JPS6236988B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は高熱伝導率と高電気抵抗率を有する炭
化ケイ素焼結体から成る電気絶縁材に関する。 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ツ
プ等の回路構成要素が増々高密度に搭載形成され
るようになつてきた。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つてきた。
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
るためには、より熱放散の大きい絶縁基板の開発
が要請されるようになつてきた。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４×10^-6／℃で、アルミナのそれの約８×
10^-6／℃に比べて小さく、シリコンの熱膨張係数
約3.3×10^-6／℃に近い。また機械強度も曲げ強
さで50Kg／mm²以上を有し、アルミナのそれの約20
Kg／mm²に比べると極めて高強度であることが知ら
れている。また炭化ケイ素焼結体の熱伝導率は
0.1〜0.3cal／cm・sec・℃でアルミナの約３倍以
上の値を有する。これらの点から、炭化ケイ素は
電気絶縁性の大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つ
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であつた。 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ツトプ
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〔Alliegro et al.J.Am.Ceram.Soc.、39、
386〜389（1956）〕。また、ホウ素と炭素を用い
て、ホツ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）。これら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100Ω・cm以下で、電気絶縁材料としては使用
することができない。 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。 本発明の目的は熱伝導率の大きい電気絶縁材を
提供するにある。 本発明は、酸化ベリリウムがベリリウム量で
0.1〜3.5重量％、アルミニウム0.1重量％以下、ホ
ウ素0.1重量％以下、遊離炭素0.4重量％以下およ
び残部が実質的に炭化ケイ素である焼結体から成
る電気絶縁材にある。焼結体は理論密度の90％以
上の密度にするのが好ましい。 焼結体はα型結晶体を主成分とする炭化ケイ素
からなるものが好ましい。 本発明の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％以下、ホウ素含有
量0.1重量％以下である焼結体は、室温における
熱伝導率0.4cal／cm・sec・℃以上、電気抵抗率
10⁷Ω・cm以上を有し、理論密度の90％以上の密
度を有する。 また、本発明の遊離炭素0.4重量％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、1850〜2500℃でホツトプ
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％以下、ホウ素0.1重量
％以下である焼結体は、室温において、熱伝導率
0.4cal／cm・sec・℃以上、電気抵抗率10⁷Ω・cm
以上で、かつ理論密度の90％以上の密度に焼結す
ることができる。 本発明において、ベリリウム量を0.1〜3.5重量
％としたのは、0.1重量％より少なくなると、電
気抵抗率が10⁷Ω・cmよりも小さくなつてしま
い、一方3.5重量％より多いと焼結体の熱膨張係
数が４×10^-6℃よりも大きくなり、とくに、シリ
コン半導体素子用の絶縁基板として使用する場合
などに問題となる。 上記ベリリウムはBeOとして添加する。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％添加することによ
り焼結体中に0.1〜3.5重量％含ませることができ
る。但し、焼結時の雰囲気、温度によつて多小変
る。 また、本発明において重要なことは、酸化ケイ
素粉末中に0.4重量％を越える遊離炭素を含まな
いことである。0.4重量％を越える遊離炭素は本
発明の目的である電気抵抗率を著しく低下させ
る。 本発明において上記酸化ベリリウムおよび炭化
ケイ素粉末は、平均10μｍ、好ましくは２μｍ以
下の粒径を有する微粉末で、これをホツトプレス
することにより焼結するのが好ましい。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、両者とも0.1重量％以下の含有量
であれば問題はない。アルミニウムが上記より多
く含まれると焼結体の電気抵抗率が10⁷Ω・cmよ
り小さくなり好ましくない。また、ホウ素が上記
より多く含まれると熱伝導率が0.4cal／cm・
sec・℃より小さくなつてしまう。 なお、熱伝導率が0.5cal／cm・sec・℃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。 酸化ベリリ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中
で行うのが好ましい。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。 焼結温度は1850〜2500℃、好ましくは1900〜
2300℃が有効である。高密度な焼結体を得るに
は、1850℃以上とし、また、炭化ケイ素の昇華を
防止し、過焼成を防止して緻密な磁器を得るには
2500℃以下が好ましい。焼結時に試料を高圧で加
圧するホツトプレス法では、加圧する荷重は使用
するダイスの材質によつて上限が決められる。通
常使用されるダイスは黒鉛製でこの場合には約
700Kg／cm²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100〜300Kg／cm²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
により、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。一般的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る。 実施例 １ 平均粒径２μｍの炭化ケイ素粉末に粒径10μｍ
以下の酸化ベリリウム粉末を0.1〜2.0重量％添加
し混合した。次いで混合粉末を室温で1000Kg／cm²
の圧力を加えて成形体とした。該成形体は1.60〜
1.67ｇ／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１×10^-5〜１×
10^-3torr中でホツトプレス法により焼結した。焼
結圧力は300Kg／cm²で、加熱は室温から2000℃ま
で約2hで昇温し、2000℃で1h保持したのち加熱
電源を切つて放冷した。圧力は温度が1500℃以下
になつてから解除した。上記によつて製造した炭
化ケイ素焼結体の特性とベリリウムの含有量との
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
含有するベリリウムの量が0.1〜3.5重量％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（４×10^-6／℃以下）を併せ有する焼
結体が得られる。 実施例 ２ 炭化ケイ素粉末に対し酸化ベリリウム粉末を４
重量％添加した混合粉末を実施例１と同様にして
ホツ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重量
％であつた。本実施例においてはホツトプレス条
件を変えて焼結体を作製した。第１表は得られた
焼結体の特性とホツトプレス条件との関係を示す
もので、温度1850〜2500℃、圧力100Kg／cm²以上
で焼結することにより、理論密度の90％以上、
0.4cal／cm・sec・℃以上の熱伝導率、10¹¹Ω・cm
以上の電気抵抗率および3.3×10^-6／℃の熱膨張
係数の焼結体を得た。 第５図及び第６図は第１図及び第３図、及び第
１表から求めた電気抵抗率又は熱伝導率と炭化ケ
イ素の理論密度に対する相対密度との関係を示す
線図である。図中の数字はBeの添加量である。 第５図に示す如く、室温における電気抵抗率を
10⁷Ω・cm以上とする電気絶縁材は、Be含有量を
多くすれば相対密度が小さくても得ることができ
る。例えば、Be量１％では相対密度約80％以上
とすればよい。 第６図に示す如く、0.1％以上のBe量で
0.4cal／cm・sec・℃以上の熱伝導率を得るに
は、90％以上の相対密度にすればよいことがわか
る。

【表】

【表】 実施例 ３ 炭化ケイ素の焼結体は実施例１と同様に製造し
た。但し本実施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％であつた。その特性は実施例１のベリリウム
含有量１重量％の焼結体とほぼ同じであつた。 実施例 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％添加して混合したのち、
実施例１と同様にしてホツ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10
μｍ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
体は実施例１のベリリウム含有量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
しなかつた焼結体では熱伝導率が0.2cal／cm・
sec・℃以下、機械的強度が10Kg／mm²以下と小さ
い値であつた。

【表】 実施例 ５ 炭化ケイ素粉末に酸化ベリリウム粉末を２重量
％添加し、さらに不純物としてカーボンブラツク
（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％添加して混合粉末とした。該混
合粉末は実施例１に記載したものと同様にしてホ
ツトプレス法により焼結体を得た。第３表はカー
ボンブラツクの添加量と該焼結体の特性との関係
を示し、カーボンブラツクに添加量が0.5重量％
になると電気抵抗率10⁶Ω・cmとなる。

【表】 実施例 ６ 実施例５と同様にして炭化ケイ素の焼結体を得
た。本実施例においては実施例５において不純物
として添加したカーボンブラツクに換えて窒化ア
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
ルミニウムの合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％より多
くなると電気抵抗率が著しく小さくなる。

【表】 実施例 ７ 実施例５と同様にして炭化ケイ素の焼結体を得
た。本実施例においては実施例５において不純物
として添加したカーボンブラツクに換えて窒化ホ
ウ素粉末（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％より多くなると熱伝導率が
著しく小さくなる。 第７図は、以上の実施例５〜７から、熱伝導率
及び電気抵抗率とＣ、Al及びＢ含有量との関係
を整理して求めた線図である。図中の数字はBe
含有量（重量）を示す。 図中、Al及びＣは電気抵抗率との関係、Ｂは
熱伝導率との関係を示すものである。図に示す如
く、10⁷Ω・cm以上の電気抵抗率を得るには、
Al0.1重量％以下及びC0.4重量％以下にしなけれ
ばならないことがわかる。

【表】 実施例 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200Å〜0.2μｍの粉
径を有する極めて微細な粉末でる。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
％添加して混合した。次いで該混合粉末は1000
Kg／cm²の圧力を加えて成形体としたのち、該成形
体は１×10^-4torrの真空中で焼結した。加熱は室
温から2100℃まで約2hで昇温し、2100℃で0.5h保
持したのち、加熱電源を切つて放冷した。焼結体
中のベリリウム含有量は約0.4重量％であつた。
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。

【表】 熱伝導率、電気抵抗率は室温で測定
熱膨張係数は室温〜300℃の平均値
実施例 ９ 本発明になる電気絶縁基板の具体的な適用例と
して、実施例１で得たベリリウム含有量が0.5重
量％の炭化ケイ素焼結体を基板として用いた半導
体パワーモジユールで説明する。第８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
及びヒートシンク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７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
てある。第９図は本発明になる絶縁基板を用いた
モジユー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。 上記半導体装置を−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８図）は20回のヒートサイクル
で基板にクラツ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９図）は150回のヒートサイクル後でも異常が
認められなかつた。 比較例 １ 炭化ケイ素粉末に添加剤を加えないで実施例１
と同様にしてホツ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。

【表】 熱伝導率、電気抵抗率は室温で測定
熱膨張係数は室温〜300℃の平均値
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。該混合粉末は実施例
１と同様にして形成体としたのち、ホツトプレス
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
強度は大きいが、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。

【表】 熱伝導率、電気抵抗率は室温で測定
熱膨張係数は室温〜300℃の平均値
本発明による炭化ケイ素焼結体は緻密化してお
り、高熱伝導率、高電気抵抗率および低熱膨張係
数を有するという特徴を有する。従つて前述した
如き電気絶縁用基板材料として優れている。更
に、耐熱、耐酸化性が要求される部材、耐熱衝撃
性が要求される部材、高温において高強度が要求
される部材としても好適な材料である。

【図面の簡単な説明】

第１図はベリリ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図はベリリ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
相対密度と電気抵抗率との関係、第６図は相対密
度と熱伝導率との関係を示す線図、第７図は電気
抵抗率、熱伝導率と不純物量との関係を示す線
図、第８図は従来法によるシリコン半導体装置の
組立断面図、第９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、９，１０および１４……半田、１
５……炭化ケイ素焼結体基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化ベリリウムがベリリウム量で0.1〜3.5重
   量％、アルミニウム0.1重量％以下、ホウ素0.1重
   量％以下、遊離炭素0.4重量％以下および残部が
   実質的に炭化ケイ素である焼結体から成ることを
   特徴とする電気絶縁材。 ２ 前記炭化ケイ素がα型結晶体を主成分とする
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電
   気絶縁材。