JPH0735302B2 - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化アルミニウム焼結体の製造方法Info
- Publication number
- JPH0735302B2 JPH0735302B2 JP62037572A JP3757287A JPH0735302B2 JP H0735302 B2 JPH0735302 B2 JP H0735302B2 JP 62037572 A JP62037572 A JP 62037572A JP 3757287 A JP3757287 A JP 3757287A JP H0735302 B2 JPH0735302 B2 JP H0735302B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sintered body
- aln
- powder
- sintering
- thermal conductivity
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム焼結体の
製造方法に関する。
製造方法に関する。
窒化アルミニウム(AlN)焼結体は、耐熱性及び耐食性
に優れると共に高熱伝導性を有するので、従来のアルミ
ナ焼結体に代る半導体装置の絶縁性基板等の材料として
注目されている。
に優れると共に高熱伝導性を有するので、従来のアルミ
ナ焼結体に代る半導体装置の絶縁性基板等の材料として
注目されている。
かかる窒化アルミニウム焼結体を製造する為には、窒化
アルミニウム粉末単独では焼結性が悪いので、一般に何
らかの焼結助剤を添加混合し、この混合粉末を成形した
後、焼結する方法が採られており、緻密であると同時に
高い熱伝導性を得る為に各種の焼結助剤ないし製造方法
が提案されている。
アルミニウム粉末単独では焼結性が悪いので、一般に何
らかの焼結助剤を添加混合し、この混合粉末を成形した
後、焼結する方法が採られており、緻密であると同時に
高い熱伝導性を得る為に各種の焼結助剤ないし製造方法
が提案されている。
特開昭50-23411号公報にはAlN粉末に焼結助剤として酸
化カルシウム(CaO)、酸化バリウム(BaO)、酸化スト
ロンチウム(SrO)等の粉末を添加して焼結する方法
が、特開昭60-151279号公報には焼結助剤としてCa,Sr,B
a等のアセチリド化合物を用いることが、及び特開昭60-
180964号公報にはCa(NO3)2・4H2O等の第IIa族金属硝酸
塩を添加して焼結する方法が夫々開示されている。更
に、特開昭58-55377号公報には、AlN粉末にCaO、BaO、S
rO等の粉末と炭素粉末を添加して焼結する方法が開示さ
れ、この炭素粉末にはAlN粉末に不可避的に含有され、
焼結体中に固溶したりスピネルを生成して熱伝導率を低
下せしめる酸素や酸化物を還元除去する等の効果がある
旨記載されている。
化カルシウム(CaO)、酸化バリウム(BaO)、酸化スト
ロンチウム(SrO)等の粉末を添加して焼結する方法
が、特開昭60-151279号公報には焼結助剤としてCa,Sr,B
a等のアセチリド化合物を用いることが、及び特開昭60-
180964号公報にはCa(NO3)2・4H2O等の第IIa族金属硝酸
塩を添加して焼結する方法が夫々開示されている。更
に、特開昭58-55377号公報には、AlN粉末にCaO、BaO、S
rO等の粉末と炭素粉末を添加して焼結する方法が開示さ
れ、この炭素粉末にはAlN粉末に不可避的に含有され、
焼結体中に固溶したりスピネルを生成して熱伝導率を低
下せしめる酸素や酸化物を還元除去する等の効果がある
旨記載されている。
しかし、上記した何れの方法においても、得られたAlN
焼結体の熱伝導率は、最適条件下で製造されたものであ
つても、室温で50〜160W/m・Kにしか達し得なかった。
焼結体の熱伝導率は、最適条件下で製造されたものであ
つても、室温で50〜160W/m・Kにしか達し得なかった。
然るに、最近の高出力半導体素子、例えば高出力レーザ
ーダイオード、パワートランジスタ等は益々高密度実装
化されつつあり、使用する絶縁性基板材料の熱伝導率が
160W/m・K以下では放熱性が十分ではなく、その結果半
導体素子の温度が上昇して正常に動作しなくなる危険が
ある為、一層高熱伝導率のAlN焼結体の開発が望まれて
いた。
ーダイオード、パワートランジスタ等は益々高密度実装
化されつつあり、使用する絶縁性基板材料の熱伝導率が
160W/m・K以下では放熱性が十分ではなく、その結果半
導体素子の温度が上昇して正常に動作しなくなる危険が
ある為、一層高熱伝導率のAlN焼結体の開発が望まれて
いた。
本発明は、かかる従来の事情に鑑み、高出力半導体素子
の高密度実装を可能にする様な高熱伝導率の窒化アルミ
ニウム焼結体を提供することを目的とするものである。
の高密度実装を可能にする様な高熱伝導率の窒化アルミ
ニウム焼結体を提供することを目的とするものである。
本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、平均粒
径2.0μm以下で酸素含有量2.0重量%以下の窒化アルミ
ニウム粉末に平均粒径5.0μm以下のカルシウムシアナ
ミド粉末を1.0〜10.0重量%添加混合し、この混合粉末
を成形し、水素又はアンモニアを含む窒素ガス雰囲気中
において1700〜2200℃の温度で焼結することを特徴とす
る。
径2.0μm以下で酸素含有量2.0重量%以下の窒化アルミ
ニウム粉末に平均粒径5.0μm以下のカルシウムシアナ
ミド粉末を1.0〜10.0重量%添加混合し、この混合粉末
を成形し、水素又はアンモニアを含む窒素ガス雰囲気中
において1700〜2200℃の温度で焼結することを特徴とす
る。
使用するAlN粉末は常法により工業的に製造されるもの
で製造上不可避的な酸素や酸化物を含んでよいが、酸素
含有量が2.0重量%以下であることが好ましく、又その
平均粒径は2.0μm以下が好ましい。焼結助剤として使
用するCaCN2粉末は化学肥料の原料等として常法により
工業的に製造されるもので、製法によつては不可避的な
炭素を含有してもよく、その平均粒径は5.0μm以下が
好ましい。
で製造上不可避的な酸素や酸化物を含んでよいが、酸素
含有量が2.0重量%以下であることが好ましく、又その
平均粒径は2.0μm以下が好ましい。焼結助剤として使
用するCaCN2粉末は化学肥料の原料等として常法により
工業的に製造されるもので、製法によつては不可避的な
炭素を含有してもよく、その平均粒径は5.0μm以下が
好ましい。
本発明方法においては、前記粉末を乾式混合するか又は
非水系溶剤を用いて湿式混合した後、通常はパラフイン
等の有機バインダーを混合し、プレス成形、射出成形、
スリツプキヤステイング、テープ成形等の方法で成形
し、必要に応じて非酸化性雰囲気又は酸化性雰囲気中で
1000℃以下の温度に加熱して有機バインダーを除去して
から焼結する。又、ホツトプレス等により、有機バイン
ダーを添加せずに、圧縮成形及び焼結することも可能で
ある。
非水系溶剤を用いて湿式混合した後、通常はパラフイン
等の有機バインダーを混合し、プレス成形、射出成形、
スリツプキヤステイング、テープ成形等の方法で成形
し、必要に応じて非酸化性雰囲気又は酸化性雰囲気中で
1000℃以下の温度に加熱して有機バインダーを除去して
から焼結する。又、ホツトプレス等により、有機バイン
ダーを添加せずに、圧縮成形及び焼結することも可能で
ある。
焼結は常圧焼結でも加圧焼結でもよく、焼結雰囲気は水
素又はアンモニアを含む窒素ガスの使用が高熱伝導率達
成の為に好ましい。又、焼結温度は1700℃〜2200℃であ
り、1800℃〜2000℃の範囲が好ましい。焼結温度が1700
℃未満では焼結体の緻密化が不充分で、又高い熱伝導率
も得られず、逆に2200℃をこえると窒化アルミニウムの
分解反応が顕著となり緻密化が阻害されるからである。
素又はアンモニアを含む窒素ガスの使用が高熱伝導率達
成の為に好ましい。又、焼結温度は1700℃〜2200℃であ
り、1800℃〜2000℃の範囲が好ましい。焼結温度が1700
℃未満では焼結体の緻密化が不充分で、又高い熱伝導率
も得られず、逆に2200℃をこえると窒化アルミニウムの
分解反応が顕著となり緻密化が阻害されるからである。
本発明においては、AlN焼結体の焼結助剤としてカルシ
ウムシアナミド(CaCN2)粉末を使用し且つ水素又はアン
モニアを含む窒素ガス雰囲気中で焼結することにより、
従来のAlN焼結体に比較して著しく高い熱伝導率を達成
でき、最適条件下で製造された焼結体では室温で200W/m
・K以上に達する。
ウムシアナミド(CaCN2)粉末を使用し且つ水素又はアン
モニアを含む窒素ガス雰囲気中で焼結することにより、
従来のAlN焼結体に比較して著しく高い熱伝導率を達成
でき、最適条件下で製造された焼結体では室温で200W/m
・K以上に達する。
AlN焼結体の熱伝導率がCaCN2の添加によつて著しく向上
する理由はまだ明らかではないが、G.A.SLACKにより“N
onmetallic Crystal with High Thermal Cnductivity";
J.Phys.Chem.Solid,34,321〜335(1973)に報告されて
いるように、AlN焼結体中の酸素含有量の低減により熱
伝導率が向上することが予想されている。
する理由はまだ明らかではないが、G.A.SLACKにより“N
onmetallic Crystal with High Thermal Cnductivity";
J.Phys.Chem.Solid,34,321〜335(1973)に報告されて
いるように、AlN焼結体中の酸素含有量の低減により熱
伝導率が向上することが予想されている。
従つて、本発明においては、CaCN2に含まれる炭素原子
及び窒素原子が焼結時にAlN粉末に含有される酸素原子
と反応して、炭素原子によるAlN粒子表面の還元と同時
に窒素原子による窒化反応を生じているものと考えられ
る。更に、焼結時にCaCN2の液相が生成するほか、遊離
したカルシウム原子と酸素原子との反応によりCa-Al−
O−N−C系の液相が生成してAlN粒子表面との反応面
積を増加させ、更にこの液相の存在による毛細管現象に
よりAlN粒子の再配列がおこつてAlN粒子同士の接触面積
を増大させるので、焼結体の緻密化を促進させるものと
考えられる。
及び窒素原子が焼結時にAlN粉末に含有される酸素原子
と反応して、炭素原子によるAlN粒子表面の還元と同時
に窒素原子による窒化反応を生じているものと考えられ
る。更に、焼結時にCaCN2の液相が生成するほか、遊離
したカルシウム原子と酸素原子との反応によりCa-Al−
O−N−C系の液相が生成してAlN粒子表面との反応面
積を増加させ、更にこの液相の存在による毛細管現象に
よりAlN粒子の再配列がおこつてAlN粒子同士の接触面積
を増大させるので、焼結体の緻密化を促進させるものと
考えられる。
この様な作用を奏するCaCN2粉末の添加量は0.1〜10.0重
量%の範囲であることが必要であり、この範囲外ではAl
N焼結体を緻密化させ且つ熱伝導率を160W/m・K以上に
向上させることができない。又、CaCN2の粒径が大き過
ぎても、AlN粒子表面の酸化層と反応した残りのCaCN2が
AlNへの固溶反応を起こし、AlN焼結体の相対密度と熱伝
導率を低下させるので、CaCN2の平均粒径は5.0μm以下
とする。又、AlN粉末の酸素含有量が2.0重量%をこえる
こと、CaCN2の添加量を増加させてもAlN焼結体の緻密化
及び熱伝導率の向上が困難になるので好ましくない。
量%の範囲であることが必要であり、この範囲外ではAl
N焼結体を緻密化させ且つ熱伝導率を160W/m・K以上に
向上させることができない。又、CaCN2の粒径が大き過
ぎても、AlN粒子表面の酸化層と反応した残りのCaCN2が
AlNへの固溶反応を起こし、AlN焼結体の相対密度と熱伝
導率を低下させるので、CaCN2の平均粒径は5.0μm以下
とする。又、AlN粉末の酸素含有量が2.0重量%をこえる
こと、CaCN2の添加量を増加させてもAlN焼結体の緻密化
及び熱伝導率の向上が困難になるので好ましくない。
焼結雰囲気は窒素ガスでも良いが、これに水素又はアン
モニアを混合することにより、AlN焼結体の緻密化と熱
伝導率が一層向上する。その理由は、水素又はアンモニ
アの分解により生じる水素によりCaCN2粉末が分解され
微細化されるので、CaCN2の混合性が増し且つ反応に寄
与しないCaCN2が除去され易くなるため、CaCN2とAlN粒
子表面の酸化層との反応が促進され、同時に未反応のCa
CN2のAlNへの固溶が減少する結果、結晶化が一層進行し
て高密度で高熱伝導率のAlN焼結体が得られるものを考
えられる。
モニアを混合することにより、AlN焼結体の緻密化と熱
伝導率が一層向上する。その理由は、水素又はアンモニ
アの分解により生じる水素によりCaCN2粉末が分解され
微細化されるので、CaCN2の混合性が増し且つ反応に寄
与しないCaCN2が除去され易くなるため、CaCN2とAlN粒
子表面の酸化層との反応が促進され、同時に未反応のCa
CN2のAlNへの固溶が減少する結果、結晶化が一層進行し
て高密度で高熱伝導率のAlN焼結体が得られるものを考
えられる。
実施例1 酸素含有量1.0wt%で平均粒径2μmのAlN粉末に、平均
粒径5μmのCaCN2粉末を夫々1.0wt%、3.0wt%、5.0wt
%及び8.0wt%となるように添加し、エタノールを溶剤
として湿式混合した後、有機バインダーとしてパラフイ
ンを混合し、プレス圧1.0ton/cm2でプレス成形した。次
に、各成形体を窒素ガス雰囲気中で500℃に加熱して有
機バインダーを除去した後、各成形体を夫々焼結雰囲気
を変えて1900℃で1時間焼結した。
粒径5μmのCaCN2粉末を夫々1.0wt%、3.0wt%、5.0wt
%及び8.0wt%となるように添加し、エタノールを溶剤
として湿式混合した後、有機バインダーとしてパラフイ
ンを混合し、プレス圧1.0ton/cm2でプレス成形した。次
に、各成形体を窒素ガス雰囲気中で500℃に加熱して有
機バインダーを除去した後、各成形体を夫々焼結雰囲気
を変えて1900℃で1時間焼結した。
得られた各AlN焼結体の熱伝導率を、CaCN2添加量及び焼
結雰囲気と共に下表に示した。
結雰囲気と共に下表に示した。
各AlN焼結体の熱伝導率は約160W/m・K以上で、特に水
素を含む窒素雰囲気中での焼結により高い熱伝導率が得
られることが分る。
素を含む窒素雰囲気中での焼結により高い熱伝導率が得
られることが分る。
実施例2 酸素含有量1.0wt%で平均粒径0.9μmのAlN粉末に、平
均粒径5μmのCaCN2粉末を3.0wt%添加し、実施例1と
同様にして成形した後、各成形体をH2:N2=5:95(1.5a
tm)の焼結雰囲気中において各々焼結温度を1700℃〜21
00℃の範囲で変化させて1時間焼結した。
均粒径5μmのCaCN2粉末を3.0wt%添加し、実施例1と
同様にして成形した後、各成形体をH2:N2=5:95(1.5a
tm)の焼結雰囲気中において各々焼結温度を1700℃〜21
00℃の範囲で変化させて1時間焼結した。
得られた各AlN焼結体の熱伝導率を測定して、第1図に
示した。各AlN焼結体の熱伝導率は全て110W/m・K以上
であり、特に焼結温度が1800℃〜2100℃の範囲では160W
/m・Kをこえることが分る。
示した。各AlN焼結体の熱伝導率は全て110W/m・K以上
であり、特に焼結温度が1800℃〜2100℃の範囲では160W
/m・Kをこえることが分る。
実施例3 酸素含有量を変えた平均粒径2μmのAlN粉末に平均粒
径5μmのCaCN2粉末を1.0重量%添加し、実施例1と同
様にして成形した後、各成形体を雰囲気(1atm)を変え
て1900℃で1時間焼結した。
径5μmのCaCN2粉末を1.0重量%添加し、実施例1と同
様にして成形した後、各成形体を雰囲気(1atm)を変え
て1900℃で1時間焼結した。
得られたAlN焼結体の熱伝導率をAlN粉末の酸素量及び焼
結雰囲気と共に下表に示した。
結雰囲気と共に下表に示した。
〔発明の効果〕 本発明によれば、従来に比較して飛躍的に熱伝導率を向
上させた窒化アルミニウム焼結体を提供することができ
る。
上させた窒化アルミニウム焼結体を提供することができ
る。
従つて、本発明の高熱伝導率の窒化アルミニウム焼結体
は各種の半導体装置用の絶縁基板やセラミツクパツケー
ジ等の材料として有用であり、特に従来放熱性に問題の
あつた高出力半導体素子の高密度実装を可能にする材料
といえる。
は各種の半導体装置用の絶縁基板やセラミツクパツケー
ジ等の材料として有用であり、特に従来放熱性に問題の
あつた高出力半導体素子の高密度実装を可能にする材料
といえる。
又、本発明方法で焼結助剤として使用するカルシウムシ
アナミドは、従来の希土類元素酸化物に比較して遥かに
安価であり、工業的生産に極めて有利である。
アナミドは、従来の希土類元素酸化物に比較して遥かに
安価であり、工業的生産に極めて有利である。
第1図は実施例2における焼結温度とAlN焼結体の熱伝
導率の関係を示すグラフである。
導率の関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−187171(JP,A) 特開 昭63−30372(JP,A) 特開 昭63−107867(JP,A)
Claims (1)
- 【請求項1】平均粒径2.0μm以下で酸素含有量2.0重量
%以下の窒化アルミニウム粉末に平均粒径5.0μm以下
のカルシウムシアナミド粉末を1.0〜10.0重量%添加混
合し、この混合粉末を成形し、水素又はアンモニアを含
む窒素ガス雰囲気中において1700〜2200℃の温度で焼結
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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62037572A JPH0735302B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62037572A JPH0735302B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63206360A JPS63206360A (ja) | 1988-08-25 |
JPH0735302B2 true JPH0735302B2 (ja) | 1995-04-19 |
Family
ID=12501243
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62037572A Expired - Lifetime JPH0735302B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0735302B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1990002717A1 (en) * | 1988-09-02 | 1990-03-22 | The Dow Chemical Company | Increasing aluminum nitride thermal conductivity via pre-densification treatment |
WO2018117162A1 (ja) * | 2016-12-21 | 2018-06-28 | 日本碍子株式会社 | 透明AlN焼結体及びその製法 |
CN110088061B (zh) | 2016-12-21 | 2022-05-13 | 日本碍子株式会社 | 取向AlN烧结体及其制法 |
-
1987
- 1987-02-20 JP JP62037572A patent/JPH0735302B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS63206360A (ja) | 1988-08-25 |
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