JP2002128569A

JP2002128569A - 高熱伝導窒化ケイ素セラミックス並びにその製造方法

Info

Publication number: JP2002128569A
Application number: JP2000318912A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hirao; 喜代司平尾; Hiroyuki Hayashi; 裕之林; Seiji Itaya; 清司板谷
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2002-05-09
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: JP3648541B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高熱伝導窒化ケイ素セラミックス並びにその
製造方法【解決手段】１９００℃以下の低温焼結により、焼結
体の緻密化と粒成長を可能として高熱伝導窒化ケイ素焼
結体を製造する方法であって、窒化ケイ素粉末に少なく
とも窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を含む焼
結助剤を添加し、成形し、次いで、これを１９００℃以
下の温度で焼結し、かつ１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝
導率を有する緻密な焼結体を得ることを特徴とする高熱
伝導窒化ケイ素焼結体の製造方法、及び当該製造方法に
より得られる、１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有
する窒化ケイ素焼結体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた特性を有す
る高熱伝導窒化ケイ素セラミックス及びその製造方法に
関するものであり、更に詳しくは、窒化ケイ素マグネシ
ウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を焼結助剤として用いることによ
り、比較的低温での緻密化と粒成長を可能として高熱伝
導窒化ケイ素焼結体を製造する方法及びその製品に関す
るものである。本発明は、熱機関、熱交換器、ヒートパ
イプ等の機械部品材料や半導体基板、プリント配線基板
等の電気絶縁材料として用いるのに適した高熱伝導窒化
ケイ素焼結体並びにその製造法を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、構造部材として用いられる材料
系については、構造部材としての放熱材料を考えた場
合、最も一般的に用いられる金属材料は、５００℃を越
える条件下において冷却等を行うことなしに用いること
は不可能である。更に、これらの金属材料は、セラミッ
クスに比べて、耐食性、耐酸化性に劣る。更に、導電体
であることから、パワ−デバイスなど高い放熱性を要求
される絶縁基板材料として用いることは難しい。一方、
窒化アルミニウム焼結体、炭化ケイ素焼結体等のセラミ
ック材料は、高い絶縁性と高い熱伝導性を合わせ持つこ
とから、一部、放熱基板材料として使用されるようにな
ってきた。しかし、これらの高熱伝導性セラミックス
は、強度、靱性が低く、機械的信頼性に欠けるため、そ
の用途は非常に限られたものであった。

【０００３】次に、窒化ケイ素系の材料については、一
般に、窒化ケイ素焼結体は、高い強度と高い靱性を合わ
せ持つ優れた構造用セラミック材料として知られてい
る。更に、炭化ケイ素や窒化アルミニウムとの結晶構造
の類似性から窒化ケイ素結晶も高い熱伝導率を持つ。し
かし、多結晶体、即ち、窒化ケイ素焼結体において、１
００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を発現させるには、以
下の例１）〜例４）に例示するように、高温、高圧窒素
中での焼結や、ホットプレス焼結と熱処理を組み合わせ
た方法など、煩雑で、かつ非常にコストのかかるプロセ
スが必要であった。また、以下の例３）と例４）では、
種結晶添加とシ−ト成形などの成形方法を組み合わせた
手法により配向構造を持つ焼結体が作製され、粒子の配
向方向で１２０〜１４０Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率が達成
されている。しかし、これらの焼結体は、著しい熱伝導
率の異方性を示し、配向方向に垂直な方向では高熱伝導
方向の約半分の熱伝導率しか示さない。

【０００４】例１）平均粒径０．５μｍの窒化ケイ素
粉末に０．５〜４ｍｏｌ％のＹ₂ Ｏ₃ とＮｄ₂ Ｏ₃ の等
モル混合物を焼結助剤として添加し、２０００℃、１０
００気圧の窒素圧下で４時間焼結した焼結体の熱伝導率
は１００〜１２０Ｗ／ｍＫであった（Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｅｒａｍｉｃＳ
ｏｃｉｅｔｙ，ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．１１，ｐｐ．２８
７８−８２（１９９６））。

【０００５】例２）比表面積５ｍ² ／ｇの窒化ケイ素
粉末に５ｗｔ％のＹ₂ Ｏ₃ を添加した粉末を１気圧の窒
素中、１８００℃、４０ＭＰａの一軸加圧下で２時間ホ
ットプレス焼結し、更に、１８５０℃で１６時間熱処理
した試料の熱伝導率はホットプレスの加圧方向に垂直な
方向で１１０Ｗ／ｍＫであった（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉ
ｅｔｙ，ｖｏｌ．８２，Ｎｏ．１１，ｐｐ．３１０５−
１２（１９９９））。

【０００６】例３）比表面積１０ｍ² ／ｇの窒化ケイ
素粉末に種結晶として５体積％の棒状窒化ケイ素粒子
（短軸径１μｍ、長軸径１０μｍ）、焼結助剤として５
ｗｔ％のＹ₂ Ｏ₃ 、更に、有機溶剤とバインダ−を混合
して得られたスラリ−をドクタ−ブレ−ド法を用いて、
厚さ約１００μｍに成形し、これを積層して脱脂後、ホ
ットプレスにより緻密化し、更に、９気圧の窒素中、１
８５０℃で２４時間熱処理して配向構造を持つ窒化ケイ
素焼結体を得た（特許第２８８２５７５号（本出願人に
よる特許））。この焼結体は、粒子配向方向で約１２０
Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率を有するが、粒子の配向方向に
垂直な方向での熱伝導率は約７０Ｗ／ｍＫである。

【０００７】例４）平均粒径約０．５μｍの窒化ケイ
素粉末に種結晶として５ｗｔ％の棒状窒化ケイ素粒子
（短軸径１μｍ、長軸径１０μｍ）、焼結助剤として
０．５ｍｏｌ％のＹ₂ Ｏ₃ と０．５ｍｏｌ％Ｎｄ₂ Ｏ
₃ 、更に、有機溶剤とバインダ−を混合して得られたス
ラリ−をドクタ−ブレ−ド法を用いて、厚さ約１００μ
ｍに成形し、これを積層して脱脂後、ホットプレスによ
り緻密化し、更に、３００気圧の窒素中、２２００℃で
４時間熱処理して配向構造を持つ窒化ケイ素焼結体を得
ている（日本セラミックス協会学術論文誌、１０４巻、
１２月号、ｐｐ．１１７１−７３（１９９６））。この
焼結体は、粒子配向方向で約１４０Ｗ／ｍＫの高い熱伝
導率を有するが、粒子の配向方向に垂直な方向での熱伝
導率は約７０Ｗ／ｍＫである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、これ
まで、高熱伝導窒化ケイ素焼結体は、高窒素圧下、高温
で焼結あるいはホットプレスの後熱処理を行うという高
コストのプロセスにより作製されていた。これは、高熱
伝導化には、（１）焼結後に残留する低熱伝導のガラス
相を低減させるために少ない量の焼結助剤で緻密化を行
うこと、（２）粒成長を生じさせ、熱伝導の阻害要因で
ある粒子内部の酸素を低減させること、が必要とされる
からである。このような状況の中で、本発明者らは、上
記従来技術に鑑みて、上記高コストのプロセスによらな
いで高熱伝導窒化ケイ素セラミックスを製造する方法を
開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、
窒化ケイ素粉末に少なくとも窒化ケイ素マグネシウム
（ＭｇＳｉＮ₂ ）を含む焼結助剤を添加する方法を採用
することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、
本発明を完成するに至った。本発明の目的は、高い熱伝
導率を持つ窒化ケイ素焼結体を簡便かつ低コストで製造
するために、低温で緻密化と粒成長が可能な新しい焼結
助剤を開発することにある。また、本発明は、少なくと
も窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を含む焼結
助剤を用いて、低温での緻密化と粒成長を可能とする新
しい高熱伝導窒化ケイ素セラミックスの製造方法を提供
することを目的とするものである。更に、本発明は、上
記製造方法により得られる、１００Ｗ／ｍＫ以上の高い
熱伝導率を有する高熱伝導窒化ケイ素焼結体を提供する
ことを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するめの
本発明は、以下の技術的手段から構成される。（１）１９００℃以下の低温焼結により、焼結体の緻密
化と粒成長を可能として高熱伝導窒化ケイ素焼結体を製
造する方法であって、窒化ケイ素粉末に少なくとも窒化
ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を含む焼結助剤を
添加し、成形し、次いで、これを１９００℃以下の温度
で焼結し、かつ１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有
する緻密な焼結体を得ることを特徴とする高熱伝導窒化
ケイ素焼結体の製造方法。（２）上記（１）記載の製造方法により得られる、１０
０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有することを特徴とす
る高熱伝導窒化ケイ素焼結体。（３）上記（１）記載の製造方法により得られる、窒化
ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を焼結助剤として
用いて作製されたことを特徴とする高熱伝導窒化ケイ素
焼結体。

【００１０】

【発明の実施の形態】窒化ケイ素に焼結助剤として、酸
化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加することが、焼結温度
の低下に非常に有効なことは以前から知られている。し
かし、ＭｇＯをＭｇ源として添加したのでは、低温焼結
は可能であるが粒成長が遅いこと、粒界ガラス相中の酸
素含有量を増加させるため、窒化ケイ素粒子内部の酸素
量の低減が生じにくいことにより、高熱伝導化は困難で
あった。本発明者らは、ＭｇＯに代わるＭｇ源として、
非酸化物を探索した結果、ＭｇＳｉＮ₂ が混合・成形な
ど大気中のプロセスにおいても安定であり、かつ比較的
低温での緻密化と粒成長が可能であることを見出した。
即ち、窒化ケイ素粉末に少なくとも窒化ケイ素マグネシ
ウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）粉末を含む焼結助剤を添加するこ
とにより、１９００℃以下の焼結温度で１００Ｗ／ｍＫ
以上の高い熱伝導率を有する緻密な焼結体を得ることに
成功した。

【００１１】本発明により、高熱伝導窒化ケイ素焼結体
を作製するには、まず、窒化ケイ素原料粉末に少なくと
も窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を含む所定
量の焼結助剤を添加する。この窒化ケイ素マグネシウム
としては、例えば、ケイ化マグネシウム金属粉末（Ｍｇ
₂ Ｓｉ）を窒素雰囲気中１４００℃程度に加熱し合成さ
れたもの（日本セラミックス協会学術論文誌、１０５
巻、９３４−９３９ページ、１９９７年記載の方法）を
粉砕して得た粉末が用いられる。窒化ケイ素原料は、α
型、β型いずれの結晶系のものを用いても良いが、好適
には、平均粒径１μｍ以下の微粉末を用いることが望ま
しい。焼結助剤としては、少なくとも窒化ケイ素マグネ
シウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を含むものを使用することが重
要であり、これ以外に、一般に用いられる焼結助剤、例
えば、Ｓｃ₂ Ｏ₃ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｎｄ₂ Ｏ₃ 、Ｙｂ₂Ｏ₃
等の希土類酸化物、ＨｆＯ₂ 、ＣｅＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 等の
酸化物の１種以上を添加することができる。上記焼結助
剤の添加量は、緻密化の方法（常圧焼結、ガス圧焼結、
ホットプレスなど）により異なるが、高熱伝導化の阻害
要因となる残留ガラス相をできるだけ低減すること、高
熱伝導化には粒成長が必要であるが緻密化の後の粒成長
は残留ガラス相が少ないほど速いこと、等の意味から緻
密化が可能な最少量に留めることが望ましく、具体的に
は焼結助剤量として２〜１０ｍｏｌ％が好ましい。

【００１２】次に、これらの原料の混合に当たっては、
粉体の混合あるいは混練に用いられる遊星ミル、ポット
ミル、トロンメルなどの通常の機械を使用することがで
きる。この混合は、湿式、乾式のどちらでも良いが、望
ましくは湿式において混合される。湿式混合において
は、水、メタノール、エタノール、トルエンなどの溶剤
が用いられるが、窒化ケイ素の酸化を抑えるために有機
溶媒を用いることが望ましい。有機溶剤を用いた場合
は、カチオン性セルロース、ポリカルボン酸などの分散
剤を用いることにより効率良く混合することができる。

【００１３】上記の方法で混合したスラリーから溶媒を
乾燥して得た混合粉末を金型を用いて所定の形状に成形
する。場合によっては成形密度を高めるため金型成形後
に冷間静水圧成形（ＣＩＰ）が行われる。また、上記の
方法で混合したスラリーに、ポリビニルブチラール等の
有機バインダーを適量添加し、ドクターブレード法等に
よるシート成形、あるいは押出し成形などの成形法を用
いて直接シート状の成形体を作製することもできる。

【００１４】次に、上記成形体は、まず、窒素雰囲気
中、６００〜１０００℃の温度で仮焼を行い、有機成分
を加熱除去した後、１９００℃以下、１７００〜１９０
０℃の温度、１〜１０気圧の窒素中で１〜２４時間焼結
する。本発明は、上記特定の焼結助剤を使用することに
より、窒素中の加熱だけで焼結体の緻密化が可能である
が、必要により、ホットプレス処理等を採用することは
適宜可能である。本発明により、１９００℃以下の低温
焼結で、焼結体の緻密化（相対密度で９８％以上）と平
均粒径で１μｍ以上に粒成長した組織を発達させること
が可能となる。

【００１５】

【作用】本発明者らは、窒化ケイ素の高熱伝導化に関す
る基礎的な検討を重ねた結果、窒化ケイ素焼結体の高熱
伝導化には、焼結体を構成する窒化ケイ素粒子内部の不
純物酸素を著しく低減させる必要があること、更に、粒
子内部の酸素低減には十分な粒成長が必要なことを見出
した。即ち、高い純度を持つ窒化ケイ素原料においてさ
え、窒化ケイ素粒子内部には０．５ｗｔ％程度の不純物
酸素が含まれている。高温での緻密化後、液相を介した
溶解再析出反応により微細な原料粉末粒子は大きな粒子
へと成長するが、この際、粒子内部の不純物酸素はガラ
ス相に取り残され、酸素含有量の少ない窒化ケイ素とし
て再析出する。このため、高熱伝導化には、酸素のトラ
ップ効果を高めるため酸素含有量の少ない液相を生成さ
せること、平均粒径として２倍以上となるような十分な
粒成長を起こすことが重要である。本発明において、窒
化ケイ素粉末に少なくとも窒化ケイ素マグネシウム（Ｍ
ｇＳｉＮ₂ ）を含む焼結助剤を添加することにより、液
相中の酸素含有量を増加させることなく焼結温度の低下
に必要なＭｇを液相の構成元素として添加でき、更に、
窒化物として添加するので液相中の窒素濃度が高くなり
粒成長が促進され、その結果、焼結温度の低下と高熱伝
導化が同時に達成される。

【００１６】

【実施例】次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説
明するが、本発明は当該実施例によって何ら限定される
ものではない。実施例（１）窒化ケイ素焼結体の作製ケイ化マグネシウム（ＭｇＳｉ₂ ）を窒素気流中１４０
０℃で５分間加熱することにより窒化ケイ素マグネシウ
ム（ＭｇＳｉＮ₂ ）粉末を合成した。平均粒子径０．５
μｍのβ−窒化ケイ素粉末に、０．５ｗｔ％の分散剤、
５ｍｏｌ％の窒化ケイ素マグネシウム粉末及び２〜５ｍ
ｏｌ％の酸化イッテリビウム（Ｙｂ₂ Ｏ₃ ）を添加し、
メタノ−ルを分散媒とし窒化ケイ素製ポットと窒化ケイ
素製ボ−ルを用いて２時間遊星ミル混合を行った。エバ
ポレ−タを用いてメタノ−ルを蒸発させた後、窒素中８
００℃で仮焼し有機分を除去した。得られた粉末は金型
を用いて直径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍのペレットに成形
し、更に、５ｔｏｎ／ｃｍ² の圧力でＣＩＰ処理した。
成形体を窒化ホウ素（ＢＮ）製ルツボに設置し、１０気
圧の加圧窒素中、１９００℃で２〜２４時間焼結を行っ
た。

【００１７】（２）窒化ケイ素焼結体の特性焼結体の表面を研削し、厚さ約２ｍｍの円盤状試験片を
作製し、レ−ザ−フラッシュ法を用いて熱伝導率を測定
した。表１に、この様にして得られた焼結体の密度、熱
伝導率をまとめて示す。

【００１８】比較例上記実施例において、ＭｇＳｉＮ₂ の代わりに平均粒子
径０．２μｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を２〜５ｍ
ｏｌ％添加する以外は、実施例と全く同じ方法で作製し
た窒化ケイ素焼結体の特性も合わせて表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１から明らかなように、本発明の方法に
より得られた窒化ケイ素焼結体は、相対密度で９８％以
上に緻密化し、１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を示
す。焼結体の切断面から平均粒子径を測定した結果、Ｍ
ｇＯ添加では平均粒子径が１μｍ前後であったのに対
し、ＭｇＳｉＮ₂ を添加した本発明の焼結体は１．２〜
３．８μｍの平均粒子径を有しており、ＭｇＳｉＮ₂ 添
加が粒成長の促進に有効であることが分かる。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明は、窒化ケイ
素粉末に少なくとも窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉ
Ｎ₂ ）を含む焼結助剤を添加し、成形し、次いで、これ
を１９００℃以下の温度で焼結することを特徴とする高
熱伝導窒化ケイ素セラミックスの製造方法に係り、本発
明により、１）１９００℃以下の低温焼結で焼結体の緻
密化と粒成長を可能とする、２）１００Ｗ／ｍｌ以上の
高い熱伝導率の窒化ケイ素焼結体が得られる、という格
別の効果が得られる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１９００℃以下の低温焼結により、焼結
体の緻密化と粒成長を可能として高熱伝導窒化ケイ素焼
結体を製造する方法であって、窒化ケイ素粉末に少なく
とも窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を含む焼
結助剤を添加し、成形し、次いで、これを１９００℃以
下の温度で焼結し、かつ１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝
導率を有する緻密な焼結体を得ることを特徴とする高熱
伝導窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【請求項２】上記請求項１記載の製造方法により得ら
れる、１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を有すること
を特徴とする高熱伝導窒化ケイ素焼結体。
【請求項３】上記請求項１記載の製造方法により得ら
れる、窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ₂ ）を焼結
助剤として用いて作製されたことを特徴とする高熱伝導
窒化ケイ素焼結体。