JPH0627034B2

JPH0627034B2 - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH0627034B2
Application number: JP60158643A
Authority: JP
Inventors: 憲一郎柴田; 修小村; 浩一曾我部
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1985-07-18
Filing date: 1985-07-18
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: JPS6221764A

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係わり、
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／cm³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、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、緻密質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(BaO)、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 0.1〜0.13
cal／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Ｉ
Ｃ、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ＩＣ、Ｌ
ＳＩ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
両者における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
てイットリウム(Y) および／またはセリウム(Ce)のアル
コキシド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、1.8重量％
以下の酸素含有量率を有するＡｌＮ粉末に、ＹおよびＣ
ｅのアルコキシドからなる群から選ばれ少なくとも１種
の溶液をＹまたはＣe換算で0.1〜10重量％添加し、混合
・分解した後成形し、次いで1700〜2200℃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
とも一種で構成せれる雰囲気を意味する。

また、本発明の方法において有利に使用できるＹまたは
Ｃｅのアルコキシドにおいて、アルコキシドとは炭素原
子数１〜４のアルキル基を有するものであることが好ま
しい。このような金属アルコキシドは一般に沸点が低い
（100〜200℃）ため真空蒸留等により低温で高純度に精
製することができる。

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が、本発明の方法では金
属アルコキシドを焼結助剤として使用してることから、
調合後に加水分解する工程を含む。

本発明の方法を更に説明すると、まず、ＡｌＮと所定量
の金属アルコキシドまたはその混合物とを混合し、アル
コキシドの加水分解を行う。この際に金属アルコキシド
は分解して微粒状の粉末となり、しかも高純度、高活性
である。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、高集積化の図られた半導体装置等の十分
な放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Ｙおよび／
またはＣｅアルコキシドの溶液を用い、ＡｌＮ粉末と混
合した後加水分解することにより微粉状の高純度酸化物
が得られ、これ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。この加水分解にお
いて金属アルコキシドは例えばベンゼン、キシレン、ト
ルエン、メタノール、エタノール、プロパノールなどの
溶媒に溶解した溶液もしてＡｌＮ粉末に添加され、アル
コキシド基のモル量の１／２よりも幾分過剰の水の存在
下で、一般には０℃以上に加熱することにより加水分解
し、目的とする微粒状金属酸化物を得ることができる。

本発明の方法において、目的とする特に熱伝導率が 100
Ｗ/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1.8重量％以下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ＡｌＮ
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。

次に、分解して焼結助剤となる金属アルコキシドの添加
量はＹおよび／またはＣｅ換算で 0.1〜10重量％の範囲
内とすることが必要である。即ち、下限の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10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。

既に述べたように、Ｙのアルコキシド、Ｃｅのアルコキ
シドは夫々単独でもしくは混合物として添加でき、いず
れも同様の効果を期待することができ、複合添加の場合
には夫々の効果が単に加算された特性を示すことがわか
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
助剤として金属アルコキシドを用い、これらを添加後加
水分解することにより、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、金属アルコキ
シドの添加量、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
(100W/m・K以上）熱伝導率と緻密性（高相対密度）のＡ
ｌＮ焼結体が有利に提供される。

Ｙのアルコキシド、Ｃｅのアルコキシドもしくはこれら
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、微細かつ均一に分散されたＹまたはＣｅ化合物が
ＡｌＮと反応し、ガラス様の液相を形成し、その結果液
相焼結による緻密化及び熱伝導率の改善がなされるもの
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 〜1.8 ％の範囲内の各種の窒化アルミ
ニウム粉末に、イットリウムメトキシド、セリウムメト
キシドまたはこれらの混合物の溶液（溶媒：メタノー
ル）をＹまたはＣｅ換算で0.6 重量％混合し、 600℃に
加熱し、分解を行った後、乳鉢で十分に混合し、混合粉
末を作製した。これを２トン／cm²の圧力下で成形し、1
900℃にて３時間１気圧のＮ₂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1.8重量％を越える窒化アルミニウム粉末
を用い、実施例１と同様にイットリウムメトキシドおよ
びセリウムメトキシドを添加・混合し、分解、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。尚、イットリウムメ
トキシドとセリウムメトキシドとは殆ど同じ効果を有す
るので、第１表にはイットリウムのみの結果を示した。

この結果から、イットリウムをセリウムとはほぼ同程度
の効果を有しており、また熱伝導率を100W/m・K 以上と
するためにはＡｌＮのＯ含有率は約 1.8重量％以下であ
る必要があり、この値が小さい程熱伝導率の改善効果が
高いことがわかる。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
が大巾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1.6％の窒化アルミニウム粉末に、イットリ
ウムメトキシド、セリウムメトキシドまたはこれらの混
合物の溶液（溶媒：キシレン）を、ＹまたはＣｅ換算で
0.1〜10重量％の範囲の種々の量で添加・混合し、550
℃にて分解を行った後、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1.6 ％の窒化アルミニウム粉末にイットリウ
ムメトキシド及びセリウムメトキシドを本発明の範囲外
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Ｙアルコキシド及びＣｅアルコキシドの
少なくとも１種を 0.1〜10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1.6 ％の窒化アルミニウム粉末に、イットリ
ウムメトキシド及びセリウムメトキシドをＹおよびCe換
算で各々 0.4重量％および 0.2重量％添加し、実施例１
と同様の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1.6 ％の窒化アルミニウム粉末にイットリウ
ムメトキシドおよびセリウムメトキシドをＹおよびCe換
算で各々 0.4重量％および 0.2重量％添加・混合し、実
施例１と同様に分解、成形した後、本発明と範囲外の焼
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。

実施例４酸素含有量 1.6％の窒化アルミニウム粉末に、イットリ
ウムエトキシド、セリウムエトキシド、イットリウムプ
ロポキシド、セリウムプロポキシド、イットリウムブト
キシドおよびセリウムブトキシドのうちの１種をＹまた
はCe換算で５重量％添加し、以下実施例１に従って混
合、分解、成形、焼結し、本発明の窒化アルミニウム焼
結体を得た。物性の測定結果を第４表に示す。

実施例４は添加剤のアルコキシドにおけるアノイル鎖の
長さに対する条件を確認するために行ったものであり、
第４表の結果から明らかな如く、炭素数が増加するに従
い、熱伝導率が低下する傾向が認められるが、炭素数４
までのアルコキシド基を有する金属アルコキシドは本発
明の意図する十分な特性の製品を与えることがわかる。

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〜 1.8％の窒化アルミニウム粉末に、イッ
トリウムアルコキシド、セリウムアルコキシドの少なく
とも１種の溶液をＹまたはCe換算で 0.1〜10重量％混合
し、加水分解を待った後成形し、次いで 1,700〜2,200
℃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、緻密室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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素含有量1.8重量％以下の窒化アルミニ
ウム粉末に、イットリウムアルコキシドおよびセリウム
アルコキシドからなる群から選ばれる少なくとも１種の
溶液を、イットリウムまたはセリウム換算で0.1〜10重
量％添加し、これらを混合・分解した後成形し、次いで
1700〜2200℃の範囲内の温度下にて、非酸化性雰囲気中
で常圧焼結することを特徴とする窒化アルミニウム焼結
体の製造方法。
【請求項２】前記分解を 100〜1,200 ℃の範囲内の温度
に加熱することにより行うことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項３】前記アルコキシド溶液における溶媒が、ベ
ンゼン、キシレン、トルエン、メタノール、エタノール
またはプロパノールであることを特徴とする特許請求の
範囲第２項に記載の方法。
【請求項４】前記アルコキシドが炭素原子数１〜４のア
ルキル基を有するものであることを特徴とする特許請求
の範囲第１〜３項のいずれか１項に記載の方法。