸化炭素ガス
の混合雰囲気との２種の雰囲気中でそれぞれ1900
℃に５時間保持して熱処理を施した。熱処理後の
各窒化アルミニウム粉末の酸素含有量を測定し、
測定結果を第３表に示す。 上述のような熱処理を施した窒化アルミニウム
粉末を、１気圧の窒素ガス雰囲気中、100Kg／cm²
の加圧下で2000℃に２時間保持してホツトプレス
することにより焼結した。得られた各焼結体の熱
伝導率を測定した。測定結果を第３表に併せて示
す。

【表】 第３表に示す測定結果から判るように、何れの
場合も、雰囲気圧力を高くすることにより、ま
た、ホツトプレス時の加圧圧力を大きくすること
により、最終的に得られる焼結体の熱伝導率が向
上することが確認された。 実施例 ４ 1.4重量％の酸素を含有する市販窒化アルミニ
ウム粉末を、５気圧の窒素ガス雰囲気と、4.8気
圧の窒素ガスおよび0.2気圧のCOガスの混合雰囲
気と、１気圧のアルゴン雰囲気との３種の雰囲気
中で、それぞれ2100℃に３時間保持して熱処理を
施した。続いて、上記各窒化アルミニウム粉末
を、２気圧の窒素ガス雰囲気中で、150Kg／cm²の
加圧下で2300℃に時間保持してホツトプレスする
ことにより焼結した。 本実施例では、熱処理後、熱処理炉からの粉末
の取出し、ホツトプレスモールドへの粉末の充
填、ホツトプレスへのモールドの装填を全て窒素
ガスを充填したグローボツクス中で行い、熱処理
後の全工程を通じて、窒化アルミニウム粉末を空
気に触れさせることなく焼結処理を完了した。 上記熱処理後の各窒化アルミニウム粉末の酸素
含有量と、最終的に得られた焼結体の熱伝導率と
の測定結果を第４表に併せて示す。

【表】 第４表に示す測定結果を第３表に示す測定結果
と比較することによつて判るように、何れの試料
においても、熱処理時の雰囲気圧力を高くし、且
つ、熱処理した窒化アルミニウム粉末を空気に触
れさせることなくホツトプレスすることにより、
最終的に得られる焼結体の熱伝導率が更に向上し
ていることが確認された。 実施例 ５ 2.1重量％の酸素を含有する市販の窒化アルミ
ニウム粉末を、10気圧の窒素ガス雰囲気中で2200
℃に２時間保持して熱処理を施した。続いて、熱
処理した粉末を２気圧の窒素ガス雰囲気中で、
150Kg／cm²の加圧下で2300℃に２時間保持してホ
ツトプレスすることにより焼結した。 本実施例においても、熱処理後、熱処理炉から
の粉末の取出し、ホツトプレスモールドへの粉末
の充填、ホツトプレスへのモールドの装填を全て
窒素ガスを充填したグローボツクス中で行い、熱
処理以降の全工程において窒化アルミニウム粉末
を空気に触れさせることなく焼結を完了した。こ
こで、熱処理後の窒化アルミニウム粉末の酸素含
有量は0.11重量％であり、最終的に得られた焼結
体の熱伝導率は158W／ｍ・Ｋであつた。 すなわち、本実施例においては、2.1重量％も
の多量の酸素を含有する窒化アルミニウム粉末を
出発原料としても、熱処理中の雰囲気圧力、熱処
理温度を何れも高くし、更に、熱処理した窒化ア
ルミニウム粉末を空気に触れさせることなくホツ
トプレスすることにより、最終的に、高い熱伝導
率を有する窒化アルミニウム焼結体を製造し得る
ことが確認された。 実施例 ６ 熱処理を施すことによつて酸素含有量を0.47重
量％に調整した窒化アルミニウム粉末を原料粉末
とし、下記の第５表に示すように、カルシウムお
よびイツトリウムの酸化物、窒化物およびフツ化
物の各化合物を添加して焼結体を作製した。 焼結処理は、各化合物粉末と窒化アルミニウム
粉末をよく混合した後、2ton／cm²のプレス圧で成
形し、窒素ガス雰囲気中で1800℃で処理した。 作製した各試料について熱伝導率を測定した。
測定結果を第５表に示す。

【表】

【表】 発明の効果 以上詳細に説明したように、本発明によれば、
窒化アルミニウムを主成分とする焼結体におい
て、窒化アルミニウム結晶粒子内の酸素含有量を
低減することにより、焼結体の熱伝導特性を著し
く改善することができる。即ち、焼結工程に先立
つて原料粉末を所定の条件で熱処理することによ
り、窒化アルミニウムの不純物酸素含有量を低減
することができる。この酸素含有量の少ない窒化
アルミニウム粉末を主成分として作製された焼結
体は、120W／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、極
めて優れた熱伝導特性を有している。 従つて、この焼結体は、集積度が高い集積回路
用の基板、例えば、サーデイツプ用またはサーパ
ツク用の集積回路基板の他、ハイブリツドIC用
基板、更に、パワートランジスタ、パワーダイオ
ード、レーザーダイオード用のヒートシンク、レ
ーザーデイスクおよびマイカ代替絶縁性薄板等の
材料として極めて好適である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化アルミニウムを主成分とする焼結体の製
   造方法であつて、 原料となる窒化アルミニウム粉末を、非酸化性
   雰囲気中で1600℃以上の温度領域まで加熱して、
   該窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量を0.5重
   量％以下まで低減せしめる熱処理工程と、該熱処
   理後に得られた粉末を焼結して焼結体を形成する
   焼結工程とを含むことを特徴とする熱伝導性の高
   い焼結体の製造方法。 ２ 前記非酸化性雰囲気が、真空、窒素ガス、水
   素ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス、ヘリウ
   ムガスより成る群から選ばれた１種または２種以
   上の雰囲気であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載された熱伝導性の高い焼結体の製
   造方法。 ３ 前記焼結工程が、前記熱処理後の窒化アルミ
   ニウム粉末を、1800℃以上2300℃以下の温度領域
   で、非酸化性雰囲気中、20Kg／cm²以上の圧力下で
   実施されるホツトプレスにより行われることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項のい
   ずれか１項に記載された熱伝導性の高い焼結体の
   製造方法。 ４ 前記熱処理工程から前記焼結工程の終了ま
   で、前記窒化アルミニウム粉末が空気に触れるこ
   となく処理されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載さ
   れた熱伝導性の高い焼結体の製造方法。 ５ 窒化アルミニウムを主成分とする焼結体であ
   つて、該焼結体に含まれる窒化アルミニウム結晶
   粒子内部の酸素含有量が0.5重量％以下であるこ
   とを特徴とする熱伝導性の高い焼結体。 ６ 窒化アルミニウムを主成分とする焼結体であ
   つて、周期率表ａ族系列元素およびａ族系列
   元素の酸化物、窒化物およびフツ化物からなる群
   から選択された少なくとも１種を、0.1重量％以
   上、20重量％未満の範囲で含有することを特徴と
   する特許請求の範囲第５項に記載された熱伝導性
   の高い焼結体。