JPS63218585A - 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体とその製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法に
係り、更に詳しくは、緻密質で熱伝導性、絶縁性、誘電
率などの実用上の諸物件に優れている窒化アルミニウム
焼結体の製造方法に関する。

従来の技術 最近のＬＳＩの進歩はめざましく、集積度の向上が著し
い。これには、ＩＣチップサイズの向上も寄与しており
、ＩＣチップサイズの向上に伴ってパッケージ当りの発
熱量が増大している。このため基板材料の放熱性が重要
視されるようになっき′たｇまた；従来ＩＣ基板として
用いられていたアルミナ焼結体の熱伝導率では放熱性が
不十分であり、ＩＣチップの発熱量の増大に対応できな
くなりつつある。このためアルミナ基板に代わるものと
して、高熱伝導性のべＩＪ　ＩＪア基板が検討されてい
るが、べＩＪ　ＩＪアは毒性が強く取扱いが難しいとい
う欠点がある。

窒化アルミニウム（ＡＩＮ）は、本来、材質的に高熱伝
導性、高絶縁性を有し、毒性もないため、半導体工業に
おいて絶縁材料あるいはパッケージ材料として注目を集
めている。

発明が解決しようとする問題点 上述のように窒化アルミニウムは理論的には単結晶とし
ては高熱伝導性、高絶縁性を有する材料である。しかし
ながら、窒化アルミニウム粉末から焼結体を製造する場
合、窒化アルミニウム粉末自体の焼結性が良くないため
、粉末成形後、焼結して得られる窒化アルミニウム焼結
体の相対密度（窒化アルミニウムの理論密度３．２６　
ｇ　／　ｃｄを基準どする）は；゛焼結条件にも依るが
、高々７０〜８０％しか示さず、多量の気孔を包含する
。

一方、窒化アルミニウム焼結体の如き絶縁性セラミック
スの熱伝導機構は、フォノン伝導を主体とするため気孔
、不純物等の欠陥はフォノン散乱を起し、熱伝導率は低
レベルのものしか得られない。

緻密質で、良好な熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体を
得るため窒化アルミニウム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、かなり良質の焼結体が得られている。たとえば
、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）などを窒化アルミニウ
ム粉末に添加して焼結する方法（特公昭５８−４９５１
０号）がある。この方法によれば相対密度９８％以上で
、熱伝導率０．１０〜０．１３Ｃａ１／ｃｍ−５ｅＣ−
ｄｅｇ（４２〜５４１！ｌ／ｍ−ｋ）（室温）のものが
得られている。しかし、この程度の値の熱伝導率では今
後のＩＣ５ＬＳＩの集積度向上による発熱量の増大に対
応するには十分とはいえない−０ 一方、緻密質で高強度の窒化アルミニウム焼結体を得る
ことを目的として、窒化アルミニウム粉末にＹ２Ｏ３及
びＳｉＯ□等を添加する試みもなされており（特公昭５
６−９４７５号）、９８％以上の相対密度を得ティるが
、熱伝導率は　０．０７Ｃａ１／Ｃｍ−８ｅＣ・ｄｅｇ
（２９Ｗ／ｍ　−ｋ）に満たない程の低レベルである。

この事実は、熱伝導率の向上に必要な条件は、単に密度
のみならず結晶組織等も影響していることを示している
。特に上記の特公昭５６−９４７５号に記載の従来技術
の場合、形成される繊維状組織は強度向上には寄与する
が熱伝導率向上には有害な結晶組織を有すると考えられ
る。

従って、本発明の目的は、窒化アルミニウム焼結体の結
晶組織を改善することにより緻密質（９５％以上の相対
密度）で且つ高熱伝導率（１５０Ｗ／ｍ　−ｋ以上）の
窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法を提供する
ことにある。

さらに詳細には本発明の目的は、今後の半導体用絶縁材
料あるいはパッケージ材料として好適に使用できるよう
な緻密質で且つ熱伝導性、絶縁性、誘電率などの実用上
の緒特性に優れてい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。

問題点を解決するための手段 本発明者らは、１５０Ｗ／ｍ　−ｋ以上の高い熱伝導率
を有する窒化アルミニウム焼結体の製造せんとして、原
料粉末純度、焼結助剤及び焼結体組成及びその結晶組織
等を詳細に検討した結果、窒化アルミニウム粉末への酸
化カドリニウムＧｄ２Ｏ，の添加が窒化アルミニウムの
焼結性を大きく向上させ、焼結体の緻密質にし、且つ熱
伝導性の向上に有効であることを見出した。また、この
ようにして得られた窒化アルミニウム焼結体をＸ線回折
により組織の分析を行った結果、この焼結体にはＧｄＡ
１０ｓ、Ｇｄ２Ｏ３を主成分とする粒界相が存在し、こ
れが熱伝導率の向上に著しく有効であることを見い出し
たものである。

すなわち本発明に従うと、酸化ガドリニウム１．０”Ｔ
５重量％を添加して焼結された窒化アルミニウム焼結体
であって、粒界相がＧｄＡ１０３　＋　Ｇｄ２Ｏ３から
主として形成され、９５％以上の相対密度を有し、室温
における熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ　−ｋ以上であること
を特徴とする高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体が提供
される。

さらに本発明に従うと、酸素含有量０．１〜２．０重量
％の窒化アルミニウム粉末８５〜９９．０重量％と、酸
化ガドリニウム粉末１．０〜１５重量％とを混合・成形
し、次いで１８００〜２２００℃の温度で非酸化性雰囲
気中で焼結して、ＧｄＡ１０３＋　Ｇｄｚ　Ｏ３を主成
分とする粒界相を有する焼結体組織を得ることを特徴と
する高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法が提
供される。

本発明の方法で使用する窒化アルミニウム粉末の酸素含
有量は２．０％以下であり、このような窒化アルミニウ
ム粉末は、いわゆる「アルミナ還元法」で調製されるが
、本発明はこの方法による窒化アルミニウム粉末の使用
に限定されるものではない。

°非酸化性雰囲気としては、真空、または窒素ガス、水
素ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス
の少なくとも１種のガスにより形成された雰囲気を用い
てよい。

さらに本発明の好ましい態様に従うと、上記の成形した
混合粉末を、非酸化性雰囲気中５０Ｋｇ／ｃｒ１以上の
圧力でホットプレスを用いて加圧焼結するのが特性改善
上好ましい。

作用 本発明は、窒化アルミニウムに酸化ガドリニウム（Ｇｄ
ａ○３）を添加することにより、酸化ガドリニウムと、
窒化アルミニウム及びそれに含有されている酸素とを反
応せしめて、焼結時にＧｄＡｌＯ３＋Ｇｄ２Ｏ３を含む
液相を発生せしめ、液相焼結により焼結体の緻密化及び
高熱伝導化に成功したものである。従って、本発明の焼
結体の粒界はＧｄＡｌＯ３＋Ｇｄ２０ａにより主として
形成されている。

また、本発明の焼結体は、窒化アルミニウム８５〜９９
．０重量％と、酸化ガドリニウム１．０〜１５重量％−
との混合粉末を焼結することにより形成されている。酸
化ガドリニウムの添加量が１．０重量％未満の場合は、
通常に用いられている窒化アルミニウム粉末中の酸素と
反応して液相焼結に充分な量のＧｄＡｌ　０３＋Ｇｄ２
Ｏ３を形成するに足らず、相対密度および熱伝導率の高
い焼結体が得られない。一方、酸化ガドリニウムが１５
重量％を超えて添加されている場合は、窒化アルミニウ
ム自体の優れた熱伝導性が損なわれ、また相対密度も低
下する。

従って、酸化がトリニウムの添加量を１．０〜１５重量
％とした。

次に本発明の製造方法の条件限定理由を説明する。

窒化アルミニウム粉末の酸素含有量を０．１〜２．０重
量％としたのは、２．０重量％を超えると、酸化ガドリ
ニウムの添加量にかかわらず酸素の窒化アルミニウム焼
結体中への混入量が増大し、フォノン散乱を起こすため
、１５０Ｗ１０ｒ　−ｋ以上の熱伝導率が得られないた
めである。また、０．１重量％未満の酸素含有量の窒化
アルミニウム粉末の製造は現「の技術では経済的に実現
できないだめである。

また、酸化ガドリニウムの混合割合を１．０〜１５重量
％としたのは、上述の通り、１．０重量％未満では、十
分に緻密且つ高熱伝導度の焼結体が得られず、また１５
重量％超える場合、得られる焼結体の熱伝導率が低下す
る傾向を示すためである。

このように本発明に従い最適な酸素含有量の窒化アルミ
ニウム粉末と酸化ガドリニウムとの組み合せにより窒化
アルミニウム焼結体の緻密化及び高熱伝導化が達成され
る。さらに、本発明の範囲内の組成では、結晶組織の粒
状化も生じ、これも熱伝導率向上のために寄与している
と考えられる。

本発明の方法で焼結温度を１８００〜２２００℃の範囲
と限定したのは、１８００℃未満の焼結温度では、十分
に焼結が進行しないためである。窒化アルミニウムの焼
結に関しては、焼結温度は高い方が望ましいが、２２０
０℃を超えると、窒化アルミニウムの分解反応が著しく
促進され、焼結体の重量減少が大きくなり経済的でない
。

実°施例 以下、本発明を実施例により説明するが、これらの実施
例は本発明の範囲を何等制限するものではない。

実施例１　　′ 窒化アルミニウム粉末（酸素含有量０．８重量％）に、
酸化ガドリニウム粉末を１．０〜１５重量％の範囲の種
々の量で添加した混合粉末を、それぞれ２ｔｏｎ／ｃａ
ｔの圧力で予備成形し、１８００〜２２００℃の範囲の
各種温度で３時間常圧焼結を行った。得られた焼結体の
相対密度及び熱伝導率を第１表の実施例の欄に示す。

焼結はＮ２ガス（１気圧）雰囲気中で行った。また、窒
化アルミニウム粉末への酸化ガドリニウム粉末の混合は
、ボールミルを用いて１２時間で行った。

第１表に示す如く、本発明の範囲内の酸化ガドリニウム
の添加量、すなわち１．０〜１５重量％の酸化ガドリニ
ウムを添加し、１８００〜２２００℃の温度で焼結して
得た窒化アルミニウム焼結体は、高密度で且つ１５０Ｌ
／ｍ　−ｋ以上の良好な熱伝導率を示すことが判る。い
ずれの場合も、ＧｄＡｌＯ３＋　Ｇｄ２Ｏ３を主成分と
した粒界相の存在が確認された。

比較例１ 酸化ガドリニウム粉末添加量及び焼結温度について、本
発明の範囲外の条件とし、他は全て実施例１と同様の条
件にて各々焼結して得た焼結体の特性を第１表の比較例
の欄に示す。密度及び熱伝導率ともに良好とはいえない
。例えば、酸化ガドリニウムの添加量が低い場合（試料
番号１）、粒界にはＧｄＡｌＯ３のみが観察されるにす
ぎず、ＧｄｚＯ３は存在しなかった。このため本発明の
効果が達成されず、熱伝導率は著しく低い。一方、試料
番号７の如く酸化ガドリニウムの添加量が過剰な場合は
、焼結体中の酸化ガドリニウムの残留量が過剰となり、
これがフォノン散乱の原因となり、熱伝導率が低下する
と考えられる。

さらに、試料番号８や１６の如く、焼結温度が低い場合
は、焼結が十分に進行せず、相対密度、熱伝導率等の特
性が著しく低い。

実施例２ 実施例１で示した窒化アルミニウムー酸化ガドリニウム
混合粉末を、実施例１と同様の方法で作成し、ホットプ
レス（圧力２００にｇ／ｃｄ）を用いて、１８００℃に
て２時間、加圧焼結を行った。得られた焼結体の相対密
度及び熱伝導率を第２表の実施側温に示す。−ホットプ
レスにより加圧焼結することにより、常圧焼結よりも安
定した特性の焼結体が得られた。

比較例２ 窒化アルミニウムー酸化ガドリニウムの混合粉末の混合
比が、本発明の範囲外の代表的条件について実施例２と
同様の方法にてホットプレス焼結を行った結果を第２表
の比較側温に示す。

第２表に示す結果から理解できるように、酸化ガドリニ
ウムの添加量が本発明の範囲外であると、ホットプレス
により加圧焼結を行っても熱伝導率は低い値に止まる。

実施例３ 酸素含有量の異なる窒化アルミニウム粉末と、５％の酸
化ガドリニウム粉末とを実施例１と同様の方法で混合し
、１９００℃、３時間の条件で常圧焼結した結果を第３
表の実施側温に示す。１．５％以下で良好な特性が得ら
れることが判る。

−なお、第３表中、窒化アルミニウム量の後のカッコ内
は窒化アルミニウム粉末中の酸素量を示す。

比較例３ 酸素含有量が本発明の方法の範囲外である窒化アルミニ
ウム粉末を用い、実施例３と同様の方法で混合・焼結し
た結果を第３表の比較測標に示す。

窒化アルミニウム粉末中の酸素量が２．０％を超えると
、得られた焼結体の相対密度は高くとも熱伝導率が著し
く低いことが判る。

発明の効果 以上に説明の如く本発明は、酸化ガドリニウム１．０〜
１５重量％を添加して焼結された窒化アルミニウム焼結
体であって、粒界相がＧｄＡ１０ａ＋Ｇｄ、０３から主
として形成され、９５％以上の相対密度を有し、室温に
おける熱伝導率が１５Ｈ／ｍ−に以上である−ことを特
徴とする高熱伝導性窒化アルミニウム　　□焼結体を提
供するものであり、このようなＧｄＡｌＯ３・＋Ｇｄ２
０ａを主成分とした粒界相を有した窒化アルミニウム焼
結体は、酸素含有量１．０〜２．０重量％の窒化アルミ
ニウム粉末と、０．１〜５０重量％の酸化ガドリニウム
粉末を混合・成形し、次いで１８００〜２２００℃の温
度で、非酸化性雰囲気中で焼結することによりえられる
。

本発明により得られた窒化アルミニウム焼結体は、緻密
質であり、そのため熱伝導性に優れ、半導体の放熱材料
、あるいはパッケージ材料として有用である。

本発明によって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、ハイブリッドＩ
Ｃ用基板等のＩＣ基板のみならず、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、レーザ発振管、或はマイカ代替と
しての絶縁性薄反として好適に利用できる。

命許出願人　住友電気工業株式会社 文理人弁理士新居正彦

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化ガドリニウム１．０〜１５重量％を添加して
   焼結された窒化アルミニウム焼結体であって、粒界相が
   ＧｄＡｌＯ＿３＋Ｇｄ＿２Ｏ＿３から主として形成され
   、９５％以上の相対密度を有し、室温における熱伝導率
   が１５０Ｗ／ｍ・ｋ以上であることを特徴とする高熱伝
   導性窒化アルミニウム焼結体。
2. （２）酸素含有量０．１〜２．０重量％の窒化アルミニ
   ウム粉末８５〜９９．０重量％と、酸化ガドリニウム粉
   末１．０〜１５重量％とを混合・成形し、次いで１８０
   ０〜２２００℃の温度で非酸化性雰囲気中で焼結し、Ｇ
   ｄＡｌＯ＿３＋Ｇｄ＿２Ｏ＿３を主成分とする粒界相を
   有する焼結体組織を得ることを特徴とする高熱伝導性窒
   化アルミニウム焼結体の製造方法。
3. （３）上記非酸化性雰囲気は、真空または窒素ガス、水
   素ガス、一酸化炭素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス
   より成る群から選ばれた１種または２種以上のガスから
   形成される雰囲気であることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項に記載の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の
   製造方法。
4. （４）上記の成形した混合粉末を、非酸化性雰囲気中５
   ０Ｋｇ／ｃｍ＾２以上の圧力で加圧焼結することを特徴
   とする特許請求の範囲第２項または第３項に記載の高熱
   伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造方法。