JP3347526B2

JP3347526B2 - 窒化アルミニウム質焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JP3347526B2
Application number: JP13170595A
Authority: JP
Inventors: 祥二高坂
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 2002-11-20
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: JPH08325060A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム質焼
結体およびその製造方法に関し、より詳細には高熱伝導
性を有し、放熱性基板等の電子部品に好適で且つ導体材
料と同時焼成可能な窒化アルミニウム質焼結体およびそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】近時、情報処理装置の高性能化、高速化に
伴いそれを構成する半導体集積回路も高密度化、高集積
化が進み、そのために半導体集積回路素子の大電力化に
より該素子の発熱量が著しく増加、前記半導体集積回路
素子を正常に且つ安定に作動させるためには、その熱を
いかに効率良く除去するかが問題となっている。

【０００３】そこで、従来のアルミナを基板とする半導
体パッケ−ジ等では熱伝導率が高いセラミック材料とし
て酸化ベリリウム質焼結体が提案されているが、その毒
性の点で使用上難点があった。

【０００４】そのため、酸化ベリリウム質焼結体に代わ
る高熱伝導性基板材料として常温から高温まで高い機械
的強度を有するとともに電気絶縁性が高く、高熱伝導性
であり、熱膨張係数がアルミナに比べシリコン単結晶に
近いなどの優れた特性を有する窒化アルミニウム質焼結
体が注目されている。

【０００５】しかしながら、窒化アルミニウムは本来難
焼結性であり、単味では高い熱伝導性を有する高密度焼
結体を得ることが困難であった。そこで従来から焼結助
剤として、周期律表第２ａ族元素、もしくは周期律表第
３ａ族元素の化合物、たとえばカルシウム、ストロンチ
ウム、バリウム等のアルカリ土類金属もしくはイットリ
ウムおよび希土類元素の化合物を添加することにより高
密度で高熱伝導性の焼結体を得る事が行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】高熱伝導化に対して
は、粒界を極力少なくすることが得策であり、そのため
にＹ₂Ｏ₃等の助剤を焼結後に除去することが行われて
いるが、焼成温度を高く設定する必要があり、焼結体の
表面に荒れが生じるために平滑性が失われるため、研磨
工程を必要とする必要がある。そのためにこのような粒
界を除去することによる高熱伝導化は量産性の点では好
ましくない。

【０００７】本発明は、上記問題点を解決することを主
たる目的とするものであり、具体的には粒界除去等の格
別な工程を必要とすることなく高熱伝導化が可能であ
り、しかも均一質で且つ表面平滑性に優れた高密度な窒
化アルミニウム質焼結体を提供することを目的とするも
のである。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明者は、上記問題
点に対して研究を重ねた結果、焼結助剤として、周期律
表第３ａ族元素化合物の中でも、Ｌｕ化合物、あるいは
Ｌｕ化合物とＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素の化合物
のうち１種以上を用いると焼成温度が高い場合において
もＬｕ化合物の分解量が少なく表面の滑らかな焼結体が
得られること、Ｌｕ化合物を用いると他の周期律表第３
ａ族元素化合物を添加した場合に比較して高熱伝導化さ
れること、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）の酸化物換算
量（ＲＥ₂Ｏ₃）の合量と焼結体中の不純物的酸素のア
ルミナ換算量（Ａｌ₂Ｏ₃）のＲＥ₂Ｏ₃／Ａｌ₂Ｏ₃
で表されるモル比を制御することでさらに高熱伝導性の
焼結体が得られることを知見し本発明に至った。

【０００９】即ち、本発明の窒化アルミニウム質焼結体
は、窒化アルミニウム結晶相を主相とし、Ｌｕ、あるい
はＬｕとＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素のうちの１種
以上との組み合わせと、不純物的酸素を含む焼結体であ
って、前記周期律表第３ａ族元素が酸化物換算で０．３
〜２．５モル％の割合で含有され（但し、Ｌｕを酸化物
換算で０．３モル％以上含む）、かつ前記周期律表第３
ａ族元素（ＲＥ）の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）の前記不
純物的酸素のＡｌ₂Ｏ₃換算量に対するモル比（ＲＥ₂Ｏ₃
／Ａｌ₂Ｏ₃）が１以上であることを特徴とするものであ
る。なお、該焼結体の粒界は、ＲＥ₄Ａｌ₂Ｏ₉またはＲ
ＥＡｌＯ₃を主結晶相として存在することが望ましい。

【００１０】また、本発明の窒化アルミニウム質焼結体
の製造方法は、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｌｕ化
合物、あるいはＬｕ化合物とＬｕ以外の周期律表第３ａ
族元素の化合物のうち１種以上との組み合わせとを含
み、前記周期律表第３ａ族元素の酸化物換算の合量で
０．３〜２．５モル％（但し、Ｌｕを酸化物換算で０．
３モル％以上含む）と、Ａｌ₂Ｏ₃を前記周期律表第３ａ
族元素（ＲＥ）の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）とのＲＥ₂
Ｏ₃／Ａｌ₂Ｏ₃で表されるモル比が１以上となるように
調合された成形体を非酸化性雰囲気で焼成することを特
徴とするものである。

【００１１】以下、本発明を詳述する。

【００１２】本発明における大きな特徴は、焼結助剤と
してＬｕ化合物、あるいはＬｕ化合物とＬｕ以外の周期
律表第３ａ族元素の化合物うちの１種以上を用いる点に
ある。本発明の焼結体中には、周期律表第３ａ族元素と
して、Ｌｕ単独、あるいはＬｕとＬｕ以外の周期律表第
３ａ族元素との組み合わせで用いることができる。この
場合、焼結体中の少なくともＬｕを含む周期律表第３ａ
族元素は酸化物換算で全量中０．３〜２．５モル％、特
に０．５〜２．０モル％の割合で含有される。Ｌｕと組
み合わせる他の周期律表第３ａ族元素としては熱伝導率
の点でイットリウム、エルビウム、イッテルビウムが望
ましい。

【００１３】この含有比率が０．３モル％より少ない
と、緻密化することができず、２．５モル％を越えると
周期律表第３ａ族元素化合物を含む粒界の体積比率が大
きくなり熱伝導率が低下することになる。なお、Ｌｕと
他の周期律表第３ａ族元素と組み合わせる場合には、Ｌ
ｕは酸化物換算で０．３モル％より少なくならないよう
に組成制御することが必要である。

【００１４】また、本発明の焼結体中には、不純物的酸
素が存在する。この不純物的酸素は、焼結体中の全酸素
量から、焼結助剤として添加された化合物中の酸素量を
差し引いた残りの酸素であり、例えば窒化アルミニウム
原料粉末中の不純物酸素等からなる。本発明によれば、
周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）の酸化物換算量（ＲＥ₂
Ｏ₃）の不純物的酸素のアルミナ換算量（Ａｌ₂Ｏ₃）に
対するモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／Ａｌ₂Ｏ₃）が１以上であるこ
と事が重要である。これは上記比率が１より小さいと熱
伝導率が低下してしまうためである。

【００１５】また、焼結体の粒界相には焼成中に生成し
た周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）のアルミネ−トが存在
する。このようなアルミネ−トとしては、ＲＥ₃Ａｌ₅
Ｏ₁₂、REAlO₃あるいはＲＥ₄Ａｌ₂Ｏ₉が知られてい
る。この中で特にＲＥ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂は熱伝導率が小さく
粒界に存在すると焼結体の熱伝導率を下げてしまう。そ
こで、本発明の焼結体においては粒界相の結晶相として
は、ＲＥＡｌＯ₃あるいはＲＥ₄Ａｌ₂Ｏ₉が主相であ
ることが望ましい。このような結晶相の制御は、前述し
たモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／Ａｌ₂Ｏ₃）により制御でき、
このモル比を０．６を越える値に制御することで上記結
晶相を主相とすることができる。

【００１６】また、本発明によれば、焼結体中に上記成
分以外に、焼結性を改善する目的でＣａ、Ｓｒ、Ｂａ等
のアルカリ土類元素を酸化物換算で０．００１〜５重量
％の割合で含有したり、焼結体を黒色化することを目的
としてＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏな
どの周期律表第４ａ、５ａ、６ａ、８族の化合物を０．
１〜１０重量％の割合で含有してもよい。

【００１７】次に、本発明の窒化アルニミウム焼結体を
製造する方法について説明する。まず、出発原料として
窒化アルミニウム粉末と周期律表第３ａ族元素化合物を
準備する。使用される窒化アルニミウム粉末としては、
直接窒化法、アルミナ還元法等公知の方法で製造された
粉末が使用できるが、特に酸素含有量０．４〜１．５重
量％、アルミニウムを除く陽イオン不純物０．１重量％
以下、炭素量１０００ｐｐｍ以下であり、粉末中の硫黄
とアルミニウムとの蛍光Ｘ線強度の比が１０^-3以下であ
る（０を含まず）事が望ましい。

【００１８】焼結助剤としては、Ｌｕ化合物、あるいは
Ｌｕ化合物とＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素の化合物
うちの１種以上を周期律表第３ａ族元素の酸化物換算合
量で０．３〜２．５モル％、特に０．５〜２モル％の割
合で添加する。但し、Ｌｕを酸化物換算で０．３モル％
以上含む。これらの焼結助剤は金属単体あるいは酸化
物、炭酸塩あるいは蓚酸塩などを焼成によって酸化物に
変換されるものが用いられる。また、周期律表第３ａ族
元素（ＲＥ）の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）の合量と不純
物的酸素のアルミナ換算量（Ａｌ₂Ｏ₃）のＲＥ₂Ｏ₃／Ａ
ｌ₂Ｏ₃で表されるモル比が１以上の組成になるように調
合、混合する。

【００１９】また、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等のアルカ
リ土類化合物を酸化物換算で０．００１〜５重量％の割
合で添加して低温焼結性を高めることもできる。また、
ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｖ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ
₅、ＷＯ₃、ＭｏＯ₃、ＣｏＯなどの周期律表第４ａ、
５ａ、６ａ、８族化合物を０．１〜１０重量％の割合で
添加し黒色化を図ることもできる。

【００２０】このようにして得られた混合粉末を公知の
成形方法、例えばドクタ−ブレ−ド、プレス成形、押し
出し成形などにより所望の形状に成形した後、得られた
成形体を公知の焼成方法、常圧焼成、窒素ガス圧焼成、
ホットプレス方法により緻密かすることができる。さら
には、これらの焼成後に熱間静水圧焼成（ＨＩＰ）方に
より処理することにより緻密化を高めることができ、さ
らに熱伝導率を増加させることができる。具体的な焼成
条件としては、窒素等の非酸化性雰囲気中、１６００℃
〜２０００℃で焼成する。

【００２１】

【作用】窒化アルニミウム質焼結体の熱伝導率は結晶二
面間の間隔と粒界相の結晶の熱伝導率によって決定され
る。本発明によれば、Ｌｕは周期律表第３ａ族元素の中
でイットリウムや他の周期律表第３ａ族元素に比べてイ
オン半径が最も小さいために窒化アルミニウム結晶間の
二面間の間隔を小さくできる。そのため、粒界二面間の
フォノンの散乱を少なくできることから、助剤が残留し
た焼結体における熱伝導性を高める事ができる。また、
Ｌｕ化合物におけるＬｕと酸素または窒素との結合エネ
ルギ−が大きく蒸気圧も低く高温でも分解しにくい。そ
のため焼成時の表面粗れを小さくできる。そのため、他
の周期律表第３ａ族元素を同時に添加してもその効果は
少なくなることは無い。

【００２２】さらに、周期律表第３ａ族元素の酸化物換
算量（ＲＥ₂Ｏ₃）の不純物的酸素のＡｌ₂Ｏ₃換算量に対
するモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／Ａｌ₂Ｏ₃）を１以上に制御する
ことにより熱伝導性を低下させるＲＥ₃Ａ₁₅Ｏ₁₂結晶の
析出を抑制し、ＲＥＡｌＯ₃（ペロブスカイト構造）あ
るいはＲＥ₄Ａｌ₂Ｏ₉（メリライト構造）を主相として
析出させることにより高熱伝導化を達成できる。

【００２３】

【実施例】実施例１酸素含有量０．９重量％、炭素含有量０．０５重量％、
アルミニウムを除く陽イオン不純物含有量０．１重量％
以下、硫黄含有量５×１０^-4（Ａｌに対する蛍光Ｘ線強
度比）の窒化アルミニウム原料粉末と各種の希土類酸化
物粉末とをそれぞれ表１に示す値となるように所定量秤
量し混合した。一部、炭酸カルシウム粉末も添加した。
また、一部、アルミナを酸素量合わせのために添加し
た。ついで、この混合組成のテープをドクターブレード
法を用いて成形した。このテープを脱脂後、窒素含有雰
囲気中、所定の温度で焼成した。

【００２４】得られた焼結体中の粒界相をＸ線回折によ
り主相を同定した。また、熱伝導率をレ−ザ−フラッシ
ュ法で測定した。得られた結果を表２に示す。

【００２５】なお、焼結体組成について、試料を粉砕
し、酸素量は赤外線吸収法で定量し、窒素量は熱伝導度
により、Ａｌ、添加物の金属元素はＩＣＰ発光分光分析
により測定したが、成形体組成からの変化は少なかっ
た。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】表１及び表２の結果によるとＬｕ元素を含
まない他の周期律表第３ａ族元素の酸化物を単独で添加
した試料Ｎo.１〜３、および、希土類元素の酸化物換算
の合量が０．３モル％以下の試料Ｎo.１１、１２および
希土類元素の酸化物換算の合量と不純物的酸素のアルミ
ナ換算のモル比が１以下で粒界相がＲＥ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂に結
晶化している試料Ｎo.１７、１８、および、希土類元素
の酸化物換算の合量が２．５モル％を越える試料Ｎo.２
１、２２はいずれも熱伝導率が低下していた。これに対
し、本発明はいずれも熱伝導率が１８２Ｗ／ｍ・Ｋ以上
の優れた特性を有していた。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の窒化アルニ
ミウム質焼結体は、助剤を揮散させる必要もなく、助剤
を残存させた焼結体であっても、熱伝導率が高く、特に
電子部品や半導体素子を搭載する絶縁性基板材料をはじ
め、各種の高熱伝導性が要求される各種の部材として有
用である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム結晶相を主相とし、Ｌ
ｕ、あるいはＬｕとＬｕ以外の周期律表第３ａ族元素の
うちの１種以上との組み合わせと、不純物的酸素を含む
焼結体であって、前記周期律表第３ａ族元素が酸化物換
算で０．３〜２．５モル％の割合で含有され（但し、Ｌ
ｕを酸化物換算で０．３モル％以上含む）、かつ前記周
期律表第３ａ族元素（ＲＥ）の酸化物換算量（ＲＥ
₂Ｏ₃）の前記不純物的酸素のＡｌ₂Ｏ₃換算量に対するモ
ル比（ＲＥ₂Ｏ₃／Ａｌ₂Ｏ₃）が１以上であることを特徴
とする窒化アルミニウム質焼結体。
【請求項２】該焼結体の粒界の主結晶相が、ＲＥ₄Ａｌ₂
Ｏ₉またはＲＥＡｌＯ₃からなる請求項１記載の窒化アル
ミニウム質焼結体。
【請求項３】窒化アルミニウムを主成分とし、Ｌｕ化合
物、あるいはＬｕ化合物とＬｕ以外の周期律表第３ａ族
元素の化合物のうち１種以上との組み合わせとを含み、
前記周期律表第３ａ族元素の酸化物換算の合量で０．３
〜２．５モル％（但し、Ｌｕを酸化物換算で０．３モル
％以上含む）と、Ａｌ₂Ｏ₃を前記周期律表第３ａ族元素
（ＲＥ）の酸化物換算量（ＲＥ₂Ｏ₃）とのＲＥ₂Ｏ₃／Ａ
ｌ₂Ｏ₃で表されるモル比が１以上となるように調合され
た成形体を非酸化性雰囲気で焼成することを特徴とする
窒化アルミニウム質焼結体の製造方法。