JP7729058B2 - Method for producing silicon nitride sintered body - Google Patents
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Description
本願は、窒化ケイ素焼結体、回路基板および窒化ケイ素焼結体の製造方法に関する。 This application relates to a silicon nitride sintered body, a circuit board, and a method for manufacturing a silicon nitride sintered body.
近年、電気自動車やハイブリッドカー等に使用されるモータを高効率で駆動するためのパワーモジュール、LEDの駆動回路等、大電力の電子回路が種々の用途で用いられるようになってきている。このような回路には、大電力によって発熱する電子部品が用いられるため、放熱性の高い絶縁性基板が用いられる。大型の基板を比較的安価で製造することが可能であることから、このような絶縁性基板には、一般にセラミックス基板が用いられる。特に、窒化ケイ素焼結基板は、優れた機械的強度を有する。例えば、特許文献1は、熱伝導性に優れた窒化ケイ素焼結基板を開示している。 In recent years, high-power electronic circuits have come to be used in a variety of applications, including power modules for efficiently driving motors used in electric and hybrid cars, and LED drive circuits. Because these circuits use electronic components that generate heat due to the high power, insulating substrates with high heat dissipation properties are used. Ceramic substrates are commonly used for these insulating substrates because they allow large substrates to be manufactured relatively inexpensively. Sintered silicon nitride substrates, in particular, have excellent mechanical strength. For example, Patent Document 1 discloses a sintered silicon nitride substrate with excellent thermal conductivity.
より熱伝導性が高い窒化ケイ素基板が求められている。本発明は高い熱伝導性を備えた窒化ケイ素焼結体、回路基板および窒化ケイ素焼結体の製造方法を提供する。 There is a demand for silicon nitride substrates with higher thermal conductivity. The present invention provides a silicon nitride sintered body with high thermal conductivity, a circuit board, and a method for manufacturing the silicon nitride sintered body.
本開示の実施形態による窒化ケイ素焼結体は、複数の窒化ケイ素粒子と、前記複数の窒化ケイ素粒子のうちの3つ以上の窒化ケイ素粒子間に位置する粒界三重点とを含む窒化ケイ素焼結体であって、前記粒界三重点は、Mgと、希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素REとを含み、前記粒界三重点におけるREに対するMgの割合Mg/REがMg/RE≦1を満たしており、前記窒化ケイ素粒子内のO含有量は0.05質量%以下である。 A silicon nitride sintered body according to an embodiment of the present disclosure includes a plurality of silicon nitride particles and a grain boundary triple junction located between three or more of the plurality of silicon nitride particles, wherein the grain boundary triple junction contains Mg and at least one element RE selected from rare earth elements, the ratio of Mg to RE at the grain boundary triple junction (Mg/RE) satisfies Mg/RE≦1, and the O content in the silicon nitride particles is 0.05 mass% or less.
窒化ケイ素焼結体は、前記複数の窒化ケイ素粒子のうち、2つの窒化ケイ素粒子間に位置する2粒子粒界をさらに含み、前記2粒子粒界は、Mgと、希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素REとを含み、前記2粒子粒界におけるREに対するMgの割合Mg/REがMg/RE≦0.7を満たしていてもよい。 The silicon nitride sintered body may further include a two-particle boundary located between two of the plurality of silicon nitride particles, the two-particle boundary containing Mg and at least one element RE selected from rare earth elements, and the ratio Mg to RE at the two-particle boundary, Mg/RE, may satisfy Mg/RE≦0.7.
前記複数の窒化ケイ素粒子は、MgおよびOを含み、前記複数の窒化ケイ素粒子のそれぞれは、内側領域と、前記内側領域の外側に位置し、MgおよびOの少なくとも一方の濃度が、前記内側領域よりも高い外側領域とを含み、前記外側領域の厚さは、2.5nm以下であってもよい。 The plurality of silicon nitride particles may contain Mg and O, and each of the plurality of silicon nitride particles may include an inner region and an outer region located outside the inner region, in which the concentration of at least one of Mg and O is higher than that of the inner region, and the thickness of the outer region may be 2.5 nm or less.
前記複数の窒化ケイ素粒子の少なくとも1つは、Mg、OおよびREを含み、100nm以下の粒径を有する微粒子を含んでいてもよい。 At least one of the plurality of silicon nitride particles may contain Mg, O, and RE, and may include fine particles having a particle size of 100 nm or less.
前記微粒子は、非晶質であってもよい。 The microparticles may be amorphous.
前記微粒子は、透過電子顕微鏡による直接倍率が10000倍以上の観察像において、5個/μm2以上存在していてもよい。 The fine particles may be present at a density of 5 particles/μm 2 or more in an image directly observed at a magnification of 10,000 times or more using a transmission electron microscope.
熱伝導率が130W/m・K以上であってもよい。 Thermal conductivity may be 130 W/m·K or more.
前記窒化ケイ素焼結体の3点曲げ試験による強度が、500MPa以上であってもよい。 The strength of the silicon nitride sintered body in a three-point bending test may be 500 MPa or more.
本開示の実施形態による回路基板は、上記いずれか1項に記載の窒化ケイ素焼結体からなる窒化ケイ素基板と前記窒化ケイ素基板の少なくとも一面に配置された導電性パターンとを備える。 A circuit board according to an embodiment of the present disclosure comprises a silicon nitride substrate made of the silicon nitride sintered body described above and a conductive pattern disposed on at least one surface of the silicon nitride substrate.
本開示の実施形態による窒化ケイ素焼結体の製造方法は、Si粉末と、希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素REを含むRE原料粉末と、MgSiN2を含むMg原料粉末とを、前記Si粉末が窒化したときに得られるSi3N4のモル数xと、RE原料粉末を三価の酸化物RE2O3に換算したときのモル数yと、前記Mg原料粉末をMgOに換算したときのモル数zとし、x+y+zを100mol%としたときに、RE原料粉末のモル数yを0.5mol%以上2mol%未満、および、前記Mg原料粉末のモル数zを8mol%以上15mol%未満の割合で混合し、混合粉末を得る工程(a)と、前記混合粉末をスラリーにして、シート状の成形体を得る工程(b)と前記成形体を窒素雰囲気中で加熱することによって焼結させ、窒化ケイ素焼結体を得る工程(c)と、を含み、前記Mg原料粉末は、前記MgSiN2を87質量%以上含む。 A method for producing a silicon nitride sintered body according to an embodiment of the present disclosure includes: a step (a) of mixing Si powder, an RE raw material powder containing at least one element RE selected from rare earth elements, and an Mg raw material powder containing MgSiN2 in a ratio of y to 8 mol% to 15 mol%, where x is the number of moles of Si3N4 obtained when the Si powder is nitrided, y is the number of moles of the RE raw material powder converted into trivalent oxide RE2O3 , and z is the number of moles of the Mg raw material powder converted into MgO, where x + y + z is 100 mol%, to obtain a mixed powder; a step (b) of forming a slurry from the mixed powder to obtain a sheet-like compact; and a step (c) of heating and sintering the compact in a nitrogen atmosphere to obtain a silicon nitride sintered body. The Mg raw material powder is a silicon nitride sintered body obtained by nitriding the Si powder and the MgSiN2. 2 in an amount of 87 mass % or more.
前記工程(c)は、前記加熱時の加熱開始から最高温度に到達するまでの期間において、1気圧以上20気圧以下の窒素雰囲気中、1300℃以上1800℃以下の温度T1で0.5時間以上前記成形体を保持する工程(c1)と、前記工程(c1)後、1300℃以上1800℃以下であり、かつ、温度T1よりも高い温度T2で0.5時間以上前記成形体を保持する工程(c2)と、を含んでいてもよい。 Step (c) may include step (c1) of holding the compact at a temperature T1 of 1300°C or higher and 1800°C or lower for 0.5 hours or more in a nitrogen atmosphere of 1 atmosphere or higher and 20 atmospheres or lower during the period from the start of heating until the maximum temperature is reached, and step (c2) of holding the compact at a temperature T2 of 1300°C or higher and 1800°C or lower, which is higher than temperature T1, for 0.5 hours or more after step (c1).
前記工程(c)は、前記工程(c1)の前に、1気圧よりも低い雰囲気中、900℃以上1300℃未満の温度で0.5時間以上前記成形体を保持する工程(c3)、をさらに含んでいてもよい。 Step (c) may further include, prior to step (c1), step (c3) of holding the compact at a temperature of 900°C or higher but lower than 1300°C for 0.5 hours or longer in an atmosphere of less than 1 atmosphere.
前記工程(c3)の終了から前記工程(c1)の開始までの間、1℃/min以下の速度で加熱温度を上昇させてもよい。 The heating temperature may be increased at a rate of 1°C/min or less from the end of step (c3) to the start of step (c1).
本開示の実施形態によれば、高熱伝導率と高強度を併せ持つ窒化珪素焼結体、回路基板および窒化ケイ素焼結体の製造方法を提供される。 Embodiments of the present disclosure provide a silicon nitride sintered body that combines high thermal conductivity and high strength, a circuit board, and a method for manufacturing the silicon nitride sintered body.
窒化ケイ素単結晶の理論的な熱伝導率は、例えば特許文献1にも示されているように、200W/m・K以上であると考えられている(熱伝導率の単位は、分子をW、分母をm・Kとする)。しかし、窒化ケイ素焼結体で同等の熱伝導率を実現するのは難しい。窒化ケイ素焼結体を得るためには、焼結助剤を添加する必要があり、焼結助剤となる元素が、熱伝導率の向上に影響を与えるからである。本願発明者は、原料、焼結助剤および焼結条件と、高熱伝導率を有する窒化ケイ素焼結体の構造および焼結体中の元素分布とを詳細に検討した。その結果、130W/m・K以上の熱伝導率と、十分な機械的強度を備えた窒化ケイ素焼結体およびその製造方法を想到した。以下、図面を参照しながら、本開示の窒化ケイ素焼結体、回路基板および窒化ケイ素焼結体の製造方法の実施形態を説明する。 As shown in Patent Document 1, for example, the theoretical thermal conductivity of silicon nitride single crystal is believed to be 200 W/m·K or higher (thermal conductivity is measured in units of W for the numerator and m·K for the denominator). However, achieving a comparable thermal conductivity with sintered silicon nitride is difficult. To obtain sintered silicon nitride, sintering aids must be added, and the elements used as sintering aids affect the improvement of thermal conductivity. The present inventors conducted detailed research into the raw materials, sintering aids, and sintering conditions, as well as the structure and element distribution within sintered silicon nitride sintered bodies with high thermal conductivity. As a result, they have devised a silicon nitride sintered body with a thermal conductivity of 130 W/m·K or higher and sufficient mechanical strength, and a method for manufacturing the same. Below, embodiments of the silicon nitride sintered body, circuit board, and method for manufacturing the silicon nitride sintered body disclosed herein are described with reference to the drawings.
(窒化ケイ素焼結体)
図1は、本実施形態の窒化ケイ素焼結体の一例を示す透過電子顕微鏡(TEM)像であり、図2は、図1に示される窒化ケイ素焼結体10の構造を示す模式図である。窒化ケイ素焼結体10は、複数の窒化ケイ素粒子11と、粒界相12から成る。
(Silicon nitride sintered body)
Fig. 1 is a transmission electron microscope (TEM) image showing an example of a silicon nitride sintered body of this embodiment, and Fig. 2 is a schematic diagram showing the structure of the silicon nitride sintered body 10 shown in Fig. 1. The silicon nitride sintered body 10 is composed of a plurality of silicon nitride particles 11 and a grain boundary phase 12.
窒化ケイ素粒子11は、窒化ケイ素焼結体10における主相である。窒化ケイ素粒子11は、全体として単結晶であり、窒素原子およびケイ素原子が規則的に配列されている。窒化ケイ素粒子11は、例えば、透過電子顕微鏡のエネルギー分散型X線分光法(EDS)で分析した場合において、窒素およびケイ素以外の元素を含む。具体的には、窒化ケイ素粒子11は、OおよびMgを含む。窒化ケイ素粒子11はREをさらに含んでいてもよい。ここで、REは、希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素である。より具体的には、REは、Y、La、Ce、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hfから選ばれる少なくとも1種以上である。REは少なくともYを含んでいることが好ましい。MgおよびREは焼結助剤に由来する。Oは、焼結助剤に由来するか、原料であるSi粉末に不可避的に含まれるか、窒化ケイ素焼結体10の製造中に不可避的に取り込まれる。 Silicon nitride particles 11 are the main phase in silicon nitride sintered body 10. Silicon nitride particles 11 are single crystals as a whole, with nitrogen and silicon atoms regularly arranged. When analyzed, for example, by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) using a transmission electron microscope, silicon nitride particles 11 contain elements other than nitrogen and silicon. Specifically, silicon nitride particles 11 contain O and Mg. Silicon nitride particles 11 may further contain RE. Here, RE is at least one element selected from rare earth elements. More specifically, RE is at least one element selected from Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and Hf. Preferably, RE contains at least Y. Mg and RE are derived from a sintering aid. O originates from sintering aids, is inevitably contained in the raw material Si powder, or is inevitably incorporated during the production of silicon nitride sintered body 10.
窒化ケイ素粒子11は、内側領域11Aと、外側領域11Bとを含む。外側領域11Bは内側領域11Aを覆うように内側領域11Aの外側に位置しており、窒化ケイ素粒子11の外縁に位置している。後述するように、外側領域11Bは、粒界相12と接している。 Silicon nitride particle 11 includes inner region 11A and outer region 11B. Outer region 11B is located outside inner region 11A so as to cover inner region 11A, and is located at the outer edge of silicon nitride particle 11. As described below, outer region 11B is in contact with grain boundary phase 12.
外側領域11Bは、MgおよびOの少なくとも一方を、内側領域11Aよりも高い濃度で含む。外側領域11Bは、REを内側領域11Aよりも高い濃度でさらに含んでいてもよい。ここで、MgおよびOの濃度は、EDSによって、内側領域11Aと、外側領域11Bとの境界に対して垂直に内側領域11Aおよび外側領域11Bを走査した場合において、MgおよびOのX線強度が増大を開始する位置を、外側領域11Bと内側領域11Aとの境界として決定できる。図3は、図2において、Lで示される線分の区間をEDSによって分析した場合における、線分Lの始点aからbまでのX線の強度分布示す模式図である。図3に示すように、MgおよびOの強度は、内側領域11Aではほぼ一定であるが、粒界相12に近づくとある位置からMgおよびOの少なくとも一方の濃度が高くなることによってX線強度も強くなる。X線強度の曲線が立ち上がる位置において外側領域11Bと内側領域11Aとの境界が決定される。立ち上がりの位置は、例えば、エネルギー分散型X線分析法(EDS)による分析が可能な透過電子顕微鏡に備えられた解析ソフトによって決定してもよい。 The outer region 11B contains at least one of Mg and O at a higher concentration than the inner region 11A. The outer region 11B may also contain RE at a higher concentration than the inner region 11A. The concentrations of Mg and O can be determined by scanning the inner region 11A and the outer region 11B perpendicularly to the boundary between the inner region 11A and the outer region 11B using EDS. The boundary between the outer region 11B and the inner region 11A can be determined by the position where the X-ray intensity of Mg and O begins to increase. Figure 3 is a schematic diagram showing the X-ray intensity distribution from the start point a to b of the line segment L in Figure 2, when the section of the line segment L is analyzed using EDS. As shown in Figure 3, the intensities of Mg and O are nearly constant in the inner region 11A, but as the concentration of at least one of Mg and O increases at a certain point near the grain boundary phase 12, the X-ray intensity also increases. The boundary between the outer region 11B and the inner region 11A is determined at the position where the X-ray intensity curve rises. The position where the curve rises may be determined, for example, using analysis software provided with a transmission electron microscope capable of analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).
外側領域11Bの厚さは2.5nm以下である。外側領域11Bの厚さは、好ましくは、2.2nm以下であり、より好ましくは、1.6nm以下である。外側領域11Bの厚さは小さいほど好ましい。外側領域11Bの厚さの下限値は、例えば、0.5nm程度である。 The thickness of the outer region 11B is 2.5 nm or less. The thickness of the outer region 11B is preferably 2.2 nm or less, and more preferably 1.6 nm or less. The smaller the thickness of the outer region 11B, the better. The lower limit of the thickness of the outer region 11B is, for example, approximately 0.5 nm.
外側領域11Bは、MgおよびOの少なくとも一方を含むことによって、内側領域11Aよりも熱伝導率が小さくなる。このため、外側領域11Bの厚さは小さいほうが好ましい。外側領域11B中のMgおよびOは、後述するように粒界相12におけるMgおよびOの濃度と関連がある。 By containing at least one of Mg and O, the outer region 11B has a lower thermal conductivity than the inner region 11A. For this reason, it is preferable that the thickness of the outer region 11B is small. The Mg and O in the outer region 11B are related to the concentrations of Mg and O in the grain boundary phase 12, as described below.
内側領域11A内において、Oの含有量は、0.05質量%以下である。また、EDSによる成分分析では、MgおよびREはいずれも検出限界以下であり、内側領域11A内は高純度で単結晶に近い状態にある。後述するように、内側領域11Aにおける特定の元素の含有量は、透過電子顕微鏡のEDSによって求められる検出元素全体に対する質量比で示される。測定は、例えば、複数の窒化ケイ素粒子11を任意に選択し、それぞれにおいて、内側領域11A内の任意の2箇所で測定して得られた含有量の平均値を求める(2箇所の成分量の合計を2で割った値になる)。得られた平均値をさらに複数の窒化ケイ素粒子11について平均を求めることによって算出される。 The O content in the inner region 11A is 0.05% by mass or less. Furthermore, component analysis using EDS revealed that both Mg and RE were below the detection limit, indicating that the inner region 11A is highly pure and in a state close to single crystal. As described below, the content of a specific element in the inner region 11A is expressed as a mass ratio relative to the total detected elements determined by EDS using a transmission electron microscope. For example, multiple silicon nitride particles 11 are arbitrarily selected, and for each, measurements are taken at any two locations within the inner region 11A to determine the average content (the sum of the component amounts at the two locations divided by 2). The average value obtained is then further averaged across multiple silicon nitride particles 11.
内側領域11Aは、焼結助剤に由来するMgおよびREをほとんど含まないため、高い熱伝導率を示す。ただし、内側領域11Aは微量のOを含むことによって、窒化ケイ素の理想的な熱伝導率から低下し得るため、Oの含有量は少ないほうが好ましい。 The inner region 11A exhibits high thermal conductivity because it contains almost no Mg or RE derived from sintering aids. However, the inner region 11A may contain trace amounts of O, which can reduce the ideal thermal conductivity of silicon nitride, so a low O content is preferable.
窒化ケイ素粒子11は、好ましくは、内側領域11A内において、1または複数の微粒子11Cを含む。微粒子11Cは、Mg、Oおよび、REを含む。さらに、SiおよびNを含む。微粒子11Cは非晶質であり、100nm以下の粒径を有する。ここで微粒子11Cの粒径は、透過電子顕微鏡像を取得し、画像または観察から求められる、その粒子の最大の長さである。 The silicon nitride particle 11 preferably contains one or more fine particles 11C within the inner region 11A. The fine particles 11C contain Mg, O, and RE. They also contain Si and N. The fine particles 11C are amorphous and have a particle size of 100 nm or less. Here, the particle size of the fine particles 11C is the maximum length of the particle, determined from an image or observation of a transmission electron microscope image.
微粒子11CはSi、N、O、MgおよびREからなる非晶質相である。好ましくは、窒化ケイ素粒子11は、透過電子顕微鏡像の10000倍以上の直接倍率による画像または観察像において、5個/μm2以上の微粒子11Cを含む。 The fine particles 11C are an amorphous phase composed of Si, N, O, Mg, and RE. Preferably, the silicon nitride particles 11 contain 5 or more fine particles 11C per μm2 in a direct magnification image or observation image of a transmission electron microscope image at 10,000 times or more.
窒化ケイ素粒子11の内側領域11Aにおいて、微粒子11Cは、O、Mg、REのうち少なくとも1つの元素を、微粒子11Cの外側に位置する内側領域11Aよりも多く含む。つまり、SiおよびN以外の元素が濃化して微粒子11Cを形成することによって、内側領域11Aの微粒子11C以外の部分における窒化ケイ素の純度を高め、熱伝導性を高めることができる。 In the inner region 11A of the silicon nitride particle 11, the microparticles 11C contain at least one of the elements O, Mg, and RE in greater amounts than the inner region 11A located outside the microparticles 11C. In other words, by concentrating elements other than Si and N to form the microparticles 11C, the purity of the silicon nitride in the parts of the inner region 11A other than the microparticles 11C can be increased, thereby improving thermal conductivity.
粒界相12は、複数の窒化ケイ素粒子11間に形成される非晶質相である。粒界相12は、2粒子粒界12Aと、粒界三重点12Bとを含む。2粒子粒界12Aは、隣接する2つの窒化ケイ素粒子11に挟まれた領域に位置し、2つの窒化ケイ素粒子11と接している。粒界三重点12Bは、複数の窒化ケイ素粒子のうちの3つ以上の窒化ケイ素粒子11間に位置し、接している。粒界三重点12Bは、2粒子粒界12Aと接続している。 The grain boundary phase 12 is an amorphous phase formed between multiple silicon nitride particles 11. The grain boundary phase 12 includes two-particle grain boundaries 12A and grain boundary triple junctions 12B. The two-particle grain boundaries 12A are located in the region sandwiched between two adjacent silicon nitride particles 11 and are in contact with the two silicon nitride particles 11. The grain boundary triple junctions 12B are located between and are in contact with three or more silicon nitride particles 11 among the multiple silicon nitride particles. The grain boundary triple junctions 12B are connected to the two-particle grain boundaries 12A.
粒界相12は、窒化ケイ素粒子11よりも高い濃度でMgおよびREを含む。粒界相12の2粒子粒界12AにおけるREに対するMgの割合Mg/REは、下記式(1)を満たしている。たとえば、EDS分析で元素Mg、元素REの質量単位での定量分析を行い、質量%でMg/REを算出する。
Mg/RE≦0.7 (1)
The grain boundary phase 12 contains Mg and RE at higher concentrations than the silicon nitride particles 11. The ratio Mg/RE of Mg to RE at the two-particle grain boundary 12A of the grain boundary phase 12 satisfies the following formula (1): For example, quantitative analysis of the element Mg and the element RE in mass units is performed by EDS analysis, and Mg/RE is calculated in mass%.
Mg/RE≦0.7 (1)
より好ましくは、2粒子粒界12AにおけるREに対するMgの割合Mg/REは、下記式(1’)を満たしている。
Mg/RE≦0.5 (1’)
More preferably, the ratio Mg/RE of Mg to RE at the two-particle boundary 12A satisfies the following formula (1').
Mg/RE≦0.5 (1')
また、粒界三重点12BにおけるREに対するMgの割合Mg/REは、下記式(2)を満たしている。
Mg/RE≦1 (2)
Furthermore, the ratio Mg/RE of Mg to RE at the grain boundary triple junction 12B satisfies the following formula (2).
Mg/RE≦1 (2)
より好ましくは、粒界三重点12BにおけるREに対するMgの割合Mg/REは、下記式(2’)を満たしている。
Mg/RE≦0.5 (2’)
More preferably, the ratio Mg/RE of Mg to RE at the grain boundary triple junction 12B satisfies the following formula (2').
Mg/RE≦0.5 (2')
Mg/REは熱履歴に関連している。窒化ケイ素焼結体10の製造時にSi、N、O、Mg、およびREが液相を構成し、液相から窒化ケイ素粒子11が成長するに従い、残った液相におけるMgおよびREの濃度が高まる。最終的に残った液相が粒界相12を形成する。このため、粒界相12では、MgおよびREが高い濃度で存在する。また、粒界相12は液体の状態では全体として均一な組成を有するが、冷却される過程で2粒子粒界12Aが先に形成され、その後粒界三重点12Bが形成される。この時、MgおよびREは2粒子粒界12Aから粒界三重点12Bへ移動する。 Mg/RE is related to thermal history. During the production of silicon nitride sintered body 10, Si, N, O, Mg, and RE constitute a liquid phase. As silicon nitride particles 11 grow from the liquid phase, the concentrations of Mg and RE in the remaining liquid phase increase. The remaining liquid phase ultimately forms grain boundary phase 12. As a result, Mg and RE exist in high concentrations in grain boundary phase 12. Furthermore, while grain boundary phase 12 has a uniform composition overall in the liquid state, during the cooling process, two-particle grain boundaries 12A are formed first, followed by the grain boundary triple junction 12B. At this time, Mg and RE migrate from two-particle grain boundaries 12A to grain boundary triple junction 12B.
MgおよびREは、焼結助剤に含まれる。Mgの融点は650℃程度であるため、Mgは比較的低温で液相を生成する。希土類金属は比較的高い融点を有するため、REは比較的高温で液相を生成する。また、Mgは1400℃程度で気化し、REはそれよりも高い温度で気化する。例えばYは1800℃程度で気化する。 Mg and RE are included as sintering aids. Because the melting point of Mg is around 650°C, Mg forms a liquid phase at a relatively low temperature. Because rare earth metals have relatively high melting points, RE forms a liquid phase at a relatively high temperature. Also, Mg vaporizes at around 1400°C, while RE vaporizes at even higher temperatures. For example, Y vaporizes at around 1800°C.
窒化ケイ素焼結体を製造する場合、一般に、酸化物換算で、MgはREよりも多く添加されるが、上述した理由からMgがREよりも多く気化する。本願発明者の検討の結果によれば、2粒子粒界12Aについては、式(1)を満たし、粒界三重点12Bについては式(2)を満たす場合に、窒化ケイ素焼結体10は高い熱伝導性を備える。 When producing silicon nitride sintered bodies, Mg is generally added in greater amounts than RE in oxide equivalent, but for the reasons mentioned above, Mg evaporates in greater amounts than RE. According to the results of the inventors' research, silicon nitride sintered body 10 exhibits high thermal conductivity when formula (1) is satisfied for the two-particle grain boundary 12A and formula (2) is satisfied for the grain boundary triple point 12B.
また、窒化ケイ素焼結体10全体におけるMgの割合は、0.2質量%以下であることが好ましい。上述したように、焼結体の製造時にMgは気化することによって添加したMgの量が減少するが、Mgの気化量が少ないと、粒界相における上述した割合Mg/REが十分に小さくならない。また、希土類金属は酸素に対し親和性を有するため、粒界相に希土類金属が高い濃度で存在することによって、酸素が窒化ケイ素粒子から粒界へ移動しやすい。しかし、Mgの総量が多いと、Mgがこの酸素の移動を阻害するため、窒化ケイ素粒子におけるO量の低減が十分に進まないと考えられる。 The proportion of Mg in the entire silicon nitride sintered body 10 is preferably 0.2 mass% or less. As mentioned above, the amount of Mg added decreases as Mg evaporates during the production of the sintered body. However, if the amount of Mg evaporated is small, the above-mentioned ratio Mg/RE in the grain boundary phase will not be sufficiently small. Furthermore, because rare earth metals have an affinity for oxygen, the presence of high concentrations of rare earth metals in the grain boundary phase facilitates the migration of oxygen from the silicon nitride particles to the grain boundaries. However, if the total amount of Mg is high, the Mg inhibits this oxygen migration, and it is thought that the reduction in the O content in the silicon nitride particles will not proceed sufficiently.
2粒子粒界12Aは、窒化ケイ素粒子11と接する面積が大きく、2粒子粒界12AのMgの濃度が、窒化ケイ素粒子11の外側領域11Bの厚さに影響を与えると考えられる。この観点から、2粒子粒界12AにおけるMgの含有量は少ないほうが好ましい。具体的には、2粒子粒界12AにおけるMgの含有量は、8質量%以下であることが好ましい。2粒子粒界12Aの厚さは、例えば、0.6nm以上1.6nm以下である。 The two-particle boundary 12A has a large area of contact with the silicon nitride particle 11, and it is believed that the Mg concentration at the two-particle boundary 12A affects the thickness of the outer region 11B of the silicon nitride particle 11. From this perspective, it is preferable that the Mg content at the two-particle boundary 12A is low. Specifically, the Mg content at the two-particle boundary 12A is preferably 8 mass% or less. The thickness of the two-particle boundary 12A is, for example, 0.6 nm or more and 1.6 nm or less.
窒化ケイ素焼結体10は、130W/m・K以上の熱伝導率を有する。窒化ケイ素焼結体10は、好ましくは、140W/m・K以上の熱伝導率を有し、より好ましくは150W/m・K以上の熱伝導率を有する。また、窒化ケイ素焼結体10は、500MPa以上の強度を有する。ここで、強度はJIS C6481に従った3点曲げ試験による値である。また、窒化ケイ素焼結体10は98%以上の相対密度を有している。 Silicon nitride sintered body 10 has a thermal conductivity of 130 W/m·K or greater. Silicon nitride sintered body 10 preferably has a thermal conductivity of 140 W/m·K or greater, and more preferably has a thermal conductivity of 150 W/m·K or greater. Silicon nitride sintered body 10 also has a strength of 500 MPa or greater. Here, the strength is a value measured in a three-point bending test in accordance with JIS C6481. Silicon nitride sintered body 10 also has a relative density of 98% or greater.
本実施形態の窒化ケイ素焼結体10によれば、窒化ケイ素粒子内のO含有量が0.05質量%以下であることにより、窒化ケイ素粒子11の純度が高められ、窒化ケイ素粒子11の熱伝導率が高くなる。また、粒界三重点におけるREに対するMgの割合Mg/REが式(2)を満たし、2粒子粒界におけるREに対するMgの割合Mg/REが式(1)を満たすことによって、粒界相におけるMg濃度を低下させることができる。よって、窒化ケイ素粒子11の外側領域11Bの厚さ小さくすることができる。これにより、窒化ケイ素焼結体10の熱伝導率を高めることができる。具体的には、130W/m・K以上の熱伝導率を有する窒化ケイ素焼結体を実現することが可能である。窒化ケイ素粒子11の外側領域11Bの厚さが1.8nm以下であれば、窒化ケイ素粒子11間で熱伝導性を高めることができる。また、窒化ケイ素粒子11がMgおよびREを高い濃度で含む微粒子を含むことによって、窒化ケイ素粒子11の内側領域11Aの純度を高め、より高い熱伝導性を備えることができる。具体的には、150W/m・K以上の熱伝導率を有する窒化ケイ素焼結体を実現することが可能である。 According to the silicon nitride sintered body 10 of this embodiment, the O content in the silicon nitride particles is 0.05 mass% or less, thereby increasing the purity of the silicon nitride particles 11 and increasing the thermal conductivity of the silicon nitride particles 11. Furthermore, the ratio of Mg to RE at the grain boundary triple junction (Mg/RE) satisfies formula (2), and the ratio of Mg to RE at the two-particle grain boundary (Mg/RE) satisfies formula (1), thereby reducing the Mg concentration in the grain boundary phase. This allows the thickness of the outer region 11B of the silicon nitride particles 11 to be reduced, thereby increasing the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body 10. Specifically, it is possible to achieve a silicon nitride sintered body with a thermal conductivity of 130 W/m·K or more. If the thickness of the outer region 11B of the silicon nitride particles 11 is 1.8 nm or less, thermal conductivity between the silicon nitride particles 11 can be increased. Furthermore, by including fine particles with high concentrations of Mg and RE in the silicon nitride particles 11, the purity of the inner region 11A of the silicon nitride particles 11 can be increased, providing higher thermal conductivity. Specifically, it is possible to achieve a silicon nitride sintered body with a thermal conductivity of 150 W/m·K or higher.
(回路基板)
本実施形態の回路基板は、上記本実施形態の窒化ケイ素焼結体からなる窒化ケイ素基板と、窒化ケイ素基板の互いに反対側に位置する2つの主面の内の少なくとも一方に配置された導電性パターンとを備える。回路基板は、例えば、1辺の長さが3cm以上10cm以下の正方形形状または長方形形状を有している。また、回路基板の厚さは、例えば、0.3mm以上3.0mm以下である。
(circuit board)
The circuit board of this embodiment includes a silicon nitride substrate made of the silicon nitride sintered body of this embodiment and a conductive pattern disposed on at least one of two opposing main surfaces of the silicon nitride substrate. The circuit board has, for example, a square or rectangular shape with a side length of 3 cm to 10 cm. The thickness of the circuit board is, for example, 0.3 mm to 3.0 mm.
本実施形態の回路基板は、上記窒化ケイ素焼結体からなる窒化ケイ素基板を含むため、熱伝導性に優れ、かつ、高い曲げ強度を有している。例えば、0.2℃/W以下の熱抵抗を有している。また、冷熱サイクル試験において2000サイクル以上の耐性を備える。 The circuit board of this embodiment includes a silicon nitride substrate made of the above-mentioned silicon nitride sintered body, and therefore has excellent thermal conductivity and high bending strength. For example, it has a thermal resistance of 0.2°C/W or less. It also has a resistance to more than 2,000 cycles in a thermal cycle test.
(窒化ケイ素焼結体の製造方法)
本実施形態の窒化ケイ素焼結体の製造方法を説明する。図4は、本実施形態の窒化ケイ素焼結体の製造方法を示すフローチャートである。
(Method for producing silicon nitride sintered body)
A method for producing a silicon nitride sintered body according to this embodiment will now be described. Fig. 4 is a flowchart showing the method for producing a silicon nitride sintered body according to this embodiment.
(1) 混合工程(a)(S1)
まず原料粉末を用意する。窒化ケイ素の原料として、Si粉末を用意する。また、焼結助剤として、Mg原料粉末とRE原料粉末を用意する。Si粉末が全て窒化したときに得られるSi3N4のモル数xと、RE原料粉末を三価の酸化物RE2O3に換算したときのモル数yと、Mg原料粉末をMgOに換算したときのモル数zとし、x+y+zを100mol%としたときに、RE原料粉末を0.5mol%以上2mol%未満、および、Mg原料粉末を8mol%以上15mol%未満の割合で調製し、混合する。残部であるSi粉末の割合は、83mol%以上91.5mol%未満である。
(1) Mixing step (a) (S1)
First, raw material powders are prepared. Si powder is prepared as the silicon nitride raw material. Furthermore, Mg raw material powder and RE raw material powder are prepared as sintering aids. Let x be the number of moles of Si3N4 obtained when all of the Si powder is nitrided , y be the number of moles of the RE raw material powder converted to trivalent oxide RE2O3 , and z be the number of moles of the Mg raw material powder converted to MgO. When x + y + z is 100 mol%, the RE raw material powder is prepared in a ratio of 0.5 mol% to less than 2 mol%, and the Mg raw material powder is prepared in a ratio of 8 mol% to less than 15 mol%, and then mixed. The remaining proportion of Si powder is 83 mol% to less than 91.5 mol%.
本実施形態では、窒化ケイ素の原料として、Si粉末を用意する。Si粉末を用い、N2ガスを用いてケイ素を窒化することにより、原料に由来する酸素量を相対的に低減させること可能である。Si粉末の割合が、83mol%未満であると、得られる窒化ケイ素焼結体の曲げ強度および熱伝導率が低すぎる。一方、Si粉末の割合が91.5mol%以上になると、焼結助剤が不足し、緻密な窒化ケイ素焼結体が得られにくくなる。 In this embodiment, Si powder is prepared as the raw material for silicon nitride. By using Si powder and nitriding silicon using N2 gas, it is possible to relatively reduce the amount of oxygen derived from the raw material. If the proportion of Si powder is less than 83 mol%, the bending strength and thermal conductivity of the resulting silicon nitride sintered body are too low. On the other hand, if the proportion of Si powder is 91.5 mol% or more, the sintering aid is insufficient, making it difficult to obtain a dense silicon nitride sintered body.
Mg原料粉末はMgSiN2を主成分として含む。Mg原料粉末はMgSiN2を87質量%以上含むことが好ましく、MgSiN2を90質量%以上含むことがより好ましい。MgOではなく、MgSiN2を用いることによって、原料に由来する酸素量を低減させることができ、窒化ケイ素焼結体中のO量を低減させることができる。 The Mg raw material powder contains MgSiN2 as a main component. The Mg raw material powder preferably contains 87 mass% or more of MgSiN2 , and more preferably contains 90 mass% or more of MgSiN2 . By using MgSiN2 instead of MgO , the amount of oxygen derived from the raw materials can be reduced, and the amount of O in the silicon nitride sintered body can be reduced.
Mg原料粉末の割合が、8mol%未満である場合、緻密な窒化ケイ素焼結体が得られにくくなる。また、Mg原料粉末の割合が、15mol%以上である場合、粒界相が増大するともに、粒界相におけるMg/REの比率が大きくなり、窒化ケイ素焼結体の熱伝導率が低くなりやすい。また、Mg原料粉末のMgSiN2の割合が、87質量%未満である場合、上述したように、窒化ケイ素焼結体のO量が多くなり、高い熱伝導率を達成しにくくなる。 If the proportion of Mg raw material powder is less than 8 mol%, it becomes difficult to obtain a dense silicon nitride sintered body. Also, if the proportion of Mg raw material powder is 15 mol% or more, the grain boundary phase increases, and the Mg/RE ratio in the grain boundary phase increases, which tends to reduce the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body. Also, if the proportion of MgSiN2 in the Mg raw material powder is less than 87 mass%, as mentioned above, the amount of O in the silicon nitride sintered body increases, making it difficult to achieve high thermal conductivity.
RE原料粉末は、上述したように希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を含む原料粉末である。より具体的には、REは、Y、La、Ce、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hfから選ばれる少なくとも1種である。窒化ケイ素焼結体の高密度化の観点でREはYを含むことが好ましい。REは酸化物の形態であってもよく、酸素以外の化合物の形態であってもよい。例えば、RE原料粉末は、Y2O3、YN等の粉末であってもよい。 As described above, the RE raw material powder is a raw material powder containing at least one element selected from rare earth elements. More specifically, the RE is at least one element selected from Y, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and Hf. From the viewpoint of increasing the density of the silicon nitride sintered body, it is preferable that the RE contains Y. The RE may be in the form of an oxide or a compound other than oxygen. For example, the RE raw material powder may be a powder of Y2O3 , YN, or the like .
RE原料粉末の割合が、0.5mol%未満である場合、緻密な窒化ケイ素焼結体が得られにくくなる。また、RE原料粉末の割合が、2mol%以上である場合、粒界相が増大し、窒化ケイ素焼結体の熱伝導率が低くなりやすい。 If the proportion of RE raw material powder is less than 0.5 mol%, it becomes difficult to obtain a dense silicon nitride sintered body. Furthermore, if the proportion of RE raw material powder is 2 mol% or more, the grain boundary phase increases, and the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body tends to decrease.
上記の原料粉末の割合が得られるように秤量したSi粉末、Mg原料粉末およびRE原料粉末に、可塑剤(例えばフタル酸系可塑剤)、有機バインダー(例えばポリビニルブチラール、ポリアクリル酸イソブチル)および有機溶剤(例えばエチルアルコール、ブチルアルコール)をボールミル等で混合し、原料を含むスラリーを作製する。スラリーの固形分濃度は30質量%以上70質量%以下が好ましい。 Si powder, Mg raw material powder, and RE raw material powder are weighed out to obtain the above raw material powder ratios, and mixed with a plasticizer (e.g., a phthalate-based plasticizer), an organic binder (e.g., polyvinyl butyral, polyisobutyl acrylate), and an organic solvent (e.g., ethyl alcohol, butyl alcohol) in a ball mill or similar to produce a slurry containing the raw materials. The solids concentration of the slurry is preferably 30% by mass or more and 70% by mass or less.
(2) 成形工程(b)(S2)
スラリーを脱泡および増粘した後、例えばドクターブレード法によりシート状の成形体(グリーンシート)を形成する。成形体の厚さは、形成すべき窒化ケイ素焼焼結体の厚さおよび焼結収縮率を考慮して適宜設定する。ドクターブレード法で形成した成形体は通常長尺な帯状であるので、所定の形状およびサイズに打ち抜くか切断する。
(2) Molding process (b) (S2)
After degassing and thickening the slurry, a sheet-like compact (green sheet) is formed, for example, by the doctor blade method. The thickness of the compact is appropriately set taking into consideration the thickness of the silicon nitride sintered body to be formed and the sintering shrinkage rate. The compact formed by the doctor blade method is usually a long strip, so it is punched or cut to the desired shape and size.
成形工程後に、有機バインダーおよび可塑剤を除去するため、成形体を400~800℃に加熱して、脱脂してもよい。 After the molding process, the molded body may be degreased by heating it to 400-800°C to remove the organic binder and plasticizer.
(3) 焼結工程(c)(S3)
成形体を加熱炉に導入し、窒素雰囲気中で加熱することによって原料を焼結させ、窒化ケイ素焼結体を得る。図5は焼結工程における加熱炉の温度プロファイルTおよび加熱炉内に導入する窒素ガスの圧力プロファイルPの模式的な一例を示す。以下において説明するように、各工程の好ましい保持時間には幅(範囲)があるため、図5において時間軸は必ずしも等間隔ではない。このため、温度プロファイルT(実線)および圧力プロファイルP(破線)における直線の傾きは、温度の上昇/下降速度および圧力の上昇/下降速度を正しく反映しているとは限らない。また、温度プロファイルTおよび圧力プロファイルP中の同じ傾きの2つの直線が、同じ温度の上昇速度または同じ圧力の上昇速度であるとは限らない。
(3) Sintering step (c) (S3)
The compact is introduced into a heating furnace and heated in a nitrogen atmosphere to sinter the raw materials, yielding a silicon nitride sintered body. Figure 5 shows a schematic example of the temperature profile T of the heating furnace during the sintering process and the pressure profile P of the nitrogen gas introduced into the heating furnace. As explained below, the preferred holding time for each step has a range, so the time axes in Figure 5 are not necessarily evenly spaced. Therefore, the slopes of the straight lines in the temperature profile T (solid line) and the pressure profile P (dashed line) do not necessarily accurately reflect the temperature rise/decrease rates and pressure rise/decrease rates. Furthermore, two straight lines with the same slope in the temperature profile T and the pressure profile P do not necessarily represent the same temperature rise rate or pressure rise rate.
焼結工程(c)は、昇温期間D1、焼結期間D2および冷却期間D3を含む。昇温期間D1は、加熱開始から、温度プロファイルTにおける最高温度に到達するまでの期間である。 The sintering process (c) includes a temperature rise period D1, a sintering period D2, and a cooling period D3. The temperature rise period D1 is the period from the start of heating to the maximum temperature in the temperature profile T.
この昇温期間D1の過程では、(3)式に示す反応式にて、原料Si粉末をN2ガスで窒化反応させてSi3N4粒子に変化させる工程が含まれる。
3Si+2N2 → Si3N4 (3)
The temperature rising period D1 includes a step of nitriding the raw material Si powder with N 2 gas to change it into Si 3 N 4 particles according to the reaction formula (3).
3Si+2N 2 → Si 3 N 4 (3)
また、焼結期間D2は最高温度を保持する期間である。また、冷却期間D3は、焼結期間D2終了後、加熱炉の温度を室温まで低下させる期間である。ここで、最高温度とは1800℃以上の温度を言う。 The sintering period D2 is the period during which the maximum temperature is maintained. The cooling period D3 is the period after the sintering period D2 ends during which the temperature of the heating furnace is lowered to room temperature. Here, the maximum temperature refers to a temperature of 1800°C or higher.
焼結工程における加熱炉内の温度は、例えば、加熱炉に設けられたのぞき窓から炉内の成形体などのターゲットを放射温度計によって測定した温度を用いることができる。具体的には、加熱炉内に、成形体を配置した焼結用の容器と、焼結用の容器を内周側に配置するカーボン製の筒状壁と、筒状壁の外周側近傍に位置するターゲットとを設けることができる。 The temperature inside the heating furnace during the sintering process can be measured, for example, through a viewing window in the heating furnace using a radiation thermometer to measure a target such as a molded body inside the furnace. Specifically, the heating furnace can be equipped with a sintering container in which the molded body is placed, a carbon cylindrical wall with the sintering container positioned on its inner periphery, and a target located near the outer periphery of the cylindrical wall.
(3-1) 昇温期間D1
昇温期間D1は、脱炭素期間d1、窒化過程d2、第1の温度保持期間d3および第2の温度保持期間d4を含む。第1の温度保持期間d3および第2の温度保持期間d4はSiを窒化させる窒化期間である。
(3-1) Temperature rise period D1
The temperature rise period D1 includes a decarbonization period d1, a nitriding process d2, a first temperature holding period d3, and a second temperature holding period d4. The first temperature holding period d3 and the second temperature holding period d4 are nitriding periods for nitriding Si.
(i) 脱炭素期間d1
まず、加熱炉内の雰囲気温度を室温から脱炭素期間d1の温度範囲にまで上昇させる。加熱速度は、例えば、60℃/hrである。加熱炉内の雰囲気温度が900℃以上1300℃以下の温度に達したら、この範囲内の温度で、0.5時間以上2時間以下の間保持する。加熱炉内の雰囲気は、減圧下、つまり、1気圧よりも低いことが好ましい。例えば、80Pa以下の圧力であることが好ましい。焼結時に炭素が残留していると、窒化ケイ素焼結体中にボイドが生成しやすい。このため、減圧下で成形体を保持することにより、成形体中の炭素を除去する。
(i) Decarbonization period d1
First, the ambient temperature in the heating furnace is raised from room temperature to the temperature range of the decarbonization period d1. The heating rate is, for example, 60°C/hr. Once the ambient temperature in the heating furnace reaches a temperature between 900°C and 1300°C, it is maintained at this temperature range for 0.5 hours to 2 hours. The atmosphere in the heating furnace is preferably under reduced pressure, i.e., lower than 1 atmosphere. For example, a pressure of 80 Pa or less is preferred. If carbon remains during sintering, voids are likely to form in the silicon nitride sintered body. For this reason, the carbon in the compact is removed by maintaining the compact under reduced pressure.
雰囲気温度が900℃よりも低い場合、炭素の除去が十分に行われない可能性がある。また、1300℃よりも高い場合、焼結助剤も除去される可能性がある。加熱炉内の雰囲気温度は1000℃以上1250℃以下の温度であることがより好ましい。 If the ambient temperature is lower than 900°C, carbon may not be sufficiently removed. Furthermore, if it is higher than 1300°C, the sintering aid may also be removed. It is more preferable that the ambient temperature in the heating furnace be between 1000°C and 1250°C.
(ii) 窒化過程d2
脱炭素期間の終了後、脱炭素期間の終了時の温度から、窒化期間である第1の温度保持期間d3の開始時の温度まで、成形体をゆっくり加熱する。具体的には、1℃/minの速度あるいは1℃/min以下の速度で加熱温度を上昇させ、成形体の温度を上昇させる。
(ii) Nitriding process d2
After the decarbonization period is completed, the molded body is slowly heated from the temperature at the end of the decarbonization period to the temperature at the start of the first temperature holding period d3, which is the nitriding period. Specifically, the heating temperature is increased at a rate of 1°C/min or less to increase the temperature of the molded body.
窒化過程d2の温度上昇速度は、0.5℃/min以下であることがより好ましい。また、窒化ケイ素焼結体を実用的な条件で製造するために、温度上昇速度は、0.1℃/min以上であることが好ましい。 The temperature rise rate during the nitriding step d2 is preferably 0.5°C/min or less. Furthermore, in order to produce silicon nitride sintered bodies under practical conditions, the temperature rise rate is preferably 0.1°C/min or more.
窒化過程d2およびこれ以降の期間では、加熱炉内を窒素雰囲気で満たすことが好ましい。具体的には、窒素または窒素を主成分とし、アルゴンなどの不活性ガスを含む混合ガス、あるいは、窒素ガスに3%程度以下の水素を含む混合ガスを用いることができる。加熱炉内の圧力は、1気圧以上20気圧以下程度であることが好ましい。図5では窒化過程d2およびこれ以降の期間における窒素雰囲気の圧力を一定で示しているが、上述した圧力範囲内において変化していてもよい。 During the nitriding step d2 and subsequent periods, it is preferable to fill the heating furnace with a nitrogen atmosphere. Specifically, nitrogen or a mixed gas containing nitrogen as the main component and an inert gas such as argon, or a mixed gas containing nitrogen gas with approximately 3% or less of hydrogen, can be used. The pressure inside the heating furnace is preferably between 1 atmosphere and 20 atmospheres. While Figure 5 shows the pressure of the nitrogen atmosphere as constant during the nitriding step d2 and subsequent periods, it may vary within the pressure range described above.
(iii) 第1の温度保持期間d3、および第2の温度保持期間d4
第1の温度保持期間d3として、1300℃以上1800℃以下の温度T1で加熱炉内の雰囲気の温度を保持する。保持時間は、0.5時間以上10時間以下であることが好ましい。
(iii) First temperature holding period d3 and second temperature holding period d4
During the first temperature holding period d3, the temperature of the atmosphere in the heating furnace is held at a temperature T1 of 1300° C. to 1800° C. The holding time is preferably 0.5 hours to 10 hours.
その後、第2の温度保持期間d4として、加熱炉内の雰囲気の温度を温度T1よりも高く、1300℃以上1800℃以下の温度T2で加熱炉内の雰囲気の温度を保持する。保持時間は、0.5時間以上10時間以下であることが好ましい。 Then, during the second temperature holding period d4, the temperature of the atmosphere in the heating furnace is held at a temperature T2 higher than temperature T1, at 1300°C or higher and 1800°C or lower. The holding time is preferably 0.5 hours or higher and 10 hours or lower.
図示していないが、その後、第3の温度保持期間d5として、加熱炉内の雰囲気の温度を温度T2よりも高く、1300℃以上1800℃以下の温度T3で加熱炉内の雰囲気の温度を保持してもよい。保持時間は、0.5時間以上10時間以下であることが好ましい。 Although not shown, a third temperature holding period d5 may then be performed, in which the temperature of the atmosphere in the heating furnace is held at a temperature T3 higher than temperature T2, in the range of 1300°C to 1800°C. The holding time is preferably 0.5 hours to 10 hours.
例えば、温度T1は1300℃以上1500℃以下であり、温度T2は1500℃以上1700℃以下である。一例として温度T1は1400℃であり、温度T2は1600℃である。温度T3は、1800℃である。 For example, temperature T1 is between 1300°C and 1500°C, and temperature T2 is between 1500°C and 1700°C. As an example, temperature T1 is 1400°C and temperature T2 is 1600°C. Temperature T3 is 1800°C.
これらの工程によってSi粉末が窒化され、窒化ケイ素が生成する。Si粉末の窒化を2つの温度で行うことによって、成形体のサイズが大きい場合でも、シート状の成形体のうねりなどの変形を抑制することができる。 These processes nitride the Si powder, producing silicon nitride. By nitriding the Si powder at two temperatures, deformations such as waviness in the sheet-shaped compact can be suppressed, even when the compact size is large.
(3-2) 焼結期間D2
窒化期間終了後、加熱炉内の雰囲気温度を1800℃よりも高い温度に設定し、成形体を焼結させる。雰囲気温度は、1800℃以上2000℃以下であることが好ましく、1800℃以上1950℃以下であることがより好ましい、また雰囲気温度が1800℃以上1900℃以下であることがさらに好ましい。雰囲気温度が2000℃を超えると、焼結助剤の気化および窒化ケイ素の分解が激しくなり、緻密な窒化ケイ素焼結体が得られにくくなる。1800℃以上2000℃以下の温度であれば、雰囲気温度は一定でなくてもよく、変化(例えば徐々に昇温)してもよい。
(3-2) Sintering period D2
After the nitriding period is over, the ambient temperature in the heating furnace is set to a temperature higher than 1800°C, and the compact is sintered. The ambient temperature is preferably 1800°C or higher and 2000°C or lower, more preferably 1800°C or higher and 1950°C or lower, and even more preferably 1800°C or higher and 1900°C or lower. If the ambient temperature exceeds 2000°C, the vaporization of the sintering aid and the decomposition of silicon nitride become intense, making it difficult to obtain a dense silicon nitride sintered body. As long as the ambient temperature is 1800°C or higher and 2000°C or lower, the ambient temperature does not need to be constant and may be changed (for example, gradually increased).
保持時間は、1時間以上30時間以下である。保持時間は2時間以上20時間以下であることが好ましく、5時間以上15時間以下がより好ましい。 The holding time is between 1 hour and 30 hours. A holding time of between 2 hours and 20 hours is preferred, and between 5 hours and 15 hours is even more preferred.
上述した温度で成形体を保持することによって、窒化ケイ素結晶の粒成長が促進するともに、Mg、REおよびOが窒化ケイ素結晶から排除され粒界相へ移動することによって、窒化ケイ素結晶の純度が高められる。また、窒化ケイ素結晶内のMg、REおよびOの一部が、内部で非晶質の微粒子を生成することによって、窒化ケイ素結晶の純度が高められる。 By maintaining the compact at the above-mentioned temperatures, grain growth of the silicon nitride crystals is promoted, and Mg, RE, and O are excluded from the silicon nitride crystals and migrate to the grain boundary phase, thereby increasing the purity of the silicon nitride crystals. Furthermore, some of the Mg, RE, and O within the silicon nitride crystals form amorphous fine particles within them, thereby increasing the purity of the silicon nitride crystals.
(3-3) 冷却期間D3
焼結期間D2後、加熱炉内の雰囲気温度を徐々に低下させ室温程度にまで低下させる。冷却期間D3において、生成した窒化ケイ素粒子間の液相を冷却して粒界相として固化し、得られる窒化ケイ素粒子の主相の位置を固定する。液相の固化を迅速に行って粒界相分布の均一性を維持するために、冷却速度は100℃/hr以上が好ましく、300℃/hr以上がより好ましく、500℃/hr以上が最も好ましい。実用的には、冷却速度は500℃/hr以上600℃/hr以下が好ましい。このような冷却速度での冷却により、固化する焼結助剤の結晶化を抑制し、ガラス相を主体とした粒界相を構成し、窒化ケイ素焼結体の曲げ強度を高めることができる。1200℃まで雰囲気温度を低下させると、粒界相が定まり、窒化ケイ素焼結体全体が固体になる。このため、それより低い温度での冷却速度は特に限定されない。
(3-3) Cooling period D3
After the sintering period D2, the ambient temperature in the heating furnace is gradually lowered to approximately room temperature. During the cooling period D3, the liquid phase between the resulting silicon nitride particles is cooled and solidified as a grain boundary phase, thereby fixing the position of the main phase of the resulting silicon nitride particles. To rapidly solidify the liquid phase and maintain uniformity in the grain boundary phase distribution, the cooling rate is preferably 100°C/hr or higher, more preferably 300°C/hr or higher, and most preferably 500°C/hr or higher. For practical purposes, a cooling rate of 500°C/hr or higher and 600°C/hr or lower is preferred. Cooling at such a cooling rate suppresses crystallization of the solidifying sintering aid, forms a grain boundary phase mainly composed of a glass phase, and increases the bending strength of the silicon nitride sintered body. Lowering the ambient temperature to 1200°C fixes the grain boundary phase, and the entire silicon nitride sintered body becomes solid. Therefore, the cooling rate at temperatures lower than that is not particularly limited.
本実施形態の窒化ケイ素焼結体の製造方法によれば、Si源としてSi粉末を用い、MgSiN2を87質量%以上含むMg原料粉末を用いることによって、製造時に含まれるOの量を低減し、窒化ケイ素焼結体中のO量をより低減させることが可能となる。また、Si粉末の窒化時に2段階の温度で成形体を保持することによって、窒化ケイ素粒子内に不純物が濃化した非晶質の微粒子を析出させることに寄与していると考えられる。 According to the method for producing sintered silicon nitride of this embodiment, by using Si powder as the Si source and a Mg raw material powder containing 87 mass% or more of MgSiN2 , it is possible to reduce the amount of O contained during production and further reduce the amount of O in the sintered silicon nitride. Furthermore, it is believed that maintaining the compact at two temperature stages during the nitriding of the Si powder contributes to the precipitation of amorphous fine particles with concentrated impurities within the silicon nitride particles.
(実施例)
以下、種々の条件で窒化ケイ素焼結体を作製し、特性を調べた結果を説明する。
(Example)
The following describes the results of producing silicon nitride sintered bodies under various conditions and examining their properties.
1.窒化ケイ素焼結体の製造
[試料1~15]
Si粉末、RE原料粉末であるY2O3粉末(表1のY2O3)、並びにMgSiN2およびMgOを含むMg原料粉末(表1のMg化合物)を用意した。Si粉末が全て窒化したときに得られるSi3N4のモル数xと、Y2O3粉末のモル数yと、Mg原料粉末をMgOに換算したときのモル数zとし、表1に示す割合で、Y2O3粉末およびMg原料粉末を秤量し、x=100-y-zで求められる、Si3N4換算のモル数に相当する割合のSi粉末を秤量した。Mg原料粉末中のMgSiN2の割合は表1に示す通りである。
1. Production of silicon nitride sintered body [Samples 1 to 15]
Si powder, Y 2 O 3 powder (Y 2 O 3 in Table 1) which is an RE raw material powder, and Mg raw material powder containing MgSiN 2 and MgO (Mg compound in Table 1) were prepared. The number of moles of Si 3 N 4 obtained when all the Si powder was nitrided is defined as x, the number of moles of Y 2 O 3 powder as y, and the number of moles of the Mg raw material powder converted to MgO as z. The Y 2 O 3 powder and Mg raw material powder were weighed out in the proportions shown in Table 1, and Si powder was weighed out in a proportion corresponding to the number of moles converted to Si 3 N 4 , calculated by x = 100 - y - z. The proportion of MgSiN 2 in the Mg raw material powder is as shown in Table 1.
これらの粉末を混合しスラリーを形成し、ドクターブレード法によってシート状の成形体(グリーンシート)を作成した。 These powders were mixed to form a slurry, and a sheet-shaped compact (green sheet) was created using the doctor blade method.
成形体を加熱炉に入れ、表2に示す条件で成形体を焼結させることによって試料1~15のセラミック焼結体を得た。 The compacts were placed in a heating furnace and sintered under the conditions shown in Table 2 to obtain ceramic sintered bodies (samples 1 to 15).
2.特性の測定
(1) 作製した試料1~15の相対密度、熱伝導率、3点曲げ強度を測定した。測定に用いた装置および測定条件は以下の通りである。
1)相対密度
アルキメデス法により求めた基板材密度を3.24g/cm3で除して%表示した数値。
基板サイズは:30mm×30mm
2)熱伝導率
5mm×5mmに加工した基板についてレーザーフラッシュ法にて測定した。
装置:Netzsch社製 熱拡散率測定装置:LFA 467 Hyper Flash
熱伝導率=比熱×密度×熱拡散率で算出される。
比熱は0.68kJ/(kg・K)で一定として測定で得た密度と熱拡散率を上式に挿入して算出した。
3)3点曲げ強度
JIS 支点間距離:20mm 基板サイズ:30mm×25mm×0.32mmt クロスヘッドスピード:0.5mm/min
装置:島津製作所製オートグラフAGS-100NX
2. Measurement of Properties (1) The relative density, thermal conductivity, and three-point bending strength were measured for the prepared samples 1 to 15. The apparatus and conditions used for the measurements are as follows:
1) Relative density: A value obtained by dividing the density of the substrate material obtained by Archimedes' method by 3.24 g/ cm3 and expressing it as a percentage.
Board size: 30mm x 30mm
2) Thermal conductivity: The thermal conductivity was measured by the laser flash method on a substrate processed to a size of 5 mm x 5 mm.
Device: Netzsch Thermal diffusivity measuring device: LFA 467 Hyper Flash
Thermal conductivity is calculated as specific heat x density x thermal diffusivity.
The specific heat was kept constant at 0.68 kJ/(kg·K) and the density and thermal diffusivity obtained by measurement were inserted into the above equation for calculation.
3) Three-point bending strength JIS Distance between supports: 20 mm Substrate size: 30 mm x 25 mm x 0.32 mmt Crosshead speed: 0.5 mm/min
Apparatus: Shimadzu Autograph AGS-100NX
(2) 作製した試料1~15を、TEMを用いて観察し、窒化ケイ素粒子内の微粒子の有無を調べた。EDSによって、窒化ケイ素粒子内の中心の酸素量を測定した。また、2粒子粒界および粒界三重点における、Yに対するMgの割合を調べた。
また、EDSのライン分析によって、窒化ケイ素粒子および隣接する2粒子粒界におけるMgおよびOの濃度プロファイルを取得し、外側領域の厚さであるMgおよびOの深さ(すなわち、窒化珪素粒子及び粒界相の界面から窒化珪素粒子内部への長さ)を測定した。測定に用いた装置および測定条件は以下の通りである。
1)試料作製
イオンミリング法で薄片化
装置:PIPS(精密イオンミリング装置):Gatan社製 Model 691
2)観察
装置:透過型電子顕微鏡(TEM):日本電子製 JEM-ARM200F
観察条件:加速電圧:200kV,電子回折:カメラ長 80cm
STEM(HAADF)モード:5C,定量分析:30Lsec
TEM-EDX条件: 線分析:256Pix,1.0msec/Pix
STEM:scanning transmission electron microscope(走査透過型電子顕微鏡)
HAADF像: HAADF-STEM( High-Angle Annular Dark Field Scanning TEM)像は細く絞った電子線を試料に走査させ、透過電子のうち高角に散乱したものを環状の検出器で検出することにより得られる。
重い元素はSTEM像では暗く、HAADF-STEM像では明るい像となる。原子量(Z)に比例したコントラストが得られることから、Zコントラスト像とも呼ばれる。
3)元素分析
窒化珪素粒子の酸素量は、以下の手順で焼結体を粉砕し、焼結体の粒界相を除去した後、主相である窒化ケイ素粒子の酸素量を測定した。
(a)焼結体粉砕
焼結体を振動ミルにて75μm以下の粉砕粉とした。
(b)酸処理による粒界相の除去
フッ化水素酸を加え、粒界相を除去し、その後、蒸留水で水洗した。水洗は上澄みを除去し、蒸留水による振り洗いと遠心分離を繰り返した。水洗終了はpH試験紙によって中性度合いを確認した。さらにエタノールを加えて、水洗後の試料のエタノール(99.5%)による振り洗いと遠心分離を実施した後、真空加熱乾燥にて窒化珪素粒子を取り出した。
(c)測定
酸素分析とピーク分離による定量は、LECO製 TCH-600を用い、昇温条件 8℃/s、試料量 約20mgにて酸素測定を行った。酸素のピークは低温側と高温側に現れるが、低温側は粒子表面の酸素であり、高温側が粒内の酸素を示すため、高温側のピークのみを正規分布に近似し、その面積から酸素量を求めた。
(2) Samples 1 to 15 were observed using a TEM to check for the presence of fine particles within the silicon nitride particles. The oxygen content at the center of the silicon nitride particles was measured using EDS. The ratio of Mg to Y at the grain boundaries between two particles and at the grain boundary triple junction was also examined.
Furthermore, concentration profiles of Mg and O in the silicon nitride particle and in the grain boundary between two adjacent particles were obtained by EDS line analysis, and the depth of Mg and O, which is the thickness of the outer region (i.e., the length from the interface between the silicon nitride particle and the grain boundary phase to the inside of the silicon nitride particle), was measured. The apparatus and conditions used for the measurement were as follows:
1) Sample preparation: Thinning device using ion milling method: PIPS (precision ion milling device): Gatan Model 691
2) Observation equipment: Transmission electron microscope (TEM): JEOL Ltd. JEM-ARM200F
Observation conditions: Acceleration voltage: 200 kV, Electron diffraction: Camera length: 80 cm
STEM (HAADF) mode: 5C, quantitative analysis: 30 Lsec
TEM-EDX conditions: Line analysis: 256Pix, 1.0msec/Pix
STEM: scanning transmission electron microscope
HAADF image: A HAADF-STEM (High-Angle Annular Dark Field Scanning TEM) image is obtained by scanning a sample with a finely focused electron beam and detecting the high-angle scattered electrons among the transmitted electrons with an annular detector.
Heavy elements appear dark in STEM images and bright in HAADF-STEM images. Because contrast proportional to the atomic weight (Z) is obtained, they are also called Z-contrast images.
3) Elemental Analysis The oxygen content of silicon nitride particles was measured by crushing a sintered body in the following manner, removing the grain boundary phase of the sintered body, and then measuring the oxygen content of silicon nitride particles, which are the main phase.
(a) Pulverization of Sintered Body The sintered body was pulverized into powder of 75 μm or less in size using a vibration mill.
(b) Removal of the grain boundary phase by acid treatment Hydrofluoric acid was added to remove the grain boundary phase, and then the sample was washed with distilled water. After washing, the supernatant was removed, and the sample was repeatedly washed by shaking with distilled water and centrifuged. After the washing was completed, the degree of neutrality was confirmed using pH test paper. Ethanol was then added, and the sample after washing was washed by shaking with ethanol (99.5%) and centrifuged, after which the silicon nitride particles were extracted by vacuum heating and drying.
(c) Measurement Oxygen analysis and quantification by peak separation were performed using a LECO TCH-600 with a temperature rise of 8°C/s and a sample amount of approximately 20 mg. Oxygen peaks appear on both the low-temperature and high-temperature sides, but the low-temperature side represents oxygen on the particle surface, while the high-temperature side represents oxygen inside the particle. Therefore, only the peak on the high-temperature side was approximated to a normal distribution, and the oxygen content was calculated from its area.
同様の条件で作製した焼結体を用意し、焼結体全体中のREであるYとMgの成分量は、焼結体を上述したように粉砕し、ICP分析でY量、Mg量を定量分析することによって求めた。 Sintered bodies manufactured under similar conditions were prepared, and the amounts of the RE components Y and Mg in the entire sintered body were determined by pulverizing the sintered body as described above and quantitatively analyzing the amounts of Y and Mg using ICP analysis.
3.結果及び考察
(1)焼結助剤の割合
表1の試料5に示されるように、Yの割合が0.5mol%よりも小さい場合、得られた焼結体の相対密度が98%よりも小さい。これは、焼結助剤が不足しているため、均一な窒化ケイ素粒子の成長が充分に行われないことによって、緻密な焼結体が得られなかったからと考えられる。また、試料6に示されるように、Yの割合が2mol%以上である場合、熱伝導率が130W/m・K以下である。これは、沸点の高い焼結助剤が過剰であるため、得られた焼結体中の粒界相にYが多く残留し、粒界相が厚くなったり、粒界相におけるYの濃度が高くなることによって粒界相の熱伝導率が低下するからであると考えられる。
3. Results and Discussion (1) Sintering Aid Proportion As shown in Sample 5 in Table 1, when the proportion of Y was less than 0.5 mol%, the relative density of the resulting sintered body was less than 98%. This is thought to be because the insufficient sintering aid prevented uniform growth of silicon nitride particles, resulting in a dense sintered body. Furthermore, as shown in Sample 6, when the proportion of Y was 2 mol% or more, the thermal conductivity was 130 W/m·K or less. This is thought to be because the excess sintering aid, which has a high boiling point, caused a large amount of Y to remain in the grain boundary phase of the resulting sintered body, thickening the grain boundary phase and increasing the concentration of Y in the grain boundary phase, thereby reducing the thermal conductivity of the grain boundary phase.
同様に、試料7に示されるように、Mgの割合が8mol%よりも少ない場合、得られた焼結体の相対密度が98%よりも小さい。焼結助剤が不足することにより、緻密な焼結体が得られなかったからと考えられる。また、試料8に示されるように、Mgの割合が15mol%以上である場合、熱伝導率が130W/m・K以下である。これは、得られた焼結体中の粒界相にMgが多く残留し、粒界相におけるMgの濃度が高くなることによって粒界相の熱伝導率が低下するからであると考えられる。また、Mgの割合が大きくなることによって、Mg原料粉末に含まれるMgSiN2以外の原料粉末であるMgOの量も多くなる。このため、焼結体に残存するOの量も増え、熱伝導率が低下すると考えられる。 Similarly, as shown in sample 7, when the Mg content is less than 8 mol%, the relative density of the resulting sintered body is less than 98%. This is thought to be because a lack of sintering aid prevents a dense sintered body from being obtained. Furthermore, as shown in sample 8, when the Mg content is 15 mol% or more, the thermal conductivity is 130 W/m·K or less. This is thought to be because a large amount of Mg remains in the grain boundary phase of the resulting sintered body, and the high Mg concentration in the grain boundary phase reduces the thermal conductivity of the grain boundary phase. Furthermore, as the Mg content increases, the amount of MgO, a raw material powder other than MgSiN2 , contained in the Mg raw material powder also increases. This is thought to result in an increase in the amount of O remaining in the sintered body, reducing the thermal conductivity.
試料9に示されるように、Mg原料粉末の割合が、15mol%未満であっても、MgSiN2の割合が87質量%よりも少ない場合、熱伝導率が130W/m・K以下である。Mg原料粉末に含まれるMgSiN2以外の原料粉末であるMgOの量も多くなり、焼結体に残存するOの量が増え、熱伝導率が低下すると考えられる。 As shown in Sample 9, even if the proportion of Mg raw material powder is less than 15 mol%, when the proportion of MgSiN2 is less than 87 mass%, the thermal conductivity is 130 W/m K or less. It is thought that the amount of MgO, which is a raw material powder other than MgSiN2 contained in the Mg raw material powder, also increases, and the amount of O remaining in the sintered body increases, resulting in a decrease in thermal conductivity.
(2)窒化ケイ素粒子中の酸素量
試料1~4、10~15に示されるように、窒化ケイ素粒子内の酸素量が0.05質量%以下である場合、130W/m・K以上の熱伝導率が得られている。特に試料13~15では、窒化ケイ素粒子内の酸素量が0.02質量%と低いため、150W/m・K以上の熱伝導率が得られている。これに対し、試料5、8、9に示されるように、窒化ケイ素粒子内の酸素量が0.05質量%より大きい場合、熱伝導率は130W/m・Kを下回っている。このように窒化ケイ素粒子の酸素量は熱伝導率と関連しており、酸素量が少ないほど伝導率が高くなる傾向がみられる。なお、試料6、7では、窒化ケイ素粒子内の酸素量が0.05質量%以下であるが、熱伝導率は130W/m・Kより小さい。これは、上述したように、Yの割合が好ましい範囲を外れていることにより、上述した原因で熱伝導率が低下するからであると考えられる。
(2) Oxygen Content in Silicon Nitride Particles As shown in Samples 1-4 and 10-15, when the oxygen content in the silicon nitride particles is 0.05% by mass or less, a thermal conductivity of 130 W/m·K or more is obtained. In particular, Samples 13-15, with a low oxygen content of 0.02% by mass, achieve a thermal conductivity of 150 W/m·K or more. In contrast, as shown in Samples 5, 8, and 9, when the oxygen content in the silicon nitride particles is greater than 0.05% by mass, the thermal conductivity falls below 130 W/m·K. Thus, the oxygen content in silicon nitride particles is related to thermal conductivity, with a tendency for lower oxygen content to increase conductivity. Note that in Samples 6 and 7, the oxygen content in the silicon nitride particles is 0.05% by mass or less, but the thermal conductivity is lower than 130 W/m·K. This is thought to be due to the aforementioned decrease in thermal conductivity caused by the Y content being outside the preferred range.
(3)焼結体中のMg量
試料1~4、10~15に示されるように、焼結体全体中のMg量が0.20質量%以下である場合、130W/m・K以上の熱伝導率が得られている。これに対し、試料5~9に示されるように、焼結体全体中のMg量が0.20質量%を超える場合、熱伝導率は130W/m・Kを下回っている。これは、焼結体中のMgの成分量が十分に低くないため、粒界相においてYが酸素を引き寄せる機能をMgが阻害しているからと考えられる。
(3) Amount of Mg in the sintered body As shown in samples 1 to 4 and 10 to 15, when the amount of Mg in the entire sintered body is 0.20 mass% or less, a thermal conductivity of 130 W/m K or more is obtained. In contrast, as shown in samples 5 to 9, when the amount of Mg in the entire sintered body exceeds 0.20 mass%, the thermal conductivity is below 130 W/m K. This is thought to be because the amount of Mg in the sintered body is not low enough, and Mg inhibits the function of Y in attracting oxygen in the grain boundary phase.
(4)粒界相のMg/Y比
試料8に示されるように、粒界三重点のMg/Y比が1より大きい場合、熱伝導率は100W/m・Kよりも小さい。これは、原料粉末中にMgが過剰に存在することによって、粒界相中のMgの割合が高いことによって、粒界相の熱伝導率が低くなり、隣接する窒化ケイ素粒子間の熱の伝導を粒界相が妨げるからであると考えられる。
(4) Mg/Y ratio of the grain boundary phase As shown in sample 8, when the Mg/Y ratio of the grain boundary triple junction is greater than 1, the thermal conductivity is less than 100 W/m K. This is thought to be because the presence of an excess of Mg in the raw material powder results in a high proportion of Mg in the grain boundary phase, which reduces the thermal conductivity of the grain boundary phase and prevents heat conduction between adjacent silicon nitride particles.
図6は、試料8、12および13の粒界三重点および2粒子粒界における、構成元素の組成比を示す。窒化ケイ素焼結体の製造時において、MgおよびYを多く含む液相が冷却されると、2粒子粒界がまず生成し、その後粒界三重点が生成すると考えられる。この時、Mg、YおよびOは、2粒子粒界から粒界三重点へ移動すると考えられるため、粒界三重点におけるMg、YおよびO量は2粒子粒界よりも多くなっている。また、試料8では、添加するMg原料粉末量が多いため、粒界三重点に多くのMgが含まれている。 Figure 6 shows the composition ratios of constituent elements at the grain boundary triple junction and two-particle grain boundary for samples 8, 12, and 13. When a liquid phase containing large amounts of Mg and Y is cooled during the production of silicon nitride sintered bodies, it is believed that the two-particle grain boundary is formed first, followed by the grain boundary triple junction. At this time, Mg, Y, and O are thought to migrate from the two-particle grain boundary to the grain boundary triple junction, so the amounts of Mg, Y, and O at the grain boundary triple junction are greater than at the two-particle grain boundary. Furthermore, sample 8 contains a large amount of Mg at the grain boundary triple junction due to the large amount of Mg raw material powder added.
(5) MgおよびOの深さ
試料8に示されるように、Mg深さが2.5nmを超える場合、つまり、窒化ケイ素粒子の外側領域の厚さが2.5nmを超える場合、熱伝導率は100W/m・Kよりも小さい。これは、Mgを含むことによって、熱伝導率が低い外側領域が厚くなることにより、隣接する窒化ケイ素粒子から伝導する熱が外側領域によって内側領域に伝導しにくくなるからと考えられる。
(5) Depth of Mg and O As shown in sample 8, when the Mg depth exceeds 2.5 nm, that is, when the thickness of the outer region of the silicon nitride particle exceeds 2.5 nm, the thermal conductivity is less than 100 W/m K. This is thought to be because the inclusion of Mg thickens the outer region, which has low thermal conductivity, making it difficult for the outer region to conduct heat from adjacent silicon nitride particles to the inner region.
図7(a)は試料8の窒化ケイ素粒子の高角散乱環状暗視野走査(HAADF)像であり、図7(b)は、(a)に示す像中の矢印におけるEDSによる構成元素の濃度プロファイルを示す。図8(a)、(b)および図9(a)、(b)は、試料12および試料13のHAADF像および構成元素の濃度プロファイルをそれぞれ示している。 Figure 7(a) is a high-angle annular dark-field (HAADF) image of a silicon nitride particle in sample 8, and Figure 7(b) shows the concentration profile of the constituent elements measured by EDS at the arrow in the image shown in (a). Figures 8(a), (b) and 9(a), (b) show HAADF images and concentration profiles of the constituent elements of samples 12 and 13, respectively.
これらの図から、内側領域内では、MgおよびOの濃度はほぼ一定であるが、外側領域との境界においてこれらの濃度プロファイルの曲線が立ち上がり、MgおよびOの濃度が高くなっていることが分かる。また、2粒子粒界におけるMgおよびOの濃度が高くなれば、窒化ケイ素粒子の外側領域におけるMgおよびOの濃度も高くなるため、外側領域と内側領域との境界の位置がシフトし、外側領域の厚さが大きくなると考えられる。 From these figures, it can be seen that the concentrations of Mg and O are nearly constant within the inner region, but the curves of these concentration profiles rise at the boundary with the outer region, where the concentrations of Mg and O become higher. Furthermore, if the concentrations of Mg and O at the grain boundary between two particles increase, the concentrations of Mg and O in the outer region of the silicon nitride particle also increase, which is thought to shift the position of the boundary between the outer and inner regions and increase the thickness of the outer region.
(6) 窒化ケイ素粒子中の微粒子
試料1~12では、窒化ケイ素粒子中に微粒子は観察されなかったが、試料13~15では、5以上の微粒子(5個以上の微粒子)が観察されている。試料13~15では、熱伝導率は150W/m・K以上になっていることから、Mg、Y、Oを含む微粒子の生成によって、窒化ケイ素粒子内のこれらの元素が微粒子内に集まり、微粒子以外の領域における窒化ケイ素の純度が高まり熱伝導率も高くなっていると考えられる。
(6) Fine particles in silicon nitride particles No fine particles were observed in the silicon nitride particles in samples 1 to 12, but five or more fine particles (five or more fine particles) were observed in samples 13 to 15. Since the thermal conductivity of samples 13 to 15 was 150 W/m K or higher, it is thought that the generation of fine particles containing Mg, Y, and O caused these elements in the silicon nitride particles to gather inside the fine particles, increasing the purity of silicon nitride in areas other than the fine particles and increasing the thermal conductivity.
以上の実施形態から、RE原料粉末を0.5mol%以上2mol%未満、および、Mg原料粉末を8mol%以上15mol%未満、Si3N4換算で、Si粉末を83mol%以上91.5mol%未満の割合で含み、かつ合計で100mol%となるように、調製した原料を用いることによって、130W/m・K以上の熱伝導率を有する窒化ケイ素焼結体を作製することが可能であることが分かる。また、窒化ケイ素粒子内の酸素量が0.05質量%以下であり、粒界三重点におけるREに対するMgの割合Mg/REが1以下であり、2粒子粒界におけるMg/REが0.7以下であり、窒化ケイ素粒子の外側領域の厚さが2.5nm以下であることによって、窒化ケイ素焼結体の熱伝導率が、130W/m・K以上になること分かる。さらに、窒化ケイ素粒子内の酸素量が0.02質量%以下であり、窒化ケイ素粒子の外側領域の厚さ(たとえば表1では「MgおよびOの深さ」に相当する)が1.6nm以下であり、窒化ケイ素粒子の少なくとも1つが、Mg、OおよびREを含む、100nm以下の粒径を有する微粒子を含むことによって、150W/m・K以上の熱伝導率を達成し得ることが分かる。 From the above embodiments, it can be seen that a silicon nitride sintered body having a thermal conductivity of 130 W/m·K or more can be produced by using raw materials prepared so that the RE raw material powder is 0.5 mol% or more but less than 2 mol%, the Mg raw material powder is 8 mol% or more but less than 15 mol%, and the Si powder is 83 mol% or more but less than 91.5 mol% in terms of Si3N4, totaling 100 mol%. It can also be seen that the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body can be 130 W/m·K or more when the oxygen content in the silicon nitride particles is 0.05 mass% or less, the ratio of Mg to RE at the grain boundary triple junction (Mg/RE) is 1 or less, the Mg/RE at the two-particle grain boundary is 0.7 or less, and the thickness of the outer region of the silicon nitride particle is 2.5 nm or less. Furthermore, it can be seen that a thermal conductivity of 150 W/m·K or more can be achieved by having the amount of oxygen in the silicon nitride particles be 0.02 mass% or less, the thickness of the outer region of the silicon nitride particles (e.g., corresponding to the "depth of Mg and O" in Table 1) be 1.6 nm or less, and at least one of the silicon nitride particles contain fine particles containing Mg, O, and RE and having a particle size of 100 nm or less.
(7)焼結工程の温度プロファイル
試料1、10~12の徐熱期間における温度上昇速度は1℃/minより小さいが、これによって、132W/m・K以上の熱伝導率が得られている。これは、温度上昇速度が小さいことによって、徐熱期間において、よりゆっくりケイ素の窒化反応が進み、焼結期間前に窒化ケイ素が得られているからと考えられる。また、試料13~15では、150W/m・K以上の熱伝導率が得られている。これは、より高い焼結温度で焼結を行っていることにより、窒化ケイ素粒子内の酸素量をより低くしたり、焼結体全体中のMg量をより少なくすることが可能となり、窒化ケイ素粒子中の酸素量を低減したり、粒界におけるMg量を低減することが可能となるからと考えられる。
(7) Temperature Profile of the Sintering Process The temperature rise rate during the heat-reducing period for Samples 1 and 10-12 was less than 1°C/min, but this resulted in a thermal conductivity of 132 W/m·K or higher. This is thought to be because the slow temperature rise rate allowed the silicon nitriding reaction to proceed more slowly during the heat-reducing period, resulting in silicon nitride being obtained before the sintering period. Furthermore, Samples 13-15 achieved a thermal conductivity of 150 W/m·K or higher. This is thought to be because sintering at a higher sintering temperature allowed for a lower oxygen content within the silicon nitride particles and a lower Mg content in the entire sintered body, thereby reducing the oxygen content within the silicon nitride particles and the Mg content at the grain boundaries.
本開示の窒化ケイ素焼結体、回路基板および窒化ケイ素焼結体の製造方法は、種々の用途に利用かのうであり、特に、高熱伝導性と高強度を備えた、種々の用途の回路基板に好適に用いられる。 The silicon nitride sintered body, circuit board, and method for manufacturing the silicon nitride sintered body disclosed herein can be used for a variety of applications, and are particularly suitable for use in circuit boards with high thermal conductivity and high strength for a variety of applications.
10 窒化ケイ素焼結体
11 窒化ケイ素粒子
11A 内側領域
11B 外側領域
11C 微粒子
12 粒界相
12A 2粒子粒界
12B 粒界三重点
10 silicon nitride sintered body 11 silicon nitride particle 11A inner region 11B outer region 11C fine particle 12 grain boundary phase 12A two-particle grain boundary 12B grain boundary triple point
Claims (3)
前記混合粉末をスラリーにして、シート状の成形体を得る工程(b)と、
前記成形体を窒素雰囲気中で加熱することによって焼結させ、窒化ケイ素焼結体を得る工程(c)と、
を含み、
前記Mg原料粉末は、前記MgSiN2を87質量%以上含み、
前記工程(c)は、前記加熱時の加熱開始から最高温度に到達するまでの期間において、
1気圧以上20気圧以下の窒素雰囲気中、
1300℃以上1800℃以下の温度T1で0.5時間以上前記成形体を保持する工程(c1)と、
前記工程(c1)後、1300℃以上1800℃以下であり、かつ、温度T1よりも高い温度T2で0.5時間以上前記成形体を保持する工程(c2)と、
を含む、窒化ケイ素焼結体の製造方法。 a step (a) of mixing Si powder, RE raw material powder containing at least one element RE selected from rare earth elements, and Mg raw material powder containing MgSiN2 in a ratio of 0.5 mol% or more and less than 2 mol% and 8 mol% or more and less than 15 mol% when x + y + z is 100 mol%, where x is the number of moles of Si3N4 obtained when the Si powder is nitrided, y is the number of moles of the RE raw material powder converted into trivalent oxide RE2O3, and z is the number of moles of the Mg raw material powder converted into MgO, to obtain a mixed powder;
(b) forming a slurry from the mixed powder to obtain a sheet-shaped compact;
(c) sintering the molded body by heating in a nitrogen atmosphere to obtain a silicon nitride sintered body;
Including,
The Mg raw material powder contains 87 mass% or more of the MgSiN2 ,
The step (c) includes, during the period from the start of heating to the time when the maximum temperature is reached,
In a nitrogen atmosphere of 1 atmosphere or more and 20 atmospheres or less,
A step (c1) of holding the molded body at a temperature T1 of 1300 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower for 0.5 hours or longer;
After the step (c1), a step (c2) of holding the compact at a temperature T2 that is 1300° C. or higher and 1800° C. or lower and is higher than the temperature T1 for 0.5 hours or more;
A method for producing a silicon nitride sintered body, comprising:
1気圧よりも低い雰囲気中、900℃以上1300℃未満の温度で0.5時間以上前記成形体を保持する工程(c3)、
をさらに含む請求項1に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法。 The step (c) includes, before the step (c1),
a step (c3) of holding the compact at a temperature of 900°C or higher and lower than 1300°C for 0.5 hours or longer in an atmosphere lower than 1 atmosphere;
The method for producing a silicon nitride sintered body according to claim 1 , further comprising:
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