(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム粉末１００質量部と、ＣａＯ４０〜６０％、Ａｌ２Ｏ３３５〜５５％、Ｐ２Ｏ５１〜１５％の組成を有するＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｐ2Ｏ5組成ガラス１〜１５質量部を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下、温度１５００〜１７００℃で焼結した後、温度１２００℃までを２０℃／分以上の冷却速度で急冷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、耐水性に優れ、高放熱性基板等として好適な窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及びその焼結体を用いた回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化アルミニウム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させ、その金属回路面に半導体素子を半田付けされ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は、半導体素子から発生した熱をいかに効率良く除去するかが重要な課題あり、その解決法の１つに窒化アルミニウム基板の熱伝導率をその理論値（約３２０Ｗ／ｍＫ）に近づけることの努力が行われている。
【０００３】
窒化アルミニウム基板の熱伝導率を高めるには、その焼結体を緻密化することが必要であり、従来よりアルカリ土類金属化合物やランタノイド元素化合物等、多くの焼結助剤が検討されている。ＣａＯ等のアルカリ土類金属化合物を使用する技術としては、特開昭５０−２３４１１号公報、特開昭６０−７１５７５号公報、特開昭６１−１００７１号公報、特開平０５−１７８６７１号公報等があり、３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3を使用するものとしては、特開平０４−１５４６７０号公報があり、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3を使用するものとしては、特開平０５−９０７５号公報がある。以上のように、ＣａＯを含有する焼結助剤は、Ａｌ2Ｏ3すなわち窒化アルミニウム中の不純物酸素と結合して生成するＡｌ2Ｏ3と反応して液相生成温度を低下させるので、低温焼成であっても焼結体の高密度化を可能とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この焼結助剤で焼結されたとする窒化アルミニウム焼結体は、湿度の高い雰囲気下に曝されると、絶縁破壊電圧が低下する等、耐水性が低下するという課題が未解決であった。これは、窒化アルミニウム焼結体の粒界相に生成した、３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯ・２Ａｌ2Ｏ3等のカルシウムアルミネートと水との接触により、３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・６Ｈ2Ｏ、２ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・８Ｈ2Ｏ、ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・１０Ｈ2Ｏ等の水和物が生成されるためである。
【０００５】
本発明の目的は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上にして、耐水性の良好な、回路基板として好適な窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及びその焼結体を用いた回路基板を提供することである。本発明の課題は、窒化アルミニウム粉末にＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｐ2Ｏ5組成ガラスの配合された混合粉末を温度１５００〜１７００℃の比較的低温で焼結した後、所定速度で冷却することによって達成することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、粒界相にＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｐ2Ｏ5組成ガラスを含んでなり、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体である。ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｐ2Ｏ5組成ガラスの化学組成が、ＣａＯ３５〜６０質量％、Ａｌ2Ｏ3３０〜６０質量％、Ｐ2Ｏ5１〜１０質量％であることが好ましい。また、本発明は、窒化アルミニウム粉末１００質量部と、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｐ2Ｏ5組成ガラス１〜１５質量部を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下、温度１５００〜１７００℃で焼結した後、温度１２００℃までを２０℃／分以上の冷却速度で急冷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である。さらに、本発明は、上記窒化アルミニウム焼結体をセラミックス基板として用い、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。
【０００７】
【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。
【０００８】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粒子とその粒子間を埋める粒界相からなるものであって、窒化アルミニウム粒子の大きさは０．５〜２０μｍであることが好ましい。
【０００９】
窒化アルミニウム焼結体における粒界相の構成割合は１〜２０％（質量％、以下同じ）であることが好ましい。粒界相の構成割合は、アルカリ溶解法（分析化学，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１１３３−１１３７（１９９６）に準ずる）によって窒化アルミニウム粒子を溶解し、未溶解物を１０５℃−２時間乾燥後の質量から求めることができる。
【００１０】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、粒界相にＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−Ｐ2Ｏ5組成ガラス（以下、ＣＡＰガラスという。）を含有していることが特徴である。粒界相中のＣＡＰガラスの割合は７０％以上、特に９０％以上であることが好ましい。ＣＡＰガラスの割合が７０％未満であると、耐水性が向上しない場合がある。ＣＡＰガラスの割合は、アルカリ溶解法の未溶解物を粉末Ｘ線回折分析し、結晶ピークからその結晶相量を差し引くことによって求めることができる。
【００１１】
ＣＡＰガラスの化学組成は、ＣａＯ３５〜６０％、Ａｌ2Ｏ3３０〜６０％、Ｐ2Ｏ5１〜１０％であることが好ましい。ＣａＯが３５％未満又は６０％を超過するか、Ａｌ2Ｏ3３０％未満又は６０％を超過するか、あるいはＰ2Ｏ5が１０％を超過すると、焼結性が悪く、また熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の実現が困難となる。Ｐ2Ｏ5が１％未満であると、本課題で説明したように、カルシウムアルミネートが生成するため、湿度の高い雰囲気下に曝されると水和物が生成し耐水性が向上しない。なお、粒界相の化学組成は、ＥＰＭＡによって測定することができる。
【００１２】
つぎに、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。本発明は、上記した耐水性に優れた本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造に適用できるものである。
【００１３】
窒化アルミニウム粉末１００部（質量部、以下同じ）と、ＣＡＰガラス１〜１５部を含む混合原料を調合する。ＣＡＰガラスが１部未満であると、緻密化が阻害される恐れがあり、１５部を超過すると、相対的に窒化アルミニウム粉末の割合が少なくなるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となる。ＣＡＰガラス量は３〜５部がより好ましい。窒化アルミニウム粉末とＣＡＰガラスの混合には、ボールミル、ロッドミル等が使用される。
【００１４】
窒化アルニミウム粉末としては、直接窒化法、アルミナ還元法等公知の方法で製造された粉末が使用されるが、酸素含有量が２％以下、炭素量１０００ｐｐｍ以下であることが特に好ましい。酸素含有量が２％超であるか、炭素量１０００ｐｐｍ超であると、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍＫ以上、特に１５０Ｗ／ｍＫ以上にするには焼成時間が長くなる。また、窒化アルミニウム粉末の粒度は、平均粒子径で１０μｍ以下、特に１μｍ以下がましい。平均粒子径が１０μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率及び強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１５】
本発明で使用されるＣＡＰガラスは、前述した粒界相中のＣＡＰガラスと同一化学組成であることが好ましい。ＣＡＰガラスのかわりにその構成成分の混合粉末、すなわちＣａＯ成分、Ａｌ2Ｏ3成分、Ｐ2Ｏ5成分を含む混合粉末を用いてもよいが、ＣＡＰガラスにしてから窒化アルニミウム粉末と混合することが好ましい。何故なら、混合粉末の状態で使用すると、焼結中にＡｌ2Ｏ3成分が窒化され、粒界相にＣＡＰガラスの形成不十分となり、リン酸カルシウムが優先的に生成する恐れがあるためである。
【００１６】
ＣＡＰガラスの製造は、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、硝酸カルシウム、硫酸カルシウム等のＣａＯ成分と、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム等のＡｌ2Ｏ3成分と、無水リン酸、メタリン酸、オルトリン酸、ピロリン酸、ポリリン酸、酸化リン等のＰ2Ｏ5成分とを含む混合物、又はリン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、アルミン酸カルシウム等のいずれか２成分と他の成分との混合物を、酸化性又は非酸化性雰囲気下で１４００〜１６００℃で加熱溶融し、その後、圧縮空気で吹き飛ばす、水中に投入する等、急冷することによって行うことができる。ＣＡＰガラスの粒度は、平均粒子径で１０μｍ以下、特に１μｍ以下が好ましい。平均粒子径が１０μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率及び強度に悪影響を及ぼす場合がある。
【００１７】
窒化アルミニウム粉末とＣＡＰガラスの混合原料は、次いで成形される。具体的には、ポリビニルブチラール、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、メチルセルロース、ポリエチレン、ワックス等のバインダーを加え、金型、静水圧プレスあるいはシート成形により成形する。その後、成形体を窒素ガスや空気等の気流中、３５０〜７００℃で１〜１０時間加熱してバインダーを除去した後、窒化硼素製、黒鉛製又は窒化アルミニウム製等の容器にセットし、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化性雰囲気中、１５００〜１７００℃で焼結される。その後、１２００℃まで、より好ましくは１０００℃まで、２０℃／分以上の冷却速度で急冷し、粒界相にガラス相を形成させる。冷却速度が２０℃／分未満であると、粒界相のＣＡＰガラスが十分に生成されず、結晶性のリン酸カルシウムと、アルミン酸カルシウムが単独で形成される恐れがあり、耐水性が劣ることがある。急冷は、窒素ガス、アルゴンガス等の流量や、炉体を冷却する冷却水の水量を高めることによって行うことができる。
【００１８】
つぎに、本発明の回路基板について説明すると、本発明の回路基板は、従来の回路基板構造において、セラミックス基板を本発明の窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板としたものである。すなわち、本発明の回路基板は、窒化アルミニウム基板の一方の面に半導体素子搭載用の金属回路が、またその反対面には金属放熱板が形成されてなるものである。窒化アルミニウム基板の厚みとしては、放熱特性を重視する場合は０．５〜１ｍｍ程度、高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときには１〜３ｍｍ程度とする。
【００１９】
金属回路と金属放熱板の材質は、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。Ａｌは、Ｃｕよりも降伏応力が小さく、塑性変形に富み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、セラミックス基板にかかる熱応力を大幅に低減できるので、Ｃｕよりも窒化アルミニウム基板に発生するクラックを抑制することが可能となり、高信頼性回路基板となる。
【００２０】
金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の点からＡｌ回路の場合は０．４〜０．５ｍｍ、Ｃｕ回路は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、金属放熱板の厚みは、半田付け時の反りを生じさせないように決定される。具体的には、Ａｌ放熱板の場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕ放熱板は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
窒化アルミニウム基板に金属回路と金属放熱板を形成させるには、金属板と窒化アルミニウム基板とを接合した後エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び放熱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。窒化アルミニウム基板と金属回路等との接合は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分とを含むろう材を用いる活性金属ろう付け法等によって行うことができる。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例をあげて、さらに具体的に本発明を説明する。
【００２３】
実施例１
酸化カルシウム、酸化アルミニウム、無水リン酸を配合し、１５００℃に加熱後、水中に投入してガラス化し、さらに粉砕し平均粒子径０．８μｍのＣＡＰガラスを製造した。ＣＡＰガラスの化学組成を表１に示す。
【００２４】
窒化アルミニウム粉末（平均粒子径０．７μｍ、酸素含有量０．８％、炭素含有量２５０ｐｐｍ）１００部に対し、ＣＡＰガラスを表２に示す割合で配合し、ボールミルで混合し混合原料を調製した。ついで、バインダー（ポリアクリレート系）を加え、造粒、プレス成型してから、窒素ガス中、５００℃、２時間保持して脱脂した後、窒素ガス雰囲気中、１６００℃、２時間の常圧焼結を行った。その後、温度１２００℃までの冷却速度を２５℃／分として急冷し、さらに室温まで徐冷して窒化アルミニウム焼結体を製造した。
【００２５】
得られた窒化アルミニウム焼結体を粉砕し、アルカリ溶解法により窒化アルミニウム粒子を溶解し、粒界層中のＣＡＰガラスの割合、及びＣＡＰガラスの化学組成を測定した。なお、ＣＡＰガラスの割合は粉末Ｘ線回折法により、ＣＡＰガラスの化学組成はＥＰＭＡにより測定した。また、窒化アルミニウム焼結体の相対密度はアルキメデス法により、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。さらに、耐水性試験は、窒化アルミニウム焼結体を純水の入った四フッ化エチレン製容器に入れ、９０℃−１０日間放置した。その後、窒化アルミニウム焼結体を取り出し、水溶液のｐＨを測定した。それらの結果を表２に併記した。
【００２６】
【表１】
0003973407.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003973407.tif 000003
【００２８】
表１から、粒界相にＣＡＰガラスを生成させることによって、熱伝導率１００Ｗ／ｍｋを保持し耐水性が著しく向上することが分かる。
【００２９】
実験番号２の窒化アルミニウム焼結体を表面研削して窒化アルミニウム基板（寸法：０．６３５×５０×５０ｍｍ）とした。この窒化アルミニウム基板の表裏面に接合材（Ａｌ−９．５％Ｓｉ−１％Ｍｇ合金箔）を介してＡｌ回路形成用とＡｌ放熱板形成用のＡｌ板（厚み０．５ｍｍ、Ａｌ純度９９．９％）を重ね、黒鉛板に挟み、窒化アルミニウム基板の垂直方向から加圧しながら、真空中、５８０℃で加熱した。得られた接合体を軟Ｘ線を用い３倍に拡大して接合不良を検査したがそれは認められなかった（検出下限は直径０．３ｍｍである）。
【００３０】
ついで、表裏面それぞれのＡｌ板の周囲２ｍｍを塩化第２鉄水溶液でエッチングし、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ施してモジュールとした。その一方のＡｌ面を回路面として１２．５ｍｍ角のシリコンチップを中央に共晶半田で半田付けし、その反対面を放熱板面としてＡｌ製ヒートシンクに半田付けした。この状態で、−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして３０００サイクルの熱履歴試験を実施し、膨れ、剥がれ等の外観チェックと、断面観察による半田クラックの発生の有無を調べたが、異常は認められなかった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、耐水性が高く、高放熱性基板等として好適な窒化アルミニウム焼結体とその製造方法が提供される。また、本発明によれば、高電圧用パワーモジュール用回路基板が提供される。