(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒界層にＳｍ、Ｇｄ、Ｙｂのうちから２種の元素を含み、該元素の原子数比が０．３〜０．７であり、絶縁破壊電圧が２６ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
【請求項２】
粒界層に、さらにアルミニウム元素を含有してなることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】
窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下で焼成する方法において、上記窒化アルミニウム粉末において、酸素含有量２質量％以下、炭素量１０００ｐｐｍ以下含有し、上記焼結助剤が、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｙｂの硝酸塩、炭化物及び窒化物から選ばれた２種の化合物であって、しかもランタノイド元素種が異なっていることを特徴とする絶縁破壊電圧に優れた窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項４】
窒化アルミニウム粉末１００質量部に対し、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｙｂの硝酸塩、炭化物及び窒化物から選ばれた２種の化合物を１〜５質量部使用することを特徴とする請求項３記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項５】
窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混合粉末が、更にアルミニウム又はアルミニウム化合物を含んでいることを特徴とする請求項３又は４記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項６】
請求項１又は２記載の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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高絶縁破壊電圧を有する窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法、用途に関する。
【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してなる回路基板において、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、従来より多くの焼結助剤が検討されている。その効果の大きいとされているランタノイド元素を用いる例をあげれば、イットリウム、ランタノイド元素金属及びアルカリ土類金属からなる群より選ばれた１種以上の金属酸化物と、イットリウム、ランタノイド元素金属及びアルカリ土類金属からなる群より選ばれた１種以上の金属ハロゲン化物とを併用する特開昭６２−１０５９６０号公報発明、酸化サマリウム、酸化ジスプロシウム、酸化ネオジウムの中から選ばれた１種以上を用いる特開平１−９６０６７号公報発明等である。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、このような焼結助剤を使用した場合、均一な粒界層を形成させ緻密な焼結体とするには、その焼成温度を１８００℃以上の高温にしなければならない。さらには、従来の焼結助剤では、最適な焼成領域は狭く、焼成温度範囲は±１０℃で管理する必要があった。最適な焼成領域を超えると、粒界層が表面に析出してしみだしや色むらが発生する。その結果、焼結体内部の粒界層に空洞が発生し、絶縁破壊電圧はボイド放電により低下し、１０ｋＶ／ｍｍ程度と小さくなった（特開平５−５８７４４号公報）。このような窒化アルミニウム焼結体を回路基板の構成材とすると、絶縁不良を起こすという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上にして、しみだしや色むらがなく、絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／ｍｍ以上であり、窒化アルミニウム基板として好適な窒化アルミニウム焼結体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、このような窒化アルミニウム焼結体を最適な焼成領域を広めて容易に製造することができる窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供することである。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
すなわち、本発明は、粒界層に２種以上のランタノイド元素を含み、絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／ｍｍ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。粒界層に、さらにアルミニウム元素を含有してなるものが好ましい。また、本発明は、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下で焼成する方法において、上記焼結助剤がランタノイド元素の硝酸塩、炭化物及び窒化物から選ばれた２種以上の化合物であって、しかもランタノイド元素種が異なっていることを特徴とする絶縁破壊電圧に優れた窒化アルミニウム焼結体の製造方法である。窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混合粉末が、更にアルミニウム又はアルミニウム化合物を含んでいることが好ましい。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層からなるものであって、窒化アルミニウム粒子の大きさとしては０．５〜１０μｍであることが好ましい。窒化アルミニウム焼結体における粒界層の構成割合は１〜２０％であることが好ましく、またその粒界層は、結晶化率が２０％以上、特に５０％以上であることが好ましい。
【０００９】
粒界層の構成割合は、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、粒界層のみにしたものを、ＥＰＭＡによって測定することができる。また、粒界層の結晶化率は、Ｘ線回折法によって測定することができる。
【００１０】
本発明の窒化アルミニウム焼結体の第１の条件は、粒界層に２種以上のランタノイド元素を含有していることである。ランタノイド元素（以下、「Ｌｎ」という。）としては、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等があげられる。これらの中でも、Ｓｍ、Ｙｂ及びＧｄが絶縁破壊電圧の向上の点から特に好ましい。特に好ましくは、原子比率を０．１〜０．９、特に０．３〜０．７とすることである。
【００１１】
粒界層中のＬｎは、酸化物の形態で存在することが好ましく、またＬｎの粒界層中の含有率は３０％以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明の窒化アルミニウム焼結体の第２の条件は、絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／ｍｍ以上であることである。本発明でいう絶縁破壊電圧とは、ＪＩＳ  Ｃ  ２１１０に準じて試料に電圧を加えたときに破壊する最小の電圧のことである。
【００１３】
本発明の窒化アルミニウム焼結体の粒界層には、少量のアルミニウム元素を含有していることが好ましい。アルミニウム元素は本発明の窒化アルミニウム焼結体を製造する際の最適な焼成温度範囲を広めるために窒化アルミニウム粉末原料に添加されるものであって、窒化アルミニウム焼結体中には粒界層に存在するが、それによって絶縁破壊電圧が損なうことはない。アルミニウム元素の粒界層中の含有率は３〜３０％であることが好ましい。
【００１４】
粒界層中のアルミニウム元素は、アルカリ溶解法によって粒界層のみにしたものをＥＰＭＡによって測定することができる。
【００１５】
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、上記した絶縁破壊電圧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。
【００１６】
本発明の最大の特徴は、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤を含む混合粉末を成形後、非酸化性雰囲気下で焼成する方法において、焼結助剤として、Ｌｎの硝酸塩、炭化物及び窒化物から選ばれた２種以上の化合物を用い、しかもＬｎ種が異なっているものを使用することにある。
【００１７】
本発明で使用される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で十分であるが、酸素含有量２質量％以下、炭素量１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。酸素含有量が２質量％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以上にすることが困難となる。なお、アルミニウムを除くＦｅ、Ｃａ等の陽イオン不純物は合計で０．１質量％以下であることが好ましい。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、熱伝導率および強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１８】
本発明で使用される焼結助剤は、Ｌｎの硝酸塩、炭化物及び窒化物から選ばれた少なくとも２種であり、しかもＬｎ種が異なっているものである。Ｌｎが単味又は酸化物であると、その異なる２種以上のＬｎを用いてもしみだしや色むらが発生しやすくなり、また絶縁破壊電圧が小さくなる。また、Ｌｎの硝酸塩、炭化物及び窒化物を用いても、それを単独で使用するか、又は異ならないＬｎ種の異なる化合物を使用すると、焼結温度を高める必要があるため、しみだしや色むらが発生しやすくなり、また絶縁破壊電圧が小さくなる。
【００１９】
本発明においては、ｘ種類のＬｎ種をＬn1，Ｌn2，・・・，Ｌnx-1，Ｌnxとすると、Ｌｎ種合計の原子数（Ｌn1+Ｌn2，・・・+Ｌnx-1+Ｌnx）に対する、ある１種のＬｎの原子数（Ｌn）の比、Ｌn／（Ｌn1+Ｌn2，・・・+Ｌnx-1+Ｌnx）が、０．１〜０．９、特に０．３〜０．７であることが好ましい。原子数の比が０．１未満又は０．９を超えると、しみだしや色むらが発生しやすくなり、また絶縁破壊電圧が小さくなる。本発明においては、ＬｎがＳｍであり、（Ｌn1+Ｌn2，・・・+Ｌnx-1+Ｌnx）が、ＳｍとＹｂ、又はＳｍとＹｂとＧｄであることが好ましく、それらの硝酸塩、炭化物、窒化物が使用される。中でも、Ｓｍ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏと、Ｙｂ（ＮＯ3）3・３Ｈ2Ｏ及び／又はＧｄ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏとを併用することが絶縁破壊電圧の向上の点から好ましい。
【００２０】
Ｌｎの硝酸塩、炭化物、窒化物の使用量は、窒化アルミニウム粉末１００質量部に対し、これらのＬｎ化合物の合計で０．１〜１５質量部、特に１〜５質量部とすることが好ましい。０．１質量部未満であると緻密化が阻害される恐れがあり、また１５質量部を超えると、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。
【００２１】
Ｌｎとしては、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等であり、これらの硝酸塩、炭化物、窒化物が使用される。これらのＬｎ化合物の純度は９９．５％以上、特に９９．９％以上であることが好ましい。純度が９９．５％未満であると、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以上にすることが困難となる。また、Ｌｎ化合物の粒度は、平均粒子径で５μｍ以下、特に１μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が５μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率および強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００２２】
本発明においては、上記Ｌｎ化合物と共に少量のアルミニウム又はアルミニウム化合物を窒化アルミニウム粉末に存在させることによって、最適な焼成領域を広め、焼結温度を低めて所期の目的を達成することができる。アルミニウム又はアルミニウム化合物の使用量は、窒化アルミニウム粉末１００質量部に対してアルミニウム又はアルミニウム化合物の合計で０．１〜５質量部、特に０．５〜３質量部であることが好ましい。０．１質量部未満であると上記効果が小さくなり、また５質量部を超えると、液相にガーネット相が生成するなどして強度発現に悪影響を及ぼす。また、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。
【００２３】
アルミニウム又はアルミニウム化合物としては、金属アルミニウム、フッ化アルミニウム、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウム等があげられるが、酸化アルミニウムは熱伝導率を低下させることがあるのであまり推奨できない。アルミニウム又はアルミニウム化合物の純度は９９．５％以上、特に９９．９％以上が好ましい。９９．５％未満であると、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以上にすることが困難となる。また、アルミニウム又はアルミニウム化合物の粒度は、平均粒子径で５μｍ以下、特に１μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が５μｍを超えると、焼結密度が低下し、熱伝導率および強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００２４】
窒化アルミニウム粉末に焼結助剤、又は焼結助剤とアルミニウム又はアルミニウム化合物を混合するには、ボールミル等が使用される。ついで、この混合原料には、常圧焼結の場合はバインダーが加えられ、金型、静水圧プレスあるいはシート成形により成形をされる。その後、成形体を窒素ガス等の気流中、３５０〜７００℃で１〜５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入れ、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化性雰囲気中、温度１６００〜１８００℃で常圧焼結される。一方、ホットプレス焼結の場合は、上記混合原料を１５５０〜１７５０℃でホットプレスする。
【００２５】
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、従来構造において、窒化アルミニウム基板を本発明の窒化アルミニウム焼結体からなる窒化アルミニウム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形成され、必要に応じて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。
【００２６】
窒化アルミニウム基板の厚みは種々あり、放熱特性を重視する場合は０．５〜１．０ｍｍ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程度がのもが用いられる。
【００２７】
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、窒化アルミニウム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、高信頼性モジュールとなる。
【００２８】
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。
【００２９】
窒化アルミニウム基板に金属回路、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。
【００３０】
【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。
【００３１】
実施例１
酸素含有量０．７質量％、炭素含有量３５０ｐｐｍ、Ｆｅ、Ｃａ等の陽イオン金属不純物０．０３質量％の窒化アルミニウム粉末（平均粒子径０．７μｍ）１００質量部に対し、Ｌｎ硝酸塩（純度 ９９．９５％、平均粒子径 ０．８μｍ）と、フッ化アルミニウム粉末（純度９９．９５％、平均粒子径０．５μｍ）を表１に示す割合で配合し、ボールミルで混合した。ついで、バインダー（アクリル系樹脂）を加え、混練、造粒、整粒を行い、シート状に成形した。これを窒素気流中、５００℃  ２時間保持して脱脂後、窒素ガス雰囲気中、表１に示す焼成温度で２時間、常圧焼成した。
【００３２】
得られた窒化アルミニウム焼結体の密度をアルキメデス法で、また熱伝導率をレ−ザ−フラッシュ法で測定した。さらに、絶縁破壊電圧をＪＩＳ  Ｃ  ２１１０  に準じ、絶縁油中で測定した。それらの結果を表２に示す。
【００３３】
【表１】
0005043260.tif 000002
【００３４】
【表２】
0005043260.tif 000003
【００３５】
表から、２種以上のＬｎの硝酸塩、炭化物、窒化物を併用することにより、焼成温度が低下し、しみだしや色むらが無く、絶縁破壊電圧が２０ｋＶ／ｍｍに向上することがわかる。
【００３６】
実験番号５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質量％Ｓｉ−１質量％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（検出下限直径０．３ｍｍ）。
【００３７】
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。
【００３８】
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、全く異常は認められなかった。
【００３９】
実施例２
表３に示すＬｎ化合物を用いたこと以外は、実施例１と同様な試験を行った。それらの結果を表４に示す。
【００４０】
【表３】
0005043260.tif 000004
【００４１】
【表４】
0005043260.tif 000005
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、しみだしや色むらがほとんどなく、絶縁破壊電圧が高く、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、高電圧パワーモジュール用回路基板が提供される。