JPS61146766A

JPS61146766A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPS61146766A
Application number: JP59265854A
Authority: JP
Inventors: 沢村　建太郎; 山口　雅靖
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1984-12-17
Filing date: 1984-12-17
Publication date: 1986-07-04
Anticipated expiration: 2009-02-02
Also published as: JPH068220B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】工　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へて大きいため、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１Ｍ
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（ＡＱＮ）を使用したＡｉｌ、Ｎ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、Ａ見Ｎ
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ＡｉＮ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、ＡＪＩＮ粉末に、酸化アルミニウムＣＡｌ２０
３　）やイツトリア（Ｙ２０３　）を添加して、常圧焼
結あるいはホットプレスする方法、ＡｉＮ粉末に酸化カルシウム（Ｃａｂ）、酸化バリウム
（Ｂａｄ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）を添加して
常圧焼結する方法（特願昭４８−７４１６６号）、ＡｉＮ粉末に窒化ホウ素（Ｂ　Ｎ）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（
特願昭５８−３２０７３号）、ＡＩＮ粉末に、Ｃａｂ、ＢａＯ１ＳｒＯ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
願昭５９−５００７７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Ａ見Ｎ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ＡｉＮ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ＡＩＮ焼結体の開発が望まれる。

■　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。

■　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
び希土類金属の塩化物のうちの１種以上を添加して焼成
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、窒化アルミニウム粉末に、焼結助
剤として、カルシウム、バリウム、ストロン、チウムお
よび希土類金属の塩化物のうちの１種以上の粉末を添加
して混合したのち。

成形および非酸化性雰囲気中での焼成を行うことを特徴
とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法である。

■　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
（Ａ　ｘ　Ｎ）の粉末に、焼結助剤としてＣａ、Ｂａ、
Ｓｒもしくは希土類金属の塩化物を添加する。　アルカ
リ土類金属の塩化物は、ＣａＣｌ１２　、Ｓ　ｒｃｎ２
および１３ａＣＪＬ２である。

これらと近似したＭ　ｇ　Ｃｌ　２では、本発明の効果
は実現しない。

希土類金属（１）（Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ−Ｌｕ）の塩化物と
しては、例えばＹＣｌ３　、ＬａＣＪ１３、ＣｅＣｌ３
　、ＰｒＣｌ３　、ＳｍＣｕ３、ＮｄＣ文３等が挙げら
れる。

ＡＲＮ粉末は微粉化することが好ましく、平均粒子径が
０．１〜１ＯＩＬ腸、特に０．５〜６ｇｍであることが
好ましい。

焼結助剤の平均粒子径は、０．１〜４４ＩＬｍであるこ
とが好ましく、特に０．５〜２０４ｍ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ＡＩＨに対して０
．０１Ｎ１０重量％であり、特に１〜７重景重量あるこ
とが好ましい。

添加量が０．０１重量％より少ないと緻密な焼結体が得
られず、ｌＯ重重電より多いと０．０１重量％未満の場
合と同様、常圧焼成では緻密な焼結体が得られないから
である。

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、イツトリア等と異なり、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。

Ａｌ１Ｎ焼結体は、通常ＡＲＭ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。

なお、上述の焼結助剤のなかＫは、焼成温度（１７５０
℃）以下で揮散あるいは分散するものがある。　例えば
、ＢａＣｌ２は１０００”０で分散してバリウムと塩化
バリウムになる。

また、ＣａＣｌ２の沸点は１６００℃以上であるが、焼
成時に一部揮散すると考えられる。

このような理由から、いずれの場合も添加量を多くして
いる。

加圧成形の際の圧力は５００〜２０００ｋｇ／Ｃ履２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、Ｎ２．Ｃｏ、各種炭化水素など、あるい
はこれらの混合雰囲気。

さらには真空等積々のものであってよい。

非酸化性雰囲気にするには、微粉化したＡＩＮ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１７
５０〜１８００℃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、ＡＩＮ
の揮散が認められ、また１８００℃より高い場合は含有
酸素がＡＩＨ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るからである。

焼結時間は、普通０．５〜２時間であり、特に、１７５
０℃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、１００〜３００ｋｇ１０８２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ＡｆＬＮ焼結体は、焼きムラが
なく、しかも室温でＡＪＩＮの理論密度の９０％以上の
密度を有し、室温で、電気抵抗率が１Ｑ１２Ωｃｍ以上
、熱伝導率８０　Ｗ／ｍｋ以上である。　また、熱膨張
率は５Ｘ１０４程度である。

電気抵抗率は、従来のＡＩＬＮ焼結体では値に１０〜２
０％のバラツキが生じるが１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。

■　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
塩化物のうちの１種以上を焼結助剤に用いて、これを電
化アルミニウム粉末に０．０１〜ｌＯ重畢％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しているため
、容易で、コスト面でも有利である。

■　発明の具体的実施例以下、本発明の具体的実施例を示し１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３１ＬｍのＡｉＮ粉末に、平均粒径１０＃
Ｌｍの表１に示す焼結助剤の粉末を５重量％添加し混合
した。　次に、この混合物を室温で約１０００　ｋｇ／
ｃ＊２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に示すＡｉＮ焼結体（試料１０１
−１０４および１０５）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（Ｃａ
ｃｏ３）を用い、これをＡＩＮ粉末に対して０．１重量
％、０．５重量％およびｉ、ｏ重量％とした以外は試料
１０１−１０５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。

焼結助剤にイツトリア（Ｙ２０３）を用い。

ＡｉＮ粉末に対して１．０重量％添加した以外は試料１
０１−１０５と同様に作製したものを試料３０１とする
。

さらに、ＡＩＨにＢＮを３重壷％添加したものを試料４
０１とする。

上記の試料１０１〜１０５．２０１〜２０３．３０１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３０１φ、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ＡＩＮ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１本発明の効果は明らかである。

なお、本発明のＡＪＩＮ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、他の遷移金属の塩化物でも表１と同等の効果かえ
られた。　さらに、本発明の助剤の複合添加でも同等の
効果がえられた。　ただ。

Ｍ　ｇ　Ｃｌ　２では、表１に示されるように１本発明
の効果はえられなかった。

Claims

【特許請求の範囲】

（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
類金属の塩化物のうちの１種以上を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。
（２）窒化アルミニウムおよび上記の焼結助剤が粉末の
形で混合され、窒化アルミニウムに対して上記の焼結助
剤が０．０１〜１０重量％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。
（３）焼成が非酸化性雰囲気中で行われる特許請求の範
囲第１項または第２項のいずれかに記載の窒化アルミニ
ウム焼結体。
（４）熱伝導率８０Ｗ／ｍｋ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。
（５）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４項のいずれかに記載の窒化アルミニウム焼
結体。
（６）体積抵抗率が１０＾１＾２Ωｃｍ以上である特許
請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の窒化
アルミニウム焼結体。
（７）窒化アルミニウム粉末に、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
塩化物のうちの１種以上の粉末を添加して混合したのち
、成形および非酸化性雰囲気中での焼成を行うことを特
徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（８）非酸化性雰囲気が窒素を含む特許請求の範囲第７
項に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。