JPH0741366A - 高熱伝導性炭化珪素質焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】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１
３０Ｗ／ｍ・ｋ以上の炭化珪素質焼結体を得る。 【効果】格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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高熱伝導性に優れ、高
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。

【０００２】

【従来技術】従来から、炭化珪素質焼結体は機械的特性
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。

【０００３】これに対して、炭化珪素質焼結体を高熱伝
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする手段】しかしながら、特開平
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。

【０００５】また、特開昭６２−１１３７６４号に示さ
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。

【０００６】

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、上記の
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。

【０００７】即ち、本発明の炭化珪素質焼結体によれ
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、場合によっては、他の金属化
合物を１０モル％以下の量で添加したことを特徴するも
のである。

【０００８】以下、本発明を詳述する。炭化珪素は、そ
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。

【０００９】また、本発明における大きな特徴は、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。

【００１０】また、本発明によれば、高熱伝導性を達成
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。

【００１１】また、本発明の炭化珪素質焼結体の結晶
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。

【００１２】次に、本発明の窒化珪素質焼結体を製造す
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。

【００１３】本発明によれば、炭化珪素の格子定数を決
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、
高純度のものが望ましく、具体的にはＳｉ以外の陽イオ
ン不純物量が１０００ｐｐｍ以下、特に５００ｐｐｍ以
下であることが望ましく、不純物元素としてはＦｅ２０
０ｐｐｍ以下、Ａｌ２００ｐｐｍ以下、Ｎｉ２００ｐｐ
ｍ以下が望ましい。

【００１４】次に、これらの原料粉末を所定の割合で秤
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。

【００１５】次に、上記のようにして得られた成形体を
Ａｒ等の不活性雰囲気中で、例えば１９００〜２１００
℃の温度で焼成することにより高密度化することができ
るが、高熱伝導を得るための焼成温度は１９５０乃至２
０５０℃の比較的低温で行うことが望ましい。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。

【００１６】本発明によれば、最終焼結体における炭化
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
ることが望ましい。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。

【００１７】また、本発明の炭化珪素質焼結体によれ
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。

【００１８】また、本発明における高熱伝導性炭化珪素
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。

【００１９】

【作用】本発明によれば、６Ｈ型炭化珪素結晶の主体と
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。

【００２０】本発明によれば、図１に示すように、炭化
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。

【００２１】本発明によれば、従来の６Ｈ型炭化珪素質
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。

【００２２】以下、本発明を次の例で説明する。

【００２３】

【実施例】

実施例１ 平均粒径が０．４μｍ、陽イオン不純物量２５０ｐｐｍ
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。

【００２４】この混合粉末を成形圧力１０００ｋｇ／ｃ
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。

【００２５】得られた焼結体に対して、焼結体の密度を
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。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１によれば、格子定数が本発明の下限値
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。

【００２８】実施例２ 実施例１と同じ原料を用いると共に、純度９８％以上の
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。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２によれば、酸化物や炭化物等の他のセ
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。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、格
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】炭化珪素結晶のａ軸の格子定数と熱伝導率との
関係を示した図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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。