(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素焼結体に活性金属成分を含有するろう材を用いた接合層を介して金属回路板が配設されている回路基板であって、前記窒化硅素焼結体と前記ろう材中の活性金属成分との反応層の厚みが２μｍ以下（０を含まず）であり、前記窒化珪素焼結体が焼結助剤としてのＭｇ成分及び／またはＣａ成分をそれらの酸化物換算で合計量０．５重量％以上７．０重量％以下、不純物としてＡｌが金属換算で０．２５重量％以下、Ｆｅが金属換算で０．３重量％以下、更にＬｉ、Ｂｅ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｎ、Ｇａなどの不純物元素の合計量が０．３重量％以下含み、前記窒化珪素焼結体の研磨面に観察される粒界の数が、任意の方向に引いた直線の長さ１０μｍ当たり１０個以下であることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記窒化珪素焼結体の室温での三点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項３】
前記金属回路板が酸素含有量が５０ｐｐｍ以下の銅であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化珪素質焼結体と金属回路板とが接合層を介して一体に接合されている構造の回路基板、特に高い信頼性、放熱性を要する半導体モジュール用に好適な回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種電子機器の構成部品として、アルミナ（Ａｌ２  Ｏ３  ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）などのセラミックス焼結体基板表面に導電層としての銅（Ｃｕ）回路板等を一体に接合したセラミックス回路基板が広く使用されている。
【０００３】
これらのセラミックス回路基板は、熱伝導性および電気伝導性に優れた銅等の金属により回路板を形成しているため、回路動作の遅延が減少するとともに回路配線の寿命も向上するし、半田等の接合材料に対する濡れ性が向上し、セラミックス焼結体表面に半導体素子（ＩＣチップ）や電極板を高い接合強度で接合することができ、その結果、半導体素子からの発熱の放散性や素子の動作信頼性を良好に保つことができ、更にセラミックス基板の裏面にも銅等の金属板を接合することにより、セラミックス基板の応力緩和および反り（熱変形）防止の目的も達成できるという利点を有している。
【０００４】
しかし、上記セラミックス回路基板のうち、Ａｌ２  Ｏ３  基板を使用した回路基板においては、Ａｌ２  Ｏ３  の熱伝導率が低いために良好な放熱性が得られず、半導体素子の高密度集積化および高出力化に伴う放熱対策に充分対応できない問題点があった。また、ＢｅＯ基板を使用した回路基板については、ＢｅＯは酸化物系のセラミックスの中では最も熱伝導率が高い放熱性に優れた材料であるが、その毒性のため製造上および取扱い上の難点が多い。
【０００５】
ＡｌＮ基板を使用した回路基板は、熱伝導率が高く充分な放熱性が得られるが、ＡｌＮ基板自体の強度が低いため、実使用下での繰り返して作用する熱負荷によってクラックが生じ易く、いわゆる耐熱サイクル性が小さいという問題点があり、その結果、使用中に繰り返し作用する熱負荷によって金属回路板がＡｌＮ基板より剥離して放熱性が急減したり、クラックが発生して耐電圧特性が低下するなど電子機器の動作信頼性が低下する問題点があった。加えて、ＡｌＮ基板を使用した回路基板は、その構造強度をある程度確保するためにはＡｌＮ基板の厚さを大きく設定する必要があり、高密度実装化に対する障害となっているとともに、ＡｌＮ基板の厚さが大きいが故に回路基板が撓みにくいので、例えば実装用ボードにねじ止めする場合にＡｌＮ基板に作用する曲げ応力によってＡｌＮ基板が容易に割れてしまうという問題点もあった。
【０００６】
これらの問題点を解決する目的で高熱伝導性窒化珪素焼結体を用いたセラミックス銅回路基板が提案されている。即ち、所定量の希土類元素の酸化物に、窒化アルミニウム及び／またはアルミナを加えた焼結助剤を用い、焼結時の液相が凝固する温度までの冷却速度を毎時１００℃以下で徐冷するという特殊な焼結条件によって、粒界相中の結晶化合物相の粒界相全体に対する面積比を２０％以上にすることで熱伝導率６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導性窒化珪素焼結体が得られるというものである（特開平６−１３５７７１号公報参照）。そして、特開平６−２１６４８１号公報には、前記高熱伝導性窒化珪素焼結体と予め回路を形成した銅回路板とを活性金属を含有する接合材をもちいて一体に接合したセラミックス銅回路基板が優れた放熱性、耐熱サイクル性および接合強度を有し、半導体パワーモジュール用部品として好適である旨が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平６−１３５７７１号公報開示の窒化珪素焼結体については、その製造に際し徐冷という特殊な操作を必要とするので、生産性が低いという欠点がある。また、回路基板については、接合強度や耐熱サイクル性のさらなる向上が求められているし、回路基板からモジュールを製造する際のハンダ付け等の加熱処理に耐え得るようにより耐熱衝撃性が高いことが望まれている。本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、通常の焼結条件で製造できて生産性に優れ、しかも窒化珪素焼結体中の特定の成分の存在により接合強度、耐熱サイクル性、耐熱衝撃性に優れた半導体モジュール用部品として好適な回路基板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成するため、窒化珪素焼結体を製造するための種々の焼結助剤を検討するとともに、その窒化珪素焼結体に活性金属成分を含有するろう材を用いて銅等の金属回路板を接合することでいろいろな回路基板を作製し、それらの放熱性、金属回路板の窒化珪素焼結体との接合強度、耐熱サイクル性、耐熱衝撃性および撓み量等を比較検討した。その結果、Ｍｇ成分及び／またはＣａ成分を７重量％以下含有する窒化珪素焼結体と金属回路板とが接合層を介して接合されている構造の回路基板が、接合強度、耐熱サイクル性、耐熱衝撃性、更に放熱性に優れていることを見いだし、本発明に至ったものである。
【０００９】
本発明は、窒化珪素焼結体に接合層を介して金属回路板が配設されている回路基板であって、前記窒化珪素焼結体がＭｇ成分及び／またはＣａ成分をそれらの酸化物換算で合計量７．０重量％以下、不純物としてＡｌが金属換算で０．２５重量％以下、Ｆｅが金属換算で０．３重量％以下含むことを特徴とする回路基板であり、特に、前記窒化珪素焼結体の研磨面に観察される粒界の数が、任意の方向に引いた直線の長さ１０μｍ当たり１０個以下であることを特徴とする前記の回路基板である。
【００１０】
また、本発明は、前記窒化珪素焼結体の室温での三点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする前記回路基板である。
【００１１】
更に、本発明は、前記金属回路板が酸素含有量が５０ｐｐｍ以下の銅であることを特徴とする上記の回路基板であり、前記接合層中に活性金属成分と窒化珪素焼結体との反応層を含み、その反応層の厚みが２μｍ以下であることを特徴とする回路基板である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明になる回路基板に用いられる窒化珪素焼結体について以下説明する。回路基板に用いる窒化珪素焼結体は、高熱伝導、高強度、低気孔率である必要があるが、窒化珪素は高融点であり、高い分解圧を有するので、希土類元素の酸化物を焼結助剤として用いたり、高圧の窒素雰囲気下で焼結するなどの工夫がなされてきた。本発明者らは、Ｍｇ成分及び／またはＣａ成分の酸化物またはそれらの前駆物質を焼結助剤に用いること、従来以上に不純物を制限すること、また焼結条件を詳細に制御することにより、熱伝導性と強度がともに優れ、回路基板用に最適な窒化珪素焼結体が容易に、しかも生産性良く得られるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１３】
本発明において、窒化珪素焼結体はＭｇ成分及び／またはＣａ成分を含有する。窒化珪素焼結体の焼結助剤としては、従来より希土類元素の酸化物やアルミナ等も知られているが、本発明者らの検討によれば、前記希土類元素の酸化物やアルミナでは、通常の焼結条件では得られる窒化珪素焼結体の熱伝導率が低く満足できないし、熱伝導性に優れる窒化珪素焼結体を得ようとすると焼結に高温、長時間を要し生産性が低下する。これに対して、本発明のＭｇ成分及び／またはＣａ成分を焼結助剤とする場合には、比較的容易に熱伝導性と強度とがともに優れる窒化珪素焼結体を比較的低温で短時間の焼結で、従って生産性高く得ることができる。この効果は、Ｍｇ成分或いはＣａ成分のそれぞれを単独で用いても得ることができるし、両者を混合して用いても同様に得ることができる。
【００１４】
本発明の窒化珪素焼結体は、Ｍｇ成分及び／またはＣａ成分をそれらの酸化物換算したときの合計量で７．０重量％以下含有する。この理由は、７．０重量％を越える場合には回路基板を得ようとするときに金属回路板との接合特性が充分でなくなる場合があるからである。その下限値については特に制限はないが、あまりにも少なくなると焼結助剤としての上記効果が不足するので０．５重量％程度が好ましい。特に、前記合計量が２．０重量％以上５．０重量％以下の場合に、焼結助剤としての効果が充分に発揮され、しかも得られる窒化珪素焼結体と金属回路板との接合特性が優れ、一層好ましい。
【００１５】
本発明では、Ｍｇ成分及び／またはＣａ成分がそれらの酸化物換算して７重量％以下含まれるという要件を満たせば、後述の不純物を除き、即ち、不純物としてＡｌが金属換算で０．２５重量％以下、Ｆｅが金属換算で０．３重量％以下含むことを除き、通常の窒化珪素の焼結に用いられる希土類元素やその他の元素を含むことができる。例えば、希土類元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｇｄなどが挙げられるし、その他の元素としては、例えばＺｒ、Ｔｉ、Ｈｆなどが挙げられる。
【００１６】
また、本発明において、窒化珪素焼結体の研磨面に観察される粒界の数が、任意の方向に引いた直線の長さ１０μｍ当たり１０個以下の組織を有することを特徴とする。上記の組織（微構造）を有する窒化珪素焼結体は、熱伝導性に優れるので放熱性に優れた回路基板が容易に得られる。また、理由は不明であるが、上記の微構造を有する窒化珪素焼結体は、金属回路板との接合性にも優れ、好ましい。ここで、研磨面並びに前記研磨面上に引かれる直線はどのように選択しても構わない。
【００１７】
窒化珪素焼結体中に含まれる不純物について、Ａｌが金属換算で０．２５重量％以下、しかもＦｅが金属換算で０．３重量％以下である。特にＡｌが金属換算で０．１５重量％以下、Ｆｅが金属換算で０．２重量％以下であることが好ましい。この理由は定かでないが、本発明者らがＭｇ成分及び／またはＣａ成分を含む窒化珪素焼結体について実験的に見いだしたもので、ＡｌおよびＦｅの存在量が多くなるとそれに応じて窒化珪素焼結体の熱伝導率が小さくなり、Ａｌが金属換算で０．２５重量％以下、しかもＦｅが金属換算で０．３重量％以下の場合に高い熱伝導率を有する窒化珪素焼結体が得られることを見いだしたものである。そして、窒化珪素焼結体の熱伝導率は、Ａｌを金属換算で０．２５重量％以下、Ｆｅを金属換算で０．３重量％以下にまで制限する時、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する窒化珪素焼結体を容易に、安定して得ることができるし、更に、Ａｌが金属換算で０．１５重量％以下、Ｆｅが金属換算で０．２重量％以下にまで制限する時には、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する窒化珪素焼結体を得ることができる。更に、上記不純物を制限することに加え、前述の微構造を有する窒化珪素焼結体は、６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の優れた熱伝導性を有するので、特に好ましい。
【００１８】
なお、熱伝導率に影響を与える不純物として、前記Ａｌ、Ｆｅが挙げられるが、他に、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属は得られた窒化珪素焼結体を回路基板に用いるとき電気的特性を劣化させるので、またＬｉ，Ｂｅ，Ｍｎ，Ｇａ等も焼結体の熱伝導率を低下させるので、好ましいものでない。これらの不純物元素については、その窒化珪素焼結体での含有量は合計で０．３重量％以下、好ましくは０．２重量％以下に抑制されていれば充分である。
【００１９】
また、本発明の窒化珪素焼結体は、室温での三点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であり、しかも熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。室温での三点曲げ強度が６００ＭＰａ以上あれば実使用下で繰り返し受ける温度変化や機械的衝撃に対しても充分に耐え得るし、しかも熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、比較的大きな作動電力を有する半導体素子を搭載しても、長期に渡って信頼して用いることができる利点を有する。
【００２０】
次に上記窒化珪素焼結体を得る方法について、例示して説明する。
原料の窒化珪素粉末としては、従来から知られている構造材料用の窒化珪素粉末を用いることができるが、焼結性、得られる焼結体の強度および熱伝導率を考慮して、ＡｌおよびＦｅ、更に前述のＮａ、Ｋ等のアルカリ金属及びＬｉ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｇａ等の不純物量が少ないものが選択される。即ち、焼結体にしたときにＡｌを金属換算で０．２５重量％以下、さらに好ましくは０．１５重量％以下含有し、しかもＦｅを金属換算で０．３重量％以下、さらに好ましくは０．２重量％以下となるような純度の窒化珪素粉末が選択される。前記Ｌｉ，Ｂｅ，Ｎａ，Ｋ，Ｍｎ，Ｇａなどの不純物元素についてその含有量は合計で０．３重量％以下、好ましくは０．２重量％以下に抑制されることが望ましい。
【００２１】
更に、市販されている構造材料用窒化珪素原料粉末中の酸素含有量は一般に０．５〜２．５重量％程度のものがほとんどであるが、本発明では、前記酸素含有量程度の窒化珪素粉末ならば何等問題なく用いることができるし、前記酸素含有量の範囲外の窒化珪素粉末の使用を制限するものでもない。
【００２２】
また、原料の窒化珪素粉末の鉱物相については、一般にα相率が高い方が緻密化しやすく高密度の焼結体を得やすい傾向があり好ましいが、本発明では得られる焼結体の研磨面に観察される粒界の数が、任意の方向に引いた直線の長さ１０μｍ当たり１０個以下の組織が得られればよく、特に限定されない。
【００２３】
原料の窒化珪素粉末の平均粒径は、焼結性が高く、緻密で高強度の焼結体が得やすいという理由で、３．０μｍ以下、好ましくは１．５μｍ以下、更に好ましくは０．８μｍ以下程度の微細なものが良い。尚、粉末の粒径分布は５０μｍ以上の粗大粒子が存在すると強度の低下を招き好ましくないので、全粒子が５０μｍ未満の粒径であることが望ましい。
【００２４】
本発明においては、前記窒化珪素粉末を焼結して得られる窒化珪素焼結体中にＭｇ成分及び／またはＣａ成分をそれらの酸化物換算で７重量％以下含有させるために、前記窒化珪素粉末にＭｇ及び／またはＣａの酸化物、もしくは焼結操作によって、これらの酸化物となる前駆物質を単独、または２種以上を組み合せて添加することができる。Ｍｇ、Ｃａの酸化物のみを窒化珪素粉末に配合した場合は、窒化珪素粉末中に含まれるシリカ（ＳｉＯ２  ）と反応して助剤相を形成する。従って、他の配合形態としてフォルステライト（Ｍｇ２  ＳｉＯ４  ）やステアタイト（ＭｇＳｉＯ３  ）を選択することもできる。これらの配合量は得られる窒化珪素焼結体中のＭｇ、Ｃａの成分が酸化物換算で上記範囲内に入るように設定される。尚、前記のＭｇ及び／またはＣａの酸化物若しくはこれらの酸化物になる前駆物質を粉末状で配合する場合、粒径が小さく、窒化珪素粉末との混合に際し分散し易い粉末が好ましい。
【００２５】
また、Ｙ，Ｌａ，Ｓｃ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｇｄなどの希土類元素の酸化物もしくは焼結操作によりこれらの酸化物となる物質を単独または２種以上を含んでいてもよい。とりわけ酸化イットリウム（Ｙ２  Ｏ３  ）及び酸化セリウム（ＣｅＯ２  ）は、焼結操作において窒化珪素原料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進剤として機能するので好ましい。しかし、前記希土類元素の酸化物の窒化珪素焼結体中の含有量は、酸化物換算で１５重量％以下の範囲が好ましい。１５重量％を超える過量となると、必要以上の粒界相が生成し、かえって熱伝導率や強度が低下するためである。
【００２６】
前記窒化珪素粉末にＭｇ及び／またはＣａの酸化物、若しくは前記の酸化物になる前駆物質を所定量加え、また必要に応じて前記希土類元素の酸化物を加え、更に必要に応じて有機質バインダー等を加えて混合して原料混合体を得た後、前記原料混合体を成形して所定形状の成形体を得て、更に焼結することで、前記窒化珪素焼結体を得ることができる。
【００２７】
前記原料混合体の成形法としては、金型プレス法、ドクターブレード法や押し出し成形法のようなシート成形法など汎用の成形法を用いれば良い。また、焼結操作については、まず成形体を温度３００〜８００℃で加熱して、予め添加していた有機バインダー成分を充分に除去、脱脂するが、この際の雰囲気はバインダーの種類などにより異なり、空気などの酸化性雰囲気または窒素、アルゴン、水素、炭酸ガス、炭化水素、真空などの非酸化性雰囲気が適用される。次に、前記の脱脂処理された成形体を窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で１６００〜２０００℃の温度で所定時間雰囲気加圧焼結を行うのが一般的である。尚、焼結温度は使用する窒化珪素原料粉末の特性、助剤の種類と配合量、更に窒化珪素焼結体の所望する組織によって異なるが、窒素ガスなどによる加圧を行なわず常圧で焼結する場合には１６００〜１８００℃程度の焼結温度が好ましい。
【００２８】
上記の操作により得られた窒化珪素焼結体は、必要に応じて機械加工、表面の研磨を施されて、回路基板に供することができる。尚、回路基板用途について、前記焼結体の厚みは０．１〜１．０ｍｍが実用的であるが、この範囲以外のものであっても使用することができる。
【００２９】
本発明に用いる金属回路板の材質としては、無酸素銅、タフピッチ銅、リン酸銅等の銅を用いるのが一般的であるが、その他の金属、例えばタングステン、モリブデン、鉄、ニッケル、コバルト等の高融点の金属やこれらの合金等のいずれも用いることができる。前記金属回路板は、予め回路を形成したものであっても、また後処理により回路を形成される単なる平板であっても良いし、窒化珪素焼結体の両面の金属回路板の材質が同一に限定される必要もない。金属回路板のうち回路形成される部分には、前記銅のうち、とりわけ酸素含有量が５０ｐｐｍ以下の無酸素銅が電気伝導率が高く、しかも窒化珪素焼結体との接合強度も高いので好ましい。
【００３０】
前記金属回路板の厚みは、その要求される機能に応じて適宜選択されるが、例えば回路を形成することを目的とする場合には回路中を流れる電流、金属回路板上に搭載される半導体部品の発生熱の大きさ等に応じて０．２〜０．５ｍｍ程度またはそれ以上が選択されるし、金属回路板と窒化珪素焼結体との熱膨張差に原因するソリを防止する目的の場合には０．１〜１．０ｍｍ程度が選択されるのが一般的である。しかし、これらに限定されるものではない。尚、窒化珪素焼結体の一面のみに回路が形成されている金属回路板を配し、他の一面には全面が平板の金属回路板（放熱金属板）で覆っている構造が回路基板として一般的であるが、回路形成された金属回路板を窒化珪素焼結体の片面のみに配し、他面には金属回路板を配設していない構造をとることも可能である。
【００３１】
本発明の回路基板は、前記窒化珪素焼結体と前記金属回路板とを用い、更に活性金属成分を含有するろう材を用いて両者を接合することで得ることができる。ここで、活性金属成分を含有するろう材は、接合の操作において溶融し、その一部は窒化珪素焼結体の表面及び金属回路板表面と反応し接合層を形成する。この接合層は、しかし詳細に見ると、その中に窒化珪素焼結体と活性金属成分を含むろう材中の活性金属成分との反応層が窒化珪素焼結体の前記ろう材に接する面に形成されている。例えば、Ｔｉを活性金属成分とする銅及び銀を含むろう材を用いて銅回路板と窒化珪素焼結体とを接合した場合の接合層は、接合層の銅回路板と接する側に銅−銀を主成分とする合金層と、接合層の窒化珪素焼結体と接する側には窒化チタンを主成分とする反応層とで形成されている。前記反応層は、走査型二次電子顕微鏡による観察においては二次電子の放射率が他の部分と異なることで、容易に識別することができる。
【００３２】
本発明の回路基板は、前述の反応層の厚みが２μｍ以下であることを特徴とする。本発明者らは、前記反応層の厚みが２μｍを越える場合には、窒化珪素焼結体と金属回路板との接合強度並びに回路基板特性、特に耐熱サイクル性や耐熱衝撃性が低下することがあり、前記反応層の厚みが２μｍ以下であれば前記特性の劣化がみられず好ましいことを実験的に見いだしたものである。特に、反応層の厚みが１μｍ以下の場合に前記効果が顕著であり、好ましい。一方、反応層の厚みがさらに薄くなってゆくと、反応層が均一に窒化珪素焼結体表面に存在しえなくなり、前記の効果が得られなくなってしまう。本発明者らの検討によれば、その下限は０．０５μｍ程度である。
【００３３】
本発明の回路基板を得る方法について、以下一例をもって説明する。即ち、活性金属成分を含有するろう材に対応する組成を有する粉末あるいは粉末混合物にアクリル樹脂系バインダー、テレピネオールおよびオレイン酸を添加して接合材ペーストを調製し、この接合材ペーストをスクリーン印刷法等によって窒化珪素焼結体表面に所定パターンで印刷する。次に印刷パターンに沿って金属回路板を配置するとともに、この金属回路板上に重錘を載置して金属回路板を圧着する。この金属回路板を積層した状態で加熱炉に収容し、真空中で温度７００〜９５０℃で５〜３０分間加熱して接合処理する。前記活性金属成分を含有するろう材中の活性金属成分の含有量、加熱温度、加熱時間を調整することで、所望の厚さの反応層を有する回路基板を得ることができる。
【００３４】
また、金属回路板の回路形成を接合後に行なう場合には、接合材ペーストを窒化珪素焼結体両面の全面に塗布したのち、回路を形成していない全面を覆う大きさの金属回路板を前記窒化珪素焼結体の両面に載せ、前記条件にて接合処理する。接合処理した金属回路板にエッチングレジストを所望の回路パターンに印刷した後、金属回路板をエッチング処理して除去し、回路を形成する。
【００３５】
尚、本発明の活性金属成分含有ろう材中の活性金属成分とは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ、Ｔａ等の窒化珪素焼結体との反応性の高い金属成分をいい、特にＴｉは窒化珪素焼結体と金属板との接合強度の点で優れている。これらの活性金属成分は金属及びそれらの化合物や合金の形態で接合材ペースト中に粉末として添加するのが一般的な方法であるが、箔の形態やその他の薄膜形成法で金属回路板と窒化珪素焼結体の間に配置され用いることもでき、前記活性金属成分を含む化合物や合金の例としては、水素化チタン、Ｔｉ−Ａｇ合金、Ｔｉ−Ｃｕ合金、Ｔｉ−Ａｌ合金等が挙げられる。
【００３６】
又、活性金属成分含有ろう材に含ませる活性金属成分以外の金属成分としては、接合する金属回路板の材質によっても異なるが、金属回路板が銅である場合には銀成分が有効である。銀成分は、主に銅成分と反応して低融点化合物を形成し、活性金属接合材の溶融化を助長し、接合面を濡らす役割を果たすので重要な成分である。金属回路板が銅或いは銅合金の場合には、金属板から活性金属接合材中に銅成分を供給することになり、活性金属接合材ペースト中に予め銅を含有させた場合と同様の効果が得られる。
【００３７】
本発明を実施例をもって更に詳細に説明する。
【００３８】
【実施例】
（実施例１の窒化珪素焼結体）
酸素含有量１．５重量％で平均粒径０．８μｍの窒化珪素粉末９０重量％に平均粒径１．０μｍのＭｇＯ粉末３重量％と平均粒径０．８μｍのＹ２Ｏ３粉末７重量％とを加え、更に前記の粉末１００重量部に対してポリビニルブチラール９重量部、ブチルフラレート４重量部、グリセリントリオレート１重量部、トルエン４５重量部、イソプロピルアルコール１５重量部を加え、ボールミルを用いて混合した。次に、上記操作で得られたスラリーを脱泡処理し、粘度を２００００ｃｐｓに調整したのちドクターブレード法によりシート状に成形した。更に、得られたシートから３０ｍｍ×８０ｍｍの板を打ち抜き、空気中５００℃で脱脂したのち、窒素ガス圧０．９ＭＰａで１８００℃で６時間焼結した。この操作で得られた焼結体は０．６ｍｍの厚みを有していた。
【００３９】
前記焼結体について、一部はＩＣＰ分析により化学成分を確認するとともに、一部は表面を研磨後アルカリエッチングして微構造を観察し、更に他の一部について室温での三点曲げ強度、熱伝導率を測定した。結果を表１に記載した。不純物としてＡｌ及びＦｅの結果を示したが、これら以外のＬｉ，Ｂｅ，Ｎａ，Ｋ，Ｍｎ，Ｇａなどの不純物はいずれも検出限界以下であった。また、窒化珪素焼結体の粒界の数の測定は窒化珪素焼結体の任意の研磨面をアルカリエッチングして粒界が識別できるようにした後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により延べ長さ５００μｍの任意の直線上の粒界の数を測定し、直線長さ１０μｍ当たりの粒界の数として算出した。熱伝導率は２５ｍｍ×２５ｍｍの形状に切り出したサンプルをレーザーフラッシュ法により室温での熱伝導率を測定した。三点曲げ強度は幅２５ｍｍの窒化珪素焼結体についてスパン３０ｍｍで測定したもので、その他の条件はＪＩＳ−Ｒ１６０１に準じた。
【００４０】
（実施例２〜１８及び比較例１の窒化珪素焼結体）
実施例１の方法において、窒化珪素粉末を酸素含有量０．８〜２．１重量％で平均粒径０．６〜２．６μｍのいろいろな窒化珪素粉末を用い、平均粒径０．８〜２．０μｍのいろいろな焼結助剤粉末を用い、更に有機バインダー（ポリビニルブチラールなど）、有機系可塑剤及び添加剤（ブチルフタレート、グリセリントリオレートなど）と有機溶剤（トルエン、イソプロピルアルコールなど）を適宜調整することにより、いろいろなスラリーを得た後、いずれも脱泡処理をして粘度を調整しドクターブレード法によりシート状に成形した。得られたいろいろなシートを４００〜６００℃で脱脂した後、窒素ガス圧０．１〜０．９ＭＰａで１７５０〜１９００℃で６時間焼結することで、実施例２〜１５、及び比較例１〜５とした。得られた窒化珪素焼結体は厚み０．３〜０．６ｍｍであり、それらの特性を表１に示した。
【００４１】（実施例１〜１５、参考例１、２、実施例１８及び比較例１の回路基板）銀（Ａｇ）粉末、水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末、アクリル樹脂系バインダーおよびオレイン酸を所定量配合し、さらにテレピネオールを加えたものをライカイ機で混合後、三本ロールで混練して接合材ペーストを調製した。実施例１〜１５、参考例１、２、実施例１８及び比較例１〜５の窒化珪素焼結体に、前記接合材ペーストを用いて銅回路板を次の操作により接合した。まず、前記接合材ペーストをそれぞれの窒化珪素焼結体の表面にスクリーン印刷し、さらに前記印刷パターンと同形状に予め回路形成した厚さ０．３ｍｍの銅回路板を配置した。更に、裏面のほぼ全面に前記接合材ペーストをスクリーン印刷し、厚さ０．２５ｍｍの回路が形成されていない銅回路板を配置するとともに、前記０．３ｍｍの厚さの銅回路板を上方にして重しを載置して圧接した状態のまま、全体を加熱炉に収容し１０−４Ｔｏｒｒよりも良い真空中で温度８２０℃で３０分間加熱して接合処理することにより、回路基板を作製した。尚、用いた接合材ペースト中のＴｉＨ２とＡｇの重量比率は表１に示した通りである。
【００４２】
また、回路基板をモジュールに組み上げる工程でハンダによる接合など熱処理を必要とするが、その際の耐久性を調べる目的で回路基板の耐衝撃試験を行なった。耐衝撃試験としては、回路基板を３５０℃で１０分間保持した後、室温まで急冷する方法を適用し、この熱衝撃サイクルを３回行なった後の割れの発生率で示した。割れの評価は、熱衝撃サイクル終了後、接合層の割れによる銅回路板の窒化珪素焼結体からの剥離の有無、またエッチングにより銅回路板および接合材層を除去し窒化珪素焼結体に発生した微小クラックを蛍光探傷検査により観察することで行った。また、ヒートサイクル試験は−４０℃で３０分間冷却し、室温で１０分間保持し、＋１２５℃で３０分間加熱し、室温で１０分間保持する加熱冷却操作を１サイクルとして行った。１０００回のヒートサイクル後のピール強度、三点曲げ強度の低下の有無を評価した。途中で特性の低下が見られたものはそのヒートサイクル回数を示した。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
表１の実施例及び比較例から明らかなように、本発明の回路基板は窒化珪素焼結体中にＭｇ成分及び／またはＣａ成分をそれらの酸化物換算で７重量％以下含むので、焼結体特性、回路基板特性のいずれもが優れ、特に熱衝撃試験ではモジュール製造工程において全く問題のないレベルであり、ヒートサイクル試験においても実用上大変優れていることがわかる。さらに窒化珪素焼結体の粒界の数、Ａｌ及びＦｅの不純物量が本発明の範囲内であるときに、焼結体特性が優れ、それを用いた回路基板の特性も優れることが明らかである。
【００４５】
（実施例１９〜３６）
実施例１〜１８の窒化珪素焼結体並びに接合材ペーストを用いて、以下に説明する方法により回路基板を作製した。接合材ペーストを窒化珪素焼結体の表裏両面の全面に塗布し、回路を形成する表面側に厚さ０．３ｍｍの銅回路板を、それに対する面に厚さ０．２５ｍｍの銅回路板を配置し、回路を形成する面を上側にしてその上に重しを載置して圧着した状態のまま基板全体を加熱炉に収容し、１０−４Ｔｏｒｒより良い真空中で温度８００〜８６０℃で３０分間加熱処理し接合体を製造した。次に前記接合体の上側の銅回路板面上に、スクリーン印刷により回路パターンを、裏面は全面にエッチングレジストを塗布後、塩化第二銅溶液を用いてエッチング処理を行い、接合体の上側面のみに回路を形成した。さらに、エッチング処理後に回路間などに残留する接合層を、フッ化水素アンモニウム（ＮＨ４  Ｆ・ＨＦ）及び過酸化水素（Ｈ２  Ｏ２  ）を含む水溶液に浸漬することで接合層を除去し、回路基板を製造した。この方法で作製した回路基板の特性は、それぞれ実施例１〜１８と同じ特性を示した。この実施例１９〜３６の回路基板の作製法は、実施例１〜１８に示した作製法に比べて、生産性の向上する利点がある。
【００４６】
（実施例３７〜５４）
実施例１〜１８の焼結体を製造する際に適用したドクターブレード法の代わりに押出法により成形体を製造した以外は実施例１〜１８と同様にして回路基板を製造した。押出法では、酸素含有量０．８〜２．１重量％で平均粒径０．６〜２．６μｍの各種窒化珪素粉末及び平均粒径０．８〜２．０μｍの焼結助剤粉末、有機バインダー（メチルセルロースなど）、有機系可塑剤及び添加剤（グリセリンなど）と水を所定量、ヘンシェルミキサーを用いて混合した。得られた混合物を真空混練機によりシート状に押出成形した。この製法で得られた窒化珪素焼結体を用いた回路基板の特性はそれぞれ実施例１〜１８と同じ特性を示し、いずれも良好であった。押出法はドクターブレード法に比べて窒化珪素焼結体の生産性が向上する利点がある。
【００４７】
（実施例５５〜５７）
実施例１の窒化珪素焼結体を用い、各種酸素含有量の銅板を用いた以外は実施例１と同様の方法により回路基板を作製した。得られた回路基板の銅中の酸素含有量と熱衝撃サイクル５回後の割れ発生率を表２に示した。表２から、酸素含有量が８０ｐｐｍ程度以下が好適であり、特に５０ｐｐｍ以下では熱衝撃割れが発生せず、最適であることがわかる。
【００４８】
【表２】
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【００４９】
（実施例５８〜６６）
実施例５の窒化珪素焼結体を用い、接合材ペースト中のＴｉＨ２  ／Ａｇの重量比率を３／１００〜１０／１００、接合材ペーストの塗布量を７〜１５ｇ／ｃｍ２  、接合温度を８００〜９００℃の種々の条件で接合することにより、窒化珪素焼結体と活性金属成分との反応層（ＴｉＮが主相）の厚みが種々異なる回路基板を作製した。尚、上記以外の条件は実施例５と同様とした。これらの回路基板での反応層の厚みと熱衝撃サイクル５回後の割れの発生率との関係を表３に示した。尚、反応層の厚みは接合層の垂直断面をＥＰＭＡ及びＳＥＭにより分析し、観察される反応層について、反応層と窒化珪素焼結体との界面に沿う所定長さに接する反応層の面積と、前記所定長さから平均の反応層の厚みを算出し、これを反応層の厚みとした。反応層の厚みは２μｍ以下が好ましく、特に１．２μｍ以下では熱衝撃割れが発生せず、最適であることが表３より明らかである。
【００５０】
【表３】
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【００５１】
（実施例６７〜７７）
実施例１で、ドクターブレードの間隙を調整し、いろいろな厚みの成形シートを経由することで、いろいろな厚みの窒化珪素焼結体を得た。これらの窒化珪素焼結体を用いて表４に示す表面の銅回路板と裏面の銅回路板（放熱銅板）の厚みを変えた各種の回路基板を作製した。また、一部では、片面の銅回路板を接合しない構造の回路基板を作製した。この際、上記以外の条件は実施例１と同一とした。何れの回路基板もピール強度、三点曲げ強度、ヒートサイクル試験特性が実施例１と同様に良好であった。更に、これらの回路基板について熱抵抗を測定し、表４の結果を得たが、銅回路板の厚みが０．２５〜１．００ｍｍで、窒化珪素焼結体の厚みが０．２５〜０．６ｍｍで何等問題なく作製できることが明瞭であるし、片面のみに銅回路板を接合した構造の回路基板をも問題なく作製できることが明らかである。更に、これらの回路基板の熱抵抗はいずれも１℃／Ｗ未満で優れた熱放散性を有することも明らかである。この熱抵抗１℃／Ｗの値は、従来の例えばＡｌＮ回路基板においてＡｌＮ基板厚み０．６３５ｍｍ、表面銅回路板厚み０．３ｍｍ、裏面銅回路板（放熱銅板）厚み０．２ｍｍの構造で達成されていた熱抵抗値と同等である。また、熱抵抗の測定は回路基板の表面の回路板上に底面積１６×２０ｍｍのトランジスタを発熱源として装着し、回路基板の裏面にはヒートシンクとして厚み３ｍｍの銅板をハンダ付けしてモジュールに近い状態で評価した。
【００５２】
【表４】
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【００５３】
（実施例７８、７９）
実施例１と同じ操作で得た厚み０．６ｍｍの窒化珪素焼結体にＮｉ、或いは表面に厚さ５μｍのＮｉめっきが施されたＦｅ材質の金属回路板を用い、Ａｇ／Ｃｕ／Ｔｉ＝７２／２８／８重量割合のろう材を含む接合材ペーストを用い、他は実施例１と同じ条件で回路基板を作製した。この際、表面の金属回路板の厚みは０．２５ｍｍで裏面の金属回路板の厚みは０．２３ｍｍであり、両者は同一材質である。得られた回路基板について熱抵抗の測定結果を表５に示す。本発明の回路基板は、銅板以外にも各種材質の金属回路板を適用できることが明らかである。
【００５４】
【表５】
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【００５５】
（実施例８０〜８３）
接合材ペースト中のろう材の組成と接合温度を表６のようにした以外は実施例１と同じ条件で回路基板を製造した。得られた回路基板について、ピール強度、三点曲げ強度、ヒートサイクル試験を行った。その結果を表６に示すが、いろいろな活性金属成分を含有するろう材を用いて良好な結果が得られることが明らかである。
【００５６】
【表６】
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【００５７】
【発明の効果】
本発明の回路基板は、特定の成分を含み高熱伝導で機械的特性に優れる窒化珪素焼結体に接合層を介して金属回路板を積層一体化された構造であるので、金属回路板と窒化珪素焼結体との接合強度が高く、回路基板の曲げ強度も高い、しかも前記接合強度や曲げ強度の経時劣化が少なく、耐熱サイクル性や耐熱衝撃性に優れ、高い放熱性および高い信頼性と耐久性に優れた回路基板である。
【００５８】
本発明の回路基板は、高熱伝導性の窒化珪素焼結体を用いているので熱応力にも耐え、また金属回路板の厚みを大きくすることで大電流用途などの高負荷の用途に適用できる。更に、機械的特性が優れているので、実装ボードにねじ止めする際に大きな外力を受けた場合においても、回路基板に割れを発生することが少ないので、半導体素子等を搭載したモジュールを高い歩留りで作製することができる。
【００５９】
本発明の回路基板は、従来のＡｌＮ基板およびＡｌ２  Ｏ３  基板と比較して、機械的強度が極めて大きい窒化珪素焼結体を使用しているので、回路基板全体の強度を従来と同等の強度に設定した場合には、基板の厚さを１／２程度に低減できるので、より高密度な実装が可能となる。
【００６０】
本発明の回路基板は、銅板以外にも各種材質の金属回路板を適用することができるので、金属回路板に磁性などの機能性を持たせる特殊な回路基板を製造することも可能であるし、合金成分を添加した銅合金等を適用することもできる。