(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
β−Ｓｉ３Ｎ４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子と粒界相とからなる窒化珪素質焼結体であって、焼結体全量中に対するＡｌの含有量が０．０５３〜０．４２２質量％であり、前記結晶粒子内に、該結晶粒子の他の領域よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域を有し、該Ａｌ多領域は、平均径が２μｍ以上５μｍ以下であり、前記他の領域に囲まれていることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】
前記Ａｌ多領域を有する結晶粒子が、焼結体の任意断面において面積比で７〜２５％存在することを特徴とする請求項１記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項３】
請求項１または２記載の窒化珪素質焼結体に導体層を形成してなることを特徴とする回路基板。
【請求項４】
パワー半導体を請求項３記載の回路基板に実装してなることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素質焼結体および回路基板ならびにパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用エンジン部材、耐熱構造部材、切削工具その他産業用部材に、高強度、高靱性の窒化珪素質焼結体が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１では、β−Ｓｉ３Ｎ４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子と粒界相とからなる窒化珪素質焼結体であって、焼結体に対して５〜６０ｖｏｌ％が、内部に、この結晶粒子の他の部分よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域を有する結晶粒子から構成されていることが記載されている。
【０００４】
そして、この窒化珪素質焼結体では、結晶粒子内にβサイアロン核を有するため、結晶粒子内に内部応力を発生させ、さらに、βサイアロン核を有する結晶粒子は粒成長するため、アスペクト比が高くなり、焼結体の強度と靱性を向上できることが記載されている。
【特許文献１】特開平２−２６３７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年においては、窒化珪素質焼結体は多種多様の用途に用いられており、用途によっては、高熱伝導性が要求されているものもある。例えば、大電力で動作する半導体を実装する、いわゆるパワー半導体モジュールに使用する絶縁回路基板に窒化珪素質焼結体を用いることが知られているが、このような絶縁回路基板では、パワー半導体から発する熱を拡散して放熱する必要がある。
【０００６】
例えば、絶縁回路基板では、上記したように放熱性（高熱伝導率）、薄型化、高強度高靱性化が要求されているが、上記特許文献１に開示された窒化珪素質焼結体を回路基板として用いた場合には、高強度高靱性化が図られ、薄型化を達成することができるが、回路基板の熱伝導率が低く、パワー半導体から発する熱を十分に放熱することができないという問題があった。
【０００７】
すなわち、特許文献１の窒化珪素質焼結体では、結晶粒子内にβサイアロン核を有するため、結晶粒子内に内部応力を発生させ、さらに、β−サイアロン核を有する結晶粒子は粒成長し、アスペクト比が高くなるため、焼結体の強度と靱性を向上できるものの、特許文献１では、ＢＥＴ比表面積が１０あるいは５ｍ２／ｇ程度のβ−サイアロン粉末を、原料全量に対して５〜２０質量％添加しており、これにより、焼成時に多くのβ−サイアロンが完全に溶融または表面が溶融してβ−サイアロン核が小さくなり、結晶粒子内に大量のＡｌが分散、固溶し、窒化珪素質焼結体の熱伝導率が低くなり、放熱性が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、高強度化および高靱性化を図ることができるとともに、放熱性を向上することができる窒化珪素質焼結体およびその製法ならびに回路基板、パワー半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、添加するβ−サイアロン粉末として、ＢＥＴ比表面積が小さいものを用い、かつ添加量を少なくすることにより、結晶粒子内に、この結晶粒子の他の領域よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域を有する組織とすることができ、高強度化および高靱性化を図ることができる。また、粒径の大きいβ−サイアロン粉末を用いることにより、焼成時におけるβ−サイアロンの溶融を抑制できるとともに、結晶粒子内のＡｌ多領域にＡｌを集中して存在させることができ、Ａｌの結晶粒子内への分散が抑制されていることにより、窒化珪素質焼結体の放熱性を向上できることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、β−Ｓｉ３Ｎ４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子と粒界相とからなる窒化珪素質焼結体であって、焼結体全量中に対するＡｌの含有量が０．０５３〜０．４２２質量％であり、前記結晶粒子内に、該結晶粒子の他の領域よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域を有し、該Ａｌ多領域は、平均径が２μｍ以上５μｍ以下であり、前記他の領域に囲まれていることを特徴とする。
【００１１】
このような窒化珪素質焼結体では、結晶粒子内に、該結晶粒子の他の領域よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域を有するため、このＡｌ多領域を有する結晶粒子が、Ａｌ多領域を有さない他の結晶粒子よりも大きく粒成長し、アスペクト比が高くなることから、焼結体の強度と靱性を向上できる。
【００１２】
また、Ａｌは平均径２μｍ以上５μｍ以下のＡｌ多領域に集中して存在し、しかも焼結体全量中に対するＡｌの含有量が０．０５３〜０．４２２質量％、望ましくは０．１５９〜０．２３８質量％と少ないため、結晶粒子内に分散する量が少なくなり、これにより焼結体の熱伝導率を高くすることができ、放熱性を向上できる。
【００１３】
さらに、Ａｌ多領域の平均径が２μｍ以上と大きいため、結晶粒子内の内部応力が大きくなり、さらに結晶粒子のアスペクト比が大きくなり、強度、靱性をさらに向上できる。
【００１４】
また、本発明の窒化珪素質焼結体は、前記Ａｌ多領域を有する結晶粒子が、焼結体の任意断面において面積比で７〜２５％存在することを特徴とする。このような窒化珪素質焼結体では、焼結体の強度、靱性を高めることができるとともに、Ａｌ多領域を有する結晶粒子を適度に存在させるため、Ａｌ量を少なくすることができ、焼結体の放熱性を高くすることができる。
【００１５】
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素粉末および粒界相形成粉末に、ＢＥＴ比表面積が２ｍ２／ｇ以下のβ−サイアロン粉末を全固形分中０．１３９〜８．１０５質量％、望ましくは０．４１６〜４．７２６質量％添加混合し、これを成形した後、焼成することによって得られる。
【００１６】
従来の特許文献１では、ＢＥＴ比表面積が５ｍ２／ｇ程度のβ−サイアロン粉末を用いており、ＢＥＴ比表面積が大きい（一般的には微粒）β−サイアロン粉末が焼成時に大量に溶融し、Ａｌ多領域が消失したり、Ａｌ多領域が小さくなり、Ａｌの結晶粒子内への分散、固溶量が多くなる。さらにβ−サイアロン粉末の添加量が、原料全量に対して５〜２０質量％と多いため、この点からもＡｌの結晶粒子内への分散、固溶量が多くなり、窒化珪素質焼結体の熱伝導率が低下していた。
【００１７】
これに対して、本発明の窒化珪素質焼結体は、添加されるβ−サイアロン粉末のＢＥＴ比表面積が２ｍ２／ｇ以下と小さいため、β−サイアロン粉末の粒径は大きく、焼成時に溶融する量が少なく、平均径が２μｍ以上のＡｌ多領域を形成し、また、β−サイアロン粉末の添加量も全量中０．１３９〜８．１０５質量％、望ましくは０．４１６〜４．７２６質量％と少ないため、Ａｌの結晶粒子内への分散、固溶量が少なくなり、放熱性を高めることができる。
【００１８】
本発明の回路基板は、上記窒化珪素質焼結体に導体層を形成してなることを特徴とする。このような回路基板では、窒化珪素質焼結体の強度および靱性を向上できるため、回路基板を薄くすることができ、しかも窒化珪素質焼結体の熱伝導率を向上できるため、回路基板の放熱性を向上できる。これにより、例えば、パワー半導体から発する熱を十分に回路基板から拡散して放熱することができる。
【００１９】
本発明のパワー半導体モジュールは、パワー半導体を上記回路基板に実装してなるものである。このようなパワー半導体モジュールでは、パワー半導体から発する熱を十分に回路基板から拡散して放熱することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の窒化珪素質焼結体では、結晶粒子内に、該結晶粒子の他の領域よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域を有し、このＡｌ多領域を有する結晶粒子が、Ａｌ多領域を有さない他の結晶粒子よりも大きく粒成長し、アスペクト比が高くなることから、焼結体の強度と靱性を向上させることができる。また、Ａｌは多くが平均径２μｍ以上５μｍ以下のＡｌ多領域に集中して存在し、しかもＡｌは焼結体全量中０．０５３〜０．４２２質量％と少ないため、結晶粒子内に分散する量が少なくなり、これにより焼結体の熱伝導率を高くすることができ、放熱性を向上できる。
【００２２】
本発明の回路基板では、窒化珪素質焼結体の強度、靱性を向上できるため、回路基板を薄くすることができ、しかも窒化珪素質焼結体の熱伝導率を向上できるため、回路基板の放熱性を向上できる。これにより、例えば、パワー半導体から発する熱を回路基板から拡散して放熱することができる。
【００２３】
本発明のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体から発する熱を十分に回路基板から拡散して放熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の回路基板は、窒化珪素質焼結体からなる母基板に導体層（金属回路を含む）を形成してなるもので、少なくとも母基板の上面、または下面、さらには上下両面に導体層を設けたもので、この導体層には、パワー半導体が搭載される。
【００２５】
そして、窒化珪素質焼結体からなる母基板は、図１、２に示すように、β−Ｓｉ３Ｎ４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子１と粒界相３とからなる窒化珪素質焼結体であって、焼結体全量中に対するＡｌの含有量が０．０５３〜０．４２２質量％、望ましくは０．１５９〜０．２３８質量％含有し、結晶粒子１内に、該結晶粒子１の他の領域よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域５を有し、Ａｌ多領域５は、平均径が２μｍ以
上５μｍ以下であり、前記他の領域に囲まれている。
【００２６】
Ａｌを、焼結体全量中０．０５３〜０．４２２質量％としたのは、Ａｌが焼結体全量中０．０５３質量％よりも少ない場合には、強度、靱性が低下するからである。一方、０．４２２質量％よりも多い場合には、添加するβ−サイアロン粉末のＢＥＴ比表面積、および量にもよるが、添加したβ−サイアロン粉末が焼成時に液相に溶出し、β−Ｓｉ３Ｎ４が析出する際に、Ａｌが結晶粒子内に分散、固溶する量が多くなって焼結体の熱伝導性が低下するからである。Ａｌは、熱伝導性向上という観点から、焼結体全量中０．１５９〜０．２３８質量％であることが望ましい。
【００２７】
本発明では、β−Ｓｉ３Ｎ４にＡｌが固溶したものをβ−サイアロンと呼ぶ。サイアロンは、一般式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚで表されるが、結晶粒子内に該結晶粒子の他の領域よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域５を有するとは、結晶粒子がβ−サイアロンの場合、Ａｌ多領域の一般式中のＺ値は、その他の領域のＺ値に比べて２倍以上、つまり２倍以上Ａｌ含有量が多い領域を有することを指す。Ａｌ多領域５は、図２では、一点鎖線で示したが、実際は、Ａｌの含有量で規定されるもので、走査電子顕微鏡による反射電子像あるいは二次電子像と波長分散型マイクロアナライザー分析などの対比により、Ａｌ多領域５であることを確認できる。
【００２８】
また、β−Ｓｉ３Ｎ４からなる結晶粒子内に、該結晶粒子の他の領域よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域５を有するとは、Ａｌが固溶していないβ−Ｓｉ３Ｎ４からなる結晶粒子内に、β−Ｓｉ３Ｎ４にＡｌが固溶したＡｌ多領域５が存在することをいう。
【００２９】
このＡｌ多領域５の寸法は、添加するβ−サイアロン粉末の粒径と同等か、もしくは僅かに小さくなる。本発明では、Ａｌ多領域５の平均径が２μｍ以上とされている。Ａｌ多領域５の平均径を２μｍ以上とすることにより、結晶粒子内に分散、固溶するＡｌ量を低減し、熱伝導性を向上できる。さらに、Ａｌ多領域の平均径が２μｍ以上と大きいため、結晶粒子内の内部応力が大きくなり、さらに結晶粒子のアスペクト比が大きくなり、強度および靱性を向上できるという効果もある。
【００３０】
Ａｌ多領域５の平均径が２μｍよりも小さい場合、Ａｌが結晶粒子内に分散して、固溶する量が多くなり、焼結体の熱伝導性が低下するからである。そして、高強度を達成するという点から、Ａｌ多領域５の平均径は５μｍ以下である。
【００３１】
Ａｌ多領域５を有するβ−Ｓｉ３Ｎ４およびβ−サイアロンの結晶粒子１は、アスペクト比が平均３〜８、結晶粒子１の短軸長さは平均３〜１５μｍとされている。
【００３２】
本発明では、Ａｌ多領域５を有する結晶粒子１が、焼結体の任意断面において面積比で７〜２５％存在することが望ましい。これにより、焼結体の強度および靱性を高めることができるとともに、Ａｌ多領域５を有する結晶粒子１を適度に存在させることができ、焼結体の放熱性を高くすることができる。
【００３３】
また、本発明の窒化珪素質焼結体には、原料中に含まれる、あるいは工程から混入するＮａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｂａ、ＭｎおよびＢ等の不可避不純物を混入しており、これらの不可避不純物は、焼結体全量中に合量で０．５質量％以下であることが望ましい。これにより焼結体の熱拡散率の低下を抑制でき、結果として焼結体の熱伝導率を向上できる。
【００３４】
さらに、焼結体中には、希土類元素を酸化物換算で全量中１〜２０質量％含有することが、焼結性を向上させるという点から望ましい。窒化珪素は前述したように、難焼結性であるので、焼結助剤を添加することが望ましく、一般的に知られている希土類元素酸化物、例えば特にＹ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３などを焼結助剤として１〜２０質量％添加含有することができる。
【００３５】
ここで、希土類元素の酸化物換算量を焼結体全量中１〜２０質量％としたのは、１質量％未満では焼結助剤として機能が不十分であり、また、２０質量％を超えると焼結体中に低熱伝導率のアモルファス相や低熱伝導率の結晶相が増加して焼結体の熱伝導率が低下する傾向にあるからである。希土類元素の酸化物換算量は、焼結性および熱拡散率向上という観点から、焼結体全量中２〜１７質量％であることが望ましい。焼結助剤としては、Ｅｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２であることが望ましい。
【００３６】
焼結助剤としてＡｌ２Ｏ３を添加しても良いが、その添加量は、Ａｌが焼結体全量中０．０５３〜０．４２２質量％となる範囲内とする必要がある。
【００３７】
β−Ｓｉ３Ｎ４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子は、焼結体全量中８０〜９１．５質量％含有することが望ましい。
【００３８】
本発明の回路基板の製法は、窒化珪素質焼結体からなる母基板に導体層を形成して作製される。母基板は、窒化珪素粉末および粒界相形成粉末に、ＢＥＴ比表面積２ｍ２／ｇ以下のβ−サイアロン粉末を全固形分中０．１３９〜８．１０５質量％、望ましくは０．４１６〜４．７２６質量％添加混合し、これを成形した後、１７５０〜１９８０℃で焼成して作製することができる。
【００３９】
β−サイアロン粉末を全固形分中０．１３９〜８．１０５質量％、望ましくは０．４１６〜４．７２６質量％添加混合するとは、窒化珪素粉末、粒界相形成粉末およびβ−サイアロン粉末の合量（全固形分）中、０．１３９〜８．１０５質量％、望ましくは０．４１６〜４．７２６質量％がβ−サイアロン粉末であることを意味する。
【００４０】
窒化珪素粉末は、酸素を２．０質量％以下、不純物陽イオンとしてのＮａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｂａ、ＭｎおよびＢを合計で０．５質量％以下、α相型窒化珪素を９０質量％以上含有し、平均粒径１μｍ以下の粉末を用いることが望ましい。
【００４１】
β−サイアロン粉末としては、一般式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚ（０＜ｚ≦４）で表されるものを使用できる。このβ−サイアロン粉末は、ＢＥＴ比表面積２ｍ２／ｇ以下のものを使用する。ＢＥＴ比表面積が２ｍ２／ｇよりも大きい場合には、焼成時に溶融し易く、Ａｌが結晶粒子内に分散固溶し、熱伝導性が低下する傾向にあるからである。特には、ＢＥＴ比表面積１ｍ２／ｇ以下のものを使用することが望ましい。
【００４２】
また、β−サイアロン粉末は、原料全量中０．１３９〜８．１０５質量％添加混合する。β−サイアロン粉末のＢＥＴ比表面積が小さくても、その表面の一部は溶融するため、上限量を超えて添加した場合に熱伝導率が低下する。一方、下限量より少なく添加した場合は、高強度と高靭性が実現できない。
【００４３】
このβ−サイアロン粉末は、原料全量中０．４１６〜４．７２６質量％添加することが望ましい。
【００４４】
本発明の回路基板の母基板は、熱伝導率は９５Ｗ・ｍ／Ｋ以上、特には、１１０Ｗ・ｍ／Ｋ以上のものが得られる。強度は、７９０ＭＰａ以上、特には８７０ＭＰa以上のものが得られる。さらには、靱性については、７．３ＭＰａ・ｍ１／２以上、特には７．５ＭＰａ・ｍ１／２以上ものが得られる。
【００４５】
さらに、本発明の回路基板の母基板では、熱伝導率が高いため、しかも高強度高靱性であるため、厚さを薄くすることにより、窒化アルミニウムに比べてもそん色のない高放熱性の母基板が得られ、一方、より強度を高くするため、０．５ｍｍ以上の厚みとした場合でも、熱伝導率が高いため、回路基板として用いることができる。
【００４６】
本発明のパワー半導体モジュールは、母基板の導体層にパワー半導体を接続し、パワー半導体を上記回路基板に実装して構成されている。このようなパワー半導体モジュールでは、パワー半導体から発する熱を十分に回路基板から拡散して放熱することができる。
【実施例】
【００４７】
出発原料として、窒化珪素α相を９５質量％含み、酸素を１質量％含み、平均粒径０．５μｍの窒化珪素粉末と、ＢＥＴ比表面積０．７０〜０．８１ｍ２／ｇのβ−サイアロン粉末（ｚ＝０．５〜４）と、平均粒径１．０μｍのＹ２Ｏ３粉末、平均粒径１．０μｍのＥｒ２Ｏ３粉末、平均粒径１．０μｍのＤｙ２Ｏ３粉末を用意した。尚、試料Ｎｏ．１４についてはそれぞれＢＥＴ比表面積が２ｍ２／ｇ、試料Ｎｏ．４、１５については１０ｍ２／ｇ程度、試料Ｎｏ．３３については５ｍ２／ｇ程度のβ−サイアロン粉末を用いた。ＢＥＴ比表面積はガス吸着法により測定した。
【００４８】
これらの原料粉末を用いて、表１に示す組成比率になるように秤量し、溶媒としてイソプロピルアルコールを、メディアとして窒化珪素焼結体製のボールを加えて振動ミルにて７２時間混合した。その後スラリーはイソプロピルアルコールを乾燥させて混合粉体とし、この混合粉末を０．５ｔｏｎ／ｃｍ３の圧力で金型プレスした後、３ｔｏｎ／ｃｍ３の圧力にて静水圧プレスを施して成形体を得た。
【００４９】
次いで、窒化珪素焼結体製の鉢の中に、窒化珪素粉末にＳｉＯ２粉末を加えたとも材を充填し、上記成形体をこのとも材の中に埋め込んだ後、０．９ＭＰａの圧力の窒素ガス雰囲気下で１９５０℃の温度にて焼成して試料となる焼結体を得た。
【００５０】
こうして得られた試料について、Ａｌ量を蛍光Ｘ線分析（検量線法）により求めた。焼結体の結晶粒子を収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置によってサブミクロン厚みで微細加工し、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）にてＡｌ多領域を確認し、その後Ａｌ多領域を上記微細加工し、その都度走査電子顕微鏡分析反射電子像（組成差像）にてサイズの確認を繰り返し行ってＡｌ多領域の直径を求めた。
【００５１】
同様に１０か所のＡｌ多領域の直径を求めて平均してＡｌ多領域の平均径とした。また、焼結体の任意の５断面の走査電子顕微鏡分析反射電子像（組成差像）を用いて、Ａｌ多領域を有する結晶粒子の面積比を画像解析装置により求め、これらを平均してＡｌ多領域を有する結晶粒子の面積比とした。
【００５２】
また、各試料について、熱拡散率と比熱をレーザーフラッシュ法（試料の両面にＡｕ蒸着し、両面を黒化処理して２５℃でルビーレーザーパルス光を均一に照射）にて測定し、測定した熱拡散率と比熱とアルキメデス法で求めた密度を掛け合わせて熱伝導率を算出した。また、破壊靭性はＪＩＳ規格Ｒ１６０７−１９９５、Ｒ１６１０−１９９１により求め、三点曲げ強度はＪＩＳ１６０１−１９９５により求めた。これらの結果を表２に記載した。
【表１】
0005031541.tif 000002
【００５３】
【表２】
0005031541.tif 000003
【００５４】
この表１、２によれば、本発明の範囲内にある試料Ｎｏ．２、３、５〜１４、１６〜２４、２７〜３２は熱伝導率が９５［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上、三点曲げ強度が７９０ＭＰａ以上、靭性が７．３ＭＰａ・ｍ１／２以上の優れた特性を有していることがわかる。一方、範囲外にあるもの、具体的に例えばＡｌ量が少なく、β−サイアロンの添加量が少なく、Ａｌ多領域を有する結晶体の面積比が低い試料Ｎｏ．１は三点曲げ強度と靭性が低く、Ａｌ量が多い試料Ｎｏ．２６、あるいはＡｌ量が多く、β−サイアロンの添加量が多い試料Ｎｏ．２５は熱伝導率が低くなった。また、β−サイアロンのＢＥＴ比表面積が大きく、Ａｌ多領域の平均径が２μｍよりも小さい試料Ｎｏ．４、１５、３３は熱伝導率が低くなった。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】焼結体の走査電子顕微鏡分析反射電子像（組成差像）写真である。
【図２】焼結体の模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１：結晶粒子
３：粒界相
５：Ａｌ多領域
【図２】
0005031541.tif 000004
【図１】
0005031541.tif 000005