JPH0840773A

JPH0840773A - 窒化アルミニウムセラミックスおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0840773A
Application number: JP6182145A
Authority: JP
Inventors: Kohei Shimoda; 浩平下田; Kazuya Kamitake; 和弥上武; Hirohiko Nakada; 博彦仲田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-08-03
Filing date: 1994-08-03
Publication date: 1996-02-13

Abstract

(57)【要約】【目的】熱伝導率が高く、高い強度を有する窒化アル
ミニウムセラミックスを提供する。【構成】酸素含有量が１．３重量％以下である窒化ア
ルミニウム粉末１００重量部、炭素０．１〜２０重量
部、酸化アルミニウム０．３〜５０重量部、および酸化
イットリウム０．０１〜１５重量部、ならびに必要に応
じてバインダー、分散剤等を混合し、成形する。この混
合物において、炭素は、窒化アルミニウム粉末に含まれ
る酸素との反応に必要な化学当量よりも過剰な量添加さ
れる。酸化アルミニウムは、過剰な炭素と反応させるた
めに添加される。得られた成形体を焼成して、２５℃で
の熱伝導率が１８０（Ｗ／ｍ・ｋ）以上の窒化アルミニ
ウムセラミックスを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＣ基板およびパッケ
ージ材料をはじめとする電子装置材料等に使用されるセ
ラミックスに関し、特に高い熱伝導率を有し、放熱性に
優れた窒化アルミニウムセラミックスおよびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】窒化
アルミニウムの熱伝導率は、約３２０（Ｗ／ｍ・Ｋ）で
あり、これは金属アルミニウムの１．５倍にも相当す
る。このような高い熱伝導率に加えて、高い絶縁性、機
械的強度および金属導体と容易に接合できるといった優
れた特性のため、窒化アルミニウムセラミックス（Ａｌ
Ｎセラミックス）は、ＩＣ基板およびパッケージ材料と
して注目を集めている。

【０００３】しかしながら、実際には、窒化アルミニウ
ムの粉末を焼結して、高い熱伝導率を有するセラミック
スを得ることは容易ではない。ＡｌＮセラミックスの熱
伝導率を向上させるため、これまでに種々の手法が開発
されてきた。これらの方法は大きく２つに分けることが
できる。第１は、セラミックスをより緻密にする方法で
ある。この方法では、共有結合性が高く難焼結材料であ
るＡｌＮを緻密に焼結させることで熱伝導率の向上を図
ろうとする。具体的な手法として、まず、緻密化のため
Ｙ₂ Ｏ₃ 等の焼結助剤を添加する方法が報告されている
（たとえば、篠崎ら、昭和６０年窯協年会予稿集（１９
８５）ｐ．５１７−５１８）。また、炭素等の焼結阻害
物質を除去することが有効であることが報告されている
（たとえば、Ｋｕｒｏｋａｗａら、Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａ
ｍ．Ｓｏｃ．，７１［７］ｐ．５８８−９４）。第２
は、酸化物を除去することである。ＡｌＮが酸化される
と空孔が形成され、これがＡｌＮの熱伝導を担うフォノ
ン伝達を阻害することにより、ＡｌＮセラミックスの熱
伝導率が低下するものと考えられている。そこで、第２
の方法は、ＡｌＮ中の酸化物と結合する物質を添加し
て、ＡｌＮ中の酸化物を除去することで熱伝導率の向上
を図ろうとする。具体的な手法として、たとえば、Ｙ₂
Ｏ₃ 等の焼結助剤添加によって酸化物をトラップするこ
とが開示されている（たとえば、特公昭６０−１２７２
６７号公報）。また、炭素を添加して酸化物と反応させ
除去する方法が開示される（たとえば、Ｈｕｓｅｂｙ
ら、ＵＳＰ４，５７８，３６４および対応する特開昭６
１−１４６７６９号公報）。この方法において得られる
窒化アルミニウムセラミックスは、たとえば２５℃で１
４１〜１６４（Ｗ／ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。

【０００４】炭素は酸化物除去の点で熱伝導率の向上に
寄与する一方、未反応のまま残留した炭素はＡｌＮの緻
密化を阻害する。このため、特開昭６１−１４６７６９
号公報は、焼結すべきＡｌＮ粉末に含まれる酸素（酸化
物）と反応するのに必要な量だけ炭素を添加することを
開示し、それより過剰な炭素を添加すると焼結が困難と
なり好ましくない旨示唆している。

【０００５】一方、ＡｌＮ粉末中にＦｅ、Ｓｉ、Ｍｇ等
の金属不純物が多く含まれる場合、これらの不純物もま
たフォノン伝達を阻害する。そこで、ＡｌＮ粉末の純度
を上げることにより、ＡｌＮセラミックスの熱伝導率を
向上させる方法も試みられてきた。

【０００６】しかしながら、以上述べてきた方法よりも
さらに熱伝導率を向上させる方法が望まれている。

【０００７】また、高い熱伝導率だけでなく、より高い
強度を有する窒化アルミニウムセラミックスが望まれて
いる。

【０００８】本発明の１つの目的は、高い熱伝導率を有
する窒化アルミニウムセラミックスを高い再現性で提供
することにある。

【０００９】本発明のさらなる目的は、高い熱伝導率だ
けでなく、高い強度も兼ね備える窒化アルミニウムセラ
ミックスを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に従う方法は、窒
化アルミニウム粉末の焼結により窒化アルミニウムセラ
ミックスを製造する方法であって、窒化アルミニウム粉
末を準備し、その酸素含有量（以下ｘ重量％とする）を
決定する工程と、少なくとも以下の（ａ）〜（ｄ）の材
料をそれぞれ準備し、かつ混合する工程と、（ａ）酸
素含有量が前記ｘ重量％（ただしｘ≦１．３）である前
記窒化アルミニウム粉末１００重量部、（ｂ）炭素お
よび前記焼結のための温度よりも低い温度での加熱によ
り炭素を遊離させることができる化合物からなる群から
選択される少なくとも１種の物質からなる炭素源で、
０．１〜２０重量部の範囲内において０．７５ｘ重量部
を超える所定量の炭素を混合物中にもたらす量、（ｃ）
酸化アルミニウムおよび前記焼結のための温度または
それよりも低い温度での加熱により酸化アルミニウムに
転化させることができる化合物からなる群から選択され
る少なくとも１種の物質からなる酸化アルミニウム源
で、０．３〜５０重量部の範囲内のＡｌ₂ Ｏ₃ を混合物
中にもたらす量、および（ｄ）周期律表の２Ａおよび
３Ａ族元素の酸化物およびフッ化物、ならびに前記焼結
のための温度またはそれよりも低い温度での加熱により
２Ａおよび３Ａ族元素の酸化物に転化させることができ
る化合物からなる群から選択される物質からなる焼結助
剤で、前記２Ａおよび３Ａ族元素を０．０１〜１５重量
部の範囲で含む量、得られた混合物を成形する工程と、
得られた成形体を、窒素、アンモニアおよびそれらの組
合せからなる群から選択される気体を含む非酸化性雰囲
気下において焼成し、２５℃での熱伝導率が１８０（Ｗ
／ｍ・Ｋ）以上のセラミックスを得る工程とを備える。

【００１１】また、本発明に従って、上記方法によって
製造された新規な窒化アルミニウムセラミックスを提供
することができ、このセラミックスは以下の（ｉ）〜
（ｖｉ）の性質を備える。

【００１２】（ｉ）２５℃において１８０（Ｗ／ｍ・
Ｋ）以上の熱伝導率を有する。（ｉｉ）固溶酸素量が０．５重量％以下である。

【００１３】（ｉｉｉ）気孔の最大径が２０μｍ以下
である。（ｉｖ）３５ｋｇ／ｍｍ² 以上の抗折強度を有する。

【００１４】（ｖ）７．０以上のワイブル係数を示
す。（ｖｉ）周期律表の２Ａおよび３Ａ族元素の含有量が
０．０１〜１５重量％である。

【００１５】本発明で用いる窒化アルミニウム粉末は、
いかなる製法によって調製されたものでもよいが、直接
窒化法または還元窒化法により製造されたものを用いる
ことが好ましい。窒化アルミニウム粉末の粒度は、成形
性、焼結性を阻害しない範囲のものを用いることがで
き、特にＢＥＴ表面積測定に従う比表面積が１．０〜２
０ｍ² ／ｇのものを好ましく用いることができる。この
粉末は、純度の高いものが好ましい。たとえば、Ｓｉ含
有量が２００ｐｐｍ以下のＡｌＮ粉末が好ましい。一
方、粉末中にＡｌＮセラミックスの着色等を目的とし
て、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素化合物を含ん
でいてもよい。その場合、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩ
ａ族元素の単体に換算して、１５重量％を越えないよう
添加物を混合することが好ましい。ここで、ＩＶａ族元
素とは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆであり、Ｖａ族元素とは、
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａであり、ＶＩａ族元素とはＣｒ、Ｍｏ、
Ｗである。

【００１６】窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量は、
たとえば、赤外吸収法によって測定することができる。
窒化アルミニウム粉末中の酸素含有量は、１．３重量％
以下、好ましくは０．５重量％以下に制限される。１．
３重量％より酸素が多い場合、用いられる粉末は、酸窒
化物を多く含有しており、これを除去することが困難に
なる。

【００１７】窒化アルミニウム粉末１００重量部中の酸
素含有量がｘ重量％であるとき、炭素源は、０．１〜２
０重量部の範囲内において、０．７５ｘ重量部を超える
過剰な炭素をもたらす量、添加される。０．７５ｘ重量
部は、ｘ重量％の酸素と反応するために必要な炭素の化
学当量である。本発明は、この化学当量よりも過剰な炭
素を添加することを特徴とする。炭素源は、たとえば、
２倍過剰〜５００倍過剰、すなわち１．５ｘ〜３７５ｘ
重量部、好ましくは４倍過剰〜４００倍過剰すなわち３
ｘ〜３００ｘ重量部の炭素をもたらす量、添加される。

【００１８】炭素源としては、まず、炭素（Ｃ）からな
る材料を好ましく用いることができる。この場合、炭素
源に占める炭素原子の重量割合はほぼ１である。このよ
うな炭素源として、たとえば、カーボンブラック、コー
クス、グラファイト、ダイヤモンドおよびそれらの組合
せからなる群から選択される少なくとも１つの材料の粉
末を好ましく用いることができる。均一な分散のため、
炭素源において、粒度、比表面積、ｐＨおよび揮発性成
分含量は、ある特定の範囲内に収まっていることが望ま
しい。特に粒度については、ＢＥＴ比表面積値が、２０
０ｍ² ／ｇ以上のものを用いることが好ましい。ＢＥＴ
比表面積値が２００ｍ² ／ｇ以上のカーボンブラック微
粉末はより好ましい材料である。

【００１９】一方、炭素源として、焼結のための温度よ
りも低い温度での加熱により分解し、炭素原子を遊離さ
せることができる化合物からなる材料を用いることがで
きる。たとえば、１５０℃〜１０００℃の温度で、あま
り揮発することなく分解し、炭素を生成させる材料を好
ましく用いることができる。また、炭素を生成させるた
め、これらの化合物の加熱は、非酸化性雰囲気下、たと
えば窒素またはアンモニアを含む非酸化性雰囲気下にお
いて行なわれる。このような加熱は、セラミックス形成
のための焼成工程に際して行なうことができる。このよ
うな炭素源として、ステアリン酸等の脂肪酸、フタル酸
ジブチル、フタル酸ジオクチル等の芳香族化合物、スチ
レン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂およびウレタ
ン樹脂等の有機高分子または有機樹脂、グルコース、フ
ルクトース、スクロースおよび澱粉等の炭水化物をはじ
めとする有機化合物を用いることができる。より具体的
には、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、
ポリビニルブチラール、ポリエチレンテレフタレート、
フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、グルコース、
フルクトース、スクロースおよびそれらの組合せからな
る群から選択される少なくとも１つの化合物を好ましく
用いることができる。このような炭素源を用いる場合
も、未焼結体中に均一に炭素を分散できる材料を選択す
ることが好ましい。したがって、溶液または液体の形態
で添加できる材料は好ましい。このような材料を選択す
れば、酸窒化物と炭素との反応が均一に進み、得られる
セラミックスの組成および色調等にむらを少なくするこ
とができる。

【００２０】本発明では、遊離炭素量に換算して０．１
〜２０重量部の炭素源が添加される。添加量が０．１重
量部より少ない場合、酸窒化物の除去効果は小さく、高
い熱伝導率を高い再現性で得ることは困難となる。逆
に、添加量が２０重量部より多い場合、過剰の炭素を酸
化アルミニウムの添加によって除去しきれず、残留した
炭素がＡｌＮの焼結を阻害するようになる。この場合、
緻密なセラミックスを得ることが困難となる。

【００２１】本発明では、酸窒化物を除去するため添加
した過剰の炭素を焼結時に反応させるため０．３〜５０
重量部の酸化アルミニウム源を添加する。炭素源から混
合物にもたらす炭素の量をｙ重量部としたとき、酸化ア
ルミニウム源は、たとえば、Ａｌ₂ Ｏ₃ を０．３〜５０
重量部の範囲内において１．９×（ｙ−０．７５ｘ）〜
８．０×（ｙ−０．７５ｘ）重量部もたらす量、好まし
く添加することができる。たとえば、ｘ＝０．４、ｙ＝
１．３の場合、酸化アルミニウム源は、Ａｌ₂Ｏ₃ を
１．９〜８．０重量部もたらす量、好ましく添加するこ
とができる。酸化アルミニウム源としては、酸化アルミ
ニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）が好ましく用いられる。用いる酸
化アルミニウムは、α型、γ型等の形態を問わない。一
方、酸化アルミニウム源として、焼結のための温度、た
とえば１７５０℃〜２０５０℃、またはそれよりも低い
温度たとえば７００℃〜１７５０℃で酸化アルミニウム
に転化させることができる化合物を用いることができ
る。このような化合物として、水酸化アルミニウム、硝
酸アルミニウム、硫酸アルミニウムおよびリン酸アルミ
ニウム等のアルミニウム無機塩、ならびにステアリン酸
アルミニウム等のアルミニウム有機酸塩、ならびにアル
ミニウムイソプロポキシド等のアルコキシド化合物を挙
げることができる。特に、水酸化アルミニウム、硝酸ア
ルミニウム、硫酸アルミニウム、リン酸アルミニウム、
ステアリン酸アルミニウムおよびそれらの組合せからな
る群から選択される化合物を好ましく用いることができ
る。

【００２２】酸化アルミニウム源としてＡｌ₂ Ｏ₃ 以外
の化合物を用いる場合、その化合物から化学量論的にど
れだけのＡｌ₂ Ｏ₃ がもたらされるか考慮して添加量が
決められる。たとえば添加量を決定するとき、酸化アル
ミニウム源のＡｌがすべてＡｌ₂ Ｏ₃ に変換されるもの
として、その添加量を決定することができる。この場
合、酸化アルミニウム源からもたらされるＡｌ₂ Ｏ₃ の
量は、酸化アルミニウム源の重量×酸化アルミニウム源
におけるアルミニウムの重量割合×１．８８９で求めら
れる。値１．８８９は、Ａｌ₂ Ｏ₃ の分子量／（Ａｌ₂
Ｏ₃ １モルに含まれるＡｌの重量）＝１０１．９６／５
３．９６３である。

【００２３】酸化アルミニウムの添加量は、上述したと
おり、酸化アルミニウムに換算して０．３〜５０重量部
に限定される。その添加量が０．３重量部より少ない場
合、残留する炭素を十分に除去することが難しくなり、
緻密なセラミックスを得ることが困難になる。一方、添
加量が５０重量部より多い場合、焼成過程において、酸
化アルミニウムとＡｌＮとの反応による酸窒化物の生成
が顕著になり、熱伝導率の向上を阻害する。また、酸化
アルミニウムの添加量は、（ｙ−０．７５ｘ）で求めら
れる遊離炭素量の１．９倍〜８．０倍の範囲で設定する
ことが好ましく、より好ましくは１．９９〜３倍であ
る。また酸化アルミニウム源の効果を十分に生じさせる
ため、酸化アルミニウムの凝集を抑制することが好まし
い。したがって、使用する酸化アルミニウム源の粒子径
は５０μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下がより好まし
く、５μｍ以下がさらに好ましい。また、酸化アルミニ
ウム源を溶液の形態で添加することができる。未焼結体
中に均一に分散できる材料および混合分散方法を選択す
ることが重要である。

【００２４】本発明において、周期律表の２Ａおよび３
Ａ族元素の酸化物およびフッ化物、ならびに焼結のため
の温度またはそれよりも低い温度で加熱により２Ａおよ
び３Ａ族元素の酸化物に転化させることができる化合物
からなる群から選択される焼結助剤がさらに添加され
る。周期律表の２Ａおよび３Ａ族元素として、たとえば
イットリウム（Ｙ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチ
ウム（Ｓｒ）、スカンジウム（Ｓｃ）またはランタノイ
ド系元素が選択される。したがって、焼結助剤は、酸化
イットリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、
酸化スカンジウムおよびランタノイド系元素の酸化物か
らなる群から選択することができる。ランタノイド系元
素の酸化物には、たとえば、酸化プラセオジム、酸化ネ
オジム、酸化サマリウム、酸化ユーロピウム、酸化ガド
リニウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化
エルビウム、酸化ツリウム、および酸化イッテルビウム
等がある。一方、２Ａおよび３Ａ族元素のフッ化物とし
て、たとえば、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウ
ム、フッ化バリウム、フッ化イットリウム等を用いるこ
とができる。また、２Ａおよび３Ａ族元素の酸化物に加
熱により転化させることができる化合物として、これら
の元素の水酸化物等を用いることができる。これらの焼
結助剤は、２Ａおよび３Ａ族元素に換算して０．０１〜
１５重量部、すなわち｛（０．０１〜１５）／（焼結助
剤中に占める２Ａおよび３Ａ族元素の重量割合）｝重量
部添加される。好ましい添加量は、２Ａおよび３Ａ族元
素に換算して、０．１〜１５重量部である。添加量が
０．０１重量部より少ない場合、十分に緻密なセラミッ
クスを得ることができなくなる。一方、添加量が１５重
量％を越える場合、得られるＡｌＮセラミックスの熱伝
導率が低下してくる。

【００２５】本発明のプロセスにおいて、（ａ）〜
（ｄ）の材料を混合するため、Ｖ型混合機やボウルミル
混合機を用いた乾式混合法、ならびにボウルミル混合機
を用いた湿式混合法等、公知の方法を用いることができ
る。混合方法および混合条件は特に限定されるものでは
ない。混合に際し、必要に応じて、有機バインダー、可
塑剤、分散剤、消泡剤またはそれらの組合せ等の他の添
加物を添加することができる。有機バインダーとして
は、パラフィン等が用いられる。分散剤としては、たと
えば、エチルアルコール等が用いられる。

【００２６】（ａ）〜（ｄ）の材料および必要に応じて
他の添加物を含む混合物は成形される。成形工程では、
ドライプレス成形法、ドクターブレードシート成形法、
押出し成形法、スリップキャスティング成形法、射出成
形法等の公知の成形法が用いられる。成形法は特に限定
されるものではない。また、それらの成形法に適したバ
インダーシステムを任意に選択することができる。

【００２７】成形体は、焼結体を形成するため加熱処理
される。熱処理において、まず、炭素源から炭素を遊離
させるため、１５０〜１０００℃で成形体を加熱しても
よい。炭素を遊離させるための加熱は、酸素分圧が１体
積％以下の非酸化性雰囲気下で行なわれることが望まし
い。非酸化性雰囲気として、窒素およびアンモニアから
なる群から選択される少なくとも１種のガスを含む非酸
化性雰囲気の他、真空、アルゴン等の不活性ガス雰囲
気、不活性ガスに水素が添加された雰囲気等を用いるこ
とができる。焼結は、炭素を十分遊離させた後行われる
か、炭素を遊離させながら行なわれる。焼結は、窒素お
よびアンモニアからなる群から選択される少なくとも１
つのガスを含む非酸化性雰囲気下で行なうことが望まし
い。このときの窒素、アンモニア、またはそれらの混合
物の分圧は、５容量％以上であることが好ましい。添加
ガスの分圧が５容量％より多ければ、酸窒化物の還元除
去反応について、より効果的な速度が得られる。焼成温
度は、望ましくは１３００℃以上である。１３００℃よ
り低い温度の場合、酸窒化物の還元除去反応が遅くな
る。また、焼成に際し、酸窒化物をより効率的に除去す
るため、成形体の温度が１３００℃から、焼結助剤と酸
化アルミニウムとの複合酸化物が反応により生成する温
度、たとえば焼結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ を用いる場合１７
３５℃に達するまで、１時間以上かけることが好まし
い。したがって、焼結のための加熱ステップは、たとえ
ば、１３００℃〜１７００℃で１時間以上成形体を保持
する第１の加熱ステップと、その後１７００℃〜２０５
０℃、好ましくは１７５０℃〜２０００℃で成形体を保
持する第２の加熱ステップとを含むことができる。焼成
を、特に１３００℃以上の温度で行なう場合、非酸化性
雰囲気の露点は、−３０℃以下であることが好ましい。

【００２８】以上に述べてきた方法により得られた窒化
アルミニウムセラミックスは、従来の方法により得られ
たものと比較して、酸窒化物が少なく、気孔径が小さ
く、熱伝導率が高く、かつ高い強度を有する。本発明の
セラミックスは、２５℃で１８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の
高い熱伝導率を有する。さらに、本発明に従って、最大
孔径が２０μｍ以下であるより緻密なセラミックスを提
供できる。このような緻密なセラミックスは、ＪＩＳ
Ｒ１６０７に従って３５ｋｇ／ｍｍ² 以上、好ましくは
４０ｋｇ／ｍｍ² 以上の抗折強度を有することができ
る。ＪＩＳＲ１６０７は、三点支持法を用いた抗折試
験による曲げ強さ（抗折強度）の測定について規定す
る。また、本発明のセラミックスにおいて、ＡｌＮ焼結
粒中の固溶酸素量は０．５重量％以下である。このセラ
ミックスにおいて、強度に対する信頼性を示すワイブル
係数についても高い値を得ることができ、たとえば、
７．０以上、好ましくは８．０以上の値を有するセラミ
ックスを提供することができる。

【００２９】

【作用】本発明者らは、ＡｌＮセラミックスの熱伝導率
が低下する要因についての解析を行ない、その対策につ
いて鋭意検討を重ねた。そして、上述した方法により、
熱伝導率が１８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上のＡｌＮセラミッ
クスを工業的に安定して作製できることを見出した。

【００３０】図１に模式的に示すように、原料として用
いるＡｌＮ粉末、特に還元窒化法により調製されたＡｌ
Ｎ粉末は、その粒子表面とともに粒子の内部において酸
素含量が高くなっている。このような酸素濃度の分布を
有するＡｌＮ粉末に対し、ＨｕｓｅｂｙらのＵＳＰ４，
７５８，３６４に示されるように、ＡｌＮ粉末に含まれ
る酸素との反応に必要な化学当量分の炭素を添加した場
合、内部に残存する酸素まで十分効果的に還元すること
は困難であることがわかった。同公報において作製され
たセラミックスの熱伝導率は、最大で１６４Ｗ／ｍ・Ｋ
程度にとどまっており、これは、未反応の酸化物が残存
しているためであると考えられた。

【００３１】また、本発明者らは、ＡｌＮセラミックス
の熱伝導率を向上させるために、従来より公知であった
セラミックスの緻密化と酸化物の除去の他に、ＡｌＮセ
ラミックス中に存在する酸窒化物の除去が非常に重要で
あることを明らかにした。α−Ａｌ₂ Ｏ₃ に代表される
ＡｌＮ中の酸化物は、Ｙ₂ Ｏ₃ 等の焼結助剤の添加によ
る酸化物トラップや炭素添加物による酸化物との反応に
よって除去される。しかしながら、酸窒化物はこれらの
方法によっては除去することが困難であった。従来の方
法では、焼結後もＡｌＮセラミックス中に酸窒化物が残
留し、これがフォノン伝達を阻害することによりセラミ
ックスの熱伝導率を低下させる要因となっていること、
さらには酸窒化物がセラミックスの緻密化を阻害するた
め、これが結果的に熱伝導率の低下を招くことが判明し
た。

【００３２】以上に示す内部の酸素および酸窒化物の問
題に対し、驚くべきことに、過剰の炭素を添加すると、
内部の酸素を効果的に還元することができ、酸窒化物を
反応により除去することが可能となった。同時に、酸化
アルミニウム源を添加することにより、酸窒化物と反応
せずに残存する炭素を除去することができるため、炭素
添加による焼結阻害の悪影響を生じさせることなく、緻
密で熱伝導率の高いセラミックスが得られることが見出
された。以上のことが可能となったのは、炭素と酸化ア
ルミニウムとが反応する温度よりも炭素と酸窒化物とが
反応する温度が低いためではないかと推察された。そし
て、過剰の炭素源および酸化アルミニウムを添加した混
合物を用いることにより、より高い熱伝導率および強度
を有するセラミックスが得られるようになった。以下に
本発明についてより具体的に説明する。

【００３３】

【実施例】

実施例１還元窒化法により製造された平均粒径０．６５μｍ、酸
素含有率０．８重量％のＡｌＮ粉末１００重量部、ＢＥ
Ｔ値が５００ｍ² ／ｇのカーボンブラック１０重量部、
平均粒径１．２μｍのα型酸化アルミニウム２８重量
部、平均粒径０．８μｍの酸化イットリウム５重量部、
およびバインダーとしてのパラフィン７重量部を、エチ
ルアルコール中でボールミル混合した。得られたスラリ
ーをスプレードライ乾燥し、プレス成形した。プレス成
形体を窒素雰囲気中７００℃で３時間保持することによ
りパラフィンを揮発除去させた。

【００３４】焼結体を、窒素雰囲気中で、炉内において
加熱し、その温度を１３００℃から１７３５℃まで上昇
させるため３時間４５分かけた。引続き炉内の温度を１
８００℃に上昇させ、成形体を１８００℃で３時間焼成
した。このような焼成において、雰囲気中の一酸化炭素
濃度は１５０ｐｐｍ、露点は−５５℃であった。焼成の
結果、色調が均一な乳白色である窒化アルミニウムセラ
ミックスが得られた。このような焼成工程において生じ
る液相の組成は、主にＹＡＧ（３Ｙ₂ Ｏ₃ ・５ＡｌＮ₂
Ｏ₃ ）であり、その液相の生成温度は１７３５℃であっ
た。

【００３５】得られたＡｌＮセラミックスの固溶酸素量
を以下のようにして求めた。まずセラミックスの全酸素
量と周期律表ＩＩａ、ＩＩＩａ族元素含有量をそれぞれ
赤外線吸収法、ＩＣＰ分析法（誘導結合型プラズマ発光
分光分析法）で求めた。次に、Ｘ線回折パターンにより
同定した粒界組成物に含まれる酸素量を算出し、この値
を全酸素量より差し引いて固溶酸素量を求めた。また、
セラミックスの熱伝導率は、レーザフラッシュ法により
熱容量と熱拡散率を求め、アルキメデス法により密度を
求め、これら三者の積を求めることにより算出した。そ
の結果、固溶酸素量は０．１８重量％であり、熱伝導率
は２０７（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。

【００３６】同様の方法にて作製したセラミックス５０
枚の熱伝導率は、平均値で２０９．３（Ｗ／ｍ・Ｋ）で
あり、最大値は２２５（Ｗ／ｍ・Ｋ）、最小値は１９５
（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、最大値と最小値の差異は２０
（Ｗ／ｍ・Ｋ）であった。

【００３７】一方、得られたセラミックスを１インチ×
１インチ×３ｍｍに切出し、表面を表面粗さ（Ｒａ）に
ついて０．０５μｍになるまで鏡面研磨した後、光学顕
微鏡で４００倍の倍率にて研磨面の気孔を観察した。そ
の結果、気孔の最大径は８μｍであった。また、ＪＩＳ
Ｒ１６０７に基づく三点曲げ試験により抗折強度を求
めた。５０枚のサンプルについて抗折強度を測定した結
果、４５ｋｇ／ｍｍ²の平均値が得られた。そのワイブ
ル係数は９．７と高いものであった。

【００３８】比較例１実施例１にて使用したＡｌＮ粉末１００重量部、酸化イ
ットリウム粉末５重量部、およびバインダーとしてのパ
ラフィン７重量部をエチルアルコール中でボールミル混
合した。次いで実施例１と同様の方法によりセラミック
スを作製した。

【００３９】得られたセラミックス５０枚の熱伝導率
は、平均値２１５．７（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、最大値は
２３７（Ｗ／ｍ・Ｋ）、最小値は１８３（Ｗ／ｍ・Ｋ）
であり、最小値と最大値の差異は５４（Ｗ／ｍ・Ｋ）で
あった。さらに、実施例１に記載した方法により気孔
径、抗折強度、およびワイブル係数を求めた。その結
果、最大気孔径は２５μｍ、５０枚のサンプルについて
の抗折強度の平均値は３３ｋｇ／ｍｍ² 、そのワイブル
係数は５．６であった。このように、本比較例で作製さ
れたセラミックスは、実施例１より強度の低いものであ
った。

【００４０】実施例２実施例１に記載する方法に従って酸化イットリウム、炭
素、酸化アルミニウムの添加量をそれぞれ変えてセラミ
ックスを作製し評価した。その結果を表１に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】実施例３実施例１と同様の方法において、焼結助剤を種々変えて
セラミックスを作製し評価した。その結果を表２に示
す。

【００４３】

【表２】

【００４４】実施例４直接窒化法により製造された平均粒径０．６５μｍ、酸
素含有率１．０重量％の窒化アルミニウム粉末１００重
量部、平均粒径０．５μｍのα型酸化アルミニウム１０
重量部、平均粒径０．７μｍの酸化イットリウム３重量
部、バインダーとしてのパラフィン７重量部、および炭
素源としてのグルコース５０重量部を、実施例１と同様
の方法により混合し、プレス成形を行なった。得られた
プレス成形体を窒素雰囲気中７００℃で３時間保持する
ことにより、炭素を遊離させると同時にパラフィンを揮
発除去させた。遊離炭素量を求めるためＬＥＣＯ法によ
り分析を行なった結果、４．５重量％の値が得られ、重
量部に換算して５．３重量部であった。

【００４５】成形体を窒素雰囲気中で１８００℃にて３
時間焼成し、ＡｌＮセラミックスを得た。実施例１で記
載した方法により、得られたセラミックスの固溶酸素量
および熱伝導率を求めた。その結果、固溶酸素量は０．
３５重量％であり、熱伝導率は１８５（Ｗ／ｍ・Ｋ）で
あった。さらに実施例１と同様の方法により、得られた
セラミックスの気孔最大径、抗折強度、ワイブル係数を
求めた結果、気孔の最大径は１１μｍ、５０枚のサンプ
ルについての抗折強度の平均値は５２ｋｇ／ｍｍ² 、ワ
イブル係数は８．８であった。

【００４６】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明により
熱伝導率が１８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の窒化アルミニウ
ムセラミックスを工業的に安定して作製することが可能
となった。また、本発明により、より緻密で高い強度を
有するセラミックスを得ることが可能となった。このよ
うに優れた特性を有する本発明のセラミックスは、高い
信頼性を有する基板やパッケージ材料として適用され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＡｌＮ粉末粒子における酸素濃度の分布を示す
模式図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム粉末の焼結により窒化
アルミニウムセラミックスを製造する方法であって、窒化アルミニウム粉末を準備し、その酸素含有量（以下
ｘ重量％とする）を決定する工程と、少なくとも以下の（ａ）〜（ｄ）の材料をそれぞれ準備
し、かつ混合する工程と、（ａ）酸素含有量が前記ｘ重量％（ただしｘ≦１．
３）である前記窒化アルミニウム粉末１００重量部、（ｂ）炭素および前記焼結のための温度よりも低い温
度での加熱により炭素を遊離させることができる化合物
からなる群から選択される少なくとも１種の物質からな
る炭素源で、０．１〜２０重量部の範囲内において０．
７５ｘ重量部を超える所定量の炭素を混合物中にもたら
す量、（ｃ）酸化アルミニウムおよび前記焼結のための温度
またはそれよりも低い温度での加熱により酸化アルミニ
ウムに転化させることができる化合物からなる群から選
択される少なくとも１種の物質からなる酸化アルミニウ
ム源で、０．３〜５０重量部の範囲内のＡｌ₂ Ｏ₃ を混
合物にもたらす量、および（ｄ）周期律表の２Ａおよび３Ａ族元素の酸化物およ
びフッ化物、ならびに前記焼結のための温度またはそれ
よりも低い温度での加熱により２Ａおよび３Ａ族元素の
酸化物に転化させることができる化合物からなる群から
選択される物質からなる焼結助剤で、前記２Ａおよび３
Ａ族元素を０．０１〜１５重量部の範囲で含む量、得られた混合物を成形する工程と、得られた成形体を、窒素、アンモニアおよびそれらの組
合せからなる群から選択される気体を含む非酸化性雰囲
気下において焼成し、２５℃での熱伝導率が１８０（Ｗ
／ｍ・Ｋ）以上のセラミックスを得る工程とを備える、
窒化アルミニウムセラミックスの製造方法。
【請求項２】前記焼結のための温度は、１３００℃以
上であり、前記成形体の温度を１３００℃の温度から、
前記焼結助剤と前記酸化アルミニウムとの反応により液
相が生じる温度まで、上昇させるため、１時間以上の時
間がかけられることを特徴とする、請求項１に記載の製
造方法。
【請求項３】前記炭素源が、カーボンブラック粉末、
グラファイト粉末、コークス粉末、ダイヤモンド粉末、
脂肪酸、芳香族化合物、有機樹脂および炭水化物からな
る群から選択され、前記酸化アルミニウム源が、酸化ア
ルミニウム、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、
硫酸アルミニウム、リン酸アルミニウムおよびステアリ
ン酸アルミニウムからなる群から選択され、かつ前記焼
結助剤が、酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化ス
トロンチウム、酸化スカンジウム、およびランタノイド
系元素の酸化物からなる群から選択されることを特徴と
する、請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】前記混合工程において、有機バインダ
ー、可塑剤、分散剤および消泡剤からなる群から選択さ
れる少なくとも１つの材料が添加される、請求項１〜３
のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項５】前記焼成工程が、１５０℃〜１０００℃
の範囲の温度で前記成形体を非酸化性雰囲気下で加熱
し、前記炭素源から炭素を遊離させる工程を含むことを
特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造
方法。
【請求項６】請求項１の方法により製造された以下の
（ｉ）〜（ｖｉ）の性質を備える窒化アルミニウムセラ
ミックス。（ｉ）２５℃において１８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の熱
伝導率を有する。（ｉｉ）固溶酸素量が０．５重量％以下である。（ｉｉｉ）気孔の最大径が２０μｍ以下である。（ｉｖ）３５ｋｇ／ｍｍ² 以上の抗折強度を有する。（ｖ）７．０以上のワイブル係数を示す。（ｖｉ）周期律表の２Ａおよび３Ａ族元素の含有量が
０．０１〜１５重量％である。