JP5440947B2

JP5440947B2 - 窒化珪素基板の製造方法及び窒化珪素基板並びにそれを使用した回路基板

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Publication number: JP5440947B2
Application number: JP2010081697A
Authority: JP
Inventors: 洋一郎加賀; 寿之今村; 渡辺　　純一
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011216577A

Description

本発明は、パワー素子モジュール等の基板に用いられる窒化珪素基板の製造方法、及びこの製造方法によって製造される窒化珪素基板、これを用いた回路基板に関する。

近年、各種のセラミックス（焼結体）基板が半導体モジュール用基板や構造用部材として広く用いられている。例えば、大電力で発熱量の大きな半導体素子を実装するパワー素子モジュール用基板としては、機械的強度の高さ、熱伝導率の高さ、電気的絶縁性の高さが要求される。窒化アルミニウムや窒化珪素等の窒化物焼結体はこれらの特性に優れており、近年では、これらの窒化物焼結体基板が広く用いられるようになってきた。

窒化物焼結体は、窒化物（ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等）粉末を主成分としたグリーンシートを高温の窒素雰囲気中で焼結することによって作成される。この際、大面積の窒化物焼結体を製造し、この焼結体から所望の大きさをもつ上記の基板を複数枚切り出すという製造方法が一般的である。この焼結は電気炉等を用いて行われるが、製造コストを低減するために、複数の窒化物焼結体を焼結によって同時に得るという手法が用いられる。

図２は、この製造方法における特に焼結工程前後の状況を示す工程断面図である。図２（ａ）においては、窒化物焼結体とされるべきグリーンシート１１が、窒化ホウ素（ＢＮ）等からなる分離剤１２を塗布した上で積層される。このため、複数のグリーンシート１１が薄い分離材１２を介して積層された形態で保持される。従って、図２（ｂ）に示されるように、この積層体を電気炉中に入れ、焼結すれば、図２（ｃ）に示されるように、全てのグリーンシート１１が窒化物焼結体１３となる。その後、図２（ｄ）に示されるように、ＢＮによって各グリーンシート１１（窒化物焼結体１３）は分離できるため、板状の窒化物焼結体１３を得ることができる。

得られた窒化物焼結体１３の表面には分離材１２が残されているが、ラッピング、あるいはホーニング等の方法を用いてこれを除去することができる。窒化物焼結体１３からは複数の窒化物基板が切り出され、窒化物基板の表面には、例えばろう材等を用いて銅板（金属回路板、放熱板）が接合されるが、その際に分離材１２（ＢＮ）が表面に残っていると、分離材１２（ＢＮ）が窒化物基板と銅板間の接合強度に悪影響を及ぼすため、熱サイクルによって銅板の剥離が発生することがある。従って、この悪影響が出なくなる程度まで分離材１２の除去を行う必要がある。

このため、窒化物基板表面への分離材（ＢＮ）の残存量を少なくする技術が、以下の従来技術に開示されている。

特許文献１には、抗折強度が３０ｋｇ／ｍｍ²以上、含有酸素重量（Ｏｗｔ）と含有イットリウム重量（Ｙｗｔ）との比（Ｏｗｔ／Ｙｗｔ）が０．７１以上、表面粗さ（Ｒａ）と平均結晶粒径（Ｄ）との比（Ｒａ／Ｄ）が１１×１０^-2以下、および表面層に残存する窒化ホウ素のＸ線回析強度（ＩＢＮ）と窒化アルミニウムのＸ線回析強度（ＩＡｌＮ）との比（ＩＢＮ／ＩＡｌＮ）が６×１０^-2以下である窒化アルミニウムを主成分とするセラミック基板が開示されている。この従来技術によれば、セラミックス中の酸素とイットリウムの重量比、セラミック基板の抗折強度、表面を平滑にし、かつ基板表面のＢＮの残存量を少なくしていることから、ろう接法で高強度窒化アルミニウム基板を製造できるとしている。

また、特許文献２には、ＡｌＮまたはＳｉ₃ Ｎ₄ のように窒化物を主成分とするセラミック基板を用いる回路基板において、表層に残存するＢＮとの比が、けい光Ｘ線の強度比でＢ／Ａｌ比が５０×１０^-6以下、またはＢ／Ｓｉ比が５０×１０^-6以下であるセラミック基板の少なくとも一方に導電回路を形成していることを特徴とするパワーモジュール用回路基板が開示されている。この従来技術によれば、分離材のＢＮは、窒化物セラミック基板表面の粒界に残存することが多く、十分な接合強度が得られないため、Ｂ／Ａｌ比またはＢ／Ｓｉ比を一定値以下にすることによりヒートサイクル耐性が向上し、回路基板の信頼性が大幅に向上できるとしている。

特開平６−５３６２４号公報特開平１０−６７５８６号公報

しかしながら、窒化珪素焼結体の中でも特に熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導性を得るために酸化マグネシウムを焼結助剤として用いた窒化珪素焼結体の場合、酸化マグネシウムは比較的蒸気圧が高く、ＢＮ粉や隣接する窒化珪素焼結体と容易に反応し易いため、前記従来技術のように、窒化珪素基板表面への分離材（ＢＮ）の残存量を少なくして、たとえばＢ／Ｓｉ≦５×１０^−５とすると、窒化珪素焼結体の曲げ強度が低下するという問題が発生していた。すなわち、Ｂ／Ｓｉを所定量以下とするためには、窒化珪素焼結体とされるべきグリーンシート表面への窒化ホウ素（ＢＮ）分離剤の塗布量を少なくする方法、あるいは、窒化珪素焼結体の表面をラッピング、あるいはホーニング等の加工条件を強化してＢＮ分離材を強制的に除去加工する方法が必要となるが、前者の場合、焼結時に窒化珪素焼結体同士が固着し易くなって強制的に引き剥がすと窒化珪素焼結体表面に欠陥が残存して曲げ強度が低下し、また後者の場合、加工条件の強化は窒化珪素焼結体表面のダメージを生じさせ易くこれに伴い曲げ強度が低下するという問題があった。

一方で、酸化マグネシウムを焼結助剤として用いた窒化珪素焼結体表面への分離材（ＢＮ）の残存量を多くして、たとえば、Ｂ／Ｓｉ＞５×１０^−５とすると、窒化珪素焼結体表面にろう材等を用いて銅板（金属回路板、放熱板）を接合した場合は、十分な接合強度が得られず、ヒートサイクルに対する耐久性が十分でないという問題を依然として有していた。

したがって、本発明は、酸化マグネシウムを焼結助剤として含有するた窒化珪素焼結体からなる窒化珪素基板に発生していた上記従来技術の問題を解消し、高熱伝導性を有するとともに必要な曲げ強度を有し、かつ該窒化珪素基板に銅板を接合した際の耐ヒートサイクル性が改善され、長期にわたって安定して使用できる窒化珪素基板及びその製造方法並びにそれを使用した回路基板を提供することにある。

本発明者らは、上記従来技術の課題に対応すべく窒化珪素焼結体のミクロ構造、ＢＮからなる分離材、除去加工条件などを鋭意検討した結果、上記課題が解消できることを見出し、本発明に想到した。

即ち、本発明は、窒化珪素粉末と少なくとも酸化マグネシウムからなる焼結助剤とを含む原料粉末を成形してグリーンシートを作成する成形工程と、窒化ホウ素（ＢＮ）からなる分離材を介して複数枚の前記グリーンシートを積層する分離材塗布・積層工程と、前記グリーンシートを焼結して窒化珪素焼結体を得る焼結工程と、前記窒化珪素焼結体を分離することによって窒化珪素粒子を主結晶とする窒化珪素焼結体を複数枚得る分離工程と、前記窒化珪素焼結体の表面の少なくとも一部を除去加工して窒化珪素基板とする除去加工工程とを具備する窒化珪素基板の製造方法であって、前記ＢＮからなる分離材の平均粒径を２０μｍ以下とし、前記焼結工程では、前記窒化珪素粒子は短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比で３０％以上とし、前記除去加工工程では、基板表面に残存するＢＮとの比がホウ素（Ｂ）の蛍光Ｘ線強度とシリコン（Ｓｉ）の蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）を６．５×１０^−５を超え３００×１０^−５以下とし、かつ前記窒化珪素基板表面の算術平均粗さRaを０．３〜２μｍとするように前記窒化珪素焼結体の表面を除去加工することを特徴とする窒化珪素基板の製造方法を提供するものである。

本発明の窒化珪素基板の製造方法において、焼結が、窒素雰囲気中で圧力０．１〜１０ＭＰａ、焼結温度１８００〜２０００℃で２〜２０時間保持して行われることが好ましい。

本発明の窒化珪素基板の製造方法において、前記除去加工が、前記窒化珪素焼結体表面を厚さ方向で２〜２０μｍ除去することが好ましい。

本発明の窒化珪素基板の製造方法において、前記除去加工が、ホーニング処理であることが好ましい。

本発明の窒化珪素基板の製造方法において、前記ホーニング処理が、平均粒径１０〜１００μｍのアルミナ砥粒を用いて行われることが好ましい。

また、本発明は、窒化珪素粒子と、少なくとも酸化マグネシウムからなる焼結助剤を含有する窒化珪素焼結体からなる窒化珪素基板であって、前記窒化珪素結晶粒子は、短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が５以上の柱状結晶粒子を面積比で３０％以上含み、前期基板表面の算術平均粗さＲａが０．３〜２μｍ以上であり、基板表面に残存するＢＮと窒化珪素の比がＢの蛍光Ｘ線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）で６．５×１０^−５を超え３００×１０^−５以下であることを特徴とする窒化珪素基板を提供するものである。

また、本発明は、前記窒化珪素基板の少なくとも一方の面に接合された銅板とを具備することを特徴とする回路基板を提供するものである。

本発明の窒化珪素基板の製造方法及び窒化珪素基板によれば、窒化珪素粒子と、少なくとも酸化マグネシウムからなる焼結助剤を含有する窒化珪素焼結体からなる窒化珪素基板において、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率を有するとともに、必要な曲げ強度（７５０ＭＰａ以上）を有し、かつ銅板を接合した際の耐ヒートサイクル性が改善され、長期にわたって安定して使用できる窒化珪素基板を得ることができる。

また本発明の回路基板によれば、信頼性が高く、長期にわたって安定して使用できる回路基板を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る製造方法を示すフロー図である。従来および本発明の窒化物焼結体の製造方法の一例を示す工程断面図である。窒化珪素焼結体表面の微細構造の模式図である。

以下、本発明の実施形態にかかる窒化珪素基板の製造方法を具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識にも基づいて、以下の実施形態に対して、適宜変更、改良が加えられたものも本発明の範囲内に入る。

図１は、本発明の実施の形態に係る窒化珪素基板の製造方法を示すフロー図である。まず、窒化珪素粉末と酸化マグネシウムからなる焼結助剤とを含む原料粉末を成形してグリーンシート１１を複数枚製造する（Ｓ１）。このグリーンシート１１表面に分離材１２（ＢＮ）を塗布して、図２（ａ）に示されるように、所定の枚数だけ順次積層する（Ｓ２）。この積層体に対して、図２（ｂ）に示されるように電気炉中で焼結を行う（Ｓ３）。これにより、図２（ｃ）に示されるように、グリーンシート１１が窒化珪素焼結体１３となった積層体が得られる。その後、図２（ｄ）に示されるように、１枚ずつこの窒化珪素焼結体１３を分離して取り出し（Ｓ４）て、窒化珪素粒子を主結晶とする窒化珪素焼結体であって、窒化珪素粒子の短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比で３０％以上である複数枚の窒化珪素焼結体を得る。この際、窒化珪素焼結体の表面には分離材１２の層が残留するが、この表面の少なくとも一部に対して除去加工処理を行い、基板表面に残存するＢＮとの比がホウ素（Ｂ）の蛍光Ｘ線強度とシリコン（Ｓｉ）の蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）が６．５×１０^−５を超え３００×１０^−５以下であり、かつ前記窒化珪素基板表面の算術平均粗さＲａが０．３〜２μｍとなるようにして窒化珪素基板を得る（Ｓ５）。その後、窒化珪素焼結体を切断し、所望の大きさ、形状の窒化珪素基板を得る（Ｓ６）。

なお、得られた窒化珪素基板の表面には、その後の工程でろう付け等の方法によって金属回路板や放熱板となる銅板が接合される。

ここで、ＢＮからなる分離材の平均粒径を２０μｍ以下とし、窒化珪素焼結体における窒化珪素粒子の窒化珪素粒子の短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比で３０％以上とする理由は、図３の模式図に示すように柱状粒子を３０％以上とすることにより、焼結工程で窒化珪素焼結体表面に凹部が形成され、かつＢＮからなる分離材の平均粒径を２０μｍ以下としているため、焼結時に窒化珪素焼結体同士が接合しにくいよう分離材を多量に塗布しても、ＢＮが凹部に残留するようになり、最表面にＢＮが存在しなくなって銅板を接合した際の耐ヒートサイクル性が改善されるものと考えられる。短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比で３０％未満の場合は、表面に形成される凹部が十分でなく、最表面にＢＮが存在するようになり耐ヒートクラック性が改善されない。短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比は、４０〜７０％が好ましい。短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子の面積率が７０％を超えると、相対的に柱状粒子の割合が多くなって、強度の低下することもあるからである。また、ＢＮからなる分離材の平均粒径が２０μｍを超えるとＢＮが窒化珪素焼結体の表面に形成された凹部に収まりきれずに最表面に残留するようになり、耐ヒートクラック性が改善されない。ＢＮの平均粒径は３〜１５μｍであることがより好ましい。

前記基板表面に残存するＢＮとの比がホウ素（Ｂ）の蛍光Ｘ線強度とシリコン（Ｓｉ）の蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）が６．５×１０^−５を超え３００×１０^−５以下、前記窒化珪素基板表面の算術平均粗さＲａが０．３〜２μｍとしたのは、以下の理由による。Ｂ／Ｓｉが６．５×１０^−５未満になると、前述したように、窒化珪素粒子と酸化マグネシウムからなる焼結助剤を含有する窒化珪素焼結体の場合は、曲げ強度が低下し、７５０ＭＰａ以上の曲げ強度が得られないためである。Ｂ／Ｓｉが３００×１０^−５を超えると、ＢＮからなる分離材の平均粒径を２０μｍ以下、窒化珪素焼結体における窒化珪素粒子の短径ａが０．５〜５μｍで、かつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比で３０％以上としたとしても、最表面にＢＮが存在するようになり、銅板を接合した際の耐ヒートクラック性が改善されないためである。上記観点からＢ／Ｓｉは１０〜２００×１０^−５が好ましく、５０〜１５０×１０^−５がより好ましい。

前記窒化珪素基板表面の算術平均粗さＲａが０．３〜２μｍとしたのは、窒化珪素基板表面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ未満であると、銅板をろう付けなどの方法で接合した際のアンカー効果が得られず、十分な接合強度が得られず耐ヒートクラック性が改善されず、また窒化珪素基板表面の算術平均粗さRaが２μmを超えると、曲げ強度が低下するからである。上記観点から窒化珪素基板表面の算術平均粗さＲａは、０．４〜１μmが好ましく、０．５〜０．８μｍがより好ましい。

ここでＢＮからなる分離材の平均粒径は、レーザ回折法により求めた。また、窒化珪素焼結体における窒化珪素粒子の短径ａ及び長径ｂは、基板断面の研磨面のＳＥＭ写真を撮影して計測した。

ここで、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比は、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析：Ｘ−ｒａｙＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓ）を用いて、窒化珪素基板表面における特にホウ素（Ｂ）とシリコン（Ｓｉ）の組成分析を行い、ＸＲＦの測定結果からＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を求めた。ここで、蛍光Ｘ線としては、ＢのＫα線（エネルギー０．１８３ｋｅＶ）、ＳｉのＫα線（エネルギー１．７４ｋｅＶ）が対象となり、これらの強度比がＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比である。

また、窒化珪素焼結体表面の算術平均粗さＲａは、触針式の表面粗さ計を用いて測定した。この基板表面の算術平均粗さＲａは、表面高さｆ（ｘ）の平均値からの偏差の絶対値のサンプル長Ｌにおける算術平均であり、次式（Ｉ）で表される式を用いて求めた。

本発明の窒化珪素基板の製造方法において、グリーンシート製造工程（Ｓ1）では、まず窒化珪素粉末と少なくとも酸化マグネシウムからなる焼結助剤からなるセラミックス粉末を分散媒となる有機溶剤を使用し、ボールミル等で混合し、さらに、ポリビニルブチラール樹脂等からなる有機バインダ、及びジ−ｎ−ブチルフタレート等からなる可塑剤とを混合してスラリーを作製する。高熱伝導率の窒化珪素基板を得るため窒化珪素粉末としては酸素量を２．０質量％以下、平均粒径０．４〜１．５μｍ、比表面積を３〜１３ｍ^２／ｇ、α化率９０％以上窒化珪素粉末を用い、焼結助剤としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に加えて希土類元素の酸化物（ＲＥxＯy）を使用することが好ましい。酸化マグネシウムは比較的低温で液相を形成するため、窒化珪素焼結体の焼結を促進することができ、且つ、窒化珪素粒子に固溶し難いため、窒化珪素基板の熱伝導率を高くすることができる。また希土類元素としてはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等があげられるが、中でもＹの酸化物Ｙ_２Ｏ_３は窒化珪素基板の高密度化に有効であり、より好ましい。酸化マグネシウムの添加量は０．５〜４．０重量％、希土類元素の酸化物の添加量は１．５〜１５重量％であることが好ましい。

次に、上記混合して作製したスラリーを必要に応じて粘度調整し、これをドクターブレード法、押し出し成形法、もしくはそれに準じた方法により所定厚さのシート状に成形して、グリーンシートを得る。中でもドクターブレード法は、大面積のグリーンシートを得る観点からは好ましい。このときのグリーンシートの板厚は、半導体パワーモジュールに応じて適宜決定できるが、０．１〜１．０ｍｍ程度とすることが好ましく、０．２〜０．６ｍｍがより好ましい。なお、グリーンシート１１は焼結工程（Ｓ３）後に窒化珪素焼結体１３となるが、窒化珪素焼結体が得られる限りにおいて、有機バインダ、可塑剤の材料を適宜選択すればよく、場合によってはこれらのうちのいずれかを省略することもできる。

分離材塗布・積層工程（Ｓ２）において、ＢＮからなる分離材は常温で固体（粉末）の物質であるため、これを直接グリーンシート１１の表面に塗布してもよく、アルコールや水等の溶媒中に溶かしてスラリー化したものを塗布、乾燥させてもよい。ＢＮは積層されたグリーンシート１１同士の反応が生じない程度の充分な厚さとなるように塗布するが、その塗布量は０．０５〜１．４ｍｇ／ｃｍ^２が好ましい。また、グリーンシート１１の積層枚数は任意であり、数枚から数十枚とすることができる。この所定の枚数を積層した後で、例えば５００〜９００℃の温度で乾燥、脱脂することによって、安定した積層体とすることができる。

焼結工程（Ｓ３）において、窒化珪素粒子と、少なくとも酸化マグネシウムからなる焼結助剤を含有する窒化珪素焼結体における前記窒化珪素結晶粒子の短径ａが０．５〜５μmであり、かつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上である柱状結晶粒子を面積比で３０％以上含むような窒化珪素焼結体を得るためには、前記グリーンシートを用いて窒素雰囲気中で圧力０．１〜１０ＭＰａ、焼結温度１８００〜２０００℃で２〜２０時間保持して焼結を行うことにより達成できる。

分離工程（Ｓ４）において、得られた窒化珪素焼結体１３を１枚ずつ分離する。この際、図２（ｄ）に示されるように、分離材１２（ＢＮ）は分断されるが、各窒化珪素焼結体１３の表面には分離材１２が残留している。

除去加工処理工程（Ｓ５）において、前記除去加工は、遊離砥粒を用いたホーニング、ラッピングなどの加工及び固定砥粒を用いた研削加工など何れでも良いが、遊離砥粒を用いたホーニング加工が、加工効率の観点から好ましく、中でも平均粒径１０〜１００μmのアルミナ砥粒を用いることが好ましい。平均粒径が１０μm未満の場合、加工時間が長くなるためであり、１００μｍを超えると窒化珪素基板表面のダメージが大きくなり基板表面の算術平均粗さＲａ２μｍ以下が達成できないためである。アルミナ砥粒は、溶融アルミナ等のα―アルミナであることが好ましく、その形状は、稜角をもつ角張ったグリット状であることが好ましい。また、前記除去加工は、前記窒化珪素焼結体表面を厚さ方向で２〜２０μｍ除去すると、（Ｂ／Ｓｉ）６．５×１０^−５を超え３００×１０^−５以下、前記窒化珪素基板表面の算術平均粗さＲａ０．３〜２μｍが得易くなるため好ましい。また、ホーニング加工後に、アルミナ砥粒や除去されたＢＮ粒子を除去するために、超音波洗浄を行うことが好ましい。

その後の加工工程（Ｓ６）では、窒化珪素焼結体が機械的に切断加工され、所望の大きさ、形状の窒化珪素基板とされる。この際、１枚の窒化珪素焼結体から複数の窒化珪素基板を得ることもできる。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜９）
表１に示す窒化珪素粉末を用い、平均粒径０．５μｍの酸化マグネシウム粉末及び平均粒径０．５μｍの酸化イットリウム粉末を表１に示す混合粉末組成となるよう調整した後、混合粉末１００重量部に対して、バインダーとしてポリビニルブチラール２０重量部、可塑剤としてジ−２−エチルヘキシルフタレートを５重量部、有機溶剤としてエチルアルコールと１−ブチルアルコールの混合物をボールミルで混合してスラリーを作成した。得られたスラリーの粘度を調整した後、ドクターブレード装置により、厚さが０．４ｍｍのシート状に成形した。その後、これをプレス装置により１５０ｍｍ×１５０ｍｍの寸法に打ち抜いてグリーンシートとした。

表１に示す平均粒径のＢＮ粉と水とを混合して、ＢＮ粉スラリーを作製した後、ＢＮ粉スラリーをグリーンシートの片側の表面に、表１に示す塗布量で塗布した。塗布はスプレー式の塗布機を使用してＢＮスラリー塗布して行った。また、塗布量は塗布・乾燥工程前後のシートの重量を測定し、その重量差をシートの塗布面の面積で除することにより、単位面積あたりの塗布量として算出した。

ＢＮ粉のスラリーを塗布したグリーンシートの乾燥は８０℃大気中で２分間行った。

ＢＮ粉１２が塗布されたグリーンシート２は塗布された面を上面とし５枚積層した後、６００℃で５時間、大気中で脱脂した。

焼結は２０Ｐａまで真空にした後、窒素で置換した雰囲気中で行った。表１に示す焼結温度までの昇温速度は１００℃／ｈ以下とし、表１に示す焼結温度、保持時間で焼結し、５枚の窒化珪素焼結体が積層された窒化珪素焼結体を得た。その後、各窒化珪素焼結体を分離し、窒化珪素焼結体間が剥離できるか否かを確認した。

分離した窒化珪素焼結体表面に対して表１に示す砥粒を用いて、砥粒と水を混合したスラリーを表１に示す圧力で噴射することによってホーニング処理を行い、厚さ０．３ｍｍの窒化珪素基板を得た。

得られた窒化珪素基板の短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状窒化珪素結晶粒子の面積比、表面のＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比、表面の算術平均粗さＲａ、曲げ強度、熱伝導率を測定した。

また、この窒化珪素基板と０．５ｍｍ厚の銅板とをＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系の合金粉末にＴｉを含んだ活性金属ろう材を用いて、真空中８００℃の温度で接合し、銅板を所定形状にエッチング後、窒化珪素基板を切断することで、５０×５０ｍｍの寸法をもつ窒化珪素基板の両表面の中央部に４６×４６ｍｍの銅板が接合された回路基板とした。その接合部における接合ボイド率を測定し、また、この回路基板に対して熱サイクル試験を行い、金属回路板や放熱板の剥離が発生するか否かを調査した。

短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状窒化珪素結晶粒子の面積比は、以下の方法で、短径ａ及び長径ｂを測定することにより算出した。窒化珪素基板の任意の断面を研磨した後、エッチングして焼結助剤成分を溶出させた後にＳＥＭ写真を撮影し、画像解析装置により短径ａ及び長径ｂを測定する。これらの測定結果から短径ａが０．５〜５μｍの窒化珪素結晶粒子を選択し、かつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上である柱状窒化珪素結晶粒子の合計面積を求める。この柱状結晶粒子の合計面積が測定面積に占める面積率を算出する。

表面のＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比は、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析：Ｘ−ｒａｙＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓ）を用いて、窒化珪素基板表面における特にホウ素（Ｂ）とシリコン（Ｓｉ）の組成分析を行い、ＸＲＦの測定結果からＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を求めた。

窒化珪素基板表面の算術平均粗さＲａは表面粗さ計（東京精密製表面粗さ形状測定機サーフコム１３０Ａ）を用いて測定した。Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比は、ＸＲＦ（リガク製蛍光Ｘ線分析装置ＺＳＸＰｒｉｍｕｓII）を用いて測定した。

曲げ強度は、上記の窒化珪素焼結体を幅４ｍｍに加工し、支持ロール間距離７ｍｍである３点曲げ治具にセットし、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した方法で求めた。ここでは、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／分で加重を印加して、破断時に印加された加重から算出した。この曲げ強度については、７５０ＭＰａ以上のものを合格とした。

熱伝導率は、上記の窒化珪素焼結体を５ｍｍ角に加工し、ＪＩＳＲ１６１１に準拠したレーザーフラッシュ法で求めた。この熱伝導率については、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを合格とした。

接合ボイド率は、超音波探傷法により、窒化珪素基板と銅板の接合界面を調べ、接合がなされていない箇所の面積比率を調べた。この面積比率が５％以下のものを合格とした。

熱サイクル試験は、上記の回路基板に対して、−５５℃で２０分、室温で１０分、１５０℃で２０分とする昇温／降温サイクルを３０００回、６０００回印加する試験を行い、このサイクル後において銅板と窒化珪素焼結体との間に剥離が発生したか否かを調査した。６０００回後に剥離が全く確認できなかったものを合格（◎）、３０００回後に剥離が全く確認できなかったが６０００回で剥離が確認されたものを合格（○）、３０００回後に剥離が発生したものを不合格（×）とした。なお、曲げ強度もしくは熱伝導率が不合格のものは回路基板は作製せず、接合ボイド率の評価及び熱サイクル試験を行っていない。

（比較例１〜８）
実施例１〜８と同様にして、表２に示す各種条件で比較例１〜８の窒化珪素基板を製造した後、実施例１〜８と同様の評価を行った。比較例１〜３はＢ／Ｓｉが６．５×１０^−５以下になるように、比較例４及び５は、Ｂ／Ｓｉが３００×１０^−５を超えるように、比較例６及び７は算術平均粗さＲａが０．３〜２μｍを外れるように、比較例８はＢＮからなる分離材の平均粒径が２０μｍを超えるように、表１に記載の製造条件を調整して製造した。

実施例１〜９、比較例１〜８の窒化珪素基板の評価結果、すなわち短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比、算術平均粗さＲａ、曲げ強度、熱伝導率、接合ボイド率、ヒートサイクル試験結果を表１及び表２に示す。

表１に示す結果から、ＢＮからなる分離材の平均粒径を２０μｍ以下とし、前記焼結工程では、前記窒化珪素粒子は短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比で３０％以上とし、前記除去加工工程では、基板表面に残存するＢＮとの比がホウ素（Ｂ）の蛍光Ｘ線強度とシリコン（Ｓｉ）の蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）を６．５×１０^−５を超え３００×１０^−５以下とし、かつ前記窒化珪素基板表面の算術平均粗さＲａを０．３〜２μｍとするように前記窒化珪素焼結体の表面を除去加工した窒化珪素基板は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高熱伝導率を示し、曲げ強度も７５０ＭＰａ以上、５％以下の接合ボイド率、及び３０００回の熱サイクル印加後においても銅板との間の剥離を生じがたい、信頼性の高い窒化珪素基板が得られることが確認された。

中でも、（Ｂ／Ｓｉ）がより好ましい範囲の５０〜１５０×１０^−５であり、算術平均粗さＲａが０．４〜１μｍである、実施例４、５及び８の窒化珪素基板は、６０００回の熱サイクル印加後においても銅板との間の剥離を生じがたい、より信頼性の高い窒化珪素基板であることが確認された。

１１グリーンシート
１２、４０分離材（ＢＮ）
１３窒化珪素焼結体
２１窒化珪素粒子

Claims

窒化珪素粉末と少なくとも酸化マグネシウムからなる焼結助剤とを含む原料粉末を成形してグリーンシートを作成する成形工程と、窒化ホウ素（ＢＮ）からなる分離材を介して複数枚の前記グリーンシートを積層する分離材塗布・積層工程と、前記グリーンシートを焼結して窒化珪素焼結体を得る焼結工程と、前記窒化珪素焼結体を分離することによって窒化珪素粒子を主結晶とする窒化珪素焼結体を複数枚得る分離工程と、前記窒化珪素焼結体の表面の少なくとも一部を除去加工して窒化珪素基板とする除去加工工程とを具備する窒化珪素基板の製造方法であって、前記ＢＮからなる分離材の平均粒径を２０μｍ以下とし、前記焼結工程では、前記窒化珪素粒子は短径ａが０．５〜５μｍでかつ短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の柱状結晶粒子を面積比で３０％以上とし、前記除去加工工程では、基板表面に残存するＢＮとの比がホウ素（Ｂ）の蛍光Ｘ線強度とシリコン（Ｓｉ）の蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）を６．５×１０^−５を超え３００×１０^−５以下とし、かつ前記窒化珪素基板表面の算術平均粗さRaを０．３〜２μｍとするように前記窒化珪素焼結体の表面を除去加工することを特徴とする窒化珪素基板の製造方法。
前記焼結が、窒素雰囲気中で圧力０．１〜１０ＭＰａ、焼結温度１８００〜２０００℃で２〜２０時間保持して行われることを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素基板の製造方法。
前記除去加工が、前記窒化珪素焼結体表面を厚さ方向で２〜２０μｍ除去することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化珪素基板の製造方法。
前記除去加工が、ホーニング処理であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の窒化珪素基板の製造方法。
前記ホーニング処理が、平均粒径１０〜１００μｍのアルミナ砥粒を用いて行われることを特徴とする請求項４に記載の窒化珪素基板の製造方法。
窒化珪素粒子と、少なくとも酸化マグネシウムからなる焼結助剤を含有する窒化珪素焼結体からなる窒化珪素基板であって、前記窒化珪素結晶粒子は、短径ａに対する長径ｂの比（ｂ／ａ）が２以上の新柱状結晶粒子を面積比で３０％以上含み、前期基板表面の算術平均粗さRaが０．３〜２μｍ以上であり、基板表面に残存するＢＮと窒化珪素の比がＢの蛍光Ｘ線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）で６．５×１０^−５を超え３００×１０^−５以下であることを特徴とする窒化珪素基板。
請求項６に記載の窒化珪素基板の少なくとも一方の面に接合された銅板とを具備することを特徴とする回路基板。