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JPH04285073A - Aluminum nitride-based substrate - Google Patents

Aluminum nitride-based substrate

Info

Publication number
JPH04285073A
JPH04285073A JP3076847A JP7684791A JPH04285073A JP H04285073 A JPH04285073 A JP H04285073A JP 3076847 A JP3076847 A JP 3076847A JP 7684791 A JP7684791 A JP 7684791A JP H04285073 A JPH04285073 A JP H04285073A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
aluminum nitride
rare earth
alkaline earth
elements
earth element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP3076847A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2851716B2 (en
Inventor
Kenichiro Miyahara
健一郎 宮原
Shuji Tokuda
徳田 修二
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP3076847A priority Critical patent/JP2851716B2/en
Publication of JPH04285073A publication Critical patent/JPH04285073A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2851716B2 publication Critical patent/JP2851716B2/en
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、例えばその表面に金属
導体層が被着形成される高熱伝導性を有する黒色の窒化
アルミニウム質基板に関し、特に絶縁抵抗、誘電率等の
電気特性の改良に関する。
[Field of Industrial Application] The present invention relates to a black aluminum nitride substrate having high thermal conductivity, for example, on the surface of which a metal conductor layer is deposited, and particularly relates to improvements in electrical properties such as insulation resistance and dielectric constant. .

【0002】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。
[Prior Art] Recently, as the performance and speed of information processing devices have increased, the semiconductor integrated circuits that make up the devices have also rapidly become denser and more highly integrated.As a result, the amount of heat generated by semiconductor integrated circuit elements has increased significantly. The problem is how to efficiently remove the heat generated in order to operate the semiconductor integrated circuit device normally.

【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。
[0003]Recently, in order to solve this problem, in place of the alumina substrates used up to now and beryllium oxide substrates, which have long been known as highly thermally conductive substrates,
It has high strength from room temperature to high temperature, and has high electrical insulation.
BACKGROUND ART Aluminum nitride sintered bodies are attracting attention because they have excellent properties such as high thermal conductivity and a thermal expansion coefficient closer to that of silicon single crystal than that of alumina.

【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
。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。また、
最近では窒化アルミニウムに対して、メタライズ性、遮
光性等を目的として周期律表第4a〜8族元素の化合物
を添加することも特開昭62−153173号にて提案
されている。
However, aluminum nitride is inherently difficult to sinter, and a high-density sintered body with high thermal conductivity cannot be obtained by using aluminum nitride alone. Therefore, rare earth element oxides such as Y2 O3, etc. are used as sintering aids. Alternatively, a method has been adopted in which an alkaline earth element oxide such as CaO is added to increase the density. Among these, JP-A-61-117160 proposes that by adding rare earth element oxides and alkaline earth metal oxides at the same time, it is possible to achieve low temperature firing and high thermal conductivity. There is. Also,
Recently, it has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 153173/1983 to add compounds of elements of groups 4a to 8 of the periodic table to aluminum nitride for the purpose of metallizing properties, light shielding properties, etc.

【0005】[0005]

【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。また、特開昭62−153173号に開示
された周期律表第4a〜8族元素化合物を添加した系に
おいても、添加する元素によっては大きく電気特性を劣
化させてしまう元素が存在することがわかった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, although the method disclosed in JP-A-61-117160 has excellent effects in low-temperature firing and high thermal conductivity, A detailed study of the electrical properties revealed that adding rare earth element oxides and alkaline earth element oxides at the same time may cause the sintered body to become semiconducting, resulting in poor electrical insulation and a high dielectric constant. It has been found that a problem arises in that the electrical characteristics deteriorate. Furthermore, it has been found that even in systems to which compounds of elements of Groups 4a to 8 of the periodic table are added, as disclosed in JP-A No. 62-153173, there are elements that significantly deteriorate electrical characteristics depending on the added elements. Ta.

【0006】このように、絶縁体として窒化アルミニウ
ム焼結体を用い、その上に半導体素子を搭載したり、金
属導体層やリード線等により回路が形成されるような基
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、低誘電率、低誘電損失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。
[0006] As described above, aluminum nitride sintered bodies are used as insulators, and as substrate materials on which semiconductor elements are mounted or circuits are formed with metal conductor layers, lead wires, etc., high thermal conductivity is used. Although high insulation properties, low dielectric constant, and low dielectric loss are required as well as electrical properties, sufficient studies have not been made from the viewpoint of such electrical properties.

【0007】よって、本発明の目的は、高熱伝導性を有
するとともに1700℃以下の温度で焼成可能であり、
且つ絶縁抵抗、誘電率、誘電損失等の電気特性において
問題のない窒化アルミニウム質基板を提供するにある。
[0007] Therefore, an object of the present invention is to have high thermal conductivity and to be able to be fired at a temperature of 1700°C or lower,
Another object of the present invention is to provide an aluminum nitride substrate that has no problems in electrical properties such as insulation resistance, dielectric constant, and dielectric loss.

【0008】[0008]

【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、焼結体の電気特性の劣化
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
元素との量比に大きく関係し、これらを特定を範囲内に
制御するとともにその他の金属元素として特定の金属元
素を選択し所定の量で添加することにより、低温焼成を
維持しつつ、電気特性を劣化を招くことなく基板材料と
して信頼性の高い優れたものが得られることを知見した
[Means for Solving the Problems] As a result of repeated studies on the above problems, the present inventors have found that the deterioration of the electrical properties of the sintered body is caused by alkaline earth elements and rare earth elements contained as sintering aids. It is largely related to the amount ratio with the elements, and by controlling these within specific ranges and selecting specific metal elements as other metal elements and adding them in predetermined amounts, the electrical properties can be improved while maintaining low temperature firing. It was discovered that a highly reliable and excellent substrate material can be obtained without causing deterioration.

【0009】即ち、本発明の窒化アルミニウム質基板は
、希土類元素およびアルカリ土類元素を含有し、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)の各点で囲まれた領域、あるいはF
(7.0,0.75)、G(7.0,0.10)、H(
12.0,0.10)、I(12.0、0.75)の各
点の点F−G−H−I−Fで囲まれる領域の組成からな
るとともに、Ti、V、Nb、Mo、W、CoおよびN
iから選ばれる少なくとも1種の元素を酸化物換算で0
.01〜5重量%含有し、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以下であることを特徴とするものである。
That is, the aluminum nitride substrate of the present invention contains a rare earth element and an alkaline earth element, where x is the amount of the rare earth element in terms of oxide, and y is the amount of the alkaline earth element in terms of oxide. Point A (0.1, 3.0) - B (0.1, 0.1) in Figure 1 plotting the (x, y) values at
)-C(1.0,0.1)-D(6.0,1.0)-E
The area surrounded by each point of (6.0, 3.0) or F
(7.0,0.75), G(7.0,0.10), H(
12.0, 0.10), I (12.0, 0.75), and the composition of the region surrounded by the points F-G-H-I-F, as well as Ti, V, Nb, Mo , W, Co and N
At least one element selected from i is 0 in terms of oxide
.. 01 to 5% by weight, and is characterized by having a volume resistivity of 1×10 10 Ω-cm or more at room temperature and a dielectric constant of 10 or less at 1 MHz.

【0010】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。 焼結助剤として希土類元素化合物、例えば希土類元素酸
化物等のみの添加では高熱伝導性および高緻密化は達成
されるものの、焼成温度を1700℃以上の高温に設定
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ではない。そこで、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%以上含有す
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。
The present invention will be explained in detail below. The substrate of the present invention basically consists of an aluminum nitride sintered body,
Further, the sintered body is characterized in that it contains at least an alkaline earth element and a rare earth element as a sintering aid. Although high thermal conductivity and high densification can be achieved by adding only rare earth element compounds such as rare earth element oxides as sintering aids, it is necessary to set the firing temperature to a high temperature of 1700°C or higher, so the furnace It is not practical due to restrictions such as the structure of the metallization and co-firing with metallization. Therefore, by adding an alkaline earth element compound to this, the firing temperature can be significantly lowered. Specifically, by containing an alkaline earth element in an amount of 0.1% by weight or more in terms of oxide, densification can be achieved by low-temperature firing. However, rare earth elements are 0.1
When the amount is less than % by weight, the sinterability of the system decreases, and densification by low-temperature firing cannot be achieved. On the other hand, if the amount of alkaline earth elements exceeds 3% by weight in terms of oxides, the thermal conductivity will decrease significantly, which is not desirable.

【0011】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。
Further, according to the present invention, even if the alkaline earth and rare earth elements are within the desired range from the above-mentioned thermal conductivity and sinterability point of view, the rare earth element oxide and the alkaline earth element oxide can be mixed. It has been found that when they are added simultaneously and fired at a low temperature, there is a phenomenon in which electrical properties are significantly degraded depending on the composition ratio.

【0012】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。
According to the present invention, based on this knowledge, when the oxide equivalent amount of the rare earth element is x and the oxide equivalent amount of the alkaline earth element is y, the diagram showing the composition ratio of x and y in FIG. In, the amount of addition is controlled so that (x, y) is an area surrounded by points A-B-C-D-E-A and an area surrounded by points F-G-H-I-F. The electrical characteristics can be improved by

【0013】アルカリ土類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
では電気特性が劣化し、線分DEよりも希土類元素量が
多く、および線分IFよりもアルカリ土類元素量が多い
領域では電気特性が劣化する。また線分HIより希土類
元素量が多い領域でも電気特性は劣化するからである。
The reason why the amounts of alkaline earth and rare earth elements are limited to the above regions is that in the region below the line segment CD in FIG. Electrical characteristics deteriorate in a region where the amount of rare earth elements is greater than in line segment DE and the amount of alkaline earth elements is greater than in line segment IF. This is also because the electrical characteristics deteriorate even in a region where the amount of rare earth elements is greater than the line segment HI.

【0014】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単結晶は103
 〜105 Ω−cmの低い比抵抗値を示すことが明ら
かにされている。従って、本発明の範囲外の組成系では
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、本発明の範囲外で
電気特性の劣化の大きい試料では外観上シミ、色むらが
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。
[0014] Although it is not clear why the electrical properties deteriorate in areas other than the above-mentioned specific areas, for example, according to ``Research on Aluminum Nitride'' (1973), Research Report No. 4 of the Inorganic Materials Research Institute, For example, it has been described that aluminum nitride can originally have semiconducting properties, and a pale blue single crystal containing carbon or oxygen is 103
It has been shown to exhibit low resistivity values of ~105 Ω-cm. Therefore, it is considered that in composition systems outside the scope of the present invention, trace impurities are solid-dissolved in the aluminum nitride crystal due to some action of the oxides of alkaline earth and rare earth elements and become a semiconductor. In addition, samples with significant deterioration in electrical properties outside the scope of the present invention tend to have stains and color unevenness in appearance, and this phenomenon is thought to be related to the above.

【0015】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。
The rare earth elements used in the present invention are most preferably Gd, Ho, Er, and Yb. This is because conventionally used materials such as Y tend to cause stains, color unevenness, etc. in the sintered body, and the mechanical properties and electrical properties of the substrate tend to become unstable. Further, as the alkaline earth elements, Ca, Sr, Ba, etc. are used.

【0016】また、窒化アルミニウム焼結体に対する他
の添加物として、例えば黒色化を目的として周期律表第
4a、5aおよび6a族元素化合物が有用であるとが知
られているが、本発明によれば、基板としての電気特性
との関係から、Ti、V、Nb、Mo、W、Coおよび
Niから選ばれる少なくとも1種の元素を用いることが
重要である。その他の金属元素、例えば、Zr、Ta等
は後述する実施例から明らかなように電気特性(電気絶
縁性、誘電率、誘電損失)が基板としての特性上、不適
合なものとなる。又、更にZr、Ta、Cr、Feにつ
いては黒色化効果が見られない。なお、この黒色化剤は
、全体量に対して、0.01〜5重量%、特に0.05
〜3重量%の割合で添加される。この添加量が0.01
重量%より少ないと着色性にバラツキが生じ遮光性が不
十分となり、また5重量%を越えると熱伝導率が大きく
低下するためである。また、これらの金属元素は、焼結
体中において金属単体、酸化物、炭化物、窒化物、硼化
物あるいは前記希土類元素と複合酸化物のいずれの形態
でも存在しうるが、特に金属単体、酸化物、炭化物、硼
化物であることが望ましい。
[0016] Furthermore, as other additives to the aluminum nitride sintered body, compounds of elements of Groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table are known to be useful, for example, for the purpose of blackening. According to the above, it is important to use at least one element selected from Ti, V, Nb, Mo, W, Co, and Ni in terms of the electrical properties of the substrate. Other metal elements, such as Zr and Ta, have electrical properties (electrical insulation, dielectric constant, dielectric loss) that are not suitable for the substrate, as will be clear from the examples described later. Moreover, no blackening effect is observed for Zr, Ta, Cr, and Fe. In addition, this blackening agent is used in an amount of 0.01 to 5% by weight, especially 0.05% by weight based on the total amount.
It is added in a proportion of ~3% by weight. This addition amount is 0.01
This is because if it is less than 5% by weight, the coloring properties will vary and the light shielding properties will be insufficient, and if it exceeds 5% by weight, the thermal conductivity will decrease significantly. These metal elements can exist in the sintered body in the form of simple metals, oxides, carbides, nitrides, borides, or composite oxides with the rare earth elements, but in particular , carbide, or boride.

【0017】また、熱伝導特性の点から焼結体中の窒化
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く、その粒径が大
きい程熱伝導率を高めることができ、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。
Furthermore, from the viewpoint of thermal conductivity, it is desirable that the average crystal grain size of aluminum nitride in the sintered body is 0.8 μm or more, particularly 1.2 μm or more, and the larger the grain size, the higher the thermal conductivity. The particle size can be increased to 0.8μm
If it is smaller, the volume (area) occupied by the grain boundaries between crystal grains is large, so the grain boundaries become obstacles to phonon conduction.
Thermal conductivity decreases.

【0018】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。
Next, a method for manufacturing an aluminum nitride substrate according to the present invention will be explained. First, the aluminum nitride raw material powder is manufactured by a known method such as a direct nitriding method or an alumina reduction method, has an impurity oxygen content of 1.5% by weight or less, a carbon content of 0.2% by weight or less, and excludes aluminum. Average particle size 2 with cationic impurity content of 0.1% by weight or less, especially Si content and Fe content of 100ppm or less
Powders with a diameter of .mu.m or less are preferably used.

【0019】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。また、Ti、V、Nb、Mo、W、C
oおよびNiから選ばれる少なくとも1種の元素を酸化
物、窒化物、硼化物あるいは希土類元素との複合酸化物
等の粉末として上記元素の酸化物換算量が0.1〜10
重量%となる割合で添加混合する。
As sintering aids, rare earth element compounds, especially oxide powders, and alkaline earth element compounds, especially oxides, carbonates, nitrates, etc. that can be converted into oxides by sintering are added to each of the final sintered bodies. They are weighed and mixed so that the amount of elements falls within the specific range shown in FIG. Also, Ti, V, Nb, Mo, W, C
At least one element selected from O and Ni is used as a powder such as an oxide, nitride, boride, or composite oxide with a rare earth element, and the oxide equivalent amount of the above element is 0.1 to 10.
Add and mix in a proportion of weight %.

【0020】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。
A mixed powder obtained by adding a sintering aid component to aluminum nitride raw material powder is mixed in an organic solvent if desired. At this time, the amount of water contained in the organic solvent is set to 0.4% by weight or less. This can improve the dispersibility of the aluminum nitride powder and prevent the surface of the aluminum nitride particles from being oxidized due to reaction with moisture.

【0021】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
を行う。
The obtained mixed powder is molded into a desired shape by a known molding method, such as press molding using a mold or hydrostatic pressure, sheet molding, extrusion molding, etc., and then fired.

【0022】焼成は、窒素ガスを含有する非酸化性雰囲
気中で行うことにより、緻密化が進行するとともに焼結
体は黒色化する。焼成手段としては、常圧焼成、ホット
プレス焼成および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。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、1
700℃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、これにより回路基板として例
えばWやMo等のメタライズ層との同時焼成が可能とな
るとともに連続炉等の使用も可能となる。
By performing the firing in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen gas, densification progresses and the sintered body becomes black. As the firing means, normal pressure firing, hot press firing, nitrogen gas pressure firing, etc. are adopted, but according to the present invention, by setting the firing temperature at this time to 1500°C or higher, the relative density is 90% or higher. It can be densified, and the average crystal grain size of aluminum nitride increases rapidly from the primary grain size of the raw material. As the firing temperature is further increased from 1500°C, the density improves and the average crystal grain size of aluminum nitride gradually increases.
If the temperature exceeds 700° C., the structure of the furnace itself becomes large-scale because of the requirement for heat resistance as a firing furnace. Therefore, when considering mass production, it is desirable to set the firing temperature to 1700°C or lower and to perform normal pressure firing in nitrogen or a mixed atmosphere of nitrogen and hydrogen. Simultaneous firing with the metallized layer becomes possible, and it also becomes possible to use a continuous furnace or the like.

【0023】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る。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。
[0023] Further, as a method for depositing and forming a metal conductor layer on the above-mentioned substrate, metal powder such as W, Mo, Mn, Au, Ag, Cu, Ti, etc. is added to the substrate obtained by the above-mentioned method. The conductor layer can be formed by applying a metallizing paste by a screen printing method or the like and heat-treating it at 600 to 1700° C., or by depositing a metal thin film by means such as sputtering or vapor deposition. In addition, in the method for manufacturing the sintered body, W and M are added to the surface of the molded body.
Apply a paste containing metal powder such as 1600~
Co-firing can also be carried out in a non-oxidizing atmosphere at 1800°C. Further, metal lead wires can be bonded to a substrate using low melting point glass, and furthermore, it can be used for semiconductor element heat dissipation, electric circuit substrates, caps, fins, etc.

【0024】[0024]

【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
領域に限定して添加するとともに、黒色化材としてTi
、V、Nb、Mo、W、Co、Niから選ばれる少なく
とも1種の元素を選択することにより、1700℃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において1×1010Ω−cm
以上、1MHzにおける誘電率10以下、さらに誘電損
失(tanδ)20×10−4以下の優れた電気特性が
得られる。
[Function] Alkaline earth elements and rare earth elements are added to aluminum nitride as sintering aid components, and the amounts of alkaline earth elements and rare earth elements are limited to specific areas shown in Figure 1. Ti as a blackening agent
By selecting at least one element selected from , V, Nb, Mo, W, Co, and Ni, densification with a relative density of 95% or more can be achieved at a temperature of 1700°C or less, and a thermal conductivity of 80W. /m・k or higher, and electrical properties of 1×1010 Ω-cm at room temperature.
As described above, excellent electrical properties such as a dielectric constant of 10 or less at 1 MHz and a dielectric loss (tan δ) of 20×10 −4 or less can be obtained.

【0025】以下、本発明を次の例で説明する。The invention will now be explained with the following examples.

【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2に示す
割合で添加混合した。また、この系に対してMoO3 
を0.5重量%添加混合した。次にこれを室温で100
0kg/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。
[Example] Example 1 As aluminum nitride raw material powder, average particle size (BET specific surface area) 3.3 m2 /g, impurity oxygen content 1.1% by weight
, the average particle size is 0.8 μm for commercially available aluminum nitride raw material powder with a carbon content of 0.05% by weight or less and a cationic impurity content excluding aluminum of 0.1% by weight or less.
Erbium oxide powder (Er2O3) and calcium carbonate (CaCO3) powder were added and mixed in the proportions shown in Tables 1 and 2. Moreover, for this system, MoO3
0.5% by weight was added and mixed. Next, add this at room temperature to 100%
Press molding was performed at a pressure of 0 kg/cm2. This molded body was fired at the firing temperature shown in Table 1 under 1 atmosphere of nitrogen gas for 3 hours.

【0026】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(tanδ
)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。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。
After firing, the relative density of each sintered body was calculated based on the Archimedes method, and the thermal conductivity was measured using the laser flash method. In addition, as electrical properties, we measured the volume resistivity at room temperature using an insulation resistance meter, and measured the dielectric constant (ε) and dielectric loss (tanδ) at room temperature and 1 MHz.
) was measured using a 1KHz/1MHz capacitance meter. Furthermore, the appearance of the sintered body was observed and evaluated. The results are shown in Tables 1 to 4. In addition, the amounts of rare earth elements (in terms of oxides) in Table 1 are plotted on the x-axis, and the amounts of alkaline earth elements (in terms of oxides) are shown on the y-axis, and are plotted in FIG.

【0027】[0027]

【表1】[Table 1]

【0028】[0028]

【表2】[Table 2]

【0029】[0029]

【表3】[Table 3]

【0030】[0030]

【表4】[Table 4]

【0031】実施例2 実施例1において、Er2 O3 1重量%、CaCO
3粉末をCaOとして0.75重量%相当量添加し、表
5に示す各種の金属酸化物を添加混合した。これらを成
形し、1650℃で3時間焼成した。得られた焼結体に
対して実施例1と同様な特性評価を行った。その結果は
表5および表6に示した。表5および表6によれば、金
属元素としてZr、Ta、では電気特性が劣化し、更に
Zr、Ta、Fe、Crでは充分な黒色化効果が得られ
なかった。
Example 2 In Example 1, 1% by weight of Er2O3, CaCO
3 powder was added in an amount equivalent to 0.75% by weight as CaO, and various metal oxides shown in Table 5 were added and mixed. These were molded and fired at 1650°C for 3 hours. The properties of the obtained sintered body were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 5 and 6. According to Tables 5 and 6, electrical properties deteriorated with Zr and Ta as metal elements, and sufficient blackening effect could not be obtained with Zr, Ta, Fe, and Cr.

【0032】[0032]

【表5】[Table 5]

【0033】[0033]

【表6】[Table 6]

【0034】実施例3 実施例1において希土類元素酸化物として、Er2 O
3 1重量%、CaCO3 粉末をCaOとして0.7
5重量%相当量添加し、これにMoO3 粉末量を表7
の割合で添加し成形後、1650℃で3時間焼成した。 得られた焼結体について実施例1と同様な特性評価を行
い、その結果を表7および表8に示した。その結果、M
oO3 量が0.01重量%より少ないと着色性が低下
し、5重量%を越えると焼結性については問題ないもの
の、電気特性が大きく劣化するとともに熱伝導率も低下
した。
Example 3 In Example 1, Er2O was used as the rare earth element oxide.
3 1% by weight, CaCO3 powder as CaO 0.7
An amount equivalent to 5% by weight was added, and the amount of MoO3 powder was shown in Table 7.
After molding, it was baked at 1650°C for 3 hours. The properties of the obtained sintered body were evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Tables 7 and 8. As a result, M
When the amount of oO3 was less than 0.01% by weight, the colorability decreased, and when it exceeded 5% by weight, although there was no problem with sinterability, the electrical properties were significantly deteriorated and the thermal conductivity was also decreased.

【0035】[0035]

【表7】[Table 7]

【0036】[0036]

【表8】[Table 8]

【0037】実施例4 実施例1において、Er2 O3 粉末の代わりに表4
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CaCO3 の他にBaCO3 、S
rCO3 の粉末、さらに他の金属化合物粉末を用いて
同様に表4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、その結果を表9
および表10に示した。表9および表10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。
Example 4 In Example 1, Table 4 was used instead of Er2 O3 powder.
In addition to CaCO3, BaCO3 and S are used as alkaline earth elements.
Similarly, rCO3 powder and other metal compound powders were weighed and mixed in the proportions shown in Table 4, molded in the same manner as in Example 1, and fired under the conditions shown in the table. The characteristics were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 9.
and shown in Table 10. According to the results in Tables 9 and 10, the respective amounts of alkaline earth elements and rare earth elements are, in particular, the alkaline earth elements are 2% by weight or less in terms of oxides, and the rare earth elements are 0.3% by weight in terms of oxides. The above value is desirable from the viewpoint of thermal conductivity.

【0038】[0038]

【表9】[Table 9]

【0039】[0039]

【表10】[Table 10]

【0040】[0040]

【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とともに特定の金属化
合物を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。
Effects of the Invention As detailed above, according to the present invention, aluminum nitride is the main ingredient, alkaline earth elements and rare earth elements are added in a specific range, and a specific metal compound is added to achieve low temperature firing and It is possible to obtain a sintered body having excellent electrical properties such as high insulation, low dielectric constant, and low dielectric loss while maintaining high thermal conductivity. Therefore, by using the sintered body as a substrate with a metal conductor layer deposited on its surface, it is possible to suppress delays in signal propagation speed and reduce power loss, for example, as a circuit board, and as a result, various types of semiconductors can be used. Reliability can be improved as a substrate on which elements are mounted.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【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。
FIG. 1: Rare earth element content (x) and alkaline earth element content (y) of the aluminum nitride substrate of Example 1 in the present invention.
FIG.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  窒化アルミニウムを主体とし、焼結助
剤として希土類元素およびアルカリ土類元素を含有し、
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)の各点で囲まれた領域の組成
からなるとともにTi、V、Nb、Mo、W、Coおよ
びNiから選ばれる少なくとも1種の元素を酸化物換算
で0.01〜5重量%の割合で含有する室温における体
積固有抵抗が1×1010Ω−cm以上、1MHzにお
ける誘電率が10以下の窒化アルミニウム質基板。
[Claim 1] Mainly made of aluminum nitride, containing rare earth elements and alkaline earth elements as sintering aids,
Point A (0.1, 3.0) in FIG. 1 where the (x, y) values are plotted, where x is the oxide equivalent amount of the rare earth element and y is the oxide equivalent amount of the alkaline earth element. −B(0.1,
0.1)-C(1.0,0.1)-D(6.0,1.0
)-E (6.0, 3.0) and at least one element selected from Ti, V, Nb, Mo, W, Co, and Ni in terms of oxide. An aluminum nitride substrate having a volume resistivity of 1×10 10 Ω-cm or more at room temperature and a dielectric constant of 10 or less at 1 MHz.
【請求項2】  窒化アルミニウムを主体とし、焼結助
剤として希土類元素およびアルカリ土類元素を含有し、
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
,0.10)−H(12.0−0.10)−I(12.
0,0.75)で囲まれた領域の組成からなるとともに
、Ti、V、Nb、Mo、W、CoおよびNiから選ば
れる少なくとも1種の元素を酸化物換算で0.01〜5
重量%の割合で含有する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1
0以下の窒化アルミニウム質基板。
[Claim 2] Mainly made of aluminum nitride, containing rare earth elements and alkaline earth elements as sintering aids,
When the oxide equivalent amount of the rare earth element is x and the oxide equivalent amount of the alkaline earth element is y, point F (7.0, 0.75) in FIG. 1 where the (x, y) values are plotted. -G(7.0
,0.10)-H(12.0-0.10)-I(12.
0.0, 0.75), and at least one element selected from Ti, V, Nb, Mo, W, Co, and Ni, in an oxide equivalent of 0.01 to 5
The volume resistivity at room temperature contained in the proportion of weight % is 1
×1010Ω-cm or more, dielectric constant at 1MHz is 1
0 or less aluminum nitride substrate.
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