JP2851712B2 - 窒化アルミニウム質回路基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属導体層からなる回
路が形成された高熱伝導性を有する窒化アルミニウム質
回路基板に関し、特に絶縁抵抗、誘電率、誘電損失等の
電気特性の改良に関する。

【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
化が急速に進み、そのために半導体集積回路素子の発熱
量が著しく増加し、前記半導体集積回路素子を正常に作
動させるために発生した熱をいかに効率的に除去するか
が問題となっている。

【０００３】かかる問題に対して最近に至り、これまで
使用されていたアルミナ製基板や、古くから高熱伝導性
基板として知られる酸化ベリリウム製基板等に代わり、
常温から高温まで高い強度を有し、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。

【０００４】ところが、窒化アルミニウムは本来難焼結
性であり、単味では高熱伝導性を有する高密度焼結体が
得られないことから、焼結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ 等の希土
類元素酸化物、あるいはＣａＯ等のアルカリ土類元素酸
化物を添加して高密度化する方法が採用されている。

【０００５】これらの中でも特開昭６１−１１７１６０
号によれば、希土類元素酸化物とアルカリ土類金属酸化
物とを同時に添加することにより、低温焼成を可能にす
るとともに高熱伝導化が達成できることが提案されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、特開
昭６１−１１７１６０号に開示された方法によれば、低
温焼成、高熱伝導化においては優れた効果が認められる
ものの、この焼結体に対して電気特性について詳細に検
討したところ、希土類元素酸化物とアルカリ土類元素酸
化物を同時に添加すると、焼結体が半導体化することが
あり、これにより電気絶縁性が劣化したり、誘電率が大
きくなる等の電気特性が劣化するという問題が生じるこ
とがわかった。

【０００７】このように、その表面に金属導体層を形成
するような基板材料としては、高熱伝導性とともに電気
特性として高絶縁性、低誘電損失、高熱伝導率であるこ
とが要求されるものの、このような電気特性の点からは
充分な検討がなされていないのが現状であった。

【０００８】よって、本発明の目的は、高熱伝導性を有
するとともに１８００℃以下の２温度で焼成可能であ
り、且つ高電気絶縁性を有し、誘電率および誘電損失の
低い窒化アルミニウム質回路基板を提供するにある。

【０００９】

【問題点を解決するための手段】本発明者等は上記問題
点に対して検討を重ねた結果、焼結体の電気特性劣化
が、焼結助剤として含有されるアルカリ土類元素と希土
類元素の量に関係するとともに、これらの焼結助剤の添
加量を特定の比率に制御することにより、電気特性が良
好なものとなり信頼性の高い基板が提供できることを知
見した。

【００１０】即ち、本発明の窒化アルミニウム質回路基
板は、窒化アルミニウムを主体として、少なくともアル
カリ土類元素および希土類元素を含有してなり、前記希
土類元素の酸化物換算量をｘ、前記アルカリ土類元素の
酸化物換算量をｙとした時、（ｘ，ｙ）値をプロットし
た図１の点Ａ（０．１，３．０）−Ｂ（０．１，０．
１）−Ｃ（１．０，０．１）−Ｄ（６．０，１．０）−
Ｅ（６．０，３．０）の各点Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ａで
囲まれた組成領域、あるいは点Ｆ（７．０、０．７５）
−Ｇ（７．０，０．１）−Ｈ（１２．０，０．１）−Ｉ
（１２．０，０．７５）の各点Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ｉ−Ｆで囲
まれた組成領域からなるとともに、室温における体積固
有抵抗が１×１０¹⁰Ω−ｃｍ以上、１ＭＨｚにおける誘
電率が１０以下、誘電損失が２０×１０^-4以下の窒化ア
ルミニウム質基板に、金属導体層からなる回路を形成し
てな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。本発明の基板
は、基本的に窒化アルミニウム質焼結体からなるもの
で、また該焼結体は、焼結助剤として少なくともアルカ
リ土類元素および希土類元素を含有することを特徴とす
る。

【００１２】焼結助剤として、希土類元素化合物、例え
ば酸化物等のみの添加では高熱伝導性は高緻密化は達成
されるものの、焼成温度を１８００℃以上に設定する必
要があるために、炉の構造やメタライズ同時焼成等の点
から制約を受け、実用的なものではないが、これにアル
カリ土類元素化合物を添加することによりその焼成温度
を大きく低下させることができる。具体的には、アルカ
リ土類元素を酸化物換算で０．１重量％以上添加するこ
とにより低温焼成による緻密化を達成することができ
る。しかしながら、希土類元素が酸化物換算で０．１重
量％より少ないと系の焼結性が低下し、低温焼成による
緻密化は達成されない。一方、アルカリ土類元素量が酸
化物換算で３重量％より多くなると熱伝導率が大きく低
下するために望ましくない。

【００１３】また、本発明によれば、アルカリ土類およ
び希土類元素が上記熱伝導率および焼結性の点から望ま
しい範囲内であっても、かかる希土類元素酸化物とアル
カリ土類元素酸化物を同時添加し低温焼成すると、その
組成比によっては電気特性が大きく劣化するという現象
が存在することがわかった。

【００１４】本発明によれば、かかる知見から希土類元
素の酸化物換算量をｘ、アルカリ土類元素の酸化物換算
量をｙとした時、図１のｘとｙとの組成比率を示す図に
おいて、（ｘ，ｙ）が点Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ａにより
囲まれる領域、および点Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ｉ−Ｆにより囲ま
れる領域になるように添加量を制御することにより電気
特性を改善できる。

【００１５】アルカリ土類元素および希土類元素の量を
上記領域に限定したのは、図１において、線分ＣＤより
下方の領域、および線分ＦＧよりも希土類元素量が少な
い領域では、抵抗、誘電率、誘電損失がいずれも大き
く、線分ＤＥよりも希土類元素量が多く、および線分Ｉ
Ｆよりもアルカリ土類元素量が多い領域でも、抵抗、誘
電率、誘電損失がいずれも大きくなった。また、線分Ｈ
Ｉより希土類元素量が多い領域でも電気特性は劣化す
る。さらに、線分ＡＢより希土類元素量が少ないと低温
で緻密できず、熱伝導率が低下し、線分ＡＥよりアルカ
リ金属元素量が多いと、熱伝導率が低下する。

【００１６】このように上記特定の領域以外で電気特性
が劣化する理由については、定かではないが、例えば無
機材料研究所研究報告書第４号の「窒化アルミニウムに
関する研究」（１９７３年）によれば、窒化アルミニウ
ムは元来半導体的特性を有しうることが記載されてお
り、炭素あるいは酸素の混入した淡青色の結晶は１０³
〜１０⁵ Ω−ｃｍの低い比抵抗を示すことが明らかにさ
れている。従って、前述した本発明の範囲外の組成にお
いてアルカリ土類および希土類元素の酸化物の何らかの
作用により微量不純物が窒化アルミニウム結晶中に固溶
し半導体化したものと考えられる。また、本発明の範囲
外の電気特性の劣化の大きい試料では、外観上黄色〜緑
色のシミが生じやすいが、この現象も上述のことと関連
があると思われる。

【００１７】なお、本発明において用いられる希土類元
素としては、Ｇｄ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂが最も望ましい。
これは、従来から用いられているＹ等では焼結体中にシ
ミや色ムラ等が発生しやすく、基板としての機械的特性
や電気特性が不安定になりやすくなるためである。ま
た、アルカリ土類元素としては、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が
用いられる。

【００１８】さらに、本発明によれば、焼結体中の窒化
アルミニウムの平均結晶粒径が０．８μm 以上、特に
１．２μm 以上であることが望ましい。この結晶粒径
は、焼結体の熱伝導率に大きく寄与するもので、その粒
径が大きい程熱伝導率を高めることができる。即ち、粒
径が０．８μm より小さいと、結晶粒子間の粒界の占め
る体積（面積）が大きいために粒界がフォノン伝導の障
害物となり、熱伝導率が低下する。

【００１９】次に、本発明の窒化アルミニウム質基板の
製造方法について説明する。まず、窒化アルミニウム原
料粉末としては、直接窒化法、アルミナ還元法等の公知
の方法で製造したもので、不純物酸素量１．５重量％以
下、炭素含有量０．２重量％以下、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、特にＳｉ含有
量及びＦｅ含有量が共に１００ｐｐｍ以下の平均粒径２
μm 以下の粉末が好適に使用される。

【００２０】焼結助剤としては、希土類元素化合物、特
に酸化物粉末、およびアルカリ土類元素化合物、特に酸
化物や焼成により酸化物に変化しうる炭酸塩や硝酸塩等
を最終焼結体の各元素量が図１の特定の範囲になるよう
に秤量混合する。

【００２１】窒化アルミニウム原料粉末に焼結助剤成分
を添加した混合粉末は所望により有機溶媒中で混合され
る。この時、有機溶媒中に含有される水分量は０．４重
量％以下に設定される。これにより窒化アルミニウム粉
末の分散性を向上させるとともに、水分との反応によっ
て窒化アルミニウム粒子表面の酸化を防止することがで
きる。

【００２２】得られた混合粉末は、公知の成形方法、例
えば金型もしくは静水圧を用いたプレス成形、シート成
形、押出成形等により、所望に形状に成形した後、焼成
に移される。

【００２３】焼成は、窒素ガスを含有する非酸化性雰囲
気中で行われ、焼成手段としては常圧焼成、ホットプレ
ス焼成、窒素ガス加圧焼成などが採用されるが、本発明
によれば、この時の焼成温度を１５００℃以上にするこ
とにより相対密度９０％以上に緻密化することができ、
窒化アルミニウムの平均結晶粒径も原料時の一次粒子か
ら急激に大きくなる。

【００２４】焼成温度を１５００℃よりさらに高めるに
従い緻密性が向上するとともに、窒化アルミニウムの平
均結晶粒径も次第に大きくなるが、１８００℃を越える
と焼成炉としての耐熱性が要求されるために炉自体の構
造が大掛かりとなる。よって量産性を考慮する場合、焼
成温度は１８００℃以下、特に１７００℃以下に設定
し、これを窒素中あるいは窒素と水素との混合雰囲気中
で常圧焼成することが望ましく、これによれば連続炉等
の使用も可能となる。

【００２５】また、上記基板に金属導体層を被着形成す
る方法としては、前記方法により得られた基板に対して
Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ等の金属粉を
含有するメタライズペーストをスクリーン印刷法等によ
り塗布し、６００〜１７００℃で熱処理するか、または
スパッタリングや蒸着法等の手段により金属薄膜を被着
形成することにより導体層を形成することができ、ま
た、前記焼結体の製法において、成形体の表面にＷ、Ｍ
ｏ等の金属粉を含有するペーストを塗布し、１６００〜
１８００℃の非酸化性雰囲気中で同時焼成することもで
きる。また、低融点ガラスにより金属リード線を基板に
接着することもでき、さらには半導体素子放熱用、電気
回路用基板、キャップ、フィン等としても使用できる。

【００２６】

【作用】窒化アルミニウムに対して、アルカリ土類元素
および希土類元素を焼結助剤成分として含有するととも
にアルカリ土類元素と希土類元素量を図１の特定の領域
に限定することにより、１８００℃以下の温度で相対密
度９５％以上の緻密化が達成されるとともに、熱伝導率
８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の特性が得られ、また電気特性にお
いて室温で１×１０¹⁰Ω−ｃｍ以上、１ＭＨｚにおける
誘電率１０以下、さらに誘電損失（ｔａｎδ）２０×１
０^-4以下の優れた電気特性が得られる。

【００２７】以下、本発明を次の例で説明する。

【実施例】実施例１ 窒化アルミニウム原料粉末として、平均粒径（ＢＥＴ比
表面積）３．３ｍ² ／ｇ、不純物酸素量１．１重量％、
炭素含有量０．０５重量％以下、アルミニウムを除く陽
イオン不純物含有量０．１重量％以下の市販の窒化アル
ミニウム原料粉末に対して、平均粒径が０．８μm の酸
化エルビウム粉末（Ｅｒ₂ Ｏ₃ ）および炭酸カルシウム
（ＣａＣＯ₃ ）粉末を表１および表３に示す割合で添加
混合した。次にこれを室温で１０００ｋｇ／ｃｍ² の圧
力でプレス成形した。この成形体を表１に示す焼成温度
で窒素ガス１気圧下で３時間焼成した。

【００２８】焼成後の各焼結体に対してアルキメデス法
に基づき相対密度を算出するとともに、レーザーフラッ
シュ法により熱伝導率を測定した。また、電気特性とし
て室温における体積固有抵抗を絶縁抵抗計、および室
温、１ＭＨｚにおける誘電率（ε）、誘電損失（ｔａｎ
δ）を１ＫＨｚ／１ＭＨｚキャパシタンスメーターを用
いて測定した。さらに焼結体の外観観察を行い評価を行
った。各結果は、表１〜表４に示した。

【００２９】なお、表１の希土類元素量（酸化物換算
量）をｘ軸、アルカリ土類元素量（酸化物換算量）をｙ
軸とし、図１にプロットした。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】

【表４】

【００３４】実施例２ 実施例１において希土類元素酸化物として、Ｅｒ₂ Ｏ₃
粉末の代わりに表５および表７に示す各種の希土類元素
酸化物粉末と用い、またアルカリ土類元素としてＣａＣ
Ｏ₃ の他にＢａＣＯ₃ 、ＳｒＣＯ₃ の粉末を用いて同様
に表５および表７の割合に秤量混合し、実施例１と同様
な方法で成形後、表の条件で焼成し、得られた焼結体に
対して実施例１と同様な方法で特性を測定した。結果は
表５〜表８に示した。

【００３５】

【表５】

【００３６】

【表６】

【００３７】

【表７】

【００３８】

【表８】

【００３９】表５〜表８からも明らかなように、Ｅｒ₂
Ｏ₃ 以外の希土類元素においても、電気特性に関しては
ほぼ同様の傾向にあった。

【００４０】なお、表１〜表８の結果によれば、アルカ
リ土類元素および希土類元素の各量は、特にアルカリ土
類元素が酸化物換算で２重量％以下、希土類元素が酸化
物換算で０．３重量％以上であることが熱伝導率の点か
ら望ましい。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、窒
化アルミニウムを主体とし、アルカリ土類元素および希
土類元素を特定の範囲で添加することにより低温焼成お
よび高熱伝導性を維持しつつ、高絶縁性、低誘電率、低
誘電損失の電気的特性に優れた焼結体を得ることができ
る。よって、該焼結体の表面に金属導体層を被着形成し
た基板として用いることにより、例えば回路基板として
信号伝播速度の遅延を抑制するとともに電力損失を小さ
くすることができ、これにより各種の半導体素子を搭載
する基板等として信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における実施例１の窒化アルミニウム質
基板の希土類元素量（ｘ）とアルカリ土類元素量（ｙ）
との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C04B 35/581 H05K 1/03 610

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化アルミニウムを主体として、少なくと
   もアルカリ土類元素および希土類元素を含有してなり、
   前記希土類元素の酸化物換算量をｘ、前記アルカリ土類
   元素の酸化物換算量をｙとした時、（ｘ，ｙ）値をプロ
   ットした図１の点Ａ（０．１，３．０）−Ｂ（０．１，
   ０．１）−Ｃ（１．０，０．１）−Ｄ（６．０，１．
   ０）−Ｅ（６．０，３．０）の各点で囲まれた組成領域
   からなるとともに、室温における体積固有抵抗が１×１
   ０¹⁰Ω−ｃｍ以上、１ＭＨｚにおける誘電率が１０以
   下、誘電損失が２０×１０^-4以下の窒化アルミニウム質
   基板の表面に、金属導体層からなる回路を形成してなる
   ことを特徴とする窒化アルミニウム質回路基板。
2. 【請求項２】窒化アルミニウムを主体として、少なくと
   もアルカリ土類元素および希土類元素を含有してなり、
   前記希土類元素の酸化物換算量をｘ、前記アルカリ土類
   元素の酸化物換算量をｙとした時、（ｘ，ｙ）値をプロ
   ットした図１の点Ｆ（７．０、０．７５）−Ｇ（７．
   ０，０．１）−Ｈ（１２．０，０．１）−Ｉ（１２．
   ０，０．７５）の各点で囲まれた組成領域からなるとと
   もに室温における体積固有抵抗が１×１０¹⁰Ω−ｃｍ以
   上、１ＭＨｚにおける誘電率が１０以下、誘電損失が２
   ０×１０^-4以下の窒化アルミニウム質基板の表面に、金
   属導体層からなる回路を形成してなることを特徴とする
   窒化アルミニウム質回路基板。