1 ．はじめに
近年，電子部品の高出力化，高密度化による発熱密度（面 積当たりの発熱量）の増加にともない，放熱用基板材料への 高熱伝導率化の要求が増してきている。Cu（銅），Al（アル ミニウム）などの金属材料は一般に高い熱伝導率を有するた め，放熱用基板材料として使われる。絶縁性が必要な用途で は，一般的なセラミックスであるAl2O3（アルミナ）の代替と して，BeO（ベリリア）やSiC（炭化ケイ素）などの高放熱材 料が用いられてきた。しかし，BeOやSiCでは，安全性，絶 縁性あるいは生産性の面から使用が難しくなっており，これ
らに代わる材料として，高い熱伝導率を有するAlN（窒化ア ルミニウム）セラミックスの用途が増加している。LED点灯 時のサーモカメラでの温度測定結果を図 1に示す。1.8 W投 入してLEDを発光させたとき，アルミナ基板とAlN基板を 比較すると，1 分 30 秒後，明らかにAlN基板の表面温度が 押さえられている。このように高放熱材料を用いることで，
素子の温度上昇が抑えられ，LEDパッケージの信頼性を向 上させることが可能になる。
2 ． AlN セラミックスの特長
AlNセラミックスは，表 1に示すように他のセラミックス
高放熱基材としての AlN 材料
山 本 泰 幸a
a ㈱トクヤマ（〒 300︲4247 茨城県つくば市和台 40）
AlN Materials as the High Thermal Conductive Substrate
Yasuyuki YAMAMOTO
aa Tokuyama Corporation(40, Wadai, Tsukuba-shi, Ibaraki 300-4247)
Keywords : AlN, Thermal Conductivity, Metallization, Filler
小特集：プリント配線板と表面処理（Ⅱ）
ｱﾙﾐﾅ AlN
ｱﾙﾐﾅ基板 AlN基板
基板サイズ：□20mm×10mm×0.635mm 投入電力：1.8W
ｱﾙﾐﾅ基板 AlN基板
図 1 LED点灯時のサーモカメラでの温度測定
項目 単位 AlN Al2O3 BeO SiC
熱伝導率 W/（m･K） 70 ～ 270 20 260 270
電気抵抗 Ω ･cm >1014 >1014 >1014 >1013
絶縁耐力 kV/cm 140 ～ 170 100 100 0.7
誘電率 室温 25℃, 1 MHz 8.8 8.5 6.5 40
誘電損失 tanδ× 10－ 4 5 ～ 10 3 5 500
熱膨張係数 × 10－ 6 /℃ 4.5 7.3 8 3.7
密度 g/cm3 3.3 3.9 2.9 3.2
ヤング率 GPa 270 360 310 >470
強度 MPa 350 ～ 500 220 ～ 250 160 ～ 230 440
焼結法 － 常圧 常圧 常圧 BeO添加
ホットプレス
（代表値）
表 1 各種セラミックスの特性比較
トピックス 材料と比較して，高い熱伝導率を持つと同時に絶縁抵抗が高
く，熱膨張係数もシリコンに近いという特長を持っている。
図 2に示すように，シリコン，ガリウム砒素，窒化ガリウム，
あるいはサファイアなど半導体素子の基材の熱膨張係数に近 い値を持つことから，素子接合基板として信頼性の観点より 好ましい。なぜなら，素子のon/offで温度変化が生じた場合，
Cuのような金属板に直接接合すると熱膨張係数の差が大き くなり，界面での剥離を生じるなど素子の性能劣化を引き起 こしてしまう。
また，素子とセラミックス基板は，はんだ接合やAuなど の金属を介してのバンプ接合などで接続されるため，電子部 品搭載用基板では，回路を形成するためのメタライズ性（セ ラミックスと金属配線の密着性）が非常に重要な特性となる。
3 ． AlN セラミックス基板の製造方法
AlNセラミックスや他のセラミックス材料は，さまざまな 改良により高熱伝導率化が進められたが，AlNセラミックス については，焼結助剤や原料の開発，焼成雰囲気の制御など によって熱伝導率が大きく向上した。
弊社においてアルミナの還元窒化法を工業的に確立したこ とにより，それ以前に用いられていた直接窒化法での原料粉 末に比べて，焼結性が飛躍的に向上した。気相法での製造は，
現在行われていない。原料粉末の主な製造方法を図 3に示す。
直接窒化法とは，その名のとおり，金属アルミニウムを直 接窒化する手法で，アルミニウム粉末を窒素雰囲気中で加熱 することにより，容易にAlN粉末を作製することが可能で ある1）。一方，還元窒化法とは，原料にアルミナ粉末を用い，
これをカーボンなどの還元剤とともに窒素雰囲気中で加熱す ることによってAlN粉末を作製する手法である。直接窒化 法に比べて窒化温度が高くなる反面，アルミナ粉末の粒径や 不純物量を制御することでAlN粉末の粒径をコントロール することができ，直接窒化AlN粉より粒度分布がシャープ で高純度な粉末を作製することが可能である。このようにし て得られた粉末は，焼結性に優れており2），さらに，AlNと 相性の良い焼結助剤を用いることや焼結時の温度・雰囲気を コントロールすることで，より，高熱伝導率のセラミックス
基板が作製されるようになってきた。
AlNセラミックスは，構成元素が軽く共有結合性を持つこ とから，熱伝導はフォノンによってなされる。焼結体中の含 有酸素量が増加することで，熱伝導率が低下すると言われて おり，その他，図 4に示すような各種要因によってもフォノ ンが散乱され熱伝導が阻害されると考えられている。そこで，
各種の焼結助剤を用いて焼成することで，セラミックス粒内 の含有酸素を減らし，粒成長を促進し熱伝導率の向上を図っ ている。焼結助剤の役割は，AlN粉末中のアルミナ分と反応 し，高温で液相を形成することである。液相中では，AlN粒
4.5 4.1
6.5 5.6
7.5
4.5 5.2
17
23.5
0 5 10 15 20 25
AlN Si GaAs GaN ｻﾌｧｲｱ InP InAs Cu Al
熱膨張係数（×10-6 ／℃）
（代表値）
半導体素子の基材 AlN
基板
金属 基板
素子のON－OFFで 温度変化
↓
素子と基板が伸び縮み 素子に大きな力が加わる
⇒ 素子の性能劣化 伸縮に大きな差
↓
図 2 各種材料の熱膨張係数の比較
直接窒化法 2Al + N2→ 2AlN ∆H = -320 kJ / kg-mol
気相法 Al(C2H5)3+ NH3→ AlN + 3C2H6
還元窒化法 Al2O3+ 3C + N2→ 2AlN + 3CO ΔH = 27kJ / kg-mol
金属アルミニウム 窒化 粉砕 分級 窒化アルミニウム アルミナ
混合 窒化 酸化 窒化アルミニウム カーボン
・吸熱反応なので，反応の制御が容易。
・粒径の揃った高純度AlN粉末が得られる。
・連鎖反応的に自己発熱をともなうので，反応制御が極めて難しい。
・窒化反応後，凝集塊を粉砕，分級する工程が必要で不純物の混入は避けられない。
・トリエチルアルミニウムは樹脂重合触媒で，空気中で自燃し水と爆発的に反応するた め，取扱いが難しい。
図 3 AlN粉末の製造方法
フォノン散乱
転位 ひずみ 格子欠陥 結晶の完全性 不純物
微構造
固溶不純物 粒界偏析 第2層析出
粒内 粒界
粒界(粒径) クラック 気孔
図 4 AlNセラミックスの熱伝導率を低下させる要因
高放熱基材としてのAlN材料 子の再配列および粒成長が起こり，AlNの緻密化を促進する。
この段階で，液相はAlN粒内に固溶する酸素を粒界にトラッ プし，熱伝導率の高い基板を作製することができる。さらに 焼成雰囲気を制御することにより，焼結助剤相を焼結体内か ら除くことで，より高純度で高熱伝導率のAlN基板を作製 することができる。
4 ． AlN セラミックス基板へのメタライズ技術
放熱用回路基板あるいはパッケージなどの用途にセラミッ クスを用いる場合，セラミックスへのメタライズ技術やパ ターニング技術が必須となる。図 5に示すように，工業的に 用いられているAlNセラミックス基板へのメタライズ技術 には，薄膜法，厚膜法（コファイア法，ポストファイア法），金属板接合法（活性金属ロウ付け法）などがある。これらのメ タライズ法の中でも汎用的な薄膜法と厚膜法の技術について 以下に紹介する。
4．1 薄膜法でのメタライズ技術
薄膜法とは，真空装置を用いて基板表面に金属膜を形成す る方法であり，スパッタリング法，蒸着法，イオンプレーティ ング法などのさまざまな手法がある。形成される金属膜の厚 みは，通常，サブミクロンから 10 μm程度であり，パター ン形成にはフォトリソ法が一般的に用いられる。
通常，2 層もしくは 3 層以上の層構成からなり，それぞれ の層は，接着層，バリア層，接合層に分けられる。接着層に は，Ti（チタン），Ta（タンタル），Cr（クロム）などのAlNセ ラミックスと密着しやすい活性な金属が用いられる。接合層 をAuにすることで，素子と放熱基板をはんだで接合するこ とができ，また，必要に応じて，Au線などのワイヤーボン ドによる接合が可能となる。また，将来的には，より安価な 膜構成あるいはLED素子など接合以外に光反射性が求めら れるような用途として，Tiなどの接着層上に光反射率の高 いAl層を形成するような新たな膜構成が考えられる。
4．2 厚膜法でのメタライズ技術 1 【コファイア法】
セラミックスのメタライズ技術で最も汎用的な手法がコ ファイア法である。コファイア法は，「Co（一緒に）－fire（焼
成する）」ということで，セラミックスの焼結の際に一緒に 金属を焼結する方法である。金属とセラミックスの密着力が 非常に高く，信頼性の高いセラミックスメタライズ基板を作 製することができる。メタライズの塗布方法は，スクリーン 印刷法が一般的であるため，金属膜の厚さは数μm～数 10 μm である。また，印刷した焼成前のグリーンシート（セラミッ クス粉と樹脂を混ぜて形成した板ガム状のもの）を何層も積 層することで，多層の配線基板が容易に作製でき，その際の 積層条件や焼成条件をより厳密に制御することで，気密性の 高いパッケージも作製することができる。グリーンシートは，
加工性に優れているため，切断機などで溝を形成し，焼結後 分割（ブレーク）可能な多数個取り基板を安価に作製すること ができる。
反面，シート内のセラミックス粉と樹脂の不均一な分布，
あるいはセラミックスの粒度の分布などから，焼成の際の収 縮が必ずしも均一に起こらず，結果として寸法制御が難しい という欠点がある。このため，高い寸法精度が要求される光 学系のメタライズ基板には不向きな製法といえる。
なお，焼結後のメタライズ表面は，W（タングステン）や Mo（モリブテン）などであり，はんだが濡れない高融点金属 であるため，メタライズ表面上に，NiめっきとAuめっきを 行うのが一般的な製品形態となっている。
4．3 厚膜法でのメタライズ技術 2 【ポストファイア法】
コファイア法に対し，ポストファイア「Post（後で）－fire（焼 成する）」法では，あらかじめ焼結した基板に，WやMoの 粉末をベースとした導体ペーストを印刷・焼成する。そのた め，高い寸法精度の配線を形成できるので，寸法精度の厳し い光学部品用途に向いている。焼成の際に雰囲気を制御して 焼き付けることで，セラミックスと金属の間で複雑な界面が 形成され，結果として高い密着力が得られる。元来，Wや Moは，熱膨張係数が小さく，AlNセラミックスの熱膨張係 数に近いことから，接合後の信頼性も高いという利点を有す る。また，コファイア法で作製する製品の大きさは□ 3 イン チ程度までで，大きな基板を作製することが難しい。これに 対し，ポストファイア法では，図 6に示すような□ 5 インチ
金属膜厚 ： ＜１０uｍ 薄膜メタライズ
メタライズ技術
厚膜メタライズ
コファイア法
ポストファイア法
単層配線 多層配線
単層配線
多層配線 Ｗビア付き薄膜
スパッタ法 真空蒸着法
スパッタ法
＋ コファイア基板
印刷法 印刷・積層
印刷法
印刷法 金属膜厚 ： １０～４０uｍ
Ａｕ導体膜，はんだ膜，抵抗膜
手法
Ｗ（タングステン）系，Ｃｕ（銅）系
Ｗ（タングステン）系 Ｗ（タングステン）系
( 同時焼成法)
( 後焼成法)
金属膜厚（板厚） ： １５０～３００uｍ Ｃｕ板，Ａｌ板 金属接合基板
図 5 AlNセラミックスへのメタライズ技術
トピックス の大型メタライズ基板でも容易に作製できるため，将来的に
は，コファイア法よりも低コストで作製できる可能性もある。
上記のWポストファイア技術は寸法精度とメタライズ密 着強度が必要な分野で広く採用されているが，WやMoと いった高融点金属を用いるため配線抵抗を小さくすることが 難しい。電子部品の高出力化が進むにつれ，この抵抗値を下 げることが望まれている。この問題を解決するため，活性金 属を利用して界面に反応層を形成し，強固な接合強度を有す るCuメタライズ回路を形成する手法を開発した。Cuメタ ライズ膜とAlNセラミックスとの密着力は 80 MPa以上と，
Wポストファイア技術と遜色のない密着力を有するメタラ イズ膜の形成に成功している。
Cuメタライズ膜の場合，研磨やエッチングによる表面粗 さの制御が可能であり，素子実装についても有利になる。こ れらの製品の具体的な用途としては，直接半導体素子を実装 する素子搭載基板やパワーデバイスからの熱を逃がす高放熱 配線基板などにおいて期待されており，サンプル提供が開始 されている。
5 ．フィラー用セラミックス
LEDなど素子で発生した熱を，セラミックスを介して放 熱板などに伝達する必要があるが，放熱は素子直下のみでな く，装置全体で考える必要がある。通常，筐体は樹脂や金属 が用いられるが，セラミックス配線基板との接触熱抵抗が大 きいと外気や冷媒に熱が伝わらず，結果，素子の放熱が不十 分となる。これらセラミックス配線基板と筐体との接触熱抵 抗を小さくするためには，放熱グリスなどの不定形な材料に よって表面の微小な凹凸を埋めた状態で部材同士を接触させ る必要がある。
放熱グリスは添加材（フィラー）を充填することで，各種の 物性を制御することが可能であるが，放熱グリスなど，樹脂 とフィラーからなる複合材料の熱伝導率については，①高い 熱伝導率を有するフィラーを採用する，②フィラーを高充填 する，③高い熱伝導率を有する樹脂を採用することが重要で あるとされる。また，現在，フィラーとして最も使用されて いるものはアルミナであるが，アルミナは熱伝導率が約 20
～ 30 W/m･K程度であるため，高熱伝導率のAlNをフィラー として用いれば，熱伝導率が高くなることが予想される。
ここで，エポキシ樹脂にアルミナ，AlNを充填させた場合 の熱伝導率のグラフを図 7に示す3）。AlNをエポキシ樹脂に 充填した場合，アルミナを充填させたときと比較して，充填 エポキシ樹脂は相当に高い熱伝導率を示すことがわかる。
AlNを フ ィ ラ ー と し て 68.5 vol%充 填 し た 複 合 材 料 は，
7.15 W/m･Kの熱伝導率を示している。
AlN粉末を樹脂中に高充填するためには，さまざまな粒径 の球状AlN粉末を組み合わせることが効果的である。AlN の粒径制御は，さまざまな手法が考えられるが，アルミナの 還元窒化技術を応用することによって，球状で 5 μmのAlN 粉末を得ることに成功した。合成したAlNフィラーのSEM 写真を図 8に示す。このような粉末と従来からセラミックス の焼成用原料として用いられてきた微小（平均粒径 1 ～ 2 μm）
な粉末を組み合わせることで，樹脂へのさらなる高充填が可 能となる。
6 ．今後の製品形態
AlNセラミックスは，現在，素子からの発熱を直下に逃が すサブマウントとしての用途が主流である。放熱の設計にお いては，素子直下への放熱だけではなく，最終的に外気や熱 交換器，冷媒などへ，いかに熱を放出できるかが重要である。
この熱経路の一部に接合用の樹脂など熱抵抗の大きな材料が 入ると，放熱が十分に行われない場合があるため，高放熱材 料を用いるだけではなく，材料間の接合技術が非常に重要で
図 6 □ 5 インチの大型メタライズ基板
2 1 14
AlN
Thermal conductivity / W/mK
Volume fraction / vol%
Al203
AlN : D50=23.9µm Al203 : D50=10.0µm 12
10 8 6 4 2 0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
図 7 AlN粉末充填エポキシ樹脂におけるAlNの体積分率と熱 伝導率の関係3）
10μm 図 8 球状AlNフィラー（5 μm）のSEM写真
高放熱基材としてのAlN材料 ある。AlNセラミックスは，材料自身の熱伝導率が高いとと
もに，最近ではその表面へのメタライズ技術，および材料同 士の接合技術がより多岐にわたってきたことで，素子⇒サブ マウント⇒パッケージ⇒回路基板のように，放熱の経路をよ り効率良くできる構成が可能となってきている。発熱部材の 大きさや用途によって，これら全てをAlNセラミックスで 構成するものや，セラミックス複合材料を効果的に構成する ものなど，今後，さまざまな用途への展開が期待される。
（Received May 30, 2011）
文 献
₁ ）山下 肇 ; エレクトロニク・セラミクス, 11月号, 41（1986）.
₂ ）倉元信行 ; セラミックス, 22, 29（1987）.
₃ ）永井裕二，頼 高潮 ; 日本セラミックス協会学術論文誌, 105, 197（1997）.
