JP2000044351A - 窒化珪素質放熱部材及びその製造方法 - Google Patents
窒化珪素質放熱部材及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】１８００℃以下の低温で焼成可能であって、且
つ高熱伝導性および高強度を有する窒化珪素質放熱部材
とその製造方法を提供する。 【解決手段】窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、希
土類元素およびＭｇを酸化物換算による合量で４〜３０
モル％、希土類金属（ＲＥ）とＭｇを酸化物換算のモル
比（ＲＥ2 Ｏ3 ／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる比率で
含有するとともに、Ａｌの酸化物換算量が１モル％以下
の相対密度が４８〜５６％の成形体を、１５００〜１８
００℃の非酸化性雰囲気中で焼成して、相対密度９０％
以上に緻密化して、焼結体の切断面における窒化珪素結
晶の平均長軸径が０．５〜３μｍの熱伝導率５０Ｗ／ｍ
・Ｋ、強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素質放熱部材を得
ることができる。
つ高熱伝導性および高強度を有する窒化珪素質放熱部材
とその製造方法を提供する。 【解決手段】窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、希
土類元素およびＭｇを酸化物換算による合量で４〜３０
モル％、希土類金属（ＲＥ）とＭｇを酸化物換算のモル
比（ＲＥ2 Ｏ3 ／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる比率で
含有するとともに、Ａｌの酸化物換算量が１モル％以下
の相対密度が４８〜５６％の成形体を、１５００〜１８
００℃の非酸化性雰囲気中で焼成して、相対密度９０％
以上に緻密化して、焼結体の切断面における窒化珪素結
晶の平均長軸径が０．５〜３μｍの熱伝導率５０Ｗ／ｍ
・Ｋ、強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素質放熱部材を得
ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回路基板や半導体
素子収納用パッケージの絶縁基板等に適用され優れた放
熱性を有する窒化珪素質放熱部材とその製造方法に関す
るものである。
素子収納用パッケージの絶縁基板等に適用され優れた放
熱性を有する窒化珪素質放熱部材とその製造方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化に伴い、半
導体装置から発生する熱も増加しており、該半導体装置
の誤動作をなくす為には、このような熱を装置外に速や
かに放出する基板が必要となっている。
導体装置から発生する熱も増加しており、該半導体装置
の誤動作をなくす為には、このような熱を装置外に速や
かに放出する基板が必要となっている。
【０００３】しかしながら、 従来から用いられてきた各
種絶縁基板や半導体素子収納用パッケージ等のアルミナ
材料は、熱伝導率が約２０Ｗ／ｍ・Ｋと低い事からそれ
に代わるものとして高い熱伝導率を有する窒化アルミニ
ウムが注目され始めた。しかし、窒化アルミニウムは強
度や破壊靭性値が低く高応力のかかる部品や高信頼性の
要求される分野には適用できない事が分かってきてい
る。そこで高熱伝導率と高強度、高信頼性の要求に応え
る材料として、最近、窒化珪素質焼結体が注目されてき
ている。
種絶縁基板や半導体素子収納用パッケージ等のアルミナ
材料は、熱伝導率が約２０Ｗ／ｍ・Ｋと低い事からそれ
に代わるものとして高い熱伝導率を有する窒化アルミニ
ウムが注目され始めた。しかし、窒化アルミニウムは強
度や破壊靭性値が低く高応力のかかる部品や高信頼性の
要求される分野には適用できない事が分かってきてい
る。そこで高熱伝導率と高強度、高信頼性の要求に応え
る材料として、最近、窒化珪素質焼結体が注目されてき
ている。
【０００４】従来、窒化珪素質焼結体は、ガスタービン
などの高温構造材料として盛んに研究され、一部実用化
されている。このような窒化珪素質焼結体は、室温から
高温までの強度特性を高めるために希土類元素酸化物を
添加し１８００〜２０００℃という非常に高い温度で焼
成する必要があり、また、その場合、窒化珪素の高温で
の分解反応を抑えるために数十〜１００気圧の窒素雰囲
気中で焼成することが必要である。
などの高温構造材料として盛んに研究され、一部実用化
されている。このような窒化珪素質焼結体は、室温から
高温までの強度特性を高めるために希土類元素酸化物を
添加し１８００〜２０００℃という非常に高い温度で焼
成する必要があり、また、その場合、窒化珪素の高温で
の分解反応を抑えるために数十〜１００気圧の窒素雰囲
気中で焼成することが必要である。
【０００５】一方、高温での特性を必要としない場合
は、焼結助剤としてアルミナやマグネシアを添加するこ
とにより１７００〜１８００℃の比較的低温で焼成する
ことにより作製されている。
は、焼結助剤としてアルミナやマグネシアを添加するこ
とにより１７００〜１８００℃の比較的低温で焼成する
ことにより作製されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、窒化珪素はそ
の構成元素や結晶構造から高熱伝導性を有すると予測さ
れながら、構造用材料としての研究に比べ放熱用部材と
しての研究はあまりなされていなかった。最近になっ
て、高温構造材料としての窒化珪素質焼結体の熱伝導率
がかなり高いことが見出され、この焼結体の放熱部材へ
の検討が始まっている。
の構成元素や結晶構造から高熱伝導性を有すると予測さ
れながら、構造用材料としての研究に比べ放熱用部材と
しての研究はあまりなされていなかった。最近になっ
て、高温構造材料としての窒化珪素質焼結体の熱伝導率
がかなり高いことが見出され、この焼結体の放熱部材へ
の検討が始まっている。
【０００７】このような経緯から放熱部材としての研究
も高温での焼結を前提としたものがほとんどである。例
えば、特開平６−１３５７７１号、特開平７−１４９５
８８号では、助剤として主に希土類元素酸化物を含み１
８００〜２０００℃にて窒素加圧雰囲気中で焼成するこ
とにより６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する窒化珪
素焼結体が得られるとしている。また、特開平４−２１
９７３１号には９０重量％以上の窒化珪素を含み、Ａ
ｌ，Ｏをともに３．５重量％以下とし、密度３．１５ｇ
／ｃｍ3 とする事により、熱伝導率４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
の窒化珪素焼結体を得ることが記載されている。
も高温での焼結を前提としたものがほとんどである。例
えば、特開平６−１３５７７１号、特開平７−１４９５
８８号では、助剤として主に希土類元素酸化物を含み１
８００〜２０００℃にて窒素加圧雰囲気中で焼成するこ
とにより６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する窒化珪
素焼結体が得られるとしている。また、特開平４−２１
９７３１号には９０重量％以上の窒化珪素を含み、Ａ
ｌ，Ｏをともに３．５重量％以下とし、密度３．１５ｇ
／ｃｍ3 とする事により、熱伝導率４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
の窒化珪素焼結体を得ることが記載されている。
【０００８】このような高温での焼成には、窒素加圧焼
成という特殊な焼成方法を採用する必要があるために焼
成コストの増加を招く。また、窒化珪素自身の分解を完
全に抑制することは難しく、製品の焼き肌面は非常に荒
れやすくなり、そのような材料を実際に使うには表面研
磨などの加工処理が必要となってくるため、手間がかか
り、コスト上昇の一因となっていた。
成という特殊な焼成方法を採用する必要があるために焼
成コストの増加を招く。また、窒化珪素自身の分解を完
全に抑制することは難しく、製品の焼き肌面は非常に荒
れやすくなり、そのような材料を実際に使うには表面研
磨などの加工処理が必要となってくるため、手間がかか
り、コスト上昇の一因となっていた。
【０００９】さらに最近では特開平８−３１９１８７
号、特開平９−３０８６６号などには、１２０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上という窒化アルミニウム並みの高熱伝導率を有す
る窒化珪素質焼結体も提案されている。しかしながら、
これらはいずれも１８００℃を超える高温にて焼成し、
あるいは比較的低温で緻密化した後の熱処理により、窒
化珪素焼結体中の結晶粒子径を大きく粒成長させること
により、高熱伝導化を図るものである。ところが、この
ように大きな結晶粒子を存在させると、その粗大粒子が
破壊源となり、焼結体としての強度を極端に低下させて
しまうという問題があった。
号、特開平９−３０８６６号などには、１２０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上という窒化アルミニウム並みの高熱伝導率を有す
る窒化珪素質焼結体も提案されている。しかしながら、
これらはいずれも１８００℃を超える高温にて焼成し、
あるいは比較的低温で緻密化した後の熱処理により、窒
化珪素焼結体中の結晶粒子径を大きく粒成長させること
により、高熱伝導化を図るものである。ところが、この
ように大きな結晶粒子を存在させると、その粗大粒子が
破壊源となり、焼結体としての強度を極端に低下させて
しまうという問題があった。
【００１０】これに対して、窒化珪素の焼成を１８００
℃以下の比較的低温にて行う場合には、常圧（大気圧）
の非酸化性雰囲気中にて焼成できるために、微細な組織
からなり焼き肌面の荒れが少ない製品を得ることができ
る。しかしながら、これまでの１８００℃以下の低温焼
成によって作製された窒化珪素質焼結体は、熱伝導率が
２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと極端に低下するという問題があ
った。これは主に希土類酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）−Ａｌ2
Ｏ3 系の複合助剤を用いて行われているため、窒化珪素
結晶粒子中へのＡｌ原子の固溶およびサイアロンの形成
によって窒化珪素結晶自体の熱伝導率が低下するためで
あると考えられる。
℃以下の比較的低温にて行う場合には、常圧（大気圧）
の非酸化性雰囲気中にて焼成できるために、微細な組織
からなり焼き肌面の荒れが少ない製品を得ることができ
る。しかしながら、これまでの１８００℃以下の低温焼
成によって作製された窒化珪素質焼結体は、熱伝導率が
２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと極端に低下するという問題があ
った。これは主に希土類酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）−Ａｌ2
Ｏ3 系の複合助剤を用いて行われているため、窒化珪素
結晶粒子中へのＡｌ原子の固溶およびサイアロンの形成
によって窒化珪素結晶自体の熱伝導率が低下するためで
あると考えられる。
【００１１】従って、本発明は、前記課題を解消するた
めになされたもので、その目的は１８００℃以下の低温
で焼成可能であって、且つ高熱伝導性および高強度を有
する窒化珪素質放熱部材とその製造方法を提供するにあ
る。
めになされたもので、その目的は１８００℃以下の低温
で焼成可能であって、且つ高熱伝導性および高強度を有
する窒化珪素質放熱部材とその製造方法を提供するにあ
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
に対して鋭意検討を重ねた結果、焼結助剤として希土類
元素化合物とマグネシウム化合物とを共に添加するとと
もに、焼結体中の窒化珪素結晶粒子を所定の大きさに制
御することにより、高熱伝導性と、高強度を合わせ持つ
焼結体を得るに至ったものである。
に対して鋭意検討を重ねた結果、焼結助剤として希土類
元素化合物とマグネシウム化合物とを共に添加するとと
もに、焼結体中の窒化珪素結晶粒子を所定の大きさに制
御することにより、高熱伝導性と、高強度を合わせ持つ
焼結体を得るに至ったものである。
【００１３】即ち、本発明の窒化珪素質放熱部材は、窒
化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、希土類元素および
Ｍｇを酸化物換算による合量で４〜３０モル％、希土類
金属（ＲＥ）とＭｇを酸化物換算のモル比（ＲＥ2 Ｏ3
／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる比率で含有するととも
に、Ａｌの酸化物換算量が１モル％以下、相対密度が９
０％以上であり、且つ切断面における窒化珪素結晶の平
均長軸径が０．５〜３μｍの焼結体からなることを特徴
とするものである。
化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、希土類元素および
Ｍｇを酸化物換算による合量で４〜３０モル％、希土類
金属（ＲＥ）とＭｇを酸化物換算のモル比（ＲＥ2 Ｏ3
／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる比率で含有するととも
に、Ａｌの酸化物換算量が１モル％以下、相対密度が９
０％以上であり、且つ切断面における窒化珪素結晶の平
均長軸径が０．５〜３μｍの焼結体からなることを特徴
とするものである。
【００１４】また、そのような窒化珪素質放熱部材を製
造する方法としては、窒化珪素粉末、希土類元素酸化
物、Ｍｇ化合物を所定量混合した混合物を成形して、窒
化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、希土類元素および
Ｍｇを酸化物換算による合量で４〜３０モル％、希土類
金属（ＲＥ）とＭｇを酸化物換算のモル比（ＲＥ2 Ｏ3
／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる比率で含有する相対密
度が４８〜５６％の成形体を作製した後、この成形体を
１５００〜１８００℃の非酸化性雰囲気中で焼成するこ
とを特徴とするものである。
造する方法としては、窒化珪素粉末、希土類元素酸化
物、Ｍｇ化合物を所定量混合した混合物を成形して、窒
化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、希土類元素および
Ｍｇを酸化物換算による合量で４〜３０モル％、希土類
金属（ＲＥ）とＭｇを酸化物換算のモル比（ＲＥ2 Ｏ3
／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる比率で含有する相対密
度が４８〜５６％の成形体を作製した後、この成形体を
１５００〜１８００℃の非酸化性雰囲気中で焼成するこ
とを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】本発明の窒化珪素質放熱部材及びその製造方法
によれば、焼結助剤として希土類元素化合物およびＭｇ
化合物を選択し、これを上記特定組成範囲で配合するこ
とにより、窒化珪素原料中の不純物酸素と反応し液相を
生成することにより焼結が促進され、１８００℃以下の
低温焼成での緻密化を実現できる。
によれば、焼結助剤として希土類元素化合物およびＭｇ
化合物を選択し、これを上記特定組成範囲で配合するこ
とにより、窒化珪素原料中の不純物酸素と反応し液相を
生成することにより焼結が促進され、１８００℃以下の
低温焼成での緻密化を実現できる。
【００１６】また、液相中に希土類元素（ＲＥ）が存在
することにより、粒界相の結晶化が促進され、粒界に残
留する低熱伝導性のガラス相を減少させることにより焼
結体の熱伝導率を向上させることができる。
することにより、粒界相の結晶化が促進され、粒界に残
留する低熱伝導性のガラス相を減少させることにより焼
結体の熱伝導率を向上させることができる。
【００１７】また、Ａｌも同様に他の助剤と反応して低
温での液相生成に役立つが、多量に存在すると窒化珪素
粒内に固溶したり、サイアロンを形成するなどして熱伝
導率を低下させる原因となるために、Ａｌ量を１．０モ
ル％以下とすることによって、低温焼結性と高熱伝導性
を同時に付与することができる。
温での液相生成に役立つが、多量に存在すると窒化珪素
粒内に固溶したり、サイアロンを形成するなどして熱伝
導率を低下させる原因となるために、Ａｌ量を１．０モ
ル％以下とすることによって、低温焼結性と高熱伝導性
を同時に付与することができる。
【００１８】また、１８００℃以下の温度で焼成して、
窒化珪素結晶粒子の粒成長を抑制し、特に焼成前の成形
体の密度によって粒成長を制御することができ、その成
形体密度を４８〜５６％の範囲に制御することにより、
切断面における窒化珪素焼結粒子の平均長軸径を０．５
〜３．０μｍに制御することができ、これにより粗大粒
子の存在による強度の低下を抑制するとともに高熱伝導
化を実現できる。
窒化珪素結晶粒子の粒成長を抑制し、特に焼成前の成形
体の密度によって粒成長を制御することができ、その成
形体密度を４８〜５６％の範囲に制御することにより、
切断面における窒化珪素焼結粒子の平均長軸径を０．５
〜３．０μｍに制御することができ、これにより粗大粒
子の存在による強度の低下を抑制するとともに高熱伝導
化を実現できる。
【００１９】また、低温焼結性によって焼結体の表面
（焼肌面）の荒れを低レベルに抑え焼肌面強度の低下を
防ぐことが出来るため、焼成後の研磨工程等の後加工が
必ずしも必要とせず、製造コストの低下を図ることがで
きる。
（焼肌面）の荒れを低レベルに抑え焼肌面強度の低下を
防ぐことが出来るため、焼成後の研磨工程等の後加工が
必ずしも必要とせず、製造コストの低下を図ることがで
きる。
【００２０】また切断面における窒化珪素焼結粒子の平
均長軸径を０．５〜３．０μｍに制御することにより、
熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ、抗折強度６００ＭＰａ以上
の高熱伝導性と高強度を兼ね備えた放熱部材を得ること
ができる。
均長軸径を０．５〜３．０μｍに制御することにより、
熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ、抗折強度６００ＭＰａ以上
の高熱伝導性と高強度を兼ね備えた放熱部材を得ること
ができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の放熱部材およびそ
の製造方法について、詳細に述べる。本発明の放熱部材
用窒化珪素焼結体は、β−窒化珪素相を主体とするもの
であり、この焼結体中には希土類元素、及びＭｇを必須
の成分として含有する。希土類元素としてはＹ、Ｌａ、
Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの何れの元素でも好
適に用いることができるが、これらの中でもＹ、Ｃｅ、
Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、とりわけＹ、Ｅｒが特
性およびコストの面で望ましい。
の製造方法について、詳細に述べる。本発明の放熱部材
用窒化珪素焼結体は、β−窒化珪素相を主体とするもの
であり、この焼結体中には希土類元素、及びＭｇを必須
の成分として含有する。希土類元素としてはＹ、Ｌａ、
Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの何れの元素でも好
適に用いることができるが、これらの中でもＹ、Ｃｅ、
Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、とりわけＹ、Ｅｒが特
性およびコストの面で望ましい。
【００２２】また前記希土類元素とＭｇは酸化物換算に
よる合量で４〜３０モル％に特定され、より望ましくは
５〜２０モル％の範囲で含有されることが望ましい。ま
た、希土類元素とＭｇは酸化物換算のモル比（ＲＥ2 Ｏ
3 ／ＭｇＯ）が０．１〜１５の範囲となるようにする必
要があり、より望ましくは０．５〜１３の範囲となるよ
うに含有される。
よる合量で４〜３０モル％に特定され、より望ましくは
５〜２０モル％の範囲で含有されることが望ましい。ま
た、希土類元素とＭｇは酸化物換算のモル比（ＲＥ2 Ｏ
3 ／ＭｇＯ）が０．１〜１５の範囲となるようにする必
要があり、より望ましくは０．５〜１３の範囲となるよ
うに含有される。
【００２３】これは、前記合量が４モル％より少量では
焼結性が不足し、３０モル％を越えると、焼結体中での
窒化珪素の占める割合が少なくなり熱伝導率が低下する
ためである。また、前記ＲＥ2 Ｏ3 ／ＭｇＯのモル比率
が１５を越えたり、０．１より小さいと１８００℃以下
の温度での緻密化は不十分となり、熱伝導率は低下す
る。
焼結性が不足し、３０モル％を越えると、焼結体中での
窒化珪素の占める割合が少なくなり熱伝導率が低下する
ためである。また、前記ＲＥ2 Ｏ3 ／ＭｇＯのモル比率
が１５を越えたり、０．１より小さいと１８００℃以下
の温度での緻密化は不十分となり、熱伝導率は低下す
る。
【００２４】また、Ａｌ2 Ｏ3 等のＡｌ化合物の配合は
焼結性の向上に寄与するが、Ｓｉ3Ｎ4 結晶中に固溶し
てフォノンの拡散を阻害する結果、焼結体の熱伝導率が
著しく低下するため、高熱伝導率化の為には存在しない
ことが最も望ましく、具体的には、酸化物換算で１．０
モル％以下にする必要があり、望ましくは０．５モル％
以下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０
５モル％以下にすることが望ましい。
焼結性の向上に寄与するが、Ｓｉ3Ｎ4 結晶中に固溶し
てフォノンの拡散を阻害する結果、焼結体の熱伝導率が
著しく低下するため、高熱伝導率化の為には存在しない
ことが最も望ましく、具体的には、酸化物換算で１．０
モル％以下にする必要があり、望ましくは０．５モル％
以下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０
５モル％以下にすることが望ましい。
【００２５】なおこの焼結体中には着色成分としてＴ
ｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏなど周期律表第４ａ、５ａ、６
ａ属金属のうち少なくとも１種を酸化物換算で０．０５
〜１重量％の割合で含んでいてもよい。
ｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏなど周期律表第４ａ、５ａ、６
ａ属金属のうち少なくとも１種を酸化物換算で０．０５
〜１重量％の割合で含んでいてもよい。
【００２６】また、本発明の窒化珪素質放熱部材は、相
対密度が９０％以上、特に９５％以上、さらには９７％
以上であることが高熱伝導化及び高強度を図る上で重要
であり、相対密度が９０％よりも低いと５０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上の熱伝導化は困難となるとともに、強度も極端に劣
化する。
対密度が９０％以上、特に９５％以上、さらには９７％
以上であることが高熱伝導化及び高強度を図る上で重要
であり、相対密度が９０％よりも低いと５０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上の熱伝導化は困難となるとともに、強度も極端に劣
化する。
【００２７】また、本発明によれば、焼結体の切断面に
おける窒化珪素結晶粒子の平均長軸径が０．５〜３．０
μｍ、望ましくは０．５〜２．０μｍであることが重要
である。これは、この長軸径が３．０μｍよりも大きい
と、焼結体中の粗大粒子が破壊源となり焼結体の強度を
低下させてしまうためである。また、平均長軸径が０．
５μｍよりも小さいと熱伝導率が極端に低下してしま
う。なお、平均アスペクト比は１．２〜４、特に１．５
〜３．５であることが焼結体の高強度と高熱伝導化を同
時に高める上で望ましい。
おける窒化珪素結晶粒子の平均長軸径が０．５〜３．０
μｍ、望ましくは０．５〜２．０μｍであることが重要
である。これは、この長軸径が３．０μｍよりも大きい
と、焼結体中の粗大粒子が破壊源となり焼結体の強度を
低下させてしまうためである。また、平均長軸径が０．
５μｍよりも小さいと熱伝導率が極端に低下してしま
う。なお、平均アスペクト比は１．２〜４、特に１．５
〜３．５であることが焼結体の高強度と高熱伝導化を同
時に高める上で望ましい。
【００２８】本発明の放熱部材用窒化珪素焼結体を製造
するには、窒化珪素粉末に対して、焼結助剤として、希
土類元素化合物、Ｍｇ化合物、場合によってはＡｌ化合
物を用いて成形体組成が、前述したように希土類元素と
Ｍｇは酸化物換算による合量で４〜３０モル％、特に５
〜２０モル％であり、希土類元素とＭｇの酸化物換算の
モル比（ＲＥ2 Ｏ3 ／ＭｇＯ）が０．１〜１５、特に
０．５〜１３の範囲となるように含有され、また、Ａｌ
量が酸化物換算で１．０モル％以下、特に０．５モル％
以下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０
５モル％以下に調製する。
するには、窒化珪素粉末に対して、焼結助剤として、希
土類元素化合物、Ｍｇ化合物、場合によってはＡｌ化合
物を用いて成形体組成が、前述したように希土類元素と
Ｍｇは酸化物換算による合量で４〜３０モル％、特に５
〜２０モル％であり、希土類元素とＭｇの酸化物換算の
モル比（ＲＥ2 Ｏ3 ／ＭｇＯ）が０．１〜１５、特に
０．５〜１３の範囲となるように含有され、また、Ａｌ
量が酸化物換算で１．０モル％以下、特に０．５モル％
以下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０
５モル％以下に調製する。
【００２９】用いる窒化珪素原料としては不純物酸素量
が０．５〜３．０重量％のものが好ましい。これは不純
物酸素量が３．０重量％よりも多いと焼結体表面が荒れ
強度劣化を招く恐れがあり、０．５重量％より少ないと
焼結性が悪くなるためである。また平均粒径は０．１〜
１．５μｍであり、α率が９０％以上、特に９５％以上
であることが焼結性を高める上で望ましい。なお、焼結
助剤となる希土類元素およびＭｇは、いずれも平均粒径
が１μｍ以下、純度９９％以上の酸化物粉末の他に、炭
酸塩、酢酸塩など焼成によって酸化物を形成しうる化合
物として添加される。
が０．５〜３．０重量％のものが好ましい。これは不純
物酸素量が３．０重量％よりも多いと焼結体表面が荒れ
強度劣化を招く恐れがあり、０．５重量％より少ないと
焼結性が悪くなるためである。また平均粒径は０．１〜
１．５μｍであり、α率が９０％以上、特に９５％以上
であることが焼結性を高める上で望ましい。なお、焼結
助剤となる希土類元素およびＭｇは、いずれも平均粒径
が１μｍ以下、純度９９％以上の酸化物粉末の他に、炭
酸塩、酢酸塩など焼成によって酸化物を形成しうる化合
物として添加される。
【００３０】上記のように配合された窒化珪素粉末およ
び焼結助剤粉末からなる混合粉末に対して有機バインダ
ーと溶媒とを添加して調製した成形用原料を用いて、例
えばプレス成形法や、ＣＩＰ成形法、テープ成形法、押
し出し成形法、射出成形法等の公知の成形方法で成形体
を得ることができる。
び焼結助剤粉末からなる混合粉末に対して有機バインダ
ーと溶媒とを添加して調製した成形用原料を用いて、例
えばプレス成形法や、ＣＩＰ成形法、テープ成形法、押
し出し成形法、射出成形法等の公知の成形方法で成形体
を得ることができる。
【００３１】この時、成形体の相対密度が４８〜５６％
であることが、最終焼結体における相対密度および窒化
珪素結晶の長軸径を０．５〜３μｍの範囲に制御する上
で重要である。即ち、この成形体密度が４８％よりも小
さいと、最終的に相対密度９０％以上の緻密な焼結体を
得にくく、熱伝導率、強度が低下し、５６％よりも大き
いと粒成長が阻害され、平均長軸径が０．５μｍよりも
小さくなる結果、熱伝導率が低下するためである。望ま
しくは、成形体の相対密度は４９〜５４％の範囲がよ
い。この成形体の密度は、成形圧力などによって容易に
制御することができる。
であることが、最終焼結体における相対密度および窒化
珪素結晶の長軸径を０．５〜３μｍの範囲に制御する上
で重要である。即ち、この成形体密度が４８％よりも小
さいと、最終的に相対密度９０％以上の緻密な焼結体を
得にくく、熱伝導率、強度が低下し、５６％よりも大き
いと粒成長が阻害され、平均長軸径が０．５μｍよりも
小さくなる結果、熱伝導率が低下するためである。望ま
しくは、成形体の相対密度は４９〜５４％の範囲がよ
い。この成形体の密度は、成形圧力などによって容易に
制御することができる。
【００３２】次に、上記のようにして得られた成形体を
弱酸化性雰囲気中で脱バインダー処理してから、窒素を
含有する非酸化性雰囲気中、１５００〜１８００℃、特
に１６００〜１７５０℃の温度で焼成して相対密度９０
％以上の焼結体を作製することができる。
弱酸化性雰囲気中で脱バインダー処理してから、窒素を
含有する非酸化性雰囲気中、１５００〜１８００℃、特
に１６００〜１７５０℃の温度で焼成して相対密度９０
％以上の焼結体を作製することができる。
【００３３】なお、本発明の窒化珪素質放熱部材は、例
えば、半導体素子を搭載したパッケージにおけるヒート
シンク部材に用いることができる他、半導体素子を搭載
する配線基板の絶縁基板としても用いることができる。
その場合、絶縁基板の表面あるいは内部に配線層を形成
する場合がある。そのような場合には、焼結後の放熱部
材の表面に、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ−Ａｇ
などを焼き付け処理するか、あるいは放熱部材との焼成
前の成形体表面にＷ、Ｍｏなどの高融点金属からなる導
電性ペーストを印刷塗布した後、非酸化性雰囲気中で同
時焼成することにより作製することができる。
えば、半導体素子を搭載したパッケージにおけるヒート
シンク部材に用いることができる他、半導体素子を搭載
する配線基板の絶縁基板としても用いることができる。
その場合、絶縁基板の表面あるいは内部に配線層を形成
する場合がある。そのような場合には、焼結後の放熱部
材の表面に、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ−Ａｇ
などを焼き付け処理するか、あるいは放熱部材との焼成
前の成形体表面にＷ、Ｍｏなどの高融点金属からなる導
電性ペーストを印刷塗布した後、非酸化性雰囲気中で同
時焼成することにより作製することができる。
【００３４】
【実施例】平均粒径が１．２μｍ、酸素量が１．０重量
％、β含有量が０〜１５％（残部はα−窒化珪素）の直
接窒化法により製造された窒化珪素原料粉末に、表１、
２に示すような組成で各焼結助剤を添加混合し、その混
合粉末に対して成形用バインダーとしてパラフィンワッ
クスをイソプロピルアルコールを溶媒として添加し、混
練乾燥後、篩を通して成形用顆粒を得、該顆粒を成形圧
０．２〜２ｔｏｎ／ｃｍ2 で金型プレスにより、直径１
２ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状に成形した。また強度測定
用に、６０×６×４ｍｍの直方体状に成形した。この時
の成形体の密度をアルキメデス法によって求め相対密度
を算出した。
％、β含有量が０〜１５％（残部はα−窒化珪素）の直
接窒化法により製造された窒化珪素原料粉末に、表１、
２に示すような組成で各焼結助剤を添加混合し、その混
合粉末に対して成形用バインダーとしてパラフィンワッ
クスをイソプロピルアルコールを溶媒として添加し、混
練乾燥後、篩を通して成形用顆粒を得、該顆粒を成形圧
０．２〜２ｔｏｎ／ｃｍ2 で金型プレスにより、直径１
２ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状に成形した。また強度測定
用に、６０×６×４ｍｍの直方体状に成形した。この時
の成形体の密度をアルキメデス法によって求め相対密度
を算出した。
【００３５】かくして得られた成形体を弱酸化性雰囲気
中、所定温度で脱バインダーした後、常圧窒素雰囲気
中、表１、２に示す焼成条件で焼成して窒化珪素質焼結
体を作製し、評価用の試料とした。
中、所定温度で脱バインダーした後、常圧窒素雰囲気
中、表１、２に示す焼成条件で焼成して窒化珪素質焼結
体を作製し、評価用の試料とした。
【００３６】前記評価試料を用いて、まずアルキメデス
法により窒化珪素質焼結体の密度を測定し、理論密度に
対する比率（相対密度）を算出した。ついでレーザーフ
ラッシュ法により熱伝導率（試料厚み３ｍｍ）を測定し
た。さらにＪＩＳＲ１６０１に従い焼肌面の室温におけ
る３点曲げ強度を測定した。
法により窒化珪素質焼結体の密度を測定し、理論密度に
対する比率（相対密度）を算出した。ついでレーザーフ
ラッシュ法により熱伝導率（試料厚み３ｍｍ）を測定し
た。さらにＪＩＳＲ１６０１に従い焼肌面の室温におけ
る３点曲げ強度を測定した。
【００３７】また、窒化珪素結晶粒子径の測定方法は、
得られた焼結体の任意の切断面を鏡面出し、ＨＦ＋ＨＮ
Ｏ3 の混酸中で粒界相をエッチングした後、ＳＥＭ写真
を撮影して、ルーゼックスによる画像解析処理により算
出した。
得られた焼結体の任意の切断面を鏡面出し、ＨＦ＋ＨＮ
Ｏ3 の混酸中で粒界相をエッチングした後、ＳＥＭ写真
を撮影して、ルーゼックスによる画像解析処理により算
出した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】表１、２に示す通り、本発明の範囲内の試
料は、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に５５Ｗ／ｍ・
Ｋ以上、強度６００ＭＰａ以上、特に７００ＭＰａ以上
の優れた特性を具備するものであった。
料は、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に５５Ｗ／ｍ・
Ｋ以上、強度６００ＭＰａ以上、特に７００ＭＰａ以上
の優れた特性を具備するものであった。
【００４１】なお、試料Ｎo.１〜８の結果によれば、希
土類元素とＭｇとの合量が４モル％よりも少ないと、相
対密度９０％以上まで緻密化できず熱伝導率も低下し
た。また、希土類元素とＭｇとの合量が３０モル％を超
えると、緻密化は起こるが熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋよ
りも低くなった。
土類元素とＭｇとの合量が４モル％よりも少ないと、相
対密度９０％以上まで緻密化できず熱伝導率も低下し
た。また、希土類元素とＭｇとの合量が３０モル％を超
えると、緻密化は起こるが熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋよ
りも低くなった。
【００４２】試料Ｎo.９〜１８の結果によれば、ＲＥ2
Ｏ3 ／ＭｇＯの比率（モル比）は０．１より小さい、あ
るいは１５より大きいと、いずれも熱伝導率が５０Ｗ／
ｍ・Ｋよりも低くなった。
Ｏ3 ／ＭｇＯの比率（モル比）は０．１より小さい、あ
るいは１５より大きいと、いずれも熱伝導率が５０Ｗ／
ｍ・Ｋよりも低くなった。
【００４３】試料Ｎo.１９〜２３の結果によれば、Ａｌ
の含有量が１モル％を超えると緻密化はするが、熱伝導
率がは大きく低下した。
の含有量が１モル％を超えると緻密化はするが、熱伝導
率がは大きく低下した。
【００４４】試料Ｎo.２４〜３１の結果から、希土類元
素として、Ｅｒのほか、Ｃｅ，Ｓｍ，Ｎｄ，Ｇｄ，Ｄ
ｙ，Ｙ，Ｙｂ，Ｌｕについて実施したが、モル比で同組
成に調合すると、いずれの希土類元素でも同等の焼結
性、熱伝導率の挙動を示すことが分かった。試料Ｎo.３
２〜３７の結果によれば、焼成温度の保持時間を変化さ
せることにより切断面での平均長軸径が変化し、熱伝導
率が変化する傾向が見られ、平均長軸径が３μｍを超え
ると強度が大きく低下した。
素として、Ｅｒのほか、Ｃｅ，Ｓｍ，Ｎｄ，Ｇｄ，Ｄ
ｙ，Ｙ，Ｙｂ，Ｌｕについて実施したが、モル比で同組
成に調合すると、いずれの希土類元素でも同等の焼結
性、熱伝導率の挙動を示すことが分かった。試料Ｎo.３
２〜３７の結果によれば、焼成温度の保持時間を変化さ
せることにより切断面での平均長軸径が変化し、熱伝導
率が変化する傾向が見られ、平均長軸径が３μｍを超え
ると強度が大きく低下した。
【００４５】また、試料Ｎo.３８〜４２の結果によれ
ば、成形体密度を変化させることによっても窒化珪素結
晶粒子の成長が変化し、成形体密度が低すぎると緻密化
が充分にできず、成形体相対密度が４８％以上の場合
に、相対密度９０％以上に緻密化することができた。ま
た、成形体密度が低いほど粒成長しやすく、熱伝導率も
向上し、成形体密度が５６％を超えると、平均長軸径が
０．５μｍ未満となり熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋよりも
低くなった。
ば、成形体密度を変化させることによっても窒化珪素結
晶粒子の成長が変化し、成形体密度が低すぎると緻密化
が充分にできず、成形体相対密度が４８％以上の場合
に、相対密度９０％以上に緻密化することができた。ま
た、成形体密度が低いほど粒成長しやすく、熱伝導率も
向上し、成形体密度が５６％を超えると、平均長軸径が
０．５μｍ未満となり熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋよりも
低くなった。
【００４６】試料Ｎo.４３〜４５の結果によれば、窒化
珪素原料中におけるβ−窒化珪素量が増加すると粒子成
長が促進され、窒化珪素焼結粒子の平均長軸径が増加
し、熱伝導率が向上したが、β−窒化珪素量が１０％を
超えると緻密化が阻害され、相対密度９０％未満とな
り、熱伝導率も低下した。
珪素原料中におけるβ−窒化珪素量が増加すると粒子成
長が促進され、窒化珪素焼結粒子の平均長軸径が増加
し、熱伝導率が向上したが、β−窒化珪素量が１０％を
超えると緻密化が阻害され、相対密度９０％未満とな
り、熱伝導率も低下した。
【００４７】
【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明の窒化珪素
質放熱部材は、焼結体組成および窒化珪素結晶粒子の長
軸径を制御することにより、１８００℃以下の焼結性と
ともに、高熱伝導化及び高強度化を実現することができ
るために、低コストで、且つ絶縁基板やヒートシンク等
としての高信頼性を高めることができる。
質放熱部材は、焼結体組成および窒化珪素結晶粒子の長
軸径を制御することにより、１８００℃以下の焼結性と
ともに、高熱伝導化及び高強度化を実現することができ
るために、低コストで、且つ絶縁基板やヒートシンク等
としての高信頼性を高めることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G001 BA03 BA06 BA08 BA32 BA73 BB03 BB06 BB08 BB32 BC17 BC31 BC52 BC53 BD03 BD13 BD14 BE22 BE33 5F036 AA01 BB08 BD14
Claims (2)
- 【請求項１】窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、希
土類元素およびＭｇを酸化物換算による合量で４〜３０
モル％、希土類金属（ＲＥ）とＭｇを酸化物換算のモル
比（ＲＥ2 Ｏ3 ／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる比率で
含有するとともに、Ａｌの酸化物換算量が１モル％以
下、相対密度が９０％以上であり、且つ切断面における
窒化珪素結晶の平均長軸径が０．５〜３μｍの焼結体か
らなることを特徴とする窒化珪素質放熱部材。 - 【請求項２】窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、希
土類元素およびＭｇを酸化物換算による合量で４〜３０
モル％、希土類金属（ＲＥ）とＭｇを酸化物換算のモル
比（ＲＥ2 Ｏ3 ／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる比率で
含有するとともに、Ａｌの酸化物換算量が１モル％以下
の相対密度が４８〜５６％の成形体を、１５００〜１８
００℃の非酸化性雰囲気中で焼成して、相対密度９０％
以上に緻密化することを特徴とする窒化珪素質放熱部材
の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21584298A JP3561153B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | 窒化珪素質放熱部材及びその製造方法 |
| DE19859119A DE19859119B4 (de) | 1997-12-22 | 1998-12-21 | Leiterplatte mit sehr guter Wärmeabstrahlung, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung |
| US09/217,087 US6294244B1 (en) | 1997-12-22 | 1998-12-21 | Wiring board having excellent heat-radiating property |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21584298A JP3561153B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | 窒化珪素質放熱部材及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000044351A true JP2000044351A (ja) | 2000-02-15 |
| JP3561153B2 JP3561153B2 (ja) | 2004-09-02 |
Family
ID=16679181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21584298A Expired - Fee Related JP3561153B2 (ja) | 1997-12-22 | 1998-07-30 | 窒化珪素質放熱部材及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3561153B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11180774A (ja) * | 1997-12-22 | 1999-07-06 | Kyocera Corp | 窒化珪素質放熱部材及びその製造方法 |
| JPH11310464A (ja) * | 1998-04-27 | 1999-11-09 | Kyocera Corp | 窒化珪素質放熱部材及びその製造方法 |
| JP2005255462A (ja) * | 2004-03-11 | 2005-09-22 | Hitachi Metals Ltd | 窒化珪素質焼結体及びその製造方法、並びにそれを用いた回路基板 |
| JP2010173877A (ja) * | 2009-01-28 | 2010-08-12 | Taiheiyo Cement Corp | 窒化珪素焼結体 |
| JP2010189207A (ja) * | 2009-02-16 | 2010-09-02 | Taiheiyo Cement Corp | セラミックス部材 |
-
1998
- 1998-07-30 JP JP21584298A patent/JP3561153B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11180774A (ja) * | 1997-12-22 | 1999-07-06 | Kyocera Corp | 窒化珪素質放熱部材及びその製造方法 |
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| JP2010173877A (ja) * | 2009-01-28 | 2010-08-12 | Taiheiyo Cement Corp | 窒化珪素焼結体 |
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