JPS6236989B2

JPS6236989B2 -

Info

Publication number: JPS6236989B2
Application number: JP57019640A
Authority: JP
Inventors: Yukio Takeda; Kosuke Nakamura; Yasuo Matsushita; Tokio Oogoshi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1987-08-10
Also published as: JPS57166368A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は新規な高熱伝導性の炭化ケイ素焼結体
に関する。近年、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絶縁基板には半導体チツ
プ等の回路構成要素が増々高密度に搭載形成され
るようになつてきた。さらに大容量、小型化に対
する要請も大きくなり、使用する絶縁基板は熱放
散性の良い材料が要求されるようになつてきた。
従来、こうした絶縁基板用材料としてはアルミナ
焼結体が使用されているが、アルミナ基板は熱放
散性があまり良くないのでこうした目的を達成す
るためには、より熱放散の大きい絶縁基板の開発
が要請されるようになつてきた。絶縁基板材料と
しては、 (1) 電気絶縁性が大きいこと、 (2) 熱伝導率が大きいこと、 (3) 熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数に近いこ
と、 (4) 機械的強度が大きいこと、などが要求される。ところで炭化ケイ素焼結体は、その熱膨張係数
が約４×10^-6／℃で、アルミナのそれの約８×
10^-6／℃に比べて小さく、シリコンの熱膨張係数
約3.3×10^-6／℃に近い。また機械強度も曲げ強
さで50Kg／mm²以上を有し、アルミナのそれの約20
Kg／mm²に比べると極めて高強度であることが知ら
れている。炭化ケイ素焼結体の熱伝導率は0.1〜
0.3cal／cm・sec・℃でアルミナの約３倍以上の
値を有する。これらの点から、炭化ケイ素は電気
絶縁性の大きいものが開発されると、大規模集積
回路などの絶縁基板用材料として極めて有用であ
る。炭化ケイ素は炭素とケイ素から成る−族化
合物半導体である。このため、電気絶縁性を有す
る高密度焼結体を得ることは困難と考えられてお
り、事実、こうしたものはこれまで見当らなかつ
た。炭化ケイ素は共有結合性の大きい化合物である
ため、硬く強靭で、1500℃以上の高温でも耐酸化
性、耐食性に優れた安定な物質であることは良く
知られているが、この強い共有結合性のため高密
度焼結が困難な材料であつた。そこで高密度炭化ケイ素焼結体を得るために種
種の焼結助剤が用いられてきた。例えば、アルミニウムや鉄を添加してホツトプ
レスすることにより、炭化ケイ素の理論密度の98
％の密度を有する焼結体が得られることが知られ
ている〔Alliegro et al.J.Am.Ceram.Soc.、39、
386〜389（1956）〕。また、ホウ素と炭素を用い
て、ホツ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（特開昭49−
99308号）。これらはいずれもガスタービン用部品
等の耐熱構造材を提供することを目的とするもの
である。これらの焼結助剤を用いた炭化ケイ素焼
結体の熱伝導率の値はいずれも0.4cal／cm・
sec・℃以下である。また、炭化ケイ素にBeを添加して焼結したも
のが、特開昭53−67711号、特開昭55−32796号公
報およびその対応米国特許第4172109号に示され
ているが、これは原料の炭化ケイ素粉末中に0.5
〜５重量％の過剰炭素を含むものを用いて焼結し
た高強度材料に関するもので、とくにこうした過
剰炭素はその焼結体の熱伝導性を著しく損うこと
を発明者らは見い出し、本発明に致つた。本発明の目的は熱伝導率の大きい炭化ケイ素焼
結体を提供するにある。本発明は、酸化ベリリウムがベリリウム量で
0.1〜3.5重量％、アルミニウム0.1重量％以下、ホ
ウ素0.1重量％以下、遊離炭素0.4重量％以下およ
び残部が実質的に炭化ケイ素から成る炭化ケイ素
焼結体にある。不純物として、アルミニウム0.1重量％以下及
びホウ素0.1重量％以下とすることにより、さら
に0.6cal／cm・sec・℃以上の熱伝導率を得るこ
とができる。焼結体の密度を理論密度の90％以上とすること
が好ましい。本発明の焼結体は、焼成状態で炭化ケイ素を主
成分とし、これにベリリウム0.1〜3.5重量％を含
み、室温における熱伝導率が0.4cal／cm・sec・
℃以上になるように不純物を所定量に規制した炭
化ケイ素粉末に、酸化ベリリウムを添加した混合
粉末を高密度に焼成することによつて得られる。
特に、高温で加圧焼成するホツトプレス法が好ま
しい。ベリリウム量が0.1重量％より少ないと室温で
0.4cal／cm・sec・℃以上の熱伝導率を得ること
ができない。一方3.5重量％より多いと焼結体の熱膨張係数
が４×10^-6℃よりも大きくなり、とくに、シリコ
ン半導体素子用の支持体として使用する場合など
に問題となる。上記ベリリウムはBeOとして添加する。添加は
炭化ケイ素粉末にBeO粉末を混合する。このとき
BeOとしては約0.5〜14重量％添加することによ
り焼結体中に0.1〜3.5重量％含ませることができ
る。但し焼結時の雰囲気、温度によつて多小変
る。本発明において重要なことは、炭化ケイ素粉末
中に0.4重量％を越える遊離炭素を含まないこと
である。0.4重量％を越える遊離炭素は熱伝導率
を著しく低下させる。本発明において使用する上記酸化ベリリウムお
よび炭化ケイ素微粉末は、好ましくは平均10μ
ｍ、更に好ましくは２μｍ以下の粒径がよい。焼
結体中にはアルミニウム、ホウ素が所定量以上含
まれないことが望ましいが、両者とも0.1重量％
以下の含有量であれば0.6cal／cm・sec・℃以上
の高熱伝導率が得られる。アルミニウム及びホウ
素が上記より多く含まれると熱伝導率が0.6cal／
cm・sec・℃より小さくなつてしまう。また、熱伝導率が0.5cal／cm・sec・℃以上の
ものを得たいときは、炭化ケイ素はその主成分が
α型SiCである粉末を用いて焼結するのが良い。酸化ベリリウムを含有する炭化ケイ素粉末の焼
結は非酸化性雰囲気がよい。酸化雰囲気では炭化
ケイ素粉末表面が酸化し高密度な焼結体が得られ
にくい。好ましい焼結温度は1850〜2500℃、更に好まし
くは1900〜2300℃である。温度が1850℃より低い
場合には高密度な焼結体が得られにくい。2500℃
より高い場合には炭化ケイ素の昇華が激しく、焼
結体は過焼成になり、緻密な磁器が得られにく
い。焼結時に試料を高圧で加圧するホツトプレス
法では、加圧する荷重は使用するダイスの材質に
よる。黒鉛製のダイスでは約700Kg／cm²まで圧力
を加えることができる。しかし、こうした大きな圧力を加えなくとも高
密度な焼結体を得ることができる。通常の圧力は
100〜300Kg／cm²である。またサブミクロンの粒径
を有する炭化ケイ素粉末を使用することにより、
ホツトプレスしないでも緻密（理論値90％）な焼
結体を得ることができる。焼結時間は原料粉末の
粒径、温度、焼結時に加える荷重により最適値が
決められる。一般的には原料粉末の粒径が小さ
く、温度が高く、焼結時に加える荷重が大きいほ
ど短時間で高密度の焼結体が得られる。実施例１平均粒径２μｍ遊離炭素約0.2重量％、アルミ
ニウム約0.02重量％、ホウ素痕跡の炭化ケイ素粉
末に粒径10μｍ以下の酸化ベリリウム粉末を0.1
〜20重量％添加し混合した。次いで混合粉末を室
温で1000Kg／cm²の圧力を加えて成形体とした。成
形体は1.60〜1.67ｇ／cm³の密度（炭化ケイ素の理
論密度の50〜52％の相対密度）を有する。次に成
型体を黒鉛製のダイスに入れ、減圧度１×10^-5〜
１×10^-3torr中でホツトプレス法により焼結し
た。焼結圧力は300Kg／cm²で、加熱は室温から
2000℃まで約2hで昇温し、2000℃で1h保持した
のち加熱電源を切つて放冷した。圧力は温度が
1500℃以下になつてから解除した。上記によつて
製造した炭化ケイ素焼結体の特性とベリリウムの
含有量との関係を第１図〜第４図に示す。第１図〜第３図の結果より、炭化ケイ素焼結体
に含有するベリリウムの量が0.1〜3.5重量％の範
囲の場合に高密度で高熱伝導率、高電気抵抗率、
低熱膨張係数（４×10^-6／℃以下）を併せ有する
焼結体が得られる。実施例２実施例１と同じ炭化ケイ素粉末に対し酸化ベリ
リウム粉末を４重量％添加した混合粉末をホツト
プレス法により焼結体を得た。このときの焼結体
に含まれるベリリウムの含有量は約１重量％であ
つた。本実施例においてはホツトプレス条件を変
えて焼結体を作製した。第１表は得られた焼結体
の特性とホツトプレス条件との関係を示すもの
で、温度1850〜2500℃、圧力100Kg／cm²以上で焼
結することにより、理論密度の90％以上、
0.4cal／cm・sec・℃以上の熱伝導率、10¹¹Ωcm以
上の電気抵抗率および3.3×10^-6／℃の熱膨張係
数の焼結体を得た。

【表】

【表】第４図は実施例１及び２より相対密度と熱伝導
率の関係を示す線図である。図に示す如く、熱伝
導率は相対密度を90％以上とすることにより
0.4cal／cm・sec・℃以上の値が得られる。図中
の％はベリリウム含有量である。実施例３実施例１と同じ炭化ケイ素粉末を使用し、炭化
ケイ素の焼結体は実施例１と同様に、酸化ベリリ
ウムの添加量を３重量％とし、焼結時の雰囲気を
アルゴンガス、ヘリウムガスおよび窒素ガスを使
用し製造した。得られた焼結体中のベリリウムの
含有量は0.9重量％であつた。その特性は実施例
１のベリリウム含有量１重量％の焼結体とほぼ同
じであつた。実施例４平均粒径が0.2〜2.0μｍの実施例１の炭化ケイ
素粉末に酸化ベリリウムを２重量％添加して混合
したのち、実施例１と同様にしてホツトプレス法
により焼結体を製造した。第２表は炭化ケイ素原
料粉末の平均粒径と得られた焼結体の相対密度の
関係である。焼結体は炭化ケイ素原料粉末の平均
粒径が10μｍ以下であれば相対密度95％以上に緻
密化する。また、相対密度が95％以上に緻密化し
た焼結体は実施例１のベリリウム含有量0.4重量
％の場合と同様な特性を示した。炭化ケイ素原料
粉末の平均粒径が10μｍより大きく、緻密化が十
分進行しなかつた焼結体では熱伝導率が0.2cal／
cm・sec・℃以下、機械的強度が10Kg／mm²以下と
小さい値であつた。

【表】実施例５実施例１と同じ炭化ケイ素粉末に酸化ベリリウ
ム粉末を２重量％添加し、さらに不純物としてカ
ーボンブラツク（粒径0.1μｍ以下の微粉末）を
炭化ケイ素に対して0.3〜１重量％添加して混合
粉末とし、ホツトプレス法により焼結体を得た。
第３表はカーボンブラツクの添加量と該焼結体の
特性との関係を示し、カーボンブラツクの添加量
が0.5重量％を越えると、熱伝導率が急激に低下
し、電気抵抗率10⁶Ω・cmとなる。

【表】実施例６本実施例においては実施例５において不純物と
して添加したカーボンブラツクに換えて窒化アル
ミニウム粉末（粒径２μｍ以下の微粉末）を炭化
ケイ素に添加して混合粉末とした。第４表はアル
ミニウムの含有量と該焼結体の特性との関係を示
し、アルミニウムの含有量が0.1重量％より多く
なると熱伝導率が0.6cal／cm・sec・℃以下及び
電気抵抗率が著しく小さくなる。

【表】実施例７本実施例においては実施例５において不純物と
して添加したカーボンブラツクに換えて窒化ホウ
素粉末（粒径５μｍ以下の微粉末）を炭化ケイ素
に添加して混合粉末とした。第５表はホウ素の含
有量と該焼結体の特性との関係を示し、ホウ素の
含有量が0.1重量％より多くなると熱伝導率が著
しく小さくなる。

【表】第５図は、実施例５、６及び７についてＣ、
Al及びＢ含有量と熱伝導率との関係をまとめて
表わした線図である。図に示す如く、Ｃ、Al及
びＢのいずれも熱伝導率を顕著に低めることが明
白である。比較例１炭化ケイ素粉末に添加剤を加えないで実施例１
と同様にしてホツトプレス法により焼結体を得
た。該焼結体の特性は第７表に示す通りで、緻密
化していないため、熱伝導率、電気抵抗率、機械
的強度のいずれの値も小さい。

【表】熱伝導率、電気抵抗率は室温で測定
熱膨張係数は室温〜300℃の平均値
比較例２炭化ケイ素粉末に添加剤として酸化アルミニウ
ムを２重量％添加混合した。混合粉末は実施例１
と同様にして成形体としたのち、ホツトプレス法
により焼結体を得た。焼結体の特性は第８表に示
す通りで、十分に緻密化し、機械的強度は大きい
が、熱伝導率、電気抵抗率はいずれも小さい値を
示している。また、炭化アルミニウム、窒化アル
ミニウム、リン酸アルミニウムを添加剤として使
用した場合にも第８表に示したものと同様な特性
を示した。

【表】熱伝導率、電気抵抗率は室温で測定
熱膨張係数は室温〜300℃の平均値
実施例９本発明の焼結体からなる電気絶縁基板の具体的
な適用例として、実施例１で得たベリリウム含有
量が0.5重量％の炭化ケイ素焼結体を基板として
用いた半導体パワーモジユールで説明する。第７
図は従来構造の組立断面図である。導体４とヒー
トシンク６及びヒートシンク６と金属支持板８の
間を有機絶縁物５及びアルミナ基板７絶縁し、ま
たシリコン素子１とヒートシンク６との熱膨張係
数の差によるひずみを緩和するためにスペーサ３
を介在させてある。第６図は本発明になる絶縁基
板を用いたモジユールの組立断面図である。基板
１５はシリコン素子１１と直接ろう付されてお
り、非常に簡単な構造を有する。上記半導体装置を−60℃で30分保持したのち室
温にして５分保持し、さらに125℃に昇温して30
分保持するヒートサイクルを加えた。従来法にな
る半導体装置（第７図）は20回のヒートサイクル
で基板にクラツクが発生するとともにハンダ付箇
所にはがれが生じた。本発明になる半導体装置
（第８図）は150回のヒートサイクル後でも異常が
認められなかつた。本発明による炭化ケイ素焼結体は緻密化してお
り、高熱伝導率、高電気抵抗率および低熱膨張係
数を有するという特徴を有する。従つて前述した
如く、半導体装置の基板、耐熱、耐酸化性が要求
される部材、耐熱衝撃性が要求される部材、高温
において高強度が要求される部材として好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はベリリウム含有量と焼結体の相対密度
との関係を示す図、第２図はベリリウム含有量と
焼結体の室温における熱伝導率との関係を示す
図、第３図はベリリウム含有量と焼結体の室温に
おける電気抵抗率との関係を示す図、第４図はベ
リリウム含有量と焼結体の室温〜300℃における
熱膨張係数の平均値との関係を示す図、第５図は
相対密度と熱伝導率との関係を示す線図、第６図
は熱伝導率と不純物量との関係を示す線図、第７
図は従来のシリコン半導体装置の組立断面図、第
８図は本発明のシリコン半導体装置の断面図であ
る。１および１１……シリコン素子、２および１２
……アルミニウムリード線、３……モリブデンス
ペーサ、４および１３……導体、５……有機絶縁
物、６……ヒートシンク、７……アルミナ基板、
８……支持板、９，１０および１４……半田、１
５……炭化ケイ素焼結体基板。

Claims

【特許請求の範囲】

１酸化ベリリウムがベリリウム量で0.1〜3.5重
量％、アルミニウム0.1重量％以下、ホウ素0.1重
量％以下、遊離炭素0.4重量％以下および残部が
実質的に炭化ケイ素から成ることを特徴とする高
熱伝導性炭化ケイ素焼結体。