窒化珪素基板及びその製造方法並びにそれを使用した回路基板
【課題】グリーンシートを複数枚積層して焼成する製造方法を用いた場合に、信頼性の高い窒化珪素基板を得る。
【解決手段】窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成することによって複数枚の窒化珪素焼結体を同時に得た後に当該窒化珪素焼結体を分離し、切断することによって得られた、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする窒化珪素基板であって、算術平均粗さが０．３μｍ以上であり、基板表面の残留ＢＮに由来するＢの蛍光Ｘ線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）を５×１０−５〜２×１０−３とする。
【解決手段】窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成することによって複数枚の窒化珪素焼結体を同時に得た後に当該窒化珪素焼結体を分離し、切断することによって得られた、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする窒化珪素基板であって、算術平均粗さが０．３μｍ以上であり、基板表面の残留ＢＮに由来するＢの蛍光Ｘ線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）を５×１０−５〜２×１０−３とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー素子モジュール等の基板に用いられる窒化珪素基板の製造方法、及びこの製造方法によって製造される窒化珪素基板、これを用いた回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種のセラミックス（焼結体）基板が半導体モジュール用基板や構造用部材として広く用いられている。例えば、大電力で発熱量の大きな半導体素子を実装する半導体モジュール用基板としては、機械的強度の高さ、熱伝導率の高さ、電気的絶縁性の高さが要求される。窒化アルミニウムや窒化珪素等の窒化物焼結体はこれらの特性に優れており、例えば焼結体の窒化物基板が広く用いられている。
【０００３】
窒化物基板の元となる窒化物焼結体は、窒化物（ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等）粉末を主成分としたグリーンシートを高温で窒素雰囲気中で焼成することによって作成される。この際、大面積の窒化物焼結体を製造し、この焼結体から所望の大きさをもつ上記の基板を複数枚切り出すという製造方法が一般的である。この焼成は電気炉等を用いて行われるが、製造コストを低減するために、複数の窒化物焼結体を焼成によって同時に得るという手法が用いられる。
【０００４】
図２は、この製造方法における特に焼成工程前後の状況を示す工程断面図である。図２（ａ）においては、窒化物焼結体とされるべきグリーンシート１１が、窒化ホウ素（ＢＮ）等からなる分離剤１２を塗布した上で積層される。このため、複数のグリーンシート１１が薄い分離材１２を介して積層された形態で固定される。従って、図２（ｂ）に示されるように、この積層体を電気炉中に入れ、焼成すれば、図２（ｃ）に示されるように、全てのグリーンシート１１が窒化物焼結体１３となる。この際、ＢＮによって各グリーンシート１１（窒化物焼結体１３）は分離されるため、これらが付着することはなく、かつこれらが焼成される際に悪影響を及ぼさない。その後、図２（ｄ）に示されるように、分離材１２の層から各窒化物焼結体１３を分離することができる。
【０００５】
従って、得られた窒化物焼結体１３の表面には薄くなった分離材１２が残されているが、ラッピング、あるいはホーニング等の研削処理を用いてこれを除去すればよい。窒化物焼結体１３からは複数の窒化物基板が切り出され、窒化物基板の表面には、例えばろう材等を用いて銅板（金属回路板、放熱板）が接合されるが、その際に分離材１２（ＢＮ）が表面に残っていると、この接合強度に悪影響を及ぼす。このため、熱サイクルによって銅板の剥離が発生することがある。従って、この悪影響が出なくなる程度まで分離材１２の除去を行う必要がある。
【０００６】
これに対して、特許文献１には、窒化アルミニウム焼結体におけるＢＮ除去の度合いをＸ線回折で評価する技術が記載されている。ここでは、表面粗さや、Ｘ線回折におけるＢＮに対応する回折線強度と窒化アルミニウムに対応する回折線強度との比率の上限値等を規定することにより、その後のＢＮの悪影響がない条件が示された。
【０００７】
また、特許文献２には、窒化アルミニウム焼結体、窒化珪素焼結体において、同様に蛍光Ｘ線スペクトルにおけるＢとＡｌ又はＳｉとの強度比率の上限値を規定することによって、同様にその後のＢＮの悪影響がない条件が示された。
【０００８】
こうした条件を用いて、銅板を接合した後でもその剥離が発生しにくい窒化物基板を得ることができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−５３６２４号公報
【特許文献２】特開平１０−６７５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、窒化アルミニウム焼結体の場合と比べて、特に窒化珪素焼結体表面に残った分離材（ＢＮ）を除去することは困難である。図３（ａ）はホーニング処理後の窒化珪素焼結体の断面構造の模式図であり、図３（ｂ）は、同じく窒化アルミニウム焼結体の断面構造の模式図である。窒化珪素焼結体は窒化珪素粒子２１が焼結して構成され、窒化アルミニウム焼結体は窒化アルミニウム粒子３１が焼結して構成される。これらの表面においては、凹凸が存在するため、大部分のＢＮがホーニング処理によって除去された後でも、この凹部の中にＢＮ４０が残る。
【００１１】
ここで、窒化珪素焼結体を構成する窒化珪素粒子２１は、窒化アルニミウム粒子３１と比べて細長い形状をもつ。従って、窒化アルミニウム焼結体の表面が比較的平坦となるのに対して、窒化珪素焼結体の表面粗さは大きい。窒化珪素粒子２１の平均粒子径を小さくすればこの表面粗さを小さくすることができるが、その場合には、結晶粒界相が多くなりこの窒化珪素焼結体の熱伝導率が低下するため、半導体モジュールの基板として用いる場合には好ましくない。従って、窒化アルミニウムの場合と比較して、窒化珪素焼結体の表面の凹部に残ったＢＮの除去は困難である。
【００１２】
こうした表面粗さの大きな窒化珪素焼結体表面のＢＮ残留量を減らすためには、積層前に塗布するＢＮ量を減らす、すなわち、ＢＮ塗布量を減らすことと、分離後のホーニング処理時間や回数等を長くしてＢＮの除去能力を高めるという２種類の方法がある。
【００１３】
前者の方法を用いた場合、焼成時に窒化珪素焼結体間の反応が生じやすくなる。従って、ＢＮ塗布量が不充分である場合、ＢＮ層が薄い箇所において窒化珪素焼結体間の相互作用によりガラス層が濃縮された部分が表面に形成されやすくなり、この部分が窒化珪素焼結体における欠陥となる。そのため、ＢＮ塗布量が少ないと曲げ強度の低下が発生する。
【００１４】
従って、曲げ強度の大きな窒化珪素焼結体を得るためには、ＢＮ塗布量は充分であることが必要となるが、前記の通り、このＢＮを後で悪影響が出ない程度まで除去することが必要である。すなわち、ホーニング処理を充分に行うことが不可欠となる。ところが、ホーニング処理は窒化珪素焼結体全体に対して行われるため、ＢＮだけでなく、窒化珪素焼結体自身もダメージを受ける。この際、特に窒化珪素の粒界にはダメージが入りやすく、これに起因して、曲げ強度が低下する。
【００１５】
従って、上記の方法で窒化珪素焼結体を製造した場合には、ＢＮの残留量を減らすと、曲げ強度が低下するという問題があった。従って、グリーンシートを複数枚積層して焼成する製造方法を用いた場合には、信頼性の高い窒化珪素基板を得ることは困難であった。
【００１６】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１に記載の発明の要旨は、窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成することによって複数枚の窒化珪素焼結体を同時に得た後に当該窒化珪素焼結体を分離することによって得られた、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする窒化珪素基板であって、算術平均粗さが０．３μｍ以上であり、基板表面の残留ＢＮに由来するＢの蛍光X線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）が５×１０−５〜２×１０−３であることを特徴とする窒化珪素基板に存する。
請求項２に記載の発明の要旨は、窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成した後に分離することによって複数枚の窒化珪素焼結体を得て、該窒化珪素焼結体から窒化珪素基板を得る、窒化珪素基板の製造方法であって、分離された窒化珪素焼結体表面を機械的に研削する研削処理工程とを具備し、ホウ素のシリコンに対する蛍光Ｘ線強度比を５×１０−５〜２×１０−３の範囲、かつ窒化珪素焼結体表面の算術平均粗さを０．３μｍ以上とするように前記研削処理工程を行うことを特徴とする窒化珪素基板の製造方法に存する。
請求項３に記載の発明の要旨は、前記研削処理工程において、ホーニング処理が行われることを特徴とする請求項２に記載の窒化珪素基板の製造方法に存する。
請求項４に記載の発明の要旨は、前記ホーニング処理において、アルミナ砥粒が用いられることを特徴とする請求項３に記載の窒化珪素基板の製造方法に存する。
請求項５に記載の発明の要旨は、請求項１に記載の窒化珪素基板と、該窒化珪素基板の少なくとも一方の面に接合された銅板と、を具備することを特徴とする回路基板に存する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１乃至４に記載の発明によれば、複数枚のグリーンシートを積層してから焼成することによって複数枚の窒化珪素焼結体を得た後に窒化珪素焼結体を分離し、切断することによって窒化珪素基板を得た場合でも、信頼性の高い高熱伝導の窒化珪素基板を得ることができる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、信頼性の高い窒化珪素回路基板を低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る製造方法を示すフロー図である。
【図２】従来の窒化物焼結体の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図３】窒化珪素焼結体（ａ）と、窒化アルミニウム焼結体（ｂ）の表面の微細構造の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
本発明の一実施形態は、上述したパワー半導体モジュール等に使用される絶縁性セラミックス基板としての窒化珪素基板であって、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする算術平均粗さが０．３ μｍ以上の窒化珪素基板であり、基板表面の残留ＢＮに由来するＢの蛍光Ｘ線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）が５×１０−５〜２×１０−３である。
【００２３】
ここで、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比は、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析：Ｘ−ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて、窒化珪素基板表面における特にホウ素（Ｂ）とシリコン（Ｓｉ）の組成分析を行い、ＸＲＦの測定結果からＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を求めた。これを所定の範囲とするという点では、例えば特許文献２に記載の基板と同様である。しかしながら、この実施の形態に係る窒化珪素基板においては、表面粗さＲａについて下限値を設定し、更にＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比については、上限だけではなく下限も設けたことが特徴である。ここで、蛍光Ｘ線としては、ＢのＫα線（エネルギー０．１８３ｋｅＶ）、ＳｉのＫα線（エネルギー １．７４ｋｅＶ）が対象となり、これらの強度比がＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比である。
【００２４】
また、表面分析においては、窒化珪素焼結体表面の粗さも、例えば触針式の表面粗さ計を用いて測定される。この表面粗さは、例えばその算術平均粗さＲａ、すなわち、表面高さｆ（ｘ）の平均値からの偏差の絶対値のサンプル長Ｌにおける算術平均であり、次式（Ｉ）で表される量を用いることができる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
上記のＲａの範囲における下限値は０．３μｍとする。すなわち、Ｒａがこれ以上である粗さをもつ窒化珪素焼結体を得るように研削処理が行われる。ここで、Ｒａはグリーンシート１１中の窒化珪素粒子の粒子径、及び焼成条件により決まる窒化珪素焼結体表面の平均粒子径に依存することは明らかである。しかしながら、例えば特開２００６−９６６６１号公報に記載されるように、この平均粒子径が小さい場合には熱伝導率が低くなるため、基板として用いる場合には平均長軸径が１μｍ以上の窒化珪素粒子が用いられる。従って、少なくとも焼成直後における窒化珪素焼結体におけるＲａは例えば１．５μｍ以上と、大きくすることが好ましい。すなわち、表面粗さの大きな窒化珪素焼結体（窒化珪素基板）とすることが好ましい。
【００２７】
上記のＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比の範囲における上限値は、２０００ｐｐｍ（２０００×１０−６）とする。この値は特許文献２に記載の値（５０×１０−６）よりも高い。この理由は、表面粗さの大きな、すなわちＲａが前記の範囲である窒化珪素焼結体の表面においては、凹部の深いところに入り込んだＢＮは除去しにくい一方で、ろう付け等における接合に対する悪影響も少ないためである。従って、特にＲａ≧０．３μｍの場合において、この上限値を高くすることができる。Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比がこの上限値よりも大きい場合には、この窒化珪素焼結体（基板）にろう付け等によって接合を行った場合に、残留ＢＮによる接合不良が発生する。
【００２８】
上記のＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比の範囲における下限値は、窒化珪素焼結体の曲げ強度の低下から求まる。研削処理においては、例えばホーニングの際の圧力を高くする、あるいは処理時間を長くすることによってＢＮの残存量を少なくすることができる。しかしながら、ホーニング処理によってＢＮだけでなく窒化珪素焼結体自身もダメージを受ける。特に、窒化珪素粒界がダメージを受けやすくなり、その結果として曲げ強度が低くなる。ホーニング処理だけでなく、他の研削処理が行われた場合も同様である。従って、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を、このダメージの度合いを表す指針としても用いることができる。また、分離材塗布においては、例えばＢＮの塗布時間を短くすることによっても、ＢＮの残存量を少なくすることができる。しかしながら、焼結時に基板間の相互作用によってガラス層が濃縮された部分が表面に形成されやすくなり、この部分が窒化珪素焼結体における欠陥となる。そのため、ＢＮ塗布量が少ないと曲げ強度の低くなる。従って、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を、この欠陥生成の度合いを表す指針としても用いることができる。このため、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比の下限は５０ｐｐｍ（５０×１０−６）とする。すなわち、ＢＮを分離材１２として用いた場合、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比がこの値未満になるまで研削処理を行うと、窒化珪素焼結体の曲げ強度が低下する。
【００２９】
上記のＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比の範囲は、特許文献２に記載の範囲とは大きく異なる。これは、前記の通り、この実施の形態に係る窒化珪素基板では、表面粗さＲａが０．３μｍ以上である、すなわち、粗い表面を具備した窒化珪素焼結体である。Ｒａが大きな窒化珪素焼結体を対象とするのは、平均粒子径が大きく熱伝導率が高い窒化珪素焼結体を対象とするためである。この点は窒化珪素焼結体に特有であり、特許文献２に主に記載された窒化アルミニウムの場合とは状況が大きく異なる。
【００３０】
具体的には、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を上記の範囲とすることによって、曲げ強度が７５０ＭＰａ以上と高く、かつこの窒化珪素基板に対してろう付け等を行った場合にも接合不良が発生しない。また、この窒化珪素基板の熱伝導率は８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と高い。すなわち、信頼性が高く、半導体モジュールの基板として好適な窒化珪素焼結体となる。
【００３１】
次に、本実施形態にかかる窒化珪素基板の製造方法について説明する。
【００３２】
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化珪素基板の製造方法を示すフロー図である。この製造方法においては、図２に示された従来の窒化物焼結体の製造方法が利用される。ここでは、まず、窒化珪素焼結体とされるグリーンシート１１を多数枚製造する（Ｓ１）。このグリーンシート１１表面に分離材１２（ＢＮ）を塗布して、図２（ａ）に示されるように、所定の枚数だけ順次積層する（Ｓ２）。この積層体に対して、図２（ｂ）に示されるように電気炉中で焼成を行う（Ｓ３）。これにより、図２（ｃ）に示されるように、グリーンシート１１が窒化珪素焼結体１３となった積層体が得られる。その後、図２（ｄ）に示されるように、１枚ずつこの窒化珪素焼結体１３を分離して取り出す（Ｓ４）が、この際にその表面には薄い分離材１２の層が残っている。この分離材１２を除去するため、この窒化珪素焼結体１３に対して、ホーニング等の研削処理を行う（Ｓ５）。その後、窒化珪素焼結体を切断し、所望の大きさ、形状の窒化珪素基板を得る（Ｓ６）。
【００３３】
なお、得られた窒化珪素基板の表面には、その後でろう付け等によって金属回路板や放熱板となる銅板が接合される。
【００３４】
ここで、グリーンシート製造工程（Ｓ１）において、グリーンシート１１は、窒化珪素粉末を主成分とし、焼結助剤となる酸化マグネシウム粉末等を混合して、ポリビニルブチラール樹脂等からなる有機バインダ、及びジ−ｎ−ブチルフタレート等からなる可塑剤中に分散させたスラリーをシート状に成形することによって得られる。その厚さは、１００〜１０００μｍ程度とすることができる。主成分となる窒化珪素粉末における平均粒子径は０．３μｍ以上が好ましい。なお、グリーンシート１１は焼成工程（Ｓ４）後に窒化珪素焼結体１３となるが、窒化珪素焼結体が得られる限りにおいて、焼結助剤、有機バインダ、可塑剤の材料を適宜選択することができ、場合によってはこれらのうちのいずれか、あるいは全てを省略することもできる。
【００３５】
分離材塗布・積層工程（Ｓ２）において、分離材１２は窒化ホウ素（ＢＮ）が用いられる。ＢＮは常温で固体（粉末）の物質であるため、これを直接グリーンシート１１の表面に塗布してもよく、アルコールや水等の溶媒中に溶かしてスラリー化したものを塗布、乾燥させてもよい。ＢＮは積層されたグリーンシート１１同士の反応が生じない程度の充分な厚さとなるように塗布する。また、グリーンシート１１の積層枚数は任意であり、数枚から数十枚とすることができる。この所定の枚数を積層した後で、例えば５００〜９００℃の温度で乾燥、脱脂することによって、安定した積層体とすることができる。
【００３６】
焼成工程（Ｓ３）においては、窒化珪素焼結体を得るための一般的な条件を用いることができる。すなわち、窒素雰囲気中で１６００〜２０００℃程度の温度で、電気炉中でこの積層体に対して焼成を行う。
【００３７】
分離工程（Ｓ４）において、得られた窒化珪素焼結体１３を１枚ずつ分離する。この際、図２（ｄ）に示されるように、分離材１２（ＢＮ）は分断されるが、各窒化珪素焼結体１３の表面には薄くなった分離材１２が残されている。
【００３８】
研削処理工程（Ｓ５）において、この分離材１２を除去するために、窒化珪素焼結体１３の表面に対して研削処理を行う。研削処理としては、ラッピングやホーニング等を行うことができる。ホーニング処理としては、アルミナ砥粒を窒化珪素焼結体表面に所定の圧力で所定の時間吹き付ける処理を行うことができる。この場合、アルミナ砥粒や除去されたＢＮ粒子を除去するために、この処理後に超音波洗浄を行うことが好ましい。
【００３９】
その後の加工工程（Ｓ６）では、窒化珪素焼結体が機械的に切断加工され、所望の大きさ、形状の窒化珪素基板とされる。この際、１枚の窒化珪素焼結体から複数の窒化珪素基板を得ることもできる。
【００４０】
以上の工程において、分離材塗布・積層工程（Ｓ２）と研削処理工程（Ｓ５）の条件を調整することによって、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比とＲａを所定の範囲とした。
【００４１】
なお、ＸＲＦや粗さ測定は非破壊分析であり、これらの分析処理を行った後で再び研削処理工程（Ｓ５）を行うことができるため、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比やＲａが所望の範囲となるまで、研削処理工程（Ｓ５）を適宜繰り返すことが可能である。
【００４２】
（実施例）
実際に上記の製造方法における分離材（ＢＮ）塗布量やホーニング条件を変えて窒化珪素焼結体を製造し、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比と曲げ強度を測定した。また、これを基板として、これに０．５ｍｍ厚の銅板を８００℃のろう付け温度で真空中で接合して回路基板とした。その接合部における接合ボイド率を測定し、残留したＢＮの影響を調べた。また、この回路基板に対して熱サイクル試験を行い、金属回路板や放熱板の剥離が発生するか否かを調べた。
【００４３】
ここで、グリーンシートとしては、平均粒子径を変化させたα型窒化珪素粉末を主成分とし、酸化マグネシウム及び酸化イットリウムからなる焼結助剤、有機バインダ、及び可塑剤を用いた。
【００４４】
分離材としては窒化ホウ素（ＢＮ）粉末を用い、その量（塗布時間）を変化させた。また、図２（ａ）における積層層数は５層とした。焼結工程は１８００℃で５時間、窒素雰囲気で行った。これにより、厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素焼結体が５枚同時に得られた。
【００４５】
その後、各窒化珪素焼結体を分離し、その表面の残留ＢＮ層をホーニング処理によって除去した。ここで、ホーニング処理は時間を５ｓと一定とし圧力を変化させてアルミナ砥粒を照射することによって行った。
【００４６】
ホーニング処理後の窒化珪素焼結体表面の表面粗さＲａは表面粗さ計（東京精密製 表面粗さ形状測定機 サーフコム１３０Ａ）を用いて測定した。Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比は、ＸＲＦ（リガク製 蛍光Ｘ線分析装置 ＺＳＸＰｒｉｍｕｓＩＩ）を用いて測定した。
【００４７】
曲げ強度は、上記の窒化珪素焼結体を幅４ｍｍに加工し、支持ロール間距離７ｍｍである３点曲げ治具にセットし、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した方法で求めた。ここでは、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／分で加重を印加して、破断時に印加された加重から算出した。この曲げ強度については、７５０ＭＰａ以上のものを合格とした。
【００４８】
熱伝導率は、上記の窒化珪素焼結体を５ｍｍ角に加工し、ＪＩＳＲ１６１１に準拠したレーザーフラッシュ法で求めた。この熱伝導率については、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを合格とした。
【００４９】
接合ボイド率は、超音波探傷法により、窒化珪素基板と銅板の接合界面を調べ、接合がなされていない箇所の面積比率を調べた。この面積比率が５％以下のものを合格とした。
【００５０】
熱サイクル試験は、上記の回路基板に対して、−５５℃で２０分、室温で１０分、１５０℃で２０分とする昇温／降温サイクルを３０００回印加することにより行い、このサイクル後において銅板と窒化珪素焼結体との間に剥離が発生したか否かを調べた。剥離が全く確認できなかったものを合格とした。なお、曲げ強度もしくは熱伝導率が不合格のものは回路基板は作製せず、接合ボイド率の評価及び熱サイクル試験を行っていない。
【００５１】
実施例１〜７においては、ホーニング条件、ＢＮ塗布時間、すなわち、ＢＮ量を制御し、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比が上記の範囲になるべく調整した。また、原料となる窒化珪素粉末の平均粒子径を選択し、表面粗さＲａが上記の範囲になるようにした。ここで、実施例１と２、３と４とはそれぞれ同一条件であるが、試料間のばらつきによってＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比及び表面粗さＲａは異なっている。また、実施例５、７ではＢＮ塗布時間を長くし、実施例６ではＢＮ塗布時間を短くかつホーニング時間を長くした。
【００５２】
比較例１ではＢＮ塗布時間を短くすることにより、比較例２ではホーニング圧力を高くすることにより、それぞれＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を上記の範囲よりも小さくした。比較例３ではＢＮ塗布時間を長くすることにより、比較例４ではホーニング圧力を小さくすることにより、それぞれＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を上記の範囲よりも大きくした。比較例５では原料となる窒化珪素粉末の平均粒子径を小さくすることにより、表面粗さを小さくした。
【００５３】
実施例１〜７、比較例１〜５における上記の条件、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比、窒化珪素焼結体の表面粗さＲａ、曲げ強度、熱伝導率、接合ボイド率、熱サイクル試験結果について表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
この結果より、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度が５０ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍ、表面粗さＲａが０．３μｍ以上の範囲である実施例１〜７において、７５０ＭＰａ以上の高い曲げ強度、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率、５％以下の小さな接合ボイド率、及び３０００回の熱サイクル印加後においても銅板との間の剥離を生じない、信頼性の高い窒化珪素焼結体が得られることが確認された。
【００５６】
これに対して、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度が５０ｐｐｍよりも小さい比較例１、２は曲げ強度が低下した。この原因は、前記の通り、窒化珪素の粒界においてホーニング処理によるダメージが発生したためである。一方、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度が２０００ｐｐｍよりも大きい比較例３、４は曲げ強度は充分であるものの、接合ボイド率が高いために、熱サイクル試験後に剥離が生じた。また、表面粗さＲａが０．３μｍ未満である比較例５は、窒化珪素の結晶粒子径が小さいため、熱伝導率が低下した。
【００５７】
なお、上記の例では、研削処理工程においてホーニングを行った例について記載したが、窒化珪素焼結体表面のＢＮ層を除去できる限りにおいて、他の機械的研磨手段を用いることもできる。この場合においても、本願発明が同様に適用されることは明らかである。
【符号の説明】
【００５８】
１１ グリーンシート
１２、４０ 分離材（ＢＮ）
１３ 窒化珪素焼結体
２１ 窒化珪素粒子
３１ 窒化アルミニウム粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー素子モジュール等の基板に用いられる窒化珪素基板の製造方法、及びこの製造方法によって製造される窒化珪素基板、これを用いた回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種のセラミックス（焼結体）基板が半導体モジュール用基板や構造用部材として広く用いられている。例えば、大電力で発熱量の大きな半導体素子を実装する半導体モジュール用基板としては、機械的強度の高さ、熱伝導率の高さ、電気的絶縁性の高さが要求される。窒化アルミニウムや窒化珪素等の窒化物焼結体はこれらの特性に優れており、例えば焼結体の窒化物基板が広く用いられている。
【０００３】
窒化物基板の元となる窒化物焼結体は、窒化物（ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等）粉末を主成分としたグリーンシートを高温で窒素雰囲気中で焼成することによって作成される。この際、大面積の窒化物焼結体を製造し、この焼結体から所望の大きさをもつ上記の基板を複数枚切り出すという製造方法が一般的である。この焼成は電気炉等を用いて行われるが、製造コストを低減するために、複数の窒化物焼結体を焼成によって同時に得るという手法が用いられる。
【０００４】
図２は、この製造方法における特に焼成工程前後の状況を示す工程断面図である。図２（ａ）においては、窒化物焼結体とされるべきグリーンシート１１が、窒化ホウ素（ＢＮ）等からなる分離剤１２を塗布した上で積層される。このため、複数のグリーンシート１１が薄い分離材１２を介して積層された形態で固定される。従って、図２（ｂ）に示されるように、この積層体を電気炉中に入れ、焼成すれば、図２（ｃ）に示されるように、全てのグリーンシート１１が窒化物焼結体１３となる。この際、ＢＮによって各グリーンシート１１（窒化物焼結体１３）は分離されるため、これらが付着することはなく、かつこれらが焼成される際に悪影響を及ぼさない。その後、図２（ｄ）に示されるように、分離材１２の層から各窒化物焼結体１３を分離することができる。
【０００５】
従って、得られた窒化物焼結体１３の表面には薄くなった分離材１２が残されているが、ラッピング、あるいはホーニング等の研削処理を用いてこれを除去すればよい。窒化物焼結体１３からは複数の窒化物基板が切り出され、窒化物基板の表面には、例えばろう材等を用いて銅板（金属回路板、放熱板）が接合されるが、その際に分離材１２（ＢＮ）が表面に残っていると、この接合強度に悪影響を及ぼす。このため、熱サイクルによって銅板の剥離が発生することがある。従って、この悪影響が出なくなる程度まで分離材１２の除去を行う必要がある。
【０００６】
これに対して、特許文献１には、窒化アルミニウム焼結体におけるＢＮ除去の度合いをＸ線回折で評価する技術が記載されている。ここでは、表面粗さや、Ｘ線回折におけるＢＮに対応する回折線強度と窒化アルミニウムに対応する回折線強度との比率の上限値等を規定することにより、その後のＢＮの悪影響がない条件が示された。
【０００７】
また、特許文献２には、窒化アルミニウム焼結体、窒化珪素焼結体において、同様に蛍光Ｘ線スペクトルにおけるＢとＡｌ又はＳｉとの強度比率の上限値を規定することによって、同様にその後のＢＮの悪影響がない条件が示された。
【０００８】
こうした条件を用いて、銅板を接合した後でもその剥離が発生しにくい窒化物基板を得ることができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−５３６２４号公報
【特許文献２】特開平１０−６７５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、窒化アルミニウム焼結体の場合と比べて、特に窒化珪素焼結体表面に残った分離材（ＢＮ）を除去することは困難である。図３（ａ）はホーニング処理後の窒化珪素焼結体の断面構造の模式図であり、図３（ｂ）は、同じく窒化アルミニウム焼結体の断面構造の模式図である。窒化珪素焼結体は窒化珪素粒子２１が焼結して構成され、窒化アルミニウム焼結体は窒化アルミニウム粒子３１が焼結して構成される。これらの表面においては、凹凸が存在するため、大部分のＢＮがホーニング処理によって除去された後でも、この凹部の中にＢＮ４０が残る。
【００１１】
ここで、窒化珪素焼結体を構成する窒化珪素粒子２１は、窒化アルニミウム粒子３１と比べて細長い形状をもつ。従って、窒化アルミニウム焼結体の表面が比較的平坦となるのに対して、窒化珪素焼結体の表面粗さは大きい。窒化珪素粒子２１の平均粒子径を小さくすればこの表面粗さを小さくすることができるが、その場合には、結晶粒界相が多くなりこの窒化珪素焼結体の熱伝導率が低下するため、半導体モジュールの基板として用いる場合には好ましくない。従って、窒化アルミニウムの場合と比較して、窒化珪素焼結体の表面の凹部に残ったＢＮの除去は困難である。
【００１２】
こうした表面粗さの大きな窒化珪素焼結体表面のＢＮ残留量を減らすためには、積層前に塗布するＢＮ量を減らす、すなわち、ＢＮ塗布量を減らすことと、分離後のホーニング処理時間や回数等を長くしてＢＮの除去能力を高めるという２種類の方法がある。
【００１３】
前者の方法を用いた場合、焼成時に窒化珪素焼結体間の反応が生じやすくなる。従って、ＢＮ塗布量が不充分である場合、ＢＮ層が薄い箇所において窒化珪素焼結体間の相互作用によりガラス層が濃縮された部分が表面に形成されやすくなり、この部分が窒化珪素焼結体における欠陥となる。そのため、ＢＮ塗布量が少ないと曲げ強度の低下が発生する。
【００１４】
従って、曲げ強度の大きな窒化珪素焼結体を得るためには、ＢＮ塗布量は充分であることが必要となるが、前記の通り、このＢＮを後で悪影響が出ない程度まで除去することが必要である。すなわち、ホーニング処理を充分に行うことが不可欠となる。ところが、ホーニング処理は窒化珪素焼結体全体に対して行われるため、ＢＮだけでなく、窒化珪素焼結体自身もダメージを受ける。この際、特に窒化珪素の粒界にはダメージが入りやすく、これに起因して、曲げ強度が低下する。
【００１５】
従って、上記の方法で窒化珪素焼結体を製造した場合には、ＢＮの残留量を減らすと、曲げ強度が低下するという問題があった。従って、グリーンシートを複数枚積層して焼成する製造方法を用いた場合には、信頼性の高い窒化珪素基板を得ることは困難であった。
【００１６】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１に記載の発明の要旨は、窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成することによって複数枚の窒化珪素焼結体を同時に得た後に当該窒化珪素焼結体を分離することによって得られた、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする窒化珪素基板であって、算術平均粗さが０．３μｍ以上であり、基板表面の残留ＢＮに由来するＢの蛍光X線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）が５×１０−５〜２×１０−３であることを特徴とする窒化珪素基板に存する。
請求項２に記載の発明の要旨は、窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成した後に分離することによって複数枚の窒化珪素焼結体を得て、該窒化珪素焼結体から窒化珪素基板を得る、窒化珪素基板の製造方法であって、分離された窒化珪素焼結体表面を機械的に研削する研削処理工程とを具備し、ホウ素のシリコンに対する蛍光Ｘ線強度比を５×１０−５〜２×１０−３の範囲、かつ窒化珪素焼結体表面の算術平均粗さを０．３μｍ以上とするように前記研削処理工程を行うことを特徴とする窒化珪素基板の製造方法に存する。
請求項３に記載の発明の要旨は、前記研削処理工程において、ホーニング処理が行われることを特徴とする請求項２に記載の窒化珪素基板の製造方法に存する。
請求項４に記載の発明の要旨は、前記ホーニング処理において、アルミナ砥粒が用いられることを特徴とする請求項３に記載の窒化珪素基板の製造方法に存する。
請求項５に記載の発明の要旨は、請求項１に記載の窒化珪素基板と、該窒化珪素基板の少なくとも一方の面に接合された銅板と、を具備することを特徴とする回路基板に存する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１乃至４に記載の発明によれば、複数枚のグリーンシートを積層してから焼成することによって複数枚の窒化珪素焼結体を得た後に窒化珪素焼結体を分離し、切断することによって窒化珪素基板を得た場合でも、信頼性の高い高熱伝導の窒化珪素基板を得ることができる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、信頼性の高い窒化珪素回路基板を低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る製造方法を示すフロー図である。
【図２】従来の窒化物焼結体の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図３】窒化珪素焼結体（ａ）と、窒化アルミニウム焼結体（ｂ）の表面の微細構造の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
本発明の一実施形態は、上述したパワー半導体モジュール等に使用される絶縁性セラミックス基板としての窒化珪素基板であって、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする算術平均粗さが０．３ μｍ以上の窒化珪素基板であり、基板表面の残留ＢＮに由来するＢの蛍光Ｘ線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）が５×１０−５〜２×１０−３である。
【００２３】
ここで、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比は、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析：Ｘ−ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて、窒化珪素基板表面における特にホウ素（Ｂ）とシリコン（Ｓｉ）の組成分析を行い、ＸＲＦの測定結果からＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を求めた。これを所定の範囲とするという点では、例えば特許文献２に記載の基板と同様である。しかしながら、この実施の形態に係る窒化珪素基板においては、表面粗さＲａについて下限値を設定し、更にＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比については、上限だけではなく下限も設けたことが特徴である。ここで、蛍光Ｘ線としては、ＢのＫα線（エネルギー０．１８３ｋｅＶ）、ＳｉのＫα線（エネルギー １．７４ｋｅＶ）が対象となり、これらの強度比がＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比である。
【００２４】
また、表面分析においては、窒化珪素焼結体表面の粗さも、例えば触針式の表面粗さ計を用いて測定される。この表面粗さは、例えばその算術平均粗さＲａ、すなわち、表面高さｆ（ｘ）の平均値からの偏差の絶対値のサンプル長Ｌにおける算術平均であり、次式（Ｉ）で表される量を用いることができる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
上記のＲａの範囲における下限値は０．３μｍとする。すなわち、Ｒａがこれ以上である粗さをもつ窒化珪素焼結体を得るように研削処理が行われる。ここで、Ｒａはグリーンシート１１中の窒化珪素粒子の粒子径、及び焼成条件により決まる窒化珪素焼結体表面の平均粒子径に依存することは明らかである。しかしながら、例えば特開２００６−９６６６１号公報に記載されるように、この平均粒子径が小さい場合には熱伝導率が低くなるため、基板として用いる場合には平均長軸径が１μｍ以上の窒化珪素粒子が用いられる。従って、少なくとも焼成直後における窒化珪素焼結体におけるＲａは例えば１．５μｍ以上と、大きくすることが好ましい。すなわち、表面粗さの大きな窒化珪素焼結体（窒化珪素基板）とすることが好ましい。
【００２７】
上記のＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比の範囲における上限値は、２０００ｐｐｍ（２０００×１０−６）とする。この値は特許文献２に記載の値（５０×１０−６）よりも高い。この理由は、表面粗さの大きな、すなわちＲａが前記の範囲である窒化珪素焼結体の表面においては、凹部の深いところに入り込んだＢＮは除去しにくい一方で、ろう付け等における接合に対する悪影響も少ないためである。従って、特にＲａ≧０．３μｍの場合において、この上限値を高くすることができる。Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比がこの上限値よりも大きい場合には、この窒化珪素焼結体（基板）にろう付け等によって接合を行った場合に、残留ＢＮによる接合不良が発生する。
【００２８】
上記のＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比の範囲における下限値は、窒化珪素焼結体の曲げ強度の低下から求まる。研削処理においては、例えばホーニングの際の圧力を高くする、あるいは処理時間を長くすることによってＢＮの残存量を少なくすることができる。しかしながら、ホーニング処理によってＢＮだけでなく窒化珪素焼結体自身もダメージを受ける。特に、窒化珪素粒界がダメージを受けやすくなり、その結果として曲げ強度が低くなる。ホーニング処理だけでなく、他の研削処理が行われた場合も同様である。従って、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を、このダメージの度合いを表す指針としても用いることができる。また、分離材塗布においては、例えばＢＮの塗布時間を短くすることによっても、ＢＮの残存量を少なくすることができる。しかしながら、焼結時に基板間の相互作用によってガラス層が濃縮された部分が表面に形成されやすくなり、この部分が窒化珪素焼結体における欠陥となる。そのため、ＢＮ塗布量が少ないと曲げ強度の低くなる。従って、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を、この欠陥生成の度合いを表す指針としても用いることができる。このため、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比の下限は５０ｐｐｍ（５０×１０−６）とする。すなわち、ＢＮを分離材１２として用いた場合、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比がこの値未満になるまで研削処理を行うと、窒化珪素焼結体の曲げ強度が低下する。
【００２９】
上記のＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比の範囲は、特許文献２に記載の範囲とは大きく異なる。これは、前記の通り、この実施の形態に係る窒化珪素基板では、表面粗さＲａが０．３μｍ以上である、すなわち、粗い表面を具備した窒化珪素焼結体である。Ｒａが大きな窒化珪素焼結体を対象とするのは、平均粒子径が大きく熱伝導率が高い窒化珪素焼結体を対象とするためである。この点は窒化珪素焼結体に特有であり、特許文献２に主に記載された窒化アルミニウムの場合とは状況が大きく異なる。
【００３０】
具体的には、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を上記の範囲とすることによって、曲げ強度が７５０ＭＰａ以上と高く、かつこの窒化珪素基板に対してろう付け等を行った場合にも接合不良が発生しない。また、この窒化珪素基板の熱伝導率は８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と高い。すなわち、信頼性が高く、半導体モジュールの基板として好適な窒化珪素焼結体となる。
【００３１】
次に、本実施形態にかかる窒化珪素基板の製造方法について説明する。
【００３２】
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化珪素基板の製造方法を示すフロー図である。この製造方法においては、図２に示された従来の窒化物焼結体の製造方法が利用される。ここでは、まず、窒化珪素焼結体とされるグリーンシート１１を多数枚製造する（Ｓ１）。このグリーンシート１１表面に分離材１２（ＢＮ）を塗布して、図２（ａ）に示されるように、所定の枚数だけ順次積層する（Ｓ２）。この積層体に対して、図２（ｂ）に示されるように電気炉中で焼成を行う（Ｓ３）。これにより、図２（ｃ）に示されるように、グリーンシート１１が窒化珪素焼結体１３となった積層体が得られる。その後、図２（ｄ）に示されるように、１枚ずつこの窒化珪素焼結体１３を分離して取り出す（Ｓ４）が、この際にその表面には薄い分離材１２の層が残っている。この分離材１２を除去するため、この窒化珪素焼結体１３に対して、ホーニング等の研削処理を行う（Ｓ５）。その後、窒化珪素焼結体を切断し、所望の大きさ、形状の窒化珪素基板を得る（Ｓ６）。
【００３３】
なお、得られた窒化珪素基板の表面には、その後でろう付け等によって金属回路板や放熱板となる銅板が接合される。
【００３４】
ここで、グリーンシート製造工程（Ｓ１）において、グリーンシート１１は、窒化珪素粉末を主成分とし、焼結助剤となる酸化マグネシウム粉末等を混合して、ポリビニルブチラール樹脂等からなる有機バインダ、及びジ−ｎ−ブチルフタレート等からなる可塑剤中に分散させたスラリーをシート状に成形することによって得られる。その厚さは、１００〜１０００μｍ程度とすることができる。主成分となる窒化珪素粉末における平均粒子径は０．３μｍ以上が好ましい。なお、グリーンシート１１は焼成工程（Ｓ４）後に窒化珪素焼結体１３となるが、窒化珪素焼結体が得られる限りにおいて、焼結助剤、有機バインダ、可塑剤の材料を適宜選択することができ、場合によってはこれらのうちのいずれか、あるいは全てを省略することもできる。
【００３５】
分離材塗布・積層工程（Ｓ２）において、分離材１２は窒化ホウ素（ＢＮ）が用いられる。ＢＮは常温で固体（粉末）の物質であるため、これを直接グリーンシート１１の表面に塗布してもよく、アルコールや水等の溶媒中に溶かしてスラリー化したものを塗布、乾燥させてもよい。ＢＮは積層されたグリーンシート１１同士の反応が生じない程度の充分な厚さとなるように塗布する。また、グリーンシート１１の積層枚数は任意であり、数枚から数十枚とすることができる。この所定の枚数を積層した後で、例えば５００〜９００℃の温度で乾燥、脱脂することによって、安定した積層体とすることができる。
【００３６】
焼成工程（Ｓ３）においては、窒化珪素焼結体を得るための一般的な条件を用いることができる。すなわち、窒素雰囲気中で１６００〜２０００℃程度の温度で、電気炉中でこの積層体に対して焼成を行う。
【００３７】
分離工程（Ｓ４）において、得られた窒化珪素焼結体１３を１枚ずつ分離する。この際、図２（ｄ）に示されるように、分離材１２（ＢＮ）は分断されるが、各窒化珪素焼結体１３の表面には薄くなった分離材１２が残されている。
【００３８】
研削処理工程（Ｓ５）において、この分離材１２を除去するために、窒化珪素焼結体１３の表面に対して研削処理を行う。研削処理としては、ラッピングやホーニング等を行うことができる。ホーニング処理としては、アルミナ砥粒を窒化珪素焼結体表面に所定の圧力で所定の時間吹き付ける処理を行うことができる。この場合、アルミナ砥粒や除去されたＢＮ粒子を除去するために、この処理後に超音波洗浄を行うことが好ましい。
【００３９】
その後の加工工程（Ｓ６）では、窒化珪素焼結体が機械的に切断加工され、所望の大きさ、形状の窒化珪素基板とされる。この際、１枚の窒化珪素焼結体から複数の窒化珪素基板を得ることもできる。
【００４０】
以上の工程において、分離材塗布・積層工程（Ｓ２）と研削処理工程（Ｓ５）の条件を調整することによって、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比とＲａを所定の範囲とした。
【００４１】
なお、ＸＲＦや粗さ測定は非破壊分析であり、これらの分析処理を行った後で再び研削処理工程（Ｓ５）を行うことができるため、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比やＲａが所望の範囲となるまで、研削処理工程（Ｓ５）を適宜繰り返すことが可能である。
【００４２】
（実施例）
実際に上記の製造方法における分離材（ＢＮ）塗布量やホーニング条件を変えて窒化珪素焼結体を製造し、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比と曲げ強度を測定した。また、これを基板として、これに０．５ｍｍ厚の銅板を８００℃のろう付け温度で真空中で接合して回路基板とした。その接合部における接合ボイド率を測定し、残留したＢＮの影響を調べた。また、この回路基板に対して熱サイクル試験を行い、金属回路板や放熱板の剥離が発生するか否かを調べた。
【００４３】
ここで、グリーンシートとしては、平均粒子径を変化させたα型窒化珪素粉末を主成分とし、酸化マグネシウム及び酸化イットリウムからなる焼結助剤、有機バインダ、及び可塑剤を用いた。
【００４４】
分離材としては窒化ホウ素（ＢＮ）粉末を用い、その量（塗布時間）を変化させた。また、図２（ａ）における積層層数は５層とした。焼結工程は１８００℃で５時間、窒素雰囲気で行った。これにより、厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素焼結体が５枚同時に得られた。
【００４５】
その後、各窒化珪素焼結体を分離し、その表面の残留ＢＮ層をホーニング処理によって除去した。ここで、ホーニング処理は時間を５ｓと一定とし圧力を変化させてアルミナ砥粒を照射することによって行った。
【００４６】
ホーニング処理後の窒化珪素焼結体表面の表面粗さＲａは表面粗さ計（東京精密製 表面粗さ形状測定機 サーフコム１３０Ａ）を用いて測定した。Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比は、ＸＲＦ（リガク製 蛍光Ｘ線分析装置 ＺＳＸＰｒｉｍｕｓＩＩ）を用いて測定した。
【００４７】
曲げ強度は、上記の窒化珪素焼結体を幅４ｍｍに加工し、支持ロール間距離７ｍｍである３点曲げ治具にセットし、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した方法で求めた。ここでは、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／分で加重を印加して、破断時に印加された加重から算出した。この曲げ強度については、７５０ＭＰａ以上のものを合格とした。
【００４８】
熱伝導率は、上記の窒化珪素焼結体を５ｍｍ角に加工し、ＪＩＳＲ１６１１に準拠したレーザーフラッシュ法で求めた。この熱伝導率については、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを合格とした。
【００４９】
接合ボイド率は、超音波探傷法により、窒化珪素基板と銅板の接合界面を調べ、接合がなされていない箇所の面積比率を調べた。この面積比率が５％以下のものを合格とした。
【００５０】
熱サイクル試験は、上記の回路基板に対して、−５５℃で２０分、室温で１０分、１５０℃で２０分とする昇温／降温サイクルを３０００回印加することにより行い、このサイクル後において銅板と窒化珪素焼結体との間に剥離が発生したか否かを調べた。剥離が全く確認できなかったものを合格とした。なお、曲げ強度もしくは熱伝導率が不合格のものは回路基板は作製せず、接合ボイド率の評価及び熱サイクル試験を行っていない。
【００５１】
実施例１〜７においては、ホーニング条件、ＢＮ塗布時間、すなわち、ＢＮ量を制御し、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比が上記の範囲になるべく調整した。また、原料となる窒化珪素粉末の平均粒子径を選択し、表面粗さＲａが上記の範囲になるようにした。ここで、実施例１と２、３と４とはそれぞれ同一条件であるが、試料間のばらつきによってＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比及び表面粗さＲａは異なっている。また、実施例５、７ではＢＮ塗布時間を長くし、実施例６ではＢＮ塗布時間を短くかつホーニング時間を長くした。
【００５２】
比較例１ではＢＮ塗布時間を短くすることにより、比較例２ではホーニング圧力を高くすることにより、それぞれＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を上記の範囲よりも小さくした。比較例３ではＢＮ塗布時間を長くすることにより、比較例４ではホーニング圧力を小さくすることにより、それぞれＢ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比を上記の範囲よりも大きくした。比較例５では原料となる窒化珪素粉末の平均粒子径を小さくすることにより、表面粗さを小さくした。
【００５３】
実施例１〜７、比較例１〜５における上記の条件、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度比、窒化珪素焼結体の表面粗さＲａ、曲げ強度、熱伝導率、接合ボイド率、熱サイクル試験結果について表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
この結果より、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度が５０ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍ、表面粗さＲａが０．３μｍ以上の範囲である実施例１〜７において、７５０ＭＰａ以上の高い曲げ強度、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率、５％以下の小さな接合ボイド率、及び３０００回の熱サイクル印加後においても銅板との間の剥離を生じない、信頼性の高い窒化珪素焼結体が得られることが確認された。
【００５６】
これに対して、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度が５０ｐｐｍよりも小さい比較例１、２は曲げ強度が低下した。この原因は、前記の通り、窒化珪素の粒界においてホーニング処理によるダメージが発生したためである。一方、Ｂ／Ｓｉ蛍光Ｘ線強度が２０００ｐｐｍよりも大きい比較例３、４は曲げ強度は充分であるものの、接合ボイド率が高いために、熱サイクル試験後に剥離が生じた。また、表面粗さＲａが０．３μｍ未満である比較例５は、窒化珪素の結晶粒子径が小さいため、熱伝導率が低下した。
【００５７】
なお、上記の例では、研削処理工程においてホーニングを行った例について記載したが、窒化珪素焼結体表面のＢＮ層を除去できる限りにおいて、他の機械的研磨手段を用いることもできる。この場合においても、本願発明が同様に適用されることは明らかである。
【符号の説明】
【００５８】
１１ グリーンシート
１２、４０ 分離材（ＢＮ）
１３ 窒化珪素焼結体
２１ 窒化珪素粒子
３１ 窒化アルミニウム粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成することによって複数枚の窒化珪素焼結体を同時に得た後に当該窒化珪素焼結体を分離することによって得られた、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする窒化珪素基板であって、
算術平均粗さが０．３μｍ以上であり、基板表面の残留ＢＮに由来するＢの蛍光X線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）が５×１０−５〜２×１０−３であることを特徴とする窒化珪素基板。
【請求項２】
窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成した後に分離することによって複数枚の窒化珪素焼結体を得て、該窒化珪素焼結体から窒化珪素基板を得る、窒化珪素基板の製造方法であって、分離された窒化珪素焼結体表面を機械的に研削する研削処理工程とを具備し、ホウ素のシリコンに対する蛍光Ｘ線強度比を５×１０−５〜２×１０−３の範囲、かつ窒化珪素焼結体表面の算術平均粗さを０．３μｍ以上とするように前記研削処理工程を行うことを特徴とする窒化珪素基板の製造方法。
【請求項３】
前記研削処理工程において、ホーニング処理が行われることを特徴とする請求項２に記載の窒化珪素基板の製造方法。
【請求項４】
前記ホーニング処理において、アルミナ砥粒が用いられることを特徴とする請求項３に記載の窒化珪素基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の窒化珪素基板と、該窒化珪素基板の少なくとも一方の面に接合された銅板と、を具備することを特徴とする回路基板。
【請求項１】
窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成することによって複数枚の窒化珪素焼結体を同時に得た後に当該窒化珪素焼結体を分離することによって得られた、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする窒化珪素基板であって、
算術平均粗さが０．３μｍ以上であり、基板表面の残留ＢＮに由来するＢの蛍光X線強度とＳｉの蛍光Ｘ線強度の比（Ｂ／Ｓｉ）が５×１０−５〜２×１０−３であることを特徴とする窒化珪素基板。
【請求項２】
窒化ホウ素からなる分離材を介して複数枚のグリーンシートを積層してから焼成した後に分離することによって複数枚の窒化珪素焼結体を得て、該窒化珪素焼結体から窒化珪素基板を得る、窒化珪素基板の製造方法であって、分離された窒化珪素焼結体表面を機械的に研削する研削処理工程とを具備し、ホウ素のシリコンに対する蛍光Ｘ線強度比を５×１０−５〜２×１０−３の範囲、かつ窒化珪素焼結体表面の算術平均粗さを０．３μｍ以上とするように前記研削処理工程を行うことを特徴とする窒化珪素基板の製造方法。
【請求項３】
前記研削処理工程において、ホーニング処理が行われることを特徴とする請求項２に記載の窒化珪素基板の製造方法。
【請求項４】
前記ホーニング処理において、アルミナ砥粒が用いられることを特徴とする請求項３に記載の窒化珪素基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の窒化珪素基板と、該窒化珪素基板の少なくとも一方の面に接合された銅板と、を具備することを特徴とする回路基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２０８８９８（Ｐ２０１０−２０８８９８Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５７３４７（Ｐ２００９−５７３４７）
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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