JPH0684265B2

JPH0684265B2 - 窒化アルミニウム焼結体

Info

Publication number: JPH0684265B2
Application number: JP63136770A
Authority: JP
Inventors: 裕介井寄; 英子福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1988-06-03
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: JPH01305863A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は熱伝導性に優れる窒化アルミニウム焼結体に関
するものである。

［従来の技術］近年、電子機器の小型化・高集積化が進むなかにあっ
て、ICチップなど電子機器に搭載される各種の半導体素
子から発生する熱をいかにして除去するかが極めて重要
な課題となっており、部品設計、回路設計、材料等の面
から種々の提案がされている。

高集積ICなどの半導体用基板材料としては、現在、ほと
んど酸化アルミニウム（熱伝導性理論値28W/m・Ｋ）が
使用されている。しかし、近年急速に進展するICの高集
積化及び高速化に伴いチップの放熱量が増すにつれて、
さらに熱伝導率が高く高放熱性の基板材料が要求される
ようになった。そのため、基板材料として熱伝導率が高
い酸化ベリリウム（熱伝導性理論値218W/m・Ｋ）や炭化
珪素（熱伝導性理論値270W/m・Ｋ）等が検討された。し
かし、酸化ベリリウムは、粉塵に毒性があり、また高価
格であるという欠点がある。また、炭化珪素は、常圧焼
結法では焼結が十分に出来ないため、ホットプレス法で
焼結しなければならず、生産性に問題があった。

このため最近、酸化アルミニウムや酸化ベリリウムと同
等以上の強度を有し、常圧焼結が可能で、かつ熱伝導率
が高い窒化アルミニウム（熱伝導性理論値 320W/m・
Ｋ）が基板材料として注目されている。しかし、通常、
市販されている窒化アルミニウム粉末（AIN粉末）には
酸素が１〜3.5重量％程度含有されているため、このよ
うな粉末を使用した場合には、熱伝導率の高い窒化アル
ミニウム焼結体を得ることが難しいとされている（例え
ば、「窯業協会誌」Vol.93,No.9,1985年 517〜522頁、
あるいは「エレクトロニク・セラミックス」Vol.16,No.
3,1985年３月号 22〜27頁など参照）。

そこで、酸素や陽イオン不純物の混入は、原料である金
属アルミニウムを粉砕する工程あるいは生成した窒化ア
ルミニウムを焼結用原料粉にするために粉砕する工程で
生ずることに着目し、（イ）アルミナと、（ロ）アルカ
リ土類金属，イットリウム及びランタン族金属，または
これらの金属化合物と、（ハ）カーボンとを、それぞれ
適量液体分散媒体中で混合し、窒素中又はアンモニア雰
囲気中で焼成した後、未反応のカーボンを酸化除去して
平均結晶粒径２μｍ以下の粉末状窒化アルミニウム組成
物を得ることにより、粉砕工程を無くし、もって窒化ア
ルミニウムの焼結性及び熱伝導率を向上させる方法が提
案されている（特開昭60−65768号参照）。

しかしながら、この方法により得られた窒化アルミニウ
ム粉末を原料粉とし、CaOあるいはBa（NO₃）_２等を添加
して作製された窒化アルミニウム焼結体は、酸素含有量
は0.5〜1.5重量％とすくないものの、その熱伝導率は数
10W/m・Ｋ程度であり、必ずしも満足できる特性のもの
は得られていない。

また、例えば、平均粒径３μｍ以下のAIN粉末に、0.05
〜２重量％の炭素を添加した混合粉末を50kg/cm²以上の
圧力下で焼結する方法など、AIN粉末に炭素のみを添加
する方法も提案されている（特開昭60−186479号公報、
特開昭60−71576号公報など参照）。

この方法においては、添加物を炭素のみとしているため
非常に高純度の焼結体を得ることが出来るものの、焼結
助剤を添加しないために焼結性に難点があり、このため
加圧焼結を施している。しかし、それでも必ずしも十分
な密度が得られておらず、その熱伝導率も高々数10W/m
・Ｋ程度である。

［発明が解決しようとする問題点］更にまた、酸素含有窒化アルミニウム粉末、酸化イット
リウム、および遊離炭素よりなる混合物を形成し、この
混合物を特定組成のコンパクトに形成し、このコンパク
トを窒素含有非酸化雰囲気中で1350℃程度に加熱して脱
酸し、得られた脱酸コンパクトを窒素含有非酸化性雰囲
気中で約1850℃程度の温度で焼結する方法も提案されて
いる（特開昭61−91068号公報、特開昭61−127667号公
報、特開昭61−146769号公報、特開昭61−219763号公報
など）。

この方法は、Al₂O₃の個別粒子，AIN粉末粒子を覆う
おそらくはAl₂O₃としての酸化物被覆，およびAIN格子
に溶解した酸素，の３つの異なる酸素源によってもたら
されたAIN粉末に存在する酸素は、遊離炭素を利用する
ことにより除去出来るとの考えに基づいて成されたもの
であるとされている。すなわち、窒化アルミニウム粉末
を炭素である程度まで脱酸し、次いで酸化イットリウム
を利用してさらに脱酸および／または焼結することによ
つて、100W/m・Ｋ以上の高い熱伝導率を有する窒化アル
ミニウム焼結体を得ようとするものであり、約170W/m・
Ｋの事例が開示されていることからみても、非常に優れ
た方法である。

ところで、この方法は、前述したように、まず添加した
カーボンの働きにより脱酸コンパクトを作成し、この脱
酸コンパクトをＹおよびＯを主成分とし少量のAlおよび
Ｎを含有する液相によって焼結するものである。したが
って、この方法においては、後に液相焼結に寄与するＹ
およびＯを適当量残存している脱酸コンパクトが形成で
きる程度のカーボンを添加することが重要であり、余剰
のカーボンを添加して脱酸が過剰となり焼結困難となら
ないようにすべきとされている。また、脱酸コンパクト
をＹおよびＯを主成分とする液相によって焼結するため
に、得られた焼結体には、Y₂O₃やY₄Al₂O₉等からなる第
２相が比較的多く存在し、酸素量で約１〜４重量％程度
残存しているものとなっている。

一方、半導体用基板あるいは放熱板等の電子部品用途に
おいては、半導体ICの高集積化にともないSiチップの発
熱量とチップサイズはますます増大の方向にある。ま
た、宇宙通信や自動車電話などの通信機回路に用いられ
る高周波トロンジスタ，レーザーダイオードでは高電流
密度で動作させるために発熱が特に著しくなっている
（例えば10⁴W/cm²以上）。したがって、放熱が極めて重
要であり、そこで従来実現されている熱伝導率よりも高
い180W/m・Ｋ以上，好ましくは200W/m・Ｋ以上の熱伝導
率を持つものが要求され始めており、かかる要求に応え
る材料の出現が望まれている。

本発明の目的は、かかる実情に鑑み、電子部品用として
十分に高い180W/m・Ｋ以上の熱伝導率を有するとともに
良好な機械的強度も有する窒化アルミニウム焼結体を提
供することである。

［発明を解決するための手段］本願発明は、重量比で、５％以下のディスプロシウム酸
化物および残部実質的に窒化アルミニウムからなり、残
存するカーボン量および酸素の量が夫々0.01〜0.1％お
よび１％以下であることを特徴とする窒化アルミニウム
焼結体である。また、その熱伝導率は180W/m・Ｋ以上で
あることを特徴とするものである。本発明における窒化
アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウムを主相とする
ものであって、ディスプロシウムの酸化物を主体とする
第２相は３容量％以下と少ないものであることが好まし
い。第２相が少ないことによって、より高熱伝導率のも
のが実現できるためである。

本願窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粉末
を主体として0.5〜13重量％のディスプロシウム酸化物
粉末を配合してなる粉末に、１重量％以下の炭素を配合
し、混合し成形した後、不活性雰囲気中で1700〜2000℃
の温度で焼結することにより製造することができる。

本発明者らは、粒界に存在する第２相は熱伝導率の向上
を阻害するものであるとの観点に立ち、その減少を図る
ことによって特性を改善することを試みて本発明を成し
たものである。

本発明における添加カーボンの作用は必ずしも明確にさ
れていないが、比較的低い温度領域（約1000℃以上）で
生ずる固相反応過程においては、主として添加したカー
ボンが窒化アルミニウム原料粉末に含有されている酸素
を脱酸する（例えばAIN粒子表面のAl₂O₃層の厚さを薄く
する）ように作用し、さらに高温度（約170℃以上）の
液相焼結過程領域においては、粒界面および３重点に第
２相として形成され存在している希土類金属および／ま
たはアルミニウムの酸化物などを還元し、その存在量を
減少せしめるように作用するものと考えられる。このこ
とは、本発明による焼結体において、ディスプロシウム
などが脱酸されるとともに窒素雰囲気により窒化されて
形成されたようなディスプロシウム窒化物層が、表面部
分に約0.3mm程度形成される場合のあることなどから推
測されるものである。すなわち、本発明においては、比
較的低い温度領域では希土類金属／アルミニウムの酸化
物などのうちの主としてアルミニウムを脱酸し、より高
い温度領域ではディスプロシウムを脱酸し、粒界面およ
び３重点に存在する第２相を分離・移動せしめ減少させ
ているものと考えられる。したがって、本発明による窒
化アルミニウム焼結体中に残存する第２相は極めて少い
のが特徴である。

本発明において、より低い温度領域からカーボンと希土
類金属酸化物とを反応させ、容易に第２相が粒界から抜
けるようにするためには、窒化アルミニウムの焼結助剤
として良く知られているイットリウムよりも、ディスプ
ロシウムを用いた場合のほうが好ましい結果が得られ
る。

本発明においては、通常、各原料粉末を個々に配合し混
合して使用するが、例えば、Dyのアルコキシドを含有す
るAIN粒子の分散液を生成し、これを加水分解し沈澱物
を仮焼して得られるAIN粒子の外周に酸化ディスプロシ
ウムの微粉が付着した複合粉末を用いても良い。この場
合には、窒化アルミニウム結晶粒子相の平均粒径が２〜
10μｍ程度であり酸素含有の極めて少ない焼結体を得る
ことが出来る利点がある。一方、窒化アルミニウム結晶
粒子の平均粒径が２μｍ未満であると窒化アルミニウム
結晶粒子間の３重点などにディスプロシウム酸化物が移
動しにくく、10μｍを越えると焼結体の機械的強度が低
下する。尚、より望ましい平均粒径範囲は３〜７μｍで
ある。

また、窒化アルミニウム結晶粒子相の割合は95.7容量％
以上であることが望ましく、残余は実質的にディスプロ
シウム酸化物相などからなる第２相である。第２相とし
ての酸化物の割合が５重量％を超えると、窒化アルミニ
ウム結晶粒子間の３重点などへ酸化物相が多く残存する
ので熱伝導率が低くなる。したがって、５重量％以下と
することが望ましく、より好ましくは３重量％以下が良
い。一方、第２相があまりにも少なくなると、焼結性が
悪くなり強度も低くなるので、全く存在しないよりは、
ある程度第２相が存在することが望ましい。すなわち、
0.1容量％程度（ディスプロシウム酸化物換算で約0.2重
量％程度）以上は、第２相がある方が好ましい。したが
って、残存する酸素は少なくとも約0.01〜0.02重量％程
度以上ある方が好ましいといえるこのような組成及び組織状態を有する本発明窒化アルミ
ニウム焼結体は理論密度の99％以上の密度を有する。密
度が99％未満であると上記組成及び組成上の要件を満た
していても十分な熱伝導性が得られず、また機械的強度
も劣る。密度は好ましくは99.4％以上、特に99.9％以上
であれば優れた特性のものが得られる。

また、このような本発明の窒化アルミニウム焼結体は室
温において180W/m・Ｋ以上の熱伝導率及び30kg/mm²以上
の曲げ強度を有する。

本発明の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を得るため
には、窒化アルミニウム粉末とディスプロシウムの酸化
物粉末およびカーボン粉末とを混合し、成形後焼結すれ
ばよい。尚、熱伝導率が高く、かつ焼結性も十分な窒化
アルミニウム焼結体を安定して製造するためには、焼結
条件に留意することが望ましく、常圧の窒素雰囲気中
で、1800〜2000℃の温度で焼結することが好ましい。ま
た、諸条件に考慮をすれば、その他の特殊な焼結法、例
えば、ホットプレス法、HIP法等を用いることもできる
ことはいうまでもない。

［実施例］本発明を実施例により、更に詳細に説明する。

実施例１平均粒子径0.5μｍの市販の窒化アルミニウム粉末（酸
素含有量1.2重量％）に、平均粒子径６μｍのDy₂O₃粉末
を７重量％配合したもの100重量％に対し、平均粒径が
数10〜100ÅのＣ粉末0.37重量％を配合し、エチルアル
コール500cc入れたプラスチック製ボールミル容器中で
プラスチックボールを用いて24時間混合した。混合後乾
燥、造粒、成形し、１気圧のN₂ガス中で1900℃の温度に
て50時間かけて焼結した。

得られた焼結体の熱伝導率を測定したところ230W/m・Ｋ
であった。また、Dy₂O₃の含有量は0.3重量％であり、Ｃ
量は0.03重量％、酸素量は0.099〜0.122重量％であっ
た。尚、Dy₂O₃の分析は蛍光Ｘ線分析法で行い、Ｃおよ
び酸素の含有量は燃焼法により分析した。また、SEM
（走査型電子顕微鏡）による破断面の組織観察写真を第
１図（ｂ）を示す。第１図（ｂ）においても、Dy等を含
有する第２相の存在は殆ど観察されない。したがって、
本発明による窒化アルミニウム焼結体には、第２相が非
常に少なく存在し、かつ残存するＣおよび酸素が少ない
こと、とりわけ酸素量が極めて少ないという特徴がある
ことがわかる。

一方、比較のためにＣ粉末を配合せず、焼結を1800℃,1
時間で行なったほかは、上記と全く同様にして作製した
窒化アルミニウム焼結体のSEMによる組織観察写真を第
１図（ａ）に示す。本発明のものとは異なり、３重点な
どにDy₂O₃を含む第２相が比較的多く存在していること
が明らかである。尚、この焼結体の熱伝導率は120W/m・
Ｋであり、Dy₂O₃の量は7.0重量％、酸素量は1.0重量％
であった。

実施例２平均粒子径が0.5μｍの窒化アルミニウム粉末（酸素含
有量1.2重量％）に平均粒子径が６μｍのDy₂O₃粒子を第
１表に示す各量を配合したもの100重量％に対し、Ｃ微
粉末を0.35重量％配合し、エチルアルコール500ccを入
れたプラスチック製ボールミル容器中でプラスチックボ
ールを用いて24時間混合した。混合後真空中で乾燥し、
１気圧のN₂ガス中で、第１表に示す各条件で焼結した。
得られた焼結体の熱伝導率を第１表に示す。また、走査
型電子顕微鏡による組織観察の結果、Dy等を含有する第
２相の量は非常に少なく、いずれも３容量％以下である
ことが確認できた。

第１表に示した結果から本発明におけるDy₂O₃の添加量
は、焼結条件との兼ね合いもあるが、通常は、0.5〜1.3
重量％程度であれば良いことがをわかる。

実施例３実施例３と同じ原料粉末を使用し、窒化アルミニウムに
Dy₂O₃粉末を７重量％配合したもの100重量％と、第２表
に示す各量のＣ粉末とをそれぞれ配合し、ボールミルで
混合後乾燥し、成形後１気圧のN₂ガス中で1900℃×５時
間の焼結条件で焼結した。得られた焼結体の熱伝導率、
密度、Dy₂O₃量、カーボン量および酸素量などを第２表
に示す。本発明による焼結体が、Ｃ無添加よりも良い熱
伝導率を示すこと、焼結体中の第２相の量および酸素量
が極めて少ないことなどが明らかである。

また、第２図は、カーボンの添加量が０％,0.2％,0.4
％，および0,6％の各場合について、1800℃,2時間焼結
し得た焼結体の破断面組織のSEM観察写真である。この
図から、カーボンの含有量が少ない場合、第２相は３重
点以外の粒界面にも多く存在するが、カーボン量が増え
るに従い粒界面の第２相は少なくなるなど、残存する第
２相の量および部位が変化していることがわかる。

実施例４平均粒子径0.5μｍの窒化アルミニウム粉末（酸素含有
量1.2重量％）に平均粒子径６μｍのDy₂O₃粒子を５重量
％を配合したもの100重量％に対し、Ｃ微粉末0.3重量％
を配合し、１気圧のN₂ガス中で、1800℃の温度で10時間
焼結し、10mm×100mm×2mmの大きさの板状窒化アルミニ
ウム焼結体を作成した。得られた焼結体の熱伝導率は19
3W/m・Ｋであった。次いで、この板状焼結体を酸素分圧
が約0.2気圧の雰囲気において1000℃に加熱し、20分保
持して厚さ約１μｍのアルミナ表面層を形成した。次に
上記アルミナ層の表面に、蒸着法により膜厚0.3μｍの
チタン層、膜厚0.7μｍのニッケル層、および0.25μｍ
の金の層を夫々順次形成して電子部品を構成するための
半導体基板を作製した。

得られた半導体基板上に溶融はんだを載せ、はんだとの
濡れ性および窒化アルミニウムの侵食状態を調べたとこ
ろ、主として金がはんだん構成する錫および鉛とを合金
層を形成することにより、濡れ性が充分に確保されると
ともに窒化アルミニウムへの侵食は全く無いことが確認
できた。また、この半導体基板の表裏にエポキシシ樹脂
を介してアルミニウムピンを固着し、接合強度の評価を
行なったところ、接合強度は7Kg/mm²以上もあり、形成
された表面層各層間は相互に強固に密着していることが
わかった。

なお、本実施例においては、熱処理することによりアル
ミナ表面層を形成したが、電子部品の用途によっては必
ずしもこの表面層の形成を必要としないことは言うまで
もない。また、本実施例ではニッケル層、チタン層、お
よび金の層を形成したが、用途によって銀など他の金属
または合金層を表面層として選択して良いことは勿論で
あり、その形成方法もメッキ法との組合せなど、蒸着以
外の方法を採用することも可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明は、残存酸素量を極めて少
なくし、ディスプロシウムの酸化物を主体とする第２相
が殆ど存在しない窒化アルミニウム焼結体としたことに
より、厚肉材料においてもその熱伝導率が高く、180W/m
・Ｋ以上の優れた特性を有するものであるから、熱伝導
または放熱などの働きを求められる例えば内部配線を設
けた多層基板などのような電子部品の基板、キャップあ
るいはケースなどを構成する部材として優れた効果を発
揮出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、カーボンを所定量添加して焼結
して得た本発明による窒化アルミニウム焼結体と、カー
ボンを添加しない従来の焼結体との破断面をSEM（走査
型電子顕微鏡）により観察した金属組織写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で、５％以下のディスプロシウム酸
化物および残部実質的に窒化アルミニウムからなり、残
存するカーボン量および酸素の量が夫々0.01〜0.1％お
よび１％以下であることを特徴とする窒化アルミニウム
焼結体。