JP3157957B2 - 高熱伝導性炭化珪素質焼結体及びその製造方法 - Google Patents
高熱伝導性炭化珪素質焼結体及びその製造方法Info
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Description
熱伝導性基板、ヒートシンク、熱交換器等に適用される
炭化珪素質焼結体に関する。
に優れ、特に高温において強度劣化の小さい材料として
注目され、各種の分野への応用が進められている。この
ような炭化珪素質焼結体は、一般に炭化珪素粉末に対し
て炭素および硼素を焼結助剤として添加し、これを成形
後、Ar等の不活性雰囲気中で無加圧で2000〜20
50℃で焼成することにより得られている。このように
して得られる炭化珪素質焼結体の熱伝導率は、せいぜい
60〜80W/m・k程度である。
導化する技術として、第1の炭化珪素粉末に対して気相
法により作製した超微粒炭化珪素粉末を添加し、硼素を
加えずに焼結することにより高熱伝導性が達成されるこ
とが特開平2−199064号にて提案されている。ま
た、炭化珪素に対してベリリアを添加してホットプレス
焼成することが特開昭55−37414号に、さらに真
空中で無加圧で焼成することにより熱伝導率が高まるこ
とが特開昭62−113764号に記載されている。
2−199064号のように超微粒粉末を添加した炭化
珪素の無加圧焼結法では高温でなけば焼結しにくく、か
つ炭化珪素原料が高価になり、その結果焼結体も高価格
になってしまう。特開昭55−37414号に示される
ようにホットプレス法などの加圧法では焼成温度を下げ
られるが、生産性に乏しく、しかもベリリアは有害物質
で製造上の制約が多いという問題がある。
れるように真空で焼成すると炭化珪素が分解して製品価
値が低下してしまい実用的でないという問題がある。
問題点に対して、簡便な方法で高付加価値を持つ高熱伝
導炭化珪素焼結体を得る方法について鋭意検討した結
果、熱伝導率が焼結体の格子定数に密接な関係が有り、
焼結体中に固溶する不純物原子の量を制御して格子定数
を一定範囲内に制御することによって高熱伝導率が達成
できることを見出し、本発明に至った。
ば、6H型炭化珪素を主成分とし、少なくとも遊離炭素
および硼素を含み、炭化珪素結晶の格子定数がa軸で
3.0802Å以上、c軸で15.105Å以上で、か
つ焼結体密度が2.8g/cm3以上、熱伝導率が13
0W/m・k以上であり、また、6H型炭化珪素を主成
分とし、遊離炭素および硼素を含み、かつ珪素以外の化
合物を10モル%以下の割合で含むとともに、炭化珪素
結晶の格子定数がa軸で3.0802Å以上、c軸で1
5.105Å以上で、かつ焼結体密度が2.8g/cm
3 以上、熱伝導率が130W/m・k以上であることを
特徴するものである。また、本発明の高熱伝導性炭化珪
素質焼結体の製造方法は、炭素と硼素を含み、Si以外
の陽イオン不純物量が1000ppm以下の6H型炭化
珪素粉末からなる成形体を、炭化珪素結晶の格子定数を
a軸で3.0802Å以上、c軸で15.105Å以上
にせしめるように0.5〜1.5atmの不活性ガス雰
囲気において1950〜2050℃で焼成し、焼結体密
度を2.8g/cm 3 以上、熱伝導率を130W/mK
以上にすることを特徴するものである。
の結晶構造から3C、2H、4H、6H、15R、21
R、33Rなどが存在するが、本発明における炭化珪素
質焼結体は、6H型炭化珪素を主成分とするものであ
り、他の15R型などは存在したとしても20%以下の
割合である。また、組成の点からは炭化珪素に対する助
剤成分として、遊離炭素および硼素を含むものであり、
遊離炭素が1〜3重量%、硼素が0.20〜1.5重量
%の割合で主成分に対して添加される。
珪素結晶の格子定数がa軸で3.0802Å以上、c軸
で15.105Å以上である点にある。この格子定数は
焼結体の熱伝導率を決定する大きな要因であり、a軸、
c軸の格子定数が上記範囲より小さいと、いずれも高熱
伝導性が得られない。
するためには焼結体は高密度体であることも必要であ
り、密度が2.8g/cm3 以上、特に3.05g/c
m3 以上であることも重要であり、密度が2.8g/c
m3 より低いと焼結体内部に存在する気孔が熱の伝達を
阻害し熱伝導率が低下する。
は、等軸晶、非等軸晶からなり、平均結晶粒径は1〜2
0μmの範囲であることが望ましい。
るための方法について説明すると、まず出発原料として
炭化珪素粉末、および焼結助剤として炭素および硼素を
含有する各種の化合物を用意する。炭化珪素粉末として
は6Hが主相で平均粒径は0.1〜1μm が適当であ
る。焼結助剤としては、炭素成分として、カーボンブラ
ック、グラファイト等の他に熱分解により炭素を生成し
うるフェノール樹脂やコールタールピッチ等を用いるこ
とができる。また、硼素成分としては、B4 Cや金属硼
素等が挙げられる。これら焼結助剤の添加量は、原料粉
末中の酸素量に依存し、炭化珪素原料中の酸素量1モル
に対して1乃至5モルの炭素および0.15乃至3モル
の硼素を必要とするが、およそ炭素分が1〜3重量%、
硼素が0.20〜1.5重量%となる量を添加すること
が望ましい。
定する要因として、炭化珪素結晶中への固溶成分が大き
く関与する。そのため、用いる炭化珪素原料としては、
高純度のものが必要で、具体的にはSi以外の陽イオン
不純物量が1000ppm以下であることが重要であ
り、特に500ppm以下であることが望ましく、不純
物元素としてはFe200ppm以下、Al200pp
m以下、Ni200ppm以下が望ましい。
量し、ボールミル等の混合手段により充分に混合した
後、この粉末にバインダーを添加し、周知の成形方法、
例えば、プレス成形、押出成形、鋳込み成形、冷間静水
圧成形等により所望の形状に成形する。なお、焼結助剤
としてフェノール樹脂等を添加した場合には、600〜
800℃で成形体を非酸化性雰囲気中で仮焼処理して熱
分解することにより炭素を生成することができる。
にして得られた成形体をAr等の不活性雰囲気中で、1
950乃至2050℃の比較的低温で焼成することが重
要である。これは、高温での焼成では、炭化珪素結晶内
への炭素や硼素、あるいは金属不純物の固溶拡散を促進
してしまい、格子定数を小さくしてしまうためである。
珪素結晶のa軸長およびc軸長が特定の範囲に制御する
ことが重要であるが、このa軸長およびc軸長は、炭化
珪素結晶への他の元素の固溶量により変化し、特に本発
明では、その固溶を極力避けることが重要である。この
炭化珪素結晶への他の元素の固溶は、不純物量、助剤
量、焼成温度、雰囲気などを適宜制御することが必要
で、例えば、助剤量が多い方が焼結性は向上するが固溶
が進みやすく、雰囲気種がArである場合に比較してH
eの雰囲気中の方が固溶が進みやすい。また、焼成時の
圧力は1気圧が好ましいが、低圧では炭化珪素の蒸発・
凝縮によってボロンが結晶内に取り込まれ易いので避け
たほうがよいため、圧力は0.5乃至1.5atmであ
ることが重要である。その他、焼成温度が高すぎると固
溶が進みやすいという傾向にあるため、例えば、これら
の要素を後述する実施例に示すように制御すればよい。
ば、格子定数が前記特定の範囲にあることを除き、珪素
以外の金属の化合物を添加することもできる。これら添
加される金属化合物としては、TiC、TiN、WC、
Si3 N4 、AlN、VC、TaC、ZrO2 、TiO
2 などが挙げられるが、その場合の量は10モル%以下
であることが必要でこの量が10モル%を越えると、こ
の金属化合物が炭化珪素結晶中に固溶しやすく、格子定
数が小さくなるためである。
質焼結体は、高集積化が進む半導体素子を搭載し、その
表面あるいは内部にW、Mo、Cuなどの金属導体が配
置された基板材料として、また、内部にW、Mo、WC
などの高融点金属からなる発熱体を表面あるいは内部に
配置したヒータにおける絶縁材料として、その他、半導
体部品用のヒートシンク用材料や、熱交換器用構造材
料、摺動部材等としての用途に特に有用である。
する炭化珪素質焼結体における炭化珪素結晶の格子定数
を特定の範囲に制御することにより、格別な添加物など
を用いることなく、一般的に用いられている炭素および
硼素を焼結助剤として用いながらも、従来に比べて大幅
に熱伝導率を向上できるものである。
珪素の格子定数(a軸)と熱伝導率が比例関係にあり、
炭化珪素結晶中の他の元素の固溶量を調整することが高
熱伝導化に対して重要であることが理解できる。この方
法によって熱伝導率が向上する原因は明確ではないが、
炭化珪素結晶中への他の元素の固溶量の制御により結晶
内でのフォノンの散乱因子を減少させることができるこ
とにより、焼結体の熱伝導を著しく向上させることがで
きるものと考えられる。つまり、本発明によれば、炭化
珪素結晶中への他の元素の固溶量を制御することにより
最も一般的な無加圧焼成法でも高熱伝導化を達成できる
のである。
焼結体の60〜80W/m・k程度の熱伝導率から、1
30W/m・k以上、特に後述する実施例によれば、1
95W/m・kの熱伝導率を有する炭化珪素質焼結体を
得ることができる。
以下、酸素量1.2重量%の6H型炭化珪素粉末100
重量部に対して、純度99.9%のB4 C粉末を0.
2、0.4、0.8、3重量部それぞれ添加し充分に混
合した後、炭化率20%のフェノール樹脂を炭素換算量
が2.5重量部となるように添加した。
m2 で外径12mm、厚み5mmの形状に金型成形し、
生密度1.8〜2.1g/ccの生成形体を得た。次
に、この成形体をアルゴンあるいはヘリウム雰囲気中、
表1に示す焼成温度で1時間焼成した。
アルキメデス法により測定した。また、焼結体の熱伝導
率を厚さ3.0mmの試料に対して室温にてレーザーフ
ラッシュ法により測定した。炭化珪素粒径はSEM写真
上で直線上の粒子100個の平均径を取った。ただし、
針状粒子の場合には長径と短径の平均を用いた。格子定
数の測定はX線回析を用い、Si(SRM640b)標
準粉末で補正した後に測定を行い、ピークトップ法の放
物線近似により2θを決定し、格子定数を算出した。測
定の結果は表1に示した。なお、a軸の格子定数と熱伝
導率との関係を図1にプロットした。
より小さいものは、いずれも熱伝導率が90W/m・k
以下と低い。しかし、格子定数が大きくても試料No.5
のように密度が低いと熱伝導は悪くなることから、熱伝
導率を上げるためには密度は2.8g/cm3 以上が必
要である。特に、密度が95%以上で格子定数の大きい
ものは130W/m・k以上の熱伝導率を示した。
各種のセラミックスを添加して表2の焼成条件で焼成を
行った。また、得られた焼結体に対して実施例1と同様
な方法で特性の測定を行い、その結果を表2に示した。
ラミックスを添加しても格子定数を本発明の範囲に制御
することにより高熱伝導性が得られたが、他のセラミッ
ク成分量が10モル%を越えると、格子定数が小さくな
り熱伝導率の向上は望めないことがわかった。
別な助剤や原料を用いることなく、従来から一般に行わ
れている手法に基づき、焼結体の格子定数を特定の範囲
に制御することにより高熱伝導化を達成することができ
る。
関係を示した図である。
Claims (3)
- 【請求項1】6H型炭化珪素を主成分とし、少なくとも
遊離炭素および硼素を含み、炭化珪素結晶の格子定数が
a軸で3.0802Å以上、c軸で15.105Å以上
で、かつ焼結体密度が2.8g/cm3以上、熱伝導率
が130W/m・k以上であることを特徴とする高熱伝
導性炭化珪素質焼結体。 - 【請求項2】6H型炭化珪素を主成分とし、遊離炭素お
よび硼素を含み、かつ珪素以外の化合物を10モル%以
下の割合で含むとともに、炭化珪素結晶の格子定数がa
軸で3.0802Å以上、c軸で15.105Å以上
で、かつ焼結体密度が2.8g/cm 3 以上、熱伝導率
が130W/m・k以上であることを特徴とする高熱伝
導性炭化珪素質焼結体。 - 【請求項3】炭素と硼素を含み、Si以外の陽イオン不
純物量が1000ppm以下の6H型炭化珪素粉末から
なる成形体を、炭化珪素結晶の格子定数をa軸で3.0
802Å以上、c軸で15.105Å以上にせしめるよ
うに0.5〜1.5atmの不活性ガス雰囲気において
1950〜2050℃で焼成し、焼結体密度を2.8g
/cm 3 以上、熱伝導率を130W/mK以上にするこ
とを特徴とする高熱伝導性炭化珪素質焼結体の製造方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18970493A JP3157957B2 (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 高熱伝導性炭化珪素質焼結体及びその製造方法 |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH0741366A JPH0741366A (ja) | 1995-02-10 |
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ID=16245805
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP18970493A Expired - Lifetime JP3157957B2 (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 高熱伝導性炭化珪素質焼結体及びその製造方法 |
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Country | Link |
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Families Citing this family (2)
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---|---|---|---|---|
JP4145097B2 (ja) * | 2001-08-20 | 2008-09-03 | 日本碍子株式会社 | 低誘電正接材料および炭化珪素焼結体の誘電正接を制御する方法 |
JP4761948B2 (ja) * | 2004-12-01 | 2011-08-31 | 京セラ株式会社 | 炭化珪素質焼結及びそれを用いた半導体製造装置用部品 |
-
1993
- 1993-07-30 JP JP18970493A patent/JP3157957B2/ja not_active Expired - Lifetime
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