JP2021116199A

JP2021116199A - 窒化珪素質基板及びパワーモジュール

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Publication number: JP2021116199A
Application number: JP2020009592A
Authority: JP
Inventors: 勇桐木平; Isamu Kirikihira
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-01-24
Also published as: JP7455594B2

Abstract

【課題】角部の強度が向上された窒化珪素質基板を提供する。さらに、信頼性の高いパワーモジュールを提供する。【解決手段】窒化珪素質基板は、第１面並びに前記第１面と他の面との間に位置する第１角部を有しかつ窒化珪素質の粒体と粒界相とを含む窒化珪素質基板であって、第１角部（４ａ）の表面における粒界相の面積比率が、第１面（３ａ）における粒界相の面積比率よりも少ない。パワーモジュールは、パワー素子と、放熱体と、パワー素子と放熱体との間に位置する上記の窒化珪素質基板とを備える。【選択図】図２

Description

本開示は、窒化珪素質基板及びパワーモジュールに関する。

窒化珪素質基板は、高い熱伝導率、高い絶縁性及び高い強度を必要とする様々な部品に利用されている。従来、高い強度を有する窒化物の元基板を所望の大きさに個片化する方法として、スクライブ加工が一般に採用されている（例えば特許文献１を参照）。スクライブ加工では、元基板にレーザ光を照射することで溝を形成し、力を加えて元基板を溝に沿って破断する。

特開平６−８７０８５号公報

窒化珪素質基板は高い強度を有するが、角部において強度を向上する余地があった。

本開示は、角部の強度が向上された窒化珪素質基板を提供することを目的とする。さらに、信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。

本開示に係る窒化珪素質基板は、
第１面並びに前記第１面と他の面との間に位置する第１角部を有しかつ窒化珪素質の粒体と粒界相とを含む窒化珪素質基板であって、
前記第１角部の表面における前記粒界相の面積比率が、前記第１面における前記粒界相の面積比率よりも少ない。

本開示に係るパワーモジュールは、
パワー素子と、
放熱体と、
前記パワー素子と前記放熱体との間に位置する上記の窒化珪素質基板と、
を備える。

本開示によれば、角部の強度が向上された窒化珪素質基板を提供できる。さらに、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。

本開示の実施形態に係る窒化珪素質基板を示す図である。図１のＣ１部のＳＥＭ画像を示す。角部表面におけるＳＥＭ画像（Ａ）、粒界相の占有率を示す画像（Ｂ）、エルビウムのマッピング画像（Ｃ）、並びに、Ｏ_２のマッピング画像（Ｄ）を示す図である。側面におけるＳＥＭ画像（Ａ）、粒界相の占有率を示す画像（Ｂ）、エルビウムのマッピング画像（Ｃ）、並びに、Ｏ_２のマッピング画像（Ｄ）を示す図である。比較例の窒化珪素質基板の角部表面のＳＥＭ画像（Ａ）、角部表面における粒界相の占有率を示す画像（Ｂ）、側面のＳＥＭ画像（Ｃ）、側面における粒界相の占有率を示す画像（Ｄ）を示す図である。別の比較例の窒化珪素質基板における角部表面と側面との境界部のＳＥＭ画像（Ａ）、エルビウムのマッピング画像（Ｂ）、並びに、イットリウムのマッピング画像（Ｃ）を示す図である。実施形態の窒化珪素質基板の製造工程の一例を示す説明図である。本開示の実施形態に係るパワーモジュールを示す図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本開示の実施形態に係る窒化珪素質基板を示す図である。

本実施形態の窒化珪素質基板１は、板状の窒化珪素質セラミックスであり、短手方向（厚み方向）に沿った側面３ａ〜３ｄと、短手方向に交差する板面２ａ、２ｂと、一方の板面２ａと側面３ａ〜３ｄとの間に位置する角部４ａ〜４ｄとを有する。角部４ａ〜４ｄには、側面３ａ〜３ｄ及び板面２ａに対して傾斜した面が含まれる。

本実施形態の窒化珪素質基板の素材に相当する窒化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分の合計１００質量％のうち、窒化珪素を８５質量％以上含有するものであり、含有量は、例えば、定量分析によって得られた窒素（Ｎ）あるいは珪素（Ｓｉ）の値を、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）に換算したものである。また、窒素及び珪素以外の含有成分の定量分析を行ない、これらの合計値を１００から差し引くことによって窒化珪素の含有量としてもよい。窒化珪素質セラミックは、窒化珪素質の粒体（結晶粒又は多結晶粒）と、複数の粒体の間に位置する粒界相とを含む。

＜粒界相の面積比率＞
図２は、図１のＣ１部のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像を示す。図２の画像には、板面２ａと角部４ａと側面３ａとが含まれる。図３（Ａ）は角部４ａの表面のＳＥＭ画像、図３（Ｂ）は角部４ａの表面における粒界相の占有率を示す画像、図３（Ｃ）は角部４ａの表面におけるエルビウム（Ｅｒ）のマッピング画像、図３（Ｄ）は角部４ａの表面におけるＯ_２のマッピング画像である。図４（Ａ）は側面３ａのＳＥＭ画像、図４（Ｂ）は側面３ａにおける粒界相の占有率を示す画像、図４（Ｃ）は側面３ａにおけるエルビウムのマッピング画像、図４（Ｃ）は側面３ａにおけるＯ_２のマッピング画像である。

本実施形態において、角部４ａの表面における粒界相の面積比率（図３（Ｂ）の白い部分の面積比率）は、側面３ａにおける粒界相の面積比率（図４（Ｂ）の白い部分の面積比率）よりも少ない。

このような面積比率の特徴によれば、窒化珪素質基板１の高率的な強度の向上を図るまことができる。窒化珪素質セラミックスにおいて、粒界相の強度は、粒界相により結び付けられた粒体（窒化珪素質の結晶粒又は多結晶粒）の強度よりも低い。窒化珪素質基板１に大きな荷重が加えられたとき、応力は角部４ａに集中することがある。本実施形態のように、応力が集中する角部４ａの粒界相の比率が低いことで、応力が集中する角部４ａの強度が向上し、応力に対する窒化珪素質基板１の破壊を効率的に抑制できる。

製造工程の説明で詳述するが、角部４ａ〜４ｄは、レーザ照射によりスクライブ加工された部位に相当し、側面３ａ〜３ｄは破断面に相当する。

上記の粒界相の面積比率の特徴は、角部４ａと側面３ａとの間で成立するだけでなく、一方の板面２ａと角部４ａとの間にも、同様に成立していてもよい。さらに、上記の粒界相の面積比率の特徴は、角部４ｂ〜４ｄと側面３ｂ〜３ｄとの間、一方の板面２ａと角部４ｂ〜４ｄとの間、反対側の角部（板面２ｂと側面３ａ〜３ｄとの間に位置する角部）と側面３ａ〜３ｄとの間、あるいは、反対側の角部と反対側の板面２ｂとの間においても、同様に成立していてもよい。上記の特徴を有する角部が増えるほど、高強度の角部が増えて、応力に対して窒化珪素質基板１が角部から破壊されることをより抑制できる。

本明細書において、粒界相の面積比率が大小に異なるとは、誤差を上回るレベルで、大小異なることを意味し、面積比率の誤差とは明確に区別される。比較を行う場合、側面３ａと角部４ａとの両方から５箇所以上ずつランダムに選択したサンプル位置で面積比の計測を行う。そして、側面３ａにおける計測値の平均値と、角部４ａにおける計測値の平均値とを比較する。誤差と明確に区別される偏差は、側面３ａにおける計測値の分散σ^２と、角部４ａにおける計測値の分散σ^２とのうち、大きい方の分散から計算された偏差３σを使用する。

実施形態の窒化珪素質基板１において、角部４ａのサンプル０〜サンプル５の各位置における粒界相の面積比［％］と、側面３ａのサンプル０〜サンプル５の各位置における粒界相の面積比［％］とを計測すると、次の計測例の結果が得られた。これらの計測値から、角部４ａ及び側面３ａにおける粒界相の面積比率の平均値、分散σ^２及び偏差３σが求められる。実施形態の窒化珪素質基板１において、角部４ａにおける粒界相の面積比率の平均値３．６は、側面３ａにおける粒界相の面積比率の平均値１６．６よりも小さく、両者には偏差９．０（＝３σ）以上の開きがある。

粒界相の面積比率の算出方法は、次の算出方法に準ずるものとする。まず、窒化珪素質基板１の表面に、オスミウム（Ｏｓ）を蒸着し、その後、アセトンを用いて超音波洗浄してサンプルを作成する。次に、日本電子製のＳＥＭを用いて、加速電子５ｋＶ、５０００倍率でサンプル表面の該当箇所におけるグレースケールＳＥＭ画像を得る。ＳＥＭ画像において、窒化珪素質の粒体は暗く、粒界相は明るく写る。そこで、得られたＳＥＭ画像を、明度５０％以上（２５６階調であれば明度１２８〜２５５）と、明度５０％未満（２５６階調であれば明度０〜１２７）とで二値化画像に変換する。二値化画像中のサンプル表面の全画素数に対する明度５０％以上の画素数の割合を計算し、計算された割合を粒界相の面積比率とする。

＜面積比率の実現方法＞
上述した角部４ａと側面３ａとの粒界相の面積比率の特徴は、一例として、原材料に含まれる焼結助剤の成分調整と、角部４ａの形成方法の選定とによって、次のように実現できる。

燃焼助剤の成分については、希土類元素であるエルビウムとイットリウムとの割合を、モル比で７：３〜１０：０とする。粒界相の成分は、セラミックスの原材料に含まれる焼結助剤の成分に相当する。したがって、上記の成分調整により、粒界相に含まれる希土類元素のうちエルビウムの成分割合が増加する。

角部４ａの形成方法については、高エネルギーのレーザ照射による形成方法を採用する。より具体的には、気体レーザと比較して高いピークパワーが得られる個体レーザを用いて、板面２ａの縁に沿って途切れる区間なくレーザパルスを照射する方法を採用してもよい。

酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）の熱分解温度（昇華温度）は２３４４℃であり、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）の熱分解温度（昇華温度）は２４２３℃である。したがって、粒界相に含まれるエルビウムは、イットリウムよりも高エネルギーを加えられた場合に分解されやすい。角部４ａが高いピークパワーのレーザ照射により形成される場合、粒界相にエルビウムが多く含まれることで、エルビウムの昇華作用と高エネルギーによる粒体同士の再焼結作用とが得られ、角部４ａにおいて粒界相の比率が減少し、上述した粒界相の面積比率の特徴を実現することができる。

＜粒界相の成分＞
上述した燃焼助剤の成分を適用した場合、窒化珪素質基板１の粒界相に含まれるエルビウムとイットリウムとは、モル比で７：３〜１０：０となる。イットリウムはほとんど含まれなくてもよく、この場合、粒界相の主成分は、エルビウムシリケート（Ｅｒ_２ＳｉＯ_５）及びエルビウムマグネシウムシリケート化合物（ＥｒＭｇＳｉＯ_３Ｎ）となる。本明細書において、主成分とは、モル比で９７％以上を占める成分を意味する。

粒界相の成分量は、ＥＤＳ（Energy dispersive X-ray spectroscopy）により、粒界相の各点における構成元素の濃度分布ａｔ％（アトミックパーセント）を分析し、モル比に換算することで得られる。図３（Ｃ）、（Ｄ）及び図４（Ｃ）、（Ｄ）の画像は、該当する成分の濃度分布をＳＥＭ画像上にマッピングして得られている。図３及び図４に示すように、エルビウムの分布（図３（Ｃ）、図４（Ｃ））、及び、酸素（シリケートの成分）の分布（図３（Ｄ）、図４（Ｄ））は、ＳＥＭ画像中の粒界相の分布（図３（Ａ）、図４（Ａ）の明度の高い部分）と一致する。

＜比較例＞
図５は、比較例の窒化珪素質基板における角部表面のＳＥＭ画像（Ａ）、角部表面における粒界相の占有率を示す画像（Ｂ）、側面のＳＥＭ画像（Ｃ）、側面における粒界相の占有率を示す画像（Ｄ）を示す。図６は、別の比較例の窒化珪素質基板における角部表面と側面との境界部のＳＥＭ画像（Ａ）、エルビウムのマッピング画像（Ｂ）、並びに、イットリウムのマッピング画像（Ｃ）を示す図である。

図５の比較例は、焼結助剤の希土類元素として主にイットリウムを含み、角部を炭酸ガスレーザを用いて形成した例である。炭酸ガスレーザは、個体レーザに比較して、パルス発振した場合に、ピークパワーが低くなる。図５の比較例では、角部表面における粒界相の面積比率は１６．５％、側面における粒界相の面積比率は１２．９％であった。

図６の比較例は、燃焼助剤の希土類元素としてエルビウムよりもイットリウムの割合を多くし、かつ、個体レーザを用いて面の縁に沿って途切れる区間なくレーザパルスを照射して角部を形成した例である。図６（Ａ）〜（Ｃ）の各画像中、範囲Ｈ１が角部表面に相当し、範囲Ｈ２が側面に相当する。図６（Ｃ）に示すように、図６の比較例では、角部表面（Ｈ１）において、イットリウムを含んだ粒界相が多く残留し、粒界相の面積比率は側面（Ｈ２）と比較して低くない。

＜製造工程＞
図７は、実施形態の窒化珪素質基板の製造工程の一例を示す説明図である。本実施形態に係る窒化珪素質基板１の製造工程は、パウダー状の原料を用意する工程Ｊ０、原料を練ることでセラミックグリーンシート２１を生成する工程Ｊ１、セラミックグリーンシート２１を焼成用の大きさにカットする工程Ｊ２、カットされた複数のセラミックグリーンシート２１Ａを重ねて焼成するために敷粉３１を塗工する工程Ｊ３、焼成する工程Ｊ４、焼成したセラミック板２２の表面を１枚ずつジェットスクラブ等により研磨（敷粉除去）する工程Ｊ５、研磨後のセラミック板２２にレーザ照射によりスクライブ加工（溝４１の加工）を行う工程Ｊ６、並びに、スクライブ加工されたセラミック板２２に力を加えて溝４１から破断して個片化する工程Ｊ７とを含む。個片化により実施形態の窒化珪素質基板１が得られる。

本実施形態に係る原料の工程Ｊ０においては、助剤の希土類元素の成分として、上述したエルビウムとイットリウムとの割合が適用される。本実施形態に係るスクライブ加工工程Ｊ６においては、個体レーザを用いて途切れる区間なくレーザパルスを照射して溝４１を形成する方法が採用される。

以上のように、本実施形態の窒化珪素質基板１によれば、角部４ａの表面における粒界相の面積比率が、側面３ａの粒界相の面積比率よりも少ない。したがって、側面３ａの強度と比較して角部４ａの強度が向上する。窒化珪素質基板１に力が加わった場合、角部４ａに応力が生じる場合があるので、角部４ａの強度が向上することで、窒化珪素質基板１の耐破壊性能を向上できる。

さらに、本実施形態の窒化珪素質基板１によれば、側面３ａは基板の短手方向に沿った面であり、角部４ａは板面２ａと側面３ａとの間に位置し、傾斜面を含む。すなわち、角部４ａは、スクライブ加工により形成できる。したがって、角部４ａの粒界相の比率を低下させるために、専用の加工を必要とせず、スクライブ加工により角部４ａの粒界相の比率の低下を実現できる。

さらに、本実施形態の窒化珪素質基板１によれば、粒界相に含まれるエルビウムとイットリウムとがモル比で７：３〜１０：０である。又は、粒界性の主成分が、エルビウムシリケート及びエルビウムマグネシウムシリケートである。したがって、ピークパワーの高いレーザ光の照射により、粒界相の比率が低下した角部４ａの形成が可能となる。

＜パワーモジュール＞
図８は、本開示の実施形態に係るパワーモジュールを示す図である。パワーモジュール１００は、複数の電力制御用のパワー素子１０１と、窒化珪素質基板１と、放熱体１１０とが積層されて構成される。パワー素子１０１は、例えばパワー半導体素子である。窒化珪素質基板１の上面及び下面に金属板１０２が積層され、ろう材９２を介して接合されてもよい。このときのろう材９２は、例えばＴｉ等の活性金属を含む活性ろう材を用いることができる。上面の金属板１０２は回路導体として機能し、下面の金属板１０２は放熱体１１０への伝熱板として機能する。下面の金属板１０２は熱伝導グリス９１を介して放熱体１１０上に積層されてもよい。パワー素子１０１及び金属板１０２は、樹脂１０３でモールドされてもよい。放熱体１１０は、冷却液が通されてもよい。パワーモジュール１００の他の実施形態として、複数のパワー素子１０１が金属板１０２に挟まれかつ樹脂１０３にモールドされたモールド体と、窒化珪素質基板１と、が積層された構成が採用されてもよい。窒化珪素質基板１は、金属板１０２と接合されていなくてもよく、上記のモールド体を挟んで窒化珪素質基板１が熱伝導グリス９１を介して積層されたものであってもよい。窒化珪素質基板１とパワー素子１０１と放熱体１１０とは、パワー素子１０１からの放熱性を向上するために高い圧力が加えられて積層される。

本実施形態のパワーモジュール１００によれば、窒化珪素質基板１により、複数のパワー素子１０１と放熱体１１０との間の高い絶縁性、並びに、高い熱伝導性が得られる。さらに、窒化珪素質基板１の強度の向上により、接合された金属板１０２との間の熱応力が発生しても、あるいは放熱性を向上するために高い圧力が加えられても、窒化珪素質基板１の耐破壊性能が向上する。より具体的には、熱応力あるいは窒化珪素質基板１の板面２ａ、２ｂに加わる圧力により、板面２ａ、２ｂに反りが生じたり、板面２ａ、２ｂが予め有している反りが平面状に矯正されるような場合に、角部４ａに応力が集中することがある。しかし、角部４ａの強度が向上していることで、窒化珪素質基板１の耐破壊性能が向上する。よって、パワーモジュール１００の信頼性を向上できる。

以上、本開示の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られるものでない。例えば、上記実施形態では、スクライブ加工により板面２ａ側の角部４ａ〜４ｂに粒界相の面積比率が低下した構成を形成する例を示したが、反対の板面２ｂ側の角部についても同様のレーザ照射を行って粒界相の面積比率を低下させてもよい。また、上記実施形態では、窒化珪素質基板をパワーモジュールの絶縁基板として適用した例を示したが、本開示の窒化珪素質基板は、パワーモジュール以外の絶縁基板など、強度を要する様々な基板に適用して有用である。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１窒化珪素質基板
２ａ、２ｂ板面
３ａ側面（第１面）
３ｂ〜３ｄ側面
４ａ角部（第１角部）
４ｂ〜４ｄ角部
１００パワーモジュール
１０１パワー素子
１１０放熱体

Claims

第１面並びに前記第１面と他の面との間に位置する第１角部を有しかつ窒化珪素質の粒体と粒界相とを含む窒化珪素質基板であって、
前記第１角部の表面における前記粒界相の面積比率が、前記第１面における前記粒界相の面積比率よりも少ない、
窒化珪素質基板。
前記第１面は、前記窒化珪素質基板の短手方向に沿った側面であり、
前記第１角部は、前記窒化珪素質基板の短手方向に交差する板面と前記第１面との間に位置し、前記板面及び前記第１面に対して傾斜した面を含む、
請求項１記載の窒化珪素質基板。
前記粒界相に含まれるエルビウムとイットリウムとのモル比が７：３〜１０：０である、
請求項１又は請求項２記載の窒化珪素質基板。
前記粒界相の主成分が、エルビウムシリケート及びエルビウムマグネシウムシリケートである、
請求項３記載の窒化珪素質基板。
パワー素子と、
放熱体と、
前記パワー素子と前記放熱体との間に位置する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の窒化珪素質基板と、
を備えるパワーモジュール。