JP3115238B2

JP3115238B2 - 窒化けい素回路基板

Info

Publication number: JP3115238B2
Application number: JP08238172A
Authority: JP
Inventors: 裕小森田; 和男池田; 通泰小松; 隆之那波; 孔俊佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 2000-12-04
Anticipated expiration: 2016-09-09
Also published as: JPH1084059A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化けい素回路基
板に係り、特に冷熱サイクルの付加等に対する信頼性を
向上させ、かつ放熱性および構造強度を改善した窒化け
い素回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュールや
スイッチング電源モジュール等の比較的高電力を扱う半
導体部品の搭載用基板等として、セラミックス基板上に
銅板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が用い
られている。

【０００３】上述したようなセラミックス回路基板の製
造方法、すなわちセラミックス基板と金属板との接合方
法としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等の活性金属をＡ
ｇ−Ｃｕろう材等に１〜１０％添加した活性金属ろう材
を用いる方法（活性金属法）や、金属板として酸素を１
００〜１０００ppm 含有するタフピッチ電解銅や表面を
１〜１０μｍの厚さで酸化させた銅を用いてセラミック
ス基板と銅板とを直接接合させる、いわゆる直接接合法
（ＤＢＣ法：ダイレクト・ボンディング・カッパー法）
等が知られている。

【０００４】例えば直接接合法においては、まず所定形
状に打ち抜かれた厚さ０．３〜０．５mmの銅回路板を、
酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）焼結体や窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）焼結体等からなる厚さ０．６〜１．０mm
のセラミックス基板上に接触配置させて加熱し、接合界
面にＣｕ−Ｃｕ₂Ｏの共晶液相を生成させ、この液相で
セラミックス基板の表面を濡らした後、液相を冷却固化
することによって、セラミックス基板と銅回路板とが接
合される。このような直接接合法を適用したセラミック
ス回路基板は、セラミックス基板と銅回路板との接合強
度が強く、またメタライズ層やろう材層を必要としない
単純構造なので小型高実装化が可能である等の長所を有
しており、また製造工程の短縮化を図ることもできる。

【０００５】ところで、上述した直接接合法や活性金属
法等により金属板をセラミックス基板に接合したセラミ
ックス回路基板においては、大電流を流せるように金属
板の厚さを０．３〜０．５mmと厚くしているため、熱履
歴に対して信頼性に乏しいという問題があった。すなわ
ち、熱膨張率が大きく異なるセラミックス基板と金属板
とを接合すると、接合後の冷却過程や冷熱サイクルの付
加により、上記熱膨張差に起因する熱応力が発生する。
この応力は接合部付近のセラミックス基板側に圧縮と引
張りの残留応力分布として存在し、特に金属板の外周端
部と近接するセラミックス部分に残留応力の主応力が作
用する。この残留応力は、セラミックス基板にクラック
を生じさせたり、あるいは金属板剥離の発生原因等とな
る。また、セラミックス基板にクラックが生じないまで
も、セラミックス基板の強度を低下させるという悪影響
を及ぼす。

【０００６】上述した残留応力のうち、金属板の接合後
の冷却過程で発生する熱応力に基くものは、冷却速度の
調節等によりある程度までは低減できるものの、実使用
時における搭載部品からの発熱等に起因する残留応力
は、外的条件によっては低減することができず、重大な
問題となっている。このため、上記したようなセラミッ
クス回路基板は、通常、セラミックス基板の裏面にも表
面すなわち半導体部品の実装部と同一あるいは５〜３０
％薄い金属板を接合して、セラミックス回路基板の反り
を防止しているが、残留応力の問題は根本的には解決さ
れていない。

【０００７】上述したような熱応力や残留応力による問
題、すなわち接合強度の低下やクラックの発生等への対
応策として、例えば特公平５−２５３９７号公報には、
金属板としての銅板の外周端部を薄肉形状（薄肉部）、
具体的には外周端部を段付き形状やテーパー形状とする
ことが記載されている。また、特開平３−１４５７４８
号公報には、金属板の外周縁部に沿った内側に溝を形成
することが記載されている。これにより、金属板の外周
端部に集中する応力を溝で分散させることによって、接
合強度の低下やクラックの発生等を防止している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のセラミックス回路基板における熱履歴に対する
信頼性の向上手法のうち、特公平５−２５３９７号公報
に記載されている手法では、金属板外周端部の薄肉部を
回路パターンの形成と同時にエッチング等で形成してい
るために製造工程が繁雑となり、製造工数の増大を招い
ていた。

【０００９】また、特開平３−１４５７４８号公報にお
いても、同様に金属板の外周縁部に沿った溝をエッチン
グ法で形成することが主に記載されている。エッチング
法によれば、回路パターンの形成と同時に溝を形成する
ことができるものの、上述したようにエッチング法は工
程が複雑で、製造工数の増大を招くといった難点を有し
ている。さらに、溝を金型等を用いた機械加工により形
成することも示されているが、この機械加工による方法
で金属板の外周縁部の内側全周にわたって溝を形成した
場合、押圧等により溝を形成する際に押圧部周辺の金属
板に塑性変形が発生し、これに伴って特に金属板中央部
にゆがみ等の変形が発生する。この金属板の変形は、金
属板の接合不良あるいは接合強度低下の原因となってし
まう。

【００１０】このようなことから、金属板接合後の冷却
過程や冷熱サイクルの付加により、金属板に生じる熱応
力や残留応力を分散、緩和して、セラミックス基板のク
ラック発生や強度低下を有効に防止すると共に、製造工
程の簡略化が図れる機械加工によっても金属板の変形を
防止し得る技術が強く求められている。

【００１１】一方、半導体素子の高集積化、高出力化、
大型化が進展し、素子から発熱する熱を効率的に系外に
放散できる回路基板構造や熱応力に耐える高強度の回路
基板構造を求める技術的要請が高まっている。そこでセ
ラミックス基板として従来のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基
板よりも高強度を有する窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）基板
を用いることも試行された。しかしながら、Ｓｉ₃Ｎ₄
基板は、靭性値などの機械的強度は優れているものの熱
伝導性が窒化アルミニウム基板などと比較して著しく低
いため、特に放熱性を要求される半導体用回路基板の構
成材としては実用化されていない。

【００１２】一方、窒化アルミニウム基板は他のセラミ
ックス基板と比較して高い熱伝導性と低熱膨張特性とを
有するが、機械的強度の点で満足するものが得られてい
ないため、回路基板の実装工程において付加されるわず
かな押圧力や衝撃力によって、回路基板が破損し易く、
半導体装置の製造歩留りが大幅に減少させる場合があ
る。

【００１３】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、放熱性および構造強度に優れ、冷熱
サイクルが付加された場合等においても、金属板に生じ
る熱応力や残留応力を分散させることにより金属板の外
周端部への応力集中を緩和し、セラミックス基板のクラ
ック発生や強度低下を有効に防止することができ、しか
も製造工程的に有利な機械加工によっても金属板の変形
を防止し得る、信頼性や製造性に優れる窒化けい素回路
基板を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化けい素回路
基板は、請求項１に記載したように、希土類元素を酸化
物に換算して１．０〜１７．５重量％、不純物陽イオン
元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓ
ｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で１．０重量％以下、好まし
くは０．３重量％以下（検出限界としての０重量％を含
む）含有し、熱伝導率が６０ｗ／ｍ・ｋ以上である高熱
伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基
板に接合された金属板とを具備する窒化けい素回路基板
において、前記金属板の前記高熱伝導性窒化けい素基板
との接合面と反対面側の外周縁部内側に、溝が形成され
ていることを特徴としている。

【００１５】なお、上記希土類元素酸化物の含有範囲で
ある１．０〜１７．５重量％は、数学的な表示として当
然のことであるが、含有量の下限値である１．０重量％
および上限値である１７．５重量％を含むものである。
以下、他の成分範囲についても同様である。

【００１６】また、本発明の他の窒化けい素回路基板
は、請求項３に記載したように、希土類元素を酸化物に
換算して１．０〜１７．５重量％含有し、窒化けい素結
晶相および粒界相から構成されるとともに粒界相中にお
ける結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が２０％以
上、好ましくは５０％以上である高熱伝導性窒化けい素
基板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に接合された金
属板とを具備する窒化けい素回路基板において、前記金
属板の前記高熱伝導性窒化けい素基板との接合面と反対
面側の外周縁部内側に、溝が形成されていることを特徴
としている。

【００１７】ここで、金属板の外周縁部内側とは、図６
に示すように金属板２の幅Ｄを基準として、外周縁部か
ら中央方向へ向って、金属板２の幅Ｄの１／３以内の部
分と定義する。すなわち、金属板２の幅Ｄを基準とし
て、外周縁部を含まない外周縁部から中央方向への両側
１／３以内の部分を外周縁部内側とし、中央の金属板２
の幅Ｄの１／３の部分を中央部とする（図６においては
外周縁部内側を斜線で示す）。

【００１８】また、本発明に係る窒化けい素回路基板に
おいて、上記溝としては連続した溝の他に請求項８に記
載したように不連続な溝を所定の間隔をおいて形成して
もよい。また請求項１３に記載したように、上記連続し
た溝または不連続な溝に代えて、複数の孔を形成しても
よい。

【００１９】また、金属板に溝を形成した本発明の窒化
けい素回路基板においては、上記高熱伝導性窒化けい素
基板に接合された全ての金属板に上記連続した溝または
不連続な溝が形成されていることが好ましいが、高熱伝
導性窒化けい素基板に接合された少なくとも１つの金属
板に上記連続した溝または不連続な溝が形成されていれ
ば本発明に包含されるものである。また、金属板の全周
でなくても包含される。

【００２０】一方、金属板に複数の孔を形成した本発明
の窒化けい素回路基板においては、高熱伝導性窒化けい
素基板上に接合された全ての金属板に上記複数の孔が形
成されていることが好ましいが、少なくとも１つの金属
板に上記複数の孔が形成されていれば本発明に包含され
る。

【００２１】上述した金属板に溝を形成した本発明の窒
化けい素回路基板のより好ましい形態としては、請求項
６，１０に記載したように、前記連続した溝または不連
続な溝はプレス加工により形成された溝である形態、さ
らには請求項５，９に記載したように、前記連続した溝
または不連続な溝が前記金属板の外周縁部に沿って直線
状に形成されている形態、請求項７，１１に記載したよ
うに、前記連続した溝または不連続な溝の幅が０．２〜
１．０mmの範囲である形態、請求項１２に記載したよう
に、前記不連続な溝の長さをＬ₀、近接する前記不連続
な溝間の最短距離をＬ₁としたとき、１／１０Ｌ₀≦Ｌ
₁≦１／２Ｌ₀を満足する形態が挙げられる。

【００２２】一方、金属板に複数の孔を形成した本発明
の窒化けい素回路基板の好ましい形態としては、請求項
１４に記載したように、前記複数の孔は前記金属板の外
周縁部に沿って直線状の形成されている形態が挙げら
れ、また請求項１５に記載したように前記複数の孔は非
貫通孔である形態、請求項１６に記載したように前記複
数の孔は貫通孔である形態、請求項１７に記載したよう
に前記複数の孔はプレス成形により形成された孔である
形態、請求項１８に記載したように隣接する前記孔間の
最短距離をＬ₃、前記隣接する孔の中心間距離をＬ₄と
したとき、１／５Ｌ₄≦Ｌ₃≦１／２Ｌ₄を満足する形
態が挙げられる。

【００２３】また本発明で使用する高熱伝導性窒化けい
素基板は、希土類元素を酸化物に換算して１．０〜１
７．５重量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合
計で１．０重量％以下、好ましくは０．３重量％以下
（検出限界としての０重量％を含む。）含有するように
構成される。

【００２４】また他の態様として高熱伝導性窒化けい素
基板は、希土類元素を酸化物に換算して１．０〜１７．
５重量％含有し、窒化けい素結晶相および粒界相から成
るとともに粒界相中における結晶化合物相の粒界相全体
に対する割合が２０％以上、好ましくは５０％以上であ
る窒化けい素焼結体から形成してもよい。

【００２５】さらに上記希土類元素としてはランタノイ
ド系列の元素を使用することが熱伝導率を向上させるた
めに、特に好ましい。

【００２６】また、高熱伝導性窒化けい素基板は、窒化
アルミニウムまたはアルミナを１．０重量％以下含有す
るように構成してもよい。さらにアルミナを１．０重量
％以下と窒化アルミニウムを１．０重量％以下とを併用
してもよい。

【００２７】また本発明において使用する高熱伝導性窒
化けい素基板は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗからなる群より選択される少なくとも１
種を酸化物に換算して０．１〜３．０重量％含有するこ
とが好ましい。このＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗから成る群より選択される少なくと
も１種は、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物
として窒化けい素粉末に添加することにより含有させる
ことができる。

【００２８】さらに本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素基板の製造方法は、酸素を１．７重量％以下、不純
物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，
Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で１．０重量％以
下、好ましくは０．３重量％以下、α相型窒化けい素を
９０重量％以上含有し、平均粒径１．０μｍ以下の窒化
けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して２．０〜
１７．５重量％以下と、必要に応じてアルミナおよび窒
化アルミニウムの少なくとも一方を１．０重量％以下添
加した原料混合体を成形して成形体を調製し、得られた
成形体を脱脂後、温度１８００〜２１００℃で雰囲気加
圧焼結し、上記焼結温度から、上記希土類元素により焼
結時に形成された液相が凝固する温度までに至る焼結体
の冷却速度を毎時１００℃以下にして徐冷することを特
徴とする。

【００２９】上記製造方法において、窒化けい素粉末
に、さらにアルミナおよび窒化アルミニウムの少なくと
も一方を１．０重量％以下添加するとよい。

【００３０】さらに窒化けい素粉末に、さらにＴｉ，Ｚ
ｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物、
炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択
される少なくとも１種を０．１〜３．０重量％添加する
とよい。

【００３１】上記製造方法によれば、窒化けい素結晶組
織中に希土類元素等を含む粒界相が形成され、気孔率が
２．５％以下、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、三点曲
げ強度が室温で６５０ＭＰａ以上の機械的特性および熱
伝導特性が共に優れた窒化けい素基板が得られる。

【００３２】上記製造方法において使用され、焼結体の
主成分となる窒化けい素粉末としては、焼結性、強度お
よび熱伝導率を考慮して、酸素含有量が１．７重量％以
下、好ましくは０．５〜１．５重量％、Ｌｉ，Ｎａ，
Ｋ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂなどの不
純物陽イオン元素含有量が合計で１．０重量％以下、好
ましくは０．３重量％以下に抑制されたα相型窒化けい
素を９０重量％以上、好ましくは９３重量％以上含有
し、平均粒径が１．０μｍ以下、好ましくは０．４〜
０．８μｍ程度の微細な窒化けい素粉末を使用すること
ができる。

【００３３】平均粒径が１．０μｍ以下の微細な原料粉
末を使用することにより、少量の焼結助剤であっても気
孔率が２．５％以下の緻密な高熱伝導性窒化けい素基板
を形成することが可能であり、また焼結助剤が熱伝導特
性を阻害するおそれも減少する。

【００３４】またＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，
Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂの不純物陽イオン元素は熱伝導性
を阻害する物質となるため、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝
導率を確保するためには、上記不純物陽イオン元素の含
有量は合計で１．０重量％以下とすることにより達成可
能である。特に同様の理由により、上記不純物陽イオン
元素の含有量は合計で０．３重量％以下とすることが、
さらに好ましい。ここで通常の窒化けい素焼結体を得る
ために使用される窒化けい素粉末には、特にＦｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇが比較的に多く含有されているため、Ｆｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇの合計量が上記不純物陽イオン元素の合計含有
量の目安となる。

【００３５】なお、本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素基板において、上記不純物陽イオン元素の含有量
が、数学的な意味において完全に０重量％となることは
有り得ない。したがって、本願発明において規定する不
純物陽イオン元素の含有量は、実質上、検出限界として
の０重量％を含むものである。

【００３６】さらに、β相型と比較して焼結性に優れた
α相型窒化けい素を９０重量％以上含有する窒化けい素
原料粉末を使用することにより、高密度の窒化けい素基
板を製造することができる。

【００３７】また窒化けい素原料粉末に焼結助剤として
添加する希土類元素としては、Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｙ，
Ｌａ，Ｓｃ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｓｍ，Ｇｄなど
の酸化物もしくは焼結操作により、これらの酸化物とな
る物質が単独で、または２種以上の酸化物を組み合せた
ものを含んでもよいが、特に酸化ホルミウム（Ｈｏ₂Ｏ
₃），酸化エルビウム（Ｅｒ₂Ｏ₃）が好ましい。

【００３８】特に希土類元素としてランタノイド系列の
元素であるＨｏ，Ｅｒ，Ｙｂを使用することにより、焼
結性あるいは高熱伝導化が良好になり、１８５０℃程度
の低温度領域においても十分に緻密な焼結体が得られ
る。したがって焼成装置の設備費およびランニングコス
トを低減できる効果も得られる。これらの焼結助剤は、
窒化けい素原料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進
剤として機能する。

【００３９】上記焼結助剤の添加量は、酸化物換算で原
料粉末に対して１．０〜１７．５重量％の範囲とする。
この添加量が１．０重量％未満の場合は、焼結体の緻密
化が不十分であり、特に希土類元素がランタノイド系元
素のように原子量が大きい元素の場合には、比較的低強
度で比較的に低熱伝導率の焼結体が形成される。一方、
添加量が１７．５重量％を超える過量となると、過量の
粒界相が生成し、熱伝導率の低下や強度が低下し始める
ので上記範囲とする。特に同様の理由により４〜１５重
量％とすることが望ましい。

【００４０】また上記製造方法において他の選択的な添
加成分として使用するＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物，炭化物、窒化物、けい化
物、硼化物は、上記希土類元素の焼結促進剤の機能を促
進すると共に、結晶組織において分散強化の機能を果し
Ｓｉ₃Ｎ₄焼結体の機械的強度を向上させるものであ
り、特に、Ｈｆ，Ｔｉの化合物が好ましい。これらの化
合物の添加量が０．１重量％未満の場合においては添加
効果が不充分である一方、３．０重量％を超える過量と
なる場合には熱伝導率および機械的強度や電気絶縁破壊
強度の低下が起こるため、添加量は０．１〜３．０重量
％の範囲とする。特に０．２〜２重量％とすることが望
ましい。

【００４１】また上記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の化合物は窒
化けい素焼結体を黒色系に着色し不透明性を付与する遮
光剤としても機能する。そのため、特に光によって誤動
作を生じ易い集積回路等を搭載する回路基板を製造する
場合には、上記Ｔｉ等の化合物を適正に添加し、遮光性
に優れた窒化けい素基板とすることが望ましい。

【００４２】さらに上記製造方法において、他の選択的
な添加成分としてのアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）は、上記希
土類元素の焼結促進剤の機能を助長する役目を果すもの
であり、特に加圧焼結を行なう場合に著しい効果を発揮
するものである。このＡｌ₂Ｏ₃の添加量が０．１重量
％未満の場合においては、より高温度での焼結が必要に
なる一方、１．０重量％を超える過量となる場合には過
量の粒界相を生成したり、または窒化けい素に固溶し始
め、熱伝導の低下が起こるため、添加量は１重量％以
下、好ましくは０．１〜０．７５重量％の範囲とする。
特に強度、熱伝導率共に良好な性能を確保するためには
添加量を０．１〜０．５重量％の範囲とすることが望ま
しい。

【００４３】また、後述するＡｌＮと併用する場合に
は、その合計添加量は１．０重量％以下にすることが望
ましい。

【００４４】さらに他の添加成分としての窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）は焼結過程における窒化けい素の蒸発な
どを抑制するとともに、上記希土類元素の焼結促進剤と
しての機能をさらに助長する役目を果すものである。

【００４５】ＡｌＮの添加量が０．１重量％未満（アル
ミナと併用する場合では０．０５重量％未満）の場合に
おいては、より高温度での焼結が必要になる一方、１．
０重量％を超える過量となる場合には過量の粒界相を生
成したり、または窒化けい素に固溶し始め、熱伝導率の
低下が起こるため、添加量は０．１〜１．０重量％の範
囲とする。特に焼結性，強度，熱伝導率共に良好な性能
を確保するためには添加量を０．１〜０．５重量％の範
囲とすることが望ましい。なお前記Ａｌ₂Ｏ₃と併用す
る場合には、ＡｌＮの添加量は０．０５〜０．５重量％
の範囲が好ましい。

【００４６】また焼結体の気孔率は熱伝導率および強度
に大きく影響するため２．５％以下となるように製造す
る。気孔率が２．５％を超えると熱伝導の妨げとなり、
焼結体の熱伝導率が低下するとともに、焼結体の強度低
下が起こる。

【００４７】また、窒化けい素焼結体は組織的に窒化け
い素結晶と粒界相とから構成されるが、粒界相中の結晶
化合物相の割合は焼結体の熱伝導率に大きく影響し、本
発明で使用する高熱伝導性窒化けい素基板においては、
粒界相の２０％以上とすることが必要であり、より好ま
しくは５０％以上が結晶相で占めることが望ましい。結
晶相が２０％未満では熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と
なるような放熱特性に優れ、かつ高温強度に優れた高熱
伝導性窒化けい素基板が得られないからである。

【００４８】さらに上記のように高熱伝導性窒化けい素
基板の気孔率を２．５％以下にし、また窒化けい素結晶
組織に形成される粒界相の２０％以上が結晶相で占める
ようにするためには、窒化けい素成形体を温度１８００
〜２１００℃で２〜１０時間程度、加圧焼結し、かつ焼
結操作完了直後における焼結体の冷却速度を毎時１００
℃以下にして徐冷することが重要である。

【００４９】焼結温度を１８００℃未満とした場合に
は、焼結体の緻密化が不充分で気孔率が２．５vol%以上
になり機械的強度および熱伝導性が共に低下してしま
う。一方焼結温度が２１００℃を超えると窒化けい素成
分自体が蒸発分解し易くなる。特に加圧焼結ではなく、
常圧焼結を実施した場合には、１８００℃付近より窒化
けい素の分解蒸発が始まる。

【００５０】上記焼結操作完了直後における焼結体の冷
却速度は粒界相を結晶化させるために重要な制御因子で
あり、冷却速度が毎時１００℃を超えるような急速冷却
を実施した場合には、焼結体組織の粒界相が非結晶質
（ガラス相）となり、焼結体に生成した液相が結晶相と
して粒界相に占める割合が２０％未満となり、強度およ
び熱伝導性が共に低下してしまう。

【００５１】上記冷却速度を厳密に調整すべき温度範囲
は、所定の焼結温度（１８００〜２１００℃）から、前
記の焼結助剤の反応によって生成する液相が凝固するま
での温度範囲で充分である。ちなみに前記のような焼結
助剤を使用した場合の液相凝固点は概略１６００〜１５
００℃程度である。そして少なくとも焼結温度から上記
液相凝固温度に至るまでの焼結体の冷却速度を毎時１０
０℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは２
５℃以下に制御することにより、粒界相の２０％以上、
特に好ましくは５０％以上が結晶相になり、熱伝導率お
よび機械的強度が共に優れた焼結体が得られる。

【００５２】本発明において使用する高熱伝導性窒化け
い素基板は、例えば以下のようなプロセスを経て製造さ
れる。すなわち前記所定の微細粒径を有し、また不純物
含有量が少ない微細な窒化けい素粉末に対して所定量の
焼結助剤、有機バインダ等の必要な添加剤および必要に
応じてＡｌ₂Ｏ₃やＡｌＮ，Ｔｉ化合物等を加えて原料
混合体を調整し、次に得られた原料混合体を成形して所
定形状の成形体を得る。原料混合体の成形法としては、
汎用の金型プレス法、ドクターブレード法のようなシー
ト成形法などが適用できる。上記成形操作に引き続い
て、成形体を非酸化性雰囲気中で温度６００〜８００
℃、または空気中で温度４００〜５００℃で１〜２時間
加熱して、予め添加していた有機バインダ成分を充分に
除去し、脱脂する。次に脱脂処理された成形体を窒素ガ
ス、水素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中
で１８００〜２１００℃の温度で所定時間雰囲気加圧焼
結を行う。

【００５３】上記製法によって製造された窒化けい素基
板は気孔率が２．５％以下、６０Ｗ／ｍ・Ｋ（２５℃）
以上の熱伝導率を有し、また三点曲げ強度が常温で６５
０ＭＰａ以上と機械的特性にも優れている。

【００５４】なお、低熱伝導性の窒化けい素に高熱伝導
性のＳｉＣ等を添加して焼結体全体としての熱伝導率を
６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上にした窒化けい素基板は本発明の範
囲には含まれない。しかしながら、熱伝導率が６０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上である窒化けい素焼結体に高熱伝導性のＳｉ
Ｃ等を複合させた窒化けい素系基板の場合には、本発明
の範囲に含まれることは言うまでもない。

【００５５】本発明に係る窒化けい素回路基板は、上記
のように製造した高熱伝導性窒化けい素基板の表面に、
前記直接接合法や活性金属法を用いて導電性を有する金
属板を一体に接合して製造される。

【００５６】本発明の窒化けい素回路基板においては、
金属板の接合面と反対面側の外周縁部内側に、連続した
溝や不連続な溝または複数の孔を形成している。ここ
で、金属板の接合後の冷却過程で発生する熱応力や冷熱
サイクルの付加等による熱応力、またそれらに基く残留
応力は、金属板の外周縁部内側に設けられた上記連続し
た溝や不連続な溝または複数の孔により分散されるた
め、金属板の外周端部への応力集中が緩和される。これ
により、金属板の外周端部での応力値自体を低減するこ
とができるため、従来問題となっていたセラミックス基
板のクラック発生や強度低下等を有効に防止することが
可能となる。

【００５７】特に、上述した応力の分散を不連続な溝に
より達成する場合には、機械加工により溝を形成して
も、機械加工時の押圧による金属板の変形を溝と溝の間
の溝非形成領域により緩和することができる。従って、
機械加工時における金属板、特に金属板中央部の変形を
防止することが可能となる。ただし、金属板の角部近傍
は特に熱応力や残留応力が集中するため、溝が形成され
ていることが好ましい。

【００５８】一方、上述した応力の分散を複数の孔によ
り達成する場合には、金属板の強度低下部位（薄肉部）
が不連続となることにより、機械加工時には金属板自体
に変形や反り等が発生することを有効に防止し得る。従
って、応力分散の部位（孔）をプレス加工等の機械加工
によって実用的に形成することが可能となると共に、プ
レス加工等によっても金属板自体に変形や反り等が発生
することを有効に防止することが可能となる。

【００５９】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、
以下に示す実施例および添付図面を参照して具体的に説
明する。まず本発明において使用する高熱伝導性窒化け
い素基板について述べ、しかる後に、この高熱伝導性窒
化けい素基板をセラミックス基板として使用した窒化け
い素回路基板について説明する。

【００６０】まず本発明の窒化けい素回路基板の構成材
となる各種高熱伝導性窒化けい素基板を以下の手順で製
造した。

【００６１】すなわち、酸素を１．３重量％、前記不純
物陽イオン元素を合計で０．１５重量％含有し、α相型
窒化けい素９７％を含む平均粒径０．５５μｍの窒化け
い素原料粉末に対して、表１〜３に示すように、焼結助
剤としてのＹ₂Ｏ₃，Ｈｏ₂Ｏ₃などの希土類酸化物
と、必要に応じてＴｉ，Ｈｆ化合物，Ａｌ₂Ｏ₃粉末，
ＡｌＮ粉末とを添加し、エチルアルコール中で窒化けい
素製ボールを用いて７２時間湿式混合した後に乾燥して
原料粉末混合体をそれぞれ調整した。次に得られた各原
料粉末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混
合した後に、１０００kg／cm²の成形圧力でプレス成形
し、各種組成を有する成形体を多数製作した。次に得ら
れた各成形体を７００℃の雰囲気ガス中において２時間
脱脂した後に、この脱脂体を表１〜３に示す焼結条件で
緻密化焼結を実施した後に、焼結炉に付設した加熱装置
への通電量を制御して焼結炉内温度が１５００℃まで降
下するまでの間における焼結体の冷却速度がそれぞれ表
１〜３に示す値となるように調整して焼結体を冷却し、
それぞれ試料１〜５１に係る窒化けい素焼結体を調製し
た。さらに得られた焼結体を加工研磨して所定形状の高
熱伝導性窒化けい素基板とした。

【００６２】こうして得た試料１〜５１に係る各窒化け
い素基板について気孔率、熱伝導率（２５℃）、室温で
の三点曲げ強度の平均値を測定した。さらに、各窒化け
い素基板についてＸ線回折法によって粒界相に占める結
晶相の割合を測定し、下記表１〜３に示す結果を得た。

【００６３】

【表１】

【００６４】

【表２】

【００６５】

【表３】

【００６６】表１〜３に示す結果から明らかなように試
料１〜５１に係る窒化けい素焼結体においては、原料組
成および不純物量を適正に制御し、従来例と比較して緻
密化焼結完了直後における焼結体の冷却速度を従来より
低く設定しているため、粒界相に結晶相を含み、結晶相
の占める割合が高い程、高熱伝導率を有する放熱性の高
い高強度窒化けい素基板が得られた。

【００６７】これに対して酸素を１．３〜１．５重量
％，前記不純物陽イオン元素を合計で０．１３〜１．５
０重量％含有し、α相型窒化けい素を９３％含む平均粒
径０．６０μｍの窒化けい素原料粉末を用い、この窒化
けい素粉末に対してＹ₂Ｏ₃（酸化イットリウム）粉末
を３〜６重量と、アルミナ粉末を１．３〜１．６重量％
添加した原料粉末を成形，脱脂後、１９００℃で６時間
焼結し、炉冷（冷却速度：毎時４００℃）して得た焼結
体の熱伝導率は２５〜２８Ｗ／ｍ・Ｋと低く、従来の一
般的な製法によって製造された窒化けい素焼結体の熱伝
導率に近い値となった。

【００６８】次に得られた試料１〜５１に係る各高熱伝
導性窒化けい素基板の両面に、直接接合法または活性金
属法を用いて金属板を一体に接合することにより、それ
ぞれ窒化けい素回路基板を製造した。

【００６９】図１は、本発明の一実施例による窒化けい
素回路基板の構造を示す図である。同図において、高熱
伝導性窒化けい素基板１の表面１ａには金属板として銅
板２が接合されている。また、高熱伝導性窒化けい素基
板１の裏面１ｂにも、同様に銅板３が接合されており、
これらにより窒化けい素回路基板４Ａが構成されてい
る。

【００７０】また、図１に示す窒化けい素回路基板４Ａ
における銅板２，３は、高熱伝導性窒化けい素基板１に
対して直接接合法、いわゆるＤＢＣ法により接合されて
いる。このようなＤＢＣ法を利用する場合の銅板２，３
としては、タフピッチ銅のような酸素を１００〜３００
０ppm の割合で含有する銅を用いることが好ましいが、
接合時の条件によっては無酸素銅を用いることも可能で
ある。なお、銅や銅合金の単板に代えて、高熱伝導性窒
化けい素基板１との接合面が少なくとも銅により構成さ
れている他の金属部材とのクラッド板等を用いることも
できる。

【００７１】高熱伝導性窒化けい素基板１の表面１ａ側
に接合された銅板２は、半導体部品等の実装部となるも
のであり、所望の回路形状にパターニングされている。
また、高熱伝導性窒化けい素基板１の裏面１ｂ側に接合
された銅板３は、接合時における高熱伝導性窒化けい素
基板１の反り等を防止するものであり、中央付近から２
分割された状態でほぼ高熱伝導性窒化けい素基板１の裏
面１ｂ全面に接合、形成されている。裏面１ｂ側の銅板
３には、半導体部品等の実装部となる銅板２と同じ厚さ
のものを使用してもよいが、銅板２の厚さの７０〜９０
％の厚さの銅板を使用することが好ましい。

【００７２】ここで、図１に示した窒化けい素回路基板
４Ａは、高熱伝導性窒化けい素基板１に銅板２，３をＤ
ＢＣ法により接合したものであるが、例えば図２に示す
ように、銅板２，３を活性金属法で高熱伝導性窒化けい
素基板１に接合した窒化けい素回路基板５Ａであっても
よい。上記活性金属法は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎ
ｂ等から選ばれた少なくとも１種の活性金属を含むろう
材（以下、活性金属含有ろう材と記す）層６を介して、
高熱伝導性窒化けい素基板１と銅板２，３とを接合する
方法である。用いる活性金属含有ろう材の組成として
は、例えばＡｇ−Ｃｕの共晶組成（７２wt％Ａｇ−２８
wt％Ｃｕ）もしくはその近傍組成のＡｇ−Ｃｕ系ろう材
やＣｕ系ろう材を主体とし、これに１〜１０重量％のＴ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等から選ばれた少なくとも１種の
活性金属を添加した組成等が例示される。なお、活性金
属含有ろう材にＩｎのような低融点金属を添加して用い
ることもできる。

【００７３】図１に示した窒化けい素回路基板４Ａのよ
うに、銅板２，３を高熱伝導性窒化けい素基板１にＤＢ
Ｃ法で接合したものは、単純構造で高接合強度が得ら
れ、また製造工程を簡易化できる等の利点を有する。ま
た、図２に示した窒化けい素回路基板５Ａのように、銅
板２，３を高熱伝導性窒化けい素基板１に活性金属法で
接合したものは、高接合強度が得られると共に、活性金
属含有ろう材層６が応力緩和層としても機能するため、
より信頼性の向上が図れる。このようなことから、要求
特性や用途等に応じて接合法を選択することが好まし
い。

【００７４】また、活性金属法により高熱伝導性窒化け
い素基板１に金属板を接合する場合には、銅板に限ら
ず、用途に応じて各種の金属板、例えばニッケル板、タ
ングステン板、モリブデン板、これらの合金板やクラッ
ド板（銅板とのクラッド板を含む）等を用いることも可
能である。

【００７５】そして、上述した窒化けい素回路基板４
Ａ，５Ａにおいては、図１に示すように、半導体部品等
の実装部となる銅板２の外周縁部内側に、連続な溝７が
外周縁部に沿って、すなわち銅板２の各回路パターン部
の外周縁部に沿って形成されている。

【００７６】また上記連続した溝７に代えて、不連続な
溝を形成してもよい。図３は不連続な溝８を形成した銅
板２を、高熱伝導性窒化けい素基板１の表面１ａに直接
接合法により一体に接合した窒化けい素回路基板４Ｂを
示す。この窒化けい素回路基板４Ｂは、不連続な溝８を
形成した点以外は図１に示す窒化けい素回路基板４Ａと
同様な構成である。

【００７７】一方、図４は、不連続な溝８を形成した銅
板２を、活性金属含有ろう材層６を介して高熱伝導性窒
化けい素基板１の表面１ａに一体に接合した窒化けい素
回路基板５Ｂを示す断面図である。この窒化けい素回路
基板５Ｂは、不連続な溝８を形成した点以外は図２に示
す窒化けい素回路基板５Ａと同様な構成である。

【００７８】そして、上述した窒化けい素回路基板４
Ｂ，５Ｂにおいては、図５に示すように、半導体部品等
の実装部となる銅板２の外周縁部内側に、不連続な溝８
が外周縁部に沿って、すなわち銅板２の各回路パターン
の外周縁部に沿って形成されている。

【００７９】上記連続した溝７および不連続な溝８は、
製造工程の繁雑化を避けると共に、製造工数の低減を図
るために、金型を用いたプレス加工等の機械加工により
形成することが望ましい。ただし、必ずしも他の形成方
法の適用を除外するものではない。

【００８０】ここで、上述した銅板２（金属板）の外周
縁部内側とは、図６に示すように銅板２の幅Ｄを基準と
して、外周縁部から中央方向へ向って銅板２の幅Ｄの１
／３以内の部分とする。すなわち、銅板２の幅Ｄを基準
として、外周縁部を含まない外周縁部から中央方向に両
側１／３Ｄ以内の部分を外周縁部内側（図６においては
斜線で示す）とし、銅板２の幅Ｄの中央１／３の部分を
中央部とする。溝７，８の形成領域が上記外周縁部内側
を超えて中央部に達すると、銅板２の外周端部の応力集
中を十分に緩和できなくなると共に、実装面積の低下を
招くことになる。

【００８１】上述した連続の溝７および不連続な溝８
は、銅板２の各回路パターン部の外周縁部に沿って、所
定の間隔で直線状に形成することが好ましい。このよう
に、溝７，８を直線状に形成することによって、銅板２
の外周端部への応力集中を効率的に緩和でき、言い換え
ると応力を効率的に分散させることができる。

【００８２】また図５に示す不連続な溝８を構成する各
単体溝８ａの形状、すなわち単体溝８ａの幅Ｗおよび長
さＬ₀は、後述する単体溝８ａの形成間隔や銅板２の大
きさ等にもよるが、幅Ｗを０．２〜１．０mmの範囲、長
さＬ₀を２０mm以下の範囲とすることが好ましい。単体
溝８ａの幅Ｗが０．２mm未満の場合には、十分に応力を
分散できないおそれがあり、また、１．０mmを超えると
銅板２の強度低下を招きやすくなると共に、実装面積の
低下を招くことになる。

【００８３】幅Ｗのさらにこのましい範囲は同様の理由
から０．４〜０．８mmである。また、各単体溝８ａの長
さＬ₀が２０mmを超えると、溝非形成領域の減少に伴っ
て銅板２の変形を十分に抑制できないおそれがある。各
単体溝８ａの最小長さは特に限定されるものではない
が、銅板２の外周端部への応力集中を効率的に緩和する
という点から２mm以上とすることが好ましい。

【００８４】また図５において、直線状に配列された不
連続な溝８は、上述した各単体溝８ａの長さＬ₀に対し
て近接する単体溝８ａ間の最短距離Ｌ₁が、１／１０Ｌ
₀≦Ｌ₁≦１／２Ｌ₀を満足するように形成することが
好ましい。不連続な溝８の形成間隔（近接する単体溝８
ａ間の最短距離Ｌ₁）があまり大きすぎると、具体的に
はＬ₁＞１／２Ｌ₀となると、溝形成による応力の分散
効果を十分に得られないおそれがあり、一方不連続な溝
８の形成間隔があまり小さすぎると、具体的にはＬ₁＜
１／１０Ｌ₀となると、溝非形成領域による銅板２の変
形抑制効果が十分に得られなくなるおそれがある。

【００８５】不連続な溝８は、上述したような形成間隔
を満足していれば溝非形成領域の位置等が特に限定され
るものではないが、図５に示すように銅板２の角部近傍
には溝が形成されるように、各単体溝８ａを配置するこ
とが望ましい。これは、銅板２の角部近傍は特に熱応力
や残留応力が集中するためである。また、不連続な溝８
を構成する各単体溝８ａの長さＬ₀は、全て同一としな
ければならいなものではなく、上述した各条件を満足す
る範囲内で適宜変更することが可能である。

【００８６】上記連続した溝７および不連続な溝８の縦
断面形状は、図７に示すように深さ方向にほぼ均等な形
状であっても、また図８に示すように逆三角形状であっ
てもよい。ただし、その深さｄは銅板２の厚さｔの１／
３〜２／３の範囲とすることが好ましい。溝７，８の深
さが銅板２の厚さｔの１／３未満であると、応力の分散
効果が不十分となるおそれがあり、また厚さｔの２／３
を超えると銅板２の強度低下等を招きやすくなる。ま
た、溝７，８の形成位置、すなわち銅板２の外周縁部か
ら溝７，８までの最短距離Ｌ₂は、銅板２の厚さや大き
さ等によっても異なるが、０．３〜１．０mmとすること
が好ましい。溝７，８の形成位置を示す距離Ｌ₂が０．
３mm未満であると、銅板２の形状維持能が低下し、また
距離Ｌ₂が１．０mmを超えると銅板２の外周端部での応
力集中を十分に緩和できないおそれがある。

【００８７】以上半導体部品等の実装部となる高熱伝導
性窒化けい素基板１の表面１ａに接合する銅板２につい
て詳述したが、高熱伝導性窒化けい素基板１の裏面１ｂ
に接合する銅板３についても、表面１ａ側の銅板２と同
様に、その外周縁部内側に溝７，８を形成することが好
ましい。特に、放熱性等の点から比較的厚い銅板（金属
板）を用いる場合には、裏面１ｂ側の銅板３にも溝７，
８を形成することが望ましい。裏面１ｂ側の銅板３に形
成する溝７，８の形状や形成間隔等は、表面１ａ側の銅
板２に形成する溝７，８に準ずるものとする。

【００８８】上述した窒化けい素回路基板４は、例えば
以下のようにして製造される。すなわち、例えばタフピ
ッチ銅のような酸素含有銅板を、所定形状（銅板２に関
しては回路パターン形状）に加工すると共に、その外周
縁部内側に例えば直線状に連続した溝７または不連続な
溝８をプレス加工等の機械加工により形成する。このよ
うな溝７，８を有する銅板２，３を高熱伝導性窒化けい
素基板上にそれぞれ接触配置し、銅の融点（１３５６
Ｋ）以下で銅と酸化銅の共晶温度（１３３８Ｋ）以上の
温度で加熱することにより、各銅板２，３を接合し窒化
けい素回路基板４を作製する。この加熱の際の雰囲気
は、銅板として酸素含有銅板を使用する場合には不活性
ガス雰囲気とすることが好ましい。

【００８９】また、活性金属法により金属板を接合した
窒化けい素回路基板５は、例えば以下のようにして製造
される。まず、上記窒化けい素回路基板４と同様に、連
続した溝７または不連続な溝８を有する銅板２，３を用
意する。一方、前述したような活性金属含有ろう材をペ
ースト化したものを、例えば高熱伝導性窒化けい素基板
１側に塗布する。ろう材層の塗布厚は、冷熱サイクル特
性の向上を図る上で、加熱接合後のろう材層６の層厚が
あまり厚くならないようにすることが好ましい。次に、
ろう材ペーストを塗布した高熱伝導性窒化けい素基板１
上に、銅板２，３をそれぞれ積層配置し、使用したろう
材に応じた温度で熱処理することにより、窒化けい素回
路基板５を作製する。

【００９０】上述したような構造の窒化けい素回路基板
４，５においては、銅板２，３の接合後の冷却過程で発
生する熱応力や冷熱サイクルの付加等による熱応力、お
よびそれらに基く残留応力は、銅板２，３の外周縁部内
側に設けられた溝７，８により分散されて、銅板２，３
の各外周端部への応力集中が緩和される。これにより、
銅板２，３の外周端部での応力値自体が低減するため、
従来問題となっていたセラミックス基板部のクラック発
生や強度低下等を有効に防止することができる。そし
て、上述した応力の分散を溝７，８により達成している
ため、溝７，８の形成にプレス加工等の機械加工を適用
しても、銅板２，３の、特にその中央部の変形を防止す
ることができる。従って、銅板２，３の変形による接合
強度の低下等を招くことなく、製造工程の簡略化および
製造工数の低減が実現できる。

【００９１】次に、上記溝を形成した実施例の具体例お
よびその評価結果について述べる。

【００９２】実施例１まず、高熱伝導性窒化けい素基板１として、前記試料１
〜５１に係る窒化けい素基板を採用し、空気中で酸化す
ることにより、表面に厚さ４μｍ酸化物層（ＳｉＯ
₂層）を有する厚さ０．７mmの高熱伝導性窒化けい素基
板を用意すると共に、外周縁部内側に直線状の連続した
溝７または不連続な溝８を外周縁部に沿ってプレス加工
により形成した、タフピッチ銅（酸素含有量：３００pp
m ）からなる所定形状の厚さ０．３mmの銅板２，３を用
意した。

【００９３】連続した溝７の形状は、縦断面形状を図７
に示した深さ方向にほぼ均等形状とすると共に幅Ｗを
０．５mm、深さｄを０．１５mmとし、また形成位置は銅
板２，３の外周縁部からの距離Ｌ₂が０．５mmとなるよ
うにした。

【００９４】一方、不連続な溝８の形状は、縦断面形状
を図７に示した深さ方向にほぼ均等形状とすると共に図
５に示した、各単体溝８ａの幅Ｗを０．５mm、長さＬ₀
を１０mm、深さｄを０．１５mmとし、近接する各単体溝
８ａ間の最短距離Ｌ₁を２mm（＝０．２Ｌ₀）とし、ま
た形成位置は銅板２，３の外周縁部からの距離Ｌ₂が
０．５mmとなるようにした。

【００９５】そして、図１および図３に示したように、
高熱伝導性窒化けい素基板１の両面に２枚の銅板２，３
をそれぞれ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて１３
４８Ｋの条件で加熱して接合させ、目的とする窒化けい
素回路基板４Ａ，４Ｂを得た。

【００９６】このようにして得た窒化けい素回路基板４
Ａ，４Ｂに対して熱サイクル試験（ＴＣＴ：２３３Ｋ×
３０分＋ＲＴ×１０分＋３９８Ｋ×３０分を１サイクル
とする）を施し、この熱サイクル付加時における応力分
布を測定した。その結果を図９に示す。なお、図９にお
ける比較例（一点鎖線で示す）は、溝を有しない銅板
２′を用いる以外は上記実施例１と同一条件で作製した
窒化けい素回路基板に対して、同一条件で熱サイクルを
付加した際の応力分布の測定結果である。

【００９７】図９から明らかなように、銅板２，３の外
周縁部に沿って連続した溝７または不連続な溝８を形成
することにより、冷熱サイクル付加時の応力は溝７，８
により分散され、外周端部の応力は溝を有しない比較例
に比べて明らかに低減されていることが分かる。これに
より、窒化けい素基板のクラック発生や強度低下等を防
止することが可能となる。ちなみに、実施例１の窒化け
い素回路基板は、１００サイクルのＴＣＴ後においても
クラックが発生しなかったのに対して、比較例による窒
化けい素回路基板は１００サイクルで窒化けい素回路基
板の２５％にクラックが生じた。

【００９８】また、不連続な溝８をプレス加工により形
成した際には、銅板２，３に変形等が生じなかったのに
対し、同様にプレス加工により銅板の外周縁部に沿って
全周に連続した溝７を形成した場合には銅板の中央部に
変形が発生するものがあった。また、プレス加工時には
変形が小さい銅板であっても、高熱伝導性窒化けい素基
板との加熱接合や放冷の際に変形が発生していた。

【００９９】実施例２高熱伝導性窒化けい素基板１として、試料１〜５１に係
る厚さ０．６mmの高熱伝導性窒化けい素基板を用意する
と共に、外周縁部内側に直線状の不連続な溝８を外周縁
部に沿ってプレス加工により形成した所定形状の厚さ
０．３mmの銅板２，３とを用意した。不連続な溝８の形
状は、縦断面形状を図７に示した深さ方向にほぼ均等形
状とすると共に、各単体溝８ａの幅Ｗを０．５mm、長さ
Ｌ₀を１０mm、深さｄを０．１５mmとし、近接する各単
体溝８ａ間の最短距離Ｌ₁を２mm（＝０．２Ｌ₀）と
し、また形成位置は銅板２，３の外周縁部からの距離Ｌ
₂が０．５mmとなるようにした。

【０１００】そして、図４に示すように、高熱伝導性窒
化けい素基板の両面に、Ｉｎ：Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝１
４．０：５９．０：２３．０：４．０組成の活性金属含
有ろう材をペースト化したものを塗布し、この塗布層を
介して銅板２，３を積層配置した後、窒素ガス雰囲気中
にて加熱して接合させ、目的とする窒化けい素回路基板
５Ｂを得た。

【０１０１】このようにして得た窒化けい素回路基板５
Ｂに対して熱サイクル試験を実施例１と同一条件下で実
施したところ、実施例１と同様な良好な結果が得られ、
冷熱サイクルに対する信頼性に優れることを確認した。
また、上記銅板２，３に不連続な溝８をプレス加工で形
成した後の変形についても実施例１と同様であった。

【０１０２】次に金属板（銅板）に複数の孔を形成した
本発明の実施例について説明する。

【０１０３】図１０は複数の孔９を形成した銅板２を、
高熱伝導性窒化けい素基板１の表面１ａに直接接合法に
より一体に接合した窒化けい素回路基板４Ｃを示す。こ
の窒化けい素回路基板４Ｃは、溝７に代えて複数の孔９
を形成した点以外は図１に示す窒化けい素回路基板４Ａ
と同様な構成である。

【０１０４】一方、図１１は、複数の孔９を形成した銅
板２を、活性金属含有ろう材層６を介して高熱伝導性窒
化けい素基板１の表面１ａに一体に接合した窒化けい素
回路基板５Ｃを示す断面図である。この窒化けい素回路
基板５Ｃは、溝７に代えて複数の孔９を形成した点以外
は図２に示す窒化けい素回路基板５Ａと同様な構成であ
る。

【０１０５】そして、上述した窒化けい素回路基板４
Ｃ，５Ｃにおいては、図１２や図１３に示すように、半
導体部品等の実装部となる銅板２の外周縁部に沿って、
すなわち銅板２の各回路パターン部の外周縁部に沿っ
て、その内側に複数の孔９が形成されている。複数の孔
９の横断面形状は、図１２に示すような円形状であって
も、また図１３に示すような矩形状であってもよい。ま
た、複数の孔９は、製造工程の煩雑化を避けると共に、
製造工数の低減を図るために、金型を用いたプレス加工
により形成することが望ましい。ただし、必ずしも他の
形成方法の適用を除外するものではない。

【０１０６】上述した複数の孔９は、銅板２の各回路パ
ターン部の外周縁部に沿って、所定の間隔で直線状に形
成されることが好ましい。このように、複数の孔９を直
線状に形成することによって、銅板２の外周端部への応
力集中を効率的に緩和でき、言い換えると応力を効率的
に分散させることができる。

【０１０７】孔９の大きさは、その横断面形状や銅板２
の大きさ、さらには後述する孔９の形成間隔等にもよる
が、例えば図１２に示すような円形状の場合には直径
０．１〜１．０mmとすることが好ましい。孔９の大きさ
が０．１mm未満の場合には、十分に応力を分散できない
おそれがあり、また１．０mmを超えると銅板２の強度低
下を招き易くなると共に、実装面積の低下を招く。さら
に好ましい範囲は、同様の理由から０．３〜０．７mmで
ある。一方、図１３に示すような矩形状の孔９とする場
合には、長辺の長さを上記したような大きさとすること
が好ましい。

【０１０８】また、直線状に配列された複数の孔９は、
隣接する孔９との間の最短距離をＬ₃、隣接する孔９の
中心間距離をＬ₄としたとき、１／５Ｌ₄≦Ｌ₃≦１／
２Ｌ₄を満足するように形成することが好ましい。孔９
の形成間隔（隣接する孔９間の最短距離Ｌ₃）があまり
大きすぎると、具体的にはＬ₃＞１／２Ｌ₄となると、
応力の緩和効果を十分に得られないおそれがあり、一方
孔９の形成間隔があまり小さすぎると、具体的にはＬ₃
＜１／５Ｌ₄となると、例えば上述したように複数の孔
９をプレス加工等で形成する場合に、銅板（金属板）２
の外周縁部内側（孔形成部分）の強度低下を十分に抑制
できないおそれがある。これにより、銅板２の変形が生
じて、銅板２の接合強度が低下するおそれがある。

【０１０９】上述した複数の孔９は、図１４や図１５に
示すように非貫通孔９Ａ，９Ｂであってもよいし、また
図１６に示すように貫通孔９Ｃであってもよい。例え
ば、非貫通孔９Ａ，９Ｂはプレス加工等により容易に形
成することができるため、製造工数の削減等に有効であ
り、また貫通孔９ＣはＤＢＣ法を適用する場合に、接合
に寄与せずにガス化した酸素等の排出孔としても機能
し、膨れの防止等による接合状態の均一性をより一層高
める上で有効である。このように、非貫通孔９Ａ，９Ｂ
および貫通孔９Ｃは、応力の分散・緩和効果とは別に、
それぞれ異なる有効性を有しているため、接合方法や用
途等に応じて適宜選択することが好ましい。

【０１１０】ここで、複数の孔９を非貫通孔９Ａ，９Ｂ
とする場合、その深さ方向の形状は、図１４に示すよう
にほぼ均一形状であっても、また図１５に示すように逆
円錐状（あるいは逆角錐状）であってもよい。ただし、
その深さｄは銅板２の厚さｔの１／３〜２／３とするこ
とが好ましい。非貫通孔状の孔９の深さが銅板２の厚さ
ｔの１／３未満であると、応力の分散効果が不十分とな
るおそれがある。

【０１１１】また、図１４に示すように複数の孔９の形
成位置、すなわち銅板２の外周縁部から孔９までの最短
距離Ｌ₅は、銅板２の厚さや大きさ等によっても異なる
が、０．３〜１．０mmとすることが好ましい。

【０１１２】以上は、半導体部品等の実装部となる高熱
伝導性窒化けい素基板１の表面１ａに接合する銅板２に
ついて詳述したが、高熱伝導性窒化けい素基板１の裏面
１ｂに接合する銅板３についても、表面側の銅板２と同
様に、その外周縁部内側に複数の孔９を形成することが
好ましい。特に、放熱性等の点から比較的厚い銅板（金
属板）を用いる場合には、裏面側の銅板３にも複数の孔
９を形成することが好ましい。裏面側の銅板３に形成す
る複数の孔９の形状や形成間隔等は、表面側の銅板２に
形成する複数の孔９に準ずるものとする。

【０１１３】上述したような窒化けい素回路基板４Ｃ，
５Ｃは、実施例１〜２と同様に、複数の孔９を形成した
銅板２，３などの金属板を、直接接合法や活性金属法を
使用して高熱伝導性窒化けい素基板１に一体に接合する
ことにより製造される。

【０１１４】上述したような構成の窒化けい素回路基板
４Ｃ，５Ｃにおいては、銅板２，３の接合後の冷却過程
で発生する熱応力や冷熱サイクルの付加等による熱応
力、およびそれらに基づく残留応力は、銅板２，３の外
周端部内側に設けられた複数の孔９により分散され、銅
板２，３の各外周端部への応力集中が緩和される。これ
により、銅板２，３の外周縁部での応力値自体が減少す
るため、従来問題となっていたセラミックス基板部のク
ラック発生や強度低下等を有効に防止することができ
る。

【０１１５】そして、上述した応力の分散を複数の孔９
により達成しているため、銅板２，３の強度低下部位は
その外周縁部に沿って不連続となる。したがって、複数
の孔９の形成にプレス加工等の機械加工を適用しても、
銅板２，３自体に変形や反り等が発生することがないた
め、銅板２，３の接合強度の低下等を招くことなく、製
造工程の簡略化および製造工数の低減が実現できる。

【０１１６】次に、複数の孔を形成した実施例の具体例
およびその評価結果について述べる。

【０１１７】実施例３まず、高熱伝導性窒化けい素基板１として、実施例１で
用いた窒化けい素基板を採用した。すなわち表面に厚さ
４μｍの酸化物層を有する厚さ０．７mmの高熱伝導性窒
化けい素基板と、外周縁部に沿って複数の孔９がプレス
加工により形成された、タフピッチ銅（酸素含有量：３
００ppm ）からなる所定形状の銅板２，３とを用意し
た。孔９の形状は、図１２および図１４に示した円形状
（直径＝０．６mm、深さ＝０．２mm）とした。また、複
数の孔９の形成間隔は、隣接する孔９間の最短距離Ｌ₃
を０．２５mm（＝１／２Ｌ₄）とし、また形成位置は銅
板２，３からの距離Ｌ₅が０．５mmとなるようにした。

【０１１８】そして、図１０に示したように、高熱伝導
性窒化けい素基板１の両面に２枚の銅板２，３をそれぞ
れ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて１３４８Ｋの
条件で加熱して接合させ、目的とする窒化けい素回路基
板４Ｃを得た。

【０１１９】このようにして得た窒化けい素回路基板４
Ｃに対して熱サイクル試験を実施例１と同一条件下で実
施したところ、ほぼ実施例１と同様な良好な結果が得ら
れ、図９に示すような応力分布が得られた。なお、図９
における比較例（一点鎖線で示す）は、複数の孔９を有
しない銅板２′を用いる以外は上記実施例３と同一条件
で作成した窒化けい素回路基板に対して、同一条件で熱
サイクルを付加した際の応力分布の測定結果である。

【０１２０】図９から明らかなように、銅板２，３の外
周縁部に沿って複数の孔９を形成することにより、冷熱
サイクル付加時の応力は孔９により分散させ、外周縁部
の応力は複数の孔９を有しない比較例に比べて明らかに
低減されていることが分かる。これにより、高熱伝導性
窒化けい素基板１のクラック発生や強度低下等を防止す
ることが可能となる。ちなみに、実施例３の窒化けい素
回路基板は、２００サイクルのＴＣＴ後においても殆ど
クラックが発生しなかった（１％にクラック発生）のに
対して、比較例による窒化けい素回路基板は、２００サ
イクルで高熱伝導性窒化けい素基板１の３５％にクラッ
クが発生した。

【０１２１】また、複数の孔９をプレス加工により形成
した銅板２，３は、プレス加工時に反りや変形等は発生
しなかったのに対し、同様にプレス加工により銅板の外
周縁部に沿って全周に溝を形成した銅板では、プレス加
工時に銅板の外周縁部に反りや変形が発生するものがあ
った。また、プレス加工時には変形の小さい銅板の場合
にも、高熱伝導性窒化けい素基板との加熱接合、放冷の
際に変形が発生していた。

【０１２２】実施例４高熱伝導性窒化けい素基板１として実施例２で用いた窒
化けい素基板を採用した。すなわち厚さ０．６mmの高熱
伝導性窒化けい素基板と、外周縁部に沿って複数の孔９
がプレス加工により形成された所定形状の厚さ０．３mm
の銅板２，３とを用意した。複数の孔９の形状は、図１
２および図１６に示した貫通孔（直径０．５mm）であ
る。また、複数の孔９の形成間隔は、隣接する孔９間の
最短距離Ｌ₃を０．２５mm（＝１／２Ｌ₄）とし、また
形成位置は、図１４に示す銅板２，３からの距離Ｌ₅が
０．５mmとなるようにした。

【０１２３】そして、図１１に示したように、高熱伝導
性窒化けい素基板１の両面に、重量比でＩｎ：Ａｇ：Ｃ
ｕ：Ｔｉ＝１４．０：５９．０：２３．０：４．０の組
成の活性金属含有ろう材をペースト化したものを塗布
し、この塗布層を介して銅板２，３を積層配置した後、
窒素ガス雰囲気中にて加熱して接合させ、目的とする窒
化けい素回路基板５Ｃを得た。

【０１２４】このようにして得た窒化けい素回路基板５
Ｃに対して熱サイクル試験を実施例３と同一条件下で実
施したところ、実施例３と同様な良好な結果が得られ、
冷熱サイクルに対する信頼性に優れることを確認した。
また、上記銅板２，３に複数の孔９をプレス加工で形成
した後の強度についても同様であった。

【０１２５】また上記各実施例に係る窒化けい素回路基
板４，５によれば、窒化けい素焼結体が本来的に有する
高強度高靭性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善し
た高熱伝導性窒化けい素基板１を使用している。したが
って、基板に搭載する半導体素子等の発熱部品からの発
熱は熱伝導率が高い窒化けい素基板１を経て迅速に系外
に伝達されるため放熱性が極めて良好である。

【０１２６】また、高強度高靭性である高熱伝導率窒化
けい素基板１を使用しているため、回路基板の最大たわ
み量を大きく確保することができる。そのため、アッセ
ンブリ工程において回路基板の締め付け割れが発生せ
ず、回路基板を用いた半導体装置を高い製造歩留りで安
価に量産することが可能になる。

【０１２７】また高熱伝導性窒化けい素基板１の靭性値
が高いため、熱サイクルによって基板１と金属回路板や
金属板２，３との接合部に割れが発生することが少な
く、耐熱サイクル特性が著しく向上し、耐久性および信
頼性に優れた半導体装置を提供することができる。

【０１２８】さらに高い熱伝導率を有する窒化けい素基
板１を使用しているため、高出力化および高集積化を指
向する半導体素子を搭載した場合においても、熱抵抗特
性の劣化が少なく、優れた放熱性を発揮する。

【０１２９】特に窒化けい素基板自体の機械的強度が優
れているため、要求される機械的強度特性を一定とした
場合に、他のセラミックス基板を使用した場合と比較し
て基板厚さをより低減することが可能となる。この基板
厚さを低減できることから熱抵抗値をより小さくでき、
放熱特性をさらに改善することができる。また要求され
る機械的特性に対して、従来より薄い基板でも十分に対
応可能となるため、基板製造コストをより低減すること
が可能となる。

【０１３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化けい
素回路基板によれば、冷熱サイクルが付加された場合等
においても、金属板に生じる熱応力や残留応力を、連続
した溝や不連続な溝、または複数の孔により分散させる
ことで、金属板の外周端部への応力集中を緩和すること
ができると共に、製造工程的に有利な機械加工によって
も金属板の変形を防止することができる。したがって、
製造工程の簡略化および製造工数の低減を図った上で、
冷熱サイクルの付加等によるセラミックス基板部のクラ
ック発生や強度低下を有効に防止することができ、信頼
性および製造性に優れた窒化けい素回路基板を提供する
ことが可能となる。

【０１３１】特に、本発明に係る窒化けい素回路基板に
よれば、窒化けい素焼結体が本来的に有する高強度高靭
性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善した高熱伝導
性窒化けい素基板を使用しているため、基板に搭載する
半導体素子等の発熱部品からの発熱は、高熱伝導性窒化
けい素基板を経て迅速に系外に伝達されるため放熱性が
極めて良好である。また、高強度高靭性である窒化けい
素基板を使用しているため、回路基板の最大たわみ量を
大きく確保することができる。そのため、アッセンブリ
工程において回路基板の締め付け割れが発生せず、回路
基板を用いた半導体装置を高い製造歩留りで安価に量産
することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による窒化けい素回路基板の
構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はその
断面図。

【図２】本発明の他の実施例による窒化けい素回路基板
の構造を示す断面図。

【図３】本発明の他の実施例による窒化けい素回路基板
の構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）はそ
の断面図。

【図４】本発明の他の実施例による窒化けい素回路基板
の構造を示す断面図。

【図５】本発明における不連続な溝の一形状例を示す平
面図。

【図６】本発明に溝または孔の形成位置を示す平面図。

【図７】本発明における溝の縦断面形状の一例を示す
図。

【図８】本発明における溝の縦断面形状の他の例を示す
図。

【図９】本発明の一実施例による窒化けい素回路基板に
熱サイクルを付加した際の銅板端部近傍の応力分布の測
定結果を従来例と比較して示す図。

【図１０】複数の孔を形成した一実施例に係る窒化けい
素回路基板の構造を示す図であって、（ａ）は平面図、
（ｂ）はその断面図。

【図１１】複数の孔を形成した他の実施例に係る窒化け
い素回路基板の構造を示す断面図。

【図１２】本発明における複数の孔の形状の一例と好ま
しい形成間隔を示す平面図。

【図１３】本発明における複数の孔の形状の他の例を示
す平面図。

【図１４】本発明における複数の孔の縦断面形状の一例
を示す断面図。

【図１５】本発明における複数の孔の縦断面形状の他の
例を示す断面図。

【図１６】本発明における複数の孔の縦断面形状のさら
に他の例を示す断面図。

【符号の説明】

１高熱伝導性窒化けい素基板１ａ高熱伝導性窒化けい素基板の表面１ｂ高熱伝導性窒化けい素基板の裏面２，２′，３銅板（金属板）４，５，４Ａ，５Ａ，４Ｂ，５Ｂ，４Ｃ，５Ｃ窒化け
い素回路基板６活性金属含有ろう材層７連続な溝８不連続な溝８ａ単体溝９複数の孔９Ａ，９Ｂ非貫通孔９Ｃ貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者那波隆之神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者佐藤孔俊神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (56)参考文献特開平４−343287（ＪＰ，Ａ) 特開平３−145748（ＪＰ，Ａ) 特開平６−152078（ＪＰ，Ａ) 特開平６−135771（ＪＰ，Ａ) 特開平７−48174（ＪＰ，Ａ) 特開平７−187793（ＪＰ，Ａ) 特開平５−41566（ＪＰ，Ａ) 特開平８−250823（ＪＰ，Ａ) 特開平５−167205（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/12 C04B 35/584 H01L 23/373

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】希土類元素を酸化物に換算して１．０〜
１７．５重量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合
計で１．０重量％以下（検出限界としての０重量％を含
む）含有し、熱伝導率が６０ｗ／ｍ・ｋ以上である高熱
伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基
板に接合された金属板とを具備する窒化けい素回路基板
において、前記金属板の前記高熱伝導性窒化けい素基板
との接合面と反対面側の外周縁部内側に、溝が形成され
ており、この窒化けい素回路基板に対して熱サイクル試
験を１００サイクル実施した際に窒化けい素基板にクラ
ックが発生しないことを特徴とする窒化けい素回路基
板。
【請求項２】高熱伝導性窒化けい素基板は、不純物陽
イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍ
ｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３重量％以下
（検出限界としての０重量を含む）含有することを特徴
とする請求項１記載の窒化けい素回路基板。
【請求項３】希土類元素を酸化物に換算して１．０〜
１７．５重量％含有し、窒化けい素結晶相および粒界相
から構成されるとともに粒界相中における結晶化合物相
の粒界相全体に対する割合が２０％以上であり、熱伝導
率が６０Ｗ／ｍ・ｋ以上である高熱伝導性窒化けい素基
板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に接合された金属
板とを具備する窒化けい素回路基板において、前記金属
板の前記高熱伝導性窒化けい素基板との接合面と反対面
側の外周縁部内側に、溝が形成されており、この窒化け
い素回路基板に対して熱サイクル試験を１００サイクル
実施した際に窒化けい素基板にクラックが発生しないこ
とを特徴とする窒化けい素回路基板。
【請求項４】高熱伝導性窒化けい素基板は、窒化けい
素結晶相および粒界相から構成されるとともに粒界相中
における結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が５０
％以上であることを特徴とする請求項３記載の窒化けい
素回路基板。
【請求項５】前記溝は、前記金属板の外周縁部に沿っ
て直線状に形成されていることを特徴とする請求項１ま
たは３記載の窒化けい素回路基板。
【請求項６】前記溝は、プレス加工により形成された
溝であることを特徴とする請求項１または３記載の窒化
けい素回路基板。
【請求項７】溝の幅が０．２〜１．０ｍｍの範囲であ
ることを特徴とする請求項１または３記載の窒化けい素
回路基板。
【請求項８】前記溝は不連続に形成されていることを
特徴とする請求項３記載の窒化けい素回路基板。
【請求項９】前記不連続な溝は、前記金属板の外周縁
部に沿って直線状に形成されていることを特徴とする請
求項８記載の窒化けい素回路基板。
【請求項１０】前記不連続な溝は、プレス加工により
形成された溝であることを特徴する請求項８記載の窒化
けい素回路基板。
【請求項１１】不連続な溝の幅が０．１〜１．０ｍｍ
の範囲であることを特徴とする請求項８記載の窒化けい
素回路基板。
【請求項１２】前記不連続な溝の長さをＬ_０、近接す
る前記不連続な溝間の最短距離をＬ_１としたとき、１／
１０Ｌ_０≦Ｌ_１≦１／２Ｌ_０を満足することを特徴とす
る請求項８記載の窒化けい素回路基板。
【請求項１３】希土類元素を酸化物に換算して１．０
〜１７．５重量％含有し、窒化けい素結晶相および粒界
相から構成されるとともに粒界相中における結晶化合物
相の粒界相全体に対する割合が２０％以上であり、熱伝
導率が６０Ｗ／ｍ・ｋ以上である高熱伝導性窒化けい素
基板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に接合された金
属板とを具備する窒化けい素回路基板において、前記金
属板の前記高熱伝導性窒化けい素基板との接合面と反対
面側の外周縁部内側に、複数の孔が形成されており、こ
の窒化けい素回路基板に対して熱サイクル試験を１００
サイクル実施した際に窒化けい素基板にクラックが発生
しないことを特徴とする窒化けい素回路基板。
【請求項１４】前記複数の孔は、前記金属板の外周縁
部に沿って所定の間隔で直線状に形成されていることを
特徴とする請求項１３記載の窒化けい素回路基板。
【請求項１５】前記複数の孔は、非貫通孔であること
を特徴とする請求項１３記載の窒化けい素回路基板。
【請求項１６】前記複数の孔は、貫通孔であることを
特徴とする請求項１３記載の窒化けい素回路基板。
【請求項１７】前記複数の孔は、プレス加工により形
成された孔であることを特徴とする請求項１３記載の窒
化けい素回路基板。
【請求項１８】隣接する前記孔間の最短距離をＬ_３、
隣接する孔の中心間距離をＬ_４としたとき、１／５Ｌ_４
≦Ｌ_３≦１／２Ｌ_４を満足することを特徴とする請求項
１３記載の窒化けい素回路基板。