JPH0627032B2

JPH0627032B2 - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH0627032B2
Application number: JP60171407A
Authority: JP
Inventors: 憲一郎柴田; 修小村; 浩一曽我部
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1985-08-03
Filing date: 1985-08-03
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: JPS6236069A

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の製造方法に関わり、
更に詳しくは緻密質で熱伝導性、絶縁性（誘電率）など
の実用上の諸特性に優れた窒化アルミニウム焼結体の製
造方法に関する。

従来の技術半導体装置、これらを利用する装置、機器は、半導体素
子、抵抗器類、コイル類等における発熱のために複雑な
熱系を構成するが、このような熱は各種熱伝導様式、例
えば熱伝導、熱輻射、対流等により装置外に放出される
ことになる。

一般に、半導体素子には特性上並びに信頼性の点から最
大限許される温度（最高許容温度）があり、また、雑音
余裕の点からも素子内あるいは素子相互間の温度差にも
許容範囲が存在する。

従って、これら素子等を安定かつ信頼性よく動作させる
べく、最良の熱設計を行うことは、半導体装置等の設
計、製作において極めて重要である。

更に、近年、半導体素子の高速化、高密度化、大型化の
動向がみられ、それに伴い半導体素子の発熱量の増大が
大きな問題となっている。そこで、半導体装置用基板に
ついても、放熱性の改良、即ち基板全体としての板厚方
向の熱伝導性のより一層の改良が要求されている。その
ために、半導体装置用基板については、同時に高い電気
絶縁性と、高い放熱性とを有することが要求されること
になる。

その結果、従来ＩＣ基板として用いられていたアルミナ
焼結体は、その熱伝導率が低く放熱性が不十分であるた
めに、上記のようなＩＣチップ等の高集積化に伴う発熱
の増大に対して十分に対応できなくなりつつある。そこ
で、このアルミナ基板に代わるものとして、高熱伝導性
のベリリア基板が検討されているが、ベリリアは毒性が
強く取り扱いが困難であるばかりでなく、供給量も少な
く高価であるので実用的でない。

一方で、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、本来材質的に
高熱伝導性、高絶縁性を有し毒性も少ないために、半導
体工業において、絶縁材料やパッケージ材料として注目
を集めている。

しかしながら、ＡｌＮ粉末からその焼結体を製造する場
合、ＡｌＮ粉末自体の焼結性が良くないために、粉末成
形後、焼結して得られるＡｌＮ焼結体の相対密度（Ａｌ
Ｎの理論密度 3.26g／cm²を基準とする）は、焼結条件
にもよるが、高々70〜80％程度に過ぎず、しかも多量の
気孔を有している。ところで、窒化アルミニウム焼結体
の如き絶縁性セラミックの熱伝導機構はこのものがイオ
ン結合、共有結合からなるために、主として格子振動間
の非調和相互作用によるフォノン伝導を主体としている
ため、多量の気孔、不純物等の欠陥を有する場合には、
フォノン散乱が著しく、低熱伝導度のものしか得られな
い。

そこで、緻密室で良好な熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体
を得るために、ＡｌＮ粉末に種々の焼結助剤を添加し、
ホットプレスあるいは常圧焼結することが試みられてお
り、かなり良質のＡｌＮ焼結体を得ることができるよう
になってきた。

例えば、酸化カルシウム（CaＯ）、酸化バリウム（Ba
Ｏ）、酸化ストロンチウム（SrＯ）などをＡｌＮ粉末に
0.1〜10重量％の割合で添加し、焼結する方法が特公昭
58-49510号公報明細書に開示されている。この方法によ
れば、相対密度98％以上で、熱伝導率 0.1〜 0.13cal／
cm.sec.deg（42〜54W／m.k）（室温）の製品が得られて
いる。しかしながら、この程度の値では、今後のＩＣ、
ＬＳＩ等の集積度向上に伴う大きな発熱量に十分対応で
きるとはいえない。

また、ホットプレス法としてはCaＯ．BaＯ．SrＯなどを
0.01〜 1.0重量％の割合でＡｌＮ粉末に添加して焼結す
る方法がある。（特開昭59-50077号公報発明参照）。し
かしながら、この方法においても熱伝導率60〜 70W／m.
k 程度のものしか得られていない。しかも、このホット
プレス法では、得られる焼結体の形状に制限があり、そ
の上この工程は高価なプロセスであるために、前述のＩ
Ｃ・ＬＳＩ等の基板として用いるには経済的に不利であ
る。

発明が解決しようとする問題点以上述べたように、半導体装置の高集積化に伴って、Ｉ
Ｃチップ等の大型化がみられ、これら素子、デバイスの
発熱量は著しく増大するものと予想されるが、従来の基
板はこのような発熱量の増大に対し十分に対応し得なく
なってきており、新しい基板材料の開発が望まれてい
る。このような状況の下で、高耐熱性の高温構造材料と
して、注目を集めているＡｌＮが熱伝導性、電気絶縁
性、両者において優れていることから、半導体工業にお
ける絶縁材料、パッケージ材料として期待されている
が、その実情は既に述べた通りであり、実用に耐え得る
優れた物性のＡｌＮ焼結体は今のところ得られていな
い。

そこで、本発明の目的は熱伝導性の良好なＡｌＮ焼結体
を経済的に有利に製造する方法を提供することにあり、
勿論100W／m.k 以上の高い熱伝導性を有し、かつ緻密質
の新規なＡｌＮ焼結体を提供することも本発明の目的の
一つである。

問題点を解決するための手段本発明者等はＡｌＮ焼結体の製造法における上記の如き
従来の現状に鑑みて、熱伝導率100W／m.k 以上の高熱伝
導性を有するＡｌＮ焼結体を経済的に有利な常圧焼結法
により得ることのできる方法を開発すべく、原料粉末純
度、焼結助剤、焼結条件等を詳細に検討した結果、低酸
素含有量のＡｌＮ粉末を用い、また焼結用添加剤として
酸化カルシウム（CaＯ）および弗化カルシウム（CaＦ
_２）を少量添加することが上記目的達成のために極め
て有利であることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明のＡｌＮ焼結体の製造方法は、0.5〜 1.5
重量％の酸素含有量率を有するＡｌＮ粉末に、0.01〜0.
07重量％の酸化カルシウムおよび0.1〜 0.7重量％の弗
化カルシウムとを添加し、混合した後成形し、次いで17
00〜2200℃の範囲内の温度にて、非酸化性雰囲気中で常
圧焼結することを特徴とするものである。

本発明の方法において、非酸化性雰囲気とは、真空ある
いは窒素ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガ
ス、ヘリウムガス、などからなる群から選ばれた少なく
とも一種で構成される雰囲気を意味する。

本発明の方法においても、ＡｌＮ焼結体を一般にみられ
るセラミックと同じように、各成分の調合、成形、焼成
の一連の工程に従って製造する。

本発明の方法を更に説明すると、まず、ＡｌＮと所定量
の酸化カルシウムおよび弗化カルシウムを混合する。次
いで所定の形状に成形し、常圧焼結する。ここで成形法
としては特に制限はなく、従来公知の、例えば目的とす
る製品の形状、寸法に応じて金型成形、ラバープレス、
押し出し成形、射出成形、鋳込み成形等の中から最適な
方法を選び実施する。

また、このような成形法と生地の機械加工とを併用して
複雑な形状の目的製品を得ることもでき、この機械加工
法としては均質に、しかも最終製品の寸法精度、表面欠
陥等の発生などを考慮すれば高精度の技術の利用が必要
になり、ＮＣ研削加工、レーザー加工等の利用が望まし
い。

作用一般に焼結性が良くないとされているＡｌＮの緻密質、
かつ高熱伝導率を有する焼結体を得るために、特に問題
となっていた点は最終製品中に残存する大量の気孔であ
った。そこで、この気孔量を減じ、高熱伝導率のＡｌＮ
焼結体製品とするために各種の焼結助剤を用いる方法が
提案されたが、従来使用されてきたものは未だ不十分で
あり、大型化、高集積化の量られた半導体装置等の十分
な加熱性を確保する基板はまだ知られていない。

ところで、本発明に従って、焼結助剤として酸化カルシ
ウムおよび弗化カルシウムを用いることによって緻密か
つ高熱伝導のＡｌＮ焼結体を有利に得ることが可能とな
った。

本発明の方法において、目的とする特に熱伝導率が100W
／m.k 以上の高い放熱性のＡｌＮ焼結体を得る際に、い
くつかの条件は臨界的に作用する。まず、ＡｌＮ粉末中
の酸素含有率は 0.5〜 1.5重量％でなければならない。
というのは、この上限を越えて酸素が存在する場合、焼
結工程において酸素がAl₂O₃あるいはAlＯＮの形でＡｌ
Ｎ焼結体中に混入してしまい、既に述べたようにフォノ
ン散乱を生じ、熱伝導率の低いものが得られてしまい、
目的とする100W／m.k 以上の高熱伝導率のＡｌＮ焼結体
を得ることができないからである。

また、 0.5重量％未満ではＡｌＮ粉末の焼結性が著しく
阻害され、95％以上の相対密度が得られない結果、熱伝
導率も100W／m.k 以上を得られない。

次に焼結助剤として添加する酸化カルシウムおよび弗化
カルシウムの添加量は各々0.01〜0.07重量％および 0.1
〜 0.7重量％の範囲内とすることが必要である。即ち、
下限の0.01重量％及び 0.1重量％に満たない量で使用し
た場合には十分に緻密な常圧焼結体を得ることができ
ず、逆に上限の0.07重量％および 0.7重量％を越えて使
用した場合には、得られる焼結体の熱伝導率が低下し、
目的とする放熱性良好なＡｌＮ焼結体が得られない。

酸化カルシウムおよび弗化カルシウムは各々単独で添加
した場合はその効果は小さく、混合物として添加して始
めて100W／m.k 以上の熱伝導率が得られることがわかっ
ている。

また、焼結温度は1700〜2200℃の範囲内とすることが好
ましい。なんとなれば、1700℃未満では十分に焼結が進
行せず、相対密度95％以上の緻密な製品を得ることがで
きず、また、2200℃を越える温度で焼結した場合にはＡ
ｌＮの分解反応が著しく促進され、焼結体の重量減少が
大きくなるためである。

以上述べたように、本発明の方法によればＡｌＮの焼結
助剤として酸化カルシウムおよび弗化カルシウムを用い
ることにより、緻密なＡｌＮ焼結体を得ることが可能と
なる。また、大量の発熱量を有する高集積化半導体デバ
イスのパッケージ用基板として有用な高い放熱性を与え
るＡｌＮ焼結体を得るためには、酸化カルシウムおよび
弗化カルシウムの添加量、ＡｌＮ中の酸素含有率、焼結
温度等の各条件を上記のような範囲とする必要があり、
これによって焼結法としては最も経済性のよい常圧焼結
法で、高い熱伝導率（100W／m.k 以上）と緻密性（高相
対密度）のＡｌＮ焼結体が有利に提供される。

酸化カルシウムおよび弗化カルシウムの混合物がＡｌＮ
の焼結を促進する機構は明らかではないが、CaＯとCaＦ
_２およびＡｌＮの反応によりガラス様の液相が発生し、
液相焼結による緻密化及び結晶組織の粒状化が起こり、
熱伝導率の改善がなされるものと考えられる。

また、後記の実施例で示されるように、熱伝導率はCaＯ
及びCaＦ_２を添加しない窒化アルミニウム焼結体に較
べ、著しい増加を示している。これは最適な酸素含有量
のＡｌＮ粉末とCaＯ及びCaＦ_２の組み合わせにより、窒
化アルミニウム焼結体の緻密化並びに低欠陥濃度化が十
分達成されたためと考えられる。また、結晶組織の粒状
化が熱伝導率の向上に寄与していると考えられる。

実施例以下、本発明を実施例により説明するが、これら実施例
は本発明の範囲を制限するものではない。

実施例１酸素含有量が 0.5〜 1.5重量％の範囲内の各種の窒化ア
ルミニウム粉末に、酸化カルシウムを0.05％弗化カルシ
ウムを 0.4％混合添加し、ボールミルで12時間混合し混
合粉末を作製した。これを２トン／cm²の圧力下で成形
し、1900℃にて３時間１気圧のＮ_２ガス雰囲気中で常圧
焼結した。得られた各焼結体試料につき相対密度および
熱伝導率を測定し、結果を以下の第１表に示した。

比較例１酸素含有量が 1.5重量％を越える窒化アルミニウム粉末
または、酸素含有量が 0.5重量％未満の窒化アルミニウ
ム粉末を用い、実施例１と同様に酸化カルシウムおよび
弗化カルシウムを添加・混合し、成形、焼結して比較試
料を作製した。同様に相対密度と熱伝導率を測定し、結
果を第１表に示した。

この結果から、また熱伝導率を100W／m.k 以上とするた
めにはＡｌＮの酸素含有率は 0.5〜 1.5重量％である必
要があることがわかる。更に、本発明の方法で得られる
焼結体は極めて大きな相対密度（99％以上）を有し、気
孔率が大幅に改善されていることを容易に理解すること
ができる。

実施例２酸素含有量 1.2重量％の窒化アルミニウム粉末に酸化カ
ルシウムを0.01〜0.07重量％、弗化カルシウムを 0.1〜
0.7重量％の範囲の種々の量で添加・混合し、実施例１
と同様な方法で成形し、焼結し本発明の窒化アルミニウ
ム焼結体を製作した。得られた焼結体の相対密度および
熱伝導率は以下の第２表に示す通りであった。

比較例２酸素含有量 1.2重量％の窒化アルミニウム粉末に酸化カ
ルシウム及び弗化カルシウムを本発明の範囲外の量で添
加・混合し、以下実施例１と同様に処理して比較試料を
作製した。相対密度、熱伝導率の測定結果を第２表に示
す。

第２表の結果は酸化カルシウムを0.01〜0.07重量％およ
び弗化カルシウムを 0.1〜 0.7重量％の量で使用するこ
とにより、100W／m.k 以上の高熱伝導率の窒化アルミニ
ウム焼結体を有利に得ることができることを示してい
る。

実施例３酸素含有量 1.2重量％の窒化アルミニウム粉末に酸化カ
ルシウムを0.05重量％、弗化カルシウムを 0.5重量％混
合添加し、実施例１と同様な方法で焼結体試料を得た。
尚、焼結は 1,700〜2,200 ℃の範囲内の温度にて３時間
１気圧のＮ_２ガス雰囲気中で常圧焼結法に従って実施し
た。得られた焼結体の特性の測定結果を第３表に示す。

比較例３酸素含有量 1.2重量％の窒化アルミニウム粉末に酸化カ
ルシウムおよび弗化カルシウムを各々0.05重量％および
0.5重量％添加・混合し、実施例１と同様に成形した
後、本発明の範囲外の焼結温度にて焼結し比較試料を得
た。物性の測定結果を第３表に示す。

実施例３および比較例３は、本発明の方法において所定
の特性を有する焼結体を得るためには焼結温度が臨界条
件であることを示すために行ったものであるが、第３表
の結果は下限の1700℃に満たない場合には十分な熱伝導
率、相対密度が確保できないことを明確に示している。

発明の効果以上詳しく説明したように、本発明の方法に従えば、酸
素含有量 0.5〜 1.5重量％の窒化アルミニウム粉末に、
0.01〜0.07重量％の酸化カルシウムおよび 0.1〜 0.7重
量％の弗化カルシウムを混合添加後成形し、次いで 1,7
00〜 2,200℃の温度にて非酸化性雰囲気下で常圧焼結す
ることにより、緻密質かつ特に熱伝導性に優れた、半導
体装置の放熱材料あるいはパッケージ材料として有用で
ある。

本発明の方法により得られる窒化アルミニウム焼結体
は、サーディップ用基板、サーパック用基板、ハイブリ
ットＩＣ用基板等のＩＣ基板ばかりでなく、パワートラ
ンジスタ、パワーダイオードおよびレーザダイオード用
のヒートシンクとして、更にレーザ発振器用部品、或い
はマイカ代替用絶縁性薄板として好適に利用でき、実用
的に優れた効果を発揮するものと期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による製造方法で得られた窒化アルミ
ニウム焼結体の結晶組織の代表例を倍率×200 にて示す
光学顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素含有量 0.5〜 1.5重量％の窒化アルミ
ニウム粉末に、0.01〜0.07重量％の酸化カルシウムおよ
び 0.1〜 0.7重量％の弗化カルシウムとを混合・成形
し、次いで1700〜2200℃の温度で非酸化性雰囲気中で常
圧焼結し、粒状の結晶組織を生成せしめることを特徴と
する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。