JP2021130595A - 窒化珪素基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】高い強度と高い熱伝導率とを有する窒化珪素基板、並びに、当該窒化珪素基板を有するパワーモジュールを提供する。【解決手段】窒化珪素基板（１Ａ）は、複数の窒化珪素粒子（１０）と複数の窒化珪素粒子の間に位置する複数の粒界相（１１、１２）とを有し、複数の粒界相の一部が窒化ホウ素多結晶相（１２）である。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窒化珪素基板（１Ａ）とを備える。【選択図】図２
Description
本開示は、窒化珪素基板及びパワーモジュールに関する。
特許文献１には、高強度の窒化珪素セラミックスを製造する方法が示されている。窒化珪素セラミックスは、複数の窒化珪素粒子と、複数の窒化珪素粒子の間に位置する粒界相とを有する。
一般的な窒化珪素セラミックスの粒界相はガラス相により占められる。ガラス相は、窒化珪素結晶の格子振動を散乱し、窒化珪素セラミックスの熱伝導率を低下させる。
本開示は、高い強度と高い熱伝導率とを有する窒化珪素基板、並びに、当該窒化珪素基板を有する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基板は、
複数の窒化珪素粒子と前記複数の窒化珪素粒子の間に位置する複数の粒界相とを有し、
前記複数の粒界相の一部が窒化ホウ素多結晶相である。
複数の窒化珪素粒子と前記複数の窒化珪素粒子の間に位置する複数の粒界相とを有し、
前記複数の粒界相の一部が窒化ホウ素多結晶相である。
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基板と、
を備える。
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基板と、
を備える。
本開示によれば、高い強度と高い熱伝導率とを有する窒化珪素基板、並びに、当該窒化珪素基板を用いたパワーモジュールを提供できる。
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。
本実施形態の窒化珪素基板は、窒化珪素の粉末に焼結助剤及びバインダーを混合し、成形後に焼結したセラミックスである。窒化珪素基板は、複数の窒化珪素粒子と、複数の窒化珪素粒子の間に位置する粒界相とを有する。粒界相は複数の窒化珪素粒子の間に点在し、窒化珪素基板の一つの断面に注目すると分断された複数の粒界相が存在する。
複数の粒界相には、シリケート化合物を主に含んだガラス相である第１粒界相と、窒化ホウ素多結晶を主に含んだ多結晶相である第２粒界相（窒化ホウ素多結晶相に相当）とが含まれる。第２粒界相には、窒化ホウ素が質量比率で７０％以上含まれる。多くの第２粒界相において、窒化ホウ素多結晶は隣接する窒化珪素粒子と接する位置まで析出している。
窒化珪素基板の断面における第２粒界相の面積比率は１％〜４％である。同断面における粒界相全体の面積比率は９％〜１５％である。窒化珪素基板の断面ＳＥＭ画像において、第１粒界相は高い輝度、窒化珪素粒子は中間の輝度、第２粒界相は低い輝度で示される。第１粒界相の面積比率及び第２粒界相の面積比率は、上記の輝度を識別する第１閾値及び第２閾値を設定し、断面中の第１閾値以上の輝度、第１閾値から第２閾値の間の輝度、第２閾値以下の輝度を有する各ピクセル数を計数することで求められる。
第１粒界相は、主にガラス相であるため、分子振動を散乱する作用を及ぼす。一方、第２粒界相は、主に多結晶相であるため、分子振動の散乱作用が少ない。したがって、上記のように第２粒界相が含まれることで、窒化珪素基板の熱伝導率が向上する。加えて、第１粒界相を介した窒化珪素粒子の結合により、窒化珪素基板の高い強度が維持される。
本実施形態において第２粒界相の窒化ホウ素多結晶中には、シリケート化合物が分散していてもよい。シリケート化合物は、例えばエルビウムシリケート（Ｅｒ２ＳｉＯ５）、イットリウムシリケート（Ｙ２ＳｉＯ５）、エルビウムマグネシウムシリケート化合物（ＥｒＭｇＳｉＯ３Ｎ）等である。シリケート化合物は、数ｎｍ（ナノメートル）〜数十ｎｍの微粒子として含まれていてもよい。
第２粒界相の窒化ホウ素多結晶中にシリケート化合物が分散していることで、第２粒界相に含まれる窒化ホウ素多結晶自体の結合強度、並びに、窒化ホウ素多結晶と隣接する窒化珪素粒子との結合強度を向上する作用が得られる。したがって、粒界相に占められる第１粒界相の割合が低下しても、窒化珪素基板の強度の低下を抑制できる。
以上のように、本実施形態の窒化珪素基板によれば、高い強度を維持しつつより高い熱伝導率を実現できる。
＜製造方法＞
実施形態の窒化珪素基板は、次の第１製造方法〜第３製造方法により製造できる。第１製造方法は、窒化珪素の粉末に酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）等の焼結助剤及びバインダー（成形助剤）を混合しセラミックス生地を成形する工程と、セラミックス生地の周りに窒化ホウ素の粉末を塗布する工程と、粉末が塗布されたセラミックス生地を酸化する酸化工程と、酸化後にセラミックス生地を焼成する焼成工程とを含む。
実施形態の窒化珪素基板は、次の第１製造方法〜第３製造方法により製造できる。第１製造方法は、窒化珪素の粉末に酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）等の焼結助剤及びバインダー（成形助剤）を混合しセラミックス生地を成形する工程と、セラミックス生地の周りに窒化ホウ素の粉末を塗布する工程と、粉末が塗布されたセラミックス生地を酸化する酸化工程と、酸化後にセラミックス生地を焼成する焼成工程とを含む。
上記の酸化工程により、セラミックス生地の周りの窒化ホウ素の表面が酸化ホウ素に変化する。さらに、焼成工程の第１段階において、焼結助剤が窒化珪素粒子の粒界でシリケート化合物の液相となり。加えて、粒界に位置する多数の液相の一部へ酸化ホウ素が移動しホウケイ酸ガラスに変化する。焼成工程の第２段階において、窒化珪素粒子の綿密化に伴い、酸化ホウ素を多く含まないシリケート化合物の液相により第１粒界相が形成される。加えて、ホウケイ酸ガラスを含む液相において、ホウケイ酸ガラスが還元されることで粒界において窒化ホウ素多結晶が析出し、多結晶相の第２粒界相が形成される。窒化ホウ素多結晶は液相のシリケート化合物を巻き込んで析出するため、第２粒界相の窒化ホウ素多結晶中にはシリケート化合物が分散する。このように実施形態の窒化珪素基板が製造される。
第２製造方法は、窒化珪素の粉末に上記焼結助剤、バインダー（成形助剤）及び酸化ホウ素を混合しセラミックス生地を成形する工程と、成形したセラミックス生地を焼成する工程とを含む。このように、酸化ホウ素をセラミック生地に混合する方法を採用しても、焼成工程の第１段階及び第２段階において、第１製造方法と同様の反応が生じ、実施形態の窒化珪素基板を製造できる。
第３製造方法は、窒化珪素の粉末に上記焼結助剤、バインダー（成形助剤）及びホウケイ酸ガラスを混合しセラミックス生地を成形する工程と、成形したセラミックス生地を焼成する工程とを含む。このような方法を採用しても、焼成工程の第１段階において、粒界に位置するシリケート化合物の液相にホウケイ酸ガラスが移動し、続く、焼成工程の第２段階において、第１製造方法と同様の反応が生じる。そして、実施形態の窒化珪素基板が製造される。
＜実施例＞
図１は、本開示の実施形態の窒化珪素基板を示すＳＥＭ画像（Ａ）と窒化ホウ素多結晶相の画像（Ｂ）である。図２は、窒化ホウ素多結晶相の部分を拡大したＳＥＭ画像（Ａ）、ホウ素のマッピング画像（Ｂ）、窒素のマッピング画像（Ｃ）、酸素のマッピング画像（Ｄ）である。図３は、窒化ホウ素多結晶相を含む部分のＴＥＭ画像（Ａ）及び窒化ホウ素多結晶相のＴＥＭ拡大画像（Ｂ）である。図４は、窒化ホウ素多結晶相の拡大画像におけるＢ（ホウ素）のマッピング画像（Ａ）、Ｎ（窒素）のマッピング画像（Ｂ）、Ｓｉ（珪素）のマッピング画像（Ｃ）、Ｏ（酸素）のマッピング画像（Ｄ）、Ｍｇ（マグネシウム）のマッピング画像（Ｅ）、Ｅｒ（エルビウム）のマッピング画像（Ｆ）である
図１は、本開示の実施形態の窒化珪素基板を示すＳＥＭ画像（Ａ）と窒化ホウ素多結晶相の画像（Ｂ）である。図２は、窒化ホウ素多結晶相の部分を拡大したＳＥＭ画像（Ａ）、ホウ素のマッピング画像（Ｂ）、窒素のマッピング画像（Ｃ）、酸素のマッピング画像（Ｄ）である。図３は、窒化ホウ素多結晶相を含む部分のＴＥＭ画像（Ａ）及び窒化ホウ素多結晶相のＴＥＭ拡大画像（Ｂ）である。図４は、窒化ホウ素多結晶相の拡大画像におけるＢ（ホウ素）のマッピング画像（Ａ）、Ｎ（窒素）のマッピング画像（Ｂ）、Ｓｉ（珪素）のマッピング画像（Ｃ）、Ｏ（酸素）のマッピング画像（Ｄ）、Ｍｇ（マグネシウム）のマッピング画像（Ｅ）、Ｅｒ（エルビウム）のマッピング画像（Ｆ）である
上記の第１製造方法で製造された窒化珪素基板１Ａについて、断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像を観測すると、図１（Ａ）に示すように、複数の窒化珪素粒子１０の間にシリケート化合物のガラス相である第１粒界相１１と、窒化ホウ素多結晶相である第２粒界相１２とが確認された。図１（Ｂ）に示すように、第２粒界相１２を識別する輝度閾値を用いて、第２粒界相１２を抽出し、２つの断面について面積比率を計測すると、第２粒界相１２の占有率は１．０２％と１.３２％であった。また、第１粒界相１１と第２粒界相１２とを合わせた粒界相の占有率は約１０％であった。
ＳＥＭ画像の輝度の高い第１粒界相１１の部分と輝度の低い第２粒界相１２の部分について、ＥＤＳ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）分析すると、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示されるように、第１粒界相１１にはホウ素がほとんど含まれず、第２粒界相１２にはホウ素と窒素とが含まれることが確認された。また、第１粒界相１１にはシリケート化合物の酸素が多く含まれ、第２粒界相１２には酸素が少量含まれることが確認された。後に図４を参照して説明するが、第２粒界相１２の少量の酸素は窒化ホウ素多結晶相に分散されるシリケート化合物の成分に相当する。
さらに、実施例の窒化珪素基板１Ａの第２粒界相１２の周辺のＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）画像を観測すると、図３（Ａ）に示すように、窒化ホウ素多結晶Ｆが窒化珪素粒子１０に接していることが確認された。さらに、図３（Ｂ）のに示すように、第２粒界相１２に含まれる窒化ホウ素多結晶Ｆの一部の領域Ｓ１を拡大すると、窒化ホウ素結晶は異なる結晶方位を有する多結晶であることが確認された。図３（Ｂ）の一部において、単結晶の境界線を描画している。
さらに、第２粒界相１２の窒化ホウ素多結晶についてＥＤＳ分析すると、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、主に窒化ホウ素が全域を占有する中、図４（Ｃ）〜図４（Ｆ）の一部Ｃ１に示されるように、数ｎｍ〜数十ｎｍの微粒子として、シリケート化合物が分散していることが確認された。実施例では、焼結助剤として酸化エルビウムを採用しているため、分散されたシリケート化合物として、エルビウムマグネシウムシリケート化合物（ＥｒＭｇＳｉＯ３Ｎ）の構成元素が確認された。
実施例の窒化珪素基板１Ａと比較例の窒化珪素基板との特性について、次の比較表に示す。比較例は、上述の第１製造方法において、セラミック生地の周りに窒化ホウ素の粉末の代わりに窒化珪素の粉末を塗布し、その他は第１製造方法と同一の方法により製造された窒化珪素基板に相当する。
嵩密度は、焼成後の基板の密度を示す。
これらの比較により、実施例の窒化珪素基板１Ａは、粒界相（１１、１２）の一部としてＢＮ（窒化ホウ素）多結晶相である第２粒界相１２を含むことで、曲げ強度が幾分低下する一方、高い熱伝導率が得られることが確認された。仮に７００ＭＰａ以上の曲げ強度を確保しつつ熱伝導率を向上するのであれば、窒化珪素基板の断面における第２粒界相の面積比率は１％〜４％としてもよい。
＜パワーモジュール＞
図５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、前述した実施形態の窒化珪素基板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。
図５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、前述した実施形態の窒化珪素基板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、高い強度、並びに、高い熱伝導率が得られる。高い熱伝導率によって、パワー素子１０１の冷却性を高められ、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、窒化珪素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、本開示の窒化珪素基板は、パワーモジュール以外の絶縁基板など、強度と高い熱伝導率とを要する様々な基板に適用して有用である。また、本開示の窒化珪素基板は、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％以上含有すればよく、窒化珪素とは異なる成分の粒子が含まれていてもよい。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、１Ａ 窒化珪素基板
１０ 窒化珪素粒子
１１ 第１粒界相
１２ 第２粒界相（窒化ホウ素多結晶相）
Ｆ 窒化ホウ素多結晶
１００ パワーモジュール
１０１ パワー素子
１１０ 放熱体
１０ 窒化珪素粒子
１１ 第１粒界相
１２ 第２粒界相（窒化ホウ素多結晶相）
Ｆ 窒化ホウ素多結晶
１００ パワーモジュール
１０１ パワー素子
１１０ 放熱体
Claims (4)
- 複数の窒化珪素粒子と前記複数の窒化珪素粒子の間に位置する複数の粒界相とを有し、
前記複数の粒界相の一部が窒化ホウ素多結晶相である、
窒化珪素基板。 - 前記窒化ホウ素多結晶相に含まれる窒化ホウ素多結晶が、前記窒化珪素粒子と接している、
請求項１記載の窒化珪素基板。 - 前記窒化ホウ素多結晶相に含まれる窒化ホウ素多結晶中にシリケート化合物が分散している、
請求項１又は請求項２記載の窒化珪素基板。 - 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３のいずれか一項に記載の窒化珪素基板と、
を備えるパワーモジュール。
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2020
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