JPS63236765A

JPS63236765A - 窒化アルミニウム焼結体

Info

Publication number: JPS63236765A
Application number: JP62072315A
Authority: JP
Inventors: 石沢　健喜; 鮎沢　信夫; 白仁田　昭; 政道高井; 内田　範政
Original assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Current assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1988-10-03
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: JPH0678195B2

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に係り、特に半導体回
路基板として極めて有用な熱伝導率の高い窒化アルミニ
ウム焼結体に関する。

［従来の技術〕近年、半導体工業においては、ＩＣ％ＬＳＩ等の大規模
回路に関し、高集積化、高出力化が行われつつあり、こ
れに従ってシリコン素子の単位面積あたりの発熱量が大
幅に増大している。しかして、この現象はシリコン素子
の正常な働きを阻害する問題となることが指摘されてい
る。

従って、この問題を解決するために熱伝導性の良い絶縁
基板材が必要とされている。

従来、半導体回路基板としては、フェノール基板、ホー
ロー基板、アルミナ基板、ベリリア基板、炭化ケイ基板
等が知られている。これらの材料は各々熱放散性、耐熱
性、強度、電気特性などに特長を有するが、基板材とし
て最も必要とされる特性は電気抵抗性、熱伝導性が高い
ことである点から、一般にはアルミナ焼結体が最も多く
使用されている。しかしながら、アルミナ基板は放熱に
関していえば、前述の最近の基板に対する厳しい要求を
充分満足しているとはいえず、このため、半導体回路基
板としての要求特性を満足する新しい基板材料の出現が
要望されていた。

ところで、窒化アルミニウムは理論的にはべりリア（Ｂ
ｅｄ）に匹敵する高熱伝導性材料であることが従来より
知られており、窒化アルミニウムの基材材料への通用は
極めて有効であると考えられる。窒化アルミニウムは共
有結合性の強い化合物であり、高融点（２５１６℃で分
解）、溶融金属に対する高耐食性、単結晶では約３２０
ｗ／ｍ−にの高熱伝導性を有する等の特長を有する高特
性セラミックスである。

しかしながら多結晶窒化アルミニウムは難焼結性物質で
あり、従来よりその焼結技術に対する研究が行われてお
り、好適な焼結助剤に関する提案がなされている。

例えば、特開昭６０−１７１２７０号公報では焼結助剤
として、Ｂｅ％Ｍｇｓ　　Ｃ６、５ｒｓＢ６、Ｙ、ラン
タノイド族元素等の酸化物あるいは分解して酸化物とな
る化合物を添加することにより、熱伝導率６０〜８０Ｗ
／ｍ”Ｋの緻密な窒化アルミニウム焼結体を製造するこ
とが開示されている。

また、特開昭６０−１８６４７９号公報では、ＡＩｔＮ
粉末に炭素又は分解して炭素になる化合物を添加するこ
とにより、熱伝導率４５〜６５ｗ／　ｍ−にの焼結体を
得ることが開示されている。

その他、特開昭６０−２３９３６７号公報、特１ｍ昭６
０−２３９３６８号公報には、ハロゲン化物又はアセチ
リド化合物等をＡｊ２Ｎ粉末に各々単独で添加して焼結
する方法が開示されている。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、上記従来のいずれの方法によっても、充
分に緻密かつ高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼
結体を得ることは極めて困難であった。即ち、炭化物、
窒化物、アセチリド化合物、ハロゲン化物等の各種添加
物の単独使用では、十分な焼結性の改善効果は得られな
いのである。

ｃ問題点を解決するための手段］本発明は上記従来の問題点を解決し、緻密でしかも熱伝
導性の高い窒化アルミニウム焼結体を製造する方法を提
供するものであって、窒化アルミニウム粉末と、酸化物、ハロゲン化物、炭化
物、アセチリド化合物、シアナミド化合物及び炭素より
なる群から選ばれる２種以上の添加物とを含む混合物を
成形、焼成してなることを特徴とする窒化アルミニウム
焼結体を要旨とするものである。

即ち、本発明者らは、緻密化及び熱伝導性の向上を目的
とした窒化アルミニウム焼結技術に関して鋭意研究を重
ねた結果、焼結助剤として酸化物、ハロゲン化物、炭化
物、アセチリド化合物、シアナミド化合物及び炭素より
なる群から選ばれる２種以上を窒化アルミニウム粉末に
添加配合することにより、各々の単独添加では得ること
のできない著しく優れた相乗効果により、高特性焼結体
が製造されることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム
粉末に、酸化物、ハロゲン化物、炭化物、アセチリド化
合物、シアナミド化合物及び炭素よりなる群から選ばれ
た２種以上を焼結助剤として添加した混合物を成形、焼
成することにより得られるものである。

本発明の窒化アルミニウム焼結体を製造するにあたり、
原料の窒化アルミニウム粉末としては市販されている高
純度品を好適に用いることができる。また、例えば特開
昭６０−６０９１０号公報に示される、高純度アルミナ
の炭素による還元ならびに窒素又はアンモニア雰囲気中
での窒化反応によって得られる窒化アルミニウム粉末も
充分本発明の焼結体製造用原料として使用し得る。これ
ら窒化アルミニウム粉末原料は、ＡＪ２Ｎ純度が９８重
量％以上、含有される酸素量が１．０重量％以下、不可
避の金属化合物が１．０重量％以下であることが好まし
い。

本発明においては、このような窒化アルミニウム粉末に
焼結助剤として、酸化物、ハロゲン化物、炭化物、アセ
チリド化合物、シアナミド化合物及び炭素よりなる群か
ら選ばれる２種以上を添加する。焼結助剤の組み合せ及
びその原料混合物中の添加割合としては、例えば次の■
〜■のようなものが特に有効であるが、勿論本発明は下
記のものに限定されるものではない。

■　酸化物；　０゜１〜５．０重量％＋炭　素二　０．１〜１．０重量％ ■　酸化物：　０．１〜５．０重量％＋炭化物及び／又はアセチリド化合物＝０．１〜２．０重量％ ■　酸化物：　０．１〜５．０重量％＋ハロゲン化物二　０．１〜２．０重量％■　ハロゲン化
物＝　０．１〜２．０重量％＋炭化物及び／又はアセチリド化合物：０．１〜２．０重量％ ■　シアナミド化合物：０．１〜２．０重量％＋炭化物及び／又はアセチリド化合物：０．１〜２．０重量％酸化物としては、周期律表第１Ｉ　ａ族又は第Ｈ１ａ族
の金属酸化物等が挙げられ、炭素としてはカーボンブラ
ック、グラファイト又は高固定炭素系ピッチ等が挙げら
れる。炭化、物あるいはアセチリド化合物としてはＢ４
　Ｃ，Ａ１４Ｃｓ　、Ｓ　Ｉ　ＣｓＭｇＣ２、ＡＪＩｓ
　Ｃｓ、ＣａＣ２、Ｓｌ”Ｃ２又はＢａＣ２等が挙げら
れる。また、ハロゲン化物としては、ＭｇＦ＋１％Ｍｇ
Ｃｌ２又はＭ　ｇ　Ｂ　ｒ　２等が挙げられ、シアナミ
ド化合物としては、ＭｇＣＮ５＋又はＣａＣＮ２等が挙
げられる。これらは、いずれも市販されている高純度品
を用いることができる。なお、酸化物については、上記
のものの他、焼成工程で分解して酸化物となるような、
硝酸塩、蓚酸塩又は酢酸塩等の金属塩を用いることもで
鮒る。

焼結助剤の添加量は少な過ぎると十分な焼結性が得られ
ず、逆に多過ぎると粒界相の存在が多くなり、特性低下
の原因となる。従って、焼結助剤の添加量は、添加する
焼結助剤の物性によっても異なるが、例えば前記■〜■
のような割合とし、残部が窒化アルミニウム粉末である
ように添加混合するのが好ましい。

本発明の窒化アルミニウム焼結体を製造するには、まず
原料の窒化アル°ミニウム粉末と前記焼結助剤とを、所
定の量比になるように正確に秤量して混合する。混合は
、例えば、エタノール、ヘキサン等の有機溶媒中で、必
要に応じて若干量のバインダー（例えばアクリル系樹脂
、ＰＶＡ等）を添加し、振動ミル、ボールミル、アトラ
イタ等で充分均一になるまで実施される。原料粉末の混
合において特に留意を要する点は、Ｓｉ％Ｆｅ等の不純
物元素の混入防止ということであり、この目的のために
は樹脂製ポット、樹脂コーティングボール等を用いるの
が好ましい。

このようにして均一に混合されてスラリー状とされた原
料は、スプレードライヤー等により乾燥、造粒し、−輪
金型プレス、あるいはＣＩＰ（冷間等方圧プレス）等で
所定の形状に成形する。得られた成形体は、通常％Ｎ２
ガスあるいはＡｒガス雰囲気下、１気圧で１６００〜１
９００℃の温度にて焼成する０機械的特性を付加させる
目的では、このような条件で焼成して得られた常圧焼結
体を、更に１０気圧以上のＮ２あるいはＡｒガス下にて
、ガス加圧焼結しても良い、また、ホットプレス法を採
用することもできる。

なお、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、
上記の如き方法に限定されるものではなく、例えば、成
形法としては、鋳込み法、射出成形法、ドクターブレー
ド法、押出し法等を採用することもでき、これらの方法
によっても、良好な成形体を得ることができる。

［作用］高純度窒化アルミニウム粉末単独による焼結では、理論
密度近傍の窒化アルミニウム焼結体が得られず、そのた
め高熱伝導率の材料としては不十分である。また、酸化
物、ハロゲン化物、炭化物、炭素、アセチリド化合物又
はシアナミド化合物のいずれか１種単独添加では、十分
満足し得る改善効果が得られない。

これに対し、酸化物、ハロゲン化物、炭化物、炭素、ア
セチリド化合物又はシアナミド化合物のいずれか２種以
上を添加使用する本発明によれば、これらの単独添加で
は得られなかった著しく優れた相乗作用により、窒化ア
ルミニウム焼結体の緻密化と原料中の不純物酸素量の低
減が実現され、高熱伝導化を図ることが可能となる。

［実施例］以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが
、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限
定されるものではない。

実施例１平均粒径が２μｍ以下の市販の高純度窒化アルミニウム
粉末（Ａｊ２Ｎ含有量９８％重量以上）に周期律表第１
Ｉ　ａ族又は第ｍ　ａ族の金属酸化物及び炭素（カーボ
ンブラック）を第１表に示すような配合比で添加し、混
合溶剤を用いてボールミルで粉粋、混合をした。この場
合、混合には樹脂製ポット、樹脂コーティングボールを
用い、溶剤として高純度エタノールを用いて不純物元素
（Ｓｉ、Ｆｅ等）が混入するのを防止した。

得られた混合物を乾燥造粒した後、１．５ｔ／ｃｒｒ？
の成形圧にて一軸金型成形法にて成形し、成形体をＮ２
ガス雰囲気中にて１気圧下で１８００℃、３時間の焼成
を行い、窒化アルミニウム焼結体を製造した。

得られた焼結体に関し、密度をアルキメデス法にて、熱
伝導率をレーザーフラッシュ法にて測定した。結果を第
１表に示す。

実施例２実施例１に用いられたと同じＡＪＩＮ原料粉末に、周期
律表第１Ｉ　ａ族又は第ＩＩＩａ族の金属酸化物と炭化
物又はアセチリド化合物を第２表に示すような配合比で
添加し、実施例１と同様にしてボールミルで粉砕、混合
を行った０次いでこの原料粉末を１．５ｔ／ｃｎｉ’の
圧力で静水圧プレス成形し、成形体をＮ２ガス雰囲気、
１気圧下、１８００℃で６時間焼成して焼結体とした。

得られた焼結体に関し、実施例１と同様の方法で密度及
び熱伝導率を測定した結果を１２表に示す、第２表より
明らかなように、本発明のものは、いずれの配合比でも
、相対密度９９％以上、熱伝導率１０５〜１４５ｗ／ｍ
−にと極めて高い実施例３実施例１に用いられたと同じＡｊ！Ｎ原料粉末に、Ｃａ
Ｏとして１重量％となるようなＣａ（ＯＨ）２　、Ｃａ
Ｃ２０４・Ｈ２０，Ｃａ（ＮＯ３）２・４１（２０など
のアルカリ土類金属化合物及びカーボンブラック（灰分
が０．１重量％、平均粒径０，２μｍ）を第３表に示す
ような配合比で添加し、実施例１と同じ方法を用いて混
合を行った。得られた混合物を乾燥後、直径２５ｍｍの
黒鉛製ダイスに充填し、１気圧のＮ２ガス雰囲気中、２
ｏ０ｋｇ／ｃゴの圧力で１８００℃に２時間保持してホ
ットプレスし、焼結体を得た。得られた焼結体は黄味を
帯びた白色であり、半透光性を示した゛、この焼結体の
熱伝導測定結果を第３表に示す、第３表より明らかなよ
うに、本発明の焼結体は、いずれも１３５ｗ／ｍ−に以
上第３表実施例４実施例１に用いられたと同じＡｆＬＮｉ料粉末に、Ｙ２
０．及びハロゲン化物（ＭｇＦ２、ＭｇＣｊ２２、Ｍｇ
Ｂｒａ）を第４表に示す配合比で添加し実施例１と同じ
方法を用いて混合を行った。得られた混合物を造粒乾燥
後、１．５ｔ　／　ｃ　ｒｄの圧力で一軸プレスし、６
Ｘ５Ｘ５０ｍｍの成形体とした。

この成形体をＮ２ガス雰囲気、１０気圧下、ｔａｏｏ℃
で６時間ガス圧焼結し、得られた焼結体を３Ｘ４Ｘ４０
ｍｍのテストピース形状に加工した（各組成についてそ
れぞれ１０本作成）。

このテストピースを用いて常温にて、スパン３０ｆｎｍ
、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎで３点曲げ
試験を実施した。第４表に各焼結体の密度及び曲げ強度
の測定結果を示す。第４表より、いずれも極めて高い密
度を有し、また、曲げ強度も最大４５ｋｇｆ／ｍｙｒ？
の高強度を示し、機械的特性の優れたＡｌ１Ｎ焼結体が
得られることが明らかである。

実施例５ＡＪ！２０３還元法を用いで作られた市販の高純度窒化
アルミニウム（平均粒径０．６μｍ、酸素含有量ｏ、ａ
ｓ重量％）に、ハロゲン化物としてＭｇＦ２０．５重量
％、アセチリド化合物としてＣａＣ２０，５重量％を添
加し、実施例１と同じ方法を用いて混合を行った。この
混合物を乾燥後１．５ｔ／ｃｒｄの圧力で静水圧プレス
し、得られた成形体をＮ２ガス雰囲気、１気圧下、１８
００℃で６時間加熱して焼結体とした。

この焼結体の密度及び熱伝導率を測定した結果、それぞ
れ、密度は３．２５ｇ／ｃｎ？で相対密度９９．５％で
あり、熱伝導率は１４５ｗ／ｍ−にで、いずれも極めて
高い値を示した。

実施例６実施例５に用いられたと同じＡＪ！’Ｎ原料粉末に、ア
セチリド化合物としてＣａＣ２を０．５重量％、シアナ
ミド化合物としてＣａＣＮ２を０．５重量％、更に結合
剤としてポリアクリル酸樹脂８．０重量％、可塑剤とし
てジブチルフタレート１１．０重量％、解膠剤としてモ
ノエタノールアミン１．０重量％を加え、エチルアルコ
ール中で混合して泥漿を調整した。混合方法は実施例１
と同様である。得られた泥漿をドクターブレード法によ
りシート成形し、幅１０ｃｍ、厚さ１ｍｍのグリーンシ
ートを作製し、次いで乾燥して溶剤を完全に飛散させた
。このグリーンシートから打抜きによって６ｘ６ｃｍの
シートを得、さらに脱脂炉を用いてシート中の結合剤、
可塑剤、解膠剤を熱分解除去した。

このようにして得られたシートをＮ２ガス雰囲気、１気
圧下、１８００℃で６時間焼成して窒化アルミニウム焼
結体とした。この焼結体は灰白色で半透光性を有し、密
度は３．２５ｇ／ａｎｆ（相対密度９９．６％）、熱伝
導率１３５ｗ／ｍ−Ｋを示した。

［発明の効果］以上詳述した通り、本発明の窒化アルミニウム焼結体は
、焼結助剤として酸化物、ハロゲン化物、炭化物、アセ
チリド化合物、シアナミド化合物及び炭素よりなる群か
ら選ばれた２種以上を用いて得られたものであって、こ
れらの焼結助剤を併用することにより、単独使用では得
ることができなかった著しく優れた相乗効果が奥され、
従来に比し、焼結体の焼結度が大幅に向上され、高密度
で熱伝導性に優れた焼結体が提供される。

このような本発明の窒化アルミニウム焼結体は、半導体
回路基板材料等として極めて有用である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）窒化アルミニウム粉末と、酸化物、ハロゲン化物
、炭化物、アセチリド化合物、シアナミド化合物及び炭
素よりなる群から選ばれる２種以上の添加物とを含む混
合物を成形、焼成してなることを特徴とする窒化アルミ
ニウム焼結体。
（２）窒化アルミニウム粉末と酸化物と炭素とを含む混
合物を成形、焼成してなることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（３）酸化物は周期律表第IIａ族又は第IIIａ族の金属
酸化物であり、炭素はカーボンブラック、グラファイト
又は高固定炭素系ピッチであることを特徴とする特許請
求の範囲第２項に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（４）混合物中の酸化物が０．１〜５．０重量％、炭素
が０．１〜１．０重量％、残部が実質的に窒化アルミニ
ウム粉末であることを特徴とする特許請求の範囲第２項
又は第３項に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（５）窒化アルミニウム粉末と酸化物と炭化物及び／又
はアセチリド化合物とを含む混合物を成形、焼成してな
ることを特徴と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。
（６）酸化物は周期律表第IIａ族又は第IIIａ族の金属
酸化物であり、炭化物あるいはアセチリド化合物はＢ＿
４Ｃ、Ａｌ＿４Ｃ＿３、ＳｉＣ、ＭｇＣ＿２、Ａｌ＿３
Ｃ＿６、ＣａＣ＿２、ＳｒＣ＿２又はＢａＣ＿２である
ことを特徴とす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）混合物中の酸化物が０．１〜５．０重量％、炭化
物及び／又はアセチリド化合物が０．１〜２．０重量％
、残部が実質的に窒化アルミニウム粉末であることを特
徴とする特許請求の範囲第５項又は第６項に記載の窒化
アルミニウム焼結体。
（８）窒化アルミニウム粉末と酸化物とハロゲン化物と
を含む混合物を成形、焼成してなることを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（９）酸化物は周期律表第IIａ族又は第IIIａ族の金属
酸化物であり、ハロゲン化物はＭｇＦ＿２、ＭｇＣｌ＿
２又はＭｇＢｒ＿２であることを特徴とする特許請求の
範囲第８項に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（１０）混合物中の酸化物が０．１〜５．０重量％、ハ
ロゲン化物が０．１〜２．０重量％、残部が実質的に窒
化アルミニウム粉末であることを特徴とする特許請求の
範囲第８項又は第９項に記載の窒化アルミニウム焼結体
。
（１１）窒化アルミニウム粉末とハロゲン化合物と炭化
物及び／又はアセチリド化合物とを含む混合物を成形、
焼成してなることを特徴と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。
（１２）ハロゲン化物はＭｇＦ＿２、ＭｇＣｌ＿２又は
ＭｇＢｒ＿２であり、炭化物あるいはアセチリド化合物
はＢ＿４Ｃ、Ａｌ＿４Ｃ＿３、ＳｉＣ、ＭｇＣ＿２、Ａ
ｌ＿３Ｃ＿６、ＣａＣ＿２、ＳｒＣ＿２又はＢａＣ＿２
であることを特徴とする特許請求の範囲第１１項に記載
の窒化アルミニウム焼結体。
（１３）混合物中のハロゲン化物が０．１〜２．０重量
％、炭化物及び／又はアセチリド化合物が０．１〜２．
０重量％、残部が実質的に窒化アルミニウム粉末である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１１項又は第１２項
に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（１４）窒化アルミニウム粉末とシアナミド化合物と炭
化物及び／又はアセチリド化合物とを含む混合物を成形
、焼成してなることを特徴と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。
（１５）シアナミド化合物はＭｇＣＮ＿２又はＣａＣＮ
＿２であり、炭化物あるいはアセチリド化合物はＢ＿４
Ｃ、Ａｌ＿４Ｃ＿３、ＳｉＣ、ＭｇＣ＿２、ＣａＣ＿２
、Ａｌ＿３Ｃ＿６、ＳｒＣ＿２又はＢａＣ＿２であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載の窒化ア
ルミニウム焼結体。
（１６）混合物中のシアナミド化合物が０．１〜２．０
重量％、炭化物及び／又はアセチリド化合物が０．１〜
２．０重量％、残部が実質的に窒化アルミニウム粉末で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１４項又は第１
５項に記載の窒化アルミニウム焼結体。