JPH1067560A

JPH1067560A - 高熱伝導率セラミックスおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH1067560A
Application number: JP8306143A
Authority: JP
Inventors: Makoto Aoki; 信青木
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 1998-03-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高熱伝導率の電気絶縁性のセラミックスおよび
その製造方法を提供する。【解決手段】１〜６０質量％の窒化アルミニウムと、酸
化アルミニウムに、酸化アルミニウムと窒化アルミニウ
ムの全量に対して０．５〜１０％の酸化イットリウムお
よび０．０５〜５％の酸化マグネシウムの焼結助剤等を
加え、不活性雰囲気中で焼結してセラミックス基板を作
製する。機械的強度が、酸化アルミニウム単体のものと
同等かそれ以上で、熱伝導率は最大で約４倍に向上す
る。例えば３０質量％の窒化アルミニウムを添加した半
導体装基板では、通電耐量が５倍になった。また、窒化
アルミニウムを内包する酸化アルミニウムの結晶粒を焼
結してなるセラミックスは、高い化学的安定性を示す。
例えば３０質量％の窒化アルミニウム含有率のもので
は、熱伝導率が、酸化アルミニウム単体のものに比べ、
約４倍になり、しかも高温酸化試験、温水浸漬試験で変
化を示さなかった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばパワートラ
ンジスタモジュールなどにおいて半導体チップを半田付
け等により搭載する熱伝導率が高い電気絶縁性のセラミ
ックスとその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気絶縁性の材料としては、酸化アルミ
ニウムを焼結したセラミックスが良く知られている。酸
化アルミニウムを主体とするセラミックスは、化学的な
安定性にも優れており、例えば半導体パッケージ等の分
野で広範に利用されてきた。セラミックス基板に銅板を
直接接合したＣＢＣ（Ceramic Bonding Copper Substra
te）基板を用いたパワートランジスタモジュールの例の
断面を図７に示す。

【０００３】図７において、パワートランジスタモジュ
ールは、放熱金属ベース１上に半田等で固着されたＣＢ
Ｃ基板２と、この上にマウントされたパワートランジス
タの半導体チップ３と、屈曲先端部がＣＢＣ基板２の表
面銅板２ｃの回路パターンに半田接続された外部導出端
子４と、複数の外部導出端子４を相互固定する端子ブロ
ック７と、半導体チップ３と外部導出端子４の屈曲先端
部が固着した回路パターンとを接続するボンディングワ
イヤ５と、放熱金属ベース１と樹脂ケース６を接着剤等
で固着し、その内部空間に充填されたゲル状樹脂９と、
樹脂ケース６を閉蓋する封止樹脂８とを有している。

【０００４】ここで、絶縁基板２は、例えば酸化アルミ
ニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）のセラミックス基板（絶縁芯板）
２ａに対し、その表裏両面に箔状の薄い銅板２ｂ、２ｃ
を、銅と微量の酸素の反応で生成するＣｕ−Ｏ共晶液相
を接合剤として用いて接合する方法により直接接合した
ものである。ＣＢＣ基板２の主面側（表面側）の銅板２
ｃに回路パターン（厚膜回路パターン）が形成されてお
り、そこに半導体チップ３がダイボンディングされ、外
部導出端子４が半田付けされる。ワイヤ５をボンディン
グして回路を組み立てた後、ＣＢＣ基板２を放熱金属ベ
ース１の上に半田付けして、樹脂ケース６に組み込む。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なＣＢＣ基板をパワートランジスタモジュールなどのパ
ワー半導体チップを搭載する厚膜回路基板として用いた
場合、次のような問題点がある。すなわち、パワートラ
ンジスタなどの半導体チップでは、通電動作に伴い多量
の熱を発生し、その熱がＣＢＣ基板２を介して放熱金属
ベース１に伝導した後に、放熱金属ベース１より外部に
放熱されるようになっているため、ＣＢＣ基板２の熱伝
導性の良否が半導体装置自体の電流容量を左右する重要
な要因となっている。

【０００６】ここで、セラミツクス基板２ａは、一般に
酸化アルミニウムを主成分とする酸化アルミニウム基板
が使用されている。また、最近では窒化アルミニウムを
主成分とする窒化アルミニウム基板の使用も検討されて
いる。一方、セラミックス基板の表裏に貼付される金属
板２ｂ、２ｃや放熱金属ベースには一般に銅が使用され
ている。これらの材料の室温における熱伝導率を銅と比
較すると、下記の通りである。

【０００７】酸化アルミニウム：２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）窒化アルミニウム：１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）銅：３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）窒化アルミニウム基板の熱伝導率は、酸化アルミニウム
基板のそれに比べて格段に高く、半導体装置において放
熱特性を大いに改善できる可能性があるため、近年注目
されているが、機械的強度が酸化アルミニウム基板より
も低く、半導体装置組立時の製造技術上の課題が多く存
在している。

【０００８】他に、熱伝導率の高い絶縁性材料としては
酸化ベリリウムも知られているが、酸化ベリリウムの粉
末は人体に有害であり、製造時や使用時の安全性に問題
が残るため、あまり使用されていない。本発明は上記の
点に鑑みてなされたものであり、実用上十分な強度を有
し、しかも熱伝導率が高いセラミックスおよびその製造
方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明にかかる高熱伝導率セラミックスは、酸化ア
ルミニウムと窒化アルミニウムとの混合体のセラミック
スであることを特徴とする。そのようなセラミックス
は、窒化アルミニウムの特長である熱伝導率の良さを受
け継いでいる。

【００１０】特に、窒化アルミニウムを内包する酸化ア
ルミニウムの結晶粒を焼結してなるものとする。そのよ
うなセラミックスの構造の模式図を図５に示す。窒化ア
ルミニウム１１が酸化アルミニウム１２で内包されてい
る。このセラミックスは、内包された窒化アルミニウム
１１により高い熱伝導率が得られる一方で、窒化アルミ
ニウム１１は酸化アルミニウム１２により保護されて、
焼結体全体としては酸化アルミニウムの焼結体と同等の
化学的安定性を保持している。すなわち、窒化アルミニ
ウムの腐食条件下で物理的な衝撃により表面の粒子が剥
ぎ取られることがあっても、新たな表面は元の表面と同
様で化学的に安定で浸食は起こらない。また、たとえ粒
内で破壊が起こり窒化アルミニウム相が表面に露出した
としても、当該の窒化アルミニウム相が浸食を受けるだ
けで、その後は再び酸化アルミニウム相が表面となるた
め浸食が更に進行することはない。

【００１１】そして、窒化アルミニウムの含有量が１〜
６０質量％であるものとする。窒化アルミニウム、酸化
アルミニウムともに良好な電気絶縁体であり、その両者
を成分とする本材料もまた結晶粒内の窒化アルミニウム
相と酸化アルミニウム相の比率には関係せず、電気的に
良好な絶縁体であるが、窒化アルミニウムの含有量が１
％未満または、６０％超過の領域では、実験の結果熱伝
導率を増大させる効果が大きくないことがわかった。特
に窒化アルミニウムの含有量が大きい領域での低下は、
焼結の不足によると考えられる。

【００１２】そして、イットリウム、ネオジウム、イッ
テルビウム、ランタン、セリウム、プラセオジム等の希
土類元素酸化物を酸化アルミニウムと窒化アルミニウム
との全量に対して０．５〜１０質量％、および酸化マグ
ネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化
バリウムまたは酸化珪素のうちの一種類以上を合計で
０．０５〜５質量％含有するものとする。

【００１３】この範囲の添加剤により、酸化アルミニウ
ム中に分散している窒化アルミニウムの焼結が促進され
るため、セラミックス基板の焼成温度を低めに抑えるこ
とができ、かつ、強度の優れたセラミックスが得られ
る。高熱伝導率セラミックスの製造方法としては、酸化
アルミニウム、窒化アルミニウムの粉末、焼結助剤、可
塑剤および溶剤を混合したスラリーからグリーンシート
を作製し、そのグリーンシートから成形後、焼成、焼結
するものとする。

【００１４】そのような方法をとれば、成分の調整、均
一化、所定の形状の成形等が容易である。高熱伝導率セ
ラミックスの製造方法としてはまた、窒化アルミニウム
粉末を酸化雰囲気中で酸化処理することにより表面に酸
化アルミニウムを生じさせた後、成形し、不活性雰囲気
中で焼結してもよいし、窒化アルミニウムを主体とする
粉末を成形した後、その成形体を酸化雰囲気中で酸化処
理することによって表面を酸化アルミニウムを生じさせ
た後、不活性雰囲気中で焼結してもよい。

【００１５】また、窒化アルミニウム粉末を酸化雰囲気
中で加熱して酸化処理することにより、表面に酸化アル
ミニウムを生じさせた後、焼結助剤、可塑剤および溶剤
を混合したスラリーからグリーンシートを作製し、その
グリーンシートから成形し、その成形体を不活性雰囲気
下で焼結してもよいし、窒化アルミニウムの粉末、焼結
助剤、可塑剤および溶剤を混合したスラリーからグリー
ンシートを作製し、そのグリーンシートから成形し、窒
化アルミニウムを主体とする成形体を酸化雰囲気中で熱
処理することによって、表面に酸化アルミニウムを生じ
させた後、不活性雰囲気中で焼結してもよい。

【００１６】そのような方法をとれば、主原料が一成分
であり、その酸化反応を利用しているので、極めて均質
なセラミックス基板ができる。そして、そのような製造
方法によって得られるセラミックスは、単に酸化アルミ
ニウムと窒化アルミニウムを混合して焼結したような材
料とは本質的に異なり、窒化アルミニウムを内包する酸
化アルミニウムの結晶粒からなる高耐蝕性を有する高熱
伝導率セラミックスとなる。

【００１７】特に、不活性雰囲気中、１５００〜１７０
０℃で焼結を行うものとする。この範囲の焼結温度で
は、焼結が不足にもならず、進みすぎもせずセラミック
ス基板として適当な焼結が行われる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例の形態を説明
する。なお、以下に示す組成比は、特にことわる場合を
除き質量％で表す。最初に、一般的なセラミックス基板
の製造方法を説明する。まず、原料粉末に焼結助剤など
を添加して粉砕混合し、さらにバインダー、可塑剤と溶
剤を添加し、混合・混練した後、シート状に成形してグ
リーンシートを得る。

【００１９】次に、そのグリーンシートをプレス加工に
より所定の形状に形抜きした後、酸化雰囲気中で約５０
０℃に昇温加熱し、成形体中のバインダーを除去した。
更に、その成形体を、常圧の窒素あるいは窒素を含むア
ルゴン等の不活性雰囲気中で、温度１５００〜１７５０
℃で焼成し、焼結体のセラミックス基板を得る。［実験１］酸化アルミニウムに窒化アルミニウムを添加
して作製したセラミックス基板の熱的、機械的特性を評
価するために、窒化アルミニウムの含有量を１から６０
％の間でほぼ５％毎のセラミックス基板試料を作製し
た。なお比較のため窒化アルミニウムを含まない酸化ア
ルミニウムだけの試料も作製した。

【００２０】原料は、いずれも純度９９．９％の平均粒
径３．０μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）粉末
〔住友化学製Ａｌ−Ｍ４３〕と、平均粒径１．０μｍの
窒化アルミニウムを使用した。焼結助剤として酸化イッ
トリウム（Ｙ₂Ｏ₃）〔信越化学製９９．９％のもの〕
を、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとの全量に対
して５％添加して粉砕混合し、さらにバインダーとして
ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を１０％、可塑剤とし
てフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）を２％、溶剤としてト
ルエンを加え、ボールミルで約２４時間混合・混練し
た。ドクターブレード法によりグリーンシートを得る。

【００２１】次に、そのグリーンシートをプレス加工に
より所定の形状に形抜きした後、空気中、約５００℃で
２時間焼成して成形体中のバインダー、可塑剤を除去し
た。更に、その成形体を、常圧の窒素雰囲気中で、温度
１６３０℃で６時間焼結して、板厚０．６４ｍｍ、幅２
６ｍｍ、長さ５０ｍｍのセラミックス基板を製造した。

【００２２】得られたセラミックス基板試料について熱
伝導率の測定および曲げ強度試験を行った。図１に、こ
の熱伝導率の測定結果を示す。横軸は窒化アルミニウム
含有量〔＝窒化アルミニウム／（酸化アルミニウム＋窒
化アルミニウム）〕、縦軸は熱伝導率である。図からわ
かるように窒化アルミニウム含有量が増すほど、熱伝導
率は酸化アルミニウム単体（窒化アルミニウム含有量＝
０％）のセラミックス基板（約２１Ｗ／（ｍ・Ｋ））よ
り増大している。熱伝導率の増大は、窒化アルミニウム
含有量１％の試料から認められ、最大では、約８０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）にも向上した。熱伝導率が最大となる窒化ア
ルミニウムの含有量は約４０％である。窒化アルミニウ
ム含有量の１〜６０％に対しては、熱伝導率の増大分は
約１０〜２８０％である。

【００２３】図２は、窒化アルミニウム含有量に対する
曲げ強度の試験結果である。横軸は窒化アルミニウム含
有量〔＝窒化アルミニウム／（酸化アルミニウム＋窒化
アルミニウム）〕、縦軸は曲げ強度である。曲げ試験
は、ＪＩＳの支点間隔３０ｍｍ、圧子間隔１０ｍｍとし
た四点曲げ試験法でおこなった。図からわかるように窒
化アルミニウム含有量が増しても、曲げ強度は酸化アル
ミニウム単体（窒化アルミニウム含有量＝０％）のセラ
ミックス基板（強度約３２０ＭＰａ）とほぼ同じか、や
や大きい程度である。しかしこの場合も、窒化アルミニ
ウム含有量が４０％を越すと、曲げ強度が低下し始め
る。

【００２４】窒化アルミニウム含有量が４０％を越す範
囲での、熱伝導率の低下、および曲げ強度の低下は、焼
結が不十分で緻密な焼結体とならなかったためと考えら
れる。実際に、窒化アルミニウムが含有量が４０％以上
の曲げ試験後の破断面を電子顕微鏡で観察したところ、
多くの気孔が観察された。前に記したように窒化アルミ
ニウム単体のセラミックス基板は高い熱伝導率を有する
のであるが、そのような窒化アルミニウム基板を得るに
は、１８５０℃という高温で焼結する必要がある。

【００２５】従って、セラミックス基板の材料組成とし
て、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとを混合する
ことにより、酸化アルミニウムだけのセラミックス基板
より機械的強度を劣化させずに、高熱伝導率を得ること
ができることがわかった。そして、窒化アルミニウムを
含有した酸化アルミニウムのセラミックス基板として
は、熱伝導率を重視する場合には、窒化アルミニウムの
含有量が１〜６０％、機械的な強度を重視する場合に
は、１〜４０％であることが望ましいことがわかった。

【００２６】なお、前記の材料組成で添加した５％の酸
化イットリウムは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウ
ムの焼結助剤として添加したものであったが、実験の結
果、添加量の範囲としては、０．５〜１０％の範囲に定
めるのが良いことがわかった。すなわち、酸化イットリ
ウムの添加量が０．５％未満であると、焼結が進行し難
くなり、基板の焼結に１７５０℃以上の加熱温度が必要
となって、基板の製造が困難となる。

【００２７】また、添加量を１０％超過にすると、セラ
ミックス基板の収縮率，強度に大きなばらつきが生じる
ようになる。なお、酸化イットリウム以外のネオジウ
ム、イッテルビウム、ランタン、セリウム、プラセオジ
ム等の希土類元素の酸化物でもよいことがわかった。ま
た、前記酸化マグネシウムのかわりに、酸化カルシウ
ム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化けい素の
うち、一種類または複数種類を添加しても同様の焼結助
剤としての効果が得られる。これらの総和が０．０５％
以下では焼結が不十分となり、５％超過では、セラミッ
クス基板の収縮率，強度に大きなばらつきが生じるよう
になる。

【００２８】［実験２］実験１と同様にして、窒化アル
ミニウムの含有量が４０％のセラミックス基板試料のグ
リーンシートを作製し、５００℃での焼成の後、焼結温
度を変える実験をおこなった。得られたセラミックス基
板試料について熱伝導率の測定を行った結果を図３に示
す。横軸は焼結温度、縦軸は熱伝導率である。

【００２９】図からわかるように焼結温度が１５３０〜
１６７０℃の範囲では、約８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とかなり
高い熱伝導率を示している。ほぼ１６００℃をピークに
して高温でも低温でも低下が見られる。特に１７００℃
での低下が著しい。Ｘ線回折測定により分析した結果、
焼結温度を高くするにつれ、酸化アルミニウムと窒化ア
ルミニウムとの反応生成物である酸窒化アルミニウムが
顕著になり、１７００℃で焼結した基板では、酸窒化ア
ルミニウムが主成分となっていることがわかった。１６
００℃より低温側での緩やかな低下は、焼結の不足によ
るものであろう。この図から、焼結温度としては、１５
００〜１７００℃が適当と判断される。

【００３０】［実施例１］酸化アルミニウム粉末と窒化
アルミニウム粉末（窒化アルミニウム含有量：３０％）
とに、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとの全量に
対して５質量％の酸化イットリウム粉末および０．２％
の酸化マグネシウムを加え、更に上述のバインダー、溶
剤等を加えて混合、混練したスラリーからドクターブレ
ード法によりグリーンシートを製造した。先に述べた方
法と同じく５００℃の焼成を経た後、窒素中、１６３０
℃で６時間焼結してセラミックス基板（板厚０．６３ｍ
ｍ）を作製した。

【００３１】そのセラミックス基板の表裏両面に板厚
０．３ｍｍのタフピッチ電解銅を重ね合わせ、温度１０
５０〜１０７０℃の窒素雰囲気中で１０分間加熱し、セ
ラミックス基板と銅板を直接接合してＣＢＣ基板を作製
した。得られたＣＢＣ基板を用いて図７に断面を示した
ようなトランジスタモジュールを組立てた。また比較例
として、別途、板厚０．６３ｍｍのアルミナ単体のアル
ミナ基板で作製したＣＢＣ基板を用いて同様なトランジ
スタモジュールを組立て、これらを用いて断続通電試験
を行った。

【００３２】窒化アルミニウム含有のセラミックス基板
は、アルミナ単体の基板と比べて、同一のコレクタ損失
を与えたときの半導体チップを接合した銅板（２ｃ）部
分での温度上昇ΔＴｊが約５０％低減し、断続通電耐量
が５倍に向上することが認められた。このことからわか
るように、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとを混
合したセラミックス基板は、アルミナ単体の基板と比べ
て機械的特性も劣らず、基板自身の熱伝導性の向上によ
り、放熱性の高い半導体装置用基板として使用可能なこ
とがわかった。

【００３３】なお、上記の実施例では、ドクターブレー
ド法によりグリーンシートを製造したが、バインダーや
溶剤を変えることにより、押し出し成形法やカレンダー
ロール法、プレス成形法によって製造することも可能で
ある。［実験３］実施例１のセラミックスは、確かに熱伝導率
は向上したが、ある種の環境下、例えば水分に接する環
境下などでは長期安定性に欠ける場合があることがわか
った。窒化アルミニウムは化学的な安定性に劣り、例え
ば高温酸化雰囲気下では酸化により浸食され、また水分
に接する環境下でも水酸化アルミニウムやべーマイトを
生じて浸食されるためである。

【００３４】図４は酸化アルミニウム粉末と窒化アルミ
ニウム粉末とを混合して焼結した材料の構造を示す模式
図である。窒化アルミニウム１１の結晶粒と酸化アルミ
ニウム１２の結晶粒とが混在している。このような材料
においては、表面に露出した窒化アルミニウム１１ａが
存在し、それらが浸食を受けるため表面が荒れてしま
う。加えて、高い熱伝導率を得るために窒化アルミニウ
ムの比率を増加させた場合、窒化アルミニウム１１同志
が隣接し、表面に露出した窒化アルミニウム１１ａを起
点として、隣接した窒化アルミニウム粒を伝わるように
浸食が進み焼結体中に亀裂を生じることになる。

【００３５】化学的な安定性を改善するために、窒化ア
ルミニウムの焼結体を１０００℃程度の酸化雰囲気下で
熱処理を行い、表面を酸化アルミニウムの保護層で覆う
ことが一部で行われている。しかし、この酸化アルミニ
ウムの保護層は厚さが数μm程度であり、物理的な衝撃
等により欠けやすい。しかも一度、保護層の一部に欠損
が生じるとそこを起点にして浸食が進み、全体の構造材
としての機能が失われてしまう。

【００３６】また、この保護層は例えば数１０μｍと厚
くできないという問題がある。保護層の厚さを厚くでき
ないのは、窒化アルミニウムの熱膨張率が４×１０^-6／
℃であるのに対して酸化アルミニウムの熱膨張率が７×
１０^-6／℃と、両者の差が大きいため、高温での酸化処
理後の降温時にクラックが生じ、剥離してしまうためで
ある。このことは、高温酸化雰囲気中での使用に際して
は、例え物理的な力が加わらない使用条件下であっても
繰り返し使用した場合には、成長した保護膜が降温時に
剥離し、再度昇温した際には新たに酸化層を生成し成長
する、というサイクルを繰り返して全体が浸食されると
いうことを意味している。

【００３７】そこで次に、窒化アルミニウムの粉末だけ
を原料として酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとの
複合体を製造する方法を考案した。粒径１μｍ、純度９
９．９％の窒化アルミニウム粉末を空気中９００〜１１
００℃で１０分間から３時間、温度と時間を変えて熱処
理した。得られた粉末をＸ線回折測定により分析した結
果、窒化アルミニウムの一部ないし全部が酸化されて酸
化アルミニウムを生じていることが確認された。熱処理
前後の重量変化から求めた窒化アルミニウムの含有量
は、熱処理後粉末のＸ線回折ピークの強度比から求めら
れた値と良く一致し、上記の熱処理により得られた粉末
の窒化アルミニウムの含有量は、０〜８０％であった。
すなわち、窒化アルミニウムの粉末だけを原料として酸
化アルミニウムと窒化アルミニウムとの混合体が出来た
ことになる。

【００３８】上記粉末に、５％の酸化イットリウム粉末
を焼結助剤として加えて乾式ボールミル混合を行い、乾
式プレス成形後、成形体を窒素雰囲気中１６３０℃にて
６時間焼結して、直径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円盤状の
焼結体を製造した。この例では、酸化イットリウムを焼
結助剤として用いたが、酸化ランタンや酸化イッテルビ
ウム等他の希土類元素酸化物でもよいし、また酸化マグ
ネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化
バリウムや酸化ケイ素等、あるいはそれら幾つかの組み
合わせでもかまわない。

【００３９】得られた焼結体の熱伝導率をレーザーフラ
ッシュ法により測定した。図６は、結果を窒化アルミニ
ウムの含有量に対して熱伝導率をプロットした図であ
る。横軸は、窒化アルミニウム含有量、縦軸は熱伝導率
である。熱伝導率は窒化アルミニウムの含有量が増すに
つれて高くなり、４０％付近で最高となる。しかし、更
に窒化アルミニウムの含有量が増すと、熱伝導率は急激
に低下している。

【００４０】試料の破断面を電子顕微鏡にて観察したと
ころ、窒化アルミニウムの含有量が４０％を越えた試料
では多くの空孔が認められた。このことから、窒化アル
ミニウムの含有量が４０％を越えた試料で熱伝導率が低
下したのは、焼結が不十分で緻密な焼結体にならなかっ
たためと考えられる。熱伝導率が酸化アルミニウムより
も高かったのは、窒化アルミニウムの含有量が１〜６０
％の場合であった。従って、窒化アルミニウムの含有量
は１〜６０％がよい。

【００４１】［実施例２］上記の実験と同様にして窒化
アルミニウムの含有量が３０％の試料を作製した。この
試料の熱伝導率は、６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。この
試料に空気中、１４００℃で５時間の熱処理を行い、高
温酸化雰囲気下での安定性を評価した。熱処理前後の重
量変化は、測定限界以下で試料１ｇ当たり１ｍｇ以下で
あった。また外観にも変化は認められなかった。比較例
として、市販の窒化アルミニウム焼結体に同じ熱処理を
したところ、１ｇ当たり約１００ｍｇの重量変化があ
り、また試料のところどころに膨れを生じた。以上によ
り本実施例のセラミックスは高温酸化雰囲気下での安定
性に優れていることが分かった。

【００４２】更に、水分に接する環境下での安定性を調
べるために、９０℃純温水中に３０日浸漬して変化を調
べた。窒化アルミニウムの含有量が３０％の試料の場
合、重量変化は測定限界以下で、試料１ｇ当たり１ｍｇ
以下になった。また外観にも変化は認められなかった。
一方、市販の窒化アルミニウム焼結体の場合は１ｇ当た
り約１０ｍｇの重量変化があった。これより、本材料は
水分に接する環境下での安定性も優れていることが分か
った。

【００４３】このように、窒化アルミニウムを内包する
酸化アルミニウムの結晶粒を焼結したセラミックスとす
ることによって、酸化アルミニウム以上の高い熱伝導率
を有し、なおかつ化学的な安定性にも優れたものが得ら
れる。［実施例３］窒化アルミニウムの粉末を空気中、１００
０℃で２時間熱処理した。その粉末をＸ線回折測定によ
り分析した結果、窒化アルミニウムの一部が酸化され
て、酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとの混合体と
なつていることが確認された。熱処理前後の重量変化お
よび粉末のＸ線回折ピークの強度比から求められた窒化
アルミニウムと酸化アルミニウムの成分比は、質量比で
およそ１：２であった。

【００４４】上記熱処理で得られた粉末に、５％の酸化
イットリウム粉末を加え、実施例１と同様にしてドクタ
ーブレード法によりグリーンシートを製造し、窒素中、
１６３０℃で６時間焼結することにより、酸化アルミニ
ウムと窒化アルミニウムとの混合体であるセラミックス
基板を製造した。このようにして製造されたセラミツク
ス基板は、熱伝導率が６５Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、四点曲げ
強度が３７０ＭＰａであり、酸化アルミニウム粉末と窒
化アルミニウム粉末とを混合して製造したセラミックス
基板とほとんど変わらない特性であることがわかった。

【００４５】実際に、そのセラミックス基板を使用して
トランジスタモジュールを試作し、実用できるものであ
ることを確認した。高温酸化試験、熱水浸漬試験におい
ても変化が見られなかった。［実施例４］窒化アルミニウムの粉末を原料とする他の
方法もある。

【００４６】直径１μｍの窒化アルミニウム粉末に５％
の酸化イットリウム粉末を加えて乾式ボールミル混合し
た後に、乾式プレス成形により成形体を作った。得られ
た成形体に、空気中９００℃で１時間の熱処理を施した
後、窒素雰囲気下１６３０℃で６時間焼結して、直径５
０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円盤状の焼結体を製造した。Ｘ線
回折測定により分析した結果、焼結体は窒化アルミニウ
ムと酸化アルミニウムの混合体であることが確認され
た。熱処理前後の重量変化および熱処理後のＸ線回折ピ
ークの強度比より求めた窒化アルミニウムと酸化アルミ
ニウムの成分比は、質量比でおよそ１：２であった。ま
た、この試料の熱伝導率は、７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であっ
た。この試料についても、実施例１と同様の高温酸化試
験、熱水浸漬試験を行ったが、いずれも変化は認められ
なかった。

【００４７】［実施例５］窒化アルミニウムの粉末に、
５質量％の酸化イットリウムの粉末を加え、実施例１と
同様にしてドクターブレード法によりグリーンシートを
製造した。所定の寸法に打ち抜いた後、空気中、９００
℃で１時間熱処理を施し、その後窒素中、１６３０℃で
６時間焼結することによつて、セラミックス基板を製造
した。

【００４８】熱処理後および焼結後のセラミックス基板
をＸ線回折測定により分析した結果、ともに窒化アルミ
ニウムと酸化アルミニウムの混合体であることが確認さ
れた。この場合も熱処理前後の重量変化および粉末のＸ
線回折ピークの強度比から求められた窒化アルミニウム
と酸化アルミニウムの成分比は、質量比でおよそ１：２
であった。

【００４９】このようにして製造されたセラミツクス基
板は、熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、四点曲げ強度
が３８０ＭＰａであり、実際に、そのセラミックス基板
を使用してトランジスタモジュールを試作し、実用でき
るものであることを確認した。実施例２、４では乾式プ
レス法によって、実施例３、５ではドクターブレード法
によって成形体を得たが、押し出し成形法等により板状
の成形体にすることも可能であるし、射出成形法による
成形も可能である。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとの混合体からな
る高温焼結したセラミックスでは、従来の酸化アルミニ
ウム単体の基板に比較して高熱伝導率が得られ、しかも
酸化アルミニウム基板と同等あるいはそれ以上の機械的
強度が得られる。

【００５１】特に、窒化アルミニウムを内包する酸化ア
ルミニウム結晶粒を焼結してなるセラミックスとするこ
とによって、従来のものと比較して、化学的な安定性の
高い、高耐蝕性、高熱伝導率セラミックスが得られる。
窒化アルミニウムの質量比が１〜６０％の範囲、酸化イ
ットリウム等の希土類酸化物が酸化アルミニウムと窒化
アルミニウムとの全量に対して０．５〜１０％、酸化カ
ルシウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸
化バリウム、酸化けい素のうち一種以上が０．０５〜５
％添加されたものは、実用的に優れた機械的強度と高熱
伝導率のセラミックスを得ることができる。

【００５２】例えば半導体装置用基板として用いれば、
放熱性の高いＣＢＣ基板が得られ、特にパワートランジ
スタモジュールなどの基板に適用することで、半導体装
置の小型化、低コスト化並びに電流容量の増大等が図
れ、また、高耐蝕性のものは例えば水冷冷却体の構造材
料等にも広範に利用ができる。なお、このセラミックス
基板は、基板単体としての熱的、機械的特性が優れてい
ることから、ハイブリッドＩＣ回路基板，あるいはＩＣ
パッケージなどに適用しても同様の効果をもたらすもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒化アルミニウム含有量とセラミックス基板の
熱伝導率との関係を表す図

【図２】窒化アルミニウム含有量とセラミックス基板の
曲げ強度との関係を表す図

【図３】基板焼結温度とセラミックス基板の熱伝導率と
の関係を表す図

【図４】酸化アルミニウム粉末と窒化アルミニウム粉末
とを混合し、焼結した高熱伝導率セラミックスの構造を
示す模式図

【図５】窒化アルミニウムを内包する酸化アルミニウム
を焼結した高熱伝導率セラミックスの構造の模式図

【図６】窒化アルミニウム含有量と熱伝導率の関係を示
す図

【図７】ＣＢＣ基板を用いたトランジスタモジュールの
断面図

【符号の説明】

１放熱金属ベース２ＣＢＣ基板２ａセラミックス基板２ｂ，２ｃ銅板３半導体チップ４外部導出端子５ボンディングワイヤ６樹脂ケース７端子ブロック８封止樹脂９ゲル状充填材１１、１１ａ窒化アルミニウム１２酸化アルミニウム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとの
混合体であることを特徴とする高熱伝導率セラミック
ス。
【請求項２】窒化アルミニウムを内包する酸化アルミニ
ウムの結晶粒を焼結してなることを特徴とする請求項１
記載の高熱伝導率セラミックス。
【請求項３】窒化アルミニウムの含有量が１〜６０質量
％であることを特徴とする請求項１または２に記載の高
熱伝導率セラミックス。
【請求項４】希土類元素酸化物を酸化アルミニウムと窒
化アルミニウムとの全量に対して０．５〜１０質量％、
および酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロ
ンチウム、酸化バリウムまたは酸化けい素のうちの一種
類以上を合計で０．０５〜５質量％添加することを特徴
とする請求項３記載の高熱伝導率セラミックス。
【請求項５】希土類元素がイットリウム、ネオジウム、
イッテルビウム、ランタン、セリウム、プラセオジムの
うちのいずれかであることを特徴とする請求項４記載の
高熱伝導率セラミックス。
【請求項６】酸化アルミニウム、窒化アルミニウムの粉
末、焼結助剤、可塑剤および溶剤を混合したスラリーか
らグリーンシートを作製し、そのグリーンシートから成
形後、焼成、焼結することを特徴とする酸化アルミニウ
ムと窒化アルミニウムとの混合体である高熱伝導率セラ
ミックスの製造方法。
【請求項７】窒化アルミニウム粉末を酸化雰囲気中で酸
化処理することにより表面を酸化アルミニウムとした
後、成形し、不活性雰囲気中で焼結して酸化アルミニウ
ムと窒化アルミニウムの複合体を製造することを特徴と
する高熱伝導率セラミックスの製造方法。
【請求項８】窒化アルミニウム粉末を酸化雰囲気中で酸
化処理することにより表面を酸化アルミニウムとした
後、焼結助剤、可塑剤および溶剤を混合したスラリーか
らグリーンシートを作製し、そのグリーンシートから成
形し、その成形体を不活性雰囲気中で焼結して酸化アル
ミニウムと窒化アルミニウムの複合体を製造することを
特徴とする請求項７記載の高熱伝導率セラミックスの製
造方法。
【請求項９】窒化アルミニウムを主体とする粉末を成形
し、その成形体を酸化雰囲気中で酸化処理することによ
って表面に酸化アルミニウムを生じさせた後、不活性雰
囲気中で焼結して酸化アルミニウムと窒化アルミニウム
との複合体を製造することを特徴とする高熱伝導率セラ
ミックスの製造方法。
【請求項１０】窒化アルミニウムを主体とする粉末、焼
結助剤、可塑剤および溶剤を混合したスラリーからグリ
ーンシートを作製し、そのグリーンシートから成形し、
その成形体を酸化雰囲気中で酸化処理することによって
表面に酸化アルミニウムを生じさせた後、不活性雰囲気
中で焼結して酸化アルミニウムと窒化アルミニウムとの
複合体を製造することを特徴とする請求項９記載の高熱
伝導率セラミックスの製造方法。
【請求項１１】不活性雰囲気中、１５００〜１７００℃
で焼結を行うことを特徴とする請求項６ないし１０のい
ずれかに記載の高熱伝導率セラミックスの製造方法。