JPS631267B2 - - Google Patents

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JPS631267B2
JPS631267B2 JP56197133A JP19713381A JPS631267B2 JP S631267 B2 JPS631267 B2 JP S631267B2 JP 56197133 A JP56197133 A JP 56197133A JP 19713381 A JP19713381 A JP 19713381A JP S631267 B2 JPS631267 B2 JP S631267B2
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Kunihiro Maeda
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、新規な電気絶縁基板係り、特に熱伝
導性の良い炭化ケイ素焼結体から成る電気絶縁基
板に関する。 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ツプが高密度
に搭載されるようになつてきた。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
まり良くないので、要求に対して不満足である。
一方、炭化ケイ素焼結体は、熱膨張係数が約4×
10-6/℃で、アルミナの熱膨張係数約8×10-6/
℃に比べて小さく、シリコンの熱膨張係数3.8×
10-6/℃に近い。また、その熱伝導率は0.1〜
0.3cal/cm・sec・℃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、焼結しにくく、ち密な焼結
体が得られにくい欠点がある。そこで、ち密な焼
結体を得るために、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、高密度の焼結体が
得られることが知られている〔Alliegro et al.J.
Am.Cer.Soc.、39、386〜389(1956)〕。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)。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
(特開昭53―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(特開昭55―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、ビスマ
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(特開昭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あり、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、熱伝導性の大きい炭
化ケイ素焼結体から成る電気絶縁基板を提供する
ことにある。 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
拡散しにくい第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の元素はベリリウムで酸化ベリリウムが良
い。その配合量は0.05〜10重量%が好ましい。 第2の元素は、金属、その化合物が好ましく、
1種又は合計で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1.0cal/cm・s・℃
と大きく、無機材料の中ではダイヤモンドに次く
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くフオノンにより伝達さ
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。したがつて、焼結時に
炭化ケイ素粒子中に拡散して入り易いような添加
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
ヤリアの増加をもたらすため、結晶粒子中の電気
伝導性がよくなり、焼結体の絶縁性が低下する。 更に焼結体はち密で気孔の少ないほど、気孔及
び粒界におけるフオノンの散乱が少なく、熱伝導
性がよいことになる。 本発明のリチウム、ナトリウム、カリウム、ル
ビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウ
ム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、
イツトリウム、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、イツトリビウム、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、ラジウム、ニオブ、ロジウム、
シリコン、アンチモン、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、ニツケル、銅、銀、金、亜鉛、カドミウ
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くく、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種または1種以上を炭化ケイ素に混合し、
焼結した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、特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0.01〜10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には、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。 酸化ベリリウムの量は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4×10-6/℃より小さく熱膨張
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、ヒートシヨツ
クによる破壊に対する高抵抗を得るには、10重量
%以下が好ましい。 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。したがつて、炭化ケイ素に混合する添加物
は低融点の材料が入つていてもよい。 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つては高密度で、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、焼結体は粒子成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1μm以下
の酸化マグネシウム粉末1.0重量%を加え、更に
酸化ベリリウム1.0重量%を加え、混合した。次
いで該混合粉末を室温で1000Kg/cm2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、1×10-5〜1×10-3Torrの真空中でホツト
プレスした。ホツトプレス時の圧力は300Kg/cm2
で、加熱は室温から2000℃まで約2hで昇温し、
2000℃で1時間保持したのち加熱電源を切つて放
冷した。得られた焼結体の特性は第1表のNo.1に
示すように相対密度98%、熱伝導率0.5(cal/
cm・sec・℃)、熱膨張率3.4×10-6/℃であり、
1010Ω・cm以上の抵抗を示した。No.2〜No.57につ
いても上述と同様な製造方法で焼結体を得た。No.
17のようにAl2O3が混合された試料は熱伝導率が
0.2cal/cm・s・℃と小さい。No.27、No.33のよう
に酸化ベリリウム(BeO)が少ない試料は相対
密度が小さく、熱伝導率が低い。No.38、No.39、No.
40の酸化ベリリウムを含まぬ試料は相対密度が小
さいか、または熱伝導率が0.2cal/cm・s・℃以
下である。BNを含むものは、電気絶縁性を有す
る。No.32、No.37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4.0×
10-6/℃をこえてしまい、Si半導体装置用の基板
としてはやや不適当なものになる。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つていた。本
発明の相対密度90%以上のものは107Ω・cm以上
の電気抵抗率であつた。 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、酸化ベリリウム
(BeO)0.05〜10重量%を加え混合した。該混合
粉末を1000Kg/cm2の圧力で成形体とし、この成形
体をアルゴン雰囲気中で2100℃で1時間焼成し
た。得られた焼結体は表面がややSiC粒子が成長
し、粗粒になつていたが研摩により粗粒部を取り
のぞいた。これらのものの相対密度は90%以上で
あつた。同じもので比較し、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
〜4.0×10-6/℃であつた。実施例1と同様に本
発明の相対密度90%以上のものは、107Ω・cm以
上の抵抗率を有していた。
【表】
【表】
【表】 実施例 3 第1図は、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No.1の組成のものである。SiC焼結体
絶縁基板1の下部に金属製放熱フイン2を半田層
3で密着し、上面にはトランジスタペレツト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ペレツト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
量アツプまたは集積密度を高めることができる。 本発明の基体は熱膨脹係数がシリコンチツプの
熱膨脹係数に近似しているため、従来アルミナ基
板では不可能であつた大型チツプの基板への直接
接合が可能である。また、基板は熱的機械的特性
がすぐれているので、例えば電気装置製造時のろ
う付、溶接など各種の熱的、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、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り、ポリイミドフイ
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力抑える必要があ
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…SiC絶縁基板、2,29…金
属製放熱フイン、3…半田層、4,13,24…
シリコンペレツト、5…厚膜抵抗体、6,15,
26…ボンデイングワイヤ、7…パワートランジ
スタペレツト、8…金属製ヒートシンク、9…回
路導体、12,22…キヤツプ、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。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 酸化ベリリウム0.05〜10重量%、リチウム、
    ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、
    マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バ
    リウム、ラジウム、スカンジウム、イツトリウ
    ム、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、イツトリビウム、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、ニオブ、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、ロジウム、イ
    リジウム、アメリシウム、パラジウム、白金、コ
    バルト、ニツケル、銅、銀、金、亜鉛、カドミウ
    ム、ガリウム、インジウム、タリウム、シリコ
    ン、ゲルマニウム、錫、鉛、アンチモンまたはこ
    れらの無機化合物から選ばれる1種以上の0.01〜
    10重量%、および残部炭化ケイ素の焼結体から成
    り、電気抵抗率が107Ω・cm以上であることを特
    徴とする電気絶縁基板。
JP56197133A 1981-12-07 1981-12-07 電気絶縁基板 Granted JPS5899172A (ja)

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DE8282306475T DE3273066D1 (en) 1981-12-07 1982-12-06 Electrically insulating silicon carbide sintered body
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