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JPS5899172A - 電気絶縁基板 - Google Patents

電気絶縁基板

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Publication number
JPS5899172A
JPS5899172A JP56197133A JP19713381A JPS5899172A JP S5899172 A JPS5899172 A JP S5899172A JP 56197133 A JP56197133 A JP 56197133A JP 19713381 A JP19713381 A JP 19713381A JP S5899172 A JPS5899172 A JP S5899172A
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JP
Japan
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compounds
silicon carbide
compound
sintered body
beryllium
Prior art date
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Application number
JP56197133A
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English (en)
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JPS631267B2 (ja
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荻原　覚
竹田　幸男
邦裕 前田
浩介 中村
浦　満
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to KR1019820005315A priority patent/KR840002337A/ko
Priority to US06/446,514 priority patent/US4561010A/en
Priority to DE8282306475T priority patent/DE3273066D1/de
Priority to EP19820306475 priority patent/EP0081365B1/en
Publication of JPS5899172A publication Critical patent/JPS5899172A/ja
Publication of JPS631267B2 publication Critical patent/JPS631267B2/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な電気絶縁性炭化ケイ素焼結体に係り、＃
に熱伝導性のよいち密な焼結体からなる電気絶縁性炭化
ケイ素焼結体に関する。
半導体工業の進歩は目ざましく、大規模集積回路等に使
用される基板には半導体チップが高密度に搭載されるよ
うになってきた。また、集積回路は小型化、大容量化が
進んでおり、基板には熱放散性の良い材料が要求されて
いる。
従来、こうした基板材料としてはアルミナ焼結体が使用
されているが、アルミナは熱放散性があまシ良くないの
で、・要求に対して不満足である。
一方、炭化ケイ素焼結体は、１膨張係数が約４×１０−
・／Ｃで、アルミナの熱膨張係数的８　Ｘ　１０＝／Ｕ
Ｋ比べて小さく、シリコンの熱膨張係数１８×１０−・
／Ｃに近い。また、その熱伝導率は０．１〜０．３　Ｃ
ｍ−１３／ａｍ・畝・Ｃとアルミナの約３倍以上の値を
有し、半導体装置用の基板材料として有望である。しか
しながら、炭化ケイ素は強い共有結合性の材料であるた
め、焼結しＫく〈、ち密な焼結体が得られＫ〈い欠点が
ある〜そこで、ち密な焼結体を得る九めに、アル１ニウ
ムや鉄を添加してホントプレスすることにより、高密度
の焼結体が得られることが知られている［　Ａ１１Ａｌ
１１ｅ　ｅｔ　１１゜Ｊ、　Ａｍ、　Ｃｅｒ、　ＳＯＣ
，、３９，３８６−３８９（１９５６）　］。
ホウ素と炭素を用いて、ホットプレス法または無加圧法
で高密度の焼結体を得る方法が知られている（％開昭４
９−９９３０８号）。また、ベリリウム（化合物）と炭
素を混合して焼結体を得る方法が知られている（％開昭
５ａ−６７７１１＞。アルミニウム、ホウ素、ベリリウ
ム（化合物）に、■ａ族元素を加えた焼結体（％開昭５
５−１１６６６７号）。
ホウ素、アルミニウム、ベリリウム（化合物）を焼結助
剤とし、これに粒成長抑制剤としてバリウム、イツトリ
ウム、ジルコニウム、ハフニウム。
ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン。
アンチモン、上２マス、ランタン族、アクチニウム族（
化合物）を混合した焼結体も知られている（％開昭５５
−８５４６４号）。これらはいずれも耐熱構造材料を提
供することを目的としたものでアシ、熱伝導性がすぐれ
た基板材料を提供していない。
また、他の各種元素またはその化合物を用いたものはち
密な焼結体が得られない欠点がある。
本発明の目的はち密で、熱伝導性の大きい電気絶縁性炭
化ケイ素焼結体を提供することに６る。
本発明は、炭化ケイ素を主成分とし、これに電気絶縁性
を付与する第１の元素と、前記炭化ケイ素の焼結を促進
させ且つ前記炭化ケイ素の粒内に拡散しＫくい第２の元
素とを含むことを特徴とする電気絶縁性炭化ケイ素焼結
体にある。
第１の元素は、ベリＩＪウム及びホウ素の１種以上が好
ましく、１橿又は合計で０．０１〜３．５重量％が好ま
しい。ベリリウムは金属ベリリウム、ベリリウム化合物
、ホウ素は金属ホウ素、ホウ素化合物が好ましい。ベリ
リウム化合物は酸化ベリリウム及びホウ素化合物は窒化
ホウ素が好ましい。
第２の元素は、金属、その化合物が好ましく。
１１ｇ１又は合計で０．０１〜１０重量％が好ましい。
炭化ケイ素の単結晶は熱伝導率が１．０　Ｃａ４７ｃｍ
−’・Ｃと大きく、無機材料の中ではダイヤモンドに次
〈熱伝導性をもつものとして知られている。金属の熱伝
導は自由電子によるのに対して、無機材料のそれは格子
振動にもとず〈フォノンによシ伝達される。このため、
炭化ケイ素といえども炭化ケイ素の単結晶中に不純物が
入り、格子振動が乱されると熱伝導性が悪くなる。した
がって、焼結時に炭化ケイ素粒子中に拡散して入シ易い
ような添加物は熱伝導率を悪くする。例えば、従来、焼
結助剤として極めて有効とされているアルミニウム、硼
素、鉄またはそれらの化合物は炭化ケイ素の焼結時に元
素が炭化ケイ素の粒子内に拡散し。
結晶の格子を乱すため焼結体の熱伝導性が小さいものと
なる。また、結晶格子中に元素が混入するとキャリアの
増加をもたらす丸め、結晶粒子中の電気伝導性がよくな
シ、焼結体の絶縁性が低下する。
ｊ！に焼結体はち密で気孔の少ないほど、気孔及び粒界
におけるフォノンの散乱が少なく、熱伝導性がよいとと
Ｋな。る。
本発明のリチウム、ナトリウム、カリウム、ルランタン
、セリウム、プラセジウム、ネオジウム。
サマリウム、ガドリニウム、ジスプロシウム、イントリ
ビウム、ルテチウム、アクチニウム、トリウム、チタニ
ウム、ジルコニウム、ハフニウム。
クロム、モリブデン、タングステン、マンガン。
テクネチウム、レニウム、ネプチウム、ルテニウム、オ
スニウム、イリジウム、アメリシウム、パラジウム、白
金、コバルト、ニッケル、銅、銀。
金、亜鉛、カド２ウム、ガリウム、インジウム。
タリウム、ゲルマニウム、スズ、鉛などの元素及びその
化合物は炭化ケイ素粒子中に焼結温度で拡散しに〈〈、
炭化ケイ素結晶中にほとんど拡散せず、その特性を大幅
に変化させることがない。これらの元素及び化合物を１
．Ｉ［ｔたは１種以上を炭化ケイ素に混合し、焼結し九
のではち密な焼結体を得ることができない。上記元素ま
たはその化合物に更にベリリウム、％に酸化ベリリウム
を混合することによりち密で電気絶縁性を有する焼結体
が得られる。
混合する第２の元素またはその化合物の添加量はａ０１
〜１０重量％が適する。炭化ケイ素の焼結性を高め、高
い熱伝導性を得るＫは、０．０１〜１０重量％が好まし
い。特に、炭化ケイ素の粒子の間にこれらの元素または
化合物が入り込み、熱伝導性を阻害するのを防止するに
は１０重量％以下が好ましい。
酸化べＩＪ　ＩＪクロム量は０．０５〜１０重量％が好
ましい。炭化ケイ素の焼結を十分にし、高い熱伝導性及
び高強度を得るには０．０５重量％以上が好ましい。熱
膨張係数が４Ｘ１０””／Ｃよシ小さく熱膨張係数のこ
となる炭化ケイ素粒と酸化ベリリウムとが混合、焼結さ
れた状態において、ヒートシ曹ツクによる破壊に対する
高抵抗を得るＫは。
１０重量％以以下下好ましい。
炭化ケイ素焼結体は従来、耐熱性を利用した高温高強度
材の開発が主目的とされていたが、高熱伝導性を利用し
た半導体素子搭載用基板とし使用する場合には、かなら
ずしも高温強度を必要としない。したがって、炭化ケイ
素に混合する添加物は低融点の材料が入っていてもよい
。
炭化ケイ素にベリリウム、酸化ベリリウムのみを含むも
のでも焼成条件によっては高密度で、高熱伝導性のもの
が得られる。それより更に第３成分、第４成分を含むも
のは焼成しやすくなると共に、焼結体は粒子生長が抑制
されるために粒子径が小さくなるので粒子境界の数が増
加し、電気的な粒界バリヤが増加し、電気絶縁性が大に
なる。
また、抗折強度が大きくなる。
実施例１ 平均粒径２μｍの炭化ケイ素粉末に粒径１βｍ以下の酸
化マグネシウム粉末１．０重量％を加え。
更に酸化べＩＪ　ＩＪウム１．０重量％を加え、混合し
た。
次いで該混合粉末を室温で１０００に４／ｍ”の圧力を
加えて成形体とした。該成形体は黒鉛製の′ダイスに入
れ、Ｉ　Ｘ　１０”ｊ−Ｉ　Ｘ　ｌ　Ｏ−”ｆｏｒｒの
真空中でホットプレスした。ホットプレス時の圧力は３
００　ｈ／３”で、加熱は室温から２０００Ｃまで約２
ｈで昇諷し、２０００Ｃで１時間保持したのち加熱電源
を切って放冷した。得られた焼結体の特性は第１表のＩ
６１に示すように相対密度９８％。
熱伝導率０．５　（ＣＬｅ／ｃｎｒ・Ｗ・Ｃ）　、熱膨
張率＆４×ＩＣＶ”／Ｃであり　１０１０Ω・ｍ以上の
抵抗を示した。Ａ２〜Ａ５７について本上述と同様な製
造方法で焼結体を得た。ム１７のようににうＯ，が混合
された試料は熱伝導率が０．２　Ｃｓ１３／ｃｍ−Ｂ・
Ｃと小さい。Ａ２７．Ａ３３のように酸化ベリリウム（
Ｂｏｏ）が少ない試料は相対密度が小さく、熱伝導率が
低い。４３８．ム３９．＄４０の酸化ペリＩＪウムを含
まぬ試料は相対密度が小さいか、ま九は熱伝導率が０．
２　ＣａＪ／傭・Ｓ・Ｃ以下である。
ＢＮを含むものは、電気絶縁性を有する。４３２゜ム３
７のようにＢｅＯが１０％をこえる試料は相対密度は大
きいが、熱膨張係数が４．０Ｘ１０−・／Ｃをこえてし
まい、Ｂｔ半導体装置用の基板としてはやや不適当なも
のＫなる。また、この焼結条件では、異質物を多く含む
ために、耐熱衝撃性がやや低く、破損しやすい面をもっ
ていた。本発明の相対密度９０％以上のものは１０フΩ
・ｍ以上の電気抵抗率であった。
実施例２ 炭化ケイ素の平均粒子径０．５μｍを用い、これに実施
例１と同様に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの添加物
０．０１〜１０重量％と、酸化ぺＩＪ　リウム（Ｂｅｏ
）　０．０５〜ｌＯ重量％を加え混合した。
該混合粉末を１０００Ｖ４／　ｃｍ　”の圧力で成形体
とし。
この成形体をアルゴン雰囲気中で２１００Ｃで１時間焼
成した。得られ九焼結体は表面がややＳｉＣ粒子が成長
し、粗粒になっていたが研摩により粗粒部を取シのぞい
た。これらのものの相対密度は９０％以上であった。同
じもの士比較し、実施例１より相対密度は向上し、熱伝
導率は０．４以上、熱膨張係数３．５〜ｔｏｘｔｏ−’
／ｃであった。実施例１と同様に本発明の相対密度９０
％以上のものは、１０ＴΩ・ｍ以上の抵抗率を有してい
た。
実施例３ 第１図は１本発明の焼結体を使用したシリコン半導体装
置の一例を示す断面図である。焼結体は。
第１表雇ｌの組成のものである。ＳムＣ焼結体絶縁基板
１の下部に金属製放熱フィン２を半田層３で密着し、上
面にはトランジスタベレット４．厚膜抵抗５．及び金属
製ヒートシンク８の上に載置したパワートランジスタベ
レント７などを搭載したものである。本発明の炭化ケイ
素絶縁基板１を用いた半導体装置は、熱伝導率の高い基
板に載置されているので、熱放散性が優れ、各素子の容
量アンプを九は集積密度を高めることができる。
本発明の基体は熱膨張係数がシリコンチップの熱膨張係
数に近似しているため、従来アルミナ基板では不可能で
あった大型チップの基板への［層接合が可能である。ま
九、基板は熱的機械的特性がすぐれているので１例えば
電気装置製造時のろう付、Ｓ接など各種の熱的９機械的
変化に対して十分な強度を保つと共に、該電気装置の動
作時の温度上昇に伴う熱歪、または熱サイクルにも十分
に耐え得るので、電気装置の信頼性が高い。
なお１本発明においては基板表面に絶縁層として熱酸化
膜、高熱伝導性のアルミナや窒化ケイ素を被着させるこ
とも可能であシ、ポリイミドフィルムなどの絶縁樹脂層
をコートしても良い。但しこれらの際はボイドの発生を
極カ抑える必要がある。
第２図及び第３図は基板１１．２１に本発明の焼結体を
使用した半導体装置の他の例を示す断面図である。
【図面の簡単な説明】
第１図〜第３図は本発明になる絶縁基板の一使用例を示
す半導体装置の断面図である。 １．１１．２１・・・ＳｔＣ絶縁基板、２．２９・・・
金属製放熱フィン、３・・・半田層、４，１３．２４・
・・シリコンペレット、５・・・厚膜抵抗体、６，１５
゜２６・・・ボンディングワイヤ、７・・・パワートラ
ンジスタヘレット、８・・・金属製ヒートシンク、９・
・・回路導体、１２．２２・・・キャップ、１３．２３
・・・リード、１５．１７．２５．２７・・・シールガ
ラス。 １８．２８・・・金属ソルダ、３０・・・エポキシ系樹
脂。 代理人　弁理士　高橋明夫

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、炭化ケイ素を主成分とし、これに電気絶縁性を付与
    する第１の元素と、前記炭化ケイ素の焼結を促進させ且
    つ前記炭化ケイ素の粒内に拡散しにくい第２の元素とを
    含むことを％徴とする電気絶縁性炭化ケイ素焼結体。 ２　前記電気′絶縁性を付与する第１の元素はベリリウ
    ム及びホウ素の１８１以上で、［１又は合計で０．０１
    〜１５重量％である特許請求の範囲第１項に記載の電気
    絶縁性炭化ケイ素焼結体。 １　前記ベリリウムは金属ベリリウム、ベリリウム化合
    物及び前記ホウ素は金属ホウ素、ホウ素化合物である特
    許請求の範囲第２項に記載の電気絶縁性炭化ケイ素焼結
    体。 本　前記ベリリウム化合物は酸化ベリリウム及び前記ホ
    ウ素化合物は窒化ホウ素である特許請求の範囲第３項に
    記載の電気絶縁性炭化ケイ素焼結体。 ＆　前記第２の元素は、リチウム、リチウム化合物、ナ
    トリウム、ナトリウム化合物、カリウム。 カリウム化合物、ルビジウム、ルビジウム化合物。 セシウム、セシウム化合物、マグネシウム、マグネシウ
    ム化合物、カルシウム、カルシウム化合物。 ストロンチウム、ス、トロンチウム化合物、バリウム、
    バリウム化合物、ラジウム、ラジウム化合物。 スカンジウム、スカンジウム化合物、インドリウム、イ
    ンドリウム化合物、ランタン、ランタン化合物、セリウ
    ム、セリウム化合物、プラセジウム。 プラセジウム化合物、ネオジウム、ネオジウム化合物、
    サマリウム、サマリウム化合物、ガドリニウム、ガドリ
    ニウム化合物、ジスプロシウム、ジスプロシウム化合物
    、イントリビウム、イントリビウム化合物、ルテチウム
    、ルテチウム化合物。 アクチニウム、アクチニウム化合物、トリウム、。 トリウム化合物、チタニウム、チタニウム化合物。 ジルコニウム、ジルコニウム化合物、ハフニウム。 ハフニウム化合物、クロム、クロム化合物、モリブデン
    、モリブデン化合物、タングステン、タングステン化合
    物、マンガン、マンガン化合物、テクネチウム、テクネ
    チウム化合物、レニウム、レニウム化合物、ネプチウム
    、ネプチウム化合物。 ルテニウム、ルテニウム化合物、オスニウム、オスニウ
    ム化合物、ロジウム、ロジウム化合物、イリジウム、イ
    リジウム化合物、アメリシウム、アメリシウム化合物、
    パラジウム、パラジウム化合物、白金、白金化合物、コ
    バルト、コバルト化合物、ニッケル、ニッケル化合物、
    銅、銅化合物。 銀、銀化合物、金、金化合物、亜鉛、亜鉛化合物。 カドｉウム、カドｉウム化合物、ガリウム、ガリウム化
    合物、インジウム、インジウム化合物、タリウム、タリ
    ウム化合物、ゲルマニウム、ゲルマニウム化合物、スズ
    、スズ化合物、鉛、鉛化合物。 から選ばれた１種ま九は１種以上を単独又は合計でα０
    １〜１０重量％である特許請求の範囲第１項〜第４項の
    いずれかに記載の電気絶縁性炭化ケイ素焼結体。 ６、前記炭化ケイ素は焼結体の９０重量％以上である特
    許請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の電気絶
    縁性炭化ケイ素焼結体。
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