JPH075371B2

JPH075371B2 - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH075371B2
Application number: JP59265856A
Authority: JP
Inventors: 建太郎沢村; 雅靖山口
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1984-12-17
Filing date: 1984-12-17
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPS61146768A

Description

【発明の詳細な説明】Ｉ発明の背景技術分野本発明は、窒化アルミニウム焼結体とその製造方法に関
する。

先行技術とその問題点従来、集積回路の絶縁基板材料としてアルミナの焼結体
が使用されてきた。しかし、アルミナ基板では熱伝導率
が悪く、熱膨張率がシリコンに比べて大きいため、大型
のシリコンチップへの接着性が悪いなど欠点が多い。

これにかえて、酸化ベリリウムを用いると、熱伝導率は
アルミナの10倍以上となるが、この物質は毒性があり、
その上高価なことから供給の点で難がある。

また、SiC基板も開発されているが、焼結の際、ホット
プレスを使用するため、コスト面で不利である上、誘電
率が大きく、本来、SiCが半導体であることから絶縁耐
圧が小さいなどの問題がある。

そこで、熱伝導率が高く、抵抗も大きい窒化アルミニウ
ム（AlN）を使用したAlN焼結体が注目されてきている。
このものは、さらに熱膨張率もシリコンの値に近く、誘
電率も小さいという利点を有する。

ただし、このような利点をそのまま生かすには、AlN焼
結体が緻密で、かつ酸素含有量の少ないことが要求され
る。

しかし、酸素含有量の少ないAlN粉末単独では焼結性が
良くないため、焼結助剤を用いる必要性が生じる。

これまで、この焼結助剤についていくつか提案がなされ
ている。

例えば、AlN粉末に、酸化アルミニウム（Al₂O₃）やイッ
トリア（Y₂O₃）を添加して、常圧焼結あるいはホットプ
レスする方法、 AlN粉末に酸化カルシウム（CaO）、酸化バリウム（Ba
O）、酸化ストロンチウム（SrO）を添加して常圧焼結す
る方法（特開昭48−74166号）、 AlN粉末に窒化ホウ素（BN）を添加して非酸化性雰囲気
中で常圧焼結あるいはホットプレスする方法（特開昭58
−32073号）、 AlN粉末に、CaO、BaO、SrOを含む化合物から選ばれた少
なくとも１種の粉末を含有した混合粉末を添加し、非酸
化性雰囲気中でホットプレスする方法（特開昭59−5007
7号）等が挙げられる。

これらのうち、酸化物を添加する方法では、熱伝導率の
点で不充分である。

他方、BNを添加する方法では、他と比較して、高い熱伝
導率を有するAlN焼結体を与え、また緻密性の点でも他
より良好であるとされる。

しかし、上記のように作製した従来のAlN焼結体はいず
れも焼きムラが生じやすく、表面にでる白い模様が肉眼
で観測できるほどであり、また焼きムラによって電気抵
抗率（体積抵抗率）の値にバラツキが多くなる。

従って、このような点を改善するため、新たな焼結助剤
を用いたAlN焼結体の開発が望まれる。

II 発明の目的本発明の目的は、焼きムラがなく、かつ緻密で熱伝導性
および電気抵抗性が高く、電気絶縁用基板材料として好
適な性能を有し、しかも成形焼結が容易で、安価な窒化
アルミニウム焼結体とその製造方法を提供することにあ
る。

III 発明の開示このような目的は、下記の第１および第２の発明によっ
て達成される。

すなわち、第１の発明は、窒化アルミニウムに、焼結助
剤として、カルシウム、バリウム、ストロンチウムおよ
び希土類金属のシアン化物、チオシアン化物、ケイフッ
化物、硫化物、リン化物および金属間化合物ならびにＹ
の炭化物の１種以上を窒化アルミニウムに対して0.01〜
３重量％添加して焼成してな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、第２の発明は、窒化アルミニウムに、焼結助剤と
して、カルシウム、バリウム、ストロンチウムおよび希
土類金属のシアン化物、チオシアン化物、ケイフッ化
物、硫化物、リン化物および金属間化合物ならびにＹの
炭化物の１種以上の粉末を窒化アルミニウムに対して0.
01〜３重量％添加して混合したのち、成形し、非酸化性
雰囲気中で焼成することを特徴とする窒化アルミニウム
焼結体の製造方法である。

IV 発明の具体的構成以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。

本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム
（AlN）の粉末に、焼結助剤として次のようなものを添
加する。

すなわち、 Ca、Ba、Srのシアン化物〔例えば、Ca（CN）_２、Ba（C
N）_２、 Sr（CN）_２〕、チオシアン化物〔例えば、Ca（SCN）_２、Ba（SCN）_２、
Sr（SCN）_２〕、ケイフッ化物（例えば、CaSiF₆、BaSiF₆、SrSiF₆）、硫化物（例えば、CaS、BaS、SrS）、リン化物（例えば、Ca₃P₂、Ba₃P₂、Sr₃P₂）；希土類金属（Sc、Ｙ、La〜Lu）のシアン化物（例えば、
Ｙ（CN）等）、チオシアン化物、ケイフッ化物、硫化物（例えば、Y₂S₃、La₂S₃、Ce₂S₃、Pr₂S₃等）、リン化物（例えば、YP、LaP、CeP等）、Ｙの炭化物（例えば、YC₂等）； Ca、Ba、Sr、希土類金属の金属間化合物、特にアルミニ
ウム化合物（例えば、YAl₂、LaAl₂、CeAl₂、PrAl₂、SmA
l₂、NdAl₂等）、その他の金属化合物（YSb、YAs、YBi、
Y₂Se₃、Y₂Te₃等）；である。

これらの化合物として、２種以上の化合物を用いること
も可能である。

なお、これらと近似の化合物であるこれらのMg化合物で
は、本発明の効果は実現しない。

AlN粉末は微粉化することが好ましく、平均粒子径が0.1
〜10μｍ、特に0.5〜６μｍであることが好ましい。

焼結助剤の平均粒子径は、0.1〜44μｍであることが好
ましく、アルカリ土類金属ないし希土類金属の上述した
ような種々の化合物である場合は、特に0.5〜20μｍ、
また、上述したような金属間化合物である場合は、特に
0.5〜30μｍであることが好ましい。

そして、これらの焼結助剤の添加量はAlNに対して0.01
〜３重量％、さらには１〜３重量％である。

添加量が少なすぎても、多すぎても、特に常圧焼成では
緻密な焼結体が得られない。

これらの焼結助剤は、従来の焼結助剤であるアルカリ土
類金属の酸化物、イットリア等と異なり、酸素を含有し
ておらず、熱伝導性を阻害する酸素等の不純物が生成し
にくいと考えられる。

AlN焼結体は、通常AlN粉末に上述の焼結助剤の粉末を添
加混合して室温で加圧成形し、非酸化性雰囲気中での常
圧焼結法によりこの成形体を焼結した後、放冷して得ら
れる。

加圧成形の際の圧力は500〜2000kg/cm²程度である。

焼結時の非酸化性雰囲気としては、N₂、Ar、He等の不活
性ガス、H₂、CO、各種炭化水素など、あるいはこれらの
混合雰囲気、さらには真空等種々のものであってよい。

非酸化性雰囲気にするのは、微粉化したAlNの表面の酸
化を防止するためである。

この場合、非酸化性雰囲気としては、窒素を含むものが
好ましく、窒素50％以上にて、必要に応じAr、He等の不
活性ガス等が混入されてもよい。

雰囲気圧としては、大気圧でよく、通常、窒素気流中と
する。

焼結時の温度は1600〜1900℃、好ましくは1750〜1800℃
が有効である。

温度が1600℃より低い場合は、長時間焼成しても十分に
は緻密化せず、1900℃より高い場合は、AlNの揮散が認
められ、また1800℃より高い場合は含有酸素がAlN内に
固溶しやすく、フォノン散乱の原因、すなわち熱伝導率
低下の原因となってくる。

焼結時間は、普通0.5〜２時間であり、特に、1750℃で
は、１時間程度であることが好ましい。

なお、焼結に際しては、100〜300kg/cm²程度の圧力を加
えて、ホットプレス法を用いてもよい。

このようにして得られたAlN焼結体は、焼きムラがな
く、しかも室温でAlNの理論密度の90％以上の密度を有
し、室温で、電気抵抗率が10¹²Ωcm以上、熱伝導率80W/
mk以上である。また、熱膨張率は５×10^-6程度である。

電気抵抗率は従来のAlN焼結体では値に10〜20％のバラ
ツキが生じるが、本発明のものは、焼きムラがないため
１％程度のバラツキしか生じない。

Ｖ発明の具体的作用効果本発明によれば、Ca、Ba、Srおよび希土類金属のシアン
化物、チオシアン化物、ケイフッ化物、硫化物、リン化
物およびその他の金属との金属化合物ならびにＹの炭化
物の１種以上を焼結助剤に用いて、これを窒化アルミニ
ウム粉末に、0.01〜３重量％添加して混合したのち成形
体とし、この成形体を非酸化性雰囲気中で焼成している
ため、焼きムラのない窒化アルミニウム焼結体が得られ
る。

また、緻密で熱伝導性および電気絶縁性が高く、しかも
焼きムラがないため、接着性がよく、かつ電気抵抗率の
値にバラツキがなく、集積回路に使用する電気絶縁用基
板やその他の放熱基板の材料として好適な性能を有す
る。

さらに、製法も焼結の際常圧焼結法を適用できるため、
容易で、コスト面でも有利である。

VI 発明の具体的実施例以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明の効果をさ
らに詳細に説明する。

実施例平均粒子径が３μｍのAlN粉末に、平均粒径10μｍの表
１に示される焼結助剤の粉末を２重量％添加し混合し
た。次に、この混合物を室温で約1000kg/cm²の圧力を加
えて成形体とした。

その後、成形体をN₂気流中で1750℃まで昇温し、1750℃
で１時間保持した後、放冷した。

このようにして、表１に示されるAlN焼結体（試料101〜
109および110）を作製した。

また、比較のために、焼結助剤に炭酸カルシウム（CaCO
₃）を用い、これをAlN粉末に対して0.1重量％、0.5重量
％および1.0重量％とした以外は試料101〜109と同様に
作製した。それぞれ順に、試料201、試料202および試料
203とする。

焼結助剤にイットリア（Y₂O₃）を用い、AlN粉末に対し
て1.0重量％添加した以外は試料101〜104と同様に作製
したものを試料301とする。

さらに、AlNにBNを３重量％添加したものを試料401とす
る。

上記の試料101〜109、110、201〜203、301および401に
ついての特性を表１に示す。

特性の測定は下記のとおりである。

（１）密度および相対密度実測密度と、その理論密度に対する相対値を求めた。

（２）電気抵抗率およびそのバラツキ 30mmφ,2mm厚の試料の表裏面にAgペーストを焼きつけて
電極とし、23℃、相対湿度50％にて、10個の試料を測定
し、その最大値と最小値との範囲を求めた。

（３）熱伝導率（２）の試料について、銀ペーストのついていない状態
で室温にて測定した。

（４）焼きムラ面積白く析出した焼きムラ面積を算出した。

表１より、本発明のAlN焼結体は焼きムラが少なく、そ
の結果、電気抵抗率の値のバラツキも少ないことがわか
る。その上、緻密性、熱伝導性、電気抵抗性も良好で、
電気絶縁基板材料として好適な性能を有することがわか
る。

なお、試料201、401は密度が低く、実用上満足できる特
性を示さなかった。

以上より、本発明の効果は明らかである。

なお、本発明のAlN焼結体を、半導体パワーモジュール
の電気絶縁基板に適用したところ、ヒートサイクルに対
し、良好な耐性を示した。

また、このような効果は、本発明の各種助剤の単独ない
し複合添加に際し、同等に実施した。

ただし、Mg化合物では、本発明の効果はえられなかっ
た。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウムに、焼結助剤として、カ
ルシウム、バリウム、ストロンチウムおよび希土類金属
のシアン化物、チオシアン化物、ケイフッ化物、硫化
物、リン化物および金属間化合物ならびにＹの炭化物の
１種以上を窒化アルミニウムに対して0.01〜３重量％添
加して焼成してなることを特徴とする窒化アルミニウム
焼結体。
【請求項２】窒化アルミニウムおよび上記焼結助剤が粉
末の形で混合されて添加される特許請求の範囲第１項に
記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】熱伝導率80W/mk以上である特許請求の範囲
第１項または第２項に記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項４】相対密度が90％以上である特許請求の範囲
第１項ないし第３項のいずれかに記載の窒化アルミニウ
ム焼結体。
【請求項５】体積抵抗率が10¹²Ωcm以上である特許請求
の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の窒化アル
ミニウム焼結体。
【請求項６】窒化アルミニウムに、焼結助剤として、カ
ルシウム、バリウム、ストロンチウムおよび希土類金属
のシアン化物、チオシアン化物、ケイフッ化物、硫化
物、リン化物および金属間化合物ならびにＹの１種以上
の粉末を窒化アルミニウムに対して0.01〜３重量％添加
して混合したのち、成形し非酸化性雰囲気中で焼成する
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７】非酸化性雰囲気が窒素を含む特許請求の範
囲第６項に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。