JPS62235262A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は窒化アルミニウム焼結体の製造方法に係わり、
更に詳しくは緻密質で熱伝導性、絶縁性、誘電率などの
実用上の緒特性に優れた窒化アルミニウム焼結体の製造
方法に関する。

従来の技術 半導体装置、これらを利用する装置、機器は、半導体素
子、抵抗器類、コイル類等における発熱のために複雑な
熱系を構成するが、このような熱は各種熱伝導様式、例
えば熱伝導、熱輻射、対流等により装置外に放出される
ことになる。

−ＩＩに、半導体素子には特性上並びに信顛性の点から
最大限許される温度（最高許容温度）があり、また、雑
音余裕の点からも素子内あるいは素子相互間の温度差に
も許容範囲が存在する。

従って、これら素子等を安定かつ信頼性よく動作させる
べく、最良の熱設計を行うことは、半導体装置等の設計
、製作において極めて重要である。

更に、近年、半導体素子の高速化、高密度化、大型化の
動向がみられ、それに伴い半導体素子の発熱量の増大が
大きな問題となっている。そこで、半導体装置用基板に
ついても、放熱性の改良、即ち基板全体としての板厚方
向の熱伝導性のより一層の改良が要求されている。その
ために、半導体装置用基板については、同時に高い電気
絶縁性と、高い放熱性とを有することが要求されること
になる。

その結果、従来１Ｇ基板として用いられていたアルミナ
焼結体は、その熱伝導率が低く放熱性が不十分であるた
めに、上記のようなＩＣチップ等の高集積化に伴う発熱
の増大に対して十分に対応できなくなりつつある。そこ
で、このアルミナ基（反に代わるものとして、高熱伝導
性のベリリア基板が検討されているが、へりリアは毒性
が強く取り扱いが困難であるばかりでなく、供給量も少
なく高価であるので実用的でない。

一方で、窒化ア・ルミニウム（Ｍ　Ｎ　）は、本来材質
的に高熱伝導性、高絶縁性を有し、毒性も少ないために
、半導体工業において、絶縁材料やパッケージ材料とし
てン主目を集めている。

しかしながら、ＭＮ粉末からその焼結体を製造する場合
、ＡＱＮ粉末自体の焼結性が良くないために、粉末成形
後、焼結して得られるＭＮ焼結体の相対密度（ＵＮの理
論密度３．２６ｇ／ｃｆｆｌを基準とする）は、焼結条
件にもよるが、高々７０〜８０％程度に過ぎず、多量の
気孔を有している。

ところで、窒化アルミニウム焼結体の如き絶縁性セラミ
ックの熱伝導機構はこのものがイオン結合、共有結合か
らなるために、主として格子振動間の非調和相互作用に
よるフォノン伝導を主体としているため、多量の気孔、
不純物等の欠陥を有する場合には、フォノン散乱が著し
く、低熱伝導度のものしか得られない。

そこで、緻密質で良好な熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体
を得るために、ｆｉＮ粉末に種々の焼結助剤を添加し、
ホットプレスあるいは常圧焼結することが試みられてお
り、かなり良質のＭＮ焼結体を得ることができるように
なってきた。例えば、酸化カルシウム（Ｃａｂ）　、Ｍ
化バリウム　（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ
）などをＭＮ粉末に０．１〜１０重冊％の割合で添加し
、焼結する方法が特公昭５８−４９５１０号公報明細書
に開示されている。この方法によれば、相対密度９８％
以上で、熱伝導率０．１〜０．１３ｃａ　ｌＩ　／　ａ
ｍ　、　ｓｅｃ、ｄｅｇ（４２〜５４Ｗ／ｌｌ１−Ｋ）
　（室温）の製品が得られている。しかしながら、この
程度の値では、今後のＩＣ，ＬＳＩ等の集積度向上に伴
う大きな発熱量に十分対応できるとはいえない。

また、ホットプレス法としてはＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ
などを０．０１〜１重量％の割合でＭＮ粉末に添加して
焼結する方法がある（特開昭５９−５００７７号公報発
明参照）。しかしながら、この方法においても熱伝導率
６０〜７０Ｗ／ｍ−に程度のものしか得られていない。

しかも、このホットプレス法では、得られる焼結体の形
状に制限があり、その上この工程は高価なプロセスであ
るために、前述のｌｃ、Ｌｓ＋等の基板として用いるに
は経済的に不利である。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、半導体装置の冑集積化に伴って、Ｉ
Ｃチップ等の大型化がみられ、これら素子、デバイスの
発熱量は著しく増大するものと予想されるが、従来の基
板はこのような発熱量の増大に対し十分に対応し得なく
なってきており、新しい基板材料の開発が望まれている
。このような状況の下で、冑耐熱性の高温構造材料とし
て、注目を集めているＮＬＮが熱伝導性、電気絶縁性両
者において優れていることから、半導体工業における絶
縁材料、パッケージ材料として期待されているが、その
実情は既に述べた通りであり、実用に耐え得る優れた物
性の／ｌＮ焼結体は今のところ得られていない。

そこで、本発明の目的は熱伝導性の良好なＡ！ｌ！Ｎ焼
結体を経済的に有利に製造する方法を提供することにあ
り、勿１１００　Ｗ　／　ｍ・に以上の高い熱伝導性を
有し、かつ緻密質の新規なＭＮ焼結体を提供することも
本発明の目的の一つである。

問題点を解決するための手段 本発明者等はｆｉＮ焼結体の製造法における上記の如き
従来の現状に鑑みて、熱伝導率１００　Ｗ／ｍ−に以上
の高熱伝導性を有するＭＮ焼結体を経済的に有利な常圧
焼結法により得ることのできる方法を開発すべく、原料
粉末純度、焼結助剤、焼結条件等を詳細に検討した結果
、低酸素含有量のＭ、Ｎ粉末を用い、また焼結用添加剤
としてガドリニウム（Ｇｄ）および／またはエルビウム
（Ｅｒ）のアルコキシドを少量添加することが上記目的
達成のために掻めて有利であることを見出し、本発明を
完成した。

即ち、本発明のｆｉＮ焼結体の製造方法は、１．８重量
％以下の酸素合作量率を有するＭＮＮ粉末、Ｇｄおよび
Ｅｒのアルコキシドからなる群から選ばれ少なくとも１
種の溶液をＣｄ、Ｏ，またはＥｒｚＯｚ換算で０．１〜
１４１％添加し、混合・分解した後成形し、次いで１７
００〜２２００℃の範囲内の温度にて、非酸化性雰囲気
中で常圧焼結することを特徴とするものである。

本発明の方法において、非酸化性雰囲気とは、真空ある
いは窒素ガス、水素ガス、−酸化炭素ガス、アルゴンガ
ス、ヘリウムガス、などからなる群から選ばれた少なく
とも一種で構成される雰囲気を意味する。

また、本発明の方法において有利に使用できるＧｄまた
はＥｒのアルコキシドにおいて、アルコキシドとは炭素
原子数１〜４のアルキル基を存するものであることが好
ましい。このような金属アルコキシドは一般に沸点が低
い（１００〜２００℃）ため真空蒸留等により低温で高
純度に精製することができる。

本発明の方法においても、Ａ１１Ｎ焼結体を一般にみら
れるセラミックと同しように、各成分の調合、成形、焼
成の一連の工程に従って製造するが、本発明の方法では
金属アルコキシドを焼結助剤として使用していることか
ら、調合後に加水分解する工程を含む。

本発明の方法を更に説明すると、まず、ＵＮと所定量の
金属アルコキシドまたはその混合物とを混合し、アルコ
キシドの加水分解を行う。この際に金属アルコキシドは
分解して微粒状の粉末となり、しかも高純度、高活性で
ある。次いで所定の形状に成形し、常圧焼結する。ここ
で成形法としては特に制限はなく、従来公知の、例えば
目的とする製品の形状、寸法に応じて金型成形、ラバー
プレス、押し出し成形、射出成形、鋳込み成形等の中か
ら最適な方法を選び実施する。

また、このような成形法と生地の機械加工とを併用して
複雑な形状の目的製品を得ることもでき、この機械加工
法としては均質に、しかも最終製品の寸法精度、表面欠
陥等の発生などを考慮すれば高精度の技術の利用が必要
になり、ＮＣ研削加工、レーザー加工等の利用が望まし
い。

作　　　用 一般に焼結性が良くないとされているＡｌ１Ｎの緻密質
、かつ高熱伝導率を有する焼結体を得るために、特に問
題となっていた点は最終製品中に残存する大量の気孔で
あった。そこで、この気孔量を滅じ、富熱伝導率のＭＮ
焼結体製品とするために各種の焼結助剤を用いる方法が
提案されたが、従来使用されてきたものは未だ不十分で
あり、大型化、高集積化の図られた半導体装置等の十分
な放熱性を確保する基板はまだ知られていない。

ところで、本発明に従って、焼結助剤としてＧｄおよび
／またはＥｒアルコキシドのン容ン夜を用い、ｆｉＮ粉
末と混合した後加水分解することにより微粉状の高純度
酸化物が得られ、これによって緻密かつ高熱伝導の４Ｎ
焼結体を有利に得ることが可能となった。この加水分解
において金属アルコキシドは例えばベンゼン、キシレン
、トルエン、メタノール、エタノール、プロパツールな
どの）容媒に溶解した溶液として眉Ｎ粉末に添加され、
アルコキシド基のモル量の２よりも幾分過剰の水の存在
下で、一般には０℃以上に加熱することにより加水分解
し、目的とする微粒状金属酸化物を得ることができる。

本発明の方法において、目的とする特に熱伝導率が１０
０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い放熱性のＭＬＮ焼結体を得る際
に、いくつかの条件は臨界的に作用する。

まず、成Ｎ粉末中の酸素含有率は１．８重量％以下でな
ければならない。というのは、この上限を越えて酸素が
存在する場合、焼結工程において酸素がＭ２Ｏ３あるい
はＭＯＮの形でＭＬＮ焼結体中に混入してしまい、既に
述べたようにフォノン散乱を生じ、熱伝導率の低いもの
が得られてしまい、目的とする　１００Ｗ／ｍ−に以上
の高熱伝導率のＭＬＮ焼結体を得ることができないから
である。

次に、分解して焼結助剤となる金属アルコキシドの添加
量はＧｄ２０ｉおよび／またはＥｒ１Ｏｉ換算で０．１
〜１０重量％の範囲内とすることが必要である。

即ち、下限の０．１重量％に満たない量で使用した場合
には十分に緻密な常圧焼結体を得ることができず、逆に
上限の１０重１％を越えて使用した場合には、得られる
焼結体の熱伝導率が低下し、目的とする放熱性良好なｆ
ｉＮ焼結体が得られない。

既に述べたように、Ｇｄのアルコキシド、Ｅｒのアルコ
キシドは夫々華独でもしくは混合物として添加でき、い
ずれも同様の効果を期待することができ、複合添加の場
合には夫々の効果が単に加算された特性を示すことがわ
かっている。

また、焼結温度は１７００〜２２００℃の範囲内とする
ことが好ましい。なんとなれば、１７００℃未満では十
分に焼結が進行せず、相対密度９５％以上の緻密な製品
を得ることができず、また、２２００℃を越える温度で
焼結した場合にはＭｌＮの分解反応が著しく促進され、
焼結体の重ｆＦｉ７ｊ２少が大きくなるためである。

以上述べたように、本発明の方法によれば、ＭＮの焼結
助剤として金属アルコキシドを用い、これらを添加後加
水分解することにより緻密なＭＬＮ焼結体を得ることが
可能となる。また、大量の発熱量を存する高集積化半導
体デバイスのパッケージ用基板として有用な高い放熱性
を与えるｆｉＮ焼結体を得るためには、金属アルコキシ
ドの添加量、ＭＮ中の酸素含有率、焼結温度等の各条件
を上記のような範囲とする必要があり、これによって焼
結法としては最も経済性のよい常圧焼結法で、高い（１
００Ｗ　／　ｍ、に以上）熱伝導率と敬密性（高を目対
密度）のｆｉＮ焼結体が有利に提供される。

Ｇｄのアルコキシド、Ｅｒのアルコキシドもしくはこれ
らの混合物がＡ［Ｎの焼結を促進する機構は明らかでは
ないが、微細かつ均一に分散されたＧｄまたはＥｒ化合
物がＭＮと反応し、ガラス様の液相を形成し、その結果
液相焼結による緻密化及び熱伝導率の改善がなされるも
のと考えられる。

実施例 以下、本発明を実施例により説明するが、これら実施例
は本発明の範囲を制限するものではない。

実施例１ 酸素含有量が０．５〜１．８％の範囲内の各種の窒化ア
ルミニウム粉末に、ガドリニウムメトキッド、エルビウ
ムメトキシドまたはこれらのｌ昆合吻の？容ン夜（７容
媒：メタノール）をＧｄｚＯｓまたはＥｒｚＯｉ換算で
０．６重量％混合し、６００℃に加熱して、分解を行っ
た後、乳鉢で十分に混合し、混合粉末を作製した。こを
２トン／　ｃ＋（の圧力下で成形し、１９００℃にて３
時間１気圧のＮ２ガス雰囲気中で常圧焼結した。得られ
た各焼結体試料につき相対密度及び熱伝導率を測定し、
結果を以下の第１表に示した。

比較例１ 酸素含有量が１．８重量％を越える窒化アルミニウム粉
末を用い、実施例１と同様にガドリニウムメトキシドお
よびエルビウムメトキシドを添加・混合し、分解、成形
、焼結して比較試料を作製した。同様に相対密度と熱伝
導率を測定し、結果を第１表に示した。

尚、ガドリニウムメトキシドとエルビウムメトキシドと
は殆ど同じ効果を有するので、第１表にはガドリニウム
のみの結果を示した。

この結果から、ガドリニウムをエルビウムとはほぼ同程
度の結果を有しており、また熱伝導率を１００Ｗ／ｎ＋
、に以上とするためにはＭＮの酸素含有率は約１．８重
量％以下である必要があり、この値が小さい程熱伝導率
の改善効果が高いことがわかる。更に本発明の方法で得
られる焼結体は極めて大きな相対密度（９９％以上）を
有し、気孔率が大巾に改善されていることを容易に理解
することができる。

実施例２ 酸素含有量１．６％の窒化アルミニウム粉末に、ガドリ
ニウムメトキシド、エルビウムメトキシドまたはこれら
の混合物の溶液（溶媒：キシレン）を、ＧｄｚＯｓまた
はＥｒＪｘ換算で０．１〜１０重量％の範囲の種々の量
で添加・混合し、５５０℃にて分解を行った後、実施例
１と同様な方法で成形し、焼結し本発明の窒化アルミニ
ウム焼結体を製作した。得られた焼結体の相対密度およ
び熱伝導率は以下の第２表に示す通りであまた。

比較例２ 酸素含有量１．６％の窒化アルミニウム粉末に、ガドリ
ニウムメトキシド及びエルビウムメトキシドを本発明の
範囲外の量で添加・混合し、以下実施例１と同様に処理
して比較試料を作製した。

相対密度、熱伝導率の測定結果を第２表に示す。

第２表の結果はＧｄアルコキシド及びＥｒアルコキシド
の少なくとも１種を０．１〜１０重世％の量で使用する
ことにより、１００Ｗ／ｍ、に以上の高熱伝導率の窒化
アルミニウム焼結体を有利に得ることができることを示
している。

実施例３ 酸素含有４］　１．６％の窒化アルミニウム粉末に、ガ
ドリニウムメトキシド及びエルビウムメトキシドをＧｄ
２Ｏ，およびＥｒｚ（ｈ換算で各々　０．４重量％およ
び０．２重量％添加し、実施例１と同様の方法で焼結体
試料を得た。尚、焼結は１７００℃〜２２００℃の範囲
内の温度にて３時間１気圧のＮ２ガス雰囲気中で常圧焼
結法に従って実施した。得られた焼結体の特性の測定結
果を第３表に示す。

比較例３ 酸素含有量１．６％の窒化アルミニウム粉末にガドリニ
ウムメトキシドおよびエルビウムメトキシドをＧｄｔＯ
ｓおよびＥｒ２０ｘ換算で各々　０．４重量％および０
．２重量％添加・混合し、実施例１と同様に分解、成形
した後、本発明の範囲外の焼結温度にて焼結し、比較試
料を得た。物性の測定結果を第３表に示す。

実施例３および比較例３は、本発明の方法において所定
の特性を有する焼結体を得るためには焼結温度が臨界条
件であることを示すために行ったものであるカベ第３表
の結果は下限の１７００℃に満たない場合には十分な熱
伝導率、相対密度が確保できないことを明確に示してい
る。

実施例４ 酸素含有量１．６％の窒化アルミニウム粉末に、ガドリ
ニウムエトキシド、エルビウムエトキシド、ガドリニウ
ムプロポキシド、エルビウムプロポキシド、ガドリニウ
ムブトキシドおよびエルビウムブトキシドのうちの１種
をＹまたはＣｅ換算で５重量％添加し、以下実施例１に
従って混合、分解、成形、焼結し、本発明の窒化アルミ
ニウム焼結体を得た。物性の測定結果を第４表に示す。

実施例４は添加剤のアルコキシドにおけるアノイル鎖の
長さに対する条件を確認するために行っものであり、第
４表の結果から明らかな如く、炭素数が増加するに従い
、熱伝導率が低下する傾向が認められるが、炭素数４ま
でのアルコキシド基を存する金属アルコキシドは本発明
の意図する十分な特性の製品を与えることがわかる。

発明の効果 以上詳しく説明したように、本発明の方法に従えば、酸
素含有９０．５〜１．８％の窒化アルミニウム粉末に、
ガドリニウムアルコキシド、エルビウムアルコキシドの
少なくとも１種の溶液をＧｄ、０３またはＥｒｚＯｔ換
算で０．１〜１０重量％混合し、加水分解を待った後成
形し、次いで１７００〜２２００℃の温度にて非酸化性
雰囲気下で常圧焼結することにより、緻密質かつ特に熱
伝導性に優れた、半導体装置の放熱材料あるいはパッケ
ージ材料として有用である。

本発明の方法により得られる窒化アルミニウム焼結体は
、サーディツプ用基板、サーバツク用基板ハイブリット
ＩＣ用基板等のＩＣ基板ばかりでなく、パワートランジ
スタ、パワーダイオードおよびレーザダイオード用のヒ
ートシンクとして、更にレーザー発振器部品、或いはマ
イカ代替用絶縁性薄板として好適に利用でき、実用的に
優れた効果を発揮するものと期待される。

特許出願人　住友電気工業株式会社 代　理　人　弁理士　上代哲司

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素含有量１．８重量％以下の窒化アルミニウム
   粉末に、ガドリニウムアルコキシドおよびエルビウムア
   ルコキシドからなる群から選ばれる少なくとも１種の溶
   液を、ガドリニウムまたはエルビウムの酸化物換算で０
   ．１〜１０重量％添加し、これらを混合・分解した後成
   形し、次いで１７００〜２２００℃の範囲内の温度下に
   て、非酸化性雰囲気中で常圧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。
2. （２）前記分解を　１００〜１、２００℃の範囲内の温
   度に加熱することにより行う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の製造方法
   。
3. （３）前記アルコキシド溶液における溶媒が、ベンゼン
   、キシレン、トルエン、メタノール、エタノールまたは
   プロパノールであることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項に記載の方法。
4. （４）前記アルコキシドが炭素原子数１〜４のアルキル
   基を有するものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１〜３項のいずれか１項に記載の方法。