WO1996029736A1

WO1996029736A1 - Silicon nitride circuit substrate

Info

Publication number: WO1996029736A1
Application number: PCT/JP1996/000723
Authority: WO
Inventors: Kazuo Ikeda; Hiroshi Komorita; Yoshitoshi Sato; Michiyasu Komatsu; Nobuyuki Mizunoya
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1996-09-26
Also published as: US5928768A; EP0999589B1; CN1145693A; CN1139117C; EP0999589B2; US5998000A; KR100232660B1; EP0999589A2; US6040039A; EP0999589A3

Description

明細書窒化けい素回路基板技術分野

本発明は半導体装匿等に使用される窒化け L、素回路基板に係り、特に放熱特性および ^«的強度を同時に改善し耐熱サイクル特性を向上させた窒化けい素回路基板に関する。

また本発明においては、高強度で熱伝導率が 6 OW/m · K以上の窒化けい素基板を使用して回路基板の改良を図っており、厚さが薄い回路基板を形成することを可能にしている。そして回路基板を薄くすることにより、小型で高精度の回路基板が得られ、原料コストの低減も図っている。また回路基板の最大たわみ量および抗折強度も従来と比較して大幅に高められる。そのため、回路基板を半導体装置等に組み込む際に破損が起こりにくく、半導体装置の製造歩留りを大幅に向上させることができる。さらに上記のような高強度で放熱性に優れた高熱伝導性窒化け ^、素基板を適用することにより、複数の半導体素子を搭載できる高熱量型で広面積型の回路基板（例えば M C M： multi-chip module) を製造することも可能となる。背景技術

従来からアルミナ（A 1 ₂ O ) 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。

—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 1 0 0 0て以上の高温度環境下でも侵れた耐熱性を有し、かつ耐熱衝擎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用構造材料としてガスタービン部品、ェンジン用部品、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。また、金属に対する耐食性が優れていることから溶融金属の耐溶材料としての応用も試みられ、さらに耐摩耗性も優れていることから、軸受等の摺動部材，切削工具への実用化も図られている。

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ツトリウム（Y₂ 0₃ ) , 酸化セリウム（C e O) ，酸化カルシゥム（C a O) などの希土類元素あるいはアルカリ土 ¾ ΰ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ィ匕 ·高強度化が図られている。

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 1 6 0 0〜2 0 0 0て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。

しかしながら、上記従来方法によつ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（A 1 N) 焼結体、酸化ベリリウム（B e O) 焼結体や炭化けい素（S i C) 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、用途範囲が狭いがあった。

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^^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。しかしな力ら、 A 1 N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つて半導体装置の製造効率が低下する問題点があつた。

すなわち、上記窒化ァルミニゥ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、アツセンプリ工程にて実装ボートにねじ止め等により固定しょうとすると、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。

このため、特に基板面積が大きい大型の回路基板を形成することが困難であり、半導体装置を組み立てる際には、通常、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こととなるため、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つた。

したがって、回路基板においても、外力に耐える高特性と、高靭性特性と、高出力化，高発熱量化に対応できる優れた放熱特性とを兼ね備えたものが要請されている。

また上記のような窒化アルミニゥム基板表面に金属回路層および半導体素子などの発熱部品を一体に接合して形成した回路基板においては、窒化アルミニゥム基板自体の機械的強度および靭性が不充分であつたため、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 L、という問題点があつた。

さらに窒化アルミニウムのように熱伝導率が大きいセラミックス基板を使用して回路基板を製造した場合においても、ある程度の強度値および絶縁耐性を確保するために、厚さが大きい窒化アルミニウム基板を用いる必要があった。そのため、 A 1 N基板の高い熱伝導率にも拘らず、回路基板全体としての熱抵抗値が増加することになり、熱伝導率に比例した放熱性が得られないという問題点があつた。

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した窒化け、素回路基板を提供することを目的とする。

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、半導体装置へのァッセンプリ工程における実装性を改善した窒化け L、素回路基板を提供することを他の目的とする。発明の開示

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、回路基板のァッセンプ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、高 L、熱伝導率を有する窒化け 1<、素焼結体が得られたこと、この窒化けい素焼結体を基板材料として使用し、基板表面に金属回路板などの回路層を一体に形成するとともに、基板の厚さを金属回路板の厚さに対して所定比率以下に設定して回路基板とした場合でも、アッセンプ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、特に基板の厚さを低減できるために回路基板の放熱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。また本発明の回路基板はたわみ量ゃ抗折強度も窒化アルミ二ゥム等の回路基板に比べ非常に大きな値を有する。

—方、基板材料自体に関して、本発明者らは、従来使用されていた窆化けい素粉末の種類、焼結助剤や添加物の種 ¾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板を一体に接合して回路基板を製造したときに、機械的 ¾¾、靭性値、耐熱サイクル特性および放熱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。

さらに複数の半導体素子を同一基板上に搭載して大¾¾の回路基板を製造した場合においても、上記特性に加えて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。

基板材料自体に関しては、微細で高純度を有する窒化け L、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 6 0 WZm * K以上と大きく向上し、かつ常温（2 5て）における三点曲げ強度が 6 5 0 M P a以上となるような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、本発明の回路基板として適用したときに、優れた放熱特性と耐久性と耐熱サイクル特性とを同時に改善できること力判明した。

ここで、本発明に関する窒化けい素焼結体について述べると、酸素や高熱伝導化を阻害する L i , a , K， F e， C a , M g , S r , B a , M n , Bという特定の不純物陽ィォ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を 2 0体積％ 1± (粒界相全体に対し）、より好ましくは 5 0体積％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 6 OW/m · K以上、さらに好ましくは 8 0 WZm · 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。

また、従来、焼^作終了後に焼成炉の加熱用電源を O F Fとして焼結体を炉冷していた場合には、冷却速度が毎時 4 0 0〜8 0 0 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 1 0 0て以下、好ましくは毎時 5 0て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力 <非結晶質状態から結晶相を含む相に変化し、高特性と高伝熱特性とが同時にされること力判明した。

このような熱伝導率が 6 O W/m · KiiLhの高熱伝導性窒化けい素焼結体自体は、その一部力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 - 1 3 5 7 7 1号公報および特開平 7— 4 8 1 7 4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。本発明に用いる窒化けい素焼結体自体は、この窒化けい素焼結体を含むものである力、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、焼結性も良好であるため、 7. 5重量％を超えたものを用いることが好ましい。特に希土類元素がランタノィ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、この場合、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 6 0〜 7 0 %である場合においても、焼結体は 1 1 0〜1 2 O W/m · K以上の高熱伝導率を達成することができる。しかしな力ら、この新規な窒化けい素焼結体の熱伝導率自体は高いといっても、現在、実用化されている高品質な窒化アルミニウムの熱伝導率（1 7 0〜2 7 0 WZm * K) と比較すると相対的には多少低い値である。しかし、窒化けい素焼結体が本来的に有している高強度高靭性特性は損われていない。

そこで、回路基板の部位毎の要求特性を考慮し、例えば高強度特性が '£ とされる回路基板の部位には上記窒化け t、素焼結体を配置する一方で、半導体素子の搭載直下部など特に放熱性力要求される部位には、高熱伝導性を有する A 1 N焼結体を配置することによって複合化した基板を製造することもできる。また窒化けい素焼結体と A 1 N焼結体とを積層して複合化した基板を製造することもできる。

また、高強度特性および高伝熱を共に満足する窒化けヽ素焼結体を基板材料とし、金属回路板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プリ工程における締め付け割れゃ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力《判明した。

特に上記窒化けい素焼結体は、高強度特性と高熱伝導性とに加えて、優れた絶縁耐性を有しているため、回路基板の基板材料とした場合に、基板厚さを従来と比較して薄く形成することができた。そして基板厚さの減少により回路基板全体の熱抵抗を低減でき、基板材料自体の高熱伝導性にも起因して回路基板の放熱性を相乗的に改善できることが判明しここで、この窒化けい素焼結体を基板材料とした場合、たとえ金属回路板として酸素を 1 0 0〜1 0 0 0 p p m含有するタフピッチ電解銅を使用しても、あるいは表面酸化層を形成した銅を使用しても、接合することは困難であった。原理的には例えば特開昭 5 2— 3 7 9 1 4号公報に記載されているように、所定温度での加熱により共晶融体が生成し接合されるはずであるが、実際には接合されない。

この課題に対して本発明者は、接合が不可能となる原因は、直接接合時に所定温度（銅の場合 1 0 6 5 〜 1 0 8 3 ）での加熟により共晶融体は^^されるが、この生成した共晶融体と上記窒化けい素焼結体との濡れ性が悪いためであると考えた。

このような見地から、共晶融体と上記窒化け Lゝ素焼結体との加熱時の濡れ性を改善するために、上記窒化けい素焼結体（基板）の表面に予め厚さが 0. 5〜1 0 mの酸化物層を形成した後、酸素を 1 0 0〜1 0 O O p p m含有するタフピッチ電解鋦、あるいは表面に酸化物層を形成した鋦等と所定^での加熱により直接接合を可能としたのである。この場合、上記窒化けい素基板表面に酸化物層を形成するのみでも直 ^合は可能である力金属回路板がたとえ酸素を 1 0 0〜1 0 0 0 P P m含有するタフピッチ電解鋦であつても、銅回路板表面にも所定厚さの酸化鋦層を予め形成しておくことによって、窒化けい素基板と鋦回路板との接合強度がさらに改善され、回路基板の耐久性がより向上することが判明した。

また、窒化けい素基板の表面が平滑であるよりも、ブラスト処理等を実施して中心線平均粗さ（R a ) が 5. 0〜1 0. 0 / mの範囲となるように粗面化加工した場合の方力基板と金属回路板との接合強度が増加するため好ましい。

本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。すなわち本願の第 1の発明に係る窒化けい素回路基板は、熱伝導率が 6 O W/m · K以上で三点曲げ強度（常温）が 6 5 O M P a以上である高熱伝導性窒化けい素基板上に金属回路板を接合してなる窒化けい素回路基板において、上記高熱伝導性窒化けい素基板の厚さを D_s，金属回路板の厚さを D_M としたときに関係式 D_s≤2 D_M を満たすことを特徴とする。

また高熱伝導性窒化けい素基板上に T i , Z r , H f および N bから選択される少なくとも 1種の活性金属を含有する金属接合層を介して金属回路板を接合してもよい。または、上記高熱伝導性窒化けい素基板上に、酸化層を介して金属回路板を直接接合してもよい。

なお上記窒化け t、素回路基板において、高熱伝導性窒化け L、素基板の厚さ D_sおよび金属回路板の厚さ D_Mが関係式 D„ ≤D_S ≤ ( 5 / 3 ) D_M を満たすと更に好ましい。

また本願の第 2の発明に係る窒化けい素回路基板は、熱伝導率が 6 0 W/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板に回路層を一体に接合した回路基板であり、回路基板を 5 0咖の支持間隔で^した状態で中央部に荷重を付加したときに窒化けい素基板力破断に至るまでの最大たわみ量が 0. 6 mm以上であることを特徴とする。

また本願の第 3の発明に係る窒化けい素回路基板は、熱伝導率が 6 0 W/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板に回路層を一体に接合した回路基板であり、回路基板を 5 Ommの支持間隔で保持した状態で抗折試験を実施したときに抗折強度が 5 0 0 M P a であることを特徴とする。

さらに高熱伝導性窒化けい素基板の厚さは 0. 8 mm以下、さらに好ましくは 0. 5 mm以下に設定するとよい。また回路層が銅回路板であり、この鋦回路板が C u - 0共晶化合物によって窒化けい素基板に直接接合により接合することができる。さらに回路層が銅回路板であり、 T i， Z r , H f および N b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銅回路板が窒化け ί、素基板に接合されるように接合してもよい。また回路層は Wあるいは M oに T i , Z r， H f および N bから選択される少なくとも 1種の活性金属を含有する高 it ^金属メタライズ履から構成してもよい。

また本発明に関する高熱伝導性窒ィ匕けい素基板は、希土類元素を酸化物に換算して 2. 0〜17. 5重量％、不純物陽イオン元素としての L i, N a, K, Fe, C a, Mg, S r, B a, Mn, Bを合計で 0. 3重量％以下含有する窒化けい素焼結体であることを特徴とする。

さらに別の表現で示すと、本発明に関する高熱伝導性窒化けい素基板は、希; ±Ji元素を酸化物に換算して 2. 0〜17. 5fi*%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 ■の粒界相全体に対する割合が 20 である窒化け、素焼結体とも表現することができる。

さらに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%以上である窒ィ匕けい素焼結体であることがさらに好ましい。本願の第 4の発明に係る窒化けい素回路基板は、希: [^元素を酸化物に換算して 2. 0〜17. 5Sfi%、不純物陽イオン元素としての L i, Na, K， Fe， C a, Mg, S r, B a, Mn, Bを合計で 0. 3重量％以下含有し、熱伝導率が 6 OW/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板の表面に、厚さが 0. 5〜10 mの酸化物層が形成され、この酸化物層を介して金属回路板力让記窒化けい素基板に直接接合されていることを特徴とする。

また本願の第 4の発明に係る窒化けい素回路基板を高熱伝導性窒化け、素基板に関し換言すれば、窒化けい素粒子および粒界相により構成され、拉界相中における結晶化合物相が粒界相全体に対する割合で 20% m±を占め、熱伝導率が 6 OW/m · K¾±である高熱伝導性窒化けい素基板の表面に、厚さが 0. 5〜1 O/zmの酸化物層が形成さこの酸化物層を介して金属回路板力上記窒化けい素基板に直接接合されていることを特徴とすると定義することができる。

さらに、金属回路板は、たとえ酸素を 100〜1000 p pm含有するタフピッチ電解銅であっても表面に厚さ 1. 0 //miLhの酸化銅牖を有する銅回路板であることが接合を向上させるために好ましい。

ここで、金属回路板が銅回路板である場合、直接接合法における結合剤は酸素力望ましいので、この銅回路板は C u— 0共晶化合物により窒化けい素基板に接合されることになる。さらに金属回路板がアルミニゥム回路板である場合、直接接合法における結合剤はアルミニウム力く好ましいので、このアルミニウム回路板は A 1一 S i共晶化合物により窒化けい素基板に接合されていること力《好ましい。

本願の第 5の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〜： L 7. 5重量％、不純物陽イオン元素としての L i， N a, K, Fe, C a, Mg, S r， B a, Mn, Bを合計で 0. 3重量％以下含有し、熱伝導率が 6 OW/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、、素基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。

また本願第 5の発明に係る窒化けい素回路基板を高熱伝導性窒化けい素基板に関し換言すれば、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 L i， Na， K， Fe, C a, Mg, S r, 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 6 OWZm • K以上である高熱伝導性窒化けい素基板に回路雇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と定義することができる。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 - 1 7. 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 5 0 %以上である窒化け L、素焼結体であること力 <好ましい。

本願の第 6の発明に係る複合型窒化けい素回路基板は、熱伝導率が 6 O W/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板と窒化アルミニウム基板とを同一平面上に配置し、前記高熱伝導性窒化け L、素基板および前記窒化ァルミニゥム基板の表面に形成した酸化層を介して金属回路板を接合したことを特徴とする。

また高熱伝導性窒化けい素基板および窒化アルミニゥム基板の裏面に形成した酸化層を介して金属板を接合するとよい。さらに金属板は酸化層を介して高熱伝導性窒化け L、素基板および窒化ァルミニゥム基板の両方に亘つて直接接合するとよい。

すなわち、本発明の複合型窒化けい素回路基板は、熱伝導性に優れる窒ィヒアルミニウム基板と、高高靭性の窒化けい素基板とを組合せることによって、両者の特徴を兼ね備えた複合型窒化け L、素回路基板を得ることを可能にしたものである。窒化け L、素基板および窒化アルミ二ゥム基板の配置形態は大別して 2種類に分かれる。すなわち、同一平面上に両基板を隣接して配置する形態と、両基板を積層してサンドィツチ構造を有する配置形態とがあるが、要求特性に応じて上記両形態を併用してもよい。

例えば、高強度 ·高靭性の窒化けい素基板を熱伝導性に優れる窒化ァルミニゥム基板の表面部側に配置し、機械的圧力や機械的応力等が直接作用する表面部を高強度 ·高靭性の窒化けい素基板で構成することによつて、アッセンプリ工程での締め付け割れや熱サイクルの付加に伴うクラック発生等を抑制すること力 <可能となる。また、熱伝導性に関しては窒化アルミニゥム基板が担うため、高熱伝導性を維持することができる。さらに本願の第 6の発明に係る複合型窒化けい素回路基板は、活性金属を含有する金属接合層により接合する場合には、熱伝導率が 6 0 WZ m · KJiLhである高熱伝導性窒化けい素基板と窒化アルミニウム基板とを同一平面上に配置し、前記高熱伝導性窒化けい素基板および前記窒化アルミニウム基板の表面に形成した T i , Z r , H f および N bから選択される少なくとも 1種の活性金属を含有する金属接合層を介して金属回路板を接合してなることを特徵とすると表わすことができる。

また高熱伝導性窒化けい素基板および窒化アルミニゥム基板の裏面に形成した金属接合層を介して金属板を接合するとよい。さらに金属回路板の厚さを金厲板の厚さより大きく設定するとよい。また金属板は金属接合層を介して高熱伝導性窒化け t、素基板および窒化アルミ二ゥム基板の両方に亘つて接合される。さらに少なくとも 1枚の金属回路板が金属接合層を介して高熱伝導性窒化けい素基板および窒化アルミニゥム基板の両方に亘つて接合されるように構成するとよい。

また本願の第 7の発明に係る複合型窒化けい素回路基板は、熱伝導率が 6 O W/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板と窒化アルミ二ゥム基板とを積層して成り、前記窒化アルミニウム基板は、前記窒化けい素基板により^されるとともに、 T i， Z r， H f ぉょびN bから選択される少なくとも 1種の活性金属を含有する金属接合層を介して接合されていることを特徴とする。

ここで上記窒化ァルミニゥム基板と窒化け L、素基板とは、前記金属板の接合方法と同様に、活性金属接合法，ガラス接合法や直接接合法により一体に接合される。また窒化アルミニウム基板は高熱伝導性窒化け、素基板より厚く形成するとよい。

窒化け t、素基板と金属回路板との接合方法としては、ろう材などの接合剤を使用せず、窒化けい素基板表面に酸化雇を形成後、金属回路板を直接接合する方法でもよい。例えば金属回路板が鋦回路板の場合には、酸素を 100〜1000 P pm程度含有するタフピッチ電解銅が使用され、銅と酸化銅との共晶化合物により接合界面にお L、て両部材が直接的に接合される（DBC法）。即ち、 DBC法においては、共晶化合物を形成するために必要な酸素を含有したタフピッチ電解銅が使用することが望ましい。

—方、他の接合方法として、窒化けい素基板の表面に酸化層を形成せず、活性金属を含有する金属接合層を接合剤として使用して窒化けい素基板と金属回路板とを接合する方法でもよい。この場合の金属回路板は酸素を含む必要がなく、無酸素銅ゃリン酸鋦や電解銅で形成したものが使用される。

なお、上記希 ±1 ^元素としてランタノィド系列の元素を使用することが、窒化けい素基板の熱伝導率を向上させるために特に好ましい。また、高熱伝導性窒化けい素基板が窒化アルミニウムおよびアルミナの少なくとも一方を 1. 0重量％以下含有するように構成してもよい。さらにアルミナを 1. 0重量％以下と窒化アルミニウムを 1. 0重量％以下とを併用してもよい。

また本発明で使用する高熱伝導性窒化けい素基板は、 T i, Z r, H f , V, Nb, Ta, C r, 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 T i， Z r， H f , V, Nb, T a, C r, 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 L、素粉末に添加することにより含有させることができる。

本発明で使用する高熱伝導性窒化けい素基板は、例えば以下の方法で丄 5 製造される。すなわち、酸素を 1. 7重量％以下、不純物陽イオン元素としての L i， N a, K， Fe, C a, Mg, S r, B a, 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. 0 m以下の窒化けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換箅して 2. 0-17. 5重量％と、必要に応じてアルミナおよび窒化ァルミ二ゥムの少なくとも一方を 1. 0重量％以下とを添加した原料混合体を成形して成形体を調製し、得られた成形体を脱脂後、温度 1800 〜2100てで棼囲気加圧焼結し、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て以下にして徐冷する。

さらに上記製造方法において、窒化けい素粉末に、さらに T i , Z r, H f , V, Nb, Ta, C r， Mo, Wの酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、砌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％添加してもよい。

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力形成さ気孔率が 2. 5%以下、熱伝導率が 6 OW/m · K 以上、三点曲げ強度が室温で 65 OMP a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 Lヽ素焼結体が得られる。

本発明にお t、て使用される高熱伝導性窒化け L、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％、 L i, N a, K, Fe, Mg, C a, S r, B a, Mn, Bなどの不純物陽ィォ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％以下に抑制されたな相型窒化けい素を 90重量％以上、好ましくは 93重量％以上含有し、平均粒径が 1. 0 m以下、好ましくは 0. 4〜 0. 8 m程度の微細な窒化けい素粉末を使用することができる。平均粒径が 1. 0 / m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つても気孔率が 2. 5 %以下の緻密な焼結体を形成すること力可能であり、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。

また L i, N a, K, F e, C a, Mg， S r, B a, 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、 6 OW/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 %以下とすること力《、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 F e， 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ィォン元素の合計含有量の目安となる。

さらに、）3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。

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, E r， Yb, Y, La, S c, P r, Ce， N d, Dy, S m， Gdなどの酸化物もしくは焼^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 0. ) ，酸化エルビウム（E r₂ 0 3 ) が好ましい。

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, E r， Y b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、 1 850°C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。したがつ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。

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. 0〜1 7. 5«1%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: iJS元素がランタノィド系元素のように原子量が大きい元素の場合には、低強度で低熱伝導率の焼結体力形成される。一方、添加量が 1 Ί. 5SS%を超える過量となると、過量の粒界相が^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 0

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 T i , Z r, Hi, V, Nb, Ta, C r, 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 S i₃ N₄焼結体の的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. 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観的強度や電気絶縁破壌強度の低下力《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％とすること力望ましい。

また上記 T i, Z r, H f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、特に光によつ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 T i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。

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（A 1 ₂ 0₃ ) 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 L、効果を発揮するものである。この A 1ゥ 0₃ の添加量が 0. 1重量％未満の場合においては、緻密化が不十分となる一方、 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. 7 5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. 6重量％の範囲とすることが望ましい。

また、後述する A 1 Nと併用する場合には、その合計添加量は 1. 0 fiS%以下にすることが望ましい。

さらに他の添加成分としての窒化アルミニウム（A 1 N) 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。

A 1 N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. 0 5重量％未満）の場台においては、緻密化が不十分となり易い一方、 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 A l ₂ 0₃ と併用する場合には、 A 1 Nの添加量は 0. 0 5〜0. 5重量％の範囲が好ましい。

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、好ましくは 0. 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。丄 g また、窒化けい素焼結体は組織的に窒化けい素結晶と拉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される高熱伝導性窒化け t、素基板にお Lヽては、粒界相の 2 0 %以上とすることが必要であり、より好ましくは 5 0 %以上が結晶相で占めることが望ましい。結晶相が 2 0 %未満では熱伝導率が 6 O W/m · KRJi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。

さらに上記のように窒化けい素基板の気孔率を 2. 5 %以下にし、また窒化けい素結晶組織に形成される粒界相の 2 0 %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 1 8 0 0〜2 1 0 0 で 2〜1 0時間 ¾¾、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 1 0 0て以下にして徐冷すること力重要である。焼結温度を 1 8 0 0 未満とした場合には、焼結体の緻密化か充分で気孔率が 2. 5 vol¾ 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 2 1 0 0てを超えると窒化けい素^自体力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、 1 8 0 0 付近より窒化けい素の分解蒸発が始まる。

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 1 0 0て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力結晶相として粒界相に占める割合が 2 0 %未満となり、強度および熱伝導性が共に低下してしまう。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 ( 1 8

0 0〜2 1 0 0 °C) から、前記の焼結助剤の反応によって生成する液相力く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 1 6 0 0〜1 5 0 0 程度である c 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 1 0 0 以下、好ましくは 5 0 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 2 0 %以上、特に好ましくは 5 0 %以上力結晶相になり、熱伝導率および機械的強度が共に優れた窒化け L、素基板が得られる。

本発明において使用する高熱伝導性窒化け t、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 A 1 _Q 0₃ や A 1 N, T i , Z r , H f 等の化合物を加えて原料混合体を調整し、次に得られた原料混合体を成形して所定形状の成形体を得る。原料混合体の成形法としては、汎用の金型プレス法、ドクターブレード法のようなシ一ト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 6 0 0 〜8 0 0 、または空気中で '¾^ 4 0 0〜5 0 0 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、水素ガスゃアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で 1 8 0 0〜2 1 0 0 °Cの温度で所定時間雰囲気加圧焼結を Π"う。

上記製法によつて製造された高熱伝導性窒化け t、素基板は気孔率が 2. 5 %以下、 6 O W/m · K ( 2 5 °C) 以上、さらには 1 0 OW/m · K 以上の熱伝導率を有し、また三点曲げ強度が常温で 6 5 0 M P a以上、さらには 8 0 O M P a以上と m¾的特性にも優れている。

なお、通常の低熱伝導性の窒化けい素に高熱伝導性の S i C等を添加して焼結体全体としての熱伝導率を 6 OW/m · K以上にした窒化けい素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 6 ₂ ^

Ο Ψ/m · K以上である窒化けい素焼結体に高熱伝導性の S i C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 6 O WZm · 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。

また上記高熱伝導性窒化けい素基板の厚さ D_s 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力本発明では金属回路板の厚さを D_M としたときに、関係式 D_s ≤2 D_M を満たすものとする。すなわち、高熱伝導性窒化けい素基板の厚さ D_s は金属回路板の厚さの 2倍以下とする。窒化けい素基板の厚さ Ε)_Λが金属回路板の厚さ D_M の 2倍以下とすることにより、特定の熱伝導率を有する窒化けい素基板の熱抵抗を小さくし、ひいては回路基板全体の熱抵抗を小さくすることができる。なお高熱伝導性窒化けい素基板の厚さおよび金属回路板の厚さ D_Mが、関係式 D„ ≤Ώ_$ ≤ ( 5 / 3 ) D_M を満たすようにすることにより、セラミックス回路基板としての特性および放熱性を同時に満足することができるので、さらに好ましい。

また上記窒ィ匕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力、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。

この場合の高熱伝導性窒化けい素基板の具体的な厚さは、 0 . 2 5〜 0 . 8 mmの範囲である。特に、この窒化けい素基板の厚さを 0. 5 mm以下、好ましくは 0 . 4 mm以下に設定することにより、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 T®間の熱抵抗差を、より効果的に減少させることカ^！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。但し、基板としての強度特性を確保するため、高熱伝導性窒化けい素基板についても、厚さ D_s は金厲回路板の厚さ D _M以上であること力望ましい。

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、導電性を有する金属回路板などの回路雇を一体に接合形成し、さらにこの金属回路に半導体素子を搭載して製造される。

上記金属回路板などの回路層の形成方法または接合方法は、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。

直接接合法は、セラミックスと金属とをメタライズ層の接合層を介在させずに直接的に接合する方法である。この直接接合法では金属中あるいは金属表面に存在する結合剤（銅の場合は酸素）と金属との共晶融体が生成され、この共晶化合物を接合剤として、両部材が直接的に接合される。

なお、この直^合法は A 1り 0₃ 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 t、ため、金属回路板の充分な接合強度が得られない。そこで窒化けい素基板の表面に予め酸化物層を形成し、基板に対する濡れ性を高める必要がある。この酸化物層は上記高熱伝導性窒化け L、基板を、空気中などの酸化雰囲気中で温度 1 0 0 0〜1 4 0 0 °C程度で 2〜1 5時間加熱して形成される。この酸化物層の厚さが 0. 5 m未満の場合には、上記濡れ性の改善効果が少ない一方、 1 0 mを超えるように厚く形成しても改善効果が飽和するとともに、却つて熱伝導率が低下し易くなるため、酸化物層の厚さは 0. 5〜1 0 /i mの範囲が必要であり、より好ましくは 1〜5 mの範囲が望ましい。

上記酸化物層は、当初 S i ₃ N₄基板成分の酸化物である S i 0₂ のみから構成されているカ^ 加熱による金厲回路板の接合操作時において、

S i ₃ 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動する結果、希 ±ϋ酸化物が酸化層中に拡散された組成となる。例えば焼結助剤として Υ₂ ο₃ を使用した場合には加熱接合操作後の酸化物層は、 Υ₂ 0₃ を 1〜2 0重量％程度含有するィットリアンリケートなどの S i 0₂ — Υ。 Ο 3化合物から構成されるようになる 0

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 ¾ ^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から鋦，アルミニゥムまたはその合金が好ましい。

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· 2 5〜1. 2 mmの範囲とする一方、金属回路板の厚さを 0. 1〜0. 5 miD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。

特に金属回路板として銅回路板を使用する場合には、酸素を 1 0 0〜 1 0 0 0 p p m含有するタフピッチ電解銅から成る銅回路板を使用する力、、あるいは酸素含有量が 1 0 0 p p m未満の鋦材ゃ無酸素銅から成る銅回路板を使用する場合には、後述するように銅回路板表面に所定厚さの酸化銅層を予め形成することにより、直接接合により接合することができる。ただし、上記タフピッチ電解銅から成る銅回路板を使用する場合でも発生する C u— 0共晶の量を増加させ、基板と銅回路板との接合強度を向上させるために、銅回路板表面に所定厚さの酸化銅層を予め形成すること力《望ましい。

上記酸化銅層は、例えば金属回路板を大気中において温度 1 5 0〜3 6 0 °Cの範囲にて 2 0〜1 2 0秒間加熱する表面酸化処理を実施することによって形成される。ここで、酸化銅層の厚さが 1 m未満の場合は、 C u— 0共晶の発生量が少なくなるため、基板と銅回路板との未接合部分が増大し、充分な接合強度が得られない。一方、酸化鐧層の厚さが 1 0 mを超えるように過大にしても、接合強度の改善効果が少なく、却つて鋦回路板の導電特性を阻害することになる。したがって、銅回路板表面に形成する酸化銅層の厚さは 1〜1 0 mの範囲力《好ましい。そして同様の理由により 1〜5 // mの範囲がより望ましい。

また、上記銅回路板の表面が平滑である場合よりも、粗面である方が接合強度が高くなる傾向がある。なお、上記表面酸化処理において、加熱温度を高めたり、処理時間を長くすることにより、鋦回路板の表面粗さを増加させることができる。上記表ヒ処理後における銅回路板の表面粗さは、中心線平均粗さ（R a ) が 5〜： L 0 c mの範囲にするとよい。さらに'必要に応じて銅回路板表面をホーニング処理することによつて、その表面粗さを調整してもよい。

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を実施することができる。すなわち酸化物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（1 0 8 3 ）未満の温度で、かつ銅一酸化銅の共晶温度（1 0 6 5て） JiLLに加熱し、生成した C u— 0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 L、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（D B C _: Direct 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半導体素子（S i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 S i ₃ Κ _Λ 回路基板が製造される。

—方、金属回路板がアルミニウム回路板である場合には、結合剤としては S i力選択され、 S i ₃ N₄基板表面に A 1回路板を押圧した状態でアルミニウム一けい素の共晶温度以上に加熱し、生成した A 1 - S i 共晶化合物液相（共晶融体）を接合剤として A 1回路板が S i ₃ N₄基板表面に直接的に接合される。そして直合した A 1回路板の所定位置に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 S i ₃ N ₄回路基板が製造される。

このように直^合法を使用して金属回路板を S i ₃ 基板表面に直接接合し、さらに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 S i ₃ N₄ 回路基板によれば、金属回路板と S i ₃ N₄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カ^ J能である。

次に活性金属法による金属回路板の接台方法を説明する。

活性金属法では、 T i， Z r， H f および N b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 A g— C u— T i系ろう材等で窒化けい素基板表面に、厚さ 2 0 / m前後の活性金属ろう材層（金属接合層）を形成し、この金属接合層を介して、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〜： L 0 %, C uを 1 5〜3 5 %，残部力実質的に A gから成るろう材組成物が好適である。上記金属接合層は、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 L、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。そしてスクリーン印刷した金属接合層上に、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 A g— C u共晶温度（7 8 0て）以上で、かつ金属回路板の融点（銅の場合は 1 0 8 3 ）以下の温度に加熱することにより、金属回路板が金属接合層を介して窒ィ匕けい素基板に一体に接合される。

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 T iやその化合物とを主^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 1 5 /z m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 N iや A uから成る厚さ 3〜5 m¾¾の金属めつき層を形成することが好ましい。この金属めつき層を形成することにより、メタラィズ層の表面平が改善さ；半導体素子等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。

上記のようにして製造した窒化けい素回路基板の最大たわみ量は、回路基板のァッセンプリ工程における締め付け割れの発生割合に大きな影響を及ぼす因子であり、本発明では 0. 6mm以上、より好ましくは 0.

8mm以上とすることができる。上記最大たわみ量が 0. 6 mm以上とすることにより、アッセンプリ工程における回路基板の締め付け割れを防ぎ、回路基板を使用した半導体装置の製造歩留りを著しく向上させることができる。

また回路基板の抗折強度も上記締め付け割れの発生割合に影響を及ぼすとともに、窒化けい素基板の薄型化の可否を支配する因子であり、本発明では 5 0 O M P a以上とすることができる。この抗折強度を 5 0 0 M P a iil±とすることにより回路基板の締め付け割れを防止する。

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 ¾ ^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金属回路板を一体に接合して形成されている。したがって、回路基板の靱性値カいため、最大たわみ量を 0.

6咖以上と大きく確保することができる。また窒化けい素基板を従来より薄くすることが可能であり、その場合でも回路基板の抗折強度が 5 0 O M P a以上となる。そのため、アッセンプ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。

さらに、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、アッセンプ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力可能になる。

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。

また窒化け L、素基板の靭性値が高 L、ため、熱サイクルによつて基板に割れが発生することが少なく、耐熱サィ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。

さらに高い熱伝導率を有する窒化け L、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。

特に窒化けい素基板自体の ί!«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力可能となる。この基板厚さを低減できることから熱抵抗値を相乗的に小さくでき、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 L、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。

—方、本願の第 6， 7の発明で使用される窒化アルミニウム基板は、例えば以下のような手順で製造される。すなわち周期律表 Ila族元素， C a， S r , B a以外の不純物陽ィォンの含有量が 0. 5重量％以下である高^の窒化アルミニウム原料粉末に、周期律表 Ilia族元素， Y, S cおよびランタノィドから選択される少なくとも 1種の元素の酸化物 1〜： L 0重量％と、 S i成分 0. 0 1〜0. 2重量％とを添加した混合粉末を形成し、得られた成形体を非酸化性雰囲気中で 1 6 5 0〜1 9 0 0ての域で焼結して製造される。

上記のように製造した窒化アルミニウム基板の熱伝導率は 1 5 0〜1 9 O W/m · Kと前記高熱伝導性窒化けい素基板より高い値を示す。本発明では上記 2 のセラミックス基板を回路基板の要求特性に応じて使い分け、同一平面上に配置したり、積層したりして複合基板を形成する。すなわち構造強度が特に要求される部位には前記窒化けい素基板をする一方、半導体素子などの発熱部品を搭載するために特に高い放熱性が要求される部位には上記窒化アルミニウム基板を同一平面上に配置したり、相互に積層配置することにより複合基板力《形成される。本願の第 6 , 7の発明に係る複合型窒化けい素回路基板は、上記のように製造した複合基板の表面に、必要に応じて導電性を有する金属回路板を一体に接合し、さらにこの金属回路板を介して半導体素子を搭載して製造される。

さらに上記のように高熱伝導性窒化け t、素基板と窒化アルミニゥム基板とを同一平面上で複合化した複合基板の裏面、すなわち金属回路板接 ₂ g 合面と反対側の面に金属板を一体に接合するとよい。金属板は金属回路板と同様な材料で形成される。この金属板を一体に接合することにより、回路基板をヒートシンクなどの放熱部品に接合することが容易になるとともに、複合基板と金属回路板との熱膨張差に起因する回路基板の反りや変形を効果的に防止できる。

また少なくとも 1枚の金属回路板または少なくとも 1枚の金属板が、高熱伝導性窒化けい素基板および窒化アルミ二ゥム基板の両方に亘つて —体に接合される構造にすると、同一平面上に配置した窒化けい素基板と窒ィ匕アルミニウム基板と力《相互に連結され、複合型窒化けい素回路基板の一体性を高めることができる。

上言己金属回路板および金厲板の接合方法は、特に限定されず、前述した直接接合法または活性金属法あるいはメタライズ法などを適用することができる。

上記構成に係る複合型窒化けい素回路基板によれば、窒化けい素焼結体が本来的に有する高強度高靭性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善した高熱伝導性窒化けい素基板を、特に構造強度を要求される部位に配置する一方、半導体素子等の発熱部品を搭載するために特に高い放熱性が要求される部位に窒化アルミニウム基板を配置し、両基板を同一平面上に配置したり、積層したりして複合基板とし、この複合基板の表面に金属回路板を一体に接合し、さらに窒化アルミニウム基板上に接合した金属回路板上に半導体素子を搭載して形成されている。したがって、半導体素子等の発熱部品からの発熱は熱伝導率力く高い窒化アルミニゥム基板を経て迅速に系外に伝達されるため放熱性が極めて良好である。一方、高強度高靭性である高熱伝導率窒化けい素基板を、構造強度が要求される部位に配置しているため、回路基板の最大たわみ量を大きく確保することができる。そのため、アッセンプ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 t、た半導体装置を高い製造歩留りで量産すること力'可能になる。図面の簡単な説明

第 1図（A) , (B) , ( C) , (D) はそれぞれ実施例 1 0 3, 1 0 2 , 1 0 1および比較例 1 0 1に係る焼結体の X線回折図であり、第 1図（E) は粒界相の結晶化率がゼロである焼結体の X線回折図、第 2 図は、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、第 3 図は、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、第 4図は、回路基板の放熱性評価試験要領を示す断面図、第 5図は、放熱性評価におけるセラミックス基板厚さと半導体素子の温度上昇との関係を示すグラフ、第 6図は、本発明に係る窒化けい素回路基板の構成例を示す断面図、第 7図は、基板厚さと最大たわみ量との関係を示すグラフ、第 8図は、基板厚さと抗折強度との関係を示すグラフ、第 9図は、銅直接接合法によって回路展を形成した回路基板の断面図、第 1 0図は、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、第 1 1図は、本発明に係る窒化けい素回路基板の構成例を示す断面図、第 1 2図は、本発明に係る窒化けい素回路基板の他の構成例を示す断面図、第 1 3図は、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、第 1 4 図は、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、第 1 5図は、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、第 1 6図は、本発明に係る窒化けい素回路基板の構成例を示す平面図、第 1 7図は、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であり、第 1 6図における XVII—XVII矢視断面図、第 1 8図は、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であり、第 1 6図における XVIII— XVIII矢視断面図、第 1 9図は、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、第 20図は、第 19図に示す窒化けい素回路基板の変形例を示す断面図、第 21図は、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である。発明をするための最良の形態

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。

まず本発明に係る窒化け L、素回路基板の基板材料として使用される窒化けい素焼結体の試作例を従来材と比較して説明し、しかる後に、この窒化けい素焼結体を基板材料として使用した回路基板について説明する。実施例 101〜： L 03

酸素を 1. 3重量％、不純物陽イオン元素としての L i, Na, K, Fe, Ca， Mg, S r, B a, 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. 55; m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. 9 μιηの Ηο。 0₃ (酸化ホルミウム）粉末 12. 5重量％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' S;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、 100 OkgZcm² の成形圧力でプレス成形し、長さ 50 minx幅 5 Ommx厚さ 5隨の成形体を多数製作した。次に得られた成形体を 700ての雰囲気ガス中において 2時間脱脂した後に、この！ ¾fl旨体を窒素ガス棼囲気中 9気圧にて 1950°C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を制御して焼結炉内温度が 1500て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 100て Zhr (実施例 101)、 5 OV/hr (^施例 102)、 25 / r (実施例 103) となるように調整して焼結体を徐冷し、それぞれ^例 101〜103に係る窒化けい素焼結体を調製した。

比較例 101

一方、緻密化焼結完了直後に、加熱装置電源を OFFにし、従来の炉冷による冷却速度（約 50 OV/hr) で焼結体を冷却した点以外は実施例 101と同一条件で焼結処理して比較例 101に係る窒化けい素焼結体を調製した。

比較例 102

酸素を 1. 5重量％、前記不純物陽イオン元素を合計で 0. 6重量 %含有し、 α相型窒化けい素 93%を含む平均粒径 0. 60 /imの窒化けい素原料粉末を用いた点以外は例 101と同一条件で処理し、比铰例 102に係る窒化けい素焼結体を調製した。

比詨例 103

酸素を 1. 7重量％、前記不純物陽イオン元素を合計で 0. 7重量 %含有し、な相型窒化けい素 91%を含む平均粒径 1. 2 / mの窒化けい素原料粉末を用いた点以外は実施例 101と同一条件で処理し、比較例 103に係る窒化けい素焼結体を調製した。

こうして得た各実施例および比詨例に係る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に示す結果を得た。

〔以下余白〕【表 1】

〔以下余白〕

なお、上記表 1内の粒界相に占める結晶相の割合は、焼結体の X線回折パターンから求められる。第 1図（A) (B) (C) (D) はそれぞれ実施例 103， 102, 101および比較例 101に係る焼結体の X 線回折図であり、 S i₃ N₄ と Hoウ 0₃ との結晶化合物の存¾*を示す X線 ¾Sのピーク Aと、； S— S i₃ N₄ の（101)面の X線強度ピーク Bと、； S— S i₃ N₄ の（201)面の X線 ¾ ^ピーク Cとが現われている。一方、第 1図（E) は粒界相がアモルファス状で結晶化率がゼロである焼結体の X線回折図であり、結晶化合物相に相当するピーク Aは現われていない。

ここで、窒化けい素に対して Ho₂ 0₃ を 12. 5重量％添加した窒化けい素焼結体において、粒界相が全て結晶化した場合における結晶化指数 Rsは、上記各ピーク A， B, Cの X線強度値を IA， IB , IC とすると、下記（1)式で与えられ、その値は 0, 45である。

IC

Rs= …… （1)

(IA + IB ) /2

一方、 X線回折図の各ピーク A, B, Cの X線強度値をそれぞれ読み取り、上記（1)式に従って実施例 101〜103および比較例 101 の焼結体の結晶化指数 Rを計算すると下記の通りである。

12. 5

実施例 102…… R= =0. 145

(77 + 95) /2

17

実施例 103…… R= =0. 248

(62 + 74) /2

22

実施例 104…… R= =0. 338

(55 + 75) /2 5

比較例 101…… R= =0. 045

(106 + 118) /2

このようにして得られた各結晶化指数 Rについて、下記 (2) 式で示すように 100%結晶化した場合の結晶化指数 R s (=0. 45) に対する比率 %) を計算することにより、各焼結体の粒界相に占める結晶相の割合 Q力表 1に示すように、それぞれ 32%, 55%, 75%,

10%と算出される。

R

Q= (%) = X I 00 …… （2)

R s

表 1に示す結果から明らかなように実施例 101〜103に係る窒化けい素焼結体においては、比校例 101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 Lゝ高強度焼結体が得られた。

—方、比較例 101のように焼結体の冷却速度を大きく設定し、急激に冷却した場合は粒界相にお t、て結晶相が占める割合が 10 %と少なく熱伝導率が低下した。また、例 102のように前記不純物陽イオン元素を合計量の 0. 6重量％と多く含有した窒化け、末を用、た場合は焼結体の冷却速度を実施例 101と同一にしても粒界相の大部分が非結晶質で形成され熱伝導率が低下した。

さらに比較例 103のように平均粒径が 1. 2 mと粗い窒化けい素粉末を用いた場合は、焼結において緻密化が不充分で強度、熱伝導率とも低下した。

実施例 1〜 3

酸素を 1. 3重量％、不純物陽イオン元素としての L i, Na, K, F e, C a, Mg, S r, B a, 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. 55 m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. 7; mの Y₂ 0₃ (酸化イットリウム）粉末 5重量％、平均粒径 0. 5 111の八 1₂ 0₃ (ァルミナ）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、 100 Okg/cm² の成形圧力でプレス成形し、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 9気圧にて 190 0°C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て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 100。CZhr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熱伝導率 kが 7 OW/m · Kであり、厚さがそれぞれ 0. 25mm, 0. 4mm, 0. 6mmであり、縦 29mmx横 63IDIDである実施例 1〜3用の窒化けい素基板を調製した。上記窒化けい素基板の粒界相において結晶相が占める体積割合は 30%であり、基板の気孔率は 0. 2%であった。

次に第 2図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%T iろう材をスクリーン印刷し乾燥して厚さ 2 の活性金属ろう材層 7 a， 7 bを形成した。この活性金属ろう材層 7 a, 7 b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. 25 圆の裏銅板 5とを接触配置した状態で、真空中で温度 850てで 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。さらに銅回路板 4の中央部に、 1 6 mm角 x厚さ 0. 5 mmの半導体素子（出力： 3 0 O W) 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。

実施例 4

実施例 3において使用した厚さ 0. 3 mniおよび 0. 2 5 mmの銅回路板に代えて表側に厚さ 0. 5 mmの銅回路板および裏側に厚さ 0. 3跏の裏銅板を使用した点以外は、実施例 3と同様に処理して実施例 4に係る S i ₃ , 回路基板を調製した。

実施例 5

実施例 2において使用した熱伝導率 7 O W/m · Kの高熱伝導性窒化けい素基板に代えて、焼結完了後における冷却速度を調整して熱伝導率 1 0 O W/m · Kの窒化けい素基板を使用した以外は実施例 2と同様に処理して実施例 5に係る S i ₃ N . 回路基板を調製した。

比較例 1

実施例 3で使用した厚さ 0. 6ππηの窒化けい素基板に代えて、熱伝導率 kが 1 T O WZm . Kであり厚さが 0 . 8 π»ηの窒化アルミニウム (A 1 Ν) 基板を使用した以外は実施例 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 1に係る回路基板を製造した。

比較例 2

実施例 3で使用した厚さ 0. 6 mmの窒化けい素基板に代えて、厚さが 0. 8 の窒化けい素基板を使用した以外は実施例 3と同様に活性金属法によつ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 2に係る回路基板を製造した。

このようにして調製した実施例 1〜 5および比較例 1〜 2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 1〜5に係る窒化け t、素回路基板 1は、従来の窒化アルミ二ゥム基板を使用した比較例 1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力判明した。また窒化け t、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。

さらに各回路基板について放熱性評価試験を実施した。放熱性評価試験は第 4図に示すように、出力 3 0 0 Wの半導体素子 6を搭載した回路基板 1を、 1 0 9 0 0 0 WZm · Kの放熱容量を有する銅製ヒートシンク 8に接合した状態で半導体素子 6に通電しながら半導体素子 6の表面温度 T iを測定した。そして表面温度 T iが定常状態になった時点における外気温 (T = 3 0 0 K) との差（厶 T i = T i - T) を算出し、この半導体素子 6の温度上昇幅（Δ Τ i ) の大小によって放熱性の良否を評価した。温 ¾_h昇幅（厶 T i ) の測定値を表 2に示す。

表 2に示す結果から明らかなように、各実施例の回路基板によれば、従来の A 1 N基板（比較例 1 ) よりも熱伝導率が小さい S i ₃ N₄基板を使用しているにも拘らず、 S i ₃ 基板の厚さを薄く形成できるため、回^板全体の熱抵抗を低減することができる。したがって、半導体素子の温度上昇幅 Δ Τ iは従来の A 1 N回路基板とほぼ同等になり、優れた放熱性を示すことが判明した。さらに S i ₃ N₄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。

—方、金属回路板の厚さの 2倍を超える 0. 8 mm厚の S i ₃ N 基板を使用した比铰例 2においては、半導体素子の温度上昇厶 T iが大きく、放熱特性が相対的に低、こと力 <判明した。

上記各実施例の回路基板をァ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 V、製造^りで量産することができた。

また各回路基板について一 4 5 :から室温（R T) まで加熱し、弓 Iき g g 続き室温から + 1 2 5てまで加熱した後に、室温を経て再び一 4 5てに冷却するまでを 1サイクルとする昇温一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^を実施したところ、実施例 1 〜 5の回路基板では 1 0 0 0サィクル経過後においても、 S i ₃ N₄基板の割れや金属回路板（C u回路板）の剥離が皆無であり、優れた耐熱サイクルを示すことが判明した。一方、比較例 1の A 1 N回路基板においては、 1 0 0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。

実施例 6〜 1 0

活性金厲法に代えて鋦直接接合法（D B C法）によって金属回路板を S i ^ N₄基板に一体に接合し、実施例 1 〜 5に対応する同一寸法の実施例 6〜 1 0に係る S i ₃ N₄基板を下記要領で製造した。

すなわち、実施例 1 〜 5において調製した S i ₃ N₄基板であり熱伝導率 kが 7 O W/m · Kまたは 1 0 O WZm · Kであり厚さがそれぞれ 0. 2 5職， 0. 4 mm, 0. 6 mi, 0. 8咖である各 S i ₃ N₄基板を酸化炉中で温度 1 3 0 0 で 1 2時間加熱することにより、基板の全表面を酸化し、厚さ 2 / mの酸化物層を形成した。酸化物層は S i 0₂皮膜で形成される。

次に酸化層を形成した各 S i ₃ N . 基板表面側に、表 2に示すように、厚さ 0. 3mmまたは 0. 5mm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. 2 5 mmまたは 0. 3mmのタフピッチ電解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棼囲気に調整した温度 1 0 7 5 °Cの加熱炉に挿入して 1分間加熱することにより、各 S i N₄ 基板の両面に銅回路板を直接接合し、さらに半導体素子を半田接合して実施例 6〜 1 0に係る S i , N, 回路基板をそれぞれ調製した。 _Λ _

4 0 各 S i ₃ N₄ 回路基板 1 aは、第 3図に示すように S i ₃ N₄基板 2 の全表面に S i 0₀ から成る酸化物層 3が形成されており、 S i。 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^台される一方、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の所定位置に図示しな t、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 S i _n N₄基板 2の両面に鋦回路板 4 , 5を接合した場合、裏銅板としての鋦回路板 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。

上記のように直接接合法によつて回路層を形成した実施例 6〜： L 0に係る S N₄回路基板の最大たわみ量は 0. 8〜1 . 6 mmの範囲であり、また抗折強度は5 5 0〜9 0 0 1^1 ? 3の範囲でぁり、実施例 1〜5 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 1 0 0 0サイクル経過後においても S i o N₄基板の割れや金属回路板の剥離が ·&無であり、優れた耐熱サイクル特性を示した。

比較例 3

実施例 8で使用した窒化けい素基板に代えて、熱伝導率 kが 1 7 0 WZm · Kであり厚さが 0. 8 πιιηの窒化アルミニウム（A 1 Ν) 基板を使用した以外は実施例 8と同様に銅直接接合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 3に係る回路基板を製造した。

比較例 4

実施例 8で使用した厚さ 0. 6 mmの窒化けい素基板に代えて、厚さ力 0. 8 mmの窒化けい素基板を使用した以外は実施例 8と同様に銅直接接合法によつて基板表面に鋦回路板および裏銅板を一体に接合して比較例 4に係る回路基板を製造した。

上記のように製造した実施例 6〜 1 0および比較例 3〜 4に係る回路基板について、実施例 1〜5および比較例 1〜2と同様に第 4図に示す放熱性評価試験を実施し、出力 3 0 0 Wの半導体素子の発熱に伴う温度上昇幅 Δ Τ iを測定して下記表 2に示す結果を得た。また窒化けい素基板等のセラミックス基板の厚さと半導体素子の温度上昇 Δ Τ iとの関係をグラフ化して第 5図に示す。

〔以下余白〕

セラミックス基板金属回路板の厚さ D_M (腿）回路基板の放熱特性

金属回路板

試料 α 12 ¾ 種類厚さ熱伝導率三点曲げ強度表側裏側半導体索子の

の接合方法 as上昇

D₀(mm) (1/m-K) (MP a) (回路層用） (裏 m板） ΔΤ i (X)

実施例 1 0. 25 70 860 0. 3 0. 25 活性金属法 21. 3

^{S i}3^N4

実施例 2 0. 4 70 860 0. 3 0. 25 活性金属法 24. 1

^{S i}3^N4

実施例 3 0. 6 70 860 0. 3 0. 25 活性金腐法 26. 5

^{S i}3^N4

実施例 4 0. 6 70 860 0. 5 0. 3 活性金 «法 26. 5

^{S i}3^N4

実施例 5 0. 4 100 840 0. 3 0. 25 活性金属法 21. 2

^{S i}3^N4

比校例 1 A 1 N 0. 8 170 270 0. 3 0. 25 活性金属法 21. 5

比較例 2 0. 8 70 860 0. 3 0. 25 活性金属法 29. 8

^{S i}3^N4

実施例 6 ◎ 0. 25 70 860 0. 3 0. 25

^{S i}3^N4 網直接接合法 19. 9 実施例 7 O 0. 4 70 860 0. 3 0. 25

^{S i}3^N4 编直接接合法 22. 2 実施例 8 □ 0. 6 70 860 0. 3

^{S i}3^N4 0. 25 編直接接合法 25. 2 実施例 9 Δ 0. 6 70 860 0. 5 0. 3

^{S i}3^N4 阚直接接合法 25. 2 実施例 10 V 0. 4 100 840 0. 3 0. 25

^{S i}3^N4 ίΗ直接接合法 20. 3 比校例 3 參 A 1 N 0. 8 170 270 0. 3 0. 25 阚直接接合法 20. 7

比較例 4 ♦ 0. 8 70 860 0. 3 0. 25

^{S i}3^N4 銅直接接台法 28. 1

【】¾2 上記表 2および第 5図に示す結果から明らかなように、窒化け、素基板の厚さを減少させるにつれて、回路基板全体の抗が減少し、半導体素子の温度上昇 Δ Τ i力一次的に減少して放熱性が改善されることが確認できた。特に実施例 6 (◎印）と実施例 1 0 (▽印）と比較例 3

(參印）との比較から明らかなように、熱伝導率が 7 OWZm · Kで厚さが 0. 2 5 mmの S i g N₄基板または熱伝導率が 1 0 O WZm · Kで厚さが 0. 4咖の S i N₄基板を使用して回路基板を形成することにより、熱伝導率が 1 Ί O WZm · Kで厚さが 0. 8mmの A 1 N基板を使用して形成した回路基板と同等の放熱性を確保することができた。そして基板厚さを従来と i¾して 1 Z 2以下に低減することが可能となり、基板の製造コストを低減することも可能となる。

なお各 S i ₃ N₄基板は薄く形成した場合においても絶縁耐性が良好であり、従来と同等 JiLhの絶縁破壊耐性を保持できることも判明した。 —方、金属回路板の厚さの 2倍を超える 0. 8mm厚の S i„ N₄基板を使用した比較例 4においては、半導体素子の温度上昇 Δ Τ iが大きく、 ¾t熱特性が相対的に低 L、こと力判明した。

次に本発明で使用する窒化け L、素基板の厚さの大小が回路基板のたわみ量ゃ抗折る強度に及ぼす影響について、以下に示す実施例を参照して説明する。

実施例 1 1〜 1 3

酸素を 1 . 3重量％、前記不純物陽イオン元素を合計で 0. 1 5重量％含有し、 α相型窒化けい素 9 7 %を含む平均拉径 0. 5 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. 7 mの Y_n 0₃ (酸化イットリウム）粉末 5重量％、平均粒径 0. 5 m0A l _n 0₃ (アルミナ）粉末 1. 5重量％を添加し、エチルアルコール中で 2 4時間 ¾混合した後に乾燥して原料粉末混合体を調整した。 .

44 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、 100 OkgZcffi の成形圧力でプレス成形し、長さ 80 mmx幅 5 Ommx厚さ 1〜5鷗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 9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 MSを制御して焼結炉内温度が 1500°C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 100T;Zhr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 7 OW/m · Kであり、厚さが 0. 4mm, 0. 6mm, 0. 8 でぁる実施例11〜1 3用の窒化け t、素基板を調製した。

次に第 6図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 一 5%T iろう材をスクリーン印刷し乾燥して厚さ 20/zmの活性金属ろう材層 7 a， 7 bを形成した。この活性金属ろう材層 7 a, 7bの所定位置に、タフピッチ電解銅から成る厚さ 0. 3mmの銅回路板 4と厚さ 0. 25 mm値の裏銅板 5とを接触配置した状態で、真空中で温度 850 °C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、所定回路パターンを形成した。さらに銅回路板 4の中央部に半導体素子 6を半田接合して実施例 11〜13に係る窒化けい素回路基板 1 bを多数製造した。

比較例 5

実施例 11〜13で使用した窒化けい素基板に代えて、熱伝導率 k が 7 OW/m · Kであり厚さが 0. 8mmの窒化アルミニウム（A 1 N) 基板を使用した以外は実施例 11〜 13と同様に活性金属法によつ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 5に係る回路基 _{A c}

4 5 板を製造した。

このようにして調製した実施例 1 1〜1 3および比較例 5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て第 7図および第 8図に示す結果を得た。ここで最大たわみ量は、支持スパン 5 Ommで各回路基板を支持した状態で中央部に荷重を ¾0し、 S i ₃ Ν , 基板または A 1 N 基板が破断に至るまでの最大たわみ高さとして測定した。また抗折強度は、破断時の荷重と基板断面積とから算出した。

第 7図および第 8図に示す結果から明らかなように、実施例 1 1〜1 3に係る窒化けい素回路基板 1 bは、従来の窒化アルミニウム基板を使用した i½例 5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力、'判明した。また窒化け L、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 _c 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。

上記回路基板をァッセンプ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。

また各回路基板について一 4 5てから室温 (R T) まで加熱し、引き続き室温から + 1 2 5てまで加熱した後に、室温を経て再び一 4 5 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ィクル試験を実施したところ、実施例 1 1〜1 3の回路基板では 1 0 0

0サイクル経過後においても、 S i。 N₄基板の割れや金属回路板（C u回路板）の剥離が昝無であり、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 5の回路基板においては、 1 0 0サイクルでクラックが発生し、耐久性が低いこと力く確認された。実施例 1 4

実施例 1 1〜1 3において調製した S i ₃ N₄基板であり熱伝導率 kが 7 0 W/m * K，厚さがそれぞれ 0. 4 mm, 0. 6 mm, 0. 8 mmである各 S i ₃ N₄基板を酸化炉中で温度 1 3 0 0 °Cで 1 2時間加熟することにより、基板の全表面を酸化し、厚さ 2 mの酸化物層を形成した _c 次に酸化物層を形成した各 S i。 N₄基板表面側に、厚さ 0. 3 mniのタフピッチ電解鐧から成る銅回路板を接触配置する一方、背面側に厚さ 0. 2 5 mmのタフピッチ鋦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 1 0 7 5ての加熱炉に挿入して 1分間加熱することにより、第 9図に示すように各 S i。 N₄基板 2の両面に銅回路板を直接接合した実施例 1 4に係る S Ν _Λ 回路基板をそれぞれ調製した。

各 S i ₃ N₄回路基板 1 cは、第 9図に示すように S i N₄基板 2 の全表面に酸化物層 3が形成されており、 S i ₃ 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 の所定位置に図示しな、半田層を介して半導体素子 6力一体に接合された構造を有する。なお S i ₃ 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。

上記のように直 ^合法によつて回路層を形成した実施例 1 4に係る S i ₃ N₄ 回路基板の最大たわみ量は 0. 8〜1 . 6mmの範囲であり、また抗折強度は 5 5 0〜9 0 O M P aの範囲であり、実施例 1 1〜1 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 _c また耐熱サイクル試験において 1 0 0 0サイクル経過後においても S i 3 N . 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。

実施例 1 5

第 1 0図に示すように、 ^例 1 1〜1 3において調製した S

3

Ν₄基板であり熱伝導率 kが 7 O W/m · で、厚さがそれぞれ 0. 4 mm, 0. 6 mm, 0. 8mmである S i ₃ ^τ ₄基板 2の表面に、モリブデン (M o ) と酸化チタン（T i 0_Q ) 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 1 5 / mの高融点金属メイ夕ライズ層 1 0を形成した。さらにメタライズ層 1 0の上に無電解めつき法により厚さ 3 mの N i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。次に回路層上に半導体素子 6を半田付けにより接合して例 1 5に係る窒化け L、素回路基板 1 dを多数製造した。

上記のようにメタライズ法によつて回路層を形成した実施例 1 5に係る S i n N₄ 回路基板の最大たわみ量は 1. 0〜1. 8咖の範囲であり、また抗折強度は 6 5 0〜9 5 O M P aの範囲であり、実施例 1 1〜1 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 _e また耐熱サイクル試験において 1 0 0 0サイクル経過後においても S i 基板の割れや金属回路板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。

次に種々の組成および特性値を有する他の窒化け、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 1 6を参照して具体的に説明する。

実施例 1 6

まず回路基板の構成材となる各種窒化けレ、素基板を以下の手順で製造した。

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. 55/ mの窒化けい素原料粉末に対して、表 3〜5に示すように、焼結助剤としての Υ₂ 0₃ , Η ο₀ 0₃ などの希土類酸化物と、必要に応じて T i, Hi化合物， A l₂ 〇。粉末， A 1 N粉末とを添加し、ェ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、 100 Okg/cm² の成形圧力でプレスし、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°Cの雰囲気ガス中において 2時間脱脂した後に、この旨体を表 3〜 5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力 1500T: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 3〜 5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。

こうして得た試料 1~ 51に係る各室化けい素焼結体について気孔率、熱伝導率（25て）、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 L、て X線回折法によつて粒界相に占める結晶相の割合 (面積比）を測定し、下記表 3〜 5に示す結果を得た。

〔以下余白〕

原料紐成（重量％) 焼桔条件焼桔後の 1500で気孔率拉界相において熱伝導率三点曲げ強度

試料

H ο_ηΟ_π 温度 X時間までの冷却速度結晶相が占める

^{S i} 3^N4 2 3 (%) (f/m · K) (MP a)

(V) (h r ) .V/h r) 割合 (面積比）（X)

1 92 8 1950 x 6 100 0. 2 22 89 845

2 92 8 1950 6 50 0. 1 28 92 820

3 92 8 1900 6 50 0. 6 34 95 800

4 90 1 0 1950 x 6 100 0. 5 25 95 820

5 90 10 1950 6 25 0. 3 65 99 705

6 90 10 1900 x 6 25 0. 9 67 104 805

7 87. 5 12. 5 1975 6 50 0. 4 69 1 14 760

8 87. 5 12. 5 1 900 x 6 25 1. 2 70 105 795

9 85 1 5 1950 x 6 100 1. 2 40 102 780

10 85 15 2000 x 6 100 0. 6 35 1 08 700

1 1 85 15 1950 6 25 1. 0 65 120 730

12 82. 5 1 7. 5 1950X6 100 2. 3 30 90 755

13 82. 5 1 7. 5 2000 6 100 1. 8 28 96 700

14 82. 5 1 7. 5 2000 X6 25 1. 4 32 100 680

【¾3

【】¾4

S】5 表 3〜 5に示す結果から明らかなように試料 1〜 5 1に係る窒化けい素焼結体においては、原料組成を ϋΙΕ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 Lゝ高強度窒化け t、素焼結体が得られた。

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. 1 3〜0. 1 6重量％含有し、 α相型窒化けい素を 9 3 % 含む平均粒径 0. 6 0 m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 Y_n 0 (酸化イツトリウム）粉末を 3〜6重量と、ァルミナ粉末を 1. 3〜1. 6重量％添加した原料粉末を成形，脱脂後、 1 9 0 0てで 6時間焼結し、炉冷（冷却速度：毎時 4 0 0 °C) して得た焼結体の熱伝導率は 2 5 ~ 2 8 W/m · Kと低く、従来の一般的な製法によつて製造された窒ィ匕けい素焼結体の熱伝導率に近い値になつた。次に得られた試料 1〜5 1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 1〜1 3と同様に、厚さ 0. 4 mm, 0. 6mm, 0. 8 mmの窒化け L、素基板をそれぞれ調製した。次に調製した各窒化け、素基板の表面に、 urn例 1 1〜 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第 6図に示すような実施例 1 6に係る窒化けい素回路基板をそれぞれ調製した。

また各窒化けい素基板の表面に、実施例 1 4と同様に D B C法を使用して銅回路板等を直 ^合することにより、第 9図に示すような実施例 1 6に係る窒化けい素回路基板をそれぞれ調製した。

さらに各室化けい素基板の表面に、実施例 1 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、第 1 0図に示すような実施例 1 6に係る窒化けい素回路基板をそれぞれ調製した。

上記のように活性金属法， D B C法，メタライズ法によって回路層を _ _

03 形成した実施例 16に係る各 S i₃ N₄回路基板の最大たわみ量，抗折強度は例 11〜 15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 S i₃ N₄基板の割れや回路雇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。次に高熱伝導性窒化け Lヽ素基板表面およびまたは金属回路板表面に酸ィ匕物層を形成した回路基板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。

まず、各回路基板を構成する窒化けい素基板について説明し、しかる後に、この窒化けい素基板を用いた回路基板について説明する。

実施例 17〜： L 9

酸素を 1. 3重量％、不純物陽イオン元素として L i， Na, K, Fe, C a, Mg, S r, B a, 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. 55 m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. 7/ mの Υ₂ Ο_η (酸化イットリウム）粉末 5重量％、平均粒径 0. 5 111の八 1₂ 0₃ (ァルミナ）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、 100 OkgZcm² の成形圧力でプレス成形し、き体を多数製作した。次に得られた成形体を 70 Ot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 9気圧にて 190 0てで 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て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 10 OtZhr (実施例 17 用）、 50て/ hr (実施例 18用）、 25t/hr (^施例 19用）とな 0 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実施例 17〜19用の窒化けい素基板を調製した。

比絞例 6

—方、緻密化焼結完了直後に、加熱装置電源を OFFにし、従来の炉冷による冷却速度（約 500°CZh_r) で焼結体を冷却した点以外は実施例 17と同一条件 2で焼結処理して比較例 6用の窒化けい素基板を調製した。

比蛟例 7

酸素を 1. 5重量％、不純物陽イオン元素として L i, Na, K, Fe, Ca, Mg, S r, B a, Mn, Bを合計で 0. 6重量％含有し、 α相型窒化けい素 93%を含む平均粒径 0. 60 mの窒化けい素原料粉末を用いた点以外は実施例 17と同一条件で処理し、比較例 7用の窒化けい素基板を調製した。

比較例 8

酸素を 1. 7重量％、不純物陽イオン元素として L i, Na, K, Fe, Ca, Mg, S r， B a, Mn, Bを合計で 0. 7重量％含有し、な相型窒化けい素 91%を含む平均粒径 1. 1 / mの窒化けい素原料粉末を用いた点以外は実施例 17と同一条件で処理し、比較例 8用の窒化けい素基板を調製した。

こうして得た実施例 1マ〜 19用および比較例 6〜8用の窒化けい素基板について気孔率および 25°Cにおける熱伝導率を測定した。さらに、各 S ₄基板について X線回折法によって粒界相に占める結晶相の割合（体積比）を測定し、下記表 6に示す結果を得た。

〔以下余白〕【表 6】

〔以下余白〕

D 表 6に示す結果から明らかなように実施例 1 7〜1 9用の窒化けい素基板においては、比較例 6と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 S i ₃ N₄基板が得られた。

—方、比較例 6のように焼結体の冷却速度を大きく設定し、急激に冷却した場合は粒界相が全て非結晶質で形成され熱伝導率が低下した。また、比較例 7のように不純物陽イオン元素を 0. 6重量％と多く含有した窒化けい素粉末を用いた場合は焼結体の冷却速度を実施例 1 Ίと同一にしても粒界相が全て非結晶質で形成され熱伝導率が低下した。

さらに比絞例 8のように平均粒径が 1 . 1； mと粗い窒化けい素粉末を用いた場合は、焼結において敏密化が不充分で強度、熱伝導率とも低下した。

次に上記のように調整した実施例 1 7〜1 9用の S i _{3 4}基板の板厚を 0. 6 3 5腿ぉょび0. 4 πιπιにそれぞれ加工する一方、比較例 6〜 8用の S i ₃ N , 基板の板厚を 0. 6 3 5MIに加工し、各 S i ₃ N ₄ 基板を酸化炉中で温度 1 3 0 0 で 1 2時間加熱することにより、基板の全表面を酸化し、厚さ 2； z mの酸化物層を形成した。

次に酸化物層を形成した各 S i ₃ N₄基板表面側に、厚さ 0. 3 mm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. 2 5 mm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 1 0 7 5 °Cに設定した加熱炉に挿入して 1分間加熱することにより、各 S i ₃ 基板の両面に銅回路板を直接接合した S i 回路基板をそれぞれ調製した。

各 S i ₃ N , 回路基板 1 eは、第 1 1図に示すように S iつ N₄基板 2の全表面に酸化物層 3が形成されており、 S i ₃ Ν ₄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の所定位置に図示しな L、半田層を介して半導体素子 6が一体に接合された構造を有する。なお S i ₃ 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。

比較例 9

—方、実施例における S i ₃ N₄基板に変えて、厚さが 0. 6 3 5 mmであり、熱伝導率が 1 7 O WZm · Kである窒化アルミニウム（A 1 N) 基板を使用した以外は実施例と同様に酸化層を形成し、さらに銅回路板を直接接合法を使用して A 1 N基板に一体に接合して比絞例 9に係る A 1 N回路基板を製造した。

比較例 1 0

また、実施例における S i _{3 4}基板に変えて、厚さが 0. 8mmであり、熱伝導率が 7 O W/m · Kである窒化アルミニウム（A 1 N) 基板を使用した以外は実施例と同様に酸化層を形成し、さらに銅回路板を直接接合法を使用して A 1 N基板に一体に接合して比較例 1 0に係る A 1 N回路基板を製造した。

上記のように調製した実施例および比較例に係る各回路基板の強度特性，靭性および耐熱サイクル特性を評価するため、各回路基板の 3点曲げ強度および最大たわみ量を測定するとともに、耐熱サイクル試験（T C T) を実施し、回路基板におけるクラックの発生状況を調査した。最大たわみ量は、支持スパン 5 0mmで各回路基板を支持した状態で中央部に荷重を付加し、 S i ₃ 基板または A 1 N基板が破断に至るまでの最大たわみ高さとして測定した。また耐熱サイクル^^は、各回路基板について一 4 5てから室温 (R T) まで加熱し、引き続き室温から + 1 2 5てまで加熱した後に、室温を経て再び一 4 5てに冷却するまでを 1サイクルとする昇温一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条件で実施した。

各測定結果を下記表 7に示す。

〔以下余白〕

【表 7】

〔以下余白〕

上記表 7に示す結果から明らかなように、各実施例に係る S i ₃ N₄ 回路基板によれば、曲げ強度および最大たわみ量が、 ittS例と it^して大きい。したがって、回路基板のアッセンプリ工程における締め付け割れが発生することが少なく、回路基板を使用した半導体装置の製造歩留りを大幅に改善できることが実証された。

さらに耐熱サイクリレ試験において各実施例の S i ₃ N₄回路基板は、 1 0 0 0サイクル経過後においても、 S i n N₄基板の割れや金属回路板（C u回路板）の剥離が昝無であり、優れた耐久性と信頼性とを有すること力確認された。また 1 0 0 0サイクル経過後においても sstm圧特性の低下は発生しなかった。

—方、比較例 6〜8に係る S i。 N₄ 回路基板においては、 3点曲げ ¾Jg, たわみ量および耐熱サイクル特性において良好ではある力く、 S i 3 N₄基板の熱伝導率が 6 O W/m · K未満と相対的に低いため、高出力化も指向した半導体装置には不適であること力判明した。

また比絞例 9に係る A 1 N回路基板においては、熱伝導性が高い A 1 N基板を使用しているため、放熱特性は優れている反面、強度およびたわみ量が小さく、アッセンプリ工程における締め付け割れやハンドリング時の衝撃に耐え難いことが確認された。また耐熱サイクル試験では、 1 0 0サイクルでクラックが発生し、耐電圧特性も低下することが判明した。

さらに比較例 1 0に係る A 1 N回路基板においては、従来の S i ₃ ₄基板よりも高い熱伝導率を有しているため放熱性は良好である反面、強度およびたわみ量が不充分である。また耐熱サイクル試験では 1 5 0 サイクル経過後にクラックが発生し、耐電圧特性が低下することが判明した。 g 1 次に種々の組成および特性値を有する他の窒化け t、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 2 0を参照して具体的に説明する。

実施例 2 0

前記実施例 1 6において調製した試料 1〜5 1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 7〜1 9と同様に、厚さ 4 miDおよび 0. 6 3 5mmの窒化けい素基板をそれぞれ調製した。

さらに、各窒化けい素基板を酸化炉中で温度 1 3 0 0てで 1 2時間加熱することにより、基板の全表面を酸化し、厚さ 2 mの酸化物層を形成した。

—方、 H½例 1 7〜1 9において調製した厚さ 0. 3mmおよび 0. 2 5咖の銅回路板を大気に接するホットプレート上で温度 2 5 0 で 3 0 秒間加熱して表理を行ない、その表面に厚さ 1. 5 mの酸化銅層を一体に形成した。

次に、上記酸化物層を形成した各窒化けい素基板の表面に、例 1 7〜 1 9と同様に直^合法（D B C法）を使用して上記銅回路板等を一体に接合することにより第 1 2図に示すような実施例 2 0に係る窒化けい素回路基板 1 f をそれぞれ調製した。

各 S i ₃ 回路基板 1 f においては、第 1 2図に示すように S i ₃ N₄基板 2 aの全表面に酸化物層 3が形成され、鋦回路板 4， 5の接合面側には酸化銅層 1 1 , 1 1がそれぞれ形成されており、 S i ₃ N₄基板 2 aの表面側に金属回路板としての銅回路板 4が直^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の所定位置に図示しな L、半田層を介して半導体素子 6が一体に接合された構造を有する。

上記のように D B C法によつて回路層を形成した実施例 2 0に係る各 S i ₃ N₄ 回路基板の最大たわみ量，抗折強度は例 17〜19と同等 m±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 S i₃ N₄基板の割れや回路雇の剥離は無であり、優れた耐熱サイクル特性が得られた。

特に窒化けい素基板 2 aの表面に酸化物層 3を形成した上に、さらに銅回路板 4， 5表面にも酸化銅層 11を形成しているために、 DBC法による接合時に発生する C u— 0共晶化合物量が増加し、基板 2 aと銅回路板 4， 5との接合強度を、さらに向上させることができた。具体的には、実施例 20における銅回路板 4, 5の未接合部の面積率はそれぞれ 5. 2%, 5. 6%であり、実施例 17〜19 (ϋ施例 17 : 9. 8 %, 11. 2%、実施例 18 : 13. 8%, 11. 5%、実施例 19： 11. 6%, 14. 6%) と比較して大幅に減少し、鋦回路板の接合強度（ピール強度）は 20〜30%上昇した。次に同一の高熱伝導性窒化けい素基板上に複数の半導体素子を搭載した回路基板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。

実施例 21〜23

酸素を 1. 3重量％、不純物陽イオン元素として L i, Na, K, Fe， C a, Mg， S r， B a, 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. 55 / m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. 7 111の¥₂ 0。（酸化イットリウム）粉末 5重量％、平均粒径 0. 5/im0A l₂ O₃ (ァルミナ）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置添加して均一に混合した後に、 100 OkgZcn^の成形圧力でプレスし、長さ 80 mmx幅 5 Omnix厚さ l〜5mmの成形体を多数製作した。次に得られた成形体を 700て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 にて 1900でで 6時間^^し、緻密結を実施した後に、焼結炉に付設した加熱装置への通 ¾¾を制御して焼結炉内温度が 1500て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 5 OtZhr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力 92 WZm •Kであり、厚さが 0. 4mm, 0. 6mm, 0. 8隨である実施例 21〜 23用の窒化けい素基板を調製した。

次に第 13図に示すように各窒化けい素基板 2表面の回路雇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%C u— 5%T iろう材をスクリーン印刷し乾燥して厚さ 2 Ojum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 7 a, 7bの所定位置に、無酸素銅から成る厚さ 0. 3mmの銅回路板 4と厚さ 0. 2 5讓値の裏銅板 5とを接触配置した状態で、真空中で ί¾850てで 1 0分間^^して接合体とした。次に各接合体をェ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ケ所の銅回路板 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 21〜 2 3に係る窒化けい素回路基板 1 gを多数製造した。

比較例 11

実施例 21〜23で使用した窒化けい素基板に代えて、熱伝導率 k が 7 OW/m · Kであり厚さが 0. 8 mmの窒化アルミニウム（A 1 N) 基板を使用した以外は実施例 21〜23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 11に係る回路基板を製造した。

このようにして調製した実施例 21〜23および比較例 11に係る回路基板の最大たわみ量および!^ ¾Sを測定したところ、実施例 2 1〜 2 3に係る窒化けい素回路基板 1 gは、従来の窒化アルミニウム基板を使用した比較例 1 1の回路基板として 2倍以上の «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、 ^抗が^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。

上記各実施例の回路基板をァッセンプ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^ ¾りで S¾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 tゝ素基板 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力《できた。

また各回路基板について一 4 5 から室温（R T) まで加熱し、引き続き室温から + 1 2 5 まで加熱した後に、室温を経て再び一 4 5 に冷却するまでを 1サイクルとする昇温一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ィクル試験を実施したところ、実施例 2 1〜2 3の回路基板では 1 0 0

0サイクル経過後においても、 S i ₃ 基板の割れや金属回路板（C u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 0 0サイクルでクラック力《発生し、耐久性が低 L、ことが確認された。

なお、第 1 3図に示すように裏銅板 5に間隔をおいて断面 V字形の溝 1 2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 L、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 gに反りを発生することも少ない。

実施例 2 4

実施例 1〜 3において調製した S i ₃ N₄基板であり熱伝^ kが

9 2 WZm · Kであり厚さがそれぞれ 0. 4 mm， 0. 6 mm, 0. 8 mmである各 S i 。 N₄基板を酸化炉中で温度 1 3 0 0 で 1 2時間加熱することにより、基板の全表面を酸化し、厚さ 2 mの酸化物層を形成した。酸化物層は S i 0₂ ^で形成される。

次に酸化物層を形成した各 S i ₃ 基板表面側に、厚さ 0. 3 のタフピッチ電解鋦から成る銅回路板を接触配置する一方、背面側に厚さ 0. 2 5腿のタフピッチ鋦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 1 0 7 5ての加熱炉に挿入して 1分間加熱することにより、各 S i 。 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 S i ₃ N₄ 回路基板をそれぞれ調製した。

各 S i ₃ 回路基板 1 hは、第 1 4図に示すように S i ₂ N₄基板 2の全表面に S i 0₂ から成る酸化層 3が形成されており、 S i ₃ N₄ 基板 2の表面側に金属回路板としての鋦回路板 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 ケ所に図示しな ^、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 S i 。 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。

上記のように直接接合法によって回路層を形成した ^例 2 4に係る S i ₃ N ₄ 回路基板の最大たわみ量は 0. 7〜 1. 6 mmの範囲であり、また抗折強度は 5 5 0〜9 0 O M P aの範囲であり、実施例 2 1〜2 3 のように活性金属法で回路雇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 1 0 0 0サイクル経過後においても S i n 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。

実施例 2 5

第 1 5図に示すように、実施例 2 1〜2 3において調製した S i ₃ N₄基板であり熱伝導率 kが 9 2 W/m · Kであり厚さがそれぞれ 0. 4mm, 0. 6 mm, 0. 8腿である S i ₃ N₄基板 2の表面に、モリブデン（M o) と酸化チタン（T i 0₂ ) との混合粉末に適量のバインダと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 1 5 の高 Si ^、金属メイタラィズ層 1 0を形成した。さらにメ夕ライズ雇 1 0の上に無電解めつき法により厚さ 3 /i mの N iめっき層 9を形成し、所定パターンを有する回路雇とした。次に回路層上の 2ケ所に半導体素子 6を半田付けにより接合して実施例 2 5に係る窒化けい素回路基板 1 iを多数製造した。

上記のようにメタライズ法によつて回路層を形成した実施例 2 5に係る S i ₃ 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 6 5 0〜9 5 O M P aの範囲であり、実施例 2 1〜2 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 c また耐熱サイクル試験において 1 0 0 0サイクル経過後においても S i ₃ N₄基板の割れや回路層（メタライズ層） 8の剥離力皆無であり、めつ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 c 次に種々の組成および特性値を有する他の窒化け t、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 2 6を参照して具体的に説明する。 g η 実施例 2 6

前記例 1 6において調製した試料 1 〜 5 1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 2 1 〜 2 5と同様に、厚さ 0. 4随， 0. 6腿， 0. 8咖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 2 1 〜 2 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第 1 3図に示すような¾½例 2 6に係る窒化けい素回路基板をそれぞれ調製した。また各窒化けい素基板の表面に、実施例 2 4と同様に D B C法を使用して鋦回路板等を直^合することにより、第 1 4図に示すような実施例 2 6に係る窒化けい素回路基板をそれぞれ調製した。

さらに各室化けい素基板の表面に、実施例 2 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、第 1 5図に示すような実施例 2 6に係る窒化けい素回路基板をそれぞれ調製した。

上記のように活性金属法， D B C法，メタライズ法によって回路層を形成した実施例 2 6に係る各 S i ₃ 回路基板の最大たわみ量，抗折は例 2 1 〜 2 5と同等以上であり、また耐熱サイクル試験において 1 0 0 0サイクル経過後においても S i ₃ 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。

上記各実施例に係る窒化け tゝ素回路基板によれば、窒ィヒけ L、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^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、アツセンブリエ程において回路基板の締め付け割れ力 <発生せず、回路基板を用いた半導体装置を高い製造^ ¾りで量産することが能になる。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。次に、窒化け L、素基板と窒化ァルミニゥム基板とを同一平面上に配置した複合型の窒化け、素回路基板の実施例について説明する。

実施例 27〜29

酸素を 1. 3重量％、不純物陽イオン元素として L i, Na, K， Fe， Ca, Mg, S r, B a, 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. 55 m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. 7^mの Y₂ 0。（酸化イットリウム）粉末 5重量％、平均粒径 0. 5//mOA l。 0₃ (ァルミナ）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、 10 00 kg/cm"の β¾¾圧力でプレス成形し、長さ 8 OmiDX幅 5 Ommx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。C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°C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が 1 50 (TC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 1 00°C/hrとなるように調整して焼結体を徐冷し、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 7 OW/m · Kであり、厚さが 0. 4nmi, 0. 6mm, 0. 8mmである実施例 27〜 29用の窒化けい y 素基板を調製した。

—方、不純物として酸素を 0. 8重量％含有し、平均粒径 1 mの窒化アルミニウム粉末に対して、 S i成分としての S i 0₂ を i換算で 0. 01重量％と、焼結助剤としての Y₂ 0₃ を 5重量％とをそれぞれ添加し、エチルアルコールを溶媒としてボールミルで 20時間混合して原料混合体を調製した。次にこの原料混合体に有機バインダとしてのポリビニルアルコール（PVA) を 5. 5重量％添加して造粒粉を調製しナ:。

次に、得られた造粒粉をプレス成形機の成形用^ [内に充填して 12 00 kg/cm² の加圧力にて一軸方向に圧縮成形して、角板状の成形体を多数調製した。弓 Iき続き各成形体を空気中で 450 で 1時間加熱して脱脂処理した。

次に脱脂処理した各成形体を A 1 N製焼成容器内に収容し、焼成炉において焼成温度 1760〜1780 で 4時間緻密化焼結を実施し、その後冷却速度 200て Zhrで冷却してそれぞれ熱伝導率が 182WZm

• Kであり、厚さが前記 S i₃ N₄基板と等しい例 27~29用の

A 1 N基板を製造した。

次に第 17図に示すように同じ厚さを有する S i₃ N₄基板 2と A 1

N基板 15とを同一平面上で組み合せてそれぞれ複合基板 14を形成した。すなわち半導体素子 6を搭載する部位には A 1 N基板 15を配置する一方、その他の部位には S i ^ N₄ 基板 2を配置して複合基板 14とした。

次に第 16図および第 17図に示すように各窒化けい素基板 2および窒化アルミニゥム基板 15の表面の回路層を形成する部位および裏面の金属板（銅板）を接合する部位に、 3 Owt%Ag— 65%Cu— 5% T iろう材をスクリーン印刷し乾燥して厚さ 20;/mの活性金属ろう材層 7 a , 7 bを形成した。この活性金属ろう材層 7 a , 7 bの所定位匿に、タフピッチ電解銅から成る厚さ 0. 3咖の銅回路板 4と厚さ 0. 2 5 mm値の金属板（裏銅板） 5とを接触配置した状態で、真空中で温度 8 5 0 で 1 0分間^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 A 1 N基板 1 5上面に接合した銅回路板 4の中央部に半田層 8を介して半導体素子 6を接合して実施例 2 7〜2 9に係る複合型窒化けい素回路基板 1 f を多数製造した。

比較例 1 2

実施例 2 7〜2 9で使用した S i N₄基板 2と A 1 N基板 1 5とから成る複合基板 1 4に代えて、熱伝導率 kが 1 8 2 W/m · Kであり厚さが 0. 8 mmの窒化アルミニウム（A 1 N) 焼結体のみなら成るセラミックス基板を^した以外は実施例 2 7〜 2 9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金属板を一体に接合して比絞例 1 2に係る窒化けヽ素回路基板を製造した。

このようにして調製した実施例 2 7〜2 9および比較例 1 2に係る回路基板の最大たわみ量および抗折を測定したところ、実施例 2 7〜 2 9に係る複合型窒化けい素回路基板 1 jは、従来の窒化アルミニウム基板のみを使用した比較例 1 2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力《判明した。また複合セラミックス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 α^、 ςί o

上記各実施例の複合型窒化けい素回路基板を、第 1 7図に示すようにヒートシンク 1 3に接合した後にアッセンプ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^りですることができた。

また各セラミックス回路基板について一 4 5 から室温（R T) まで加熱し、弓 Iき続き室温から + 1 2 5てまで加熱した後に、室温を経て再び一 4 5 に冷却するまでを 1サイクルとする昇温一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 2 7〜 2 9の複合型窒化けい素回路基板では 1 0 0 0サイクル経過後においても、 S i ₃ N 基板や A 1 N基板の割れや金属回路板（C u回路板）および金属板の剥離が昏無であり、優れた耐熱サィクル特性を示すことが判明した。一方、比較例 1 2の回 ½S板においては、 1 0 0サイクルでクラックが発生し、耐久性が低 ^、ことが確認された。

実施例 3 0

実施例 2 7〜 2 9において調製した S i ₃ N₄基板であり熱伝導率 kが 7 O WZm · Kであり厚さがそれぞれ 0. 4廳， 0. 6 nun, 0. 8 mmである各 S i ₃ N₄基板を酸化炉中で ί¾ 1 3 0 0てで 1 2時間加熱することにより、基板の全表面を酸化し、厚さ 2 /z mの酸化層を形成した。酸化層は S i 0₉皮膜で形成される。

—方、実施例 2 7〜 2 9において調製した A 1 N基板であり熱伝導率 kが 1 8 2 WZm · Kであり厚さがそれぞれ 0. 4mm， 0. 6 mm, 0. 8咖である各 A 1 N基板を空気中で温度 1 2 0 0 で 0. 5時間加熱することにより、基板の全表面を酸化し、厚さ 2 mの酸化層を形成した _c 酸化層は A 1 ₂ 0₃ 皮膜で形成される。

次に第 1 8図に示すように同じ厚さを有する S i ₃ N₄基板 2と A 1 N基板 1 5とを同一平面上で組み合せてそれぞれ複合基板 1 4を形成した。すなわち半導体素子 6を搭載する部位には、 A 1 N基板 1 5を配置する一方、その他の部位には S i ₃ N₄基板 2を配置して複合基板 1 4 とした。

次にそれぞれ酸化層 3を形成した各 S i ₃ N₄基板 2と A 1 N基板 1 5とを複合ィ匕した複合基板 1 4の表面側に、厚さ 3 πιπιのタフピッチ電解銅から成る鋦回路板を接触配置する一方、背面側に厚さ 0 . 2 5 mni のタフピッチ銅から成る金属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棼囲気に調整した温度 1 0 7 5 の加熱炉に挿入して 1分間加熱することにより、各複合基板 1 4の両面に銅回路板または金属板を直^合し、さらに半導体素子を半田接合して実施例 3 0に係る複合型窒化けい素回路基板 1 kをそれぞれ調製した。

各複合型窒化けい素回路基板 1 kは、第 1 8図に示すように S i g N ₄基板 2および A 1 N基板 1 5の全表面にそれぞれ S i 0₂ または A 1 ₂ 0₃ から成る酸化層 3力く形成されており、 S i ₃ N₄基板 2と A 1 N 基板 1 5とから成る複合基板 1 4の表面側に金属回路板としての鋦回路板 4が直合される一方、背面側に裏銅板としての金属板 5が同様に直接接合され、さらに表面側の銅回路板 4の所定位置に半田層 8を介して半導体素子 6力一体に接合された構造を有する。なお複合基板 1 4の両面に銅回路板 4または金属板 5を接合した場合、裏銅板としての金属板 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。

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 3 0に係る複合型窒化けい素回路基板の最大たわみ量は 0 . 8〜1 . 6 mmの範囲であり、また抗折強度は 5 5 0〜9 0 O M P aの範囲であり、実施例 2 7 〜 2 9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 1 0 0 0サイクル経過後においても S i N ₄ 基板および A 1 N基板の割れや金属回路板および金属板の剥離が ·&無であり、優れた耐熱サイクル特性を示した。次に窒化け t、素基板と窒化アルミニウム基板とを積層して形成した複合セラミックス基板の実施形態について説明する。

第 1 9図は、本発明の複合型の窒化けい素回路基板の一実施形態を示す断面図である。同図において、 2は窒化けい素基板であり、これら 2 枚の窒化けい素基板 2, 2は窒化アルミニウム基板 1 5を介して積層、 —体化されている。すなわち、窒化アルミニウム基板 1 5は表面部側に配置された 2枚の窒化けい素基板 2 , 2により挟持されており、この窒化け L、素基板 2 Z窒化ァルミニゥム基板 1 5ノ窒化け t、素基板 2から成る 3層のサンドイッチ構造によって複合基板 1 4 a力く構成されている。上述した窒化けい素基板 2および窒化アルミニウム基板 1 5としては、従来から用いられている一般的なものを使用することができるが、特に窒化けい素基板 2としては熱伝導率が 6 OW/m · KiiLtのものを使用することが好ましい。

窒化けい素基板 2を構成する窒化けい素焼結体は、高強度 ·高靭性のセラミックス焼結体としてよく知られている力 <、例えば高純度化、組成調整等を行なうことによって、本来の高 ·高靭性という機械的特性を損うことなく、熱伝導率が 6 O W/m · K以上というように、比校的熱伝導性に優れた窒化けい素焼結体を得ることができる。本発明では、このような比較的熱伝導性に優れた窒化けい素基板 2を用いることが好ましい。また、窒化アルミニウム基板 1 5としては、従来から"^的に用いられている熱伝導率が 1 7 O W/m · K以上の高熱伝導性のものを使用すること力好ましい。

上記複合基板 1 4 aを構成する窒化けい素基板 2， 2と窒化アルミ二ゥム基板 1 5とは、活性金属接合層 1 6を介してそれぞれ接合されている。活性金属接合法としては、 "^的な 4 A族元素や 5 A族元素等の活性金属を含む活性金属ろう材を用いた活性金属ろう付け法や、活性金属の箔ゃ粉体を用いた活性金厲固相接合法等を適用することができる。例えば活性金属ろう材としては、 Ag— Cuの共晶組成（72w t%Ag

-28 t%Cu) もしくはその近傍組成のろう材に、 T i， Z r, H f および Nbから選ばれる少なくとも 1種の活性金属を添加したものや、

Cuに同様な活性金属を添加したもの等力用いられる。また、このような活性金属ろう材に I nや Sn等を添加して、融点を低下させた低融点活性金属ろう材を使用することも可能である。

窒化けい素基板 2， 2と窒化アルミニウム基板 15との接合には、上述した活性金属接合法に限らず、第 20図に示すように、ガラス接合法を適用することも可能である。接合層となるガラス層 1 Ί, 17には、硼珪酸ガラス等の接合用ガラスが用いられる。

窒化けい素基板 2， 2と窒化アルミニウム基板 15との接合に活性金属接合法を適用した場合には、鋦板（回路）を活性金属法で同時に形成できるというような利点があり、一方ガラス接合法を適用した場合には、銅板（回路）を直接接合法（DBC法）で接合できるというような利点がある。

また、複合基板 14 aを構成する窒化けい素基板 2および窒化アルミニゥム基板 15の厚さは、要求特性や複合基板 14 a全体の厚さ等によつても異なるが、表面部側に位置して機械的強度を担う窒化けい素基板 2は 0. 2mni以上とすることが好ましい。窒化けい素基板 2の厚さが 0. 2 mm未満であると、複合基板 14 aとして十分な的強度が得られないおそれがある。但し、窒化けい素基板 2の厚さがあまり厚すぎると、複合基板 14 aとしての放熱性が低下するおそれがあるため、窒化けい素基板 2の厚さは 0. 5mm以下とすることが好ましい。

窒化アルミニウム基板 15は複合基板 14 aの放熱性を担う部分であ I 0 るため、複合基板 1 4 a全体の厚さの 2 0 %以上力窒化アルミニウム基板 1 5となるように、その厚さを設定すること力 <好ましい（より好ましくは 3 0 % Ji) 。窒化アルミニウム基板 1 5が占める厚さが 2 0 %未満となると、複合基板 1 4 aとしての放熱性が低下するおそれがある。このように、窒化アルミニウム基板 1 5は窒化けい素基板 2より厚いことがより好まい、。但し、複合基板 1 4 aとしての機械的強度や放熱性等の特性は、窒化けい素基板 2および窒化アルミニウム基板 1 5の個々の材料特性によっても異なるため、それらを考慮してそれぞれの厚さを設定することが好ましい。

この形態の複合基板 1 4 aにおいては、機械的圧力、機械的応力、熱応力等が直接作用する表面部を高強度 ·高靭性の窒化けい素基板 2で構成しているため、アッセンプリ工程での締め付け割れや熱サイクルの付加に伴うクラック発生等を抑制することができる。すなわち、例えば熱応力や的応力等は基本的には表面にしか加わらないため、表面部を高強度 ·高靭性の窒化けい素基板 2で構成することによって、割れやクラック等の発生を抑制すること力河能となる。

一方、複合基板 1 4 aの熱伝導性は、窒化けい素基板 2 , 2の中央に位置する窒化アルミニウム基板 1 5が担うため、複合基板 1 4 aとして十分良好な高熱伝導性を得ることができる。このように、上記複合基板 1 4 aは、高強度 ·高靭性の窒化けい素基板 2および熱伝導性に優れる窒化アルミニゥム基板 1 5の両者の特徴を兼ね備えるものである。

上述した複合基板 1 4 aの両主面上、すなわち窒化けい素基板 2 , 2 上には、それぞれ銅板 4 , 4力《接合されており、これら銅板 4 , 4は回路（配線層）や半導体素子搭載部等を構成するものであり、これによつて複合セラミックス基板 1 b力《構成されている。銅板 4 , 4は、例えば上述した活性金属接合法ゃ鋦直接接合法いわゆる D B C法により接合す ί b ることができる。また、回路等となる金属層は、上記した接合銅板 4に限らず、厚膜ペーストの塗布、焼成等によって形成することも可能である。厚膜ペーストとしては、 Wや M o等の高融点金属を含むペースト、あるいは活性金属を含む A g - C u合金ペース卜等カいられる。

次に、本発明の他の実施形態について、第 2 1図を参照して説明する。第 2 1図は本発明の複合型の窒化けい素回路基板をヒートシンクに利用したものであり、上面側の窒化けい素基板 2は t! 的圧力等が直接的に印加される周縁部のみ、すなわち窒化アルミニウム基板 1 5の上面周縁部のみに接合されている。下面側の窒化けい素基板 2は窒化アルミ二ゥム基板 1 5全面に接合されており、これらによって複合基板 1 4 bが構成されている。これら窒化けい素基板 2と窒化アルミニウム基板 1 5 とは図示を省略したが、前述した実施形態と同様に、活性金属接合法やガラス接合法等により接合されている。なお、下面側の窒化けい素基板 2表面には銅板 4が同様な方法で接合されている。

上述したように、この実施形態の複合型窒化けい素回路基板においては、上面側の窒化けい素基板 2を機械的圧力等が直接的に印加される周縁部のみに接合しているため、半導体素子 6等の電子部品は熱伝導性に優れる窒化アルミニウム基板 1 5上に直^載することができる。したがって、半導体素子 6からの熱をより速かに放散することができる。このように、本発明の電子部品搭載用セラミックス基板によれば、ヒ一トシンクとしての特性を維持した上で、アッセンプリ工程での締め付け割れゃ熱サイクルの付加に伴うクラック発生等を抑制することが可能となる。

第 2 1図に示した構造の複合基板 1 4 bは、例えば Q F Pのパッケ一ジ基体として利用することもできる。すなわち、窒化アルミニウム基板 1 5の上面側に接合された窒化けい素基板 2上にリードフレームを接合了了することによって、リードフレームの接合に伴う応力割れ等を防止することができる。なお、上記ヒートシンクと同様に、半導体素子 6は窒化アルミニウム基板 1 5上に直載できるため、 Q F Pとしてより良好な放熱性を得ることができる。

本発明の複合セラミックス基板は、第 2 1図に示したように、必ずしも窒化け、素基板 2を窒化アルミ二ゥム基板 1 5の全面に接合しなければならないものではなく、窒化アルミニウム基板 1 5に対して部分的に窒化けい素基板 2を接合することも可能である。

また、本発明の複合セラミックス基板は、セラミックス回路基板ゃヒートシンク等に限らず、前述したように半導体用パッケージの基体等としても使用することができる。例えば、 B G Aや P G A等のパッケージ基体に本発明の複合基板を用いる場合、プリント ΙΞ^基板との接合部側に特に熱応力が ¾Πされるため、このような熱応力が集中して加わる側のみに窒化けい素基板を接合して用いることも可能てある。すなわち、本発明においては、窒化アルミニウム基板の片面のみに窒化けい素基板を接合一体化した複合基板を用いることもできる。

このように、本発明の電子部品搭載用セラミックス基板においては、窒化け、素基板の窒化ァルミニゥム基板に対する接合位置は特に限定されるものではなく、機械的強度が必要とされる種々の部位に窒化けい素基板を接合することができ、種々の形態の複合基板を使用することが可能である。

次に積層形の複合セラミックス基板の実施形態について以下に示す実施例 3 1を参照してさらに説明する。

実施例 3 1

前記実施例 1 6において調製した試料 1〜5 1に係る各窒化けい素焼結体の表面を加工研磨することにより、各試料焼結体から厚さ 0. 2 mm の窒化けい素基板を 2枚ずつ用意する一方、この窒ィ匕けい素基板と平面形状が同一で、熱伝導率が 1 7 O W/rn · Kで厚さ 0. 4腳の窒化アルミニゥム基板を多数用意した。次に窒化アルミニウム基板 1 5の両面にそれぞれ窒化け L、素基板 2を、それぞれ活性金属法で接合することにより、第 1 9図に示すようなサンドイッチ構造を有する厚さ 0. 8咖の複合基板 1 4 aをそれぞれ調製した。さらに各複合基板 1 4 aの両主面に銅板 4， 4を、それぞれ活性金属法により接合し、しかる後にエツチング処理して所定の配線パターンを形成し、それぞれ実施例 3 1に係る複合型窒化け I、素回路基板を製造した。

このようにして得た各複合型窒化けい素回路基板 1 ίの曲げを測定したところ、平均値で 5 0 O M P aと良好な値を示した。また、各複合型窒化けい素回路基板に 2 3 3 K〜R T〜3 9 8 Kの熱サイクル試験を施したところ、 1 0 0 0サイクル後においてもクラックの発生は認められず、耐電圧の低下も発生しなかった。

実施例 3 2

実施例 3 1において用意した熱伝導率が 1 Ί O W/m · Kで厚さ 0. 4mmの窒化アルミニウム基板 1 5と、この窒化アルミニウム基板 1 5と平面が同一で、前記試料 1〜 5 1に係る各窒化けい素焼結体から切り出した厚さ 0. 2脚の窒化けい素基板 2, 2とを硼珪酸ガラスを用いて接合して、第 2 0図に示すようなサンドイッチ構造を有する厚さ 0. 8 min の複合基板 1 4 aを得た。さらに上記複合基板 1 4 aの両主面に銅板 4， 4をそれぞれ直接接合法（D B C法）で接合し、エッチングにてパターンを形成し、それぞれ実施例 3 2に係る複合複合型窒化けい素回路基板 1 を製造した。

このようにして得た各複合型窒化けい素回路基板 1 j?の曲げ ¾gを測定したところ、平均値で 5 0 O M P aと良好な値を示した。また、上記合型窒化けい素回路基板 1 こついて 2 3 3 1：〜1 丁〜3 9 8 1^の熱サイクル試験を施したところ、 1 0 0 0サイクル後においてもクラックの発生は認められず、耐電圧の低下も発生しなかった。

比較例 1 3

熱伝導率が 1 7 O W/m · Kで厚さ 0. 8 mmの窒化アルミニウム基板の両主面に、銅板をそれぞれ直接接合法（D B C法）により接合し、ェツチングにてパターンを形成した。このようにして得た各複合セラミックス回路基板の曲げを測定したところ、 3 0 0 M P aであった。また、このセラミックス回路基板に 2 3 3 K〜R T〜3 9 8 Kの熱サイクル試験を施したところ、 3 0 0サイクルでクラックが発生し、耐電圧が低下した。

比較例 1 4

熱伝導率が 1 7 OW/m · Kで厚さ 0. 8mmの窒化アルミニウム基板の両主面に、銅板をそれぞれ活性金属接合法により接合し、エッチングにてパターンを形成した。このようにして得た各複合セラミックス回路基板の曲げ強度を測定したところ、 3 0 0 M P aであった。また、このセラミックス回路基板に 2 3 3 K〜R T〜3 9 8 Kの熱サイクル試験を施したところ、 5 0 0サイクルでクラックが発生し、耐電圧が低下した。以上説明したように、本実施例に係る複合型の窒化けい素回路基板によれば、窒化アルミニウム基板本来の高熱伝導性等の特性をあまり低下させることなく、回路基板全体としての機械的強度を高めることができ、よって信頼性を大幅に向上させることが可能となる。

また、高熱伝導性窒化けい素基板を、特に構造 ¾J を要求される部位に配置する一方、半導体素子等の発熱部品を搭載するために特に高い放熱性が要求される部位に窒化アルミニウム基板を配置し、両基板を同一平面上に配置したり、積層したりして形成されているため、半導体素子等の発熱部品からの発熱は熱伝導率が高い窒化アルミニゥム基板を経てに系外に伝達されるため放熱性力、'極めて良好である。一方、高強度高靭性である窒ィ匕けゝ素基板を、構造強度が要求される部位に配置しているため、回路基板の最大たわみ量を大きく確保することができる。そのため、アッセンプ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^ ¾りですることが可能になる。産業上の利用可能性

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金属回路板を一体に接合して形成されている。したがって、回路基板の靭性値が高いため最大たわみ量および抗折を大きく確保することができる。そのため、ァッセンプ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 t、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。また窒化けい素基板の靭性値が高いため、熱サイクルによつて基板に割れが発生することが少なく、耐熱サイクル特性力著しく向上し、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。

さらに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、優れた放熱特性を発揮する。

特に窒化けい素基板自体の: (^的強度力れているため、要求される的強度特性を一定とした場合に、他のセラミックス基板と比較して基板厚さをより低減すること力河能となる。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力くできる。また要求される¾«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。

Claims

請求の範囲

1. 熱伝導率が 6 OW/m · K以上で三点曲げ強度（常温）が 650Μ P a以上である高熱伝導性窒化けい素基板上に金属回路板を接合してなる窒化け L、素回路基板において、上記高熱伝導性窒化け L、素基板の厚さを D_s , 金属回路板の厚さを D_M としたときに関係式 ≤2D M を満たすことを特徴とする窒化けい素回路基板。

2. 高熱伝導性窆化けい素基板の厚さ D_sおよび金属回路板の厚さ D_M が関係式 D„ ≤D_S≤ (5/3) D_M を満たすことを特徴とする請求項 1記載の窒化けい素回路基板。

3. 高熱伝導性窒化けい素基に T i, 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金属接合層を介して金属回路板を接合してな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。

4. 高熱伝導性窒化けい素基板上に酸化層を介して金属回路板を直接接合してなることを特徴とする請求項 1記載の窒化け L、素回路基板。

5. 熱伝導率が 6 OW/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板に回路層を一体に接合した回路基板であり、回路基板を 5 Ommの支持間隔で保持した状態で中央部に荷重を付加したときに窒化け、素基板が破断に至るまでの最大たわみ量が 0. 6 mm以上であることを特徴とする窒化けい素回路基板。

6. 熱伝導率が 6 OW/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板に回路層を一体に接合した回路基板であり、回路基板を 5 Ommの支持間隔で保持した状態で抗折をしたときに抗折強度が 500 M P a J^Ltであることを特徴とする窒化け、素回路基板。

7. 回路層が鋦回路板であり、この鋦回路板が Cu— 0共晶化合物によつて窒化け L、素基板に直^合されていることを特徴とする請求項 5 または 6記載の窒化け t、素回路基板。

8. 回路層が鋦回路板であり、 T i， 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層を介して上記銅回路板が窒化けい素基板に接合されていることを特徴とする請求項 5 または 6記載の窒化けい素回路基板。

9. 回路層は Wあるいは Moに T i, 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高！ ^金属メタライズ層から成ることを特徴とする請求項 5または 6記載の窒化け L、素回路基板 c

10. 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％、不純物陽イオン元素としての L i， Na, K, F e, Ca， Mg, S r, B a, Mn, Bを合計で 0. 3重量％以下含有する窒化け、素焼結体から成ることを特徴とする請求項 1， 5および 6の L、ずれかに記載の窒化け L、素回路基板。

11. 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 2 0 %以上である窒化け、素焼結体から成ることを特徴とする請求項 1 , 5および 6の L、ずれかに記載の窒化け、、素回路基板。

12. 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 L i, N a, K， Fe， C a, Mg, S r, B a, Mn, Bを合計で 0. 3重量％以下含有し、熱伝導率が 6 OWZ m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板の表面に、厚さが 0. 5 〜： L 0 /imの酸化物層が形成され、この酸化物層を介して金属回路板力上記窒化けい素基板に直接接合されていることを特徴とする窒化けい素回路基板。

13. 窒ィ匕けい子および粒界相により構成され、粒界相中における結晶化合物相が粒界相全体に対する割合で 20%以上を占め、熱伝導率が 6 O /m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板の表面に、厚さが 0. 5〜1 O mの酸化物層力形成さこの酸化物層を介して金属回路板力く上記窒化けい素基板に直接接合されていることを特徴とする高熱伝導性窒化け L、素回路基板。

14. 金属回路板は、表面に厚さ 1. 0 m以上の酸化鋦層を有する銅回路板であることを特徴とする請求項 12または 13記載の窒化けい素回路基板。

15. 金属回路板が酸素を 100〜1000 p pm含有するタフピッチ電解銅から成ることを特徴とする請求項 12または 13記載の窒化けい素回路基板。

6. 高熱伝導性窒化けい素基板は粗面化加工された表面を有することを特徴とする請求項 12または 13記載の窒化けい素回路基板。

7. 希土類元素を酸化物に換算して 2. 0〜： L 7. 5重量％、不純物陽イオン元素としての L i， N a, K, F e, Ca, Mg, S r， B a, Mn, Bを合計で 0. 3重量％以下含有し、熱伝導率が 6 OWZ 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 L、素回路基板。

.8. 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 L i， N a, K, Fe， Ca， Mg, S r， B a, 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 6 OW/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 L、素回路基板。

19. 熱伝導率が 6 OWXm · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板と窒化ァルミニゥム基板とを同一平面上に配置し、前記高熱伝導性窒化け t、素基板および前記窒化ァルミニゥム基板の表面に形成した酸化層を介して金属回路板を接合したことを特徴とする窒化け L、素回路基板。

2 0. 高熱伝導性窒化けい素基板および窒化アルミニウム基板の裏面に形成した酸 {LSを介して金属板を接合したことを特徴とする請求項 1 9記載の窒化けい素回路基板。

2 1. 熱伝導率が 6 OW/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板と窒化ァルミニゥム基板とを同一平面上に配置し、前記高熱伝導性窒化けい素基板および前記窒ィヒアルミニウム基板の表面に T i , Z r , H f および N bから選択される少なくとも 1種の活性金属を含有する金属接合層が形成され、この金属接合餍を介して金属回路板を接合してなることを特徴とする窒化け L、素回路基板。

2 2. 高熱伝導性窒化けい素基板および窒化アルミニゥム基板の裏面に形成した金属接合層を介して金属板を接合したことを特徴とする請求項 2 1記載の窒化けい素回路基板。

2 3. 熱伝導率が 6 OW/m · K以上である高熱伝導性窒化けい素基板と窒化アルミニウム基板とを積層して成り、前記窒化アルミニウム基板は、前記窒化けい素基板により挟持されるとともに、 T i , Z r , H f および N bから選択される少なくとも 1種の活性金属を含有する金属接合層を介して接合されていることを特徴とする窒化け L、素回路基板。