JP2012180234A - Method for producing silicon nitride-based ceramic - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method capable of easily giving a silicon nitride-based ceramic with high thermal conductivity.SOLUTION: The production method includes: a mixing step of mixing a raw material powder which is a silicon nitride powder and a sintering aid; a compacting step of compacting a mixed powder obtained by the mixing step to form a green compact; and a sintering step of sintering the green compact in a nitrogen atmosphere to form a sintered compact of a silicon nitride-based ceramic, wherein in the mixing step, (a) wt.% of YO, (b) wt.% of HfOand (c) wt.% (c is 0-1) of SiOare added as the sintering aid, with respect to the total weight of the raw material powder and the sintering aid, MgO is not added, and the sintering aid is added so as to satisfy b/a=1-2 and a+b+c=5.5-11 wt.%.

Description

本発明は、窒化ケイ素(Si)セラミックスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing silicon nitride (Si 3 N 4 ) ceramics.

窒化ケイ素(Si)セラミックスは、耐熱性、耐摩耗性、靱性等に優れていることから、エンジン用部品材料、ベアリング材料、工具材料、溶融金属用部品等の各種構造用材料として開発が進められている。また最近では、半導体用基板の材料としての応用も試みられている。 Silicon nitride (Si 3 N 4 ) ceramics are excellent in heat resistance, wear resistance, toughness, etc., and have been developed as various structural materials such as engine component materials, bearing materials, tool materials, and molten metal components. Is underway. Recently, application as a material for semiconductor substrates has also been attempted.

半導体用基板として応用する場合には放熱性が要求されるため、窒化ケイ素系セラミックスにおける高熱伝導性化の試みが図られている。例えば、特許文献1には、窒化ケイ素焼結体にFe、Ca、Al、Mg、Hfの酸化物を適量含有させることで、65W/m・K以上の熱伝導率を実現している。また、特許文献2には、Mgを酸化物に換算して0.3〜3.0重量%を添加した場合に焼結性が改善され、さらに50W/m・K以上の高熱伝導率を達成することが記載されている。   Since heat dissipation is required when applied as a semiconductor substrate, attempts have been made to increase the thermal conductivity of silicon nitride ceramics. For example, Patent Document 1 achieves a thermal conductivity of 65 W / m · K or more by containing an appropriate amount of Fe, Ca, Al, Mg, and Hf oxides in a silicon nitride sintered body. Patent Document 2 discloses that when 0.3 to 3.0% by weight of Mg is converted to oxide, the sinterability is improved, and a high thermal conductivity of 50 W / m · K or more is achieved. It is described to do.

国際公開第2005/113466号パンフレットInternational Publication No. 2005/113466 Pamphlet 特許第4221006号公報Japanese Patent No. 4221006

特許文献1,2に記載されているように、窒化ケイ素系セラミックスに添加される焼結助剤として様々な元素の酸化物が存在する。添加される酸化物の種類およびその添加量の組み合わせは膨大であり、高熱伝導率を有する窒化ケイ素系セラミックスを実現するために必要な焼結助剤の種類およびその添加量の組み合わせや焼結条件などの最適化はまだ十分に解明されているとはいえない。   As described in Patent Documents 1 and 2, oxides of various elements exist as sintering aids added to silicon nitride ceramics. The types of oxides added and the combinations of the amounts added are enormous, and the types of sintering aids required to achieve silicon nitride ceramics with high thermal conductivity, combinations of the amounts added, and sintering conditions Such optimization has not been fully elucidated.

例えば、特許文献1,2では、MgOを添加しているが、MgOは低温焼結における緻密化の効果を示すものであり、窒素雰囲気における高温焼結の際には、Mgに還元され蒸発して消失してしまう。そのため、MgOを添加している場合にはその効果を発揮させるために低温焼結を行うことが前提となり、高温焼結による窒化ケイ素の粒成長による熱伝導率の向上を図ることができない。このような観点から、特許文献1,2に記載の技術でも、高熱伝導率を有する窒化ケイ素系セラミックスを実現するために必要な添加物の最適化が十分に図られているとはいえない。   For example, in Patent Documents 1 and 2, MgO is added, but MgO exhibits a densification effect in low-temperature sintering, and is reduced to Mg and evaporated during high-temperature sintering in a nitrogen atmosphere. Disappears. Therefore, when MgO is added, it is premised that low temperature sintering is performed in order to exert the effect, and it is impossible to improve the thermal conductivity due to silicon nitride grain growth by high temperature sintering. From this point of view, even the techniques described in Patent Documents 1 and 2 do not sufficiently optimize the additives necessary for realizing a silicon nitride ceramic having high thermal conductivity.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱伝導率の高い窒化ケイ素系セラミックスを容易に得ることができる製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a production method capable of easily obtaining a silicon nitride ceramic having high thermal conductivity.

本発明者は、鋭意検討の結果、窒化ケイ素系セラミックスにおけるYおよびHfOの含有量の比率が窒化ケイ素系セラミックスの熱伝導率と関係しており、当該比率を制御することで熱伝導率を高めることができるという知見を得た。本発明者は、このような知見に着目し、本発明を見出すに至った。 As a result of intensive studies, the inventor has found that the ratio of the content of Y 2 O 3 and HfO 2 in the silicon nitride-based ceramics is related to the thermal conductivity of the silicon nitride-based ceramics. The knowledge that the conductivity can be increased was obtained. The present inventor has focused on such findings and found the present invention.

具体的には、本発明の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法は、窒化ケイ素粉末である原料粉末と焼結助剤とを混合する混合工程と、上記混合工程により得られた混合粉を成形して圧粉体を生成する成形工程と、上記圧粉体を窒素雰囲気中で焼成することにより窒化ケイ素セラミックの焼結体を生成する焼結工程とを含み、上記混合工程において、焼結助剤として、上記原料粉末と上記焼結助剤との合計重量に対する重量比がa重量%のYと、b重量%のHfOと、c重量%(cは0以上1以下)のSiOとを添加し、MgOを添加せず、さらに、b/aが1以上2以下となり、かつ、a+b+cが5.5重量%以上11重量%以下となるように焼結助剤を添加することを特徴とする。 Specifically, the method for producing a silicon nitride ceramic according to the present invention comprises mixing a raw material powder that is silicon nitride powder and a sintering aid, and molding the mixed powder obtained by the mixing step. As a sintering aid in the mixing step, including a forming step for producing a green compact and a sintering step for producing a sintered body of silicon nitride ceramic by firing the green compact in a nitrogen atmosphere. The weight ratio of the raw material powder and the sintering aid to the total weight is a weight percent Y 2 O 3 , b weight percent HfO 2 , and c weight percent (c is 0 or more and 1 or less) SiO 2. And adding MgO, and further adding a sintering aid so that b / a is 1 or more and 2 or less and a + b + c is 5.5% by weight or more and 11% by weight or less. Features.

また、本発明の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法は、金属Si粉末、または、窒化ケイ素粉末および金属Si粉末の混合物のいずれかである原料粉末と、焼結助剤とを混合する混合工程と、上記混合工程により得られた混合粉を成形して圧粉体を生成する成形工程と、上記圧粉体を窒素雰囲気中で焼成することにより、上記圧粉体中の金属Siを窒化させる窒化工程と、上記窒化工程後の上記圧粉体を窒素雰囲気中で焼成することにより窒化ケイ素系セラミックスの焼結体を生成する焼結工程とを含み、上記混合工程において、焼結助剤として、上記原料粉末中の金属Si粉末が窒化したと仮定したときの上記原料粉末の重量と上記焼結助剤の重量との合計重量に対する重量比がa重量%のYと、b重量%のHfOと、c重量%(cは0以上1以下)のSiOとを添加し、MgOを添加せず、さらに、b/aが1以上2以下となり、かつ、a+b+cが5.5重量%以上11重量%以下となるように焼結助剤を添加することを特徴とする。 The method for producing a silicon nitride-based ceramic of the present invention includes a mixing step of mixing a raw material powder that is either metal Si powder or a mixture of silicon nitride powder and metal Si powder, and a sintering aid, A forming step for forming a green compact by forming the mixed powder obtained by the mixing step, and a nitriding step for nitriding the metal Si in the green compact by firing the green compact in a nitrogen atmosphere. And a sintering step for producing a sintered body of silicon nitride ceramics by firing the green compact after the nitriding step in a nitrogen atmosphere, and in the mixing step, as a sintering aid, Y 2 O 3 having a weight ratio of a weight% to the total weight of the weight of the raw material powder and the weight of the sintering aid when it is assumed that the metal Si powder in the raw powder is nitrided, and b weight% HfO 2 and c weight % (C is 0 or more and 1 or less) of SiO 2 , MgO is not added, b / a is 1 or more and 2 or less, and a + b + c is 5.5% by weight or more and 11% by weight or less. Thus, a sintering aid is added.

なお、上記の構成において、「焼結助剤としてMgOを添加せず」とは、MgOを故意に添加しないことを意味しており、YおよびHfOなど他の材料の不純物として含まれるMgOの添加を除外するものではない。すなわち、他の材料の不純物として含まれるような不可避であるMgOのみが窒化ケイ素系セラミックスに含まれる場合、他の構成を充足していれば本発明の範囲に含まれる。 In the above configuration, “without adding MgO as a sintering aid” means that MgO is not added intentionally, and is included as an impurity of other materials such as Y 2 O 3 and HfO 2. This does not exclude the addition of MgO. That is, in the case where only the inevitable MgO contained as an impurity of other materials is contained in the silicon nitride ceramic, it is included in the scope of the present invention as long as other configurations are satisfied.

上記の構成により、熱伝導率の高い窒化ケイ素系セラミックスを容易に得ることができることが確認された。これは、粒界相として生成されるY−HfO−SiO系化合物の液相化の始まる温度が上がることにより、(1)窒化ケイ素結晶の粒成長を最大限促進させ、(2)粒界相のガラス成分の量をより低減させ、(3)窒化ケイ素結晶中の不要元素の量を小さくすることができたことによるものと考えられる。この(1)の効果により、セラミック中に占める窒化ケイ素結晶を大きくさせることができ、より熱を伝導させやすくなる。また、(2)の効果により、粒界相の熱伝導率も向上させることができるとともに、(3)の効果により、窒化ケイ素結晶自体の熱伝導率を向上させることができる。 It was confirmed that a silicon nitride ceramic with high thermal conductivity can be easily obtained with the above configuration. This is because the temperature at which the liquid phase of the Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 compound produced as a grain boundary phase starts to rise increases (1) the grain growth of the silicon nitride crystal to the maximum, 2) It is considered that the amount of the glass component of the grain boundary phase can be further reduced, and (3) the amount of unnecessary elements in the silicon nitride crystal can be reduced. Due to the effect of (1), the silicon nitride crystal occupying the ceramic can be enlarged, and heat can be more easily conducted. Moreover, the thermal conductivity of the grain boundary phase can be improved by the effect (2), and the thermal conductivity of the silicon nitride crystal itself can be improved by the effect (3).

さらに、本発明の製造方法では、上記焼結工程において、窒素圧が0.5MPa以上であり、1850℃以上で焼成することが好ましい。   Furthermore, in the production method of the present invention, in the sintering step, the nitrogen pressure is preferably 0.5 MPa or more, and preferably fired at 1850 ° C. or more.

上記の構成によれば、粒界相として生成されるY−HfO−SiO系化合物の液相化の始まる温度が上がったとしても、窒素圧を0.5MP以上とすることで窒化ケイ素の分解温度の上がり、より高温で液相焼結させることができる。その結果、窒化ケイ素結晶の粒成長を促すことができる。なお、1925℃以上で焼成することにより、より粒成長を促すことができる。 According to the above configuration, even when the temperature at which the liquid phase of the Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 compound produced as the grain boundary phase starts to rise, the nitrogen pressure is set to 0.5 MP or more. The decomposition temperature of silicon nitride is increased, and liquid phase sintering can be performed at a higher temperature. As a result, grain growth of the silicon nitride crystal can be promoted. In addition, grain growth can be further promoted by firing at 1925 ° C. or higher.

また、上記cが0である場合、a+bが7.5重量%以上10重量%以下であることが好ましい。これにより、粒界相を構成する適量の化合物を生成しやすくなる。   Moreover, when said c is 0, it is preferable that a + b is 7.5 to 10 weight%. Thereby, it becomes easy to produce | generate the appropriate amount compound which comprises a grain boundary phase.

本発明によれば、熱伝導率の高い窒化ケイ素系セラミックスを容易に得ることができるという効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to easily obtain a silicon nitride ceramic having high thermal conductivity.

本発明の実施形態1に係る窒化ケイ素系セラミックスの製造方法の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the manufacturing method of the silicon nitride ceramics concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2に係る窒化ケイ素系セラミックスの製造方法の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the manufacturing method of the silicon nitride ceramics concerning Embodiment 2 of this invention. 実施例2の焼結体のSEM写真を示す図である。4 is a SEM photograph of the sintered body of Example 2. FIG. 実施例2の絶縁抵抗の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the insulation resistance of Example 2. FIG.

本発明は、熱伝導率の高い窒化ケイ素系セラミックスを容易に製造可能な製造方法を提供するものである。窒化ケイ素系セラミックスの熱伝導率は、窒化ケイ素の結晶における熱伝導率、および、粒界相における熱伝導率の両者に依存する。そのため、窒化ケイ素系セラミックスの熱伝導率を高めるためには、窒化ケイ素結晶および粒界相の熱伝導率の両方を高める必要がある。   The present invention provides a manufacturing method capable of easily manufacturing silicon nitride ceramics having high thermal conductivity. The thermal conductivity of silicon nitride ceramics depends on both the thermal conductivity in the silicon nitride crystal and the thermal conductivity in the grain boundary phase. Therefore, in order to increase the thermal conductivity of the silicon nitride ceramics, it is necessary to increase both the thermal conductivity of the silicon nitride crystal and the grain boundary phase.

本発明者らは、鋭意検討の結果、焼結助剤であるYおよびHfOの窒化ケイ素系セラミックスにおける含有量の比率が窒化ケイ素系セラミックスの熱伝導率と関係しており、当該比率を制御することで熱伝導率を高めることができるという知見を得た。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that the content ratio of the sintering aids Y 2 O 3 and HfO 2 in the silicon nitride ceramics is related to the thermal conductivity of the silicon nitride ceramics. It was found that the thermal conductivity can be increased by controlling the ratio. The present invention has been made based on this finding.

具体的には、窒化ケイ素系セラミックスの製造方法において、原料粉末(窒化ケイ素)と焼結助剤との合計重量比がa重量%のYと、b重量%のHfOと、c重量%(ただし、cは0以上1以下)のSiOとを添加し、MgOを添加せず、さらに、b/aが1以上2以下となり、かつ、a+b+cが5.5重量%以上11重量%以下となるように焼結助剤を添加する、YとHfOとSiOと調整する。 Specifically, in the method for producing a silicon nitride ceramic, the total weight ratio of the raw material powder (silicon nitride) and the sintering aid is a weight percent of Y 2 O 3 , b weight percent of HfO 2 , c % By weight (where c is 0 or more and 1 or less) of SiO 2 , MgO is not added, b / a is 1 or more and 2 or less, and a + b + c is 5.5% by weight or more and 11% by weight % addition of sintering aids to be equal to or less than to adjust the Y 2 O 3 and HfO 2 and SiO 2.

HfOについては、例えば特許文献1に、粒界相の結晶化の機能が記載されている。また、特許文献2には、HfOの添加量として、0.3〜3質量%、好ましくは1.0〜2.5質量%が記載されている。このように、HfOの機能として粒界相の結晶化を機能が知られていたものの、その添加量としては3質量%より低いことが好ましいとされていた。この点について、例えば特許公報3115238号には、HfOの添加量が3.0重量%を超える場合には熱伝導率および機械的強度の低下が起こるため、と記載されている。しかしながら、本発明者らは、YとHfOとの比率b/aを1以上2以下とし、かつ、a+b+cを5.5重量%以上11重量%以下とすることにより、HfOの含有量が3重量%以上でありながら、むしろ熱伝導率を向上させることができるという、従来とは異なる知見を得た。このような熱伝導率の向上は以下の理由からであると考えられる。 Regarding HfO 2 , for example, Patent Document 1 describes the function of crystallizing the grain boundary phase. Patent Document 2 describes 0.3 to 3% by mass, preferably 1.0 to 2.5% by mass, as the amount of HfO 2 added. Thus, although the function of crystallization of the grain boundary phase was known as a function of HfO 2 , the amount added was preferably lower than 3% by mass. In this regard, for example, Japanese Patent Publication No. 3115238 describes that when the amount of HfO 2 added exceeds 3.0% by weight, the thermal conductivity and mechanical strength decrease. However, the inventors set the ratio b / a of Y 2 O 3 and HfO 2 to 1 or more and 2 or less, and a + b + c to 5.5 wt% or more and 11 wt% or less, so that HfO 2 Although the content is 3% by weight or more, the inventors have obtained a different knowledge from that that the thermal conductivity can be improved. Such an improvement in thermal conductivity is considered to be due to the following reason.

焼結助剤であるYは、緻密化に寄与するとともに、柱状結晶の粒成長を促進させる機能を有する。これは、Yと窒化ケイ素の表面に生成された酸化ケイ素との化合物(例えば、YSiやYSiO)が生成され、当該化合物が液相になることで焼結を促進させるからである。そして、YにさらにHfOを添加する場合には、Y−HfO−SiO系の化合物が粒界に存在し、当該粒界を液相にすることで焼結を促進させることになる。従来、Y−HfO−SiO系の化合物を粒界に存在させる場合、Yの添加量をHfOの添加量よりも多くすることが通常であった。これは、Yの添加量がHfOの添加量よりも多い領域でY−HfO−SiO系の化合物の共晶点が存在し、より低い温度から液相を形成するように粒界成分を調整することで、窒化ケイ素結晶の粒成長を促進させるためである。 Y 2 O 3, which is a sintering aid, contributes to densification and has a function of promoting grain growth of columnar crystals. This is because a compound of Y 2 O 3 and silicon oxide formed on the surface of silicon nitride (for example, Y 2 Si 2 O 7 or Y 2 SiO 5 ) is generated, and the compound becomes a liquid phase. This is because it promotes ties. When the further addition of HfO 2 in Y 2 O 3, the compound of Y 2 O 3 -HfO 2 -SiO 2 system is present in the grain boundary, the sintering by the grain boundary in the liquid phase It will be promoted. Conventionally, when a Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 -based compound is present at the grain boundary, it has been usual to increase the amount of Y 2 O 3 added to that of HfO 2 . This, Y 2 amount of O 3 is present eutectic point of the compound of Y 2 O 3 -HfO 2 -SiO 2 system in the region greater than the amount of HfO 2, form a liquid phase from the lower temperature This is because the grain growth of the silicon nitride crystal is promoted by adjusting the grain boundary component.

しかしながら、このような従来の知見とは逆に、Yの重量比(含有量)a、HfOの重量比(含有量)bの比率b/aを1以上2以下とすることで、窒化ケイ素系セラミックスの熱伝導性が向上することが確認された。これは、Yの重量比a、HfOの重量比bの比率b/aを1以上2以下にすることにより、焼結助剤と窒化ケイ素の表面に生成されたSiOもしくは焼結助剤として添加したSiOとで生成されるY−HfO−SiO系化合物の液相化の始まる温度が1900℃付近(窒化ケイ素の分解温度よりもわずかに低い温度)になるためであると考えられる。すなわち、粒界相として生成されるY−HfO−SiO系化合物の液相化の始まる温度が窒化ケイ素の分解温度に近くなることにより、窒化ケイ素系セラミックスの焼結温度を、分解温度よりもわずかに低い温度に設定することとなる。その結果、液相焼結をより高温で行うこととなり、窒化ケイ素結晶の粒成長を最大限促進させることとなる。 However, contrary to such conventional knowledge, the ratio b / a of the weight ratio (content) a of Y 2 O 3 and the weight ratio (content) b of HfO 2 is 1 or more and 2 or less. It was confirmed that the thermal conductivity of the silicon nitride ceramic was improved. This is because the ratio b / a of the weight ratio a of Y 2 O 3 and the weight ratio b of HfO 2 is 1 or more and 2 or less, so that SiO 2 generated on the surface of the sintering aid and the silicon nitride or the firing is increased. The temperature at which the liquid phase of the Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 compound produced with SiO 2 added as a co-agent is started is around 1900 ° C. (slightly lower than the decomposition temperature of silicon nitride). It is thought that it is to become. That is, the temperature at which the liquid phase of the Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 compound produced as a grain boundary phase starts to be close to the decomposition temperature of silicon nitride, The temperature is set slightly lower than the decomposition temperature. As a result, liquid phase sintering is performed at a higher temperature, and the grain growth of the silicon nitride crystal is promoted to the maximum extent.

また、生成されるY−HfO−SiO系化合物の液相化の始まる温度と焼成温度とが近いため、焼結温度から降温させる際にHfOが再結晶化しやすく、粒界相のガラス成分の量をより低減させることができる。 In addition, since the temperature at which the liquid phase of the produced Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 compound starts to be close to the firing temperature, HfO 2 is easily recrystallized when the temperature is lowered from the sintering temperature, and the grain boundary The amount of the glass component of the phase can be further reduced.

さらに、HfOは再結晶する際に、窒化ケイ素結晶中の不純物を取り込み、窒化ケイ素結晶を純化させることが考えられる。そのため、上記のようにHfOが再結晶化しやすいことでHfOが取り込む不純物の量も多くなり、窒化ケイ素結晶中の不要元素の量も小さくなり、より高純度な窒化ケイ素結晶が生成されることとなる。 Further, when HfO 2 is recrystallized, it is considered that impurities in the silicon nitride crystal are taken in and the silicon nitride crystal is purified. Therefore, as described above, since HfO 2 is easily recrystallized, the amount of impurities taken in by HfO 2 is increased, the amount of unnecessary elements in the silicon nitride crystal is reduced, and a higher-purity silicon nitride crystal is generated. It will be.

このように、Yの重量比(含有量)a、HfOの重量比(含有量)bの比率b/aを1以上2以下とすることで、((1)窒化ケイ素結晶の粒成長を最大限促進させ、(2)粒界相のガラス成分の量をより低減させ、(3)窒化ケイ素結晶中の不要元素の量を小さくすることができたことによるものと考えられる。この(1)の効果により、セラミック中に占める窒化ケイ素結晶を大きくさせることができ、より熱を伝導させやすくなる。また、(2)の効果により、粒界相の熱伝導率も向上させることができるとともに、(3)の効果により、窒化ケイ素結晶自体の熱伝導率を向上させることができる。その結果、窒化ケイ素系セラミックスの熱伝導率が向上するものと考えられる。 Thus, by setting the ratio b / a of the weight ratio (content) a of Y 2 O 3 and the weight ratio (content) b of HfO 2 to 1 or more and 2 or less, ((1) the silicon nitride crystal This is considered to be because the grain growth was promoted to the maximum, (2) the amount of glass components in the grain boundary phase was further reduced, and (3) the amount of unnecessary elements in the silicon nitride crystal was reduced. The effect of (1) can increase the size of silicon nitride crystals in the ceramic, making it easier to conduct heat, and the effect of (2) also improves the thermal conductivity of the grain boundary phase. In addition, the thermal conductivity of the silicon nitride crystal itself can be improved by the effect (3), and as a result, it is considered that the thermal conductivity of the silicon nitride ceramic is improved.

なお、a+b+cが5.5重量%未満である場合、上記(1)から(3)の効果が小さく、11重量%より大きい場合、粒界成分が多くなりすぎて熱伝導率が低下する。そのため、a+b+cを5.5重量%以上11重量%以下とする。   In addition, when a + b + c is less than 5.5% by weight, the effects (1) to (3) are small, and when it is greater than 11% by weight, the grain boundary component is excessive and the thermal conductivity is lowered. Therefore, a + b + c is set to 5.5 wt% or more and 11 wt% or less.

また、他の焼結助剤を添加することも可能であるが、1850℃を超える温度であり、かつ、窒素雰囲気下で焼結する際に、還元され蒸発して消失しやすいような焼結助剤(例えば、MgO)は添加しない。これは、1850℃を超える温度で焼結させる際にも焼結助剤として機能し、窒化ケイ素を粒成長させて窒化ケイ素結晶の熱伝導率を高めるためである。   It is also possible to add other sintering aids, but the sintering temperature is higher than 1850 ° C. and is easily reduced and evaporated when sintered in a nitrogen atmosphere. An auxiliary agent (for example, MgO) is not added. This is because it functions as a sintering aid even when sintering at a temperature exceeding 1850 ° C., and the silicon nitride crystal is grown to increase the thermal conductivity of the silicon nitride crystal.

以下、本発明の実施形態に係る窒化ケイ素系セラミックスの製造方法について説明する。
<実施形態1>
図1は、実施形態1に係る製造方法の工程の流れを示す図である。
Hereinafter, a method for producing a silicon nitride ceramic according to an embodiment of the present invention will be described.
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a diagram illustrating a flow of steps of the manufacturing method according to the first embodiment.

(S1.調合工程)
まず、窒化ケイ素系セラミックスの原料となる、窒化ケイ素粉末、焼結助剤であるYおよびHfOの粉末を準備する。なお、焼結助剤として、さらにSiOを加えても良い。ただし、上述したように、1850℃を超える温度で焼結する際に消失しやすい焼結助剤(例えば、MgO)は添加しない。
(S1. Preparation step)
First, silicon nitride powder and powders of Y 2 O 3 and HfO 2 that are sintering aids are prepared as raw materials for silicon nitride ceramics. Incidentally, as a sintering aid, it may be added further to SiO 2. However, as described above, a sintering aid (for example, MgO) that easily disappears when sintered at a temperature exceeding 1850 ° C. is not added.

この際、窒化ケイ素粉末と焼結助剤の粉末との合計重量に対する、Yの重量比をa重量%、HfOの重量比をb重量%、SiOの重量比をc重量%とするとき、b/aを1以上2以下とする。また、a+b+cを5.5重量%以上11重量%以下とする。ただし、cは、0以上1以下である。このようにa,b,cを設定する理由は上述したとおりである。 At this time, the weight ratio of Y 2 O 3 to the total weight of the silicon nitride powder and the sintering aid powder is a weight%, the weight ratio of HfO 2 is b weight%, and the weight ratio of SiO 2 is c weight%. In this case, b / a is set to 1 or more and 2 or less. Further, a + b + c is set to 5.5 wt% or more and 11 wt% or less. However, c is 0 or more and 1 or less. The reason for setting a, b, and c in this way is as described above.

なお、SiOの重量比が1重量%を超える場合、粒界相として生成されるY−HfO−SiO系化合物に対してSiOが過剰となってしまう。 In the case where the weight ratio of SiO 2 is more than 1 wt%, SiO 2 becomes excessive relative to the Y 2 O 3 -HfO 2 -SiO 2 type compounds generated as a grain boundary phase.

また、c=0の場合は、a+bは7.5重量%以上10重量%以下であることのが好ましい。c=0の場合、YおよびHfOが窒化ケイ素原料の表面に形成されたSiOと反応することで、Y−HfO−SiO系化合物が生成される。窒化ケイ素原料の表面に形成されたSiOの量は、窒化ケイ素粉末の種類や粒径等にも依存する。そのため、窒化ケイ素原料の表面に形成されたSiOの量が少ない場合であっても、a+bは7.5重量%以上であれば、SiOの近傍に存在するYおよびHfOの量が増え、適量のY−HfO−SiO系化合物がより生成されやすくなる。 When c = 0, a + b is preferably 7.5% by weight or more and 10% by weight or less. When c = 0, Y 2 O 3 and HfO 2 react with SiO 2 formed on the surface of the silicon nitride raw material to produce a Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 compound. The amount of SiO 2 formed on the surface of the silicon nitride raw material also depends on the type and particle size of the silicon nitride powder. Therefore, even if the amount of SiO 2 formed on the surface of the silicon nitride raw material is small, if a + b is 7.5% by weight or more, Y 2 O 3 and HfO 2 present in the vicinity of SiO 2 The amount increases, and an appropriate amount of Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 compound is more easily generated.

(S3.混合・造粒工程)
次に、調合工程で得られた粉末を混合する(混合工程)。混合方式としては例えばボールミルを用いた湿式混合を用いることができるが、これに限定されるものではない。具体的には、ボール径10mmのSiボールを用いて24h混合させればよい。その後、各粉末の混合粉を乾燥させて造粒する(造粒工程)。この際、顆粒状にするために適宜バインダー樹脂等を添加してもよい。
(S3. Mixing and granulating process)
Next, the powder obtained in the blending process is mixed (mixing process). As the mixing method, for example, wet mixing using a ball mill can be used, but the mixing method is not limited thereto. Specifically, it may be mixed for 24 hours using a Si 3 N 4 ball having a ball diameter of 10 mm. Thereafter, the mixed powder of each powder is dried and granulated (granulation step). At this time, a binder resin or the like may be appropriately added to form granules.

(S5.成形工程)
続いて、造粒物を所定形状の成形型に充填し、加圧成形することで圧粉体を形成する。加圧成形の方法としては、一軸プレス成形法、冷間静水等方圧プレス(CIP)法などを用いることができる。また、一軸プレス成形法により仮成形した後にCIPを用いて本成形してもよい。
(S5. Molding process)
Subsequently, the granulated product is filled into a mold having a predetermined shape, and pressure-molded to form a green compact. As the pressure forming method, a uniaxial press forming method, a cold isostatic pressing method (CIP) method, or the like can be used. Moreover, after temporary molding by a uniaxial press molding method, the main molding may be performed using CIP.

(S7.脱脂工程)
成形工程で得られた圧粉体の中には、造粒工程で添加したバインダー樹脂などの有機物が含まれている。そこで、例えば空気中で250〜500℃の温度に上げることで、これらの有機物を除く脱脂処理を行う。
(S7. Degreasing process)
The green compact obtained in the molding process contains organic substances such as a binder resin added in the granulation process. Therefore, degreasing treatment for removing these organic substances is performed by raising the temperature to 250 to 500 ° C. in air, for example.

(S9.焼結工程)
続いて、圧粉体を窒素雰囲気中で焼成することにより、緻密化させる。焼成温度の設定最高温度は、1850℃以上であることが好ましい。また、少なくとも、設定最高温度から当該設定最高温度よりも100℃低い温度までの温度域において、周囲の窒素圧を0.5MPa以上にすることが好ましい。これにより、窒化ケイ素が分解することを防ぐとともに、1850℃以上の高温で焼成することができる。
(S9. Sintering process)
Subsequently, the green compact is densified by firing in a nitrogen atmosphere. The set maximum temperature of the firing temperature is preferably 1850 ° C. or higher. Further, it is preferable that the surrounding nitrogen pressure is 0.5 MPa or more in at least a temperature range from the set maximum temperature to a temperature lower by 100 ° C. than the set maximum temperature. Thereby, silicon nitride can be prevented from being decomposed and fired at a high temperature of 1850 ° C. or higher.

さらに、焼成温度の設定最高温度は、1925℃以上であることが好ましい。さらに1950℃以上であることが好ましい。これにより、窒化ケイ素結晶の粒成長をより促進させることができる。
<実施形態2>
次に、別の実施形態に係る窒化ケイ素系セラミックスの製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、金属Si粉末を出発原料として窒化ケイ素系セラミックスを製造する方法である。図2は、実施形態2に係る製造方法の工程の流れを示す図である。
Furthermore, it is preferable that the set maximum temperature of the firing temperature is 1925 ° C. or higher. Furthermore, it is preferable that it is 1950 degreeC or more. Thereby, the grain growth of the silicon nitride crystal can be further promoted.
<Embodiment 2>
Next, a method for producing a silicon nitride ceramic according to another embodiment will be described. The manufacturing method of this embodiment is a method of manufacturing silicon nitride ceramics using metal Si powder as a starting material. FIG. 2 is a diagram illustrating a process flow of the manufacturing method according to the second embodiment.

(S1a.原料準備工程)
まず、窒化ケイ素系セラミックスの原料粉末である金属Si粉末と、焼結助剤であるYおよびHfOの粉末とを準備する。なお、焼結助剤として、さらにSiO等を加えても良い。ただし、上述したように、1850℃を超える温度で焼結する際に消失するような焼結助剤(例えば、MgO)は添加しない。および各種の焼結助剤の粉末を準備する。また、金属Si粉末とともに、窒化ケイ素粉末を加えてもよい。この場合、金属Si粉末と窒化ケイ素粉末との混合物が原料粉末となる。
(S1a. Raw material preparation step)
First, metal Si powder, which is a raw material powder of silicon nitride ceramics, and Y 2 O 3 and HfO 2 powders, which are sintering aids, are prepared. Incidentally, as a sintering aid, it may be further added to the SiO 2 and the like. However, as described above, a sintering aid (for example, MgO) that disappears when sintering at a temperature exceeding 1850 ° C. is not added. In addition, powders of various sintering aids are prepared. Moreover, you may add a silicon nitride powder with metal Si powder. In this case, a mixture of metal Si powder and silicon nitride powder becomes the raw material powder.

(S2a.粉砕工程)
次に、金属Si粉末を湿式粉砕機により粉砕する。湿式粉砕機としては様々な機械があるが、細粒化が可能なビーズミルを用いることが好ましい。ビーズミルとは、ベッセルと呼ばれる容器の中にビーズ(粉砕メディア、ビーズ径0.015〜2mm)を充填して回転させ、液体に原料粉末が混合されたスラリーを送り込み、ビーズと衝突させることで微粉砕する粉砕機である。なお、ビーズの材料としては、Siを用いることが好ましい。これにより、不純物の混入を防止することができる。また、スラリーに各種の分散剤を添加し、スラリー粘度を制御することが好ましい。
(S2a. Grinding step)
Next, the metal Si powder is pulverized by a wet pulverizer. There are various types of wet pulverizers, but it is preferable to use a bead mill capable of fine graining. A bead mill is a microscopic device in which a bead (pulverization media, bead diameter 0.015 to 2 mm) is filled in a container called a vessel and rotated, and a slurry in which raw material powder is mixed is fed into a liquid and collided with the beads. A crusher for crushing. Note that it is preferable to use Si 3 N 4 as the material of the beads. Thereby, mixing of impurities can be prevented. In addition, it is preferable to add various dispersants to the slurry to control the slurry viscosity.

(S3a.混合・造粒工程)
次に、粉砕後の原料粉末と焼結助剤とが所定の組成比になるように混合する(混合工程)。
(S3a. Mixing and granulating process)
Next, the pulverized raw material powder and the sintering aid are mixed so as to have a predetermined composition ratio (mixing step).

この際、金属Si粉末が窒化したと仮定したときの原料粉末の重量と、焼結助剤との合計重量に対する、Yの重量比をa重量%、HfOの重量比をb重量%、SiOの重量比をc重量%とするとき、b/aを1以上2以下とする。また、a+b+cを5.5重量%以上11重量%以下とする。ただし、cは、0以上1以下である。このようにa,b,cを設定する理由は上述したとおりである。 At this time, the weight ratio of Y 2 O 3 to the weight of the raw material powder when the metal Si powder is nitrided and the total weight of the sintering aid is a weight%, and the weight ratio of HfO 2 is b weight. %, When the weight ratio of SiO 2 is c wt%, b / a is 1 or more and 2 or less. Further, a + b + c is set to 5.5 wt% or more and 11 wt% or less. However, c is 0 or more and 1 or less. The reason for setting a, b, and c in this way is as described above.

なお、原料粉末として金属Si粉末のみを用いる場合には、金属Si粉末の重量に(Siの原子量×3+Nの原子量×4)/(Siの原子量×3)を乗じることで、金属Si粉末が窒化したと仮定したときの原料粉末の重量を求めることができる。また、金属Si粉末と窒化ケイ素粉末との混合物を原料粉末として用いる場合、金属Si粉末の重量に(Siの原子量×3+Nの原子量×4)/(Siの原子量×3)を乗じた値と、窒化ケイ素粉末の重量との合計が、金属Si粉末が窒化したと仮定したときの原料粉末の重量となる。   When only the metal Si powder is used as the raw material powder, the metal Si powder is nitrided by multiplying the weight of the metal Si powder by (Si atomic weight × 3 + N atomic weight × 4) / (Si atomic weight × 3). It is possible to determine the weight of the raw material powder when it is assumed. Further, when a mixture of metal Si powder and silicon nitride powder is used as a raw material powder, a value obtained by multiplying the weight of the metal Si powder by (atom weight of Si × 3 + atom weight of N × 4) / (atom weight of Si × 3); The sum of the weight of the silicon nitride powder is the weight of the raw material powder when the metal Si powder is assumed to be nitrided.

混合方式としては、例えば、ボール径10mmのSiボールを用いて湿式混合させればよい。その後、原料粉末と焼結助剤との混合粉を乾燥させて造粒する(造粒工程)。この際、顆粒状にするために適宜バインダー樹脂等を添加してもよい。その後、実施形態1と同様に、(S5.成形工程)、(S7.脱脂工程)を行う。 As a mixing method, for example, wet mixing may be performed using Si 3 N 4 balls having a ball diameter of 10 mm. Thereafter, the mixed powder of the raw material powder and the sintering aid is dried and granulated (granulation step). At this time, a binder resin or the like may be appropriately added to form granules. Then, (S5. Molding process) and (S7. Degreasing process) are performed as in the first embodiment.

なお、造粒工程において、フェノール樹脂のような、溶融または気化することによって気孔を形成する造孔剤を添加してもよい。造孔剤を添加することにより、S5.脱脂工程において造孔剤が溶融または気化し、圧粉体に微小な気孔が形成される。その結果、金属Siと窒素との接触面積を増やすことができ、後述する窒化工程において金属Siの窒化を促進させることができる。   In the granulation step, a pore forming agent that forms pores by melting or vaporizing, such as a phenol resin, may be added. By adding a pore-forming agent, S5. In the degreasing process, the pore-forming agent is melted or vaporized, and fine pores are formed in the green compact. As a result, the contact area between the metal Si and nitrogen can be increased, and the nitridation of the metal Si can be promoted in the nitriding step described later.

(S8.窒化工程(反応焼結工程))
次に、脱脂された圧粉体を、窒素雰囲気中で1200〜1450℃の範囲で焼成することにより、金属Siの窒化を行う。ここで、焼成温度およびその保持時間は、圧粉体の大きさ等により適宜設定すればよい。
(S8. Nitriding process (reaction sintering process))
Next, the defatted green compact is fired in the range of 1200 to 1450 ° C. in a nitrogen atmosphere, thereby nitriding metal Si. Here, the firing temperature and the holding time thereof may be appropriately set depending on the size of the green compact and the like.

本実施形態では、金属Si粉末をビーズミルにより微粉砕している。そのため、窒素と接触する金属Siの表面積が大きくなり、窒素との反応がし易くなっている。その結果、窒化工程における焼成温度を従来よりも低く設定することができる。   In this embodiment, the metal Si powder is finely pulverized by a bead mill. Therefore, the surface area of the metal Si that comes into contact with nitrogen is increased, and the reaction with nitrogen is facilitated. As a result, the firing temperature in the nitriding step can be set lower than in the prior art.

続いて、窒化工程により得られた焼結体である反応焼結体に対して、実施形態1と同様に、(S9.焼結工程)を行う。   Then, (S9. Sintering process) is performed similarly to Embodiment 1 with respect to the reaction sintered compact which is the sintered compact obtained by the nitriding process.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. However, the present invention is not limited to these examples.

<実施例1〜17、比較例1〜7>
上記の実施形態1に記載の方法に従って実施例1〜17、比較例1〜7の試料を作製した。
<Examples 1-17, Comparative Examples 1-7>
Samples of Examples 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 7 were prepared according to the method described in Embodiment 1 above.

(S1.調合工程)
出発原料として、以下のものを用いた。
・窒化ケイ素粉末:宇部興産(株)製「SN−E10」
・Y:信越化学工業(株)製「RU−P」
・HfO:(株)高純度化学研究所製
・SiO:(株)アドマテックス製「So−C2」
また、重量比は、後述する表1に記載したとおりである。
(S1. Preparation step)
The following were used as starting materials.
・ Silicon nitride powder: “SN-E10” manufactured by Ube Industries, Ltd.
Y 2 O 3 : “RU-P” manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
・ HfO 2 : manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. ・ SiO 2 : “So-C2” manufactured by Admatechs Co., Ltd.
The weight ratio is as described in Table 1 described later.

(S3.混合・造粒工程)
S1の工程にて得た混合粉100gおよび分散剤(中京油脂製「セルナE503」)2.0mlをエタノール120mlに加え、ボール径5mmのSiボールを用いて、ボールミル混合を24h行った。その後、混合粉100gに対して、パラフィン4wt%、DOP(ジオクチルフタレート)1wt%を添加して造粒した。
(S3. Mixing and granulating process)
100 g of the mixed powder obtained in the step S1 and 2.0 ml of a dispersant (“Celna E503” manufactured by Chukyo Yushi) were added to 120 ml of ethanol, and ball mill mixing was performed for 24 hours using Si 3 N 4 balls having a ball diameter of 5 mm. . Then, 4 wt% of paraffin and 1 wt% of DOP (dioctyl phthalate) were added to 100 g of the mixed powder and granulated.

(S5.成形工程)
その後、外径11mmの円柱状の中空部を有する金型を用いて、一軸プレス成形法により、50MPaの圧力を30秒間加えて成形した。さらに、冷間静水等方圧プレス(CIP)法により、200MPaの圧力を60秒間加えて成形した。これにより、圧粉された圧粉体を得た。
(S5. Molding process)
Thereafter, using a mold having a cylindrical hollow portion having an outer diameter of 11 mm, a pressure of 50 MPa was applied for 30 seconds by a uniaxial press molding method. Furthermore, it was molded by applying a pressure of 200 MPa for 60 seconds by a cold isostatic press (CIP) method. Thereby, the compacted green compact was obtained.

(S7.脱脂工程)(S9.焼結工程)
得られた圧粉体を空気中で250℃で3時間保持した後、500℃で3時間保持することにより、脱脂を行った。その後、各実施例について、後述する表1に記載の焼成条件で焼結工程を行った。なお、焼結工程では、0.9MPaの窒素を4l/minの速度で流しながら焼成した。
(S7. Degreasing process) (S9. Sintering process)
The obtained green compact was held in air at 250 ° C. for 3 hours and then held at 500 ° C. for 3 hours for degreasing. Then, about each Example, the sintering process was performed on the baking conditions of Table 1 mentioned later. In the sintering step, firing was performed while flowing 0.9 MPa of nitrogen at a rate of 4 l / min.

<実施例18〜21>
上記の実施形態2に記載の方法に従って実施例18〜21の試料を作製した。
<Examples 18 to 21>
Samples of Examples 18 to 21 were prepared according to the method described in Embodiment 2 above.

(S1a.原料準備工程)
出発原料である金属Si粉末として、山石金属(株)製の#600粉末を用いた。焼結助剤は、実施例1〜17と同じ原料を用いた。
(S1a. Raw material preparation step)
As metal Si powder as a starting material, # 600 powder manufactured by Yamaishi Metal Co., Ltd. was used. The same raw material as Examples 1-17 was used for the sintering aid.

(S2a.粉砕工程)
ビーズミルとして、アシザワファインテック社製の「ミニツェア」を用い、粉砕メディアとしてビーズ径0.5mmのSiビーズを290g用いた。そして、金属Si粉末1200gとエタノール4000gを混合したスラリーをビーズミルに10パス通過させ、粉砕した。なお、ビーズミルの回転数は3000rpmである。
(S2a. Grinding step)
“Minizea” manufactured by Ashizawa Finetech was used as the bead mill, and 290 g of Si 3 N 4 beads having a bead diameter of 0.5 mm were used as the grinding media. Then, a slurry obtained by mixing 1200 g of metal Si powder and 4000 g of ethanol was passed through a bead mill for 10 passes and pulverized. The rotation speed of the bead mill is 3000 rpm.

(S3.混合・造粒工程)
粉砕後の金属Si粉末と焼結助剤との組成比を調整して混合した。各実施例の重量比は、後述する表1に記載したとおりである。なお、表1では、金属Si粉末が窒化したときの窒化ケイ素と焼結助剤との組成比で示している。そのため、金属Si粉末の配合量は、窒化ケイ素(Si)の重量に、(Siの原子量×3)/(Siの原子量×3+Nの原子量×4)を乗じた値となる。なお、実施例18〜21では窒化ケイ素粉末を添加していない。
(S3. Mixing and granulating process)
The composition ratio between the ground metal Si powder and the sintering aid was adjusted and mixed. The weight ratio of each Example is as having described in Table 1 mentioned later. Table 1 shows the composition ratio of silicon nitride and sintering aid when the metal Si powder is nitrided. Therefore, the blending amount of the metal Si powder is a value obtained by multiplying the weight of silicon nitride (Si 3 N 4 ) by (Si atomic weight × 3) / (Si atomic weight × 3 + N atomic weight × 4). In Examples 18 to 21, no silicon nitride powder was added.

具体的には、ビーズミル粉砕物(金属Si粉末)と焼結助剤との混合粉57g、および、造孔剤(エア・ウォーター・ベルパール(株)製「ベルパール R200」)をエタノール120mlに加え、ボール径5mmのSiボールを用いて、ボールミル混合を24h行った。なお、造孔剤の添加量は、混合粉と造孔剤との合計体積に対して30vol%とした。その後、各実施例の混合粉100gに対して、パラフィンを4wt%、DOP(ジオクチルフタレート)を6wt%、シクロヘキサンを35ml/100gを添加して造粒した。 Specifically, 57 g of a mixed powder of a bead mill pulverized product (metal Si powder) and a sintering aid, and a pore-forming agent (“Bellpearl R200” manufactured by Air Water Velpearl Co., Ltd.) are added to 120 ml of ethanol, Ball mill mixing was performed for 24 hours using Si 3 N 4 balls having a ball diameter of 5 mm. In addition, the addition amount of the pore forming agent was 30 vol% with respect to the total volume of the mixed powder and the pore forming agent. Then, 4 wt% of paraffin, 6 wt% of DOP (dioctyl phthalate), and 35 ml / 100 g of cyclohexane were added to 100 g of the mixed powder of each example and granulated.

(S5.成形工程)
その後、外径11mmの円柱状の中空部を有する金型を用いて、一軸プレス成形法により、6MPaの圧力を30秒間加えて成形した。さらに、冷間静水等方圧プレス(CIP)法により、200MPaの圧力を60秒間加えて成形した。これにより、圧粉された圧粉体を得た。
(S5. Molding process)
Thereafter, using a mold having a cylindrical hollow portion having an outer diameter of 11 mm, a pressure of 6 MPa was applied for 30 seconds by a uniaxial press molding method. Furthermore, it was molded by applying a pressure of 200 MPa for 60 seconds by a cold isostatic press (CIP) method. Thereby, the compacted green compact was obtained.

(S5.脱脂工程)(S8.窒化工程)(S9.緻密化工程)
得られた圧粉体を500℃で3時間保持し、脱脂を行った。さらに、窒化工程において、窒素雰囲気中で1400℃で8時間保持することにより窒化を行った。その後、各実施例について、後述する表1に記載の焼成条件で焼結工程を行った。なお、焼結工程では、0.9MPaの窒素を4l/minの速度で流しながら焼成した。
(S5. Degreasing step) (S8. Nitriding step) (S9. Densification step)
The obtained green compact was held at 500 ° C. for 3 hours for degreasing. Further, in the nitriding step, nitriding was performed by holding at 1400 ° C. for 8 hours in a nitrogen atmosphere. Then, about each Example, the sintering process was performed on the baking conditions of Table 1 mentioned later. In the sintering step, firing was performed while flowing 0.9 MPa of nitrogen at a rate of 4 l / min.

<評価>
焼結工程後の焼結体について相対密度を測定した。相対密度は、理論密度に対するアルキメデス法による実測密度の比率を算出することで求めている。表1に示されるように、いずれの試料についても相対密度96%以上を示しており、十分な焼結体が得られていることが確認された。
<Evaluation>
The relative density was measured about the sintered compact after a sintering process. The relative density is obtained by calculating the ratio of the measured density by the Archimedes method to the theoretical density. As shown in Table 1, the relative density of each sample was 96% or more, and it was confirmed that a sufficient sintered body was obtained.

図3は、実施例2の焼結体を示すSEM(走査型電子顕微鏡)写真である。図3に示されるように、柱状の窒化ケイ素結晶が生成されているとともに、空孔のない緻密化された焼結体であることがわかる。   FIG. 3 is a SEM (scanning electron microscope) photograph showing the sintered body of Example 2. As shown in FIG. 3, it can be seen that columnar silicon nitride crystals are generated and the sintered body is densified without voids.

次に、全ての実施例および比較例について、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。測定器として、(株)リガク製「LF/TCM−FA8510B」を用いた。熱伝導率の測定結果を表1に示している。   Next, thermal conductivity was measured by a laser flash method for all examples and comparative examples. As a measuring instrument, “LF / TCM-FA8510B” manufactured by Rigaku Corporation was used. Table 1 shows the measurement results of thermal conductivity.

表1に示されるように、Yの含有量a重量%とHfOの含有量b重量%との比b/aが1以上2以下であり、a+b+cが5.5重量%以上11重量%以下を満たす実施例1〜20において、熱伝導率が80W/mK以上となることが確認された。 As shown in Table 1, the ratio b / a of the content a wt% of Y 2 O 3 and the content b wt% of HfO 2 is 1 or more and 2 or less, and a + b + c is 5.5 wt% or more and 11 or less. In Examples 1-20 which satisfy | fill weight% or less, it was confirmed that heat conductivity becomes 80 W / mK or more.

一方、比b/aが1未満である比較例1,2,6,7では熱伝導率が低かった。これは、粒界相を構成するY−HfO−SiO系化合物の液相化の始まる温度と焼結温度との差が大きく、粒界相においてガラス成分の残存しやすく、かつ、HfOによる窒化ケイ素結晶中の不要元素の量を取り込む効果が小さかったものと考えられる。また、比b/aが2を超える比較例5でも熱伝導率が低かった。これは、粒界成分が液相になりにくいためである。 On the other hand, in Comparative Examples 1, 2, 6, and 7 in which the ratio b / a was less than 1, the thermal conductivity was low. This is because the difference between the temperature at which the liquid phase of the Y 2 O 3 —HfO 2 —SiO 2 compound constituting the grain boundary phase starts and the sintering temperature is large, and the glass component tends to remain in the grain boundary phase, and It is considered that the effect of taking in the amount of unnecessary elements in the silicon nitride crystal by HfO 2 was small. Further, even in Comparative Example 5 in which the ratio b / a exceeded 2, the thermal conductivity was low. This is because the grain boundary component is unlikely to become a liquid phase.

また、a+b+cの値が16である比較例3,4でも熱伝導率が低かった。これは、粒界相が多くなりすぎたことによる。   Further, Comparative Examples 3 and 4 in which the value of a + b + c was 16 also had low thermal conductivity. This is because the grain boundary phase has become too much.

また、実施例2の試料について、JISR1601に準拠した3×4×35mmの矩形状試験片を用いてスパン30mmの3点曲げ試験により3点曲げ強度を測定した。その結果、777MPaと高い強度を示すことが確認された。また、実施例2の試料について絶縁抵抗を測定した結果を図4に示す。図示されるように、電解強度が10V/cmを超えても高い絶縁抵抗を示すことが確認された。このように、本実施例の窒化ケイ素系セラミックスは、高い強度ならびに絶縁抵抗を有するため、半導体用基板として実用可能な材料であるといえる。 For the sample of Example 2, the three-point bending strength was measured by a three-point bending test with a span of 30 mm using a rectangular test piece of 3 × 4 × 35 mm based on JISR1601. As a result, it was confirmed that the strength was as high as 777 MPa. Moreover, the result of having measured the insulation resistance about the sample of Example 2 is shown in FIG. As shown in the figure, it was confirmed that a high insulation resistance was exhibited even when the electrolytic strength exceeded 10 3 V / cm. Thus, it can be said that the silicon nitride ceramic of this example is a material that can be practically used as a semiconductor substrate because it has high strength and insulation resistance.

本発明は、半導体用基板等に用いられる窒化ケイ素系セラミックスに利用することができる。   The present invention can be used for silicon nitride ceramics used for semiconductor substrates and the like.

Claims (5)

窒化ケイ素粉末である原料粉末と焼結助剤とを混合する混合工程と、
上記混合工程により得られた混合粉を成形して圧粉体を生成する成形工程と、
上記圧粉体を窒素雰囲気中で焼成することにより窒化ケイ素系セラミックスの焼結体を生成する焼結工程とを含み、
上記混合工程において、焼結助剤として、上記原料粉末と上記焼結助剤との合計重量に対する重量比がa重量%のYと、b重量%のHfOと、c重量%(cは0以上1以下)のSiOとを添加し、MgOを添加せず、さらに、b/aが1以上2以下となり、かつ、a+b+cが5.5重量%以上11重量%以下となるように焼結助剤を添加することを特徴とする窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。
A mixing step of mixing the raw material powder that is silicon nitride powder and the sintering aid;
A molding step for producing a green compact by molding the mixed powder obtained by the mixing step;
A sintering step of producing a sintered body of silicon nitride ceramics by firing the green compact in a nitrogen atmosphere,
In the mixing step, as a sintering aid, the weight ratio of the raw material powder and the sintering aid to the total weight is a weight percent of Y 2 O 3 , b weight percent of HfO 2 , c weight percent ( c is 0 or more and 1 or less) SiO 2 is added, MgO is not added, and b / a is 1 or more and 2 or less, and a + b + c is 5.5% or more and 11% or less by weight. A method for producing silicon nitride ceramics, comprising adding a sintering aid to
金属Si粉末、または、窒化ケイ素粉末および金属Si粉末の混合物のいずれかである原料粉末と、焼結助剤とを混合する混合工程と、
上記混合工程により得られた混合粉を成形して圧粉体を生成する成形工程と、
上記圧粉体を窒素雰囲気中で焼成することにより、上記圧粉体中の金属Siを窒化させる窒化工程と、
上記窒化工程後の上記圧粉体を窒素雰囲気中で焼成することにより窒化ケイ素系セラミックスの焼結体を生成する焼結工程とを含み、
上記混合工程において、焼結助剤として、上記原料粉末中の金属Si粉末が窒化したと仮定したときの上記原料粉末の重量と上記焼結助剤の重量との合計重量に対する重量比がa重量%のYと、b重量%のHfOと、c重量%(cは0以上1以下)のSiOとを添加し、MgOを添加せず、さらに、b/aが1以上2以下となり、かつ、a+b+cが5.5重量%以上11重量%以下となるように焼結助剤を添加することを特徴とする窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。
A mixing step of mixing a raw material powder that is either metal Si powder or a mixture of silicon nitride powder and metal Si powder, and a sintering aid;
A molding step for producing a green compact by molding the mixed powder obtained by the mixing step;
A nitriding step of nitriding the metal Si in the green compact by firing the green compact in a nitrogen atmosphere;
And sintering the green compact after the nitriding step to produce a sintered body of silicon nitride ceramics by firing in a nitrogen atmosphere,
In the mixing step, as a sintering aid, the weight ratio of the weight of the raw material powder and the weight of the sintering aid when the metal Si powder in the raw material powder is nitrided is a weight. % Y 2 O 3 , b wt% HfO 2 , c wt% (c is 0 or more and 1 or less) SiO 2 , MgO is not added, and b / a is 1 or more and 2 A method for producing a silicon nitride-based ceramic, comprising adding a sintering aid so that a + b + c is 5.5 wt% or more and 11 wt% or less.
上記焼結工程において、窒素圧が0.5MPa以上であり、1850℃以上で焼成することを特徴とする請求項1または2に記載の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。   3. The method for producing a silicon nitride-based ceramic according to claim 1, wherein in the sintering step, the nitrogen pressure is 0.5 MPa or more and firing is performed at 1850 ° C. or more. 上記焼結工程において、1925℃以上で焼成することを特徴とする請求項3に記載の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。   4. The method for producing a silicon nitride ceramic according to claim 3, wherein the sintering step includes firing at 1925 [deg.] C. or higher. 上記cが0であり、a+bが7.5重量%以上10重量%以下であることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の窒化ケイ素系セラミックスの製造方法。   5. The method for producing a silicon nitride-based ceramic according to claim 1, wherein c is 0 and a + b is 7.5 wt% or more and 10 wt% or less.
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