KR20080073635A - 질화규소 기판, 그 제조방법, 그것을 사용한 질화규소배선기판 및 반도체 모듈 - Google Patents

질화규소 기판, 그 제조방법, 그것을 사용한 질화규소배선기판 및 반도체 모듈 Download PDF

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히로미 기쿠치
히사유키 이마무라
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Abstract

두께방향으로 높은 열전도율을 갖는 동시에, 두께방향으로 높은 파괴인성을 갖는 질화규소 기판을 제공함으로써, 열저항이 낮고, 신뢰성이 높은 질화규소 배선기판을 제공하며, 더 나아가서는 이 질화규소 배선기판을 사용한 반도체 모듈의 저열저항화 및 고신뢰성화를 도모한다.
개시되는 질화규소 기판은 β형 질화규소와 1종류 이상의 희토류원소를 함유하고 있다. 또한, 이 질화규소 기판은 β형 질화규소의 소정 격자면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율로부터 정해지는 두께방향에 수직인 면내에 있어서의 배향 비율을 나타내는 면내 배향도 fa가 0.4~0.8이다.

Description

질화규소 기판, 그 제조방법, 그것을 사용한 질화규소 배선기판 및 반도체 모듈{Silicon nitride substrate, process for producing the same, and silicon nitride wiring board and semiconductor module using the same}
본 발명은 고강도이고 전기절연성과 고열전도성이 풍부한 질화규소(Si3N4) 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 질화규소 기판을 사용한 질화규소 배선기판 및 반도체 모듈에 관한 것이다.
최근, 전동차량용 인버터로서 고전압, 대전류 동작이 가능한 파워 반도체 모듈(IGBT, MOSFET 등)이 사용되고 있다. 파워 반도체 모듈에 사용되는 기판으로서는, 질화알루미늄이나 질화규소로 되는 절연성 세라믹스 기판의 한쪽 면(상면)에 회로로 되는 도전성 금속판을 접합하고, 다른쪽 면(하면)에 방열용 금속판을 접합한 세라믹스 배선기판이 널리 사용되고 있다. 이 금속판으로서는 동판 또는 알루미늄판 등이 사용되고 있다. 그리고, 회로로 되는 도전성 금속판의 상면에는 반도체소자 등이 탑재된다. 또한, 세라믹스 기판과 금속판의 접합은 납재(brazing filler metal)에 의한 활성금속법이나 동판을 직접 접합하는, 이른바 구리 직접 접합법이 채용되고 있다.
그러나, 금속 회로판 및 금속 방열판을 세라믹스 기판에 접합한 세라믹스 회로기판을 사용한 파워 반도체 모듈에 있어서는, 대전류를 흘릴 수 있도록 금속 회로판 및 금속 방열판의 두께를 0.3~0.5 ㎜로 비교적 두껍게 하고 있는 경우가 많고, 특히 금속 회로판 및 금속 방열판에 열전도율이 높은 구리를 사용한 경우, 열팽창율이 크게 상이한 세라믹스와 금속을 접합하면 접합 후의 냉각과정에서 열응력이 발생한다. 이 응력은 세라믹스 기판의 접합부 부근에서 압축과 인장의 잔류응력으로서 존재한다. 이 잔류응력은 세라믹스 기판에 크랙을 발생시키거나, 절연 내압 불량을 일으키거나, 또는 금속 회로판 및 금속 방열판의 박리의 발생원인이 된다.
이 점에서 질화알루미늄 기판은 세라믹 기판으로서는 높은 열전도성을 갖지만, 기계적 강도가 낮기 때문에 강도면에서의 신뢰성은 낮은 측면에서 적용은 곤란하다. 이에 대해, 질화규소 기판은 높은 열전도율을 가지고, 또한 기계적 강도, 파괴인성 및 내열피로 특성이 우수한 측면에서 주목받아, 이하에 나타내는 바와 같이 다양하게 제안되어 있다.
먼저, 종래의 질화규소 기판에는 질화규소를 86~99 ㏖%, 이트륨(Y) 및 란타노이드속 희토류원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 산화물 환산으로 1~10 ㏖%, 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)으로부터 선택되는 1종 이상을 산화물 환산으로 0~4 ㏖% 각각 함유하고, 알루미늄(Al) 함유량이 1000 ppm 이하이며, 또한 질화규소에 있어서의 β형 질화규소의 비율이 30% 이상인 질화규소 조성물을 1 MPa 이하의 질소 가압 분위기 중, 온도 1700~2000℃에서 소성함으로써 제조한 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.). 이하, 이 기술을 제1 종래예라고 칭한다.
또한, 종래의 질화규소 기판에는 질화규소 원료분말에 소결 보조제 및 종결정으로 하는 β형 질화규소를 첨가하여 얻어지는 혼합분말을 분산매에 분산하여 슬러리를 조제하고, 이것을 성형하여 얻어지는 β형 질화규소를 면내에 배향시킨 질화규소 성형체를 탈지한 후, 치밀화하여, 추가로 1~100 기압의 질소 분위기 중 1700~2000℃에서 소결함으로써 제조되는 것도 있다. 이 질화규소 기판은 일방향으로 질화규소 결정이 배향된 조직을 가지고, 결정의 배향방향에 대해 100~150 W/m·K의 열전도성을 가지고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조.). 이하, 이 기술을 제2 종래예라고 칭한다.
또한, 종래의 질화규소 기판에는 산소(O), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 철(Fe)의 함유량의 합계가 1000 ppm 이하이고, 또한 단축 직경이 2 ㎛ 이상인 질화규소 입자를 함유하며, 또한 단축 직경이 2 ㎛ 이상인 질화규소 입자가 면내방향 또는 두께방향으로 배향되어 있는 것도 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조.). 이하, 이 기술을 제3 종래예라고 칭한다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개 제2002-29849호 공보(청구항 3, [0019]~[0031])
특허문헌 2 : 일본국 특허공개 평9-165265호 공보(청구항 1, [0009]~[0013])
특허문헌 3 : 일본국 특허공개 제2001-19555호 공보(청구항 1, [0011], [0016]~[0023])
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
상기한 제1 종래예에 의한 질화규소 기판으로 되는 질화규소 기판은 β형 질화규소의 배향에 대해서는 조금도 고려되어 있지 않기 때문에, 열전도율이나 파괴인성을 향상시키기에는 한계가 있다. 이 점, 상기한 제2 및 제3 종래예와 같이, β형 질화규소를 배향시킴으로써 열전도율이나 파괴인성을 향상시킬 수 있다. 왜냐하면, 배향방향에서는 열전도에 있어서 저항이 되는 결정립계가 감소함으로써 고열전도성이 발현되기 때문이다. 한편, 파괴인성은 β형 질화규소의 배향에 의해서 크랙의 편향이 발생하기 쉬워져, 배향방향과 수직인 방향의 크랙의 진전을 억제할 수 있기 때문이다.
그러나, 상기한 제2 및 제3 종래예에 있어서, 도 7에 나타내는 바와 같이 질화규소 기판(1)의 면내방향의 배향도(이하, 「면내 배향도」라고 칭한다.) fa가 지나치게 높으면(도 7의 예에서는 면내 배향도 fa;약 1), 면내방향으로 열전도율이 높아지는 만큼 두께방향의 열전도율이 낮아진다. 이것에 의해, 이 질화규소 기판으로 되는 질화규소 기판의 일면에 금속 회로판을, 다른 면에 금속 방열판을 각각 접합해서 되는 질화규소 배선기판에 반도체소자를 탑재해서 구성되는 반도체 모듈의 저열저항화를 달성할 수 없다. 또한, 면내 배향도 fa의 의의에 대해서는 후술한다.
한편, 상기한 제3 종래예에 있어서, 도 8에 나타내는 바와 같이 질화규소 기판(2)의 두께방향의 배향도가 지나치게 높으면(도 8의 예에서는 면내 배향도 fa;약 -1), 두께방향의 열전도율은 높아지지만, 면내방향의 열전도율이 낮아진다. 또한, 두께방향의 파괴인성이 낮아지기 때문에, 상기 질화규소 배선기판을 제작할 때 구리(Cu)로 되는 금속 회로판의 접합온도(약 800℃)로부터의 냉각과정 또는 반도체 모듈을 가동할 때의 가열냉각 사이클에 있어서, 구리와 질화규소의 열팽창률의 차에 기인하여 열응력이 발생하고, 도 9에 나타내는 바와 같이 질화규소 기판(31)에 접합한 금속 회로판(32)의 외주부로부터 질화규소 기판(31)으로 들어가는 크랙이 진전되기 쉬워진다. 이 때문에, 금속 회로판(32)의 박리가 일어나기 쉬워, 질화규소 배선기판(34)의 신뢰성이 낮다. 결국, 종래의 질화규소 기판에서는 면내 배향도 fa와 열전도율 및 파괴인성의 문제에 대해서 언급하고, 또한 이들 문제를 해결하는 수단을 개시한 것은 발견되지 않는다.
또한, 도 9에서는 질화규소 기판(31)의 상면에 금속 회로판(32)을, 하면에 금속 방열판(33)을 각각 접합하여 질화규소 배선기판(34)을 구성하고, 금속 회로판(32)의 상면에 반도체소자(35)를 탑재하여 반도체 모듈(3)이 구성되어 있다.
본 발명은 전술한 사정에 비추어 이루어진 것으로서, 전술한 바와 같은 과제를 해결할 수 있는 질화규소 기판, 그 제조방법, 그것을 사용한 질화규소 배선기판 및 반도체 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1에 기재된 발명의 질화규소 기판은 β형 질화규소와 1종류 이상의 희토류원소(RE)를 함유하고, 상기 β형 질화규소의 소정 격자면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율로부터 정해지는 두께방향에 수직인 면내에 있어서의 배향 비율을 나타내는 면내 배향도 fa가 0.4~0.8인 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 청구항 2에 기재된 발명은 청구항 1에 기재된 질화규소 기판에 관한 것으로, 상기 면내 배향도 fa는 식(1)로 표시되는 것을 특징으로 하고 있다.
Figure 112007076742568-PCT00001
식(1)에 있어서, P는 식(2)로 표시되고, 상기 질화규소 기판에 있어서의 상기 β형 질화규소의 (110)면, (200)면, (210)면, (310)면 및 (320)면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율을 의미하며, P0는 식(3)으로 표시되고, β형 질화규소 분말에 있어서의 상기 β형 질화규소의 (110)면, (200)면, (210)면, (310)면 및 (320)면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율을 의미하고 있다.
Figure 112007076742568-PCT00002
또한, 청구항 3에 기재된 발명은 청구항 1 또는 2에 기재된 질화규소 기판에 관한 것으로, 두께방향의 파괴인성이 면내방향의 파괴인성 보다 크며, 또한 상기 두께방향의 파괴인성이 6.0 MPam1 /2 이상, 상기 면내방향의 파괴인성이 3.0 MPam1 /2 이상, 두께방향의 열전도율이 90 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 청구항 4에 기재된 발명은 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 기재된 질화규소 기판에 사용하는 데에 바람직한 희토류원소를 포함하는 소결 보조제 성분에 관한 것이다. 즉, 상기 1종류 이상의 RE는 루테튬(Lu)과 이트륨(Y)을 포함하는 상기 루테튬(Lu) 이외의 RE로부터 선택된 1종류 이상의 RE로서, 마그네슘(Mg)을 산화마그네슘 환산으로 0.03~8.0 ㏖%, 상기 Lu를 산화루테튬 환산으로 0.14~1.30 ㏖%, 상기 Y를 포함하는 상기 Lu 이외의 상기 RE로부터 선택된 1종류 이상의 RE를 산화물 환산으로 0.12~1.30 ㏖% 각각 함유하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 청구항 5에 기재된 발명은 청구항 4에 기재된 질화규소 기판에 사용하는 데에 바람직한 희토류원소를 포함하는 소결 보조제 성분에 관한 것으로, 상기 Y를 포함하는 상기 Lu 이외의 상기 RE로부터 선택된 1종류 이상의 RE는 가돌리늄(Gd)으로서, 산화가돌리늄 환산으로 0.12~1.30 ㏖% 함유하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명은 상기한 질화규소 기판을 얻기 위한 바람직한 제조방법에 관한 것이기도 하다. 즉, 청구항 6에 기재된 발명의 질화규소 기판의 제조방법은, 함유 산소량 2.0 질량% 이하의 α형 질화규소 원료분 99~50 질량%에, β분율이 30~100%이고, 산소 함유량이 0.5 질량% 이하, 평균입경이 0.2~10 ㎛, 애스펙트비가 10 이하인 β형 질화규소질 분말 1~50 질량%를 첨가하는 동시에, 산화루테튬을 0.35~1.60 ㏖%, 산화마그네슘을 1.70~10 ㏖%, 상기 산화루테튬 이외에서 이트륨(Y)을 포함하는 희토류원소(RE)로부터 선택된 1종류 이상의 원소의 산화물을 0.39~1.5 ㏖% 배합하고, 성형체로 한 후, 1700~2000℃ 온도에서 0.5~1.0 MPa의 질소 가압 분위기에서 5~50시간 소결하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 청구항 7에 기재된 발명의 질화규소 배선기판은 청구항 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 질화규소 기판과, 상기 질화규소 기판의 일면에 접합된 금속 회로판과, 상기 질화규소 기판의 다른 면에 접합된 금속 방열판으로 되는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 청구항 8에 기재된 발명의 반도체 모듈은 청구항 7에 기재된 질화규소 배선기판과, 상기 질화규소 배선기판에 탑재된 반도체소자로 되는 것을 특징으로 하고 있다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 두께방향으로 고열전도이고, 또한 두께방향으로 고인성의 질화규소 기판을 얻을 수 있다. 이 때문에, 열저항이 낮고, 신뢰성이 높은 질화규소 배선기판을 제공할 수 있다. 이것에 의해 반도체 모듈의 저열저항화와 고신뢰성화를 도모할 수 있다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명 실시형태의 질화규소 기판에서는, 상기 β형 질화규소의 소정 격자면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율로 정해지는 상기 질화규소 기판의 두께방향에 수직인 면내에 있어서의 배향의 비율인 면내 배향도 fa는 0.4~0.8이다. 여기서, 면내 배향도 fa는 질화규소 기판의 상면에 X선을 조사함으로써 발생하는 X선 회절선을 토대로, F. K. Lotgerling에 의해서 부여된 식(1)로 표시된다(F. K. Lotgerling: J. Inorg, Nucl. Chem., 9(1959) 113. 참조).
Figure 112007076742568-PCT00003
식(1)에 있어서, P는 식(2)로 표시되고, 질화규소 기판의 면내에 있어서의 도 1에 나타내는 β형 질화규소 입자(4)의 (110)면, (200)면, (210)면, (310)면 및 (320)면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율을 의미하며, P0는 식(3)으로 표시되고, β형 질화규소 분말에 있어서의 도 1에 나타내는 β형 질화규소 입자(4)의 (110)면, (200)면, (210)면, (310)면 및 (320)면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율을 의미하고 있다.
Figure 112007076742568-PCT00004
질화규소 기판은 β형 질화규소의 조대한 주상입자와 미세한 입자를 주성분으로서 구성되어 있는데, 면내 배향도 fa는 조대한 주상입자의 방향에 의해서 결정된다. 면내 배향도 fa가 0인 경우는 조대한 주상입자가 무질서하게 배치되어 있지만, 본 발명의 실시형태의 질화규소 기판(면내 배향도 fa가 0.4~0.8)과 같이, 면내 배향도 fa가 0 보다 큰 경우는 질화규소 기판의 두께방향에 대한 장축의 기울기가 45°보다 큰 주상입자를 보다 많이 포함하고 있는 것을 나타내고 있고, 면내 배향도 fa의 값이 1에 가까울수록 질화규소 기판의 두께방향에 대한 주상입자의 장축의 기울기가 90°에 가까운 것을 나타내고 있다.
면내 배향도 fa가 1인 경우에는, 상기한 바와 같이 질화규소 기판에 접합한 금속 회로판의 외주부로부터 질화규소 기판으로 들어가는 크랙이 진전하기 어렵지(질화규소 기판의 두께방향으로의 파괴인성이 높지)만, 반도체소자로부터 발생하는 열이 금속 회로판으로부터 질화규소 기판을 거쳐 금속 방열판에 전달되기 어렵다(질화규소 기판의 두께방향으로의 열전도율이 낮다). 이에 대해, 면내 배향도 fa가 -1인 경우에는, 상기한 바와 같이 반도체소자로부터 발생하는 열이 금속 회로판으로부터 질화규소 기판을 거쳐 금속 방열판에 전달되기 쉽지(질화규소 기판의 두께방향으로의 열전도율이 높지)만, 질화규소 기판에 접합한 금속 회로판의 외주부로부터 질화규소 기판으로 들어가는 크랙이 진전하기 쉽다(질화규소 기판의 두께방향으로의 파괴인성이 낮다). 이에, 본 발명자들이 예의 검토한 결과, 면내 배향도 fa가 0.4~0.8인 경우에는, 금속 회로판으로부터 질화규소 기판을 거쳐 금속 방열판에 열이 전달되기 쉬운(질화규소 기판의 두께방향으로의 열전도율이 높은) 동시에, 질화규소 기판에 접합한 금속 회로기판의 외주부로부터 질화규소 기판으로 들어가는 크랙이 진전하기 어려운(질화규소 기판의 두께방향으로의 파괴인성이 높은) 것을 알 수 있었다. 즉, 면내 배향도 fa를 0.4~0.8로 함으로써, 질화규소 기판의 특히 두께방향에 대해 주상입자에 의한 크랙의 편향이 일어나기 쉽고, 두께방향의 파괴인성이 면내방향의 파괴인성 보다 커진다. 또한, 열전도에 있어서 저항이 되는 입계상의 비율도 두께방향에 대해 충분히 작기 때문에, 두께방향의 열전도율을 높게 유지할 수 있다. 이 때문에, 6.0 MPam1 /2 이상의 상기 두께방향의 파괴인성과 90 W/m·K 이상의 상기 두께방향의 열전도율을 동시에 달성할 수 있는 방향에 있다.
방열성이 좋은 질화규소 배선기판을 얻기 위해서는 금속 회로판 및 금속 방열판에 열전도율이 높은 동판을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 접합온도(약 800℃)로부터의 냉각과정 또는 반도체 모듈을 가동할 때의 가열냉각 사이클에 있어서, 구리와 질화규소의 열팽창율의 차에 기인하여 열응력이 발생하고, 특히 질화규소 기판의 금속 회로판 외주부 부근에 두께방향으로 크랙이 진전하기 쉽다. 이 크랙의 진전을 억제하기 위해서는 상기 두께방향의 파괴인성을 6.0 MPam1 /2 이상으로 할 필요가 있고, 또한 동시에 면내방향의 파괴인성이 매우 낮은 경우, 크랙의 두께방향으로의 진전이 억제되어도 면내방향으로 진전되어 버리기 때문에, 상기 면내방향의 파괴인성은 3.0 MPam1 /2 이상으로 할 필요가 있다.
또한, 보다 방열성이 좋은 질화규소 배선기판을 얻기 위해서는 두께방향의 열전도율이 100 W/m·K 이상인 질화규소 기판을 사용하고, 두께가 0.5 ㎜ 이상인 동판을 금속 회로판 및 금속 방열판에 사용하는 것이 바람직하다. 두께방향의 열전도율을 100 W/m·K 이상으로 하기 위해서는 면내 배향도 fa를 0.7 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 두께가 0.5 ㎜ 이상인 동판을 금속 회로판 및 금속 방열판에 사용한 경우, 보다 큰 응력이 질화규소 기판에 가해지기 때문에, 두께방향의 파괴인성값을 6.5 MPam1 /2 이상으로 하는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 면내 배향도 fa를 0.5 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이들의 측면에서 면내 배향도 fa는 0.5~0.7로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명 실시형태의 질화규소 기판은 β형 질화규소를 주성분으로 하고, 소결 보조제로서 Mg와 루테튬(Lu) 및 Y를 포함하는 희토류원소(RE)로부터 선택된 1종류 이상의 희토류원소를 포함하고 있다. 소결 보조제로서 Mg를 함유하는 경우, 원료분에 소결 보조제로서 MgO, Y2O3, Yb2O3가 사용되는 경우가 많다. 전술한 면내 배향도 fa와 열전도율 및 파괴인성의 특징적인 작용효과에 대해서, 상기한 소결 보조제 성분에 의해서 영향을 받는 것은 아니라고 생각하고 있다. 그러나, 한편으로 한층 더 열전도율 및 굽힘강도의 향상을 도모할 필요가 있는 것, 또한 제조방법의 관점으로부터 소결 보조제 성분에 대해서도 검토를 행하였다. 이 점에 대해서 특히 출발원료에 있어서 첨가하는 소결 보조제는, Mg를 주로 하는 산화마그네슘(MgO)기로 함으로써 그 후의 소결성이 향상되고, 또한 MgO와 산화루테튬(Lu2O3)이 특정량과 특정비를 가지고 복합적으로 개재함으로써 고열전도, 고인성 그리고 고강도인 질화규소 기판을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 이 이유는 입계상에 특정의 조성비로 되는 유리상을 생성함으로써 입계를 따른 크랙의 진전을 억제할 수 있기 때문이다. 여기서, 소결체 중에 함유하는 Lu는 Lu2O3 환산으로 0.14~1.30 ㏖%이다. Lu가 Lu2O3 환산으로 0.14 ㏖% 미만에서는 입계상의 조성이 변동하고, 열전도율이 저하된다. 한편, Lu가 Lu2O3 환산으로 1.30 ㏖% 이상이 되면 소결성이 나빠져 강도 부족이 된다. Lu는 Lu2O3 환산으로 바람직하게는 0.15~1.00 ㏖%, 더욱 바람직하게는 0.2~0.6 ㏖%이다.
질화규소 기판 중에 함유하는 Mg는 MgO 환산으로 0.03~8.0 ㏖%로 한다. Mg가 MgO 환산으로 0.03 ㏖% 미만에서는 소결 보조제의 작용으로서 불충분하여 소결체 밀도가 저밀도가 되고, Mg가 MgO 환산으로 8.0 ㏖% 이상에서는 입계 유리상이 많이 남아 저열전도율이 된다. Mg는 MgO 환산으로 바람직하게는 0.04~5.00 ㏖%, 더욱 바람직하게는 0.05~1.5 ㏖%이다. 희토류산화물과 함께 MgO를 첨가하는 이점은, 액상 생성온도를 저하시키고 소결성을 개선할 수 있는 것에 있다. 그리고, 본 발명 실시형태에서는 출발원료 중의 MgO의 첨가량은 1.70~10 ㏖%로 하고, 희토류산화물과의 첨가비(RExOy)/MgO를 1 이하, 바람직하게는 0.3~0.5로 한다. 이것에 의해 소성과정의 1700℃ 전후에서는 Mg-Si-O-N으로 되는 유리상을 형성하여 질화규소의 소결을 촉진한다. 그 후 1800~2000℃의 최고 유지온도에서는 질화규소의 치밀화가 진행되는 것과 동시에, 입계상 중의 Mg는 MgO가 되어 질화규소 기판으로부터 휘발된다. 또한, 이 때 Si도 SiO2가 되어 휘발된다. 소결의 진행에 따라 입계상 중의 Mg, Si가 감소하기 때문에 융점이 낮은 액상이 감소하는 한편, Lu가 존재하기 때문에 고융점의 입계상이 생성되기 쉬워진다.
따라서, 소결 후의 질화규소 기판 중의 MgO의 함유량이 감소한 결과, 0.03~8.0 ㏖%로 하고, 희토류산화물과의 함유량비(RExOy)/MgO는 0.3~9.5로 하는 것이 좋다.
소결 보조제로서는 Mg와 Lu의 복합첨가가 유용하지만, 추가로 질화규소 입자에 대한 고용도(固溶度)가 작고, 열전도율을 높은 수준으로 유지할 수 있는 원소를 이트륨(Y) 또는 란타노이드속 희토류원소(RE)로부터 선택하여 첨가하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 이트륨(Y), 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb)으로부터 선택되는 1종류 이상의 희토류원소를 들 수 있다. 그 중, 온도 및 압력이 지나치게 높아지지 않고 소성할 수 있는 점에서 Y, La, Ce, Nd, Sm, Gd, Dy, Er 및 Yb가 바람직하고, 특히 질화규소 입자 내에서 나노입자화되기 쉽고, 그 나노입자가 고용되기 어려운 점에서 Gd가 바람직하다. 상기 희토류원소가 Gd인 경우, 질화규소 기판 중의 Gd의 함유량은 산화가돌리늄(Gd2O3) 환산으로 0.12~1.30 ㏖%이다. Gd의 함유량이 Gd2O3 환산으로 0.12 ㏖% 미만에서는 질화규소 입자 내에서의 나노입자의 생성수가 작기 때문에 열전도율이 낮고, Gd의 함유량이 Gd2O3 환산으로 1.30 ㏖% 이상에서는 질화규소가 소결되기 어려워 저강도가 된다. Gd의 함유량은 Gd2O3 환산으로 바람직하게는 0.2~1.2 ㏖%, 더욱 바람직하게는 0.2~1.0 ㏖% 이다.
다음으로, 이 실시형태의 질화규소 기판의 제조방법에 대해서 설명한다.
먼저, 함유 산소량 2.0 질량% 이하의 α형 질화규소 원료분을 사용한 것은, 일반적으로 원료분말의 산소량이 높을수록 질화규소질 입자 내에 고용되는 산소량이 높아지기 때문이다. 즉, 질화규소 입자 중에 함유되는 산소에 의해 열전도매체인 포논의 산란이 발생하여, 질화규소 기판의 열전도율이 저하되기 때문에, α형 질화규소 원료분의 함유 산소량은 최대한 적게 하여, 2.0 질량% 이하, 바람직하게는 1.5 질량% 이하로 억제할 필요가 있다. 또한, 이 실시형태에서는 종결정으로서 β형 질화규소 원료분말을 혼합하는데, 질화규소질 입자 내에 고용되는 산소량은 성장핵으로서 사용하는 β형 질화규소 원료분말의 산소량에 강하게 의존하여, 이 산소량이 높을수록 질화규소 입자 내에 고용되는 산소량이 높아진다. 따라서, 이 실시형태에서는 α형 질화규소 원료분의 함유 산소량을 0.5 질량% 이하로 억제하는 것이 중요하다.
또한, 질화규소질 원료분말 중의 Fe 함유량 및 Al 함유량이 각각 100 ppm을 초과한 경우에는 질화규소 입자 내에 Fe 또는 Al이 현저하게 고용되고, 고용 부분에서 열전도매체인 포논의 산란을 발생시켜, 질화규소 기판의 열전도율을 현저하게 저하시킨다. 따라서, 원료분말 중의 Fe 함유량 및 Al 함유량을 각각 100 ppm 이하로 억제하는 것도 중요하다.
원료분에 첨가하는 소결 보조제로서는 Lu2O3를 0.35~1.60 ㏖%, MgO를 1.70~10 ㏖%, Lu2O3 이외에서 Y를 포함하는 희토류원소(RE)로부터 선택된 1종류 이상의 원소의 산화물을 0.39~1.5 ㏖%의 소정량을 칭량하고, 이를 상기 질화규소 원료분에 첨가한다. 이 원료분에 유기 바인더, 가소제 등을 혼입하여 볼밀 등으로 균일하게 혼합한다. 혼합한 원료 슬러리를 탈포·증점한 후, 이를 종래 공지의 닥터 블레이드법으로 소정 판두께로 시트성형하여 성형체를 얻는다. 이 시트성형체를 소결로 내에서 1700~2000℃의 온도, 0.5~1 MPa의 질소 가압 분위기 중에서 소결한다. 소성온도는 1500℃ 이하인 경우에는 치밀화 부족을 일으키고, 2000℃ 보다 높은 경우에는 입자성장이 지나치게 진행되어 어느쪽으로 하더라도 강도 부족이 된다. 최종적인 소성온도는 1800~2000℃가 바람직하고, 더 나아가서는 1850~1950℃이다. 또한, 소성 분위기에 관해서는 질화규소의 분해를 억제하기 위해 질소압이 높은 편이 바람직하지만, 1 MPa 이상에서는 소성로의 설비 상의 비용 부담이 커서 바람직하지 않다. 다른 한편으로 0.5 MPa 이하에서는 질화규소의 분해가 일어난다. 이 이상이면 되지만 0.6~0.95 MPa의 질소 가압 중이 바람직하다.
소성시간에 관해서는 5시간 미만에서는 치밀화 부족이 발생하기 쉽고, 50시간을 초과하는 장시간의 소성은 비용적으로 문제가 있다. 이상에 의해서 얻어진 소결체를 적절히 가공하여 기판으로 하고 있다. 또한, 소결과정에서의 휘발 산소량의 조정은 소결로를 2중으로 구성하거나, 그 크기를 변화시켜서 밀폐도를 조절하는 수단, 또한 소결시간을 길게 하는 만큼 산소량은 감소하기 때문에 소결시간으로 조절하는 수단, 또한 채움 분말(詰粉)이라고 불리는 소결 분위기 제어제의 투입량에 의해 조절하는 수단, 또한 이들 수단의 조합을 취하는 것을 생각할 수 있다.
또한, 상기한 제조방법에 있어서, β분율이 30~100%인 질화규소 분말을 1~50 질량% 첨가하는 방법을 취하는 것이 바람직하다. β분율이 30~100%인 질화규소질 분말의 비율이 1 질량% 미만에서는 성장핵으로서의 효과는 있지만, 첨가량이 적기 때문에 작용하는 성장핵의 수가 적어, 이상 입자성장이 일어나 미크로 조직 중에 큰 입자를 균일 분산할 수 없게 되고, 굽힘강도가 저하된다. 또한, β분율이 30~100%인 질화규소질 분말의 비율이 50 질량%를 초과하면 성장핵의 수가 지나치게 많아져, 입자성장의 과정에서 입자끼리 서로 충돌하기 때문에 성장 저해가 일어나, 강도는 유지할 수 있지만 발달된 주상입자로 되는 질화규소 기판의 미크로 조직을 얻지 못하여, 높은 열전도율은 곤란해진다. 또한, 질화규소질 원료분말의 평균입경이 0.2 ㎛ 미만에서는 주상입자가 균일하게 발달된 미크로 조직을 얻지 못하여, 열전도율 및 굽힘강도를 높이는 것이 곤란하다. 질화규소질 원료분말의 평균입경이 10 ㎛ 보다 크면 소결체의 질화규소질의 치밀화가 저해된다. 애스펙트비는 10을 초과하면 질화규소 기판의 치밀화가 저해된다.
본 발명 실시형태에 있어서의 특징은 이상 설명한 소결온도 및 소결시간으로 되는 소결조건, β형 질화규소 원료분말의 첨가량, 소결 보조제의 출발조성을 적절하게 조정함으로써, 본 발명 실시형태의 질화규소 기판의 면내 배향도 fa를 0.4~0.8로 임의로 설정할 수 있는 것에 있다. 보다 구체적으로는 실시예에 의해 설명한다.
그리고, 이와 같이 하여 제작된 질화규소 기판은 고강도, 고인성 및 고열전도율의 특성을 살려서 고주파 트랜지스터, 파워 IC 등의 회로용 기판 또는 멀티칩 모듈용 기판 등의 각종 기판, 또는 펠티에 소자용 열전판, 또는 각종 발열소자용 히트싱크 등의 전자부품용 부재에 사용하기에 적합하다. 질화규소 기판은 예를 들면 반도체소자 탑재용 기판으로서 사용한 경우, 반도체소자의 작동에 수반하는 반복 히트사이클을 받았을 때 기판의 크랙의 발생이 억제되고, 내열 충격성 및 내히트사이클성이 향상되어, 신뢰성이 우수한 것이 된다. 또한, 고출력화 및 고집적화를 지향하는 반도체소자를 탑재한 경우에도 열저항 특성의 열화가 적어, 우수한 방열 특성을 발휘한다.
이 질화규소 기판의 일면 또는 양면에 Cu 회로판이나 Al 회로판을 DBC(Direct Bonding Cupper)법이나 활성금속 납재법 등을 사용하여 접합함으로써 질화규소 배선기판이 제작된다. 여기서, DBC법이란 질화규소 기판과, Cu 회로판 또는 Al 회로판을 불활성 가스 또는 질소 분위기 중에서 공정(共晶)온도 이상의 온도로 가열하고, 생성된 Cu-O, Al-O 공정화합물 액상을 접합제로서 회로판을 질화규소 기판의 일면 또는 양면에 산화막상을 매개로 하여 직접 접합하는 것이다. 한편, 활성금속 납재법이란, 티탄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf) 등의 활성금속과 저융점 합금을 만드는 은(Ag), Cu 등의 금속을 혼합 또는 합금으로 한 납재를 사용하여, Cu 회로판이나 Al 회로판을 질화규소 기판의 일면 또는 양면에 납재상을 매개로 하여 불활성 가스 또는 진공 분위기 중에서 가열 압착 접합하는 것이다. 회로판을 접합한 후, 질화규소 기판 상의 Cu 회로판 등을 에칭처리하여 회로 패턴을 형성하고, 추가로 회로 패턴 형성 후의 Cu 회로판 등에 Ni-P 도금을 실시함으로써 질화규소 배선기판이 제작된다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 단, 이들 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
평균입경이 0.7~1.2 ㎛, 산소량이 0.5~2.0 질량%인 α형 질화규소질 분말을 준비하고, 여기에 β형 질화규소 분말을 도 2에 나타내는 양만큼 첨가하였다. 첨가한 β형 질화규소 분말의 산소 함유량은 0.5 질량% 이하, 평균입경은 0.2~10 ㎛, 애스펙트비는 10 이하로 하고, 상기의 범위이면 얻어진 질화규소 기판의 면내 배향 도 fa는 동등하였다. 추가로, 소결 보조제로서 MgO 및 Lu2O3, 적절히 Gd2O3 또는 Y2O3를 각각 산화물 환산으로 도 2에 나타내는 양만큼 첨가하여 100%로 한 출발원료를 제작하였다. 여기에 2 질량%의 분산제(상품명 : 레오가드 GP)를 배합하고, 에탄올을 채운 볼밀 용기 중에 투입하여 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 진공건조하고, 이어서 메쉬크기 150 ㎛의 체를 통과시켜 조립(造粒)하였다.
이어서, 아민계 분산제를 2 질량% 첨가한 톨루엔·부탄올 용액을 채운 볼밀의 수지제 포트 중에 제작한 혼합분말 및 분쇄매체의 질화규소제 볼을 투입하고, 48시간 습식 혼합하였다. 이어서, 상기 포트 중의 혼합분말 100 질량%에 대해 폴리비닐계 유기 바인더를 15 질량% 및 가소제(디메틸프탈레이트)를 5 질량% 첨가하고, 이어서 48시간 습식 혼합하여 시트성형용 슬러리를 얻었다. 이 성형용 슬러리를 조정한 후, 닥터 블레이드법에 의해 도 3에 단면도를 나타내는 바와 같이 구상의 α형 질화규소 입자(62), 주상의 β형 질화규소 입자(61) 및 바인더와 분산제를 주성분으로 한 그린시트(6)를 성형하였다.
이어서, 성형한 그린시트(6)를 공기 중 400~600℃에서 2~5시간 가열함으로써 미리 첨가한 유기 바인더 성분을 충분히 탈지(제거)하였다. 이어서, 탈지체를 0.9 MPa(9기압)의 질소 분위기 중에서 1700℃ 이상 2000℃ 이하의 소성온도에서 5~50시간의 소성을 행한 후 실온으로 냉각하였다. 소결공정에 있어서는 승온시 1400℃~1900℃의 온도에서 1~10시간에 걸친 유지공정을 두고, 또한 이 유지온도로부터 상기 소결온도까지의 승온 속도를 1.0~5.0℃/min으로 하였다. 얻어진 질화규소 소 결체 시트에 기계가공을 실시하고, 세로 50 ㎜×가로 50 ㎜×두께 0.6 ㎜의 반도체 모듈용 질화규소 기판을 제조하였다. 개개의 시료의 제조조건은 도 2의 실시예 1~10란에 나타낸다. 질화규소 기판의 두께는 0.2~2.0 ㎜인 것이 바람직하다.
얻어진 질화규소 기판 중의 Lu, Gd, Y, Mg의 함유량을 ICP 분석에 의해 측정하고, 각각 Lu2O3, Gd2O3, Y2O3, MgO 환산으로의 함유량을 계산하였다. 얻어진 질화규소 기판의 면내 배향도 fa를 조사하기 위해, Cu-K α선으로 X선 회절선을 행하고, 각 회절선의 강도를 측정하였다(리가쿠덴키, RINT-2500). 이 측정결과를 도 4에 나타낸다.
또한, 얻어진 질화규소 기판에 대해서 이하에 나타내는 바와 같이, (1) 파괴인성(K1c) 및 (2) 열전도율에 대해서 측정하였다.
(1) 파괴인성(K1c)
JIS-1607에 준거하여 질화규소질 기판의 측면에 비커스 압자(壓子)를 소정 하중(예를 들면, 2 ㎏f)으로 밀어넣는 IF법으로 측정하였다. 이 때, 비커스 압자는 비커스 압흔(壓痕)의 한쪽 대각선이 기판의 두께방향과 수직이 되도록 밀어넣었다. 그리고, 도 5에 나타내는 바와 같이, 비커스 압흔의 두께방향의 대각선 길이, 상단부 및 하단부로부터 뻗는 크랙의 길이에 의해 질화규소질 기판의 두께방향의 파괴인성을 평가하고, 비커스 압흔의 면내방향의 대각선 길이, 좌단부 및 우단부로부터 뻗는 크랙의 길이에 의해 질화규소질 기판의 면내방향의 파괴인성을 평가한다.
(2) 열전도율
질화규소 기판으로부터 가로 세로 5 ㎜의 측정용 시료를 잘라내고, JIS-1611에 준거하여 측정하였다.
이어서, 얻어진 질화규소 기판을 사용하여 질화규소 배선기판 및 반도체 모듈을 제작하였다. 질화규소 배선기판의 제조방법의 2~3 예는 이하와 같다. 먼저, 질화규소 기판의 양면에 활성금속 납재를 인쇄 형성하고, 질화규소 기판과 거의 동일한 직사각형상의 동판을 양면에 750℃에서 가열 접합하고, 냉각 후, 금속 회로판 및 금속 방열판이 소정의 패턴이 되도록 동판을 에칭한다. 또한, 프레스 가공에 의해 회로 패턴이 되는 부분을 일부 연결부로 연결한 일체물의 동판을 제조하고, 이 패턴성형판을 상기와 동일하게 활성금속 납재를 인쇄 형성한 질화규소 기판에 가열 접합하며, 마지막으로 회로 패턴간을 연결하는 연결부를 절단하여 제거하고, 질화규소 배선기판으로 한다. 얻어진 질화규소 배선기판의 금속 회로판 상에 반도체소자를 납땜 접합한 후, 와이어 본딩을 실시하여 반도체 모듈을 얻었다. 이 반도체 모듈에 대해서 이하에 나타내는 바와 같이 (3) 히트사이클 시험을 행하고, (4) 열저항을 측정하였다.
(3) 히트사이클 시험(신뢰성 평가)
-55℃에서의 냉각을 20분, 실온에서의 유지를 10분 및 150℃에 있어서의 가열을 20분으로 하는 승온/강온 사이클을 1 사이클로 하고, 이를 3000 사이클 반복 부여하여, 질화규소 기판의 크랙이나 금속 회로판의 박리가 발생하는지 여부를 평가한다. 크랙의 발생은 형광 탐상법을 사용하여 행하였다.
(4) 열저항
반도체 모듈을 고열전도 그리스를 매개로 하여 20℃로 설정한 수냉 구리 재킷 상에 설치하고, 반도체 모듈에 전류 14A를 투입하여 1초 후의 반도체소자에 걸리는 전압의 변화를 측정하였다. 미리 측정하여 둔 반도체소자의 온도와 전압의 관계로부터 소자온도의 상승값을 구함으로써 열저항을 측정하였다.
도 6에는 상기한 도 2에 나타내는 실시예 1~10의 제조조건에 대응한 평가결과를 나타낸다.
(비교예)
도 2의 비교예 1~11에 나타내는 소결 보조제의 조성으로 한 출발원료를 사용하고, 그 이후의 제조조건은 실시예 1~10과 동일하게 하여 제조하였다. 또한, 평가방법도 실시예 1~10과 동일하게 행하였다. 이상의 제조조건에 의해 제조된 시료의 평가결과를 도 6의 비교예 1~11에 나타낸다.
도 2에 있어서, 실시예 1은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.1 ㏖%, Gd2O3; 1.2 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 50 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 10 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.75, 면내방향의 파괴인성 K1c; 3.3 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 8.3 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 90 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다.
면내방향의 파괴인성 K1c가 3.0 MPam1 /2 이상, 두께방향의 파괴인성 K1c가 6.0 MPam1/2 이상이기 때문에, 질화규소 배선기판의 제작시나 히트사이클 시험에서 발생하는 질화규소 기판으로의 열응력에 의한 크랙의 진전을 억제할 수 있어, 신뢰성이 높은 반도체 모듈을 구성할 수 있었다. 또한, 두께방향의 열전도율이 90 W/m·K 이상으로 높은 열전도율의 질화규소 기판을 사용하고 있기 때문에, 반도체 모듈을 구성했을 때의 열저항이 0.2℃/W 이하가 되어, 파워 반도체용 방열기판으로서 충분히 사용 가능한 값이 되었다.
실시예 2는 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.1 ㏖%, Gd2O3; 1.2 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 30 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 10 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.62, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.2 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 7.2 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 120 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.15℃/W가 각각 얻어졌다.
또한, 실시예 3은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.1 ㏖%, Y2O3; 1.2 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 5 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.44, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.3 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 6.5 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 125 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다.
실시예 4는 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.5 ㏖%, Gd2O3; 1.5 ㏖%, MgO; 10 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1900℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 40 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.42, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.3 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 6.5 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 100 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다.
또한, 실시예 5는 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.1 ㏖%, Y2O3; 1.4 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1900℃, 시간을 30 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 5 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.48, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.5 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 6.7 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 105 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다.
실시예 6은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 0.4 ㏖%, Gd2O3; 0.4 ㏖%, MgO; 1.7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 30 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 10 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.51, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.3 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 6.4 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 110 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다.
또한, 실시예 7은 소결 보조제의 출발조성을 Gd2O3; 3.6 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 50 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 30 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.45, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.2 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 6.5 MPam1/2, 두께방향의 열전도율; 95 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다.
실시예 8은 소결 보조제의 출발조성을 Y2O3; 3.8 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 50 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 30 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.44, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.3 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 6.4 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 95 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.20℃/W가 각 각 얻어졌다.
또한, 실시예 9는 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 2.2 ㏖%, Gd2O3; 2.3 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1975℃, 시간을 30 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 0 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.42, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.1 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 6.2 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 90 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.25℃/W가 각각 얻어졌다.
실시예 10은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 2.2 ㏖%, Y2O3; 2.4 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 50 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 0 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.41, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.2 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 6.1 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 90 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.25℃/W가 각각 얻어졌다.
이에 대해, 비교예 1은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 2.2 ㏖%, Gd2O3; 2.3 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1975℃, 시간을 30 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 30 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바 와 같이 면내 배향도 fa; 0.90, 면내방향의 파괴인성 K1c; 2.7 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 9.0 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 43 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.30℃/W가 각각 얻어졌다. 비교적 다량의 β형 질화규소 분말을 첨가하고, 소결온도가 1975℃, 소결시간이 30 Hr라고 하는 비교적 고온에서 장시간의 소결조건에 의해 소성함으로써, 첨가한 β형 질화규소 분말입자를 핵으로서 면내방향으로의 주상입자의 성장이 촉진되었기 때문에 면내 배향도 fa가 높아졌다. 그 결과, 두께방향의 파괴인성을 높게 할 수 있었지만, 면내방향의 파괴인성이 매우 낮아져 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다. 또한, 면내 배향도 fa가 높기 때문에 두께방향의 열전도율도 낮은 값이 되고, 반도체 모듈을 구성했을 때의 열저항도 높은 값이 되어 버렸다.
비교예 2는 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.6 ㏖%, Gd2O3; 1.6 ㏖%, MgO; 13 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1975℃, 시간을 30 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 30 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.88, 면내방향의 파괴인성 K1c; 3.2 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 9.0 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 52 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.30℃/W가 각각 얻어졌다. 비교적 다량의 β형 질화규소 분말을 첨가하고, 고온에서 소성함으로써 면내 배향도 fa가 높아지고, 두께방향의 열전도율도 낮은 값이 되 며, 반도체 모듈을 구성했을 대의 열저항도 높은 값이 되어 버렸다.
비교예 3은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.1 ㏖%, Y2O3; 1.2 ㏖%, MgO; 10 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1900℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 5 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.38, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.5 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 5.5 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 130 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다. 비교적 소량의 β형 질화규소 분말을 첨가하고, 또한 비교적 저온에서 단시간에 소성함으로써 면내 배향도 fa가 낮아지고, 두께방향의 파괴인성이 낮은 값이 되어 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다.
비교예 4는 소결 보조제의 출발조성을 Gd2O3; 2.3 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 0 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.35, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.2 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 5.4 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 110 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다. 비교적 다량의 β형 질화규소 분말을 첨가하지 않고, 또한 Lu2O3를 첨가하지 않음으로써 고온에서의 액상 생성량이 적고, 입자성장이 억제되었기 때문에, 면내 배향도 fa가 낮아지고, 두께방향의 파괴인성이 낮은 값이 되어 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다.
또한, 비교예 5는 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 0.2 ㏖%, Gd2O3; 0.2 ㏖%, MgO; 0.9 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 0 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.15, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.8 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 4.7 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 115 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다. β형 질화규소 분말을 첨가하지 않고, 또한 소결시간도 비교적 짧기 때문에 입자성장이 억제되어, 면내 배향도 fa가 낮아지고, 두께방향의 파괴인성이 낮은 값이 되어 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다.
비교예 6은 소결 보조제의 출발조성을 Y2O3; 1.9 ㏖%, MgO; 22 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1950℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 0 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.32, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.0 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 5.5 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 110 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다. 비교예 4와 동일한 이유로 면내 배향도 fa가 낮아지고, 두께방향의 파괴 인성이 낮은 값이 되어 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다.
또한, 비교예 7은 소결 보조제의 출발조성을 Y2O3; 1.9 ㏖%, MgO; 22 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1850℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 0 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.11, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.7 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 5.6 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 95 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다. β형 질화규소 분말 및 Lu2O3를 첨가하지 않고, 또한 소결조건도 비교적 저온에서 단시간이기 때문에 소성시의 액상 생성량이 적고, 입자성장이 억제되었기 때문에 면내 배향도 fa가 낮아지고, 두께방향의 파괴인성이 낮은 값이 되어 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다.
비교예 8은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.1 ㏖%, Gd2O3; 1.2 ㏖%, MgO; 22 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1975℃, 시간을 30 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 30 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.85, 면내방향의 파괴인성 K1c; 3.0 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 8.2 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 60 W/m·K, 신뢰성 평가; 합격(○), 열저항; 0.25℃/W가 각각 얻어졌다. 비교예 1과 동일한 이유로 면내 배향도 fa가 높기 때문 에 두께방향의 열전도율도 낮은 값이 되어, 반도체 모듈을 구성했을 때의 열저항도 높은 값이 되어 버렸다.
또한, 비교예 9는 소결 보조제의 출발조성을 Gd2O3; 2 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1900℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 1 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.13, 면내방향의 파괴인성 K1c; 3.8 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 4.3 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 90 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다. Lu2O3를 첨가하지 않고, 또한 β형 질화규소 분말의 첨가량도 비교적 소량이며, 더 나아가서는 소결조건도 비교적 저온에서 단시간이기 때문에 소성시의 액상 생성량이 적고, 입자성장이 억제되었기 때문에 면내 배향도 fa가 낮아지고, 두께방향의 파괴인성이 낮은 값이 되어 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다.
비교예 10은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.2 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1900℃, 시간을 5 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 1 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.15, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.0 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 4.5 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 90 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다. β형 질화규소 분말의 첨가량이 비교적 소량이고, 더 나아가서는 소결조 건도 비교적 저온에서 단시간이기 때문에 소성시의 액상 생성량이 적고, 입자성장이 억제되었기 때문에 면내 배향도 fa가 낮아지고, 두께방향의 파괴인성이 낮은 값이 되어 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다.
비교예 11은 소결 보조제의 출발조성을 Lu2O3; 1.1 ㏖%, Gd2O3; 1.2 ㏖%, MgO; 7 ㏖%로 하고, 소결조건을 온도 1975℃, 시간을 30 Hr, β형 질화규소 분말 첨가량; 10 질량%로 하여 소결을 행하였다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 면내 배향도 fa; 0.31, 면내방향의 파괴인성 K1c; 4.1 MPam1 /2, 두께방향의 파괴인성 K1c; 5.4 MPam1 /2, 두께방향의 열전도율; 95 W/m·K, 신뢰성 평가; 불합격(×), 열저항; 0.20℃/W가 각각 얻어졌다. MgO의 첨가량이 비교적 적고, 또한 소결조건이 비교적 고온에서 장시간이기 때문에 소성시의 MgO의 휘발량이 많고, 소성시의 액상 생성량이 적으며, 입자성장이 억제되었기 때문에 면내 배향도 fa가 낮아지고, 두께방향의 파괴인성이 낮은 값이 되어 히트사이클 시험에 의해 질화규소 기판에 크랙이 발생하였다.
이상과 같이, 실시예 1~3에 대해서는 β형 질화규소 분말을 5~10 질량% 첨가하고, 더 나아가서는 Lu2O3를 1.1 ㏖% 첨가하여 1950℃에서 소성함으로써, 소결시에 다량의 액상이 생성되고, 첨가한 β형 질화규소 분말입자를 핵으로서 면내방향으로의 주상입자의 성장이 적절히 촉진되었기 때문에 면내 배향도 fa는 0.4~0.8이 되었다.
또한, 실시예 4와 같이 소결온도가 1900℃로 비교적 저온에서도 β형 질화규소 분말을 40 질량%로 충분히 첨가하고, 더 나아가서는 Lu2O3를 1.5 ㏖% 첨가함으로써 면내 배향도 fa는 0.4 이상의 높은 값이 되었다.
또한, 실시예 6~8과 같이 Lu2O3의 첨가량이 0~0.4 ㏖%로 적은 경우에도 1950℃의 고온에서 30~50 Hr의 장시간 소성함으로써, 면내 배향도 fa는 0.4 이상의 높은 값이 되었다.
또한, 실시예 5, 9, 10과 같이 β형 질화규소 분말의 첨가량이 0~5 질량%로 비교적 적은 경우에도 Lu2O3를 1.1 ㏖% 이상 첨가하고, 더 나아가서는 30 Hr 이상의 장시간 소성함으로써 면내 배향도 fa는 0.4 이상의 높은 값이 되었다.
면내 배향도 fa가 0.4~0.8인 실시예에 대해서는 모두 두께방향의 파괴인성K1c가 면내방향의 파괴인성 K1c 보다 크고, 6.0 MPam1 /2 이상의 두께방향의 파괴인성 K1c, 3.0 MPam1 /2 이상의 면내방향의 파괴인성 K1c, 90 W/m·K 이상의 두께방향의 열전도율이 얻어졌다.
이상, 이 실시형태를 도면을 참조하여 상술하여 왔지만, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위의 설계변경 등이 있어도 본 발명에 포함된다.
도면의 간단한 설명
도 1은 β형 질화규소 입자의 격자면을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 실시예 및 비교예의 제조조건 및 질화규소 기판에 있어서의 보조제 조성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 그린시트의 외관구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명 실시형태의 질화규소 기판의 입계상의 X선 회절 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 파괴인성의 평가방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 평가결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 면내 배향도 fa가 약 1인 질화규소 기판의 개략 단면도이다.
도 8은 면내 배향도 fa가 약 -1인 질화규소 기판의 개략 단면도이다.
도 9는 반도체 모듈에 있어서 질화규소 기판에 크랙이 발생하는 모양을 설명하기 위한 개념도(측면 단면도)이다.
부호의 설명
1, 2, 31 질화규소 기판
3 반도체 모듈
32 금속 회로판
33 금속 방열판
34 질화규소 배선기판
35 반도체소자
4 β형 질화규소 입자
6 그린시트
61 β형 질화규소 입자
62 α형 질화규소 입자

Claims (8)

  1. β형 질화규소와 1종류 이상의 희토류원소(RE)를 함유하고, 상기 β형 질화규소의 소정 격자면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율로부터 정해지는 두께방향에 수직인 면내에 있어서의 배향 비율을 나타내는 면내 배향도 fa가 0.4~0.8인 것을 특징으로 하는 질화규소 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 면내 배향도 fa는 식(1)로 표시되는 것을 특징으로 하는 질화규소 기판.
    Figure 112007076742568-PCT00005
    식(1)에 있어서, P는 식(2)로 표시되고, 상기 질화규소 기판에 있어서의 상기 β형 질화규소의 (110)면, (200)면, (210)면, (310)면 및 (320)면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율을 의미하며, P0는 식(3)으로 표시되고, β형 질화규소 분말에 있어서의 상기 β형 질화규소의 (110)면, (200)면, (210)면, (310)면 및 (320)면의 각각의 X선 회절선 강도의 비율을 의미하고 있다.
    Figure 112007076742568-PCT00006
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 두께방향의 파괴인성이 면내방향의 파괴인성 보다 크고, 또한 상기 두께방향의 파괴인성이 6.0 MPam1 /2 이상, 상기 면내방향의 파괴인성이 3.0 MPam1 /2 이상, 두께방향의 열전도율이 90 W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 질화규소 기판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1종류 이상의 RE는 루테튬(Lu)과 이트륨(Y)을 포함하는 상기 루테튬(Lu) 이외의 RE로부터 선택된 1종류 이상의 RE로서, 마그네슘(Mg)을 산화마그네슘 환산으로 0.03~8.0 ㏖%, 상기 Lu를 산화루테튬 환산으로 0.14~1.30 ㏖%, 상기 Y를 포함하는 상기 Lu 이외의 상기 RE로부터 선택된 1종류 이상의 RE를 산화물 환산으로 0.12~1.30 ㏖% 각각 함유하는 것을 특징으로 하는 질화규소 기판.
  5. 제4항에 있어서, 상기 Y를 포함하는 상기 Lu 이외의 상기 RE로부터 선택된 1종류 이상의 RE는 가돌리늄(Gd)으로서, 산화가돌리늄 환산으로 0.12~1.30 ㏖% 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 질화규소 기판.
  6. 함유 산소량 2.0 질량% 이하의 α형 질화규소 원료분 99~50 질량%에, β분율이 30~100%이고, 산소 함유량이 0.5 질량% 이하, 평균입경이 0.2~10 ㎛, 애스펙트비가 10 이하인 β형 질화규소질 분말 1~50 질량%를 첨가하는 동시에, 산화루테튬 을 0.35~1.60 ㏖%, 산화마그네슘을 1.70~10 ㏖%, 상기 산화루테튬 이외에서 이트륨(Y)을 포함하는 희토류원소(RE)로부터 선택된 1종류 이상의 원소의 산화물을 0.39~1.5 ㏖% 배합하고, 성형체로 한 후, 1700~2000℃의 온도에서 0.5~1.0 MPa의 질소 가압 분위기에서 5~50시간 소결하는 것을 특징으로 하는 질화규소 기판의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 질화규소 기판, 상기 질화규소 기판의 일면에 접합된 금속 회로판, 및 상기 질화규소 기판의 다른 면에 접합된 금속 방열판으로 되는 것을 특징으로 하는 질화규소 배선기판.
  8. 제7항의 질화규소 배선기판과, 상기 질화규소 배선기판에 탑재된 반도체소자로 되는 것을 특징으로 하는 반도체 모듈.
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