KR101693071B1

KR101693071B1 - 회로 기판용 질화 알루미늄 기판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101693071B1
Application number: KR1020137000160A
Authority: KR
Inventors: 유사쿠 하라다; 가츠노리 데라노; 다케시 고토
Original assignee: 덴카 주식회사
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2017-01-04
Also published as: JP5919190B2; CA2801857C; TWI519503B; CN102933520B; CA2801857A1; WO2011155319A1; TW201202170A; EP2581357A1; US20130149530A1; US9190189B2; EP2581357B1; KR20130087481A; CN102933520A; EP2581357A4; JPWO2011155319A1

Abstract

평균 입자 지름이 2~5㎛인 질화 알루미늄 결정 입자를 갖고, 열전도율이 170W/m·K 이상인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판에 있어서, 수지상의 입계상을 함유하지 않고, 400℃에서의 절연 파괴 전압이 30kV/㎜ 이상인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판이 개시된다. 또, 질화 알루미늄 분말을 포함하는 원료를 압력 150Pa 이하에서 1500℃까지 가열하고, 그 후 비산화성 가스로 압력 0.4MPa 이상의 가압 분위기로 하여 1700~1900℃까지 승온, 유지한 후, 1600℃까지 10℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각하는 공정을 구비하는 회로 기판용 질화 알루미늄 기판의 제조 방법이 제공된다.

Description

회로 기판용 질화 알루미늄 기판 및 그 제조 방법{ALUMINIUM NITRIDE SUBSTRATE FOR CIRCUIT BOARD AND PRODUCTION METHOD THEREOF}

본 발명은 고온하에서의 절연 특성이 뛰어난 질화 알루미늄 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

엘렉트로닉스 기술의 발전에 수반해, 반도체의 고출력화가 진행되는 중, 반도체 탑재용 회로 기판에 이용되는 절연성이 뛰어난 질화 알루미늄 기판은 다방면에 걸친 분야, 예를 들면 전철이나 전기 자동차 등의 구동 제어용이나 산업용 로보트의 제어용 기판 재료로서 이용되고 있다. 그 중에서, 제품 신뢰성에 크게 영향을 주는 스위칭 로스나 에너지 로스의 저감, 제어 작동 온도의 확장이라는 특장을 가지는 차세대 반도체의 개발을 위해, 현재 사용되고 있는 Si 칩을 대신하는 재료로서 고신뢰성 SiC 칩이 유망시되고 있다. SiC 칩의 작동 가능 온도는 400℃ 전후이며, 종래의 150℃에 비해 고온이 되기 때문에 반도체 탑재용 회로 기판의 절연 재료로서 이용되는 질화 알루미늄 기판에는 이와 같은 고온하에서도 뛰어난 절연 특성을 발휘하는 것이 요구된다.

종래 상기 질화 알루미늄 기판으로서 사용되는 질화 알루미늄 소결체는 일반적으로 이하의 방법으로 제조되고 있다. 즉, 질화 알루미늄 분말에 소결조제, 바인더, 가소제, 분산매, 이형제 등의 첨가제를 혼합한다. 그것을 압출 성형 등에 의해 시트상으로 성형하고, 프레스기 등에 의해 원하는 형상이나 치수로 가공한다(성형·프레스). 다음에, 성형체를 공기 중 또는 질소 등의 비산화성 분위기 중에서 350~700℃로 가열해 바인더를 제거한 후(탈지), 질소 등의 비산화성 분위기 중에서 1800~1900℃에서 0.5~10시간 유지(소결)함으로써 제조되고 있다.

그러나, 이와 같은 방법으로 제조된 질화 알루미늄 기판의 절연 파괴 전압은 실온에서는 30~40kV/㎜ 정도로 높은 절연 특성을 나타내지만, 400℃라는 고온하에서는 10kV/㎜ 전후로까지 저하해 버린다는 문제가 있었다.

질화 알루미늄 소결체의 절연 특성을 높이기 위해서, 종래 여러 가지의 제안이 이루어졌고, 예를 들면, 질화 알루미늄 결정 입자 중에 티탄을 고용시켜 홀전자(unpaired electron) 농도를 증가시키는 방법(특허문헌 1)이나, 질화 알루미늄 결정 입자나 입계 기공의 평균 지름, 입계 기공과 입내(intragranular) 기공의 비율을 제어하는 방법(특허문헌 2) 등이 제안되고 있다. 그렇지만, 지금까지 고온하에서의 절연 특성을 확보할 수 있는 것은 아니었다.

일본 특개 평06-128041호 공보 일본 특개 2006-13257호 공보

본 발명의 목적은 고온하에서의 절연 특성이 뛰어난 질화 알루미늄 기판과 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 태양에서는 평균 입자 지름이 2~5㎛인 질화 알루미늄 결정 입자를 갖고, 열전도율이 170W/m·K 이상인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판에 있어서, 수지상의 입계상(粒界相)을 함유하지 않고, 400℃에서의 절연 파괴 전압이 30kV/㎜ 이상인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판이 제공된다.

상기에 있어서, 일 태양에서는 입계상은 불연속적으로 분산된 비수지상의 입계상이다. 또 다른 태양에서는 질화 알루미늄 기판의 경면 연마면으로부터 측정되는 입계상의 개수 기준 입자 지름 분포에 있어서의 누적 10％ 입자 지름 d10가 0.6㎛ 이상이고, 누적 50％ 입자 지름 d50가 1.6㎛ 이하이다.

본 발명의 추가적 태양에서는 질화 알루미늄 분말을 포함하는 원료를 압력 15Pa 이하에서 1500℃까지 가열하고, 그 후 비산화성 가스로 압력 0.4MPa 이상의 가압 분위기로 하여 1700~1900℃까지 승온, 유지한 후, 1600℃까지 10℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각하는 공정을 구비하는, 400℃에서의 절연 파괴 전압이 30kV/㎜ 이상인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판의 제조 방법이 제공된다.

여기서, 질화 알루미늄 분말은 특별히 한정되지 않지만, 일실시 태양에서는 불순물로서 산소 함유량이 1.2질량％ 이하, 카본 함유량이 0.04질량％ 이하, Fe 함유량이 30ppm 이하, Si 함유량이 60ppm 이하인 분말을 들 수 있다. 또, 원료에는 통상은 소결조제를 포함시킬 수 있지만, 이러한 소결조제로는 일실시 태양에서는 희토류 금속 화합물, 알칼리 토류 금속 화합물, 천이 금속 화합물이 사용된다.

나아가 본 발명의 일 태양에서는 상기 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 회로 기판용 질화 알루미늄 기판, 즉 질화 알루미늄 분말을 포함하는 원료를 압력 150Pa 이하에서 1500℃까지 가열하고, 그 후 비산화성의 압력 0.4MPa 이상의 가압 분위기로 하여 1700~1900℃까지 승온, 유지한 후, 1600℃까지 10℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각함으로써 제조되는 회로 기판용 질화 알루미늄 기판도 제공된다.

본 발명에 따르면, 고온하에서의 절연 특성이 뛰어나고 회로 기판용으로서 바람직한 질화 알루미늄 기판 및 그 제조 방법이 제공된다.

도 1은 종래의 질화 알루미늄 기판의 수지상의 입계상의 일례를 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 관한 질화 알루미늄 기판의 비수지상의 입계상의 일례를 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 관한 질화 알루미늄 기판의 경면 연마면의 일례를 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.

본 발명에 관한 회로 기판용 질화 알루미늄 기판의 일실시 형태에 대해서 설명한다.

본 발명에 관한 회로 기판용 질화 알루미늄 기판은 질화 알루미늄 결정 입자와 그 입자간의 공간을 묻는 입계상으로 이루어진 것으로, 열전도율이 170W/m·K 이상이고, 400℃에서의 절연 파괴 전압이 30kV/㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 기판이다. 여기서, 절연 파괴 전압은 당업자에 의해 통상 이해되는 대로의 의미를 가지며, JIS C2110에 준해 시료에 전압을 가해 절연 파괴가 생겼을 때의 전압을 시료의 두께로 나눔으로써 구할 수 있다.

질화 알루미늄 결정 입자의 평균 입자 지름은 2~5㎛인 것이 바람직하다. 여기서, 질화 알루미늄 결정 입자의 평균 입자 지름은 주사형 전자현미경을 이용해 질화 알루미늄 기판의 파단면에서 관찰되는 입자 지름을 측정해, 측정수의 평균값으로부터 구할 수 있다. 질화 알루미늄 결정 입자의 평균 입자 지름이 2㎛ 미만이면, 질화 알루미늄 기판의 치밀화가 불충분해져 열전도율이 저하되는 경우가 있다. 한편, 질화 알루미늄 결정 입자의 평균 입자 지름이 5㎛를 넘으면, 질화 알루미늄 결정 입자 사이의 공극이 커져, 그 공극을 입계상으로 충전하는 것을 충분히 할 수 없게 되기 때문에 절연 특성이나 기계적 강도가 저하되는 경우가 있다. 또, 응력 부하시에 질화 알루미늄 결정 입자의 입자 내 파괴가 발생하기 쉬워 기계적 강도의 저하로 이어진다.

본 발명의 질화 알루미늄 기판은 수지상의 입계상을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 기판이며, 다시 말하면 입계상이 비수지상의 입계상으로 되어 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명자는 고온에서의 절연 특성의 향상을 달성하기 위해서 열심히 검토를 실시한 결과, 400℃에서의 절연 파괴 전압이 30kV/㎜를 밑도는 질화 알루미늄 기판에는 수지상의 형상을 한 입계상이 다수 관찰되는데 것과는 대조적으로, 절연 파괴 전압이 30kV/㎜를 웃도는 질화 알루미늄 기판에는 수지상의 입계상이 전혀 관찰되지 않고, 그 입계상은 다수의 입계상이 불연속적으로 분산된 비수지상의 입계상으로 되어 있다는 것을 알아냈다. 여기서, 입계상의 형상은 예를 들면, 1g의 질화 알루미늄 기판을 50㎖의 20％ 수산화 나트륨 수용액에 넣고 130℃에서 12시간 유지시키고, 질화 알루미늄 결정 입자가 용해할 때까지 정치하고, 그 후 여과, 세정에 의해 잔류된 입계상을 꺼내 주사형 전자현미경에 의해 관찰함으로써 확인할 수 있다. 여기서 말하는 「수지상의 입계상」이란, 복수의 입계상이 입체적으로 연결된 형상을 가지는 입계상이다. 따라서, 본 발명의 질화 알루미늄 기판에서는 그 입계상 중에 이와 같은 수지상의 입계상 부분이 포함되지 않고, 입계상은 다수의 입계상이 불연속적으로 분산된 비수지상의 입계상으로 되어 있다. 도 1의 현미경 사진은 상기와 같은 수지상의 입계상이 관찰되는 일례를 나타내고, 도 2의 현미경 사진은 수지상의 입계상이 포함되지 않는, 입계상이 불연속적으로 분산된 비수지상의 입계상이 관찰되는 일례를 나타내고 있다.

수지상의 입계상이 고온하에서의 질화 알루미늄 기판의 절연 특성에 미치는 영향으로서 이하의 두 가지가 추측된다.

첫째는, 질화 알루미늄 기판을 구성하는 질화 알루미늄 결정 입자와 입계상의 열팽창률의 차에 의해 발생하는 미소한 공극의 존재이다. 25~400℃에서의 입계상의 열팽창률은 질화 알루미늄의 열팽창률의 약 2배 가까운 값이 되기 때문에 고온이 되면 질화 알루미늄 결정 입자와 입계상의 계면에는 서로의 팽창의 차에 의한 미소한 변형이나 공극이 생기고 있다고 생각된다. 이때 입체적으로 신장하고 있는 수지상의 입계상이 존재하면, 질화 알루미늄 기판 내에 미소한 공극이 연속적으로 분포해 버려 절연 거리가 짧아지기 때문에 질화 알루미늄 기판의 절연 특성이 저하된다고 추측된다. 한편, 수지상의 입계상을 포함하지 않고, 비수지상으로 불연속 분산상으로 이루어진 입계상으로 되어 있는 경우, 발생한 미소한 공극이 연결되는 일이 없어지기 때문에 고온에서의 질화 알루미늄 기판의 절연 특성은 저하되지 않는다고 생각된다.

둘째는, 입계상의 도전 경로화이다. 소결에 이용되는 소결조제는 일반적으로 알칼리 토류 금속 화합물이나 희토류 금속 화합물 등을 사용하는 경우가 많지만, 이들 소결조제는 소결 초기에 질화 알루미늄 분말의 표면에 존재하는 산화물과 반응해 복합 산화물의 액상을 형성한다. 이 액상은 소결 과정에서 질화 알루미늄 결정 입자 내의 불순물을 고용(固溶)한다. 그 결과, 순화된 질화 알루미늄 결정 입자가 입자 성장(grain growth)해 소결체 조직이 치밀화됨으로써 질화 알루미늄 기판의 고열 전도화·고강도화를 가져온다. 불순물을 많이 함유한 액상은 소결 종료 후에 냉각되어 입계상으로서 석출된다. 이 때문에, 입계상 자체의 전기 절연성은 질화 알루미늄 결정 입자보다 낮아진다고 생각된다. 특히 입체적으로 연결된 수지상의 입계상이 존재했을 경우, 절연성이 낮은 입계상이 도전 경로로서 작용하게 되어, 질화 알루미늄 기판의 절연 특성이 저하된다고 추측된다.

나아가 본 발명의 일 실시태양에서는 질화 알루미늄 기판은 경면 연마면으로부터 측정되는 입계상의 개수 기준 입자 지름 분포에 있어서의 누적 10％ 입자 지름 d10이 0.6㎛ 이상이고, 누적 50％ 입자 지름 d50가 1.6㎛ 이하이다. 여기서, 입계상의 개수 기준 입자 지름 분포의 측정 방법에 대해서 이하에 설명한다. 즉, 질화 알루미늄 기판을 에폭시 수지에 포매, 고체화한 후, 기판의 두께 방향으로 수직이 되도록 절단해 그 단면을 버프 연마(buffing)로 경면 연마를 실시한다. 그 연마면을 주사형 전자현미경에 의해 관찰하고, 그 화상으로부터 화상 해석 소프트에 의해 입계상의 입자 지름을 측정함으로써 개수 기준 입자 지름 분포를 구할 수 있다. 누적 10％ 입자 지름 d10이 0.6㎛ 미만이면, 질화 알루미늄 기판 중의 입계상의 일부가 수지상으로서 존재하는 경우가 있고, 누적 50％ 입자 지름 d50이 1.6㎛를 넘으면, 입계상끼리 괴상(塊狀)의 응집체로서 연결되어 버리는 경우가 있다. 어떠한 경우라도 상술한 입계상의 영향에 의해 고온하에서의 질화 알루미늄 기판의 절연 특성을 저하시킬 우려가 있다. 종래 질화 알루미늄 결정 입자의 입경이나 입계상의 조성에 주목한 질화 알루미늄 기판은 알려져 있지만, 절연 특성에 대해서 입계상의 형상이나 분포 상태가 중요한 것, 나아가서는 절연 특성과 경면 연마면으로부터 측정되는 입계상의 개수 기준 입자 지름 분포와의 관련성을 개시한 것은 없고, 특히 수지상의 입계상을 함유시키지 않음으로써 고온하에서의 질화 알루미늄 기판의 절연 특성을 향상시키는 것에 대하여는 지금까지 알려지지 않았다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 질화 알루미늄 기판은 수지상의 입계상을 함유하고 있지 않다는 점으로부터, 고온하에서의 절연 특성이 뛰어난 것이 되고 있지만, 입계상을 비수지상으로 형성할 수 있다면 어떠한 방법에 의해 제조해도 상관없다. 그렇지만, 본 발명자는 열심히 연구한 결과, 소결시의 로(爐) 내 압력이나 냉각 속도 등의 조건을 특정 조건으로 하는 것만으로 입계상을 확실히 비수지상으로 형성할 수 있고, 400℃에서의 절연 파괴 전압이 30kV/㎜ 이상인 질화 알루미늄 기판을 제조할 수 있다는 것을 알아냈다.

즉, 본 발명에 관한 질화 알루미늄 기판의 제조 방법은

(i) 질화 알루미늄 분말을 포함하는 원료를 준비하는 원료 준비 공정과,

(ii) 상기 원료를 압력 150Pa 이하에서 1500℃까지 가열하고, 그 후 비산화성 가스로 압력 0.4MPa 이상의 가압 분위기로 하여 1700~1900℃까지 승온, 유지한 후, 1600℃까지 10℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각하는 소결 공정을 구비한다.

(i) 원료 준비 공정：

질화 알루미늄 분말 외에, 소결조제, 바인더, 가소제, 분산매, 이형제 등의 첨가제가 적절히 사용된다. 질화 알루미늄 분말은 특별히 한정되는 것은 아니고, 금속 알루미늄을 질소 분위기 하에서 질화하는 직접 질화법, 알루미나를 카본으로 환원하는 환원 질화법 등의 공지의 방법으로 제조된 질화 알루미늄 분말을 사용할 수 있지만, 그 중에서도 고순도이면서 미분인 것이 바람직하다. 구체적으로는 불순물로서 산소 함유량이 1.2질량％ 이하, 카본 함유량이 0.04질량％ 이하, Fe 함유량이 30ppm 이하, Si 함유량이 60ppm 이하인 것이 매우 적합하게 사용되고, 또 최대 입자 지름이 20㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 산소는 기본적으로는 불순물이지만, 소결 과다를 방지하는 작용을 가지고 있어, 따라서 소결 과다에 의한 소결체의 강도 저하를 방지하기 위해서는 산소 함유량이 0.7질량％ 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

소결조제는 특별히 한정되는 것이 아니고, 희토류 금속의 화합물, 알칼리 토류 금속의 화합물, 천이 금속의 화합물 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도, 산화 이트륨, 혹은 산화 이트륨과 산화 알루미늄의 병용이 바람직하다. 이들 소결조제는 질화 알루미늄 분말과 반응해 복합 산화물의 액상(예를 들면, 2Y₂O₃·Al₂O₃, Y₂O₃·Al₂O₃, 3Y₂O₃·5Al₂O₃ 등)을 형성해, 이 액상이 소결체의 고밀도화를 가져오고, 동시에 질화 알루미늄 결정 입자 중의 불순물인 산소 등을 추출해 결정입계의 산화물상으로서 편석시킴으로써 고열 전도화를 가져온다.

원료 준비 공정 (i)에서는 상기 질화 알루미늄 분말과 소결조제를 혼합 장치에 의해 혼합하고, 혼합된 원료 가루에 바인더 등을 첨가한 후, 이것을 시트 성형 등에 의해 성형하여 성형체를 얻고, 이것을 추가로 탈지해 탈지체를 소결용 원료로서 얻는다. 여기서, 질화 알루미늄 분말 등의 혼합 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 볼 밀, 라드 밀, 믹서 등의 공지의 혼합 장치를 사용할 수 있다. 바인더는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 가역성이나 계면활성 효과를 가지는 메틸 셀룰로오스계나, 열분해성이 뛰어난 아크릴산 에스테르계의 바인더를 이용하는 것이 바람직하다. 또, 필요에 따라 가소제, 분산매 등이 병용된다. 일례에서는 가소제로는 글리세린 등이, 분산매로는 이온 교환수나 에탄올 등이 사용된다.

성형 시트의 탈지 방법은 특별히 한정되지 않지만, 성형 시트를 공기 중 또는 질소 등의 비산화성 분위기 중에서 300~700℃로 가열해 바인더를 제거하는 것이 바람직하다. 탈지 시간은 성형 시트의 크기, 처리 매수에 따라 적절히 결정할 필요가 있지만, 통상 1~10시간이다.

(ii) 소결 공정：

원료 준비 공정 (i)에서 얻어진 원료(탈지체)를 소결해 질화 알루미늄 소결체를 얻는다. 상기 공정에서는 먼저 소결로 내의 압력을 150Pa 이하로 하고 1500℃까지 가열한다. 이에 의해, 탈지체 내의 잔류 카본이 제거되어 바람직한 소결체 조직과 열전도성을 가지는 질화 알루미늄 소결체가 얻어진다. 여기서, 로 내 압력이 150Pa를 넘으면, 카본의 제거가 불충분해지고, 또 1500℃을 넘어 가열하면 질화 알루미늄 결정 입자의 치밀화가 일부에서 진행되어 카본의 확산 경로가 닫혀져 버리기 때문에 카본의 제거가 불충분해져 버린다.

다음에, 비산화성 분위기에서 압력 0.4MPa 이상의 가압 분위기로 하여 1700~1900℃까지 승온, 유지한다. 이에 의해, 열전도율이 높고, 절연 특성이 향상되어진 질화 알루미늄 소결체가 얻어진다. 여기서, 로 내 압력 0.4MPa 이상의 가압 분위기에서 소결하면, 액상화된 소결조제가 휘발하기 어려워져 질화 알루미늄 결정 입자 사이의 공극 발생을 효과적으로 억제할 수 있어 질화 알루미늄 기판의 절연 특성을 향상시킬 수 있다고 생각된다. 또, 소결 온도가 1700℃ 미만이면, 질화 알루미늄 결정 입자의 입자 성장이 충분히 진행되지 않기 때문에, 치밀한 소결체 조직이 얻어지지 않아 질화 알루미늄 기판의 열전도율이 저하되는 경우가 있다. 한편, 소결 온도가 1900℃을 넘으면, 질화 알루미늄 결정 입자의 과도한 입자 성장이 진행되어 질화 알루미늄 결정 입자 사이의 공극이 커져 절연 특성이 저하하는 경우가 있다.

여기서, 비산화성 분위기란, 산소 등의 산화성 가스를 포함하지 않는 불활성 가스 분위기나 환원성 분위기 등을 의미한다.

다음에, 가압 분위기 하에서 1600℃까지 10℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각한다. 냉각 초기의 단계에서는 결정 입계에는 액상이 존재하고 있어, 1600℃ 전후에서 고화된다고 생각된다. 종래의 제조에서 행해지는 로냉(爐冷)으로의 냉각 속도는 15℃/분 이상이고, 이와 같이 냉각 속도가 빠른 경우 액상의 고화가 급격히 진행되기 때문에 질화 알루미늄 결정 입자의 2입자 계면에 수지상의 입계상이 석출된다. 그러나, 10℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각하면, 질화 알루미늄 결정 입자 사이에 존재하는 공극을 묻도록 입계상이 석출되기 때문에, 입계상끼리의 연결이 일어나지 않아 수지상 입계상의 석출을 억제할 수 있다. 또, 질화 알루미늄 결정 입자 사이의 변형을 완화하면서 입계상이 석출되기 때문에 얻어지는 질화 알루미늄 기판은 고온하에서의 미소 크랙 발생이 억제되어 절연 특성이 향상된다고 생각된다. 1600℃까지의 서랭(徐冷)이 종료된 후에는 종래와 같이 실온까지 급랭할 수 있다.

또, 로 내의 압력은 0.4MPa 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.4MPa 미만에서는 액상화된 소결조제가 입계상으로서 석출되기 전에 휘발해 질화 알루미늄 결정 입자 사이에 공극이 발생하기 때문에, 질화 알루미늄 기판의 절연 특성이 저하해 버린다. 또, 냉각 방법은 소결 로의 히터 온도를 제어함으로써 실시할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범위가 이와 같은 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예

＜ 실시예 1＞

질화 알루미늄 분말 97질량부에 산화 이트륨 분말 3질량부를 첨가하고 볼 밀에서 1시간 혼합해 혼합 분말을 얻었다. 이 혼합 분말 100질량부에 셀룰로오스 에테르계 바인더 6질량부, 글리세린 5질량부, 이온 교환수 10질량부를 첨가하고 헨셸 믹서에서 1분간 혼합해 혼합물을 얻었다. 다음에, 이 혼합물을 단축 압출기에서 두께 0.8㎜의 시트상으로 성형하고, 금형 부착 프레스기에 의해 90㎜×90㎜의 치수로 타발(打拔)하였다. 성형 시트에 이형제로서 질화 붕소 가루를 도포한 후, 15매를 적층하고 공기 중에서 570℃에서 5시간 가열해 탈지했다. 다음에, 탈지체를 진공·가압 로에 옮기고 로 내 압력 100Pa로 1500℃까지 가열했다. 그 후, 질소를 도입해 로 내 압력 0.6MPa의 가압 분위기로 하여 1750℃까지 승온하고 2시간 유지한 후, 1600℃까지를 1℃/분의 냉각 속도로 냉각해 질화 알루미늄 기판을 얻었다. 얻어진 질화 알루미늄 기판에 대해서, 질화 알루미늄 결정 입자의 평균 입자 지름, 수지상 입계상의 유무, 입계상의 개수 기준 입자 지름 분포, 열전도율, 25℃ 및 400℃에서의 절연 파괴 전압을 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

＜사용 재료＞

질화 알루미늄 분말：평균 입경 1.2㎛, 산소 함유량 0.8질량％.

산화 이트륨 분말：신에츠 화학공업사제, 상품명 「Yttrium Oxide」

바인더：신에츠 화학공업사제, 상품명 「메토로스(Metolose)」

글리세린：카오사제, 상품명 「엑세팔(Exeparl)」

질화 붕소 가루：덴키화학공업사제, 상품명 「덴카보론나이트라이드 MGP」

＜평가 방법＞

질화 알루미늄 결정 입자의 평균 입자 지름：질화 알루미늄 기판의 파단면을 주사형 전자현미경으로 2000배로 확대하고, 50개의 질화 알루미늄 결정 입자의 입자 지름을 측정해 평균값을 산출했다.

수지상 입계상의 유무：1g의 질화 알루미늄 기판을 50㎖의 20％ 수산화 나트륨 수용액에 넣고 130℃에서 12시간 유지해 질화 알루미늄 결정 입자가 용해될 때까지 정치하고, 그 후, 여과, 세정에 의해 잔류한 입계상을 꺼내 주사형 전자현미경에 의해 관찰함으로써 확인했다.

입계상의 개수 기준 입자 지름 분포：질화 알루미늄 기판의 파단면을 뷸러(Buehler)사제 「자동 연마 장치 에코메트 3」에 의해 연마하고, 그 연마면을 주사형 전자현미경으로 500배로 확대해 입계상의 분포 상태를 관찰했다(관찰 영역 155㎛×231㎛). 도 3에 질화 알루미늄 기판의 경면 연마면을 주사형 전자현미경으로 관찰한 일례를 나타낸다. 얻어진 화상을 Media Cybernetics사제 「Image-Pro Plus 6.2J」에 의해 화상 해석 처리해, 누적 10％ 입자 지름 d10 및 누적 50％ 입자 지름 d50를 산출했다.

열전도율：알박(ULVAC) 이공사제 「레이저 플래시법 열정수 측정 장치 TC-7000」에 의해 측정했다.

25℃ 및 400℃에서의 절연 파괴 전압：400℃로 가열할 수 있는 가열로 내에 전극을 마련해 교류 내전압 측정 장치를 병설함으로써 측정할 수 있다. 측정시의 분위기의 영향을 배제하기 위해서, 로 내의 분위기를 질소 분위기 0.3MPa로 하여 측정을 실시했다. 소정의 온도로 유지된 가열로에서 질화 알루미늄 기판의 상하면에 구상 전극을 배치하고, JIS C2110에 준해 시료에 전압을 가해 절연 파괴가 생겼을 때의 전압을 측정했다. 절연 파괴가 생겼을 때의 전압을 시료의 두께로 나눔으로써 절연 파괴 전압을 산출했다.

＜ 실시예 2, 3＞

1500℃까지의 소결 분위기를 표 1에 나타내는 바와 같이 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 알루미늄 기판을 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.

＜ 실시예 4, 5＞

1500℃로부터 소결 온도까지의 소결 분위기를 표 1에 나타내는 바와 같이 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 알루미늄 기판을 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.

＜ 실시예 6, 7＞

소결 온도를 표 1에 나타내는 바와 같이 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 알루미늄 기판을 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.

＜ 실시예 8, 9＞

냉각 속도를 표 1에 나타내는 바와 같이 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 알루미늄 기판을 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.

＜ 비교예 1＞

소결 분위기와 냉각 속도를 표 1에 나타내는 바와 같이 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 질화 알루미늄 기판을 얻었다. 결과를 표 1에 나타낸다.

＜ 비교예 2＞

＜ 비교예 3＞

＜ 비교예 4, 5＞

＜ 비교예 6＞

산업상 이용 가능성

본 발명에 따르면, 고온하에서의 절연 특성이 뛰어나 회로 기판용으로서 바람직한 질화 알루미늄 기판 및 그 제조 방법이 제공된다.

Claims

평균 입자 지름이 2~5㎛인 질화 알루미늄 결정 입자를 갖고, 열전도율이 170W/m·K 이상인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판에 있어서,
수지상의 입계상을 함유하지 않고,
입계상이 불연속적으로 분산된 비수지상의 입계상을 가지며,
400℃에서의 절연 파괴 전압이 30kV/㎜ 이상이고,
질화 알루미늄 분말을 포함하는 원료를 압력 150Pa 이하에서 1500℃까지 가열하고, 그 후 비산화성 가스로 압력 0.4MPa 이상의 가압 분위기로 하여 1700~1900℃까지 승온, 유지한 후, 1600℃까지 10℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각함으로써 제조되는 것인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판.
청구항 1에 있어서,
질화 알루미늄 기판의 경면 연마면으로부터 측정되는 입계상의 개수 기준 입자 지름 분포에 있어서의 누적 10％ 입자 지름 d10이 0.6㎛ 이상이고, 누적 50％ 입자 지름 d50이 1.6㎛ 이하인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판.
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질화 알루미늄 분말을 포함하는 원료를 압력 150Pa 이하에서 1500℃까지 가열하고, 그 후 비산화성 가스로 압력 0.4MPa 이상의 가압 분위기로 하여 1700~1900℃까지 승온, 유지한 후, 1600℃까지 10℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각하는 공정을 구비하고,
평균 입자 지름이 2~5㎛인 질화 알루미늄 결정 입자를 갖고, 열전도율이 170W/m·K 이상이며, 수지상의 입계상을 함유하지 않고, 입계상이 불연속적으로 분산된 비수지상의 입계상을 가지며, 400℃에서의 절연 파괴 전압이 30kV/㎜ 이상인 회로 기판용 질화 알루미늄 기판의 제조 방법.
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