JP2002097005A

JP2002097005A - 窒化ケイ素質粉末、窒化ケイ素質粉末の製造方法、窒化ケイ素質焼結体、窒化ケイ素質焼結体の製造方法および回路基板

Info

Publication number: JP2002097005A
Application number: JP2000284957A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Imamura; 寿之今村; Masahisa Sofue; 昌久祖父江; Shigeyuki Hamayoshi; 繁幸濱吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2002-04-02
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: JP3565425B2

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度に優れ、熱伝導の方向に異方性を
持たずに従来に比べて熱伝導率を高めた高熱伝導型窒化
ケイ素質焼結体を提供する。【解決手段】ＳｉＯ_２換算として0.02ｗｔ％以上、２
ｗｔ％未満の酸素を含み、比表面積が0.5m^２/g以上であ
る窒化ケイ素質粉末原料を窒素あるいは窒素/水素の非
酸性雰囲気下にて、温度1400℃以上で熱処理することを
特徴とする窒化ケイ素質粉末の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体用基板や発
熱素子用ヒ−トシンク等の電子部品用部材、あるいは一
般機械器具用部材、溶融金属用部材、または熱機関用部
材等の構造用部材として好適な高強度・高熱伝導性に富
んだ窒化ケイ素質焼結体およひその製造方法、その製造
に用いる好適な窒化ケイ素質粉末およびその製造方法、
ならびに前記窒化ケイ素質焼結体を用いて構成される回
路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素質焼結体は、高温強度特性お
よび耐摩耗性等の機械的特性に加え、耐熱性、低熱膨張
性、耐熱衝撃性、および金属に対する耐食性に優れてい
るので、従来からガスタ−ビン用部材、エンジン用部
材、製鋼用機械部材、あるいは溶融金属の耐溶部材等の
各種構造用部材に用いられている。また、高い絶縁性を
利用して電気絶縁材料として使用されている。

【０００３】近年、高周波トランジスタ、パワーＩＣ等
の発熱量の大きい半導体素子の発展に伴い、電気絶縁性
に加えて良好な放熱特性を得るために高い熱伝導率を有
するセラミックス基板の需要が増加している。このよう
なセラミックス基板として、窒化アルミニウム基板が用
いられているが、機械的強度や破壊靭性等が低く、基板
ユニットの組立て工程での締め付けによって割れを生じ
るという問題がある。また、Ｓｉ半導体素子を窒化アル
ミニウム基板に実装した回路基板では、Ｓｉと窒化アル
ミニウム基板との熱膨張差が大きいため、熱サイクルに
より窒化アルミニウム基板にクラックや割れを発生し実
装信頼性が低下するという問題がある。

【０００４】そこで、窒化アルミニウム基板より熱伝導
率は劣るものの、熱膨張率がＳｉに近く、かつ機械的強
度、破壊靭性および耐熱疲労特性に優れる高熱伝導窒化
ケイ素質焼結体からなる基板が注目され、種々の提案が
行われている。

【０００５】例えば、特開平４−１７５２６８号公報に
は、実質的に窒化ケイ素からなり、不純物として含有さ
れるＡｌおよび酸素が共に3.5重量％以下であり、密度
が3.15Mg/m３（3.15g/cm３）以上であり、40w/(m・K)以
上の熱伝導率を有する窒化ケイ素質焼結体が記載されて
いる。

【０００６】また、特開平９−３０８６６号公報には、
85〜99重量％のβ型窒化ケイ素粒と残部が酸化物または
酸窒化物の粒界相とから構成され、粒界相中にＭｇ，Ｃ
ａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，
Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，ＥｒおよびＹｂのうちから選ばれる
少なくとも１種の元素を0.5〜10重量％含有し、粒界相
中のＡｌ元素含有量が１重量％以下であり、気孔率が５
％以下であり、かつβ型窒化ケイ素粒のうちで短軸径５
μｍ以上を持つものの割合が10〜60体積％である窒化ケ
イ素質焼結体が記載されている。

【０００７】また、日本セラミックス協会1996年年会講
演予稿集１Ｇ１１、同１Ｇ１２、および特開平１０−１
９４８４２号公報には、原料粉末に柱状の窒化ケイ素粒
子またはウイスカーを予め添加し、ドクターブレード法
あるいは押出成形法を用いて、この粒子を２次元的に配
向させた成形体を得た後、焼成することにより熱伝導に
異方性を付与して特定方向の熱伝導率を高めた窒化ケイ
素質焼結体が記載されている。

【０００８】窒化ケイ素の熱伝導率の向上あるいは曲げ
強度と破壊靭性を両立させる微構造の構築のために用い
られるβ粉末の作製方法として、窒化ケイ素原料粉末を
所定量のＹ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２と混合し、混合物を窒
素等の非酸化性雰囲気中で焼成して得る方法が、Ｊ．Ce
ram. Soc. Japan., 101[9] 1078-80(1993)に記載されて
いる。

【０００９】さらに、窒化ケイ素粉末のβ分率を向上さ
せる方法として、比表面積が１m^２/g以上、ＳｉＯ_２換
算として２〜５重量％の酸素を含んだ窒化ケイ素質原料
粉末を窒素等の非酸化性雰囲気中で熱処理する方法が特
開平６−２６３４１０号公報に記載されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述の特開平４−１７
５２６８号公報では40W/(m・K)以上の熱伝導率が得られ
ているが、さらに熱伝導率を高めた、機械的強度に優れ
る材料が望まれている。また、特開平９−３０８６６号
公報、特開平１０−１９４８４２号等公報に記載の方法
では、窒化ケイ素質焼結体中に巨大な柱状粒子を得るた
めに、成長核となる種結晶あるいはウィスカ−を予め添
加し、2000℃以上および10.1MPa（100気圧）以上の窒素
雰囲気下での焼成が不可欠である。したがって、ホット
プレスあるいはHIP等の特殊な高温・高圧設備が必要と
なりコストアップを招来する。また、窒化ケイ素粒子を
配向させた成形体を得るための成形プロセスが複雑であ
るため、生産性性が著しく低下するという問題がある。

【００１１】また、前述のＪ．Ceram. Soc. Japan, 101
[9] 1078-80(1993)に記載されている手法では、スラグ
として使用するＹ_２Ｏ_３量およびＳｉＯ_２量が多いた
め、得られる処理粉末の凝集が強くなり、粉砕乳鉢等で
破砕することが必須となる。また、粒子表面に付着した
酸化物除去ための酸による溶解処理、さらに粒度調整の
ための分級処理が必要であり、プロセスが煩雑になる。
また、得られた処理粉末中には使用した助剤成分が固溶
するといった難点がある。

【００１２】さらに、前述の特開平６−２６３４１０号
公報に記載される手法は、β分率が95％以上の窒化ケイ
素質粉末を工業的に安価に製造することを可能にしてい
る。これによるとβ分率を向上させる手法として、Ｓｉ
Ｏ_２換算として２〜５重量％の酸素を含み、比表面積が
1ｍ²/ｇ以上である窒化ケイ素質粉末を、非酸性雰囲気
下、温度1500℃以上で熱処理することを特徴としてい
る。当該発明で使用される窒化ケイ素質粉末に含まれる
酸素量をＳｉＯ_２換算で２〜５ｗｔ％と規定する理由に
は、該値が２ｗｔ％未満では、窒化ケイ素質粉末のβ分
率の増大効果が小さく、また、β分率にばらつきが生じ
やすいこと。一方、該値が５ｗｔ％を超えると、熱処理
後の窒化ケイ素質粉末にＳｉＯ_２が残留し窒化ケイ素質
粉末の粉末特性が悪くなるとしている。また、粒度につ
いては、当該発明の処理を均一かつ短時間に行うため
に、比表面積が1ｍ^２/ｇ以上の微粉であることが好まし
いとしている。しかしながら、実施例には、β分率が９
５％以上の処理粉末が得られているものの、低温・短時
間にて処理を完了させることを目的として、ＳｉＯ_２換
算で２〜５ｗｔ％の酸素量である窒化ケイ素質原料粉末
を用いているために、得られる粉末の酸素量はいずれも
1.2ｗｔ％以上である。また、原料粉末の酸素量を所定
量に調整するために予めＳｉＯ_２粉末を添加したり、あ
るいは酸素雰囲気中での熱処理を必要とするといった難
点がある。さらに、当該発明の方法によって得られる窒
化ケイ素質粉末は、熱処理によって凝集しているので、
使用に際しては、例えばボ−ルミル、ロ−ル−クラッシ
ャー等を用いて解砕する工程を要するといった難点があ
る。

【００１３】本発明は上記従来の問題に鑑みてなされた
ものであり、2000℃以上でかつ10.1MPa（100気圧）以上
の高温・高圧焼成といったコストの高い焼成法を必要と
せず、機械的強度に優れ、熱伝導の方向に異方性を持た
ずに従来に比べて熱伝導率を高めた高熱伝導型窒化ケイ
素質焼結体を提供することを課題とする。また本発明の
課題は、窒化ケイ素質粉末のβ分率、含有酸素量、不純
物量およびα型窒化ケイ素質粉末との混合比等を規定す
ることにより、高い熱伝導率および高い強度を有する窒
化ケイ素質焼結体およびその製造方法を提供することで
ある。また本発明の課題は、高強度・高熱伝導性の発現
のために用いる窒化ケイ素質粉末およびその製造方法を
提供することである。また本発明の課題は前記高強度・
高熱伝導性に富んだ窒化ケイ素質焼結体用いて構成され
る放熱性の良好な回路基板を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
達成するため、用いる窒化ケイ素質粉末のβ分率、含有
酸素量、不純物およびα粉末との混合比等の粉末特性を
規定することにより、安定して100W/(m・K)以上の熱伝導
率と十分な曲げ強度を有する窒化ケイ素質焼結体が得ら
れることを発見した。また、焼結助剤をＭｇＯ基として
焼結性を向上させ、かつＬａ，ＹおよびＹｂを含む希土
類元素（ＲＥ）から選択される少なくとも１種の元素を
特定量含有させることが有効なことを発見し、本発明に
至った。

【００１５】本発明の窒化ケイ素質粉末は、例えば、金
属シリコン直接窒化法、シリカ還元法またはシリコンイ
ミド分解法による原料の窒化ケイ素質粉末を用い、窒素
または窒素/水素の混合雰囲気中で1400℃〜1950℃×５
〜20時間熱処理することにより製造できる。高いβ分率
および低酸素化を実現するために、熱処理条件を1800℃
〜1900℃×５〜20時間にすることがより好ましい。な
お、1800℃以上の熱処理では窒化ケイ素の分解を避ける
ために1.0MPa（10気圧）以上の窒素あるいは窒素/水素
雰囲気中で行うことが望ましい。熱処理後の含有酸素量
を0.5ｗｔ％以下にするために、初期含有酸素量をＳｉ
Ｏ_２量換算で２ｗｔ％未満とすることが好ましい。また
Ｆｅ，Ａｌ等の不純物量を極力少なく抑える目的からイ
ミド分解法による高純度原料の窒化ケイ素質粉末の使用
がより好ましい。原料粉末充填に共する容器はカーボン
製またはＢＮ製のいずれでもよいが、カーボン製ヒータ
ーおよびカーボン製断熱材仕様の熱処理炉を使用する場
合は過度のＣＯ還元性雰囲気の作用を抑制するためにＢ
Ｎ製のものが望ましい。

【００１６】本発明の窒化ケイ素質粉末は、含有酸素量
の少ない原料粉末を用いるため助剤として作用するＳｉ
Ｏ_２成分が少なく、さらにα型窒化ケイ素質粉末からβ
型窒化ケイ素質粉末への相転移は気相を介しているた
め、結果として低酸素含有量になり、熱処理後も凝集が
なく、粉砕ならびに表面酸化物除去のための酸処理工程
を必要としない。また、Ｙ_２Ｏ_３等の酸化物を粒子成長
のための焼結助剤として用いないため、これら助剤成分
の窒化ケイ素質粉末内への固溶を避けることができる。
すなわち、本発明の窒化ケイ素質粉末はβ分率が30〜10
0％であり、酸素量が0.5wt%以下であり、平均粒子径が
0.2〜10μmであり、アスペクト比が10以下であることを
特徴とする。さらにＦｅ含有量およびＡｌ含有量がそれ
ぞれ100ppm以下であることを特徴とする。

【００１７】また本発明の窒化ケイ素質焼結体の製造方
法は、β分率が30〜100％であり、酸素量が０．５ｗｔ
％以下であり、平均粒子径が0.2〜10μｍであり、アス
ペクト比が10以下である窒化ケイ素質粉末１〜59重量部
と、平均粒子径が0.2〜４μmのα型窒化ケイ素質粉末99
〜50重量部とを配合し、焼結することを特徴とする。前
記窒化ケイ素質粉末のβ分率が30％未満では成長核とし
ての効果はあるものの部分的に核として作用するため、
異常粒成長が起こり、最終的に得られる窒化ケイ素質焼
結体のミクロ組織中に大きな粒子を均一分散できなくな
り曲げ強度が低下する。したがって、窒化ケイ素質粉末
のβ分率は30％以上が望ましい。また前記窒化ケイ素質
粉末の平均粒子径が0.2μm未満では前記同様に柱状粒子
が均一に発達したミクロ組織を呈する窒化ケイ素質焼結
体を得られず、熱伝導率および曲げ強度を高めることが
困難である。前記窒化ケイ素質粉末の平均粒子径が10μ
mより大きいと焼結体の窒化ケイ素質緻密化が阻害され
る。したがって、窒化ケイ素質粉末の平均粒子径は0.2
〜10μmが好ましい。また、アスペクト比が10超の場合
は窒化ケイ素質焼結体の緻密化が阻害され、結果とし
て、常温における３点曲げ強度は600MPa未満になる。し
たがって、窒化ケイ素質粉末のアスペクト比を10以下と
することが好ましい。

【００１８】本発明の窒化ケイ素質焼結体は、含有する
Ｍｇを酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算し、また含有す
るＬａ，ＹおよびＹｂを含む希土類元素（ＲＥ）から選
択される少なくとも１種の元素を酸化物（ＲＥ_ｘＯ_ｙ）
換算し、それら酸化物換算含有量の合計が0.6〜７ｗｔ
％であることを特徴とする。前記酸化物換算含有量の合
計が0.6ｗｔ％未満では焼結時の緻密化作用が不十分と
なり相対密度が95％未満となり好ましくなく、７ｗｔ％
超では窒化ケイ素質焼結体の第２のミクロ組織成分であ
る熱伝導率の低い粒界相の量が過剰となり焼結体の熱伝
導率が100W/(m・K)未満になる。これら窒化ケイ素質含
有量の合計は0.6〜４ｗｔ％がより好ましい。前記窒化
ケイ素質焼結体は、常温における熱伝導率が100〜300W/
（m・K）であり、常温における３点曲げ強度が600〜150
0MPaであり高強度・高熱伝導性に富んでいる。また前記
窒化ケイ素質焼結体が、含有するＭｇを酸化マグネシウ
ム（ＭｇＯ）換算し、また含有するＬａ，ＹおよびＹｂ
を含む希土類元素（ＲＥ）から選択される少なくとも１
種の元素を酸化物（ＲＥ_ｘＯ_ｙ）換算し、それら酸化物
換算含有量の合計が0.6〜７ｗｔ％であり、かつＭｇＯ
／ＲＥxＯyで表される重量比が１〜70である場合に特に
高強度・高熱伝導性が向上する。（ＭｇＯ／ＲＥ
_ｘＯ_ｙ）（重量比）が１未満では粒界相中の希土類酸化
物の割合が増大するため焼結過程で液相線温度が上昇し
難焼結性となり緻密な焼結体が得られない。（ＭｇＯ／
ＲＥ_ｘＯ_ｙ）（重量比）が70超では焼成時におけるＭｇ
の拡散を抑制することができず焼結体表面に色むらの発
生を生じる。ＭｇＯ／ＲＥxＯy（重量比）が１〜70の
範囲にある場合、1650〜1850℃の焼結温度で成形体を予
備焼成し、次いで1850〜1900℃の熱処理を行うと高熱伝
導化が顕著になり120w/(m・K)を超える窒化ケイ素質焼
結体を得られ特に好ましい。この熱処理による高熱伝導
化は窒化ケイ粒子の成長と、蒸気圧の高いＭｇＯ基とし
た粒界相成分が効率よく窒化ケイ素質焼結体外へ揮発す
ることの複合効果による。

【００１９】また本発明の回路基板は、含有するＭｇを
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算し、また含有するＬ
ａ，ＹおよびＹｂを含む希土類元素（ＲＥ）から選択さ
れる少なくとも１種の元素を酸化物（ＲＥ_ｘＯ_ｙ）換算
し、それら酸化物換算含有量の合計が0.6〜７ｗｔ％で
ある窒化ケイ素質焼結体を用いて構成され、従来に比べ
て耐熱抵抗性および放熱性が優れたものを提供できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】前記窒化ケイ素質粉末の酸素量を
0.5ｗｔ％以下としたのは、前記窒化ケイ素質粉末を成
長核として作用させて窒化ケイ素質焼結体を形成した場
合、窒化ケイ素質焼結体を構成する窒化ケイ素質粒子内
に固溶する酸素量は、成長核として用いる前記化ケイ素
質粉末の酸素量に強く依存し、前記窒化ケイ素質粉末の
酸素量が高い程、前記窒化ケイ素質粒子内に固溶する酸
素量が高くなる。窒化ケイ素質粒子中に含有される酸素
により熱伝導媒体であるフォノンの散乱が発生し、窒化
ケイ素質焼結体の熱伝導率が低下する。100W/m.K以上と
いう従来の窒化ケイ素質焼結体では得られなかった高い
熱伝導率を発現するには、窒化ケイ素質粉末の含有酸素
量を0.5wt%以下に抑えて、最終的に得られる窒化ケイ素
質焼結体の酸素量を低減することが必要不可欠である。

【００２１】窒化ケイ素質粉末中のＦｅ含有量およびＡ
ｌ含有量がそれぞれ100ppm超では窒化ケイ素粒子内にＦ
ｅまたはＡｌが顕著に固溶し、この固溶部分で熱伝導媒
体であるフォノンの散乱を生じ、窒化ケイ素質焼結体の
熱伝導率を低下させる。したがって100W/m・K以上の熱
伝導率を得るには窒化ケイ素質粉末中のＦｅ含有量およ
びＡｌ含有量をそれぞれ100ppm以下に制御することが肝
要である。

【００２２】前記β分率が30〜100％の窒化ケイ素質粉
末とα型窒化ケイ素質粉末との比率は１〜50ｗｔ％：99
〜50ｗｔ％が好ましい。前記β分率が30〜100％の窒化
ケイ素質粉末の比率が１ｗｔ％未満では成長核としての
効果はあるものの、添加量が少ないために作用する成長
核の数が少なく、異常粒成長が起こりミクロ組織中に大
きな粒子を均一分散できなくなり、曲げ強度が低下す
る。また、50ｗｔ％超では成長核の数が多くなり、粒成
長の過程で、粒子同士が互いに衝突するため成長阻害が
起こり、強度は維持できるが、発達した柱状粒子からな
る窒化ケイ素質焼結体のミクロ組織を得られず、従来に
比べて高い熱伝導率を実現困難になる。

【００２３】ＭｇおよびＹは焼結助剤として有用であ
り、窒化ケイ素質原料粉末の緻密化に有効である。これ
らの元素は窒化ケイ素質焼結体を構成する第１ミクロ組
織成分である窒化ケイ素質粒子に対する固溶度が小さい
ので、窒化ケイ素粒子、ひいては窒化ケイ素質焼結体の
熱伝導率を高い水準に保つことができる。

【００２４】Ｙと同様に窒化ケイ素質粒子に対する固溶
度が小さく、焼結助剤として有用な元素として、Ｌａ，
Ｃｅ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅ
ｒ，Ｔｍ，ＹｂおよびＬｕの群から選択される少なくと
も１種の希土類元素が挙げられる。そのうち、温度およ
び圧力が高くなり過ぎずに焼成ができる点でＬａ，Ｃ
ｅ，Ｇｄ，ＤｙおよびＹｂの群から選択される少なくと
も１種の希土類元素が好ましい。

【００２５】本発明の窒化ケイ素質焼結体からなる基板
は高強度、高靭性ならびに高熱伝導率の特性を生かし
て、パワ−半導体用基板またはマルチチップモジュ−ル
用基板などの各種基板、あるいはペルチェ素子用熱伝
板、または各種発熱素子用ヒ−トシンクなどの電子部品
用部材に好適である。

【００２６】本発明の窒化ケイ素質焼結体を半導体素子
用基板として用いた場合、半導体素子の作動に伴う繰り
返しの熱サイクルを受けたときの前記基板のクラックの
発生が抑えられ、耐熱衝撃性ならびに耐熱サイクル性が
著しく向上し、信頼性に優れたものとなる。また、高出
力化および高集積化を指向する半導体素子を搭載した場
合でも、熱抵抗特性の劣化が少なく、優れた放熱特性を
発揮する。さらに、優れた機械的特性により本来の基板
材料としての機能だけでなく、それ自体が構造部材を兼
ねることができるため、基板ユニット自体の構造を簡略
化できる。

【００２７】また、本発明の窒化ケイ素質焼結体は、上
述の電子部品用部材以外に熱衝撃および熱疲労の耐熱抵
抗特性が要求される材料に幅広く利用できる。構造用部
材として、各種の熱交換器部品や熱機関用部品、アルミ
ニウムや亜鉛等の金属溶解の分野で用いられるヒーター
チューブ、ストークス、ダイカストスリーブ、溶湯攪拌
用プロペラ、ラドル、あるいは熱電対保護管等に適用で
きる。また、アルミニウム、亜鉛等の溶融金属めっきラ
インで用いられるシンクロール、サポートロール、軸
受、あるいは軸等に適用することにより、急激な加熱や
冷却に対して耐割れ性に富んだ部材となり得る。また、
鉄鋼あるいは非鉄の加工分野では、圧延ロール、スキー
ズロール、ガイドローラ、線引きダイス、あるいは工具
用チップ等に用いれば、被加工物との接触時の放熱性が
良好なため、耐熱疲労性および耐熱衝撃性を改善するこ
とができ、これにより摩耗が少なく、熱応力割れを生じ
にくくできる。

【００２８】さらに、スパッタターゲット部材にも適用
でき、例えば磁気記録装置のＭＲヘッド、ＧＭＲヘッ
ド、またはＴＭＲヘッドなどに用いられる電気絶縁膜の
形成や、熱転写プリンターのサーマルヘッドなどに用い
られる耐摩耗性皮膜の形成に好適である。スパッタして
得られる被膜は、本質的に高熱伝導特性を持つととも
に、スパッタレートも十分高くでき、被膜の電気的絶縁
耐圧が高いものとなる。このため、このスパッタターゲ
ットで形成したＭＲヘッド、ＧＭＲヘッド、またはＴＭ
Ｒヘッド用の電気絶縁性被膜は高熱伝導ならびに高耐電
圧の特性を有するので、素子の高発熱密度化や絶縁性被
膜の薄膜化が図れる。また、このスパッタターゲットで
形成したサ−マルヘッド用の耐摩耗性被膜は、窒化ケイ
素本来の特性により耐摩耗性が良好であることはもとよ
り、高熱伝導性のため熱抵抗が小さくできるので印字速
度を高めることができる。

【００２９】

【実施例】以下、実施例により本発明を説明するが、そ
れら実施例により本発明が限定されるものではない。（実施例１）含有酸素量がＳｉＯ_２換算で2.0ｗｔ％未
満、平均粒子径0.2〜2.0μmのイミド分解法による窒化
ケイ素質粉末をＢＮ製るつぼに充填し、次いで常圧〜1.
0MPa（10気圧）のＮ_２雰囲気中にて1400℃〜1950℃で１
〜20時間加熱する熱処理を施し、次いで室温まで冷却し
た。得られた窒化ケイ素質粉末のβ分率は90〜100％で
あり、酸素含有量は0.2〜0.4ｗｔ％であった。図1に得
られた窒化ケイ素質粉末例のＳＥＭ観察像を示す。当該
粉末のβ分率は１００％、酸素量は0.2ｗｔ％、Ｆｅお
よびＡｌ量はそれぞれ、５０ｐｐｍおよび４０ｐｐｍで
ある。当該粉末には粒子の長軸方向と平行に溝部が形成
されており、これは気相を介して粒成長が起こる場合の
特徴で、特に酸素量が微量であるほど顕著となることが
実証された。当該粉末の次いで、得られたβ型Ｓｉ_３Ｎ
_４を主体とする粉末窒化ケイ素質粉末５〜３０重量部
と、酸素含有量が0.3〜1.5ｗｔ％であり平均粒子径0.5
μmのα型窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末９９．５〜６６
重量部とを配合し、さらに焼結助剤として平均粒子径0.
2μmのＭｇＯ粉末、および平均粒子径0.2〜2.0μmの表
１に記載されるＲＥ_ｘＯ_ｙ粉末（焼結助剤）を配合し、
さらに2wt%の分散剤（レオカ゛-ト゛GP）を配合し、エタノー
ルを満たしたボ−ルミル容器中に投入し、次いで混合し
た。得られた混合物を真空乾燥し、次いで目開き150?m
の篩を通して造粒した。次に、プレス機により直径20mm
×厚さ10mmおよび直径100mm×厚さ15mmのディスク状の
成形体を圧力3tonのCIP成形により得た。次いで1750〜1
900℃，0.9MPa（９気圧）の窒素ガス雰囲気中で５時間
焼成した。得られた窒化ケイ素質粉末のＦｅ，Ａｌの不
純物分析はプラズマ発光分析（ICP）法により行った。
また、酸素含有量は赤外線加熱吸収法により測定した。
また得られた窒化ケイ素質粉末のβ分率はＣｕ−Ｋα線
を用いたＸ線回折強度比から式(1)により求めた。 β分率（％）＝{(I_β(101)+I_β(210))/(I_β(101)+I
_β(210)+I_α(102)+I_α(201))}×100 (1) I_{β（１０１）}：β型Ｓｉ_３Ｎ_４の(101)面回折ヒ゜-ク強
度， I_{β（２１０）}：β型Ｓｉ_３Ｎ_４の(210)面回折ヒ゜-ク強
度， I_{α（１０２）}：α型Ｓｉ_３Ｎ_４の(102)面回折ヒ゜-ク強
度， I_{α（２１０）}：α型Ｓｉ_３Ｎ_４の(210)面回折ヒ゜-ク強
度。また、得られた窒化ケイ素質粉末の平均粒子径および平
均アスペクト比は、SEM観察にて観察倍率×2000倍で得
られたSEM写真を用い、200μm×500μm視野面積内にあ
る計500個の窒化ケイ素質粒子を無作為に選定して画像
解析装置により最小径と最大径を測定し、その平均値を
求めて評価した。次に得られた窒化ケイ素質焼結体か
ら、直径10mm×厚さ３mmの熱伝導率および密度測定用の
試験片、ならびに縦３mm×横４mm×長さ40mmの曲げ試験
片を採取した。密度はマイクロメ−タにより寸法を測定
し、また重量を測定し、算出した。熱伝導率はレーザー
フラッシュ法により常温での比熱および熱拡散率を測定
し熱伝導率を算出した。３点曲げ強度は常温にてＪＩＳ
Ｒ１６０６に準拠して測定を行った。以上の製造条件
の概略および評価結果を、表１，２の試料No.１〜11に
示す。

【００３０】（比較例１）表１に記載の製造条件とした
以外は実施例１と同様にしてβ分率の異なる窒化ケイ素
質粉末を作製した。次いで得られた窒化ケイ素質粉末を
用いて窒化ケイ素質焼結体を作製し、評価した。以上の
製造条件の概略および評価結果を、表１，２の試料No.3
１〜41に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】表１および表２の試料No.１〜11から、以
下の知見が得られた。成長核として添加する窒化ケイ素
質粉末のβ分率が30％以上、不純物としての酸素含有量
が0.5ｗｔ％以下，Ｆｅ含有量が100ppm以下、およびＡ
ｌ含有量が100ppm以下であり、平均粒子径が0.2〜10μ
m、アスペクト比が10以下、およびβ化率が30％以上の
前記窒化ケイ素質粉末の配合量を１〜50ｗｔ％とし得ら
れた窒化ケイ素質焼結体は、常温における熱伝導率が10
0w/(m・K)以上になり、かつ常温における３点曲げ強度
が600MPa以上になる。従来技術による窒化ケイ素質焼結
体の熱伝導率40 w/(m・K)程度であり、熱伝導率を飛躍
的に高めることができた。また、焼結助剤として、Ｍｇ
を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算し、Ｙ，Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｄｙ，ＧｄおよびＹｂを酸化物（ＲＥ_ｘＯ_ｙ）換算
して、それら酸化物換算含有量の合計が0.6〜7.0ｗｔ％
であり、かつ（ＭｇＯ/ＲＥ_xＯ_y）（重量比）が１〜70
のものは熱伝導率が100w/(m・K) 以上でかつ曲げ強度が6
00MPa以上を得られた。

【００３４】これに対し、表１，２の比較例１の試料N
o.31〜41から以下の知見が得られた。No.31では、窒化
ケイ素質粒子のβ分率が30％未満では曲げ強度が顕著に
低下し500MPa程度になる。またNo.32では、窒化ケイ素
質粉末中に不可避に含有する酸素量が0.5ｗｔ超では熱
伝導率が70 w/(m・K)以下に劣化する。またNo.33および
No.34では、窒化ケイ素質粉末中に含有する不純物のＦ
ｅおよびＡｌの含有量がそれぞれ100ppmを超えると熱伝
導率が65 w/(m・K)以下に低下する。またNo.35およびN
o.36では、窒化ケイ素質粉末の平均粒子径が0.2μm未満
では熱伝導率は60 w/(m・K)以下に低下し、10μmより大
きい場合には緻密な焼結体が得られず熱伝導率は60 w/
(m・K)以下になり曲げ強度は600MPa以下に低下する。ま
たNo.37では、窒化ケイ素質粉末のアスペクト比が10以
上では、緻密な焼結体が得られず、曲げ強度は600MPa以
下に低下した。またNo.38およびNo.39では、窒化ケイ素
質粉末の添加量が1.0ｗｔ％未満では曲げ強度は600MPa
以下に低下し、50ｗｔ％より大きい場合には熱伝導率は
70 w/(m・K)以下に低下した。またNo.40およびNo.41で
は、焼結助剤成分が0.6ｗｔ％未満では焼結体の密度が
低下し、このために熱伝導率および曲げ強度は著しく低
下した。また焼結助剤成分が7.0ｗｔ％を超えると焼成
過程で充分なガラス相が生成するので焼結体の緻密化は
達成されたが、その反面、低熱伝導相である粒界相の増
加により熱伝導率は60 w/(m・K)以下に低下した。

【００３５】（実施例２）実施例１で作製したβ化率が
30％以上の窒化ケイ素質粉末に３ｗｔ％ＭｇＯ、1ｗｔ
％Ｙ₂Ｏ₃の焼結助剤を添加した混合粉末を作製した。次
いで、アミン系の分散剤を２ｗｔ％添加したトルエン・
ブタノール溶液を満たしたボールミルの樹脂製ポット中
に作製した混合粉末および粉砕媒体の窒化ケイ素製ボー
ルを投入し、48時間湿式混合した。次いで、前記ポット
中の混合粉末100重量部に対しポリビニル系の有機バイ
ンダーを１５重量部および可塑剤（ジメチルフタレ−
ト）を５重量部添加し、次いで48時間湿式混合しシート
成形用スラリーを得た。この成形用スラリーを調整後、
ドクターブレード法によりグリーンシート成形した。次
いで、成形したグリーンシートを空気中400〜600℃で２
〜５時間加熱することにより、予め添加し有機バインダ
ー成分を十分に脱脂（除去）した。次いで脱脂体を0.9M
Pa（９気圧）の窒素雰囲気中で1850℃×５時間の焼成を
行い、次いで同窒素雰囲気中で1900℃×24時間の熱処理
を行い、その後室温に冷却した、得られた窒化ケイ素質
焼結体シートに機械加工を施し縦50mm×横50mm×厚さ0.
6mmの半導体装置用の基板を製造した。この窒化ケイ素
質焼結体製基板を用いて図2に示す回路基板を作製し
た。図2において、回路基板１は作製した前記縦50mm×
横50mm×厚さ0.6mmの寸法の窒化ケイ素質焼結体製基板
２の表面に銅製回路板３を設け、前記基板２の裏面に銅
板４をろう材５により接合して構成されている。この回
路基板１に対し、３点曲げ強度の評価および耐熱サイク
ル試験を行った。その結果、曲げ強度が600MPa以上と大
きく、回路基板１の実装工程における締め付け割れおよ
びはんだ付け工程時の熱応力に起因するクラックの発生
する頻度がほぼ見られなくなり、回路基板を使用した半
導体装置の製造歩留まりを大幅に改善できることが実証
された。また、耐熱サイクル試験は、−40での冷却を20
分、室温での保持を10分および180℃における加熱を20
分とする昇温/降温サイクルを１サイクルとし、これを
繰り返し付与し、基板部にクラック等が発生するまでの
サイクル数を測定した。その結果、1000サイクル経過後
においても窒化ケイ素質焼結体製基板２の割れや銅製回
路板２の剥離はなく、優れた耐久性と信頼性を兼備する
ことが確認された。また、1000サイクル経過後において
も耐電圧特性の低下は発生しなかった。

【００３６】

【発明の効果】以上記述の通り、本発明の窒化ケイ素質
焼結体は、本来有する高強度/高靭性に加えて高い熱伝
導率を具備するので、半導体素子用基板として用いた場
合に半導体素子の作動に伴う繰り返しの熱サイクルによ
って基板にクラックが発生することが少なく、耐熱衝撃
性ならびに耐熱サイクル性を著しく向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的な窒化ケイ素質粉末を走査型電
子顕微鏡により撮影した写真である。

【図２】本発明の回路基板の要部断面図を示す。

【符号の説明】

１回路基板、２基板、３銅製回路板、４
銅板、５ろう材。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳｉＯ_２換算として0.02ｗｔ％以上、２
ｗｔ％未満の酸素を含み、比表面積が0.5m²/g以上であ
る窒化ケイ素質粉末原料を窒素あるいは窒素/水素の非
酸性雰囲気下にて、温度1400℃以上で熱処理することを
特徴とする窒化ケイ素質粉末の製造方法。
【請求項２】 β分率が30〜100％であり、酸素量が0.5
ｗｔ％以下であり、平均粒子径が0.2〜10μmであり、ア
スペクト比が10以下であることを特徴とする窒化ケイ素
質粉末。
【請求項３】Ｆｅ含有量およびＡｌ含有量がそれぞれ
100ppm以下である請求項２に記載の窒化ケイ素質粉末。
【請求項４】 β分率が30〜100％であり、酸素量が0.5
ｗｔ％以下であり、平均粒子径が0.2〜10μmであり、ア
スペクト比が10以下である窒化ケイ素質粉末１〜50重量
部と、平均粒子径が0.2〜４μmのα型窒化ケイ素粉末99
〜50重量部とを配合し、焼結することを特徴とする窒化
ケイ素質焼結体の製造方法。
【請求項５】含有するＭｇを酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）換算し、また含有するＬａ，ＹおよびＹｂを含む希
土類元素（ＲＥ）から選択される少なくとも１種の元素
を酸化物（ＲＥ_ｘＯ_ｙ）換算し、それら酸化物換算含有
量の合計が0.6〜７ｗｔ％であることを特徴とする窒化
ケイ素質焼結体。
【請求項６】常温における熱伝導率が100〜300W/（m
・K）であり、常温における３点曲げ強度が600〜1500MP
aである高強度・高熱伝導性に富んだ請求項５に記載の
窒化ケイ素質焼結体。
【請求項７】含有するＭｇを酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）換算し、また含有するＬａ，ＹおよびＹｂを含む希
土類元素（ＲＥ）から選択される少なくとも１種の元素
を酸化物（ＲＥ_ｘＯ_ｙ）換算し、それら酸化物換算含有
量の合計が0.6〜７ｗｔ％であり、かつ（ＭｇＯ／ＲＥ_x
Ｏ_y）で表される重量比が１〜70である請求項５または
６に記載の窒化ケイ素質焼結体。
【請求項８】含有するＭｇを酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）換算し、また含有するＬａ，ＹおよびＹｂを含む希
土類元素（ＲＥ）から選択される少なくとも１種の元素
を酸化物（ＲＥ_ｘＯ_ｙ）換算し、それら酸化物換算含有
量の合計が0.6〜７ｗｔ％である窒化ケイ素質焼結体を
用いて構成されることを特徴とする高強度・高熱伝導性
に富んだ回路基板。