JPS62283873A

JPS62283873A - 窒化アルミニウム焼結体

Info

Publication number: JPS62283873A
Application number: JP61125362A
Authority: JP
Inventors: 文男内木場; 沢村　建太郎
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1986-05-30
Filing date: 1986-05-30
Publication date: 1987-12-09

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】３、発明の詳細な説明 ■　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に関する。

先行技術とその問題点近年、電子部品の高密度実装、混成ＩＣ化、大電力化な
どが進み、単位体積当りの発熱量が増大する傾向にある
。

このため、用いる絶縁基板は熱伝導性に優れることが要
求され、従来のプラスチック基板に代わってアルミナの
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り、また熱伝
導率の温度依存性が大きく、実際の使用温度である８０
℃付近では大幅に低下することなどの欠点がある。

また、ＳｉＣ基盤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（’ＡＪ２Ｎ）を使用したＡ４２Ｎ焼結体が注目され
てきている。　このものは、ざ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、ＡｎＮ
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Ａｌ１Ｎ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。

焼結助剤は焼成中にＡＩＬＮ粒表面の酸素と低融点化合
物を形成し、これが液相となり焼結を担うものである。

ＡＪ２Ｎ粒表面の酸素は焼結助剤と反応する一方で、Ａ
ＩＮ粒内に拡散し、ＡＲＮ焼結体の熱伝導に悪影習を与
えるスピネル相を形成する。

また、焼成中に形成された低融点化合物は焼成後にＡｆ
ｆｉＮ焼結体の粒界に析出し、Ａ４Ｎ焼結体の熱伝導率
に悪影！を与える第２層を形成する。

したがって、焼結助剤の作用としては、Ａｊ２Ｎ粒表面
の酸素を取り込み、粒内のスピネル相の形成を妨げるこ
とで熱伝導率を向上させる一方で第２相を析出すること
で熱伝導率を低下させると考えられる。

また、ＡｆｉＮ粉末は水と反応して水酸化アルミニウム
＜ｐ、ｘ　（ＯＨ）３　）となり、さらに熱分解して酸
化アルミニウム（ＡＪ！２０：ｌ　）になり易く、Ａ４
２Ｎ中への酸素拡散の原因となるので、焼結助剤に水分
の入っているものは好ましくない。

これまで、この焼結助剤について、例えばイツトリア（
Ｆ２０３　）　、　フッ化イツトリウム（ＹＦ３）、酸
化カルシウム（Ｃａｂ）、７ｙ化カルシウム（ＣａＦ２
　）、炭化カルシウム（ＣａＣ２）等についての提案（
特公昭４７−１８６５５号、特開昭６１−１００７３号
、特開昭５０−２３４１１号、特開昭６０−２３９３６
６号、特開昭６０−１５１２７９号等）がなされている
。

これらの焼結助剤を用いた場合のＡＩＮ焼結体の熱伝導
率はＦ２０３　　：　１７０％／ｍｋ、　Ｙ　Ｆ３；　
１９０’＃／ｍｋ、ＣａＯ：　１０５ｖｊ／ｍｋ、　Ｃ
ａ　Ｆ２：　９８ｉｆ／ｍｋ、　Ｃａ　Ｃ２：　１８０
ｗ／ｍｋと報告されている（窯業協会、昭和５９年　年
会講演要旨集、第２３．２４回窯業基礎討論会講演要旨
集）。

この中で、Ｙ２Ｏ３およびＣａＯについては反応する酸
素量が他の焼結助剤と比べて少なく、析出する第２相も
多く、Ａ４２Ｎ焼結体の高熱伝導化の焼結助剤として適
当ではない。

また、ＹＦ３、ＣａＦ２については、反応する酸素量は
多いがＣａＣ２と比べると析出する第２相が多く、やは
りＡＭＮ焼結体の高熱伝導化の焼結助剤として適当でな
い。

また、ＣａＣ２は反応する酸素量が多く、析出する第２
相が少なく、この点で焼結助剤として適当であるが、水
と反応を起こし易く。

ＡＩＮ粉に水分を混入することになり、ＡｆｆｉＮ焼結
体の高熱伝導化を妨げるものである。

以上より、現状ではＡｌ１Ｎ焼結体の高熱伝導化に適し
た焼結助剤は未だ開発されておらず、新たな焼結助剤の
開発か望まれている。

■　発明の目的本発明の目的は、熱伝導性および電気絶縁性が高く、か
つ緻密で電気絶縁用基板材料として好適な性能を有する
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。

■　発明の具体的開示このような目的は、下記の本発明によって達成される。

すなわち、本発明は、窒化アルミニウム粉末に、焼結助
剤としてカルシウムシアナミドの粉末を添加して焼結し
たことを特徴とする窒化アルミニウム焼結体である。

■　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
（ＡＩＮ）の粉末に、焼結助剤としてカルシウムシアナ
ミド（ＣａＣＮ２）を添加して焼結して得られる。

本発明で焼結助剤として用いるＣ　ａ　ＣＮ　２の粉末
は、平均粒子径が０．１〜４４戸、特に０．２〜２０−
であることが好ましい。

ＣａＣＮ２粉末の平均粒子径が４４−をこえると、ＡＩ
Ｎ表面の酸化アルミニウムとの接触確率が減り、一部未
反応物質を生じ、添加剤としての効果を発揮しないもの
となり、さらに絶縁不良等の電気的特性、強度低下等の
機械特性の低下をきたす。

また、０．１−未満になるとＣａＣＮ２はＣａＣ２より
も安定ではあるものの、Ｈ，Ｏの存在下でアンモニアを
発生し、水酸化アルミニウムを生じ、ＡｕＮ中への酸素
拡散の原因となる。

また、ＣａＣＮ２の添加量は、ＡＩＮに対して０．０１
〜１０ｗｊ％、特に１〜３１ｗｔ％であることが好まし
い。

ＣａＣＮ２の添加量が１０Ｗし％をこえると、添加剤と
しての必要量以上を添加するため、逆に焼結を阻害する
ものとなり、また焼結により緻密化する量の範囲内のＣ
ａＣＮ２量であっても、第２相析出量が大となり熱伝導
率が低下することとなる。　また、０．０１ｗｊ％未満
となると本発明の効果が実現されない。

ＡｆｆｉＮ粉末は、微粉化することが好ましく、平均粒
子径が０．１〜１０μｓ、特に０．５〜６μｓであるこ
とか好ましい。

このように、焼結助剤としてＣａＣＮ２を用いることに
より、酸化アルミニウム（Ａ１２０１　）との反応は、従来の焼結助剤である酸
化カルシウム（Ｃａｂ）、イツトリア（Ｙ２Ｏ２）を用
いた場合に比へ、下記式（Ｉ）〜（ＩＩＩ）に示すよう
な１を生じるものである。

式（１）％式％式（ＩＩ　）Ｃａ　　Ｏ＋　　２　Ａ　　１２　０３　　→Ｃａ　　
０　　・２　Ａ　　ｌ　２　０３式（ＩＩＩ）３Ｙ２０．　　＋５Ａｕ　２０３　→ ３　Ｙ２０３　・　５ＡＩ！、□　０３すなわち、上記
式（Ｉ）〜（ｍ）より、同量のＡＭ２０３と反応する焼
結助剤の量は、ＣａＣＮ２が最も少なく、したかって焼
成後にＡＩｌ、Ｎ焼結体の粒界に析出する第二相も最も
少ないものとなる。　このことは、焼結助剤としてＣａ
ＣＮ２がより高熱伝導化に打利であることを示すもので
ある。

また、ＣａＣＮ２は、水との反応か比較的起こり難く、
水との反応性は、炭化カルシウム（ＣａＣ２）より小さ
く、Ｃａｂ、Ｙ２Ｏ，、フッ化イツトリウム（ＹＦ３）
およびフッ化カルシウム（ＣａＦ２）と同等程度である
。

したがって、焼結助剤としてＣａＣＮ２を用いても、Ａ
ｎＮ粉末に水分を混入することはなく、Ａ４２Ｎ焼結体
の高熱伝導化を妨げるものではない。

本発明では必要に応じ、他の添加物、例えば、Ｃａｂ、
ＣａＢ、　、ＣａＣ２，ＣａＦ２゜ＣａＨ２，Ｃａ３　
Ｎ２．Ｙ２０３　、ＹＨ２゜ＹＨ３，ＹＣ２，ＹＦ３．
ＣｅＯ２，ＹＢ、等か添加されてもよい。

添加量はＡｆｆｉＮに対し、０．１〜３ｗｔ、％とする
ことが好ましい。

また、このような添加物の平均粒子径は、好ましくは０
．１〜Ｉ〇−１より好ましくは０．５〜６−である。

Ａ４Ｎ焼結体は、通常ＡｆｉＮ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／ｃｒｎ２
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１７５０〜１８５０℃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、ＡＪＺ
Ｎの揮散が生じる。

焼結時間は、普通０．５〜２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、１００〜３００Ｋｇ１ｃｍ’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、Ａ　Ｉ　Ｎに対し
、０．０１〜１０ｗｊ％、より好ましくは１〜３ｗｔ％
のＣａＯを含むことが好ましい。

さらに必要に応じ、ＡＩＮに対し、０．１〜３ｗｔ％の
範囲でカルシウムおよびイツトリウムの水素化物、炭化
物、窒化物、フッ化物、酸化物、ホウ化物等が含有され
ていてもよい。

そして、これらの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。

このように製造される本発明のＡＩＮ焼結体は、きわめ
て緻密なものであり、理論密度に対する相対密度は９７
％以上のものである。

■　発明の具体的作用効果本発明では、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）焼成時に焼結
助剤としてカルシウムシアナミド（ＣａＣＮｚ）を添加
することにより、従来のイツトリア（Ｙ２　ｏ、）、　
　フッ化イツトリウム（ＹＦ３）、酸化カルシウム（Ｃ
ａｂ）、フッ化カルシウム（Ｃａ　Ｆ　２　）　、炭化
カルシウム（ＣａＣ２）等を焼結助剤として添加した場
合では実現できなかった高熱伝導率のＡＪ２Ｎ焼結体を
得ることが可能となる。

さらに、焼結の際、常圧焼結法をしているため、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。

害」１例」２平均粒子径３−のＡＩＬＮ粉末に対し、平均粒子径１−
のＣａＣＮ２粉末を１ｗｊ％添加して成形した。　成形
は室温で１０００　Ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加えて行なっ
た。

その後、成形体をＮ２気流中で１８００℃、１時間の条
件で焼成した。

このようにして製造したＡｆｆｉＮ焼結体の１０ｍｍφ
、４■厚のサンプルについて室温度でレーザーフラッシ
ュ法にて熱伝導率を測定した。

結果を表１に示す（サンプルＮｏ、１）。

え五里ス実施例１と同様のＡｆｉＮ粉末およびＣａ　ＣＮ　２粉末を用い、Ａｌ１Ｎ粉末に対するＣａ
ＣＮ２粉末の添加量および焼成温度を表１に示すように
変化させた他は、実施例１と同様にしてＡＪＺＮ焼結体
を作成し、実施例１と同様にして熱伝導率を測定した。

結果を表１に示す（サンプルＮｏ、２〜７）。

ｌ実施例１と同様のＡＩＮ粉末を用い、平均粒子径１ｐの
Ｙ２Ｏ３，ＹＦ、、Ｃａｂ。

ＣａＦ２およびＣａＣ２をＡＩＮ粉末に対し、表１に示
す添加量で添加した他は、実施例１と同様にしてＡ４２
Ｎ焼結体を作製し、実施例１と同様にして熱伝導率を測
定した。

結果を表１に示す（サンプルＮ０１８〜２２）。

表　　　　１サンプル　　焼結助剤　　添加量　焼成温度　密　度　
相対密度　熱伝導率Ｎｏ、　　　　　　　　　　（ｗｔ
、％）　　（”Ｃ）　　　（ｇ／ｃｍ３）　　　（％）
　　　（Ｗ／ｍｋ）Ｉ　　　　　ＣａＣＮ２１　　１８
００　　：１−２４　　　９９．４　　２３０２　　　
　　ＣａＣＮ２　　３　　１８００　３．２４　　　９
９．４　　２２５３　　　　　ＣａＣＮ２　１０　　１
８００　３．２５　　　９９．７　　２００４　　　　
　ＣａＣＮ２０．００５　１８００　２．９：＋　　　
　９０．０　　　−５　　　　　ＣａＣＮ２　１２　　
１８００　２．８４　　　８７．１　　　−６　　　　
　ＣａＣＮ２１　　１５５０　２．６１　　　８０．０
　　　−７　　　　　Ｃａ、ＣＮ２　　１　　１９５０
　３．０５　　　９３．５　　　８０８（比較）Ｙ２Ｏ
３１１８００３，２５９９，７１７０９（比較）Ｙ２Ｏ
３３１８００３，２５９９，７１７０１０（比較）Ｙ２
Ｏ：ｌ　　　　１０　　１８００　３．２５　　　９９
．７　　　１４０１１　（比較）ＹＦ３　　　　　１　
　１８００　３．２５　　　９９．７　　　１８０１２
（比較）ＹＦ３　　　　　３　　１８００　３−２５　
　　９９−７　　　１９０１３（比較）ＹＦ、　　　　
　１０　　１８００　３．２６　　１００　　　　１６
０１４（比較）ＣａＯ１１８００３，２４９９，４１６
０１５（比較）ＣａＯ３１８００３，２４９９，４１６
５１６（比較）ＣａＯ１０１８００３，２５９９，７１
４０１７（比較）ＣａＦ２１　　　ｔ８００　３．２４
　　　９９．４　　　１７０１８（比較）ＣａＦ２３　
　１８００　３．２５　　　９９．７　　　１７０１９
（比較）ＣａＦ２　　１０　　１８００　　：１．２６
　　１００　　　　１４５２０（比較）ＣａＣ２１１８
００３，２３９９，１１８０２１（比較）ＣａＣ２３１
８００３，２４９９，４１８０２２（比較）ＣａＣ２１
０１８００３，２４９９，４１７０表１の結果より、本
発明のＡｌ２．Ｎ焼結体は、良好な熱伝導率を有するこ
とがわかる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤としてカルシ
ウムシアナミドの粉末を添加して焼結したことを特徴と
する窒化アルミニウム焼結体。
（２）上記焼結助剤を０．０１〜１０ｗｔ％添加する特
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）焼結体の相対密度が９７％以上である特許請求の
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）焼結温度が１６００〜１９００℃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）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。