JP6909120B2 - Silicon Nitride Sintered Substrate, Electronic Equipment, and Silicon Nitride Sintered Substrate Manufacturing Method - Google Patents
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- Ceramic Products (AREA)
Description
本発明は、窒化ケイ素焼結体基板、該窒化ケイ素焼結体基板を備えた電子装置、及び、該窒化ケイ素焼結体基板を製造する方法に関する。 The present invention relates to a silicon nitride sintered body substrate, an electronic device provided with the silicon nitride sintered body substrate, and a method for manufacturing the silicon nitride sintered body substrate.
近年、電子機器や半導体デバイスの高密度化、高出力化に伴い、パワーモジュールの発熱密度が増加している。パワーモジュールの温度上昇は、素子の動作不良を引き起こしたり、絶縁回路基板の割れを引き起こしたりする要因となる。そのため、絶縁回路基板には、比較的に熱伝導率が高い材料であるアルミナや窒化アルミニウムなどのセラミック基板が用いられてきた。しかしながら、アルミナや窒化アルミニウムには、機械的強度が低いという欠点が存在する。それ故、熱応力が強くかかる厚銅をセラミック基板へ直接接合することが出来ず、パワーモジュールの構造に制約を与えてきた。具体的には、銅やアルミニウムなどの放熱板を絶縁回路基板に対して、はんだ接合する必要が生じることから、パワーモジュールが大型化することが問題として挙げられる。そこで、絶縁回路基板として注目されているのが窒化ケイ素(Si3N4)材料である。窒化ケイ素焼結体は、アルミナや窒化アルミニウム焼結体と比較して強度や破壊靭性が2倍程高いことから、絶縁回路基板へ直接厚銅を接合することが可能となり、モジュールの小型化に貢献する。 In recent years, the heat generation density of power modules has been increasing with the increase in density and output of electronic devices and semiconductor devices. An increase in the temperature of the power module causes a malfunction of the element or a crack of the insulating circuit board. Therefore, ceramic substrates such as alumina and aluminum nitride, which are materials having relatively high thermal conductivity, have been used for the insulating circuit board. However, alumina and aluminum nitride have a drawback of low mechanical strength. Therefore, thick copper, which is strongly subjected to thermal stress, cannot be directly bonded to the ceramic substrate, which has restricted the structure of the power module. Specifically, since it is necessary to solder-bond a heat sink made of copper or aluminum to the insulating circuit board, it is a problem that the power module becomes large. Therefore, silicon nitride (Si 3 N 4 ) material is attracting attention as an insulating circuit board. Since the silicon nitride sintered body has about twice as high strength and fracture toughness as the alumina and aluminum nitride sintered bodies, it is possible to directly bond thick copper to the insulating circuit board, which makes it possible to reduce the size of the module. To contribute.
例えば、特許文献1は、機械的特性に優れているとともに、高い熱伝導性を持つ窒化ケイ素質焼結体基板の製造方法を開示する。該製造方法では、Al含有量が0.1重量%以下の窒化ケイ素粉末に、Mg,Ca,Sr,Ba,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Ybのうちから選ばれる1種または2種以上の元素の焼結助剤を1重量%以上15重量%以下の範囲内で添加して成形した後、1気圧以上500気圧以下の窒素ガス圧下で、1700℃以上2300℃以下の温度で焼成する。該製造方法によって得られた窒化ケイ素質焼結体基板は、85重量%以上99重量%以下のβ型窒化ケイ素粒と残部が酸化物または酸窒化物の粒界相とから構成される。また、粒界相中にMg,Ca,Sr,Ba,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Ybのうちから選ばれる1種または2種以上の金属元素を0.5重量%以上10重量%以下含有する。そして、粒界相中のAl原子含有量が1重量%以下であり、気孔率が5%以下でかつ焼結体の微構造についてβ型窒化ケイ素粒のうち短軸径5μm以上を持つものの割合が10体積%以上60体積%以下である。すなわち、特許文献1には、焼結助剤を添加することにより、該窒化ケイ素質焼結体基板が優れた機械的特性と高い熱伝導率を合わせ持つことが記載されている。
For example,
すなわち、高熱伝導性の窒化ケイ素焼結体基板を得るためには焼結助剤として希土類化合物や酸化マグネシウムを加え、それらの混合比や添加量によって熱伝導率や機械的強度を向上できることが知られている。しかしながら、従来の製造方法(換言すると、本発明の製造工程を経ない方法)によって製造された窒化ケイ素焼結体基板において、基板の垂直(厚み)方向の破壊靱性に対して平面方向の破壊靱性が相対的に低いという知見が発明者によって得られた(表2の比較例1〜4参照)。つまり、従来の窒化ケイ素焼結体基板は、機械的強度の異方性が存在することにより、垂直方向と比べて平面方向への力の負荷に弱いことが分かる。このように平面方向の破壊靱性が低いと、例えば、金属板を窒化ケイ素焼結体基板に固定した上で加熱・冷却を繰り返す熱サイクル試験などによる特定の過酷環境下において、金属板の熱膨張・収縮による平面方向への力の負荷の蓄積に耐えられずに基板平面にクラックが入るなど、耐久性や信頼性の低下が起こり得ることが考えられる。 That is, it is known that in order to obtain a silicon nitride sintered substrate having high thermal conductivity, a rare earth compound or magnesium oxide is added as a sintering aid, and the thermal conductivity and mechanical strength can be improved by the mixing ratio and the amount of addition thereof. Has been done. However, in a silicon nitride sintered substrate manufactured by a conventional manufacturing method (in other words, a method that does not go through the manufacturing process of the present invention), the fracture toughness in the plane direction is compared with the fracture toughness in the vertical (thickness) direction of the substrate. Was obtained by the inventor (see Comparative Examples 1 to 4 in Table 2). That is, it can be seen that the conventional silicon nitride sintered substrate is vulnerable to a force load in the plane direction as compared with the vertical direction due to the presence of anisotropy in mechanical strength. When the fracture toughness in the plane direction is low as described above, for example, the metal plate is thermally expanded under a specific harsh environment by a thermal cycle test in which the metal plate is fixed to a silicon nitride sintered body substrate and then heated and cooled repeatedly. -It is conceivable that durability and reliability may decrease, such as cracks in the substrate surface without being able to withstand the accumulation of force load in the plane direction due to shrinkage.
本発明は、上記課題を解決するために、その目的は、垂直方向とともに平面方向においても高い破壊靱性を有し、及び/又は、破壊靱性の等方性を改善した窒化ケイ素焼結体基板、該窒化ケイ素焼結体基板を備えた電子装置及び、該窒化ケイ素焼結体基板の製造方法を提供することにある。 In order to solve the above problems, the purpose of the present invention is to provide a silicon nitride sintered substrate having high fracture toughness in both the vertical direction and the planar direction and / or improving the isotropic property of the fracture toughness. An object of the present invention is to provide an electronic device provided with the silicon nitride sintered body substrate and a method for manufacturing the silicon nitride sintered body substrate.
本発明の一実施形態の窒化ケイ素焼結体基板は、1〜15重量%の焼結助剤と、残部を構成するSi3N4とを含有する窒化ケイ素焼結体からなり、β−Si3N4のX線回折ピークを有し、β−Si3N4の(101)面のX線回折ピークの強度I101とβ−Si3N4の(210)面のX線回折ピークの強度I210との強度比I101/I210が0.7〜1.1であり、基板平面に平行な第1方向の破壊靱性値KC1が5.5MPa・m1/2以上であり、基板平面に垂直な第2方向の破壊靱性値KC2が5.5MPa・m1/2以上であることを特徴とする。
The silicon nitride sintered body substrate of one embodiment of the present invention comprises a silicon nitride sintered body containing 1 to 15% by weight of a sintering aid and Si 3 N 4 constituting the balance, and is composed of β-Si. 3 has an X-ray diffraction peaks of
すなわち、本発明の窒化ケイ素焼結体基板は、X線回折測定におけるβ−Si3N4のX線回折ピークの0.7〜1.1の強度比I101/I201を有している。そして、窒化ケイ素焼結体基板の強度比I101/I201が0.7〜1.1の範囲に制御されたことにより、窒化ケイ素焼結体基板の第1方向及び第2方向の破壊靱性の値KC1、KC2がともに5.5MPa・m1/2以上となった。したがって、本発明の窒化ケイ素焼結体基板は、垂直方向とともに平面方向においても等方的に高い破壊靱性を有し得る。 That is, the silicon nitride sintered substrate of the present invention has an intensity ratio I 101 / I 201 of 0.7 to 1.1 of the X-ray diffraction peak of β-Si 3 N 4 in the X-ray diffraction measurement. .. The strength ratio I 101 / I 201 of the silicon nitride sintered substrate was controlled in the range of 0.7 to 1.1, so that the fracture toughness of the silicon nitride sintered substrate in the first direction and the second direction was controlled. The values of K C1 and K C2 were both 5.5 MPa · m 1/2 or more. Therefore, the silicon nitride sintered substrate of the present invention can have high fracture toughness isotropically in the plane direction as well as in the vertical direction.
本発明の窒化ケイ素焼結体基板によれば、上記構成において、前記第1の破壊靱性の値KC1と前記第2の破壊靱性の値KC2との比KC1/KC2が0.9〜1.1であってもよい。 According to the silicon nitride sintered body substrate of the present invention, in the above structure, the ratio K C1 / K C2 between the value K C2 and the value K C1 of the first fracture toughness the second fracture toughness 0.9 It may be ~ 1.1.
本発明の別実施形態の窒化ケイ素焼結体基板は、1〜15重量%の焼結助剤と、残部を構成するSi3N4とを含有する窒化ケイ素焼結体からなり、β−Si3N4の(101)面のX線回折ピークの強度I101とβ−Si3N4の(210)面のX線回折ピークの強度I210との強度比I101/I210が0.7〜1.1であり、基板平面に平行な第1方向の破壊靱性値KC1と基板平面に垂直な第2方向の破壊靱性値KC2との比KC1/KC2が0.9〜1.1であることを特徴とする。 The silicon nitride sintered body substrate of another embodiment of the present invention comprises a silicon nitride sintered body containing 1 to 15% by weight of a sintering aid and Si 3 N 4 constituting the balance, and is composed of β-Si. 3 intensity ratio I 101 / I 210 between the N 4 of (101) plane intensity I 210 of the X-ray diffraction peaks of the (210) plane of the intensity of X-ray diffraction peaks I 101 and beta-Si 3 N 4 of 0. The ratio K C1 / K C2 of the fracture toughness value K C1 in the first direction parallel to the substrate plane and the fracture toughness value K C2 in the second direction perpendicular to the substrate plane is 0.9 to 1.1. It is characterized by being 1.1.
すなわち、本発明の窒化ケイ素焼結体基板は、X線回折測定におけるβ−Si3N4のX線回折ピークの0.7〜1.1の強度比I101/I210を有している。そして、窒化ケイ素焼結体基板の強度比I101/I210が0.7〜1.1の範囲に制御されたことにより、窒化ケイ素焼結体基板の第1方向及び第2方向の破壊靱性の値KC1、KC2の比KC1/KC2が0.9〜1.1となった。したがって、本発明の窒化ケイ素焼結体基板では、基板平面に垂直な第2方向に比べて基板平面に平行な第1方向の破壊靱性が相対的に低くなることが抑えられ、破壊靱性の等方性が改善された。 That is, the silicon nitride sintered substrate of the present invention has an intensity ratio I 101 / I 210 of 0.7 to 1.1 of the X-ray diffraction peak of β-Si 3 N 4 in the X-ray diffraction measurement. .. The strength ratio I 101 / I 210 of the silicon nitride sintered substrate was controlled in the range of 0.7 to 1.1, so that the fracture toughness of the silicon nitride sintered substrate in the first direction and the second direction was controlled. The ratio of K C1 and K C2 to K C1 / K C2 was 0.9 to 1.1. Therefore, in the silicon nitride sintered substrate of the present invention, it is suppressed that the fracture toughness in the first direction parallel to the substrate plane is relatively lower than that in the second direction perpendicular to the substrate plane, and the fracture toughness and the like are suppressed. The directionality was improved.
本発明のさらなる実施形態の窒化ケイ素焼結体基板は、750MPa以上の3点曲げ強度を有してもよい。また、本発明の窒化ケイ素焼結体基板は、80W/mK以上の熱伝導率を有してもよい。 The silicon nitride sintered substrate of a further embodiment of the present invention may have a three-point bending strength of 750 MPa or more. Further, the silicon nitride sintered substrate of the present invention may have a thermal conductivity of 80 W / mK or more.
本発明のさらなる実施形態の窒化ケイ素焼結体基板によれば、前記焼結助剤は、Mg,Ca,Sr,Ba,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Ybからなる群から選択される1種または2種以上の元素の酸化物であってもよい。また、本発明の窒化ケイ素焼結体基板によれば、焼結助剤は、1.5〜3.5重量%のMgOと、1〜4重量%のY2O3とからなってもよい。 According to the silicon nitride sintered body substrate of the further embodiment of the present invention, the sintering aid is Mg, Ca, Sr, Ba, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, It may be an oxide of one or more elements selected from the group consisting of Er and Yb. Further, according to the silicon nitride sintered body substrate of the present invention, the sintering aid, and 1.5 to 3.5 wt% of MgO, it may consist 1-4 wt% of Y 2 O 3 Metropolitan ..
本発明の別実施形態の窒化ケイ素焼結体基板の製造方法は、
β−Si3N4の含有率が7%以下の窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末を所定の配合比で混合し、前記混合粉末に溶媒を加えてスラリーを形成する工程と、
前記スラリーの粘度を13000cps以上、好ましくは、13000〜18000cpsの範囲に調整する工程と、
前記粘度を調整したスラリーを所定厚のシート成形体に成形する工程と、
非酸化性雰囲気中で前記シート成形体を焼結して、窒化ケイ素焼結体基板を得る工程と、
を含むことを特徴とする。
The method for producing a silicon nitride sintered substrate according to another embodiment of the present invention is as follows.
A step of mixing silicon nitride powder having a β-Si 3 N 4 content of 7% or less and a sintering aid powder at a predetermined blending ratio, and adding a solvent to the mixed powder to form a slurry.
A step of adjusting the viscosity of the slurry to 13000 cps or more, preferably 13000 to 18000 cps, and
A step of molding the slurry having the adjusted viscosity into a sheet molded product having a predetermined thickness, and
A step of sintering the sheet molded body in a non-oxidizing atmosphere to obtain a silicon nitride sintered body substrate.
It is characterized by including.
すなわち、本発明の窒化ケイ素焼結体基板の製造方法によれば、7%以下のβ−Si3N4を含む窒化ケイ素粉末を原料として用いるとともに、スラリーの粘度を13000cps以上、好ましくは、13000〜18000cpsの範囲に調整した上でシート成形体を形成したことにより、当該製造方法による窒化ケイ素焼結体基板のβ−Si3N4の(101)面のX線回折ピークの強度I101とβ−Si3N4の(210)面のX線回折ピークの強度I210との強度比I101/I210をより1に近付けるように制御することができる。その結果、窒化ケイ素焼結体基板の基板平面に平行な第1方向の破壊靱性値KC1が第1方向に垂直な第2方向の破壊靱性値KC2に対して相対的に低下することを抑え、両方向において等方的な破壊靱性を有する窒化ケイ素焼結体基板を得ることができる。 That is, according to the method for producing a silicon nitride sintered substrate of the present invention, a silicon nitride powder containing 7% or less of β-Si 3 N 4 is used as a raw material, and the viscosity of the slurry is 13000 cps or more, preferably 13000 cps or more. By forming the sheet molded body after adjusting it to the range of ~ 18000 cps, the intensity I 101 of the X-ray diffraction peak of the (101) plane of the β-Si 3 N 4 (101) plane of the silicon nitride sintered body substrate according to the manufacturing method was obtained. The intensity ratio I 101 / I 210 of the X-ray diffraction peak of the (210) plane of β-Si 3 N 4 to the intensity I 210 can be controlled to be closer to 1. As a result, the fracture toughness value K C1 in the first direction parallel to the substrate plane of the silicon nitride sintered body substrate is relatively lower than the fracture toughness value K C2 in the second direction perpendicular to the first direction. It is possible to obtain a silicon nitride sintered substrate which is suppressed and has isotropic fracture toughness in both directions.
本発明のさらなる実施形態の製造方法によれば、ドクターブレード法によって前記粘度を調整したスラリーを所定厚のシート状に成形してもよい。また、本発明の製造方法によれば、前記スラリーの粘度を調整する工程は、真空中で前記スラリーを脱泡することを含んでもよく、脱泡する時間に前記スラリーの粘度が依存する。 According to the production method of a further embodiment of the present invention, the slurry whose viscosity has been adjusted by the doctor blade method may be formed into a sheet having a predetermined thickness. Further, according to the production method of the present invention, the step of adjusting the viscosity of the slurry may include defoaming the slurry in a vacuum, and the viscosity of the slurry depends on the defoaming time.
本発明のさらなる実施形態の製造方法によれば、前記焼結助剤は、Mg,Ca,Sr,Ba,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Ybからなる群から選択される1種または2種以上の元素の酸化物であってもよい。また、本発明の窒化ケイ素焼結体基板によれば、焼結助剤は、1.5〜3.5重量%のMgOと、1〜4重量%のY2O3とからなってもよい。 According to the production method of a further embodiment of the present invention, the sintering aid is derived from Mg, Ca, Sr, Ba, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb. It may be an oxide of one or more elements selected from the group. Further, according to the silicon nitride sintered body substrate of the present invention, the sintering aid, and 1.5 to 3.5 wt% of MgO, it may consist 1-4 wt% of Y 2 O 3 Metropolitan ..
本発明の窒化ケイ素焼結体及びその製造方法によれば、窒化ケイ素焼結体の垂直方向及び平面方向の機械的強度を改善することができる。 According to the silicon nitride sintered body of the present invention and the method for producing the same, the mechanical strength of the silicon nitride sintered body in the vertical direction and the planar direction can be improved.
本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板は、主に、基板表面に銅板などの金属板がろう接(ろう付け又は半田付け)されて、電子部品を搭載するための電子部品搭載用基板として使用される。すなわち、本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板と、該窒化ケイ素焼結体基板の少なくとも一面に、ろう接された金属板と、該金属板に搭載された電子部品とによって、様々な用途の電子装置が構成される。このような電子装置では、動作時に温度上昇が起こることから、金属板は高温及び低温で熱膨張及び熱収縮を繰り返す。そこで、本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板は、基板平面に平行な第1方向及び基板平面に垂直な第2方向の両方で、より等方的に所定の機械的強度(破壊靱性)を発揮するように構成された。各方向の破壊靱性値は、対角線の長さを有する圧こんを、所定の厚みを有する基板の側端面に形成し、ビッカース圧子を押し込むことによって圧こんの頂点から生じる、第1方向及び第2方向のき裂の長さによってそれぞれ求められた。 The silicon nitride sintered substrate of the present embodiment is mainly used as a substrate for mounting electronic components by brazing (brazing or soldering) a metal plate such as a copper plate to the substrate surface. Will be done. That is, the silicon nitride sintered body substrate of the present embodiment, the metal plate brazed to at least one surface of the silicon nitride sintered body substrate, and the electronic components mounted on the metal plate can be used for various purposes. An electronic device is configured. In such an electronic device, since the temperature rises during operation, the metal plate repeats thermal expansion and contraction at high and low temperatures. Therefore, the silicon nitride sintered substrate of the present embodiment has a more isotropic predetermined mechanical strength (fracture toughness) in both the first direction parallel to the substrate plane and the second direction perpendicular to the substrate plane. It was configured to work. The fracture toughness value in each direction is generated from the apex of the indenter by forming a diagonally long indentation on the side end face of the substrate having a predetermined thickness and pushing the Vickers indenter, in the first direction and the second. It was determined by the length of the crack in each direction.
窒化ケイ素焼結体基板は、1〜15重量%の焼結助剤と、残部を構成するSi3N4とを含有する窒化ケイ素焼結体から構成される。本実施形態では、焼結助剤粉末は、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化バリウム(BaO)、酸化マグネシウム(MgO)、希土類元素(Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb)の酸化物又はこれらの組み合わせ等から選択され得る。特に、焼結助剤成分として希土類酸化物とともにMg成分を添加することにより、焼結時の液相生成温度を低下させ、焼結性を改善することができる。さらに、焼結助剤は、1.5〜3.5重量%のMgO及び1〜4重量%のY2O3であることがより好ましい。焼結助剤成分として、Mg及びYを用いることによって、窒化ケイ素焼結体を緻密化し、その結果、比較的高い熱伝導性と機械的強度を両立することができることが過去の知見として分かっている。本実施形態では、焼結助剤として、MgO及びY2O3が採用された。なお、焼結助剤の配合組成比は、1〜15重量%の範囲内であれば、窒化ケイ素焼結体基板の特性に大きな影響を与えないことが過去の知見として得られているので、当業者であれば、その種類や配合比を任意に選択可能である。 The silicon nitride sintered body substrate is composed of a silicon nitride sintered body containing 1 to 15% by weight of a sintering aid and Si 3 N 4 constituting the balance. In the present embodiment, the sintering aid powder is strontium oxide (SrO), barium oxide (BaO), magnesium oxide (MgO), rare earth elements (Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho). , Er, Yb) oxides or combinations thereof and the like. In particular, by adding the Mg component together with the rare earth oxide as the sintering aid component, the liquid phase formation temperature at the time of sintering can be lowered and the sinterability can be improved. Further, the sintering aid is more preferably a Y 2 O 3 of 1.5 to 3.5 wt% of MgO and 1-4 wt%. Past findings have shown that by using Mg and Y as the sintering aid components, the silicon nitride sintered body can be densified, and as a result, both relatively high thermal conductivity and mechanical strength can be achieved. There is. In the present embodiment, as a sintering agent, MgO and Y 2 O 3 was employed. It should be noted that it has been obtained in the past that the compounding composition ratio of the sintering aid does not significantly affect the characteristics of the silicon nitride sintered body substrate if it is in the range of 1 to 15% by weight. Those skilled in the art can arbitrarily select the type and compounding ratio.
窒化ケイ素焼結体の結晶構造には、α相型窒化ケイ素Si3N4(α−Si3N4)とβ相型窒化ケイ素(β−Si3N4)の2種類が存在する。図1(a)は、α−Si3N4からなる粉末のSEM画像を示し、図1(b)は、図1(a)のα−Si3N4を加熱して得られたβ−Si3N4のSEM画像を示している。また、図2は、窒化ケイ素焼結体基板のSEM画像を示している。一般的に、α−Si3N4は、高温(1500〜1700℃の焼結温度付近)で不可逆的にβ−Si3N4に相変態することが知られている。図1(b)に示すように、β−Si3N4の粒子は、細長い柱状結晶構造を有している。そして、図2に示すように、窒化ケイ素焼結体において、β−Si3N4の柱状結晶粒子が互いに絡み合うことにより、高い機械的強度が発揮されることが知られている。 There are two types of crystal structures of the silicon nitride sintered body: α-phase type silicon nitride Si 3 N 4 (α-Si 3 N 4 ) and β-phase type silicon nitride (β-Si 3 N 4). FIG. 1 (a) shows an SEM image of a powder composed of α-Si 3 N 4 , and FIG. 1 (b) shows β- obtained by heating α-Si 3 N 4 of FIG. 1 (a). The SEM image of Si 3 N 4 is shown. Further, FIG. 2 shows an SEM image of the silicon nitride sintered body substrate. In general, it is known that α-Si 3 N 4 irreversibly undergoes phase transformation to β-Si 3 N 4 at a high temperature (near the sintering temperature of 1500 to 1700 ° C.). As shown in FIG. 1 (b), the β-Si 3 N 4 particles have an elongated columnar crystal structure. Then, as shown in FIG. 2, it is known that in a silicon nitride sintered body, high mechanical strength is exhibited by entwining columnar crystal particles of β-Si 3 N 4 with each other.
Cu−Kα線を用いたX線回折法において、α−Si3N4及びβ−Si3N4の2θ、ミラー指数(hkl)は、以下の表によってそれぞれ与えられる。 In the X-ray diffraction method using Cu-Kα rays, 2θ and Miller index (hkl) of α-Si 3 N 4 and β-Si 3 N 4 are given by the following tables, respectively.
本発明において、窒化ケイ素焼結体のβ−Si3N4の(101)面のX線回折ピークの強度I101と、β−Si3N4の(210)面のX線回折ピークの強度I210に着目した。そして、発明者は、I101及びI210がβ−Si3N4の縦向き(基板厚み方向)及び横向き(基板平面方向)に配向した柱状結晶粒子の数をそれぞれ示す指標となり得ると仮定した。換言すると、強度比I101/I210がβ−Si3N4の縦横の配向度(比率)に関連付けられた。つまり、横向きの粒子が増えると配向度が低下し、縦向きの粒子が増えると配向度が増加し、そして、柱状結晶構造が縦横に全体としてランダム又は均等に配列すると配向度が1に近づくことが考えられる。 In the present invention, the intensity I 101 of the X-ray diffraction peak on the (101) plane of β-Si 3 N 4 and the intensity of the X-ray diffraction peak on the (210) plane of β-Si 3 N 4 of the silicon nitride sintered body. I focused on I 210. Then, the inventor hypothesized that I 101 and I 210 could be indicators of the number of columnar crystal particles oriented in the vertical direction (the substrate thickness direction) and the horizontal direction (the substrate plane direction) of β-Si 3 N 4, respectively. .. In other words, the intensity ratio I 101 / I 210 was associated with the vertical and horizontal orientation (ratio) of β-Si 3 N 4. That is, the degree of orientation decreases as the number of horizontally oriented particles increases, the degree of orientation increases as the number of vertically oriented particles increases, and the degree of orientation approaches 1 when the columnar crystal structures are randomly or evenly arranged vertically and horizontally as a whole. Can be considered.
本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板は、1に近い配向度(I101/I210)に制御された。つまり、窒化ケイ素焼結体基板では、β−Si3N4の柱状結晶構造が、基板平面に平行な第1方向、及び、(第1方向に垂直であり)基板平面の法線に平行な第2方向のいずれか一方に偏って配列することなく、全体として縦横方向に統計的に均等又はランダムに配列している。そして、本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板において、柱状結晶が縦横ランダムに配列されるように制御されたことにより、第1方向及び第2方向の両方でより均等に柱状結晶が絡み合い、その結果として、基板の機械的強度(破壊靱性)が等方的に発揮され、第1方向及び第2方向の両方で改善した機械的特性(破壊靱性)が得られた。 The silicon nitride sintered substrate of the present embodiment was controlled to have an orientation degree close to 1 (I 101 / I 210). That is, in the silicon nitride sintered substrate, the columnar crystal structure of β-Si 3 N 4 is parallel to the first direction parallel to the substrate plane and the normal line of the substrate plane (vertical to the first direction). They are arranged statistically evenly or randomly in the vertical and horizontal directions as a whole, without being unevenly arranged in either one of the second directions. Then, in the silicon nitride sintered substrate of the present embodiment, the columnar crystals are controlled to be arranged vertically and horizontally randomly, so that the columnar crystals are more evenly entangled in both the first direction and the second direction, and the columnar crystals are entangled more evenly. As a result, the mechanical strength (fracture toughness) of the substrate was exhibited isotropically, and improved mechanical properties (fracture toughness) were obtained in both the first direction and the second direction.
具体的には、本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板は、約0.7〜1.1の配向度(I101/I210)を有する。そして、該窒化ケイ素焼結体基板では、基板平面に平行な第1方向の破壊靱性の値KC1が5.5MPa・m1/2以上であり、基板平面に垂直な第2方向の破壊靱性の値KC2が5.5MPa・m1/2以上である。さらに、第1方向の破壊靱性の値KC1と第2方向の破壊靱性の値KC2との比KC1/KC2が0.9〜1.1である。また、本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板は、750MPa以上の3点曲げ強度を有し、尚且つ、80W/mK以上の熱伝導率を有する。そして、所定の寸法の窒化ケイ素焼結体基板に金属板(銅板)をろう付けした状態で、−40度から150度までの熱サイクルを3000回繰り返しても該窒化ケイ素焼結体基板にクラックが生じないことが確認された。 Specifically, the silicon nitride sintered substrate of the present embodiment has an orientation degree (I 101 / I 210 ) of about 0.7 to 1.1. In the silicon nitride sintered substrate, the fracture toughness value K C1 in the first direction parallel to the substrate plane is 5.5 MPa · m 1/2 or more, and the fracture toughness in the second direction perpendicular to the substrate plane is The value of K C2 is 5.5 MPa · m 1/2 or more. Further, the ratio K C1 / K C2 of the fracture toughness value K C1 in the first direction and the fracture toughness value K C2 in the second direction is 0.9 to 1.1. Further, the silicon nitride sintered substrate of the present embodiment has a three-point bending strength of 750 MPa or more and a thermal conductivity of 80 W / mK or more. Then, in a state where the metal plate (copper plate) is brazed to the silicon nitride sintered body substrate having a predetermined size, the silicon nitride sintered body substrate cracks even if the thermal cycle from -40 degrees to 150 degrees is repeated 3000 times. Was confirmed not to occur.
続いて、本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板を製造する方法について説明する。本実施形態の窒化ケイ素焼結体基板の製造方法は、図3に示すとおり、β−Si3N4の含有率(β化率)が質量で7%以下の窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末とを所定の配合比で混合し、さらに溶媒などを加えてスラリーを形成するスラリー化工程と、スラリーの粘度を13000cps以上、好ましくは13000〜18000cpsの範囲に調整するスラリー粘度調整工程と、粘度を調整したスラリーを所定厚のシート成形体に成形する成形工程と、非酸化性雰囲気中でシート成形体を焼結して、窒化ケイ素焼結体基板を得る焼結工程と、を含む。以下、各工程について詳細に説明する。 Subsequently, a method for manufacturing the silicon nitride sintered substrate of the present embodiment will be described. As shown in FIG. 3, the method for manufacturing the silicon nitride sintered substrate of the present embodiment is a silicon nitride powder having a β-Si 3 N 4 content (β conversion rate) of 7% or less and a sintering aid. A slurrying step of mixing powder with a predetermined compounding ratio and further adding a solvent or the like to form a slurry, a slurry viscosity adjusting step of adjusting the viscosity of the slurry to 13000 cps or more, preferably 13,000 to 18,000 cps, and a viscosity. Includes a molding step of molding the prepared slurry into a sheet molded body having a predetermined thickness, and a sintering step of sintering the sheet molded body in a non-oxidizing atmosphere to obtain a silicon nitride sintered body substrate. Hereinafter, each step will be described in detail.
(1)スラリー形成工程
スラリー形成工程では、窒化ケイ素、添加物、及び焼結助剤の原料粉末をバインダー、溶剤等とともにボールミルに投入し、スラリー化する。窒化ケイ素粉末は、全体の7質量%以下のβ−Si3N4粒子を含有する原料が選択された。換言すると、原料窒化ケイ素粉末のα相比が93%以上である。また、窒化ケイ素粉末は、直接窒化法やイミド熱分解法等によって製造された高純度であり、且つ、酸素含有量が少ない窒化ケイ素粉末であることが好ましい。成形に用いるスラリーの調整方法としては、生産性や混合時の酸素量増加を抑制するために、有機溶媒を用いた湿式混合が望ましい。具体的な一例として、原料粉末に分散剤、トルエン、エタノールを混合した有機溶媒とを添加し、通常行われる混合粉砕方法によって調整される。そして、ボールミル、ビーズミル、振動ミルなどの方法によって、混合粉末の均一混合や粒度調整を行う。混合粉砕方法に用いるミルやメディアの材質としては、ウレタンやナイロンなどの樹脂製や、窒化ケイ素や酸化ジルコニウムなどのセラミック製を使用することができるが、スラリーへの不純物混入を防ぐため、材質としては樹脂や窒化ケイ素を使用することが好ましい。なお、分散剤や有機溶媒の添加量は、その種類や原料の比表面積によって調整する必要がある。窒化ケイ素を原料とする場合は、分散剤としてアミン系やリン系の界面活性剤が好適に用いられる。分散剤の添加量は粉体の比表面積によって適宜変更する必要があるが、0.2〜3重量%の範囲であれば良好な分散性が得られる。なお、溶剤、分散剤等の種類は、下記工程における粘度調整が可能であれば、任意に選択され得る。
(1) Slurry forming step In the slurry forming step, silicon nitride, additives, and raw material powders of a sintering aid are put into a ball mill together with a binder, a solvent, and the like to form a slurry. As the silicon nitride powder, a raw material containing β-Si 3 N 4 particles of 7% by mass or less of the whole was selected. In other words, the α phase ratio of the raw material silicon nitride powder is 93% or more. Further, the silicon nitride powder is preferably a high-purity silicon nitride powder produced by a direct nitriding method, an imide pyrolysis method, or the like and having a low oxygen content. As a method for adjusting the slurry used for molding, wet mixing using an organic solvent is desirable in order to suppress productivity and an increase in the amount of oxygen during mixing. As a specific example, a dispersant, toluene, and an organic solvent mixed with ethanol are added to the raw material powder, and the mixture is adjusted by a usual mixing and pulverizing method. Then, the mixed powder is uniformly mixed and the particle size is adjusted by a method such as a ball mill, a bead mill, or a vibration mill. As the material of the mill or media used in the mixing and crushing method, a resin material such as urethane or nylon or a ceramic material such as silicon nitride or zirconium oxide can be used. It is preferable to use a resin or silicon nitride. The amount of the dispersant or organic solvent added needs to be adjusted according to the type and the specific surface area of the raw material. When silicon nitride is used as a raw material, an amine-based or phosphorus-based surfactant is preferably used as the dispersant. The amount of the dispersant added needs to be appropriately changed depending on the specific surface area of the powder, but good dispersibility can be obtained if the amount is in the range of 0.2 to 3% by weight. The type of solvent, dispersant, etc. can be arbitrarily selected as long as the viscosity can be adjusted in the following steps.
(2)スラリー粘度調整工程
スラリー粘度調整工程では、前記スラリー形成工程後のスラリーを真空中で脱泡し、スラリーの溶媒を揮発させることにより、スラリーの粘度調整を行う。スラリーの粘度は脱泡及び揮発時間に依存し、スラリーを真空中に置く時間が長いほど、スラリーの粘度が上昇する。そして、真空中に置いたスラリーの粘度を定期的に測定することにより、スラリーの粘度を13000cps以上、好ましくは13000〜18000cpsの範囲に調整する。
(2) Slurry Viscosity Adjusting Step In the slurry viscosity adjusting step, the viscosity of the slurry is adjusted by defoaming the slurry after the slurry forming step in a vacuum and volatilizing the solvent of the slurry. The viscosity of the slurry depends on the defoaming and volatilization time, and the longer the slurry is placed in vacuum, the higher the viscosity of the slurry. Then, by periodically measuring the viscosity of the slurry placed in vacuum, the viscosity of the slurry is adjusted to 13000 cps or more, preferably 13,000 to 18,000 cps.
(3)成形工程
成形工程では、粘度13000cps以上の高粘度スラリーを、ドクターブレード法によって所定の厚さのシート成形体に成形する。図4に示すように、フィーダー5によって貯蔵部(ダム)2に溜められたスラリー1とともにキャリアテープ3が前方に移動すると、スラリー1がブレード4先端とキャリアテープ3との間を通過する。通過の際、スラリー1にブレード4先端が接触して加圧されることで、所定厚の長手状のシート成形体が成形される。シート成形体の厚さは、必要な焼結体の厚さにより適宜変更することが可能であるが、通常0.1〜1.3mm程度の範囲である。シート成形体は、金型プレスや切断機により所望の形状に加工され得る。
(3) Molding Step In the molding step, a high-viscosity slurry having a viscosity of 13000 cps or more is molded into a sheet molded product having a predetermined thickness by the doctor blade method. As shown in FIG. 4, when the
この成形工程において、β−Si3N4粒子に対して全体を占めるα−Si3N4粒子の比率が多いこと、及び、スラリーが高粘度(13000cps以上)であることにより、焼結後のβ−Si3N4粒子の配向が一方向(平面方向)に偏ることが抑えられる。換言すると、上記粘度調整工程が、窒化ケイ素焼結体基板の配向度(I101/I210)を約0.7〜1.1に制御することを可能とし、窒化ケイ素焼結体基板の機械的強度の等方性改善に大きく貢献し得る。特には、粘度調整後のスラリーでは、α,β−Si3N4粒子の配向がランダムである(配向度が約1である)のに対し、ドクターブレードによる加圧成形がSi3N4粒子の配向度に物理的に影響を与えると考えられる。例えば、仮に、スラリー中に柱状粒子であるβ−Si3N4粒子の割合が多いと、ドクターブレード法などの成形のための加圧の際、β−Si3N4粒子が回転して横向きに倒れやすい。換言すると、図1に示したように、細長い柱状でないα−Si3N4粒子と比べて、柱状のβ−Si3N4粒子の方が粒子形状的に外部からの力の影響を受け易いといえる。あるいは、スラリーが低粘度であると、Si3N4粒子がスラリー内で運動(回転)し易く、また、粒子沈降が生じやすくなるため、成形前の配向のランダムネスが失われ易い。その結果、当該製造方法を経ない窒化ケイ素焼結体基板では、基板平面方向に多くのβ−Si3N4が配向し、配向度(I101/I210)は低くなることが考えられる。他方、スラリー粘度が18000cpsよりも大きくなると、成形性は低下し、所定のシート形状に成形することが困難となる。よって、スラリー粘度は、13000〜18000cpsの範囲に調整されることが好ましい。
In this molding step, it the ratio of the β-Si 3 N 4 occupies the whole to the
(4)焼結工程
成形工程で得られたシート成形体を高温で所定時間、焼成することにより、シート成形体を焼結させ、本製造方法の最終目的物である窒化ケイ素焼結体を得る。焼成処理は、焼成炉において、非酸化性(窒素)雰囲気中で、約1750〜2000℃の温度範囲で行われる。また、Si3N4や焼結助剤(例えば、MgO)の揮発を防ぐため、5気圧以上の圧力下で加圧焼成を行うことが好ましい。
(4) Sintering Step The sheet molded product obtained in the molding process is fired at a high temperature for a predetermined time to sinter the sheet molded product to obtain a silicon nitride sintered body, which is the final object of the present manufacturing method. .. The firing process is performed in a firing furnace in a non-oxidizing (nitrogen) atmosphere in a temperature range of about 1750 to 2000 ° C. Further, in order to prevent volatilization of Si 3 N 4 and a sintering aid (for example, MgO), it is preferable to perform pressure firing under a pressure of 5 atm or more.
上記説明した工程を経ることによって、本製造方法(特に、スラリー粘度調整工程)を経ないで製造された窒化ケイ素焼結体と比べて、配向度(I101/I201)をより1に近付けるように制御された窒化ケイ素焼結体基板を製造することが可能となった。その結果、本製造方法で製造された窒化ケイ素焼結体基板は、垂直方向とともに平面方向においても等方的に高い破壊靱性を有し得る。 By going through the steps described above, the degree of orientation (I 101 / I 201 ) is closer to 1 as compared with the silicon nitride sintered body manufactured without going through the present manufacturing method (particularly, the slurry viscosity adjusting step). It has become possible to manufacture a silicon nitride sintered body substrate controlled in this manner. As a result, the silicon nitride sintered substrate produced by this production method can have high fracture toughness isotropically in both the vertical direction and the planar direction.
なお、上記説明した工程は、一例にしかすぎず、本発明を限定するものではない。例えば、混合工程の後、混合粉末を加熱する仮焼工程などを別途加えてもよい。あるいは、スラリーの成形方法はドクターブレード法に限定されず、スラリーは押出成形法、鋳込成形法等などでシート成形体に加圧成形されてもよい。すなわち、他の成形方法であっても、ドクターブレード法と同様に、窒化ケイ素粉末のβ化率及びスラリーの粘度が焼結体における配向度に影響すると考えられる。 The steps described above are merely examples and do not limit the present invention. For example, after the mixing step, a calcining step of heating the mixed powder may be added separately. Alternatively, the method for forming the slurry is not limited to the doctor blade method, and the slurry may be pressure-molded on the sheet molded body by an extrusion molding method, a casting molding method, or the like. That is, even in other molding methods, it is considered that the β conversion rate of the silicon nitride powder and the viscosity of the slurry affect the degree of orientation in the sintered body, as in the doctor blade method.
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例によって限定解釈されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
実施例1〜4、比較例1〜4に係る窒化ケイ素焼結体基板は以下の条件及び手順によって生成作製された。実施例1〜4、比較例1〜4は、配合組成、窒化ケイ素粉末のβ化率、及び、スラリー粘度の一部又は全てにおいて条件が異なる。 The silicon nitride sintered substrates according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were produced and manufactured according to the following conditions and procedures. The conditions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 are different in the compounding composition, the β conversion rate of the silicon nitride powder, and a part or all of the slurry viscosity.
まず、直接窒化法によって製造された高純度の窒化ケイ素粉末を準備した。窒化ケイ素粉末は、平均粒子径(D50)が約1.0μmであり、酸素含有量が約0.8重量%である。各粉末の配合組成比に合わせて、窒化ケイ素粉末に対して焼結助剤粉末であるMgO及びY2O3を適量添加した。この混合粉末100重量部に対して、界面活性型分散剤を0.3重量部と、トルエンとエタノールの混合溶媒を約50重量部添加して、窒化ケイ素玉石を用いて粉砕混合を行った。その後、バインダーとしてポリビニルブチラールを18重量部と、可塑剤としてアジピン酸ジオクチルを6重量部と、トルエンとエタノールの混合溶媒を約20重量部加え、バインダーが完全に溶解・混合されるまで、ボールミルによって攪拌混合した後、スラリーを作製した。そして、スラリーを真空中で放置し、脱泡及び揮発させることで、13000cps以上の所定の粘度に調整を行った。スラリーの粘度は、東機産業株式会社製のTVC−7形粘度計によって測定された。具体的には、スピンドルをスラリー中で回転させ、その抵抗力から粘度が算出された。 First, a high-purity silicon nitride powder produced by the direct nitriding method was prepared. The silicon nitride powder has an average particle size (D50) of about 1.0 μm and an oxygen content of about 0.8% by weight. In accordance with the blending composition ratio of each powder, MgO and Y 2 O 3 is a sintering aid powder were added in an appropriate amount relative to the silicon nitride powder. To 100 parts by weight of this mixed powder, 0.3 part by weight of a surfactant and about 50 parts by weight of a mixed solvent of toluene and ethanol were added, and pulverization and mixing was carried out using a silicon nitride ball stone. Then, add 18 parts by weight of polyvinyl butyral as a binder, 6 parts by weight of dioctyl adipate as a plasticizer, and about 20 parts by weight of a mixed solvent of toluene and ethanol, and use a ball mill until the binder is completely dissolved and mixed. After stirring and mixing, a slurry was prepared. Then, the slurry was left in a vacuum to defoam and volatilize to adjust the viscosity to a predetermined viscosity of 13000 cps or more. The viscosity of the slurry was measured by a TVC-7 viscometer manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. Specifically, the spindle was rotated in the slurry, and the viscosity was calculated from the resistance force.
次いで、作製したスラリーからドクターブレード法によってシート成形体を得た。得られたシート成形体を金型プレス加工により所定の形状に型抜きし、さらに、シート成形体を500℃に約4時間加熱し、バインダーなどの有機成分を除去した。 Next, a sheet molded product was obtained from the produced slurry by the doctor blade method. The obtained sheet molded product was die-cut into a predetermined shape by die pressing, and the sheet molded product was heated to 500 ° C. for about 4 hours to remove organic components such as a binder.
そして、シート成形体を9気圧の窒素雰囲気中、1860℃で4時間加熱することで、シート成形体を焼結させて、板厚0.35mmの窒化ケイ素焼結基板を得た。 Then, the sheet molded product was heated at 1860 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere of 9 atm to sinter the sheet molded product to obtain a silicon nitride sintered substrate having a plate thickness of 0.35 mm.
実施例1〜4及び比較例1〜4に係る窒化ケイ素焼結体の特性として、配向度(I101/I210)、破壊靱性(MPa・m1/2)、熱伝導率(W/mK)、3点曲げ強度(MPa)が測定された。各種測定は、以下の条件の下で行われた。 The characteristics of the silicon nitride sintered body according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 include orientation (I 101 / I 210 ), fracture toughness (MPa · m 1/2 ), and thermal conductivity (W / mK). ), The three-point bending strength (MPa) was measured. Various measurements were performed under the following conditions.
・配向度
株式会社リガク製の型式UltimaIVを用いて、Cu−Kα線を用いた粉末X線回折法により、各試料のX線回折強度測定を行った。基板平面へのX線入射によって得られた基板平面のX線回折パターンにおいて、表1のとおり、2θが33.6度のピーク強度をI101として2θが36.0度のピーク強度をI210として、ピーク強度比I101/I210から配向度を評価した。
-Orientation The X-ray diffraction intensity of each sample was measured by the powder X-ray diffraction method using Cu-Kα ray using the model Ultima IV manufactured by Rigaku Co., Ltd. In the X-ray diffraction pattern of the substrate plane obtained by X-ray incident on the substrate plane, as shown in Table 1, the peak intensity of 2θ of 33.6 degrees is I 101 and the peak intensity of 2θ is 36.0 degrees is I 210. The degree of orientation was evaluated from the peak intensity ratio I 101 / I 210.
・破壊靱性
株式会社ミツトヨ製のビッカース硬度測定器HV−120を用いて、JIS−R1607に従って各試料の破壊靱性を測定した。すなわち、基板の厚み方向に沿って切断した基板断面の鏡面研磨加工を行い、図5に示すように、前記鏡面加工面へ対角線の長さa1、a2を有する圧こんを鏡面加工面の厚み方向に対して中央付近に形成し、生じた圧こんの対角線長さa1とa2、圧こんの頂点から生じたき裂の長さc1とc2を測定し、押込荷重、圧こんの対角線長さ、き裂長さ及び弾性率から破壊靱性値KCを求めた。JIS−R1607によれば、破壊靱性KCは、以下の式によって求められる。
KC=0.026×E1/2×P1/2×a/C3/2 (式1)
C=((c1+c2)/2)/2 (式2)
a=((a1+a2)/2)/2 (式3)
E:弾性率 P:押し込み荷重
a:圧こんの対角線長さの平均の半分
C:クラック長さの平均の半分
これに対し、本実施形態では、破壊靱性値KCを第1方向(基板平面に平行な方向)の破壊靱性値KC1、第2方向(基板平面に垂直な方向)の破壊靱性値KC2と分けて評価した。具体的には、基板平面に平行な方向に生じたクラック長さをc1とし、式2をC=c1/2に置き換えることにより、KC1を算出した。また、C1に対して垂直な方向(基板の厚み方向)に生じたクラック長さをc2とし、式2をC=c2/2に置き換えることにより、KC2を算出した。試験片の厚みは0.9〜1.0mmとし、押し込み荷重Pは10kgfとした。
-Fracture toughness The fracture toughness of each sample was measured according to JIS-R1607 using a Vickers hardness tester HV-120 manufactured by Mitutoyo Co., Ltd. That is, the cross section of the substrate cut along the thickness direction of the substrate is mirror-polished, and as shown in FIG. The diagonal lengths a1 and a2 of the compaction formed near the center, and the crack lengths c1 and c2 generated from the apex of the compaction were measured, and the indentation load, the diagonal length of the compaction, and the compression were measured. The fracture toughness value K C was determined from the crack length and elastic modulus. According to JIS-R1607, fracture toughness K C is obtained by the following equation.
K C = 0.026 x E 1/2 x P 1/2 x a / C 3/2 (Equation 1)
C = ((c1 + c2) / 2) / 2 (Equation 2)
a = ((a1 + a2) / 2) / 2 (Equation 3)
E: Elastic modulus P: Pushing load a: Half of the average diagonal length of the compaction C: Half of the average of the crack length On the other hand, in the present embodiment, the fracture toughness value K C is set in the first direction (board plane). The fracture toughness value K C1 in the direction parallel to (the direction parallel to the substrate plane) and the fracture toughness value K C2 in the second direction (the direction perpendicular to the substrate plane) were evaluated separately. Specifically, K C1 was calculated by setting the crack length generated in the direction parallel to the substrate plane as c1 and replacing
・熱伝導率
熱伝導率の測定方法には、レーザーフラッシュ法が採用された。測定には、株式会社アルバックのTC−9000が使用された。試験片のサイズは幅25mm四方、厚み0.3〜0.4mmとした。
-Thermal conductivity The laser flash method was adopted as the method for measuring the thermal conductivity. For the measurement, TC-9000 of ULVAC, Inc. was used. The size of the test piece was 25 mm square in width and 0.3 to 0.4 mm in thickness.
・3点曲げ強度
測定装置は、株式会社島津製作所製の型式AG−ISであり、その測定条件をクロスヘッドスピード0.5mm/分、支点間距離30mmとし、試験片のサイズは幅20mm、厚み0.3〜0.4mmとした。
-The 3-point bending strength measuring device is a model AG-IS manufactured by Shimadzu Corporation, and the measuring conditions are a cross head speed of 0.5 mm / min, a distance between fulcrums of 30 mm, and a test piece size of 20 mm in width and thickness. It was set to 0.3 to 0.4 mm.
・熱サイクル試験
窒化ケイ素焼結体基板試料に銅板をろう付けし、試料を所定の熱サイクルの下で加熱及び冷却した。熱サイクル試験において、−40℃で所定時間維持し、−40℃から150℃まで加熱し、150℃で所定時間維持し、そして−40℃に冷却するまでの工程を1サイクルとした。本試験では、当該熱サイクルを3000回繰り返して行った。試料にクラックが生じたかどうかの判断は、電子顕微鏡像による金属板コーナーにおける金属板と窒化ケイ素基板界面の断面観察によって行った。なお、熱サイクル試験は、試料間の絶対評価というよりむしろ相対的な評価を示す指標になり得る。
-Heat cycle test A copper plate was brazed to a silicon nitride sintered body sample, and the sample was heated and cooled under a predetermined heat cycle. In the thermodynamic cycle test, the process of maintaining at −40 ° C. for a predetermined time, heating from −40 ° C. to 150 ° C., maintaining at 150 ° C. for a predetermined time, and cooling to −40 ° C. was defined as one cycle. In this test, the thermal cycle was repeated 3000 times. Whether or not a crack was generated in the sample was determined by observing the cross section of the interface between the metal plate and the silicon nitride substrate at the corner of the metal plate by an electron microscope image. The thermodynamic cycle test can be an index showing a relative evaluation rather than an absolute evaluation between samples.
実施例1〜4及び参考例1〜4の条件及び各種測定結果を表2に示した。 Table 2 shows the conditions and various measurement results of Examples 1 to 4 and Reference Examples 1 to 4.
実施例1〜4の窒化ケイ素焼結体基板は、製造工程において、Si3N4粉末のβ−Si3N4の含有率(β化率)が7%以下であり、スラリー粘度が13000〜18000cpsである条件の下で製造された。その結果、実施例1〜4の窒化ケイ素焼結体基板は、0.7〜1.1の間に制御された配向度(I101/I210)を有している。また、実施例1〜4の窒化ケイ素焼結体基板では、両方向の破壊靱性値KC1,KC2が5.5MPa・m1/2以上となり、且つ、破壊靱性の等方性を示すKC1/KC2が0.9〜1.1の範囲に収まっている。 The silicon nitride sintered substrate of Examples 1 to 4 has a content rate (β conversion rate) of β-Si 3 N 4 of Si 3 N 4 powder of 7% or less and a slurry viscosity of 13000 to 13000 in the manufacturing process. Manufactured under the condition of 18000 cps. As a result, the silicon nitride sintered substrates of Examples 1 to 4 have a controlled degree of orientation (I 101 / I 210 ) between 0.7 and 1.1. Further, in the silicon nitride sintered body substrate of Examples 1 to 4, both the fracture toughness K C1, K C2 becomes 5.5 MPa · m 1/2 or more, and, K C1 indicating the isotropic fracture toughness / K C2 is in the range of 0.9 to 1.1.
これに対し、比較例1の窒化ケイ素焼結体基板は、製造工程において、スラリー粘度が15000cpsであり、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率が8%である条件の下で製造された。比較例1の配向度(I101/I210)は0.47であり、KC2は6.6MPa・m1/2と高いものの、KC1が4.3MPa・m1/2である。比較例1の窒化ケイ素焼結体基板では、破壊靱性の縦横の異方性が高く(KC1/KC2=0.65)、平面方向の破壊靱性は低い。また、比較例2の窒化ケイ素焼結体基板は、製造工程において、スラリー粘度が15000cpsであり、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率が26%である条件の下で製造された。比較例2の配向度(I101/I210)は0.27であり、KC2は6.6MPa・m1/2と高いものの、KC1が3.4MPa・m1/2である。比較例2の窒化ケイ素焼結体基板では、破壊靱性の縦横の異方性が高く(KC1/KC2=0.52)、平面方向の破壊靱性は低い。比較例1,2によれば、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率が大きくなる程、配向度は低下し、第2方向(厚み方向)の破壊靱性KC2の変化はないものの、第1方向(平面方向)の破壊靱性KC1は大幅に低下することが分かった。 On the other hand, the silicon nitride sintered substrate of Comparative Example 1 has a slurry viscosity of 15000 cps and a ratio of β-Si 3 N 4 of Si 3 N 4 powder of 8% in the manufacturing process. produced. Orientation of the Comparative Example 1 (I 101 / I 210) is 0.47, although K C2 is high and 6.6MPa · m 1/2, K C1 is 4.3 MPa · m 1/2. In the silicon nitride sintered substrate of Comparative Example 1, the fracture toughness has high longitudinal and horizontal anisotropy (K C1 / K C2 = 0.65) and the fracture toughness in the plane direction is low. Further, the silicon nitride sintered substrate of Comparative Example 2 is manufactured under the condition that the slurry viscosity is 15000 cps and the ratio of β-Si 3 N 4 of Si 3 N 4 powder is 26% in the manufacturing process. rice field. The degree of orientation of Comparative Example 2 (I 101 / I 210) is 0.27, although K C2 is high and 6.6MPa · m 1/2, K C1 is 3.4 MPa · m 1/2. In the silicon nitride sintered substrate of Comparative Example 2, the fracture toughness has high longitudinal and horizontal anisotropy (K C1 / K C2 = 0.52), and the fracture toughness in the plane direction is low. According to Comparative Examples 1 and 2, as the ratio of β-Si 3 N 4 of the Si 3 N 4 powder increased, the degree of orientation decreased and the fracture toughness K C2 in the second direction (thickness direction) did not change. However, it was found that the fracture toughness K C1 in the first direction (planar direction) was significantly reduced.
実施例2と比較例1,2を比較検討すると、スラリー粘度が15000cpsであっても、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率が8%以上になると、配向度が突如的に低下し、その結果として、KC1は極端に低下することが分かった。この原因は、判明されていないが、スラリー中のβ−Si3N4が一定量を越えると、焼成時、平面方向に配向したβ−Si3N4粒子のシート成形体中のα−Si3N4粒子への影響が大きくなることによると考察される。すなわち、一定量を越えてシート成形体中で平面方向に配向したβ−Si3N4粒子を核として多数のα−Si3N4粒子がβ−Si3N4粒子へ相変態と粒成長をするため、平面方向に配向したβ−Si3N4粒子が多数派となることが考えられる。
When Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 are compared and examined, even if the slurry viscosity is 15000 cps, when the ratio of β-Si 3 N 4 of the Si 3 N 4 powder becomes 8% or more, the degree of orientation suddenly increases. It was found to decrease, and as a result, K C1 was extremely decreased. Although the cause of this has not been clarified, when the amount of β-Si 3 N 4 in the slurry exceeds a certain amount, α-Si in the sheet molded body of β-Si 3 N 4 particles oriented in the plane direction during firing is performed. It is considered that the influence on 3 N 4 particles becomes large. That is, phase transformation and grain growth to a large number of α-Si 3 N 4
比較例3の窒化ケイ素焼結体基板は、製造工程において、スラリー粘度が10000cpsであり、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率が7%である条件の下で製造された。比較例3の配向度(I101/I210)は0.55であり、KC2は6.2MPa・m1/2と高いものの、KC1が4.0MPa・m1/2である。比較例3の窒化ケイ素焼結体基板では、破壊靱性の縦横の異方性が高く(KC1/KC2=0.64)、平面方向の破壊靱性が低い。 The silicon nitride sintered substrate of Comparative Example 3 was manufactured under the conditions that the slurry viscosity was 10000 cps and the ratio of β-Si 3 N 4 of the Si 3 N 4 powder was 7% in the manufacturing process. The degree of orientation of Comparative Example 3 (I 101 / I 210) is 0.55, although K C2 is high and 6.2MPa · m 1/2, K C1 is 4.0 MPa · m 1/2. In the silicon nitride sintered substrate of Comparative Example 3, the fracture toughness has high longitudinal and horizontal anisotropy (K C1 / K C2 = 0.64) and the fracture toughness in the plane direction is low.
また、比較例4の窒化ケイ素焼結体基板は、製造工程において、スラリー粘度が8000cpsであり、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率が4%である条件の下で製造された。比較例4の配向度(I101/I210)は0.64であり、KC2は6.3MPa・m1/2と高く、KC1は5.2MPa・m1/2である。比較例3と比較して、破壊靱性の縦横の異方性は改善されていた。(KC1/KC2=0.83)。 Further, the silicon nitride sintered substrate of Comparative Example 4 is manufactured under the condition that the slurry viscosity is 8000 cps and the ratio of β-Si 3 N 4 of the Si 3 N 4 powder is 4% in the manufacturing process. rice field. Orientation of the Comparative Example 4 (I 101 / I 210) is 0.64, K C2 is high and 6.3MPa · m 1/2, K C1 is 5.2 MPa · m 1/2. Compared with Comparative Example 3, the longitudinal and horizontal anisotropy of fracture toughness was improved. (K C1 / K C2 = 0.83).
実施例1〜4と比較例3,4とを比較すると、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率が7%以下であっても、スラリー粘度が13000cpsよりも小さい8000cpsになると、配向度が低下し、その結果として、KC1は低下することが分かった。この原因は、上述したとおり、スラリーが低粘度であると、加圧成形時にSi3N4粒子がスラリー内で沈降、回転して平面方向に配向し易いことによると考察される。 Comparing Examples 1 to 4 with Comparative Examples 3 and 4 , even if the ratio of β-Si 3 N 4 of the Si 3 N 4 powder is 7% or less, the slurry viscosity becomes 8000 cps, which is smaller than 13000 cps. It was found that the degree of orientation decreased, and as a result, K C1 decreased. As described above, it is considered that the reason for this is that when the slurry has a low viscosity, the Si 3 N 4 particles settle and rotate in the slurry during pressure molding and are easily oriented in the plane direction.
また、実施例1〜4を比較すると、スラリー粘度が16000〜18000cpsの範囲では、より1に近い配向度が得られた。また、実施例1,2を比較すると、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率を下げると、配向度がより1に近づく傾向が見られた。 Further, when Examples 1 to 4 were compared, the degree of orientation closer to 1 was obtained in the range of the slurry viscosity of 16000 to 18000 cps. Further, comparing Examples 1 and 2, when the ratio of β-Si 3 N 4 of the Si 3 N 4 powder was lowered, the degree of orientation tended to be closer to 1.
さらに、表2によれば、実施例1〜4、参考例1〜4の窒化ケイ素焼結体基板は、80W/mK以上の熱伝導率、750MPa以上の3点曲げ強度を有している。これらの特性は、各試料間の条件に左右されないことが分かった。 Further, according to Table 2, the silicon nitride sintered substrates of Examples 1 to 4 and Reference Examples 1 to 4 have a thermal conductivity of 80 W / mK or more and a three-point bending strength of 750 MPa or more. It was found that these properties do not depend on the conditions between each sample.
実施例と比較例との相違の視覚的な理解を容易にするために、図6〜図8に、(101)面及び(210)面のX線回折ピークと、破壊靱性試験後の基板表面の画像を例示的に示した。図6は、実施例1に関し、図7,8は比較例1,2に関する。図6〜図8によれば、実施例1の配向度(I101/I210)と比べて、比較例1,2では、I210が一見して大きいことが分かる。また、破壊靱性の画像においても、比較例1,2では、平面方向(横方向)のき裂が実施例1と比べて相対的に大きいことが分かる。 In order to facilitate a visual understanding of the differences between the examples and the comparative examples, the X-ray diffraction peaks of the (101) plane and the (210) plane and the substrate surface after the fracture toughness test are shown in FIGS. 6 to 8. The image of is shown exemplary. FIG. 6 relates to Example 1, and FIGS. 7 and 8 relate to Comparative Examples 1 and 2. According to FIGS. 6 to 8, it can be seen that I 210 is seemingly larger in Comparative Examples 1 and 2 than the degree of orientation (I 101 / I 210) in Example 1. Also, in the images of fracture toughness, it can be seen that in Comparative Examples 1 and 2, the cracks in the plane direction (lateral direction) are relatively large as compared with Example 1.
さらに、実施例1〜4と比較例1〜4について、熱サイクル試験を行った。表2において、3000回の熱サイクル試験終了後にクラックが確認されなかった試料には○を、クラックが確認された試料には×を示した。表2に示したように、実施例1,2に関しては、3000回の熱サイクル試験終了後の窒化ケイ素焼結体基板にはクラックが発見されなかった。他方、3000回の熱サイクル試験終了後には比較例1〜4に関しては、窒化ケイ素焼結体基板にはクラックが発見された。 Further, a thermodynamic cycle test was conducted on Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4. In Table 2, ◯ was shown for the sample in which no crack was confirmed after the completion of the 3000 thermal cycle test, and x was shown for the sample in which the crack was confirmed. As shown in Table 2, no cracks were found in the silicon nitride sintered substrate after the completion of the 3000 thermodynamic cycle tests in Examples 1 and 2. On the other hand, after the completion of the 3000 thermal cycle test, cracks were found in the silicon nitride sintered substrate in Comparative Examples 1 to 4.
すなわち、製造工程において、Si3N4粉末のβ−Si3N4の比率が7%以下であり、スラリー粘度が13000〜18000cpsである条件の下で製造された窒化ケイ素焼結体基板(実施例1〜4)は、0.7〜1.1の範囲に制御された配向度を有する。そして、窒化ケイ素焼結体基板の配向度と破壊靱性との関係を検証すると、配向度が0.7〜1.1の範囲内に制御されたことにより、KC1及びKC2が5.5MPa・m1/2以上となり、破壊靱性の縦横比であるKC1/KC2が0.9〜1.1の範囲内となることが分かった。したがって、実施例1〜4の窒化ケイ素焼結体基板は、基板の機械的強度として破壊靱性が等方的に発揮され、第1方向及び第2方向の両方で改善した機械的特性(破壊靱性)が得られた。 That is, in the manufacturing process, the silicon nitride sintered substrate manufactured under the conditions that the ratio of β-Si 3 N 4 of the Si 3 N 4 powder is 7% or less and the slurry viscosity is 13,000 to 18,000 cps (implemented). Examples 1 to 4) have a controlled degree of orientation in the range of 0.7 to 1.1. Then, when the relationship between the degree of orientation and the fracture toughness of the silicon nitride sintered substrate was verified, K C1 and K C2 were 5.5 MPa because the degree of orientation was controlled in the range of 0.7 to 1.1. · m to 1/2 or more, K C1 / K C2 is the aspect ratio of the fracture toughness was found to be in the range of 0.9 to 1.1. Therefore, the silicon nitride sintered substrates of Examples 1 to 4 exhibit fracture toughness isotropically as the mechanical strength of the substrate, and have improved mechanical properties (fracture toughness) in both the first direction and the second direction. )was gotten.
なお、上記実施例の製造方法は、一例にすぎず、本発明の技術的思想が他種類の焼結助剤や異なる配合組成による原料粉末からなる窒化ケイ素焼結体の製造についても適用可能であることはいうまでもない。すなわち、上記実施例以外の組成の窒化ケイ素焼結体の製造方法に関しても、本発明による恩恵を受けることが可能であり、本発明の技術範囲内であれば、任意に置換、省略及び/又は追加可能である。 The production method of the above embodiment is only an example, and the technical idea of the present invention can be applied to the production of a silicon nitride sintered body composed of other types of sintering aids and raw material powders having different compounding compositions. Needless to say, there is. That is, it is possible to benefit from the present invention with respect to a method for producing a silicon nitride sintered body having a composition other than the above examples, and if it is within the technical scope of the present invention, it can be arbitrarily replaced, omitted and / or. Can be added.
本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限りにおいて種々の態様で実施しうるものである。 The present invention is not limited to the above-described examples, and can be carried out in various embodiments as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
Claims (15)
前記窒化ケイ素焼結体基板の少なくとも一面に、ろう接された金属板と、
前記金属板に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とする電子装置。 The silicon nitride sintered body substrate according to any one of claims 1 to 7.
A metal plate brazed to at least one surface of the silicon nitride sintered substrate,
An electronic device including an electronic component mounted on the metal plate.
前記スラリーの粘度を13000cps以上に調整する工程と、
前記粘度を調整したスラリーを所定厚のシート成形体に成形する工程と、
非酸化性雰囲気中で前記シート成形体を焼結して、窒化ケイ素焼結体基板を得る工程と、
を含み、
前記窒化ケイ素焼結体基板において、基板平面に平行な第1方向の破壊靱性値K C1 が5.5MPa・m 1/2 以上であり、かつ、基板平面に垂直な第2方向の破壊靱性値K C2 が5.5MPa・m 1/2 以上であるか、または、前記第1の破壊靱性の値K C1 と前記第2の破壊靱性の値K C2 との比K C1 /K C2 が0.9〜1.1であることを特徴とする窒化ケイ素焼結体基板の製造方法。 1-15% by weight of a sintering aid powder, constituting the remainder, the proportion of β-Si 3 N 4 is mixed with 7% or less of silicon nitride powder, forming a slurry by adding a solvent to the mixed powder And the process to do
A step of adjusting the viscosity of the slurry to 13000 cps or more, and
A step of molding the slurry having the adjusted viscosity into a sheet molded product having a predetermined thickness, and
A step of sintering the sheet molded body in a non-oxidizing atmosphere to obtain a silicon nitride sintered body substrate.
Only including,
In the silicon nitride sintered substrate, the fracture toughness value K C1 in the first direction parallel to the substrate plane is 5.5 MPa · m 1/2 or more, and the fracture toughness value in the second direction is perpendicular to the substrate plane. or K C2 is 5.5 MPa · m 1/2 or more, or the ratio K C1 / K C2 between the value K C2 and the value K C1 of the first fracture toughness the second fracture toughness 0. A method for producing a silicon nitride sintered body substrate , which is 9 to 1.1.
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