JPH1093211A

JPH1093211A - 窒化けい素回路基板

Info

Publication number: JPH1093211A
Application number: JP8245105A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Komorida; 裕小森田; Kazuo Ikeda; 和男池田; Michiyasu Komatsu; 通泰小松; Takayuki Naba; 隆之那波; Yoshitoshi Satou; 孔俊佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】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、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、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。【解決手段】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（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１と、この高熱伝導性窒化けい素
基板１に接合された金属板２，３とを具備する窒化けい
素回路基板４Ｂにおいて、前記金属板２の外周端部に、
傾斜部２ａまたは段部２ｂなどの薄部が形成されている
ことを特徴とする。

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
造工程における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Ａｇ
−Ｃｕろう材等に１〜１０％含有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１０
０〜１０００ppm 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と厚くしている場合が多い
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困難である。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低減させている
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が可能な窒化けい
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、前記金属板の外周端部に薄部が形成されてい
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
属板の外周端部に薄部が形成されていることを特徴とし
ている。

【００１７】ここで、金属板の外周端部とは、中央部に
対して端部であれば良いが、図４および図６に示すよう
に金属板２の外周縁部から中央方向へ向って、１mm以内
の部分Ｌが好ましい。

【００１８】また、本発明に係る窒化けい素回路基板に
おいて、薄部は傾斜部，段部等の形態が可能である。

【００１９】また、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
の金属板に上記傾斜部または段部などの薄部が形成され
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つの金属板に上記傾斜部または
段部などの薄部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】上述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５に記載したように、
前記金属板が前記高熱伝導性窒化けい素基板に直接接合
法により接合されている形態、さらには請求項６に記載
したように、前記金属板が前記高熱伝導性窒化けい素基
板に活性金属法により接合されている形態が挙げられ
る。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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１．０〜
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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【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。

【００５３】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。

【００５４】本発明の窒化けい素回路基板においては、
金属板の外周端部に、傾斜部または段部などの薄部を形
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、金属板の外周端部に設けられ
た上記傾斜部または段部などの薄部の塑性変形により吸
収され分散されるため、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。

【００５５】特に、セラミックス基板として、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。

【００５６】

【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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】

【表１】

【００６１】

【表２】

【００６２】

【表３】

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】図１〜４は、それぞれ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平面図，裏面図，
断面図および要部拡大断面図である。図１〜４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。

【００６７】また、図１〜４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〜
３０００ppm 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。

【００６８】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。

【００６９】ここで、図１〜４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ＤＢＣ法により接合したものであるが、例えば図５お
よび図６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、Ｎｂ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−２８wt％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１〜１
０重量％のＴｉ、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。

【００７０】図１〜４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
ＤＢＣ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５〜６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。

【００７１】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。

【００７２】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および図５に示すように、半
導体部品等の実装部となる銅板２の外周端部に、薄部と
しての傾斜部２ａ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端部に沿って形成されてい
る。

【００７３】また上記傾斜部２ａに代えて、段部を薄部
として形成してもよい。図７は段部２ｂ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、段部２ｂ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。

【００７４】また、図７は、段部２ｂを形成した銅板２
を、図示しない活性金属含有ろう材層を介して高熱伝導
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を示す平面図でもある。この窒化けい
素回路基板５Ｂは、段部を形成した点以外は図５〜６に
示す窒化けい素回路基板５Ａと同様な構成である。

【００７５】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７に示すように、半導体部品等
の実装部となる銅板２の外周端部に、段部２ｂが外周端
部に沿って、すなわち銅板２の各回路パターンの外周端
部に沿って形成されている。

【００７６】上記連続した傾斜部２ａおよび段部２ｂな
どの薄部は、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。

【００７７】ここで、上述した銅板２（金属板）の外周
端部は、図４，６，９に示すように銅板２の外周端部か
ら中央方向へ向って１．０mm以内の部分Ｌとすることが
好ましい。傾斜部２ａおよび段部２ｂなどの薄部の形成
領域が上記外周端部Ｌを超えて中央部に達すると、銅板
２の外周端部における応力集中を十分に緩和できなくな
ると共に、半導体部品用の実装面積の低下を招くことに
なる。

【００７８】上記銅板２の外周端部に形成する薄部とし
ての傾斜部２ａの形状は、図４および図６に示すよう
に、金属板２の平面方向と傾斜部２ａとのなす角θが３
０〜６０度となるように形成するとよい。また傾斜部２
ａの先端部の厚さｔが実装部の厚さＴの１／２以下、好
ましくは０．１mm以下となるように形成するとよい。

【００７９】一方、銅板２の外周端部に段部２ｂを薄部
として形成する場合には、図９に示すように、段部２ｂ
の厚さが実装部の厚さＴの１／２以下、好ましくは０．
１mm以下となるように形成するとよい。

【００８０】上記傾斜部２ａの先端部の厚さｔまたは段
部２ｂの厚さｔが実装面となる部分の厚さＴの１／２を
超えると、この傾斜部２ａまたは段部２ｂの塑性変形に
よる残留応力低減の効果が十分に得られない。また、こ
の厚さｔを薄くするほど残留応力の低減を図れるが、段
部２ｂを形成した場合には、この厚さｔが薄すぎると熱
応力によって破断する危険が生じるため、実用的には
０．０５mm程度までが好適である。

【００８１】上述した傾斜部２ａおよび段部２ｂなどの
薄部は、銅板２の各回路パターン部の外周端部に沿っ
て、連続的に形成することが好ましい。このように、傾
斜部２ａまたは段部２ｂなどの薄部を連続的に形成する
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】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１
ｂ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、その外周端部に傾斜部３ａまたは段部３ｂなど
の薄部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にも傾斜部３ａまたは段部３ｂを形成す
ることが望ましい。

【００８３】上述した各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
周端部に例えば連続した傾斜部２ａ，３ａまたは段部２
ｂ，３ｂなどの薄部をプレス加工等の機械加工により形
成する。このような傾斜部２ａ，３ａまたは段部２ｂ，
３ｂ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（１３５６Ｋ）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。

【００８４】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
続した傾斜部２ａ，３ａまたは段部２ｂ，３ｂなどの薄
部を有する銅板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。

【００８５】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の外周端部に
設けられた傾斜部２ａ，３ａまたは段部２ｂ，３ｂなど
の薄部の塑性変形により吸収され分散されて、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傾斜部２ａ，３ａまたは段
部２ｂ，３ｂなどの薄部により達成しているため、傾斜
部２ａ，３ａまたは段部２ｂ，３ｂ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。

【００８６】次に、上記傾斜部を薄部として形成した実
施例の具体例およびその評価結果について述べる。

【００８７】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、外周端部に連続した傾斜部２ａ，
３ａを外周端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：３００ppm ）からなる所定形
状の厚さ０．３mmの銅板２，３を用意した。

【００８８】傾斜部２ａ，３ａの形状は、図４に示した
傾斜角度θを３０度とすると共に、先端の薄肉部の厚さ
ｔを０．０５mmとし、また形成位置は銅板２，３の外周
縁部からの距離Ｌが０．０５mmとなるようにした。

【００８９】そして、図１〜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１３４８
Ｋ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を得た。

【００９０】一方、比較例として、上記傾斜部２ａ，３
ａを形成しない銅板２，３を使用した点以外は、実施例
１と同様に処理して比較例に係る窒化けい素回路基板を
製造した。

【００９１】このようにして得た実施例１および比較例
に係る窒化けい素回路基板に対して熱サイクル試験（Ｔ
ＣＴ：２３３Ｋ×３０分＋ＲＴ×１０分＋３９８Ｋ×３
０分を１サイクルとする）を施し、窒化けい素基板にお
ける割れの発生割合を測定した。その結果、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１２〜１８％にクラックが生じた。

【００９２】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、外周端部に実施例１と同一形状の傾斜部２ａ，
３ａをプレス加工により形成した所定形状の厚さ０．３
mmの銅板２，３とを用意した。

【００９３】そして、図５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
５Ａを得た。

【００９４】このようにして得た窒化けい素回路基板５
Ａ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。

【００９５】次に金属板（銅板）に薄部としての段部を
形成した本発明の実施例について説明する。

【００９６】図７は段部２ｂ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、傾斜部２ａに代えて段部２ｂ
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。

【００９７】また、図７は、段部２ｂを形成した銅板２
を、図示しない活性金属含有ろう材層を介して高熱伝導
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を示す平面図でもある。この窒化けい
素回路基板５Ｂは、傾斜部２ａに代えて段部２ｂを形成
した点以外は図５に示す窒化けい素回路基板５Ａと同様
な構成である。

【００９８】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８や図９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端部に段部２ｂが
形成されている。段部２ｂの横断面形状は、図９に示す
ような矩形状に形成するとよい。また、段部２ｂ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。

【００９９】上述した段部２ｂは、銅板２の各回路パタ
ーン部の外周端部に沿って、連続的に形成されることが
好ましい。このように、段部２ｂを連続的に形成するこ
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。

【０１００】ここで上記段部２ｂは、図９に示すよう
に、段部２ｂの厚さｔが実装部の厚さＴの１／２以下、
好ましくは０．１mm以下となるように形成するとよい。
上記段部２ｂの厚さｔが実装面となる部分の厚さＴの１
／２を超えると、この段部２ｂの塑性変形による残留応
力低減の効果が十分に得られない。また、この厚さｔを
薄くするほど残留応力の低減を図れるが、この厚さｔが
薄すぎると熱応力によって破断する危険が生じるため、
実用的には０．０５mm程度までが好適である。

【０１０１】また、図９に示すように段部２ｂの形成位
置、すなわち銅板２の外周端部に形成する段部２ｂの形
成領域Ｌは、銅板２の厚さや大きさ等によっても異なる
が、１．０mm以内とすることが好ましい。

【０１０２】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、その外周端部に段部３ｂ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にも段部３ｂを形成
することが好ましい。裏面側の銅板３に形成する段部３
ｂの形状等は、表面側の銅板２に形成する段部２ｂに準
ずるものとする。

【０１０３】上述したような窒化けい素回路基板４Ｂ，
５Ｂは、実施例１〜２と同様に、段部２ｂ，３ｂ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。

【０１０４】上述したような構成の窒化けい素回路基板
４Ｂ，５Ｂ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
周端部に設けられた段部２ｂ，３ｂの塑性変形によって
吸収され、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。

【０１０５】次に、段部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。

【０１０６】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、外周端部に沿って段部２ｂ，３ｂ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：３００ppm ）からなる所定形状の銅板２，３とを用
意した。段部２ｂ，３ｂの形状は、図８および図９に示
した矩形状であり、薄肉部の厚さｔを０．１５mm（＝１
／２Ｔ）とし、また形成位置は銅板２，３からの距離Ｌ
が１．０mmとなるようにした。

【０１０７】そして、図８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
４Ｂを得た。

【０１０８】一方、比較例として、上記段部２ｂ，３ｂ
を形成しない銅板２，３を使用した点以外は、実施例３
と同様に処理して比較例に係る窒化けい素回路基板を製
造した。

【０１０９】このようにして得た実施例３および比較例
に係る窒化けい素回路基板４Ｂ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た。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２
１〜２９％にクラックが発生した。

【０１１０】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、外周端部に実施例３と同様の
段部２ｂ，３ｂ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。

【０１１１】そして、高熱伝導性窒化けい素基板１の両
面に、重量比でＩｎ：Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝１４．０：５
９．０：２３．０：４．０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５Ｂを得
た。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】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。

【０１１５】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。

【０１１６】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。

【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。

【０１１８】

【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、傾斜
部または段部などの薄部の塑性変形により吸収させるこ
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。

【０１１９】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係る窒化けい素回路基板の
構造を示す平面図。

【図２】図１に示す窒化けい素回路基板の裏面図。

【図３】図１に示す窒化けい素回路基板の構造を示す断
面図。

【図４】図３におけるIV部拡大断面図。

【図５】本発明の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６】図５におけるVI部拡大断面図。

【図７】本発明の他の実施例に係る窒化けい素回路基板
の構造を示す平面図。

【図８】図７に示す窒化けい素回路基板を部分的に破断
して示す側面図。

【図９】図８に示すIX部拡大断面図。

【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２，３銅板（金属板）２ａ，３ａ傾斜部（薄部）２ｂ，３ｂ段部（薄部）４，５，４Ａ，５Ａ，４Ｂ，５Ｂ窒化けい素回路基板６活性金属含有ろう材層

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【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、前記金属板の外周端部に薄部が形成されてい
る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、前記金属板の外周端部に薄部が形成されているこ
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】前記金属板は、前記高熱伝導性窒化けい
素基板に直接接合法により接合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】前記金属板は、前記高熱伝導性窒化けい
素基板に活性金属法により接合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７】前記薄部は、金属板の外周端部から１．
０mm以内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８】前記薄部は傾斜部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９】前記薄部は、段部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。