JPH07309663A

JPH07309663A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH07309663A
Application number: JP6121908A
Authority: JP
Inventors: Jun Monma; 旬門馬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-05-11
Filing date: 1994-05-11
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【目的】強度特性および熱伝導特性を改善した窒化アル
ミニウム焼結体およびその製造方法を提供する。【構成】炭化タンタル（ＴａＣ）および炭化ニオブ（Ｎ
ｂＣ）の少なくとも一方から成る析出物を０．０１〜
１．０mol%含有することを特徴とする。また窒化アルミ
ニウム焼結体の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である
ことを特徴とする。

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焼結体
およびその製造方法に係り、特に強度特性および熱伝導
特性を改善した窒化アルミニウム焼結体およびその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置や電子機器の小形化や
機能向上に対する技術的要請が高まり、それに伴って半
導体は集積密度の向上，多機能化，高速化，高出力化，
高信頼化の方向に急速に進展している。これらに対応し
て半導体素子から発生する熱量は益々増加しており、従
来汎用のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基板に代わる放熱特性
が優れた半導体素子搭載用基板が求められている。

【０００３】窒化アルミニウム焼結体は、優れた電気絶
縁性を有し、かつアルミナと比較して高い熱伝導性を有
するという特異な物性を有しているため、半導体素子搭
載用基板をはじめとし、各種放熱部品材料および絶縁性
基板として利用範囲が拡大している。

【０００４】従来上記窒化アルミニウム焼結体は一般的
に下記の製造方法によって量産されている。すなわち、
窒化アルミニウム原料粉末に焼結助剤と、有機バインダ
と、必要に応じて各種添加剤や溶媒、分散剤とを添加し
て原料混合体を調製し、得られた原料混合体をドクター
ブレード法や泥漿鋳込み法によって成形し、薄板状ない
しシート状の成形体としたり、原料混合体をプレス成形
して厚板状ないし大型の成形体を形成する。次に得られ
た成形体は、空気または窒素ガス雰囲気において加熱さ
れ脱脂処理され、有機バインダとして使用された炭化水
素成分等が成形体から排除脱脂される。そして脱脂され
た成形体は窒素ガス雰囲気等で高温度に加熱され緻密化
焼結されて窒化アルミニウム焼結体が形成される。

【０００５】上記製造方法において、原料ＡｌＮ粉末と
して平均粒径が０．５μｍ以下程度の超微細な原料粉末
を使用する場合は、ＡｌＮ粉末単独でもかなりの緻密な
焼結体が得られる。しかしながら、原料粉末表面等に付
着した多量の酸素等の不純物が焼結時に、ＡｌＮ結晶格
子中に固溶したり、格子振動の伝播を妨げるＡｌ−Ｏ−
Ｎ化合物等の複合酸化物を生成する結果、焼結助剤を使
用しないＡｌＮ焼結体の熱伝導率は比較的低かった。

【０００６】一方原料粉末として平均粒径１μｍ以上の
ＡｌＮ粉末を使用する場合は、その原料粉末単独では焼
結性が良好でないため、ホットプレス法以外には助剤無
添加では緻密な焼結体を得ることが困難であり、量産性
が低い欠点があった。そこで常圧焼結法によって効率的
に焼結体を製造しようとする場合には、焼結体の緻密化
およびＡｌＮ原料粉末中の不純物酸素がＡｌＮ結晶粒子
内へ固溶することを防止するために、焼結助剤として、
酸化イットウリム（Ｙ₂Ｏ₃）などの希土類酸化物や酸
化カルシウムなどのアルカリ土類金属酸化物等を添加す
ることが一般に行なわれている。

【０００７】これらの焼結助剤は、ＡｌＮ原料粉末に含
まれる不純物酸素やＡｌ₂Ｏ₃と反応して液相を形成
し、焼結体の緻密化を達成するとともに、この不純物酸
素を粒界相として固定し、高熱伝導率化も達成するもの
と考えられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の製造方法においては、本来、ＡｌＮと液相化合物との
濡れ性が低く、また液相自体が偏析し易い性質を有する
ことから、焼結後に液相が凝固する際に、液相はＡｌＮ
粒子の間隙部に偏在するように残留し、凝固して粗大で
脆弱な粒界相を形成する傾向がある。また、結晶粒の粒
成長が進行し易く、平均粒径が５〜１０μｍと粗大な結
晶粒が形成され易く、また微小な気孔が消滅せずに結晶
粒内に残存し、焼結体の緻密化を阻害し、最終的に３点
曲げ強度が３５０〜４００ＭＰａ程度の低強度であり、
破壊靭性値も低い窒化アルミニウム焼結体しか得られな
い問題点があった。このように構造部材としての強度が
不足するため、加工時に損傷したり、窒化アルミニウム
焼結体で形成した半導体基板を実装ボードに装着する際
に作用する僅かな曲げ応力や取扱時に作用する衝撃力に
よって半導体基板が損傷し、半導体回路基板の製造歩留
りが大幅に低下してしまう問題点があった。

【０００９】一方、上記従来の製造方法において、脱脂
後における成形体の炭素含有量が多い場合には、焼結し
難くなり充分に緻密化しないＡｌＮ焼結体が形成され易
い問題点があった。一方、充分に緻密化した場合におい
ても、脱脂成形体中の炭素含有量が部分的に異なる場合
には、焼結体の寸法精度が低下したり、大きな反りを発
生したりして、いずれにしろＡｌＮ基板の製造歩留りが
低下し易い難点があった。

【００１０】上記難点を克服するために酸化物などの焼
結助剤を多量に添加した場合には、二次相（液相）の発
生量が多くなり、焼結体表面に偏析して表面粗度を大き
くするために、仕上げ等の後加工が困難になる場合が多
かった。さらに酸化物の添加量を増加させると、窒化ア
ルミニウム内に固溶する酸素量が増え、また熱抵抗とな
る酸化物層が焼結体組織中に形成され易くなり、ＡｌＮ
焼結体本来の高熱伝導性が損われる問題があった。

【００１１】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、強度特性および熱伝導特性を改善し
た窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願発明者は上記目的を
達成するため、原料窒化アルミニウム粉末に添加する焼
結助剤や添加物の種類や添加量を種々変えて、それらが
焼結体の結晶組織構成相、強度特性および伝熱特性に及
ぼす影響について比較検討を進めた。

【００１３】その結果、所定の焼結助剤の他に添加剤と
して酸化タンタルや酸化ニオブ粉末を添加し、さらに成
形に必要な炭素化合物を添加したＡｌＮ原料混合体を成
形し、脱脂後における炭化含有量を所定範囲に設定して
焼成することにより、焼結一次粒子中，あるいは粒界相
または焼結粒子間に跨るように針状あるいは柱状の炭化
タンタル（ＴａＣ）や炭化ニオブ（ＮｂＣ）の析出物が
分散した高靭性高強度のＡｌＮ焼結体が得られるという
知見を得た。

【００１４】また原料混合体中に酸化タンタルや酸化ニ
オブなどの酸化物を添加することにより、これらの酸化
物が脱脂成形体中に残留していた過剰量の炭素成分と焼
成時に反応して安定な炭化物を形成する。すなわち過剰
な残留炭素が炭化タンタル（ＴａＣ）や炭化ニオブ（Ｎ
ｂＣ）の形で除去できるため、酸素含有量を増加させる
ことなく、二次相の偏析量や変形が少なく、緻密で熱伝
導率が高いＡｌＮ焼結体が得られるという知見も得た。
本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものであ
る。

【００１５】すなわち本発明に係る窒化アルミニウム焼
結体は、炭化タンタル（ＴａＣ）および炭化ニオブ（Ｎ
ｂＣ）の少なくとも一方から成る析出物を０．０１〜
１．０mol%含有することを特徴とする。また窒化アルミ
ニウム焼結体の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である
ことを特徴とする。

【００１６】さらに本発明に係る窒化アルミニウム焼結
体の製造方法は、焼結助剤として周期律表IIa 族および
IIIa族から選択される少なくとも１種の元素の化合物を
１〜１０重量％含有する窒化アルミニウム粉末に、酸化
タンタルおよび酸化ニオブの少なくとも一方を０．０１
〜１．０mol%と、有機添加物等の炭素化合物とを添加し
た原料混合体を成形して成形体を調製し、得られた成形
体を脱脂して脱脂後の炭素含有量が０．１〜１．５重量
％となるように調整し、しかる後に脱脂した成形体を非
酸化性雰囲気中にて焼結することを特徴とする。

【００１７】本発明方法において使用され、焼結体の主
成分となる窒化アルミニウム原料（ＡｌＮ）粉末として
は、焼結性および熱伝導性を考慮して不純物酸素含有量
が１．３重量％以下に抑制され、平均粒径が０．０５〜
２μｍ程度、好ましくは１．５μｍ以下の微細なＡｌＮ
粉末を使用する。

【００１８】周期律表IIIa族元素，IIa 族元素の化合物
は、焼結助剤として作用し、ＡｌＮ焼結体を緻密化する
ために、ＡｌＮ原料粉末に対して１〜１０重量％の範囲
で添加される。上記焼結助剤の具体例としては希土類元
素（Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｄｙなど）の酸化物、窒化物、フ
ッ化物、アルカリ土類金属（Ｃａ）の酸化物、もしくは
焼結操作によりこれらの化合物となる物質が使用され、
特に酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化ジスプロシウ
ム（Ｄｙ₂Ｏ₃）や炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）が好
ましい。上記焼結助剤の総添加量が１重量％未満の場合
は、焼結性の改善効果が充分に発揮されず、焼結体が緻
密化されず低強度の焼結体が形成されたり、ＡｌＮ結晶
中に酸素が固溶し、高い熱伝導率を有する焼結体が形成
できない。一方総添加量が１０重量％を超える過量とな
ると、焼結助剤としての効果は飽和状態に達して無意味
となるばかりでなく、却って焼結して得られるＡｌＮ焼
結体の熱伝導率が低下する一方、粒界相が焼結体中に多
量に残存したり、焼結体表面に析出し、外観を著しく損
う等の問題を生じる。

【００１９】窒化アルミニウム粉末に添加される酸化タ
ンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）および酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）
は、成形体中に残留する過剰量の炭素成分と焼結時に反
応し、安定な炭化タンタル（ＴａＣ）および炭化ニオブ
（ＮｂＣ）を形成するために無機質原料混合体に対して
０．０１〜１．０mol%の範囲で添加される。

【００２０】上記Ｔａ₂Ｏ₅およびＮｂ₂Ｏ₅は、Ａｌ
Ｎ焼結体の焼結一次粒子中または粒界相中あるいは焼結
粒子間に跨るように、針状または柱状のＴａＣまたはＮ
ｂＣの安定した析出物を形成する。上記ＴａＣおよびＮ
ｂＣなどの金属炭化物は、ＡｌＮの一般的な焼結雰囲気
である窒素ガス雰囲気中において１５００〜１９５０℃
の焼結温度範囲で、ＴａやＮｂ単体やその酸化物，窒化
物よりも熱力学的に安定であり、焼結体中に安定した構
成相を部分的に形成する。上記析出物の存在により、破
壊亀裂の進行が効果的に防止され高靭性高強度のＡｌＮ
焼結体が得られる。また、窒化アルミニウム焼結体の破
壊が進行する際に、上記針状または柱状の析出物が粒子
内部または粒界相から引き抜かれる力が生じ、この引抜
効果も破壊進行を抑制する。

【００２１】上記Ｔａ₂Ｏ₅およびＮｂ₂Ｏ₅の少なく
とも一方の添加量が０．０１mol%未満の場合には、焼結
体中に形成されるＴａＣおよびＮｂＣの析出物生成量が
少なく、析出物による焼結体の高靭性化および高強度化
の効果が少ない上に、残留炭素の除去効果が少なくな
り、変形や反りが発生し易くなる。一方、上記Ｔａ₂Ｏ
₅およびＮｂ₂Ｏ₅の添加量が１．０mol%を超えると、
熱抵抗となる酸化物層が多くなりＡｌＮ焼結体の熱伝導
率が低下してしまう。

【００２２】炭素化合物としては、成形体の保形に使用
される有機バインダ（ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）
などの熱可塑性樹脂，パラフィン，ステアリン酸など）
の他、アルコール系および芳香族系炭化水素などから成
る溶剤，ジブチルフタレート（ＤＢＰ）などの可塑剤，
ステアリン酸塩などの滑剤などが適宜使用され、原料Ａ
ｌＮ粉末に対して５〜２０重量％程度の割合で添加され
る。

【００２３】成形法としては、汎用の金型プレス法、泥
漿鋳込み法、静水圧プレス法、あるいはドクターブレー
ド法のようなシート成形法などが適用できる。

【００２４】上記成形操作に引き続いて、成形体を非酸
化性雰囲気中、例えば窒素ガス雰囲気中で温度３００〜
７００℃で６〜８時間加熱して、予め添加していた有機
バインダ等の炭素化合物を脱脂除去する。

【００２５】ここで脱脂後における成形体に残留する炭
素量は、焼結体の靭性を高めるＴａＣやＮｂＣの生成量
および焼結体の品質特性に大きく影響し、本発明では
０．１〜１．５重量％の範囲に設定される上記脱脂成形
体の残留炭素量が０．１重量％未満の場合には焼結体中
に形成されるＴａＣおよびＮｂＣの析出量が不充分とな
りＡｌＮ焼結体の高強度化を図ることが困難になる。一
方、残留炭素量が１．５重量％を超える場合には、Ａｌ
Ｎ焼結体の緻密化が困難になるとともに、過剰に残留し
た炭素成分によってＡｌ焼結体に反りを生じたりして寸
法精度が大幅に低下してしまう。したがって、脱脂後に
おける成形体の残留炭素量は上記範囲が望ましい。

【００２６】次に脱脂処理された複数のシート状の成形
体は、例えばセラミックス焼結粉から成るしき粉を介し
て焼成炉内において多段に積層され、この配置状態で複
数の成形体は一括して所定温度で焼結される。焼結操作
は、窒素ガスなどの非酸化性雰囲気で成形体を温度１６
５０〜１９００℃で２〜１０時間程度加熱して実施され
る。焼結雰囲気は、ＡｌＮと反応しない非酸化性雰囲気
あればよいが、通常は窒素ガス、または窒素ガスを含む
還元性雰囲気で行なう。還元性ガスとしてはＨ₂ガス、
ＣＯガスを使用してもよい。なお、焼結は真空（僅かな
還元雰囲気を含む）、減圧、加圧および常圧を含む雰囲
気で行なってもよい。焼結温度が１６５０℃未満と低温
状態で焼成すると、原料粉末の粒径、含有酸素量によっ
て異なるが、緻密化が困難であり、強度および熱伝導性
などの特性に難点が生じ易い一方、１９００℃より高温
度で焼成すると、二次相成分の焼結体表面への析出が過
剰となり、外観を損うため、焼結温度は上記範囲が好ま
しい。

【００２７】そして上記ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤，酸
化タンタルおよび酸化ニオブの少なくとも一方，および
炭素化合物を添加した所定の組成を有する原料混合体を
成形、脱脂、焼結することにより、平均結晶粒径が５〜
１０μｍ程度である微細な結晶組織を有し、熱伝導率が
１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ曲げ強度が３００Ｍ
Ｐａ以上である高強度のＡｌＮ焼結体が得られる。

【００２８】

【作用】上記構成に係る窒化アルミニウム焼結体および
その製造方法によれば、周期律表IIIa族元素，IIa 族元
素の化合物から成る焼結助剤とともに所定量の酸化タン
タルおよび酸ニオブの少なくとも一方を複合添加してＡ
ｌＮ焼結体としているため、酸化タンタルや酸化ニオブ
などの酸化物が脱脂成形体中に残留していた過剰量の炭
素成分と焼成時に反応して安定な炭化物を形成する。す
なわち過剰な残留炭素が炭化タンタル（ＴａＣ）や炭化
ニオブ（ＮｂＣ）の形で除去できるため、酸素含有量を
増加させることなく、二次相の偏析量や変形が少なく、
緻密で熱伝導率が高いＡｌＮ焼結体が得られる。

【００２９】また上記Ｔａ₂Ｏ₅およびＮｂ₂Ｏ₅は、
ＡｌＮ焼結体の焼結一次粒子中または粒界相中あるいは
焼結粒子間に跨るように、針状または柱状のＴａＣまた
はＮｂＣの安定した析出物を形成する。この析出物の存
在により、破壊亀裂の進行が効果的に防止され高靭性高
強度のＡｌＮ焼結体が得られる。また、窒化アルミニウ
ム焼結体の破壊が進行する際に、上記針状または柱状の
析出物が粒子内部または粒界相から引き抜かれる力が生
じ、この引抜効果も破壊進行を抑制する。したがって、
機械的強度特性に優れた窒化アルミニウム焼結体が得ら
れる。

【００３０】

【実施例】次に下記の実施例を参照して本発明に係る窒
化アルミニウム焼結体をより具体的に説明する。

【００３１】実施例１〜２１および比較例１〜１４不純物として酸素を０．８重量％含有し、平均粒径１μ
ｍの窒化アルミニウム粉末に対して、表１に示すように
焼結助剤としてのＹ₂Ｏ₃を５重量％添加した原料粉に
純度９９．９９％の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）粉末
を、０．１〜１．０mol%の範囲内で添加し、この粉末に
対して、窒素中での脱脂後の炭素含有量が０．１〜１．
５重量％の範囲となるように炭素化合物としてのＰＶＢ
樹脂を添加した。さらにアルコール系および芳香族系炭
化水素溶剤の混合液を添加し、ボールミルにて２４時間
混合して実施例用のスラリーを調製した。

【００３２】一方、Ｔａ₂Ｏ₅粉末を全く添加しない
（比較例１〜４）点およびＴａ₂Ｏ₅粉末を１．５〜
２．０mol%と過量に添加した（比較例７〜１４）点、脱
脂後の炭素含有量を過大に設定した（比較例５，６）点
以外は実施例と同様に処理して比較例用のスラリーを調
製した。

【００３３】次に調製した各スラリーをドクターブレー
ド法によってシート状に成形し、得られた複数のシート
状成形体を積層熱圧着して厚さ８mmの積層体とし、各積
層体を窒素中で温度３００〜７００℃で５〜８時間加熱
して脱脂処理を行なった。その結果、表１に示すように
脱脂後の残留炭素量が０．０５〜２．１重量％の範囲に
設定された各積層体を得た。なお、脱脂後の残留炭素量
は積層体のサンプル毎に測定した。

【００３４】次に各脱脂積層体を窒素ガス雰囲気中で温
度１８５０℃にて５時間焼結することにより、実施例お
よび比較例に係るＡｌＮ焼結体を製造した。

【００３５】そして得られた各ＡｌＮ焼結体についてア
ルキメデス法により密度を測定するとともに、各焼結体
から１辺が１２mmで厚さ３mmの試験片を切り出し、レー
ザフラッシュ法による熱伝導率測定試験に供した。上記
脱脂後の残留炭素量，焼結体密度および熱伝導率の測定
結果を下記表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】また上記実施例および比較例のうち、特に
緻密化したＡｌＮ焼結体（実施例６，１１，１７，２０
および比較例１，７，１１）について、縦３mm×横４mm
×長さ５０mmの形状に加工して試験片を形成し、３点曲
げ抗折試験を実施し、最大抗折強度を測定した。また炭
化タンタル（ＴａＣ）は導電性物質であるため、上記各
ＡｌＮ焼結体の電気絶縁性の良否を確認するために体積
抵抗率の測定も実施した。さらに上記緻密化した各Ａｌ
Ｎ焼結体について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）およびＸ
線分光分析装置を使用して微構造を観察し、さらに粉末
Ｘ線回折法を使用して焼結体の構成相の同定を行なっ
た。上記緻密化したＡｌＮ焼結体の抗折強度，体積抵抗
率および構成相の測定同定結果を下記表２に示す。なお
表２の構成相を示す記号において、ＹＡＭはＹ₄Ａｌ₂
Ｏ₉を、ＹＡＬはＹＡｌＯ₆を，ＹＡＧはＹ₃Ａｌ₅Ｏ
₁₂をそれぞれ示す。

【００３８】

【表２】

【００３９】またＴａ₂Ｏ₅と焼結体の抗折強度との関
係を図１に示すとともに、Ｔａ₂Ｏ₅添加量との焼結体
の熱伝導率との関係を図２に示す。図２に示すように、
Ｔａ₂Ｏ₅の添加量に比例してＡｌＮ焼結体の熱伝導率
は低下する一方、図１に示すように、Ｔａ₂Ｏ₅の添加
量を０．１〜０．６mol%の範囲に設定することにより、
ＡｌＮ焼結体の抗折強度が高まる傾向が判明する。した
がってＡｌＮ焼結体の要求特性に応じてＴａ₂Ｏ₅の添
加量を適正な範囲に設定することにより、強度特性およ
び熱伝導特性が好適なＡｌＮ焼結体を調製することがで
きる。

【００４０】さらに表１に示す結果から明らかなよう
に、脱脂後における成形体の残留炭素量が大きい比較例
５，６の場合や酸化タンタンルが添加されない比較例１
〜４の場合には、焼結体の緻密化が困難となり、密度が
低くなる。一方、酸化タンタルの添加量が過大である場
合（比較例７〜１４）にはＡｌＮ焼結体の熱伝導率が低
下してしまう。したがって、酸化タンタルの添加量と脱
脂後の成形体の残留炭素量を適正な範囲に設定すること
により、緻密化した高熱伝導率のＡｌＮ焼結体が得られ
ることが判明した。

【００４１】また表２に示す結果から明らかなように、
Ｔａ₂Ｏ₅を０．１〜１．５mol%の範囲で添加した原料
混合体で調製したＡｌＮ焼結体においては、体積抵抗率
が１０¹³Ω・cm以上となるため、半導体素子搭載用基板
としての電気絶縁性は満足される。

【００４２】またＴａ₂Ｏ₅を添加したＡｌＮ焼結体に
おいては、結晶組織の構成相として炭化タンタル（Ｔａ
Ｃ）が観察され、この炭化タンタルの補強効果によって
抗折強度が高まることも確認できた。

【００４３】図３は実施例６に係るＡｌＮ焼結体の微細
結晶構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であ
る。図３において、黒色のＡｌＮ結晶粒子の間に白色斑
点状に観察されるものが、針状ないし柱状のＴａＣ析出
物である。このＴａＣ析出物によりＡｌＮ結晶粒子の接
合強度が高まり、高い靭性が発現されるものと考えられ
る。

【００４４】図４および図５はそれぞれ実施例１１，１
７に係るＡｌＮ焼結体の結晶組織のＸ線分析結果を併示
した走査型電子顕微鏡写真である。すなわち図４および
図５は水平方向に白線で示した走査線に沿ってＳＥＭで
Ｔａ元素のライン分析を行ない、その分析波形を併示し
たＳＥＭ写真である。図４および図５において明らかな
ように、走査線上に白い斑点で明示された箇所において
分析波形のピークが観察されており、この部分において
Ｔａの濃縮が進行しＡｌＮ結晶組織中にＴａＣが分散す
るように析出して組織を補強していることがわかる。

【００４５】上記図４〜５および表１〜２に示す結果か
ら明らかなように、Ｔａ₂Ｏ₅を添加することにより、
ＡｌＮ結晶粒子間に針状または柱状のＴａＣが析出生成
し、Ｔａ₂Ｏ₅を添加していないＡｌＮ焼結体と比較し
て、添加割合が０．１〜０．６mol%の範囲内で抗析強度
が上昇することが確認できた。

【００４６】また、表２に示すように、導電性を有する
Ｔａ₂Ｏ₅の増大に伴ってＡｌＮ焼結体の体積抵抗率が
低下することが判明しているが、添加量が１．５mol%以
下であれば体積抵抗率は１０¹³Ω・cmとなり、半導体素
子搭載用基板に必要な電気絶縁性は充分に保持されるこ
とが判明した。

【００４７】また熱伝導率についても、図２に示すよう
にＴａ₂Ｏ₅添加量の増大とともに低下する傾向がある
ものの、表１に示す通り、添加量が０．６mol%以下の範
囲においては、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の値が得られてお
り、実用上、充分な放熱特性が得られることが判明し
た。

【００４８】実施例２２〜２３および比較例１５五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）に代えて純度９９．９９
％の五酸化ニオブ（（Ｎｂ₂Ｏ₅）を０．３mol%（実施
例２２），０．６mol%（実施例２３），１．５mol%（比
較例１５）をそれぞれ添加して原料混合体を調製した以
外は、実施例１１，実施例１７，比較例７と同様に処理
してそれぞれＡｌＮ焼結体を調製し、同様に抗折強度，
熱伝導率，体積抵抗率および構成相を測定し、下記表３
に示す結果を得た。

【００４９】

【表３】

【００５０】表３に示す結果から明らかなように、五酸
化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）代えて五酸化ニオブ（Ｎｂ₂
Ｏ₅）を添加してＡｌＮ焼結体を形成した場合において
も焼結体粒子の内部あるいは界面に、針状ないし柱状の
酸化ニオブ（ＮｂＣ）が析出し、高い抗折強度を有する
高熱伝導性ＡｌＮ焼結体が得られた。

【００５１】実施例２４焼結助剤としての酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を３重
量％添加した窒化アルミニウム粉末に０．７５mol%の割
合で五酸化タンタルを添加して原料混合体とし、この原
料混合体に７重量％のポリビニルブチラールをバインダ
として添加してスラリーとし、このスラリーをドクター
ブレード法にて成形してシート状成形体を調製した。次
に得られた複数のシート状成形体を積層して厚さ８mmの
積層体とし、この積層体を窒素気流中で温度７００℃で
５時間保持して脱脂処理し、脱脂後における積層体の残
留炭素量を測定した。

【００５２】さらに脱脂した積層体を窒素雰囲気中にお
いて温度１８５０℃にて３時間焼結してＡｌＮ焼結体を
得た。

【００５３】実施例２５配線金属用タングステン粉末に３重量％のエチルセルロ
ース系樹脂バインダを添加して配線金属組成物を調製
し、実施例２４において製造したシート状成形体の表面
に、上記配線金属組成物を印刷して所定の配線パターン
を形成した。そして配線パターンを形成した複数のシー
ト状成形体を積層して厚さ８mm積層体とし、積層体を窒
素気流中で温度７００℃で５時間保持して脱脂処理し、
脱脂後における積層体の残留炭素量を測定した。

【００５４】さらに脱脂した積層体を窒素雰囲気中にお
いて温度１８５０℃にて３時間焼結してＡｌＮ同時焼結
基板を得た。

【００５５】比較例１６焼結助剤としての酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を３重
量％添加した窒化アルミニウム粉末に五酸化タンタルの
代りに０．７５mol%の割合で酸化アルミニウムを添加し
て原料混合体とし、この原料混合体に７重量％のポリビ
ニルブチラールをバインダとして添加してスラリーと
し、このスラリーをドクターブレード法にて成形してシ
ート状成形体を調製した。次に得られた複数のシート状
成形体を積層して厚さ８mmの積層体とし、この積層体を
窒素気流中で温度７００℃で５時間保持して脱脂処理
し、脱脂後における積層体の残留炭素量を測定した。

【００５６】さらに脱脂した積層体を窒素雰囲気中にお
いて温度１８５０℃にて３時間焼結してＡｌＮ焼結体を
得た。

【００５７】比較例１７焼結助剤としての酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を３重
量％添加した窒化アルミニウム粉末に五酸化タンタルの
代りに１．７５mol%の割合で酸化アルミニウムを添加し
て原料混合体とし、この原料混合体に７重量％のポリビ
ニルブチラールをバインダとして添加してスラリーと
し、このスラリーをドクターブレード法にて成形してシ
ート状成形体を調製した。次に得られた複数のシート状
成形体を積層して厚さ８mmの積層体とし、この積層体を
窒素気流中で温度７００℃で５時間保持して脱脂処理
し、脱脂後における積層体の残留炭素量を測定した。

【００５８】さらに脱脂した積層体を窒素雰囲気中にお
いて温度１８５０℃にて３時間焼結してＡｌＮ焼結体を
得た。

【００５９】比較例１８配線金属用タングステン粉末に３重量％のエチルセルロ
ース系樹脂バインダを添加して配線金属組成物を調製
し、比較例１６において製造したシート状成形体の表面
に、上記配線金属組成物を印刷して所定の配線パターン
を形成した。そして配線パターンを形成した複数のシー
ト状成形体を積層して厚さ８mm積層体とし、積層体を窒
素気流中で温度７００℃で５時間保持して脱脂処理し、
脱脂後における積層体の残留炭素量を測定した。

【００６０】さらに脱脂した積層体を窒素雰囲気中にお
いて温度１８５０℃にて３時間焼結してＡｌＮ同時焼結
基板を得た。

【００６１】上記のように実施例２４および比較例１６
〜１７に係る脱脂積層体の残留炭素量および各ＡｌＮ焼
結体の密度，熱伝導率，中心線平均粗さ（Ｒａ）で示し
た表面粗度を測定して下記表４に示す結果を得た。

【００６２】

【表４】

【００６３】表４に示す通り、Ｔａ₂Ｏ₅を添加して形
成した実施例２４のＡｌＮ焼結体においては、積層体中
のＴａ₂Ｏ₃が残留炭素と反応して安定なＴａＣが形成
されている。そして脱脂後の残留炭素が消費され緻密化
が進んでいる。また上記炭化反応によって余計な酸素含
有量を増加させることなく窒化アルミニウムの焼結を阻
害する炭素を除去することができる。すなわち、Ｔａ₂
Ｏ₅の酸素成分と残留炭素との反応および酸化物として
のＴａ₂Ｏ₅の炭化物化反応という双方の反応によって
炭素を消費し、酸素の残留量の少ないＡｌＮ焼結体とな
る。そのため緻密で、かつ熱伝導率が高いＡｌＮ焼結体
が得られた。

【００６４】またＡｌＮ基板表面に偏析する二次相の発
生量も抑制され、表面粗度が極めて良好になり、仕上げ
加工などの後工程作業が容易になった。

【００６５】図６は実施例２４に係るＡｌＮ焼結体の粉
末Ｘ線回折図を示す。図６より実施例２４の焼結体は、
ＡｌＮ結晶相と，Ｙ₂Ａｌ₅Ｏ₁₂相と，ＴａＣ相とから
構成され、特にＡｌＮ結晶組織内にＴａＣ（炭化タンタ
ル）が生成していることが確認できた。

【００６６】一方、実施例２５および比較例１８に係る
脱脂成形体の残留炭素量および各ＡｌＮ同時焼結基板の
熱伝導率および配線の体積抵抗率を測定して下記表５に
示す結果を得た。

【００６７】

【表５】

【００６８】表５に示す結果から明らかなように、Ｔａ
₂Ｏ₅を添加して形成した実施例２５のＡｌＮ同時焼成
基板は、Ａｌ₂Ｏ₃を添加した比較例１８の基板と比較
して、残留炭素量を同一値に設定した場合においても、
熱伝導率が高く、また配線抵抗を大幅に低減することが
できた。すなわち実施例２５においては、脱脂後の積層
体の配線金属組成物内に残留する炭素とＴａ₂Ｏ₅とが
反応して反応物（ＴａＣ）を生成するために炭素成分が
消費され、配線金属（Ｗ）の炭化が効果的に防止できる
ことが判明した。

【００６９】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る窒化アル
ミニウム焼結体およびその製造方法によれば、周期律表
IIIa族元素，IIa 族元素の化合物から成る焼結助剤とと
もに所定量の酸化タンタルおよび酸化ニオブの少なくと
も一方を複合添加してＡｌＮ焼結体としているため、酸
化タンタルや酸化ニオブなどの酸化物が脱脂成形体中に
残留していた過剰量の炭素成分と焼成時に反応して安定
な炭化物を形成する。すなわち過剰な残留炭素が炭化タ
ンタル（ＴａＣ）や炭化ニオブ（ＮｂＣ）の形で除去で
きるため、酸素含有量を増加させることなく、二次相の
偏析量や変形が少なく、緻密で熱伝導率が高いＡｌＮ焼
結体が得られる。

【００７０】また上記Ｔａ₂Ｏ₅およびＮｂ₂Ｏ₅は、
ＡｌＮ焼結体の焼結一次粒子中または粒界相中あるいは
焼結粒子間に跨るように、針状または柱状のＴａＣまた
はＮｂＣの安定した析出物を形成する。この析出物の存
在により、破壊亀裂の進行が効果的に防止され高靭性高
強度のＡｌＮ焼結体が得られる。また、窒化アルミニウ
ム焼結体の破壊が進行する際に、上記針状または柱状の
析出物が粒子内部または粒界相から引き抜かれる力が生
じ、この引抜効果も破壊進行を抑制する。したがって、
機械的強度特性に優れた窒化アルミニウム焼結体が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｔａ₂Ｏ₅添加量と焼結体の抗折強度との関係
を示すグラフ。

【図２】Ｔａ₂Ｏ₅添加量と焼結体の熱伝導率との関係
を示すグラフ。

【図３】ＡｌＮ焼結体の微細結晶構造を示す走査型電子
顕微鏡写真。

【図４】ＡｌＮ焼結体の結晶組織のＸ線分光分析結果を
併示した走査型電子顕微鏡写真。

【図５】ＡｌＮ焼結体の結晶組織のＸ線分光分析結果を
併示した走査型電子顕微鏡写真。

【図６】ＡｌＮ焼結体の粉末Ｘ線回折図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化タンタル（ＴａＣ）および炭化ニオ
ブ（ＮｂＣ）の少なくとも一方から成る析出物を０．０
１〜１．０mol%含有することを特徴とする窒化アルミニ
ウム焼結体。
【請求項２】窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率が１
００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記
載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】焼結助剤として周期律表IIa 族およびII
Ia族から選択される少なくとも１種の元素の化合物を１
〜１０重量％含有する窒化アルミニウム粉末に、酸化タ
ンタルおよび酸化ニオブの少なくとも一方を０．０１〜
１．０mol%と、有機添加物等の炭素化合物とを添加した
原料混合体を成形して成形体を調製し、得られた成形体
を脱脂して脱脂後の炭素含有量が０．１〜１．５重量％
となるように調整し、しかる後に脱脂した成形体を非酸
化性雰囲気中にて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。