JP5499374B2

JP5499374B2 - 窒化珪素回路基板およびそれを用いた半導体モジュール

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Publication number: JP5499374B2
Application number: JP2008244289A
Authority: JP
Inventors: 博幸手島; 寿之今村; 洋一郎加賀; 渡辺　　純一
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2028-09-24
Also published as: JP2010076948A

Description

本発明は、窒化珪素焼結体および主に大電力半導体モジュールに用いられる窒化珪素セラミックス基板に関し、この窒化珪素基板を用いたセラミックス回路基板に関する。

近年、ＨＥＶを初めとした自動車分野、車両用分野や電力分野の制御機器、産業機械分野または民生用機器等の制御用電装部品には、種々のセラミックス回路基板が用いられている。また前記回路基板に実装される素子（ダイオード、ＦＷＤ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＭＯＳ−ＦＥＴ）の実装密度の増加と、素子からの発熱量が増加する傾向を示すことから、前記素子が安定に動作するように発生する熱を、前記回路基板を経由して放熱する働きと、素子を放熱部材と電気的に絶縁する働きをする。特にパワーモジュールや大電力用途に使用される回路基板では、回路基板の破損が無い事は勿論のこと、高温や熱衝撃の激しい過酷な稼動環境においても放熱性、絶縁性の保障が要求される。またセラミックス基板では動作電圧・電流や動作周波数増加の傾向を受けて低ノイズ化のために誘電損失の小さい材料であるアルミナや窒化アルミニウム、窒化珪素といった窒化物材が回路基板用セラミックスとして多用されつつある。特に強度・靭性に優れた窒化珪素基板は、高熱伝導化が達成できつつあることから、窒化アルミニウムやアルミナの代替材として今後の需要拡大が注目されている。

前記セラミックス回路基板は、一般に一方の面に電気回路となる金属回路板を接合し、他方の面に放熱用の金属放熱板を接合した構造で使用される。また前記金属板には熱伝導性の良好な銅又はアルミニウムを主成分とした金属板が多用され、ろう材による活性金属法や、拡散接合法、直接接合するいわゆるＤＢＡ、ＤＢＣといった方法や、摩擦圧接法で、セラミックス基板と接合される。また金属回路板および／または金属放熱板には回路パターンがエッチング等により形成される。前記素子や外部との電気信号の授受を行うための端子やワイヤー等は金属回路板上に搭載または接続される。更に、金属放熱板は、ベース板や冷却フィン等の放熱部材に固着した状態や、金属放熱板が冷却フィンと兼用された形で一体接合された形でモジュール等に使用される。また特殊な用途として金属回路板よりも厚い金属放熱板を接合し、金属放熱板も金属回路板同様に電気回路形成部材として用いられる用途もある。

ここで、前記セラミックス基板焼結体（以下では単に焼結体と表現することもある）は放熱性と絶縁性の観点から焼結後の厚さが０．２〜０．６４ｍｍ程度のものが多用される。０．６４ｍｍの厚い基板の用途は、主に絶縁耐圧が必要な場合や、基板の剛性が必要な場合に適用される。また焼結前のグリーンシートの成形方法としてはドクターブレード法や、押し出し成形法で形成されるのが一般的である。そして、焼結基板から多数個取りで回路基板まで製造される。

ここで、セラミックス回路基板の信頼性評価の内容として主に下記が挙げられる。
（１）金属板とセラミックス基板との密着性を評価する密着性評価
（２）金属回路板と金属放熱板との絶縁性評価（抵抗、絶縁破壊電圧）
（３）熱抵抗や、熱拡散率・熱伝導率測定による放熱性評価
（４）耐熱衝撃性、耐熱サイクル性の評価
（５）部分放電電圧による材料の均質性や接合界面のボイドの影響などの評価

これら諸々の評価は主にセラミックス回路基板に形成した後で評価されるものであるが、セラミックス基板単独の特性（熱伝導率、基板内部の空孔率、基板表面性状）が作用している項目もある。特に（５）の部分放電特性は他の評価項目に対して、比較的新しい評価手法である。この部分放電特性の評価は従来の絶縁破壊電圧（絶縁耐圧）とは異なり、試料に交流電圧を印加するが、印加する電圧は絶縁破壊試験よりも小さく（例えばセラミックス基板厚０．３２ｍｍｔの場合ＡＣ０〜６ｋＶ）、微小空孔や金属との接合界面のボイド等で生じる微小な放電電荷を計測し、材料の均質性・ボイドの影響を評価する方法である。図１に評価方法の一例を示す。セラミックス回路基板の金属回路板と金属放熱板間に時間Ｔ＝０から徐々にある所定の値Ｖ１（絶縁破壊電圧以下の値）になるまで電圧を昇圧印加する。試験時間は本実験の場合トータルで６０ｓｅｃ、電圧Ｖ１の保持時間は５ｓｅｃ程度である。この昇圧の際に累積した前記放電電荷量が、ある閾値（一般には１０ｐＣ：単位ピコクーロン）を最初に超えた時の印加電圧Ｖ２（部分放電開始電圧）の大きさと、そのバラツキ範囲、そして降圧印加時の前記電荷量が最初に前記閾値以下となる部分放電消滅電圧Ｖ３（図には記載せず）の大きさとバラツキ範囲が評価対象となるパラメータである。一般にボイドの少ない良好な回路基板においては、部分放電開始電圧Ｖ２および消滅電圧Ｖ３が高く、またＶ２とＶ３の差が小さいほうが絶縁安定性で好ましいと考えられる。尚、後述する試験結果は上記の手法で実施したが、回路基板の材料構成や部材の厚み、パターン形状によっては、それに適した条件で評価するのが好ましいのは言うまでも無い。

ところで、上記諸特性にセラミックス基板焼結体（以後、焼結体と表現する）またはセラミックス基板（以後、基板と表現する）の表面性状が影響すると述べたが、その影響される特性は上記の（１）〜（５）に影響を及ぼすことや、焼結体表面性状をある範囲に設定することで製造上の優位性もあることを本発明者らは鋭意調査した。一般的には焼結体、基板の表面性状を現すパラメータとして、算術平均粗さＲａや最大高さ（ＲｍａｘまたはＲｙ）、十点平均粗さＲｚなどの粗さパラメータが用いられてきた。しかしながらこれらパラメータのみで面性状を的確に規定することはできないと考えられる。本発明では、ボイド発生率や密着性（放熱性も含む）を表すパラメータとして、抽出曲線を基準長さの中で直線に引き延ばしたときに得られる長さの、基準長さに対する比率を無次元数で表した展開長さ比Ｌｒ（ＩＳＯ４２８７／１−１９８４表面長さ率ともいう）で評価した。これは基板の実際の焼結体または基板の表面積を現す指標となり、Ｌｒの値の大きいほうが密着性や放熱性が良いとされる。尚Ｌｒは式１で表される。Ｌは基準長さ、ｘは評価位置、ｆ（ｘ）は抽出曲線を表す。算術平均粗さＲａで上記項目を評価する場合もあるが、展開長さ比の方が評価パラメータとして把握しやすい特徴がある。

もうひとつのパラメータとして、スキューネスＲｓｋが挙げられる。このスキューネスは高さ方向の特徴平均パラメータで粗さ曲線スキューネス（ゆがみＳｋ）とも呼ばれる。これは式２で表され、基準長さＬにおける粗さ曲線Ｚ（ｘ）の三乗平均を二乗平均平方根粗さＲｑ（旧ＲＭＳ）の三乗で割ったもので、振幅分布の高さ方向の対称性を示すものである。図２に抽象的ではあるがスキューネスが正の場合と負の場合の表面形態例を示す。勿論高さ分布曲線の確立密度が上下ほぼ対称の場合はＲｓｋ＝０となる。スキューネスが平均線に対して下側に偏っている場合には図２（ａ）に示すように、Ｒｓｋ＞０となり、表面に尖った部分が多い状態である。一方、平均線に対して上側に偏っている場合は図２（ｂ）に示すようにＲｓｋ＜０となり、表面に丸みを帯びた部分が多くなる。このスキューネスも密着性や放熱性能、また絶縁性能の安定性を左右するパラメータである。

以下の特許文献を例に、本発明との相違を説明する。まず特許文献１において、回路基板のヒートサイクルに対する耐久性を高くする目的で、スキューネスを０〜０．２と規定することで、窒化珪素基板と活性金属層との接合強度が高くなることが示されているが、特にＲｓｋを上記範囲とする手法は明記されていない。また回路基板の密着性を主目的とするのであれば、前記の展開長さ比および算術平均粗さＲａを用いて説明するのが妥当と考えられ、Ｒｓｋだけで規定するのは無理がある。

一方、特許文献２においてはスキューネスが０以下、好ましくは−１〜０が耐摩耗性、および密着性において優れると示されている。この耐摩耗性に関してはスキューネスが負となることが好ましい形態であると考えられる。しかしながら窒化珪素焼結体表面はスキューネスが正となりやすく、スキューネスを負とするには別途、研削などの工程が別途必要となり、回路基板として用いるにはアンカー効果による密着性改善、放熱性改善、低コスト化（製造工程の簡略化）の観点から実現不可能である。また、両文献共にスキューネスの正負の定義が本発明と相違していることも追記しておきたい。

特開２００８−３４６１１公報特開２００６−８９３７７公報

ここで一般論になるが窒化珪素（焼結体表面も同様の形態）は六角柱状粒子が、ｃ軸方向に成長し易い性質を有しており、図３（ａ）に示すように焼結した表面は粒子が焼結体表面から突き出した形態になりやすい。ただし、その程度は添加する酸化物系の焼結助剤の種類と添加量また焼結温度や焼結時間に左右される。例えば焼結助剤としてアルカリ土類金属系酸化物（例えばＭｇＯ）と希土類酸化物（Ｒｅ_２Ｏ_３と表記する）の両方を含有する組成系場合、ｗｔ％比で（Ｒｅ_２Ｏ_３添加量）／（ＭｇＯ添加）比が大きくなるほど、ｃ軸方向に柱状粒子が成長し易い傾向があることが分かっている。この点は窒化珪素特有であり、図３（ｂ）に示すように窒化アルミニウムやアルミナ等の焼結体表面形態とは大きく異なる点である。また同図（ｂ）では焼結体表面や内部に粒界欠陥を生じ易く、これが部分放電特性に影響を与える可能性もある。

更に、基板の量産性を考慮すると、基板製造工程では記述したシート成形などの方法で有機成分であるバインダーを含むセラミックスグリーンシートを作製し、前記シートを適切なサイズに切断した後、シート表面に潤滑材・離型材となるｈＢＮを塗布し、脱脂・焼結段階ではこのシートを多数枚重ねて作製される。このとき重ねた基板同士が癒着して、離型不良を発生しないようにする必要があるが、ｈＢＮ塗布量を多くすることも考えられるが、あまり多くすると焼結後のｈＢＮ除去に手間が掛かる他に、焼結不良を起こすことがわかっている。そこで残留ｈＢＮ量を極力少なくして、離型性を確保するのに、面形態Ｒｓｋ＞０以上である方が有利な場合がある。

また回路基板作製においては、銅やアルミなどの金属板を活性金属ろう付接合するため、表面があまり粗すぎＲｙが大きくなる（凹凸の差が大きすぎる）と、接合界面の空隙を十分埋めるために使用する活性金属ろう材量も多くなり、コスト高になる。その一方で銅板と窒化珪素を真空中で接合する際に、バインダー入りの活性金属ろう材を使用するため、バインダーが分解して発生した不純ガスがボイドとして残留する可能性がある。そのためある程度前記の不純ガスを抜けやすくするには基板表面が全くの平滑状態よりも、銅板と窒化珪素の間に最低限度の適切な隙間があることが望ましい。本発明は以上のようなことを考慮して、回路基板および回路基板用窒化珪素セラミックス基板の適切な表面状態により所望の性能を実現するものである。

以上のように、これまでは窒化珪素および窒化珪素質焼結体および基板と、この基板を用いた回路基板に関して、密着性、放熱性、耐圧性能（部分放電特性含む）改善を実現するための手法、ここでは表面形態の観点から明確な説明づけがなされたものは無い。そこで、本発明は係る問題点に鑑み、実現可能な表面形態と、その形態から実現可能な上記改善項目と効果を考慮して示すものである。また同時に窒化珪素セラミックス基板とこれを用いたセラミックス回路基板とその製造方法と、前記回路基板を用いた半導体モジュールを提供することを目的とするものである。

本発明の窒化珪素回路基板は、アルミナ砥粒で表面が液体ホーニング処理された窒化珪素基板に金属回路板である銅板をＡｇ−Ｃｕ系ろう材でろう付け接合した窒化珪素回路基板であって、窒化珪素基板の接合面は算術平均粗さＲａが、Ｒａ＜１μｍ、最大高さＲｙが、Ｒｙ＜１０μｍ、粗さ曲線から求めたスキューネスＲｓｋが、１＞Ｒｓｋ＞０で、かつ展開長さ比が１０１．４８７〜１０４．１０３であり、前記展開長さ比は抽出曲線を基準長さの中で直線に引き延ばしたときに得られる長さの、基準長さに対する比率を無次元数で表したものであり、ろう付け接合界面のボイドの面積率が３％以下であり、更に、部分放電電荷量が最初に１０ｐＣ以上となる交流印加電圧の昇圧時の電圧Ｖ２と、降圧時に部分放電電荷量が最初に１０ｐＣ以下となる電圧Ｖ３が共に２．９ｋＶ以上であり、加えてＶ３−Ｖ２が１．０ｋＶ以下であることを特徴とする。この窒化珪素回路基板の金属回路板に半導体素子を搭載することにより半導体モジュールを作製することができる。

前記焼結体基板を回路基板用に用いるためには、表面の清浄化（異物やｈＢＮ除去）と、最大高さを適宜修正処理し、ある程度の平滑化も必要である。そこで回路基板表面性状を上記とすることで、ろう材接合時の接合界面での不純ガスの排出が良くなり、金属板のろう付け接合時のボイドを防ぐことができる。また、図４（ａ）に示すように、スキューネスを正とすることでアンカー効果により接合後の金属板とセラミックス基板との密着性も良くなり、放熱性も改善できる。一方スキューネスが負の場合には、図４（ｂ）に示すように接合界面の基板側で、ろう材がセラミックス粒子の粒界部にくまなく侵入することができず、基板表面凹部底に微小なボイドを形成し易い。また、ろう付け接合界面全体におけるろう材量が、スキューネスＲｓｋ＞０の方が、ろう材の占める体積も相対的に多くなり、僅かながら放熱性の改善も見込まれる。さらに、スキューネスを負とした場合には図４（ｂ）に示すように、基板側に鋭利な凸形状となる、ろう材層が形成される。また前述したように、ろう材の鋭利な凸形状先端部には、微小ボイドが生じ易い。そのためこの凸形状部に電解が集中して、接合界面の微小ボイドや窒化珪素基板内部の空孔による部分放電が生じ易く、絶縁安定性に問題があることがわかる。また上記パラメータＶ２、Ｖ３に関して、その値が極力高いことが好ましいのは述べるまでもない。

また、本発明は液体ホーニングで表面形態制御されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素基板を用いた窒化珪素回路基板およびその製造方法である。特許文献２においては、バレル研磨、研削加工等で表面形態を制御する手法が記載されている。しかしながら、バレル研磨は処理対象が基板の場合には条件出しが困難で、基板材には不適な手法である。一方研磨加工は高強度を必要とする部材によく用いられる方法であるが、基板材に適用するにはコスト高になるのは避けられず、不適であると考えられる。その点、液体ホーニング処理は基板へのダメージも少なく、最も効率的に基板表面形態を制御できると考えられる。

本発明によれば、窒化珪素セラミックス焼結体を歩留まり良く製造量産できる。また前記焼結体基板を用いた回路基板を作製する場合、金属板との密着性と、冷熱衝撃特性、放熱性、絶縁性に優れ、安定した部分放電特性を示す回路基板が量産でき、信頼性に優れたパワー半導体分野における半導体モジュールに供することができる。

以下、本発明について具体的な製造工程から説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。尚、各図面において同一部材については同一符号を付し、その説明を省略する場合もある。

最初に窒化珪素セラミックス焼結体、セラミックス基板および回路基板の製造方法について述べる。尚、ここでは特定の原料や焼結工程で説明するが製造方法・製造条件は下記の例に限定されるものではない。

まず、窒化珪素粉末を主成分とする原料粉末に、酸化物のマグネシア（ＭｇＯ）３ｗｔ％、希土類系酸化物の酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を１〜５ｗｔ％のセラミックス焼結助剤粉末を加え、これに更に分散剤、粘結助剤（有機バインダー）、溶剤等を添加しボールミルで混合・粉砕し、所定粘度のスラリーを作製した。ここでは希土類酸化物として酸化イットリウムを用いたが、他の希土類酸化物を用いても良い。また、比較のために０．６３ｍｍｔ厚さの窒化アルミの例も示す。

次に、脱泡工程を経て、前記スラリーの粘度を更に基準範囲内に調整し、その後シート成形法によりセラミックスグリーンシート（以下ではシートと表現することがある）を作製した。このシートを焼結体のサイズの大きさと厚みが２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．３２ｍｍｔとなるように、焼結収縮率を考慮して切断した。次にシートにｈＢＮを塗布し、乾燥後に１０枚以上積層した。このような積層体を１０セット用意し脱脂した。脱脂した積層体を焼結炉にセットし、真空にした後昇温させた。焼成時には温度１０００℃を超えた段階で加圧窒素雰囲気中１８５０℃以上の温度で５時間焼成を行った。まず本発明では、上記までの工程のうち焼結体および基板表面性状を本発明となるように液体ホーニング処理時の圧力および液体に添加する砥粒種をパラメータとした。

次に回路基板製造工程について説明する。焼結体基板は、多数個取りの回路基板部にレーザー加工でスクライビング加工と、ろう材印刷用の位置合わせ用のマーカー孔を切断加工で形成した。その後、基板表裏の清浄化と所定面性状になるように液体ホーニング処理した。前記ホーニング処理はアルミナ砥粒を適量添加し、０．２〜０．５ＭＰａの圧力で基板表裏両面を処理した。この時の圧力と使用する砥粒種（砥粒の材料、形状）で表面性状を制御できる。

以上のホーニング処理後、基板表面の洗浄化を行う必要がある。ここでは基板表面の異物（ｈＢＮ等）と砥粒を落とすために超音波洗浄器で１５分洗浄を２回、各々新しい水を用いて実施した。その後、面粗さを測定し、スキューネスＲｓｋ以外にＲａとＲｍａｘも評価した。Ｒａ、Ｒｍａｘは好ましくはＲａ＜１μｍ、Ｒｍａｘ＜１０μｍの範囲であるほうがよい。Ｒｍａｘが大きすぎると、接合時のろう材が多く必要となり、コスト高になってしまう。また、両者があまり０に近い場合には、この後工程のろう付け接合において、ろう材中に含まれるバインダー等の有機成分分解ガスの排出がうまくいかず、ボイド形成につながる恐れがある。上記洗浄後、基板を１００℃で１時間乾燥させた。更にその後、アルコールおよびアセトン超音波洗浄を行い、基板表面の清浄化を追加実施した。基板表面の異物や粗さもボイド形成に繋がることから、基板表面の清浄化は十分実施した方が好ましい。

次にろう材を窒化珪素基板表裏にスクリーン印刷でろう材パターンを印刷し、金属回路板および金属放熱板となる銅板と、真空炉中で基板表裏に接合した。ろう材中の有機成分はガス化してボイドの原因となるため除去することが好ましい。低コスト化と工程短縮のため真空炉中で、ろう材成分中の有機成分は温度上昇に伴い自然分解し、ガス化してろう材層から除去される。有機成分の分解温度４００〜５００℃でしばらく温度保持を行うことが好ましい。その後昇温して接合温度まで上げる。また接合ろう材の融点近傍から接合温度で発生する不純ガス成分による真空度の悪化もボイドに繋がることから、１×１０^−２Ｐａ以下の真空度で接合することが好ましい。またろう材は活性金属入りのＡｇ−Ｃｕ系ろう材を使用し７００℃以上で接合した。特にこの活性金属ろう材は酸化雰囲気に曝さない様にすることが重要である。接合後の接合界面におけるボイド率は、非破壊で超音波顕微鏡を用いて評価し、いずれも面積率にしてボイド率が３％以下であることが絶縁安定性を確保するうえで重要である。ここで、ボイド率とは回路基板を表面側および裏面側から見たときの、全接合面積に占めるボイド面積の割合であり、実施例では回路基板の表面側、裏面側の両方を測定した。

次に金属回路および金属放熱パターンを形成するために、前記の銅／窒化珪素または窒化アルミ／銅（窒化アルミは０．６３ｍｍｔ厚）の接合体の銅板表面にレジストを形成し、露光・現像してレジストパターンを形成した。続いて湿式エッチングで銅の不要パターンを除去し、銅パターンを形成した。その後レジストを除去する工程と、不要なろう材を除去する工程と、各種薬液による処理を行い、銅パターン表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し。その後多数個取り基板のスクライブ線に沿って回路基板を個々に分割し、検査工程を経て評価試料とした。

部分放電性能の評価には、キクスイ製の部分放電試験機を使用した。部分放電評価に作製した回路基板形状を図５に示す。銅回路パターンの厚さは表裏共に０．３ｍｍｔである。回路基板の回路側に形成したΦ１０ｍｍの円形銅回路パターンの一つと、裏面のベタパターンを各々別々の電極として装置に接続した。この回路基板形状の例では、回路パターンが４個あるため、一つの回路基板で、４回測定することになる。次に電極を付けた前記回路基板を室温のシリコーン絶縁油中に浸漬した。印加した電圧は最大でＡＣ６ｋＶ、試験開始から終了まで１分間とし、最大電圧での保持時間は５ｓｅｃとした。図６に測定結果の一例（この例では最大印加電圧Ｖ１＝ＡＣ５ｋＶ）を示す。部分放電電荷の累積値（閾値）は１０ｐＣとした。この測定例の場合、昇圧過程で最初に１０ｐＣを超えたときの印加電圧値は、ＡＣ２．９ｋＶである。また降圧過程で最初に１０ｐＣを下回ったのはＡＣ３．９ｋＶである。したがって既述したＶ１＝５．０ｋＶ、Ｖ２＝２．９ｋＶ、Ｖ３＝３．９ｋＶとなり、Ｖ２よりもＶ３の方が高い値を示す傾向にある。またＶ２、Ｖ３両者の差は１ｋＶ程度であり、この差が小さく絶縁安定性が良好であることがわかる。尚Ｖ２とＶ３が高い値を示す方がボイドやセラミックス内の空孔が少なく、部分放電特性が安定な良好な回路基板であるといえる。発明では、以上の方法で部分放電電圧特性を評価した。

（実施例１）
ここでは液体ホーニング処理条件により各種表面形態を作製した例を表１に示す。処理条件としては、砥粒の種類、砥粒の粒径、投射圧力、基板搬送速度、ノズル振り速度、投射距離等である。

表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．６が本発明の実施例であり、比較のためにＮｏ．７〜Ｎｏ．９に比較例を示した。またＮｏ．１０は窒化アルミを用いた場合を示した。まず窒化珪素基板と銅板との密着性はいずれの試料も２００Ｎ／ｃｍ以上であり問題は認められないが、強度・破壊靭性の低い窒化アルミニウムでは基板剥離割れが１００Ｎ／ｃｍ以下で生じた（Ｎｏ．１０）。全体的な傾向としてＲａが大きくなるほど、銅板を接合した後のボイド率が大きくなる傾向が多少認められる。特にＮｏ．８，９ではその傾向が顕著に現れ、ボイド率が３％を超えている。窒化アルミニウムでは焼結体表面が元々平滑に近いため、ボイド不良は認められない。ここでスキューネスとボイド率の関係であるが、面粗さＲａとスキューネスには相関が認められ、スキューネスが１よりも大きい場合には、ボイドも大きくなる傾向を示す。

次に部分放電特性に着目すると、ボイド率が大きい場合にはＶ２、Ｖ３が小さくなる傾向が認められ、またＶ３−Ｖ２の値も小さくなる。またスキューネスが負となる場合であるが、Ｖ３−Ｖ２の値が大きいことが分かる。尚、ここでは省略するが、何れも別途実施した絶縁破壊電圧の測定結果では、ＡＣ８．５ｋＶ以上の耐圧を示したことを確認済みである。このスキューネスが負の場合には、図４（ｂ）に示すように、接合界面のろう材形状が、セラミックス基板に向かって凸形状であり、かつ凸形状の先端部に微小ボイドが形成され易いことがＶ３−Ｖ２の増加の原因と考えられる。またＮｏ．１０の窒化アルミ基板では基板厚さが０．６３ｍｍｔあるにも係わらず、部分放電開始および消滅電圧がＮｏ．７〜９と同程度であることは以外な結果であり、接合界面の影響が大きいことを示唆するものであると考えられる。以上の結果から、回路基板に好ましい窒化珪素表面形態はＲａ＜1μｍ、Ｒｙ＜１０μｍ、スキューネスが０＜Ｒｓｋ＜１であることが、ボイド低減や部分放電特性および絶縁安定性に好ましいことがわかる。

（実施例２）
ここでは表１以外の砥粒を用いた場合と研削加工した場合の比較例を、本発明の実施例と共に表２に示す。

Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１４が本発明例、Ｎｏ．１５、１６は比較例、Ｎｏ．１７は研削加工例である。研削加工に関しては、特許文献２にも示されているが耐摩耗性に関連するものであり、スキューネスの範囲も本発明とは異なるものである。表２で新たに用いた砥粒は球状電融ガラス（ジルコン）である。このジルコンはアルミナ＃２４０よりも細かいため、セラミックス基板表面の平滑化作用が劣る。したがって液体ホーニング後の面粗さはＮｏ．１４の粒径で前記条件をかろうじて満たす。Ｎｏ．１５、１６では実施例１と同様の結果が得られた。一方研削加工したＮｏ．１７では面粗さは小さく平滑であり、ボイド率も小さいことがわかる。しかしながら部分放電特性に着目すると、Ｖ２、Ｖ３はいずれも比較的高いものの、Ｖ３−Ｖ２が１ｋＶよりも大きく絶縁安定性に問題があることがわかる。この原因としては、図４（ｂ）で説明した以外にも、研削加工によるセラミックス基板表面への欠陥導入の影響が考えられ、銅板接合時に接合層に生成した前記欠陥部への微小ボイドが悪影響していると推察される。したがって、セラミックス基板の表面形態制御においては、極力表面に欠陥を導入しない方法が、部分放電特性に関しては好ましいことがわかる。

本発明は、窒化珪素焼結体および主に大電力半導体モジュールに用いられる窒化珪素セラミックス基板に関し、この窒化珪素基板を用いたセラミックス回路基板に利用できる。

部分放電評価試験方法を示す説明図である。スキューネスＲｓｋが正の場合と負の場合の基板の表面形態を表す模式図である。（ａ）はスキューネスＲｓｋが正の場合を示す表面形態の模式図、（ｂ）はスキューネスＲｓｋが負の場合を示す表面形態の模式図である。窒化珪素と窒化アルミの焼結体表面形態を示す模式図である。（ａ）は窒化珪素焼結体の表面性状を示す模式図、比較例として（ｂ）は窒化アルミ焼結体の表面性状を示す模式図である。ろう付け接合界面の断面形態を示す模式図である。（ａ）はスキューネスＲｓｋが正である本発明の場合の断面形態を示す模式図、（ｂ）はＲｓｋが負である本発明外の断面形態を示す模式である。本発明における部分放電特性評価用のセラミックス回路基板を示す外観斜視図である。本発明における部分放電特性の評価結果を示す一例である。

符号の説明

１：部分放電試験時の印加電圧（単位ＡＣｋＶ）を示す
２：部分放電試験時の部分放電電荷量（単位ｐＣ）を示す
３：部分放電電荷量の電荷量（単位ｐＣ）の閾値
４：スキューネスＲｓｋが正の場合の基板表面形態
４’：Ｒｓｋが負の場合の基板表面形態
５：セラミックス焼結体またはセラミックス基板焼結体
６：Ｒｓｋが正の場合の粗さ曲線の模式図
６’：Ｒｓｋが負の場合の粗さ曲線の模式図
７：Ｒｓｋが正の場合の分布曲線確立密度を示す模式図
７’：Ｒｓｋが負の場合の分布曲線確立密度を示す模式図
８：銅板（金属板）
９：活性金属ろう材
１０：ろう付け接合界面領域
１１、１２：ボイド易形成箇所
１１、１２：電解集中箇所
１５：部分放電特性評価用回路基板
１６：金属回路板
１７：セラミックス基板
１８：金属放熱板
２０：部分放電特性評価時の印加電圧のプロフィール
２１：部分放電特性評価時の部分放電電荷量のプロフィール
２２：部分放電特性評価時の部分放電電荷量の閾値（本発明では１０ｐＣ）
３０：窒化珪素焼結体表面の柱状粒子
３１：窒化珪素焼結体表面のガラスまたは窒化珪素層
３５：窒化アルミ焼結体表面の粒子
３６：窒化アルミ焼結体の表面欠陥
３７：窒化アルミ焼結体の内部欠陥

Claims

アルミナ砥粒で表面が液体ホーニング処理された窒化珪素基板に金属回路板である銅板をＡｇ−Ｃｕ系ろう材でろう付け接合した窒化珪素回路基板であって、窒化珪素基板の接合面は算術平均粗さＲａが、Ｒａ＜１μｍ、最大高さＲｙが、Ｒｙ＜１０μｍ、粗さ曲線から求めたスキューネスＲｓｋが、１＞Ｒｓｋ＞０で、かつ展開長さ比が１０１．４８７〜１０４．１０３であり、前記展開長さ比は抽出曲線を基準長さの中で直線に引き延ばしたときに得られる長さの、基準長さに対する比率を無次元数で表したものであり、ろう付け接合界面のボイドの面積率が３％以下であり、更に、部分放電電荷量が最初に１０ｐＣ以上となる交流印加電圧の昇圧時の電圧Ｖ２と、降圧時に部分放電電荷量が最初に１０ｐＣ以下となる電圧Ｖ３が共に２．９ｋＶ以上であり、加えてＶ３−Ｖ２が１．０ｋＶ以下であることを特徴とする窒化珪素回路基板。
請求項１記載の窒化珪素回路基板の金属回路板に半導体素子を搭載することを特徴とする半導体モジュール。