JPH11322437A

JPH11322437A - 窒化珪素質焼結体とその製造方法、それを用いた回路基板

Info

Publication number: JPH11322437A
Application number: JP10133142A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Emoto; 秀幸江本; Hideki Hirotsuru; 秀樹廣津留
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 1999-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】高熱伝導率で、回路基板に好適な窒化珪素質焼
結体を安価に提供する。【解決手段】窒化珪素９０〜９９ｍｏｌ％、イットリウ
ム（Ｙ）及びランタノイド族元素の１種以上を酸化物換
算で１〜１０ｍｏｌ％、更に、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒから選
ばれる１種以上を酸化物換算で０〜４ｍｏｌ％含有し、
４μｍの波長の光に対する吸収係数が１００ｃｍ^-1以下
の窒化珪素質焼結体とそれを用いた回路基板。及び、Ｓ
ｉＯ₂／（Ｒｅ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル比が０．０５〜
０．５となるように組成を調整し、１ＭＰａ以下の窒素
雰囲気中１８００〜２０００℃で焼成する前記焼結体の
製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械的特性に優
れ、しかも光透過性（透光性）に優れ、高い熱伝導率を
有する窒化珪素質焼結体とその製造方法に関する。ま
た、本発明は、高い熱伝導率と優れた機械的特性を有す
る前記窒化珪素質焼結体を用いて得られる、耐熱衝撃性
に優れた、高信頼性の回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体搭載用の回路基板として、従来か
ら、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックスなどのように絶
縁性に優れたセラミックス基板の表面に、導電性を有す
る金属回路層をろう材で接合し、更に金属回路層の所定
位置に半導体素子を搭載した回路基板が広く普及してい
る。しかし、前記回路基板が安定して、従って信頼性高
く動作するためには、半導体素子が発生する熱を放散
し、半導体素子の温度が過大とならないようにすること
が肝要であり、前記回路基板の基板材料には、電気絶縁
性に加えて、優れた放熱特性を得ることができるよう
に、高い熱伝導率が要求されている。

【０００３】近年、回路基板の小型化、半導体素子の高
集積化等が進むに従い、これらの回路基板材料の放熱特
性の一層の向上が望まれている。そして、前記アルミナ
セラミックスでは熱放散性が不足することがあり、ベリ
リア（ＢｅＯ）を添加した炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）等が開発され、熱伝導率が１００
Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものが得られている。しかし、Ｓ
ｉＣやＡｌＮは熱伝導率は高く、放熱特性には優れてい
るものの、強度や破壊靭性といった機械的特性が不十分
であり、回路基板等として用いる際には、実装工程にお
いて破損を生じたり、半導体素子の作動に伴う繰り返し
熱サイクルを受けて、金属回路層の接合部付近の回路基
板材料にクラックが発生し易く、耐熱サイクル特性及び
信頼性が低いという問題があった。

【０００４】一方、窒化珪素質焼結体（窒化珪素セラミ
ックスともいう）は、常温及び高温で化学的に安定な材
料であり、優れた機械的特性を有することから、自動車
用エンジン部材、摺動部材等の構造材料として、また、
高い電気絶縁性を有することから、電気絶縁材料として
も使用されている材料であるが、従来の窒化珪素質焼結
体の熱伝導率がＳｉＣやＡｌＮに比べて低いため、高い
放熱特性が要求される前記回路基板等の電子材料用途に
は殆ど用いられない、或いは用途範囲が非常に狭く限定
されている問題がある。

【０００５】窒化珪素は共有結合性の強い物質であり、
優れた高温特性を有する反面、難焼結性の物質である。
この為、従来の窒化珪素セラミックスは、窒化珪素粉末
に焼結性を高める目的でＹ₂Ｏ₃等の酸化物のような焼結
助剤を添加し、成形した後、１６００℃〜２２００℃の
高温で所定時間焼成し、緻密化して焼結体を得て、更
に、該焼結体を必要に応じて所望の形状に研削加工して
製造しているのが一般的である。しかし、前記焼結助剤
並びに原料の窒化珪素粉末中に含まれるＳｉＯ₂が窒化
珪素セラミックス中の粒界相を形成し、機械的特性や熱
的特性に大きく影響を及ぼしている。このため、従来の
窒化珪素セラミックスについてその熱伝導率は、例え
ば、一般的な焼結助剤であるＹ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃を添加し
た焼結体の場合では、熱伝導率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程
度であった。

【０００６】窒化珪素セラミックスの熱伝導率が低い理
由は、窒化珪素を緻密化させる為に添加した焼結助剤成
分の一部が、窒化珪素粒内に固溶したり、粒界に偏在し
たりするため、フォノン（セラミックス中で熱を伝達す
る機構）が散乱されることが原因であると考えられてい
て、この考えに基づき、窒化珪素セラミックスの高熱伝
導率化が検討されている。

【０００７】即ち、窒化珪素にＡｌ及び酸素が固溶する
とサイアロンを形成し、このサイアロンの熱伝導率が非
常に低いため、Ａｌ系の焼結助剤を用いた窒化珪素焼結
体の熱伝導率は低くなってしまう。この問題解決とし
て、例えば、「日本セラミックス協会学術論文誌」１９
８９年１月号第５６〜６２頁には、Ａｌを含有する焼結
助剤を用いず、Ｙ₂Ｏ₃のみを添加してＨＩＰ（熱間等方
圧）焼結することが開示されている。この方法により、
熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の窒化珪素質焼結体が得
られている。

【０００８】また、特開平４−１７５２６８号公報や特
開平４−２１９３７１号公報には、焼結体中のＡｌ、酸
素含有量を低下させ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の金属を添加
し、場合によってはＹ₂Ｏ₃を焼結助剤として添加するこ
とにより、熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の焼結体を
得る方法が開示されている。

【０００９】更に、「日本セラミックス協会学術論文
誌」１９９６年１月号第４９〜５３頁には、焼結助剤と
して少量のＹ₂Ｏ₃及びＮｄ₂Ｏ₃を添加し、２２００℃と
非常に高い温度で４ｈ、ＨＩＰ焼結することにより、熱
伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の窒化珪素質焼結体
が開示されている。

【００１０】しかし、前記いずれの方法においても、Ａ
ｌ等の不純物が少ない高純度の原料粉末を用い、高温
で、ＨＩＰ焼結等の特殊な焼結法を用いなければなら
ず、得られる焼結体が非常に高価になってしまい、コス
ト的に実用化できないという問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたものであり、優れた強度、破壊靭性を
持ち、機械的特性に優れているいると共に、高熱伝導特
性を持つ窒化珪素質焼結体とそれを安価に安定して得る
ことができる製造方法を提供することであり、更に、放
熱特性更に信頼性に優れた前記窒化珪素質焼結体を適用
することで、例えば、半導体用回路基板、或いはバルブ
等の自動車部品の素材を提供することを目的としてい
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するために、原料窒化珪素粉末の粉体特性、焼結
助剤の組成、量、更には焼結条件等に関して鋭意検討し
た結果、強度、破壊靭性等の機械的特性に優れ、しかも
光透過性を有し、熱伝導率を大幅に向上した窒化珪素質
焼結体を得ることができることを見いだし、本発明を完
成するに至った。

【００１３】すなわち、本発明の窒化珪素質焼結体は、
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）９０〜９９ｍｏｌ％、イットリウ
ム（Ｙ）及びランタノイド族元素の１種以上を酸化物
（Ｒｅ ₂Ｏ₃）換算で１〜１０ｍｏｌ％、更に、Ｈｆ、Ｔ
ｉ、Ｚｒから選ばれる１種以上を酸化物（ＭＯ₂）換算
で０〜４ｍｏｌ％含有し、４μｍの波長の光に対する吸
収係数が１００ｃｍ^-1以下であることを特徴とする窒化
珪素質焼結体である。

【００１４】また、本発明の窒化珪素質焼結体は、焼結
体中の酸素量よりＲｅ₂Ｏ₃に帰属する酸素量を除いた残
部をＳｉＯ₂とするとき、ＳｉＯ₂／（Ｒｅ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ
₂）のモル比が０．０５〜０．５の前記の窒化珪素質焼
結体であり、より好ましくは、焼結体中のＡｌ、Ｂｅ及
びＬｉの含有量の合計が３０００ｐｐｍ以下であり、熱
伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とす
る前記の窒化珪素質焼結体である。

【００１５】そして、本発明は、Ａｌ、Ｂｅ及びＬｉの
含有量の合計が３０００ｐｐｍ以下であり、α率が３０
％以下の窒化珪素粉末９０〜９９ｍｏｌ％に、イットリ
ウム（Ｙ）及びランタノイド族元素の１種類以上を酸化
物換算で１〜１０ｍｏｌ％と、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒからな
る群から選ばれる１種以上を酸化物換算で０〜４ｍｏｌ
％と、更に必要に応じてＳｉＯ₂とを、窒化珪素粉末中
の酸素量をＳｉＯ₂換算したときのＳｉＯ₂量と前記の添
加するＳｉＯ₂量との合計量について、ＳｉＯ₂／（Ｒｅ
₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル比が０．０５〜０．５となるよ
うに添加し、混合、成形した後に、１ＭＰａ以下の窒素
加圧雰囲気中、温度１８００〜２０００℃で焼成するこ
とを特徴とする前記窒化珪素質焼結体の製造方法であ
り、加えて、本発明は、前記窒化珪素質焼結体を用いて
なる回路基板である。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明者は、窒化珪素焼結体中の
粒内欠陥を低減させ、且つ粒界相を制御することによ
り、本発明が目的とする熱伝導特性に優れた焼結体を得
ることができるとの考えに立ち、鋭意検討を行った結
果、本発明に至ったのものである。

【００１７】上述したとおりに、窒化珪素は電気絶縁材
料であり、フォノンにより熱が運ばれるが、その理論熱
伝導率は、組成、結晶構造等より２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）
以上であると推測されている。しかし、実際に窒化珪素
の単結晶を合成するのは難しく、一般には焼結体として
製造されているので、その熱伝導率は前記理論熱伝導率
に比べ相当に低いものしか得られていない。

【００１８】窒化珪素の焼結は、窒化珪素粒子が焼結助
剤と窒化珪素原料粉末中に含まれるＳｉＯ₂成分からな
る液相に溶解・析出しながら進むので、得られる窒化珪
素セラミックス中の個々の窒化珪素粒子は、単結晶に近
く、比較的高い熱伝導率が期待される。一方、フォノン
は格子の乱れ、粒界相や気孔により散乱されるので、窒
化珪素質焼結体の熱伝導率は、窒化珪素の結晶構造、焼
結助剤の種類、結晶粒内への固溶などの影響を受ける。
実際の窒化珪素セラミックスにおいては、前述した粒界
相や窒化珪素粒内への不純物の固溶の影響が大きく、理
論熱伝導率の１〜２割程度の熱伝導率しか得られていな
い。

【００１９】窒化珪素セラミックス中の２粒子界面の厚
さは１ｎｍ程度であり、これはフォノンの平均自由工程
の１／１０以下である。このことは、窒化珪素セラミッ
クスの熱伝導率に対しては、粒界相の影響よりも窒化珪
素粒子内の欠陥によるフォノン散乱の影響が大きく、窒
化珪素セラミックスの熱伝導率を向上させるには、窒化
珪素粒子内の欠陥を制御することが重要であると推測さ
れる。

【００２０】しかし、窒化珪素セラミックスの機械的特
性についてみると、窒化珪素セラミックスは、柱状のβ
型窒化珪素粒子が複雑に絡み合った焼結体組織を呈して
おり、この組織が強度、破壊靭性等の機械的特性に大き
く寄与している。また、焼結体中の気孔は、欠陥として
作用し強度特性に影響を及ぼす。窒化珪素セラミックス
においては、これらの欠陥をも含めた焼結体組織を適正
化することが、強度、破壊靭性等の機械的特性に優れた
焼結体を得るために重要である。

【００２１】本発明者らは、窒化珪素セラミックス中の
粒内欠陥を低減させながら、しかも粒界相を制御するこ
とにより、本発明が目的とする熱伝導特性に優れ、しか
も機械的特性においても優れる窒化珪素セラミックスを
得ることができるという考えに立ち、鋭意検討を行った
結果、本発明に至ったものである。

【００２２】本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）９０〜９９ｍｏｌ％、イットリウム及びラ
ンタノイド族元素の１種以上を酸化物（Ｒｅ₂Ｏ₃₎換算
で１〜１０ｍｏｌ％、更に、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒから選ば
れる１種以上を酸化物（ＭＯ₂）換算で０〜４ｍｏｌ％
含有する。

【００２３】窒化珪素の焼結助剤としては、各種の酸化
物等が知られているが、Ａｌ₂Ｏ₃の如く窒化珪素中に固
溶するものは、窒化珪素粒子内に欠陥として存在し、フ
ォノンを散乱し熱伝導率を低下させる。この為、本発明
の窒化珪素質焼結体では、窒化珪素と固溶しないイット
リウム及びランタノイド族元素の１種以上を酸化物（Ｒ
ｅ₂Ｏ₃）換算で１〜１０ｍｏｌ％含有するものであり、
好ましくは２〜５ｍｏｌ％含有するものである。

【００２４】前記イットリウム及びランタノイド族元素
の含有量が１ｍｏｌ％未満では、焼結時に生成する液相
量が不足し、十分に緻密化した焼結体が得られなくな
る。一方、イットリウム及びランタノイド族元素の含有
量が１０ｍｏｌ％を越えると、粒界相の量が多くなり過
ぎて、粒界相でのフォノンの散乱による熱伝導率の低下
が起こってしまう。また、粒界相の量が多くなり過ぎる
と、強度、破壊靭性等の機械的特性、特に高温強度が低
下する。

【００２５】Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒは、前記イットリウムや
ランタノイド族元素の焼結助剤と組み合わせて用いて、
焼結性を助長するとともに、焼結体中の粒界相の結晶化
をも助長する効果的がある。その含有量については、０
〜４ｍｏｌ％、好ましくは、０．５〜２ｍｏｌ％含有す
る。しかし、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒの含有量が、４ｍｏｌ％
を超えるときには、かえって熱伝導率や高温強度等の機
械的特性が低下することがある。

【００２６】更に、本発明の窒化珪素質焼結体は、材料
の透光性を表わす下記Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの式
（式１）において、４μｍの波長の光に対する吸収係数
（又は吸光係数）が１００ｃｍ^-1以下であるという優れ
た透光性を有する。即ち、Ｉ＝Ｉ₀・ｅｘｐ（−μ・ｔ）・・・・・・・（式１）ここで、Ｉ₀：入射光の強度Ｉ：透過光の強度ｔ：材料の厚さ μ ：吸収係数である。

【００２７】本発明の窒化珪素質焼結体（厚さ０．７ｍ
ｍ）の透光性については、その透過率曲線を第１図に例
示する。第１図で、横軸は光の波長（μｍ）、縦軸は光
の直線透過率（％）を表している。本発明の窒化珪素質
焼結体は、可視光線〜赤外線領域に広い透光性を有して
いる。

【００２８】窒化珪素は、可視光領域で光学活性による
格子振動による吸収がないため、理論上は透光性を示
す。しかし、従来の窒化珪素焼結体においては、粒内不
純物による光吸収や、気孔及び粒界相による光散乱によ
り、灰〜黒色の不透明なものであったが、本発明の窒化
珪素質焼結体は、可視光〜赤外領域に広い透光性を有し
ている。また、窒化珪素質焼結体の熱伝導率と透光性の
間には共通点が多く、即ち、熱伝導率を支配するフォノ
ンの散乱と透光性を支配する光の吸収・散乱は、いずれ
も窒化珪素粒内の欠陥や焼結体内の粒界相に支配されて
いて、熱伝導率と透光性の間に密接な関係があることを
示しており、本発明者らの検討によれば、窒化珪素質焼
結体の透光性を発現させることがその熱伝導率向上に有
効であることを見出したものである。

【００２９】本発明の窒化珪素質焼結体においては、上
記したとおり、透光性があることが特徴であり、その透
光性の程度に関して、４μｍの光の吸収係数が１００ｃ
ｍ^-1以下である。吸収係数が１００ｃｍ^-1を越えると熱
伝導率、機械的性質が低下してしまうことがある。

【００３０】また、本発明の窒化珪素質焼結体は、焼結
体中の酸素量より希土類成分を酸化物換算したＲｅ₂Ｏ₃
に帰属する酸素量を除いた残部をＳｉＯ₂とし、ＳｉＯ₂
／（Ｒｅ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル比が０．０５〜０．５
であり、好ましくは、０．１〜０．４である。窒化珪素
の焼結は、添加した焼結助剤と原料粉末中及び添加した
ＳｉＯ₂からなる粒界相（液相）に窒化珪素粒子が溶解
−析出しながら粒成長してゆく。この場合、液相中のＳ
ｉＯ₂の量が増加すると、その一部が液相から析出する
窒化珪素粒子中に固溶して、その結果、窒化珪素粒子中
の欠陥として存在し、フォノンを散乱して熱伝導率を低
下させてしまう。このため、粒界相の組成として、焼結
体中の酸素量より希土類成分を酸化物換算したＲｅ₂Ｏ₃
に帰属する酸素量を除いた残部をＳｉＯ₂とし、ＳｉＯ₂
／（Ｒｅ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル比を０．５以下にする
ことが熱伝導率向上に有効である。

【００３１】一方、原料粉末である窒化珪素粉末中には
不可避的に酸素が含まれており、焼結体中には、この酸
素に起因するＳｉＯ₂成分が存在する。このため、Ｓｉ
Ｏ₂／（Ｒｅ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル比を下げるために
は、酸素量の少ない原料粉末を用いるか、Ｒｅ₂Ｏ₃量を
増加させる必要がある。しかし、原料粉末中の酸素量を
下げるのには限界があり、Ｒｅ₂Ｏ₃量を増加させると粒
界相量が増えてしまい、機械的特性や熱伝導率等の低下
を引き起こす。このため、ＳｉＯ₂／（Ｒｅ₂Ｏ₃＋Ｓｉ
Ｏ₂）のモル比の下限値については、０．０５である。

【００３２】更に、本発明の窒化珪素質焼結体中のＡ
ｌ、Ｂｅ及びＬｉの含有量の合計が３０００ｐｐｍ以下
であり、好ましくは１０００ｐｐｍ以下である。Ａｌ、
Ｂｅ及びＬｉは焼結時に窒化珪素粒子中に固溶し、その
結果、窒化珪素粒子内に欠陥を形成しフォノンを散乱し
て、熱伝導率の低下をもたらす。つまり、Ａｌ、Ｂｅ及
びＬｉの含有量が３０００ｐｐｍを越えると、これらの
元素の窒化珪素粒子への固溶量が多くなり過ぎ、その結
果、熱伝導率が低下してしまう。

【００３３】さらに、本発明の窒化珪素質焼結体は、焼
結体密度が９５％以上であり、好ましくは９７％以上で
ある。焼結体密度が９５％未満では、焼結体中の気孔量
が多くなり過ぎ、これらが欠陥となり強度の低下をもた
らし、十分な強度特性が得られなくなる。また、これら
の焼結体中の気孔は、フォノンを散乱し熱伝導率の低下
をも引き起こす。

【００３４】本発明の窒化珪素質焼結体は、その熱伝導
率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。熱伝導率が７０Ｗ
／（ｍ・Ｋ）未満では、放熱基板等として用いる場合、
十分な放熱特性が得られず、その用途が限定されるから
である。

【００３５】焼結体中の希土類元素、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔ
ｉ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ａｌ、Ｂｅ及びＬｉの含有量は、焼結
体を粉砕した後、原子吸光法で定量した。また焼結体の
酸素量については、同様に焼結体を粉砕し、ＬＥＣＯ社
製のＯ／Ｎ同時分析計（ＴＣ−４３６）にて定量すれば
良い。

【００３６】本発明の窒化珪素質焼結体を得る方法につ
いては、Ａｌ、Ｂｅ及びＬｉの合計含有量が３０００ｐ
ｐｍ以下の窒化珪素粉末に、Ｙ及びランタノイド族元素
（Ｙｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、
Ｄｙ、Ｓｍ、Ｇｄ等）の酸化物もしくは焼結操作により
酸化物となる物質の１種類以上と、Ｈｆ，Ｔｉ，Ｚｒの
１種以上と、更に、必要に応じて、ＳｉＯ₂とを所定量
添加して、ボールミル等で均一に混合し、混合粉末とす
る。前記混合粉末を、金型成形後、冷間静水圧成形（Ｃ
ＩＰ）して成形体とする。成形方法に関しては、上記手
法以外の泥しょう鋳込成形法、押出成形法等でも問題な
い。また、必要に応じて、分散剤、バインダー等を添加
してもよい。

【００３７】次に、前記成形体を脱脂後、窒素加圧雰囲
気中、温度１８００〜２２００℃で１〜４８時間焼成し
て焼結体を作製することができる。焼成温度に関して
は、１８００℃以下では緻密化不足が発生し、２２００
℃以上では、粒成長が進みすぎ機械的特性の低下の原因
となるともに、ＨＩＰ等の特殊な焼結装置を必要とする
ため、好ましくない。焼結温度の好ましい範囲は、１８
５０〜１９５０℃である。焼成時間に関しては、１時間
未満では緻密化不足が発生しやすく、４８時間を越える
長時間の焼成は、コスト的に問題がある。また焼成雰囲
気に関しては、窒化珪素の分解を抑える為、窒素圧が高
い方が好ましいが、１ＭＰａを超えるときには、焼結に
用いる焼成炉に多大な費用を必要とし、本発明の目的を
達成できなくなる。更に、焼成時に焼結助剤中の、Ｓｉ
Ｏ₂／（Ｒｅ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル比を調整する目的で
所定温度まで減圧雰囲気下で焼成することもできる。

【００３８】また、上記の混合粉末組成に対し、Ｍｇ、
Ｓｒの酸化物もしくは焼結操作により、酸化物となる物
質の１種類以上を所定量添加して同様の手法で助剤混
合、成形、焼成することもできる。

【００３９】更に、原料粉末として、Ｓｉ粉末を用い、
必要に応じて窒化珪素粉末を添加し、これにイットリウ
ム及びランタノイド族元素の１種以上と、Ｈｆ、Ｔｉ、
Ｚｒの１種以上と、必要に応じて、Ｍｇ、Ｓｒの酸化物
や焼結操作により酸化物となる物質と、更にＳｉＯ₂と
をそれぞれ所定量添加し、混合、成形した後、窒素含有
雰囲気中で１３００〜１６００℃の温度範囲で所定時間
保持してＳｉを窒化した後、１８００〜２２００℃の温
度で所定時間焼成することで、本発明の窒化珪素質焼結
体を得ることもできる。また、原料粉末として、アモル
ファスの窒化珪素粉末を用いることによっても同様に、
本発明の窒化珪素質焼結体を得ることができる。

【００４０】本発明の窒化珪素質焼結体は、強度、破壊
靭性等の機械的特性に優れ、窒化珪素本来の高い電気絶
縁性を有するので、厳しい使用条件で用いられる回路基
板、例えばパワーモジュール用の回路基板に好適な材料
である。

【００４１】本発明の回路基板の製造方法としては、板
状の窒化珪素質焼結体又は研削加工等により板状に加工
した窒化珪素質焼結体を、金属板と接合した後、エッチ
ング等の従来公知の手法を用いて回路を形成することで
製造することができる。或いは、板状の窒化珪素質焼結
体上に予め回路形成した金属板を搭載して接合すること
によっても製造できる。窒化珪素質焼結体と金属板との
接合方法に関しては、例えば、窒化珪素質焼結体と金属
板とを不活性ガス或いは真空雰囲気中で加熱し、焼結体
と金属板を直接接合する方法（直接接合法）、Ｔｉ、Ｚ
ｒ等の活性金属と低融点合金を作るＡｇ、Ｃｕ等の金属
を混合又は合金としたろう材を窒化珪素質焼結体と金属
板との間に介在させて不活性ガス又は真空雰囲気中で加
熱圧着する方法（活性金属法）等を利用して製造するこ
とができる。

【００４２】

【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に本発明を
詳細に説明する。

【００４３】［実施例１〜１７、比較例１〜７］表１に
示す粉体特性の異なる窒化珪素粉末Ａ〜Ｄに、表２に示
す組成の酸化物を添加し、メタノールを添加した湿式ボ
ールミルで５時間湿式混合した後、濾過、乾燥して混合
粉末を得た。次に、前記混合粉末を２０ＭＰａの成形圧
で金型成形した後、２００ＭＰａの成形圧でＣＩＰ成形
して、５×３０×５０ｍｍの成形体を得た。得られた成
形体は、窒化ホウ素（ＢＮ）製の坩堝に充填し、カーボ
ンヒーターの電気炉で表２に示す窒素ガス圧力、焼成温
度、焼成時間の条件で焼成し、焼結体を作製した。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】このようにして得られた各種焼結体の密度
は、アルキメデス法で測定し、その結果を表３に示す。
尚、比較例５については、焼成時の重量減少が５０％以
上であり、その後の評価に供することのできる焼結体が
得られなかった。これらの焼結体の一部について、窒化
珪素製の乳鉢と乳棒で粉砕し、ＬＥＣＯ社Ｏ／Ｎ同時分
析計（ＴＣ−４３６）による酸素量の評価及び原子吸光
法による金属元素の含有量の定量評価を行った。得られ
た結果を表３に示す。

【００４７】

【表３】

【００４８】次に、これらの焼結体を所定条件で研削加
工し、熱伝導率測定用の１０ｍｍφ×３ｍｍの円盤及び
ＪＩＳ−Ｒ１６０１に準じた強度試験体を作製し、熱伝
導率と室温の３点曲げ強さを評価した。尚、熱伝導率測
定はレーザフラッシュ法により、測定した。更に強度試
験体をダイヤモンド砥粒で鏡面研磨し、ＪＩＳ−Ｒ１６
０７に準じてＩＦ法による破壊靭性の評価を行った。こ
れらの評価結果を表４に示す。

【００４９】

【表４】

【００５０】また、実施例１、３、１０、１４、１６及
び比較例２、３、７について、焼結体を厚さ０．６ｍｍ
に研削加工し、光の透過率曲線を測定した。４μｍの光
に対する吸収係数の測定結果を表５に示す。尚、光の透
過曲線の測定に関して、紫外線〜可視光線の領域につい
ては島津製作所（株）製１６００型分光光度計で、近赤
外線領域については日立製作所（株）製３４０型分光光
度計で、赤外線領域についてはＢｉｏｒａｄ（株）製Ｆ
Ｔ−６０Ａにて測定した。

【００５１】

【表５】

【００５２】［実施例１８〜２６］表６に示す配合品を
実施例１と同じ方法により、混合、成形して、５ｍｍ×
３０ｍｍ×５０ｍｍの成形体を得た。得られた成形体
は、窒化ホウ素（ＢＮ）製の坩堝に充填し、カーボンヒ
ーターの電気炉で、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気下、
温度１９００℃で６時間焼成し、焼結体を作製した。得
られた焼結体は、実施例１と同じ方法により、焼結体中
の組成、不純物量、焼結体密度、３点曲げ強さ、破壊靭
性、平均粒子径、熱伝導率の評価を行った。選られた結
果を表７及び表８に示す。

【００５３】

【表６】

【００５４】

【表７】

【００５５】

【表８】

【００５６】また、実施例１８について、光透過率測定
を行った結果、４μｍの光に対する吸収係数は、８９．
８ｃｍ^-1であった。

【００５７】［実施例２７］窒化珪素粉末Ａ：９６ｍｏ
ｌ％に、ＹＦ₃：３ｍｏｌ％及びＹ₂Ｏ₃：１ｍｏｌ％を
添加し、実施例１と同じ方法で、焼結体を作製した。得
られた焼結体の密度は、９８％であり、焼結体中の希土
類酸化物は、酸化物換算で２．６ｍｏｌ％であった。ま
た、焼結体の酸素量から前記の希土類元素量に関与する
酸素量を引いた分をＳｉＯ₂とした場合のＳｉＯ₂／（Ｙ
₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル比は０．２２であった。

【００５８】得られた焼結体の３点曲げ強さは６８０Ｍ
Ｐａ、破壊靭性値は６．７ＭＰａ・ｍ^1/2、熱伝導率は
１０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、平均粒径は０．９μｍであっ
た。また、４μｍの光に対する吸収係数は、８４．５ｃ
ｍ^-1であった。

【００５９】［実施例２８、２９］実施例２８は窒化珪
素粉末Ａ：９６ｍｏｌ％に、Ｙ₂Ｏ₃：３ｍｏｌ％及びＨ
ｆＯ₂：１ｍｏｌ％を、実施例２９は窒化珪素粉末Ａ：
９６ｍｏｌ％に、Ｙ₂Ｏ₃：３ｍｏｌ％及びＺｒＯ₂：１
ｍｏｌ％を添加し、実施例１と同じ方法で、焼結体を作
製した。得られた焼結体密度は、いずれも９８％であっ
た。また、焼結体の酸素量からＹ₂Ｏ₃に関与する酸素量
を引いた分をＳｉＯ₂とした場合のＳｉＯ₂／（Ｙ₂Ｏ₃＋
ＳｉＯ₂）のモル比は、いずれも０．３６であった。

【００６０】得られた焼結体の熱伝導率は実施例２８が
１０９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、実施例２９が１１５Ｗ／（ｍ・
Ｋ）であった。また、４μｍの光に対する吸収係数は、
実施例２８が７８．６ｃｍ^-1、実施例２９が６９．８ｃ
ｍ^-1であった。

【００６１】［実施例３０、３１］実施例３０は窒化珪
素粉末Ａ：８２．７ｍｏｌ％に、Ｙ₂Ｏ₃：２．７ｍｏｌ
％、ＺｒＯ₂：０．９ｍｏｌ％に純度９９％、比表面積
２ｍ²／ｇの高純度Ｓｉ粉末：１３．６ｍｏｌ％を実施
例３１は窒化珪素粉末Ａ：２６ｍｏｌ％にＹ₂Ｏ₃：１．
６ｍｏｌ％、ＺｒＯ₂：０．５ｍｏｌ％及び高純度Ｓｉ
粉末７１．９ｍｏｌ％を添加し、実施例１と同じ方法で
成形体を得た。得られた成形体は、窒化ホウ素製の坩堝
に充填し、カーボンヒーターの電気炉で第２図に示す条
件で焼結し、焼結体を作製した。得られた焼結体密度
は、実施例３０が９８％、実施例３１が９９％であっ
た。また、焼結体の酸素量からＹ₂Ｏ₃に関与する酸素量
を引いた分をＳｉＯ₂とした場合のＳｉＯ₂／（Ｙ₂Ｏ₃＋
ＳｉＯ₂）のモル比は、実施例３０が０．３３、実施例
３１が０．１８であった。

【００６２】得られた焼結体の熱伝導率は実施例３０が
１１９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、実施例３１が１２６Ｗ／（ｍ・
Ｋ）であった。また、４μｍの光に対する吸収係数は、
実施例３０が６３．５ｃｍ^-1、実施例３２が５８．５ｃ
ｍ^-1であった。

【００６３】［実施例３２、３３］実施例３２は実施例
１、実施例３３は実施例２のそれぞれの助剤混合粉末を
１０ＭＰａの圧力で金型成形した後、２００ＭＰａの圧
力でＣＩＰ成形して５０ｍｍ×１００ｍｍ×８ｍｍの成
形体を得た。これらの成形体は、ＢＮ製の容器に充填
し、カーボンヒーターの電気炉で、０．９ＭＰａの窒素
加圧雰囲気下、温度１９００℃で６時間焼成して焼結体
を作製した。得られた焼結体は、研削加工により４０ｍ
ｍ×８０ｍｍ×０．６ｍｍの形状の平板とした。得られ
た焼結体の熱伝導率は、実施例３２が１０４Ｗ／（ｍ・
Ｋ）、実施例３３が１１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。

【００６４】次に、前記窒化珪素平板の両面に活性金属
含有ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ：８０−１５−５）を３
０μｍの厚さでスクリーン印刷し、回路側に０．３ｍｍ
厚の銅板及び裏面に０．１５ｍｍ厚の銅板を載置し、１
０^-3Ｐａ台の真空雰囲気下、温度８５０℃で３０分間加
熱した。その後、冷却して複合体を得た。この複合体に
ついて、板厚０．３ｍｍ銅板側を研磨し、パターンニン
グ用レジストを印刷し、熱硬化後、塩化第二鉄水溶液に
浸漬エッチングしてパターンを形成した。更に、回路間
に残存する接合材を除くため、銅板部を酸性弗化アンモ
ニウム水溶液に浸触させた後、水洗してパターン形成し
た回路基板を作製した。

【００６５】前記回路基板を、下部スパン３０ｍｍでの
３点曲げ強さを測定したところ、実施例３２は７４０Ｍ
Ｐａ、実施例３３は７２０ＭＰａであった。また、−４
０℃から１５０℃の温度幅で３０００回のヒートサイク
ル試験を行った。ヒートサイクル後の基板の３点曲げ強
さは、実施例３２が７１０ＭＰａ、実施例３３が６８０
ＭＰａであり、ヒートサイクル試験後も回路間の亀裂や
回路の剥離は認められなかった。

【００６６】［実施例３４］実施例３２の窒化珪素平板
の両面に、実施例３２で用いた板厚の異なる２種類の銅
板を載置し、窒素ガス雰囲気、温度１０５０℃で５分間
加熱処理し、その後、冷却して複合体を作製した。得ら
れた複合体は、実施例２８と同様の手法で回路基板を作
製した。得られた回路基板の３点曲げ強さは７２０ＭＰ
ａであり、ヒートサイクル３０００回後の３点曲げ強さ
は６７０ＭＰａであった。また、ヒートサイクル試験後
も回路間の亀裂や回路の剥離は認められなかった。

【００６７】［実施例３５］実施例１の焼結助剤を混合
した粉末に、成形用バインダーとしてセランダー（ユケ
ン工業社製）を２０重量部、純水２０重量部を添加混合
し、押し出し成形機でシート幅１００ｍｍ、シート厚
０．８ｍｍのシートを作製した。選られたシートは４５
ｍｍ×９０ｍｍのサイズに裁断し、表面にＢＮ粉を塗布
して１０枚積層し、大気中、温度５５０℃で２時間脱脂
した。次に、得られた脱脂体をＢＮ容器に充填し、カー
ボンヒーターの電気炉で、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲
気下、温度１９００℃で６時間焼成して焼結体を作製し
た。得られた焼結体は、＃４００のアルミナ砥粒を用い
て乾式ホーニングして表面のＢＮ及び変質層等を除去し
た。得られた焼結体の熱伝導率は、１０３Ｗ／（ｍ・
Ｋ）であった。

【００６８】次に、前記窒化珪素平板を用いて、実施例
３２と同じ手法で回路基板を作製した。得られた回路基
板の３点曲げ強さは７４０ＭＰａであった。また、ヒー
トサイクル３０００回後の３点曲げ強さは７００ＭＰａ
であった。また、ヒートサイクル試験後も回路間の基板
の亀裂や回路との基板の剥離は認められなかった。

【００６９】

【発明の効果】本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素
粒子内部の不純物の固溶量を低減し、しかも粒界相の組
成、量を制御しているので、強度、破壊靭性の機械的特
性に優れると共に、透光性を有し、７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）
以上の高い熱伝導率を有するという特徴があるので、自
動車、機械装置等の幅広い分野で各種部品の素材とし
て、特に半導体搭載用回路基板材料として利用すること
ができる。

【００７０】本発明の窒化珪素質焼結体の製造方法によ
れば、ＨＩＰ等の特殊な焼結方法を用いることなく、前
記の高熱伝導率と機械的特性に優れた窒化珪素質焼結体
を安価に製造することができる。

【００７１】また、本発明の窒化珪素回路基板は、熱伝
導率が高く、機械的特性に優れているので、信頼性が要
求される輸送機器等の用途やパワーモジュール用途に好
適な回路基板である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒化珪素質焼結体の光の透過率曲線を
例示する図

【図２】実施例３０及び３１に係る温度−窒素圧力のス
ケジュールを示す図

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）９０〜９９ｍｏｌ
％、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド族元素の１種
以上を酸化物（Ｒｅ₂Ｏ₃）換算で１〜１０ｍｏｌ％、更
に、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれる１種以上を酸化物
（ＭＯ₂）換算で０〜４ｍｏｌ％含有し、４μｍの波長
の光に対する吸収係数が１００ｃｍ^-1以下であることを
特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】焼結体中の酸素量よりＲｅ₂Ｏ₃に帰属する
酸素量を除いた残部をＳｉＯ₂とするとき、ＳｉＯ₂／
（Ｒｅ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモル比が０．０５〜０．５で
あることを特徴とする請求項１記載の窒化珪素質焼結
体。
【請求項３】焼結体中のＡｌ、Ｂｅ及びＬｉの含有量の
合計が３０００ｐｐｍ以下であり、熱伝導率が７０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項２記載の
窒化珪素質焼結体。
【請求項４】Ａｌ、Ｂｅ及びＬｉの含有量の合計が３０
００ｐｐｍ以下であり、α率が３０％以下の窒化珪素粉
末９０〜９９ｍｏｌ％に、イットリウム（Ｙ）及びラン
タノイド族元素の１種類以上を酸化物換算で１〜１０ｍ
ｏｌ％と、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒからなる群から選ばれる１
種以上を酸化物換算で０〜４ｍｏｌ％と、更に必要に応
じてＳｉＯ₂とを、窒化珪素粉末中の酸素量をＳｉＯ₂換
算したときのＳｉＯ₂量と前記の添加するＳｉＯ₂量との
合計量について、ＳｉＯ₂／（Ｒｅ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）のモ
ル比が０．０５〜０．５となるように添加し、混合、成
形した後に、１ＭＰａ以下の窒素加圧雰囲気中、温度１
８００〜２０００℃で焼成することを特徴とする請求項
１、請求項２又は請求項３記載の窒化珪素質焼結体の製
造方法。
【請求項５】請求項１、請求項２又は請求項３記載の窒
化珪素質焼結体を用いてなることを特徴とする窒化珪素
回路基板。