JPS61270263A - 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法 - Google Patents

高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法

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JPS61270263A
JPS61270263A JP60112330A JP11233085A JPS61270263A JP S61270263 A JPS61270263 A JP S61270263A JP 60112330 A JP60112330 A JP 60112330A JP 11233085 A JP11233085 A JP 11233085A JP S61270263 A JPS61270263 A JP S61270263A
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sintered body
aluminum nitride
nitride sintered
boron
conductive aluminum
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奥野 晃康
正一 渡辺
生駒 和彦
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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] 本発明は、絶縁基板、ヒートシンク等に使用される高熱
伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法に関するもので
あり、特に、メタライズの容易な高熱伝導性窒化アルミ
ニウム焼結体の製造法に関する。
[従来の技術] 近年、電子機器の小形化や機能向上に対する要求は極め
て大きくなっており、それに伴って半導体は集積密度の
向上、多機能化、高速化、高出力化、高信頼化の方向に
急速に進展している。これらに対応して半導体から発生
する熱量はますます増加しており、従来のへ立203基
板にかわる放熱能力の大きい基板が要求されるようにな
っている。
この放熱能力の大きい基板材料、即ち熱伝導性の高い材
料としては、ダイヤモンド、立方晶BN(窒化硼素)、
5iC(炭化硅素)、Boo(ベリリア)、A立N(窒
化アルミニウム)、St等をあげることができる。しか
し、ダイヤモンド、立方晶8Nは基板として利用できる
大きさを製造することが困難であり、又、非常に高価で
ある。
SiCは半導体であるために電気絶縁性、誘電率等の電
気特性がAAzOaより劣り、A立20g基板のかわり
として使用できない。BeOは電気特性が非常に優れて
いるが、成形時、研削加工時等に発生する粉末が毒性を
もつために国内で生産されず、海外から求める必要があ
るために供給が不安定となる恐れがある。Siは電気特
性が悪く、又、機械的強度も小さいので、基板材料とし
て使用は限られる。AINは高絶縁性、高絶縁耐圧、低
誘電率などの優れた電気特性に加えて、常圧焼結が適用
できるが所要面に金属層が形成出来ず、未だ高出力用の
多層基板は開発されていないのが実情である。
[発明の解決しようとする問題点] この様に、A立Nは、金属との濡れ性が悪いために、メ
タライズできず基板としての使用は困難であった。
又、例えば、特開昭50−75208や特開昭59−4
0404のように、A立N基板表面を酸化させてからメ
タライズしたり、特開昭53−10231017;よう
に、先ず、AfLN基板表面に金属酸化物を設け、その
後にメタライズする等の技術が知られているが、いずれ
も焼結体表面にメタライズすることは出来ても、多層化
を目的とする同時焼成法には、適用することが出来ず、
又メタライズされた金属層とA、Q、N基板との間に比
較的熱伝導率の低い層が介在することになるために熱伝
導率の低下はさけられないといった欠点を有していた。
[問題点を解決するための手段] 本発明は上記問題点を解決するAiN基板を実現するた
めに次の手段を採用した。
本発明の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法は
、 窒化アルミニウムを100重量部と、 周期率表の4a、5a、6a族元素の単体にその化合物
を加えた群から選ばれた1種又は2種以上を上記元素単
体に換算して0.1〜10重量部と、からなる混合物を
、 硼素及び/又は炭素の供給源を有する非酸化性雰囲気中
で1500〜2000℃で焼結することを特徴とする。
周期率表(7)4a族元素は、Ti、 Zr、@fのこ
とであり、5a族元素は、V、Nb、Taのことであり
、6a族元素はCr、Mo、Wのことである。
周期率表の4a、5a、6a族元素の化合物としては、
例えば、酸化物や加熱に際して金属又は酸化物を生成す
る硫酸塩、アンモニウム塩、水酸化物等を使用すること
ができる。
窒化アルミニウム粉末と上記元素及び/又は化合物は、
ボールミル等によって、均一に混合される。
この周期率表の4a、5a、5a族元素の単体及び周期
率表の4a、5a、6a族元素の化合物から選ばれた1
種又は2種以上が、金属元素に換算して絶世でAuN1
00重量部に対し、0.1重量部以上10重量部以下で
あるのは、この範囲より少ないとAiN焼結体の金属と
の濡れ性が改善されないためであり、逆にこの範囲より
多いとA立N焼結体の高熱伝導性が劣化し、又、焼結性
が劣化するためである。
本発明は上記成分のみでも十分であるが、必要に応じて
Y2O3やCaO等の焼結助剤をA立N100重量部に
対して5重量部を超えない範囲で含んでもよい。
硼素の供給源としては、例えば雰囲気に添加するボラン
、混合物に添加する硼酸、酸化硼素、離型剤として用い
る窒化硼素等を用いることができる。これらは、いずれ
も混合物に含まれる周期率表の4a、5a、6a族元素
及び/又はその化合物が硼化するに十分な量供給される
ことが必要であるが、上記元素や化合物の含有量が少な
いために、例えば、通常離型剤として用いる窒化硼素の
量程度でも十分である。従って硼素の供給源として上記
窒化硼素を離型剤として使用すると、特に硼素の供給源
を必要としないので好ましい。
又、炭素の供給源としては、例えば混合物に添加する炭
素質化合物、カーボンブラックや、焼結時に使用するカ
ーボンさや、発熱体として用いる炭素等がある。この炭
素の量も前述の硼素と同じく少量でよいためにさやや、
発熱体として用いる炭素から供給される量で十分である
。従って炭素の供給源としてさやや、発熱体に炭素を使
用すると特に炭素の供給源を必要としないので好ましい
非酸化性雰囲気としては窒素、アルゴン、水素及びアン
モニア分解ガス等を使用できる。
焼成温度は1500〜2000℃であることが必要であ
るが、この範囲より温度が低いと焼結が不十分であり、
又、この範囲より温度が高いと窒化アルミニウムが分解
しはじめる。
[作用] 混合物中の周期率表の4a、5a、5a族元素の単体及
び/又はその化合物は、硼素及び/又は炭素の供給源を
有する非酸化性雰囲気下で焼結することにより、周期率
表の4a、5a、6a族元素の硼化物及び/又は炭化物
となる。更に非酸化性雰囲気が窒素ガスの場合は、周期
率表の4a。
5a族元素の一部は窒化物となる。
この周期率表の4a、5a、6a族元素の硼化物及び/
又は周期率表の4a、5a、6a族元素の炭化物、及び
雰囲気が窒素ガスの場合はそれに加えて周期率表の4a
、5a族元素の窒化物、はA立N粒子中に固溶すること
なく、AiN粒子間、即ち、粒界に存在して金属と結合
するために、本発明による窒化アルミニウム焼結体は、
A立Nの金属との濡れ性を改善すると思われる。
又、通常、粒界に添加物が存在すると熱伝導性は低下す
るが、本発明は、本発明による窒化アルミニウム焼結体
が前述の硼化物、炭化物又はそれに加えて窒化物が△A
Nの粒界に存在するにもかかわらず、A立Nの高熱伝導
性を損わないことを見出したものである。この理由は、
これらの化合物がΔINと反応して他の化合物を生aす
ることかなく、又、へ〇N粒子全体を覆う様にして存在
しない為に、A立N粒子同士の結合は損なわれず、AA
N本来の特性を維持しながらA立Nの金属との濡れ性を
改善出来るものと思われる。
〔発明の効果1 本発明は接合強度、熱伝導性において優れた性質をもつ
高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法を提供する
ものである。
本発明により製造された高熱伝導性窒化アルミニウム焼
結体は、メタライズ時に基板表面に酸化物等の層を設け
ないために、メタライズした金属層とAiN基板とを直
接結合することが出来る。
そのため本発明をIC等の基板の製造法に利用すること
により、放熱性に優れた電子部品の多層基板を同時焼成
法で容易に得ることができる。
[実施例] 本発明の一実施例について説明する。
本実施例は、平均粒径1.0μmのAiN粉末粉末1垂
0 a族元素の単体又は酸化物を第1表に示す金属換算の所
定量混合し、エタノール中で4時間、湿式混合して原料
粉末をつくり、その後、該原料粉末を成形し、第1表に
示す硼素及び/又は炭素の供給源を有する窒素雰囲気下
で焼成することにより密度.熱伝導率及び生成した結晶
測定用の試料と、金属との濡れ性測定用の試料とを得た
密度及び熱伝導率の測定は、原料粉末を直径llll1
m厚さ311Imに成形圧力1.5ton/aAで成形
した後、1700℃の窒素雰囲気中で1詩興常圧焼結を
行って得た試料について行った。密度は相対密度(理論
密度に対する見掛は比重比%)として測定し、又、熱伝
導率は、試料の厚みを21m1に平紐加工した後にレー
ザーフラッシュ法を用いて測定した。
生成した化合物はこの試料をメノウ乳鉢にて粉砕した後
X線回析装置にかけることにより測定した。
金属との濡れ性は、メタライズの接着強度として測定し
た。メタライズの接着強度は、原料粉末を30X10X
5ma+に金型プレスで成形した後に、通常メタライズ
に用いられるW粉末(平均粒径1゜0μm)を含むペー
ストを該成形体表面に2×21厚さ約20μmに塗布し
、乾燥して、1700℃窒素雰囲気下で1時間常圧焼結
し、次いで、該焼結体表面に電解NiメッキによってN
i層を2〜5μm形成し、850℃、10分間シンター
した後に、共晶銀ローを用いて1 X 1 IIIのコ
バール(コバルトと鉄を含むニッケル合金)板を930
℃、5分間でロー付し、その接着強度をビール強度とし
て測定した。このビール強度は上記コバール板に接合さ
れたリード線を接着面に対して垂直方向に向って0 、
5 mm/ seaの速度で引張り、上記コバール板が
試料から剥離したときの強度である。
第1表に相対密度、熱伝導率、ビール強度の測定結果を
示す。又、第1表に示された組成以外は全てA立Nであ
り、組成の含有量の単位はAAN100重量部に対する
金属換算の重量部である。
本実施例より、第1表に示す如く、周期率表の4a、5
a、5a族元素の単体及びその酸化物から選ばれた1種
又は2種以上をAuNに金属に換算して0.1〜10重
量部含有させた混合物を硼素又は炭素の供給源を有する
窒素雰囲気中で焼結することにより、熱伝導率が高く、
ビール強度の高い、即ち、金属との濡れ性の良好な焼結
体が得られることが分かった。
尚、従来のA立N焼結体く相対密度99%)の熱伝導率
は0.14〜0.24ca立/ cg+、 sea。
℃でビール強度は0.5kg/■ より小さい。又、へ
立203(相対密1199%)の熱伝導率は0゜04〜
0.07 c a 文/cm、sec、 ”C1’、ビ
ール強度は2〜5kMl■2である。
尚、焼成温度が1500℃より低いと焼結が不十分のた
め、強度が低く、熱伝導率も低かった。
逆に焼成濃度が2000℃を超えるとIINが分解をは
じめてしまった。
又、第1表に示す以外の周期率表の4a、5a。
6a族元素の単体、とその化合物を用いて、本実施例と
同様にして実験した所、上述の元素単体及び/又はその
化合物をAiNに元素単体に換算して0.1〜10重量
部含有させることにより、熱伝導率が高く、ビール強度
の高い焼結体を得ることができた。
さらに雰囲気をアンモニア分解ガスとした場合も窒素ガ
ス雰囲気と同様に、上述の元素単体及び/又はその化合
物をAuNに元素単体に換算して0.1〜10重量部含
有させることが熱伝導率が高く、ビール強度の高い焼結
体を得る上で必要であることがわかった。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 窒化アルミニウムを100重量部と、 周期率表の4a、5a、6a族元素の単体にその化合物
    を加えた群から選ばれた1種又は2種以上を、上記元素
    単体に換算して0.1〜10重量部とからなる混合物を
    、 硼素及び/又は炭素の供給源を有する非酸化性雰囲気中
    で1500〜2000℃で焼結することを特徴とする高
    熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法。 2 上記化合物が、酸化物である特許請求の範囲第1項
    記載の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法。 3 上記化合物が加熱に際して上記元素単体又は酸化物
    を生成する化合物である特許請求の範囲第1項記載の高
    熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法。 4 硼素の供給源が焼結時に 離型剤として用いる窒化硼素である特許 請求の範囲第1項ないし第3項いずれか記載の高熱伝導
    性窒化アルミニウム焼結体の製造法。 5 炭素の供給源が、焼結時にさや又は発熱体として用
    いる炭素である特許請求の範囲第1項ないし第4項いず
    れか記載の高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法
    。 6 非酸化性雰囲気が窒素、アルゴン、水素及びアンモ
    ニア分解ガスのいずれかである特許請求の範囲第1項な
    いし第5項いずれか記載の高熱伝導性窒化アルミニウム
    焼結体の製造法。
JP60112330A 1985-05-22 1985-05-24 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の製造法 Granted JPS61270263A (ja)

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