JP7615652B2 - Silicon nitride green sheet and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、窒化シリコンの焼結体の前駆体として用いられる、シリコンおよび焼結助剤を含む窒化シリコン用グリーンシート、および、その製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon nitride green sheet containing silicon and a sintering aid, which is used as a precursor for a silicon nitride sintered body, and a method for producing the same.
窒化シリコン(Si3N4)は、高温強度、耐摩耗性等の機械的特性に加え、耐熱性、低熱膨張性、耐熱衝撃性や、Al、Ag等の金属に対する耐食性に優れている。そのため、窒化シリコンの焼結体が、ガスタービン、エンジン、製鋼用機械等の構造材料や、溶融金属に対する耐溶損材料等として用いられている。また、電気絶縁性に優れるため、回路基板等の電子部品材料や電気絶縁材料として用いられている。 Silicon nitride (Si 3 N 4 ) has excellent mechanical properties such as high-temperature strength and abrasion resistance, as well as heat resistance, low thermal expansion, thermal shock resistance, and corrosion resistance against metals such as Al and Ag. Therefore, silicon nitride sintered bodies are used as structural materials for gas turbines, engines, steelmaking machines, etc., and as materials resistant to melting damage by molten metals. In addition, because of its excellent electrical insulation, it is used as an electronic component material for circuit boards, etc., and as an electrical insulating material.
近年、高周波トランジスタや、パワー半導体をはじめ、発熱量の大きい半導体素子の普及が進んでいる。大発熱量の半導体素子の材料は、電気絶縁性だけでなく、優れた放熱特性を備えることが求められるため、高抵抗率と高熱伝導率を示すセラミックス基板の需要が高まっている。従来、セラミックス基板の材料としては、窒化アルミニウム(AlN)が多用されている。 In recent years, semiconductor elements that generate a large amount of heat, such as high-frequency transistors and power semiconductors, have become increasingly popular. Materials for semiconductor elements that generate a large amount of heat must have not only electrical insulation but also excellent heat dissipation properties, so there is a growing demand for ceramic substrates that exhibit high resistivity and high thermal conductivity. Traditionally, aluminum nitride (AlN) has been widely used as a material for ceramic substrates.
窒化アルミニウムは、電気絶縁性や熱伝導性に優れるが、機械的強度や破壊靭性が低いという特性を持つ。回路基板ユニットの組み立て時に、窒化アルミニウム基板に締め付けを行うと、割れを生じ易いという問題がある。また、窒化アルミニウムは、熱膨張係数がシリコンと大きく異なるため、窒化アルミニウム基板にシリコン半導体素子を実装すると、熱膨張や熱収縮が原因で容易にクラックや割れを生じる。 Aluminum nitride has excellent electrical insulation and thermal conductivity, but low mechanical strength and fracture toughness. When tightening the aluminum nitride substrate during assembly of a circuit board unit, there is a problem that it is prone to cracking. In addition, because the thermal expansion coefficient of aluminum nitride is significantly different from that of silicon, when silicon semiconductor elements are mounted on an aluminum nitride substrate, cracks and breakage easily occur due to thermal expansion and contraction.
現在、このような実装信頼性に課題がある窒化アルミニウム基板に代えて、窒化シリコン基板の使用が進められている。窒化シリコン基板は、窒化シリコンの焼結体であり、焼結した窒化シリコンや、焼結助剤由来の粒界相で形成される。窒化シリコンは、窒化アルミニウムと比較して熱伝導率が低いものの、熱膨張係数がシリコンに近く、機械的強度、破壊靭性、耐熱疲労特性等に優れた焼結体を形成する。 Currently, silicon nitride substrates are being used in place of aluminum nitride substrates, which have problems with mounting reliability. Silicon nitride substrates are sintered bodies of silicon nitride, and are formed from sintered silicon nitride and grain boundary phases derived from sintering aids. Silicon nitride has a lower thermal conductivity than aluminum nitride, but its thermal expansion coefficient is close to that of silicon, and it forms sintered bodies with excellent mechanical strength, fracture toughness, and thermal fatigue resistance.
窒化シリコンは、共有結合で強固に結合した安定な結晶構造を持つため、耐熱性に優れており、硬さが高いという特徴を持つ。窒化シリコンの主要な結晶構造としては、α型とβ型の二種類がある。α型は、三方晶系の低温相であり、1400℃付近よりも低温側で存在する。β型は、六方晶系の高温相であり、1400℃以上1600℃以下でα型から相転移して生成する。 Silicon nitride has a stable crystal structure that is strongly bonded by covalent bonds, and is therefore characterized by its excellent heat resistance and hardness. There are two main crystal structures of silicon nitride: α type and β type. α type is a low-temperature phase of the trigonal crystal system that exists at temperatures lower than around 1400°C. β type is a high-temperature phase of the hexagonal crystal system that is formed by a phase transition from α type at temperatures between 1400°C and 1600°C.
窒化シリコンの焼結体の製造方法としては、窒化シリコンの粉末を、窒素ガス雰囲気下、焼結助剤を加えて焼結させる方法が知られている。窒化シリコンは、非酸化物であり、共有結合性が強く、緻密な焼結が困難である。そのため、熱処理時には、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム等の焼結助剤が添加されている。 A known method for producing sintered silicon nitride is to sinter silicon nitride powder in a nitrogen gas atmosphere with the addition of a sintering aid. Silicon nitride is a non-oxide, has strong covalent bonds, and is difficult to sinter densely. For this reason, sintering aids such as aluminum oxide, yttrium oxide, and magnesium oxide are added during heat treatment.
自己焼結による焼結体の原料としては、主にα型の窒化シリコンの粉末が用いられている。α型の窒化シリコンは、柱状結晶のβ型に相転移して、焼結体の機械的特性を向上させる。自己焼結による焼結体は、一般に、曲げ強度等の機械的強度に優れることが知られている。自己焼結による焼結体としては、熱伝導率が100W/(m・K)に近いものが得られている。 Alpha-type silicon nitride powder is mainly used as the raw material for sintered bodies produced by self-sintering. Alpha-type silicon nitride undergoes a phase transition to beta-type columnar crystals, improving the mechanical properties of the sintered body. Sintered bodies produced by self-sintering are generally known to have excellent mechanical strength, including bending strength. Sintered bodies produced by self-sintering have been shown to have a thermal conductivity close to 100 W/(m·K).
また、窒化シリコンの焼結体の製造方法としては、シリコンの粉末を、窒素ガス雰囲気下、反応焼結・ポスト焼結させる方法も知られている。反応焼結による焼結体は、より高い熱伝導率を得られると期待されているが、シリコンの窒化反応に伴う体積変化を生じる。反応焼結中には、窒化反応による体積膨張と焼結による体積収縮が起こるため、ニアネットシェイプ(Near-net Shape)への成形が難しい点等に課題がある。また、反り等の変形や、クラック、割れ等を防止する対策も必要とされる。なお、ニアネットシェイプとは、二次加工が不要な程度に、寸法や形状が完成品に近い状態に仕上げられていることを意味する。 Another known method for producing silicon nitride sintered bodies is to subject silicon powder to reactive sintering and post-sintering in a nitrogen gas atmosphere. Sintered bodies produced by reactive sintering are expected to have higher thermal conductivity, but undergo volumetric changes due to the nitriding reaction of silicon. During reactive sintering, volumetric expansion due to the nitriding reaction and volumetric contraction due to sintering occur, making it difficult to mold the body into a near-net shape. Measures are also required to prevent deformations such as warping, cracks, and breakage. Note that near-net shape refers to a finished product that is close in size and shape to the finished product, to the extent that secondary processing is not required.
特許文献1には、反応焼結による窒化珪素焼結体が記載されている。この焼結体は、平均粒径が10μm以上30μm以下の粗大金属シリコン粉末80重量%以上95重量%以下、及び、平均粒径が1μm以上10μm以下の微細金属シリコン粉末5重量%以上20重量%以下の混合金属シリコンを含む原料を、窒素雰囲気中で温度1390℃以上1500℃以下に加熱する方法で作製されている。
特許文献2には、常圧焼結やガス圧焼結を用いる自己焼結による窒化ケイ素焼結体が記載されている。原料としては、比表面積が5m2/g以上20m2/g以下であり、β型窒化ケイ素の割合が70質量%以上であり、D50が0.5μm以上3μm以下であり、D90が3μm以上6μm以下であり、鉄の含有割合が200ppm以下であり、アルミニウムの含有割合が200ppm以下であり、鉄およびアルミニウム以外の金属不純物の含有割合の合計が200ppm以下であり、β型窒化ケイ素の結晶子径DCが60nm以上であり、比表面積相当径DBETと結晶子径DCとの比DBET/DC(nm/nm)が3以下であり、β型窒化ケイ素の結晶歪が1.5×10-4以下である窒化ケイ素粉末が用いられている。 Patent Document 2 describes a silicon nitride sintered body produced by self-sintering using normal pressure sintering or gas pressure sintering. The raw material used is a silicon nitride powder having a specific surface area of 5 m 2 /g or more and 20 m 2 /g or less, a ratio of β-type silicon nitride of 70 mass% or more, D50 of 0.5 μm or more and 3 μm or less, D90 of 3 μm or more and 6 μm or less, an iron content of 200 ppm or less, an aluminum content of 200 ppm or less, a total content of metal impurities other than iron and aluminum of 200 ppm or less, a crystallite diameter D C of β-type silicon nitride of 60 nm or more, a ratio D BET /D C (nm/nm) of the specific surface area equivalent diameter D BET to the crystallite diameter D C of 3 or less, and a crystal strain of β-type silicon nitride of 1.5×10 −4 or less.
特許文献3には、自己焼結による窒化珪素質焼結体が記載されている。この焼結体は、窒化ケイ素粒子と、Mgおよび少なくとも1種の希土類元素を含む粒界相を有し、Mgおよび希土類元素(RE)の各々を酸化物換算した場合の比(RExOy/MgO)が、0.05以上5以下の範囲であり、加工された表面において任意に設定した20×20μmの領域に存在する窒化珪素粒子の長軸長Lの平均値が5.0μm以下、短軸長Sに対する長軸長Lの比(L/S)の平均値が5以下であり、加工された表面において任意に設定した300×300μmの領域において、個々の面積が0.01μm2以上の気孔を面積比で0.01%以上5%以下含み、前記気孔のうち最も隣接する気孔同士の重心間距離の平均値が5μm以上であり、当該重心間距離の変動係数が1.5以下とされている。 Patent Document 3 describes a silicon nitride sintered body by self-sintering. The sintered body has silicon nitride particles and a grain boundary phase containing Mg and at least one rare earth element, the ratio (RExOy/MgO) of Mg and rare earth element (RE) converted into oxide is in the range of 0.05 to 5, the average long axis length L of silicon nitride particles present in an arbitrarily set 20×20 μm area on the processed surface is 5.0 μm or less, the average ratio (L/S) of the long axis length L to the short axis length S is 5 or less, the area ratio of pores each having an area of 0.01 μm2 or more is 0.01% to 5% in an arbitrarily set 300×300 μm area on the processed surface, the average value of the distance between the centers of gravity of the most adjacent pores among the pores is 5 μm or more, and the variation coefficient of the distance between the centers of gravity is 1.5 or less.
窒化シリコンの焼結体の製造方法としては、高い熱伝導率や破壊靭性を得る観点等からは、反応焼結による方法が期待される。反応焼結による製造プロセスで、より高い熱伝導率を得るためには、焼結体の空隙を減らし、窒化シリコンの充填率を高くすることが重要である。しかし、充填率を高くする点に関して、従来の技術には改善の余地がある。 Reaction sintering is a promising method for producing sintered silicon nitride from the standpoint of obtaining high thermal conductivity and fracture toughness. In order to obtain higher thermal conductivity in the reaction sintering manufacturing process, it is important to reduce the voids in the sintered body and increase the packing rate of silicon nitride. However, there is room for improvement in conventional technology when it comes to increasing the packing rate.
特許文献1で用いる原料は、二種類の金属シリコン粉末を混合した二粒子分布であるため、粗大粉末と微細粉末との粒子径差が小さい場合や、極端な二山形の粒子径度数分布になる場合がある。このような場合、シリコンの充填性が悪く、或る程度の大きさ以上の空隙が形成され易くなったり、空隙の大きさや分布が様々にバラついたりするため、窒化反応に伴う体積膨張の影響が大きくなる可能性がある。
The raw material used in
また、特許文献2、3のような自己焼結では、ガラス相や粒界や空隙が形成され易く、熱伝導率の向上に対して障害が多い。一般に、焼結体の充填率を高くする方法としては、焼結助剤の添加量を増やす方法も考えられる。しかし、焼結助剤を増やすと、焼結体中に低熱伝導率のガラス相等が増えるため、焼結体の熱伝導率が却って低くなる虞がある。 Furthermore, in the case of self-sintering as described in Patent Documents 2 and 3, glass phases, grain boundaries, and voids are likely to form, which poses many obstacles to improving thermal conductivity. In general, one method of increasing the packing rate of a sintered body is to increase the amount of sintering aid added. However, increasing the amount of sintering aid increases the amount of glass phases with low thermal conductivity in the sintered body, which may actually lower the thermal conductivity of the sintered body.
また、反応焼結による製造プロセスの場合、窒化反応前の充填率が高すぎることも問題となる。反応焼結の前駆体を構成するシリコンは、窒化反応に伴って体積膨張を生じる。そのため、前駆体中でシリコンの充填率が高すぎると、窒化反応に伴う体積膨張が原因で、大きな変形や過大な応力が発生し、反り等の外観不良や、クラック、割れや、成形精度不良等を生じる。 In addition, in the case of a manufacturing process using reactive sintering, a filling rate that is too high before the nitriding reaction can also be a problem. The silicon that constitutes the precursor for reactive sintering expands in volume as the nitriding reaction occurs. Therefore, if the filling rate of silicon in the precursor is too high, the volume expansion that accompanies the nitriding reaction can cause large deformations and excessive stress, resulting in poor appearance such as warping, cracks, breakage, poor molding accuracy, etc.
特に、前駆体中でシリコンの充填率が約82体積%以上であると、空隙の体積を超える体積膨張となるため、不良・欠陥が顕著に生じる。特許文献1では、反応焼結を行っているが、前駆体の充填率や空隙率が明らかでなく、このような体積膨張の問題が十分に考慮されていない。
In particular, when the filling rate of silicon in the precursor is approximately 82 volume percent or more, the volume expansion exceeds the volume of the voids, resulting in significant defects and failures. In
そこで、本発明は、外観不良や成形精度不良が少なく高い熱伝導率を示す窒化シリコンの焼結体を得ることができる窒化シリコン用グリーンシート、および、その製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a green sheet for silicon nitride that can produce a silicon nitride sintered body that has high thermal conductivity and little appearance or molding accuracy defects, and a method for manufacturing the same.
前記課題を解決するために本発明に係る窒化シリコン用グリーンシートは、窒化シリコンの焼結体の前駆体として用いられ、シリコンおよび焼結助剤を含む窒化シリコン用グリーンシートであって、前記シリコンの体積基準の積算粒子径分布における10%、50%および90%の体積分率に対応した粒子径を、それぞれ、D10、D50およびD90としたとき、D10とD90との比(D10/D90)が0より大きく0.15以下、且つ、D50とD90との比(D50/D90)が0.4以下であり、前記シリコンが占める充填率が59体積%以上80体積%以下である。 In order to solve the above problems, the silicon nitride green sheet according to the present invention is used as a precursor for a silicon nitride sintered body, and contains silicon and a sintering aid. When the particle sizes corresponding to 10%, 50% and 90% volume fractions in the volume-based cumulative particle size distribution of the silicon are D10, D50 and D90, respectively, the ratio of D10 to D90 (D10/D90) is greater than 0 and less than or equal to 0.15, and the ratio of D50 to D90 (D50/D90) is less than or equal to 0.4, and the filling rate of the silicon is 59% by volume or more and 80% by volume or less.
また、本発明に係る窒化シリコン用グリーンシートの製造方法は、窒化シリコンの焼結体の前駆体として用いられ、シリコンおよび焼結助剤を含む窒化シリコン用グリーンシートの製造方法であって、前記シリコンの体積基準の積算粒子径分布における10%、50%および90%の体積分率に対応した粒子径を、それぞれ、D10、D50およびD90としたとき、D10とD90との比(D10/D90)が0より大きく0.15以下、且つ、D50とD90との比(D50/D90)が0.4以下となるように粉末状のシリコンを調製する工程と、前記シリコンと焼結助剤を分散媒中で混合してスラリを調製する工程と、前記スラリを基材上に塗工する工程と、塗工された前記スラリを乾燥させる工程と、を含み、乾燥後に前記シリコンが占める充填率が59体積%以上80体積%以下である窒化シリコン用グリーンシートを得る。 The method for producing a silicon nitride green sheet according to the present invention is used as a precursor for a silicon nitride sintered body, and contains silicon and a sintering aid. The method includes the steps of: preparing powdered silicon such that the ratio of D10 to D90 (D10/D90) is greater than 0 and less than 0.15 and the ratio of D50 to D90 (D50/D90) is less than 0.4, where D10, D50, and D90 are particle sizes corresponding to 10%, 50%, and 90% volume fractions in the volume-based cumulative particle size distribution of the silicon, respectively; mixing the silicon and the sintering aid in a dispersion medium to prepare a slurry; applying the slurry to a substrate; and drying the applied slurry. The method obtains a silicon nitride green sheet having a packing ratio of 59% to 80% by volume of the silicon after drying.
本発明によると、外観不良や成形精度不良が少なく高い熱伝導率を示す窒化シリコンの焼結体を得ることができる窒化シリコン用グリーンシート、および、その製造方法を提供することができる。 The present invention provides a silicon nitride green sheet that can produce a silicon nitride sintered body that has high thermal conductivity and little defects in appearance or molding precision, and a method for producing the same.
以下、本発明の一実施形態に係る窒化シリコン用グリーンシート、および、その製造方法について、図を参照しながら説明する。 The following describes a silicon nitride green sheet according to one embodiment of the present invention and its manufacturing method, with reference to the drawings.
本実施形態に係る窒化シリコン用グリーンシートは、窒化シリコンの焼結体を反応焼結で製造するための前駆体として用いられる。窒化シリコン用グリーンシートは、粉末状のシリコン(Si)と焼結助剤を含み、必要に応じてバインダを含むことがある。 The silicon nitride green sheet according to this embodiment is used as a precursor for producing a silicon nitride sintered body by reactive sintering. The silicon nitride green sheet contains powdered silicon (Si) and a sintering aid, and may contain a binder as necessary.
窒化シリコンの焼結体は、成形された粉末状のシリコンを、窒素ガス雰囲気下、焼結助剤と共に反応焼結させる方法で得られる。シリコン(Si)は、窒素ガス雰囲気下、1300℃程度以上の高温で熱処理されると、窒化反応によって窒化シリコン(Si3N4)となる。窒化シリコンの粒子同士が焼結することによって、窒化シリコンの焼結体が得られる。 A silicon nitride sintered body is obtained by reactive sintering of molded powdered silicon together with a sintering aid in a nitrogen gas atmosphere. When silicon (Si) is heat-treated at a high temperature of about 1300°C or higher in a nitrogen gas atmosphere, it becomes silicon nitride (Si 3 N 4 ) through a nitriding reaction. The silicon nitride particles are sintered together to obtain a silicon nitride sintered body.
本明細書において、窒化シリコン用グリーンシートとは、粉末状のシリコンと焼結助剤で構成されるシート状の成形体であり、シリコンが窒化反応を起こす前の前駆体を意味する。窒化シリコン用グリーンシートは、幅や長さと比較して厚さが小さいシート状であるが、シートの幅、長さおよび厚さは、特に制限されるものではない。 In this specification, a green sheet for silicon nitride is a sheet-like molded body composed of powdered silicon and a sintering aid, and refers to the precursor before the silicon undergoes a nitriding reaction. A green sheet for silicon nitride is in the form of a sheet that is thin compared to its width and length, but the width, length and thickness of the sheet are not particularly limited.
本実施形態に係る窒化シリコン用グリーンシートは、シート中でシリコンが占める充填率が、59体積%以上80体積%以下とされる。シート中の残部は、主に、少量の焼結助剤や、少量のバインダや、空隙によって構成される。 The silicon nitride green sheet according to this embodiment has a silicon filling rate of 59% to 80% by volume. The remainder of the sheet is mainly composed of a small amount of sintering aid, a small amount of binder, and voids.
シリコンの粒子は、窒化反応によって窒化シリコンになると、単位格子から計算される体積が、約1.22倍に拡大する。シート中でシリコンが占める充填率を59体積%以上80体積%以下にすると、窒化反応後の窒化シリコンの充填率を増大させることができ、後述の好ましい効果が得られる。 When silicon particles become silicon nitride through a nitriding reaction, the volume calculated from the unit cell expands by approximately 1.22 times. By making the filling rate of silicon in the sheet between 59 volume % and 80 volume %, the filling rate of silicon nitride after the nitriding reaction can be increased, resulting in the desirable effects described below.
窒化シリコンの焼結体は、高い熱伝導率を得る観点から、窒化シリコンの充填率を高くすることが好ましい。そのため、焼結体の前駆体である窒化シリコン用グリーンシートについても、シリコンの充填率が高いことが好ましい。充填モデルを用いた計算によると、シリコン粒子の充填率を59体積%以上にすれば、窒化反応と焼結反応の過程で、窒化シリコン粒子が結合しやすくなる。その結果、高い熱伝導率を得ることが可能になる。 In order to obtain high thermal conductivity, it is preferable for the silicon nitride sintered body to have a high silicon nitride filling rate. Therefore, it is also preferable for the silicon nitride green sheet, which is the precursor of the sintered body, to have a high silicon filling rate. According to calculations using a filling model, if the filling rate of silicon particles is 59 volume percent or more, the silicon nitride particles will be more likely to bond during the nitriding and sintering reactions. As a result, it is possible to obtain high thermal conductivity.
窒化シリコン用グリーンシート中でシリコンが占める充填率が80体積%よりも高すぎると、窒化反応後の窒化シリコンの充填率が100体積%に近くなるため、窒化反応に伴う体積膨張のための空間が不足する。このような場合、焼結による体積収縮を上回る体積膨張や粒子の再配列の制約が原因で、焼結体に大きな変形や応力が生じる。これに対し、約2体積%以上の空隙を確保すると、窒化反応に伴う体積膨張が生じても、粒子の体積膨張や再配列が許容されるため、変形や応力を緩和することができる。 If the silicon filling rate in the silicon nitride green sheet is higher than 80% by volume, the silicon nitride filling rate after the nitriding reaction will be close to 100% by volume, leaving insufficient space for the volume expansion that accompanies the nitriding reaction. In such cases, the sintered body will experience significant deformation and stress due to volume expansion exceeding the volume contraction caused by sintering and restrictions on particle rearrangement. In contrast, if a void of approximately 2% by volume or more is secured, even if volume expansion occurs due to the nitriding reaction, the volume expansion and rearrangement of particles is permitted, and deformation and stress can be alleviated.
グリーンシート中でシリコンが占める充填率は、少なくとも59体積%以上であるが、焼結体の熱伝導率を高くする観点からは、好ましくは65体積%以上、より好ましくは70体積%以上、更に好ましくは75体積%以上である。また、少なくとも80体積%以下であるが、焼結体の用途や要求性能等に応じて、75体積%以下、70体積%以下、65体積%以下等とすることもできる。 The filling rate of silicon in the green sheet is at least 59% by volume, but from the viewpoint of increasing the thermal conductivity of the sintered body, it is preferably 65% by volume or more, more preferably 70% by volume or more, and even more preferably 75% by volume or more. It is also at least 80% by volume or less, but it can be 75% by volume or less, 70% by volume or less, 65% by volume or less, etc., depending on the application and required performance of the sintered body.
焼結体に生じる欠陥・不良としては、窒化反応に伴う体積膨張や、熱処理中の加熱による熱膨張や、熱処理後の冷却による熱収縮によるものがある。欠陥・不良の具体例としては、クラック、割れや、プリント基板等の用途で問題となる反り等の外観不良や、ニアネットシェイプへの成形や目標寸法への成形に対する成形精度不良等が挙げられる。これらの欠陥・不良は、シリコンの充填率を下げて焼結体中に空隙を確保すると低減できる。 Defects and defects that occur in sintered bodies are due to volume expansion associated with the nitriding reaction, thermal expansion due to heating during heat treatment, and thermal contraction due to cooling after heat treatment. Specific examples of defects and defects include cracks, breaks, and appearance defects such as warping that can be problematic in applications such as printed circuit boards, as well as poor molding accuracy when molding to a near net shape or to target dimensions. These defects and defects can be reduced by lowering the silicon filling rate to ensure voids in the sintered body.
本実施形態に係る窒化シリコン用グリーンシートは、シリコンの体積基準の積算粒子径分布における累積篩下で10%、50%および90%の体積分率に対応した粒子径を、それぞれ、D10、D50およびD90としたとき、D10とD90との比(D10/D90)が0より大きく0.15以下、且つ、D50とD90との比(D50/D90)が0.4以下とされる。 In the silicon nitride green sheet according to this embodiment, when the particle sizes corresponding to 10%, 50% and 90% volume fractions under cumulative sieving in the volume-based cumulative particle size distribution of silicon are D10, D50 and D90, respectively, the ratio of D10 to D90 (D10/D90) is greater than 0 and equal to or less than 0.15, and the ratio of D50 to D90 (D50/D90) is equal to or less than 0.4.
D50/D90が0.4以下であると、シート中のシリコンの粉末のうち、全体の50体積%を占める小粒子(D10以下の粒子)や中粒子(D10以上D50以下の粒子)が、全体の10体積%を占める大粒子(D90以上の粒子)等よりも十分に小さいため、大粒子の粒子間の空隙に対し、小粒子や中粒子を多量に充填することができる。 When D50/D90 is 0.4 or less, small particles (particles of D10 or less) and medium particles (particles of D10 to D50) that account for 50% by volume of the silicon powder in the sheet are sufficiently smaller than the large particles (particles of D90 or more) that account for 10% by volume of the sheet, allowing a large amount of small and medium particles to be filled into the gaps between the large particles.
また、D10/D90が0.15以下であると、シート中のシリコンの粉末のうち、全体の10体積%を占める小粒子(D10以下の粒子)が、全体の10体積%を占める大粒子(D90以上の粒子)や、全体の40体積%を占める中粒子(D10以上D50以下の粒子)等よりも十分に小さいため、大粒子や中粒子の粒子間の空隙に対し、小粒子を多量に充填することができる。 Furthermore, when D10/D90 is 0.15 or less, small particles (particles of D10 or less), which account for 10% by volume of the total silicon powder in the sheet, are sufficiently smaller than large particles (particles of D90 or more), which account for 10% by volume of the total, and medium particles (particles of D10 to D50), which account for 40% by volume of the total, etc., so that a large amount of small particles can be filled into the gaps between the large and medium particles.
そのため、前記のD10/D90およびD50/D90の条件を満たすシリコンを用いると、大粒子の周囲に十分な個数の中粒子を密着的に配置し、且つ、中粒子の周囲に十分な個数の小粒子を密着的に配置させることができる。また、D50/D90の条件によって、空隙の大きさが抑制されると共に、大きさや分布の均一性が高くなり、体積膨張のための空間が分散的に確保されるため、窒化反応に伴う体積膨張の影響を受け難くなる。よって、このような条件を満たすシリコンを用いると、窒化反応や焼結による粒子同士の結合が均一に形成され易く、且つ、シリコンが占める充填率が59体積%以上80体積%以下の範囲にあり、反応焼結時に変形や応力が生じ難い窒化シリコン用グリーンシートを得ることができる。 Therefore, by using silicon that satisfies the above D10/D90 and D50/D90 conditions, a sufficient number of medium particles can be closely arranged around the large particles, and a sufficient number of small particles can be closely arranged around the medium particles. In addition, the D50/D90 condition suppresses the size of the voids, increases the uniformity of the size and distribution, and ensures a dispersed space for volume expansion, making it less susceptible to the effects of volume expansion associated with the nitriding reaction. Therefore, by using silicon that satisfies these conditions, it is possible to obtain a green sheet for silicon nitride that is less susceptible to deformation or stress during reaction sintering because the bonding between particles due to the nitriding reaction or sintering is easily formed uniformly, and the filling rate of silicon is in the range of 59 volume % to 80 volume %.
D10/D90は、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.03以上である。D10/D90が0.03以上であると、極端に粒子径が小さいシリコンの比率が少なく、粉末全体としての表面積が小さくなるため、バインダの使用量を削減することができる。D50/D90は、その粉末のD10/D90より大きく、0.4以下である。 D10/D90 is preferably 0.01 or more, more preferably 0.03 or more. If D10/D90 is 0.03 or more, the ratio of silicon with an extremely small particle size is low, and the surface area of the powder as a whole is small, so the amount of binder used can be reduced. D50/D90 is greater than the D10/D90 of the powder and is 0.4 or less.
窒化シリコン用グリーンシート中のシリコンの粉末のD50は、0.5μm以上20μm以下であることが好ましい。D50が0.5μm未満であると、粉末の比表面積の合計に対して、バインダの量が少なくなるため、シートの機械的強度が低くなる。また、D50が20μmを超えると、窒化シリコン用グリーンシートの表面の凹凸が大きくなると共に、窒化反応速度が遅くなる。これに対し、D50が0.5μm以上20μm以下であると、窒化シリコン用グリーンシートの表面を平滑にしつつ、窒化反応速度を速くすることができる。 The D50 of the silicon powder in the silicon nitride green sheet is preferably 0.5 μm or more and 20 μm or less. If D50 is less than 0.5 μm, the amount of binder is small relative to the total specific surface area of the powder, and the mechanical strength of the sheet is low. If D50 exceeds 20 μm, the surface of the silicon nitride green sheet becomes uneven and the nitriding reaction rate slows. In contrast, if D50 is 0.5 μm or more and 20 μm or less, the surface of the silicon nitride green sheet can be made smooth while nitriding reaction rate can be increased.
窒化シリコン用グリーンシート中のシリコンの粉末のD50は、バインダの量を抑制しつつ高強度を得る観点からは、好ましくは0.8μm以上である。また、窒化シリコン用グリーンシートの表面をより平滑にし、窒化反応速度をより速くする観点からは、好ましくは10μm以下、更に好ましくは4μm以下、更に好ましくは3μm以下である。4μm以下であると、十分な平滑さが得られ、窒化反応の時間の短縮が可能になる。0.8μm以上3μm以下であると、少ないバインダで高強度が得られると共に、凹凸が少ない表面も得られる。0.8μm以上2μm以下であると、高強度と平滑さに加え、より高い充填率が得られる。 The D50 of the silicon powder in the silicon nitride green sheet is preferably 0.8 μm or more from the viewpoint of obtaining high strength while suppressing the amount of binder. Also, from the viewpoint of smoothing the surface of the silicon nitride green sheet and accelerating the nitridation reaction rate, it is preferably 10 μm or less, more preferably 4 μm or less, and even more preferably 3 μm or less. If it is 4 μm or less, sufficient smoothness can be obtained and the nitridation reaction time can be shortened. If it is 0.8 μm or more and 3 μm or less, high strength can be obtained with a small amount of binder and a surface with few irregularities can be obtained. If it is 0.8 μm or more and 2 μm or less, in addition to high strength and smoothness, a higher filling rate can be obtained.
シリコンの粒子径や粒子径分布は、レーザ回折/散乱式の粒子径分布測定装置を用いて測定することができる。窒化シリコン用グリーンシート中のシリコンの粒子径や粒子径分布は、窒化シリコン用グリーンシートをアルコール等の溶剤で溶解させた後、乾燥させて溶剤を除去し、得られた粉末中のシリコンを比重等で分離して測定する方法や、窒化シリコン用グリーンシートの任意の断面を電子顕微鏡観察して、シリコンの粒子の円相当径等のデータを収集する方法で求めることができる。 The particle size and particle size distribution of silicon can be measured using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device. The particle size and particle size distribution of silicon in a silicon nitride green sheet can be determined by dissolving the silicon nitride green sheet in a solvent such as alcohol, drying to remove the solvent, and separating and measuring the silicon in the resulting powder based on specific gravity, or by observing any cross section of a silicon nitride green sheet with an electron microscope to collect data such as the circle equivalent diameter of silicon particles.
窒化シリコン用グリーンシートの空隙率は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)による観察で求めることができる。窒化シリコン用グリーンシートの任意の断面を切り出し、断面をSEMで撮影してSEM画像を取得する。そして、SEM画像を二値化処理や三値化処理で画像処理し、画像中の低密度領域をシリコンや焼結助剤がない空隙と仮定して、空隙の単位面積当たりの面積率を計算する。SEM画像の撮影は、倍率500倍以上1000倍以下程度で、複数の断面や顕微鏡視野に対して行う。 The porosity of silicon nitride green sheets can be determined by observation with a scanning electron microscope (SEM). An arbitrary cross section of the silicon nitride green sheet is cut out, and the cross section is photographed with an SEM to obtain an SEM image. The SEM image is then processed using binarization or ternarization, and the area ratio of voids per unit area is calculated, assuming that low-density areas in the image are voids that are free of silicon or sintering aids. SEM images are taken at a magnification of 500x to 1000x for multiple cross sections and microscope fields.
SEM画像を撮影する断面数は、測定誤差によるバラつきが小さくなる点で、2以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましい。多数のSEM画像に基づいて、空隙の面積率の平均値を計算し、画像数の増加に対して平均値のバラつきが十分に小さくなったとき、面積率の平均値を窒化シリコン用グリーンシートの空隙率とする。シート中の焼結助剤やバインダが少量である場合、シリコンの充填率[%]=100-空隙率[%]と見做すことができる。 The number of cross sections taken for SEM images is preferably 2 or more, and more preferably 5 or more, in order to reduce variation due to measurement error. The average void area ratio is calculated based on a large number of SEM images, and when the variation in the average value becomes sufficiently small with an increase in the number of images, the average area ratio is taken as the void ratio of the silicon nitride green sheet. When the sheet contains only a small amount of sintering aid and binder, the silicon filling rate [%] can be considered to be 100 - void ratio [%].
焼結助剤としては、マグネシウム(Mg)、イットリウム(Y)、希土類元素(RE)からなる群より選択される一種以上の元素を含む化合物を用いることが好ましい。これらの元素を含む化合物としては、酸化物、窒化物、ケイ化物等が挙げられる。焼結助剤は、これらの元素のうち、一種を含んでもよいし、複数種を含んでもよい。 As the sintering aid, it is preferable to use a compound containing one or more elements selected from the group consisting of magnesium (Mg), yttrium (Y), and rare earth elements (RE). Examples of compounds containing these elements include oxides, nitrides, and silicides. The sintering aid may contain one or more of these elements.
希土類元素としては、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)が挙げられる。 Rare earth elements include the lanthanides lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu).
Mg、Yおよび希土類元素は、窒化シリコンに対する固溶度が小さく、結晶構造や化学組成を変化させ難いため、窒化シリコン自体の熱伝導率を高くするのに有効である。特に、MgおよびYは、焼結体を緻密化して高い熱伝導率を得るのに有効である。MgやYを含む化合物としては、酸化マグネシウム(MgO)や酸化イットリウム(Y2O3)が好ましい。 Mg, Y and rare earth elements have low solid solubility in silicon nitride and are difficult to change the crystal structure and chemical composition, so they are effective in increasing the thermal conductivity of silicon nitride itself. In particular, Mg and Y are effective in densifying the sintered body to obtain high thermal conductivity. As a compound containing Mg or Y, magnesium oxide (MgO) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) are preferable.
希土類元素としては、La、Ce、Gd、DyおよびYbからなる群より選択される一種以上の元素が特に好ましい。これらの元素を含む焼結助剤によると、温度や圧力を抑制しつつ、焼結を促進させることができるため、熱処理のコストを削減することができる。 As the rare earth element, one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Gd, Dy and Yb are particularly preferred. Sintering aids containing these elements can promote sintering while suppressing temperature and pressure, thereby reducing the cost of heat treatment.
焼結助剤の組成は、La、Y、GdまたはYbと、Mgを含む場合、希土類元素の酸化物換算の混合重量をRExOy、マグネシウムの酸化物換算の混合重量をMgOとしたとき、RExOy/MgO>1であることが好ましい。これらの希土類元素のMgに対する重量比を大きくすると、熱処理時、焼結助剤由来の微細粒子が形成され易くなる。これらの希土類元素は、Mgと比較して窒化シリコンに固溶し難いためである。 When the composition of the sintering aid contains La, Y, Gd or Yb and Mg, when the mixed weight of the rare earth elements converted into oxides is RExOy and the mixed weight of magnesium converted into oxides is MgO, it is preferable that RExOy /MgO>1. When the weight ratio of these rare earth elements to Mg is increased, fine particles derived from the sintering aid are easily formed during heat treatment. This is because these rare earth elements are less likely to form a solid solution in silicon nitride than Mg.
焼結助剤の量は、酸化物換算で、シリコンと焼結助剤の合計100質量%に対して、1質量%以上が好ましく、2質量%以上がより好ましい。また、15質量%以下が好ましく、10質量%以下がより好ましい。このような量であると、窒化シリコンの焼結や粒子内の高純度化を促進しつつ、熱伝導率が低いガラス相等の形成を抑制することができる。 The amount of sintering aid, calculated as oxide, is preferably 1% by mass or more, more preferably 2% by mass or more, based on 100% by mass of the total of silicon and sintering aid. Also, it is preferably 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less. With such an amount, it is possible to promote sintering of silicon nitride and high purification within the particles, while suppressing the formation of a glass phase with low thermal conductivity.
窒化シリコン用グリーンシートの厚さは、0.1mm以上1mm以下であることが好ましく、0.1mm以上0.5mm以下であることがより好ましい。このような厚さであると、薄い窒化シリコンの焼結体を作製することができる。このような厚さの窒化シリコン用グリーンシートは、製造工程中の乾燥後に加圧して得てもよいし、乾燥後に非加圧で得てもよい。厚さを加圧等で0.5mm以下にすると、より高い熱伝導率を得ることができる。 The thickness of the silicon nitride green sheet is preferably 0.1 mm to 1 mm, and more preferably 0.1 mm to 0.5 mm. With such a thickness, a thin silicon nitride sintered body can be produced. A silicon nitride green sheet of such a thickness may be obtained by applying pressure after drying during the manufacturing process, or may be obtained without applying pressure after drying. By applying pressure or the like to reduce the thickness to 0.5 mm or less, a higher thermal conductivity can be obtained.
以上の窒化シリコン用グリーンシートによると、前記のD10/D90およびD50/D90の条件を満たすシリコンを用いるため、シリコンが占める充填率が59体積%以上80体積%以下の範囲にあり、窒化反応に伴う体積膨張のための空間が分散的に確保された前駆体を得ることができる。窒化シリコンの焼結体の前駆体の段階で、80体積%に近い高充填率を確保することも可能であり、また、窒化反応や焼結によって粒子同士の結合が均一に形成され易くなるため、緻密な窒化シリコンの焼結体を得ることができる。よって、反応焼結による製造プロセスに用いた場合に、反り等の外観不良や、クラック、割れや、成形精度不良が少なく、高い熱伝導率を示す窒化シリコンの焼結体を得ることができる。 The silicon nitride green sheet described above uses silicon that satisfies the above-mentioned D10/D90 and D50/D90 conditions, so that the silicon filling rate is in the range of 59% to 80% by volume, and a precursor can be obtained in which the space for volume expansion accompanying the nitriding reaction is dispersedly secured. It is also possible to secure a high filling rate close to 80% by volume at the stage of the silicon nitride sintered body precursor, and since the nitriding reaction and sintering make it easier for the particles to be bonded uniformly, a dense silicon nitride sintered body can be obtained. Therefore, when used in a manufacturing process by reactive sintering, a silicon nitride sintered body that has high thermal conductivity and has little appearance defects such as warping, cracks, breaks, or molding precision defects can be obtained.
次に、シリコンが占める充填率が所定の範囲にある前記の窒化シリコン用グリーンシートの製造方法について説明する。なお、以下の説明では、原料の粉末を湿式混合して最終的に乾燥を行う製造方法を熱処理方法と共に例示する。 Next, a method for manufacturing the silicon nitride green sheet in which the silicon filling rate is within a predetermined range will be described. In the following explanation, a manufacturing method in which the raw material powders are wet mixed and finally dried will be exemplified together with a heat treatment method.
図1は、本発明の実施形態に係る窒化シリコン用グリーンシートの製造方法を示すフロー図である。
図1に示すように、本実施形態に係る窒化シリコン用グリーンシートの製造方法は、粒子径調整工程S10と、混合工程S20と、塗工工程S30と、乾燥工程S40と、を含む。これらの工程を経ると、シリコンが占める充填率が59体積%以上80体積%以下であり、窒化シリコンの焼結体の前駆体となる窒化シリコン用グリーンシートを得ることができる。
FIG. 1 is a flow diagram showing a method for producing a silicon nitride green sheet according to an embodiment of the present invention.
1, the method for producing a silicon nitride green sheet according to this embodiment includes a particle size adjusting step S10, a mixing step S20, a coating step S30, and a drying step S40. Through these steps, a silicon nitride green sheet having a silicon filling rate of 59 volume % or more and 80 volume % or less, which serves as a precursor of a silicon nitride sintered body, can be obtained.
窒化シリコンの焼結体は、窒化シリコン用グリーンシートを前駆体として、熱処理工程S50を経ることにより、板状の焼結体である窒化シリコン基板として得られる。窒化シリコン基板は、プリント基板等の用途に用いることができる。 The silicon nitride sintered body is obtained as a silicon nitride substrate, which is a plate-shaped sintered body, by subjecting the silicon nitride green sheet as a precursor to a heat treatment process S50. The silicon nitride substrate can be used for applications such as printed circuit boards.
粒子径調整工程S10では、窒化シリコン用グリーンシート中でシリコンが占める充填率が所定の範囲となるように、窒化シリコン用グリーンシートの原料として用いる粉末状のシリコンの粒子径分布を調整する。粒子径分布は、D10/D90が0より大きく0.15以下、且つ、D50/D90が0.4以下となるように、粉末同士を互いに混合することによって調整できる。 In the particle size adjustment step S10, the particle size distribution of the powdered silicon used as the raw material for the silicon nitride green sheet is adjusted so that the filling rate of silicon in the silicon nitride green sheet is within a predetermined range. The particle size distribution can be adjusted by mixing the powders together so that D10/D90 is greater than 0 and less than or equal to 0.15, and D50/D90 is less than or equal to 0.4.
互いに混合するシリコンの粉末としては、メディアン径(D50)やモード径が互いに異なる、分級された複数種類の粉末を用いることが好ましい。窒化シリコン用グリーンシートの原料として用いる粉末状のシリコンは、D50が0.5μm以上20μm以下に調整されることが好ましい。 As the silicon powder to be mixed, it is preferable to use multiple types of classified powder with different median diameters (D50) and mode diameters. It is preferable that the powdered silicon used as the raw material for the silicon nitride green sheet is adjusted to have a D50 of 0.5 μm or more and 20 μm or less.
例えば、メディアン径が0.5μm以上20μm以下よりも大きい大粒子の粉末100重量%に対し、メディアン径が大粒子の0.15倍以上0.4倍以下程度の小粒子の粉末を10重量%以上50重量%以下程度加える方法や、メディアン径が0.5μm以上20μm以下よりも大きい大粒子の粉末100重量%に対し、モード径が0.4倍以下程度の中粒子の粉末を40重量%以下程度、モード径が0.15倍以下程度の小粒子の粉末を10重量%以下程度加える方法等を用いることができる。 For example, a method of adding 10% to 50% by weight of small particle powder with a median diameter of about 0.15 to 0.4 times that of the large particles to 100% by weight of large particle powder with a median diameter of 0.5 to 20 μm or a method of adding 40% or less by weight of medium particle powder with a mode diameter of about 0.4 times or less and 10% or less by weight of small particle powder with a mode diameter of about 0.15 times or less to 100% by weight of large particle powder with a median diameter of 0.5 to 20 μm can be used.
混合工程S20では、粉末状のシリコンと焼結助剤を分散媒中で混合してスラリを調製する。粒子径分布が制御されたシリコンと焼結助剤は、所定の混合比となるように秤量し、必要に応じてバインダや分散剤を加え、分散媒中で湿式混合する。湿式混合によると、粒子径分布に大きな影響を与えることなく、ガス成分の混入を抑制して、粉末の分散作用や凝集粒子に対する解離作用を得ることができる。 In the mixing step S20, powdered silicon and sintering aid are mixed in a dispersion medium to prepare a slurry. Silicon with controlled particle size distribution and sintering aid are weighed out to a predetermined mixing ratio, and binders and dispersants are added as necessary, followed by wet mixing in the dispersion medium. Wet mixing can suppress the inclusion of gas components without significantly affecting the particle size distribution, and can provide a dispersion effect for the powder and a dissociation effect for agglomerated particles.
焼結助剤としては、シリコンに対する分散性の観点等からは、粒子径がシリコンのD50よりも小さい粉末を用いることが好ましい。 From the standpoint of dispersibility in silicon, it is preferable to use a powder with a particle size smaller than the D50 of silicon as a sintering aid.
バインダとしては、低温で熱分解し、多量の灰分、炭素分等を残留しない限り、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル等のアクリル系樹脂や、メチルセルロース、エチルセルロース等のセルロース系樹脂や、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等の適宜の種類を用いることができる。バインダを用いると、成形後の窒化シリコン用グリーンシートから粒子が脱落するのを防止して、シートのハンドリングを容易にすることができる。 As the binder, any suitable type can be used, such as acrylic resins such as polyacrylic acid and polyacrylic acid esters, cellulose resins such as methyl cellulose and ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, etc., as long as they are pyrolyzed at low temperatures and do not leave behind a large amount of ash, carbon, etc. Use of a binder can prevent particles from falling off the silicon nitride green sheet after molding, making the sheet easier to handle.
分散媒としては、低温で揮発し、必要に応じて添加されるバインダを溶解する限り、適宜の種類を用いることができる。ポリアクリル酸等の水溶性バインダを用いる場合は、メタノール、エタノール、ブタノール等の低級アルコールを用いることができる。また、シリコンやバインダと過度に反応しない限り、ヘキサン、トリクロロエチレン、ジクロロメタン等の有機溶媒や、水等を用いることができる。 Any suitable type of dispersion medium can be used as long as it volatilizes at low temperatures and dissolves the binder that is added as needed. When using a water-soluble binder such as polyacrylic acid, lower alcohols such as methanol, ethanol, and butanol can be used. In addition, organic solvents such as hexane, trichloroethylene, and dichloromethane, as well as water, can be used as long as they do not react excessively with the silicon or binder.
原料の混合は、V型混合機、W型混合機、ヘンシェルミキサ、リボン混合機、スクリュ混合機、ボールミル、ビーズミル、プラネタリミキサ、高圧ホモジナイザ、超音波ホモジナイザ、ロールミル等の適宜の混合装置で行うことができる。 The raw materials can be mixed using an appropriate mixing device such as a V-type mixer, W-type mixer, Henschel mixer, ribbon mixer, screw mixer, ball mill, bead mill, planetary mixer, high-pressure homogenizer, ultrasonic homogenizer, or roll mill.
塗工工程S30では、スラリを基材上に塗工して、粉末状のシリコン、焼結助剤、必要に応じて添加されたバインダ、および、分散媒を含む塗工膜を成形する。塗工膜の厚さは、焼結体の用途や要求性能等に応じて、適宜の厚さとすることができる。但し、焼結体の表面の凹凸や面内における厚さのバラつきを低減する観点等からは、乾燥後に0.1mm以上1mm以下となる厚さが好ましい。 In the coating step S30, the slurry is applied onto the substrate to form a coating film containing powdered silicon, sintering aids, a binder added as necessary, and a dispersion medium. The thickness of the coating film can be set appropriately depending on the application and required performance of the sintered body. However, from the viewpoint of reducing the unevenness of the surface of the sintered body and the variation in thickness within the surface, a thickness of 0.1 mm to 1 mm after drying is preferable.
基材としては、分散媒の気化温度に対して十分に高い耐熱温度を示す限り、樹脂フィルム、樹脂板、金属板、セラミックス板、ガラス板等の適宜の種類を用いることができる。基材としては、キャリアテープとしてロール状に巻回できる点で、樹脂フィルムが特に好ましい。樹脂フィルムの具体例としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート等が挙げられる。 As the substrate, any suitable type of material, such as a resin film, resin plate, metal plate, ceramic plate, or glass plate, can be used as long as it has a sufficiently high heat resistance temperature relative to the vaporization temperature of the dispersion medium. Resin films are particularly preferred as the substrate because they can be wound into a roll as a carrier tape. Specific examples of resin films include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, and polycarbonate.
スラリの塗工は、ドクターブレード等を備えたシート成形アプリケータ、スロットダイコータ、ナイフコータ、バーコータ、グラビアコータ、スプレーコータ等の適宜の塗工装置で行うことができる。塗工装置としては、ロール式コータ、枚葉式コータ等のいずれを用いてもよいし、キャスト法や押出成形法の装置を用いてもよい。 The slurry can be applied using a suitable coating device such as a sheet forming applicator equipped with a doctor blade, a slot die coater, a knife coater, a bar coater, a gravure coater, or a spray coater. The coating device may be a roll coater or a sheet-fed coater, or may be a device using a casting method or an extrusion molding method.
乾燥工程S40では、基材上に塗工されたスラリを乾燥させて窒化シリコン用グリーンシートを形成する。スラリによる塗工膜が形成された基材を加熱乾燥炉等に投入し、塗工膜を乾燥させて分散媒を除去すると、粉末状のシリコンと焼結助剤が、必要に応じて添加されたバインダと共に基材上に残り、粉末同士が結着した窒化シリコン用グリーンシートが得られる。 In the drying step S40, the slurry applied to the substrate is dried to form a silicon nitride green sheet. The substrate on which the slurry coating is formed is placed in a heating and drying furnace or the like, and the coating is dried to remove the dispersion medium, leaving powdered silicon and sintering aid on the substrate together with a binder added as necessary, resulting in a silicon nitride green sheet in which the powder particles are bonded together.
乾燥温度や乾燥時間は、分散媒の揮発温度に応じて、材料に変質を生じない範囲で、適宜の条件とすることができる。乾燥後に得られる窒化シリコン用グリーンシートは、熱処理の前に、基材から剥離してもよいし、剥離しなくてもよい。また、熱処理の前に、裁断や打ち抜き等の加工を行ってもよい。 The drying temperature and drying time can be set as appropriate according to the volatilization temperature of the dispersion medium, as long as the material is not altered. The silicon nitride green sheet obtained after drying may or may not be peeled off from the substrate before heat treatment. In addition, cutting, punching, or other processing may be performed before heat treatment.
窒化シリコン用グリーンシートは、乾燥後に、シリコンの充填率、空隙率ないしシート厚さを調整するために、加圧処理を施すこともできる。シリコンの粒子径分布を制御すると、シート中でシリコンが占める充填率を59体積%以上にすることができる。しかし、シリコンの充填率をより高くする場合や、シート厚さを調整する場合は、加圧処理で圧縮してシリコンを圧密化してもよい。加圧処理は、軸プレス機、ロールプレス機等の適宜の加圧装置で行うことができる。 After drying, the silicon nitride green sheet can be subjected to a pressure treatment to adjust the silicon filling rate, porosity, or sheet thickness. By controlling the silicon particle size distribution, the filling rate of silicon in the sheet can be increased to 59 volume % or more. However, to increase the silicon filling rate or adjust the sheet thickness, the silicon can be compressed and densified by pressure treatment. The pressure treatment can be performed using an appropriate pressure device such as an axial press or a roll press.
熱処理工程S50では、窒化シリコン用グリーンシートを、窒素ガス雰囲気下で熱処理する。高温の熱処理を行うと、シリコンと窒素ガスが徐々に反応して窒化シリコンが生成し、窒化シリコンの粒子同士が焼結した窒化シリコン基板が得られる。焼結助剤は、熱処理中に溶融・揮発し、反応場となる液相等の界面をシリコンの表面等に形成し、熱処理後には、焼結助剤に由来する成分を含む粒界相を組織中に形成する。 In the heat treatment step S50, the silicon nitride green sheet is heat treated in a nitrogen gas atmosphere. When heat treatment is performed at high temperatures, silicon and nitrogen gas gradually react to produce silicon nitride, and a silicon nitride substrate is obtained in which silicon nitride particles are sintered together. The sintering aid melts and volatilizes during the heat treatment, forming an interface of a liquid phase, etc., which serves as a reaction site, on the silicon surface, etc., and after heat treatment, a grain boundary phase containing components derived from the sintering aid is formed in the structure.
熱処理温度や熱処理時間は、シリコンの平均粒子径、焼結助剤の種類、シリコンと焼結助剤との混合比等に応じて、適宜の条件とすることができる。バインダを含む場合、窒化反応による反応焼結のための熱処理の前に、脱脂のための低温の熱処理を行うことができる。 The heat treatment temperature and time can be set as appropriate depending on the average particle size of the silicon, the type of sintering aid, the mixing ratio of silicon and sintering aid, etc. When a binder is included, a low-temperature heat treatment for degreasing can be performed before the heat treatment for reactive sintering by the nitriding reaction.
好ましい熱処理の方法は、窒化反応による反応焼結のための熱処理と、窒化シリコンの粒子同士の焼結を進行させる熱処理を含む多段熱処理である。反応焼結は、窒素ガス雰囲気下、例えば、1300℃以上1600℃以下で行うことができる。窒化シリコンの粒子同士の焼結は、窒素ガス雰囲気下、例えば、1720℃以上2000℃以下で行うことができる。 A preferred heat treatment method is a multi-stage heat treatment that includes a heat treatment for reactive sintering by a nitriding reaction and a heat treatment to promote sintering of silicon nitride particles together. Reactive sintering can be carried out in a nitrogen gas atmosphere, for example, at 1300°C to 1600°C. Sintering of silicon nitride particles together can be carried out in a nitrogen gas atmosphere, for example, at 1720°C to 2000°C.
窒化シリコンの焼結体は、これらの工程により、窒化シリコンの充填率を高めることが可能になる。焼結体中の残部は、主に、焼結助剤に由来する成分を含む少量の粒界相や、空隙によって構成される。窒化シリコンの焼結体は、窒化シリコンのβ分率が高くなることが好ましい。 These processes make it possible to increase the packing rate of silicon nitride in the sintered silicon nitride body. The remainder of the sintered body is mainly composed of small amounts of grain boundary phases containing components derived from the sintering aid, and voids. It is preferable that the sintered silicon nitride body have a high β fraction of silicon nitride.
窒化シリコン基板は、二次加工を施さなくとも、基板の用途で用いる最終製品とすることができる。窒化シリコン基板の用途としては、プリント基板が挙げられる。特に、高周波トランジスタや、パワー半導体等のパワーモジュールや、マルチチップモジュールの回路基板の素材として好適である。また、ヒートシンク、ペルチェ素子、ゼーベック素子等の伝熱板として用いることもできる。 Silicon nitride substrates can be used as final products for substrate applications without secondary processing. Examples of applications for silicon nitride substrates include printed circuit boards. They are particularly suitable as materials for high-frequency transistors, power modules such as power semiconductors, and circuit boards for multi-chip modules. They can also be used as heat transfer plates for heat sinks, Peltier elements, Seebeck elements, etc.
図2は、窒化シリコン用グリーンシートにおけるシリコンの粒子径と充填率との関係を示す図である。
図2において、横軸は、シリコンのD10とD90との比(D10/D90)と、シリコンのD50とD90との比(D50/D90)、縦軸は、窒化シリコン用グリーンシート中におけるシリコンの充填率を示す。シリコンの粒子径および充填率は、計算値である。空隙の一部には、バインダが充填されていると仮定した。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the particle size and the packing rate of silicon in a silicon nitride green sheet.
In Fig. 2, the horizontal axis indicates the ratio of D10 to D90 of silicon (D10/D90) and the ratio of D50 to D90 of silicon (D50/D90), and the vertical axis indicates the filling rate of silicon in the silicon nitride green sheet. The silicon particle size and filling rate are calculated values. It is assumed that some of the voids are filled with binder.
△のプロットは、乾燥後に加圧処理しない場合に得られるシリコンのD10/D90である。〇のプロットは、乾燥後に加圧処理しない場合に得られるシリコンのD50/D90である。A1とA2、B1とB2、C1とC2は、それぞれ、同一の窒化シリコン用グリーンシートの数値である。ABC同士は、互いに異なる粒子径分布を持っている。 The △ plots show the D10/D90 of silicon obtained when pressure treatment is not applied after drying. The ◯ plots show the D50/D90 of silicon obtained when pressure treatment is not applied after drying. A1 and A2, B1 and B2, C1 and C2 are each the values for the same silicon nitride green sheet. A, B and C have different particle size distributions.
▲のプロットは、乾燥後に加圧処理した場合に得られるシリコンのD10/D90である。●のプロットは、乾燥後に加圧処理した場合に得られるシリコンのD50/D90である。D1とD2、E1とE2、F1とF2は、それぞれ、同一の窒化シリコン用グリーンシートの数値である。DEF同士は、互いに異なる粒子径分布を持っている。 The ▲ plot shows the D10/D90 of silicon obtained when pressure treatment is applied after drying. The ● plot shows the D50/D90 of silicon obtained when pressure treatment is applied after drying. D1 and D2, E1 and E2, F1 and F2 are each the values for the same silicon nitride green sheet. The DEFs have different particle size distributions.
図2に示すように、シリコンのD10/D90やD50/D90が小粒子径側であるほど、シリコンの充填率が高くなる。シリコンのD10やD50を小さくする方法としては、メディアン径(D50)やモード径が互いに異なる複数の粉末を用意し、より小粒子の粉末を加えていく方法が挙げられる。特に、D50が小さい粉末の混合比が高いほど、小粒子径側への変化量が大きくなる。 As shown in Figure 2, the smaller the particle diameter of silicon's D10/D90 or D50/D90, the higher the silicon filling rate. One method for reducing silicon's D10 or D50 is to prepare multiple powders with different median diameters (D50) or mode diameters, and add smaller particle powder. In particular, the higher the mixing ratio of powder with a small D50, the greater the change to the smaller particle diameter side.
▲と●のプロットが示すように、乾燥後に加圧処理してシリコンを圧密化させると、シリコンの粒子間の空隙にバインダや小粒子を移動させることができるため、加圧処理しない場合と比較して、高い充填率が得られる。加圧処理によると、シート中でシリコンが占める充填率を、約80体積%まで容易に調整することができる。 As the ▲ and ● plots show, when the silicon is compressed by pressure treatment after drying, the binder and small particles can be moved into the gaps between the silicon particles, resulting in a higher packing rate compared to when pressure treatment is not applied. By applying pressure treatment, the packing rate of silicon in the sheet can be easily adjusted to approximately 80% by volume.
次に、窒化シリコン用グリーンシートの具体的な実施例について説明する。 Next, we will explain some specific examples of silicon nitride green sheets.
(実施例1~3)
実施例1~3は、シリコンと焼結助剤を重量比95:5で混合した原料で作製した。シリコンとしては下記の表1に示す粒子径分布が制御された粉末、焼結助剤としてはY2O3、バインダとしてはポリアクリル酸、分散媒としてはブタノールを用いた。窒化シリコン用グリーンシートの厚さは、0.5mmとした。実施例1~3は、それぞれ、図2に示すC~Aに対応している。
(Examples 1 to 3)
Examples 1 to 3 were made from raw materials in which silicon and sintering aid were mixed in a weight ratio of 95:5. Silicon powder with a controlled particle size distribution shown in Table 1 below was used as the silicon, Y 2 O 3 as the sintering aid, polyacrylic acid as the binder, and butanol as the dispersion medium. The thickness of the silicon nitride green sheet was 0.5 mm. Examples 1 to 3 correspond to C to A in FIG. 2, respectively.
(実施例4~6)
実施例4~6は、シリコンと焼結助剤を重量比95:5で混合した原料で作製した。シリコンとしては下記の表1に示す粒子径分布が制御された粉末、焼結助剤としてはY2O3とMgOを重量比2:3で混合した混合物、バインダとしてはポリアクリル酸、分散媒としてはブタノールを用いた。窒化シリコン用グリーンシートの厚さは、0.5mmとした。実施例4~6は、それぞれ、図2に示すC~Aに対応している。
(Examples 4 to 6)
Examples 4 to 6 were made from raw materials in which silicon and sintering aid were mixed in a weight ratio of 95:5. The silicon used was a powder with a controlled particle size distribution as shown in Table 1 below, the sintering aid was a mixture of Y2O3 and MgO in a weight ratio of 2:3, the binder was polyacrylic acid, and the dispersion medium was butanol. The thickness of the silicon nitride green sheet was 0.5 mm. Examples 4 to 6 correspond to C to A in Figure 2, respectively.
(実施例7~8)
実施例7~8は、シリコンと焼結助剤を重量比95:5で混合した原料を用いて、シート状の塗工膜の成形後に、ロールプレス機を用いた加圧処理を施す方法で作製した。シリコンとしては下記の表1に示す粒子径分布が制御された粉末、焼結助剤としてはY2O3のみ、または、Y2O3とMgOを重量比2:3で混合した混合物、バインダとしてはポリアクリル酸、分散媒としてはブタノールを用いた。窒化シリコン用グリーンシートの厚さは、0.5mmとした。実施例7~8は、それぞれ、図2に示すDに対応している。
(Examples 7 to 8)
Examples 7 to 8 were produced by using a raw material in which silicon and a sintering aid were mixed in a weight ratio of 95:5, forming a sheet-like coating film, and then applying pressure using a roll press. Silicon was a powder with a controlled particle size distribution as shown in Table 1 below, sintering aid was either Y 2 O 3 alone or a mixture of Y 2 O 3 and MgO in a weight ratio of 2:3, binder was polyacrylic acid, and dispersion medium was butanol. The thickness of the silicon nitride green sheet was 0.5 mm. Examples 7 to 8 correspond to D in FIG. 2, respectively.
(比較例1)
比較例1は、実施例1のシリコンの粒子径分布を大粒子径側にシフトさせた原料で作製した。シリコンの粒子径以外の条件は、実施例1と同様である。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 was produced using a raw material in which the silicon particle size distribution of Example 1 was shifted to the larger particle size side. The conditions other than the silicon particle size were the same as those of Example 1.
(比較例2)
比較例2は、実施例4のシリコンの粒子径分布を大粒子径側にシフトさせた原料で作製した。シリコンの粒子径以外の条件は、実施例4と同様である。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 was produced using a raw material in which the silicon particle size distribution of Example 4 was shifted to the larger particle size side. The conditions other than the silicon particle size were the same as those of Example 4.
表1には、窒化シリコン用グリーンシートの原料の組成と作製条件を示す。表2には、原料として用いるシリコンの粉末の粒子径と、D10/D90・D10/D50の計算結果と、シリコンの充填率の計算結果を示す。 Table 1 shows the composition of the raw materials and manufacturing conditions for silicon nitride green sheets. Table 2 shows the particle size of the silicon powder used as the raw material, the calculation results of D10/D90 and D10/D50, and the calculation results of the silicon filling rate.
表1および表2に示すように、焼結助剤の組成が異なる実施例1~3と実施例4~6のいずれの系統においても、D10/D90やD50/D90が小さいほど、シリコンの充填率が高くなっている。この結果は、シリコンの粒子を球形換算した結果であるため、粒子径の相対的な大小関係が重要であり、原料として適切なシリコンの粒子径範囲に応じて、前記のD10/D90およびD50/D90の条件を満たすことが好ましいといえる。 As shown in Tables 1 and 2, in both the systems of Examples 1 to 3 and Examples 4 to 6, which have different compositions of sintering aids, the smaller the D10/D90 and D50/D90, the higher the silicon filling rate. This result is based on converting silicon particles into spherical particles, so the relative size relationship of the particle diameter is important, and it can be said that it is preferable to satisfy the above D10/D90 and D50/D90 conditions depending on the particle diameter range of silicon suitable as a raw material.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態が備える全ての構成を備えるものに限定されない。或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成の一部を他の形態に追加したり、或る実施形態の構成の一部を省略したりすることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the present invention. For example, the present invention is not necessarily limited to having all of the configurations of the above-described embodiments. It is possible to replace part of the configuration of an embodiment with another configuration, add part of the configuration of an embodiment to another form, or omit part of the configuration of an embodiment.
S10 粒子径調整工程
S20 混合工程
S30 塗工工程
S40 乾燥工程
S50 熱処理工程
S10 Particle size adjustment step S20 Mixing step S30 Coating step S40 Drying step S50 Heat treatment step
Claims (6)
前記シリコンの体積基準の積算粒子径分布における10%、50%および90%の体積分率に対応した粒子径を、それぞれ、D10、D50およびD90としたとき、D10とD90との比(D10/D90)が0より大きく0.15以下、且つ、D50とD90との比(D50/D90)が0.4以下であり、
前記シリコンが占める充填率が59体積%以上80体積%以下であり、
厚さが0.1mm以上1mm以下である窒化シリコン用グリーンシート。 A silicon nitride green sheet used as a precursor of a silicon nitride sintered body, the green sheet containing silicon , a sintering aid , and a binder ,
When particle sizes corresponding to 10%, 50% and 90% volume fractions in the volume-based cumulative particle size distribution of silicon are designated as D10, D50 and D90, respectively, the ratio of D10 to D90 (D10/D90) is greater than 0 and is not greater than 0.15, and the ratio of D50 to D90 (D50/D90) is not greater than 0.4,
The filling rate of the silicon is 59% by volume or more and 80% by volume or less,
A green sheet for silicon nitride having a thickness of 0.1 mm or more and 1 mm or less .
前記焼結助剤は、マグネシウム、イットリウムおよび希土類元素からなる群より選択される一種以上の元素を含む化合物である窒化シリコン用グリーンシート。 2. The silicon nitride green sheet according to claim 1,
The sintering aid is a compound containing one or more elements selected from the group consisting of magnesium, yttrium and rare earth elements.
前記焼結助剤の量は、前記シリコンおよび前記焼結助剤の合計100質量%に対して、1質量%以上15質量%以下である窒化シリコン用グリーンシート。 2. The silicon nitride green sheet according to claim 1,
A green sheet for silicon nitride, wherein the amount of the sintering aid is 1 mass % or more and 15 mass % or less with respect to 100 mass % in total of the silicon and the sintering aid.
前記シリコンのD50は、0.5μm以上20μm以下である窒化シリコン用グリーンシート。 2. The silicon nitride green sheet according to claim 1,
The silicon nitride green sheet has a D50 of 0.5 μm or more and 20 μm or less.
前記シリコンのD50は、0.5μm以上4μm以下である窒化シリコン用グリーンシート。 2. The silicon nitride green sheet according to claim 1,
The silicon nitride green sheet has a D50 of 0.5 μm or more and 4 μm or less.
前記シリコンの体積基準の積算粒子径分布における10%、50%および90%の体積分率に対応した粒子径を、それぞれ、D10、D50およびD90としたとき、D10とD90との比(D10/D90)が0より大きく0.15以下、且つ、D50とD90との比(D50/D90)が0.4以下となるように粉末状のシリコンを調製する工程と、
前記シリコンと焼結助剤を分散媒中で混合してスラリを調製する工程と、
前記スラリを基材上に塗工する工程と、
塗工された前記スラリを乾燥させる工程と、を含み、
乾燥後に前記シリコンが占める充填率が59体積%以上80体積%以下であるグリーンシートを得る窒化シリコン用グリーンシートの製造方法。 A method for producing a silicon nitride green sheet according to any one of claims 1 to 5, comprising the steps of:
a step of preparing powdered silicon such that the ratio of D10 to D90 (D10/D90) is greater than 0 and not greater than 0.15 and the ratio of D50 to D90 (D50/D90) is not greater than 0.4, where D10, D50 and D90 are particle sizes corresponding to 10%, 50% and 90% volume fractions in a volume-based cumulative particle size distribution of the silicon, respectively;
mixing the silicon and a sintering aid in a dispersion medium to prepare a slurry;
applying the slurry onto a substrate;
and drying the applied slurry.
A method for producing a green sheet for silicon nitride, which produces a green sheet having a filling rate of silicon of 59 volume % or more and 80 volume % or less after drying.
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2011195395A (en) | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Kubota Corp | Method for producing silicon nitride-based ceramic |
| JP2018184333A (en) | 2017-04-26 | 2018-11-22 | 日立金属株式会社 | Method of manufacturing silicon nitride substrate and silicon nitride substrate |
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