(57)【要約】【課題】多くの不純物酸素を含む低品位のケイ素粉末を出発原料として用いることができ、従来の成形、焼成プロセスを用いて、優れた機械特性と高熱伝導性を併せ持つ窒化ケイ素焼結体を製造し、パワーモジュール用基板に適した高熱伝導窒化ケイ素基板を提供する。【解決手段】ケイ素粉末に、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、０．５〜７ｍｏｌ％の希土類元素の酸化物と、１〜７ｍｏｌ％のマグネシウム混合物とを、上記ケイ素粉末に含まれる不純物酸素とマグネシウム化合物からの酸素との総量が０．１〜１．８質量％となるように混合し、該混合物を成形して窒化し、得られた窒化体を０．１ＭＰａ以上の窒素中で加熱して相対密度が９５％以上になるように緻密化し、得られた板状の窒化ケイ素焼結体の少なくとも一方の面に、マグネシウム、チタン、ジルコニウムのうち少なくとも一種の金属元素を含むろう材を用いて金属板を接合する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
β相窒化ケイ素を主成分とし、少なくとも一種の希土類元素を酸化物に換算して０．５〜７ｍｏｌ％含有し、Ｍｇの存在量が酸化物に換算して２ｍｏｌ％以下であり、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、及び予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性が７ＭＰａｍ1/2以上である窒化ケイ素焼結体の少なくとも一つの面に、金属層を設けたことを特徴とする高熱伝導窒化ケイ素基板。
【請求項２】
上記金属層の厚さが０．２５ｍｍ以上であり、該金属層と窒化ケイ素焼結体の接合界面に酸化マグネシウム、窒化チタンまたは窒化ジルコニウムのいずれか１種以上を含む層を形成してなる請求項１に記載の高熱伝導窒化ケイ素基板。
【請求項３】
ケイ素粉末或いはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、０．５〜７ｍｏｌ％の希土類元素の酸化物と、１〜７ｍｏｌ％のマグネシウム混合物とを混合した混合物であって、
上記マグネシウム混合物が、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ2Ｓｉ）、窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ2）から選択される少なくとも一種であり、
上記ケイ素粉末或いはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に含まれる不純物酸素とマグネシウム化合物からの酸素との総量が０．１〜１．８質量％である混合物を調整し、
該混合物を成形して窒化し、得られた窒化体を０．１ＭＰａ以上の窒素中で加熱して相対密度が９５％以上になるように緻密化し、得られた板状の窒化ケイ素焼結体の少なくとも一方の面に、マグネシウム、チタン、ジルコニウムのうち少なくとも一種の金属元素を含むろう材を用いて金属板を接合することを特徴とする高熱伝導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、パワー半導体を搭載してそれから発生する熱を逃がす作用を持ち、且つ高い信頼性が要求されるパワーモジュール用基板等に適した、高熱伝導窒化ケイ素基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造部材としての放熱材料を考えた場合、最も一般的な金属材料は５００℃を超える条件下において冷却等を行うことなしに用いることは不可能である。さらに、これら金属材料はセラミックスに比べて耐食性、耐酸化性に劣る。また導電体であることから、高密度実装基板など高い放熱性を要求される絶縁基板材料として用いることは難しい。
【０００３】
一方、窒化アルミニウム焼結体、炭化ケイ素焼結体等のセラミック材料は高い絶縁性と高い熱伝導性を併せ持つことから、一部放熱基板材料として使用されるようになってきた。しかし、これらの高熱伝導性セラミックスは強度、靱性が低く機械的信頼性に欠けるためその用途は非常に限られたものであった。
【０００４】
窒化ケイ素焼結体は、高い強度と高い靱性を合わせ持つ優れた構造用セラミック材料として知られている。さらに、炭化ケイ素や窒化アルミニウムとの結晶構造の類似性から窒化ケイ素結晶の理論的な熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以上と期待されている。しかし、一般的な窒化ケイ素焼結体においては、窒化ケイ素粒子内部に不純物酸素が固溶しており、このため熱伝導を担うフォノンが散乱され、熱伝導率は数十Ｗ／ｍＫ程度である。
【０００５】
窒化ケイ素焼結体について、高い熱伝導率を発現させるためには、焼結時に窒化ケイ素粒子内部の固溶酸素を低減させることが必要である（非特許文献１参照）。
【０００６】
窒化ケイ素は、共有結合性が強く、拡散係数が小さいので、その焼結の際には、一般に、酸化物が焼結助剤として添加される。添加した焼結助剤は窒化ケイ素原料中の不純物酸素と反応して酸窒化物の融液を生成し、生成した液相の働きにより緻密化と粒成長が進行する。
【０００７】
酸素との親和性が高い希土類酸化物を助剤として添加した場合、液相中に多くの酸素がトラップされ、窒化ケイ素粒子の成長とともに粒子内部の固溶酸素量が低減する。このため、希土類酸化物は高熱伝導化のための重要な助剤である。しかし、希土類酸化物のみの添加では、生成する液相の融点が高いため、機械特性に優れた緻密な焼結体を得ることが困難である。このため、優れた機械特性と高い熱伝導率を共生させた窒化ケイ素焼結体を得るために、焼結助剤の種類、添加量、焼結温度、時間などのプロセス因子について様々なアプローチが行なわれてきた。
【０００８】
例えば、特許文献１には、Ａｌ含有量が０．１質量％以下で平均粒径１μｍ以下の微細な窒化ケイ素粉末にＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂのうちから選ばれる１種または２種以上の元素の酸化物焼結助剤を１〜１５質量％添加して成形した後、０．１〜５０ＭＰａの窒素ガス圧下で、１７００〜２３００℃の温度で焼成することにより７ＭＰａｍ1/2以上の破壊靱性、６００ＭＰａ以上の強度、８０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する窒化ケイ素焼結体を作製することが可能なことが開示されている。
【０００９】
また、特許文献２には、窒化ケイ素粉末にマグネシウム及びイットリウム及び／またはランタノイド族元素の１種以上の酸化物を総計で１．０質量％以下添加した原料粉末を成形した後に、温度１８００〜２０００℃、窒素圧０．５〜１０ＭＰａ、焼成雰囲気調整用の詰粉に、窒化ケイ素、窒化ホウ素及び酸化マグネシウムからなる混合粉末を用いて焼成し、焼結体の粒子の大きさ、窒化ケイ素粒子内の酸素量、残留助剤成分量を制御することにより、常温における熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上の特性を持つ窒化ケイ素焼結体の製造が可能であることが開示されている。
【００１０】
また、特許文献３には、β相分率が３０〜１００％であり、酸素含有量が０．５質量％以下、平均粒子径が０．２〜１０μｍ、アスペクト比が１０以下である窒化ケイ素粉末１〜５０質量部と、平均粒子径が０．２〜４μｍのα型窒化ケイ素粉末９９〜５０質量部と、Ｍｇと、Ｙ及び希土類元素（ＲＥ）からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とを含む焼結助剤とを配合し、０．５ＭＰａの窒素雰囲気にて１４００〜１６００℃の温度で１〜１０時間保持した後、５．０℃／ｍｉｎ以下の昇温速度で１８００〜１９５０℃にして５〜４０時間焼結するプロセスにより製造された、常温における熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上の高強度・高熱伝導性窒化ケイ素質焼結体が記載されている。
【００１１】
また、本発明者らが行った予備的な実験では、従来の焼結法では、焼結時間の増加とともに、窒化ケイ素の粒成長が進み、熱伝導率は向上するものの、過度の粒成長のため熱伝導率の向上とともに、強度、及び破壊靭性が著しく低下することが判明した。
【００１２】
例えば、後述する比較例（表１参照）に示すように、平均粒径０．２μｍの窒化ケイ素微粉末に２ｍｏｌ％のＹｂ2Ｏ3と５ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した窒化ケイ素成形体を１８５０℃で１２時間焼成を行なった焼結体は、９５Ｗ／ｍＫの熱伝導率と８５０ＭＰａの強度を有するが、同じ成形体を４８時間焼成を行なった場合、熱伝導率は１０５Ｗ／ｍＫまで向上するものの、強度は３００ＭＰａまで激減する。
【００１３】
上述の事例で例示したように、従来法では性状が制御された窒化ケイ素粉末を用い、焼結助剤の種類、添加量、焼結条件などのプロセスパラメータを最適化し、所定の微細構造を発現させることにより、１００Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率と６００ＭＰａ以上の強度を持つ窒化ケイ素焼結体を作製することができる。しかし、いずれの製造方法においても高価な窒化ケイ素粉末を用いるため、製品の価格が高くなり、また、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫを超えると、急激に強度、靭性が低下し機械的な信頼性が乏しくなる。このように、製品価格と、熱伝導、及び機械特性との共生の二つの観点から、従来の焼結法で得られる高熱伝導窒化ケイ素は満足するものでなかった。
【００１４】
原料粉末に要するコストを低減させるという観点から、次に例示するように、原料粉末として安価なケイ素粉末を用い、その成形体を窒素中で窒化後、高温で焼結するいわゆる反応焼結手法を用いた高熱伝導窒化ケイ素材料の開発が行なわれている。例えば、特許文献４では、ケイ素、或いはケイ素と窒化ケイ素との混合粉末に対して、周期律表第３ａ族元素化合物を酸化物換算で２〜１０ｍｏｌ％の割合で添加し、且つアルミニウム含有量が酸化物換算で０〜０．５質量％の混合粉末を成形し、該成形体を８００〜１５００℃の窒素含有中で熱処理して、前記ケイ素を窒化して、β型窒化ケイ素を１０％以上含有する窒化体を作製した後、該窒化体を１４００〜１８００℃の窒素を含む常圧下で焼成し、さらにその焼結体を１８００〜１９８０℃の窒素圧０．１５ＭＰａ以上の雰囲気下で焼成して、前記窒化ケイ素結晶の平均粒径が２μｍ以上、平均アスペクト比が１５以下、任意の３００μｍ×３００μｍの領域に長さ２０μｍ以上の窒化ケイ素粒子が５個以上存在の焼結体組織とすることで、高強度、高靭性、高熱伝導を併せ持つ窒化ケイ素を製造できるとされている。
【００１５】
特許文献４では、窒化ケイ素の熱伝導率を向上させるために、アルミニウム含有量を０．５％以下にすることが重要であることが述べられている。これはアルミニウムが、窒化ケイ素結晶に固溶しフォノンを散乱させる要因となるためである。
【００１６】
しかし、非特許文献１、２にその詳細が示されているように、窒化ケイ素焼結体の熱伝導率を阻害する最も大きな要因は不純物酸素である。このため、不純物酸素量の影響については考慮されていない本先行文献で達成されている熱伝導率の値６０〜７８Ｗ／ｍＫは、放熱部材として十分なものでない。
【００１７】
また、特許文献５においては、不純物酸素が熱伝導率を大きく低下させるとの概念のもとで、ケイ素の反応焼結による窒化ケイ素焼結体の製造プロセスにおいて、含有酸素量が１質量％以下のケイ素粉末を用い、その８０〜９９質量％とＹ、Ｙｂ、Ｓｍの少なくとも１種の元素の酸化物粉末１〜２０質量％とを混合し、その成形体を窒素雰囲気中１４００℃以下の温度で窒化処理した後、１７００〜１９５０℃の温度で焼成することにより、高熱伝導窒化ケイ素が得られることが開示されている。
【００１８】
さらに、特許文献５には、不純物酸素を低減させるために、還元性コーティング剤をケイ素粉末に添加し、１３ｋＰａ以下の真空中、窒素含有雰囲気中で２００〜８００℃の温度範囲で熱処理することが示されている。
【００１９】
また、特許文献６においては、転位の少ない原料を用い、且つプロセス中において、粉末、成形体に９．８ＭＰａ以上の圧力を加えないなどの手法により、フォノンの散乱要因の一つである窒化ケイ素粒子中の転位密度を、１０μｍ／μｍ3以下とすることで高強度と高熱伝導率が達成できることが開示されている。
【００２０】
さらに、特許文献７においては、窒化ケイ素以外の第一成分として希土類元素の少なくとも１種、第二成分としてアルカリ土類元素、Ｌｉ、Ｓｒの少なくとも１種を含み、酸化物に換算したモル比率で第一成分が０．９５〜７．７ｍｏｌ％及び第二成分が０．４９〜４．７ｍｏｌ％であって、第一成分濃度は中心部より表面部が高く、第二成分の濃度は表面部より中心部を相対的に高くすることにより高強度・高熱伝導窒化ケイ素を作製することが開示されている。
【００２１】
このように、ケイ素粉末を用いることが可能な反応焼結に関しても、１００Ｗ／ｍＫを超える高い熱伝導率を持つ窒化ケイ素焼結体の作製に関して多くの手法が開発されている。しかし、従来の手法は、例えば、高熱伝導を達成するためには、不純物酸素量が１％以下のケイ素粉末を使用することや、還元性コーティング剤を添加し還元処理を行う必要があること（特許文献５参照）、転位密度の少ないケイ素原料を用い、また、成形時の圧力を９．８ＭＰａ以下で行うこと（特許文献６参照）、焼結体の外周部と内周部で組成が異なるように制御を行うこと（特許文献７参照）など、使用可能なケイ素原料粉末や適用可能なプロセスに多くの制限があるという問題を抱えているのが実情であった。
【００２２】
【特許文献１】特開平０９−０３０８６６号公報
【特許文献２】特開２００２−２９３６４２号公報
【特許文献３】特開２００３−３１３０７９号公報
【特許文献４】特開平１１−１００２７６号公報
【特許文献５】特開平１１−３１４９６９号公報
【特許文献６】特開２０００−１６９２３９号公報
【特許文献７】特開２０００−２７２９６８号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，“Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ｂｅｔａ−Ｓｉ３Ｎ４  ＩＩ：  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｏｘｙｇｅｎ，”  ８３［８］１９８５−１９９２（２０００）
【非特許文献２】日本セラミックス協会学術論文誌、”窒化ケイ素の熱伝導率に及ぼす焼結体中の酸素の影響”，１０９［１２］１０４６−１０５０（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上述のように、これまでに開発されたケイ素の反応焼結手法を用いた高熱伝導窒化ケイ素の製造方法は、使用可能なケイ素原料粉末や製造プロセスが大きく制限され、本手法を用いることの利点、即ち、安価なケイ素粉末を用い、従来の窒化ケイ素の焼結手法と同様なプロセスで高い特性を持つ材料を得るという利点を十分に生かしたものでなかった。
【００２４】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、安価なケイ素粉末を用い、従来の窒化ケイ素の焼結手法と同様なプロセスで高い特性を持つ材料を製造することを目標として、鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
【００２５】
本発明の目的は、ケイ素の窒化反応を用いた反応焼結による窒化ケイ素焼結体の製造において、多くの不純物酸素を含む低品位のケイ素粉末から不純物酸素量の少ない高品位なケイ素粉末まで多様なケイ素粉末を出発原料として用いることができ、さらに従来の成形、焼成プロセスの適用が可能で、しかも優れた機械特性と高熱伝導性を併せ持つ窒化ケイ素焼結体の製造方法を用いて、パワー半導体を搭載してそれから発生する熱を逃がす作用を持ち、且つ高い信頼性が要求されるパワーモジュール用基板等として最適な、高信頼性・高熱伝導窒化ケイ素基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、β相窒化ケイ素を主成分とし、少なくとも一種の希土類元素を酸化物に換算して０．５〜７ｍｏｌ％含有し、Ｍｇの存在量が酸化物に換算して２ｍｏｌ％以下であり、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、及び予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性が７ＭＰａｍ1/2以上である窒化ケイ素焼結体の少なくとも一つの面に、金属層を設けたことを特徴とする高熱伝導窒化ケイ素基板である。
【００２７】
本発明において好ましくは、上記金属層の厚さが０．２５ｍｍ以上であり、該金属層と窒化ケイ素焼結体の接合界面に酸化マグネシウム、窒化チタンまたは窒化ジルコニウムのいずれか１種以上を含む層を形成してなる。
【００２８】
また、本発明は、ケイ素粉末或いはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、０．５〜７ｍｏｌ％の希土類元素の酸化物と、１〜７ｍｏｌ％のマグネシウム混合物とを混合した混合物であって、
上記マグネシウム混合物が、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ2Ｓｉ）、窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ2）から選択される少なくとも一種であり、
上記ケイ素粉末或いはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に含まれる不純物酸素とマグネシウム化合物からの酸素との総量が０．１〜１．８質量％である混合物を調整し、
該混合物を成形して窒化し、得られた窒化体を０．１ＭＰａ以上の窒素中で加熱して相対密度が９５％以上になるように緻密化し、得られた板状の窒化ケイ素焼結体の少なくとも一方の面に、マグネシウム、チタン、ジルコニウムのうち少なくとも一種の金属元素を含むろう材を用いて金属板を接合することを特徴とする高熱伝導窒化ケイ素基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明においては、高い熱伝導率と高強度、高靱性を併せ持つ窒化ケイ素焼結体が得られ、その焼結体に金属板を接合することにより、特に耐熱サイクル性に優れた高信頼性の高強度高熱伝導窒化ケイ素基板が得られる。また、使用する窒化ケイ素焼結体の機械特性が優れているので、接合する金属を選ばず、剛性の高い金属板や厚い金属板を接合することが可能である。従って、パワーモジュール用部材として用いる場合、パワーモジュールのベース板に直接窒化ケイ素板を接合した基板としたり、ベース板を用いず窒化ケイ素基板を直接筐体にねじ止めしたりする構造を取ることが可能となるので、パワーモジュールの新規な構造を実現できる可能性がある。これらにより、パワーモジュールの小型化、コストダウン、及び長寿命化が可能となるので、産業上大きな貢献が期待でき、また、それらを通じて省エネルギー、地球環境保全に寄与しうる。
【００３０】
また、本発明の製造方法によれば、多くの不純物酸素を含む低品位のケイ素粉末から不純物酸素量の少ない高品位なケイ素粉末まで、多様なケイ素原粉末を出発原料として用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明において、ケイ素粉末の窒化反応を用い、緻密な窒化ケイ素焼結体を作製するためには、ケイ素粉末に窒化ケイ素の焼結助剤を予め添加し、混合粉末の成形体を１４００℃以下の窒素中で加熱し、ケイ素を窒化ケイ素とした後、得られた窒化体をさらに高温の窒素中で加熱することにより緻密化を行うことが必要とされる。このため、本発明において、高い熱伝導率を持つ窒化ケイ素焼結体を得るための設計指針は、窒化ケイ素を出発原料とした一般的な焼結手法と基本的には同じである。
【００３２】
既に述べたように、窒化ケイ素粉末は、不可避的に数％程度の不純物酸素を含有している。また、窒化ケイ素はそれ自身では焼結しないので、窒化ケイ素焼結体を製造する場合、酸化物が焼結助剤として添加される。結晶中の固溶酸素が存在すること及び残留する低熱伝導の粒界相が存在することが、焼結体の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫを超えると予測されている窒化ケイ素結晶の理論的な熱伝導率に比較して著しく低くなることの要因である。
【００３３】
このため、窒化ケイ素焼結体の熱伝導率を向上させるためには、（１）窒化ケイ素結晶に固溶し結晶自身の熱伝導率を低下させる固溶酸素量を低減させること、（２）焼結体に残留する低熱伝導の粒界相を低減させること、が必要、且つ重要である。
【００３４】
従って、高熱伝導化にはこの焼結助剤の選択が非常に重要である。前者のためには、酸素との親和性が高く粒界相に酸素をトラップする能力に優れた希土類元素酸化物が助剤として用いられる。後者を満足させるためには、加熱時に生成する融液の融点を低下させ、焼結初期に緻密化に貢献し、さらに、高温での焼結時に蒸発揮散する酸化マグネシウム及び／または窒化ケイ素マグネシウムが好適に用いられる。
【００３５】
ケイ素粉末も窒化ケイ素粉末同様に、不可避的に不純物酸素を含んでいる。この酸素量は、ケイ素粉末の性状により大きく異なるが、一般に０．２質量％程度から数質量％程度の範囲にある。窒化ケイ素粉末を用いた従来の焼結法に比べて、ケイ素粉末の反応焼結を用いた窒化ケイ素焼結体の製造方法は、酸素量低減という観点から大きな利点を有する。
【００３６】
即ち、具体的には、
（１）３Ｓｉ＋２Ｎ2＝Ｓｉ3Ｎ4の窒化反応に伴い、試料重量が約７０％増加するので、相対的に不純物酸素量の割合が低下する、
（２）Ｓｉ粉末成形体の窒化は寸法変化を伴わずに重量が増加するため、窒化体は成形体に比べて十数％相対密度が高くなり、ポスト焼結過程での緻密化が容易である、
（３）このことは焼成時間の短縮化を可能とし、機械特性に悪影響を及ぼす過度の粒成長を防ぐことを可能とする、等の利点を有する。
【００３７】
このように、反応焼結による手法は、高熱伝導化の観点から優れた潜在的なポテンシャルを有している。しかし、単にケイ素粉末原料中の不純物酸素量の低減を図ったのでは、原料の高純度化に伴い原料コストが増加する、使用できる原料が限定される、不純物酸素もシリカとしての焼結助剤の一端を担うので、原料の酸素量の低減に伴い焼結性が阻害される、といった問題点がある。
【００３８】
そこで、本発明者らは、機械特性と熱伝導性に優れた窒化ケイ素焼結体の反応焼結手法により製造することを目的に、ケイ素粉末の性状、特に不純物酸素量と助剤組成が、窒化体をポスト焼結して得られる窒化ケイ素焼結体の熱伝導と機械特性に及ぼす影響について鋭意検討を行った。
【００３９】
その結果、熱伝導率、強度、靱性を共生させた窒化ケイ素焼結体を作製するためには、ケイ素粉末に含まれる不純物酸素量と焼結助剤としてのマグネシウム化合物からの酸素量の和並びに希土類酸化物の添加量を、特定の範囲に精緻に制御することにより、初めて実現できるとの新規知見を見出し、本発明に至った。
【００４０】
即ち、本発明では、ケイ素粉末の反応焼結を利用して合成した反応焼結窒化ケイ素焼結体であって、β相窒化ケイ素を主成分とし、希土類元素の少なくとも一種を酸化物に換算して０．５〜７ｍｏｌ％含有し、Ｍｇの存在量が酸化物に換算して２ｍｏｌ％以下であり、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性値が７ＭＰａｍ1/2以上の特性を有する窒化ケイ素焼結体が得られ、該窒化ケイ素焼結体に金属層を接合することにより、高信頼性高熱伝導窒化ケイ素基板を得ることができる。
【００４１】
さらに本発明において製造条件を選ぶことにより、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性値が１０ＭＰａｍ1/2以上の特性を有する窒化ケイ素焼結体を製造することができ、従来よりもさらに信頼性の高い窒化ケイ素基板を得ることができ、この基板を用いたパワーモジュールの信頼性を高め、小型化することが可能となる。
【００４２】
本発明では、ケイ素粉末或いはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において、希土類元素の酸化物を０．５〜７ｍｏｌ％、さらに、マグネシウム化合物として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ2）、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ2Ｓｉ）から選択される少なくとも一種を１〜７ｍｏｌ％混合して用いる。また、当該混合物においては、ケイ素粉末或いはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に含まれる不純物酸素並びにマグネシウム化合物からの酸素の総量がケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において０．１〜１．８質量％の範囲となるように添加し、出発原料粉末とする。
【００４３】
上記出発原料粉末において、希土類元素の添加量が０．５ｍｏｌ％未満であると、粒界相に酸素をトラップすることができず、窒化ケイ素粒子に固溶する酸素が多くなるので、熱伝導率が低くなり、また、７ｍｏｌ％を超えると、イットリウム等を含む廷熱伝導の粒界相の量が多くなり、焼結体の熱伝導率が低下する。本発明に用いる希土類元素としては、入手が容易であり、また、酸化物として安定なＹ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｓｍが好ましく、これらから選択される少なくとも一種を酸化物として添加する。
【００４４】
希土類酸化物のみを助剤として添加して窒化ケイ素焼結体を作製した場合、緻密化を行なうために１０ＭＰａ程度の高窒素圧中、２０００℃に及ぶ超高温での焼成が必要であり、特殊な焼成炉を要するので、プロセスコストが高くなる。また、超高温での焼成により著しい粒成長が生じ、機械特性の低下を招く。このため、ポスト焼結時の緻密化を促進し、また、高強度、高靭性の発現を可能とするために、希土類化合物の添加と同時にマグネシウム化合物を添加することが必要不可欠である。マグネシウム化合物の添加は、Ｍｇイオンが加熱時に生成する酸窒化ガラスの修飾イオンとなり、ガラスの粘性を低下させ、緻密化を促進するとともに、焼成中に蒸発揮散し、残留する粒界相の量を低減させる働きがある。
【００４５】
ケイ素粉末は、上述のように０．２〜数質量％の不純物酸素を含んでいる。不純物酸素は窒化ケイ素の熱伝導率の阻害要因ではあるが、一方ではシリカとして窒化ケイ素の緻密化のための重要な焼結助剤である。本発明者らは、高熱伝導、高強度、高靭性を共生させるためには、マグネシウムイオンの量、並びにケイ素粉末の不純物酸素とマグネシウム化合物に含まれる酸素の総量を同時に制御することが重要であることを見出した。
【００４６】
マグネシウム源として酸化マグネシウムを用いる従来の手法では、不純物酸素を多く含む低価格のケイ素粉末を高熱伝導材料の原料として用いることはできなかった。本発明の大きな特徴は、酸素量の調整を、酸素を含む酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸素を含まないマグネシウム化合物を用いて行うことにある。即ち、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ケイ素マグネシウム（ＭｇＳｉＮ2）、及びケイ化マグネシウム（Ｍｇ2Ｓｉ）を用いて行なうことにある。即ち、酸化マグネシウム、窒化ケイ素マグネシウム、ケイ化マグネシウムから選択される少なくとも一種を、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において１〜７ｍｏｌ％、且つ、ケイ素及び窒化ケイ素に含まれる不純物酸素並びにマグネシウム化合物からの酸素の総量が、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において０．１〜１．８質量％の範囲となるように、ケイ素粉末或いはケイ素粉末と窒化ケイ素粉末の混合粉末に添加する。
【００４７】
本発明では、不純物酸素量の多いケイ素粉末に対しては窒化ケイ素マグネシウムやケイ化マグネシウム等酸素を含まないマグネシウム化合物を主体として、一方、不純物酸素量の少ないケイ素粉末に対しては酸化マグネシウムを主体として添加される。マグネシウム源の添加量が１ｍｏｌ％未満であると緻密化が困難であり、一方、７ｍｏｌ％を超えるとポスト焼結後にも多量のマグネシウムが残留し焼結体の熱伝導率を阻害する。
【００４８】
同様に、ケイ素に含まれる不純物酸素並びにマグネシウム化合物からの酸素の総量が、ケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において０．１質量％未満であると緻密化を行なうことができず、また、１．８質量％を超えると粒界相中の酸素量が過多となり、窒化ケイ素粒子に固溶する酸素量が増加して焼結体の熱伝導率を低下させる。また、窒化反応時のケイ素粉末の融着を防ぐためには、窒化ケイ素粉末をケイ素が完全に窒化した組成に対して３０質量％まで添加することも有効であるが、この場合窒化ケイ素粉末に含まれる不純物酸素も上記組成に考慮することが必要である。
【００４９】
本発明における酸素を含まないマグネシウム化合物としては、マグネシウムのケイ化物、フッ化物、ホウ化物、窒化物さらにはこれらの三元系化合物を用いることができるが、取り扱いの容易性、プロセス時の安定性、有害物質の発生がないことなどから、窒化ケイ素マグネシウムとケイ化マグネシウムが好適に用いられる。さらに、窒化ケイ素マグネシウムとしては、好適には、例えば、Ｍｇ2Ｓｉ粉末、Ｓｉ粉末、窒化ケイ素粉末の所定量をＭｇとＳｉのモル比が１：１となるように混合し、窒素雰囲気中１３５０℃に加熱し合成されたもの（特開２００３−２６７７０９号公報参照）を解砕して得た粉末が用いられるが、これらに制限されるものではない。
【００５０】
上述の組成に基づいて秤量された粉末は、水或いは有機溶剤を溶媒として用い、必要に応じて有機系結合材や分散材を添加し、ボールミルや遊星ミルにより通常の方法で混合される。その後、必要応じて溶媒を除去した後、金型成形、シート成形、静水圧加圧成形（ＣＩＰ成形）などにより所定の形に成形し、場合によっては成形に用いた有機バインダー等を除去するために８００℃以下の温度で仮焼した後、１２００〜１４００℃の温度範囲で窒化を行なう。さらに窒化体は０．１ＭＰａ以上の窒素中で１７００〜１９５０℃の温度でポスト焼結を行い、９５％以上の相対密度に緻密化される。
【００５１】
本発明において、窒化ケイ素焼結体の製造にはシート成形法が好適である。例えば押し出し成形法の例を示せば、前記の配合で各原料粉を秤量し、万能混合機に入れ、メチルセルロース等の有機バインダーを３〜１０質量％と水１０〜３０質量％を加え、混合する。３本ロール等の混練機で混練した後、冷蔵して熟成させ、押し出し機で押し出し、厚さ０．２〜２ｍｍ程度の厚さに成形する。得られたグリーンシートを打ち抜き機等により所定の大きさに切断した後、離型用のＢＮ粉やＢＮ板を間に置いて積み重ね、黒鉛の断熱材と加熱用黒鉛ヒーターを備える高温炉内にセットする。高温炉としては、その内部で発生したガスを外部に効率的に排出することができ、真空も加圧もできるタイトボックス式電気炉（例えば、島津製作所製ＰＶＳＧ型）を用いると、脱バインダーと窒化反応とポスト焼結を一つの炉で行えるので、生産性が高く好都合である。
【００５２】
８００℃以下に加熱して有機バインダーを真空中で分解除去し、その後、一旦、１Ｐａ程度まで十分に真空引きした後、９９．９％以上の純度の窒素ガスを供給する。その後、窒化開始温度まで昇温し、窒化反応の進み具合をモニターしながら、窒素ガス供給量と窒素ガス圧を制御する。窒素ガスの吸収量から計算した窒化率が７５％以上に達したら、窒素ガス圧を０．９ＭＰａに加圧すると共に、ポスト焼結温度に昇温し、残りの窒化反応を進め、窒化体を緻密化させる。
【００５３】
ポスト焼結温度が１７００℃未満であると十分に緻密化を行なうことができず、一方、１９５０℃を超える場合は過度の粒成長が生じ強度が著しく低下するので、ポスト焼結温度は１７００〜１９５０℃、望ましくは１７５０〜１９００℃で行なう。また１３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を達成に向上させるためには上記のポスト焼結条件下で保持時間を調整し、或いは緻密化の後に１７００℃以下の温度と非酸化雰囲気中で熱処理し、また、Ｍｇ元素の量を酸化物に換算して０．２質量％以下に揮散させることが必要、且つ重要である。
【００５４】
本発明においては、得られた窒化ケイ素焼結体の少なくとも一つの面に金属板を接合する。接合する金属板には、基板の熱伝導率を重視する場合は純度の高い銅またはアルミニウム板を、機械的強度を重視する場合は銅またはアルミニウムを主成分とする合金板や、その他の金属板を用いるのが好ましく、要求に応じて適宜選択することができる。２種類の異なる金属板を同一の窒化ケイ素焼結体に接合しても良い。また、その厚さは、０．１ｍｍ〜６ｍｍ程度まで自由に選択でき、好ましくは０．２５ｍｍ以上である。
【００５５】
本発明の窒化ケイ素焼結体は、製造条件を選べば９ＭＰａｍ1/2以上の非常に高い破壊靱性を持つので、機械的強度の高い合金板や厚い金属板を接合しても、接合外周部に発生する微小なクラックが入りにくく、またクラックが入ったとしても進展し難い。０．１〜０．５ｍｍ程度の厚さの純度の高い銅やアルミニウムの金属板を両面に接合した、通常の窒化ケイ素基板では、従来公知のものより耐ヒートショック性に優れた基板が得られ、それを使用して組み立てたパワーモジュールを通常の使用環境で使用する限り、その寿命は半永久的である。
【００５６】
本発明で用いる窒化ケイ素焼結体は機械特性が優れるので、窒化ケイ素焼結体や接合する金属板の面積を通常より大きくすることが可能であり、また、通常は複数の窒化ケイ素基板が半田付けされる厚さ３〜６ｍｍ程度あるパワーモジュールのベース板に、直接窒化ケイ素板を接合することが可能である。
【００５７】
接合に用いるろう材としては、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒのうち少なくとも一種の金属元素を含むロウ材が好ましい。具体的には、アルミ板接合用には、ＭｇとＣｕ、Ｓｉ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上を含有するＡｌ合金もしくは混合物を用いるのが好ましい。好ましくは、Ｍｇが０．０５〜３質量％であるろう材を用いると接合の信頼性が高くなる。ろう材として使用できるアルミニウム合金の日本工業規格の番号を例示すれば、ＪＩＳ２０１４、２０１７、２０１８、２０２４、２０３０、２０３６、２２１４、２２２４が上げられる。銅板やその他の金属板の接合用には、Ｔｉ、Ｚｒの中から選ばれる１種以上の金属元素を含むＡｇとＣｕを主成分とする合金または混合物を用いるのが好ましい。
【００５８】
ろう材箔は、ろう材合金を圧延機により厚さ５〜４０μｍに圧延して使用する。例えば上記のアルミニウム合金の薄板を圧延し、接合面積に応じて必要寸法に切断して、窒化ケイ素焼結体と金属板の間に挿入する。ろう材混合物は、金属粉体の混合物であり、テルピネオール等の溶剤に粉体を分散させてペースト状にして、窒化ケイ素焼結体または金属板の少なくとも一方の接合面に、スクリーン印刷法、刷毛塗り法等により、乾燥後のペースト厚みが１０〜５０μｍになるように塗布する。ろう材の厚みやペーストの厚みが、上記下限値を下回ると、接合界面に生じる酸化マグネシウム、または窒化チタン、または窒化ジルコニウムの層が少量しか出来ず、上限値を上回ると脆い合金層が出来やすく、どちらの場合も、耐ヒートサイクル性の悪い接合面が剥離しやすい信頼性の低い基板となる。
【００５９】
窒化ケイ素焼結体とろう材を上記のように配置したものを加熱炉に入れ、必要に応じて荷重をかけながら、真空または窒素ガス中で、金属板とろう材の種類に応じて５２０〜６５０℃、もしくは７５０〜９５０℃に加熱して、ろう材の少なくとも一部を溶融し、窒化ケイ素焼結体と金属板を接合する。上記温度範囲を外れると、接合不十分となったり、脆い接合層が出来たりして、基板の信頼性が低下する。
【００６０】
接合後、断面を電子線マイクロ分析等により接合界面の構成層を分析すると、十分信頼性の高い、耐熱サイクル性の良い基板では、界面に、酸化マグネシウム、または窒化チタン、または窒化ジルコニウムが、窒化ケイ素焼結体と金属板の接合平面の面積の５０％以上を占める割合で層状に分布する。
【実施例】
【００６１】
比較例及び実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の例によって何ら制限されるものではない。
【００６２】
〔比較例１−１〜１−６〕
（窒化ケイ素粉末を出発原料とした通常の焼結方法）
平均粒径０．２μｍの窒化ケイ素粉末（不純物酸素量１．３質量％）に２ｍｏｌ％の酸化イッテルビウム或いは２ｍｏｌ％の酸化イットリウム及び５ｍｏｌ％の酸化マグネシウムを添加し、メタノールを分散媒とし窒化ケイ素ポットと窒化ケイ素ボールを用いて２時間遊星ミル混合を行なった。エバポレータを用いてメタノールを蒸発させ、得られた粉末を４５×５０×５ｍｍの形状に金型を用いて成形し、さらに３０６ＭＰａの圧力でＣＩＰ成形した。
【００６３】
成形体を窒化ホウ素（ＢＮ）製ルツボに設置し、０．９ＭＰａの加圧窒素中、１８５０℃で１２時間、２４時間或いは４８時間焼結を行った。焼結体の表面を研削し、３×４×４０ｍｍの形状の試料を切り出しＪＩＳ−Ｒ１６０１の３点曲げ強度測定、ＪＩＳ−Ｒ１６０７の予き裂導入破壊靱性測定を行った。さらに厚さ約２ｍｍの円盤状試験片を作製し、レーザーフラッシュ法を用いて熱伝導率を測定した。
【００６４】
この様にして得られた焼結体の熱伝導率、強度、及び破壊靱性の値を表１に示す。窒化ケイ素粉末と酸化物系助剤を用いた通常の焼結手法では、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率、６００ＭＰａ以上の３点曲げ強度、７ＭＰａｍ1/2以上の破壊靱性を共生させた焼結体を得ることはできないことが分かった。また、焼結時間を長くした試料では幾分の熱伝導率の向上が見られるが、強度、及び破壊靭性の急激な低下を伴うことが分かった。
【００６５】
〔比較例１−７、１−８〕
（窒化ケイ素粉末を出発原料とした通常の焼結方法）
粒子径１５０μｍのケイ化マグネシウム粉末、粒子径１０μｍのケイ素粉末、純度９９％、粒子径１μｍの窒化ケイ素粉末を、それぞれ重量比で６４．６％、５．９％、２９．５％となるように秤量し、メノウ乳鉢を用いて混合した。高純度窒化ホウ素（ＢＮ）ルツボに充填した混合粉末をアルミナ製管状炉に設置し、窒素気流中で〜１３５０℃に加熱し１時間保持した後、炉内で室温まで冷却し、窒化ケイ素マグネシウム粉末を合成した。
【００６６】
平均粒径０．２μｍの窒化ケイ素粉末（不純物酸素量１．３質量％）に２ｍｏｌ％の酸化イットリウム及び上記手法で合成した窒化ケイ素マグネシウムの５ｍｏｌ％を添加し、メタノールを分散媒とし窒化ケイ素ポットと窒化ケイ素ボールを用いて２時間遊星ミル混合を行なった。エバポレータを用いてメタノールを蒸発させ、得られた粉末を４５×５０×５ｍｍの形状に金型を用いて成形し、さらに３０６ＭＰａの圧力でＣＩＰ成形した。
【００６７】
成形体を窒化ホウ素（ＢＮ）製ルツボに設置し、０．９ＭＰａの加圧窒素中、１８５０℃で１２時間或いは４８時間焼結を行った。焼結体の表面を研削し、３×４×４０ｍｍの形状の試料を切り出しＪＩＳ−Ｒ１６０１の３点曲げ強度測定、ＪＩＳ−Ｒ１６０７の予き裂導入破壊靱性測定を行った。さらに厚さ約２ｍｍの円盤状試験片を作製し、レーザーフラッシュ法を用いて熱伝導率を測定した。
【００６８】
この様にして得られた焼結体の熱伝導率、強度、及び破壊靱性の値を表１に示した。酸化マグネシウムを用いた場合に比べて、熱伝導率などの諸特性は幾分向上するものの、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率、６００ＭＰａ以上の３点曲げ強度、７ＭＰａｍ1/2以上の破壊靱性を全て兼ね備えた焼結体を得ることはできないことが分かった。また、焼結時間を長くした比較例１−８の試料では、比較例１−１〜１−６の場合と同様に、強度、及び破壊靭性の急激な低下を伴うことが分かった。
【００６９】
【表１】
2007197229.tif 000002
【００７０】
〔実験例２−１〜２−２３〕
ケイ素粉末として、平均粒径１０μｍ、不純物酸素量０．１６質量％の粉末（粉末Ａ）、平均粒径７μｍ、不純物酸素量０．６１質量％の粉末（粉末Ｂ）、平均粒径１μｍ、不純物酸素量１．７５質量％の粉末（粉末Ｃ）、平均粒径０．９μｍ、不純物酸素量２．６質量％の粉末（粉末Ｄ）を、マグネシウム化合物として平均粒径０．１μｍの酸化マグネシウム及び比較例１−７、１−８に記載の方法で合成した窒化ケイ素マグネシウム粉末（平均粒径０．５μｍ）或いは平均粒径１０μｍのケイ化マグネシウム粉末を使用した。また希土類酸化物として、平均粒径１．５μｍの酸化イットリウム及び平均粒径１．２μｍの酸化イッテルビウムを使用し、窒化ケイ素として平均粒径０．２μｍ、不純物酸素量１．３質量％の粉末を使用した。尚、ケイ素粉末及び窒化ケイ素粉末中の不純物酸素は、窒素・酸素同時分析装置を用いて測定した。
【００７１】
上記の原料粉末を表２に示す組成となるように秤量し、メタノールを分散媒として、窒化ケイ素ポットと窒化ケイ素ボールを用いて、２時間遊星ミル混合を行なった。エバポレータを用いてメタノールを蒸発させ、得られた粉末を４５×５０×５ｍｍの形状に金型を用いて成形し、さらに３０６ＭＰａの圧力でＣＩＰ成形した。次に、反応焼結させるため、成形体を窒化ホウ素（ＢＮ）製ルツボに設置し、０．１ＭＰａの窒素中１４００℃で４時間加熱し窒化処理を行なった。いずれの成形体もＸ線回折では残留Ｓｉは認められなかった。
【００７２】
【表２】
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【００７３】
次いで、ポスト焼結として、窒化体を０．９ＭＰａの加圧窒素中、１８５０℃で６時間、１２時間或いは４８時間焼結を行った。焼結体の表面を研削し、３×４×４０ｍｍの形状の試料を切り出し、ＪＩＳ−Ｒ１６０１の３点曲げ強度測定、ＪＩＳ−Ｒ１６０７の予き裂導入破壊靱性測定を行った。さらに厚さ約２ｍｍの円盤状試験片を作製し、レーザーフラッシュ法を用いて熱伝導率を測定した。また、作製した一部の焼結体については、ＩＣＰ分析により焼結体中に残留するマグネシウムの定量分析を行なった。表３にこの様にして得られた焼結体のＭｇ量、密度、熱伝導率、強度、及び破壊靱性の値をまとめて示す。
【００７４】
【表３】
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【００７５】
表２〜表３から明らかなように、希土類元素の酸化物を０．５〜７ｍｏｌ％、さらに、マグネシウム化合物を１〜７ｍｏｌ％、ケイ素及び窒化ケイ素に含まれる不純物酸素並びにマグネシウム化合物からの酸素の総量がケイ素を窒化ケイ素に換算した際の比率において０．１〜１．８質量％の範囲となるように添加した場合において、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性が７ＭＰａｍ1/2以上の優れた特性を有する窒化ケイ素焼結体を得ることができることが分かった。
【００７６】
さらに、ポスト焼結時間を長くし、残留マグネシウム量を酸化物に換算して０．２質量％以下とすることで、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、予き裂導入破壊試験法で測定した破壊靱性値が７ＭＰａｍ1/2以上の特性を有する窒化ケイ素焼結体を製造することが可能となることが分かった。
【００７７】
〔実施例１、比較例２−１〜２−５〕
比較例１−１〜１−５で得た焼結体を、２００メッシュダイヤモンド砥粒を使用したレジンボンド砥石を用いて研削し、０．６ｍｍ×７５ｍｍ×５０ｍｍの白板を作製した。この白板の両面に、Ａｇ粉８０質量部、Ｃｕ粉１５質量部、Ｔｉ粉５質量部、及びテルピネオール１５質量部を混練して得たろう材ペーストを、４２ｍｍ×６７ｍｍの領域にスクリーン印刷機を用いて厚さ２０μｍになるように塗布した。１．０ｍｍ×４２ｍｍ×６７ｍｍの大きさの純度９９．９％の銅板を２枚準備して、ろう材ペースを塗布した白板の両面に配置し、銅板全面に１ｋＰａの荷重をかけ、真空炉に入れた。０．０１Ｐａの真空雰囲気下、８５０℃で１０分加熱し、窒化ケイ素白板と銅板を接合した。得られた窒化ケイ素基板について、−７０℃と３５０℃のヒートショック試験を５０回行った結果、銅板端部の剥離が目視で認められた。
【００７８】
実験例２−４で得た焼結体を、比較例１−１〜１−５と同様にして窒化ケイ素基板を作製し、ヒートショック試験を３０回行った結果、銅板の剥離は認められなかった。
【００７９】
〔実施例２〕
ろう材ペーストを塗布する面積を、片面は４２ｍｍ×６７ｍｍ、片面は全面とし、純度９９．５％で寸法１．０ｍｍ×４２ｍｍ×６７ｍｍの銅板１枚と、同じく寸法５．０ｍｍ×７０ｍｍ×９５ｍｍの銅板１枚とを準備したこと以外は、実施例１と同様にして窒化ケイ素基板を作製した。−７０℃と３５０℃のヒートショック試験を５０回行った結果、銅板端部の剥離は認められなかった。
【００８０】
この窒化ケイ素基板の断面を、電子線走査型顕微鏡により観察し、ＴｉとＮの元素分布を調べた。白板と銅板の接合界面において、ＴｉとＮが同時に分布しているＴｉＮの存在が推定される領域を、観察している平面内で、白板と銅板の境界線と垂直な方向から見た時に、ＴｉとＮが同時に分布している領域が５０％以上境界線と重なることが分かった。
【００８１】
〔実施例３〕
実験例２−２１と同じ配合の原料粉末１００質量部とバインダー（ユケン工業製、商品名「セランダー」）３５質量部をヘンシェルミキサーで混合した後、押し出し成型機（宮崎鉄工製）で混練し、押し出して、厚さ０．７ｍｍのシート状成形体を作製した。これを金型で打ち抜いて、９０ｍｍ×６０ｍｍの板状成形体を１０枚作製し、板状成形体に窒化ホウ素（ＢＮ）粉を塗布してＢＮ容器中に積層し、上部にＢＮ板と重さ５００ｇの重しを載せて収納した。島津製作所製タイトボックス炉内にセットし、真空に引きながら５５０℃に加熱し脱バインダーを行った。その後、真空度が２Ｐａに達するのを確認した後、窒素ガスを導入し窒化温度まで昇温した。１４００℃で８時間で窒化した後、窒素ガス圧を０．９ＭＰａまで昇圧し、１８５０℃で１２時間ポスト焼結を行った。その後、ＢＮ容器から板状焼結体を取り出し、表面に付着しているＢＮ粉等をサンドブラスト装置で除去して白板とし、以降の評価や基板作製に用いた。
【００８２】
得られた白板を幅１０ｍｍの短冊状に切断したものを試験片として３点曲げ強度測定を行ったところ、６６０ＭＰａであった。また、レーザーフラッシュ法により得られた白板の熱伝導率測定を行ったところ、１１３Ｗ／ｍＫであった。
【００８３】
寸法１．０ｍｍ×４２ｍｍ×６７ｍｍの純度９９．９５％のアルミニウム板を２枚準備し、厚さ１０μｍで同じ寸法のＪＩＳ番号２０２４のアルミ合金箔を、アルミニウム板と白板との間に挟んで、真空炉内にセットした。０．３Ｐａの真空度で６１０℃で１０分間加熱してアルミ板と白板を接合し、窒化ケイ素基板を得た。
【００８４】
−７０℃と２５０℃のヒートショックを１０００回繰り返したが、目視では金属板の剥離は認められなかった。そこで、アルミ板をエッチングして除去し、金属板の接合端部の白板を観察したが、微小なクラックも観察されなかった。
【００８５】
この窒化ケイ素基板の断面を、電子線走査型顕微鏡により観察し、ＭｇとＯ（酸素）の元素分布を調べた。白板と銅板の接合界面において、ＭｇとＯが同時に分布しているＭｇＯの存在が推定される領域を、観察している平面内で、白板と銅板の境界線と垂直な方向から見た時に、ＭｇとＯが同時に分布している領域が５０％以上境界線と重なることが分かった。