KR960001429B1 - 고열전도성 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

고열전도성 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 치밀질이고 열전도성, 절연성, 유전율 등 실용상의 제반 특성이 우수한 질화알루미늄 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

최근 LSI의 진보는 놀라울 정도이며, 집적도의 향상도 현저하다. 이것에도 IC 칩 사이즈의 향상도 기여하고 있으며, IC 칩 사이즈의 향상에 따라 팩키지당 발열량이 증대하고 있다. 이 때문에, 기판재료의 방열성이 중요시되어 왔다. 또한, 종래 IC 기판으로서 사용되고 있던 알루미나 소결체의 열전도율에서는 방열성이 불충분하며, IC칩의 발열량 증대에 대응할 수 없었다. 이 때문에 알루미나 기판에 대체할 수 있는 것으로서, 고열전도성의 산화베릴륨 기판이 검토되고 있지만, 산화베릴륨은 독성이 강하고 취급이 곤란하다는 결점이 있다.

질화알루미늄(SIN)은 본래 재질적으로 고열전도성 및 고절연성을 가지며, 독성도 없기 때문에 반도체공업에 있어서 절연재료 혹은 팩키지 재료로서 관심을 모으고 있다.

상술한 바와 같이, 질화알루미늄은 이론적으로는 단결정으로서는 고열전도성 및 고절연성을 갖는 재료이다. 그러나, 질화알루미늄 분말로부터 소결체를 제조하는 경우, 질화알루미늄 분말 자체의 소결성이 양호하지 못하기 때문에, 분말성형후 소결시켜 수득된 질화알루미늄 소결체의 상대밀도(질화알루미늄의 이론밀도 3.26g/㎤을 기준으로 한다)는 소결조건에도 따르지만 기껏해야 80∼80%밖에 나타내지 않으며 다량의 기공을 포함한다.

한편, 질화알루미늄 소결체와 같은 절연성 세라믹의 열전도기구는 포논(phonon)전도를 주체로 하기 때문에 기공, 불순물 등의 결함은 포논산란을 일으키며, 열전도율은 저수준으로만 얻어진다.

치밀질이고, 양호한 열전도성인 질화알루미늄 소결체를 얻기 위해 질화알루미늄 분말에 각종의 소결조제를 첨가하고, 포트프레스 혹은 상압소결하는 것이 시도되고 있으며, 상당히 양질의 소결체가 수득되고 있다. 예를 들면, 산화칼륨(CaO), 산화바륨(BaO), 산화스트론튬(SrO) 등을 질화알루미늄 분말에 첨가하여 소결시키는 방법(일본국 특허공보 제(소)58-49510호)이 있다. 이 방법에 따르면 상대밀도 98% 이상에서 열전도율이 0.10 내지 0.13cal/㎝. sec. deg(42 내지 54W/m·k)(실온)이다. 그러나, 이 정도 값의 열전도율에서는 금후의 IC, LSI의 집적도 향상에 의한 발열량의 증대에 대응하는 데는 충분하다고는 말할 수 없다.

한편, 치밀질이고 고강도인 질화알루미늄 소결체를 수득하는 것을 목적으로 하여 질화알루미늄 분말에 Y₂O₃및 SiO₂등을 첨가하는 방법(일본국 특허공보 제(소)56-9475호)도 시도되고 있고, 98% 이상의 상대밀도를 얻고 있지만, 열전도율은 0.07cal/㎝·sec·deg(29W/m·k)로 만족스럽지 못한 정도로 낮은 수준이다. 이 사실은 열전도율의 향상에 필요한 조건은 단지 밀도 뿐만 아니라 결정조직 등도 영향을 주고 있다는 것을 나타낸다. 특히 상기 일본국 특허공보 제(소) 제56-9475호에 기재된 종래의 기술의 경우, 형성된 섬유상 조직은 강도향상에 기여하지만 열전도율 향상에는 유해한 결정조직을 갖는 것으로 생각된다.

따라서, 본 발명의 목적은 질화알루미늄 소결체의 결정조직을 개선함으로써 치밀질(95%이상의 상대밀도)이고 고전도율(150W/m·k이상)인 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.

더욱 상세하게는 본 발명의 목적은 금후의 반도체용 절연재료 혹은 팩키지재료로서 적절히 사용할 수 있는 치밀적이고 또한 열전도성, 절연성, 유전율 등 실용상의 제반 특성이 우수한 질화알루미늄 소결체와 이의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명자들은 150W/m·k이상의 높은 열전도율을 갖는 질화알루미늄 소결체의 제조방법으로서, 원료 분말의 순도, 소결조제 및 소결체의 조성 및 이의 결정조직 등을 상세히 검토한 결과, 질화알루미늄 분말에 산화가돌리늄 Gd₂O₃을 첨가하면 질화알루미늄의 소결성을 크게 향상시키고, 소결체를 치밀질로 만들고, 또한 열전도성의 향상에 유효하다는 사실을 알아냈다. 또한, 이와 같이 하여 수득한 질화알루미늄 소결체를 X선 회절에 의해 조직분석한 결과, 이 소결체에는 GdAlO₃, Gd₂O₃를 주성분으로 하는 입자상이 존재하고, 이것이 열전도율의 향상에 크게 유효하다는 사실을 밝혀냈다.

즉 본 발명에 따르면, 산화가돌리늄 1.0 내지 15중량%를 첨가하여 소결시킨 산화알루미늄 소결체에 있어서, 입자상이 주로 GdAlO₃+Gd₂O₃로 형성되며 95% 이상의 상대밀도를 가지며 실온에서의 열전도율이 150W/m·k 이상임을 특징으로 하는 고열전도성 질화알루미늄 소결체가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 산소 함량이 0.1 내지 2.0중량%인 질화알루미늄 분말 85 내지 99.0중량%와 산화가돌리늄 분말 1.0 내지 15중량%를 혼합 및 성형하고, 이어서 1,800 내지 2,200℃의 온도에서 비산화성 대기중에서 소결시켜 GdAlO₃+Gd₂O₃를 주성분으로 하는 입자상을 갖는 소결체 조직을 얻음을 특징으로 하는 고열전도성 질화알루미늄 소결체의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가돌리늄을 Gd₂O₃로 환산하여 0.01중량% 이상 내지 1.0중량%미만으로 함유하는 질화알루미늄 소결체에 있어서, 입자상이 주로 GdAlO₃+Gd₂O₃로 형성되며 95% 이상의 상대밀도를 가지며 실온에서의 열전도율이 150W/m·k 이상임을 특징으로 하는 고열전도성 질화알루미늄 소결체가 제공된다.

본 발명의 방법에서 사용하는 질화알루미늄 분말의 산소 함량은 2.0% 이하이며, 이와 같은 질화알루미늄 분말은 소위 「알루미나 환원법」으로 제조될 수 있으나, 본 발명은 이 방법에 의한 질화알루미늄 분말을 사용하도록 한정하는 것은 아니다.

비산화성 대기로서는 진공, 또는 질소 가스, 수소 가스, 일산화탄소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 중 적어도 1종의 가스에 의해 형성된 대기를 사용하여도 좋다.

또한, 본 발명의 바람직한 태양에 따르면 상기 형성된 혼합분말을 비산화성 대기중 50kg/㎠이상의 압력에서 포트프레스를 사용하여 가압소결시키는 것이 특성 개선상 바람직하다.

본 발명은 질화알루미늄에 산화가돌리늄(Gd₂O₃)을 첨가하여 산화가돌리늄을 산화알루미늄 및 여기에 함유되어 있는 산소와 반응시킴으로써, 소결시에 GdAlO₃+Gd₂O₃을 함유하는 액생을 발생시키고, 액상소결에 의해 소결체의 치밀화 및 고열전도화에 성공한 것이다. 따라서, 본 발명의 소결체의 입자는 주로 GdAlO₃+Gd₂O₃에 의해 형성된다.

또한, 본 발명의 소결체는 질화알루미늄 85 내지 99.0 중량%와 산화가돌리늄 1.0 내지 15중량%와의 혼합 분말을 소결시킴으로써 형성된다. 통상적으로, 산화가돌리늄의 첨가량이 1.0중량% 미만인 경우, 통상 사용된 질화알루미늄 분말중의 산소와 반응하여 액상 소결에 충분한 양의 GdAlO₃+Gd₂O₃를 형성하는데 충분치 않으며, 상대밀도 및 열전도율이 높은 소결체가 수득되지 않는다. 한편, 산화가돌리늄이 15중량%를 초과하여 첨가된 경우, 질화알루미늄 자체의 우수한 열전도성이 손상되며, 또한 상대밀도도 저하된다. 따라서, 산화가돌리늄의 첨가량을 1.0 내지 15중량%로 한다.

다음에 본 발명에 따른 제조방법의 조건한정 이유를 설명한다.

질화알루미늄 분말의 산소 함량을 0.1 내지 2.0중량%로 한 이유는 2.0중량%를 초과하면, 산화가돌리늄의 첨가량에 상관없이 산소의 질화알루미늄 소결체내로의 혼입량이 증대하며, 포논산란을 일으키기 때문에, 150W/m·k 이상의 열전도율이 얻어지지 않기 때문이다. 또한, 산소함량이 0.1중량% 미만인 질화알루미늄 분말의 제조는 현재 기술로는 경제적으로 실현할 수 없다.

또한, 산화가돌리늄의 혼합비율을 1.0 내지 15중량%로 한 이유는 상술한 바와 같이 1.0중량% 미만에서는 충분히 치밀하고 또 열전도도가 높은 소결체가 수득되지 않으며, 또한 15중량%를초과하는 경우, 수득된 소결체의 열전도율이 저하되는 경향을 나타내기 때문이다.

이와 같이 본 발명에 따른 최적 산소 함량을 갖는 질화알루미늄 분말과 산화가돌리늄과의 조합에 의해 질화알루미늄 소결체의 치밀화 및 고열전도화가 달성된다. 또한, 본 발명의 범위내의 조성에서는 결정조직의 입상화도 생기는데, 이것도 열전도율 향상에 기여하는 것으로 생각된다.

본 발명의 방법에서 소결온도는 1,800 내지 2,200℃의 범위로 한정한 이유는 1,800℃미만의 소결온도에서는 소결이 충분히 진행되지 않기 때문이다. 질화알루미늄의 소결에 대하여는 소결온도는 높은 편이 바람직하지만, 2200℃를 초과하면 질화알루미늄의 분해반응이 현저히 촉진되고, 소결체의 중량감소가 커져 경제적이지 못하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 질화알루미늄 소결체는 가돌리늄을 Gd₂O₃로 환산하여 0.01중량% 이상 내지 1.0중량 미만으로 함유하는 것이 바람직하다. 그 이유는 가돌리늄 화합물은 소결 및 질화알루미늄 중의 산소와의 반응에 기여한 후, 소결체로부터 제거하기 때문이며, 고열전도율을 향상시키기 위해서는 소결후에 냉각시킨 소결체중에 가돌리늄이 Gd₂O₃로 환산하여 0.01중량% 이상 내지 1.0중량%미만으로 함유되어 있는 것이 바람직하다.

특히, 포트프레스에 따라 소결법을 사용하면, 소결체중의 Gd₂O₃의 잔류량이 대폭적으로 감소하며, 특성이 우수한 소결체를 수득할 수 있다.

산화가돌리늄을 15중량%를 초과하는 양으로 첨가한 경우에는 소결체중의 Gd₂O₃의 양이 1%를 초과하며, 그 결과, 수득된 소결체의 유전특성, 내산화성 및 내부식성이 손상된다.

[실시예]

이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명하는데, 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

[실시예 Ⅰ]

질화알루미늄 분말(산소 함량 0.8중량%)에 산화 가돌리늄 부날을 1.0 내지 15중량% 범위의 각종 양으로 첨가한 혼합 분말을 각각 2ton/㎠의 압력에서 예비성형시키고, 1,800 내지 2,200℃ 범위의 각종 온도에서 3시간 동안 상압 소결시킨다. 얻어진 소결체의 상대밀도 및 열전도율을 표 1의 실시예란에 나타낸다.

소결은 N₂가스(1기압) 대기중에서 수행한다. 또한, 질화알루미늄 분말과 산화가돌리늄 분말의 혼합은 분말을 사용하여 12시간 동안 행한다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위내의 산화 가돌리늄의 첨가량, 즉 1.0 내지 15중량%의 산화가돌리늄을 첨가하고, 1,800 내지 2,200℃의 온도에서 소결하여 수득한 질화알루미늄 소결체는 고밀도이고 150W/m·k 이상의 양호한 열전도율을 나타냄을 알 수 있다. 모든 경우에 GdAlO₃+Gd₂O₃를 중성분으로 하는 입자상의 존재가 확인된다.

[비교예 1]

산화가돌리늄 분말 첨가량 및 소결온도에 대하여는 본 발명의 범위와의 조건으로 하고, 나머지는 모두 실시예 1과 같은 조건에서 각각 소결시켜 수득한 소결체의 특성을 표 1의 비교예란에 나타낸다. 밀도 및 열전도율 모두 양호하다고는 말할 수 없다. 예를 들면, 산화가돌리늄의 첨가량이 낮은 경우(시료 번호 1), 입자에는 GdAlO₃만이 관찰될 뿐이며, Gd₂O₃는 존재하지 않는다. 이 때문에 본 발명의 효과가 달성되지 않고, 열전도율은 현저히 낮아진다. 한편, 시료번호 7과 같이 산화가돌리늄의 첨가량이 과도한 경우는 소결체중의 산화가돌리늄의 잔류량이 과잉으로 되며, 이것이 포논산란의 원인이 되어 열전도율이 저하하는 것으로 생각된다.

또한, 시료번호 8 및 16과 같이, 소결온도가 낮은 경우는 소결이 충분히 진행되지 않으며 상대밀도, 열전도율 등의 특성도 현저히 낮다.

[표 1]

α : X선회절에 의해 해석할 수 없는 회절선 피크

[실시예 Ⅱ]

실시예 1에서 나타낸 질화알루미늄-산화가돌리늄 혼합분말을 실시예 1과 같은 방법으로 제조하고, 포트프레스(압력 200kg/㎠)를 사용하여 1,800℃에서 2시간 동안 가압 소결시킨다. 수득된 소결체의 상대 밀도 및 열전도율을 표 2의 실시예란에 나타낸다. 포트프레스에 의한 가압소결 또는 상압소결에 의해서 안정한 특성을 갖는 소결체가 수득된다.

[비교예 2]

질화알루미늄-산화가돌리늄의 혼합분말의 혼합비를 본 발명의 범위와의 대표적 조건으로 하여, 실시예 2와 같은 방법으로 포트프레스 소결을 수행한 결과를 표 2의 비교예란에 나타낸다

표 2에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 산화가돌리늄의 첨가량이 본 발명의 범위외이면 포트프레스에 의해 가압소결을 행하여도 열전도율은 낮은 값에 머무른다.

[표 2]

α : X선회절에 의해 해석할 수 없는 회절선 피크

[실시예 Ⅲ]

산소 함량이 다른 질화알루미늄 분말과 5%의 산화가돌리늄 분말을 실시예 1과 같은 방법으로 혼합하고, 1,900℃ 및 3시간의 조건에서 상압소결시킨 결과를 표 3의 실시예란에 나타낸다. 1.5%이하에서 양호한 특성이 얻어짐을 알 수 있다.

또한, 표 3중에서 질화알루미늄 양의 뒤의 괄호안은 질화알루미늄 분말중의 산소량을 나타낸다.

[비교예 3]

산소 함량이 본 발명의 방법의 범위외인 질화알루미늄 분말을 사용하여, 실시예 3과 같은 방법으로 혼합 및 소결시킨 결과를 표 3의 비교예란에 나타낸다.

질화알루미늄 분말중의 산소 함량이 2.0%를 초과하면, 수득된 소결체의 상대밀도는 높아도 열전도율이 현저히 낮음을 알 수 있다.

[표 3]

[실시예 Ⅳ]

질화알루미늄 분말(산소 함량 0.4중량%)에, 산화가돌리늄 분말을 0.1 내지 15중량% 범위의 각종 양으로 첨가한 혼합분말을 1,800 내지 2,200℃ 범위의 각종 온도에서 3시간 동안 100kg/㎠에서 포트프레스시킨다. 수득된 소결체의 상대밀도 및 열전도율을 표 4의 실시예란에 나타낸다(시료번호 2 내지 6 및 9 내지 11).

소결은 N₂가스(1기압) 대기중에서 수행한다. 또한, 질화알루미늄 분말과 산화가돌리늄 분말의 혼합은 볼밀을 사용하여 12시간 동안 수행한다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위내의 산화가돌리늄의 첨가량, 즉 0.1 내지 15중량%의 산화가돌리늄을 첨가하고, 1,800 내지 2,200℃온도에서 포트프레스시켜 수득한 질화알루미늄 소결체는 고밀도이고 150W/m·k 이상의 양호한 열전도율을 나타냄을 알 수 있다. 모든 경우에 GdAlO₃+Gd₂O₃를 주성분으로 하는 입자층의 존재가 확인된다.

[비교예 4]

가돌리늄 분말 첨가량 및 소결온도에 대하여는 본 발명의 범위외의 조건으로 하며, 나머지는 모두 실시예 4와 같은 조건에서 각각 소결시켜 수득한 소결체의 특성을 표 4의 비교예란에 나타낸다. 밀도 및 열전도율 모두 양호하다고 말할 수 없다. 예를 들면, 산화가돌리늄의 첨가량이 낮은 경우(시료번호 1), 입자에는 GdAlO₃만이 관찰될 뿐이며, Gd₂O₃는 존재하지 않는다. 이 때문에 본 발명의 효과가 달성되지 않으며, 열전도율도 현저히 낮다. 한편, 시료번호 7과 같이 산화가돌리늄의 첨가량이 과도한 경우는 소결체중의 산화가돌리늄의 잔류량이 과잉으로 되며, 유전율도 15 이상으로 된다.

또한, 시료번호 8과 같이, 소결온도가 낮은 경우는 소결이 충분히 진행되지 않으며, 상대 밀도, 열전도율의 특성이 현저히 낮다.

[표 4]

α : X선회절에 의해 해석할 수 없는 회절선 피크

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 산화가돌리늄 1.0 내지 15중량%를 첨가하여 소결시킨 질화알루미늄 소결체로서, 입자상이 주로 GdAlO₃+Gd₂O₃로 형성되며, 95% 이상의 상대밀도를 가지며, 실온에서의 열전도율이 150W/m·k이상임을 특징으로 하는 고열전도성 질화알루미늄 소결체를 제공하는 것이며, 이와 같은 GdAlO₃+Gd₂O₃를 주성분으로 하는 입자상을 갖는 질화알루미늄 소결체는 산소함량 1.0 내지 2.0중량%의 질화알루미늄 분말과 0.1 내지 50중량%의 산화가돌리늄 분말을 혼합 및 성형시키고, 이어서 1,800 내지 2,200℃의 온도 및 비산화성 대기중에서 소결시킴으로써 수득된다.

본 발명에 따라 수득된 질화알루미늄 소결체는 치밀질이며, 그 때문에 열전도성이 우수하고, 반도체의 방열재료 혹은 팩키지 재료로서 유용하다.

본 발명에 의해 수득된 질화알루미늄 소결체는 서디프용 기판, 서패크용 기판, 하이브리드IC용 기판 등의 IC기판 뿐만 아니라 파워-트랜지스터, 파워-다이오드 및 레이저 다이오드용의 히트싱크로서, 또한, 레이저 발진관, 혹은 마이카를 대체하기 위한 절연성 박판으로 적합하게 이용할 수 있다.

Claims (5)

1. 산화가돌리늄 1.0 내지 15중량%를 첨가하여 소결시킨 질화알루미늄 소결체에 있어서, 입자상이 주로 GdAlO₃+Gd₂O₃로 형성되고 상대밀도가 95% 이상이면 실온에서의 열전도율이 150W/m·k 이상임을 특징으로 하는, 고열전도성 질화알루미늄 소결체.
2. 가돌리늄을 Gd₂O₃로 환산하여 0.01중량% 이상 내지 1.0중량% 미만으로 함유하며 입자상이 주로 GdAlO₃+Gd₂O₃로 형성되고 상대밀도가 95% 이상이며 실온에서의 열전도율이 150W/m·K 이상임을 특징으로 하는 고열전도성 질화알루미늄 소결체.
3. 산소 함량이 0.1 내지 2.0중량%인 질화알루미늄 분말 85 내지 99.0 중량%와 산화가돌리늄 분말 1.0 내지 15중량%를 혼합 및 성형시키고, 이어서 1,800 내지 2,200℃의 온도에서 비산화성 대기중에서 소결시키고, GdAlO₃+Gd₂O₃를 주성분으로 하는 입자상을 갖는 소결체 조직을 얻음을 특징으로 하는 고열전도성 질화알루미늄 소결체의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 비산화성 대기가 진공 또는 질소 가스, 수소 가스, 일산화탄소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 가스로 형성된 대기임을 특징으로 하는, 고열전도성 질화알루미늄 소결체의 제조방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 성형시킨 혼합분말을 비산화성 대기중 50kg/㎠ 이상의 압력에서 가압소결시킴을 특징으로 하는, 고열전도성 질화알루미늄 소결체의 제조방법.