JPH0450172A - 高熱伝導性ＡｌＮ焼結体の製造方法 - 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〕 本発明は熱伝導率の高いＡｌＮ焼結体の製造方法に関す
る。

［従来の技術］ 近年、ＬＳＩなどの半導体素子の集積度が上がるにした
がってＬＳＩの発熱量が増大するために、その発生した
熱を速やかに外部へ伝熱、放熱する必要が生じた。また
、パワートランジスタ、レーザダイオードなどの高出力
素子を実装するための基板及びパッケージにおいても、
素子の動作時に発生する熱を短時間のうちに素子外へ放
出しなければならない。

ＡｌＮは、高い熱伝導率をもち、その熱膨張率がＡｌ２
２０３より低くシリコンと同程度であるため、高熱伝導
性基鈑として注目を集めている。

ＡｌＮは本来難焼結性であるため、酸化カルシウム等の
焼結助剤を添加する製造方法が検討されてきた。

従来、ＡｌＮの焼成においては雰囲気の制御が重要とさ
れている。ＡｌＮの焼結には１８００℃以上の温度を必
要とするので通常炭素製の発熱体や容器を使用している
が、炭素製容器のように強還元性雰囲気下では焼結前に
粒界相の蒸発が起こり、焼結ができないことが知られて
いる。これを防止するためにＡ４２Ｎ製の容器中に成形
体を設置したり、特開昭６２−７０２６９号公報に開示
されているように窒化硼素製の蓋のついた密閉容器中に
成形体を設置するなどして強還元性になることを防止し
て、焼結を行っていた。

粒界相量を制御しつつ粒界相組成をＹ２０３の多い組成
に制御するためには、原料の酸素量を下げるか、焼成途
中に酸素量を下げるための工夫が必要となる。現在酸素
量の低いＡｌＮ粉末は手に入らないため、焼成前の成形
体にカーボンを添加するなどして粒界相組成を制御しよ
うとする試みがある（特開昭６ｌ−１２７６６７）。

焼成前の成形体に一定量以上の炭素を含む場合、焼成途
中で炭素が抜けきらないと焼結体が灰色に着色したり、
明度が低くなるという問題点があった。これがさらにひ
どくなると焼結体が反り返ったり、変形したりして満足
な焼結体が得られないという重大な問題が発生した。

この現象は、前述の特開昭６２−７０２６９号公報に示
されるように脱バインダを空気中で行うなどして、成形
体中の炭素量を低くしたときには特に問題にならなかっ
た。

他方、この現象は成形体の容器内への充填率に関係があ
り、成形体中の炭素量が多い場合でも、実験室レベルで
の焼結のように充填率の低い場合には問題にならなかっ
たが、工業規模で製造するように充填率が高い場合この
頻度が高くなるという問題点があった。

一方、高熱伝導性ＡｌＮを実際の基板として使用すると
きには、この表面に厚膜印刷などによるメタライズ処理
が施される。この際、基板の明度が低いと印刷欠陥が発
見しにくいなどの問題点があり、また、色むらなどの外
観異常があるとこれも問題になる。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上述の問題点を解決した高熱伝導性ＡｆｆＮ
焼結体の工業的に有利な多量焼成技術を提供するもので
ある。

〔課題を解決するための手段１ 本発明は、窒化硼素焼結体製容器、窒化硼素とＡｆｆＮ
の複合焼結体製容器、又は窒化硼素焼結体もしくは窒化
硼素とＡｌＮの複合焼結体で内張した容器を使用し、窒
素ガスをこの容器中に導入しながらＡｌＮ成形体を焼成
することを特徴とする高熱伝導性ＡｌＮ焼結体の製造方
法である。

この場合に、１４００℃〜１８００℃の昇温過程での窒
素ガス導入量が焼結前の成形体の含有する炭素量に対し
て次式 ％式％ で計算される理論量の１０〜５００倍とすると好適で−
ある。

発明者らは鋭意研究の結果、焼成後の焼結体に残留する
炭素の量と明度には相関関係があり、明度を上げるには
焼結体中の炭素を低下させればよいことを見出し、また
、色むらなどの外歓の異常は粒界相の蒸発量に関係があ
り、それらを制御することによって外観異常のない焼結
体を得ることができることを見出し、本発明がなされた
。

すなわち、焼成中に焼結体から炭素が抜けていく反応は
、ＡｌＮ原料に含まれている微量の酸素と反応してＣＯ
が抜けていく反応と考えられる。

この反応を式で示すと以下のようになる。

Ａ氾２０３　＋３　Ｃ＋　Ｎ　２　＝　２　Ａ　１２　
Ｎ　＋　３　ＣＯ・・・（１） ＡＩ２Ｎの焼結が進む前にこの（１）式の反応を継続し
て起こすことが、焼結体中の炭素を低減し、明度の高い
ＡｌＮ焼結体を得ることになるのである。

また逆に、焼結が進んだ後、（１）の反応が起こると焼
結体が反り返ったり、変形したりするものと考えられる
。

一方、上記反応を促進させようとして上述のようなＡ９
Ｎ容器の蓋を開けるなどすると、焼成中に粒界相の蒸発
が起こり、蒸発し過ぎると焼結体の周辺部で着色したり
色むらが発生することを見出した。

これらの問題を解決するためには、炭素の存在による強
還元性を抑えるために窒化硼素焼結体製容器あるいは窒
化珪素とＡｌＮの複合焼結体製容器、もしくはこれらの
焼結体で内張した容器中で焼成しつつ、同時に容器内に
窒素ガスを導入させて、（１）の反応を起こさせ、かつ
、粒界相の蒸発を促して粒界相組成を低酸素側に移粒さ
せればよいことを見出し、本発明に到った。

［作用］ 焼成容器は、窒化硼素焼結体製容器、あるいは窒化硼素
とＡｌＮの複合焼結体製容器もしくはこれらの焼結体で
内張した容器であることが必要である。窒化硼素には焼
結助剤を含んでもかまわないが、容器からの汚染を避け
る意味からはできるだけ高純度のものが高熱伝導性Ａｆ
ｆＮ焼結体の製造には好ましい。

好ましくは、通常の焼結助剤を含まず、酸素不純物１．
５％以下のものがよい。これらの材質は、焼成炉に使用
されている炭素と反応を起こさず、また、ＡｆｆＮの熱
伝導性に影響を及ぼさないため使用することができる。

他方、これらの材質は容器としての加工が容易であり、
工業用途の大型の焼成容器を容易に製作できる点で有利
である。

窒化硼素とＡｌＮの複合焼結体の組成比は任意に設定す
ることができる。ＡｌＮの組成比が大きくなるほど焼結
体強度は上がる傾向にあるが、方では、加工が困難にな
るため窒化硼素比率が１５％以上が好ましい。

上記焼結体で内張する場合、容器は高温で窒化硼素と反
応しないものならば特に指定されないが、−Ｓには炭素
製容器などを使用することができる。こうすることで従
来のような内容器が不要になり、焼成時の充填効率を向
上でき、工業的に有利となる。

本発明では、上記焼成容器中に窒素ガスを導入しながら
昇温することが必要である。窒素を導入しなければ、上
記（１）式の反応により雰囲気にある窒素が消費されて
しまうため、反応が継続されなくなり、残留炭素量が多
く、明度の低い焼結体しか得られない。これは、前述の
ように特に容器内部へのＡ４２Ｎ焼成体の充填密度が大
きくなると顕著である。

焼結が起る前の窒素ガスの導入量は、上記（１）式の反
応が起こるとして焼成前の脱バインダ後成形体に含まれ
る炭素量から計算される窒素量の理論量の１０倍以上で
あることが好適であり、また、理論量の５００倍以下が
好ましい。

上記（１）式の反応が活発化する１４００℃以上、焼結
の活発化する１８００℃以下の温度範囲において、上述
のガス量を上記容器内に流入させることが好適である。

窒素ガス導入量理論量の５００倍より多い場合経済的で
ない。好ましくは、理論量の３０倍から３００倍である
。

焼結が開始されてからち、上記（１）式の反応が多少と
も起こるため、焼結中にもガス導入することが望ましい
。

一方、適度な量を導入することで粒界相中の酸素成分の
蒸発が起こり、粒界相の酸素成分が減少するため、窒素
ガスを導入することが必要である。焼成保持時間中の窒
素ガス導入量は焼成体１β当たり０．０２βから１ＯＩ
２の範囲が好ましい。少なければ蒸発が十分に行われな
い。ＩＯβ以上では蒸発量が多（なりすぎるため焼結が
阻害される。望ましくは、焼結体１ｇ当り０．０５から
５βである。

窒素ガスの導入口についても窒化硼素焼結体あるいは窒
化珪素とＡｌＮの複合焼結体製あるいはそれらで内張し
たものとすることが望ましい。それは、窒素と炭素が反
応してシアンガスなどが生成し、それによって雰囲気が
強還元性になることを防ぐためである。この場合、窒化
硼素製ガス導入口は炉内からシアンガスの発生がほとん
どなくなる１　２００℃以下の温度領域に達するまでの
間、必要である。しかし、シアンガスの発生が特に太き
（寄与しないと判断される場合には、容器内面を窒化硼
素とするだけでも適当な効果を挙げることが可能である
。

ガス導入口とガス排出口を共に一つで兼ねることもでき
る。この場合、上述のシアンガスなどが容器内に流入す
る可能性が大きくなるため、注意を要する。流入するこ
れらのガスの量が焼結体に対しそれほど影響がないと考
えられる場合、それらガスが流入する可能性のある構造
としても差し支えない。可能ならば、シアンなどの強還
元性ガスが入らないように、ガス導入口とガス排出口を
別々にすることが好ましい。

上述の窒化硼素焼結体製容器または窒化硼素とＡｊ２Ｎ
の複合焼結体容器又はこれらで内張された容器内に、別
の容器を設置し、その中に／ＩＮ成形体を置いて焼成す
ることができる。こうすることで、炭素製容器内に、Ａ
ｌＮ容器などを置いて焼成するような、従来の焼成方法
をそのまま応用でき、かつ、炭素製容器を使用したとき
にしばしば発生した色むらなどの外観異常を防止するこ
とが可能となる。これらの容器内に設置される容器の材
質として、Ａｊ２Ｎ、窒化硼素、窒化硼素−ＡｌＮ複合
焼結体、モリブデンなどを使用することができる。

本発明は、成形方法によらず適用が可能である。バイン
ダ使用量の少ないプレス成形、鋳込み成形に応用でき、
また、バインダ使用量の多いドクターブレード法、押出
成形、射出成形にも応用することができる。特に、バイ
ンダ使用量が多く、脱バインダの後の炭素量が多くなる
場合への適用に対し、有効に作用する。

一方、（１）式の反応が終了しないうちに焼結が開始す
ると炭素が焼結体に取り込まれてしまい、残留炭素が多
くなり、焼結体の明度が低下する。これを防止するため
に昇温中、昇温速度を下げたり、昇温途中で一定時間保
持することも有効であり、これらなどと組合わせてもよ
い。

［実施例］ 実施例１ 平均粒径０．８μｍ、酸素含有量１．０％、純度９９％
のＡＪ２Ｎ粉末を主成分とし、これに平均粒径２．０μ
ｍのＹ２Ｏ３粉末５重量％を添加した。バインダとして
ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を適量添加しドクター
ブレード法で成形し、この成形体を窒素中で脱脂した。

次に得られた成形体を窒化硼素焼結体製容器内に設置し
、焼成した。

第１表に示す条件で熱処理を実施し焼結体を得た。焼結
体の外観を観察すると共に、色彩色度計［ミノルタ製、
色彩色度計ＣＲ−１００、ＣＩＥ１９７６　（Ｌａｂ）
］で明度りを測定した。

明度はＣＩＥ　（国際照明委員会）で均等知覚色空間と
して推奨されているＬａｂ表色系（ＣＩＥ１９７６）を
用いた。標準の光Ｃを用いた場合、明度りは次式で定義
される。

Ｘ　ｏ　＝１００ Ｙｏ”９８．０７ Ｚ　ｏ　＝１１８．２３ である。

また、レーザフラッシュ法で熱伝導率を測定した。

得られた結果を第１表に示す。このように本発明によっ
て明度が高（熱伝導度率の高い焼結体を得ることが可能
になる。

ここに、ｘ、ｙ、ｚ、は被測定物の三刺激値、ｘｏ、ｙ
ｏ、ｚｏは照明光源の三刺激値を示し、標準の光Ｃの場
合、 比較例 実施例１と同様の試料を第２表に示す条件で焼成、熱処
理を実施し焼結体を得た。

焼結体の外観を観察すると共に、色彩色度計［ミノルタ
製、色彩色度計ＣＲ−１００，ＣＩＥＩ９７６　（Ｌａ
ｂ）］で明度りを一１１足した。また、レーザフラッシ
ュ法で熱伝導率を一１１定した。

得られた結果を第２表に示す。

実施例２ 実施例Ｉと同様の成形体を、炭素製容器の内側を窒化硼
素焼結体で内張した内容積３０ｆｆの容器内に設置し、
焼成した。成形体の炭素量は０．６重量％であった。

成形体挿入量を２５００ｇ、昇温中の窒素ガス導入量を
１４００ｊ２　（１５０倍）、保持中の窒素ガス導入量
を２５０１２（焼成体１ｇ当り０．１℃）とし、その他
の条件は実施例１のＮｏ、３と同等とした。

得られた焼結体は、明度りが８３と高く、灰色の着色は
見られなかった。また１色むらもなく、焼結不良や反り
の発生も見られなかった。一方、熱伝導率は、１８４Ｗ
／ｍＫと高かった。

実施例３ 実施例２と同様の成形体を、 炭素製容器の内側をそれぞれＡｌＮ−ＢＮ２０％焼結体
、Ａｊｌｌ！Ｎ−ＢＮ４０％焼結体で内張した容積３０
℃の容器内に設置し、実施例２と同一条件で焼成した。

得られた焼結体は、それぞれ明度りが８１．８３と高く
、また、熱伝導率はそれぞれ１８７゜１８５Ｗ／ｍＫと
高かった。両者とも、灰色の着色は見られなかった。ま
た、色むらもなく、焼結不良や反りの発生も見られなか
った。

実施例４ 実施例２と同じ容器にＡｌＮ製の容器を入れ、比較例の
Ｎ００７と同様の条件で焼成した。その結果：　Ｌ＝８
４、熱伝導率　１８３Ｗ／ｍＫで、色むらのない製品を
得た。

〔発明の効果］ 本発明により、焼成体の充填率が高い場合でも灰色着色
が見られず、明度が高く、色むらなどの外観のばらつき
の少ないＡｌＮ焼結体の製造が可能となり、工業的な寄
与は大きい。

また、従来のような「内容器Ｊの使用を回避することが
でき、そのため容器内の充填効率を向上でき、焼成コス
ト削減などの経済性の向上にも寄与する。

高熱伝導性Ａｊ２Ｎを実際の基板として使用するときの
厚膜印刷などによるメタライズ処理が施される際、印刷
欠陥が発見しやすくなるなどの効果を奏する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　窒化硼素焼結体製容器、窒化硼素とＡｌＮの複合焼
   結体製容器、又は窒化硼素焼結体もしくは窒化硼素とＡ
   ｌＮの複合焼結体で内張した容器を使用し、窒素ガスを
   該容器中に導入しながらＡｌＮ成形体を焼成することを
   特徴とする高熱伝導性ＡｌＮ焼結体の製造方 法。 ２　請求項１において、１４００℃〜１８００℃の昇温
   過程での窒素ガス導入量が焼結前の成形体の含有する炭
   素量に対して次式で計算される理論量の１０〜５００倍
   であることを特徴とする高熱伝導性ＡｌＮ焼結体の製造
   方法。 Ａｌ＿２Ｏ＿３＋３Ｃ＋Ｎ＿２ ＝２ＡｌＮ＋３ＣＯ