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JPH1093211A - Silicon nitride circuit board - Google Patents

Silicon nitride circuit board

Info

Publication number
JPH1093211A
JPH1093211A JP8245105A JP24510596A JPH1093211A JP H1093211 A JPH1093211 A JP H1093211A JP 8245105 A JP8245105 A JP 8245105A JP 24510596 A JP24510596 A JP 24510596A JP H1093211 A JPH1093211 A JP H1093211A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon nitride
circuit board
high thermal
substrate
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8245105A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yutaka Komorida
裕 小森田
Kazuo Ikeda
和男 池田
Michiyasu Komatsu
通泰 小松
Takayuki Naba
隆之 那波
Yoshitoshi Satou
孔俊 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP8245105A priority Critical patent/JPH1093211A/en
Publication of JPH1093211A publication Critical patent/JPH1093211A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/0271Arrangements for reducing stress or warp in rigid printed circuit boards, e.g. caused by loads, vibrations or differences in thermal expansion
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/03Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon nitride circuit board having superior radiation property and structural strength, enabling effective prevention of generation of cracks and deterioration in strength of a ceramic board, even when a temperature cycle and the like is added, and has superior reliability and productivity. SOLUTION: A silicon nitride circuit board 4B includes a high thermal conductivity silicon nitride board 1, which contains a rare earth element at 1.0-17.5wt.% on reduction to the oxide, and Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn, and B as impurity cationic elements at 1.0wt.% or less in total (including 0wt.% as the detection limit), and which has a thermal conductivity of 60w/m.k or higher, and metal plates 2, 3 jointed with the high thermal conductivity silicon nitride board 1. In this silicon nitride circuit board 4B, a thin portion such as an inclined portion 2a or a step portion is formed on the outer peripheral end of the metal plate 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化けい素回路基
板に係り、特に冷熱サイクルの付加等に対する信頼性を
向上させ、かつ放熱性および構造強度を改善した窒化け
い素回路基板に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride circuit board, and more particularly to a silicon nitride circuit board having improved reliability against the addition of a thermal cycle and improved heat dissipation and structural strength.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュールや
スイッチング電源モジュール等の比較的高電力を扱う半
導体部品の搭載用基板等として、セラミックス基板上に
銅板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が用い
られている。
2. Description of the Related Art In recent years, a ceramic circuit board in which a metal plate such as a copper plate is bonded on a ceramic substrate has been used as a substrate for mounting semiconductor components handling relatively high power such as a power transistor module and a switching power supply module. I have.

【0003】上述したようなセラミックス回路基板の製
造工程におけるセラミックス基板と金属板との接合方法
としては、Ti、Zr、Hf、Nb等の活性金属をAg
−Cuろう材等に1〜10%含有した活性金属ろう材を
用いる方法(活性金属法)や、金属板として酸素を10
0〜1000ppm 含有するタフピッチ電解銅や表面を1
〜10μmの厚さで酸化させた銅を用いてセラミックス
基板と銅板とを直接接合させる、いわゆる直接接合法
(DBC法:ダイレクト・ボンディング・カッパー法)
等が知られている。
[0003] As a method of joining a ceramic substrate and a metal plate in the above-described process of manufacturing a ceramic circuit substrate, an active metal such as Ti, Zr, Hf, or Nb is formed of Ag.
A method using an active metal brazing material containing 1 to 10% in a Cu brazing material or the like (active metal method);
1 tough pitch electrolytic copper containing 0 to 1000 ppm
A so-called direct bonding method (DBC method: direct bonding copper method) in which a ceramic substrate and a copper plate are directly bonded using copper oxidized to a thickness of 10 to 10 μm.
Etc. are known.

【0004】例えば直接接合法においては、まず所定形
状に打ち抜かれた厚さ0.3〜0.5mmの銅回路板を、
酸化アルミニウム(Al2 3 )焼結体や窒化アルミニ
ウム(AlN)焼結体等からなる厚さ0.6〜1.0mm
のセラミックス基板上に接触配置させて加熱し、接合界
面にCu−Cu2 Oの共晶液相を生成させ、この液相で
セラミックス基板の表面を濡らした後、液相を冷却固化
することによって、セラミックス基板と銅回路板とが接
合される。このような直接接合法を適用したセラミック
ス回路基板は、セラミックス基板と銅回路板との接合強
度が強く、またメタライズ層やろう材層を必要としない
単純構造なので小型高実装化が可能である等の長所を有
しており、また製造工程の短縮化を図ることもできる。
For example, in the direct joining method, first, a copper circuit board having a thickness of 0.3 to 0.5 mm stamped into a predetermined shape is formed.
0.6 to 1.0 mm thick made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) sintered body or aluminum nitride (AlN) sintered body
Heated is disposed in contact with the ceramic substrate, the bonding interface to produce a eutectic liquid phase of Cu-Cu 2 O, after wetting the surface of the ceramic substrate in the liquid phase by cooling and solidifying the liquid phase Then, the ceramic substrate and the copper circuit board are joined. A ceramic circuit board to which such a direct bonding method is applied has a strong bonding strength between the ceramic substrate and the copper circuit board, and can be miniaturized and mounted with a simple structure that does not require a metallization layer or a brazing material layer. And the manufacturing process can be shortened.

【0005】ところで、上述した直接接合法や活性金属
法等により金属板をセラミックス基板に接合したセラミ
ックス回路基板においては、大電流を流せるように金属
板の厚さを0.3〜0.5mmと厚くしている場合が多い
ため、熱履歴に対して信頼性に乏しいという問題があっ
た。すなわち、熱膨張率が大きく異なるセラミックス基
板と金属板とを接合すると、接合後の冷却過程や冷熱サ
イクルの付加により、上記熱膨張差に起因する熱応力が
発生する。この応力は接合部付近のセラミックス基板側
に圧縮と引張りの残留応力分布として存在し、特に金属
板の外周端部と近接するセラミックス部分に残留応力の
主応力が作用する。この残留応力は、セラミックス基板
にクラックを生じさせたり、あるいは金属板剥離の発生
原因等となる。また、セラミックス基板にクラックが生
じないまでも、セラミックス基板の強度を低下させると
いう悪影響を及ぼす。
In a ceramic circuit board in which a metal plate is bonded to a ceramic substrate by the above-described direct bonding method or active metal method, the thickness of the metal plate is set to 0.3 to 0.5 mm so that a large current can flow. There is a problem that the reliability of the heat history is poor because the thickness is often large. That is, when a ceramic substrate and a metal plate having significantly different coefficients of thermal expansion are joined, a thermal stress due to the difference in thermal expansion is generated due to a cooling process after the joining or the addition of a cooling / heating cycle. This stress exists as a compressive and tensile residual stress distribution on the ceramic substrate side near the joint, and the main residual stress mainly acts on the ceramic portion adjacent to the outer peripheral end of the metal plate. This residual stress causes cracks in the ceramic substrate or causes peeling of the metal plate. Further, even if cracks do not occur in the ceramic substrate, the ceramic substrate has an adverse effect of reducing its strength.

【0006】上述した残留応力のうち、金属板の接合後
の冷却過程で発生する熱応力に基くものは、冷却速度の
調節等によりある程度までは低減できるものの、実使用
時における搭載部品からの発熱等に起因する残留応力
は、外的条件によっては低減することが困難である。こ
のため、上記したようなセラミックス回路基板は、通
常、セラミックス基板の裏面にも表面すなわち半導体部
品の実装部と同一あるいは5〜30%薄い金属板を接合
して、セラミックス回路基板の反りを低減させている
が、残留応力の問題は根本的には解決されていない。
[0006] Of the above-mentioned residual stresses, those based on thermal stress generated in the cooling process after joining the metal plates can be reduced to some extent by adjusting the cooling rate or the like, but generate heat from the mounted components during actual use. It is difficult to reduce the residual stress due to the external conditions and the like depending on external conditions. For this reason, the above-mentioned ceramic circuit board is usually joined to a metal plate which is the same as the front surface, that is, the mounting portion of the semiconductor component, or is 5 to 30% thinner on the back surface of the ceramic substrate to reduce the warpage of the ceramic circuit board. However, the problem of residual stress has not been fundamentally solved.

【0007】上述したような熱応力や残留応力による問
題、すなわち接合強度の低下やクラックの発生等への対
応策として、例えば特公平5−25397号公報には、
金属板としての銅板の外周端部を薄肉形状(薄肉部)、
具体的には外周端部を段付き形状やテーパー形状とする
ことが記載されている。また、特開平3−145748
号公報には、金属板の外周縁部に沿った内側に溝を形成
することが記載されている。これにより、金属板の外周
端部に集中する応力を溝で分散させることによって、接
合強度の低下やクラックの発生等を防止している。
To cope with the above-mentioned problems due to thermal stress and residual stress, that is, measures against the decrease in bonding strength and the occurrence of cracks, for example, Japanese Patent Publication No. 5-25397 discloses
The outer peripheral edge of the copper plate as a metal plate has a thin shape (thin portion),
Specifically, it is described that the outer peripheral end has a stepped shape or a tapered shape. Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-145748
The publication describes that a groove is formed inside along the outer peripheral edge of a metal plate. Thus, the stress concentrated on the outer peripheral end of the metal plate is dispersed by the groove, thereby preventing a decrease in bonding strength and the occurrence of cracks.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のセラミックス回路基板における熱履歴に対する
信頼性の向上手法のうち、特公平5−25397号公報
に記載されている手法では、金属板外周端部の薄肉部を
回路パターンの形成と同時にエッチング等で形成してい
るために製造工程が繁雑となり、製造工数の増大を招い
ていた。
However, of the above-mentioned conventional methods for improving the reliability of the thermal history in the ceramic circuit board, the method described in Japanese Patent Publication No. 5-25397 discloses an outer peripheral end portion of a metal plate. Since the thin portion is formed by etching or the like at the same time as the formation of the circuit pattern, the manufacturing process becomes complicated, resulting in an increase in the number of manufacturing steps.

【0009】また、特開平3−145748号公報にお
いても、同様に金属板の外周縁部に沿った溝をエッチン
グ法で形成することが主に記載されている。エッチング
法によれば、回路パターンの形成と同時に溝を形成する
ことができるものの、上述したようにエッチング法は工
程が複雑で、製造工数の増大を招くといった難点を有し
ている。さらに、溝を金型等を用いた機械加工により形
成することも示されているが、この機械加工による方法
で金属板の外周縁部の内側全周にわたって溝を形成した
場合、押圧等により溝を形成する際に押圧部周辺の金属
板に塑性変形が発生し、これに伴って特に金属板中央部
にゆがみ等の変形が発生する。この金属板の変形は、金
属板の接合不良あるいは接合強度低下の原因となってし
まう。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-145748 also mainly describes that a groove is formed along the outer peripheral edge of a metal plate by an etching method. According to the etching method, a groove can be formed simultaneously with the formation of a circuit pattern. However, as described above, the etching method has a disadvantage that the steps are complicated and the number of manufacturing steps is increased. Further, it is also shown that the groove is formed by machining using a mold or the like.However, when the groove is formed over the entire inner periphery of the outer peripheral edge of the metal plate by this method of machining, the groove is formed by pressing or the like. When forming the metal sheet, plastic deformation occurs in the metal plate around the pressing portion, and accompanying this, deformation such as distortion occurs particularly in the central portion of the metal plate. The deformation of the metal plate causes poor bonding of the metal plate or a decrease in bonding strength.

【0010】このようなことから、金属板接合後の冷却
過程や冷熱サイクルの付加により、金属板に生じる熱応
力や残留応力を分散、緩和して、セラミックス基板のク
ラック発生や強度低下を有効に防止すると共に、製造工
程の簡略化が図れる機械加工によっても金属板の変形を
防止し得る技術が強く求められている。
[0010] From the above, by adding a cooling process or a cooling / heating cycle after joining the metal plates, thermal stress and residual stress generated in the metal plate are dispersed and relaxed, thereby effectively preventing cracks and strength reduction of the ceramic substrate. There is a strong demand for a technique capable of preventing deformation of a metal plate even by machining that can prevent the deformation and simplify the manufacturing process.

【0011】一方、半導体素子の高集積化、高出力化、
大型化が進展し、素子から発熱する熱を効率的に系外に
放散できる回路基板構造や熱応力に耐える高強度の回路
基板構造を求める技術的要請が高まっている。そこでセ
ラミックス基板として従来のアルミナ(Al2 3 )基
板よりも高強度を有する窒化けい素(Si3 4 )基板
を用いることも試行された。しかしながら、Si3 4
基板は、靭性値などの機械的強度は優れているものの熱
伝導性が窒化アルミニウム基板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の構
成材としては実用化されていない。
On the other hand, higher integration and higher output of the semiconductor element,
With an increase in size, there is an increasing technical demand for a circuit board structure capable of efficiently dissipating heat generated from an element to the outside and a high-strength circuit board structure capable of withstanding thermal stress. Therefore, an attempt was made to use a silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate having higher strength than a conventional alumina (Al 2 O 3 ) substrate as a ceramic substrate. However, Si 3 N 4
Substrates have excellent mechanical strength such as toughness, but their thermal conductivity is significantly lower than that of aluminum nitride substrates.Therefore, they are practically used as components of circuit boards for semiconductors that require heat dissipation. Not.

【0012】一方、窒化アルミニウム基板は他のセラミ
ックス基板と比較して高い熱伝導性と低熱膨張特性とを
有するが、機械的強度の点で満足するものが得られてい
ないため、回路基板の実装工程において付加されるわず
かな押圧力や衝撃力によって、回路基板が破損し易く、
半導体装置の製造歩留りが大幅に減少させる場合があ
る。
On the other hand, an aluminum nitride substrate has high thermal conductivity and low thermal expansion characteristics as compared with other ceramic substrates, but it does not provide satisfactory mechanical strength. The circuit board is easily damaged by the slight pressing force and impact force added in the process,
In some cases, the manufacturing yield of a semiconductor device is significantly reduced.

【0013】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、放熱性および構造強度に優れ、冷熱
サイクルが付加された場合等においても、金属板に生じ
る熱応力や残留応力を分散させることが可能な窒化けい
素回路基板を提供することを目的としている。
The present invention has been made in order to solve such problems, and has excellent heat dissipation and structural strength, and can reduce the thermal stress and residual stress generated in a metal plate even when a cooling / heating cycle is added. It is an object of the present invention to provide a silicon nitride circuit board that can be dispersed.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化けい素回路
基板は、請求項1に記載したように、希土類元素を酸化
物に換算して1.0〜17.5重量%、不純物陽イオン
元素としてのLi,Na,K,Fe,Ca,Mg,S
r,Ba,Mn,Bを合計で1.0重量%以下、好まし
くは0.3重量%以下(検出限界としての0重量%を含
む)含有し、熱伝導率が60w/m・k以上である高熱
伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基
板に接合された金属板とを具備する窒化けい素回路基板
において、前記金属板の外周端部に薄部が形成されてい
ることを特徴としている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a silicon nitride circuit board, comprising: a rare earth element in an amount of 1.0 to 17.5% by weight in terms of oxide; Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, S as elements
r, Ba, Mn, B in total of 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less (including 0% by weight as a detection limit) and a thermal conductivity of 60 w / mk or more. In a silicon nitride circuit board including a high thermal conductive silicon nitride substrate and a metal plate bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate, a thin portion is formed at an outer peripheral end of the metal plate. It is characterized by:

【0015】なお、上記希土類元素酸化物の含有範囲で
ある1.0〜17.5重量%は、数学的な表示として当
然のことであるが、含有量の下限値である1.0重量%
および上限値である17.5重量%を含むものである。
以下、他の成分範囲についても同様である。
The content range of the rare earth element oxide, 1.0 to 17.5% by weight, is naturally understood as a mathematical expression, but the lower limit of the content is 1.0% by weight.
And an upper limit of 17.5% by weight.
Hereinafter, the same applies to other component ranges.

【0016】また、本発明の他の窒化けい素回路基板
は、請求項3に記載したように、希土類元素を酸化物に
換算して1.0〜17.5重量%含有し、窒化けい素結
晶相および粒界相から構成され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、好ましくは50%以上である高熱伝導性窒化けい素
基板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に接合された金
属板とを具備する窒化けい素回路基板において、前記金
属板の外周端部に薄部が形成されていることを特徴とし
ている。
According to another aspect of the present invention, there is provided a silicon nitride circuit board containing 1.0 to 17.5% by weight of a rare earth element in terms of oxide. A highly thermally conductive silicon nitride substrate comprising a crystal phase and a grain boundary phase, wherein the ratio of the crystalline compound phase to the entire grain boundary phase in the grain boundary phase is 20% or more, preferably 50% or more; A metal plate bonded to a silicon nitride substrate, wherein a thin portion is formed at an outer peripheral end of the metal plate.

【0017】ここで、金属板の外周端部とは、中央部に
対して端部であれば良いが、図4および図6に示すよう
に金属板2の外周縁部から中央方向へ向って、1mm以内
の部分Lが好ましい。
Here, the outer peripheral end of the metal plate may be an end with respect to the center, but as shown in FIGS. 4 and 6, the outer peripheral end of the metal plate 2 is directed toward the center. The portion L within 1 mm is preferable.

【0018】また、本発明に係る窒化けい素回路基板に
おいて、薄部は傾斜部,段部等の形態が可能である。
Further, in the silicon nitride circuit board according to the present invention, the thin portion may have an inclined portion, a step portion or the like.

【0019】また、本発明の窒化けい素回路基板におい
ては、上記高熱伝導性窒化けい素基板に接合された全て
の金属板に上記傾斜部または段部などの薄部が形成され
ていることが好ましいが、高熱伝導性窒化けい素基板に
接合された少なくとも1つの金属板に上記傾斜部または
段部などの薄部が形成されていれば本発明に包含される
ものである。また、金属板の全周でなくても包含され
る。
Further, in the silicon nitride circuit board of the present invention, the thin portion such as the inclined portion or the step portion is formed on all the metal plates bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate. It is preferable that at least one metal plate bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate is formed with a thin portion such as the above-mentioned inclined portion or step portion. Also, it is included even if it is not the entire circumference of the metal plate.

【0020】上述した本発明の窒化けい素回路基板のよ
り好ましい形態としては、請求項5に記載したように、
前記金属板が前記高熱伝導性窒化けい素基板に直接接合
法により接合されている形態、さらには請求項6に記載
したように、前記金属板が前記高熱伝導性窒化けい素基
板に活性金属法により接合されている形態が挙げられ
る。
A more preferred embodiment of the above-described silicon nitride circuit board of the present invention is as follows.
7. The method according to claim 6, wherein the metal plate is bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate by a direct bonding method, and the metal plate is bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate by an active metal method. Are joined.

【0021】また本発明で使用する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1.0〜1
7.5重量%、不純物陽イオン元素としてのLi,N
a,K,Fe,Ca,Mg,Sr,Ba,Mn,Bを合
計で1.0重量%以下、好ましくは0.3重量%以下
(検出限界としての0重量%を含む。)含有するように
構成される。
The high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention has a rare earth element content of 1.0 to 1 in terms of oxide.
7.5% by weight, Li, N as impurity cation element
a, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn, and B in a total content of 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less (including 0% by weight as a detection limit). It is composed of

【0022】また他の態様として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1.0〜17.
5重量%含有し、窒化けい素結晶相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、好ましくは50%以上であ
る窒化けい素焼結体から形成してもよい。
In another embodiment, the high thermal conductive silicon nitride substrate is formed by converting a rare earth element into an oxide in an amount of from 1.0 to 17.
5% by weight, comprising a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, wherein the ratio of the crystalline compound phase in the grain boundary phase to the entire grain boundary phase is 20% or more, preferably 50% or more. May be formed.

【0023】さらに上記希土類元素としてはランタノイ
ド系列の元素を使用することが熱伝導率を向上させるた
めに、特に好ましい。
Further, it is particularly preferable to use a lanthanoid series element as the rare earth element in order to improve the thermal conductivity.

【0024】また、高熱伝導性窒化けい素基板は、窒化
アルミニウムまたはアルミナを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。
Further, the high thermal conductive silicon nitride substrate may be constituted so as to contain 1.0% by weight or less of aluminum nitride or alumina. Further, 1.0% by weight or less of alumina and 1.0% by weight or less of aluminum nitride may be used in combination.

【0025】また本発明において使用する高熱伝導性窒
化けい素基板は、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,
Cr,Mo,Wからなる群より選択される少なくとも1
種を酸化物に換算して0.1〜3.0重量%含有するこ
とが好ましい。このTi,Zr,Hf,V,Nb,T
a,Cr,Mo,Wから成る群より選択される少なくと
も1種は、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物
として窒化けい素粉末に添加することにより含有させる
ことができる。
The high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention is made of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta,
At least one selected from the group consisting of Cr, Mo, W
It is preferable to contain the seed in an amount of 0.1 to 3.0% by weight in terms of oxide. This Ti, Zr, Hf, V, Nb, T
At least one selected from the group consisting of a, Cr, Mo, and W can be contained as an oxide, carbide, nitride, silicide, or boride by being added to the silicon nitride powder.

【0026】さらに本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素基板の製造方法は、酸素を1.7重量%以下、不純
物陽イオン元素としてのLi,Na,K,Fe,Ca,
Mg,Sr,Ba,Mn,Bを合計で1.0重量%以
下、好ましくは0.3重量%以下、α相型窒化けい素を
90重量%以上含有し、平均粒径1.0μm以下の窒化
けい素粉末に、希土類元素を酸化物に換算して1.0〜
17.5重量%以下と、必要に応じてアルミナおよび窒
化アルミニウムの少なくとも一方を1.0重量%以下添
加した原料混合体を成形して成形体を調製し、得られた
成形体を脱脂後、温度1800〜2100℃で雰囲気加
圧焼結し、上記焼結温度から、上記希土類元素により焼
結時に形成された液相が凝固する温度までに至る焼結体
の冷却速度を毎時100℃以下にして徐冷することを特
徴とする。
Further, the method of manufacturing a silicon nitride substrate having high thermal conductivity used in the present invention is characterized in that oxygen is not more than 1.7% by weight and Li, Na, K, Fe, Ca,
Mg, Sr, Ba, Mn, B in total of 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less, containing 90% by weight or more of α-phase silicon nitride and having an average particle size of 1.0 μm or less. Rare earth elements are converted to oxides in silicon nitride powder in an amount of 1.0 to
A raw material mixture containing 17.5% by weight or less and, if necessary, at least one of alumina and aluminum nitride added at 1.0% by weight or less is molded to prepare a molded body. After the obtained molded body is degreased, Atmospheric pressure sintering at a temperature of 1800 to 2100 ° C, and a cooling rate of the sintered body from the sintering temperature to a temperature at which a liquid phase formed at the time of sintering by the rare earth element solidifies is set to 100 ° C or less per hour. And gradually cooled.

【0027】上記製造方法において、窒化けい素粉末
に、さらにアルミナおよび窒化アルミニウムの少なくと
も一方を1.0重量%以下添加するとよい。
In the above production method, it is preferable to add at least one of alumina and aluminum nitride to the silicon nitride powder in an amount of 1.0% by weight or less.

【0028】さらに窒化けい素粉末に、さらにTi,Z
r,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの酸化物、
炭化物、窒化物、けい化物、硼化物からなる群より選択
される少なくとも1種を0.1〜3.0重量%添加する
とよい。
Further, Ti, Z are added to the silicon nitride powder.
oxides of r, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W;
At least one selected from the group consisting of carbides, nitrides, silicides, and borides may be added in an amount of 0.1 to 3.0% by weight.

【0029】上記製造方法によれば、窒化けい素結晶組
織中に希土類元素等を含む粒界相が形成され、気孔率が
2.5%以下、熱伝導率が60W/m・K以上、三点曲
げ強度が室温で650MPa以上の機械的特性および熱
伝導特性が共に優れた窒化けい素基板が得られる。
According to the above manufacturing method, a grain boundary phase containing a rare earth element or the like is formed in the silicon nitride crystal structure, the porosity is 2.5% or less, the thermal conductivity is 60 W / m · K or more, and A silicon nitride substrate having a point bending strength of 650 MPa or more at room temperature and excellent in both mechanical properties and heat conduction properties is obtained.

【0030】上記製造方法において使用され、焼結体の
主成分となる窒化けい素粉末としては、焼結性、強度お
よび熱伝導率を考慮して、酸素含有量が1.7重量%以
下、好ましくは0.5〜1.5重量%、Li,Na,
K,Fe,Mg,Ca,Sr,Ba,Mn,Bなどの不
純物陽イオン元素含有量が合計で1.0重量%以下、好
ましくは0.3重量%以下に抑制されたα相型窒化けい
素を90重量%以上、好ましくは93重量%以上含有
し、平均粒径が1.0μm以下、好ましくは0.4〜
0.8μm程度の微細な窒化けい素粉末を使用すること
ができる。
The silicon nitride powder used as the main component of the sintered body used in the above manufacturing method has an oxygen content of 1.7% by weight or less in consideration of sinterability, strength, and thermal conductivity. Preferably 0.5-1.5% by weight, Li, Na,
Α-phase silicon nitride in which the total content of impurity cation elements such as K, Fe, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, and B is suppressed to 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less. Containing 90% by weight or more, preferably 93% by weight or more, and having an average particle size of 1.0 μm or less, preferably 0.4 to
A fine silicon nitride powder of about 0.8 μm can be used.

【0031】平均粒径が1.0μm以下の微細な原料粉
末を使用することにより、少量の焼結助剤であっても気
孔率が2.5%以下の緻密な高熱伝導性窒化けい素基板
を形成することが可能であり、また焼結助剤が熱伝導特
性を阻害するおそれも減少する。
By using a fine raw material powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less, a dense high thermal conductive silicon nitride substrate having a porosity of 2.5% or less even with a small amount of a sintering aid. Can be formed, and the possibility that the sintering aid impairs the heat conduction characteristics is reduced.

【0032】またLi,Na,K,Fe,Ca,Mg,
Sr,Ba,Mn,Bの不純物陽イオン元素は熱伝導性
を阻害する物質となるため、60W/m・K以上の熱伝
導率を確保するためには、上記不純物陽イオン元素の含
有量は合計で1.0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0.3重量%以下とすることが、
さらに好ましい。ここで通常の窒化けい素焼結体を得る
ために使用される窒化けい素粉末には、特にFe,C
a,Mgが比較的に多く含有されているため、Fe,C
a,Mgの合計量が上記不純物陽イオン元素の合計含有
量の目安となる。
Further, Li, Na, K, Fe, Ca, Mg,
Since the impurity cation elements of Sr, Ba, Mn, and B are substances that hinder thermal conductivity, the content of the impurity cation element must be as follows in order to secure a thermal conductivity of 60 W / m · K or more. It can be achieved by setting the total to 1.0% by weight or less. In particular, for the same reason, the content of the impurity cation element is preferably not more than 0.3% by weight in total.
More preferred. Here, the silicon nitride powder used for obtaining a normal silicon nitride sintered body includes, in particular, Fe, C
a, Mg are contained in a relatively large amount, so that Fe, C
The total amount of a and Mg is a measure of the total content of the impurity cation element.

【0033】なお、本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素基板において、上記不純物陽イオン元素の含有量
が、数学的な意味において完全に0重量%となることは
有り得ない。したがって、本願発明において規定する不
純物陽イオン元素の含有量は、実質上、検出限界として
の0重量%を含むものである。
In the high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention, the content of the impurity cation element cannot be completely 0% by weight in a mathematical sense. Therefore, the content of the impurity cation element specified in the present invention substantially includes 0% by weight as a detection limit.

【0034】さらに、β相型と比較して焼結性に優れた
α相型窒化けい素を90重量%以上含有する窒化けい素
原料粉末を使用することにより、高密度の窒化けい素基
板を製造することができる。
Further, by using silicon nitride raw material powder containing 90% by weight or more of α-phase type silicon nitride which is superior in sinterability as compared with β-phase type, a high-density silicon nitride substrate can be formed. Can be manufactured.

【0035】また窒化けい素原料粉末に焼結助剤として
添加する希土類元素としては、Ho,Er,Yb,Y,
La,Sc,Pr,Ce,Nd,Dy,Sm,Gdなど
の酸化物もしくは焼結操作により、これらの酸化物とな
る物質が単独で、または2種以上の酸化物を組み合せた
ものを含んでもよいが、特に酸化ホルミウム(Ho2
3 ),酸化エルビウム(Er2 3 )が好ましい。
The rare earth elements to be added to the silicon nitride raw material powder as a sintering aid include Ho, Er, Yb, Y,
Oxides such as La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Sm, and Gd, or substances that become these oxides by sintering operation alone or in combination of two or more oxides are included. Good, but especially holmium oxide (Ho 2 O
3 ) Erbium oxide (Er 2 O 3 ) is preferred.

【0036】特に希土類元素としてランタノイド系列の
元素であるHo,Er,Ybを使用することにより、焼
結性あるいは高熱伝導化が良好になり、1850℃程度
の低温度領域においても十分に緻密な焼結体が得られ
る。したがって焼成装置の設備費およびランニングコス
トを低減できる効果も得られる。これらの焼結助剤は、
窒化けい素原料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進
剤として機能する。
In particular, by using Ho, Er, and Yb, which are lanthanoid series elements, as a rare earth element, sinterability or high thermal conductivity is improved, and sufficiently dense sintering can be performed even in a low temperature range of about 1850 ° C. Solidification is obtained. Therefore, the effect of reducing the equipment cost and running cost of the firing apparatus can be obtained. These sintering aids are
It reacts with the silicon nitride raw material powder to form a liquid phase and functions as a sintering accelerator.

【0037】上記焼結助剤の添加量は、酸化物換算で原
料粉末に対して1.0〜17.5重量%の範囲とする。
この添加量が1.0重量%未満の場合は、焼結体の緻密
化が不十分であり、特に希土類元素がランタノイド系元
素のように原子量が大きい元素の場合には、比較的低強
度で比較的に低熱伝導率の焼結体が形成される。一方、
添加量が17.5重量%を超える過量となると、過量の
粒界相が生成し、熱伝導率の低下や強度が低下し始める
ので上記範囲とする。特に同様の理由により4〜15重
量%とすることが望ましい。
The amount of the sintering aid to be added is in the range of 1.0 to 17.5% by weight relative to the raw material powder in terms of oxide.
When the addition amount is less than 1.0% by weight, the sintered body is insufficiently densified. In particular, when the rare earth element is an element having a large atomic weight such as a lanthanoid element, a relatively low strength is obtained. A sintered body having a relatively low thermal conductivity is formed. on the other hand,
If the added amount exceeds 17.5% by weight, an excessive amount of grain boundary phase is generated, and the thermal conductivity and strength start to decrease. It is particularly desirable to set the content to 4 to 15% by weight for the same reason.

【0038】また上記製造方法において他の選択的な添
加成分として使用するTi,Zr,Hf,V,Nb,T
a,Cr,Mo,Wの酸化物,炭化物、窒化物、けい化
物、硼化物は、上記希土類元素の焼結促進剤の機能を促
進すると共に、結晶組織において分散強化の機能を果し
Si3 4 焼結体の機械的強度を向上させるものであ
り、特に、Hf,Tiの化合物が好ましい。これらの化
合物の添加量が0.1重量%未満の場合においては添加
効果が不充分である一方、3.0重量%を超える過量と
なる場合には熱伝導率および機械的強度や電気絶縁破壊
強度の低下が起こるため、添加量は0.1〜3.0重量
%の範囲とする。特に0.2〜2重量%とすることが望
ましい。
In addition, Ti, Zr, Hf, V, Nb, T
The oxides, carbides, nitrides, silicides, and borides of a, Cr, Mo, and W promote the function of the sintering accelerator of the rare earth element, and also have the function of strengthening the dispersion of Si 3 in the crystal structure. It is intended to improve the mechanical strength of the N 4 sintered body, and particularly, compounds of Hf and Ti are preferable. When the added amount of these compounds is less than 0.1% by weight, the effect of the addition is insufficient, while when the added amount exceeds 3.0% by weight, the thermal conductivity and mechanical strength and electric breakdown are caused. Since the strength is reduced, the amount of addition is in the range of 0.1 to 3.0% by weight. In particular, it is desirable that the content be 0.2 to 2% by weight.

【0039】また上記Ti,Zr,Hf等の化合物は窒
化けい素焼結体を黒色系に着色し不透明性を付与する遮
光剤としても機能する。そのため、特に光によって誤動
作を生じ易い集積回路等を搭載する回路基板を製造する
場合には、上記Ti等の化合物を適正に添加し、遮光性
に優れた窒化けい素基板とすることが望ましい。
The above compounds such as Ti, Zr, and Hf also function as a light-shielding agent that imparts opacity by coloring the silicon nitride sintered body to a black color. Therefore, in particular, when manufacturing a circuit board on which an integrated circuit or the like which easily malfunctions due to light is mounted, it is desirable to appropriately add the compound such as Ti and the like to obtain a silicon nitride substrate excellent in light shielding properties.

【0040】さらに上記製造方法において、他の選択的
な添加成分としてのアルミナ(Al2 3 )は、上記希
土類元素の焼結促進剤の機能を助長する役目を果すもの
であり、特に加圧焼結を行なう場合に著しい効果を発揮
するものである。このAl23 の添加量が0.1重量
%未満の場合においては、より高温度での焼結が必要に
なる一方、1.0重量%を超える過量となる場合には過
量の粒界相を生成したり、または窒化けい素に固溶し始
め、熱伝導の低下が起こるため、添加量は1重量%以
下、好ましくは0.1〜0.75重量%の範囲とする。
特に強度、熱伝導率共に良好な性能を確保するためには
添加量を0.1〜0.5重量%の範囲とすることが望ま
しい。
Further, in the above-mentioned production method, alumina (Al 2 O 3 ) as another optional additive serves to promote the function of the sintering accelerator for the rare earth element, This has a remarkable effect when sintering. When the addition amount of Al 2 O 3 is less than 0.1% by weight, sintering at a higher temperature is required. On the other hand, when the addition amount exceeds 1.0% by weight, an excessive amount of grain boundaries is required. Since a phase is formed or a solid solution starts to be formed in silicon nitride to cause a decrease in heat conduction, the amount of addition is set to 1% by weight or less, preferably 0.1 to 0.75% by weight.
In particular, in order to ensure good performance in both strength and thermal conductivity, it is desirable that the amount of addition be in the range of 0.1 to 0.5% by weight.

【0041】また、後述するAlNと併用する場合に
は、その合計添加量は1.0重量%以下にすることが望
ましい。
When used in combination with AlN, which will be described later, it is desirable that the total addition amount be 1.0% by weight or less.

【0042】さらに他の添加成分としての窒化アルミニ
ウム(AlN)は焼結過程における窒化けい素の蒸発な
どを抑制するとともに、上記希土類元素の焼結促進剤と
しての機能をさらに助長する役目を果すものである。
Further, aluminum nitride (AlN) as another additive serves to suppress the evaporation of silicon nitride during the sintering process and to further promote the function of the rare earth element as a sintering accelerator. It is.

【0043】AlNの添加量が0.1重量%未満(アル
ミナと併用する場合では0.05重量%未満)の場合に
おいては、より高温度での焼結が必要になる一方、1.
0重量%を超える過量となる場合には過量の粒界相を生
成したり、または窒化けい素に固溶し始め、熱伝導率の
低下が起こるため、添加量は0.1〜1.0重量%の範
囲とする。特に焼結性,強度,熱伝導率共に良好な性能
を確保するためには添加量を0.1〜0.5重量%の範
囲とすることが望ましい。なお前記Al2 3と併用す
る場合には、AlNの添加量は0.05〜0.5重量%
の範囲が好ましい。
When the addition amount of AlN is less than 0.1% by weight (less than 0.05% by weight when used in combination with alumina), sintering at a higher temperature is required, while
If the amount exceeds 0% by weight, an excessive amount of the grain boundary phase is generated, or the solid solution starts to be dissolved in silicon nitride to cause a decrease in thermal conductivity. % By weight. In particular, in order to ensure good performance in sinterability, strength, and thermal conductivity, it is desirable that the addition amount be in the range of 0.1 to 0.5% by weight. When used in combination with Al 2 O 3 , the addition amount of AlN is 0.05 to 0.5% by weight.
Is preferable.

【0044】また焼結体の気孔率は熱伝導率および強度
に大きく影響するため2.5%以下となるように製造す
る。気孔率が2.5%を超えると熱伝導の妨げとなり、
焼結体の熱伝導率が低下するとともに、焼結体の強度低
下が起こる。
Since the porosity of the sintered body greatly affects the thermal conductivity and strength, the sintered body is manufactured to be 2.5% or less. If the porosity exceeds 2.5%, it hinders heat conduction,
As the thermal conductivity of the sintered body decreases, the strength of the sintered body decreases.

【0045】また、窒化けい素焼結体は組織的に窒化け
い素結晶と粒界相とから構成されるが、粒界相中の結晶
化合物相の割合は焼結体の熱伝導率に大きく影響し、本
発明で使用する高熱伝導性窒化けい素基板においては、
粒界相の20%以上とすることが必要であり、より好ま
しくは50%以上が結晶相で占めることが望ましい。結
晶相が20%未満では熱伝導率が60W/m・K以上と
なるような放熱特性に優れ、かつ高温強度に優れた高熱
伝導性窒化けい素基板が得られないからである。
The silicon nitride sintered body is systematically composed of silicon nitride crystals and a grain boundary phase, and the proportion of the crystalline compound phase in the grain boundary phase greatly affects the thermal conductivity of the sintered body. However, in the high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention,
It is necessary that the content be 20% or more of the grain boundary phase, and more preferably 50% or more is occupied by the crystal phase. If the crystal phase is less than 20%, it is not possible to obtain a silicon nitride substrate having high heat conductivity of 60 W / m · K or more and having excellent heat radiation characteristics and high temperature strength.

【0046】さらに上記のように高熱伝導性窒化けい素
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20%以上が結晶相で占める
ようにするためには、窒化けい素成形体を温度1800
〜2100℃で2〜10時間程度、加圧焼結し、かつ焼
結操作完了直後における焼結体の冷却速度を毎時100
℃以下にして徐冷することが重要である。
Further, as described above, the porosity of the high thermal conductive silicon nitride substrate is set to 2.5% or less, and the crystal phase accounts for 20% or more of the grain boundary phase formed in the silicon nitride crystal structure. To achieve this, the silicon nitride compact is heated to a temperature of 1800
Pressure sintering is performed at a temperature of ℃ 2100 ° C. for about 2 to 10 hours, and the cooling rate of the sintered body immediately after the completion of the sintering operation is 100
It is important that the temperature is lowered to below ℃.

【0047】焼結温度を1800℃未満とした場合に
は、焼結体の緻密化が不充分で気孔率が2.5vol%以上
になり機械的強度および熱伝導性が共に低下してしま
う。一方焼結温度が2100℃を超えると窒化けい素成
分自体が蒸発分解し易くなる。特に加圧焼結ではなく、
常圧焼結を実施した場合には、1800℃付近より窒化
けい素の分解蒸発が始まる。
If the sintering temperature is lower than 1800 ° C., the densification of the sintered body is insufficient, the porosity becomes 2.5 vol% or more, and both the mechanical strength and the thermal conductivity decrease. On the other hand, when the sintering temperature exceeds 2100 ° C., the silicon nitride component itself tends to be vaporized and decomposed. Especially not pressure sintering,
When normal-pressure sintering is performed, decomposition and evaporation of silicon nitride starts at about 1800 ° C.

【0048】上記焼結操作完了直後における焼結体の冷
却速度は粒界相を結晶化させるために重要な制御因子で
あり、冷却速度が毎時100℃を超えるような急速冷却
を実施した場合には、焼結体組織の粒界相が非結晶質
(ガラス相)となり、焼結体に生成した液相が結晶相と
して粒界相に占める割合が20%未満となり、強度およ
び熱伝導性が共に低下してしまう。
The cooling rate of the sintered compact immediately after the completion of the sintering operation is an important control factor for crystallizing the grain boundary phase, and when rapid cooling is performed such that the cooling rate exceeds 100 ° C./hour. Is that the grain boundary phase of the sintered body structure becomes non-crystalline (glass phase), the ratio of the liquid phase generated in the sintered body as a crystalline phase to the grain boundary phase is less than 20%, and the strength and thermal conductivity are reduced. Both will fall.

【0049】上記冷却速度を厳密に調整すべき温度範囲
は、所定の焼結温度(1800〜2100℃)から、前
記の焼結助剤の反応によって生成する液相が凝固するま
での温度範囲で充分である。ちなみに前記のような焼結
助剤を使用した場合の液相凝固点は概略1600〜15
00℃程度である。そして少なくとも焼結温度から上記
液相凝固温度に至るまでの焼結体の冷却速度を毎時10
0℃以下、好ましくは50℃以下、さらに好ましくは2
5℃以下に制御することにより、粒界相の20%以上、
特に好ましくは50%以上が結晶相になり、熱伝導率お
よび機械的強度が共に優れた焼結体が得られる。
The temperature range in which the cooling rate should be strictly adjusted is a temperature range from a predetermined sintering temperature (1800 to 2100 ° C.) to a temperature at which a liquid phase produced by the reaction of the sintering aid solidifies. Is enough. Incidentally, the liquidus freezing point when using the sintering aid as described above is approximately 1600 to 15
It is about 00 ° C. The cooling rate of the sintered body at least from the sintering temperature to the above-mentioned liquid phase solidification temperature is set to 10
0 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or lower, more preferably 2 ° C.
By controlling the temperature to 5 ° C. or less, 20% or more of the grain boundary phase can be obtained.
Particularly preferably, 50% or more becomes a crystalline phase, and a sintered body excellent in both thermal conductivity and mechanical strength can be obtained.

【0050】本発明において使用する高熱伝導性窒化け
い素基板は、例えば以下のようなプロセスを経て製造さ
れる。すなわち前記所定の微細粒径を有し、また不純物
含有量が少ない微細な窒化けい素粉末に対して所定量の
焼結助剤、有機バインダ等の必要な添加剤および必要に
応じてAl2 3 やAlN,Ti化合物等を加えて原料
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ー
ト成形法などが適用できる。上記成形操作に引き続い
て、成形体を非酸化性雰囲気中で温度600〜800
℃、または空気中で温度400〜500℃で1〜2時間
加熱して、予め添加していた有機バインダ成分を充分に
除去し、脱脂する。次に脱脂処理された成形体を窒素ガ
ス、水素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中
で1800〜2100℃の温度で所定時間雰囲気加圧焼
結を行う。
The high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention is manufactured, for example, through the following process. That is, a predetermined amount of a sintering aid, a necessary additive such as an organic binder, and optionally Al 2 O are added to the fine silicon nitride powder having the predetermined fine particle size and a small impurity content. A raw material mixture is prepared by adding 3 or an AlN or Ti compound, and then the obtained raw material mixture is molded to obtain a molded body having a predetermined shape. As a molding method of the raw material mixture,
A general-purpose mold pressing method, a sheet forming method such as a doctor blade method, and the like can be applied. Subsequent to the above molding operation, the molded body is heated at a temperature of 600 to 800 in a non-oxidizing atmosphere.
C. or in air at a temperature of 400 to 500.degree. C. for 1 to 2 hours to sufficiently remove the organic binder component added in advance and degrease. Next, the degreased molded body is subjected to atmospheric pressure sintering at a temperature of 1800 to 2100 ° C. for a predetermined time in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, hydrogen gas or argon gas.

【0051】上記製法によって製造された窒化けい素基
板は気孔率が2.5%以下、60W/m・K(25℃)
以上の熱伝導率を有し、また三点曲げ強度が常温で65
0MPa以上と機械的特性にも優れている。
The silicon nitride substrate manufactured by the above method has a porosity of 2.5% or less and 60 W / m · K (25 ° C.).
It has the above thermal conductivity and a three-point bending strength of 65 at room temperature.
It has excellent mechanical properties of 0 MPa or more.

【0052】なお、低熱伝導性の窒化けい素に高熱伝導
性のSiC等を添加して焼結体全体としての熱伝導率を
60W/m・K以上にした窒化けい素基板は本発明の範
囲には含まれない。しかしながら、熱伝導率が60W/
m・K以上である窒化けい素焼結体に高熱伝導性のSi
C等を複合させた窒化けい素系基板の場合には、本発明
の範囲に含まれることは言うまでもない。
It should be noted that a silicon nitride substrate having a high thermal conductivity of 60 W / m · K or more by adding high thermal conductivity SiC or the like to low thermal conductivity silicon nitride is within the scope of the present invention. Is not included. However, the thermal conductivity is 60 W /
m.K or higher silicon nitride sintered body with high thermal conductivity Si
Needless to say, a silicon nitride-based substrate in which C is compounded is included in the scope of the present invention.

【0053】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、
前記直接接合法や活性金属法を用いて導電性を有する金
属板を一体に接合して製造される。
The silicon nitride circuit board according to the present invention is provided on the surface of the high thermal conductive silicon nitride substrate manufactured as described above.
It is manufactured by integrally joining metal plates having conductivity using the direct joining method or the active metal method.

【0054】本発明の窒化けい素回路基板においては、
金属板の外周端部に、傾斜部または段部などの薄部を形
成している。ここで、金属板の接合後の冷却過程で発生
する熱応力や冷熱サイクルの付加等による熱応力、また
それらに基く残留応力は、金属板の外周端部に設けられ
た上記傾斜部または段部などの薄部の塑性変形により吸
収され分散されるため、金属板の外周端部への応力集中
が緩和される。これにより、金属板の外周端部での応力
値自体を低減することができるため、従来問題となって
いたセラミックス基板のクラック発生や強度低下等を有
効に防止することが可能となる。
In the silicon nitride circuit board of the present invention,
A thin portion such as an inclined portion or a step portion is formed at an outer peripheral end portion of the metal plate. Here, the thermal stress generated in the cooling process after the joining of the metal plate, the thermal stress due to the addition of a cooling / heating cycle, and the residual stress based thereon are caused by the inclined portion or the step portion provided on the outer peripheral end of the metal plate. And the like, are absorbed and dispersed by plastic deformation of the thin part, so that stress concentration on the outer peripheral end of the metal plate is reduced. As a result, the stress value itself at the outer peripheral end of the metal plate can be reduced, so that it is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and a decrease in strength of the ceramic substrate, which have conventionally been problems.

【0055】特に、セラミックス基板として、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
を使用しているため、基板に搭載する半導体素子等の発
熱部品からの発熱は、高熱伝導性窒化けい素基板を経て
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。また、高強度高靭性である窒化けい素基板を使用し
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、アッセンブリ工程において回
路基板の締め付け割れが発生せず、回路基板を用いた半
導体装置を高い製造歩留りで安価に量産することが可能
になる。
In particular, a high thermal conductive silicon nitride substrate having a significantly improved thermal conductivity in addition to the inherently high strength and toughness characteristics of a silicon nitride sintered body is used as a ceramic substrate. Heat generated from a heat-generating component such as a semiconductor element mounted on the substrate is quickly transmitted to the outside of the system via the high thermal conductivity silicon nitride substrate, so that heat dissipation is extremely good. In addition, since a silicon nitride substrate having high strength and toughness is used, a large amount of maximum deflection of the circuit board can be secured. For this reason, the circuit board does not suffer from tightening cracks in the assembly process, and it is possible to mass-produce semiconductor devices using the circuit board at a high production yield and at low cost.

【0056】[0056]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、
以下に示す実施例および添付図面を参照して具体的に説
明する。まず本発明において使用する高熱伝導性窒化け
い素基板について述べ、しかる後に、この高熱伝導性窒
化けい素基板をセラミックス基板として使用した窒化け
い素回路基板について説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
A specific description will be given with reference to the following embodiments and the accompanying drawings. First, a high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention will be described, and thereafter, a silicon nitride circuit board using this high thermal conductive silicon nitride substrate as a ceramic substrate will be described.

【0057】まず本発明の窒化けい素回路基板の構成材
となる各種高熱伝導性窒化けい素基板を以下の手順で製
造した。
First, various silicon nitride substrates having high thermal conductivity to be used as components of the silicon nitride circuit board of the present invention were manufactured by the following procedure.

【0058】すなわち、酸素を1.3重量%、前記不純
物陽イオン元素を合計で0.15重量%含有し、α相型
窒化けい素97%を含む平均粒径0.55μmの窒化け
い素原料粉末に対して、表1〜3に示すように、焼結助
剤としてのY2 3 ,Ho23 などの希土類酸化物
と、必要に応じてTi,Hf化合物,Al2 3 粉末,
AlN粉末とを添加し、エチルアルコール中で窒化けい
素製ボールを用いて72時間湿式混合した後に乾燥して
原料粉末混合体をそれぞれ調整した。次に得られた各原
料粉末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混
合した後に、1000kg/cm2 の成形圧力でプレス成形
し、各種組成を有する成形体を多数製作した。次に得ら
れた各成形体を700℃の雰囲気ガス中において2時間
脱脂した後に、この脱脂体を表1〜3に示す焼結条件で
緻密化焼結を実施した後に、焼結炉に付設した加熱装置
への通電量を制御して焼結炉内温度が1500℃まで降
下するまでの間における焼結体の冷却速度がそれぞれ表
1〜3に示す値となるように調整して焼結体を冷却し、
それぞれ試料1〜51に係る窒化けい素焼結体を調製し
た。さらに得られた焼結体を加工研磨して所定形状の高
熱伝導性窒化けい素基板とした。
That is, a silicon nitride raw material containing 1.3% by weight of oxygen and 0.15% by weight of the impurity cation element in total and containing 97% of α-phase silicon nitride and having an average particle size of 0.55 μm. As shown in Tables 1 to 3, as shown in Tables 1 to 3 , rare earth oxides such as Y 2 O 3 and Ho 2 O 3 as sintering aids, and Ti, Hf compounds, and Al 2 O 3 powders as needed. ,
AlN powder was added, and the mixture was wet-mixed in ethyl alcohol using a silicon nitride ball for 72 hours, and then dried to prepare raw material powder mixtures. Next, a predetermined amount of an organic binder was added to each of the obtained raw material powder mixtures, mixed uniformly, and then press-molded at a molding pressure of 1000 kg / cm 2 to produce a large number of molded bodies having various compositions. Next, each of the obtained compacts was degreased in an atmosphere gas at 700 ° C. for 2 hours, and then the degreased bodies were subjected to densification sintering under the sintering conditions shown in Tables 1 to 3, and then attached to a sintering furnace. The cooling rate of the sintered body until the temperature in the sintering furnace falls to 1500 ° C. is controlled by controlling the amount of electricity supplied to the heating device, and the sintering is performed by adjusting the cooling rate to the values shown in Tables 1 to 3, respectively. Cool the body,
Silicon nitride sintered bodies according to Samples 1 to 51 were prepared. Further, the obtained sintered body was processed and polished to obtain a high thermal conductive silicon nitride substrate having a predetermined shape.

【0059】こうして得た試料1〜51に係る各窒化け
い素基板について気孔率、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、各窒化け
い素基板についてX線回折法によって粒界相に占める結
晶相の割合を測定し、下記表1〜3に示す結果を得た。
The average values of the porosity, the thermal conductivity (25 ° C.), and the three-point bending strength at room temperature were measured for the silicon nitride substrates according to Samples 1 to 51 thus obtained. Furthermore, the ratio of the crystal phase to the grain boundary phase was measured by X-ray diffraction for each silicon nitride substrate, and the results shown in Tables 1 to 3 below were obtained.

【0060】[0060]

【表1】 [Table 1]

【0061】[0061]

【表2】 [Table 2]

【0062】[0062]

【表3】 [Table 3]

【0063】表1〜3に示す結果から明らかなように試
料1〜51に係る窒化けい素焼結体においては、原料組
成および不純物量を適正に制御し、従来例と比較して緻
密化焼結完了直後における焼結体の冷却速度を従来より
低く設定しているため、粒界相に結晶相を含み、結晶相
の占める割合が高い程、高熱伝導率を有する放熱性の高
い高強度窒化けい素基板が得られた。
As is clear from the results shown in Tables 1 to 3, in the silicon nitride sintered bodies according to Samples 1 to 51, the raw material composition and the impurity amount were appropriately controlled, and the densified sintering was performed as compared with the conventional example. Since the cooling rate of the sintered compact immediately after completion is set lower than before, the crystal phase is included in the grain boundary phase, and the higher the proportion of the crystal phase, the higher the heat conductivity and the higher the strength of the silicon nitride. An elementary substrate was obtained.

【0064】これに対して酸素を1.3〜1.5重量
%,前記不純物陽イオン元素を合計で0.13〜1.5
0重量%含有し、α相型窒化けい素を93%含む平均粒
径0.60μmの窒化けい素原料粉末を用い、この窒化
けい素粉末に対してY2 3 (酸化イットリウム)粉末
を3〜6重量と、アルミナ粉末を1.3〜1.6重量%
添加した原料粉末を成形,脱脂後、1900℃で6時間
焼結し、炉冷(冷却速度:毎時400℃)して得た焼結
体の熱伝導率は25〜28W/m・Kと低く、従来の一
般的な製法によって製造された窒化けい素焼結体の熱伝
導率に近い値となった。
On the other hand, 1.3 to 1.5% by weight of oxygen and 0.13 to 1.5%
A raw material powder having an average particle size of 0.60 μm containing 0% by weight and containing 93% of α-phase type silicon nitride was used, and Y 2 O 3 (yttrium oxide) powder was added to the silicon nitride powder in an amount of 3%. To 6% by weight and 1.3 to 1.6% by weight of alumina powder
The added raw material powder is molded, degreased, sintered at 1900 ° C. for 6 hours, and cooled in a furnace (cooling rate: 400 ° C./hour) to obtain a sintered body having a low thermal conductivity of 25 to 28 W / m · K. The value was close to the thermal conductivity of a silicon nitride sintered body manufactured by a conventional general manufacturing method.

【0065】次に得られた試料1〜51に係る各高熱伝
導性窒化けい素基板の両面に、直接接合法または活性金
属法を用いて金属板を一体に接合することにより、それ
ぞれ窒化けい素回路基板を製造した。
Next, a metal plate is integrally bonded to both surfaces of each of the obtained high thermal conductive silicon nitride substrates according to Samples 1 to 51 by using a direct bonding method or an active metal method, thereby obtaining silicon nitride. A circuit board was manufactured.

【0066】図1〜4は、それぞれ本発明の一実施例に
よる窒化けい素回路基板の構造を示す平面図,裏面図,
断面図および要部拡大断面図である。図1〜4におい
て、高熱伝導性窒化けい素基板1の表面1aには金属板
として銅板2が接合されている。また、高熱伝導性窒化
けい素基板1の裏面1bにも、同様に銅板3が接合され
ており、これらにより窒化けい素回路基板4Aが構成さ
れている。
FIGS. 1 to 4 are a plan view, a back view, and a plan view, respectively, showing the structure of a silicon nitride circuit board according to one embodiment of the present invention.
It is sectional drawing and the principal part enlarged sectional view. 1 to 4, a copper plate 2 is bonded to a surface 1a of a high thermal conductive silicon nitride substrate 1 as a metal plate. Also, a copper plate 3 is similarly bonded to the back surface 1b of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1, and these constitute a silicon nitride circuit substrate 4A.

【0067】また、図1〜4に示す窒化けい素回路基板
4Aにおける銅板2,3は、高熱伝導性窒化けい素基板
1に対して直接接合法、いわゆるDBC法により接合さ
れている。このようなDBC法を利用する場合の銅板
2,3としては、タフピッチ銅のような酸素を100〜
3000ppm の割合で含有する銅を用いることが好まし
いが、接合時の条件によっては無酸素銅を用いることも
可能である。なお、銅や銅合金の単板に代えて、高熱伝
導性窒化けい素基板1との接合面が少なくとも銅により
構成されている他の金属部材とのクラッド板等を用いる
こともできる。
The copper plates 2 and 3 in the silicon nitride circuit board 4A shown in FIGS. 1 to 4 are bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by a direct bonding method, so-called DBC method. As the copper plates 2 and 3 when such a DBC method is used, oxygen such as tough pitch copper is used for 100 to 100%.
It is preferable to use copper containing 3,000 ppm, but it is also possible to use oxygen-free copper depending on the joining conditions. Instead of a single plate of copper or a copper alloy, a clad plate or the like with another metal member having at least a joining surface with the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 made of copper can be used.

【0068】高熱伝導性窒化けい素基板1の表面1a側
に接合された銅板2は、半導体部品等の実装部となるも
のであり、所望の回路形状にパターニングされている。
また、高熱伝導性窒化けい素基板1の裏面1b側に接合
された銅板3は、接合時における高熱伝導性窒化けい素
基板1の反り等を防止するものであり、中央付近から2
分割された状態でほぼ高熱伝導性窒化けい素基板1の裏
面1b全面に接合、形成されている。裏面1b側の銅板
3には、半導体部品等の実装部となる銅板2と同じ厚さ
のものを使用してもよいが、銅板2の厚さの70〜90
%の厚さの銅板を使用することが好ましい。
The copper plate 2 joined to the surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 is to be a mounting portion for semiconductor components and the like, and is patterned into a desired circuit shape.
The copper plate 3 bonded to the back surface 1b side of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 prevents warpage of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 at the time of bonding.
In a divided state, it is bonded and formed on almost the entire back surface 1b of the silicon nitride substrate 1 having high thermal conductivity. As the copper plate 3 on the back surface 1b side, a copper plate having the same thickness as the copper plate 2 serving as a mounting portion for semiconductor components or the like may be used.
% Of the copper plate is preferably used.

【0069】ここで、図1〜4に示した窒化けい素回路
基板4Aは、高熱伝導性窒化けい素基板1に銅板2,3
をDBC法により接合したものであるが、例えば図5お
よび図6に示すように、銅板2,3を活性金属法で高熱
伝導性窒化けい素基板1に接合した窒化けい素回路基板
5Aであってもよい。上記活性金属法は、例えばTi、
Zr、Hf、Nb等から選ばれた少なくとも1種の活性
金属を含むろう材(以下、活性金属含有ろう材と記す)
層6を介して、高熱伝導性窒化けい素基板1と銅板2,
3とを接合する方法である。用いる活性金属含有ろう材
の組成としては、例えばAg−Cuの共晶組成(72wt
%Ag−28wt%Cu)もしくはその近傍組成のAg−
Cu系ろう材やCu系ろう材を主体とし、これに1〜1
0重量%のTi、Zr、Hf、Nb等から選ばれた少な
くとも1種の活性金属を添加した組成等が例示される。
なお、活性金属含有ろう材にInのような低融点金属を
添加して用いることもできる。
Here, the silicon nitride circuit board 4A shown in FIGS.
5 and 6, for example, as shown in FIGS. 5 and 6, a silicon nitride circuit board 5A in which copper plates 2 and 3 are bonded to a high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by an active metal method. You may. The active metal method includes, for example, Ti,
Brazing material containing at least one active metal selected from Zr, Hf, Nb, etc. (hereinafter referred to as active metal-containing brazing material)
Via a layer 6, a high thermal conductive silicon nitride substrate 1 and a copper plate 2,
3 is joined. As the composition of the active metal-containing brazing material to be used, for example, a eutectic composition of Ag-Cu (72 wt.
% Ag-28wt% Cu) or its composition near Ag-
Cu-based brazing filler metal or Cu-based brazing filler metal
A composition in which at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf, Nb and the like is added at 0% by weight is exemplified.
In addition, a low melting point metal such as In may be added to the active metal-containing brazing material.

【0070】図1〜4に示した窒化けい素回路基板4A
のように、銅板2,3を高熱伝導性窒化けい素基板1に
DBC法で接合したものは、単純構造で高接合強度が得
られ、また製造工程を簡易化できる等の利点を有する。
また、図5〜6に示した窒化けい素回路基板5Aのよう
に、銅板2,3を高熱伝導性窒化けい素基板1に活性金
属法で接合したものは、高接合強度が得られると共に、
活性金属含有ろう材層6が応力緩和層としても機能する
ため、より信頼性の向上が図れる。このようなことか
ら、要求特性や用途等に応じて接合法を選択することが
好ましい。
The silicon nitride circuit board 4A shown in FIGS.
As described above, those obtained by bonding the copper plates 2 and 3 to the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by the DBC method have advantages such as a simple structure, high bonding strength, and simplification of the manufacturing process.
In addition, when the copper plates 2 and 3 are joined to the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by the active metal method like the silicon nitride circuit board 5A shown in FIGS.
Since the active metal-containing brazing material layer 6 also functions as a stress relaxation layer, the reliability can be further improved. For this reason, it is preferable to select a joining method according to required characteristics, applications, and the like.

【0071】また、活性金属法により高熱伝導性窒化け
い素基板1に金属板を接合する場合には、銅板に限ら
ず、用途に応じて各種の金属板、例えばニッケル板、タ
ングステン板、モリブデン板、これらの合金板やクラッ
ド板(銅板とのクラッド板を含む)等を用いることも可
能である。
When a metal plate is joined to the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by the active metal method, not only a copper plate but also various metal plates, such as a nickel plate, a tungsten plate, a molybdenum plate, depending on the application. It is also possible to use these alloy plates, clad plates (including clad plates with copper plates), and the like.

【0072】そして、上述した窒化けい素回路基板4
A,5Aにおいては、図1および図5に示すように、半
導体部品等の実装部となる銅板2の外周端部に、薄部と
しての傾斜部2aが外周縁部に沿って、すなわち銅板2
の各回路パターン部の外周端部に沿って形成されてい
る。
Then, the above-described silicon nitride circuit board 4
In FIGS. 1A and 5A, as shown in FIGS. 1 and 5, a thin inclined portion 2a is provided along the outer peripheral edge of the copper plate 2 serving as a mounting portion for a semiconductor component or the like, that is, the copper plate 2 is provided.
Are formed along the outer peripheral edge of each circuit pattern portion.

【0073】また上記傾斜部2aに代えて、段部を薄部
として形成してもよい。図7は段部2bを形成した銅板
2を、高熱伝導性窒化けい素基板1の表面1aに直接接
合法により一体に接合した窒化けい素回路基板4Bを示
す。この窒化けい素回路基板4Bは、段部2bを形成し
た点以外は図1に示す窒化けい素回路基板4Aと同様な
構成である。
In place of the inclined portion 2a, a step may be formed as a thin portion. FIG. 7 shows a silicon nitride circuit board 4B in which the copper plate 2 on which the step portion 2b is formed is integrally joined to the surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by a direct joining method. This silicon nitride circuit board 4B has the same configuration as that of the silicon nitride circuit board 4A shown in FIG. 1 except that a step 2b is formed.

【0074】また、図7は、段部2bを形成した銅板2
を、図示しない活性金属含有ろう材層を介して高熱伝導
性窒化けい素基板1の表面1aに一体に接合した窒化け
い素回路基板5Bを示す平面図でもある。この窒化けい
素回路基板5Bは、段部を形成した点以外は図5〜6に
示す窒化けい素回路基板5Aと同様な構成である。
FIG. 7 shows a copper plate 2 on which a step 2b is formed.
Is also a plan view showing a silicon nitride circuit board 5B integrally joined to the surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 via an active metal-containing brazing material layer (not shown). This silicon nitride circuit board 5B has the same configuration as that of the silicon nitride circuit board 5A shown in FIGS.

【0075】そして、上述した窒化けい素回路基板4
B,5Bにおいては、図7に示すように、半導体部品等
の実装部となる銅板2の外周端部に、段部2bが外周端
部に沿って、すなわち銅板2の各回路パターンの外周端
部に沿って形成されている。
Then, the above-described silicon nitride circuit board 4
7A and 7B, as shown in FIG. 7, a stepped portion 2b is provided along the outer peripheral end of the copper plate 2 to be a mounting portion for a semiconductor component or the like, that is, the outer peripheral end of each circuit pattern of the copper plate 2. It is formed along the part.

【0076】上記連続した傾斜部2aおよび段部2bな
どの薄部は、製造工程の繁雑化を避けると共に、製造工
数の低減を図るために、金型を用いたプレス加工等の機
械加工により形成することが望ましい。ただし、必ずし
も他の形成方法の適用を除外するものではない。
The thin portions such as the continuous inclined portion 2a and the stepped portion 2b are formed by machining such as pressing using a die in order to avoid complication of the manufacturing process and reduce the number of manufacturing steps. It is desirable to do. However, application of another formation method is not necessarily excluded.

【0077】ここで、上述した銅板2(金属板)の外周
端部は、図4,6,9に示すように銅板2の外周端部か
ら中央方向へ向って1.0mm以内の部分Lとすることが
好ましい。傾斜部2aおよび段部2bなどの薄部の形成
領域が上記外周端部Lを超えて中央部に達すると、銅板
2の外周端部における応力集中を十分に緩和できなくな
ると共に、半導体部品用の実装面積の低下を招くことに
なる。
Here, as shown in FIGS. 4, 6 and 9, the outer peripheral end of the above-described copper plate 2 (metallic plate) has a portion L within 1.0 mm from the outer peripheral end of the copper plate 2 toward the center. Is preferred. When the formation region of the thin portion such as the inclined portion 2a and the step portion 2b reaches the central portion beyond the outer peripheral end L, the stress concentration at the outer peripheral end of the copper plate 2 cannot be sufficiently alleviated, and at the same time, it becomes difficult for semiconductor components. This leads to a reduction in the mounting area.

【0078】上記銅板2の外周端部に形成する薄部とし
ての傾斜部2aの形状は、図4および図6に示すよう
に、金属板2の平面方向と傾斜部2aとのなす角θが3
0〜60度となるように形成するとよい。また傾斜部2
aの先端部の厚さtが実装部の厚さTの1/2以下、好
ましくは0.1mm以下となるように形成するとよい。
As shown in FIGS. 4 and 6, the shape of the inclined portion 2a as a thin portion formed at the outer peripheral end of the copper plate 2 is such that the angle θ formed between the plane direction of the metal plate 2 and the inclined portion 2a is as follows. 3
It is good to form so that it may become 0-60 degrees. Also the inclined part 2
It is preferable that the thickness t of the leading end of a is not more than 1/2 of the thickness T of the mounting portion, preferably 0.1 mm or less.

【0079】一方、銅板2の外周端部に段部2bを薄部
として形成する場合には、図9に示すように、段部2b
の厚さが実装部の厚さTの1/2以下、好ましくは0.
1mm以下となるように形成するとよい。
On the other hand, when the step 2b is formed as a thin portion at the outer peripheral end of the copper plate 2, as shown in FIG.
Is less than or equal to 1/2 of the thickness T of the mounting portion, preferably 0.1 mm.
It is preferable that the thickness be 1 mm or less.

【0080】上記傾斜部2aの先端部の厚さtまたは段
部2bの厚さtが実装面となる部分の厚さTの1/2を
超えると、この傾斜部2aまたは段部2bの塑性変形に
よる残留応力低減の効果が十分に得られない。また、こ
の厚さtを薄くするほど残留応力の低減を図れるが、段
部2bを形成した場合には、この厚さtが薄すぎると熱
応力によって破断する危険が生じるため、実用的には
0.05mm程度までが好適である。
If the thickness t of the tip portion of the inclined portion 2a or the thickness t of the step portion 2b exceeds 1 / of the thickness T of the portion to be the mounting surface, the plasticity of the inclined portion 2a or the step portion 2b is increased. The effect of reducing residual stress due to deformation cannot be obtained sufficiently. The residual stress can be reduced by reducing the thickness t. However, in the case where the step 2b is formed, if the thickness t is too small, there is a risk of breakage due to thermal stress. It is preferable that the thickness is up to about 0.05 mm.

【0081】上述した傾斜部2aおよび段部2bなどの
薄部は、銅板2の各回路パターン部の外周端部に沿っ
て、連続的に形成することが好ましい。このように、傾
斜部2aまたは段部2bなどの薄部を連続的に形成する
ことによって、銅板2の外周端部への応力集中を効率的
に緩和でき、言い換えると応力を効率的に分散させるこ
とができる。
It is preferable that the thin portions such as the above-described inclined portion 2a and step portion 2b be formed continuously along the outer peripheral edge of each circuit pattern portion of the copper plate 2. As described above, by continuously forming the thin portions such as the inclined portion 2a or the step portion 2b, the concentration of stress on the outer peripheral end portion of the copper plate 2 can be efficiently reduced, in other words, the stress is efficiently dispersed. be able to.

【0082】以上、半導体部品等の実装部となる高熱伝
導性窒化けい素基板1の表面1aに接合する銅板2につ
いて詳述したが、高熱伝導性窒化けい素基板1の裏面1
bに接合する銅板3についても、表面1a側の銅板2と
同様に、その外周端部に傾斜部3aまたは段部3bなど
の薄部を形成することが好ましい。特に、放熱性等の点
から比較的厚い銅板(金属板)を用いる場合には、裏面
1b側の銅板3にも傾斜部3aまたは段部3bを形成す
ることが望ましい。
The copper plate 2 to be bonded to the front surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 serving as a mounting portion for semiconductor components and the like has been described in detail.
As for the copper plate 3 to be joined to the surface b, it is preferable to form a thin portion such as the inclined portion 3a or the step portion 3b at the outer peripheral end, similarly to the copper plate 2 on the front surface 1a side. In particular, when a relatively thick copper plate (metal plate) is used from the viewpoint of heat dissipation and the like, it is desirable to form the inclined portion 3a or the step portion 3b also on the copper plate 3 on the back surface 1b side.

【0083】上述した各窒化けい素回路基板4は、例え
ば以下のようにして製造される。すなわち、例えばタフ
ピッチ銅のような酸素含有銅板を、所定形状(銅板2に
関しては回路パターン形状)に加工すると共に、その外
周端部に例えば連続した傾斜部2a,3aまたは段部2
b,3bなどの薄部をプレス加工等の機械加工により形
成する。このような傾斜部2a,3aまたは段部2b,
3bを有する銅板2,3を高熱伝導性窒化けい素基板上
にそれぞれ接触配置し、銅の融点(1356K)以下で
銅と酸化銅の共晶温度(1338K)以上の温度で加熱
することにより、各銅板2,3を接合し窒化けい素回路
基板4を作製する。この加熱の際の雰囲気は、銅板とし
て酸素含有銅板を使用する場合には不活性ガス雰囲気と
することが好ましい。
Each of the above-described silicon nitride circuit boards 4 is manufactured, for example, as follows. That is, for example, an oxygen-containing copper plate such as tough pitch copper is processed into a predetermined shape (a circuit pattern shape with respect to the copper plate 2), and a continuous inclined portion 2a, 3a or a stepped portion 2 is formed on an outer peripheral end thereof.
Thin portions such as b and 3b are formed by machining such as press working. Such inclined portions 2a, 3a or step portions 2b,
The copper plates 2 and 3 having 3b are placed in contact with each other on a silicon nitride substrate having high thermal conductivity and heated at a temperature not higher than the melting point of copper (1356K) and higher than the eutectic temperature of copper and copper oxide (1338K). The copper plates 2 and 3 are joined to produce a silicon nitride circuit board 4. When an oxygen-containing copper plate is used as the copper plate, the atmosphere for this heating is preferably an inert gas atmosphere.

【0084】また、活性金属法により金属板を接合した
窒化けい素回路基板5は、例えば以下のようにして製造
される。まず、上記窒化けい素回路基板4と同様に、連
続した傾斜部2a,3aまたは段部2b,3bなどの薄
部を有する銅板2,3を用意する。一方、前述したよう
な活性金属含有ろう材をペースト化したものを、例えば
高熱伝導性窒化けい素基板1側に塗布する。ろう材層の
塗布厚は、冷熱サイクル特性の向上を図る上で、加熱接
合後のろう材層6の層厚があまり厚くならないようにす
ることが好ましい。次に、ろう材ペーストを塗布した高
熱伝導性窒化けい素基板1上に、銅板2,3をそれぞれ
積層配置し、使用したろう材に応じた温度で熱処理する
ことにより、窒化けい素回路基板5を作製する。
The silicon nitride circuit board 5 to which the metal plates are joined by the active metal method is manufactured, for example, as follows. First, copper plates 2 and 3 having thin portions such as continuous inclined portions 2a and 3a or step portions 2b and 3b are prepared in the same manner as the silicon nitride circuit board 4. On the other hand, a paste of the active metal-containing brazing material as described above is applied to, for example, the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 side. The coating thickness of the brazing material layer is preferably such that the thickness of the brazing material layer 6 after the heat bonding is not too large in order to improve the thermal cycle characteristics. Next, the copper plates 2 and 3 are respectively laminated on the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 to which the brazing material paste is applied, and heat-treated at a temperature corresponding to the brazing material used. Is prepared.

【0085】上述したような構造の窒化けい素回路基板
4,5においては、銅板2,3の接合後の冷却過程で発
生する熱応力や冷熱サイクルの付加等による熱応力、お
よびそれらに基く残留応力は、銅板2,3の外周端部に
設けられた傾斜部2a,3aまたは段部2b,3bなど
の薄部の塑性変形により吸収され分散されて、銅板2,
3の各外周端部への応力集中が緩和される。これによ
り、銅板2,3の外周端部での応力値自体が低減するた
め、従来問題となっていたセラミックス基板部のクラッ
ク発生や強度低下等を有効に防止することができる。そ
して、上述した応力の分散を傾斜部2a,3aまたは段
部2b,3bなどの薄部により達成しているため、傾斜
部2a,3aまたは段部2b,3bの形成にプレス加工
等の機械加工を適用しても、銅板2,3の、特にその中
央部の変形を防止することができる。従って、銅板2,
3の変形による接合強度の低下等を招くことなく、製造
工程の簡略化および製造工数の低減が実現できる。
In the silicon nitride circuit boards 4 and 5 having the above-described structure, the thermal stress generated in the cooling process after the joining of the copper plates 2 and 3 and the thermal stress due to the addition of a cooling cycle and the residual stress based on the thermal stress. The stress is absorbed and dispersed by plastic deformation of the thin portions such as the inclined portions 2a, 3a or the step portions 2b, 3b provided at the outer peripheral end portions of the copper plates 2, 3, and is dispersed.
The stress concentration on each outer peripheral end of 3 is alleviated. As a result, the stress value itself at the outer peripheral end portions of the copper plates 2 and 3 is reduced, so that it is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and a decrease in strength of the ceramic substrate portion, which have conventionally been problems. Since the above-described dispersion of the stress is achieved by the thin portions such as the inclined portions 2a and 3a or the step portions 2b and 3b, the forming of the inclined portions 2a and 3a or the step portions 2b and 3b is performed by machining such as press working. Is applied, the deformation of the copper plates 2 and 3, particularly the central portion thereof, can be prevented. Therefore, the copper plate 2,
The manufacturing process can be simplified and the number of manufacturing steps can be reduced without lowering the bonding strength due to the deformation of No. 3.

【0086】次に、上記傾斜部を薄部として形成した実
施例の具体例およびその評価結果について述べる。
Next, a specific example of an embodiment in which the above-mentioned inclined portion is formed as a thin portion, and evaluation results thereof will be described.

【0087】実施例1 まず、高熱伝導性窒化けい素基板1として、前記試料1
〜51に係る窒化けい素基板を採用し、空気中で酸化す
ることにより、表面に厚さ4μm酸化物層(SiO
2 層)を有する厚さ0.7mmの高熱伝導性窒化けい素基
板を用意すると共に、外周端部に連続した傾斜部2a,
3aを外周端部に沿ってプレス加工により形成した、タ
フピッチ銅(酸素含有量:300ppm )からなる所定形
状の厚さ0.3mmの銅板2,3を用意した。
Example 1 First, a sample 1 was prepared as a high thermal conductive silicon nitride substrate 1.
The silicon nitride substrate according to any one of (1) to (51) is oxidized in the air to form a 4 μm thick oxide layer (SiO 2) on the surface.
A high thermal conductive silicon nitride substrate having a thickness of 0.7 mm having two layers) is prepared, and a slope 2a,
Copper plates 2 and 3 each having a predetermined shape and made of tough pitch copper (oxygen content: 300 ppm) and having a thickness of 0.3 mm were prepared by pressing the 3a along the outer peripheral edge.

【0088】傾斜部2a,3aの形状は、図4に示した
傾斜角度θを30度とすると共に、先端の薄肉部の厚さ
tを0.05mmとし、また形成位置は銅板2,3の外周
縁部からの距離Lが0.05mmとなるようにした。
The shapes of the inclined portions 2a and 3a are such that the inclination angle θ shown in FIG. 4 is 30 degrees, the thickness t of the thin portion at the tip is 0.05 mm, and the formation positions are the copper plates 2 and 3 The distance L from the outer peripheral edge was set to 0.05 mm.

【0089】そして、図1〜図3に示したように、高熱
伝導性窒化けい素基板1の両面に2枚の銅板2,3をそ
れぞれ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて1348
Kの条件で加熱して接合させ、目的とする窒化けい素回
路基板4Aを得た。
Then, as shown in FIGS. 1 to 3, two copper plates 2 and 3 are respectively disposed in direct contact with both surfaces of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 and are placed in a nitrogen gas atmosphere at 1348.
By heating under the condition of K and joining, a target silicon nitride circuit board 4A was obtained.

【0090】一方、比較例として、上記傾斜部2a,3
aを形成しない銅板2,3を使用した点以外は、実施例
1と同様に処理して比較例に係る窒化けい素回路基板を
製造した。
On the other hand, as a comparative example, the inclined portions 2a, 3
A silicon nitride circuit board according to a comparative example was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the copper plates 2 and 3 not forming a were used.

【0091】このようにして得た実施例1および比較例
に係る窒化けい素回路基板に対して熱サイクル試験(T
CT:233K×30分+RT×10分+398K×3
0分を1サイクルとする)を施し、窒化けい素基板にお
ける割れの発生割合を測定した。その結果、実施例1の
窒化けい素回路基板は、100サイクルのTCT後にお
いてもクラックが発生しなかったのに対して、比較例に
よる窒化けい素回路基板は100サイクルで窒化けい素
回路基板の12〜18%にクラックが生じた。
The silicon nitride circuit boards according to Example 1 and Comparative Example thus obtained were subjected to a thermal cycle test (T
CT: 233K x 30 minutes + RT x 10 minutes + 398K x 3
0 minutes is defined as one cycle), and the rate of occurrence of cracks in the silicon nitride substrate was measured. As a result, no crack occurred in the silicon nitride circuit board of Example 1 even after 100 cycles of TCT, whereas the silicon nitride circuit board of the comparative example had a crack of 100 cycles. Cracks occurred in 12 to 18%.

【0092】実施例2 高熱伝導性窒化けい素基板1として、試料1〜51に係
る厚さ0.6mmの高熱伝導性窒化けい素基板を用意する
と共に、外周端部に実施例1と同一形状の傾斜部2a,
3aをプレス加工により形成した所定形状の厚さ0.3
mmの銅板2,3とを用意した。
Example 2 A high thermal conductive silicon nitride substrate having a thickness of 0.6 mm according to samples 1 to 51 was prepared as the high thermal conductive silicon nitride substrate 1, and the same shape as in Example 1 was formed at the outer peripheral end. Inclined portion 2a,
3a is formed into a predetermined shape having a thickness of 0.3 by pressing.
mm copper plates 2 and 3 were prepared.

【0093】そして、図5に示すように、高熱伝導性窒
化けい素基板の両面に、In:Ag:Cu:Ti=1
4.0:59.0:23.0:4.0組成の活性金属含
有ろう材をペースト化したものを塗布し、この塗布層を
介して銅板2,3を積層配置した後、窒素ガス雰囲気中
にて加熱して接合させ、目的とする窒化けい素回路基板
5Aを得た。
Then, as shown in FIG. 5, In: Ag: Cu: Ti = 1 on both surfaces of the high thermal conductive silicon nitride substrate.
An active metal-containing brazing material having a composition of 4.0: 59.0: 23.0: 4.0 is applied as a paste, and the copper plates 2 and 3 are stacked and arranged via this coating layer. The inside was heated and joined to obtain a target silicon nitride circuit board 5A.

【0094】このようにして得た窒化けい素回路基板5
Aに対して熱サイクル試験を実施例1と同一条件下で実
施したところ、実施例1と同様な良好な結果が得られ、
冷熱サイクルに対する信頼性に優れることを確認した。
The silicon nitride circuit board 5 thus obtained
When a heat cycle test was performed on A under the same conditions as in Example 1, the same good results as in Example 1 were obtained.
It has been confirmed that it has excellent reliability for cooling and heating cycles.

【0095】次に金属板(銅板)に薄部としての段部を
形成した本発明の実施例について説明する。
Next, an embodiment of the present invention in which a step portion as a thin portion is formed on a metal plate (copper plate) will be described.

【0096】図7は段部2bを形成した銅板2を、高熱
伝導性窒化けい素基板1の表面1aに直接接合法により
一体に接合した窒化けい素回路基板4Bを示す。この窒
化けい素回路基板4Bは、傾斜部2aに代えて段部2b
を形成した点以外は図1に示す窒化けい素回路基板4A
と同様な構成である。
FIG. 7 shows a silicon nitride circuit board 4B in which the copper plate 2 on which the step 2b is formed is integrally joined to the surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 by a direct joining method. This silicon nitride circuit board 4B has a stepped portion 2b instead of the inclined portion 2a.
The silicon nitride circuit board 4A shown in FIG.
This is the same configuration as.

【0097】また、図7は、段部2bを形成した銅板2
を、図示しない活性金属含有ろう材層を介して高熱伝導
性窒化けい素基板1の表面1aに一体に接合した窒化け
い素回路基板5Bを示す平面図でもある。この窒化けい
素回路基板5Bは、傾斜部2aに代えて段部2bを形成
した点以外は図5に示す窒化けい素回路基板5Aと同様
な構成である。
FIG. 7 shows a copper plate 2 on which a step 2b is formed.
Is also a plan view showing a silicon nitride circuit board 5B integrally joined to the surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 via an active metal-containing brazing material layer (not shown). This silicon nitride circuit board 5B has the same configuration as the silicon nitride circuit board 5A shown in FIG. 5 except that a stepped portion 2b is formed instead of the inclined portion 2a.

【0098】そして、上述した窒化けい素回路基板4
B,5Bにおいては、図8や図9に示すように、半導体
部品等の実装部となる銅板2の外周縁部に沿って、すな
わち銅板2の各回路パターン部の外周端部に段部2bが
形成されている。段部2bの横断面形状は、図9に示す
ような矩形状に形成するとよい。また、段部2bは、製
造工程の煩雑化を避けると共に、製造工数の低減を図る
ために、金型を用いたプレス加工により形成することが
望ましい。ただし、必ずしも他の形成方法の適用を除外
するものではない。
Then, the above-described silicon nitride circuit board 4
8B and FIG. 9B, as shown in FIG. 8 and FIG. Are formed. The cross section of the step 2b may be formed in a rectangular shape as shown in FIG. The step 2b is preferably formed by press working using a mold in order to avoid complication of the manufacturing process and reduce the number of manufacturing steps. However, application of another formation method is not necessarily excluded.

【0099】上述した段部2bは、銅板2の各回路パタ
ーン部の外周端部に沿って、連続的に形成されることが
好ましい。このように、段部2bを連続的に形成するこ
とによって、銅板2の外周端部への応力集中を効率的に
緩和でき、言い換えると応力を効率的に分散させること
ができる。
It is preferable that the step 2b be formed continuously along the outer peripheral edge of each circuit pattern of the copper plate 2. As described above, by continuously forming the step portion 2b, the concentration of stress on the outer peripheral end portion of the copper plate 2 can be efficiently reduced, in other words, the stress can be efficiently dispersed.

【0100】ここで上記段部2bは、図9に示すよう
に、段部2bの厚さtが実装部の厚さTの1/2以下、
好ましくは0.1mm以下となるように形成するとよい。
上記段部2bの厚さtが実装面となる部分の厚さTの1
/2を超えると、この段部2bの塑性変形による残留応
力低減の効果が十分に得られない。また、この厚さtを
薄くするほど残留応力の低減を図れるが、この厚さtが
薄すぎると熱応力によって破断する危険が生じるため、
実用的には0.05mm程度までが好適である。
Here, as shown in FIG. 9, the step portion 2b has a thickness t of the step portion 2b of not more than 1 / of the thickness T of the mounting portion.
Preferably, it is formed to have a thickness of 0.1 mm or less.
The thickness t of the stepped portion 2b is 1 of the thickness T of the portion to be the mounting surface.
If the ratio exceeds / 2, the effect of reducing the residual stress due to the plastic deformation of the step 2b cannot be sufficiently obtained. Further, as the thickness t is reduced, the residual stress can be reduced.
Practically, up to about 0.05 mm is preferable.

【0101】また、図9に示すように段部2bの形成位
置、すなわち銅板2の外周端部に形成する段部2bの形
成領域Lは、銅板2の厚さや大きさ等によっても異なる
が、1.0mm以内とすることが好ましい。
As shown in FIG. 9, the formation position of the step 2b, that is, the formation region L of the step 2b formed on the outer peripheral end of the copper plate 2 varies depending on the thickness and size of the copper plate 2, etc. It is preferable that the thickness be within 1.0 mm.

【0102】以上は、半導体部品等の実装部となる高熱
伝導性窒化けい素基板1の表面1aに接合する銅板2に
ついて詳述したが、高熱伝導性窒化けい素基板1の裏面
1bに接合する銅板3についても、表面側の銅板2と同
様に、その外周端部に段部3bを形成することが好まし
い。特に、放熱性等の点から比較的厚い銅板(金属板)
を用いる場合には、裏面側の銅板3にも段部3bを形成
することが好ましい。裏面側の銅板3に形成する段部3
bの形状等は、表面側の銅板2に形成する段部2bに準
ずるものとする。
In the above, the copper plate 2 to be bonded to the front surface 1a of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1 serving as a mounting portion for semiconductor components and the like has been described in detail. However, the copper plate 2 is bonded to the rear surface 1b of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1. As with the copper plate 2 on the front side, it is preferable to form a step 3b at the outer peripheral end of the copper plate 3 as well. Especially, a relatively thick copper plate (metal plate) from the viewpoint of heat dissipation
In the case where is used, it is preferable to form the step 3b also on the copper plate 3 on the back side. Step 3 formed on copper plate 3 on the back side
The shape and the like of b shall conform to the steps 2b formed on the copper plate 2 on the front side.

【0103】上述したような窒化けい素回路基板4B,
5Bは、実施例1〜2と同様に、段部2b,3bを形成
した銅板2,3などの金属板を、直接接合法や活性金属
法を使用して高熱伝導性窒化けい素基板1に一体に接合
することにより製造される。
As described above, the silicon nitride circuit board 4B,
5B, as in the first and second embodiments, a metal plate such as a copper plate 2 or 3 having step portions 2b and 3b formed on a high thermal conductive silicon nitride substrate 1 using a direct bonding method or an active metal method. Manufactured by joining together.

【0104】上述したような構成の窒化けい素回路基板
4B,5Bにおいては、銅板2,3の接合後の冷却過程
で発生する熱応力や冷熱サイクルの付加等による熱応
力、およびそれらに基づく残留応力は、銅板2,3の外
周端部に設けられた段部2b,3bの塑性変形によって
吸収され、銅板2,3の各外周端部への応力集中が緩和
される。これにより、銅板2,3の外周縁部での応力値
自体が減少するため、従来問題となっていたセラミック
ス基板部のクラック発生や強度低下等を有効に防止する
ことができる。
In the silicon nitride circuit boards 4B and 5B having the above-described configuration, the thermal stress generated in the cooling process after the joining of the copper plates 2 and 3, the thermal stress due to the addition of the thermal cycle, and the residual stress based on the thermal stress. The stress is absorbed by the plastic deformation of the steps 2b and 3b provided on the outer peripheral ends of the copper plates 2 and 3, and the concentration of stress on the outer peripheral ends of the copper plates 2 and 3 is reduced. As a result, the stress value itself at the outer peripheral edges of the copper plates 2 and 3 is reduced, so that it is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and a decrease in strength of the ceramic substrate portion, which have conventionally been problems.

【0105】次に、段部を形成した実施例の具体例およ
びその評価結果について述べる。
Next, a specific example of an embodiment in which a step is formed and its evaluation result will be described.

【0106】実施例3 まず、高熱伝導性窒化けい素基板1として、実施例1で
用いた窒化けい素基板を採用した。すなわち表面に厚さ
4μmの酸化物層を有する厚さ0.7mmの高熱伝導性窒
化けい素基板と、外周端部に沿って段部2b,3bがプ
レス加工により形成された、タフピッチ銅(酸素含有
量:300ppm )からなる所定形状の銅板2,3とを用
意した。段部2b,3bの形状は、図8および図9に示
した矩形状であり、薄肉部の厚さtを0.15mm(=1
/2T)とし、また形成位置は銅板2,3からの距離L
が1.0mmとなるようにした。
Example 3 First, the silicon nitride substrate used in Example 1 was employed as the high thermal conductive silicon nitride substrate 1. That is, a high thermal conductive silicon nitride substrate having a thickness of 0.7 mm having an oxide layer having a thickness of 4 μm on the surface, and tough pitch copper (oxygen) formed by pressing steps 2b and 3b along the outer peripheral edge. Content: 300 ppm) and copper plates 2 and 3 having a predetermined shape were prepared. The shape of the steps 2b and 3b is the rectangular shape shown in FIGS. 8 and 9, and the thickness t of the thin portion is 0.15 mm (= 1.
/ 2T) and the formation position is the distance L from the copper plates 2 and 3.
Was 1.0 mm.

【0107】そして、図8に示したように、高熱伝導性
窒化けい素基板1の両面に2枚の銅板2,3をそれぞれ
直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて1348Kの条
件で加熱して接合させ、目的とする窒化けい素回路基板
4Bを得た。
Then, as shown in FIG. 8, two copper plates 2 and 3 are placed in direct contact with each other on both surfaces of the silicon nitride substrate 1 having a high thermal conductivity, and are heated at 1348 K in a nitrogen gas atmosphere. To obtain the desired silicon nitride circuit board 4B.

【0108】一方、比較例として、上記段部2b,3b
を形成しない銅板2,3を使用した点以外は、実施例3
と同様に処理して比較例に係る窒化けい素回路基板を製
造した。
On the other hand, as a comparative example, the steps 2b, 3b
Example 3 except that the copper plates 2 and 3 not forming the
Then, a silicon nitride circuit board according to a comparative example was manufactured.

【0109】このようにして得た実施例3および比較例
に係る窒化けい素回路基板4Bに対して熱サイクル試験
を実施例1と同一条件下で実施したところ、ほぼ実施例
1と同様な良好な結果が得られた。ちなみに、実施例3
の窒化けい素回路基板は、200サイクルのTCT後に
おいても殆どクラックが発生しなかった(1%にクラッ
ク発生)のに対して、比較例による窒化けい素回路基板
は、200サイクルで高熱伝導性窒化けい素基板1の2
1〜29%にクラックが発生した。
A thermal cycle test was carried out on the silicon nitride circuit boards 4B according to Example 3 and Comparative Example obtained in this manner under the same conditions as in Example 1. Results were obtained. By the way, Example 3
The silicon nitride circuit board according to the comparative example hardly cracked even after 200 cycles of TCT (cracking occurred at 1%), whereas the silicon nitride circuit board according to the comparative example had high thermal conductivity after 200 cycles. Silicon nitride substrate 1-2
Cracks occurred in 1 to 29%.

【0110】実施例4 高熱伝導性窒化けい素基板1として実施例2で用いた窒
化けい素基板を採用した。すなわち厚さ0.6mmの高熱
伝導性窒化けい素基板と、外周端部に実施例3と同様の
段部2b,3bがプレス加工により形成された所定形状
の厚さ0.3mmの銅板2,3とを用意した。
Example 4 The silicon nitride substrate used in Example 2 was employed as the high thermal conductive silicon nitride substrate 1. That is, a high-heat-conductivity silicon nitride substrate having a thickness of 0.6 mm, a stepped portion 2b, 3b similar to that of the third embodiment, and a copper plate having a thickness of 0.3 mm having a predetermined shape formed by pressing at the outer peripheral end. And 3 were prepared.

【0111】そして、高熱伝導性窒化けい素基板1の両
面に、重量比でIn:Ag:Cu:Ti=14.0:5
9.0:23.0:4.0の組成の活性金属含有ろう材
をペースト化したものを塗布し、この塗布層を介して銅
板2,3を積層配置した後、窒素ガス雰囲気中にて加熱
して接合させ、目的とする窒化けい素回路基板5Bを得
た。
The weight ratio of In: Ag: Cu: Ti = 14.0: 5 on both surfaces of the high thermal conductive silicon nitride substrate 1.
An active metal-containing brazing material having a composition of 9.0: 23.0: 4.0 is applied in the form of a paste, and the copper plates 2 and 3 are stacked and arranged via this coating layer. Heating and bonding were performed to obtain a target silicon nitride circuit board 5B.

【0112】このようにして得た窒化けい素回路基板5
Bに対して熱サイクル試験を実施例3と同一条件下で実
施したところ、実施例3と同様な良好な結果が得られ、
冷熱サイクルに対する信頼性に優れることを確認した。
The silicon nitride circuit board 5 thus obtained
When a heat cycle test was performed on B under the same conditions as in Example 3, the same good results as in Example 3 were obtained.
It has been confirmed that it has excellent reliability for cooling and heating cycles.

【0113】また上記各実施例に係る窒化けい素回路基
板4,5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1を使用している。したが
って、基板に搭載する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けい素基板1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。
According to the silicon nitride circuit boards 4 and 5 according to the above embodiments, in addition to the high strength and high toughness characteristics inherently possessed by the silicon nitride sintered body, a high heat A conductive silicon nitride substrate 1 is used. Therefore, heat generated from a heat-generating component such as a semiconductor element mounted on the substrate is quickly transmitted to the outside of the system through the silicon nitride substrate 1 having high thermal conductivity, so that heat dissipation is extremely good.

【0114】また、高強度高靭性である高熱伝導率窒化
けい素基板1を使用しているため、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
ンブリ工程において回路基板の締め付け割れが発生せ
ず、回路基板を用いた半導体装置を高い製造歩留りで安
価に量産することが可能になる。
Further, since the high thermal conductivity silicon nitride substrate 1 having high strength and high toughness is used, a large amount of maximum deflection of the circuit board can be secured. For this reason, the circuit board does not suffer from tightening cracks in the assembly process, and it is possible to mass-produce semiconductor devices using the circuit board at a high production yield and at low cost.

【0115】また高熱伝導性窒化けい素基板1の靭性値
が高いため、熱サイクルによって基板1と金属回路板や
金属板2,3との接合部に割れが発生することが少な
く、耐熱サイクル特性が著しく向上し、耐久性および信
頼性に優れた半導体装置を提供することができる。
Further, since the high thermal conductivity silicon nitride substrate 1 has a high toughness, cracks are less likely to occur at the junction between the substrate 1 and the metal circuit board or the metal plates 2 and 3 due to thermal cycling. Is significantly improved, and a semiconductor device excellent in durability and reliability can be provided.

【0116】さらに高い熱伝導率を有する窒化けい素基
板1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。
Since the silicon nitride substrate 1 having a higher thermal conductivity is used, even when a semiconductor element for high output and high integration is mounted, deterioration of the thermal resistance characteristic is small and excellent. Demonstrate heat dissipation.

【0117】特に窒化けい素基板自体の機械的強度が優
れているため、要求される機械的強度特性を一定とした
場合に、他のセラミックス基板を使用した場合と比較し
て基板厚さをより低減することが可能となる。この基板
厚さを低減できることから熱抵抗値をより小さくでき、
放熱特性をさらに改善することができる。また要求され
る機械的特性に対して、従来より薄い基板でも十分に対
応可能となるため、基板製造コストをより低減すること
が可能となる。
In particular, since the mechanical strength of the silicon nitride substrate itself is excellent, when the required mechanical strength characteristics are fixed, the thickness of the substrate is more reduced than when other ceramic substrates are used. It becomes possible to reduce. Since the substrate thickness can be reduced, the thermal resistance value can be further reduced,
The heat radiation characteristics can be further improved. In addition, since the required mechanical characteristics can be sufficiently coped with even a thinner substrate than before, the substrate manufacturing cost can be further reduced.

【0118】[0118]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化けい
素回路基板によれば、冷熱サイクルが付加された場合等
においても、金属板に生じる熱応力や残留応力を、傾斜
部または段部などの薄部の塑性変形により吸収させるこ
とで、金属板の外周端部への応力集中を緩和することが
できると共に、製造工程的に有利な機械加工によっても
金属板の変形を防止することができる。したがって、製
造工程の簡略化および製造工数の低減を図った上で、冷
熱サイクルの付加等によるセラミックス基板部のクラッ
ク発生や強度低下を有効に防止することができ、信頼性
および製造性に優れた窒化けい素回路基板を提供するこ
とが可能となる。
As described above, according to the silicon nitride circuit board of the present invention, even when a thermal cycle is applied, the thermal stress or residual stress generated in the metal plate is reduced by the inclined portion or the step portion. Absorption by plastic deformation of thin parts such as can reduce stress concentration on the outer peripheral edge of the metal plate, and prevent deformation of the metal plate even by machining that is advantageous in the manufacturing process. it can. Therefore, after simplifying the manufacturing process and reducing the number of manufacturing steps, it is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and a decrease in the strength of the ceramic substrate portion due to the addition of a cooling / heating cycle and the like. It is possible to provide a silicon nitride circuit board.

【0119】特に、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
性窒化けい素基板を使用しているため、基板に搭載する
半導体素子等の発熱部品からの発熱は、高熱伝導性窒化
けい素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。また、高強度高靭性である窒化けい
素基板を使用しているため、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、アッセンブリ
工程において回路基板の締め付け割れが発生せず、回路
基板を用いた半導体装置を高い製造歩留りで安価に量産
することが可能になる。
In particular, according to the silicon nitride circuit board according to the present invention, in addition to the high strength and toughness characteristics inherently possessed by the silicon nitride sintered body, in particular, the high thermal conductive silicon nitride having significantly improved thermal conductivity. Since the elementary substrate is used, heat generated from a heat-generating component such as a semiconductor element mounted on the substrate is quickly transmitted to the outside of the system via the high thermal conductivity silicon nitride substrate, so that heat dissipation is extremely good. In addition, since a silicon nitride substrate having high strength and toughness is used, a large amount of maximum deflection of the circuit board can be secured. For this reason, the circuit board does not suffer from tightening cracks in the assembly process, and it is possible to mass-produce semiconductor devices using the circuit board at a high production yield and at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例に係る窒化けい素回路基板の
構造を示す平面図。
FIG. 1 is a plan view showing the structure of a silicon nitride circuit board according to one embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す窒化けい素回路基板の裏面図。FIG. 2 is a back view of the silicon nitride circuit board shown in FIG. 1;

【図3】図1に示す窒化けい素回路基板の構造を示す断
面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon nitride circuit board shown in FIG.

【図4】図3におけるIV部拡大断面図。FIG. 4 is an enlarged sectional view of a portion IV in FIG. 3;

【図5】本発明の他の実施例に係る窒化けい素回路基板
の構造を示す断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing a structure of a silicon nitride circuit board according to another embodiment of the present invention.

【図6】図5におけるVI部拡大断面図。FIG. 6 is an enlarged sectional view of a portion VI in FIG. 5;

【図7】本発明の他の実施例に係る窒化けい素回路基板
の構造を示す平面図。
FIG. 7 is a plan view showing the structure of a silicon nitride circuit board according to another embodiment of the present invention.

【図8】図7に示す窒化けい素回路基板を部分的に破断
して示す側面図。
FIG. 8 is a side view showing the silicon nitride circuit board shown in FIG.

【図9】図8に示すIX部拡大断面図。FIG. 9 is an enlarged sectional view of a portion IX shown in FIG. 8;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 高熱伝導性窒化けい素基板 1a 高熱伝導性窒化けい素基板の表面 1b 高熱伝導性窒化けい素基板の裏面 2,3 銅板(金属板) 2a,3a 傾斜部(薄部) 2b,3b 段部(薄部) 4,5,4A,5A,4B,5B 窒化けい素回路基板 6 活性金属含有ろう材層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High thermal conductive silicon nitride substrate 1a Surface of high thermal conductive silicon nitride substrate 1b Back surface of high thermal conductive silicon nitride substrate 2,3 Copper plate (metal plate) 2a, 3a Inclined portion (thin portion) 2b, 3b Step portion (Thin portion) 4,5,4A, 5A, 4B, 5B Silicon nitride circuit board 6 Active metal-containing brazing material layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 那波 隆之 神奈川県横浜市鶴見区末広町2の4 株式 会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 佐藤 孔俊 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takayuki Nami 2-4 Suehirocho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside the Keihin Plant of Toshiba Corporation (72) Inventor Kotoshi Sato 8-8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Toshiba Yokohama Office

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 希土類元素を酸化物に換算して1.0〜
17.5重量%、不純物陽イオン元素としてのLi,N
a,K,Fe,Ca,Mg,Sr,Ba,Mn,Bを合
計で1.0重量%以下(検出限界としての0重量%を含
む)含有し、熱伝導率が60w/m・k以上である高熱
伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基
板に接合された金属板とを具備する窒化けい素回路基板
において、前記金属板の外周端部に薄部が形成されてい
ることを特徴とする窒化けい素回路基板。
1. The method according to claim 1, wherein the conversion of the rare earth element to oxide is 1.0 to 1.0.
17.5% by weight, Li, N as impurity cation element
Contains a, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn, and B in total of 1.0% by weight or less (including 0% by weight as a detection limit), and has a thermal conductivity of 60 w / mk or more. A high thermal conductive silicon nitride substrate, and a metal plate bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate, wherein a thin portion is formed at an outer peripheral end of the metal plate. A silicon nitride circuit board.
【請求項2】 高熱伝導性窒化けい素基板は、不純物陽
イオン元素としてのLi,Na,K,Fe,Ca,M
g,Sr,Ba,Mn,Bを合計で0.3重量%以下
(検出限界としての0重量を含む)含有することを特徴
とする請求項1記載の窒化けい素回路基板。
2. The high thermal conductive silicon nitride substrate is composed of Li, Na, K, Fe, Ca, M as impurity cation elements.
2. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein g, Sr, Ba, Mn, and B are contained in a total of 0.3% by weight or less (including 0% as a detection limit).
【請求項3】 希土類元素を酸化物に換算して1.0〜
17.5重量%含有し、窒化けい素結晶相および粒界相
から構成され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%以上である高熱伝導
性窒化けい素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に
接合された金属板とを具備する窒化けい素回路基板にお
いて、前記金属板の外周端部に薄部が形成されているこ
とを特徴とする窒化けい素回路基板。
3. The method according to claim 1, wherein the conversion of the rare earth element to oxide is 1.0 to 1.0.
A high thermal conductive silicon nitride substrate containing 17.5% by weight, comprising a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, wherein a ratio of a crystal compound phase in the grain boundary phase to the whole grain boundary phase is 20% or more. And a metal plate joined to the high thermal conductivity silicon nitride substrate, wherein a thin portion is formed at an outer peripheral end of the metal plate. Circuit board.
【請求項4】 高熱伝導性窒化けい素基板は、窒化けい
素結晶相および粒界相から構成され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
%以上であることを特徴とする請求項3記載の窒化けい
素回路基板。
4. The high thermal conductive silicon nitride substrate is composed of a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, and the ratio of the crystalline compound phase in the grain boundary phase to the entire grain boundary phase is 50.
5% or more.
【請求項5】 前記金属板は、前記高熱伝導性窒化けい
素基板に直接接合法により接合されていることを特徴と
する請求項1または3記載の窒化けい素回路基板。
5. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein the metal plate is bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate by a direct bonding method.
【請求項6】 前記金属板は、前記高熱伝導性窒化けい
素基板に活性金属法により接合されていることを特徴と
する請求項1または3記載の窒化けい素回路基板。
6. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein said metal plate is bonded to said high thermal conductive silicon nitride substrate by an active metal method.
【請求項7】 前記薄部は、金属板の外周端部から1.
0mm以内に形成されていることを特徴とする請求項1ま
たは3記載の窒化けい素回路基板。
7. The thin part is 1.m from the outer peripheral end of the metal plate.
4. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein said silicon nitride circuit board is formed within 0 mm.
【請求項8】 前記薄部は傾斜部であることを特徴とす
る請求項1または3記載の窒化けい素回路基板。
8. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein said thin portion is an inclined portion.
【請求項9】 前記薄部は、段部であることを特徴とす
る請求項1または3記載の窒化けい素回路基板。
9. The silicon nitride circuit board according to claim 1, wherein the thin portion is a step.
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