JPH042663A - 高熱伝導性着色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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、ＩＣ基板材料、パッケージ材料をはじめと
する電子材料等に使用されるセラミックス焼結体に関し
、特に高熱伝導性を有し、かつ着色を呈する窒化アルミ
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］　［発明が解決しようとする課題］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が検討されているが、
ベリリアは毒性が強（、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（ＡｔＮ）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。

一般に、ＡｔＮ焼結体中の不純物含有量を低下させるこ
とにより、熱伝導性や電気絶縁性に優れたＡｔＮ焼結体
を得ることが広く行なわれている。

このような焼結体は、透光性にも優れているので、これ
らを実用的に用いる場合、光フィルタ等の用途に用いる
には好ましい。その反面、パッケージ等の用途に用いる
には、紫外線の透過がＩＣの誤動作を招くため、大きな
問題となっている。

その対策として、着色を呈するＡｔＮ焼結体の研究が種
々試みられており、その成功例について数例報告されて
いる。

その−例として、特開昭６３−２３３０７９号公報にお
いて、黒色窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法
が開示されている。これによれば、黒色を呈するＡｔＮ
焼結体の組成およびその製造方法について開示されてお
り、ＡｉＮ粉末にタンゲステン酸カルシウム粉末および
／またはモリブデン酸カルシウム粉末とを特定量添加し
、混合成形した後、非酸化性雰囲気中において焼成する
ことにより、黒色ＡｔＮ焼結体が得られることが記述さ
れている。

さらに、特開昭６３−３１０７７２号公報によれば、Ａ
ｔＮ粉末と、金属モリブデンまたはモリブデン化合物を
添加剤として焼結することにより、黒色ＡｔＮ焼結体が
得られることが記述されている。しかしながら、上記２
つの公報に開示された窒化アルミニウム焼結体の熱伝導
率は１００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いものである。

ＡｔＮは、酸素等の不純物を取込みやすい。このため、
高純度のＡｔＮ粉末を用いることにより、高熱伝導化が
追求されているのが一般的である。

したがって、着色を呈させるために上記のような物質を
添加することは、熱伝導率低下の要因となる。これによ
り、高熱伝導率を有する着色ＡｔＮ焼結体を得ることは
できないという問題点があった。

しかしながら、高い出力を有するＩＣチップが搭載され
る基板材料に対しては、ＩＣチップの温度上昇に起因す
るＩＣの誤動作を抑制するために、基板の要求特性とし
て放熱性を改善する観点から高熱伝導性が要求される。

これと同時に、紫外線透過に起因するＩＣの誤動作を抑
制するために、基板の要求特性として着色化が要求され
る。ところが、上述のように、従来の技術によれば、Ｉ
Ｃチップの基板材料に課せられた２つの要求特性を同時
に満足し得るセラミックス基板を提供することは困難で
あった。

そこで、この発明の目的はＩＣパッケージ材料や基板材
料等の電子材料として有用であり、着色を呈するととも
に熱伝導率に優れ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およびその作用コ本願発明
者等は、上記の事情に鑑み、高熱伝導性と着色の相反関
係にある２つの特性を同時に具備するＡｔＮ焼結体につ
いて鋭意検討を行なった結果、以下の２点を見い出した
。

（ａ）　　焼結体中における炭素の存在が焼結体の着色
化に対して有効であること。

（ｂ）　　希土類酸化物と酸化アルミニウムとの複合酸
化物である希土類アルミニウム酸化物と、周期律表ＩＶ
Ｂ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素の化合物とを焼結体中に所定の
組成量含有させるとともに、特定量の炭素が含まれてい
る場合には、常温での熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上
２７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の高い値を示し、同時にその焼結
体が着色を呈すること。

この発明に従った窒化アルミニウム焼結体の特定された
組成とは、ＡｔＮを１００重量部、炭素を０．００５重
量部以上０．５重量部以下、希土類アルミニウム酸化物
を希土類元素単体に換算して０．０１重量部以上１５重
量部以下、および周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素
を含む化合物からなる群より選ばれた少なくとも１種を
その元素単体に換算して０．０１重量部以上１５重量部
以下含有することである。ここで、周期律表ＩＶＢ族元
素とは、Ｔｉ５ＺｒＳＨｆをいう。周期律表ＶＢ族元素
とは、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａをいう。周期律表■Ｂ族元索とは
、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗをいう。

希土類元素としては、５ｃＳＹ、Ｌａ、Ｃｅ。

Ｐ　ｒＳＮｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨＯｌ
Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕを挙げることができる。希土類アルミ
ニウム酸化物は、添加した希土類元素酸化物と、ＡｔＮ
中に不純物として存在するアルミニウム酸化物との化学
反応により生成され、焼結体中に存在するものである。

その存在効果は希土類元素の種類によって差異はないが
、耐薬品性をはじめとする信頼性に優れた焼結体を得る
ためには、Ｓｃ、ＹＳＬａ、Ｃｅのいずれかの希土類元
素を添加することが好ましい。

窒化アルミニウム焼結体中の炭素含有量は、窒化アルミ
ニウム１００重量部に対して、０．００５重量部以上０
．　５重量部以下の範囲内に限定される。この範囲の下
限値より少ない炭素含有量であると、高い熱伝導率を有
する焼結体を得ることができなくなるからである。逆に
、この範囲の上限値を越えた炭素含有量であると、炭素
が焼成時において希土類アルミニウム酸化物の液相を還
元するため、液相を介した物質移動が阻害され、結果的
に緻密な焼結体を得ることができないためである。

この発明の１つの局面に従った高熱伝導性着色窒化アル
ミニウム焼結体の製造方法によれば、まず、１００重量
部の窒化アルミニウムに、炭素を０．０１重量部以上５
重量部以下、希土類元素酸化物を希土類元素単体に換算
して０．０１重量部以上１５重量部以下、および周期律
表ＩＶＢ、ＶＢ。

ＶＩＢ族元素の酸化物、炭化物、窒化物からなる群より
選ばれた少なくとも１種をその元素単体に換算して０．
０１重量部以上１５重量部以下添加することにより混合
物が得られる。この混合物を所定の形状に成形して成形
体を得る。この成形体を非酸化性の雰囲気中において１
５００℃以上２１００℃以下の温度で焼成する。

炭素の添加量は、添加される炭素の種類のほか、Ａ、Ｌ
Ｎ原料粉末中の酸素量や焼成条件等も含めて総合的に決
定される。１００重量部の窒化アルミニウムに対して炭
素を０．０１重量部以上５重量部以下としたのは、上述
の理由と同様である。なお、添加炭素量の下限を０．０
１重量部とするのは、最終的に得られる窒化アルミニウ
ム焼結体中に存在する炭素量を０．００５重量部以上に
するためである。

ここで用いられる炭素としては、カーボンブラックやコ
ークス、グラファイト粉末、ダイヤモンド粉末等を挙げ
ることができる。また、窒化アルミニウム未焼結体中に
均一に分散させること等を目的として、特定粒度、特定
比表面積、特定ＰＨ１特定揮発成分等に限定して炭素を
使用することが望ましい。特に、２００ｍ２／ｇ以上の
ＢＥＴ値を有する微粉のカーボンブラックを用いること
は効果的である。ここで、ＢＥＴ値とは、吸着法によっ
て測定された比表面積の１つの値をいう。

焼成温度を１５００℃以上としたのは、その温度以下で
は、焼結体の緻密化速度が遅く、経済性の低下を招くた
めである。また、焼成温度が２１００℃を越えると、窒
化アルミニウムの分解・蒸発が顕著になるため緻密な焼
結体を得ることが困難になるからである。希土類アルミ
ニウム酸化物は、希土類元素酸化物と酸化アルミニウム
との反応により生成する。この希土類アルミニウム酸化
物の液相を介した物質移動により、ＡｔＨの粒成長が進
行する。そのため、この液相の発生温度、すなわち希土
類アルミニウム酸化物の融点が２１００℃以上であると
、ＡＩＮが分解・蒸発することにより、緻密な焼結体を
得ることは困難である。

炭素添加による着色窒化アルミニウム焼結体の高熱伝導
化のメカニズムは以下のように考えられる。従来の方法
のように、周期律表ＩＶＢ、ＶＢ。

■Ｂ族元素の化合物を未焼結体中に添加して焼成した場
合、希土類アルミニウム酸化物の液相の窒化アルミニウ
ム粒子に対する濡れ性が悪い。また、周期律表ＩＶＢ、
ＶＢ、ＶＩＢ元素の化合物は、ＡｔＮ粒子に対して濡れ
性が悪いため、焼結体の粒界部分に存在し、焼結体の着
色化に寄与する。それと同時に一方、その一部は酸素を
伴ってＡｔＮ粒子内に固溶する。さらに、これらの元素
化合物が酸素を伴ってＡｔＮ粒子内に固溶し、かつ希土
類アルミニウム酸化物の液相に対するＡＩＬＮ粒子の濡
れ性が悪い場合には、ＡｔＮ粒子から酸素を希土類アル
ミニウム酸化物の液相にトラップすることは困難である
。液相によりトラップされなかった酸素は、ＡｔＮ焼結
体粒子内に固溶し、Ａｔの酸窒化物（Ａ　Ｉ！、（５Ｉ
／／３ｔｘ／３）　０４−ｘ　Ｎｘ　）　、スピネル（
Ａ１９０３Ｎ７）、α−ＡＬ２０３等を生成し、たとえ
焼結体が緻密であっても熱伝導率を大幅に低下させるこ
とが知られている。

これに対し、炭素を添加すると、周期律表ＩＶＢ。

ＶＢ、ＶＩＢ族元素の化合物の一部がＡｔＮ粒子内に固
溶する際に伴われて同時にＡｔＮ粒子に固溶される酸素
を還元し、系外に除去する役割を炭素が有することが本
願発明者等によって明らかとなった。さらに驚くことに
、周期律表ＩＶＢ、ＶＢ。

ＶＩＢ族元素の化合物の固溶したＡｔＮ粒子に対する液
相の濡れ性が損なわれず、酸素のトラップが十分に行な
われるため、高熱伝導性の焼結体が得られる。これと同
時に、焼結体中に炭素が存在すると、その炭素は、焼結
体中を透過する可視光線を散乱し、焼結体の着色化に対
しても有効である。

さらに、周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素の化合物
を添加することによってこの着色化の効果が失われるこ
とがないので、高熱伝導性でかつ着色の焼結体が得られ
るものと考えられる。

周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素の化合物としては
、酸化物、炭化物、窒化物のほか、焼成により上記化合
物を生じさせる化合物、たとえば、周期律表ＩＶ−Ｂ、
ＶＢ、ＶＩＢ族元素の硝酸塩、蓚酸塩等の無機化合物や
アルコキシド等の有機金属化合物を用いてもその効果に
変わりはない。さらにその化合物の粒径は小さいほど着
色化に対して有効である。特に０．０５〜１μｍ程度の
粒径を有するものが好ましく使用される。この化合物の
粒径は、使用されるＡＩＮ粉末の粒径の２０倍程度まで
であれば問題なく使用され得る。

この発明のもう１つの局面に従った高熱伝導性着色窒化
アルミニウム焼結体の製造方法によれば、まず、１００
重量部の窒化アルミニウムに、炭素を遊離する化合物を
遊離炭素量に換算して０．０１重量部以上５重量部以下
、希土類元素酸化物を希土類元素単体に換算して０．０
１重量部以上１５重量部以下、および周期律表ＩＶＢ、
ＶＢ、ＶＩＢ族元素の酸化物、炭化物、窒化物からなる
群より選ばれた少なくとも１種をその元素単体に換算し
て０．０１重量部以上１５重量部以下添加して混合物を
得る。この混合物を所定の形状に成形し、成形体を得る
。この成形体を非酸化性の雰囲気中において１５０℃以
上１５００℃以下の温度で加熱して炭素を遊離させる。

その後、その成形体を非酸化性雰囲気中において１５０
０℃以上２１００℃以下の温度で焼成する。

炭素を遊離する化合物としては、脂肪酸化合物、芳香族
化合物をはじめとする有機化合物や、スチレン樹脂、ア
クリル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂をはじめと
する高分子化合物等を挙げることができる。本発明にお
いては、ポリアクリルニトリル、ポリビニルアルコール
、ポリビニルブチラール、ポリエチレンテレフタレート
、グルコース、フルクトースおよびサッカロースのいず
れか１種もしくはその混合物を用いるのが好ましい。

この第２の製造方法は、前述の第１の方法では未焼結体
中に炭素を含有させるのに対して、炭素を遊離する化合
物を含有させる点にその特徴がある。この第２の製造方
法によれば、未焼結体中に均一に分散させる炭素を遊離
する化合物を適宜選択することにより、得られる焼結体
中の炭素の分布を均一にし、焼結体の組成、色調等のむ
らを少なくすることができる。

この発明のさらにもう１つの局面に従った高熱伝導性着
色窒化アルミニウム焼結体の第３の製造方法によれば、
１００重量部の窒化アルミニウムに、希土類元素酸化物
を希土類元素単体に換算して０．０１重量部以上１５重
量部以下、および周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素
の酸化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれた少な
くとも１種をその元素単体に換算して０．０１重量部以
上１５重量部以下添加して混合物を得る。この混合物を
所定の形状に成形し、成形体を得る。この成形体を、炭
化水素ガスを１０体積％以上１００体積％以下含む非酸
化性の雰囲気中において１５００℃以上２１００℃以下
の温度で焼成する。

炭化水素ガスは、酸素を化学反応により系外に除去する
目的で導入されるものである。そのため、炭素を含むガ
スであればその効果に変わりはないが、本発明ではメタ
ンガス、エチレンガス、アセチレンガス、プロパンガス
、ブタンガスのいずれかを用いるのが好ましい。

前述の第１および第２の製造方法は、混合物を成形し、
その成形体に炭素もしくは炭素を遊離する化合物を添加
することにより、周期律表ＩＶＢ。

ＶＢ、ＶＩＢ族元素の化合物の一部がＡｔＮ粒子内に固
溶する際に伴う酸素を炭素との固相反応により系外に除
去する。これに対し、この第３の製造方法においては、
周期律表ＴＶＢＳＶＢ、ＶＩＢ族元素の化合物の一部が
ＡｔＮ粒子内に固溶する際に伴う酸素を炭化水素ガスと
の気相反応により系外に除去することにその特徴がある
。これらの炭化水素ガスは、炭素や化合物より遊離した
炭素に比べて反応性が高く、周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、Ｖ
ＩＢ族元素の化合物の一部がＡｉＮ粒子内に固溶する際
に伴う酸素を効率良く短時間に還元し、系外に除去する
。このため、比較的短い焼成パターンを用いた場合にお
いても、高い熱伝導率を有する着色窒化アルミニウム焼
結体を得ることができる。さらに、第１および第２の製
造方法では、炭素もしくは炭素を遊離する化合物の分散
状態によっては焼結体の組成、色調等にむらが生じる場
合があるのに対し、この第３の製造方法によればそのむ
らが生じる場合が極めて少ない。

希土類元素酸化物を希土類元素単体に換算して０．０１
重量部以上１５重量部以下添加して、得られる窒化アル
ミニウム焼結体中に希土類アルミニウム酸化物を希土類
元素単体に換算して同一範囲内で含有させるのは、以下
の理由による。この範囲の下限値より少ないと、複合酸
化物としての希土類アルミニウム酸化物の液相の絶対量
が不十分であるため、緻密な焼結体を得ることができな
いためである。逆に、この範囲の上限値より多いと、過
剰な液相が焼結体表面に染み出すため、得られる焼結体
の色調が斑点状等の不安定なものとなるなどの問題か生
じるからである。

周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素の酸化物、炭化物
、窒化物からなる群より選ばれた少なくとも１種を希土
類元素単体に換算して０．０１重量部以上１５重量部以
下添加し、得られる窒化アルミニウム焼結体中に同一範
囲内でその元素を含む化合物を含有させるのは以下の理
由による。この範囲の下限値より少ないと、得られる焼
結体の着色が不十分であるからである。逆に、この範囲
の上限値より多いと、複合酸化物としての希土類アルミ
ニウム酸化物の液相にこれらの元素の化合物が溶は込み
、ＡｔＮ粒子に対する濡れ性を著しく阻害するため緻密
な焼結体を得ることができないからである。

本発明による効果を得るためには、上述の成分のみを窒
化アルミニウムに添加するだけ十分であるか、未焼結体
の成形性を向上させるため、ＰＶＡ、ＰＶＢＳＰＭＭＡ
をはじめとするアクリル樹脂、パラフィン等の公知のバ
インダを用いることも可能である。また、機械加工性等
の諸特性の向上のために、六方晶ＢＮをＡｌＮ１００重
量部に対し、最大５０重量部含んでもよい。

また、この発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法に
おいて所定の組成からなる混合物を成形する工程は、ド
クターブレード法、プレス成形法、ＣＩＰ　（Ｃｏｌｄ
　　１ｓｏｓｔａｔｉｃ　　ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形法
等のいずれの成形方法を採用してもよい。

このようにして得られた高熱伝導性着色窒化アルミニウ
ム焼結体は、従来より問題のあった熱伝導性と着色とに
ついて相反する要求を同時に解決したものである。この
窒化アルミニウム焼結体からなる基板の上にＩＣチップ
を搭載すると、ＩＣチップの発熱による温度上昇と外部
からの紫外線の透過を抑制することができる。その結果
、ＩＣの誤動作を低減させることができる。なお、基板
の形態としては、従来より広く知られているＤＩＰ　　
（Ｄｕａ　１−ｉｎ−１ｉｎｅ　　　ｐａｃｋａｇｅ）
、サーデイツプ（ｃｅｒａｍｉｃ　　ｄｕａｌ　　１ｎ
−１ｉｎｅ　　　ｐａｃｋａｇｅ）　、ＬＣＣ（ｌｅａ
ｄｌｅｓｓ　　ｃｈｉｐ　　ｃａｒｒｉｅｒ）、フラッ
トパッケージ、ＰＧＡ（ｐｉｎ　　ｇｒｉｄａｒｒａｙ
）、サークワットパッケージ、ハイブリッドパッケージ
、マザーボード等を用いることができる。これらのいず
れの形態においても基板の高熱伝導性かつ着色という特
性が損なわれることはない。さらに、これらの形態で基
板材料として本発明の窒化アルミニウム焼結体を用いる
場合、タングステン等により構成される導体層やガラス
により構成される封着層、あるいは薄膜回路を備えるの
が一般的である。この発明の窒化アルミニウム焼結体を
用いて基板を構成しても、導体層、封着層、薄膜回路の
もたらす効果が損なわれることはない。

［実施例］ 実施例１ 平均粒径１μｍのＡｔＮ粉末１００重量部に対して、Ｂ
ＥＴ値が５００ｍ２／ｇのカーボンブラック１重量部、
酸化イツトリウムをイツトリウム単体に換算して１重量
部、酸化チタンをチタン単体に換算して１重量部添加し
た。この粉末に結合剤と可塑剤と解膠剤と溶剤と湿潤剤
と静電防止剤とを加えた後、ボールミルによって混合し
た。可塑材としては、ジブチルフタレート（Ｄ、Ｂ、Ｐ
。

）、ベンジルブチルフタレート（Ｂ、　　Ｂ、　　Ｐ、
　）の混合物が用いられた。解膠剤としてはメンヘンデ
ン魚油を用いた。溶剤としてはトリクロロエチレン、エ
チルアルコール、メチルエチルケトンの混合物が用いら
れた。湿潤剤としては、モノオレイン酸グリセリンが用
いられた。このようにしてスラリーが作製された。この
スラリーを脱泡し、さら１こドクターブレード法１こよ
り、ＡｔＮのグリーンシートを作製した。

このグリーンシートを窒素雰囲気中で１８００℃の温度
において３時間焼成することにより、黒色を呈する焼結
体を得た。

この焼結体の常温における熱伝導率をレーザフラッシュ
法により測定を行なったところ、その熱伝導率は１５０
Ｗ／ｍ・Ｋであった。

さらに、焼結体中の炭素含有量、イツトリウム含有量、
チタン含有量を測定したところ、それぞれＡｔＮ１００
重量部に対して０，０３重量部、０．９３重量部、０．
８５重量部であった。このようにして得られた窒化アル
ミニウム焼結体を第１表および第２表において試料番号
１の試料とした。

同様に第１表に示される組成に従って配合を行ない、ド
クターブレード法によって成形体を作製し、１５００〜
２１００℃の範囲内の温度で焼成した。このようにして
得られた各焼結体の色調、熱伝導率、焼結体中の炭素含
有量、イッ）　ＩＪウム含有量、周期律表ＩＶＢＳＶＢ
、ＶＩＢ族元素の含有量（添加物含有量）は第２表に示
されている。

比較例１ 第３表に示される組成に従って配合し、上記実施例１と
同様の方法でドクターブレード法によって成形体を作製
した後、１５００〜２１００℃の範囲内の温度で焼成し
た。

これによって得られた各焼結体の色調、熱伝導率、焼結
体中の炭素含有量、イツトリウム含有量、周期律表ＩＶ
Ｂ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素の含有量（添加物含有量）は第
４表に示されている。

実施例２ 平均粒径１μｍのＡｔＮ粉末１００重量部に、炭素を遊
離する化合物としてポリビニルアルコールを所定量、酸
化イツトリウムをイツトリウム単体に換算して１重量部
、酸化チタンをチタン単体に換算して１重量部添加した
。この粉末に、結合剤、可塑剤、溶剤、湿潤剤をボール
ミルにより混合した。結合剤としては、エチレンビニル
アセテ−）　（ＥＶＡ）とポリプロピレン（Ｐ　Ｐ）の
混合物が用いられた。可塑剤としては、ジブチルフタレ
ー）　（Ｄ、　　Ｂ、　　Ｐ、　）、ベンジルブチルフ
タレート（Ｂ、　　Ｂ、　　Ｐ、　）の混合物が用いら
れた。溶剤としてはブチルアルコールが用いられた。こ
のようにして得られたスラリーをスプレードライ乾燥に
より造粒した後、１ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力下においでプ
レス成形した。

得られた成形体を窒素雰囲気中において１０００℃の温
度で１０時間熱処理することにより炭素を遊離させた。

このときの遊離炭素量は、ＡｌＮ１００重量部に対して
０．８８重量部であった。

その後、この成形体を窒素雰囲気中において２０００℃
の温度で５時間焼成することにより、黒色を呈する焼結
体が得られた。

得られた焼結体を実施例１と同様の方法によって常温に
おける熱伝導率、焼結体中の炭素含有量、イツトリウム
含有量、チタン含有量を測定した。

その結果、熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、各成分
の含有量は、それぞれＡｌＮ１００重量部に対してＯ’
、０１重量部、０．８５重量部、０゜８８重量部であっ
た。このようにして得られた窒化アルミニウムの焼結体
は、第５表、第６表および第７表において試料番号３１
として示されている。

同様にして、第５表に示される組成に従って配合を行な
い、プレス成形法によって成形体を作製した。各成形体
を第６表に示される条件に従って熱処理を行ない、炭素
を遊離させた。熱処理後のＡｔＮ１００重量部に対する
炭素量は第６表に示されている。このように熱処理され
た各成形体は１５００〜２１００℃の範囲内の温度で焼
成された。

このようにして得られた各焼結体の色調、熱伝導率、焼
結体中の炭素含有量、イソｈ　ＩＪウム含有量、周期律
表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素の含有量（添加物含有量
）は第７表に示されている。

実施例３ 平均粒径１μｍのＡｔＮ粉末１００重量部に、酸化イツ
トリウムをイツトリウム単体に換算して１重量部、酸化
チタンをチタン単体に換算して１重量部添加した。この
粉末に解膠剤としてオクタジエンを加えた後、メチルイ
ソブチルケトン中においてボールミルを用いて混合した
。このようにして得られたスラリーを２３０℃の温度に
おいて乾燥し、ＣＩＰ成形法を用いて成形体を作製した
。

この成形体を、３０体積％のブタンガスを含み、その残
部がアンモニアガスである非酸化性雰囲気中において温
度１８００℃で１時間焼成した。これにより黒色を呈す
る焼結体が得られた。

得られた焼結体を実施例１と同様の方法によって常温に
おける熱伝導率、焼結体中の炭素含有量、イツトリウム
含有量、チタン含有量が測定された。

その結果、熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、各成分
の含有量は、それぞれＡｔＮ１００重量部に対して０．
０１重量部、０．９４重量部、０゜９７重量部であった
。この窒化アルミニウム焼結体は、第８表、第９表およ
び第１０表において試料番号５５の試料として示されて
いる。

同様にして、第８表に示される組成に従って配合を行な
い、ＣＩＰ成形法によって成形体を作製した。各成形体
を第９表に示される組成を有する非酸化性雰囲気中にお
いて１５００〜２１００℃の範囲内の温度で焼成した。

このようにして得られた各焼結体の色調、熱伝導率、焼
結体中の炭素含有量、イツトリウム含有量、周期律表Ｉ
ＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素の含有量（添加物含有量）は
第１０表に示されている。

実施例４ 平均粒径１μｍのＡＩＬＮ粉末１００重量部に、六方晶
ＢＮを２０重量部、ＢＥＴ値が２５０ｍ２／ｇのカーボ
ンブラックを１重量部、酸化スカンジウムをスカンジウ
ムに換算して１重量部、酸化チタンをチタン単体に換算
して１重量部添加した。

この粉末に結合剤、可塑剤、溶剤および湿潤剤を加えて
ボールミルにより混合した。結合剤としては、エチレン
ビニルアセテート（ＥＶＡ）とボレプロピレン（Ｐ　Ｐ
）の混合物が用いられた。可塑剤としては、ジブチルフ
タレート（Ｄ、Ｂ、Ｐ）とベンジルブチルフタレート（
Ｂ、Ｂ、Ｐ、）の混合物が用いられた。溶剤としてはブ
チルアルコールが用いられた。このようにして得られた
スラリーをスプレードライ乾燥により造粒した後、１ｔ
ｏｎ／ａｍ２の圧力でプレス成形した。この成形体を窒
素雰囲気中において１９００’Ｃの温度で２時間焼成し
た。これにより黒色を呈する焼結体が得られた。

得られた焼結体を実施例１と同様の方法によって常温に
おける熱伝導率、焼結体中の炭素含有量、スカンジウム
含有量、チタン含有量を測定した。

その結果、熱伝導率は１３０Ｗ／ｍ・Ｋであり、各成分
の含有量はそれぞれ、ＡｔＮ１００重量部に対して０，
０２重量部、０．８８重量部、０゜８１重量部であった
。この窒化アルミニウム焼結体は、第１１表および第１
２表において試料番号７９の試料として示されている。

同様にして、周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ元素を含む
化合物としてルチル型結晶を有する酸化チタンを用い、
第１１表に示される組成に従って配合を行ない、プレス
成形法によって成形体を作製した。各成形体を１５００
〜２１００℃の範囲内の温度で焼成した。

このようして得られた各焼結体の色調、熱伝導率、焼結
体中の炭素含有量、希土類元素含有量、チタン含有量は
第１２表に示されている。

実施例５ 周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ元素を含む化合物として
酸化タングステンを用い、第１３表に示される組成に従
って配合を行ない、実施例１と同様のドクターブレード
法によって成形体を作製した。

各成形体を１５００〜２１００℃の範囲内の温度で焼成
した。

このようにして得られた各焼結体の色調、熱伝導率、焼
結体中の炭素含有量、希土類元素含有量、タングステン
含有量は第１４表に示されている。

比較例２ 周期律表ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族元素を含む化合物とし
て酸化タングステンを用い、第１５表に示される組成に
従って配合を行ない、実施例１と同様のドクターブレー
ド法によって成形体を作製した。

各成形体を１５００〜２１００℃の範囲内の温度で焼成
した。

このようにして得られた焼結体の色調、熱伝導率、焼結
体中の炭素含有量、希土類元素含有量、タングステン含
有量は第１６表に示されている。

以上の各実施例と比較例によって得られた試料の熱伝導
率と色調を比較すると、本発明に従った試料においては
１００Ｗ／ｍ　−Ｋ以上の熱伝導率を示し、かつ灰色ま
たは黒色の着色を呈したのに対し、比較例の試料におい
ては、黒色の着色を呈したものでは１００Ｗ／ｍ・Ｋ未
満の熱伝導率を示し、１００Ｗ／ｍ−Ｋを越える熱伝導
率を示したものは白色または斑点状の着色しか得られな
かった。

（以下余白） 第１表 箪　２　男 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 第１６表 実施例６ 試料番号１と同一組成のグリーンシートを作製した。ま
た、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート
、エチルセルロース等の粘結剤、ブチルカルピトール、
α−テルピネオール等の溶剤を混合し、ビヒクルを作製
した。その後、平均粒径２μｍのタングステン粉末とビ
ヒクルとを１００対２０の重量比で混合し、金属化ペー
ストを作製した。このようにして作製した金属化ペース
トをスクリーン印刷法によりグリーンシート上に塗布し
、シート加工、積層を行なった。その後、金属化ペース
トが塗布されたグリーンシートを、窒素雰囲気中におい
て１８００℃の温度で１時間焼成した。さらに、このよ
うにして得られた焼結体にニッケルめっき、ろう付け、
金めつきを施し、フラットパッケージを作製した。

このフラットパッケージに金シリコン半田を用いて出力
２ＷのＩＣチップを温度３００℃の空気中において接合
実装した。このＩＣチップに金ワイヤを用いて加熱超音
波ボンディング法によりボンディングした後、作動させ
たところ、ＩＣチップの温度は５２℃に留まった。この
温度は、試料番号２５（比較例）と同一組成のグリーン
シートを用いて行なわれた上記と同様のテスト結果より
も１３℃低い値であった。

また、配線間の絶縁抵抗を測定したところ、その値が１
０１４Ω・ｃｍであり、極めて絶縁性が良好であること
がわかった。さらに、上記金属化ペーストにより形成さ
れたタングステン導体層と高熱伝導性着色アルミニウム
焼結体との密着強度を測定するために、金めつき後１ｍ
ｍ角の部分にワイヤを半田付けし、そのワイヤを基板に
対して垂直方向に引張る強度試験を行なったところ、３
゜５ｋｇ／ｍｍ２の値を示し実用上問題がないことが確
認された。

実施例７ 試料番号１の焼結体上に金メタライズ処理を施し、低融
点ガラスを用いて鉄−ニッケルーコバルト合金製のリー
ドフレームを接合することにより、セラミックス・クワ
ッド−フラット舎パッケージ（ＱＦＰ）を作製した。こ
のようにして得られたパッケージに、実施例６と同様の
方法により、出力２ＷのＩＣチップを搭載して作動させ
たところ、ＩＣチップの温度は５６℃に留まっていた。

この温度は、試料番号２５（比較例）の焼結体を用いて
同様に作製したセラミックス・クワッド・フラット・パ
ッケージによるテスト結果の値より２１℃低かった。

また、配線間の絶縁抵抗を測定したところ、その値は１
０１４Ω・ｃｍであり、極めてその絶縁性が良好である
ことが確認された。さらに、ヘリウムリークチエッカに
より気密性を測定したところ、その値は１×１０−８１
０−８ａｔ／ｓｅｃであり、実用上問題のないレベルで
あることが確認された。

実施例８ 試料番号１の焼結体上に金メタライズ処理を施し、低融
点ガラスを用いて鉄−ニッケルーコバルト合金製のリー
ドフレームを接合させることにより、セラミックスＱＦ
Ｐを作製した。また、ポリイミドフィルム上に銅配線パ
ターンを形成し、金バンプを用いて出力２ＷのＩＣチッ
プを搭載した。

これを、金シリコン半田を用いて温度３００℃の空気中
においてセラミックスＱＦＰ上に接合実装した。その後
、ＩＣチップを作動させたところ、ＩＣチップの温度は
６０℃に留まった。この値は、試料番号２５（比較例）
と同一組成のグリーンシートから作製したセラミックス
ＱＦＰにおけるテスト結果よりも２６℃低かった。

また、配線間の絶縁抵抗を測定したところ、その値は１
０１４Ω・ｃｍであり、極めて絶縁性が良好であること
が確認された。さらに、ヘリウムリークチエッカにより
気密性を測定したところ、その値は１×１０−８１０−
８ａｔ／ｓｅｃであり、実用上問題のないことが確認さ
れた。

実施例９ 試料番号１と同一組成のグリーンシートを作製した。ま
た、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート
、エチルセルロース等の粘結剤、ブチルカルピトール、
α−テルピネオール等の溶剤を混合し、ビヒクルを作製
した。その後、平均粒径２μｍのタングステン粉末とビ
ヒクルを１００対２０の重量比で混合し、金属化ペース
トを作製した。このようにして作製した金属化ペースト
を、スクリーン印刷法によりグリーンシート上に塗布し
、シート加工、積層を行なった。金属化ペーストが塗布
されたグリーンシートを窒素雰囲気中において温度１７
５０℃で２時間焼成した。さらに、ニッケルめっき、ろ
う付け、金めつきを焼結体に施し、ＰＧＡ　（ピングリ
ッドアレイ）を作製した。

このようにして得られたパッケージに、金シリコン半田
を用いて出力２ＷのＩＣチップを温度３００℃の空気中
において接合実装した。金ワイヤを用いて加熱超音波ホ
ンディング法によりＩＣチップをボンディングした後、
作動させたところ、ＩＣチップの温度が３０℃に留まっ
た。この値は、試料番号２５（比較例）と同一組成のグ
リーンシートから作製されたフラットパッケージを用い
た場合のテスト結果よりも９℃低かった。

また、配線間の絶縁抵抗を測定したところ、その値は１
０１４Ω・Ｃｍであり、極めて絶縁性が良好であること
が確認された。さらに、上記金属化ペーストにより形成
されたタングステン導体層と高熱伝導性窒化アルミニウ
ム焼結体との密着強度を測定するために、その導体層を
介して基板に接合された鉄−ニッケルーコバルト合金製
のピンを基板に対して垂直方向に引張る強度試験を行な
ったところ、３．７ｋｇ／ｍｍ２の値を示し、実用上問
題のないレベルが確認された。

実施例１０ 試料番号１と同一組成のグリーンシートを作製した。ま
た、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート
、エチルセルロース等の粘結剤、ブチルカルピトール、
α−テルピネオール等の溶剤を混合し、ビヒクルを作製
した。その後、平均粒径２μｍのタングステン粉末とビ
ヒクルとを１００対２０の重量比で混合し、金属化ペー
ストを作製した。このようにして作製された金属化ペー
ストを、スクリーン印刷法によりグリーンシート上に塗
布し、シート加工、積層を行なった。金属化ペーストが
塗布されたグリーンシートを窒素雰囲気中において温度
１８５０℃で３時間焼成を行なった。さらに、ニッケル
めっき、金めつきを焼結体に施し、ＬＣＣ（リードレス
チップキャリア）を作製した。

このＬＣＣに、金シリコン半田を用いて出力２ＷのＩＣ
チップを温度３００℃の空気中において接合実装した。

金ワイヤを用いて加熱超音波ボンディング法によりＩＣ
チップをボンディングした後、作動させたところ、ＩＣ
チップの温度は３３℃に留まった。この値は、試料番号
２５（比較例）と同一組成のグリーンシートから作製し
たフラットパッケージを用いてテストした場合の結果よ
りも１２℃低かった。

また、配線間の絶縁抵抗を測定したところ、その値は１
０！４Ω・ｃｍであり、極めて絶縁性が良好であること
が確認された。さらに、上記金属化ペーストにより形成
されたタングステン導体層と高熱伝導性着色窒化アルミ
ニウム焼結体との密着強度を測定するために、その導体
層の上に金めつきを施した後、１ｍｍ角の部分にワイヤ
を半田付けし、基板と垂直方向にそのワイヤを引張る強
度試験を行なったところ、３．８ｋｇ／ｍｍ”の値を示
し、実用上問題のないレベルであることが確認された。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、着色を呈し、かつ優れ
た熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体を得ること
ができる。この発明の窒化アルミニウム焼結体は、ＩＣ
パッケージ材料や基板材料等の電子材料として有用であ
り、その工業的価値は高いものである。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウムを１００重量部、炭素を０．０
   ０５重量部以上０．５重量部以下、希土類アルミニウム
   酸化物を希土類元素単体に換算して０．０１重量部以上
   １５重量部以下、および周期律表IVＢ、ＶＢ、VIＢ族元
   素を含む化合物からなる群より選ばれた少なくとも１種
   をその元素単体に換算して０．０１重量部以上１５重量
   部以下、含み、その熱伝導率が常温において１００Ｗ／
   ｍ・Ｋ以上２７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、高熱伝導性着
   色窒化アルミニウム焼結体。
2. （２）前記希土類元素は、スカンジウム、イットリウム
   、ランタンおよびセリウムのいずれかである、請求項１
   に記載の高熱伝導性着色窒化アルミニウム焼結体。
3. （３）１００重量部の窒化アルミニウムに、炭素を０．
   ０１重量部以上５重量部以下、希土類元素酸化物を希土
   類元素単体に換算して０．０１重量部以上１５重量部以
   下、および周期律表IVＢ、ＶＢ、VIＢ族元素の酸化物、
   炭化物、窒化物からなる群より選ばれた少なくとも１種
   をその元素単体に換算して０．０１重量部以上１５重量
   部以下、添加し、混合物を得る工程と、 前記混合物を所定の形状に成形し、成形体を得る工程と
   、 前記成形体を非酸化性の雰囲気中において１５００℃以
   上２１００℃以下の温度で焼成する工程とを備えた、高
   熱伝導性着色窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
4. （４）１００重量部の窒化アルミニウムに、炭素を遊離
   する化合物を遊離炭素量に換算して０．０１重量部以上
   ５重量部以下、希土類元素酸化物を希土類元素単体に換
   算して０．０１重量部以上１５重量部以下、および周期
   律表IVＢ、ＶＢ、VIＢ族元素の酸化物、炭化物、窒化物
   からなる群より選ばれた少なくとも１種をその元素単体
   に換算して０．０１重量部以上１５重量部以下、添加し
   、混合物を得る工程と、 前記混合物を所定の形状に成形し、成形体を得る工程と
   、 前記成形体を非酸化性の雰囲気中において１５０℃以上
   １５００℃以下の温度で炭素を遊離させる工程と、 前記成形体を非酸化性の雰囲気中において１５００℃以
   上２１００℃以下の温度で焼成する工程とを備えた、高
   熱伝導性着色窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
5. （５）前記炭素を遊離する化合物は、ポリアクリルニト
   リル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、
   ポレエチレンテレフタレート、グルコース、フルクトー
   スおよびサッカロースからなる群より選ばれた少なくと
   も１種である、請求項４に記載の高熱伝導性着色窒化ア
   ルミニウム焼結体の製造方法。
6. （６）１００重量部の窒化アルミニウムに、希土類元素
   酸化物を希土類元素単体に換算して０．０１重量部以上
   １５重量部以下、および周期律表IVＢ、ＶＢ、VIＢ族元
   素の酸化物、炭化物、窒化物からなる群より選ばれた少
   なくとも１種をその元素単体に換算して０．０１重量部
   以上１５重量部以下、添加し、混合物を得る工程と、 前記混合物を所定の形状に成形し、成形体を得る工程と
   、 前記成形体を、炭化水素ガスを１０体積％以上１００体
   積％以下含む非酸化性の雰囲気中において１５００℃以
   上２１００℃以下の温度で焼成する工程とを備えた、高
   熱伝導性着色窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
7. （７）前記炭化水素ガスは、メタンガス、エチレンガス
   、アセチレンガス、プロパンガスおよびブタンガスのい
   ずれかである、請求項６に記載の高熱伝導性着色窒化ア
   ルミニウム焼結体の製造方法。