(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
式ＭｇＳｉＮ2で表わされる珪窒化マグネシウム相を９５ｗｔ％以上含有し、かつ比表面積が５〜２０ｍ2／ｇの範囲であることを特徴とする珪窒化マグネシウム粉末。
【請求項２】
酸素含有量が０．２〜５ｗｔ％である請求項１記載の珪窒化マグネシウム粉末。
【請求項３】
非晶質窒化珪素粉末及び窒化マグネシウム粉末を、ＳｉとＭｇの原子比が０．９５〜１．０５対１．０５〜０．９５組成になるように混合し、混合物を窒素含有雰囲気下で１３００〜１６００℃の温度範囲に加熱して結晶化させることを特徴とする請求項１記載の珪窒化マグネシウム粉末の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温焼結性に優れ、高熱伝導性セラミックスを製造するために有用な珪窒化マグネシウム粉末及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術およびその問題点】
従来より高熱伝導性焼結体として、窒化アルミニウム焼結体が使用されているが、難焼結性材料であり、最高温度１６００℃以上の焼結温度が必要である。更に、窒化アルミニウムは耐水性に乏しいため、焼結体原料調製に非水溶媒を持ちいなければならない。しかし、多層基板製造プロセスの面から低温焼結性、耐水性に優れた高熱伝導性セラミックスの開発が求められている。
珪窒化マグネシウム焼結体は、耐水性に優れた、比較的熱伝導性の高いセラミックスとして知られている。しかし、窒化珪素粉末と窒化マグネシウム粉末の混合粉末を成形・焼結する従来からの手法では、焼結時に窒化珪素と窒化マグネシウムの反応と緻密化が同時に進行する。従って、焼結体組織が不均一になったり、気孔の残存が見られ、熱伝導性が向上しない。そこで、予め珪窒化マグネシウム粉末を合成し、それを焼結体原料とする方法が考えられている。ところが、珪窒化マグネシウム粉末が粗大粒子であれば、焼結性が低下し、焼結に高温を必要とすることから、高純度で微細粒子の易焼結性珪窒化マグネシウム粉末が求められている。
【０００３】
【問題点を解決するための手段】
本発明の目的は、高純度で微細粒子の易焼結性珪窒化マグネシウム粉末及びその工業的製法を提供することである。
本発明は、式ＭｇＳｉＮ2で表わされる珪窒化マグネシウム相を９５ｗｔ％以上含有し、かつ比表面積が５〜２０ｍ2／ｇの範囲にある焼結性に優れた珪窒化マグネシウム粉末及びその製造方法に関する。
【０００４】
本発明の珪窒化マグネシウム粉末におけるＭｇＳｉＮ2相は９５ｗｔ％以上である。珪窒化マグネシウム相は不可避に酸素を含有しているが、過度の酸素過剰のため、ＭｇＯ相あるいはＳｉＯ2相を含有していることもある。これらの酸化物相中の酸素の合計は０．２〜５ｗｔ％の範囲であることが望ましい。
珪窒化マグネシウムは共有結合性が強く、難焼結性の材料であるため、Ｍｇ−Ｓｉ−Ｏ系のガラス相が介在した液相焼結で焼結する。従って、通常珪窒化マグネシウム粉末中に０．２ｗｔ％以上の酸素を含有している方が焼結性に優れる。一方、酸素量が５ｗｔ％より多いと、焼結後の焼結体中に酸素が残存し熱伝導性を損なう。
更に、珪窒化マグネシウム粉末に含有される酸素の内、珪窒化マグネシウム粒子表面に存在する酸素は焼結性向上に寄与し、粒子内部の酸素はあまり焼結性向上に寄与せず、焼結後の粒子内に残存し熱伝導性を損なう要因となる。そこで、珪窒化マグネシウム粒子内部の酸素量は、１．０ｗｔ％以下、粒子表面の酸素量は、０．２ｗｔ％以上が好ましい。
【０００５】
本発明の珪窒化マグネシウム粉末の比表面積は５〜２０ｍ2／ｇの範囲である。比表面積が５ｍ2／ｇより小さいと、焼結性が著しく低下する。一方、２０ｍ2／ｇより大きいと粉末の取り扱い性や成形性が悪くなる。また、粉末中に過度の凝集粒子や粗大粒子が混入していると、焼結体中に欠陥が生じ、熱伝導性の低下や強度の低下を招く。従って、直径１００μｍ以上の凝集粒子や粗大粒子が混入していないことが好ましい。
【０００６】
本発明における珪窒化マグネシウム粉末は、非晶質窒化珪素粉末及び窒化マグネシウム粉末を、ＳｉとＭｇの原子比が０．９５〜１．０５対１．０５〜０．９５組成になるように混合し、混合物を窒素含有雰囲気下で１３００〜１６００℃の温度範囲に加熱して結晶化させることによって製造される。
【０００７】
非晶質窒化珪素粉末は、公知の方法、例えば四ハロゲン化珪素とアンモニアとを液相又は気相で反応させた反応生成物を、更に加熱処理して得られる物質であり、通常のＸ線回折によって明確な回折現象が現れない、所謂非晶質の粉末である。上記反応生成物の加熱処理の条件によっては、Ｘ線回折で僅かに回折現象が現れる粉末も得られるが、このような粉末も本発明における非晶質窒化珪素粉末に包含される。
【０００８】
非晶質窒化珪素粉末と窒化マグネシウム粉末の配合割合は、珪素とマグネシウムの比率が珪窒化マグネシウム組成となるような割合であればよい。金属マグネシウムは、結晶化の途中で含窒素ガス雰囲気から窒素を吸収し、窒化マグネシウムに変わることから、窒化マグネシウム粉末の代わりに使用しても良い。この場合、金属マグネシウム単独ではなく、窒化マグネシウムを併用することもできる。
【０００９】
これらの粉末を混合する方法については特に制限はなく、それ自体公知の方法、例えば、個々の原料粉末を乾式混合する方法、不活性液体中で湿式混合した後不活性液体を除去する方法等が適宜採用することができる。混合装置としてはＶ型混合機、ボールミル、振動ボールミル等が便利に使用される。
別の調製方法としては、非晶質窒化珪素粉末の前駆体、例えばシリコンジイミド又はシリコンテトラアミドに金属マグネシウム又は窒化マグネシウム粉末を混合分散させ、この分散物を加熱処理する方法も採用することができる。
上記各種の調製方法においては、非晶質窒化珪素粉末あるいはその前駆体及び窒化マグネシウム粉末は酸素、水に対して極めて敏感であるので、制御された不活性雰囲気下で取り扱う必要がある。
【００１０】
非晶質窒化珪素粉末と窒化マグネシウムの混合物を、含窒素ガス雰囲気下に加熱して、結晶化された珪窒化マグネシウム粉末を得る。
含窒素ガス雰囲気の例としては、窒素ガス、アンモニアガス、これらを含有するアルゴンガス雰囲気などがある。
加熱温度は１３００℃〜１６００℃である。加熱温度が１３００℃より低いと、結晶化に長時間を要して工業的ではない。加熱温度が１６００℃を超えると、珪窒化マグネシウム粉末の粒成長、更に成分の分解・飛散が起こり、所望の粉末が得られない。加熱時間は通常２０時間以内である。
混合粉末の加熱時に使用される加熱炉については特に制限がなく、例えば、高周波誘導加熱方式又は抵抗加熱方式によるバッチ式炉、ロータリー炉、流動化炉、プッシャー炉などを使用することができる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明で得られる高純度で微細かつ均一粒度の珪窒化マグネシウム粉末は焼結性に優れており、その焼結体は、結晶質窒化珪素粉末、窒化マグネシウム粉末の混合物を焼結する従来法で得られる焼結体に比較して、均一でむらの少ない組成を有しており、信頼性の高い高熱伝導性焼結体となる。
【００１２】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を示す。
物性値の測定方法：
比表面積：ＢＥＴ１点方式により測定した。生成相はＸ線回折により定量した。酸素含有量はＬＥＣＯ社製の酸素窒素同時測定装置、TC-136により測定した。PeuckertとGreilの方法(M.  Peuckert  and  P.  Greil,  J.  Mater.  Sci.,  22,  3717-20  (1987))に従い、XPSによって表面酸素量を求め、酸素含有量から表面酸素量を引いた残りを内部酸素量とした。最大粒子径はJIS  K5101(顔料試験方法)に準拠したグラインドゲージを用いて測定した。相対密度はアルキメデス法によって求めた。ただし珪窒化マグネシウムの理論密度は3.1294g/cm3とした。熱伝導率はレーザーフラッシュ法によって求めた。
【００１３】
実施例１〜４
シリコンジイミドを１２００℃で熱処理して得られた非晶質窒化珪素粉末及び窒化マグネシウム粉末を表１に示す割合で、窒素ガス雰囲気下、振動ボールミルで１時間混合した。混合粉末をカーボン性坩堝に充填して高周波誘導加熱炉にセットし、窒素ガス雰囲気下に、室温から１０００℃までを１時間、１０００℃から１時間当たり１００℃の昇温速度で表１に示す温度まで昇温し、１時間保持後、放冷した。
得られた粉末の生成相及び比表面積等の分析結果を表２に示す。各実施例で得られた粉末は、何れもＭｇＳｉＮ2相を９５ｗｔ％以上含有し、比表面積が５〜２０ｍ2／ｇであり、所望の珪窒化マグネシウム粉末であることが確認された。
【００１４】
得られた珪窒化マグネシウム粉末にＣａＦ2粉末を２ｍｏｌ％添加し、溶媒としてエタノールを用い４８時間湿式ボールミルにより混合した後、８０℃で真空乾燥した。得られた焼結体原料粉末１０ｇを内径３０ｍｍの金型に充填し、１５０ｋｇ／ｃｍ2の圧力で１軸成形後、１．５ｔｏｎ／ｃｍ2のラバープレス成形により、成形体を得た。得られた成形体をカーボン製坩堝に入れた後、誘導加熱式電気炉にセットした。電気炉内を真空脱気した後、Ｎ2ガスを導入し、１００ｃｃ／ｍｉｎのＮ2ガス流通下、室温から１２００℃まで１時間、１２００℃から１４００℃まで１００℃／ｈｒで昇温し、同温度に１時間保持後、放冷した。得られた珪窒化マグネシウム焼結体の特性を表３に示す。
【００１５】
比較例１〜３
表１に示す保持温度で加熱処理した以外は実施例１と同様の方法で珪窒化マグネシウム粉末を得た。各比較例で得られた粉末は、何れもＭｇＳｉＮ2相が９０ｗｔ％未満であった。更に得られた粉末を焼結体原料とし、実施例１と同様の方法で焼結体を作製した。得られた粉末及び焼結体の分析結果を表２及び表３に示す。
【００１６】
比較例４〜５
原料非晶質窒化珪素粉末を結晶質窒化珪素粉末（比表面積：３ｍ2／ｇ）に変えた以外は実施例１と同様の方法で粉末を得た。比較例で得られた粉末は、比表面積が５ｍ2／ｇ未満であった。更に得られた粉末を焼結体原料とし、実施例１と同様の方法で焼結体を作製した。得られた粉末及び焼結体の分析結果を表２及び表３に示す。
【００１７】
【表１】
0003900589.tif 000002
【００１８】
【表２】
0003900589.tif 000003
【００１９】
【表３】
0003900589.tif 000004