JP2001335368A

JP2001335368A - 高熱伝導窒化ケイ素質焼結体

Info

Publication number: JP2001335368A
Application number: JP2000154274A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Imamura; 寿之今村; Masahisa Sofue; 昌久祖父江; Tsunehiro Kawada; 常広川田; Shigeyuki Hamayoshi; 繁幸濱吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2001-12-04
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JP4332828B2

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度に優れるとともに、なお一層熱伝
導率を高めた高熱伝導窒化ケイ素質焼結体を提供する。【解決手段】窒化ケイ素を主成分とし、酸素含有量が
３．０ｗｔ％以下、常温における熱伝導率が７０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）以上である焼結体であって、窒化ケイ素粒子
中の酸素量が１．５ｗｔ％以下であることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い強度と熱伝導
率を有する窒化ケイ素質焼結体に関するものであり、半
導体用基板、発熱素子用ヒートシンク等の電子部品用部
材や、一般機械器具用部材、溶融金属用部材、熱機関用
部材等の構造用部材として好適な窒化ケイ素質焼結体で
ある。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素質焼結体は、高温強度特性、
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、金属に対する耐食性に優れているので、従
来からガスタービン用部材、エンジン用部材、製鋼用機
械部材、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
に加えて放熱特性を得ることができるように高い熱伝導
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
れを生じたり、また、シリコン（Ｓｉ）半導体素子を実
装した回路基板では、Ｓｉ金属と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
ラックや割れを招いて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に近似すると共に、機
械的強度、破壊靭性、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
アルミニウム（Ａｌ）および酸素（Ｏ）が共に３．５重
量％以下であり、密度が３．１５ｇ／ｃｍ3以上であっ
て、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する窒化ケ
イ素焼結体が記載されている。

【０００６】また、特開平９−３０８６６号には、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、Ｙｂのうちから選ばれる１種
または２種以上の金属元素を０．５〜１０重量％含有す
ると共に、粒界相中のＡｌ原子含有量が１重量％以下で
あり、気孔率が５％以下でかつβ型窒化ケイ素粒のうち
短軸径５μｍ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、特開平１０−１９
４８４２号には、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】

【発明が解決しようとする課題】前述の特開平４−１７
５２６８号では、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率が
得られているが、なお一層熱伝導率を高めるとともに機
械的強度に優れる材料が望まれているという課題があ
る。また、特開平９−３０８６６号、特開平１０−１９
４８４２号等では、窒化ケイ素質焼結体中に巨大な柱状
粒子を得るため、成長核となる種結晶あるいはウィスカ
−を予め添加した上に、２０００℃以上、１００気圧以
上の窒素雰囲気下の高温・高圧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経済的な負担がかかる問
題がある。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、生産性なら
びに量産性が著しく低下するという問題がある。

【０００９】本発明は、このような課題に対処してなさ
れたものであり、種結晶あるいはウィスカーを添加する
ことなく２０００℃以上、１００気圧以上での高温・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
的強度に優れるとともに、熱伝導の方向に異方性を持た
ず、かつなお一層熱伝導率を高めた高熱伝導窒化ケイ素
質焼結体を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記の目的を
達成するため、窒化ケイ素質焼結体中で熱伝導率低下の
要因となる酸素（Ｏ）の含有量、さらに窒化ケイ素質焼
結体中の窒化ケイ素粒子内の酸素量ならびにアルミニウ
ム、マグネシウム、および周期律表第３ａ族元素の含有
量を規定することにより、７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱
伝導率が安定して得られることを見出した。さらに、焼
結助剤をＭｇＯ基として焼結性を向上させ周期律表第３
ａ族元素（IIIA）の酸化物を特定範囲に含有させること
により一層熱伝導率を高められることを見出し、本発明
に至った。

【００１１】すなわち、本発明の高熱伝導窒化ケイ素質
焼結体は、窒化ケイ素を主成分とし、酸素含有量が３．
０ｗｔ％以下、常温における熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・
Ｋ）以上の焼結体であって、窒化ケイ素粒子中の酸素量
が１．５ｗｔ％以下であることを特徴とする。望ましく
は、窒化ケイ素を主成分とし、酸素含有量が２．５ｗｔ
％以下、常温における熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）
以上の焼結体であって、窒化ケイ素粒子中の酸素量が
１．０ｗｔ％以下であることを特徴とする。さらに望ま
しくは、窒化ケイ素を主成分とし、酸素含有量が２．２
ｗｔ％以下、常温における熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・
Ｋ）以上の焼結体であって、窒化ケイ素粒子中の酸素量
が０．６ｗｔ％以下であることを特徴とする。

【００１２】また、本発明の高熱伝導窒化ケイ素質焼結
体において、窒化ケイ素粒子中のアルミニウム、マグネ
シウム、および周期律表第３ａ族元素（IIIA）が総計で
１．０ｗｔ％以下であることを特徴とする。

【００１３】本発明において、焼結体中にマグネシウム
を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算して、周期律表第３
ａ族元素（IIIA）を酸化物（IIIAxＯy）換算して、その
合計量が０．６〜７．０ｗｔ％の割合で含有することが
好ましい。さらに、これに加えてＭｇＯ／IIIAxＯyで表
される重量比が１〜７０の割合で含有することがより好
ましい。ここで、周期律表第３ａ族（IIIA）としては、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等が挙げられる。

【００１４】

【作用】窒化ケイ素質焼結体において、不純物として存
在する異種イオン、特にアルミニウム（Ａｌ）、酸素
（Ｏ）はフォノン散乱源となり熱伝導率を低減させる。
窒化ケイ素質焼結体は、窒化ケイ素粒子相とその周囲の
粒界相とから構成され、アルミニウムおよび酸素は、こ
れら２相にそれぞれ含有される。アルミニウムは窒化ケ
イ素の構成元素であるＳｉのイオン半径に近いため窒化
ケイ素粒子内に容易に固溶する。よって窒化ケイ素粒子
自身の熱伝導率が低下し、結果として焼結体の熱伝導率
は著しく低下する。

【００１５】また、酸素は焼結助剤として主に酸化物を
添加するため、その多くは粒界相成分として存在する。
焼結体の高熱伝導化を達成するには、主相の窒化ケイ素
粒子に比して熱伝導率が低い粒界相の量を低減すること
が肝要であり、焼結助剤成分の添加量を密度２．６２ｇ
／ｃｍ3（相対密度８５％）以上の焼結体が得られる量
を最小限とし、酸素量を低減させることが必要である。
ここで焼結助剤をＭｇＯ基とした場合、その焼結性は他
の酸化物を用いた場合よりも優れるため助剤量をより少
なくすることが可能となる。これに加えて、含有酸素量
が少ない窒化ケイ素粉末を原料とした場合も、粒界相成
分に含まれる酸素量が低減でき、これにより粒界相量が
減少することになり焼結体の高熱伝導化が達成される。
含有酸素量の少ない窒化ケイ素粉末を使用する場合、焼
成過程で生成するＳｉＯ₂成分が減少し難焼結性となる
が、焼結助剤をＭｇＯ基とすることにより緻密質の焼結
体を得ることができる。いずれの場合においても焼結体
中の酸素量を低下することによって低熱伝導相である粒
界相量を低減させ、熱伝導率を飛躍的に向上させること
が可能である。したがって７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱
伝導率を得るためには、窒化ケイ素質焼結体中の酸素量
が３．０ｗｔ％以下であることが必要である。また、窒
化ケイ素質焼結体中のアルミニウムが０．２ｗｔ％以下
であることが好ましい。

【００１６】窒化ケイ素粒子中に含有される酸素は、こ
の部分で熱伝導媒体であるフォノンの散乱を起し、窒化
ケイ素粒子自身、ひいては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、窒化ケイ素粒子中に含有
される酸素は少ない程望ましく、具体的に７０Ｗ／（ｍ
・Ｋ）以上の熱伝導率を有する焼結体を得るには１．５
ｗｔ％以下、さらに１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導
率を有する焼結体を得るには１．０ｗｔ％以下であるこ
とが必要である。

【００１７】さらに、窒化ケイ素粒子中に不純物として
含まれるアルミニウム（Ａｌ）、周期律表第３ａ族元素
（IIIA）は、酸素と同様にこの部分でフォノンの散乱を
起し、窒化ケイ素粒子自身、ひいては窒化ケイ素質焼結
体の熱伝導率を低下させる。したがって、粒子中に含有
されるこれらの不純物元素は少ない程望ましく、具体的
に７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する焼結体を
得るには総計で１．０ｗｔ％以下であることが必要であ
る。

【００１８】マグネシウムおよび周期律表第３ａ族元素
のイットリウム（Ｙ）は、焼結助剤として用いられ、窒
化ケイ素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。

【００１９】イットリウム同様に窒化ケイ素粒子に対す
る固溶度が小さく、焼結助剤として作用する元素には、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈ
ｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の周期律表第３ａ族元素
が挙げられ、なかでも温度、圧力が高くなり過ぎずに焼
成ができる点でＬａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂが好まし
い。

【００２０】マグネシウムを酸化マグネシウム換算し
て、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算して、その合計
量が０．６ｗｔ％未満では、焼結時の緻密化作用が不十
分となり、密度が３．０４ｇ／ｃｍ3（相対密度が９５
％）未満となり好ましくない。一方７．０ｗｔ％を超え
ると、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７０W／（ｍ・Ｋ）未満となる。これらの酸化
物は合計量で０．６〜４．０ｗｔ％含有することがより
好ましい。なお、周期律表第３ａ族元素は、１種または
２種以上添加することができる。

【００２１】酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、周期律表
第３ａ族元素（IIIA）の酸化物（IIIAxＯy）の重量比を
示すＭｇＯ／IIIAxＯy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。また、
ＭｇＯ／IIIAxＯyが７０を超えると焼成時におけるＭｇ
の拡散を抑制することができず焼結体表面に色むらを生
じる。ＭｇＯ／IIIAxＯy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
た後、１８５０〜１９００℃の熱処理を加えると、高熱
伝導化の効果が著しく１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えるも
のが得られる。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
率よく焼結体外部へ揮発することとの複合効果による。

【００２２】窒化ケイ素質焼結体中のβ型窒化ケイ素粒
子のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合が、１０体
積％以上では、焼結体の熱伝導率は向上するものの、組
織中に導入された粗大粒子が破壊の起点として作用する
ため破壊強度が著しく低下し、６００ＭＰａ以上の曲げ
強度が得られない。また、β型窒化ケイ素粒子のアスペ
クト比が１５を超えると６００ＭＰａ以上の曲げ強度を
得られない。好ましいアスペクト比は１０以下である。
また、好ましい曲げ強度は７００ＭＰａ以上である。

【００２３】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、パワー半導体用基板、マルチチップモジュール用基
板などの各種基板、あるいはペルチェ素子用熱伝板、各
種発熱素子用ヒートシンクなどの電子部品用部材に好適
である。

【００２４】本発明材を半導体素子用基板に適用した場
合、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が著しく向上し、耐久性なら
びに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。

【００２５】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、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、軸等に
適用することにより、急激な加熱や冷却に対して割れづ
らい部材となり得る。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、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。

【００２６】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ヘッドやＧＭＲヘッド
などの用いられる電気絶縁膜や、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ヘッドやＧ
ＭＲ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。

【００２７】

【発明の実施の形態】第１の実施例酸素含有量が０．３〜１．５ｗｔ％で、平均粒径０．５
μｍの窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末に、焼結助剤とし
て、平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）
粉末、平均粒径０．２〜２．０μｍの希土類酸化物粉末
の中から選ばれる１種ないし２種の焼結助剤用粉末の所
定量を添加し、適量の分散剤を加えエタノール中で粉
砕、混合した。ついで、真空乾燥後、篩を通して造粒
し、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
作製し、これを１７５０〜１９００℃、９気圧の窒素ガ
ス雰囲気中で５時間焼成した。

【００２８】得られた窒化ケイ素質焼結体から、直径１
０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率および密度測定用の試験
片、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの４点曲げ試験
片を採取した。密度はマイクロメータによる寸法測定と
重量測定の結果から求めた。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。４点曲げ強度は、常温にてＪＩＳＲ
１６０６に準拠して測定を行った。

【００２９】窒化ケイ素粒子の体積％は、焼結体をフッ
化水素酸にて粒界相を溶出することにより、窒化ケイ素
粒子を個々に取り出しＳＥＭ観察して求めた。本発明で
は、面積％の値を体積％として評価した。窒化ケイ素質
焼結体中の酸素（Ｏ）含有量は赤外線吸収法により測定
した。

【００３０】窒化ケイ素粒子中の酸素および不純物元素
は、焼結体を薄片化し透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によ
り組織観察を行った上、これに付属のエネルギー分散型
分析装置（ＥＤＸ）にて評価した。分析値は無作為に１
０ヶの窒化ケイ素粒子を選定して評価した平均値を用い
た。なお、一粒子中においても酸素含有量に差が認めら
れたため粒子中心部を評価した。

【００３１】本実施例に係わる測定結果を表１および表
２に示す。なお、試料Ｎｏ．１〜１２は本発明例であ
り、試料Ｎｏ．３１〜３６は比較例である。なお、表２
中の「ＸＸ」は焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち短
軸径５μｍ以上を持つものの割合（体積％）を示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】表１および表２の本発明例試料Ｎｏ．１〜
１２の結果から、窒化ケイ素質焼結体中の酸素（Ｏ）が
３．０ｗｔ％以下かつ窒化ケイ素粒子中の酸素が１．５
ｗｔ％以下含有するものは、常温における熱伝導率が７
０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、常温における４点曲げ強度が６
００ＭＰａ以上が得られた。また、窒化ケイ素質焼結体
中の酸素が２．５ｗｔ％以下かつ窒化ケイ素粒子中の酸
素が１．０ｗｔ％以下含有するものは熱伝導率１００Ｗ
／（ｍ・Ｋ）以上が得られた。さらに、窒化ケイ素質焼
結体中の酸素が２．２ｗｔ％以下かつ窒化ケイ素粒子中
の酸素が０．６ｗｔ％以下含有するものは熱伝導率１５
０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が得られた。従来技術の熱伝導率
４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のレベルに比べると、熱伝導率
を飛躍的に高めることができた。

【００３５】また、焼結助剤として、マグネシウムを酸
化マグネシウム（ＭｇＯ）換算して、周期律表第３ａ族
元素を酸化物（IIIAxＯy）換算して、その合計量が０．
６〜７．０ｗｔ％、ＭｇＯ／IIIAxＯyで表される重量比
が１〜７０の割合で含有するものは、熱伝導率が７０Ｗ
／（ｍ・Ｋ）以上、４点曲げ強度が６００ＭＰａ以上を
得られた。試料Ｎｏ．１２は、窒化ケイ素質焼結体中の
β型窒化ケイ素粒子のうち短軸径５μｍ以上を持つもの
の割合が３５体積％と大きいため曲げ強度が５７０ＭＰ
ａと低いものであった。

【００３６】また、比較例試料Ｎｏ．３１〜３６の結果
から、試料Ｎｏ．３１およびＮｏ．３６は、窒化ケイ素
焼結体中の酸素が３．０ｗｔ％を超えるため、常温にお
ける熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満となった。ま
た、試料Ｎｏ．３２は、窒化ケイ素粒子中の酸素以外の
Ａｌ、Ｍｇおよび周期律表第３ａ族元素の総計が１．０
ｗｔ％を超えるため、熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未
満となった。さらに試料Ｎｏ．３３は、窒化ケイ素粒子
中の酸素が１．５ｗｔ％を超えるため、常温における熱
伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満となった。試料Ｎｏ．
３４は、窒化ケイ素粒子中の酸素以外のＡｌ、Ｍｇおよ
び周期律表第３ａ族元素の総計が１．０ｗｔ％を超え、
かつＡｌが０．２ｗｔ％より大きくなるため、熱伝導率
は３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）に著しく低下した。試料Ｎｏ．３
５は、焼結体密度が２．６２ｇ／ｃｍ^３と低いため、熱
伝導率および曲げ強度がともに低いものであった。

【００３７】さらに、焼結助剤成分が０．６ｗｔ％未満
では、焼結体の密度は低く、このため熱伝導率および曲
げ強度は著しく低下した。また、焼結助剤成分が７．０
ｗｔ％を超えると、焼成過程で充分なガラス相が生成す
るため焼結体の緻密化は達成されたが、その反面、低熱
伝導相の増加により熱伝導率は６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下
に低減した。窒化ケイ素質焼結体中のβ型窒化ケイ素粒
子のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合が、１０体
積％以上になると破壊強度は著しく低下し６００ＭＰａ
以下の材料強度となった。

【００３８】第２の実施例本発明の窒化ケイ素粉末に所定量の焼結助剤を添加した
混合粉末を、アミン系の分散剤を所定量添加したトルエ
ン・ブタノール溶液中に挿入し、樹脂製ポットならびに
窒化ケイ素製ボールを用いて４８時間湿式混合した後、
ポリビニル系の有機バインダーおよび可塑剤を加え、２
４時間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
シートを得た。ついで、グリーンシートを空気中４００
〜６００℃で１〜２時間加熱して、予め添加していた有
機バインダー成分を十分に除去し脱脂を行った。この脱
脂体を窒素雰囲気、１８５０℃、５時間、９気圧の焼成
を行った後、１９００℃、窒素雰囲気、２４時間、９気
圧の熱処理を加え、窒化ケイ素質焼結体シートを得た。
これに機械加工を施し寸法５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ
０．８ｍｍの半導体装置用の基板を製造した。

【００３９】この窒化ケイ素質焼結体製基板を用いて図
１に示すような回路基板を作製した。図１において、本
発明例の回路基板１は窒化ケイ素質焼結体製基板２の表
面に銅回路板３を、裏面に銅板４をろう材５により接合
して構成される。この回路基板に対し、４点曲げ強度の
評価および耐熱サイクル試験を行った。

【００４０】本発明例の窒化ケイ素質焼結体製回路基板
によれば、曲げ強度が６００ＭＰａ以上と大きく、回路
基板の実装工程における締め付け割れが発生する頻度が
抑制され、回路基板を使用した半導体装置の製造歩留ま
りを大幅に改善することが実証された。

【００４１】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。結果、１０００サイ
クル経過後においても、窒化ケイ素質基板の割れや金属
回路板の剥離はなく、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。

【００４２】

【発明の効果】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が付与される
ので、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
サイクル性が著しく向上し、耐久性ならびに信頼性に優
れた基板材料となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明例の窒化ケイ素質焼結体製回路基板の断
面図を示す。

【符号の説明】

１回路基板、２基板、３銅回路板、４銅
板、５ろう材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者濱吉繁幸福岡県北九州市若松区北浜一丁目９番１号日立金属株式会社若松工場内Ｆターム(参考） 4G001 BA06 BA08 BA09 BA10 BA11 BA32 BA73 BB06 BB08 BB09 BB10 BB11 BB32 BB71 BB73 BD03 BD14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ケイ素を主成分とし、酸素含有量が
３．０ｗｔ％以下、常温における熱伝導率が７０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）以上の焼結体であって、窒化ケイ素粒子中の
酸素量が１．５ｗｔ％以下であることを特徴とする高熱
伝導窒化ケイ素質焼結体。
【請求項２】窒化ケイ素粒子中のアルミニウム、マグ
ネシウム、および周期律表第３ａ族元素（IIIA）が総計
で１．０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に
記載の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体。
【請求項３】焼結体中にマグネシウムを酸化マグネシ
ウム（ＭｇＯ）換算して、周期律表第３ａ族元素（III
A）を酸化物（IIIAxＯy）換算して、その合計量が０．
６〜７．０ｗｔ％の割合で含有することを特徴とする請
求項１または２に記載の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体。
【請求項４】焼結体中にマグネシウムを酸化マグネシ
ウム（ＭｇＯ）換算して、周期律表第３ａ族元素（III
A）を酸化物（IIIAxＯy）換算して、その合計量が０．
６〜７．０ｗｔ％、ＭｇＯ／IIIAxＯyで表される重量比
が１〜７０の割合で含有することを特徴とする請求項１
または２に記載の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体。
【請求項５】常温における４点曲げ強度が６００ＭＰ
ａ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
に記載の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の高熱伝
導窒化ケイ素質焼結体からなることを特徴とする高熱伝
導窒化ケイ素質焼結体製基板および回路基板。