JPH06116039A

JPH06116039A - 窒化アルミニウム質焼結体

Info

Publication number: JPH06116039A
Application number: JP4259471A
Authority: JP
Inventors: Kunihide Yomo; 邦英四方; Tomohide Hasegawa; 智英長谷川; Shin Ikeda; 慎池田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1992-09-29
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1994-04-26

Abstract

(57)【要約】【構成】窒化アルミニウムに対して、エルビウム（Ｅ
ｒ）を金属換算で５重量％以上となる量で添加して混合
し，さらに、この混合物に有機バインダーを添加して所
定の形状に成形し，４５０〜６５０℃で前記有機バイン
ダーを除去すると同時に成形体中の全酸素量を制御して
酸素量のエルビウム金属量に対する重量比が０．１２７
〜０．３６７となるように制御して、１６５０〜１９５
０℃の非酸化性雰囲気中で焼成することにより，焼結体
の粒界にモノクリニック型結晶相を析出させることな
く、ペロブスカイト型結晶および／またはガーネット型
結晶のみを析出させる。【効果】添加成分により発生するシミや色ムラの発生を
抑制するとともに高熱伝導化を達成することができる。
これにより、かかる焼結体を半導体用基板や電子部品、
あるいは構造用材料として用いる場合に、製品の品質の
安定化および信頼性を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム質焼
結体およびその製法に関するものであり、その詳細は、
電子部品や半導体部品用に基板などに使用され、焼結体
の表面にシミや色ムラのない高熱伝導率の焼結体を得る
ための改良に関するものである。

【０００２】

【従来技術】窒化アルミニウムは、窒化珪素や炭化珪素
と同様に高強度の非酸化性セラミックス材料として知ら
れる一方、高熱伝導性に優れた材料として注目され、例
えば、半導体素子を搭載する基板などへの応用が進めら
れている。

【０００３】この窒化アルミニウムは、それ自体では難
焼結性であることから、各種の焼結助剤を添加して焼成
することが行われている。例えば、焼結助剤としてはＹ
₂Ｏ₃などの周期律表第３Ａ族元素酸化物や、ＣａＯ等
のアルカリ土類元素の酸化物を添加して、これを非酸化
性雰囲気中で１６００〜１９５０℃で焼成することによ
り得られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】焼結体の熱伝導率を
高めるためには焼結体の密度を高めることが必要であ
り、そのために比較的多くの助剤を必要とする。そのた
めに、焼結体の粒界にこれらの助剤成分が残存し、これ
らにより焼結体の表面にシミや色ムラが発生するという
問題があった。

【０００５】

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、上記の
問題点に対して検討を重ねた結果、シミおよび色ムラの
発生が粒界中に存在するモノクリニック型結晶によるも
のであることを突き止めた。よって、本発明によれば、
焼結助剤として酸化エルビウムを用いるとともに焼結体
中の全酸素量制御して粒界にペロブスカイト型結晶およ
び／またはガーネット型結晶を析出させることにより、
ＡｌＮ結晶中に固溶している酸素や粒子の表面に存在す
る酸素を粒界結晶としてトラップすることにより高熱伝
導化が達成されることを見出し、本発明に至った。

【０００６】即ち、本発明の窒化アルミニウム質焼結体
は、窒化アルミニウムを主成分とし、エルビウム（Ｅ
ｒ）を金属換算で５重量％以上含有する窒化アルミニウ
ム質焼結体であって、該焼結体中に含まれる全酸素量の
前記エルビウムに対する重量比が０．２８７以上であ
り、且つ粒界がペロブスカイト型結晶および／またはガ
ーネット型結晶からなり、実質的にモノクリニック型結
晶相が存在しないことを特徴とするものである。

【０００７】以下、本発明を詳述する。本発明の窒化ア
ルミニウム質焼結体における大きな特徴は、ＡｌＮから
なる主結晶相の粒界がペロブスカイト型結晶および／ま
たはガーネット型結晶からなり、実質的にモノクリニッ
ク型結晶相が存在しない点にある。このような特殊な結
晶相のみを析出させるためには、焼結体の組成を厳密に
制御することが必要である。

【０００８】本発明によれば、焼結体の組成として、Ａ
ｌＮを主成分とするものであるが、その他の成分として
Ｅｒおよび酸素を含有させる。それと同時に、焼結体中
のＥｒ量と酸素量を（酸素）／（Ｅｒ）で表される比率
が重量で、０．２８７以上、特に０．２８７〜０．４と
なるように制御する。上記比率が０．２８７では、焼結
体中の粒界にＥｒＡｌＯ₃で表されるペロブスカイト型
結晶相が析出する条件であり、一方、０．３６７では、
Ｅｒ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂にて表されるガーネット型結晶が析出
する条件であり、（酸素）／（Ｅｒ）の比率を上記の範
囲に制御することにより、ペロブスカイト型結晶および
／またはガーネット型結晶が析出するものである。

【０００９】即ち、（酸素）／（Ｅｒ）で表される比率
が０．２８７よりも小さいと、粒界にＥｒ₄Ａｌ₂Ｏ₉
で表されるモノクリニック型結晶が析出しやすくなり、
逆に０．３８３を越えるとＡｌＯＮが生成され、特に
０．４を越えると焼結体の熱伝導率の低下が大きくなる
傾向にある。

【００１０】また、本発明によれば、焼結体中のＥｒの
含有量を５重量％以上にすることが重要である。これ
は、Ｅｒの量が５重量％より少ないと、粒界の組成が不
安定となり、粒界の結晶相が焼結体の酸素量および炭素
量により大きく左右されるために制御することが困難と
なるためである。また、Ｅｒ量を５重量％以上と比較的
多量に存在させることによりＡｌＮ結晶中に含まれる酸
素およびその結晶の表面に存在する酸素を上記特定の酸
化物系の結晶相としてトラップすることができるために
焼結体の熱伝導率が向上し、さらにこの焼結体をその表
面に金属配線層を有する基板として用いた場合に金属配
線層との密着強度を高めることができる。

【００１１】ただし、Ｅｒ量が多くなりすぎると焼結体
の粒界自体の体積が大きくなるために熱伝導率が低下す
るために、望ましくは、６〜１５重量％がよい。

【００１２】なお、焼結体中の酸素量は、焼結体中に存
在するＥｒ量により前述した比率を満足する値に制御さ
れる。

【００１３】また、本発明の窒化アルミニウム質焼結体
は、上記の構成により焼結体表面へのシミや色ムラの発
生を抑制するともに高熱伝導性が付与されるものであ
り、基板などへ適用する場合に好適であるが、その場合
の焼結体の表面の薬品などによる変色やシミなどの発生
を抑制するためには、焼結体中に含まれるＣａ量が３０
０ｐｐｍ以下であることが望ましい。

【００１４】次に、上記の窒化アルミニウム質焼結体を
製造する方法について説明する。まず、出発原料として
窒化アルミニウム粉末および酸化エルビウム（Ｅｒ₂Ｏ
₃）粉末または熱処理により酸化物に変換可能なエルビ
ウム化合物を用いる。窒化アルミニウム粉末としては、
その平均粒径が０．５〜５μｍ、不純物酸素量が０．５
〜２重量％、金属不純物量が０．１重量％以下のものが
好適に使用される。一方、Ｅｒ₂Ｏ₃粉末は平均粒径が
０．３〜３μｍのものが好適に使用される。

【００１５】本発明によれば、上記原料を用いて、全量
中Ｅｒ量が５重量％以上、特に６〜１５重量％となるよ
うに秤量し、さらに成形性を高めるために有機バインダ
ーを適量添加し、ボールミルなどにより充分に混合す
る。そして、この混合物をプレス成形、ドクターブレー
ド法などのシート成形法、押出成形、射出成形、鋳込み
成形などの周知の成型方法により所望の形状に成形す
る。

【００１６】その後、この成形体を添加した有機バイン
ダーの分解温度にて熱処理して有機バインダーを分解除
去したのち、窒素を含む非酸化性雰囲気中で１６５０〜
１９５０℃で焼成して緻密化する。

【００１７】本発明によれば、上記の一連の工程におい
て、焼成前の熱処理後の成形体の組成がＥｒの金属量が
５重量％以上、成形体中に含まれる全酸素量のＥｒに対
する重量比が０．２８７以上、特に０．２８７〜０．４
となるように制御することが重要である。

【００１８】このようにＥｒ量と酸素量を上記の条件に
制御するためには、例えば、Ｅｒに対して酸素量が少な
い場合には、出発原料としてＡｌＮ粉末、Ｅｒ₂Ｏ₃粉
末以外に、Ａｌ₂Ｏ₃粉末を適量添加して酸素量を所定
の量になるように制御すればよい。

【００１９】また、酸素量がＥｒに対して過剰に存在す
る場合には、、有機バインダーを除去する際に生成する
炭素量を制御し、その炭素と酸素との反応により酸素を
炭素とともに除去することにより制御することができ
る。その場合に用いる有機バインダーとしては、アクリ
ル系樹脂、ブチラール系樹脂の他にポリエチレングリコ
ール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール
などが挙げられ、これらの中でも特に２００〜５００℃
で熱分解するようなバインダーが望ましい。そして、こ
れらの有機バインダーを用いて４００〜６００℃℃の空
気、Ｎ₂、Ｎ₂＋Ｈ₂、ＣＯ₂などの雰囲気で熱処理
し、その熱処理時間や熱処理温度を制御することにより
酸素量を制御することができる。

【００２０】

【作用】本発明によれば、窒化アルミニウム質焼結体の
粒界にモノクリニック型結晶を実質的に析出させずにに
ペロブスカイト型結晶相および／またはガーネット型の
結晶相を析出させることにより、焼結体の表面のシミ、
色ムラの発生を抑制することができる。それと同時にＥ
ｒ量を比較的多量に存在させることによりＡｌＮ結晶
中、または結晶表面に存在する酸素を粒界にトラップす
ることができるために、焼結体の熱伝導率を高めること
ができる。また、基板としてその表面にメタライズ法に
より金属配線層を形成した場合においても、その金属層
の基板に対する密着強度を高めることができる。

【００２１】

【実施例】窒化アルミニウム粉末（平均粒径１〜１．５
μｍ、酸素量０．８重量％、金属不純物量０．０５重量
％以下）、Ｅｒ₂Ｏ₃粉末（平均粒径が１μｍ、純度９
９．９％以上）およびＡｌ₂Ｏ₃粉末（平均粒径０．６
μｍ、純度９９．８％以上）を用いて、Ａｌ₂Ｏ₃ボー
ルを用いて混合した。

【００２２】さらに、この混合物に有機バインダーとし
てアクリル樹脂とポリエチエングリコールとを混合物に
対して６重量％相当量を添加し、メタノールを用いて充
分に混合した。

【００２３】この混合物をプレス成形により２０φ×３
ｍｍの形状に成形し、この成形体を５００℃の大気中で
１時間熱処理し有機バインダーを除去し、残存炭素量が
５００ｐｐｍ以下になるまで制御した。

【００２４】そして、この熱処理後の成形体をＩＣＰ分
光分析により組成分析して、成形体中のＥｒ量および酸
素量を測定した。その結果は表１に示した。

【００２５】次にこの成形体を表１の条件で焼成して相
対密度９９％以上の焼結体を得た。

【００２６】この焼結体に対しＩＣＰ分光分析により組
成分析を行うとともに、Ｘ線回折測定によりＡｌＮ以外
に検出される結晶相を同定した。また、焼結体を厚さ２
ｍｍ×１０ｍｍφに研磨加工してレーザーフラッシュ法
により熱伝導率を測定した。また、焼結体の表面のシミ
および色ムラの有無について目視で観察した。結果は表
１に示した。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】表１，表２によれば、Ｏ／Ｅｒ比が０．２
８７より小さい試料Ｎo.１では、結晶相としてＹＡＭお
よびＥｒ₂Ｏ₃が生成され、シミ、色ムラの発生が認め
られたのに対して、本発明によりＯ／Ｅｒ比を０．２８
７以上に設定することにより結晶相はＹＡＰまたはＹＡ
Ｇを主体とするもので、シミおよび色ムラの発生を抑制
することができた。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、Ａ
ｌＮ結晶の粒界に特定の結晶相のみを析出させることに
より、添加成分により発生するシミや色ムラの発生を抑
制するとともに高熱伝導化を達成することができる。こ
れにより、かかる焼結体を半導体用基板や電子部品、あ
るいは構造用材料として用いる場合に、製品の品質の安
定化および信頼性を高めることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウムを主成分とし、エルビウ
ム（Ｅｒ）を金属換算で５重量％以上含有する窒化アル
ミニウム質焼結体であって、該焼結体中に含まれる全酸
素量の前記エルビウムに対する重量比が０．２８７以上
であり、且つ粒界がペロブスカイト型結晶および／また
はガーネット型結晶からなり、実質的にモノクリニック
型結晶相が存在しないことを特徴とする窒化アルミニウ
ム質焼結体。