JPH0656536A - 窒化アルミニウムグリーンシート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 変形が少なく寸法精度に優れた窒化アルミニ
ウム基板を製造することができる窒化アルミニウムグリ
ーンシートの提供。 【構成】 窒化アルミニウム粉、酸化イットリウム粉、
ＢＥＴ比表面積７０ｍ²/ｇ以下の遊離炭素粉及びポリビ
ニルブチラールを含んでなることを特徴とする窒化アル
ミニウムグリーンシート。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、優れた熱伝導性と電気
絶縁性を有し、回路用基板として好適な窒化アルミニウ
ム基板を製造することができる窒化アルミニウムグリー
ンシートに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、窒化アルミニウム粉の改良、焼結
助剤の種類と添加量の適正化、焼成雰囲気の工夫、さら
には焼成プロファイルの適正化等により、窒化アルミニ
ウム基板の熱伝導率は向上の一途をたどっており、２０
０Ｗ／ｍ・Ｋを越える基板も得られている。

【０００３】窒化アルミニウム基板の熱伝導率を最も左
右する要因は、窒化アルミニウム粒子に固溶している酸
素量であるといわれており、高熱伝導基板を得るには、
いかにして製造時に窒化アルミニウム粒子内に酸素を固
溶させないかがカギとなる。

【０００４】そのため様々な方法が提案されているが、
とくに効果的な方法としては、低酸素量の原料窒化アル
ミニウム粉と焼結助剤としての希土類酸化物やアルカリ
土類酸化物とを使用する方法、上記焼結助剤にさらに炭
素を添加する方法等があげられる。炭素を添加する方法
は、焼成中に窒化アルミニウム粉が含有する酸素を炭素
により還元除去し、酸素の粒子内への固溶を低減するも
のであり、とくに焼結助剤として酸化イットリウム（以
下、Y₂O₃と記す）を選択することにより、熱伝導性の向
上が著しくなる。

【０００５】一方、従来より、窒化アルミニウム基板
は、窒化アルミニウム粉に焼結助剤、有機結合剤として
のポリビニルブチラール、溶剤、可塑剤、分散剤等を添
加・混合してスラリーを調整し、それをシート状に成形
してグリーンシートとなし所定形状にしてから積層後、
酸素含有雰囲気中で脱脂し、窒素中で焼成を行って製造
されている。

【０００６】しかしながら、高熱伝導化を目的として添
加されたY₂O₃と炭素とを含有する窒化アルミニウムグリ
ーンシートの焼成においては、以下のような問題があ
り、十分満足な窒化アルミニウム基板が得られていない
のが現状である。

【０００７】（１）焼成して得られた窒化アルミニウム
基板には、色むらが発生しやすい。 （２）焼成して得られた窒化アルミニウム基板は、炭素
を含有しないシートに比べて変形しやすく寸法精度に劣
る。

【０００８】とくに（２）の問題は、窒化アルミニウム
基板を回路用基板として使用する際に大きな障害となる
ため、変形をできるだけ抑えて寸法精度を向上させる工
夫が望まれていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】

【００１０】本発明者らは、上記Y₂O₃、遊離炭素及び有
機結合剤としてのポリビニルブチラールを含有してなる
窒化アルミニウムグリーンシートの焼結後の熱伝導率及
び寸法精度について検討を重ねた結果、脱脂後の炭素量
の多少に関係なく、ある特定の遊離炭素を添加し、適正
な条件下で脱脂を行えば、焼結後の基板の変形が小さく
なり寸法精度に優れることを見いだし、本発明を完成さ
せたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

【００１２】すなわち、本発明は、窒化アルミニウム
粉、Y₂O₃粉、ＢＥＴ比表面積７０ｍ²/ｇ以下の遊離炭素
粉及びポリビニルブチラールを含んでなることを特徴と
する窒化アルミニウムグリーンシートである。

【００１３】以下、さらに詳しく本発明を説明すると、
本発明で使用される遊離炭素は、ファーネスブラック、
サーマルブラック及びアセチレンブラック等のいずれで
もよいが、そのＢＥＴ比表面積は７０ｍ²/ｇ以下好まし
くは７〜１０ｍ²/ｇであることが必要である。

【００１４】遊離炭素は、特性面から、平均粒子径、Ｂ
ＥＴ比表面積、吸油量等による分類することもできる
が、本発明においては、ＢＥＴ比表面積７０ｍ²/ｇ以下
であるものが何故基板の変形の低減化に有効であるか未
だ明かではない。

【００１５】本発明の窒化アルミニウムグリーンシート
は、窒化アルミニウム粉、Y₂O₃粉、上記遊離炭素及び有
機結合剤としてのポリビニルブチラールを必須成分とし
て含み、任意成分として、可塑剤、分散剤、溶剤等を含
んでなるものである。

【００１６】本発明で使用される窒化アルミニウム粉
は、その製造方法によらずいずれの粉でも使用可能であ
るが、一般には、直接窒化法やアルミナ還元窒化法によ
るものが好適である。これらの窒化アルミニウム粉は、
通常、０．６重量％以上の酸素を含有するが、本発明で
は、上記遊離炭素が酸素を還元除去し、また窒化アルミ
ニウム粉のもつ酸素量に応じて炭素を添加することがで
きるため、酸素量が２．０重量％を越えない窒化アルミ
ニウム粉であれば使用可能である。

【００１７】なお、酸素量が２．０重量％を越えている
場合、炭素添加量を多くして焼成後の基板の酸素量を低
減できるが、還元時に窒化アルミニウム粒子内の酸素固
溶量が増え、熱伝導率の向上効果は小さくなる。

【００１８】Y₂O₃の割合は、窒化アルミニウム１００重
量部に対し０．５〜６重量部とするのが好ましい。０．
５重量部未満では、窒化アルミニウム表面酸素の捕獲作
用が小さく粒子内への酸素の固溶が多くなり、一方、６
重量部を越えては、焼結後の基板の粒界相量が多くなっ
て熱伝導率の向上効果が小さくなる。遊離炭素量によっ
ても可能ではあるが、熱伝導率のさらなる向上という点
から１〜３重量部とすることがより好ましい。

【００１９】上記ＢＥＴ比表面積を有する遊離炭素の割
合は、窒化アルミニウム粉が含有する酸素量に応じて決
められる。その具体例を示せば、酸素含有量が０．６重
量％の窒化アルミニウム粉１００重量部に対しては０．
２〜０．４重量部、酸素含有量が１．２重量％の窒化ア
ルミニウム粉１００重量部に対しては０．４〜０．８重
量部、酸素含有量が２．０重量％の窒化アルミニウム粉
１００重量部に対しては０．６〜１．４重量部である。

【００２０】本発明で使用される有機結合剤は、ポリビ
ニルブチラールであり、その使用量は、窒化アルミニウ
ム粉とY₂O₃粉の合計重量１００重量部に対し６〜１２重
量部とするのが好ましい。遊離炭素が微粉末であるので
シート成形性を考慮した場合、８〜１０重量部とするの
がより好ましい。

【００２１】本発明では、上記成分の他にさらに可塑剤
としてジブチルフタレート、ジオクチルフタレート等、
分散剤として脂肪酸エステル等、溶剤として塩素系、ケ
トン系、芳香族系、アルコール系、パラフィン系のもの
を含ませることができる。

【００２２】上記成分の好ましい配合の一例を示せば、
窒化アルミニウム粉とY₂O₃の合計重量１００重量部に対
し、溶剤としてのトルエン及び／又はキシレンを４０〜
５０重量部とイソプロピルアルコールを１０〜２０重量
部、可塑剤としてのジオクチルフタレートを２〜４重量
部、分散剤としてのグリセリントリオレートを０．５〜
１．５重量部である。

【００２３】本発明の窒化アルミニウムグリーンシート
は、上記成分をボ−ルミル等により混合してスラリーと
なし、それを脱泡してからシート状に成形することによ
って製造することができる。脱泡後のスラリー粘度は、
１００００〜４００００ｃｐｓ程度が好ましく、さらに
シート成形性を考慮すると２００００〜３００００ｃｐ
ｓがより好ましい。シートの成形方法としては、通常、
ドクターブレード法が採用される。

【００２４】次に、本発明の窒化アルミニウムグリーン
シートを使用して窒化アルミニウム基板を製造する方法
について説明すると、本発明の窒化アルミニウムグリー
ンシートは、所定の形状に打ち抜き、裁断等の方法で成
形加工した後、焼成時に積層されたシート同士が融着し
ないように通常は窒化ホウ素等の無機粉末が塗布され
る。その後、塗布されたシートを積層し、脱脂工程、焼
成工程を経て窒化アルミニウム基板が製造される。

【００２５】まず、脱脂工程においては、本発明の窒化
アルミニウムグリーンシートには、遊離炭素が含まれて
いるので、それが酸化等により消失したり不均一に分布
したりすることがないように温度と雰囲気条件を選択し
なければならない。これは熱伝導性の向上の面ばかりで
なく、本発明者らの検討によれば、基板の変形は脱脂工
程後のシート内での残存炭素量の不均一性が原因となっ
ていることによる。

【００２６】本発明で使用される上記遊離炭素は、耐酸
化性に優れているので、脱脂後のシート面内における残
存炭素の不均一が起こりにくいという特徴があるが、そ
れでも酸化雰囲気で脱脂を行う場合は、６００℃を越え
る温度で実施しないことがよく、好ましくは４３０〜５
００℃で行うのがよい。また、窒素等の非酸化性雰囲気
下で行う場合は、有機結合剤の分解生成物である炭素も
脱脂後の炭素として寄与するので、それを見込んであら
かじめグリーンシート中の遊離炭素量を調整しておく必
要がある。

【００２７】脱脂後のシートは、通常、ＢＮ製、ＡｌＮ
製等の容器に収納して焼成される。焼成条件によって、
遊離炭素による窒化アルミニウム粉の酸素還元除去効果
が異なるので注意が要る。

【００２８】遊離炭素の添加による効果を十分に発現さ
せるには、少なくとも液相焼結が開始する温度以下で
は、十分に炭素が消費されていることが必要である。液
相が生成した後も炭素が残留している場合には、炭素が
液相を還元してしまうので窒化アルミニウム基板の緻密
化が十分には達成されない。

【００２９】本発明においては、温度１７００℃までの
温度域、好ましくは１４００℃から１７００℃の温度域
における滞留時間を少なくとも２時間以上とするのがよ
い。このような加熱プロファイルを経て、さらに温度を
あげ液相を生成させることによって緻密化した窒化アル
ミニウム基板を製造することができる。最高保持温度
は、遊離炭素量、脱脂条件、Y₂O₃量によって異なるが、
１８５０℃以上で焼成するのが好ましい。

【００３０】

【実施例】以下、実施例と比較例をあげ、さらに具体的
に本発明を説明する。

【００３１】実施例１ 重量割合で、酸素含有量１．２％の窒化アルミニウム粉
１００部、Y₂O₃粉２部、ＢＥＴ比表面積５８ｍ²/ｇのア
セチレンブラック０．８部、ポリビニルブチラール１０
部、ジブチルフタレート４部、グリセリントリオレート
１部、トルエン３５部、イソプロピルアルコール１５部
を四フッ化樹脂で内張りされたボールミルポットに投入
し高純度のアルミナボールを使用して混合した。得られ
たスラリーを脱泡装置にかけ、粘度を２００００ｃｐｓ
としてからドクターブレード装置により、厚み０．７５
ｍｍのシートに成形した。

【００３２】上記シートをプレス装置にて７０×３５ｍ
ｍの形状に打ち抜き、それら各シートの表面にＢＮ粉を
塗布して２０枚重ね、脱脂炉で脱脂した。その条件は４
５０℃、６時間、空気中とした。空気は毎分２０リット
ルを供給した。

【００３３】脱脂後の積層シートは、そりの発生を防止
するため、上部にＢＮ板を載せて容器に収納し窒素雰囲
気中で焼成した。焼成条件は、温度１６００℃までを５
℃／分で昇温し、その温度で６時間保持後、さらに温度
１９５０℃までを２℃／分で昇温しそのまま４時間保持
した。

【００３４】以上のようにして得られた窒化アルミニウ
ム基板について、変形量と熱伝導率を測定した。変形量
は、基板の横方向と縦方向のそれぞれについて３点（中
央部と両端部から５ｍｍの位置）で測定し、その最大値
と最小値の差で示した。測定は基板２０枚の全数につい
て行った。それらの結果を表１に示す。

【００３５】実施例２ Y₂O₃を３部、遊離炭素としてＢＥＴ比表面積８ｍ²/ｇの
カーボンブラックを０．７部、さらにポリビニルブチラ
ールを８部としたこと以外は、実施例１と同様にしてグ
リーンシートを作製した。次いで、窒化アルミニウム基
板の製造にあたっては、脱脂条件を５００℃で２時間保
持、焼成にあたっては、途中、保持温度及び時間を１７
００℃、３時間としたこと以外は実施例１と同様にして
行った。

【００３６】実施例３ 酸素含有量が１．８％の窒化アルミニウム粉を使用し、
Y₂O₃を１部、ＢＥＴ比表面積２７ｍ²/ｇのカーボンブラ
ック１．４部、さらにポリビニルブチラールを８部とし
たこと以外は、実施例１と同様にしてグリーンシートを
作製した。次いで、窒化アルミニウム基板の製造にあた
っては、脱脂条件を５００℃で３時間保持、焼成にあた
っては、途中、保持温度及び時間を１６５０℃、５時間
としたこと以外は実施例１と同様にして行った。

【００３７】比較例１ 遊離炭素として、ＢＥＴ比表面積１４２ｍ²/ｇのカーボ
ンブラックを用いたこと以外は、実施例１と同様にして
窒化アルミニウム基板を製造した。

【００３８】比較例２ 遊離炭素として、ＢＥＴ比表面積１０６ｍ²/ｇのカーボ
ンブラックを用いたこと以外は、実施例２と同様にして
窒化アルミニウム基板を製造した。

【００３９】比較例３ 遊離炭素として、ＢＥＴ比表面積８２ｍ²/ｇのカーボン
ブラックを用いたこと以外は、実施例３と同様にして窒
化アルミニウム基板を製造した。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【発明の効果】本発明の窒化アルミニウムグリーンシー
トを使用すれば、変形の少ない寸法精度に優れた窒化ア
ルミニウム基板を製造することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 和男 東京都町田市旭町３丁目５番１号 電気化 学工業株式会社総合研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウム粉、酸化イットリウム
   粉、ＢＥＴ比表面積７０ｍ²/ｇ以下の遊離炭素粉及びポ
   リビニルブチラールを含んでなることを特徴とする窒化
   アルミニウムグリーンシート。