JP2772273B2 - 窒化けい素回路基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子を搭載し
た窒化けい素回路基板に係り、特に放熱特性，機械的強
度および耐熱サイクル特性を改善できるとともに実装性
に優れた窒化けい素回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）焼結体
などのように絶縁性に優れたセラミックス基板の表面
に、導電性を有する金属回路層をろう材で一体に接合
し、さらに金属回路層の所定位置に半導体素子を搭載し
た回路基板が広く普及している。

【０００３】一方、窒化けい素を主成分とするセラミッ
クス焼結体は、一般に１０００℃以上の高温度環境下で
も優れた耐熱性を有し、かつ耐熱衝撃性にも優れている
ことから、従来の耐熱性超合金に代わる高温構造材料と
してガスタービン用部品、エンジン用部品、製鋼用機械
部品等の各種高強度耐熱部品への応用が試みられてい
る。

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

【０００５】従来の窒化けい素焼結体は、窒化けい素原
料粉末に上記のような焼結助剤を添加し成形し、得られ
た成形体を１６００〜２０００℃程度の温度で焼成炉で
所定時間焼成した後に炉冷し、得られた焼結体を研削研
摩加工する製法で製造されている。

【０００６】

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

【０００７】一方窒化アルミニウム焼結体は他のセラミ
ックス焼結体と比較して高い熱伝導率と低熱膨張係数の
特長を有するため、高速化、高出力化、多機能化、大型
化が進展する半導体素子（チップ）を搭載するための回
路基板部品やパッケージ材料として広く使用されてい
る。しかしながら、ＡｌＮ焼結体は機械的強度の点で充
分に満足できるものは得られていないため、回路基板の
実装工程において破損を生じたり、実装工程が煩雑にな
って半導体装置の製造効率が低下する問題点があった。

【０００８】すなわち、上記窒化アルミニウム焼結体基
板や酸化アルミニウム焼結体基板などのセラミックス基
板を主たる構成材とする回路基板を、アッセンブリ工程
にて実装ボートにねじ止め等により固定しようとする
と、ねじの押圧力による僅かな変形やハンドリング時の
衝撃によって回路基板が破損し、半導体装置の製造歩留
りを大幅に低減させる場合がある。

【０００９】さらに回路基板の強度が小さいため、大型
の回路基板を形成することが困難であり、小型のセラミ
ックス基板上面に１個の半導体素子を搭載した小型の回
路基板が多く用いられていた。そのため、半導体装置を
組み立てる際には、要求される機能数に応じて多数の回
路基板を個別に装置本体に組み込む方式となるため、実
装工程が煩雑になり、半導体装置の製造効率が低下する
問題点があった。

【００１０】また上記のような窒化アルミニウム基板表
面に金属回路層および半導体素子を一体に接合して形成
した回路基板においては、窒化アルミニウム基板自体の
機械的強度および靭性が不充分であったため、半導体素
子の作動に伴う繰り返しの熱サイクルを受けて、金属回
路層の接合部付近の窒化アルミニウム基板にクラックが
発生し易く、耐熱サイクル特性および信頼性が低いとい
う問題点があった。

【００１１】本発明は上記のような課題要請に対処する
ためになされたものであり、窒化けい素焼結体が本来備
える高強度高靭性特性を利用し、さらに熱伝導率が高く
放熱性に優れるとともに耐熱サイクル特性を大幅に改善
できる一方、半導体装置へのアッセンブリ工程における
実装性を改善した窒化けい素回路基板を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記目的を達
成するために、回路基板の放熱性（熱伝導率）を劣化さ
せず、強度および靭性値を共に満足するような基板材料
を研究するとともに、回路基板のアッセンブリ工程にお
いて発生する締め付け割れや熱サイクル付加時に発生す
るクラックを防止し実装性を改善する対策について鋭意
研究を重ねた。その結果、基板材料については、組成お
よび製造条件を適正に制御することにより、従来にはな
い高い熱伝導率を有する窒化けい素焼結体が得られたこ
と、この窒化けい素焼結体を使用して大型の基板を形成
し、基板表面に回路層を一体に形成するとともに複数の
半導体素子を搭載して大型の回路基板とした場合におい
ても、アッセンブリ工程における回路基板の締め付け割
れ等を効果的に低減できること、耐熱サイクル特性を大
幅に改善できること、アッセンブリ工程における回路基
板の実装性を大幅に改善できること、などを見出し本発
明を完成するに至った。

【００１３】すなわち、本発明者は、従来使用されてい
た窒化けい素粉末の種類、焼結助剤や添加物の種類およ
び添加量、焼結条件に検討を加え、従来の窒化けい素焼
結体の有する熱伝導率の２倍以上の高い熱伝導性を有す
る窒化けい素焼結体を開発した。さらに、この窒化けい
素焼結体を基板材料として使用し、その表面に、導電性
を有する金属回路層を一体に接合し、さらに複数の半導
体素子を同一基板上に搭載して大型の回路基板を製造し
た場合においても、機械的強度、靭性値、耐熱サイクル
特性、放熱性および実装性を全て満足する窒化けい素回
路基板が得られることを実験により確認した。

【００１４】具体的には、微細で高純度を有する窒化け
い素粉末に希土類元素酸化物等を所定量ずつ添加した原
料混合体を成形脱脂し、得られた成形体を所定温度で一
定時間加熱保持して緻密化焼結を実施した後、所定値以
下の冷却速度で徐冷し、得られた焼結体を研削研摩加工
して製造したときに熱伝導率が従来の窒化けい素焼結体
の２倍以上、具体的には６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と大きく向
上し、かつ高強度高靭性を有する窒化けい素焼結体が得
られることが判明し、放熱特性および強度特性を共に満
足する新規な窒化けい素材料を開発した。そして、この
窒化けい素材料を、回路基板の基板材料に適用したとき
に、優れた放熱特性と耐久性と耐熱サイクル特性と実装
性とを同時に改善できることが判明した。

【００１５】また、酸素や不純物陽イオン元素含有量を
低減した高純度の窒化けい素原料粉末を使用し、上記条
件にて焼結することにより、粒界相におけるガラス相
（非晶質相）の生成を効果的に抑制でき、粒界相におけ
る結晶化合物相の割合を２０％以上（粒界相全体に対
し）、より好ましくは５０％以上とすることにより、希
土類元素酸化物のみを原料粉末に添加した場合において
も６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好ましくは８０Ｗ／ｍ・
Ｋ以上の高熱伝導率を有する窒化けい素焼結体基板が得
られるという知見を得た。

【００１６】また、従来、焼結操作終了後に焼成炉の加
熱用電源をＯＦＦとして焼結体を炉冷していた場合に
は、冷却速度が毎時４００〜８００℃と急速であった
が、本発明者の実験によれば、特に冷却速度を毎時１０
０℃以下に緩速に制御することにより、窒化けい素焼結
体組織の粒界相が非結晶質状態から結晶相を含む相に変
化し、高強度特性と高伝熱特性とが同時に達成されるこ
とが判明した。

【００１７】このような高熱伝導性窒化けい素焼結体自
体は、その一部が既に本発明者により特許出願されてお
り、さらに特開平６−１３５７７１号公報および特開平
７−４８１７４号公報によって出願公開されている。そ
して、これらの特許出願において記載されている窒化け
い素焼結体は、希土類元素を酸化物に換算して２．０〜
７．５重量％含有するものである。しかしながら、本発
明者はさらに改良研究を進めた結果、含有される希土類
元素は酸化物に換算して７．５重量％を超えた場合の方
が焼結体の高熱伝導化がさらに進み、焼結性も良いこと
を見い出し、本願発明を完成したものである。特に希土
類元素がランタノイド系列の元素である場合に、その効
果は顕著である。ちなみに粒界相中における結晶化合物
相の粒界相全体に対する割合が６０〜７０％である場合
においても、焼結体は１１０〜１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の
高熱伝導率を達成することができる。

【００１８】このように高強度特性および高伝熱特性を
共に満足する窒化けい素焼結体を基板材料とし、金属回
路層を基板材料表面に一体に接合して回路基板を形成す
ることにより、回路基板全体の靭性強度および熱伝導性
を改善することができ、特に回路基板のアッセンブリ工
程における締め付け割れや熱サイクルの付加によるクラ
ックの発生を効果的に防止できることが判明した。特に
上記窒化けい素焼結体を使用して大型基板を作成し、そ
の基板表面に回路層を一体に形成するとともに複数の半
導体素子を搭載して大型の回路基板とした場合において
も、アッセンブリ工程における締め付け割れが発生する
ことが少なく製造歩留りが向上すると同時に、回路基板
の実装工程が単純になり、半導体装置の製造効率を大幅
に改善できることが判明した。

【００１９】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち本発明に係る窒化けい素回路基板
は、希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重
量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆ
ｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３
重量％以下含有し、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であ
る高熱伝導性窒化けい素基板に回路層を接合した回路基
板であり、上記高熱伝導性窒化けい素基板上に回路層を
介して複数の半導体素子を搭載したことを特徴とする。

【００２０】また本発明に係る窒化けい素回路基板は、
希土類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重量
％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆ
ｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３
重量％以下含有し、窒化けい素結晶および粒界相から成
るとともに粒界相中における結晶化合物相の粒界相全体
に対する割合が２０％以上であり、熱伝導率が６０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上である高熱伝導性窒化けい素基板に回路層を
接合した回路基板であり、上記高熱伝導性窒化けい素基
板上に回路層を介して複数の半導体素子を搭載したこと
を特徴とする。

【００２１】さらに高熱伝導性窒化けい素基板は、希土
類元素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重量％含有
し、窒化けい素結晶および粒界相から成るとともに粒界
相中における結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が
５０％以上である窒化けい素焼結体から形成してもよ
い。

【００２２】また高熱伝導性窒化けい素基板の三点曲げ
強度を６５０ＭＰａ以上にするとよい。さらに高熱伝導
性窒化けい素基板の厚さは回路層の厚さの２倍以下に設
定するとよい。

【００２３】また高熱伝導性窒化けい素基板の熱伝導率
が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがさらに好ましい。ま
た回路層が金属回路板であり、この金属回路板が表面に
酸化層を有する高熱伝導性窒化けい素基板上に接合され
るように構成してもよい。さらに回路層が金属回路板で
あり、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される少な
くとも１種の活性金属を含有する活性金属ろう材層を介
して上記金属回路板が高熱伝導性窒化けい素基板上に接
合されるように構成してもよい。また回路層は高融点金
属メタライズ層から構成してもよい。

【００２４】さらに希土類元素としてはランタノイド系
列の元素を上記の窒化けい素基板に含有させることが熱
伝導率を向上させるために特に好ましい。

【００２５】また、窒化アルミニウムまたはアルミナを
１．０重量％以下添加して窒化けい素基板を構成しても
よい。さらにアルミナを１．０重量％以下と窒化アルミ
ニウムを１．０重量％以下とを併用してもよい。

【００２６】また本発明において使用する高熱伝導性窒
化けい素焼結体は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗからなる群より選択される少なくと
も１種を酸化物に換算して０．１〜３．０重量％含有す
ることが好ましい。このＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，
Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗから成る群より選択される少なく
とも１種は、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化
物として窒化けい素原料粉末に添加することにより含有
させることができる。

【００２７】さらに本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素焼結体の製造方法は、酸素を１．７重量％以下、不
純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３重量％
以下、α相型窒化けい素を９０重量％以上含有し、平均
粒径１．０μｍ以下の窒化けい素原料粉末に、希土類元
素を酸化物に換算して２．０〜１７．５重量％と、必要
に応じてアルミナおよび窒化アルミニウムの少なくとも
一方を１．０重量％以下添加した原料混合体を成形して
成形体を調製し、得られた成形体を脱脂後、温度１８０
０〜２１００℃で雰囲気加圧焼結し、上記焼結温度か
ら、上記希土類元素により焼結時に形成された液相が凝
固する温度までに至る焼結体の冷却速度を毎時１００℃
以下にして徐冷することを特徴とする。得られた焼結体
を所定形状に研削研磨加工して本発明で使用する高熱伝
導性窒化けい素基板が製造される。

【００２８】上記製造方法において、窒化けい素粉末
に、さらにアルミナおよび窒化アルミニウムの少なくと
も一方を１．０重量％以下添加するとよい。

【００２９】さらに窒化けい素粉末に、さらにＴｉ，Ｚ
ｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物、
炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択
される少なくとも１種を０．１〜３．０重量％添加する
とよい。

【００３０】上記製造方法によれば、窒化けい素結晶組
織中に希土類元素等を含む粒界相が形成され、気孔率が
２．５％以下、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、三点曲
げ強度が室温で６５０ＭＰａ以上の機械的特性および熱
伝導特性が共に優れた窒化けい素焼結体が得られる。

【００３１】本発明において使用される高熱伝導性窒化
けい素基板の主成分となる窒化けい素粉末としては、焼
結性、強度および熱伝導率を考慮して、酸素含有量が
１．７重量％以下、好ましくは０．５〜１．５重量％、
Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍ
ｎ，Ｂなどの不純物陽イオン元素含有量が合計で０．３
重量％以下、好ましくは０．２重量％以下に抑制された
α相型窒化けい素を９０重量％以上、好ましくは９３重
量％以上含有し、平均粒径が１．０μｍ以下、好ましく
は０．４〜０．８μｍ程度の微細な窒化けい素粉末を使
用することができる。

【００３２】平均粒径が１．０μｍ以下の微細な原料粉
末を使用することにより、少量の焼結助剤であっても気
孔率が２．５％以下の緻密な焼結体を形成することが可
能であり、また焼結助剤が熱伝導特性を阻害するおそれ
も減少する。

【００３３】またＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，
Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂの不純物陽イオン元素は熱伝導性
を阻害する物質となるため、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝
導率を確保するためには、上記不純物陽イオン元素の含
有量は合計で０．３重量％以下とすることにより達成可
能である。特に同様の理由により、上記不純物陽イオン
元素の含有量は合計で０．２重量％以下とすることが、
さらに好ましい。ここで通常の窒化けい素焼結体を得る
ために使用される窒化けい素粉末には、特にＦｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇが比較的に多く含有されているため、Ｆｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇの合計量が上記不純物陽イオン元素の合計含有
量の目安となる。

【００３４】さらに、β相型と比較して焼結性に優れた
α相型窒化けい素を９０重量％以上含有する窒化けい素
原料粉末を使用することにより、高密度の焼結体を製造
することができる。

【００３５】また窒化けい素原料粉末に焼結助剤として
添加する希土類元素としては、Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｙ，
Ｌａ，Ｓｃ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｓｍ，Ｇｄなど
の酸化物もしくは焼結操作により、これらの酸化物とな
る物質が単独で、または２種以上の酸化物を組み合せた
ものを含んでもよいが、特に酸化ホルミウム（Ｈｏ₂ Ｏ
₃ ），酸化エルビウム（Ｅｒ₂ Ｏ₃ ）が好ましい。

【００３６】特に希土類元素としてランタノイド系列の
元素であるＨｏ，Ｅｒ，Ｙｂを使用することにより、焼
結性あるいは高熱伝導化が良好になり、１８５０℃程度
の低温度領域においても十分に緻密な焼結体が得られ
る。したがって焼成装置の設備費およびランニングコス
トを低減できる効果も得られる。これらの焼結助剤は、
窒化けい素原料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進
剤として機能する。

【００３７】上記焼結助剤の添加量は、酸化物換算で原
料粉末に対して２．０〜１７．５重量％の範囲とする。
この添加量が２．０重量％未満の場合は、焼結体の緻密
化が不十分であり、特に希土類元素がランタノイド系元
素のように原子量が大きい元素の場合には、比較的低強
度で比較的に低熱伝導率の焼結体が形成される。一方、
添加量が１７．５重量％を超える過量となると、過量の
粒界相が生成し、熱伝導率の低下や強度が低下し始める
ので上記範囲とする。特に同様の理由により４〜１５重
量％とすることが望ましい。

【００３８】また上記製造方法において他の選択的な添
加成分として使用するＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの酸化物，炭化物、窒化物、けい化
物、硼化物は、上記希土類元素の焼結促進剤の機能を促
進すると共に、結晶組織において分散強化の機能を果し
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 焼結体の機械的強度を向上させるものであ
り、特に、Ｈｆ，Ｔｉの化合物が好ましい。これらの化
合物の添加量が０．１重量％未満の場合においては添加
効果が不充分である一方、３．０重量％を超える過量と
なる場合には熱伝導率および機械的強度や電気絶縁破壊
強度の低下が起こるため、添加量は０．１〜３．０重量
％の範囲とする。特に０．２〜２重量％とすることが望
ましい。

【００３９】また上記Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の化合物は窒
化けい素焼結体を黒色系に着色し不透明性を付与する遮
光剤としても機能する。そのため、特に光によって誤動
作を生じ易い集積回路等を搭載する回路基板を製造する
場合には、上記Ｔｉ等の化合物を適正に添加し、遮光性
に優れた窒化けい素基板とすることが望ましい。

【００４０】さらに上記製造方法において、他の選択的
な添加成分としてのアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）は、前記希
土類元素の焼結促進剤の機能を助長する役目を果すもの
であり、特に加圧焼結を行なう場合に著しい効果を発揮
するものである。このＡｌ₂ Ｏ₃ の添加量が０．１重量
％未満の場合においては、より高温度での焼結が必要に
なる一方、１．０重量％を超える過量となる場合には過
量の粒界相を生成したり、または窒化けい素に固溶し始
め、熱伝導の低下が起こるため、添加量は１重量％以
下、好ましくは０．１〜０．７５重量％の範囲とする。
特に強度、熱伝導率共に良好な性能を確保するためには
添加量を０．１〜０．５重量％の範囲とすることが望ま
しい。

【００４１】また、後述するＡｌＮと併用する場合に
は、その合計添加量は１．０重量％以下にすることが望
ましい。

【００４２】さらに他の添加成分としての窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）は焼結過程における窒化けい素の蒸発な
どを抑制するとともに、上記希土類元素の焼結促進剤と
しての機能をさらに助長する役目を果すものである。

【００４３】ＡｌＮの添加量が０．１重量％未満（アル
ミナと併用する場合では０．０５重量％未満）の場合に
おいては、より高温度での焼結が必要になる一方、１．
０重量％を超える過量となる場合には過量の粒界相を生
成したり、または窒化けい素に固溶し始め、熱伝導率の
低下が起こるため、添加量は０．１〜１．０重量％の範
囲とする。特に焼結性，強度，熱伝導率共に良好な性能
を確保するためには添加量を０．１〜０．５重量％の範
囲とすることが望ましい。なお前記Ａｌ₂ Ｏ₃と併用す
る場合には、ＡｌＮの添加量は０．０５〜０．５重量％
の範囲が好ましい。

【００４４】また焼結体の気孔率は熱伝導率および強度
に大きく影響するため２．５％以下となるように製造す
る。気孔率が２．５％を超えると熱伝導の妨げとなり、
焼結体の熱伝導率が低下するとともに、焼結体の強度低
下が起こる。

【００４５】また、窒化けい素焼結体は組織的に窒化け
い素結晶と粒界相とから構成されるが、粒界相中の結晶
化合物相の割合は焼結体の熱伝導率に大きく影響し、本
発明において使用する窒化けい素焼結体においては粒界
相の２０％以上とすることが必要であり、より好ましく
は５０％以上が結晶相で占めることが望ましい。結晶相
が２０％未満では熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる
ような放熱特性に優れ、かつ高温強度に優れた焼結体が
得られないからである。

【００４６】さらに上記のように窒化けい素焼結体の気
孔率を２．５％以下にし、また窒化けい素結晶組織に形
成される粒界相の２０％以上が結晶相で占めるようにす
るためには、窒化けい素成形体を温度１８００〜２１０
０℃で２〜１０時間程度、加圧焼結し、かつ焼結操作完
了直後における焼結体の冷却速度を毎時１００℃以下に
して徐冷することが重要である。

【００４７】焼結温度を１８００℃未満とした場合に
は、焼結体の緻密化が不充分で気孔率が２．５vol%以上
になり機械的強度および熱伝導性が共に低下してしま
う。一方焼結温度が２１００℃を超えると窒化けい素成
分自体が蒸発分解し易くなる。特に加圧焼結ではなく、
常圧焼結を実施した場合には、１８００℃付近より窒化
けい素の分解蒸発が始まる。

【００４８】上記焼結操作完了直後における焼結体の冷
却速度は粒界相を結晶化させるために重要な制御因子で
あり、冷却速度が毎時１００℃を超えるような急速冷却
を実施した場合には、焼結体組織の粒界相が非結晶質
（ガラス相）となり、焼結体に生成した液相が結晶相と
して粒界相に占める割合が２０％未満となり、強度およ
び熱伝導性が共に低下してしまう。

【００４９】上記冷却速度を厳密に調整すべき温度範囲
は、所定の焼結温度（１８００〜２１００℃）から、前
記の焼結助剤の反応によって生成する液相が凝固するま
での温度範囲で充分である。ちなみに前記のような焼結
助剤を使用した場合の液相凝固点は概略１６００〜１５
００℃程度である。そして少なくとも焼結温度から上記
液相凝固温度に至るまでの焼結体の冷却速度を毎時１０
０℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは２
５℃以下に制御することにより、粒界相の２０％以上、
特に好ましくは５０％以上が結晶相になり、熱伝導率お
よび機械的強度が共に優れた焼結体が得られる。

【００５０】本発明において使用する窒化けい素基板
は、例えば以下のようなプロセスを経て製造される。す
なわち前記所定の微細粒径を有し、また不純物含有量が
少ない微細な窒化けい素粉末に対して所定量の焼結助
剤、有機バインダ等の必要な添加剤および必要に応じて
Ａｌ₂ Ｏ₃ やＡｌＮ，Ｔｉ化合物等を加えて原料混合体
を調製し、次に得られた原料混合体を成形して所定形状
の成形体を得る。原料混合体の成形法としては、汎用の
金型プレス法、ドクターブレード法のようなシート成形
法などが適用できる。上記成形操作に引き続いて、成形
体を非酸化性雰囲気中で温度６００〜８００℃、または
空気中で温度４００〜５００℃で１〜２時間加熱して、
予め添加していた有機バインダ成分を充分に除去し、脱
脂する。次に脱脂処理された成形体を窒素ガス、水素ガ
スやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で１８００
〜２１００℃の温度で所定時間雰囲気加圧焼結を行う。

【００５１】上記製法によって製造された窒化けい素焼
結体は、気孔率が２．５％以下、６０Ｗ／ｍ・Ｋ（２５
℃）以上、さらには９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有
し、また三点曲げ強度が常温で６５０ＭＰａ以上と機械
的特性にも優れている。

【００５２】なお、低熱伝導性の窒化けい素に高熱伝導
性のＳｉＣ等を添加して焼結体全体としての熱伝導率を
６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上にした窒化けい素系焼結体は本発明
の範囲には含まれない。しかしながら、熱伝導率が６０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上である窒化けい素焼結体に高熱伝導性の
ＳｉＣ等を複合させた窒化けい素系焼結体の場合には、
窒化けい素焼結体自体の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
である限り、本発明の範囲に含まれることは言うまでも
ない。

【００５３】また上記窒化けい素焼結体から成る高熱伝
導性窒化けい素基板の厚さは、回路基板として使用した
場合の要求特性に応じて種々の厚さに設定されるが、回
路層の厚さの２倍以下にすることにより、基板自体を薄
くし、一定の熱伝導率を有する基板において、回路基板
としての放熱性を高めることができる。窒化けい素基板
の厚さが回路層の厚さの２倍を超えると、回路基板全体
の厚さが増加し熱抵抗が大きくなる。窒化けい素基板の
具体的な厚さは、０．２５〜０．８mmの範囲である。特
に、この窒化けい素基板の厚さを０．５mm以下とするこ
とにより、回路基板全体の厚さを低減することができ、
回路基板の上下面間の熱抵抗差を、より効果的に減少さ
せることが可能になり、回路基板全体の放熱性を、より
改善することができる。

【００５４】本発明に係る窒化けい素回路基板は、上記
のように製造した高熱伝導性窒化けい素基板の表面に、
導電性を有する回路層を一体に接合し、さらにこの回路
層を介して複数の半導体素子を搭載して製造される。

【００５５】上記回路層の形成接合方法は、特に限定さ
れず、以下に説明する直接接合法，活性金属法またはメ
タライズ法などを適用することができる。

【００５６】直接接合法は、高熱伝導性窒化けい素基板
の表面に、厚さが０．５〜１０μｍ程度の酸化層を形成
し、この酸化層を介して、回路層となる金属回路板を上
記窒化けい素基板に直接接合する方法である。ここで上
記金属回路板は、ろう材などの接合剤を使用せずに窒化
けい素基板表面に直接的に一体に接合される。すなわ
ち、金属回路板の成分と基板成分との共晶化合物を加熱
により発生せしめ、この共晶化合物を接合剤として両部
材が接合される。なお、この直接接合法はＡｌ₂ Ｏ₃ な
どの酸化物系セラミックスについてのみ適用可能であ
り、窒化けい素基板にそのまま適用しても基板に対する
濡れ性が低いため、金属回路板の充分な接合強度が得ら
れない。

【００５７】そこで窒化けい素基板の表面に予め酸化層
を形成し、基板に対する濡れ性を高める必要がある。こ
の酸化層は上記高熱伝導性窒化けい素基板を、空気中な
どの酸化雰囲気中で温度１０００〜１４００℃程度で２
〜１５時間加熱して形成される。この酸化層の厚さが
０．５μｍ未満の場合には、上記濡れ性の改善効果が少
ない一方、１０μｍを超えるように設定しても改善効果
が飽和するとともに、却って熱伝導率が低下し易くなる
ため、酸化層の厚さは０．５〜１０μｍの範囲、より好
ましくは１〜５μｍの範囲とする。

【００５８】上記酸化層は、当初Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板成分の
酸化物であるＳｉＯ₂ のみから構成されているが、加熱
による金属回路板の接合操作時において、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基
板に焼結助剤として添加されていた希土類元素酸化物が
酸化層方向に拡散移動する結果、希土類酸化物が酸化層
中に濃縮された構成となる。例えば焼結助剤としてＹ₂
Ｏ₃ を使用した場合には加熱接合操作後の酸化層は、Ｙ
₂ Ｏ₃ を１〜２０重量％程度含有するイットリアシリケ
ートなどのＳｉＯ₂ −Ｙ₂ Ｏ₃ 化合物から構成されるよ
うになる。

【００５９】また上記金属回路板を構成する金属として
は、銅，アルミニウム，鉄，ニッケル，クロム，銀，モ
リブデン，コバルトの単体またはその合金など、基板成
分との共晶化合物を生成し、直接接合法を適用できる金
属であれば特に限定されないが、特に導電性および価格
の観点から銅，アルミニウムまたはその合金が好まし
い。

【００６０】金属回路板（回路層）の厚さは、通電容量
等を勘案して決定されるが、窒化けい素基板の厚さを
０．２５〜０．８mmの範囲とする一方、金属回路板の厚
さを０．２〜０．３mmの範囲に設定して両者を組み合せ
ると熱膨張差による変形などの影響を受けにくくなる。

【００６１】そして、金属回路板が銅回路板である場合
には、以下のように接合操作が実施される。すなわち酸
化層を形成した高熱伝導性窒化けい素基板の表面の所定
位置に、銅回路板を接触配置して基板方向に押圧した状
態で、銅の融点（１０８３℃）未満の温度で、かつ銅−
酸化銅の共晶温度（１０６５℃）以上に加熱し、生成し
たＣｕ−Ｏ共晶化合物液相を接合剤として銅回路板が高
熱伝導性窒化けい素基板表面に直接的に接合される。こ
の直接接合法は、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ：Dire
ct Bonding Copper 法）である。さらに直接接合した銅
回路板の所定位置に複数の半導体素子（Ｓｉ−チップ）
を半田接合して搭載することにより、本発明に係るＳｉ
₃ Ｎ₄ 回路基板が製造される。

【００６２】一方、金属回路板がアルミニウム回路板で
ある場合には、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板表面にＡｌ回路板を押圧
した状態でアルミニウム−けい素の共晶温度以上に加熱
し、生成したＡｌ−Ｓｉ共晶化合物を接合剤としてＡｌ
回路板がＳｉ₃ Ｎ₄ 基板表面に直接的に接合される。そ
して直接接合したＡｌ回路板の所定位置に複数の半導体
素子を半田接合して搭載することにより、本発明のＳｉ
₃ Ｎ₄ 回路基板が製造される。

【００６３】このように直接接合法を使用して金属回路
板をＳｉ₃ Ｎ₄ 基板表面に直接接合し、さらに複数の半
導体素子を金属回路板上に搭載して形成した本発明に係
るＳｉ₃ Ｎ₄ 回路基板によれば、金属回路板とＳｉ₃ Ｎ
₄ 基板との間に、接着剤やろう材のような介在物が存在
しないため、両者間の熱抵抗が小さく、金属回路板上に
設けられた半導体素子の発熱を系外に迅速に放散させる
ことが可能である。

【００６４】次に活性金属法による回路層の接合方法を
説明する。

【００６５】活性金属法では、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆおよび
Ｎｂから選択される少なくとも１種の活性金属を含有し
適切な組成比を有するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材等で窒
化けい素基板表面に、厚さ２０μｍ前後の活性金属ろう
材層を形成し、このろう材層を介して、銅回路板などの
金属回路板が接合される。活性金属は、基板に対するろ
う材の濡れ性を改善し、接合強度を高める作用を有す
る。活性金属ろう材の具体例としては、重量％で上記活
性金属を１〜１０％，Ｃｕを１５〜３５％，残部が実質
的にＡｇから成るろう材組成物が好適である。上記活性
金属ろう材層は、このろう材組成物を有機溶媒中に分散
して調製した接合用組成物ペーストを窒化けい素基板表
面にスクリーン印刷する等の方法で形成される。

【００６６】そしてスクリーン印刷した活性金属ろう材
層上に、回路層となる金属回路板を接触配置した状態
で、真空中または不活性ガス雰囲気中で、例えばＡｇ−
Ｃｕ共晶温度（７８０℃）以上で、かつ金属回路板の融
点（銅の場合は１０８３℃）以下の温度に加熱すること
により、金属回路板が活性金属ろう材層を介して窒化け
い素基板に一体に接合される。

【００６７】次に、メタライズ法による回路層の形成法
を説明する。メタライズ法では、例えばモリブデン（Ｍ
ｏ）やタングステン（Ｗ）などの高融点金属とＴｉやそ
の化合物とを主成分とするメタライズ組成物を窒化けい
素基板表面に焼き付けて、厚さ１５μｍ程度の回路層と
しての高融点金属メタライズ層を形成する方法である。
このメタライズ法により、回路層を形成する場合には、
メタライズ層表面にさらにＮｉやＡｕから成る厚さ３〜
５μｍ程度の金属めっき層を形成することが好ましい。
この金属めっき層を形成することにより、メタライズ層
の表面平滑性が改善され、半導体素子との密着性がより
改善されるとともに、半田濡れ性が向上するため、半田
を使用した半導体素子の接合強度をより高めることがで
きる。

【００６８】上記構成に係る窒化けい素回路基板によれ
ば、窒化けい素焼結体が本来的に有する高強度高靭性特
性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善した高熱伝導性窒
化けい素基板表面に回路層を一体に接合し、さらに複数
の半導体素子を搭載して形成されている。したがって、
複数の素子を搭載するために回路基板を大型に形成した
場合においても、靭性値が高いため最大たわみ量を大き
く確保することができる。そのため、アッセンブリ工程
において回路基板の締め付け割れが発生せず、回路基板
を用いた半導体装置を高い製造歩留りで量産することが
可能になる。

【００６９】さらに単一の窒化けい素基板表面に複数の
半導体素子を搭載して回路基板としているため、従来の
ように半導体素子毎に個別に回路基板を形成していた場
合と比較して、回路基板の総数を低減することが可能と
なり回路基板の実装工程を簡素化でき、半導体装置の製
造効率を高めることができる。

【００７０】また窒化けい素基板の靭性値が高いため、
熱サイクルによって基板に割れが発生することが少な
く、耐熱サイクル特性が著しく向上し、耐久性および信
頼性に優れた半導体装置を提供することができる。

【００７１】さらに従来では達成されていない高い熱伝
導率を有する窒化けい素基板を使用しているため、高出
力化および高集積化を指向する半導体素子を搭載した場
合においても、熱抵抗特性の劣化が少なく、優れた放熱
性を発揮する。

【００７２】特に窒化けい素基板自体の機械的強度が優
れているため、要求される機械的強度特性を一定とした
場合に、他のセラミックス基板を使用した場合と比較し
て基板厚さをより低減することが可能となる。この基板
厚さを低減できることから熱抵抗値をより小さくでき、
放熱特性をさらに改善することができる。また要求され
る機械的特性に対して、従来より薄い基板でも充分に対
応可能となるため、回路基板の高密度実装も可能とな
り、半導体装置をより小型化することが可能となる。

【００７３】

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

【００７４】実施例１〜３ 酸素を１．３重量％、不純物陽イオン元素としてＬｉ，
Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを
合計で０．１５重量％含有し、α相型窒化けい素９７％
を含む平均粒径０．５５μｍの窒化けい素原料粉末に対
して、焼結助剤として平均粒径０．７μｍのＹ₂ Ｏ
₃ （酸化イットリウム）粉末５重量％、平均粒径０．５
μｍのＡｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）粉末１．０重量％を添加
し、エチルアルコール中で２４時間湿式混合した後に乾
燥して原料粉末混合体を調整した。次に得られた原料粉
末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混合し
た後に、１０００kg／cm² の成形圧力でプレス成形し、
長さ８０mm×幅５０mm×厚さ１〜５mmの成形体を多数製
作した。次に得られた成形体を７００℃の雰囲気ガス中
において２時間脱脂した後に、この脱脂体を窒素ガス雰
囲気中７．５気圧にて１９００℃で６時間保持し、緻密
化焼結を実施した後に、焼結炉に付設した加熱装置への
通電量を制御して焼結炉内温度が１５００℃まで降下す
るまでの間における焼結体の冷却速度がそれぞれ５０℃
／hrとなるように調整して焼結体を冷却し、さらに得ら
れた各焼結体を研摩加工してそれぞれ熱伝導率ｋが９２
Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが０．４mm，０．６mm，０．８
mmである実施例１〜３用の窒化けい素基板を調製した。

【００７５】次に図１に示すように各窒化けい素基板２
表面の回路層を形成する部位および裏面の銅板を接合す
る部位に、３０ｗｔ％Ａｇ−６５％Ｃｕ−５％Ｔｉろう
材をスクリーン印刷し乾燥して厚さ２０μｍの活性金属
ろう材層７ａ，７ｂを形成した。この活性金属ろう材層
７ａ，７ｂの所定位置に、無酸素銅から成る厚さ０．３
mmの銅回路板４と厚さ０．２５mm値の裏銅板５とを接触
配置した状態で、真空中で温度８５０℃で１０分間保持
して接合体とした。次に各接合体をエッチング処理する
ことにより、所定回路パターン（回路層）を形成した。
さらに２ヶ所の銅回路板４の中央部にそれぞれ半導体素
子６を半田接合して実施例１〜３に係る窒化けい素回路
基板１を多数製造した。

【００７６】比較例 実施例１〜３で使用した窒化けい素基板に代えて、熱伝
導率ｋが７０Ｗ／ｍ・Ｋであり厚さが０．８mmの窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）基板を使用した以外は実施例１〜
３と同様に活性金属法によって基板表面に銅回路板およ
び裏銅板を一体に接合して比較例に係る回路基板を製造
した。

【００７７】このようにして調製した実施例１〜３およ
び比較例に係る回路基板の最大たわみ量および抗折強度
を測定したところ、実施例１〜３に係る窒化けい素回路
基板１は、従来の窒化アルミニウム基板を使用した比較
例の回路基板と比較して２倍以上の最大たわみ量と抗折
強度とを有することが判明した。また窒化けい素基板の
厚さを低減するに伴って、さらにたわみ量および抗折強
度が改善されることも確認できた。さらに基板厚さの低
減化により、熱抵抗が減少するため、回路基板全体とし
ての放熱特性をさらに改善できることも確認できた。

【００７８】上記各実施例の回路基板をアッセンブリ工
程においてボードに実装したところ、締め付け割れが発
生せず、回路基板を用いた半導体装置を高い製造歩留り
で量産することができた。また複数の半導体素子６，６
を同一の窒化けい素基板２上に一括して搭載する構造で
あるため、半導体素子毎に個別に回路基板を形成する場
合と比較して、回路基板をコンパクト化できる上に、回
路基板の装置への組み込み回数も減少し、実装性を大幅
に改善することができた。

【００７９】また各回路基板について−４５℃から室温
（ＲＴ）まで加熱し、引き続き室温から＋１２５℃まで
加熱した後に、室温を経て再び−４５℃に冷却するまで
を１サイクルとする昇温−降温サイクルを繰り返して付
加し、基板部にクラック等が発生するまでのサイクル数
を測定する耐熱サイクル試験を実施したところ、実施例
１〜３の回路基板では１０００サイクル経過後において
も、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板の割れや金属回路板（Ｃｕ回路板）
の剥離が皆無であり、優れた耐熱サイクル特性を示すこ
とが判明した。一方、比較例の回路基板においては、１
００サイクルでクラックが発生し、耐久性が低いことが
確認された。

【００８０】なお、図１に示すように裏銅板５に間隔を
おいて断面Ｖ字形の溝１０を予め形成しておくことによ
って、ヒートサイクル時における裏銅板５の膨脹収縮を
ある程度吸収することが可能となる。そのため、複数の
素子６を搭載するために広面積の窒化けい素基板２を使
用して大型の回路基板１を形成した場合においても、ヒ
ートサイクルによる熱応力の発生が少なく、回路基板１
に反りを発生することも少ない。

【００８１】実施例４ 実施例１〜３において調製したＳｉ₃ Ｎ₄ 基板であり熱
伝導率ｋが９２Ｗ／ｍ・Ｋであり厚さがそれぞれ０．４
mm，０．６mm，０．８mmである各Ｓｉ₃ Ｎ₄基板を酸化
炉中で温度１３００℃で１２時間加熱することにより、
基板の全表面を酸化し、厚さ２μｍの酸化層を形成し
た。酸化層はＳｉＯ₂ 皮膜で形成される。

【００８２】次に酸化層を形成した各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板表
面側に、厚さ０．３mmのタフピッチ電解銅から成る銅回
路板を接触配置する一方、背面側に厚さ０．２５mmのタ
フピッチ銅から成る銅回路板を裏当て材として接触配置
させて積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調整
した温度１０７５℃の加熱炉に挿入して１分間加熱する
ことにより、各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板の両面に銅回路板を直接
接合し、さらに２個の半導体素子を半田接合したＳｉ₃
Ｎ₄ 回路基板をそれぞれ調製した。

【００８３】各Ｓｉ₃ Ｎ₄ 回路基板１ａは、図２に示す
ようにＳｉ₃ Ｎ₄ 基板２の全表面にＳｉＯ₂ から成る酸
化層３が形成されており、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 基板２の表面側に
金属回路板としての銅回路板４が直接接合される一方、
背面側に裏銅板としての銅回路板５が同様に直接接合さ
れ、さらに表面側の銅回路板４の所定位置２ヶ所に図示
しない半田層を介して半導体素子６がそれぞれ一体に接
合された構造を有する。なおＳｉ₃ Ｎ₄ 基板２の両面に
銅回路板４，５を接合した場合、裏銅板としての銅回路
板５は放熱促進および反り防止に寄与するので有効であ
る。

【００８４】上記のように直接接合法によって回路層を
形成した実施例４に係るＳｉ₃ Ｎ₄回路基板の最大たわ
み量は０．７〜１．６mmの範囲であり、また抗折強度は
５５０〜９００ＭＰａの範囲であり、実施例１〜３のよ
うに活性金属法で回路層を形成した場合と同等の特性値
が得られた。また耐熱サイクル試験において１０００サ
イクル経過後においてもＳｉ₃ Ｎ₄ 基板の割れや金属回
路板の剥離が皆無であり、優れた耐熱サイクル特性を示
した。

【００８５】実施例５ 図３に示すように、実施例１〜３において調製したＳｉ
₃ Ｎ₄ 基板であり熱伝導率ｋが９２Ｗ／ｍ・Ｋであり厚
さがそれぞれ０．４mm，０．６mm，０．８mmであるＳｉ
₃ Ｎ₄ 基板２の表面に、モリブデン（Ｍｏ）と酸化チタ
ン（ＴｉＯ₂）との混合粉末に適量のバインダと溶剤と
を加えてペースト状にしたものをスクリーン印刷し、加
熱焼成して厚さ１５μｍの高融点金属メイタライズ層８
を形成した。さらにメタライズ層８の上に無電解めっき
法により厚さ３μｍのＮｉめっき層９を形成し、所定パ
ターンを有する回路層とした。次に回路層上の２ヶ所に
半導体素子６を半田付けにより接合して実施例５に係る
窒化けい素回路基板１ｂを多数製造した。

【００８６】上記のようにメタライズ法によって回路層
を形成した実施例５に係るＳｉ₃ Ｎ₄ 回路基板の最大た
わみ量は１．０〜１．８mmの範囲であり、また抗折強度
は６５０〜９５０ＭＰａの範囲であり、実施例１〜３の
ように活性金属法で回路層を形成した場合と同等の特性
値が得られた。また耐熱サイクル試験において１０００
サイクル経過後においてもＳｉ₃ Ｎ₄ 基板の割れや回路
層（メタライズ層）８の剥離が皆無であり、めっき処理
を施した回路基板においても優れた耐熱サイクル特性を
示した。

【００８７】次に種々の組成および特性値を有する他の
窒化けい素基板を使用した回路基板の実施形態について
以下に示す実施例６を参照して具体的に説明する。

【００８８】実施例６ まず回路基板の構成材となる各種窒化けい素基板を以下
の手順で製造した。

【００８９】すなわち酸素を１．３重量％、前記不純物
陽イオン元素を合計で０．１５重量％含有し、α相型窒
化けい素９７％を含む平均粒径０．５５μｍの窒化けい
素原料粉末に対して、表１〜３に示すように、焼結助剤
としてのＹ₂ Ｏ₃ ，Ｈｏ₂ Ｏ₃ などの希土類酸化物と、
必要に応じてＴｉ，Ｈｆ化合物，Ａｌ₂ Ｏ₃粉末，Ａｌ
Ｎ粉末とを添加し、エチルアルコール中で窒化けい素製
ボールを用いて７２時間湿式混合した後に乾燥して原料
粉末混合体をそれぞれ調整した。次に得られた各原料粉
末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混合し
た後に、１０００kg／cm² の成形圧力でプレス成形し、
各種組成を有する成形体を多数製作した。次に得られた
各成形体を７００℃の雰囲気ガス中において２時間脱脂
した後に、この脱脂体を表１〜３に示す焼結条件で緻密
化焼結を実施した後に、焼結炉に付設した加熱装置への
通電量を制御して焼結炉内温度が１５００℃まで降下す
るまでの間における焼結体の冷却速度がそれぞれ表１〜
３に示す値となるように調整して焼結体を冷却し、それ
ぞれ試料１〜５１に係る窒化けい素焼結体を調製した。

【００９０】こうして得た試料１〜５１に係る各窒化け
い素焼結体について気孔率、熱伝導率（２５℃）、室温
での三点曲げ強度の平均値を測定した。さらに、各焼結
体についてＸ線回折法によって粒界相に占める結晶相の
割合（面積比）を測定し、下記表１〜３に示す結果を得
た。

【００９１】

【表１】

【００９２】

【表２】

【００９３】

【表３】

【００９４】表１〜３に示す結果から明らかなように試
料１〜５１に係る窒化けい素焼結体においては、原料組
成を適正に制御し、従来例と比較して緻密化焼結完了直
後における焼結体の冷却速度を従来より低く設定してい
るため、粒界相に結晶相を含み、結晶相の占める割合が
高い程、高熱伝導率を有する放熱性の高い高強度窒化け
い素焼結体が得られた。

【００９５】これに対して酸素を１．３〜１．５重量
％，前記不純物陽イオン元素を合計で０．１３〜０．１
６重量％含有し、α相型窒化けい素を９３％含む平均粒
径０．６０μｍの窒化けい素原料粉末を用い、この窒化
けい素粉末に対してＹ₂ Ｏ₃ （酸化イットリウム）粉末
を３〜６重量と、アルミナ粉末を１．３〜１．６重量％
添加した原料粉末を成形，脱脂後、１９００℃で６時間
焼結し、炉冷（冷却速度：毎時４００℃）して得た焼結
体の熱伝導率は２５〜２８Ｗ／ｍ・Ｋと低く、従来の一
般的な製法によって製造された窒化けい素焼結体の熱伝
導率に近い値になった。

【００９６】次に得られた試料１〜５１に係る各窒化け
い素焼結体を研磨加工することにより、実施例１〜５と
同様に、厚さ０．４mm，０．６mm，０．８mmの窒化けい
素基板をそれぞれ調製した。次に調製した各窒化けい素
基板の表面に、実施例１〜３と同様に活性金属法を使用
して銅回路板等を一体に接合することにより図１に示す
ような実施例６に係る窒化けい素回路基板をそれぞれ調
製した。

【００９７】また各窒化けい素基板の表面に、実施例４
と同様にＤＢＣ法を使用して銅回路板等を直接接合する
ことにより、図２に示すような実施例６に係る窒化けい
素回路基板をそれぞれ調製した。

【００９８】さらに各窒化けい素基板の表面に、実施例
５と同様にメタライズ法を使用して回路層を形成するこ
とにより、図３に示すような実施例６に係る窒化けい素
回路基板をそれぞれ調製した。

【００９９】上記のように活性金属法，ＤＢＣ法，メタ
ライズ法によって回路層を形成した実施例６に係る各Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ 回路基板の最大たわみ量，抗折強度は実施例１
〜５と同等以上であり、また耐熱サイクル試験において
１０００サイクル経過後においてもＳｉ₃ Ｎ₄ 基板の割
れや回路層の剥離は皆無であり、優れた耐熱サイクル特
性が得られた。

【０１００】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る窒化けい
素回路基板によれば、窒化けい素焼結体が本来的に有す
る高強度高靭性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善
した高熱伝導性窒化けい素基板表面に回路層を一体に接
合し、さらに複数の半導体素子を搭載して形成されてい
る。したがって、複数の素子を搭載するために回路基板
を大型に形成した場合においても、靭性値が高いため最
大たわみ量を大きく確保することができる。そのため、
アッセンブリ工程において回路基板の締め付け割れが発
生せず、回路基板を用いた半導体装置を高い製造歩留り
で量産することが可能になる。

【０１０１】さらに１枚の窒化けい素基板表面に複数の
半導体素子を搭載して回路基板としているため、従来の
ように半導体素子毎に個別に回路基板を形成していた場
合と比較して、回路基板の総数を低減することが可能と
なり回路基板の実装工程を簡素化でき、半導体装置の製
造効率を高めることができる。

【０１０２】また窒化けい素基板の靭性値が高いため、
熱サイクルによって基板に割れが発生することが少な
く、耐熱サイクル特性が著しく向上し、耐久性および信
頼性に優れた半導体装置を提供することができる。

【０１０３】さらに従来では達成されていない高い熱伝
導率を有する窒化けい素基板を使用しているため、高出
力化および高集積化を指向する半導体素子を搭載した場
合においても、熱抵抗特性の劣化が少なく、優れた放熱
性を発揮する。

【０１０４】特に窒化けい素基板自体の機械的強度が優
れているため、要求される機械的強度特性を一定とした
場合に、他のセラミックス基板を使用した場合と比較し
て基板厚さをより低減することが可能となる。この基板
厚さを低減できることから熱抵抗値をより小さくでき、
放熱特性をさらに改善することができる。また要求され
る機械的特性に対して、従来より薄い基板でも充分に対
応可能となるため、回路基板の高密度実装も可能とな
り、半導体装置をより小型化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る窒化けい素回路基板の一実施例を
示す断面図。

【図２】本発明に係る窒化けい素回路基板の他の実施例
を示す断面図。

【図３】メタライズ法によって回路層を形成した回路基
板の断面図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ 窒化けい素回路基板（Ｓｉ₃ Ｎ₄ 回路
基板） ２ 窒化けい素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）基板 ３ 酸化層（ＳｉＯ₂ 皮膜） ４ 金属回路板（Ｃｕ回路板），回路層 ５ 金属回路板（裏銅板） ６ 半導体素子（チップ） ７ａ，７ｂ 活性金属ろう材層 ８ 高融点金属メタライズ層 ９ 金属めっき層（Ｎｉめっき層） １０ 溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 通泰 神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４ 株 式会社東芝 京浜事業所内 (72)発明者 水野谷 信幸 神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４ 株 式会社東芝 京浜事業所内

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 希土類元素を酸化物に換算して２．０〜
   １７．５重量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎ
   ａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合
   計で０．３重量％以下含有し、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・
   Ｋ以上である高熱伝導性窒化けい素基板に回路層を接合
   した回路基板であり、上記高熱伝導性窒化けい素基板上
   に回路層を介して複数の半導体素子を搭載したことを特
   徴とする窒化けい素回路基板。
2. 【請求項２】 希土類元素を酸化物に換算して２．０〜
   １７．５重量％、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎ
   ａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合
   計で０．３重量％以下含有し、窒化けい素結晶および粒
   界相から成るとともに粒界相中における結晶化合物相の
   粒界相全体に対する割合が２０％以上であり、熱伝導率
   が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導性窒化けい素基板
   に回路層を接合した回路基板であり、上記高熱伝導性窒
   化けい素基板上に回路層を介して複数の半導体素子を搭
   載したことを特徴とする窒化けい素回路基板。
3. 【請求項３】 高熱伝導性窒化けい素基板は、窒化けい
   素結晶および粒界相から成るとともに粒界相中における
   結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が５０％以上で
   ある窒化けい素焼結体から成ることを特徴とする請求項
   ２記載の窒化けい素回路基板。
4. 【請求項４】 高熱伝導性窒化けい素基板の三点曲げ強
   度が６５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１
   記載の窒化けい素回路基板。
5. 【請求項５】 高熱伝導性窒化けい素基板の厚さが回路
   層の厚さの２倍以下であることを特徴とする請求項１記
   載の窒化けい素回路基板。
6. 【請求項６】 高熱伝導性窒化けい素基板の熱伝導率が
   ９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記
   載の窒化けい素回路基板。
7. 【請求項７】 回路層が金属回路板であり、この金属回
   路板が表面に酸化層を有する高熱伝導性窒化けい素基板
   上に接合されていることを特徴とする請求項１記載の窒
   化けい素回路基板。
8. 【請求項８】 回路層が金属回路板であり、Ｔｉ，Ｚ
   ｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活
   性金属を含有する活性金属ろう材層を介して上記金属回
   路板が高熱伝導性窒化けい素基板上に接合されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の窒化けい素回路基板。
9. 【請求項９】 回路層は高融点金属メタライズ層から成
   ることを特徴とする請求項１記載の窒化けい素回路基
   板。