JP2000272968A - 窒化ケイ素焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子部品材料等として好適な高熱伝導性の窒
化ケイ素焼結体、及びその生産性に優れた製造方法を提
供する。 【解決手段】 窒化ケイ素以外の第一成分として希土類
元素の少なくとも１種、第二成分としてアルカリ土類元
素、Ｌｉ、Ｓｒの少なくとも１種を含み、酸化物に換算
したモル比率で第一成分が０.９５〜７.７モル％及び第
二成分が０.４９〜４.７モル％であって、第一成分の濃
度は中心部イより表面部ロが相対的に高く、第二成分の
濃度は表面部ロより中心部イが相対的に高い。特に開気
孔率が５％以下で且つ熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上
であり、４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上の焼結体が得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体基
板、プリント配線基板等の電気絶縁材料や、高熱伝導性
の機械部品材料として適しており、特に１００Ｗ／ｍ・
Ｋ以上の高い熱伝導性を有する窒化ケイ素焼結体、及び
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）セラミックス
は、高い機械的特性と耐熱衝撃性を有することから、従
来より構造用部品であるエンジン部品及びガスタービン
用部品等としての利用が試みられている。しかし、窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）のよう
なセラミックスと比較して、機械的特性には優れている
ものの熱伝導率が低いため、例えば半導体用部品のよう
な特に放熱性を要求される分野への利用が進まないとい
う問題があった。

【０００３】近年、このような問題を解決するために、
高熱伝導性を持つ窒化ケイ素セラミックスが開発されつ
つある。例えば、特許第２７７４７６１号公報には、希
土類酸化物を２〜７.５重量％、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの化合物の少なくとも
１種を０.２〜３.０重量％、及びＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆ
ｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ｂの化合物の少な
くとも１種を０.３重量％以下含有する高熱伝導性の窒
化ケイ素焼結体が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の特許第２７７４
７６１号公報に記載された窒化ケイ素焼結体は、熱伝導
率が高いといっても８５Ｗ／ｍ・Ｋ程度に過ぎず、１０
０Ｗ／ｍ・Ｋを越えることは殆どない。このため、現状
の窒化アルミニウムや炭化ケイ素のような高熱伝導セラ
ミックスの代替品として使用するためには、更に熱伝導
率を高める必要があった。

【０００５】このように窒化ケイ素焼結体の熱伝導率が
低い原因として考えられる要因は、窒化ケイ素の焼結に
焼結助剤が不可欠であり、この焼結助剤からなる粒界相
の熱伝導率が低いことによる。従って、熱伝導率向上の
ための一手段として、焼結助剤の添加量を減らし、焼結
体中の粒界相を減少させる方法が考えられる。

【０００６】しかし、一般に窒化ケイ素の焼結では、焼
結助剤を少なくすると焼結性が低下することが知られて
おり、その場合には２０００℃以上の高い温度で焼結す
るなど、焼結性を促進させる特別な方法が必要となる。
このため、生産性が低下したり、通常の常圧焼結では焼
結体の開気孔率が５％以上に増加して、半導体用等の電
子部品材料として適さなくなるなどの問題があった。

【０００７】本発明は、かかる従来の事情に鑑み、電子
部品材料等として好適な高熱伝導性の窒化ケイ素焼結
体、及びその生産性に優れた製造方法を提供することを
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する窒化ケイ素焼結体は、窒化ケイ素
を主成分とし、それ以外の第一成分として希土類元素の
少なくとも１種、及び第二成分としてアルカリ土類元素
及びＬｉ、Ｓｒからなる群から選ばれた少なくとも１種
を含み、前記第一成分の酸化物に換算したモル比率が
０.９５〜７.７モル％、前記第二成分の酸化物に換算し
たモル比率が０.４９〜４.７モル％であって、第一成分
の濃度は中心部より表面部が相対的に高く、且つ第二成
分の濃度は表面部より中心部が相対的に高いことを特徴
とする。

【０００９】上記の窒化ケイ素焼結体は、開気孔率が５
％以下であって且つ熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上で
あることを特徴とする。また、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準
拠した４点曲げ強度が、７００ＭＰａ以上である。

【００１０】また、本発明の窒化ケイ素焼結体の製造方
法の一つは、窒化ケイ素粉末に、第一成分として希土類
元素の少なくとも１種の化合物粉末を酸化物に換算した
モル比率で０.９８〜７.７モル％、及び第二成分として
アルカリ土類元素及びＬｉ、Ｓｒからなる群から選ばれ
た少なくとも１種の化合物粉末を酸化物に換算したモル
比率で０.５０〜６.４モル％となるように混合し、その
混合粉末の成形体を窒素含有非酸化性雰囲気中にて１８
００〜２１００℃の温度範囲で焼結して、２〜２０重量
％の範囲で重量減少させると共に、第一成分の酸化物に
換算したモル比率を０.９５〜７.７モル％、及び第二成
分の酸化物に換算したモル比率を０.４９〜４.７モル％
とすることを特徴とする。

【００１１】本発明の窒化ケイ素焼結体の他の製造方法
は、ケイ素粉末又はケイ素粉末と窒化ケイ素粉末に、第
一成分として希土類元素の化合物の少なくとも１種の化
合物粉末を酸化物に換算したモル比率がケイ素を窒化ケ
イ素に換算したとき０.９８〜７.７モル％、及び第二成
分としてアルカリ土類元素及びＬｉ、Ｓｒからなる群か
ら選ばれた少なくとも１種の化合物粉末を酸化物に換算
したモル比率がケイ素を窒化ケイ素に換算したとき０.
５０〜６.４モル％となるように混合し、その混合粉末
の形成体を窒素含有非酸化性雰囲気中にて１２００〜１
４００℃の温度範囲で窒化し、得られた窒化体を窒素含
有非酸化性雰囲気中にて１８００〜２１００℃の温度範
囲で焼結して、２〜２０重量％の範囲で重量減少させる
と共に、第一成分の酸化物に換算したモル比率を０.９
５〜７.７モル％、及び第二成分の酸化物に換算したモ
ル比率を０.４９〜４.７モル％とすることを特徴とす
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の窒化ケイ素焼結体は、窒
化ケイ素の外に、焼結助剤に由来する成分として、希土
類元素の少なくとも１種からなる第一成分と、アルカリ
土類元素及びＬｉ、Ｓｒからなる群から選ばれた少なく
とも１種の第二成分とを含んでいる。第一成分として好
ましい希土類元素は、例えばＹ、Ｙｂ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｅ
ｒ等が挙げられる。尚、このような希土類元素からなる
第一成分を用いることによって、焼結後の色ムラの低減
を図ることもできる。また、第二成分としては、Ｍｇ、
Ｃａ、Ｂａ等のアルカル土類元素と、Ｌｉ及びＳｒがあ
る。これら第二成分の添加により、低温で緻密化を促進
させることができ、焼結性が向上するほか、焼結体の高
熱伝導化を図ることができる。

【００１３】窒化ケイ素焼結体中の第一成分及び第二成
分の含有量は、それぞれ酸化物に換算したモル比率で、
第一成分が０.９５〜７.７モル％、及び第二成分が０.
４９〜４.７モル％である。これをＳｉ₃Ｎ₄−第一成分
−第二成分の３元組成図で表わすと、図１のＡＢＣＤで
囲まれた斜線の範囲となる。上記第一成分の含有量が
０.９５モル％未満の場合、焼結に必要な助剤成分が少
なくなるため密度が上がらず、結果的に得られる焼結体
の熱伝導率が低下する。また、第一成分の含有量が７.
７モル％を越える場合、粒界相が増加するため、同じく
焼結体の熱伝導率が低下する。一方、上記第二成分の含
有量が０.４９モル％未満では、緻密化が困難になるほ
か、焼結中にポアーや色ムラが発生し、品質歩留が低下
する。特に電子部品等の用途に必要な開気孔率は５％以
下であり、この開気孔率を越えることが多くなる。逆に
第二成分の含有量が４.７モル％を越えると、粒界相の
量が多くなるため、焼結体の熱伝導特性が低下する。

【００１４】また、本発明の窒化ケイ素焼結体において
は、上記第一成分の濃度は中心部よりも表面部が相対的
に高く、第二成分の濃度は逆に表面部より中心部が相対
的に高くなっている。このような濃度分布を焼結初期で
形成することによって、焼結中期以降の表面からの助剤
成分、特に第二成分の過度な蒸発が抑えられる。また同
時に、適度な量の助剤成分が焼結体の粒界相に残るた
め、焼結性を損なうことなく、高い熱伝導率で且つ高強
度の焼結体を得ることができる。

【００１５】本発明において中心部及び表面部は以下の
ように定義する。焼結後の未加工の焼結体を三次元的に
見たときの中心をθとし、この中心θを含む焼結体の任
意の表面上の任意の点Ｐと中心θとを結んだ直線の延長
線上にある焼結体の別の表面上の点をＱとする。この線
分ＰＱの長さをｄとし、これを１０等分したとき、中心
θから０.１ｄの距離範囲内の領域を中心部とし、中心
θから０.３ｄ〜０.４ｄの距離範囲内の領域を表面部と
する。例えば、直方体形状の焼結体の場合、焼結体の中
心θを含む断面を示す図３の（ａ）のように、線分ＰＱ
を描くことができ、この線分ＰＱを面内の縦横方向に１
０等分して分割線を引くと、斜線を施したイの領域が中
心部であり、逆方向の斜線を施したロの領域が表面部と
なる。また、例えば図３の（ｂ）に示すように円形の断
面では、その中心θを通る径方向に線分ＰＱを引くこと
ができ、この線分ＰＱを１０等分して同心円状の分割線
を描くことができる。この場合、中心部は斜線を施した
イの領域であり、表面部は逆方向の斜線を施したロの領
域である。尚、未加工表面から０.１ｄ未満の最表面領
域を除くのは、この領域では第一成分及び第二成分共に
濃度が薄く、その相対的な評価を行うのが困難なためで
ある。また、通常の焼結体厚みｄは０.５〜７ｍｍ程度
である。

【００１６】以上に説明した特徴を備える本発明の窒化
ケイ素焼結体は、従来に比べて開気孔率が比較的大きい
にも拘らず、高い熱伝導率を有し、更には高い機械的強
度を備えるという特徴を有している。具体的には、開気
孔率が５％以下であって且つ熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・
Ｋ以上である窒化ケイ素焼結体が得られ、ＪＩＳ Ｒ１
６０１に準拠した４点曲げ強度を７００ＭＰａ以上とす
ることができる。

【００１７】次に、本発明の窒化ケイ素焼結体の製造方
法について説明する。まず、第１の方法は窒化ケイ素粉
末を主原料とするものであり、この窒化ケイ素粉末に、
焼結助剤の第一成分として希土類元素の少なくとも１種
の化合物粉末を、酸化物に換算したモル比率で０.９８
〜７.７モル％、及び第二成分としてアルカリ土類元素
及びＬｉ、Ｓｒからなる群から選ばれた少なくとも１種
の化合物粉末を、酸化物に換算したモル比率で０.５０
〜６.４モル％となるように混合する。この添加割合を
Ｓｉ₃Ｎ₄−第一成分−第二成分の３元組成図で表わす
と、図２のａｂｃｄで囲まれた斜線の範囲となる。

【００１８】上記の混合粉末を所定の形状に成形し、得
られた成形体を窒素含有非酸化性雰囲気中において焼結
し、窒化ケイ素焼結体とする。この焼結の際に、焼結温
度、昇温速度、焼結時間等の条件を適宜選択して最適化
することにより、焼結助剤成分を主体に蒸発させて２〜
２０重量％の範囲で重量減少させると共に、焼結体中の
焼結助剤成分である第一成分及び第二成分の含有量を前
記した図１のＡＢＣＤで囲まれた斜線の範囲内に制御す
る。即ち、酸化物に換算したモル比率で、第一成分が
０.９５〜７.７モル％、及び第二成分が０.４９〜４.７
モル％となるように制御する。

【００１９】上記焼結は窒素含有非酸化性雰囲気中にて
１８００〜２１００℃の範囲の温度で行う。焼結温度が
１８００℃未満では、焼結体の重量減少が少なく、前記
のような高熱伝導体としての最適な構造を取ることがで
きない。また、焼結温度が２１００℃を越えると、重量
減少が大きくなり過ぎるため、焼結体中にポアーが発生
し、開気孔率が増大して電子部品材料として適さない。
好ましい焼結温度範囲は１８００〜２０５０℃であり、
このように比較的低い温度で焼結が可能であるため生産
性にも優れている。尚、窒素含有非酸化性雰囲気として
は、窒素ガス、窒素を含む不活性ガス等である。

【００２０】焼結前後の重量減少は、前記第一及び第二
成分からなる粒界相成分又は一部の窒化ケイ素成分が蒸
発・昇華することによって生じると考えられ、特に第二
成分が低温で液相成分を発生させ、蒸発・昇華を促進す
る役割を果していると考えられる。この重量減少を２〜
２０重量％の範囲に調整することによって、得られる窒
化ケイ素焼結体中の焼結助剤成分の濃度分布を、上記し
たように第一成分の濃度は中心部よりも表面部を相対的
に高くし、且つ第二成分の濃度は逆に表面部より中心部
を相対的に高くすることが可能となる。

【００２１】この焼結体全体の重量減少が２％未満で
は、粒界相成分が多く残り、熱伝導率が低下する。重量
減少が２０％を越えると、焼結体の開気孔率が大きくな
ると共に、熱伝導率が低下したり、色ムラが発生したり
するため、電子部品材料として適さなくなる。ここで、
重量減少とは、１００×（成形体重量−焼結体重量）／
成形体重量（％）で定義される。尚、上記の成形体と
は、脱バインダー工程を経た後の試料である。

【００２２】上記第１の製造方法において、主原料の窒
化ケイ素粉末としては、酸素を含有しているイミド分解
粉、直接窒化粉のいずれも使用することができる。ま
た、最終的な形態として窒化ケイ素を形成すればよいこ
とから、Ｓｉ粉末を主原料に用いる窒化焼結によること
も可能である。尚、焼結助剤又は主原料中の酸素量のレ
ベルを適宜変えることにより、焼結性等をコントロール
することができる。

【００２３】即ち、主原料にケイ素粉末を用いる方法が
本発明の第２の製造方法であり、ケイ素粉末のみか又は
ケイ素粉末と窒化ケイ素粉末とを主原料とする。この主
原料に、第一成分の希土類元素の化合物粉末と、第二成
分のアルカリ土類元素、Ｌｉ又はＳｒの化合物粉末と
を、上記第１の製造方法と同じモル比率で、即ち図２の
ａｂｃｄで囲まれた斜線の範囲内となるように混合す
る。ただし、この第２の方法の場合の第一及び第二成分
のモル比率は、ケイ素を窒化ケイ素に換算した主原料を
基準にして、第１の方法と同じく第一成分を０.９８〜
７.７モル％及び第二成分を０.５０〜６.４モル％とす
る。

【００２４】上記混合粉末の成形体は、まず窒素含有非
酸化性雰囲気中において１２００〜１４００℃の温度範
囲で焼成して窒化する。次に、得られた窒化体を窒素含
有非酸化性雰囲気中において１８００〜２１００℃の温
度範囲で焼結し、窒化ケイ素焼結体を得る。この焼結の
際に、焼結温度、昇温速度、焼結時間等の条件を適宜選
択して最適化することによって、２〜２０重量％の範囲
で重量減少させると共に、図１のＡＢＣＤで示す斜線の
範囲内に、即ち酸化物に換算したモル比率で、第一成分
が０.９５〜７.７モル％及び第二成分が０.４９〜４.７
モル％となるように制御する。

【００２５】窒化時の温度が１２００℃未満では窒化が
不十分であり、逆に１４００℃を越えるとＳｉの融点に
達し、Ｓｉの窒化反応の前にＳｉの溶出反応が生じるた
め、得られる焼結体中に未窒化のＳｉが残留し、このＳ
ｉが熱伝導率や強度の低下の原因となるので好ましくな
い。また、焼結温度を１８００〜２１００℃とする理由
は、前記第１の方法の場合と同じである。尚、窒素含有
非酸化性雰囲気も前記と同様である。

【００２６】上記した本発明の各製造方法により得られ
る窒化ケイ素焼結体は、前記したように、特に開気孔が
５％以下の材料において、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以
上のものが得られる。また、通常ＪＩＳ Ｒ１６０１に
準拠した４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上となり、従来
から電子部品基板として使用されていた窒化アルミニウ
ムと比較して高い破壊強度を得ることが可能である。

【００２７】

【実施例】実施例１ イミド分解粉により作製されたα型Ｓｉ₃Ｎ₄粉末（酸素
量１.０重量％、平均粒径１.０μｍ）を原料とし、下記
表１に示す配合割合で焼結助剤粉末を添加した後、エタ
ノール中で分散させた。その後乾燥させ、金型プレスで
直径２０ｍｍ×４ｍｍのペレット状の成形体を作製し
た。次に、この成形体を窒素含有非酸化性雰囲気中に
て、１９００℃で５時間焼成して焼結体を得た。尚、焼
結助剤粉末として、第一成分はＹ₂Ｏ₃、及び第二成分は
ＭｇＯを用いた。

【００２８】

【表１】焼結助剤配合割合(モル％) 試料 第一成分(Y₂O₃) 第二成分(MgO) 1＊ 0.9 3.0 2 1.0 3.0 3 3.0 3.0 4 6.0 3.0 5 7.5 3.0 6＊ 8.0 3.0 7＊ 3.0 0.4 8 3.0 0.6 9 3.0 5.0 10 3.0 6.0 11＊ 3.0 7.0 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。

【００２９】得られた各Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体について、焼結
前の成形体と焼結体の各重量を測定して重量減少を求め
ると共に、化学分析により焼結体全体の上記各助剤成分
の平均的な含有量（酸化物に換算したモル％）を求め
た。また、アルキメデス法による開気孔率、レーザーフ
ラッシュ法による室温での熱伝導率、及びＪＩＳ Ｒ１
６０に準拠する４点曲げ強度をそれぞれ測定した。尚、
焼結体の開気孔率の算定は、１００×（飽水重量−乾燥
重量）／（飽水重量−水中重量）の計算によって行っ
た。飽水重量とは焼結体を水中に吊るして水を含浸させ
た際の飽和含水状態での重量であり、乾燥重量はこれを
乾燥して一定重量となったときの水を含まない状態での
重量である。これらの結果を下記表２に示した。

【００３０】更に、上記各助剤成分の焼結体中における
濃度分布を調査するために、焼結体を所定の位置で切断
後、その断面を研削及び研磨し、１０００倍の視野に拡
大してＥＰＭＡ元素定量分析により元素濃度を測定し
た。その際、測定箇所である焼結体の中心部が図３に示
すイの部分となり、表面部が図３のロの部分のうち中心
部イの軸方向上下に位置する部分となるように、それぞ
れ焼結体を切断して測定試料片を作成した。各試料の中
心部と表面部の各２カ所について第一成分と第二成分の
金属元素の検出強度をカウントし、カウント量を算術平
均してそれぞれの箇所の成分濃度とし、これを用いて中
心部と表面部のモル比を算定した。その結果、全ての試
料において、第一成分は中心部よりも表面部が高濃度で
あり、第二成分は表面部よりも中心部が高濃度になって
いた。

【００３１】

【表２】 重量減少 助剤成分量(モル％) 開気孔率 熱伝導率 曲げ強度試料 (％) 第一成分 第二成分 (％) (W／mK) (MPa) 1＊ 1.5 0.8 1.5 5.5 82 650 2 3.0 0.95 1.7 2.0 103 720 3 4.5 2.3 1.9 3.5 106 900 4 5.0 4.9 1.8 0.8 115 920 5 8.0 7.1 1.9 0.9 111 750 6＊ 9.0 7.8 1.9 1.5 85 620 7＊ 3.0 2.6 0.1 11.0 75 400 8 3.8 2.5 0.5 4.9 102 720 9 5.5 2.2 3.0 3.2 105 720 10 7.0 2.0 3.2 3.2 101 710 11＊ 9.0 1.8 3.8 3.3 70 600 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。

【００３２】上記表２に示す結果から、重量減少が２〜
２０重量％の範囲内にあり、第一成分が０.９５〜７.７
モル％及び第二成分が０.４９〜４.７モル％の範囲で含
まれているとき、第一成分は中心部よりも表面部が高濃
度で且つ第二成分は表面部よりも中心部が高濃度になっ
ていて、熱伝導率及び曲げ強度とも高い窒化ケイ素焼結
体が得られることが分かる。

【００３３】実施例２ 上記実施例１と同じＳｉ₃Ｎ₄粉末を使用し、下記表３に
示す各焼結助剤粉末を酸化物換算モル比率において第一
成分が６モル％、同じく第二成分が３モル％、残部の９
１モル％がＳｉ₃Ｎ₄となるように添加し、エタノール中
で分散させた。その後、実施例１と同様にペレット状の
成形体を作製した後、窒素含有非酸化性雰囲気中にて１
８００℃、５時間の条件で焼結させた。

【００３４】

【表３】使用焼結助剤の種類 試料 第一成分 第二成分 12 Ｙ₂Ｏ₃ ＭｇＯ 13 Ｙ₂Ｏ₃ ＣａＣＯ₃ 14 Ｙ₂Ｏ₃ ＢａＯ 15 Ｙ₂Ｏ₃ ＳｒＯ 16 Ｙ₂Ｏ₃ ＬｉＯ 17 Ｓｍ₂Ｏ₃ ＭｇＯ 18 Ｅｒ₂Ｏ₃ ＭｇＯ 19 Ｄｙ₂Ｏ₃ ＭｇＯ 20 Ｈｏ₂Ｏ₃ ＭｇＯ 21 Ｔｍ₂Ｏ₃ ＭｇＯ 22 Ｌｕ₂Ｏ₃ ＭｇＯ

【００３５】得られた各Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体について、上記
実施例１と同様にして、焼結前後での重量減少、助剤成
分の平均的な含有量（酸化物に換算したモル％）、開気
孔率、熱伝導率（室温）、及びＪＩＳ Ｒ１６０に準拠
する４点曲げ強度をそれぞれ測定し、その結果を下記表
４に示した。また、実施例１と同様にして、各焼結体中
の中心部と表面部における助剤成分の濃度分布を求めた
ところ、いずれの試料においても、第一成分は中心部よ
りも表面部が高濃度であり、第二成分は表面部よりも中
心部が高濃度であった。

【００３６】この結果から、実施例１とは別の焼結助剤
であっても、第一成分が希土類元素の少なくとも１種、
及び第二成分がアルカリ土類元素、Ｌｉ、Ｓｒの少なく
とも１種であれば、高い曲げ強度で且つ高い熱伝導率を
示すＳｉ₃Ｎ₄焼結体が得られることが分かる。尚、試料
１９〜２２については、焼結体に若干の色ムラの発生が
認められた。

【００３７】

【表４】 重量減少 助剤成分量(モル％) 開気孔率 熱伝導率 曲げ強度試料 (％) 第一成分 第二成分 (％) (W／mK) (MPa) 12 5.0 4.8 1.9 2.0 112 950 13 3.0 5.2 1.5 1.5 105 880 14 4.0 5.5 1.8 3.0 102 820 15 6.0 4.5 1.7 2.8 106 750 16 5.3 4.7 1.6 2.5 104 780 17 6.0 4.8 1.9 2.1 139 900 18 5.5 4.6 1.8 2.5 130 920 19 6.5 4.5 1.8 2.3 110 980 20 5.8 4.6 1.7 1.5 102 1000 21 5.5 4.7 1.8 2.1 105 970 22 5.2 4.8 1.8 1.8 105 1050

【００３８】実施例３前記実施例１の試料４と同様に
し、ただし下記表５に示すように焼結温度のみを変えて
焼結を行った。得られた各Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体について、実
施例１と同様に各評価を実施して、その結果を表５に併
せて示した。尚、比較例の試料２３と２８の焼結体には
色ムラが発生していた。

【００３９】また、実施例１と同様にして、各焼結体中
の中心部と表面部における助剤成分の濃度分布を求めた
ところ、本発明の試料２４〜２７では、第一成分は中心
部よりも表面部が高濃度であり、第二成分は表面部より
も中心部が高濃度であった。しかし、比較例の試料２３
では、第一成分は中心部と表面部でほぼ同一濃度であ
り、第二成分は表面部よりも中心部が高濃度であった。
また、比較例の試料２８では、第一成分は中心部より表
面部が高濃度であったが、第二成分については全体の含
有量が極めて少ないため測定が不可能であった。

【００４０】

【表５】 焼結温度 重量減少 助剤成分量(モル％) 開気孔率 熱伝導率 曲げ強度試料 (℃) (％) 第一成分 第二成分 (％) (W／mK) (MPa) 23＊ 1750 1.8 5.8 2.5 7.0 70 500 24 1800 4.2 5.5 1.9 0.3 104 1050 25 1900 5.0 4.9 1.8 0.8 115 920 26 2050 10.0 4.5 1.5 1.0 130 920 27 2100 14.0 4.7 1.2 2.2 140 820 28＊ 2200 25.0 4.8 0.1 7.1 102 650 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。

【００４１】この結果から分かるように、焼結温度が１
８００℃未満では、重量減少が２重量％未満になるた
め、表面部と中心部の第一成分及び第二成分の濃度分布
が均等になりやすく、その結果焼結体が緻密化せず、開
気孔率が５％を越えるうえ、曲げ強度も熱伝導率も低下
している。また、焼結温度が２１００℃を越えると、重
量減少が２０重量％を越えるため、特に第二成分が表面
部で測定できないほど著しく減少し、開気孔率も大幅に
増加し、熱伝導率及び曲げ強度も低下することが分か
る。

【００４２】実施例４ 直接窒化によるＳｉ₃Ｎ₄粉末（酸素量１.２重量％、平
均粒径１.２μｍ、α率９１％）か、又はＳｉ粉末（酸
素量０.９重量％、平均粒径０.９μｍ）を主原料とし、
これらの主原料粉末に焼結助剤として前記実施例１と同
じＹ₂Ｏ₃粉末とＭｇＯ粉末をそれぞれ前記表１の試料４
と同一のモル比率で添加した。混合粉末をエタノール中
で５時間混合し、乾燥させた後、実施例１と同様にペレ
ット状の成形体を作製した。

【００４３】得られた成形体については、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末
を主原料とする試料２９では、そのまま窒素含有非酸化
性雰囲気中にて１８００℃で５時間焼結した。また、Ｓ
ｉ粉末を主原料とする試料３０の場合は、窒素含有非酸
化性雰囲気中にて１２００℃〜１４００℃の条件で窒化
反応を行った後、上記と同様に窒素含有非酸化性雰囲気
中にて１８００℃で５時間焼結した。

【００４４】得られた各Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体について、実施
例１と同様に各評価を実施して、その結果を下記表６に
示した。尚、参考例として、前記実施例１と同じイミド
分解によるＳｉ₃Ｎ₄粉末を用いた以外は、上記と同様に
して得た試料３１の焼結体についても同様の評価を行
い、その結果を表６に併せて示した。また、実施例１と
同様にして、各焼結体中の中心部と表面部における助剤
成分の分布を求めたところ、いずれの試料においても、
第一成分は中心部よりも表面部が高濃度であり、第二成
分は表面部よりも中心部が高濃度であった。

【００４５】

【表６】 重量減少 助剤成分量(モル%) 開気孔率 熱伝導率 曲げ強度試料 主原料粉末 (％) 第一成分 第二成分 (％) (W／mK) (MPa) 29 直接窒化Si₃N₄ 5.5 4.9 1.8 0.5 105 1000 30 Si粉末 4.5 5.0 1.7 0.2 125 1040 31 イミト゛分解Si₃N₄ 5.0 4.9 1.8 0.8 115 1050

【００４６】直接窒化によるＳｉ₃Ｎ₄粉末も、イミド分
解によるＳｉ₃Ｎ₄粉末と同様に使用でき、同様に優れた
特性の焼結体が得られた。また、Ｓｉ粉末のみを主原料
として窒化焼結により得られた焼結体は、イミド分解に
よるＳｉ₃Ｎ₄粉末とほぼ同様な特性を示すことが認めら
れた。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、特定の焼結助剤成分を
使用し、その成分の焼結体における含有量や濃度分布及
び焼結による重量減少を制御することによって、熱伝導
率の高い窒化ケイ素焼結体を得ることができる。特に、
焼結温度を比較的低くでき、開気孔率が電子部品材料等
として好適な範囲内で従来よりも大きめであって、しか
も熱伝導率及び強度に優れた窒化ケイ素焼結体を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒化ケイ素焼結体中に含まれる第一成
分と第二成分のモル比率を示す３元組成図である。

【図２】本発明の窒化ケイ素焼結体の製造方法において
窒化ケイ素粉末に添加する第一成分と第二成分のモル比
率を示す３元組成図である。

【図３】本発明の窒化ケイ素焼結体の第一成分と第二成
分の濃度分布を測定する際の中心部と表面部を説明する
ための焼結体の断面図であり、（ａ）は直方体の断面の
場合、（ｂ）は円形の断面の場合を示す。

【符号の説明】

イ 中心部 ロ 表面部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G001 BA01 BA05 BA06 BA08 BA09 BA32 BA62 BA81 BB01 BB05 BB06 BB07 BB08 BB09 BB32 BC12 BC13 BC46 BC48 BC52 BC54 BC57 BD03 BD14 BD23 BE15 BE33

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化ケイ素を主成分とし、それ以外の第
   一成分として希土類元素の少なくとも１種、及び第二成
   分としてアルカリ土類元素及びＬｉ、Ｓｒからなる群か
   ら選ばれた少なくとも１種を含み、前記第一成分の酸化
   物に換算したモル比率が０.９５〜７.７モル％、前記第
   二成分の酸化物に換算したモル比率が０.４９〜４.７モ
   ル％であって、第一成分の濃度は中心部より表面部が相
   対的に高く、且つ第二成分の濃度は表面部より中心部が
   相対的に高いことを特徴とする窒化ケイ素焼結体。
2. 【請求項２】 開気孔率が５％以下であり且つ熱伝導率
   が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする、請求
   項１に記載の窒化ケイ素焼結体。
3. 【請求項３】 ＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠した４点曲げ
   強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求
   項１又は２に記載の窒化ケイ素焼結体。
4. 【請求項４】 窒化ケイ素粉末に、第一成分として希土
   類元素の少なくとも１種の化合物粉末を酸化物に換算し
   たモル比率で０.９８〜７.７モル％、及び第二成分とし
   てアルカリ土類元素及びＬｉ、Ｓｒからなる群から選ば
   れた少なくとも１種の化合物粉末を酸化物に換算したモ
   ル比率で０.５０〜６.４モル％となるように混合し、 その混合粉末の成形体を窒素含有非酸化性雰囲気中にて
   １８００〜２１００℃の温度範囲で焼結して、２〜２０
   重量％の範囲で重量減少させると共に、第一成分の酸化
   物に換算したモル比率を０.９５〜７.７モル％、及び第
   二成分の酸化物に換算したモル比率を０.４９〜４.７モ
   ル％とすることを特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方
   法。
5. 【請求項５】 ケイ素粉末又はケイ素粉末と窒化ケイ素
   粉末に、第一成分として希土類元素の化合物の少なくと
   も１種の化合物粉末を酸化物に換算したモル比率がケイ
   素を窒化ケイ素に換算したとき０.９８〜７.７モル％、
   及び第二成分としてアルカリ土類元素及びＬｉ、Ｓｒか
   らなる群から選ばれた少なくとも１種の化合物粉末を酸
   化物に換算したモル比率がケイ素を窒化ケイ素に換算し
   たとき０.５０〜６.４モル％となるように混合し、 その混合粉末の形成体を窒素含有非酸化性雰囲気中にて
   １２００〜１４００℃の温度範囲で窒化し、 得られた窒化体を窒素含有非酸化性雰囲気中にて１８０
   ０〜２１００℃の温度範囲で焼結して、２〜２０重量％
   の範囲で重量減少させると共に、第一成分の酸化物に換
   算したモル比率を０.９５〜７.７モル％、及び第二成分
   の酸化物に換算したモル比率を０.４９〜４.７モル％と
   することを特徴とする窒化ケイ素焼結体の製造方法。