JPH04130064A

JPH04130064A - 遮光性及び高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体

Info

Publication number: JPH04130064A
Application number: JP2251020A
Authority: JP
Inventors: Hideko Fukushima; 英子福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-09-20
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1992-05-01

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、窒化アルミニウム焼結体に関し、更に詳しく
は遮光性、高熱伝導性を有し、絶縁基板、ヒートシンク
、半導体パッケージ等の材料に適する焼結体に関する。

［従来の技術］従来の電子機器において、ＩＣ，ＬＳＩ等の電子デバイ
スの実装、回路形成、絶縁等のためには、アルミナ基板
が使用されている。しかし、アルミナ基板は熱伝導率が
低い（約２０Ｗ／ｍ−Ｋ）ため、近年のＬＳＩの高密度
、高集積化により、高熱伝導性の基板材料が要望されて
いる。そこで、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム焼結
体が注目されるようになった。

しかしながら、窒化アルミニウムは共有結合性が強く、
難焼結相料であるため緻密な焼結体を得ることが困難で
あった。

これに対し、種々の焼結助剤の添加により常圧で緻密な
焼結体を得ることができるようになったが、熱伝導率に
問題があった。しかし、近年、特公昭６２−２２９５２
に示すように、高純度の窒化アルミニウム粉末が得られ
、その粉末の使用により、透光性で高熱伝導性の窒化ア
ルミニウム焼結体を得ることができるようになってきた
。

［発明が解決しようとする課題］近年、ますます増大する傾向にある半導体素子からの発
熱を放熱するためには、窒化アルミニウムを基板に用い
る場合、できるだけ大きい熱伝導率を有する焼結体を使
用する。一方、窒化アルミニウム焼結体は熱伝導率が大
きくなるにつれて、透光性を発現するという性質を有し
ている。

透光性のある高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体は、焼
きムラや色ムラを生じ易く外観不良になり易い。

そして、太陽光（紫外ＮＡ）等により焼結体の色調が変
化する場合もあり、基板材料として使用してパッケージ
を組み立てた場合、ベース板側との呈色が異なり外観色
が不揃いとなり易い。また、太陽光等による色調の変化
はパッケージ基板として使用した場合、内部のＩＣメモ
リーに悪影響を及ぼすことも考えられ適当てない。

その上、窒化アルミニウム基板を実用化するにあたり透
光性があるということは、メタライズ技術の面で以下の
ような問題が生じる。それは、基板にメタライズを行う
場合、赤外線等の光を利用した位置決めセンサを使用し
てメタライズの位置を決めるために、透光性に不均一が
あると赤外線センサによる正確な位置検出が困難となり
、メタライズができないという問題である。

以上の問題を解決する手段として、特開昭６３−８９４
６３号では窒化アルミニウムの原料粉末の比表面積およ
び酸素含有量を特定の値にし遮光性をえること、特開平
１−１１５８７４号ではＣａ３Ｗ○６を添加して黒色と
すること、特開平１−１５３５７３号ではＴｉＮを添加
して黒色とすること、が提案されている。

しかし、以上の提案においては十分な遮光性を得る場合
には高熱伝導率を維持することができないという問題が
あった。

そこで、本発明の目的は、遮光性に優れ、しかも高熱伝
導率を有する窒化アルミニウム焼結体を提供することで
ある。

［課題を解決するための手段］本発明者は、遮光性に優れ、しがも高熱伝導率を有する
窒化アルミニウム焼結体を提供するため、遮光性を具現
しつつ窒化アルミニウムの有する熱伝導性を極度に劣化
させない添加物について種々検討したところ、ＢＮ、Ｂ
４Ｃ，Ｂ２Ｏ３、ＢＦ３などのＢ系化合物とＴ　ｉ、Ｃ
ｒ、　Ｍｎ、　Ｆｅ、　Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ
、Ｍｏ％Ｃｄ、Ｓｎ、Ｗから選ばれた少なくてもいずれ
か１種以上の酸化物、炭化物、窒化物、はう化物等の化
合物を複合添加した焼結体が前記課題を解決できること
を知見した。

本発明は、この知見に基づきなされたものでＢおよびＴ
ｉ、　Ｃｒ、　Ｍｎ、　Ｆｅ、　Ｃｏ、　Ｎｉ、Ｃｕ、
Ｚｎ％ＺｒＳＭｏ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｗがら選ばれた少なく
てもいずれか１種以上が金属換算で０．１重量％以上１
０重量％以下、周期律表の第ＩＩａ族及びＹを含む希土
類金属から選ばれた少なくとも１種以上の化合物を０．
５重量％以上１５重量％以下、残部実質的に窒化アルミ
ニウムからなることを特徴とする窒化アルミニウム焼結
体である。［作用］以下本発明の成分限定理由を説明する。

焼結体中のＢ及びＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ
、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｗから選ばれ
た少なくてもいずれか１種以上を金属換算で０．１重量
％以上とするのは、０．１重量％より少ないと十分な遮
光性が得られず、５〜６μｍの波長の光に対する直線透
過率の吸収係数が２６０　ｃ　ｍ−１以下、０．２〜０
．９μｍ間の波長の光に苅する直線透過率の吸収係数が
１２０ｃｍ−１以下となり本発明の目的を達成すること
が困難となるからである。一方、１０重量％以下とする
のは１０重量％より多くなると熱伝導率が低下し、１２
０Ｗ／ｍ・Ｋより小さ（なるからである。

含有風は、０．３重量％以上５重量％以下であることが
好ましい。０．３重量％以上５重量％以下であれば、６
μｎ１の波長の光に対する直線透過率の吸収係数がＬＯ
Ｏｃｍ−１以上、０．２〜０．９μｍ間の波長の光に対
する直線透過率の吸収係数か１５０ｃｒｎ−１以上とな
り完全な遮光性となり、熱伝導率も１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上の高熱伝導性焼結体が得られる。

なおりは、窒素雰囲気中での焼結ではｈ−ＢＮとなって
存在している。

周期律表の第１Ｉａ族及びＹを含む希土類系から選ばれ
た少なくとも１種以上の金属酸化物はいわゆる焼結助剤
として含まれるものである。

この金属酸化物の量は０．５重量％未満では緻密な焼結
体を得ることができず、一方１５重量％を越えると熱伝
導率が低下する。したがって、０．５重量％以上１５重
量％以下に限定した。

望ましい金属酸化物は、ＣａＯ１Ｙ　ｚ　Ｏｓ、または
Ｄ　Ｙ　２０　ｓである。

この金属酸化物の添加量は、主に、主成分となる窒化ア
ルミニウム粉末の酸素量により異なる。

つまり、その添加量は、窒化アルミニウム粉末中に存在
している酸素が焼結過程でＡ１□０３に変化し、その全
てを第２成分である化合物として焼結体中の粒界にＡｌ
２Ｏ３との複合酸化物の形でトラップできるだけの量が
必要である。トラップできるだけの量以下であると、酸
素が窒化アルミニウムの粒内に固溶し熱伝導率が低下す
る。それ以上の場合、そのまま粒界に残存していると熱
伝導率低下の原因となる。

そして、粒界の複合酸化物は、焼結により焼結体の系外
へできるだけ多く除去されることが望ましく、粒界に残
存していればそれだけ熱伝導率が低下する。そのために
は、ＢおよびＴｉ、Ｃｒ等を炭化物として添加しこの炭
化物を利用する、“カーボン粉末を添加する、あるいは
焼結時の炉内雰囲気を還元性雰囲気にする、等の手段を
単独または複合して採用すればよい。これにより、粒界
の酸化物が次々と還元窒化され系外へ除去される。

そして、そのカーボン源の量は、焼結体中に含まれる酸
素を還元するに足る化学当量あれば良いが、それ以上で
あっても焼結体中に残存するカーボン量が３重量％以下
であれば良く、それより多い場合は、密度の低下により
焼結体の熱伝導率が低下し、絶縁性も大きく低下する。

本発明の焼結体を作製する焼結方法としては、非酸化性
雰囲気で行うことが必要である。中でも窒素雰囲気中が
好ましい。焼結温度は、１５００〜２０００℃が良く、
好ましくは１７００〜１９００”ｃが良い。又、焼結は
、通常、常圧焼結法であるが、減圧焼結法でも加圧焼結
法でも良い。

［実施例］以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発
明は以下の実施例に限定されるものではない。

酸素量が約１％程度の窒化アルミニウム粉末に、周期律
表の第Ｕａ族及びＹを含む希土類系の金属酸化物として
Ｃａｂ、Ｙｔ○３、またはＤ　Ｙ　ｔ　Ｏｓから選ばれ
た１種以上の酸化物を添加し、ＢＮ、Ｂ４Ｃ，Ｂ２Ｏ３
、ＢＦ２などのＢ系化合物とＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｏ、
Ｓｎ、Ｗがら選ばれた１種以上の酸化物、炭化物、窒化
物、はう化物等の化合物を添加し、混合、造粒、成形後
、温度１９００℃、窒素雰囲気中、５時間の焼結を行い
、第１表に示す焼結体を得た。＊印は、比較例である。

尚、第１表に示した以外の成分は窒化アルミニウムであ
る。また、第１表に示した各種の分析及び測定結果は、
以下の装置によって行った。

第２．３成分の分析：　ＩＣＰ発光分光分析装置（セイ
コー電子製）炭素分析：金属中炭素分析装置（堀場製作所製）ＢＮの
同定：Ｘ線回折装置（リガク製）熱伝導率：レーザー法
熱定数測定装置（リガク製）光透過率：〔５〜６μｍ〕　フーリエ変換型赤外分光光度針（日本
電子製）〔０，２〜０．９μｍ〕　自記分光光度計（日立製）吸
収係数ｕ：　　ｕ＝−１ｎ（１／１０）／１１／１０　
：光透過率ｔ：試料の厚み［発明の効果］

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＢおよびＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、
Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｗから選ばれた
少なくともいずれか１種以上が金属換算で０．１重量％
以上１０重量％以下、周期律表の第IIａ族及びＹを含む
希土類金属から選ばれた少なくとも１種以上の酸化物が
０．５重量％以上１５重量％以下、残部実質的に窒化ア
ルミニウムからなることを特徴とする窒化アルミニウム
焼結体。
（２）５〜６μｍの波長の光に対する直線透過率の吸収
係数が６０ｃｍ＾−＾１より大きいことを特徴とする請
求項（１）に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（３）０．２〜０．９μｍ間の波長の光に対する直線透
過率の吸収係数が１２０ｃｍ＾−＾１より大きいことを
特徴とする請求項（１）または（２）に記載の窒化アル
ミニウム焼結体。
（４）焼結体の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である
ことを特徴とする請求項（１）乃至（３）のいずれかに
記載の窒化アルミニウム焼結体。