JP2003192445A - Silicon nitride substrate, method of producing the same and silicon nitride substrate having thin film obtained by using the substrate - Google Patents

Silicon nitride substrate, method of producing the same and silicon nitride substrate having thin film obtained by using the substrate

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JP2003192445A
JP2003192445A JP2001397486A JP2001397486A JP2003192445A JP 2003192445 A JP2003192445 A JP 2003192445A JP 2001397486 A JP2001397486 A JP 2001397486A JP 2001397486 A JP2001397486 A JP 2001397486A JP 2003192445 A JP2003192445 A JP 2003192445A
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silicon nitride
substrate
nitride substrate
sintered body
less
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Application number
JP2001397486A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyoshi Tonai
弘喜 藤内
Yasushi Iyogi
靖 五代儀
Michiyasu Komatsu
通泰 小松
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon nitride substrate in which a silicon nitride sintered compact has an intrinsic high strength, and especially, the sintered compact constituting the substrate is substantially free from pores, which has small surface roughness, from which particles hardly drop off when it is processed, and which is capable of effectively suppressing the quantity of leak current. <P>SOLUTION: In the silicon nitride substrate formed from the silicon nitride sintered compact containing a sintering aid, the silicon nitride substrate is characterized in that the silicon nitride sintered compact is substantially free from pores. It is preferable that the surface roughness Ra of the silicon nitride substrate is ≤0.5 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は窒化けい素基板、そ
の製造方法およびその基板を用いた薄膜付き窒化けい素
基板に係り、特に基板を構成する焼結体中に実質的に気
孔(ポア)が形成されず、また表面粗さが小さいため
に、加工時に脱粒が生じにくく、さらにこの薄い窒化け
い素基板を用いて各種パワーモジュールや回路基板を構
成した際にリーク電流の発生を効果的に抑制することが
でき、さらに基板表面に薄膜を形成した場合においても
薄膜の膨れや剥離を防止でき、大電力化および大容量化
した電子機器に使用した場合においても、その絶縁性、
耐久性および動作の信頼性を大幅に向上させることが可
能な窒化けい素基板、その製造方法およびそれを用いた
薄膜付き窒化けい素基板に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride substrate, a method for manufacturing the same, and a thin film silicon nitride substrate using the substrate, and more particularly to substantially pores in a sintered body constituting the substrate. Since it is not formed and the surface roughness is small, grain removal is unlikely to occur during processing, and moreover, the generation of leak current is effective when various power modules and circuit boards are constructed using this thin silicon nitride substrate. It is possible to suppress, and even when a thin film is formed on the substrate surface, it is possible to prevent swelling and peeling of the thin film, and even when used in electronic devices with large power consumption and large capacity, its insulating property,
The present invention relates to a silicon nitride substrate capable of greatly improving durability and operation reliability, a method for manufacturing the same, and a silicon nitride substrate with a thin film using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化けい素を主成分とするセラミックス
焼結体は、1000℃以上の高温度環境下でも優れた耐
熱性を有し、かつ低熱膨張係数のため耐熱衝撃性も優れ
ている等の諸特性を持つことから、従来の耐熱性超合金
に代わる高温構造材料としてガスタービン用部品、エン
ジン用部品、製鋼用機械部品等の各種高強度耐熱部品へ
の応用が試みられている。また、金属に対する耐食性が
優れていることから溶融金属の耐溶材料としての応用も
試みられ、さらに耐摩耗性も優れていることから、軸受
等の摺動部材、切削工具への実用化も図られている。
2. Description of the Related Art A ceramic sintered body containing silicon nitride as a main component has excellent heat resistance even in a high temperature environment of 1000 ° C. or more, and also has excellent thermal shock resistance due to its low coefficient of thermal expansion. Because of its various characteristics, it has been attempted to be applied to various high-strength heat-resistant parts such as gas turbine parts, engine parts, and steel-making machine parts as high-temperature structural materials replacing conventional heat-resistant superalloys. In addition, since it has excellent corrosion resistance to metals, it has been tried to apply it as a melt-resistant material of molten metal, and because it has excellent wear resistance, it can be put to practical use in sliding members such as bearings and cutting tools. ing.

【0003】従来より窒化けい素セラミックス焼結体の
焼結組成としては窒化けい素−酸化イットリウム−酸化
アルミニウム系、窒化けい素−酸化イットリウム−酸化
アルミニウム−窒化アルミニウム系、窒化けい素−酸化
イットリウム−酸化アルミニウム−チタニウム、マグネ
シウムまたはジルコニウムの酸化物系等が知られてい
る。
Conventionally, as a sintering composition of a silicon nitride ceramics sintered body, silicon nitride-yttrium oxide-aluminum oxide system, silicon nitride-yttrium oxide-aluminum oxide-aluminum nitride system, silicon nitride-yttrium oxide- Aluminum oxide-titanium, magnesium, or zirconium oxide systems are known.

【0004】上記焼結組成における酸化イットリウム
(Y)などの希土類元素の酸化物は、従来から焼
結助剤として一般に使用されており、焼結性を高めて焼
結体を緻密化し高強度化をするために添加されている。
Oxides of rare earth elements such as yttrium oxide (Y 2 O 3 ) in the above-mentioned sintering composition have been generally used as a sintering aid from the past, and enhance the sinterability to densify the sintered body. It is added to increase the strength.

【0005】近年、窒化けい素焼結体の高強度特性およ
び絶縁性に着目して、半導体素子等を搭載するための回
路基板、特に大電力用および大容量用の各種パワーモジ
ュール用の基板として使用する試みがなされ始めてい
る。
In recent years, attention has been paid to the high-strength characteristics and insulating properties of silicon nitride sintered bodies, and they have been used as circuit boards for mounting semiconductor elements and the like, especially as substrates for various power modules for large power and large capacity. Attempts are being made to do so.

【0006】従来の窒化けい素焼結体は、窒化けい素粉
末に上記のような焼結助剤を添加物として加えた原料混
合体を80〜100MPaの加圧力でプレス成形し、ま
たは押出成形法やドクターブレード法を用いて成形し、
得られた成形体を1600〜1900℃程度の高温度の
焼成炉で長時間に渡り雰囲気加圧焼結等を実施した後
に、炉を自然冷却する製法で量産されている。
In the conventional silicon nitride sintered body, a raw material mixture obtained by adding the above-mentioned sintering aid as an additive to silicon nitride powder is press-molded at a pressure of 80 to 100 MPa, or an extrusion molding method is used. Or using the doctor blade method,
The obtained molded body is mass-produced by a manufacturing method in which it is subjected to atmospheric pressure sintering for a long time in a firing furnace at a high temperature of about 1600 to 1900 ° C. and then the furnace is naturally cooled.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように、特に焼結体の高密度化を図るために雰囲気加圧
焼結法などを採用した場合においても、焼結体中に発生
する気孔(ポア)を完全に消滅させることは困難であっ
た。
However, as described above, even when the atmospheric pressure sintering method or the like is adopted in order to increase the density of the sintered body, the pores generated in the sintered body. It was difficult to completely eliminate (Pore).

【0008】そのため、焼結体中に形成された気孔によ
って誘電損失が大きくなり、回路基板として用いた場合
にリーク電流が発生し易くなり絶縁性が低下する一方、
加工時に脱粒が生じ易く焼結体の表面粗さが大きくな
り、焼結体表面に薄膜を形成した場合において薄膜の膨
れや剥離が発生し電子機器の耐久性および動作の信頼性
を大幅に低下させる問題点があった。
Therefore, the pores formed in the sintered body increase the dielectric loss, and when used as a circuit board, a leak current is apt to occur and the insulating property deteriorates.
When the sintered body has a thin film on the surface, swelling or peeling of the thin film occurs when the thin film is formed on the surface of the sintered product, and the durability and operation reliability of electronic devices are significantly reduced. There was a problem that caused it.

【0009】すなわち、従来の製造方法によって製造さ
れた窒化けい素焼結体をセラミックス基板として使用
し、窒化けい素基板表面に金属回路層を接合するととも
に半導体素子を搭載することにより、各種パワーモジュ
ールを形成した場合、窒化けい素基板の絶縁性が低く、
誘電損失が大きくなるために信頼性が高いパワーモジュ
ールを得ることが困難であった。この傾向は、近年の半
導体素子の高出力化および高集積化が進展するに伴っ
て、さらに顕著になっていた。
That is, various power modules are manufactured by using a silicon nitride sintered body manufactured by a conventional manufacturing method as a ceramic substrate, bonding a metal circuit layer to the surface of the silicon nitride substrate, and mounting a semiconductor element. If formed, the insulation of the silicon nitride substrate is low,
Due to the large dielectric loss, it has been difficult to obtain a highly reliable power module. This tendency has become more prominent with the recent progress in higher output and higher integration of semiconductor elements.

【0010】具体的には、上記窒化けい素基板を用いて
大電力用および大容量用の各種パワーモジュールを形成
した場合に、窒化けい素基板の表裏間の絶縁性が低下し
てリーク電流が発生し易くなる。そして、上記リーク電
流値が所定の値を超えると、金属回路板を流れる電流が
窒化けい素基板を通り、他の金属回路にリーク(漏洩)
してしまう。そのため、電気的には接続されていないに
も拘わらず、他の金属回路板に漏れ電流(リーク電流)
が流れることになり、半導体素子の誤作動を引き起こし
たり、各種パワーモジュールの構成部品を傷損させたり
する悪影響が発生する問題点があった。
Specifically, when various power modules for large power and large capacity are formed by using the above silicon nitride substrate, the insulation between the front and back of the silicon nitride substrate is lowered and leak current is reduced. It tends to occur. When the leak current value exceeds a predetermined value, the current flowing through the metal circuit board passes through the silicon nitride substrate and leaks to another metal circuit (leakage).
Resulting in. Therefore, even though it is not electrically connected, it leaks to other metal circuit boards.
Therefore, there is a problem in that the semiconductor device malfunctions and the components of various power modules are damaged.

【0011】また、上記従来方法によって製造された窒
化けい素焼結体では靭性値などの機械的強度は優れてい
るものの、熱伝導特性の点では、他の窒化アルミニウム
(AlN)焼結体、酸化ベリリウム(BeO)焼結体、
炭化けい素(SiC)焼結体などと比較して不充分であ
ったため、特に放熱性を要求される半導体用セラミック
ス基板などの電子用材料としては実用化されておらず、
用途範囲が狭い難点があった。
Further, although the silicon nitride sintered body manufactured by the above-mentioned conventional method has excellent mechanical strength such as toughness value, in view of heat conduction characteristics, other aluminum nitride (AlN) sintered bodies and oxidized ones can be used. Beryllium (BeO) sintered body,
Since it was insufficient as compared with a silicon carbide (SiC) sintered body or the like, it has not been put into practical use as an electronic material such as a ceramics substrate for semiconductors that particularly requires heat dissipation,
There was a problem that the application range was narrow.

【0012】一方、上記窒化アルミニウム焼結体は他の
セラミックス焼結体と比較して高い熱伝導率と低熱膨張
係数とを有する特徴を有するため、高速化、高出力化、
多機能化、大型化が進展する半導体回路基板材料やパッ
ケージ材料として普及しているが、機械的強度の点で充
分に満足できるものは得られていない。そこで、高強度
を有するとともに高い絶縁性と高い熱伝導率をも併せ持
ったセラミックス焼結体の開発が要請されている。
On the other hand, the aluminum nitride sintered body is characterized by having a high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion as compared with other ceramics sintered bodies, and therefore has a high speed and a high output.
Although it is widely used as a semiconductor circuit board material and a package material, which are becoming more multifunctional and larger in size, a material that is sufficiently satisfactory in terms of mechanical strength has not been obtained. Therefore, there is a demand for the development of a ceramics sintered body having high strength, high insulation and high thermal conductivity.

【0013】上記要請に対応するため、本発明者らは、
例えば特開平9−69594号公報や特開2000−3
4172号公報に示されるように、焼結体の組成、組織
等を改善することにより、機械的強度および熱伝導率が
共に優れた窒化けい素焼結体を開発した。しかしなが
ら、従来の窒化けい素焼結体においては、結晶粒界相に
存在する気孔のサイズが直径1μm程度に大きくなり易
く、しかもその気孔を完全に消滅させることが困難であ
るという欠点があった。そして、電圧印加時に、この気
孔部分を介して電流リークが発生し易いという問題点が
あった。したがって、このような焼結体においては、絶
縁性が低下するため半導体用基板としては未だ充分とは
言えないという課題があった。
In order to meet the above demand, the present inventors have
For example, JP-A-9-69594 and JP-A-2000-3
As disclosed in Japanese Patent No. 4172, a silicon nitride sintered body having excellent mechanical strength and thermal conductivity has been developed by improving the composition, structure, etc. of the sintered body. However, in the conventional silicon nitride sintered body, the size of the pores existing in the crystal grain boundary phase is liable to increase to about 1 μm in diameter, and it is difficult to completely eliminate the pores. Then, when voltage is applied, there is a problem in that current leakage easily occurs through the pores. Therefore, in such a sintered body, there is a problem that it cannot be said to be sufficient as a substrate for a semiconductor because the insulating property is deteriorated.

【0014】本発明は上記のような課題要請に対処する
ためになされたものであり、窒化けい素焼結体が本来備
える高強度特性に加えて、特に基板を構成する焼結体中
に実質的に気孔(ポア)が形成されず、また表面粗さが
小さいために、加工時に脱粒が生じにくく、さらにこの
薄い窒化けい素基板を用いて各種パワーモジュールや回
路基板を構成した場合でもリーク電流量を効果的に抑制
することができ、さらに基板表面に薄膜を形成した場合
においても薄膜の膨れや剥離を防止でき、電子機器に使
用した場合においても、その絶縁性、耐久性および動作
の信頼性を大幅に向上させることが可能な窒化けい素基
板、その製造方法およびそれを用いた薄膜付き窒化けい
素基板を提供することを目的とする。
The present invention has been made in order to meet the above-mentioned demands, and in addition to the high-strength characteristics originally possessed by a silicon nitride sintered body, in particular, it is substantially contained in the sintered body forming the substrate. Since no pores are formed in the surface and the surface roughness is small, grain removal does not occur easily during processing, and even when various power modules and circuit boards are constructed using this thin silicon nitride substrate, the amount of leakage current is small. Can be effectively suppressed, and even when a thin film is formed on the substrate surface, swelling and peeling of the thin film can be prevented, and even when used in electronic equipment, its insulation, durability and operational reliability. It is an object of the present invention to provide a silicon nitride substrate capable of significantly improving the temperature, a method of manufacturing the same, and a silicon nitride substrate with a thin film using the same.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するため、従来の窒化けい素セラミックス基板を使
用したモジュールにおいてリーク電流が発生する要因を
究明し、以下のような知見を得た。
In order to achieve the above object, the inventors of the present invention have clarified the cause of leakage current in a module using a conventional silicon nitride ceramic substrate and obtained the following findings. It was

【0016】すなわち、従来の窒化けい素基板の表面に
は、基板を構成する窒化けい素焼結体の焼結性などが悪
いため、幅が1μm以上のマイクロクラックや幅が1μ
m未満のサブミクロンクラックなどの割れが多数形成さ
れ易く、この割れが基板の厚さ方向に進展している場合
には、その割れの長さに相当する分だけセラミックス基
板の厚さが減少し、絶縁体としてのセラミックス基板の
実質的な厚さが減少するために絶縁性が低下し、モジュ
ールを形成した場合にリーク電流が発生し易くなる。な
お上記割れは、気孔を有する窒化けい素焼結体を所定厚
さに研磨加工する際にも発生し易い。また、気孔部分に
おいて脱粒が発生しやすく、研磨面の表面粗さが大きく
なってしまうことも判明した。
That is, since the surface of a conventional silicon nitride substrate has poor sinterability of the silicon nitride sintered body constituting the substrate, microcracks with a width of 1 μm or more and a width of 1 μm or more are present.
If many cracks such as submicron cracks of less than m are easily formed and these cracks propagate in the thickness direction of the substrate, the thickness of the ceramic substrate decreases by an amount corresponding to the length of the cracks. Since the substantial thickness of the ceramic substrate as an insulator is reduced, the insulating property is lowered, and a leak current is likely to occur when a module is formed. The cracks are likely to occur even when polishing a silicon nitride sintered body having pores to a predetermined thickness. It was also found that shedding is likely to occur in the pores and the surface roughness of the polished surface becomes large.

【0017】また窒化けい素結晶粒子は、本来絶縁物で
あるために電流は流れないが、現実の窒化けい素基板に
おいては焼結助剤成分の複合酸化物から成るガラス相が
粒界相として形成されており、この粒界相に形成された
ガラス相が上記電流リーク現象を引き起こすひとつの原
因となることが判明した。
Further, since silicon nitride crystal grains are originally insulators, no current flows, but in an actual silicon nitride substrate, a glass phase made of a composite oxide of a sintering aid component serves as a grain boundary phase. It was found that the glass phase formed in the grain boundary phase is one of the causes of the current leakage phenomenon.

【0018】さらに上記ガラス相は熱抵抗が大きいため
に窒化けい素基板の熱伝導率を低下させ易く、またガラ
ス相が多いとクラックが発生し易いことも判明した。な
お、上記粒界相は窒化けい素基板の強度をある程度まで
高く維持するために必要である。しかしながら粒界相の
幅(最大径)が大きくなると前述のようにリーク電流を
発生し易い組織となってしまう。そこで、本発明の好ま
しい態様では粒界相の最大径を規定してリーク電流が発
生しにくく、熱伝導率が高い粒界相を形成している。
Further, it has been found that the above-mentioned glass phase has a large thermal resistance, so that the thermal conductivity of the silicon nitride substrate is likely to be lowered, and that if the glass phase is large, cracks are likely to occur. The grain boundary phase is necessary for keeping the strength of the silicon nitride substrate high to some extent. However, when the width (maximum diameter) of the grain boundary phase becomes large, the structure tends to generate a leak current as described above. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, the maximum diameter of the grain boundary phase is defined so that a leak current is unlikely to occur and the grain boundary phase having high thermal conductivity is formed.

【0019】具体的には、粒界相の最大径を1.5μm
以下としたり、または少なくとも一部の粒界相を結晶化
せしめたりすることにより、熱抵抗が高いガラス相の比
率を低減して窒化けい素基板の熱伝導率を50W/m・
K以上に高めると同時にリーク電流の発生を効果的に防
止している。
Specifically, the maximum diameter of the grain boundary phase is 1.5 μm.
By setting the ratio below or crystallizing at least a part of the grain boundary phase, the ratio of the glass phase having a high thermal resistance is reduced to reduce the thermal conductivity of the silicon nitride substrate to 50 W / m.
The leakage current is effectively prevented at the same time as it is increased above K.

【0020】また、Hf酸化物を所定量添加することに
より、上記ガラス相の発生を抑制することが可能であ
り、粒界相の結晶化が進行し易く、基板の高熱伝導化と
リーク電流の抑制との両面から有効であることも判明し
た。
Further, by adding a predetermined amount of Hf oxide, it is possible to suppress the generation of the above-mentioned glass phase, the crystallization of the grain boundary phase is likely to proceed, the high thermal conductivity of the substrate and the leakage current increase. It was also found to be effective in terms of both suppression.

【0021】さらに、炭素は導電性を有しているため、
焼結後の窒化けい素基板に残留する炭素がリーク電流の
発生原因のひとつとなっていることも判明した。この対
策として原料混合体を成形・脱脂した後における成形体
の残留炭素量を所定値以下に規定することによって、窒
化けい素基板のリーク電流値を効果的に低減できること
も判明した。
Further, since carbon has conductivity,
It was also found that carbon remaining on the silicon nitride substrate after sintering is one of the causes of the leak current. As a countermeasure against this, it has been found that the leakage current value of the silicon nitride substrate can be effectively reduced by limiting the residual carbon amount of the molded body after molding and degreasing the raw material mixture to a predetermined value or less.

【0022】また、従来の窒化けい素焼結体を製造する
際に、一般的に使用されていた窒化けい素粉末の種類、
焼結助剤や添加物の種類および添加量、焼結条件等の製
造条件を種々変えて、それらの要素が最終製品としての
焼結体の特性に及ぼす影響を実験により確認した。
Further, when manufacturing a conventional silicon nitride sintered body, the kind of silicon nitride powder generally used,
The production conditions such as the type and amount of sintering aids and additives, and the sintering conditions were variously changed, and the effects of these elements on the properties of the sintered body as the final product were confirmed by experiments.

【0023】その結果、特に所定組成の成形体につい
て、焼結後に熱間静水圧プレス(HIP)処理を実施す
ることにより、基板を構成する焼結体中に実質的に気孔
(ポア)が形成されず、緻密でクラックの発生が少ない
焼結体が得られ、リーク電流の発生を効果的に低減でき
るという知見を得た。また、表面粗さが小さく表面性状
が良好な基板が得られるため、加工時に脱粒が生じにく
く、さらにこの基板表面に薄膜を形成した場合において
も薄膜の膨れや剥離が少なく、信頼性が高い薄膜付き窒
化けい素基板が得られるという知見を得た。
As a result, by carrying out hot isostatic pressing (HIP) treatment after sintering, in particular, for a molded product having a predetermined composition, pores are substantially formed in the sintered product forming the substrate. Therefore, it was found that a sintered body that is dense and has few cracks can be obtained, and that the generation of leak current can be effectively reduced. In addition, since a substrate with a small surface roughness and good surface properties can be obtained, graining is less likely to occur during processing, and even when a thin film is formed on the surface of the substrate, the thin film is less swollen and peeled off, and thus a highly reliable thin film. We have obtained the finding that a silicon nitride substrate with a substrate can be obtained.

【0024】また、好ましい態様として、微細で高純度
を有する窒化けい素粉末に希土類元素を所定量ずつ添加
した原料混合体を成形脱脂し、緻密化焼結を実施した
後、所定の冷却速度で徐冷したときに気孔が小さくなる
とともに熱伝導率が大きく向上し、かつ高強度を有する
窒化けい素焼結体が得られることが判明した。
In a preferred embodiment, a raw material mixture obtained by adding a predetermined amount of a rare earth element to fine and highly pure silicon nitride powder is molded and degreased, densified and sintered, and then at a predetermined cooling rate. It was found that when gradually cooled, the pores became smaller, the thermal conductivity was greatly improved, and a silicon nitride sintered body having high strength was obtained.

【0025】また酸素や不純物陽イオン元素含有量を低
減した高純度の窒化けい素原料粉末を使用し、窒化けい
素成形体の厚さを小さく設定して焼結することにより、
粒界相におけるガラス相(非晶質相)の生成が効果的に
防止でき、希土類元素酸化物のみを原料粉末に添加した
場合においても50W/m・K以上の高熱伝導率を有す
る窒化けい素焼結体が得られるという知見を得た。
By using a high-purity silicon nitride raw material powder having a reduced content of oxygen and impurity cation elements, and setting a small thickness of the silicon nitride compact to sinter,
Generation of a glass phase (amorphous phase) in the grain boundary phase can be effectively prevented, and silicon nitride firing having a high thermal conductivity of 50 W / mK or more even when only rare earth element oxide is added to the raw material powder. We obtained the finding that a conjunctiva was obtained.

【0026】また、従来、焼結操作終了後に焼成炉の加
熱用電源をOFFとして焼結体を炉冷していた場合に
は、冷却速度が毎時400〜800℃と急速であった
が、本発明者の実験によれば、特に冷却速度を毎時10
0℃以下に緩速に制御することにより、窒化けい素焼結
体組織の粒界相が非結晶質状態から結晶相を含む相に変
化し、高強度特性と高伝熱特性とが同時に達成されるこ
とが判明した。
Further, conventionally, when the heating power source of the firing furnace was turned off after the sintering operation was finished and the sintered body was cooled in the furnace, the cooling rate was as rapid as 400 to 800 ° C./hour. According to the experiments by the inventor, the cooling rate is 10
By controlling the temperature slowly to 0 ° C or lower, the grain boundary phase of the silicon nitride sintered body structure changes from an amorphous state to a phase containing a crystalline phase, and high strength characteristics and high heat transfer characteristics are simultaneously achieved. It turned out that

【0027】しかしながら、本発明者はさらに改良研究
を進めた結果、希土類元素に加えて、さらにMgを酸化
物に換算して0.3〜3.0重量%添加した場合に、焼
結性が改善されるため窒化けい素焼結体の高強度化が可
能であることを見出した。ちなみに原料成形体を150
0〜1900℃の温度範囲で焼結して窒化けい素基板と
した場合においても、1.5kV−100Hzの交流電
圧を印加した際のリーク電流値が800〜1300nA
程度であり、あるいは、1MHzの交流電圧を印加した
際の誘電損失が0.001以下となるような窒化けい素
基板が得られる。また、この窒化けい素基板は500M
Pa以上の曲げ強度と50W/m・K以上の高熱伝導率
を達成することができる。
However, as a result of further improvement research by the present inventor, the sinterability was improved when 0.3 to 3.0% by weight of Mg was added as an oxide in addition to the rare earth element. It was found that the strength of the silicon nitride sintered body can be increased because of the improvement. By the way, 150 raw material compacts
Even when a silicon nitride substrate is sintered in the temperature range of 0 to 1900 ° C., the leak current value when applying an alternating voltage of 1.5 kV-100 Hz is 800 to 1300 nA.
A silicon nitride substrate having a dielectric loss of 0.001 or less when an alternating voltage of 1 MHz is applied can be obtained. Also, this silicon nitride substrate is 500M
A bending strength of Pa or more and a high thermal conductivity of 50 W / m · K or more can be achieved.

【0028】また、微細な窒化けい素原料粉末に希土類
酸化物、必要に応じてマグネシア(MgO),Hfの化
合物,Ti,Zr,W,Mo,Ta,Nb,V,Crの
化合物を所定量ずつ添加した原料混合体を成形脱脂した
後に本焼結を実施し、前記焼結温度から、上記希土類元
素により焼結時に形成された液相が凝固する温度までに
至る焼結体の冷却速度を毎時100℃以下にして徐冷し
た場合に、高強度、高熱伝導率に加えて、特に、焼結工
程の一部として熱間静水圧プレス(HIP)処理を採用
することにより電圧印加時に発生するリーク電流を抑制
し得る高絶縁性を有する窒化けい素基板が初めて得られ
ることが判明した。
Further, fine silicon nitride raw material powder is added to a rare earth oxide, and if necessary, a compound of magnesia (MgO) and Hf, and compounds of Ti, Zr, W, Mo, Ta, Nb, V and Cr in predetermined amounts. After performing degreasing of the added raw material mixture and performing main sintering, the cooling rate of the sintered body from the sintering temperature to the temperature at which the liquid phase formed during sintering by the rare earth element solidifies When annealed at 100 ° C. or less per hour, in addition to high strength and high thermal conductivity, especially when hot isostatic pressing (HIP) treatment is adopted as part of the sintering process, it occurs when voltage is applied. It was found for the first time that a silicon nitride substrate having a high insulating property capable of suppressing leakage current was obtained.

【0029】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。
The present invention has been completed based on the above findings.

【0030】すなわち、本発明に係る窒化けい素基板
は、焼結助剤を含有する窒化けい素焼結体から成る窒化
けい素基板において、上記窒化けい素焼結体中に実質的
に気孔が存在しないことを特徴とする。
That is, the silicon nitride substrate according to the present invention is a silicon nitride substrate made of a silicon nitride sintered body containing a sintering aid, and substantially no pores are present in the silicon nitride sintered body. It is characterized by

【0031】また、上記窒化けい素基板において、表面
粗さRaが0.5μm以下であることが好ましい。特
に、焼結後に熱間静水圧プレス(HIP)処理を実施し
ているため、窒化けい素基板中の気孔を実質的に存在さ
せないようにすると共に、基板の表面粗さRaを0.5
μm以下とすることが容易である。このように良好な表
面性状を実現することにより、基板表面に薄膜を接合し
て薄膜付き窒化けい素基板とした場合においても、ヒー
トサイクルによって薄膜の膨れや剥離が生じることが少
なく、信頼性に優れた薄膜付き窒化けい素基板が得られ
る。さらに上記窒化けい素基板の表面粗さRaが0.0
5μm以下であることがさらに好ましい。
In the above silicon nitride substrate, the surface roughness Ra is preferably 0.5 μm or less. In particular, since hot isostatic pressing (HIP) is performed after sintering, pores in the silicon nitride substrate are prevented from substantially existing and the surface roughness Ra of the substrate is 0.5.
It is easy to reduce the thickness to less than μm. By realizing good surface properties in this way, even when a thin film is bonded to the substrate surface to form a thin film-coated silicon nitride substrate, swelling or peeling of the thin film is less likely to occur due to heat cycles, and reliability is improved. An excellent silicon nitride substrate with a thin film can be obtained. Further, the surface roughness Ra of the silicon nitride substrate is 0.0
It is more preferably 5 μm or less.

【0032】さらに、上記窒化けい素基板表面に存在す
る焼結助剤成分を含有する粒界相の最大径が1.5μm
以下であることが好ましい。
Further, the maximum diameter of the grain boundary phase containing the sintering aid component present on the surface of the silicon nitride substrate is 1.5 μm.
The following is preferable.

【0033】さらに、上記窒化けい素基板において、温
度25℃、湿度70%の条件下で前記窒化けい素焼結体
の表裏間に1.5Kv−100Hzの交流電圧を印加し
たときの電流リーク値が100nA以下であることが好
ましい。
Further, in the above-mentioned silicon nitride substrate, the current leakage value when an alternating voltage of 1.5 Kv-100 Hz was applied between the front and back of the silicon nitride sintered body under the conditions of temperature of 25 ° C. and humidity of 70%. It is preferably 100 nA or less.

【0034】また、本発明に係る窒化けい素基板の厚さ
は、特に限定されないが、0.4mm以下と薄くするこ
とも可能である。本発明の窒化けい素基板は実質的に気
孔が存在しないように緻密に形成されているため、機械
的強度が高く、厚さが0.1〜0.4mmと薄く形成し
た場合においても、リーク電流が少なく優れた絶縁性を
示す。また、薄く形成できるために、熱抵抗も小さく、
基板自身の高熱伝導性とも相まって、窒化けい素基板の
放熱性を相乗的に改善できる。
The thickness of the silicon nitride substrate according to the present invention is not particularly limited, but it can be made as thin as 0.4 mm or less. Since the silicon nitride substrate of the present invention is densely formed so as to have substantially no pores, it has high mechanical strength and leaks even when formed to a thin thickness of 0.1 to 0.4 mm. Shows excellent insulation with low current. In addition, since it can be formed thin, it has low thermal resistance,
Combined with the high thermal conductivity of the substrate itself, the heat dissipation of the silicon nitride substrate can be synergistically improved.

【0035】さらに、本発明に係る薄膜付き窒化けい素
基板は、上記のように調製した窒化けい素基板上に金属
薄膜を設けたことを特徴とする。
Furthermore, the silicon nitride substrate with a thin film according to the present invention is characterized in that a metal thin film is provided on the silicon nitride substrate prepared as described above.

【0036】また、前記窒化けい素基板の破壊靭性値が
6.5MPa・m1/2以上であることが好ましい。
The fracture toughness value of the silicon nitride substrate is preferably 6.5 MPa · m 1/2 or more.

【0037】さらに、前記窒化けい素基板は、窒化けい
素結晶および粒界相から成るとともに粒界相中における
結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が20%以上で
あることが好ましい。また前記窒化けい素セラミックス
基板は、希土類元素を酸化物に換算して2.0〜17.
5質量%含有することが好ましい。
Further, it is preferable that the silicon nitride substrate is composed of a silicon nitride crystal and a grain boundary phase, and the ratio of the crystal compound phase in the grain boundary phase to the entire grain boundary phase is 20% or more. In the silicon nitride ceramic substrate, the rare earth elements are converted into oxides of 2.0 to 17.
It is preferable to contain 5% by mass.

【0038】また、上記窒化けい素基板の熱伝導率が9
0W/m・k以上であるように構成することも可能であ
る。
The thermal conductivity of the silicon nitride substrate is 9
It is also possible to configure it to be 0 W / m · k or more.

【0039】さらに、前記窒化けい素基板は、MgをM
gOに換算して0.3〜3.0質量%含有することが好
ましい。
Further, in the silicon nitride substrate, Mg is used as M
It is preferable to contain 0.3 to 3.0 mass% in terms of gO.

【0040】さらに上記窒化けい素焼結体が、Hfおよ
びMgの少なくとも一方を酸化物に換算して0.3〜
3.0質量%含有するとともに、不純物陽イオン元素と
してのAl,Li,Na,K,Fe,Ba,Mn,Bを
合計で0.5質量%以下含有することが好ましい。
Further, in the above silicon nitride sintered body, at least one of Hf and Mg is converted into an oxide of 0.3 to.
It is preferable to contain 3.0 mass% and 0.5 mass% or less of Al, Li, Na, K, Fe, Ba, Mn, and B as impurity cation elements in total.

【0041】また、前記窒化けい素基板における残留炭
素含有量が500ppm以下であることが好ましい。な
お、本発明の窒化けい素基板における残留炭素含有量
(または残留炭素量)とは、該セラミックス基板中に残
留する炭素単体の含有量を示すものであり、金属炭化物
の含有量を含むものではない。
The residual carbon content in the silicon nitride substrate is preferably 500 ppm or less. The residual carbon content (or residual carbon content) in the silicon nitride substrate of the present invention indicates the content of carbon simple substance remaining in the ceramic substrate, and does not include the content of metal carbide. Absent.

【0042】また、上記窒化けい素基板において、さら
に、気孔率は検出限界以下であって容量比で0.01%
未満(実質的には0.009%以下)であり、全酸素量
が3.5質量%以下であることが好ましい。またTi,
Zr,W,Mo,Ta,Nb,V,Crからなる群より
選択される少なくとも1種を酸化物に換算して2質量%
以下含有することが好ましい。
In the above silicon nitride substrate, the porosity is below the detection limit and the volume ratio is 0.01%.
It is preferably less than (substantially 0.009% or less) and the total oxygen content is 3.5% by mass or less. Also Ti,
At least one selected from the group consisting of Zr, W, Mo, Ta, Nb, V and Cr is 2% by mass in terms of oxide.
It is preferable to contain the following.

【0043】また本発明に係る窒化けい素基板の製造方
法は、酸素を1.5質量%以下、不純物陽イオン元素と
してのAl,Li,Na,K,Fe,Ba,Mn,Bを
合計で0.5質量%以下、α相型窒化けい素を75〜9
7質量%以上含有し、平均粒径1.0μm以下である窒
化けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して2〜1
7.5質量%添加した原料混合体を成形して成形体を調
整し、得られた成形体を脱脂後、温度1700〜190
0℃で焼結し、得られた焼結体を温度1550〜170
0℃、圧力50〜250MPaで熱間静水圧(HIP)
処理することを特徴とする。
In the method for manufacturing a silicon nitride substrate according to the present invention, oxygen is 1.5 mass% or less and Al, Li, Na, K, Fe, Ba, Mn and B as impurity cation elements are added in total. 0.5% by mass or less, α-phase silicon nitride 75 to 9
Silicon nitride powder containing 7% by mass or more and having an average particle size of 1.0 μm or less has a 2-1 value obtained by converting a rare earth element into an oxide.
The raw material mixture added with 7.5% by mass is molded to prepare a molded body, and the obtained molded body is degreased and then the temperature is set to 1700 to 190.
Sintering was performed at 0 ° C., and the obtained sintered body was heated at a temperature of 1550 to 170.
Hot isostatic pressure (HIP) at 0 ° C and pressure of 50 to 250 MPa
It is characterized by processing.

【0044】また、上記窒化けい素基板の製造方法にお
いて、焼結後に、前記焼結温度から、前記希土類元素に
より焼結時に形成された液相が凝固する温度までに至る
焼結体の冷却速度を毎時100℃以下にして徐冷するこ
とが好ましい。
Further, in the above method for manufacturing a silicon nitride substrate, after the sintering, the cooling rate of the sintered body from the sintering temperature to a temperature at which a liquid phase formed by sintering the rare earth element solidifies. It is preferable to gradually cool to 100 ° C. or less per hour.

【0045】また、窒化けい素粉末が、酸素を1.5質
量%以下、不純物陽イオン元素としてのAl,Li,N
a,K,Fe,Ba,Mn,Bを合計で0.5質量%以
下、α相型窒化けい素を75〜97質量%以上含有し、
平均粒径が1.0μm以下であることが好ましい。
Further, the silicon nitride powder contains oxygen of 1.5% by mass or less and Al, Li, N as impurity cation elements.
a, K, Fe, Ba, Mn, B in a total amount of 0.5 mass% or less and α-phase silicon nitride in an amount of 75 to 97 mass% or more,
The average particle diameter is preferably 1.0 μm or less.

【0046】また上記製造方法において、窒化けい素粉
末に、HfおよびMgの少なくとも一方を酸化物に換算
して0.3〜3.0質量%添加することが好ましい。ま
た、窒化けい素粉末に、Ti,Zr,W,Mo,Ta,
Nb,V,Crからなる群より選択される少なくとも1
種を酸化物に換算して2重量%以下添加することが好ま
しい。
In the above manufacturing method, it is preferable that at least one of Hf and Mg is added to the silicon nitride powder in an amount of 0.3 to 3.0 mass% in terms of oxide. In addition, the silicon nitride powder, Ti, Zr, W, Mo, Ta,
At least one selected from the group consisting of Nb, V, and Cr
It is preferable to add 2% by weight or less in terms of oxides.

【0047】また、前記原料混合体を120MPa以上
の成形圧力で成形して成形体を調製することが好まし
い。さらに前記成形圧力が120〜200MPaの範囲
であることが好ましい。また焼結後における前記焼結体
の残留炭素量が500ppm以下であることが好まし
い。
Further, it is preferable that the raw material mixture is molded at a molding pressure of 120 MPa or more to prepare a molded body. Further, the molding pressure is preferably in the range of 120 to 200 MPa. The residual carbon content of the sintered body after sintering is preferably 500 ppm or less.

【0048】上記製造方法によれば、特に焼結後に焼結
体を所定条件下で熱間静水圧(HIP)処理しているた
め、気孔率が0.01%未満と検出限界以下であって基
板を構成する焼結体中に実質的に気孔(ポア)が形成さ
れない窒化けい素基板が得られる。また、好適には表面
粗さRaが0.5μm以下と小さく表面性状に優れ、窒
化けい素結晶組織中に希土類元素等を含む粒界相が形成
され、その粒界相の最大径が1.5μm以下である窒化
けい素基板が得られる。さらに好適には、温度25℃で
湿度が70%の条件下で1.5kV−100Hzの交流
電圧を印加した際のリーク電流値が100nA以下であ
り、好適には全酸素量が3.5質量%以下であり、熱伝
導率が50W/m・K以上、三点曲げ強度が室温で50
0MPa以上であり、破壊靭性値が6.5MPa・m
1/2以上であるように絶縁特性、機械的特性および熱
伝導特性が共に優れた窒化けい素基板が得られる。
According to the above manufacturing method, since the sintered body is subjected to hot isostatic pressing (HIP) under a predetermined condition after sintering, the porosity is less than 0.01%, which is below the detection limit. A silicon nitride substrate is obtained in which substantially no pores are formed in the sintered body that constitutes the substrate. Further, the surface roughness Ra is preferably as small as 0.5 μm or less and the surface properties are excellent, and a grain boundary phase containing a rare earth element or the like is formed in the silicon nitride crystal structure, and the maximum diameter of the grain boundary phase is 1. A silicon nitride substrate having a thickness of 5 μm or less is obtained. More preferably, the leak current value when an alternating voltage of 1.5 kV-100 Hz is applied under the condition of a temperature of 25 ° C. and a humidity of 70% is 100 nA or less, and preferably the total oxygen amount is 3.5 mass. %, The thermal conductivity is 50 W / mK or more, and the three-point bending strength is 50 at room temperature.
0 MPa or more and a fracture toughness value of 6.5 MPa · m
A silicon nitride substrate having excellent insulating properties, mechanical properties, and heat conduction properties can be obtained as it is ½ or more.

【0049】上記リーク電流値は以下のように計測され
る。すなわち、窒化けい素基板の表裏面間にそれぞれ金
属電極を接合し、この電極間に1.5kV−100Hz
の交流電圧を印加した際に金属電極間に流れるリーク電
流の電流値をカーブトレーサ等を用いて計測することが
できる。
The leak current value is measured as follows. That is, metal electrodes are bonded between the front and back surfaces of a silicon nitride substrate, and 1.5 kV-100 Hz is applied between these electrodes.
The current value of the leak current flowing between the metal electrodes when the AC voltage is applied can be measured using a curve tracer or the like.

【0050】上記リーク電流値が100nAを超える
と、基板自体の絶縁性が不十分であり、特に高出力化し
たり高集積・高容量化したパワーモジュール用のセラミ
ックス基板材料としては不適になる。好ましくは50n
A以下である。
If the leakage current value exceeds 100 nA, the insulating property of the substrate itself is insufficient and it becomes unsuitable as a ceramic substrate material for a power module, which has a particularly high output and a high integration and a high capacity. Preferably 50n
It is A or less.

【0051】なお、このリーク電流値を特定するにあた
り、本発明では測定条件を温度25℃、湿度70%に統
一した。リーク電流値は温度や湿度によって多少変動す
る値であることから測定条件を特定した。また、本発明
ではリーク電流値の測定条件を特定しただけであるか
ら、本発明の窒化けい素基板をこの条件以外の条件下で
も使用できることは言うまでもない。
In specifying the leak current value, in the present invention, the measurement conditions are unified to a temperature of 25 ° C. and a humidity of 70%. The leak current value is a value that fluctuates somewhat depending on temperature and humidity, so the measurement conditions were specified. Further, since the present invention only specifies the measurement conditions of the leak current value, it goes without saying that the silicon nitride substrate of the present invention can be used under conditions other than these conditions.

【0052】さらに言えば、本発明の窒化けい素基板は
湿度70%と漏電し易い環境下においてもリーク電流値
を100nA以下と小さくすることが可能となるのであ
る。
Furthermore, the silicon nitride substrate of the present invention can reduce the leak current value to 100 nA or less even in an environment in which the humidity is 70% and electric leakage is likely to occur.

【0053】本発明方法において使用され、基板を構成
する焼結体の主成分となる窒化けい素粉末としては、焼
結性、強度および熱伝導率を考慮して、酸素含有量が
1.5質量%以下、好ましくは0.5〜1.2質量%、
Al,Li,Na,K,Fe,Ba,Mn,Bなどの不
純物陽イオン元素含有量が合計で0.5質量%以下、好
ましくは0.3質量%以下に抑制されたα相型窒化けい
素を75〜97質量%、好ましくは80〜95質量%含
有し、平均粒径が1.0μm以下、好ましくは0.4〜
0.8μm程度の微細な窒化けい素粉末を使用すること
が好ましい。
The silicon nitride powder used in the method of the present invention, which is the main component of the sintered body constituting the substrate, has an oxygen content of 1.5 in view of sinterability, strength and thermal conductivity. Mass% or less, preferably 0.5 to 1.2 mass%,
Α-phase silicon nitride in which the content of impurity cation elements such as Al, Li, Na, K, Fe, Ba, Mn, and B is suppressed to 0.5 mass% or less, preferably 0.3 mass% or less. 75 to 97% by mass, preferably 80 to 95% by mass, and having an average particle size of 1.0 μm or less, preferably 0.4 to
It is preferable to use fine silicon nitride powder of about 0.8 μm.

【0054】なお、窒化けい素原料粉末としてはα相型
のものとβ相型のものとが知られているが、α相型の窒
化けい素原料粉末では焼結体とした場合に強度が不足し
易い傾向がある一方、β相型の窒化けい素原料粉末では
高温度焼成が必要であるが、アスペクト比が高く繊維状
の窒化けい素が複雑に入り組んだ高強度の焼結体が得ら
れる。したがって、本発明においてはα相型原料粉末を
高温度で焼成して窒化けい素焼結体としては、β相型の
焼結体とすることが好適である。
Although α-phase type and β-phase type powders of silicon nitride raw material are known, the strength of α-phase type silicon nitride raw material powder is small when it is made into a sintered body. On the other hand, the β-phase type silicon nitride raw material powder tends to be insufficient, but high temperature firing is required, but a high strength sintered body with a high aspect ratio and complicated fibrous silicon nitride is obtained. To be Therefore, in the present invention, it is preferable that the α-phase type raw material powder is fired at a high temperature to obtain a β-phase type sintered body as the silicon nitride sintered body.

【0055】本発明において、α相型窒化けい素粉末の
配合量を75〜97質量%の範囲に限定した理由は、7
5質量%以上の範囲で焼結体の曲げ強度、熱伝導率およ
び絶縁性が格段に向上し、窒化けい素の優れた特性が顕
著となるためである。一方、焼結性を考慮すると、97
質量%までの範囲とする。好ましくは80〜95質量%
の範囲とすることが好ましい。
In the present invention, the reason why the blending amount of the α-phase type silicon nitride powder is limited to the range of 75 to 97 mass% is 7
This is because the bending strength, thermal conductivity and insulating property of the sintered body are remarkably improved in the range of 5 mass% or more, and the excellent properties of silicon nitride become remarkable. On the other hand, considering the sinterability, 97
The range is up to mass%. Preferably 80 to 95% by mass
It is preferable to set it as the range.

【0056】窒化けい素の出発原料粉末としては、焼結
性、曲げ強度、熱伝導率、絶縁性を考慮して、酸素含有
率が1.5質量%以下、好ましくは0.5〜1.2質量
%であり、α相型窒化けい素を90質量%以上含有し、
平均粒径が1.0μm以下、好ましくは0.4〜0.8
μm程度の微細な窒化けい素粉末を使用することが好ま
しい。
The starting material powder of silicon nitride has an oxygen content of 1.5% by mass or less, preferably 0.5 to 1 in consideration of sinterability, bending strength, thermal conductivity and insulation. 2% by mass, containing 90% by mass or more of α-phase silicon nitride,
The average particle size is 1.0 μm or less, preferably 0.4 to 0.8
It is preferable to use fine silicon nitride powder having a size of about μm.

【0057】平均粒径が1.0μm以下の微細な原料粉
末を使用することにより、窒化けい素粉末同士の三重点
を小さくできるため、少量の焼結助剤であっても気孔が
実質的に形成され難い緻密な焼結体を形成することが可
能であり、また焼結助剤が熱伝導特性を阻害するおそれ
も減少する。
By using a fine raw material powder having an average particle size of 1.0 μm or less, the triple point between silicon nitride powders can be made small, so that even if a small amount of sintering aid is used, the porosity is substantially reduced. It is possible to form a dense sintered body that is difficult to form, and the risk of the sintering aid impeding the heat conduction characteristics is reduced.

【0058】また本発明に係る窒化けい素基板に含有さ
れる全酸素量は3.5質量%以下が好ましい。この基板
の全酸素量が3.5質量%を超えると結晶粒界相中の最
大気孔径が大きくなると共に、特に電流リーク値が大き
くなり焼結体の絶縁性が低下する。
The total amount of oxygen contained in the silicon nitride substrate according to the present invention is preferably 3.5% by mass or less. If the total oxygen content of this substrate exceeds 3.5% by mass, the maximum pore diameter in the grain boundary phase becomes large, and the current leak value in particular becomes large, so that the insulating property of the sintered body deteriorates.

【0059】またAl,Li,Na,K,Fe,Ba,
Mn,Bの不純物陽イオン元素は熱伝導性を阻害する物
質となるため、50W/m・K以上の熱伝導率を確保す
るためには、上記不純物陽イオン元素の含有量は合計で
0.5質量%以下とすることにより達成可能である。特
に同様の理由により、上記不純物陽イオン元素の含有量
は合計で0.3質量%以下とすることが、さらに好まし
い。ここで通常の窒化けい素焼結体を得るために使用さ
れる窒化けい素粉末には、特にFe,Alが比較的に多
く含有されているため、Fe,Alの合計量が上記不純
物陽イオン元素の合計含有量の目安となる。
Al, Li, Na, K, Fe, Ba,
Since the impurity cation elements of Mn and B are substances that hinder the thermal conductivity, the total content of the above impurity cation elements is 0. 0 in order to secure a thermal conductivity of 50 W / mK or more. It can be achieved by setting the content to 5% by mass or less. Particularly, for the same reason, it is more preferable that the total content of the impurity cation elements is 0.3% by mass or less. Since the silicon nitride powder used to obtain a usual silicon nitride sintered body contains a relatively large amount of Fe and Al, the total amount of Fe and Al is the above-mentioned impurity cation element. It is a guideline for the total content of.

【0060】さらに、β相型と比較して焼結性に優れた
α相型窒化けい素を90質量%以上含有する窒化けい素
原料粉末を使用することにより、高密度の焼結体を製造
することができる。
Further, by using a silicon nitride raw material powder containing 90% by mass or more of α-phase type silicon nitride, which has excellent sinterability as compared with β-phase type, a high density sintered body is manufactured. can do.

【0061】また窒化けい素原料粉末に焼結助剤として
添加する希土類元素としては、Y,Ho,Er,Yb,
La,Sc,Pr,Ce,Nd,Dy,Sm,Gdなど
の酸化物もしくは焼結操作により、これらの酸化物とな
る物質が単独で、または2種以上の酸化物を組み合せた
ものを含んでもよい。これらの焼結助剤は、窒化けい素
原料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進剤として機
能する。
The rare earth elements added to the silicon nitride raw material powder as a sintering aid include Y, Ho, Er, Yb,
Depending on the oxide such as La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, Gd or the sintering operation, these oxide substances may be used alone or in combination of two or more kinds. Good. These sintering aids react with the silicon nitride raw material powder to generate a liquid phase, and function as a sintering accelerator.

【0062】上記焼結助剤の添加量は、酸化物換算で原
料粉末に対して2.0〜17.5質量%の範囲とする。
この添加量が2.0質量%未満の場合は、焼結体の緻密
化あるいは高熱伝導化が不十分であり、特に希土類元素
がランタノイド系元素のように原子量が大きい元素の場
合には、比較的低強度で比較的に低熱伝導率の焼結体が
形成される。一方、添加量が17.5質量%を超える過
量となると、過量の粒界相が生成し、熱伝導率の低下や
強度が低下し始めるので上記範囲とする。特に同様の理
由により3〜15質量%とすることが望ましい。
The amount of the above-mentioned sintering aid added is in the range of 2.0 to 17.5% by mass based on the raw material powder in terms of oxide.
If the addition amount is less than 2.0% by mass, the densification or high thermal conductivity of the sintered body is insufficient. Especially, when the rare earth element is an element with a large atomic weight such as a lanthanoid element, comparison is made. A sintered body having a relatively low strength and a relatively low thermal conductivity is formed. On the other hand, if the addition amount exceeds 17.5% by mass, an excessive amount of grain boundary phase is generated, and thermal conductivity and strength start to decrease, so the above range is set. Particularly, for the same reason, it is desirable that the amount is 3 to 15% by mass.

【0063】また本発明において選択的な添加成分とし
て使用するマグネシウム(Mg)の酸化物(MgO)
は、上記希土類元素の焼結促進剤の機能を促進し低温で
の緻密化を可能にすると共に、結晶組織において粒成長
を制御する機能を果し、Si焼結体の機械的強度
を向上させるものである。このMgOの添加量が酸化物
換算で0.3質量%未満の場合においては添加効果が不
十分である一方、3.0質量%を超える過量となる場合
には熱伝導率の低下が起こるため、添加量は0.3〜
3.0質量%の範囲とする。特に0.5〜2質量%とす
ることが望ましい。
Further, magnesium (Mg) oxide (MgO) used as a selective additive component in the present invention.
Has the function of controlling the grain growth in the crystal structure while facilitating the function of the above-mentioned rare earth element sintering promoter and enabling densification at low temperature, and also the mechanical strength of the Si 3 N 4 sintered body. Is to improve. If the added amount of MgO is less than 0.3 mass% in terms of oxide, the effect of addition is insufficient, while if it exceeds 3.0 mass%, the thermal conductivity decreases. , The addition amount is 0.3 ~
The range is 3.0% by mass. It is particularly desirable to set the content to 0.5 to 2% by mass.

【0064】また、上記MgOと同様の効果を示す成分
として、Hf化合物もある。Hf化合物としては、酸化
物、炭化物、窒化物、珪化物、硼化物として添加され、
MgOと併せて複合添加することにより、さらに焼結を
促進し、かつガラス相をより効果的に低減できる。添加
量については0.3〜3質量%、好ましくは1.0〜
2.5質量%である。MgOとHf化合物は同様の効果
を示すものであるから、MgOとHf化合物を両方添加
することにより相乗的な効果を得ることも可能である。
There is also a Hf compound as a component exhibiting the same effect as MgO. Hf compounds are added as oxides, carbides, nitrides, silicides, borides,
The composite addition together with MgO can further promote the sintering and reduce the glass phase more effectively. The amount added is 0.3 to 3% by mass, preferably 1.0 to
It is 2.5% by mass. Since MgO and the Hf compound show similar effects, it is possible to obtain a synergistic effect by adding both MgO and the Hf compound.

【0065】また本発明において他の選択的な添加成分
として、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W
を、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物として
添加してもよい。これらの化合物は、上記希土類元素の
焼結促進剤としての機能を促進すると共に、結晶組織に
おいて分散強化の機能を果しSi焼結体の機械的
強度を向上させるものであり、特に、Ti,Moの化合
物が好ましい。これらの化合物の添加量が酸化物換算で
0.1質量%未満の場合においては添加効果が不十分で
ある一方、2質量%を超える過量となる場合には熱伝導
率および機械的強度や電気絶縁破壊強度の低下が起こる
ため、添加量は0.1〜2質量%の範囲とする。特に
0.2〜1.0質量%とすることが望ましい。
In the present invention, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo and W are used as other optional additive components.
May be added as an oxide, a carbide, a nitride, a silicide, or a boride. These compounds promote the function of the above-mentioned rare earth element as a sintering accelerator, and at the same time serve as a dispersion strengthening function in the crystal structure to improve the mechanical strength of the Si 3 N 4 sintered body. , Ti, Mo compounds are preferred. If the addition amount of these compounds is less than 0.1% by mass in terms of oxide, the effect of addition is insufficient, while if it exceeds 2% by mass, the thermal conductivity, mechanical strength, and electrical properties are low. Since the dielectric breakdown strength lowers, the addition amount is set in the range of 0.1 to 2 mass%. In particular, it is desirable that the content be 0.2 to 1.0% by mass.

【0066】また上記Ti,Mo等の化合物は窒化けい
素基板を黒色系に着色し不透明性を付与する遮光剤とし
ても機能する。そのため、特に光によって誤動作を生じ
易い集積回路等を搭載するセラミックス回路基板を上記
焼結体から製造する場合には、上記Ti等の化合物を適
正に添加し、遮光性に優れた窒化けい素基板とすること
が望ましい。
The compounds such as Ti and Mo also function as a light-shielding agent that imparts opacity to the silicon nitride substrate by coloring it in black. Therefore, when a ceramics circuit board on which an integrated circuit or the like is apt to malfunction due to light is manufactured from the sintered body, a compound such as Ti is appropriately added to the silicon nitride substrate excellent in light-shielding property. Is desirable.

【0067】また焼結体の気孔率は表面性状(表面粗
さ)、リーク電流の発生量、熱伝導率および強度に大き
く影響するため検出限界(0.01%未満)となるよう
に製造する。気孔率が0.01%以上となると、リーク
電流が急増するとともに熱伝導の妨げとなり、焼結体の
絶縁性および熱伝導率が低下するとともに、焼結体の強
度低下が起こる。なお、上記気孔率はアルキメデス法に
より測定される。
Further, since the porosity of the sintered body has a great influence on the surface properties (surface roughness), the amount of leak current generated, the thermal conductivity and the strength, it is manufactured so as to reach the detection limit (less than 0.01%). . When the porosity is 0.01% or more, the leak current rapidly increases and the heat conduction is hindered, the insulating property and the thermal conductivity of the sintered body decrease, and the strength of the sintered body decreases. The porosity is measured by the Archimedes method.

【0068】また、窒化けい素基板は組織的に窒化けい
素結晶と粒界相とから構成されるが、粒界相中の結晶化
合物相の割合は焼結体のリーク電流の発生量や熱伝導率
に大きく影響し、本発明に係る基板を構成する焼結体に
おいては粒界相の20%以上とすることが好ましく、よ
り好ましくは50%以上が結晶相で占めることが望まし
い。結晶相が20%未満では熱伝導率が50W/m・K
以上となるような放熱特性に優れ、リーク電流が少な
く、かつ機械的強度に優れた焼結体が得られないからで
ある。特に、窒化けい素焼結体の窒化けい素結晶粒子自
体は絶縁物であることから、粒界相の状態が窒化けい素
焼結体のリーク電流値に大きく影響する。
The silicon nitride substrate is structurally composed of a silicon nitride crystal and a grain boundary phase. The proportion of the crystalline compound phase in the grain boundary phase depends on the amount of leakage current generated in the sintered body and the amount of heat generated. In the sintered body that constitutes the substrate according to the present invention, the conductivity is greatly affected, and it is preferable that the grain boundary phase accounts for 20% or more, and more preferably 50% or more of the crystal phase. If the crystal phase is less than 20%, the thermal conductivity will be 50 W / mK
This is because it is not possible to obtain a sintered body having excellent heat dissipation characteristics, a small leak current, and excellent mechanical strength as described above. In particular, since the silicon nitride crystal grains themselves of the silicon nitride sintered body are insulators, the state of the grain boundary phase greatly affects the leak current value of the silicon nitride sintered body.

【0069】さらに上記のように窒化けい素焼結体の気
孔率を検出限界(0.01%未満)とし、また窒化けい
素結晶組織に形成される粒界相の最大径が1.5μm以
下であり、熱伝導率が50W/m・K以上であり、全酸
素量が3.5質量%以下で電流リーク値が100nA以
下となるような窒化けい素焼結体を得るためには、前記
原料で調製した窒化けい素成形体を脱脂後、温度170
0〜1900℃で2〜10時間程度、常圧焼結または加
圧焼結した後に、得られた焼結体を温度1550〜17
00℃、圧力50〜250MPaで熱間静水圧(HI
P)処理することが必要である。加圧焼結法としては、
雰囲気加圧焼結、ホットプレス処理など各種の加圧焼結
法が用いられる。
Further, as described above, the porosity of the silicon nitride sintered body is set as the detection limit (less than 0.01%), and the maximum diameter of the grain boundary phase formed in the silicon nitride crystal structure is 1.5 μm or less. In order to obtain a silicon nitride sintered body having a thermal conductivity of 50 W / mK or more, a total oxygen content of 3.5% by mass or less and a current leakage value of 100 nA or less, After degreasing the prepared silicon nitride compact, a temperature of 170
After pressureless sintering or pressure sintering at 0 to 1900 ° C. for about 2 to 10 hours, the obtained sintered body is heated at a temperature of 1550 to 17
Hot isostatic pressure (HI
P) It is necessary to process. As a pressure sintering method,
Various pressure sintering methods such as atmospheric pressure sintering and hot pressing are used.

【0070】また、焼結後に液相が凝固する温度までに
至る焼結体の冷却速度を毎時100℃以下にして徐冷し
た場合には、粒界相の結晶化が促進され、気孔の原因と
なり易いガラス相の割合が減少するので、電流リークを
抑制し絶縁性を改善した焼結体が得られる。
When the sintered body is slowly cooled to a temperature at which the liquid phase is solidified after sintering at a cooling rate of 100 ° C. or less per hour, crystallization of the grain boundary phase is promoted, causing porosity. Since the proportion of the glass phase that tends to be reduced is reduced, it is possible to obtain a sintered body in which current leakage is suppressed and insulation is improved.

【0071】本発明では、粒界相のガラス相の割合を低
減した窒化けい素焼結体に熱間静水圧プレス(HIP)
を施すことにより、実質的に気孔が存在せず、かつ熱伝
導率および機械的強度が優れた窒化けい素基板を得るこ
とができるのである。
In the present invention, the hot isostatic pressing (HIP) is applied to the silicon nitride sintered body in which the ratio of the glass phase of the grain boundary phase is reduced.
By carrying out, it is possible to obtain a silicon nitride substrate which is substantially free of pores and which is excellent in thermal conductivity and mechanical strength.

【0072】焼結温度を1700℃未満とした場合に
は、焼結体の緻密化が不十分で気孔率が0.01vol
%以上となり、絶縁性、機械的強度および熱伝導性が共
に低下してしまう。一方焼結温度が1900℃を超える
と窒化けい素成分自体が蒸発分解し易くなる。特に加圧
焼結ではなく、常圧焼結を実施した場合には、1800
℃付近より窒化けい素の分解蒸発が始まる。
If the sintering temperature is lower than 1700 ° C., the densification of the sintered body is insufficient and the porosity is 0.01 vol.
%, The insulating property, the mechanical strength and the thermal conductivity are deteriorated. On the other hand, when the sintering temperature exceeds 1900 ° C., the silicon nitride component itself tends to evaporate and decompose. In particular, when normal pressure sintering is performed instead of pressure sintering, 1800
Decomposition and evaporation of silicon nitride begins at around ℃.

【0073】上記焼結操作完了直後における焼結体の冷
却速度は粒界相を結晶化させるためにも有効な制御因子
であり、冷却速度が毎時100℃を超えるような急速冷
却を実施した場合には、焼結体組織の粒界相が非結晶質
(ガラス相)となり、焼結体に生成した液相が結晶相と
して粒界相に占める割合が20%未満となり、リーク電
流が増加する一方、特に熱伝導率のさらなる向上が見ら
れない。
The cooling rate of the sintered body immediately after the completion of the above-mentioned sintering operation is an effective control factor for crystallizing the grain boundary phase, and when rapid cooling is performed such that the cooling rate exceeds 100 ° C./hour. In addition, the grain boundary phase of the sintered body structure becomes amorphous (glass phase), the liquid phase generated in the sintered body accounts for less than 20% of the grain boundary phase as a crystal phase, and the leak current increases. On the other hand, the thermal conductivity is not particularly improved.

【0074】上記冷却速度を調整すべき温度範囲は、所
定の焼結温度(1700〜1900℃)から、前記の焼
結助剤の反応によって生成する液相が凝固するまでの温
度範囲で十分である。ちなみに前記のような焼結助剤を
使用した場合の液相凝固点は概略1600〜1500℃
程度である。そして少なくとも焼結温度から上記液相凝
固温度に至るまでの焼結体の冷却速度を毎時100℃以
下、好ましくは50℃以下、さらに好ましくは25℃以
下に制御することにより、焼結体の全酸素量が3.5質
量%以下となり、また粒界相の最大径が1.5μm以下
となり、気孔率も検出限界以下となり、また粒界相の2
0%以上、特に好ましくは50%以上が結晶相になり、
熱伝導率および機械的強度が共に優れ、リーク電流が少
ない窒化けい素焼結体が得られる。
The temperature range in which the cooling rate should be adjusted is sufficient from the predetermined sintering temperature (1700 to 1900 ° C.) to the solidification of the liquid phase produced by the reaction of the above-mentioned sintering aid. is there. By the way, the liquidus freezing point when the above-mentioned sintering aid is used is approximately 1600 to 1500 ° C.
It is a degree. By controlling the cooling rate of the sintered body from at least the sintering temperature to the liquidus solidification temperature at 100 ° C. or less per hour, preferably 50 ° C. or less, and more preferably 25 ° C. or less, the whole of the sintered body is controlled. The amount of oxygen is 3.5% by mass or less, the maximum diameter of the grain boundary phase is 1.5 μm or less, the porosity is below the detection limit, and the grain boundary phase 2
0% or more, particularly preferably 50% or more becomes a crystalline phase,
A silicon nitride sintered body having excellent thermal conductivity and mechanical strength and a low leak current can be obtained.

【0075】なお、上記焼結体の冷却速度は遅い方が粒
界相の結晶化に効果があるが、あまり遅すぎると製造時
間が長くなるため製造性の観点から冷却速度の下限は毎
時10℃以上が好ましい。
A slower cooling rate of the above sintered body is more effective for crystallization of the grain boundary phase, but if it is too slow, the manufacturing time becomes long, and therefore the lower limit of the cooling rate is 10 per hour from the viewpoint of manufacturability. C. or higher is preferable.

【0076】なお、本発明で規定する「焼結体の全酸素
量」とは、窒化けい素焼結体を構成している酸素の全量
を質量%で示したものである。したがって、酸素が窒化
けい素焼結体中に金属酸化物や酸窒化物等として存在し
ている場合は、その金属酸化物(および酸窒化物)量で
はなく、その金属酸化物(および酸窒化物)中の酸素量
に着目したものである。
The "total amount of oxygen in the sintered body" defined in the present invention means the total amount of oxygen constituting the silicon nitride sintered body in mass%. Therefore, when oxygen exists as a metal oxide or an oxynitride in the silicon nitride sintered body, not the amount of the metal oxide (and the oxynitride) but the metal oxide (and the oxynitride). ) Is focused on the amount of oxygen.

【0077】本発明に係る窒化けい素基板は、例えば以
下のようなプロセスを経て製造される。すなわち前記所
定の微細粒径を有し、また不純物含有量が少ない微細な
窒化けい素粉末に対して所定量の焼結助剤、有機バイン
ダ等の必要な添加剤および必要に応じてTi等の化合物
を加えて原料混合体を調整し、次に得られた原料混合体
を成形して所定形状の成形体を得る。原料混合体の成形
法としては、汎用の金型プレス法、ドクターブレード法
のようなシート成形法などが適用できる。
The silicon nitride substrate according to the present invention is manufactured through the following processes, for example. That is, with respect to the fine silicon nitride powder having the above-mentioned predetermined fine particle diameter and a low impurity content, a predetermined amount of a sintering aid, necessary additives such as an organic binder and, if necessary, Ti and the like are added. A raw material mixture is prepared by adding a compound, and the obtained raw material mixture is then molded to obtain a molded product having a predetermined shape. As a forming method of the raw material mixture, a general-purpose die pressing method, a sheet forming method such as a doctor blade method, or the like can be applied.

【0078】上記金型プレス法で成形体を形成する場合
において、特に焼結後においてリーク電流が発生し難い
粒界相を形成するためには、原料混合体の成形圧力を1
20MPa以上に設定することが好ましい。この成形圧
力が120MPa未満である場合には、主として粒界相
を構成する成分となる希土類元素化合物が凝集した箇所
が形成され易い上に、十分に緻密な成形体となり得ず、
クラックの発生が多い窒化けい素基板しか得られない。
上記粒界相の凝集した箇所は電流が流れ易いため、リー
ク電流値を増加させてしまう。また圧密化が不十分な成
形体を焼結しても、割れが発生し易く、基板の割れに起
因するリーク電流が増加してしまう。一方、成形圧力を
200MPaを超えるように過大にした場合、成形型の
耐久性が低下してしまう。
In the case of forming a compact by the die pressing method described above, the forming pressure of the raw material mixture is set to 1 in order to form a grain boundary phase in which a leak current is unlikely to occur particularly after sintering.
It is preferably set to 20 MPa or more. When the molding pressure is less than 120 MPa, a location where the rare earth element compound, which is a component that mainly constitutes the grain boundary phase, is agglomerated is likely to be formed, and a sufficiently dense molded article cannot be obtained.
Only silicon nitride substrates with many cracks can be obtained.
A current easily flows through the agglomerated portion of the grain boundary phase, which increases the leak current value. Further, even if a compact that is insufficiently consolidated is sintered, cracks are likely to occur, and the leak current due to the cracks in the substrate increases. On the other hand, if the molding pressure is excessively high to exceed 200 MPa, the durability of the molding die will be reduced.

【0079】また、過度に成形圧力が高いと成形体が必
要以上に硬くなり、成形体内部に生成した気泡(気孔)
を製造工程中に外部に排出し難くなる。そのため、上記
成形圧力は120〜200MPaの範囲が好ましい。
If the molding pressure is excessively high, the molded body becomes harder than necessary, and bubbles (pores) are generated inside the molded body.
Is difficult to discharge to the outside during the manufacturing process. Therefore, the molding pressure is preferably in the range of 120 to 200 MPa.

【0080】一方、所定厚さの窒化けい素基板を製造す
るに際して、焼結体を研磨加工して厚さを調整する場合
には、研磨加工時に作用する衝撃力によって基板表面に
クラックが発生し易い。特に、気孔が存在する窒化けい
素基板の場合には、加工時に脱粒が発生し易い上に、脱
粒痕によって焼結体の表面性状も悪化し易い。そこで窒
化けい素基板の厚さが1.5mm以下、好ましくは0.
4mm以下になるように成形の段階で薄い成形体を形成
し、焼結後における研磨加工を実施しない方法も、クラ
ックの発生を防止する観点から有効である。
On the other hand, in manufacturing a silicon nitride substrate having a predetermined thickness, when the thickness of the sintered body is adjusted by polishing, the impact force applied during the polishing causes cracks on the substrate surface. easy. In particular, in the case of a silicon nitride substrate having pores, grain removal is likely to occur during processing, and the grain surface of the sintered body is likely to deteriorate due to grain removal marks. Therefore, the thickness of the silicon nitride substrate is 1.5 mm or less, preferably 0.
A method in which a thin molded body is formed so as to have a thickness of 4 mm or less in the molding step and polishing processing after sintering is not performed is also effective from the viewpoint of preventing the occurrence of cracks.

【0081】具体的には、押出形成法やドクターブレー
ド法を使用して薄いシート状成形体を調製し、このシー
ト状成形体を脱脂焼結するだけで所定厚さの窒化けい素
焼結体を形成してもよい。なお、この場合においても、
シート状焼結体に付着した敷粉等を除去するために軽度
のホーニング加工を実施してもよい。但し、クラックを
発生するような衝撃力の高い研磨方法は採用しない方が
よい。また、軽度のホーニング加工としては砥粒噴射圧
力が0.5MPa以下の条件が挙げられる。
Specifically, a thin sheet-shaped compact is prepared by using an extrusion forming method or a doctor blade method, and the sheet-shaped compact is simply degreased and sintered to obtain a silicon nitride sintered body having a predetermined thickness. You may form. Even in this case,
A slight honing process may be performed to remove the spread powder and the like attached to the sheet-shaped sintered body. However, it is better not to adopt a polishing method with a high impact force that causes cracks. Further, as the mild honing process, the condition that the abrasive grain injection pressure is 0.5 MPa or less can be mentioned.

【0082】上記成形操作に引き続いて、成形体を非酸
化性雰囲気中で温度600〜800℃、または空気中に
て温度400〜500℃で1〜2時間加熱して、予め添
加していた有機バインダ成分を十分に除去し、脱脂す
る。
Subsequent to the above-mentioned molding operation, the molded body is heated in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 600 to 800 ° C. or in air at a temperature of 400 to 500 ° C. for 1 to 2 hours, and the organic matter added in advance is added. Sufficiently remove the binder component and degrease it.

【0083】ここで、リーク電流が発生しにくい粒界相
を形成するためには、成形体を形成する際に使用した有
機バインダに起因する炭素の残存量が500ppm以下
となるように、脱脂処理において炭素成分を十分に除去
することが効果的である。
Here, in order to form a grain boundary phase in which a leak current is unlikely to occur, degreasing treatment is performed so that the amount of carbon remaining due to the organic binder used in forming the molded body is 500 ppm or less. It is effective to sufficiently remove the carbon component.

【0084】一般に炭素は導電性を有しており、焼結後
の窒化けい素焼結体における残留炭素量が500ppm
を超えるとリーク電流値が大きくなり易い。そのため、
炭素成分は最初から含有させないことが理想ではある
が、現実には、原料混合体にある程度の有機物(有機バ
インダ)を配合しないと成形体の保形性や取扱い性が低
下してしまう。そのため、その残留炭素量を低減するた
めに上記脱脂工程が設けられている。
Generally, carbon has conductivity, and the residual carbon amount in the sintered silicon nitride sintered body is 500 ppm.
If it exceeds, the leak current value tends to increase. for that reason,
Ideally, the carbon component should not be contained from the beginning, but in reality, unless the raw material mixture is blended with a certain amount of organic matter (organic binder), the shape retention and handleability of the molded product will deteriorate. Therefore, the degreasing step is provided to reduce the amount of residual carbon.

【0085】しかしながら、成形体に特別な処理を施さ
ない限り、完全に炭素成分を排除することは困難であ
り、さらに残留炭素は焼結時に窒化けい素や焼結助剤な
どの添加物と化合して安定な炭化物を形成してしまうこ
とからも完全に排除することは困難である。しかしなが
ら、焼結後の窒化けい素基板における残留炭素量が50
0ppm以下となるように十分に脱脂処理することによ
り、前記リーク電流の発生を効果的に防止することがで
きる。
However, it is difficult to completely remove the carbon component unless the molded body is subjected to a special treatment, and the residual carbon is combined with additives such as silicon nitride and a sintering aid during sintering. Therefore, it is difficult to completely eliminate the stable carbides. However, the residual carbon amount in the silicon nitride substrate after sintering is 50%.
By sufficiently performing the degreasing treatment so as to be 0 ppm or less, the generation of the leak current can be effectively prevented.

【0086】特に基板厚さが1mm以下、さらには0.
4mm以下と薄い基板においては、残留炭素量が多いと
リーク電流値に悪影響を与え易いので残留炭素量の制御
を行うことが好ましい。
In particular, the substrate thickness is 1 mm or less, more preferably 0.
On a substrate as thin as 4 mm or less, it is preferable to control the residual carbon amount because a large amount of residual carbon tends to adversely affect the leak current value.

【0087】次に脱脂処理された成形体を、窒素ガスや
アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で1700〜1
900℃の温度で所定時間、常圧焼結または雰囲気加圧
焼結を行う。また、必要に応じ、焼結後に徐冷を行うこ
とが好ましい。
Next, the degreased molded body was subjected to 1700 to 1 in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen gas or argon gas.
Normal pressure sintering or atmospheric pressure sintering is performed at a temperature of 900 ° C. for a predetermined time. Further, if necessary, it is preferable to perform gradual cooling after sintering.

【0088】さらに、得られた焼結体を温度1550〜
1700℃、圧力50〜250MPaで1〜8時間、熱
間静水圧プレス(HIP)処理することにより、焼結体
の緻密化をさらに促進し、気孔(ポア)の発生を防止す
ると共に、焼結体の表面粗さを低減することができる。
Further, the obtained sintered body is heated at a temperature of 1550 to
By hot isostatic pressing (HIP) treatment at 1700 ° C. and a pressure of 50 to 250 MPa for 1 to 8 hours, the densification of the sintered body is further promoted, the generation of pores (pores) is prevented, and the sintering is performed. The surface roughness of the body can be reduced.

【0089】上記熱間静水圧(HIP)処理における加
熱温度および圧力が上記下限値未満となる場合には、窒
化けい素基板の緻密化が十分に進行せず、実質的に気孔
(ポア)が存在しない基板を得ることができない。一
方、上記上限値を超えるように高く設定しても、さらな
る緻密化効果は得にくく、HIP設備費用および製造コ
ストが急増する。
When the heating temperature and pressure in the hot isostatic pressing (HIP) treatment are less than the lower limit values described above, the densification of the silicon nitride substrate does not proceed sufficiently and the pores (pores) are substantially formed. It is not possible to obtain a substrate that does not exist. On the other hand, even if the value is set higher than the upper limit value, it is difficult to obtain a further densification effect, and the HIP equipment cost and the manufacturing cost increase sharply.

【0090】上記製法によって製造された窒化けい素焼
結体は全酸素量が3.5質量%以下で気孔率が検出限界
以下、粒界相の最大径が1.5μm以下、50W/m・
K(25℃)以上の熱伝導率を有し、また三点曲げ強度
が常温で500MPa以上と機械的特性にも優れてい
る。
The silicon nitride sintered body produced by the above production method has a total oxygen content of 3.5% by mass or less, a porosity of less than the detection limit, a maximum grain boundary phase diameter of 1.5 μm or less, and 50 W / m ·
It has a thermal conductivity of K (25 ° C.) or higher and a three-point bending strength of 500 MPa or higher at room temperature, which is excellent in mechanical properties.

【0091】また、熱伝導率が90W/m・K以上であ
る高熱伝導性窒化けい素焼結体を得ることもできる。
It is also possible to obtain a highly heat-conductive silicon nitride sintered body having a thermal conductivity of 90 W / m · K or more.

【0092】また、上記のような成形方法によれば、成
形体の段階から緻密であり、クラックの発生が少ない窒
化けい素基板が得られる。このように成形性や焼結性を
改善した窒化けい素焼結体から成る基板表面には幅が1
μm以上のマイクロクラックは全く発生せず、幅が1μ
m未満のサブミクロンクラックの発生量も大幅に低減で
きる。具体的には、単位面積10μm×10μmとした
ときの基板表面組織に発生するサブミクロンクラック数
は2個以下となる。
Further, according to the molding method as described above, a silicon nitride substrate which is dense from the stage of molding and has few cracks can be obtained. In this way, the width of the substrate surface made of the silicon nitride sintered body having improved formability and sinterability is 1
No microcracks of μm or more are generated and the width is 1μ.
The generation amount of submicron cracks of less than m can also be significantly reduced. Specifically, when the unit area is 10 μm × 10 μm, the number of submicron cracks generated in the substrate surface texture is 2 or less.

【0093】本発明に係る窒化けい素基板およびその製
造方法によれば、焼結工程後に所定条件下で焼結体を熱
間静水圧(HIP)処理して形成されているため、焼結
体の緻密化がさらに促進され、実質的に気孔(ポア)の
発生が無くなると共に、焼結体の表面粗さが低減され、
さらに焼結体の粒界相が狭くなり、その最大径が極微小
化されて、リーク電流の発生が少ない絶縁性が高い窒化
けい素基板が得られる。
According to the silicon nitride substrate and the method of manufacturing the same according to the present invention, since the sintered body is formed by hot isostatic pressing (HIP) under predetermined conditions after the sintering step, the sintered body is formed. Densification is further promoted, pores (pores) are substantially eliminated, and the surface roughness of the sintered body is reduced.
Further, the grain boundary phase of the sintered body becomes narrower, and the maximum diameter thereof is extremely miniaturized, so that a silicon nitride substrate having a high insulating property with less leakage current is obtained.

【0094】また、原料混合体を120MPa以上の成
形圧力で成形して成形体を調製することにより、基板に
発生するクラックを大幅に低減することが可能であり、
リーク電流の発生が少ない絶縁性が高い窒化けい素基板
が得られる。
By molding the raw material mixture at a molding pressure of 120 MPa or more to prepare a molded body, it is possible to significantly reduce cracks generated in the substrate.
It is possible to obtain a silicon nitride substrate having a high insulating property with less leakage current.

【0095】そのため、この窒化けい素基板を使用して
パワーモジュールを調製した場合には、高出力化および
高容量化しても絶縁性および動作信頼性が高いパワーモ
ジュールを形成することができる。
Therefore, when a power module is prepared using this silicon nitride substrate, it is possible to form a power module having high insulation and operational reliability even if the output and the capacity are increased.

【0096】上記窒化けい素基板をレーザーダイオード
等のサブマウント材やパワーモジュールや回路基板とし
て使用する場合は、窒化けい素基板上に薄膜や金属回路
板を一体に接合して設け、薄膜付き窒化けい素基板や窒
化けい素回路基板として用いることになる。上記薄膜と
しては、Tiなどの金属薄膜が用いられる。この金属薄
膜の厚さは3μm以下の範囲が好適である。
When the above silicon nitride substrate is used as a submount material such as a laser diode, a power module or a circuit board, a thin film or a metal circuit board is integrally bonded on the silicon nitride substrate to form a nitride film with a thin film. It will be used as a silicon substrate or a silicon nitride circuit substrate. As the thin film, a metal thin film such as Ti is used. The thickness of this metal thin film is preferably in the range of 3 μm or less.

【0097】特に、本発明の窒化けい素基板は気孔が実
質的に存在していない(検出限度以下)ことから、厚さ
3μm以下と薄い金属薄膜を設けた際に、耐熱サイクル
(TCT)試験を施したとしても金属薄膜の膨れの原因
となる気泡の発生や粒界相の熱膨張が起き難いので金属
薄膜の信頼性が大幅に向上する。言い換えれば、金属薄
膜を設けた窒化けい素基板として特に有効なものであ
る。
In particular, since the silicon nitride substrate of the present invention has substantially no pores (less than the detection limit), when a thin metal thin film having a thickness of 3 μm or less is provided, a thermal cycle (TCT) test is performed. Even if it is applied, the reliability of the metal thin film is significantly improved because it is difficult for the generation of bubbles causing the swelling of the metal thin film and the thermal expansion of the grain boundary phase to occur. In other words, it is particularly effective as a silicon nitride substrate provided with a metal thin film.

【0098】また、金属回路板としては、銅、アルミニ
ウムまたはその合金(銅合金、Al合金)などの、電気
伝導性が高い金属または合金を用いることが好ましい。
金属回路板を接合する方法についても、直接接合法や活
性金属法など様々な方法が適用可能である。
Further, as the metal circuit board, it is preferable to use a metal or an alloy having high electric conductivity such as copper, aluminum or an alloy thereof (copper alloy, Al alloy).
As for the method of joining the metal circuit boards, various methods such as the direct joining method and the active metal method can be applied.

【0099】[0099]

【発明の実施の形態】次に本発明に係る窒化けい素基板
の実施形態について、以下に示す実施例を参照して具体
的に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, an embodiment of a silicon nitride substrate according to the present invention will be specifically described with reference to the following examples.

【0100】実施例1〜7 実施例1〜7として酸素量1.1質量%、不純物陽イオ
ン元素としてAl,Li,Na,K,Fe,Ba,M
n,Bを合計で0.10質量%含有し、α相型窒化けい
素97%を含む平均粒径0.55μmのSi(窒
化けい素)原料粉末に対して、焼結助剤として平均粒径
0.9μmのY(酸化イットリウム)粉末と、平
均粒径0.5μmのEr(酸化エルビウム)粉末
と、平均粒径1.0μmのTiO(酸化チタン)粉末
と、平均粒径0.5μmのMgO(酸化マグネシウム)
粉末とを表1に示す基板組成となるように添加し、エチ
ルアルコール中で粉砕媒体として窒化けい素製ボールを
用いて96時間湿式混合したのち乾燥して原料混合体を
調製した。
Examples 1 to 7 In Examples 1 to 7, the amount of oxygen was 1.1% by mass, and the impurity cation elements were Al, Li, Na, K, Fe, Ba and M.
A sintering aid for Si 3 N 4 (silicon nitride) raw material powder containing 0.10 mass% of n and B in total and containing 97% of α-phase type silicon nitride and having an average particle diameter of 0.55 μm. As Y 2 O 3 (yttrium oxide) powder having an average particle size of 0.9 μm, Er 2 O 3 (erbium oxide) powder having an average particle size of 0.5 μm, and TiO 2 (titanium oxide) having an average particle size of 1.0 μm Powder and MgO (magnesium oxide) with an average particle size of 0.5 μm
Powder and a substrate composition shown in Table 1 were added, and the mixture was wet-mixed in ethyl alcohol using a silicon nitride ball as a grinding medium for 96 hours and then dried to prepare a raw material mixture.

【0101】次に得られた原料粉末混合体に有機バイン
ダを所定量添加し調合造粒粉としたのち、130MPa
の成形圧力でプレス成形し、成形体を多数製作した。次
に得られた成形体を450℃の空気気流中において4時
間脱脂したのち、表1に示す焼結条件により焼結した後
に、1500℃まで温度降下するまでの冷却速度をそれ
ぞれ表1に示す値に設定して焼結体を冷却した。さら
に、表1に示すHIP条件により焼結体に熱間静水圧プ
レス処理を実施することにより、各基板をさらに緻密化
せしめた。さらに、各基板に対して、表面加工を実施す
ることにより、表1に示す、厚さおよび表面粗さとなる
ように調整し、それぞれ実施例1〜7に係る窒化けい素
基板を調製した。なお、各基板のサイズは縦50mm×
横40mmに統一した。
Next, a predetermined amount of an organic binder was added to the obtained raw material powder mixture to prepare a mixed granulated powder, and then 130 MPa
A large number of molded bodies were manufactured by press molding with the molding pressure of. Next, after degreasing the obtained molded body in an air stream at 450 ° C. for 4 hours, after sintering under the sintering conditions shown in Table 1, cooling rates until the temperature drops to 1500 ° C. are shown in Table 1, respectively. The value was set and the sintered body was cooled. Furthermore, each substrate was further densified by subjecting the sintered body to hot isostatic pressing under the HIP conditions shown in Table 1. Further, surface treatment was performed on each substrate to adjust the thickness and surface roughness shown in Table 1 to prepare silicon nitride substrates according to Examples 1 to 7, respectively. The size of each board is 50 mm long.
The width is unified to 40 mm.

【0102】比較例1 比較例1として、焼結後の熱間静水圧プレス(HIP)
処理を実施しない点以外は実施例1と同一条件で処理す
ることにより比較例1に係る窒化けい素基板を調製し
た。
Comparative Example 1 As Comparative Example 1, hot isostatic pressing (HIP) after sintering was carried out.
A silicon nitride substrate according to Comparative Example 1 was prepared by treating under the same conditions as in Example 1 except that no treatment was performed.

【0103】こうして得られた実施例1〜7および比較
例1に係る各窒化けい素基板について、表面粗さ、粒界
相の最大径、気孔率、気孔の有無およびリーク電流値を
測定して表1に示す結果を得た。
The surface roughness, the maximum diameter of the grain boundary phase, the porosity, the presence / absence of pores, and the leakage current value of each of the silicon nitride substrates obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 thus obtained were measured. The results shown in Table 1 were obtained.

【0104】なお、表面粗さ(Ra)は、JIS B0
601の規格に準拠して測定した。また、粒界相の最大
径は以下の方法で測定した。すなわち、窒化けい素基板
表面の拡大写真を撮影し、50μm×50μmの単位面
積領域内において、最も長い対角線を有する粒界相を測
定対象としてその対角線長さを求める。この測定操作
を、少なくとも3箇所の単位面積領域において実施し、
その最長対角線長さを粒界相の最大径とした。
The surface roughness (Ra) is JIS B0.
It measured based on the standard of 601. The maximum diameter of the grain boundary phase was measured by the following method. That is, an enlarged photograph of the surface of the silicon nitride substrate is taken, and the diagonal length of the grain boundary phase having the longest diagonal in the unit area area of 50 μm × 50 μm is measured. This measurement operation is performed in at least three unit area regions,
The longest diagonal length was defined as the maximum grain boundary phase diameter.

【0105】また、気孔率はアルキメデス法により測定
した。また、気孔の有無は、基板組織の拡大顕微鏡写真
の任意の200μm×200μmの単位面積領域内にお
いて、気孔の有無を確認し、任意の単位面積を3個所以
上測定しても気孔が確認できない場合を気孔「無し」と
表示した。具体的には、気孔は粒界相に存在するもので
あるから粒界相における気孔の有無は倍率2000倍以
上の組織拡大写真で確認することにより測定可能であ
る。例えば、切断面を測定する場合、窒化けい素結晶粒
子が脱粒し、見掛け上粒界相に気孔が存在するような形
態となることも考えられるが、このような時は窒化けい
素結晶粒子の脱粒痕の無い領域を選定して測定するもの
とする。また、拡大写真において1度に単位面積を映し
出せないときは分割で映し出してもよいものとする。
The porosity was measured by the Archimedes method. Also, the presence or absence of pores is confirmed when the presence or absence of pores is confirmed within an arbitrary unit area area of 200 μm × 200 μm of the enlarged micrograph of the substrate structure, and the pore area cannot be confirmed even if three or more arbitrary unit areas are measured. Was displayed as "no pore". Specifically, since the pores are present in the grain boundary phase, the presence or absence of pores in the grain boundary phase can be measured by confirming with a microstructure magnified photograph at a magnification of 2000 or more. For example, when measuring the cut surface, it is possible that the silicon nitride crystal grains are shed and apparently have a morphology in which pores are present in the grain boundary phase. The area without shattering marks shall be selected and measured. If the unit area cannot be projected at one time in the enlarged photograph, it may be projected in a divided manner.

【0106】さらに、電流リーク値の測定は以下のよう
に実施した。すなわち、板状に形成した各窒化けい素基
板の両面をダイヤモンド砥石で研削し、その厚さを0.
6mmに設定した。そして温度25℃、湿度70%の条
件に調整したチャンバー内において板状に形成した各基
板の表裏面間に1.5Kv(100Hz)の交流電圧を
印加した際に基板の表裏間に流れるリーク電流の値をカ
ーブトレーサ測定装置にて計測した。各測定結果を下記
表1に示す。
Further, the current leakage value was measured as follows. That is, both sides of each plate-shaped silicon nitride substrate are ground with a diamond grindstone, and the thickness thereof is set to 0.
It was set to 6 mm. Leak current flowing between the front and back of the substrate when an AC voltage of 1.5 Kv (100 Hz) is applied between the front and back of each plate formed in a plate in a chamber adjusted to a temperature of 25 ° C. and a humidity of 70%. The value of was measured with a curve tracer measuring device. The results of each measurement are shown in Table 1 below.

【0107】[0107]

【表1】 [Table 1]

【0108】上記表1に示す結果から明らかなように各
実施例に係る窒化けい素基板においては、焼結工程後に
所定条件下でHIPを実施して形成されているため、基
板における気孔の発生が皆無であり、また粒界相が緻密
化されて、その最大径が微小化されており、リーク電流
の発生が少なく高強度の窒化けい素基板が得られた。
As is clear from the results shown in Table 1 above, in the silicon nitride substrate according to each of the examples, since the HIP was formed by performing the HIP under the predetermined condition after the sintering process, the generation of pores in the substrate. However, since the grain boundary phase was densified and the maximum diameter thereof was miniaturized, a high-strength silicon nitride substrate with little leakage current was obtained.

【0109】また、各実施例に係る窒化けい素基板にお
いては、粒界相の最大径(幅)が微小化しているため、
表面粗さRaを0.01〜0.05μm程度に平滑化し
た場合においても、基板表面に気孔が形成されることは
極めて少ないことが判明した。
Further, in the silicon nitride substrates according to the respective examples, since the maximum diameter (width) of the grain boundary phase is miniaturized,
It was found that even when the surface roughness Ra was smoothed to about 0.01 to 0.05 μm, the formation of pores on the substrate surface was extremely small.

【0110】さらに、粒界相が緻密化されているため、
基板を研磨加工しても脱粒がほとんど発生せず、良好な
表面粗さを有する窒化けい素基板が得られた。
Furthermore, since the grain boundary phase is densified,
Even if the substrate was subjected to polishing processing, almost no shedding occurred, and a silicon nitride substrate having good surface roughness was obtained.

【0111】一方、焼結工程後のHIP処理を実施しな
い比較例1の基板においては、粒界相の緻密化が不十分
であるため、気孔の残存が多く、リーク電流値は増加し
た。
On the other hand, in the substrate of Comparative Example 1 not subjected to the HIP treatment after the sintering step, the grain boundary phase was not sufficiently densified, so that many pores remained and the leak current value increased.

【0112】なお、表中には示されていないが、焼結後
に徐冷を行わない実施例1および比較例1の熱伝導率
は、実施例1が55W/m・K、比較例1が48W/m
・Kであったのに対し、実施例2〜7では熱伝導率が7
0〜120W/m・Kであった。また、3点曲げ強度に
ついてはいずれも500MPa以上であった。
Although not shown in the table, the thermal conductivity of Example 1 and Comparative Example 1 in which annealing is not performed after sintering is 55 W / m · K in Example 1 and that in Comparative Example 1. 48W / m
-In contrast to K, in Examples 2 to 7, the thermal conductivity was 7
It was 0 to 120 W / mK. The three-point bending strength was 500 MPa or more in all cases.

【0113】次に、上記のように調製した窒化けい素基
板に金属薄膜を形成した薄膜付き窒化けい素基板の実施
例について説明する。
Next, an example of a silicon nitride substrate with a thin film in which a metal thin film is formed on the silicon nitride substrate prepared as described above will be described.

【0114】実施例8〜14および比較例2 実施例1〜7および比較例1において調製した窒化けい
素基板の表面にスパッタリング法を使用して、表2に示
す材質と厚さとを有する金属薄膜を一体に形成すること
により、それぞれ実施例8〜14および比較例2に係る
薄膜付き窒化けい素基板としてのサブマウント材を調製
した。
Examples 8 to 14 and Comparative Example 2 Metal thin films having the materials and thicknesses shown in Table 2 using the sputtering method on the surface of the silicon nitride substrates prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1. Were integrally formed to prepare submount materials as silicon nitride substrates with thin films according to Examples 8 to 14 and Comparative Example 2, respectively.

【0115】そして上記のように調製した各実施例およ
び比較例に係る薄膜付き窒化けい素基板の耐久性および
信頼性を評価するために下記のような耐熱サイクル試験
(ヒートサイクル試験:TCT)を実施し、基板におけ
る金属薄膜の膨れや剥離の有無を測定した。なお、耐熱
サイクル試験は、基板を−40℃で30分間保持した後
に、常温(25℃)で10分間保持した後に、加熱し1
25℃で30分間保持した後に、常温(25℃)まで冷
却し10分間保持するまでを1サイクルとする昇温−降
温サイクルを繰り返して付加するものである。
Then, in order to evaluate the durability and reliability of the silicon nitride substrate with a thin film according to each of the examples and comparative examples prepared as described above, the following heat cycle test (heat cycle test: TCT) was conducted. It was carried out and the presence or absence of swelling or peeling of the metal thin film on the substrate was measured. In the heat resistance cycle test, after the substrate was kept at -40 ° C for 30 minutes, it was kept at room temperature (25 ° C) for 10 minutes and then heated.
After holding at 25 ° C. for 30 minutes, cooling to room temperature (25 ° C.) and holding for 10 minutes are repeated in a cycle of increasing temperature and decreasing temperature.

【0116】本実施例では上記ヒートサイクルの100
0サイクル後と2000サイクル後とにおいて、金属薄
膜の膨れや剥離などの不具合の有無を測定し、下記表2
に示す結果を得た。
In this example, 100 of the heat cycle was used.
The presence or absence of defects such as swelling and peeling of the metal thin film was measured after 0 cycle and after 2000 cycles, and the results are shown in Table 2 below.
The results shown in are obtained.

【0117】[0117]

【表2】 [Table 2]

【0118】上記表2に示す結果から明らかなように、
各実施例に係る薄膜付き窒化けい素基板においては、焼
結工程後に所定条件下でHIPを実施して形成された窒
化けい素基板を使用しているため、表面粗さが小さく極
めて平滑であり、基板と金属薄膜との密着強度が高くな
り、1000サイクル後においても金属薄膜の膨れや剥
離などの不具合が皆無であり、優れた耐熱サイクル特性
を有することが確認できた。なお、粒界相の最大径およ
び表面粗さが比較的に大きく、かつ熱伝導率が低い窒化
けい素基板を使用した実施例8に係る薄膜付き窒化けい
素基板においては、基板と金属薄膜との密着性が相対的
に低下していること、さらには窒化けい素基板の放熱性
が悪いため基板自身が熱抵抗体となってしまっているた
め、2000サイクル後に金属薄膜の膨れがわずかに発
生した。
As is clear from the results shown in Table 2 above,
In the silicon nitride substrate with a thin film according to each example, since the silicon nitride substrate formed by performing HIP under a predetermined condition after the sintering process is used, the surface roughness is small and extremely smooth. It was confirmed that the adhesion strength between the substrate and the metal thin film was high, there was no problem such as swelling or peeling of the metal thin film even after 1000 cycles, and that it had excellent heat resistance cycle characteristics. In the silicon nitride substrate with a thin film according to Example 8 in which the maximum grain boundary phase diameter and surface roughness are relatively large and the thermal conductivity is low, the substrate and the metal thin film were Has a relatively low adhesiveness, and since the heat dissipation of the silicon nitride substrate is poor, the substrate itself becomes a thermal resistor, so that the metal thin film swells slightly after 2000 cycles. did.

【0119】以上の結果から、薄膜付き窒化けい素基板
として使用する場合は、表面粗さ(Ra)が0.1μm
以下、熱伝導率70W/m・K以上の窒化けい素基板を
用いた方が好ましいと言える。
From the above results, when used as a silicon nitride substrate with a thin film, the surface roughness (Ra) was 0.1 μm.
Hereinafter, it can be said that it is preferable to use a silicon nitride substrate having a thermal conductivity of 70 W / mK or more.

【0120】一方、焼結工程後のHIP処理を実施しな
い比較例1の窒化けい素基板を使用した比較例2に係る
薄膜付き窒化けい素基板においては、粒界相の緻密化が
不十分であるため、気孔の残存が多く、1000サイク
ル後において早くも金属薄膜の膨れや剥離などの不具合
が多数生じ、耐熱サイクル特性が低下することが確認で
きた。
On the other hand, in the silicon nitride substrate with a thin film according to Comparative Example 2 which uses the silicon nitride substrate of Comparative Example 1 in which the HIP treatment after the sintering step is not performed, the densification of the grain boundary phase is insufficient. Therefore, it was confirmed that many pores remained, and after 1000 cycles, many defects such as swelling and peeling of the metal thin film occurred, and the heat resistance cycle characteristics deteriorate.

【0121】[0121]

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る窒化けい
素基板、その製造方法およびその基板を用いた薄膜付き
窒化けい素基板によれば、基板を構成する焼結体中に実
質的に気孔(ポア)が形成されず、また表面粗さが小さ
いために、加工時に脱粒が生じにくい窒化けい素基板が
得られる。さらに窒化けい素基板を薄く形成して各種パ
ワーモジュールや回路基板を構成した場合においても、
リーク電流の発生を効果的に抑制することができる。さ
らに基板表面に薄膜を形成した場合においても薄膜の膨
れや剥離を防止でき、大電力化および大容量化した電子
機器に使用した場合においても、その絶縁性、耐久性お
よび動作の信頼性を大幅に向上させることが可能にな
る。
As described above, according to the silicon nitride substrate, the method for manufacturing the same and the silicon nitride substrate with a thin film using the substrate according to the present invention, the sintered body forming the substrate is substantially Since no pores are formed and the surface roughness is small, it is possible to obtain a silicon nitride substrate which is less likely to be shed during processing. Furthermore, even when various power modules and circuit boards are formed by forming a thin silicon nitride substrate,
The generation of leak current can be effectively suppressed. Furthermore, even when a thin film is formed on the substrate surface, it is possible to prevent swelling and peeling of the thin film, and even when used in electronic devices with high power consumption and large capacity, its insulation, durability and operational reliability are greatly improved. Can be improved.

【0122】特に、焼結工程後に所定の熱間静水圧プレ
ス処理を実施し基板が形成されているため、焼結体の粒
界相が効果的に緻密化されて気孔の発生が抑制されて気
孔径を測定限界以下に極微小化することが可能であり、
リーク電流の発生が少ない絶縁性が高い窒化けい素基板
が得られる。そのため、この窒化けい素基板をセラミッ
クス基板として使用してパワーモジュールを調製した場
合には、高出力化および高容量化しても絶縁性、耐久性
および動作信頼性が高いパワーモジュールを形成するこ
とができる。
In particular, since the substrate is formed by performing the predetermined hot isostatic pressing process after the sintering step, the grain boundary phase of the sintered body is effectively densified and the generation of pores is suppressed. It is possible to make the pore size extremely small below the measurement limit,
It is possible to obtain a silicon nitride substrate having a high insulating property with less leakage current. Therefore, when a power module is prepared by using this silicon nitride substrate as a ceramic substrate, it is possible to form a power module having high insulation, durability and operational reliability even if the output and the capacity are increased. it can.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 通泰 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 4G001 BA08 BA09 BA32 BB08 BB09 BB32 BB71 BC13 BC43 BC51 BC52 BC72 BD21 BD38 BE02 BE26 BE32 BE35    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Mitsuyasu Komatsu             8th Shinsugita Town, Isogo Ward, Yokohama City, Kanagawa Prefecture             Ceremony company Toshiba Yokohama office F-term (reference) 4G001 BA08 BA09 BA32 BB08 BB09                       BB32 BB71 BC13 BC43 BC51                       BC52 BC72 BD21 BD38 BE02                       BE26 BE32 BE35

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 焼結助剤を含有する窒化けい素焼結体か
ら成る窒化けい素基板において、上記窒化けい素焼結体
中に実質的に気孔が存在しないことを特徴とする窒化け
い素基板。
1. A silicon nitride substrate made of a silicon nitride sintered body containing a sintering aid, wherein the silicon nitride sintered body has substantially no pores.
【請求項2】 表面粗さRaが0.5μm以下であるこ
とを特徴とする請求項1記載の窒化けい素基板。
2. The silicon nitride substrate according to claim 1, wherein the surface roughness Ra is 0.5 μm or less.
【請求項3】 前記窒化けい素基板表面に存在する焼結
助剤成分を含有する粒界相の最大径が1.5μm以下で
あることを特徴とする請求項1または2記載の窒化けい
素基板。
3. The silicon nitride according to claim 1, wherein the maximum diameter of the grain boundary phase containing the sintering aid component present on the surface of the silicon nitride substrate is 1.5 μm or less. substrate.
【請求項4】 温度25℃、湿度70%の条件下で前記
窒化けい素焼結体の表裏間に1.5Kv−100Hzの
交流電圧を印加したときの電流リーク値が100nA以
下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか
に記載の窒化けい素基板。
4. A current leakage value is 100 nA or less when an alternating voltage of 1.5 Kv-100 Hz is applied between the front and back of the silicon nitride sintered body under the conditions of a temperature of 25 ° C. and a humidity of 70%. The silicon nitride substrate according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 前記窒化けい素基板の厚さが0.4mm
以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれ
かに記載の窒化けい素基板。
5. The silicon nitride substrate has a thickness of 0.4 mm.
The silicon nitride substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein:
【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかに記載の窒
化けい素基板上に金属薄膜を設けたことを特徴とする薄
膜付き窒化けい素基板。
6. A silicon nitride substrate with a thin film, wherein a metal thin film is provided on the silicon nitride substrate according to any one of claims 1 to 5.
【請求項7】 酸素を1.5質量%以下、不純物陽イオ
ン元素としてのAl,Li,Na,K,Fe,Ba,M
n,Bを合計で0.5質量%以下、α相型窒化けい素を
75〜97質量%以上含有し、平均粒径1.0μm以下
である窒化けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算し
て2〜17.5質量%添加した原料混合体を成形して成
形体を調整し、得られた成形体を脱脂後、温度1700
〜1900℃で焼結し、得られた焼結体を温度1550
〜1700℃、圧力50〜250MPで熱間静水圧プレ
ス(HIP)処理することを特徴とする窒化けい素基板
の製造方法。
7. Oxygen of 1.5 mass% or less, Al, Li, Na, K, Fe, Ba, M as impurity cation elements.
n and B in a total amount of 0.5 mass% or less, α-phase silicon nitride in an amount of 75 to 97 mass% or more, and a silicon nitride powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less, and a rare earth element as an oxide. A raw material mixture added by conversion of 2 to 17.5% by mass is molded to prepare a molded body, and after degreasing the obtained molded body, a temperature of 1700
Sintered at ~ 1900 ° C, the obtained sintered body is heated at a temperature of 1550.
A method for producing a silicon nitride substrate, which comprises performing a hot isostatic pressing (HIP) process at ˜1700 ° C. and a pressure of 50 to 250 MP.
【請求項8】 焼結後に、前記焼結温度から、前記希土
類元素により焼結時に形成された液相が凝固する温度ま
でに至る焼結体の冷却速度を毎時100℃以下にして徐
冷することを特徴とする請求項7記載の窒化けい素基板
の製造方法。
8. After the sintering, the cooling rate of the sintered body from the sintering temperature to the temperature at which the liquid phase formed by the rare earth element during the sintering is solidified is gradually cooled to 100 ° C. or less per hour. 8. The method for manufacturing a silicon nitride substrate according to claim 7, wherein.
JP2001397486A 2001-12-27 2001-12-27 Silicon nitride substrate, method of producing the same and silicon nitride substrate having thin film obtained by using the substrate Pending JP2003192445A (en)

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