JP6399252B2 - 回路基板および窒化ケイ素焼結基板の製造方法 - Google Patents

Description

本願は窒化ケイ素焼結基板、窒化ケイ素焼結基板片、回路基板および窒化ケイ素焼結基板の製造方法に関する。

近年、パワーモジュール、ＬＥＤ等、大電力の電子回路が種々の用途で用いられるようになってきており、このような回路の実装等に用いられる絶縁性基板が求められている。このような絶縁性基板には、一般にセラミックス基板が用いられる。特に、窒化ケイ素焼結基板は、優れた機械的強度を有する。例えば、特許文献１は、低誘電率、気密性および生産性の高い窒化ケイ素焼結基板を開示している。

特開平６−２４８５０号公報

上述した用途において、大型の絶縁性基板が求められる場合がある。また、取り数を多くして、生産性を高めるために、大型の窒化ケイ素焼結基板を実現することが求められている。本発明は、大型の窒化ケイ素焼結基板、窒化ケイ素焼結基板片、回路基板および窒化ケイ素焼結基板の製造方法を提供する。

本開示の一実施形態による窒化ケイ素焼結基板は、１辺が１２０ｍｍの正方形よりも大きい形状の主面を有し、前記主面における中央部の密度ｄｃと端部の密度ｄｅの比ｄｃ/ｄｅが０．９８以上であり、前記主面における中央部のボイド率ｖｃが１．８０％以下であり、端部のボイド率ｖｅが１．００％以下である。

前記中央部の密度ｄｃが３．１２０ｇ／ｃｍ³以上であり、前記端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ³以上であり、前記中央部のボイド率ｖｃと前記端部のボイド率ｖｅとの比ｖｅ／ｖｃが０．５０以上であってもよい。

前記中央部の密度ｄｃが３．１４０ｇ／ｃｍ³以上であり、前記端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ³以上であり、前記中央部のボイド率ｖｃが１．３％以下であってもよい。

窒化ケイ素焼結基板の、１０ｐＣの放電電荷量に達した時の電圧値で定義される部分放電開始電圧が、４．０ｋＶ以上であってもよい。

窒化ケイ素焼結基板の、１０ｐＣの放電電荷量に達した時の電圧値で定義される部分放電開始電圧が、５．０ｋＶ以上であってもよい。

窒化ケイ素焼結基板は、０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の厚さを有していてもよい。

前記主面は、１辺が２５０ｍｍの正方形またはこれよりも小さい形状を有していてもよい。

窒化ケイ素焼結基板の炭素含有量が０．２０質量％以下であってもよい。

窒化ケイ素焼結基板の前記主面は、１５０ｍｍ×１７０ｍｍの長方形よりも大きい形状を有していてもよい。

本開示の一実施形態による複数の窒化ケイ素焼結基板片は上記いずれかに記載の窒化ケイ素焼結基板から分割されている。

本開示の一実施形態による回路基板は、上記いずれかに記載の窒化ケイ素焼結基板を用いた回路基板であって、８．０ｋＶ以上の絶縁破壊耐圧および６以上の絶縁破壊耐圧のワイブル係数を有する。

前記主面は、１辺が２２０ｍｍの正方形またはこれよりも小さい形状を有し、１０以上の絶縁破壊耐圧のワイブル係数を有していてもよい。

本開示の一実施形態による窒化ケイ素焼結基板の製造方法は、８０質量％以上９８．３質量％以下のＳｉ₃Ｎ₄粉末、酸化物換算で０．７質量％以上１０質量％以下のＭｇ化合物粉末および酸化物換算で１質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の化合物粉末を混合し、混合粉末を得る工程（ａ）と、前記混合粉末をスラリーにして複数のグリーンシートに成形する工程（ｂ）と、前記複数のグリーンシートを、窒化ホウ素粉末層を介して積層し、積層組立体を得る工程（ｃ）と、前記積層組立体を焼結炉内に配置し、前記積層組立体を焼結する工程（ｄ）とを包含し、前記工程（ｃ）において、前記窒化ホウ素粉末層の厚さは３μｍ以上２０μｍ以下であり、前記工程（ｄ）は、８０Ｐａ以下の真空雰囲気下、９００℃以上１３００℃以下の雰囲気温度を保持し、前記グリーンシートから炭素を除去する工程（ｄ１）と、前記工程（ｄ１）の後、窒素雰囲気下で、１６００℃以上２０００℃以下の雰囲気温度で前記グリーンシートを焼結させる工程（ｄ２）と含む。

本開示の他の実施形態による窒化ケイ素焼結基板の製造方法は、Ｓｉ₃Ｎ₄換算で、８０質量％以上９８．３質量％以下のＳｉ粉末、または、Ｓｉ粉末およびＳｉ₃Ｎ₄粉末、酸化物換算で０．７質量％以上１０質量％以下のＭｇ化合物粉末および酸化物換算で１質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の化合物粉末を混合し、混合粉末を得る工程（ａ）と、前記混合粉末をスラリーにして複数のグリーンシートに成形する工程（ｂ）と、前記複数のグリーンシートを、窒化ホウ素粉末層を介して積層し、積層組立体を得る工程（ｃ）と、前記積層組立体を焼結炉内に配置し、前記積層組立体を焼結する工程（ｄ）とを包含し、前記工程（ｃ）において、前記窒化ホウ素粉末層の厚さは３μｍ以上２０μｍ以下であり、前記工程（ｄ）は、８０Ｐａ以下の真空雰囲気下、９００℃以上１３００℃以下の雰囲気温度を保持し、前記グリーンシートから炭素を除去する工程（ｄ１）と、前記工程（ｄ１）の後、窒素雰囲気下、１３５０℃以上１４５０℃以下の雰囲気温度で前記グリーンシート中の前記Ｓｉ粉末を窒化させる工程（ｄ２）と前記工程（ｄ２）の後、窒素雰囲気下で、１６００℃以上２０００℃以下の雰囲気温度で前記グリーンシートを焼結させる工程（ｄ３）と含む。

窒化ケイ素焼結基板は、１辺が１２０ｍｍの正方形よりも大きい形状の主面を有するものとする。前記主面は、１５０ｍｍ×１７０ｍｍの長方形よりも大きい形状の主面を有していてもよい。さらに、前記主面は、１辺が２５０ｍｍの正方形またはこれよりも小さい形状を有していてもよい。

本願の窒化ケイ素焼結基板およびその製造方法によれば、大型で高絶縁信頼性の窒化ケイ素焼結基板が得られる。

（ａ）は本実施形態の窒化ケイ素焼結基板の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は窒化ケイ素焼結基板と（ａ）に示す窒化ケイ素焼結基板との関係を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、窒化ケイ素焼結基板における中央部および端部の定義を説明する図である。 部分放電電圧を測定するための測定系を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、耐圧を求めるための試験片の形状を示す平面図および断面図である。 本実施形態の窒化ケイ素焼結基板の製造方法の一例を示すフローチャートである。 本実施形態の窒化ケイ素焼結基板の製造方法の他の例を示すフローチャートである。 複数枚のグリーンシートを有する積層組立体を示す断面図である。 積層組立体の上面に重し板を配置する様子を示す断面図である。 二重構造の容器内の多段フレームに、重し板を載せた積層組立体を配置した様子を示す断面図である。 内側容器および外側容器の下板上に、載置板を介して一つの積層組立体を載せた状態を示す断面図である。 図９に示す載置板の上に縦枠部材を介してもう一つの載置板を配置し、その上に二つ目の積層組立体を載せた状態を示す断面図である。 本実施形態の窒化ケイ素焼結基板の製造方法における焼結工程の温度プロファイルの一例を示すグラフである。 本実施形態の窒化ケイ素焼結基板の製造方法における焼結工程の温度プロファイルの他の例を示すグラフである。 実施例３〜２８、参考例１、２、５１、５２および比較例５３〜５５の窒化ケイ素焼結基板における、ボイド率と炭素含有量との関係を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は実施例３、５、１０、１２、１４および参考例１、５１、５２の窒化ケイ素焼結基板の一辺の長さと、基板の密度およびボイド率との関係をそれぞれ示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は実施例３、５、１０、１２、１４および参考例１、５１、５２の窒化ケイ素焼結基板の一辺の長さと、部分放電電圧および絶縁破壊耐圧のワイブル係数との関係をそれぞれ示すグラフである。

本願発明者の詳細な検討によれば、窒化ケイ素焼結基板のサイズを大きくすると、基板の中央付近と端部とで種々の物性に差が生じ、基板面内での物性の均一性が低下する。特に、基板の中央付近では、焼結時にグリーンシートが収縮しにくいため、基板中央付近において、密度が小さくなることおよびボイド率が大きくなることが分かった。

パワーモジュール、ＬＥＤの実装等、ハイパワー回路に窒化ケイ素焼結基板が用いられる場合、高耐圧であり高絶縁信頼性を有することが好ましい。検討の結果、高絶縁信頼性を評価する特性として、部分放電電圧を用いることができること、および、部分放電電圧は、窒化ケイ素焼結基板のボイド率と相関があることが分かった。高絶縁信頼性とは、高い絶縁特性が長期間維持されることを言う。

さらに、密度およびボイド率の面内均一性が高く、外形の大きな窒化ケイ素焼結基板を作製するためには、窒化ケイ素焼結基板の製造時にグリーンシートとともに積層される窒化ホウ素粉末層の厚さを制御すること、および、焼結時の炭素含有量を制御することが重要であることが分かった。これらの検討結果に基づき、本願発明者は、大きなサイズを有し、高耐圧および高絶縁信頼性を有し、これらの面内ばらつきが小さい窒化ケイ素焼結基板およびその製造方法を想到した。以下、本実施形態の窒化ケイ素焼結基板およびその製造方法の一例を説明する。本発明は、以下の実施形態に限られず、種々の改変または変更が行われてもよい。

（窒化ケイ素焼結基板）
図１（ａ）に示すように、本実施形態の窒化ケイ素焼結基板１０１は、主面１０１ａを有する。ここで主面とは、窒化ケイ素焼結基板１０１を構成している面のうち、最も広い面を指す。本実施形態では、主面１０１ａと反対側に位置する面１０１ｂも実質的に主面１０１ａと同じ大きさを有する。主面１０１ａは、少なくとも１辺が１２０ｍｍの正方形よりも大きい形状を有する。主面１０１ａが長方形形状を有する場合、矩形の２辺Ｌ１およびＬ２のいずれもが１２０ｍｍよりも長い。例えば、窒化ケイ素焼結基板１０１は、１５０ｍｍ×１７０ｍｍの長方形よりも大きい形状を有していてもよい。主面１０１ａは多角形形状、あるいは、円形状、楕円形状等頂点および辺を有しない曲線で定義される形状を有していてもよい。主面１０１ａが正方形または長方形以外の形状を有する場合、主面１０１ａは、１辺が１２０ｍｍの正方形を内包する形状よりも大きい形状を有する。

図１（ｂ）に示すように、窒化ケイ素焼結基板１０１は、グリーンシートの焼結により得られた窒化ケイ素焼結体１０１’から外周に沿って位置する予肉部分と呼ばれる端部１０２（ハッチングで示している）を切り落とした後の基板である。端部１０２の幅は例えば５ｍｍ程度である。図１（ｂ）では、端部１０２を切り落とした後の窒化ケイ素焼結基板１０１は、正方形の形状を有しているが、上述したように、用途等に応じて多角形等の形状を有していてもよい。

窒化ケイ素焼結基板１０１の密度およびボイド率が、以下において説明する条件を満たす限り、主面１０１ａの大きさに制限はない。しかし、主面１０１ａが大きくなるほど、窒化ケイ素焼結基板１０１の製造時におけるグリーンシートの端部と中央部との収縮量の差が大きくなるため、耐圧および絶縁信頼性に端部と中央部とでばらつきが大きくなる。耐圧および絶縁信頼性の面内ばらつきを小さくするためには、主面１０１ａは、１辺が２５０ｍｍの正方形またはこれよりも小さい形状を有することが好ましく、１辺が２２０ｍｍの正方形またはこれよりも小さい形状を有することがより好ましい。

窒化ケイ素焼結基板１０１の厚さｔは、０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。厚さが０．１５ｍｍよりも小さい場合、窒化ケイ素焼結基板１０１製造時に焼結後の積層組立体から各窒化ケイ素焼結基板１０１を剥離する過程で、基板内にクラックが生じる場合があり、基板の品質および製造歩留りを低下させる可能性が大きくなる。また、厚さが２．０ｍｍよりも大きい場合、窒化ケイ素焼結基板１０１の中央部と端部における密度差、および、基板の厚さ方向における密度差が大きくなり、結果として基板中央部と端部との密度差がより顕著となる。

窒化ケイ素焼結基板１０１において、主面１０１ａの中央部の密度ｄｃと端部の密度ｄｅの比ｄｃ／ｄｅは０．９８以上である。密度比ｄｃ／ｄｅが、０．９８よりも小さい場合、窒化ケイ素焼結基板１０１の主面１０１ａにおける密度のばらつきが大きくなり、好ましくない。具体的には、密度比ｄｃ／ｄｅが０．９８よりも小さい場合、中央部の密度ｄｃと端部の密度ｄｅとの差が０．０６ｇ／ｃｍ³以上になる。中央部の密度ｄｃは３．１２０ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましく、端部の密度ｄｅは３．１６０ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましい。ｄｃ/ｄｅが０．９８以上であることにより、窒化ケイ素焼結基板１０１の中央部と端部との密度差が小さくなり、窒化ケイ素焼結基板１０１における密度の均一性高められる。さらに、中央部の密度ｄｃが３．１２０ｇ／ｃｍ³以上であり、端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ³以上であることにより、高密度で、密度の均一性が高い窒化ケイ素焼結基板１０１が得られる。また、中央部の密度ｄｃが３．１４０ｇ／ｃｍ³以上であり、端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ³以上であれば、窒化ケイ素焼結基板１０１の密度がより大きく、かつ、密度の均一性も高くなる。その結果、高い絶縁特性を有する窒化ケイ素焼結基板１０１が得られる。窒化ケイ素焼結基板１０１の密度は以下で説明するボイド率と相関があり、さらに、基板の絶縁性に関連している。

本願発明者の検討によれば、窒化ケイ素焼結基板１０１のボイド率は、炭素含有量と相関があり、残留炭素量が多いほど、ボイド率も大きくなる。窒化ケイ素焼結基板１０１の炭素含有量は、中央部において、０．２質量％以下であることが好ましい。炭素の含有量が０．２質量％を超えると、中央部のボイド率が、１．８０％よりも大きくなる。

なお、特許文献１は、窒化ケイ素焼結基板の製造の際、グリーンシート中に有機バインダー等に由来する炭素が残留していると、焼結によって炭化ケイ素が生成することにより、窒化ケイ素焼結基板の誘電率が増大したり絶縁抵抗が低下したりするという課題が生じることを開示している。この課題を解決するため、特許文献１は、窒化ケイ素焼結基板中の炭素の含有量を１質量％以下にすることを開示している。

上述したように、本願発明者の検討によれば、窒化ケイ素焼結基板１０１のボイド率を小さくするためには、炭素の含有量は、この値よりもはるかに小さいことが好ましい。また、特許文献１には、有機バインダーを用いずに作製した窒化ケイ素焼結基板も示されているが、この基板は、３５ｍｍ×３５ｍｍ×１．１ｍｍのサイズを有しており、大型の基板ではない。

低残留炭素量の窒化ケイ素焼結基板を作製するためには、有機バインダーを用いずにグリーンシートを作製することが考えられるが、この場合、大型のグリーンシートを成形することができない。つまり、有機バインダーを用いない場合には、成形性の問題から、そもそも大型の窒化ケイ素焼結基板を作製するこがきわめて困難である。

窒化ケイ素焼結基板１０１のボイド率は、部分放電開始電圧と関連している。基板を大型化しようとすると、グリーンシートの端部と中央部との収縮量の差が大きくなり、ボイド率が大きく、ボイド率の均一性（具体的には中央部と端部のボイド率差）が低くなる。これによって、部分放電電圧が低下するので、中央部のボイド率ｖｃは１．８０％以下であり、端部のボイド率ｖｅが１．００％以下であることが好ましい。中央部のボイド率ｖｃは１．３％以下であることがより好ましい。中央部のボイド率ｖｃおよび端部のボイド率ｖｅがこれらの値より大きい場合、部分放電開始電圧、より具体的には、部分放電開始電圧および部分放電消滅電圧のいずれもが小さくなり、窒化ケイ素焼結基板１０１の絶縁信頼性が十分ではない。具体的には、所定の高電圧が印加される場合、絶縁破壊が生じるまでの期間が短くなる。より高い絶縁信頼性を確保するためには、中央部のボイド率ｖｃと端部のボイド率ｖｅとの比ｖｅ／ｖｃは０．５０以上であることが好ましい。上記の適切な中央部のボイド率と端部のボイド率とするには、窒化ホウ素粉末層の厚さを後述するように適切にする、即ち３μｍ以上２０μｍ以下とする。

ここで、上述した物性の定義を説明する。まず主面１０１ａの大きさを説明する。上述したように、主面１０１ａは、１辺が１２０ｍｍの正方形１１０（仮想的な線で描いた正方形）よりも大きい形状を有する。主面１０１ａが正方形の形状を有する場合には、主面１０１ａの外形が仮想的に描いた正方形１１０に一致する。主面１０１ａの形に内接する最大の正方形１１０（仮想的な線で描いた正方形）を設定してよい。正方形１１０の１辺の長さは図２（ａ）に示すように、正方形の各辺の中央で測定される対向する２辺の間隔Ｌ１、Ｌ２で定義される。

正方形１１０内には、直径３ｃｍの９つの円Ｃ１１〜Ｃ１３、Ｃ２１〜Ｃ２３、Ｃ３１〜Ｃ３３を３行３列に配置する。中央の円Ｃ２２は、正方形の中心、つまり、対角に位置する２つの頂点をそれぞれ結ぶ２つの対角線の交点に円Ｃ２２の中心が一致するように配置する。他の８つの円Ｃ１１〜Ｃ１３、Ｃ２１、Ｃ２３、Ｃ３１〜Ｃ３３は、正方形１１０の各辺から１ｃｍ内側に位置する対応する辺によって構成される正方形１１０’を配置し、頂点近傍でかつ２つの辺に接する直径３ｃｍの円Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ３１、Ｃ３３を配置する。また、これらの円の中間に位置し、かつ、対応する辺に接するように、円Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２３、Ｃ３２を配置する。

窒化ケイ素焼結基板１０１の主面１０１ａに１辺が１２０ｍｍの正方形１１０（仮想的な線で描いた正方形）よりも大きい長方形（仮想的な線で描いた長方形）を内接させることができる場合には、図２（ｂ）に示すように、長方形１２０’に、同様にして９つの円Ｃ１１〜Ｃ１３、Ｃ２１〜Ｃ２３、Ｃ３１〜Ｃ３３を配置する。

密度およびボイドは、上述した条件で配置した９つの円を窒化ケイ素焼結基板１０１からレーザ加工によって切り出し、円形の部分を測定した値である。中央部の密度とは、円Ｃ２２の切片の密度であり、端部の密度とは、円Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ３１、Ｃ３３の切片を測定した値のうち、最も小さい値を言う。密度の測定はアルキメデス法による。

中央部のボイド率とは、円Ｃ２２の切片のボイド率を測定した値であり、端部のボイド率とは、上述の定義による端部の密度（最も密度の小さい値）が得られた円についてボイド率を測定した値である。ボイド率の測定のため、中央および端部の円の切片から、さらに１０ｍｍ×１０ｍｍの試料をレーザ加工により切り出し、樹脂で試料の空隙を充填した後、表面を研磨することにより、測定用試料を作製する。作製した試料を５００倍の光学顕微鏡によって撮影し、得られた像の３００μｍ×３００μｍ内にあるボイドの面積を画像解析によって求める。（ボイド面積）／（３００μｍ×３００μｍ）・１００の計算によって、ボイド率を求める。基板断面観察で基板中央部付近を観察した。

窒化ケイ素焼結基板１０１の炭素含有量は、主面の中央に位置する円Ｃ２２の部分における炭素含有量を測定した値である。炭素含有量は、非分散型赤外線吸収法によって測定した値である。例えば、ＬＥＣＯ社製のＣＳ７４４型炭素・硫黄分析装置を用いて測定することができる。

窒化ケイ素焼結基板１０１は上述した密度およびボイド率を有することによって、耐圧および絶縁信頼性に優れ、主面１０１ａでの密度およびボイド率の均一性に優れる。窒化ケイ素焼結基板１０１の部分放電は絶縁破壊の前駆現象であり、部分放電電圧が高いほど、絶縁破壊の耐圧が高く、絶縁破壊に至るまでの期間が長い。本実施形態の窒化ケイ素焼結基板１０１は、４ｋＶ以上の部分放電開始電圧および４ｋＶ以上の部分放電消滅電圧を有する。特に、窒化ケイ素焼結基板１０１における中央部の密度ｄｃが３．１４０ｇ／ｃｍ³以上であり、端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ³以上であり、中央部のボイド率ｖｃが１．３％以下であれば、部分放電開始電圧は５ｋＶ以上になり、より、高い絶縁信頼性が得られる。部分放電開始電圧は、窒化ケイ素焼結基板１０１に印加する電圧を増大させていく場合において、１０ｐＣの放電電荷量に達した時の電圧値で定義される。また、部分放電消滅電圧は、窒化ケイ素焼結基板１０１に印加する電圧を減少させていく場合において、１０ｐＣの放電電荷量に達した時の電圧値で定義される。

測定は、例えば、総研電気社製のＤＡＣ−ＰＤ−３を用い、昇圧および降圧速度１００Ｖ/ｓｅｃで最大印加電圧を７ｋＶに設定して行うことができる。他の装置や他の測定条件を用いてもよい。

測定には、図３に示す測定系を用いる。図３に示すように、槽１３０内に２４０ｍｍ×２４０ｍｍの裏面側電極１３１を配置し、その上に測定対象である窒化ケイ素焼結基板１０１を配置する。窒化ケイ素焼結基板１０１上に直径３４ｍｍの表面側電極１３２を配置し、裏面側電極１３１および表面側電極１３２にそれぞれ配線１３４の一端を接続する。配線１３４の他端は測定装置に接続される。槽１３０をフッ素系絶縁性液体１３３で満たし測定を行う。

本実施形態の窒化ケイ素焼結基板１０１を用いて作成される回路基板は、８ｋＶ以上の絶縁破壊耐圧および６以上の絶縁破壊耐圧のワイブル係数を有する。絶縁破壊耐圧は、上述した定義による窒化ケイ素焼結基板１０１の主面１０１ａにおける中央部および端部の位置において切り出された円板について測定を行い、平均を求めた値である。具体的には、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、窒化ケイ素焼結基板１０１から切り出された円板１４０の表面および裏面に１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさのＡｇペーストを塗布し、５００℃で焼き付けて、電極１４１付きの測定用回路基板を作製する。得られた測定用回路基板の電極１４１間に直流電圧を印加し、測定用回路基板が絶縁破断すなわち基板の表裏を貫通した際の電圧を、絶縁破壊耐圧として求める。

本実施形態の回路基板は、窒化ケイ素焼結基板１０１と、窒化ケイ素焼結基板１０１の一方の面に設けられた金属回路板（例えば銅の回路板）と、窒化ケイ素焼結基板１０１の他方の面に設けられた金属放熱板（例えば銅の放熱板）とを備える。回路基板は、金属回路板の上面に設けられた半導体素子等をさらに備えてもよい。窒化ケイ素焼結基板と、金属回路板及び金属放熱板との接合は、例えばろう材による活性金属法や銅板を直接接合する銅直接接合法を用いることができる。

絶縁破壊耐圧のワイブル係数は求めた絶縁破壊耐圧を横軸にとり、縦軸に破壊確率をとったワイブル分布をプロットすることによって求められる。具体的には、Ｌｎを自然対数とし、絶縁破壊確率（確率密度関数）をＦとし、絶縁耐圧をＶ（ｋＶ）とした場合、回路基板から切り出した円板について、Ｌｎ（Ｌｎ（１／（１−Ｆ）））を縦軸に、Ｌｎ（Ｖ）を横軸にとり、プロットした測定点から、Ｌｎ（Ｌｎ（１／（１−Ｆ）））＝ｍＬｎ（Ｖ）＋定数で示される近似式で求める。この場合のｍが絶縁破壊耐圧のワイブル係数である。

窒化ケイ素焼結基板１０１の誘電率に特に制限はなく、用途に応じた誘電率を備える。例えば、パワーモジュールに用いる場合、窒化ケイ素焼結基板１０１は１０以下の誘電率を備えることが好ましく、例えば、７．９以上８．１以下程度の誘電率を備えていることが好ましい。

本実施形態の窒化ケイ素焼結基板によれば、特に、密度およびのボイド率が上述した範囲に制御されていることによって、大型で、耐圧および絶縁信頼性に優れ、かつ、これらの基板面内での均一性に優れる。このような特性を有することによって、従来では製造が困難であった大型でかつ大電力用途の特性に優れた窒化ケイ素焼結基板を得ることができる。

また、本実施形態の窒化ケイ素焼結基板を集合基板として用い分割する場合には、１枚の大型の窒化ケイ素焼結基板から多数の窒化ケイ素焼結基板片を得ることができるため、高い生産性が実現でき、窒化ケイ素焼結基板片の製造コストを低減することができる。また、分割して得られた多数の窒化ケイ素焼結基板片間での密度、ボイド率、部分放電電圧等の特性のばらつきが小さい。本実施形態の１枚の窒化ケイ素焼結基板から２以上に分割あるいは切断された複数の窒化ケイ素焼結基板片は、例えば、各窒化ケイ素焼結基板片に識別情報が付されていたり、基板の上述した物性の変化の連続性、組成、厚さの変化の連続性を測定することによって、特定し得る。

（窒化ケイ素焼結基板の製造方法）
［１］ 原料粉末
本実施形態の窒化ケイ素焼結基板を製造するための原料粉末は窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分として含み、焼結助剤をさらに含む。具体的な原料粉末の配合成分は、８０質量％以上９８．３質量％以下のＳｉ₃Ｎ₄粉末、酸化物換算で０．７質量％以上１０質量％以下のＭｇ化合物粉末および酸化物換算で１質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の化合物粉末を含む。窒化ケイ素焼結体の密度、曲げ強度および熱伝導率の観点から、窒化ケイ素粉末のα化率は２０％以上１００％以下であることが好ましい。

Ｓｉ₃Ｎ₄の添加量が８０質量％未満であると、得られる窒化ケイ素焼結基板の曲げ強度および熱伝導率が低すぎる。一方、Ｓｉ₃Ｎ₄が９８．３質量％を超えると、焼結助剤が不足し、緻密な窒化ケイ素焼結基板を得られない。また、Ｍｇが酸化物換算で０．７質量％未満であると、低温で生成する液相が不十分である。一方、Ｍｇが酸化物換算で１０質量％を超えると、Ｍｇの揮発量が多くなり、窒化ケイ素焼結基板に空孔が生じやすくなる。さらに、希土類元素が酸化物換算で１質量％未満であると、窒化ケイ素粒子間の結合が弱くなり、クラックが粒界を容易に伸展することから曲げ強度が低くなる。一方、希土類元素が酸化物換算で１０質量％を超えると、粒界相の割合が多くなり、熱伝導率が低下する。

Ｍｇ含有量（酸化物換算）は好ましくは０．７質量％以上７質量％以下であり、より好ましくは１質量％以上５質量％以下であり、最も好ましくは２質量％以上５質量％以下である。また、希土類元素の含有量（酸化物換算）は、好ましくは２質量％以上１０質量％以下あり、より好ましくは２質量％以上５質量％以下である。従って、Ｓｉ₃Ｎ₄の含有量は好ましくは８３質量％以上９７．３質量％以下であり、より好ましくは９０質量％以上９７質量％以下である。希土類元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等を使用することができるが、中でも、Ｙは窒化ケイ素焼結基板の高密度化に有効であり好ましい。Ｍｇおよび希土類元素は酸化物の形態であってもよく、酸素以外の化合物の形態であってもよい。例えば、Ｍｇ₃Ｎ₂、ＹＮ等の窒化物、Ｍｇ₂Ｓｉ等のケイ化物を用いてもよい。好ましくは、Ｍｇおよび希土類元素はそれぞれ酸化物粉末の形態で使用する。従って、好ましい焼結助剤は、ＭｇＯ粉末とＹ₂Ｏ₃粉末との組合せである。

本実施形態の窒化ケイ素焼結基板を製造するための原料粉末としてＳｉ粉末を用いてもよい。この場合、グリーンシートの焼結前にＳｉ粉末を窒化することによって、窒化ケイ素焼結基板が得られる。Ｓｉ粉末を原料として用いる場合の原料粉末の配合成分（第１の配合成分）は、例えば、上述の窒化ケイ素粉末を用いる場合の配合成分において、Ｓｉ₃Ｎ₄をＳｉに換算した割合で原料を含む。具体的には、原料粉末は、Ｓｉ₃Ｎ₄換算で、８０質量％以上９８．３質量％以下のＳｉ粉末、酸化物換算で０．７質量％以上１０質量％以下のＭｇ化合物粉末および酸化物換算で１質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の化合物粉末を含む。

また、窒化ケイ素焼結基板を製造するための原料粉末としてＳｉ粉末およびＳｉ₃Ｎ₄粉末を用いてもよい。窒化ケイ素焼結基板中の窒化ケイ素のすべてをＳｉ粉末から合成する場合、Ｓｉの窒化時における急激な発熱によってＳｉが溶融してしまい窒化が不十分になる可能性がある。これに対し、原料粉末にＳｉ₃Ｎ₄粉末を混合しておくと、発熱量および発熱密度を低下させることによってＳｉの溶融を抑制することができる。この場合、Ｓｉ粉末とＳｉ₃Ｎ₄粉末とは任意の割合で混合し得る。具体的には、原料粉末は、Ｓｉ₃Ｎ₄換算で、８０質量％以上９８．３質量％以下のＳｉ粉末およびＳｉ₃Ｎ₄粉末、酸化物換算で０．７質量％以上１０質量％以下のＭｇ化合物粉末および酸化物換算で１質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の化合物粉末を含む。

［２］ 窒化ケイ素焼結基板の製造方法
グリーンシートの積層組立体を用いて窒化ケイ素焼結基板を製造する方法を以下に説明する。積層組立体を形成しており、グリーンシートを積層し、積層されたグリーンシートを一度に焼結するので、生産性に優れる。ここで積層組立体（stacked assembly）とは、複数のグリーンシートが互いに溶着しないように積層された、焼結時の一時的な積層構造体をいう。焼結後、積層組立体から個々の窒化ケイ素焼結基板を分離することが可能である。

図５Ａは、原料粉末として窒化ケイ素原料粉末を用いる場合の本実施形態の窒化ケイ素焼結基板を製造する方法の一例を示すフローチャートである。また、図５Ｂは、原料粉末としてケイ素原料粉末、または、ケイ素原料粉末および窒化珪素原料粉末を用いる場合の本実施形態の窒化ケイ素焼結基板を製造する方法の一例を示すフローチャートである。説明の簡略化のために、窒化ケイ素原料粉末をＳｉ₃Ｎ₄粉末とし、ケイ素原料粉末をＳｉ粉末とし、Ｍｇ原料粉末をＭｇＯ粉末とし、希土類元素原料粉末をＹ₂Ｏ₃粉末とするが、原料の酸化状態や窒化状態はこれらの組成式に限られず、他の酸化状態や窒化状態の原料を用いてもよい。

（１） 混合工程Ｓ１
上記焼結組成が得られるように配合した原料粉末に、可塑剤（例えばフタル酸系可塑剤）、有機バインダー（例えばポリビニルブチラール）および有機溶剤（例えばエチルアルコール）をボールミル等で混合し、原料を含むスラリーを作製する。スラリーの固形分濃度は３０質量％以上７０質量％以下が好ましい。上述したようにＳｉ粉末を窒化させる場合には、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末の代わりにＳｉ粉末、または、Ｓｉ粉末およびＳｉ₃Ｎ₄粉末を用いる。

（２） 成形工程Ｓ２
スラリーを脱泡および造粘した後、例えばドクターブレード法によりグリーンシートを形成する。グリーンシートの厚さは、形成すべき窒化ケイ素焼結基板の厚さおよび焼結収縮率を考慮して適宜設定する。ドクターブレード法で形成したグリーンシートは通常長尺な帯状であるので、所定の形状およびサイズに打ち抜くか切断する。１枚のグリーンシートは、１辺が１５０ｍｍの正方形以上の大きさの形状を有し、かつ焼結による収縮量を考慮した大きさを有している。

（３） 積層工程Ｓ３
窒化ケイ素焼結基板１０１を効率的に製造するために、複数枚のグリーンシートを積層するのが好ましい。図６に示すように、複数枚のグリーンシート１を、３μｍ以上２０μｍ以下の厚さの窒化ホウ素粉末層１２を介して積層し、積層組立体１０を形成する。窒化ホウ素粉末層１２は焼結後の窒化ケイ素焼結基板の分離を容易にするためのものであり、各グリーンシート１の一面に窒化ホウ素粉末のスラリーを、例えばスプレー、ブラシ塗布又はスクリーン印刷することにより形成することができる。窒化ホウ素粉末は９５％以上の純度および１μｍ以上２０μｍ以下の平均粒径を有するのが好ましい。ここで、平均粒径とはレーザ回折・散乱法で測定した粒度分布から計算されるＤ５０の値のことである。

窒化ホウ素粉末層１２は以下の焼結工程において焼結せず、焼結による収縮も生じない。このため、窒化ホウ素粉末層１２が２０μｍよりも厚い場合、グリーンシートの収縮を妨げる影響が大きくなる。特に、グリーンシートの中央部付近での収縮が妨げられるため、得られる窒化ケイ素焼結基板１０１の中央部における密度の低下およびボイド率の増大を招きやすい。一方窒化ホウ素粉末層１２の厚さが３μｍよりも小さい場合、離形剤としての効果が不足し、焼結後に積層組立体から各窒化ケイ素焼結基板を分離することが困難になる。窒化ホウ素粉末層１２の厚さは、５μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましい。窒化ホウ素粉末層１２の厚さは、例えば、用いる窒化ホウ素粉末の平均粒径および／またはスラリーの粘度で調節することができる。また、窒化ホウ素粉末層１２の厚さはスラリーを塗布した状態での厚さである。

図７に示すように、得られる窒化ケイ素焼結基板の反りおよびうねりを抑制するために、各積層組立体１０の上面に重し板１１を載置し、各グリーンシート１に荷重を作用させる。各グリーンシート１に作用する荷重は１０〜６００Ｐａの範囲内とする。荷重が１０Ｐａ未満の場合、焼結された個々の窒化ケイ素焼結基板に反りが生じやすい。一方、荷重が６００Ｐａを超えると、各グリーンシート１が荷重により拘束され、焼結時の円滑な収縮が阻害されるため、緻密な窒化ケイ素焼結基板が得られにくい。各グリーンシート１に作用する荷重は２０〜３００Ｐａが好ましく、２０〜２００Ｐａがより好ましく、３０〜１５０Ｐａが最も好ましい。

重し板１１の重量がＷ₁ｇで、各グリーンシート１の重量および面積がそれぞれＷ₂ｇおよびＳｃｍ²で、積層組立体１０中のグリーンシート１がｎ枚であるとすると、最上層のグリーンシート１ａにかかる荷重は９８×（Ｗ₁／Ｓ）Ｐａであり、最下層のグリーンシート１ｂにかかる荷重は９８×［Ｗ₁＋Ｗ₂×（ｎ−１）］／ＳＰａである。例えば、重し板１１として厚さ２ｍｍの窒化ホウ素板を使用し、積層組立体１０が２０枚のグリーンシート１からなるとすると、最下層のグリーンシート１ｂにかかる荷重は最上層のグリーンシート１ａにかかる荷重の約３〜４倍である。この点を考慮に入れて、重し板１１の重量、および積層組立体１０中のグリーンシート１の枚数を設定する。重し板１１の重量Ｗ₁は、最下層のグリーンシート１ｂでも１０〜６００Ｐａの範囲内の荷重を受けるとともに、収縮が拘束されずに反りおよびうねりなく焼結されるように設定するのが好ましい。

（４） 脱脂工程Ｓ４
グリーンシート１は有機バインダーおよび可塑剤を含有するので、焼結工程Ｓ５の前に、積層組立体１０を４００〜８００℃に加熱して、脱脂する。脱脂後のグリーンシート１は脆いので、積層組立体１０の状態で脱脂するのが好ましい。

（５） 焼結工程Ｓ５
（ａ） 焼結用容器
図８は、複数の積層組立体１０を同時に焼結するための容器の一例を示す。容器２０は、各積層組立体１０を収容する載置板２１を多段に積み上げた載置板組立体３０と、載置板組立体３０を収容する内側容器４０と、内側容器４０を収容する外側容器５０とからなる。上下方向に隣接する載置板２１の間隔は、縦枠部材２２で保持する。

内側容器４０および外側容器５０の二重構造の容器２０とすることにより、グリーンシート１中のＳｉ₃Ｎ₄の分解とＭｇＯの揮発を抑制することができ、より緻密で反りが少ない窒化ケイ素焼結基板を得ることができる。内側容器４０および外側容器５０はいずれも窒化ホウ素製であるのが好ましいが、外側容器５０をＣＶＤによりｐ−窒化ホウ素をコーティングした炭素製とすることもできる。ｐ−窒化ホウ素をコーティングした炭素製の外側容器５０の場合、熱伝導の良い炭素基材により昇温時の温度分布を均一化しやすく、窒化ケイ素焼結基板の反りおよびうねりを抑制でき、またｐ−窒化ホウ素コーティングにより炭素基材による還元性雰囲気の生成を防止できる。内側容器４０は下板４０ａ、側板４０ｂおよび上板４０ｃからなり、外側容器５０は下板５０ａ、側板５０ｂおよび上板５０ｃからなる。

載置板２１の上面に反りやうねりがあると、載置板２１と接触する最下層のグリーンシート１ｂには、載置板２１の上面と接触する部分と接触しない部分とが生じる。この場合、焼結時にグリーンシート１ｂの非接触部は収縮しやすく、接触部は収縮しにくいため、グリーンシート１ｂ中に不均一な収縮が生じ、反りおよびうねりが生じる。また、最下層のグリーンシート１ｂの反りおよびうねりは上層のグリーンシート１にも波及し、結果的に全ての窒化ケイ素焼結基板に反りおよびうねりが生じる。このため、載置板２１の上面はできるだけ平坦であることが好ましい。具体的には、反りは２．０μｍ／ｍｍ以内で、うねりは２．０μｍ以内であるのが好ましい。載置板２１の反りおよびうねりは、窒化ケイ素焼結基板の反りおよびうねりと同じ方法で測定できる。

図８に示すように、内側容器４０内に詰め粉２４を配置するのが好ましい。詰め粉２４は、例えば、０．１〜５０質量％のマグネシア（ＭｇＯ）粉末、２５〜９９質量％の窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末、および０．１〜７０質量％の窒化ホウ素（窒化ホウ素）粉末からなる混合粉末である。詰め粉２４中の窒化ケイ素粉末およびマグネシア粉末は、１４００℃以上の高温で揮発し、焼結雰囲気中のＭｇおよびＳｉの分圧を調整し、グリーンシート１から窒化ケイ素およびマグネシアが揮発するのを抑制する。詰め粉２４中の窒化ホウ素粉末は、窒化ケイ素粉末およびマグネシア粉末の凝着を防止する。詰め粉２４の使用により、緻密で反りが少ない窒化ケイ素焼結基板を得ることができる。詰め粉２４のハンドリングを容易にするとともに、グリーンシート１に接触するのを防止するために、詰め粉２４を最上段の載置板２１ａの上に配置するのが好ましい。

図９に示すように、外側容器５０の下板５０ａの上面に内側容器４０の下板４０ａを載置し、内側容器４０の下板４０ａの上面に載置板２１を置き、その上に複数のグリーンシート１からなる積層組立体１０および重し板１１を載置する。図１０に示すように、載置板２１の外周部位上に縦枠部材２２を設置し、次の段の載置板２１を置き、その上に積層組立体１０および重し板１１を載置する。このようにして、所望段の積層組立体１０および重し板１１を載せた載置板組立体３０を形成した後、最上段の載置板２１ａの上面に詰め粉２４を配置する。次いで、内側容器４０の側板４０ｂおよび上板４０ｃを組み立て、さらに外側容器５０の側板５０ｂおよび上板５０ｃを組み立てて、積層組立体１０を収容した容器２０を完成する。このような容器２０を所望の数（例えば５個）だけ焼結炉（図示せず）に配置する。

（ｂ） 温度プロファイルおよび焼結雰囲気
グリーンシート１の焼結は、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末を用いる場合には、図１１Ａに示す温度プロファイルＰに従って行う。Ｓｉ粉末、または、Ｓｉ粉末およびＳｉ₃Ｎ₄粉末を用いる場合には、図１１Ｂに示す温度プロファイルＰ’に従って行う。温度プロファイルＰは、グリーンシート１から炭素を除去する脱炭素域Ｐｃおよび徐熱域Ｐ₀を有する昇温域と、第１の温度保持域Ｐ₁および第２の温度保持域Ｐ₂を有する温度保持域と、冷却域とからなる。図１１Ａにおいて、縦軸に示す温度は焼結炉内の雰囲気温度である。つまり、焼結工程は、温度プロファイルＰの脱炭素域Ｐｃを用いる脱炭素工程と、第１の温度保持域Ｐ₁を用いる焼結工程とを含む。Ｓｉ粉末、または、Ｓｉ粉末およびＳｉ₃Ｎ₄粉末を用いる場合、脱炭素工程と、焼結工程との間に、窒化工程を含む。このため、温度プロファイルＰ’は、脱炭素域Ｐｃと、第１の温度保持域Ｐ₁との間に窒化領域Ｐｎを含む。

焼結工程における焼結炉内の雰囲気温度は、例えば、焼結炉に設けられたのぞき窓から炉内のターゲット（カーボン）を放射温度計によって測定した温度を用いることができる。具体的には、焼結炉内に、内部にグリーンシートを配置した焼結用の容器と、焼結用の容器を内周側に配置するカーボン製の筒状壁と、筒状壁の外周側近傍に位置するターゲットとを設けることができる。ターゲットの温度を測定することで、昇温域や温度保持域において、実質的に炉内の雰囲気温度に対応した温度を測っているとして差し支えない。

（ｃ）脱炭素域Ｐｃ
まず、焼結炉内の雰囲気温度を室温から脱炭素域Ｐｃの温度範囲にまで上昇させる。加熱速度は、例えば、６０℃／ｈｒである。焼結炉内の雰囲気温度が９００℃以上１３００℃以下の温度に達したら、この範囲内の温度で、３０分以上２時間以下の間保持（保持時間ｔ_c）する。焼結炉内は、減圧下であることが好ましい。具体的には、８０Ｐａ以下の圧力であることが好ましい。前述したように、焼結時に炭素が残留していると、焼結体中にボイドが生成しやすい。このため、減圧下でグリーンシート１を保持することにより、グリーンシート１中の炭素を除去する。この工程は、脱脂工程Ｓ４よりも、炭素が揮発しやすい条件を用いることにより、炭素をより完全に除去する脱炭素工程である。雰囲気温度が９００℃よりも低い場合、炭素の除去が十分に行われない可能性がある。また、１３００℃よりも高い場合、焼結助剤も除去される可能性がある。焼結炉内の雰囲気温度は１０００℃以上１２５０℃以下の温度であることがより好ましい。

一般に、窒化ケイ素焼結基板の製造工程では、窒素が揮発するのを抑制するため、窒素雰囲気下で焼結が行われる。しかし、本願発明者の検討によれば、窒素が揮発しない程度の温度および雰囲気下でグリーンシート１を加熱することにより、窒素の揮発を抑制しつつ、炭素をより完全に除去することができ、ボイドの生成を抑制できることが分かった。

（ｄ） 徐熱域
脱炭素域Ｐｃを用いた加熱の終了後、焼結炉内の雰囲気温度を徐熱域Ｐ₀の温度プロファイルで制御する。徐熱域Ｐ₀は、グリーンシート１に含まれる焼結助剤が窒化ケイ素粒子の表面の酸化層と反応して液相を生成する温度域である。徐熱域Ｐ₀では、窒化ケイ素の粒成長が抑えられ、液相化した焼結助剤中で窒化ケイ素粒子が再配列して緻密化する。その結果、第１および第２の温度保持域Ｐ₁、Ｐ₂を経て、空孔径および気孔率が小さく、曲げ強度および熱伝導率の高い窒化ケイ素焼結基板が得られる。徐熱域Ｐ₀の温度Ｔ₀を、第１の温度保持域Ｐ₁の温度Ｔ₁より低い１４００℃以上１６００℃以下の範囲内とし、徐熱域Ｐ₀における加熱速度を３００℃／ｈｒ以下とし、加熱時間ｔ₀を０．５時間以上３０時間以下とするのが好ましい。加熱速度は０℃／ｈｒを含んでも良く、すなわち徐熱域Ｐ₀が一定温度に保持する温度保持域でも良い。徐熱域Ｐ₀における加熱速度は１〜１５０℃／ｈｒがより好ましく、１〜１００℃／ｈｒが最も好ましい。加熱時間ｔ₀は１〜２５時間がより好ましく、５〜２０時間が最も好ましい。

徐熱域及びこれ以降の工程では、焼結炉内を窒素雰囲気で満たすことが好ましい。具体的には、窒素または窒素を主成分とし、アルゴンなどの不活性ガスを含む混合ガス、あるいは、窒素ガスに３％程度以下の水素を含む混合ガスを用いることができる。焼結炉内の圧力は、１気圧以上２０気圧程度以下であることが好ましい。

Ｓｉ粉末、または、Ｓｉ粉末およびＳｉ₃Ｎ₄粉末を用いる場合、図１１Ｂに示すように、徐熱域Ｐ₀中に窒化領域Ｐｎを設け、窒化工程を行うことによって、Ｓｉ粉末を窒化させる。例えば、脱炭素域Ｐｃを用いた加熱の終了後、焼結炉内の雰囲気温度を上昇させ、１３５０℃以上１４５０℃以下の温度範囲の温度Ｔｎで保持する。保持時間ｔｎは、３時間以上１５時間以下であることが好ましい。窒素雰囲気下、この温度でグリーンシート１を保持することにより、Ｓｉ粉末が焼結炉内の雰囲気である窒素と反応し、窒化ケイ素が生成する。

（ｅ） 第１の温度保持域
徐熱域Ｐ₀を用いた加熱の終了後、焼結炉内の雰囲気温度を第１の温度保持域Ｐ₁の温度プロファイルで制御する。この工程により、グリーンシート中の原料を焼結させる。

第１の温度保持域Ｐ₁は、徐熱域Ｐ₀で生成した液相により、窒化ケイ素粒子の再配列、α型窒化ケイ素結晶からβ型窒化ケイ素結晶への相変態、および窒化ケイ素結晶の粒成長を増進させ、もって焼結体をさらに緻密化させる温度域である。このようにα型からβ型への相変態が焼結体の緻密化を促進する一因となるため、原料の窒化珪素粉末はα型を含み、α化率は２０％以上１００％以下であることが好ましい。β型窒化ケイ素粒子の大きさおよびアスペクト比（長軸と短軸の比）、焼結助剤の揮発による空孔の形成等窒を考慮して、第１の温度保持域Ｐ₁の温度Ｔ₁を１６００℃以上２０００℃以下の範囲内とし、保持時間ｔ₁を約１〜３０時間とするのが好ましい。より好ましくは、温度Ｔ₁は１８００℃以上２０００℃以下の範囲内である。第１の温度保持域Ｐ₁の温度Ｔ₁が１６００℃未満であると、窒化ケイ素焼結体を緻密化しにくい。一方、温度Ｔ₁が２０００℃を超えると、焼結助剤の揮発および窒化ケイ素の分解が激しくなり、やはり緻密な窒化ケイ素焼結体が得られにくくなる。なお、１６００〜２０００℃の温度範囲内であれば、第１の温度保持域Ｐ₁内で加熱温度Ｔ₁が変化（例えば徐々に昇温）してもよい。

第１の温度保持域Ｐ₁の温度Ｔ₁は１７５０℃以上１９５０℃以下の範囲内がより好ましく、１８００℃以上１９００℃以下の範囲内が最も好ましい。さらに、第１の温度保持域Ｐ₁の温度Ｔ₁は徐熱域Ｐ₀の温度Ｔ₀の上限より５０℃以上高いのが好ましく、１００℃以上３００℃以下の範囲で高いのがより好ましい。保持時間ｔ₁は２時間以上２０時間以下であり、３時間以上１０時間以下が最も好ましい。

（ｆ） 第２の温度保持域
第１の温度保持域Ｐ₁の後にある第２の温度保持域Ｐ₂は、焼結体を第１の温度保持域Ｐ₁の温度Ｔ₁よりやや低い温度Ｔ₂に保持することにより、第１の温度保持域Ｐ₁を経た液相をそのまま又は固液共存の状態で維持する温度域である。第２の温度保持域Ｐ₂の温度Ｔ₂は１４００〜１７００℃の範囲内で、かつ第１の温度保持域Ｐ₁の温度Ｔ₁より低いのが好ましい。また、第２の温度保持域Ｐ₂の保持時間ｔ₂は０．５〜１０時間とする。第１の温度保持域Ｐ₁の後に第２の温度保持域Ｐ₂を設けると、例えば窒化ケイ素焼結基板の反りを３．２μｍ／ｍｍ以内にすることができる。

第１の温度保持域Ｐ₁を用いた加熱の終了後、焼結炉内の雰囲気温度を第２の温度保持域Ｐ₂の温度プロファイルで制御する。第２の温度保持域Ｐ₂の温度Ｔ₂が１４００℃未満であると、粒界相が結晶化しやすく、得られる窒化ケイ素焼結基板の曲げ強度が低い。一方、温度Ｔ₂が１７００℃を超えると、液相の流動性が高すぎ、上記効果が得られない。温度Ｔ₂は１５００℃以上１６５０℃以下がより好ましく、１５５０℃以上１６５０℃以下が最も好ましい。第２の温度保持域Ｐ₂の保持時間ｔ₂は１時間以上５時間以下が好ましい。第２の温度保持域Ｐ₂の保持時間ｔ₂が０．５時間未満であると、粒界相の均一化が不十分である。焼結助剤の揮発を抑制して、窒化ケイ素焼結基板の機械的特性および熱伝導率の低下を防止するためには、第２の温度保持域Ｐ₂の保持時間ｔ₂を１０時間以下とする。

上述した条件をもちいることにより、窒化ケイ素焼結基板の厚さ方向に粒界相均一に分布し、Ｍｇの偏析が抑制される。よって、高い機械的強度（曲げ強度および破壊靱性）を有し、反りが抑制される。

（ｇ） 冷却域
第２の温度保持域Ｐ₂を用いた温度制御の終了後、焼結炉内の雰囲気温度を冷却域Ｐ₃の温度プロファイルで制御する。冷却域Ｐ₃は、第２の温度保持域Ｐ₂で維持された液相を冷却して固化し、得られる粒界相の位置を固定する温度域である。液相の固化を迅速に行って粒界相分布の均一性を維持するために、冷却域Ｐ₃の冷却速度は１００℃／ｈｒ以上が好ましく、３００℃／ｈｒ以上がより好ましく、５００℃／ｈｒ以上が最も好ましい。実用的には、冷却速度は５００℃／ｈｒ以上６００℃／ｈｒ以下が好ましい。このような冷却速度での冷却により、固化する焼結助剤の結晶化を抑制し、ガラス相を主体とした粒界相を構成できるので、窒化ケイ素焼結基板の曲げ強度を高めることができる。冷却域Ｐ₃の冷却速度を１２００℃まで維持すれば、それより低い温度での冷却速度は特に限定されない。

（ｈ）予肉部の切断
以上の工程により、窒化ケイ素焼結体１０１’が製造される。積層組立体１０中、各窒化ケイ素焼結体１０１’は窒化ホウ素粉末層によって窒化ホウ素粉末層１２によって分離しているため、冷却された積層組立体１０から各窒化ケイ素焼結体１０１’を容易に分離することができる。図１（ｂ）を参照して説明したように、分離した窒化ケイ素焼結体１０１’から、外周に沿って位置する端部１０２を切り落とす。これにより、窒化ケイ素焼結基板１０１が得られる。

本実施形態の窒化ケイ素焼結基板の製造方法によれば、グリーンシートを積層する際に介在させる窒化ホウ素粉末層の厚さを適切な範囲に選択することにより、焼結時における窒化ホウ素粉末層よるグリーンシートの拘束を抑制して、中央部の密度低下、ボイド率増大を抑制することができる。また、焼結時の雰囲気温度の昇温の際、減圧下で炭素を除去することにより、グリーンシート中の残留炭素を低減することができ、これによって、焼結時のボイドの生成を抑制することができる。したがって、密度およびボイド率の面内の均一性が高く、外形の大きな窒化ケイ素焼結基板をえることができる。

（実施例）
以下、種々の条件で窒化ケイ素焼結基板を作製し、特性を調べた結果を説明する。

１．窒化ケイ素焼結基板の製造
［実施例３〜２８］
ＭｇＯ粉末が３．０質量％、Ｙ_２Ｏ_３粉末が２．０質量％、残部がＳｉ_３Ｎ_４粉末および不可避的不純物である原料粉末のスラリー（固形分濃度：６０質量％）からドクターブレード法によりグリーンシート１を形成し、窒化ホウ素粉末層を介して２０枚重ねて積層組立体１０を形成した。グリーンシート１の大きさは、表１に示すように、実施例に応じて変化させた。また、窒化ホウ素粉末層の厚さを表１に示すように、実施例に応じて変化させた。

各積層組立体１０の上に重し板１１を配置して載置板２１の上に載置し、図８に示す容器２０（二重の容器）に設置した。重し板１１による最上層のグリーンシート１ａへの荷重は４０Ｐａであった。最上段の載置板２１ａの上面に、１５質量％のマグネシア粉末、５５質量％の窒化ケイ素粉末、および３０質量％の窒化ホウ素粉末からなる詰め粉を配置した。

容器２０を焼結炉に入れ、焼結炉を、１０^-1Ｐａの圧力になるまで真空引きした。表１に示すように、実施例に応じて脱炭素域Ｐｃにおける保持温度を変化させた。各実施例の保持時間ｔｃは１時間に設定した。

その後、焼結炉内の雰囲気を例えば７気圧の窒素に替え、徐熱域Ｐ₀、の温度プロファイルとして、１０℃／ｈｒ（０．１６６℃／ｍｉｎ）の昇温速度で１０時間加熱した。続いて、第１の温度保持域Ｐ₁の温度プロファイルとして、１８５０℃の温度Ｔ₁で５時間保持し、第２の温度保持域Ｐ₂の温度プロファイルとして、１６００℃の温度Ｔ₂で１．５時間保持した。その後、冷却域Ｐ₃の温度プロファイルとして、６００℃／ｈｒの冷却速度で雰囲気温度を低下させた。得られた、窒化ケイ素焼結基板から、予肉部分を切除し、表１に示す１辺の長さを有する正方形の窒化ケイ素焼結基板１０１を得た。窒化ケイ素焼結基板１０１の厚さは０．３２ｍｍであった。

［参考例１、２、５１、５２］
基板の外形が、一辺１２０ｍｍの正方形、１１０ｍｍの正方形および１００ｍｍの正方形の窒化ケイ素焼結基板を作製した。表１に示す条件以外の条件は、実施例と同様の条件を用いた。

［比較例５３〜５８］
表１に示すように、脱炭素域Ｐｃにおける保持温度、脱炭素工程時の雰囲気、窒化ホウ素粉末層の厚さを異ならせ、実施例と同様の条件で窒化ケイ素焼結基板を作製した。

２．特性の測定
上記実施形態で説明した通りの条件で作製した実施例、参考例および比較例の窒化ケイ素焼結基板の組成を確認した。具体的には、窒化ケイ素焼結基板にマイクロウェーブ分解処理を施し、溶液化した後、ＩＣＰ発光分析によりＭｇ量およびＲＥ量を測定し、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）含有量および希土類元素酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）含有量に換算した。得られた含有量が、それらの添加量（配合組成）と略同等（小数点第一の質量％は同じ）であることを確認した。

作製した窒化ケイ素焼結基板の密度、密度比、ボイド率、ボイド比、炭素含有率、部分放電開始電圧、部分放電消滅電圧を測定した。また、絶縁破壊耐圧を測定し、絶縁破壊耐圧のワイブル係数を求めた。結果を表１に示す。実施例３〜２８、参考例１、２、５１、５２および比較例５３〜５５の窒化ケイ素焼結基板における、炭素含有量およびボイド率（中央）を横軸及び縦軸にとったグラフを図１２に示す。また、実施例３、５、１０、１２、１４および参考例１、５１、５２の窒化ケイ素焼結基板について、基板の外形寸法を横軸にとり、上述した測定結果を縦軸にとったグラフを作成した。結果を図１３（ａ）、（ｂ）、および図１４（ａ）、（ｂ）に示す。

３．結果及び考察
実施例３〜２８の窒化ケイ素焼結基板では、いずれも脱炭素工程の雰囲気が真空（８０Ｐａ以下）であり、保持温度が９００℃から１３００℃である。これにより、窒化ケイ素焼結基板の炭素含有量が、０．２０質量％以下になっていると考えられる。また、炭素含有量が小さく、窒化ホウ素粉末層の厚さが３．１μｍから１８．５μｍまでの範囲内であるため、密度およびボイド率の値が小さく、かつ、主面における均一性が高くなっていると考えられる。具体的には、中央部の密度と端部の密度の比が０．９８以上であり、主面の中央部のボイド率が１．８０％以下であり、端部のボイド率が１．００％以下である。図１２より、炭素含有量が０．２質量％以下であれば、中央部のボイド率が１．５２％以下になることが分かる。

さらに、ボイド率が小さいため、部分放電開始電圧および部分放電消滅電圧もそれぞれ、４ｋＶ以上になっていると考えられる。さらに、ボイド率が小さいため、絶縁破壊耐圧が８．０Ｖ以上であり、絶縁破壊耐圧のワイブル係数が１０．０以上になっていると考えられる。

特に実施例３〜１３、２３〜２５の窒化ケイ素焼結基板では、脱炭素工程における保持温度が１０００℃以上であり、窒化ホウ素粉末層の塗布厚さが１０μｍ程度以下であるため、グリーンシートからの炭素の除去および積層組立体におけるグリーンシートの収縮が十分に進む結果、窒化ケイ素焼結基板の密度が高まり、かつ、密度の均一性もより高くなる。具体的には、窒化ケイ素焼結基板における、中央部の密度ｄｃが３．１４０ｇ／ｃｍ^３以上であり、端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ^３以上になる。このため、５ｋＶ以上の部分放電開始電圧が得られていると考えられる。

実施例３〜２８の窒化ケイ素焼結基板は、１辺が１２０ｍｍより大きく、２２０ｍｍ以下の正方形形状を有している。したがって、大型であり、かつ、高い耐圧および優れた絶縁信頼性を有する窒化ケイ素焼結基板が得られていることが分かる。また、参考例１、２、５１、５２の窒化ケイ素焼結基板は、１辺が１００ｍｍ、１１０ｍｍおよび１２０ｍｍの正方形形状を有しており、密度、ボイド率、部分放電電圧、絶縁破壊耐圧および絶縁破壊耐圧のワイブル係数が実施例３〜２８と同程度であることが分かる。したがって、これらの比較から、実施例３〜２８の窒化ケイ素焼結基板では、大きな外形を有しているが、１辺が１００ｍｍの小さな窒化ケイ素焼結基板と同程度に、部分放電電圧や絶縁破壊耐圧の面内均一性が高いことが分かる。

これに対し、比較例５３では、脱炭素工程の雰囲気が窒素中である。また、比較例５４〜５６では、脱炭素工程の雰囲気は真空であるが、保持温度が低い。このため、脱炭素工程における炭素の除去が十分ではなく、得られた窒化ケイ素焼結基板の炭素含有量が多い。その結果、密度およびボイド率が大きく、部分放電電圧、絶縁破壊耐圧および絶縁破壊耐圧のワイブル係数も小さくなっていると考えられる。

比較例５６では、脱炭素工程の雰囲気温度が高すぎるため、焼結助剤が蒸発してしまっていると考えられる。このため、密度の高い焼結が行えず、密度およびボイド率が大きく、部分放電電圧、絶縁破壊耐圧および絶縁破壊耐圧のワイブル係数も小さくなっていると考えられる。

比較例５７、５８では、窒化ホウ素粉末層の厚さが大きすぎるため、窒化ケイ素焼結基板の中央部の収縮が阻害されていると考えられる。このため、特に、中央部におけるボイド率が大きくなっており、部分放電電圧、絶縁破壊耐圧および絶縁破壊耐圧のワイブル係数も小さくなっていると考えられる。

以上の結果から、実施例３〜２８の窒化ケイ素焼結基板によれば、脱炭素工程における保持温度および雰囲気が上述した条件を満たしており、窒化ホウ素粉末層の厚さが所定の範囲であることによって、大型であり、かつ、高い耐圧および優れた絶縁信頼性を有する窒化ケイ素焼結基板が得られていることが分かる。

図１３（ａ）および（ｂ）は実施例３、５、１０、１２、１４および参考例１、５１、５２の窒化ケイ素焼結基板の一辺の長さと、基板の密度およびボイド率との関係をそれぞれ示している。図１３（ａ）および（ｂ）は、中央部の密度および端部の密度ならびに中央部のボイド率および端部のボイド率の測定データから求められる近似直線も示している。これらの結果から分かるように、実施例の窒化ケイ素焼結基板の１辺は最大で２２０ｍｍであるが、一辺が２５０ｍｍの正方形形状を有する窒化ケイ素焼結基板を作製しても、中央部のボイド率ｖｃが１．８０％以下であり、端部のボイド率ｖｅが１．００％以下であり、中央部の密度ｄｃが３．１２０ｇ／ｃｍ ３以上であり、前記端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ ３以上となり得ることが推定できる。また、ｄｃ／ｄｅが０．９８以上であり、ｖｅ／ｖｃが０．５０以上となり得ることが分かる。

図１４（ａ）および（ｂ）は実施例３、５、１０、１２、１４および参考例１、５１、５２の窒化ケイ素焼結基板の一辺の長さと、部分放電電圧および絶縁破壊耐圧のワイブル係数との関係をそれぞれ示している。図１４（ａ）および（ｂ）は、絶縁破壊電圧、部分放電消滅電圧、部分放電開始電圧および絶縁破壊耐圧のワイブル係数のデータから求められる近似直線も示している。これらの結果も、一辺が２５０ｍｍの正方形形状を有する窒化ケイ素焼結基板を作製した場合、絶縁破壊電圧（絶縁破壊耐圧）は８ｋＶ以上であり、部分放電消滅電圧および部分放電開始電圧は４ｋＶ以上となることが推定される。また、絶縁破壊耐圧のワイブル係数は６以上であると推定される。

したがって、一辺が２２０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の正方形形状を有する窒化ケイ素焼結基板を作製した場合でも、耐圧および絶縁信頼性に優れ、かつ、これらの基板面内での均一性に優れることが推定される。

本開示の窒化ケイ素焼結基板およびその製造方法は、種々の用途の絶縁基板に好適に用いられ、特に、パワーモジュール、ＬＥＤ等、ハイパワーの回路に用いられ、絶縁破壊耐圧が高く、かつ、高絶縁信頼性が求められる絶縁性基板に好適に用いられる。

１、１ａ、１ｂ グリーンシート
１０ 積層組立体
１１ 板
１２ 窒化ホウ素粉末層
２０ 容器
２１ 載置板
２１ａ 載置板
２２ 縦枠部材
２４ 詰め粉
３０ 載置板組立体
４０ 内側容器
４０ａ、５０ａ 下板
４０ｂ、５０ｂ 側板
４０ｃ、５０ｃ 上板
１０１ 窒化ケイ素焼結基板
１０１’窒化ケイ素焼結体
１０１ａ主面
１０２ 端部
１１０、１１０’正方形
１２０ 長方形
１３０ 槽
１３１ 裏面側電極
１３２ 表面側電極
１３３ 絶縁性液体
１３４ 配線
１４０ 円板
１４１ 電極

Claims (14)

1. １辺が１２０ｍｍの正方形よりも大きい形状の主面を有し、前記主面における中央部の密度ｄｃと端部の密度ｄｅの比ｄｃ／ｄｅが０．９８以上であり、前記主面における中央部のボイド率ｖｃが１．８０％以下であり、端部のボイド率ｖｅが１．００％以下である、窒化ケイ素焼結基板を用いた回路基板であって、８．０ｋＶ以上の絶縁破壊耐圧および６以上の絶縁破壊耐圧のワイブル係数を有する回路基板。
2. 前記中央部の密度ｄｃが３．１２０ｇ／ｃｍ^３以上であり、前記端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ^３以上であり、前記中央部のボイド率ｖｃと前記端部のボイド率ｖｅとの比ｖｅ／ｖｃが０．５０以上である、請求項１に記載の回路基板。
3. 前記中央部の密度ｄｃが３．１４０ｇ／ｃｍ^３以上であり、前記端部の密度ｄｅが３．１６０ｇ／ｃｍ^３以上であり、前記中央部のボイド率ｖｃが１．３％以下である、請求項１に記載の回路基板。
4. １０ｐＣの放電電荷量に達した時の電圧値で定義される部分放電開始電圧が、４．０ｋＶ以上である請求項１または２に記載の回路基板。
5. １０ｐＣの放電電荷量に達した時の電圧値で定義される部分放電開始電圧が、５．０ｋＶ以上である請求項１または３に記載の回路基板。
6. 炭素含有量が０．２０質量％以下である請求項１から５のいずれかに記載の回路基板。
7. ０．１５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の厚さを有する請求項１から６のいずれかに記載の回路基板。
8. 前記主面は、１５０ｍｍ×１７０ｍｍの長方形よりも大きい形状を有する請求項１から７のいずれかに記載の回路基板。
9. 前記主面は、１辺が２５０ｍｍの正方形またはこれよりも小さい形状を有する請求項１から８のいずれかに記載の回路基板。
10. 前記主面は、１辺が２２０ｍｍの正方形またはこれよりも小さい形状を有し、１０以上の絶縁破壊耐圧のワイブル係数を有する請求項１から９のいずれかに記載の回路基板。
11. ８０質量％以上９８．３質量％以下のＳｉ_３Ｎ_４粉末、酸化物換算で０．７質量％以上１０質量％以下のＭｇ化合物粉末および酸化物換算で１質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の化合物粉末を混合し、混合粉末を得る工程（ａ）と、
    前記混合粉末をスラリーにして複数のグリーンシートに成形する工程（ｂ）と、
    前記複数のグリーンシートを、窒化ホウ素粉末層を介して積層し、積層組立体を得る工程（ｃ）と、
    前記積層組立体を焼結炉内に配置し、前記積層組立体を焼結する工程（ｄ）と
    を包含し、
    前記工程（ｃ）において、前記窒化ホウ素粉末層の厚さは３μｍ以上２０μｍ以下であり、
    前記工程（ｄ）は、
    ８０Ｐａ以下の真空雰囲気下、９００℃以上１３００℃以下の雰囲気温度を保持し、前記グリーンシートから炭素を除去する工程（ｄ１）と、
    前記工程（ｄ１）の後、窒素雰囲気下、１６００℃以上２０００℃以下の雰囲気温度で前記グリーンシートを焼結させる工程（ｄ２）とを
    含み、
    １辺が１２０ｍｍの正方形よりも大きい形状の主面を有する、窒化ケイ素焼結基板の製造方法。
12. Ｓｉ_３Ｎ_４換算で、８０質量％以上９８．３質量％以下のＳｉ粉末、または、Ｓｉ粉末およびＳｉ_３Ｎ_４粉末、酸化物換算で０．７質量％以上１０質量％以下のＭｇ化合物粉末および酸化物換算で１質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の化合物粉末を混合し、混合粉末を得る工程（ａ）と、
    前記混合粉末をスラリーにして複数のグリーンシートに成形する工程（ｂ）と、
    前記複数のグリーンシートを、窒化ホウ素粉末層を介して積層し、積層組立体を得る工程（ｃ）と、
    前記積層組立体を焼結炉内に配置し、前記積層組立体を焼結する工程（ｄ）と
    を包含し、
    前記工程（ｃ）において、前記窒化ホウ素粉末層の厚さは３μｍ以上２０μｍ以下であり、
    前記工程（ｄ）は、
    ８０Ｐａ以下の真空雰囲気下、９００℃以上１３００℃以下の雰囲気温度を保持し、前記グリーンシートから炭素を除去する工程（ｄ１）と、
    前記工程（ｄ１）の後、窒素雰囲気下、１３５０℃以上１４５０℃以下の雰囲気温度で前記グリーンシート中の前記Ｓｉ粉末を窒化させる工程（ｄ２）と
    前記工程（ｄ２）の後、窒素雰囲気下で、１６００℃以上２０００℃以下の雰囲気温度で前記グリーンシートを焼結させる工程（ｄ３）とを
    含み、
    １辺が１２０ｍｍの正方形よりも大きい形状の主面を有する、窒化ケイ素焼結基板の製造方法。
13. 前記主面は、１５０ｍｍ×１７０ｍｍの長方形よりも大きい形状を有する請求項１１または１２に記載の窒化ケイ素焼結基板の製造方法。
14. 前記主面は、１辺が２５０ｍｍの正方形またはこれよりも小さい形状を有する請求項１１から１３のいずれかに記載の窒化ケイ素焼結基板の製造方法。

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