(57)【要約】【課題】モジュール等に使用される窒化珪素基板は、高強度、高絶縁性を有しているが、熱伝導率が低いため、高熱伝導率の窒化珪素基板が要望されている。窒化珪素基板については、窒化珪素の焼結時に基板表面に柱状晶の窒化珪素粒子が成長し、基板表面が、非晶質化した焼結助剤と熱伝導率の低い柱状晶の短軸粒子に覆われるため熱伝導率が低下し、さらに、表面の凹凸により基板と金属回路や放熱面の接合強度が低下し、窒化硅素回路基板やそれを用いたモジュールの信頼性が損なわれるという課題があった。【解決手段】基板の表面を覆う熱伝導率の低い窒化珪素の短軸粒子と非晶質化した焼結助剤を機械的に除去することにより、高熱伝導性で信頼性の高い窒化珪素基板が得られる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素基板の表面層を研削により除去した窒化珪素基板において、研削後の中心線平均粗さ（Ｒa）が０．１〜０．８μｍで最大高さ（Ｒｙ）が５μｍ以下であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする窒化珪素基板。
【請求項２】
窒化珪素基板の表面層を５μｍ以上除去することを特徴とする請求項１記載の窒化珪素基板。
【請求項３】
請求項１又は２記載の窒化珪素基板の一主面に金属回路を形成し、他の一主面に放熱板を接合してなる窒化珪素回路基板。
【請求項４】
請求項３記載の窒化珪素回路基板を用いることを特徴とするモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導性および信頼性に優れた窒化珪素基板、並びにそれを用いた回路基板、モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化珪素基板の一方の面に銅等の金属回路、反対面には銅等の金属放熱板を形成し、金属回路面に半導体素子を半田付けしてなるモジュールが使用されている。このようなモジュールにおいて、窒化珪素基板は、絶縁・放熱部材として重要な役割を担っているが、熱伝導率が低いため、高熱伝導化が要望されている。窒化珪素基板の熱伝導率が低い原因としては、窒化珪素基板の焼結時、柱状晶の窒化珪素粒子が基板表面に成長し、非晶質化した焼結助剤と熱伝導率の低い柱状晶の短軸粒子に覆われることが挙げられる。しかしながら、窒化珪素の短軸粒子と非晶質化した焼結助剤に覆われた表面を機械的に除去しただけでは、表面の粗化によって生じる凹凸によって、基板と金属回路や放熱面の接合強度が低下し、基板の信頼性が損なわれるという課題があった。これまでにも窒化珪素基板表面を加工する方法に関しては、特許文献１に、焼肌面を有する表層部を除去した面を有し、除去面の表面粗さ（Ｒｍａｘ）が１０μｍ以下であり、かつ研削条痕が実質的に存在しない窒化珪素基板等が示されている。具体的方法として、窒化珪素質基板に平均粒子径が１ｍｍ以下のセラミックス粒子を吹き付け、焼肌面を有する表層部を除去する方法が例示されている。しかしながらこのような吹きつけ法では確かに機械的特性は向上するものの、研削条痕が実質的に存在しないものであっても、局所的に残存する凹凸により、基板と金属回路や放熱面の接合強度が低下し、基板の信頼性が損なわれるという課題が依然としてあった。
【特許文献１】特開平８年−２９５５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、熱伝導性並びに信頼性に優れた窒化珪素基板、およびそれを用いた回路基板、モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
即ち本発明は、窒化珪素基板の表面層を研削により除去した窒化珪素基板において、研削後の中心線平均粗さ（Ｒa）が０．１〜０．８μｍで最大高さ（Ｒｙ）が５μｍ以下であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする窒化珪素基板であり、前記窒化珪素基板の表面層を５μｍ以上除去した窒化珪素基板であり、前記窒化珪素基板の一主面に金属回路を形成し、他の一主面に放熱板を接合してなる窒化珪素回路基板であり、前記窒化珪素回路基板を用いることを特徴とするモジュールである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、熱伝導性および信頼性に優れた窒化珪素基板、並びにそれを用いた回路基板、モジュールが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は窒化珪素基板の表面処理に係るものであり、窒化珪素基板の製造方法に関して特に限定はなく、原料調製、成形、脱脂、焼結の各工程について、従来と同様の方法が使用可能である。
【０００７】
本発明に係る窒化珪素基板（以下、ＳＮ基板という）の主原料である窒化珪素粉末（以下、ＳＮ粉末という）は、直接窒化法、シリカ還元法、イミド熱分解法等の公知の方法で製造されたものが使用できる。ＳＮ粉末中の酸素量は３質量％以下が好ましく、２質量％以下がより好ましい。ＳＮ粉末の粒度は、マイクロトラックＳＰＡ（Ｌｅｅｄｓ＆Ｎｏｒｔｈｒｕｐ社製）にて計測した平均粒子径（Ｄ５０値）が０．６〜０．８μｍ、Ｄ９０値が１．５〜３．０μｍ、Ｄ１００値が８．０μｍ以下であることが好ましい。さらにＳＮ粉末の比表面積は、１０〜１５ｍ２/ｇであることが好ましい。前記比表面積の範囲をはずれた場合、ＳＮ基板が緻密化しない場合や、ＳＮ基板の機械的強度が低下する場合がある。
【０００８】
本発明に係るＳＮ粉末中の主な不純物としては、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃ及び酸素等を挙げることができる。工業原料に由来する不可避的不純物量は、ＳＮ粉末１ｇあたり、Ｆｅが１８０μｇ、Ａｌが７３０μｇ、Ｃａが８０μｇ、Ｃが２８００μｇ程度である。ＳＮ粉末に含まれる酸素は、ＳｉＯ２、並びに、酸素を含む不可避的不純物に由来するものであり、通常１．２質量％程度である。
【０００９】
本発明に係る焼結助剤は、特に限定されないが、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｇｄ，Ｎｂ、Ｓｍ、Ｄｙ等の希土類元素、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類元素などの酸化物、フッ化物等の一種又は二種以上の使用が一般的である。
【００１０】
焼結助剤の使用量は、ＳＮ粉末１００質量部に対して５〜１５質量部が好ましい。使用量が５質量部未満であると緻密なＳＮ基板が得られない場合があり、一方、１５質量部を超えると、基板中の粒界相部分が多くなり、ＳＮ基板の熱伝導率が低下する場合がある。
【００１１】
本発明に係るＳＮ基板を製造するためには、ＳＮ粉末と焼結助剤を混合し成型する。また必要に応じて、本発明のＳＮ基板の特性に影響を与えない範囲において、有機バインダー、溶媒並びに可塑剤等を適宜添加することができる。
ＳＮ粉末と焼結助剤、有機バインダー、可塑剤、溶媒等の混合は特に限定されず、万能混合機、らいかい機、ミキサー、振動篩、ボールミル、ロッドミル等公知の混合方法を使用できる。全ての原料を一度に混合してもよく、また、一部の原料、例えば有機バインダー、可塑剤、溶媒等を先に混合後、ＳＮ粉末と焼結助剤を後から添加して混合してもかまわない。さらに、混合した原料粉末をそのまま成型しても、成型密度を上げるため一旦造粒を行ってから成型しても構わない。本発明において、成型方法は特に限定されず、ドクターブレード法、押し出し成型法、乾式プレス法、射出成型法、スリップキャスト法等の公知の成型方法を用いることが可能である。
【００１２】
本発明において、成型に用いる有機バインダーは特に限定されず公知のものを用いることができる。有機バインダーの種類を例示すると、メチルセルロース系並びにアクリル系等の有機バインダーを単独あるいは複数併用することが可能である。有機バインダーの使用量は、ＳＮ粉末１００質量部に対して０．１〜１５質量部が好ましい。液体で使用する場合は、有機バインダーの固形分量が前記の範囲となるよう調整する。有機バインダーの使用量が０．１質量部より少ないと、十分な成型体の強度が得られず割れを生じる場合があり、一方、１５質量部を超えると、脱脂時のバインダー除去の際に成型体密度が低下するため、焼結時の収縮率が大きくなり、寸法不良や変形を生じる場合がある。
【００１３】
本発明に係る可塑剤は特に限定されず、公知の可塑剤を用いることができる。可塑剤の一例としては、精製グリセリン、グリセリントリオレート並びにジエチレングリコール等が挙げられる。可塑剤の使用量は、ＳＮ粉末１００質量部に対して０．１〜３質量部が好ましい。使用量が０．１質量部未満であると、成型シートの柔軟性が不十分となってプレス成型時に成型体が脆くなり、シートへ亀裂が入りやすくなる傾向がある。一方、３質量部を超えるとシート形状の保持が困難になるため、シート幅方向の厚みムラを生じる場合がある。
【００１４】
さらに本発明において溶媒を用いる場合、溶媒の種類としてはエタノールやトルエン等が挙げられるが、地球環境への配慮及び防爆設備対応を勘案して、イオン交換水又は純水の使用も可能である。溶媒の使用量は、ＳＮ粉末１００質量部に対して１５〜２０質量部が好ましい。使用量が１５質量部未満だとシート成型に支障をきたす場合があり、一方、２０質量部を超えると、シート形状の保持が困難になるため、シート幅方向の厚みムラが生じる場合がある。
【００１５】
成型体の脱脂は、窒素ガスや空気等の気流中、３５０〜４５０℃で３〜１５時間加熱して有機バインダーを除去することが好ましい。成型体中の加熱脱脂処理後の残留炭素分は、２．０質量％以下が好ましい。残留炭素分が２．０質量％を超えると、焼結を阻害して緻密な基板が得られない場合がある。
【００１６】
脱脂した成型体は、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化性雰囲気にて、０．６ＭＰａ以上で加圧し、１６００〜１９００℃の温度で焼成することが好ましい。加圧が０．６ＭＰａ未満の場合、焼結時にＳＮが分解し、基板を得られない場合がある。焼結温度が１６００℃未満であると、焼結不足となり、基板の密度が上がらないため、熱伝導率、抗折強度が不足する場合がある。一方、焼結温度が１９００℃を超えると、焼成炉内で焼結助剤の飛散を生じ、緻密化が困難となる場合がある。焼成時間は、可能な限り短時間であることが好ましい。すなわち、基板密度が９８％以上となる温度領域での焼成時間は１０時間以内、より好ましくは５時間以内である。
【００１７】
本発明に係るＳＮ基板を基板として用いるにあたって、その厚みは使用目的により異なるが、０．２〜１．０ｍｍ程度の厚みが一般的である。
【００１８】
本発明においては、ＳＮ基板を研削して、研削後の中心線平均粗さ（Ｒa）が０．１〜０．８μｍで最大高さ（Ｒｙ）が５μｍ以下とすることが、熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすること並びに信頼性の向上のために必要である。中心線平均粗さ（Ｒa）と最大高さ（Ｒｙ）が前記の範囲を同時に満たすことによって、熱伝導性と信頼性の双方を満たすＳＮ基板が得られるものである。研削後の中心線平均粗さ（Ｒa）が０．１μｍ未満の場合、生産性が大幅に低下し、逆に０．８μｍを超える場合は、信頼性が十分に向上しない場合がある。最大高さ（Ｒｙ）が５μｍを超えた場合も同様に信頼性が十分に向上しない場合がある。
【００１９】
ＳＮ基板の表面層は、５μｍ以上研削により除去することが好ましい。５μｍ未満では、非晶質化した焼結助剤と熱伝導率の低い柱状晶の短軸粒子に覆われた表面層を完全に除去できない場合がある。
【００２０】
本発明に係るＳＮ基板の研削手段は特に限定されず、一般的にセラミックの加工に使用されている公知の方法を採用でき、例えば、平面研削盤や両面研削盤、また、バフ研磨機やラップ加工機による表面研磨機等が挙げられる。
【００２１】
本発明に係る金属板としては、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン又はこれらを含む合金等が使用されるが、銅、アルミニウム又はそれらの合金が一般的である。金属板の厚みは特に限定されず、流れる電流に応じて適宜決められる。一般に、厚みが０．１〜１．０ｍｍのものが用いられることが多い。
【００２２】
ＳＮ基板と金属板の接合方法としては、ＤＢＣ法、活性金属ろう付け法のいずれをも採用することができる。活性金属ろう付け法に用いられるろう材は、銀と銅を主成分とし、活性金属を副成分としたものである。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、バナジウムやこれらの化合物である。これら金属成分の割合の一例を挙げると、銀８０〜９７質量部と銅２０〜３質量部の合計１００質量部あたり活性金属１〜１０質量部である。
【００２３】
ろう材は、箔、粉末で用いてもよいが、ペーストで用いることが好ましい。ペーストは、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、ニーダー、万能混合機、らいかい機等の公知の混合機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できる。
【００２４】
ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ２が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ２ 未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ２ を超えると、接合時にろう材がしみ出し、金属板を浸食するために品質に悪影響を及ぼす場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。
【００２５】
活性金属ろう付け法の場合、ＳＮ基板と金属板との間にろう材を介在させ、真空中で、加熱、冷却することによって接合体が製造される。ろう材は、ＳＮ基板、又は、金属板どちらに塗布、或いは配置してもよい。合金箔を用いる場合は、予め金属板と合金箔をクラッド化しておくことも可能である。加熱条件は使用するろう材に応じて適宜決められるが、例えば、ろう材の組成が銀９０質量部、銅１０質量部の合計１００質量部あたりジルコニウム５質量部の場合、温度８３０〜８６０℃、時間３０〜６０分、真空度１×１０−１０〜５×１０−５Ｐａの条件にて接合を行う。
【００２６】
ＳＮ基板と金属板の接合体に金属回路を形成するには、金属面にエッチングレジストを塗布しエッチングする。金属板に回路パターン形状にエッチングを施す方法は特に限定されるものではなく、金属板にエッチングレジストにて回路パターンを描いた後、エッチングする方法が一般的である。エッチングレジストの除去は、公知の方法を用いることができる。エッチングレジストとしては、公知の紫外線硬化型や熱硬化型のものを用いることができる。また、エッチング液は、用いる金属板の種類に応じて好適なエッチング液を選択して用いる。例えば、金属板が銅であるときには、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、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液が挙げられる。
【００２７】
エッチングによって不要な金属部分が除去された回路基板の金属回路間には、塗布したろう材やその合金層、窒化物層、さらには金属回路パターン外にはみ出した回路形成に不要なろう材が残存しているため、第１処理としてＮＨ４Ｆ等のハロゲン化アンモニウム水溶液、第２処理として硫酸、硝酸等の無機酸と過酸化水素水を含む溶液を用いて、不要なろう材を除去することが好ましい。無機酸の濃度は２〜４質量％、過酸化水素の濃度は０．５〜１質量％が一般的である。その後、全てのエッチングレジストをアルカリ溶液によって除去する。
【００２８】
本発明においては、必要に応じてニッケルめっき等のめっき処理を回路に施すことが可能である。その場合めっきレジストは特に限定されず、溶剤乾燥タイプインク、ＵＶ硬化タイプインク等が使用できる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。塗布厚は、乾燥後で０．００５〜０．０７ｍｍの厚みとなるように塗布することが好ましい。厚みが０．００５ｍｍより薄いと、部分的に金属が表出してしまう場合があり、一方、０．０７ｍｍより厚いと、めっきレジストの除去に時間がかかり、生産性が低下する場合がある。
【００２９】
めっき処理は、特に限定されないが、作業性、コスト等の面から、無電解ニッケルめっき、無電解ニッケル金めっき、はんだめっきが好ましい。めっき層の厚みは特に限定されないが、２〜８μｍが好ましい。めっき厚が、２μｍ未満であると、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング特性等の実装特性に悪影響を与える場合がある。一方、めっき厚みが８μｍを超えると、めっき被膜の剥がれ等により基板特性に悪影響を及ぼす場合がある。
【００３０】
めっきレジストの除去方法は特に限定されず、例えば、エタノールやトルエンのような有機溶剤を用いて除去する方法や、アルカリ水溶液に浸浸させる方法が挙げられる。
【００３１】
前記のようにして作製された回路基板は、はんだによりベース板や半導体素子等の電子部品と接合される。はんだの種類は特に限定されず、通常用いられるスズ−鉛系共晶はんだの他に鉛フリーはんだを用いることもできる。鉛フリーはんだの種類は特に限定されず、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系等、公知の組成のものが使用できる。はんだ付け方法は特に限定されないが、例えば、はんだペーストをスクリーン印刷法等で所定の部分に塗布し、部品等を搭載し、はんだが溶融する所定の温度の炉内にいれることではんだ付けされる。はんだが金属板側面に接触しない方が、回路基板の信頼性の点で好ましい。
【実施例１】
【００３２】
（実施例１）
予め、ＳＮ粉末１００質量部に対して、オレイン酸を３質量部添加し、ミキサー混合により、２分間混合してＳＮ粉末の表面処理をおこなった。表面処理後、ＳＮ粉末１００質量部に対し、有機バインダー１０質量部、並びに、焼結助剤８．５質量部（Ｙ２Ｏ３７質量部とＭｇＯ１．５質量部）を添加し、ボールトン混合機により混合した。
混合粉末をミキサーに投入し、撹拌しながら、可塑剤、及びイオン交換水からなる混合溶液を、混合粉末１００質量部に対して可塑剤が３質量部、イオン交換水が１８質量部となるように圧縮空気（０．２ＭＰａ）にて噴霧し、顆粒状の湿粉原料を作製した。
〈使用原料〉
・窒化珪素粉末：電気化学工業社製、商品名「デンカ窒化けい素」  グレード名「ＮＰ−６００」（α化率８７％、Ｄ５０値０．７μｍ、Ｄ９０値１．９μm、D１００値４．６μm、比表面積１２ｍ２／ｇ、酸素量１．２質量％）。
・Ｙ２Ｏ３：信越化学工業株式会社製、商品名「Yttrium Oxide」、Ｄ５０粉末粒子径１．０μｍ
・ＭｇＯ：岩谷化学株式会社製、商品名「ＭＴＫ−３０」、Ｄ５０粉末粒子径０．２μm、比表面積１６０ｍ２／ｇ
・有機バインダー：ヒドロキシプロピルメチルセルロース。信越化学工業株式会社製、商品名「メトローズ６５SH」
・可塑剤：花王社製、商品名「エキセパール」、主成分グリセリン
【００３３】
次に３０ＭＰａの圧力でプレス成型して３０ｍｍ×４０ｍｍの寸法のシートを作製した。１００℃に保持したベルト式乾燥機にてシートの含水率が２質量％となるまで乾燥した後、窒化ホウ素製の容器に充填して、常圧下、大気中にて５００℃で３時間保持して脱脂した後、カーボンヒーター電気炉を用いて、０．８MPaの窒素加圧雰囲気下で１８００℃、３時間保持し、窒化珪素基板を作製した。
【００３４】
得られた窒化珪素基板を、平面研削機（岡本工作機械製作所製・型式PSG64DX）を用いて表面研削し、厚み０．６ｍｍの窒化珪素基板を作成し、表面粗さ測定(Ra、Ry)、熱伝導率の測定をおこなった。結果を表１に示す。
〈測定方法〉
・表面粗さ測定：JIS B0601−1994に準拠（ミツトヨ製・型式SJ-301・測定長0.8mm）
・熱伝導率測定：熱伝導率測定機(真空理工製・型式TC-7000・レーザーフラッシュ法)使用
【００３５】
〈SＮ回路基板の作製〉
回路基板としての性能を評価するため、金属回路と金属放熱板に無酸素銅板を用い、次の方法で接合及び回路パターンの形成を行った。
【００３６】
Ag８５質量％、Cu１０質量％、Zr２質量％、TiH３質量％からなる混合粉末１００質量部に対して、３０質量部のテルピネオールを添加してペースト状混合液を作製し、ＳN焼結体の両面に乾燥基準で塗布量５mg／ｃｍ２となるようにスクリーン印刷機にて塗布した。次に、両面に２．５インチ×２インチ×０．０１インチ厚の無酸素銅板を貼付けた。SN焼結体の両面に無酸素銅板を貼付けたものを１４枚積層し、カーボン治具にカーボンネジ締めにより設置し、８５０℃で４５分保持させて、窒化珪素基板と銅板の接合体を作製した。接合体の一主面には所定の形状の回路パターンを、もう一方の主面には放熱板パターンを形成させるべく、UV硬化型レジストインクをスクリーン印刷した後、UVランプを照射させてレジスト膜を硬化させた。次いで、レジスト塗布した部分以外を塩化第二銅溶液でエッチングした後、フッ化アンモニウム水溶液にてレジスト剥離し、銅回路窒化珪素回路基板を作製した。作製した窒化珪素回路基板を用いてヒートサイクル試験を行った。結果を表１に示す。
【００３７】
〈使用材料〉
・無酸素銅板：住友金属鉱山伸銅株式会社製無酸素銅板（JIS H 3100）
UV硬化型レジストインク：互応化学工業株式会社製「PER−２７B−６」
〈測定方法〉
ヒートサイクル試験：−２５℃に１０分、２５℃に１０分、１２５℃に１０分、２５℃に１０分曝す工程を１サイクルとした熱履歴を、前記回路基板に対して３０００サイクル実施。接合クラック発生の有無は、走査型超音波探傷装置（本田電子製・型式ＨＡ７０１Ｗ）にて接合クラックの有無を確認し、ヒートサイクル試験２０００サイクル未満にて接合クラックが発生した場合を記号Ｃ、２０００〜３０００サイクルにて接合クラックが発生した場合を記号Ｂ、３０００サイクルでも接合クラックが発生しない場合を記号Ａとした。
【００３８】
（実施例２，３、比較例１〜３）
作製した窒化珪素基板の表面研削量、研削方法を変えたこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
2007189112.tif 000002