JPH03146471A

JPH03146471A - 窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH03146471A
Application number: JP1281965A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Uenosono; 聡上ノ薗; Masato Kumagai; 正人熊谷; Toshihiko Funabashi; 敏彦船橋; Tadashi Nakano; 正中野
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1991-06-21

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１本発明は窒化アルミニウム焼結体の製造方法に関し、特
に産業上の要求の高い高熱伝導率窒化アルミニウム焼結
体の製造方法に関する。

〔従来の技術］高熱伝導率ＡｆｉＮ焼結体の用途は、具体的には半導体
用基板材料を代表例とする絶縁材料である。半導体の高
集積化、高速化、高出力化等の動向に伴って、以下のよ
うな問題がクローズアップされてきた。すなわち、 ■　半導体チップの発熱をいかに効率よく系外へ逃がす
か。

■　動作精度の向上につれて基板又はパッケージ部分の
信号の遅延が問題となる。

■　チップサイズの増大により、チップとの熱膨張率差
が大きくなり、信号の信頼性が低下する。

■　高電力チップでは使用電圧がますます増大しており
、基板の絶縁破壊が問題となりつつある。

半導体が抱えるこのような問題を解決しつる従来のアル
ミナにかわる基板又はパッケージ用セラミックスとして
は、（イ）熱伝導率が高い。

（ロ）電気絶縁性が優れる。

（ハ）高周波特性がよい（低誘電率、低誘電損失）（ニ）熱膨張率がＳｉ、またはＧａＡｓに近い。

（ホ）化学的に安定である。

（へ）機械的な強度が大きい。

（ト）回路形成が容易である。

（チ）気密封止ができる。

などの特性を有することが望ましい。このような特性を
基本的に有するものとしてＡｌ２Ｎが有望視されている
。

しかし、具体的にＡｌ２Ｎセラミックスを適用しようと
すると、次に示す最低限の特性項目を満たす必要がある
。すなわち（１）焼結体が均一で緻密である。機械的強度が大きい
、相対密度が９５％以上であることが望ましい。

（２）熱伝導率が高い。

（３）体積抵抗が高い（≧１Ｑ１２Ω・ｃｍ）（４）焼
き上がりの焼結体表面が平滑平坦である。

（５）焼結体の外観は、色むら、着色等がなく、均一な
色調をもつこと。

上記のうち（４）の項目は必須ではないといいながら、
焼き上がりの焼結体の表面粗度が０．５μｍより大きけ
れば、表面の加工が必要となる。

このため大量に基板を製造する際には、製造コストを低
減する観点から（４）の項目は重要となってくる。また
、（５）の項目についても（４）と同様である。すなわ
ちＡｇＮ基板に回路を形成した後、回路の検査が必要で
ある。Ａｌ２Ｎ基板の表面の一部の部分に着色等の異常
があると商品イメージを損なうだけでなく、回路検査が
困難となり事実上商品価値がなくなる。また、網目状の
模様が基板の表面に発生することもある。網目状の模様
は小さな気孔の集合体であり基板強度の低下も同時に招
く。

したがって、Ａｌ２Ｎ基板には高熱伝導率はもちろんの
こと、焼き上がりの表面粗度が小さく、基板の表面に着
色や網目状の模様といった外観の異常のない、−様な色
調であることが求められている。

従来の技術では上記（１）、（２）の特性を満足させる
ため、特公昭４６−４１００３号公報に示されるように
、Ｙ２　ｏａを焼結助剤として用いたり、または特公昭
５８−４９５１０号公報に示されるように、Ｃａｂ、Ｂ
ａＯ％ＳｒＯなどを焼結助剤として用い、熱伝導率が１
００Ｗ／ｍ−に程度のセラミックスが用いられている。

また、窯業協会誌、第２５回窯業基礎討論会、ＩＤＯ３
，３ＨＯ３（昭和６２年１月）では／ＭＡＮ成形体を還
元雰囲気中、１８５０〜１９５０℃で２〜９６時間焼結
するこ・とにより、高熱伝導率のＡｌ２Ｎ焼結体を得る
方法を示している。この方法では一旦焼成した基板を黒
鉛ルツボに再充填し再焼成するため製造コストが高い問
題点があった。

一方、特開昭６２−５２１８１号公報に、ＡβＮに焼結
助剤として炭素換算で０．２〜３．４重量部の炭素、酸
化イツトリウム０．１−１０重量部を含有させた成形体
を１６００〜２１００℃で焼結することを特徴とするＡ
βＮ焼結体の製造方法が開示されている。これとて最高
１４０Ｗ／ｍ−に程度の熱伝導率しか得られていない。

Ａｌ２Ｎの単結晶の熱伝導率は３２ｏｗ／ｍ−にといわ
れており、この熱伝導率は満足できるものではない、ま
た、これらの先行技術においては基板を商品として取扱
う上で重要な、表面粗度、基板の外観等についてはほと
んど言及されていない。

〔発明が解決しようとする課題１従来のＹ２　ｏｓを焼結助剤として用いた技術には（ａ）十分な熱伝導率が得られない（特公昭４６−４１
００３号公報、特開昭６２−５２１８１号公報）（ｂ）十分な熱伝導率を得るためには、−度焼成した基
板を黒鉛ルツボに詰め直して再焼成を行うため製造コス
トが高い（第２５回窯業基礎討論会Ｉ　ＤＯ３，３ＨＯ
３）（ｃ）ＡＩ２Ｎ基板の商品価値や製造コストを決定する
焼き上がりの基板の表面粗度、基板表面の外観について
ほとんど検討されていないといった問題点がある。

これらの問題点を解決するため、新たな高熱伝導率Ａｆ
ｌＮ基板が求められていた。

本発明では上記（ａ）〜（ｃ）の問題点を全て解決する
高熱伝導率基板を提供することを目的とする。すなわち（ｉ）１７０Ｗ／ｍ−に以上の熱伝導率をもつ。

（ｉｉ）量産性に優れる常圧焼成を採用し、−度の熱処
理で高熱伝導化を達成する。

（ｉｉｉ）Ａｌ２Ｎ焼結体を基板として利用する時に、
商品と重要な意味をもつ焼き上がりの表面粗度（Ｒａ）
が０．５μｍ以下である。

（ｉｖｌＡＪ２Ｎ基板の一部に着色が生じたり、網目状
の色むらといった異常がない。

といった４項目を全て満たした商品価値の高い、ＩＮ基
板を一度の熱処理で製造する技術を提供するものである
。本発明では得られた基板の表面を研磨するといった新
たな工程を設けることは必要がない技術を提供する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、以上述べた従来技術の問題点に鑑み、窒
化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上し、基板として
必要な特性を具備させるべく研究を重ねた結果、以下に
示す新規事項を発見し本発明に至ったものである。

すなわち本発明は、焼結助剤としてイツトリウム、スカ
ンジウム及びランタノイドの酸化物の群から選ばれた１
種又は２種以上を０．５〜６重量％並びに、ＬａＢ５、
ＭｇＢ６及びＣａ１３．の中から選ばれた１種または２
種以上を０．０２〜３重量％を含む窒化アルミニウム混
合粉末を調製し、これを成形し、非酸化性雰囲気中で１
６００〜２０００℃の温度範囲において焼成する窒化ア
ルミニウム焼結体の製造方法である。

ランタノイドは、原子番号５７のＬａから原子番号７１
のＬｕに至る１５個の希土類元素の総称である。

本発明により緻密で、熱伝導率、電気絶縁性に優れた焼
結体を得ることができる。また基板状に焼成した場合、
基板の表面に網目状の色むらや一部の部分に着色等とい
った外観の異常がなく、焼き上がりの表面粗度Ｒａが０
．５μｍ以下のＡｌ２Ｎ焼結体が得られる。

〔作用〕

本発明によって製造される焼結体は絶縁基板として要求
される（ｉ）〜（ｉｖ　）の項目を全て満たすものであ
った。

この事実に基づき、上記要求の最適添加範囲、他の粉末
、及び化合物について広範囲な検討を行った結果、本発
明を完成した。添加元素、又はその化合物及びその添加
範囲を限定して選択すれば相対密度が９５％以上、熱伝
導率が１７０Ｗ／ｍ−に以上、焼き上がりの表面粗度が
０．５μｍ以下、網目状の色むら、基板の一部の部分の
着色等の基板表面外観の異常の全くないＡｌ２Ｎ高熱伝
導性、電気絶縁性基板が得られる。

本発明に係る焼結助剤の複合添加が有効であるメカニズ
ムについては充分解明されてはいないが、以下のように
考えられる。

Ａｌ２Ｎの表層には、完全な／ｌ！２０３にはなってい
なくともある種のＡＩ２酸化物が存在している。この酸
化物を仮にＡｌ２２０３とすると、加えた上記焼結助剤
成分、例えばＹ２０３との間に液相ｘＡｆｆ２０３　・
３’Ｙ２Ｏ３を生成する。

一方、全ＬａＢ６　、ＭｇＢ６　、ＣａＢ６は極めて酸
化され易い化合物であり、換言すれば強い還元作用を有
する。このためＡｌ２Ｎ中の不純物と反応しこれを除去
する０例えばＹ２　ｏａにＬａＢ６を添加した系におい
て、幾分液相が粒界に残存する１８５０℃×２時間の焼
成条件で焼成を行った。粉末Ｘ線回折の結果、焼結体の
粒界相はＡｌ２２　Ｙ４　ｏｓが主成分であり、わずか
にＹ２　ｏａが共存した。Ｙ２０３単独添加の場合、粒
界層はＹＡＧ　（Ｙａ　Ａｌ２５０１２）とＹＡＩ２０
３がほぼ同じＸ線回折強度を有した。このことから焼結
途中の液相組成は、Ｙ２０３−ＬａＢ６系の方がＹ２　
ｏａ系に比べＹ２　ｏａに冨む組成であることが分かる
。これはＬａＢ６がＡｆｉＮ粉末の表面のＡｆｆ２　ｏ
ａ層に還元剤として有効に働き、液相中のＡｆｆ２０３
層が少なくなった結果と思われる。

このようなＬａＢ６　、ＭｇＨ２、ＣａＢｓの焼結中に
おける還元作用により、液相の生成から粒成長に至る段
階で、Ａｌ２Ｎ表面の酸素は還元され減量しながらＡｆ
ｆＮ粉末を浄化していく。この結果として得られた焼結
体は、高熱伝導、電気絶縁性基板として理想的なものに
なる。

ＬａＢ６　、ＭｇＨ２、ＣａＢ６添加による効果として
は、それ自身の還元力が焼結に有効に作用し高熱伝導率
化をもたらすと共に、電気絶縁性に優れ、色むら着色の
ない基板を得ることができる。

この作用については詳しくは明らかでない。

ＬａＢ６　、ＭｇＨ２、ＣａＢｓの添加はＡｆｌＮ粉末
表層のＡβ２０３に還元剤として有効に働いた結果、Ｂ
２０３になると考えられる。このＢ２　ｏａは液相の粘
性を下げるため、液相が焼結体中に均一に拡散する。こ
の結果基板中の液相の分布が均一となり、Ａｌ２Ｎの焼
結そのものを均質にすると考えられる。このため基板内
部表面とも均一に焼結が進行し、色むら、着色等がなく
なると思われる。

上記イツトリウム、スカンジウム及びランタノイドの酸
化物の群から選ばれた１種または２種以上の添加量が０
．５重量％に満たないと熱伝導率が小さく、基板に求め
られる特性を満たさない。

方、６重量％を越えると、逆に粒界相の量が多すぎるた
め、熱伝導率は低下する。

また上記ＬａＢ６　、ＭｇＨ２及びＣａＢ６から選ばれ
る１種または２種以上の添加量が０．０１重量％に満た
ないと１７０Ｗ／ｍ−に以上の高い熱伝導率は得られな
い。また基板の一部に網目状に色むらや着色等が発生し
易い、また焼き上がりの表面粗度が０．５μｍ以上とな
ることが多い。逆に添加量が３重量％を越えると粒界相
としてＹＮが残存し、基板の一部の部分が黄色く着色が
認められる。又、焼結中の収縮速度が小さく、９５％以
上の相対密度を得られないこともある。

〔実施例Ｊ実施例−■ 平均粒径１μｍのＡｊ２Ｎ粉末に、第１表に示す量の平
均粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末と平均粒径２ｇｍのＬａＢ
６、ＭｇＨ２、ＣａＢ６とをトルエン−エタノール混合
溶媒と共に添加し、ボールミルにて十分混合、解砕した
後、バインダとしてポリビニルブチラール樹脂を添加し
、／ＩＮスラリーを調製した。

これを用い、ドクターブレード法にてグリーンシートを
作成し６５Ｘ６５ｍｍ角に打抜き加工し、グリーン成形
体を得た。

これらをＮ２中にて７００℃で脱脂した後、Ｎ２雰囲気
中常圧下で１９００℃で３時間焼成しＡβＮ基板を得た
。

得られたＡ４Ｎ板について、外観、相対密度。

熱伝導率、絶縁抵抗、表面粗度等の特性を測定した。そ
の結果を第１表に示す、特に基板の外観で網目状の着色
むらは「網目」、基板の一部の部分に着色が生じた場合
は「着色」と表示した。

実施例１〜１４によりｙ２ｏａを０．５〜６重量％、Ｌ
ａＢ６を０．Ｏ１〜３重量％配合することにより、熱伝
導率が１７０ｗ／ｍ−に以上、絶縁抵抗が１Ｑ１４Ω’
ｃｍ以上、表面粗度Ｒａ　＜　０．５μｍ、相対密度９
５％以上の緻密な焼結体が得られた。また基板とした場
合、網目状の着色むら、基板の一部の部分の着色といっ
た異常は認められなかった。

比較例！ではＹ２Ｏ３の配合量が０．５重量％より少な
いと熱伝導率は１３５ｗ／ｍ−にと低かった。比較例２
ではＹ２Ｏ３の配合量が６重量％より多い時には熱伝導
率が低く、網目状の着色むらが認められるものがあった
。

比較例３．４．５ではＬａＢ６の配合量が０．０１重量
％より少ないと熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ−に以下となり
、網目状の着色むらが現われた。また表面粗度は０．５
μｍ以上となり、基板として用いるには研磨加工が必要
となった。

比較例６〜１１ではＬａＢ６の配合量が３重量％を越え
ると、基板外観に着色・基板の一部の部分に黄色い着色
が生じた。

実施例１５〜２３、比較例１２〜１７ではＬａＢ６の代
りにＭｇＢｓを用いたがＬａＢ６と全く同じ効果を持つ
ことを示した。

実施例２４〜３２比較例１８・〜２３ではＬａＢ５の代
りにＣａＢ６を用いた例を示した。

これらもＬａＢｅと全く同じ効果を持つことを示した。

実施例３３〜３５ではＬａＢｅ、ＭｇＨ２、ＣａＢ６の
うち２種又は３種を加えた例を示した。これらもすぐれ
た特性を示した。

実施例−■ 実施例−■のＹ２Ｏ３粉末に代えて平均粒径１μｍの５
ｃ２０３を用いて実施例−■と同様に処理し、Ａｌ２Ｎ
基板を得た。

得られたＡｆｆＮ板について、外観、相対密度、熱伝導
率、絶縁抵抗１表面粗度等の特性を測定した。その結果
を第２表に示す、特に基板の外観で網目状の着色むらは
「網目」、基板の一部の部分に着色が生じた場合は「着
色」と表示した。実施例１〜３２は熱伝導率、相対密度
、表面粗度、外観にすぐれ、比較例１〜２３はこれらが
劣る。

すなわち、５ｃ２０３を用いた場合も、Ｙ２Ｏ３と同様
の効果がある。

実施例−■ 実施例−工のＹ２Ｏ３粉末に代えてＣｅＯ２粉末を用い
、実施例−■と同様に処理し、Ａｌ２Ｎ基板を得た。

得られたＡｌ２Ｎ板について、外観、相対密度、熱伝導
率、絶縁抵抗、表面粗度等の特性を測定した。その結果
を第３表に示す、「網目Ｊ、「着色」は実施例−■と同
様である。実施例−ＩＩＩの実施例１〜３２、比較例１
〜２３は実施例−■とほぼ同様の数値を示していること
がわかる。

実施例−■ 実施例−ＩのＹ２Ｏ３扮末の代りに平均粒径１μｍのＮ
ｄ２Ｏ３を用いて実施例−■と同様に処理したＡβＮ板
について、外観、相対密度、熱伝導率、絶縁抵抗、表面
粗度等の特性を測定し第４表に示す、第４表からＮｄ２
０３を用いた場合も、優れた効果を奏することが明らか
である。

実施例−Ｖ他の焼結助剤として、他のランタノイドの酸化物である
Ｄ３’２０３、Ｙｂ２Ｏ３について、及び２種以上の焼
結助剤を組合わせた場合の相互作用を見るためにこれら
の２種〜３種の混合粉末について、実施例−■と同様に
処理し、Ａｌ２Ｎ基板を得た。

得られたＡｌ２Ｎ板について、外観、相対密度。

熱伝導率、絶縁抵抗、表面粗度等の特性を測定し、その
結果を第５表に示した。

これらの、ＩＮ板の諸特性はいずれも優れた性能を示し
た。

〔発明の効果】

本発明により、量産性の優れた常圧焼結法を採用し、１
回の焼成により１７０Ｗ／ｍ−に以上の高熱伝導率、１
０１４Ω・ｃｍ以上の高絶縁性を両立し、かつ緻密で外
観に網目状の色むらや、着色等の以上のない商品価値の
高いＡＩＮ基板を安価に製造することができるようにな
った。本発明方法によればホーニング以外全く基板研磨
加工等の別工程を設ける必要がなくなった。

Claims

【特許請求の範囲】１　焼結助剤として、イットリウム、スカンジウム及び
ランタノイドの酸化物の群から選ばれた１種又は２種以
上を０．５〜６重量％並びにＬａＢ＿６、ＭｇＢ＿６及
びＣａＢ＿６の中から選ばれた１種又は２種以上を０．
０１〜３重量％を含む窒化アルミニウム混合粉末を調製し、これを成形し、非酸化性雰囲気中で１６００〜２０００℃の温度範囲において焼成すること
を特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。