JP3450570B2 - 高熱伝導性窒化けい素回路基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置等に使用
される高熱伝導性窒化けい素回路基板に係り、特に機械
的強度および耐熱サイクル特性を改善できるとともに放
熱特性に優れた高熱伝導性窒化けい素回路基板に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来からアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）焼結体
などのように絶縁性に優れたセラミックス基板の表面
に、導電性を有する金属回路板をろう材で一体に接合し
た回路基板が広く普及している。

【０００３】一方、窒化けい素を主成分とするセラミッ
クス焼結体は、一般に１０００℃以上の高温度環境下で
も優れた耐熱性を有し、かつ耐熱衝撃性にも優れている
ことから、従来の耐熱性超合金に代わる高温構造材料と
してガスタービン用部品、エンジン用部品、製鋼用機械
部品等の各種高強度耐熱部品への応用が試みられてい
る。また、金属に対する耐食性が優れていることから溶
融金属の耐溶材料としての応用も試みられ、さらに耐摩
耗性も優れていることから、軸受等の摺動部材、切削工
具への実用化も図られている。

【０００４】従来より窒化けい素セラミックス焼結体の
組成として、窒化けい素に酸化イットリウム（Ｙ
₂ Ｏ₃ ），酸化セリウム（ＣｅＯ），酸化カルシウム
（ＣａＯ）などの希土類元素あるいはアルカリ土類元素
の酸化物を焼結助剤として添加されたものが知られてお
り、これら焼結助剤により焼結性を高めて緻密化・高強
度化している。

【０００５】従来の窒化けい素焼結体は、窒化けい素原
料粉末に上記のような焼結助剤を添加し成形し、得られ
た成形体を１６００〜１８５０℃程度の温度で焼成炉で
所定時間焼成した後に炉冷し、得られた焼結体を研削研
摩加工する製法で製造されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来方法によって製造された窒化けい素焼結体では、靭性
値などの機械的強度は優れているものの、熱伝導特性の
点では、他の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体、酸化
ベリリウム（ＢｅＯ）焼結体や炭化けい素(SiC)焼結体
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などの電子用材料としては実用化さ
れておらず、用途範囲が狭い難点があった。

【０００７】一方上記窒化アルミニウム焼結体は他のセ
ラミックス焼結体と比較して高い熱伝導率と低熱膨張係
数の特長を有するため、高速化、高出力化、多機能化、
大型化が進展する半導体チップの回路基板部品やパッケ
ージ材料として主流となっているが、機械的強度の点で
充分に満足できるものは得られていない。そこで高い機
械的強度を有するとともに高い熱伝導率も併せ持ったセ
ラミックス焼結体の開発が要請されていた。

【０００８】さらに上記セラミックス焼結体基板を主た
る構成材とする回路基板を、アッセンブリ工程にて実装
ボートにねじ止め等により固定しようとすると、ねじの
押圧力による僅かな変形やハンドリング時の衝撃によっ
て回路基板が破損し、半導体装置の製造歩留りを大幅に
低減させる場合がある。したがって、回路基板において
も、外力に耐える高強度特性と、高出力化，高発熱量化
に対応できる優れた放熱特性とを兼ね備えたものが要請
されている。

【０００９】また上記のうよなセラミックス基板表面に
金属回路板および半導体チップを一体に接合して形成し
た回路基板においては、セラミックス基板自体の機械的
強度および靭性が不充分であったため、半導体チップの
作動に伴い繰り返しの熱サイクルを受けて、金属回路板
の接合部付近のセラミックス基板にクラックが発生し易
く、耐熱サイクル特性および信頼性が低いという問題点
があった。

【００１０】本発明は上記のような課題要請に対処する
ためになされたものであり、窒化けい素焼結体が本来備
える高強度特性を利用し、さらに熱伝導率が高く放熱性
に優れるとともに耐熱サイクル特性を大幅に改善した高
熱伝導性窒化けい素回路基板を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記目的を達
成するために、従来使用されていた窒化けい素粉末の種
類、焼結助剤や添加物の種類および添加量、焼結条件に
検討を加え、従来の窒化けい素焼結体が有する熱伝導率
の２倍以上の高い熱伝導性を有する窒化けい素焼結体を
開発した。さらに、この窒化けい素焼結体を基板材料と
して使用し、その表面に所定厚さの酸化物層を形成し、
この酸化物層を介して金属回路板を基板上に直接接合し
て回路基板を製造したときに、機械的強度、靭性値、耐
熱サイクル特性および放熱性を全て満足する回路基板が
得られることを実験により確認した。

【００１２】具体的には、微細で高純度を有する窒化け
い素粉末に希土類元素酸化物等を所定量ずつ添加した原
料混合体を成形脱脂し、得られた成形体を所定温度で一
定時間加熱保持して緻密化焼結を実施した後、所定以下
の冷却速度で徐冷し、得られた焼結体を研削研摩加工し
て製造したときに熱伝導率が従来の窒化けい素焼結体の
２倍以上、具体的には６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と大きく向上
し、かつ高強度を有する窒化けい素焼結体が得られるこ
とが判明し、放熱特性および強度特性を共に満足する新
規な窒化けい素材料を開発した。そして、この窒化けい
素材料を、半導体搭載用回路基板の基板材料に適用した
ときに、優れた放熱特性と耐久性と耐熱サイクル特性と
を同時に達成できることが判明した。

【００１３】また、酸素や不純物陽イオン元素含有量を
低減した高純度の窒化けい素原料粉末を使用し、上記条
件にて焼結することにより、粒界相におけるガラス相
（非晶質相）の生成を効果的に抑制でき、粒界相におけ
る結晶化合物を２０体積％以上（粒界相全体に対し）、
より好ましくは５０体積％以上とすることにより、希土
類元素酸化物のみを原料粉末に添加した場合においても
６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上さらに好ましくは８０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上、さらには１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有す
る窒化けい素焼結体基板が得られるという知見を得た。

【００１４】また、従来、焼結操作終了後に焼成炉の加
熱用電源をＯＦＦとして焼結体を炉冷していた場合に
は、冷却速度が毎時４００〜８００℃と急速であった
が、本発明者の実験によれば、特に冷却速度を毎時１０
０℃以下に緩速に制御することにより、窒化けい素焼結
体組織の粒界相が非結晶質状態から結晶相を含む相に変
化し、高強度特性と高伝熱特性とが同時に達成されるこ
とが判明した。

【００１５】このような熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
の高熱伝導性窒化けい素焼結体自体は、その一部が既に
本発明者により特許出願されており、さらに特開平６−
１３５７７１号公報および特開平７−４８１７４号公報
によって出願公開されている。そして、これらの特許出
願において記載されている窒化けい素焼結体は、希土類
元素を酸化物に換算して２．０〜７．５重量％含有する
ものである。しかしながら、本発明者はさらに改良研究
を進めた結果、含有される希土類元素は酸化物に換算し
て７．５重量％を超えた場合の方が焼結体の高熱伝導化
がさらに進み、焼結性も良好であるため、７．５重量％
を超えたものを用いることが好ましい。特に希土類元素
がランタノイド系列の元素である場合に、その効果は顕
著である。ちなみ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６０〜７０％である場合におい
ても、焼結体は１１０〜１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝
導率を達成することができる。

【００１６】しかし、上記窒化けい素焼結体をセラミッ
クス基板材料とした場合、たとえ金属回路板として酸素
を１００〜１０００ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅を
使用しても、あるいは表面酸化層を形成した銅を使用し
ても、接合することは困難であった。原理的には例えば
特開昭５２−３７９１４号公報に記載されているよう
に、所定温度での加熱により共晶融体が生成し接合され
るはずであるが、実際には接合されない。

【００１７】この課題に対して本発明者は、接合が不可
能となる原因は、直接接合時に所定温度（銅の場合１０
６５℃〜１０８３℃）での加熱により共晶融体は生成さ
れるが、この生成した共晶融体と上記窒化けい素焼結体
との濡れ性が悪いためであると考えた。

【００１８】このような見地から、共晶融体と上記窒化
けい素焼結体との加熱時の濡れ性を改善するために、上
記窒化けい素焼結体（基板）の表面に予め厚さが０．５
〜１０μｍの酸化物層を形成した後、酸素を１００〜１
０００ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅、あるいは表面
に酸化物層を形成した銅等と所定温度での加熱により直
接接合を可能としたのである。

【００１９】この場合、上記窒化けい素基板表面に酸化
物層を形成するのみでも直接接合は可能であるが、金属
回路板がたとえ酸素を１００〜１０００ｐｐｍ含有する
タフピッチ電解銅であっても、、銅回路板表面にも所定
厚さの酸化銅層を予め形成しておくことによって、窒化
けい素基板と銅回路板との接合強度がさらに改善され、
回路基板の耐久性がより向上することが判明した。

【００２０】また、窒化けい素基板の表面が平滑である
よりも、ブラスト処理等を実施して中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）が５．０〜１０．０μｍの範囲となるように粗面化
加工した場合の方が、基板と金属回路板との接合強度が
増加し、耐久性が優れた回路基板が得られることも判明
した。

【００２１】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち本発明に係る高熱伝導性窒化けい素
回路基板は、希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１
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０．３重量％以下含有し、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上である窒化けい素基板の表面に、厚さが０．５〜
１０μｍの酸化物層が形成され、この酸化物層を介して
金属回路板が上記窒化けい素基板に直接接合されている
ことを特徴とする。

【００２２】また他の態様として、窒化けい素粒子およ
び粒界相により構成され、粒界相中における結晶化合物
相が粒界相全体に対する割合で２０％以上を占め、熱伝
導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である窒化けい素基板の表面
に、厚さが０．５〜１０μｍの酸化物層が形成され、こ
の酸化物層を介して金属回路板が上記窒化けい素基板に
直接接合されていることを特徴とする。

【００２３】さらに、金属回路板は、たとえ酸素を１０
０〜１０００ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅であって
も表面に厚さ１．０μｍ以上の酸化銅層を有する銅回路
板であることが接合強度を向上させるために好ましい。

【００２４】ここで、金属回路板が銅回路板である場
合、直接接合法における結合剤は酸素であるので、この
銅回路板はＣｕ−Ｏ共晶化合物により窒化けい素基板に
接合されることになる。さらに金属回路板がアルミニウ
ム回路板である場合、直接接合法における結合剤はアル
ミニウムが好ましいので、このアルミニウム回路板はＡ
ｌ−Ｓｉ共晶化合物により窒化けい素基板に接合されて
いることが好ましい。

【００２５】本発明に係る高熱伝導性窒化けい素回路基
板に使用される高熱伝導性窒化けい素基板は、例えば以
下の方法で製造される。すなわち、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，Ｆ
ｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で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０．８μｍ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％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％以下とを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１
００℃以下に設定し、得られた焼結体を所定形状に研削
研摩加工して製造される。

【００２６】また上記製造方法において、上記原料混合
体に、さらにＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃ
ｒ，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０．２
〜３．０重量％を添加してもよい。

【００２７】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。

【００２８】本発明に使用される高熱伝導性窒化けい素
基板の主原料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，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂなど
の不純物陽イオン元素の含有量が合計で０．３重量％以
下、好ましくは０．２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。

【００２９】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％以下の緻密な焼結体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。

【００３０】またＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，
Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂは不純物陽イオン元素として熱伝
導性を阻害する物質として作用するため、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０．３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０．２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，Ｃａ，Ｍｇが比較的に多く含有されているた
め、Ｆｅ，Ｃａ，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。

【００３１】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、高密度の焼結体を製造
することができる。

【００３２】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（Ｈｏ₂ Ｏ
₃ ），酸化エルビウム（Ｅｒ₂ Ｏ₃ ）が好ましい。

【００３３】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。また後述する金属回路板接合工程に
おいて、一部が酸化層方向に拡散して酸化層内部に濃縮
するように蓄積される。

【００３４】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２．０〜１７．５重量％の範囲とする。
この添加量が２．０重量％未満と過少の場合は、焼結体
（窒化けい素基板）の緻密化が不充分であり、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、低強度で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。

【００３５】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（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）は、前記希
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。

【００３６】Ａｌ₂ Ｏ₃ の添加量が０．１重量％未満の
場合においては緻密化が不充分である一方、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１．０重量％以下、好ましくは０．
１〜０．７５重量％の範囲に設定される。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．
２〜０．６重量％の範囲に設定することが望ましい。

【００３７】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％以下に設定すること
が望ましい。

【００３８】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。

【００３９】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
おいては緻密化が不充分となり易い一方、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０．１〜１．０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％の範囲に設定するこ
とが望ましい。なお前記Ａｌ₂ Ｏ₃ 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。

【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
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板の機械的強度を向上させるものである。
これらの化合物の添加量が０．１重量％未満の場合にお
いては構造部材の緻密化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％の範囲が好ましい。特に好ましく
は０．２〜２．０重量％に設定することが望ましい。

【００４１】また上記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の化合物は窒
化けい素基板を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に適用する場合には、
上記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】また窒化アルミニウム（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一方、上記
焼結促進剤の機能をさらに助長し、アルミナと同様に上
記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ
などの酸化物の添加量を相対的に軽減する役目を果す。
これらアルミナや窒化アルミニウムなどのアルミニウム
化合物の添加量はＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物などの添加量と密接な関係があ
る。すなわち上記Ｔｉ化合物等の添加量が０．２重量％
未満であり、かつＡｌ₂ Ｏ₃ およびＡｌＮ等のアルミニ
ウム化合物が単独または併用して添加され、その添加量
が０．１重量％未満の場合においては緻密化が不充分で
ある一方、アルミニウム化合物の添加量が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０．１〜１．０重量％の範囲に設定
される。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％の範囲に設定す
ることが望ましい。

【００４３】また窒化けい素基板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、望ましく
は０．５％以下に設定される。気孔率が２．５％を超え
ると熱伝導の妨げとなり、窒化けい素基板の熱伝導率が
低下するとともに、窒化けい素基板の強度低下が起こ
る。

【００４４】また、窒化けい素基板は組織的には窒化け
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
合物相の割合は窒化けい素基板の熱伝導率に大きく影響
し、本発明の高熱伝導性窒化けい素基板においては、体
積比で粒界相の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
た窒化けい素基板が得られないからである。

【００４５】さらに上記のように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体積％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１８００〜２１
００℃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。

【００４６】焼結温度を１８００℃未満に設定した場合
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。

【００４７】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体積割合が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。

【００４８】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％以上望
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高熱伝導性窒化けい素基板が最終
的に得られる。

【００４９】本発明に使用され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Ａｌ₂ Ｏ₃ やＡｌＮまたはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の化
合物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、あるいはドクタ
ーブレード法のようなシート成形法なども適用できる。

【００５０】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１８００〜２１０
０℃の温度で所定時間雰囲気加圧焼結を行い、さらに得
られた焼結体を研削研摩加工して所定形状の高熱伝導性
窒化けい素基板が得られる。

【００５１】上記製法によって製造された高熱伝導性窒
化けい素基板は気孔率が２．５％以下、６０Ｗ／ｍ・Ｋ
（２５℃）以上、さらには１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱
伝導率を有し、また三点曲げ強度が常温で６５０ＭＰａ
以上、さらには８００ＭＰａ以上と機械的特性にも優れ
ている。

【００５２】なお、低熱伝導性の窒化けい素に高熱伝導
性のＳｉＣ等を添加することにより基板全体としての熱
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ＳｉＣ等を複合させた窒化けい素系基板の場合に
は、窒化けい素基板自体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上である限り、本発明の範囲に含まれることは言うまで
もない。

【００５３】本発明に係る高熱伝導性窒化けい素回路基
板は、上記のように製造した窒化けい素基板の表面に、
厚さが０．５〜１０μｍである酸化物層を形成し、この
酸化物層を介して金属回路板を上記窒化けい素基板に直
接接合して製造される。

【００５４】ここで上記金属回路板は、ろう材などの接
合剤を使用せずに窒化けい素基板表面に直接的に一体に
接合される。すなわち、金属回路板の成分と基板成分と
の共晶化合物（共晶融体）を加熱により発生せしめ、こ
の共晶化合物を接合剤として両部材を接合する、いわゆ
る直接接合法を使用して接合される。

【００５５】まず窒化けい素基板の表面に予め酸化物層
を形成し、基板に対する濡れ性を高める。この酸化物層
は上記窒化けい素基板を、空気中などの酸化雰囲気中で
温度１０００〜１４００℃程度で２〜１５時間加熱して
形成される。この酸化物層の厚さが０．５μｍ未満の場
合には、上記濡れ性の改善効果が少ない一方、１０μｍ
を超えるように設定しても改善効果が飽和するととも
に、却って熱伝導率が低下し易くなるため、酸化物層の
厚さは０．５〜１０μｍの範囲が必要であり、好ましく
は１〜５μｍの範囲が望ましい。

【００５６】上記酸化物層は、当初Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板成分
の酸化物であるＳｉＯ₂ のみから構成されているが、加
熱による金属回路板の接合操作時において、Ｓｉ₃ Ｎ₄
基板に焼結助剤として添加されていた希土類元素酸化物
が酸化物層方向に拡散移動する結果、希土類酸化物が酸
化物層中に拡散された組成となる。例えば焼結助剤とし
てＹ₂ Ｏ₃ を使用した場合には加熱接合操作後の酸化物
層は、Ｙ₂ Ｏ₃ を１〜２０重量％程度含有するイットリ
アシリケートなどのＳｉＯ₂ −Ｙ₂ Ｏ₃ 化合物から構成
されるようになる。

【００５７】また上記金属回路板を構成する金属として
は、銅，アルミニウム，鉄，ニッケル，クロム，銀，モ
リブデン，コバルトの単体またはその合金など、基板成
分との共晶化合物を生成し、直接接合法を適用できる金
属であれば特に限定されないが、特に導電性および価格
の観点から銅，アルミニウムまたはその合金が好まし
い。

【００５８】金属回路板の厚さは、通電容量等を勘案し
て決定されるが、窒化けい素基板の厚さを０．２５〜
１．２mmの範囲とする一方、金属回路板の厚さを０．１
〜０．５mmの範囲に設定して両者を組み合せると熱膨張
差による変形などの影響を受けにくくなる。

【００５９】特に金属回路板として銅回路板を使用する
場合には、酸素を１００〜１０００ｐｐｍ含有するタフ
ピッチ電解銅から成る銅回路板を使用するか、あるいは
酸素含有量が１００ｐｐｍ未満の銅材や無酸素銅から成
る銅回路板を使用する場合には、後述するように銅回路
板表面に所定厚さの酸化銅層を予め形成することによ
り、直接接合により接合することができる。ただし、上
記タフピッチ電解銅から成る銅回路板を使用する場合で
も発生するＣｕ−Ｏ共晶の量を増加させ、基板と銅回路
板との接合強度を向上させるために、銅回路板表面に所
定厚さの酸化銅層を予め形成することが望ましい。

【００６０】上記酸化銅層は、例えば金属回路板を大気
中において温度１５０〜３６０℃の範囲にて２０〜１２
０秒間加熱する表面酸化処理を実施することによって形
成される。ここで、酸化銅層の厚さが１μｍ未満の場合
は、Ｃｕ−Ｏ共晶の発生量が少なくなるため、基板と銅
回路板との未接合部分が増大し、充分な接合強度が得ら
れない。一方、酸化銅層の厚さが１０μｍを超えるよう
に過大にしても、接合強度の改善効果が少なく、却って
銅回路板の導電特性を阻害することになる。したがっ
て、銅回路板表面に形成する酸化銅層の厚さは１〜１０
μｍの範囲が好ましい。そして同様の理由により１〜５
μｍの範囲がより望ましい。

【００６１】また、上記銅回路板の表面が平滑である場
合よりも、粗面である方が接合強度が高くなる傾向があ
る。なお、上記表面酸化処理において、加熱温度を高め
たり、処理時間を長くすることにより、銅回路板の表面
粗さを増加させることができる。上記表面酸化処理後に
おける銅回路板の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）
が５〜１０μｍの範囲にするとよい。さらに必要に応じ
て銅回路板表面をサンドブラスト処理することによっ
て、その表面粗さを調整してもよい。

【００６２】そして、金属回路板が銅回路板である場合
には、以下のように接合操作が実施される。すなわち酸
化物層を形成した高熱伝導性窒化けい素基板の表面の所
定位置に、任意により酸化銅層を形成した銅回路板を接
触配置して基板方向に押圧した状態で、銅の融点（１０
８３℃）未満で銅−酸化銅の共晶温度（１０６５℃）以
上に加熱し、生成したＣｕ−Ｏ共晶化合物液相（共晶融
体）を接合剤として銅回路板が窒化けい素基板表面に直
接的に接合される。この直接接合法は、いわゆる銅直接
接合法（ＤＢＣ：Direct Bonding Copper 法）である。

【００６３】一方、金属回路板がアルミニウム回路板で
ある場合には、結合剤としてはＳｉが選択されＳｉ₃ Ｎ
₄ 基板表面にＡｌ回路板を押圧した状態でアルミニウム
−けい素の共晶温度以上に加熱し、生成したＡｌ−Ｓｉ
共晶化合物液相（共晶融体）を接合剤としてＡｌ回路板
がＳｉ₃ Ｎ₄ 基板表面に直接的に接合され、本発明の高
熱伝導性Ｓｉ₃ Ｎ₄ 回路基板が製造される。

【００６４】このように直接接合法を使用して金属回路
板をＳｉ₃ Ｎ₄ 基板表面に直接接合して形成した本発明
に係る高熱伝導性Ｓｉ₃ Ｎ₄ 回路基板によれば、金属回
路板とＳｉ₃ Ｎ₄ 基板との間に、接着剤やろう材のよう
な介在物が存在しないため、両者間の熱抵抗が小さく、
金属回路板上に設けられた半導体素子の発熱を系外に迅
速に放散させることが可能である。

【００６５】本発明に係る高熱伝導性窒化けい素回路基
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熱伝導率を大幅に改善した高熱伝導
性窒化けい素基板表面に酸化皮膜を形成し、金属回路板
を直接接合法によって一体に接合して形成されているた
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
留りで量産することが可能になる。

【００６６】また窒化けい素基板の靭性値が高いため、
熱サイクルによって基板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。

【００６７】さらに高い熱伝導率を有する窒化けい素基
板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、優れた放熱特性を発揮する。

【００６８】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充分に対応可能となるた
め、回路基板の高密度実装も可能となり、半導体装置を
より小型化することが可能となる。

【００６９】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について以
下に示す実施例を参照して具体的に説明する。

【００７０】まず、各回路基板を構成する窒化けい素基
板について説明し、しかる後に、この窒化けい素基板を
用いた回路基板について説明する。

【００７１】実施例１〜３ 酸素を１．３重量％、不純物陽イオン元素としてＬｉ，
Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂ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、焼結助剤として平均粒径０．７μｍのＹ₂ Ｏ
₃ （酸化イットリウム）粉末５重量％、平均粒径０．５
μｍのＡｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）粉末１．０重量％を添加
し、エチルアルコール中で２４時間湿式混合した後に乾
燥して原料粉末混合体を調整した。

【００７２】次に得られた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、成形体を多数製作し
た。次に得られた成形体を７００℃の雰囲気ガス中にお
いて２時間脱脂した後に、この脱脂体を窒素ガス雰囲気
中９気圧にて１９００℃で６時間保持し、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１００℃／hr
（実施例１用）、５０℃／hr（実施例２用）、２５℃／
hr（実施例３用）となるように調整して焼結体を冷却
し、さらに得られた各焼結体を研摩加工してそれぞれ実
施例１〜３用の窒化けい素基板を調製した。

【００７３】比較例１ 一方、緻密化焼結完了直後に、加熱装置電源をＯＦＦに
し、従来の炉冷による冷却速度（約５００℃／hr）で焼
結体を冷却した点以外は実施例１と同一条件２で焼結処
理して比較例１用の窒化けい素基板を調製した。

【００７４】比較例２ 酸素を１．５重量％、不純物陽イオン元素としてＬｉ，
Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを
合計で０．６重量％含有し、α相型窒化けい素９３％を
含む平均粒径０．６０μｍの窒化けい素原料粉末を用い
た点以外は実施例１と同一条件で処理し、比較例２用の
窒化けい素基板を調製した。

【００７５】比較例３ 酸素を１．７重量％、不純物陽イオン元素としてＬｉ，
Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを
合計で０．７重量％含有し、α相型窒化けい素９１％を
含む平均粒径１．１μｍの窒化けい素原料粉末を用いた
点以外は実施例１と同一条件で処理し、比較例３用の窒
化けい素基板を調製した。

【００７６】こうして得た実施例１〜３用および比較例
１〜３用の窒化けい素基板について気孔率および２５℃
における熱伝導率を測定した。さらに、各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 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（体積比）を測定し、下記表１に示す結果を得た。

【００７７】

【表１】

【００７８】表１に示す結果から明らかなように実施例
１〜３用の窒化けい素基板においては、比較例１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Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板が得られた。

【００７９】一方、比較例１のように焼結体の冷却速度
を大きく設定し、急激に冷却した場合は粒界相が全て非
結晶質で形成され熱伝導率が低下した。また、比較例２
のように不純物陽イオン元素を０．６重量％と多く含有
した窒化けい素粉末を用いた場合は焼結体の冷却速度を
実施例１と同一にしても粒界相が全て非結晶質で形成さ
れ熱伝導率が低下した。

【００８０】さらに比較例３のように平均粒径が１．１
μｍと粗い窒化けい素粉末を用いた場合は、焼結におい
て緻密化が不充分で強度、熱伝導率とも低下した。

【００８１】次に上記のように調整した実施例１〜３用
のＳｉ₃ Ｎ₄ 基板の板厚を０．６３５mmおよび０．４mm
にそれぞれ加工する一方、比較例１〜３用のＳｉ₃ Ｎ₄
基板の板厚を０．６３５mmに加工し、各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板
を酸化炉中で温度１３００℃で１２時間加熱することに
より、基板の全表面を酸化し、厚さ２μｍの酸化物層を
形成した。

【００８２】次に酸化物層を形成した各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板
表面側に、厚さ０．３mmのタフピッチ電解銅から成る銅
回路板を接触配置する一方、背面側に厚さ０．２５mmの
タフピッチ銅から成る銅回路板を裏当て材として接触配
置させて積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調
整した温度１０７５℃に設定した加熱炉に挿入して１分
間加熱することにより、各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板の両面に銅回
路板を直接接合したＳｉ₃ Ｎ₄ 回路基板をそれぞれ調製
した。

【００８３】各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 回路基板１は、図１に示すよ
うにＳｉ₃ Ｎ₄ 基板２の全表面に酸化物層３が形成され
ており、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板２の表面側に金属回路板として
の銅回路板４が直接接合される一方、背面側に裏銅板と
しての銅回路板５が同様に直接接合され、さらに表面側
の銅回路板４の所定位置に図示しない半田層を介して半
導体素子６が一体に接合された構造を有する。なおＳｉ
₃ Ｎ₄ 基板２の両面に銅回路板４，５を接合した場合、
裏銅板としての銅回路板５は放熱促進および反り防止に
寄与するので有効である。

【００８４】比較例４ 一方、実施例におけるＳｉ₃ Ｎ₄ 基板に変えて、厚さが
０．６３５mmであり、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋであ
る窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を使用した以外は実
施例と同様に酸化層を形成し、さらに銅回路板を直接接
合法を使用してＡｌＮ基板に一体に接合して比較例４に
係るＡｌＮ回路基板を製造した。

【００８５】比較例５ また、実施例におけるＳｉ₃ Ｎ₄ 基板に変えて、厚さが
０．８mmであり、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）基板を使用した以外は実施例と
同様に酸化層を形成し、さらに銅回路板を直接接合法を
使用してＡｌＮ基板に一体に接合して比較例５に係るＡ
ｌＮ回路基板を製造した。

【００８６】上記のように調製した実施例および比較例
に係る各回路基板の強度特性，靭性および耐熱サイクル
特性を評価するため、各回路基板の３点曲げ強度および
最大たわみ量を測定するとともに、耐熱サイクル試験
（ＴＣＴ）を実施し、回路基板におけるクラックの発生
状況を調査した。

【００８７】最大たわみ量は、支持スパン５０mmで各回
路基板を支持した状態で中央部に荷重を付加し、Ｓｉ₃
Ｎ₄ 基板またはＡｌＮ基板が破断に至るまでの最大たわ
み高さとして測定した。

【００８８】また耐熱サイクル試験は、各回路基板につ
いて−４５℃から室温（ＲＴ）まで加熱し、引き続き室
温から＋１２５℃まで加熱した後に、室温を経て再び−
４５℃に冷却するまでを１サイクルとする昇温−降温サ
イクルを繰り返して付加し、基板部にクラック等が発生
するまでのサイクル数を測定する条件で実施した。

【００８９】各測定結果を下記表２に示す。

【００９０】

【表２】

【００９１】上記表２に示す結果から明らかなように、
各実施例に係るＳｉ₃ Ｎ₄ 回路基板によれば、曲げ強度
および最大たわみ量が、比較例と比較して大きい。した
がって、回路基板のアッセンブリ工程における締め付け
割れが発生することが少なく、回路基板を使用した半導
体装置の製造歩留りを大幅に改善できることが実証され
た。

【００９２】さらに耐熱サイクル試験において各実施例
のＳｉ₃ Ｎ₄ 回路基板は、１０００サイクル経過後にお
いても、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板の割れや金属回路板（Ｃｕ回路
板）の剥離が皆無であり、優れた耐久性と信頼性とを有
することが確認された。また１０００サイクル経過後に
おいても耐電圧特性の低下は発生しなかった。

【００９３】一方、比較例１〜３に係るＳｉ₃ Ｎ₄ 回路
基板においては、３点曲げ強度，たわみ量および耐熱サ
イクル特性において良好ではあるが、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板の
熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ未満と相対的に低いため、高
出力化も指向した半導体装置には不適であることが判明
した。

【００９４】また比較例４に係るＡｌＮ回路基板におい
ては、熱伝導性が高いＡｌＮ基板を使用しているため、
放熱特性は優れている反面、強度およびたわみ量が小さ
く、アッセンブリ工程における締め付け割れやハンドリ
ング時の衝撃に耐え難いことが確認された。また耐熱サ
イクル試験では、１００サイクルでクラックが発生し、
耐電圧特性も低下することが判明した。

【００９５】さらに比較例５に係るＡｌＮ回路基板にお
いては、従来のＳｉ₃ Ｎ₄ 基板よりも高い熱伝導率を有
しているため放熱性は良好である反面、強度およびたわ
み量が不充分である。また耐熱サイクル試験では１５０
サイクル経過後にクラックが発生し、耐電圧特性が低下
することが判明した。

【００９６】次に種々の組成および特性値を有する他の
窒化けい素基板を使用した回路基板の実施形態について
以下に示す実施例４を参照して具体的に説明する。

【００９７】実施例４ まず回路基板の構成材となる各種窒化けい素基板を以下
の手順で製造した。

【００９８】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３〜５に示すように、焼結助剤
としてのＹ₂ Ｏ₃ ，Ｈｏ₂ Ｏ₃ などの希土類酸化物と、
必要に応じてＴｉ，Ｈｆ化合物，Ａｌ₂ Ｏ₃粉末，Ａｌ
Ｎ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。

【００９９】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３
〜５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３〜５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。

【０１００】こうして得た試料１〜５１に係る各窒化け
い素焼結体について気孔率、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、各焼結
体についてＸ線回折法によって粒界相に占める結晶相の
割合（面積比）を測定し、下記表３〜５に示す結果を得
た。

【０１０１】

【表３】

【０１０２】

【表４】

【０１０３】

【表５】

【０１０４】表３〜５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
い素焼結体が得られた。

【０１０５】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０．１３〜０．１
６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Ｙ₂ Ｏ₃ （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
導率に近い値になった。

【０１０６】次に得られた試料１〜５１に係る各窒化け
い素焼結体を研磨加工することにより、実施例１〜３と
同様に、厚さ０．４mmおよび０．６３５mmの窒化けい素
基板をそれぞれ調製した。

【０１０７】さらに、各窒化けい素基板を酸化炉中で温
度１３００℃で１２時間加熱することにより、基板の全
表面を酸化し、厚さ２μｍの酸化物層を形成した。

【０１０８】一方、実施例１〜３において調製した厚さ
０．３mmおよび０．２５mmの銅回路板を大気に接するホ
ットプレート上で温度２５０℃で３０秒間加熱して表面
酸化処理を行ない、その表面に厚さ１．５μｍの酸化銅
層を一体に形成した。

【０１０９】次に、上記酸化物層を形成した各窒化けい
素基板の表面に、実施例１〜３と同様に直接接合法（Ｄ
ＢＣ法）を使用して上記銅回路板等を一体に接合するこ
とにより図２に示すような実施例４に係る窒化けい素回
路基板をそれぞれ調製した。

【０１１０】各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 回路基板１ａにおいては、図
２に示すようにＳｉ₃ Ｎ₄ 基板２ａの全表面に酸化物層
３が形成され、銅回路板４，５の接合面側には酸化銅層
７，７がそれぞれ形成されており、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板２ａ
の表面側に金属回路板としての銅回路板４が直接接合さ
れる一方、背面側に裏銅板としての銅回路板５が同様に
直接接合され、さらに表面側の銅回路板４の所定位置に
図示しない半田層を介して半導体素子６が一体に接合さ
れた構造を有する。

【０１１１】上記のようにＤＢＣ法によって回路層を形
成した実施例４に係る各Ｓｉ₃ Ｎ₄回路基板の最大たわ
み量，抗折強度は実施例１〜３と同等以上であり、また
耐熱サイクル試験において１０００サイクル経過後にお
いてもＳｉ₃ Ｎ₄ 基板の割れや回路層の剥離は皆無であ
り、優れた耐熱サイクル特性が得られた。

【０１１２】特に窒化けい素基板２ａの表面に酸化物層
３を形成した上に、さらに銅回路板４，５表面にも酸化
銅層７を形成しているために、ＤＢＣ法による接合時に
発生するＣｕ−Ｏ共晶化合物量が増加し、基板２ａと銅
回路板４，５との接合強度を、さらに向上させることが
できた。具体的には、実施例４における銅回路板４，５
の未接合部の面積率はそれぞれ５．２％，５．６％であ
り、実施例１〜３（実施例１：９．８％，１１．２％、
実施例２：１３．８％，１１．５％、実施例３：１１．
６％，１４．６％）と比較して大幅に減少し、銅回路板
の接合強度（ピール強度）は２０〜３０％上昇した。

【０１１３】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る高熱伝導
性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熱伝導率を大幅
に改善した窒化けい素基板表面に酸化皮膜を形成し、金
属回路板を直接接合法によって一体に接合して形成され
ているため、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
い製造歩留りで量産することが可能になる。

【０１１４】さらに金属回路板として、表面に所定厚さ
の酸化銅層を予め形成した銅回路板を使用することによ
り、基板と銅回路板との接合強度をさらに高めることが
できる。

【０１１５】また窒化けい素基板の靭性値が高いため、
熱サイクルによって基板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。

【０１１６】さらに高い熱伝導率を有する窒化けい素基
板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、優れた放熱特性を発揮する。

【０１１７】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充分に対応可能となるた
め、回路基板の高密度実装も可能となり、半導体装置を
より小型化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高熱伝導性窒化けい素回路基板の
構成例を示す断面図。

【図２】本発明に係る高熱伝導性窒化けい素回路基板の
他の構成例を示す断面図。

【符号の説明】

１，１ａ 高熱伝導性窒化けい素回路基板（Ｓｉ₃ Ｎ₄
回路基板） ２，２ａ 窒化けい素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）基板 ３ 酸化物層（ＳｉＯ₂ 皮膜） ４ 金属回路板（Ｃｕ回路板） ５ 金属回路板（裏銅板） ６ 半導体素子（チップ） ７ 酸化銅層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｋ 3/20 Ｃ０４Ｂ 35/58 １０２Ｙ 3/38 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｍ (72)発明者 水野谷 信幸 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 小森田 裕 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 (72)発明者 日野 高志 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 (56)参考文献 特開 平３−218975（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−135771（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−3077（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−504933（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 希土類元素を酸化物に換算して２．０〜
   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０．３重量％以下含有し、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・
   Ｋ以上であり、厚さが０．２５〜１．２ｍｍである窒化
   けい素基板の表面に、ＳｉＯ_２を主成分とする厚さが
   ０．５〜１０μｍの酸化物層が形成され、この酸化物層
   を介して金属回路板が上記窒化けい素基板に直接接合さ
   れており、この窒化けい素回路基板を支持スパン５０ｍ
   ｍで支持した状態で中央部に荷重を付加し、窒化けい素
   基板が破断に至るまでの最大たわみ量が１．０〜１．５
   ｍｍであることを特徴とする高熱伝導性窒化けい素回路
   基板。
2. 【請求項２】 窒化けい素粒子および粒界相により構成
   され、粒界相中における結晶化合物相が粒界相全体に対
   する割合で２０％以上を占め、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・
   Ｋ以上であり、厚さが０．２５〜１．２ｍｍである窒化
   けい素基板の表面に、ＳｉＯ_２を主成分とする厚さが
   ０．５〜１０μｍの酸化物層が形成され、この酸化物層
   を介して金属回路板が上記窒化けい素基板に直接接合さ
   れており、この窒化けい素回路基板を支持スパン５０ｍ
   ｍで支持した状態で中央部に荷重を付加し、窒化けい素
   基板が破断に至るまでの最大たわみ量が１．０〜１．５
   ｍｍであることを特徴とする高熱伝導性窒化けい素回路
   基板。
3. 【請求項３】 金属回路板は、表面に厚さ１．０μｍ以
   上の酸化銅層を有する銅回路板であることを特徴とする
   請求項１または２記載の高熱伝導性窒化けい素回路基
   板。
4. 【請求項４】 窒化けい素基板の熱伝導率が１００Ｗ／
   ｍ・Ｋ以上であることを特徴する請求項１または２記載
   の高熱伝導性窒化けい素回路基板。
5. 【請求項５】 金属回路板が酸素を１００〜１０００ｐ
   ｐｍ含有するタフピッチ電解銅から成ることを特徴とす
   る請求項１または２記載の高熱伝導性窒化けい素回路基
   板。
6. 【請求項６】 窒化けい素基板は粗面化加工された表面
   を有することを特徴とする請求項１または２記載の高熱
   伝導性窒化けい素回路基板。
7. 【請求項７】 金属回路板が銅回路板であり、この銅回
   路板がＣｕ−Ｏ共晶化合物により窒化けい素基板に接合
   されていることを特徴とする請求項１または２記載の高
   熱伝導性窒化けい素回路基板。
8. 【請求項８】 金属回路板がアルミニウム回路板であ
   り、このアルミニウム回路板がＡｌ−Ｓｉ共晶化合物に
   より窒化けい素基板に接合されていることを特徴とする
   請求項１または２記載の高熱伝導性窒化けい素回路基
   板。