特許 7318835 窒化珪素基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-24

(45)【発行日】2023-08-01

(54)【発明の名称】窒化珪素基板

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/591 20060101AFI20230725BHJP

   C04B 35/587 20060101ALI20230725BHJP

   H05K 1/03 20060101ALI20230725BHJP

【ＦＩ】

C04B35/591

C04B35/587

H05K1/03 610D

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023037625

(22)【出願日】2023-03-10

(62)【分割の表示】P 2022207785の分割

【原出願日】2021-03-19

(65)【公開番号】P2023068013

(43)【公開日】2023-05-16

【審査請求日】2023-03-13

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】株式会社プロテリアル

(72)【発明者】

【氏名】加賀 洋一郎

(72)【発明者】

【氏名】福本 怜

(72)【発明者】

【氏名】島田 馨

【審査官】大西 美和

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１７０２４７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０５９６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８４３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１９４８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０２９８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２９３６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１７８０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０６３４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２０３７８７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－２１４２６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ３５／５８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化珪素換算で窒化珪素が珪素の２０ｍｏｌ％以下となるように前記珪素が含まれるシート状の成形体を窒化してなる窒化珪素基板であって、
１００ｍｍ×１００ｍｍを超えるサイズであり、
基板の中心部の熱伝導率λｃと、基板の端部の熱伝導率λｅとの比率であるλｅ／λｃが０．８５～１．１５である、
窒化珪素基板。

【請求項2】

請求項１に記載の窒化珪素基板であって、前記λｅ／λｃが０．９９～１．０３である、
窒化珪素基板。

【請求項3】

請求項１または２に記載の窒化珪素基板であって、厚さが０．２～０．６ｍｍである、
窒化珪素基板。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化珪素基板であって、前記成形体は窒化珪素換算で前記窒化珪素が前記珪素の５ｍｏｌ％以下となるように前記珪素が含まれる、
窒化珪素基板。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化珪素基板であって、曲げ強度が６００ＭＰａ以上である、
窒化珪素基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体モジュール或いはパワーモジュールに用いられる窒化珪素基板に関する。

【背景技術】

【0002】

セラミックス基板と金属板を張り合わせた回路基板は、半導体モジュール、パワーモジュール等に利用されている。このセラミック基板には、窒化珪素が使われているが、最近では、高熱伝導率の窒化珪素基板が検討されている。

【0003】

高熱伝導率（１２０Ｗ／ｍ・Ｋ台）の窒化珪素基板は、たとえば特許文献１（特開２０１８－１８４３３３号公報）に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１８４３３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の高熱伝導率の窒化珪素基板を、例えば１辺１００ｍｍを超える大判のサイズで作製しようとすると、窒化珪素基板内で熱伝導率に偏りを生じることがあった。例えば、窒化珪素基板の中心部の熱伝導率と、端部の熱伝導率に違いが生じる。窒化珪素基板に熱伝導率が低い箇所があると、その熱伝導率の低い場所における放熱性が悪くなり、基板全体の放熱性に影響する虞がある。また、高熱伝導率の窒化珪素基板に複数の回路基板の領域を形成して、切り分けることで複数の回路基板を作製する場合に、熱伝導率が低い箇所があると、その部分から形成される回路基板の放熱性に影響する虞がある。大判の高熱伝導率の窒化珪素基板を作製すると、熱伝導率に偏りを生じて、歩留り（合格率）が低下するという課題があった。

【0006】

本発明の目的は、基板内で熱伝導率の偏りを抑制し、高い歩留りで窒化珪素基板を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

発明者は、窒化珪素基板を作製する際に、窒化工程において基板内でのＳｉの窒化の偏りを抑制することで、基板内での熱伝導率の偏りを抑えた窒化珪素基板を作製できることを見出した。

【0008】

本発明の窒化珪素基板は、基板の中心部の熱伝導率λｃと、基板の端部の熱伝導率λｅとの比率であるλｅ／λｃが０．８５～１．１５である。

【0009】

本発明の窒化珪素基板は、１００ｍｍ×１００ｍｍ以上のサイズであることが好ましい。

【0010】

本発明の窒化珪素基板は、λｃ及びλｅが１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によって、基板内で熱伝導率の偏りを抑制し、高い歩留りで窒化珪素基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】グリーンシートの積層状態を説明する概略図である。

【図2】図１に続く積層状態を説明する概略図である。

【図3】図２に続く積層状態と、窒化装置に搬入した様子を説明する概略図である。

【図4】図３に関し、実施例に係る部材３０ａを説明するための（ａ）上面図、（ｂ ）Ａ１－Ａ１で断面をみた概略図である。

【図5】図３に関し、参考例に係る縦枠部材３０ｂを説明するための（ａ）上面図、 （ｂ）Ａ２－Ａ２で断面をみた概略図、（ｃ）正面図である。

【図6】図３に関し、参考例に係る部材３０ｃを説明するための（ａ）上面図、（ｂ ）Ａ３－Ａ３で断面をみた概略図、（ｃ）正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の形態について以下に説明するが、本発明は必ずしもそれらに限定されるものではない。各実施形態に関する説明は、特に断りがなければ他の実施形態にも適用できる。

【0014】

[1] 窒化珪素基板の製造方法
(1) スラリーを作製する工程
本発明の方法では、珪素粉末に、焼結助剤として希土類元素酸化物及びマグネシウム化合物を添加して得られる原料粉末を、メディア分散等の方法で粉砕し、スラリーを作製する。

【0015】

(a)珪素
本発明で使用する珪素としては、工業的に入手可能なグレードの珪素粉末を使用することができる。粉砕前の珪素は、メジアン径D50が6 μm以上、BET比表面積が3 m²/g以下、酸素量が1.0質量%以下、及び珪素中の不純物C量が0.15質量%以下の粉末であるのが好ましく、メジアン径D50が7μm以上、BET比表面積が2.5 m²/g以下、酸素量が0.5質量%以下、及び珪素中の不純物C量が0.10質量%以下の粉末であるのがより好ましい。珪素粉末の純度は99%以上であるのが好ましく、99.5%以上であるのがより好ましい。珪素に含まれる不純物酸素は、反応焼結によって得られる窒化珪素基板の熱伝導を阻害する要因の一つなので、できるだけ少ない方が好ましい。さらに本発明では、後述するように、マグネシウム化合物からの酸素量を制限することで、珪素粉末に含まれる不純物酸素及びマグネシウム化合物からの酸素の総量が、窒化珪素に換算した珪素に対して、0.1～1.1質量%の範囲となるように原料粉末を調整するのが好ましい。また、珪素に含まれる不純物炭素は、反応焼結によって得られる窒化珪素基板において、窒化珪素粒子の成長を阻害する。その結果、緻密化不足となり熱伝導や絶縁が低下する要因の一つとなる。

【0016】

なお、本願明細書においてBET比表面積(m²/g)は、BET比表面積計でBET一点法（JIS R 1626：1996「ファインセラミックス粉体の気体吸着 BET 法による比表面積の測定方法」）によって求めた値であり、メジアン径D50(μm)は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布において累積度数が50%となるときの粒径である。

【0017】

本発明の製造方法においては必須ではないが、原料粉末に窒化珪素の粉末を含んでもよい。ただし、珪素に比べて窒化珪素を使用した場合はコストがかかるので、窒化珪素の使用量はできるだけ少ない方がよい。窒化珪素の使用量は、珪素（窒化珪素換算）の20 mol%以下であるのが好ましく、10 mol%以下であるのがより好ましく、5 mol%以下であるのがさらに好ましい。

【0018】

(b) 希土類元素酸化物
本発明に用いる希土類元素酸化物としては、入手が容易であり、また、酸化物として安定なY、Yb、Gd、Er、Lu等の酸化物が好ましい。希土類元素酸化物の具体例としては、Y₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃、Er₂O₃、Lu₂O₃等が挙げられる。希土類元素酸化物の含有量は、珪素（窒化珪素に換算）、希土類元素酸化物（三価の酸化物換算）及びマグネシウム化合物（MgO換算）の合計に対して、0.5 mol%以上2 mol%未満である。希土類元素酸化物の含有量が0.5 mol%未満である場合、焼結助剤としての効果が不十分となり密度が十分に上がらないため好ましくない。希土類元素酸化物の含有量が2 mol%以上である場合、低熱伝導率の粒界相が増えることにより焼結体の熱伝導率を下げるとともに、高価な希土類元素酸化物の使用量が増えることとなり好ましくない。希土類元素酸化物の含有量は、好ましくは0.6 mol%以上2 mol%未満であり、より好ましくは1 mol%以上1.8 mol%以下である。

【0019】

なお、本願において、前記珪素が全て窒化したときに得られる窒化珪素（Si₃N₄）のモル数と、前記希土類元素酸化物を三価の酸化物RE₂O₃（REは希土類元素）に換算したときのモル数と、前記マグネシウム化合物をMgOに換算したときのモル数との合計を、単に「珪素（窒化珪素に換算）、希土類元素酸化物（三価の酸化物換算）及びマグネシウム化合物（MgO換算）の合計」ということもある。

【0020】

(c) マグネシウム化合物
マグネシウム化合物としては、Si、N又はOを含有するマグネシウム化合物を１種又は２種以上使用することができる。特に、酸化マグネシウム(MgO)、窒化珪素マグネシウム(MgSiN₂)、珪化マグネシウム(Mg₂Si)、窒化マグネシウム(Mg₃N₂)等を使用するのが好ましい。ここで、マグネシウム化合物の合計に対して、87質量%以上がMgSiN₂となるように選択する。87質量%以上のMgSiN₂を使用することにより、得られる窒化珪素基板中の酸素濃度を低減することができる。マグネシウム化合物中のMgSiN₂が87質量%未満である場合、焼結後の窒化珪素粒子内の酸素量が多くなることで焼結体の熱伝導率が低い値となり好ましくない。マグネシウム化合物中のMgSiN₂は好ましくは90質量%以上である。

【0021】

窒化珪素基板中のマグネシウム化合物の含有量（MgO換算）は、珪素（窒化珪素に換算）、希土類元素酸化物（三価の酸化物換算）及びマグネシウム化合物（MgO換算）の合計に対して、8 mol%以上15 mol%未満である。マグネシウム化合物の含有量が8 mol%未満である場合、焼結助剤としての効果が不十分となり密度が十分に上がらないこととなり好ましくない。マグネシウム化合物の含有量が15 mol%以上である場合、低熱伝導率の粒界相が増えることにより焼結体の熱伝導率を下げることとなり好ましくない。マグネシウム化合物の含有量は、好ましくは8 mol%以上14 mol%未満であり、より好ましくは9 mol%以上13 mol%未満である。

【0022】

(d)粉砕
珪素粉末に、焼結助剤として希土類元素酸化物及びマグネシウム化合物を所定の比率となるように添加して、分散媒（有機溶剤）及び必要に応じて分散剤を添加し、ボールミルで粉砕しスラリー（原料粉末の分散物）を作製する。メディアは直径5 mm以上、スラリー中の前記原料粉末の濃度（スラリー濃度とも言う。）は40質量%以上であるのが好ましく、6時間以上粉砕するのが好ましい。メディアは、窒化珪素の熱伝導率を下げる要因となるAlやFeを主成分としない材質のものを使用するのが好ましく、窒化珪素製であるのが特に好ましい。分散媒及び分散剤の種類は、特に限定されるものではなく、シート成形する方法等に応じて任意に選択することができる。

【0023】

分散媒としては、エタノール、n-ブタノール、トルエン、MEK、MIBK等を使用することができ、分散剤としては、例えば、ソルビタンエステル型分散剤、ポリオキシアルキレン型分散剤等を使用できる。分散媒の使用量は、例えば、前記粉末の総量に対して40～70質量%であるのが好ましく、分散剤の使用量は、例えば、前記粉末の総量に対して0.3～2質量%であるのが好ましい。なお分散後に必要に応じて分散媒の除去、又は他の分散媒への置換を行ってもよい。

【0024】

粉砕を行う時間は使用するミリング装置や出発原料の量、特性等により異なるため特に限定されないが、原料粉末を十分に粉砕、混合できるように時間を選択することが好ましい。粉砕時間は例えば6時間以上48時間以下で行うのが好ましく、12時間以上24時間以下で行うのがより好ましい。粉砕時間が短すぎる場合、十分な粉砕ができず本発明の条件を満たす粉砕後珪素粉末が得られない場合がある。粉砕時間が長過ぎる場合、不純物酸素量が徐々に増加し、窒化珪素基板の熱伝導率が低下する場合がある。

【0025】

粉砕後珪素粒子は、酸素量が1.0質量%以下であるのが好ましく、0.7質量%以下であるのがより好ましい。できるだけ少ない酸素量の珪素粒子とすることにより、窒化珪素の熱伝導率を向上させることができる。なお、焼結助剤と混合した後に珪素粒子のみの酸素量を測ることは難しいので、試料として焼結助剤を混合しない珪素粒子のみのスラリーを同じ粉砕条件で作製しておくと、このスラリーを珪素粒子の酸素量の測定に用いることができる。たとえば、スラリーから珪素粒子を抽出し、珪素粒子について不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法の酸素分析装置を用いて酸素量を測定する。

【0026】

粉砕によって得られたスラリー中の珪素粒子のBET比表面積(m²/g)、メジアン径D50(μm)及び酸素量は、希土類元素酸化物及びマグネシウム化合物を添加しない以外同様にして粉砕した珪素粒子を用いて測定した値である。希土類元素酸化物の粉末及びマグネシウム化合物の粉末は、珪素粉末に対してごく少量しか添加していないので、粉砕効率にほとんど影響を与えず、このようにして求めた値はスラリー中の珪素粒子と実質的に同じであると考えられる。

【0027】

(2) シート状の成形体を得る工程（成形工程）
得られたスラリーに、必要に応じて分散媒、有機系バインダー、分散剤等を加えて、必要に応じて真空脱泡を行い、粘度を所定の範囲内に調整し、塗工用のスラリーを作製する。前記スラリー粘度は1 Pa・s以上15 Pa・s未満の範囲内に調整するのが好ましい。スラリーの粘度は、回転型粘度計を用いて、温度：25℃、回転数10 rpmで測定した値である。場合によっては、前述したように、分散媒の除去や置換を行ってもよい。作製した塗工用スラリーを、シート成形機を用いてシート状に成形し、所定の大きさに切断した後、乾燥することによってシート状成形体を得る。塗工用スラリー作製に用いる有機系バインダーは、特に限定されないが、PVB系樹脂(ポリビニルブチラール樹脂)、エチルセルロース系樹脂、アクリル系樹脂等が挙げられる。分散媒、有機系バインダー、分散剤等の添加量は塗工条件に応じて適宜調整するのが好ましい。

【0028】

塗工用スラリーをシート状に成形する方法は、特に限定されるものではないが、ドクターブレード法、押し出し成形法等のシート成型法を用いることができる。本実施形態の窒化珪素基板の製造方法においては変質層が形成されず、除去する必要はないため、変質層分の厚さは考慮する必要がない。このため、薄いシート状に容易に成形できるシート成形を好ましく用いることができる。

【0029】

ドクターブレード法や押し出し成形法によりシート状に成形する場合は、塗工用スラリーの成形速度は600 mm/min以下とするのが好ましい。本願発明で用いる塗工用スラリーは、チクソトロピー性を有するため、塗工用スラリーがドクターブレード法のドクターブレードや押し出し法の金型を通過する際に、塗工用スラリーにせん断応力がかかり、塗工用スラリーの粘度の低下が起こる。従って、成形速度が600 mm/minを超えると、塗工用スラリーが容易に流動し空孔の要因となる泡を巻き込み易くなり緻密化が阻害される場合がある。

【0030】

塗工用スラリーの乾燥速度は0.8 質量%/min以下とするのが好ましい。塗工用スラリーの乾燥速度が0.8質量%/minを超えると、分散媒が急激に揮発することによりシート内に気泡が生成し易くなることがある。塗工後のシートは乾燥ゾーンを通過させることで、徐々に昇温して乾燥させるために、乾燥過程における乾燥速度は一定ではなく変動する。そのため、最大乾燥速度が0.8 質量%/minを超えないようにするのが好ましい。

【0031】

成形工程において形成するシート状成形体の厚さは、例えば、0.15～0.8 mmとする。得られたシート状成形体は、必要に応じて例えば打ち抜き機等で所定の大きさにカットを行うことができる。

【0032】

(3) 成形体を焼結する工程（焼結工程）
得られたシート状の成形体を加熱することにより、成形体に含まれる珪素を窒化した後、緻密化する。焼結工程は、成形体中の有機バインダーを除去する脱脂工程、成形体中に含まれるSiと窒素を反応させて窒化させる窒化工程、及び窒化後に緻密化する緻密化焼結工程を含んでいる。これらの工程は、別々の炉で逐次的に行っても良いし、同じ炉において連続で行ってもよい。なお、シート状の成形体（グリーンシート）を積層した積層組立体について、その周囲に設ける部材（たとえば板や枠）の条件は、窒化工程と緻密化焼結工程とで変えることができる。

【0033】

例えば、作製したシート状成形体をBN製の板上に一枚もしくは分離材を挟んで複数枚積層して電気炉内に設置し、脱脂（有機バインダー等の除去）したのち、窒化装置にて900～1300℃で脱炭素し、窒素雰囲気下で、所定の温度まで昇温して窒化し、その後、焼結装置にて焼結することができる。このとき成形体に10～1000 Paの荷重をかけながら加熱するのが好ましい。脱脂は800℃以下の温度で行うのが好ましい。

【0034】

なおシート状成形体を複数枚積層する場合、前記分離材として厚さ約3～20μmの窒化硼素（BN）粉を用いるのが好ましい。BN粉末層は焼結後の窒化珪素焼結体基板の分離を容易にするためのものであり、各シート状成形体の一面にBN粉末のスラリーを、例えばスプレー、ブラシ塗布又はスクリーン印刷することにより形成することができる。BN粉末は95%以上の純度及び1～20μmの平均粒径（D50）を有するのが好ましい。

【0035】

窒化工程において、窒化時の窒素分圧は0.05～0.7 MPaであるのが好ましく、0.07～0.2 MPaであるのがより好ましい。窒化温度は、1350～1500℃であるのが好ましく、1400～1450℃であるのがより好ましい。窒化温度まで加熱した後の保持時間は、3～12時間であるのが好ましく、5～10時間であるのが好ましい。窒化温度が1350℃未満の場合、又は保持時間が3時間未満である場合、シート状成形体に未反応の珪素粉末が残存し、窒化工程後に行う緻密化焼結工程によって緻密体を得ることができない場合がある。窒化温度が1500℃超であると、珪素粉末が窒化する前に溶融してしまうことで窒化せずに残存する場合があったり、焼結助剤成分が揮発して緻密化焼結工程において焼結助剤成分が不足し、緻密な焼結体を得ることが難しくなる場合があったりする。保持時間が12時間超である場合、焼結助剤成分が揮発して緻密化焼結工程において焼結助剤成分が不足し、緻密な焼結体を得ることが難しくなる場合がある。

【0036】

緻密化焼結時の窒素分圧は、0.1～0.9 MPaであるのが好ましく、0.5～0.9 MPaであるのがより好ましい。焼結温度は、1800～1950℃であるのが好ましく、1850～1900℃であるのがより好ましい。焼結温度まで加熱した後の保持時間（焼結時間）は、3～12時間であるのが好ましく、5～12時間であるのが好ましい。焼結温度が1800℃未満の場合、又は保持時間が3時間未満である場合、窒化珪素粒子の成長や再配列が不十分で緻密体を得ることができない場合がある。焼結温度が1950℃超である場合、又は保持時間が12時間超である場合、焼結助剤成分が揮発して不足し、緻密な焼結体を得ることが難しくなる場合がある。

【0037】

[2] 窒化珪素基板
本発明の窒化珪素基板は、基板の中心部の熱伝導率λｃと、基板の端部の熱伝導率λｅとの比率であるλｅ／λｃが０．８５～１．１５である。なお、窒化珪素基板は、第１の主面と、第２の主面と、４つの側面とを有する形状である。前記第１の主面または前記第２の主面は、面内において中心部と端部とを有する。

【0038】

(1)組成
焼結後の窒化珪素基板は、β相窒化珪素を主成分とし、希土類元素及びマグネシウムを含有する。希土類元素は単体の状態であってもよく、他の物質と化合物を形成していても良い。窒化珪素基板に含まれるマグネシウムは単体の状態であってもよいし、他の物質との化合物であってもよい。

【0039】

本発明の窒化珪素基板は、窒化珪素粒子と、前記窒化珪素粒子の粒界を形成する粒界相とを有する窒化珪素焼結体である。前記粒界相中の希土類元素（三価の酸化物RE₂O₃換算（REは希土類元素））の含有量は0.5～2.3 mol%及びマグネシウム（MgO換算）の含有量は0.5～10 mol%であるのが好ましい。なお、本願の窒化珪素基板において、希土類元素の含有量及びマグネシウムの含有量は、窒化珪素（Si₃N₄）のモル数と、前記希土類元素を三価の酸化物RE₂O₃（REは希土類元素）に換算したときのモル数と、前記マグネシウムをMgOに換算したときのモル数との合計を100 mol%として求めた値である。以下、前記合計を、単に「窒化珪素、希土類元素（三価の酸化物換算）及びマグネシウム（MgO換算）の合計」ということもある。

【0040】

ここで、前記粒界相中の希土類元素（三価の酸化物RE₂O₃換算（REは希土類元素））の含有量及びマグネシウム（MgO換算）の含有量の合計（粒界相の総量）は、1.0～12.3 mol%であるのが好ましい。

【0041】

窒化珪素基板中の窒化珪素、希土類元素及びマグネシウムの含有量は、製造時に添加した珪素粉末、並びに焼結助剤として添加した希土類元素酸化物及びマグネシウム化合物の添加量に依存する。本願発明の方法においては、焼成時に、主にマグネシウム化合物が揮発により減少するため、製造時に添加した量に対して、焼結後の窒化珪素基板中のマグネシウムの含有量は減少する。一方、希土類元素酸化物はほとんど揮発しないため、マグネシウム化合物が減少したことにより、窒化珪素、希土類元素（三価の酸化物換算）及びマグネシウム（MgO換算）の合計に対する含有率としてはやや増加する場合がある。なおマグネシウム化合物の揮発量は、成形体の形状、焼成条件等によって変動する。

【0042】

窒化珪素粒子内の酸素量は0.05質量%以下である。酸素量が0.05質量%超であると高い熱伝導率が得られない。なお、試料として同じ条件の窒化珪素基板を２つ作製しておき、一方の窒化珪素基板は基板として用い、他方の窒化珪素基板を酸素量の測定に用いることができる。たとえば、他方の窒化珪素基板を粉砕して、酸洗いをすることで窒化珪素粒子を抽出し（粒界相を酸洗いで除去）、窒化珪素粒子について不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法の酸素分析装置を用いて酸素量を測定する。

【0043】

(3)その他
窒化珪素基板は、相対密度が98%以上の緻密な構造を有していることが好ましい。窒化珪素基板の相対密度が98%未満であると高い熱伝導率が得られない。このような緻密な窒化珪素基板は、ボイドによる熱伝導の阻害が起こりにくく、特に本発明の窒化珪素基板は、厚み方向の熱伝導率が115 W/m・K以上である。

【0044】

窒化珪素基板の曲げ強度は、例えば600MPa以上である。窒化珪素基板にろう材を介して銅板などの回路を接合したパワーモジュール用の窒化珪素回路基板とした場合、実装時や駆動時に高い応力がかかるため、その方式にも依るが曲げ強度は600MPa以上であることが好ましい。また、曲げ強度が600MPa以上と高いことにより、窒化珪素基板を薄くすることも可能である。

【0045】

窒化珪素基板の厚さは、特に限定されるものではなく、任意の厚さとすることができるが、例えば、半導体素子や電子機器の絶縁放熱基板として用いる場合、0.05～2.5 mmとするのが好ましく、0.1～1 mmとするのがより好ましく、特に、パワーモジュール用の窒化珪素回路基板とする場合には0.2～0.6 mmとするのがさらに好ましい。焼結後の窒化珪素基板の厚さは、シート成形工程において形成するシート成形体の厚さを調整することにより調節することができる。

【実施例】

【0046】

本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

【0047】

(1)実施例１の窒化珪素基板の作製(スラリー作製工程)
BET比表面積が2.1 m²/g、メジアン径D50が8.2 μm、酸素量が0.3質量%の珪素粉末に、珪素（窒化珪素換算）、希土類元素酸化物（三価の酸化物換算）及びマグネシウム化合物（MgO換算）の合計に対して、1.2 mol%のY₂O₃の粉末及び9.8 mol%のMgSiN₂の粉末を焼結助剤として添加し、原料粉末を得た。この原料粉末に、分散媒（トルエン）及び原料粉末の合計に対して0.5質量%の分散剤（ソルビタン酸トリオレート）を添加して、42質量%の濃度のスラリーとし、ボールミルを用いて、メディアとして窒化珪素製5φボールを使用し、24時間粉砕を行った。なおマグネシウム化合物の添加量は、マグネシウム化合物を全てMgOに換算したときのmol%で示した。粉砕前の珪素粉末のBET比表面積、メジアン径D50及び酸素量は、それぞれBET一点法のBET比表面積計、レーザー回折・散乱法の粒度分布計、及び不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法の酸素分析装置を用いて測定した。

【0048】

(シート成形工程) 得られたスラリーは、分散媒及び有機系バインダー（アクリル系樹脂）を加えて濃度調製し、脱泡処理を施してスラリー状の塗工液とした。この塗工用スラリーをドクターブレード法により、キャリアフィルムに塗工し、厚さ0.38mmのシート状に成形し、240mm×200mmの大きさに切断しシート状成形体を得た。なお、塗工時にキャリアフィルムを送る速度が成形速度に相当し、この成形速度を600 mm/min.以下とした。

【0049】

得られたシート状成形体についてBN粉末層（厚さ4.5μm）を挟んで複数枚積層した積層組立体を作製し、BN板（載置板）上に設置して縦枠部材（BN製）で囲いつつ、図１、図２の模式的な概略図に示すように多段化した。

【0050】

図１に示すように、下板（保持板）１０の上面に載置板（BN製）２０を置き、そのうえに複数のグリーンシートを有する積層組立体４０およびBN製の上板（重し板）５０を載置した。ついで、載置板２０の外周部位上に図４に示すBN製(窒化ボロン製)の縦枠部材３０ａを設置した。図２に示すように、次の段の載置板２０を前記縦枠部材３０ａのうえに置き、その載置板２０上に積層組立体４０および上板（重し板）５０を載置した。このようにして、所望する段数の積層組立体４０および上板（重し板）５０を載せていき、最上段の縦枠部材３０ａ（図４のタイプ）のうえに載置板６０を載置して、載置板組立体７０を準備した。ここで、図４の縦枠部材３０ａは、（ａ）上面図に示すように矩形の枠の形を有しており、BN製の一体物とした。（ｂ）概略図でハッチングした断面箇所で示すように、縦枠部材３０ａの厚さは一様とした。

【0051】

ついで、窒素雰囲気下（窒素分圧0.1 MPa）及び750℃で5時間脱脂し（脱脂工程）、図３に示すように載置板組立体７０を窒化装置８０内に収めて窒素雰囲気下（窒素分圧0.5MPa）及び1400℃で10時間窒化した（窒化工程）。この窒化工程では、窒化装置８０内において載置板組立体７０をBN製ルツボには収めていない（ルツボ無しで窒化を行った）。

【0052】

ついで、窒化装置８０の外に出した載置板組立体７０をBN製ルツボ中に収めたうえで、焼結装置に搬入して、焼結装置の中で窒素雰囲気下（窒素分圧0.9 MPa）及び1900℃で12時間焼結し（緻密化焼結工程）、BN粉末層を除去して、窒化珪素焼結体からなる基板を得た。

【0053】

ついで、窒化珪素基板の表面を清浄化と適度な粗さとすることを目的に液体ホーニング処理した。ホーニング処理は水中にアルミナ砥粒を適量添加し、0.5 MPaの圧力で焼結体表裏に吹き付けて行った。得られた窒化珪素基板の大きさは200mm×170mm、厚さ0.32 mmであった。

【0054】

清浄化と液体ホーニング処理の後、窒化珪素基板の中心部の熱伝導率λｃと、端部の熱伝導率λｅとを測定した。ここで、中心部は窒化珪素基板の中心（基板の対角線の交点）から半径30mmの範囲内としており、この中心部の範囲内から10mm角の試験片を切り出した。端部は窒化珪素基板の角部（４つの角部のうち、任意の１つの角部）から半径40mmの範囲内としており、この端部の範囲内から10mm角の試験片を切り出した。熱伝導率の測定は、10 mm角に切り出したそれぞれの試験片を使い、フラッシュ法で行った。結果を表１に示す。

【0055】

【表1】

（注１）表１で例えば「1400℃-10h，0.5MPa」は、窒化装置８０内に収めて窒素雰囲気下（窒素分圧0.5MPa）及び1400℃で10時間窒化したことに対応する。
（注２）表１の窒化条件でカッコ内の図面の番号は、その図面の縦枠部材を用いたことを示す。

【0056】

実施例１では、窒化工程に進む際に、載置板組立体７０は容器に相当するルツボに収めておらず、窒化装置内に載置板組立体７０のままで搬入して収めた。窒化工程において、窒化装置の雰囲気の窒素（Ｎ元素）が、ルツボで遮られることなく、適度に行き来することによって、雰囲気の窒素が積層組立体４０の大判のシート状成形体に十分に供給され、シート状成形体中のＳｉ（シリコン）が均一に窒化されて、基板内での窒化の偏りを生じることが抑制されたものと考えられる。

【0057】

(2)実施例２～５の窒化珪素基板の作製
焼結助剤、脱脂条件及び窒化条件を表１の実施例２～５それぞれに示すように変更した以外は、実施例１と同様にして窒化珪素基板を作製した。

【0058】

本発明の実施例１～５の窒化珪素基板は、熱伝導率の比率λｅ／λｃが0.94～1.03という範囲に収まり、参考例と比べると、中心部と端部の熱伝導率の差が抑制されたものとなった。窒化工程では、図１～３に図４の縦枠部材を適用して、載置板組立体７０をルツボに収めることなく窒化工程を進めることによって、基板内の窒化のばらつきを均一化する作用が働いたものと考えられる。

【0059】

(3)参考例の窒化珪素基板の作製
焼結助剤、脱脂条件及び窒化条件を表１の参考例に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして窒化珪素基板を作製した。

【0060】

参考例では、図１～３に図５の縦枠部材３０ｂを適用した。図５の縦枠部材３０ｂは、（ａ）上面図に示すように矩形の枠の形を有しており、４辺それぞれの中央には上面視が矩形（薄板状）の凸部３０ｂ－１，３０ｂ－２，３０ｂ－３，３０ｂ－４を備えており、矩形の枠と４つの凸部とはBN製の一体物とした。（ｂ）概略図において、ハッチングした断面箇所（３０ｂ―４，３０ｂ―２）の厚さは、縦枠部材３０ｂの主要な部材である“枠”の厚さよりも大きくしたので、（ｃ）正面図に示すように凸部同士の間には凹みが形成されることとなった。なお、図５の縦枠部材３０ｂを図６の縦枠部材３０ｃに変更することも可能であり、凹みによる作用は共通するものとなる。

【0061】

図６の縦枠部材３０ｃは、（ａ）上面図に示すように矩形の枠の形を有しており、その四隅にはそれぞれ上面視がＬ字型の凸部３０ｃ－１，３０ｃ－２，３０ｃ－３，３０ｃ－４を備えており、矩形の枠と４つの凸部とはBN製の一体物とした。（ｂ）概略図でハッチングした断面箇所の厚さよりも、（ｃ）正面図の凸部３０ｃ－４，３０ｃ－３の厚さを大きくしたので、（ｃ）正面図に示すように凸部同士の間には凹みが形成されることとなった。

【0062】

参考例の窒化珪素基板は、熱伝導率の比率λｅ／λｃが0.83であり、中心部の熱伝導率および端部の熱伝導率の差が広がる結果となった。図１～３に図５の縦枠部材３０ｂを適用すると、窒化工程において、上記の凹みを通ることで雰囲気の窒素が積層組立体４０の大判のシート状成形体へ更に供給され、シート状成形体中のＳｉ（シリコン）の窒化が更に促進・均一化されるものと期待していたが、端部にて焼結助剤に係るマグネシウム（Ｍｇ元素）が上記の凹みを通じて雰囲気中に放出され易くなってしまい、かえって端部での窒化に偏りを生じたものを考えられる。

【符号の説明】

【0063】

１０：下板（保持板）、
２０：載置板、
３０ａ：縦枠部材、
３０ｂ：縦枠部材、３０ｂ－１，３０ｂ－２，３０ｂ－３，３０ｂ－４：凸部、
３０ｃ：縦枠部材、３０ｃ－１，３０ｃ－２，３０ｃ－３，３０ｃ－４：凸部、
４０：積層組立体、
５０：上板（重し板）、
６０：載置板、
７０：載置板組立体、
８０：窒化装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】