WO2020027077A1 - 窒化珪素焼結体、窒化珪素基板、及び窒化珪素回路基板 - Google Patents

窒化珪素焼結体、窒化珪素基板、及び窒化珪素回路基板 Download PDF

Info

Publication number
WO2020027077A1
WO2020027077A1 PCT/JP2019/029722 JP2019029722W WO2020027077A1 WO 2020027077 A1 WO2020027077 A1 WO 2020027077A1 JP 2019029722 W JP2019029722 W JP 2019029722W WO 2020027077 A1 WO2020027077 A1 WO 2020027077A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
silicon nitride
sintered body
nitride crystal
less
crystal grains
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/029722
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
青木　克之
健太郎 岩井
深澤　孝幸
門馬　旬
佐野　孝
Original Assignee
株式会社 東芝
東芝マテリアル株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 東芝, 東芝マテリアル株式会社 filed Critical 株式会社 東芝
Priority to EP19844227.9A priority Critical patent/EP3831799A4/en
Priority to JP2020533551A priority patent/JP7235751B2/ja
Priority to CN201980042179.8A priority patent/CN112313191B/zh
Publication of WO2020027077A1 publication Critical patent/WO2020027077A1/ja
Priority to US17/117,291 priority patent/US20210122680A1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/587—Fine ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/12—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns
    • H05K3/1283—After-treatment of the printed patterns, e.g. sintering or curing methods
    • H05K3/1291—Firing or sintering at relative high temperatures for patterns on inorganic boards, e.g. co-firing of circuits on green ceramic sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205—Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206—Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3852—Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
    • C04B2235/3873—Silicon nitrides, e.g. silicon carbonitride, silicon oxynitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6025—Tape casting, e.g. with a doctor blade
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/78—Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/782—Grain size distributions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/78—Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/786—Micrometer sized grains, i.e. from 1 to 100 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/80—Phases present in the sintered or melt-cast ceramic products other than the main phase
    • C04B2235/85—Intergranular or grain boundary phases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/95—Products characterised by their size, e.g. microceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29139—Silver [Ag] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/83801—Soldering or alloying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/15—Ceramic or glass substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10227—Other objects, e.g. metallic pieces
    • H05K2201/1028—Thin metal strips as connectors or conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/11—Treatments characterised by their effect, e.g. heating, cooling, roughening
    • H05K2203/1126—Firing, i.e. heating a powder or paste above the melting temperature of at least one of its constituents
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/11—Treatments characterised by their effect, e.g. heating, cooling, roughening
    • H05K2203/1131—Sintering, i.e. fusing of metal particles to achieve or improve electrical conductivity
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/103—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by bonding or embedding conductive wires or strips

Definitions

  • the embodiment relates to a silicon nitride sintered body, a silicon nitride substrate, and a silicon nitride circuit substrate.
  • the power density of a power module equipped with a power semiconductor is increasing year by year.
  • V M is a Teikaku ⁇ voltage (V).
  • n is the number of power semiconductors in the module.
  • Mv is the volume of the module (cm 3 ).
  • Patent Document 1 discloses a silicon nitride substrate.
  • Patent Literature 1 the variation in the insulating property is improved by controlling the distribution amount of the grain boundary phase in the thickness direction.
  • a silicon nitride substrate is used as a circuit board by bonding a metal plate.
  • Patent Document 2 a silicon nitride substrate and a copper plate are joined via an active metal brazing material layer.
  • Patent Document 2 in order to improve the TCT (heat-resistant cycle) characteristics of a silicon nitride copper circuit board, a protruding portion of an active metal brazing material layer from an end of a copper plate is provided.
  • the TCT characteristic is controlled by controlling the size of the protruding portion of the brazing material.
  • the silicon nitride copper circuit board of Patent Document 2 has improved TCT characteristics.
  • the silicon nitride copper circuit board of Patent Document 2 has improved TCT characteristics.
  • the size of the protruding portion of the brazing material and the shape of the side surface of the copper plate had to be controlled, so that the manufacturing cost was high.
  • Fracture toughness is an index indicating the tenacity of a material.
  • the stress can be reduced by increasing the fracture toughness of the silicon nitride substrate.
  • the silicon nitride substrate of Patent Document 1 had a fracture toughness value of about 6 to 7 MPa ⁇ m 1/2 . For this reason, a silicon nitride substrate having a higher fracture toughness value has been demanded.
  • An object of the present invention is to solve such a problem.
  • the silicon nitride sintered body according to the embodiment includes a silicon nitride crystal grain and a grain boundary phase, at least a part of the silicon nitride crystal grain has a dislocation defect therein, and an observation area of any cross section or surface of 50 ⁇ m At ⁇ 50 ⁇ m, the ratio of the number of the silicon nitride crystal particles of at least a part of the arbitrary 50 silicon nitride crystal particles whose entire contour is visible is 50% or more and 100% or less.
  • the silicon nitride sintered body according to the embodiment contains a predetermined amount of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions. Thereby, the fracture toughness value can be improved. Further, when used for a silicon nitride circuit board, TCT characteristics can be improved.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a silicon nitride crystal particle having a dislocation defect portion.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a major axis of silicon nitride crystal particles.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a silicon nitride circuit board according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a view showing another example of the silicon nitride circuit board according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the semiconductor device according to the embodiment.
  • the silicon nitride sintered body according to the embodiment includes a silicon nitride crystal grain and a grain boundary phase, at least a part of the silicon nitride crystal grain has a dislocation defect therein, and an observation area of any cross section or surface of 50 ⁇ m At ⁇ 50 ⁇ m, the ratio of the number of the silicon nitride crystal particles of at least a part of the arbitrary 50 silicon nitride crystal particles whose entire contour is visible is 50% or more and 100% or less.
  • the silicon nitride sintered body has silicon nitride crystal grains and a grain boundary phase.
  • the grain boundary phase is mainly composed of a sintering aid component.
  • the grain boundary phase is formed by the reaction of the sintering aid in the sintering step.
  • the reaction occurs between the sintering aids, between the sintering aid and silicon nitride, or between the sintering aid and impurity oxygen.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions in any 50 silicon nitride crystal grains is 50% or more and 100% or less.
  • Observation of dislocation defects is performed on any cross section or surface of the silicon nitride sintered body.
  • An arbitrary cross section or surface of the silicon nitride sintered body is processed by ion milling or FIB (focused ion beam) processing so that the surface roughness Ra is 1 ⁇ m or less.
  • the processed cross section or surface is used as an evaluation surface.
  • the evaluation surface is observed with a transmission electron microscope (TEM).
  • TEM transmission electron microscope
  • the magnification at the time of observation by TEM is 10,000 times or more.
  • the evaluation is performed by observing a 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m area. When a region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m cannot be observed in one visual field, the region may be divided into a plurality of regions and observed.
  • the evaluation after observing one observation region (50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m), another region separated from the region by 1000 ⁇ m or more is observed. That is, two or more regions of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m are observed, and the ratio of the number of silicon nitride crystal particles (defect particles) having dislocation defect portions in each region is calculated.
  • the presence or absence of a dislocation defect is determined by observing the dark field and the bright field of the TEM observation image.
  • the dislocation defect portion looks white in a dark field and appears to be inverted in black in a bright field. As described above, a portion where the color of the pixel is inverted when the dark field and the bright field are switched is defined as a dislocation defect portion.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a silicon nitride crystal particle having a dislocation defect portion.
  • reference numeral 1 denotes silicon nitride crystal particles.
  • 2 is a dislocation defect part.
  • dislocation defect portions 2 exist inside silicon nitride crystal grains 1.
  • the dislocation defect portion is a crystal defect included in the crystal.
  • the crystal defect is also called a lattice defect (lattice defect). Crystal defects are caused by disordered atomic arrangement or impurities.
  • the dislocation defect has an effect of absorbing and relaxing stress when an external force is applied to the silicon nitride sintered body.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions in an arbitrary small region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m is 50% or more and 100% or less.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions is determined by observing two or more regions of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m.
  • two or more regions separated from each other by 1000 ⁇ m or more are set as observation targets.
  • silicon nitride crystal particles whose contours are not entirely shown are not used for calculating the number ratio.
  • silicon nitride crystal grains whose outline is cut off at the end of the photograph are not used for calculating the ratio of numbers.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions in the 50 silicon nitride crystal grains is determined. That is, the cross section or the surface is observed until 50 silicon nitride crystal particles having the entire contour are confirmed.
  • 50 silicon nitride crystal grains showing the entire contour cannot be observed in one observation area 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m
  • more than 50 silicon nitride crystal grains are captured in the observation area of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m, arbitrary 50 silicon nitride crystal grains are selected.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal particles having dislocation defect portions to any 50 silicon nitride crystal particles is 50% or more and 100% or less. This is because the ratio of the number of silicon nitride crystal particles having dislocation defect portions is larger than 50 silicon nitride crystal particles when more than 50 silicon nitride crystal particles are photographed in the observation area of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m. Is 50% or more and 100% or less.
  • the stress relaxation effect is small.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal particles having dislocation defect portions therein to silicon nitride crystal particles existing in the observation region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m is 90% or more and 100% or less. Is preferred. Most preferably, said percentage is 100%. That is, by increasing the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defects, the stress relaxation effect can be enhanced. By improving the stress relaxation effect, the fracture toughness value of the silicon nitride sintered body can be increased to 7.5 MPa ⁇ m 1/2 or more.
  • the fracture toughness value is measured based on the IF method of JIS-R-1607 (2015) using the equation of Niihara. JIS-R-1607 (2015) corresponds to ISO15732 (2003). Further, by improving the stress relaxation effect, the three-point bending strength can be increased to 700 MPa or more. The three-point bending strength is measured according to JIS-R-1601 (2008). JIS-R-1601 (2008) corresponds to ISO14704 (2000).
  • components other than silicon, oxygen, and nitrogen do not form a lump of 1 ⁇ m 2 or more in the dislocation defect portion.
  • 10 mol% or more of components other than silicon, oxygen, and nitrogen are not detected in the dislocation defect portion.
  • the components other than silicon, oxygen and nitrogen are components constituting the grain boundary phase.
  • the grain boundary phase is mainly composed of a sintering aid. Therefore, components other than silicon, oxygen, and nitrogen correspond to metal components of the sintering aid.
  • Y 2 O 3 yttrium oxide
  • the component excluding silicon, oxygen and nitrogen is yttrium (Y).
  • the fact that components other than silicon, oxygen, and nitrogen do not form a lump having a size of 1 ⁇ m 2 or more means that in the dislocation defect portion, the lump of the metal component constituting the grain boundary phase is less than 1 ⁇ m 2 (including 0 ⁇ m 2 ). Is shown. Even when a plurality of sintering aids are used, it is preferable that components other than silicon, oxygen, and nitrogen do not form a lump of 1 ⁇ m 2 or more. This indicates that the sintering aid component does not serve as a core of the dislocation defect portion. Therefore, in the dislocation defect portion, the mass of the metal component constituting the grain boundary phase is preferably less than 1 ⁇ m 2 , and more preferably 0.2 ⁇ m 2 or less.
  • the fact that components other than silicon, oxygen and nitrogen are not detected in an amount of 10 mol% or more means that the metal component of the sintering aid is less than 10 mol% (including 0 mol%) in the dislocation defect portion.
  • the dislocation defect portion indicates that yttrium (Y) is less than 10 mol% (including 0 mol%).
  • the total of the metal components of the sintering aid is preferably less than 10 mol%. This indicates that the sintering aid component does not serve as a core of the dislocation defect portion.
  • the mass of the metal component constituting the grain boundary phase is preferably less than 1 ⁇ m 2 (including 0 ⁇ m 2 ) and less than 10 mol% (including 0 mol%).
  • the sintering aid component does not serve as a nucleus of the dislocation defect portion, the stress relaxation effect can be further improved. That is, it is possible to improve the fracture toughness and the TCT characteristics of the joined body.
  • the analysis of the size and concentration of the components other than silicon, oxygen and nitrogen in the dislocation defect portion is performed by EDX (energy dispersive X-ray analysis) or WDS (wavelength dispersive X-ray analysis).
  • the analysis may be performed in combination with EPMA (Electron Beam Microanalyzer).
  • the area occupied by the dislocation defect portion in one silicon nitride crystal particle is preferably 10% or less. That is, the ratio of the area of the dislocation defect portion to the area of one silicon nitride crystal grain is preferably 10% or less. Further, it is preferable that the ratio of the number of silicon nitride crystal grains whose occupied area ratio of the dislocation defect portion is 10% or less is 70% or more. As described above, the presence of the silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions can improve the stress relaxation effect. On the other hand, if there is a large dislocation defect in one silicon nitride crystal grain, the insulating property may be reduced.
  • the occupation area ratio of dislocation defect portions in one silicon nitride crystal grain is preferably 10% or less.
  • the stress relaxation effect can be improved while suppressing the decrease in insulating properties.
  • This ratio is also determined in an observation area of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m on an arbitrary cross section or surface. That is, first, in one observation region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m, arbitrary 50 silicon nitride crystal particles in which all contours are captured are observed. Next, it is confirmed whether a dislocation defect exists in each of the 50 observed silicon nitride crystal grains.
  • the magnification for observing individual silicon nitride crystal particles by TEM is 10,000 times.
  • one silicon nitride crystal particle does not fit in one image, it may be divided into a plurality of images.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions to the 50 observed silicon nitride crystal grains is calculated. This ratio is preferably 50% or more and 100% or less.
  • the occupied area ratio of the dislocation defect portion is calculated for each silicon nitride crystal grain having the dislocation defect portion.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal particles having an area occupied by the dislocation defect portion of 10% or less to the number of silicon nitride crystal particles having the dislocation defect portion is calculated.
  • This ratio is preferably at least 70%. If there are no 50 silicon nitride crystal grains in which the entire contour can be seen in one observation area of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m, search for 50 silicon nitride crystal grains in which the entire contour can be seen in another observation area of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m. In a certain observation region 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m, after measuring the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions, the occupied area ratio of dislocation defect portions, and the like, another observation region 50 ⁇ m ⁇ 1000 ⁇ m or more away from the observation region Observe 50 ⁇ m.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions is 50% or more and 100% or less in any observation region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m in any cross section or surface. Further, the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having an area occupation ratio of the dislocation defect portion of 10% or less is 70% or more. In other words, in the silicon nitride sintered body according to the embodiment, the size of the dislocation defect portion of the silicon nitride crystal particles is controlled even in a minute region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m.
  • the dark field image of the above-mentioned TEM photograph is used for measuring the occupied area ratio of the dislocation defect portion in one silicon nitride crystal particle.
  • the dislocation defect is observed as white.
  • the sum of the area of a region that looks white and the area of a region that looks black is defined as the area of the silicon nitride crystal particle.
  • the area of the region that appears white in the dark field image is defined as the area of the dislocation defect. (Area of dislocation defect / area of silicon nitride crystal particle) ⁇ 100 (%) is defined as an area ratio of the dislocation defect.
  • image processing software is used for measuring the occupied area ratio. As the image analysis software, Image-j or a software having a resolution equal to or higher than Image-j is used.
  • silicon nitride crystal particles having a major axis of 30 ⁇ m or more exist in the observation region of 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m.
  • the average of the major axis of the silicon nitride crystal grains in the observation region of 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m is preferably in the range of 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. Thermal conductivity can be improved by the presence of silicon nitride crystal particles having a major axis of 30 ⁇ m or more.
  • the average of the major axes of the silicon nitride crystal grains is in the range of 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • a silicon nitride sintered body having a thermal conductivity of 80 W / (m ⁇ K) or more and a three-point bending strength of 700 MPa or more and a fracture toughness value of 7.5 MPa ⁇ m 1/2 or more can be obtained.
  • the major axis of the silicon nitride crystal particles is measured by observing an arbitrary cross section with a SEM.
  • the magnification at the time of observation by SEM is set to 1000 times or more.
  • the region may be divided into a plurality of regions and observed.
  • the observation area may be 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m by connecting SEM photographs taken in a plurality of times.
  • the length in one direction of the cross section is less than 300 ⁇ m, the length of the observation region in one direction is made as long as possible, and then the region is observed so that the area becomes 90000 ⁇ m 2 .
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the major axis of silicon nitride crystal particles. As shown in FIG. 2, the major axis is the length of the longest line segment among the line segments obtained by connecting any two points on the outer edge of one silicon nitride crystal particle.
  • reference numeral 3 denotes a major axis of the silicon nitride crystal particle 1.
  • silicon nitride crystal particles having a major axis of 30 ⁇ m or more there are silicon nitride crystal particles having a major axis of 30 ⁇ m or more.
  • the average of the major axes of the silicon nitride crystal particles in the observation region of 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m is calculated. Silicon nitride crystal particles whose outline is cut off at the end of the SEM photograph and is not entirely shown are not counted.
  • the silicon nitride sintered body there are silicon nitride crystal particles having a major axis of 30 ⁇ m or more, even though the average of the major axis of the silicon nitride crystal particles is in the range of 3 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the presence of the coarse particles can improve the thermal conductivity.
  • the major axis of the coarse particles is preferably at least 30 ⁇ m, more preferably at least 40 ⁇ m.
  • the upper limit of the major axis is preferably 80 ⁇ m or less. When the major axis exceeds 80 ⁇ m, the average of the major axis may be outside the range of 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the coarse grains contribute to the improvement of the thermal conductivity, but may cause a decrease in strength.
  • the number of coarse particles having a major axis of 30 ⁇ m or more is preferably in the range of 1 to 10 per 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m observation region. If the number of coarse particles per observation area of 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m exceeds 10, the thermal conductivity may be improved but the strength may be reduced. Further, it is preferable that the average of the major axis is in the range of 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. When the average of the major axis is less than 3 ⁇ m, the thermal conductivity is unlikely to be 80 W / (m ⁇ K) or more. On the other hand, if the average of the major diameters is larger than 20 ⁇ m, the three-point bending strength is hardly 700 MPa or more.
  • the content of the sintering aid is preferably 15% by mass or less in terms of oxide. When the content of the sintering aid exceeds 15% by mass, the ratio of the grain boundary phase increases, and the effect of providing silicon nitride crystal grains having dislocation defects decreases. Further, the sintering aid is preferably one or more selected from rare earth elements, magnesium, titanium, hafnium, aluminum, and calcium. Each metal simple substance is converted into an oxide, and the total amount is 15% by mass or less.
  • the lower limit of the content of the sintering aid is preferably 0.1% by mass or more. If the content of the sintering aid is less than 0.1% by mass, the effect of addition may be insufficient.
  • the content of the sintering aid is preferably 0.1% by mass to 15% by mass, more preferably 2% by mass to 10% by mass in terms of oxide.
  • the silicon nitride sintered body as described above is preferably used for a silicon nitride substrate.
  • the thickness of the silicon nitride substrate is preferably 0.1 mm or more and 0.4 mm or less. Further, it is preferable that a circuit portion is provided on a silicon nitride substrate to form a silicon nitride circuit substrate.
  • the silicon nitride substrate is for mounting a semiconductor element.
  • a method for mounting a semiconductor element a method using a circuit portion is given.
  • the thickness of the silicon nitride substrate is preferably 0.30 mm or less.
  • the thickness of the substrate is preferably 0.1 mm or more. When the thickness of the substrate is less than 0.1 mm, the insulation may be reduced.
  • the silicon nitride substrate according to the embodiment is preferably used for a silicon nitride circuit substrate having a circuit portion. Examples of a method of forming the circuit portion include a method of joining a metal plate using a brazing material, a metallizing method using a metal paste, and the like.
  • an active metal joining method can be used.
  • the metal plate is a copper plate
  • one or more active metals selected from Ti (titanium), Hf (hafnium), Zr (zirconium), and Nb (niobium) are used as the active metal.
  • the active metal is mixed with Ag (silver) and Cu (copper) to form an active metal brazing material.
  • one or more selected from Sn (tin), In (indium), and C (carbon) may be added.
  • Ti (titanium) is preferable. Ti reacts with the silicon nitride substrate to form titanium nitride (TiN), thereby increasing the bonding strength.
  • Ti has good reactivity with the silicon nitride substrate and can increase the bonding strength.
  • Ag + Cu + active metal 100% by mass
  • the content of Ag is 40% by mass or more and 80% by mass or less
  • the content of Cu is 15% by mass or more and 60% by mass or less
  • the content of Ti is 1% by mass or more.
  • the content is preferably within a range of 12% by mass or less.
  • the content of at least one element selected from In and Sn is preferably in the range of 5% by mass to 20% by mass.
  • C is added, the content of C is preferably in the range of 0.1% by mass to 2% by mass.
  • the content of Ag is 40% by mass or more and 73.9% by mass or less
  • the content of Cu is 15% by mass or more and 45% by mass or less
  • the content of Ti is Is 1 mass% to 12 mass%
  • the Sn (or In) content is 5 mass% to 20 mass%
  • the C content is 0.1 mass% to 2 mass%.
  • the composition of the brazing material using Ti has been described, but part or all of Ti may be replaced with another active metal.
  • the active metal is one or two elements selected from Si (silicon) and Mg (magnesium). These active metals and Al (aluminum) are mixed to form an active metal brazing material.
  • An active metal brazing material is applied on a silicon nitride substrate, and a metal plate is arranged.
  • the silicon nitride substrate on which the metal plate is arranged is heated at 600 ° C. or more and 900 ° C. or less, and the metal plate is bonded to the silicon nitride substrate.
  • a copper plate or an aluminum plate can be joined.
  • a metal paste such as Cu (copper), Al (aluminum), W (tungsten), or Mo (molybdenum) is applied, and a circuit portion is formed by heating. is there.
  • a thick metal plate can be joined to a substrate.
  • formation of a circuit pattern requires a process such as an etching process.
  • a paste can be applied to a portion where a circuit pattern is to be formed. Therefore, a pattern having a complicated shape can be formed.
  • it is difficult to increase the thickness of the circuit portion it is difficult to improve the current carrying capacity.
  • the method for forming the circuit portion can be appropriately selected depending on the purpose.
  • the circuit portion is formed using an active metal brazing material or a metal paste.
  • the circuit portion is joined to the silicon nitride substrate by heating. At the time of joining by heating, thermal stress is applied between the circuit portion and the silicon nitride substrate. The thermal stress is generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the material forming the circuit portion and the silicon nitride substrate, and a contraction of the active metal brazing material.
  • the silicon nitride substrate according to the embodiment is effective for a silicon nitride circuit substrate using an active metal bonding method.
  • the method for manufacturing the silicon nitride sintered body and the silicon nitride substrate is not limited to the following examples.
  • a method for obtaining a silicon nitride sintered body and a silicon nitride substrate with a high yield the following manufacturing method can be mentioned.
  • a raw material powder is prepared.
  • the raw material powder requires a silicon nitride powder and a sintering aid powder.
  • the sintering aid is preferably one or more selected from rare earth elements, magnesium, titanium, hafnium, aluminum, and calcium.
  • the lower limit of the amount of the sintering additive is preferably 0.1% by mass or more. If the amount of the sintering aid is less than 0.1% by mass, the effect of addition may be insufficient. Therefore, the addition amount of the sintering aid is preferably 0.1% by mass or more and 15% by mass or less.
  • the silicon nitride powder has an ⁇ conversion of 80% by mass or more, an average particle size of 0.4 ⁇ m or more and 2.5 ⁇ m or less, and an impurity oxygen content of 2% by mass or less.
  • the impurity oxygen content is more preferably not more than 1.0% by mass, more preferably not less than 0.1% by mass and not more than 0.8% by mass.
  • the impurity oxygen content exceeds 2% by mass, the reaction between the impurity oxygen and the sintering aid occurs, and a grain boundary phase may be formed more than necessary. This reduces the effect of providing silicon nitride particles having dislocation defects.
  • the silicon nitride powder by applying mechanical stress such as crushing to the silicon nitride powder, a defect can be given in the silicon nitride powder.
  • a defect By giving defects to the silicon nitride powder in advance, generation of dislocation defect portions in the sintered body can be promoted.
  • the average particle diameter D 50 before stressing was 1, it is effective solution ⁇ force is set so that the average particle size D 50 after the addition of stress of 0.8 or less. This indicates that a pulverizing step for reducing the average particle size D 50 to 80% or less is performed.
  • the time for crushing is preferably 10 hours or less, more preferably 5 hours or less. That the disintegration process of the average particle diameter D 50 to 80% or less in a short time of less than 10 hours would have a higher solution ⁇ force.
  • the crushing step also has the effect of the crushing step of breaking up the agglomerated powder to break up clumps.
  • Measurement of the average particle diameter D 50 it is preferable to use a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer (manufactured by Horiba Ltd.).
  • Rare earth compounds are important materials for controlling the major axis of silicon nitride crystal grains.
  • the amount of the rare earth compound powder to be added is preferably controlled to 3% by mass or more and 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or more and 9% by mass or less in terms of oxide.
  • the oxide conversion when the rare earth element is R, the conversion is R 2 O 3 .
  • Coordination on the surface means that a rare earth element (including a rare earth element compound) is adjacent to a surface element of silicon nitride.
  • a rare earth element including a rare earth element compound
  • the rare earth element By coordinating the rare earth element to the surface of the silicon nitride crystal particles, a reaction between the silicon nitride crystal particles and the rare earth element and a reaction between the sintering aids can be promoted.
  • the raw material powder fine powder form is preferred, the average particle diameter D 50 of 1.0 ⁇ m or less, more preferably controlled to 0.4 ⁇ m or less. It is also an effective method to wet mix using a solution of an alkoxide compound or the like instead of powder and chemically bond a rare earth element to the silicon nitride crystal particle surface.
  • a powder of a compound containing one or more selected from magnesium, titanium, hafnium, aluminum and calcium is added.
  • the total amount of these compounds is preferably 5% by mass or less.
  • These compounds are preferably oxides or carbonates.
  • oxygen is included as a constituent element of the sintering aid, an oxide liquid phase is formed by a reaction between the sintering aids or a reaction between impurity oxygen in the silicon nitride powder and the sintering aid. Thereby, the densification of the silicon nitride crystal particles can be promoted.
  • Rare earth compounds have the effect of promoting sintering.
  • a compound containing magnesium, titanium, hafnium, aluminum, or calcium has effects such as lowering the sintering temperature and strengthening the grain boundary phase.
  • the raw material powder is mixed, and a binder is added to prepare a raw material mixture.
  • a molding step of molding the raw material mixture is performed.
  • a general-purpose mold pressing method a cold isostatic pressing (CIP) method, a sheet forming method (for example, a doctor blade method, a roll forming method) and the like can be applied.
  • the raw material mixture is mixed with a solvent such as toluene, ethanol, or butanol.
  • a degreasing step of the molded body is performed.
  • the organic binder added in advance is heated in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 500 ° C. to 800 ° C. for 1 hour to 4 hours to perform degreasing.
  • the non-oxidizing atmosphere include a nitrogen gas atmosphere and an argon gas atmosphere.
  • the organic binder include butyl methacrylate, polyvinyl butyral, and polymethyl methacrylate.
  • the addition amount of the organic binder is preferably in the range of 3% by mass to 28% by mass, and more preferably in the range of 3% by mass to 17% by mass.
  • the degreased molded body is housed in a firing vessel, and a sintering step is performed in a firing furnace in a non-oxidizing atmosphere.
  • the temperature in the sintering step is preferably in the range from 1800 ° C to 1950 ° C.
  • a nitrogen gas atmosphere or a reducing atmosphere containing nitrogen gas is preferable.
  • the inside of the firing furnace is preferably in a pressurized atmosphere. If the sintering is performed at a low temperature of less than 1800 ° C., the silicon nitride crystal grains do not grow sufficiently, and it is difficult to obtain a dense sintered body.
  • the sintering temperature is preferably in the range of 7 hours to 20 hours.
  • the rate of temperature rise from 1350 ° C. to 1600 ° C. is 50 ° C./h or less.
  • a liquid phase mainly containing a sintering aid is generated and diffuses to the surface of the silicon nitride particles.
  • the rate of temperature rise from 1600 ° C. to the sintering temperature is preferably 100 ° C./h or more, more preferably 200 ° C./h or more.
  • grain growth of silicon nitride occurs. By increasing the heating rate, rapid grain growth is promoted.
  • the pressure it is preferable to set the pressure to a profile that switches from an atmosphere close to normal pressure of 0.2 MPa or less to a pressurized atmosphere of 0.5 MPa or more in a temperature rising process in a temperature range from 1600 ° C. to a sintering temperature. According to this pressure profile, dislocation defect portions can be formed more effectively.
  • the cooling rate from the sintering temperature is preferably 100 ° C./h or more, more preferably 300 ° C./h or more. By increasing the cooling rate, dislocation defect portions can be effectively formed due to stress distortion due to thermal shrinkage and the like.
  • the silicon nitride sintered body and the silicon nitride substrate according to the embodiment can be manufactured. Further, by bonding a metal plate to the manufactured silicon nitride substrate, a silicon nitride circuit substrate can be manufactured.
  • FIG. 3 to 5 are views showing an example of the silicon nitride circuit board according to the embodiment.
  • reference numeral 10 denotes a silicon nitride circuit board.
  • Reference numeral 12 denotes a silicon nitride substrate.
  • 13 is a front metal plate.
  • 14 is a bonding layer.
  • Reference numeral 15 denotes a back metal plate.
  • FIG. 3 shows an example in which two front metal plates 3 are joined to a silicon nitride substrate 12. The embodiment is not limited to such a shape, and one or three or more front metal plates 13 may be joined to the silicon nitride substrate 12. Each front metal plate 13 may be processed into a wiring pattern.
  • the back metal plate 15 is further joined to the silicon nitride substrate 12.
  • the back metal plate 15 functions not as a circuit but as a heat sink.
  • the back metal plate 15 can be provided as needed.
  • a through hole may be provided in the silicon nitride substrate.
  • the silicon nitride circuit board preferably has a structure in which the front metal plate and the back metal plate are electrically connected through the through-hole.
  • FIG. 4 shows an example of a silicon nitride circuit board having through holes.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion where a through hole is provided.
  • reference numeral 10 denotes a silicon nitride circuit board.
  • Reference numeral 12 denotes a silicon nitride substrate.
  • 13 is a front metal plate.
  • 14 is a bonding layer.
  • 18 is a back metal plate.
  • the front metal plate 13 and the back metal plate 18 are electrically connected via the through hole 19.
  • the plurality of through holes 19 connect the plurality of front metal plates 13 and the plurality of back metal plates 18, respectively.
  • Embodiments are not limited to such a structure.
  • silicon nitride circuit board 10 through holes 19 may be provided only in some of the plurality of front metal plates 13.
  • the through holes 19 may be provided only in some of the plurality of back metal plates 18. It is preferable that the inside of the through hole 19 is filled with the same material as the bonding layer 14.
  • the structure inside the through-hole 19 is not particularly limited as long as the front metal plate and the back metal plate can be electrically connected.
  • the silicon nitride circuit board according to the embodiment is suitable for a semiconductor device.
  • a semiconductor element is mounted on a metal plate of a silicon nitride circuit board via a bonding layer.
  • FIG. 5 illustrates an example of a semiconductor device.
  • reference numeral 10 denotes a silicon nitride circuit board.
  • Reference numeral 20 denotes a semiconductor device.
  • 21 is a semiconductor element.
  • 22 is a bonding layer.
  • 23 is a wire bonding.
  • 24 is a metal terminal.
  • the semiconductor element 21 is bonded to the metal plate of the silicon nitride circuit board 10 via the bonding layer 22. Similarly, the metal terminal 24 is joined via the joining layer 22. Adjacent metal plates are electrically connected by wire bonding 23.
  • a wire bonding 23 and a metal terminal 24 are joined.
  • the semiconductor device according to the embodiment is not limited to such a structure. For example, only one of the wire bonding 23 and the metal terminal 24 may be provided.
  • a plurality of semiconductor elements 21, wire bonding 23, and metal terminals 24 may be provided on the front metal plate 13, respectively.
  • the semiconductor element 21, the wire bonding 23, and the metal terminal 24 can be joined to the back metal plate 18 as needed.
  • the bonding layer 22 for bonding the semiconductor element 21 or the metal terminal 24 include solder and brazing material.
  • the solder is preferably a lead-free solder.
  • the melting point of the solder is preferably 450 ° C. or less.
  • the melting point of the brazing material is preferably 450 ° C. or less.
  • a brazing material having a melting point of 500 ° C. or more is called a high-temperature brazing material.
  • the high-temperature brazing material include a material mainly containing Ag.
  • Example 1 (Examples 1 to 5, Reference Example 1)
  • the average particle diameter D 50 was prepared silicon nitride powder of 1.2 ⁇ m as a sample.
  • the ⁇ -rate of the silicon nitride powder is 94%, and the content of impurity oxygen is 0.7% by mass.
  • a crushing stress was applied to the sample.
  • silicon nitride powders 1 to 4 were prepared.
  • the crushing time and the average particle size after crushing were as shown in Table 1.
  • the measurement of the average particle diameter D 50 was used laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer (manufactured by Horiba Ltd.). Next, a sintering aid was added to the silicon nitride powders 1 to 4. The amount added is as shown in Table 2. Further, the addition amount of the sintering aid is a value when the total of the silicon nitride powder and the sintering aid is 100% by mass (wt%).
  • the silicon nitride powder and the sintering aid powder were mixed.
  • a binder was added to the mixed powder in an amount of 5% by mass to 10% by mass to prepare a raw material mixed paste.
  • the raw material mixed paste was used to form a sheet by a doctor blade method.
  • a degreasing step was performed on the sheet molded body at 500 ° C. to 800 ° C. for 1 hour to 4 hours to prepare a degreased body.
  • the sintering process shown in Table 3 was performed.
  • the sintering step was performed in a nitrogen atmosphere. Further, in the case of the examples, the atmosphere was set to a normal pressure (0.1 MPa) up to 1600 ° C., and a pressurized atmosphere of 0.7 MPa during the process from 1600 ° C.
  • the sintering step was performed at normal pressure (0.1 MPa).
  • a silicon nitride substrate having a width of 50 mm, a length of 40 mm, and a thickness of 0.32 mm was manufactured.
  • dislocation defect portions With respect to the silicon nitride substrates according to the examples and the reference examples, dislocation defect portions, major diameters of silicon nitride crystal grains, thermal conductivity, three-point bending strength, and fracture toughness values were measured.
  • an arbitrary cross section was processed to have a surface roughness Ra of 1 ⁇ m or less by ion milling and used as an evaluation surface.
  • the evaluation surface was observed by TEM.
  • TEM a plurality of adjacent regions were sequentially photographed in an arbitrary observation region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m.
  • the magnification at the time of taking a TEM photograph was set to 10,000 times, and a bright field image and a dark field image were taken.
  • a region that looks white in the dark field image was defined as a dislocation defect portion.
  • the occupied area ratio of the dislocation defect portion is obtained by binarizing the dark-field image with image processing software, and calculating (area of white pixel cluster / (area of white pixel cluster + area of black pixel cluster)). ⁇ 100 was measured. The observation in one observation region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m was performed until 50 silicon nitride crystal particles having all contours were confirmed.
  • Silicon nitride crystal grains that were cut off at the end of the TEM photograph (that is, silicon nitride crystal grains in which the entire contour was not shown) were excluded from the count of the number.
  • Another observation region was observed by TEM even when the entire observation region of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m was not observed.
  • As another observation area an area 1000 ⁇ m or more away from the immediately preceding observation area was selected. Two or more observation areas were photographed in total.
  • Image-j was used for the image analysis software.
  • the element which is the core of the dislocation defect was analyzed.
  • EDX was used for analysis of dislocation defect portions. Thereby, it was measured whether or not elements other than silicon, oxygen and nitrogen were formed into a lump of 1 ⁇ m 2 or more in the dislocation defect portion, and whether or not the lump was detected at 10 mol% or more.
  • the major axis of the silicon nitride crystal particles was measured based on SEM observation in an arbitrary cross section. The magnification at the time of photographing the SEM photograph was set to 3000 times, and a region of 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m was photographed. In the SEM photograph, the length of the longest line segment among the line segments obtained by connecting any two points on the outer edge of one silicon nitride crystal particle is defined as the major axis. The average of the major axis of the silicon nitride crystal particles in the SEM photograph (observation area 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m) was determined. In addition, the longest one of the silicon nitride crystal grains from the major axis was extracted as the maximum value of the major axis.
  • the thermal conductivity was measured according to the flash method of JIS-R-1611 (2010).
  • JIS-R-1611 (2010) corresponds to ISO18755 (2005).
  • the three-point bending strength was measured according to JIS-R-1601 (2008).
  • the fracture toughness was measured using the Niihara equation according to the IF method of JIS-R-1607 (2015). The results are shown in Tables 4 and 5.
  • the silicon nitride sintered body according to the example silicon nitride crystal particles having a major axis of 30 ⁇ m or more were observed.
  • a silicon nitride sintered body having a thermal conductivity of 80 W / (m ⁇ K) or more, a three-point bending strength of 700 MPa or more, and a fracture toughness of 7.0 MPa ⁇ m 1/2 or more was obtained.
  • the size of the nucleus (element other than silicon, oxygen and nitrogen) of the dislocation defect portion was in the range of 0 ⁇ m or more and 0.2 ⁇ m or less.
  • the number of coarse particles having a major axis of 30 ⁇ m or more per observation region of 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m was in the range of 1 or more and 10 or less.
  • silicon nitride crystal particles having a major axis of 30 ⁇ m or more were not observed.
  • the thermal conductivity and the three-point bending strength of the silicon nitride sintered body according to the reference example were equivalent to those of the silicon nitride sintered body according to the example, but the fracture toughness of the silicon nitride sintered body according to the reference example was high. The value was lower than that of the example.
  • a silicon nitride substrate using the silicon nitride sintered body according to the example and the reference example was manufactured.
  • the size of the silicon nitride substrate was unified as 50 mm long ⁇ 40 mm wide.
  • a plurality of silicon nitride substrates having different thicknesses were prepared by changing the thickness of the sheet molded body in the same manufacturing method.
  • each silicon nitride substrate is 0.20 mm, 0.25 mm, or 0.32 mm.
  • a copper plate was bonded to each silicon nitride substrate using an active metal bonding method.
  • On the front side of each silicon nitride substrate two copper plates having a size of 20 mm long ⁇ 15 mm wide ⁇ 1.0 mm thick were provided.
  • On the back side of each silicon nitride substrate one copper plate having a size of 45 mm ⁇ 35 mm ⁇ 1.0 mm in thickness was provided.
  • the active metal brazing material used was composed of Ag (57 wt%), Cu (30 wt%), Sn (10 wt%), and Ti (3 wt%).
  • the active metal brazing paste was applied on a silicon nitride substrate to a thickness of 40 ⁇ m, and a copper plate was placed on the active metal brazing paste.
  • a heat bonding step was performed in a vacuum of 820 ° C. (10 ⁇ 2 Pa or less).
  • the copper plate was bonded to both sides of the silicon nitride substrate. Further, the side surface of the copper plate was etched to provide an inclined surface of 80 °. Further, the active metal brazing material layer was protruded by 40 ⁇ m from the side surface of the copper plate.
  • TCT heat resistance cycle test
  • the silicon nitride circuit board according to the example exhibited a stress relaxation effect.
  • the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions was 90% or more, the TCT characteristics were good even when the substrate was thinned.
  • the durability was reduced when the substrate was thinned.
  • Example 1B three cracks were observed.
  • Example 2 when the substrate was made thinner, one extremely small crack occurred. Therefore, it is understood that the ratio of the number of silicon nitride crystal grains having dislocation defect portions is preferably 50% or more, and more preferably 90% or more.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

窒化珪素結晶粒子及び粒界相を備える窒化珪素焼結体において、少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の内部には、転位欠陥部が存在する。窒化珪素焼結体の任意の断面または表面において、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における前記少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、５０％以上１００％以下であることを特徴とする。窒化珪素焼結体を用いた窒化珪素基板の厚さは、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、窒化珪素基板を窒化珪素回路基板に用いて、ＴＣＴ特性を向上させることができる。

Description

窒化珪素焼結体、窒化珪素基板、及び窒化珪素回路基板
　実施形態は、窒化珪素焼結体、窒化珪素基板、及び窒化珪素回路基板に関する。
　近年、パワー半導体は、高出力化が進んでいる。また、パワー半導体を搭載したパワーモジュールは、パワー密度が年々高くなっている。モジュールのパワー密度は、パワー密度＝ＶＭ×ＩＭ×ｎ／Ｍｖにより求められる。ここで、ＶＭは、定格耐電圧（Ｖ）である。ＩＭは、定格電流＠△Ｔｊ－ｃ＝１２５℃（Ａ）である。ｎは、モジュール内のパワー半導体の数である。また、Ｍｖは、モジュールの体積（ｃｍ３）である。
　パワーモジュールのパワー密度を高くするには、モジュール内のパワー半導体の数を増やすか、モジュールの体積を小さくすることが必要である。前述のように半導体素子は、高出力化している。このため、発熱量も大きくなっている。これに伴い、半導体素子を搭載する絶縁回路基板には、放熱性、耐熱性、および絶縁性の向上が求められるようになっている。
　国際公開第２０１５／０６０２７４号公報（特許文献１）には、窒化珪素基板が開示されている。特許文献１では、厚み方向の粒界相の分布量を制御することにより、絶縁性のバラツキを改善している。
　一方、窒化珪素基板は金属板を接合して回路基板として用いられる。国際公開第２０１７／０５６３６０号公報（特許文献２）では、窒化珪素基板と銅板を活性金属ろう材層を介して接合している。特許文献２では窒化珪素銅回路基板のＴＣＴ（耐熱サイクル）特性を向上させるために、銅板端部からの活性金属ろう材層のはみ出し部を設けている。特許文献２では、ろう材はみ出し部のサイズを制御することにより、ＴＣＴ特性を制御している。これにより、特許文献２の窒化珪素銅回路基板はＴＣＴ特性を向上させている。
国際公開第２０１５／０６０２７４号公報 国際公開第２０１７／０５６３６０号公報
　特許文献２の窒化珪素銅回路基板は、ＴＣＴ特性が向上している。その一方で、ろう材はみ出し部のサイズや銅板側面の形状を制御しなくてはならないため、製造コストは高かった。
　ＴＣＴ特性を向上させるためには、特許文献２のようにろう材はみ出し部などを制御する方法以外にも、窒化珪素基板の破壊靱性値を向上させることが考えられる。破壊靱性とは、材料の粘り強さを示す指標である。窒化珪素銅回路基板は、熱応力がかかると、窒化珪素基板、ろう材層、銅板の熱膨張差により応力が発生する。窒化珪素基板の破壊靱性を高くすることにより、応力を緩和することができる。特許文献１の窒化珪素基板は、破壊靭性値が６～７ＭＰａ・ｍ１／２程度であった。このため、より破壊靱性値の高い窒化珪素基板が求められていた。本発明は、このような問題を解決することを目的とする。
　実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を備え、少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の内部に転位欠陥部が存在し、任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における前記少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、５０％以上１００％以下であることを特徴とする。
　実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を所定量含有している。これにより、破壊靱性値を向上させることができる。また、窒化珪素回路基板に用いたとき、ＴＣＴ特性を向上させることができる。
転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を例示する概念図。 窒化珪素結晶粒子の長径を例示する概念図。 実施形態にかかる窒化珪素回路基板の一例を示す図。 実施形態にかかる窒化珪素回路基板の別の一例を示す図。 実施形態にかかる半導体装置の一例を示す図。
　実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子及び粒界相を備え、少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の内部に転位欠陥部が存在し、任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における前記少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、５０％以上１００％以下であることを特徴とする。
　窒化珪素焼結体は、窒化珪素結晶粒子と粒界相を有している。粒界相は、主に焼結助剤の成分から構成される。粒界相は焼結工程において、焼結助剤が反応して形成される。反応は、焼結助剤同士の間、焼結助剤と窒化珪素との間、または焼結助剤と不純物酸素との間で起こる。
　実施形態にかかる窒化珪素焼結体は、観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、５０％以上１００％以下であることを特徴とする
　転位欠陥の観察は、窒化珪素焼結体の任意の断面または表面で行われる。
　イオンミリング加工またはＦＩＢ（集束イオンビーム）加工で、表面粗さＲａが１μｍ以下になるように、窒化珪素焼結体の任意の断面または表面を加工する。加工した断面または表面を、評価面とする。
　次に、評価面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察する。ＴＥＭによる観察時の倍率は、１００００倍以上とする。評価は、５０μｍ×５０μｍの領域を観察して行う。一視野で５０μｍ×５０μｍの領域が観察できないときは、領域を複数に分けて観察しても良い。評価では、一つの観察領域（５０μｍ×５０μｍ）を観察した後、その領域から１０００μｍ以上離れた別の領域を観察する。つまり、５０μｍ×５０μｍの領域を２箇所以上観察して、それぞれの領域における転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子（欠陥粒子）の数の割合を算出する。
　転位欠陥部の有無は、ＴＥＭの観察画像の暗視野と明視野の観察により判別する。転位欠陥部は、暗視野では白く見え、明視野では黒く反転して見える。このように、暗視野と明視野を切り替えたときに画素の色が反転する部位を、転位欠陥部とする。
　図１は、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を例示する概念図である。図１において、１は窒化珪素結晶粒子である。２は、転位欠陥部である。図１に示すように、実施形態にかかる窒化珪素焼結体では、窒化珪素結晶粒子１の内部に転位欠陥部２が存在する。
　窒化珪素結晶粒子内に転位欠陥部を設けることにより、外力に対する応力緩和作用を得ることができる。転位欠陥部は、結晶中に含まれる結晶欠陥である。結晶欠陥は、格子欠陥（Ｌａｔｔｉｃｅ　Ｄｅｆｅｃｔ）とも呼ばれている。結晶欠陥は、原子配列の乱れまたは不純物によって起きる。転位欠陥部は、窒化珪素焼結体に外力が加わったときに応力を吸収し、緩和する効果がある。
　実施形態にかかる窒化珪素焼結体では、任意の５０μｍ×５０μｍという微小領域において、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が５０％以上１００％以下である。前述のように、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合は、５０μｍ×５０μｍの領域を２箇所以上観察して求めている。任意の観察領域５０μｍ×５０μｍにおける数の割合が５０％以上１００％以下ということは、どこの観察領域５０μｍ×５０μｍを２箇所以上観察したとしても、それらの数の割合が５０％以上１００％以下になることを示している。なお、互いに１０００μｍ以上離れた２箇所以上の領域を、観察対象とする。また、観察領域５０μｍ×５０μｍの少なくとも一部を写したＴＥＭ写真において、輪郭が全て写っていない窒化珪素結晶粒子は、数の割合の計算には用いない。例えば、輪郭が写真の端で切れている窒化珪素結晶粒子は、数の割合の計算には用いない。また、全ての輪郭が写っている窒化珪素結晶粒子が５０個確認できたときに、その５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合を求める。つまり、輪郭がすべて写っている窒化珪素結晶粒子が５０個確認できるまで、断面又は表面を観察する。１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭が写っている５０個の窒化珪素結晶粒子を観察できないときは、別の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭が写っている５０個の窒化珪素結晶粒子を観察する。観察領域５０μｍ×５０μｍに５０個を超える窒化珪素結晶粒子が写っているときには、任意の５０個の窒化珪素結晶粒子が選択される。実施形態にかかる窒化珪素焼結体では、任意の５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、５０％以上１００％以下である。これは、観察領域５０μｍ×５０μｍに５０個を超える窒化珪素結晶粒子が写っているときには、どの５０個の窒化珪素結晶粒子を選択したとしても、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が５０％以上１００％以下であることを示す。
　転位欠陥を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が５０％未満では、応力緩和効果が小さい。応力緩和効果をさらに大きくするためには、観察領域５０μｍ×５０μｍに存在する窒化珪素結晶粒子における、内部に転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が、９０％以上１００％以下であることが好ましい。最も好ましくは、前記割合は１００％である。つまり、転位欠陥を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合を増やすことにより、応力緩和効果を高めることができる。
　応力緩和効果の向上により、窒化珪素焼結体の破壊靭性値を、７．５ＭＰａ・ｍ１／２以上にすることができる。破壊靱性値は、ＪＩＳ－Ｒ－１６０７（２０１５）のＩＦ法に基づき、新原の式を用いて測定する。ＪＩＳ－Ｒ－１６０７（２０１５）は、ＩＳＯ１５７３２（２００３）に対応する。
　また、応力緩和効果の向上により、３点曲げ強度を７００ＭＰａ以上に高めることができる。３点曲げ強度は、ＪＩＳ－Ｒ－１６０１（２００８）に準じて測定する。ＪＩＳ－Ｒ－１６０１（２００８）は、ＩＳＯ１４７０４（２０００）に対応する。
　また、転位欠陥部では、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことが好ましい。また、転位欠陥部では、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないことが好ましい。
　珪素、酸素および窒素を除く成分とは、粒界相を構成する成分のことである。粒界相は、主に焼結助剤から構成される。このため、珪素、酸素および窒素を除く成分は、焼結助剤の金属成分に対応する。例えば、焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を用いた場合、珪素、酸素および窒素を除く成分は、イットリウム（Ｙ）である。
　また、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないということは、転位欠陥部において、粒界相を構成している金属成分の塊が１μｍ２未満（０μｍ２含む）になっていることを示している。また、複数の焼結助剤を用いた場合であっても、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことが好ましい。これは、焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことを示している。このため、転位欠陥部においては、粒界相を構成している金属成分の塊が、１μｍ２未満、さらには０．２μｍ２以下であることが好ましい。
　また、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないこととは、転位欠陥部において、焼結助剤の金属成分が１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）であることを示す。例えば、焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を用いた場合、転位欠陥部はイットリウム（Ｙ）が１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）であることを示す。また、複数の焼結助剤を用いた場合は、焼結助剤の金属成分の合計が１０ｍｏｌ％未満であることが好ましい。これは、焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことを示している。
　また、転位欠陥部において、粒界相を構成している金属成分の塊が１μｍ２未満（０μｍ２含む）かつ１０ｍｏｌ％未満（０ｍｏｌ％含む）になっていることが好ましい。
　焼結助剤成分が転位欠陥部の核になっていないことにより、応力緩和効果をさらに向上させることができる。つまり、破壊靱性の向上と接合体のＴＣＴ特性の向上が可能となる。
　また、転位欠陥部の珪素、酸素および窒素を除く成分のサイズおよび濃度の分析は、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）またはＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分析）で行う。ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）を組合せて分析を行ってもよい。
　また、転位欠陥部を有するそれぞれの窒化珪素結晶粒子について、一つの窒化珪素結晶粒子における転位欠陥部の占有面積率は、１０％以下であることが好ましい。つまり、一つの窒化珪素結晶粒子の面積に対する、転位欠陥部の面積の割合が、１０％以下であることが好ましい。また、転位欠陥部の占有面積率が１０％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合は、７０％以上であることが好ましい。前述のように転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を存在させることにより、応力緩和効果を向上させることができる。その一方で、一つの窒化珪素結晶粒子内に大きな転位欠陥部があると、絶縁性が低下する可能性がある。このため、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の占有面積率は、１０％以下が好ましい。占有面積率が１０％以下と少ない窒化珪素結晶粒子の数の割合を７０％以上と多くすることにより、絶縁性の低下を抑制した上で応力緩和効果を向上させることができる。この割合も、任意の断面または表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて求める。
　つまり、最初に、１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全ての輪郭が写っている任意の５０個の窒化珪素結晶粒子を観察する。次に、観察した５０個の窒化珪素結晶粒子のそれぞれに、転位欠陥部が存在するか確認する。また、個々の窒化珪素結晶粒子をＴＥＭ観察する倍率は１００００倍とする。一個の窒化珪素結晶粒子が一つの画像に収まらないときは複数に分けて撮影してもよい。観察した５０個の窒化珪素結晶粒子における、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合を計算する。この割合が、５０％以上１００％以下であることが好ましい。続いて、転位欠陥部が存在するそれぞれの窒化珪素結晶粒子について、転位欠陥部の占有面積率を計算する。転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数に対する、転位欠陥部の占有面積率が１０％以下である窒化珪素結晶粒子の数の割合を計算する。この割合が、７０％以上であることが好ましい。１つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる５０個の窒化珪素結晶粒子が無いときは、別の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる５０個の窒化珪素結晶粒子を探す。ある観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合、転位欠陥部の占有面積率などを測定した後は、その観察領域から１０００μｍ以上離れた別の観察領域５０μｍ×５０μｍを観察する。実施形態にかかる窒化珪素基板では、任意の断面または表面のいずれの観察領域５０μｍ×５０μｍにおいても、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の前記割合が５０％以上１００％以下である。また、転位欠陥部の占有面積率が１０％以下である窒化珪素結晶粒子の数の前記割合が、７０％以上である。
　言い換えると、実施形態にかかる窒化珪素焼結体では、５０μｍ×５０μｍという微小領域においても、窒化珪素結晶粒子の転位欠陥部のサイズを制御している。
　また、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の占有面積率の測定には、前述のＴＥＭ写真の暗視野像を用いる。暗視野像では、転位欠陥部は白く観察される。暗視野像で観察される一つの窒化珪素結晶粒子において、白く見える領域の面積と黒く見える領域の面積の合計を、その窒化珪素結晶粒子の面積とする。暗視野像で白く見える領域の面積を、転位欠陥部の面積とする。（転位欠陥部の面積／窒化珪素結晶粒子の面積）×１００（％）を、転位欠陥部の占有面積率とする。また、この占有面積率の測定には、画像処理ソフトを使う。画像解析ソフトとして、Ｉｍａｇｅ－ｊまたはそれと同等以上の解像度を有するものを用いる。
　また、窒化珪素焼結体の任意の断面において、観察領域３００μｍ×３００μｍには、長径が３０μｍ以上の窒化珪素結晶粒子が存在することが好ましい。
　また、窒化珪素焼結体の任意の断面において、観察領域３００μｍ×３００μｍにおける窒化珪素結晶粒子の長径の平均は、３μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
　長径が３０μｍ以上の窒化珪素結晶粒子が存在することにより、熱伝導率を向上させることができる。粒径の大きな窒化珪素結晶粒子が増えすぎると、熱伝導率は向上するものの、強度が低下する。このため、窒化珪素結晶粒子の長径の平均は、３μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。任意の観察領域３００μｍ×３００μｍにおける窒化珪素結晶粒子の長径および長径の平均を制御することにより、熱伝導率と強度の両方を向上させることができる。
　これにより、熱伝導率８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、３点曲げ強度７００ＭＰａ以上、破壊靭性値が７．５ＭＰａ・ｍ１／２以上の窒化珪素焼結体を得ることができる。
　窒化珪素結晶粒子の長径は、任意の断面をＳＥＭ観察して測定する。ＳＥＭによる観察時の倍率は、１０００倍以上に設定する。一視野で３００μｍ×３００μｍを観察できないときは、領域を複数に分けて観察しても良い。複数回に分けて撮影したＳＥＭ写真をつなげて観察領域３００μｍ×３００μｍにしてもよい。断面の一方向における長さが３００μｍ未満であるときは、その一方向における観察領域の長さを可能な限り長くしたうえで、面積が９００００μｍ２となるように領域を観察する。窒化珪素結晶粒子の長径は、９００００μｍ２の観察領域における観察結果に基づいて測定する。次に、ＳＥＭ写真に写るそれぞれの窒化珪素結晶粒子の長径を測定する。図２は、窒化珪素結晶粒子の長径を例示する概念図である。図２に示すように、長径は、一つの窒化珪素結晶粒子の外縁上の任意の２点を結んで得られる線分のうち、最も長い線分の長さである。図２において、３は、窒化珪素結晶粒子１の長径を示す。観察領域３００μｍ×３００μｍに写る複数の窒化珪素結晶粒子の中に、長径３０μｍ以上の窒化珪素結晶粒子があることが好ましい。また、観察領域３００μｍ×３００μｍに写る窒化珪素結晶粒子の長径の平均を計算する。輪郭がＳＥＭ写真の端で切れて全体が写っていない窒化珪素結晶粒子は、カウントの対象外とする。
　実施形態にかかる窒化珪素焼結体では、窒化珪素結晶粒子の長径の平均は３μｍ以上２０μｍ以下の範囲であるにも拘わらず、長径３０μｍ以上の窒化珪素結晶粒子がある。これは、粗大粒が存在しているということである。粗大粒が存在することにより、熱伝導率を向上させることができる。このため、粗大粒の長径は、３０μｍ以上、さらには４０μｍ以上であることが好ましい。長径の上限は、８０μｍ以下が好ましい。長径が８０μｍを超えると、長径の平均が３μｍ以上２０μｍ以下の範囲外となる可能性がある。粗大粒は、熱伝導率の向上に寄与するものの、強度低下の原因となる可能性がある。また、長径３０μｍ以上の粗大粒の数は、観察領域３００μｍ×３００μｍあたり、１個以上１０個以下の範囲内であることが好ましい。観察領域３００μｍ×３００μｍあたりの粗大粒の数が１０個を超えると、熱伝導率は向上するものの強度が低下する可能性がある。
　また、長径の平均は３μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。長径の平均が３μｍ未満では、熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上になり難い。また、長径の平均が２０μｍを超えて大きいと、３点曲げ強度が７００ＭＰａ以上になり難い。
　焼結助剤の含有量は、酸化物換算で１５質量％以下が好ましい。焼結助剤の含有量が１５質量％を超えると、粒界相の割合が増え、転位欠陥を有する窒化珪素結晶粒子を設ける効果が低下する。また、焼結助剤は、希土類元素、マグネシウム、チタン、ハフニウム、アルミニウム、及びカルシウムから選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。それぞれ金属単体を酸化物に換算して、合計量を１５質量％以下にする。焼結助剤の含有量の下限値は、０．１質量％以上であることが好ましい。焼結助剤の含有量が０．１質量％未満では、添加効果が不十分となる可能性がある。このため、焼結助剤の含有量は、酸化物換算で０．１質量％以上１５質量％以下、さらには２質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。
　以上のような窒化珪素焼結体は、窒化珪素基板に用いることが好ましい。窒化珪素基板の板厚は、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であることが好ましい。また、窒化珪素基板に回路部を設けて窒化珪素回路基板とすることが好ましい。
　窒化珪素基板は、半導体素子を実装するためのものである。半導体素子の実装方法としては、回路部を用いる方法が挙げられる。また、半導体素子を窒化珪素基板に圧接する方法もある。実施形態にかかる窒化珪素基板は、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子を具備しているので、半導体素子で生じる熱による応力を緩和することができる。このため、ＴＣＴ特性を向上させることができる。特に、窒化珪素基板の板厚を０．４ｍｍ以下と薄くすることにより、窒化珪素基板の熱抵抗を低減できる。また、破壊靭性値も向上させているので、窒化珪素基板の薄型化に必要な機械強度も確保できる。このため、窒化珪素基板の板厚は０．３０ｍｍ以下が好ましい。なお、基板の板厚は、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。基板の板厚が０．１ｍｍ未満となると、絶縁性が低下する可能性がある。
　また、実施形態にかかる窒化珪素基板は、回路部を有する窒化珪素回路基板に用いることが好ましい。回路部を形成する方法としては、ろう材を用いて金属板を接合する方法、金属ペーストを用いたメタライズ方法などが挙げられる。
　ろう材を用いて金属板を接合する方法としては、活性金属接合法が挙げられる。
　金属板が銅板であるとき、活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、及びＮｂ（ニオブ）から選ばれる１種または２種以上を用いる。活性金属とＡｇ（銀）およびＣｕ（銅）を混合して活性金属ろう材とする。また、必要に応じ、Ｓｎ（錫）、Ｉｎ（インジウム）、及びＣ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を添加しても良い。
　また、活性金属の中ではＴｉ（チタン）が好ましい。Ｔｉは窒化珪素基板と反応して窒化チタン（ＴｉＮ）を形成することにより、接合強度を高めることができる。Ｔｉは窒化珪素基板と反応性が良く、接合強度を高めることができる。
　また、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００質量％としたとき、Ａｇの含有率が４０質量％以上８０質量％以下、Ｃｕの含有率が１５質量％以上６０質量％以下、Ｔｉの含有率が１質量％以上１２質量％以下の範囲内であることが好ましい。また、Ｉｎ、Ｓｎを添加する場合は、ＩｎおよびＳｎから選ばれる少なくとも一つの元素の含有率が５質量％以上２０質量％以下の範囲であることが好ましい。Ｃが添加されるときには、Ｃの含有率が、０．１質量％以上２質量％以下の範囲であることが好ましい。つまり、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ（またはＩｎ）＋Ｃ＝１００質量％としたとき、Ａｇの含有率が４０質量％以上７３．９質量％以下、Ｃｕの含有率が１５質量％以上４５質量％以下、Ｔｉの含有率が１質量％以上１２質量％以下、Ｓｎ（またはＩｎ）の含有率が５質量％以上２０質量％以下、Ｃの含有率が０．１質量％以上２質量％以下の範囲内であることが好ましい。ここではＴｉを用いたろう材の組成について説明したが、Ｔｉの一部または全部を他の活性金属に置き換えてもよい。
　また、金属板がアルミニウム板であるとき、活性金属はＳｉ（珪素）またはＭｇ（マグネシウム）から選ばれる１種または２種の元素となる。これら活性金属とＡｌ（アルミニウム）を混合して活性金属ろう材とする。
　窒化珪素基板上に活性金属ろう材を塗布し、金属板を配置する。次に、金属板が配置された窒化珪素基板を６００℃以上９００℃以下で加熱し、金属板を窒化珪素基板に接合する。これにより、銅板またはアルミニウム板を接合することができる。また、接合時には、真空中（１０－２Ｐａ以下）で加熱することが好ましい。必要に応じ、エッチング工程などで回路パターンを形成しても良い。
　また、金属ペーストを用いたメタライズ方法としては、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｗ（タングステン）、又はＭｏ（モリブデン）などの金属ペーストを塗布して、加熱により回路部を形成する方法である。
　金属板を接合する方法では、板厚の厚い金属板を基板に接合することができる。これにより、通電容量を向上させることができる。その一方で回路パターンの形成にはエッチング処理などの工程が必要となる。また、メタライズ法は、回路パターンを形成したい箇所にペーストを塗布することができる。このため、複雑な形状のパターンを形成できる。その一方で、回路部を厚くするのが困難であるため、通電容量を向上させ難い。メタライズ法の一種として、金属メッキ法を用いる方法もある。回路部の形成方法は、目的に応じて適宜選択できる。
　上記のように回路部を形成する場合は、活性金属ろう材または金属ペーストを用いて回路部を形成している。また、加熱して回路部を窒化珪素基板に接合している。加熱による接合時に、回路部と窒化珪素基板の間に熱応力がかかる。熱応力は、回路部を形成する材料と窒化珪素基板の熱膨張係数の違いや、活性金属ろう材の収縮により生じる。金属ペーストを用いた場合も同様に、金属ペーストを形成する材料と窒化珪素基板の熱膨張係数の違いや、活性金属ろう材の収縮により、熱応力が生じる。また、活性金属ろう材としてＴｉが含まれる場合、Ｔｉと窒化珪素基板が反応してＴｉＮ（窒化チタン）が形成される。このように活性金属ろう材を介する接合部は、接合時に応力が発生し易い。実施形態にかかる窒化珪素基板は、応力緩和効果を有するため、接合時の応力も緩和することができる。このため、ＴＣＴ特性も向上させることができる。言い換えると、実施形態にかかる窒化珪素基板は、活性金属接合法を用いる窒化珪素回路基板に有効である。
　次に、実施形態にかかる窒化珪素焼結体及び窒化珪素基板の製造方法について説明する。窒化珪素焼結体及び窒化珪素基板の製造方法は以下の例に限定されない。窒化珪素焼結体及び窒化珪素基板を歩留り良く得るための方法として、以下の製造方法が挙げられる。
　まずは、原料粉末を用意する。原料粉末には、窒化珪素粉末および焼結助剤粉末が必要となる。焼結助剤は、希土類元素、マグネシウム、チタン、ハフニウム、アルミニウム、及びカルシウムから選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。それぞれ金属単体を酸化物に換算して、合計量を１５質量％以下にする。なお、焼結助剤の添加量の下限値は０．１質量％以上であることが好ましい。焼結助剤量が０．１質量％未満では、添加効果が不十分となる可能性がある。このため、焼結助剤の添加量は０．１質量％以上１５質量％以下が好ましい。
　また、窒化珪素粉末については、α化率が８０質量％以上であり、平均粒径が０．４μｍ以上２．５μｍ以下であり、不純物酸素含有量が２質量％以下であることが好ましい。不純物酸素含有量は、１．０質量％以下、さらには０．１質量％以上０．８質量％以下であることがより好ましい。不純物酸素含有量が２質量％を超えると、不純物酸素と焼結助剤との反応が起きて、必要以上に粒界相が形成される可能性がある。これは、転位欠陥を有する窒化珪素粒子を設ける効果を低下させる。
　また、窒化珪素粉末に、解砕といった機械的な応力を加えることにより、窒化珪素粉末内に欠陥を付与することができる。予め窒化珪素粉末に欠陥を付与することにより、焼結体における転位欠陥部の生成を促進させることができる。応力を加える前の平均粒径Ｄ５０を１とした場合、応力を加えた後の平均粒径Ｄ５０が０．８以下となるように解砕応力が設定されることが効果的である。これは、平均粒径Ｄ５０を８０％以下にする解砕工程を行うことを示す。また、解砕する時間は、１０時間以下、さらには５時間以下が好ましい。平均粒径Ｄ５０を８０％以下にする解砕工程を１０時間以下の短時間で行うということは、解砕応力を高くしていることになる。解砕応力を高めることにより、窒化珪素粉末に欠陥を付与することができる。なお、解砕は、平均粒径Ｄ５０が２０％以上８０％以下の範囲内となるように、行うことが好ましい。平均粒径Ｄ５０が１５％未満になると、解砕応力が高すぎて欠陥が大きくなりすぎる。この結果、一つの窒化珪素結晶粒子内に、占有面積が１０％を超えた転位欠陥部が形成され易くなる。また、解砕工程は、凝集した粉末を解きほぐして固まりを粉々にする粉砕工程の効果も備える。平均粒径Ｄ５０の測定は、レーザ回析／散乱式粒子径分布測定装置（株式会社堀場製作所製）を用いることが好ましい。
　焼結助剤には希土類化合物を使うことが好ましい。希土類化合物は、窒化珪素結晶粒子の長径制御に重要な材料である。希土類化合物粉末の添加量は、酸化物換算で３質量％以上１０質量％以下、さらには５質量％以上９質量％以下に制御することが好ましい。なお、酸化物換算は、希土類元素をＲとしたとき、Ｒ２Ｏ３にて換算する。
　また、窒化珪素結晶粒子が粒成長する過程において、窒化珪素結晶粒子の表面に希土類元素が配位しやすい状態を形成することが必要になる。表面に配位とは、窒化珪素の表面元素に希土類元素（希土類元素化合物含む）が隣接することである。窒化珪素結晶粒子の表面に希土類元素が配位することで、窒化珪素結晶粒子と希土類元素との間の反応及び焼結助剤同士の反応を促進させることができる。原料粉としては、微粉形態が好ましく、平均粒子径Ｄ５０を１．０μｍ以下、さらには０．４μｍ以下に制御することが好ましい。また、粉末ではなく、アルコキシド化合物などの溶液を用いて湿式にて混合し、窒化珪素結晶粒子表面に希土類元素を化学結合させることも効果的な手法となる。
　また、必要に応じ、マグネシウム、チタン、ハフニウム、アルミニウム、及びカルシウムから選ばれる１種または２種以上を含む化合物の粉末を添加する。また、これら化合物の添加量は合計で５質量％以下であることが好ましい。また、これらの化合物は、酸化物または炭酸化物であることが好ましい。焼結助剤の構成元素として酸素を含むと、焼結助剤同士の反応、または窒化珪素粉末中の不純物酸素と焼結助剤の反応により、酸化物液相が形成される。これにより、窒化珪素結晶粒子の緻密化を促進することができる。
　希土類化合物は焼結を促進する効果がある。また、マグネシウム、チタン、ハフニウム、アルミニウム、又はカルシウムを含む化合物は、焼結温度の低温化、粒界相強化などの効果を有する。
　上記原料粉末を混合し、さらにバインダを添加して原料混合体を調製する。
　次に、原料混合体を成形する成形工程を行う。原料混合体の成形法としては、汎用の金型プレス法、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法、又はシート成形法（例えば、ドクターブレード法、ロール成形法）などが適用できる。また、必要に応じ、原料混合体を、トルエン、エタノール、又はブタノールなどの溶媒と混合する。
　次に上記成形工程の後、成形体の脱脂工程を行う。脱脂工程では、非酸化性雰囲気中、温度５００℃以上８００℃以下で１時間以上４時間以下加熱して、予め添加していた大部分の有機バインダの脱脂を行う。非酸化性雰囲気としては、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中などが挙げられる。
　また、有機バインダとしては、ブチルメタクリレート、ポリビニルブチラール、又はポリメチルメタクリレートなどが挙げられる。また、原料混合体（窒化珪素粉末と焼結助剤粉末との合計量）を１００質量％としたとき、有機バインダの添加量は３質量％以上２８質量％以下であることが好ましい。
　有機バインダの添加量が３質量％未満では、バインダ量が少なすぎて成形体の形状を維持するのが困難となる。このような場合、成形体を多層化して量産性を向上することが困難となる。
　一方、バインダ量が２８質量％を超えて多いと、脱脂工程により脱脂処理された後の成形体の空隙が大きくなり、窒化珪素基板のポアが大きくなる。このため、有機バインダの添加量は、３質量％以上２８質量％以下、さらには３質量％以上１７質量％以下の範囲内が好ましい。
　次に、脱脂処理された成形体は焼成容器内に収容され、焼成炉内において非酸化性雰囲気中で焼結工程が行われる。焼結工程における温度は、１８００℃以上１９５０℃以下の範囲内であることが好ましい。非酸化性雰囲気としては、窒素ガス雰囲気、または窒素ガスを含む還元性雰囲気が好ましい。また、焼成炉内は、加圧雰囲気であることが好ましい。
　焼結温度が１８００℃未満の低温状態で焼成すると、窒化珪素結晶粒子の粒成長が十分でなく、緻密な焼結体が得難い。一方、焼結温度が１９５０℃より高温度で焼成すると、炉内雰囲気圧力が低い場合には、窒化珪素がＳｉとＮ２に分解する可能性がある。このため、焼結温度は、上記範囲内に制御することが好ましい。また、焼結時間は、７時間以上２０時間以下の範囲内が好ましい。
　焼結工程を行う際、１３５０℃から１６００℃までの昇温速度を、５０℃／ｈ以下にすることが好ましい。１３５０℃から１６００℃までの温度域で、焼結助剤を主とする液相が生成され、窒化珪素粒子の表面に拡散する。十分な拡散を促すために、昇温速度の制御が効果的である。
　また、１６００℃から焼結温度までの昇温速度は、１００℃／ｈ以上、さらには２００℃／ｈ以上が好ましい。１６００℃以上の温度域では、窒化珪素の粒成長が生じる。昇温速度を速くすることで、急激な粒成長が促される。これにより、粒成長段階での歪みなどによる転位欠陥部を、効果的に形成することができる。さらに、１６００℃から焼結温度までの温度域の昇温過程において、０．２ＭＰａ以下の常圧に近い雰囲気から、０．５ＭＰａ以上の加圧雰囲気へ切り替わるプロファイルに圧力を設定することが好ましい。この圧力プロファイルによれば、転位欠陥部をより効果的に形成できる。
　また、焼結温度からの冷却速度を１００℃／ｈ以上、さらには３００℃／ｈ以上とすることが好ましい。冷却速度を速めることにより、熱収縮による応力歪みなどにより、転位欠陥部を効果的に形成できる。
　窒化珪素粉末への解砕応力の負荷、昇温速度制御、加圧雰囲気制御、及び冷却速度制御の１つまたは複数を組合せることによって、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合や、転位欠陥部の占有面積率などを制御することができる。
　上記工程により、実施形態にかかる窒化珪素焼結体および窒化珪素基板を作製することができる。また、作製された窒化珪素基板に金属板を接合することにより、窒化珪素回路基板を作製することができる。
　図３～図５は、実施形態にかかる窒化珪素回路基板の一例を示す図である。図３において、１０は窒化珪素回路基板である。１２は窒化珪素基板である。１３は、表金属板である。１４は接合層である。１５は裏金属板である。図３は、２つの表金属板３を窒化珪素基板１２に接合した例を示す。実施形態は、このような形に限定されるものではなく、１つ又は３つ以上の表金属板１３が窒化珪素基板１２に接合されても良い。各表金属板１３は、配線パターンに加工されていても良い。図３の例では、さらに、裏金属板１５を窒化珪素基板１２に接合している。裏金属板１５は、回路ではなく放熱板として機能する。裏金属板１５は、必要に応じ設けることができる。
　窒化珪素基板に貫通孔が設けられていても良い。窒化珪素回路基板は、表の金属板と裏の金属板が貫通孔を介して導通した構造を有することが好ましい。図４は、貫通孔を有する窒化珪素回路基板の一例を示す。図４は、貫通孔が設けられた部分における断面図である。図４において、１０は窒化珪素回路基板である。１２は窒化珪素基板である。１３は表金属板である。１４は接合層である。１８は裏金属板である。１９は貫通孔である。図４では、貫通孔１９を介して、表金属板１３と裏金属板１８が導通している。図４では、複数の貫通孔１９が、それぞれ、複数の表金属板１３と複数の裏金属板１８を接続している。実施形態は、このような構造に限定されない。窒化珪素回路基板１０において、複数の表金属板１３の一部に対してのみ貫通孔１９が設けられていても良い。複数の裏金属板１８の一部に対してのみ貫通孔１９が設けられていても良い。貫通孔１９の内部には、接合層１４と同じ材料が充填されることが好ましい。貫通孔１９の内部の構造は、表金属板と裏金属板を導通できれば、特に限定されない。このため、貫通孔１９内壁にのみ金属薄膜が設けられていても良い。一方、接合層１４と同じ材料を充填することにより、接合強度を向上させることができる。
　実施形態にかかる窒化珪素回路基板は、半導体装置に好適である。半導体装置では、窒化珪素回路基板の金属板に、接合層を介して半導体素子が実装される。図５は、半導体装置の一例を示す。図５において、１０は窒化珪素回路基板である。２０は半導体装置である。２１は半導体素子である。２２は接合層である。２３はワイヤボンディングである。２４は金属端子である。図５では、窒化珪素回路基板１０の金属板上に接合層２２を介して半導体素子２１を接合している。同様に、接合層２２を介して金属端子２４を接合している。隣り合う金属板同士をワイヤボンディング２３で導通している。図５では、半導体素子２１の他にワイヤボンディング２３と金属端子２４を接合している。実施形態にかかる半導体装置は、このような構造に限定されない。例えば、ワイヤボンディング２３と金属端子２４はどちらか一方のみが設けられていても良い。半導体素子２１、ワイヤボンディング２３、および金属端子２４は、表金属板１３にそれぞれ複数個設けても良い。裏金属板１８には、半導体素子２１、ワイヤボンディング２３、および金属端子２４を必要に応じ接合できる。金属端子２４には、リードフレーム形状、凸型形状など様々な形状が適用できる。
　半導体素子２１又は金属端子２４を接合する接合層２２としては、ハンダ、ろう材などが挙げられる。ハンダは鉛フリーハンダが好ましい。ハンダの融点は、４５０℃以下であることが好ましい。ろう材の融点は、４５０℃以下であることが好ましい。融点が５００℃以上のろう材を、高温ろう材を呼ぶ。高温ろう材として、Ａｇを主成分とするものが挙げられる。
（実施例）
（実施例１～５、参考例１）
　平均粒径Ｄ５０が１．２μｍの窒化珪素粉末を試料として用意した。窒化珪素粉末のα化率は９４％、不純物酸素含有量は０．７質量％である。
　次に、試料に解砕応力を加えた。これにより、窒化珪素粉末１～４を調製した。解砕時間と解砕後の平均粒径は表１に示した通りとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　平均粒径Ｄ５０の測定には、レーザ回析／散乱式粒子径分布測定装置（株式会社堀場製作所製）を用いた。
　次に、窒化珪素粉末１～４に対し、焼結助剤を添加した。添加量は表２に示した通りである。また、焼結助剤の添加量は、窒化珪素粉末と焼結助剤の合計を１００質量％（ｗｔ％）とした値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　窒化珪素粉末と焼結助剤粉末を混合した。混合させた粉末にバインダを５質量％以上１０質量％以下添加し、原料混合ペーストを調製した。原料混合ペーストを用いて、ドクターブレード法によりシート成形した。シート成形体に対して５００℃以上８００℃以下、１時間以上４時間以下の脱脂工程を行い、脱脂体を調製した。
　次に、表３に示した焼結工程を行った。焼結工程は、窒素雰囲気中で行った。また、実施例にかかるものは、１６００℃までは常圧（０．１ＭＰａ）、１６００℃から焼結温度に至る過程で０．７ＭＰａの加圧雰囲気に設定した。参考例に関しては、常圧（０．１ＭＰａ）で焼結工程を行った。
　これにより、横５０ｍｍ×縦４０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板を作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施例および参考例にかかる窒化珪素基板に関して、転位欠陥部、窒化珪素結晶粒子の長径、熱伝導率、３点曲げ強度、破壊靱性値を測定した。
　転位欠陥部の測定では、任意の断面をイオンミリング加工で表面粗さＲａ１μｍ以下に加工し、評価面とした。評価面をＴＥＭにより観察した。ＴＥＭによる観察では、任意の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、互いに隣接する複数の領域をそれぞれ順次撮影した。ＴＥＭ写真を撮影するときの倍率は１００００倍に設定し、明視野像および暗視野像を撮影した。暗視野像で白く見える領域を、転位欠陥部とした。明視野像と暗視野像を対比することにより、一つの窒化珪素結晶粒子内の転位欠陥部の有無、占有面積率を求めた。また、転位欠陥部の占有面積率は、暗視野像を画像処理ソフトにより２値化し、（白色の画素の塊の面積／（白色の画素の塊の面積＋黒色の画素の塊の面積））×１００を求めることにより測定した。一つの観察領域５０μｍ×５０μｍにおける観察は、輪郭がすべてみえる窒化珪素結晶粒子が５０個確認されるまで行った。ＴＥＭ写真の端部で見切れている窒化珪素結晶粒子（すなわち全輪郭が写っていない窒化珪素結晶粒子）は、数の割合のカウントから除外した。輪郭がすべて写っている窒化珪素結晶粒子が５０個確認できると、観察領域５０μｍ×５０μｍの全体を観察していない場合でも、別の観察領域をＴＥＭにより観察した。別の観察領域として、直前の観察領域から１０００μｍ以上離れた領域を選んだ。合計で２箇所以上の観察領域を撮影した。画像解析ソフトには、Ｉｍａｇｅ－ｊを使った。
　また、転位欠陥部の核となっている元素を分析した。転位欠陥部の分析にはＥＤＸを用いた。これにより、転位欠陥部に、珪素、酸素および窒素以外の元素が１μｍ２以上の塊になっているか否か、１０ｍｏｌ％以上に検出されるか否かを測定した。
　また、窒化珪素結晶粒子の長径は、任意の断面におけるＳＥＭ観察に基づいて測定した。ＳＥＭ写真を撮影するときの倍率は、３０００倍に設定し、３００μｍ×３００μｍの領域を撮影した。ＳＥＭ写真において、一つの窒化珪素結晶粒子の外縁上の任意の２点を結んで得られる線分のうち、最も長い線分の長さを長径とする。ＳＥＭ写真（観察領域３００μｍ×３００μｍ）に写る窒化珪素結晶粒子の長径の平均を求めた。また、各窒化珪素結晶粒子の長径から最も長いものを、長径の最大値として抽出した。
　熱伝導率は、ＪＩＳ－Ｒ－１６１１（２０１０）のフラッシュ法に準じて測定した。ＪＩＳ－Ｒ－１６１１（２０１０）は、ＩＳＯ１８７５５（２００５）に対応する。３点曲げ強度は、ＪＩＳ－Ｒ－１６０１（２００８）に準じて測定した。また、破壊靱性は、ＪＩＳ－Ｒ－１６０７（２０１５）のＩＦ法に準じ、新原の式を用いて測定した。
　その結果を表４、表５に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表から分かる通り、実施例にかかる窒化珪素焼結体では、長径が３０μｍ以上の窒化珪素結晶粒子が観察された。また、熱伝導率は８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、３点曲げ強度は７００ＭＰａ以上、破壊靱性は７．０ＭＰａ・ｍ１／２以上の窒化珪素焼結体が得られた。
　また、実施例にかかる窒化珪素焼結体の転位欠陥部について、転位欠陥部の核（珪素、酸素および窒素以外の元素）のサイズは、０μｍ以上０．２μｍ以下の範囲内であった。また、実施例に係る窒化珪素焼結体の転位欠陥部の核において、珪素、酸素および窒素以外の元素は、１０ｍｏｌ％未満であった。
　また、実施例にかかる窒化珪素焼結体では、観察領域３００μｍ×３００μｍあたりの長径３０μｍ以上の粗大粒の数は、１個以上１０個以下の範囲内であった。
　それに対し、参考例にかかる窒化珪素焼結体では、長径３０μｍ以上の窒化珪素結晶粒子は観察されなかった。また、参考例にかかる窒化珪素焼結体の熱伝導率および３点曲げ強度は、実施例にかかる窒化珪素焼結体と同等であったが、参考例にかかる窒化珪素焼結体の破壊靱性値は、実施例に比べて低下した。
　次に、実施例および参考例にかかる窒化珪素焼結体を用いた窒化珪素基板を作製した。窒化珪素基板のサイズは、縦５０ｍｍ×横４０ｍｍで統一した。また、各実施例では、同様の製造方法においてシート成形体の厚みを変えることにより、厚さが互いに異なる複数の窒化珪素基板を用意した。各窒化珪素基板の厚さは、０．２０ｍｍ、０．２５ｍｍ、又は０．３２ｍｍである。
　各窒化珪素基板に対し、活性金属接合法を用いて銅板を接合した。各窒化珪素基板の表側には、サイズが縦２０ｍｍ×横１５ｍｍ×厚さ１．０ｍｍである銅板を２つ設けた。また、各窒化珪素基板の裏側には、サイズが縦４５ｍｍ×３５ｍｍ×厚さ１．０ｍｍである銅板を１つ設けた。活性金属ろう材は、Ａｇ（５７ｗｔ％）、Ｃｕ（３０ｗｔ％）、Ｓｎ（１０ｗｔ％）、Ｔｉ（３ｗｔ％）からなるものを用いた。活性金属ろう材ペーストを窒化珪素基板上に厚さ４０μｍで塗布し、活性金属ろう材ペースト上に銅板を配置した。次に、８２０℃の真空中（１０－２Ｐａ以下）で加熱接合工程を行った。銅板は窒化珪素基板の両面に接合した。また、銅板側面をエッチング加工して、８０°の傾斜面を設けた。また、活性金属ろう材層を銅板側面から４０μｍはみ出させた。
　得られた窒化珪素回路基板について、応力緩和効果を調べた。応力緩和効果としてＴＣＴ（耐熱サイクル試験）を行った。－４０℃×３０分→常温（２５℃）×１０分→２００℃×３０分→常温（２５℃）×１０分を１サイクルとし、４０００サイクル後に窒化珪素基板へのクラックの有無を調べた。クラックの有無は、蛍光探傷法で測定した。
　その結果を表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表から分かる通り、実施例にかかる窒化珪素回路基板については、応力緩和効果が得られた。転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が９０％以上である実施例３～７では、基板を薄くしてもＴＣＴ特性は良好であった。また、実施例１は、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合が少ないため、基板を薄くした場合に耐久性が低下した。実施例１Ｂについては、クラックが３か所観察された。また、実施例２についても基板を薄くした場合に、極小さなクラックが１か所発生していた。このため、転位欠陥部を有する窒化珪素結晶粒子の数の割合は、５０％以上、さらには９０％以上が好ましいことが分かる。
　それに対し、参考例１については、厚さが０．３２ｍｍの窒化珪素基板であってもクラックが発生していた。参考例１は、クラックが２か所以上観察された。
　このため、実施例にかかる窒化珪素回路基板については、厚さが０．８ｍｍ以上の金属板を用いた場合であっても、優れた応力緩和効果を示すことが分かった。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これら実施形態は、例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組合わせて実施することができる。

Claims (14)

  1. 　窒化珪素結晶粒子及び粒界相を備える窒化珪素焼結体であって、
    　少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の内部には、転位欠陥部が存在し、
    　任意の断面又は表面の観察領域５０μｍ×５０μｍにおいて、全輪郭がみえる任意の５０個の前記窒化珪素結晶粒子における前記少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、５０％以上１００％以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体。
  2. 　前記割合が９０％以上１００％以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化珪素焼結体。
  3. 　前記少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子のそれぞれにおける前記転位欠陥部において、珪素、酸素および窒素を除く成分が１μｍ２以上の塊になっていないことを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
  4. 　前記少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子のそれぞれにおける前記転位欠陥部において、珪素、酸素および窒素を除く成分が１０ｍｏｌ％以上検出されないことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
  5. 　前記少なくとも一部の前記窒化珪素結晶粒子の前記数に対する、前記転位欠陥部の占有面積率が１０％以下である前記窒化珪素結晶粒子の数の割合が、７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
  6. 　任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、長径が３０μｍ以上の前記窒化珪素結晶粒子が存在することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
  7. 　任意の断面の観察領域３００μｍ×３００μｍにおいて、前記窒化珪素結晶粒子の長径の平均が３μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
  8. 　熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
  9. 　３点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
  10. 　破壊靭性値が７．５ＭＰａ・ｍ１／２以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体。
  11. 　請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の窒化珪素焼結体を用いたことを特徴とする窒化珪素基板。
  12. 　板厚が０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の窒化珪素基板。
  13. 　請求項１１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の窒化珪素基板と、
    　前記窒化珪素基板の上に設けられた回路部と、
    　を備えたことを特徴とする窒化珪素回路基板。
  14. 　前記回路部が、厚さ０．８ｍｍ以上の金属板であることを特徴とする請求項１３に記載の窒化珪素回路基板。
PCT/JP2019/029722 2018-08-03 2019-07-30 窒化珪素焼結体、窒化珪素基板、及び窒化珪素回路基板 WO2020027077A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19844227.9A EP3831799A4 (en) 2018-08-03 2019-07-30 SILICON NITRIDE DISINTER BODY, SILICON NITRIDE SUBSTRATE AND SILICON NITRIDE CIRCUIT SUBSTRATE
JP2020533551A JP7235751B2 (ja) 2018-08-03 2019-07-30 窒化珪素焼結体、窒化珪素基板、及び窒化珪素回路基板
CN201980042179.8A CN112313191B (zh) 2018-08-03 2019-07-30 氮化硅烧结体、氮化硅基板及氮化硅电路基板
US17/117,291 US20210122680A1 (en) 2018-08-03 2020-12-10 Silicon Nitride Sintered Body, Silicon Nitride Substrate, And Silicon Nitride Circuit Board

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018146359 2018-08-03
JP2018-146359 2018-08-03

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/117,291 Continuation US20210122680A1 (en) 2018-08-03 2020-12-10 Silicon Nitride Sintered Body, Silicon Nitride Substrate, And Silicon Nitride Circuit Board

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020027077A1 true WO2020027077A1 (ja) 2020-02-06

Family

ID=69231676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/029722 WO2020027077A1 (ja) 2018-08-03 2019-07-30 窒化珪素焼結体、窒化珪素基板、及び窒化珪素回路基板

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20210122680A1 (ja)
EP (1) EP3831799A4 (ja)
JP (1) JP7235751B2 (ja)
CN (1) CN112313191B (ja)
WO (1) WO2020027077A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112292912B (zh) 2018-08-29 2024-03-08 株式会社东芝 氮化硅基板及氮化硅电路基板
EP4151612A1 (en) * 2021-09-16 2023-03-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Composite ceramic material and joined body
CN116410019A (zh) * 2022-01-05 2023-07-11 北京小米移动软件有限公司 陶瓷件的制作方法、陶瓷件及电子设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005113466A1 (ja) * 2004-05-20 2005-12-01 Kabushiki Kaisha Toshiba 高熱伝導性窒化ケイ素焼結体及び窒化ケイ素構造部材
WO2010002001A1 (ja) * 2008-07-03 2010-01-07 日立金属株式会社 窒化珪素基板及びその製造方法並びにそれを使用した窒化珪素回路基板及び半導体モジュール
WO2015060274A1 (ja) 2013-10-23 2015-04-30 株式会社東芝 窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板
WO2017056360A1 (ja) 2015-09-28 2017-04-06 株式会社 東芝 回路基板および半導体装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001199771A (ja) * 2000-01-11 2001-07-24 Isuzu Ceramics Res Inst Co Ltd 繊維強化窒化珪素焼結体
DE10165080B4 (de) * 2000-09-20 2015-05-13 Hitachi Metals, Ltd. Siliciumnitrid-Pulver und -Sinterkörper sowie Verfahren zu deren Herstellung und Leiterplatte damit
TWI334408B (en) * 2002-05-28 2010-12-11 Nat Inst Of Advanced Ind Scien Brittle material formed of ultrafine particles
CN101636366A (zh) * 2007-03-15 2010-01-27 株式会社东芝 氮化硅烧结体及使用其的滑动部件
WO2016117553A1 (ja) * 2015-01-23 2016-07-28 株式会社東芝 高熱伝導性窒化珪素焼結体、それを用いた窒化珪素基板および窒化珪素回路基板並びに半導体装置
JP6685688B2 (ja) * 2015-10-15 2020-04-22 株式会社東芝 窒化珪素焼結体およびそれを用いた耐磨耗性部材

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005113466A1 (ja) * 2004-05-20 2005-12-01 Kabushiki Kaisha Toshiba 高熱伝導性窒化ケイ素焼結体及び窒化ケイ素構造部材
WO2010002001A1 (ja) * 2008-07-03 2010-01-07 日立金属株式会社 窒化珪素基板及びその製造方法並びにそれを使用した窒化珪素回路基板及び半導体モジュール
WO2015060274A1 (ja) 2013-10-23 2015-04-30 株式会社東芝 窒化珪素基板およびそれを用いた窒化珪素回路基板
WO2017056360A1 (ja) 2015-09-28 2017-04-06 株式会社 東芝 回路基板および半導体装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3831799A4

Also Published As

Publication number Publication date
CN112313191B (zh) 2022-11-15
JP7235751B2 (ja) 2023-03-08
EP3831799A1 (en) 2021-06-09
EP3831799A4 (en) 2022-04-27
US20210122680A1 (en) 2021-04-29
JPWO2020027077A1 (ja) 2021-08-26
CN112313191A (zh) 2021-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5850031B2 (ja) 窒化珪素質焼結体、窒化珪素回路基板及び半導体モジュール
US8858865B2 (en) Silicon nitride substrate manufacturing method, silicon nitride substrate, silicon nitride circuit substrate, and semiconductor module
US20210122680A1 (en) Silicon Nitride Sintered Body, Silicon Nitride Substrate, And Silicon Nitride Circuit Board
JP6129738B2 (ja) セラミックス回路基板
JP5926870B1 (ja) セラミック構造体、基板保持装置用部材及びセラミック構造体の製法
US11897817B2 (en) Ceramic sintered body and substrate for semiconductor device
JP3629783B2 (ja) 回路基板
JP2023126262A (ja) 窒化珪素基板の製造方法
JP4556162B2 (ja) 窒化珪素質焼結体及びその製造方法、並びにそれを用いた回路基板
EP3632880B1 (en) Ceramic circuit board and method for producing same
JP7035220B2 (ja) セラミックス焼結体及び半導体装置用基板
JPH11100274A (ja) 窒化珪素質焼結体、その製造方法及びそれを用いた回路基板
JP2021158355A (ja) 熱電変換素子の製造方法、及び、それを用いた熱電変換モジュールの製造方法
JPH11100273A (ja) 窒化珪素質焼結体、その製造方法及びそれを用いた回路基板
JP2001019556A (ja) 窒化珪素質焼結体、その製造方法及びそれを用いた回路基板
JP2022153934A (ja) 窒化ケイ素焼結体、回路基板および窒化ケイ素焼結体の製造方法
JP2022094464A (ja) 窒化シリコン用グリーンシート、および、その製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19844227

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020533551

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019844227

Country of ref document: EP

Effective date: 20210303