JP4348659B2

JP4348659B2 - 高熱伝導窒化ケイ素質焼結体およびそれを用いた基板、半導体素子用回路基板

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Publication number: JP4348659B2
Application number: JP17750699A
Authority: JP
Inventors: 寿之今村; 昌久祖父江; 宏福沢
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2019-06-23
Also published as: JP2001010864A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い強度と熱伝導率を有する窒化ケイ素質焼結体に関するものであり、半導体用基板、発熱素子用ヒ−トシンク等の電子部品用部材や、一般機械器具用部材、溶融金属用部材、熱機関用部材等の構造用部材として好適な窒化ケイ素質焼結体である。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ケイ素質焼結体は、高温強度特性、耐摩耗性等の機械的特性に加え、耐熱性、低熱膨張性、耐熱衝撃性、金属に対する耐食性に優れているので、従来からガスタ−ビン用部材、エンジン用部材、製鋼用機械部材、溶融金属の耐溶部材等の各種構造用部材に用いられている。また、高い絶縁性を利用して電気絶縁材料として使用されている。
【０００３】
近年、高周波トランジスタ、パワーＩＣ等の発熱量の大きい半導体素子の発展に伴い、電気絶縁性に加えて放熱特性を得ることができるように高い熱伝導率を有するセラミックス基板の需要が増加している。このようなセラミックス基板として、窒化アルミニウム基板が用いられているが、機械的強度や破壊靭性等が低く、基板ユニットの組立て工程での締め付けによって割れを生じたり、また、シリコン（Ｓｉ）半導体素子を実装した回路基板では、Ｓｉ金属と基板との熱膨張差が大きいため、熱サイクルにより窒化アルミニウム基板にクラックや割れを招いて実装信頼性が低下するという問題がある。
【０００４】
そこで、窒化アルミニウム基板より熱伝導率は劣るものの、熱膨張率がＳｉに近似すると共に、機械的強度、破壊靭性、耐熱疲労特性に優れる高熱伝導窒化ケイ素質焼結体からなる基板が注目され、種々の提案が行われている。
【０００５】
例えば、特開平４−１７５２６８号には、実質的に窒化ケイ素からなり、不純物として含有されるアルミニウム（Ａｌ）および酸素（Ｏ）が共に３．５重量％以下であり、密度が３．１５ｇ／ｃｍ3以上であって、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する窒化ケイ素焼結体が記載されている。
【０００６】
また、特開平９−３０８６６号には、８５〜９９重量％のβ型窒化ケイ素粒と残部が酸化物または酸窒化物の粒界相とから構成され、粒界相中にＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂのうちから選ばれる１種または２種以上の金属元素を０．５〜１０重量％含有すると共に、粒界相中のＡｌ原子含有量が１重量％以下であり、気孔率が５％以下でかつβ型窒化ケイ素粒のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合が１０〜６０体積％である窒化ケイ素質焼結体が記載されている。
【０００７】
また、日本セラミックス協会１９９６年年会講演予稿集１Ｇ１１、同１Ｇ１２、特開平１０−１９４８４２号には、原料粉末に柱状の窒化ケイ素粒子またはウイスカーを予め添加し、ドクターブレード法あるいは押出成形法を用いて、この粒子を２次元的に配向させた成形体を得た後、焼成することにより熱伝導に異方性を付与して特定方向の熱伝導率を高めた窒化ケイ素質焼結体が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の特開平４−１７５２６８号では、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率が得られているが、なお一層熱伝導率を高めるとともに機械的強度に優れる材料が望まれているという課題がある。また、特開平９−３０８６６号、特開平１０−１９４８４２号等では、窒化ケイ素質焼結体中に巨大な柱状粒子を得るために、成長核となる種結晶あるいはウィスカ−を予め添加した上に、２０００℃以上、１００気圧以上の窒素雰囲気下の高温・高圧での焼成が不可欠である。したがって、ホットプレスあるいはＨＩＰ等の特殊な高温・高圧設備が必要となり経済的な負担がかかる問題がある。また、窒化ケイ素粒子を配向させた成形体を得るための成形プロセスが複雑であるため、生産性ならびに量産性が著しく低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような課題に対処してなされたものであり、種結晶あるいはウィスカ−を添加することなく２０００℃以上、１００気圧以上での高温・高圧焼成といったコストの高い焼成法を必要とせず、機械的強度に優れるとともに、熱伝導の方向に異方性を持たず、かつなお一層熱伝導率を高めた高熱伝導窒化ケイ素質焼結体を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記の目的を達成するため、窒化ケイ素質焼結体中の不純物元素であり熱伝導率低下の要因となるアルミニウム（Ａｌ）および酸素（Ｏ）の含有量を厳選することにより７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率が安定して得られ、焼結体中の窒化ケイ素粒子の性状を特定することにより十分な曲げ強度が得られることを見出した。また、炭素（Ｃ）の含有量が熱伝導率に影響を及ぼすことを確認し、Ｃ含有量を最適化することにより、さらに、焼結助剤をＭｇＯ基として焼結性を向上させ周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）の酸化物を特定範囲に含有させることにより一層熱伝導率を高められることを見出し、本発明に至った。
【００１１】
すなわち、本発明の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体は、酸素含有量が０．３〜１．５ｗｔ％である窒化ケイ素粉末に、マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算して、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂのうち少なくとも１種を酸化物（ＲＥxＯy）換算して、その合計量が０．６〜７．０ｗｔ％、ＭｇＯ／ＲＥxＯyで表される重量比が１〜７０の割合で焼結助剤を含有させて焼結したものであって、窒化ケイ素粒子とその周囲の粒界相からなり、前記窒化ケイ素粒子と粒界相に不純物として含まれるアルミニウム（Ａｌ）が０．１ｗｔ％以下、前記窒化ケイ素粒子と粒界相に含まれる酸素（Ｏ）が２．５ｗｔ％以下となし、β型窒化ケイ素粒子のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合が、１０体積％未満、且つ前記β型窒化ケイ素粒子のアスペクト比が１５以下であり、常温における熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、常温における４点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体において、炭素（Ｃ）が２．０ｗｔ％以下含有されることが望ましい。また、高熱伝導窒化ケイ素質焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合が１０体積％未満であること、焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のアスペクト比が１５以下であることが望ましい。
【００１５】
上記本発明の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体においては、窒化ケイ素粒子相とその周囲の粒界相とから構成される。含有される酸素（Ｏ）は、これら２相にそれぞれ含有されるが、窒化ケイ素粒子中の酸素含有量は少ない程望ましく、具体的には０．６ｗｔ％以下、さらに望ましくは０．３ｗｔ％以下が望ましい。
【００１６】
さらに、マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算して、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）を酸化物（ＲＥxＯy）換算して、その合計量が０．６〜７．０ｗｔ％の割合で含有すること、およびＭｇＯ／ＲＥxＯyで表される重量比が１〜７０の割合で含有することが好ましい。ここで、周期律表第３ａ族元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等が挙げられる。さらにはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂであることが望ましい。
【００１７】
【作用】
窒化ケイ素質焼結体において不純物として存在する異種イオン、特にアルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）はフォノン散乱源となり熱伝導率を低減させる。
【００１８】
窒化ケイ素質焼結体は、窒化ケイ素粒子相とその周囲の粒界相とから構成され、アルミニウムおよび酸素は、これら２相にそれぞれ含有される。アルミニウムは窒化ケイ素の構成元素であるＳｉのイオン半径に近いため窒化ケイ素粒子内に容易に固溶する。よって窒化ケイ素粒子自身の熱伝導率が低下し、結果として焼結体の熱伝導率は著しく低下する。
【００１９】
また、酸素は焼結助剤として主に酸化物を添加するため、その多くは粒界相成分として存在する。焼結体の高熱伝導化を達成するには、主相の窒化ケイ素粒子に比して熱伝導率が低い粒界相の量を低減することが肝要であり、焼結助剤成分の添加量を相対密度８５％以上の焼結体が得られる量を最小限とし、酸素量を低減させることが必要である。ここで焼結助剤をＭｇＯ基とした場合、その焼結性は他の酸化物を用いた場合よりも優れるため助剤量をより少なくすることが可能となる。これに加えて、含有酸素量が少ない窒化ケイ素粉末を原料とした場合も、粒界相成分に含まれる酸素量が低減でき、これにより粒界相量が減少することになり焼結体の高熱伝導化が達成される。含有酸素量の少ない窒化ケイ素粉末を使用する場合、焼成過程で生成するＳｉＯ₂成分が減少し難焼結性となるが、焼結助剤をＭｇＯ基とすることにより緻密質の焼結体を得ることができる。いずれの場合においても焼結体中の酸素量を低下することによって低熱伝導相である粒界相量を低減させ、熱伝導率を飛躍的に向上させることが可能である。したがって７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を得るためには、窒化ケイ素質焼結体中のアルミニウム（Ａｌ）が０．２ｗｔ％以下かつ酸素（Ｏ）が３．０ｗｔ％以下であることが必要不可欠である。
【００２０】
また、窒化ケイ素質焼結体中の炭素（Ｃ）含有量が２．０ｗｔ％を超えると、焼結阻害により密度が低下し、かつ部分的な黒化が顕著となり均一な色調が得られず外観の品質が劣化する。しかしながら、成形体中にある程度Ｃが残留していることが焼結体中の酸素量を低減させるのに有効である。すなわち、残留している少量のＣは、焼結過程において窒化ケイ素原料中の酸素や焼結助剤の酸化物として存在する酸素を還元してＣＯガスやＣＯ2ガスとして除去する作用があり、結果として焼結体中の酸素が低減し、Ｃ自身も脱酸素過程で消費される。このため焼結体中ではこれらＣやＯの含有量を飛躍的に低減することができ熱伝導率を向上させ得る。焼結体中のＣ含有量は好ましくは０．５ｗｔ％以下、より好ましくは０．３ｗｔ％以下である。
【００２１】
窒化ケイ素質焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合が、１０体積％以上では、焼結体の熱伝導率は向上するものの、組織中に導入された粗大粒子が破壊の起点として作用するため破壊強度が著しく低下し、６００ＭＰａ以上の曲げ強度が得られない。また、β型窒化ケイ素粒子のアスペクト比が１５を超えると６００ＭＰａ以上の曲げ強度を得られない。好ましいアスペクト比は１０以下である。また、好ましい曲げ強度は７００ＭＰａ以上である。
【００２２】
窒化ケイ素粒子内に含有される酸素は、この部分で熱伝導媒体であるフォノンの散乱を起し、窒化ケイ素粒子自身、ひいては窒化ケイ素質焼結体の熱伝導率を低下させる。したがって、粒子内に含有される酸素は少ない程望ましく、具体的には０．５ｗｔ％以下、さらに好ましくは０．３ｗｔ％以下が望ましい。
【００２３】
マグネシウムおよび周期律表第３ａ族元素のイットリウム（Ｙ）は、焼結助剤として用いられ、窒化ケイ素原料粉末の緻密化に有効である。これらの元素は、窒化ケイ素質焼結体を構成する第１ミクロ組織成分である窒化ケイ素結晶に対する固溶度が小さいので、窒化ケイ素結晶、ひいては窒化ケイ素質焼結体の熱伝導率を高い水準に保つことができる。
【００２４】
イットリウム同様に窒化ケイ素結晶に対する固溶度が小さく、焼結助剤として作用する元素には、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の希土類元素が挙げられ、なかでも温度、圧力が高くなり過ぎずに焼成ができる点でＬａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂが好ましい。
【００２５】
マグネシウムを酸化マグネシウム換算して、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算して、その合計量が０．６ｗｔ％未満では、焼結時の緻密化作用が不十分となり、相対密度が９５％未満となり好ましくない。一方７．０ｗｔ％を超えると、窒化ケイ素質焼結体の第２のミクロ組織成分である熱伝導率の低い粒界相の量が過剰となり、焼結体の熱伝導率が７０W／（ｍ・Ｋ）未満となる。これらの酸化物は合計量で０．６〜４．０ｗｔ％含有することがより好ましい。なお、周期律表第３ａ族元素は１種または２種以上添加することができる。
【００２６】
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、周期律表第３ａ族元素の酸化物（ＲＥxＯy）の重量比ＭｇＯ／ＲＥxＯyが１未満では、粒界ガラス相中の希土類酸化物の割合が増大するため焼結過程で液相線温度が上昇し難焼結性となり緻密な焼結体が得られない。また、ＭｇＯ／ＲＥxＯyが７０を超えると焼成時におけるＭｇの拡散を抑制することができず焼結体表面に色むらを生じる。ＭｇＯ／ＲＥxＯyが１〜７０の範囲にある場合、１６５０〜１８５０℃の焼結温度で成形体を予備焼成した後、１８５０〜１９００℃の熱処理を加えると、高熱伝導化の効果が著しく１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えるものが得られる。
【００２７】
本発明の窒化ケイ素質焼結体からなる基板は、高強度・高靭性ならびに高熱伝導率の特性を生かして、パワ−半導体用基板、マルチチップモジュ−ル用基板などの各種基板、あるいはペルチェ素子用熱伝板、各種発熱素子用ヒ−トシンクなどの電子部品用部材に好適である。
【００２８】
本発明材を半導体素子用基板に適用した場合、半導体素子の作動に伴う繰り返しの熱サイクルによって基板にクラックが発生することが少なく、耐熱衝撃性ならびに耐熱サイクル性が著しく向上し、耐久性ならびに信頼性に優れたものとなる。また、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でも、熱抵抗特性の劣化が少なく、優れた放熱特性を発揮する。さらに、優れた機械的特性により本来の基板材料としての機能だけでなく、それ自体が構造部材を兼ねることができるため、基板ユニット自体の構造を簡略化できる。
【００２９】
また、本発明の窒化ケイ素質焼結体は、上述の電子部品用部材以外に熱衝撃および熱疲労の耐熱抵抗特性が要求される材料に幅広く利用できる。構造用部材として、各種の熱交換器部品や熱機関用部品、アルミニウムや亜鉛等の金属溶解の分野で用いられるヒーターチューブ、ストークス、ダイカストスリーブ、溶湯攪拌用プロペラ、ラドル、熱電対保護管等に適用できる。また、アルミニウム、亜鉛等の溶融金属めっきラインで用いられるシンクロール、サポートロール、軸受、軸等に適用することにより、急激な加熱や冷却に対して割れづらい部材となり得る。また、鉄鋼あるいは非鉄の加工分野では、圧延ロール、スキーズロール、ガイドローラ、線引きダイス、工具用チップ等に用いれば、被加工物との接触時の放熱性が良好なため、耐熱疲労性および耐熱衝撃性を改善することができ、これにより摩耗が少なく、熱応力割れを生じにくくできる。
【００３０】
さらに、スパッタターゲット部材にも適用でき、例えば磁気記録装置のＭＲヘッドやＧＭＲヘッドなどの用いられる電気絶縁膜や、熱転写プリンターのサーマルヘッドなどに用いられる耐摩耗性皮膜の形成に好適である。スパッタして得られる被膜は、本質的に高熱伝導特性を持つとともに、スパッタレートも十分高くでき、被膜の電気的絶縁耐圧が高いものとなる。このため、このスパッタターゲットで形成したＭＲヘッドやＧＭＲヘッド用の電気絶縁性被膜は、高熱伝導ならびに高耐電圧の特性を有するので、素子の高発熱密度化や絶縁性被膜の薄膜化が図れる。また、このスパッタターゲットで形成したサ−マルヘッド用の耐摩耗性被膜は、窒化ケイ素本来の特性により耐摩耗性が良好であることはもとより、高熱伝導性のため熱抵抗が小さくできるので印字速度を高めることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
第１の実施例
酸素含有量が０．３〜１．５ｗｔ％で、平均粒径０．５μｍの窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末に、焼結助剤として、平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末、平均粒径０．２〜２．０μｍの希土類酸化物粉末の中から選ばれる１種ないし２種の焼結助剤用粉末の所定量を添加し、適量の分散剤を加えエタノール中で粉砕、混合した。ついで、真空乾燥後、篩を通して造粒し、プレス機により直径２０ｍｍ×厚さ１０ｍｍおよび直径１００ｍｍ×厚さ１５ｍｍのディスク状の成形体を作製し、これを１７５０〜１９００℃、９気圧の窒素ガス雰囲気中で５時間焼成した。
【００３２】
得られた窒化ケイ素質焼結体から、直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率および密度測定用の試験片、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの４点曲げ試験片を採取した。密度はマイクロメ−タによる寸法測定と重量測定の結果から求めた。熱伝導率はレーザーフラッシュ法により常温での比熱および熱拡散率を測定し熱伝導率を算出した。４点曲げ強度は常温にてＪＩＳＲ１６０６に準拠して測定を行った。
【００３３】
窒化ケイ素粒子の体積％は、焼結体をフッ化水素酸にて粒界ガラス相を溶出することにより、窒化ケイ素粒子を個々に取り出しＳＥＭ観察して求めた。本発明では、面積％の値を体積％として評価した。窒化ケイ素質焼結体中のアルミニウム（Ａｌ）含有量は誘導プラズマ発光分析法（略称ＩＣＰ法）により、酸素（Ｏ）および炭素（Ｃ）含有量は赤外線吸収法により測定した。
【００３４】
本実施例に係わる結果を表１および表２に示す。なお、試料Ｎｏ．３、５〜１１は本発明例であり、試料Ｎｏ．１、２、４と３１〜３６は比較例である。なお、表２中の「ＸＸ」は焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合（体積％）を示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
表１および表２の試料Ｎｏ．１〜１１の結果から、窒化ケイ素質焼結体中のアルミニウム（Ａｌ）が０．２ｗｔ％以下でかつ酸素（Ｏ）が３．０ｗｔ％以下含有するものは、常温における熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、常温における４点曲げ強度が６００ＭＰａ以上が得られた。また、本発明例の試料Ｎｏ．３、５〜１１の結果から、Ａｌが０．１ｗｔ％以下、Ｏが２．５ｗｔ％以下含有するものは、熱伝導率１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が得られた。さらに、Ａｌが０．０５ｗｔ％以下、Ｏが２．２ｗｔ％以下含有するものは、熱伝導率１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が得られた。従来技術の熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のレベルに比べると、熱伝導率を飛躍的に高めることができた。
【００３８】
また、本発明例の試料Ｎｏ．３、５〜１１では、焼結助剤として、マグネシウムを酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算して、周期律表第３ａ族元素から選択したＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂのうち少なくとも１種を酸化物（ＲＥxＯy）換算して、その合計量が０．６〜７．０ｗｔ％、ＭｇＯ／ＲＥxＯyで表される重量比が１〜７０の割合で含有するものは、熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、４点曲げ強度が６００ＭＰａ以上を得られた。
【００３９】
また、比較例試料Ｎｏ．３１〜３６の結果から、窒化ケイ素質焼結体中のＡｌが０．２ｗｔ％を超えるもの、またＯが３．０ｗｔ％を超えるものは、常温における熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満となった。以上、常温における４点曲げ強度が６００ＭＰａ以上が得られた。
【００４０】
窒化ケイ素質焼結体中の炭素（Ｃ）が２．０ｗｔ％を超えると、熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満となった。さらに、窒化ケイ素質焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合が、１０体積％以上になると破壊強度は著しく低下し６００ＭＰａ以下の材料強度となった。
【００４１】
さらに、焼結助剤成分が０．６ｗｔ％未満では、焼結体の密度は低く、このため熱伝導率および曲げ強度は著しく低下した。また、焼結助剤成分が７．０ｗｔ％を超えると、焼成過程で充分なガラス相が生成するため焼結体の緻密化は達成されたが、その反面、低熱伝導相の増加により熱伝導率は６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に低減した。
【００４２】
第２の実施例
本発明の窒化ケイ素粉末に所定量の焼結助剤を添加した混合粉末を、アミン系の分散剤を所定量添加したトルエン・ブタノール溶液中に挿入し、樹脂製ポットならびに窒化ケイ素製ボールを用いて４８時間湿式混合した後、ポリビニル系の有機バインダーおよび可塑剤を加え、２４時間混合しシート成形用スラリーを得た。この成形用スラリーを調整後、ドクターブレード法によりグリーンシートを得た。ついで、グリーンシートを空気中４００〜６００℃で１〜２時間加熱して、予め添加していた有機バインダー成分を十分に除去し脱脂を行った。この脱脂体を窒素雰囲気、１８５０℃、５時間、９気圧の焼成を行った後、１９００℃、窒素雰囲気、２４時間、９気圧の熱処理を加え、窒化ケイ素質焼結体シートを得た。これに機械加工を施し寸法５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの半導体装置用の基板を製造した。
【００４３】
この窒化ケイ素質焼結体製基板を用いて図１に示すような回路基板を作製した。図１において、本発明例の回路基板１は窒化ケイ素質焼結体製基板２の表面に銅回路板３を、裏面に銅板４をろう材５により接合して構成される。この回路基板に対し、４点曲げ強度の評価および耐熱サイクル試験を行った。
【００４４】
本発明例の窒化ケイ素質焼結体製回路基板によれば、曲げ強度が６００ＭＰａ以上と大きく、回路基板の実装工程における締め付け割れが発生する頻度が抑制され、回路基板を使用した半導体装置の製造歩留まりを大幅に改善することが実証された。
【００４５】
耐熱サイクル試験は、−４０℃での冷却を２０分、室温での保持を１０分および１８０℃における加熱を２０分とする昇温・降温サイクルを１サイクルとし、これを繰り返し付与し、基板部にクラック等が発生するまでのサイクル数を測定した。結果、１０００サイクル経過後においても、窒化ケイ素質基板の割れや金属回路板の剥離はなく、優れた耐久性と信頼性を兼備することが確認された。また、１０００サイクル経過後においても耐電圧特性の低下は発生しなかった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の窒化ケイ素質焼結体は、本来有する高強度・高靭性に加えて高い熱伝導率が付与されるので、半導体素子用基板として用いた場合、半導体素子の作動に伴う繰り返しの熱サイクルによって基板にクラックが発生することが少なく、耐熱衝撃性ならびに耐熱サイクル性が著しく向上し、耐久性ならびに信頼性に優れた基板材料となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明例の窒化ケイ素質焼結体製回路基板の断面図を示す。
【符号の説明】
１回路基板、２基板、３銅回路板、４銅板、５ろう材

Claims

酸素含有量が０．３〜１．５ｗｔ％である窒化ケイ素粉末に、マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算して、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂのうち少なくとも１種を酸化物（ＲＥxＯy）換算して、その合計量が０．６〜７．０ｗｔ％、ＭｇＯ／ＲＥxＯyで表される重量比が１〜７０の割合で焼結助剤を含有させて焼結したものであって、窒化ケイ素粒子とその周囲の粒界相からなり、前記窒化ケイ素粒子と粒界相に不純物として含まれるアルミニウム（Ａｌ）が０．１ｗｔ％以下、前記窒化ケイ素粒子と粒界相に含まれる酸素（Ｏ）が２．５ｗｔ％以下となし、β型窒化ケイ素粒子のうち短軸径５μｍ以上を持つものの割合が、１０体積％未満、且つ前記β型窒化ケイ素粒子のアスペクト比が１５以下であり、常温における熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、常温における４点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする高熱伝導窒化ケイ素質焼結体。
前記窒化ケイ素粒子に含まれる酸素（Ｏ）は０．６ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体。
炭素（Ｃ）が２．０ｗｔ％以下含有されることを特徴とする請求項１または２に記載の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体。
１７５０〜１９００℃で焼結したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体。
請求項１〜４のいずれかに記載の高熱伝導窒化ケイ素質焼結体からなることを特徴とする基板。
請求項５に記載の基板の表面に銅回路板を接合し、裏面に銅板を接合してなることを特徴とする半導体素子用回路基板。