(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結助剤と窒化アルミニウム粉末とを含む混合原料粉末を、非酸化性雰囲気下で焼成するにあたり、上記窒化アルミニウム粉末が、レーザー回折散乱法による平均径が３〜１５μｍで、最大径が４５μｍ以下である金属アルミニウム直接粉５〜２０重量％と、残部が実質的にアルミナ還元粉であり、焼成条件が１９００℃以下で６〜１０時間加熱す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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等に使用される回路基板用窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表裏面に、Ｃｕ及び／又はＡｌの回路と放熱板とがそれぞれ形成されてなる回路基板が用いられている。このような回路基板は、樹脂基板と金属基板との複合基板ないしは樹脂基板よりも、高絶縁性が安定して得られることが特長である。
【０００３】
絶縁性に次いでセラミックス基板に求められているのは放熱性であり、熱伝導率が２０〜３５Ｗ／ｍＫ程度しかないアルミナは、この点で他の材質に大きく劣る。ベリリアの熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以上あるが、毒性があるので、環境問題等を考慮すれば今後の使用はあまり期待できない。窒化アルミニウムは、無害で熱伝導性も良好であるが、Ｃｕのような回路金属との熱膨張係数の違いに起因して発生する熱応力のため、繰り返しの熱履歴によって基板にクラック発生し易い等信頼性が十分に改善の余地がある。一方、窒化ケイ素は靱性が高くクラックは抑制できるが、量産品の熱伝導率は８０Ｗ／ｍＫ止まりで十分とは言えない。
【０００４】
そこで、窒化アルミニウムについては、Ａｌのような軟らかい金属を用いて信頼性を向上させる試みも行われているが、Ａｌは熱伝導性や電気伝導性の点でＣｕに劣り、コスト的にもＣｕ回路に比べてかなり割高になる問題がある。一方、窒化ケイ素については、高熱伝導化の検討が続けられているが、これまでのところ、窒化アルミニウム並の１３０〜１７０Ｗ／ｍＫ品を量産化レベルで製造できる見通しはない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化アルミニウムを高靱性化すれば、上記問題は解決できる。しかし、不純物の添加等を行って粒子形状を変え高靱性化する方法では熱伝導率が低下し、不純物を添加せずに過焼成して粒成長させる方法では熱伝導率と靱性は向上するが、抗折強度が著しく低下する。従って、熱伝導率と抗折強度を十分に維持しながら、靱性を向上させる課題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、窒化アルミニウム基板に形成された回路又は放熱板の材質が銅であっても、熱履歴後の窒化アルミニウム基板にはクラックの発生が著しく少ない高信頼性回路基板を製造することのできる、窒化アルミニウム焼結体を提供することである。
【０００７】
本発明の目的は、驚くべきことに、特定２種の窒化アルミニウム粉末と焼結助剤とを含む混合原料を焼成することによって、達成することができる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム粒子の平均径が３〜７μｍ、最大径が３０μｍ以下、粒子径１０〜２０μｍの個数頻度が３〜１５％であり、しかもＩＦ法による破壊靱性値Ｋ1Cが３．０ＭＰａ・ｍ1/2以上、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ抗折強度が４５０ＭＰａ以上であることを特徴とする回路基板用窒化アルミニウム焼結体である。
【０００９】
また、本発明は、焼結助剤と窒化アルミニウム粉末とを含む混合原料粉末を、非酸化性雰囲気下で焼成するにあたり、上記窒化アルミニウム粉末が、レーザー回折散乱法による平均径が３〜１５μｍで、最大径が４５μｍ以下である金属アルミニウム直接粉５〜２０重量％と、残部が実質的にアルミナ還元粉と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である。特に、窒化アルミニウム焼結体が、上記各特性を有し、その用途が回路基板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である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【００１１】
本発明の大きな特徴は、これまでは、熱伝導率と抗折強度の点からのみ検討されてきた窒化アルミニウム焼結体の微構造を、破壊靱性値をも考慮し、粒径分布の観点から更にそれを適正化したことである。一般に、抗折強度は、微細で均一な組織、即ち微細な粒子からなるものが好適とされており、破壊靱性は、破断面を進行するクラックが真っ直ぐ進行しなくなるほど向上するので、粗大な粒子が存在する構造が好適とされている。従って、しばしば両者は二律背反となる。
【００１２】
本発明者らは、３０μｍをこえる粗大な粒子は、破壊源となって抗折強度を低下させるが、１０μｍ以上の粒子は、クラックを枝分かれさせたり、回折させる等破壊靱性を向上させる効果があることを見いだし、３０μｍをこえる粒子がなく、１０〜２０μｍの個数頻度を３〜１５％とする微構造の適正化を行った。即ち、抗折強度を低下させるほどの粗大な粒子はないが、破壊靱性を向上させる程度に粗大な粒子を適切量含んだ微構造である。更に、平均粒子径を３〜７、好ましくは４〜７μｍとすることによって高い抗折強度を発現できた。
【００１３】
本発明における窒化アルミニウムの微構造の評価法は、インターセプト法により行われる。以下、これについて説明すると、先ず、破断面のＳＥＭ写真上に任意のラインを引いてそのラインがＡｌＮ粒子１０〜２０個を横切る程度の倍率で観察する。次に、ＳＥＭ写真を１．５〜３倍程度に拡大して、その拡大図を横切って任意の線を２本引く。この際に同一の粒子を横切らないように十分間隔をあけなければならない。次に線が横切った粒子の長さ（これをコード長という）を測定し倍率で換算した後、更に１．５倍して粒子径とする。測定する粒子は、３００〜１０００個が適当であり、ＳＥＭ写真で１０〜２０視野程度である。通常の回路基板用窒化アルミニウム焼結体であれば、１０００〜３５００倍程度の倍率が採用される。
【００１４】
本発明における抗折強度とは、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１に準じて測定された３点曲げ強度である。試験片の大きさは、厚みが０．６３５ｍｍ又は１ｍｍ、広さ４０ｍｍ×４０ｍｍである。熱伝導率はレーザーフラッシュ法での測定値であり、破壊靱性値はＩＦ法による測定値である。
【００１５】
本発明において、破壊靱性値Ｋ1Cが３．０ＭＰａ・ｍ1/2未満では、回路基板とした際に十分な耐クラック性を発現しない恐れがあり、特に前述した銅回路を形成させた回路基板においては、ヒートサイクル等の熱履歴を受けると、回路パターンに沿った、しかも回路パターン内部へ進行した水平クラックが発生し易くなる。熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ未満では、回路基板の熱抵抗が高くなって、特にパワーモジュールに使用する際に、チップでの発熱を十分放熱できなくなることがある。更に、３点曲げ抗折強度が４５０ＭＰａ未満では、回路基板をパワーモジュールに使用すると、ベース板への半田付け時や放熱フィンへの取り付け時に受ける熱的、機械的応力によって破損する恐れがある。また、この破損を回避するため、回路パターン等に厳しい制約が必要となる。
【００１６】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、焼結助剤と窒化アルミニウム粉末との混合物を非酸化性雰囲気中で焼成する際、窒化アルミニウム粉末として、特定粒度の金属アルミニウム直接粉とアルミナ還元粉とを同時に用いることによって製造することができる。
【００１７】
本発明において、「金属アルミニウム直接粉」とは、金属アルミニウム粉末を、窒素やアンモニア等窒素ガスを放出する雰囲気中、加熱により窒化反応させて窒化アルミニウムを得、粉砕や分級によって粒度を整えた粉末と定義される。金属アルミニウム直接粉は、耐酸化性にはやや劣るが、比較的広い粒度分布を持つため成形性に優れる。成分的には、０．７〜１．７重量％程度の酸素、０．０１〜０．２重量％程度の鉄、及び不可避的に混入する鉄以外の金属不純物やカーボンの合計０．００５〜０．２重量％程度を含有する。
【００１８】
また、「アルミナ還元粉」とは、アルミナとカーボンの混合粉末を焼成して得られた窒化アルミニウム粉末と定義される。アルミナ還元粉は、高純度で耐酸化性に優れ微細で均一な粒径を持っていることが特徴である。
【００１９】
金属アルミニウム直接粉とアルミナ還元粉を同時に用いると、金属アルミニウム直接粉の方がやや焼結し難いため、焼結体の粒度は金属アルミニウム直接粉原料の粒度の影響を強く受ける。従って、やや粗粒の金属アルミニウム直接粉を添加すれば、得られる焼結体中の窒化アルミニウム粒子には、粗粒と微粒が混ざり合った粒度分布となって破壊靱性が向上する。
【００２０】
従って、本発明で使用される金属アルミニウム直接粉は、平均径３〜１５μｍ、最大４５μｍ以下であることが必要である。これより細かい粒子では、焼結体の粒度分布を拡げる効果が小さく、破壊靱性はあまり向上しない。また、これより大きい粒子では、破壊源となって抗折強度の低下を招き易い。好ましくは、平均径４〜１２μｍ、最大径４０μｍ以下であり、特に好ましくは、平均径４〜１０μｍ、最大径３５μｍ以下である。
【００２１】
金属アルミニウム直接粉の割合は、金属アルミニウム直接粉とアルミナ還元粉の合計に対し、５〜２０重量％の含有率である。５重量％未満では効果が小さく、２０重量％超であると、粗大粒子が生成し易くなってしまう。適切な添加量は、用いる焼結助剤の量や種類によって異なるが、最も一般的に用いられるイットリア３〜５重量％程度では、７〜１５重量％の範囲が好ましい。
【００２２】
原料粉の粒度はレーザー回折散乱法で測定する。この方法は、１〜数十μｍ程度の粉末の粒度測定法としては最も汎用的な方法であり、多くの装置が市販されている。測定も比較的容易である。
【００２３】
焼結助剤の種類と割合については、特にこれを制限するものではなく、一般的に窒化アルミニウムの焼結に用いられているものでよい。焼成温度があまり高温になるものは粒成長が著しく促進されるので好ましくない。最も一般的に用いられる焼結助剤は、酸化イットリウム（イットリア）であり、添加量は２〜６重量％程度である。イットリア以外には、酸化イッテルビウム、酸化リチウム、酸化カルシウム、フッ化イットリウム、フッ化イッテルビウム等が用いられる。
【００２４】
本発明における窒化アルミニウム焼結体は、原料の混合・成形・脱脂・焼成の各工程を経て製造される。
【００２５】
原料の混合には、窒化アルミニウム粒子が酸化してしまったり、粒度分布が著しく変化させないよう配慮し、比表面積が２０％以上増加しないようにして行う。
【００２６】
成形は、ドクターブレード法、押し出し成形法、プレス法、ロール成形法等各種の方法が知られており、本発明においてはこれを制限するものではない。それぞれに一長一短あり、成形バインダー等が異なる。本発明のように窒化アルミニウム原料に２種の混合粉を用いる場合には、粗粉の偏析が少ない押し出し成形法が最も好ましい。脱脂も有機成分が十分に除去できればこれを制限するものではないが、窒化アルミニウムの酸化を防ぐ点からは、窒素中又は真空中の脱脂が好ましい。
【００２７】
焼成条件は用いる原料によって適切な範囲が異なる。十分緻０密な焼結体が得られる温度が必要であるが、あまり高温過ぎて、焼結を進める液相成分が表面に移動しないようにしなければならない。具体的には１９００℃以下である。通常、このような適正な温度範囲は１０〜２０℃程度しかなく、適切な粒度分布を得るためには、その温度範囲で数〜十数時間加熱することが好ましい。１〜２時間程度の加熱では微細な窒化アルミニウム粒子からなる微構造が得られ易くなり、また、あまり長時間の加熱は生産性を著しく低下させる。
【００２８】
本発明の窒化アルミニウム焼結体の好適な用途は、回路基板である。回路基板の製造方法も特にこれを制限するものではない。窒化アルミニウム基板表面は必要に応じて加工されるが、通常はホーニング等の清浄化処理を行い、接合材を用いてＣｕやＡｌ等の回路金属板と接合される。または、回路金属が印刷され、焼き付けられる。パターンは、接合時に必要なパターン形状を接合するか、接合後にエッチングにより形成される。形成された回路及び放熱板にはメッキ等の表面処理が必要に応じて行われる。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００３０】
実施例１〜３  比較例１〜５
アルミナ還元粉として、市販品（トクヤマ社製「Ｈグレード」平均粒径１．５μｍ）を用いた。金属アルミニウム直接粉としては、４５μｍ以下の市販Ａｌ粉（＞９９．９％）をアンモニアガス中で１４００℃まで加熱窒化し、得られたインゴットを窒素ガス中で乾式ボールミル粉砕し、表１に示される粒度のものを用いた。なお、粒度は、日機装社製「マイクロトラックＳＰＡ」を用いレーザー回折散乱法で測定した。焼結助剤のイットリアとアルミナは、市販の試薬（＞９９．９％）をボールミルで１２時間乾式混合して用いた。
【００３１】
先ず、表１に示す各配合原料を予めビニール袋内で予備混合した後、アルミナボールを用いて３０分間乾式混合し、有機バインダーと水を加えてヘンシェルミキサーで１分間混合した。
【００３２】
混合粉は、焼成後に厚さ０．６３５ｍｍとなるように押し出し成形機でシート成形し、乾燥後、焼成後４０ｍｍ角となるようにプレス打ち抜きした。それを、ＢＮ板に挟んで真空中で脱脂、続いて大気中で脱炭処理した。更に、脱脂体はＢＮ箱中にセットし、重石をのせて窒素中で加熱焼成した。焼成条件を表２に示す。
【００３３】
焼成後の各試料は、レーザーフラッシュ法による熱伝導率（ｎ＝３の平均）、３点曲げ強度（ｎ＝５の平均）、ＩＦ法によるＫ1C（ｎ＝５の平均）を測定し、走査型電子顕微鏡で２５００倍に拡大した二次電子像を無作為に７視野選び、視野内の各窒化アルミニウム粒子各々約８００個の粒度を調べて粒度分布を求めた。それらの結果を表３に示す。
【００３４】
得られた焼結体の窒化アルミニウム基板としての性能を評価するため、７２％Ａｇ−２８％Ｃｕに３重量％の水素化チタンを添加した接合材ペーストを固形分で１５ｍｇ／ｃｍ2両面に印刷塗布、乾燥し、０．３ｍｍ厚さの無酸素銅板を両面に積層した後、重石を置いて、真空中で加熱接合した。加熱は、４００℃で十分に脱脂後、１×１０-3Ｐａ、８２０℃で３０分間行った。
【００３５】
得られた接合体にエッチングレジストをスクリーン印刷し、ＦｅＣｌ3液でエッチングした。次いで、レジストを剥離した後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ施して回路基板を製造した。
【００３６】
各回路基板は１０枚づつヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとして１０００サイクル実施した。ヒートサイクル試験後、回路及び放熱板を硝酸で溶解し、窒化アルミニウム基板のクラックの有無を観察した。それらの結果を表３に示す。
【００３７】
【表１】
0003922847.tif 000002
【００３８】
【表２】
0003922847.tif 000003
【００３９】
【表３】
0003922847.tif 000004
【００４０】
表１〜３から明らかなように、本発明の実施例は、いずれも高強度、高熱伝導率を示し、しかも比較的高靱性である窒化アルミニウム基板を用いていることから、ヒートサイクル試験１０００サイクル後においても基板の損傷が殆どなかった。これに対して、比較例１、４では、焼結体が微細で均一な窒化アルミニウム粒子のみからなるもであったので、抗折強度は比較的高いが、靱性値が低かい窒化アルミニウム基板であった。逆に、粒成長が進んで平均的に粒子が粗大化した比較例２、３０μｍをこえる非常に粗大な粒子が焼結体中にある比較例３、更には１０〜２０μｍの粒子が多すぎる比較例５では、いずれも靱性値は比較的高いが、強度は低い窒化アルミニウム基板であった。これらの結果、ヒートサイクル後にクラックが発生する基板が多く、回路基板としては、信頼性の低いものであった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化アルミニウム基板に形成された回路又は放熱板の材質が銅であっても、熱履歴後の窒化アルミニウム基板にはクラックの発生が著しく少ない高信頼性回路基板を製造することができる、窒化アルミニウム焼結体が提供される。