JP3160550B2 - 窒化アルミニウム焼結体及びその用途 - 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、高温における体積
抵抗率の大きい窒化アルミニウム焼結体及びそれを用い
た回路基板に関する。

【０００２】近年、ロボット、モーター等の産業機器の
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電力
モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生す
る熱も増加の一途をたどっている。このような大電力モ
ジュールは、当初、簡単な工作機械に使用されてきた
が、ここ数年、溶接機、電車の駆動部、電気自動車に使
用されるようになり、より厳しい環境下の使用における
耐久性と更なる小型化が要求されるようになってきた。

【０００３】半導体から発生した熱を効率よく放散し、
しかも上記要求に応えることのできるセラミックス基板
は、現時点では窒化アルミニウム基板であり、窒化アル
ミニウム焼結体自体の性能向上や、回路基板の構造改善
等により更なる対応がなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】大電力モジュールにお
ける新たな課題は高電圧に耐えることである。この要求
は、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／
ｍｍ² 以上の窒化アルミニウム焼結体において、その体
積抵抗率がシリコンチップの使用限度に近い１５０℃付
近においてもあまり劣化しないものが開発されれば満た
されるが、従来の上記熱伝導率と抗折強度を有する窒化
アルミニウム焼結体の１５０℃における体積抵抗率は、
１０¹²Ω・ｃｍ程度であって、高電圧に対する耐久性が
小さいものであった。

【０００５】本発明の目的は、高熱伝導率かつ高抗折強
度を有する窒化アルミニウム焼結体の１５０℃の空気中
における体積抵抗率を１０¹³Ω・ｃｍ以上に高めること
である。

【０００６】本発明者らは、上記目的を達成するために
鋭意検討した結果、窒化アルミニウム焼結体の粒界相中
に存在するＮ量によって体積抵抗率が変化し、粒界相の
Ｎ含有量が１．５〜２. ５重量％であるものは、１５０
℃の空気中における体積抵抗率が１０¹³Ω・ｃｍ以上に
することができ、そのような窒化アルミニウム焼結体
は、窒化アルミニウム粉末原料の酸素量とその焼結条件
を制御することによって達成できることを見いだし、本
発明を完成させたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、粒
界相のＮ含有量が１．５〜２. ５重量％、熱伝導率１２
０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ² 以上、１５
０℃の空気中の体積抵抗率１×１０¹³Ω・ｃｍ以上であ
ることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体である。ま
た、本発明は、上記窒化アルミニウム焼結体を窒化アル
ミニウム基板として用い、その表面に金属回路を形成さ
せてなることを特徴とする回路基板である。更に、本発
明は、酸素含有量１．０〜１．２重量％の窒化アルミニ
ウム粉末原料と、酸化イットリウム粉末と、有機結合材
とを含む混合原料粉末を成形し、脱脂後、１×１０ ^-3 Ｔ
ｏｒｒ以上の高真空下、温度１７００℃までの昇温速度
を１０℃／ｍｉｎ以上で急速昇温し、１８００〜１８２
０℃×３０〜６０分で焼成した後、窒素ガス流通下、１
０℃／ｍｉｎ以上の速度で急冷し、粒界相のＮ含有量が
１．５〜２. ５重量％のものを取得することを特徴とす
る上記窒化アルミニウム焼結体の製造方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明について
説明する。

【０００９】焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ₂ Ｏ
₃ ）が添加された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末の焼
結メカニズムは、ＡｌＮの表面に存在するＡｌ₂ Ｏ₃ と
Ｙ₂Ｏ₃ との液相形成に基づく粒界相の生成によること
が知られており、最近に至り、その液相にマトリックス
のＡｌＮが溶け込んでいることが見いだされている（日
本セラミックス協会 1995年年会講演予稿集、3A12 520
(1995) ）。

【００１０】液相にＡｌＮが溶け込んで粒界相のＮ含有
量が多くなると、マトリックスＡｌＮのＡｌとＮの共有
結合のバランスが崩れ、Ａｌが過剰の状態となる。そこ
で、フリーとなったＡｌがＡｌ³⁺となり、焼結体に電場
がかけられたときに電荷のキャリアーとなって移動し体
積抵抗率が下がる。

【００１１】このような粒界相へのＡｌＮの溶解は、窒
化アルミニウム粉末原料の酸素含有量と焼結条件に大き
く影響を受ける。

【００１２】本発明者らは、この点について、更に検討
したところ、窒化アルミニウム粉末原料の酸素含有量は
１．０〜１．２重量％であることが必要条件であり、ま
た焼結はワークの周囲が還元雰囲気とならないように例
えばＢＮ容器に入れて行うことが重要であることを見い
だした。

【００１３】しかも、昇温時にワークの酸化を防止する
ため、１×１０^-3Ｔｏｒｒ以上の高真空下において、１
７００℃まではできるだけ急速に、より具体的には昇温
速度は１０℃／ｍｉｎ以上で昇温することが望ましい。
また、その後に続く焼成温度、焼成時間、冷却速度につ
いてもいずれも重要であり、焼成温度と焼成時間は可能
な限り低温かつ短時間、より具体的には１８００〜１８
２０℃×３０〜６０分、冷却は窒素ガス流量を５０リッ
トル／ｍｉｎ以上、特に１００リットル／ｍｉｎ以上と
多くし、１０℃／ｍｉｎ以上の速度で急冷することが望
ましい。このような焼成条件は新規である。

【００１４】熱量が上記焼成条件よりも少なくなる状態
で焼成すると焼結不足を起こし、液相に溶け込んだＡｌ
Ｎがそのまま残存し粒界相のＮ含有量は増加する。一
方、熱量が上記焼成条件よりも多くなる状態で焼成する
と、液相に溶け込んだＡｌＮの再析出が活発となり粒界
相のＮ含有量が減少するが、焼結体の微構造が乱れ、抗
折強度や熱伝導率が低下する。

【００１５】粒界層のＮ含有量の測定は、焼結体から粒
界相を溶解・抽出する方法が一般的であり、例えば焼結
体を瑪瑙乳鉢で粉砕した後、水酸化ナトリウム溶液でＡ
ｌＮを溶解させ、不溶解物の粒界相を濾過回収し、それ
を市販の窒素分析計にてＮ分を定量することによって行
うことができる。

【００１６】本発明で使用される窒化アルミニウム粉末
の酸素含有量は、１．０〜１．２重量％である。１．０
重量％未満では、焼結過多となって強度が低下し、また
１．２重量％をこえると粒界相が増え望ましくはない。
窒化アルミニウム粉末の平均粒径は２．５μｍ以下であ
ることが望ましい。

【００１７】焼結助剤としては酸化イットリウムを用い
る。その粒径は分散性をよくするため、２．０μｍ以下
が好ましい。添加量は内割りで３〜５重量％程度であ
る。

【００１８】窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を混合す
る際の有機結合材としては、エチルセルロース等のよう
なセルロース類も使用できるが、ポリビニルブチラール
（ＰＶＢ）が最適である。有機溶剤としては、アルコー
ル類、トルエン、キシレンが好ましい。分散剤として
は、ダイナマイトグリセリン、グリセリントリオレート
等が使用される。

【００１９】グリーンシートの成形は、押出成型法、ド
クターブレード法等で行われる。また、グリーンシート
の脱脂は、４５０℃から４８０℃までの温度で６時間以
上かけて行うことが望ましい。脱脂雰囲気は非酸化性雰
囲気にする必要はなく、空気中でもよい。本発明におい
ては、初期の段階で真空脱脂を行うことが望ましく、そ
れによって窒化アルミニウム粒子の酸化を抑止すること
ができる。なお、脱脂体の酸素含有量は２．９重量％以
下が望ましい。

【００２０】以上のようにして製造された窒化アルミニ
ウム焼結体のうち、粒界相のＮ含有量が１．５〜２. ５
重量％であるものは、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上特に
１４０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ² 以上特
に４０ｋｇ／ｍｍ² 以上、１５０℃の空気中の体積抵
抗率１×１０¹³Ω・ｃｍ以上特に１×１０¹⁴Ω・ｃｍ以
上となる。

【００２１】次に、本発明の回路基板について説明す
る。

【００２２】本発明の回路基板は、上記窒化アルミニウ
ム焼結体を窒化アルミニウム基板として用い、一方の面
に金属回路を形成させたものである。この場合におい
て、他方の面には放熱金属板を形成させたものであって
もよい。

【００２３】窒化アルミニウム基板の厚みとしては、通
常、０．３〜０．８ｍｍであり、０．３ｍｍよりも薄い
と熱応力に対して構造的に耐久力がなくなり、また０．
８ｍｍをこえると熱抵抗が大きくなる。用途によっては
１ｍｍ以上の厚みのものでも使用できる。

【００２４】窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回
路、他方の面には放熱金属板を形成する方法としては、
窒化アルミニウム基板と金属板との接合体をエッチング
する方法、金属板から打ち抜かれた金属回路又は放熱金
属板のパターンを窒化アルミニウム基板に接合する方法
等によって行うことができるが、本発明においては前者
が好適である。

【００２５】本発明においては、窒化アルミニウム基板
と金属板との接合には活性金属ろう付け法が好適であ
り、その際のろう材の金属成分としては、銀と銅を主成
分とし、溶融時の窒化アルミニウム基板との濡れ性を確
保するために活性金属を副成分とする。この活性金属成
分は、窒化アルミニウム基板と反応して主に窒化物を生
成させ、それらの生成物がろう材と窒化アルミニウム基
板との結合を強固なものにする。活性金属の具体例をあ
げれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、
タンタル、バナジウム及びそれらの化合物である。これ
らの割合としては、銀６９〜１００重量部と銅３１〜０
重量部の合計量１００重量部あたり活性金属３〜３５重
量部である。

【００２６】活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペ
ーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に
応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合
機、らいかい機等で混合することによって調製すること
ができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テル
ピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合剤
としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリ
メタクリレート等が使用される。

【００２７】窒化アルミニウム基板にろう材ペーストを
配置するには、スクリーン印刷法やロールコーターによ
る塗布法が採用されるが、ペーストを窒化アルミニウム
基板全面に塗布する場合は、生産性の点から後者が望ま
しい。

【００２８】本発明で使用される金属板の材質について
は特に制限はなく、通常は、銅、ニッケル、銅合金、ニ
ッケル合金が用いられる。また、その厚みについても制
限はなく、通常、金属箔と言われている肉厚の薄いもの
でも使用可能であり、０．１〜１．０ｍｍ好ましくは
０．２〜０．５ｍｍのものが用いられる。最近では、１
ｍｍ以上に厚くする要求もある。

【００２９】窒化アルミニウム基板と金属板の接合は、
真空又は不活性雰囲気下で加熱した後冷却することによ
って行うことができる。その際の冷却速度は、窒化アル
ミニウム基板と金属板との熱膨張係数の差による残留応
力に基づくクラックや欠損を少なくするため、５℃／分
以下特に２℃／分以下とすることが望ましい。また、銅
板の残留応力を除去するため、更に望ましくは５００〜
７００℃の温度域にて３時間保持程度以上保持すること
が好ましい。

【００３０】金属回路の形成方法としては、接合体の金
属板にエッチングレジストを塗布しエッチングする方法
が好適である。エッチングレジストとしては、紫外線硬
化型、熱硬化型を使用することができる。また、エッチ
ング液としては、金属板が銅板又は銅合金板であれば、
塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等
の溶液が使用される。好ましくは、塩化第２鉄溶液、塩
化第２銅溶液である。一方、金属板がニッケルまたはニ
ッケル合金の場合は、塩化第２鉄溶液が用いられる。

【００３１】エッチングによって金属の不要部分が除去
された金属回路間には、もともと塗布したろう材やその
合金層・窒化物層あるいは金属回路パターン外にはみ出
した不要ろう材がまだ残っている。そこで、ＮＨ₄ Ｆ等
のハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機
酸と過酸化水素水を含む溶液等を用いてそれらを除去す
る。処理温度は４０〜６０℃であり、溶液濃度は０．１
〜１０重量％であることが好ましい。

【００３２】

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。

【００３３】実施例１〜６ 比較例１〜１１ 酸素含有量１．１重量％、平均粒径２．０μｍの窒化ア
ルミニウム粉末９６重量部、イットリア粉末４重量部、
表面処理剤としてオレイン酸２重量部を添加し、振動ミ
ルにて予備混合を行った。更に、有機結合材としてエチ
ルセルロース８重量部、可塑剤としてグリセリントリオ
レート３重量部及び水１２重量部を配合してミキサーで
混合を行い、その後、成型速度１．０ｍ／ｍｉｎ、成型
圧力５５〜７０ｋｇ／ｃｍ² にて押出成型を行った。得
られたグリーンシートを６０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに
打ち抜き、遠赤外線にて１２０℃、５分間乾燥を行った
後、４８０℃で１０時間、空気中で脱脂した。その後、
表１に示すような条件で焼成を行った。

【００３４】得られた窒化アルミニウム焼結体は、表面
をホーニング処理して十分に清浄化した後、粒界層のＮ
含有量、体積抵抗率、抗折強度及び熱伝導率を以下に従
い測定した。

【００３５】（１）粒界層のＮ含有量：焼結体を瑪瑙乳
鉢等で粉砕した後、１０％水酸化ナトリウム溶液でＡｌ
Ｎを溶解する。その後、不溶解物の粒界相を濾過して回
収し、酸素・窒素分析計（ＬＥＣＯ社 ＴＣ−４３６）
で窒素を定量した。 （２）体積抵抗率：ＪＩＳ Ｃ ６４８１に準じ、１５
０℃の大気中、５００Ｖ（直流）の条件で測定した。 （３）抗折強度：ＪＩＳ Ｒ １６０１に準じ、スパン
３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの
条件で３点曲げ強さを測定した。 （４）熱伝導率：レーザーフラッシュ法で測定した。

【００３６】

【表１】

【００３７】実施例７ 重量割合で、銀粉末９０部、銅粉末１０部、ジルコニウ
ム粉末３部、チタン粉末３部及びテルピネオール１０部
を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのトルエン
溶液を加えてよく混練し、ろう材ペーストを調整した。

【００３８】上記で製造された窒化アルミニウム焼結体
から窒化アルミニウム基板（６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．
６５ｍｍ）を加工し、その両面に上記ろう材ペーストを
スクリーン印刷によって全面に塗布した。その際の塗布
量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ ² とした。

【００３９】次に、金属回路形成面に６０ｍｍ×３６ｍ
ｍ×０．３ｍｍの銅板を、また金属放熱板形成面に６０
ｍｍ×３６ｍｍ×０．１５ｍｍの銅板をそれぞれ接触配
置してから、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、
８３０℃で３０分間加熱して接合体を製造した。

【００４０】次いで、この接合体の銅板上にＵＶ硬化タ
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布後、
塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不
要部分を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛
性ソーダ溶液で剥離した。このエッチング処理後の接合
体には、銅回路パターン間に残留不要ろう材や活性金属
成分と窒化アルミニウム基板との反応物があるので、そ
れを２０％過酸化水素と１０％フッ化アンモニウムの混
合溶液に浸漬して除去し、表側に銅回路、裏側に放熱銅
板の設けられた回路基板を製造した。

【００４１】この回路基板について、気中、−４０℃×
３０分保持後、２５℃×１０分間放置を１サイクルとす
るヒートサイクル試験を行い、銅回路又は放熱銅板が剥
離するサイクル回数を測定した。その結果、いずれの回
路基板も１０００回まで銅回路又は放熱銅板の剥離は見
られなかった。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、窒化アルミニウム粉末
原料に、酸化タンタル、酸化ニオブや、タングステン、
タングステン化合物、モリブデン、モリブデン化合物、
ジルコニウム、ジルコニウム化合物を添加することな
く、焼結助剤として酸化イットリウムを用いるだけで、
粒界相のＮ含有量が１．５〜２. ５重量％、熱伝導率１
２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ² 以上を有
し、１５０℃の空気中の体積抵抗率が１×１０¹³Ω・ｃ
ｍ以上である窒化アルミニウム焼結体が提供される。

【００４３】また、このような窒化アルミニウム焼結体
をセラミックス基板として用い、その表面に金属回路を
形成することによって、高電圧とヒートサイクルに対す
る耐久性に優れた回路基板となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−87031（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−345690（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−309663（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−42860（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/581 - 35/582 H05K 1/03

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒界相のＮ含有量が１．５〜２. ５重量
   ％、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／
   ｍｍ² 以上、１５０℃の空気中の体積抵抗率１×１０
   ¹³Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする窒化アルミニウ
   ム焼結体。
2. 【請求項２】 請求項１記載の 窒化アルミニウム焼結体
   を窒化アルミニウム基板として用い、その表面に金属回
   路を形成させてなることを特徴とする回路基板。
3. 【請求項３】 酸素含有量１．０〜１．２重量％の窒化
   アルミニウム粉末原料と、酸化イットリウム粉末と、有
   機結合材とを含む混合原料粉末を成形し、脱脂後、１×
   １０ ^-3 Ｔｏｒｒ以上の高真空下、温度１７００℃までの
   昇温速度を１０℃／ｍｉｎ以上で急速昇温し、１８００
   〜１８２０℃×３０〜６０分で焼成した後、窒素ガス流
   通下、１０℃／ｍｉｎ以上の速度で急冷し、粒界相のＮ
   含有量が１．５〜２. ５重量％のものを取得することを
   特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体の製
   造方法。