(57)【要約】【課題】熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体およびその製造方法を提供する。【解決手段】窒化ケイ素焼結体は、元素として、ケイ素、イットリウム、マグネシウム、酸素、および窒素を含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含む。窒化ケイ素焼結体の製造方法は、上記態様にかかる窒化ケイ素焼結体の製造方法であって、複数の原料を混合して混合原料を得る混合工程Ｓ１０と、混合原料を成形して成形体を得る形成工程Ｓ２０と、成形体を焼結して焼結体を得る焼結工程Ｓ３０と、を含み、混合工程Ｓ１０において、ホモジナイザーを用いて複数の原料を混合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
元素として、ケイ素、イットリウム、マグネシウム、酸素、および窒素を含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含む窒化ケイ素焼結体。
【請求項２】
イットリウムおよびマグネシウム以外の不純物金属元素の各々の含有量が０．５質量％以下である請求項１に記載の窒化ケイ素焼結体。
【請求項３】
熱伝導率が９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上である請求項１または請求項２に記載の窒化ケイ素焼結体。
【請求項４】
３点曲げ強度が６５０ＭＰａ以上である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の窒化ケイ素焼結体。
【請求項５】
元素として、ケイ素、イットリウム、マグネシウム、酸素、および窒素を含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含み、
イットリウムおよびマグネシウム以外の不純物金属元素の各々の含有量が０．５質量％以下であり、
熱伝導率が９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上であり、
３点曲げ強度が６５０ＭＰａ以上である窒化ケイ素焼結体。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の窒化ケイ素焼結体の製造方法であって、
複数の原料を混合して混合原料を得る混合工程と、
前記混合原料を成形して成形体を得る形成工程と、
前記成形体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、を含み、
前記混合工程において、ホモジナイザーを用いて前記複数の原料を混合する窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ケイ素焼結体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高電圧で大電流動作が可能なパワー半導体モジュールの開発に伴い、かかるパワー半導体モジュールに用いることができる高伝導率の焼結体の開発が求められている。
【０００３】
たとえば、国際公開２０１０／００２００１号（特許文献１）は、β型窒化ケイ素の結晶粒子と、少なくとも１種類の希土類元素（ＲＥ）、マグネシウム（Ｍｇ）およびケイ素（Ｓｉ）を含有する粒界相からなる窒化ケイ素基板において、粒界相は非晶質相とＭｇＳｉＮ2結晶相からなり、ＲＥを含んだ結晶相のいずれの結晶面のＸ線回折線ピーク強度もβ型窒化ケイ素の結晶粒子の（１１０）、（２００）、（１０１）、（２１０）、（２０１）、（３１０）、（３２０）、および（００２）の回折線ピーク強度の和の０．０００５倍未満であり（すなわち、ＲＥを含んだ結晶相を実質的に含まず）、ＭｇＳｉＮ2結晶相の（１２１）のＸ線回折線ピーク強度がβ型窒化ケイ素の結晶粒子の（１１０）、（２００）、（１０１）、（２１０）、（２０１）、（３１０）、（３２０）、および（００２）の回折線ピーク強度の和の０．０００５〜０．００３倍である窒化ケイ素質焼結体を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開２０１０／００２００１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
国際公開２０１０／００２００１号（特許文献１）に開示された窒化ケイ素質焼結体は、粒界相としてＭｇＳｉＮ2結晶相および／またはＹ2Ｓｉ3Ｏ3Ｎ4結晶相を含んでおり、ＭｇＳｉＮ2結晶相は熱伝導率が比較的高いが酸素をトラップする能力がなく、Ｙ2Ｓｉ3Ｏ3Ｎ4結晶相は熱伝導率が低く酸素をトラップする能力が低いため、β型窒化ケイ素結晶粒子中に酸素が固溶して熱伝導率を低くするため、窒化ケイ素質焼結体の熱伝導率を高くすることが難しいという問題点があった。
【０００６】
そこで、上記問題点を解決して、熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様にかかる窒化ケイ素焼結体は、元素として、ケイ素、イットリウム、マグネシウム、酸素、および窒素を含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含む。
【０００８】
本発明の別の態様にかかる窒化ケイ素焼結体の製造方法は、上記態様の窒化ケイ素焼結体の製造方法であって、複数の原料を混合して混合原料を得る混合工程と、混合原料を成形して成形体を得る形成工程と、成形体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、を含み、混合工程において、ホモジナイザーを用いて複数の原料を混合する。
【発明の効果】
【０００９】
上記によれば、熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結体およびその製造方法を提供することができる。かかる窒化ケイ素焼結体は、熱伝導率が高く放熱性能が高いため、パワー半導体モジュールにおける放熱基板などに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本窒化ケイ素焼結体の製造方法の各工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
【００１２】
本発明のある実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体は、元素として、ケイ素、イットリウム、マグネシウム、酸素、および窒素を含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含む。
本実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体は、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相を含んでおり、かかる結晶相は熱伝導率が高くかつ酸素のトラップ能力が高いため、窒化ケイ素結晶粒子への酸素の固溶が抑制されて、窒化ケイ素焼結体全体として熱伝導率が高い。
【００１３】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体において、イットリウムおよびマグネシウム以外の不純物金属元素の各々の含有量を０．５質量％以下とすることができる。かかる窒化ケイ素焼結体は、イットリウムおよびマグネシウム以外の不純物金属元素の含有量が０．５質量％以下と低いため、熱伝導率が高い。
【００１４】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体において、熱伝導率を９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上とすることができる。かかる窒化ケイ素焼結体は、熱伝導率が９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上と高い。
【００１５】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体において、３点曲げ強度を６５０ＭＰａ以上とすることができる。かかる窒化ケイ素焼結体は、３点曲げ強度が６５０ＭＰａ以上と高いため、熱サイクルによるクラックの発生が抑制され、耐久性および信頼性が高い。
【００１６】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体は、元素として、ケイ素、イットリウム、マグネシウム、酸素、および窒素を含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含み、イットリウムおよびマグネシウム以外の不純物金属元素の各々の含有量を０．５質量％以下とし、熱伝導率を９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上とし、３点曲げ強度を６５０ＭＰａ以上とすることができる。かかる窒化ケイ素焼結体は、熱伝導率が９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上と高いとともに、３点曲げ強度が６５０ＭＰａ以上と高いため、熱サイクルによるクラックの発生が抑制され、耐久性および信頼性が高い。
【００１７】
本発明の別の実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体の製造方法は、上記の実施形態の窒化ケイ素焼結体の製造方法であって、複数の原料を混合して混合原料を得る混合工程と、混合原料を成形して成形体を得る形成工程と、成形体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、を含み、混合工程において、ホモジナイザーを用いて複数の原料を混合する。
【００１８】
本実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体の製造方法は、混合工程においてホモジナイザーを用いて複数の原料を混合するため、原料を微粒化かつ高分散化できるとともに不純物元素の混入を抑制できて、上記の実施形態の窒化ケイ素焼結体を製造することができる。
【００１９】
[本発明の実施形態の詳細]
＜実施形態１：窒化ケイ素焼結体＞
本実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体は、元素として、Ｓｉ（ケイ素）、Ｙ（イットリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｏ（酸素）、およびＮ（窒素）を含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含む。
【００２０】
窒化ケイ素は、それ自体では焼結が困難な難焼結物質であるため、焼結助剤として特定の金属を含む酸化物を添加して焼結することにより、特定の金属を含む酸化物により窒化ケイ素の表面の融点が低くなり、特定の金属を含む酸化物の溶解と窒化ケイ素の表面からの溶解とによって液相が形成され、液相からの窒化ケイ素の再析出によって、窒化ケイ素結晶粒子（詳しくはβ型窒化ケイ素結晶粒子）の形成とともに焼結が進行する。また、窒化ケイ素結晶粒子の熱伝導は、フォノンという格子振動により伝播する。このため、窒化ケイ素結晶粒子の結晶の格子内に不純物元素が存在すると、フォノンが散乱されて、窒化ケイ素結晶粒子の熱伝導が阻害され熱伝導率が著しく低下する。
焼結助剤として添加されるＹを含有する酸化物は、再析出する窒化ケイ素結晶粒子中にＹが固溶せず、かつ、Ｙを含有する酸化物相で原料中の固溶酸素に由来するＯをトラップして窒化ケイ素結晶粒子内へのＯなどの不純物元素の固溶を抑制する。これにより、窒化ケイ素結晶粒子の不純物元素によるフォノンの散乱が抑制されるため、窒化ケイ素結晶粒子の熱伝導率を高めることができる。また、焼結助剤として添加されるＭｇを含有する酸化物は、窒化ケイ素結晶粒子表面に形成されるＳｉＯ2などの酸化物およびＳｉＯＮなどの酸窒化物の融点を低下するため、窒化ケイ素の液相焼結に適している。
【００２１】
実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体は、元素として、Ｓｉ、Ｙ、Ｍｇ、Ｏ、およびＮを含有する。かかるＳｉ、Ｙ、Ｍｇ、Ｏ、およびＮは、原料に含まれるものであり、より詳しくは、ＳｉおよびＮが主原料である窒化ケイ素粉末に含まれ、Ｙ、ＭｇおよびＯが焼結助剤である酸化イットリウム粉末および酸化マグネシウム粉末に含まれる。本実施形態の窒化ケイ素焼結体の全体の質量に対して、Ｙの含有量は、好ましくは０．５質量％以上１０．４質量％以下、より好ましくは０．６質量％以上６．０質量％以下であり、さらに好ましくは２．２質量％以上４．０質量％以下である。また、Ｍｇの含有量は、好ましくは０．０５質量％以上２．０質量％以下、より好ましくは０．０７質量％以上１．０質量％以下、さらに好ましくは０．１５質量％以上０．５質量％以下である。Ｏの含有量は、好ましくは０．３質量％以上２．０質量％以下、より好ましくは０．５質量％以上１．５質量％以下、さらに好ましくは０．８質量％以上１．１質量％以下である。Ｙの含有量が０．５質量％未満、Ｍｇの含有量が０．０５質量％未満、またはＯの含有量が０．３質量％未満であると、焼結助剤の量が不足することから焼結が進まず、十分な焼結体密度が得られない場合がある。Ｙの含有量が１０．４質量％より大きい、Ｍｇの含有量が２．０質量％より大きい、またはＯが２．０質量％より大きいと、窒化ケイ素結晶粒子に比べて熱伝導率が低い焼結助剤相の量が多くなり、窒化ケイ素焼結体全体としての熱伝導率が高くならない場合がある。
【００２２】
Ｓｉ3Ｎ4（窒化ケイ素）の定性分析は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製Ｘ’Ｐｅｒｔ  ＰＲＯまたは同等の装置を用いたＸ線回折の後、Ｒｉｇａｋｕ社製統合粉末Ｘ線解析ソフトウェアのＰＤＸＬ２または同等のソフトウェアを用いて行なう。Ｘ線回折は、４５ｋＶ、４０ｍＡで励起したＣｕ−Ｋα線を利用し、θ−２θ法による走査により、０．０３°のステップ幅で、１秒の積算時間で行なう。ＹおよびＭｇの定性分析および定量分析は、ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製ＩＣＰＳ−８１００または同等の装置を用いて、誘導結合プラズマ−発光分光分析（ＩＣＰ−ＡＥＳ）法により行なう。Ｏの同定は、ＨＯＲＩＢＡ社製ＥＭＧＡ６５０Ｗまたは同等の装置を用いて、不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収（ＮＤＩＲ）法により行なう。
【００２３】
上記のように、窒化ケイ素は、難焼結物質であり、Ｙおよび／またはＭｇを含有する酸化物の焼結助剤を添加することにより、液相が生成し、焼結が進行する。したがって、窒化ケイ素焼結体には、窒化ケイ素結晶粒子の他に、焼結助剤であるＹおよび／またはＭｇを含む焼結助剤相が存在する。すなわち、窒化ケイ素の熱伝導率は窒化ケイ素結晶粒子と焼結助剤相との複合体の全体の熱伝導率であるため、結晶助剤相の熱伝導率を高くすることにより、窒化ケイ素焼結体全体の熱伝導率を向上することができる。また、窒化ケイ素の熱伝導は、フォノンと呼ばれる格子振動によって伝播されるため、結晶の格子中にＯなどの不純物元素が存在すると、フォノンの散乱によって熱伝導が阻害され熱伝導率が著しく低下する。したがって、窒化ケイ素結晶粒子の原料中の溶存酸素に由来するＯを結晶助剤相中にトラップすることで、熱伝導率への寄与が大きい窒化ケイ素粒結晶粒子の熱伝導率を向上させることができ、窒化ケイ素焼結体全体の熱伝導率を向上させることができる。したがって、焼結助剤相の組成、構造および特性の制御は、窒化ケイ素焼結体全体の熱伝導率を向上させるために重要と考えられる。
【００２４】
本実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体は、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含む。すなわち、本実施形態の窒化ケイ素焼結体は、上記の焼結助剤相の少なくとも一部として、線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相を含む、と考えられる。
【００２５】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体において、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相は、その組成、構造および特性がよくわかっていないが、窒化ケイ素焼結体全体の熱伝導率を高める。Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相は、おそらく、その結晶相自体が高い熱伝導率を有しているか、および／またはＯなどの不純物元素をトラップして窒化ケイ素結晶粒子に固溶するのを抑制して、窒化ケイ素結晶粒子の熱伝導率を高めるか、により窒化ケイ素焼結体全体の熱伝導率を高めるものと考えられる。
【００２６】
Ｘ線回折において上記の結晶相が有する回折ピークの回折角２θは、窒化ケイ素焼結体全体の熱伝導率を高める観点から、２９．２０°より大きく３０．００°より小さく、好ましくは２９．２０°より大きく２９．５０°より小さく、より好ましくは２９．２０°より大きく２９．３５°より小さい。
【００２７】
Ｘ線回折には、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製Ｘ’ＰｅｒｔＰＲＯまたは同等の装置を用いる。Ｘ線は、励起条件が４５ｋＶで４０ｍＡのＣｕ−Ｋα線を用いる。走査は、θ−２θ法を用いる。ステップ幅は０．０３°とし、積算時間は１秒とする。Ｘ線回折ピークの解析には、Ｒｉｇａｋｕ社製統合粉末Ｘ線解析ソフトウェアのＰＤＸＬ２または同等のソフトウェアを用いる。
【００２８】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体において、ＹおよびＭｇ以外の不純物金属元素の各々の含有量は、０．５質量％以下が好ましく、０．３質量％以下がより好ましく、０．１質量％以下がさらに好ましい。窒化ケイ素の熱伝導はフォノンと呼ばれる格子振動によって伝播される。窒化ケイ素焼結体は、結晶の格子中に不純物が存在するとフォノンの散乱によって熱伝導が阻害され熱伝導率が著しく低下する。したがって、窒化ケイ素焼結体の熱伝導率を高くするために、窒化ケイ素結晶粒子中の不純物金属元素を低減することが好ましい。たとえば、Ａｌ（アルミニウム）は、窒化ケイ素結晶粒子に固溶しやすく、Ｏとともに窒化ケイ素結晶粒子に固溶することにより、熱伝導率が低いサイアロンを生成するため、窒化ケイ素焼結体の熱伝導率を高めることの阻害因子となる。そこで、本実施形態の窒化ケイ素焼結体は、ＹおよびＭｇ以外の不純物金属元素の各々の含有量が０．５質量％以下と低いことから、窒化ケイ素結晶粒子の熱伝導率が高くなり、窒化ケイ素焼結体の熱伝導率が高くなる。
【００２９】
窒化ケイ素焼結体中の不純物金属元素の定量分析には、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を光源とする発光分光分析（ＡＥＳ）法を用いる。ＩＣＰ−ＡＥＳ（誘導結合プラズマ−発光分光分析）装置には、たとえば、ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製ＩＣＰＳ−８１００または同等の装置を用いる。ＩＣＰ−ＡＥＳの際の手順を以下に例示する。前処理として、まず、焼結体をメノウ製の乳鉢と乳棒を使用して粉砕する。その後、粉砕した０．１ｇの焼結体の粉末を２ｇの炭酸カルシウムおよび０．５ｇの酸化ホウ素からなるアルカリ溶媒とともに白金ルツボ中に投入して１０００℃で溶融し、その溶融体を２０ｍｌの３５質量％の塩酸および２０ｍｌのイオン交換水からなる酸性溶液内にて６０℃で回収した後に、イオン交換水にて２００ｍｌまで希釈する。このようにして得られる試料溶液を霧状にしてＡｒプラズマに導入することにより励起された金属元素が、基底状態に戻る際に放出される光を分光しその強度から定量分析を行なう。
【００３０】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体において、熱伝導率は、９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上が好ましく、１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上がより好ましく、１０５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上がさらに好ましい。かかる窒化ケイ素焼結体は、熱伝導率が９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上と高いため、放熱性能が高く、放熱基板として好適である。
【００３１】
窒化ケイ素焼結体の熱伝導率の算出には、熱拡散率、比重、比熱が必要である。熱拡散率の測定には、光交流法（スキャニングレーザ加熱ＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）法・Ａｎｇｔｒｏｍ法）またはレーザフラッシュ法を用いる。光交流法では、ＵＬＶＡＣ社製Ｌａｓｅｒ−ＰＩＴ装置または同等装置を用いる。本装置での測定手順を以下に例示する。照度が均一な周波数２．５〜１０Ｈｚの帯状レーザ光を照射しつつ試験片の長手方向にレーザ光を移動させることにより、試験片の裏面に取り付けた一本の熱電対でＡＣ温度応答を測定し、その温度応答の振幅と位置に対する減衰率から熱拡散率を算出する。試験片の形状は、幅２．５〜５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ以下であり、レーザ加熱面のみグラファイトスプレーにて黒体化処理を行なう。熱電対と試験片とは銀ペーストにて接着する。レーザフラッシュ法では、ＵＬＶＡＣ社製ＴＣ−７０００または同等装置を用いる。試験片の表面にレーザパルスを照射したときの試験片裏面の温度履歴曲線から熱拡散率を算出する（ＪＩＳ  Ｒ１６１１：２０１０を参照）。試験片の形状は、直径１０ｍｍ、厚さ３〜６ｍｍであり、試験片の全体をグラファイトスプレーにて黒体化処理を行なう。比重測定にはアルキメデス法を用い、比熱には０．６８Ｊ・ｇ-1・Ｋ-1を用いる。
【００３２】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体において、３点曲げ強度は、６５０ＭＰａ以上が好ましく、６７０ＭＰａ以上がより好ましく、７００ＭＰａ以上がさらに好ましい。かかる窒化ケイ素焼結体は、３点曲げ強度が６５０ＭＰａ以上と高いため、熱サイクルによるクラックの発生が抑制され、耐久性および信頼性が高い。
【００３３】
窒化ケイ素焼結体の３点曲げ強度は、厚み３ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を作製し、ＪＩＳ  Ｒ１６０１：２００８に基づいて、室温（２５℃）において３点曲げ強度を測定し、１０個の試験片の測定値の平均値とする。
【００３４】
すなわち、本実施形態の窒化ケイ素焼結体は、元素として、Ｓｉ、Ｙ、Ｍｇ、Ｏ、およびＮを含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含み、ＹおよびＭｇ以外の不純物金属元素の各々の含有量が０．５質量％以下であり、熱伝導率が９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上であり、３点曲げ強度が６５０ＭＰａ以上であることが好ましい。かかる窒化ケイ素焼結体は、熱伝導率が９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上と高いとともに、３点曲げ強度が６５０ＭＰａ以上と高いため、熱サイクルによるクラックの発生が抑制され、耐久性および信頼性が高い。
【００３５】
＜実施形態２：窒化ケイ素焼結体の製造方法＞
図１を参照して、本実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体の製造方法は、実施形態１の窒化ケイ素焼結体の製造方法であって、複数の原料を混合して混合原料を得る混合工程Ｓ１０と、混合原料を成形して成形体を得る形成工程Ｓ２０と、成形体を焼結して焼結体を得る焼結工程Ｓ３０と、を含み、混合工程Ｓ１０において、ホモジナイザーを用いて複数の原料を混合する。
【００３６】
本実施形態にかかる窒化ケイ素焼結体の製造方法は、混合工程Ｓ１０において、ホモジナイザーを用いることを特徴とする。ここで、ホモジナイザーとは、ブランジャーポンプにて高圧に加圧した懸濁液を、微細かつ特殊な形状を有するオリフィスに押し流すことにより、高速流を発生させて、キャビテーションを発生させ、キャビティーが消滅する際の衝撃力で原料の粒子の分散・解砕・混合を促進する装置のことである。すなわち、ホモジナイザーは、粉砕ではなく、二次粒子の解砕を特徴としており、窒化ケイ素結晶粒子の表面状態を変化させることなく粒子を微粒化できる。また、ホモジナイザーは、処理後再凝集しづらく、原料中の焼結助剤を高分散することが可能である。原料中の焼結助剤が高分散されると、焼結助剤と窒化ケイ素結晶粒子の表面層の反応が促進される。また、ボールミルではミル用媒体（ボール）からの不純物元素の混入のおそれがあるのに対して、ホモジナイザーは、ボールミルのようなミル用媒体がないため、不純物元素の混入を抑制することが可能である。すなわち、ホモジナイザーは、原料を微粒化かつ高分散化できるとともに不純物元素の混入を抑制できる。
【００３７】
上記の窒化ケイ素焼結体の製造方法によって、実施形態１の窒化ケイ素焼結体（すなわち、元素として、Ｓｉ、Ｙ、Ｍｇ、Ｏ、およびＮを含有し、かつ、窒化ケイ素結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含む窒化ケイ素焼結体）を効率よく製造することが可能であると考えられる。
【００３８】
ホモジナイザーを用いた解砕・微粒化は、スギノマシン社製のスターバーストまたは同等の装置を用いて実施する。原料を含むスラリーをブランジャーポンプによって加圧し、スラリー中の原料の粒子を高速で斜向衝突させることによって微粒化できる。また、ホモジナイザーを用いた混合処理プロセスを数回繰り返すことで、原料の粒子の微細化がさらに促進される。この混合処理プロセスの回数を処理回数と呼ぶ。処理回数は、原料の微粒化、粒径最適化かつ高分散化とともに製造コストを抑制する観点から、１回以上３０回以下が好ましく、１回以上１０回以下がより好ましく、１回以上３回以下がさらに好ましい。プランジャーポンプによる加圧される原料の処理圧力は、原料の微粒化、粒径最適化かつ高分散化とともにプランジャーポンプへの負荷を抑制する観点から、５０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下が好ましく、１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下がより好ましく、１５０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下がさらに好ましい。
【００３９】
本実施形態の窒化ケイ素焼結体の製造方法において、好適に用いられる原料は、主原料である窒化ケイ素粉末と、焼結助剤であるＹおよび／またはＭｇを含む酸化物である酸化イットリウム粉末および／または酸化マグネシウム粉末である。原料の混合割合は、特に制限はないが、実施形態１の窒化ケイ素焼結体を効率よく製造する観点から、無機粉末原料の全体を１００質量％とするとき、窒化ケイ素粉末が８７．６質量％以上９８．５質量％以下、酸化イットリウム粉末が０．５質量％以上１０．０質量％以下、酸化マグネシウム粉末が０．５質量％以上２．０質量％以下であることが好ましい。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明について、実施例１〜５および比較例１〜４に基づいて詳細に説明する。
１．混合原料の調製（混合工程）
実施例１〜５および比較例１〜４について、原料として、表１に示す質量部のＳｉ3Ｎ4（窒化ケイ素）粉末、Ｙ2Ｏ3（酸化イットリウム）粉末およびＭｇＯ（酸化マグネシウム）粉末、有機バインダーである３１．５質量部のＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、ならびに分散媒である１４５質量部のエタノールを、表１に示す混合条件で混合して、混合原料である混合スラリーを調製した。混合方法がホモジナイザー混合の場合は、スギノマシン社製のスターバーストラボを用いた。なお、ホモジナイザー混合における処理回数とは、混合スラリーをホモジナイザーのオリフィスに通す回数を意味する。混合方法が超音波混合の場合は、超音波の周波数を４０ｋＨｚとし、混合時間を６０ｍｉｎとした。混合方法がボールミル混合の場合は、ボールミルの回転数を３５０回／ｍｉｎとし、混合時間を２４ｈｒとした。
【００４１】
Ｓｉ3Ｎ4粉末の平均粒径は０．８μｍ以上１．３μｍ以下、Ｙ2Ｏ3粉末の平均粒径は１．３μｍ以上１．８μｍ以下、ＭｇＯ粉末の平均粒径は１．０μｍ以上１．５μｍ以下であった。これらの原料の粉末の平均粒径は、ＭｉｃｒｏｔｒａｃＢＥＬ社製マイクロトラックＭＴ３３００ＥＸを用いて、レーザ回折散乱法により測定した。これらの原料の不純物金属元素の分析は、ＩＣＰ−ＡＥＳ法により、これらの原料の粉末を含む試料溶液を霧状にしてＡｒプラズマに導入することにより励起された金属元素が基底状態に戻る際に放出される光の波長から定性分析を行ない、その光の強度から定量分析を行なった。
【００４２】
２．成形体の形成（成形工程）
上記のようにして得られた混合原料である混合スラリーを、乾燥した後、篩によって篩分した後、一軸加圧成形法により、１．０ｔｏｎｆ／ｃｍ2の成形圧力で成形することにより、成形体を形成した。
【００４３】
３．焼結体の形成（焼結工程）
上記のようにして得られた成形体を、８００℃の大気圧大気フロー雰囲気下で、残量炭素量が２００ｐｐｍ（０．０２質量％）になるまで脱脂した。次いで、脱脂した成形体を、窒素雰囲気下で表１に示す焼結圧力、焼結温度、焼結時間で焼結した。焼結時に、分子ふるい方式のフィルターを用いて焼結を実施した。
焼結時の酸素濃度は、巴商会社製Ｎｅｕｔｒｏｎｉｃｓ：ＯＡ−１Ｓ＋ＰＰＢを用いて測定した。次いで、その焼結温度から１０００℃まで３０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却した後、徐冷した。
【００４４】
上記のようにして得られた焼結体について、Ｓｉ3Ｎ4結晶粒子を同定し、Ｙ、Ｍｇ、Ｏ、ならびに不純物金属元素であるＡｌおよびＦｅの含有量を定量し、ＭｇＯ結晶相の有無を確認し、熱伝導率、曲げ強度を導出した。結果を表１にまとめた。ここで、Ｓｉ3Ｎ4結晶粒子の同定および回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークの同定は、Ｘ線回折により行なった。Ｘ線回折は、４５ｋＶ、４０ｍＡで励起したＣｕ−Ｋα線を用いて、θ−２θ法による走査を、０．０３°のステップ幅、１秒の積算時間で行なった。Ｙ、Ｍｇ、ＡｌおよびＦｅの分析は、ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製ＩＣＰＳ−８１００を用いてＩＣＰ−ＡＥＳ法により行なった。Ｏの分析は、ＨＯＲＩＢＡ社製ＥＭＧＡ６５０Ｗを用いて不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収（ＮＤＩＲ）法により行なった。
【００４５】
また、Ｓｉ3Ｎ4焼結体の熱伝導率の算出は、熱拡散率、比重、および比熱から行なった。熱拡散率の測定は、光交流法により、ＵＬＶＡＣ社製Ｌａｓｅｒ−ＰＩＴ装置を用いて行なった。本装置にて、照度が均一な周波数２．５Ｈｚ〜１０Ｈｚの帯状レーザ光を照射しつつ試験片の長手方向にレーザ光を移動させることにより、試験片の裏面に取り付けた一本の熱電対でＡＣ温度応答を測定し、その温度応答の振幅と位置に対する減衰率から熱拡散率を算出した。試験片の形状は、幅２．５ｍｍ〜５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ以下であり、レーザ加熱面のみグラファイトスプレーにて黒体化処理を行なった。熱電対と試験片とは銀ペーストにて接着した。比重測定はアルキメデス法により行なった。比熱は０．６８Ｊ・ｇ-1・Ｋ-1を用いた。３点曲げ強度は、厚み３ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を調製し、ＪＩＳ  Ｒ１６０１：２００８に基づいて、室温（２５℃）にて、２支点間の間隔が３０ｍｍで、２支点の中間点から曲げたときの３点曲げ強度として測定し、１０個の試験片の３点曲げ強度の平均値とした。結果を表１にまとめた。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
表１を参照して、実施例１〜５に示すように、混合工程においてホモジナイザー混合を用いて製造された窒化ケイ素焼結体は、元素として、Ｓｉ、Ｙ、Ｍｇ、Ｏ、およびＮを含み、かつ、Ｓｉ3Ｎ4結晶粒子と、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相と、を含んでいた。かかる窒化ケイ素焼結体は、９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上の高い熱伝導率を示し、また、６５０ＭＰａ以上の高い３点曲げ強度を示した。
【００４８】
これに対して、比較例１〜３に示すように、混合工程において超音波混合を用いて製造された窒化ケイ素焼結体は、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相を含まず、９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1未満の低い熱伝導率を示し、また、６５０ＭＰａ未満の低い３点曲げ強度を示すに留まった。
【００４９】
また、比較例４に示すように、混合工程においてボールミル混合を用いて製造された窒化ケイ素焼結体も、Ｘ線回折における回折角２θが２９．２０°より大きく３０．００°より小さい回折ピークを有する結晶相を含まず、９５Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1未満の低い熱伝導率を示し、また、６５０ＭＰａ未満の低い３点曲げ強度を示すに留まった。
【００５０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ１０  混合工程
Ｓ２０  成形工程
Ｓ３０  焼結工程
【図１】
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