(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素質焼結体からなる母基板に導体層を形成してなる回路基板であって、前記母基板が、希土類元素を酸化物換算で全量中１．３〜２．０質量％含有するとともに、Ｌｉを全量中０．０２〜０．０３質量％含有することを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記Ｌｉの少なくとも一部は、窒化珪素結晶中に固溶していることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項３】
前記母基板中に、Ａｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｂａ、ＭｎおよびＢを、合量で０．０１質量％以下含有することを特徴とする請求項１または２記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板に関し、特に、窒化珪素質焼結体からなる母基板に導体層を形成してなる回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気絶縁性に優れたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体の表面に導体層を形成し、半導体素子を実装した絶縁回路基板が普及している。特に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。
【０００３】
このような放熱が要求される回路基板にはアルミナ焼結体のほかに、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体が用いられている。
【０００４】
ところが、近年、このようなパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体の発熱量
増加や実装密度向上への対策として基板の放熱性を向上する要求や、小型・薄型化への要求が高まっている。このような要求に対して、アルミナ焼結体では、その熱伝導率が２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いことから上記要求を満足できない。また、窒化アルミニウム焼結体はその強度が低い（三点曲げ強度で約３００ＭＰａ程度）ことから、実装信頼性に問題があり、小型・薄型化を満足できない。そこで、高放熱性かつ高強度である窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体が注目されている。
【０００５】
窒化珪素質焼結体は、エンジニアリングセラミックスとして知られており、高強度、高温高強度、高靭性である上、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性および耐酸化性に優れることから、特にガスタービンやターボロータ等の熱機関用部品や切削工具として応用されている（特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１の表には、炭酸リチウムを全量中０．２〜１２モル％添加することが記載されており、１７５０℃以下で４時間窒素ガス中で焼成し、冷却工程で１４００℃、１０５０℃の温度で熱処理し、窒化珪素結晶粒子の粒界にリチウムと希土類元素を含む複合酸化物からなる結晶相を存在せしめ、自動車部品やガスタービンエンジン用部品等で使用される温度域における強度を向上させた窒化珪素質焼結体が記載されている。
【０００７】
一方、１９８０年代後半から１９９０年代には、窒化珪素質焼結体は、パワー半導体モジュール用放熱性基板としての応用が活発に検討されたが、熱伝導率に勝る窒化アルミニウム焼結体に実用面では先を越されていた。ところが、上記したように、窒化珪素質焼結体は高強度であるために薄型化できることから、厚い窒化アルミニウム焼結体からなる基板に肉薄する放熱性が期待でき、さらなる高熱伝導率化が検討されている（特許文献２、３等参照）。
【０００８】
これらの特許文献２、３には、Ｌｉ、Ａｌ、Ｎａ、Ｋ等の不可避不純物は、熱伝導率を低下させるので、含有量を合計で０．５質量％以下とすることが記載されている。
【特許文献１】特開平５−１３９８３８号公報
【特許文献２】特開平９−６９５９０号公報
【特許文献３】特開２００２−２０１０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１〜３では未だ熱伝導率が低いという問題があった。即ち、特許文献１に記載された窒化珪素質焼結体は、自動車部品やガスタービンエンジン用部品用であり、実施例からＬｉ２Ｏ換算で１．２モル％以上添加し、これらは熱処理によりリチウムと希土類元素の複合酸化物として存在せしめているが、Ｌｉは焼成中に蒸発し易い物質であり、焼結後にどの程度Ｌｉを含有しているか全く記載されておらず、どの程度の熱伝導率を有するか全く記載されていない。
【００１０】
また、窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４は難焼結体であることから、焼結助剤としてＹ２Ｏ３などの希土類酸化物やアルミナなどを添加する必要があるが、特許文献２、３では、このような焼結助剤としての様々な添加物や、この添加物中に含まれるＬｉ、Ａｌ、Ｎａ、Ｋ等の不純物が原因となって窒化珪素質焼結体の熱伝導率を低下させてしまうことが記載され、具体的には、添加物や不純物は窒化珪素質焼結体中に高熱抵抗の粒界相を形成したり、窒化珪素結晶相の中に固溶してしまい、窒化珪素結晶の熱拡散率を低下させ、熱伝導率を低下させてしまうと考えられていた。従って、特許文献２、３では、Ｌｉについても含有しないように制御していた。
【００１１】
本発明は、母基板の熱伝導率を向上できる回路基板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】
【００１２】
本発明者等は、従来、熱伝導率向上を阻害すると考えられていたＬｉについては、母基板中に一定量含有させることにより、熱伝導率を低下させる要因とならず、却って熱拡散率を高め、熱伝導率を向上させることができることを見出し、本発明に至った。
【００１３】
即ち、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を形成してなる回路基板であって、前記母基板が、希土類元素を酸化物換算で全量中１．３〜２．０質量％含有するとともに、Ｌｉを全量中０．０２〜０．０３質量％含有することを特徴とする。このような回路基板では、母基板が、希土類元素を酸化物換算で全量中１．３〜２．０質量％含有するため、母基板の焼結性を向上でき、母基板の緻密化を促進し、強度を向上することができるとともに、全量中Ｌｉを０．０２〜０．０３質量％含有するため、母基板の熱拡散率を向上でき、これにより、母基板の熱伝導率を向上できる。
【００１４】
即ち、母基板中にＬｉを全量中０．０２〜０．０３質量％含有するということは、焼結時までＬｉが０．０２〜０．０３質量％存在していたということであり、これにより、後述するように、窒化珪素結晶中への添加元素やＬｉ以外の不純物の固溶を抑制でき、これにより、窒化珪素結晶が本来有する熱拡散率の低下を抑制し、その結果、母基板の熱伝導率を従来よりも大幅に向上できると考えている。
【００１５】
また、本発明の回路基板は、前記Ｌｉの少なくとも一部は、窒化珪素結晶中に固溶していることを特徴とする。このような回路基板では、Ｌｉの少なくとも一部が窒化珪素結晶中に固溶することにより、理由は明確ではないが、窒化珪素結晶中への添加元素やＬｉ以外の不純物の固溶をさらに抑制でき、これにより、母基板の熱伝導率をさらに向上できると考えている。
【００１６】
さらに、本発明の回路基板は、前記母基板中に、Ａｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｂａ、ＭｎおよびＢを、合量で０．０１質量％以下含有することを特徴とする。このような回路基板では、Ｌｉ以外の不純物量が、合量で０．０１質量％以下であるため、さらに母基板の熱伝導率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の回路基板では、母基板が、希土類元素を酸化物換算で全量中１．３〜２．０質量％含有するとともに、全量中Ｌｉを０．０２〜０．０３質量％含有するため、母基板の緻密化を促進し、強度を向上することができるとともに、母基板の熱拡散率を向上でき、これにより、母基板の熱伝導率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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、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、半導体素子が搭載される。
【００１９】
そして、窒化珪素質焼結体からなる母基板は、窒化珪素を主成分とし、希土類元素を酸化物換算で全量中１．３〜２．０質量％含有するとともに、ＬｉをＬｉ金属換算で母基板全量中０．０２〜０．０３質量％含有することを特徴とする。このような回路基板では、母基板の熱拡散率を向上でき、これにより、母基板の熱伝導率を向上できる。このようなＬｉの少なくとも一部は、窒化珪素結晶中に固溶しているものと考えられる。
【００２０】
また、原料中にはＡｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、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、母基板全量中に合量で０．０１質量％以下であるこ
とが望ましい。これにより母基板の熱拡散率の低下を抑制でき、結果として母基板の熱伝導率を向上できる。
【００２１】
さらに、母基板中に、希土類元素を酸化物換算で全量中１．３〜２．０質量％含有することにより、焼結性が向上する。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１．３〜２．０質量％添加含有することができる。
【００２２】
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を形成して作製される。母基板は、窒化珪素粉末にＹ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３などを焼結助剤として１．３〜２．０質量％、Ｌｉ化合物をＬｉ２Ｏ換算で全量中０．７〜１．０質量％添加した混合粉末を成形して焼成し、Ｌｉを全量中０．０２〜０．０３質量％含有せしめて作製することができる。
【００２３】
窒化珪素粉末は、酸素を１．７質量％以下、不純物イオンとしてのＡｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｂａ、ＭｎおよびＢを合計で０．０１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。
【００２４】
Ｌｉ化合物としては、例えばＬｉ２ＣＯ３粉末を用いることができる。このようなＬｉ２ＣＯ３粉末はＬｉ２Ｏ換算で全量中０．７〜１．０質量％添加する。
【００２５】
そして、本発明では、Ｌｉ化合物をＬｉ２Ｏ換算で全量中０．７〜１．０質量％添加した混合粉末を成形して焼成し、Ｌｉを母基板全量中０．０２〜０．０３質量％含有せしめることが重要である。
【００２６】
本発明では、Ｌｉ化合物を添加し、一定量母基板中に含有せしめることを特徴とするが、その効果は、Ｌｉが焼結過程において窒化珪素結晶に固溶することによって、焼結助剤（希土類等）の添加元素や不純物元素が固溶することを抑えることができ、これによって窒化珪素焼結体の熱拡散率が向上すると考えている。
【００２７】
ところが、焼結過程でＬｉが蒸発してしまうと、その効果が無くなるため、Ｌｉ化合物をＬｉ２Ｏ換算で全量中０．７〜１．０質量％添加し、母基板全量中０．０２〜０．０３質量％残存させるべく、焼成に際してＬｉの蒸発を抑制するため、窒化珪素粉末とＬｉ化合物を含有する混合粉末の成形体を、窒化珪素焼結体製の鉢の中に、Ｌｉ化合物を含有していない、窒化珪素粉末のとも材を充填し、成形体をこのとも材の中に埋め込んで焼成する。
【００２８】
成形体を窒化珪素粉末のとも材中に埋設して焼成しているため、Ｌｉの蒸発がある程度抑制されるものの、とも材がＬｉ化合物を含有していないため、Ｌｉがある程度蒸発することになり、Ｌｉ化合物をＬｉ２Ｏ換算で全量中０．７〜１．０質量％添加し、母基板全量中０．０２〜０．０３質量％残存することになる。
【００２９】
本発明の範囲において熱拡散率は０．５２８［ｍ２／秒］以上と高い値が得られる。
【００３０】
本発明の回路基板の母基板は、熱拡散率は０．５２８［ｍ２／秒］以上、特には０．６［ｍ２／秒］以上であり、熱伝導率は１１７［Ｗ・ｍ／Ｋ］以上、特には、１３０［Ｗ・ｍ／Ｋ］以上のものが得られる。
【００３１】
さらに、本発明の母基板では、熱伝導率が高いため、厚さを薄くすることにより、窒化
珪素からなるものとしては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。
【実施例】
【００３２】
出発原料として、窒化珪素α相を９５％含み、酸素を１質量％含み、平均粒径０．５μｍの窒化珪素粉末と、平均粒径１．５μｍのＬｉ２ＣＯ３粉末と、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。
【００３３】
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。尚、表１の試料Ｎｏ．１で説明すると、Ｙ２Ｏ３粉末を１質量％、Ｌｉ２ＣＯ３粉末を０．３質量％、窒化珪素粉末を９８．７質量％添加したことになる。
【００３４】
次いで、窒化珪素焼結体製の鉢の中に、Ｌｉ２ＣＯ３粉末を含有していない、窒化珪素粉末のとも材を充填し、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焼結体を得た。
【００３５】
なお、本発明の実施例については、とも材として１質量％の酸化珪素を添加含有した窒化珪素粉末を用い、表１の試料Ｎｏ．２３については、とも材として１．５質量％のＬｉ２ＣＯ３を添加含有した窒化珪素粉末を用い、試料Ｎｏ．２２についてはとも材を使用しなかった。
【００３６】
こうして得られた試料Ｎｏ．１〜２５に係る各窒化珪素焼結体について、熱拡散率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、密度を掛け合わせて熱伝導率を算出した。その結果を表１に示す。
【００３７】
また、不純物イオンとしてのＡｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｂａ、ＭｎおよびＢを、ＩＣＰ
発光分光分析で測定し、表１に記載した。さらに、Ｌｉ量をＩＣＰ発光分光分析で測定し、Ｌｉ金属換算して表１に記載した。
【表１】
0005094259.tif 000002
【００３８】
この表１によれば、本発明の範囲内にある試料Ｎｏ．３、５〜１０は熱拡散率が０．５２８×１０−４［ｍ２／秒］以上の優れた特性を有していることがわかる。一方、焼成時にとも材を用いなかった試料Ｎｏ．２２では、Ｌｉの蒸発量が多くなり、熱拡散率が低く、とも材として１．５質量％のＬｉ２ＣＯ３を添加含有した試料Ｎｏ．２３では、焼結体中のＬｉ量が多くなり、熱拡散率が低かった。