JP3115238B2 - Silicon nitride circuit board - Google Patents

Silicon nitride circuit board

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JP3115238B2
JP3115238B2 JP08238172A JP23817296A JP3115238B2 JP 3115238 B2 JP3115238 B2 JP 3115238B2 JP 08238172 A JP08238172 A JP 08238172A JP 23817296 A JP23817296 A JP 23817296A JP 3115238 B2 JP3115238 B2 JP 3115238B2
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silicon nitride
circuit board
holes
groove
substrate
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裕 小森田
和男 池田
通泰 小松
隆之 那波
孔俊 佐藤
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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、窒化けい素回路基
板に係り、特に冷熱サイクルの付加等に対する信頼性を
向上させ、かつ放熱性および構造強度を改善した窒化け
い素回路基板に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride circuit board, and more particularly to a silicon nitride circuit board having improved reliability against the addition of a thermal cycle and improved heat dissipation and structural strength.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュールや
スイッチング電源モジュール等の比較的高電力を扱う半
導体部品の搭載用基板等として、セラミックス基板上に
銅板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が用い
られている。
2. Description of the Related Art In recent years, a ceramic circuit board in which a metal plate such as a copper plate is bonded on a ceramic substrate has been used as a substrate for mounting semiconductor components handling relatively high power such as a power transistor module and a switching power supply module. I have.

【0003】上述したようなセラミックス回路基板の製
造方法、すなわちセラミックス基板と金属板との接合方
法としては、Ti、Zr、Hf、Nb等の活性金属をA
g−Cuろう材等に1〜10%添加した活性金属ろう材
を用いる方法(活性金属法)や、金属板として酸素を1
00〜1000ppm 含有するタフピッチ電解銅や表面を
1〜10μmの厚さで酸化させた銅を用いてセラミック
ス基板と銅板とを直接接合させる、いわゆる直接接合法
(DBC法:ダイレクト・ボンディング・カッパー法)
等が知られている。
As a method of manufacturing a ceramic circuit board as described above, that is, a method of joining a ceramic substrate and a metal plate, an active metal such as Ti, Zr, Hf, or Nb is used for the purpose.
a method using an active metal brazing material in which 1% to 10% is added to a g-Cu brazing material or the like (active metal method),
A so-called direct bonding method (DBC method: direct bonding copper method) in which a ceramic substrate and a copper plate are directly bonded using tough pitch electrolytic copper containing 00 to 1000 ppm or copper whose surface is oxidized to a thickness of 1 to 10 μm.
Etc. are known.

【0004】例えば直接接合法においては、まず所定形
状に打ち抜かれた厚さ0.3〜0.5mmの銅回路板を、
酸化アルミニウム(Al2 3 )焼結体や窒化アルミニ
ウム(AlN)焼結体等からなる厚さ0.6〜1.0mm
のセラミックス基板上に接触配置させて加熱し、接合界
面にCu−Cu2 Oの共晶液相を生成させ、この液相で
セラミックス基板の表面を濡らした後、液相を冷却固化
することによって、セラミックス基板と銅回路板とが接
合される。このような直接接合法を適用したセラミック
ス回路基板は、セラミックス基板と銅回路板との接合強
度が強く、またメタライズ層やろう材層を必要としない
単純構造なので小型高実装化が可能である等の長所を有
しており、また製造工程の短縮化を図ることもできる。
For example, in the direct joining method, first, a copper circuit board having a thickness of 0.3 to 0.5 mm stamped into a predetermined shape is formed.
0.6 to 1.0 mm thick made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) sintered body or aluminum nitride (AlN) sintered body
Heated is disposed in contact with the ceramic substrate, the bonding interface to produce a eutectic liquid phase of Cu-Cu 2 O, after wetting the surface of the ceramic substrate in the liquid phase by cooling and solidifying the liquid phase Then, the ceramic substrate and the copper circuit board are joined. A ceramic circuit board to which such a direct bonding method is applied has a strong bonding strength between the ceramic substrate and the copper circuit board, and can be miniaturized and mounted with a simple structure that does not require a metallization layer or a brazing material layer. And the manufacturing process can be shortened.

【0005】ところで、上述した直接接合法や活性金属
法等により金属板をセラミックス基板に接合したセラミ
ックス回路基板においては、大電流を流せるように金属
板の厚さを0.3〜0.5mmと厚くしているため、熱履
歴に対して信頼性に乏しいという問題があった。すなわ
ち、熱膨張率が大きく異なるセラミックス基板と金属板
とを接合すると、接合後の冷却過程や冷熱サイクルの付
加により、上記熱膨張差に起因する熱応力が発生する。
この応力は接合部付近のセラミックス基板側に圧縮と引
張りの残留応力分布として存在し、特に金属板の外周端
部と近接するセラミックス部分に残留応力の主応力が作
用する。この残留応力は、セラミックス基板にクラック
を生じさせたり、あるいは金属板剥離の発生原因等とな
る。また、セラミックス基板にクラックが生じないまで
も、セラミックス基板の強度を低下させるという悪影響
を及ぼす。
In a ceramic circuit board in which a metal plate is bonded to a ceramic substrate by the above-described direct bonding method or active metal method, the thickness of the metal plate is set to 0.3 to 0.5 mm so that a large current can flow. Due to the thickness, there was a problem that the reliability against the heat history was poor. That is, when a ceramic substrate and a metal plate having significantly different coefficients of thermal expansion are joined, a thermal stress due to the difference in thermal expansion is generated due to a cooling process after the joining or the addition of a cooling / heating cycle.
This stress exists as a compressive and tensile residual stress distribution on the ceramic substrate side near the joint, and the main residual stress mainly acts on the ceramic portion adjacent to the outer peripheral end of the metal plate. This residual stress causes cracks in the ceramic substrate or causes peeling of the metal plate. Further, even if cracks do not occur in the ceramic substrate, the ceramic substrate has an adverse effect of reducing its strength.

【0006】上述した残留応力のうち、金属板の接合後
の冷却過程で発生する熱応力に基くものは、冷却速度の
調節等によりある程度までは低減できるものの、実使用
時における搭載部品からの発熱等に起因する残留応力
は、外的条件によっては低減することができず、重大な
問題となっている。このため、上記したようなセラミッ
クス回路基板は、通常、セラミックス基板の裏面にも表
面すなわち半導体部品の実装部と同一あるいは5〜30
%薄い金属板を接合して、セラミックス回路基板の反り
を防止しているが、残留応力の問題は根本的には解決さ
れていない。
[0006] Of the above-mentioned residual stresses, those based on thermal stress generated in the cooling process after joining the metal plates can be reduced to some extent by adjusting the cooling rate or the like, but generate heat from the mounted components during actual use. Residual stress caused by the above cannot be reduced depending on external conditions, and is a serious problem. For this reason, the above-mentioned ceramic circuit board is usually the same as the front surface, that is, the mounting portion of the semiconductor component or 5 to 30 on the back surface of the ceramic substrate.
Although a thin metal plate is bonded to prevent the ceramic circuit board from warping, the problem of residual stress has not been fundamentally solved.

【0007】上述したような熱応力や残留応力による問
題、すなわち接合強度の低下やクラックの発生等への対
応策として、例えば特公平5−25397号公報には、
金属板としての銅板の外周端部を薄肉形状(薄肉部)、
具体的には外周端部を段付き形状やテーパー形状とする
ことが記載されている。また、特開平3−145748
号公報には、金属板の外周縁部に沿った内側に溝を形成
することが記載されている。これにより、金属板の外周
端部に集中する応力を溝で分散させることによって、接
合強度の低下やクラックの発生等を防止している。
To cope with the above-mentioned problems due to thermal stress and residual stress, that is, measures against the decrease in bonding strength and the occurrence of cracks, for example, Japanese Patent Publication No. 5-25397 discloses
The outer peripheral edge of the copper plate as a metal plate has a thin shape (thin portion),
Specifically, it is described that the outer peripheral end has a stepped shape or a tapered shape. Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-145748
The publication describes that a groove is formed inside along the outer peripheral edge of a metal plate. Thus, the stress concentrated on the outer peripheral end of the metal plate is dispersed by the groove, thereby preventing a decrease in bonding strength and the occurrence of cracks.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のセラミックス回路基板における熱履歴に対する
信頼性の向上手法のうち、特公平5−25397号公報
に記載されている手法では、金属板外周端部の薄肉部を
回路パターンの形成と同時にエッチング等で形成してい
るために製造工程が繁雑となり、製造工数の増大を招い
ていた。
However, of the above-mentioned conventional methods for improving the reliability of the thermal history in the ceramic circuit board, the method described in Japanese Patent Publication No. 5-25397 discloses an outer peripheral end portion of a metal plate. Since the thin portion is formed by etching or the like at the same time as the formation of the circuit pattern, the manufacturing process becomes complicated, resulting in an increase in the number of manufacturing steps.

【0009】また、特開平3−145748号公報にお
いても、同様に金属板の外周縁部に沿った溝をエッチン
グ法で形成することが主に記載されている。エッチング
法によれば、回路パターンの形成と同時に溝を形成する
ことができるものの、上述したようにエッチング法は工
程が複雑で、製造工数の増大を招くといった難点を有し
ている。さらに、溝を金型等を用いた機械加工により形
成することも示されているが、この機械加工による方法
で金属板の外周縁部の内側全周にわたって溝を形成した
場合、押圧等により溝を形成する際に押圧部周辺の金属
板に塑性変形が発生し、これに伴って特に金属板中央部
にゆがみ等の変形が発生する。この金属板の変形は、金
属板の接合不良あるいは接合強度低下の原因となってし
まう。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-145748 also mainly describes that a groove is formed along the outer peripheral edge of a metal plate by an etching method. According to the etching method, a groove can be formed simultaneously with the formation of a circuit pattern. However, as described above, the etching method has a disadvantage that the steps are complicated and the number of manufacturing steps is increased. Further, it is also shown that the groove is formed by machining using a mold or the like.However, when the groove is formed over the entire inner periphery of the outer peripheral edge of the metal plate by this method of machining, the groove is formed by pressing or the like. When forming the metal sheet, plastic deformation occurs in the metal plate around the pressing portion, and accompanying this, deformation such as distortion occurs particularly in the central portion of the metal plate. The deformation of the metal plate causes poor bonding of the metal plate or a decrease in bonding strength.

【0010】このようなことから、金属板接合後の冷却
過程や冷熱サイクルの付加により、金属板に生じる熱応
力や残留応力を分散、緩和して、セラミックス基板のク
ラック発生や強度低下を有効に防止すると共に、製造工
程の簡略化が図れる機械加工によっても金属板の変形を
防止し得る技術が強く求められている。
[0010] From the above, by adding a cooling process or a cooling / heating cycle after joining the metal plates, thermal stress and residual stress generated in the metal plate are dispersed and relaxed, thereby effectively preventing cracks and strength reduction of the ceramic substrate. There is a strong demand for a technique capable of preventing deformation of a metal plate even by machining that can prevent the deformation and simplify the manufacturing process.

【0011】一方、半導体素子の高集積化、高出力化、
大型化が進展し、素子から発熱する熱を効率的に系外に
放散できる回路基板構造や熱応力に耐える高強度の回路
基板構造を求める技術的要請が高まっている。そこでセ
ラミックス基板として従来のアルミナ(Al2 3 )基
板よりも高強度を有する窒化けい素(Si3 4 )基板
を用いることも試行された。しかしながら、Si3 4
基板は、靭性値などの機械的強度は優れているものの熱
伝導性が窒化アルミニウム基板などと比較して著しく低
いため、特に放熱性を要求される半導体用回路基板の構
成材としては実用化されていない。
On the other hand, higher integration and higher output of the semiconductor element,
With an increase in size, there is an increasing technical demand for a circuit board structure capable of efficiently dissipating heat generated from an element to the outside and a high-strength circuit board structure capable of withstanding thermal stress. Therefore, an attempt was made to use a silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate having higher strength than a conventional alumina (Al 2 O 3 ) substrate as a ceramic substrate. However, Si 3 N 4
Substrates have excellent mechanical strength such as toughness, but their thermal conductivity is significantly lower than that of aluminum nitride substrates.Therefore, they are practically used as components of circuit boards for semiconductors that require heat dissipation. Not.

【0012】一方、窒化アルミニウム基板は他のセラミ
ックス基板と比較して高い熱伝導性と低熱膨張特性とを
有するが、機械的強度の点で満足するものが得られてい
ないため、回路基板の実装工程において付加されるわず
かな押圧力や衝撃力によって、回路基板が破損し易く、
半導体装置の製造歩留りが大幅に減少させる場合があ
る。
On the other hand, an aluminum nitride substrate has high thermal conductivity and low thermal expansion characteristics as compared with other ceramic substrates, but it does not provide satisfactory mechanical strength. The circuit board is easily damaged by the slight pressing force and impact force added in the process,
In some cases, the manufacturing yield of a semiconductor device is significantly reduced.

【0013】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、放熱性および構造強度に優れ、冷熱
サイクルが付加された場合等においても、金属板に生じ
る熱応力や残留応力を分散させることにより金属板の外
周端部への応力集中を緩和し、セラミックス基板のクラ
ック発生や強度低下を有効に防止することができ、しか
も製造工程的に有利な機械加工によっても金属板の変形
を防止し得る、信頼性や製造性に優れる窒化けい素回路
基板を提供することを目的としている。
The present invention has been made in order to solve such problems, and has excellent heat dissipation and structural strength, and can reduce the thermal stress and residual stress generated in a metal plate even when a cooling / heating cycle is added. By dispersing, the stress concentration on the outer peripheral edge of the metal plate can be reduced, cracks and strength reduction of the ceramic substrate can be effectively prevented, and the metal plate is deformed even by machining which is advantageous in the manufacturing process It is an object of the present invention to provide a silicon nitride circuit board which can prevent the occurrence of the problem and is excellent in reliability and manufacturability.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化けい素回路
基板は、請求項1に記載したように、希土類元素を酸化
物に換算して1.0〜17.5重量%、不純物陽イオン
元素としてのLi,Na,K,Fe,Ca,Mg,S
r,Ba,Mn,Bを合計で1.0重量%以下、好まし
くは0.3重量%以下(検出限界としての0重量%を含
む)含有し、熱伝導率が60w/m・k以上である高熱
伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基
板に接合された金属板とを具備する窒化けい素回路基板
において、前記金属板の前記高熱伝導性窒化けい素基板
との接合面と反対面側の外周縁部内側に、溝が形成され
ていることを特徴としている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a silicon nitride circuit board, comprising: a rare earth element in an amount of 1.0 to 17.5% by weight in terms of oxide; Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, S as elements
r, Ba, Mn, B in total of 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less (including 0% by weight as a detection limit) and a thermal conductivity of 60 w / mk or more. In a silicon nitride circuit board comprising a high thermal conductive silicon nitride substrate and a metal plate bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate, bonding of the metal plate to the high thermal conductive silicon nitride substrate A groove is formed on the inner side of the outer peripheral edge on the side opposite to the surface.

【0015】なお、上記希土類元素酸化物の含有範囲で
ある1.0〜17.5重量%は、数学的な表示として当
然のことであるが、含有量の下限値である1.0重量%
および上限値である17.5重量%を含むものである。
以下、他の成分範囲についても同様である。
The content range of the rare earth element oxide, 1.0 to 17.5% by weight, is naturally understood as a mathematical expression, but the lower limit of the content is 1.0% by weight.
And an upper limit of 17.5% by weight.
Hereinafter, the same applies to other component ranges.

【0016】また、本発明の他の窒化けい素回路基板
は、請求項3に記載したように、希土類元素を酸化物に
換算して1.0〜17.5重量%含有し、窒化けい素結
晶相および粒界相から構成され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、好ましくは50%以上である高熱伝導性窒化けい素
基板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に接合された金
属板とを具備する窒化けい素回路基板において、前記金
属板の前記高熱伝導性窒化けい素基板との接合面と反対
面側の外周縁部内側に、溝が形成されていることを特徴
としている。
According to another aspect of the present invention, there is provided a silicon nitride circuit board containing 1.0 to 17.5% by weight of a rare earth element in terms of oxide. A highly thermally conductive silicon nitride substrate comprising a crystal phase and a grain boundary phase, wherein the ratio of the crystalline compound phase to the entire grain boundary phase in the grain boundary phase is 20% or more, preferably 50% or more; A metal plate bonded to a conductive silicon nitride substrate, wherein a groove is formed on the inner side of the outer peripheral edge of the metal plate opposite to the bonding surface with the high thermal conductive silicon nitride substrate. Is formed.

【0017】ここで、金属板の外周縁部内側とは、図6
に示すように金属板2の幅Dを基準として、外周縁部か
ら中央方向へ向って、金属板2の幅Dの1/3以内の部
分と定義する。すなわち、金属板2の幅Dを基準とし
て、外周縁部を含まない外周縁部から中央方向への両側
1/3以内の部分を外周縁部内側とし、中央の金属板2
の幅Dの1/3の部分を中央部とする(図6においては
外周縁部内側を斜線で示す)。
Here, the inside of the outer peripheral edge portion of the metal plate is defined as FIG.
As shown in the figure, the width D of the metal plate 2 is defined as a portion that is within 1/3 of the width D of the metal plate 2 from the outer peripheral edge toward the center. That is, based on the width D of the metal plate 2, a portion within one-third of both sides from the outer peripheral edge not including the outer peripheral edge toward the center is defined as the inner peripheral edge, and the central metal plate 2
Is set as the center (in FIG. 6, the inside of the outer peripheral edge is indicated by oblique lines).

【0018】また、本発明に係る窒化けい素回路基板に
おいて、上記溝としては連続した溝の他に請求項8に記
載したように不連続な溝を所定の間隔をおいて形成して
もよい。また請求項13に記載したように、上記連続し
た溝または不連続な溝に代えて、複数の孔を形成しても
よい。
In the silicon nitride circuit board according to the present invention, as the grooves, discontinuous grooves may be formed at predetermined intervals in addition to the continuous grooves. . Further, a plurality of holes may be formed in place of the continuous groove or the discontinuous groove.

【0019】また、金属板に溝を形成した本発明の窒化
けい素回路基板においては、上記高熱伝導性窒化けい素
基板に接合された全ての金属板に上記連続した溝または
不連続な溝が形成されていることが好ましいが、高熱伝
導性窒化けい素基板に接合された少なくとも1つの金属
板に上記連続した溝または不連続な溝が形成されていれ
ば本発明に包含されるものである。また、金属板の全周
でなくても包含される。
Further, in the silicon nitride circuit board of the present invention in which a groove is formed in a metal plate, the continuous groove or the discontinuous groove is formed in all the metal plates joined to the high thermal conductive silicon nitride substrate. It is preferable that the continuous groove or the discontinuous groove is formed in at least one metal plate bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate, but the present invention is included in the present invention. . Also, it is included even if it is not the entire circumference of the metal plate.

【0020】一方、金属板に複数の孔を形成した本発明
の窒化けい素回路基板においては、高熱伝導性窒化けい
素基板上に接合された全ての金属板に上記複数の孔が形
成されていることが好ましいが、少なくとも1つの金属
板に上記複数の孔が形成されていれば本発明に包含され
る。
On the other hand, in the silicon nitride circuit board of the present invention in which a plurality of holes are formed in a metal plate, the plurality of holes are formed in all the metal plates joined on the high thermal conductive silicon nitride substrate. It is preferable that the plurality of holes are formed in at least one metal plate, which is included in the present invention.

【0021】上述した金属板に溝を形成した本発明の窒
化けい素回路基板のより好ましい形態としては、請求項
6,10に記載したように、前記連続した溝または不連
続な溝はプレス加工により形成された溝である形態、さ
らには請求項5,9に記載したように、前記連続した溝
または不連続な溝が前記金属板の外周縁部に沿って直線
状に形成されている形態、請求項7,11に記載したよ
うに、前記連続した溝または不連続な溝の幅が0.2〜
1.0mmの範囲である形態、請求項12に記載したよう
に、前記不連続な溝の長さをL0 、近接する前記不連続
な溝間の最短距離をL1 としたとき、1/10L0 ≦L
1 ≦1/2L0 を満足する形態が挙げられる。
According to a more preferred form of the silicon nitride circuit board of the present invention in which grooves are formed in the above-described metal plate, the continuous grooves or the discontinuous grooves are formed by press working. Wherein the continuous groove or the discontinuous groove is formed linearly along the outer peripheral edge of the metal plate, as described in claims 5 and 9. , The width of the continuous groove or the discontinuous groove is 0.2 to 0.2.
Assuming that the length of the discontinuous groove is L 0 , and the shortest distance between the adjacent discontinuous grooves is L 1 , as described in claim 12, wherein the length of the discontinuous groove is L 1 , 10L 0 ≦ L
An embodiment that satisfies 1 ≦ 1 / 2L 0 may be mentioned.

【0022】一方、金属板に複数の孔を形成した本発明
の窒化けい素回路基板の好ましい形態としては、請求項
14に記載したように、前記複数の孔は前記金属板の外
周縁部に沿って直線状の形成されている形態が挙げら
れ、また請求項15に記載したように前記複数の孔は非
貫通孔である形態、請求項16に記載したように前記複
数の孔は貫通孔である形態、請求項17に記載したよう
に前記複数の孔はプレス成形により形成された孔である
形態、請求項18に記載したように隣接する前記孔間の
最短距離をL3 、前記隣接する孔の中心間距離をL4
したとき、1/5L4 ≦L3 ≦1/2L4 を満足する形
態が挙げられる。
On the other hand, in a preferred embodiment of the silicon nitride circuit board of the present invention in which a plurality of holes are formed in a metal plate, the plurality of holes are formed on an outer peripheral edge of the metal plate. And the plurality of holes are non-through holes as described in claim 15. The plurality of holes are through holes as described in claim 16. Wherein the plurality of holes are holes formed by press molding, wherein the shortest distance between the adjacent holes is L 3 , and the adjacent holes are L 3 , as described in claim 18. Assuming that the distance between the centers of the holes to be formed is L 4 , a form satisfying 1 / 5L 4 ≦ L 3 ≦ 1 / 2L 4 may be mentioned.

【0023】また本発明で使用する高熱伝導性窒化けい
素基板は、希土類元素を酸化物に換算して1.0〜1
7.5重量%、不純物陽イオン元素としてのLi,N
a,K,Fe,Ca,Mg,Sr,Ba,Mn,Bを合
計で1.0重量%以下、好ましくは0.3重量%以下
(検出限界としての0重量%を含む。)含有するように
構成される。
The high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention has a rare-earth element converted to an oxide of 1.0 to 1 in terms of oxide.
7.5% by weight, Li, N as impurity cation element
a, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn, and B in a total content of 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less (including 0% by weight as a detection limit). It is composed of

【0024】また他の態様として高熱伝導性窒化けい素
基板は、希土類元素を酸化物に換算して1.0〜17.
5重量%含有し、窒化けい素結晶相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、好ましくは50%以上であ
る窒化けい素焼結体から形成してもよい。
In another embodiment, the high thermal conductivity silicon nitride substrate is formed by converting a rare earth element into an oxide in an amount of 1.0 to 17.
5% by weight, comprising a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, wherein the ratio of the crystalline compound phase in the grain boundary phase to the entire grain boundary phase is 20% or more, preferably 50% or more. May be formed.

【0025】さらに上記希土類元素としてはランタノイ
ド系列の元素を使用することが熱伝導率を向上させるた
めに、特に好ましい。
Further, it is particularly preferable to use a lanthanoid element as the rare earth element in order to improve the thermal conductivity.

【0026】また、高熱伝導性窒化けい素基板は、窒化
アルミニウムまたはアルミナを1.0重量%以下含有す
るように構成してもよい。さらにアルミナを1.0重量
%以下と窒化アルミニウムを1.0重量%以下とを併用
してもよい。
Further, the high thermal conductive silicon nitride substrate may be constituted so as to contain 1.0% by weight or less of aluminum nitride or alumina. Further, 1.0% by weight or less of alumina and 1.0% by weight or less of aluminum nitride may be used in combination.

【0027】また本発明において使用する高熱伝導性窒
化けい素基板は、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,
Cr,Mo,W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0.1〜3.0重量%含有するこ
とが好ましい。このTi,Zr,Hf,V,Nb,T
a,Cr,Mo,Wから成る群より選択される少なくと
も1種は、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物
として窒化けい素粉末に添加することにより含有させる
ことができる。
The high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention is made of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta,
At least one selected from the group consisting of Cr, Mo, W
It is preferable to contain the seed in an amount of 0.1 to 3.0% by weight in terms of oxide. This Ti, Zr, Hf, V, Nb, T
At least one selected from the group consisting of a, Cr, Mo, and W can be contained as an oxide, carbide, nitride, silicide, or boride by being added to the silicon nitride powder.

【0028】さらに本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素基板の製造方法は、酸素を1.7重量%以下、不純
物陽イオン元素としてのLi,Na,K,Fe,Ca,
Mg,Sr,Ba,Mn,Bを合計で1.0重量%以
下、好ましくは0.3重量%以下、α相型窒化けい素を
90重量%以上含有し、平均粒径1.0μm以下の窒化
けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して2.0〜
17.5重量%以下と、必要に応じてアルミナおよび窒
化アルミニウムの少なくとも一方を1.0重量%以下添
加した原料混合体を成形して成形体を調製し、得られた
成形体を脱脂後、温度1800〜2100℃で雰囲気加
圧焼結し、上記焼結温度から、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℃以下にして徐冷することを特
徴とする。
Further, the method of manufacturing a silicon nitride substrate having high thermal conductivity used in the present invention is characterized in that oxygen is not more than 1.7% by weight, and Li, Na, K, Fe, Ca,
Mg, Sr, Ba, Mn, B in total of 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less, containing 90% by weight or more of α-phase silicon nitride and having an average particle size of 1.0 μm or less. Rare earth elements are converted to oxides in silicon nitride powder,
A raw material mixture containing 17.5% by weight or less and, if necessary, at least one of alumina and aluminum nitride added at 1.0% by weight or less is molded to prepare a molded body. After the obtained molded body is degreased, Atmospheric pressure sintering at a temperature of 1800 to 2100 ° C, and a cooling rate of the sintered body from the sintering temperature to a temperature at which a liquid phase formed at the time of sintering by the rare earth element solidifies is set to 100 ° C or less per hour. And gradually cooled.

【0029】上記製造方法において、窒化けい素粉末
に、さらにアルミナおよび窒化アルミニウムの少なくと
も一方を1.0重量%以下添加するとよい。
In the above method, at least one of alumina and aluminum nitride may be added to the silicon nitride powder in an amount of 1.0% by weight or less.

【0030】さらに窒化けい素粉末に、さらにTi,Z
r,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの酸化物、
炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択
される少なくとも1種を0.1〜3.0重量%添加する
とよい。
Further, Ti, Z are added to the silicon nitride powder.
oxides of r, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W;
At least one selected from the group consisting of carbides, nitrides, silicides, and borides may be added in an amount of 0.1 to 3.0% by weight.

【0031】上記製造方法によれば、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、気孔率が
2.5%以下、熱伝導率が60W/m・K以上、三点曲
げ強度が室温で650MPa以上の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, a grain boundary phase containing a rare earth element or the like is formed in the silicon nitride crystal structure, the porosity is 2.5% or less, the thermal conductivity is 60 W / m · K or more, A silicon nitride substrate having a point bending strength of 650 MPa or more at room temperature and excellent in both mechanical properties and heat conduction properties is obtained.

【0032】上記製造方法において使用され、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1.7重量%以
下、好ましくは0.5〜1.5重量%、Li,Na,
K,Fe,Mg,Ca,Sr,Ba,Mn,Bなどの不
純物陽イオン元素含有量が合計で1.0重量%以下、好
ましくは0.3重量%以下に抑制されたα相型窒化けい
素を90重量%以上、好ましくは93重量%以上含有
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
ができる。
The silicon nitride powder used as the main component of the sintered body used in the above-mentioned production method has an oxygen content of 1.7% by weight or less in consideration of sinterability, strength and thermal conductivity. Preferably 0.5-1.5% by weight, Li, Na,
Α-phase silicon nitride in which the total content of impurity cation elements such as K, Fe, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, and B is suppressed to 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less. Containing 90% by weight or more, preferably 93% by weight or more, and having an average particle size of 1.0 μm or less, preferably 0.4 to
A fine silicon nitride powder of about 0.8 μm can be used.

【0033】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、少量の焼結助剤であっても気
孔率が2.5%以下の緻密な高熱伝導性窒化けい素基板
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 diameter of 1.0 μm or less, a dense high thermal conductive silicon nitride substrate having a porosity of 2.5% or less even with a small amount of a sintering aid. Can be formed, and the possibility that the sintering aid impairs the heat conduction characteristics is reduced.

【0034】またLi,Na,K,Fe,Ca,Mg,
Sr,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、60W/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1.0重量%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重量%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,C
a,Mgが比較的に多く含有されているため、Fe,C
a,Mg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。
Further, Li, Na, K, Fe, Ca, Mg,
Since the impurity cation elements of Sr, Ba, Mn, and B are substances that hinder thermal conductivity, the content of the impurity cation element must be as follows in order to secure a thermal conductivity of 60 W / m · K or more. It can be achieved by setting the total to 1.0% by weight or less. In particular, for the same reason, the content of the impurity cation element is preferably not more than 0.3% by weight in total.
More preferred. Here, the silicon nitride powder used for obtaining a normal silicon nitride sintered body includes, in particular, Fe, C
a, Mg are contained in a relatively large amount, so that Fe, C
The total amount of a and Mg is a measure of the total content of the impurity cation element.

【0035】なお、本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素基板において、上記不純物陽イオン元素の含有量
が、数学的な意味において完全に0重量%となることは
有り得ない。したがって、本願発明において規定する不
純物陽イオン元素の含有量は、実質上、検出限界として
の0重量%を含むものである。
In the high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention, the content of the impurity cation element cannot be completely 0% by weight in a mathematical sense. Therefore, the content of the impurity cation element specified in the present invention substantially includes 0% by weight as a detection limit.

【0036】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重量%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、高密度の窒化けい素基
板を製造することができる。
Further, by using a silicon nitride raw material powder containing 90% by weight or more of α-phase type silicon nitride which is superior in sinterability as compared with β-phase type, a high-density silicon nitride substrate can be formed. Can be manufactured.

【0037】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、Ho,Er,Yb,Y,
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が、特に酸化ホルミウム(Ho2
3 ),酸化エルビウム(Er2 3 )が好ましい。
Rare earth elements to be added to the silicon nitride raw material powder as a sintering aid include Ho, Er, Yb, Y,
Oxides such as La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, and Gd, or substances that become these oxides by sintering operation alone or in combination of two or more oxides are included. Good, but especially holmium oxide (Ho 2 O
3 ) Erbium oxide (Er 2 O 3 ) is preferred.

【0038】特に希土類元素としてランタノイド系列の
元素であるHo,Er,Ybを使用することにより、焼
結性あるいは高熱伝導化が良好になり、1850℃程度
の低温度領域においても十分に緻密な焼結体が得られ
る。したがって焼成装置の設備費およびランニングコス
トを低減できる効果も得られる。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。
In particular, by using the lanthanoid series elements Ho, Er, and Yb as rare earth elements, sinterability or high thermal conductivity is improved, and sufficiently dense sintering can be performed even in a low temperature range of about 1850 ° C. Solidification is obtained. Therefore, the effect of reducing the equipment cost and running cost of the firing apparatus can be obtained. These sintering aids are
It reacts with the silicon nitride raw material powder to form a liquid phase and functions as a sintering accelerator.

【0039】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1.0〜17.5重量%の範囲とする。
この添加量が1.0重量%未満の場合は、焼結体の緻密
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重量%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4〜15重
量%とすることが望ましい。
The amount of the sintering aid to be added is in the range of 1.0 to 17.5% by weight based on the raw material powder in terms of oxide.
When the addition amount is less than 1.0% by weight, the sintered body is insufficiently densified. In particular, when the rare earth element is an element having a large atomic weight such as a lanthanoid element, a relatively low strength is obtained. A sintered body having a relatively low thermal conductivity is formed. on the other hand,
If the added amount exceeds 17.5% by weight, an excessive amount of grain boundary phase is generated, and the thermal conductivity and strength start to decrease. It is particularly desirable to set the content to 4 to 15% by weight for the same reason.

【0040】また上記製造方法において他の選択的な添
加成分として使用するTi,Zr,Hf,V,Nb,T
a,Cr,Mo,Wの酸化物,炭化物、窒化物、けい化
物、硼化物は、上記希土類元素の焼結促進剤の機能を促
進すると共に、結晶組織において分散強化の機能を果し
Si3 4 焼結体の機械的強度を向上させるものであ
り、特に、Hf,Tiの化合物が好ましい。これらの化
合物の添加量が0.1重量%未満の場合においては添加
効果が不充分である一方、3.0重量%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0.1〜3.0重量
%の範囲とする。特に0.2〜2重量%とすることが望
ましい。
In addition, Ti, Zr, Hf, V, Nb, T
The oxides, carbides, nitrides, silicides, and borides of a, Cr, Mo, and W promote the function of the sintering accelerator of the rare earth element, and also have the function of strengthening the dispersion of Si 3 in the crystal structure. It is intended to improve the mechanical strength of the N 4 sintered body, and particularly, compounds of Hf and Ti are preferable. When the added amount of these compounds is less than 0.1% by weight, the effect of the addition is insufficient, while when the added amount exceeds 3.0% by weight, the thermal conductivity and mechanical strength and electric breakdown are caused. Since the strength is reduced, the amount of addition is in the range of 0.1 to 3.0% by weight. In particular, it is desirable that the content be 0.2 to 2% by weight.

【0041】また上記Ti,Zr,Hf等の化合物は窒
化けい素焼結体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回路基板を製造する
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, Zr, and Hf also function as a light-shielding agent that imparts opacity by coloring the silicon nitride sintered body to a black color. Therefore, in particular, when manufacturing a circuit board on which an integrated circuit or the like which easily malfunctions due to light is mounted, it is desirable to appropriately add the compound such as Ti and the like to obtain a silicon nitride substrate excellent in light shielding properties.

【0042】さらに上記製造方法において、他の選択的
な添加成分としてのアルミナ(Al2 3 )は、上記希
土類元素の焼結促進剤の機能を助長する役目を果すもの
であり、特に加圧焼結を行なう場合に著しい効果を発揮
するものである。このAl23 の添加量が0.1重量
%未満の場合においては、より高温度での焼結が必要に
なる一方、1.0重量%を超える過量となる場合には過
量の粒界相を生成したり、または窒化けい素に固溶し始
め、熱伝導の低下が起こるため、添加量は1重量%以
下、好ましくは0.1〜0.75重量%の範囲とする。
特に強度、熱伝導率共に良好な性能を確保するためには
添加量を0.1〜0.5重量%の範囲とすることが望ま
しい。
Further, in the above-mentioned production method, alumina (Al 2 O 3 ) as another optional additive component plays a role of promoting the function of the rare earth element sintering accelerator. This has a remarkable effect when sintering. When the addition amount of Al 2 O 3 is less than 0.1% by weight, sintering at a higher temperature is required. On the other hand, when the addition amount exceeds 1.0% by weight, an excessive amount of grain boundaries is required. Since a phase is formed or a solid solution starts to be formed in silicon nitride to cause a decrease in heat conduction, the amount of addition is set to 1% by weight or less, preferably 0.1 to 0.75% by weight.
In particular, in order to ensure good performance in both strength and thermal conductivity, it is desirable that the amount of addition be in the range of 0.1 to 0.5% by weight.

【0043】また、後述するAlNと併用する場合に
は、その合計添加量は1.0重量%以下にすることが望
ましい。
When used in combination with AlN, which will be described later, the total addition amount is desirably 1.0% by weight or less.

【0044】さらに他の添加成分としての窒化アルミニ
ウム(AlN)は焼結過程における窒化けい素の蒸発な
どを抑制するとともに、上記希土類元素の焼結促進剤と
しての機能をさらに助長する役目を果すものである。
Aluminum nitride (AlN) as another additive component serves to suppress the evaporation of silicon nitride during the sintering process and to further promote the function of the rare earth element as a sintering accelerator. It is.

【0045】AlNの添加量が0.1重量%未満(アル
ミナと併用する場合では0.05重量%未満)の場合に
おいては、より高温度での焼結が必要になる一方、1.
0重量%を超える過量となる場合には過量の粒界相を生
成したり、または窒化けい素に固溶し始め、熱伝導率の
低下が起こるため、添加量は0.1〜1.0重量%の範
囲とする。特に焼結性,強度,熱伝導率共に良好な性能
を確保するためには添加量を0.1〜0.5重量%の範
囲とすることが望ましい。なお前記Al2 3と併用す
る場合には、AlNの添加量は0.05〜0.5重量%
の範囲が好ましい。
When the amount of AlN added is less than 0.1% by weight (less than 0.05% by weight when used in combination with alumina), sintering at a higher temperature is required, while
If the amount exceeds 0% by weight, an excessive amount of the grain boundary phase is generated, or the solid solution starts to be dissolved in silicon nitride to cause a decrease in thermal conductivity. % By weight. In particular, in order to ensure good performance in sinterability, strength, and thermal conductivity, it is desirable that the addition amount be in the range of 0.1 to 0.5% by weight. When used in combination with Al 2 O 3 , the addition amount of AlN is 0.05 to 0.5% by weight.
Is preferable.

【0046】また焼結体の気孔率は熱伝導率および強度
に大きく影響するため2.5%以下となるように製造す
る。気孔率が2.5%を超えると熱伝導の妨げとなり、
焼結体の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。
Further, the porosity of the sintered body has a significant influence on the thermal conductivity and the strength, so that the sintered body is manufactured to be 2.5% or less. If the porosity exceeds 2.5%, it hinders heat conduction,
As the thermal conductivity of the sintered body decreases, the strength of the sintered body decreases.

【0047】また、窒化けい素焼結体は組織的に窒化け
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熱伝導率に大きく影響し、本
発明で使用する高熱伝導性窒化けい素基板においては、
粒界相の20%以上とすることが必要であり、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60W/m・K以上と
なるような放熱特性に優れ、かつ高温強度に優れた高熱
伝導性窒化けい素基板が得られないからである。
Although the silicon nitride sintered body is systematically composed of silicon nitride crystals and a grain boundary phase, the ratio of the crystalline compound phase in the grain boundary phase greatly affects the thermal conductivity of the sintered body. However, in the high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention,
It is necessary that the content be 20% or more of the grain boundary phase, and more preferably 50% or more is occupied by the crystal phase. If the crystal phase is less than 20%, it is not possible to obtain a silicon nitride substrate having high heat conductivity of 60 W / m · K or more and having excellent heat radiation characteristics and high temperature strength.

【0048】さらに上記のように高熱伝導性窒化けい素
基板の気孔率を2.5%以下にし、また窒化けい素結晶
組織に形成される粒界相の20%以上が結晶相で占める
ようにするためには、窒化けい素成形体を温度1800
〜2100℃で2〜10時間程度、加圧焼結し、かつ焼
結操作完了直後におけ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重要である。
Further, as described above, the porosity of the high thermal conductivity silicon nitride substrate is set to 2.5% or less, and the crystal phase accounts for 20% or more of the grain boundary phase formed in the silicon nitride crystal structure. To achieve this, the silicon nitride compact is heated to a temperature of 1800
Pressure sintering is performed at a temperature of ℃ 2100 ° C. for about 2 to 10 hours, and the cooling rate of the sintered body immediately after the completion of the sintering operation is 100
It is important that the temperature is lowered to below ℃.

【0049】焼結温度を1800℃未満とした場合に
は、焼結体の緻密化が不充分で気孔率が2.5vol%以上
になり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2100℃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。
When the sintering temperature is lower than 1800 ° C., the densification of the sintered body is insufficient, the porosity becomes 2.5 vol% or more, and both the mechanical strength and the thermal conductivity decrease. On the other hand, when the sintering temperature exceeds 2100 ° C., the silicon nitride component itself tends to be vaporized and decomposed. Especially not pressure sintering,
When normal-pressure sintering is performed, decomposition and evaporation of silicon nitride starts at about 1800 ° C.

【0050】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重要な制御因子で
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、強度およ
び熱伝導性が共に低下してしまう。
The cooling rate of the sintered body immediately after the completion of the sintering operation is an important control factor for crystallizing the grain boundary phase, and when a rapid cooling is performed such that the cooling rate exceeds 100 ° C./hour. Is that the grain boundary phase of the sintered body structure becomes non-crystalline (glass phase), the ratio of the liquid phase generated in the sintered body as a crystalline phase to the grain boundary phase is less than 20%, and the strength and thermal conductivity are reduced. Both will fall.

【0051】上記冷却速度を厳密に調整すべき温度範囲
は、所定の焼結温度(1800〜2100℃)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
での温度範囲で充分である。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1600〜15
00℃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10
0℃以下、好ましくは50℃以下、さらに好ましくは2
5℃以下に制御することにより、粒界相の20%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た焼結体が得られる。
The temperature range in which the cooling rate should be strictly adjusted is a temperature range from a predetermined sintering temperature (1800 to 2100 ° C.) to a temperature at which a liquid phase produced by the reaction of the sintering aid solidifies. Is enough. Incidentally, the liquidus freezing point when using the sintering aid as described above is approximately 1600 to 15
It is about 00 ° C. The cooling rate of the sintered body at least from the sintering temperature to the above-mentioned liquid phase solidification temperature is set to 10
0 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or lower, more preferably 2 ° C.
By controlling the temperature to 5 ° C. or less, 20% or more of the grain boundary phase can be obtained.
Particularly preferably, 50% or more becomes a crystalline phase, and a sintered body excellent in both thermal conductivity and mechanical strength can be obtained.

【0052】本発明において使用する高熱伝導性窒化け
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Al2 3 やAlN,Ti化合物等を加えて原料
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。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
℃、または空気中で温度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充分に
除去し、脱脂する。次に脱脂処理された成形体を窒素ガ
ス、水素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中
で1800〜2100℃の温度で所定時間雰囲気加圧焼
結を行う。
The high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention is manufactured, for example, through the following process. That is, a predetermined amount of a sintering aid, a necessary additive such as an organic binder, and optionally Al 2 O are added to the fine silicon nitride powder having the predetermined fine particle size and a small impurity content. A raw material mixture is prepared by adding 3 or an AlN or Ti compound, and then the obtained raw material mixture is molded to obtain a molded body having a predetermined shape. As a molding method of the raw material mixture,
A general-purpose mold pressing method, a sheet forming method such as a doctor blade method, and the like can be applied. Subsequent to the above molding operation, the molded body is heated at a temperature of 600 to 800 in a non-oxidizing atmosphere.
C. or in air at a temperature of 400 to 500.degree. C. for 1 to 2 hours to sufficiently remove the organic binder component added in advance and degrease. Next, the degreased molded body is subjected to atmospheric pressure sintering at a temperature of 1800 to 2100 ° C. for a predetermined time in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, hydrogen gas or argon gas.

【0053】上記製法によって製造された窒化けい素基
板は気孔率が2.5%以下、60W/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65
0MPa以上と機械的特性にも優れている。
The silicon nitride substrate manufactured by the above method has a porosity of 2.5% or less and 60 W / m · K (25 ° C.).
It has the above thermal conductivity and a three-point bending strength of 65 at room temperature.
It has excellent mechanical properties of 0 MPa or more.

【0054】なお、低熱伝導性の窒化けい素に高熱伝導
性のSiC等を添加して焼結体全体としての熱伝導率を
60W/m・K以上にした窒化けい素基板は本発明の範
囲には含まれない。しかしながら、熱伝導率が60W/
m・K以上である窒化けい素焼結体に高熱伝導性のSi
C等を複合させた窒化けい素系基板の場合には、本発明
の範囲に含まれることは言うまでもない。
It should be noted that a silicon nitride substrate having a high thermal conductivity of 60 W / m · K or more by adding high thermal conductivity SiC or the like to low thermal conductivity silicon nitride is within the scope of the present invention. Is not included. However, the thermal conductivity is 60 W /
m.K or higher silicon nitride sintered body with high thermal conductivity Si
Needless to say, a silicon nitride-based substrate in which C is compounded is included in the scope of the present invention.

【0055】本発明に係る窒化けい素回路基板は、上記
のように製造した高熱伝導性窒化けい素基板の表面に、
前記直接接合法や活性金属法を用いて導電性を有する金
属板を一体に接合して製造される。
The silicon nitride circuit board according to the present invention is provided on the surface of the high thermal conductive silicon nitride substrate manufactured as described above.
It is manufactured by integrally joining metal plates having conductivity using the direct joining method or the active metal method.

【0056】本発明の窒化けい素回路基板においては、
金属板の接合面と反対面側の外周縁部内側に、連続した
溝や不連続な溝または複数の孔を形成している。ここ
で、金属板の接合後の冷却過程で発生する熱応力や冷熱
サイクルの付加等による熱応力、またそれらに基く残留
応力は、金属板の外周縁部内側に設けられた上記連続し
た溝や不連続な溝または複数の孔により分散されるた
め、金属板の外周端部への応力集中が緩和される。これ
により、金属板の外周端部での応力値自体を低減するこ
とができるため、従来問題となっていたセラミックス基
板のクラック発生や強度低下等を有効に防止することが
可能となる。
In the silicon nitride circuit board of the present invention,
A continuous groove, a discontinuous groove, or a plurality of holes is formed inside the outer peripheral edge on the side opposite to the joining surface of the metal plate. Here, the thermal stress generated in the cooling process after the joining of the metal plate, the thermal stress due to the addition of a cooling / heating cycle, and the like, and the residual stress based on them are the above-mentioned continuous grooves provided inside the outer peripheral edge of the metal plate. Since the dispersion is performed by the discontinuous grooves or the plurality of holes, the stress concentration on the outer peripheral end of the metal plate is reduced. As a result, the stress value itself at the outer peripheral end of the metal plate can be reduced, so that it is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and a decrease in strength of the ceramic substrate, which have conventionally been problems.

【0057】特に、上述した応力の分散を不連続な溝に
より達成する場合には、機械加工により溝を形成して
も、機械加工時の押圧による金属板の変形を溝と溝の間
の溝非形成領域により緩和することができる。従って、
機械加工時における金属板、特に金属板中央部の変形を
防止することが可能となる。ただし、金属板の角部近傍
は特に熱応力や残留応力が集中するため、溝が形成され
ていることが好ましい。
In particular, when the above-mentioned dispersion of stress is achieved by discontinuous grooves, even if the grooves are formed by machining, deformation of the metal plate due to pressing during machining is prevented by the grooves between the grooves. This can be alleviated by the non-formation region. Therefore,
It is possible to prevent deformation of the metal plate, especially the central portion of the metal plate during machining. However, a groove is preferably formed in the vicinity of the corner of the metal plate because thermal stress and residual stress are particularly concentrated.

【0058】一方、上述した応力の分散を複数の孔によ
り達成する場合には、金属板の強度低下部位(薄肉部)
が不連続となることにより、機械加工時には金属板自体
に変形や反り等が発生することを有効に防止し得る。従
って、応力分散の部位(孔)をプレス加工等の機械加工
によって実用的に形成することが可能となると共に、プ
レス加工等によっても金属板自体に変形や反り等が発生
することを有効に防止することが可能となる。
On the other hand, when the above-mentioned dispersion of stress is achieved by a plurality of holes, the strength-reduced portions (thin portions) of the metal plate are reduced.
Makes it possible to effectively prevent the metal plate itself from being deformed or warped during machining. Therefore, it is possible to practically form a portion (hole) of the stress dispersion by machining such as press working, and to effectively prevent the metal plate itself from being deformed or warped by the press working or the like. It is possible to do.

【0059】[0059]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、
以下に示す実施例および添付図面を参照して具体的に説
明する。まず本発明において使用する高熱伝導性窒化け
い素基板について述べ、しかる後に、この高熱伝導性窒
化けい素基板をセラミックス基板として使用した窒化け
い素回路基板について説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
A specific description will be given with reference to the following embodiments and the accompanying drawings. First, a high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention will be described, and thereafter, a silicon nitride circuit board using this high thermal conductive silicon nitride substrate as a ceramic substrate will be described.

【0060】まず本発明の窒化けい素回路基板の構成材
となる各種高熱伝導性窒化けい素基板を以下の手順で製
造した。
First, various silicon nitride substrates having high thermal conductivity to be used as constituents of the silicon nitride circuit board of the present invention were manufactured by the following procedure.

【0061】すなわち、酸素を1.3重量%、前記不純
物陽イオン元素を合計で0.15重量%含有し、α相型
窒化けい素97%を含む平均粒径0.55μmの窒化け
い素原料粉末に対して、表1〜3に示すように、焼結助
剤としてのY2 3 ,Ho23 などの希土類酸化物
と、必要に応じてTi,Hf化合物,Al2 3 粉末,
AlN粉末とを添加し、エチルアルコール中で窒化けい
素製ボールを用いて72時間湿式混合した後に乾燥して
原料粉末混合体をそれぞれ調整した。次に得られた各原
料粉末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混
合した後に、1000kg/cm2 の成形圧力でプレス成形
し、各種組成を有する成形体を多数製作した。次に得ら
れた各成形体を700℃の雰囲気ガス中において2時間
脱脂した後に、この脱脂体を表1〜3に示す焼結条件で
緻密化焼結を実施した後に、焼結炉に付設した加熱装置
への通電量を制御して焼結炉内温度が1500℃まで降
下するまでの間における焼結体の冷却速度がそれぞれ表
1〜3に示す値となるように調整して焼結体を冷却し、
それぞれ試料1〜51に係る窒化けい素焼結体を調製し
た。さらに得られた焼結体を加工研磨して所定形状の高
熱伝導性窒化けい素基板とした。
Namely, a silicon nitride raw material containing 1.3% by weight of oxygen and 0.15% by weight of the impurity cation element in total and containing 97% of α-phase type silicon nitride and having an average particle size of 0.55 μm. As shown in Tables 1 to 3, as shown in Tables 1 to 3 , rare earth oxides such as Y 2 O 3 and Ho 2 O 3 as sintering aids, and Ti, Hf compounds, and Al 2 O 3 powders as needed. ,
AlN powder was added, and the mixture was wet-mixed in ethyl alcohol using a silicon nitride ball for 72 hours, and then dried to prepare raw material powder mixtures. Next, a predetermined amount of an organic binder was added to each of the obtained raw material powder mixtures and uniformly mixed, followed by press molding at a molding pressure of 1000 kg / cm 2 to produce a large number of molded bodies having various compositions. Next, after each obtained compact was degreased in an atmosphere gas at 700 ° C. for 2 hours, the degreased body was subjected to densification sintering under the sintering conditions shown in Tables 1 to 3, and then attached to a sintering furnace. The cooling rate of the sintered body until the temperature in the sintering furnace falls to 1500 ° C. is controlled by controlling the amount of electricity supplied to the heating device, and the sintering is performed by adjusting the cooling rate to the values shown in Tables 1 to 3, respectively. Cool the body,
Silicon nitride sintered bodies according to Samples 1 to 51 were prepared. Further, the obtained sintered body was processed and polished to obtain a high thermal conductive silicon nitride substrate having a predetermined shape.

【0062】こうして得た試料1〜51に係る各窒化け
い素基板について気孔率、熱伝導率(25℃)、室温で
の三点曲げ強度の平均値を測定した。さらに、各窒化け
い素基板についてX線回折法によって粒界相に占める結
晶相の割合を測定し、下記表1〜3に示す結果を得た。
The average values of the porosity, the thermal conductivity (25 ° C.), and the three-point bending strength at room temperature were measured for the silicon nitride substrates according to Samples 1 to 51 thus obtained. Furthermore, the ratio of the crystal phase to the grain boundary phase was measured by X-ray diffraction for each silicon nitride substrate, and the results shown in Tables 1 to 3 below were obtained.

【0063】[0063]

【表1】 [Table 1]

【0064】[0064]

【表2】 [Table 2]

【0065】[0065]

【表3】 [Table 3]

【0066】表1〜3に示す結果から明らかなように試
料1〜51に係る窒化けい素焼結体においては、原料組
成および不純物量を適正に制御し、従来例と比較して緻
密化焼結完了直後における焼結体の冷却速度を従来より
低く設定しているため、粒界相に結晶相を含み、結晶相
の占める割合が高い程、高熱伝導率を有する放熱性の高
い高強度窒化けい素基板が得られた。
As is clear from the results shown in Tables 1 to 3, in the silicon nitride sintered bodies according to Samples 1 to 51, the raw material composition and the amount of impurities were appropriately controlled, and the densified sintering was performed as compared with the conventional example. Since the cooling rate of the sintered compact immediately after completion is set lower than before, the crystal phase is included in the grain boundary phase, and the higher the proportion of the crystal phase, the higher the heat conductivity and the higher the strength of the silicon nitride. An elementary substrate was obtained.

【0067】これに対して酸素を1.3〜1.5重量
%,前記不純物陽イオン元素を合計で0.13〜1.5
0重量%含有し、α相型窒化けい素を93%含む平均粒
径0.60μmの窒化けい素原料粉末を用い、この窒化
けい素粉末に対してY2 3 (酸化イットリウム)粉末
を3〜6重量と、アルミナ粉末を1.3〜1.6重量%
添加した原料粉末を成形,脱脂後、1900℃で6時間
焼結し、炉冷(冷却速度:毎時400℃)して得た焼結
体の熱伝導率は25〜28W/m・Kと低く、従来の一
般的な製法によって製造された窒化けい素焼結体の熱伝
導率に近い値となった。
On the other hand, 1.3 to 1.5% by weight of oxygen and 0.13 to 1.5%
A raw material powder having an average particle size of 0.60 μm containing 0% by weight and containing 93% of α-phase type silicon nitride was used, and Y 2 O 3 (yttrium oxide) powder was added to the silicon nitride powder in an amount of 3%. To 6% by weight and 1.3 to 1.6% by weight of alumina powder
The added raw material powder is molded, degreased, sintered at 1900 ° C. for 6 hours, and cooled in a furnace (cooling rate: 400 ° C./hour) to obtain a sintered body having a low thermal conductivity of 25 to 28 W / m · K. The value was close to the thermal conductivity of a silicon nitride sintered body manufactured by a conventional general manufacturing method.

【0068】次に得られた試料1〜51に係る各高熱伝
導性窒化けい素基板の両面に、直接接合法または活性金
属法を用いて金属板を一体に接合することにより、それ
ぞれ窒化けい素回路基板を製造した。
Next, a metal plate is integrally bonded to both surfaces of each of the obtained high thermal conductive silicon nitride substrates according to Samples 1 to 51 by a direct bonding method or an active metal method, so that each of the silicon nitride substrates is obtained. A circuit board was manufactured.

【0069】図1は、本発明の一実施例による窒化けい
素回路基板の構造を示す図である。同図において、高熱
伝導性窒化けい素基板1の表面1aには金属板として銅
板2が接合されている。また、高熱伝導性窒化けい素基
板1の裏面1bにも、同様に銅板3が接合されており、
これらにより窒化けい素回路基板4Aが構成されてい
る。
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a silicon nitride circuit board according to one embodiment of the present invention. In FIG. 1, a copper plate 2 as a metal plate is bonded to a surface 1a of a silicon nitride substrate 1 having high thermal conductivity. Also, a copper plate 3 is similarly bonded to the back surface 1b of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1,
These constitute a silicon nitride circuit board 4A.

【0070】また、図1に示す窒化けい素回路基板4A
における銅板2,3は、高熱伝導性窒化けい素基板1に
対して直接接合法、いわゆるDBC法により接合されて
いる。このようなDBC法を利用する場合の銅板2,3
としては、タフピッチ銅のような酸素を100〜300
0ppm の割合で含有する銅を用いることが好ましいが、
接合時の条件によっては無酸素銅を用いることも可能で
ある。なお、銅や銅合金の単板に代えて、高熱伝導性窒
化けい素基板1との接合面が少なくとも銅により構成さ
れている他の金属部材とのクラッド板等を用いることも
できる。
The silicon nitride circuit board 4A shown in FIG.
Are bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by a direct bonding method, a so-called DBC method. Copper plates 2 and 3 when using such DBC method
As oxygen, such as tough pitch copper 100 to 300
It is preferable to use copper containing 0 ppm,
Oxygen-free copper may be used depending on the conditions at the time of joining. Instead of a single plate of copper or a copper alloy, a clad plate or the like with another metal member having at least a joining surface with the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 made of copper can be used.

【0071】高熱伝導性窒化けい素基板1の表面1a側
に接合された銅板2は、半導体部品等の実装部となるも
のであり、所望の回路形状にパターニングされている。
また、高熱伝導性窒化けい素基板1の裏面1b側に接合
された銅板3は、接合時における高熱伝導性窒化けい素
基板1の反り等を防止するものであり、中央付近から2
分割された状態でほぼ高熱伝導性窒化けい素基板1の裏
面1b全面に接合、形成されている。裏面1b側の銅板
3には、半導体部品等の実装部となる銅板2と同じ厚さ
のものを使用してもよいが、銅板2の厚さの70〜90
%の厚さの銅板を使用することが好ましい。
The copper plate 2 bonded to the surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 is to be a mounting portion for semiconductor components and the like, and is patterned into a desired circuit shape.
The copper plate 3 bonded to the back surface 1b side of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 prevents warpage of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 at the time of bonding.
In a divided state, it is bonded and formed on almost the entire back surface 1b of the silicon nitride substrate 1 having high thermal conductivity. As the copper plate 3 on the back surface 1b side, a copper plate having the same thickness as the copper plate 2 serving as a mounting portion for semiconductor components or the like may be used.
% Of the copper plate is preferably used.

【0072】ここで、図1に示した窒化けい素回路基板
4Aは、高熱伝導性窒化けい素基板1に銅板2,3をD
BC法により接合したものであるが、例えば図2に示す
ように、銅板2,3を活性金属法で高熱伝導性窒化けい
素基板1に接合した窒化けい素回路基板5Aであっても
よい。上記活性金属法は、例えばTi、Zr、Hf、N
b等から選ばれた少なくとも1種の活性金属を含むろう
材(以下、活性金属含有ろう材と記す)層6を介して、
高熱伝導性窒化けい素基板1と銅板2,3とを接合する
方法である。用いる活性金属含有ろう材の組成として
は、例えばAg−Cuの共晶組成(72wt%Ag−28
wt%Cu)もしくはその近傍組成のAg−Cu系ろう材
やCu系ろう材を主体とし、これに1〜10重量%のT
i、Zr、Hf、Nb等から選ばれた少なくとも1種の
活性金属を添加した組成等が例示される。なお、活性金
属含有ろう材にInのような低融点金属を添加して用い
ることもできる。
Here, the silicon nitride circuit board 4A shown in FIG.
Although bonded by the BC method, for example, as shown in FIG. 2, a silicon nitride circuit board 5A in which copper plates 2 and 3 are bonded to a high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by an active metal method may be used. The active metal method includes, for example, Ti, Zr, Hf, N
b) a brazing material containing at least one active metal selected from the group consisting of
This is a method of joining the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 and the copper plates 2 and 3. As the composition of the active metal-containing brazing material to be used, for example, a eutectic composition of Ag-Cu (72 wt% Ag-28
wt% Cu) or an Ag-Cu-based brazing filler metal or a Cu-based brazing filler metal having a composition in the vicinity thereof, and 1-10% by weight of T
Examples of the composition include at least one active metal selected from i, Zr, Hf, Nb, and the like. In addition, a low melting point metal such as In may be added to the active metal-containing brazing material.

【0073】図1に示した窒化けい素回路基板4Aのよ
うに、銅板2,3を高熱伝導性窒化けい素基板1にDB
C法で接合したものは、単純構造で高接合強度が得ら
れ、また製造工程を簡易化できる等の利点を有する。ま
た、図2に示した窒化けい素回路基板5Aのように、銅
板2,3を高熱伝導性窒化けい素基板1に活性金属法で
接合したものは、高接合強度が得られると共に、活性金
属含有ろう材層6が応力緩和層としても機能するため、
より信頼性の向上が図れる。このようなことから、要求
特性や用途等に応じて接合法を選択することが好まし
い。
As in the case of the silicon nitride circuit board 4A shown in FIG.
The one joined by the C method has advantages such that a high joining strength can be obtained with a simple structure and the manufacturing process can be simplified. In addition, as in the silicon nitride circuit board 5A shown in FIG. 2, the copper plates 2 and 3 joined to the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by the active metal method can obtain a high bonding strength, Since the brazing filler metal layer 6 also functions as a stress relaxation layer,
Reliability can be further improved. For this reason, it is preferable to select a joining method according to required characteristics, applications, and the like.

【0074】また、活性金属法により高熱伝導性窒化け
い素基板1に金属板を接合する場合には、銅板に限ら
ず、用途に応じて各種の金属板、例えばニッケル板、タ
ングステン板、モリブデン板、これらの合金板やクラッ
ド板(銅板とのクラッド板を含む)等を用いることも可
能である。
When a metal plate is bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by the active metal method, not only a copper plate but also various metal plates such as a nickel plate, a tungsten plate, a molybdenum plate depending on the application. It is also possible to use these alloy plates, clad plates (including clad plates with copper plates), and the like.

【0075】そして、上述した窒化けい素回路基板4
A,5Aにおいては、図1に示すように、半導体部品等
の実装部となる銅板2の外周縁部内側に、連続な溝7が
外周縁部に沿って、すなわち銅板2の各回路パターン部
の外周縁部に沿って形成されている。
Then, the above-described silicon nitride circuit board 4
In FIGS. 1A and 1A, as shown in FIG. 1, a continuous groove 7 is formed inside the outer peripheral edge of the copper plate 2 serving as a mounting portion for a semiconductor component or the like, that is, each circuit pattern portion of the copper plate 2. Are formed along the outer periphery.

【0076】また上記連続した溝7に代えて、不連続な
溝を形成してもよい。図3は不連続な溝8を形成した銅
板2を、高熱伝導性窒化けい素基板1の表面1aに直接
接合法により一体に接合した窒化けい素回路基板4Bを
示す。この窒化けい素回路基板4Bは、不連続な溝8を
形成した点以外は図1に示す窒化けい素回路基板4Aと
同様な構成である。
In place of the continuous groove 7, a discontinuous groove may be formed. FIG. 3 shows a silicon nitride circuit board 4B in which the copper plate 2 having the discontinuous grooves 8 formed thereon is integrally joined to the surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride board 1 by a direct joining method. This silicon nitride circuit board 4B has the same configuration as the silicon nitride circuit board 4A shown in FIG. 1 except that a discontinuous groove 8 is formed.

【0077】一方、図4は、不連続な溝8を形成した銅
板2を、活性金属含有ろう材層6を介して高熱伝導性窒
化けい素基板1の表面1aに一体に接合した窒化けい素
回路基板5Bを示す断面図である。この窒化けい素回路
基板5Bは、不連続な溝8を形成した点以外は図2に示
す窒化けい素回路基板5Aと同様な構成である。
On the other hand, FIG. 4 shows a silicon nitride obtained by integrally joining a copper plate 2 having discontinuous grooves 8 to a surface 1 a of a high thermal conductive silicon nitride substrate 1 via an active metal-containing brazing material layer 6. It is sectional drawing which shows the circuit board 5B. This silicon nitride circuit board 5B has the same configuration as that of the silicon nitride circuit board 5A shown in FIG. 2 except that a discontinuous groove 8 is formed.

【0078】そして、上述した窒化けい素回路基板4
B,5Bにおいては、図5に示すように、半導体部品等
の実装部となる銅板2の外周縁部内側に、不連続な溝8
が外周縁部に沿って、すなわち銅板2の各回路パターン
の外周縁部に沿って形成されている。
Then, the above-described silicon nitride circuit board 4
In FIGS. 5B and 5B, as shown in FIG. 5, a discontinuous groove 8 is formed inside the outer peripheral portion of the copper plate 2 to be a mounting portion for a semiconductor component or the like.
Are formed along the outer peripheral edge, that is, along the outer peripheral edge of each circuit pattern of the copper plate 2.

【0079】上記連続した溝7および不連続な溝8は、
製造工程の繁雑化を避けると共に、製造工数の低減を図
るために、金型を用いたプレス加工等の機械加工により
形成することが望ましい。ただし、必ずしも他の形成方
法の適用を除外するものではない。
The continuous groove 7 and the discontinuous groove 8 are
In order to avoid complication of the manufacturing process and to reduce the number of manufacturing steps, it is desirable to form the film by mechanical processing such as pressing using a die. However, application of another formation method is not necessarily excluded.

【0080】ここで、上述した銅板2(金属板)の外周
縁部内側とは、図6に示すように銅板2の幅Dを基準と
して、外周縁部から中央方向へ向って銅板2の幅Dの1
/3以内の部分とする。すなわち、銅板2の幅Dを基準
として、外周縁部を含まない外周縁部から中央方向に両
側1/3D以内の部分を外周縁部内側(図6においては
斜線で示す)とし、銅板2の幅Dの中央1/3の部分を
中央部とする。溝7,8の形成領域が上記外周縁部内側
を超えて中央部に達すると、銅板2の外周端部の応力集
中を十分に緩和できなくなると共に、実装面積の低下を
招くことになる。
Here, the inside of the outer peripheral edge of the above-described copper plate 2 (metal plate) refers to the width of the copper plate 2 from the outer peripheral edge toward the center with respect to the width D of the copper plate 2 as shown in FIG. 1 of D
/ 3 or less. That is, based on the width D of the copper plate 2, a portion within 1 / 3D on both sides in the center direction from the outer peripheral edge not including the outer peripheral edge is defined as the inner periphery of the outer periphery (indicated by oblique lines in FIG. 6). The center 1/3 of the width D is defined as the center. If the region where the grooves 7 and 8 are formed reaches the center portion beyond the inside of the outer peripheral edge portion, stress concentration at the outer peripheral end portion of the copper plate 2 cannot be sufficiently reduced, and the mounting area is reduced.

【0081】上述した連続の溝7および不連続な溝8
は、銅板2の各回路パターン部の外周縁部に沿って、所
定の間隔で直線状に形成することが好ましい。このよう
に、溝7,8を直線状に形成することによって、銅板2
の外周端部への応力集中を効率的に緩和でき、言い換え
ると応力を効率的に分散させることができる。
The above-mentioned continuous groove 7 and discontinuous groove 8
Is preferably formed in a straight line at predetermined intervals along the outer peripheral edge of each circuit pattern portion of the copper plate 2. As described above, by forming the grooves 7 and 8 in a straight line, the copper plate 2 is formed.
The stress concentration on the outer peripheral end of the substrate can be efficiently reduced, in other words, the stress can be efficiently dispersed.

【0082】また図5に示す不連続な溝8を構成する各
単体溝8aの形状、すなわち単体溝8aの幅Wおよび長
さL0 は、後述する単体溝8aの形成間隔や銅板2の大
きさ等にもよるが、幅Wを0.2〜1.0mmの範囲、長
さL0 を20mm以下の範囲とすることが好ましい。単体
溝8aの幅Wが0.2mm未満の場合には、十分に応力を
分散できないおそれがあり、また、1.0mmを超えると
銅板2の強度低下を招きやすくなると共に、実装面積の
低下を招くことになる。
[0082] The shape of each single groove 8a constituting the discontinuous groove 8 shown in FIG. 5, i.e. the width W and the length L 0 of the single groove 8a, the size of the formation interval and copper 2 unitary groove 8a to be described later depending etc., range of 0.2~1.0mm width W, it is preferable that the length range L 0 following 20 mm. If the width W of the single groove 8a is less than 0.2 mm, the stress may not be sufficiently dispersed, and if it exceeds 1.0 mm, the strength of the copper plate 2 tends to decrease and the mounting area decreases. Will be invited.

【0083】幅Wのさらにこのましい範囲は同様の理由
から0.4〜0.8mmである。また、各単体溝8aの長
さL0 が20mmを超えると、溝非形成領域の減少に伴っ
て銅板2の変形を十分に抑制できないおそれがある。各
単体溝8aの最小長さは特に限定されるものではない
が、銅板2の外周端部への応力集中を効率的に緩和する
という点から2mm以上とすることが好ましい。
A more preferable range of the width W is 0.4 to 0.8 mm for the same reason. Further, the length L 0 of each single groove 8a exceeds 20 mm, it may not be possible to sufficiently suppress the deformation of the copper plate 2 with decreasing the groove-free region. The minimum length of each single groove 8a is not particularly limited, but is preferably 2 mm or more from the viewpoint that stress concentration on the outer peripheral end of the copper plate 2 is efficiently reduced.

【0084】また図5において、直線状に配列された不
連続な溝8は、上述した各単体溝8aの長さL0 に対し
て近接する単体溝8a間の最短距離L1 が、1/10L
0 ≦L1 ≦1/2L0 を満足するように形成することが
好ましい。不連続な溝8の形成間隔(近接する単体溝8
a間の最短距離L1 )があまり大きすぎると、具体的に
はL1 >1/2L0 となると、溝形成による応力の分散
効果を十分に得られないおそれがあり、一方不連続な溝
8の形成間隔があまり小さすぎると、具体的にはL1
1/10L0 となると、溝非形成領域による銅板2の変
形抑制効果が十分に得られなくなるおそれがある。
In FIG. 5, the discontinuous grooves 8 linearly arranged are such that the shortest distance L 1 between the adjacent single grooves 8a is 1/1 / the length L 0 of each single groove 8a. 10L
It is preferable to form so as to satisfy 0 ≦ L 1 ≦ 1 / L 0 . Interval of formation of discontinuous groove 8 (closer single groove 8
When the shortest distance L 1) is too large between a, and in particular with the L 1> 1 / 2L 0, there may not be sufficiently obtained the effect of dispersing the stress due to the grooves formed, whereas discontinuous grooves If the formation interval of No. 8 is too small, specifically, L 1 <
If it is 1 / 10L 0 , there is a possibility that the effect of suppressing deformation of the copper plate 2 due to the non-groove formed region may not be sufficiently obtained.

【0085】不連続な溝8は、上述したような形成間隔
を満足していれば溝非形成領域の位置等が特に限定され
るものではないが、図5に示すように銅板2の角部近傍
には溝が形成されるように、各単体溝8aを配置するこ
とが望ましい。これは、銅板2の角部近傍は特に熱応力
や残留応力が集中するためである。また、不連続な溝8
を構成する各単体溝8aの長さL0 は、全て同一としな
ければならいなものではなく、上述した各条件を満足す
る範囲内で適宜変更することが可能である。
The position of the non-groove region is not particularly limited as long as the discontinuous groove 8 satisfies the above-mentioned formation interval. However, as shown in FIG. It is desirable to arrange each single groove 8a so that a groove is formed in the vicinity. This is because thermal stress and residual stress are particularly concentrated near the corners of the copper plate 2. In addition, discontinuous grooves 8
The length L 0 of each of the single grooves 8a that constitute the above-mentioned structure need not be all the same, and can be appropriately changed within a range satisfying the above-described conditions.

【0086】上記連続した溝7および不連続な溝8の縦
断面形状は、図7に示すように深さ方向にほぼ均等な形
状であっても、また図8に示すように逆三角形状であっ
てもよい。ただし、その深さdは銅板2の厚さtの1/
3〜2/3の範囲とすることが好ましい。溝7,8の深
さが銅板2の厚さtの1/3未満であると、応力の分散
効果が不十分となるおそれがあり、また厚さtの2/3
を超えると銅板2の強度低下等を招きやすくなる。ま
た、溝7,8の形成位置、すなわち銅板2の外周縁部か
ら溝7,8までの最短距離L2 は、銅板2の厚さや大き
さ等によっても異なるが、0.3〜1.0mmとすること
が好ましい。溝7,8の形成位置を示す距離L2 が0.
3mm未満であると、銅板2の形状維持能が低下し、また
距離L2 が1.0mmを超えると銅板2の外周端部での応
力集中を十分に緩和できないおそれがある。
The continuous groove 7 and the discontinuous groove 8 may have a longitudinal cross-sectional shape that is substantially uniform in the depth direction as shown in FIG. 7 or an inverted triangular shape as shown in FIG. There may be. However, the depth d is 1 / th of the thickness t of the copper plate 2.
It is preferable to set the range of 3 to 2/3. If the depth of the grooves 7 and 8 is less than 1/3 of the thickness t of the copper plate 2, the effect of dispersing stress may be insufficient, and 2/3 of the thickness t.
When it exceeds, the strength of the copper plate 2 is likely to be reduced. The formation positions of the grooves 7 and 8, i.e. the shortest distance L 2 from the outer peripheral edge portion of the copper plate 2 to the grooves 7 and 8, varies depending on the thickness and size of the copper plate 2, 0.3 to 1.0 mm It is preferable that Distance L 2 is 0 which indicates the formation position of the grooves 7 and 8.
If it is less than 3 mm, the ability to maintain the shape of the copper plate 2 will decrease, and if the distance L 2 exceeds 1.0 mm, stress concentration at the outer peripheral end of the copper plate 2 may not be sufficiently reduced.

【0087】以上半導体部品等の実装部となる高熱伝導
性窒化けい素基板1の表面1aに接合する銅板2につい
て詳述したが、高熱伝導性窒化けい素基板1の裏面1b
に接合する銅板3についても、表面1a側の銅板2と同
様に、その外周縁部内側に溝7,8を形成することが好
ましい。特に、放熱性等の点から比較的厚い銅板(金属
板)を用いる場合には、裏面1b側の銅板3にも溝7,
8を形成することが望ましい。裏面1b側の銅板3に形
成する溝7,8の形状や形成間隔等は、表面1a側の銅
板2に形成する溝7,8に準ずるものとする。
The copper plate 2 bonded to the front surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 serving as a mounting portion for semiconductor components and the like has been described in detail, but the back surface 1b of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 has been described.
It is preferable that grooves 7 and 8 are formed inside the outer peripheral edge of the copper plate 3 to be bonded to the inner surface, similarly to the copper plate 2 on the front surface 1a side. In particular, when a relatively thick copper plate (metal plate) is used in terms of heat dissipation and the like, the copper plate 3 on the back surface 1b side also has grooves 7,
8 is desirably formed. The shapes and the intervals of the grooves 7, 8 formed in the copper plate 3 on the back surface 1b are based on the grooves 7, 8 formed in the copper plate 2 on the front surface 1a.

【0088】上述した窒化けい素回路基板4は、例えば
以下のようにして製造される。すなわち、例えばタフピ
ッチ銅のような酸素含有銅板を、所定形状(銅板2に関
しては回路パターン形状)に加工すると共に、その外周
縁部内側に例えば直線状に連続した溝7または不連続な
溝8をプレス加工等の機械加工により形成する。このよ
うな溝7,8を有する銅板2,3を高熱伝導性窒化けい
素基板上にそれぞれ接触配置し、銅の融点(1356
K)以下で銅と酸化銅の共晶温度(1338K)以上の
温度で加熱することにより、各銅板2,3を接合し窒化
けい素回路基板4を作製する。この加熱の際の雰囲気
は、銅板として酸素含有銅板を使用する場合には不活性
ガス雰囲気とすることが好ましい。
The above-described silicon nitride circuit board 4 is manufactured, for example, as follows. That is, for example, an oxygen-containing copper plate such as tough pitch copper is processed into a predetermined shape (a circuit pattern shape for the copper plate 2), and a groove 7 or a discontinuous groove 8 that is linearly continuous, for example, is formed inside the outer peripheral edge thereof. It is formed by mechanical processing such as pressing. The copper plates 2 and 3 having such grooves 7 and 8 are arranged in contact with each other on a silicon nitride substrate having high thermal conductivity, and the melting point of copper (1356) is obtained.
K) By heating at a temperature equal to or lower than the eutectic temperature of copper and copper oxide (1338 K) or higher, the copper plates 2 and 3 are joined to produce the silicon nitride circuit board 4. When an oxygen-containing copper plate is used as the copper plate, the atmosphere for this heating is preferably an inert gas atmosphere.

【0089】また、活性金属法により金属板を接合した
窒化けい素回路基板5は、例えば以下のようにして製造
される。まず、上記窒化けい素回路基板4と同様に、連
続した溝7または不連続な溝8を有する銅板2,3を用
意する。一方、前述したような活性金属含有ろう材をペ
ースト化したものを、例えば高熱伝導性窒化けい素基板
1側に塗布する。ろう材層の塗布厚は、冷熱サイクル特
性の向上を図る上で、加熱接合後のろう材層6の層厚が
あまり厚くならないようにすることが好ましい。次に、
ろう材ペーストを塗布した高熱伝導性窒化けい素基板1
上に、銅板2,3をそれぞれ積層配置し、使用したろう
材に応じた温度で熱処理することにより、窒化けい素回
路基板5を作製する。
The silicon nitride circuit board 5 in which metal plates are joined by the active metal method is manufactured, for example, as follows. First, copper plates 2 and 3 having continuous grooves 7 or discontinuous grooves 8 are prepared in the same manner as the silicon nitride circuit board 4 described above. On the other hand, a paste of the active metal-containing brazing material as described above is applied to, for example, the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 side. The coating thickness of the brazing material layer is preferably such that the thickness of the brazing material layer 6 after the heat bonding is not too large in order to improve the thermal cycle characteristics. next,
High thermal conductive silicon nitride substrate 1 coated with brazing material paste
The copper plates 2 and 3 are laminated and disposed on the upper surface, and heat-treated at a temperature according to the brazing material used, thereby producing the silicon nitride circuit board 5.

【0090】上述したような構造の窒化けい素回路基板
4,5においては、銅板2,3の接合後の冷却過程で発
生する熱応力や冷熱サイクルの付加等による熱応力、お
よびそれらに基く残留応力は、銅板2,3の外周縁部内
側に設けられた溝7,8により分散されて、銅板2,3
の各外周端部への応力集中が緩和される。これにより、
銅板2,3の外周端部での応力値自体が低減するため、
従来問題となっていたセラミックス基板部のクラック発
生や強度低下等を有効に防止することができる。そし
て、上述した応力の分散を溝7,8により達成している
ため、溝7,8の形成にプレス加工等の機械加工を適用
しても、銅板2,3の、特にその中央部の変形を防止す
ることができる。従って、銅板2,3の変形による接合
強度の低下等を招くことなく、製造工程の簡略化および
製造工数の低減が実現できる。
In the silicon nitride circuit boards 4 and 5 having the above-described structure, the thermal stress generated during the cooling process after the joining of the copper plates 2 and 3 and the thermal stress due to the addition of a cooling / heating cycle and the residual stress based on the thermal stress. The stress is dispersed by the grooves 7, 8 provided inside the outer peripheral edges of the copper plates 2, 3, so that the copper plates 2, 3
, Stress concentration on each outer peripheral end is reduced. This allows
Since the stress value itself at the outer peripheral end of the copper plates 2 and 3 is reduced,
It is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and a decrease in the strength of the ceramic substrate portion, which have conventionally been problems. Since the above-described dispersion of the stress is achieved by the grooves 7 and 8, even if machining such as press working is applied to the formation of the grooves 7 and 8, the deformation of the copper plates 2 and 3, particularly the central portion thereof, is performed. Can be prevented. Therefore, the manufacturing process can be simplified and the number of manufacturing steps can be reduced without lowering the bonding strength due to deformation of the copper plates 2 and 3.

【0091】次に、上記溝を形成した実施例の具体例お
よびその評価結果について述べる。
Next, a specific example of the embodiment in which the above-described groove is formed and its evaluation result will be described.

【0092】実施例1 まず、高熱伝導性窒化けい素基板1として、前記試料1
〜51に係る窒化けい素基板を採用し、空気中で酸化す
ることにより、表面に厚さ4μm酸化物層(SiO
2 層)を有する厚さ0.7mmの高熱伝導性窒化けい素基
板を用意すると共に、外周縁部内側に直線状の連続した
溝7または不連続な溝8を外周縁部に沿ってプレス加工
により形成した、タフピッチ銅(酸素含有量:300pp
m )からなる所定形状の厚さ0.3mmの銅板2,3を用
意した。
Example 1 First, the above sample 1 was used as a high thermal conductive silicon nitride substrate 1.
The silicon nitride substrate according to any one of (1) to (51) is oxidized in air to form a 4 μm thick oxide layer (SiO
A high thermal conductive silicon nitride substrate having a thickness of 0.7 mm having two layers) is prepared, and a linear continuous groove 7 or a discontinuous groove 8 is pressed inside the outer peripheral edge along the outer peripheral edge. Tough pitch copper (oxygen content: 300pp)
m), copper plates 2 and 3 having a predetermined shape and a thickness of 0.3 mm were prepared.

【0093】連続した溝7の形状は、縦断面形状を図7
に示した深さ方向にほぼ均等形状とすると共に幅Wを
0.5mm、深さdを0.15mmとし、また形成位置は銅
板2,3の外周縁部からの距離L2 が0.5mmとなるよ
うにした。
The shape of the continuous groove 7 is shown in FIG.
Approximately 0.5mm width W with a uniform shape, a depth d of 0.15 mm, also forming position distance L 2 is 0.5mm from the outer peripheral edge portion of the copper plate 2 in the depth direction shown in It was made to become.

【0094】一方、不連続な溝8の形状は、縦断面形状
を図7に示した深さ方向にほぼ均等形状とすると共に図
5に示した、各単体溝8aの幅Wを0.5mm、長さL0
を10mm、深さdを0.15mmとし、近接する各単体溝
8a間の最短距離L1 を2mm(=0.2L0 )とし、ま
た形成位置は銅板2,3の外周縁部からの距離L2
0.5mmとなるようにした。
On the other hand, the shape of the discontinuous groove 8 is such that the longitudinal cross-sectional shape is substantially uniform in the depth direction shown in FIG. 7 and the width W of each single groove 8a shown in FIG. , Length L 0
Is set to 10 mm, the depth d is set to 0.15 mm, the shortest distance L 1 between the adjacent single grooves 8 a is set to 2 mm (= 0.2 L 0 ), and the formation position is the distance from the outer peripheral edge of the copper plates 2 and 3. L 2 was set to be 0.5mm.

【0095】そして、図1および図3に示したように、
高熱伝導性窒化けい素基板1の両面に2枚の銅板2,3
をそれぞれ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて13
48Kの条件で加熱して接合させ、目的とする窒化けい
素回路基板4A,4Bを得た。
Then, as shown in FIGS. 1 and 3,
Two copper plates 2, 3 on both sides of high thermal conductive silicon nitride substrate 1.
Are placed in direct contact with each other and
Heating and joining were performed under the conditions of 48K, thereby obtaining target silicon nitride circuit boards 4A and 4B.

【0096】このようにして得た窒化けい素回路基板4
A,4Bに対して熱サイクル試験(TCT:233K×
30分+RT×10分+398K×30分を1サイクル
とする)を施し、この熱サイクル付加時における応力分
布を測定した。その結果を図9に示す。なお、図9にお
ける比較例(一点鎖線で示す)は、溝を有しない銅板
2′を用いる以外は上記実施例1と同一条件で作製した
窒化けい素回路基板に対して、同一条件で熱サイクルを
付加した際の応力分布の測定結果である。
The silicon nitride circuit board 4 thus obtained
A, 4B heat cycle test (TCT: 233K ×
30 minutes + RT × 10 minutes + 398 K × 30 minutes as one cycle), and the stress distribution at the time of applying the heat cycle was measured. FIG. 9 shows the result. In the comparative example (shown by a dashed line) in FIG. 9, a heat cycle was performed under the same conditions with respect to a silicon nitride circuit board manufactured under the same conditions as in Example 1 except that a copper plate 2 ′ having no groove was used. 7 shows the measurement results of the stress distribution when “” is added.

【0097】図9から明らかなように、銅板2,3の外
周縁部に沿って連続した溝7または不連続な溝8を形成
することにより、冷熱サイクル付加時の応力は溝7,8
により分散され、外周端部の応力は溝を有しない比較例
に比べて明らかに低減されていることが分かる。これに
より、窒化けい素基板のクラック発生や強度低下等を防
止することが可能となる。ちなみに、実施例1の窒化け
い素回路基板は、100サイクルのTCT後においても
クラックが発生しなかったのに対して、比較例による窒
化けい素回路基板は100サイクルで窒化けい素回路基
板の25%にクラックが生じた。
As is clear from FIG. 9, by forming the continuous groove 7 or the discontinuous groove 8 along the outer peripheral edge of the copper plates 2 and 3, the stress at the time of applying the thermal cycle is reduced.
It can be seen that the stress at the outer peripheral end is clearly reduced as compared with the comparative example having no groove. This makes it possible to prevent cracks and a decrease in strength of the silicon nitride substrate. Incidentally, the silicon nitride circuit board of Example 1 did not crack even after 100 cycles of TCT, whereas the silicon nitride circuit board of the comparative example had 25 times the silicon nitride circuit board in 100 cycles. % Cracked.

【0098】また、不連続な溝8をプレス加工により形
成した際には、銅板2,3に変形等が生じなかったのに
対し、同様にプレス加工により銅板の外周縁部に沿って
全周に連続した溝7を形成した場合には銅板の中央部に
変形が発生するものがあった。また、プレス加工時には
変形が小さい銅板であっても、高熱伝導性窒化けい素基
板との加熱接合や放冷の際に変形が発生していた。
When the discontinuous groove 8 was formed by press working, no deformation or the like occurred in the copper plates 2 and 3, but similarly, the entire periphery was formed along the outer peripheral edge of the copper plate by press working. When the continuous groove 7 was formed, there was a case where deformation occurred at the center of the copper plate. In addition, even when the copper plate is small in deformation at the time of press working, deformation occurs during heating bonding with the high thermal conductive silicon nitride substrate or cooling down.

【0099】実施例2 高熱伝導性窒化けい素基板1として、試料1〜51に係
る厚さ0.6mmの高熱伝導性窒化けい素基板を用意する
と共に、外周縁部内側に直線状の不連続な溝8を外周縁
部に沿ってプレス加工により形成した所定形状の厚さ
0.3mmの銅板2,3とを用意した。不連続な溝8の形
状は、縦断面形状を図7に示した深さ方向にほぼ均等形
状とすると共に、各単体溝8aの幅Wを0.5mm、長さ
0 を10mm、深さdを0.15mmとし、近接する各単
体溝8a間の最短距離L1 を2mm(=0.2L0 )と
し、また形成位置は銅板2,3の外周縁部からの距離L
2 が0.5mmとなるようにした。
Example 2 A high thermal conductive silicon nitride substrate having a thickness of 0.6 mm according to samples 1 to 51 was prepared as the high thermal conductive silicon nitride substrate 1, and a linear discontinuity was formed inside the outer peripheral portion. The copper plates 2 and 3 having a thickness of 0.3 mm and having a predetermined shape were formed by pressing a simple groove 8 along the outer peripheral edge. The shape of the discontinuous grooves 8, the longitudinal sectional shape with a substantially uniform shape in the depth direction shown in FIG. 7, 0.5 mm width W of each single groove 8a, the length L 0 10 mm, depth d is set to 0.15 mm, the shortest distance L 1 between the adjacent single grooves 8 a is set to 2 mm (= 0.2 L 0 ), and the formation position is set to the distance L from the outer peripheral edge of the copper plates 2 and 3.
2 was set to 0.5 mm.

【0100】そして、図4に示すように、高熱伝導性窒
化けい素基板の両面に、In:Ag:Cu:Ti=1
4.0:59.0:23.0:4.0組成の活性金属含
有ろう材をペースト化したものを塗布し、この塗布層を
介して銅板2,3を積層配置した後、窒素ガス雰囲気中
にて加熱して接合させ、目的とする窒化けい素回路基板
5Bを得た。
Then, as shown in FIG. 4, In: Ag: Cu: Ti = 1 on both surfaces of the high thermal conductive silicon nitride substrate.
An active metal-containing brazing material having a composition of 4.0: 59.0: 23.0: 4.0 is applied as a paste, and the copper plates 2 and 3 are stacked and arranged via this coating layer. The inside was heated and joined to obtain a target silicon nitride circuit board 5B.

【0101】このようにして得た窒化けい素回路基板5
Bに対して熱サイクル試験を実施例1と同一条件下で実
施したところ、実施例1と同様な良好な結果が得られ、
冷熱サイクルに対する信頼性に優れることを確認した。
また、上記銅板2,3に不連続な溝8をプレス加工で形
成した後の変形についても実施例1と同様であった。
The silicon nitride circuit board 5 thus obtained
When a heat cycle test was performed on B under the same conditions as in Example 1, the same good results as in Example 1 were obtained.
It has been confirmed that it has excellent reliability for cooling and heating cycles.
The deformation after forming the discontinuous grooves 8 in the copper plates 2 and 3 by press working was the same as in Example 1.

【0102】次に金属板(銅板)に複数の孔を形成した
本発明の実施例について説明する。
Next, an embodiment of the present invention in which a plurality of holes are formed in a metal plate (copper plate) will be described.

【0103】図10は複数の孔9を形成した銅板2を、
高熱伝導性窒化けい素基板1の表面1aに直接接合法に
より一体に接合した窒化けい素回路基板4Cを示す。こ
の窒化けい素回路基板4Cは、溝7に代えて複数の孔9
を形成した点以外は図1に示す窒化けい素回路基板4A
と同様な構成である。
FIG. 10 shows a copper plate 2 having a plurality of holes 9 formed therein.
The silicon nitride circuit board 4C integrally joined to the surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by a direct joining method is shown. The silicon nitride circuit board 4C has a plurality of holes 9 instead of the grooves 7.
The silicon nitride circuit board 4A shown in FIG.
This is the same configuration as.

【0104】一方、図11は、複数の孔9を形成した銅
板2を、活性金属含有ろう材層6を介して高熱伝導性窒
化けい素基板1の表面1aに一体に接合した窒化けい素
回路基板5Cを示す断面図である。この窒化けい素回路
基板5Cは、溝7に代えて複数の孔9を形成した点以外
は図2に示す窒化けい素回路基板5Aと同様な構成であ
る。
On the other hand, FIG. 11 shows a silicon nitride circuit in which a copper plate 2 in which a plurality of holes 9 are formed is integrally joined to a surface 1 a of a high thermal conductive silicon nitride substrate 1 via an active metal-containing brazing material layer 6. It is sectional drawing which shows board | substrate 5C. This silicon nitride circuit board 5C has the same configuration as the silicon nitride circuit board 5A shown in FIG. 2 except that a plurality of holes 9 are formed instead of the grooves 7.

【0105】そして、上述した窒化けい素回路基板4
C,5Cにおいては、図12や図13に示すように、半
導体部品等の実装部となる銅板2の外周縁部に沿って、
すなわち銅板2の各回路パターン部の外周縁部に沿っ
て、その内側に複数の孔9が形成されている。複数の孔
9の横断面形状は、図12に示すような円形状であって
も、また図13に示すような矩形状であってもよい。ま
た、複数の孔9は、製造工程の煩雑化を避けると共に、
製造工数の低減を図るために、金型を用いたプレス加工
により形成することが望ましい。ただし、必ずしも他の
形成方法の適用を除外するものではない。
The silicon nitride circuit board 4 described above
In C and 5C, as shown in FIGS. 12 and 13, along the outer peripheral edge of the copper plate 2 serving as a mounting portion for a semiconductor component or the like,
That is, a plurality of holes 9 are formed inside the copper plate 2 along the outer peripheral edge of each circuit pattern portion. The cross-sectional shape of the plurality of holes 9 may be a circular shape as shown in FIG. 12 or a rectangular shape as shown in FIG. In addition, the plurality of holes 9 avoid complication of the manufacturing process,
In order to reduce the number of manufacturing steps, it is desirable to form by pressing using a mold. However, application of another formation method is not necessarily excluded.

【0106】上述した複数の孔9は、銅板2の各回路パ
ターン部の外周縁部に沿って、所定の間隔で直線状に形
成されることが好ましい。このように、複数の孔9を直
線状に形成することによって、銅板2の外周端部への応
力集中を効率的に緩和でき、言い換えると応力を効率的
に分散させることができる。
The plurality of holes 9 are preferably formed linearly at predetermined intervals along the outer peripheral edge of each circuit pattern portion of the copper plate 2. As described above, by forming the plurality of holes 9 in a straight line, the concentration of stress on the outer peripheral end of the copper plate 2 can be efficiently reduced, in other words, the stress can be efficiently dispersed.

【0107】孔9の大きさは、その横断面形状や銅板2
の大きさ、さらには後述する孔9の形成間隔等にもよる
が、例えば図12に示すような円形状の場合には直径
0.1〜1.0mmとすることが好ましい。孔9の大きさ
が0.1mm未満の場合には、十分に応力を分散できない
おそれがあり、また1.0mmを超えると銅板2の強度低
下を招き易くなると共に、実装面積の低下を招く。さら
に好ましい範囲は、同様の理由から0.3〜0.7mmで
ある。一方、図13に示すような矩形状の孔9とする場
合には、長辺の長さを上記したような大きさとすること
が好ましい。
The size of the hole 9 depends on its cross-sectional shape and the copper plate 2.
For example, in the case of a circular shape as shown in FIG. 12, the diameter is preferably 0.1 to 1.0 mm, although it depends on the size of the hole 9 and the formation interval of the holes 9 described later. If the size of the hole 9 is less than 0.1 mm, the stress may not be sufficiently dispersed, and if it exceeds 1.0 mm, the strength of the copper plate 2 tends to decrease and the mounting area decreases. A more preferable range is 0.3 to 0.7 mm for the same reason. On the other hand, when a rectangular hole 9 as shown in FIG. 13 is used, the length of the long side is preferably set to the above-described size.

【0108】また、直線状に配列された複数の孔9は、
隣接する孔9との間の最短距離をL3 、隣接する孔9の
中心間距離をL4 としたとき、1/5L4 ≦L3 ≦1/
2L4 を満足するように形成することが好ましい。孔9
の形成間隔(隣接する孔9間の最短距離L3 )があまり
大きすぎると、具体的にはL3 >1/2L4 となると、
応力の緩和効果を十分に得られないおそれがあり、一方
孔9の形成間隔があまり小さすぎると、具体的にはL3
<1/5L4 となると、例えば上述したように複数の孔
9をプレス加工等で形成する場合に、銅板(金属板)2
の外周縁部内側(孔形成部分)の強度低下を十分に抑制
できないおそれがある。これにより、銅板2の変形が生
じて、銅板2の接合強度が低下するおそれがある。
Further, a plurality of holes 9 arranged in a straight line form
When the shortest distance between the adjacent holes 9 is L 3 and the center distance between the adjacent holes 9 is L 4 , 1/5 L 4 ≦ L 3 ≦ 1 /
It is preferable to form so as to satisfy 2L 4 . Hole 9
If the formation interval (the shortest distance L 3 between the adjacent holes 9) is too large, specifically, if L 3 >> L 4 ,
There is a possibility that the effect of alleviating the stress may not be sufficiently obtained. On the other hand, if the interval between the holes 9 is too small, specifically, L 3
If <1 / 5L 4 , for example, as described above, when forming the plurality of holes 9 by press working or the like, the copper plate (metal plate) 2
There is a possibility that the decrease in strength inside the outer peripheral edge portion (hole forming portion) cannot be sufficiently suppressed. Thereby, the copper plate 2 may be deformed, and the bonding strength of the copper plate 2 may be reduced.

【0109】上述した複数の孔9は、図14や図15に
示すように非貫通孔9A,9Bであってもよいし、また
図16に示すように貫通孔9Cであってもよい。例え
ば、非貫通孔9A,9Bはプレス加工等により容易に形
成することができるため、製造工数の削減等に有効であ
り、また貫通孔9CはDBC法を適用する場合に、接合
に寄与せずにガス化した酸素等の排出孔としても機能
し、膨れの防止等による接合状態の均一性をより一層高
める上で有効である。このように、非貫通孔9A,9B
および貫通孔9Cは、応力の分散・緩和効果とは別に、
それぞれ異なる有効性を有しているため、接合方法や用
途等に応じて適宜選択することが好ましい。
The plurality of holes 9 described above may be non-through holes 9A and 9B as shown in FIGS. 14 and 15, or may be through holes 9C as shown in FIG. For example, the non-through holes 9A and 9B can be easily formed by press working or the like, which is effective in reducing the number of man-hours, and the through holes 9C do not contribute to the joining when the DBC method is applied. It also functions as a discharge hole for gasified oxygen and the like, and is effective in further improving the uniformity of the joined state by preventing swelling and the like. Thus, the non-through holes 9A, 9B
And the through-hole 9C, apart from the effect of dispersing and relaxing stress,
Since they have different efficiencies, it is preferable to appropriately select them according to the joining method, application, and the like.

【0110】ここで、複数の孔9を非貫通孔9A,9B
とする場合、その深さ方向の形状は、図14に示すよう
にほぼ均一形状であっても、また図15に示すように逆
円錐状(あるいは逆角錐状)であってもよい。ただし、
その深さdは銅板2の厚さtの1/3〜2/3とするこ
とが好ましい。非貫通孔状の孔9の深さが銅板2の厚さ
tの1/3未満であると、応力の分散効果が不十分とな
るおそれがある。
Here, the plurality of holes 9 are formed in the non-through holes 9A and 9B.
In this case, the shape in the depth direction may be a substantially uniform shape as shown in FIG. 14 or an inverted conical shape (or inverted pyramid shape) as shown in FIG. However,
The depth d is preferably 1/3 to 2/3 of the thickness t of the copper plate 2. If the depth of the non-through hole 9 is less than 1/3 of the thickness t of the copper plate 2, the effect of dispersing stress may be insufficient.

【0111】また、図14に示すように複数の孔9の形
成位置、すなわち銅板2の外周縁部から孔9までの最短
距離L5 は、銅板2の厚さや大きさ等によっても異なる
が、0.3〜1.0mmとすることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 14, the formation position of the plurality of holes 9, that is, the shortest distance L 5 from the outer peripheral edge of the copper plate 2 to the hole 9 varies depending on the thickness and size of the copper plate 2. It is preferably 0.3 to 1.0 mm.

【0112】以上は、半導体部品等の実装部となる高熱
伝導性窒化けい素基板1の表面1aに接合する銅板2に
ついて詳述したが、高熱伝導性窒化けい素基板1の裏面
1bに接合する銅板3についても、表面側の銅板2と同
様に、その外周縁部内側に複数の孔9を形成することが
好ましい。特に、放熱性等の点から比較的厚い銅板(金
属板)を用いる場合には、裏面側の銅板3にも複数の孔
9を形成することが好ましい。裏面側の銅板3に形成す
る複数の孔9の形状や形成間隔等は、表面側の銅板2に
形成する複数の孔9に準ずるものとする。
In the above, the copper plate 2 bonded to the front surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 serving as a mounting portion for semiconductor components and the like has been described in detail. As with the copper plate 2 on the front side, it is preferable to form a plurality of holes 9 inside the outer peripheral edge of the copper plate 3 as well. In particular, when a relatively thick copper plate (metal plate) is used from the viewpoint of heat dissipation and the like, it is preferable to form a plurality of holes 9 in the copper plate 3 on the back side. The shape, the formation interval, and the like of the plurality of holes 9 formed in the copper plate 3 on the back side conform to the plurality of holes 9 formed in the copper plate 2 on the front side.

【0113】上述したような窒化けい素回路基板4C,
5Cは、実施例1〜2と同様に、複数の孔9を形成した
銅板2,3などの金属板を、直接接合法や活性金属法を
使用して高熱伝導性窒化けい素基板1に一体に接合する
ことにより製造される。
As described above, the silicon nitride circuit board 4C,
5C, a metal plate such as a copper plate 2 or 3 having a plurality of holes 9 formed integrally with the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by using a direct bonding method or an active metal method in the same manner as in Examples 1 and 2. It is manufactured by bonding to

【0114】上述したような構成の窒化けい素回路基板
4C,5Cにおいては、銅板2,3の接合後の冷却過程
で発生する熱応力や冷熱サイクルの付加等による熱応
力、およびそれらに基づく残留応力は、銅板2,3の外
周端部内側に設けられた複数の孔9により分散され、銅
板2,3の各外周端部への応力集中が緩和される。これ
により、銅板2,3の外周縁部での応力値自体が減少す
るため、従来問題となっていたセラミックス基板部のク
ラック発生や強度低下等を有効に防止することができ
る。
In the silicon nitride circuit boards 4C and 5C having the above-described configuration, the thermal stress generated in the cooling process after the joining of the copper plates 2 and 3 and the thermal stress due to the addition of a cooling and heating cycle and the residual stress based on the thermal stress. The stress is dispersed by the plurality of holes 9 provided inside the outer peripheral ends of the copper plates 2 and 3, and the stress concentration on the outer peripheral ends of the copper plates 2 and 3 is reduced. As a result, the stress value itself at the outer peripheral edges of the copper plates 2 and 3 is reduced, so that it is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and a decrease in strength of the ceramic substrate portion, which have conventionally been problems.

【0115】そして、上述した応力の分散を複数の孔9
により達成しているため、銅板2,3の強度低下部位は
その外周縁部に沿って不連続となる。したがって、複数
の孔9の形成にプレス加工等の機械加工を適用しても、
銅板2,3自体に変形や反り等が発生することがないた
め、銅板2,3の接合強度の低下等を招くことなく、製
造工程の簡略化および製造工数の低減が実現できる。
Then, the dispersion of the stress described above is reduced to a plurality of holes 9.
Thus, the strength-reduced portions of the copper plates 2 and 3 are discontinuous along the outer peripheral edge. Therefore, even if machining such as press working is applied to the formation of the plurality of holes 9,
Since the copper plates 2 and 3 are not deformed or warped, the manufacturing process can be simplified and the number of manufacturing steps can be reduced without lowering the bonding strength of the copper plates 2 and 3.

【0116】次に、複数の孔を形成した実施例の具体例
およびその評価結果について述べる。
Next, a specific example of an embodiment in which a plurality of holes are formed and evaluation results thereof will be described.

【0117】実施例3 まず、高熱伝導性窒化けい素基板1として、実施例1で
用いた窒化けい素基板を採用した。すなわち表面に厚さ
4μmの酸化物層を有する厚さ0.7mmの高熱伝導性窒
化けい素基板と、外周縁部に沿って複数の孔9がプレス
加工により形成された、タフピッチ銅(酸素含有量:3
00ppm )からなる所定形状の銅板2,3とを用意し
た。孔9の形状は、図12および図14に示した円形状
(直径=0.6mm、深さ=0.2mm)とした。また、複
数の孔9の形成間隔は、隣接する孔9間の最短距離L3
を0.25mm(=1/2L4 )とし、また形成位置は銅
板2,3からの距離L5 が0.5mmとなるようにした。
Example 3 First, the silicon nitride substrate used in Example 1 was employed as the silicon nitride substrate 1 having high thermal conductivity. That is, a high thermal conductive silicon nitride substrate having a thickness of 0.7 mm having an oxide layer having a thickness of 4 μm on the surface, and a plurality of holes 9 formed by pressing along the outer peripheral edge, tough pitch copper (containing oxygen) Quantity: 3
Copper plates 2 and 3 having a predetermined shape were prepared. The shape of the hole 9 was a circular shape (diameter = 0.6 mm, depth = 0.2 mm) shown in FIGS. The interval between the plurality of holes 9 is determined by the shortest distance L 3 between the adjacent holes 9.
Was set to 0.25 mm (= 1 / L 4 ), and the forming position was such that the distance L 5 from the copper plates 2 and 3 was 0.5 mm.

【0118】そして、図10に示したように、高熱伝導
性窒化けい素基板1の両面に2枚の銅板2,3をそれぞ
れ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて1348Kの
条件で加熱して接合させ、目的とする窒化けい素回路基
板4Cを得た。
Then, as shown in FIG. 10, two copper plates 2 and 3 are placed in direct contact with each other on both surfaces of the silicon nitride substrate 1 having a high thermal conductivity, and heated at 1348 K in a nitrogen gas atmosphere. To obtain the desired silicon nitride circuit board 4C.

【0119】このようにして得た窒化けい素回路基板4
Cに対して熱サイクル試験を実施例1と同一条件下で実
施したところ、ほぼ実施例1と同様な良好な結果が得ら
れ、図9に示すような応力分布が得られた。なお、図9
における比較例(一点鎖線で示す)は、複数の孔9を有
しない銅板2′を用いる以外は上記実施例3と同一条件
で作成した窒化けい素回路基板に対して、同一条件で熱
サイクルを付加した際の応力分布の測定結果である。
The silicon nitride circuit board 4 thus obtained
When a thermal cycle test was performed on C under the same conditions as in Example 1, almost the same good results as in Example 1 were obtained, and a stress distribution as shown in FIG. 9 was obtained. Note that FIG.
In the comparative example (indicated by the alternate long and short dash line), a heat cycle was performed under the same conditions on a silicon nitride circuit board prepared under the same conditions as in Example 3 except that a copper plate 2 ′ having no plurality of holes 9 was used. It is a measurement result of the stress distribution at the time of adding.

【0120】図9から明らかなように、銅板2,3の外
周縁部に沿って複数の孔9を形成することにより、冷熱
サイクル付加時の応力は孔9により分散させ、外周縁部
の応力は複数の孔9を有しない比較例に比べて明らかに
低減されていることが分かる。これにより、高熱伝導性
窒化けい素基板1のクラック発生や強度低下等を防止す
ることが可能となる。ちなみに、実施例3の窒化けい素
回路基板は、200サイクルのTCT後においても殆ど
クラックが発生しなかった(1%にクラック発生)のに
対して、比較例による窒化けい素回路基板は、200サ
イクルで高熱伝導性窒化けい素基板1の35%にクラッ
クが発生した。
As is clear from FIG. 9, by forming a plurality of holes 9 along the outer peripheral edge of the copper plates 2 and 3, the stress at the time of applying the cooling / heating cycle is dispersed by the holes 9, and the stress at the outer peripheral edge is reduced. It can be seen that is clearly reduced as compared with the comparative example having no holes 9. This makes it possible to prevent cracks and a decrease in strength of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1. Incidentally, the silicon nitride circuit board of Example 3 hardly cracked even after 200 cycles of TCT (cracks occurred at 1%), whereas the silicon nitride circuit board of Comparative Example had 200 cracks. Cracks occurred in 35% of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 during the cycle.

【0121】また、複数の孔9をプレス加工により形成
した銅板2,3は、プレス加工時に反りや変形等は発生
しなかったのに対し、同様にプレス加工により銅板の外
周縁部に沿って全周に溝を形成した銅板では、プレス加
工時に銅板の外周縁部に反りや変形が発生するものがあ
った。また、プレス加工時には変形の小さい銅板の場合
にも、高熱伝導性窒化けい素基板との加熱接合、放冷の
際に変形が発生していた。
The copper plates 2 and 3 in which the plurality of holes 9 were formed by pressing did not warp or deform during the pressing, but similarly along the outer peripheral edge of the copper plate by pressing. In a copper plate having a groove formed on the entire circumference, there is a case where the outer peripheral edge of the copper plate is warped or deformed during press working. In addition, even in the case of a copper plate having a small deformation at the time of press working, a deformation has occurred during the heat bonding to the high thermal conductive silicon nitride substrate and the cooling.

【0122】実施例4 高熱伝導性窒化けい素基板1として実施例2で用いた窒
化けい素基板を採用した。すなわち厚さ0.6mmの高熱
伝導性窒化けい素基板と、外周縁部に沿って複数の孔9
がプレス加工により形成された所定形状の厚さ0.3mm
の銅板2,3とを用意した。複数の孔9の形状は、図1
2および図16に示した貫通孔(直径0.5mm)であ
る。また、複数の孔9の形成間隔は、隣接する孔9間の
最短距離L3 を0.25mm(=1/2L4 )とし、また
形成位置は、図14に示す銅板2,3からの距離L5
0.5mmとなるようにした。
Example 4 The silicon nitride substrate used in Example 2 was employed as the silicon nitride substrate 1 having high thermal conductivity. That is, a highly thermally conductive silicon nitride substrate having a thickness of 0.6 mm and a plurality of holes 9 along the outer peripheral edge.
Is a predetermined shape formed by pressing 0.3mm thick
Copper plates 2 and 3 were prepared. The shape of the plurality of holes 9 is shown in FIG.
2 and the through hole (0.5 mm in diameter) shown in FIG. Further, formation interval of the plurality of holes 9, the shortest distance L 3 between the adjacent holes 9 and 0.25mm (= 1 / 2L 4) , also forming position, the distance from the copper plate 2 and 3 shown in FIG. 14 L 5 was set to be 0.5mm.

【0123】そして、図11に示したように、高熱伝導
性窒化けい素基板1の両面に、重量比でIn:Ag:C
u:Ti=14.0:59.0:23.0:4.0の組
成の活性金属含有ろう材をペースト化したものを塗布
し、この塗布層を介して銅板2,3を積層配置した後、
窒素ガス雰囲気中にて加熱して接合させ、目的とする窒
化けい素回路基板5Cを得た。
As shown in FIG. 11, the weight ratio of In: Ag: C is set on both surfaces of the silicon nitride substrate 1 having high thermal conductivity.
An active metal-containing brazing material having a composition of u: Ti = 14.0: 59.0: 23.0: 4.0 was applied as a paste, and the copper plates 2 and 3 were laminated via this applied layer. rear,
Heating and bonding were performed in a nitrogen gas atmosphere to obtain a target silicon nitride circuit board 5C.

【0124】このようにして得た窒化けい素回路基板5
Cに対して熱サイクル試験を実施例3と同一条件下で実
施したところ、実施例3と同様な良好な結果が得られ、
冷熱サイクルに対する信頼性に優れることを確認した。
また、上記銅板2,3に複数の孔9をプレス加工で形成
した後の強度についても同様であった。
The silicon nitride circuit board 5 thus obtained
When a heat cycle test was performed on C under the same conditions as in Example 3, the same good results as in Example 3 were obtained.
It has been confirmed that it has excellent reliability for cooling and heating cycles.
The same applies to the strength after forming the plurality of holes 9 in the copper plates 2 and 3 by press working.

【0125】また上記各実施例に係る窒化けい素回路基
板4,5によれば、窒化けい素焼結体が本来的に有する
高強度高靭性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善し
た高熱伝導性窒化けい素基板1を使用している。したが
って、基板に搭載する半導体素子等の発熱部品からの発
熱は熱伝導率が高い窒化けい素基板1を経て迅速に系外
に伝達されるため放熱性が極めて良好である。
Further, according to the silicon nitride circuit boards 4 and 5 according to the above embodiments, in addition to the high strength and toughness characteristics inherently possessed by the silicon nitride sintered body, the high heat A conductive silicon nitride substrate 1 is used. Therefore, heat generated from a heat-generating component such as a semiconductor element mounted on the substrate is quickly transmitted to the outside of the system through the silicon nitride substrate 1 having high thermal conductivity, so that heat dissipation is extremely good.

【0126】また、高強度高靭性である高熱伝導率窒化
けい素基板1を使用しているため、回路基板の最大たわ
み量を大きく確保することができる。そのため、アッセ
ンブリ工程において回路基板の締め付け割れが発生せ
ず、回路基板を用いた半導体装置を高い製造歩留りで安
価に量産することが可能になる。
Further, since the high thermal conductivity silicon nitride substrate 1 having high strength and high toughness is used, a large amount of maximum deflection of the circuit board can be ensured. For this reason, the circuit board does not suffer from tightening cracks in the assembly process, and it is possible to mass-produce semiconductor devices using the circuit board at a high production yield and at low cost.

【0127】また高熱伝導性窒化けい素基板1の靭性値
が高いため、熱サイクルによって基板1と金属回路板や
金属板2,3との接合部に割れが発生することが少な
く、耐熱サイクル特性が著しく向上し、耐久性および信
頼性に優れた半導体装置を提供することができる。
Further, since the high thermal conductivity silicon nitride substrate 1 has a high toughness value, cracks are less likely to occur at the junction between the substrate 1 and the metal circuit board or the metal plates 2 and 3 due to thermal cycling. Is significantly improved, and a semiconductor device excellent in durability and reliability can be provided.

【0128】さらに高い熱伝導率を有する窒化けい素基
板1を使用しているため、高出力化および高集積化を指
向する半導体素子を搭載した場合においても、熱抵抗特
性の劣化が少なく、優れた放熱性を発揮する。
Since the silicon nitride substrate 1 having a higher thermal conductivity is used, even when a semiconductor element for higher output and higher integration is mounted, the deterioration of the thermal resistance characteristics is small, and excellent. Demonstrate heat dissipation.

【0129】特に窒化けい素基板自体の機械的強度が優
れているため、要求される機械的強度特性を一定とした
場合に、他のセラミックス基板を使用した場合と比較し
て基板厚さをより低減することが可能となる。この基板
厚さを低減できることから熱抵抗値をより小さくでき、
放熱特性をさらに改善することができる。また要求され
る機械的特性に対して、従来より薄い基板でも十分に対
応可能となるため、基板製造コストをより低減すること
が可能となる。
In particular, since the mechanical strength of the silicon nitride substrate itself is excellent, when the required mechanical strength characteristics are fixed, the thickness of the substrate is larger than that when other ceramic substrates are used. It becomes possible to reduce. Since the substrate thickness can be reduced, the thermal resistance value can be further reduced,
The heat radiation characteristics can be further improved. In addition, since the required mechanical characteristics can be sufficiently coped with even a thinner substrate than before, the substrate manufacturing cost can be further reduced.

【0130】[0130]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化けい
素回路基板によれば、冷熱サイクルが付加された場合等
においても、金属板に生じる熱応力や残留応力を、連続
した溝や不連続な溝、または複数の孔により分散させる
ことで、金属板の外周端部への応力集中を緩和すること
ができると共に、製造工程的に有利な機械加工によって
も金属板の変形を防止することができる。したがって、
製造工程の簡略化および製造工数の低減を図った上で、
冷熱サイクルの付加等によるセラミックス基板部のクラ
ック発生や強度低下を有効に防止することができ、信頼
性および製造性に優れた窒化けい素回路基板を提供する
ことが可能となる。
As described above, according to the silicon nitride circuit board of the present invention, even when a thermal cycle is applied, the thermal stress and the residual stress generated in the metal plate can be reduced by the continuous groove and the non-continuous groove. By dispersing through continuous grooves or multiple holes, stress concentration on the outer peripheral edge of the metal plate can be reduced, and deformation of the metal plate can be prevented by machining that is advantageous in the manufacturing process. Can be. Therefore,
After simplifying the manufacturing process and reducing the number of manufacturing steps,
It is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and a decrease in the strength of the ceramic substrate portion due to the addition of a cooling / heating cycle, and to provide a silicon nitride circuit board excellent in reliability and manufacturability.

【0131】特に、本発明に係る窒化けい素回路基板に
よれば、窒化けい素焼結体が本来的に有する高強度高靭
性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善した高熱伝導
性窒化けい素基板を使用しているため、基板に搭載する
半導体素子等の発熱部品からの発熱は、高熱伝導性窒化
けい素基板を経て迅速に系外に伝達されるため放熱性が
極めて良好である。また、高強度高靭性である窒化けい
素基板を使用しているため、回路基板の最大たわみ量を
大きく確保することができる。そのため、アッセンブリ
工程において回路基板の締め付け割れが発生せず、回路
基板を用いた半導体装置を高い製造歩留りで安価に量産
することが可能になる。
In particular, according to the silicon nitride circuit board of the present invention, in addition to the high strength and toughness characteristics inherently possessed by the silicon nitride sintered body, in particular, the high thermal conductive silicon nitride having significantly improved thermal conductivity. Since the elementary substrate is used, heat generated from a heat-generating component such as a semiconductor element mounted on the substrate is quickly transmitted to the outside of the system via the high thermal conductivity silicon nitride substrate, so that heat dissipation is extremely good. In addition, since a silicon nitride substrate having high strength and toughness is used, a large amount of maximum deflection of the circuit board can be secured. For this reason, the circuit board does not suffer from tightening cracks in the assembly process, and it is possible to mass-produce semiconductor devices using the circuit board at a high production yield and at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例による窒化けい素回路基板の
構造を示す図であって、(a)は平面図、(b)はその
断面図。
FIG. 1 is a view showing a structure of a silicon nitride circuit board according to one embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view and (b) is a sectional view thereof.

【図2】本発明の他の実施例による窒化けい素回路基板
の構造を示す断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a structure of a silicon nitride circuit board according to another embodiment of the present invention.

【図3】本発明の他の実施例による窒化けい素回路基板
の構造を示す図であって、(a)は平面図、(b)はそ
の断面図。
3A and 3B are diagrams showing a structure of a silicon nitride circuit board according to another embodiment of the present invention, wherein FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a cross-sectional view thereof.

【図4】本発明の他の実施例による窒化けい素回路基板
の構造を示す断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a structure of a silicon nitride circuit board according to another embodiment of the present invention.

【図5】本発明における不連続な溝の一形状例を示す平
面図。
FIG. 5 is a plan view showing one example of a shape of a discontinuous groove in the present invention.

【図6】本発明に溝または孔の形成位置を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing positions where grooves or holes are formed in the present invention.

【図7】本発明における溝の縦断面形状の一例を示す
図。
FIG. 7 is a view showing an example of a longitudinal sectional shape of a groove in the present invention.

【図8】本発明における溝の縦断面形状の他の例を示す
図。
FIG. 8 is a view showing another example of the longitudinal sectional shape of the groove in the present invention.

【図9】本発明の一実施例による窒化けい素回路基板に
熱サイクルを付加した際の銅板端部近傍の応力分布の測
定結果を従来例と比較して示す図。
FIG. 9 is a diagram showing a measurement result of a stress distribution near an end of a copper plate when a thermal cycle is applied to a silicon nitride circuit board according to an embodiment of the present invention, in comparison with a conventional example.

【図10】複数の孔を形成した一実施例に係る窒化けい
素回路基板の構造を示す図であって、(a)は平面図、
(b)はその断面図。
10A and 10B are diagrams showing a structure of a silicon nitride circuit board according to one embodiment in which a plurality of holes are formed, wherein FIG.
(B) is a sectional view thereof.

【図11】複数の孔を形成した他の実施例に係る窒化け
い素回路基板の構造を示す断面図。
FIG. 11 is a sectional view showing a structure of a silicon nitride circuit board according to another embodiment in which a plurality of holes are formed.

【図12】本発明における複数の孔の形状の一例と好ま
しい形成間隔を示す平面図。
FIG. 12 is a plan view showing an example of a shape of a plurality of holes and a preferable forming interval in the present invention.

【図13】本発明における複数の孔の形状の他の例を示
す平面図。
FIG. 13 is a plan view showing another example of the shape of a plurality of holes in the present invention.

【図14】本発明における複数の孔の縦断面形状の一例
を示す断面図。
FIG. 14 is a sectional view showing an example of a longitudinal sectional shape of a plurality of holes in the present invention.

【図15】本発明における複数の孔の縦断面形状の他の
例を示す断面図。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing another example of a vertical cross-sectional shape of a plurality of holes according to the present invention.

【図16】本発明における複数の孔の縦断面形状のさら
に他の例を示す断面図。
FIG. 16 is a sectional view showing still another example of the longitudinal sectional shape of a plurality of holes according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 高熱伝導性窒化けい素基板 1a 高熱伝導性窒化けい素基板の表面 1b 高熱伝導性窒化けい素基板の裏面 2,2′,3 銅板(金属板) 4,5,4A,5A,4B,5B,4C,5C 窒化け
い素回路基板 6 活性金属含有ろう材層 7 連続な溝 8 不連続な溝 8a 単体溝 9 複数の孔 9A,9B 非貫通孔 9C 貫通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High thermal conductive silicon nitride substrate 1a Surface of high thermal conductive silicon nitride substrate 1b Back surface of high thermal conductive silicon nitride substrate 2,2 ', 3 Copper plate (metal plate) 4,5,4A, 5A, 4B, 5B , 4C, 5C Silicon nitride circuit board 6 Active metal-containing brazing material layer 7 Continuous groove 8 Discontinuous groove 8a Single groove 9 Multiple holes 9A, 9B Non-through hole 9C Through hole

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 那波 隆之 神奈川県横浜市鶴見区末広町2の4 株 式会社東芝 京浜事業所内 (72)発明者 佐藤 孔俊 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 (56)参考文献 特開 平4−343287(JP,A) 特開 平3−145748(JP,A) 特開 平6−152078(JP,A) 特開 平6−135771(JP,A) 特開 平7−48174(JP,A) 特開 平7−187793(JP,A) 特開 平5−41566(JP,A) 特開 平8−250823(JP,A) 特開 平5−167205(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/12 C04B 35/584 H01L 23/373 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takayuki Nami 2-4, Suehirocho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside Keihin Plant, Toshiba Corporation (72) Inventor, Toshun Sato 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Toshiba Corporation Yokohama Office (56) References JP-A-4-343287 (JP, A) JP-A-3-145748 (JP, A) JP-A-6-152078 (JP, A) JP-A-6-135771 (JP, A) JP-A-7-48174 (JP, A) JP-A-7-187793 (JP, A) JP-A-5-41566 (JP, A) JP-A 8-250823 (JP, A) Kaihei 5-167205 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 23/12 C04B 35/584 H01L 23/373

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 希土類元素を酸化物に換算して1.0〜
17.5重量%、不純物陽イオン元素としてのLi,N
a,K,Fe,Ca,Mg,Sr,Ba,Mn,Bを合
計で1.0重量%以下(検出限界としての0重量%を含
む)含有し、熱伝導率が60w/m・k以上である高熱
伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基
板に接合された金属板とを具備する窒化けい素回路基板
において、前記金属板の前記高熱伝導性窒化けい素基板
との接合面と反対面側の外周縁部内側に、溝が形成され
ており、この窒化けい素回路基板に対して熱サイクル試
験を100サイクル実施した際に窒化けい素基板にクラ
ックが発生しないことを特徴とする窒化けい素回路基
板。
1. The method according to claim 1, wherein the conversion of the rare earth element to oxide is 1.0 to 1.0.
17.5% by weight, Li, N as impurity cation element
Contains a, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn, and B in total of 1.0% by weight or less (including 0% by weight as a detection limit), and has a thermal conductivity of 60 w / mk or more. A high thermal conductive silicon nitride substrate, and a metal plate bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate, wherein the high thermal conductive silicon nitride substrate of the metal plate A groove is formed on the inside of the outer peripheral edge on the side opposite to the bonding surface, and it is necessary to ensure that no cracks occur in the silicon nitride substrate when a thermal cycle test is performed on the silicon nitride circuit board for 100 cycles. Characteristic silicon nitride circuit board.
【請求項2】 高熱伝導性窒化けい素基板は、不純物陽
イオン元素としてのLi,Na,K,Fe,Ca,M
g,Sr,Ba,Mn,Bを合計で0.3重量%以下
(検出限界としての0重量を含む)含有することを特徴
とする請求項1記載の窒化けい素回路基板。
2. The high thermal conductive silicon nitride substrate is composed of Li, Na, K, Fe, Ca, M as impurity cation elements.
2. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein g, Sr, Ba, Mn, and B are contained in a total of 0.3% by weight or less (including 0% as a detection limit).
【請求項3】 希土類元素を酸化物に換算して1.0〜
17.5重量%含有し、窒化けい素結晶相および粒界相
から構成され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%以上であり、熱伝導
率が60W/m・k以上である高熱伝導性窒化けい素基
板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に接合された金属
板とを具備する窒化けい素回路基板において、前記金属
板の前記高熱伝導性窒化けい素基板との接合面と反対面
側の外周縁部内側に、溝が形成されており、この窒化け
い素回路基板に対して熱サイクル試験を100サイクル
実施した際に窒化けい素基板にクラックが発生しないこ
とを特徴とする窒化けい素回路基板。
3. The method according to claim 1, wherein the conversion of the rare earth element to oxide is 1.0 to 1.0.
17.5% by weight, composed of a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, wherein the ratio of the crystalline compound phase in the grain boundary phase to the entire grain boundary phase is 20% or more, and the thermal conductivity is 60 W / m · k or more, and a silicon nitride circuit board comprising a metal plate bonded to the high thermal conductivity silicon nitride substrate, wherein the high thermal conductivity silicon nitride A groove is formed inside the outer peripheral edge on the side opposite to the bonding surface with the silicon substrate, and cracks are formed in the silicon nitride substrate when 100 cycles of the thermal cycle test are performed on the silicon nitride circuit board. A silicon nitride circuit board characterized by not generating.
【請求項4】 高熱伝導性窒化けい素基板は、窒化けい
素結晶相および粒界相から構成され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50
%以上であることを特徴とする請求項3記載の窒化けい
素回路基板。
4. The high thermal conductive silicon nitride substrate is composed of a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, and the ratio of the crystalline compound phase in the grain boundary phase to the entire grain boundary phase is 50.
5% or more.
【請求項5】 前記溝は、前記金属板の外周縁部に沿っ
て直線状に形成されていることを特徴とする請求項1ま
たは3記載の窒化けい素回路基板。
5. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein said groove is formed linearly along an outer peripheral edge of said metal plate.
【請求項6】 前記溝は、プレス加工により形成された
溝であることを特徴とする請求項1または3記載の窒化
けい素回路基板。
6. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein said groove is a groove formed by press working.
【請求項7】 溝の幅が0.2〜1.0mmの範囲であ
ることを特徴とする請求項1または3記載の窒化けい素
回路基板。
7. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein the width of the groove is in the range of 0.2 to 1.0 mm.
【請求項8】 前記溝は不連続に形成されていることを
特徴とする請求項3記載の窒化けい素回路基板。
8. The silicon nitride circuit board according to claim 3, wherein said grooves are formed discontinuously.
【請求項9】 前記不連続な溝は、前記金属板の外周縁
部に沿って直線状に形成されていることを特徴とする請
求項8記載の窒化けい素回路基板。
9. The silicon nitride circuit board according to claim 8, wherein said discontinuous groove is formed linearly along an outer peripheral edge of said metal plate.
【請求項10】 前記不連続な溝は、プレス加工により
形成された溝であることを特徴する請求項8記載の窒化
けい素回路基板。
10. The silicon nitride circuit board according to claim 8, wherein said discontinuous groove is a groove formed by press working.
【請求項11】 不連続な溝の幅が0.1〜1.0mm
の範囲であることを特徴とする請求項8記載の窒化けい
素回路基板。
11. The discontinuous groove has a width of 0.1 to 1.0 mm.
9. The silicon nitride circuit board according to claim 8, wherein:
【請求項12】 前記不連続な溝の長さをL、近接す
る前記不連続な溝間の最短距離をLとしたとき、1/
10L≦L≦1/2Lを満足することを特徴とす
る請求項8記載の窒化けい素回路基板。
12. When the length of the discontinuous groove is L 0 , and the shortest distance between adjacent discontinuous grooves is L 1 ,
9. The silicon nitride circuit board according to claim 8, wherein 10L 0 ≤L 1 ≤1 / 2L 0 is satisfied.
【請求項13】 希土類元素を酸化物に換算して1.0
〜17.5重量%含有し、窒化けい素結晶相および粒界
相から構成され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%以上であり、熱伝
導率が60W/m・k以上である高熱伝導性窒化けい素
基板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に接合された金
属板とを具備する窒化けい素回路基板において、前記金
属板の前記高熱伝導性窒化けい素基板との接合面と反対
面側の外周縁部内側に、複数の孔が形成されており、こ
の窒化けい素回路基板に対して熱サイクル試験を100
サイクル実施した際に窒化けい素基板にクラックが発生
しないことを特徴とする窒化けい素回路基板。
13. Conversion of rare earth elements to oxides is 1.0
-17.5% by weight, comprising a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, wherein the ratio of the crystalline compound phase to the entire grain boundary phase in the grain boundary phase is 20% or more, and the thermal conductivity is 60 W / M · k or more, a silicon nitride circuit board comprising: a high thermal conductive silicon nitride substrate; and a metal plate bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate. A plurality of holes are formed inside the outer peripheral edge on the side opposite to the bonding surface with the silicon substrate, and a thermal cycle test is performed on this silicon nitride circuit board.
A silicon nitride circuit board, wherein cracks do not occur in the silicon nitride board when the cycle is performed.
【請求項14】 前記複数の孔は、前記金属板の外周縁
部に沿って所定の間隔で直線状に形成されていることを
特徴とする請求項13記載の窒化けい素回路基板。
14. The silicon nitride circuit board according to claim 13, wherein the plurality of holes are formed linearly at predetermined intervals along an outer peripheral edge of the metal plate.
【請求項15】 前記複数の孔は、非貫通孔であること
を特徴とする請求項13記載の窒化けい素回路基板。
15. The silicon nitride circuit board according to claim 13, wherein the plurality of holes are non-through holes.
【請求項16】 前記複数の孔は、貫通孔であることを
特徴とする請求項13記載の窒化けい素回路基板。
16. The silicon nitride circuit board according to claim 13, wherein said plurality of holes are through holes.
【請求項17】 前記複数の孔は、プレス加工により形
成された孔であることを特徴とする請求項13記載の窒
化けい素回路基板。
17. The silicon nitride circuit board according to claim 13, wherein said plurality of holes are holes formed by press working.
【請求項18】 隣接する前記孔間の最短距離をL
隣接する孔の中心間距離をLとしたとき、1/5L
≦L≦1/2Lを満足することを特徴とする請求項
13記載の窒化けい素回路基板。
18. The shortest distance between adjacent holes is L 3 ,
When the distance between the centers of adjacent holes was L 4, 1 / 5L 4
≦ L 3 ≦ 1 / 2L 4 silicon nitride circuit board according to claim 13, characterized by satisfying the.
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