JPH04144967A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 - 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］ この発明は、ＩＣの絶縁基板材料、パッケージ材料等に
使用される窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法
に関し、特に高熱伝導性を有し、かつ低い誘電率を有す
る窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法に関する
ものである。

［従来の技術］ 最近、大規模集積回路装置（ＬＳＩ）に関する技術の進
歩は目覚ましく、特に集積度の向上は著しいものである
。この集積度の向上と、さらにＩＣチップサイズの大型
化に伴って、ＩＣチップが搭載されるパッケージあたり
の発熱量が増大している。このため、半導体装置用パッ
ケージ等に用いられる基板材料の放熱性が重要視される
ようになってきた。また、従来、ＩＣの絶縁基板として
広く用いられてきたアルミナ焼結体の熱伝導率では、そ
の放熱性が十分ではなく、ＩＣチップの発熱量の増大に
対応できなくなりつつある。このため、このアルミナ焼
結体に代わるものとして、高熱伝導性を有するベリリア
（Ｂ　ｅ　Ｏ）が検討されているが、ベリリアは毒性が
強く、その取扱いが困難であるという欠点を有する。

一方、窒化アルミニウム（Ａ　Ｌ　Ｎ）焼結体は、本来
、材質的に高熱伝導性、高絶縁性を有し、毒性もないた
め、半導体装置用の回路基板材料あるいはパッケージ材
料として注目を集めている。

しかしながら、窒化アルミニウム焼結体はべりリアに比
べ、その誘電率が大きい。そのため、特に高周波、高速
度の半導体素子が搭載される絶縁基板の材料として窒化
アルミニウム焼結体を用いることは困難であった。

これに対して、窒化アルミニウム焼結体の誘電率を低く
するための製造方法が特開昭６１−２８６２６７号公報
において提案されている。この公報に開示された窒化ア
ルミニウム焼結体の製造方法によれば、窒化アルミニウ
ム粉末にホウ素含有添加剤を添加して混合した後、加圧
焼結することによって誘電率が低減された窒化アルミニ
ウム焼結体が得られている。

なお、窒化アルミニウム粉末にホウ素化合物を添加する
ことによって窒化アルミニウム焼結体を製造する方法は
、特開昭５８−３２０７３号公報、特開昭５９−１３１
５８３号公報、特開平１−２４２４６８号公報に開示さ
れている。しかしながら、これらの公報には、窒化アル
ミニウム粉末にホウ素化合物を添加することが窒化アル
ミニウムの焼結を促進することが示されているが、得ら
れる窒化アルミニウム焼結体の誘電率が低減されること
については何ら教示も示唆もなされていない。

［発明が解決しようとする課題］ 窒化アルミニウム焼結体の誘電率は、１０ＭＨ２の高周
波が付与された状態において８．５〜１５程度の範囲内
の大きな値を示し、そのばらつきが大きい。このことは
、まず、窒化アルミニウム自体の誘電率が８．５程度と
大きいことに起因する。また、得られる窒化アルミニウ
ム焼結体の誘電率のばらつきが大きいことは、焼結助剤
として添加される化合物（アルカリ土類、希土類元素の
酸化物）と窒化アルミニウム中に存在するアルミナ（Ａ
　Ｉ２０３　）とが焼結過程において反応し、その生成
物が高い誘電率を有することに起因する。

このことに着目し、特開昭６１−２８６２６７号公報で
提案された窒化アルミニウム焼結体の製造方法において
は、窒化アルミニウム粉末に予めホウ素含有添加剤を添
加した後、その混合粉を加圧焼結（いわゆるホットプレ
ス焼結）することにより、窒化アルミニウム粒界に存在
する酸化物層を減少させる効果が示されている。これに
より、得られた窒化アルミニウム焼結体の誘電率が低減
させられている。

しかしながら、上記公報に開示された窒化アルミニウム
焼結体の製造方法によれば、誘電率はＩＭＨｚの高周波
が付与された状態で５程度に低減させられているが、窒
化アルミニウム焼結体の熱伝導率は０．３５ｃａｌ／ｃ
ｍ−ｓｅｃ・℃（１４６，５Ｗ／ｍＫ）程度である。こ
のように、窒化アルミニウム粉末にホウ素含有添加剤を
添加するだけでは、窒化アルミニウム焼結体の誘電率を
低減させることができても、１５０Ｗ／ｍＫ以上の高い
熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体を得ることは
困難である。

そこで、この発明の目的は、低い誘電率゛を有するとと
もに、高い熱伝導率をも備えた窒化アルミニウム焼結体
およびその製造方法を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本願発明者らは、種々検討した結果、窒化アルミニウム
焼結体中にホウ素化合物を板状結晶体で窒化アルミニウ
ム粒子と複合化させることにより、低い誘電率と高い熱
伝導率とを兼ね備えた窒化アルミニウム焼結体を得るこ
とができることを見いだした。

すなわち、この発明に従った窒化アルミニウム焼結体は
、焼結助剤成分以外に酸素を０．０１重量％以上０．８
重量％以下、ホウ素化合物をホウ素換算で０．０１重量
％以上１０重量％以下含有し、その残部が窒化アルミニ
ウム粒子を含むものである。ホウ素化合物は板状の結晶
体を有し、かつ窒化アルミニウム粒子と複合化している
。

また、この発明のもう１つの局面に従った窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法によれば、まず窒化アルミニウム
粉末が準備される。この窒化アルミニウム粉末に金属ホ
ウ素を０，０１重量％以上１０重量％以下、希土類元素
およびアルカリ土類元素の少なくともいずれかの元素の
化合物をその元素換算で０．０１重量％以上５．０重量
％以下添加し、混合する。この混合物は成形体に成形さ
れる。この成形体を非酸化性の窒素含有雰囲気中で１６
００℃以上２０００℃以下の範囲内の温度で焼結するこ
とにより、低い誘電率と高い熱伝導率を有する窒化アル
ミニウム焼結体が得られる。

［発明の作用効果］ この発明においては、窒化アルミニウム焼結体は窒化ア
ルミニウム粒子と板状のホウ素化合物との複合構造を呈
する。このホウ素化合物は六方晶窒化ホウ素であること
が好ましい。少なくともホウ素化合物の大半は六方晶窒
化ホウ素であり、板状の結晶体を有するのが好ましい。

この複合構造による作用は明らかではないが、窒化アル
ミニウム焼結体の誘電率の低下に寄与するものと思われ
る。言い換えれば、この複合構造は窒化アルミニウム焼
結体中に適度な空孔を形成することが窒化アルミニウム
焼結体の誘電率の低下に寄与するものと考えられる。ホ
ウ素化合物の１種である六方晶窒化ホウ素は低い誘電率
を有する材料であり、窒化アルミニウム焼結体の誘電率
の低減に有効に作用すると考えられる。

また、窒化アルミニウム焼結体中のホウ素化合物の含有
量はホウ素換算で０．０１重量％以上１０重量％以下で
あることが必要である。この範囲内でホウ素化合物を含
有すると、窒化アルミニウム焼結体は低い誘電率と高い
熱伝導率（高い密度）を兼ね備えることができる。すな
わち、ホウ素化合物の含有量が０．０１重量％未満では
窒化アルミニウム焼結体の誘電率が高く、１０重量％を
越えると窒化アルミニウム焼結体の密度が低下し、その
熱伝導率が１５０　Ｗ／ｍ　Ｋ以下になるためである。

本発明の窒化アルミニウム焼結体の誘電率は、１０ＭＨ
ｚの高周波が付与された状態において４゜５〜６の範囲
内である。特にホウ素化合物の含有量が多いほど、低い
誘電率の窒化アルミニウム焼結体が得られる。本発明の
窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ以
上である。好ましくは、本発明の窒化アルミニウム焼結
体は１０％未満の空孔を有する。

また、この発明の窒化アルミニウム焼結体中の酸素含有
量は０．０１重量％以上０．８重量％以下である。酸素
含有量が０，８重量％を越えると１５０Ｗ／ｍＫ以上の
熱伝導率を得ることが困難になるためである。

この発明の窒化アルミニウム焼結体を得るためには、高
純度の窒化アルミニウム粉末に金属ホウ素を０．０１重
量％以上１０重量％以下添加される。このホウ素の添加
において、特開昭６１−２８６２６７号公報に示された
炭化ホウ素、あるいは特開昭５８−３２０７３号公報に
示された窒化ホウ素等のホウ素化合物を用いると、板状
の結晶体のホウ素化合物を窒化アルミニウム焼結体中に
おいて得ることが困難である。また、窒化アルミニウム
粉末にホウ素化合物の形態でホウ素を添加すると、得ら
れる窒化アルミニウム焼結体の密度も低下する。この原
因は明らかではないが、添加された金属ホウ素が焼結過
程中において窒化され、結晶化することにより窒化アル
ミニウム焼結体の緻密化に寄与するものと思われる。そ
れとともに、窒化アルミニウム焼結体の誘電率の低減が
もたらされるものと思われる。窒化アルミニウム粉末に
は焼結助剤が添加される。この焼結助剤としては、アル
カリ土類元素あるいは希土類元素の化合物が用いられ、
その添加量はその元素換算で０．０１重量％以上５．０
重量％以下である。この焼結助剤の添加量が５．０重量
％を越えると、得られる窒化アルミニウム焼結体の誘電
率が高くなる。これらの混合物は成形された後、その成
形体は１６００℃以上２０００℃以下の範囲内の温度で
非酸化性の窒素含有雰囲気中で焼結される。

以上のように、この発明によれば、ホウ素化合物が所定
の含有量で窒化アルミニウム焼結体中に存在することに
より、窒化アルミニウム焼結体の誘電率の低減が図られ
る。また、そのホウ素化合物が板状の結晶体の形態で窒
化アルミニウム粒子と複合化することにより、適度な空
孔が窒化アルミニウム焼結体中に形成される。このため
、窒化アルミニウム焼結体の密度を低下させることなく
、ひいては窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下さ
せることなく、その誘電率が低下させられる。

したがって、高い熱伝導率と低い誘電率とを兼ね備えた
窒化アルミニウム焼結体を得ることができるので、発熱
量が高く、高周波を発する半導１体素子が搭載される絶
縁基板材料等にこの発明の窒化アルミニウム焼結体を用
いることが可能になる。

［実施例コ 実施例１ 平均粒径が０．８μｍ１酸素含有量が１．２重量％、金
属不純物含有量が０．１重量％以下である窒化アルミニ
ウム粉末に所定の含有量の金属ホウ素と０．５重量％の
Ｙ２Ｏ３粉末とを添加し、十分混合した。このようにし
て得られたスラリーをガラスの上でキャスティングし、
厚み０．７ｍｍのグリーンシートを作成した。得られた
グリーンシートを６０ｍｍ角の大きさに切断し、窒素含
有雰囲気中において脱バインダ処理を施した。このグリ
ーンシートを窒素気流中において１８００℃の温度で３
時間焼成することにより、窒化アルミニウム焼結体が得
られた。得られた窒化アルミニウム焼結体の誘電率、熱
伝導率、空孔率を測定した。その測定結果は第１図に示
される。

第１図によれば、ホウ素含有量が１０重量％を越えると
急激に熱伝導率が低下し、１５０Ｗ／ｍＫ以下になるこ
とが認められる。誘電率はホウ素含有量の増加にともな
って低減することが認められる。空孔率はホウ素含有量
の増加に伴って増加することが認められる。

実施例２ 窒化アルミニウム粉末に金属ホウ素単体、あるいは種々
のホウ素化合物をホウ素換算で５．０重量％添加し、実
施例１と同様の条件で混合、成形、焼結処理をすること
により、窒化アルミニウム焼結体を作製した。得られた
窒化アルミニウム焼結体の誘電率、熱伝導率、空孔率は
第１表に示される。

（以下余白） 第１表 第１表によれば、ホウ素化合物の形態でホウ素を窒化ア
ルミニウム粉末と混合すると、金属ホウ素の形態で添加
した場合と比べてその誘電率が高く、熱伝導率が低く、
かつ空孔率が高い焼結体が得られることが認められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１によって得られた窒化アルミニウム焼
結体の金属ホウ素の添加量と誘電率、熱伝導率、空孔率
との関係を示すグラフである。 特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）焼結助剤成分以外に酸素を０．０１重量％以上０
   ．８重量％以下、ホウ素化合物をホウ素換算で０．０１
   重量％以上１０重量％以下含有し、その残部が窒化アル
   ミニウム粒子を含み、前記ホウ素化合物は板状の結晶体
   を有し、かつ前記窒化アルミニウム粒子と複合化してい
   ることを特徴とする、窒化アルミニウム焼結体。
2. （２）前記ホウ素化合物は、六方晶窒化ホウ素を含む、
   請求項１に記載の窒化アルミニウム焼結体。
3. （３）当該窒化アルミニウム焼結体は、１０％未満の空
   孔率を有する、請求項１または２に記載の窒化アルミニ
   ウム焼結体。
4. （４）窒化アルミニウム粉末を準備する工程と、 前記窒化アルミニウム粉末に金属ホウ素を０．０１重量
   ％以上１０重量％以下、希土類元素およびアルカリ土類
   元素の少なくともいずれかの元素の化合物をその元素換
   算で０．０１重量％以上５．０重量％以下添加し、混合
   する工程と、 前記混合物を成形体に成形する工程と、 前記成形体を非酸化性の窒素含有雰囲気中で１６００℃
   以上２０００℃以下の範囲内の温度で焼結する工程とを
   備えた、窒化アルミニウム焼結体の製造方法。