(57)【要約】【課題】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を提供することにある。【解決手段】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。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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窒化ケイ素焼結体基板。
【請求項２】
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基板。
【請求項３】
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窒化ケイ素焼結体基板。
【請求項４】
３点曲げ強度が７５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体基板。
【請求項５】
熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体基板。
【請求項６】
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ることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体基板。
【請求項７】
前記焼結助剤は、１．５〜３．５重量％のＭｇＯと、１〜４重量％のＹ２Ｏ３とからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体基板。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の窒化ケイ素焼結体基板と、
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。
【請求項９】
−４０℃から１５０℃までの熱サイクルを３０００回繰り返しても前記窒化ケイ素焼結体基板にクラックが生じないことを特徴とする電子装置。
【請求項１０】
β−Ｓｉ３Ｎ４の比率が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窒化ケイ素焼結体の製造方法。
【請求項１１】
前記スラリーの粘度を１３０００〜１８０００ｃｐｓに調整することを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
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することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
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し、前記スラリーの溶媒を揮発させることを含み、前記スラリーを真空中に置いた時間に前記スラリーの粘度が依存することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１４】
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ることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記焼結助剤は、１．５〜３．５重量％のＭｇＯと、１〜４重量％のＹ２Ｏ３とからなることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の製造方法。
【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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３０８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）α相型窒化ケイ素粒子のＳＥＭ画像、及び（ｂ）β相型窒化ケイ素粒子のＳＥＭ画像。
【図２】窒化ケイ素焼結体基板のＳＥＭ画像。
【図３】本発明の一実施形態の窒化ケイ素焼結体の製造方法を示すフローチャート。
【図４】本発明の成形工程の一例を示す模式図。
【図５】本発明において、第１方向及び第２方向の破壊靱性値の測定方法を説明するための模式図。
【図６】本発明の実施例１において、（ａ）破壊靱性試験後の窒化ケイ素焼結体基板断面の画像と、（ｂ）配向度に関連するＸ線回折ピークを示す。
【図７】本発明の比較例１において、（ａ）破壊靱性試験後の窒化ケイ素焼結体基板断面の画像と、（ｂ）配向度に関連するＸ線回折ピークを示す。
【図８】本発明の比較例２において、（ａ）破壊靱性試験後の窒化ケイ素焼結体基板断面の画像と、（ｂ）配向度に関連するＸ線回折ピークを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
（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。
【００３０】
（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。
【００３１】
（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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【実施例】
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
・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。
【００４３】
・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。
【００４４】
・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。
【００４５】
・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。
【００４６】
・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。
【００４７】
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。
【００４８】
【表２】
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【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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）。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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