CN108495831B - 氮化硅烧结基板、氮化硅烧结基板片、回路基板和氮化硅烧结基板的制造方法 - Google Patents

氮化硅烧结基板、氮化硅烧结基板片、回路基板和氮化硅烧结基板的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大型氮化硅烧结基板及其制造方法。该氮化硅烧结基板具有比1边为120mm的正方形更大的形状的主面(101a)，主面(101a)的中央部的密度dc与端部的密度de的比dc/de为0.98以上，主面(101a)的中央部的空隙率vc为1.80％以下，端部的空隙率ve为1.00％以下。优选上述中央部的密度dc为3.120g/cm3以上，上述端部的密度de为3.160g/cm3以上，上述中央部的空隙率vc与上述端部的空隙率ve的比ve/vc为0.50以上。

Description

氮化硅烧结基板、氮化硅烧结基板片、回路基板和氮化硅烧结 基板的制造方法
技术领域
本发明涉及氮化硅烧结基板、氮化硅烧结基板片、回路基板和氮化硅烧结基板的制造方法。
背景技术
近年来，电源模块、LED等大功率电子回路已被用于各种用途，并且需要用于这样的回路的组装等的绝缘性基板。这样的绝缘性基板通常使用陶瓷基板。特别而言，氮化硅烧结基板具有优异的机械强度。例如，专利文献1公开了一种低介电常数、气密性和生产率高的氮化硅烧结基板。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6－24850号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在上述的用途中，有时需要大型的绝缘性基板。另外，为了使获取数量变多而提高生产率，需要实现大型的氮化硅烧结基板。本发明提供大型的氮化硅烧结基板、氮化硅烧结基板片、回路基板和氮化硅烧结基板的制造方法。
用于解决课题的方法
本发明的一个实施方式的氮化硅烧结基板具有比1边为120mm的正方形更大的形状的主面，上述主面的中央部的密度dc与端部的密度de的比dc/de为0.98以上，上述主面的中央部的空隙率vc为1.80％以下，端部的空隙率ve为1.00％以下。
上述中央部的密度dc为3.120g/cm3以上，上述端部的密度de为3.160g/cm3以上，上述中央部的空隙率vc与上述端部的空隙率ve的比ve/vc可以为0.50以上。
上述中央部的密度dc为3.140g/cm3以上，上述端部的密度de为3.160g/cm3以上，上述中央部的空隙率vc可以为1.3％以下。
氮化硅烧结基板的由达到10pC的放电电荷量时的电压值定义的局部放电起始电压可以为4.0kV以上。
氮化硅烧结基板的由达到10pC的放电电荷量时的电压值定义的局部放电起始电压可以为5.0kV以上。
氮化硅烧结基板可以具有0.15mm以上2.0mm以下的厚度。
上述主面可以具有1边为250mm的正方形或比其小的形状。
氮化硅烧结基板的碳含量可以为0.20质量％以下。
氮化硅烧结基板的上述主面可以具有比150mm×170mm的长方形更大的形状。
本发明的一个实施方式的多个氮化硅烧结基板片从上述任意处所记载的氮化硅烧结基板分割。
本发明的一个实施方式的回路基板是使用上述任意处所记载的氮化硅烧结基板的回路基板，具有8.0kV以上的绝缘击穿耐受电压和6以上的绝缘击穿耐受电压的威布尔系数。
上述主面可以具有1边为220mm的正方形或比其小的形状，具有10以上的绝缘击穿耐受电压的威布尔系数。
本发明的一个实施方式的氮化硅烧结基板的制造方法包括：混合80质量％以上98.3质量％以下的Si3N4粉末、以氧化物换算计为0.7质量％以上10质量％以下的Mg化合物粉末和以氧化物换算计为1质量％以上10质量％以下的至少1种稀土元素的化合物粉末，得到混合粉末的工序a；将上述混合粉末制成浆料并成型为多个生片的工序b；将上述多个生片隔着氮化硼粉末层叠层，得到叠层组装体的工序c；和将上述叠层组装体配置于烧结炉内并对上述叠层组装体进行烧结的工序d，在上述工序c中，上述氮化硼粉末层的厚度为3μm以上20μm以下，上述工序d包括：在80Pa以下的真空气氛下，保持900℃以上1300℃以下的气氛温度，从上述生片中除去碳的工序d1；和上述工序d1之后，在氮气氛下，以1600℃以上2000℃以下的气氛温度使上述生片烧结的工序d2。
本发明的其他的实施方式的氮化硅烧结基板的制造方法包括：混合以Si3N4换算计为80质量％以上98.3质量％以下的Si粉末或Si粉末和Si3N4粉末、以氧化物换算计为0.7质量％以上10质量％以下的Mg化合物粉末以及以氧化物换算计为1质量％以上10质量％以下的至少1种稀土元素的化合物粉末，得到混合粉末的工序a；将上述混合粉末制成浆料并成型为多个生片的工序b；将上述多个生片隔着氮化硼粉末层叠层，得到叠层组装体的工序c；和将上述叠层组装体配置于烧结炉内并对上述叠层组装体进行烧结的工序d，在上述工序c中，上述氮化硼粉末层的厚度为3μm以上20μm以下，上述工序d包括：在80Pa以下的真空气氛下，保持900℃以上1300℃以下的气氛温度，从上述生片中除去碳的工序d1；上述工序d1之后，在氮气氛下，以1350℃以上1450℃以下的气氛温度使上述生片中的上述Si粉末氮化的工序d2；和上述工序d2之后，在氮气氛下，以1600℃以上2000℃以下的气氛温度使上述生片烧结的工序d3。
氮化硅烧结基板具有比1边为120mm的正方形更大的形状的主面。上述主面可以具有比150mm×170mm的长方形更大的形状的主面。上述主面还可以具有1边为250mm的正方形或比其小的形状。
发明效果
利用本发明的氮化硅烧结基板及其制造方法，可以得到大型且高绝缘可靠性的氮化硅烧结基板。
附图说明
图1(a)是表示本实施方式的氮化硅烧结基板的一个例子的立体图，(b)是表示氮化硅烧结基板与(a)所示的氮化硅烧结基板的关系的图。
图2(a)和(b)是对氮化硅烧结基板的中央部和端部的定义进行说明的图。
图3是表示用于测定局部放电电压的测定系统的示意图。
图4(a)和(b)是表示用于求出耐受电压的试验片的形状的俯视图和截面图。
图5A是表示本实施方式的氮化硅烧结基板的制造方法的一个例子的流程图。
图5B是表示本实施方式的氮化硅烧结基板的制造方法的其他的例子的流程图。
图6是表示具有多个生片的叠层组装体的截面图。
图7是表示在叠层组装体的上表面配置压板的情形的截面图。
图8是表示将载置有压板的叠层组装体配置于双层结构的容器内的多段框体的情形的截面图。
图9是表示在内侧容器和外侧容器的底板上隔着载置板载置一个叠层组装体的状态的截面图。
图10是表示在图9所示的载置板上隔着纵框部件再配置一个载置板并在其上载置第二个叠层组装体的状态的截面图。
图11A是表示本实施方式的氮化硅烧结基板的制造方法中的烧结工序的温度分布的一个例子的图。
图11B是表示本实施方式的氮化硅烧结基板的制造方法中的烧结工序的温度分布的其他的例子的图。
图12是表示实施例1～28、参考例51、52和比较例53～55的氮化硅烧结基板的空隙率与碳含量的关系的图。
图13(a)和(b)是分别表示实施例1、3、5、10、12、14和参考例51、52的氮化硅烧结基板的一边的长度与基板的密度和空隙率的关系的图。
图14(a)和(b)是分别表示实施例1、3、5、10、12、14和参考例51、52的氮化硅烧结基板的一边的长度与局部放电电压和绝缘击穿耐受电压的威布尔系数的关系的图。
具体实施方式
根据本申请发明人的详细研究，使氮化硅烧结基板的尺寸增大时，在基板的中央附近和端部，各种物性会产生差异，基板面内的物性的均匀性下降。特别是在基板的中央附近，烧结时生片不容易收缩，因此可知，在基板中央附近，密度变小并且空隙率变大。
氮化硅烧结基板用于电源模块、LED的组装等大功率回路时，优选具有高耐受电压和高绝缘可靠性。由研究的结果可知，作为评价高绝缘可靠性的特性，可以使用局部放电电压，并且局部放电电压与氮化硅烧结基板的空隙率相关。高绝缘可靠性是指长期维持高的绝缘特性。
进而可知，为了制作密度和空隙率的面内均匀性高且外形大的氮化硅烧结基板，重要的是控制氮化硅烧结基板制造时与生片一起叠层的氮化硼粉末层的厚度，以及控制烧结时的碳含量。基于这些研究结果，本申请发明人想到了一种具有大的尺寸、具有高耐受电压和高绝缘可靠性且它们的面内偏差小的氮化硅烧结基板及其制造方法。以下，对本实施方式的氮化硅烧结基板及其制造方法的一个例子进行说明。本发明并不限于以下的实施方式，可以进行各种改变或变更。
(氮化硅烧结基板)
如图1(a)所示，本实施方式的氮化硅烧结基板101具有主面101a。其中，所谓主面，是指构成氮化硅烧结基板101的面中最大的面。在本实施方式中，位于与主面101a相反侧的面101b也具有实质上与主面101a相同的大小。主面101a至少具有比1边为120mm的正方形更大的形状。主面101a具有长方形形状时，矩形的2边L1和L2都比120mm长。例如，氮化硅烧结基板101可以具有比150mm×170mm的长方形更大的形状。主面101a也可以具有多边形形状、或者圆形状、楕圆形状等由不具有顶点和边的曲线定义的形状。主面101a具有正方形或长方形以外的形状时，主面101a具有比内包1边为120mm的正方形的形状更大的形状。
如图1(b)所示，氮化硅烧结基板101是从通过生片的烧结得到的氮化硅烧结体101’切去位于外周的称为飞边部分的端部102(剖面线所示)后的基板。端部102的宽度例如为5mm左右。在图1(b)中，切去端部102后的氮化硅烧结基板101具有正方形的形状，但如上所述，也可以根据用途等具有多边形等形状。
氮化硅烧结基板101的密度和空隙率只要满足以下所说明的条件，对主面101a的大小就没有限制。然而，主面101a越大，制造氮化硅烧结基板101时生片的端部与中央部的收缩量的差越大，因此，耐受电压和绝缘可靠性在端部和中央部偏差越大。为了使耐受电压和绝缘可靠性的面内偏差变小，主面101a优选具有1边为250mm的正方形或比其小的形状，更优选具有1边为220mm的正方形或比其小的形状。
氮化硅烧结基板101的厚度t优选为0.15mm以上2.0mm以下。厚度小于0.15mm时，制造氮化硅烧结基板101时，在将各氮化硅烧结基板101从烧结后的叠层组装体剥离的过程中，有时在基板内产生裂纹，使基板的品质和制造成品率降低的可能性变大。另外，厚度大于2.0mm时，氮化硅烧结基板101的中央部与端部的密度差以及基板的厚度方向的密度差变大，作为结果，基板中央部与端部的密度差变得更加显著。
在氮化硅烧结基板101中，主面101a的中央部的密度dc与端部的密度de的比dc/de为0.98以上。密度比dc/de小于0.98时，氮化硅烧结基板101的主面101a的密度的偏差变大，不优选。具体而言，密度比dc/de小于0.98时，中央部的密度dc与端部的密度de的差成为0.06g/cm3以上。中央部的密度dc优选为3.120g/cm3以上，端部的密度de优选为3.160g/cm3以上。通过dc/de为0.98以上，氮化硅烧结基板101的中央部与端部的密度差变小，可以提高氮化硅烧结基板101的密度的均匀性。进一步而言，通过中央部的密度dc为3.120g/cm3以上且端部的密度de为3.160g/cm3以上，可以得到高密度且密度的均匀性高的氮化硅烧结基板101。另外，中央部的密度dc为3.140g/cm3以上且端部的密度de为3.160g/cm3以上时，氮化硅烧结基板101的密度变得更大，并且密度的均匀性也变高。作为其结果，可以得到具有高的绝缘特性的氮化硅烧结基板101。氮化硅烧结基板101的密度与以下所说明的空隙率相关，还与基板的绝缘性相关连。
根据本申请发明人的研究，氮化硅烧结基板101的空隙率与碳含量相关，残留碳量越多，空隙率也越大。氮化硅烧结基板101的碳含量在中央部优选为0.2质量％以下。碳的含量超过0.2质量％时，中央部的空隙率大于1.80％。
专利文献1还公开了，在制造氮化硅烧结基板时，生片中残留有来自有机粘合剂等的碳时，因烧结而生成碳化硅，因此，产生了氮化硅烧结基板的介电常数增大或绝缘电阻降低这样的问题。为了解决该问题，专利文献1公开了使氮化硅烧结基板中的碳的含量成为1质量％以下。
如上所述，根据本申请发明人的研究，为了使氮化硅烧结基板101的空隙率变小，碳的含量优选远远小于该值。另外，在专利文献1中也公开了不使用有机粘合剂而制作的氮化硅烧结基板，但该基板具有35mm×35mm×1.1mm的尺寸，不是大型的基板。
为了制作低残留碳量的氮化硅烧结基板，考虑不使用有机粘合剂而制作生片，但在这种情况下，无法成型大型的生片。即，在不使用有机粘合剂的情况下，由于成型性的问题，制作大型的氮化硅烧结基板从根本上说是极其困难的。
氮化硅烧结基板101的空隙率与局部放电起始电压相关连。使基板大型化时，生片的端部与中央部的收缩量的差变大，空隙率变大，空隙率的均匀性(具体为中央部与端部的空隙率差)变低。由此，局部放电电压降低，因此，优选中央部的空隙率vc为1.80％以下，端部的空隙率ve为1.00％以下。中央部的空隙率vc更优选为1.3％以下。中央部的空隙率vc和端部的空隙率ve大于这些值时，局部放电起始电压、更具体地为局部放电起始电压和局部放电熄灭电压都变小，氮化硅烧结基板101的绝缘可靠性不充分。具体而言，施加规定的高电压时，至发生绝缘击穿的时间变短。为了确保更高的绝缘可靠性，中央部的空隙率vc与端部的空隙率ve的比ve/vc优选为0.50以上。为了达到上述的适当的中央部的空隙率和端部的空隙率，对氮化硼粉末层的厚度如后所述地进行适当处理，即，使其成为3μm以上20μm以下。
在此，对上述的物性的定义进行说明。首先，对主面101a的大小进行说明。如上所述，主面101a具有比1边为120mm的正方形110(由虚拟的线绘出的正方形)大的形状。主面101a具有正方形的形状时，主面101a的外形与用虚拟的线绘出的正方形110一致。可以设定内接于主面101a的形状的最大的正方形110(由虚拟的线绘出的正方形)。正方形110的1边的长度如图2(a)所示，由在正方形的各边的中央测得的相对的2边的间隔L1、L2定义。
在正方形110内，将直径3cm的9个圆C11～C13、C21～C23、C31～C33配置成3行3列。中央的圆C22以圆C22的中心与正方形的中心、即分别连结位于对角的2个顶点的2条对角线的交点一致的方式配置。关于其他的8个圆C11～C13、C21、C23、C31～C33如以下方式配置，由位于距正方形110的各边1cm内侧处的对应的边构成正方形110’，将直径3cm的圆C11、C13、C31、C33配置在正方形110’的各顶点附近且与2条对应的边相切。另外，以位于这些圆的中间并且与对应的边相切的方式配置圆C12、C21、C23、C32。
能够使比1边为120mm的正方形110(由虚拟的线绘出的正方形)大的长方形(由虚拟的线描绘的长方形)内接于氮化硅烧结基板101的主面101a时，如图2(b)所示，在长方形120’内同样配置9个圆C11～C13、C21～C23、C31～C33。
密度和空隙是利用激光加工从氮化硅烧结基板101切出以上述的条件配置的9个圆并对圆形的部分进行测定而得到的值。中央部的密度是圆C22的切片的密度，端部的密度是指对圆C11、C13、C31、C33的切片进行测定而得到的值中最小的值。密度的测定利用阿基米德法。
中央部的空隙率是对圆C22的切片的空隙率进行测定而得到的值，端部的空隙率是针对根据上述的定义得到端部的密度(密度最小的值)的圆测定空隙率而得到的值。为了测定空隙率，利用激光加工从中央和端部的圆的切片再切出10mm×10mm的试样，用树脂填充试样的空隙后，对表面进行研磨，由此制作测定用试样。利用500倍的光学显微镜对所制作的试样进行摄像，利用图像解析求出位于所得到的图像的300μm×300μm内的空隙的面积。利用(空隙面积)/(300μm×300μm)×100的计算求出空隙率。在基板截面观察中，对基板中央部附近进行观察。
氮化硅烧结基板101的碳含量是对位于主面的中央的圆C22的部分的碳含量进行测定而得到的值。碳含量是利用非分散型红外线吸收法测得的值。例如，可以使用LECO公司制造的CS744型碳/硫分析装置进行测定。
氮化硅烧结基板101具有上述的密度和空隙率，由此耐受电压和绝缘可靠性优异，主面101a内的密度和空隙率的均匀性优异。氮化硅烧结基板101的局部放电是绝缘击穿的前兆现象，局部放电电压越高，绝缘击穿的耐受电压越高，至绝缘击穿的时间越长。本实施方式的氮化硅烧结基板101具有4kV以上的局部放电起始电压和4kV以上的局部放电熄灭电压。特别而言，氮化硅烧结基板101的中央部的密度dc为3.140g/cm3以上，端部的密度de为3.160g/cm3以上，中央部的空隙率vc为1.3％以下时，局部放电起始电压成为5kV以上，可以得到更高的绝缘可靠性。使施加于氮化硅烧结基板101的电压增大时，将达到10pC的放电电荷量时的电压值定义为局部放电起始电压。另外，使施加于氮化硅烧结基板101的电压减少时，将达到10pC的放电电荷量时的电压值定义为局部放电熄灭电压。
例如，可以使用总研电气公司制造的DAC－PD－3，以升压和降压速度100V/sec将最大施加电压设定为7kV而进行测定。也可以使用其他的装置和其他的测定条件。
测定使用图3所示的测定系统。如图3所示，在槽130内配置240mm×240mm的背面侧电极131，在其上配置作为测定对象的氮化硅烧结基板101。在氮化硅烧结基板101上配置直径34mm的表面侧电极132，将配线134的一端分别与背面侧电极131和表面侧电极132连接。将配线134的另一端与测定装置连接。用氟系绝缘性液体133填满槽130，进行测定。
使用本实施方式的氮化硅烧结基板101制作的回路基板具有8kV以上的绝缘击穿耐受电压和6以上的绝缘击穿耐受电压的威布尔系数。绝缘击穿耐受电压是根据上述的定义对在氮化硅烧结基板101的主面101a的中央部和端部的位置切出的圆板进行测定并求取平均而得到的值。具体而言，如图4(a)和(b)所示，在从氮化硅烧结基板101切出的圆板140的表面和背面涂布10mm×10mm的大小的Ag糊，以500℃进行烘烤，制作带电极141的测定用回路基板。在所得到的测定用回路基板的电极141之间施加直流电压，求出测定用回路基板绝缘击穿、即贯通基板的表面和背面时的电压作为绝缘击穿耐受电压。
本实施方式的回路基板具有氮化硅烧结基板101、设置于氮化硅烧结基板101的一个面的金属回路板(例如铜的回路板)和设置于氮化硅烧结基板101的另一个面的金属散热板(例如铜的散热板)。回路基板还可以具有设置于金属回路板的上表面的半导体元件等。氮化硅烧结基板与金属回路板和金属散热板的接合例如可以使用利用焊料的活性金属法和直接接合铜板的铜直接接合法。
通过绘制以所求得的绝缘击穿耐受电压为横轴、纵轴为击穿概率的威布尔分布，可以求出绝缘击穿耐受电压的威布尔系数。具体而言，将Ln作为自然对数，将绝缘击穿概率(概率密度函数)设为F，将绝缘耐受电压设为V(kV)时，对于从回路基板切出的圆板，以Ln(Ln(1/(1－F)))为纵轴，以Ln(V)为横轴，利用所绘制的测定点，由“Ln(Ln(1/(1－F)))＝mLn(V)+常数”所示的近似式求出。此时的m为绝缘击穿耐受电压的威布尔系数。
氮化硅烧结基板101的介电常数没有特别限制，具有与用途相对应的介电常数。例如，用于电源模块时，氮化硅烧结基板101优选具有10以下的介电常数，例如优选具有7.9以上8.1以下左右的介电常数。
利用本实施方式的氮化硅烧结基板，特别是通过将密度和空隙率控制在上述的范围内，大型且耐受电压和绝缘可靠性优异，并且它们的基板面内的均匀性优异。通过具有这样的特性，能够得到目前制造困难的大型且大功率用途的特性优异的氮化硅烧结基板。
另外，分割本实施方式的氮化硅烧结基板作为集合基板使用时，能够从1块大型的氮化硅烧结基板得到多块氮化硅烧结基板片，因此，能够实现高的生产率，并能够降低氮化硅烧结基板片的制造成本。另外，分割而得到的多块氮化硅烧结基板片之间的密度、空隙率、局部放电电压等特性的偏差小。关于从本实施方式的1块氮化硅烧结基板分割或者切断成2块以上而得到的多块氮化硅烧结基板片，例如通过对各氮化硅烧结基板片赋予识别信息，或者对基板的上述的物性的变化的连续性、组成、厚度的变化的连续性进行测定，可以特定。
(氮化硅烧结基板的制造方法)
[1]原料粉末
用于制造本实施方式的氮化硅烧结基板的原料粉末包含氮化硅(Si3N4)作为主要成分，还包含烧结助剂。具体的原料粉末的配合成分包括80质量％以上98.3质量％以下的Si3N4粉末、以氧化物换算计为0.7质量％以上10质量％以下的Mg化合物粉末和以氧化物换算计为1质量％以上10质量％以下的至少1种稀土元素的化合物粉末。从氮化硅烧结体的密度、弯曲强度和导热率的观点考虑，氮化硅粉末的α化率优选为20％以上100％以下。
Si3N4的添加量小于80质量％时，所得到的氮化硅烧结基板的弯曲强度和导热率过低。另一方面，Si3N4超过98.3质量％时，烧结助剂不足，无法得到致密的氮化硅烧结基板。另外，Mg以氧化物换算计小于0.7质量％时，低温下生成的液相不充分。另一方面，Mg以氧化物换算计超过10质量％时，Mg的挥发量变多，氮化硅烧结基板容易产生空孔。另外，稀土元素以氧化物换算计小于1质量％时，氮化硅颗粒间的结合变弱，裂纹容易在晶界发展，从而弯曲强度变低。另一方面，稀土元素以氧化物换算超过10质量％时，晶界相的比例变多，导热率下降。
Mg含量(以氧化物换算)优选为0.7质量％以上7质量％以下，更优选为1质量％以上5质量％以下，最优选为2质量％以上5质量％以下。另外，稀土元素的含量(以氧化物换算)优选为2质量％以上10质量％以下，更优选为2质量％以上5质量％以下。因此，Si3N4的含量优选为83质量％以上97.3质量％以下，更优选为90质量％以上97质量％以下。作为稀土元素，可以使用Y、La、Ce、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等，其中Y对氮化硅烧结基板的高密度化是有效的，优选。Mg和稀土元素可以是氧化物的形态，也可以是氧以外的化合物的形态。例如，可以使用Mg3N2、YN等氮化物、Mg2Si等硅化物。优选Mg和稀土元素分别以氧化物粉末的形态使用。因此，优选的烧结助剂是MgO粉末和Y2O3粉末的组合。
作为用于制造本实施方式的氮化硅烧结基板的原料粉末，可以使用Si粉末。在这种情况下，通过在生片的烧结前将Si粉末氮化，可以得到氮化硅烧结基板。使用Si粉末作为原料时的原料粉末的配合成分(第一配合成分)例如在使用上述的氮化硅粉末时的配合成分中以将Si3N4换算成Si而得到的比例包含原料。具体而言，原料粉末包含以Si3N4换算计为80质量％以上98.3质量％以下的Si粉末、以氧化物换算计为0.7质量％以上10质量％以下的Mg化合物粉末和以氧化物换算计为1质量％以上10质量％以下的至少1种稀土元素的化合物粉末。
作为用于制造氮化硅烧结基板的原料粉末，还可以使用Si粉末和Si3N4粉末。由Si粉末合成氮化硅烧结基板中的全部氮化硅时，由于Si在氮化时剧烈发热，存在Si熔融而氮化不充分的可能性。与之相对，原料粉末中混合Si3N4粉末时，使发热量和发热密度下降，由此能够抑制Si的熔融。在这种情况下，Si粉末和Si3N4粉末能够以任意的比例混合。具体而言，原料粉末包含以Si3N4换算计为80质量％以上98.3质量％以下的Si粉末和Si3N4粉末、以氧化物换算计为0.7质量％以上10质量％以下的Mg化合物粉末以及以氧化物换算计为1质量％以上10质量％以下的至少1种稀土元素的化合物粉末。
[2]氮化硅烧结基板的制造方法
以下，对使用生片的叠层组装体制造氮化硅烧结基板的方法进行说明。形成叠层组装体，将生片叠层，对叠层后的生片进行一次烧结，因此生产率优异。其中，叠层组装体(stacked assembly)是指多个生片以彼此不熔接的方式叠层而成的烧结时的暂时的叠层构造体。烧结后，能够将各个氮化硅烧结基板从叠层组装体分离。
图5A是表示使用氮化硅原料粉末作为原料粉末时制造本实施方式的氮化硅烧结基板的方法的一个例子的流程图。另外，图5B是表示使用硅原料粉末或硅原料粉末和氮化硅原料粉末作为原料粉末时制造本实施方式的氮化硅烧结基板的方法的一个例子的流程图。为了说明的简略化，将氮化硅原料粉末称为Si3N4粉末，将硅原料粉末称为Si粉末，将Mg原料粉末称为MgO粉末，将稀土元素原料粉末称为Y2O3粉末，但原料的氧化状态和氮化状态并不限于这些组成式，也可以使用其他的氧化状态和氮化状态的原料。
(1)混合工序S1
利用球磨机等向以得到上述烧结组成的方式配合而成的原料粉末中混合增塑剂(例如苯二甲酸系增塑剂)、有机粘合剂(例如聚乙烯醇缩丁醛)和有机溶剂(例如乙醇)，制作包含原料的浆料。浆料的固体成分浓度优选30质量％以上70质量％以下。如上所述地使Si粉末氮化时，使用Si粉末或Si粉末和Si3N4粉末代替Si3N4粉末。
(2)成型工序S2
将浆料脱泡和增稠后，例如利用刮刀法形成生片。考虑所要形成的氮化硅烧结基板的厚度和烧结收缩率，适当设定生片的厚度。利用刮刀法形成的生片通常为长条的带状，因此，冲压或切断成规定的形状和尺寸。1个生片具有1边为150mm的正方形以上的大小的形状，并且具有考虑了因烧结而导致的收缩量的大小。
(3)叠层工序S3
为了高效地制造氮化硅烧结基板101，优选将多个生片叠层。如图6所示，将多个生片1隔着3μm以上20μm以下的厚度的氮化硼粉末层12叠层而形成叠层组装体10。氮化硼粉末层12是用于使烧结后的氮化硅烧结基板的分离变得容易的层，例如可以通过喷涂、刷涂或网版印刷而在各生片1的一个面形成氮化硼粉末的浆料。氮化硼粉末优选具有95％以上的纯度和1μm以上20μm以下的平均粒径。其中，平均粒径是由利用激光衍射散射法测得的粒度分布计算而得到的D50的值。
氮化硼粉末层12在以下的烧结工序中不进行烧结，也不产生因烧结而导致的收缩。因此，氮化硼粉末层12比20μm厚时，妨碍生片的收缩的影响变大。特别而言，由于妨碍了生片的中央部附近的收缩，容易导致所得到的氮化硅烧结基板101的中央部的密度的下降和空隙率的增大。另一方面，氮化硼粉末层12的厚度小于3μm时，作为脱模剂的效果不足，烧结后将各氮化硅烧结基板从叠层组装体分离变得困难。氮化硼粉末层12的厚度更优选为5μm以上15μm以下。例如，可以利用所使用的氮化硼粉末的平均粒径和/或浆料的粘度调节氮化硼粉末层12的厚度。另外，氮化硼粉末层12的厚度是涂布浆料后的状态下的厚度。
如图7所示，为了抑制所得到的氮化硅烧结基板的翘曲和波纹，在各叠层组装体10的上表面载置压板11而使负荷作用于各生片1。作用于各生片1的负荷处于10～600Pa的范围内。负荷小于10Pa时，烧结后的各个氮化硅烧结基板容易发生翘曲。另一方面，负荷超过600Pa时，各生片1受负荷约束，烧结时顺利的收缩被阻碍，因此难以得到致密的氮化硅烧结基板。作用于各生片1的负荷优选20～300Pa，更优选20～200Pa，最优选30～150Pa。
压板11的重量为W1g、各生片1的重量和面积分别为W2g和Scm2、叠层组装体10中的生片1为n个时，施加于最上层的生片1a的负荷为98×(W1/S)Pa，施加于最下层的生片1b的负荷为98×[W1+W2×(n－1)]/SPa。例如，使用厚度2mm的氮化硼板作为压板11，叠层组装体10由20个生片1构成时，施加于最下层的生片1b的负荷是施加于最上层的生片1a的负荷的约3～4倍。考虑到这一点而设定压板11的重量和叠层组装体10中的生片1的个数。优选设定压板11的重量W1，使得即使是最下层的生片1b也受到10～600Pa的范围内的负荷，并且收缩不被约束而没有翘曲和波纹地被烧结。
(4)脱脂工序S4
由于生片1含有有机粘合剂和增塑剂，因此，在烧结工序S5之前，将叠层组装体10加热至400～800℃而进行脱脂。由于脱脂后的生片1是脆的，因此，优选以叠层组装体10的状态进行脱脂。
(5)烧结工序S5
(a)烧结用容器
图8表示用于对多个叠层组装体10同时进行烧结的容器的一个例子。容器20包括：将收容各叠层组装体10的载置板21多段堆积而成的载置板组装体30；收容载置板组装体30的内侧容器40；和收容内侧容器40的外侧容器50。利用纵框部件22保持上下方向相邻的载置板21的间隔。
通过形成内侧容器40和外侧容器50的双层结构的容器20，能够抑制生片1中的Si3N4的分解和MgO的挥发，并能够得到更加致密且翘曲少的氮化硅烧结基板。内侧容器40和外侧容器50优选都是氮化硼制，也可以使外侧容器50成为利用CVD涂布有p－氮化硼的碳制。在涂布有p－氮化硼的碳制的外侧容器50的情况下，利用导热良好的碳基材容易使升温时的温度分布均匀化，能够抑制氮化硅烧结基板的翘曲和波纹，通过涂布p－氮化硼还能够防止因碳基材而生成还原性气氛。内侧容器40由底板40a、侧板40b和顶板40c构成，外侧容器50由底板50a、侧板50b和顶板50c构成。
载置板21的上表面存在翘曲或波纹时，与载置板21接触的最下层的生片1b产生与载置板21的上表面接触的部分和不接触的部分。在这种情况下，烧结时生片1b的非接触部容易收缩，接触部不容易收缩，因此，在生片1b中产生不均匀的收缩，产生翘曲和波纹。另外，最下层的生片1b的翘曲和波纹也会波及至上层的生片1，结果是全部的氮化硅烧结基板产生翘曲和波纹。因此，载置板21的上表面优选尽可能平坦。具体而言，优选翘曲为2.0μm/mm以内，波纹为2.0μm以内。可以按照与氮化硅烧结基板的翘曲和波纹相同的方法测定载置板21的翘曲和波纹。
如图8所示，优选在内侧容器40内配置填料粉24。填料粉24例如是包含0.1～50质量％的氧化镁(MgO)粉末、25～99质量％的氮化硅(Si3N4)粉末和0.1～70质量％的氮化硼(氮化硼)粉末的混合粉末。填料粉24中的氮化硅粉末和氧化镁粉末在1400℃以上的高温下挥发，调整烧结气氛中的Mg和Si的分压，抑制氮化硅和氧化镁从生片1挥发。填料粉24中的氮化硼粉末防止氮化硅粉末和氧化镁粉末的凝结。通过使用填料粉24，能够得到致密且翘曲少的氮化硅烧结基板。为了使填料粉24的操作变得容易，并且防止与生片1接触，优选将填料粉24配置于最上段的载置板21a上。
如图9所示，在外侧容器50的底板50a的上表面载置内侧容器40的底板40a，在内侧容器40的底板40a的上表面载置载置板21，并在其上载置由多个生片1构成的叠层组装体10和压板11。如图10所示，在载置板21的外周部位上设置纵框部件22，载置下一段载置板21，并在其上载置叠层组装体10和压板11。如此，形成载置有所希望段的叠层组装体10和压板11的载置板组装体30后，在最上段的载置板21a的上表面配置填料粉24。接着，组装内侧容器40的侧板40b和顶板40c，然后组装外侧容器50的侧板50b和顶板50c，完成收容叠层组装体10的容器20。在烧结炉(未图示)内配置所希望的数量(例如5个)的这样的容器20。
(b)温度分布和烧结气氛
关于生片1的烧结，使用Si3N4粉末时，按照图11A所示的温度分布P进行。使用Si粉末或Si粉末和Si3N4粉末时，按照图11B所示的温度分布P’进行。温度分布P包括具有从生片1中除去碳的脱碳域Pc和缓热域P0的升温域、具有第一温度保持域P1和第二温度保持域P2的温度保持域以及冷却域。在图11A中，纵轴所示的温度是烧结炉内的气氛温度。即，烧结工序包括使用温度分布P的脱碳域Pc的脱碳工序和使用第一温度保持域P1的烧结工序。使用Si粉末或Si粉末和Si3N4粉末时，在脱碳工序与烧结工序之间包括氮化工序。因此，温度分布P’在脱碳域Pc与第一温度保持域P1之间包括氮化区域Pn。
烧结工序中的烧结炉内的气氛温度例如可以是使用辐射温度计从设置于烧结炉的观察窗对炉内的靶子(碳)进行测定而得到的温度。具体而言，可以在烧结炉内设置内部配置有生片的烧结用的容器、将烧结用的容器配置于内周侧的碳制的筒状壁和位于筒状壁的外周侧附近的靶子。通过测定靶子的温度，也可以测得升温域和温度保持域内实质上与炉内的气氛温度相对应的温度。
(c)脱碳域Pc
首先，使烧结炉内的气氛温度从室温上升至脱碳域Pc的温度范围。加热速度例如为60℃/hr。烧结炉内的气氛温度达到900℃以上1300℃以下的温度后，以该范围内的温度保持30分钟以上2小时以下的时间(保持时间tc)。烧结炉内优选为减压下。具体而言，优选为80Pa以下的压力。如上所述，烧结时残留有碳时，烧结体中容易生成空隙。因此，通过在减压下保持生片1，可以除去生片1中的碳。该工序与脱脂工序S4相比，是通过使用碳更容易挥发的条件而更完全地除去碳的脱碳工序。气氛温度低于900℃时，有可能碳的除去不能充分地进行。另外，高于1300℃时，有可能烧结助剂也被除去。烧结炉内的气氛温度更优选为1000℃以上1250℃以下的温度。
一般而言，在氮化硅烧结基板的制造工序中，为了抑制氮挥发，在氮气氛下进行烧结。然而，根据本申请发明人的研究可知，通过在氮不挥发的程度的温度和气氛下加热生片1，能够抑制氮的挥发，并且能够更完全地除去碳，能够抑制空隙的生成。
(d)缓热域
使用脱碳域Pc的加热结束后，利用缓热域P0的温度分布控制烧结炉内的气氛温度。缓热域P0是生片1所含的烧结助剂与氮化硅颗粒的表面的氧化层反应而生成液相的温度域。在缓热域P0内，氮化硅的粒成长被抑制，在液相化的烧结助剂中氮化硅颗粒再排列而致密化。作为其结果，经由第一和第二温度保持域P1、P2，空孔直径和气孔率变小，可以得到弯曲强度和导热率高的氮化硅烧结基板。优选使缓热域P0的温度T0处于比第一温度保持域P1的温度T1低的1400℃以上1600℃以下的范围内，使缓热域P0的加热速度成为300℃/hr以下，使加热时间t0成为0.5小时以上30小时以下。加热速度也可以包括0℃/hr，即缓热域P0也可以是保持在一定温度的温度保持域。缓热域P0的加热速度更优选1～150℃/hr，最优选1～100℃/hr。加热时间t0更优选1～25小时，最优选5～20小时。
在缓热域及其以后的工序中，优选用氮气氛充满烧结炉内。具体而言，可以使用氮或以氮为主要成分、包含氩等不活泼气体的混合气体，或者使用氮气中包含3％左右以下的氢的混合气体。烧结炉内的压力优选为1个大气压以上20个大气压左右以下。
使用Si粉末或Si粉末和Si3N4粉末时，如图11B所示，通过在缓热域P0中设置氮化区域Pn并进行氮化工序，可以使Si粉末氮化。例如，使用脱碳域Pc的加热结束后，使烧结炉内的气氛温度上升，并保持在1350℃以上1450℃以下的温度范围的温度Tn。保持时间tn优选为3小时以上15小时以下。通过在氮气氛下、以该温度保持生片1，Si粉末与作为烧结炉内的气氛的氮反应而生成氮化硅。
(e)第一温度保持域
使用缓热域P0的加热结束后，利用第一温度保持域P1的温度分布控制烧结炉内的气氛温度。利用该工序使生片中的原料烧结。
第一温度保持域P1是利用在缓热域P0生成的液相增进氮化硅颗粒的再排列、从α型氮化硅结晶向β型氮化硅结晶的相变和氮化硅结晶的粒成长、进而使烧结体进一步致密化的温度域。这样，从α型向β型的相变态成为促进烧结体的致密化的一个原因，因此，优选原料的氮化硅粉末包含α型，且α化率为20％以上100％以下。考虑β型氮化硅颗粒的大小和长径比(长轴与短轴的比)、因烧结助剂的挥发而形成空孔等空腔，优选使第一温度保持域P1的温度T1处于1600℃以上2000℃以下的范围内，使保持时间t1成为约1～30小时。更优选温度T1处于1800℃以上2000℃以下的范围内。第一温度保持域P1的温度T1小于1600℃时，不容易使氮化硅烧结体致密化。另一方面，温度T1超过2000℃时，烧结助剂的挥发和氮化硅的分解变得剧烈，也不容易得到致密的氮化硅烧结体。其中，只要处于1600～2000℃的温度范围内，加热温度T1就可以在第一温度保持域P1内变化(例如缓慢升温)。
第一温度保持域P1的温度T1更优选1750℃以上1950℃以下的范围内，最优选1800℃以上1900℃以下的范围内。进一步而言，第一温度保持域P1的温度T1优选比缓热域P0的温度T0的上限高50℃以上，更优选高出100℃以上300℃以下的范围。保持时间t1为2小时以上20小时以下，最优选3小时以上10小时以下。
(f)第二温度保持域
位于第一温度保持域P1之后的第二温度保持域P2是通过将烧结体保持在比第一温度保持域P1的温度T1稍低的温度T2而仍然或以固液共存的状态维持经过第一温度保持域P1而得到的液相的温度域。第二温度保持域P2的温度T2优选处于1400～1700℃的范围内，并且低于第一温度保持域P1的温度T1。另外，第二温度保持域P2的保持时间t2为0.5～10小时。在第一温度保持域P1之后设置第二温度保持域P2时，例如能够使氮化硅烧结基板的翘曲处于3.2μm/mm以内。
使用第一温度保持域P1的加热结束后，利用第二温度保持域P2的温度分布控制烧结炉内的气氛温度。第二温度保持域P2的温度T2小于1400℃时，晶界相容易结晶化，所得到的氮化硅烧结基板的弯曲强度低。另一方面，温度T2超过1700℃时，液相的流动性过高，无法获得上述效果。温度T2更优选1500℃以上1650℃以下，最优选1550℃以上1650℃以下。第二温度保持域P2的保持时间t2优选1小时以上5小时以下。若第二温度保持域P2的保持时间t2小于0.5小时，则晶界相的均匀化不充分。为了抑制烧结助剂的挥发、防止氮化硅烧结基板的机械特性和导热率的下降，使第二温度保持域P2的保持时间t2成为10小时以下。
通过使用上述的条件，晶界相均匀分布于氮化硅烧结基板的厚度方向，Mg的偏析被抑制。因此，具有高的机械强度(弯曲强度和断裂韧性)，翘曲被抑制。
(g)冷却域
使用第二温度保持域P2的温度控制结束后，利用冷却域P3的温度分布控制烧结炉内的气氛温度。冷却域P3是将以第二温度保持域P2维持的液相冷却、固化而固定所得到的晶界相的位置的温度域。为了迅速进行液相的固化并维持晶界相分布的均匀性，冷却域P3的冷却速度优选100℃/hr以上，更优选300℃/hr以上，最优选500℃/hr以上。在实用方面，冷却速度优选500℃/hr以上600℃/hr以下。通过以这样的冷却速度冷却，能够抑制固化后的烧结助剂的结晶化，并能够构成以玻璃相为主体的晶界相，因此，能够提高氮化硅烧结基板的弯曲强度。只要将冷却域P3的冷却速度维持至1200℃，比其低的温度下的冷却速度就没有特别限定。
(h)飞边部的切断
利用以上的工序，可以制造氮化硅烧结体101’。在叠层组装体10中，各氮化硅烧结体101’因氮化硼粉末层氮化硼粉末层12而分离，因此，能够将各氮化硅烧结体101’容易地从冷却后的叠层组装体10分离。如参照图1(b)进行说明的那样，从分离后的氮化硅烧结体101’切去位于外周的端部102。由此，得到氮化硅烧结基板101。
利用本实施方式的氮化硅烧结基板的制造方法，将生片叠层时，通过在适当的范围选择所存在的氮化硼粉末层的厚度，能够抑制烧结时氮化硼粉末层对生片的约束，并能够抑制中央部的密度降低、空隙率增大。另外，在烧结时的气氛温度的升温时，通过在减压下除去碳，能够降低生片中的残留碳，由此能够抑制烧结时的空隙的生成。因此，能够得到密度和空隙率的面内均匀性高且外形大的氮化硅烧结基板。
(实施例)
以下，在各种条件下制作氮化硅烧结基板，并对调查特性而得到的结果进行说明。
1.氮化硅烧结基板的制造
[实施例1～28]
利用刮刀法，由MgO粉末为3.0质量％、Y2O3粉末为2.0质量％、剩余部分为Si3N4粉末和不可避免的杂质的原料粉末的浆料(固体成分浓度：60质量％)形成生片1，隔着氮化硼粉末层重叠20个而形成叠层组装体10。如表1所示，根据实施例改变生片1的大小。另外，如表1所示，根据实施例改变氮化硼粉末层的厚度。
在各叠层组装体10上配置压板11并载置于载置板21上，设置于图8所示的容器20(双层容器)中。压板11对最上层的生片1a的负荷为40Pa。在最上段的载置板21a的上表面配置包含15质量％的氧化镁粉末、55质量％的氮化硅粉末和30质量％的氮化硼粉末的填料粉。
将容器20放入烧结炉内，将烧结炉抽真空至10-1Pa的压力。如表1所示，根据实施例改变脱碳域Pc的保持温度。各实施例的保持时间tc设定为1小时。
之后，将烧结炉内的气氛替换为例如7个大气压的氮，作为缓热域P0的温度分布，以10℃/hr(0.166℃/min)的升温速度加热10小时。接着，作为第一温度保持域P1的温度分布，以1850℃的温度T1保持5小时，作为第二温度保持域P2的温度分布，以1600℃的温度T2保持1.5小时。之后，作为冷却域P3的温度分布，以600℃/hr的冷却速度降低气氛温度。从所得到的氮化硅烧结基板切除飞边部分，得到具有表1所示的1边的长度的正方形的氮化硅烧结基板101。氮化硅烧结基板101的厚度为0.32mm。
[参考例51、52]
制作基板的外形为一边110mm的正方形和100mm的正方形的氮化硅烧结基板。表1所示的条件以外的条件使用与实施例相同的条件。
[比较例53～58]
如表1所示，使脱碳域Pc的保持温度、脱碳工序时的气氛、氮化硼粉末层的厚度不同，在与实施例相同的条件下制作氮化硅烧结基板。
2.特性的测定
确认在上述实施方式所说明的条件下制作的实施例、参考例和比较例的氮化硅烧结基板的组成。具体而言，对氮化硅烧结基板实施微波分解处理，溶液化后，利用ICP发光分析测定Mg量和RE量，并换算成氧化镁(MgO)含量和稀土元素氧化物(RE2O3)含量。确认了所得到的含量与各自的添加量(配合组成)大致同等(精确到小数点后一位时的质量％相同)。
对所制作的氮化硅烧结基板的密度、密度比、空隙率、空隙比、含碳率、局部放电起始电压、局部放电熄灭电压进行测定。另外，测定绝缘击穿耐受电压，并求出绝缘击穿耐受电压的威布尔系数。将结果示于表1。将以实施例1～28、参考例51、52和比较例53～55的氮化硅烧结基板的碳含量和空隙率(中央)作为横轴和纵轴而成的图形示于图12。另外，对于实施例1、3、5、10、12、14和参考例51、52的氮化硅烧结基板，制作以基板的外形尺寸作为横轴、以上述的测定结果作为纵轴的图形。将结果示于图13(a)、(b)和图14(a)、(b)。
[表1]
Figure BDA0001742094890000221
3.结果和思考
在实施例1～28的氮化硅烧结基板中，脱碳工序的气氛均为真空(80Pa以下)，保持温度均为900℃至1300℃。由此可以认为，氮化硅烧结基板的碳含量为0.20质量％以下。另外，由于碳含量小，氮化硼粉末层的厚度处于3.1μm至18.5μm的范围内，因此可以认为，密度和空隙率的值小，并且主面的均匀性高。具体而言，中央部的密度与端部的密度的比为0.98以上，主面的中央部的空隙率为1.80％以下，端部的空隙率为1.00％以下。由图12可知，只要碳含量为0.2质量％以下，中央部的空隙率就为1.52％以下。
还可以认为，由于空隙率小，局部放电起始电压和局部放电熄灭电压也分别为4kV以上。进而可以认为，由于空隙率小，绝缘击穿耐受电压为8.0V以上，绝缘击穿耐受电压的威布尔系数为10.0以上。
特别是在实施例1～13、23～25的氮化硅烧结基板中，由于脱碳工序的保持温度为1000℃以上，氮化硼粉末层的涂布厚度为10μm左右以下，从生片中除去碳以及叠层组装体中的生片的收缩充分进行，作为其结果，氮化硅烧结基板的密度变高，并且密度的均匀性也变得更高。具体而言，氮化硅烧结基板的中央部的密度dc为3.140g/cm3以上，端部的密度de为3.160g/cm3以上。因此可以认为，得到了5kV以上的局部放电起始电压。
实施例1～28的氮化硅烧结基板具有1边为120mm以上220mm以下的正方形形状。因此可知，得到了大型且具有高的耐受电压和优异的绝缘可靠性的氮化硅烧结基板。还可知，参考例51、52的氮化硅烧结基板具有1边为100mm和110mm的正方形形状，密度、空隙率、局部放电电压、绝缘击穿耐受电压和绝缘击穿耐受电压的威布尔系数与实施例1～28是同等程度。因此，由这些比较可知，在实施例1～28的氮化硅烧结基板中，虽然具有大的外形，但与1边为100mm的小的氮化硅烧结基板是同等程度，局部放电电压和绝缘击穿耐受电压的面内均匀性高。
相对于此，在比较例53中，脱碳工序的气氛为氮中。另外，在比较例54～56中，脱碳工序的气氛为真空，但保持温度低。因此，脱碳工序的碳的除去不充分，所得到的氮化硅烧结基板的碳含量多。作为其结果，可以认为密度和空隙率变大了，局部放电电压、绝缘击穿耐受电压和绝缘击穿耐受电压的威布尔系数也变小了。
在比较例56中，可以认为由于脱碳工序的气氛温度过高，烧结助剂蒸发了。因此，可以认为，无法进行密度高的烧结，密度和空隙率变大了，局部放电电压、绝缘击穿耐受电压和绝缘击穿耐受电压的威布尔系数也变小了。
在比较例57、58中，可以认为由于氮化硼粉末层的厚度过大，阻碍了氮化硅烧结基板的中央部的收缩。因此可以认为，特别是中央部的空隙率变大了，局部放电电压、绝缘击穿耐受电压和绝缘击穿耐受电压的威布尔系数也变小了。
由以上的结果可知，利用实施例1～28的氮化硅烧结基板，通过脱碳工序的保持温度和气氛满足上述的条件，氮化硼粉末层的厚度为规定的范围，可以得到大型且具有高的耐受电压和优异的绝缘可靠性的氮化硅烧结基板。
图13(a)和(b)分别表示实施例1、3、5、10、12、14和参考例51、52的氮化硅烧结基板的一边的长度与基板的密度和空隙率的关系。图13(a)和(b)也显示了由中央部的密度和端部的密度以及中央部的空隙率和端部的空隙率的测定数据求出的近似直线。由这些结果可知，实施例的氮化硅烧结基板的1边最大为220mm，但即使制作具有一边为250mm的正方形形状的氮化硅烧结基板，也能够推定，中央部的空隙率vc可以为1.80％以下，端部的空隙率ve可以为1.00％以下，中央部的密度dc可以为3.120g/cm3以上，上述端部的密度de可以为3.160g/cm3以上。还可知，dc/de可以为0.98以上，ve/vc可以为0.50以上。
图14(a)和(b)分别表示实施例1、3、5、10、12、14和参考例51、52的氮化硅烧结基板的一边的长度与局部放电电压和绝缘击穿耐受电压的威布尔系数的关系。图14(a)和(b)也显示了由绝缘击穿电压、局部放电熄灭电压、局部放电起始电压和绝缘击穿耐受电压的威布尔系数的数据求出的近似直线。由这些结果也可以推定，制作具有一边为250mm的正方形形状的氮化硅烧结基板时，绝缘击穿电压(绝缘击穿耐受电压)为8kV以上，局部放电熄灭电压和局部放电起始电压为4kV以上。还可以推定，绝缘击穿耐受电压的威布尔系数为6以上。
因此可以推定，即使在制作具有一边为220mm以上250mm以下的正方形形状的氮化硅烧结基板的情况下，耐受电压和绝缘可靠性也优异，并且它们的基板面内的均匀性优异。
产业上的可利用性
本发明的氮化硅烧结基板及其制造方法可以适用于各种用途的绝缘基板，特别适用于电源模块、LED等大功率回路所使用的要求绝缘击穿耐受电压高且高绝缘可靠性的绝缘性基板。
符号说明
1、1a、1b 生片
10 叠层组装体
11 板
12 氮化硼粉末层
20 容器
21 载置板
21a 载置板
22 纵框部件
24 填料粉
30 载置板组装体
40 内侧容器
40a、50a 底板
40b、50b 侧板
40c、50c 顶板
101 氮化硅烧结基板
101’ 氮化硅烧结体
101a 主面
102 端部
110、110’ 正方形
120 长方形
130 槽
131 背面侧电极
132 表面侧电极
133 绝缘性液体
134 配线
140 圆板
141 电极

Claims (17)

1.一种氮化硅烧结基板，其特征在于：
具有比1边为120mm的正方形更大的形状的主面，
在所述主面内，以三行三列方式配置多个直径3cm的圆，其中，
在主面的中央位置配置一个第一圆，所述第一圆的圆心与所述主面的中心一致；
在主面顶点附近位置配置多个第二圆，各个所述第二圆与从各自最靠近的2个主面的边起分别向基板内侧1cm处画出的线相切，
将得到的对应于所述第一圆处的所述基板作为所述主面的中央部，将得到的多个对应于所述第二圆处的所述基板中密度最低的基板作为所述主面的端部，
所述主面的所述中央部的密度dc与所述端部的密度de的比dc/de为0.98以上，所述主面的所述中央部的空隙率vc为1.80%以下，所述端部的空隙率ve为1.00%以下。
2.如权利要求1所述的氮化硅烧结基板，其特征在于：
所述中央部的密度dc为3.120g／cm3以上，所述端部的密度de为3.160g／cm3以上，所述中央部的空隙率vc与所述端部的空隙率ve的比ve／vc为0.50以上。
3.如权利要求1所述的氮化硅烧结基板，其特征在于：
所述中央部的密度dc为3.140g／cm3以上，所述端部的密度de为3.160g／cm3以上，所述中央部的空隙率vc为1.3%以下。
4.如权利要求1或2所述的氮化硅烧结基板，其特征在于：
由达到10pC的放电电荷量时的电压值定义的局部放电起始电压为4.0kV以上。
5.如权利要求1或3所述的氮化硅烧结基板，其特征在于：
由达到10pC的放电电荷量时的电压值定义的局部放电起始电压为5.0kV以上。
6.如权利要求1～3中任一项所述的氮化硅烧结基板，其特征在于：碳含量为0.20质量%以下。
7.如权利要求1～3中任一项所述的氮化硅烧结基板，其特征在于：具有0.15mm以上2.0mm以下的厚度。
8.如权利要求1～3中任一项所述的氮化硅烧结基板，其特征在于：所述主面具有比150mm×170mm的长方形更大的形状。
9.如权利要求1～3中任一项所述的氮化硅烧结基板，其特征在于：所述主面具有1边为250mm的正方形或比其小的形状。
10.从权利要求1～9中任一项所述的氮化硅烧结基板分割而得到的多个氮化硅烧结基板片。
11.一种回路基板，其特征在于：
使用权利要求1～9中任一项所述的氮化硅烧结基板，
该回路基板具有8.0kV以上的绝缘击穿耐受电压和6以上的绝缘击穿耐受电压的威布尔系数。
12.如权利要求11所述的回路基板，其特征在于：
所述主面具有1边为220mm的正方形或比其小的形状，具有10以上的绝缘击穿耐受电压的威布尔系数。
13.一种氮化硅烧结基板的制造方法，其特征在于，
其为权利要求1所述氮化硅烧结基板的制造方法，包括：
混合80质量%以上98.3质量%以下的Si3N4粉末、以氧化物换算计为0.7质量%以上10质量%以下的Mg化合物粉末和以氧化物换算计为1质量%以上10质量%以下的至少1种稀土元素的化合物粉末，得到混合粉末的工序a；
将所述混合粉末制成浆料并成型为多个生片的工序b；
将所述多个生片隔着氮化硼粉末层叠层，得到叠层组装体的工序c；和
将所述叠层组装体配置于烧结炉内并对所述叠层组装体进行烧结的工序d，
在所述工序c中，所述氮化硼粉末层的厚度为3μm以上20μm以下，
所述工序d包括：
在80Pa以下的真空气氛下，保持900℃以上1300℃以下的气氛温度，从所述生片中除去碳的工序d1；和
所述工序d1之后，在氮气氛下，以1600℃以上2000℃以下的气氛温度使所述生片烧结的工序d2。
14.一种氮化硅烧结基板的制造方法，其特征在于，
其为权利要求1所述氮化硅烧结基板的制造方法，包括：
混合以Si3N4换算计为80质量%以上98.3质量%以下的Si粉末或Si粉末和Si3N4粉末、以氧化物换算计为0.7质量%以上10质量%以下的Mg化合物粉末以及以氧化物换算计为1质量%以上10质量%以下的至少1种稀土元素的化合物粉末，得到混合粉末的工序a；
将所述混合粉末制成浆料并成型为多个生片的工序b；
将所述多个生片隔着氮化硼粉末层叠层，得到叠层组装体的工序c；和
将所述叠层组装体配置于烧结炉内并对所述叠层组装体进行烧结的工序d，
在所述工序c中，所述氮化硼粉末层的厚度为3μm以上20μm以下，
所述工序d包括：
在80Pa以下的真空气氛下，保持900℃以上1300℃以下的气氛温度，从所述生片中除去碳的工序d1；
所述工序d1之后，在氮气氛下，以1350℃以上1450℃以下的气氛温度使所述生片中的所述Si粉末氮化的工序d2；和
所述工序d2之后，在氮气氛下，以1600℃以上2000℃以下的气氛温度使所述生片烧结的工序d3。
15.如权利要求13或14所述的氮化硅烧结基板的制造方法，其特征在于：
氮化硅烧结基板具有比1边为120mm的正方形更大的形状的主面。
16.如权利要求15所述的氮化硅烧结基板的制造方法，其特征在于：所述主面具有比150mm×170mm的长方形更大的形状的主面。
17.如权利要求15所述的氮化硅烧结基板的制造方法，其特征在于：
所述主面具有1边为250mm的正方形或比其小的形状。
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