JP7764280B2 - Composite ceramic materials and joints - Google Patents
Composite ceramic materials and jointsInfo
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Description
本発明の実施形態は、複合セラミックス材料および接合体に関する。 Embodiments of the present invention relate to composite ceramic materials and joined bodies.
窒化ケイ素セラミックスは放熱や曲げ強度などの優れた特性を示すため、放熱基板用の材料として使われる。高容量を有するパワーデバイス等の素子の開発が進むにつれて発熱量が増える一方、搭載機器の軽量化が求められるため、放熱基板用材料の熱伝導率と曲げ強度は高いことが好ましい。このため、熱伝導率と曲げ強度が高い炭化ケイ素を窒化ケイ素と複合化することが行われている。しかし、このような複合セラミックス材料では、窒化ケイ素粒子の長径が10μm以上と大きく、曲げ強度の面で不利である。一方、炭化ケイ素の割合も10質量%以下と少なく炭化ケイ素の特性の一つである高熱伝導率の効果が発揮されない。 Silicon nitride ceramics are used as materials for heat dissipation substrates because they exhibit excellent properties such as heat dissipation and bending strength. As the development of high-capacity power devices and other elements progresses, heat generation increases, while the weight of the equipment on which they are mounted is also required. Therefore, it is desirable for materials for heat dissipation substrates to have high thermal conductivity and bending strength. For this reason, silicon carbide, which has high thermal conductivity and bending strength, is being combined with silicon nitride. However, in such composite ceramic materials, the long diameter of the silicon nitride particles is large, at 10 μm or more, which is disadvantageous in terms of bending strength. Meanwhile, the proportion of silicon carbide is low, at less than 10% by mass, and the high thermal conductivity, one of silicon carbide's properties, is not fully utilized.
本発明の実施形態は、熱伝導率または曲げ強度を向上できる、複合セラミックス材料および接合体を提供する。 Embodiments of the present invention provide composite ceramic materials and joined bodies that can improve thermal conductivity or bending strength.
実施形態の複合セラミックス材料は、複数の窒化ケイ素粒子と、複数の炭化ケイ素粒子と、を具備する複合セラミックス材料であり、窒化ケイ素粒子がβ型窒化ケイ素を80%以上含み、複合セラミックス材料の断面において、複数の窒化ケイ素粒子の平均粒径が0.1μm以上10μm以下である。断面において、全ての炭化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子および全ての炭化ケイ素粒子の全ての粒子に対して10%以上50%以下の面積割合を有する。断面において、平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子に対して35%以下の面積割合を有する。複合セラミックス材料は、Y
2
Si
3
O
3
N
4
型結晶相を有する粒界をさらに具備し、複合セラミックス材料のX線回折パターンにおいて、窒化ケイ素および炭化ケイ素のピーク強度に対するY
2
Si
3
O
3
N
4
型結晶相の最大ピーク強度の比が15%以下である。
A composite ceramic material according to an embodiment comprises a plurality of silicon nitride particles and a plurality of silicon carbide particles, wherein the silicon nitride particles contain 80% or more β-type silicon nitride, and the average particle size of the plurality of silicon nitride particles is 0.1 μm or more and 10 μm or less in a cross section of the composite ceramic material. In the cross section, all silicon carbide particles account for 10% or more and 50% or less of the area of all silicon nitride particles and all silicon carbide particles. In the cross section, silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size account for 35% or less of the area of all silicon nitride particles. The composite ceramic material further comprises grain boundaries having a Y2Si3O3N4 crystalline phase , and in an X-ray diffraction pattern of the composite ceramic material, the ratio of the maximum peak intensity of the Y2Si3O3N4 crystalline phase to the peak intensities of silicon nitride and silicon carbide is 15 % or less .
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、例えば厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. Note that the drawings are schematic, and for example, the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each layer, etc. may differ from the actual situation. Furthermore, in the embodiments, substantially identical components are designated by the same reference numerals, and their description will be omitted.
図1は、実施形態の複合セラミックス材料の構造例を示す断面模式図である。実施形態の複合セラミックス材料110は、図1に示すように、結晶粒子10aと、結晶粒子10bと、結晶粒子10aの周りおよび結晶粒子10bの周りに設けられた粒界20と、を含む。図1中、黒色部分は粒界20であり、白抜きの粒子は結晶粒子10aであり、グレーの粒子は結晶粒子10bである。結晶粒子10aおよび結晶粒子10bのそれぞれは、粒界20中に複数存在する。結晶粒子10aおよび結晶粒子10bを含む複数の結晶粒子10は、互いに離れて存在してもよいし、互いに部分的に接していてもよい。複数の結晶粒子10の一部が互いに離れ、複数の結晶粒子10の別の一部が互いに部分的に接していてもよい。 Figure 1 is a cross-sectional schematic diagram showing an example structure of a composite ceramic material according to an embodiment. As shown in Figure 1, the composite ceramic material 110 according to an embodiment includes a crystal grain 10a, a crystal grain 10b, and grain boundaries 20 formed around the crystal grain 10a and the crystal grain 10b. In Figure 1, the black portions represent the grain boundaries 20, the white particles represent the crystal grains 10a, and the gray particles represent the crystal grains 10b. Multiple crystal grains 10a and multiple crystal grains 10b exist within the grain boundaries 20. Multiple crystal grains 10, including crystal grains 10a and 10b, may be separated from one another or may be partially in contact with one another. Some of the multiple crystal grains 10 may be separated from one another, and other portions of the multiple crystal grains 10 may be partially in contact with one another.
結晶粒子10aは、例えば窒化ケイ素粒子である。窒化ケイ素粒子の結晶相は、β型窒化ケイ素であることが好ましく、α型窒化ケイ素を含まないことが好ましい。測定面で観察される全窒化ケイ素のうち、β型窒化ケイ素の割合をβ化率と呼び、式(1)で表される。複合セラミック材料のX線回折を測定し、その回折パターンから、β型窒化ケイ素のX線回折パターン(例えばPDFカードNo.01-073-3034)とα型窒化ケイ素のX線回折パターン(例えばPDFカードNo.01-078-2962)を参考に、β型窒化ケイ素の(101)面のピーク強度と(120)面のピーク強度、および、α型窒化ケイ素の(102)面のピーク強度と(210)面のピーク強度を読み取り、式(1)のβ(101)強度、β(120)強度、α(102)強度、α(210)強度、にそれぞれに当てはめる。 Crystal particles 10a are, for example, silicon nitride particles. The crystalline phase of the silicon nitride particles is preferably beta silicon nitride, and preferably does not contain alpha silicon nitride. The proportion of beta silicon nitride in the total silicon nitride observed on the measurement surface is called the beta fraction, and is expressed by formula (1). X-ray diffraction of the composite ceramic material is measured, and from the diffraction pattern, the peak intensities of the (101) and (120) planes of beta silicon nitride, as well as the peak intensities of the (102) and (210) planes of alpha silicon nitride are read using the X-ray diffraction patterns of beta silicon nitride (e.g., PDF card No. 01-073-3034) and alpha silicon nitride (e.g., PDF card No. 01-078-2962) as references. These are then applied to the beta(101) intensity, beta(120) intensity, alpha(102) intensity, and alpha(210) intensity in formula (1), respectively.
β化率が80%よりも低いとβ型窒化ケイ素の特徴である柱状に成長する粒子が少なくなるため、熱伝導率や強度の特性が低下する。β化率が高いほどこれらの特性は向上し、90%以上の窒化ケイ素がβ型窒化ケイ素、すなわちβ化率が90%以上が好ましく、全てのα型窒化ケイ素がβ型に相転移し複合セラミックス材料に含まれる窒化ケイ素は100%β型窒化ケイ素、すなわちβ化率が100%がより好ましい。測定面から得られたβ化率を複合セラミックス材料のβ化率とする。 If the beta phase ratio is lower than 80%, fewer particles grow into the columnar shape that is characteristic of beta silicon nitride, resulting in a decrease in thermal conductivity and strength properties. The higher the beta phase ratio, the better these properties improve, and it is preferable for 90% or more of the silicon nitride to be beta silicon nitride, i.e., a beta phase ratio of 90% or more. It is even more preferable for all alpha silicon nitride to undergo a phase transition to beta silicon nitride, so that 100% of the silicon nitride contained in the composite ceramic material is beta silicon nitride, i.e., a beta phase ratio of 100%. The beta phase ratio obtained from the measurement surface is the beta phase ratio of the composite ceramic material.
結晶粒子10bは、例えば炭化ケイ素粒子である。 Crystal particles 10b are, for example, silicon carbide particles.
実施形態の複合セラミックス材料は、結晶粒子10aおよび結晶粒子10b以外の他の結晶相を含んでいてもよい。 The composite ceramic material of the embodiment may contain crystalline phases other than crystal grains 10a and 10b.
本実施形態の複合セラミックス材料は、窒化ケイ素粒子と、炭化ケイ素粒子と、を複合化することにより、高い熱伝導率と高い強度とを両立するものである。 The composite ceramic material of this embodiment combines silicon nitride particles and silicon carbide particles to achieve both high thermal conductivity and high strength.
窒化ケイ素粒子を用いたセラミックスは、高い強度を有するが、例えば高温焼結により窒化ケイ素粒子が粒成長して結晶粒径が大きくなると、熱伝導率では有利であるが、強度が低下する場合がある。 Ceramics using silicon nitride particles have high strength, but if the silicon nitride particles grow and the crystal grain size increases, for example through high-temperature sintering, this may have an advantage in terms of thermal conductivity but may result in a decrease in strength.
これに対し、実施形態の複合セラミックス材料では、窒化ケイ素粒子と炭化ケイ素粒子とを複合化することにより、高温焼結により複合化セラミックスを製造する場合であっても窒化ケイ素粒子の粒成長を抑制できる。これにより、高い強度を実現できる。また、高温焼結により結晶相の酸素が脱離し、窒素リッチな粒界相の量を増加できる。これらにより、高い熱伝導率と高い強度とを両立できる。 In contrast, in the composite ceramic material of the embodiment, by combining silicon nitride particles and silicon carbide particles, grain growth of the silicon nitride particles can be suppressed even when the composite ceramic is produced by high-temperature sintering. This allows for high strength to be achieved. Furthermore, high-temperature sintering causes oxygen to be released from the crystalline phase, increasing the amount of nitrogen-rich grain boundary phase. As a result, high thermal conductivity and high strength can be achieved at the same time.
複合セラミックス材料の断面は、エネルギー分散型X線分光器搭載の走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:SEM-EDS)を用いて、例えば加速電圧15kV、照射電流10μAの条件で観察される。断面は、焼結体の中心の部分を破断することにより形成される破断面であってもよいが、より好ましくは、焼結体の切断面を鏡面研磨した後、CH4ガスによるプラズマエッチングを行った断面である。複合セラミックス材料が接合体に組み込まれている場合は複合セラミックス材料を接合体から取り出して、鏡面研磨した後、CH4ガスによるプラズマエッチングを行い観察する。観察領域には500個以上の結晶粒子が存在するように観察倍率を設定する。このため、観察倍率は結晶粒子のサイズによるが、例えば全粒子の平均粒径が約2μmなら、観察領域は約130μm×約95μmであり、観察倍率は約1000倍である。また、全粒子の平均粒径が約0.4μmなら、観察領域は約15μm×約9μmであり、観察倍率は約10000倍であり、全粒子の平均粒径が約10μmなら、観察領域は約450μm×約270μmであり、観察倍率は約35倍である。このように調節した観察領域を複数、例えば3カ所用意し、後述するそれぞれの観察領域について平均粒径などを測定する。その測定結果の平均値を本実施形態にかかる複合セラミックス材料の平均粒径や面積割合とする。 The cross section of the composite ceramic material is observed using a scanning electron microscope (SEM-EDS) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer, for example, under conditions of an acceleration voltage of 15 kV and an irradiation current of 10 μA. The cross section may be a fracture surface formed by breaking the center of the sintered body, but more preferably is a cross section obtained by mirror-polishing the cut surface of the sintered body and then plasma-etching it with CH4 gas. When the composite ceramic material is incorporated into a bonded body, the composite ceramic material is removed from the bonded body, mirror-polished, and then plasma-etched with CH4 gas before observation. The observation magnification is set so that 500 or more crystal grains are present in the observation area. Therefore, the observation magnification depends on the size of the crystal grains. For example, if the average grain size of all grains is about 2 μm, the observation area is about 130 μm × about 95 μm, and the observation magnification is about 1000x. If the average grain size of all grains is about 0.4 μm, the observation area is about 15 μm × about 9 μm, and the observation magnification is about 10,000x. If the average grain size of all grains is about 10 μm, the observation area is about 450 μm × about 270 μm, and the observation magnification is about 35x. Multiple observation areas adjusted in this way, for example, three, are prepared, and the average grain size and other parameters are measured for each observation area, as described below. The average values of the measurement results are used as the average grain size and area ratio of the composite ceramic material according to this embodiment.
得られた複数の観察像は、画像処理ソフトウェアImageJを用いて解析される。結晶粒子10a、結晶粒子10b、および粒界20は、観察像を二値化することにより規定される。また、窒化ケイ素粒子と炭化ケイ素粒子は、SEM-EDSの結果から判別される。SEM観察を行った断面像のEDSマッピング像を測定することで、窒素が多く検出される粒子は窒化ケイ素粒子(結晶粒子10a)、炭素が多く検出される粒子は炭化ケイ素粒子(結晶粒子10b)であるため、窒化ケイ素粒子と炭化ケイ素粒子を区別できる。このとき、窒化ケイ素粒子は、例えば窒素が30原子%以上、炭素が15原子%以下であり、炭化ケイ素粒子は例えば窒素が15原子%以下、炭素が35原子%以上である。また、EDS分析を行うことを前提に、観察断面の導電コートは金やプラチナなどカーボン以外の材料が好ましい。 The multiple observation images obtained are analyzed using the image processing software ImageJ. Crystal grains 10a, 10b, and grain boundaries 20 are defined by binarizing the observation images. Silicon nitride particles and silicon carbide particles are distinguished from each other based on the results of SEM-EDS. By measuring the EDS mapping image of the cross-sectional image obtained through SEM observation, particles with a high nitrogen content are silicon nitride particles (crystal grains 10a), and particles with a high carbon content are silicon carbide particles (crystal grains 10b), making it possible to distinguish between silicon nitride particles and silicon carbide particles. Silicon nitride particles, for example, have a nitrogen content of 30 atomic % or more and a carbon content of 15 atomic % or less, while silicon carbide particles have a nitrogen content of 15 atomic % or less and a carbon content of 35 atomic % or more. Furthermore, assuming EDS analysis will be performed, the conductive coating on the observation cross-section is preferably made of a material other than carbon, such as gold or platinum.
各粒子の粒径は、ImageJを用いて算出された各粒子の面積を円と仮定したときの直径により定義される。 The particle size of each particle is defined as the diameter when the area of each particle is assumed to be a circle, calculated using ImageJ.
上記断面において、複数視野から算出された窒化ケイ素粒子の平均粒径は、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。平均粒径が0.1μm未満では、粒界で熱伝導が妨げられることに加え、熱伝導率が低い粒界相の割合が増えるため、熱伝導率が低下する。また、平均粒径が10μmを超えると、表面積が広くなってしまうため亀裂が入りやすく、強度が低下する。 In the above cross section, the average particle size of the silicon nitride particles calculated from multiple fields of view is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. If the average particle size is less than 0.1 μm, not only will heat conduction be hindered at the grain boundaries, but the proportion of grain boundary phases with low thermal conductivity will increase, resulting in a decrease in thermal conductivity. Furthermore, if the average particle size exceeds 10 μm, the surface area will be too large, making the material more susceptible to cracking and reducing strength.
上記断面において、窒化ケイ素粒子の平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子に対して35%以下の面積割合を有することが好ましい。これにより、表面積が広い粗大粒子が少ないため、強度の低下を抑制できる。平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子に対して20%以下の面積割合を有することがより好ましい。平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子が全ての窒化ケイ素粒子に対して面積割合で35%を超える場合、表面積が広い粗大粒子が多くなり、強度の低下を招く。 In the above cross section, it is preferable that silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size of the silicon nitride particles account for 35% or less of the area of all silicon nitride particles. This reduces the number of coarse particles with large surface areas, thereby preventing a decrease in strength. It is more preferable that silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size account for 20% or less of the area of all silicon nitride particles. If the area ratio of silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size exceeds 35% of all silicon nitride particles, the number of coarse particles with large surface areas will increase, resulting in a decrease in strength.
上記断面において、全ての炭化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子および全ての炭化ケイ素粒子を含む全ての粒子に対して1%以上50%以下の面積割合を有することが好ましい。炭化ケイ素粒子の存在が、窒化ケイ素粒子の粒成長を抑え、平均粒径の3倍以上の窒化ケイ素粒子の割合の増加を抑えることができるため、高い強度を維持することができる。さらに、窒化ケイ素粒子よりも熱伝導率が高い炭化ケイ素粒子の存在により、高い熱伝導率を達成できる。これにより、高い熱伝導率と高い強度とを両立できる。 In the above cross section, it is preferable that all silicon carbide particles have an area ratio of 1% to 50% of all particles, including all silicon nitride particles and all silicon carbide particles. The presence of silicon carbide particles suppresses grain growth of silicon nitride particles and prevents an increase in the proportion of silicon nitride particles three times the average particle size, thereby maintaining high strength. Furthermore, the presence of silicon carbide particles, which have a higher thermal conductivity than silicon nitride particles, makes it possible to achieve high thermal conductivity. This allows for both high thermal conductivity and high strength to be achieved.
上記断面において、炭化ケイ素粒子の平均アスペクト比が2以下であり、かつ炭化ケイ素粒子の平均粒径が0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。上述する窒化ケイ素粒子と同様に、炭化ケイ素粒子の平均粒径が0.1μm未満では熱伝導率が低下し、10μmを超えると強度が低下する。そのため、上記範囲であることで、高い熱伝導率と高い強度とを両立できる。 In the above cross section, it is preferable that the average aspect ratio of the silicon carbide particles is 2 or less, and that the average particle size of the silicon carbide particles is 0.1 μm or more and 10 μm or less. As with the silicon nitride particles described above, if the average particle size of the silicon carbide particles is less than 0.1 μm, thermal conductivity decreases, and if it exceeds 10 μm, strength decreases. Therefore, by keeping the particle size within the above range, it is possible to achieve both high thermal conductivity and high strength.
炭化ケイ素粒子のアスペクト比は、ImageJにより、各粒子の最大フェレ径と最小フェレ径とを算出し、最小フェレ径に対する最大フェレ径の比により定義される。 The aspect ratio of silicon carbide particles is determined by calculating the maximum and minimum Feret diameters of each particle using ImageJ, and then calculating the ratio of the maximum Feret diameter to the minimum Feret diameter.
粒界20は、イットリウム、シリコン、酸素、および窒素を含む。例えば、粒界20は、Y2Si3O3N4型結晶相を含む。Y2Si3O3N4型結晶相とは、Y2Si3O3N4の結晶構造と同じ結晶構造を有する結晶を指す。ここで同じ結晶構造とは、晶系、空間群、構成する原子の位置関係が同じであることを指し、原子間距離または格子定数は必ずしも等しくなくてもよい。また、結晶相の含む元素は問わない。すなわち、Y2Si3O3N4型結晶相の組成は、Y2Si3O3N4結晶の組成と同じでもよい、またはY2Si3O3N4結晶の組成と異なっていてもよい。 The grain boundary 20 contains yttrium, silicon, oxygen, and nitrogen. For example, the grain boundary 20 contains a Y2Si3O3N4 type crystalline phase. The Y2Si3O3N4 type crystalline phase refers to a crystal having the same crystalline structure as that of Y2Si3O3N4 . Here, the same crystalline structure refers to the crystal system, space group, and positional relationship of the constituent atoms being the same, but the interatomic distance or lattice constant do not necessarily have to be the same. Furthermore, the elements contained in the crystalline phase are not important . In other words , the composition of the Y2Si3O3N4 type crystalline phase may be the same as or different from the composition of the Y2Si3O3N4 crystal .
複合セラミックス材料のX線回折パターンにおいて、式(2)で表されるように、窒化ケイ素および炭化ケイ素のピーク強度に対するY2Si3O3N4型結晶相の最大ピーク強度の比が1%以上15%以下であることが好ましい。これにより、ガラス相で構成される粒界相に比べて、熱伝導率が高い結晶相が多いため、高熱伝導率が得られる。 In the X-ray diffraction pattern of the composite ceramic material, the ratio of the maximum peak intensity of the Y2Si3O3N4 type crystalline phase to the peak intensities of silicon nitride and silicon carbide is preferably 1% or more and 15% or less, as expressed by formula (2). This results in a high thermal conductivity because there is a large amount of crystalline phase with a higher thermal conductivity than the grain boundary phase composed of a glass phase.
X線回折パターンの測定時の条件は、例えば以下のように設定される。X線回折装置、例えば(株)リガク製Smart-Labを用い、集中法(反射法、Bragg-Brendano法)によるX線回折を行う。X線回折では、複合セラミックス材料の任意の断面を測定面とする。測定面は、表面粗さRaが0.05μm以下となるように研磨する。測定には、Cuターゲット(Cu-Kα)を使用する。管電圧は、45kVに設定する。管電流は、200mAに設定する。走査速度は、2.0~20.0°/minに設定する。入射平行スリットを5度、長手制限スリットを10mm、受光スリットを20mm、受光平行スリットを5度に設定する。走査範囲(2θ)は、10°~80°に設定し、0.01°刻みで測定する。 The conditions for measuring the X-ray diffraction pattern are set, for example, as follows: An X-ray diffractometer, such as a Rigaku Corporation Smart-Lab, is used to perform X-ray diffraction using the focusing method (reflection method, Bragg-Brendano method). For X-ray diffraction, an arbitrary cross section of the composite ceramic material is used as the measurement surface. The measurement surface is polished to a surface roughness Ra of 0.05 μm or less. A Cu target (Cu-Kα) is used for measurement. The tube voltage is set to 45 kV. The tube current is set to 200 mA. The scanning speed is set to 2.0 to 20.0°/min. The incident parallel slit is set to 5 degrees, the longitudinal limiting slit is set to 10 mm, the receiving slit is set to 20 mm, and the receiving parallel slit is set to 5 degrees. The scanning range (2θ) is set to 10° to 80°, and measurements are taken in 0.01° increments.
複合セラミックス材料のサンプルに対してX線回折分析を行うと、窒化ケイ素と炭化ケイ素以外の粒界相に含まれる結晶相も検出される。結晶相はY2Si3O3N4であり、式(2)に示す通り、その最大ピークの強度を、上述のβ型とα型窒化ケイ素の4つのピークの強度(α型窒化ケイ素が存在しない場合は、α(102)強度とα(210)強度は0である)と炭化ケイ素の最大ピークの強度で規格化することで、Y2Si3O3N4のピーク強度比を得ることができる。 X-ray diffraction analysis of a composite ceramic material sample detects a crystalline phase other than silicon nitride and silicon carbide contained in the grain boundary phase. The crystalline phase is Y2Si3O3N4 , and as shown in formula ( 2 ), the peak intensity ratio of Y2Si3O3N4 can be obtained by normalizing the maximum peak intensity of the crystalline phase by the intensities of the four peaks of β- and α-silicon nitrides (if α-silicon nitride is not present, the α ( 102 ) and α( 210 ) intensities are 0) and the maximum peak intensity of silicon carbide.
Y2Si3O3N4型結晶相は、さらにマグネシウムを含んでいてもよい。Y2Si3O3N4型結晶相を含む粒界相中のマグネシウムの濃度は、0.01原子%以上であることが好ましい。マグネシウムを含むことにより、窒化ケイ素の良好な粒成長に有利である。 The Y2Si3O3N4 type crystalline phase may further contain magnesium . The concentration of magnesium in the grain boundary phase containing the Y2Si3O3N4 type crystalline phase is preferably 0.01 atomic % or more. The inclusion of magnesium is advantageous for good grain growth of silicon nitride .
次に、本実施形態の複合セラミックス材料の第1の製造方法例について説明する。複合セラミックス材料の第1の製造方法例は、混合工程と、成形工程と、焼結工程と、を具備する。 Next, we will explain a first example manufacturing method for the composite ceramic material of this embodiment. The first example manufacturing method for the composite ceramic material includes a mixing process, a molding process, and a sintering process.
混合工程では、第1の原料と、第2の原料と、助剤と、を混合して混合粉を形成する。これらは、例えば遊星ボールミルを用いて混合できる。遊星ボールミルを用いることにより、第1の原料、第2の原料、および助剤に含まれる粗大な粒子を粉砕できるため、混合粉末の粒子サイズの均一性を高めることができる。 In the mixing process, the first raw material, the second raw material, and the auxiliary agent are mixed to form a mixed powder. These can be mixed using, for example, a planetary ball mill. By using a planetary ball mill, coarse particles contained in the first raw material, the second raw material, and the auxiliary agent can be pulverized, thereby improving the uniformity of the particle size of the mixed powder.
第1の原料の例は、ケイ素または窒化ケイ素等の粉末が挙げられる。 Examples of the first raw material include powders of silicon or silicon nitride.
第2の原料の例は、炭化ケイ素等の粉末が挙げられる。炭化ケイ素粉末の平均粒径は、100nm以下であることが好ましいが、数μmのオーダーでも構わない。炭化ケイ素粉末は、立方晶または六方晶の結晶構造を有していてもよい。
Examples of the second raw material include powder of silicon carbide. The average particle size of the silicon carbide powder is preferably 100 nm or less, but may be on the order of several micrometers. The silicon carbide powder may have a cubic or hexagonal crystal structure.
助剤の例は、酸化マグネシウム、酸化イットリウム等が挙げられる。これらの助剤材料は単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。助剤は、焼成途中でケイ素や炭化ケイ素の表面酸化膜と反応して窒化ケイ素や炭化ケイ素の粒成長を促し、最終的には粒界20にY2Si3O3N4の結晶相とともにガラス相として残る。 Examples of the auxiliary agent include magnesium oxide and yttrium oxide. These auxiliary materials may be used alone or in combination. The auxiliary agent reacts with the surface oxide film of silicon or silicon carbide during firing to promote grain growth of silicon nitride or silicon carbide, and ultimately remains as a glass phase at the grain boundaries 20 together with a Y2Si3O3N4 crystalline phase.
混合粉末は、88.5質量%以上96.5質量%以下の窒化ケイ素と炭化ケイ素と、1質量%以上3.5質量%以下の酸化マグネシウムと、2.5質量%以上8質量%以下の酸化イットリウムと、を合計100質量%になるように混合して形成されることが好ましい。助剤が少なすぎると窒化ケイ素や炭化ケイ素の粒成長が困難となり、多すぎると粒界相が増加して複合セラミックス材料の熱伝導率や曲げ強度を低下させる。 The mixed powder is preferably formed by mixing 88.5% by mass or more and 96.5% by mass or less of silicon nitride and silicon carbide, 1% by mass or more and 3.5% by mass or less of magnesium oxide, and 2.5% by mass or more and 8% by mass or less of yttrium oxide, so that the total amount is 100% by mass. If the amount of auxiliary agent is too small, grain growth of the silicon nitride and silicon carbide becomes difficult, while if the amount is too large, the grain boundary phase increases, reducing the thermal conductivity and bending strength of the composite ceramic material.
成形工程では、一軸プレス処理により混合粉末を加圧して成形し、その後、成形体に対して冷間等方圧加圧(CIP)処理を実施する。 In the molding process, the mixed powder is compressed and molded using a uniaxial press, and then the compact is subjected to cold isostatic pressing (CIP).
第1の原料としてケイ素粉末を用いる場合、成形体に対して窒化処理を施してもよい。例えば1気圧の窒素雰囲気下で1300℃以上1450℃以下の温度で2時間以上8時間以下の熱処理を行うことにより、ケイ素を窒化ケイ素に変化させる。なお、炭化ケイ素の代わりに炭素を用いた場合も同様であるが、窒化処理により炭素はケイ素と反応しない。 When silicon powder is used as the first raw material, the compact may be subjected to a nitriding treatment. For example, the silicon is converted to silicon nitride by heat treatment at a temperature of 1300°C to 1450°C for 2 to 8 hours in a nitrogen atmosphere at 1 atmosphere pressure. The same applies when carbon is used instead of silicon carbide, but the carbon does not react with the silicon during the nitriding treatment.
焼結工程では、例えば7.5気圧以上10気圧以下の窒素雰囲気下で1800℃以上2000℃以下の温度で12時間以上72時間以下の熱処理を行うことにより、成形体を焼結する。7.5気圧以上10気圧以下の窒素雰囲気により窒化ケイ素の蒸発を抑制できる。なお、焼結工程の前に窒化処理を行う場合、成形体を大気に曝さずに、続けて焼結工程を行うことが好ましい。炭化ケイ素に代わり炭素を用いた場合は、この焼結工程にて窒化ケイ素の一部が炭素と反応して炭化ケイ素を生成する。 In the sintering process, the compact is sintered by heat treatment at a temperature of 1800°C to 2000°C for 12 to 72 hours in a nitrogen atmosphere at a pressure of 7.5 to 10 atmospheres. A nitrogen atmosphere of 7.5 to 10 atmospheres prevents silicon nitride from evaporating. If nitriding is performed before the sintering process, it is preferable to perform the sintering process immediately without exposing the compact to the atmosphere. If carbon is used instead of silicon carbide, part of the silicon nitride reacts with the carbon during the sintering process to produce silicon carbide.
焼結工程により得られた焼結体は、切り出し加工により所望の形状に加工される。 The sintered body obtained through the sintering process is cut into the desired shape.
製造された複合セラミックス材料の熱伝導率は、JIS-R-1611に準じて測定される。JIS-R-1611は、ISO18755(2005)に対応する。熱伝導率は、ネッチ製 フラッシュアナライザ LFA 467 HyperFlashを用い、レーザフラッシュ法により測定される。 The thermal conductivity of the manufactured composite ceramic material is measured in accordance with JIS-R-1611, which corresponds to ISO18755 (2005). Thermal conductivity is measured by the laser flash method using a Netsch Flash Analyzer LFA 467 HyperFlash.
製造された複合セラミックス材料の曲げ強度は、JIS-R-1601に準じて3点曲げ強度試験により測定される。JIS-R-1601は、ISO14704(2000)に対応する。3点曲げ強度試験には、島津製作所製 オートグラフ AG-X(100kN)を用いる。ロードセルを1kN、試験速度を0.5mm/min、圧子半径および支持台半径を共にR2、支点間距離を30mmに設定し、室温で実施する。 The bending strength of the manufactured composite ceramic material is measured by a three-point bending strength test in accordance with JIS-R-1601. JIS-R-1601 corresponds to ISO14704 (2000). A Shimadzu Autograph AG-X (100 kN) is used for the three-point bending strength test. The load cell is set to 1 kN, the test speed is 0.5 mm/min, the indenter radius and support base radius are both R2, and the distance between supports is 30 mm. The test is performed at room temperature.
実施形態の複合セラミックス材料の熱伝導率は、70W/(m・K)以上である。熱伝導率の上限は、特に限定されないが、例えば250W/(m・K)以下である。 The thermal conductivity of the composite ceramic material of this embodiment is 70 W/(m·K) or more. The upper limit of the thermal conductivity is not particularly limited, but is, for example, 250 W/(m·K) or less.
実施形態の複合セラミックス材料の曲げ強度は、500MPa以上である。曲げ強度の上限は、特に限定されないが、例えば1100MPa以下である。 The flexural strength of the composite ceramic material of this embodiment is 500 MPa or more. The upper limit of the flexural strength is not particularly limited, but is, for example, 1100 MPa or less.
複合セラミックス材料の製造方法は、第1の製造方法例に限定されない。以下に、複合セラミックス材料の第2の製造方法例について説明する。 The manufacturing method for the composite ceramic material is not limited to the first manufacturing example. Below, a second manufacturing example for the composite ceramic material is described.
第2の製造方法例は、混合工程と、焼結工程と、を具備する。 The second manufacturing method example includes a mixing process and a sintering process.
混合工程では、第1の原料と、第2の原料と、助剤と、を混合して混合粉を形成する。これらは、例えば遊星ボールミルを用いて混合できる。遊星ボールミルを用いることにより、第1の原料、第2の原料、および助剤に含まれる粗大な粒子を粉砕できるため、混合粉末の粒子サイズの均一性を高めることができる。 In the mixing process, the first raw material, the second raw material, and the auxiliary agent are mixed to form a mixed powder. These can be mixed using, for example, a planetary ball mill. By using a planetary ball mill, coarse particles contained in the first raw material, the second raw material, and the auxiliary agent can be pulverized, thereby improving the uniformity of the particle size of the mixed powder.
第1の原料の例は、窒化ケイ素等の粉末が挙げられる。第2の原料、および助剤の説明については、第1の製造方法例の説明を適宜援用できる。 An example of the first raw material is powder such as silicon nitride. The explanation of the second raw material and auxiliary agents can be found in the explanation of the first manufacturing method example, as appropriate.
混合粉末は、88.5質量%以上96.5質量%以下の窒化ケイ素と炭化ケイ素と、1質量%以上3.5質量%以下の酸化マグネシウムと、2.5質量%以上8質量%以下の酸化イットリウムと、を合計100質量%になるように混合して形成されることが好ましい。助剤が少なすぎると窒化ケイ素や炭化ケイ素の粒成長が困難となり、多すぎると粒界相が増加して複合セラミックス材料の熱伝導率や曲げ強度を低下させる。 The mixed powder is preferably formed by mixing 88.5% by mass or more and 96.5% by mass or less of silicon nitride and silicon carbide, 1% by mass or more and 3.5% by mass or less of magnesium oxide, and 2.5% by mass or more and 8% by mass or less of yttrium oxide, so that the total amount is 100% by mass. If the amount of auxiliary agent is too small, grain growth of the silicon nitride and silicon carbide becomes difficult, while if the amount is too large, the grain boundary phase increases, reducing the thermal conductivity and bending strength of the composite ceramic material.
焼結工程では、放電プラズマ焼結法(SPS)を用いて1800℃以上2000℃以下の温度、20MPa以上のプレス圧、大気圧から10気圧の窒素雰囲気圧力下の熱処理を行う。温度が1800℃未満または2000℃超であり、プレス圧が20MPa未満であり、雰囲気圧力が大気圧未満である場合、高密度化しなかったり、高特性なβ型窒化ケイ素へ相転移を起こさなかったりする問題がある。処理時間は、特に限定されないが、例えば3分以上72時間以下である。3分未満であると、高密度化しなかったり、高特性なβ型窒化ケイ素へ相転移を起こさなかったりする問題がある。72時間を超えると、分解が起こるため焼結しない場合がある。上記熱処理により、混合粉を加圧しながら焼結できるため、成形工程を不要とする。また、第1の原料に窒化ケイ素を用いることにより、窒化処理を不要とする。炭化ケイ素に代わり炭素を用いた場合は、この熱処理により窒化ケイ素の一部が炭素と反応して炭化ケイ素を生成する。また、SPSの代わりにホットプレスを用いてもよい。
In the sintering process, heat treatment is performed using spark plasma sintering (SPS) at a temperature of 1800°C to 2000°C, a press pressure of 20 MPa or more, and a nitrogen atmosphere pressure of atmospheric pressure to 10 atmospheres. If the temperature is less than 1800°C or more than 2000°C, the press pressure is less than 20 MPa, and the atmosphere pressure is less than atmospheric pressure, problems such as failure to densify or failure to undergo phase transition to high-performance β-type silicon nitride may occur. The treatment time is not particularly limited, but is, for example, 3 minutes to 72 hours. If it is less than 3 minutes, problems such as failure to densify or failure to undergo phase transition to high-performance β-type silicon nitride may occur. If it exceeds 72 hours, decomposition may occur and sintering may not occur. This heat treatment allows the mixed powder to be sintered under pressure, eliminating the need for a molding process. Furthermore, using silicon nitride as the first raw material eliminates the need for a nitriding process. If carbon is used instead of silicon carbide, this heat treatment causes a portion of the silicon nitride to react with the carbon to produce silicon carbide. Alternatively, hot pressing may be used instead of SPS.
その後、上記SPSで得られた焼結体に対し、例えば7.5気圧以上10気圧以下の窒素雰囲気下で1900℃以上2000℃以下の温度で12時間以上72時間以下の第2の熱処理を行うこともできる。7.5気圧以上10気圧以下の窒素雰囲気により窒化ケイ素の蒸発を抑制できる。 The sintered body obtained by the SPS process can then be subjected to a second heat treatment, for example, at a temperature of 1900°C to 2000°C for 12 to 72 hours in a nitrogen atmosphere of 7.5 to 10 atmospheres. A nitrogen atmosphere of 7.5 to 10 atmospheres can suppress the evaporation of silicon nitride.
焼結工程により得られた焼結体は、切り出し加工により所望の形状に加工される。 The sintered body obtained through the sintering process is cut into the desired shape.
第2の製造方法例を用いることにより、上記断面において、炭化ケイ素粒子の平均粒径の3倍以上の粒径を有する炭化ケイ素粒子を、全ての炭化ケイ素粒子に対して10%以下の面積割合にすることができる。これにより、表面積が広い粗大粒子が少ないため、強度の低下を抑制できる。平均粒径の3倍以上の粒径を有する炭化ケイ素粒子が全ての炭化ケイ素粒子に対して面積割合で10%を超える場合、表面積が広い粗大粒子が多くなり、強度の低下を招く。平均粒径の3倍以上の粒径を有する炭化ケイ素粒子は、全ての炭化ケイ素粒子に対して1%以下の面積割合を有することがより好ましい。
By using the second manufacturing method example, in the cross section, silicon carbide particles having a particle size three times or more the average particle size of the silicon carbide particles can be made to account for 10% or less of the area of all silicon carbide particles. This reduces the number of coarse particles with a large surface area, thereby suppressing a decrease in strength. If the area ratio of silicon carbide particles having a particle size three times or more the average particle size to all silicon carbide particles exceeds 10%, the number of coarse particles with a large surface area increases, resulting in a decrease in strength. It is more preferable that the area ratio of silicon carbide particles having a particle size three times or more the average particle size is 1% or less of all silicon carbide particles.
第2の製造方法例を用いることにより、複合セラミックス材料110のX線回折パターンにおいて、式(2)に示すように、窒化ケイ素の4つのピークの強度と炭化ケイ素の最大ピークの強度に対するY2Si3O3N4型結晶相の最大ピーク強度の比を1%以下にすることができる。第1の製造方法で用いられる高温高圧熱処理の前にSPSの熱処理を行うことで、結晶相であっても、窒化ケイ素や炭化ケイ素よりも熱伝導率や強度が低い粒界相を減らすことが可能になるため、熱伝導率や強度を向上させることができる。SPSでは、プレス圧により、焼結中に粒界相が焼結体の表面に押し出されるために、高温高圧熱処理に比べて粒界相を減らす効果がある。 By using the second manufacturing method, the ratio of the maximum peak intensity of the Y2Si3O3N4 crystalline phase to the intensities of the four silicon nitride peaks and the maximum silicon carbide peak can be reduced to 1% or less in the X-ray diffraction pattern of the composite ceramic material 110 , as shown in formula ( 2 ). By performing SPS heat treatment before the high-temperature, high-pressure heat treatment used in the first manufacturing method, it is possible to reduce the grain boundary phase, which is a crystalline phase but has lower thermal conductivity and strength than silicon nitride or silicon carbide, thereby improving thermal conductivity and strength. SPS is more effective at reducing the grain boundary phase than high-temperature, high-pressure heat treatment because the grain boundary phase is pushed to the surface of the sintered body by the press pressure during sintering.
第2の製造方法例を用いて形成される複合セラミック材料110において、窒化ケイ素粒子の平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子のc軸は、配向していることが好ましい。配向性は、例えばSPSを行った焼結体の面のX線回折を測定することにより評価できる。このX線回折で測定された焼結体の面を測定面と呼ぶ。測定面から得られた回折パターンを、β型窒化ケイ素のX線回折パターン(例えばPDFカードNo.01-073-3034)を参考に、β型窒化ケイ素粒子の(002)面のピーク強度と(320)面のピーク強度を読み取る。下記の式(3)により求められる配向性を示す値から、測定面に対するβ型窒化ケイ素粒子のc軸の方向が確認でき、当該値が小さいほど、窒化ケイ素粒子のc軸が測定面と平行に近いことを意味する。焼結体の面のうち少なくともひとつの測定面から得られた窒化ケイ素粒子のc軸が測定面と非垂直(≠±90度)、さらには±45度以内の角度、さらには略平行になることが好ましい。略平行とは、平行方向だけでなく、平行方向から±20度以内の状態も含む。また、式(3)により求められる配向性を示す値は、0.5未満であることが好ましい。 In the composite ceramic material 110 formed using the second manufacturing method, the c-axes of silicon nitride particles having a particle size at least three times the average particle size of the silicon nitride particles are preferably aligned. Orientation can be evaluated, for example, by measuring X-ray diffraction on the surface of a sintered body subjected to SPS. The surface of the sintered body measured by X-ray diffraction is referred to as the measurement surface. The diffraction pattern obtained from the measurement surface is read by referring to the X-ray diffraction pattern of β-silicon nitride (e.g., PDF card No. 01-073-3034), and the peak intensities of the (002) and (320) planes of the β-silicon nitride particles are read. The orientation value calculated using the following formula (3) can be used to confirm the direction of the c-axes of the β-silicon nitride particles relative to the measurement surface. The smaller this value, the closer the c-axes of the silicon nitride particles are to being parallel to the measurement surface. It is preferable that the c-axes of the silicon nitride particles obtained from at least one measurement surface of the sintered body be non-perpendicular (≠±90 degrees) to the measurement surface, preferably at an angle within ±45 degrees, or even approximately parallel. "Approximately parallel" includes not only the parallel direction but also a state within ±20 degrees of the parallel direction. Furthermore, the value indicating the orientation calculated by formula (3) is preferably less than 0.5.
窒化ケイ素粒子のc軸方向の熱伝導率が高いため、窒化ケイ素粒子のc軸を配向させることにより、熱伝導率を向上させることができる。 Since silicon nitride particles have high thermal conductivity in the c-axis direction, thermal conductivity can be improved by orienting the c-axis of the silicon nitride particles.
図2、図3は、実施形態の複合セラミックス材料を例示する斜視図である。
例えば図2および図3に示すように、複合セラミックス材料110は、基板である。基板の形状は、任意である。上述した通り、実施形態の複合セラミックス材料は、高い熱伝導率および高い曲げ強度を有する。このため、実施形態の複合セラミックス材料は、基板に好適に用いることができる。または、実施形態の複合セラミックス材料は、ベアリング等であってもよい。
2 and 3 are perspective views illustrating the composite ceramic material according to the embodiment.
For example, as shown in FIGS. 2 and 3 , the composite ceramic material 110 is a substrate. The substrate may have any shape. As described above, the composite ceramic material of the embodiment has high thermal conductivity and high bending strength. Therefore, the composite ceramic material of the embodiment can be suitably used as a substrate. Alternatively, the composite ceramic material of the embodiment may be a bearing or the like.
図4は、実施形態の接合体を例示する模式的断面図である。
実施形態の接合体210は、図4に示すように、第1金属部31および複合セラミックス材料110を含む。この例では、複合セラミックス材料110は、基板として用いられる。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating the bonded body of the embodiment.
4, the joined body 210 of the embodiment includes a first metal part 31 and a composite ceramic material 110. In this example, the composite ceramic material 110 is used as a substrate.
第1金属部31は、複合セラミックス材料110と接合されている。例えば、第1金属部31と複合セラミックス材料110との間に、接合部41が設けられる。第1金属部31は、接合部41を介さずに、複合セラミックス材料110と直接接合されてもよい。 The first metal part 31 is joined to the composite ceramic material 110. For example, a joint 41 is provided between the first metal part 31 and the composite ceramic material 110. The first metal part 31 may also be joined directly to the composite ceramic material 110 without the joint 41.
図4に示す例では、接合体210は、第2金属部32および半導体素子50をさらに含む。半導体素子50は、第1金属部31と接合される。第1金属部31は、複合セラミックス材料110と半導体素子50との間に位置する。例えば、半導体素子50と第1金属部31との間に、接合部42が設けられる。半導体素子50は、接合部42を介さずに、第1金属部31と直接接合されてもよい。 In the example shown in FIG. 4, the bonded body 210 further includes a second metal part 32 and a semiconductor element 50. The semiconductor element 50 is bonded to the first metal part 31. The first metal part 31 is located between the composite ceramic material 110 and the semiconductor element 50. For example, a bonding part 42 is provided between the semiconductor element 50 and the first metal part 31. The semiconductor element 50 may be bonded directly to the first metal part 31 without the bonding part 42.
第2金属部32は、複合セラミックス材料110と接合されている。複合セラミックス材料110は、第1金属部31と第2金属部32との間に位置する。例えば、第2金属部32と複合セラミックス材料110との間に、接合部43が設けられる。第2金属部32は、接合部43を介さずに、複合セラミックス材料110と直接接合されてもよい。第2金属部32は、例えばヒートシンクとして機能する。 The second metal portion 32 is bonded to the composite ceramic material 110. The composite ceramic material 110 is located between the first metal portion 31 and the second metal portion 32. For example, a bonding portion 43 is provided between the second metal portion 32 and the composite ceramic material 110. The second metal portion 32 may be bonded directly to the composite ceramic material 110 without the bonding portion 43. The second metal portion 32 functions, for example, as a heat sink.
第1金属部31および第2金属部32は、例えば、銅およびアルミニウムからなる群より選択された少なくとも1つを含む。接合部41~43は、例えば、銀および銅からなる群より選択された少なくとも1つを含む。接合部41~43は、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、シリコン、マグネシウム、インジウム、錫、および炭素からなる群より選択された少なくとも1つをさらに含んでもよい。半導体素子50は、例えば、ダイオード、MOSFET、またはIGBTを含む。 The first metal portion 31 and the second metal portion 32 include, for example, at least one selected from the group consisting of copper and aluminum. The joint portions 41-43 include, for example, at least one selected from the group consisting of silver and copper. The joint portions 41-43 may further include at least one selected from the group consisting of titanium, hafnium, zirconium, niobium, silicon, magnesium, indium, tin, and carbon. The semiconductor element 50 includes, for example, a diode, a MOSFET, or an IGBT.
接合部41~43は、活性金属を含むことが好ましい。例えば、第1金属部31および第2金属部32が銅を含むとき、活性金属は、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、およびニオブからなる群より選択された少なくとも1つである。接合部41~43は、銀と、銅と、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、およびニオブからなる群より選択された少なくとも1つと、を含むことが好ましい。 The joints 41-43 preferably contain an active metal. For example, when the first metal portion 31 and the second metal portion 32 contain copper, the active metal is at least one selected from the group consisting of titanium, hafnium, zirconium, and niobium. The joints 41-43 preferably contain silver, copper, and at least one selected from the group consisting of titanium, hafnium, zirconium, and niobium.
第1金属部31および第2金属部32がアルミニウムを含むとき、活性金属は、シリコンおよびマグネシウムからなる群より選択された少なくとも1つである。接合部41~43は、銀と、銅と、シリコンおよびマグネシウムからなる群より選択された少なくとも1つと、を含むことが好ましい。 When the first metal portion 31 and the second metal portion 32 contain aluminum, the active metal is at least one selected from the group consisting of silicon and magnesium. It is preferable that the bonding portions 41 to 43 contain at least one selected from the group consisting of silver, copper, silicon, and magnesium.
第1金属部31および第2金属部32が銅を含むとき、活性金属として、チタンが特に好ましい。チタンは窒化珪素と反応して窒化チタンを形成することにより、接合強度を高めることができる。 When the first metal portion 31 and the second metal portion 32 contain copper, titanium is particularly preferred as the active metal. Titanium reacts with silicon nitride to form titanium nitride, which can increase the bonding strength.
実施形態の複合セラミックス材料110を接合体210に用いることで、接合体210の熱伝導率および曲げ強度を向上できる。また、優れた熱伝導率を有する複合セラミックス材料110を基板に用いることで、例えば、基板の放熱性を向上させることができる。加えて、複合セラミックス材料110は、優れた曲げ強度を有する。このため、基板の強度を維持しつつ、基板を薄くできる。これにより、基板の放熱性をさらに向上させることができる。 By using the composite ceramic material 110 of the embodiment in the joined body 210, the thermal conductivity and bending strength of the joined body 210 can be improved. Furthermore, by using the composite ceramic material 110, which has excellent thermal conductivity, in the substrate, the heat dissipation properties of the substrate can be improved, for example. In addition, the composite ceramic material 110 has excellent bending strength. Therefore, the substrate can be made thinner while maintaining its strength. This further improves the heat dissipation properties of the substrate.
以上で説明した各実施形態によれば、熱伝導率および曲げ強度を向上できる複合セラミックス材料および接合体を提供できる。 The embodiments described above provide composite ceramic materials and bonded bodies that can improve thermal conductivity and bending strength.
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、複合セラミックス材料、金属部、接合部、半導体素子などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。 Embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, the specific configurations of each element, such as the composite ceramic material, metal parts, joints, and semiconductor elements, are within the scope of the present invention as long as a person skilled in the art can implement the present invention in a similar manner and obtain similar effects by appropriately selecting them from within the known range.
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。 Furthermore, any combination of two or more elements of each specific example, to the extent technically possible, is also included within the scope of the present invention, as long as it encompasses the gist of the present invention.
その他、本発明の実施の形態として上述した複合セラミックス材料および接合体を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての複合セラミックス材料および接合体も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。 In addition, all composite ceramic materials and joined bodies that can be implemented by a person skilled in the art through appropriate design modifications based on the composite ceramic materials and joined bodies described above as embodiments of the present invention also fall within the scope of the present invention, as long as they include the gist of the present invention.
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 In addition, within the scope of the concept of this invention, a person skilled in the art may conceive of various modifications and alterations, and it is understood that these modifications and alterations also fall within the scope of this invention.
以下、実施例を挙げて本発明を説明する。 The present invention will be explained below with reference to examples.
(実施例1~3)
Si粉末と、SiC粉末、MgO粉末と、Y2O3粉末と、をポットにセットし、ボールとエタノールを追加した後、遊星ボールミルを用いて、回転数を300rpmから600rpmにセットして60分から180分混練することによりスラリーを形成した。得られたスラリーを蒸留乾燥して原料粉を調製した。原料粉を一軸プレス成型後、CIP処理を実施し、大気圧窒素雰囲気中において1450℃の温度で4時間の窒化処理を行った後、7.5気圧の窒素雰囲気中において1800℃から2000℃の温度で12時間から72時間の焼結を行うことにより、窒化ケイ素と炭化ケイ素を備える複合セラミックス材料を形成した。このように遊星ボールミルの回転数や時間、焼結温度と時間を適宜調整することで、窒化ケイ素の平均粒径や窒化ケイ素の粗大粒子割合を調整した。
Examples 1 to 3
Si powder, SiC powder, MgO powder, and Y2O3 powder were placed in a pot, balls and ethanol were added, and the mixture was kneaded for 60 to 180 minutes using a planetary ball mill at a rotation speed of 300 to 600 rpm to form a slurry. The resulting slurry was then distilled and dried to prepare a raw material powder. The raw material powder was uniaxially press-molded, then subjected to CIP treatment, nitriding at 1450°C for 4 hours in a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure, and sintering at 1800°C to 2000°C for 12 to 72 hours in a nitrogen atmosphere at 7.5 atmospheres to form a composite ceramic material containing silicon nitride and silicon carbide. The average particle size of the silicon nitride and the proportion of coarse particles were adjusted by appropriately adjusting the rotation speed and time of the planetary ball mill and the sintering temperature and time.
上記複合セラミックス材料を加工後、熱伝導率と強度を測定した。熱伝導率の測定に使用したサンプルを、片面を鏡面加工した後、プラズマエッチングを行うことにより、断面観察用のサンプルを形成した。このサンプルに金コートを施した後、SEM-EDSにより、例えば実施例3では図1に示す断面像を得た。この図で黒色部分は粒界相、白抜きの粒子は窒化ケイ素粒子、グレーの粒子は炭化ケイ素粒子である。 After processing the above composite ceramic material, the thermal conductivity and strength were measured. One side of the sample used for measuring thermal conductivity was mirror-finished, and then plasma etching was performed to create a sample for cross-sectional observation. After applying a gold coating to this sample, the cross-sectional image shown in Figure 1 for Example 3 was obtained using SEM-EDS. In this image, the black areas represent the grain boundary phase, the white particles represent silicon nitride particles, and the gray particles represent silicon carbide particles.
(比較例1,3,5)
SiC粉末を追加していないこと以外は、比較例1は実施例1と同様な方法により、比較例3は実施例2と同様な方法により、比較例5は実施例3と同様な方法により、窒化ケイ素セラミックス材料をそれぞれ形成した。
(Comparative Examples 1, 3, and 5)
The silicon nitride ceramic materials for Comparative Example 1 were formed in the same manner as in Example 1, Comparative Example 3 in the same manner as in Example 2, and Comparative Example 5 in the same manner as in Example 3, except that no SiC powder was added.
(比較例2,4)
比較例2は実施例1に比べて、遊星ボールミルによる混練条件を、回転数を上げる、および、ミル時間を延ばすように変え、焼結条件を、温度を低く、および、時間を短くするように変え、その他は実施例1と同様な方法により複合セラミックス材料を形成した。比較例4は実施例2に比べて、遊星ボールミルによる混練条件を、回転数を下げる、および、ミル時間を短くするように変え、焼結条件を、温度を高く、および、時間を長くするように変え、その他は実施例2と同様の方法により、窒化ケイ素と炭化ケイ素を備える複合セラミックス材料を形成した。
(Comparative Examples 2 and 4)
In Comparative Example 2, compared to Example 1, the kneading conditions using the planetary ball mill were changed to increase the rotation speed and extend the milling time, and the sintering conditions were changed to decrease the temperature and shorten the time, but a composite ceramic material was formed using the same method as in Example 1. In Comparative Example 4, compared to Example 2, the kneading conditions using the planetary ball mill were changed to decrease the rotation speed and shorten the milling time, and the sintering conditions were changed to increase the temperature and lengthen the time, but a composite ceramic material comprising silicon nitride and silicon carbide was formed using the same method as in Example 2.
上記複合セラミックス材料を加工後、熱伝導率と強度を測定した。熱伝導率の測定に使用したサンプルを、片面を鏡面加工した後、プラズマエッチングを行うことにより、断面観察用のサンプルを形成した。このサンプルに金蒸着を施した後、SEM-EDSにより、断面像を得た。 After processing the above composite ceramic material, the thermal conductivity and strength were measured. One side of the sample used for measuring thermal conductivity was mirror-finished, and then plasma etched to create a sample for cross-sectional observation. Gold was vapor-deposited on this sample, and a cross-sectional image was obtained using SEM-EDS.
実施例1~3および比較例1~5の断面像の粒子解析を、ImageJを用いて上述した方法で行った結果、および、熱伝導率と強度の結果を表1~3に示す。表1は、実施例1と比較例1と2の特性結果を示す。表2は、実施例2と比較例3と4の特性結果を示す。表3は、実施例3と比較例5の特性結果を示す。表中の粗大粒子とは平均粒径の3倍以上の粒径を有する粒子のことである。 The results of particle analysis of cross-sectional images of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-5, performed using ImageJ with the method described above, as well as the results of thermal conductivity and strength, are shown in Tables 1-3. Table 1 shows the property results for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. Table 2 shows the property results for Example 2 and Comparative Examples 3 and 4. Table 3 shows the property results for Example 3 and Comparative Example 5. In the tables, coarse particles refer to particles with a particle size three times or more the average particle size.
実施例1~3の評価・解析を行った結果、窒化ケイ素粒子の平均粒径は0.1~10μmの範囲内であり、平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全窒化ケイ素粒子に対して面積割合が35%以下であった。また、炭化ケイ素粒子の平均アスペクト比は2以下、炭化ケイ素粒子の平均粒径は0.1μm~10μmの範囲内であり、全ての炭化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子および全ての炭化ケイ素粒子の全ての粒子に対して10%~50%の面積割合の範囲内であった。粒界相はY2Si3O3N4型結晶相を含み、そのX線回折の最大ピーク強度比が窒化ケイ素と炭化ケイ素に対して1~10%の範囲内であり、粒界相はMgを含みその割合は0.01原子%以上であった。 As a result of evaluation and analysis of Examples 1 to 3, the average particle size of the silicon nitride particles was within the range of 0.1 to 10 μm, and the silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size accounted for 35% or less of the area of all silicon nitride particles. The average aspect ratio of the silicon carbide particles was 2 or less, the average particle size of the silicon carbide particles was within the range of 0.1 μm to 10 μm, and all silicon carbide particles accounted for 10% to 50% of the area of all silicon nitride particles and all silicon carbide particles. The grain boundary phase contained a Y2Si3O3N4 type crystalline phase , the maximum peak intensity ratio of which was within the range of 1 to 10% relative to silicon nitride and silicon carbide, and the grain boundary phase contained Mg at a ratio of 0.01 atomic % or more.
一方、比較例1,3,5の評価・解析を行った結果、炭化ケイ素は含まれず、平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全窒化ケイ素粒子に対して面積割合が35%以上であり、粒界相はMgを含むがY2Si3O3N4型結晶相は存在しなかった。また、比較例2,4の評価・解析を行った結果、平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全窒化ケイ素粒子に対して面積割合が35%以下であるが、窒化ケイ素粒子の平均粒径は0.1~10μmの範囲外であった。さらに、実施例1~3は、比較例1~5に比べて、高熱伝導率と高強度とを両立できることがわかる。 On the other hand, evaluation and analysis of Comparative Examples 1, 3, and 5 showed that no silicon carbide was contained, silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size accounted for 35% or more of the area of all silicon nitride particles, and the grain boundary phase contained Mg, but no Y2Si3O3N4 type crystal phase was present. Furthermore, evaluation and analysis of Comparative Examples 2 and 4 showed that silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size accounted for 35% or less of the area of all silicon nitride particles, but the average particle size of the silicon nitride particles was outside the range of 0.1 to 10 μm. Furthermore, it can be seen that Examples 1 to 3 can achieve both high thermal conductivity and high strength compared to Comparative Examples 1 to 5.
(実施例4,5)
Si3N4粉末と、SiC粉末、MgO粉末と、Y2O3粉末と、をポットにセットし、ボールとエタノールを追加した後、遊星ボールミルを用いて、実施例1~3と同様に混錬しスラリーを形成した。得られたスラリーを蒸留乾燥して原料粉を調製した。原料粉に対し、大気圧を有する窒素雰囲気下、100MPaのプレス圧、1800℃の温度、3分以上72時間以下の時間で、SPSによる熱処理を行うことにより、窒化ケイ素と炭化ケイ素を備える実施例4の複合セラミックス材料を得た。
(Examples 4 and 5)
Si3N4 powder, SiC powder, MgO powder, and Y2O3 powder were placed in a pot, balls and ethanol were added, and the mixture was kneaded using a planetary ball mill in the same manner as in Examples 1 to 3 to form a slurry. The resulting slurry was distilled and dried to prepare a raw material powder. The raw material powder was subjected to a heat treatment by SPS in a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure, at a pressure of 100 MPa, at a temperature of 1800°C, for a time period of 3 minutes to 72 hours, to obtain the composite ceramic material of Example 4 comprising silicon nitride and silicon carbide.
実施例4で得られた焼結体をさらに、7.5気圧を有する窒素雰囲気中において1900℃の温度、3分超72時間以下の時間で熱処理を行うことにより、窒化ケイ素と炭化ケイ素を備える実施例5の複合セラミックス材料を得た。 The sintered body obtained in Example 4 was further heat-treated in a nitrogen atmosphere at 7.5 atmospheres at 1900°C for more than 3 minutes and not more than 72 hours to obtain the composite ceramic material of Example 5, which comprises silicon nitride and silicon carbide.
上記複合セラミックス材料を加工後、熱伝導率と強度を測定した。熱伝導率の測定に使用したサンプルを、片面を鏡面加工した後、プラズマエッチングを行うことにより、断面観察用のサンプルを形成した。このサンプルに金蒸着を施した後、SEM-EDSにより、断面像を得た。 After processing the above composite ceramic material, the thermal conductivity and strength were measured. One side of the sample used for measuring thermal conductivity was mirror-finished, and then plasma etched to create a sample for cross-sectional observation. Gold was vapor-deposited on this sample, and a cross-sectional image was obtained using SEM-EDS.
(比較例6)
Si3N4粉末と、SiC粉末、MgO粉末と、Y2O3粉末と、をポットにセットし、ボールとエタノールを追加した後、遊星ボールミルを用いて、実施例4、5と同様に混錬しスラリーを形成した。得られたスラリーを蒸留乾燥して原料粉を調製した。原料粉に対し、大気圧の窒素雰囲気下、100MPaのプレス圧、1700℃の温度、3分の時間で、SPSによる熱処理を行うことにより、比較例6の窒化ケイ素と炭化ケイ素を備える複合セラミックス材料を得た。
(Comparative Example 6)
Si3N4 powder, SiC powder, MgO powder, and Y2O3 powder were placed in a pot, balls and ethanol were added, and the mixture was kneaded using a planetary ball mill to form a slurry in the same manner as in Examples 4 and 5. The resulting slurry was distilled and dried to prepare a raw material powder. The raw material powder was subjected to a heat treatment by SPS under a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure, at a pressure of 100 MPa, at a temperature of 1700°C, and for 3 minutes, to obtain a composite ceramic material comprising silicon nitride and silicon carbide of Comparative Example 6.
上記セラミックスを加工後、熱伝導率と強度を測定した。熱伝導率の測定に使用したサンプルを、片面を鏡面加工した後、プラズマエッチングを行うことにより、断面観察用のサンプルを形成した。このサンプルに金蒸着を施した後、SEM-EDSにより、断面像を得た。 After processing the above ceramics, the thermal conductivity and strength were measured. One side of the sample used for measuring thermal conductivity was mirror-finished, and then plasma etched to create a sample for cross-sectional observation. Gold was vapor-deposited on this sample, and a cross-sectional image was obtained using SEM-EDS.
実施例4、5および比較例6の断面像の粒子解析を、ImageJを用いて上述した方法で行った結果、および、上記式(3)により表される配向性を示す値と熱伝導率と強度の測定結果を表4に示す。 Table 4 shows the results of particle analysis of cross-sectional images of Examples 4 and 5 and Comparative Example 6 performed using ImageJ using the method described above, as well as the values indicating the orientation expressed by formula (3) above, and the measurement results of thermal conductivity and strength.
実施例4、5の評価・解析を行った結果、窒化ケイ素粒子の平均粒径は0.1~10μmの範囲内であり、平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全窒化ケイ素粒子に対して面積割合が35%以下であった。また、炭化ケイ素粒子の平均アスペクト比は2以下であり、炭化ケイ素粒子の平均粒径は0.1~10μmの範囲内であり、炭化ケイ素粒子の平均粒径の3倍以上の粒径を有する炭化ケイ素粒子は、全炭化ケイ素粒子に対して10%以下の面積割合であった。また、全ての炭化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子および全ての炭化ケイ素粒子の全ての粒子に対して10%~50%の面積割合の範囲内であった。粒界相はY2Si3O3N4型結晶相を含み、そのX線回折の最大ピーク強度比が窒化ケイ素と炭化ケイ素に対して1%以下であり、粒界相はMgを含み、その割合は0.01原子%以上であった。上記式(3)により表される窒化ケイ素粒子のc軸の配向性を示す値は、0.5未満であった。そのため、実施例4,5の窒化ケイ素粒子のc軸の配向していることがわかった。また、実施例1-5及び比較例1-5のいずれもX線回折の結果、窒化ケイ素の結晶相は100%β型窒化ケイ素であった。 As a result of evaluation and analysis of Examples 4 and 5, the average particle size of the silicon nitride particles was within the range of 0.1 to 10 μm, and the silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size accounted for 35% or less of the area of all silicon nitride particles. The average aspect ratio of the silicon carbide particles was 2 or less, the average particle size of the silicon carbide particles was within the range of 0.1 to 10 μm, and the silicon carbide particles having a particle size three times or more the average particle size of the silicon carbide particles accounted for 10% or less of the area of all silicon carbide particles. The area ratio of all silicon carbide particles was within the range of 10% to 50% of all silicon nitride particles and all silicon carbide particles. The grain boundary phase contained a Y 2 Si 3 O 3 N 4 type crystalline phase, the maximum peak intensity ratio of which was 1% or less relative to silicon nitride and silicon carbide, and the grain boundary phase contained Mg at a ratio of 0.01 atomic % or more. The value representing the c-axis orientation of the silicon nitride particles represented by the above formula (3) was less than 0.5. This indicated that the c-axes of the silicon nitride particles of Examples 4 and 5 were oriented. Furthermore, X-ray diffraction analysis of all of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-5 showed that the crystalline phase of the silicon nitride was 100% β-type silicon nitride.
一方、比較例6の評価・解析を行った結果、窒化ケイ素粒子の平均粒径は0.1~10μmの範囲内であり、平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全窒化ケイ素粒子に対して面積割合が35%以下であった。また、炭化ケイ素粒子の平均アスペクト比は2以下であり、炭化ケイ素の平均粒径の3倍以上の粒径を有する炭化ケイ素粒子は、全炭化ケイ素粒子に対して10%以下の面積割合であるが、平均粒径は0.1μm以下であった。また、全ての炭化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子および全ての炭化ケイ素粒子の全ての粒子に対して10%~50%の面積割合の範囲内であった。粒界相はY2Si3O3N4型結晶相を含み、そのX線回折の最大ピーク強度比が窒化ケイ素と炭化ケイ素に対して1%以下であり、粒界相はMgを含み、その割合は0.01原子%以上であった。上記式(3)により表される窒化ケイ素粒子のc軸の配向性を示す値は、0.5以上であった。ただし、X線回折の結果、窒化ケイ素の結晶相が、必要とされるβ型窒化ケイ素単独ではなく、α型窒化ケイ素が21%混在していたため、熱伝導率や強度が著しく低かった。さらに、実施例4、5は、比較例6に比べて、高熱伝導率と高強度とを両立できることがわかる。 On the other hand, as a result of evaluation and analysis of Comparative Example 6, the average particle size of the silicon nitride particles was in the range of 0.1 to 10 μm, and the silicon nitride particles having a particle size three times or more of the average particle size had an area ratio of 35% or less relative to the total silicon nitride particles. The average aspect ratio of the silicon carbide particles was 2 or less, and the silicon carbide particles having a particle size three times or more of the average particle size of silicon carbide had an area ratio of 10% or less relative to the total silicon carbide particles, but the average particle size was 0.1 μm or less. All silicon carbide particles had an area ratio of 10% to 50% relative to all silicon nitride particles and all silicon carbide particles. The grain boundary phase contained a Y 2 Si 3 O 3 N 4 type crystalline phase, the maximum peak intensity ratio of which was 1% or less relative to silicon nitride and silicon carbide, and the grain boundary phase contained Mg, and its ratio was 0.01 atomic % or more. The value representing the c-axis orientation of the silicon nitride particles, as expressed by the above formula (3), was 0.5 or more. However, as a result of X-ray diffraction, the silicon nitride crystalline phase was not solely the required β-type silicon nitride, but contained 21% α-type silicon nitride, so the thermal conductivity and strength were significantly low. Furthermore, it can be seen that Examples 4 and 5 can achieve both high thermal conductivity and high strength compared to Comparative Example 6.
以上より、実施例の複合セラミックス材料は、窒化ケイ素粒子と、炭化ケイ素粒子と、を具備する複合セラミックス材料であり、窒化ケイ素粒子がβ型窒化ケイ素を80%以上含み、複合セラミックス材料の断面において、窒化ケイ素粒子の平均粒径が0.1μm以上10μm以下である。断面において、窒化ケイ素粒子の平均粒径の3倍以上の粒径を有する窒化ケイ素粒子は、全ての窒化ケイ素粒子に対して35%以下の面積割合を有し、高熱伝導率と高強度とを両立できることがわかった。 From the above, it was found that the composite ceramic material of the example is a composite ceramic material comprising silicon nitride particles and silicon carbide particles, the silicon nitride particles containing 80% or more beta-type silicon nitride, and the average particle size of the silicon nitride particles in the cross section of the composite ceramic material is 0.1 μm or more and 10 μm or less. In the cross section, silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size of the silicon nitride particles account for an area ratio of 35% or less of all silicon nitride particles, and it was found that both high thermal conductivity and high strength can be achieved.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are within the scope and spirit of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
10a…結晶粒子、10b…結晶粒子、20…粒界、31…第1金属部、32…第2金属部、41~43…接合部、50…半導体素子、110…複合セラミックス材料、210…接合体。 10a...crystal grain, 10b...crystal grain, 20...grain boundary, 31...first metal portion, 32...second metal portion, 41-43...joint portion, 50...semiconductor element, 110...composite ceramic material, 210...jointed body.
Claims (13)
前記窒化ケイ素粒子はβ型窒化ケイ素を80%以上含み、
前記複合セラミックス材料の断面において、前記複数の窒化ケイ素粒子の平均粒径が0.1μm以上10μm以下であり、
前記断面において、全ての前記炭化ケイ素粒子は、全ての前記窒化ケイ素粒子および全ての前記炭化ケイ素粒子の全ての粒子に対して10%以上50%以下の面積割合を有し、
前記断面において、前記複数の窒化ケイ素粒子の平均粒径の3倍以上の粒径を有する前記窒化ケイ素粒子は、前記断面における全ての前記窒化ケイ素粒子に対して35%以下の面積割合を有し、
Y 2 Si 3 O 3 N 4 型結晶相を有する粒界をさらに具備し、
前記複合セラミックス材料のX線回折パターンにおいて、窒化ケイ素および炭化ケイ素のピーク強度に対するY 2 Si 3 O 3 N 4 型結晶相の最大ピーク強度の比が15%以下である、複合セラミックス材料。 A composite ceramic material comprising a plurality of silicon nitride particles and a plurality of silicon carbide particles,
The silicon nitride particles contain 80% or more of β-type silicon nitride,
In a cross section of the composite ceramic material, the average particle size of the plurality of silicon nitride particles is 0.1 μm or more and 10 μm or less,
In the cross section, all of the silicon carbide particles have an area ratio of 10% or more and 50% or less of all of the silicon nitride particles and all of the silicon carbide particles,
In the cross section, the silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size of the plurality of silicon nitride particles have an area ratio of 35% or less relative to all the silicon nitride particles in the cross section,
Further comprising grain boundaries having a Y2Si3O3N4 type crystalline phase ;
A composite ceramic material, wherein in an X-ray diffraction pattern of the composite ceramic material, the ratio of the maximum peak intensity of the Y 2 Si 3 O 3 N 4 type crystal phase to the peak intensities of silicon nitride and silicon carbide is 15% or less.
前記断面において、前記複数の窒化ケイ素粒子の平均粒径の3倍以上の粒径を有する前記窒化ケイ素粒子は、全ての前記窒化ケイ素粒子に対して20%以下の面積割合を有する、請求項1に記載の複合セラミックス材料。 the average particle size of the plurality of silicon nitride particles is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less;
2. The composite ceramic material according to claim 1, wherein in the cross section , the silicon nitride particles having a particle size three times or more the average particle size of the plurality of silicon nitride particles have an area ratio of 20% or less relative to all the silicon nitride particles.
前記基板に接合された第1金属部と、
を備える、接合体。 A substrate using the composite ceramic material according to any one of claims 1 to 9 ;
a first metal portion bonded to the substrate;
A joint body comprising:
前記第1金属部は、銅を含み、
前記第1接合部は、銀と、銅と、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、シリコ
ン、マグネシウム、インジウム、錫、および炭素からなる群より選択される少なくとも1つと、を含む、請求項10に記載の接合体。 the substrate and the first metal portion are joined via a first joining portion,
the first metal portion includes copper,
11. The bonded body of claim 10 , wherein the first bonded portion comprises silver, copper, and at least one selected from the group consisting of titanium, hafnium, zirconium, niobium, silicon, magnesium, indium, tin, and carbon.
前記基板は、前記第1金属部と前記第2金属部との間に位置する請求項10または請求項11に記載の接合体。 Further comprising a second metal part bonded to the substrate;
The bonded body according to claim 10 or 11 , wherein the substrate is located between the first metal part and the second metal part.
前記第1金属部は、前記基板と前記半導体素子との間に位置する請求項10ないし請求項12のいずれか一項に記載の接合体。 further comprising a semiconductor element bonded to the first metal portion;
The bonded body according to claim 10 , wherein the first metal portion is located between the substrate and the semiconductor element.
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