(57)【要約】 【課題】  窒化ケイ素積層焼結基板表面に、アルミニウムを主成分とする金属を密着性良くメタライズした、メタライズド窒化ケイ素基板、および、その製造方法を提供する。【解決手段】窒化ケイ素積層焼結基板面上に、アルミニウムを主成分とするメタライズ層が形成され、且つ、前記窒化ケイ素積層焼結基板面と前記メタライズ層との間に、ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層が形成された、メタライズド窒化ケイ素基板にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ケイ素積層焼結基板面の上に、アルミニウムを主成分とするメタライズ層が形成され、且つ、前記窒化ケイ素積層焼結基板面と前記メタライズ層との間に、ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層が形成されていることを特徴とするメタライズド窒化ケイ素基板。
【請求項２】
窒化ケイ素積層焼結基板面上にケイ素−ケイ素結合の存在を示す層を形成する工程と、前記ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層にアルミニウムを主成分とする溶融金属を接触させてメタライズ層を形成する工程とを有することを特徴とするメタライズド窒化ケイ素基板の製造方法。
【請求項３】
前記ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層を、レーザの照射により形成することを特徴とする請求項２に記載のメタライズド窒化ケイ素基板の製造方法。
【請求項４】
前記溶融金属を、溶射により接触させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の窒化ケイ素基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層焼結法で作製した窒化ケイ素積層焼結基板面上に、密着性の良いメタライズ層が形成されている、メタライズド窒化ケイ素基板、および、メタライズド窒化ケイ素基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層焼結法で作製した所定の窒化ケイ素積層焼結基板は、熱伝導率の高い基板であり、発熱の大きい半導体素子から容易に抜熱可能な実装基板、例えば、車載用のパワー半導体素子の実装基板として用いられている。（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、メタライズド窒化ケイ素基板としては、基板面に銅箔がろう材で接着された、メタライズド窒化ケイ素基板が知られている。（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−６９５９０号公報
【特許文献２】特開２００１−１３５９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体素子から窒化ケイ素基板に抜熱された熱を、効率良く基板外部に放熱しようとした場合、基板表面にメタライズ層を形成し、そのメタライズ層を介して放熱する方法が考えられる。この場合、メタライズ層には、熱伝導率の高い金属、例えば、アルミニウムを主成分とする金属が考えられるが、このような金属を、ろう材無しに密着性良くメタライズした、メタライズド窒化ケイ素基板は知られていなかった。
【０００６】
そこで本発明では、積層焼結法で作製された窒化ケイ素積層焼結基板面に、アルミニウムを主成分とする金属を密着性良くメタライズした、メタライズド窒化ケイ素基板、および、その製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のメタライズド窒化ケイ素基板は、窒化ケイ素積層焼結基板面の上に、アルミニウムを主成分とするメタライズ層が形成され、且つ、前記窒化ケイ素積層焼結基板面と前記メタライズ層との間に、ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層が形成されている。
【０００８】
また、本発明のメタライズド窒化ケイ素基板の製造方法は、窒化ケイ素積層焼結基板面上にケイ素−ケイ素結合の存在を示す層を形成する工程と、前記ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層にアルミニウムを主成分とする溶融金属を接触させてメタライズ層を形成する工程とを有する。
【０００９】
なお、本発明の製造方法では、前記ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層を、レーザの照射により形成することができる。
【００１０】
また、本発明の製造方法では、前記溶融金属を、溶射により接触させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、積層焼結法で作製された窒化ケイ素積層焼結基板面に、アルミニウムを主成分とする金属を、ろう材無しに密着性良くメタライズした、メタライズド窒化ケイ素基板を提供することができる。ろう材無しにすることで、効率よく放熱可能な基板にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態である、メタライズド窒化ケイ素基板の製造フローである。
【図２】本実施形態である、メタライズド窒化ケイ素基板の断面模式図である。
【図３】本実施例の、メタライズド窒化ケイ素基板の断面観察・分析結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
まず、製造方法の実施形態について説明する。図１のフローに示すように、本実施形態の製造方法は、基板準備工程Ｓ１、ケイ素―ケイ素結合層形成工程Ｓ２、溶融金属接触工程Ｓ３、工程を有している。
【００１５】
まず、基板準備工程Ｓ１では、積層焼結法で作製された窒化ケイ素積層焼結基板（以降、単に窒化ケイ素基板と称する場合がある）を準備する。窒化ケイ素基板には、例えば、厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度、面粗さＲａが５μｍ未満の、平滑な基板を用いることができる。積層焼結法で作製された窒化ケイ素基板は、基板表面と内部が、ほぼ均一な組成に作製された基板となる。
そして、準備した窒化ケイ素基板は、板上あるいは治具に、一方の表面を露出して固定する。なお、板上に固定する場合には、粘着テープにより固定しても良い。
【００１６】
次に、ケイ素―ケイ素結合層形成工程Ｓ２では、窒化ケイ素基板の露出した面上に、ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層を形成する。ケイ素−ケイ素結合の存在を示す層は、ラマンスペクトル分析により確認できる。この層は、化学量論組成を有する窒化ケイ素から、窒素を強制的に脱離することにより得ることができる。本発明においては、この層を形成させることによって、ろう材無しに密着性良くメタライズ層を形成することができるようになるため、重要な工程である。
このようなケイ素―ケイ素結合層は、窒化ケイ素基板の露出した面に、例えば、ファイバーレーザ等のレーザを照射して形成することができる。また、ケイ素―ケイ素結合層は、レーザの照射以外にも、プラズマの照射により形成することもできる。
【００１７】
次に、溶融金属接触工程Ｓ３で、上記ケイ素―ケイ素結合層が形成された面に、アルミニウムを主成分とする溶融金属を接触させる。溶融金属を接触させるには、例えば、溶融金属の溶射を用いることができる。
溶融金属を接触させた窒化ケイ素基板は、溶融金属が凝固した後、板あるいは治具から取り外す。これにより、窒化ケイ素基板の一面にアルミニウムを主成分とする金属がメタライズされた、メタライズド窒化ケイ素基板を得ることができる。
【００１８】
次に、上記実施形態により作製したメタライズド窒化ケイ素基板、すなわち、本発明のメタライズド窒化ケイ素基板の一実施形態について説明する。なお、図２の断面模式図は、層構造を分かりやすくするために、厚さ方向を誇張して描いている。
図２の断面模式図に示すように、本実施形態の、メタライズド窒化ケイ素基板１０は、窒化ケイ素基板１の基板面の上に、アルミニウムを主成分とする、メタライズ層２が形成され、且つ、窒化ケイ素基板１の基板面と、メタライズ層２の間に、ケイ素―ケイ素結合層３が形成されている。
【００１９】
従来、窒化ケイ素基板１表面に、アルミニウムを主成分とする金属を、ろう材無しに密着性良くメタライズすることは困難であった。これは、窒化ケイ素基板１の表面粗さが小さく、窒化ケイ素基板１とメタライズ層２との間に、アンカー効果を生じにくく、また、窒化ケイ素の、Ｓｉ−Ｎ結合が強固なため、窒化ケイ素基板１とメタライズ層２との間に、拡散反応を生じにくいことが原因と考えられる。
【００２０】
しかし、本実施形態の、メタライズド窒化ケイ素基板１０では、窒化ケイ素基板１とメタライズ層２との間に、ケイ素―ケイ素結合層３、すなわち、窒素と強固な結合を形成していないケイ素を含む層を形成している。
【００２１】
窒化ケイ素基板１とケイ素―ケイ素結合層３との界面は、ともにケイ素を含んで密着性は良く、また、ケイ素―ケイ素結合層３とメタライズ層２との界面は、窒素と強固な結合をしていないケイ素とアルミニウムとの間に拡散・反応を生じやすく、界面の密着性は良くなると考えられる。すなわち、ケイ素―ケイ素結合層３を形成することで、窒化ケイ素基板１表面に、アルミニウムを主成分とする金属を密着性良くメタライズした、メタライズド窒化ケイ素基板１０を提供できる。
【００２２】
なお、メタライズ層２とケイ素―ケイ素結合層３との密着性をより高めるには、製造方法の実施形態で例示したレーザの照射を、ビーム径を絞り、所定のエリア内を走査させるのが好ましい。このようにすることで、ケイ素―ケイ素結合層３を形成した基板にすることで、窒化ケイ素基板面粗さを大きくすることができ、アンカー効果により、より一層、密着性を高めることができる。
具体的には、レーザを走査させながら照射することで、ケイ素―ケイ素結合層３の面粗さＲａを、６μｍ以上にするのが好ましい。
【００２３】
また、上記実施形態において、アルミニウムを主成分とする溶融金属は、アルミニウム合金でも良いし、純アルミニウムでも良い。
【００２４】
また、上記実施形態において、溶融金属の接触に用いる溶射は、大気溶射でも良いし、プラズマ溶射でも良い。プラズマ溶射にすれば、より大きなエネルギーで、溶融金属を接触させることができるので、メタライズ層２とケイ素―ケイ素結合層３との密着性をより高くできる可能性がある。また、溶融金属の接触には、鋳造法で用いられる鋳包み技術のような溶融接合プロセスを用いることもできる。
【００２５】
（実施例）
本実施例では、まず、積層焼結法で作製した窒化ケイ素基板表面の一部にレーザを走査しながら照射し、同一基板面内に、レーザが照射された部分とレーザが照射されていない部分とを形成した。次に、レーザが照射された面部分を含む基板表面全体に、溶融アルミニウムを溶射し、メタライズド窒化ケイ素基板を作製した。最後に、基板端部からメタライズ層の剥離を試み、レーザが照射された面部分とレーザが照射されなかった面部分のそれぞれについて、メタライズ層が剥離できるか否かを確認した。なお、試料、実験条件の詳細については、表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
また、同じ手順により、メタライズ層を剥離する前状態のサンプルを作製し、レーザが照射された面部分の断面について、光学顕微鏡による観察とケイ素のラマンマッピングによる分析を行った。
【００２８】
上記条件のレーザ照射により、窒化ケイ素基板の表面は、面粗さＲａが６μｍ以上になり、ラマンスペクトル分析により、ケイ素―ケイ素結合層が面上に形成されていることを確認した。また、作製したメタライズド窒化ケイ素基板について、メタライズ層の剥離を試みた結果、レーザが照射されていない面部分は、メタライズ層を容易に剥離でき、メタライズ層と窒化ケイ素基板との密着性が低いことを確認した。一方、レーザが照射された面部分は、メタライズ層を容易に剥離することができず、メタライズ層と窒化ケイ素基板との密着性が高いことを確認した。
【００２９】
また、図３に、レーザが照射された面部分の断面を観察・分析した、（ａ）光学顕微鏡写真、（ｂ）ケイ素のラマンマッピングを示す。なお、両図は同視野を観察・分析したものであり、上方が、窒化ケイ素基板１、下方が、メタライズ層２である。（ａ）の光学顕微鏡写真では、窒化ケイ素基板１、メタライズ層２が観察できる一方、（ｂ）の同視野のラマンマッピングでは、窒化ケイ素基板１とメタライズ層２との間に、ケイ素―ケイ素結合層が認められた。このケイ素―ケイ素結合層が、メタライズ層と窒化ケイ素基板との密着性を高めているものと考えられる。
【００３０】
以上、本発明について上記実施形態を用いて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の特許請求の範囲に示された技術範囲において、変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１：窒化ケイ素基板
２：メタライズ層
３：ケイ素―ケイ素結合層
１０：メタライズド窒化ケイ素基板
Ｓ１：基板準備工程
Ｓ２：ケイ素―ケイ素結合層形成工程
Ｓ３：溶融金属接触工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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