JPH0969594A - 圧接用窒化けい素放熱板およびそれを用いた圧接構造部品 - Google Patents
圧接用窒化けい素放熱板およびそれを用いた圧接構造部品Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】窒化けい素焼結体が本来備える高強度特性を利
用し、さらに熱伝導率が高く放熱性に優れるとともに絶
縁破壊特性を大幅に改善した圧接用窒化けい素放熱板お
よびそれを用いた圧接構造部品を提供する。 【解決手段】本発明の圧接用窒化けい素放熱板７ａは、
希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重量
％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆ
ｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３
重量％以下含有し、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有
する高熱伝導性窒化けい素焼結体から成ることを特徴と
する。また本発明のサイリスタなどの圧接構造部品は、
９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導性窒化
けい素焼結体から成る圧接用窒化けい素放熱板７ａに整
流素子１０などの発熱部品を圧接して構成したことを特
徴とする。
用し、さらに熱伝導率が高く放熱性に優れるとともに絶
縁破壊特性を大幅に改善した圧接用窒化けい素放熱板お
よびそれを用いた圧接構造部品を提供する。 【解決手段】本発明の圧接用窒化けい素放熱板７ａは、
希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重量
％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆ
ｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３
重量％以下含有し、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有
する高熱伝導性窒化けい素焼結体から成ることを特徴と
する。また本発明のサイリスタなどの圧接構造部品は、
９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導性窒化
けい素焼結体から成る圧接用窒化けい素放熱板７ａに整
流素子１０などの発熱部品を圧接して構成したことを特
徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧接用窒化けい素放
熱板およびそれを用いた圧接構造部品に係り、特に、高
い強度および放熱性を有するとともに、優れた耐絶縁破
壊特性を備えた圧接用窒化けい素放熱板およびそれを用
いた圧接構造部品に関する。
熱板およびそれを用いた圧接構造部品に係り、特に、高
い強度および放熱性を有するとともに、優れた耐絶縁破
壊特性を備えた圧接用窒化けい素放熱板およびそれを用
いた圧接構造部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】発熱部品と圧接により接合され、発熱部
品からの熱を系外に放散するための圧接用放熱板が各種
電気設備や電子機器に広く用いられる。また大電流のス
イッチングや交流を直流に変換するなどの電流制御機能
を持つ半導体素子としてサイリスタ等の圧接構造部品が
広く使用されている。
品からの熱を系外に放散するための圧接用放熱板が各種
電気設備や電子機器に広く用いられる。また大電流のス
イッチングや交流を直流に変換するなどの電流制御機能
を持つ半導体素子としてサイリスタ等の圧接構造部品が
広く使用されている。
【０００３】図１はシリコン制御整流素子（ＳＣＲ）と
してのサイリスタの構造例を示す断面図である。このサ
イリスタは、陽極となる銅スタッド１と陰極導線２との
間に介装されたシリコン接合体３と、シリコン接合体３
に接続されるゲート導線４と、シリコン接合体３をシー
ルして外気と遮断するためのセラミックシール５および
ケース６と、内部で発生する熱を銅スタッド１を介して
外部に放散させるために圧接された平板状の放熱板７と
を備えて構成され、ゲート導線４に流れるゲート電流に
よって陽陰極間をオフ（遮断）状態からオン（始動）状
態にして、大電流を制御するものである。
してのサイリスタの構造例を示す断面図である。このサ
イリスタは、陽極となる銅スタッド１と陰極導線２との
間に介装されたシリコン接合体３と、シリコン接合体３
に接続されるゲート導線４と、シリコン接合体３をシー
ルして外気と遮断するためのセラミックシール５および
ケース６と、内部で発生する熱を銅スタッド１を介して
外部に放散させるために圧接された平板状の放熱板７と
を備えて構成され、ゲート導線４に流れるゲート電流に
よって陽陰極間をオフ（遮断）状態からオン（始動）状
態にして、大電流を制御するものである。
【０００４】近年、発熱部品の高集積化，高出力化に対
応して部品からの発熱量も急激に増大する傾向があり、
より放熱性が良好な放熱板が希求されている。例えば、
電力需要の増大に対処するために、より大容量のサイリ
スタが希求されており、必然的に発熱による絶縁破壊を
起こすおそれがなく、より放熱特性および絶縁特性が優
れた放熱板が望まれている。
応して部品からの発熱量も急激に増大する傾向があり、
より放熱性が良好な放熱板が希求されている。例えば、
電力需要の増大に対処するために、より大容量のサイリ
スタが希求されており、必然的に発熱による絶縁破壊を
起こすおそれがなく、より放熱特性および絶縁特性が優
れた放熱板が望まれている。
【０００５】このようなサイリスタ用などの放熱板７を
構成する材料としては、従来アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）が
一般に使用されていたが、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程
度と小さいために放熱性が低く、高出力化に対応した放
熱板を形成することは困難であった。そこで熱伝導率が
アルミナの２〜３倍程度と大きく、より熱伝導性が優れ
た窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体も放熱板の構成材
料として使用されつつある。
構成する材料としては、従来アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）が
一般に使用されていたが、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程
度と小さいために放熱性が低く、高出力化に対応した放
熱板を形成することは困難であった。そこで熱伝導率が
アルミナの２〜３倍程度と大きく、より熱伝導性が優れ
た窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体も放熱板の構成材
料として使用されつつある。
【０００６】一方、窒化けい素を主成分とするセラミッ
クス焼結体は、一般に１０００℃以上の高温度環境下で
も優れた耐熱性を有し、かつ耐熱衝撃性にも優れている
ことから、従来の耐熱性超合金に代わる高温構造材料と
してガスタービン用部品、エンジン用部品、製鋼用機械
部品等の各種高強度耐熱部品への応用が試みられてい
る。
クス焼結体は、一般に１０００℃以上の高温度環境下で
も優れた耐熱性を有し、かつ耐熱衝撃性にも優れている
ことから、従来の耐熱性超合金に代わる高温構造材料と
してガスタービン用部品、エンジン用部品、製鋼用機械
部品等の各種高強度耐熱部品への応用が試みられてい
る。
【０００７】従来より窒化けい素セラミックス焼結体の
組成として、窒化けい素に酸化イットリウム（Ｙ
2 Ｏ3 ），酸化セリウム（ＣｅＯ），酸化カルシウム
（ＣａＯ）などの希土類元素あるいはアルカリ土類元素
の酸化物を焼結助剤として添加されたものが知られてお
り、これら焼結助剤により焼結性を高めて緻密化・高強
度化している。
組成として、窒化けい素に酸化イットリウム（Ｙ
2 Ｏ3 ），酸化セリウム（ＣｅＯ），酸化カルシウム
（ＣａＯ）などの希土類元素あるいはアルカリ土類元素
の酸化物を焼結助剤として添加されたものが知られてお
り、これら焼結助剤により焼結性を高めて緻密化・高強
度化している。
【０００８】従来の窒化けい素焼結体は、窒化けい素原
料粉末に上記のような焼結助剤を添加し成形し、得られ
た成形体を１６００〜２０００℃程度の温度で焼成炉で
所定時間焼成した後に炉冷し、得られた焼結体を研削研
摩加工する製法で製造されている。
料粉末に上記のような焼結助剤を添加し成形し、得られ
た成形体を１６００〜２０００℃程度の温度で焼成炉で
所定時間焼成した後に炉冷し、得られた焼結体を研削研
摩加工する製法で製造されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来方法によって製造された窒化けい素焼結体では、靭性
値などの機械的強度は優れているものの、熱伝導特性の
点では、他の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体、酸化
ベリリウム（ＢｅＯ）焼結体や炭化けい素(SiC)焼結体
などと比較して著しく低いため、特に放熱性を要求され
る放熱板などの電子用材料としては実用化されておら
ず、用途範囲が狭い難点があった。
来方法によって製造された窒化けい素焼結体では、靭性
値などの機械的強度は優れているものの、熱伝導特性の
点では、他の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体、酸化
ベリリウム（ＢｅＯ）焼結体や炭化けい素(SiC)焼結体
などと比較して著しく低いため、特に放熱性を要求され
る放熱板などの電子用材料としては実用化されておら
ず、用途範囲が狭い難点があった。
【００１０】一方上記窒化アルミニウム焼結体は他のセ
ラミックス焼結体と比較して高い熱伝導率と低熱膨張係
数の特長を有するため、高速化、高出力化、多機能化、
大型化が進展する半導体チップ搭載用の回路基板部品や
パッケージ材料として用いられているが、機械的強度の
点で充分に満足できるものは得られていなかった。
ラミックス焼結体と比較して高い熱伝導率と低熱膨張係
数の特長を有するため、高速化、高出力化、多機能化、
大型化が進展する半導体チップ搭載用の回路基板部品や
パッケージ材料として用いられているが、機械的強度の
点で充分に満足できるものは得られていなかった。
【００１１】さらに上記セラミックス焼結体を主たる構
成材とする放熱板を、発熱部品と圧接により接合した
り、アッセンブリ工程にて実装ボートにねじ止め等によ
り固定しようとすると、ねじの押圧力や圧接力による僅
かな変形やハンドリング時の衝撃によって放熱板が破損
し、放熱部品の製造歩留りが大幅に低減する問題があっ
た。
成材とする放熱板を、発熱部品と圧接により接合した
り、アッセンブリ工程にて実装ボートにねじ止め等によ
り固定しようとすると、ねじの押圧力や圧接力による僅
かな変形やハンドリング時の衝撃によって放熱板が破損
し、放熱部品の製造歩留りが大幅に低減する問題があっ
た。
【００１２】またサイリスタに使用される放熱板のよう
に高電圧が印加される場合には、所定の絶縁耐力を確保
するために、ある程度の厚さを有する放熱板が必要にな
り、必然的に熱抵抗が増大するとともに放熱板の原料コ
ストを上昇させる難点もあった。
に高電圧が印加される場合には、所定の絶縁耐力を確保
するために、ある程度の厚さを有する放熱板が必要にな
り、必然的に熱抵抗が増大するとともに放熱板の原料コ
ストを上昇させる難点もあった。
【００１３】本発明は上記のような課題に対処するため
になされたものであり、高強度特性とともに、熱伝導率
が高く放熱性に優れるとともに絶縁破壊特性を大幅に改
善した圧接用放熱板およびそれを用いたサイリスタ等の
圧接構造部品を提供することを目的とする。
になされたものであり、高強度特性とともに、熱伝導率
が高く放熱性に優れるとともに絶縁破壊特性を大幅に改
善した圧接用放熱板およびそれを用いたサイリスタ等の
圧接構造部品を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記目的を達
成するために、従来使用されていた窒化けい素粉末の種
類、焼結助剤や添加物の種類および添加量、焼結条件に
検討を加え、従来の窒化けい素焼結体の有する熱伝導率
の３倍以上の高い熱伝導性（９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上）を有
する窒化けい素焼結体を開発した。さらに、この窒化け
い素焼結体を放熱板として使用し、その放熱板に整流素
子等の発熱部品を圧接により一体に接合してサイリスタ
等の圧接構造部品を製造したときに、機械的強度、靭性
値、絶縁耐力特性および放熱性を全て満足するサイスリ
タ等の圧接構造部品が得られることを実験により確認し
た。
成するために、従来使用されていた窒化けい素粉末の種
類、焼結助剤や添加物の種類および添加量、焼結条件に
検討を加え、従来の窒化けい素焼結体の有する熱伝導率
の３倍以上の高い熱伝導性（９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上）を有
する窒化けい素焼結体を開発した。さらに、この窒化け
い素焼結体を放熱板として使用し、その放熱板に整流素
子等の発熱部品を圧接により一体に接合してサイリスタ
等の圧接構造部品を製造したときに、機械的強度、靭性
値、絶縁耐力特性および放熱性を全て満足するサイスリ
タ等の圧接構造部品が得られることを実験により確認し
た。
【００１５】このような熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
の高熱伝導性窒化けい素焼結体自体は、その一部が既に
本発明者により特許出願されており、さらに特開平６−
１３５７７１号公報および特開平７−４８１７４号公報
によって出願公開されている。そして、これらの特許出
願において記載されている窒化けい素焼結体は、希土類
元素を酸化物に換算して２．０〜７．５重量％含有する
ものである。しかしながら、本発明者はさらに改良研究
を進めた結果、含有される希土類元素は酸化物に換算し
て７．５重量％を超えた場合の方が焼結体の高熱伝導化
がさらに進み、焼結性も良いことを見い出し、本願発明
を完成したものである。特に希土類元素がランタノイド
系列の元素である場合に、その効果は顕著である。ちな
みに粒界相中における結晶化合物相の粒界相全体に対す
る割合が６０〜７０％である場合においても、焼結体は
１１０〜１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を達成する
ことができる。
の高熱伝導性窒化けい素焼結体自体は、その一部が既に
本発明者により特許出願されており、さらに特開平６−
１３５７７１号公報および特開平７−４８１７４号公報
によって出願公開されている。そして、これらの特許出
願において記載されている窒化けい素焼結体は、希土類
元素を酸化物に換算して２．０〜７．５重量％含有する
ものである。しかしながら、本発明者はさらに改良研究
を進めた結果、含有される希土類元素は酸化物に換算し
て７．５重量％を超えた場合の方が焼結体の高熱伝導化
がさらに進み、焼結性も良いことを見い出し、本願発明
を完成したものである。特に希土類元素がランタノイド
系列の元素である場合に、その効果は顕著である。ちな
みに粒界相中における結晶化合物相の粒界相全体に対す
る割合が６０〜７０％である場合においても、焼結体は
１１０〜１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を達成する
ことができる。
【００１６】具体的には、微細で高純度を有する窒化け
い素粉末に希土類元素酸化物等を所定量ずつ添加した原
料混合体を成形脱脂し、得られた成形体を所定温度で一
定時間加熱保持して緻密化焼結を実施した後、所定の冷
却速度以下で徐冷し、製造することにより高特性の焼結
体が得られる。この熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、
かつ高強度を有する窒化けい素焼結体を放熱板に適用し
たときに、優れた放熱特性と耐久性と絶縁破壊特性とを
同時に兼ね備えた圧接用窒化けい素放熱板および圧接構
造部品を実現できることが判明した。
い素粉末に希土類元素酸化物等を所定量ずつ添加した原
料混合体を成形脱脂し、得られた成形体を所定温度で一
定時間加熱保持して緻密化焼結を実施した後、所定の冷
却速度以下で徐冷し、製造することにより高特性の焼結
体が得られる。この熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、
かつ高強度を有する窒化けい素焼結体を放熱板に適用し
たときに、優れた放熱特性と耐久性と絶縁破壊特性とを
同時に兼ね備えた圧接用窒化けい素放熱板および圧接構
造部品を実現できることが判明した。
【００１７】また、酸素や不純物陽イオン元素含有量を
低減した高純度の窒化けい素原料粉末を使用し、上記条
件にて焼結することにより、粒界相におけるガラス相
（非晶質相）の生成を効果的に抑制できる。そして、粒
界相における結晶化合物相の割合を２０％以上（粒界相
全体に対し）、より好ましくは５０％以上とすることに
より、希土類元素酸化物のみを原料粉末に添加した場合
においても９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上さらに好ましくは１００
Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有する窒化けい素焼結体
が得られるという知見を得た。
低減した高純度の窒化けい素原料粉末を使用し、上記条
件にて焼結することにより、粒界相におけるガラス相
（非晶質相）の生成を効果的に抑制できる。そして、粒
界相における結晶化合物相の割合を２０％以上（粒界相
全体に対し）、より好ましくは５０％以上とすることに
より、希土類元素酸化物のみを原料粉末に添加した場合
においても９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上さらに好ましくは１００
Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有する窒化けい素焼結体
が得られるという知見を得た。
【００１８】また、従来、焼結操作終了後に焼成炉の加
熱用電源をＯＦＦとして焼結体を炉冷していた場合に
は、冷却速度が毎時４００〜８００℃と急速であった
が、本発明者の実験によれば、特に冷却速度を毎時１０
０℃以下に緩速度に制御することにより、窒化けい素焼
結体組織の粒界相が非結晶質状態から結晶相を含む相に
変化し、高強度特性と高伝熱特性とが同時に達成される
ことが判明した。
熱用電源をＯＦＦとして焼結体を炉冷していた場合に
は、冷却速度が毎時４００〜８００℃と急速であった
が、本発明者の実験によれば、特に冷却速度を毎時１０
０℃以下に緩速度に制御することにより、窒化けい素焼
結体組織の粒界相が非結晶質状態から結晶相を含む相に
変化し、高強度特性と高伝熱特性とが同時に達成される
ことが判明した。
【００１９】このように高強度特性および高伝熱特性を
共に満足する窒化けい素焼結体を放熱板材料とし、整流
素子等の発熱部品を圧接により放熱板に接合してサイリ
スタ等の圧接構造部品を形成することにより、サイリス
タ等の圧接構造部品の靭性強度および熱伝導性を改善す
ることができ、特に放熱板のアッセンブリ工程における
締め付け割れや熱サイクルの付加によるクラックの発生
を効果的に防止できることが判明した。
共に満足する窒化けい素焼結体を放熱板材料とし、整流
素子等の発熱部品を圧接により放熱板に接合してサイリ
スタ等の圧接構造部品を形成することにより、サイリス
タ等の圧接構造部品の靭性強度および熱伝導性を改善す
ることができ、特に放熱板のアッセンブリ工程における
締め付け割れや熱サイクルの付加によるクラックの発生
を効果的に防止できることが判明した。
【００２０】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち本発明に係る圧接用窒化けい素放熱
板は、希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５
重量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，
Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．
３重量％以下含有し、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を
有する高熱伝導性窒化けい素焼結体から成ることを特徴
とする。
のである。すなわち本発明に係る圧接用窒化けい素放熱
板は、希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５
重量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，
Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．
３重量％以下含有し、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を
有する高熱伝導性窒化けい素焼結体から成ることを特徴
とする。
【００２１】また本発明に係る圧接用窒化けい素放熱板
は、希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重
量％含有し、窒化けい素結晶および粒界相から成るとと
もに粒界相中における結晶化合物相の粒界相全体に対す
る割合が２０％以上であり、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝
導率を有する高熱伝導性窒化けい素焼結体から構成して
もよい。
は、希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重
量％含有し、窒化けい素結晶および粒界相から成るとと
もに粒界相中における結晶化合物相の粒界相全体に対す
る割合が２０％以上であり、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝
導率を有する高熱伝導性窒化けい素焼結体から構成して
もよい。
【００２２】また高熱伝導性窒化けい素焼結体の３点曲
げ強度は６５０ＭＰａ以上である。さらに発熱部品等に
圧接される高熱伝導性窒化けい素焼結体の圧接面の表面
粗さは最大高さ（Ｒmax）基準で１０μｍ以下にすると
よい。高熱伝導性窒化けい素焼結体の圧接面の表面粗さ
をＲmax 基準で１０μｍ以下とすることにより、発熱部
品からの熱を効果的に放散させることができる。
げ強度は６５０ＭＰａ以上である。さらに発熱部品等に
圧接される高熱伝導性窒化けい素焼結体の圧接面の表面
粗さは最大高さ（Ｒmax）基準で１０μｍ以下にすると
よい。高熱伝導性窒化けい素焼結体の圧接面の表面粗さ
をＲmax 基準で１０μｍ以下とすることにより、発熱部
品からの熱を効果的に放散させることができる。
【００２３】また希土類元素を酸化物に換算して２．０
〜１７．５重量％含有し、窒化けい素結晶および粒界相
から成るとともに粒界相中における結晶化合物相の粒界
相全体に対する割合が２０％以上である高熱伝導性窒化
けい素焼結体を使用することもできる。
〜１７．５重量％含有し、窒化けい素結晶および粒界相
から成るとともに粒界相中における結晶化合物相の粒界
相全体に対する割合が２０％以上である高熱伝導性窒化
けい素焼結体を使用することもできる。
【００２４】さらに高熱伝導性窒化けい素焼結体は、窒
化けい素結晶および粒界相から成るとともに、粒界相中
における結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が５０
％以上であることがさらに好ましい。
化けい素結晶および粒界相から成るとともに、粒界相中
における結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が５０
％以上であることがさらに好ましい。
【００２５】なお、上記希土類元素としてランタノイド
系列の元素を使用することが、焼結体の熱伝導率を向上
させるために特に好ましい。
系列の元素を使用することが、焼結体の熱伝導率を向上
させるために特に好ましい。
【００２６】また、窒化けい素焼結体が窒化アルミニウ
ムまたはアルミナを１．０重量％以下含有するように構
成してもよい。さらにアルミナを１．０重量％以下と窒
化アルミニウムを１．０重量％以下とを併用してもよ
い。
ムまたはアルミナを１．０重量％以下含有するように構
成してもよい。さらにアルミナを１．０重量％以下と窒
化アルミニウムを１．０重量％以下とを併用してもよ
い。
【００２７】また本発明で使用する高熱伝導性窒化けい
素焼結体は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｗからなる群より選択される少なくとも１種
を酸化物に換算して０．１〜０．３重量％含有すること
が好ましい。このＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗから成る群より選択される少なくとも１
種は、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物，硼化物とし
て窒化けい素粉末に添加することにより含有させること
ができる。
素焼結体は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｗからなる群より選択される少なくとも１種
を酸化物に換算して０．１〜０．３重量％含有すること
が好ましい。このＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗから成る群より選択される少なくとも１
種は、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物，硼化物とし
て窒化けい素粉末に添加することにより含有させること
ができる。
【００２８】さらに本発明に係る圧接構造部品は、９０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導性窒化けい
素焼結体から成る圧接用窒化けい素放熱板に発熱部品を
圧接して構成したことを特徴とする。
Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する高熱伝導性窒化けい
素焼結体から成る圧接用窒化けい素放熱板に発熱部品を
圧接して構成したことを特徴とする。
【００２９】本発明に係る圧接用窒化けい素放熱板およ
び圧接構造部品の構成材料として使用される高熱伝導性
窒化けい素焼結体は、例えば以下の方法で製造される。
すなわち、酸素を１．７重量％以下、不純物陽イオン元
素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，
Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３重量％以下、α相型窒化
けい素を９０重量％以上含有し、平均粒径１．０μｍ以
下の窒化けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して
１．０〜１７．５重量％と、必要に応じてアルミナおよ
び窒化アルミニウムの少なくとも一方を１．０重量％以
下添加した原料混合体を成形して成形体を調製し、得ら
れた成形体を脱脂後、温度１８００〜２１００℃で雰囲
気加圧焼結し、上記焼結温度から、上記希土類元素によ
り焼結時に形成された液相が凝固する温度までに至る焼
結体の冷却速度を毎時１００℃以下にして徐冷する。
び圧接構造部品の構成材料として使用される高熱伝導性
窒化けい素焼結体は、例えば以下の方法で製造される。
すなわち、酸素を１．７重量％以下、不純物陽イオン元
素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，
Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３重量％以下、α相型窒化
けい素を９０重量％以上含有し、平均粒径１．０μｍ以
下の窒化けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して
１．０〜１７．５重量％と、必要に応じてアルミナおよ
び窒化アルミニウムの少なくとも一方を１．０重量％以
下添加した原料混合体を成形して成形体を調製し、得ら
れた成形体を脱脂後、温度１８００〜２１００℃で雰囲
気加圧焼結し、上記焼結温度から、上記希土類元素によ
り焼結時に形成された液相が凝固する温度までに至る焼
結体の冷却速度を毎時１００℃以下にして徐冷する。
【００３０】上記製造方法において、窒化けい素粉末
に、さらにアルミナおよび窒化アルミニウムの少なくと
も一方を１．０重量％以下添加するとよい。
に、さらにアルミナおよび窒化アルミニウムの少なくと
も一方を１．０重量％以下添加するとよい。
【００３１】さらに窒化けい素粉末に、さらにＴｉ，Ｚ
ｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物、
炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択
される少なくとも１種を０．１〜３．０重量％添加する
とよい。
ｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物、
炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択
される少なくとも１種を０．１〜３．０重量％添加する
とよい。
【００３２】上記製造方法によれば、窒化けい素結晶組
織中に希土類元素等を含む粒界相が形成され、気孔率が
２．５％以下、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、三点曲
げ強度が室温で６５０ＭＰａ以上の機械的特性および熱
伝導特性が共に優れた窒化けい素焼結体が得られる。
織中に希土類元素等を含む粒界相が形成され、気孔率が
２．５％以下、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、三点曲
げ強度が室温で６５０ＭＰａ以上の機械的特性および熱
伝導特性が共に優れた窒化けい素焼結体が得られる。
【００３３】本発明において使用される高熱伝導性窒化
けい素焼結体の主成分となる窒化けい素粉末としては、
焼結性、強度および熱伝導率を考慮して、酸素含有量が
１．７重量％以下、好ましくは０．５〜１．５重量％、
Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍ
ｎ，Ｂなどの不純物陽イオン元素含有量が合計で０．３
重量％以下、好ましくは０．２重量％以下に抑制された
α相型窒化けい素を９０重量％以上、好ましくは９３重
量％以上含有し、平均粒径が１．０μｍ以下、好ましく
は０．４〜０．８μｍ程度の微細な窒化けい素粉末を使
用することができる。
けい素焼結体の主成分となる窒化けい素粉末としては、
焼結性、強度および熱伝導率を考慮して、酸素含有量が
１．７重量％以下、好ましくは０．５〜１．５重量％、
Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍ
ｎ，Ｂなどの不純物陽イオン元素含有量が合計で０．３
重量％以下、好ましくは０．２重量％以下に抑制された
α相型窒化けい素を９０重量％以上、好ましくは９３重
量％以上含有し、平均粒径が１．０μｍ以下、好ましく
は０．４〜０．８μｍ程度の微細な窒化けい素粉末を使
用することができる。
【００３４】平均粒径が１．０μｍ以下の微細な原料粉
末を使用することにより、少量の焼結助剤であっても気
孔率が２．５％以下の緻密な焼結体を形成することが可
能であり、また焼結助剤が熱伝導特性を阻害するおそれ
も減少する。
末を使用することにより、少量の焼結助剤であっても気
孔率が２．５％以下の緻密な焼結体を形成することが可
能であり、また焼結助剤が熱伝導特性を阻害するおそれ
も減少する。
【００３５】またＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，
Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂの不純物陽イオン元素も熱伝導性
を阻害する物質となるため、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝
導率を確保するためには、上記不純物陽イオン元素の含
有量は合計で０．３重量％以下とすることにより達成可
能である。特に同様の理由により、上記不純物陽イオン
元素の含有量は合計で０．２重量％以下とすることが、
さらに好ましい。ここで通常の窒化けい素焼結体を得る
ために使用される窒化けい素粉末には、特にＦｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇが比較的に多く含有されているため、Ｆｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇの合計量が上記不純物陽イオン元素の合計含有
量の目安となる。
Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂの不純物陽イオン元素も熱伝導性
を阻害する物質となるため、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝
導率を確保するためには、上記不純物陽イオン元素の含
有量は合計で０．３重量％以下とすることにより達成可
能である。特に同様の理由により、上記不純物陽イオン
元素の含有量は合計で０．２重量％以下とすることが、
さらに好ましい。ここで通常の窒化けい素焼結体を得る
ために使用される窒化けい素粉末には、特にＦｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇが比較的に多く含有されているため、Ｆｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇの合計量が上記不純物陽イオン元素の合計含有
量の目安となる。
【００３６】さらに、β相型と比較して焼結性に優れた
α相型窒化けい素を９０重量％以上含有する窒化けい素
原料粉末を使用することにより、高密度の焼結体を製造
することができる。
α相型窒化けい素を９０重量％以上含有する窒化けい素
原料粉末を使用することにより、高密度の焼結体を製造
することができる。
【００３７】また窒化けい素原料粉末に焼結助剤として
添加する希土類元素としては、Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｙ，
Ｌａ，Ｓｃ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｓｍ，Ｇｄなど
の酸化物もしくは焼結操作により、これらの酸化物とな
る物質が単独で、または２種以上の酸化物を組み合せた
ものを含んでもよいが、特に酸化ホルミウム（Ｈｏ2 Ｏ
3 ），酸化エルビウム（Ｅｒ2 Ｏ3 ）が好ましい。
添加する希土類元素としては、Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｙ，
Ｌａ，Ｓｃ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｓｍ，Ｇｄなど
の酸化物もしくは焼結操作により、これらの酸化物とな
る物質が単独で、または２種以上の酸化物を組み合せた
ものを含んでもよいが、特に酸化ホルミウム（Ｈｏ2 Ｏ
3 ），酸化エルビウム（Ｅｒ2 Ｏ3 ）が好ましい。
【００３８】特に希土類元素としてランタノイド系列の
元素であるＨｏ，Ｅｒ，Ｙｂを使用することにより、焼
結性あるいは高熱伝導化が良好になり、１８５０℃程度
の低温度領域においても十分に緻密な焼結体が得られ
る。したがって焼成装置の設備費およびランニングコス
トを低減できる効果も得られる。これらの焼結助剤は、
窒化けい素原料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進
剤として機能する。
元素であるＨｏ，Ｅｒ，Ｙｂを使用することにより、焼
結性あるいは高熱伝導化が良好になり、１８５０℃程度
の低温度領域においても十分に緻密な焼結体が得られ
る。したがって焼成装置の設備費およびランニングコス
トを低減できる効果も得られる。これらの焼結助剤は、
窒化けい素原料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進
剤として機能する。
【００３９】上記焼結助剤の添加量は、酸化物換算で原
料粉末に対して２．０〜１７．５重量％の範囲とする。
この添加量が２．０重量％未満の場合は、焼結体の緻密
化が不十分であり、特に希土類元素がランタノイド系元
素のように原子量が大きい元素の場合には、低強度で低
熱伝導率の焼結体が形成される。一方、添加量が１７．
５重量％を超える過量となると、過量の粒界相が生成
し、熱伝導率の低下や強度が低下し始めるので上記範囲
とする。特に同様の理由により４〜１５重量％とするこ
とが望ましい。
料粉末に対して２．０〜１７．５重量％の範囲とする。
この添加量が２．０重量％未満の場合は、焼結体の緻密
化が不十分であり、特に希土類元素がランタノイド系元
素のように原子量が大きい元素の場合には、低強度で低
熱伝導率の焼結体が形成される。一方、添加量が１７．
５重量％を超える過量となると、過量の粒界相が生成
し、熱伝導率の低下や強度が低下し始めるので上記範囲
とする。特に同様の理由により４〜１５重量％とするこ
とが望ましい。
【００４０】また上記製造方法において他の選択的な添
加成分として使用するＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物，炭化物、窒化物、けい化
物、硼化物は、上記希土類元素の焼結促進剤の機能を促
進すると共に、結晶組織において分散強化の機能を果し
Ｓｉ3 Ｎ4 焼結体の機械的強度を向上させるものであ
り、特に、Ｈｆ，Ｔｉの化合物が好ましい。これらの化
合物の添加量が０．１重量％未満の場合においては添加
効果が不充分である一方、３．０重量％を超える過量と
なる場合には熱伝導率および機械的強度や電気絶縁破壊
強度の低下が起こるため、添加量は０．１〜３．０重量
％の範囲とする。特に０．２〜２重量％とすることが望
ましい。
加成分として使用するＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物，炭化物、窒化物、けい化
物、硼化物は、上記希土類元素の焼結促進剤の機能を促
進すると共に、結晶組織において分散強化の機能を果し
Ｓｉ3 Ｎ4 焼結体の機械的強度を向上させるものであ
り、特に、Ｈｆ，Ｔｉの化合物が好ましい。これらの化
合物の添加量が０．１重量％未満の場合においては添加
効果が不充分である一方、３．０重量％を超える過量と
なる場合には熱伝導率および機械的強度や電気絶縁破壊
強度の低下が起こるため、添加量は０．１〜３．０重量
％の範囲とする。特に０．２〜２重量％とすることが望
ましい。
【００４１】また上記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の化合物は窒
化けい素焼結体を黒色系に着色し不透明性を付与する遮
光剤としても機能する。
化けい素焼結体を黒色系に着色し不透明性を付与する遮
光剤としても機能する。
【００４２】さらに上記製造方法において、他の選択的
な添加成分としてのアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）は、前記希
土類元素の焼結促進剤の機能を助長する役目を果すもの
であり、特に加圧焼結を行なう場合に著しい効果を発揮
するものである。このＡｌ2 Ｏ3 の添加量が０．１重量
％未満の場合においては、より高温度での焼結が必要に
なる一方、１．０重量％を超える過量となる場合には過
量の粒界相を生成したり、または窒化けい素に固溶し始
め、熱伝導の低下が起こるため、添加量は１重量％以
下、好ましくは０．１〜０．７５重量％の範囲とする。
特に強度、熱伝導率共に良好な性能を確保するためには
添加量を０．１〜０．５重量％の範囲とすることが望ま
しい。
な添加成分としてのアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）は、前記希
土類元素の焼結促進剤の機能を助長する役目を果すもの
であり、特に加圧焼結を行なう場合に著しい効果を発揮
するものである。このＡｌ2 Ｏ3 の添加量が０．１重量
％未満の場合においては、より高温度での焼結が必要に
なる一方、１．０重量％を超える過量となる場合には過
量の粒界相を生成したり、または窒化けい素に固溶し始
め、熱伝導の低下が起こるため、添加量は１重量％以
下、好ましくは０．１〜０．７５重量％の範囲とする。
特に強度、熱伝導率共に良好な性能を確保するためには
添加量を０．１〜０．５重量％の範囲とすることが望ま
しい。
【００４３】また、後述するＡｌＮと併用する場合に
は、その合計添加量は１．０重量％以下にすることが望
ましい。
は、その合計添加量は１．０重量％以下にすることが望
ましい。
【００４４】さらに他の添加成分としての窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）は焼結過程における窒化けい素の蒸発な
どを抑制するとともに、上記希土類元素の焼結促進剤と
しての機能をさらに助長する役目を果すものである。
ウム（ＡｌＮ）は焼結過程における窒化けい素の蒸発な
どを抑制するとともに、上記希土類元素の焼結促進剤と
しての機能をさらに助長する役目を果すものである。
【００４５】ＡｌＮの添加量が０．１重量％未満（アル
ミナと併用する場合では０．０５重量％未満）の場合に
おいては、より高温度での焼結が必要になる一方、１．
０重量％を超える過量となる場合には過量の粒界相を生
成したり、または窒化けい素に固溶し始め、熱伝導率の
低下が起こるため、添加量は０．１〜１．０重量％の範
囲とする。特に焼結性，強度，熱伝導率共に良好な性能
を確保するためには添加量を０．１〜０．５重量％の範
囲とすることが望ましい。なお前記Ａｌ2 Ｏ3と併用す
る場合には、ＡｌＮの添加量は０．０５〜０．５重量％
の範囲が好ましい。
ミナと併用する場合では０．０５重量％未満）の場合に
おいては、より高温度での焼結が必要になる一方、１．
０重量％を超える過量となる場合には過量の粒界相を生
成したり、または窒化けい素に固溶し始め、熱伝導率の
低下が起こるため、添加量は０．１〜１．０重量％の範
囲とする。特に焼結性，強度，熱伝導率共に良好な性能
を確保するためには添加量を０．１〜０．５重量％の範
囲とすることが望ましい。なお前記Ａｌ2 Ｏ3と併用す
る場合には、ＡｌＮの添加量は０．０５〜０．５重量％
の範囲が好ましい。
【００４６】また焼結体の気孔率は熱伝導率および強度
に大きく影響するため２．５％以下となるように製造す
る。気孔率が２．５％を超えると熱伝導の妨げとなり、
焼結体の熱伝導率が低下するとともに、焼結体の強度低
下が起こる。
に大きく影響するため２．５％以下となるように製造す
る。気孔率が２．５％を超えると熱伝導の妨げとなり、
焼結体の熱伝導率が低下するとともに、焼結体の強度低
下が起こる。
【００４７】また、窒化けい素焼結体は組織的に窒化け
い素結晶と粒界相とから構成されるが、粒界相中の結晶
化合物相の割合は焼結体の熱伝導率に大きく影響し、本
発明において使用される高熱伝導性窒化けい素焼結体に
おいては粒界相の２０％以上とすることが必要であり、
より好ましくは５０％以上が結晶相で占めることが望ま
しい。結晶相が２０％未満では熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上となるような放熱特性に優れ、かつ高温強度に優
れた焼結体が得られないからである。
い素結晶と粒界相とから構成されるが、粒界相中の結晶
化合物相の割合は焼結体の熱伝導率に大きく影響し、本
発明において使用される高熱伝導性窒化けい素焼結体に
おいては粒界相の２０％以上とすることが必要であり、
より好ましくは５０％以上が結晶相で占めることが望ま
しい。結晶相が２０％未満では熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上となるような放熱特性に優れ、かつ高温強度に優
れた焼結体が得られないからである。
【００４８】さらに上記のように窒化けい素焼結体の気
孔率を２．５％以下にし、また窒化けい素結晶組織に形
成される粒界相の２０％以上が結晶相で占めるようにす
るためには、窒化けい素成形体を温度１８００〜２１０
０℃で２〜１０時間程度、加圧焼結し、かつ焼結操作完
了直後における焼結体の冷却速度を毎時１００℃以下に
して徐冷することが重要である。
孔率を２．５％以下にし、また窒化けい素結晶組織に形
成される粒界相の２０％以上が結晶相で占めるようにす
るためには、窒化けい素成形体を温度１８００〜２１０
０℃で２〜１０時間程度、加圧焼結し、かつ焼結操作完
了直後における焼結体の冷却速度を毎時１００℃以下に
して徐冷することが重要である。
【００４９】焼結温度を１８００℃未満とした場合に
は、焼結体の緻密化が不充分で気孔率が２．５vol%以上
になり機械的強度および熱伝導性が共に低下してしま
う。一方焼結温度が２１００℃を超えると窒化けい素成
分自体が蒸発分解し易くなる。特に加圧焼結ではなく、
常圧焼結を実施した場合には、１８００℃付近より窒化
けい素の分解蒸発が始まる。
は、焼結体の緻密化が不充分で気孔率が２．５vol%以上
になり機械的強度および熱伝導性が共に低下してしま
う。一方焼結温度が２１００℃を超えると窒化けい素成
分自体が蒸発分解し易くなる。特に加圧焼結ではなく、
常圧焼結を実施した場合には、１８００℃付近より窒化
けい素の分解蒸発が始まる。
【００５０】上記焼結操作完了直後における焼結体の冷
却速度は粒界相を結晶化させるために重要な制御因子で
あり、冷却速度が毎時１００℃を超えるような急速な冷
却を実施した場合には、焼結体組織の粒界相が非結晶質
（ガラス相）となり、焼結体に生成した液相が結晶相と
して粒界相に占める割合が２０％未満となり、強度およ
び熱伝導性が共に低下してしまう。
却速度は粒界相を結晶化させるために重要な制御因子で
あり、冷却速度が毎時１００℃を超えるような急速な冷
却を実施した場合には、焼結体組織の粒界相が非結晶質
（ガラス相）となり、焼結体に生成した液相が結晶相と
して粒界相に占める割合が２０％未満となり、強度およ
び熱伝導性が共に低下してしまう。
【００５１】上記冷却速度を厳密に調整すべき温度範囲
は、所定の焼結温度（１８００〜２１００℃）から、前
記の焼結助剤の反応によって生成する液相が凝固するま
での温度範囲で充分である。ちなみに前記のような焼結
助剤を使用した場合の液相凝固点は概略１６００〜１５
００℃程度である。そして少なくとも焼結温度から上記
液相凝固温度に至るまでの焼結体の冷却速度を毎時１０
０℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは２
５℃以下に制御することにより、粒界相の２０％以上、
特に好ましくは５０％以上が結晶相になり、熱伝導率お
よび機械的強度が共に優れた窒化けい素焼結体が得られ
る。
は、所定の焼結温度（１８００〜２１００℃）から、前
記の焼結助剤の反応によって生成する液相が凝固するま
での温度範囲で充分である。ちなみに前記のような焼結
助剤を使用した場合の液相凝固点は概略１６００〜１５
００℃程度である。そして少なくとも焼結温度から上記
液相凝固温度に至るまでの焼結体の冷却速度を毎時１０
０℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは２
５℃以下に制御することにより、粒界相の２０％以上、
特に好ましくは５０％以上が結晶相になり、熱伝導率お
よび機械的強度が共に優れた窒化けい素焼結体が得られ
る。
【００５２】本発明において使用する窒化けい素焼結体
は、例えば以下のようなプロセスを経て製造される。す
なわち前記所定の微細粒径を有し、また不純物含有量が
少ない微細な窒化けい素粉末に対して所定量の焼結助
剤、有機バインダ等の必要な添加剤および必要に応じて
Ａｌ2 Ｏ3 やＡｌＮ，Ｔｉ化合物等を加えて原料混合体
を調整し、次に得られた原料混合体を成形して所定形状
の成形体を得る。原料混合体の成形法としては、汎用の
金型プレス法、ドクターブレード法のようなシート成形
法などが適用できる。
は、例えば以下のようなプロセスを経て製造される。す
なわち前記所定の微細粒径を有し、また不純物含有量が
少ない微細な窒化けい素粉末に対して所定量の焼結助
剤、有機バインダ等の必要な添加剤および必要に応じて
Ａｌ2 Ｏ3 やＡｌＮ，Ｔｉ化合物等を加えて原料混合体
を調整し、次に得られた原料混合体を成形して所定形状
の成形体を得る。原料混合体の成形法としては、汎用の
金型プレス法、ドクターブレード法のようなシート成形
法などが適用できる。
【００５３】上記成形操作に引き続いて、成形体を非酸
化性雰囲気中で温度６００〜８００℃、または空気中で
温度４００〜５００℃で１〜２時間加熱して、予め添加
していた有機バインダ成分を充分に除去し、脱脂する。
次に脱脂処理された成形体を窒素ガス、水素ガスやアル
ゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で１８００〜２１０
０℃の温度で所定時間雰囲気加圧焼結を行う。
化性雰囲気中で温度６００〜８００℃、または空気中で
温度４００〜５００℃で１〜２時間加熱して、予め添加
していた有機バインダ成分を充分に除去し、脱脂する。
次に脱脂処理された成形体を窒素ガス、水素ガスやアル
ゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で１８００〜２１０
０℃の温度で所定時間雰囲気加圧焼結を行う。
【００５４】上記製法によって製造された窒化けい素焼
結体は気孔率が２．５％以下、９０Ｗ／ｍ・Ｋ（２５
℃）以上、さらには１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を
有し、また三点曲げ強度が常温で６５０ＭＰａ以上、さ
らには８００ＭＰａ以上と機械的特性にも優れている。
結体は気孔率が２．５％以下、９０Ｗ／ｍ・Ｋ（２５
℃）以上、さらには１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を
有し、また三点曲げ強度が常温で６５０ＭＰａ以上、さ
らには８００ＭＰａ以上と機械的特性にも優れている。
【００５５】なお、低熱伝導性の窒化けい素に高熱伝導
性のＳｉＣ等を添加して焼結体全体としての熱伝導率を
９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上にした窒化けい素焼結体は本発明の
範囲には含まれない。しかしながら、熱伝導率が９０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上である窒化けい素焼結体に高熱伝導性のＳ
ｉＣ等を複合させた窒化けい素系焼結体の場合には、窒
化けい素焼結体自体の熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で
ある限り、本発明の範囲に含まれることは言うまでもな
い。
性のＳｉＣ等を添加して焼結体全体としての熱伝導率を
９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上にした窒化けい素焼結体は本発明の
範囲には含まれない。しかしながら、熱伝導率が９０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上である窒化けい素焼結体に高熱伝導性のＳ
ｉＣ等を複合させた窒化けい素系焼結体の場合には、窒
化けい素焼結体自体の熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で
ある限り、本発明の範囲に含まれることは言うまでもな
い。
【００５６】発熱部品等に圧接される高熱伝導性窒化け
い素焼結体の圧接面の表面粗さは、放熱性に大きな影響
を及ぼすため、本発明においては、最大高さ（Ｒmax）
基準で１０μｍ以下に設定される。上記表面粗さが１０
μｍを超えると、圧接面における伝熱抵抗が急激に上昇
して放熱板の放熱特性が低下してしまう。したがって表
面粗さは１０μｍ以下に設定されるが、５μｍ以下がよ
り好ましい。
い素焼結体の圧接面の表面粗さは、放熱性に大きな影響
を及ぼすため、本発明においては、最大高さ（Ｒmax）
基準で１０μｍ以下に設定される。上記表面粗さが１０
μｍを超えると、圧接面における伝熱抵抗が急激に上昇
して放熱板の放熱特性が低下してしまう。したがって表
面粗さは１０μｍ以下に設定されるが、５μｍ以下がよ
り好ましい。
【００５７】本発明に係る圧接構造部品としてのサイリ
スタは、上記のように製造した高熱伝導性窒化けい素焼
結体に、発熱部品としての整流素子を圧接して製造され
る。
スタは、上記のように製造した高熱伝導性窒化けい素焼
結体に、発熱部品としての整流素子を圧接して製造され
る。
【００５８】本発明に係る圧接用窒化けい素放熱板によ
れば、窒化けい素焼結体が本来的に有する高強度高靭性
特性に加えて熱伝導率を大幅に改善した高熱伝導性窒化
けい素焼結体によって形成されているため、アッセンブ
リ工程において放熱板の締め付け割れが発生せず、放熱
板を用いたサイリスタ等の圧接構造部品を高い製造歩留
りで量産することが可能になる。
れば、窒化けい素焼結体が本来的に有する高強度高靭性
特性に加えて熱伝導率を大幅に改善した高熱伝導性窒化
けい素焼結体によって形成されているため、アッセンブ
リ工程において放熱板の締め付け割れが発生せず、放熱
板を用いたサイリスタ等の圧接構造部品を高い製造歩留
りで量産することが可能になる。
【００５９】また窒化けい素焼結体の靭性値が高いた
め、発熱部品からの熱サイクルによって放熱板に割れが
発生することが少なく、耐熱サイクル特性が著しく向上
し、耐久性および信頼性に優れたサイリスタなどの圧接
構造部品を提供することができる。
め、発熱部品からの熱サイクルによって放熱板に割れが
発生することが少なく、耐熱サイクル特性が著しく向上
し、耐久性および信頼性に優れたサイリスタなどの圧接
構造部品を提供することができる。
【００６０】さらに従来では達成されていない高い熱伝
導率を有する窒化けい素焼結体を放熱板として使用して
いるため、高出力化および高集積化を指向する発熱部品
を圧接した場合においても、熱抵抗特性の劣化が少な
く、優れた放熱特性を発揮する。
導率を有する窒化けい素焼結体を放熱板として使用して
いるため、高出力化および高集積化を指向する発熱部品
を圧接した場合においても、熱抵抗特性の劣化が少な
く、優れた放熱特性を発揮する。
【００６１】特に窒化けい素焼結体自体の機械的強度が
優れているため、要求される機械的強度特性を一定とし
た場合に、他のセラミックス焼結体から成る放熱板と比
較して放熱板の厚さをより低減することが可能となる。
この放熱板の厚さを低減できることから熱抵抗値をより
小さくでき、放熱特性をさらに改善することができる。
また要求される機械的特性に対して、従来より薄い放熱
板でも充分に対応可能となるため、発熱部品の高密度実
装も可能となり、圧接構造部品をより小型化することが
可能となる。
優れているため、要求される機械的強度特性を一定とし
た場合に、他のセラミックス焼結体から成る放熱板と比
較して放熱板の厚さをより低減することが可能となる。
この放熱板の厚さを低減できることから熱抵抗値をより
小さくでき、放熱特性をさらに改善することができる。
また要求される機械的特性に対して、従来より薄い放熱
板でも充分に対応可能となるため、発熱部品の高密度実
装も可能となり、圧接構造部品をより小型化することが
可能となる。
【００６２】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態を以下に示
す実施例を参照して具体的に説明する。
す実施例を参照して具体的に説明する。
【００６３】まず、各放熱板を構成する窒化けい素焼結
体について説明し、しかる後に、この窒化けい素焼結体
を用いたサイリスタについて説明する。
体について説明し、しかる後に、この窒化けい素焼結体
を用いたサイリスタについて説明する。
【００６４】実施例１〜２ 酸素を１．３重量％、不純物陽イオン元素としてのＬ
ｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，
Ｂを合計で０．１５重量％含有し、α相型窒化けい素９
７％を含む平均粒径０．５５μｍの窒化けい素原料粉末
に対して、焼結助剤として平均粒径０．７μｍのＹ2 Ｏ
3 （酸化イットリウム）粉末５重量％、平均粒径０．５
μｍのＡｌ2 Ｏ3 （アルミナ）粉末１．５重量％を添加
し、エチルアルコール中で２４時間湿式混合した後に乾
燥して原料粉末混合体を調整した。次に得られた原料粉
末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混合し
た後に、１０００kg／cm2 の成形圧力でプレス成形し、
円板状の成形体を多数製作した。次に得られた成形体を
７００℃の雰囲気ガス中において２時間脱脂した後に、
この脱脂体を窒素ガス雰囲気中７．５気圧にて１９００
℃で６時間保持し、緻密化焼結を実施した後に、焼結炉
に付設した加熱装置への通電量を制御して焼結炉内温度
が１５００℃まで降下するまでの間における焼結体の冷
却速度がそれぞれ５０℃／hr（実施例１）、２５℃／hr
（実施例２）となるように調整して焼結体を冷却し、さ
らに得られた各焼結体を研摩加工することにより、表面
粗さを５μｍ−Ｒmaxに設定し、さらに厚さ０．３mm×
直径７０mmに加工して、それぞれ実施例１〜２の圧接用
窒化けい素放熱板を調製した。
ｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，
Ｂを合計で０．１５重量％含有し、α相型窒化けい素９
７％を含む平均粒径０．５５μｍの窒化けい素原料粉末
に対して、焼結助剤として平均粒径０．７μｍのＹ2 Ｏ
3 （酸化イットリウム）粉末５重量％、平均粒径０．５
μｍのＡｌ2 Ｏ3 （アルミナ）粉末１．５重量％を添加
し、エチルアルコール中で２４時間湿式混合した後に乾
燥して原料粉末混合体を調整した。次に得られた原料粉
末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混合し
た後に、１０００kg／cm2 の成形圧力でプレス成形し、
円板状の成形体を多数製作した。次に得られた成形体を
７００℃の雰囲気ガス中において２時間脱脂した後に、
この脱脂体を窒素ガス雰囲気中７．５気圧にて１９００
℃で６時間保持し、緻密化焼結を実施した後に、焼結炉
に付設した加熱装置への通電量を制御して焼結炉内温度
が１５００℃まで降下するまでの間における焼結体の冷
却速度がそれぞれ５０℃／hr（実施例１）、２５℃／hr
（実施例２）となるように調整して焼結体を冷却し、さ
らに得られた各焼結体を研摩加工することにより、表面
粗さを５μｍ−Ｒmaxに設定し、さらに厚さ０．３mm×
直径７０mmに加工して、それぞれ実施例１〜２の圧接用
窒化けい素放熱板を調製した。
【００６５】比較例１ 一方、緻密化焼結完了直後に、加熱装置電源をＯＦＦに
し、従来の炉冷による冷却速度（約５００℃／hr）で焼
結体を冷却した点以外は実施例１と同一条件で焼結処理
して比較例１の圧接用窒化けい素放熱板を調製した。
し、従来の炉冷による冷却速度（約５００℃／hr）で焼
結体を冷却した点以外は実施例１と同一条件で焼結処理
して比較例１の圧接用窒化けい素放熱板を調製した。
【００６６】比較例２ 酸素を１．５重量％、前記不純物陽イオン元素を合計で
０．６重量％含有し、α相型窒化けい素９３％を含む平
均粒径０．６０μｍの窒化けい素原料粉末を用いた点お
よび冷却速度を１００℃／hrとした点以外は実施例１と
同一条件で処理し、比較例２の圧接用窒化けい素放熱板
を調製した。
０．６重量％含有し、α相型窒化けい素９３％を含む平
均粒径０．６０μｍの窒化けい素原料粉末を用いた点お
よび冷却速度を１００℃／hrとした点以外は実施例１と
同一条件で処理し、比較例２の圧接用窒化けい素放熱板
を調製した。
【００６７】比較例３ 酸素を１．７重量％、前記不純物陽イオン元素を合計で
０．７重量％含有し、α相型窒化けい素９１％を含む平
均粒径１．１μｍの窒化けい素原料粉末を用いた点およ
び冷却速度を１００℃／hrとした点以外は実施例１と同
一条件で処理し、比較例３の圧接用窒化けい素放熱板を
調製した。
０．７重量％含有し、α相型窒化けい素９１％を含む平
均粒径１．１μｍの窒化けい素原料粉末を用いた点およ
び冷却速度を１００℃／hrとした点以外は実施例１と同
一条件で処理し、比較例３の圧接用窒化けい素放熱板を
調製した。
【００６８】こうして得た実施例１〜２および比較例１
〜３の圧接用窒化けい素放熱板について気孔率および２
５℃における熱伝導率を測定した。さらに、各Ｓｉ3 Ｎ
4 放熱板についてＸ線回折法によって粒界相に占める結
晶相の割合（体積比）を測定し、下記表１に示す結果を
得た。
〜３の圧接用窒化けい素放熱板について気孔率および２
５℃における熱伝導率を測定した。さらに、各Ｓｉ3 Ｎ
4 放熱板についてＸ線回折法によって粒界相に占める結
晶相の割合（体積比）を測定し、下記表１に示す結果を
得た。
【００６９】
【表１】
【００７０】表１に示す結果から明らかなように実施例
１〜２の圧接用窒化けい素放熱板においては、比較例１
と比較して緻密化焼結完了直後における焼結体の冷却速
度を従来より低く設定しているため、粒界相に結晶相を
含み、結晶相の占める割合が高い程、高熱伝導率を有す
る放熱性の高い圧接用Ｓｉ3 Ｎ4 放熱板が得られた。
１〜２の圧接用窒化けい素放熱板においては、比較例１
と比較して緻密化焼結完了直後における焼結体の冷却速
度を従来より低く設定しているため、粒界相に結晶相を
含み、結晶相の占める割合が高い程、高熱伝導率を有す
る放熱性の高い圧接用Ｓｉ3 Ｎ4 放熱板が得られた。
【００７１】一方、比較例１のように焼結体の冷却速度
を大きく設定し、急激に冷却した場合は粒界相が全て非
結晶質で形成され熱伝導率が低下した。また、比較例２
のように不純物陽イオン元素を０．６重量％と多く含有
した窒化けい素粉末を用いた場合は焼結体の冷却速度を
比較的に小さくしても粒界相が全て非結晶質で形成され
熱伝導率が低下した。
を大きく設定し、急激に冷却した場合は粒界相が全て非
結晶質で形成され熱伝導率が低下した。また、比較例２
のように不純物陽イオン元素を０．６重量％と多く含有
した窒化けい素粉末を用いた場合は焼結体の冷却速度を
比較的に小さくしても粒界相が全て非結晶質で形成され
熱伝導率が低下した。
【００７２】さらに比較例３のように平均粒径が１．１
μｍと粗い窒化けい素粉末を用いた場合は、焼結におい
て緻密化が不充分で強度、熱伝導率とも低下した。
μｍと粗い窒化けい素粉末を用いた場合は、焼結におい
て緻密化が不充分で強度、熱伝導率とも低下した。
【００７３】比較例４ 一方、実施例におけるＳｉ3 Ｎ4 焼結体に代えて、厚さ
が０．３mmであり、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋである
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を使用して実施例と
同一寸法を有する比較例４に係るＡｌＮ放熱板を製造し
た。
が０．３mmであり、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋである
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を使用して実施例と
同一寸法を有する比較例４に係るＡｌＮ放熱板を製造し
た。
【００７４】比較例５ また、実施例におけるＳｉ3 Ｎ4 焼結体に代えて、厚さ
が０．８mmであり、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋである窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を使用して実施例と同
一寸法を有する比較例５に係るＡｌＮ放熱板を製造し
た。
が０．８mmであり、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋである窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を使用して実施例と同
一寸法を有する比較例５に係るＡｌＮ放熱板を製造し
た。
【００７５】比較例６ また、実施例におけるＳｉ3 Ｎ4 焼結体に代えて、厚さ
が０．３mmであり、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋである酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）焼結体を使用して実施例
と同一寸法を有する比較例６に係るＡｌ2 Ｏ3 放熱板を
製造した。
が０．３mmであり、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋである酸
化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）焼結体を使用して実施例
と同一寸法を有する比較例６に係るＡｌ2 Ｏ3 放熱板を
製造した。
【００７６】上記のように調製した実施例および比較例
に係る各放熱板の強度特性および絶縁破壊特性を評価す
るため、各放熱板の３点曲げ強度を測定するとともに、
絶縁破壊試験を実施し、放熱板の絶縁耐力を測定した。
に係る各放熱板の強度特性および絶縁破壊特性を評価す
るため、各放熱板の３点曲げ強度を測定するとともに、
絶縁破壊試験を実施し、放熱板の絶縁耐力を測定した。
【００７７】なお絶縁破壊試験は、絶縁油中に浸漬した
各放熱板の両面に設置した電極に５０Ｈｚの電圧を印加
し、放熱板が絶縁破壊を起こしたときの最小の電圧を測
定して実施した。絶縁耐力は測定した最小の絶縁破壊電
圧を放熱板の厚さで割った数値で表す。
各放熱板の両面に設置した電極に５０Ｈｚの電圧を印加
し、放熱板が絶縁破壊を起こしたときの最小の電圧を測
定して実施した。絶縁耐力は測定した最小の絶縁破壊電
圧を放熱板の厚さで割った数値で表す。
【００７８】また上記実施例および比較例に係る各放熱
板を使用して、図２に示すような車輌搭載用のサイリス
タを多数調製した。このサイリスタは、冷却フィン８の
側面に、圧接用放熱板７ａ，端子９ａ，整流素子１０，
端子９ｂ，絶縁スペーサ１１，圧接板１２を積層し、冷
却フィン８から立ち上げたボルト１３に押え板１４を装
着し、さらに皿ばね１５を介して圧接ねじ１６を取り付
け、この圧接ねじ１６を締着することにより整流素子１
０を放熱板７ａ側に圧接して構成される。
板を使用して、図２に示すような車輌搭載用のサイリス
タを多数調製した。このサイリスタは、冷却フィン８の
側面に、圧接用放熱板７ａ，端子９ａ，整流素子１０，
端子９ｂ，絶縁スペーサ１１，圧接板１２を積層し、冷
却フィン８から立ち上げたボルト１３に押え板１４を装
着し、さらに皿ばね１５を介して圧接ねじ１６を取り付
け、この圧接ねじ１６を締着することにより整流素子１
０を放熱板７ａ側に圧接して構成される。
【００７９】そして上記のように各種放熱板を使用して
サイリスタを多数製造するに際して、アセンブル時に圧
接ねじ１６の圧接力によってクラックを生じたり、破損
した放熱板の割合を測定し、サイリスタの製造歩留りを
算出した。
サイリスタを多数製造するに際して、アセンブル時に圧
接ねじ１６の圧接力によってクラックを生じたり、破損
した放熱板の割合を測定し、サイリスタの製造歩留りを
算出した。
【００８０】各測定結果を下記表２に示す。
【００８１】
【表２】
【００８２】上記表２に示す結果から明らかなように、
各実施例に係る圧接型Ｓｉ3 Ｎ4 放熱板によれば、３点
曲げ強度が、比較例と比較して大きくなる傾向がある。
したがって、サイリスタのアッセンブリ工程における締
め付け割れが発生することが少なく圧接用放熱板を使用
した圧接構造部品の製造歩留りを大幅に改善できること
が実証された。
各実施例に係る圧接型Ｓｉ3 Ｎ4 放熱板によれば、３点
曲げ強度が、比較例と比較して大きくなる傾向がある。
したがって、サイリスタのアッセンブリ工程における締
め付け割れが発生することが少なく圧接用放熱板を使用
した圧接構造部品の製造歩留りを大幅に改善できること
が実証された。
【００８３】さらに各実施例に係るＳｉ3 Ｎ4 放熱板
は、従来のＳｉ3 Ｎ4 焼結体から成る比較例１〜３の放
熱板と比較して２〜５倍程度大きな熱伝導率を有してい
るため、放熱性が優れており、高出力化および高発熱化
に対応した放熱板として極めて有効である。
は、従来のＳｉ3 Ｎ4 焼結体から成る比較例１〜３の放
熱板と比較して２〜５倍程度大きな熱伝導率を有してい
るため、放熱性が優れており、高出力化および高発熱化
に対応した放熱板として極めて有効である。
【００８４】また各実施例に係る放熱板の絶縁耐力は、
比較例５〜６に示す従来のＡｌＮ焼結体やＡｌ2 Ｏ3 焼
結体の絶縁耐力の２倍程度と大きく、優れた耐絶縁破壊
特性を示す。
比較例５〜６に示す従来のＡｌＮ焼結体やＡｌ2 Ｏ3 焼
結体の絶縁耐力の２倍程度と大きく、優れた耐絶縁破壊
特性を示す。
【００８５】上記のように従来の放熱板と比較して、３
点曲げ強度や絶縁耐力が２倍以上大きい本実施例の放熱
板を使用すると、要求される機械的強度や絶縁耐力を従
来と同一に設定した場合には、放熱板の厚さを従来の１
／２以下に低減することもできる。この場合、放熱板の
厚さを低減できることから放熱板における熱抵抗値をよ
り小さくでき、放熱特性をさらに相乗的に改善すること
ができる。さらに放熱板の板厚の低減化により、発熱部
品の高密度実装も可能になり、サイリスタなどの圧接構
造部品の小型化にも有効である。
点曲げ強度や絶縁耐力が２倍以上大きい本実施例の放熱
板を使用すると、要求される機械的強度や絶縁耐力を従
来と同一に設定した場合には、放熱板の厚さを従来の１
／２以下に低減することもできる。この場合、放熱板の
厚さを低減できることから放熱板における熱抵抗値をよ
り小さくでき、放熱特性をさらに相乗的に改善すること
ができる。さらに放熱板の板厚の低減化により、発熱部
品の高密度実装も可能になり、サイリスタなどの圧接構
造部品の小型化にも有効である。
【００８６】一方、比較例１〜３に係る圧接型Ｓｉ3 Ｎ
4 放熱板においては、３点曲げ強度は良好であるが、そ
の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下と相対的に低いため、
高出力化も指向した圧接構造部品には不適であることが
判明した。
4 放熱板においては、３点曲げ強度は良好であるが、そ
の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下と相対的に低いため、
高出力化も指向した圧接構造部品には不適であることが
判明した。
【００８７】また比較例４に係るＡｌＮ放熱板において
は、熱伝導性が高いＡｌＮ焼結体を使用しているため、
放熱特性は優れている反面、強度およびたわみ量が小さ
く、アッセンブリ工程における締め付け割れやハンドリ
ング時の衝撃に耐え難いことが確認された。また耐電圧
特性も低いことが判明した。
は、熱伝導性が高いＡｌＮ焼結体を使用しているため、
放熱特性は優れている反面、強度およびたわみ量が小さ
く、アッセンブリ工程における締め付け割れやハンドリ
ング時の衝撃に耐え難いことが確認された。また耐電圧
特性も低いことが判明した。
【００８８】さらに比較例５に係るＡｌＮ回路基板にお
いては、従来のＳｉ3 Ｎ4 基板よりも高い熱伝導率を有
しているため放熱性は良好である反面、強度が不充分で
ある。また耐電圧特性が低下することが判明した。
いては、従来のＳｉ3 Ｎ4 基板よりも高い熱伝導率を有
しているため放熱性は良好である反面、強度が不充分で
ある。また耐電圧特性が低下することが判明した。
【００８９】一方、比較例６に係る従来のＡｌ2 Ｏ3 放
熱板においては、熱伝導率，３点曲げ強度および絶縁耐
力が揃って小さいため、放熱性および耐久性も低く、ア
センブル時における放熱板の割れや損傷が多く発生し、
サイリスタの製造歩留りが大幅に低下した。
熱板においては、熱伝導率，３点曲げ強度および絶縁耐
力が揃って小さいため、放熱性および耐久性も低く、ア
センブル時における放熱板の割れや損傷が多く発生し、
サイリスタの製造歩留りが大幅に低下した。
【００９０】次に種々の組成および特性値を有する他の
窒化けい素焼結体を使用した放熱板および圧接構造部品
としてのサイリスタの実施形態について以下に示す実施
例３を参照して具体的に説明する。
窒化けい素焼結体を使用した放熱板および圧接構造部品
としてのサイリスタの実施形態について以下に示す実施
例３を参照して具体的に説明する。
【００９１】実施例３ まず放熱板の構成材となる各種窒化けい素焼結体を以下
の手順で製造した。
の手順で製造した。
【００９２】すなわち、酸素を１．３重量％、前記の不
純物陽イオン元素を合計で０．１５重量％含有し、α相
型窒化けい素９７％を含む平均粒径０．５５μｍの窒化
けい素原料粉末に対して、表３〜５に示すように、焼結
助剤としてのＹ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 などの希土類酸化物
と、必要に応じてＴｉ，Ｈｆ化合物とを添加し、エチル
アルコール中で窒化けい素製ボールを用いて７２時間湿
式混合した後に乾燥して原料粉末混合体をそれぞれ調整
した。次に得られた各原料粉末混合体に有機バインダを
所定量添加して均一に混合した後に、１０００kg／cm2
の成形圧力でプレス成形し、各種組成を有する成形体を
多数製作した。
純物陽イオン元素を合計で０．１５重量％含有し、α相
型窒化けい素９７％を含む平均粒径０．５５μｍの窒化
けい素原料粉末に対して、表３〜５に示すように、焼結
助剤としてのＹ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 などの希土類酸化物
と、必要に応じてＴｉ，Ｈｆ化合物とを添加し、エチル
アルコール中で窒化けい素製ボールを用いて７２時間湿
式混合した後に乾燥して原料粉末混合体をそれぞれ調整
した。次に得られた各原料粉末混合体に有機バインダを
所定量添加して均一に混合した後に、１０００kg／cm2
の成形圧力でプレス成形し、各種組成を有する成形体を
多数製作した。
【００９３】次に得られた各成形体を７００℃の雰囲気
ガス中において２時間脱脂した後に、この脱脂体を表３
〜５に示す焼結条件で緻密化焼結を実施した後に、焼結
炉に付設した加熱装置への通電量を制御して焼結炉内温
度が１５００℃まで降下するまでの間における焼結体の
冷却速度がそれぞれ表３〜５に示す値となるように調整
して焼結体を冷却し、それぞれ試料１〜５６に係る窒化
けい素焼結体を調製した。
ガス中において２時間脱脂した後に、この脱脂体を表３
〜５に示す焼結条件で緻密化焼結を実施した後に、焼結
炉に付設した加熱装置への通電量を制御して焼結炉内温
度が１５００℃まで降下するまでの間における焼結体の
冷却速度がそれぞれ表３〜５に示す値となるように調整
して焼結体を冷却し、それぞれ試料１〜５６に係る窒化
けい素焼結体を調製した。
【００９４】こうして得た試料１〜５６に係る各窒化け
い素焼結体について気孔率、熱伝導率（２５℃）、室温
での三点曲げ強度の平均値を測定した。さらに、各焼結
体についてＸ線回折法によって粒界相に占める結晶相の
割合（面積比）を測定し、下記表３〜５に示す結果を得
た。
い素焼結体について気孔率、熱伝導率（２５℃）、室温
での三点曲げ強度の平均値を測定した。さらに、各焼結
体についてＸ線回折法によって粒界相に占める結晶相の
割合（面積比）を測定し、下記表３〜５に示す結果を得
た。
【００９５】
【表３】
【００９６】
【表４】
【００９７】
【表５】
【００９８】表３〜５に示す結果から明らかなように試
料１〜５６に係る窒化けい素焼結体においては、原料組
成を適正に制御し、従来例と比較して緻密化焼結完了直
後における焼結体の冷却速度を従来より低く設定してい
るため、粒界相に結晶相を含み、結晶相の占める割合が
高い程、高熱伝導率を有する放熱性の高い高強度窒化け
い素焼結体が得られた。
料１〜５６に係る窒化けい素焼結体においては、原料組
成を適正に制御し、従来例と比較して緻密化焼結完了直
後における焼結体の冷却速度を従来より低く設定してい
るため、粒界相に結晶相を含み、結晶相の占める割合が
高い程、高熱伝導率を有する放熱性の高い高強度窒化け
い素焼結体が得られた。
【００９９】これに対して酸素を１．３〜１．５重量
％，前記の不純物陽イオン元素を合計で０．１３〜０．
１６重量％含有し、α相型窒化けい素を９３％含む平均
粒径０．６０μｍの窒化けい素原料粉末を用い、この窒
化けい素粉末に対してＹ2 Ｏ3（酸化イットリウム）粉
末を３〜６重量と、アルミナ粉末を１．３〜１．６重量
％添加した原料粉末を成形，脱脂後、１９００℃で６時
間焼結し、炉冷（冷却速度：毎時４００℃）して得た焼
結体の熱伝導率は２５〜２８Ｗ／ｍ・Ｋと低く、従来の
一般的な製法によって製造された窒化けい素焼結体の熱
伝導率に近い値になった。
％，前記の不純物陽イオン元素を合計で０．１３〜０．
１６重量％含有し、α相型窒化けい素を９３％含む平均
粒径０．６０μｍの窒化けい素原料粉末を用い、この窒
化けい素粉末に対してＹ2 Ｏ3（酸化イットリウム）粉
末を３〜６重量と、アルミナ粉末を１．３〜１．６重量
％添加した原料粉末を成形，脱脂後、１９００℃で６時
間焼結し、炉冷（冷却速度：毎時４００℃）して得た焼
結体の熱伝導率は２５〜２８Ｗ／ｍ・Ｋと低く、従来の
一般的な製法によって製造された窒化けい素焼結体の熱
伝導率に近い値になった。
【０１００】次に得られた試料１〜５６に係る各窒化け
い素焼結体の表面を研磨加工することにより、表面粗さ
を５μｍ−Ｒmax に調整し、さらに厚さ０．３mm×直径
７０mmに加工してそれぞれ各サイリスタ用の窒化けい素
放熱板とした。さらに各窒化けい素放熱板を使用して図
２に示すような車輌搭載用の実施例３に係るサイリスタ
をそれぞれ多数調製した。そして実施例１〜２と同様
に、サイリスタのアセンブル時に圧接ねじ１６の圧接力
によってクラックを生じたり、破損した放熱板の割合を
測定したが、締め付け割れの発生がなく、圧接用放熱板
を使用した製品の製造歩留りを大幅に改善できることが
判明した。
い素焼結体の表面を研磨加工することにより、表面粗さ
を５μｍ−Ｒmax に調整し、さらに厚さ０．３mm×直径
７０mmに加工してそれぞれ各サイリスタ用の窒化けい素
放熱板とした。さらに各窒化けい素放熱板を使用して図
２に示すような車輌搭載用の実施例３に係るサイリスタ
をそれぞれ多数調製した。そして実施例１〜２と同様
に、サイリスタのアセンブル時に圧接ねじ１６の圧接力
によってクラックを生じたり、破損した放熱板の割合を
測定したが、締め付け割れの発生がなく、圧接用放熱板
を使用した製品の製造歩留りを大幅に改善できることが
判明した。
【０１０１】さらに各実施例３に係るＳｉ3 Ｎ4 放熱板
は、従来のＳｉ3 Ｎ4 焼結体から成る放熱板と比較して
２〜５倍程度大きな熱伝導率を有しているため、放熱性
が優れており、高出力化および高発熱化に対応した放熱
板として極めて有効である。
は、従来のＳｉ3 Ｎ4 焼結体から成る放熱板と比較して
２〜５倍程度大きな熱伝導率を有しているため、放熱性
が優れており、高出力化および高発熱化に対応した放熱
板として極めて有効である。
【０１０２】
【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る圧接用窒
化けい素放熱板によれば、窒化けい素焼結体が本来的に
有する高強度高靭性特性に加えて熱伝導率を大幅に改善
した高熱伝導性窒化けい素焼結体によって形成されてい
るため、アッセンブリ工程において放熱板の締め付け割
れが発生せず、放熱板を用いた圧接構造部品を高い製造
歩留りで量産することが可能になる。
化けい素放熱板によれば、窒化けい素焼結体が本来的に
有する高強度高靭性特性に加えて熱伝導率を大幅に改善
した高熱伝導性窒化けい素焼結体によって形成されてい
るため、アッセンブリ工程において放熱板の締め付け割
れが発生せず、放熱板を用いた圧接構造部品を高い製造
歩留りで量産することが可能になる。
【０１０３】また窒化けい素焼結体の靭性値が高いた
め、発熱部品からの熱サイクルによって放熱板に割れが
発生することが少なく、耐熱サイクル特性が著しく向上
し、耐久性および信頼性に優れたサイリスタなどの圧接
構造部品を提供することができる。
め、発熱部品からの熱サイクルによって放熱板に割れが
発生することが少なく、耐熱サイクル特性が著しく向上
し、耐久性および信頼性に優れたサイリスタなどの圧接
構造部品を提供することができる。
【０１０４】さらに従来では達成されていない高い熱伝
導率を有する窒化けい素焼結体を放熱板として使用して
いるため、高出力化および高集積化を指向する発熱素子
を圧接した場合においても、熱抵抗特性の劣化が少な
く、優れた放熱特性を発揮する。
導率を有する窒化けい素焼結体を放熱板として使用して
いるため、高出力化および高集積化を指向する発熱素子
を圧接した場合においても、熱抵抗特性の劣化が少な
く、優れた放熱特性を発揮する。
【０１０５】特に窒化けい素焼結体自体の機械的強度が
優れているため、要求される機械的強度特性を一定とし
た場合に、他のセラミックス焼結体から成る放熱板と比
較して放熱板の厚さをより低減することが可能となる。
この放熱板の厚さを低減できることから熱抵抗値をより
小さくでき、放熱特性をさらに改善することができる。
また要求される機械的特性に対して、従来より薄い放熱
板でも充分に対応可能となるため、発熱部品の高密度実
装も可能となり、圧接構造部品をより小型化することが
可能となる。
優れているため、要求される機械的強度特性を一定とし
た場合に、他のセラミックス焼結体から成る放熱板と比
較して放熱板の厚さをより低減することが可能となる。
この放熱板の厚さを低減できることから熱抵抗値をより
小さくでき、放熱特性をさらに改善することができる。
また要求される機械的特性に対して、従来より薄い放熱
板でも充分に対応可能となるため、発熱部品の高密度実
装も可能となり、圧接構造部品をより小型化することが
可能となる。
【図１】シリコン制御整流素子としてのサイリスタの構
造例を示す断面図。
造例を示す断面図。
【図２】車輌搭載型のサイリスタの他の構造例を示す側
面図。
面図。
１ 銅スタッド（陽極） ２ 陰極導線 ３ シリコン接合体 ４ ゲート導線 ５ セラミックシール ６ ケース ７，７ａ 放熱板 ８ 冷却フィン ９ａ，９ｂ 端子 １０ 整流素子 １１ 絶縁スペーサ １２ 圧接板 １３ ボルト １４ 押え板 １５ 皿ばね １６ 圧接ねじ
フロントページの続き (72)発明者 佐藤 孔俊 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内
Claims (7)
- 【請求項１】 希土類元素を酸化物に換算して２．０〜
１７．５重量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合
計で０．３重量％以下含有し、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱
伝導率を有する高熱伝導性窒化けい素焼結体から成るこ
とを特徴とする圧接用窒化けい素放熱板。 - 【請求項２】 希土類元素を酸化物に換算して２．０〜
１７．５重量％含有し、窒化けい素結晶および粒界相か
ら成るとともに粒界相中における結晶化合物相の粒界相
全体に対する割合が２０％以上であり、９０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上の熱伝導率を有する高熱伝導性窒化けい素焼結体か
ら成ることを特徴とする圧接用窒化けい素放熱板。 - 【請求項３】 高熱伝導性窒化けい素焼結体の３点曲げ
強度が６５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項
１記載の圧接用窒化けい素放熱板。 - 【請求項４】 発熱部品等に圧接される高熱伝導性窒化
けい素焼結体の圧接面の表面粗さが最大高さ（Ｒmax）
基準で１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記
載の圧接用窒化けい素放熱板。 - 【請求項５】 高熱伝導性窒化けい素焼結体は、希土類
元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重量％含有
し、窒化けい素結晶および粒界相から成るとともに粒界
相中における結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が
２０％以上であることを特徴とする請求項１記載の圧接
用窒化けい素放熱板。 - 【請求項６】 高熱伝導性窒化けい素焼結体は、窒化け
い素結晶および粒界相から成るとともに、粒界相中にお
ける結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が５０％以
上であることを特徴とする請求項１記載の圧接用窒化け
い素放熱板。 - 【請求項７】 ９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する
高熱伝導性窒化けい素焼結体から成る圧接用窒化けい素
放熱板に発熱部品を圧接して構成したことを特徴とする
圧接構造部品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7344234A JP2975882B2 (ja) | 1995-06-23 | 1995-12-28 | 圧接用窒化けい素放熱板およびそれを用いた圧接構造部品 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7-158206 | 1995-06-23 | ||
| JP15820695 | 1995-06-23 | ||
| JP7344234A JP2975882B2 (ja) | 1995-06-23 | 1995-12-28 | 圧接用窒化けい素放熱板およびそれを用いた圧接構造部品 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13487299A Division JP3226898B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 圧接構造を有するサイリスタ用窒化けい素放熱板およびそれを用いたサイリスタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0969594A true JPH0969594A (ja) | 1997-03-11 |
| JP2975882B2 JP2975882B2 (ja) | 1999-11-10 |
Family
ID=26485407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7344234A Expired - Lifetime JP2975882B2 (ja) | 1995-06-23 | 1995-12-28 | 圧接用窒化けい素放熱板およびそれを用いた圧接構造部品 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2975882B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000205276A (ja) * | 1999-01-18 | 2000-07-25 | Koyo Seiko Co Ltd | 転がり軸受 |
| US6613443B2 (en) | 2000-10-27 | 2003-09-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Silicon nitride ceramic substrate, silicon nitride ceramic circuit board using the substrate, and method of manufacturing the substrate |
| WO2015060274A1 (ja) * | 2013-10-23 | 2015-04-30 | 株式会社東芝 | 窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01123352U (ja) * | 1988-02-15 | 1989-08-22 | ||
| JPH02180762A (ja) * | 1988-12-13 | 1990-07-13 | Showa Denko Kk | 窒化アルミニウム焼結体の製造方法 |
| JPH06135771A (ja) * | 1992-09-08 | 1994-05-17 | Toshiba Corp | 高熱伝導性窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
| JPH0717768A (ja) * | 1993-06-17 | 1995-01-20 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 窒化ケイ素質セラミックス基板及びその用途 |
| JPH0748174A (ja) * | 1993-08-03 | 1995-02-21 | Toshiba Corp | 高熱伝導性窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
| JPH07149588A (ja) * | 1993-11-26 | 1995-06-13 | Toshiba Corp | 高熱伝導性窒化けい素メタライズ基板，その製造方法および窒化けい素モジュール |
| JPH07187793A (ja) * | 1993-12-27 | 1995-07-25 | Toshiba Corp | 高熱伝導性窒化けい素構造部材および半導体パッケージ |
-
1995
- 1995-12-28 JP JP7344234A patent/JP2975882B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01123352U (ja) * | 1988-02-15 | 1989-08-22 | ||
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| US6613443B2 (en) | 2000-10-27 | 2003-09-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Silicon nitride ceramic substrate, silicon nitride ceramic circuit board using the substrate, and method of manufacturing the substrate |
| WO2015060274A1 (ja) * | 2013-10-23 | 2015-04-30 | 株式会社東芝 | 窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板 |
| JPWO2015060274A1 (ja) * | 2013-10-23 | 2017-03-09 | 株式会社東芝 | 窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板 |
| US9630846B2 (en) | 2013-10-23 | 2017-04-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Silicon nitride substrate and silicon nitride circuit board using the same |
| JP2017152707A (ja) * | 2013-10-23 | 2017-08-31 | 株式会社東芝 | 圧接構造用窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板 |
| JP2017165647A (ja) * | 2013-10-23 | 2017-09-21 | 株式会社東芝 | 窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板 |
| JP2017178776A (ja) * | 2013-10-23 | 2017-10-05 | 株式会社東芝 | 窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板 |
| US9884762B2 (en) | 2013-10-23 | 2018-02-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Silicon nitride substrate and silicon nitride circuit board using the same |
| US10322934B2 (en) | 2013-10-23 | 2019-06-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Silicon nitride substrate and silicon nitride circuit board using the same |
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