JP3038320B2 - 回路基板用窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回路基板用窒化ア
ルミニウム焼結体の製造方法に関し、詳しくは、焼結ム
ラや色ムラの少ない窒化アルミニウムセラミックスを低
温焼結によって製造する回路基板用窒化アルミニウム焼
結体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子回路は主に、ＩＣ等の素子、基板及
び配線によって構成される。近年、電子回路の高速化、
小型化及び大出力化が進み、素子の発熱量が無視できな
い大きな値となってきた。これに対応するために、高熱
伝導性の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックスから
なる回路基板が開発され、その生産量は年々増大しつつ
ある。しかし、ＡＩＮセラミックスが回路基板として優
れた特性を有しているにも関わらず、依然としてセラミ
ックス基板の主流はアルミナ製である。これについて
は、いくつかの要因が挙げられているが、最大の問題は
コスト高である。具体的には、原料粉末の高価格、アル
ミナより高い焼結温度によるエネルギー費の高さ、後加
工が割高なこと等が要因として挙げられる。

【０００３】このような状況において、ＡＩＮ焼結体に
関する多くの改良が試みられている。例えば、熱伝導率
の向上や焼結性の改良に関わる添加物に関しては、特開
昭６１−１１７１６０号公報や特開昭６１−２０９９５
９号公報においては希土類及び／又はアルカリ土類の添
加が示されており、特開昭６２−１５３１７３号公報に
は希土類及び／又はアルカリ土類と遷移金属化合物との
添加が提案されている。更に、１９９１年５月の日本セ
ラミックス協会年会では、実験室レベルにおいて１４０
０℃−９６時間の焼結条件でＡｌＮ焼結体が得られるこ
とが発表されている。このような研究の成果として、当
初１８００℃以上の温度がＡＩＮの焼結に必要とされて
いたものが、実験室レベルで１６００℃−６時間前後の
条件での焼結が可能になっている。

【０００４】焼結温度の低下を可能にする方法に関して
は、ＡＩＮ粉体の特性や添加物の組成等を含み製造プロ
セス等全般を視野に入れながら考える必要がある。一般
に、微細で粒度分布の小さいＡＩＮ粉は低温焼結に適し
ているが、酸素不純物の増加や嵩高さの問題がある。一
方、低温焼結用の添加物としては、希土類元素とアルカ
リ土類元素の併用の他、フッ化物、ホウ化物及びアルカ
リ金属化合物などが知られている。しかしながら、希土
類とアルカリ土類との併用だけでは低温且つ短時間での
焼結で充分に緻密化しない。又、フッ化物系の添加物を
用いると、焼結体表面に異物層が堆積するため、後加工
無しには使用できない。更に、ホウ素を含む化合物を用
いると、導体成分としてのタングステンと反応して電気
抵抗の高いホウ化タングステンが生成する。また、アル
カリ金属化合物を添加すると、焼結体の熱伝導率の低下
や、電気抵抗の変化が生じるなどの問題がある。

【０００５】従って、実際に量産時の条件に近い方法を
想定して検討すると、焼結体特性にバラつきが大きい、
二次加工が避けられない、焼結時間が６時間以上と長す
ぎるなど、いまだにＡＩＮ焼結体の製造コストが高いと
いう問題は解消されていないのが実状である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの状
況に鑑みて成されたもので、安定した特性を有するＡｌ
Ｎ焼結体の製造を低温且つ短時間の焼結で可能にするこ
とによって製造コストを低下することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る回路基板用
窒化アルミニウム焼結体の製造方法は、アルカリ土類金
属元素及び希土類元素を含む添加物と窒化アルミニウム
粉末とを用いて、成形体密度が２．０ｇ／cm³ 以上で該
窒化アルミニウム１００重量部に対して該添加物を酸化
物換算で１．０〜９．９重量部の割合で含有する成形体
を調製し、該成形体を１５５０℃以上で焼結する。

【０００８】上記成形体の調製は、溶剤に含まれた溶液
状態の上記添加物を上記窒化アルミニウムの粉末と混合
した後に該溶剤を除去することによって得られる混合粉
末を圧縮成形する工程を有し、上記添加物のアルカリ土
類金属元素及び希土類元素を含む化合物は、各々、硝酸
塩、アルコキシド及びゾルからなる群より選ばれ、該溶
剤は極性溶剤である。

【０００９】上記窒化アルミニウムの粉末は比表面積が
３．０〜４．０ｍ² ／ｇであり、上記成形体は、アルカ
リ金属化合物、弗素化合物およびホウ素含有化合物を含
まない。

【００１０】又、本発明に係る回路基板用窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法は、硝酸塩、アルコキシド及びゾ
ルからなる群より選ばれる極性溶剤に溶解した状態のア
ルカリ土類金属添加物及び希土類添加物を、窒化アルミ
ニウム粉末、遷移金属成分及びバインダー粉末と混合し
た後に該極性溶剤を除去して、該窒化アルミニウム１０
０重量部に対して該添加物を酸化物換算で１．０〜９．
９重量部、該遷移金属成分を元素換算で０．０５〜１．
１重量部の割合で含有する混合粉末を得る工程と、該混
合粉末を圧縮成形した後に加熱によりバインダーを除去
して成形体密度が２．０ｇ／cm³ 以上の成形体を調製す
る工程と、該成形体を１５５０〜１６００℃で焼結する
工程とを有する。

【００１１】

【発明の実施の形態】通常、ＡｌＮ焼結体を得るために
は、ＡｌＮ粉末にバインダー粉末及び所望の添加剤を加
えた混合粉を調製し、これを圧縮成形した後に成形体を
加熱して脱バインダー及び焼結を行う。この場合、焼結
温度は１８００℃以上とする必要があり、焼結温度を下
げると成形体の緻密化が進行し難くなる。このため、従
来の技術においては、焼結助剤などの添加剤の使用によ
る焼結温度の低下が試みられているが、プラント規模で
１６００℃以下の低温焼結によって緻密なＡｌＮ焼結体
が得られる程に効果的なものは見られない。本発明者ら
は、低温焼結より緻密なＡｌＮ焼結体を得るために、焼
結前の原料粉末の圧縮成形の工程に着目し、試行錯誤を
行った結果、成形体密度（green density、圧縮成形及
び脱バインダーを行った後あるいは焼結前における成形
体の密度）が２．０ｇ／cm³ 以上となるように原料粉末
を成形することによって、焼結温度１６００℃以下且つ
焼結時間２時間以内の焼結条件でも緻密なＡｌＮ焼結体
が得られ、プラント規模でも焼結体の熱伝導率及び強度
は満足な値を示すことを見出した。

【００１２】成形圧や原料ＡｌＮ粉末の選択によって成
形体密度が２．０ｇ／cm³ 以上のＡｌＮ成形体をプラン
ト規模の操作で得るのはかなり難しい。本発明では、Ａ
ｌＮ粉末と添加物との混合を、ＡｌＮ粉末の分散性がよ
い溶剤に添加物を溶解させた溶液状態で行うことによっ
て、混合粉の充填率を向上させて成形体密度を２．０ｇ
／cm³ 以上に高めることを容易にする。具体的には、添
加剤の少なくとも一部を溶剤に溶解させてＡｌＮ粉末と
混合し、混合後に溶剤を混合粉末から除去することによ
って混合粉末の充填率を改善する。

【００１３】以下、本発明に係るＡｌＮ焼結体の製造方
法の好適な実施形態について詳細に説明する。

【００１４】本発明では、ＢＥＴ比表面積が３．０〜
４．０ｍ² ／ｇのＡＩＮ粉を用いるのが好ましい。３．
０ｍ² ／ｇ未満では粒度が粗すぎて低温での焼結が困難
になる。４．０ｍ² ／ｇを超えると嵩高くなり、湿式混
合などの際に多くの有機溶媒やバインダーを必要とした
り、脱バインダー後の残炭素量が多くなって焼結を困難
にするなどの問題が生じる。また、ＡｌＮ粉の不純物酸
素量は、好ましくは０．６０〜２．２０重量％、より好
ましくは０．９０〜１．８０重量％のものが用いられ
る。

【００１５】ＡｌＮ粉末は、以下に述べるような無機添
加物及びバインダーと混合するが、本発明においては、
添加物をＡｌＮ粉末と混合させる際に溶剤が使用され
る。この溶剤には、ＡｌＮ粉末の分散性が良い溶剤が使
用される。ＡｌＮ粉末の分散性は極性の溶剤において良
好であり、例えば、メタノール、エタノール、プロパノ
ール、ブタノール等のアルコール系溶剤；アセトン、メ
チルエチルケトン等のケトン系溶剤；酢酸エチル等のエ
ステル系溶剤などが使用され、特殊な表面処理を施した
場合にのみ水系溶剤が使用される。

【００１６】本発明で用いる無機添加物は、アルカリ土
類金属成分及び希土類成分を含み、これらの成分は、焼
結助剤、高熱伝導率化剤として機能する。これらの成分
は上述の溶剤に溶解した液相状態でＡｌＮ粉末と混合す
るので、上記溶剤に溶解する形態である必要がある。こ
のため、硝酸塩、塩化物、アルコキシド、ゾル等の形態
のものを使用する。例えば、硝酸イットリウム（Ｙ（Ｎ
Ｏ₃ ）₃ ・６Ｈ₂ Ｏ）、硝酸カルシウム（Ｃａ（ＮＯ
₃ ）₂ ・４Ｈ₂ Ｏ）、エタノール等のアルコールを分散
媒としたイットリウムゾル、イットリウムアルコキシド
などが好ましい。ゾルは、厳密に言えば溶液とは若干異
なるが、本発明における混合粉末の充填率の向上の点に
おいてゾルも同様の効果を有する溶液であるので、本発
明で用いる溶液に含まれるものである。これらの添加物
の総量は、ＡｌＮ粉末１００重量部に対して酸化物換算
で１．０〜９．９重量部となるように設定する。１．０
重量部未満であると十分な添加効果が得られず、９．９
重量部を越えると熱伝導率の低下が著しい。これらの添
加物の粉末の少なくとも一部、望ましくは全量を、適量
の上述した溶剤に投入して液相を形成し、ＡｌＮ粉末と
混合する。ゾルについてはそのままＡｌＮ粉末と混合す
ることができる。

【００１７】本発明では、上述の添加物に加えて、Ｔ
ｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉなどの遷移金属成分を添加することができる。遷移
金属成分は、焼結ムラや色ムラ等のムラ抑制、及び、焼
結体の黒色化の作用を有する。又、ＡｌＮ焼結体の機械
的強度及び輻射性も向上させる。遷移金属成分は、例え
ば、酸化物、窒化物、炭化物、酸炭化物、酸窒化物など
の金属化合物として添加することができる。特に、焼結
体中で導電性を有する化合物であることが望ましい。か
かる導電性を有する遷移金属化合物としては、例えば、
Ｗ及びＭｏのメタルや、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａから選
ばれる元素の窒化物または炭化物を挙げることができ
る。遷移金属成分の添加量は、ＡｌＮ粉末１００重量部
に対して酸化物換算で０．０５〜１．１重量部であるこ
とが望ましい。１．１重量部を越えると電気的特性が劣
化する恐れがあり、０．０５重量部未満では十分な添加
効果が得られない。遷移金属成分とＡｌＮ粉末との混合
は、前述のアルカリ土類金属成分及び希土類成分からな
る添加物の溶液と同時で行っても個別に行ってもよい。
アルカリ土類金属成分及び希土類成分の溶液に遷移金属
成分を分散してＡｌＮ粉末と混合すると効率がよい。

【００１８】更に、必要に応じて、通常の粉末冶金技術
において用いられる各種添加物を常法に従って用いても
よい。但し、弗素化合物、アルカリ金属成分及びホウ素
化合物は添加しない。弗素化合物は、ＡｌＮ焼結体の表
面に酸化物からなる表面層を生じさせ、アルカリ金属は
ＡｌＮ焼結体の絶縁性を低下させる。又、ホウ素化合物
は、導体成分としてタングステン成分を用いた場合に、
これと反応してホウ化タングステンを生成し、ＡｌＮ焼
結体の導電性を低下させる。

【００１９】又、上述したＡｌＮ混合粉末の成形性を向
上させるために、本発明においてはバインダーが用いら
れる。バインダーとしては、例えば、ブチラール系、ア
クリル系、メタクリル系、ＰＶＢ系などのバインダーが
使用される。バインダーの添加量は、使用するＡｌＮ粉
末の粒度によっても異なるが、上記添加物とＡｌＮ粉末
との混合粉末の総量に対して２〜１２重量％、より好ま
しくは４〜１０重量％である。バインダーは、例えばエ
タノール、１−ブタノール等のアルコール系などのＡｌ
Ｎ粉の分散性が良い溶剤を用いてＡｌＮ粉末に分散させ
るのが好ましい。キシレンなどの分散性が悪い溶剤を用
いるのは好ましくない。上述の添加物とＡｌＮ粉末との
混合物にバインダーを添加する際にキシレンなどの分散
性が悪い溶剤を用いると、分散していた添加物が凝集
し、混合粉末の圧縮性を低下させる。又、バインダーの
分散も十分に行われない。従って、アルコール等を用い
て上記の添加物をＡｌＮ粉末に十分に分散させた後であ
っても、添加物を溶解しない溶剤の使用は避けなければ
ならない。換言すれば、圧縮成形を行う最終組成の混合
粉末を得る際の混合操作において上述のような極性溶剤
を用いることが肝要である。

【００２０】上記添加物及びバインダーを混合したＡｌ
Ｎ混合粉末は、用いた溶剤を除去して造粒した後に、圧
縮成形を行う。本発明においては、１００〜５００ＭＰ
ａ程度の成形圧で圧縮成形することによって成形体密度
が２．０ｇ／cm³ 以上の成形体が得られる。成形工程は
複数回に分けて行ってもよく、例えば、一旦シート状に
成形した後に再度プレスすることによって密度を高めて
成形体密度（脱バインダー後の密度）が２．０ｇ／cm³
以上となるように設定してもよい。

【００２１】混合粉末を圧縮成形して得た成形体は、加
熱により脱バインダーを行う。脱バインダーは通常、最
高温度１０００℃以下の温度に加熱することによって達
成される。ＡｌＮ混合粉末中にタングステンやモリブデ
ンなどの導体金属が含まれていない場合は、酸素を含む
雰囲気中で加熱して脱バインダーを行うことができる
が、含まれている場合には非酸化性雰囲気中で加熱す
る。非酸化性雰囲気としては、窒素、アルゴン等の不活
性なガスや、これらに水素、炭酸ガスなどを含んだもの
等を使用することができる。ＡｌＮ混合粉末中に導体金
属が含まれていない場合は、加熱温度を最高５００℃ま
でとすることが望ましい。

【００２２】脱バインダー後の成形体は、焼結容器に収
容し、非酸化性雰囲気中で１５５０〜１６００℃の温度
で焼結する。焼結時の雰囲気圧力は０．０１〜１０．０
気圧で行われる。非酸化性雰囲気には前述と同様のもの
が使用できる。焼結容器としては、ＡｌＮ、ＢＮ、アル
ミナ等の耐熱性材料で形成されたものが用いられ、カー
ボン、タングステン、モリブデン等を用いて製作された
ヒーターを具備する焼結炉が用いられる。焼結スケジュ
ールは、最高温度まで単調に昇温しても段階的に昇温し
てもよく、必要に応じて適宜選択する。得られたＡｌＮ
焼結体は、必要に応じてトリミング等の後処理を施して
もよい。

【００２３】本発明に従って脱バインダー後の成形体密
度が２．０ｇ／cm³ 以上となった成形体は、１５５０〜
１６００℃の温度で焼結することによって、十分緻密化
されたＡｌＮ焼結体となり、焼結に要する時間も２時間
程度まで短縮することができる。得られるＡｌＮ焼結体
の熱伝導率は１００〜１２０Ｗ／ｍＫとなり、４点曲げ
強度も３００ＭＰａ以上の平均値を示す。従って、本発
明に従って製造されるＡｌＮ焼結体は、高温高強度材や
ヒートシンクとして使用したり、メタライズして各種回
路基板として使用することができる。例えば、ＤＢＧ、
ＱＦＰ、ＰＧＡ、ＢＧＡ、ＤＩＰ、薄膜、厚膜などの電
気または電子回路の基板に用いることができる。本発明
のＡｌＮ焼結体を回路基板の絶縁部分の形成に使用する
と、回路基板は優れた熱方散性や機械強度を備え、導体
層での剥離や断線などの欠陥がなく、良好な回路性能を
発揮し得る。回路基板を形成する際に使用する導電材料
としては、Ｗ，Ｗｏ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉなどが挙げられ
る。

【００２４】回路基板は、例えば以下のような方法で製
造される。まず、ＡｌＮ粉末及び上述の添加物にバイン
ダー及び溶媒を加えて充分に混練して所定の粘度のスラ
リーとする。この間に、ＡｌＮ粉末及びバインダーの解
砕と添加物の溶解・分散とが進行する。得られたスラリ
ーを用いてドクターブレード法によってシートを形成し
た後、加熱乾燥して溶媒を除去しグリーンシートを得
る。次に、グリーンシートの少なくとも１面に、例えば
スクリーン印刷のような方法で導電ペーストを用いて所
定の回路パターンを形成する。この時、多層回路を形成
する場合には、層間の電気的接続を行うバイア用の穴を
あらかじめグリーンシートに設け、この穴に例えば圧入
法で導電ペーストを充填する。次に、前記の導体回路が
形成されたグリーンシートを非酸化性雰囲気中で加熱し
て導電ペースト中のバインダーを除去する。必要に応じ
て、さらに表面に回路パターンを形成し、熱間加圧して
グリーンシートの積層を行う。この後、グリーンシート
中のバインダーを非酸化性雰囲気中で加熱除去した後焼
結する。焼結後は、必要に応じてトリミングや薄膜や厚
い膜の回路形成や、外部電極を形成することができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００２６】（実施例１）不純物酸素量０．９wt％、平
均粒径１．１μｍ、比表面積３．１ｍ² ／ｇのＡｌＮ粉
９５．７重量部に、純度９９．５％の硝酸イットリウム
をＹ₂ Ｏ₃ 換算で３．０重量部、純度９９．９％の硝酸
カルシウムをＣａＯ換算で１．０重量部、及び、平均粒
径０．１μｍで純度９９．９％のＷＯ₃ をＷ換算で０．
３重量部加えて得られる混合粉体に、１−ブタノール１
５０重量部を加え、湿式ボールミルにより解砕、混合し
た。この工程中、硝酸イットリウムと硝酸カルシウムは
１−ブタノールに溶解していた。この後、１−ブタノー
ルを除去して原料粉とした。続いて、この原料粉に、エ
タノール溶媒にブチラール系バインダーを含有するバイ
ンダー液をバインダー量が６重量部になる量を秤量して
添加した。更に、エタノールを除去し、造粒した後、一
軸加圧成形機を用いて２００ＭＰａで加圧成形して成形
体とした。この成形体を乾燥空気中５００℃まで加熱し
てバインダーを除去した。脱バインダー後の成形体密度
は、２．０２ｇ／cm³ であった。脱バインダー後の成形
体を、ＡＩＮ焼結体で製作された焼結容器中に収容し、
グラファイト製ヒータ炉を用いて、１気圧の窒素ガス雰
囲気中、１６００℃で２時間焼結した。

【００２７】得られた焼結体は黒色で、色ムラや焼きム
ラがなく、密度をアルキメデス法で測定したところ、
３．２８ｇ／cm³ と緻密化していた。この焼結体から、
直径１０mm、厚さ３mmの円板を切り出し、２１±２℃の
室温下で、ＪＩＳ−Ｒ１６１１に従ってレーザーフラッ
シュ法により熱伝導率を測定したところ、１１５Ｗ／ｍ
Ｋであった。また、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に従って４点曲
げ強度を測定したところ、平均値が３１５ＭＰａであっ
た。

【００２８】（比較例１）一軸加圧成形機による成形圧
力を５０ＭＰａに代えたこと以外は実施例１と同じ操作
を繰り返して成形体を得、同様に脱バインダーを行って
脱バインダー後の成形体密度を測定したところ、１．８
７ｇ／cm³ であった。実施例１と同じ方法で焼結し、密
度を測定したところ、焼結体の密度は３．２４ｇ／cm³
と充分に緻密化していなかった。又、熱伝導率も１０７
Ｗ／ｍＫと低かった。

【００２９】（比較例２）実施例１で用いたＡｌＮ粉９
５．７重量部に対して、純度９９．９wt％で平均粒径
０．４μｍのＹ₂ Ｏ₃ を３．０重量部、純度９９．９％
で平均粒径０．５μｍのＣａＣＯ₃ をＣａＯ換算で１．
０重量部、平均粒径０．１μｍで純度９９．９wt％のＷ
Ｏ₃ をＷ換算で０．３重量部加えて得られる混合粉体
に、１−ブタノール１５０重量部を加え、湿式ボールミ
ルにより解砕、混合した後、１−ブタノールを除去して
原料粉とした。続いて、この原料粉にアクリル系バイン
ダーとキシレン溶媒からなるバインダー液をバインダー
が６重量部になるように秤量して添加した。キシレンを
除去し、造粒した後、実施例１と同じ方法で加圧成形
し、脱バインダーした。成形体密度を測定したところ、
１．９１ｇ／cm³ であった。脱バインダーした成形体を
ＡｌＮ焼結体製の焼結容器中に収容し、グラファイト製
ヒート炉を用いて、１気圧の窒素ガス雰囲気中、１６０
０℃で２時間焼結した。

【００３０】実施例１と同じ方法で評価したところ、得
られた焼結体は密度３．１８ｇ／cm³ と緻密化不充分
で、熱伝導率も１０５Ｗ／ｍＫと低かった。

【００３１】（比較例３）実施例１で用いたＡｌＮ粉９
５．７重量部に対して、純度９９．９wt％で平均粒径
０．４μｍのＹ₂ Ｏ₃ を３．０重量部、純度９９．９％
で平均粒径０．５μｍのＣａＣＯ₃ をＣａＯ換算で１．
０重量部、平均粒径０．１μｍで純度９９．９wt％のＷ
Ｏ₃ をＷ換算で０．３重量部加えて得られる混合粉体
に、１−ブタノール１５０重量部を加え、湿式ボールミ
ルにより解砕、混合した後、１−ブタノールを除去して
原料粉とした。続いて、この原料粉にブチラール系バイ
ンダーとエタノール溶媒からなるバインダー液をバイン
ダーが６重量部になるように秤量して添加した。エタノ
ールを除去し、造粒した後、実施例１と同じ方法で加圧
成形し、脱バインダーした。成形体密度を測定したとこ
ろ、１．９０ｇ／cm³ であった。脱バインダーした成形
体をＡｌＮ焼結体製の焼結容器中に収容し、グラファイ
ト製ヒート炉を用いて、１気圧の窒素ガス雰囲気中、１
６００℃で２時間焼結した。

【００３２】実施例１と同じ方法で評価したところ、得
られた焼結体は密度３．１７ｇ／cm³ と緻密化不充分
で、熱伝導率も１０３Ｗ／ｍＫと低かった。

【００３３】（比較例４）実施例１で用いたＡｌＮ粉９
５．７重量部に対して、純度９９．５wt％の硝酸イット
リウムをＹ₂ Ｏ₃ 換算で３．０重量部、純度９９．９％
の硝酸カルシウムをＣａＯ換算で１．０重量部、平均粒
径０．１μｍで純度９９．９wt％のＷＯ₃をＷ換算で
０．３重量部加えて得られる混合粉体に、１−ブタノー
ル１５０重量部を加え、湿式ボールミルにより解砕、混
合した後、１−ブタノールを除去して原料粉とした。続
いて、この原料粉にアクリル系バインダーとキシレン溶
媒からなるバインダー液をバインダーが６重量部になる
ように秤量して添加した。キシレンを除去し、造粒した
後、実施例１と同じ方法で加圧成形し、脱バインダーし
た。成形体密度を測定したところ、１．８８ｇ／cm³ で
あった。脱バインダーした成形体をＡｌＮ焼結体製の焼
結容器中に収容し、グラファイト製ヒート炉を用いて、
１気圧の窒素ガス雰囲気中、１６００℃で２時間焼結し
た。

【００３４】実施例１と同じ方法で評価したところ、得
られた焼結体は密度３．１６ｇ／cm³ と緻密化不充分
で、熱伝導率も１０１Ｗ／ｍＫと低かった。

【００３５】（比較例５）実施例１で用いたＡｌＮ粉９
５．７重量部に対して、純度９９．５wt％の硝酸イット
リウムをＹ₂ Ｏ₃ 換算で３．０重量部、純度９９．９％
の硝酸カルシウムをＣａＯ換算で１．０重量部、平均粒
径０．１μｍで純度９９．９wt％のＷＯ₃をＷ換算で
０．３重量部加えて得られる混合粉体に、キシレン１６
０重量部を加え、湿式ボールミルにより解砕、混合した
後、キシレンを除去して原料粉とした。続いて、この原
料粉にアクリル系バインダーとキシレン溶媒からなるバ
インダー液をバインダーが６重量部になるように秤量し
て添加した。キシレンを除去し、造粒した後、実施例１
と同じ方法で加圧成形し、脱バインダーした。成形体密
度を測定したところ、１．８３ｇ／cm³ であった。脱バ
インダーした成形体をＡｌＮ焼結体製の焼結容器中に収
容し、グラファイト製ヒート炉を用いて、１気圧の窒素
ガス雰囲気中、１６００℃で２時間焼結した。

【００３６】実施例１と同じ方法で評価したところ、得
られた焼結体は密度３．１０ｇ／cm³ と緻密化不充分
で、熱伝導率も９９Ｗ／ｍＫと低かった。

【００３７】（実施例２）不純物酸素量１．３wt％、平
均粒径１．３μｍ、比表面積３．５ｍ² ／ｇのＡｌＮ粉
９６．６５重量部に対して、Ｙ₂ Ｏ₃ が２．２９重量部
となる量のイットリウムゾル（容量１００ｍｌ中に５０
ｇの割合でＹ₂ Ｏ₃ がエタノール分散媒に含まれる）、
純度９９．９％の硝酸カルシウムをＣａＯ換算で０．７
６重量部、平均粒径０．１μｍで純度９９．９％のＷＯ
₃ をＷ換算で０．３重量部を加えて得られる混合粉体
に、エタノールを１４０重量部加え、湿式ボールミルに
より解砕、混合した後、エタノールを除去して原料粉と
した。続いて、この原料粉にブチラール系バインダーと
エタノール溶媒からなるバインダー液をバインダーが６
重量部になるように秤量して添加した。エタノールを除
去し、造粒した後、２００ＭＰａの一軸加圧下で成形し
た圧粉体とした。この圧粉体を乾燥空気中で５００℃ま
で加熱してバインダーを除去した。脱バインダー後の成
形体密度は２．１２ｇ／cm³ であった。脱バインダー後
の成形体をＡｌＮ焼結体製の焼結容器中に収容し、グラ
ファイト製ヒータ炉を用いて、１気圧の窒素ガス雰囲気
中、１６００℃で２時間焼結した。

【００３８】得られた焼結体は黒色で、色ムラや焼きム
ラがなく、実施例１と同じ方法で評価したところ、密度
は３．２９ｇ／cm³ と緻密化しており、熱伝導率は１１
７Ｗ／ｍＫであった。４点曲げ強度は平均値が３１８Ｍ
Ｐａであった。

【００３９】（実施例３）不純物酸素量１．８wt％、平
均粒径０．９μｍ、比表面積３．９ｍ² ／ｇのＡｌＮ粉
９３．７１重量部に対して、純度９９．５wt％の硝酸イ
ットリウムをＹ₂Ｏ₃ 換算で４．４９重量部、純度９
９．９wt％の硝酸カルシウムをＣａＯ換算で１．５０重
量部、平均粒径０．１μｍで純度９９．９wt％のＷＯ₃
をＷ換算で０．３重量部を加えて得られる混合粉体に、
１−ブタノール１６０重量部を加え、湿式ボールミルに
より解砕、混合した後、１−ブタノールを除去して原料
粉とした。続いて、この原料粉にブチラール系バインダ
ーとエタノール溶媒からなるバインダー液をバインダー
量が６重量部になるように秤量して添加した。エタノー
ルを除去し、造粒した後、５００ＭＰａの一軸加圧下で
成形した圧粉体を得た。

【００４０】この圧粉体を乾燥空気中で５００℃まで加
熱してバインダーを除去した。脱バインダー後の成形体
密度は２．１８ｇ／cm³ であった。脱バインダー後の成
形体をＡｌＮ焼結体製の焼結容器中に収容し、グラファ
イト製ヒータ炉を用いて、１気圧の窒素ガス雰囲気中、
１５５０℃で２時間焼結した。

【００４１】得られた焼結体は黒色で、色ムラや焼きム
ラがなく、実施例１と同じ方法で評価したところ、密度
は３．２９ｇ／cm³ と緻密化しており、熱伝導率は１１
３Ｗ／ｍＫであった。４点曲げ強度は平均値が３１３Ｍ
Ｐａであった。

【００４２】（実施例４）実施例２と同じＡｌＮ粉９
６．６５重量部に、純度９９．５％の硝酸イットリウム
をＹ₂ Ｏ₃ 換算で２．２９重量部、純度９９．９wt％の
硝酸カルシウムをＣａＯ換算で０．７６重量、平均粒径
０．１μｍで純度９９．９wt％のＴｉＯ₂ をＴｉ換算で
０．３重量部を混合して得られる混合粉体に、更にアク
リル系バインダー６重量部と共にアルコール系溶媒１４
０重量部中に分散し、粘度が約５０００CPS のスリップ
を調整した。続いて、前記スリップをドクターブレード
法により約０．３mmの均一な厚さを有するグリーンシー
トを作製した。続いて、前記グリーンシートを所定の寸
法に裁断し、各グリーンシートに層間の電気的接続を得
るためのビアホールを形成した。径０．８μｍのタング
ステン粒子を５０wt％の割合で含有するタングステンペ
ーストを前記ビアホールに圧入して充填した。ビアホー
ルが形成されたグリーンシート上にタングステンペース
トをスクリーン印刷して、導体回路のパターンを形成し
た。

【００４３】このような方法で得た各グリーンシートを
積層し、熱間プレスにより一体化した。その後、外形加
工を施し、窒素雰囲気中で最高温度７００℃まで加熱し
て、バインダーを除去した。導体部分を含まないグリー
ンシートのみの部分の成形体密度を測定したところ、
２．０１ｇ／cm³ であった。脱バインダー後の積層物を
ＡｌＮ焼結体製容器中に入れ、カーボン製ヒータを有す
る焼結炉を用いて、窒素雰囲気中、１６００℃で２時間
で焼結することにより、半導体装置用のＡｌＮ焼結体製
パッケージを得た。

【００４４】得られたパッケージは、反り、うねり、ク
ラックやフクレがなく、表面が平滑であり、形態を走査
型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、ＡｌＮ層及
びＷ層は共に充分緻密化していた。

【００４５】（実施例５）実施例４と同じ方法で得られ
た同じ組成のドクターシートを３枚熱間プレスで積層し
た後、窒素雰囲気中で最高温度７００℃まで加熱して、
バインダーを除去した。脱バインダー後の積層物をＡｌ
Ｎ焼結体製容器中に入れ、カーボン製ヒータを有する焼
結炉を用いて、窒素雰囲気中、１５８０℃で２時間焼結
した。得られたＡｌＮ焼結体を加工して３５×３５×
０．７mmの板を得た。この板を、空気中で１１３０℃で
３時間加熱して、焼結体板の表面に厚さ約２μｍのα−
Ａｌ₂Ｏ₃ 層を形成させた。続いて、前記焼結体板の一
面に酸素を４００ppm 含有する銅板を接触させ、酸素を
７ppm 含有する窒素ガス雰囲気中で加熱して１０７０℃
で３分間保持して前記焼結体板と銅板とを接合させて回
路基板とした。得られた回路基板の接合界面を観察した
ところ、強固に接合されており、ピール強度を測定した
ところ、９kgｆ／cmと高い強度を示した。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、１
５５０〜１６００℃の低温域での焼結によって、焼きム
ラや色ムラが少なく安定した特性を有するＡｌＮ焼結体
が得られる。又、焼結時間を短縮でき、ＡＩＮ焼結体の
製造コストの低減が可能になる。本発明によって得られ
るＡｌＮ焼結体を用いることで、性能及び信頼性が大き
く向上した高速用、大パワー用の半導体装置を低コスト
で製造することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 文雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平８−81264（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−104961（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/581 - 35/5835

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルカリ土類金属元素及び希土類元素を
   含む添加物を、硝酸塩、アルコキシド及びゾルからなる
   群より選ばれる形態で極性溶剤に溶解した液相状態で窒
   化アルミニウム粉末、遷移金属成分及びバインダーと混
   合して該極性溶剤を除去することによって、窒化アルミ
   ニウム１００重量部に対して酸化物換算で１．０〜９．
   ９重量部の上記添加物及び元素換算で０．０５〜１．１
   重量部の上記遷移金属成分を含有する混合粉末を得る工
   程と、該混合粉末を１００〜５００ＭＰａで圧縮成形し
   た後に加熱によりバインダーを除去して成形体密度が
   ２．０ｇ／cm ³ 以上の成形体を調製する工程と、該成形
   体を１５５０〜１６００℃で焼結する工程とを有するこ
   とを特徴とする回路基板用窒化アルミニウム焼結体の製
   造方法。
2. 【請求項２】 前記窒化アルミニウム粉末の比表面積
   は、３．０〜４．０ｍ² ／ｇであり、前記成形体は、ア
   ルカリ金属化合物、弗素化合物及びホウ素含有化合物を
   含まないことを特徴とする請求項１記載の製造方法。