(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム焼結体の製造において、平均粒径５．０μｍ以下、酸素含有量０．５〜２重量％である窒化アルミニウム粉末に対して、Ｙ２Ｏ３粉末を内割りで３〜５重量％添加し、脱脂処理条件を（１）有機結合剤等の有機物が分解するまでの温度下においては、１．３Ｐａ以下の真空中で脱脂を行うこと、及び（２）４５０〜５００℃の温度で３時間以上保持することとし、さらに、焼成条件を（１）脱脂体を１７８０〜１８６０℃の温度範囲で３０分〜６時間保持し、（２）その後１７６０〜１８１０℃の温度範囲で３〜６時間保持することとするＹＡＧ相の不均一歪が０．００１２以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法により得られた窒化アルミニウム焼結体を窒化アルミニウム基板として用い、その表面に金属回路を形成させてなることを特徴とする回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高強度、高信頼性の窒化アルミニウム焼結体及びそれを用いてなる回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散するため、大電力モジュール基板では、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板の使用が一般的になってきている。
【０００３】
このようなモジュールは、当初、簡単な工作機械に使用されてきたが、ここ数年、溶接機、電車の駆動部、電気自動車等に使用されるようになり、今日、電流密度を上げるための回路銅厚の増加、より厳しい環境下における高信頼性、更なる小型化が要求されている。これに伴い、モジュールを構成する窒化アルミニウム基板に対しても、熱衝撃等に対する高信頼性、高強度化の更なる要求がなされている。
【０００４】
従来、窒化アルミニウム焼結体の製造方法としては、窒化アルミニウム粉末と希土類酸化物（例えばイットリア）、アルカリ土類金属酸化物（例えばカルシア）等の焼結助剤との混合粉末を成形後常圧焼結する方法と、上記混合粉末又は窒化アルミニウム粉末単独を成形後ホットプレス焼結する方法とがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化アルミニウム粉末は液相焼結であるため、その高強度化を行うには、焼結体を構成する窒化アルミニウム結晶粒子の微細化と、焼結時に液相となる焼結助剤相の焼結体表面へのシミだし防止が主な手法である。前者については、原料粉の微細化により、また後者については、焼成条件の適正化により実現可能であり、これまでにかなりの改善が行われてきている。
【０００６】
本発明の目的は、上記要求に鑑み、更なる高強度化、高信頼性の窒化アルミニウム焼結体及びそれを用いてなる回路基板を提供することにある。本発明の目的は、窒化アルミニウム焼結体中のＹＡＧ相の結晶格子に歪を与えることによって達成することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム焼結体の製造において、平均粒径５．０μｍ以下、酸素含有量０．５〜２重量％である窒化アルミニウム粉末に対して、Ｙ２Ｏ３粉末を内割りで３〜５重量％添加し、脱脂処理条件を（１）有機結合剤等の有機物が分解するまでの温度下においては、１．３Ｐａ以下の真空中で脱脂を行うこと、及び（２）４５０〜５００℃の温度で３時間以上保持することとし、さらに、焼成条件を（１）脱脂体を１７８０〜１８６０℃の温度範囲で３０分〜６時間保持し、（２）その後１７６０〜１８１０℃の温度範囲で３〜６時間保持することとする（１）式で算出されるＹＡＧ相の不均一歪が０．００１２以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法、及びこの製造方法により得られた窒化アルミニウム焼結体を窒化アルミニウム基板として用い、その表面に金属回路を形成させてなることを特徴とする回路基板である。
【０００８】
β２  ／ｔａｎ２θ＝Ｋλβ／ε  ｔａｎθ  ｓｉｎθ＋４η２  ・・・（１）
【０００９】
β：窒化アルミニウム焼結体のＸ線回折ピークの半価巾〔標準試料（Ｓｉ、ＳｉＯ２  ）の半価巾より、Ｃａｇｌｉｏｔｔｉプロット（「Ｔｈｅ  Ｒｉｅｔｖｅｌｄ            Ｍｅｔｈｏｄ」Ｒｅｐｒｉｎｔｅｄ  １９９６  ｐ１２３  、Ｒ．Ａ．ＹＯＵＮＧ  編集、ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ  ＵＮＩＯＮ              ＯＦ  ＣＲＹＳＴＡＬＬＯＧＲＡＰＨＹ  ＯＸＦＯＲＤ  ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ  ＰＲＥＳＳ発行参照）を用いて装置上のピークの広がりを求め、このデータを用いて実試料の半価巾をガウス補正（β２  ＝Ｂ２  −ｂ２  。ここで、Ｂ：実測の半価巾、ｂ：装置上の広がりである）をした値。〕
θ：回折強度
Ｋ：Ｓｈｅｒｒｅｒ定数（０．９）
λ：Ｘ線の波長（１．４５Å）
ε：結晶子サイズ〔修正Ｈａｌｌ法（「Ｘ線回折法の原理と応用」第１６３頁日本電子株式会社発行参照）により算出した値。〕
η：不均一歪
【００１０】
なお、Ｘ線回折条件の一例は以下のとおりである。
Ｘ線            ：Ｃｕ−Ｋα
スリット    ：１−１−０．２
走査方法    ：ステップスキャン（２θ／θ連動）
ステップ幅：０．０２°
積算時間    ：０．５秒
２θ範囲    ：２０〜１４５°
対象ピーク（ＹＡＧ＝Ａｌ５Ｙ３Ｏ１２）：（ｈｋｌ）＝（３２１）、（４００）、（５２１）、（５３２）、（４４４）、（６４０）、（８００）
【００１１】
以下、更に詳しく本発明について説明すると、窒化アルミニウム焼結体の高強度化は、窒化アルミニウムの結晶粒子の微細化と焼結体表面への焼結助剤相のシミだし防止が主な手法であることは上記したが、更なる高強度化のために、本発明がとった手段は、窒化アルミニウム結晶粒子間に存在するＹＡＧ相の状態を調整したことである。ＹＡＧ相は、焼結助剤として添加されたＹ２  Ｏ３  粉末と、窒化アルミニウムの結晶粒子の表面に存在する非常に薄いＡｌの酸化物相とが反応して生成したものであり、窒化アルミニウムの結晶粒子同士を結びつける役割を果たしているものである。この場合、ＹＡＧ相を、図１の白い部分として示されるように、窒化アルミニウムの結晶粒子（図１の黒い部分）を取り囲むような状態で存在させたのでは高強度は発現せず、図２に示すように、窒化アルミニウム結晶粒子間すなわち３重点に存在させたほうがより高強度となることは、当業者に知られている。
【００１２】
本発明の窒化アルミニウム焼結体においても、ＹＡＧ相の一部又は全部を窒化アルミニウム結晶粒子間の３重点に存在させることが重要であるが、その際、Ｘ線回折によるＹＡＧ相の結晶格子歪を最適化し、更なる高強度化を実現させたものである。すなわち、本発明の窒化アルミニウム焼結体において、ＹＡＧ相は、従来のように、表面に浮き出た状態で存在するのではなく（図２）、３重点内に更に押し込まれて存在している（図３）ことが特徴である。
【００１３】
本発明において、ＹＡＧ相の一部又は全部が、窒化アルミニウム結晶粒子間の３重点に存在していないと所期の高強度化は達成し得ず、また上記（１）式で求められたＹＡＧ相の不均一歪ηが０．００１２以上でないと、これまた所期の高強度化を達成することができない。なお、ＹＡＧ相の不均一歪の上限は０．００２５であることが好ましい。
【００１４】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粉末とＹ２  Ｏ３  粉末を含む混合粉末の調製・成型・脱脂・焼成を基本技術とし、それぞれの条件を最適化することによって製造することができる。以下、それを順を追って説明する。
【００１５】
まず、本発明で用いられる窒化アルミニウム粉末は、平均粒径５．０μｍ以下、酸素含有量０．５〜２重量％であることが好ましい。平均粒径が５．０μｍをこえると焼成時に窒化アルミニウム結晶粒子間で３重点を形成させることが困難となり、また酸素含有量が２重量％をこえると焼結が困難となる。Ｙ２  Ｏ３  粉末は、分散性をよくさせる点からその平均粒径が２．５μｍ程度であることが好ましい。また、Ｙ２  Ｏ３  粉末の添加量は窒化アルミニウム粉末に対し内割りで３〜５重量％程度が望ましい。
【００１６】
窒化アルミニウム粉末とＹ２Ｏ３粉末を含む混合粉末のスラリーないしは混練物の調整は、ボールミル、ミキサー類を使用し、有機結合剤、有機溶剤、分散剤と共に混合することによって行うことができる。有機結合剤としては、エチルセルロース等のようなセルロース類も使用できるが、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）が最適である。有機溶剤としては、アルコール類、トルエン、キシレン等が、また分散剤としては、ダイナマイトグリセリン、グリセリントリオレート等が使用される。これらの使用量は、窒化アルミニウム粉末とＹ２  Ｏ３  粉末を含む混合粉末１００重量部に対し、有機溶剤８〜１０重量部、有機溶剤５〜１５重量部、分散剤１〜５重量部程度である。
【００１７】
グリーンシートの成型は、ドクターブレード法、押出成型法によって行われる。
【００１８】
グリーンシートの脱脂は、４５０〜５００℃の温度で３時間以上保持することによって行われる。その雰囲気は、有機結合剤等の有機物が分解するまでの温度下においては、１．３Ｐａ以下の高真空中で行う。有機物を分解させた後の雰囲気は、非酸化性である必要はなく、空気中であってもよいが、脱脂体の酸素含有量を２．９重量％以下となるようにすることが望ましい。このように、本発明においては、初期の段階の脱脂を高真空中で行うことが特徴であり、それを行わないと、脱脂体中の窒化アルミニウム粒子が酸化され、適切量のＹＡＧ相を形成させることが困難となる。
【００１９】
焼成は、上記脱脂体を１７８０〜１８６０℃の温度範囲で３０分〜６時間保持し、その後焼成温度よりも２０〜５０℃低い温度範囲で３〜６時間保持することによって行われる。第１段階の焼成によって、生成したＹＡＧ組成の液相を窒化アルミニウム結晶粒子間の３重点に存在させることができる。また、第２段階の焼成によって、窒化アルミニウム結晶粒子それ自体を成長させて３重点内にＹＡＧ液相を押し込むと共にその固化によって圧縮応力を導入し、ＹＡＧ相に不均一歪を生じさせる。
【００２０】
次に、本発明の回路基板について説明する。
【００２１】
本発明の回路基板は、上記窒化アルミニウム焼結体を窒化アルミニウム基板として用い、一方の面に金属回路を形成させたものである。この場合において、他方の面には放熱金属板を形成させたものであってもよい。
【００２２】
窒化アルミニウム基板の厚みとしては、通常、０．３〜０．８ｍｍであり、０．３ｍｍよりも薄いと熱応力に対して構造的に耐久力がなくなり、また０．８ｍｍをこえると熱抵抗が大きくなる。用途によっては１ｍｍ以上の厚みのものでも使用できる。
【００２３】
窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路、他方の面には放熱金属板を形成する方法としては、窒化アルミニウム基板と金属板との接合体をエッチングする方法、金属板から打ち抜かれた金属回路又は放熱金属板のパターンを窒化アルミニウム基板に接合する方法等によって行うことができるが、本発明においては前者が好適である。
【００２４】
本発明においては、窒化アルミニウム基板と金属板との接合には活性金属ろう付け法が好適であり、その際のろう材の金属成分としては、銀と銅を主成分とし、溶融時の窒化アルミニウム基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。この活性金属成分は、窒化アルミニウム基板と反応して主に窒化物を生成させ、それらの生成物がろう材と窒化アルミニウム基板との結合を強固なものにする。活性金属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの化合物である。これらの割合としては、銀６９〜１００重量部と銅３１〜０重量部の合計量１００重量部あたり活性金属３〜３５重量部である。
【００２５】
活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合することによって調製することができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合剤としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメタクリレート等が使用される。
【００２６】
窒化アルミニウム基板にろう材ペーストを配置するには、スクリーン印刷法やロールコーターによる塗布法が採用されるが、ペーストを窒化アルミニウム基板全面に塗布する場合は、生産性の点から後者が望ましい。
【００２７】
本発明で使用される金属板の材質については特に制限はなく、通常は、銅、ニッケル、銅合金、ニッケル合金が用いられる。また、その厚みについても制限はなく、通常、金属箔と言われている肉厚の薄いものでも使用可能であり、０．１〜１．０ｍｍ好ましくは０．２〜０．５ｍｍのものが用いられる。最近では、１ｍｍ以上に厚くする要求もある。
【００２８】
窒化アルミニウム基板と金属板の接合は、真空又は不活性雰囲気下で加熱した後冷却することによって行うことができる。その際の冷却速度は、窒化アルミニウム基板と金属板との熱膨張係数の差による残留応力に基づくクラックや欠損を少なくするため、５℃／分以下特に２℃／分以下とすることが望ましい。また、銅板の残留応力を除去するため、さらに望ましくは５００〜７００℃の温度域にて３時間保持程度以上保持することが好ましい。
【００２９】
金属回路の形成方法としては、接合体の金属板にエッチングレジストを塗布しエッチングする方法が好適である。エッチングレジストとしては、紫外線硬化型、熱硬化型を使用することができる。また、エッチング液としては、金属板が銅板又は銅合金板であれば、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用される。好ましくは、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液である。一方、金属板がニッケルまたはニッケル合金の場合は、塩化第２鉄溶液が用いられる。
【００３０】
エッチングによって金属の不要部分が除去された金属回路間には、もともと塗布したろう材やその合金層・窒化物層あるいは金属回路パターン外にはみ出した不要ろう材がまだ残っている。そこで、ＮＨ４  Ｆ等のハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸と過酸化水素水を含む溶液等を用いてそれらを除去する。処理温度は４０〜６０℃であり、溶液濃度は０．１〜１０重量％であることが好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体的に説明する。
【００３２】
実施例１〜３    比較例１〜５
酸素含有量１．１重量％、平均粒径２．０μｍの窒化アルミニウム粉末９６重量部、Ｙ２  Ｏ３  粉末４重量部の合計１００重量部に対しオレイン酸を２重量部を添加し振動ミルで予備混合を行った。これに、有機結合剤としてエチルセルロース８重量部、可塑剤としてグリセリントリオレート３重量部及び水１２重量部を配合してミキサーで混合を行い混練物を調製した。
【００３３】
これを、成型速度１．０ｍｍ／ｍｉｎ、成型圧力５５〜７０ｋｇ／ｃｍ2 で押出成型を行ってシートを成形し、それを６０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに打ち抜いた。次いで、遠赤外線で１２０℃、５分間乾燥を行った後、図４に示す脱脂プロフィルで脱脂を行い、更に図５に示す焼成プロフィル下、Ｎ2 中で焼成を行った。その際の脱脂雰囲気（注：「真空」とあるのは、真空度１．３Ｐａ）及びα域における焼成温度とその時間を表１に示す。なお、比較例５は従来の典型例であり、１８２０℃で４時間の焼成を行った後は温度１７９０℃の保持を行わなかったものである（一段焼成）。
【００３４】
得られた窒化アルミニウム焼結体は、表面をホーニング処理して十分に清浄化した後、焼結体表面のＸ線回折分析を行い、上記（１）式によりＹＡＧ相の不均一歪を測定した。また、焼結体の３点曲げ強度をスパン３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0003578579.tif 000002
【００３６】
実施例４    比較例６
実施例１又は比較例５で製造された窒化アルミニウム焼結体から窒化アルミニウム基板を加工し、この基板を窒化アルミニウム基板として用いたこと以外は、特開平８−１３９４２０号公報の実施例１と同様にして、銅回路を有する回路基板を製造し、ヒートサイクル試験を行った。その結果、実施例４の回路基板は１０００回、比較例６の回路基板は５００回で銅回路が剥離した。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、高強度の窒化アルミニウム焼結体、高信頼性の回路基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の窒化アルミニウム焼結体断面のＳＥＭ写真（倍率２０００）である。
【図２】従来の窒化アルミニウム焼結体断面のＳＥＭ写真（倍率２０００）である。
【図３】本発明の窒化アルミニウム焼結体断面のＳＥＭ写真（倍率２０００）である。
【図４】脱脂プロフィル。
【図５】焼成プロフィル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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