專利名稱：氮化硅基板及其制造方法,以及使用該氮化硅基板的氮化硅電路基板和半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化硅基板及其制造方法。另外，本發(fā)明涉及使用上述氮化硅基板的 氮化硅電路基板以及半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，在電動(dòng)車輛用逆變器(inverter)等領(lǐng)域中，使用有可以用高電壓·大電 流工作的功率半導(dǎo)體模塊(power semiconductor module) (IGBT、功率MOSFET等)。對(duì)于功 率半導(dǎo)體模塊中使用的基板，可以使用在絕緣性陶瓷基板的一個(gè)表面接合有金屬電路板， 在另一表面接合有金屬散熱板的陶瓷電路基板。另外，在金屬電路板的上面搭載半導(dǎo)體元 件等。上述絕緣性陶瓷基板與金屬電路板及金屬散熱板的接合，例如有采用基于釬料的活 性金屬法、直接接合銅板的所謂銅直接接合法。對(duì)于這樣的功率半導(dǎo)體模塊，通過流過大電流而散熱量變大，然而由于上述絕緣 性陶瓷基板相對(duì)于銅板而言熱傳導(dǎo)率低，因此可能成為阻礙半導(dǎo)體元件散熱的因素。另外， 因絕緣性陶瓷基板與金屬電路板及金屬散熱板之間的熱膨脹率相異而導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生，由 此存在如下情況絕緣性陶瓷基板產(chǎn)生裂縫并達(dá)到破壞，或者金屬電路板或金屬散熱板從 絕緣性陶瓷基板產(chǎn)生剝離。由此，對(duì)于絕緣性陶瓷基板，為了使散熱性良好而需要具有高熱 傳導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度。作為絕緣性陶瓷基板的材料，可以列舉出例如氮化鋁、氮化硅，但是對(duì) 于使用氮化鋁的絕緣性陶瓷基板，由于熱傳導(dǎo)率雖高但機(jī)械強(qiáng)度低，因而容易產(chǎn)生這樣的 裂縫，難以用于對(duì)陶瓷基板施加很大應(yīng)力的這類結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體模塊。因此，在下述專利文獻(xiàn)1中，公開有氮化硅基板的實(shí)例，通過使晶界相的20%以上 結(jié)晶化，從而降低熱傳導(dǎo)率低的玻璃相的比率并提高氮化硅基板的熱傳導(dǎo)率。下面稱該技 術(shù)為第1已知例；另外，在下述專利文獻(xiàn)2中，公開有氮化硅陶瓷材料的實(shí)例，通過對(duì)晶界相 進(jìn)行非晶質(zhì)化，從而使氮化硅晶粒通過非晶質(zhì)的晶界相更牢固地結(jié)合，以提高強(qiáng)度。下面稱 該技術(shù)為第2已知例；另外，在下述專利文獻(xiàn)3中，公開有氮化硅質(zhì)散熱部件的實(shí)例，通過在 晶界相中含有包含MgSiO3或MgSiN2的晶相從而獲得高熱傳導(dǎo)率的氮化硅質(zhì)散熱部件。下 面稱該技術(shù)為第3已知例；另外，在下述專利文獻(xiàn)4中，公開有氮化硅基燒結(jié)體的實(shí)例，公開 了晶界相中包含晶相，抗彎強(qiáng)度、破壞韌性和耐熱沖擊性優(yōu)異的燒結(jié)體。下面稱該技術(shù)為第 4已知例?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開2000-34172號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開平7467735號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特許第3561145號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 日本特許第3476504號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題對(duì)于上述的第1已知例的氮化硅基板，通過結(jié)晶化晶界相的20%以上從而提高了 熱傳導(dǎo)率。雖然高熱傳導(dǎo)率對(duì)電路基板的熱阻降低有貢獻(xiàn)，但是特別是在制造與厚銅板接 合的氮化硅電路基板時(shí)，考慮了高溫下的安裝、半導(dǎo)體模塊在高溫下工作的情況，還必需具 有高機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)于該第1已知例，雖然對(duì)抗彎強(qiáng)度有記載，但是限于為了實(shí)現(xiàn)其抗彎強(qiáng)度 而利用特定的原料粉末、特定的制造條件而制造的情況；對(duì)于第2已知例的氮化硅陶瓷材 料，雖然對(duì)晶界相進(jìn)行非晶質(zhì)化，以獲得高抗彎強(qiáng)度的陶瓷材料，但是沒有考慮熱傳導(dǎo)率； 對(duì)于第3已知例的氮化硅質(zhì)散熱部件，雖然通過在晶界相中含有包含MgSiO3或者M(jìn)gSiN2的 晶相從而改善了熱傳導(dǎo)率，但是由于實(shí)質(zhì)上包含有含有MgSiO3和RE的晶相，因此，其熱傳 導(dǎo)率對(duì)于半導(dǎo)體模塊的散熱部件而言并不充分，另外，抗彎強(qiáng)度也不充分；對(duì)于第4已知例 的氮化硅基燒結(jié)體，雖然對(duì)耐熱沖擊性、抗彎強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)率的提高有記載，但是由于形成 有低熱傳導(dǎo)率的包含賽隆硅合金(寸4 τ· 口 > )的相，因此難以用于散熱基板。鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種氮化硅基板及其制造 方法，以及使用該氮化硅基板的氮化硅電路基板以及半導(dǎo)體模塊，所述氮化硅基板由具有 高強(qiáng)度和高熱傳導(dǎo)率且耐熱沖擊性優(yōu)異的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體形成。解決問題的技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，對(duì)于權(quán)利要求1所述的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體的發(fā)明，其為包含β 型氮化硅晶粒與晶界相的氮化硅基板，所述晶界相含有至少1種稀土類元素(RE)、鎂(Mg) 和硅(Si)，其特征在于，對(duì)于所述氮化硅基板，前述晶界相包含非晶相和MgSiN2晶相，含有 前述稀土類元素(RE)的晶相的任一個(gè)晶面的X射線衍射峰強(qiáng)度小于前述β型氮化硅晶粒 的(110)、(200)、(101)、(210)、(201)、(310)、(320)及(002)的衍射峰強(qiáng)度之和的 0. 0005 倍，前述MgSiN2晶相的(121)的X射線衍射峰強(qiáng)度為前述β型氮化硅晶粒的(110)“200)、 (101)、(210)、(201)、(310)、(320)及(002)的 X 射線衍射峰強(qiáng)度之和的 0. 0005 0. 003 倍。權(quán)利要求2的發(fā)明為權(quán)利要求1所述的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體，其中，氮化硅質(zhì)燒結(jié)體的 熱傳導(dǎo)率為80W/m · K以上。權(quán)利要求3的發(fā)明為權(quán)利要求1或2所述的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體，其特征在于，所述 氮化硅質(zhì)燒結(jié)體，將前述氮化硅質(zhì)燒結(jié)體所含有的鎂(Mg)換算為氧化鎂(MgO)、將同樣含 有的至少1種稀土類元素(RE)換算為稀土類元素氧化物(RE2O3)時(shí)，MgO含量為6. 7 12. 8mol%，RE2O3 含量為 1. 1 2. 9mol%、Mg0 禾Π RE2O3 的含量合計(jì)為 7. 9 15. Imol %、且 (RE2O3) / (MgO)的摩爾比為 0. 09 0. 3。對(duì)于權(quán)利要求4所述的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體的制造方法的發(fā)明而言，其特征在于， 按照氧化鎂(MgO)為6. 7 12. 8mol %、至少1種的稀土類元素氧化物(RE2O3)為1. 1 2. 9mol%、兩者的合計(jì)7. 9 15. Imol %、且(RE2O3) / (MgO)的摩爾比為0. 09 0.3的方式， 將氧化鎂(MgO)和至少1種稀土類元素氧化物(RE2O3)配合于含氧量2. 0質(zhì)量％以下的氮 化硅原料粉，從而制成總厚度40mm以下的板成型體；將前述板成型體以300°C /h以下的速 度從1600°C升溫至1800 2000°C的溫度，保持2 10小時(shí)之后，以100°C /h以上的速度 冷卻至1500°C從而燒結(jié)。
4
對(duì)于權(quán)利要求5所述的氮化硅電路基板的發(fā)明，其特征在于，包含由權(quán)利要求1 至3中任一項(xiàng)所述的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體形成的氮化硅基板，接合于前述氮化硅基板的一面的 金屬電路板和接合于前述氮化硅基板的另一面的金屬散熱板。對(duì)于權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體模塊的發(fā)明而言，其特征在于，具有權(quán)利要求5所述 的氮化硅電路基板和搭載于前述氮化硅電路基板上的半導(dǎo)體元件。發(fā)明效果根據(jù)權(quán)利要求1至3的發(fā)明，可得到高強(qiáng)度且高熱傳導(dǎo)率的氮化硅基板。根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)明，可提供高強(qiáng)度且高熱傳導(dǎo)率的氮化硅基板的制造方法。根據(jù)權(quán)利要求5的發(fā)明，可得到抑制氮化硅基板產(chǎn)生裂縫的氮化硅電路基板。根據(jù)權(quán)利要求6的發(fā)明，可得到抑制氮化硅基板產(chǎn)生裂縫的半導(dǎo)體模塊。


圖1 本發(fā)明的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體的氮化硅粒子以及晶界相的透射電子顯微鏡 (TEM)圖像。圖2 圖1的TEM圖像的示意圖。圖3 表示基于圖1的TEM-EDX、對(duì)于Si、Mg、Y、0成分的表面分析結(jié)果。圖4 由實(shí)施例2獲得的氮化硅燒結(jié)體的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。圖5 圖4的TEM圖像的示意圖。 圖6 表示MgSiN2X射線比率與根據(jù)TEM圖像的圖像解析而求出的晶界晶相MgSiN2 的存在比率的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式(稱為實(shí)施方式)進(jìn)行說明。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式是，作為上述功率半導(dǎo)體模塊等中使用的絕緣性陶瓷基板 的氮化硅基板，所述氮化硅基板包含β型氮化硅的晶粒與含有至少1種稀土類元素(RE)、 鎂(Mg)和硅(Si)的晶界相，就氮化硅基板而言，前述晶界相包含非晶相和MgSiN^e0相，實(shí) 質(zhì)上不包含含有前述稀土類元素(RE)的晶相。一般而言，氮化硅燒結(jié)體，包含含有β型氮化硅晶粒和燒結(jié)助劑成分的晶界相， 另外晶界相包含非晶相或者晶相。就前述晶界相而言，通過X射線衍射法測(cè)定基板表面的 衍射線，通過鑒定所檢測(cè)出的β型Si3N4以外的衍射線峰從而判斷晶界相中的各晶相的有 無(wú)。如果沒有檢測(cè)出含有Mg的晶相的X射線峰，判斷為Mg作為非晶相而存在于晶界相；如 果沒有檢測(cè)出含有RE的晶相的X射線峰，判斷出RE作為非晶相而存在于晶界相。具體而 言，在晶界晶相的任一個(gè)衍射峰強(qiáng)度低于β型Si3N4的(110)、(200)、(101)、(210)、(201)、 (310),(320)及(002)的衍射峰強(qiáng)度之和的0. 0005倍時(shí)，判斷出晶界相不包含晶相。關(guān)于 晶相的有無(wú)，在MgSiN2的情況下，(121)的X射線峰可根據(jù)其與β型Si3N4的(110)“200)、 (101),(210),(201),(310),(320)及(002)的衍射峰強(qiáng)度之和的比來(lái)算出；另外，在Re成 分的情況下，對(duì)于 Ite2Si3O3N4, Re2SiO3N 以及 Re4Si2O7N3 而言，分別地，(211)、(112)和(-221) 的X射線峰為第1峰，可根據(jù)這些X射線峰與β型Si3N4的(110)、(200), (101)、(210), (201), (310), (320)及(002)的衍射峰強(qiáng)度之和的比來(lái)算出。
5
另外，通過使用透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope :TEM)進(jìn)行 的觀察而確認(rèn)有無(wú)晶界相中的晶相的析出；晶界相(非晶相與晶界晶相之和)中的晶相的 存在比例(面積率)通過圖像解析來(lái)算出。如上所述的氮化硅基板，由以氮化硅粒子和作為燒結(jié)助劑添加的成分為主的晶界 相構(gòu)成。對(duì)于以所添加的燒結(jié)助劑作為主成分而生成的晶界相而言，具有保持氮化硅粒子 間的結(jié)合，另外，抑制粒子間的缺陷的作用。特別是，由于氮化硅基板的晶界相的結(jié)合力不 充分而導(dǎo)致在表面具有粗大缺陷的情況下，在對(duì)氮化硅基板施加應(yīng)力時(shí)，該缺陷成為破壞 的起點(diǎn)并容易引起破壞，因此需要使晶界相均勻地分散存在從而將粒子間結(jié)合，抑制粗大 缺陷的生成。就氮化硅基板而言，作為燒結(jié)助劑添加的MgO及RE2O3與Si3N4、Si3N4中包含的SW2 反應(yīng)，通過燒結(jié)工序形成液相。這些液相，在燒結(jié)之后形成晶界相，作為非晶相或晶相而存 在。本發(fā)明的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體的氮化硅粒子以及晶界相的透射電子顯微鏡(TEM)圖像表 示于圖1，其原理示意圖表示于圖2 (后述的實(shí)施例4)。另外，圖6表示基于TEM-EDX (透 射電子顯微鏡-能量色散型X-射線光譜儀，Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectrometry)的、對(duì)于Si、Mg、Y、0成分的面分析結(jié)果。此處，0成分 的濃度高暗示晶界相的情況為非晶相。關(guān)于組成，圖6可知對(duì)于圖1中氮化硅粒子11 所夾著的晶界相中的對(duì)比度不同的晶相13而言，Y及0的檢測(cè)濃度低，Mg及Si為主成分。 另外，根據(jù)X射線衍射結(jié)果，由于僅檢測(cè)出MgSiN2的峰，因此晶界晶相13為MgSiN2。另一 方面，關(guān)于除了晶相13以外的晶界相部12 (非晶相)，Si成分的濃度低，包含Mg、Y及0成 分。另外，根據(jù)X射線衍射，沒有檢測(cè)出除了 MgSm2W外的衍射峰。因此，為以Y、Mg及0為 主成分的非晶相。包含非晶相12和晶界晶相13的晶界相，將氮化硅粒子11間結(jié)合，雙方 的存在比率對(duì)氮化硅質(zhì)燒結(jié)體的機(jī)械強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)率造成影響。優(yōu)選氮化硅質(zhì)燒結(jié)體中 的晶界晶相13(MgSiN2)在晶界相中所占的存在比率(面積率)為大于0.05%、小于20% 的范圍。通過使相對(duì)非晶相12熱傳導(dǎo)率優(yōu)異的晶界晶相析出于晶界相中，從而可實(shí)現(xiàn)燒結(jié) 體的高熱傳導(dǎo)化。特別是由于Mg系晶相的熱傳導(dǎo)率相對(duì)其它成分的晶相優(yōu)異，因此微量析 出即可獲得大效果。因此，為了氮化硅燒結(jié)體的高熱傳導(dǎo)化，優(yōu)選將晶界晶相MgSiN2相在 晶界相中的存在比率制成0.05%以上。另一方面，在過度析出晶界晶相的情況下，相對(duì)于 非晶相而言與氮化硅粒子的接合強(qiáng)度低的晶界晶相的存在比率變大，由此產(chǎn)生機(jī)械強(qiáng)度降 低、且偏差變大這樣的問題。因此，優(yōu)選將MgSiN2相在晶界相的存在比率設(shè)定為低于20%。另外，為了提高氮化硅基板的機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)選將包含Mg的晶界相作為非晶相，保 持氮化硅粒子間的結(jié)合。另一方面，將含有Mg的晶界相進(jìn)行結(jié)晶化時(shí)生成的MgSm2晶相， 相對(duì)于非晶相熱傳導(dǎo)率高，可以提高氮化硅基板的熱傳導(dǎo)率。因此，通過在不引起機(jī)械強(qiáng) 度顯著降低的條件下，使晶界相中的Mg的一部分作為熱傳導(dǎo)率較高的MgSiN2晶相而適量 析出，從而較高地維持氮化硅基板的熱傳導(dǎo)率。對(duì)于在晶界相中析出了適量的MgSiN2晶相 的本發(fā)明的氮化硅燒結(jié)體而言，MgSiN2晶相的(121)的X射線衍射峰強(qiáng)度成為β型Si3N4 的(110)、(200)、(101)、(210)、(201)、(310)、(320)及(002)的 X 射線衍射峰強(qiáng)度之和的 0. 0005 0. 003 倍。因此，如上所述，對(duì)于本實(shí)施方式的氮化硅基板而言，其特征在于，晶界相包含非 晶相和MgSiN2晶相，實(shí)質(zhì)上不包含含有RE的晶相。此處“實(shí)質(zhì)上不包含”意為，含有前述稀土類元素(RE)的晶相的任一個(gè)晶面的X射線衍射峰強(qiáng)度小于β型Si3N4的(110)、000)、 (101)、(210)、(201)、(310)、(320)及(002)的衍射峰強(qiáng)度之和的0. 0005倍。由此，以高的 水準(zhǔn)來(lái)維持氮化硅基板的抗彎強(qiáng)度，且可提高熱傳導(dǎo)率。后文將敘述晶界相的調(diào)整方法。進(jìn)一步地，對(duì)于本實(shí)施方式的氮化硅基板而言，按照MgSiN2晶相的(121)的X射 線衍射峰強(qiáng)度為 β 型 Si3N4 的(110)、(200)、(101)、(210)、(201)、(310)、(320)及(002) 的X射線衍射峰強(qiáng)度之和的0. 0005 0. 003倍的方式，含有MgSiN2晶相。如果MgSiN2晶 相少，那么氮化硅基板的熱傳導(dǎo)率的提高效果變小。另一方面，如果MgSiN2晶相多，那么晶 界相結(jié)合氮化硅粒子間的效果變小并抗彎強(qiáng)度降低。本實(shí)施方式中，為了調(diào)整這些特性，將 MgSiN2晶相的量設(shè)定為上述范圍。進(jìn)一步地，對(duì)于本實(shí)施方式的氮化硅基板而言，按照Mg換算成MgO而為6. 7 12. 8mol%, RE換算成RE2O3為1. 1 2. 9mol %的方式，含有Mg和RE。另外，在Mg換算成 MgO、RE換算成RE2O3而合計(jì)為7. 9 15. Imol %的范圍，含有Mg和RE。另外，在Mg和RE 換算成氧化物而(RE2O3) / (MgO)的摩爾比為0. 09 0. 3的范圍，含有Mg和RE。就Mg及RE 而言，在制作氮化硅基板時(shí)，作為燒結(jié)助劑的功能，在所制作的氮化硅基板內(nèi)，主要作為晶 界相而存在，因此其含量對(duì)氮化硅基板的抗彎強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)率這些特性造成影響。根據(jù)MgO、 RE2O3的含量的比例，在(RE2O3V(MgO)的摩爾比小于0.09的情況下，在燒結(jié)時(shí)抑制MgSiN2 晶相的生成，熱傳導(dǎo)率降低。另外，(RE2O3V(MgO)的摩爾比大于0.3的情況下，在燒結(jié)時(shí)促 進(jìn)晶界相的結(jié)晶化，在晶界中析出含有RE的晶相，氮化硅粒子間的結(jié)合變?nèi)?、抗彎?qiáng)度降 低。進(jìn)一步地，即使(RE2O3V(MgO)的摩爾比為上述范圍，但MgO、RE203、其合計(jì)的含量小于 上述范圍的情況下，那么在燒結(jié)時(shí)抑制MgSiN2晶相的生成，熱傳導(dǎo)率降低，另外，燒結(jié)亦不 充分、抗彎強(qiáng)度也降低。另外，RE2O3、其合計(jì)的含量多于上述范圍情況下，相對(duì)于氮化硅粒子 而言熱傳導(dǎo)率低的晶界相量顯著變多，熱傳導(dǎo)率降低。另外，僅MgO的含量多的情況下，在 燒結(jié)時(shí)僅MgSiN2晶相大量析出從而氮化硅粒子間的結(jié)合變?nèi)?、抗彎?qiáng)度降低。因此，MgO、 RE2O3、其合計(jì)含量以及(RE2O3V(MgO)的摩爾比優(yōu)選為上述范圍。就本發(fā)明的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體而言，具有高抗彎強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)率，熱傳導(dǎo)率為80W/ πι·Κ以上，優(yōu)選為85W/m*K以上，進(jìn)一步優(yōu)選為90W/m*K以上。另外，抗彎強(qiáng)度為820MPa 以上。進(jìn)一步地，從室溫到600°C為止的熱膨脹系數(shù)處于2. 3 4. 5ppm/°C的范圍，相對(duì)密度 為98%以上，優(yōu)選為超過99%。如果熱膨脹系數(shù)低于2. 3ppm/°C那么與金屬電路板的熱膨 脹的差變大，如果超過4. 5ppm/°C那么基板本身的熱膨脹變大，在任一個(gè)情況下在制成電路 基板時(shí)也有可能會(huì)因熱沖擊而產(chǎn)生裂紋。如果相對(duì)密度低于98%，那么存在無(wú)法獲得熱傳 導(dǎo)率80W/m · k以上、抗彎強(qiáng)度820Mpa以上的情況。由本發(fā)明的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體而制作的 氮化硅基板，可用于高頻率晶體管、功率半導(dǎo)體模塊等電路用基板或多芯片模塊用基板等 各種基板，或者珀耳帖(peltier)元件用熱傳板，或各種散熱元件用吸熱設(shè)備(heat sink) 等電子部件用部件。本實(shí)施方式的氮化硅基板用作例如半導(dǎo)體元件搭載用基板的情況下， 可抑制在伴隨氮化硅基板與金屬電路板及金屬散熱板的接合工序、功率半導(dǎo)體模塊的制作 工序、或功率半導(dǎo)體模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)而受到重復(fù)的熱循環(huán)時(shí)產(chǎn)生裂縫；另外，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生自半導(dǎo) 體元件的熱易于傳至散熱部件，耐熱沖擊性、耐熱循環(huán)性和散熱性提高了的基板。另外，通過使用DBC法(Direct Bonding Cupper銅直接接合法)、活性金屬釬料法 等，將作為金屬電路板及金屬散熱板的Cu(銅)電路板、Al(鋁)電路板接合于本實(shí)施方式的氮化硅基板的一面或兩面，從而制作出氮化硅電路基板。此處，DBC法是指如下方法在 惰性氣體或氮?dú)夥罩?，將氮化硅基板和Cu電路板或Al電路板加熱至共晶溫度以上的溫度， 將所生成的Cu-0、Al-O共晶化合物液相作為接合劑，從而將上述電路板隔著共晶化合物層 而直接接合于氮化硅基板的一面或兩面。另一方面，活性金屬釬料法是指如下方法通過混 合鈦(Ti)、鋯(Zr)或鉿(Hf)等活性金屬與形成低熔點(diǎn)合金的銀(Ag)、銅(Cu)等金屬，或 者通過使用制成合金的釬料，隔著釬料層，在惰性氣體或真空氣氛中，將Cu電路板或Al電 路板加熱壓接接合于氮化硅基板的一面或兩面上。接合了電路板之后，對(duì)氮化硅基板上的 Cu電路板或Al電路板進(jìn)行蝕刻處理形成電路圖案，進(jìn)一步在電路圖案形成后的Cu電路板 或Al電路板實(shí)施M-P鍍敷，制作出氮化硅電路基板。另外，通過在上述氮化硅電路基板上搭載適宜的半導(dǎo)體元件，可以制作所希望的 半導(dǎo)體模塊。下面，對(duì)本實(shí)施方式的氮化硅基板的制造方法進(jìn)行說明。對(duì)于本發(fā)明所使用的原料粉末即氮化硅粉末，平均粒徑設(shè)定為Ι.Ομπι以下的范 圍，比表面積設(shè)定為小于15m2/g。另外，為了氮化硅燒結(jié)體的高熱傳導(dǎo)化，含氧量制成小于 1. 5wt%，特別是!^e成分及Al成分分別設(shè)定為小于lOOOppm。另外，對(duì)于作為燒結(jié)助劑而添加的MgO粉末以及IO3粉末，分別將平均粒徑設(shè)定為 1. Oym以下的范圍，比表面積設(shè)定為30m2/g以下的范圍。另外，對(duì)于雜質(zhì)量，與氮化硅粉末 同樣地，狗成分及Al成分分別制成IOOOppm以下。首先，原料調(diào)整 混合工序。向含氧量2質(zhì)量％以下的氮化硅原料粉中，按照氧化 鎂(MgO)為6. 7 12. 8mol%、至少1種稀土類元素氧化物(RE2O3)為1. 1 2. 9mol%、二 者合計(jì)為7.9 15. Imol %，且(RE2O3V(MgO)的摩爾比為0. 09 0. 3的方式混合氧化鎂 (MgO)和至少1種稀土類元素氧化物(RE2O3),與溶劑、有機(jī)粘合劑、增塑劑等一同通過球磨 機(jī)等進(jìn)行混合。在MgO、RE2O3及二者合計(jì)的添加量和(RE2O3V(MgO)添加量的摩爾比為上 述范圍以外的情況下，Mg0、RE203以及二者合計(jì)含量和(RE2O3V(MgO)的含量摩爾比也落入 上述范圍以外，如上述那樣抗彎強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)率中的一個(gè)或兩個(gè)降低。因此，MgO、RE2O3、其 二者合計(jì)添加量以及(RE2O3V(MgO)的摩爾比優(yōu)選為上述范圍。接著，成型工序。將上述混合了的原料漿料進(jìn)行脫泡 增稠之后，通過公知的刮刀 (doctor blade)法等將其進(jìn)行板成型為規(guī)定厚度的板。此時(shí)板成型體的板厚，可根據(jù)用途 適宜決定，例如可制成0. 2 1. Omm左右。另外，關(guān)于板成型體的尺寸，考慮收縮量，同時(shí)考 慮載有板成型體的BN耐火架(setter)以及燒成容器的尺寸及容量而適當(dāng)選定。在本發(fā)明 中，板成型體尺寸為170mmX 140mm。接著，燒結(jié)工序。將上述板成型體1張或隔著BN等的剝離劑而重疊多張，將燒結(jié)爐 內(nèi)設(shè)定為0. 5 1. OMPa的氮加壓氣氛，以300°C /h以下的速度從1600°C起升溫，在1800 2000°C的溫度保持2 10小時(shí)之后，以100°C /h以上的速度冷卻至1500°C從而燒結(jié)，制成 氮化硅基板。另外，燒結(jié)后的氮化硅基板可直接使用，但是也可實(shí)施在低于燒結(jié)溫度的溫度 下的熱處理、通過噴砂(7卜)加工等的表面處理。需要說明的是，如果燒結(jié)溫度低于 1800°C，那么會(huì)因燒結(jié)不充分而引起強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)率的降低。另外，燒結(jié)溫度高于2000°C時(shí)， 會(huì)引起異常粒生長(zhǎng)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此，燒結(jié)溫度優(yōu)選為上述范圍。進(jìn)一步地，如果燒結(jié) 爐內(nèi)的氣氛低于0. 5Mpa，則在燒結(jié)時(shí)容易引起氮化硅分解，引起強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)率降低。另外，要想設(shè)定為待遇1. OMPa的壓力需要高價(jià)的燒結(jié)爐，因而成本提高。因此，燒結(jié)爐內(nèi)的氣氛 優(yōu)選為上述范圍。進(jìn)一步地，從1600°C起的升溫速度高于300°C /h的情況下，雖然詳細(xì)的 理由不明，但是會(huì)抑制MgSiN2晶相的生成，熱傳導(dǎo)率降低。因此，升溫速度優(yōu)選為上述范圍。 進(jìn)一步地，1500°C為止的冷卻速度低于100°C /h的情況下，促進(jìn)晶界相的結(jié)晶化，在晶界中 使含有RE的晶相析出，氮化硅粒子間的結(jié)合變?nèi)酢⒖箯潖?qiáng)度降低。因此，冷卻速度優(yōu)選為上 述范圍。另外，在燒結(jié)時(shí)基板的總厚度(重疊多張的基板時(shí)，總厚度為，它們的合計(jì)厚度)大 于40mm的情況下，試樣的外觀體積也變大，結(jié)果，由于試樣內(nèi)部的冷卻速度低于100°C /h, 因而優(yōu)選燒結(jié)時(shí)的基板的總厚度小于40mm，進(jìn)一步優(yōu)選為小于30mm。進(jìn)一步地，燒結(jié)時(shí)間 短于2小時(shí)的情況下，抑制MgSm2晶相的生成，熱傳導(dǎo)率降低，另外，燒結(jié)亦不充分、抗彎強(qiáng) 度也降低。另外，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)于5小時(shí)的情況下，促進(jìn)晶界相的結(jié)晶化，在晶界中使含有RE 的晶相析出，氮化硅粒子間的結(jié)合變?nèi)?、抗彎?qiáng)度降低。因此，燒結(jié)時(shí)間優(yōu)選為上述范圍。需要說明的是，就含有Mg成分的晶界相而言，由于蒸氣壓高，因此在高溫下燒結(jié) 時(shí)容易引起揮發(fā)、偏析，在燒結(jié)體表面層產(chǎn)生因氣孔生成而導(dǎo)致的密度降低、局部性色調(diào)不 均勻。由此，關(guān)鍵在于要想使Mg成分保留于基板中，應(yīng)使用密閉式陶瓷制燒成容器，優(yōu)選使 用BN制的燒成容器，通過使其內(nèi)部的Mg成分的氣體濃度保持為一定抑制揮發(fā)的Mg成分， 從而避免極端的強(qiáng)度降低且適度地析出作為高熱傳導(dǎo)相的MgSm2相。與其相對(duì)，就含有RE 的晶界相而言，蒸氣壓低，相對(duì)于含有Mg的晶界相而言，在氮化硅粒子間容易均勻地穩(wěn)定 存在，作為非晶相12對(duì)于保持氮化硅粒子間的牢固結(jié)合具有重大作用。因此，通過使含有 RE的晶界相的一部分進(jìn)行結(jié)晶化，從而氮化硅粒子間的結(jié)合變得不充分并容易在晶界相中 產(chǎn)生粗大的缺陷。結(jié)果，氮化硅基板的機(jī)械強(qiáng)度便降低，伴隨氮化硅基板與金屬電路板及金 屬散熱板的接合工序、功率半導(dǎo)體模塊的制作工序、或功率半導(dǎo)體模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致熱循 環(huán)，在該熱循環(huán)的作用下對(duì)氮化硅基板施加應(yīng)力的情況下便容易產(chǎn)生裂縫。另外，含有RE 的晶界相的熱傳導(dǎo)率雖可通過結(jié)晶化略微改善，但是在與氮化硅粒子相比較的情況下顯著 地低，對(duì)氮化硅基板的高熱傳導(dǎo)率化幾乎完全沒有貢獻(xiàn)。因此，對(duì)于含有RE的晶界相，優(yōu)選 為了保持氮化硅粒子間的牢固的結(jié)合，而作為非晶相而存在。對(duì)于RE，可選擇YJb、Er、Dy、 Gd.Sm.Nd以及Lu的氧化物，但是由于氮化硅粒子與晶界相的結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)異，因此優(yōu)選選擇 Y氧化物。
實(shí)施例下面說明本發(fā)明的實(shí)施例，但是本發(fā)明不受下面實(shí)施例的限制。根據(jù)前述制造方法制造氮化硅基板，并測(cè)定其物理性質(zhì)。制造條件中，氧化鎂 (MgO)添加量、稀土元素氧化物(RE2O3)添加量、MgO和RE2O3的合計(jì)添加量、(RE2O3V(MgO) 的摩爾比、RE的種類，燒結(jié)工序中的燒結(jié)溫度、升溫速度、冷卻時(shí)間、燒結(jié)時(shí)間以及基板的總 厚度等各項(xiàng)指標(biāo)，見表1、2中作為制造條件而表示的條件(實(shí)施例1 16)。需要說明的 是，對(duì)于(RE2O3)，在實(shí)施例10 16中，使用％、Er、Dy、Gd、Sm、Nd或Lu的氧化物來(lái)代替Y 作為RE。燒結(jié)是在密閉式BN制的燒成容器中進(jìn)行的。對(duì)于所測(cè)定的物理性質(zhì)，除了有無(wú)氮化硅基板的β型氮化硅以外的晶相以及 MgSiN2晶相的量之外，還有氧化鎂(MgO)含量、稀土氧化物(RE2O3)含量、(RE2O3)/(MgO)的 摩爾比、MgO和RE2O3的合計(jì)含量、抗彎強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度的威伯爾(Weibull)系數(shù)、熱傳導(dǎo)率以
9及熱沖擊試驗(yàn)結(jié)果。判斷這些項(xiàng)目中的抗彎強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度的威伯爾系數(shù)以及熱傳導(dǎo)率是 否處于預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)(抗彎強(qiáng)度820MPa以上，威伯爾系數(shù)15以上，熱傳導(dǎo)率80W/ 111*1(以上)。對(duì)于比較例，對(duì)于通過變更上述制造條件而制造的氮化硅基板，也同樣地測(cè)定其 物理性質(zhì)，并進(jìn)行判定。其結(jié)果示于表3、4(比較例1 15)。上述物理性質(zhì)之中，有無(wú)β型氮化硅以外的晶相以及MgSiN2晶相的量，根據(jù)基板 表面的X射線衍射線測(cè)定，并通過上述方法求出。此處X射線衍射評(píng)價(jià)中使用理學(xué)電機(jī)制 的RINT2500 ；在評(píng)價(jià)條件為管球銅、管電壓50kV、管電流200mA、取樣寬度0. 020°、掃 描速度2° /111^1、掃描角度2 0 20° 120°的范圍內(nèi)進(jìn)行。對(duì)于氧化鎂(MgO)含量以及稀土類元素氧化物(RE2O3)含量，通過對(duì)氮化硅基板進(jìn) 行微波分解處理以及酸溶解處理而溶液化之后，通過ICP發(fā)光分析方法測(cè)定Mg量及RE量， 通過換算為氧化鎂(MgO)以及稀土元素氧化物(RE2O3)來(lái)求出。另外，(RE2O3V(MgO)含量 的摩爾比以及MgO和RE2O3的合計(jì)含量，根據(jù)所求出的氧化鎂(MgO)含量及稀土類元素氧化 物(RE2O3)含量而計(jì)算。另外，對(duì)于實(shí)施例和比較例的全部試樣，MgO和RE2O3的含量與其添 加量大致同等。對(duì)于抗彎強(qiáng)度，依照J(rèn)IS-R1601，通過3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。將氮化硅基板加工 成寬度為4mm的試驗(yàn)片，安裝于支撐輥間距為7mm的3點(diǎn)彎曲夾具后，以十字頭速度0. 5mm/ min施加載荷，從而根據(jù)在斷裂時(shí)施加于試驗(yàn)片的載荷來(lái)算出。對(duì)于威伯爾系數(shù)，根據(jù)上述抗彎強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，依照J(rèn)IS-R1625，制成相對(duì)于 Ino繪制Inln(I-F)-1的威伯爾圖表，求出其傾斜的威伯爾系數(shù)。此處，σ為抗彎強(qiáng)度，F(xiàn) 為累積破壞概率。對(duì)于破壞韌性，依照J(rèn)IS-R1607，通過以規(guī)定載荷(在本實(shí)施例中2kgf(19.6N)) 將維氏壓子壓擠氮化硅基板的一個(gè)側(cè)面的IF(壓痕破裂(Indentation Fracture))法來(lái)測(cè) 定。此時(shí)，將維氏壓子，按照維氏壓痕的一條對(duì)角線垂直于氮化硅基板的厚度方向的方式壓 擠。對(duì)于熱傳導(dǎo)率，從氮化硅基板切出5mm見方的測(cè)定用試樣，依照J(rèn)IS-R1611，通過 激光閃光(Laser Flash)法進(jìn)行測(cè)定。對(duì)熱沖擊試驗(yàn)，將在氮化硅基板的兩面形成有Cu電路板及Cu散熱板的氮化硅電 路基板在350°C保持10分鐘之后，急速冷卻至室溫，查找氮化硅基板的裂縫產(chǎn)生情況。重復(fù) 10次該操作是否產(chǎn)生裂縫，從而判定合格與否。在熱傳導(dǎo)率小于80W/m · K的情況下，由于 不適合于氮化硅電路基板，因此沒有實(shí)施熱沖擊試驗(yàn)。對(duì)于熱膨脹系數(shù)，切出5mmX 20mmL氮化硅基板的待測(cè)試樣，依照J(rèn)IS-R1618，對(duì)從 室溫到600。C為止的長(zhǎng)度方向的線膨脹系數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。相對(duì)密度為通過如下方法求出的值對(duì)于氮化硅基板，通過阿基米德法測(cè)定密度， 將其除以根據(jù)Si3N4粉末、MgO粉末及RE2O3粉末的配合比以及各個(gè)密度而算出的理論密度、 并乘以100而得到的值。表 權(quán)利要求
1.一種氮化硅質(zhì)燒結(jié)體，由該碳化硅質(zhì)燒結(jié)體制成氮化硅基板，該氮化硅基板包含β 型氮化硅晶粒和晶界相，所述晶界相含有至少1種稀土類元素(RE)、鎂(Mg)和硅(Si)，其 特征在于所述晶界相由非晶相和MgSiN2晶相組成，含有所述稀土類元素(RE)的晶相的任一個(gè) 晶面的X射線衍射峰強(qiáng)度小于所述β型氮化硅晶粒的(110)、(200)、(101)、(210)、(201)、 (310)、(320)及(002)的衍射峰強(qiáng)度之和的0.0005倍，所述MgSiN2晶相的(121)的X射線 衍射峰強(qiáng)度為所述β型氮化硅晶粒的(110)、(200)、(101)、(210)、(201)、(310)、(320)及 (002)的X射線衍射峰強(qiáng)度之和的0. 0005 0. 003倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體，其特征在于熱傳導(dǎo)率為80W/m· K以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體，其特征在于將所述氮化硅基板所含有的鎂(Mg)換算為氧化鎂(MgO)、將含有的至少1種稀土類元 素(RE)換算為稀土類元素氧化物(RE2O3)時(shí)，MgO含量為6. 7 12. 8mol RE2O3含量為1.1 2. 9mol%、Mg0 禾Π RE2O3 的含量合計(jì)為 7. 9 15. lmol%，且(RE2O3V(MgO)的摩爾比 為 0. 09 0. 3。
4.一種氮化硅質(zhì)燒結(jié)體的制造方法，其特征在于按照氧化鎂(MgO)為6. 7 12. 8mol %、至少1種的稀土類元素氧化物(RE2O3)為1. 1 2.9mol%、兩者含量合計(jì)為7. 9 15. Imol %、且(RE2O3) / (MgO)的摩爾比為0. 09 0. 3的 方式，將氧化鎂(MgO)和至少1種稀土類元素氧化物(RE2O3)配合于含氧量2. 0質(zhì)量％以下 的氮化硅原料粉中，從而制成總厚度40mm以下的板成型體；將所述板成型體以300°C /h以 下的速度從1600°C升溫至1800 2000°C的溫度，保持2 10小時(shí)之后，以100°C /h以上 的速度冷卻至1500°C進(jìn)行燒結(jié)。
5.一種氮化硅電路基板，其特征在于其包含有由權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體形成的氮化硅基板、接合 于所述氮化硅基板的一面的金屬電路板、接合于所述氮化硅基板的另一面的金屬散熱板。
6.一種半導(dǎo)體模塊，其特征在于其包含有權(quán)利要求5所述的氮化硅電路基板和搭載于該氮化硅電路基板上的半導(dǎo)體 元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氮化硅基板及其制造方法以及使用該氮化硅基板的氮化硅電路基板以及半導(dǎo)體模塊。所述氮化硅基板由高強(qiáng)度且高熱傳導(dǎo)率的氮化硅質(zhì)燒結(jié)體形成。一種氮化硅質(zhì)燒結(jié)體，其包含β型氮化硅的晶粒11和晶界相，所述晶界相含有至少1種稀土類元素(RE)、鎂(Mg)和硅(Si)，對(duì)于所述氮化硅基板，前述晶界相包含非晶相12和MgSiN2晶相13，含有前述稀土類元素(RE)的晶相的任一個(gè)晶面的X線衍射峰強(qiáng)度也低于前述β型氮化硅的晶粒的(110)、(200)、(101)、(210)、(201)、(310)、(320)及(002)的衍射峰強(qiáng)度之和的0.0005倍，前述MgSiN2晶相13的(121)的X射線衍射峰強(qiáng)度為前述β型氮化硅的晶粒的(110)、(200)、(101)、(210)、(201)、(310)、(320)及(002)的X射線衍射峰強(qiáng)度之和的0.0005～0.003倍。
文檔編號(hào)C04B35/584GK102105418SQ20098012605
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者加賀洋一, 渡邊純一 申請(qǐng)人:日立金屬株式會(huì)社