JPH0492864A - 窒化アルミニウム粉末および焼結体およびその製造法 - Google Patents

窒化アルミニウム粉末および焼結体およびその製造法

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JPH0492864A
JPH0492864A JP2206768A JP20676890A JPH0492864A JP H0492864 A JPH0492864 A JP H0492864A JP 2206768 A JP2206768 A JP 2206768A JP 20676890 A JP20676890 A JP 20676890A JP H0492864 A JPH0492864 A JP H0492864A
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晃 山川
Kohei Shimoda
浩平 下田
Masaya Miyake
雅也 三宅
Koichi Sogabe
浩一 曽我部
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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】 [産業上の利用分野コ 本発明は着色した窒化アルミニウム焼結体に係り、より
詳しくは、緻密質で高熱伝導率をもち、かつ黒色、茶色
、緑色等の色調をもった窒化アルミニウム焼結体および
該焼結体の製造に用いる粉末ならびに該焼結体を用いた
回路基板および半導体パッケージに関する。
[従来の技術] 最近のLSIの進歩はめざましく、集積度の向上が著し
い。これには、ICチップサイズの向上も寄与しており
、ICチップサイズの向上に伴ってパッケージ当りの発
熱量が増大している。このため基板材料の放熱性が重要
視されるようになってきた。また、従来IC基板として
用いられていたアルミナ焼結体の熱伝導率では放熱性が
不十分であり、ICチップの発熱量の増大に対応できな
くなりつつある。このためアルミナ基板に代わるものと
して、高熱伝導性のベリリア基板が検討されているが、
ベリリアは毒性が強く取扱いが難しいという欠点がある
一方、窒化アルミニウム(AIN)焼結体は、本来、材
質的に高熱伝導性、高絶縁性を有し、毒性もないため、
半導体工業において回路基板材料あるいはパッケージ材
料として注目を集めている。
[発明が解決しようとする課題] 上述のように窒化アルミニウムは理論的には単結晶とし
ては高熱伝導性、高絶縁性を有する材料である。しかし
ながら、窒化アルミニウム粉末から焼結体を製造する場
合、窒化アルミニウム粉末自体の焼結性が良くないため
、粉末成形後、焼結して得られる窒化アルミニウム焼結
体の相対密度(窒化アルミニウムの理論密度3.26g
/e13を基準とする)は、焼結条件にもよるが、高々
70〜80%しか示さず、多量の気孔を包含する。
一方、窒化アルミニウム焼結体の如き絶縁性セラミック
スの熱伝導機構は、フォノン伝導を主体とするため気孔
、不純物等の欠陥はフォノン散乱を起こし、熱伝導性は
低レベルのものしか得られない。これらの状況に対し、
高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体を得るために種々の
提案がなされている。
しかしながら、高熱伝導性の窒化アルミニウム焼結体を
製造するためには、高純度の原料を使用し、また工程中
の不純物の混合も極力防ぐことが必要とされており、こ
のようにして得られた窒化アルミニウムは白色透明もし
くは薄く着色したものに限られ、光の透過を問題とする
用途等には使用できなかった。そこで、光の透過を問題
とする用途等に着色窒化アルミニウムの開発が望まれて
いた。
本発明は、こうした実情に鑑み、高熱伝導性を有し、か
つ着色した窒化アルミニウム焼結体、およびかかる焼結
体を製造するための原料粉末ならびに該焼結体を利用し
た回路基板および半導体パッケージを提供することを目
的とするものである。
[課題を解決するための手段] 本発明者は、上記課題を解決するため従来より研究を重
ねてきたが、窒化アルミニウムに対しある種の元素又は
その化合物を添加することが有効であることを知見し、
本発明に至った。
すなわち、本発明はまず、AINを主成分とし、Ti、
Zr、Ca、Hf5V% Nb、Ta。
Crs MoSWSMn、、F e、Co、Ni。
Nd及びHoからなる群から選択ばれた1種以上の金属
元素及び/又はその化合物を0.1〜3.0重量%含有
する窒化アルミニウム粉末である。
又、かかる原料粉末はAl2O3粉末と炭素粉末とを重
量比で1 : 0.2〜1:2の割合で混合し、Ti、
Zr、Hf5VSNb、、Ta。
Cr、MoSWSMn、Fe、Co、Ni。
NbおよびHoからなる群から選ばれた1種以上の金属
元素を共存させながら、窒素含有非酸化性雰囲気中にお
いて1400〜1900℃で焼成することを特徴とする
方法により製造できる。
上記の添加金属元素を共存させるには、粉末(酸化物そ
の他の化合物でも良い。)としてAl2O3粉末と炭素
粉末に添加する方法が簡単であるが、ガスとして反応装
置内に導入することも可能であり、更にはこれらの金属
元素を所定量含有するAl2O3粉末及び/又は炭素粉
末を用いてもよい。
つぎに本発明は、AINを主成分とし、Ti1Zr、H
f、V、Nbs Ta、CrSMo、W。
Mns Fes Co5Ni、NdおよびHoからなる
群から選ばれた1種以上の金属元素及び/又はその化合
物を0.01〜5.0重量%含有し、着色を呈し、かつ
熱伝導率が130W/−に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。
又、かかる本発明の焼結体の製造には、周期律表II 
a s III a族の元素又はその化合物を0.01
〜5.0重量%で焼結助剤として使用する場合があるが
、これらは具体的にはCab、Y203、CaCO3、
CeO3、CaC2などが例示できる。更に炭素量で0
.01〜1.0重量%となる様に炭素又は炭素含有化合
物を添加することで130w/sk以上の高い熱伝導率
をもち、かつ着色された焼結体を得る。
さらに、本発明は窒化アルミニウムを主成分とし、熱伝
導率が130W/mk以上で着色を呈した窒化アルミニ
ウム焼結体上に導電性ペーストにより回路を形成したこ
とを特徴とする窒化アルミニウム回路基板及び前記窒化
アルミニウム焼結体基板と半導体素子とリードフレーム
からなる高熱伝導性セラミックパッケージである。
[作 用コ 本発明においては、発色剤としてTi、Zr。
Ca、Hf、V、Nb5TaSCr、Mo、W。
Mn、F e、Co、N i%Nd及びHoからなる群
から選ばれた少なくとも1種の金属元素を0.1〜3.
0重量%含有させた窒化アルミニウム粉末を原料粉末と
して用い焼結することによって、着色しかつ高熱伝導率
の窒化アルミニウム焼結体が得られる。
この場合窒化アルミニウム粉末は、高純度のものを用い
る必要がある。酸素量としては2,5重量%以下、炭素
を0.5重量%以下、遷移金属又はその化合物以外の不
純物を0.1重量%以下、そして金属元素又はその化合
物は合計で0.1〜3.0重量%の粉末であれば、必要
な熱伝導率と色調を同時に満足しうる。
窒化アルミニウム粉末の比表面積は、2.0rrr /
 g以上のものが好ましい。比表面積がこれより小さい
と緻密質の焼結体が得られない。
発色剤としては特にT iSMoSWが好ましい作用を
示す。したがってこれらの元素を用いることが好ましい
焼結体を得ることとなる。
原料粉末であるAIN粉末中におけるこれらの金属元素
の含有量が0.01重量%未満では着色AIN焼結体の
色調が薄く、光の透過を防止する用途に用いるためには
不充分であり、3.0重量%を超えると金属元素のAI
N中への固溶および粒界への析出によって焼結体の熱伝
導率が通常100w/s・k以下に低下し、IC基板等
としてメリットが小さくなる。又、AIN粉末の他の特
性として、高熱伝導率と着色を同時に得るために酸素含
有量は0.5〜2.5重量%の範囲が好ましく、発色剤
として添加する金属元素以外のSi等AINへの固溶元
素の含有量も 0.1重量%以下であることが好ましい
。更に、AIN粉末の比表面積は、緻密な焼結体を得る
ため2.0〜5.0■2/gが好ましい。
発色剤としての金属元素を含有したAIN粉末の製造に
おいて、Al2O3粉末と炭素粉末とを重量比で1 :
 0.2〜1:2の割合とするのは、1 : 0.2未
満では炭素が不足してAl2O3の残留やAINの凝集
が起こり、1:2を超えると逆に炭素が過剰となるから
である。
本発明では又I[a、Ho族元素を所定量添加すると着
色効果とともに高い熱伝導率を得ることができる。これ
らの添加量が0.01重量%未満あるいは5.0重量%
を越えると、所期の効果が得られない。
本発明においては、同色の着色剤を複数組合せて用いる
ことも、また異った色の着色剤を複数組合せて用いるこ
とが可能である。
上記のようにして得られた本発明の着色した窒化アルミ
ニウム焼結体は、いずれも130V/mk以上の高い熱
伝導性を有しており、緻密質な焼結体表面にAg5Au
等の厚膜ペースト、W、Mo等の高融点金属ペーストを
印刷し、焼成することによって、窒化アルミニウム回路
基板として有用である。
さらにこのような基板に半導体素子、リードフレームを
組合わせてICパッケージとして用いる。
[実施例〕 平均粒径0.5μ■のα−A1203粉末と、平均粒径
0.1μ■のアセチレンブラックを重量比で1 : 0
.5に混合し、この混合粉末中に下表3に列挙した発色
剤金属元素の酸化物を表示の割合で加え、窒素気流中に
おいて1550℃で加熱焼成した。得られた粉末を大気
中で700℃に加熱して、余剰炭素を燃焼除去し、残留
したAIN粉末の元素分析を行った。分析結果として、
AIN粉末中の発色剤元素の濃度を下表に併記した。尚
、AIN粉末中の発色剤元素以外の含有遷移金属は全て
109p■以下であった。
得られた各AIN粉末に、フェノール1.0重量%を炭
素源として、また焼結助剤としてY2O3粉末を夫々 
0.8重量%添加して充分混合した後、−軸ブレスで直
径1211で厚さ 5■1の円板に成形し、窒素気流中
において1950℃にて3時間焼結した。
得られたAIN焼結体の熱伝導率、及び色調、透過率を
下表1に併せて示した。
透過率は0.31基板で0,4μ■の波長の光の透過率
を測定した。
表1 東比較例 [発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、白色半透明では
なく黒色、茶色、緑色等に着色された光熱伝導の窒化ア
ルミニウム焼結体が得られ、IC基板、パッケージ等高
放熱基板材料あるいは高放熱部品として用いられ、光の
透過をきらう用途、光学式センサーにかけられ、自動化
ラインへの適用が必要な用途等にも適用可能なセラミッ
クスである。
特許出願人 住友電気工業株式会社 代理人 弁理士 小 松 秀 岳

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)AlNを主成分とし、Ti、Zr、Hf、V、N
    b、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、
    Nd及びHoからなる群から選ばれた少なくとも1種の
    金属元素を0.1〜3.0重量%含有する窒化アルミニ
    ウム焼結体製造用窒化アルミニウム粉末。
  2. (2)酸素含有量が0.5〜2.5重量%、比表面積が
    2.0〜5.0m^2/gである請求項(1)記載の窒
    化アルミニウム焼結体製造用窒化アルミニウム粉末。
  3. (3)Al_2O_3粉末と炭素粉末とを重量比で10
    .2〜1:2の割合で混合し、Ti、Zr、Hf、V、
    Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni
    、Nd及びHoからなる群から選ばれた1種以上の金属
    元素を酸化物換算で0.1〜6.0重量%共存させなが
    ら、窒素含有非酸化性雰囲気中において1400〜19
    00℃で焼成することを特徴とする窒化アルミニウム粉
    末の製造方法。
  4. (4)AlNを主成分とし、Ti、Zr、Hf、V、N
    b、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、
    Nd及びHoからなる群から選ばれた1種以上の金属元
    素及び/又はその化合物を0.01〜5.0重量%含有
    し、着色を呈し、かつ熱伝導率が130w/mk以上で
    あることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
  5. (5)窒化アルミニウムを主成分とし、Ti、Zr、H
    f、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、C
    o、Ni、Nd及びHoから選ばれた1種以上の金属元
    素を0.01〜5.0重量%、IIa、IIIa族元素を0
    .01〜5.0重量%含有し、黒色を呈し、かつ熱伝導
    率が130w/mk以上、曲げ強度が30kg/mm^
    2以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体
  6. (6)窒化アルミニウムを主成分とし、Ti、Zr、H
    f、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、C
    o、Ni、Nb、Hoから選ばれた1種以上の金属元素
    を0.1〜3.0重量%含む窒化アルミニウム粉末に、
    IIa、IIIa族元素を元素換算で0.01〜5.0重量
    %となる化合物を添加し、さらに炭素又は加熱により炭
    素を残留する化合物を炭素量で0.01〜1.0重量%
    になるように添加した粉末を成形したのち、非酸化性の
    窒素含有雰囲気で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法。
  7. (7)窒化アルミニウムを主成分とし、熱伝導率が13
    0w/mk以上で着色を呈した窒化アルミニウム焼結体
    上に、導電性ペーストにより回路を形成したことを特徴
    とする窒化アルミニウム回路基板。
  8. (8)窒化アルミニウムを主成分とし、熱伝導率が13
    0w/mk以上で着色を呈した窒化アルミニウム焼結体
    基板と半導体素子とリードフレームからなる高熱伝導性
    セラミック・パッケージ。
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