(57)【要約】【課題】ケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減する。【解決手段】ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法は、表面に酸化被膜が形成されたケイ素系非酸化物セラミックスの粉末を準備する準備工程と、酸化被膜を溶解させる溶液を用いて粉末を加湿する加湿工程と、加湿工程後の粉末を、溶液が蒸発する条件で加熱しつつ加圧することにより、ケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体を作製する加熱加圧工程とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、
表面に酸化被膜が形成されたケイ素系非酸化物セラミックスの粉末を準備する準備工程と、
前記酸化被膜を溶解させる溶液を用いて前記粉末を加湿する加湿工程と、
前記加湿工程後の前記粉末を、前記溶液が蒸発する条件で加熱しつつ加圧することにより、前記ケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体を作製する加熱加圧工程と、
を備える、
ことを特徴とするケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、
前記ケイ素系非酸化物セラミックスは、窒化ケイ素または炭化ケイ素である、
ことを特徴とするケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、
前記準備工程は、前記ケイ素系非酸化物セラミックスの粉末を加熱することによって前記酸化被膜を形成する被膜形成工程を含む、
ことを特徴とするケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、
前記溶液は、アルカリ溶液である、
ことを特徴とするケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、
前記加熱加圧工程における加圧の圧力は５００ＭＰａ以上である、
ことを特徴とするケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される技術は、ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体素子を備える配線基板において、半導体素子を絶縁しつつ半導体素子の放熱を促す放熱部材として、ケイ素系非酸化物セラミックス（例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）等）の焼結体が用いられる。
【０００３】
一般に、ケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体は、ケイ素系非酸化物セラミックスの原料粉末を比較的高温（例えば、１７００℃以上）で焼成することにより製造される（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】三島昌昭、外２名、「窒化ケイ素セラミックス焼結体の表面層及び内部の色調と微構造との関係」、日本セラミックス協会学術論文誌、平成４年、１００［１１］、ｐ．１３２３−１３２６
【非特許文献２】広崎尚登、外１名、「α−およびβ−サイアロンの焼結に及ぼす窒素ガス圧力の影響」、窯業協会誌、昭和６２年、９５［２］、ｐ．２３５−２３９
【非特許文献３】阿部修実、外４名、「炭化ケイ素の焼結挙動に及ぼす粉末特性の影響」、日本セラミックス協会学術論文誌、平成１年、９７［８］、ｐ．８５０−８５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法は、比較的高温の熱処理を伴うため、消費エネルギー低減の点で向上の余地がある。
【０００６】
なお、このような課題は、配線基板における放熱部材を構成するケイ素系非酸化物セラミックス焼結体に限られず、エンジン用部品材料、ベアリング用材料、ディーゼル微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）用材料、水分離膜といった他の用途に用いられるケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造の際にも共通の課題である。
【０００７】
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
【０００９】
（１）本明細書に開示されるケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法は、ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、表面に酸化被膜が形成されたケイ素系非酸化物セラミックスの粉末を準備する準備工程と、前記酸化被膜を溶解させる溶液を用いて前記粉末を加湿する加湿工程と、前記加湿工程後の前記粉末を、前記溶液が蒸発する条件で加熱しつつ加圧することにより、前記ケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体を作製する加熱加圧工程と、を備える。本ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法では、表面に酸化被膜が形成されたケイ素系非酸化物セラミックスの粉末を用いることにより、加熱加圧工程において加湿液による溶解−再析出を発生させることができるため、比較的低温でケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体を得ることができ、ケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００１０】
（２）上記ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、前記ケイ素系非酸化物セラミックスは、窒化ケイ素または炭化ケイ素である構成としてもよい。本ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法によれば、窒化ケイ素または炭化ケイ素の焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００１１】
（３）上記ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、前記準備工程は、前記ケイ素系非酸化物セラミックスの粉末を加熱することによって前記酸化被膜を形成する被膜形成工程を含む構成としてもよい。本ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法によれば、表面に酸化被膜が形成されたケイ素系非酸化物セラミックスの粉末を確実に得ることができ、より確実に、比較的低温でケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体を得ることができ、ケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００１２】
（４）上記ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、前記溶液は、アルカリ溶液である構成としてもよい。本ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法によれば、酸化被膜を溶解させる溶液としてアルカリ溶液を用いることにより、加熱加圧工程の際に酸化被膜を確実に溶解させることができ、より確実に、比較的低温でケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体を得ることができ、ケイ素系非酸化物セラミックスの焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００１３】
（５）上記ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法において、前記加熱加圧工程における加圧の圧力は５００ＭＰａ以上である構成としてもよい。本ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法によれば、加熱加圧工程における加圧の圧力を５００ＭＰａ以上とすることにより、比較的低温で、より緻密なケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の焼結体を得ることができ、より緻密なケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００１４】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体の製造方法、ケイ素系非酸化物セラミックス焼結体を備える各種装置の製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態における配線基板１０の断面構成を概略的に示す説明図である。
【図２】窒化ケイ素の焼結体の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】性能評価の結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．実施形態：
Ａ−１．配線基板１０の構成：
図１は、本実施形態における配線基板１０の断面構成を概略的に示す説明図である。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向といい、Ｚ軸負方向を下方向というものとするが、配線基板１０は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。
【００１７】
配線基板１０は、放熱部材１００を備える。放熱部材１００は、略平板状部材であり、ケイ素系非酸化物セラミックス（例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）等）の焼結体により形成されている。以下では、放熱部材１００の形成材料として、ケイ素系非酸化物セラミックスの１つである窒化ケイ素が用いられるものとして説明する。
【００１８】
放熱部材１００の表面には、メタライズ配線層１２０が形成されている。メタライズ配線層１２０は、接続用電極（不図示）に電気的に接続されている。
【００１９】
また、放熱部材１００の上面には、半導体素子１１０が、例えば接着剤により固定されている。半導体素子１１０は、ボンディングワイヤ１３０を介してメタライズ配線層１２０と電気的に接続されている。すなわち、半導体素子１１０は、ボンディングワイヤ１３０およびメタライズ配線層１２０を介して、上記接続用電極（不図示）に電気的に接続されている。また、半導体素子１１０は、放熱部材１００の上面に配置された樹脂等の封止部材１４０により封止されている。
【００２０】
Ａ−２．放熱部材１００を構成する窒化ケイ素の焼結体の製造方法：
次に、放熱部材１００を構成する窒化ケイ素の焼結体の製造方法を説明する。図２は、窒化ケイ素の焼結体の製造方法を示すフローチャートである。
【００２１】
はじめに、窒化ケイ素の原料粉末を準備する（Ｓ１１０）。なお、本実施形態では、この時点での窒化ケイ素の原料粉末の表面には、酸化被膜が形成されていない。
【００２２】
次に、窒化ケイ素の原料粉末を、酸素の存在下で（例えば大気中で）加熱することにより、窒化ケイ素の原料粉末の表面に酸化被膜（例えば、シリカ（ＳｉＯ２）の膜）を形成する（Ｓ１２０）。このときの加熱温度は、例えば、８００℃以上、１０００℃以下であることが好ましく、加熱時間は、例えば、２時間以上、１０時間以下であることが好ましい。また、形成される酸化被膜の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上、２ｎｍ以下であることが好ましい。酸化被膜の厚さは、加熱温度および／または加熱時間を変化させることにより調整することができる。Ｓ１２０の工程は、特許請求の範囲における被膜形成工程に相当する。また、Ｓ１１０およびＳ１２０の工程は、特許請求の範囲における準備工程に相当する。
【００２３】
次に、上記酸化被膜を溶解させる溶液を用いて、上記酸化被膜が形成された窒化ケイ素の粉末を加湿する（Ｓ１３０）。酸化被膜を溶解させる溶液としては、例えば、アルカリ溶液を用いることができる。アルカリ溶液としては、例えば、アルカリ金属の水酸化物の水溶液（例えば、水酸化ナトリウムの水溶液）や、テトラアルキルアンモニウムの水酸化物の水溶液等を用いることができる。溶液の添加量（加湿量）は、窒化ケイ素の粉末に対して、例えば、２０ｗｔ％以上、３０ｗｔ％以下であることが好ましい。また、溶液として水溶液を用いる場合、該水溶液の濃度は、例えば、０．１Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）以上、１Ｍ以下であることが好ましい。Ｓ１３０の工程は、特許請求の範囲における加湿工程に相当する。
【００２４】
次に、加湿された窒化ケイ素の粉末を加熱しつつ加圧することにより、窒化ケイ素の焼結体を作製する（Ｓ１４０）。このときの加熱加圧は、上記溶液が蒸発する条件で行われる。そのため、この加熱加圧により、窒化ケイ素の粉末の表面に形成された酸化被膜が溶液により溶解されると共に、該溶液が蒸発し、窒化ケイ素の粉末の焼結が進行して窒化ケイ素の焼結体が作製される。この加熱加圧の際の温度は、例えば、１００℃以上、４００℃以下であることが好ましい。また、この加熱加圧の際の圧力は、３５０ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以下であることが好ましく、５００ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以下であることがさらに好ましい。また、この加熱加圧の処理時間は、例えば、３０分以上、２時間以下であることが好ましい。Ｓ１４０の工程は、特許請求の範囲における加熱加圧工程に相当する。
【００２５】
以上の製造方法により、ケイ素系非酸化物セラミックスである窒化ケイ素の焼結体が製造される。
【００２６】
Ａ−３．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の窒化ケイ素（ケイ素系非酸化物セラミックス）の焼結体の製造方法は、表面に酸化被膜が形成された窒化ケイ素の粉末を準備する準備工程（Ｓ１１０，Ｓ１２０）と、酸化被膜を溶解させる溶液を用いて窒化ケイ素の粉末を加湿する加湿工程（Ｓ１３０）と、加湿工程後の窒化ケイ素の粉末を、上記溶液が蒸発する条件で加熱しつつ加圧することにより、窒化ケイ素の焼結体を作製する加熱加圧工程（Ｓ１４０）とを備える。
【００２７】
ここで、窒化ケイ素等のケイ素系非酸化物セラミックスは、共有結合性が高く、そのままでは加湿液による溶解−再析出を発生させることが困難である。そのため、従来は、窒化ケイ素の焼結体は、窒化ケイ素の粉末を比較的高温（例えば、１７００℃以上）で焼成することにより製造されている。しかしながら、本実施形態の窒化ケイ素の焼結体の製造方法では、表面に酸化被膜が形成された窒化ケイ素の粉末を用いることにより、加熱加圧工程において加湿液による溶解−再析出を発生させることができるため、比較的低温で窒化ケイ素の焼結体を得ることができ、窒化ケイ素の焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００２８】
また、本実施形態の窒化ケイ素の焼結体の製造方法において、表面に酸化被膜が形成された窒化ケイ素の粉末を準備する準備工程（Ｓ１１０，Ｓ１２０）は、窒化ケイ素の原料粉末を加熱することによって酸化被膜を形成する被膜形成工程（Ｓ１２０）を含む。そのため、本実施形態の窒化ケイ素の焼結体の製造方法によれば、表面に酸化被膜が形成された窒化ケイ素の粉末を確実に得ることができ、より確実に、比較的低温で窒化ケイ素の焼結体を得ることができ、窒化ケイ素の焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００２９】
また、本実施形態の窒化ケイ素の焼結体の製造方法において、酸化被膜を溶解させる溶液は、アルカリ溶液であることが好ましい。酸化被膜を溶解させる溶液としてアルカリ溶液を用いることにより、加熱加圧工程の際に酸化被膜を確実に溶解させることができ、より確実に、比較的低温で窒化ケイ素の焼結体を得ることができ、窒化ケイ素の焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００３０】
また、本実施形態の窒化ケイ素の焼結体の製造方法において、加熱加圧工程における加圧の圧力は５００ＭＰａ以上であることが好ましい。加熱加圧工程における加圧の圧力を５００ＭＰａ以上とすることにより、比較的低温で、より緻密な窒化ケイ素の焼結体を得ることができ、より緻密な窒化ケイ素の焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができる。
【００３１】
Ａ−４．性能評価：
ケイ素系非酸化物セラミックスである窒化ケイ素の焼結体の製造方法に関して、性能評価を行った。図３は、性能評価の結果を示す説明図である。
【００３２】
図３に示すように、本性能評価には、８個のサンプル（Ｓ１〜Ｓ８）が用いられた。各サンプルは、酸化被膜形成のための加熱処理の条件、酸化被膜を溶解させる溶液による粉末の加湿量、焼結体を得るための加熱加圧処理の条件が、互いに異なっている。各サンプルの作製方法は、以下の通りである。
【００３３】
はじめに、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の原料粉末（デンカ製、ＳＮ−９ＦＷＳ、平均粒径：０．７μｍ）を準備した。次に、基材との反応を抑制するため白金（Ｐｔ）板上に原料粉末をのせ、大気中において、サンプル毎に定められた温度および時間（１０００℃、１０時間、または、８００℃、２時間）で加熱処理を行い、原料粉末の表面に酸化被膜を形成した。ただし、サンプルＳ８については、このような加熱処理を行わなかった。
【００３４】
次に、酸化被膜を溶解させる溶液を用いて、サンプル毎に定められた加湿量（２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％）で、窒化ケイ素の粉末の加湿を行った。酸化被膜を溶解させる溶液としては、１Ｍ（＝１ｍｏｌ／Ｌ）の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）の水溶液を用いた。加湿後、乳鉢で５分間程度混合することで、焼成前の粉末を得た。
【００３５】
次に、得られた粉末を０．５ｇ秤量してφ１２ｍｍの円筒状の金型に入れ、２００℃に設定したプレス機により、サンプル毎に定められた圧力（３５０ＭＰａ〜１５００ＭＰａ）で一軸プレスした。この加熱加圧状態を、３０分間保持した。なお、加圧は上下パンチにより粉末プレスがなされるが、粉末とパンチの間にポリイミドフィルムを挿入した。加熱加圧処理の後、１２０℃、４時間の乾燥処理を行った。以上の工程により、φ１２ｍｍ、厚さ１．５〜２．０ｍｍの窒化ケイ素の焼結体の各サンプルを得た。
【００３６】
また、各サンプルを対象として、緻密性に関する評価を行った。すなわち、断面観察を行うことにより焼結体として形状が維持できていることが確認された各サンプルの寸法嵩密度を測定し、相対密度が７０％以上である場合に非常に優秀（◎）と判定し、相対密度が５５％以上、７０％未満である場合に優秀（○）と判定し、相対密度が５５％未満である場合に不良（×）と判定した。なお、焼結体として形状が維持できていないことが確認されたサンプルは、評価不能（−）とした。
【００３７】
図３に示すように、原料粉末の表面に酸化被膜を形成するための加熱処理を行うことなく、加湿処理および加熱加圧処理を行ったサンプルＳ８では、焼結体として形状が維持できていないことが確認されたため、評価不能（−）と判定された。ケイ素系非酸化物セラミックスである窒化ケイ素は、共有結合性が高く、そのままでは加湿液による溶解−再析出を発生させることが困難である。そのため、サンプルＳ８では、加湿処理および加熱加圧処理を行っても、焼結体が形成されなかったものと考えられる。
【００３８】
一方、原料粉末の表面に酸化被膜を形成するための加熱処理を行った後に、加湿処理および加熱加圧処理を行ったサンプルＳ１〜Ｓ７では、焼結体として形状が維持できていることが確認され、かつ、相対密度が５５％以上であるとして、優秀（○）または非常に優秀（◎）と判定された。サンプルＳ１〜Ｓ７は、加熱処理を行うことによって原料粉末の表面に酸化被膜を形成した後に、加湿処理および加熱加圧処理を行うことにより作製されたものであるため、加熱加圧工程において加湿液による溶解−再析出を発生させることができ、２００℃という比較的低温で、一定以上の緻密性を有する窒化ケイ素の焼結体を得ることができたものと考えられる。
【００３９】
以上の性能評価結果によれば、上述した実施形態の窒化ケイ素の焼結体の製造方法のように、表面に酸化被膜が形成された窒化ケイ素の粉末を準備し、酸化被膜を溶解させる溶液を用いて窒化ケイ素の粉末を加湿し、加湿後の窒化ケイ素の粉末を、上記溶液が蒸発する条件で加熱しつつ加圧することにより、比較的低温で窒化ケイ素の焼結体を作製することができ、窒化ケイ素の焼結体の製造に伴う消費エネルギーを低減することができることが確認された。
【００４０】
なお、加熱加圧処理における加圧の圧力が５００ＭＰａ未満であるサンプルＳ５〜Ｓ７では、相対密度が５５％以上、７０％未満であるとして優秀（○）と判定された一方、加熱加圧処理における加圧の圧力が５００ＭＰａ以上であるサンプルＳ１〜Ｓ４では、相対密度が７０％以上であるとして非常に優秀（◎）と判定された。この結果から、加熱加圧処理における加圧の圧力が５００ＭＰａ以上であると、比較的低温で、より緻密な窒化ケイ素の焼結体を得ることができるため、より好ましいと言える。
【００４１】
Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
【００４２】
上記実施形態における窒化ケイ素の焼結体の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、表面に酸化被膜が形成されていない窒化ケイ素の原料粉末を準備し（Ｓ１１０）、該原料粉末を加熱することにより、原料粉末の表面に酸化被膜を形成する（Ｓ１２０）ものとしているが、これに代えて、予め表面に酸化被膜が形成された窒化ケイ素の原料粉末を購入するなどして準備するものとしてもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、ケイ素系非酸化物セラミックスの１つである窒化ケイ素を例に用いて製造方法を説明したが、本発明は、窒素ケイ素以外の他のケイ素系非酸化物セラミックス（炭化ケイ素、サイアロン等）の製造方法にも同様に適用可能である。
【００４４】
また、上記実施形態では、配線基板１０が備える放熱部材１００を構成するケイ素系非酸化物セラミックスを例に用いて製造方法を説明したが、本発明は、エンジン用部品材料、ベアリング用材料、ディーゼル微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）用材料、水分離膜といった他の用途に用いられるケイ素系非酸化物セラミックスの製造方法にも同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０：配線基板  １００：放熱部材  １１０：半導体素子  １２０：メタライズ配線層  １３０：ボンディングワイヤ  １４０：封止部材
【図１】
2020066544.tif 000003
【図２】
2020066544.tif 000004
【図３】
2020066544.tif 000005