(57)【要約】  β−窒化珪素結晶粒子を主相とするシート状の窒化珪素基板と、この窒化珪素基板の表面の片面または表裏両面に形成され、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａ、ＶおよびＴｉより選ばれる元素を少なくとも１種含む金属、または樹脂からなる表面層と、を備える窒化珪素製絶縁シート。この窒化珪素製絶縁シートを用いた半導体モジュール構造体。
2011010597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
β−窒化珪素結晶粒子を主相とするシート状の窒化珪素基板と、
この窒化珪素基板の表面の片面または表裏両面に形成され、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａ、ＶおよびＴｉより選ばれる元素を少なくとも１種含む金属、または樹脂からなる表面層と、
を備えることを特徴とする窒化珪素製絶縁シート。
【請求項２】
前記表面層のビッカース硬度が２００以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素製絶縁シート。
【請求項３】
前記表面層の厚さが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化珪素製絶縁シート。
【請求項４】
前記窒化珪素基板の表面粗さＲａが０．２〜１．５μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化珪素製絶縁シート。
【請求項５】
前記表面層は、前記窒化珪素基板の表面のうち周辺端部の近傍の表面が露出するように前記窒化珪素基板の表面上の一部に形成されるとともに、前記表面層の周辺端部が窒化珪素基板の周辺端部から１ｍｍ以上離間するように形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒化珪素製絶縁シート。
【請求項６】
前記窒化珪素基板と前記表面層との間に、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆより選ばれる元素を少なくとも１種含む反応層をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化珪素製絶縁シート。
【請求項７】
前記絶縁シートの表面層側に板状の押さえ部材が配置されるとともにこの押さえ部材の背面側に半導体モジュールが配置され、
前記絶縁シートの表面層は、前記押さえ部材に密着接触しつつ押圧してこの押さえ部材を前記半導体モジュールに圧接するためのものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化珪素製絶縁シート。
【請求項８】
前記窒化珪素基板は厚さ０．８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の窒化珪素製絶縁シート。
【請求項９】
シート状の窒化珪素基板と、
この窒化珪素基板の表面に形成され、ビッカース硬度が２００以下の表面層と、
を備えることを特徴とする窒化珪素製絶縁シート。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の窒化珪素製絶縁シートを用いたことを特徴とする半導体モジュール構造体。
【請求項１１】
前記窒化珪素製絶縁シートと、
この絶縁シートの表面層に面して配置された板状の押さえ部材と、
を備え、
前記絶縁シートと押さえ部材とが前記絶縁シートの表面層を介して圧接されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体モジュール構造体。
【請求項１２】
前記窒化珪素製絶縁シートと、
この絶縁シートの表面層に面して配置された板状の押さえ部材と、
この押さえ部材の表面のうち前記絶縁シートと反対の表面側に配置された半導体モジュールと、
この半導体モジュールの表面のうち前記押さえ部材と反対の表面側に配置され、前記半導体モジュールで発生した熱を放熱する放熱部材と、
前記絶縁シートと放熱部材との間を締め付ける締め付け部材とを備え、
前記絶縁シートと放熱部材とが前記締め付け部材を用いて締め付けられることにより、前記絶縁シートと放熱部材との間に配置された前記押さえ部材と半導体モジュールとが圧接されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体モジュール構造体。
【請求項１３】
表裏両面に前記表面層が設けられた前記窒化珪素製絶縁シートと、
この絶縁シートの一方の面の表面層に面して配置された板状の押さえ部材と、
前記絶縁シートの他方の面の表面層に面して配置された半導体モジュールと、
を備え、
前記絶縁シートと押さえ部材とが前記絶縁シートの一方の表面の表面層を介して圧接されるとともに、前記絶縁シートと半導体モジュールとが前記絶縁シートの他方の表面の表面層を介して圧接されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体モジュール構造体。
【請求項１４】
表裏両面に前記表面層が設けられた前記窒化珪素製絶縁シートと、
この絶縁シートの一方の表面の表面層に面して配置された板状の押さえ部材と、
前記絶縁シートの他方の表面の表面層に面して配置された半導体モジュールと、
この半導体モジュールの表面のうち前記絶縁シートと反対の表面側に配置され、前記半導体モジュールで発生した熱を放熱する放熱部材と、
前記押さえ部材と放熱部材との間を締め付ける締め付け部材とを備え、
前記押さえ部材と放熱部材とが前記締め付け部材を用いて締め付けられることにより、前記押さえ部材と放熱部材との間に配置された前記絶縁シートと半導体モジュールとが圧接されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体モジュール構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、窒化珪素製絶縁シートおよびそれを用いた半導体モジュール構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーエレクトロニクスの実装分野では、絶縁・電極機能をもたせたセラミックス金属回路基板が用いられている。セラミックス金属回路基板は、たとえば、半導体モジュールと放熱フィン等の放熱部材とを含む半導体モジュール構造体において、絶縁・電極機能を有する半導体モジュールの基板として用いられる。また、半導体モジュール構造体には、近年の半導体モジュールのハイパワー化に伴って高い放熱性が要求されるようになってきている。
このような絶縁・電極分野では、従来、セラミックス基板としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする基板が用いられてきた。【０００３】
しかし、アルミナ基板は熱伝導率が１８Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いため放熱性が不十分である。また、ＡｌＮ基板は、熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と高いものの強度が低いことから耐熱サイクル特性は不十分である。【０００４】
ここで、耐熱サイクル特性とは、セラミックス基板の表面に金属回路を形成してセラミックス金属回路基板のサンプルを作製し、このサンプルに所定のヒートサイクル試験を行った場合において、サンプルのセラミックス基板部分のうち金属回路の周縁形状に沿って生じるクラックの発生し難さを意味する。【０００５】
このように従来のアルミナ基板やＡｌＮ基板は熱伝導率と強度の両方の特性を満足することが困難である。このため、熱伝導率と強度の両方の特性を満足するセラミックス材料として、高熱伝導性窒化珪素基板が開発されてきている。【０００６】
例えば、特開２００９−１２０４８３号公報（特許文献１）には、粒界相中の気孔径を制御することによりリーク電流を低減した高熱伝導性窒化珪素製金属回路基板が記載されている。【０００７】
特許文献１に記載された窒化珪素製金属回路基板は、高熱伝導性窒化珪素基板にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属ろう材を介して銅回路板を接合して作製されたものである。一般的に、高熱伝導性窒化珪素基板は、窒化珪素を主成分としていることから、３点曲げ強度が２００ＭＰａ以上と高強度である。このため、高熱伝導性窒化珪素基板と銅板等の金属回路板とを接合して作製した窒化珪素製金属回路基板は、耐熱サイクル特性が良好である。【０００８】
また、特開２００３−１９２４６２号公報（特許文献２）には、得られた高熱伝導性窒化珪素製金属回路基板が３０００サイクルの耐熱サイクル試験（ＴＣＴ試験）に耐えられることが開示されている。【０００９】
しかし、特許文献１や２のような高熱伝導性窒化珪素製金属回路基板を製造するには、製造コストが多くかかる高熱伝導性窒化珪素基板と金属回路板との接合工程が必要である。このため、高熱伝導性窒化珪素製金属回路基板は製造コストが高い。【００１０】
そこで、製造コストを低減しつつ半導体モジュール構造体の絶縁性を確保することを目的として、高熱伝導性窒化珪素基板を、金属回路板と接合しない、すなわち高熱伝導性窒化珪素製金属回路基板を作製しない方法で用いることが検討されている。【００１１】
たとえば、特開２００３−１９７８３６号公報（特許文献３）には、高熱伝導性窒化珪素基板を、圧接構造の半導体モジュール構造体用スペーサとして用いることが提案されている。特許文献３の高熱伝導性窒化珪素基板は、強度や破壊靭性が高いことからねじ止め等の圧接構造用スペーサとして十分耐えられることが確認されている。【００１２】
なお、高熱伝導性窒化珪素基板としては、一般的に、β−窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）結晶を主相とする窒化珪素焼結体が用いられる。また、このβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶としては、通常、アスペクト比が２以上である縦長形状の結晶粒子が用いられる。ここで、アスペクト比とは、結晶粒子の長軸方向の長さを結晶粒子の短軸方向の長さで除した値である。【００１３】
β−Ｓｉ３Ｎ４を主相とする高熱伝導性窒化珪素基板は、微視的な構造が、たとえば、平均粒径２〜１０μｍ程度の縦長形状のβ−Ｓｉ３Ｎ４粒子がランダムな方向を向いたまま複雑に絡み合った構造になっている。β−Ｓｉ３Ｎ４を主相とする高熱伝導性窒化珪素基板は、このような構造を有することにより、強度や破壊靭性が高くなっている。【００１４】
β−Ｓｉ３Ｎ４を主相とする高熱伝導性窒化珪素基板の表面を微視的に観察すると、窒化珪素基板表面に凹凸が存在する。この凹凸は、複雑に絡み合った多数のβ−Ｓｉ３Ｎ４粒子の先端の一部が基板の表面から突出すること等により生じたものである。【００１５】
なお、この凹凸は、表面粗さＲａに０．０５μｍ以下の鏡面研磨を施しても解消することは難しい。また、鏡面研磨は高熱伝導性窒化珪素基板の製造コストアップの要因にもなるため好ましくない。【００１６】
このように表面に微視的な凹凸がある高熱伝導性窒化珪素基板は、微視的な凹凸、特に凸部に圧接応力をかけて長時間使用する場合に、凸部を起点として窒化珪素基板にクラックが発生しやすいという問題がある。【００１７】
また、表面に微視的な凹凸がある高熱伝導性窒化珪素基板は、表面を押さえ部材等の他部材と接触させて圧接構造の半導体モジュール構造体等のモジュール構造体を形成した場合に、高熱伝導性窒化珪素基板の表面と他部材との間に微視的な隙間が生じる。なお、押さえ部材は一般的に金属等の硬い材質で構成されているため、押さえ部材側の表面形状を高熱伝導性窒化珪素基板の表面の凹凸に合わせて変形させることによって、上記微視的な隙間を埋めることは困難である。このため、上記圧接構造のモジュール構造体において、高熱伝導性窒化珪素基板の表面と押さえ部材との間に隙間が形成されると、その隙間が熱伝導の阻害要因となり、モジュール構造体としての放熱特性が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００９−１２０４８３号公報
【特許文献２】特開２００３−１９２４６２号公報
【特許文献３】特開２００３−１９７８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来のβ−Ｓｉ３Ｎ４を主相とする高熱伝導性窒化珪素基板を用いて圧接構造のモジュール構造体を形成すると、高熱伝導性窒化珪素基板表面の微視的な凹凸により、高熱伝導性窒化珪素基板と押さえ部材等の他部材との間に隙間が生じて、モジュール構造体としての放熱性が悪くなるという問題があった。【００２０】
また、従来のβ−Ｓｉ３Ｎ４を主相とする高熱伝導性窒化珪素基板を用いて圧接構造のモジュール構造体を形成すると、高熱伝導性窒化珪素基板表面の微視的な凸部により、モジュール構造体を作製するための圧接時に窒化珪素基板にクラックが発生しやすいという問題があった。【００２１】
なお、クラックの発生を回避するための方法としては、高熱伝導性窒化珪素基板の厚さを厚くすることも考えられる。しかし、高熱伝導性窒化珪素基板を厚くすると、高熱伝導性窒化珪素基板が熱抵抗体になり、モジュール構造体としての放熱性が悪くなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、β−窒化珪素結晶粒子を主相とするシート状の高熱伝導性窒化珪素基板の表面に特定材質の表面層を形成した窒化珪素製絶縁シートによれば、高熱伝導性窒化珪素基板をスペーサ等として用い押さえ部材と接触させて圧接構造のモジュール構造体を形成したときに、高熱伝導性窒化珪素基板と押さえ部材との間に隙間が生じにくいとともに、高熱伝導性窒化珪素基板にクラックが発生にくいことを見出してなされたものである。【００２３】
すなわち、本発明の実施形態の窒化珪素製絶縁シートは、上記問題を解決するためのものであり、β−窒化珪素結晶粒子を主相とするシート状の窒化珪素基板と、この窒化珪素基板の表面に形成され、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａ、ＶおよびＴｉより選ばれる元素を少なくとも１種含む金属、または樹脂からなる表面層と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の実施形態の半導体モジュール構造体は、上記問題を解決するためのものであり、前記窒化珪素製絶縁シートを用いたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す平面図。
【図２】図１に示す窒化珪素製絶縁シートの正面図。
【図３】本発明の第２実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す正面図。
【図４】本発明の第３実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す正面図。
【図５】本発明の第４実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す正面図。
【図６】本発明の第５実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す平面図。
【図７】本発明の第６実施形態としての半導体モジュール構造体を示す図。
【図８】本発明の第７実施形態としての半導体モジュール構造体を示す図。
【図９】実施例１〜９に係る窒化珪素製絶縁シートを示す平面図。
【図１０】図９に示す窒化珪素製絶縁シートの正面図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［窒化珪素製絶縁シート］
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す平面図である。図２は、図１に示す窒化珪素製絶縁シートの正面図である。
【００２６】
図１および２に示すように、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１は、シート状の窒化珪素基板２と、この窒化珪素基板２の片方の表面に形成される表面層３とを備える。
【００２７】
表面層３は、窒化珪素基板２の片方の表面２１のうち、窒化珪素基板２の周辺端部２２の近傍の表面２３が露出するように窒化珪素基板２の片方の表面２１の一部に形成される。
【００２８】
＜窒化珪素基板＞
窒化珪素基板２は、β−窒化珪素結晶粒子を主相とするシート状の窒化珪素基板である。
ここで、主相とは窒化珪素基板２中でモル比率が最も大きい相を意味する。
窒化珪素基板は、モル比率で大部分を占める窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）結晶粒子と、モル比率で残部を占め、窒化珪素結晶粒子間の粒界に存在して隣接する窒化珪素結晶粒子同士を固着するとともに粒界を埋める粒界相とからなる。
【００２９】
なお、一般的に、窒化珪素結晶粒子には、α−窒化珪素結晶粒子とβ−窒化珪素結晶粒子とがある。本実施形態の窒化珪素基板では、窒化珪素結晶粒子におけるモル比率の存在割合で、β−窒化珪素結晶粒子の存在割合がα−窒化珪素結晶粒子の存在割合よりも多くなっている。
【００３０】
本実施形態の窒化珪素基板では、窒化珪素結晶粒子のほうが粒界相よりもモル比率が大きく、また窒化珪素結晶粒子の中ではβ−窒化珪素結晶粒子のほうがα−窒化珪素結晶粒子よりもモル比率が大きい。このため、本実施形態で用いられる窒化珪素基板は、β−窒化珪素結晶粒子が主相になっている。
【００３１】
なお、本実施形態の窒化珪素基板には、α−窒化珪素結晶粒子が含まれている必要性は特にない。このため、窒化珪素基板を構成する窒化珪素結晶粒子の全部がβ−窒化珪素結晶粒子になっていてもよい。
【００３２】
粒界相は、希土類元素を含む酸化物からなる。希土類元素を含む酸化物としては、たとえば、イットリウムを用いた場合、Ｙ２Ｏ３・５Ａｌ２Ｏ３（ＹＡＧ），Ｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３（ＹＡＬ）、２Ｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３（ＹＡＭ）、Ｙ２Ｏ３等が挙げられる。
【００３３】
窒化珪素基板は、窒化珪素結晶粒子の平均粒径が通常２〜１０μｍである。平均粒径が２〜１０μｍであると、窒化珪素基板のリーク電流、熱伝導率、３点曲げ強度、および破壊靭性等の特性が良好になる。
【００３４】
なお、窒化珪素結晶粒子の平均粒径とは、窒化珪素基板に含まれる全ての種類の窒化珪素結晶粒子の平均粒径を意味する。具体的には、窒化珪素基板が窒化珪素結晶粒子としてβ−窒化珪素結晶粒子のみを含むときはβ−窒化珪素結晶粒子の平均粒径を意味し、窒化珪素基板が窒化珪素結晶粒子としてα−窒化珪素結晶粒子とβ−窒化珪素結晶粒子とを含むときはα−窒化珪素結晶粒子とβ−窒化珪素結晶粒子とを合計して算出した平均粒径を意味する。
窒化珪素結晶粒子の平均粒径は、たとえば、窒化珪素基板の破断面で観察される窒化珪素結晶粒子の平均粒径を意味する。具体的には、平均粒径は、個々の粒径を（長軸径＋短軸径）÷２の式で求めた後、２００個の粒子の粒径の平均値を平均粒径としたものである。長軸径および短軸径の測定には破断面の拡大写真を用いることが好ましい。また、断面凹凸により破断面のコントラストが悪い場合は、破断面を研磨し、この研磨した破断面の拡大写真を用いて長軸径および短軸径の測定することが好ましい。
【００３５】
窒化珪素結晶粒子の平均粒径は、具体的には、窒化珪素基板の破断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で拡大写真を撮り、破断面における所定の測定範囲内に存在する窒化珪素結晶粒子の大きさを測定する等により求められる。
【００３６】
窒化珪素基板は、β−窒化珪素結晶粒子のアスペクト比が通常２以上である。アスペクト比が２以上であると、窒化珪素基板のリーク電流、熱伝導率、３点曲げ強度、および破壊靭性等の特性が良好になる。
また、β−窒化珪素結晶粒子のアスペクト比の上限は特に限定されないが、通常１０以下、好ましくは５以下である。
【００３７】
ここで、アスペクト比とは、β−窒化珪素結晶粒子の長径／短径比である。アスペクト比は、たとえば、窒化珪素基板の任意の断面で観察される粒子の画像を画像処理することにより算出することができる。
【００３８】
窒化珪素基板は、厚さが、通常０．８ｍｍ以下、好ましくは０．６ｍｍ以下である。窒化珪素基板が０．８ｍｍを超えると、窒化珪素基板自体が熱抵抗体となるおそれがあるとともに、半導体モジュールが大型化して省スペース性が低下しやすい。
【００３９】
窒化珪素基板は、厚さが、通常０．２ｍｍ以上、好ましくは０．３ｍｍ以上である。窒化珪素基板が０．２ｍｍ未満であると、窒化珪素基板の強度が低くなるおそれがある。
【００４０】
窒化珪素基板は、表面粗さＲａが、通常０．２〜１．５μｍ、好ましくは０．２〜１．０μｍである。表面粗さＲａが０．２〜１．５μｍの範囲内にあると、窒化珪素基板の表面の凹凸のために、窒化珪素基板と押さえ部材との間に隙間が生じたり、窒化珪素基板にクラックが発生したりすることを抑制することができる。
【００４１】
窒化珪素基板の表面粗さＲａを０．２〜１．５μｍにする方法としては、たとえば、窒化珪素基板の焼結上がり面をそのまま用いたり、窒化珪素基板の焼結上がり面に対してホーニング加工やショットブラスト加工をしたりする方法が挙げられる。このように、Ｒａ０．２〜１．５μｍの窒化珪素基板は、焼結上がり面そのまま用いたり、ホーニング加工やショットブラスト加工をしたりすることにより得られるため、鏡面研磨加工等の研磨を行わずに作製することが可能である。
【００４２】
なお、窒化珪素基板は、窒化珪素基板表面の微視的な凹凸の影響を緩和するために、たとえば、ダイヤモンド砥石を用いて窒化珪素基板表面に表面粗さＲａ０．０５μｍ以下の鏡面研磨加工をしてもよい。
【００４３】
しかし、本実施形態で用いられる窒化珪素基板は硬い材料であり、研磨に労力がかかるため、鏡面研磨加工を行うと窒化珪素基板の製造コストが高くなる。また、本実施形態で用いられる窒化珪素基板は、主相である針状のβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子が絡み合った微視的構造を有するため、鏡面研磨加工を施したとしても微視的な凹凸を完全になくすことは難しく、鏡面研磨加工の効果は十分でない。
【００４４】
このため、本実施形態で用いられる窒化珪素基板２が、圧接構造のモジュールの構成部品のように強い押圧力がかかる用途に表面層３を設けず単独で用いられる場合は、たとえ鏡面研磨加工を施したとしても窒化珪素基板２にクラックが発生するおそれがある。
【００４５】
これに対し本実施形態では図１に示すように窒化珪素基板２の表面に柔軟性のある表面層３が設けられているため、鏡面研磨加工を行わずに表面粗度が比較的高いままの窒化珪素基板２、たとえばＲａが０．２〜１．５μｍの窒化珪素基板２を備えた窒化珪素製絶縁シート１を用いた場合でも、窒化珪素基板２にクラックが発生するおそれが小さい。すなわち、本実施形態の窒化珪素製絶縁シート１は窒化珪素基板２の表面に柔軟性のある表面層３が設けられたものであるため、窒化珪素製絶縁シート１を強い押圧力がかかる用途で使用する場合でも、表面層３が変形して窒化珪素基板２の表面の凹凸形状に追従することから、窒化珪素製絶縁シート１の窒化珪素基板２にクラックが発生するおそれが小さい。
【００４６】
本実施形態で用いられる窒化珪素基板は、絶縁性が高く、熱伝導率、強度および靭性の高いものとなる。窒化珪素基板の特性は特に限定されないが、窒化珪素基板は次のような特性を有することが好ましい。すなわち、窒化珪素基板は、好ましくは、温度２５℃、湿度７０％、１．５ＫＶ−１００Ｈｚの交流電圧を印加したときのリーク電流が１０００ｎＡ以下、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度２００ＭＰａ以上、および破壊靭性６ＭＰａ・ｍ１／２以上である。
【００４７】
また、窒化珪素基板は次のような特性を有することがさらに好ましい。すなわち、窒化珪素基板は、さらに好ましくは、リーク電流２００ｎＡ以下、熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上、および破壊靭性６．５ＭＰａ・ｍ１／２以上である。
窒化珪素基板は、たとえば、窒化珪素粉末と焼結助剤とを混合して焼結することにより得られる。具体的には、窒化珪素基板は、特許文献１（特開２００９−１２０４８３号公報）記載の製造方法等により得られる。
【００４８】
窒化珪素粉末としては、たとえば、多量のα−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子と微量のβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子とからなる粉末が用いられる。焼結助剤としては、たとえばＹ２Ｏ３等の希土類酸化物が用いられる。
【００４９】
なお、原料である窒化珪素粉末中のα−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子は、焼結の際に実質的に全てがβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶に変換されてβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子として粒成長する。このため、焼結後に得られる窒化珪素基板は、実質的にβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子のみが複雑に絡み合った構造になる。
【００５０】
＜表面層＞
表面層３は、図１に示すように、窒化珪素基板２の表面の片面に形成される。なお、図１に第１の実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１では表面層３は窒化珪素基板２の表面の片面に形成される。しかし、本発明の窒化珪素製絶縁シートにおいて表面層３は窒化珪素基板２の表面の片面のみに形成される必要はなく、窒化珪素基板２の表面の表裏両面に形成されていてもよい。窒化珪素基板２の表面の表裏両面に表面層３が形成された窒化珪素製絶縁シートについては第３の実施形態として後述する。
【００５１】
表面層３は、柔軟性を有する材質からなるとともに窒化珪素基板２の表面を被覆する層である。表面層３は、柔軟性を有する材質からなるため、窒化珪素基板２の表面の微視的な凹凸を包み込むことができるようになっている。このため、窒化珪素製絶縁シート１を、表面層３を介して押さえ部材等の他の部材に押圧すると、窒化珪素基板２の表面の微視的な凹凸が表面層３で包み込まれて、窒化珪素製絶縁シート１と他の部材との密着接触が可能になる。
【００５２】
表面層３が形成された窒化珪素製絶縁シート１によれば、たとえば、圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合において窒化珪素製絶縁シート１が押さえ部材を介して半導体モジュールを圧接したときに、窒化珪素製絶縁シート１と押さえ部材との密着接触が可能になる。
表面層は、金属または樹脂からなる。なお、必要により、樹脂には、金属粉末やセラミックス粉末等の添加物が含まれていてもよい。
【００５３】
表面層に用いられる金属は、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｂ（鉛）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｖ（バナジウム）およびＴｉ（チタン）より選ばれる元素を少なくとも１種含む金属であり、具体的には、これらの元素の金属単体またはこれらの元素を主成分とする合金である。ここで、主成分とは、表面層に用いられる金属中でモル比率が最も大きい成分を意味する。
表面層に用いられる金属が、上記金属であると、窒化珪素基板のリーク電流、熱伝導率、３点曲げ強度、および破壊靭性等の特性が良好になる。
【００５４】
表面層に用いられる金属は、好ましくはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、ＶおよびＮｂより選ばれる元素を少なくとも１種含む金属であり、具体的には、これらの元素の金属単体またはこれらの元素を主成分とする合金である。
表面層に用いられる金属が、上記金属であると、窒化珪素基板のリーク電流、熱伝導率、３点曲げ強度、および破壊靭性等の特性がより良好になる。
【００５５】
表面層に用いられる金属は、さらに好ましくはＴｉ、ＺｒおよびＨｆより選ばれる元素を少なくとも１種含む金属であり、具体的には、これらの元素の金属単体またはこれらの元素を主成分とする合金である。
【００５６】
Ｔｉ、ＺｒまたはＨｆは、窒化珪素基板表面の窒素原子と反応して活性金属窒化物を形成し、窒化珪素基板と表面層とを強固に接合する。このため、表面層に用いられる金属が上記金属であると、窒化珪素基板と表面層との接合強度が高くなる。
【００５７】
表面層に用いられる金属がＴｉ、ＺｒおよびＨｆより選ばれる元素を少なくとも１種含む金属である窒化珪素製絶縁シートは、接合強度が高いため、車載用途等の振動環境下の用途に用いられる圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合でも、十分な耐久性および放熱性を発揮することができる。
【００５８】
表面層に用いられる樹脂としては、たとえば、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂が挙げられる。これらの樹脂は、窒化珪素基板の表面に塗布すると、窒化珪素基板の表面の微視的な凹凸に入り込みやすいため好ましい。特にシリコーン樹脂は、シリコーン樹脂が硬化して得られる硬化物の弾力性が高いため好ましい。
金属からなる表面層と樹脂からなる表面層とを比較すると、金属からなる表面層は放熱性の観点で好ましく、樹脂からなる表面層は絶縁性の観点で好ましい。
【００５９】
表面層に用いられる樹脂は、金属に比べて、絶縁性は高いものの熱伝導率が低い。このため、表面層に樹脂を用いる場合は、樹脂に金属粉末やセラミックス粉末等の熱伝導率が高い物質を添加することにより、表面層の熱伝導率を向上させることが好ましい。
表面層の樹脂に添加される金属粉末としては、たとえば、Ｃｕ粉末、Ａｌ粉末等が挙げられる。
【００６０】
また、表面層の樹脂に添加されるセラミックス粉末としては、たとえば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末等が挙げられる。特に、ＡｌＮ粉末は絶縁性と熱伝導性が良好であるため好ましい。
【００６１】
表面層の樹脂に添加される金属粉末またはセラミックス粉末の平均粒径は、表面層の厚さに対して、通常１／２以下、好ましくは１／５以下、さらに好ましくは１／１２〜１／５である。ここで、金属粉末またはセラミックス粉末の平均粒径は、コールターカウンター法による測定値であり、体積累積分布の中央値Ｄ５０を意味する。
【００６２】
金属粉末またはセラミックス粉末の平均粒径が、表面層の厚さに対して１／２を超えると、窒化珪素製絶縁シートが圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられ、圧接された場合に、表面層から金属粉末またはセラミックス粉末が放出されたり表面層の表面に露出したりして、表面層による密着性の向上を阻害するおそれがある。
表面層の樹脂中の金属粉末またはセラミックス粉末の含有率は、好ましくは２０〜６０体積％である。
【００６３】
含有率が２０体積％未満であると、金属粉末またはセラミックス粉末の添加による熱伝導率の向上が小さいおそれがある。また、含有率が６０体積％を超えると、窒化珪素製絶縁シートが圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられ、圧接された場合に、表面層から金属粉末またはセラミックス粉末が放出されたり表面層の表面に露出したりして、表面層による密着性の向上を阻害するおそれがある。
【００６４】
表面層は、ビッカース硬度Ｈｖが、通常２００以下、好ましくは１００以下、さらに好ましくは５０以下である。ここで、ビッカース硬度Ｈｖは、ＪＩＳ-Ｚ−２２４４（ビッカース硬さ試験−試験方法）に準じて測定した値である。
また、表面層は、ビッカース硬度Ｈｖが、通常１０以上、好ましくは２０以上、さらに好ましくは３０以上である。
ビッカース硬度Ｈｖが１０以上２００以下であると、表面層の弾力性が適度になり、表面層と押さえ部材等の他の部材との密着接触が可能になる。
なお、ビッカース硬度Ｈｖが２００を超えると、表面層が硬すぎるために、表面層と押さえ部材等の他の部材との密着接触の効果が不十分になりやすい。
【００６５】
また、ビッカース硬度Ｈｖが１０未満であると、表面層が柔らかすぎるために、表面層と押さえ部材等の他の部材とを圧接したときに、表面層の形状を保持することが困難になる。このため、表面層と押さえ部材等の他の部材との密着接触の効果が不十分になりやすい。
表面層は、厚さが、通常１００μｍ以下、好ましくは２０〜８０μｍ、さらに好ましくは２０〜５０μｍである。
表面層の厚さが、１００μｍ以下であると、表面層の弾力性が適度になり、表面層と押さえ部材等の他の部材との密着接触が可能になる。
【００６６】
なお、表面層の厚さが１００μｍを超えても密着接触は可能である。しかし、厚さが１００μｍを超えても密着接触の効果は厚さが１００μｍの場合に比べて向上しないため、経済的でない。
【００６７】
また、表面層の厚さが２０μｍ未満であると、窒化珪素基板の表面の微視的な凹凸が大きいときに、表面層が窒化珪素基板の表面の凹凸を包み込みきれないために凹凸形状が表面層の表面に顕著に現れるおそれがある。たとえば、窒化珪素基板の窒化珪素結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以上と大きい場合は、窒化珪素基板の表面の凹凸が２０μｍを超えることがあり、この場合に凹凸形状が表面層の表面に顕著に現れるおそれがある。
【００６８】
なお、窒化珪素基板の窒化珪素結晶粒子の平均粒径が５μｍ以下と小さい場合は、窒化珪素基板の表面の微視的な凹凸が２０μｍを超えることは少ない。このため、表面層の厚さは２０〜５０μｍの範囲内で十分である。
【００６９】
上記のように表面層は適度な柔軟性を有するものである。このため、表面層を備えた窒化珪素製絶縁シートが圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合、圧縮された表面層が横方向に若干広がることがある。
【００７０】
このとき、表面層が窒化珪素基板の表面の全面に設けられていると、圧縮された表面層が横方向に広がって窒化珪素基板の周辺端部からはみ出し、表面層が不要な導通を生じて窒化珪素基板の絶縁不良の原因となるおそれがある。
【００７１】
たとえば、図１に示す窒化珪素製絶縁シート１において、表面層３が窒化珪素基板２の表面２１の全面に設けられている場合には、圧縮された表面層３が横方向に広がって表面層３の周辺端部３２が窒化珪素基板２の周辺端部２２からはみ出し、窒化珪素基板２の絶縁不良の原因となるおそれがある。
【００７２】
このため、表面層３は、圧縮された表面層３の周辺端部３２が窒化珪素基板２の周辺端部２２からはみ出さないようにするために、圧縮されていない無負荷時において窒化珪素基板２よりも小さくなるように設けられる。
具体的には、図１に示すように、表面層３の周辺端部３２と窒化珪素基板２の周辺端部２２とが、所定の距離Ｗだけ離間するように設けられる。
距離Ｗは、通常０．１ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上、さらに好ましくは１．５ｍｍ以上である。
【００７３】
なお、距離Ｗの上限は特に限定されない。しかし、窒化珪素基板２に対する表面層３の面積比率が小さくなりすぎると、窒化珪素基板２の表面の微視的な凹凸を包み込むという表面層３の効果が低下する。
このため、表面層３は、窒化珪素基板２の表面２１の表面積に対する表面層３の表面の面積比率が８０％以上であることが好ましい。
【００７４】
＜窒化珪素製絶縁シートの製造方法＞
次に、窒化珪素製絶縁シートの製造方法について説明する。
窒化珪素製絶縁シートの製造方法では、はじめに窒化珪素基板を準備する。
窒化珪素基板は、たとえば、特許文献１〜３に記載の製造方法等の公知の焼結方法により得られる。具体的には、多量のα−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子と微量のβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子とからなる窒化珪素粉末を、焼結助剤と共に焼結することにより得られる。
【００７５】
ここで、得られる窒化珪素基板は、窒化珪素結晶粒子がβ−窒化珪素結晶粒子を主相とし、窒化珪素結晶粒子の平均粒径、厚さ、および表面粗さＲａが上記所定の範囲内になるように調製しておく。
【００７６】
窒化珪素基板は、ホーニング加工やショットブラスト加工により基板表面を清浄にしておくことが好ましい。なお、ホーニング加工やショットブラスト加工を行った場合、窒化珪素基板の表面は鏡面加工された場合のように表面粗さＲａ０．０５μｍ以下になることはなく、おおむね表面粗さＲａは０．２〜１．５μｍの範囲内になる。
なお、窒化珪素基板の表面は、必要に応じ、ダイヤモンド砥石を使った鏡面加工を施してよい。
【００７７】
次に、窒化珪素基板の表面に表面層を設ける。
表面層としてＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａ、ＶおよびＴｉより選ばれる元素を少なくとも１種含む金属からなる層を設けるときは、たとえば、スクリーン印刷により窒化珪素基板の表面に金属ペーストを塗布して熱処理する方法や、スパッタ、溶射等の薄膜形成方法が用いられる。
【００７８】
ここで、表面層の金属が金属単体からなる場合には、スパッタリングや溶射等の薄膜形成方法を用いると、表面層の形成が容易であるため好ましい。これらの薄膜形成方法のうち溶射法を用いると、厚さ２０μｍ以上の金属膜を形成しやすいため、さらに好ましい。
【００７９】
また、表面層の金属が合金からなる場合には、２種以上の金属粉末を混合したペーストをスクリーン印刷で塗布して熱処理して接合する方法を用いると、表面層の形成が容易であるため好ましい。
【００８０】
表面層として樹脂からなる層を設けるときは、たとえば、窒化珪素基板の表面に樹脂ペーストを塗布して乾燥させる方法や、窒化珪素基板の表面に樹脂フィルムを積層して熱圧着させる方法が用いられる。
【００８１】
なお、樹脂は金属に比べて熱伝導率が低い。そこで、樹脂からなる表面層の熱伝導率を高くするために、塗布する樹脂ペーストとして、樹脂に金属粉末や熱伝導率の高いセラミックス粉末を添加した樹脂ペーストを用いてもよい。
【００８２】
表面層３を、表面層３の周辺端部３２と窒化珪素基板２の周辺端部２２とが所定の距離Ｗだけ離間するように形成する方法としては、たとえば、窒化珪素基板２の表面２１のうち表面層３を形成しない部分に、レジスト塗膜を形成する方法が用いられる。
【００８３】
具体的には、図１において、窒化珪素基板２の表面２１のうち表面層３を形成しない表面２３にレジスト塗膜を形成した後、窒化珪素基板２の表面２１のうちレジスト塗膜以外の部分に表面層３を形成し、さらにレジスト塗膜をＮａＯＨ溶液等によりエッチング除去する方法等が用いられる。
【００８４】
＜第１の実施形態の効果＞
第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１によれば、窒化珪素基板２の表面に所定の柔軟性を有する表面層３が設けられるため、窒化珪素製絶縁シート１と、窒化珪素製絶縁シート１の表面層３側に配置された押さえ部材等の他の部材とが圧接された場合に、窒化珪素製絶縁シート１と他の部材との表面層３を介した密着接触が可能になる。
【００８５】
また、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１によれば、窒化珪素製絶縁シート１と押さえ部材等の他の部材とが密着接触されるため、窒化珪素製絶縁シート１と押さえ部材等の他の部材との間の熱伝導が高くなる。
【００８６】
このため、たとえば、窒化珪素製絶縁シート１が、窒化珪素製絶縁シート１と押さえ部材と半導体モジュールとがこの順番で積層された第１の圧接構造の半導体モジュール構造体や、押さえ部材と窒化珪素製絶縁シート１と半導体モジュールとがこの順番で積層された第２の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合に、半導体モジュール構造体としての放熱特性が向上する。
【００８７】
さらに、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１によれば、窒化珪素基板２の表面の微視的な凸部が表面層３で包み込まれるため、窒化珪素基板２の表面の微視的な凸部に起因する窒化珪素基板２のクラック発生を抑制することができる。
【００８８】
このため、たとえば、窒化珪素製絶縁シート１が、窒化珪素製絶縁シート１と押さえ部材と半導体モジュールとがこの順番で積層された第１の圧接構造の半導体モジュール構造体や、押さえ部材と窒化珪素製絶縁シート１と半導体モジュールとがこの順番で積層された第２の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合に、窒化珪素基板２のクラック発生を抑制することができる。
【００８９】
第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１では窒化珪素基板２の表面に表面層３が直接形成されている。しかし、本発明の窒化珪素製絶縁シートは、窒化珪素基板２と表面層３との間にさらに反応層が備えられていてもよい。
窒化珪素基板２と表面層３との間にさらに反応層が備えられた窒化珪素製絶縁シートを図３に第２実施形態として示す。
【００９０】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す正面図である。
図３に示すように、第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａは、シート状の窒化珪素基板２と、この窒化珪素基板２の片方の表面に形成される反応層４と、この反応層４の表面に形成される表面層３とを備える。
【００９１】
なお、図３に第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａの平面図は、図１に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１と同じであるため、窒化珪素製絶縁シート１と同様に図１に示す。
【００９２】
図３に第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａは、図１および図２に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１に比較して、窒化珪素基板２と表面層３との間にさらに反応層４を備える点で異なり、他の点は同じである。このため、図３に第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａと、図１および図２に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１との間で同じ構成には同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。
【００９３】
＜反応層＞
反応層４は、図３に示すように、窒化珪素基板２の表面の片面に形成される。なお、図３に第２の実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａでは反応層４は窒化珪素基板２の表面の片面に形成される。しかし、本発明の窒化珪素製絶縁シートにおいて反応層４は窒化珪素基板２の表面の片面のみに形成される必要はなく、窒化珪素基板２の表面の表裏両面に形成されていてもよい。窒化珪素基板２の表面の表裏両面に反応層４が形成された窒化珪素製絶縁シートについては第４の実施形態として後述する。
反応層４は、窒化珪素基板２の窒素原子と、表面層３のＴｉ、ＺｒまたはＨｆとが反応することにより形成される活性金属窒化物からなる層である。
【００９４】
このため、反応層４は窒化珪素基板２の表面に表面層３が形成されることによりはじめて生じるものであり、反応層４のみが単独で窒化珪素基板２の表面に形成されることはない。
反応層４を構成する活性金属窒化物はろう材である。このため、反応層４は、窒化珪素基板２と表面層３とを強固に接合する。
反応層４を構成する活性金属窒化物としては、たとえば、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆより選ばれる元素を少なくとも１種含む窒化物が用いられる。
【００９５】
反応層４と、窒化珪素基板２または表面層３とは、隣接しかつ組成が類似する層であるため各層の区別が問題になる。しかし、反応層４は活性金属窒化物を主相とする層であり、窒化珪素基板２および表面層３は活性金属窒化物を主相としない層である点で、層の区別をすることができる。
【００９６】
＜第２の実施形態の効果＞
第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａによれば、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１と同様の効果を奏する。
また、第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａによれば、反応層４が窒化珪素基板２と表面層３とを強固に接合するため、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１に比べて、窒化珪素基板２と表面層３との接合強度がより向上する。
【００９７】
第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａは、このように接合強度が高いため、窒化珪素製絶縁シート１Ａと押さえ部材と半導体モジュールとが積層された第１の圧接構造の半導体モジュール構造体や押さえ部材と窒化珪素製絶縁シート１Ａと半導体モジュールとが積層された第２の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられ、かつ、圧接構造の半導体モジュール構造体が車載用途等の振動環境下の用途に用いられる場合でも、十分な耐久性および放熱性を発揮することができる。
【００９８】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す正面図である。
図４に示すように、第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｂは、シート状の窒化珪素基板２と、この窒化珪素基板２の表裏両面に形成される表面層３、３とを備える。
【００９９】
なお、図４に第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｂの平面図は、図１に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１と同じであるため、窒化珪素製絶縁シート１と同様に図１に示す。
【０１００】
図４に第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｂは、図１および図２に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１に比較して、窒化珪素基板２の表裏両面に表面層３、３を備える点で異なり、他の点は同じである。このため、図４に第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｂと、図１および図２に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１との間で同じ構成には同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。
【０１０１】
＜第３の実施形態の効果＞
第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｂによれば、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１と同様の効果を奏する。
また、第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｂによれば、表面層３が窒化珪素基板２の表裏両面に形成されるため、第１実施形態として示し、表面層３が窒化珪素基板２の片面のみに形成された窒化珪素製絶縁シート１に比べて、窒化珪素基板２の表裏両面側において、他の部材との表面層３を介した密着接触が可能になる。
【０１０２】
さらに、第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｂによれば、窒化珪素基板２の表裏両面において、窒化珪素製絶縁シート１Ｂと押さえ部材等の他の部材との間の熱伝導が高くなる。
【０１０３】
このため、たとえば、窒化珪素製絶縁シート１Ｂが、押さえ部材と窒化珪素製絶縁シート１Ｂと半導体モジュールとがこの順番で積層された第２の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合に、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１を用いた場合に比べて、半導体モジュール構造体としての放熱特性がより向上する。
【０１０４】
さらに、第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｂによれば、窒化珪素基板２の表裏両面において、窒化珪素基板２の表面の微視的な凸部が表面層３で包み込まれるため、窒化珪素基板２の表面の微視的な凸部に起因する窒化珪素基板２のクラック発生を抑制することができる。
【０１０５】
このため、たとえば、窒化珪素製絶縁シート１Ｂが、押さえ部材と窒化珪素製絶縁シート１Ｂと半導体モジュールとがこの順番で積層された第２の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合に、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１を用いた場合に比べて、窒化珪素基板２のクラック発生をより抑制することができる。
【０１０６】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す正面図である。
図５に示すように、第４実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｃは、シート状の窒化珪素基板２と、この窒化珪素基板２の表裏両面に形成される反応層４、４と、この反応層４、４の表面に形成される表面層３、３とを備える。
【０１０７】
なお、図５に第４実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｃの平面図は、図１に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１と同じであるため、窒化珪素製絶縁シート１と同様に図１に示す。
【０１０８】
図５に第４実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｃは、図３に第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａに比較して、窒化珪素基板２の表裏両面にそれぞれ反応層４と表面層３とを備える点で異なり、他の点は同じである。このため、図５に第４実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｃと、図３に第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａとの間で同じ構成には同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。
【０１０９】
＜第４の実施形態の効果＞
第４実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｃによれば、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１および第２実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ａと同様の効果を奏する。
【０１１０】
また、第４実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｃによれば、反応層４および表面層３が窒化珪素基板２の表裏両面に形成されるため、第２実施形態として示し、反応層４および表面層３が窒化珪素基板２の片面のみに形成された窒化珪素製絶縁シート１Ａに比べて、窒化珪素基板２の表裏両面側において、他の部材との表面層３を介した密着接触が可能になる。
【０１１１】
さらに、第４実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｃによれば、窒化珪素基板２の表裏両面において、窒化珪素製絶縁シート１Ｃと押さえ部材等の他の部材との間の熱伝導が高くなる。
【０１１２】
このため、たとえば、窒化珪素製絶縁シート１Ｃが、押さえ部材と窒化珪素製絶縁シート１Ｃと半導体モジュールとがこの順番で積層された第２の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合に、第２実施形態として示し、反応層４および表面層３が窒化珪素基板２の片面のみに形成された窒化珪素製絶縁シート１Ａを用いた場合に比べて、半導体モジュール構造体としての放熱特性がより向上する。
【０１１３】
さらに、第４実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｃによれば、窒化珪素基板２の表裏両面において、窒化珪素基板２の表面の微視的な凸部が表面層３で包み込まれるため、窒化珪素基板２の表面の微視的な凸部に起因する窒化珪素基板２のクラック発生を抑制することができる。
【０１１４】
このため、たとえば、窒化珪素製絶縁シート１Ｃが、押さえ部材と窒化珪素製絶縁シート１Ｃと半導体モジュールとがこの順番で積層された第２の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合に、第２実施形態として示し、反応層４および表面層３が窒化珪素基板２の片面のみに形成された窒化珪素製絶縁シート１Ａを用いた場合に比べて、窒化珪素基板２のクラック発生をより抑制することができる。
【０１１５】
（第５の実施形態）
図６は、本発明の第５実施形態としての窒化珪素製絶縁シートを示す正面図である。
図６に示すように、第５実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｄは、表裏に貫通する挿通孔１２が２箇所設けられたシート状の窒化珪素基板２と、この窒化珪素基板２の片方の表面に形成される表面層３とを備える。
【０１１６】
図６に第５実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｄは、図１および図２に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１に比較して、窒化珪素基板２に代えて挿通孔１２、１２をさらに備える窒化珪素基板２Ｄを用いた点で異なり、他の点は同じである。このため、図６に第５実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｄと、図１および図２に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１との間で同じ構成には同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。
【０１１７】
＜窒化珪素基板＞
窒化珪素基板２Ｄは、矩形の窒化珪素基板２Ｄの対向する短辺側に、窒化珪素基板２Ｄを表裏に貫通する挿通孔１２が各短辺側に１箇所ずつ、合計２箇所設けられたものである。
挿通孔１２は、図示しないねじ等の締め付け部材を挿通または螺合可能であればよく、形状や大きさは特に限定されない。
また、挿通孔１２は、窒化珪素基板２Ｄに設けられる位置や数についても特に限定されない。
【０１１８】
窒化珪素基板２Ｄは、挿通孔１２以外は、図１および図２に第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１を構成する窒化珪素基板２と同じであるため、窒化珪素基板２Ｄに関するその他の説明を省略する。
【０１１９】
＜第５の実施形態の効果＞
第５実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｄによれば、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１と同様の効果を奏する。
また、第５実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｄには、窒化珪素基板２Ｄに挿通孔１２が設けられている。このため、窒化珪素製絶縁シート１Ｄに対向して配置され、羅合可能な穴部が設けられたたとえば放熱部材と、窒化珪素製絶縁シート１Ｄとの間に、押さえ部材等の他の部材や半導体モジュールを配置し、窒化珪素製絶縁シート１Ｄの挿通孔１２に挿通または螺合したねじ等の締め付け部材を、放熱部材の穴部に締め付けることにより、第１実施形態として示し、挿通孔１２が設けられていない窒化珪素製絶縁シート１を用いた場合に比べて、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材等の他の部材とがより強く確実に圧接される。
【０１２０】
したがって、第５実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｄによれば、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１に比べて、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと他の部材との表面層３を介したより強く確実な密着接触が可能になる。
【０１２１】
また、第５実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１Ｄによれば、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材等の他の部材とを強く確実に密着接触させることが可能であるため、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１を用いた場合に比べて、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材等の他の部材との間の熱伝導をより高くすることが可能である。
【０１２２】
このため、たとえば、窒化珪素製絶縁シート１Ｄが、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材と半導体モジュールとがこの順番で積層された第１の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品や、押さえ部材と窒化珪素製絶縁シート１Ｄと半導体モジュールとがこの順番で積層された第２の圧接構造の半導体モジュール構造体の構成部品として用いられる場合に、第１実施形態として示した窒化珪素製絶縁シート１を用いた場合に比べて、半導体モジュール構造体としての放熱特性がより向上する。
【０１２３】
なお、上記第１実施形態〜第５実施形態に示した窒化珪素製絶縁シートでは、窒化珪素基板として、β−窒化珪素結晶粒子を主相とするシート状の窒化珪素基板を用いた。
【０１２４】
しかし、本発明の窒化珪素製絶縁シートは、β−窒化珪素結晶粒子を主相とする窒化珪素基板に代えて、シート状の窒化珪素基板を用い、この窒化珪素基板と、ビッカース硬度が２００以下の表面層とを備える窒化珪素製絶縁シートの構成をとることもできる。
この窒化珪素製絶縁シートによれば、窒化珪素基板の組成の自由度が高くなる。
【０１２５】
また、本発明の窒化珪素製絶縁シートは、絶縁シートの表面層側に板状の押さえ部材が配置されるとともにこの押さえ部材の背面側に半導体モジュールが配置され、絶縁シートの表面層は、押さえ部材に密着接触しつつ押圧してこの押さえ部材を半導体モジュールに圧接するためのものであることが好ましい。
【０１２６】
［半導体モジュール構造体］
本発明の半導体モジュール構造体は、本発明の窒化珪素製絶縁シートを用いたものである。
具体的には、本発明の半導体モジュール構造体は、窒化珪素製絶縁シートと、窒化珪素製絶縁シートの表面層に面して配置された板状の押さえ部材とを備え、窒化珪素製絶縁シートと押さえ部材とが窒化珪素製絶縁シートの表面層を介して圧接された構造になっている。
半導体モジュール構造体の実施形態を以下に示す。
【０１２７】
（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６実施形態としての半導体モジュール構造体を示す正面図である。
図７に示すように、第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０は、挿通孔１２、１２が設けられた窒化珪素製絶縁シート１Ｄと、窒化珪素製絶縁シート１Ｄの表面層３に面して配置された板状の押さえ部材８と、押さえ部材８の表面のうち窒化珪素製絶縁シート１と反対の表面側に配置された半導体モジュール７と、半導体モジュール７の表面のうち押さえ部材８と反対の表面側に配置され半導体モジュール７で発生した熱を放熱する放熱部材１１と、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１との間を締め付ける締め付け部材１４とを備える。
【０１２８】
半導体モジュール７の一方の表面と押さえ部材８との間には、板状の絶縁性スペーサ９が介装される。また、半導体モジュール７の他方の表面と放熱部材１１との間には、板状の絶縁性スペーサ１０が介装される。
【０１２９】
半導体モジュール７は絶縁性スペーサ９と絶縁性スペーサ１０とで挟持される。また、絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０とは、絶縁性スペーサ９に面して配置された押さえ部材８と絶縁性スペーサ１０に面して配置された放熱部材１１とで挟持される。
窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１とは、締め付け部材１４を用いて締め付けられる。
【０１３０】
半導体モジュール構造体２０では、締め付け部材１４を用いて窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１とが締め付けられることにより、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１との間に配置された押さえ部材８と絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。
【０１３１】
＜窒化珪素製絶縁シート＞
窒化珪素製絶縁シート１Ｄは、図６に第５実施形態として示した窒化珪素製絶縁シートと同じものである。窒化珪素製絶縁シート１Ｄの窒化珪素基板２Ｄには、締め付け部材１４を挿通可能な挿通孔１２、１２が設けられている。
【０１３２】
＜押さえ部材＞
押さえ部材８は、窒化珪素製絶縁シート１Ｄの表面層３と接触する板状の部材である。押さえ部材８としては、たとえば銅板等の金属板が用いられる。
押さえ部材８は、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと絶縁性スペーサ９等の他の部材との間に介装される。押さえ部材８は、締め付け部材１４を用いて窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１とが締め付けられることにより、絶縁性スペーサ９を介して半導体モジュール７と圧接される。
【０１３３】
＜半導体モジュール＞
半導体モジュール７は、半導体素子単体または半導体素子を含む集合体である。
半導体モジュール７の上下方向には、絶縁性スペーサ９と１０とが配置される。絶縁性スペーサ９、１０としては、たとえば、セラミックス基板等の板状の絶縁物が用いられる。
【０１３４】
半導体モジュール構造体２０では、締め付け部材１４を用いて窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１とが締め付けられることにより、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１との間に配置された半導体モジュール７が、絶縁性スペーサ９と絶縁性スペーサ１０とで挟まれかつ圧接される。
【０１３５】
＜放熱部材＞
放熱部材１１は、半導体モジュール７で発生した熱を放熱する部材である。
放熱部材１１の図中上方には、締め付け部材としてのねじ１４の先端部が羅合可能な孔部１６が設けられている。
放熱部材１１としては、たとえば、放熱フィンが用いられる。
【０１３６】
＜締め付け部材＞
締め付け部材１４は、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１とを締め付けるものである。締め付け部材１４としては、たとえば、ねじが用いられる。
半導体モジュール構造体２０では、締め付け部材としてのねじ１４の胴部が窒化珪素製絶縁シート１Ｄの挿通孔１２に挿通されるとともに、ねじ１４の先端部が放熱部材１１の孔部１６に羅合されることにより、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１とが締め付けられる。また、ねじ１４の頭部と窒化珪素製絶縁シート１Ｄとの間には、ワッシャ１５が介装される。
【０１３７】
これにより、半導体モジュール構造体２０では、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１との間に配置された、押さえ部材８と絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。
【０１３８】
＜第６の実施形態の作用＞
半導体モジュール構造体２０では、締め付け部材１４を用いて窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１とが締め付けられることにより、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１との間に配置された押さえ部材８と絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。
【０１３９】
このとき、窒化珪素製絶縁シート１Ｄの表面層３と押さえ部材８の表面との間が強く圧接される。しかし、窒化珪素製絶縁シート１Ｄの柔軟性を有する表面層３が、窒化珪素製絶縁シート１Ｄの窒化珪素基板２Ｄの表面に存在するβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子の微視的な凹凸を包み込むため、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材８との表面層３を介した密着接触が可能になる。
【０１４０】
＜第６の実施形態の効果＞
第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０では、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと放熱部材１１との締め付けにより、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材８と絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０と放熱部材１１とが圧接されるため、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材８とが表面層３を介して密着接触される。
【０１４１】
そして、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材８との密着接触により、窒化珪素製絶縁シート１Ｄの窒化珪素基板２Ｄと押さえ部材８との間に、熱抵抗体となる微小な隙間が形成されることがない。
【０１４２】
このため、第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０によれば、β−窒化珪素結晶粒子を主相とする窒化珪素基板２Ｄによる高い絶縁性を保持しつつ、窒化珪素製絶縁シート１Ｄと押さえ部材８と絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０と放熱部材１１との間の熱伝導が高くなり、放熱特性が向上する。
【０１４３】
また、第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０によれば、窒化珪素基板２Ｄの表面の微視的な凸部が表面層３で包み込まれるため、窒化珪素基板２Ｄの表面の微視的な凸部に起因する窒化珪素基板２Ｄのクラック発生を抑制することができる。
【０１４４】
上記のように図７に第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０では、窒化珪素製絶縁シートとして窒化珪素基板２Ｄの片面のみに表面層３が設けられた窒化珪素製絶縁シート１Ｄを用いた半導体モジュール構造体を示した。
【０１４５】
しかし、本発明の半導体モジュール構造体は、窒化珪素製絶縁シートとして窒化珪素基板の表裏両面に表面層３、３が設けられた窒化珪素製絶縁シートを用いた半導体モジュール構造体とすることもできる。
【０１４６】
具体的には、表裏両面に表面層が設けられた窒化珪素製絶縁シートと、窒化珪素製絶縁シートの一方の面の表面層に面して配置された板状の押さえ部材と、窒化珪素製絶縁シートの他方の面の表面層に面して配置された半導体モジュールとを備え、窒化珪素製絶縁シートと押さえ部材とが窒化珪素製絶縁シートの一方の表面の表面層を介して圧接されるとともに、窒化珪素製絶縁シートと半導体モジュールとが窒化珪素製絶縁シートの他方の表面の表面層を介して圧接された半導体モジュール構造体とすることができる。
窒化珪素基板の表裏両面に表面層が設けられた窒化珪素製絶縁シートを用いた半導体モジュール構造体の実施形態を第７の実施形態として以下に示す。
【０１４７】
（第７の実施形態）
図８は、本発明の第７実施形態としての半導体モジュール構造体を示す正面図である。
図８に示すように、第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０は、表裏両面に表面層３、３が設けられた窒化珪素製絶縁シート１Ｂと、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの一方の表面の表面層３に面して配置された板状の押さえ部材８Ａと、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの他方の表面の表面層３に面して配置された半導体モジュール７と、半導体モジュール７の表面のうち窒化珪素製絶縁シート１Ｂと反対の表面側に配置され、半導体モジュール７で発生した熱を放熱する放熱部材１１と、押さえ部材８Ａと放熱部材１１との間を締め付ける締め付け部材１４とを備える。
【０１４８】
半導体モジュール７の一方の表面と押さえ部材８Ａとの間には、板状の絶縁性スペーサ９が介装される。また、半導体モジュール７の他方の表面と放熱部材１１との間には、板状の絶縁性スペーサ１０が介装される。
【０１４９】
半導体モジュール７は絶縁性スペーサ９と絶縁性スペーサ１０とで挟持される。また、絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０とは、絶縁性スペーサ９に面して配置された窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ１０に面して配置された放熱部材１１とで挟持される。
押さえ部材８Ａと放熱部材１１とは、締め付け部材１４を用いて締め付けられる。
【０１５０】
半導体モジュール構造体３０では、締め付け部材１４を用いて押さえ部材８Ａと放熱部材１１とが締め付けられることにより、押さえ部材８Ａと放熱部材１１との間に配置された窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。
【０１５１】
図８に第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０は、図７に第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０に比較して、窒化珪素製絶縁シート１Ｄに代えて挿通孔１２が設けられた押さえ部材８Ａを用いるとともに、押さえ部材８に代えて表裏両面に表面層３が設けられた窒化珪素製絶縁シート１Ｂを用いる点で異なり、他の点は同じである。
【０１５２】
このため、図８に第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０と、図７に第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０との間で同じ構成には同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。
【０１５３】
＜押さえ部材＞
押さえ部材８Ａは、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの表裏両面に設けられた表面層３、３のうち、一方の表面層３と接触する板状の部材である。押さえ部材８Ａとしては、押さえ部材８と同様に、たとえば銅板等の金属板が用いられる。
押さえ部材８Ａには、締め付け部材１４を挿通可能な挿通孔１３、１３が設けられている。
挿通孔１３は、ねじ等の締め付け部材１４を挿通または螺合可能であればよく、形状や大きさは特に限定されない。
また、挿通孔１３は、押さえ部材８Ａに設けられる位置や数についても特に限定されない。
【０１５４】
押さえ部材８Ａは、締め付け部材１４を用いて押さえ部材８Ａと放熱部材１１とが締め付けられることにより、窒化珪素製絶縁シート１Ｂを介して絶縁性スペーサ９等の他の部材を押圧する。
【０１５５】
＜窒化珪素製絶縁シート＞
窒化珪素製絶縁シート１Ｂは、図４に第３実施形態として示した窒化珪素製絶縁シートと同じものである。窒化珪素製絶縁シート１Ｂの窒化珪素基板２の表裏両面には、表面層３、３が設けられている。
窒化珪素製絶縁シート１Ｂは、押さえ部材８Ａと絶縁性スペーサ９等の他の部材との間に介装される。
【０１５６】
窒化珪素製絶縁シート１Ｂは、締め付け部材１４を用いて押さえ部材８Ａと放熱部材１１とが締め付けられることにより、絶縁性スペーサ９を介して半導体モジュール７と圧接される。
【０１５７】
＜締め付け部材＞
締め付け部材１４は、押さえ部材８Ａと放熱部材１１とを締め付けるものである。締め付け部材１４としては、たとえば、ねじが用いられる。
半導体モジュール構造体３０では、締め付け部材としてのねじ１４の胴部がワッシャ１５と押さえ部材８Ａの挿通孔１３とに挿通されるとともに、ねじ１４の先端部が放熱部材１１の孔部１６に羅合されることにより、窒化珪素製絶縁シート１Ｂと放熱部材１１とが締め付けられる。また、ねじ１４の頭部と押さえ部材８Ａとの間には、ワッシャ１５が介装される。
【０１５８】
これにより、半導体モジュール構造体３０では、押さえ部材８Ａと放熱部材１１との間に配置された、窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。
【０１５９】
＜第７の実施形態の作用＞
半導体モジュール構造体３０では、締め付け部材１４を用いて押さえ部材８Ａと放熱部材１１とが締め付けられることにより、押さえ部材８Ａと放熱部材１１との間に配置された窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。
【０１６０】
このとき、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの一方の表面の表面層３と押さえ部材８Ａの表面との間、および窒化珪素製絶縁シート１Ｂの他方の表面の表面層３と絶縁性スペーサ９の表面との間が強く圧接される。
【０１６１】
しかし、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの柔軟性を有する表面層３が、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの窒化珪素基板２の表面に存在するβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子の微視的な凹凸を包み込むため、窒化珪素製絶縁シート１Ｂと押さえ部材８Ａとの表面層３を介した密着接触、および窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ９との表面層３を介した密着接触が可能になる。
【０１６２】
＜第７の実施形態の効果＞
第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０では、押さえ部材８Ａと放熱部材１１との締め付けにより、押さえ部材８Ａと窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０と放熱部材１１とが圧接されるため、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの一方の表面と押さえ部材８Ａとが表面層３を介して密着接触されるとともに、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの他方の表面と絶縁性スペーサ９とが表面層３を介して密着接触される。
【０１６３】
そして、窒化珪素製絶縁シート１Ｂと押さえ部材８Ａとの密着接触、および窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ９との密着接触により、窒化珪素製絶縁シート１Ｂの窒化珪素基板２と押さえ部材８Ａとの間、および窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ９との間に、熱抵抗体となる微小な隙間が形成されることがない。
【０１６４】
このため、第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０によれば、β−窒化珪素結晶粒子を主相とする窒化珪素基板２による高い絶縁性を保持しつつ、押さえ部材８Ａと窒化珪素製絶縁シート１Ｂと絶縁性スペーサ９と半導体モジュール７と絶縁性スペーサ１０と放熱部材１１との間の熱伝導が高くなり、放熱特性が向上する。
【０１６５】
また、第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０によれば、窒化珪素基板２の表面の微視的な凸部が表面層３で包み込まれるため、図７に第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０と同様に、窒化珪素基板２の表面の微視的な凸部に起因する窒化珪素基板２のクラック発生を抑制することができる。
【０１６６】
なお、図７に第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０および図８に第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０では、締め付け部材１４としてねじを用いる例を示した。
【０１６７】
しかし、本発明の半導体モジュール構造体では、ねじ以外の締め付け部材として、窒化珪素製絶縁シートと押さえ部材とを圧接可能な部材を用いてもよい。たとえば、締め付け部材として、放熱部材１１と窒化珪素製絶縁シートとを、または放熱部材１１と押さえ部材とを挟持するクランプ等を用いることができる。このように締め付け部材としてクランプを用いる場合は、窒化珪素製絶縁シートや押さえ部材に挿通孔を設ける必要がなくなる。
【０１６８】
また、図８に第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０のように、押さえ部材８Ａと放熱部材１１とが締め付けられて圧接構造を形成する構造体の場合は、窒化珪素製絶縁シートに挿通孔を設ける必要がない。
【０１６９】
このため、本発明の半導体モジュール構造体では、締め付け部材を適宜選択したり、圧接構造を選択したりすることにより、本発明の窒化珪素製絶縁シートを適宜用いることができる。
【０１７０】
たとえば、図７に第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０および図８に第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０において、窒化珪素製絶縁シート１Ｄまたは１Ｂに代えて、上記第１実施形態〜第５実施形態に示した窒化珪素製絶縁シートを用いることができる。
【０１７１】
また、図７に第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０および図８に第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０では、放熱部材１１として放熱フィンを用いる例を示した。
【０１７２】
しかし、本発明の半導体モジュール構造体では、放熱フィン以外の放熱部材として、半導体モジュールから発生する熱を放熱可能な部材を用いてもよい。たとえば、放熱部材として、放熱シート等を用いることができる。このように放熱部材として放熱シートを用いる場合は、締め付け部材としてたとえばクランプを用いることにより、放熱シートと窒化珪素製絶縁シートとを、または放熱シートと押さえ部材とを挟持して、圧接構造の半導体モジュール構造体を形成することができ、窒化珪素製絶縁シートや押さえ部材に挿通孔を設ける必要がなくなる。
【０１７３】
また、図７に第６実施形態として示した半導体モジュール構造体２０および図８に第７実施形態として示した半導体モジュール構造体３０は、本発明の半導体モジュール構造体の一例である。本発明の半導体モジュール構造体は、半導体モジュールを用いると共に表面層が設けられた窒化珪素製絶縁シートと押さえ部材とが圧接可能な構造体の全てを含むものである。
【０１７４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【実施例】
【０１７５】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。【０１７６】
（実施例１〜９、比較例１）
熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度７２０ＭＰａ、破壊靭性６．６ＭＰａ・ｍ１／２、リーク電流（温度２５℃、湿度７０％で、１．５ＫＶ−１００Ｈｚの交流電圧を印加したときのリーク電流）１００ｎＡ、縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの矩形板状の窒化珪素基板を用意した。この基板は、Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子の全てがβ−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子であるとともに、β−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子を主相とするものであり、β−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子のアスペクト比は２〜１０、β−Ｓｉ３Ｎ４結晶粒子の平均粒径は３．５μｍであった。また、窒化珪素基板は、基板表面をホーニング加工することにより、基板表面の表面粗さＲａを０．９μｍにした。この窒化珪素基板は、実施例１〜９、比較例１に用いた。【０１７７】
次に、図９および図１０に示すように、窒化珪素基板２Ｅの表裏両面に、表１に示す実施例１〜９の各条件で作成した表面層３を設けた。なお、表面層３は、窒化珪素基板２Ｅの端部２２から表面層３の端部３２までの距離Ｗが、短辺側距離Ｗ１＝１ｍｍ、長辺側距離Ｗ２＝２ｍｍとなるように形成した。表面層３は、形状、厚さ、距離Ｗ等が表裏両面で同じになるように設けた。【０１７８】
さらに、図９および図１０に示すように、窒化珪素基板２Ｅの２つの短辺の近傍に窒化珪素基板２Ｅを表裏方向に貫通する直径０．７ｍｍのねじ止め孔１２を１個ずつ計２個設けることにより、窒化珪素製絶縁シート１Ｅを作製した（実施例１〜９）。
また、表面層３を設けず、ねじ止め孔１２を設けた窒化珪素基板２Ｅからなる窒化珪素製絶縁シートを作製し、比較例１とした。【０１７９】
【表１】
2011010597.tif 000003
【０１８０】
実施例１〜９の窒化珪素製絶縁シートをそれぞれ用いて半導体モジュール構造体３０Ｅを作製した（実施例１〜９）。半導体モジュール構造体３０Ｅは、図８に示す半導体モジュール構造体３０において窒化珪素製絶縁シート１Ｂに代えて窒化珪素製絶縁シート１Ｅを用いたものである。半導体モジュール構造体３０Ｅを半導体モジュール構造体３０と同様に図８に示す。
半導体モジュール構造体３０Ｅでは、押さえ部材としての銅板８Ａと放熱部材としての放熱フィン１１との間のねじ止めトルクを２５ｋＮとした。【０１８１】
また、実施例１の窒化珪素製絶縁シート１Ｅに代えて比較例１の窒化珪素製絶縁シートを用いた以外は実施例１と同様にして半導体モジュール構造体を作製した（比較例１）。
実施例１〜９および比較例１の半導体モジュール構造体について放熱性と耐久性を確認した。【０１８２】
放熱性は、はじめに各サンプルについて熱抵抗値を測定し、次に各サンプルの熱抵抗値を、表面層を設けない比較例１の熱抵抗値を１００としたときの相対比で示した。１００より小さいと熱抵抗が小さいことを示す。【０１８３】
また、耐久性は、以下のようにして測定した。はじめに、半導体モジュール構造体を振動試験機に固定し、半導体モジュール構造体の圧接方向、すなわちねじ１４の軸方向における５０ｃｍの区間を１分間で５００回往復させる振動操作を１００時間連続で付加した。次に、振動操作終了後の窒化珪素製絶縁シート１Ｅの窒化珪素基板２Ｅの表面を観察し、窒化珪素基板２Ｅの表面のうち、表面層３の周辺端部３２に沿ってクラックが発生しているか否かを目視で確認した。
その結果を表２に示す。【０１８４】
【表２】
2011010597.tif 000004
表２から分かる通り、本実施例に係る窒化珪素製絶縁シートを用いた半導体モジュール構造体は優れた放熱性および耐久性を示すことが分かった。【０１８５】
また、表面層３に活性金属であるＴｉを添加した窒化珪素製絶縁シート（実施例１、２および７）では、窒化珪素基板２Ｅと表面層３との間に、Ｔｉと窒化珪素基板との反応物であるＴｉＮからなる反応層がさらに形成されていることが分かった。【０１８６】
（実施例１０〜１４、比較例２〜６）
窒化珪素基板のサイズおよび表面粗さならびに表面層の材料等を表３のように変えると共に、Ｗ１＝Ｗ２＝１ｍｍとし、ねじ止め孔１２を設けず、一部の実施例ではホーニング加工に代えてショットブラスト加工を行った以外は実施例１と同様にして窒化珪素製絶縁シートを作製した（実施例１０〜１４）。ここで、ショットブラスト加工を行った実施例は実施例１１、１３および１４であり、実施例１０および１２では実施例１と同様にホーニング加工を行った。【０１８７】
実施例１０〜１４の窒化珪素製絶縁シートは、ねじ止め孔１２を設けず、Ｗ１＝Ｗ２＝１ｍｍとした以外は、図９および図１０に示した実施例１〜９の窒化珪素製絶縁シート１Ｅと構成が同じであるため、図示を省略する。
また、実施例１と同様にして、実施例１０〜１４の窒化珪素製絶縁シートをそれぞれ用いて半導体モジュール構造体を作製した（実施例１０〜１４）。
実施例１０〜１４の半導体モジュール構造体は、図８に示した実施例１〜９の半導体モジュール構造体３０Ｅと構成が同じであるため、図示を省略する。【０１８８】
さらに、実施例１０〜１４のそれぞれにおいて表面層を設けない窒化珪素製絶縁シートを作製し、これらを比較例２〜６とした。また、実施例１と同様にして、比較例２〜６の窒化珪素製絶縁シートを用いて半導体モジュール構造体を作製した（比較例２〜６）。
実施例１０〜１４および比較例２〜６の半導体モジュール構造体について、実施例１と同様にして放熱性と耐久性を確認した。【０１８９】
放熱性は、はじめに各サンプルについて熱抵抗値を測定した。次に表面層の有無以外の条件が同様の対応する実施例と比較例（実施例１０と比較例２、実施例１１と比較例３、実施例１２と比較例４、実施例１３と比較例５、実施例１４と比較例６）について、各比較例の熱抵抗値を１００としたときの各実施例の熱抵抗値を相対比で示した。
その結果を表４に示す。【０１９０】
【表３】
2011010597.tif 000005
【０１９１】
【表４】
2011010597.tif 000006
表４から分かる通り、本実施例に係る窒化珪素製絶縁シートを用いた半導体モジュール構造体は優れた特性を示すことが分かった。【０１９２】
また、表面層に活性金属であるＴｉを添加した窒化珪素製絶縁シート（実施例１０および１２）では、窒化珪素基板と表面層との間に、Ｔｉと窒化珪素基板との反応物であるＴｉＮからなる反応層がさらに形成されていることが分かった。【０１９３】
（実施例１５〜１８）
表５に示すＡｌＮ粉末を含有させたシリコーン樹脂からなるシリコーン樹脂ペーストを用い、表面層を作製した以外は、実施例８と同様にして、図９および図１０に示すような窒化珪素製絶縁シートＥを作製した（実施例１５および１６）。表面層は、ＡｌＮ粉末を含有させたシリコーン樹脂ペーストを、実施例１の窒化珪素基板２Ｅの表面に塗布し、乾燥させたものである。【０１９４】
また、表５に示すＡｌ粉末を含有させたエポキシ樹脂を用い、表面層を作製した以外は、実施例９と同様にして、図９および図１０に示すような窒化珪素製絶縁シートＥを作製した（実施例１７および１８）。表面層は、Ａｌ粉末を含有させたエポキシ樹脂ペーストを、実施例１の窒化珪素基板２Ｅの表面に塗布し、乾燥させたものである。
実施例１５〜１８の窒化珪素製絶縁シートＥをそれぞれ用いて図８に示す半導体モジュール構造体３０Ｅを作製した（実施例１５〜１８）。
実施例１５〜１８の半導体モジュール構造体について、実施例１と同様にして放熱性と耐久性を確認した。
その結果を表５に示す。【０１９５】
【表５】
2011010597.tif 000007
【０１９６】
表５から分かる通り、樹脂中に金属粉末またはセラミックス粉末を含有させて得られた表面層を有する窒化珪素製絶縁シートは、放熱性が向上することが分かる。また、含有させる粉末のサイズを樹脂層の厚さの１／２以下、さらには１／５以下にすることにより耐久性を低下させることがないことが分かる。
【符号の説明】
【０１９７】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ  窒化珪素製絶縁シート
２、２Ｄ、２Ｅ  窒化珪素基板
２１  窒化珪素基板の表面
２２  窒化珪素基板の周辺端部
２３  窒化珪素基板の表面露出部
３  表面層
３２  表面層の周辺端部
４  反応層
７  半導体素子（半導体モジュール）
８、８Ａ  押さえ部材
９、１０  絶縁性スペーサ
１１  放熱フィン
１２  窒化珪素製絶縁シートの挿通孔
１３  押さえ部材の挿通孔
１４  ねじ（締め付け部材）
１５  ワッシャ
１６  孔部
２０、３０、３０Ｅ  半導体モジュール構造体
【図１】
2011010597.tif 000008
【図２】
2011010597.tif 000009
【図３】
2011010597.tif 000010
【図４】
2011010597.tif 000011
【図５】
2011010597.tif 000012
【図６】
2011010597.tif 000013
【図７】
2011010597.tif 000014
【図８】
2011010597.tif 000015
【図９】
2011010597.tif 000016
【図１０】
2011010597.tif 000017
【国際調査報告】
2011010597.tif 000018
2011010597.tif 000019
2011010597.tif 000020
2011010597.tif 000021
2011010597.tif 000022
2011010597.tif 000023
2011010597.tif 000024