JPS62176960A

JPS62176960A - 金属電極を有する窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPS62176960A
Application number: JP61018962A
Authority: JP
Inventors: 沢村　建太郎; 文男内木場
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1986-01-30
Filing date: 1986-01-30
Publication date: 1987-08-03
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPH0712983B2

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、金属電極を有する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はアルミナの焼結
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（／Ｍ！Ｎ）を使用したＡｆｉＮ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め値に近く、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、Ａｌ１
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、酸素含有量が少ないＡｕＮ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、ＡｆｆｉＮ粉末に酸化アルミニウム（ＡＩＬ２
０３　）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、Ａ２Ｎ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、ＡｕＮ粉末に、ＣａＯ１Ｂａｄ、Ｓ
ｒＯの少なくとも１種を０．１〜１０ｗｔ％添加して非
酸化性雰囲気中で焼結する方法（特公昭５８−４９５１
０号）、Ａｌ１Ｎ粉末に、ＣａＯ１Ｂａｄ、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５９−５００７７号）等が挙げられる。

しかし、これらの方法により作製したＡｆｉＮ焼結体は
熱伝導率の点で不充分であり、さらにＡＩｔＮ焼結体表
面に金属電極を接合形成することが極めて困難である。

この欠点を解決するために、Ａｌ２Ｎ焼結体の表面を酸
化処理することによりＡ、ＡＮ焼結体表面に酸化物層（
酸化アルミニウム）を形成させ、従来のアルミナに対す
る金・属電極形成法を応用した方法（特開昭５９−１２
１１７５号）が提案されている。

しかし、この方法では表面処理温度が１０００℃以上と高いためエネルギー消費が大きく、さ
らに表面処理工程が加わることによる工程増加により製
造コストアップを生じる。

■　発明の目的本発明の目的は、形成した金属電極との接着強度が高く
、かつ熱伝導性の良好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の発明は表面に金属電極を有する窒化ア
ルミニウム焼結体において、窒化アルミニウム焼結体が
酸化アルミニウムおよび酸化カルシウムを含有すること
を特徴とする金属電極を有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酸化アルミニ
ウムまたは焼結により酸化アルミニウムとなる化合物お
よび酸化カルシウムまたは焼結により酸化カルシウムと
なる化合物を添加し、これを焼結して窒化アルミニウム
焼結体を作製し、次いで、その表面に金属電極を形成し
たことを特徴とする金属電極を有する窒化アルミニウム
焼結体の製造方法である。

なお、特公昭５Ｂ−４９５１０号には、酸化カルシウム
、酸化バリウム、酸化ストロンチウムの少なくとも１種
を０．１〜１０ｗｔ％添加して焼結した耐溶材料、高強
度耐熱材料、放熱材料等として適したＡ２Ｎ焼結体が記
載されている。

しかし、この公報では、ＡｆｆｉＮ焼結体のいわゆるメ
タライズ化については触れていす、実際上記の酸化カル
シウム等の単独添加ないし複合添加では、メタライズ化
の接着強度はきわめて小さい。

また、この公報では、酸化カルシウム等と他の酸化物、
例えば５ｉ０２　、Ａｆｉ２０コ等との複合添加も示唆
されているがこれらは少量の添加が許容されていること
を述べているにとどま′す、もちろんメダライズされた
ＡＩＬＮ焼結体の具体例はなく、そこでＣａ０−Ａｌ１
２０３と同等なものとして示唆されているＣａ０−Ｓ　
ｉ　０２　、Ｓ　ｒｏ−Ａｊ！２０３　、Ｓ　ｒｏ２−
５ｉ０２等の組合わせではメタライズの接着強度向上の
効果はなく、本発明のＣａ０−Ａｉ２ｏ３の組合わせの
みがすぐれた効果を発揮するものである。

■　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
（ＡＩｔＮ）の粉末に、酸化アルミニウムまたは焼結に
より酸化アルミニウムとなる化合物および酸化カルシウ
ムまたは焼結により酸化カルシウムとなる化合物を添加
し焼結される。

ＡＪ２Ｎ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。

酸化アルミニウム（Ａｊ！２０：ｓ　）の他、焼結によ
りＡｌ２Ｏ３となる化合物としては、炭酸アルミニウム
（Ａｌ１２　　（ＣＯａ　）３　）等がある。　また、
酸化カルシウム（Ｃａｂ）の他、焼結によりＣａＯとな
る化合物としては炭酸カルシウム（ＣａＣ０３）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）、硝酸カルシウム（Ｃａ
　（ＮＯ３）２　）等がある。

また、Ａ１２ｏ３またはＡｌ１２　　（ＣＯ３）３等お
よびＣａＯまたはＣａＣＯ３等の添加量は、Ａｌ１２０
３およびＣａＯ換算で、ＡｆｉＮに対して総計２〜２０
ｗｔ％であり、特に３〜１゜Ｗし％であることが好まし
い。

添加量が２ｗｔ％未満であると緻密な焼結体が得られず
、また金属電極との接着強度が不充分となる。　また、
添加量が２０ｗｔ％をこえると、緻密な焼結体が得られ
ない。

またＡ１２ｏ３ないしＡｘ２ｏ３になる化合物と、Ｃａ
ＯないしＣａＯになる化合物との添加割合は、Ａｌ２２
０３　　：ＣａＯのモル比で４：１〜１：４が好ましく
、より好ましくは２：１〜ｌ：３である。

上記の割合よりもＡｌ１２０３が大となると、焼結助剤
としての効果が少となり、同様にＣａＯが大となっても
難焼結性となる。

また、添加するＡｕ２　ｏ３、Ａｌ２２　ｏ３となる化
合物、Ｃａｂ、ＣａＯとなる化合物等の平均粒子径は０
．１〜１０μｍ、好ましくは０．５〜５μｍであること
が好ましい。

さらに必要に応じ、これらには、さらに他の添加物、例
えば酸化物ないし酸化物となりつる化合物（Ｓｉ０２　
、ＢａＯ１ＳｒＯ１ＢａＣＯ３、Ｓ　ｒｃＯ３、Ｙ２０
３　、ＭｇＯなど）、あるいは窒化物（Ｃａ４　Ｎ３　
、ＹＮなと）、ホウ化物（Ｃａ８６など）、炭化物（Ｃ
ａ　Ｃ２など）が添加されてもよい。

添加量は、Ａｕ２０３−ＣａＯに対し、３モル％以下と
することが好ましい。

ＡＩＬＮ焼結体は、通常ＡｕＮ粉末にＡｌ１２０３またはＡｌ１２０３となる化合物およびＣ
ａＯまたはＣａＯとなる化合物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５００〜２０００に、ｇ／ｃｎ２
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．ＣＯ１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
ってよく、酸素濃度５０００ＰＰＭ以下の非酸化性雰囲
気が好ましい。

非酸化性雰囲気にするのは、微粉化したＡｕＮ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いてもよい。

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１６００〜２１００℃、好ましくは１７
００〜１９００℃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、２１００℃より高い場合は、ＡＭＮ
の揮散が生じる。

焼結時間は普通０．５〜３時間程度であり、特に１８０
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、１００〜３００にｇ　／　ｃｒ
Ｂ　２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ＡＪＩＮ焼結体は粒界および表
面に、Ａｊ！２０３−ＣａＯ含有化合物を従来のＡＩＬ
Ｎ焼結体より多量に有している。

すなわち、ＡＩＬ２０３−ＣａＯの総計は、ＡＩｔＮに
対して、好ましくは２〜２０ｗｔ％であり、特に３〜１
０ｗｔ％であることが好ましい。

添加量が２ｗｔ％未満であると緻密な焼結体が得られず
、また金属電極との接着強度が不十分となる。　また、
添加量が２０ｗｔ％をこえると、緻密な焼結体が得られ
ない。

金属電極との接着強度はＡ１２０３−ＣａＯの含有量お
よび割合に影響を受け、Ａ１２ｏ３：ＣａＯは４：１〜
１：４が好ましく、より好ましくは２：１〜１：３であ
る。

゛上記の割合よりもＡｌ２２０３が大となると焼結助剤
としての効果がなくなりまた、ＣａＯが大となっても同
様に焼結助剤の効果はなくなる。

なお、コレらに加え、Ａｕ２０３−ＣａＯに対し、１ｗ
ｔ％以下の５ｉ０２　、ＢａＣＯ３等の酸化物ないし酸
化物となりつる化合物、Ｃａ４Ｎ３等の窒化物、ＣａＢ
６等のホウ化物、ＣａＣ２等の炭化物が含まれてもよい
。

ＡＩＮ焼結体表面への金属電極の形成方法としては１種
々の方法がある。

例えば、好ましくは、焼成により酸素を放出し得る酸化
物と金属粉とを含有する金属ペーストをＡＩＮ焼結体の
表面に印刷し乾燥し焼成することによって金属化を行っ
て電極を形成する方法（特願昭６０−３４０２７号）、／ｌ！Ｎ焼結体に液相めっきまたは、気相めっきにより
銅膜を被着した後、弱酸化性雰囲気中で熱処理を行い銅
電極を形成する方法（特願昭６０−３７１３３号）、ＡｆｆｉＮ焼結体に無電解めっきまたは気相めっきによ
って第１の銅被膜を形成し、この第１の銅被膜上に電解
めっきにより第２の銅被膜を被着した後、弱酸化性雰囲
気中で熱処理を行い銅電極を形成する方法（特願昭６０
−５４０１４号）など。

上述の方法以外の公知のペースト法、メッキ法による電
極形成方法を用いてもよい。

また、全屈材質としては、銀、銅、銀パラジウム合金、
金、酸化ルテニウム等種々可能である。　そして、所定
のパターンを有する金属電極は、通常、１μｍ〜３０μ
ｍ程度の厚さとされる。

■　発明の具体的作用効果本発明の窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法は
下記の優れた効果を示す。

（１）本発明では窒化アルミニウム（ＡＩＮ）焼成時に
、従来よりも積極的に多量の酸化アルミニウム（Ａｊ！
２０Ｓｓ　）および酸化カルシウム（−Ｃａｂ）を添加
することにより、ＡＩｔＮ焼結体の粒界および表面に従
来のＡｊ！Ｎ焼結体より多量のＡＩＬ２０３−ＣａＯ含
有化合物を存在させるため、ＡＩＮ焼結体上に形成され
た金属電極との間で大きな接着強度を示す。

（２）本発明では、ＡＩｔＮ焼成と同時に、Ａ１２０３
　、ＣａＯを添加するため、ＡＩｔ２ｏ３はＣａＯで固
定されＡＩＮ内に固溶し難く、フォノンの散乱が少なく
、したがって熱伝導率の低下をおさえることができる。

（３）本発明では安価なＡｊ１２０３−ＣａＯを従来よ
り多量に使用するため相対的に高価なＡＪ２Ｎの使用割
合が減少し、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。

■　本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。

及ム１平均粒子径が５μｍのＡＩＮ粉末に、平均粒子径２μｍ
のＡＲ２０３−ＣａＯを表１に示す組成、添加量にて添
加混合した。次にこの混合物を室温で約１０００にｇ／
ｃｍ”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１８００℃１時間保持し
た後、放冷した。

また、比較のため、Ａｊ！２０３−３ｉ０２　Ｊ’Ｂａ
０−ＡＩｔ２０３　、ＣａＯ粉末を添加し、上記と同様
にＡＩｔＮ焼結体を作成した。

各サンプルおよびアルミナ基板に銀−パラジウムをペー
スト法により１０μｍ厚に形成した。

用イた銀−パラジウムペーストの組成は下記のとおりで
ある。

銀　　　　　　　　　　　　　　　　：　６８ｗｔ％パ
ラジウム　　　　　：２０ｗｔ％ホウケイ酸鉛系ガラス：ｔｚｗｔ％なお、焼成は８５０℃、１０分とした。

これらのす′ンプルについて、下記の方法により金属電
極の接着強度および熱伝導率を測定した。　結果を表１
に示す。

（１）金属電極の接着強度サンプルに２ｍｍＸ２ｍｍの大きさに形成した金属電極
の一端にリード線を接着し、このリード線を金属電極に
対し垂直方向に１００　ｍｍ／分のスピードで引っ張り
、接着強度を測定した。

（２）熱伝導率１０ｍｍφ、４＋ｎｍ厚のサンプルについて室温度でレ
ーザーフラッシュ法にて測定した。

表　　　　　　１組　成　　　　　添加１１１　　接着強度　　熱伝導率
（ｗｔ％）　　　（Ｋｇ／ｃｒｎ’　）　　　（Ｗ／ｍ
ｋ）２ＡＪＬ２０３’Ｃａｎ　　　　　　　　５　　　
　　１　　　　　　９０２１Ｑ　、、０３”　Ｃａ０　
　　　　　１０　　　　０．９　　　　　８０３Ａ１２
０３−５ＣａＯ５Ｇ、８　　　　　９０３Ａ１２０３”
　５ＣａＯ１００，８８０＾１２０３”ＣａＯ１ｏ　　
　　　０．７　　　　　８５ｋｌ　２０３’　ＣａＱ　
　　　　　　２０　　　　０．９　　　　　７０２ＡＪ
Ｌ　２０３’　ＣａＯＩ　　　焼結せず　　　　６゜２
Ａ１　０　　・ＣａＯ’　　　４０　　　焼結せず　　
　　５゜３ＡＪＬ　２０３”　５Ｃ：ａｏ　　　　　　
　５　　　　０．８　　　　　８０アルミナ基板（８θ
ｚ）（比較）　−１２０表１より、本発明のＡｕＮ焼結
体は　金属電極に対する優れた接着性を有し、かつ良好
な熱伝導率を有することがわかる。

出願人　　ティーディーケイ株式会社代理人　　弁理士　石　井　陽　− 手続ネｉｔ１正ａＦ　　（自発）昭和６１年　３　Ｊ４１４日特許庁長官　　宇　賀　道　部数い１、事件の表示昭和６１年特許願第１８９６２号２、発明の名称金属電極を有する窒化アルミニウム焼結体およびその製
造方法３、補正をする者事件との関係　　　　　　　　特許出願人任　　所　　
　　東京糾央区日本槁−下目１３番１号名　　称　　　
（３０６）　　ティーディーケイ株式会社イ嘘者　大蔵
　寛４、代理人　〒１０１住　　所　　　　東京都千代田区岩本町３丁目２番２号
千代田岩本ビル４階ｆ１８６４−４４９８　　Ｆａｘ、８６４−６２８０氏
　　名　　　　（８２８６）　　弁理士　　石　井　陽
　−５、補正の対象明細書の「発明の詳細な説明」の欄６、補正の内容　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　−一表　　　　　１組　成　　　　　添加量　接着強度　　熱転専率（ｗｔ
％　）　　（Ｋｇ／ｍｍ２）　　　（１１／ｍｋ）３＾
ｎ２０３−５ＣａＯ５０，８６０５＋０２　　　　　１３Ａｊ２２０３−５ＣａＯ５０，７６０Ｂ２０３　　　
　　　１３ＡＲ２０３・５Ｃａ０　　　　　５　　　　０．８　
　　　８５３ＡＪ２２０３　　・５ＣａＯ５０，８９Ｇ
ａＣ２１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）表面に金属電極を有する窒化アルミニウム焼結体
において、窒化アルミニウム焼結体が酸化アルミニウム
および酸化カルシウムを含有することを特徴とする金属
電極を有する窒化アルミニウム焼結体。
（２）酸化アルミニウムおよび酸化カルシウムの含有量
の総計が窒化アルミニウムに対して２〜２０ｗｔ％であ
る特許請求の範囲第１項に記載の金属電極を有する窒化
アルミニウム焼結体。
（３）酸化アルミニウムと酸化カルシウムとのモル比が
４：１〜１：４である特許請求の範囲第１項または第２
項に記載の金属電極を有する窒化アルミニウム焼結体。
（４）窒化アルミニウム焼結体が、さらに他の酸化物、
窒化物、ホウ化物または炭化物を含有する特許請求の範
囲第１項から第３項のいずれかに記載の金属電極を有す
る窒化アルミニウム焼結体。
（５）窒化アルミニウム粉末に酸化アルミニウムまたは
焼結により酸化アルミニウムとなる化合物および酸化カ
ルシウムまたは焼結により酸化カルシウムとなる化合物
を添加し、これを焼結して窒化アルミニウム焼結体を作
製し、次いで、その表面に金属電極を形成したことを特
徴とする金属電極を有する窒化アルミニウム焼結体の製
造方法。
（６）酸化アルミニウムまたは焼結により酸化アルミニ
ウムとなる化合物および酸化カルシウムまたは焼結によ
り酸化カルシウムとなる化合物の窒化アルミニウムに対
する添加量の総計が酸化アルミニウムおよび酸化カルシ
ウム換算で２〜２０ｗｔ％である特許請求の範囲第５項
に記載の金属電極を有する窒化アルミニウム焼結体の製
造方法。
（７）酸化アルミニウムまたは焼結により酸化アルミニ
ウムとなる化合物と酸化カルシウムまたは焼結により酸
化カルシウムとなる化合物とのモル比が４：１〜１：４
である特許請求の範囲第５項または第６項に記載の金属
電極を有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（８）焼結温度が１６００〜２１００℃である特許請求
の範囲第５項から第７項のいずれかに記載の金属電極を
有する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
（９）焼結を酸素濃度５０００ＰＰＭ以下の非酸化性雰
囲気で行う特許請求の範囲第５項から第８項のいずれか
に記載の金属電極を有する窒化アルミニウム焼結体の製
造方法。
（１０）電極がペースト法または気相もしくは液相メッ
キによって形成される特許請求の範囲第５項から第９項
のいずれかに記載の金属電極を有する窒化アルミニウム
焼結体の製造方法。