JP5595779B2

JP5595779B2 - 電子部品材料用Ｓｉ粉末

Info

Publication number: JP5595779B2
Application number: JP2010095630A
Authority: JP
Inventors: 俊之澤田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-04-19
Also published as: JP2011225391A

Description

本発明は、粉末充填体としての電流遮断性と熱伝導性が高く、かつ充填密度の高い、安価な電子部品材料用Ｓｉ粉末に関するものである。

一般に、Ｓｉは半導体元素であり固有抵抗が高いことが大きな特徴であり、ＦｅやＮｉなどの金属と比較すると、２〜５桁も大きい特徴を有しており、様々な電子部品に使用されている。しかしながら、Ｓｉの固有抵抗は不純物の影響を大きく受ける。特にＦｅはＳｉと化合物を生成し、固有抵抗を下げてしまう不純物的元素である。通常、電子部品などに使用するＳｉ粉末は、母材として半導体や太陽電池に使用されるＳｉウェハーなど、高純度のバルク体を粉砕して製造されることから、Ｆｅを主体とした不純物の量は低いが、製造コストはかなり高価である。これらのＳｉウェハーの純度は一般的に５Ｎ以上にもなる。

そこで発明者は、高純度Ｓｉの原料としては通常は使用されることのない、安価なＳｉ原料である主に鉄鋼材料を製造する際に添加材として使用されるＳｉ原料に着目したが、安価ではあるが純度が９８〜９９％程度と極めて低く、特に不純物としてＦｅを多く含有しているので、これを原料として粉砕したＳｉ粉末では高い固有抵抗は期待できなかった。このように、安価なＳｉ原料を使用して、高い固有抵抗を有するＳｉ粉末を作製することは従来困難であった。

また、一般に市販されているＳｉ粉末はＳｉウェハーなどのバルク体を粉砕したものであり不定形状である。そのため、充填密度が低い。Ｓｉ粉末の充填体を絶縁性ヒートシンク体として使用する場合、熱伝導性が重要になるが、この熱伝導性はＳｉ粉末の充填密度の影響が大きい。これは、一定の体積中に熱を伝えるＳｉ粉末を多く充填することにより、充填体の熱伝導性が良好になるものと推測される。しかしながら、バルク体の粉砕粉末では、タップ密度は真密度のおよそ６０％以下と低く、熱伝導性が低い。このように、安価なＳｉ原料からなり、その充填体の電流遮断性と熱伝導性が高いＳｉ粉末が望まれているが、十分な特性を有するＳｉ粉末が実現されていないのが現状である。

このようなＳｉ粉末は、例えば特開２００５−６０８３０号公報（特許文献１）に開示されいるように、軟磁性粉末表面に、Ｓｉ粉末を被覆する電子部品などに使用される。
特開２００５−６０８３０号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載されているような絶縁に用いるＳｉ粉末や、ヒートシンク体として用いるＳｉ粉末として、電流遮断性と熱伝導性について十分な特性には至っていない。

上述したような問題を解消するために、発明者は鋭意開発を進めた結果、粉末充填体としての電流遮断性と熱伝導性が高く、かつ充填密度の高い安価なＳｉ粉末を提供するものである。その発明の要旨とするところは、
Ｆｅ：０．０１〜２質量％含み、残部Ｓｉおよび不可避的不純物からなり、内部に生成する膜状不純相の厚さが２μｍ以下である、球形状もしくは概ね球形状であることを特徴とした電子部品材料用Ｓｉ粉末にある。

上述したように、本発明により、粉末充填体としての電流遮断性と熱伝導性が高く、かつ充填密度の高い安価なＳｉ粉末を提供できる。

以下、本発明について詳細に説明する。
発明者らはまず、充填密度の高い粉末として、市販されている不定形状の粉砕粉末ではなく、概ね球形状の粉末が作製されるガスアトマイズ法に着目した。実際、ガスアトマイズ法で作製したＳｉ粉末は、概ね球状をしており、後述する実施例の通り充填密度に優れた。これは一般的なＦｅやＮｉなどのガスアトマイズ粉末の特徴と同様である。

しかしながら、ガスアトマイズ法で作製したＳｉ粉末は、さらに、Ｓｉならではの下記の特徴を有していることを見出した。ガスアトマイズ法によるＳｉ粉末と粉砕法によるＳｉ粉末を詳細に調査した結果、ガスアトマイズＳｉ粉末は同程度のＦｅを不純物として含んでいるバルク体粉砕粉末と比較し、電流遮断性に優れていることがわかった。

この現象について詳細な要因は不明であるが、次のことが推測される。Ｆｅは単にＳｉとの化合物の固有抵抗が低いだけでなく、Ｓｉ−Ｆｅ系２元状態図からわかるように、Ｓｉ固体相中に全く固溶しないため、わずかなＦｅ量を不純物として含んでいるだけでも、Ｓｉの溶湯を凝固させる際、まず、Ｆｅを残湯部に排出しながらＳｉの結晶が固体として晶出し、ＦｅがＳｉの結晶間に濃縮され、Ｓｉ結晶間に厚く膜状に化合物を生成してしまう。

このようにＳｉ中のＦｅは、不純物としての量だけでなく化合物が膜状に生成しやすいことも固有抵抗に影響を及ぼしやすい要因になっていると考えられる。ここで、ガスアトマイズ粉末は噴霧ガスにより急冷凝固されているため、同程度のＦｅを不純物として含み、したがって、同程度の量の膜状化合物を生成したとしても、比較的膜厚が薄く、分散されていることにより、高い固有抵抗を示すと推測される。

以下、本発明に係る規制した理由について説明する。
Ｆｅを０．０１〜２質量％とした理由は、本発明においては、Ｆｅは不純物的な悪影響を与える元素（以下、Ｆｅ不純物という）であることから、そのＦｅ量が０．０１％未満のＳｉ原料は高価であり、また、２％を超えると電流遮断性が悪くなることから、０．０１〜２質量％とした。好ましくは０．０１〜１．０質量％とする。

内部に生成する膜状不純相の厚さが２μｍ以下とした理由は、内部に生成する膜状不純相（主としてＦｅ不純物を含有する相）の厚さが２μｍを超えると、電流遮断性が悪くなることから、その上限を２μｍとした。また、球形状もしくは概ね球形状とした理由は、バルク体からの粉砕粉のような不定形状の粉末では熱伝導性が悪くなることから、球形状もしくは概ね球形状とした。このような粉末はガスアトマイズ法や回転ディスクアトマイズ法などの方法で得られる。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す供試粉末の製造として、内部に生成する膜状不純相の厚さが異なる数種類のＳｉ粉末を作製するために、Ｆｅ含有量の異なるＳｉ原料を黒鉛坩堝で溶解し、Ｓｉ粉末をガスアトマイズ法により作製し、異なる粒度に分級した。また、比較として、Ｆｅ含有量の異なるＳｉ原料を同様に溶解し、そのまま凝固させたインゴットを、粉砕、分級し、異なる粒度に分級した。粉砕は、金属製ハンマーで約５ｍｍ以下に粗粉砕した後、更にこれを乳鉢を用いて微粉砕した。これらの供試粉末について、以下の評価を行なった。その結果を表１に示す。すなわち、供試粉末の製造工程、内部の膜状不純相の厚さ、充填体の電流遮断性、充填体の熱伝導性、充填密度の評価結果を示す。また、表１では、例えば１５０μｍ以下の粒度を−１５０μｍと記す。

Ｓｉ粉末の外観としては、ＳＥＭ観察により評価し、球状もしくは概ね球状のものを○、不定形状のものを×とした。また、Ｓｉ粉末の内部の膜状不純相の厚さについては、供試粉末を樹脂埋め研磨し、ランダムに選んだ１０粒の粉末のＣｏｍｐｏ像を撮影し、各粉末における膜状不純相の最大厚さを測定し、この平均が２μｍ以下であるものを○、２μｍを超えるものを×とした。このように撮影したＣｏｍｐｏ像の例を図１に示す。すなわち、図１は、Ｓｉ粉末の断面Ｃｏｍｐｏ像を示す顕微鏡写真で、図１（ａ）は低倍率、図１（ｂ）は高倍率のものである。

充填体の電流遮断性については、直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの銅製の円盤を２枚用意し、上下に配置したこの円盤の間に０．５ｇの各供試粉末を挟み込み、上円盤に１００ｇのおもりを載せた。この状態で上下の銅円盤に端子を接続し、１０Ｖの電圧を掛けたときの電流値が１μＡ未満であったものを○、１μＡ以上であったものを×として評価した。

充填体の熱伝導性については、外径６０ｍｍ、内径５０ｍｍ、高さ５０ｍｍの銅製容器に供試粉末を振動充填し、これを１００℃に加熱したホットプレートの上に置いた。さらに、Ｓｉ粉末充填部中央に温度計を挿入し温度を測定し、昇温速度の早さで充填体の熱伝導性を評価した。粉末充填体中に挿入した温度計が７０℃になるまでの時間が表１のＮｏ．１の供試粉末より遅い粉末を×、Ｎｏ．１と同等もしくは早い粉末を○とした。

充填密度の評価としては、供試粉末のタップ密度をＳｉの真密度である２．３３Ｍｇ／ｍ³で割り、１００を掛けた相対密度（％）が６５％以上のものを○、６５％未満のものを×とした。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜９は本発明例であり、Ｎｏ．１０〜２０は比較例である。

比較例Ｎｏ．１０〜１８はいずれも鋳造方法にて製造されたインゴットを、粉砕、分級し、異なる粒度に分級したもので、比較例Ｎｏ．１０〜１３は、形状が不定形状で、内部の膜状不純相の厚さが厚いために、電流遮断性、熱伝導性および充填密度が劣る。比較例Ｎｏ．１４は、形状が不定形状のために、熱伝導性および充填密度が劣る。

比較例Ｎｏ．１５は、比較例Ｎｏ．１４と同様に、形状が不定形状のために、熱伝導性および充填密度が劣る。比較例Ｎｏ．１６、１７、１８は、形状が不定形状で、内部の膜状不純相の厚さが厚いために、電流遮断性、熱伝導性および充填密度が劣る。比較例Ｎｏ．１９は、内部の膜状不純相の厚さが厚いために、電流遮断性が劣る。比較例Ｎｏ．２０は、Ｆｅ含有量が多く、内部の膜状不純相の厚さが厚いために、電流遮断性が劣る。

以上のように、本発明による原料のＦｅ含有量を０．０１〜２質量％に規制すると共に、アトマイズ法により、球形状もしくは概球形状としたＳｉ粉末とすることにより、充填密度の高い、安価なＳｉ原料でも固有抵抗を高くすることができ、また、Ｓｉ粉末内部のＦｅを主体とした不純相の膜厚を２μｍ以下とすることで、固有抵抗を高くすることができる、電子部品に使用する絶縁性ヒートシンク材などに用いるＳｉ粉末を提供することができる。

Ｓｉ粉末の断面Ｃｏｍｐｏ像を示す写真である。

Claims

Ｆｅ：０．０１〜２質量％含み、残部Ｓｉおよび不可避的不純物からなり、内部に生成する膜状不純相の厚さが２μｍ以下である、球形状もしくは概ね球形状であることを特徴とした電子部品材料用Ｓｉ粉末。