JPS5815953B2 - 電気的装置用基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な電気的装置用基板、特に高熱伝導率を有
する炭化ケイ素焼結体からなる電気的装置用基板、更に
は半導体装置用基板に関する。

近年、半導体工業の進歩は目ざましく、大規模集積回路
等に使用される絶縁基板には半導体チーツブ等の回路構
成要素が増り高密度に搭載形成されるようになってきた
。

さらに大容量、小型化に対する要請も大きくなり、使用
する絶縁基板は熱放散性の良い材料が要求されるように
なってきた。

従来、こうした絶縁基板用材料としてはアルミナ焼結体
が使用されているが、アルミナ基板は熱放□散性があま
り良くないのでこうした目的を達成するだめには、より
熱放散の大きい絶縁基板の開発が要請され乞ようになっ
てきた。

ところで、こうした絶縁基板材料としては、 （１）電気絶縁性が大きいこと、 （２）熱伝導率が大きいこと、 （３）熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数に近いこと、 （４）機械的強度が大きいこと、 などが要求される。

ところで炭化ケイ素焼結体は、その熱膨張係数が約４Ｘ
１０−’／’Ｃで、アルミナのそれの約８Ｘ １０−６
７ 脹係数約３．３ Ｘ １０−６／’Ｃに近い。

また機械強度も曲も強さで５０ｋｇ／−以上を有し、ア
ルミナのそれの約２０に９／−に比べると極めて高強度
であることが知られている。

更にまた炭化ケイ素焼結体の熱伝導率は０．１〜０．３
ｍ／ｃｒｆＬ−ｓｅｃ ・’Ｃでア・ルミナの約３＠以
上の値を有する。

これらの点から、炭化ケイ素は電気絶縁性の太きいもの
が開発されると、大規模集積回路などの絶縁基板用材料
として極めて有用である。

炭化ケイ素は炭素とケイ素から成る■−■族。

化合物半導体である。

このため、電気絶縁性を有する高密度焼結体を得ること
は困難と考えられており、事実、こうしたものはこれま
で見当らなかった。

炭化ケイ素は共有結合性の大きい化合物である。

ため、硬く強靭で、１５００℃以上の高温でも耐酸化性
、耐食性に優れた安定な物質であることは良く知られて
いるが、この強い共有結合性のため高密度焼結が困難な
材料アあった。

そこで高密度炭化ケイ素焼結体を得るために種種の焼結
助剤が用いられてきた。

例えば、アルミニウムや鉄を添加してホットプレスする
ことにより、炭化ケイ素の理論密度の９８％の密度を有
する焼結体が得られることが知られている（ ＡｌｌＡ
１１１ｅ ｅｔ ａｌ−Ｊ−Ａｍ−Ｃｅｒａｍ−８
ｏｃ、、３９，３８６〜３８９（１９５６））。

また、ホウ素と炭素を用いて、ホットプレス法または無
加圧法で高密度の焼結体を得る方法が知られている（特
開昭４９−９９３０８号）。

これはいずれもガスタービン用部品等の耐熱構造材を提
供することを目的とするものである。

これらの焼結助剤を用いた炭化ケイ素焼結体においては
焼結体の電気抵抗率の値はいずれも１００／−ｃｍ以下
で、電気絶縁材料としては使行することができ’ｈｋ＝
。

また、炭化ケイ素にＢｅを添加して焼結したものが、特
開昭５３−６７７１１号、特開昭５５−３２７９６号公
報およびその対応米国特許第４１７２１０９号に示され
ているが、これは原料の炭化ケイ素粉末中に０．５〜５
重量％の過剰炭素を含むものを用いて焼結した高強度材
料に関するもので、とくにこうした過剰炭素はその焼結
体の電気絶縁性を著しく損い電気絶縁材料としては用い
ることができない。

本発明の目的は、半導体素子を直接載置でき、放熱性の
高い電気的装置用基板を提供するにある。

本発明は、シリコンの熱膨張係数に近似し、室温の熱伝
導率が０．２５ ｃｏｔ ／ａｍ・ｓｅｃ・℃以上であ
る電気絶縁性焼結体からなる基体表面に金属層が設けら
れていることを特徴とする電気的装置用基板にある。

本発明の基板の室温の熱膨張係数は４Ｘ１０−６／℃以
下か好ましい。

本発明の電気的装置用基板は、０．１〜３．５重量％の
ベリリウムを含み、アルミニウム含有量０．１重量饅以
下、ホウ素含有量０．１重量製以下で、室温における熱
伝導率０．４ ｃａｌ ＣＩＩＬ−ｓｅｃ ・’Ｃ以
上電気抵抗率１０７Ω・ぼ以上で、理論密度の９０似上
の炭化ケイ素焼結体から成るものが好ましい。

また、本発明の電気的装置用基板は遊離炭素０、４重量
製以下の炭化ケイ素粉末にＢｅＯを添加した微粉末を加
圧成形し、非酸化性雰囲気中、１８５０°Ｃ〜２５００
℃でホットプレスして焼結体中のベリリウムが０．１〜
３．５重量％で、アルミニウム０．１重量製以下、ホウ
素０．１重量製以下で、室温において、熱伝導率０．４
ｄ／ｃｒｒＬ−８ｅｃ・℃以上、電気抵抗率１０７Ω・
儂以上で、かつ理論密度９０％以上に焼結されたものが
好ましい。

電気抵抗率１０７Ω・確以上とするには０．１％・以下
、焼結体の熱膨張係数を４Ｘ１０−６７’Ｃ以下とする
には３５％以下が好ましく、特にＳｉ半導体装置用基板
として使用する場合に好ましい。

上記ベリリウムはＢｅＯとして添加するのが良い。

添加は炭化ケイ素粉末にＢｅＯ粉末を混合する。

このときＢｅＯとしては約０．５〜１４重量係重量する
ことにより焼結体中に０．１〜３．５重量係官ませるこ
とができる。

但し焼結時の雰囲気、温度によって多小変る。

また、本発明β■て遊離炭素は電気抵抗率を著；シフ低
下させるので、炭化ケイ素粉末中、０．４重量製以下が
好ましい。

本発明において上記酸化べＩＪ ＩＪウムおよび炭化ケ
イ素微粉末は、平均１０μｍ、好ましくは２μｍ以下の
粒径な有する微粉末で、これをホットプレスすることに
より焼結する。

焼結体中にはアルミニウムまたはホウ素が含まれないこ
とが望ましいが、室温で１０７Ω・α以上の電気抵抗率
、０、４ ｃａｔ／ｃａｍ−ｓｅｃ・℃以上の熱伝導率
を得るには両者とも０．１重量係以下が好ましい。

なお、熱伝導率が０．５ｄ／ｃｆｒＬ−８ｅｃ・℃以上
のものを得たいときは、炭化ケイ素はその主成分がα型
ＳｉＣである粉末を用いて焼結するのが良い。

酸化べＩＪ ＩＪウムを含有する炭化ケイ素粉末の焼結
条件も重要で、とくに焼結は非酸化性雰囲気で行うのが
良い。

酸化性雰囲気では炭化ケイ素粉末表面が酸化し高密度な
焼結体が得られにくい。

焼結時の温度は１８５０〜２５００℃、好ましくは１９
００〜２３００℃が有効である。

高密度の焼結体を得、炭化ケイ素の昇華、過燐酸を防止
するには１８５０〜２５００℃が好ましい。

焼結時に試料を高圧で加圧するホットプレス法では、加
圧する荷重は使用するダイスの材質によって上限が決め
られる。

通常使用するダイスは黒鉛製でこの場合には約７００
ｋｇ ／ｌｘ２まで圧力を加えることができる。

しかし、一般にはこうした大きな圧力を加えなくとも高
密度な焼結体を得ることができる。

通常の圧力は１００〜３００に９／ｃＩｒＬ２である。

またサブミクロンの粒径を有する炭化ケイ素粉末を使用
することより、加圧しないでも緻密（理論値９０％）な
焼結体を得ることができる。

焼結時間に関しては原料粉末の粒径、温度、焼結時に加
える荷重により最適値が決められる。

一般には原料粉末の粒径が小さく、温度が高く、焼結時
に加える荷重が大きいほど短時間で高密度の焼結体が得
られイ次に実験例を示し具体的に説明する。

実験例 １ 平均粒径２μｍの炭化ケイ素粉末に粒径１０μｍ以下の
酸化ベリＩＪウム粉末を０．１〜２０重量係重量し混合
した。

次いで該混合粉末を室温で１００Ｏｋｙ／−の圧力を加
えて成形体とした。

該成形体は１．６０〜１．６７ ｇ／ｃｒｌｌの密度（
炭化ケイ素の理論密度に対し５０〜５２％の相対密度）
を有する。

次に該成型体を黒鉛製のダイスに入れ、減圧度１×１０
１〜ＩＸ１０−３ｔｏｒｒ中でホットプレス法により焼
結した。

焼結圧力は３００ｋｇ／Ｃｆ７ｆで、加熱は室温から２
０００℃まで約２ｈで昇温し、２０００℃で１ｈ保持し
たのち加熱電源を切って放冷しだ。

圧力は温度が１５００°Ｃ以下になってから解除した。

上記によって製造した炭化ケイ素焼結体の特性とべＩＪ
ＩＪウムの含有量との関係を第１図〜第４図に示す。

第１図〜第４図の結果より、炭化ケイ素粉末に含有する
べＩＪ ＩＪウムの量が０，１〜３．５重量係の範囲の
場合に高密度で高熱伝導率、高電気抵抗率、低熱膨張係
数（４ＸｉＯ−６／’Ｃ以下）を併せ有する焼結体が得
られる。

実験例 ２ 炭化ケイ素粉末に対し酸化べＩＪ ＩＪウム粉末を４重
量製添加した混合粉末を実験例１と同様にしてホットプ
レス法により焼結体を得た。

このときの焼結体に含まれるベリリウムの含有量は約１
重呈上であった。

本実験例においてはホットプレス条件を変えて焼結体を
作製した。

第１表は得られた焼結体の特性とホットプレス条件との
関係を示すもので、温度１８５０〜２５００℃、圧力１
００ｋｇ／ｃｒＩＬ２以上で焼結することにより、理論
密度の９０％以上、０．４ ｃａｔ ／ｃｒｎ−ｓｅｃ
−’Ｃ以上の熱伝導率、１０１１Ω・に以上の電気抵
抗率および３．３ Ｘ １０−６／℃の熱膨張係数の焼
結体を得た。

第７図は、第１図、第２図及び第１表から求めた室温の
熱伝導率と相対密度との関係を示す線図である。

図に示すように、９０％以上の相対密度とすることによ
り０．２５ｍ／ＣＩｒＬ・ｓｅｃ・℃以上の熱伝導率が
得られることがわかる。

ｋｇ／ｃｒＩＬ２の圧力を加えて成形体とした。

該成形体は１．６０〜１．６７９ ／ｃｍ３の密度（炭
化ケイ素の理論密度に対し５０〜５２％の相対密度）を
有する。

次に該成型体を黒鉛製のダイスに入れ、減圧度１Ｘ１０
−５〜１Ｘ１０−３ｔｏｒｒ中でホットプレス法により
焼結した。

焼結圧力は３００ｋｇ／ＣＩｒＬ２テ、加熱は室温から
２０００’Ｃまで約２ｈで昇温し、２０００°Ｃでｌｈ
ｌ持したのち加熱電実験例 ３ 炭化ケイ素の焼結体は実験例１と同様に製造した。

但し本実験例においては酸化ベリリウムの添加量を３重
量％とし、焼結時の雰囲気をアルゴンガス、ヘリウムガ
スおよび窒素ガスを使用した。

得られた焼結体中のベリリウムの含有量は０．９重量％
であった。

その特性は実験例１のべＩＪ ＩＪウム含含量有量１量
量係焼結 実験例 ４ 平均粒径が０．２〜２０μｍの炭化ケイ素粉末に酸化ベ
リリウムを２重量係添加して混合したのち、実験例１と
同様にしてホットプレス法により焼結体を製造した。

第２表は炭化ケイ素原料粉末の平均粒径と得られた焼結
体の相対密度の関係である。

焼結体は炭化ケイ素原料粉末の平均粒径が１０μｍ以下
であれば相対密度９５％以上に緻密化する。

また、相対密度が９５％以上に緻密化した焼結体は実験
例１のべＩＪ ＩＪＪウム有量０．４重量％の場合と同
様な特性を示した。

炭化ケイ素原料粉末の平均粒径が１０μｍより大きく、
緻密化が十分進行しなかった焼結体では熱伝導率が０．
２ｃａｔ／ＣＩｒＬ・ｓｅｃ・℃以下、機械的強度が１
０ｋｇ／−以下と小さい値であった。

実験例 ５ 炭化ケイ素粉末に酸化べＩＪ ＩＪＪウム末を２重量係
添加し、さらに不純物としてカーボンブラック（粒径０
．１μｍ以下の微粉末）を炭化ケイ素に対して０．３〜
３重量饅添加して混合粉末とした。

該混合粉末は実験例１に記載したものと同様にしてホッ
トプレス法により焼結体を得た。

第３表はカーボンブラックの添加量と該焼結体の特性と
の関係を示し、カーボンブラックの添加量が０．５重量
係になると電気抵抗率１０６Ω・ぼとなる。

実験例 ６ 実験例５と同様にして炭化ケイ素の焼結体を得た。

本実験例においては実験例５において不純物として添加
したカーボンブラックに換えて窒化アルミニウム粉末（
粒径２μｍ以下の微粉末）を炭化ケイ素に添加して混合
粉末とした。

第４表はアルミニウムの含有量と該焼結体の特性との関
係を示し、アルミニウムの含有量が０．１重量係より多
くなると電気抵抗率が著しく小さくなる。

実験例 ７ 実験例５と同様にして炭化ケイ素の焼結体を得た。

本実験例においては実験例５において不純物として添加
したカーボンブラックに換えて窒化ホ。

つ素粉床（粒径５μｍ以下の微粉末）を炭化ケイ素に添
加して混合粉末とした。

第５表はホウ素の含有量と該焼結体の特性との関係を示
し、ホウ素の含有量が０．１重量係より多くなると熱伝
導率が著しく小さくなる。

実験例 ８ 炭化ケイ素粉末は高周波熱プラズマ中で合成した粉末を
使用した。

該粉末は２００人〜０．２μｍの粒径を有する極めて微
細な粉末である。

該粉末に平均粒径が１μｍである酸化ベリリウム粉末を
２重量製添加して混合した。

次いで該混合粉末は１０００ｋｇ／ＣｒｒＬ２の圧力を
加えて成形体としたのち、該成形体は１Ｘ１０−’
ｔｏｒｒの真空中で焼結した。

加熱は室温から２１００°Ｃまで約２ｈで昇温し、２１
００℃で０．５ｈ保持したのち、加熱電源を切って放冷
した。

焼結体中のべＩＪ ＋Ｊウム含有量は約０．４重量係で
あった。

第６表に該焼結体の特性を示す。

焼結体は緻密化しており、高熱伝導率、高電気抵抗率及
び小さい熱膨張係数を有している。

実験例 ９ 以上の実験例及び以下に示す比較例をもとに本ノ発明の
電気的装置用基板の具体的な適用例として、実験例１で
得たべＩＪ ＩＪウム含有量が０．５重量饅の炭化ケイ
素焼結体を基板として用いた半導体パワーモジュールで
説明する。

第５図は従来構造の組立断面図である。

導体４とヒートシンク６及びヒ−トシング６と金属支持
板８の間を有機絶縁物５及びアルミナ基板Ｔ絶縁し、ま
たシリコン素子１とヒートシンク６との熱膨張係数の差
によるひずみを緩和するためにスペーサ３を介在させで
ある。

第６図は本発明になる絶縁基板を用いたモジューばルの
組立断面図である。

基板１５はシリコン素子１１と直接ろう付されており、
非常に簡単な構造を有する。

本発明の基板は室温の熱伝導率０．７３ｍ／ｃｆｒＬ・
ｓｅｃ・℃、室温の電気抵抗率１０１０Ω・ぼ以上、熱
１膨張係数３．３３Ｘ１０−’ ／’Ｃである。

上記半導体装置を一６０℃で３０分保持したのち室温に
して５分保持し、さらに１２５℃に昇温して３０分保持
するヒートサイクルを加えた。

従来法になる半導体装置第５図は２０回のヒートサイク
ルで基板にクラックが発生するとともにハンダ付箇所に
はがれが生じた。

本発明になる半導体装置第６図は１５０回のヒートサイ
クル後でも異常が認められなかった。

本実験例によれば次の効果が得られる。

（１）熱体ユ導率が従来のアルミナ基板より高いため半
導体素子の過熱が防止される。

（２）基板とシリコン素子との熱膨張係数の差が小さい
ため温度変化に伴うストレスが小さく耐熱疲労性が高い
。

（３）アルミナ基板より強度が高いので、機械的な耐衝
撃性が高い。

。比較例 １ 炭化ケイ素粉末に添加剤を加えないで実験例１と同様に
してホットプレス法により焼結体を得た。

該焼結体の特性は第７表に示す通りで、緻密化していな
いため、熱伝導率、電気抵抗率、機械的強。

度のいずれの値も小さい。

比較例 ２ 炭化ケイ素粉末に添加剤として酸化アルミニウムを２重
量％添加混合した。

該混合粉末は実験例１と同様にして成形体としたのち、
ホットプレス法により焼結体を得た。

該焼結体の特性は第８表に示す通りで、焼結体は十分に
緻密化し、機械的強度は太きいが、熱伝導率、電気抵抗
率はいずれも小さい値を示している。

また、炭化アルミニウム、窒化アルミニウム、リン酸ア
ルミニウムを添加剤として使用した場合にも第８表に示
したものと同様な特性を示した。

本発明は高熱伝導率、高電気抵抗率及び低熱膨張係数を
有し、電気的装置用基板として顕著な効果を有する。

【図面の簡単な説明】 第１図はべＩＪ ＩＪウム含有量と焼結体の相対密度と
の関係を示す図、第２図はベリリウム含有量と焼結体の
室温における熱伝導率との関係を示す図、第３図はべＩ
Ｊ ＋Ｊウム含有量と焼結体の室温における電気抵抗率
との関係を示す図、第４図はベリリウム含有量と焼結体
の室温〜３００℃における熱膨張係数の平均値との関係
を示す図、第５図は従来法によるシリコン半導体装置の
組立断面図、第６図は本発明による基板を用いたシリコ
ン半導体装置の断面図、第７図は相対密度と熱伝導率と
の関係を示す線図である。 １および１１・・・シリコン素子、２および１２・・・
アルミニウムリード線、３・・・モリブデンスペーサ、
４および１３・・・導体、５・・・有機絶縁物、６・・
・ヒートシンク、７・・・アルミナ基板、８・・・支持
板、９１０および１４・・・半田、１５・・・炭化ケイ
素焼結体基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリコンの熱膨張係数に近似し、室温の熱伝導率が
   ０．２５ｍ／ｃｒｎ −ｓｅｃ・℃以上である電気絶縁
   性焼結体からなる基体表面に、金属層が設けられている
   ことを特徴とする電気的装置用基板。 ２ 前記焼結体の室温の熱膨張係数が４×１０−６７℃
   以下である特許請求の範囲第１項に記載の電気的装置用
   基板。 ３ 前記焼結体はぺＩＪ ＩＪウム０．１〜３．５重量
   係を含む炭化ケイ素からなる特許請求の範囲第１項又は
   第２項に記載の電気的装置用基板。 ４ 前記焼結体はベリリウム０．１〜３．５重量係を含
   み、アルミニウム、ホウ素及び遊離炭素の少すくとも１
   つが各々重量で０．１％以下、０．１１以下及び０．４
   ％以下である特許請求の範囲第３項に記載の電気的装置
   用基板。 ５ 前記ベリリウムは酸化ベリリウムからなる特許請求
   の範囲第３項又は第４項に記載の電気的装置用基板。 ６ 前記炭化ケイ素はα型結晶体である特許請求の範囲
   第３項〜第５項のいずれかに記載の電気的装置用基板。 Ｔ 前記焼結密度は９０％以上の相対密度である特許請
   求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の電気的装置
   用基板。 ８ 前記焼結体は室温の電気抵抗率が１０７Ω・α以上
   である特許請求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載
   の電気的装置用基板。 ９ 前記金属層は回路素子を固着させる薄層からなる特
   許請求の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載の電気的
   装置用基板。