JP5142889B2 - 窒化珪素質焼結体およびその製法ならびに回路基板、パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、窒化珪素質焼結体およびその製法ならびに回路基板、パワー半導体モジュールに関し、特に、β−Ｓｉ_３Ｎ_４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子内に、Ａｌ存在量が多いＡｌ多領域部が形成された窒化珪素質焼結体およびその製法ならびに回路基板、パワー半導体モジュールに関するものである。

従来、自動車用エンジン部材、耐熱構造部材、切削工具、その他産業用部材に、高強度、高靱性の窒化珪素質焼結体が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、β−Ｓｉ_３Ｎ_４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子と粒界相とからなる窒化珪素質焼結体であって、焼結体に対して５〜６０ｖｏｌ％が、内部に、この結晶粒子の他の部分よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域部を有する結晶粒子から構成されていることが記載されている。

そして、この窒化珪素質焼結体では、結晶粒子内にβサイアロン核を有するため、結晶粒子内に内部応力を発生させ、さらに、βサイアロン核を有する結晶粒子は粒成長するため、アスペクト比が大きくなり、焼結体の強度と靱性を向上できることが記載されている。
特開平２−２６３７６４号公報

近年においては、窒化珪素質焼結体は多種多様の用途に用いられており、用途によっては、高熱伝導性が要求されているものもある。例えば、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窒化珪素質焼結体を用いることが知られているが、このような絶縁回路基板では、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。

例えば、絶縁回路基板では、上記したように放熱性（高熱伝導率）、薄型化、高強度高靱性化が要求されているが、上記特許文献１に開示された窒化珪素質焼結体を回路基板として用いた場合には、高強度高靱性化が図られ、薄型化を達成することができるが、回路基板の熱伝導率が低く、パワー半導体から発する熱を十分に放熱することができないという問題があった。

すなわち、特許文献１の窒化珪素質焼結体では、結晶粒子内にβサイアロン核を有するため、結晶粒子内に内部応力を発生させ、さらに、β−サイアロン核を有する結晶粒子は粒成長し、アスペクト比が大きくなるため、焼結体の強度と靱性を向上できるものの、特許文献１では、ＢＥＴ比表面積が１０あるいは５ｍ^２／ｇの微粒のβ−サイアロン粉末を、原料全量に対して５〜２０質量％添加しており、これにより、焼成時に多くのβ−サイアロンが完全に溶融または表面が溶融してβ−サイアロン核が小さくなり、結晶粒子内に大量のＡｌが分散、固溶し、窒化珪素質焼結体の熱伝導率が低くなり、放熱性が低下するという問題があった。

本発明は、高強度化および高靱性化を図ることができるとともに、放熱性を向上することができる窒化珪素質焼結体およびその製法ならびに回路基板、パワー半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明の窒化珪素質焼結体は、β−Ｓｉ_３Ｎ_４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子と粒界相とからなる窒化珪素質焼結体であって、前記結晶粒子内に、該結晶粒子の他の部分よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域部を有するとともに、該Ａｌ多領域部が希土類元素を含有する被覆層で覆われており、前記Ａｌ多領域部および前記被覆層を有する前記結晶粒子が、焼結体の任意断面において面積比で８〜２６％存在することを特徴とする。

このような窒化珪素質焼結体では、結晶粒子内に、希土類元素を含有する被覆層で覆われたＡｌ多領域部を有するため、この結晶粒子が、Ａｌ多領域部を有しない他の結晶粒子よりも大きく粒成長し、アスペクト比が大きくなり、また、Ａｌ多領域部を有するため、結晶粒子内部の圧縮応力が大きくなることにより、クラックの進展を抑制し、焼結体の強度と靱性を向上できる。さらに、希土類元素を含有する被覆層でＡｌ多領域部が覆われているため、Ａｌ多領域部からのＡｌの結晶粒子内への分散、固溶量が少なく、窒化珪素質焼結体の熱伝導率を向上できる。

本発明の回路基板は、上記窒化珪素質焼結体に導体層を形成してなることを特徴とする。このような回路基板では、窒化珪素質焼結体の強度および靱性を向上できるため、回路基板を薄くすることができ、しかも窒化珪素質焼結体の熱伝導率を向上できるため、回路基板の放熱性を向上できる。これにより、例えば、パワー半導体から発する熱を十分に回路基板から拡散して放熱することができる。

本発明のパワー半導体モジュールは、パワー半導体を上記回路基板に実装してなるものである。このようなパワー半導体モジュールでは、パワー半導体から発する熱を十分に回路基板から拡散して放熱することができる。

本発明の窒化珪素質焼結体では、結晶粒子内に、希土類元素を含有する被覆層で覆われたＡｌ多領域部を有するため、この結晶粒子が、Ａｌ多領域部を有しない他の結晶粒子よりも大きく粒成長し、アスペクト比が大きくなり、また、Ａｌ多領域部を有するため、結晶粒子内部の圧縮応力が大きくなることにより、クラックの進展を抑制し、焼結体の強度と靱性を向上できる。さらに、希土類元素を含有する被覆層でＡｌ多領域部が覆われているため、Ａｌ多領域部からのＡｌの結晶粒子内への分散、固溶量が少なく、窒化珪素質焼結体の熱伝導率を向上できる。

本発明の回路基板では、窒化珪素質焼結体の強度、靱性を向上できるため、回路基板を薄くすることができ、しかも窒化珪素質焼結体の熱伝導率を向上できるため、回路基板の放熱性を向上できる。

本発明のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体から発する熱を十分に回路基板から拡散して放熱することができる。

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、少なくとも母基板の上面、または下面、さらには上下両面に導体層を設け、この導体層には、パワー半導体が搭載される。

そして、窒化珪素質焼結体からなる母基板は、図１、２に示すように、β−Ｓｉ_３Ｎ_４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子１と粒界相３とからなる窒化珪素質焼結体であって、結晶粒子１内に、該結晶粒子１の他の部分４（以下単に、他の部分ともいう。）よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域部５を有し、このＡｌ多領域部５を覆う希土類元素を含有する被覆層６が存在し、前記Ａｌ多領域部および前記被覆層を有する前記結晶粒子が、焼結体の任意断面において面積比で８〜２６％存在する。

Ａｌ多領域部５の平均径は２μｍ以上であり、かつＡｌを焼結体全量中０．０５３質量％以上含有することが、強度および靱性を向上させるという点から望ましく、特には０．１８５質量％以上含有することが望ましい。

被覆層６は、希土類元素の他に、Ａｌを含有する場合がある。この希土類元素、Ａｌは、酸化物として存在していると考えられる。被覆層６中のＡｌは、Ａｌ多領域部５中のＡｌが拡散してきたものと考えられる。

被覆層６中に存在する希土類元素は、Ｙ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｒおよびＹｂのうち少なくとも１種が望ましく、特には、窒化珪素粒子が粒成長しやすいという点から、Ｙ、Ｅｒ、Ｄｙが望ましい。

被覆層６中に存在する希土類元素は、後述する結晶粒子間の希土類元素（粒界相の一部を構成する）とは異なる元素であっても良いが、製造容易、希土類元素の種類を少なくし、コストを低減するという点から、被覆層６中に存在する希土類元素は、結晶粒子間の粒界相を構成する希土類元素と同じ種類の希土類元素を用いることが望ましい。

本発明では、β−Ｓｉ_３Ｎ_４にＡｌが分散して固溶したものをβ−サイアロンと呼ぶ。サイアロンは、一般式Ｓｉ_６−ｚＡｌ_ｚＯ_ｚＮ_８−ｚで表されるが、結晶粒子１内に、他の部分４よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域部５を有することは、結晶粒子１がβ−サイアロンの場合、Ａｌ多領域部の一般式中のＺ値は、他の部分４のＺ値に比べて２倍以上、つまり２倍以上Ａｌ含有量が多い領域を有することを指す。Ａｌ多領域部５は、図２では、一点鎖線で示したが、実際は、Ａｌの含有量で規定されるもので、走査電子顕微鏡による反射電子像あるいは二次電子像と波長分散型マイクロアナライザー分析などの対比により、Ａｌ多領域部５であることを確認できる。

また、β−Ｓｉ_３Ｎ_４からなる結晶粒子１内に、該結晶粒子１の他の部分４よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域部５を有するとは、Ａｌが固溶していないβ−Ｓｉ_３Ｎ_４からなる結晶粒子１内に、Ａｌが分散して固溶したβ−Ｓｉ_３Ｎ_４からなるＡｌ多領域部５が存在することをいう。

このＡｌ多領域部５の寸法は、添加するβ−サイアロン粉末の粒径と同等か、もしくは僅かに小さくなる。本発明では、結晶粒子１中にＡｌ多領域部５を有し、他の部分４とＡｌ多量域部５との間に希土類元素を含有する被覆層６が存在することにより、結晶粒子１内の内部応力が大きくなり、さらに結晶粒子１のアスペクト比が大きくなり、強度および靱性を向上できる。さらに、Ａｌ多量域部から結晶粒子１内に分散、固溶するＡｌ量を低減し、熱伝導性を向上できる。

Ａｌ多領域部５を有するβ−Ｓｉ_３Ｎ_４およびβ−サイアロンの結晶粒子１は、アスペクト比が平均３〜８、結晶粒子１の短軸長さは平均３〜１５μｍとされている。

本発明では、Ａｌ多領域部５を有する結晶粒子１が、焼結体の任意断面において面積比で８〜２６％存在する。これにより、焼結体の強度および靱性を高めることができるとともに、Ａｌ多領域部５を有する結晶粒子１を適度に存在させることができ、焼結体の放熱性を高くすることができる。

また、本発明の窒化珪素質焼結体には、原料中に含まれる、あるいは工程から混入するＮａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃａ、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、焼結体全量中に合量で０．５質量％以下であることが望ましい。これにより焼結体の熱拡散率の低下を抑制でき、結果として焼結体の熱伝導率を向上できる。

さらに、焼結体中には、希土類元素を酸化物換算で全量中１〜２０質量％含有することが、焼結性を向上させるという点および靱性、熱伝導率向上の点から望ましい。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、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３およびＹｂ_２Ｏ_３のうち、少なくとも１種を、特にＹ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３を１〜２０質量％添加含有する。

ここで、希土類元素の酸化物換算量を焼結体全量中１〜２０質量％としたのは、１質量％未満では焼結助剤として機能が不十分であり、また、２０質量％を超えると焼結体中に低熱伝導率のアモルファス相や低熱伝導率の結晶相が増加して焼結体の熱伝導率が低下する傾向にあるからである。希土類元素の酸化物換算量は、焼結性および熱拡散率向上という観点から、焼結体全量中２〜１７質量％であることが望ましい。粒界相形成粉末（焼結助剤ということもある）としては、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２であることが望ましい。

β−Ｓｉ_３Ｎ_４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子１は、焼結体全量中８０〜９１．５質量％含有することが望ましい。

本発明の回路基板の製法は、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、希土類元素酸化物粉末とβ−サイアロン粉末とを混合したのち、７００〜９００℃で仮焼し、得られた仮焼粉末と粒界相形成粉末とを窒化珪素粉末に添加混合し、これを所定形状に成形した後、１７５０〜１９８０℃で焼成することにより作製できる。

粒界相形成粉末としては、希土類元素酸化物の他にＳｉＯ_２等を含有することができる。

希土類元素酸化物粉末とβ−サイアロン粉末とを混合し、７００〜９００℃で仮焼することにより、Ａｌを含有するβ−サイアロン粉末の表面に、希土類元素酸化物粉末を多数付着させ、希土類元素酸化物粉末の層を形成することができる。

そして、希土類元素酸化物粉末の層で覆われたβ−サイアロン粉末を、粒界相形成粉末と窒化珪素粉末とともに添加混合し、焼成することにより、溶融した窒化珪素が、β−サイアロン粉末を核として析出し、被覆層６によりＡｌが殆ど結晶粒子１内全体に分散固溶することがなく、結晶粒子１内に、β−サイアロンが希土類元素を含有する被覆層６で覆われた組織を形成でき、このような結晶粒子１と粒界相３とからなる窒化珪素質焼結体を作製することができる。

すなわち、窒化珪素粉末が溶解し、β−サイアロン粉末を核として析出する際に、希土類元素酸化物が溶解し、β−サイアロンの周囲を被覆するが、β−サイアロン粉末の表面は、希土類元素を含有する被覆層６で覆われているため、被覆層６によりβ−サイアロンのＡｌの分散が抑制され、Ａｌの結晶粒子１への固溶が抑制される。通常は、β−サイアロンを核として窒化珪素が溶解析出するため、結晶粒子１中にはＡｌが少々固溶している。

窒化珪素粉末は、酸素を２．０質量％以下、不純物陽イオンとしてのＮａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｂａ、ＭｎおよびＢを合計で０．５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。

β−サイアロン粉末としては、一般式Ｓｉ_６−ｚＡｌ_ｚＯ_ｚＮ_８−ｚ（０＜ｚ≦４）で表されるものを使用できる。このβ−サイアロン粉末は、ＢＥＴ比表面積２ｍ^２／ｇ以下のものを使用することが、アスペクト比の大きい結晶粒子１を形成でき、強度、靱性を向上するという点から望ましい。特には、ＢＥＴ比表面積１ｍ^２／ｇ以下のものを使用することが望ましい。

また、β−サイアロン粉末は、原料全量中０．１３９質量％以上、特に０．４１６質量％以上添加混合することが望ましい。

β−サイアロン粉末を全固形分中０．１３９質量％以上、望ましくは０．４１６質量％以上添加混合するとは、窒化珪素粉末、被覆層６を構成する、希土類元素酸化物粉末、粒界相形成粉末およびβ−サイアロン粉末の合量（全固形分）中、０．１３９質量％以上、望ましくは０．４１６質量％以上がβ−サイアロン粉末であることを意味する。

本発明の回路基板の母基板は、熱伝導率は９９Ｗ・ｍ／Ｋ以上、特には、１１５Ｗ・ｍ／Ｋ以上のものが得られる。強度は、８１０ＭＰａ以上、特には８９５ＭＰa以上のものが得られる。さらには、靱性については、７．５ＭＰａ・ｍ^１／２以上、特には７．９ＭＰａ・ｍ^１／２以上ものが得られる。

さらに、本発明の母基板では、熱伝導率が高く、高強度高靱性であるため、厚さを薄くすることにより、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。

本発明のパワー半導体モジュールは、母基板の導体層にパワー半導体を接続し、パワー半導体を上記回路基板に実装して構成されている。このようなパワー半導体モジュールでは、パワー半導体から発する熱を十分に回路基板から拡散して放熱することができる。

出発原料として、窒化珪素α相を９５質量％含み、酸素を１質量％含み、平均粒径０．５μｍの窒化珪素粉末と、ＢＥＴ比表面積０．７０〜１０．２ｍ^２／ｇのβ−サイアロン粉末（ｚ＝０．５〜４）と、希土類元素酸化物粉末として、平均粒径１．０μｍのＹ_２Ｏ_３粉末、平均粒径１μｍのＥｒ_２Ｏ_３粉末、平均粒径１μｍのＹｂ_２Ｏ_３粉末、平均粒径１μｍのＧｄ_２Ｏ_３粉末、平均粒径１μｍのＨｏ_２Ｏ_３粉末を、粒界相形成粉末の一部として平均粒径１．３μｍのＳｉＯ_２粉末を用意した。尚、表１中の量は、全固形分中の割合を示す。

先ず、β−サイアロンと被覆層材料の希土類元素酸化物粉末とを表１に示す組成比率になるように秤量し、混合し、８００℃で仮焼し、得られた仮焼粉体と、表１に示す組成比率になるような粒界相形成粉末とを、窒化珪素粉末に添加、混合した。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／ｃｍ^２の圧力で金型プレスした後、３ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力にて静水圧プレスを施して成形体を得た。

次いで、窒化珪素焼結体製の鉢の中に、窒化珪素粉末にＳｉＯ_２粉末を加えたとも材を充填し、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試料となる焼結体を得た。

尚、試料Ｎｏ．１８は、β−サイアロンと希土類元素酸化物粉末とを予め仮焼することなく、窒化珪素粉末と粒界相形成粉末とβ−サイアロン粉末とを一度に添加し、上記と同様に、成形し、焼成した試料である。

こうして得られた試料について、Ａｌ量を蛍光Ｘ線分析（検量線法）により求めた。焼結体の結晶粒子を収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置によってサブミクロン厚みで微細加工し、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）にてＡｌ多領域部および被覆層を確認し、その有無について表２に記載した。

また、焼結体の任意の５断面の走査電子顕微鏡分析反射電子像（組成差像）を用いて、Ａｌ多領域部を有する結晶粒子の面積比を画像解析装置により求め、これらを平均してＡｌ多領域部を有する結晶粒子の面積比とし、表１に記載した。

また、各試料について、熱拡散率と比熱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とアルキメデス法で求めた密度を掛け合わせて熱伝導率を算出した。また、破壊靱性はＪＩＳ規格Ｒ１６０７−１９９５により求め、三点曲げ強度はＪＩ
Ｓ１６０１−１９９５により求めた。これらの結果を表に記載した。なお、試料Ｎｏ．１は比較例である。

これらの表によれば、本発明の範囲内にある試料Ｎｏ．２〜１７は熱伝導率が９９Ｗ／ｍ・Ｋ以上、三点曲げ強度が８１０ＭＰａ以上、靱性が７．５ＭＰａ・ｍ^１／２以上の特性を有していることがわかる。一方、β−サイアロンと希土類元素酸化物粉末とを予め仮焼することなく、窒化珪素粉末と焼結助剤とβ−サイアロン粉末とを一度に添加した試料Ｎｏ．１８は、希土類元素を含有する被覆層が存在せず、熱伝導率は８４Ｗ／ｍ・Ｋと低い値となった。

焼結体の走査電子顕微鏡分析反射電子像（組成差像）写真である。 焼結体の模式図である。

符号の説明

１：結晶粒子
３：粒界相
４：結晶粒子のＡｌ多領域部以外の他の部分（他の部分）
５：Ａｌ多領域部
６：被覆層

Claims (3)

1. β−Ｓｉ_３Ｎ_４およびβ−サイアロンのうち少なくとも１種の結晶粒子と粒界相とからなる窒化珪素質焼結体であって、前記結晶粒子内に、該結晶粒子の他の部分よりもＡｌ存在量が多いＡｌ多領域部を有するとともに、該Ａｌ多領域部が希土類元素を含有する被覆層で覆われており、前記Ａｌ多領域部および前記被覆層を有する前記結晶粒子が、焼結体の任意断面において面積比で８〜２６％存在することを特徴とする窒化珪素質焼結体。
2. 請求項１に記載の窒化珪素質焼結体に導体層を形成してなることを特徴とする回路基板。
3. パワー半導体を請求項２に記載の回路基板に実装してなることを特徴とするパワー半導体モジュール。