KR20230099878A - 질화규소 분말 및 질화규소 소결체의 제조방법 - Google Patents
질화규소 분말 및 질화규소 소결체의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230099878A KR20230099878A KR1020210189291A KR20210189291A KR20230099878A KR 20230099878 A KR20230099878 A KR 20230099878A KR 1020210189291 A KR1020210189291 A KR 1020210189291A KR 20210189291 A KR20210189291 A KR 20210189291A KR 20230099878 A KR20230099878 A KR 20230099878A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- silicon nitride
- mixed
- powder
- gas
- weight
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 99
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 title 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 143
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 143
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 93
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 68
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims abstract description 66
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 62
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 52
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 42
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 38
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 20
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 15
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 claims abstract description 9
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 5
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 9
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 4
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 14
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 14
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 35
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 5
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- WKBPZYKAUNRMKP-UHFFFAOYSA-N 1-[2-(2,4-dichlorophenyl)pentyl]1,2,4-triazole Chemical compound C=1C=C(Cl)C=C(Cl)C=1C(CCC)CN1C=NC=N1 WKBPZYKAUNRMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000007580 dry-mixing Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 2
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 2
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007088 Archimedes method Methods 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017625 MgSiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- -1 and due to this Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000011362 coarse particle Substances 0.000 description 1
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(iv) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
- C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
- C01B21/068—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with silicon
- C01B21/0682—Preparation by direct nitridation of silicon
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
- B28B3/00—Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor
- B28B3/006—Pressing by atmospheric pressure, as a result of vacuum generation or by gas or liquid pressure acting directly upon the material, e.g. jets of compressed air
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
- C04B35/593—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering
- C04B35/5935—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering obtained by gas pressure sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
- C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/60—Particles characterised by their size
- C01P2004/61—Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
- C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
- C04B2235/3852—Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
- C04B2235/3865—Aluminium nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
본 발명은 규소 분말 69~98중량%와, α상 질화규소 분말 1~30중량%와, 이산화규소 분말 1~10중량%를 포함하는 입도 8~10㎛의 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계 및 상기 혼합분말을 0.85~1 atm의 질소가스 분위기에서 1450~1750℃의 온도에서 5~20시간 동안 열처리하는 열처리 단계를 포함하되, 상기 열처리 단계 이전에 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스를 투입하고, 1000℃의 온도에서 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스를 투입하며, 상기 열처리 단계가 완료된 후, 상기 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 상기 혼합분말을 서냉하여 질화규소 분말을 수득하는 냉각 단계를 포함하는 질화규소 분말 제조방법과, 상기 질화규소 분말 93~98중량%에 산화이트륨 1~5중량%, 질화알루미늄 0.5~1중량% 및 산화하프늄 0.5~1중량%를 포함하는 소결조제를 첨가한 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계 및 상기 혼합분말을 몰드에 충진한 후, 0.85~1atm의 질소가스 분위기에서 150~300kg/cm2의 압력으로 가압하면서 1750~1850℃의 온도로 2~6시간동안 유지하는 가압소결을 통해 질화규소 소결체를 제조하는 가압소결 단계를 포함하는 질화규소 소결체 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 입자의 크기가 미세하면서 종횡비가 1에 가까운 균일한 입도를 가지고, 소결에 적합한 표면 산소량 및 내부산소량을 동시에 만족하는 질화규소 분말을 제조하고, 제조된 질화규소 분말을 이용하여 질화규소 소결체를 제조함에 따라 열전도성 및 고온에서의 기계적 강도가 우수한 질화규소 회로기판에 적용할 수 있는 질화규소 소결체를 제공할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 입자의 크기가 미세하면서 종횡비가 1에 가까운 균일한 입도를 가지고, 소결에 적합한 표면 산소량 및 내부산소량을 동시에 만족하는 질화규소 분말을 제조하고, 제조된 질화규소 분말을 이용하여 질화규소 소결체를 제조함에 따라 열전도성 및 고온에서의 기계적 강도가 우수한 질화규소 회로기판에 적용할 수 있는 질화규소 소결체를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 질화규소 분말의 합성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입자의 크기가 미세하면서 종횡비가 1에 가까운 균일한 입도를 가지고, 소결에 적합한 표면 산소량 및 내부산소량을 동시에 만족하는 질화규소 분말을 제조함과 아울러, 제조된 질화규소 분말을 이용하여 제조됨에 따라 열전도성 및 고온에서의 기계적 강도가 우수한 질화규소 소결체의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전동, 차량용 인버터 등의 분야에서 고전압, 대전류 동작이 가능한 파워 반도체 모듈(IGBT, Power MOSFET 등)이 요구되고 있다.
상기 파워 반도체 모듈에 사용되는 기판으로, 절연성 세라믹스 기판의 한 면에 금속 회로판을 접합하고, 다른 면에 금속 방열판을 접합한 복합 소재의 회로판이 주로 이용된다.
그런데, 이러한 파워 반도체 모듈에는 높은 전류가 흐르게 되고 그로 인해 발열 문제가 발생하게 되는 바, 상기 절연성 세라믹스 기판은 동판에 비하여 상대적으로 열전도율이 낮기 때문에 반도체 소자로부터의 열전달로 인한 방열 프로세스를 저해하는 요인이 될 수 있다.
또한, 세라믹스 기판과 금속판은 열팽창율이 상이하므로, 이에 따른 열응력이 발생하고, 그로 인해 세라믹스 기판에 크랙이 생길 수 있으며, 심각한 경우 금속 회로판 또는 금속 방열판이 절연성 세라믹스 기판으로부터 박리되는 일이 발생할 수 있다.
따라서, 파워 반도체 모듈에 이용되는 절연성 세라믹스 기판은 발열성을 양호하게 하기 위하여 높은 열전도율이 요구되며, 이와 함께 열응력으로 인한 크랙 및 박리 현상을 방지하기 위하여 높은 기계적 강도도 요구된다.
이와 관련하여 일본공개특허 제2000-34172호에서는 입계상 20% 이상을 결정화시킴으로써, 열전도율이 낮은 글라스(glass) 상의 비율을 저감하여 질화규소 기판의 열전도율을 높이고 있으며, 일본등록특허 제3561145호에서는 질화규소질 소결기판의 예를 개시하고 있다. 이는 입계상에 MgSiO3 또는 MgSiN2로 이루어지는 결정성을 함유함으로서, 고열전도율의 질화규소 방열 기판이다.
그런데, 상기 소결기판의 경우, MgSiN2 결정상이 적으면 질화규소 기판의 열전도율을 올리는 효과가 작아지고, MgSiN2 결정상이 많으면 입계상으로서 질화규소 입자간을 결합하는 효과가 작아져 굽힘 강도가 저하되는 문제가 있다.
한편 열전도율을 올리기 위한 소결공정으로는 성형 그린쉬트를 1 매 혹은 BN 분말을 박리제로 가재하여 복수매로 겹치고, 소결로 내를 0.5~1.0 Mpa의 질소 가압분위기로 하고, 1600℃로부터 300℃/h 이하의 속도로 승온하고 1800~2000℃의 온도에서 2~10 시간 유지한 후 100℃/hr 이상의 속도로 1500℃ 까지 냉각함으로써 소결하여 질화규소기판을 제조하는 방법이 공지되어 있다. 이 때 소결 온도, 가스분위기 압력, 승온속도 등의 소결 공정을 조절하여 질화규소 기판의 물성 조절이 가능하다.
그러나, 상기 방법들은 모두 소결방법에 관한 것으로, 질화규소 분말 자체의 물성을 개선하여 열전도성 및 기계적 물성을 개선하는 방법에 대하여는 연구된 바가 없다.
종래 직접 질화법은 질화규소 분말의 표면 산소량을 소결에 적합한 범위로 감소시킬 수 있으나, 표면 산소량을 소결에 적합한 범위로 감소시키면서 내부 산소량도 동시에 감소시키는 것은 불가능하였다.
직접 질화법은 원료인 금속 규소가 질화규소 분말을 구성하는 질화규소 입자 내부에 잔류하기 쉽고, 그것에 기인하여 질화규소 소결체 내부에 기공 또는 조대 입자가 생성되는 일이 많다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 입자의 크기가 미세하면서 종횡비가 1에 가까운 균일한 입도를 가지고, 소결에 적합한 표면 산소량 및 내부산소량을 동시에 만족하는 질화규소 분말을 제조함과 아울러, 제조된 질화규소 분말을 이용하여 제조됨에 따라 열전도성 및 고온에서의 기계적 강도가 우수한 질화규소 소결체의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 규소 분말 69~98중량%와, α상 질화규소 분말 1~30중량%와, 이산화규소 분말 1~10중량%를 포함하는 입도 8~10㎛의 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계 및 상기 혼합분말을 0.85~1 atm의 질소가스 분위기에서 1450~1750℃의 온도에서 5~20시간 동안 열처리하는 열처리 단계를 포함하되, 상기 열처리 단계 이전에 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스를 투입하고, 1000℃의 온도에서 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스를 투입하며, 상기 열처리 단계가 완료된 후, 상기 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 상기 혼합분말을 서냉하여 질화규소 분말을 수득하는 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법이 제공된다.
여기서, 상기 질화규소 분말은 총 중량에 대해 α상 질화규소분말이 90중량% 이상인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지고, 상기 제2 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지되, 수분량이 상기 제2 혼합가스 공급량의 0.5~0.6%를 차지하고, 불화수소가스 공급량이 질소가스 공급량의 0.001~0.5%를 차지하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 규소 분말 69~98중량%와, α상 질화규소 분말 1~30중량%와, 이산화규소 분말 1~10중량%를 포함하는 입도 8~10㎛의 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계 및 상기 혼합분말을 0.85~1 atm의 질소가스 분위기에서 1800~1900℃의 온도에서 5~20시간 동안 열처리하는 열처리 단계를 포함하되, 상기 열처리 단계 이전에 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스를 투입하고, 1000℃의 온도에서 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스를 투입하며, 상기 열처리 단계가 완료된 후, 상기 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 상기 혼합분말을 -100℃/hr로 냉각하여 질화규소 분말을 수득하는 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법이 제공된다.
여기서, 상기 질화규소 분말은 β상 질화규소 분말이 90중량% 이상인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지고, 상기 제2 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지되, 수분량이 상기 제2 혼합가스 공급량의 0.5~0.6%를 차지하고, 불화수소가스 공급량이 질소가스 공급량의 0.001~0.5%를 차지하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 질화규소 분말 93~98중량%에 산화이트륨 1~5중량%, 질화알루미늄 0.5~1중량% 및 산화하프늄 0.5~1중량%를 포함하는 소결조제를 첨가한 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계 및 상기 혼합분말을 몰드에 충진한 후, 0.85~1atm의 질소가스 분위기에서 150~300kg/cm2의 압력으로 가압하면서 1750~1850℃의 온도로 2~6시간동안 유지하는 가압소결을 통해 질화규소 소결체를 제조하는 가압소결 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체 제조방법이 제공된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 질화규소분말 91~98mol%에 산화이트븀, 산화이트륨 및 산화마그네슘 중 적어도 둘 이상을 포함하는 소결조제 2~9mol%를 첨가한 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계 및 상기 혼합분말을 금형에 투입한 후, 3ton의 압력으로 냉간등압성형하여 성형물을 제조하는 냉간등압 성형단계 및 상기 성형물을 5~15atm의 질소가스 분위기에서 1800~1950℃의 온도에서 12~48시간 가스압소결하여 질화규소 소결체를 제조하는 가스압 소결단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체 제조방법이 제공된다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 입자의 크기가 미세하면서 종횡비가 1에 가까운 균일한 입도를 가지고, 소결에 적합한 표면 산소량 및 내부산소량을 동시에 만족하는 질화규소 분말을 제조하고, 제조된 질화규소 분말을 이용하여 질화규소 소결체를 제조함에 따라 열전도성 및 고온에서의 기계적 강도가 우수한 질화규소 회로기판에 적용할 수 있는 질화규소 소결체를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화규소 분말 제조방법의 공정흐름을 도시한 것.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말과 종래 직접질화법에 의해 제조된 질화규소 분말을 전자현미경으로 촬영한 사진.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말의 XRD(X-Ray Diffracomery) 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화규소 분말 제조방법의 공정흐름을 도시한 것.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말을 전자현미경으로 촬영한 사진.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말의 RD(X-Ray Diffracomery) 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화규소 소결체 제조방법의 공정흐름을 도시한 것.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화규소 소결체 제조방법의 공정흐름을 도시한 것.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말과 종래 직접질화법에 의해 제조된 질화규소 분말을 전자현미경으로 촬영한 사진.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말의 XRD(X-Ray Diffracomery) 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화규소 분말 제조방법의 공정흐름을 도시한 것.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말을 전자현미경으로 촬영한 사진.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말의 RD(X-Ray Diffracomery) 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화규소 소결체 제조방법의 공정흐름을 도시한 것.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화규소 소결체 제조방법의 공정흐름을 도시한 것.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화규소 분말 제조방법의 공정흐름을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 질화규소 분말 제조방법은 혼합분말 준비단계(S1), 열처리 단계(S2) 및 냉각 단계(S3)를 포함한다.
혼합분말 준비단계에서는 규소분말(Si) 69~98중량%와, 씨드물질로 α상 질화규소 분말(α-Si3N4) 1~30중량%와, 첨가제로 이산화규소 분말(SiO2) 1~10중량%를 혼합한 원료를 볼밀에 투입한 후, 48시간동안 건식 혼합하여 입도 8~10㎛의 혼합분말을 준비한다.(S1)
열처리 단계에서는 혼합분말 준비단계에서 준비한 혼합분말을 그라파이트 소재의 합성 전기로에 넣고, 0.85~1atm의 질소가스 분위기에서 1450~1750℃의 온도에서 5~20시간 동안 열처리하는 단계이다.
이 때, 본 발명은 위와 같은 열처리 단계 이전의 승온과정에서 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스(N2-H2)를 투입하고, 1000℃의 온도에서 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스를 60~80℃의 물이 담겨진 수조를 통과시켜 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스(H2O-N2-H2-HF)를 투입한다.
여기서, 제1 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지고, 제2 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지되, 수분량(H2O)이 제2 혼합가스 공급량의 0.5~0.6%를 차지하고, 불화수소가스 공급량이 질소가스 공급량의 0.001~0.5%를 차지하는 것을 특징으로 한다.
위와 같이, 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스를 투입한 후, 열처리하는 단계에서는 하기 반응식1, 반응식2 및 반응식3 과 같은 반응이 일어난다.
<반응식1>
3Si + 2N2 → α-Si3N4(solid)
SiO2 + H2 → SiO + H2O
<반응식2>
SiO + 2N2 → α-Si3N4(solid) + 3/2O2
<반응식3>
α-Si3N4(solid) + 4H2O + 18HF → 3H2SiF6 + 4NH4OH
본 발명은 상기 반응식1 및 반응식2를 통해 생성된 α상 질화규소 분말(α-Si3N4(solid))이 반응식 3을 통해 규불산(3H2SiF6)과 암모니아수(4NH4OH)로 변환된다.
이 때, 규불산(3H2SiF6)은 반응식1 및 반응식2를 통해 생성된 α상 질화규소 분말(α-Si3N4(solid))보다 더 미세하고 균일한 입자로 분리되고, 미세하고 균일한 입자로 분리된 규불산(3H2SiF6)이 질소와 재반응하여 α상 질화규소 분말(α-Si3N4(solid))을 재생성하는 과정을 반복하게 된다.
따라서, 최종적으로 생성되는 α상 질화규소 분말(α-Si3N4(solid))은 소결에 적합한 미세하고 균일한 입자로 생성된다.(S2)
냉각 단계에서는 열처리 단계가 완료된 후, 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 혼합분말을 서냉하여 질화규소 분말을 수득한다.
위와 같이, 수득된 질화규소 분말은 소결에 적합한 α상 질화규소 분말(α-Si3N4(solid))이 총 중량에 대해 90중량% 이상인 것을 특징으로 한다.(S3)
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제조방법에 따라 질화규소 분말을 제조하였다.
[실시예1]
규소분말 98중량%와, 씨드물질로 α상 질화규소 분말 15중량%와, 첨가제로 이산화규소 분말 5중량%를 혼합한 원료를 볼밀에 투입한 후, 48시간 동안 건식 혼합하여 입도 8㎛의 혼합분말을 준비하였다.
준비된 혼합분말을 그라이파트 소재의 합성 전기로에 넣고, 1atm의 질소가스 분위기에서 1550℃의 온도에서 10시간 동안 열처리 하였다.
그리고, 열처리 단계 이전의 승온과정에서 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스(N2-H2)를 투입하고, 1000℃의 온도에서 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스를 60~80℃의 물이 담겨진 수조를 통과시켜 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스(H2O-N2-H2-HF)를 투입하였다.
여기서, 제1 혼합가스는 질소가스 50부피%, 수소가스 50부피%로 이루어지도록 설정하고, 제2 혼합가스는 질소가스 50부피%, 수소가스 50부피%로 이루어지되, 수분량(H2O)이 제2 혼합가스 공급량의 0.5~0.6%를 차지하고, 불화수소가스 공급량이 질소가스 공급량의 0.001~0.5%를 차지하도록 설정하였다.
위와 같은 조건에서 열처리가 완료된 후, 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 혼합분말을 서냉하여 질화규소 분말을 수득하였다.
[실시예2]
실시예 2는 실시예 1과 비교하여 혼합분말에 첨가제인 이산화규소 분말 10중량%가 혼합되는 것이 차이가 있을 뿐, 나머지 과정은 실시예 1과 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
위와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 실시예 1 및 실시예 2의 질화규소 분말과 종래 직접질화법에 의해 제조된 질화규소 분말을 전자 현미경으로 촬영하였다.
그 결과, 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말의 입자(도2의 (a))가 종래 직접질화법에 의해 제조된 질화규소 분말의 입자(도2의 (b))에 비해 미세하고 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말의 산소량을 측정한 결과, 하기 표1과 같이, 소결에 적합한 표면산소량 및 내부산소량을 함유하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
<표1>
그리고, 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 실시예 1 및 실시예 2의 질화규소 분말의 XRD(X-Ray Diffractomery) 분석결과, 도 3a 및 도 3b에서 보는 바와 같이, α상 Si3N4, β 상 Si3N4 및 Si 상이 확인되었다.
한편, TOPAS(Rietveld software) 프로그램을 이용하여 Rietveld 정량분석 결과 하기 표2와 같이, 실시예 1 및 실시예 2 모두 다 α상 Si3N4 가 90% 이상으로 확인되었으며, 특히 SiO2 10중량%를 첨가한 실시예 2가 SiO2 5중량%를 첨가한 실시예 1에 비해 알파화율이 95% 이상으로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
<표2>
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 질화규소 분말 제조방법의 공정흐름을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화규소 분말 제조방법은 혼합분말 준비단계(S1), 열처리 단계(S2) 및 냉각 단계(S3)를 포함한다.
혼합분말 준비단계에서는 규소분말(Si) 69~98중량%와, 씨드물질로 α상 질화규소 분말(α-Si3N4) 1~30중량%와, 첨가제로 이산화규소 분말(SiO2) 1~10중량%를 혼합한 원료를 볼밀에 투입한 후, 48시간동안 건식 혼합하여 입도 8~10㎛의 혼합분말을 준비한다.(S1)
열처리 단계에서는 혼합분말 준비단계에서 준비한 혼합분말을 그라파이트 소재의 합성 전기로에 넣고, 0.85~1atm의 질소가스 분위기에서 1800~1900℃의 온도에서 5~20시간 동안 열처리하는 단계이다.
이 때, 본 발명은 위와 같은 열처리 단계 이전의 승온과정에서 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스(N2-H2)를 투입하고, 1000℃의 온도에서 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스를 60~80℃의 물이 담겨진 수조를 통과시켜 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스(H2O-N2-H2-HF)를 투입한다.
여기서, 제1 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지고, 제2 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지되, 수분량(H2O)이 제2 혼합가스 공급량의 0.5~0.6%를 차지하고, 불화수소가스 공급량이 질소가스 공급량의 0.001~0.5%를 차지하는 것을 특징으로 한다.
위와 같이, 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스를 투입한 후, 열처리하는 단계에서는 하기 반응식1, 반응식2 및 반응식3 과 같은 반응이 일어난다.
<반응식4>
3Si + 2N2 → β-Si3N4(solid)
SiO2 + H2 → SiO + H2O
<반응식5>
SiO + 2N2 → β-Si3N4(solid) + 3/2O2
<반응식6>
β-Si3N4(solid) + 4H2O + 18HF → 3H2SiF6 + 4NH4OH
본 발명은 상기 반응식4 및 반응식5를 통해 생성된 β상 질화규소 분말(β-Si3N4(solid))이 반응식 6을 통해 규불산(3H2SiF6)과 암노미아수(4NH4OH)로 변환된다.
이 때, 규불산(3H2SiF6)은 반응식4 및 반응식5를 통해 생성된 β상 질화규소 분말(β-Si3N4(solid))보다 더 미세하고 균일한 입자로 분리되고, 미세하고 균일한 입자로 분리된 규불산(3H2SiF6)이 질소와 재반응하여 β상 질화규소 분말(α-Si3N4(solid))을 재생성하는 과정을 반복하게 된다.
따라서, 최종적으로 생성되는 β상 질화규소 분말(α-Si3N4(solid))은 소결에 적합한 미세하고 균일한 입자로 생성된다.(S2)
냉각 단계에서는 열처리 단계가 완료된 후, 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 혼합분말을 -100℃/hr로 서냉하여 질화규소 분말을 수득한다.
위와 같이, 수득된 질화규소 분말은 소결에 적합한 β상 질화규소 분말(α-Si3N4(solid))이 총 중량에 대해 90중량% 이상인 것을 특징으로 한다.(S3)
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제조방법에 따라 질화규소 분말을 제조하였다.
[실시예 3]
규소분말 98중량%와, 씨드물질로 α상 질화규소 분말 15중량%와, 첨가제로 이산화규소 분말 5중량%를 혼합한 원료를 볼밀에 투입한 후, 48시간 동안 건식 혼합하여 입도 8㎛의 혼합분말을 준비하였다.
준비된 혼합분말을 그라이파트 소재의 합성 전기로에 넣고, 1atm의 질소가스 분위기에서 1800℃의 온도에서 10시간 동안 열처리 하였다.
그리고, 열처리 단계 이전의 승온과정에서 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스(N2-H2)를 투입하고, 1000℃의 온도에서 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스를 60~80℃의 물이 담겨진 수조를 통과시켜 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스(H2O-N2-H2-HF)를 투입하였다.
여기서, 제1 혼합가스는 질소가스 50부피%, 수소가스 50부피%로 이루어지도록 설정하고, 제2 혼합가스는 질소가스 50부피%, 수소가스 50부피%로 이루어지되, 수분량(H2O)이 제2 혼합가스 공급량의 0.5~0.6%를 차지하고, 불화수소가스 공급량이 질소가스 공급량의 0.001~0.5%를 차지하도록 설정하였다.
위와 같은 조건에서 열처리가 완료된 후, 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 혼합분말을 -100℃/hr로 서냉하여 질화규소 분말을 수득하였다.
위와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 실시예 3의 질화규소 분말을 전자현미경으로 촬영하였다.
그 결과, 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말의 입자(실시예 3)가 배율 1000배로 촬영된 도 5의 (a) 및 배율 3000배로 촬영된 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 미세하고 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말의 XRD(X-Ray Diffractomery) 분석결과, 도 6에서 보는 바와 같이, β상 Si3N4 및 SiCN 상이 확인되었다.
한편, TOPAS(Rietveld software) 프로그램을 이용하여 Rietveld 정량분석 결과 하기 표3과 같이, 실시예 3이 β 상 Si3N4가 97% 이상으로 베타화율이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
<표3>
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화규소 소결체 제조방법의 공정흐름을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 질화규소 소결체 제조방법은 혼합분말 준비단계(S1) 및 가압 소결단계(S2)를 포함한다.
혼합분말 준비단계에서는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말(Si3N4) 93~98중량%에 산화이트륨(Y2O3) 1~5중량%, 질화알루미늄(AlN) 0.5~1중량% 및 산화하프늄(HfO2) 0.5~1중량%를 포함하는 소결조제를 첨가하여 에탄올 용매로 습식 볼밀 혼합한 후, 건조하여 조립의 혼합분말을 준비한다.(S1)
가압 소결단계에서는 혼합분말 준비단계에서 준비한 혼합분말을 그라파이트 소재의 몰드에 충전한 후, 0.85~1atm의 질소가스 분위기에서 150~300kg/cm2의 압력으로 가압하면서 1750~1850℃의 온도로 2~6시간 동안 유지하는 가압소결을 통해 질화규소 소결체를 제조한다.(S2)
이하에서는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제조방법에 따라 질화규소 소결체를 제조하고, 비교예로 일본 우베(UBE)사에서 판매하는 E-10그레이드 질화규소분말을 사용하여 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제조방법과 동일한 방법으로 질화규소 소결체를 제조하였다.
[실시예 4]
실시예 1에서 제조된 질화규소분말 93.5중량%에 산화이트륨 5중량%, 질화알루미늄 1중량% 및 산화하프늄 0.5중량%를 포함하는 소결조제를 넣고 에탄올 용매로 습식 볼밀 혼합한 후, 건조하여 조립의 혼합분말을 준비하였다.
준비된 혼합분말을 그라파이트 소재의 몰드에 충전한 후, 1atm의 질소가스 분위기에서 300kg/cm2의 압력으로 가압하면서 1780℃의 온도로 4시간 동안 유지하는 가압소결을 통해 질화규소 소결체를 제조하였다.
[비교예]
일본 우베(UBE)사의 E-10그레이드 질화규소분말 93.5중량%에 산화이트륨 5중량%, 질화알루미늄 1중량% 및 산화하프늄 0.5중량%를 포함하는 소결조제를 넣고 에탄올 용매로 습식 볼밀 혼합한 후, 건조하여 조립의 혼합분말을 준비하였다.
준비된 혼합분말을 그라파이트 소재의 몰드에 충전한 후, 1atm의 질소가스 분위기에서 300kg/cm2의 압력으로 가압하면서 1780℃의 온도로 4시간 동안 유지하는 가압소결을 통해 질화규소 소결체를 제조하였다.
위와 같이, 제조된 실시예 4의 질화규소 소결체와 비교예의 질화규소 소결체의 상대밀도를 아르키메데스법으로 측정하였고, 실시예 4 및 비교예의 질화규소 소결체를 3×4×409(mm)로 가공하여 3점굽힘강도를 JIS-R1601로 측정하였으며, 파괴인성을 JIS-R1607로 측정하였다. 측정된 결과는 아래 표 4에 나타내었다.
<표 4>
상기 표 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따라 제조된 실시예 4의 질화규소 소결체가 비교예에 비해 상대밀도, 상온 및 고온에서의 3점굽힘강도 및 파괴인성이 높은 것으로 나타나 본 발명의 제3 실시예에 따라 제조된 실시예 4의 질화규소 소결체가 기계적 강도가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화규소 소결체 제조방법의 공정흐름을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 질화규소 소결체 제조방법은 혼합분말 준비단계(S1), 냉간등압 성형단계(S2) 및 가스압 소결단계(S3)를 포함한다.
혼합분말 준비단계에서는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제조된 질화규소 분말(Si3N4) 91~98mol%에 산화이트븀(Yb2O3), 산화이트륨(Y2O3) 및 산화마그네슘(MgO)을 포함하는 소결조제 2~9mol%를 넣고 메탄올 용매로 습식 볼밀 혼합한 후, 건조하여 조립의 혼합분말을 준비한다.(S1)
냉간등압 성형단계에서는 혼합분말 준비단계에서 준비한 혼합분말을 금형에 투입한 후, 3ton의 압력으로 냉간등압성형하여 성형물을 제조한다.(S2)
가스압 소결단계에서는 냉간등압 성형단계에서 제조된 성형물을 5~15atm의 질소분위기에서 1800~1950℃의 온도에서 12~48시간 가스압소결하여 질화규소 소결체를 제조한다.(S3)
이하에서는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 제조방법에 따라 질화규소 소결체를 제조하였다.
[실시예 5]
실시예 2에서 제조된 질화규소 분말 93mol%에 산화이트븀 2mol% 및 산화마그네슘 5mol%를 포함하는 소결조제 7mol%를 넣고 메탄올 용매로 습식 볼밀 혼합한 후, 건조하여 조립의 혼합분말을 준비하였다.
준비된 혼합분말을 금형에 투입한 후, 3ton의 압력으로 냉간등압성형하여 성형물을 제조하였다.
제조된 성형물을 9atm의 질소가스 분위기에서 1850℃의 온도에서 12시간 가스압소결하여 질화규소 소결체를 제조하였다.
[실시예 6]
실시예 5와 비교하여 가스압소결 시간이 24시간으로 증가한 것이 차이가 있을 뿐 나머지는 실시예 5와 동일하다.
[실시예 7]
실시예 5와 비교하여 가스압소결 시간이 48시간으로 증가한 것이 차이가 있을 뿐 나머지 제조방법은 실시예 5와 동일하다.
[실시예 8]
실시예 5와 비교하여 소결조제로 산화이트븀 2mol% 대신 산화이트륨 2mol%가 사용되는 것이 차이가 있을 뿐 나머지는 실시예 5와 동일하다.
[실시예 9]
실시예 5와 비교하여 소결조제로 산화이트븀 2mol% 대신 산화이트륨 2mol%가 사용되고, 가스압소결시간이 24시간으로 증가한 것이 차이가 있을 뿐 나머지 제조방법은 실시예 5와 동일하다.
[실시예 10]
실시예 5와 비교하여 소결조제로 산화이트븀 2mol% 대신 산화이트륨 2mol%가 사용되고, 가스압소결시간이 48시간으로 증가한 것이 차이가 있을 뿐 나머지 제조방법은 실시예 5와 동일하다.
위와 같이, 제조된 실시예 5 내지 실시예 10의 열전도율을 측정하였으며, 측정된 값은 하기 표 5에 나타내었다.
<표 5>
상기 표 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따라 제조된 실시예5 내지 실시예 10의 질화규소 소결체는 열전도율이 모두 80 이상으로 높은 것으로 나타나, 본 발명의 제 4 실시예에 따라 제조된 질화규소 소결체가 열전도율도 우수한 것을 확인할 수 있었다.
비록 본 발명이 상기 바람직한 실시 예들과 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허 청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
부호 없음
Claims (8)
- 규소 분말 69~98중량%와, α상 질화규소 분말 1~30중량%와, 이산화규소 분말 1~10중량%를 포함하는 입도 8~10㎛의 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계와;
상기 혼합분말을 0.85~1 atm의 질소가스 분위기에서 1450~1750℃의 온도에서 5~20시간 동안 열처리하는 열처리 단계를 포함하되,
상기 열처리 단계 이전에 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스를 투입하고, 1000℃의 온도에서 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스를 투입하며,
상기 열처리 단계가 완료된 후, 상기 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 상기 혼합분말을 서냉하여 질화규소 분말을 수득하는 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 질화규소 분말은 총 중량에 대해 α상 질화규소분말이 90중량% 이상인 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지고,
상기 제2 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지되, 수분량이 상기 제2 혼합가스 공급량의 0.5~0.6%를 차지하고, 불화수소가스 공급량이 질소가스 공급량의 0.001~0.5%를 차지하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
- 규소 분말 69~98중량%와, α상 질화규소 분말 1~30중량%와, 이산화규소 분말 1~10중량%를 포함하는 입도 8~10㎛의 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계와;
상기 혼합분말을 0.85~1 atm의 질소가스 분위기에서 1800~1900℃의 온도에서 5~20시간 동안 열처리하는 열처리 단계를 포함하되,
상기 열처리 단계 이전에 600℃의 온도에서 질소가스 및 수소가스가 혼합된 제1 혼합가스를 투입하고, 1000℃의 온도에서 수분, 질소가스, 수소가스 및 불화수소가스가 혼합된 제2 혼합가스를 투입하며,
상기 열처리 단계가 완료된 후, 상기 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 공급을 중단하고, 열처리된 상기 혼합분말을 -100℃/hr로 냉각하여 질화규소 분말을 수득하는 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 질화규소 분말은 β상 질화규소 분말이 90중량% 이상인 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지고,
상기 제2 혼합가스는 질소가스 50~90부피%, 수소가스 10~50부피%로 이루어지되, 수분량이 상기 제2 혼합가스 공급량의 0.5~0.6%를 차지하고, 불화수소가스 공급량이 질소가스 공급량의 0.001~0.5%를 차지하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 질화규소 분말을 이용하여 질화규소 소결체를 제조하는 방법에 있어서,
상기 질화규소 분말 93~98중량%에 산화이트륨 1~5중량%, 질화알루미늄 0.5~1중량% 및 산화하프늄 0.5~1중량%를 포함하는 소결조제를 첨가한 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계와;
상기 혼합분말을 몰드에 충진한 후, 0.85~1atm의 질소가스 분위기에서 150~300kg/cm2의 압력으로 가압하면서 1750~1850℃의 온도로 2~6시간동안 유지하는 가압소결을 통해 질화규소 소결체를 제조하는 가압소결 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체 제조방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 질화규소 분말을 이용하여 질화규소 소결체를 제조하는 방법에 있어서,
상기 질화규소분말 91~98mol%에 산화이트븀, 산화이트륨 및 산화마그네슘 중 적어도 둘 이상을 포함하는 소결조제 2~9mol%를 첨가한 혼합분말을 준비하는 혼합분말 준비단계와;
상기 혼합분말을 금형에 투입한 후, 3ton의 압력으로 냉간등압성형하여 성형물을 제조하는 냉간등압 성형단계와;
상기 성형물을 5~15atm의 질소가스 분위기에서 1800~1950℃의 온도에서 12~48시간 가스압소결하여 질화규소 소결체를 제조하는 가스압 소결단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체 제조방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210189291A KR102641152B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 질화규소 분말 및 질화규소 소결체의 제조방법 |
| US18/080,016 US20230339755A1 (en) | 2021-12-28 | 2022-12-13 | Synthesis method of silicon nitride powder and sintered body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210189291A KR102641152B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 질화규소 분말 및 질화규소 소결체의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230099878A true KR20230099878A (ko) | 2023-07-05 |
| KR102641152B1 KR102641152B1 (ko) | 2024-02-27 |
Family
ID=87158851
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210189291A KR102641152B1 (ko) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 질화규소 분말 및 질화규소 소결체의 제조방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230339755A1 (ko) |
| KR (1) | KR102641152B1 (ko) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS561145B2 (ko) | 1976-08-30 | 1981-01-12 | ||
| KR0183363B1 (ko) * | 1997-03-14 | 1999-04-15 | 박원훈 | 이층 미세구조를 가지는 질화규소 소재 및 그의 제조 방법 |
| JP2000034172A (ja) | 1998-05-12 | 2000-02-02 | Toshiba Corp | 高熱伝導性窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
| JP2000095569A (ja) * | 1999-10-08 | 2000-04-04 | Toshiba Corp | 高熱伝導性窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
| KR100833962B1 (ko) * | 2000-09-20 | 2008-05-30 | 히다찌긴조꾸가부시끼가이사 | 질화규소 분말, 질화규소 소결체, 질화규소 소결체 기판,및 그 질화규소 소결체 기판을 포함한 회로기판 및열전소자 모듈 |
| KR20170003259A (ko) * | 2015-06-30 | 2017-01-09 | 주식회사 엘지화학 | 소결체, 질화규소 소결용 조성물 및 소결체의 제조방법 |
| KR102047662B1 (ko) * | 2017-11-30 | 2019-11-22 | (주) 존인피니티 | 신규한 질화규소 분말의 제조방법 |
-
2021
- 2021-12-28 KR KR1020210189291A patent/KR102641152B1/ko active IP Right Grant
-
2022
- 2022-12-13 US US18/080,016 patent/US20230339755A1/en active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS561145B2 (ko) | 1976-08-30 | 1981-01-12 | ||
| KR0183363B1 (ko) * | 1997-03-14 | 1999-04-15 | 박원훈 | 이층 미세구조를 가지는 질화규소 소재 및 그의 제조 방법 |
| JP2000034172A (ja) | 1998-05-12 | 2000-02-02 | Toshiba Corp | 高熱伝導性窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
| JP2000095569A (ja) * | 1999-10-08 | 2000-04-04 | Toshiba Corp | 高熱伝導性窒化けい素焼結体およびその製造方法 |
| KR100833962B1 (ko) * | 2000-09-20 | 2008-05-30 | 히다찌긴조꾸가부시끼가이사 | 질화규소 분말, 질화규소 소결체, 질화규소 소결체 기판,및 그 질화규소 소결체 기판을 포함한 회로기판 및열전소자 모듈 |
| KR20170003259A (ko) * | 2015-06-30 | 2017-01-09 | 주식회사 엘지화학 | 소결체, 질화규소 소결용 조성물 및 소결체의 제조방법 |
| KR102047662B1 (ko) * | 2017-11-30 | 2019-11-22 | (주) 존인피니티 | 신규한 질화규소 분말의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230339755A1 (en) | 2023-10-26 |
| KR102641152B1 (ko) | 2024-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100341696B1 (ko) | 고열전도성 질화규소 소결체 및 그 제조방법 | |
| Hirao et al. | High thermal conductivity silicon nitride ceramics | |
| JP5836522B2 (ja) | 窒化ケイ素基板の製造方法 | |
| CN111285692A (zh) | 一种高导热Si3N4陶瓷及其制备方法 | |
| KR101793036B1 (ko) | 열전도성이 우수한 질화규소 소결체의 제조방법 | |
| CN108863395B (zh) | 一种高热导率、高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法 | |
| JPH05238830A (ja) | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 | |
| KR102641152B1 (ko) | 질화규소 분말 및 질화규소 소결체의 제조방법 | |
| WO2023024273A1 (zh) | 一种非氧化物Y3Si2C2烧结助剂、高性能氮化硅陶瓷基板及其制备方法 | |
| KR102047662B1 (ko) | 신규한 질화규소 분말의 제조방법 | |
| WO2020203683A1 (ja) | 窒化ケイ素焼結体及びその製造方法、並びに積層体及びパワーモジュール | |
| JPH09268069A (ja) | 高熱伝導性材料およびその製造方法 | |
| JP2018070436A (ja) | 窒化ケイ素焼結体の製造方法 | |
| JP2752227B2 (ja) | ＡｌＮ―ＢＮ系複合焼結体およびその製造方法 | |
| KR20220076996A (ko) | 질화 알루미늄 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 | |
| JP2008156142A (ja) | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 | |
| JP2742600B2 (ja) | 窒化アルミニウム質焼結体およびその製造方法 | |
| JP2975882B2 (ja) | 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 | |
| JP2023119264A (ja) | 窒化ケイ素粉末、および、窒化ケイ素粉末の製造方法 | |
| JP2001354479A (ja) | 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法 | |
| JPH10251069A (ja) | 窒化珪素回路基板及び半導体装置 | |
| JP5289184B2 (ja) | 高熱伝導性窒化けい素焼結体の製造方法 | |
| KR20180097052A (ko) | 저유전손실의 질화 알루미늄 세라믹 소재, 세라믹히터 및 이의 제조방법 | |
| JPH11322438A (ja) | 高熱伝導性窒化ケイ素質焼結体及びその製造方法 | |
| JPH0641390B2 (ja) | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体とその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |