JPS6140870A - 電気絶縁材 - Google Patents

電気絶縁材

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JPS6140870A
JPS6140870A JP13412185A JP13412185A JPS6140870A JP S6140870 A JPS6140870 A JP S6140870A JP 13412185 A JP13412185 A JP 13412185A JP 13412185 A JP13412185 A JP 13412185A JP S6140870 A JPS6140870 A JP S6140870A
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JP
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silicon carbide
beryllium
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electrical
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松下　安男
竹田　幸男
浩介 中村
大越　時夫
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。
〔発明の背景〕
＃、審−シ１１１ソ壬１ソーｆぬ厘謹＃佑？、−３１小
面畝東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。
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。
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。炭化ケイ素に酸化ベリリ
ウム、炭化ベリリウム、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。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、熱伝導率の高い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大きく、（３）機械的強度
が大きく、（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国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（シリカ膜）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１発
明者らは特殊な添加剤を入れるとＳｉＣ焼結体が絶縁性
を有する焼結体が得られることを見い出した。
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
抗は非常に小さい。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、ベリリウムを含む焼
結体において、焼結体中の不純物であるアルミニウム含
有量（酸化アルミニウム換算）の５倍以上のベリリウム
（酸化ベリリウム換算）を含有することを特徴とする電
気絶縁材にある。
ベリリウム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中には、Ｓｉ、ＡＱ、Ｆｅ。
Ｔｉ、Ｎｉ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ＡＱは、比
抵抗値を低下する働きがあるので、前述の如く限定しな
けれくならない。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、特に酸化ベリリウムに
よって添加するのが好ましい。酸化ベリリウムは焼結体
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ベリリウ
ム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１０”０１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ＡＱ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
ベリリウムによってベリリウムを添加する場合その添加
量は、炭化ケイ素粉１００重量部に対し１重量部以上添
加すると、その比抵抗値は１０”Ω１以上となる。
不純物としてＡＱを含むときは、酸化アルミニウム量に
換算してその５倍以上であり、好ましくは１０倍以上の
酸化ベリリウムを添加するのが良い。なお、炭化ケイ素
粉中のＡＱ２０．量は、ＳｉＣ声度が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、酸化ベリリウム粉末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５０
ｍｎの板に仮成形した。次いで仮成形品を黒鉛製治具に
入り、真空ホットプレス装置により真空度１０−”〜１
０　”’　Ｔｏｒｒの減圧下で加圧力２００　ｋｇ／ｄ
、温度２０００℃で焼結した。こうして得られた酸化ベ
リリウムを有する焼結体は微細結晶粒からなり、相対密
度（炭化ケイ素の理論密度に対する割合）は９７％以上
であった。この炭化ケイ素焼結体（厚さ０．５ｍａ）の
表面を鏡面研磨した後２０Ｘ３０ｍ＋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
１０１２Ω■、直流印加によるリーク電流が１０−”Ａ
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０．７ｃａＭ／ａｎ−ｓ　・’Ｃ１熱
膨張係数は３９　Ｘ　１０−７／’Ｃ１機械的強度（３
点曲げ強さ）は５５ｋｇ／ｍ”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１７２０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ベリリウム
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１本実施例の基本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２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。
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
酸化ベリリウム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絶緻絶版基板２・・・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、ベリリウムを含む焼結体
    において、焼結体中の不純物であるアルミニウム含有量
    （酸化アルミニウム換算）の５倍以上のベリリウム（酸
    化ベリリウム換算）を含有することを特徴とする電気絶
    縁材。 ２、前記ベリリウムは酸化ベリリウムに換算して炭化ケ
    イ素１００重量部に対し、１０重量部以下含有する特許
    請求の範囲第１項に記載の電気絶縁材。
JP13412185A 1985-06-21 1985-06-21 電気絶縁材 Pending JPS6140870A (ja)

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