JPS5831755B2 - 電気絶縁用基体 - Google Patents

電気絶縁用基体

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JPS5831755B2 JP54142059A JP14205979A JPS5831755B2 JP S5831755 B2 JPS5831755 B2 JP S5831755B2 JP 54142059 A JP54142059 A JP 54142059A JP 14205979 A JP14205979 A JP 14205979A JP S5831755 B2 JPS5831755 B2 JP S5831755B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、新規な電気絶縁材に係り、例えば半導体パワ
ーモジュールや高密度集積回路装置などの電気装置用絶
縁材として好適な電気絶縁材に関する。
〔従来技術〕
従来、シリコンチップや厚膜抵抗などの回路要素を形成
載置した電気装置の絶縁基板は、主にアルミナ基板が使
用されていた。
しかし、近年電気装置は一般と小型で回路の高密度化が
要求され、基板の単位面積当りの素子や回路要素の集積
度が高くなっている。
〔従来技術の問題点〕
その結果、基板の発熱が大幅に増加し、アルミナ基板で
は熱放散が十分でないという問題が生じている。
このため、アルミナ基板よりも熱伝導率が大きく、熱放
散性に優れた絶縁基板が必要になってきた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、熱伝導率の高い新規な電気絶縁材を提
供するにある。
〔発明の概要〕
ところで、前述した絶縁基板が具備すべき主な性質は、
（１）電気絶縁性に優れ、（２）従来のアルミナ基板よ
り熱伝導率が犬きく、（３）機械的強度が犬きく、（４
）熱膨張係数がシリコンチップなどの半導体素子の熱膨
張係数に近いことである。
そこで、こうした性能を有する基板材料を種々探索した
結果、高密度に焼結した炭化ケイ素焼結体が前記の（２
）〜（４）の性能を有することを実際に試作品を作り確
認した。
しかし、炭化ケイ素自体は電気的には半導体に属し、比
抵抗が１〜１０Ω傭オーダで電気絶縁性でないためその
ままでは使用できない。
発明者らは、炭化ケイ素焼結体から成る基板に電気絶縁
性を付与するには、（１）該基板を高温酸化気中で熱処
理して基板表面に熱酸化膜（シリカ釦を形成する、（２
）該基板表面に有機フィルム、ガラスあるいはセラミッ
クなどの絶縁物層を被着させることを検討した。
しかし、これらの方法では均質な薄膜層が得にくいこと
、熱酸化膜やガラス、セラミックなどの膜を形成した場
合は膜中にピンホールが発生し易く、また、ガラスやセ
ラミックス膜形成の際の高温処理過程で炭化ケイ素の一
部が分解してガス化することによってボイドが発生する
等いくつかの問題があることを見い出した。
したがって、発明者らはＳｉＣ焼結体に絶縁性を付与す
る方法として焼結体自体を電気絶縁性するのが最善であ
ると考えた。
炭化ケイ素は融点が高く非常に焼結し難いので、焼結に
は少量の焼結助剤を添加し、高温で加圧するいわゆるホ
ットプレス法により作られる。
炭化ケイ素に酸化べＩＪ ＩＪウム、炭化べＩＪ ＩＪ
ウム、窒化ホウ素を加えた焼結体の例として特公昭３９
−２６０６６号公報、米国特許第３，９９３，６０２、
第３，９５４，４８３号明細書がある。
しかし、これらの公知例には、炭化ケイ素を主成分とす
る焼結体が電気絶縁性を有することは全く示されていな
い０ 即ち、炭化ケイ素焼結体の電気抵抗は炭化ケイ素粒子自
身の抵抗が小さいためと考えられる。
従って、炭化ケイ素焼結体の比抵抗は、主に粒子間の界
面での抵抗と不純物に依存すると考えられる。
本発明者らはこの点に着目し、焼結体の電気抵抗は粒子
相互を結合する焼結助剤の種類や添加量が影響するとみ
て焼結助剤の効果を調べた結果本発明に至った。
本発明は炭化ケイ素を主成分とし、べＩＪ ＩＪウム及
び窒化ホウ素の少なくとも１種を含む焼結体から成るこ
とを特徴とする電気絶縁材にある。
これらの焼結助剤は炭化ケイ素結晶粒界の電気抵抗を高
め、炭化ケイ素焼結体に電気絶縁性を付与する。
主成分の炭化ケイ素粉末には、Ｓ ｔ 、Ａ ｌｔＦ
ｅ 、 Ｔ ｉ 、 Ｎ ｉの単体またはそれらの酸化
物および遊離炭素などの不純物が含まれる。
これらの不純物中Ａ７は、比抵抗値を低下する働きがあ
るので、少ないことが望ましい。
焼結体に含有されるベリリウムはベリリウムを含むもの
であればよく、特に酸化べＩＪ ＩＪウムによって添加
するのが好ましい。
酸化べＩＪ ＩＪウムは焼結体中に含有される。本発明
において炭化ケイ素焼結体に含有されるべＩＪ ＩＪウ
ム、窒化ホウ素の含有量は要求される比抵抗値によって
選択されるが、比抵抗値として約１０１０Ω湿以上が半
導体装置の絶縁基板として好ましい値であり、これを達
成する量とするのが好ましい。
炭化ケイ素中のＡｌが酸化アルミニウムとして約０．１
％含まれている粉末を用いた場合、酸化べＩＪ ＩＪウ
ムによってべＩＪ ＩＪウムを添加する場合その添加量
及び窒化ホウ素の添加量は、炭化ケイ素粉１００重量部
に対し２重量部以上添加すると、その比抵抗値は１０１
０Ωの以上となる。
不純物としてＡｌを含むときは、酸化アルミニウム量に
してその５倍以上、好ましくは１０倍以上の酸化べＩＪ
ＩＪウム、窒化ホウ素を添加するのが良い。
なお、炭化ケイ素粉中のＡｌ２Ｏ３量は、ＳｉＣ純度が
９５％以上の場合、はぼ１％以下である。
〔発明の実施例〕
実施例 １ 不純物として酸化アルミニウムを０．１％含有する純度
９８％の炭化ケイ素粉末（平均粒径２μｍ）１００重量
部と、酸化べＩＪ ＩＪウム粉末３重量部（酸化アルミ
ニウム量の約３０倍に相当）とを十分に混合した後、直
径５０ｍｍの円板に仮成形した。
次いで仮成形品を黒鉛製治具に入れ、真空ホットプレス
装置により真空度１０−３〜１Ｏ−５Ｔｏｒｒの減圧下
で加圧力２００ ｋｇ／ｃｙｒｔ、、温度２０００℃で
焼結した。
こうして得られた酸化ベリリウムを有する相対密度（炭
化ケイ素の理論密度に対する割合）９７％以上の炭化ケ
イ素焼結体（厚さ０．５ ｉｍ）の表面を鏡面研磨した
後２０Ｘ３０ｉｍに切断して基板とし、基板両面にアル
ミ蒸着膜電極をつけて比抵抗並びに耐電圧を測定した。
室温（２５℃）時における比抵抗が１０１２Ωα、直流
印加によるリーク電流が１Ｏ−９Ａになった時の電圧で
表わした耐電圧が３４００Ｖであり、良好な電気絶縁特
性を有する。
また、熱伝導率は０．７ ｃ４／ｃｍ−ｓ ・’Ｃ、熱
膨張係数は３９Ｘ１０−７／’Ｃ１機械的強度（３点曲
げ強さ）は５５ｋｇ／ｍｒ？ｔである。
これらの値は高アルミナ質基板の特性と比較すると、熱
伝導率が約１０倍、機械的強度が約２倍、熱膨張係数が
３１５であり、いずれも半導体装置の絶縁基板として使
用する場合非常にすぐれた特性である。
本実施例の基板の大きな利点は、熱伝導率が大きいので
放熱性が優れていることである。
基板の放熱性の良否を表わす熱抵抗（基板厚さ／熱伝導
率）は、熱伝導率が大きく、基板厚さが薄いほど小さく
なるが、本発明基板は機械的強度が大きいため板厚を薄
くできるので、実質的な熱抵抗はアルミナ基板の１／２
０程度となる。
さらに、該基板を銅、アルミなど高熱伝導性金属のヒー
トシンク材と組合せれば放熱性は飛躍的に向上する。
実施例 ２ 第１図は、不純物として酸化アルミニウムを約０．１％
含有する純度９８％の炭化ケイ素粉末に酸化べＩＪ Ｉ
Ｊウム又は窒化ホウ素の添加量を変えて焼結した炭化ケ
イ素焼結体の比抵抗（２５℃）とそれらの添加量との関
係を示す線図である。
製造条件、その他は実施例１と同じである。
ホットプレス条件により若干の違いはあるが、添加量を
１重量部以上とすることにより高い比抵抗が得られ、高
密度の焼結体が得られる。
一方、添加量が１０重量部以上になると比抵抗が飽和す
ると共に焼結体に気孔（ボイド）が多くなる傾向がある
。
実施例 ３ 第２図に本発明の電気絶縁材の具体的な用途の一例とし
て示した集積回路装置の断面図を示す。
実施例１で製造したＳｉＣ焼結体からなる電気絶縁性基
板１１の下面に金属製放熱フィン１２を半田層１３で密
着し、上面にはトランジスタペレット１４、厚膜抵抗１
５、パワートランジスタペレット１７などを搭載したも
のである。
本発明の絶縁基板は、前述の如く高い熱伝導性を有し、
熱放散性が優れているので各素子の容量アップまたは集
積密度を高めることができる。
特に、本実施例の基体は熱膨張係数がシリコンチップの
熱膨張係数に近似しているため、従来アルミナ基板では
不可能であった大型チップの基板への直接接合が可能に
なった。
また、基板は熱的機械的特性がすぐれているので、例え
ば電気装置製造時のろう付、溶接など各種の熱的、機械
的変化に対して十分な強度を保つと共に、該電気装置の
動作時の温度上昇に伴う熱歪、熱サイクルにも十分に耐
え得るので、電気装置の信頼性が高い。
〔その他の変形例〕
本発明の焼結体を電気装置の基板として使用する場合、
基板表面に絶縁層として焼結体の熱酸化膜、高熱伝導性
のアルミナ、窒化ケイ素膜を被着させること、ポリイミ
ドフィルムなどの絶縁樹脂層をコートすることも良い。
但しこれらの際はボイドの発生を極力抑える必要がある
。
〔発明の効果〕
本発明によれば、アルミナ焼結体より熱伝導率の高い電
気絶縁材が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の炭化ケイ素焼結体絶縁基板の比抵抗と
酸化べＩＪ ＩＪウム又は窒化ホウ素の添加量との関係
を示す曲線図、第２図は本発明の絶縁基板の一使用例を
示す集積回路装置の断面図である。 １１・・・ＳｉＣ絶縁基板、１２・・・金属製放熱フィ
ン、１３・・・半田層、１４・・・トランジスタペレッ
ト、１５・・・厚膜抵抗体、１６・・・ボンディングワ
イヤ、１７・・・パワートランジスタペレット、１８・
・・金属製ヒートシンク、１９・・・回路導体。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化ケイ素を主成分とし、べＩＪ ＩＪウム及び窒
    化ホウ素の少なくとも１種を含む焼結体から成ることを
    特徴とする電気絶縁材。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記べＩＪ ＩＪ
    ウムは酸化ベリリウムから成ることを特徴とする電気絶
    縁材。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記焼
    結体は室温で１０１０Ωの以上の比抵抗を有することを
    特徴とする電気絶縁材。 ４ 特許請求の範囲第２項又は第３項において、前記酸
    化べＩＪ ＩＪウム、窒化ホウ素の含有量が、炭化ケイ
    素１００重量部に対し２重量部以上であることを特徴と
    する電気絶縁材。 ５ 特許請求の範囲第２項〜第４項のいずれかにおいて
    、前記炭化ケイ素中の不純物であるアルミニウムを酸化
    アルミニウムとしてその含有量の５倍以上の酸化べＩＪ
    ＩＪウム、窒化ホウ素の少なくとも１種を含むことを
    特徴とする電気絶縁材。
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