JP2019052071A

JP2019052071A - 絶縁性熱伝導体

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Publication number: JP2019052071A
Application number: JP2017179071A
Authority: JP
Inventors: 深澤　孝幸; Takayuki Fukazawa; 孝幸深澤; 恵子アルベサール; Keiko Albessard; 久保木　貴志; Takashi Kuboki; 貴志久保木; 五戸　康広; Yasuhiro Itsudo; 康広五戸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-04-04
Also published as: US20190088384A1

Abstract

【課題】絶縁性熱伝導体の絶縁性の低下を抑制しつつ熱伝導率を向上させる。【解決手段】絶縁性熱伝導体は、窒化珪素部材からなり、窒化珪素部材の第１の表面から垂直な断面において深さ方向に１０μｍ以上離れて設けられ、炭化珪素および炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つの物質と、を含む第１の領域と、第１の表面と第１の領域との間に設けられた第２の領域と、を具備する。第２の領域の窒化珪素の濃度は、第１の領域の窒化珪素の濃度よりも高い。【選択図】図１

Description

実施形態は、絶縁熱伝導体に関する。

窒化珪素を主成分とするセラミックスは、化学的に安定で、高温で優れた耐熱性、機械的特性を有するため、高温構造部材としてすでに実用化が進んでいる。また、上記セラミックスは、耐摩耗性にも優れることから、ベアリングや軸受け材など、摺動部材としても広く活用されている。

上記セラミックスは、焼結助剤を添加することにより高い熱伝導率を発現できることから、近年、半導体の基板材料など、絶縁性の放熱材料としての活用も期待されている。絶縁性を有し熱伝導率が高い材料としては窒化アルミニウムが知られているが、強度や靱性などの機械的特性が低く、接合部を有する部材においては熱収縮の差によりセラミックスにクラックが発生するなど、信頼性の点で課題がある。特に、半導体などの基板用途では、素子の高集積化、高出力化により発熱量が増加する傾向にあり、機械的特性に優れる窒化珪素材料が注目されている。将来的に４００℃近くの発熱にも耐える必要があるともされ、２００℃を超える温度でも絶縁抵抗性に優れる窒化珪素が最も好ましい。しかしながら、現状の窒化珪素の熱伝導率は窒化アルミニウムや炭化珪素と比較すると不十分である。

窒化珪素の高熱伝導化については、これまでにも窒化珪素粒子内に固溶しない焼結助剤を用いたり、粒界相を結晶化するなど数々の試みがなされている。窒化珪素は、焼結過程で結晶構造がα型からβ型へと相転移を起こし、その際、粒子が柱状に成長することが知られている。この粒子形態の変化が自己強化型と言われるように繊維複合材のような組織となり、強度および破壊靭性を向上させる。このような粒子形態の窒化珪素粒子は、熱伝導異方性を有し、理論的にはｃ軸方向、すなわち粒子の長軸方向の熱伝導率が４５０Ｗ／ｍ・Ｋと高く、ａ軸方向、すなわち粒子の短軸方向の熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋであると報告されている。

上記のように窒化珪素粒子を基板の厚さ方向に配向させて厚さ方向の熱伝導率を高める方法が検討されているが、当該方法は、特定方向の強度の低下や量産が困難である等の課題を有する。このため、窒化珪素粒子の配向方向がランダムであっても熱伝導率を高める方法が求められている。強度等の機械的特性と熱伝導率はトレードオフの関係にある。例えば、熱伝導率を高めようと粒成長を促進させると強度が低下する。このように、窒化珪素単体で高い熱伝導率と機械的特性を両立させることは困難である。

これらの問題を解決するため、熱伝導率が高い金属基板の少なくとも片面に高熱伝導性のセラミックスを積層する方法が知られている。これにより高い熱伝導性と高い絶縁性とを両立することができるが、金属材料は熱膨張係数が大きいため、他の部材と接合させる基板に適さない。

特開２０１５−１４１９８７号公報

Ｎ．Ｈｉｒｏｓａｋｉ，Ｓ．ＯｇａｔａａｎｄＣ．Ｋｏｃｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６５、１３４１１０（２００２）青柳倫太郎、津田弘樹、明渡純、「ＡＤ法による高放熱基板用アルミナ絶縁膜の作製」、日本セラミックス協会２０１７年年会講演予稿集

実施形態が解決しようとする課題は、絶縁性熱伝導体の絶縁性の低下を抑制しつつ熱伝導性を向上させることである。

実施形態の絶縁性熱伝導体は、窒化珪素部材からなり、窒化珪素部材の第１の表面から垂直な断面において深さ方向に１０μｍ以上離れて設けられ、炭化珪素および炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つの物質と、を含む第１の領域と、第１の表面と第１の領域との間に設けられた第２の領域と、を具備する。第２の領域の窒化珪素の濃度は、第１の領域の窒化珪素の濃度よりも高い。

実施形態の絶縁性熱伝導体の構造例を示す断面模式図である。実施形態の絶縁性熱伝導体の他の構造例を示す断面模式図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的であり、例えば各構成要素の厚さ、幅等の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。

図１は、実施形態の絶縁性熱伝導体の構造例を示す断面模式図である。図１は、平板状の絶縁性熱伝導体を示しているが、実施形態の絶縁性熱伝導体は、用途に応じて平板状や円筒状など、多様な形状を適用することができる。

図１に示す絶縁性熱伝導体１は、窒化珪素部材からなり、上記窒化珪素部材の面１ａと、面１ａに対向する面１ｂと、を有する。なお、絶縁性熱伝導体１の形状に応じて窒化珪素部材は面１ａおよび面１ｂの少なくとも一つを有していればよい。

絶縁性熱伝導体１は、窒化珪素を含む領域１１と、炭化珪素および炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つの物質１２と、を含む。窒化珪素は、絶縁性熱伝導体１の主成分として絶縁性熱伝導体１中に含まれる物質の中で最も多い。物質１２は、面１ａおよび面１ｂから離れて分散されている。このとき、絶縁性熱伝導体１は、窒化珪素を含む領域１０ａと、窒化珪素と物質１２とを含む複合領域である領域１０ｂと、窒化珪素を含む領域１０ｃと、を有する。領域１０ｂは面１ａと領域１０ａとの間に設けられ、領域１０ｃは面１ｂと領域１０ａとの間に設けられている。

領域１０ａの窒化珪素の濃度は、５０質量％以上、さらには７０質量％以上であることが好ましい。領域１０ａの厚さは、２０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。２０μｍ未満であると物質１２の導入による効果が発現しにくい。１０００μｍを超えると熱抵抗が増加するため好ましくない。炭化珪素および炭素材料は、窒化珪素に比べて熱伝導率が高い。絶縁性熱伝導体１の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには１１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

領域１０ａは、物質１２の微細な粒子を含むことにより、機械的特性を高めることができる。例えば、微細な炭化珪素粒子は、窒化珪素の粒成長を抑制して組織を微細化できるため好ましい。炭化珪素や炭素材料の添加に伴い、絶縁性熱伝導体１の熱膨張係数が高くなることが予想されるが、絶縁性熱伝導体１の熱膨張係数は、４×１０^−６／℃よりも低いことが好ましい。

炭化珪素および炭素材料の形状は特に限定されず、粒子状、短繊維状、板状粒子状、または長繊維状であってもよい。炭素材料は、結晶質または非晶質であってもよい。機械的特性の観点では、炭素材料としてカーボンナノチューブ（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ）やカーボンナノファイバ（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｆｉｂｅｒ：ＣＮＦ）といった短繊維状の材料を用いることが好ましい。

物質１２は、機械的特性、特に強度を大きく低下させない範囲で導入されることが好ましい。また、物質１２は、絶縁性熱伝導体１を形成する際の原料の焼結性が悪化しないように導入されることが好ましい。領域１０ａの物質１２の濃度は、０．２質量％以上３０質量%以下であることが好ましい。物質１２の適正な添加量は、添加する材料の種類によって異なる。例えば、炭化珪素の場合には１質量％以上３０質量％以下、炭素材料の場合には０．２質量％以上２質量％以下であることが好ましい。

領域１０ｂおよび領域１０ｃのそれぞれの窒化珪素の濃度は、７０質量％以上、さらには９０質量％以上であることが好ましい。領域１０ｂおよび領域１０ｂのそれぞれの窒化珪素の濃度は、領域１０ａの窒化珪素の濃度よりも高い。炭化珪素および炭素材料は、導電性を有するため、絶縁性熱伝導体１の全体に分散すると絶縁性熱伝導体１の絶縁性が低下する。これに対し、炭化珪素および炭素材料がほとんど存在せず、窒化珪素の濃度が領域１０ａの窒化珪素の濃度よりも高い領域１０ｂおよび領域１０ｃの少なくとも一つを形成することにより、絶縁性熱伝導体１の高い絶縁性を確保することができる。具体的には、領域１０ｂおよび領域１０ｃのそれぞれの物質１２の濃度は、炭化珪素であれば例えば０．２５質量以下、炭素材料であれば例えば０．０５質量％以下であることが好ましい。

領域１０ｂおよび領域１０ｃのそれぞれの厚さは、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、領域１０ｂおよび領域１０ｃのそれぞれの体積抵抗率は、１０^１４Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。１０μｍ未満であると絶縁性熱伝導体１の絶縁性が確保できなくなる。５００μｍを超えると熱抵抗が増加するため放熱材料として好ましくない。

領域１０ｂおよび領域１０ｃの厚さが１０μｍ以上５００μｍ以下の場合、領域１０ａは、窒化珪素部材の面１ａから垂直な断面において深さ方向に１０μｍ以上５００μｍ以下離れ、且つ窒化珪素部材の面１ｂから垂直な断面において深さ方向に１０μｍ以上５００μｍ以下離れて設けられている。換言すると、物質１２は、面１ａから深さ方向に１０μｍ以上５００μｍ以下離れ、且つ面１ｂから深さ方向に１０μｍ以上５００μｍ以下離れて分散されている。

絶縁性熱伝導体１の反りを抑制するためには領域１０ｂおよび領域１０ｃの両方を形成することが好ましいが、領域１０ｂおよび領域１０ｃの一つのみを形成してもよい。仮に焼結後の絶縁性熱伝導体１が反っている場合、絶縁性熱伝導体１に少し負荷をかけたまま再度熱処理することにより残留応力を緩和して反りを低減することができる。

領域１０ｂおよび領域１０ｃの少なくとも一つは、焼結助剤を含むことが好ましい。焼結助剤としては、窒化珪素粒子中に固溶しない組成を有する材料を用いることが好ましい。これにより、熱伝導の阻害要因であるフォノンの散乱を抑制して熱伝導率を向上させることができる。ただし、原料粉末中に含まれる微量成分についてはこの限りではない。

焼結助剤は、例えばＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、およびＹｂからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含む。領域１０ｂおよび領域１０ｃのそれぞれの上記元素の濃度は、０．５質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。焼結助剤は、上記元素の酸化物、上記元素の窒化物、上記元素の炭化物、または上記元素の酸窒化物を含んでいてもよい。これら元素は主として粒界相中に存在する。これら元素のうち、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａは主に液相の形成を担い、希土類元素は主に窒化珪素の粒成長に影響を及ぼす。上記濃度が０．５質量％未満であると焼結時に液相を十分に形成できず、密度が低下し、強度が低下しやすくなる。上記濃度が１０質量％を超えると絶縁性熱伝導体１の窒化珪素粒子界面や三重点に存在する粒界相域が多くなり、熱伝導の阻害要因となってしまう。また、粒界相を結晶化することにより熱伝導率をさらに向上させることができる。その目的で粒界ガラス相の結晶化を促進する添加物、例えばＨｆＯ_２などを絶縁性熱伝導体１に添加してもよい。

領域１０ａに含まれる焼結助剤の種類と領域１０ｂおよび領域１０ｃに含まれる焼結助剤の種類は互いに異なっていてもよい。図２は、絶縁性熱伝導体の他の構造例を示す断面模式図である。なお、図１と共通の部分については図１の説明を適宜援用することができる。

図２に示す絶縁性熱伝導体１は、領域１１として領域１１ａおよび領域１１ｂと、物質１２と、を含む。例えば、領域１０ａの領域１１ａが第１の元素を含む焼結助剤を有し、領域１０ｂおよび領域１０ｃの領域１１ｂが第１の元素と異なる第２の元素を含む焼結助剤を有していてもよい。第２の元素として第１の元素よりも熱膨張係数が小さい元素を用いることにより、焼結後に領域１０ｂおよび領域１０ｃに圧縮応力が発生することを抑制でき、絶縁性熱伝導体１をより壊れにくくすることができる。焼結助剤の種類、またはその添加量によって、窒化珪素の粒成長を生じさせて熱伝導性を高めることや緻密化を促進し強度を高めることができる。このように、焼結助剤の種類や量を変えても液相を形成する段階において領域１０ａと領域１０ｂおよび領域１０との間で互いに拡散が起こり強固に結合させることができる。したがって、絶縁性熱伝導体１の強度の低下を抑制することができる。

以上のように、実施形態の絶縁性伝導体は、内部に窒化珪素と、炭素珪素および炭素材料の少なくとも一つと、を含む第1の領域と、表面と第１の領域との間に窒化珪素とを含む第２の領域と、を有する。

従来の窒化珪素粒子の配向性を制御して熱伝導率を向上させる方法では強度の異方性もあり、かつ量産に適さないプロセスで製造する必要がある。また、一般に熱伝導率と機械的特性はトレードオフの関係にあり、一方を高めると他方が低下する問題を有する。また、金属材料の表面部に高熱伝導性のセラミックスを積層する方法では、金属材に起因する熱膨張係数が大きくなるため、界面部での剥離や他部材との接合部での不具合が生じ、適用が困難である。

これに対し、実施形態の絶縁性熱伝導体では、第１の領域と第２の領域とを形成することにより、優れた機械特性と、高い熱伝導性と、高い絶縁性と、を全て実現することができる。さらに、絶縁性熱伝導体は窒化珪素を主成分とするため、熱膨張係数が低く、他の材料と組み合わせも問題なく用いることができる。

実施形態の絶縁熱伝導体は、例えばハイブリッド車やプラグインハイブリッド車、電気自動車、または産業用のパワーコントロールユニット、スマートグリッド等の系統インフラ、輸送機器のモーター制御、ＬＥＤ基板などに用いられる放熱材料に適用することができる。実施形態の絶縁性熱伝導体を用いた放熱材料は、絶縁性と高い熱伝導性、および機械的特性を有する。

次に、絶縁性熱伝導体１の製造方法例について説明する。なお、絶縁性熱伝導体１の製造方法例は、図１と異なる形状の絶縁性熱伝導体の製造方法例にも適用可能である。絶縁性熱伝導体１の製造方法例は、シート成形と、焼結と、を具備する。

シート成形では、領域１０ａを形成するための第１のシート成形体と、領域１０ｂ、領域１０ｃを形成するための一対の第２のシート成形体と、を作製する。第１のシート成形体の作製では、窒化珪素粉末と、焼結助剤と、炭化珪素および炭素材料の少なくとも一つの物質と、を第１のシート成形体と同様の方法で混合して混合粉末を形成する。次に、得られた混合粉末に溶媒、分散剤、有機物バインダ等を加えスラリーを形成し、当該スラリーからテープ成形機等を用いて第１のシート成形体を作製する。

第２のシート成形体の作製では、窒化珪素粉末と焼結助剤とを所定量秤量し混合して混合粉末を形成する。混合方式としては、例えば均一に混合可能な湿式混合等が挙げられる。これに限定されず、ボールミル、遊星ボールミル、またはビーズミル等を用いた方法を用いてもよい。また、十分な混合が可能であれば乾式混合を用いてもよい。次に、得られた混合粉末に溶媒、分散剤、有機物バインダ等を加えスラリーを形成し、当該スラリーからテープ成形機等を用いて第２のシート成形体を作製する。

次に、第１のシート成形体と第２のシート成形体とを積層させる、または第１のシート成形体の上下を第２のシート成形体で挟む。次に、圧着成形し、所定の温度で焼結を行って第１のシート成形体と第２の成形体とを一体化させて焼結体を作製する。圧着時に加熱すると、第１および第２のシート成形体の境界でバインダが互いに浸み込み、剥離しにくい焼結体を得ることができる。なお、バインダ等を脱脂時に一部炭化された状態で残存させたまま焼結を行ってもよい。

焼結の温度は１７００℃以上１９５０℃以下、さらには１８００℃以上１９００℃以下であることが好ましい。この温度範囲であると、緻密な焼結体が得られやすく、窒化珪素の粒成長を促進し高い熱伝導特性を得ることができる。焼結の保持時間は、特に限定されないが２時間以上１０時間以下であることが好ましい。焼結の雰囲気は、窒化珪素の分解を抑えるために０．２ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の加圧雰囲気であることが好ましい。

第１のシート成形体に含まれる焼結助剤と第２のシート成形体に含まれる焼結助剤は同じあっても異なっていてもよい。両者は積層後に焼結することにより成形体間で物質移動を起こし、完全一体化させることにより窒化珪素の明確な界面を形成しないようにすることができる。これにより高い熱伝導性と優れた機械特性を実現することができる。

絶縁性熱伝導体１の絶縁性を保つには、前述のとおり、厚さ１０μｍ以上５００μｍ以下の領域１０ｂおよび領域１０ｃの少なくとも一つを形成することが必要である。製造時に所定の厚さになるように作製してもよいが、一般的な焼結は、焼結助剤の蒸発が起こるため、表面部が多孔質になる可能性があり、この部分を除去するとともに加工により領域１０ｂおよび領域１０ｃの厚さを調整してもよい。

実施形態の絶縁性熱伝導体の製造方法は、上記方法に限定されない。例えば、窒化珪素と炭化珪素および炭素材料の少なくとも一つとを含む、複合基材（領域１０ａに相当）の表面に、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法などの気相法や、スラリーの塗布・焼結、珪素材料を用いた反応焼結などの方法を用いて窒化珪素層（領域１０ｂ、１０ｃに相当）を形成して実施形態の絶縁性熱伝導体を形成することもできる。

（実施例１）
窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末と、焼結助剤として平均粒径０．７μｍのＹ_２Ｏ_３粉末と、焼結助剤としてＭｇＯ粉末と、を質量比で１００：７：３の割合で秤量し、それらに対して１０質量％となるように平均粒径０．８μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）粉末を加え、エタノール中で窒化珪素ボールを用いて１００時間湿式混合して混合粉末を作製した。得られた混合粉末に所定量の溶媒、分散剤、バインダを加えスラリーを調整し、テープ成形機を用いて厚さ約２．５ｍｍの第１のシート成形体を形成した。

Ｓｉ_３Ｎ_４粉末と、焼結助剤として平均粒径０．７μｍのＹ_２Ｏ_３粉末と、焼結助剤として平均粒径０．５μｍのＭｇＯ粉末と、を質量比１００：７：３の割合で秤量し、エタノール中で窒化珪素ボールを用いて１００時間湿式混合して混合粉末を作製した。得られた混合粉末に所定量の溶媒、分散剤、バインダを加えスラリーを調整し、テープ成形機を用いて厚さ約２００μｍの一対の第２のシート成形体を形成した。

第１のシート成形体を一対の第２のシート成形体で挟んで積層体を形成し、加圧して圧着したのち、適当なサイズに打ち抜き成形した。積層体を０．７ＭＰａの窒素加圧雰囲気下、１９００℃で６時間焼結を行って一体化した絶縁性熱伝導体を作製した。その後、表１に示すように、第２、第３の領域（第２のシート成形体）の厚さが５０μｍとなるように両表面部を研削した。厚さについては、第２のシート成形体を焼結した時の厚さ方向の収縮率から判断した。本試験では収縮率が約２５％であったため、積層体中の第２のシート成形体の厚さを１５０μｍとし、両面の表面部を１００μｍ研削した。

絶縁性熱伝導体の面に垂直な任意の面で切断し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を用いて観察した。表面からＳｉＣ粒子が存在する部分までの深さ方向の距離を任意の１０点で測定し、その平均値を第２、第３の領域の厚さとした。

得られた焼結体を１０ｍｍ×１０ｍｍサイズに切断し、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。結果を表１に示す。

板状に加工された焼結体の上下面に電極を形成し、焼結体の内部を流れる電流を測定することにより第２、第３の領域の体積抵抗率を求めた。結果を表１に示す。なお、体積抵抗率が１０^１４Ω・ｃｍ以上の場合は表１において絶縁性が○（Ｇｏｏｄ）であると評価し、体積抵抗率が１０^１４Ω・ｃｍ未満の場合は表１において絶縁性が×（Ｂａｄ）であると評価している。

（実施例２）
実施例１で得られた焼結体に対し、板材両面の表面部をさらに１３５μｍ研削して第２、第３の領域の厚さが１５μｍとなるように加工した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

（比較例１）
実施例１と同じ方法にてＳｉＣを加えないＳｉ_３Ｎ_４材で構成した絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

（比較例２）
表１に示すように、第２、第３の領域の厚さが７μｍとなるように加工した以外は実施例１と同様の条件で絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

（実施例３）
表１に示すように、実施例１のＳｉＣ粒子の添加量を２５質量％に変更したこと以外は実際例１と同様の条件で絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。
（比較例３）

表１に示すように、実施例１のＳｉＣ粒子の添加量を３５質量％に変更したこと以外は実際例１と同様の条件で絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

（実施例４）
表１に示すように、実施例１のＳｉＣ粒子の代わりにＣＮＦを０．２５質量％添加したこと以外は実施例１と同様の条件で絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

（実施例５）
表１に示すように、実施例１のＳｉＣ粒子の代わりにＣＮＦを１．５質量％添加したこと以外は実施例１と同様の条件で絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

（比較例４）
表１に示すように、実施例１のＳｉＣ粒子の代わりにＣＮＦを０．１５質量％添加したこと以外は実施例１と同様の条件で絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

（比較例５）
表１に示すように、実施例１のＳｉＣ粒子の代わりにＣＮＦを３質量％添加したこと以外は実施例１と同様の条件で絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

（実施例６）
実施例１の焼結助剤に平均粒径１．０μｍのイッテリビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）粉末と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末を用いた以外は実施例１と同じ量、同じ方法で第２のシート成形体を作製した。同様に、焼結助剤をＹ_２Ｏ_３粉末とＭｇＯ粉末として、実施例１と同様にＳｉＣ粉末を加え、第１のシート成形体を作製した。これらのシート成形体を、実施例１と同じ方法で積層、焼結して焼結体を得た。得られた焼結体の両面表面部を１００μｍ研削して、厚さ５０μｍの第２、第３の領域を有する絶縁性熱伝導体を作製した。さらに熱伝導率および体積抵抗率を測定した。結果を表１に示す。

表１から、第１の領域（第１のシート成形体）と、第２、第３の領域とを形成することにより、絶縁性熱伝導体が高い熱伝導性と高い絶縁性の両方を有することがわかる。また、炭化珪素および炭素材料の少なくとも一つの添加量が適正な範囲を超えた場合、焼結密度が低下し、強度の低下する要因となる多数の気孔やクラックが発生した。

第１の領域と、第２、第３の領域との間で異なる焼結助剤を用いた実施例６の絶縁性熱伝導体は、１１５Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率と高い絶縁性を有する。第２、第３の領域の焼結助剤にＹｂ_２Ｏ_３を用いることにより、Ｙ_２Ｏ_３系焼結助剤よりも窒化珪素の粒成長が促進され、それにより熱伝導率がさらに向上した。

焼結助剤として、ＭｇＯと複数の希土類酸化物とを用いた場合、いずれも実施例１や６と同様に、第１の領域が第２、第３の領域よりも高い熱伝導性を有することが確認された。希土類酸化物はいずれも窒化珪素の粒成長を促進する効果を有し、第２、第３の領域に用いても、第１の領域に用いても同様の効果が得られることがわかる。また、試験結果から、第２、第３の領域の厚さは１０μｍ以上あれば絶縁性熱伝導体の厚さ方向の絶縁性は確保されることがわかる。

実施例１の絶縁性熱伝導体の厚さ方向の断面についてＳＥＭ観察を行った。積層した界面を含む領域をイオンミリング加工し、観察した。その結果、第１の領域と第２、第３の領域との界面の微細な窒化珪素組織は連続的であり、明確な界面というのは確認できなかった。このことは、絶縁性熱伝導体が高い機械的特性を有することを示している。また、第２、第３の領域の存在により、熱膨張係数も抑えられ、３．５×１０^−６／℃とＳｉ_３Ｎ_４のそれに近い値であることがわかった。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…絶縁性熱伝導体、１ａ…面、１ｂ…面、１０ａ…領域、１０ｂ…領域、１０ｃ…領域、１１…領域、１１ａ…領域、１１ｂ…領域、１２…物質。

Claims

窒化珪素部材からなり、
前記窒化珪素部材の第１の表面から垂直な断面において深さ方向に１０μｍ以上離れて設けられ、炭化珪素および炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも一つの物質と、を含む第１の領域と、
前記第１の表面と前記第１の領域との間に設けられた第２の領域と、を具備し、
前記第２の領域の窒化珪素の濃度は、前記第１の領域の前記窒化珪素の濃度よりも高い、絶縁性熱伝導体。
前記第２の領域の体積抵抗率は、１０^１４Ω・ｃｍ以上である、請求項１に記載の絶縁性熱伝導体。
前記第１の領域および前記第２の領域の少なくとも一つは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、及びＹｂからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を０．５質量％以上１０質量％以下含む、請求項１または請求項２に記載の絶縁性熱伝導体。
前記第１の領域は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、及びＹｂからなる群より選ばれる少なくとも一つの第１の元素を０．５質量％以上１０質量％以下含み、
前記第２の領域は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、及びＹｂからなる群より選ばれ且つ前記第１の元素と異なる少なくとも一つの第２の元素を０．５質量％以上１０質量％以下含む、請求項１または請求項２に記載の絶縁性熱伝導体。
前記第１の領域の前記物質の濃度は、０．２質量％以上３０質量％以下である、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の絶縁性熱伝導体。
前記窒化珪素部材は、
前記第１の表面に対向する第２の表面と、
前記第２の表面と前記第１の領域との間に設けられた第３の領域と、を具備し、
前記第１の領域は、前記第２の表面から垂直な断面において深さ方向に１０μｍ以上離れて設けられ、
前記第３の領域の窒化珪素の濃度は、前記第１の領域の前記窒化珪素の濃度よりも高い、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の絶縁性熱伝導体。
前記絶縁性熱伝導体の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の絶縁性熱伝導体。