JPH075377B2 - 黒色窒化アルミニウム焼結体とその製造方法 - Google Patents

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、半導体パッケージ
材料等に使用される黒色を呈する窒化アルミニウム焼結
体とその製造方法に関し更に詳しくは高密度、高熱伝導
性を有する焼結体であって、かつ低温で製造できる方法
に関する。

従来の技術 近年LSIの高集積、高密度化に伴って、熱伝導性の良い
絶縁性基板材料が要望されている。従来、絶縁性基板材
料としては、アルミナ焼結体が最も多く使用されてい
る。しかしアルミナ基板では熱伝導率が低く（約20w/m.
k），熱膨張率がシリコンに比べて大きいため接合性が
悪い等の問題点が多かった。そこで熱伝導率が良く、熱
膨張率もシリコンに近い窒化アルミニウム（AlN）焼結
体が注目されている。さらに窒化アルミニウム焼結体は
機械的強度も高く（40〜50kg/mm²）、かつ誘電率も小さ
く電気特性も優れている。しかしながら、窒化アルミニ
ウムは共有結合性が強く難焼結材料であるため緻密な焼
結体を得ることが困難である。

そのため現在迄焼結助剤を用いるホットプレス法や常圧
焼結法により緻密な窒化アルミニウム焼結体を得る試み
が種々なされているがホットプレス法は生産性に乏しく
好ましくない。常圧焼結法に於ては希土類化合物やアル
カリ土類化合物が焼結助剤として用いられ緻密で高熱伝
導を示す焼結体が得られているがその焼結体には1800℃
を越える高温が必要でこれも生産性の点で好ましくはな
い。更に得られる焼結体は若干の透光性を示しパッケー
ジに応用した場合には紫外線等の透過によってICメモリ
ーに悪影響を及ぼすことが十分に考えられる。

生産性を考慮した低温焼結性AlN焼結体としては特開昭6
1−117160に希土類酸化物とアルカリ土類酸化物の同時
添加による製造方法が示されている。この方法は焼きム
ラ、色ムラが生じ易く、改善の必要がある。

又特開昭61−270262,特開昭61−270263では周期率表の4
a,5a,6a族元素の硼化物又は炭化物と窒化アルミニウム
とからなる高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体とその製
造法が記載されている。しかし、より高い熱伝導率でか
つ黒色を得る点で更に改善が望まれていた。

本発明者等により先に出願した、特願昭61−270390でタ
ングステン酸カルシウム添加による低温焼結性を見出し
たが得られる焼結体の熱伝導率は特開昭61−270262,特
開昭61−270263と同様に約100W/m.kにとどまっていた。

発明が解決しょうとする問題点 本発明の目的は黒色を呈し高密度、高熱伝導性を有する
黒色窒化アルミニウム焼結体とその製造方法特に低温で
焼結可能な方法を提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明の第１は、窒化アルミニウムを主成分とし、金属
タングステン、希土類アルミニウム酸化物、アルカリ土
類アルミニウム酸化物、希土類アルカリ土類アルミニウ
ム酸化物を含有することを特徴とする黒色窒化アルミニ
ウム焼結体である。その第２は、窒化アルミニウムから
なる粉末を主体とし、希土類酸化物および、または焼成
によって該酸化物となる少なくとも１種の化合物の粉末
を該酸化物換算で0.5〜５重量％とアルカリ土類金属の
タングステン酸化合物の少なくとも１種の粉末を該酸化
物の重量換算で0.1〜15重量％を成形し、非酸化性雰囲
気中で焼成してなることを特徴とする黒色窒化アルミニ
ウム焼結体の製造方法である。

作用 本発明は窒化アルミニウム粉末に希土類酸化物とアルカ
リ土類金属のタングステン酸化合物の両成分を焼結助剤
として同時添加することによりその相乗効果として高密
度、高熱伝導性を有する黒色窒化アルミニウム焼結体を
比較的低温で得られる。特にアルカリ土類金属のタング
ステン酸化合物は低温焼結性と色ムラ及び焼きムラのな
い黒色を呈するのに大きく寄与し、希土類酸化物は熱伝
導の向上に寄与することが判明した。又黒色を呈するの
は焼結体中に微細な金属タングステンが分散しているた
めであるがその体積固有抵抗値は10¹²ohm.cm以上で絶縁
材料として良好である。

次に本発明の具体的製造法について説明する。まず窒化
アルミニウム粉末は平均粒径10μｍ以下の細かいもので
好ましくは２μｍ以下が良い。酸素含有量は特に規定し
ないが３％以下が好ましい。

焼結助剤の中で希土類酸化物又はその化合物としてはS
c,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Erなどの化合物が挙げられ、なか
でもSc,Y,La,Ce,Erの化合物、さらにはＹの酸化物が好
ましい。なお本発明ではSc,Yを周期率表の希土類に含め
総称して希土類という。これらの化合物の粉末は平均粒
径が10μｍ以下の細かいもので特に５μｍ以下のものが
好ましい。

又焼結助剤の他の成分であるアルカリ土類金属のタング
ステン酸化合物としてはCa、Sr,Ba等の化合物が挙げら
れるがその入手の容易易さからタングステン酸カルシウ
ムが好ましい。これらの化合物の粉末は平均粒径10μｍ
以下の細かいもので特に５μｍ以下のものが好ましい。

これらの焼結助剤の添加量は、酸化物換算で希土類酸化
物粉末が0.5〜５重量％とアルカリ土類金属のタングス
テン酸化物が0.1〜15重量％であり焼成温度および目的
とする物性によって最適添加量およびアルカリ土類のタ
ングステン酸化合物と希土類酸化物との比率が決定され
る。

すなわち焼成温度が1800℃を超える場合には発色素とし
て作用するアルカリ土類のタングステン酸化合物は極く
少量で良く熱伝導に寄与する希土類酸化物は所定量、好
ましくは３〜７重量％添加される。黒色だけを目的とす
るならば希土類酸化物の量も極く少量で可能である。焼
成温度を1800℃以下とした場合には低温焼成用および発
色用助剤としてのアルカリ土類金属のタングステン酸化
合物は所定量、好ましくは0.1〜15重量％が必要であり
熱伝導に寄与する希土類酸化物は緻密化を妨げない範囲
で好ましくは0.5〜５重量％添加される。焼結助剤の添
加量が合計で0.6重量％未満では焼結温度を高くしても
発色が不十分で好ましくなく合計で20重量％を超える添
加は無意味である。なお焼結方法は従来の方法に従う。

このようにして得られる窒化アルミニウム焼結体は第１
図に実施例１のＸ線回折の結果及び第２図にその電子顕
微鏡写真で示すように、それぞれ窒化アルミニウム（A,
黒ないし灰色）、金属タングステン（W,白い球状粒
子）、希土類アルミニウム酸化物（Y,G,白色の粒界相は
アルミナ、イットリヤの酸化物）を主体とし、さらにア
ルカリ土類アルミニウム酸化物、及び希土類アルカリ土
類アルミニウム酸化物と推定される複合酸化物（未同定
相Ｘ）の存在が判明している。

また本焼結体の導体後付強度の向上は勿論のこと同時焼
成でもタングステン硼化物を生成する窒化アルミニウム
焼結体の製造法に比べ導通抵抗がはるかに低い金属タン
グステン導体が得られる特性を有している。

以下実施例によって本発明を具体的に説明するが本発明
はこれに限定されるものではない。

実施例 実施例１ 平均粒径が２μｍの窒化アルミニウム粉末に４重量％の
タングステン酸カルシウム粉末と１重量％の酸化イット
リウム粉末を添加し混合した。次にこの混合物を室温で
約1200kg/cm²で加圧して成形体とした。その後この成形
体を窒素ガス雰囲気下で1700℃に３時間焼成して窒化ア
ルミニウム焼結体を得た。得られた焼結体は緻密でかつ
遮光性に優れた黒色を呈した。その密度および熱伝導率
の測定値を第１表表に示した。

実施例２〜10 実施例１で用いた窒化アルミニウム粉末にアルカリ土類
金属のタングステン酸化合物の粉末と希土類酸化物の粉
末を適当量添加して上記実施例と同様にして1600〜1800
℃で焼成を行ない窒化アルミニウム焼結体を得た。それ
ぞれについて密度および熱伝導率を測定した。得られた
結果を焼結助剤の種類、添加量、焼成条件及び色と共に
第１表に示す。

実施例11 実施例１で用いた窒化アルミニウム粉末に1.5重量％の
タングステン酸カルシウム粉末と3.5重量％の酸化イッ
トリウム粉末を添加し、実施例１と同様に成形した後に
窒素ガス雰囲気中で1700℃に15時間加熱して窒化アルミ
ニウム焼結体を得た。得られた焼結体の密度は3.31g/cc
と十分に緻密でかつ遮光性に優れ、黒色を呈した。その
熱伝導率は170w/m・ｋであった。

比較例１ 実施例１で用いた窒化アルミニウム粉末に、タングステ
ン酸化物の粉末を３重量％添加し1800℃で焼成して窒化
アルミニウム焼結体を作成した。得られた焼結体は黒灰
色を呈し熱伝導率が55w/m.kと低かった。

比較例２ 実施例１で用いた窒化アルミニウム粉末に、酸化イット
リウム粉末を５重量％添加し、1800℃で焼成して窒化ア
ルミニウム焼結体を作成した。得られた焼結体は透光性
のある薄茶色を呈し一部に色ムラが観察された。

比較例３ 実施例で用いた窒化アルミニウム粉末に、タングステン
酸化物の粉末３重量％と酸化イットリウム粉末５重量％
を添加し、1700℃で焼成したが緻密な焼結体は得られな
かった。

比較例４ 実施例１で用いた窒化アルミニウム粉末にタングステン
酸カルシウム粉末４重量％を添加し、1800℃で焼成して
窒化アルミニウム焼結体を作成した。得られた焼結体は
黒色を呈したが熱伝導率は100w/m.kにとどまった。

比較例５ 実施例１で用いた窒化アルミニウム粉末に炭酸カルシウ
ム粉末4.5重量％とイットリウム粉末2.5重量％添加し、
1700℃で焼成して窒化アルミニウム焼結体を作成した。
得られた焼結体は透光性のある薄灰色を呈し色ムラが観
察された。

発明の効果 以上説明したように本発明によれば、遮光性に優れた黒
色の高熱伝導性を有する窒化アルミニウム焼結体が、ア
ルミナ焼結用の還元焼成炉で焼成でき、基板、後付けメ
タライズ回路基板、同時焼成回路基板の量産化に有効で
あり、工業的価値が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１のＸ線回折結果を、第２図は実施例１
の破断面の粒子構造を示す電子顕微鏡写真を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西山 哲 愛知県名古屋市緑区鳴海町字伝治山３番地 鳴海技術研究所内 審査官 柳 和子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化アルミニウムを主成分とし、金属タン
   グステン、希土類アルミニウム酸化物、アルカリ土類ア
   ルミニウム酸化物、希土類アルカリ土類アルミニウム酸
   化物を含有することを特徴とする黒色窒化アルミニウム
   焼結体
2. 【請求項２】窒化アルミニウムの含有量が80〜99.4重量
   ％であることを特徴とする特許請求の範囲第１項の黒色
   窒化アルミニウム焼結体
3. 【請求項３】窒化アルミニウムからなる粉末を主体と
   し、希土類酸化物および、または焼成によって該酸化物
   となる少なくとも１種の化合物の粉末を該酸化物換算で
   0.5〜５重量％とアルカリ土類金属のタングステン酸化
   合物の少なくとも１種の粉末を該酸化物の重量換算で0.
   1〜15重量％を成形し、非酸化性雰囲気中で焼成してな
   ることを特徴とする黒色窒化アルミニウム焼結体の製造
   方法
4. 【請求項４】常圧焼結法において焼結温度が1800℃以下
   であることを特徴とする特許請求の範囲第２項の黒色窒
   化アルミニウム焼結体の製造方法