JPS61205670A - 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 - Google Patents

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】 ［技術分野］ 本発明は、高熱伝導窒化アルミニウム焼結体、及びその
製造方法に関する。

［技術的背景コ エレクトロニクスの技術の急激な発達は、半導体デバイ
スの小型化のみならず、高出力化、高集積度化をも同時
に可能なものとしてきている。また、単一の基板上に、
半導体デバイスの高密度な実装方法も研究されている。

これらの例は、パワーダイオード、パワートランジスタ
、半導体レーザー、また、ＬＳＩさらにＶＬＳ　Ｉなど
である。

高出力化、高集積度化、あるいは、高密度実装化する半
導体デバイスは、単位面積、単位体積当りの発熱量が大
きくなるという問題をもたらす。

現在のところ、半導体デバイスから発生する熱は、熱伝
導性の良い、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、酸化ベ
リリウム、絶縁性炭化ケイ素などを、ヒートシンクやパ
ッケージ材料の一部として用いて、散逸させる方法がと
られている。しかし、上記の良熱伝導性材料には、安全
性、製造に要するコスト、生産の絶対量などの観点から
見た場合、必ずしも十分とは言えない。

発熱量の大きい半導体デバイスの実用化に対して、低コ
ストで供給量の大きな、高熱伝導性材料が必要となって
きている。

［従来技術の問題点コ 素材としての窒化アルミニウムは、その結晶構造から、
サファイヤの８倍近くの熱伝導率を有するものと考えら
れていたが、測定値は、５０Ｗ／ｍ−に程度のものであ
った。窒化アルミニウムの焼結体の熱伝導率が、理論値
（３２０１１／ｍ・ｋ）の１／６程度の値を示す。この
原因としては、結晶粒界や、不純物、あるいは格子欠陥
が影響するためと考えられている。

特に、窒化アルミニウム結晶粒中の酸素の存在が熱伝導
率の低下に大きな影響を与えている。この問題を解決す
る一つの方法として、各種の化合物を添加し、焼結を行
い、主に、粉末表面に存在する酸素を、添加剤によりト
ラップする方法が行われている。しかし、この方法にお
いてもいまだ不十分であり、１００ｆ／■・ｋ程度の焼
結体しか得られていないのが現状である。

［発明の開示］ 本発明者らは、上記の技術的問題点に鑑み、窒化アルミ
ニウム焼結体の熱伝導率を向上するべく、研究を重ねた
結果本発明に到ったものである。

本発明の特徴は、窒化アルミニウムの原料粉末を非酸化
性雰囲気中で１６００℃以上に加熱し、熱処理すること
によって窒化アルミニウムの原料粉末に含まれている酸
素量を１．３ｍｏｌ％以下に減少させ、高純度化した後
、焼結を促進させる目的で、周期率表第１ＩＩａ族系列
元素（Ｙ、Ｓｃ、Ｌ−、Ｃｅなど）および第Ｈａ族元素
（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）の窒化物から選ばれた１ｔ
ｌまたは２種以上の粉末を添加し、焼結することによっ
て、緻密質で、窒化アル１　ニウム結晶粒子中の酸素不
純物の少ない高熱伝導性の焼結体を得たところにある。

その結果、酸素不純物量の減少及び焼結体の緻密化に伴
って熱伝導率が向上し、１６０１／ｍ・ｋ以上の熱伝導
率を達成した。

市販の窒化アルミニウム原料粉末には、通常２．５ｍｏ
ｌ％以上の酸素が含まれている。この粉末をそのまま焼
結しても、ＨＷ／■・ｋ程度の熱伝導率の焼結体しか得
られない。窒化アルミニウムの原料粉末に含まれている
酸素は、アルミナ還元窒化法で窒化アルミニウム粉末を
合成した場合、未反応の酸化アルミニウムに起因すると
考えられる。また１アルミニウム金属粉末、あるいは金
属の塊を窒化する場合、窒素ガス中の水分、酸素あるい
は、アルミニウム金属の表面酸化層に起因する。また、
粉末合成後、空気中で取り扱うことにより、窒化アルミ
ニウム粉末の合成方法に依らず、窒化アルＺ　＋ラム粉
末の表面部分が、酸素による酸化、あるいは、大気中の
水分との加水分解により酸化されるために生じていると
考えられている。このような窒化アルミニウム粉末を焼
結した場合、合成中に取り込まれた酸素に加え、表面の
酸化層中の酸素が、粒子内部へ拡散して、電気的な中性
条件を溝たすように、アルミニウム原子の副格子中に空
孔を生じ、これがフォノンの散乱源となり、熱伝導率が
低下するものと考えられる。現在、熱伝導率と酸素の詳
しい関係については研究中である。

本発明者らは、酸素量を量の低減させた、窒化アルミ４
ウム粉末を焼結させることにより、低減前の粉末の焼結
体に対し、２倍近くの熱伝導率の焼結体を得た。また、
酸素含有量の低減に伴い、熱伝導率は向上していく。し
かし、酸素量を量が１．３ａ＋ｏ１％以下となると、窒
化アルミニウム粉末の焼結性が急激に低下する。例えば
、２１００’Ｃ１プレス圧２００ｋｇ／ｃｍ”でホット
プレスを用いた加圧焼結を行った場合でも、焼結体密度
は、　２．３５ｇ／ｃ■３と、理論密度の７０％程度の
焼結体しか得られなかった。

そのため、低酸素含宵窒化アルミニウム粉末は、焼結性
に難があり、熱伝導率の向上の限界を有している。

本発明者らは、難焼結性−低酸素含有窒化アルミニウム
粉末の緻密化に対し、第２成分としての周期律表第ｎｌ
ａ族系列元素（Ｙ　＋　Ｌａ＋　Ｓ　Ｃ＋　Ｃｅなど）
、第ＩＩａ族元素（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂ為など）の窒
化物の添加が育効であることを見い出したものである。

第２成分の添加量を０．０５〜７．５ｍｏ１％とじたの
は、０．０５ｍｏｌ％以下では、緻密化が進行せず、ま
た７、５ｍｏｌ％以上では、熱伝導率が低下する傾向を
示すためである。また実施例で示したように、　Ｏ，Ｏ
Ｓ〜７．５■ｏｆ％内の添加量では、熱伝導率は、大き
な変化を示さない。また、焼結体の熱伝導率は、出発原
料の窒化アルミニウム粉末の酸素含有量に依存している
。この原因は、現在解明中であるが、低酸素含有窒化ア
ルミニウム中への、第２成分の溶解度　　　　　゛は小
さく、第２成分中への窒化アルミニウムの溶　　　　　
・鮮度が大きいため、第２成分は、アルミニウム原子、
窒素原子の拡散を促進する径路としてのみ作用している
のではないかと考えられる。

焼結温度をｌ６００℃〜２２００℃としたのは、１８０
０℃以下では、焼結が促進されず、焼結体密度が８０％
程度にとどまるためであり、２２００℃以上では、窒化
アルミニウム及び第２成分とも分解する傾向を育するた
めである。

焼結の雰囲気は、非酸化性雰囲気中がよく、望ましくは
、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気で焼結するのが
良い。

熱処理後の窒化アルミニウム粉末の取り扱いは、大気中
の酸素による酸化、水分による加水分解を防ぐ目的から
、乾燥窒素ガスを導入したグローボ、ラス中などで取り
扱い、大気との接触をさけて焼結を完了するのが良い。

以下、実施例によって本発明を説明する。

実施例　１ ２．５ｍｏ１％酸素含有の窒化アルミニウム粉末を窒素
ガス雰囲気（１ａｔｅ　）中、１８００℃、１０時間保
持して熱処理を施した窒化アルミニウム粉末に、０．０
５゜０、＋０．０．２０．０．５０．１．０．２．０．
５．０．７．５＋＊ｏ１％となるように、窒化イツトリ
ウムを添加した混合粉末を成形、次いで１８００℃窒素
ガス（１ａｔ＋ｗ　）中で、８時間保持して焼結を行っ
た。このときの焼結体の密度及び熱伝導率の測定結果を
表−１に示す。また、比較例として、同一の熱処理を施
した窒化アルミニウム粉末を、第２成分を添加すること
なく、同一条件で焼結した結果も表−１にあわせて示す
。

表　　１ 実施例　２ 熱処理後、酸素含有量が０．６５ｍｏ１％となった窒化
アルミニウム粉末に３■ｏ１％となるように、窒化イツ
トリウム（ＹＮ）　、窒化セリウム（ＣｅＮ）　、窒化
ランタン（ＬａＮ）　、窒化スカンジウム（ＳｃＮ）を
各々、添加した混合粉末を成形（プレス圧２　ｔｏｎ／
ａｍ”　）　、次いで１９００℃、窒素ガス（１ａｔｍ
　）雰囲気中で２時間保持して焼結を行った。このとき
の熱伝導率の測定結果を、表−２に示す。またアルゴン
ガス（ｌａｔ■）雰囲気中で焼結を行ったときの結果も
表−２にあわせて示す。

表　　２ 実施例　３ 熱処理後、酸素含有量が０．８５＋ｎｏ１％となった窒
化アルミニウム粉末に２．０ｍｏ１％となるように窒化
イツトリウムを添加した混合粉末を、焼結温度１８００
’Ｃ〜２２００℃、プレス圧（２００ｋｇ／ａｍ”　）
　、窒素ガス雰囲気中、の条件でホットプレスを用いた
加圧焼結を行った。このときの熱伝導率、及び密度の測
定結果を表−３に示す。

表　　３ 実施例　４ 熱処理後、酸素含有量が０．８４■０１％となった窒化
アルミニウム粉末に０．０５．０．１Ｇ、　０．５．１
．０．５．Ｏｍｏ１％となるように窒化ランタンを添加
した混合粉末を焼結温度２０００℃、焼結時間２．５時
間保持、窒素ガス雰囲気中（１ａｔｅ　）の条件でホッ
トプレスを用いる加圧焼結を行った。このときの熱伝導
率、密度の測定結果を表−４に示す。

表　　４ 実施例　５ 熱処理後、酸素含有量が０．６５−０１％となった窒化
アルミニウム粉末に３．０ｍｏ１％となるように窒化ラ
ンタンを添加した混合粉末を成形（プレス圧２　ｔｏｎ
／ｃｍ”　）　、次いで１５００℃〜２２００℃の温度
範囲で、窒素ガス雰囲気中（１ａｔｍ　）で、３時間保
持して焼結を行った。

このときの熱伝導率の測定結果を表−５に示す。

表　　５ 実施例　６ 熱処理後、酸素含有量が０．６５−０１％となった窒化
アルミニウム粉末に３．０ｍｏ１％となるように窒化イ
ツトリウムを添加した混合粉末を成形（プレス圧２　ｔ
ｏｎ／ｃｍ”　）　、次いで１８００℃〜２２００℃の
温度範囲で、窒素ガス雰囲気中（ｆａｔ園）で、２．５
時間保持して焼結を行った。

このときの熱伝導率の測定結果を表−８に示す。

比較例として１５００℃で焼結したときの結果もあわせ
て示す。

表　　６ 実施例　７ 熱処理後、酸素含有量がＯ，ＧＧｉｏ１％となった窒化
アルミニウム粉末に３．０ｍｏ１％となるように窒化セ
リウムを添加した混合粉末を成形（プレス圧２　ｔｏｎ
／ｃ、ｌ　）、次いで１１１００℃〜２２００℃の温度
範囲で、窒素ガス雰囲気中（１ａｔｅ　）で、２．５時
間保持して焼結を行った。

このときの熱伝導率の測定結果を表−７に示す。

表　　７ 実施例　８ 熱処理後、酸素含有量が０．６５ｇｏ１％となった窒化
アルミニウム粉末に３．０−０１％となるように窒化ス
カンジウムを添加した混合粉末を成形（プレス圧２ｔｏ
ｎ／ｃ＋ｓ’　）　、次いで１６００℃〜２２００℃の
温度範囲で、窒素ガス雰囲気中（ｌａｔ■）で、２．５
時間保持して焼結を行った。

このときの熱伝導率の測定結果を表−８に示す。

表　　８ 実施例　９ ２．５ｍｏｌ％酸素含宵の窒化アルミニウム粉末を窒素
ガス雰囲気（１ａｔｍ　）中、１８００℃、１０時間保
持して熱処理を施した窒化アルミニウム粉末に、Ｏ，Ｏ
Ｓ。

０．１Ｇ、　０．２０．０．５Ｇ、　１．０．２．０．
５．０．７．５■Ｏ１％となるように、窒化カルシウム
を添加した混合粉末を成形、次いで１８００℃窒素ガス
（１ａｔｍ　）中で、２時間保持して焼結を行った。こ
のときの焼結体の密度及び熱伝導率の測定結果を表−９
に示す。また、比較例として、同一の熱処理を施した窒
化アルミニウム粉末を、第２成分を添加することなく、
同一条件で焼結した結果も表−９にあわせて示す。

表　　９ 実施例　１０ 熱処理後、酸素含有量がＯＪ５ｍｏ１％となった窒化ア
ルミニウム粉末に３．０■ｏ１％となるように、窒化カ
ルシウム、窒化マグネシウム、窒化ストロンチウム、窒
化バリウムを各々、添加した混合粉末を成形（プレス圧
２　ｔｏｎ／ｃｍ’　）　、次いで１９００℃、窒素ガ
ス（１ａｔｍ　）雰囲気中で２時間保持して焼結を行っ
た。このときの熱伝導率の測定結果を表−１０に示す。

また、アルゴンガス（１ａｔｍ　）雰囲気中で焼結を行
ったときの結果も表−１０にあわせて示す。

表　　ｌＯ 実施例　口 熱処理後、酸素含Ｗ量が０．８１ｍｏ１％となった窒化
アルミニウム粉末に０．１．０．５．１．０．５．０閣
ＯＩ％となるように窒化カルシウムを添加した混合粉末
を成形（プレス圧２　ｔｏｎ／ｃＸ　）　、次（為で１
９００℃、窒素ガス雰囲気中で２時間保持して焼結を行
った。

このときの熱伝導率の測定結果を表−１１に示す。

また、比較例として、同一の窒化アルミニウム粉末を同
一条件で焼結を行ったときの結果も表−１１にあわせて
示す。

表　　１１ 実施例　１２ 熱処理後、酸素含有量が０．８０ｍｏ１％となった窒化
アルミニウム粉末に３．Ｏｍｏ１％となるように窒化カ
ルシウムを添加した混合粉末を、焼結温度１５００℃〜
２２００℃、プレス圧（１ｓＯｋｘ／Ｃｓ”　）、窒素
ガス雰囲気中、の条件でホットプレスを用いた加圧焼結
を行った。このときの熱伝導率、及び密度の測定番吉果
を表−１２に示す。

表　　１２ 実施例　１３ 熱処理後、酸素含有量がＱ、５９ｍｏ１％となった窒化
アルミニウム粉末に３．０ｍｏ１％となるように窒化カ
ルシウムを添加した混合粉末を成形（プレス圧２ｔｏｎ
／ｃｍ”　）　、次いで１５００℃〜２１００℃の温度
範囲で、窒素ガス雰囲気中（１ａｔ鵬）で、２時間保持
して焼結を行った。このときの熱伝導率の測定結果を表
−１３に示す。

表　　Ｘ３ 実施例　１４ 熱処理後、酸素含有量が０．８０ｍ１％となった窒化ア
ルミニウム粉末に３．Ｏｍｏ１％となるように窒化マグ
ネシウムを添加した混合粉末を成形（プレス圧２　ｔｏ
ｎ／ａｍ”　）　、次いでｔｓｏｏ℃〜２２００℃の温
度範囲で、窒素ガス雰囲気中（１ａｔｅ　）で、２時間
保持して焼結を行った。

このときの熱伝導率の測定結果を表−１４に示す。

表　　１４ 実施例　＋５ 熱処理後、酸素含有量が０．８１ｍｏ１％となった窒化
アルミニウム粉末に３．０ｍｏ１％となるように窒化バ
リウムを添加した混合粉末を成形（プレス圧２　ｔｏｎ
／Ｃ■１）、次いでＩ［ｉ００℃〜２２００℃の温度範
囲で、窒素ガス雰囲気中（１ｓｔ＋ｓ　）で、２時間保
持して焼結を行った。

このときの熱伝導率の測定結果を表−１５に示す。

表　　１５ 実施例　！６ 熱処理後、酸素含有量が０．８０ｍｏ１％となった窒化
アルミニウム粉末に３．０−０１％となるように窒化ス
トロンチウムを添加した混合粉末を成形（プレス圧２　
ｔｏｎ／ａｍ”　）　、次いで１６００℃〜２２００℃
の温度範囲で、窒素ガス雰囲気中（ｌ　ａｔｓ＋　）で
、２時間保持して焼結を行った。

このときの熱伝導率の測定結果を表−！６に示す。

表　　１６ 実施例　＋７ ２．８ｍｏ１％の酸素を含有する市販窒化アルミニウム
粉末を窒素ガス雰囲気（５ａｔｍ　）、２０Ｇ（１℃で
３時間処理後すぐに入れ、このグローボックス中で、窒
化カルシウム（５ｍｏ１％）の添加、混合を行った後、
ホットプレスモールドへ充填、ホットプレスへのモール
ド装填を全て窒素ガス（ｆａｔ■）を充填したグローボ
ックス中で行い、混合粉末を、大気と接触させることな
く、ホットプレス（プレス圧、１５０ｋｇ／ｃｍ”　）
　１９５０℃を用いる加圧焼結を行った。窒化アルミニ
ウム粉末の酸素含有量は、０．４層ｏ１％であり、焼結
体の熱伝導率は、２１０Ｗ／ｍ−にであった。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウム粉末と周期律表第IIIａ族元素
   、第IIａ族元素の窒化物粉末の１種または２種以上０．
   ０５〜７．５ｍｏｌ％とよりなることを特徴とする窒化
   アルミニウム焼結体。
2. （２）熱伝導度が１６０Ｗ／ｍ・ｋ以上であることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の窒化アルミニ
   ウム焼結体。
3. （３）窒化アルミニウム粉末を非酸化性雰囲気中、１６
   ００℃以上の温度域で熱処理した後、窒化アルミニウム
   粉末と周期律表第IIIａ族元素の窒化物粉末および、第
   IIａ族元素の窒化物粉末から選ばれた１種または２種以
   上０．０５〜７．５ｍｏｌ％を含有する混合粉末を成形
   し、次いで１６００〜２２００℃の温度および非酸化性
   雰囲気中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。
4. （４）非酸化性雰囲気が、真空、窒素ガス、アルゴンガ
   ス、ヘリウムガス、水素ガスよりなる群から選ばれた、
   １種または２種以上であることを特徴とする特許請求の
   範囲第３項記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
5. （５）熱処理後の窒化アルミニウム粉末中の酸化含有量
   が１．３ｍｏｌ％以下であることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法
   。
6. （６）焼結が２０ｋｇ／ｃｍ＾２以上の圧力でホットプ
   レスすることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
7. （７）混合および／または成形を非酸化性雰囲気中で行
   うことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の窒化ア
   ルミニウム焼結体の製造方法。