JPS62176961A - 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】 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、特に易メタライズ
性の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、アルミナ基盤では熱伝導
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
、その上高価なことが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、コスト而で不利である上、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（Ａ　ＲＮ、　）を使用したＡｆｆｉＮ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。

たたし、このような利点をそのまま生かすには、Ａｆｉ
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、酸素含有量か少ない、６ｊｌＮ粉末ｍ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（ＡＪ２２
０３）がイツトリア（Ｙ２Ｏ２）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、Ａ２Ｎ粉末に、Ｃａｂ、ＢａＯ１Ｓ
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）、 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
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ＡＲＮ焼結体は熱
伝導率の点で不充分であり、ざらにＡｊ２Ｎ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、ＡＩｔＮ焼結体の表面を酸
化処理することによりＡＩＮ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５９−１２１１
７５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。

このような実状から、本発明者は、この出願の先願とし
て、ＡＲ，２０３とＣａＯをＡＩＮに添加して、メタラ
イズ性を向上する旨の提案を示している。

この提案によれば、金属電極の接着強度がきわめて高く
なる。　ただ、これら金属酸化物はそれ自身の熱伝導率
が低く、焼結体の熱伝導率の低Ｆが生じる。

ＩＩ　　発明の目的 本発明の目的は、金属電極との接着強度が高く、高い熱
伝導率を有する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、第２および第３の発明
によって達成される。

すなわち第１の発明は、窒化アルミニウムを主成分とし
、酸化アルミニウムと、酸化カルシウムと、第３成分と
して酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化ホウ素、
窒化ホウ素および炭化ケイ素のうちの少なくとも１種以
上とを含む金属酸化物を含有することを特徴とする窒化
アルミニウム焼結体である。

第２の発明は、酸化アルミニウムと、酸化カルシウムと
、第３成分として酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、
酸化ホウ素、窒化ホウ素および炭化ケイ素のうちの少な
くとも１種以上とを含有する金属酸（ｔ、物を含む窒化
アルミニウム焼結体であって、その表面に金属電極を有
することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体である。

第３の発明は、窒化アルミニウム粉末に、酸化アルミニ
ウムおよび／または焼結により酸化アルミニウムとなる
化合物ならびに酸化カルシウムおよび／または焼結によ
り酸化カルシウムとなる化合物を含有する主添加剤と、
酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化ホウ素、窒化
ホウ素および炭化ケイ素ならびに焼結によりこれらの化
合物となる化合物のうちの１種以上を含有する第３添加
剤とを含む添加剤を添加し、焼結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
（ＡｆｆｉＮ）の粉末に、所定の添加剤を添加して焼結
してえられる。

本発明における所定の添加剤とは、 ｌ）酸化アルミニウムおよび／または焼結により酸化ア
ルミニウムとなる化合物ならびに２）酸化カルシウムお
よび／または焼結により酸化カルシウムとなる化合物を
含有する主添加剤と、 ３）酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化ホウ素、
窒化ホウ素および炭化ケイ素ならびに焼結によりこれら
の化合物となる化合物のうちの１種以上を含有する第３
添加剤とを含有するものである。

例えば、通常、アルミナ−カルシア−マグネシア系、ア
ルミナ−カルシア−ベリリア系、アルミナ−カルシア−
酸化ホウ素系、アルミナーカルシア−窒化ホウ素系およ
びアルミナ−カルシア−炭化ケイ素系の化合物あるいは
混合物のうち１種以上である。

すなわち、ＡｆｉＮ焼結体と金属電極との接着強度を高
めるために、アルミナ（ＡｆＬ２０３）およびカルシア
（Ｃａｂ）、あるいは Ａ２□０３　　Ｃａ　Ｏ＆化合物、さらにはこれらの混
合物を添加する。

しかし、Ａｌ２２０３、Ｃａｂ、ＡＩＬ２０．−ＣａＯ
系化合物はＡｆｆｉＮに比べ熱伝導率が低いので、Ａｆ
ｉＮ焼結体の熱伝導率の低下現象がみられる。

そこで、熱伝導率の高い物質例えばマグネシア（ＭｇＯ
）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化ホ
ウ素（Ｂ２０３）、炭化ケイ素（Ｓ　ｉ　Ｃ）　、等の
第３添加剤をＡＩＬ２０３−ＣａＯ系化合物あるいは混
合物に添加することにより、ＡｆｉＮ焼結体の熱伝導率
を高めるものである。

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。

また、Ａｌ２０３−ＣａＯ−ＭｇＯ系、Ａｌ２０３−Ｃ
ａＯ−Ｂａｄ系、Ａｌ２２０３−ＣａＯ−Ｂ２Ｏ３系、
Ａ　１１２０３　　Ｃａ　Ｏ−ＢＮ系およびＡｌ２０３
−ＣａＯ−ＳｉＣ系の化合物あるいは混合物の１種以上
等の添加剤の添加量は、ＡＪ２Ｎに対して２〜２０胃Ｌ
％であり、特に５〜１０ｗｔ％であることが好ましい。

ただし、ＭｇＯ１Ｂｅｄ、Ｂ２０３　、ＢＮ、ＳｉＣ等
の第３添加剤は、Ａｎ□０３との低融点化合物を形成し
ないため焼結助剤とならないばかりか、むしろ焼結阻害
作用を呈する。

しかし、ｘ　（ｍＡｌ２２０３−ｎｃａｏ）−ｙ（Ｍｇ
Ｏ１Ｂｅｄ、Ｂ２Ｏ３、ＢＮ、５ｉＣ）において、ｍ、
ｎ、ｘ、ｙの値を適正に設定すると、Ｍ　ｇ　Ｏ％Ｂ　
ｅ　Ｏ，Ｂ２０３　、Ｂ　Ｎ。

ＳｉＣの１種以上を含有する第３添加剤の焼結阻害作用
が無くなり、ｍＡＩＬ□０３−ｎｃａ。

の作用によりＡｕＮ焼結体と金属電極との接着強度が増
大し、第３添加剤の添加効果により、ｍＡＩｔ２０．−
ｎｃａｏ添加による熱伝導率の低下を抑えることができ
る。

この場合のｍ：ｎは、モル比で４：１〜１：４、より好
ましくは２：１〜１：３が好まシレ）。　　ｘはＡｉＬ
Ｎに対し２〜２ｏｗｔ％、より好ましくは３〜１０ｗし
％、ｙはＡ２Ｎに対し５ｗｔ％以下、より好ましくは０
．１〜３ｗｔ％であることが好ましい。

ｍ、ｎの比が上記の範囲外であるとＡｊ２Ｎ焼結体と金
属電極との接着強度が充分でなくなる。　またＸの値が
上記の範囲外であると、緻密な焼結体が得られない。

さらに、ｙの値が０．１ｗｔ％以下であると熱伝導率数
片の効果がなく、５ｗｔ％をこえると焼結阻害作用を呈
する。

なお、焼結によりＡｎ□０３．ＣａＯｌＭｇＯ，Ｂｅｄ
、１３２０３　、ＢＮ、Ｓ　ｊ　Ｃとなる化合物として
は炭酸アルミニウム（Ａｌｌ。（ＣＯ３）３　）、炭酸
カルシウム（ＣａＣＯ３）、硫酸カルシウム （Ｃａ　Ｓ　Ｏ４）　、硝酸カルシウム（Ｃａ（ＮＯ３
）２）等がある。

さらに必要に応じ、これらには、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（Ｓｉｎ□、Ｂａｄ
、ＳｒＯ，ＢａＣＯ３，５ｒＣ０３など）、あるいは窒
化物（ＣａＮ３など）、ホウ化物（ＣａＢ６など）、炭
化物（ＣａＣ２など）が添加されてもよい。

添加量は、Ａｌ２２０３−ＣａＯに対し、３モル％以下
とすることが好ましい。

添加する添加剤、例えばＡ２□０３−ＣａＯ−ＭｇＯ系
、Ａ　Ｉｔ　２０３−　Ｃａ　Ｏ−Ｂ’ｅ　Ｏ系、Ａ　
ｌ　２０３　　Ｃａ　Ｏ−Ｂ　２０３系、ＡｉＬ２ｏ３
−ＣａＯ−ＢＮ系およびＡｌ２２ｏ３−ＣａＯ−３ｉＣ
系の化合物あるいは混合物等の平均粒子径は好ましくは
０．１〜ｌＯμｍ、より好ましくは０．５〜５μｍであ
る。

ＡＩＬＮ焼結体は、通常ＡＩＬＮ粉末に上記の添加剤の
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、Ｂ２．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５０００　ＰＰＭ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ＡｆｉＮ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１６００〜２１００℃、好まし
くは１７００〜１９００℃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１
分には緻密化せず、２１００℃より高い場合は、ＡｕＮ
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１８
００℃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。

このようにして製造される焼結体は、 Ａｆｆｉ２０．とＣａＯと、第３成分としてＭｇＯ％Ｂ
ｅｄ、Ｂ２０３．ＢＮおよびＳｉＣのうちの少なくとも
１種以上とを含有する金属酸化物を含有する。

そして、Ａｉｔ２０．およびＣａＯの含有量は、ＡＩＮ
に対し、２〜２０ｗｔ％、より好ましくは３〜１０ｗｔ
％であることが好ましい。

また、Ａｎ２０３とＣａＯのモル比は４：１〜１：４、
より好ましくは２：１〜１：３であることが好ましい。

そして、１種または２種以上の第３成分、すなわちＭｇ
Ｏ１ＢｅＯ１Ｂａｓｓ、ＢＮおよびＳｉＣの１種以上の
含有量は、ＡＩＮに対し０．１〜５ｗｔ％、より好まし
くは０．５〜２ｗｔ％であることが好ましい。

さらに、必要に応じ、ＡＪ２Ｎに対し１ｗｔ％以下の範
囲で５ｉ０２、ＢａＯ１ＳｒＯ１ＢａＣｏ３．５ｒＣ０
３等の酸化物ないし酸化物となりつる化合物、Ｃａ４Ｎ
３等の窒化物、ＣａＢＩＩ等のホウ化物、ＣａＣ，等の
炭化物が含有されていてもよい。

そして、これら各成分は金属酸化物として、ＡｕＮ焼結
体の表面および粒界に存在するものである。

ＡＩＬＮ焼結体表面への金属電極の形成方法としては、
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フて金属化を行っ
て電極を形成する方法（特願昭６０−３４０２７号）、 ＡｆｉＮ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１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）、 ＡｕＮ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６０−５
４０１４号）等がある。

上述の方法以外の公知の電極形成方法を用いてもよい。

■　発明の具体的作用効果 本発明による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（ＡＲＮ）焼成時に
従来よりも積極的に酸化アルミニウム（ＡＪｉ！２０＊
）および酸化カルシウム（Ｃａｂ）を添加することによ
り、ＡＩＮ焼結体の粒界および表面に従来の／Ｍ！Ｎ焼
結体より多量のＡｊ！２０３−ＣａＯ含有化合物を存在
させるため、ＡＲＮ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）また、ＡＩＮ焼成時に高熱伝導率物質であるマグ
ネシア（ＭｇＯ）、ベリリア （Ｂｅｄ）、酸化ホウ素（Ｂ２０３）、窒化ホウ素（Ｂ
Ｎ）、炭化ケイ素（Ｓ　ｉ　Ｃ）等を添加することによ
りＡ　Ｉｔ　２０３−　Ｃａ　Ｏ添加による熱伝導率低
下を抑え、ＡＩＮ焼結体の熱伝導率が向−卜する。

（３）さらに、製法も焼結の際常圧焼結法を適用してい
るため、製造が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、本発明の効果をさ
らに詳細に説明する。

支五里」 平均粒子径３μＩのＡｊ２Ｎ粉末に対し、それぞれ平均
粒子径１μｍのアルミナおよびカルシアを３Ａｊ２□０
３　・５ＣａＯ（７）割合で計７ｗｔ％添加し、さらに
ＡｕＮ粉（アルミナを２ｗｔ％含有している）のアルミ
ナ分に対して、３ＡＩ１２０３　・５ｃａｏに相当する
ｃａｏを添加し、マグネシアを１ｗｔ％添加して成形し
た。

その後、成形体をＮ２気流中で１７５０’ｃ、２時間の
条件で焼成した。

このサンプルは密度３．２５、体積抵抗率１ＱＩ４Ωｃ
Ｉ１１であった。

このサンプルに銀−パラジウムをベースト法により１０
μＩ厚に形成した。

用いた銀−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％ ホウ酸鉛系ガラス：１２ｗｔ％ なお、ペーストの焼成は８５０℃、１ｏ分とした。

このサンプルについてＦ記の方法により特性をｄｌｌｌ
定したところ、金属電極の接着強度は０　、８　ｋｇ／
ｃｍ２であり、熱伝導率は９０　Ｗ／ｍｋであった。

（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
対し組直方向に１００　ｍｍ７分のスピードて引っ張り
、接着強度を測定した。

（２）熱伝導率 １０＋ｎｍφ、４ｍｍ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。

実施例２ 実施例１と同様に各種ＡＪ２Ｎ基板を作製し、特性を測
定した。　結果を表１に示す。

表　　　　１ ２／１２０３−Ｃａ０　５　０．８９０ｇＯ１ ３ＡＲ２０３・５Ｃａ０７　０．８７０３ＡＩＬｚ０３
　・５ＣａＯ７０，７１００ｅＯ１ ３Ａｊ２２０３　・５ＣａＯ７０，７９０Ｎ　　ｌ ＣａＯ（比較）　　　　　１　　　　　０　　　　　　
９０これらの結果より、本発明のＡｆｉＮ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
率を有することかわかる。

出願人　　ティーディーケイ株式会社 ・二ど；戸 代理人　　弁理士　　石　井　陽　−１，−弘′１ＥＶ
ζ；゛ 手わｒネ甫正書　（自発） 昭和６１年　３月１４日

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウムを主成分とし、酸化アルミニウ
   ムと、酸化カルシウムと、第３成分として酸化マグネシ
   ウム、酸化ベリリウム、酸化ホウ素、窒化ホウ素および
   炭化ケイ素のうちの少なくとも１種以上とを含む金属酸
   化物を含有することを特徴とする窒化アルミニウム焼結
   体。
2. （２）酸化アルミニウムおよび酸化カルシウムを２〜２
   ０ｗｔ％含有す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. （３）金属酸化物の中の酸化アルミニウムと酸化カルシ
   ウムの含有比が、モル比で４：１〜１：４である特許請
   求の範囲第１項または第２項に記載の窒化アルミニウム
   焼結体。
4. （４）第３成分の含有量が、窒化アルミニウムに対し５
   ｗｔ％以下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. （５）酸化アルミニウムと、酸化カルシウムと、第３成
   分として酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化ホウ
   素、窒化ホウ素および炭化ケイ素のうちの少なくとも１
   種以上とを含有する金属酸化物を含む窒化アルミニウム
   焼結体であって、その表面に金属電極を有することを特
   徴とする窒化アルミニウム焼結体。
6. （６）電極がペースト法または気相もしくは液相メッキ
   によって形成されている特許請求の範囲第５項に記載の
   窒化アルミニウム焼結体。
7. （７）窒化アルミニウム粉末に、酸化アルミニウムおよ
   び／または焼結により酸化アルミニウムとなる化合物な
   らびに酸化カルシウムおよび／または焼結により酸化カ
   ルシウムとなる化合物を含有する主添加剤と、酸化マグ
   ネシウム、酸化ベリリウム、酸化ホウ素、窒化ホウ素お
   よび炭化ケイ素ならびに焼結によりこれらの化合物とな
   る化合物のうちの１種以上を含有する第３添加剤とを含
   む添加剤を添加し、焼結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. （８）上記主添加剤を２〜２０ｗｔ％添加する特許請求
   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。
9. （９）主添加剤中の酸化アルミニウムおよび／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
   ウムおよび／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７項または第８項に記載の窒化アルミニウム焼結体の
   製造方法。
10. （１０）第３添加剤の含有量が、窒化アルミニウム粉体
    に対して５ｗｔ％以下である特許請求の範囲第７項ない
    し第９項のいずれかに記載の窒化アルミニウム焼結体の
    製造方法。
11. （１１）焼結温度が１６００〜２１００℃である特許請
    求の範囲第７項ないし第１０項のいずれかに記載の窒化
    アルミニウム焼結体の製造方法。
12. （１２）焼結を酸素濃度５０００ＰＰＭ以下の非酸化性
    雰囲気で行なう特許請求の範囲第７項ないし第１１項の
    いずれかに記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。