(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長軸方向の大きさ１０μｍ以上、厚みが１μｍ以上である六方晶ＢＮ粗粒子５０〜９０体積％と、長軸方向の大きさ１０μｍ未満、厚みが１μｍ未満である六方晶ＢＮ微粒子１０〜５０体積％と、上記以外の六方晶ＢＮ粒子２０体積％以下（０％を含む）とで構成されてなるものであって、六方晶ＢＮ粗粒子の大部分が一方向に配列しており、しかもその空隙に六方晶ＢＮ微粒子の多くが分散していることを特徴とする六方晶ＢＮ焼結体。
【請求項２】
熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１記載の六方晶ＢＮ焼結体。
【請求項３】
平均粒径１５μｍ以上の高結晶性の六方晶ＢＮ粉末５０〜９５重量％と、平均粒径１０μｍ以下で酸素含有量１．０重量％以上の六方晶ＢＮ粉末５〜５０重量％とを混合し、１００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力で予備成型を行った後、常圧焼結することを特徴とする六方晶ＢＮ焼結体の製造方法。
【請求項４】
請求項１又２に記載の六方晶ＢＮ焼結体で構成されてなることを特徴とする半導体用基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体用基板、半導体や電子部品等の製造用もしくは組付け用治具、電気絶縁性放熱材料、耐熱性治具などとして利用可能な、高熱伝導性六方晶ＢＮ焼結体に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、熱伝導率が例えば１００Ｗ／ｍＫである高熱伝導性六方晶ＢＮ焼結体であり、長軸方向の大きさ１０μｍ以上、厚みが１μｍ以上である六方晶ＢＮ粗粒子と長軸方向の大きさ１０μｍ未満、厚みが１μｍ未満である六方晶ＢＮ微粒子とを主体として構成され、かつＢＮ粗粒子の大部分が一方向に配列しその空隙にＢＮ微粒子の多くが分散した組織を有する六方晶ＢＮ焼結体、その製造方法及び半導体用基板に関する。
【０００３】
【従来の技術】
従来、ＩＣ基板用材料、ＩＣパッケージ用材料としては、高熱伝導性を有するＡｌＮ焼結体の利用が盛んに行われており、熱伝導率１１０〜１９５Ｗ／ｍＫの高い値が報告されている（例えば特開昭６１−２７０２６４公報、特開昭６２−３６０６９公報、特開昭６２−４１７６６公報など）。しかしながら、ＡｌＮ焼結体は切削加工が困難であり、目的とする形状にするためには成型・焼結工程を厳しく制御する必要があり、さらに加工コストが高くなるなどの欠点がある。
【０００４】
また、ＡｌＮ焼結体の高熱伝導性を保ちながら切削性を向上させるため、ＡｌＮと六方晶ＢＮの複合材料が提案されており（例えば特開昭５８−３２０７３公報、特開昭６０−１９５０５９公報）、熱伝導率５５〜１９５Ｗ／ｍＫで切削性に優れたＡｌＮ／ＢＮ複合材料が報告されている。さらには、異方性を付与した熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫ以上のＡｌＮ／ＢＮ複合材料も知られている（特公平７−４５３４４号公報）。
【０００５】
しかしながら、ＡｌＮ／ＢＮ複合材料では、ＡｌＮ粉とＢＮ粉の混合原料粉末の調製の重要性に加えて、一般的にはＡｌＮの焼結助剤が必要であることからその制御が重要である。また、パワーモジュール用基板の用途などにおいては、材料の誘電率、誘電損失の低減が要求されるが、ＡｌＮはＢＮに比べて誘電率、誘電損失が大きいのでＡｌＮ／ＢＮ複合材料では望ましくなく、高熱伝導性のＢＮ焼結体が望まれている。
【０００６】
六方晶ＢＮ焼結体は、優れた被切削性、耐食性、耐熱性、熱伝導性、電気絶縁性、低誘電率、低誘電損失性などの性質を有しているため、さまざまな分野で広く用いられている。六方晶ＢＮ焼結体は、一般的には酸化物系の焼結助剤を加えてホットプレス法や常圧焼結法で製造され、六方晶ＢＮの層状の結晶構造に起因する構造的な異方性を有し、それに伴い物性値に異方性があることが知られている。しかしながら、そのような異方性を有するＢＮ焼結体においてもその熱伝導率は６０Ｗ／ｍＫ程度（「エレクトロニク・セラミックス」Vol.17,No84,pp68(1986)）であり、またＢＮ焼結体の不純物を低減させたものであっても８０Ｗ／ｍＫ程度（「ファインセラミックスレポート」Vol.8,No7 (1990)）であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、優れた被切削性、耐食性、耐熱性、電気絶縁性、低誘電性、低誘電損失性を有する六方晶ＢＮ焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上に高めた六方晶ＢＮ焼結体を提供することである。本発明の第２の目的は、このように優れた特性を有する六方晶ＢＮ焼結体で構成された半導体用基板を提供することである。
【０００８】
本発明の目的は、平均粒径１５μｍ以上の高結晶性ＢＮ粗粉５０〜９５重量％と、平均粒径１０μｍ以下で酸素含有量１．０重量％以上のＢＮ微粉５〜５０重量％とを混合し、それを１００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力で予備成型を行った後、常圧焼結を行い、六方晶ＢＮ焼結体を製造することによって達成することができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、以下を要旨とするものである。
（請求項１）  長軸方向の大きさ１０μｍ以上、厚みが１μｍ以上である六方晶ＢＮ粗粒子（以下、「ＢＮ粗粒子」という）５０〜９０体積％と、長軸方向の大きさ１０μｍ未満、厚みが１μｍ未満である六方晶ＢＮ微粒子（以下、「ＢＮ微粒子」という）１０〜５０体積％と、上記以外の六方晶ＢＮ粒子（以下、「ＢＮ他形粒子」という）２０体積％以下（０％を含む）とで構成されてなるものであって、ＢＮ粗粒子の大部分が一方向に配列しており、しかもその空隙にＢＮ微粒子の多くが分散していることを特徴とする六方晶ＢＮ焼結体。
（請求項２）  熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１記載の六方晶ＢＮ焼結体。
（請求項３）  平均粒径１５μｍ以上の高結晶性の六方晶ＢＮ粉末５０〜９５重量％と、平均粒径１０μｍ以下で酸素含有量１．０重量％以上の六方晶ＢＮ粉末５〜５０重量％とを混合し、１００ｋｇ／ｃｍ2 以上の圧力で予備成型を行った後、常圧焼結することを特徴とする六方晶ＢＮ焼結体の製造方法。
（請求項４）  請求項１又２に記載の六方晶ＢＮ焼結体で構成されてなることを特徴とする半導体用基板。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１１】
本発明の高熱伝導性を有する六方晶ＢＮ焼結体は、ＢＮ粗粒子５０〜９０体積％とＢＮ微粒子１０〜５０体積％とからなり、ＢＮ他形粒子は２０体積％以下（０体積％を含む）の範囲で任意に含み、かつＢＮ粗粒子の大部分が一方向に配列しその空隙にＢＮ微粒子の多くが分散している組織を有していることが特徴である。このような六方晶ＢＮ粒子の大きさと厚み、量及び配列、分散状態は、焼結体の縦方向と横方向の破断面をＳＥＭ観察することによって求めることができる。
【００１２】
ＢＮ粗粒子の長軸方向の大きさは１０μｍ以上、厚さは１μｍ以上は必要であり、それよりも小さかったり薄かったりすると粒子の配列の乱れや、配列の空隙の増加により熱伝導性が低下する。また、ＢＮ粗粒子の割合は５０〜９０体積％が適切であり、５０％未満ではＢＮ微粒子がＢＮ粗粒子の配列の空隙部以外にも存在し、また９０体積％をこえるとＢＮ粗粒子の配列の空隙をＢＮ微粒子が埋めきれず、いずれの場合も焼結体の密度が低下し熱伝導性が低下する。
【００１３】
本発明においては、ＢＮ粗粒子の大部分は一方向に配列しているものであり、その程度は後述の実施例の方法で評価した場合に「普通」以上の評価を持って配列していることが好ましい。
【００１４】
ＢＮ微粒子の長軸方向の大きさは１０μｍ未満、厚さは１μｍ未満が必要であり、それ以上ではＢＮ粗粒子の配列した空隙に多くが納まらず、ＢＮ粗粒子の配列の乱れや、配列の空隙の増加により熱伝導性が低下する。また、ＢＮ微粒子の割合は１０〜５０体積％が適切であり、１０体積％未満ではＢＮ粗粒子の配列の空隙を埋めきれず、また５０体積％をこえるとＢＮ粗粒子の空隙以外にもＢＮ微粒子が存在し、いずれの場合も焼結体の密度低下により熱伝導性が低下する。
【００１５】
本発明においては、ＢＮ微粒子の多くがＢＮ粗粒子の配列した空隙に分散しているものであり、その程度は後述の実施例の方法で評価した場合に「普通」以上の評価を持って分散していることが好ましい。
【００１６】
本発明においては、ＢＮ他形粒子すなわち長軸方向の大きさが１０μｍ以上で厚さが１μｍ未満のＢＮ粒子や、長軸方向の大きさが１０μｍ未満で厚さが１μｍ以上のＢＮ粒子である粒子は、それらの合計で２０体積％以下（０体積％を含む）の割合で含まれていても、本発明の目的を達成することができる。
【００１７】
上記した組織からなる本発明の六方晶ＢＮ焼結体にあっては、六方晶ＢＮ焼結体の優れた被切削性、耐食性、耐熱性、電気絶縁性、低誘電性、低誘電損失性を保持したままでその熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上にもなる。
【００１８】
六方晶ＢＮは層状の結晶構造を有しているため、焼結体組織と物性値に異方性が生じやすい。例えば、成型後の常圧焼結やホットプレス法により焼結体を作製した場合、加圧方向と垂直な方向に六方晶ＢＮの長軸方向が配向しやすく長軸方向の配向方向の熱伝導性が大きくなる。従って、本発明においては、六方晶ＢＮ焼結体の熱伝導性には異方性があってもよいが、その場合には一方向の熱伝導率が所定値例えば１００Ｗ／ｍＫ以上であればよい。半導体用基板用途などで板厚方向に高い熱伝導性が要求される場合には、六方晶ＢＮ焼結体の厚みを大きくしておき、必要な厚さにスライスして使用する。
【００１９】
次に、本発明の六方晶ＢＮ焼結体の製造方法について説明する。本発明で使用される六方晶ＢＮ粉末の平均粒径とは、マイクロトラックで測定された粒度分布の累積度数が５０％となる粒子径である。また、六方晶ＢＮ粉末の結晶性とは、黒鉛の結晶性を示す黒鉛化度と同様にして六方晶ＢＮ粉末のＸ線回折を行い、その（１００）、（１０１）、（１０２）面からのピーク強度を用い、（１）式で計算された値である。さらに、六方晶ＢＮ粉末の酸素含有量は、ＢＮ粉末をメタノール洗浄してＢ2 Ｏ3 を除去した後乾燥を行い、例えば堀場製作所社製ＯＮ同時分析装置で測定されるものである。
黒鉛化度＝（Ｉ100 ＋Ｉ101 ）／Ｉ102                 （１）
【００２０】
本発明で用いられる高結晶性の六方晶ＢＮ粉末（以下、「高結晶性ＢＮ粉末」という）の平均粒径は１５μｍ以上好ましくは２０μｍ以上であることが必要である。平均粒径が１５μｍ未満であると、焼結体の長軸方向の大きさが１０μｍ以上で厚さが１μｍ未満のＢＮ他形粒子の割合が増加し、焼結体組織中のＢＮ粗粒子の配列が乱れ熱伝導性が低下する。
【００２１】
また、本発明で用いられる高結晶性ＢＮ粉末は黒鉛化度が２以下であることが好ましい。黒鉛化度が２をこえると酸素含有量が多くなるためか焼結時にＢＮ粗粒子の配列が乱れ熱伝導性が低下するようになる。さらには、高結晶性ＢＮ粉末の酸素含有量は０．５重量％未満であることが好ましい。酸素含有量が０．５重量％以上であると、焼結体中のＢＮ粗粒子の配列の乱れや、長軸方向の大きさが１０μｍ以上で厚さが１μｍ未満のＢＮ他形粒子の割合が増加し、熱伝導率が低下する。
【００２２】
高結晶性ＢＮ粉末の配合量は、５０〜９５重量％好ましくは６０〜９０重量％である。５０重量％未満では焼結体密度の低下によって熱伝導性が低下し、また９５重量％をこえると焼結体の強度が低下する。
【００２３】
一方、本発明で使用される酸素含有量１．０重量％以上の六方晶ＢＮ粉末の平均粒径は１０μｍ以下であることが必要である（以下、この粉末を「高酸素含有ＢＮ粉末」という）。高酸素含有ＢＮ粉末の平均粒径が１０μｍをこえると、焼結体中の長軸方向の大きさが１０μｍ以上で厚さが１μｍ未満のＢＮ他形粒子の割合が増加し、ＢＮ粗粒子の配列の乱れ、熱伝導率が低下する。
【００２４】
本発明において、高酸素含有ＢＮ粉末の酸素含有量が１．０重量％未満であると焼結体の強度が低下し、また３．０重量％をこえると大きなインゴットを焼成する場合に焼結体にクラックが発生したり、焼結時の重量減少により焼結体密度が低下して熱伝導性が低下したりするようになるので、酸素含有量は１．５〜３．０重量％であることが好ましい。
【００２５】
さらには、本発明で使用される高酸素含有ＢＮ粉末の黒鉛化度は２以上であることが好ましい。黒鉛化度が２未満では焼結が困難となる場合もある。
【００２６】
高酸素含有ＢＮ粉末の配合量は、５〜５０重量％好ましくは１０〜４０重量％である。５重量％未満では焼結体強度が低下し、また５０重量％をこえると焼結体密度の低下によって熱伝導性が低下する。
【００２７】
上記、高結晶性ＢＮ粉末と高酸素含有ＢＮ粉末の混合は、リボンブレンダーやスーパーミキサーなどの一般的な混合方法・装置を用いて行うことができる。
【００２８】
高結晶性ＢＮ粉末と高酸素含有ＢＮ粉末からなる混合原料粉末の予備成型は、１００ｋｇ／ｃｍ2 以上好ましくは２００ｋｇ／ｃｍ2 の圧力で金型成型を行い、次いで静水圧プレスを行う。金型成型圧力が１００ｋｇ／ｃｍ2 未満ではＢＮ粗粒子の配列が乱れ熱伝導性が低下する。なお、静水圧プレス圧力は２ｔｏｎ／ｃｍ2 以上であることが望ましい。
【００２９】
上記で得られた成型体の焼結は常圧焼結で行われる。その雰囲気はＮ2 又はＡｒなどの非酸化性雰囲気下であり、温度は１８００℃以上、焼結時間は３０分以上である。焼結温度が１８００℃未満であったり焼結時間が３０分未満であると焼結が十分行われず熱伝導性が低下する。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例をあげてさらに具体的に説明する。
【００３１】
実施例１〜９  比較例１〜６
表１に示す高結晶性ＢＮ粉末Ａ１〜Ａ３と高酸素含有ＢＮ粉末Ｂ１〜Ｂ４とを表２に示す配合比で種々配合し、リボンブレンダーにより約２時間混合した。得られた混合原料粉末を１００ｍｍ角の金型を用い、表２に示す圧力で成型した後２．７ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力で静水圧プレスをし、表２に示す雰囲気、焼結温度、焼結時間で焼結して六方晶ＢＮ焼結体を製造した。
【００３２】
得られた焼結体について厚みを測定後、焼結体の縦方向と横方向の破断面を形成し、そのＳＥＭ観察を行ってＢＮ粗粒子、ＢＮ微粒子及びＢＮ他形粒子の体積％を求め、さらにＢＮ粗粒子の一方向への配列状態及びその空隙へのＢＮ微粒子の分散状態を観察し、以下に従ってＢＮ粗粒子の配列状態とＢＮ微粒子の分散状態を評価した。それらの結果を表２に示す。
【００３３】
（１）ＢＮ粗粒子の配列状態
ＢＮ粗粒子全体の配列状態から配列方向に直線を引き、各ＢＮ粗粒子の長軸方向がこの直線となす角度を測定し、その角度Ａの範囲をもってＢＮ粗粒子の配列状態を評価した。
「◎特に良好」：Ａが±２０度以内
「○良好」    ：Ａが±３０度以内
「△普通」    ：Ａが±６０度以内
「×不良」    ：Ａが±６０度をこえる
【００３４】
（２）ＢＮ微粒子の分散状態
ＢＮ粗粒子の配列の空隙にあるＢＮ微粒子とＢＮ他形粒子、さらにはＢＮ粗粒子の配列の空隙にある気孔量から評価した。
「◎特に良好」：ＢＮ微粒子がＢＮ粗粒子の配列の空隙以外にはほとんど認められない、またＢＮ粗粒子の配列の空隙がほとんどＢＮ微粒子で埋まっている状態。
「○良好」    ：ＢＮ粗粒子の配列の空隙に存在するＢＮ微粒子の量がそれ以外の箇所に存在する量よりも多く、かつＢＮ粗粒子の配列の空隙の半分以上がＢＮ微粒子で埋まっている状態。
「△普通」    ：ＢＮ粗粒子の配列の空隙に存在するＢＮ微粒子の量がそれ以外の箇所に存在する量よりも多いか、又はＢＮ粗粒子の配列の空隙の半分以上がＢＮ微粒子で埋まっているかのいずれかの状態。
「×不良」    ：ＢＮ粗粒子の配列の空隙に存在するＢＮ微粒子の量がそれ以外の箇所に存在する量と同等以下であるか、又はＢＮ粗粒子の配列の空隙の半分以上がＢＮ微粒子で埋まっていないかのいずれかの状態。
【００３５】
さらに、焼結体から金型成型時のプレス方向に対して垂直方向の熱伝導率が測定できるように試験片（直径１０ｍｍ×厚み１．５ｍｍ）を切り出し、レーザーフラッシュでその熱伝導率を測定した。それらの結果を表２に示す。
【００３６】
【表１】
0003636514.tif 000002
0003636514.tif 000003
【００３７】
【表２】
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、六方晶ＢＮ焼結体が有する優れた被切削性、耐食性、耐熱性、電気絶縁性、低誘電性、低誘電損失性の特性を保持したままで、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の六方晶ＢＮ焼結体を得ることができる。
【００３９】
従って、本発明の六方晶ＢＮ焼結体は、半導体用基板、半導体や電子部品等の製造もしくは組付け用治具、電気絶縁性放熱材料、耐熱性治具など幅広い用途に適用でき、特に半導体用基板として好適な材料となる。