JP4772187B2 - ＡｌＮ焼結体およびこれを用いたＡｌＮ回路基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度・高集積化した半導体素子を搭載するパワーモジュール用の基板または熱電モジュール用の基板であって、優れた放熱性を有するＡｌＮ焼結体およびこれを用いたＡｌＮ回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱電モジュール用基板としてセラミック基板が適用されている。このセラミック基板の材料として、熱伝導率および機械的強度の両特性に優れたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体，熱伝導率が１００〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のＡｌＮ焼結体，ＢｅＯ焼結体，ＳｉＣ焼結体などが用いられている。
【０００３】
近年、熱電モジュール用基板には、より一層高い放熱性が要求されている。しかし、上述したＡｌ２Ｏ３焼結体またはＡｌＮ焼結体では、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり放熱性を満足するものではなく、また、ＢｅＯ焼結体およびＳｉＣ焼結体などは、それぞれ毒性および電気絶縁性の点で問題を有していた。
【０００４】
一方、パワーモジュール用基板としてもセラミック基板が適用されており、このセラミック基板の材料として、高い熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体，ＳｉＣ焼結体，Ｓｉ３Ｎ４焼結体などが使用されている。
【０００５】
そして、近年、半導体素子はより一層、高集積化，高速化，大チップ化されているため、使用時の半導体素子からの発熱が増加して温度上昇する傾向にある。このため、基板材料の特性として、半導体素子から発生する熱を外部に効率良く放熱できる高い放熱性が要求される。このため、高熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体が主に実用化されている。
【０００６】
ところで、セラミック焼結体の熱伝導は、主に熱が格子の振動を介して伝播するフォノン（格子振動）によるものである。このため、セラミックス焼結体中に存在する粒界はフォノンの伝播を妨げてしまい、熱伝導率の低下を招く原因となる。
【０００７】
ＡｌＮ焼結体では焼結助剤からなる粒界相が存在するが、粒界相を形成する焼結助剤を使用せずに形成したＡｌＮ焼結体や、焼結助剤からなる粒界層を実質的に排除したＡｌＮ焼結体とすることで、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度としたＡｌＮ焼結体が開発されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなＡｌＮ焼結体は、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができるが、ＡｌＮ焼結体自体の強度が十分ではなかった。詳述すると、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるＡｌＮ焼結体は、熱伝導率を高くすることのみに着目したものであるため、粒界相を低減してＡｌＮ結晶粒子のサイズを平均粒径５μｍ以上と大きくしたものであり、また、ＡｌＮ結晶粒子のサイズはそれぞれ異なっておりばらつきが極めて大きかった。従って、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体は、回路基板に要求される強度特性を満足するものではなかった。
【０００９】
また、ＡｌＮ焼結体を回路基板として用いる場合、ＡｌＮ焼結体から成るＡｌＮ基板上に金属回路部を形成する必要がある。この時、ＡｌＮ基板の表面が粗いと、ＡｌＮ基板と金属回路部とを接合する時に接合不良が生じてしまい接合強度（ピール強度）が低下してしまう。このため、ＡｌＮ基板を表面研磨して表面粗さを低減して、ＡｌＮ基板表面を平坦化することは必須であった。
【００１０】
特に、スパッタ法によりＡｌＮ基板上に金属回路部を薄膜形成する際には、ＡｌＮ基板表面の平坦度が要求され、具体的には、ＡｌＮ基板の表面粗さＲａを０．０１μｍ以下とする鏡面加工を施す必要があった。
【００１１】
しかし、上述した熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＡｌＮ焼結体からなるＡｌＮ基板に表面粗さＲａ０．０１μｍ以下とする鏡面加工を施すと、大きな脱粒痕が多量に生じ易かった。この理由は、ＡｌＮ結晶粒子のサイズが大きいため、一つのＡｌＮ結晶粒子が脱粒するだけで、例えば、最大径５μｍ以上の大きな脱粒痕が生じるからである。また、ＡｌＮ結晶粒子サイズが大きいため、単位面積当たりの結晶粒子を固定するための粒界相の割合が実質的に少なくなり脱粒が生じ易かった。特に、表面粗さＲａが０．０１μｍ以下となるような研磨加工を施すと脱粒痕が多くなる傾向にあり、このような大きな脱粒痕が多数あるとＡｌＮ基板表面の凹凸が大となり、金属回路部を形成する際に未接合部ができ易くなり接合不良が生じてしまうという問題を有していた。
【００１２】
さらに、接合部に接合強度のばらつきがあるＡｌＮ回路基板に、大電流を流すなどにより昇温・冷却の熱サイクルを繰り返すと、ＡｌＮ基板と金属回路部とは熱膨張率が異なることから、ＡｌＮ回路基板に不要な応力が発生してしまう。特に、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高くする場合には、当然ながらＡｌＮ基板に要求される放熱特性が高まり、熱サイクルが厳しくなる。このため、未接合部が亀裂発生部位となり、この未接合部を起点として次第にＡｌＮ基板と金属回路部とが剥離して耐熱サイクル特性が低下してしまうという問題を有していた。
【００１３】
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、高い放熱性を有し、かつ高強度を有するＡｌＮ焼結体を提供することを目的とする。
【００１４】
また、ＡｌＮ焼結体から形成されるＡｌＮ基板の研磨性を向上させて、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合強度を向上させて、これにより優れた耐熱サイクル特性を有するＡｌＮ回路基板および熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した目的を達成するために種々研究した結果、ＡｌＮ焼結体中におけるＡｌＮ粒子の粒径の大きさと、焼結助剤からなる粒界相の存在割合を調整することで、ＡｌＮ焼結体の放熱特性と強度特性との両特性の向上を図れることを見い出した。
【００１６】
すなわち、本発明に係るＡｌＮ焼結体は、平均粒径０．８μｍ以下かつ標準偏差２μｍ以下の窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム粉末が２〜１０質量％添加された原料粉末の焼成により得られたＡｌＮ焼結体であって、前記ＡｌＮ焼結体の表面で測定した直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１５〜３０個であり、前記ＡｌＮ焼結体の表面が表面粗さＲａが０．０１μｍ以下になるように鏡面加工された表面における単位面積５０μｍ×５０μｍあたりに含まれる最大径５μｍ以上の脱粒痕が５個以下であるとともに、この脱粒痕の最大径が１０μｍ以下であり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１７】
直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１４個以下では、ＡｌＮ結晶粒子の粒子サイズが大きく高い熱伝導性を有するが、ＡｌＮ焼結体の強度が低下してしまう。また、粒子サイズが大きいと表面粗さＲａが０．０１μｍ以下の鏡面加工を施した際に脱粒痕が所定数以上になり易く接合不良を生じてしまう。一方、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が３１個以上では、ＡｌＮ結晶粒子サイズが小さくなり熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが難しい。なお、本発明において、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子が１５〜３０個存在するということは、ＡｌＮ結晶粒子サイズが実質的にほぼ均一であることを示すものである。
【００１８】
従って、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数を１５〜３０個の範囲としてＡｌＮ結晶粒子サイズを均一とすることで、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とし、かつ３点曲げ強度を３００ＭＰａ以上として、高熱伝導性および高強度特性の両特性の向上を図れる。
【００１９】
また、上記のＡｌＮ焼結体において、表面粗さＲａが０．０１μｍ以下であり、その表面における単位面積５０μｍ×５０μｍあたりに含まれる最大径５μｍ以上の脱粒痕が５個以下であることが望ましい。
【００２０】
このようなＡｌＮ焼結体は、熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上を保ちつつ、適度な粒界相量を具備していることから脱粒が生じ難く、仮に脱粒が起きたとしても最大径５μｍ以上の脱粒痕は少なくて済む。つまり、熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＡｌＮ焼結体を研磨して表面粗さＲａを０．０１μｍ以下としたとき、最大径５μｍ以上の脱粒痕が単位面積５０μｍ×５０μｍ中に５個以下となる。また、最大径５μｍ以上の脱粒痕は、最も大きなものであっても１０μｍ以下である。
【００２１】
このようなＡｌＮ焼結体を回路基板に使用すると、大きな脱粒痕が少ないことから金属回路板を各種接合方法において接合した際に、接合面の未接合部を０．５％以下とすることができ、接合応力のばらつきを抑えることができる。この結果、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合強度（ピール強度）を５ｋＮ／ｍ以上とすることができる。
【００２２】
上記のＡｌＮ焼結体において、最大表面粗さＲｍａｘが０．０３μｍ以下であることが望ましく、さらに、３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００２３】
また、上記のＡｌＮ焼結体によりＡｌＮ基板を構成し、このＡｌＮ基板の少なくとも一方の面に金属回路部を形成したことを特徴とする。このようなＡｌＮ焼結体からなるＡｌＮ基板の少なくとも一方の面に金属回路部を形成することにより、高い接合強度を得られるだけでなく、接合応力のばらつきをも低減できることから、昇温・冷却の耐熱サイクル後のクラック発生を防止し、耐熱サイクル特性を向上することができる。
【００２４】
また、金属回路部が、ＡｌＮ基板に直接接合（ＤＢＣ、ＤＢＡ等），活性金属接合，Ａｌ系ろう材接合のいずれかにより接合された金属回路板であることが望ましく、また、金属回路部が、ＡｌＮ基板にスパッタ法により形成された金属回路薄膜であっても良い。
【００２５】
そして、このようなＡｌＮ回路基板において、ピール強度が５ｋＮ／ｍ以上であることが望ましい。
【００２６】
また、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるＡｌＮ焼結体によりＡｌＮ基板を構成し、このＡｌＮ基板の少なくとも一方の面に金属回路部を形成し、この金属回路部が熱電素子に接続するためのものであることが望ましい。
【００２７】
さらに、上述したようにＡｌＮ回路基板を熱電モジュール用の回路基板とすることが望ましい。
【００２８】
次に、ＡｌＮ焼結体の製造方法について説明する。製造方法は特に限定されるものではないが、例えば次のような方法が有効である。
【００２９】
平均粒径０．８μｍ以下（標準偏差２μｍ以下）とした窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に、焼結助剤を添加して原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行う。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後混合してスラリー化し、このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを作製する。そして、このＡｌＮグリーンシートを脱脂した後、不活性雰囲気中、１７００〜１８００℃で２〜５時間常圧焼成を行いＡｌＮ焼結体とする。
【００３０】
なお、焼結助剤としては酸化イットリウムや酸化イッテルビウムなどの希土類化合物、酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属化合物など様々なものが使用可能である。添加量は、２〜１０質量％（重量％と同じ）が好ましく、さらに好ましくは３〜６質量％である。焼結助剤の添加量が、２質量％未満では添加の効果が十分得られず緻密化が難しく熱伝導率および強度の向上が十分図れない。一方、１０質量％を超えると、粒界相量が多くなりすぎ高熱伝導化が図り難くなってしまうためである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＡｌＮ焼結体、これを用いたＡｌＮ回路基板および熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板について、図１および表１〜表４を用いて説明する。
【００３２】
第１実施形態（表１）
本実施形態では、以下に示す参考例１〜参考例４、比較例１および比較例２を用いて本発明のＡｌＮ焼結体について説明する。
【００３３】
参考例１〜参考例４，比較例１〜比較例２
平均粒径０．８μｍ以下（標準偏差２μｍ以下）とした窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９５質量％に、焼結助剤である酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末を５質量％添加して複数の原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを多数作製した。
【００３４】
上記各ＡｌＮグリーンシートを脱脂した後、不活性雰囲気中、１７００〜１８００℃で２〜５時間常圧焼成を行い、その後、表面粗さＲａが０．１μｍになるように研磨加工を施してＡｌＮ焼結体を作製した。
【００３５】
ＡｌＮ焼結体をＳＥＭ写真により２０００倍に拡大して、直線距離５０μｍに相当する直線（線径０．５ｍｍ）を引き、その直線上に存在するＡｌＮ結晶粒子の数をカウントした。また、ＡｌＮ結晶粒子の数の測定は、ＡｌＮ焼結体の表面２ヶ所、断面２ヶ所の合計４ヶ所を測定して、これらの平均値を算出したものである。なお、ＡｌＮ焼結体の表面ではＡｌＮ結晶粒子の大きさが判断し難いときには断面から４ヶ所選択するものとする。また、直線距離５０μｍ上のＡｌＮ粒子の数え方は、その直線上に触れるＡｌＮ結晶粒子はすべて１個としてカウントするものとする。
【００３６】
ＡｌＮ結晶粒子の数に応じて、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１５〜３０個の範囲にあるものを参考例１〜参考例４、ＡｌＮ結晶粒子数が少ないものを比較例１、ＡｌＮ結晶粒子数が多いものを比較例２とした。
【００３７】
上記参考例１〜参考例４、比較例１および比較例２のＡｌＮ焼結体から、長さ５０ｍｍ×幅３ｍｍ×高さ４ｍｍの試験片を作製して、熱伝導率および３点曲げ強度を測定した。
【００３８】
熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定した。また、３点曲げ強度は、ＪＩＳ−１６０１に準じた方法によりインストロンにて室温強度を求めた。その結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１に示したように、参考例１〜参考例４のＡｌＮ焼結体は、いずれも熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、３点曲げ強度は３００ＭＰａ以上であった。これに対し、比較例１では、２４０Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率を示したが３点曲げ強度は２２１ＭＰａと低い値を示していた。これは、直線距離５０μｍ中に存在するＡｌＮ結晶粒子数の少ないためにＡｌＮ結晶粒子の粒径が大となり熱伝導率が向上し、その一方で、焼結助剤により形成される粒界相の存在割合が低いため、ＡｌＮ焼結体の強度低下が生じたものであると考えられる。また、比較例２では、３点曲げ強度は高いが、熱伝導率は１７５Ｗ／ｍ・Ｋと低下していた。これは、直線距離５０μｍ中に存在するＡｌＮ結晶粒子数の多いためＡｌＮ結晶粒子の粒径が小さくなり、ＡｌＮ焼結体が緻密化され高い強度が得られたが、ＡｌＮ結晶粒子の粒径が小さく、かつ、焼結助剤からなる粒界相の存在により格子振動の効率が低下したものであると考えられる。
【００４１】
本実施形態によれば、ＡｌＮ焼結体の直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数を１５〜３０個の範囲とすることで、ＡｌＮ焼結体の結晶粒子径とＡｌＮ焼結体中に含まれる粒界相の存在割合を制御することにより、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の優れた放熱性を有し、かつ高強度のＡｌＮ焼結体を得られる。
【００４２】
第２実施形態（表２、表３）
本実施形態では、ＡｌＮ焼結体から成るＡｌＮ基板を作製し、このＡｌＮ基板上に金属回路部を形成し、接合強度および耐熱サイクル特性を調査した。
【００４３】
実施例１〜実施例１０，比較例３〜比較例６
平均粒径０．７μｍ以下（標準偏差２μｍ以下）のＡｌＮ粉末９５質量％に、平均粒径０．９μｍ以下の酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末を４質量％添加して複数の原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを多数作製した。
【００４４】
上記ＡｌＮグリーンシートを脱脂した後、不活性雰囲気中、１７００〜１８００℃で２〜５時間常圧焼成を行い、横５０ｍｍ×縦５０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板を複数作製した。
【００４５】
上記各ＡｌＮ基板をＳＥＭ写真により２０００倍に拡大して、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数を測定した。直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１５〜３０個の範囲にあるものを実施例１〜実施例４、ＡｌＮ結晶粒子数が多いものを比較例３とした。
【００４６】
そして、各ＡｌＮ基板の熱伝導率および３点曲げ強度を測定したところ、いずれも２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導性を示し、実施例１〜実施例４では、３点曲げ強度がいずれも３００ＭＰａ以上であった。
【００４７】
上記実施例１〜実施例４および比較例３の各ＡｌＮ基板に対してラップ研磨加工を施し、表面粗さＲａを０．０１μｍ以下とした。そして、ラップ研磨加工後に生じたＡｌＮ基板の研磨面の単位面積あたりにおける脱粒痕の数を測定した。
【００４８】
なお、脱粒痕の数は、以下のように測定した。まず、ＡｌＮ基板を研磨した研磨面における単位面積５０μｍ×５０μｍを任意の３ヶ所選びその中に存在する最大径５μｍ以上の脱粒痕の数を測定した。次に、この任意の３ヵ所において、単位面積あたりの脱粒痕の数を測定した。そして脱粒痕の数の平均を算出して、その結果を脱粒痕の数として表２に示した。また、脱粒痕の数を測定する際に、最大径５μｍ以上の脱粒痕のうち最も大きな脱粒痕のサイズを測定し、表２に示した。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２に示したように、実施例１〜実施例４のＡｌＮ基板を研磨加工して表面粗さＲａを０．０１μｍ以下としても、最大径５μｍ以上の大きな脱粒痕は５個以下であり、各脱粒痕の最大サイズを１０μｍ以下に抑えることができた。
【００５１】
そして、上記実施例１、実施例３および比較例３の各ＡｌＮ基板上に金属回路部を形成して、実施例５〜実施例１２、比較例４〜比較例７の各種ＡｌＮ回路基板を作製した。
【００５２】
実施例５〜実施例８は、実施例１のＡｌＮ基板を用いたものである。
【００５３】
実施例５ではＤＢＣ法による直接接合法を用い、具体的には、ＡｌＮ基板の両面にＣｕ板を配し、窒素ガス雰囲気下、１０８０℃で３０分加熱してＡｌＮ回路基板を得た。
【００５４】
実施例６ではＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材による活性金属法を用い、質量比（重量比と同様）で、Ａｇ：Ｃｕ：Ｉｎ：Ｔｉ＝６１．９：２４．１：１０：４の活性金属ろう材ペースト（厚さ２０μｍ）をＡｌＮ基板上にスクリーン印刷して、乾燥後のぺースト上にＣｕ板を載置し、１×１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空中で７６０℃で２０分接合した。
【００５５】
実施例７ではＡｌ−Ｓｉ系ろう材によるろう材接合法として、Ｓｉを８質量％含有したＡｌ−Ｓｉろう材（厚さ２０μｍ）を介して銅板を積層し、１×１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空中で６５０℃で２０分接合することにより、ＡｌＮ基板の両面にＣｕ板を形成してＡｌＮ回路基板を作製した。
【００５６】
なお、表側のＣｕ板のサイズは、横２０ｍｍ×縦４０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍを２枚（間隔２ｍｍ）と統一し、裏側のＣｕ板のサイズは、横４５ｍｍ×縦４５ｍｍ×厚さ０．２ｍｍと統一した。
【００５７】
また、実施例８は、スパッタ法によりＡｌＮ基板上にＡｌＮ基板側からＴｉ薄膜（厚さ１００ｍｍ）／Ｐｔ薄膜（厚さ２００ｍｍ）／Ａｕ薄膜（厚さ５００ｍｍ）の３層薄膜を形成した。
【００５８】
さらに、実施例９〜実施例１２では実施例３のＡｌＮ基板を用い、比較例４〜比較例７では比較例３のＡｌＮ基板を用い、それぞれ表３に示す接合法を用いてＡｌＮ回路基板を作製した。
【００５９】
得られた実施例５〜実施例１２および比較例４〜比較例７の各ＡｌＮ回路基板に対して、ピール強度を測定し、耐熱サイクル特性を評価した。
【００６０】
ピール強度は、インストロンにより測定した。なお、ピール強度の測定として、直接接合法、活性金属接合法、ろう材接合法により銅板を接合したものは、この銅板の接合強度を測定した。スパッタ法により金属回路部を形成したものについては、前記３層薄膜上にＮｉメッキ（厚さ２μｍ）を設け、その上にＢＡｇ−８ろう材により銅板を接合し、ピール強度を測定した。
【００６１】
耐熱サイクル特性は、ＴＣＴ試験を実施して評価した。具体的には、ＡｌＮ回路基板に対して昇温・冷却の熱サイクルを１００回繰り返し、１００サイクル後にＡｌＮ回路基板の金属回路板を溶解除去して、ＡｌＮ基板上のクラック量を測定し指数ηで評価した。指数ηが１００％であると、ＡｌＮ基板上のクラックがなく、指数ηが０％であると、ＡｌＮ基板の全面にクラックが発生していることを示す。なお、１サイクルは、−４０℃×３０分→ＲＴ×１０分→１２５℃×３０分→ＲＴ×１０分とした。また、スパッタ法により金属回路部を設けたものについては、前記３層薄膜の状態でＴＣＴ試験を行った。
【００６２】
その結果を表３に示す。
【００６３】
【表３】
【００６４】
表３に示したように、実施例５〜実施例１２のＡｌＮ回路基板は、ピール強度および耐熱サイクル特性がいずれも優れていた。これに対し比較例４〜比較例７のＡｌＮ回路基板は、ピール強度および耐熱サイクル特性のいずれも実施例と比較して劣っていた。この理由は、ＡｌＮ基板上の研磨面に存在する脱粒痕の数が多くかつ脱粒痕自体が大きいために、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合不良が生じ、接合強度と耐熱サイクル特性が劣化したものと考えられる。
【００６５】
本実施形態によれば、ＡｌＮ基板を研磨した際に、研磨面における脱粒痕の数を低減できるため、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合不良を防止して接合強度を向上させることができる。また、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合強度を向上させることにより、耐熱サイクル特性の向上を図ることができる。
【００６６】
第３実施形態（表４，図１）
本実施形態では、熱電モジュール用のＡｌＮ回路基板を作製して、熱抵抗を測定した。
【００６７】
平均粒径０．８μｍ以下（標準偏差２μｍ以下）のＡｌＮ粉末９５質量％に、平均粒径０．９μｍ以下の酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末を５質量％添加して複数の原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを多数作製した。
【００６８】
上記ＡｌＮグリーンシートを脱脂した後、不活性雰囲気中、１７００〜１８００℃で２〜５時間常圧焼成を行い、横５０ｍｍ×縦５０ｍｍとし、厚さをそれぞれ表４に示す厚さとしたＡｌＮ基板を作製した。これらのＡｌＮ焼結体を参考例５〜参考例１１とした。これらの各ＡｌＮ焼結体の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定したところ、いずれも２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であった。
【００６９】
また、実施例１３〜実施例２０は、第２実施形態に示す実施例１および実施例３のＡｌＮ基板を用いたものである。
【００７０】
さらに、比較例８〜比較例１１は、Ａｌ２Ｏ３焼結体から形成されるＡｌ２Ｏ３基板を用いたものであり、比較例１２〜比較例１５は、Ｓｉ３Ｎ４焼結体から形成されるＳｉ３Ｎ４基板を用いたものである。
【００７１】
上記参考例５〜参考例１１、実施例１３〜実施例２０および比較例８〜比較例１０〜比較例１５の各ＡｌＮ基板上にＣｕ板（横４ｍｍ×縦２ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を４８枚（間隔１．５ｍｍ）接合して、熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板を作製した。なお、接合方法は、第２実施形態に示す方法と同様とした。この熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板の上面図を図１に示す。
【００７２】
図１に示すように、ＡｌＮ基板１上に複数個のＣｕ板２が接合されている。
【００７３】
上記各熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板に熱電素子をそれぞれはんだ付けし、その後、熱電素子を接合した面と、これと反対側の面との間の熱抵抗を過渡熱抵抗測定試験により測定した。その結果を表４に示す。
【００７４】
【表４】
【００７５】
表４に示したように、参考例５〜参考例１１、実施例１３〜実施例２０では、いずれも熱抵抗が０．１０℃／Ｗ以下と低い値となっており、放熱性が優れていることが判明した。一方、Ａｌ２Ｏ３焼結体から形成されるＡｌ２Ｏ３基板、Ｓｉ３Ｎ４焼結体から形成されるＳｉ３Ｎ４基板は、いずれも基板厚を０．３２０ｍｍと薄くしたにもかかわらず熱抵抗は０．１０を超えており、放熱性が低下していた。
【００７６】
本実施形態によれば、熱伝導性を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上としたＡｌＮ基板を熱電モジュール用回路基板に適用することで、放熱性を格段に向上することができ、その結果、熱電モジュールの小型化を図ることができる。
【００７７】
さらに、熱伝導率が高いため、基板厚さを大きくした場合であっても放熱性を得られることから、絶縁耐圧の点からも大きなパワーをかけることが可能となる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＡｌＮ焼結体によれば、放熱特性および強度特性の両特性を満足し、このＡｌＮ焼結体をＡｌＮ基板とすることにより、研磨性を向上させ、これにより接合強度および耐熱サイクル特性を改善でき、高信頼性のＡｌＮ回路基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を説明する図で、熱電モジュール用基板を示す上面図。
【符号の説明】
１ ＡｌＮ基板
２ Ｃｕ板
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度・高集積化した半導体素子を搭載するパワーモジュール用の基板または熱電モジュール用の基板であって、優れた放熱性を有するＡｌＮ焼結体およびこれを用いたＡｌＮ回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱電モジュール用基板としてセラミック基板が適用されている。このセラミック基板の材料として、熱伝導率および機械的強度の両特性に優れたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体，熱伝導率が１００〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のＡｌＮ焼結体，ＢｅＯ焼結体，ＳｉＣ焼結体などが用いられている。
【０００３】
近年、熱電モジュール用基板には、より一層高い放熱性が要求されている。しかし、上述したＡｌ２Ｏ３焼結体またはＡｌＮ焼結体では、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり放熱性を満足するものではなく、また、ＢｅＯ焼結体およびＳｉＣ焼結体などは、それぞれ毒性および電気絶縁性の点で問題を有していた。
【０００４】
一方、パワーモジュール用基板としてもセラミック基板が適用されており、このセラミック基板の材料として、高い熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体，ＳｉＣ焼結体，Ｓｉ３Ｎ４焼結体などが使用されている。
【０００５】
そして、近年、半導体素子はより一層、高集積化，高速化，大チップ化されているため、使用時の半導体素子からの発熱が増加して温度上昇する傾向にある。このため、基板材料の特性として、半導体素子から発生する熱を外部に効率良く放熱できる高い放熱性が要求される。このため、高熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体が主に実用化されている。
【０００６】
ところで、セラミック焼結体の熱伝導は、主に熱が格子の振動を介して伝播するフォノン（格子振動）によるものである。このため、セラミックス焼結体中に存在する粒界はフォノンの伝播を妨げてしまい、熱伝導率の低下を招く原因となる。
【０００７】
ＡｌＮ焼結体では焼結助剤からなる粒界相が存在するが、粒界相を形成する焼結助剤を使用せずに形成したＡｌＮ焼結体や、焼結助剤からなる粒界層を実質的に排除したＡｌＮ焼結体とすることで、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度としたＡｌＮ焼結体が開発されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなＡｌＮ焼結体は、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができるが、ＡｌＮ焼結体自体の強度が十分ではなかった。詳述すると、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるＡｌＮ焼結体は、熱伝導率を高くすることのみに着目したものであるため、粒界相を低減してＡｌＮ結晶粒子のサイズを平均粒径５μｍ以上と大きくしたものであり、また、ＡｌＮ結晶粒子のサイズはそれぞれ異なっておりばらつきが極めて大きかった。従って、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体は、回路基板に要求される強度特性を満足するものではなかった。
【０００９】
また、ＡｌＮ焼結体を回路基板として用いる場合、ＡｌＮ焼結体から成るＡｌＮ基板上に金属回路部を形成する必要がある。この時、ＡｌＮ基板の表面が粗いと、ＡｌＮ基板と金属回路部とを接合する時に接合不良が生じてしまい接合強度（ピール強度）が低下してしまう。このため、ＡｌＮ基板を表面研磨して表面粗さを低減して、ＡｌＮ基板表面を平坦化することは必須であった。
【００１０】
特に、スパッタ法によりＡｌＮ基板上に金属回路部を薄膜形成する際には、ＡｌＮ基板表面の平坦度が要求され、具体的には、ＡｌＮ基板の表面粗さＲａを０．０１μｍ以下とする鏡面加工を施す必要があった。
【００１１】
しかし、上述した熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＡｌＮ焼結体からなるＡｌＮ基板に表面粗さＲａ０．０１μｍ以下とする鏡面加工を施すと、大きな脱粒痕が多量に生じ易かった。この理由は、ＡｌＮ結晶粒子のサイズが大きいため、一つのＡｌＮ結晶粒子が脱粒するだけで、例えば、最大径５μｍ以上の大きな脱粒痕が生じるからである。また、ＡｌＮ結晶粒子サイズが大きいため、単位面積当たりの結晶粒子を固定するための粒界相の割合が実質的に少なくなり脱粒が生じ易かった。特に、表面粗さＲａが０．０１μｍ以下となるような研磨加工を施すと脱粒痕が多くなる傾向にあり、このような大きな脱粒痕が多数あるとＡｌＮ基板表面の凹凸が大となり、金属回路部を形成する際に未接合部ができ易くなり接合不良が生じてしまうという問題を有していた。
【００１２】
さらに、接合部に接合強度のばらつきがあるＡｌＮ回路基板に、大電流を流すなどにより昇温・冷却の熱サイクルを繰り返すと、ＡｌＮ基板と金属回路部とは熱膨張率が異なることから、ＡｌＮ回路基板に不要な応力が発生してしまう。特に、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高くする場合には、当然ながらＡｌＮ基板に要求される放熱特性が高まり、熱サイクルが厳しくなる。このため、未接合部が亀裂発生部位となり、この未接合部を起点として次第にＡｌＮ基板と金属回路部とが剥離して耐熱サイクル特性が低下してしまうという問題を有していた。
【００１３】
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、高い放熱性を有し、かつ高強度を有するＡｌＮ焼結体を提供することを目的とする。
【００１４】
また、ＡｌＮ焼結体から形成されるＡｌＮ基板の研磨性を向上させて、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合強度を向上させて、これにより優れた耐熱サイクル特性を有するＡｌＮ回路基板および熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した目的を達成するために種々研究した結果、ＡｌＮ焼結体中におけるＡｌＮ粒子の粒径の大きさと、焼結助剤からなる粒界相の存在割合を調整することで、ＡｌＮ焼結体の放熱特性と強度特性との両特性の向上を図れることを見い出した。
【００１６】
すなわち、本発明に係るＡｌＮ焼結体は、平均粒径０．８μｍ以下かつ標準偏差２μｍ以下の窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム粉末が２〜１０質量％添加された原料粉末の焼成により得られたＡｌＮ焼結体であって、前記ＡｌＮ焼結体の表面で測定した直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１５〜３０個であり、前記ＡｌＮ焼結体の表面が表面粗さＲａが０．０１μｍ以下になるように鏡面加工された表面における単位面積５０μｍ×５０μｍあたりに含まれる最大径５μｍ以上の脱粒痕が５個以下であるとともに、この脱粒痕の最大径が１０μｍ以下であり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１７】
直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１４個以下では、ＡｌＮ結晶粒子の粒子サイズが大きく高い熱伝導性を有するが、ＡｌＮ焼結体の強度が低下してしまう。また、粒子サイズが大きいと表面粗さＲａが０．０１μｍ以下の鏡面加工を施した際に脱粒痕が所定数以上になり易く接合不良を生じてしまう。一方、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が３１個以上では、ＡｌＮ結晶粒子サイズが小さくなり熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが難しい。なお、本発明において、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子が１５〜３０個存在するということは、ＡｌＮ結晶粒子サイズが実質的にほぼ均一であることを示すものである。
【００１８】
従って、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数を１５〜３０個の範囲としてＡｌＮ結晶粒子サイズを均一とすることで、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とし、かつ３点曲げ強度を３００ＭＰａ以上として、高熱伝導性および高強度特性の両特性の向上を図れる。
【００１９】
また、上記のＡｌＮ焼結体において、表面粗さＲａが０．０１μｍ以下であり、その表面における単位面積５０μｍ×５０μｍあたりに含まれる最大径５μｍ以上の脱粒痕が５個以下であることが望ましい。
【００２０】
このようなＡｌＮ焼結体は、熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上を保ちつつ、適度な粒界相量を具備していることから脱粒が生じ難く、仮に脱粒が起きたとしても最大径５μｍ以上の脱粒痕は少なくて済む。つまり、熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＡｌＮ焼結体を研磨して表面粗さＲａを０．０１μｍ以下としたとき、最大径５μｍ以上の脱粒痕が単位面積５０μｍ×５０μｍ中に５個以下となる。また、最大径５μｍ以上の脱粒痕は、最も大きなものであっても１０μｍ以下である。
【００２１】
このようなＡｌＮ焼結体を回路基板に使用すると、大きな脱粒痕が少ないことから金属回路板を各種接合方法において接合した際に、接合面の未接合部を０．５％以下とすることができ、接合応力のばらつきを抑えることができる。この結果、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合強度（ピール強度）を５ｋＮ／ｍ以上とすることができる。
【００２２】
上記のＡｌＮ焼結体において、最大表面粗さＲｍａｘが０．０３μｍ以下であることが望ましく、さらに、３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００２３】
また、上記のＡｌＮ焼結体によりＡｌＮ基板を構成し、このＡｌＮ基板の少なくとも一方の面に金属回路部を形成したことを特徴とする。このようなＡｌＮ焼結体からなるＡｌＮ基板の少なくとも一方の面に金属回路部を形成することにより、高い接合強度を得られるだけでなく、接合応力のばらつきをも低減できることから、昇温・冷却の耐熱サイクル後のクラック発生を防止し、耐熱サイクル特性を向上することができる。
【００２４】
また、金属回路部が、ＡｌＮ基板に直接接合（ＤＢＣ、ＤＢＡ等），活性金属接合，Ａｌ系ろう材接合のいずれかにより接合された金属回路板であることが望ましく、また、金属回路部が、ＡｌＮ基板にスパッタ法により形成された金属回路薄膜であっても良い。
【００２５】
そして、このようなＡｌＮ回路基板において、ピール強度が５ｋＮ／ｍ以上であることが望ましい。
【００２６】
また、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるＡｌＮ焼結体によりＡｌＮ基板を構成し、このＡｌＮ基板の少なくとも一方の面に金属回路部を形成し、この金属回路部が熱電素子に接続するためのものであることが望ましい。
【００２７】
さらに、上述したようにＡｌＮ回路基板を熱電モジュール用の回路基板とすることが望ましい。
【００２８】
次に、ＡｌＮ焼結体の製造方法について説明する。製造方法は特に限定されるものではないが、例えば次のような方法が有効である。
【００２９】
平均粒径０．８μｍ以下（標準偏差２μｍ以下）とした窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に、焼結助剤を添加して原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行う。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後混合してスラリー化し、このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを作製する。そして、このＡｌＮグリーンシートを脱脂した後、不活性雰囲気中、１７００〜１８００℃で２〜５時間常圧焼成を行いＡｌＮ焼結体とする。
【００３０】
なお、焼結助剤としては酸化イットリウムや酸化イッテルビウムなどの希土類化合物、酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属化合物など様々なものが使用可能である。添加量は、２〜１０質量％（重量％と同じ）が好ましく、さらに好ましくは３〜６質量％である。焼結助剤の添加量が、２質量％未満では添加の効果が十分得られず緻密化が難しく熱伝導率および強度の向上が十分図れない。一方、１０質量％を超えると、粒界相量が多くなりすぎ高熱伝導化が図り難くなってしまうためである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＡｌＮ焼結体、これを用いたＡｌＮ回路基板および熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板について、図１および表１〜表４を用いて説明する。
【００３２】
第１実施形態（表１）
本実施形態では、以下に示す参考例１〜参考例４、比較例１および比較例２を用いて本発明のＡｌＮ焼結体について説明する。
【００３３】
参考例１〜参考例４，比較例１〜比較例２
平均粒径０．８μｍ以下（標準偏差２μｍ以下）とした窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９５質量％に、焼結助剤である酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末を５質量％添加して複数の原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを多数作製した。
【００３４】
上記各ＡｌＮグリーンシートを脱脂した後、不活性雰囲気中、１７００〜１８００℃で２〜５時間常圧焼成を行い、その後、表面粗さＲａが０．１μｍになるように研磨加工を施してＡｌＮ焼結体を作製した。
【００３５】
ＡｌＮ焼結体をＳＥＭ写真により２０００倍に拡大して、直線距離５０μｍに相当する直線（線径０．５ｍｍ）を引き、その直線上に存在するＡｌＮ結晶粒子の数をカウントした。また、ＡｌＮ結晶粒子の数の測定は、ＡｌＮ焼結体の表面２ヶ所、断面２ヶ所の合計４ヶ所を測定して、これらの平均値を算出したものである。なお、ＡｌＮ焼結体の表面ではＡｌＮ結晶粒子の大きさが判断し難いときには断面から４ヶ所選択するものとする。また、直線距離５０μｍ上のＡｌＮ粒子の数え方は、その直線上に触れるＡｌＮ結晶粒子はすべて１個としてカウントするものとする。
【００３６】
ＡｌＮ結晶粒子の数に応じて、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１５〜３０個の範囲にあるものを参考例１〜参考例４、ＡｌＮ結晶粒子数が少ないものを比較例１、ＡｌＮ結晶粒子数が多いものを比較例２とした。
【００３７】
上記参考例１〜参考例４、比較例１および比較例２のＡｌＮ焼結体から、長さ５０ｍｍ×幅３ｍｍ×高さ４ｍｍの試験片を作製して、熱伝導率および３点曲げ強度を測定した。
【００３８】
熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定した。また、３点曲げ強度は、ＪＩＳ−１６０１に準じた方法によりインストロンにて室温強度を求めた。その結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
表１に示したように、参考例１〜参考例４のＡｌＮ焼結体は、いずれも熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、３点曲げ強度は３００ＭＰａ以上であった。これに対し、比較例１では、２４０Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率を示したが３点曲げ強度は２２１ＭＰａと低い値を示していた。これは、直線距離５０μｍ中に存在するＡｌＮ結晶粒子数の少ないためにＡｌＮ結晶粒子の粒径が大となり熱伝導率が向上し、その一方で、焼結助剤により形成される粒界相の存在割合が低いため、ＡｌＮ焼結体の強度低下が生じたものであると考えられる。また、比較例２では、３点曲げ強度は高いが、熱伝導率は１７５Ｗ／ｍ・Ｋと低下していた。これは、直線距離５０μｍ中に存在するＡｌＮ結晶粒子数の多いためＡｌＮ結晶粒子の粒径が小さくなり、ＡｌＮ焼結体が緻密化され高い強度が得られたが、ＡｌＮ結晶粒子の粒径が小さく、かつ、焼結助剤からなる粒界相の存在により格子振動の効率が低下したものであると考えられる。
【００４１】
本実施形態によれば、ＡｌＮ焼結体の直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数を１５〜３０個の範囲とすることで、ＡｌＮ焼結体の結晶粒子径とＡｌＮ焼結体中に含まれる粒界相の存在割合を制御することにより、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の優れた放熱性を有し、かつ高強度のＡｌＮ焼結体を得られる。
【００４２】
第２実施形態（表２、表３）
本実施形態では、ＡｌＮ焼結体から成るＡｌＮ基板を作製し、このＡｌＮ基板上に金属回路部を形成し、接合強度および耐熱サイクル特性を調査した。
【００４３】
実施例１〜実施例１０，比較例３〜比較例６
平均粒径０．７μｍ以下（標準偏差２μｍ以下）のＡｌＮ粉末９５質量％に、平均粒径０．９μｍ以下の酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末を４質量％添加して複数の原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを多数作製した。
【００４４】
上記ＡｌＮグリーンシートを脱脂した後、不活性雰囲気中、１７００〜１８００℃で２〜５時間常圧焼成を行い、横５０ｍｍ×縦５０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板を複数作製した。
【００４５】
上記各ＡｌＮ基板をＳＥＭ写真により２０００倍に拡大して、直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数を測定した。直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１５〜３０個の範囲にあるものを実施例１〜実施例４、ＡｌＮ結晶粒子数が多いものを比較例３とした。
【００４６】
そして、各ＡｌＮ基板の熱伝導率および３点曲げ強度を測定したところ、いずれも２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導性を示し、実施例１〜実施例４では、３点曲げ強度がいずれも３００ＭＰａ以上であった。
【００４７】
上記実施例１〜実施例４および比較例３の各ＡｌＮ基板に対してラップ研磨加工を施し、表面粗さＲａを０．０１μｍ以下とした。そして、ラップ研磨加工後に生じたＡｌＮ基板の研磨面の単位面積あたりにおける脱粒痕の数を測定した。
【００４８】
なお、脱粒痕の数は、以下のように測定した。まず、ＡｌＮ基板を研磨した研磨面における単位面積５０μｍ×５０μｍを任意の３ヶ所選びその中に存在する最大径５μｍ以上の脱粒痕の数を測定した。次に、この任意の３ヵ所において、単位面積あたりの脱粒痕の数を測定した。そして脱粒痕の数の平均を算出して、その結果を脱粒痕の数として表２に示した。また、脱粒痕の数を測定する際に、最大径５μｍ以上の脱粒痕のうち最も大きな脱粒痕のサイズを測定し、表２に示した。
【００４９】
【表２】
表２に示したように、実施例１〜実施例４のＡｌＮ基板を研磨加工して表面粗さＲａを０．０１μｍ以下としても、最大径５μｍ以上の大きな脱粒痕は５個以下であり、各脱粒痕の最大サイズを１０μｍ以下に抑えることができた。
【００５１】
そして、上記実施例１、実施例３および比較例３の各ＡｌＮ基板上に金属回路部を形成して、実施例５〜実施例１２、比較例４〜比較例７の各種ＡｌＮ回路基板を作製した。
【００５２】
実施例５〜実施例８は、実施例１のＡｌＮ基板を用いたものである。
【００５３】
実施例５ではＤＢＣ法による直接接合法を用い、具体的には、ＡｌＮ基板の両面にＣｕ板を配し、窒素ガス雰囲気下、１０８０℃で３０分加熱してＡｌＮ回路基板を得た。
【００５４】
実施例６ではＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材による活性金属法を用い、質量比（重量比と同様）で、Ａｇ：Ｃｕ：Ｉｎ：Ｔｉ＝６１．９：２４．１：１０：４の活性金属ろう材ペースト（厚さ２０μｍ）をＡｌＮ基板上にスクリーン印刷して、乾燥後のぺースト上にＣｕ板を載置し、１×１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空中で７６０℃で２０分接合した。
【００５５】
実施例７ではＡｌ−Ｓｉ系ろう材によるろう材接合法として、Ｓｉを８質量％含有したＡｌ−Ｓｉろう材（厚さ２０μｍ）を介して銅板を積層し、１×１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空中で６５０℃で２０分接合することにより、ＡｌＮ基板の両面にＣｕ板を形成してＡｌＮ回路基板を作製した。
【００５６】
なお、表側のＣｕ板のサイズは、横２０ｍｍ×縦４０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍを２枚（間隔２ｍｍ）と統一し、裏側のＣｕ板のサイズは、横４５ｍｍ×縦４５ｍｍ×厚さ０．２ｍｍと統一した。
【００５７】
また、実施例８は、スパッタ法によりＡｌＮ基板上にＡｌＮ基板側からＴｉ薄膜（厚さ１００ｍｍ）／Ｐｔ薄膜（厚さ２００ｍｍ）／Ａｕ薄膜（厚さ５００ｍｍ）の３層薄膜を形成した。
【００５８】
さらに、実施例９〜実施例１２では実施例３のＡｌＮ基板を用い、比較例４〜比較例７では比較例３のＡｌＮ基板を用い、それぞれ表３に示す接合法を用いてＡｌＮ回路基板を作製した。
【００５９】
得られた実施例５〜実施例１２および比較例４〜比較例７の各ＡｌＮ回路基板に対して、ピール強度を測定し、耐熱サイクル特性を評価した。
【００６０】
ピール強度は、インストロンにより測定した。なお、ピール強度の測定として、直接接合法、活性金属接合法、ろう材接合法により銅板を接合したものは、この銅板の接合強度を測定した。スパッタ法により金属回路部を形成したものについては、前記３層薄膜上にＮｉメッキ（厚さ２μｍ）を設け、その上にＢＡｇ−８ろう材により銅板を接合し、ピール強度を測定した。
【００６１】
耐熱サイクル特性は、ＴＣＴ試験を実施して評価した。具体的には、ＡｌＮ回路基板に対して昇温・冷却の熱サイクルを１００回繰り返し、１００サイクル後にＡｌＮ回路基板の金属回路板を溶解除去して、ＡｌＮ基板上のクラック量を測定し指数ηで評価した。指数ηが１００％であると、ＡｌＮ基板上のクラックがなく、指数ηが０％であると、ＡｌＮ基板の全面にクラックが発生していることを示す。なお、１サイクルは、−４０℃×３０分→ＲＴ×１０分→１２５℃×３０分→ＲＴ×１０分とした。また、スパッタ法により金属回路部を設けたものについては、前記３層薄膜の状態でＴＣＴ試験を行った。
【００６２】
その結果を表３に示す。
【００６３】
【表３】
表３に示したように、実施例５〜実施例１２のＡｌＮ回路基板は、ピール強度および耐熱サイクル特性がいずれも優れていた。これに対し比較例４〜比較例７のＡｌＮ回路基板は、ピール強度および耐熱サイクル特性のいずれも実施例と比較して劣っていた。この理由は、ＡｌＮ基板上の研磨面に存在する脱粒痕の数が多くかつ脱粒痕自体が大きいために、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合不良が生じ、接合強度と耐熱サイクル特性が劣化したものと考えられる。
【００６５】
本実施形態によれば、ＡｌＮ基板を研磨した際に、研磨面における脱粒痕の数を低減できるため、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合不良を防止して接合強度を向上させることができる。また、ＡｌＮ基板と金属回路部との接合強度を向上させることにより、耐熱サイクル特性の向上を図ることができる。
【００６６】
第３実施形態（表４，図１）
本実施形態では、熱電モジュール用のＡｌＮ回路基板を作製して、熱抵抗を測定した。
【００６７】
平均粒径０．８μｍ以下（標準偏差２μｍ以下）のＡｌＮ粉末９５質量％に、平均粒径０．９μｍ以下の酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末を５質量％添加して複数の原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを多数作製した。
【００６８】
上記ＡｌＮグリーンシートを脱脂した後、不活性雰囲気中、１７００〜１８００℃で２〜５時間常圧焼成を行い、横５０ｍｍ×縦５０ｍｍとし、厚さをそれぞれ表４に示す厚さとしたＡｌＮ基板を作製した。これらのＡｌＮ焼結体を参考例５〜参考例１１とした。これらの各ＡｌＮ焼結体の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定したところ、いずれも２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であった。
【００６９】
また、実施例１３〜実施例２０は、第２実施形態に示す実施例１および実施例３のＡｌＮ基板を用いたものである。
【００７０】
さらに、比較例８〜比較例１１は、Ａｌ２Ｏ３焼結体から形成されるＡｌ２Ｏ３基板を用いたものであり、比較例１２〜比較例１５は、Ｓｉ３Ｎ４焼結体から形成されるＳｉ３Ｎ４基板を用いたものである。
【００７１】
上記参考例５〜参考例１１、実施例１３〜実施例２０および比較例８〜比較例１０〜比較例１５の各ＡｌＮ基板上にＣｕ板（横４ｍｍ×縦２ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を４８枚（間隔１．５ｍｍ）接合して、熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板を作製した。なお、接合方法は、第２実施形態に示す方法と同様とした。この熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板の上面図を図１に示す。
【００７２】
図１に示すように、ＡｌＮ基板１上に複数個のＣｕ板２が接合されている。
【００７３】
上記各熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板に熱電素子をそれぞれはんだ付けし、その後、熱電素子を接合した面と、これと反対側の面との間の熱抵抗を過渡熱抵抗測定試験により測定した。その結果を表４に示す。
【００７４】
【表４】
表４に示したように、参考例５〜参考例１１、実施例１３〜実施例２０では、いずれも熱抵抗が０．１０℃／Ｗ以下と低い値となっており、放熱性が優れていることが判明した。一方、Ａｌ２Ｏ３焼結体から形成されるＡｌ２Ｏ３基板、Ｓｉ３Ｎ４焼結体から形成されるＳｉ３Ｎ４基板は、いずれも基板厚を０．３２０ｍｍと薄くしたにもかかわらず熱抵抗は０．１０を超えており、放熱性が低下していた。
【００７６】
本実施形態によれば、熱伝導性を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上としたＡｌＮ基板を熱電モジュール用回路基板に適用することで、放熱性を格段に向上することができ、その結果、熱電モジュールの小型化を図ることができる。
【００７７】
さらに、熱伝導率が高いため、基板厚さを大きくした場合であっても放熱性を得られることから、絶縁耐圧の点からも大きなパワーをかけることが可能となる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＡｌＮ焼結体によれば、放熱特性および強度特性の両特性を満足し、このＡｌＮ焼結体をＡｌＮ基板とすることにより、研磨性を向上させ、これにより接合強度および耐熱サイクル特性を改善でき、高信頼性のＡｌＮ回路基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を説明する図で、熱電モジュール用基板を示す上面図。
【符号の説明】
１ ＡｌＮ基板
２ Ｃｕ板
Claims (9)
- 平均粒径０．８μｍ以下かつ標準偏差２μｍ以下の窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム粉末が２〜１０質量％添加された原料粉末の焼成により得られたＡｌＮ焼結体であって、
前記ＡｌＮ焼結体の表面で測定した直線距離５０μｍに含まれるＡｌＮ結晶粒子の数が１５〜３０個であり、
前記ＡｌＮ焼結体の表面が表面粗さＲａが０．０１μｍ以下になるように鏡面加工された表面における単位面積５０μｍ×５０μｍあたりに含まれる最大径５μｍ以上の脱粒痕が５個以下であるとともに、この脱粒痕の最大径が１０μｍ以下であり、
熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上であることを特徴とするＡｌＮ焼結体。 - 請求項１記載のＡｌＮ焼結体において、最大表面粗さＲｍａｘが０．０３μｍ以下であることを特徴とするＡｌＮ焼結体。
- 請求項１または２に記載のＡｌＮ焼結体において、前記原料粉末は、前記窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウムが２〜６質量％添加されたものであることを特徴とするＡｌＮ焼結体。
- 請求項１から３までのいずれか１項に記載のＡｌＮ焼結体によりＡｌＮ基板を構成し、このＡｌＮ基板の少なくとも一方の面に金属回路部を形成したことを特徴とするＡｌＮ回路基板。
- 請求項４記載のＡｌＮ回路基板において、金属回路部がＡｌＮ基板に直接接合，活性金属接合，Ａｌ系ろう材接合のいずれかにより接合された金属回路板であることを特徴とするＡｌＮ回路基板。
- 請求項４記載のＡｌＮ回路基板において、金属回路部がＡｌＮ基板にスパッタ法により形成された金属回路薄膜であることを特徴とするＡｌＮ回路基板。
- 請求項４から６までのいずれか１項に記載のＡｌＮ回路基板において、ピール強度が５ｋＮ／ｍ以上であることを特徴とするＡｌＮ回路基板。
- 請求項１から３までのいずれか１項に記載のＡｌＮ焼結体によりＡｌＮ基板を構成し、このＡｌＮ基板の少なくとも一方の面に金属回路部を形成し、この金属回路部が熱電素子に接続するためのものであることを特徴とする熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板。
- 請求項４記載のＡｌＮ回路基板を熱電モジュール用の回路基板としたことを特徴とする熱電モジュール用ＡｌＮ回路基板。
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