JP4142556B2

JP4142556B2 - 窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法、用途

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Publication number: JP4142556B2
Application number: JP2003384741A
Authority: JP
Inventors: 亮寺尾; 誠福田; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: JP2005145745A

Description

本発明は機械的特性に優れ、高熱伝導率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。

従来の回路基板は、半導体搭載用セラミックス基板の主面に導電性を有する金属回路をロウ材で接合し、金属回路の所定位置に半導体素子を搭載したものが用いられている。回路基板が高信頼性を持って動作するためには、半導体素子が発生する熱を放熱し、半導体素子の温度が過度に上昇しないようにすることが必要であり、セラミックス基板には、電気絶縁性に加えて、優れた放熱特性が要求される。近年、回路基板の小型化、パワーモジュールの高出力化が進む中、小型軽量化モジュールに関して、電気絶縁性が高く、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮと記載）焼結体を用いるセラミックス基板、並びにＡｌＮ基板の主面に金属回路を形成したセラミックス回路基板が注目されている。

セラミックス基板となるＡｌＮ焼結体は一般に以下の方法で製造される。即ち、ＡｌＮ粉末に焼結助剤、有機バインダー、可塑剤、分散剤、離型剤等の添加剤を適量混合し、それを押出成形機やテープ成形法によって薄板状又はシート状に成形する。厚板状又は大型形状の場合はプレス成形されるのが一般的である。次いで、成形体を空気中、又は窒素等の不活性ガス雰囲気中で、３５０〜６００℃に加熱して有機バインダーを除去した後（脱脂工程）、窒素等の非酸化性雰囲気中で、１８００〜２０００℃で４〜１０時間保持し（焼成工程）、放冷すること（冷却工程）によって製造される。

ＡｌＮ焼結体の熱伝導率を高めるには焼結体を緻密化することが必要であるが、ＡｌＮは共有結合性が強く、難焼結性材料であるため、緻密な焼結体を作製するに当たっては、焼結助剤として酸化イットリウム等の希土類酸化物を中心に、酸化カルシウム等のアルカリ土類金属酸化物等、従来より多くの焼結助剤が検討されている。
特開昭６０−１２７２６７号公報特開昭６１−１００７１号公報特開昭６０−７１５７５号公報

焼結助剤の作用としては、（１）AlN原料粉末に含まれる酸素と焼結助剤が反応して液相を生成し、ＡｌＮ焼結体の緻密化を促進させるとともに、（２）熱伝導率を低下させる酸素や鉄、カルシウム等の不純物をＡｌＮ粒子界面と粒子間空隙に析出させ、AlN結晶粒子を高純度化することによって高熱伝導率を発現させる、ことが挙げられる。

ここで、粒子間空隙とは、ＡｌＮ焼結体の研磨破面を走査型電子顕微鏡等で観察した際に見られる、AlN３粒子以上に挟まれている粒界相であり、粒子界面とは、相対するAｌN２粒子間に形成される粒界相である。粒子間空隙と粒子界面における粒界相の存在比率は、ＡｌＮ焼結体破面を研磨した後、走査型電子顕微鏡等で観察した画像をもとに、求めることができる。

焼結助剤、特に希土類酸化物を主とする焼結助剤の添加によるＡｌＮ焼結体の緻密化、及びＡｌＮ結晶粒子の高純度化により、ＡｌＮ焼結体は高熱伝導性を発現するが、機械的特性、即ち、破壊靱性と抗折強度が不十分であるという課題があった。

抗折強度は破壊靱性と（１）式の関係があり、形状係数と欠陥寸法が一定と仮定すると、破壊靱性が低いと抗折強度も低下する。

粒度分布が狭い均一性の高い粒子を有する焼結体は欠陥寸法が小さくなるため、高強度を得ることができるが、破壊靱性は向上しない。一方、粗大粒子と微細粒子を組み合せると、亀裂の進展経路の複雑化により見掛け破壊靱性の向上が可能であるが、粗大粒子が破壊起点となり抗折強度が低下するという課題がある。破壊靱性は亀裂の進展し難さを示す指標であり、高靭化するほど亀裂は進展せず、破壊、破損しにくい。

抗折強度が小さいと、AlN基板の主面に形成された金属回路層に半導体素子を実装する際、破損したり、半導体素子の繰り返し作動に伴う熱履歴により、金属回路接合部付近のAlN基板にクラックが発生し易くなる。また、AlN基板の熱伝導率が低いと、金属回路接合部付近の半田にクラックが発生しやすくなるため、耐熱サイクル特性及び信頼性が低下するという課題がある。特に最近では、パワーモジュール用セラミックス基板や半導体製造装置用治具等に関し、従来以上に厳しいヒートサイクルに晒されることが多くなっており、耐熱衝撃性と高熱伝導性を併せ持つＡｌＮ焼結体の開発が急務となっている。

本発明の目的は、従来と同等もしくはそれ以上の緻密性と高熱伝導性を保持したまま抗折強度を著しく高め、耐熱衝撃性を向上させたＡｌＮ焼結体及びその製造方法、それを用いたセラミックス基板、並びにセラミックス回路基板を提供することである。

即ち、本発明は、ＡｌＮ粉末、TbO_1.8、PrO_1.8及びCeO₂の群から選ばれる少なくとも一種以上の希土類酸化物を含む焼結助剤、並びに有機バインダーを含有してなる成形体に、加熱脱脂処理及び焼結処理を順次施して得られるＡｌＮ焼結体であり、焼結体の破面における粒内破壊率が最低でも４０％、粒界破壊靱性が最低でも１０J/m²、密度が最低でも3.1g/cm³、抗折強度が最低でも４２０ＭＰa、破壊靱性が最低でも３．１ＭＰａｍ^１/２であることを特徴とする該ＡｌＮ焼結体であり、さらに、粒内破壊靭性が最低でも４５J/m²、結晶粒子のＣ軸の格子定数が最低でも4.9785Å、熱伝導率が最低でも１７０Ｗ／ｍＫである該ＡｌＮ焼結体である。

また、ａ）酸素含有量が最大３質量％、鉄及びシリコンの含有量がそれぞれ最大５０及び１３０ｐｐｍで、平均粒径が最大１０μｍのＡｌＮ粉末に、焼結助剤として平均粒径が最大１μｍのTbO_1.8、PrO_1.8及びCeO₂から選ばれる少なくとも一種以上の希土類酸化物を内割配合にて０．１〜１０質量％、及び有機バインダーを外割配合にて０．５〜３０質量％添加し、成形後、加熱脱脂処理を、残留炭素分が２．０質量％以下となるよう非酸化性雰囲気中で行い、ｃ）焼結処理を、非酸化性雰囲気中にて、０．５℃／分以下の昇温速度で１６００〜１８５０℃まで昇温し、０．５〜１０時間保持した後、１０００℃までの冷却速度を１０℃／分以下とすることを特徴とする該ＡｌＮ焼結体の製造方法であり、該ＡｌＮ焼結体を用いたセラミックス基板であり、該セラミックス基板の一主面に金属回路を形成し、他の一主面に放熱板を形成してなるセラミックス回路基板である。

本発明により、従来と同等もしくはそれ以上の緻密性と高熱伝導性を保持したまま抗折強度を高め、耐熱衝撃性及び耐熱履歴性を向上させたＡｌＮ焼結体、並びにそのＡｌＮ焼結体を用いたセラミックス基板、セラミックス回路基板が得られる。

本発明に係るＡｌＮ焼結体の特徴は、組成の９０％以上がＡｌＮからなるモノリシックな組成であり、球状に近い多面体の粒子形状を保ちつつ、焼結助剤である希土類酸化物とＡｌＮの表面酸化膜である酸化アルミニウムの反応相が粒子界面と粒子間空隙に析出して粒界を強化し、ＡｌＮ焼結体の高強度化および高靱性化を達成するとともに、ＡｌＮ結晶粒子の高純度化を行うことで、高熱伝導率化も併せて達成することである。従って、本発明によれば、ＡｌＮ焼結体の電気的絶縁性を保ちながら、熱的及び機械的特性を改善することが可能である。

本発明に係るＡｌＮ焼結体は、焼結体の破面における粒内破壊率が最低でも４０％、粒界破壊靱性が最低でも１０J/m²であり、密度が最低でも3.1g/cm³、抗折強度が最低でも４２０ＭＰa、破壊靱性が最低でも３．１ＭＰａｍ^１/２であることが好ましい。ＡｌＮ焼結体は線形的な破壊挙動を示し、亀裂が進展する場合、多くの欠陥を有する粒界はＡｌＮ結晶粒子より転位密度が高く、粒子間結合の弱い粒子間空隙や粒子間界面を選択的に亀裂が進展するため、ＡｌＮ焼結体の抗折強度は低い。しかし、本発明では粒子間空隙や粒子間界面を強化して、粒界破壊靭性を１０J／ｍ^２以上となるようにし、亀裂の進展経路を粒内にも向けて、臨界解放エネルギーを大きくすることで、ＡｌＮ焼結体破面の粒内破壊率を４０％以上とすることができる。その結果、ＡｌＮ焼結体の破壊靱性は３．１MPaｍ^１/２以上となり、抗折強度を４２０MPa以上にすることが可能である。粒界破壊靭性が１０J／ｍ^２未満の場合、粒内破壊率は４０％未満となるため、ＡｌＮの破壊靱性が３．１MPaｍ^１/２未満、抗折強度が４２０MPa未満となる。

粒界破壊靭性の算出方法を（２）〜（６）式に示す。この粒界破壊靭性の算出方法は『亀裂進展経路と破壊靭性に関する確率理論式』を用いて求めるものである。
R.Terao et al. J. Euro. Ceram. Soc., 22, 1051-59, 2002

セラミックスの粒内及び粒界破壊靭性は（２）〜（７）式に実験値である粒内破壊率，粒径，臨界エネルギー解放率を代入することにより算出できる。Ｇ_ICは臨界エネルギー解放率，Ｇ_IC ^boundaryは粒界破壊靭性、Ｇ_IC ^grainは粒内破壊靱性、ｆは粒内破壊率，ｄは粒径，ｄ*は粒内破壊臨界粒径、定数ｐ及びｑはそれぞれ９．５×１０^２及び８．５、ＡｌＮ焼結体のヤング率及びポアソン比はそれぞれ２８０ＭＰa及び０．２５、S_grainsは全粒子数、S_boundaryは粒界破壊した粒子数である。

ＡｌＮ焼結体の高抗折強度化及び高靱化は粒界強化だけでなく、ＡｌＮ焼結体の密度にも関連する。本発明においては、ＡｌＮ焼結体の密度が３．１ｇ／ｃｍ^３以上の場合、破壊靭性３．１MPaｍ^１/２以上および抗折強度４２０MPa以上が達成可能である。密度が３．１ｇ／ｃｍ ^３未満であると体積欠損部が破壊源となり、強度劣化を引き起こすため、４２０MPa以上の抗折強度が得られない場合がある。

さらに、本発明は、粒内破壊靭性が最低でも４５J/m²、ＡｌＮ結晶粒子のＣ軸の格子定数が最低でも4.9785Å、熱伝導率が最低でも１７０Ｗ／ｍＫであり、高抗折強度および高破壊靭性を同時に有することを特徴とするＡｌＮ焼結体である。

ＡｌＮ焼結体の熱伝導率低下の主要因は、一般的に、酸素と窒素の置換によってＡｌＮ格子内に生じる格子欠陥によるものである。このとき、ウルツ鉱型結晶構造のＡｌＮのＣ軸は短化する傾向にある。さらに、ＡｌＮ格子内の格子欠陥により転位密度も増加するため、ＡｌＮ結晶格子は弱化する。本発明では、AlN結晶粒子内から酸素等の不純物を除去し、高純度化させることで、ＡｌＮのＣ軸を4.9785Å以上、粒内破壊靭性を４５J/m²以上とすることが可能であり、１７０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率が得られる。Ｃ軸が4.9785Å未満の場合、粒内破壊靭性が４５J/m²未満となり、熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫ未満となる。

本発明に係るAlN粉末は、直接窒化法、アルミナ還元法等の公知の方法で製造された粉末が使用できるが、酸素含有量が最大３質量％、鉄及びシリコン含有量がそれぞれ最大５０及び１３０ｐｐｍであり、AlN粉末の平均粒径が最大でも１０μｍであることが好ましい。不純物含有量や平均粒径が上記の範囲を外れると、焼結が阻害されるとともに、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率や抗折強度、破壊靱性、電気絶縁性に悪影響を及ぼす場合がある。

本発明に係る焼結助剤は、平均粒径が最大１μｍのTbO_1.8、PrO_1.8及びCeO₂の群から選ばれる少なくとも一種以上の希土類酸化物を、ＡｌＮ粉末に対して内割配合で０．１〜１０質量％となるように配合することが好ましい。焼結助剤の配合量が０．１質量％未満では、液相の生成が不十分となるため緻密化が促進されず、密度を３．１ｇ／ｃｍ³以上にすることができない場合がある。また、１０質量％を超えると、緻密化速度が低下するため、気孔（体積欠損部）が生成して破壊源となり、抗折強度の低下を引き起こす場合がある。

ＡｌＮ焼結体の焼結助剤に使用される希土類酸化物は、Y₂O₃やSm₂O₃等の３価の希土類金属からなる酸化物が一般的であるが、本発明に係るTbO_1.8及びPrO_1.8は約４価、CeO₂は４価の希土類金属酸化物である。これらの焼結助剤とAlNの表面酸化膜である酸化アルミニウムとの反応相、即ち、TbAlO₃、PrAlO₃やCeAlO₃等を粒子間空隙や粒子界面に析出させることで、粒界相を強化することが可能であり、中でもTbAlO₃が粒界強化のために好ましい。この作用機構は完全に解明された訳ではないが、希土類金属イオンの価数を、従来の３＋から約４＋にすることにより、希土類金属イオン近傍の電子状態が安定化し、粒子間空隙や粒子界面における粒子間結合が強固になると推測している。本発明に係る焼結助剤は、二種以上を配合しても本発明のＡｌＮ焼結体の特性に悪影響はなく、むしろ二種以上配合することで焼結助剤と酸化アルミニウムの共晶温度が低下し、焼結温度の低下、即ち、省エネルギー化を図ることが可能な場合がある。

本発明では、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリル酸、及びメタクリル酸からなる群より選ばれた一種又は二種以上を重合してなるポリマーを含む有機バインダーを用いることが好ましい。有機バインダーを用いる理由は、窒素等の非酸化性雰囲気中での脱脂処理において、他の有機バインダーよりも熱分解性が良く、残留炭素分の制御を容易に行うことができるからである。又、上記ポリマーのガラス転移温度は、−５０〜０℃であることが好ましい。ポリマーのガラス転移温度が−５０℃より低いと、十分な成形体強度が得られず、成型が困難となる場合があり、一方、ガラス転移温度が０℃より高いと成型体が硬く、脆いものとなり割れが発生しやすくなる場合がある。

有機バインダーの添加割合は、AlN粉末に対して外割配合で０．５〜３０質量％が好ましく、１〜１０質量％がより好ましい。０．５質量％より少ないと、十分な成形体強度が得られず、割れを生じる場合がある。一方、３０質量％を超えると、脱脂処理に多大な時間がかかる上に、脱脂体の強度が低くなる場合がある。
本発明において、上記成形体の加熱脱脂処理後の残留炭素分は、２．０質量％以下が好ましく、０．２〜１．０質量％がより好ましい。残留炭素分が２．０質量％を超えると、過剰の炭素が焼結を阻害するため緻密な焼結体が得られなくなる場合がある。

ＡｌＮ焼結体の製造方法は、例えば、ＡｌＮ粉末に焼結助剤を所定量配合し、ボールミル等を用いて混合する。混合した粉末に有機バインダー及び必要に応じて例えば離型材や可塑剤等の各種添加剤を加え、造粒、整粒、混練等の処理を施して成形する。成形方法は特に限定されるものではなく、金型プレス成形、静水圧プレス成形、ドクターブレード、押出成形法等の中から、その所望形状に適した方法が採用可能である。加熱脱脂処理の条件は、窒素ガス等の非酸化性雰囲気中、温度３５０〜６００℃で１〜２０時間保持することが好ましい。これにより、焼結処理の際、ＡｌＮ粒子と液相化した焼結助剤との濡れ性が著しく向上し、抗折強度４２０ＭＰａ以上、熱伝導率１７０Ｗ／ｍK以上のＡｌＮを生産性良く製造することが可能となる。

有機バインダーを除去した成形体を焼成容器内に収容し、非酸化性雰囲気中、１６００〜１８５０℃で焼結する。焼結方法は特に限定されないが、常圧焼結法やホットプレス法等が採用できる。焼成雰囲気は窒素ガスやアルゴンガス等の非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。焼結は、真空、減圧、及び加圧下で行うことも可能であるが、常圧下で行うのが一般的である。本発明で重要なことは、焼結助剤の反応によって液相生成量が増加する１５００℃以上の昇温速度を少なくとも0.5℃／分以下にして焼結温度まで高めることである。昇温速度が０．５℃／分を超えると、焼結が不均一に進むため、粒界相組織にバラツキが生じ、ＡｌＮ焼結体に反りが発生し、抗折強度が低下する場合がある。

本発明に係るＡｌＮ焼結体の焼結条件は、焼結温度１６００〜１８５０℃、保持時間０．５〜１０時間であり、冷却は、１０００℃までの冷却速度が１０℃／分以下である。焼結温度が１６００℃未満の場合、焼結に必要な液相が十分生成せず、密度が３．１ｇ／ｃｍ³以上にならない場合がある。一方、１８５０℃を超えると、ＡｌＮ焼結体外部へ助剤が揮発するため表面が粗面化し、応力が掛かった際に、それが破壊源となり抗折強度が低下する場合がある。保持時間が０．５時間未満の場合、ＡｌＮ結晶粒子内の高純度化が不十分となり、高熱伝導率が得られない場合があり、一方、１０時間を超えると、粒子間空隙や粒子界面に存在する希土類元素が揮発するため、粒界相が弱化し、高強度化及び高靭化できない場合がある。また、１０００℃までの冷却速度を１０℃／分を超えた速度にすると、希土類アルミネート相がＡｌＮ粒子を包むため、熱伝導率の媒体であるフォノンの散乱が妨げられ、高い熱伝導率が得られない場合がある。

本発明のＡｌＮ焼結体は、機械的特性に優れ、且つ、高い熱伝導率を有するので、厳しい使用条件下で用いられる回路基板、例えばパワーモジュール用回路基板に好適な材料である。本発明のセラミックス回路基板は、ＡｌＮ焼結体を用いた基板の一主面に金属回路、他の一主面に放熱板を形成してなるものである。

本発明に係るセラミックス基板の厚みは特に限定されるものではなく、例えば、放熱特性を重視する場合は０．３〜１．０ｍｍ程度、高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたい場合は１〜３ｍｍ程度のものが用いられるのが一般的である。

金属回路と金属放熱板の材質はAl、Cu、またはAl−Cu合金であることが好ましい。これらは単層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ることが可能である。中でも、AlはCuよりも降伏応力が小さいため塑性変形し易く、ヒートサイクル等の熱応力負荷が掛かった際に、セラミックス基板に加わる熱応力を大幅に低減することができる。そのため、AlはCuよりも、金属回路とセラミックス基板間に発生する水平クラックが発生しにくく、より高信頼性モジュールの作製が可能である。

金属回路の厚みは、特に限定されるものではないが、電気的および熱的仕様からAl回路は０．４〜０．５ｍｍ、Cu回路は０．３〜０．５ｍｍが一般的である。一方、放熱板は、半田付け時に反りを生じない厚みにすることが必要であり、例えば、Al放熱板は０．１〜０．４ｍｍ、Cu放熱板は０．１５〜０．４ｍｍが一般的である。

本発明に係るセラミックス回路基板は、板状のＡｌＮまたは研削加工により板状に加工したＡｌＮ焼結体を基板とし、金属板を接合した後、エッチング等の手法により回路を形成させるか、或いは、予め形成した金属回路を、接合することにより製造することが可能である。板状のＡｌＮ焼結体または研削加工により板状に加工したＡｌＮ焼結体と金属板又は金属回路との接合は、例えば、Ａｌ−Ｃｕ、Ag、Cu、またはAg−Cu合金と、Ti、Zr、Hf等の活性金属成分を含むロウ材を介在させ、不活性ガスまたは真空雰囲気中で加熱する方法（活性金属法）により可能である。

表１に示すＡｌＮ粉末に、表１に示す焼結助剤を内割で添加し、さらにアクリル系樹脂の有機バインダーを外割で３質量％（固形分換算）添加し、エタノールを分散媒とした湿式ボールミルにより２時間混合、次に、エバポレータを用いて減圧下で乾燥させ、混合粉末を調製した。

この混合粉末を金型に挿入し、３００ＭＰaの圧力で静水圧成形を行い、８．７６ｃｍ×５．８４ｃｍ×０．１５ｃｍ厚のグリーンシートを作製した。これを窒化ホウ素製の坩堝に充填し、常圧下、窒素雰囲気中にて、実験Ｎｏ．１〜２０及び２２〜３５は、５００℃で３時間保持して脱脂させ（脱脂条件Ａ）、実験Ｎｏ．２１は５００℃で１時間保持して脱脂を行った（脱脂条件Ｂ）。次に、カーボンヒーター電気炉を用いて表１に記載した条件にて絶対圧力０．１MPa下で加熱焼結処理を施し、７．６２ｃｍ×５．０８ｃｍ×０．１３ｃｍ厚の寸法のＡｌＮ焼結体を製造した。物性測定結果を表２に示す。

得られたＡｌＮ焼結体を回路基板として性能評価するため、実験Ｎｏ．１〜３０では、金属回路と金属放熱板としてアルミニウム板を以下の方法にて接合した。

AlN焼結体の両主面に７．６２ｃｍ×５．０８ｃｍ×０．０３ｃｍ厚のロウ合金箔を貼付け、さらに７．６２ｃｍ×５．０８ｃｍ×０．１３ｃｍ厚のアルミニウム板を設置した。それを１４枚積層したものを、カーボン治具にカーボンネジ締めにより設置した後、620℃で2時間保持し、接合体を作製した。得られた接合体の一主面には所定の形状の回路パターンを、もう一方の主面には放熱板パターンを形成させるべく、UV硬化型レジストインクをスクリーン印刷した後、UVランプを照射させてレジスト膜を硬化させた。次いで、レジスト塗布した部分以外を水酸化ナトリウム水溶液でエッチングした後、フッ化アンモニウム水溶液にてレジスト剥離し、アルミニウム回路AlN基板を作製した。

得られた回路基板の信頼性を評価するため熱履歴衝撃試験を実施し、１）剥がれ、膨れ等の外観確認、２）断面観察による、回路面又は放熱板面とAlN基板間の接合クラックの有無の確認、３）回路、放熱板部分を溶解後、インクテストによるAlN基板のクラック発生の有無の確認を行った。結果を表３に示す。ここで、接合クラック発生の有無は、熱履歴衝撃試験を実施し、２０００サイクル未満にて、接合クラックが発生した場合を記号１、２０００〜３０００サイクルにて、接合クラックが発生した場合を記号２、３０００サイクルでも接合クラックが発生しない場合を記号３とした。

〈使用材料〉
AlN粉末：不純物含有量は鉄が４０ｐｐｍ、シリコンは１００ppmであった。
焼結助剤：信越化学工業株式会社製、商品名『TerbiumOxide』、『CeriumOxide』、『PraseodymiumOxide』（平均粒径１．０μｍ）を使用した。
有機バインダー：ユケン工業株式会社製、商品名『セランダー』、主成分、水溶性アクリル酸エステル。ガラス転移温度−２０℃。
アルミニウム板：三菱アルミニウム株式会社製、商品名「１０８５材」（対応JIS番号）。
ロウ合金箔：東洋精箔株式会社製、商品名「A２０１７R−H合金箔」（対応JIS番号）。
UV硬化型レジストインク：互応化学工業株式会社製、商品名『PER−２７B−６』。

〈測定方法〉
残留炭素分：ＬＥＣＯ社製炭素測定器（型式 CS-400-SC-444）により測定。
密度：ブタノ―ルを用い、アルキメデス法により算出した（（９）式）。
抗折強度：下部スパン３０ｍｍ、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／分の条件にて3点曲げ試験（JIS R1601）を行い、その破壊荷重を（８）式により求めた（ｎ＝１０）。
粒内破壊率：AlN基板断面を観察し、約２００個の粒子を対象にした時の粒内破壊した粒子面積の総和、粒界破壊した粒子面積の総和を（７）式に代入して算出した。
粒径：インターセプト法での粒径測定から求めた。
臨界エネルギー解放率：測定した破壊靱性を（６）式に代入して算出した。
破壊靭性：Surface Crack in Flexure法（ASTM、C１４２１−９９）にて測定した。
熱伝導率：ＡｌＮ基板表面にカーボンスプレー処理を施し、レーザーフラッシュ法にて測定した。
AlN結晶粒子内のｃ軸の格子定数：高出力X線回折装置を用い、Siを外部標準試料として測定した。
熱履歴衝撃試験：（−２５℃、１０分→室温、１０分→１２５℃、１０分→室温、１０分）を１サイクルとして、３０００サイクルのヒートサイクルに供試体を晒す試験。

実施例３１〜３５は金属回路と金属放熱板に銅板を以下の方法にて接合した以外は、実施例１と同様に行った。

Ag８５質量％、Cu１０質量％、Zr２質量％、TiH３質量％からなる混合粉末と、外割で３０質量％テルピネオールを加えたペースト状混合液をAlN焼結体の両主面に塗布し、その両主面に７．６２ｃｍ×５．０８ｃｍ×０．０５ｃｍ厚の無酸素銅板を貼付けた。それを１４枚積層したものを、カーボン治具にカーボンネジ締めにより設置した後、850℃で2時間保持させてＡｌＮ焼結体を銅板で挟んだ接合体を作製した。接合体の一主面には所定の形状の回路パターンを、もう一方の主面には放熱板パターンを形成させるべく、UV硬化型レジストインクをスクリーン印刷した後、UVランプを照射させてレジスト膜を硬化させた。次いで、レジスト塗布した部分以外を塩化第2銅溶液でエッチングした後、フッ化アンモニウム水溶液にてレジスト剥離し、銅回路AlN基板を作製した。

〈使用材料〉
無酸素銅板：住友金属鉱山伸銅株式会社製、商品名『３１００系』（対応JIS番号）。

表２及び表３より、本発明の実施例は、抗折強度４２０ＭＰａ以上、破壊靭性３．１MPaｍ^1／2以上、及び熱伝導率が１７０W／mK以上であり、熱履歴衝撃試験後に、接合クラック及び基板クラックが発生せず、回路基板として高い信頼性が得られることが分かる。

回路形成後の状態を示した説明図である。

符号の説明

１金属回路
２金属放熱板
３ AlN焼結体

Claims

窒化アルミニウム粉末、TbO_1.8、PrO_1.8、CeO₂の群から選ばれる少なくとも一種以上の希土類酸化物を含む焼結助剤、並びに有機バインダーを含有してなる成形体に、加熱脱脂処理及び焼結処理を順次施して得られる、焼結体の破面における粒内破壊率が最低でも４０％、粒界破壊靭性が最低でも１０J/ｍ^２であり、密度が最低でも３．１ｇ／ｃｍ^３、抗折強度が最低でも４２０ＭＰa、破壊靭性が最低でも３．１ＭＰａｍ^１/２、粒内破壊靱性が最低でも４５J/ｍ^２、窒化アルミニウム結晶粒子のＣ軸の格子定数が最低でも4.9785Å、熱伝導率が最低でも１７０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
酸素含有量が最大３質量％、鉄の含有量が最大５０ｐｐｍ、シリコンの含有量が最大１３０ｐｐｍであり、平均粒径が最大１０μｍの窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤として平均粒径が最大１μｍのTbO_1.8、PrO_1.8 及びCeO₂の群から選ばれる少なくとも一種以上の希土類酸化物を内割配合にて０．１〜１０質量％、及び有機バインダーを外割配合にて０．５〜３０質量％添加し、成形後、加熱脱脂処理を、残留炭素分が２．０質量％以下となるよう非酸化性雰囲気中で行い、焼結処理を、非酸化性雰囲気中で、
ａ)０．５℃／分以下の昇温速度で１６００〜１８５０℃まで昇温し、
ｂ）０．５〜１０時間保持した後、
ｃ）１０００℃までの冷却速度を１０℃／分以下
で行うことを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
請求項２記載の製造方法で得られる、焼結体の破面における粒内破壊率が最低でも４０％、粒界破壊靭性が最低でも１０J/ｍ^２であり、密度が最低でも３．１ｇ／ｃｍ^３、抗折強度が最低でも４２０ＭＰa、破壊靭性が最低でも３．１ＭＰａｍ^１/２、粒内破壊靱性が最低でも４５J/ｍ^２、窒化アルミニウム結晶粒子のＣ軸の格子定数が最低でも4.9785Å、熱伝導率が最低でも１７０Ｗ／ｍＫ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１又は請求項３記載の窒化アルミニウム焼結体を用いてなるセラミックス基板。
請求項４記載のセラミックス基板の一主面に金属回路を形成し、他の一主面に放熱板を形成してなるセラミックス回路基板。