JPH0797265A - 窒化アルミニウム焼結体及びそれを用いた回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高熱伝導性でしかも高い絶縁破壊電圧を有す
る窒化アルミニウム焼結体及び回路基板の提供。 【構成】 中心断面において、０．３ｍｍ×０．３ｍｍ
のエリアで観察される最大長さ１５μｍ以上のボイドの
数が３個以下であることを特徴とする窒化アルミニウム
焼結体、及びこの窒化アルミニウム焼結体からなる窒化
アルミニウム基板の一方の面に金属回路、他方の面に放
熱金属板を形成させてなることを特徴とする回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品のパワーモジ
ュール基板等を製造する際に好適な窒化アルミニウム焼
結体及び回路基板に関する。

【０００２】近年、ロボットやモーター等の産業機器の
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電力
モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生す
る熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放
散させるため、大電力モジュール基板では従来より様々
な方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有す
るセラミックス基板が利用できるようになったため、基
板上に銅板等の金属板を接合し、回路を形成後、そのま
まあるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を実
装する構造も採用されつつある。

【０００３】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、回路基板の製造という点からは、Ｍｏ−Ｍｎ
法、活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタ
ライズ法等があげられる。

【０００４】特に大電力モジュール基板では、従来のア
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、銅板と窒化
アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材（以
下、単に「ろう材」という）を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開昭60-177
634 号公報）や、表面が酸化処理された窒化アルミニウ
ム基板と銅板とを銅の融点以下でＣｕ−Ｏの共晶温度以
上で加熱接合するＤＢＣ法（例えば特開昭56-163093 号
公報）等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現在、このような大電
力モジュール基板を使用したインバーターの用途は、ロ
ボットやモーター等から各種工作機械、鉄道、エレベー
ター、そして将来は電気自動車分野にも広がることが期
待されている。そのため、大電力モジュール基板の更な
る小型化・軽量化が要求され、そこに使用される回路基
板も小型化されるとともに、その回路基板を構成するセ
ラミックス基板も高熱伝導率で高絶縁破壊電圧を有する
ことが必要である。

【０００６】セラミックス基板を高熱伝導化する目的
は、その熱抵抗をさげて放熱性を高めることにあるが、
それはセラミックス基板の種類によって自ずと限界があ
る。一方、セラミックス基板の放熱性は、その厚みを薄
くすることによっても高めることができるが、その反
面、絶縁破壊電圧が低下する。

【０００７】本発明者らは、以上のような問題を解消
し、高熱伝導性でしかも高絶縁破壊電圧を有するセラミ
ックス基板及びそれを用いた回路基板を製造することを
目的として種々検討した結果、窒化アルミニウム基板の
内部に存在する最大長さ１５μｍ以上のボイドの数を著
しく制限することによって、本発明を完成させたもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、中
心断面において、０．３ｍｍ×０．３ｍｍのエリアで観
察される最大長さ１５μｍ以上のボイドの数が３個以下
であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体、及び
この窒化アルミニウム焼結体からなる窒化アルミニウム
基板の一方の面に金属回路、他方の面に放熱金属板を形
成させてなることを特徴とする回路基板である。

【０００９】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、通常、この分野で使用される窒化アルミニウム基
板の厚みは０．８〜０．６８ｍｍであるが、このような
窒化アルミニウム基板の表裏間に電圧を印加すると絶縁
破壊を起こす。このときの絶縁破壊電圧は、窒化アルミ
ニウム基板の厚みに比例し厚みが薄くなると絶縁破壊電
圧も低下する。本発明においては、窒化アルミニウム焼
結体の厚みが薄いものであってもその絶縁破壊電圧を高
くするために、中心断面において、０．３ｍｍ×０．３
ｍｍのエリアで観察される最大長さ１５μｍ以上のボイ
ドの数を３個以下としたものである。本発明において観
察される０．３ｍｍ×０．３ｍｍのエリアは、中心断面
において任意の少なくとも５カ所であることが望まし
い。この要件を逸脱すると、絶縁破壊電圧２５ｋＶ／ｍ
ｍ以上を有する窒化アルミニウム焼結体とはならない。

【００１０】本発明において、中心断面において観察さ
れる最大長さ１５μｍ以上のボイドの数の測定は、窒化
アルミニウム焼結体の中心縦断面又は中心横断面を走査
型電子顕微鏡を用い、０．３ｍｍ×０．３ｍｍの断面が
観察できる倍率（例えば３００倍）にして任意の視野を
決め、最大長さ１５μｍ以上のボイドの数を測定するこ
とによって行うことができる。この場合において、窒化
アルミニウム焼結体の中心縦断面又は中心横断面を測定
表面とするには、窒化アルミニウム焼結体からその中心
部を含む試験片を切り出し、それをエポキシ樹脂に包埋
後硬化させてから、窒化アルミニウム焼結体の中心部を
切断・研磨することによって行うことができる。

【００１１】本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化
アルミニウム粉末と焼結助剤を含むスラリーを調製し、
それを成形・焼結する方法において、窒化アルミニウム
粉末と焼結助剤とがよく馴染むように、スラリー調製時
の混合時間を、従来は長くても３０時間程度であったも
のを例えば５０時間以上とすることによって製造するこ
とができる。

【００１２】以下、その具体的な製造法について説明す
ると、本発明で使用される窒化アルミニウム粉末は、金
属アルミニウム直接窒化法、アルミナ還元窒化法、気相
法等で製造されたものが可能である。また、焼結助剤と
しては、イットリウムの酸化物、フッ化物、塩化物、硝
酸塩、硫酸塩等が使用されるが、イットリアが最適であ
る。

【００１３】窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混
合粉末を成形するには、プレス成形法、シート成形法の
いずれも可能であるが、経済性を考慮した場合、シート
成形法が望ましい。シート成形法では、例えば、窒化ア
ルミニウム粉末９９．５〜８０重量％と焼結助剤０．５
〜２０重量％の混合粉末１００重量部に対し、有機結合
剤４〜１２重量部、可塑剤２〜１０重量部、分散剤１〜
３重量部、溶剤１０〜４０重量部を混合してスラリーを
調製し、脱泡後、ドクターブレード法でシート化する。
スラリーの混合時間は、ジルコニア製メディアを用いて
５０時間以上とするのが好ましい。

【００１４】なお、有機結合剤としては、ポリビニルブ
チラール、ポバール、アクリルポリマー等、可塑剤とし
ては、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレート等、
分散剤としては、脂肪族エステル等、溶剤としては、塩
素系、ケトン系、芳香族系、アルコール系、パラフイン
系等がそれぞれ使用される。

【００１５】上記で得られたシートは、プレス装置によ
って所定形状に打ち抜かれ、脱脂後焼成される。脱脂条
件は、使用した有機結合剤の種類に応じて、窒素及び／
又は空気中で行われ、その温度も９００℃を越えない温
度、特に空気中では６００℃を越えない温度で行われ
る。焼成は、窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気下、温
度１８００〜１９５０℃で行われる。窒化アルミニウム
焼結体の焼結密度としては、機械的強度及び電気特性の
点から、相対密度で９５％以上であることが望ましい。

【００１６】以上によって製造された窒化アルミニウム
焼結体は、その中心断面において、任意の少なくとも５
カ所の０．３ｍｍ×０．３ｍｍのエリアで観察される最
大長さ１５μｍ以上のボイドの数は３個以下となる。窒
化アルミニウム焼結体の表面には過剰な酸化物が存在す
るため、通常、それが除去され、また表面粗さを小さく
するため研削・研磨等の加工が行われる。その場合の研
削量はわずかでよく、例えばセラミック砥粒を吹き付け
る程度のホーニング処理で充分であり、また研磨するに
してもバブ研磨処理でよく、通常、表面から５μｍまで
の研削量で充分である。

【００１７】次に、本発明の回路基板について説明す
る。本発明の窒化アルミニウム焼結体からなる窒化アル
ミニウム基板の一方の面に金属回路、他方の面に放熱金
属板を形成する方法としては、窒化アルミニウム基板と
金属板との接合体をエッチングする方法、金属板から打
ち抜かれた金属回路及び／又は放熱金属板のパターンを
窒化アルミニウム基板に接合する方法等によって行うこ
とができ、これらの際における金属板又はパターンと窒
化アルミニウム基板との接合方法としては、活性金属ろ
う付け法やＤＢＣ法等を採用することができる。なお、
金属回路又は金属放熱板がアルミニウム製である場合に
は、以下のろう材である必要はない。

【００１８】活性金属ろう付け法におけるろう材の金属
成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時の窒化アルミニウ
ム基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分と
する。この活性金属成分は、窒化アルミニウム基板と反
応して酸化物や窒化物を生成させ、それらの生成物がろ
う材と窒化アルミニウム基板との結合を強固なものにす
る。活性金属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウ
ム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びこ
れらの化合物である。それらの比率としては、銀６９〜
７５重量部と銅２５〜３１重量部の合計量１００重量部
あたり活性金属３〜３５重量部である。

【００１９】活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペ
ーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に
応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、バンバリミ
キサー、万能混合器、らいかい機等で混合することによ
って調製することができる。有機溶剤としては、メチル
セルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、イソ
ホロン、トルエン等、また有機結合剤としては、エチル
セルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレ
ート等が使用される。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。 実施例１ 酸素量１．２重量％の窒化アルミニウム粉末９５重量
部、イットリア粉末５重量部、ポリビニルブチラール８
重量部、ジブチルフタレート４重量部、グリセリントリ
オレート１重量部、トルエン３５重量部、及びイソパノ
ール１５重量部をジルコニアで内張りされた容器とジル
コニア製ボールを用い、５０時間混合してスラリーを調
製した。

【００２１】得られたスラリーを脱泡機にかけて粘度を
２５０００ｃｐｓに調整した後、ドクターブレード装置
により厚み０．７５ｍｍのシートに成形した。それをプ
レス装置で６０×４０ｍｍの形状に打ち抜き、各シート
表面にＢＮ粉末を塗布してから５枚重ねて脱脂炉に入
れ、温度５００℃において、最初の２時間は窒素中、後
の３時間は空気中で熱処理して脱脂した。

【００２２】次いで、常圧窒素雰囲気中、温度１８５０
℃で４５分間保持した後、温度１７００℃までの冷却速
度を１．５℃／分として室温まで冷却し、５８×３４×
０．６５ｍｍの窒化アルミニウム焼結体を製造し、その
表面をホーニング処理で２μｍ除去してから、熱伝導率
及び絶縁破壊電圧を測定した。更に、窒化アルミニウム
焼結体の中心横断面において、任意の５カ所における
０．３ｍｍ×０．３ｍｍエリアに存在する最大長さ１５
μｍ以上のボイドの数を測定した。

【００２３】次に、上記で得られた窒化アルミニウム焼
結体の両面に、銀粉末７２重量部、銅粉末２８重量部、
チタン粉末２０重量部、テルピネオール１５重量部及び
有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレートのト
ルエン溶液を固形分で１．５重量部混合して得られたろ
う材ペーストを６．５ｍｇ／ｃｍ² （乾燥基準）塗布し
た後、上面には金属回路用銅板（５８×３４×０．３ｍ
ｍ）、下面には放熱金属板用銅板（５８×３４×０．２
ｍｍ）をそれぞれ接触配置してから炉に入れ、高真空
中、温度８６０℃で３０分加熱した後、２℃/ 分の降温
速度で冷却して、窒化アルミニウム基板と銅板との接合
体を製造した。

【００２４】得られた接合体について、以下の手順で一
方の面には銅回路、他方の面には銅製放熱板を形成させ
て回路基板を製造した。すなわち、接合体の銅板上にＵ
Ｖ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷で
回路パターンに塗布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチ
ング処理を行って銅板不要部分を溶解除去し、さらにエ
ッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離して形成
させた。エッチング処理後の回路基板には、銅回路間等
に残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム基
板との反応物があるので、それを温度６０℃、１０％フ
ッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬して除去した。得
られた回路基板について、絶縁破壊電圧を測定した。

【００２５】実施例２ 窒化アルミニウム粉末９６重量部、イットリア粉末４重
量部とし、シートの焼成温度を１９００℃としたこと以
外は、実施例１と同様にして窒化アルミニウム焼結体及
び回路基板を製造した。

【００２６】実施例３ 酸素量０．８重量％の窒化アルミニウム粉末９６．５重
量部、イットリア粉末３．５重量部とし、シートの焼成
温度を１９００℃、その保持時間２０分としたこと以外
は、実施例１と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び
回路基板を製造した。

【００２７】実施例４ 酸素量０．８重量％の窒化アルミニウム粉末９６重量
部、イットリア粉末４重量部とし、シートの焼成温度を
１９２０℃、その保持時間３０分としたこと以外は、実
施例１と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路基
板を製造した。

【００２８】実施例５ スラリーの調製時間を１００時間としたこと以外は、実
施例１と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路基
板を製造した。

【００２９】実施例６ スラリーの調製時間を１００時間としたこと以外は、実
施例２と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路基
板を製造した。

【００３０】実施例７ スラリーの調製時間を１００時間とし、窒化アルミニウ
ム基板の厚みを０．５ｍｍとしたこと以外は、実施例３
と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路基板を製
造した。

【００３１】実施例８ スラリーの調製時間を１００時間とし、窒化アルミニウ
ム基板の厚みを０．５ｍｍとしたこと以外は、実施例４
と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路基板を製
造した。

【００３２】比較例１ スラリーの調製時間を２０時間とし、シートの焼成温度
を１８００℃、その保持時間４５分としたこと以外は、
実施例１と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路
基板を製造した。

【００３３】比較例２ スラリーの調製時間を２０時間とし、シートの焼成温度
を１８５０℃、その保持時間４５分としたこと以外は、
実施例２と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路
基板を製造した。

【００３４】比較例３ スラリーの調製時間を２０時間とし、シートの焼成温度
を１９００℃、その保持時間２０分としたこと以外は、
実施例３と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路
基板を製造した。

【００３５】比較例４ スラリーの調製時間を３０時間とし、シートの焼成温度
を１８５０℃、その保持時間３０分としたこと以外は、
実施例４と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路
基板を製造した。

【００３６】比較例５ スラリーの調製時間を３０時間とし、シートの焼成温度
を１９００℃、その保持時間４５分としたこと以外は、
実施例５と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路
基板を製造した。

【００３７】比較例６ スラリーの調製時間を３０時間とし、シートの焼成温度
を１８００℃、その保持時間４５分としたこと以外は、
実施例６と同様にして窒化アルミニウム焼結体及び回路
基板を製造した。

【００３８】なお、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導
率、絶縁破壊電圧及び窒化アルミニウム焼結体又は回路
基板の中心横断面に存在する最大長さ１５μｍ以上のボ
イドの数は以下のようにして測定した。 （１）熱伝導率：熱伝導率測定装置（真空理工社製「Ｔ
Ｃ−３０００」）を用いて測定し、試料数５個の平均値
を算出した。 （２）絶縁破壊電圧：窒化アルミニウム焼結体又は回路
基板の上面と下面に、直径２０ｍｍの球状銅電極と直径
２５ｍｍの円板状銅電極をそれぞれ接触させ、絶縁油中
で交流電圧を印加した際におけるリーク電流が２ｍＡ以
上となったときの絶縁破壊電圧を測定し、試料数５個の
平均値を算出した。 （３）ボイドの数：窒化アルミニウム焼結体からその中
心部を含む試験片（１５×１５ｍｍ）をガラスカッター
で切り出してからそれをエポキシ樹脂に包埋して充分硬
化させた後、窒化アルミニウム焼結体の中心部を切断
し、サンドペーパー（＃４００、＃８００及び＃２００
０）により５００μｍ程度に研磨後、更にダイヤモンド
砥粒（粒径３μｍ及び１μｍ）で研磨した。このように
して得られた窒化アルミニウム焼結体の中心横断面につ
いて、任意の５カ所における０．３ｍｍ×０．３ｍｍエ
リアで観察される最大長さ１５μｍ以上のボイドの数を
走査型電子顕微鏡（日本電子社製「ＪＳＭ−８４０」）
を用いて３００倍に拡大して測定し、その平均値を算出
した。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【発明の効果】本発明の窒化アルミニウム焼結体及びそ
れを用いて製造された回路基板は、高熱伝導性でしかも
高い絶縁破壊電圧を有する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内野 紘一 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 (72)発明者 辻村 好彦 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心断面において、０．３ｍｍ×０．３
   ｍｍのエリアで観察される最大長さ１５μｍ以上のボイ
   ドの数が３個以下であることを特徴とする窒化アルミニ
   ウム焼結体。
2. 【請求項２】 請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体
   からなる窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路、
   他方の面に放熱金属板を形成させてなることを特徴とす
   る回路基板。