JPH11180774A

JPH11180774A - 窒化珪素質放熱部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11180774A
Application number: JP9352949A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Iwaida; 智広岩井田; Akihisa Makino; 晃久牧野; Masanobu Ishida; 政信石田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1999-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】１８００℃以下の常圧下で焼成可能であって、
且つ高熱伝導性を有する低コストの窒化珪素質放熱部材
とその製造方法を提供する。【解決手段】窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を７０〜９５モル
％と、希土類金属（ＲＥ）およびＭｇを酸化物換算によ
る合量で４〜３０モル％と、Ａｌを酸化物換算で０〜
１．０モル％とからなり、前記希土類金属およびＭｇの
酸化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）が０．
１〜１５である成形体を常圧の非酸化性雰囲気中、１８
００℃以下の温度で焼成して相対密度９０％以上に緻密
化して、熱伝導率３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、強度６００ＭＰ
ａ以上の放熱部材を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子用パッ
ケージにおける半導体素子から発生する熱、各種発熱体
から発生する熱を放熱するために好適な放熱部材とのそ
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化に伴い、半
導体装置から発生する熱も増加しており、該半導体装置
の誤動作をなくす為には、このような熱を装置外に速や
かに放出する基板が必要となっている。

【０００３】しかしながら、従来から用いられてきた各
種絶縁基板や半導体素子収納用パッケージ等のアルミナ
材料は、熱伝導率が約２０Ｗ／ｍＫと低い事からそれに
代わるものとして高い熱伝導率を有する窒化アルミニウ
ムが注目され始めた。しかし窒化アルミニウムは強度や
破壊靭性値が低く高応力のかかる部品や高信頼性の要求
される分野には適用できない事が分かってきている。そ
こで高熱伝導率と高強度、高信頼性の要求に応える材料
として、最近、窒化珪素質焼結体が注目されてきてい
る。

【０００４】従来、窒化珪素材料はガスタービンなどの
高温構造材として盛んに研究され、一部実用化の域に達
してきている。このような窒化珪素質焼結体は、室温か
ら高温までの強度特性を高めるために希土類酸化物を添
加し１８００〜２０００℃という非常に高い温度で焼成
する必要があり、またその場合、窒化珪素の高温での分
解反応を抑えるため数十〜１００気圧の窒素雰囲気中で
焼成することが必要となる。

【０００５】一方、高温での特性を必要としない場合
は、焼結助剤としてアルミナやマグネシアを添加するこ
とにより１７００〜１８００℃の比較的低温で焼成する
ことにより作製されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、窒化珪素はそ
の構成元素や結晶構造から高熱伝導性を有すると予測さ
れながら、構造用材料としての研究に比べ放熱用部材と
しての研究はあまりなされていなかった。最近になっ
て、高温構造材料としての窒化珪素質焼結体の熱伝導率
がかなり高いことが見出され、この焼結体の放熱部材へ
の検討が始まってきている。

【０００７】このような経緯から放熱部材としての研究
も高温での焼結を前提としたものがほとんどであって、
低温低圧下での放熱部材の製造技術に対する研究はあま
りおこなわれていない。例えば、特開平６−１３５７７
１号、特開平７−１４９５８８号では、助剤として主に
希土類元素酸化物を含み１８００〜２０００℃にて窒素
加圧焼成することにより６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率
を有する窒化珪素焼結体が得られるとしている。また、
特開平４−２１９７３１号には９０重量％以上の窒化珪
素を含み、Ａｌ，Ｏをともに３．５重量％以下とし、密
度３．１５ｇ／ｃｍ³とする事により、熱伝導率４０Ｗ
／ｍＫ以上の窒化珪素焼結体を得ることが記載されてい
る。

【０００８】先ほども述べたが、高温での焼成は窒素加
圧焼成という特殊な焼成方法をとる必要があり焼成コス
トの増加を招く。また、窒化珪素自身の分解を完全に抑
制することは難しく、製品の焼き肌面は非常に荒れる事
になりこのような材料を実際に使うには表面研磨などの
加工処理が必要となってくるため、手間がかかり、コス
ト上昇の一因となる。

【０００９】これに対して、窒化珪素の焼成を１８００
℃以下の比較的低温にて行う場合には、常圧（大気圧）
の非酸化性雰囲気中にて焼成できるために、焼き肌面の
荒れの少ない製品を得る事が出来る。しかしながら、こ
れまでの１８００℃以下の低温焼成によって作製された
窒化珪素質焼結体は、熱伝導率が２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ
と極端に低下するという問題があった。これは主に希土
類酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）−Ａｌ₂Ｏ₃系の複合助剤を用
いて行われているため、窒化珪素結晶粒子中へのＡｌ原
子の固溶およびサイアロンの形成によって窒化珪素結晶
自体の熱伝導率が低下するためであると考えられる。

【００１０】従って、本発明は、前記課題を解消する為
になされたもので、その目的は１８００℃以下の常圧下
で焼成可能であって、且つ高熱伝導性を有する窒化珪素
質放熱部材と、その製造方法を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
に対して鋭意検討を重ねた結果、焼結助剤として希土類
元素化合物とマグネシウム化合物とを共に添加するとと
もに、焼結体中のＡｌ量を制御する事により常圧焼成可
能な窒化珪素質放熱部材を得られることを見出した。

【００１２】即ち、本発明の窒化珪素質放熱部材は、窒
化珪素を７０〜９５モル％と、希土類金属（ＲＥ）およ
びＭｇを酸化物換算による合量で４〜３０モル％と、前
記希土類金属およびＭｇの酸化物換算によるモル比（Ｒ
Ｅ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）が０．１〜１５であり、且つＡｌを
酸化物換算で１．０モル％以下とからなり、相対密度９
０％以上、熱伝導率３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特
徴とするものである。

【００１３】また、その製造方法として、窒化珪素（Ｓ
ｉ₃Ｎ₄）を７０〜９５モル％と、希土類金属（ＲＥ）
およびＭｇを酸化物換算による合量で４〜３０モル％
と、Ａｌを酸化物換算で０〜１．０モル％とからなり、
前記希土類金属およびＭｇの酸化物換算によるモル比
（ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）が０．１〜１５である成形体を
常圧の非酸化性雰囲気中、１８００℃以下の温度で焼成
して相対密度９０％以上に緻密化することを特徴とする
ものである。

【００１４】

【作用】本発明の窒化珪素質放熱部材及びその製造方法
によれば、焼結助剤として添加する希土類元素化合物お
よびＭｇ化合物を上記特定組成範囲で配合することによ
り、窒化珪素原料中の不純物酸素と反応し液相を生成す
ることにより焼結を促進する。また液相中に希土類元素
（ＲＥ）が存在することにより、粒界相の結晶化を促進
し粒界に残留する低熱伝導性のガラス相を減少させるこ
とにより焼結体の熱伝導率を向上させる。また希土類元
素（ＲＥ）は窒化珪素のα−β転移に伴う柱状晶のアス
ペクト比を増加させ、得られる焼結体の破壊靭性を向上
する作用を有する。

【００１５】また、Ａｌも同様に他の助剤と反応して低
温での液相生成に役立つが、多量に存在すると窒化珪素
粒内に固溶したり、サイアロンを形成するなどして熱伝
導率を低下させる原因となるために、Ａｌ量を１．０モ
ル％以下とすることによって、低温焼結性と高熱伝導性
を同時に付与することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の窒化珪素質放熱部
材およびその製造方法について詳細に述べる。まず、本
発明の窒化珪素質放熱部材を製造する為の窒化珪素原料
としては不純物酸素量が０．５〜３．０重量％のものが
好ましい。これは不純物酸素量が３．０重量％よりも多
いと、焼結体表面が荒れ強度劣化を招く虞があり、０．
５重量％よりも少ないと焼結性が悪くなるためである。
また、平均粒径は、０．１〜１．５μｍであり、α率が
９０％以上であることが望ましい。

【００１７】前記窒化珪素原料に添加する希土類元素
（ＲＥ）としては、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐ
ｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔ
ｍ，Ｙｂ，Ｌｕの何れの元素でも好適に用いる事ができ
るが、これらの中でもＹ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、とりわけ、Ｙ、Ｅｒが特性、コストの点で望
ましい。

【００１８】また、前記希土類元素（ＲＥ）は、Ｍｇと
合わせて配合する。希土類元素（ＲＥ）およびＭｇは酸
化物換算による合量で４〜３０モル％、特に５〜２５モ
ル％の範囲で配合される。但し、前記希土類元素（Ｒ
Ｅ）とＭｇとの酸化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／
ＭｇＯ）が０．１〜１５、特に０．５〜１３の範囲とな
るようにすることが必要がある。

【００１９】これは、上記合量が４モル％より少ない
と、１８００℃以下の温度で焼結を十分に緻密化させる
ことが難しく、３０モル％を越えると焼結体中での粒界
相の絶対量が増加するために熱伝導率が低下するためで
ある。またＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯの比率が１５を越えた
り、０．１より小さくなっても、１８００℃以下の温度
での緻密化は不十分となり、熱伝導率は低下する。

【００２０】また、Ａｌ₂Ｏ₃等のＡｌ化合物の配合
は、焼結性の向上に大きく寄与するが、Ｓｉ₃Ｎ₄結晶
中に固溶してフォノンの拡散を阻害する結果、焼結体の
熱伝導率を著しく低下するため、高熱伝導化のためには
存在しないことが最も望ましく、具体的には、Ａｌは酸
化物換算で１．０モル％以下、望ましくは０．５モル％
以下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０
１モル％以下にするのがよい。

【００２１】なお、この焼結体中には着色成分としてＴ
ｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏなど周期律表第４ａ，５ａ、６
ａ族金属のうち少なくとも１種を酸化物換算で０．０５
〜１重量％の割合で含んでいてもよい。

【００２２】また、本発明の窒化珪素質放熱部材は、上
記の各成分組成からなるものであるが、その相対密度が
９０％以上、特に９５％以上であることが高熱伝導化を
図る上で重要であり、相対密度が９０％よりも低いと熱
伝導率３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の達成は困難である。

【００２３】本発明の窒化珪素質放熱部材は、窒化珪素
粉末、希土類元素化合物、Ｍｇ化合物、場合によっては
Ａｌ化合物を上記の比率に配合し、該混合粉末に有機バ
インダーと溶媒とを添加して調製した成形用原料を用い
て、例えばプレス成形法や、ＣＩＰ成形法、テープ成形
法、押し出し成形法、射出成形法等の何れかの成形方法
で成形体を作製する。その後、該成形体を弱酸化性雰囲
気中、所定温度で脱バインダー処理してから、窒素など
の非酸化性雰囲気中で、１８００℃以下、特に１７５０
℃以下の温度で焼成して相対密度９０％以上に緻密化す
ることにより作製される。

【００２４】なお、原料において焼結助剤としての化合
物は、酸化物、炭酸塩、酢酸塩など焼成によって酸化物
を形成し得る化合物であることが望ましい。

【００２５】なお、本発明の窒化珪素質放熱部材は、例
えば、半導体素子を搭載したパッケージにおけるヒート
シンク部材に用いることができる他、半導体素子を搭載
する配線基板の絶縁基板としても用いることができる。
その場合、絶縁基板の表面あるいは内部に配線層を形成
する場合がある。そのような場合には、焼結後の放熱部
材の表面に、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ−Ａｇ
などを焼き付け処理するか、あるいは放熱部材との焼成
前に、成形体表面にＷ、Ｍｏなどの高融点金属からなる
導電性ペーストを印刷塗布した後、非酸化性雰囲気中で
同時焼成することにより作製することができる。

【００２６】

【実施例】平均粒径が１．２μｍ、酸素量が１．０重量
％、 α率９３％の直接窒化法により製造された窒化珪素
原料粉末に、希土類酸化物、ＭｇＣＯ₃、Ａｌ₂Ｏ₃を
表１、表２に示すような組成で各焼結助剤を添加混合
し、その混合粉末に対して成形用バインダーとしてパラ
フィンワックスをイソプロピルアルコールを溶媒として
添加し、混練乾燥後、篩を通して成形用顆粒を得、該顆
粒を成形圧１ｔｏｎ／ｃｍ²で金型プレスにより、直径
１２ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状に成形した。

【００２７】かくして得られた成形体を所定温度で脱バ
インダーした後、常圧（大気圧）、窒素雰囲気中で１７
００〜１８００℃の温度で３時間焼成して窒化珪素質焼
結体を作製し、評価用の試料とした。

【００２８】前記評価試料を用いて、まずアルキメデス
法により窒化珪素質焼結体の密度を測定し、理論密度に
対する比率（％）を算出した。ついでレーザーフラッシ
ュ法により熱伝導率を測定した。さらに、ＪＩＳＲ１６
０１に従い、焼肌面の室温における３点曲げ強度を測定
した。結果は表１、表２に示した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表１、表２の結果によれば、試料Ｎo.１〜
９から、Ｓｉ₃Ｎ₄量およびＲＥ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ量が本
発明の範囲を逸脱すると、いずれも相対密度が低下する
か、熱伝導率が低下し、目的の特性は得られなかった。
また、試料Ｎo.１０〜２０から、ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯモ
ル比が０．１〜１５を逸脱する試料Ｎo.１０、１９で
は、緻密化するのが困難であり、これにＡｌ₂Ｏ₃を配
合した試料Ｎo.１１、２０では焼結性が向上したが、熱
伝導率の向上効果は得られなかった。試料Ｎo.２１〜２
５において、Ａｌの含有量が１モル％を越える試料Ｎo.
２５では、緻密質であったが、熱伝導率が低下した。試
料Ｎo.２６〜３３から、希土類元素としてＹに代えて種
々の他の希土類元素においても同様な焼結挙動と高熱伝
導性を示した。

【００３２】

【発明の効果】以上、詳述したとおり、本発明の窒化珪
素質放熱部材及びその製造方法によれば、１８００℃以
下の温度で焼成可能であり、且つ熱伝導率３０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上、強度６００ＭＰａ以上の高強度を達成できるこ
とから、低コストとともに、各種放熱部材として幅広い
分野に応用することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素を７０〜９５モル％と、希土類金
属（ＲＥ）およびＭｇを酸化物換算による合量で４〜３
０モル％と、前記希土類金属およびＭｇの酸化物換算に
よるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）が０．１〜１５であ
り、且つＡｌを酸化物換算で１．０モル％以下とからな
り、相対密度９０％以上、熱伝導率３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
であることを特徴とする窒化珪素質放熱部材。
【請求項２】窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を７０〜９５モル
％と、希土類金属（ＲＥ）およびＭｇを酸化物換算によ
る合量で４〜３０モル％と、Ａｌを酸化物換算で０〜
１．０モル％とからなり、前記希土類金属およびＭｇの
酸化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）が０．
１〜１５である成形体を常圧の非酸化性雰囲気中、１８
００℃以下の温度で焼成して相対密度９０％以上に緻密
化することを特徴とする窒化珪素質放熱部材の製造方
法。