高导热性氮化硅烧结体和使用它的压接结构体制造技术

一种高热导性氮化硅烧结体。其特征是：含有换算成氧化物超过７．５重量％而低于１７．５重量％的稀土族元素、合计含有０．３重量％以下的作为杂质阳离子元素的Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ｂ，热导率为８０Ｗ／ｍ·Ｋ以上。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高导热性氮化硅烧结体，其制造方法和压接(加压接合)结构体，特别是涉及除去氮化硅原本就有的高强度特性之外还具有热导率高和散热性优良的优点、作为各种半导体所用的基板或压接结构体都很适合的高热导性氮化硅烧结体，其制造方法和压接结构体。
技术介绍
用压接的办法与发热部件接合到一起、用于把源于发热部件的热散往系统之外的压接所用的散热板，被广泛地用于各种电气设备和电子仪器。此外，作为具有把大电流的开关或交流变换为直流之类的电流控制功能的半导体器件，广泛地使用了可控硅等的压接结构体。第2图的断面图示出了作为硅可控整流器件(SCR)的可控硅的结构。这种可控硅被构成为具有被装配在作为阳极的铜双头螺栓1和阴极导线2之间的硅接合体3、被连到硅接合体3上的栅极导线4、用于把硅接合体3密封起来以隔断外部气氛的陶瓷密封物5和管帽6、以及为了通过铜双头螺栓1把内部产生的热散放到外部去而压接上的平板状的散热板7，并用在栅极导线4中流动的栅极电流使阳极与阴极之间从断开(off)状态变成为导通(on)状态以控制大电流。近些年来，与发热部件的高集成化、高功率化相对应，部件的发热量也呈现出急剧增大的倾向，人们希望有散热性更好的散热板。比如说，为了应付电力需要的增大，人们希望有容量更大的可控硅，因而必然希望散热特性和绝缘性更为优良，不存在因发热而招致形成破坏绝缘的危险的散热板。作为构成像这样的可控硅所用的一类的散热板7的材料，在现有技术中一般使用氧化铝(Al2O3)，但由于其热导率很小(约20W/m·K)，故散热性低，难于形成与高功率化相对应的散热板。因此，热导率比氧化铝的热导率大到2～3倍左右热导性更好的氮化铝(AlN)烧结体也正被用作散热板的构成材料。另一方面，以氮化硅为主成分的陶瓷烧结体，因为具有即便是在1000℃以上的高温环境下也有着优良的耐热性，而且由于热膨胀系数低，因而耐热冲击性也非常出色等的一些特性，故人们试着将之作为代替现有的耐热性超合金的高温材料用于燃气轮机所用的部件、发动机部件、制钢机械部件之类的各种高强度耐热部件中去。此外，因为对金属的耐蚀性很好，所以也尝试将之用作熔融金属的耐熔材料，还因为其耐磨耗性优良，故也在谋求此种材料在轴承之类的滑动构件和切削工具中的实用化。作为氮化硅陶瓷烧结体的烧结组成，已知有氮化硅-氧化钇-氧化铝系列、氮化硅-氧化钇-氧化铝-氮化铝系列、氮化硅-氧化钇-氧化铝-钛、镁或者锆的氧化物系列等等。上述烧结组成中的氧化钇(Y2O3)之类的稀土族元素的氧化物或碱金属元素的氧化物历来一般用作烧结促进剂，通过添加这些烧结促进剂来提高烧结性而使烧结体致密化和高强度化。现有的氮化硅烧结体把上述那样的烧结促进剂作为添加物加到氮化硅粉末中去以进行成形，然后把所得到的成形体在约1600～1900℃的高温烧结炉中烧结规定的时间之后进行冷却，用这种方法进行批量生产。但是，用上述方法制造的氮化硅烧结体，虽然其韧性值等等的机械强度很出色，但由于在热导性这一点上比之其他的氮化铝(AlN)烧结体、氧化铍(BeO)烧结体和碳化硅(SiC)烧结体等等显著地低，故存在作为散热性要求特别高的各种半导体所用的基板或散热板尚未实用化、用途范围狭窄的难点。另一方面，氮化铝烧结体和其他的陶瓷烧结体相比具有高热导率和低热膨胀系数的特点，故作为装载向高速化、高功率化、多功能化、大型化发展的半导体芯片所用的电路基板材料或封装材料已经普及，但在机械强度这一点上尚未得到令人充分满意的产品。于是渴望开发一种既具有高强度又同时具有高的热导率的陶瓷烧结体。还存在着一个问题当用压接的办法把以上述陶瓷烧结体为主要构成材料的散热板或半导体所用的基板接合到发热部件上去或者在装配工序中欲用螺旋夹子等等固定到装配板上去的时候，散热板或基板将会因螺钉的推压力或压接力所产生的少许变形或搬运时的冲击等而破损，从而使散热部件或压接结构体的制造成品率大幅度地降低。特别是像可控硅中所用的散热板那样加有高电压的情况下，为了确保规定的绝缘耐力，必须使散热板有某种程度的厚度，因而热阻必然要增大，同时散热板的原料价格必然要上升，这也是一个难点。本专利技术就是为了解决上述课题而进行的，本专利技术的第1个目的是提供一种改进的氮化硅烧结体及其制造方法。上述改进的氮化硅烧结体除氮化硅烧结体原本就具备的高强度之外，还特别具有高的热导率和良好的散热性。本专利技术的第2个目的是提供一种可控硅之类的压接结构体，它应用了已大幅度地改善了绝缘破坏特性、同时强度特性和热导性都很好的压接用的散热板。专利技术的公开内容为了实现上述目的，本专利技术人对在制造现有的氮化硅烧结体时通常所使用的氮化硅粉末的种类、烧结促进剂和添加物的种类以及添加量和烧结条件等进行了种种变化，用实验确认了这些因素对作为最终产品的烧结体的特性所产生的影响。结果判明了将稀土族元素，并根据需要将从由氮化铝、氧化铝或Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物组成的群体中选择的至少一种，各按预定的量掺入到微细且具有高纯度的氮化硅粉末中，将该原料混合物进行成形和脱脂，再把所得到的成形体在规定的温度下加热保持一定的时间并实施致密化烧结之后，在以规定的温度缓慢冷却时，就可以得到热导率大大改善且有高强度的氮化硅烧结体。此外，还得到了下述知识通过采用使用已减少了氧或杂质阳离子元素含量的高纯度的氮化硅原料粉末，并把氮化硅成形体的厚度设定得较小来进行烧结的办法，可以有效地防止晶界相中的玻璃相(非晶质相)的产生，因而即使在向原料粉末中仅仅掺进了稀土族元素氧化物的情况下，也可以得到具有80W/m·K以上，甚至90W/m·K以上的高热导率的氮化硅烧结体。另外，还判明了下述事实。在现有技术中，在烧结操作结束之后关断烧成炉的加热电源以使烧结体冷却的时候，冷却速度以每小时400℃-800℃的速度急速冷却，但若采用本专利技术人的实验，则采用把冷却速度特别控制于每小时100℃以下的缓慢速度的办法，使氮化硅烧结体组织的晶界相由非晶质状态变化为含有结晶相的相、使之同时实现高强度特性和高导热特性。这样的高导热氮化硅烧结体本身，其一部分已由本专利技术人申请了专利，还在特开平6-135771号公报和特开平7-48174号公报上公诸于众。而且，在这些专利申请中所述的氮化硅烧结体所含的稀土族元素换算成氧化物为2.0～7.5重量％。但是，本专利技术人进而再进行改良研究的结果，发现所含稀土族元素在换算成氧化物后超过7.5重量％时，烧结体的高热导化更好，而且烧结性也好，于是就完成了本专利技术。特别是在稀土族元素为镧族元素时，其效果显著。此外，作为烧结体的致细结构的特征，在晶粒相中的结晶化合物相对晶粒相整体的比率为60～70％的情况下，烧结体可以得到110～120W/m·K以上的高热导率。还有，作为这样的同时满足高强度特性和传热特性的氮化硅烧结体的用途，可用于用压接法来接合整流元件等的发热部件的散热板，并形成可控硅等压接结构件，由此可以改善可控硅等的压接结构部件的韧性强度和热传导性，特别是可以有效地防止产生在散热板的组装工序中的紧固破裂和热循环所引起的裂缝。本专利技术就是依据上述见解来完成的。即，第1专利技术所涉及的高热导性氮化硅烧结体的特征是含有换算成氧化物超过7.5重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高热导性氮化硅烧结体。其特征是含有换算成氧化物超过7.5重量％而低于17.5重量％的稀土族元素、合计含有0.3重量％以下的作为杂质阳离子元素的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn、B，热导率为80W/m·K以上。2.一种高热导性氮化硅烧结体，其特征是含有换算成氧化物超过7.5重量％不足17.5重量％的稀土族元素、合计含有0.3重量％以下的作为杂质阳离子元素的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn、B，烧结体由氮化硅结晶和晶界相组成，同时晶界相中的结晶化合物相对晶界相整体的比率为20％以上。3.一种高热导性氮化硅烧结体，其特征是含有换算成氧化物超过7.5重量％不足17.5重量％的稀土族元素、烧结体由氮化硅结晶和晶界相组成，同时晶界相中的结晶化合物相对晶界相整体的比率大于20％、热导率大于80W/m·K。4.权利要求1、2或3所述的高热导性氮化硅烧结体，其特征是稀土族元素是镧系元素。5.权利要求1、2或3所述的高热导性氮化硅烧结体，其特征是高热导性氮化硅烧结体含有换算成氧化铝低于1.0重量％的铝。6.权利要求1、2或3所述的高热导性氮化硅烧结体，其特征是高热导性氮化硅烧结体含有低于1.0重量％的氮化铝。7.权利要求1、2或3所述的高热导性氮化硅烧结体，其特征是高热导性氮化硅烧结体含有换算成氧化物为0.1～3.0重量％的从由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W组成的群体中选出的至少一种。8.权利要求1、2或3所述的高热导性氮化硅烧结体，其特征是气孔率按容量比低于2.5％、热导率大于80W/m·K、三点弯曲强度在室温下大于650MPa。9.一种高热导性氮化硅烧结体的制造方法，其特征是向含有1.7重量％的氧、合计含有0.3重量％以下的作为杂质阳离子元素的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn、B、含有90重量％以上的α相型氮化硅、平均粒径1.0μm以下的氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：小松通泰，池田和男，水野谷信幸，佐藤孔俊，今泉辰弥，近藤和行，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：