CN1139117C - 氮化硅电路板 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属电路板粘接到具有热导率不小于60W/m·K的高导热氮化硅基片上的氮化硅电路板，其中高导热氮化硅基片的厚度D_s和所说金属电路板的厚度D_M满足关系式D_s≤2D_M。该氮化硅电路板的特征在于：当一负荷作用在支撑在50mm的支撑间隔处的电路板的中心部位直到所说氮化硅基片折断时，电路板的最大挠度不小于0.6mm。该氮化硅电路板的特征在于：对支撑在50mm的支撑间隔处的所说电路板进行抗折断试验，所说电路板的抗折断强度不小于500MPa。用直接键合法、活性金属钎焊法或金属化法将金属电路板或电路层整体地粘接在氮化硅基片上。上述配置的氮化硅基片，能够获得高热导率和极好的热辐射特性，并且能大大提高耐热循环特性。

Description

氮化硅电路板

技术领域

本发明涉及一种用于半导体器件等的氮化硅电路板，特别涉及一种其热辐射特性和机械强度可同时得到改善且其耐热循环特性得到改善的氮化硅电路板。

在本发明中，使用一种有60W/m·K以上的热导率(热传导率)的高强度氮化硅基片来改进电路板，由此有可能形成薄电路板。电路板厚度减小时，便能获得小型化高精度的电路板，并能减少原材料花费。与常规电路板相比，该电路板的最大挠性和抗折断强度能得到了很大改善。因此，当将电路板安装或组装进半导体器件等时，电路板不容易折断，并且能很大程度地改善半导体器件的成品率。当应用有高强度、有极好热辐射性和高热导率的氮化硅基片时，便还能制造一种其中能安装多个半导体元件或芯片的高热量型和宽面型电路板(例如MCM：多芯片模块)。

背景技术

以前普遍应用的电路板是用粘接材料将导电的金属电路层粘接到有极好的绝缘特性的烧结体的陶瓷基片，如氧化铝(Al₂O₃)的表面，再将半导体元件安装在金属电路层的预定部位。

以氮化硅作主要组分的陶瓷烧结体在1000℃以上的高温环境中具有极好的耐热性和极好的耐热冲击性。因此，作为能被一种常规的超耐热合金代替的一种高温结构材料，这种陶瓷烧结体被试图用于诸如燃气轮机部件、发动机部件或制钢用的机械部件等各种难熔耐热部件。另外，由于陶瓷烧结体相对于金属来说有高耐熔蚀性，所以人们试图将陶瓷烧结体用作熔融金属的耐熔材料。由于这种陶瓷烧结体有高耐磨性，所以人们试图将它实际应用于如轴承的滑动部件或切割工具等。

关于常规氮化硅陶瓷烧结体的如下组成的是公知的，即，将诸如氧化钇(Y₂O₃)氧化铈(CeO)或氧化钙(CaO)等稀土元素或碱土元素的氧化物作为烧结助剂，添加到氮化硅材料粉末中。利用这种烧结助剂，能改善烧结特性，并能实现高密度和高强度。

常规的氮化硅烧结体是按下述方法制成的，即，将上述欲浇注的烧结助剂添加到氮化硅原料粉末中，在烧结炉中，将浇注的材料在大约1600℃至2000℃的温度下烧结预定时间，然后在炉中冷却。对所得烧结体进行研磨和抛光处理。

然而，上述方法制造的氮化硅烧结体中，虽然其如韧性或弹性等的机械强度极好，但与诸如氮化铝(AlN)烧结体、氧化铍(BbO)烧结体和碳化硅(SiC)烧结体等其它烧结体相比，其热导率大大下降。因此，实际上没有用氮化硅烧结体作如需要热辐射特性的半导体电路板等的电子材料，并且氮化硅烧结体的应用范围相当窄。

由于与其它陶瓷烧结体相比，氮化铝(AlN)烧结体有高热导率和低热膨胀系数，所以已普遍采用氮化铝烧结体作安装所研制的高速、高输出功率、多功能和大尺寸半导体元件(芯片)的电路板部件或封装材料。然而却无法获得有足够机械强度的AlN烧结体。因此，在封装电路板的过程中会发生损伤，而且封装过程变得很麻烦，从而降低了半导体器件的生产效率。

更具体地说，在封装过程中，用螺丝等将包含如以氮化铝烧结体或氧化铝烧结体等作主要成分的陶瓷基片的电路板固定于封装板时，由处理过程中螺丝的挤压力或冲击引起的轻微的变形会导致电路板受损伤，并且半导体器件的成品率会大为降低。

因此，不容易形成有大基片面积的大电路板。在组装半导体器件过程中，根据所需功能的数量，会在器件主体中分别安装大量电路板。因此，安装过程变得很麻烦，并且半导体器件的生产效率降低。

因此，需要有耐外力的高机械强度、高韧性或弹性、高输出功率和适应高发热的极好的热辐射特性的电路板。

在由金属电路层和如半导体元件等发热部件相互一体地粘接在氮化铝基片的表面上所形成的电路板中，氮化铝基片自身的机械强度和韧性是不够的。因此，电路板承受重复的热循环，从而导致靠近金属电路层的粘接部分的氮化铝基片容易发生龟裂。因此，耐热循环性和可靠性下降。

在用如具有高热导率的氮化铝陶瓷基片来制造电路板时，为了保证一定的强度和高介电强度，必须用厚氮化铝基片。因此，不管AlN基片的热导率的高低，整个电路板的热阻增加。因此，无法得到与热导率成正比的热辐射性。

为满足上述需要产生了本发明，因此，本发明的目的是提供一种氮化硅电路板，该氮化硅电路板利用了氮化硅烧结体原有的高强度和高韧性，并具有高热导率、极好的热辐射性和有很大改善的耐热循环性。

本发明的另一目的是提供一种氮化硅电路板，该氮化硅电路板具有高热导率、极好的热辐射性和有很大改善的耐热循环性，并且在组装过程中，改善了对半导体器件来说的组装或封装特性。

发明的公开

为了实现以上目的，本发明者研究了满足强度和韧性而不降低电路板的热辐射性(热导率)的基片材料，并研究了防止在组装电路板过程中产生夹紧龟裂或由施加热循环而产生的龟裂的对策。结果有以下发现，本发明正是基于这些发现完成的。

即，适当控制基片材料的组成和制造条件，便能得到具有高热导率的氮化硅烧结体。用氮化硅烧结体作基片材料，在基片表面上整体地形成如金属电路板的电路层，并使基片的厚度与金属电路板的厚度成预定比例以下，由此形成电路板。在这种情况下，由于基片的厚度可以减薄，所以可有效地减少组装过程中电路板的夹紧龟裂等，并能大大改善耐热循环性和电路板的热辐射性。本发明电路板的挠度或抗折断强度高于由氮化铝构成的电路板的挠度或抗折断强度。

关于基片材料自身，本发明者研究了通常所用的氮化硅粉末的种类、烧结助剂或添加剂的种类和添加量以及烧结条件，并研制了有常规氮化硅烧结体的热导率两倍以上的热导率的氮化硅烧结体。另外，可由实验来证实下面这一切。即，用该氮化硅烧结体作基片材料，并将导电的金属电路板整体地粘接到制造电路板的基片材料的表面上，便可以获得满足机械强度、韧性或弹性、耐热循环性和热辐射性条件的电路板。

将多个半导体元件安装在单个基片上，来制造大面积电路板，实验表明可以获得满足上述特性和组装或封装特性的氮化硅电路板。

关于基片材料自身，向高纯度的氮化硅粉末添加预定量的稀土元素氧化物等，便得到原料混合物，将原料混合物成型并脱脂，使所得成型体在预定温度下保持预定时间，并烧结成高密度，以低于预定速率的冷却速率，使所得物体冷却。研磨和抛光所得烧结体，以制造氮化硅烧结体。在此情况下，发现氮化硅烧结体的热导率是常规氮化硅烧结体的两倍以上，即，60W/m·K以上，并具有使三点弯曲强度为650Pa以上的高强度和高韧性或弹性，从而研制出满足热辐射特性和强度特性的新颖的氮化硅材料。当按本发明将这种氮化硅材料用作电路板时，发现可以同时改善热辐射性、耐用性和耐热循环性。

下面说明本发明的氮化硅烧结体。其中使用适量的防止高热导的诸如氧化物或Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn或B等特定杂质阳离子元素的高纯度氮化硅原料粉末，并在上述条件下烧结该氮化硅原料粉末。在此情况下，可有效地抑制在晶界相中产生玻璃相(非晶相)，并使在晶界相中的晶体复合物为20vol％以上(相对于整个晶界相而言)，最好为50vol％以上。结果，即使只给原料粉末添加稀土元素氧化物，也可得知能够得到有60以上，更具体说为80W/m·K以上的高热导率的氮化硅烧结基片。

通常，完成烧结操作后，如果切断加热烧结炉的电源以冷却烧结炉中的烧结体，则冷却速率高，即，每小时400-800℃。根据本发明者的实验，如果将冷却速率控制到每小时100℃以下，最好为每小时50℃以下，会发现以下事实，即，氮化硅烧结体结构的晶界相从非晶态变为包含晶相的相，并会同时获得高强度和高热导率。

本发明者已将具有60W/m·K以上的高热导率的氮化硅烧结体本身提出专利申请，并已公开于日本未审查专利公开No.6-135771和7-48174中。该专利申请中所述氮化硅烧结体含作氧化物的2.0-7.5wt％的稀土元素。用于本发明的氮化硅烧结体本身包括这种氮化硅烧结体。

本发明者已改善和检验了这种氮化硅烧结体。结果是，如果一种氮化硅烧结体含作氧化物的大于7.5wt％的稀土元素，那么该烧结体的热导率会进一步增强，并能获得最佳烧结特性。

因此，最好利用含有大于7.5wt％的稀土元素的烧结体。如果稀土元素是镧系元素，则上述效果会更显著。此时，如果晶体复合物在整个晶界相中的比例为60％-70％，那么烧结体能够具有110-120W/m·K以上的高热导率。

尽管该新颖的氮化硅烧结体本身具有高热导率，但这个热导率比起实际所用的优质氮化铝烧结体的热导率来说是比较低的。然而，氮化硅烧结体自身的高强度和高韧性不会下降。

考虑到电路板各部件所需要的特性，例如，在需要高强度特性的电路板的那部分配置氮化硅烧结体，在如直接在其下安装半导体元件且需要热辐射特性的电路板的那部分配置有高热导率的AlN烧结体，由此制造复合基片。另外，如果将氮化硅烧结体和AlN烧结体相互层叠，也能制造复合基片。

用满足高强度特性和高热导率的氮化硅烧结体作基片材料，并将金属电路板整体地粘接到基片材料的表面，由此形成电路板。这样便能改善整个电路板的韧性和热导率。具体说，发现以此可有效地防止电路板组装过程中的夹紧龟裂和由施加热循环而产生的龟裂。

由于氮化硅烧结体有高强度、高热导率和极好的介电强度，如果用氮化硅烧结体作电路板的基片材料，那么基片的厚度可以薄于常规基片。由于基片厚度减薄，所以可减小整个电路板的热阻，并发现由于基片材料本身的高热导率，能够随之改善电路板的热辐射特性。

此时，如果用该氮化硅烧结体作基片材料，即使利用含100-1000ppm氧的韧电解铜或有表面氧化层的铜作金属电路板，仍不能容易地将金属电路板粘接到氮化硅烧结体上。从理论上来说，例如，如日本未审查专利申请公开No.52-37914所述，必须以预定温度加热来产生熔融的共晶体，由此把基片材料粘接到金属电路板上。然而，实际上基片材料和金属电路板无法相互粘接。

对于此问题，本发明者认为基片材料和金属电路板不能相互粘接的原因如下，即，尽管可以在直接键合操作中，以预定温度加热来产生熔融的共晶体(如果是铜，温度为1065℃-1083℃)，但所产生的熔融的共晶体和氮化硅烧结体之间的浸润性很差。

基于上述认识，为了改善加热过程中熔融的共晶体和氮化硅烧结体之间的浸润性，在氮化硅烧结体(基片)表面上形成厚为0.5-10μm的氧化层后，以预定温度加热，能将氮化硅烧结体粘接到含100-1000ppm氧的韧电解铜、在其表面上有形成氧化层的铜等类似物上。

此时，如果在氮化硅基片上只形成氧化层，便能进行直接键合。另外，有如下发现，即，即使金属电路板由含100-1000ppm氧的韧电解铜构成，如果在铜电路板的表面上预先形成有预定厚度的氧化铜层，则会进一步改善氮化硅基片和铜电路板间的粘接，并且还会进一步改善电路板的耐久性。

在用喷沙工艺等使氮化硅表面变粗糙，以使表面具有用5.0-10.0μm的中心线平均高度(Ra)表示的表面粗糙度时，其基片和金属电路板间的粘接强度高于在氮硅基片的表面平滑时的粘接强度。所以最好使氮化硅表面粗糙化。

本发明是基于上述认识而完成的。更具体说，本申请的第一个发明提供一种氮化硅电路板，其中金属电路板粘接在有60W/m·K以上的高热导率的氮化硅基片上，其特征是，如果由D_S代表高导热的氮化硅基片厚度，由D_M代表金属电路的厚度时，则满足关系式D_S≤2DM。

可通过至少含选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的一种活性金属的金属粘接层，将金属电路板粘接到有高热导率的氮化硅基片上。也可以通过氧化层将金属电路板直接键合到有高热导率的氮化硅基片上。

在氮化硅电路板中，有高热导率的氮化硅基片的厚度D_S和金属电路板的厚度D_M最好满足关系式D_M≤D_S≤(5/3)D_M。

本申请的第二发明提供一种电路层被整体地粘接到有60W/m·K以上的高热导率的氮化硅基片上的氮化硅电路板，其特征是，当在支撑在50mm的支撑间距上的电路板中心部分施加负荷，直到氮化硅基片折断为止时，电路板的最大挠度为0.6mm以上。

本申请的第三发明提供一种电路层被整体地粘接到有60W/m·K以上的高热导率的氮化硅基片上的氮化硅电路板，其特征是，当对支撑在50mm的支撑间距上的电路板进行抗折断实验(横向强度实验)时，其抗折断强度为500MPa以上。

较好是将高导热的氮化硅基片的厚度定为0.8mm以下，最好为0.5mm以下。电路层为一铜电路板，并且可以用Cu-O共晶复合物直接将该铜电路板粘接到氮化硅基片上。电路层可以是铜电路板，并且可以通过至少包含选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的一种活性金属的活性金属粘接层(活性金属保留不变焊层)，将铜电路板粘接到氮化硅基片上。电路板可包含W或Mo的难熔金属的金属化层和至少选自Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的一种活性金属。

本发明的高导热氮化硅基片的特征在于，它是由含作氧化物的2.0-17.5wt％的稀土元素和作杂质阳离子元素的总量在0.3wt％以下的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B的氮化硅烧结体构成。

根据另一种表述，本发明的高导热氮化硅基片是由含作氧化物的2.0-17.5wt％的稀土元素的氮化硅烧结体构成的，该烧结体由氮化硅晶相和晶界相构成，并且晶化复合相在整个晶界相中所占比例为20％以上。

最好是用由氮化硅晶相和晶界相构成的氮化硅烧结体，来构成高导热氮化硅基片，并且晶化复合相在整个晶界相中所占比例为50％以上。

根据本申请的第四发明，氮化硅电路板的特征是，在高导热氮化硅基片上形成厚为0.5-10μm的氧化层，该高导热氮化硅基片含作杂质阳离子元素的总量为0.3wt％以下的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B，并且具有60W/m·K以上的热导率，金属电路板通过氧化层被直接键合到氮化硅基片上。

如果用高导热氮化硅基片来表示本申请的第四发明的氮化硅电路板，则该氮化硅电路板的特征可限定为，在高导热氮化硅基片上形成厚为0.5-10μm的氧化层，该高导热氮化硅基片是由氮化硅晶粒和晶界相构成的，晶化复合相在整个晶界相中所占比例为20％以上，并且具有60W/m·K以上的热导率，金属电路板通过氧化层被直接键合到氮化硅基片上。

即使金属电路板是由含100-1000ppm氧的韧电解铜构成，但为了改善粘接强度，金属电路板最好是由在其表面上有厚为1.0μm以上的氧化铜层的铜电路板构成。

在这种情况下，如果金属电路板为铜电路板，那么在直接键合法中最好用氧作粘接剂。此时由Cu-O共晶复合物将该铜电路板粘接到氮化硅基片上。如果金属电路板是铝电路板，那么在直接键合法中最好用铝作粘接剂，此时由Al-Si共晶复合物将该铝电路板粘接到氮化硅基片上。

本申请的第五发明提供一种氮化硅电路板，其中电路层粘接在高导热氮化硅基片上，该氮化硅基片含作氧化物的2.0-17.5wt％的稀土元素和作杂质阳离子元素的总量为0.3wt％以下的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B，并且具有60W/m·K以上的热导率，其特征在于：多个半导体元件借助电路层安装在高导热的氮化硅基片上。

如果本申请的第五发明的氮化硅电路板用高导热的氮化硅基片来表述，那么该氮化硅电路板可限定为其特征在于：电路层粘接在高导热的氮化硅基片上，该氮化硅基片含作氧化物的2.0-17.5wt％的稀土元素和作杂质阳离子元素的总量为0.3wt％以下的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B，且它是由氮化硅晶相和晶界相构成的，其热导率为60W/m·K以上，多个半导体元件通过电路层安装在高导热的氮化硅基片上。

该高导热的氮化硅基片最好是由以2.0-17.5wt％的稀土元素作氧化物且由氮化硅晶相和晶界相构成的氮化硅烧结体构成，其中晶化复合相在整个晶界相中所占比例为50％以上。

本申请的第六发明提供一种复合氮化硅电路板，其特征在于：在同一平面上配置具有60W/m·K以上的高热导率的氮化硅基片和氮化铝基片，金属电路板借助形成在高导热的氮化硅基片和氮化铝基片表面上的氧化层，粘接在高导热的氮化硅基片和氮化铝基片上。

最好借助形成在高导热的氮化硅基片和氮化铝基片背面上的氧化层，将金属电路板粘接到高导热的氮化硅基片和氮化铝基片上。最好借助氧化层将金属电路板直接键合到高导热的氮化硅基片和氮化铝基片的两表面上。

更具体地说，在本发明的复合氮化硅电路板中，将有极好导热性的氮化铝基片与有高强度和高韧性的氮化硅基片结合，有可能获得有上述特性的复合氮化硅电路板。可将氮化硅基片和氮化铝基片的配置状态大体上分为两种类型，即，其中两基片在同一平面上相邻设置和其中两基片相互层叠成夹层结构的状态。在需要时，两种状态皆可用。

例如，当将有高强度和高韧性的氮化硅基片置于有极好热导率的氮化铝基片的表面上，并且直接在由有高强度和高韧性的氮化硅基片构成的表面部分施加机械压力、机械应力等时，便能抑制组装过程中的夹紧龟裂或由施加热循环而产生的龟裂。由于氮化铝基片的热导率，所以能保持高热导率。

本申请的第六发明的复合氮化硅电路板可表述成其特征在于：在同一平面上设置有60W/m·K以上的高热导率的氮化硅基片和氮化铝基片，金属电路板借助金属粘接层，粘接在高导热的氮化硅基片和氮化铝基片上，该金属粘接层形成在高导热的氮化硅基片和氮化铝基片表面上，并至少含选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的一种活性金属。

最好借助形成在高导热的氮化硅基片和氮化铝基片背面上的金属粘接层，将金属板粘接到高导热的氮化硅基片和氮化铝基片上。最好使金属电路板的厚度大于金属板的厚度。借助金属粘接层，将金属板粘接到高导热的氮化硅基片和氮化铝基片上。另外，最好借助金属粘接层，将至少一种金属电路板粘接到高导热的氮化硅基片和氮化铝基片上。

本申请的第七发明提供一种通过层叠60W/m·K以上的高热导率的氮化硅基片和氮化铝基片构成的复合氮化硅电路板，其特征在于：氮化铝基片夹在氮化硅基片中，并借助至少含有选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的一种活性金属的金属粘接层与氮化硅基片粘接。

在这种情况下，氮化铝基片和氮化硅基片是利用活性金属粘接法、玻璃粘接法或直接键合法作为金属板的粘接法相互整体地粘接的。最好使氮化铝基片的厚度大于高导热的氮化硅基片的厚度。

对于氮化硅基片与金属电路板的粘接法，不能用如焊料等的粘接剂，但可以用在氮化硅基片表面形成氧化层并直接键合金属电路板的方法。当金属电路板为铜电路板时，使用含100-1000ppm氧的韧电解铜，两部件可直接在铜和氧化铜间的共晶复合物界面上相互粘接(DBC)法。更具体地说，在DBC法中，最好使用形成共晶复合物所需要的含氧韧电解铜。

对另一种粘接方法，可以用以下方法，即，不在氮化硅基片表面上形成氧化层，而是利用以活性金属作粘接剂的金属粘接层，使氮化硅基片与金属电路板相互粘接。在这种情况下，金属电路板不必含氧，而是由无氧铜、磷酸铜或电解铜构成。

为了改善氮化硅基片的热导率，最好用镧系元素作上述的稀土元素。

高热导性氮化硅基片可以包含1.0wt％以下的氮化铝和氧化铝二者中的至少一种。高导热氮化硅基片可以包含1.0wt％以下的氧化铝与1.0wt％的氧化铝。

用于本发明的高导热氮化硅基片最好含作氧化物的0.1-3.0wt％的选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W组成的集合中的一种元素。通过向氮化硅中添加作氧化物、碳化物、氮化物、硅化物或硼化物的所选元素，使高导热氮化硅基片可包含选自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W组成的集合中的一种元素。

本发明所用的高热导性氮化硅基片是由下述方法制造的。即，将含作氧化物的2.0-17.5wt％的稀土元素和1.0wt％以下所需要的氧化铝和氮化铝中的至少一种的原料混合物添加到氮化硅粉末中，其中氮化硅粉末包含1.7wt％以下的氧、总量为0.3wt％以下的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B作杂质阳离子元素和90wt％以上的α-相型硅，并且平均粒径为1.0μm以下，将该氮化硅粉末成型，制成成型体。在1800-2100℃温度的气氛中，将所得成型体脱脂、压缩和烧结。并以100℃/小时以下的速率冷却烧结体，以使烧结温度降至烧结中由稀土元素形成的液相固化的温度。

用上述制造方法中，可以将0.1-0.3wt％的选自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W的氧化物、氮化物、硅化物和硼化物组成的集合中的至少一种添加到氮化硅粉末中。

根据上述制造方法，可得到下面的氮化硅烧结体，即，该氮化硅烧结体具有极好的机械特性和极好的热导率，在氮化硅晶体结构中形成含稀土元素等的晶界相，在室温下，孔隙率为2.5％以下，热导率为60W/m·K以上，三点弯曲强度为650MPa以上。

至于用于本发明的高导热氮化硅基片的主要成分的氮化硅粉末，考虑到烧结特性、强度和热导率，最好用下面的细氮化硅粉末。即，氮化硅粉末含1.7wt％以下，最好为0.5-1.5wt％的氧，总量为0.3wt％以下，最好为0.2wt％以下的诸如Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B等杂质阳离子元素，以及90wt％以上，最好为93wt％以上的α-相型硅，并且平均粒径为1.0μm以下，最好为0.4-0.8μm。

当使用平均粒径为1.0μm以下的细原料粉末时，即使使用少量的烧结助剂，也能形成孔隙率为2.5％以下的致密烧结体。另外，减少了由烧结助剂引起的热导率退化的可能性。

由于如Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B之类的杂质阳离子元素是使热导率退化的材料，所以为了保证热导率在60W/m·K以上，必须使杂质阳离子元素的总量在0.3wt％以下。因为同一个理由，最好使杂质阳离子元素的总量在0.2wt％以下。在这种情况下，由于用于获得普通氮化硅烧结体的氮化硅粉末含有较大量的Fe、Ca和Mg，杂质阳离子元素的总量主要是根据Fe、Ca和Mg的总量而定。

当使用含90wt％的烧结特性优于β-相型氮化硅的α-相型氮化硅的氮化硅原料粉末时，便能制造高密度烧结体。

对于添加到氮化硅原料粉末中作烧结助剂的稀土元素，使用的是Ho、Er、Yb、Y、La、Sc、Pr、Ce、Nd、Dy、Sm或Gd的氧化物。在烧结操作中，氮化硅原料粉末可以含一种氧化物或一种两种或多种氧化物的复合物。具体说，最好用氧化钬(Ho₂O₃)或氧化铒(Er₂O₃)。

当用如Ho、Er和Yb等镧系元素作稀土元素时，烧结特性或热导率变得极好，并能在约1850℃的低温区，得到足够致密的烧结体。因此，可以减少烧结设备的设备费用和运转费用。这些烧结助剂使氮化硅原料粉末反应，产生液相，并起烧结加速剂的作用。

规定添加到氮化硅原料粉末中作氧化物的烧结助剂的量相对于原料粉末为2.0-7.5wt％。当该量小于2.0wt％时，烧结体的密度不够大。具体说，当稀土元素为如大原子量的镧系元素时，所形成的烧结体强度低、热导率低。另一方面，当该量超过17.5wt％，为超量时，产生超晶界相，并且烧结体的热导率或强度开始下降。因此，规定该量在上述范围内。同样理由，最好规定该量为4-5wt％。

在上述制造方法中，作为其它可选择附加成分的Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W的氧化物、氮化物、硅化物和硼化物，起促进稀土元素烧结加速剂的作用，并且具有加强在晶体结构中散布以改善Si₃N₄烧结体的机械强度的功能。特别是，最好使用Hf和Ti化合物。当这些化合物的量小于0.1wt％时，添加效果不够明显。另一方面，当该量超过3.0wt％为超量时，热导率、机械强度和电介质击穿强度降低。因此，规定该量在0.1-0.3wt％范围内。具体说，最好规定该量为0.2-2wt％。

Ti、Zr、Hf之类的化合物还起着使氮化硅烧结体变为黑色使之不透明的光掩蔽剂的作用。因此，在制造在其上装配容易由于光而产生错误操作的集成电路或类似物的电路板时，将上述的Ti之类的化合物适当地加进烧结体中，可优选地制造出具有极好的遮光特性的氮化硅基片。

在上述制造方法中，作另一选择附加成分的氧化铝(Al₂O₃)具有促进稀土元素烧结加速剂作用的功能，并在进行加压烧结的操作中具有很明显的效果。如果Al₂O₃的量小于0.1wt％，则烧结体的密度不够大。另一方面，如果该量超过1wt％，为超量就会产生超晶界相，或Al₂O₃在氮化硅中为固溶，从而降低了热导率。因此，应使Al₂O₃的量为1wt％以下，较好是在0.1-0.75wt％，为了确保最佳强度和热导率，最好使该量为0.1-0.6wt％。

如果将Al₂O₃与AlN一起使用(将在后文中说明)，这些化合物的总量最好为1wt％以下。

作另一附加组分的氮化铝(AlN)可抑制烧结过程中的氮化硅蒸发，并具有促进稀土元素烧结加速剂作用的功能。

如果AlN的量小于0.1wt％(当AlN与氧化铝一起用时0.05wt％)，烧结体的密度容易不够大。另一方面，如果该量超过1wt％为超量，就会产生超晶界相，或AlN在氮化硅中为固溶，从而降低了热导率，所以应使AlN的量为0.1-1wt％。具体说，为了确保最佳强度和热导率，最好使该量为0.1-0.5wt％。如果将Al₂O₃与AlN一起使用，最好使AlN的量为0.05-05wt％。

由于烧结体的孔隙率对热导率和强度有很大影响，所以应使烧结体的孔隙率为2.5％以下，最好为0.5％以下。如果孔隙率超过2.5％，就会影响热导率，烧结体的热导率下降，并且烧结体的强度下降。

虽然氮化硅烧结体是由氮化硅晶相和晶界相构成，但晶化复合相与晶界相的比会对烧结体的热导率有很大影响。本发明所用的高导热氮化硅基片中，必须使该比为20％以上，最好使该比为50％以上。如果晶相比低于20％，则不会获得有极好热导率和极好高温强度且热导率为60W/m·K以上的烧结体。

为了使氮化硅基片的孔隙率为2.5％以下，或使形成在氮化硅晶体结构中的晶相与晶界相的比为20％以上，重要的是在1800-2100℃温度下把氮化硅成型体加压烧结2-10小时，并在烧结完成后立即使成型体的冷却速率为100℃/小时以下。

如果使烧结温度设定低于1800℃，则烧结体的密度不够大，致使孔隙率变为2.5vol％以上，因而降低了烧结体的机械强度和热导率。另一方面，如果使烧结温度高于2100℃，则氮化硅组分自身容易蒸发和分解。如果不在加压气氛下进行烧结，而是在大气压下烧结，则氮化硅在1800℃时开始分解并蒸发。

烧结完成后立即冷却的冷却速率是控制晶化晶界相的重要因素。当以超过100℃/小时的速率进行快速冷却时，烧结体结构的晶界相变为非晶相(玻璃相)，在烧结体中产生的液相与作为晶相的晶界相之比变成低于20％，所以强度和热导率皆下降。

将实际调节冷却速率的温度范围设定在从预定的烧结温度(1800～2100℃)到使由烧结助剂的反应而产生的液相固化的温度范围。使用烧结助剂时的液相固化点大约在1600-1500℃。将至少从烧结温度到液相固化的温度间的冷却速率控制在100℃/小时以下，较好在50℃/小时以下，最好在25℃/小时以下，较好在20％以上、最好为50％以上的晶界相变成晶相。于是可以获得有极好热导率和极好机械强度的氮化硅基片。

利用例如以下工艺，来制备本发明所用的高导热氮化硅基片，即，将预定量的烧结助剂、如有机粘合剂等必须的添加剂及如果必要再添加的Al₂O₃、AlN、Ti、Zr或Hf加到有预定颗粒尺寸并含少量杂质成分的细氮化硅粉末中，制备原料混合物。将所得原料混合物成型，获得预定形状的成型体。关于使原料混合物成型的方法，可以利用一般的金属模(片)压法或如刮片法的薄片成型法。

上述成型操作后，在非氧化气氛中以600-800℃或在空气中以400-500℃把成型体加热2小时，从而充分去除预先加进的有机粘合剂成分，并使成型体脱脂。然后，在如氮气、氢气或氩气等惰性气体气氛中，以1800-2100℃把脱脂的成型体加压烧结预定时间。

用上述方法制造的高导热氮化硅基片的孔隙率为2.5％以下，热导率为60W/m·K(在25℃)以上，并且最好为100W/m·K以上。高导热氮化硅基片还具有如常温三点弯曲强度为650MPa以上、最好为800MPa以上的极好的机械特性。

将高导热SiC等添加到低导热的氮化硅中，使整个烧结体的热导率为60W/m·K以上，这样得到的氮化硅烧结体不在本发明的范围内。但将高导热的SiC等添加到热导率为60W/m·K以上的氮化硅烧结体中所得到复合氮化硅烧结体属于本发明的范围，自然这种烧结体自身的热导率远不止60W/m·K以上。

在用高导热的氮化硅基片作电路板时，可根据所需要的特性来设定其厚度D_S。根据本发明，当金属电路板的厚度由D_M表示时，使它们满足关系式D_S≤2D_M。更具体地说，使高导热的氮化硅基片的厚度D_S为金属电路板厚度D_M的两倍以下。当氮化硅基片的厚度D_S为金属电路板厚度D_M的两倍以下时，可以减小有特定热导率的氮化硅基片的热阻，并且能减小整个电路板的热阻。

当使高导热氮化硅基片的厚度D_S和金属电路板厚度D_M满足D_M≤D_S≤(5/3)D_M时，便能最大程度地满足陶瓷电路板的机械特性和热导率。

虽然在用高导热氮化硅基片作电路板时，由氮化硅烧结体构成的高导热氮化硅基片的厚度是根据所需要的特性而定的，但仍可将高导热氮化硅基片的厚度设定为电路层厚度的两倍以下。以此方式，厚度小和有预定热导率的基片，可以增加电路板的热辐射特性。

在这种情况下，将高导热氮化硅基片的实际厚度设定为0.25-0.8mm。具体说，当将氮化硅基片的厚度设定为0.5mm以下，最好为0.4mm以下时，便可减小整个电路板的厚度，并可以很有效地减小电路板的上下表面的热阻之差。因此，更能够改善整个电路板的热辐射特性。为了保证基片的强度特性，最好设定高导热氮化硅基片的厚度D_S小于金属电路板厚度D_M。

本发明的氮化硅电路板是以这样的方法制造的，即，将如导电的金属电路板等电路层整体粘接到如上所述方法制造的高导热氮化硅基片上，并将半导体元件安装到金属电路板上。

形成或粘接如金属电路板等的电路层的方法并不限于特定的方法，可以利用后文将要说明的直接键合法、活性金属钎焊法或金属化法。

直接键合法是一种不用插入如金属化层等粘接层而直接将陶瓷和金属粘接的方法。按直接键合法，存在于金属中或金属表面上，用作粘接剂(在铜时是氧)的共晶体和金属被生成，用该共晶复合物作粘接剂，两部件便可相互直接键合在一起。

直接键合法只可用于如Al₂O₃等氧基陶瓷。在将直接键合法直接用于氮化硅基片时，基片的浸润性很差。因此，不能获得金属电路板的足够粘接强度。

为了解决这一问题，必须预先在氮化硅基片表面上形成氧化层，来改善基片的浸润性。在如空气这样的氧化气氛中，以1000-1400℃温度，把高导热氮化硅基片加热2-15小时，形成这种氧化层。当氧化层的厚度小于0.5μm时，浸润性稍有改善。另一方面，当其厚度超过10μm时，所能进行的改善饱和，容易降低热导率。所以，必须将氧化层的厚度设定在0.5-10μm范围内，最好设定在1-5μm。

虽然上述氧化层包含开始时为Si₃N₄基片组分的氧化物的SiO₂，但在加热粘接金属电路板的过程中，使添加到Si₃N₄基片中作烧结助剂的稀土元素氧化物扩散，并向氧化层移动。结果，得到了由将稀土元素氧化物扩散进氧化层而得的复合物。当用Y₂O₃作烧结助剂时，加热粘接后，氧化层由如含约1-20wt％Y₂O₃的氧化钇-硅化物等SiO₂-Y₂O₃复合物组成。

对于构成金属电路板的金属，可单用铜、铝、铁、镍、铬、银、钼或钴，也可用这些金属的合金。即，构成金属电路板的金属并不限于一种特定金属，只要这种金属能与基片的组分产生共晶复合物，就可将它用于直接键合法。具体说，考虑到导电性和费用，最好用铜、铝或其合金。

考虑了电容等后，方可确定金属电路板(电路层)的厚度。使氮化硅基片的厚度为0.25-1.2mm，使金属电路板的厚度为0.1-0.5mm。在这种情况下，当氮化硅基片与金属电路板结合时，由热膨胀差引起的形变不容易影响电路板。

当用铜电路板作金属电路板时，使用含100-1000ppm氧的韧电解铜所组成的铜电路板，或使用氧含量在100ppm以下的或无氧铜的铜材料组成的铜电路板。在这种情况下，如下文所述，当在铜电路板表面上预先形成预定厚度的氧化铜层时，便能用直接键合法将氮化硅基片粘接到铜电路板上。然而，即使是由韧电解铜构成的铜电路板，为了增加所产生的Cu-O共晶体的量，并改善基片和铜电路板间的粘接强度，最好在铜电路板的表面上，预先形成预定厚度的氧化铜层。

该氧化铜层是在150-360℃温度把金属电路板加热20-120秒进行表面氧化处理形成的。在这种情况下，当氧化铜的厚度小于1μm时，所产生的Cu-O共晶体的量减少。因此，基片和铜电路板的非粘接部分增加，不能获得足够的粘接强度。

另一方面，当氧化铜层的厚度超过10μm时，粘接强度稍有增强，而铜电路板的导电特性下降。因此，较好使形成在铜电路板表面的氧化铜的厚度为1-10μm。同样理由，最好使其厚度为1-5μm。

当铜电路板的表面比平滑的表面粗糙时，粘接强度将增强。在表面氧化处理过程中，如果加热温度升高或处理时间延长，便能增加铜电路板的表面粗糙度。最好使表面氧化处理后的铜电路板的表面粗糙度为使中心线平均高度(Ra)在5-10μm范围内。如有必要，可以搪磨铜电路板表面，以调节铜电路板的表面粗糙度。

如果金属电路板为铜电路板，便可进行下面的粘接操作。即，把铜电路板安放在其上形成有氧化层的高导热的氮化硅基片表面的预定部位，以使铜电路板与高导热的氮化硅基片接触，并压铜电路板紧贴基片，把所得结构加热至低于铜的熔点(1083℃)而高于铜-氧化铜的共晶温度(1065℃)的温度。于是利用所产生的Cu-O共晶复合液相作粘接剂，把铜电路板直接键合到高导热的氮化硅基片上。这种直接键合法被称之为铜直接键合法(DBC：直接键合铜法)。当用焊接将半导体元件(Si芯片)安装到直接键合到基片上的铜电路板的预定部位时，便制成了根据本发明的Si₃N₄电路板。

如果金属电路板为铝电路板，那么选Si作粘接剂，使铝电路板紧贴在Si₃N₄基片上，然后将所得结构加热至高于铝-硅共晶温度，利用所产生的Al-Si共晶复合液相(共晶熔体)作粘接剂，把Al电路板直接键合到Si₃N₄基片表面上。当通过焊接将半导体元件安装在直接键合到基片上的铝电路板的预定部位时，便制成根据本发明的Si₃N₄电路板。

在利用直接键合法，将金属电路板直接键合到Si₃N₄基片的表面上，然后将半导体元件安装在上述的金属电路板上的本发明的Si₃N₄电路板中，在金属电路板和Si₃N₄基片间没有插入任何粘接剂或粘接材料。因此，金属电路板和基片间的热阻之差很小，所以由置于金属电路板上的半导体元件产生的热量能很快地辐射到系统外。

下面说明由活性金属钎焊法粘接金属电路板的方法。

借助含有至少选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的一种活性金属并具有合适的组分比的Ag-Cu-Ti基粘接材料，在氮化硅基片上形成厚约为20μm的活性金属粘接层(金属粘接层)。借助这种金属粘接层，将如铜电路板等金属电路板粘接到基片上。活性金属改善了焊接材料对基片的浸润性，并起到改善粘接强度的作用。

作为活性焊接材料的一个实施例，最好用含有1-10wt％的活性金属、13-35wt％的Cu以及余量wt％的Ag的焊接组合物。金属粘接层是由以下方法形成的，即，将由焊接组合物分散到有机溶剂中制备的粘接组合浆料丝印到氮化硅基片上。

将用作金属电路板的电路层置于丝印金属粘接层上，使之与丝印金属粘接层接触。当将所得结构加热到等于或高于如Ag-Cu的共晶温度(780℃)和等于或低于金属电路板的熔点(如果是铜，为1083℃)时，借助金属粘接层，将金属电路板整体地粘接到氮化硅基片上。

下面将说明由金属化法形成电路板的方法。在金属化法中，将含如钼(Mo)或钨(W)和Ti或其化合物等作主要成分的难熔金属的金属化复合物烤熔在氮化硅基片表面上，以形成厚为约15μm的难熔金属的金属化层作电路层。

当由这种金属化方法形成电路层时，最好是在金属化层的表面上形成含有Ni或Ag厚约为3-5μm的金属镀层。当形成金属镀层时，改善了金属化层的表面平滑度，于是改善了电路层和半导体元件等间的粘附性，而且改善了粘接浸润性。因此，利用焊接材料能够改善电路层和半导体元件间的粘接强度。

上述所制造的氮化硅电路板的最大挠度是显著影响组装电路板过程中形成夹紧龟裂的速率的因素。在本发明中，可使最大挠度为0.6mm以上，最好为0.8mm以上。如果最大挠度为0.6mm以上，则可以防止组装过程中电路板的夹紧龟裂，并能大大地增加用该电路板的半导体器件的成品率。

电路板的抗折断强度对夹紧龟裂的形成速率也有影响，它是左右氮化硅基片厚薄的决定因素。在本发明中，可使抗折断强度为500MPa以上。如果抗折断强度为500MPa以上，则可有效地防止电路板中的夹紧龟裂。

根据上述配置的氮化硅电路板，是将金属电路板整体地粘接到具有作为氮化硅烧结体原有特性的高强度和高韧度特性并改善了热导率的的高导热氮化硅基片上。因此，由于电路板有高韧性或弹性，所以能保证0.6mm以上的最大挠度。

另外，与常规氮化硅基片相比，可减小该氮化硅基片的厚度。在这种情况下，电路板的抗折断强度变为500MPa以上。因此，在组装过程中，不再发生夹紧龟裂，并能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

即使为了在电路板上安装多个元件，而使电路板的尺寸增加，也能保证电路板的最大挠度，这是因为基片有高韧性或弹性。因此，在组装过程中，不再发生夹紧龟裂，并能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

而且，由于可在单个氮化硅基片上安装多个半导体元件，来构成电路板，所以与常规为每个半导体元件形成一个电路板的情况相比，能减少电路板的总数。因此，能够简化电路板的组装过程，并能改进半导体器件的成品率。

另外，由于氮化硅基片有高韧性或弹性，由热循环引起的基片的龟裂减少，明显地改善了耐热循环特性，并可提供有很好耐用性和可靠性的半导体器件。

而且，由于使用了高导热的氮化硅基片，即使将有趋于高输出功率和高集成密度的半导体元件安装在电路板上，其耐热特性也只有轻微的下降，所以可以获得很好热辐射特性。

具体说，由于氮化硅基片本身具有极好的机械强度，当假定所需的机械强度特性恒定时，那么与使用另一种陶瓷基片的情形相比，便可以减小基片的厚度。由于可以减小基片的厚度，所以可以大大地减小热阻，从而能提高热辐射特性，厚度比常规基片薄的基片足以适应机械特性的需要。因此，可以对电路板进行高密度组装，并可减小半导体器件的尺寸。

另一方面，例如可按以下程序制造本申请的第六和第七发明中的氮化铝基片，即，向含有除周期表中IIa族元素Ca、Sr和Ba外的0.5wt％以下的杂质阳离子的高纯度氮化铝原料粉末中，添加1-10wt％的至少选自周期表中IIIa族元素Y、Sc和镧系元素中的一种的氧化物，和0.01-0.2wt％的Si组分，从而制备粉末混合物，并使粉末混合成型。然后在非氧化气氛中，以1650-1900℃的温度烧结成型体，由此制造氮化铝基片。

由上述方法所制得的氮化铝基片的热导率为150-190W/m·K，它高于高导热的氮化硅基片的的热导率。

在本发明中，根据电路板所需要的特性，选择性地利用了两种陶瓷基片，并将这些陶瓷置于同一平面上或使它们相互层叠，形成复合基片。具体说，在尤其需要高结构强度的部分配置氮化硅基片。另一方面，在为安装如半导体元件等发热部件而尤其需要高热辐射特性的部分，通过在同一平面上配置氮化铝基片或相互层叠的氮化铝基片，形成复合基片。

可以用以下方法制造根据本申请的第六和第七发明的复合氮化铝电路板，即，将具有需要导电性的金属电路板整体地粘接到如上述制造的复合基片的表面上，并借助金属电路板，将半导体元件安装到复合基片上。

最好将金属板整体地粘接到通过在同一平面上配置导热氮化硅基片和氮化铝基片所得到的复合基片的表面的背面，即，与金属电路板的粘接面相反的表面。金属板是由与构成金属电路板的相同的材料构成的。

如果将金属板整体地粘接，则能很容易地将该电路板粘接到如热沉等热辐射部件上，所以能有效地防止由复合基片和金属电路板间的热膨胀差异引起的电路板的翘曲和形变。

当利用将至少一块金属电路板或至少一块金属板整体地粘接到高导热氮化硅基片和氮化铝基片上的结构时，配置在同一平面上的金属电路板和氮化铝基片相互连接。因此，可以提高复合氮化硅电路板的集成度。

粘接金属电路板和金属板的方法并不限于某种特定方法，可以利用上述的直接键合法、活性金属钎焊法、金属化法等等。

符合上述配置的复合氮化硅电路板可以用以下方法制造，即，将有作为氮化硅烧结体原有特性的高强度和高韧度以及有明显改善了的热导率的氮化硅基片，置于尤其需要高结构强度的部分。另一方面，将氮化铝基片置于安装如半导体元件等发热部件而尤其需要高热辐射特性的部分。两种基片置于同一平面上或相互层叠，从而构成了复合基片，将金属电路板整体地粘接到复合基片的表面上。将半导体元件安装在粘接到氮化铝基片上的金属电路板上。

因此，从如半导体元件等发热部件所产生的热量，会通过高导热的氮化铝基片，快速地传导到系统外，从而大大提高了热辐射特性。另一方面，由于将有高强度和高韧性的高导热氮化硅基片配置在需要高结构强度的部分，所以能保证电路板的最大挠度变大。因此，在组装过程中，电路板不再发生夹紧龟裂，并能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

附图简介

图1(A)、1(B)、1(C)和1(D)是实施方案103、102和101以及比较例101的烧结体的X-射线衍射图；图1(E)是晶界相的晶化率为零时的烧结体的X-射线衍射图；

图2是表示本发明的一个实施方案的氮化硅电路板的剖面图；

图3是表示本发明的另一个实施方案的氮化硅电路板的剖面图；

图4是表示热辐射特性评估测试的方法的剖面图；

图5是表示热辐射评估测试中陶瓷基片厚度和半导体元件的温升之间的关系图；

图6是表示本发明的氮化硅电路板的配置剖面图；

图7是表示基片厚度和最大挠度之间的关系图；

图8是表示基片厚度和抗折断强度之间的关系图；

图9是表示利用铜直接键合方法形成电路层的电路板的剖面图；

图10是表示利用金属化方法形成电路层的电路板的剖面图；

图11是表示本发明的氮化硅电路板的配置的剖面图；

图12是表示本发明的氮化硅电路板的另一配置的剖面图；

图13是表示本发明的一个实施方案的氮化硅电路板的剖面图；

图14是表示本发明的另一个实施方案的氮化硅电路板的剖面图；

图15是表示利用金属化方法形成电路层的电路板的剖面图；

图16是表示本发明的氮化硅电路板的配置的平面图；

图17是表示本发明的一个实施方案的氮化硅电路板的剖面图，并且是表示沿图16中XVII-XVII线的氮化硅电路板的剖面图；

图18是表示根据本发明的另一个实施方案的氮化硅电路板的剖面图，并且是表示沿图16中XVIII-XVIII线的氮化硅电路板的剖面图；

图19是表示本发明的再一个实施方案的氮化硅电路板的剖面图；

图20是表示图19所示氮化硅电路板的改型的剖面图；以及

图21是表示本发明的再一个实施方案的氮化硅电路板的剖面图。

实施本发明的最佳方式

参照下面的实施例来说明本发明的实施方案。

首先与常规材料作比较来说明用作本发明的氮化硅电路板的基片材料的氮化硅烧结体的实施例。然后在下文说明用氮化硅烧结体作基片材料的电路板。

实施例101-103

将12.5wt％的平均粒径为0.9μm用作烧结助剂的Ho2O3(氧化钬)粉末，加到含1.3wt％的氧和总量为0.15wt％的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B以及还含97wt％的α-相型氮化硅的平均粒径为0.55μm氮化硅原料粉末中。将所得混合物用球磨湿法混合，并同时用氮化硅球在酒精中进行72小时混合，然后将混合材料干燥，从而制备原料粉末混合物。

 将预定量的有机粘合剂加入所制备的原料粉末混合物，并均匀混合。用1000Kg/cm2的成型压力将混合物压制成型，制成大量每个为50mm长×50mm宽×5mm厚的成型体。在大气中，以700℃温度对所得的每个成型体进行2小时的脱脂。把脱脂体是在1950℃温度和9个大气压下的氮气气氛中，保持6小时，烧结致密。然后调节烧结炉中的加热设备的电流量，以便以调节到100℃/小时(实施例101)、50℃/小时(实施例102)、和25℃/小时(实施例103)的冷却速率适度地冷却烧结体，直到炉温降至1500℃。于是制备出实施例101、102和103的氮化硅烧结体。

比较例101

除烧结致密完成后立即关掉加热设备，在常规炉中以一冷却速率(约500℃/小时)快速冷却烧结体外，其它条件与实施例101相同，进行烧结工艺，由此制备比较例101的氮化硅烧结体。

比较例102

除用含有1.5wt％的氧、总量为0.6wt％的杂质阳离子元素和93wt％的α-相型氮化硅且其平均粒径为0.60μm的氮化硅原料粉末外，其它条件与实施例101相同，进行烧结工艺，由此制备比较例102的氮化硅烧结体。

比较例103

除用含有1.7wt％的氧、总量为0.7wt％的杂质阳离子元素和91wt％的α-相型氮化硅且其平均粒径为1.2μm的氮化硅原料粉末外，其它条件与实施例101相同，进行烧结工艺，由此制备比较例103的氮化硅烧结体。

测量上述实施例与比较例中有关烧结体室温下的孔隙率、热导率(在25℃)和三点弯曲强度的平均值。用X-射线衍射法测量每个烧结体中晶相与晶界相的比，所得结果列于表1中。

表1

样品号	烧结后冷却至1500℃的冷却速率(℃/小时)	孔隙率(％)	晶相与晶界相的比(％)	热导率(W/m·K)	三点弯曲强度(MPa)
						实施例101	100	0.7	32	98	820
实施例102	50	0.6	55	103	800
						实施例103	25	0.4	75	110	710
比较例101	500	0.8	10	78	860
						比较例102	100	0.6	2	60	815
比较例103	100	4.0	3	56	640

通过烧结体的X-射线衍射图形可以得到表1中的晶相与晶界相的比。图1(A)、1(B)、1(C)和1(D)分别是实施例103、102和101以及比较例101的烧结体的X-射线衍射图。

参见这些图，X-射线强度峰表示晶体复合物中的Si₃N₄和Ho₂O₃的量，图中示出β-Si₃N₄(101)面的X-射线强度峰B，β-Si₃N₄(201)面的X-射线强度峰C。另一方面，图1(E)是晶界相为非晶而晶化比为零的烧结体的X-射线衍射图。参见图1(E)，没有对应于晶体复合相的峰A。

在这种情况下，在向氮化硅加12.5wt％的Ho₂O₃得到的氮化硅烧结体中，晶界相被整体晶化时的晶化指数Rs由下述的公式(1)给出，其中IA、IB和IC分别表示峰A、B和C的X-射线强度值。晶化指数Rs为0.45.

        Rs＝IA/(IB+IC)/2...    (1)

从X-射线衍射图中读出峰A、B和C的X-射线强度值后，实施例101-103和比较例101的烧结体的晶化指数Rs便可由上述的公式(1)计算出来，所得结果如下：

实施例101...R＝12.5/(77+95)/2＝0.145

实施例102...R＝17/(62+74)/2＝0.248

实施例103...R＝22/(55+75)/2＝0.338

比较例101...R＝5/(106+118)/2＝0.045

对于上述的每个晶化指数R，如下表2中所示，可算出完成100％晶化时的晶化指数Rs(＝0.45)的比，还可由公式(2)算出烧结体的晶相对晶界相之比Q分别为32％、55％、75％和10％。

      Q＝(％)＝R/Rs×100...       (2)

表1的结果表明，实施例101-103的氮化硅烧结体中，烧结致密后立即冷却各烧结体的冷却速率较比较例101的冷却速率低。因此，晶界包含晶相。若晶相比高，则能够获得有高热导率和极好热辐射性的高强度烧结体。

相反，当将烧结体的冷却速率设置得与比较例101的冷却速率一样高时，进行快速冷却，晶相与晶界相之比小，即10％，所以热导率下降。对比较例102，当使用含总量0.6wt％的杂质阳离子元素的氮化硅粉末时，即使烧结体的冷却速率等于实施例101的冷却速率，大部分的晶界相仍为非晶相，热导率下降。

对比较例103，当使用平均粒径为1.2μm的氮化硅原料粉末时，烧结无法获得足够的密度，并且强度和热导率下降。

实施例1-3

以平均粒径为0.7μm的5wt％的Y₂O₃(氧化钇)粉末作烧结助剂，和以平均粒径为0.5μm的1.0wt％的Al₂O₃(氧化铝)作烧结助剂，将它们加入包含1.3wt％的氧和总量为0.15wt％的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn、B作杂质阳离子元素并含97wt％的α-相型氮化硅其平均粒径为0.55μm的氮化硅原料粉末中。在酒精中把所得混合物进行24小时的湿法混合，然后干燥，从而制备原料粉末混合物。

将预定量的有机粘合剂加入所制备的原料粉末混合物，并均匀混合。用1000Kg/cm2的成型压力将混合物压制成型，制成大量成型体。在大气中，以700℃温度把所得的每个成型体脱脂2小时。把脱脂体放置在氮气气氛中，在1900℃温度和9个大气压下保持6小时，烧结致密。然后调节烧结炉中的加热设备的电流量，以调节到100℃/小时的冷却速率冷却烧结体，直到炉温降至1500℃。将所得烧结体抛光，由此制备实施例1-3的氮化硅烧结体，每个所制备的烧结体都具有70W/m·K的热导率k，并厚分别为0.25mm、0.4mm和0.6mm，以及每个烧结体都有29mm的纵向尺寸×63mm的横向尺寸。在每个氮化硅基片中，晶相对晶界相之比皆为30％，每个基片的孔隙率皆为0.2％。

如图2所示，然后在每个氮化硅基片2的表面上形成电路层的部位和铜板粘接到氮化硅基片背面的部位，丝印30wt％Ag-65wt％Cu-5wt％Ti的焊接材料，并干燥以形成厚皆为20μm的活性金属焊接材料层7a和7b。将由无氧铜构成的厚为0.3mm的铜电路板和厚为0.25mm的背面铜板5置于活性金属焊接材料层7a和7b的预定部位，并使之与活性金属焊接材料层7a和7b相接触。将所得结构置于真空中，在850℃保持10分钟，从而获得粘接体。腐蚀每个粘接体，形成预定的电路图形(电路层)。然后通过焊接将16mm见方×0.5mm厚的半导体元件(输出功率：300W)焊接到铜电路板4的中心部位，制成实施例1-3的大量氮化硅电路板。

实施例4

除用在表面上厚为0.5mm的铜电路板和在背面上厚为0.3mm的背面铜板来代替实施例3中所用的厚为0.3mm和0.25mm的铜电路板外，以与实施例3相同的方式进行加工，从而制备根据实施例4的Si3N4电路板。

实施例5

除用通过调节完成烧结后的冷却速率而获得的热导率为100W/m·K的氮化硅基片来代替实施例2所用的热导率为70W/m·K的高热导率氮化硅基片外，以与实施例2相同的方式进行加工，从而制备实施例5的Si3N4电路板。

比较例1

除用热导率k为170W/m·K且厚度为0.8mm的氮化铝(AlN)基片来代替实施例3所用的厚为0.6mm氮化硅基片外，以与实施例3相同的方式，用活性金属法将铜电路板和背面铜板整体地粘接到基片的表面上，从而制备比较例1的电路板。

比较例2

除用厚度为0.8mm的氮化硅基片来代替实施例3所用的厚为0.6mm氮化硅基片外，以与实施例3相同的方式，用活性金属钎焊法将铜电路板和背面铜板整体地粘接到基片的表面上，从而制备比较例2的电路板。

测量由上述方法制备的实施例1-5和比较例1-2的电路板的最大挠度和抗折断强度。结果发现实施例1-5的氮化硅电路板的最大挠度和抗折断强度是用常规氮化铝基片的比较例1电路板的两倍以上。还表明随着氮化硅基片厚度的减小，最大挠度和抗折断强度也得到了改善。

对每块电路板进行热辐射特性的评估测试。在热辐射特性的评估测试中，如图4所示，将其上安装了有300W输出功率的半导体元件的电路板1粘接到有109000W/m²K的热辐射容量的铜热沉上，给半导体元件通电流，测量半导体元件6的表面温度。计算表面温度Ti处于恒定时的外部温度(T＝300K)之差(ΔTi＝Ti-T)，根据半导体元件6的温度升高的幅度来计算热辐射特性的好坏。所升温度(ΔTi)的测量值如表2所示。

根据表2所示的结果，虽然每个实施例的电路板利用了热导率低于常规的AlN基片(比较例1)的Si₃N₄基片，但由于可以减小Si₃N₄基片的厚度，则可以减小整个电路板的热导率。因此，半导体元件温度Ti的升高几乎与常规的AlN电路板相等，并且还发现该电路板表现出极好的热辐射特性。由于Si₃N₄基片的厚度减小，热阻减小，所以还可证实整块电路板的热辐射特性得到了改善。

另一方面，在使用为金属电路板厚度的两倍的厚为0.8mm的Si₃N₄基片的比较例中，半导体元件温度Ti的升高变大，从而证明热辐射特性较差。

在当组装过程中通过夹紧，将上述实施例的电路板安装到板上时，根本不产生夹紧龟裂，所以能够以高成品率来批量生产用该电路板的半导体器件。

从-45℃加热到室温(RT)，再从室温加热到+125℃，然后从+125℃通过室温冷却到-45℃，重复对电路板进行这样有一个循环的升温降温循环，直到测量到基片中产生龟裂为止，由此进行耐热循环试验。

结果，对于实施例1-5的电路板，甚至在进行了1000次热循环后，Si₃N₄基片中也没有产生龟裂，金属电路板(Cu电路板)也没脱落。因此，发现该电路板具有极好的耐热循环特性。另一方面，在进行了100次循环后，比较例1的AlN电路板产生了龟裂，从而证实该电路板的耐用性很差。

实施例6-10

用铜直接键合法(DBC法)代替活性金属钎焊法，将金属电路板整体地粘结到Si₃N₄基片上，分别按以下方式制备对应于实施例1-5的实施例6-10的Si₃N₄基片。

更具体地说，在氧化炉中，把每个皆具有70或100W/m·K的热导率K且分别有0.25mm、0.4mm、0.6mm和0.8mm尺寸的实施例1-5所制备的Si₃N₄基片加热12小时，以氧化基片的整个表面，由此形成每个厚为2μm的氧化层。该氧化层是由SiO_x膜构成的。

设置厚为0.3mm或0.5mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与其上形成有如表2所示的氧化层的每块Si₃N₄基片的前表面相接触，设置厚为0.25mm或0.3mm且由韧电解铜构成的铜电路板用作背衬材料，使之与Si₃N₄基片的背表面相接触，由此形成组装体。

然后将该组装体装入1075℃的加热炉中，将气氛调到氮气气氛，加热1分钟，由此直接把铜电路板粘接到每块Si₃N₄基片的两个表面上。接着通过焊接把半导体元件焊接到铜电路板上，由此制备实施例6-10的Si₃N₄电路板。

每块Si₃N₄电路板1a都有以下结构。即，如图3所示，由SiO₂构成的氧化层3形成在Si₃N₄基片2的整个表面上，用作金属电路板的铜电路板4直接与Si₃N₄基片2的前表面粘接，用作背面铜板的铜电路板5按上述同样的方式直接键合在背表面上。半导体元件6借助焊接层(未示出)整体地焊接在前表面上的铜电路板的预定部位。当将铜电路板4和5都粘接到Si₃N₄基片2的两表面上时，用作背面铜板的铜电路板5可有效地促进热辐射并防止电路板翘曲。

其中由上述直接键合法形成的电路层的实施例6-10的Si₃N₄电路板的最大挠度落在0.8mm-1.6mm范围内，抗折断强度落在550-900MP范围内。所以其特性几乎与实施例1-5中由活性金属钎焊法形成电路层所能获得的特性相同。在耐热循环试验中，表现出下面极好的耐热循环性。即，甚至在进行了1000次循环后，Si₃N₄基片中也没有产生龟裂，并且金属电路板出没有脱落。

比较例3

除用热导率k为170W/m·K且厚度为0.8mm的氮化铝基片来代替用于实施例8的氮化硅基片外，以与实施例8相同的方式，用铜直接键合法将铜电路板和背面铜板整体地粘接到基片的表面上，从而制备根据比较例3的电路板。

比较例4

除用厚度为0.8mm的氮化铝基片来代替用于实施例8的厚为0.6mm氮化硅基片外，以与实施例8相同的方式，用铜直接键合法将铜电路板和背面铜板整体地粘接到基片的表面上，从而制备根据比较例4的电路板。

以与实施例1-5和比较例1-2相同的方式，对如上述所制备的根据实施例6-10和比较例3-4的电路板进行如图4所示的热辐射特性评估测试，测量由有300W输出功率的半导体元件所产生的热而引起的温升ΔTi，由此获得如表2所示的结果。例如氮化硅基片之类的陶瓷基片的厚度和半导体元件的温升ΔTi间的关系如图5所示。

                                                                     表2

样品号	符号	陶瓷基片				金属电路板的厚度DM(mm)		金属电路板的粘接方法	电路板的热辐射特性
										种类	厚度DS(mm)	热导率(W/m·K)	三点弯曲强度(MPa)	表面(电路层用)	背面(背铜板)	半导体元件的温升ΔTi(℃)
		实施例1		Si3N4	0.25	70	860		0.3								0.25	活性金属法	21.3
实施例2								Si3N4		0.4	70	860	0.3	0.25	活性金属法	24.1
		实施例3		Si3N4	0.6	70	860		0.3								0.25	活性金属法	26.5
实施例4								Si3N4		0.6	70	860	0.5	0.3	活性金属法	26.5
		实施例5		Si3N4	0.4	100	840		0.3								0.25	活性金属法	21.2
比较例1								AlN		0.8	170	270	0.3	0.25	活性金属法	21.5
		比较例1		Si3N4	0.8	70	860		0.3								0.25	活性金属法	29.9
实施例6	◎							Si3N4		0.25	70	860	0.3	0.25	铜直接键合法	19.9
		实施例7	○	Si3N4	0.4	70	860		0.3								0.25	铜直接键合法	22.2
实施例8	□							Si3N4		0.6	70	860	0.3	0.25	铜直接键合法	25.2
		实施例9	△	Si3N4	0.6	70	860		0.3								0.3	铜直接键合法	25.2
实施例10								Si3N4		0.4	100	840	0.3	0.25	铜直接键合法	20.3
		比较例3	●	AlN	0.8	170	270		0.3								0.25	铜直接键合法	20.7
比较例4	◆							Si3N4		0.8	70	860	0.3	0.25	铜直接键合法	28.1

很显然表2和图5所示的结果可以证实以下事实，即，随着氮化硅基片厚度的减小，整个电路板的热阻减小，半导体元件的温升ΔTi线性地增加，由此可改善热辐射特性。

具体说，很显然对于比较例6(◎)、实施例10(△)、和比较例3(●)，如果用具有70W/m·K的热导率且厚为0.25mm的Si₃N₄基片或具有100W/m·K的热导率且厚为0.4mm的Si₃N₄基片来形成电路板，则热辐射特性等于由用具有170W/m·K的热导率且厚为0.8mm的AlN基片形成的电路基片的热辐射特性。因此，基片厚可以减小到常规基片厚度的1/2以下，并且能减少基片的生产成本。

当每块Si₃N₄基片的厚度减小时，便能获得较好的介电击穿强度，并发现可以保持等于或高于常规介电击穿强度的介电击穿强度。另一方面，用为金属电路板的厚度的两倍的厚为0.8mm的Si₃N₄基片的比较例4，发现半导体元件的温升ΔTi变大，热辐射特性较差。

下面将参照以下说明的实施例来说明用于本发明的氮化硅基片厚度对电路板的挠度或抗折断强度的影响。

例11-13

将平均粒径为0.7μm的作烧结助剂的5wt％的Y₂O₃(氧化钇)粉末，和平均粒径为0.5μm的作烧结助剂的1.5wt％的Al₂O₃(氧化铝)，加入氮化硅原料粉末中，该氮化硅原料粉末包含1.3wt％的氧和总计0.15wt％的前述杂质阳离子以及97wt％其平均粒径为0.55μm的97wt％的α-相型氮化硅。在酒精中对所得混合物进行24小时的湿法混合，然后干燥，从而制备原料粉末混合物。

将预定量的有机粘合剂加入所制备的原料粉末混合物，并均匀混合。用1000kg/cm²的成型压力将混合物成型，制成大量每个为80mm长×50mm宽×1-5mm厚的成型体。在大气中，用700℃温度对所得的每个成型体进行2小时的脱脂。把脱脂体放置在9个大气压的氮气气氛中，并在1900℃温度下保持6小时，烧结致密。然后调节烧结炉中的加热设备的电流量，以调节到100℃/小时的冷却速率冷却烧结体，直到炉温降至1500℃。将所得烧结体抛光，由此制备实施例11-13的氮化硅烧结体，每个所制备的烧结体都具有70W/m·K的热导率k，且厚度分别为0.4mm、0.6mm和0.8mm。

如图6所示，然后在每个氮化硅基片2的表面上形成电路层的部位和铜电路板粘接到氮化硅基片2背面的部位，丝印有30wt％Ag-65wt％Cu-5wt％Ti复合物的粘接材料，并干燥以形成厚皆为20μm活性金属焊接材料层7a和7b。

然后，将由韧电解铜构成的厚为0.3mm的铜电路板和厚为0.25mm的背面铜板5设置在活性金属焊接材料层7a和7b的预定部位，并合使之与活性金属焊接材料层7a和7b相接触。将所得结构在真空状下，在850℃保持10分钟，从而获得粘接体。腐蚀每个粘接体，形成预定的电路图形。然后用焊料将半导体元件6焊接到铜电路板4的中心部位，制成根据实施例1-3的大量氮化硅电路板。

比较例5

除用热导率k为70W/m·K且厚度为0.8mm的氮化铝(AlN)基片来代替用于实施例11-13的氮化硅基片外，以与实施例11-13相同的方式，用活性金属钎焊法将铜电路板和背面铜板整体地粘接到基片的表面上，从而制备根据比较例5的电路板。

测量由上述制备的实施例11-13和比较例5的电路板的最大挠度和抗折断强度，由此得到图7和8所示的结果。在这种情况下，当在支撑在50mm的支撑间距的每块电路板的中心部位加负荷，直到Si₃N₄基片或AlN基片折断，获得最大挠度时，测量由此得到的最大挠度。根据基片的剖面和基片折断时的负荷来计算抗折断强度。

显然，由图7和8所示结果，可发现实施例11-13的氮化硅电路板1b的最大挠度和抗折断强度是用常规氮化铝基片的比较例5的电路板的两倍以上。还表明氮化硅基片厚度减小，挠度和抗折断强度也能增加。由于随基片厚度的减小热阻减小，所以还表明整个电路板的热辐射特性可得到更大改善。

在组装过程中把上述的电路板安装和夹到电路板上，没有产生夹紧龟裂，所以能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

从-45℃加热到室温(RT)，再从室温加热到+125℃，然后从+125℃通过室温冷却到-45℃，对电路板重复进行有这样一个循环的升温降温循环，直到测量到在基片中产生龟裂为止，由此进行耐热循环试验。在这种情况下，对于实施例11-13的电路板，在1000次热循环后，Si₃N₄基片中没有产生龟裂，金属电路板(Cu电路板)也没脱落。因此，发现该电路板具有极好的耐热循环特性。另一方面，对于比较例5的AlN电路板，在100次热循环后，产生龟裂，从而证实该电路板的耐用性很差。

实施例14

把实施例11-13所制备的每个皆具有70W/m·K的热导率K且分别为0.4mm、0.6mm、和0.8mm的Si₃N₄基片在氧化炉中在1300℃加热12小时，氧化基片的整个表面，由此形成每个厚为2μm的氧化层。

设置厚为0.3mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与其上形成有氧化层的每块Si₃N₄基片的前表面相接触，设置用作背衬材料的厚为0.25mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与Si₃N₄基片的背表面相接触，由此形成组装体。然后将该组装体装入1075℃的加热炉中，将气氛调到氮气气氛，加热1分钟，由此制备直接把铜电路板粘接到每块Si₃N₄基片的两个表面上的如图9所示的实施例14的Si₃N₄电路板。

每块Si₃N₄电路板1c都有以下结构。即，如图9所示，在Si₃N₄基片2的整个表面上形成氧化层3，把用作金属电路板的铜电路板4直接键合在Si₃N₄基片2的前表面上，用作背面铜板的铜电路板5按上述同样的方式直接键合在背面上。半导体元6通过焊接层(未示出)整体地焊接在前表面上的铜电路板的预定部位。当将铜电路板4和5都粘接到Si₃N₄基片2的两表面上时，用作背面铜板的铜电路板5可有效地促进热辐射并防止电路板翘曲。

其中由上述直接键合法形成电路层的实施例14的Si₃N₄电路板的最大挠度0.8-1.6mm范围内，抗折断强度在550-900MPa范围内。所以其特性几乎与实施例1-5中由活性金属钎焊法形成电路层所能获得的特性相同。在耐热循环试验中，表现出下面极好的耐热循环性。即，甚至在1000次循环后，Si₃N₄基片中也没有产生龟裂，并且金属电路板没有脱落。

实施例15

如图10所示，把适量的粘合剂和溶剂加入钼(Mo)和氧化钛(TiO₂)粉末混合物形成的浆料丝印在实施例11-13中所制备的每个都有70W/m·K热导率和厚度分别为0.4mm、0.6mm和0.8mm的Si₃N₄基片2上，并加热和烧结，以形成每个厚皆为15μm难熔金属的金属化层10。利用无电镀敷在每一金属化层10上形成厚为3μm的Ni镀层9，形成具有预定图形的电路层。通过焊接，把半导体元件6焊接到电路板层上，由此制备大量根据实施例15的氮化硅电路板1d。

其中由上述金属化法形成电路层的实施例15的Si₃N₄电路板的最大挠度在1.0-1.8mm范围内，抗折断强度在650-950MPa范围内。所以其特性几乎与实施例11-13中由活性金属钎焊法形成电路层所能获得的特性相同。在耐热循环试验中，表现出下面极好的耐热循环性。即，甚至在1000次循环后，Si₃N₄基片中也没有产生龟裂，并且金属电路板没有脱落。

下面将参照实施例16来说明用具有不同组分和不同特性的其它氮化硅基片的实施方案。

实施例16

由以下程序来制备用作构成电路板材料的各种氮化硅基片。

更具体地说，如表3-5所示，将用作烧结助剂的如Y₂O₃和Ho₂O3等稀土元素氧化物，如果必要还可将Ti和Hf化合物、Al₂O₃粉末以及AlN粉末加到氮化硅原料粉末中，该氮化硅粉末含1.3wt％的氧和总计0.15wt％的杂质阳离子以及97wt％的α-相型氮化硅，且其平均粒径为0.55μm。在酒精中用氮化硅球对所得混合物进行72小时的湿法混合，然后干燥，从而制备原料粉末混合物。将预定量的有机粘合剂加入所制备的原料粉末混合物，并均匀混合。用1000Kg/cm²的成型压力使混合物成型，制成大量的各种组分的成型体。

在大气中，用700℃温度对所得的每个成型体进行2小时的脱脂。把脱脂体放置在氮气气氛中，在1950℃温度和9个大气压下保持6小时，烧结致密。然后调节烧结炉中的加热设备的电流量，以调节到如表3-5所示的冷却速率冷却烧结体，直到炉温降至1500℃。由此制备样品1-51的氮化硅烧结体。

测量上述所得样品1-51的氮化硅烧结体室温下的孔隙率(在25℃)、热导率和三点弯曲强度，由X-射线衍射法测试每个烧结体的晶相对晶界相的比，获得的结果列于下面的表3-5中。

                                                                        表3

样品	原料组成(重量％)		烧结条件温度×时间(℃)×(小时)	烧结后冷却到1500℃的冷却速率(℃/小时)	孔隙率(％)	晶相与晶界相之比(％)	热导率(W/m·K)	三点弯曲强度(MPa)
									Si3N4	Ho2O3
	1	92									8	1950×6	100	0.2	22	89	845
2			92	8	1950×6	50	0.1	28	92	820
	3	92									8	1900×6	50	0.6	34	95	800
4			90	10	1950×6	100	0.5	25	95	820
	5	90									10	1950×6	25	0.3	65	99	705
6			90	10	1900×6	25	0.9	67	104	805
	7	87.5									12.5	1975×6	50	0.4	69	114	760
8			87.5	12.5	1900×6	25	1.2	70	105	795
	9	85									15	1950×6	100	1.2	40	102	780
10			85	15	2000×6	100	0.6	35	108	700
	11	85									15	1950×6	25	1.0	65	120	730
12			82.5	17.5	1950×6	100	2.3	30	90	755
	13	82.5									17.5	2000×6	100	1.8	28	96	700
14			82.5	17.5	2000×6	25	1.4	32	100	680

                                                                          表4

样品	原料组成(重量％)						烧结条件	烧结后冷却至1500℃的冷却速率(℃/时)	孔隙率(％)	晶界相中的晶相所占的比例(％)	热导率(W/m·K)	三点弯曲强度(MPa)
													Si3N4	Y2O3	其它成分		Al2O3	AlN	温度×时间(℃)×(小时)
	15	94	5	HfO2	0.2															1900×6	50	1.3	50	88	840
16								94	5	HfO2	1			1900×6	50	0.2	55	90	960
	17	92	5	HfO2	3															1900×6	50	0.1	45	75	1060
18								94	5	HfO2	3			1900×6	50	0.5	30	65	930
	19	92	7.5	HfO2	0.5															1900×6	50	0.1	75	95	870
20								94	5	HfO2	1			1900×6	100	0.2	45	80	980
	21	94	5	HfC	1															1900×6	100	0.3	55	92	960
22								94	5	HfN	1			1950×6	100	0.4	55	90	930
	23	94	5	HfSi2	1															1950×6	100	0.4	50	88	910
24								94	5	HfB2	1			1900×6	100	0.4	45	83	880
	25	94	5	TiO2	1															1900×6	100	0.2	48	80	960
26								94	5	ZrO2	1			1900×6	100	0.2	45	85	1030
	27	94	5	V2O5	1															1900×6	100	0.3	50	90	930
28								94	5	Nb2O5	1			1900×6	100	0.2	48	83	880
	29	94	5	Ta2O5	1															1900×6	100	0.4	45	80	900
30								94	5	Cr2O3	1			1900×6	100	0.2	58	100	930
	31	94	5	MoO2	1															1900×6	100	0.4	40	75	910
32								94	5	WO3	1			1900×6	100	0.3	40	75	880
	33	94	5	TiN	1															1900×6	100	0.4	59	95	930
34								94	5	WC	1			1900×6	100	0.3	49	83	910
	35	94	5	TiB2	1															1900×6	100	0.4	40	80	950
36								94	5	HfO2TiO2	0.50.5			1900×6	100	0.2	46	82	1000

                                                                                                                    表5

样品	原料组成							烧结条件温度×时间(℃×小时)	烧结后冷却至1500℃的冷却速率(℃/小时)	孔隙率(％)	品相在晶界相中所占比例(％)	热导率(W/m·K)	三点弯曲强度(MPa)
														Si3N4	稀土氧化物		其它组分		Al2O	AlN
	37	88	Ho2O3Y2O3	6 53.5	HfO2	2																1900×6	50	0.2	55	120	720
38								88	Er2O3Y2O3	6.53.5	HfO2	2			1900×6	50	0.1	54	119	775
	39	88	Yb2O3Y2O3	6.53.5	HfO2	2																1900×6	50	0.1	60	125	750
40								83.9	Ho2O3	15	HfO2	1	0.1		1900×6	50	0.1	49	106	770
	41	84	Ho2O3	15	HfO2	0.5	0.5															1900×6	50	0.1	30	90	850
42								82	Ho2O3	15	HfO2	2	1		1850×6	25	0.1	22	82	900
	43	82.5	Ho2O3	15	HfO2	2															0.5	1900×6	50	0.1	39	100	880
44								83	Ho2O3	15	HfO2	2		1	1900×6	50	0.1	24	88	870
	45	82.6	Ho2O3	15	HfO2	2	0.2														0.2	1900×6	50	0.1	37	100	885
46								82.5	Er2O3	15	HfO2	2	0.5		1900×6	50	0.1	40	94	850
	47	82.5	Er2O3	15	HfO2	2															0.5	1900×6	50	0.1	38	93	825
48								89.8	Y203	8	HfO2	2	0.2		1900×6	50	0.1	36	95	800
	49	84	Y203	15	TiO2	0.5	0.5															1900×6	50	0.1	28	88	820
50								84	Er2O3	15	TiO2	0.5	0.5		1900×6	50	0.1	27	88	810
	51	84	Yb2O3	12.5	TiO2	0.5	0.5															1900×6	50	0.1	27	90	700

由表3-5可明显看出，在样品1-51的氮化硅烧结体中，适当地控制原料组分，并使烧结致密完成后的立即对烧结体冷却的冷却速率低于常规烧结体，由此，可获得具有含晶相的晶界相、高热辐特性以及与晶相和晶界相之比成正比的高热导率的氮化硅基片。

相反，利用含有1.3-1.5wt％的氧、总量为0.13-0.160.6wt％的杂质阳离子元素和93wt％的α-相型氮化硅以及其平均粒径为0.60μm的氮化硅原料粉末，并使将3-6wt％的Y₂O₃(氧化钇)粉末和1.3-1.6wt％的Al₂O₃(氧化铝)粉末加入氧化硅粉末中所得的原料粉末成型、脱脂，在1900℃进行6小时烧结，然后在炉中冷却(冷却速率：400℃/小时)，由此获得烧结体。在这种情况下，烧结体的热导率低，即，25-28W/m·K，该值近似于常规制造方法所制得的氮化硅烧结体的热导率。

抛光上述所得的样品1-51的氮化硅烧结体，由此制备象实施例11-13一样厚为0.4mm、0.6mm和0.8mm氮化硅基片。象实施例11-13一样，用活性金属钎焊法，将铜电路板等整体地粘接到所制备的氮化硅基片的表面上，由此制备如图6所示的实施例16的氮化硅电路板。

另外，象实施例14一样，用DBC法将铜电路板等直接键合到氮化硅基片的表面上，由此制备如图9所示的实施例16的氮化硅电路板。

再另外，象实施例15一样，用金属化法在氮化硅基片的表面上形成电路层，由此制备如图10所示的实施例16的氮化硅电路板。

用上述的活性金属钎焊法、DBC法和金属化法形成电路层的实施例16的Si₃N₄基片的最大挠度和抗折断强度等于或高于实施例11-15基片的最大挠度和抗折断强度。在耐热循环试验中，表现出以下极好的耐热循环性，即，甚至在1000次循环后，Si₃N₄基片中也没有产生龟裂，并且金属电路板出没有脱落.

下面将参照下面的实施例来说明其中在高导热氮化硅基片的表面上和/或在金属电路板的表面上形成氧化层的电路板。

首先说明构成每块电路板的氮化硅基片。然后说明用该氮化硅基片的电路板。

实施例17-19

将平均粒径为0.7μm的作烧结助剂的5wt％的Y₂O₃(氧化钇)粉末，和平均粒径为0.5μm的作烧结助剂的1.0wt％的Al₂O₃(氧化铝)粉末，将它们加入氮化硅原料粉末中，该氮化硅原料粉末包含1.3wt％的氧和作杂质阳离子元素的总量为0.15wt％的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B以及其平均粒径为0.55μm的97wt％的α-相型氮化硅。在酒精中对所得混合物进行24小时的湿法混合，然后干燥，从而制备原料粉末混合物。

然后将预定量的有机粘合剂加入所制备的原料粉末混合物，并均匀混合。用1000kg/cm2的成型压力使混合物成型，制成大量成型体。在大气中，用700℃温度对所得的每个成型体进行2小时的脱脂。把脱脂体放置在氮气气氛中，在1900℃温度和9个大气压下保持6小时，烧结致密。然后调节烧结炉中的加热设备的电流量，以调节到100℃/小时(实施例17)、50℃(实施例18)、和25℃(实施例19)的冷却速率冷却烧结体，直到炉温降至1500℃。将所得烧结体抛光，由此制备实施例17-19的氮化硅烧结体。

比较例6

除烧结致密完成后，关掉加热设备，在常规炉中以一冷却速率(约500℃/小时)快速冷却烧结体外，其它条件与实施例17相同，进行烧结工艺，由此制备比较例6的氮化硅烧结体。

比较例7

除用含有1.5wt％的氧、作杂质阳离子元素的总量为0.6wt％的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B以及93wt％的α-相型氮化硅且其平均粒径为0.60μm的氮化硅原料粉末外，其它条件与实施例17相同，来进行烧结工艺，由此制备比较例7的氮化硅烧结体。

比较例8

除用含有1.7wt％的氧、作杂质阳离子元素总量为0.7wt％的Li、Na、K、Fe、Ca、Mg、Sr、Ba、Mn和B以及91wt％的α-相型氮化硅且其平均粒径为1.1μm的氮化硅原料粉末外，其它条件与实施例17相同，来进行烧结工艺，由此制备比较例8的氮化硅烧结体。

测量上述方法获得的实施例17至19和比较例6至8的烧结体在25℃的孔隙率和热导率。在每个Si₃N₄基片用X-射线衍射法测量晶相对晶界相之比，所得结果列于下面的表6中。

                                          表6

Si3N4基片样品号	烧结后冷却至1500℃的冷却速率(℃/小时)	孔隙率(％)	晶相与晶界相之比(％)	热导率(W/m·K)
					实施例17	100	0.2	30	70
实施例18	50	0.2	50	92
					实施例19	25	0.2	80	115
比较例6	500	0.2	0	40
					比较例7	100	0.3	0	27
比较例8	100	2.5	0	20

表6的结果表明，实施例17-19的氮化硅烧结体中，使致密烧结后立即冷却的冷却速率较比较例6的烧结体的冷却速率低。因此，可获得具有含晶相的晶界相、高热辐特性以及与晶相和晶界相之比成正比的高热导率的高强度的氮化硅基片。

相反，对常规例6，当烧结体的冷却速率较高以快速冷却烧结体时，整个晶界相为非晶相，热导率下降。对比较例7，当使用含大量(0.6wt％)的杂质阳离子元素的氮化硅粉末时，即使烧结体的冷却速率等于实施例7的冷却速率，整个晶界相仍为非晶相，热导率仍下降。

另外，当使用象比较例8一样的平均粒径为1.1μm的氮化硅原料粉末时，烧结不够致密，并且强度和热导率下降。

对上述所制备的实施例17-19的Si₃N₄进行加工处理，使它们的厚度为0.635mm和0.4mm，对比较例6-8的Si₃N₄进行加工处理，使它们的厚度为0.635mm，并在氧化炉中在1300℃加热Si₃N₄12小时，氧化基片的整个表面，由此形成厚为2μm的氧化层。

设置厚为0.3mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与其上形成有氧化层的每块Si₃N₄基片的前表面相接触，设置用作背衬材料的厚为0.25mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与Si₃N₄基片的背表面相接触，由此形成层叠体。然后将该层叠体装入1075℃的加热炉中，将气氛调到氮气气氛，加热1分钟，由此制备直接把铜电路板粘接到每块Si₃N₄基片的两个表面上的Si₃N₄电路板。

每块Si₃N₄电路板1e都有以下结构。即，如图11所示，在Si₃N₄基片2的整个表面上形成氧化层3，用作金属电路板的铜电路板4直接键合在Si₃N₄基片2的前表面上，用作背面铜板的铜电路板5按上述同样的方式直接键合在背面上。半导体元件6通过焊接层(未示出)整体地焊接在前表面上的铜电路板的预定部位。当将铜电路板4和5都粘接到Si₃N₄基片2的两表面上时，用作背面铜板的铜电路板5可有效地促进热辐射并防止电路板翘曲。

比较例9

除用热导率为170W/m·K且厚度为0.635mm的氮化铝基片来代替用于实施例的氮化硅基片外，以与实施例相同的方式，用铜直接键合法将铜电路板和背面铜板整体地粘接到基片的表面上，从而制备根据比较例9的电路板。

比较例10

除用热导率为70W/m·K且厚度为0.8mm的氮化铝(AlN)基片来代替用于各实施例的氮化硅基片外，以与各实施例相同的方式，形成氧化层，用直接键合法将铜电路板整体地粘接到氮化铝(AlN)基片上，从而制备根据比较例10氮化铝(AlN)电路板。

为了评估上述每个实施例和比较例电路板的强度特性、韧性和耐热循环特性，测量每块电路板的三点弯曲强度和最大挠度。进行耐热循环(TCT)实验，以检验电路板中龟裂形成的状态。

在支撑在50mm的支撑间距的每块电路板的中心部位加负荷，直到Si₃N₄基片或氮化铝(AlN)基片折断，获得最大挠度高度时，测量其最大挠度。

从-45℃加热到室温(RT)，再从室温加热到+125℃，然后从+125℃通过室温冷却到-45℃，对电路板重复进行有这样一个循环的升温降温循环，直到测量到在基片中产生龟裂为止，由此进行耐热循环试验。所得的测量结果列于以下表7中。

                                                           表7

电路板样品号	陶瓷基片			电路板性能
								种类	厚度(mm)	热导率(W/m·K)	三点弯曲强度(MPa)	最大挠度(mm)	耐热循环试验(循环次数)
实施例17	Si3N4Si3N4	0.6350.4	7070	650864	1.01.5	＞1000＞1000
							实施例18	Si3N4Si3N4	0.6350.4	9292	672848	1.11.3	＞1000＞1000
实施例19	Si3N4	0.6350.4	115115	676850	1.01.4	＞1000＞1000
							比较例6	Si3N4	0.635	40	660	1.0	＞1000
比较例7	Si3N4	0.635	27	674	1.0	＞1000
							比较例8	Si3N4	0.635	20	641	1.0	＞1000
比较例9	AlN	0.635	170	274	0.5	100
							比较例10	AlN	0.8	70	314	0.4	150

表7的结果表明，每个实施例的Si₃N₄电路板，其弯曲强度和最大挠度大于比较例的电路板的弯曲强度和最大挠度。因此，证实在组装电路板过程中很少发生龟裂，并能大大改善用该电路板的半导体器件的成品率。

在耐热循环实验中，在各实施例的Si₃N₄电路板中甚至在1000次循环后，也很少发生Si₃N₄电路板龟裂或金属电路(铜电路板)板脱落。因此，证实了每个实施例的Si₃N₄电路板具有极好的耐用性和可靠性。另外，甚至在1000次循环后，耐压特性不会下降。

另一方面，虽然比较例6-8的Si₃N₄基片三点弯曲强度、挠度和耐热循环特性很好，但这些基片的热导率比较低，即，低于60W/m·K。因此，发现这些基片不适于具有高输出功率的半导体器件。

在比较例9的AlN基片中，利用有高热导率的AlN基片。因此，该AlN基片具有极好的热辐射特性，但其强度低、挠度小，不能耐组装过程中夹紧龟裂或处理过程中冲击。另外，进行耐热循环试验时，在100次循环后，发生龟裂，而且耐压特性下降。

由于比较例10的AlN基片的热导率高于常规Si₃N₄基片，所以AlN基片的有极好的热辐射特性，但其强度和挠度不够。在耐热循环测试中，在150次循环后，发现龟裂，而且耐压特性下降。

下面将参照实施例20来说明用有各种组分的其它氮化硅基片的电路板。

实施例20

抛光在实施例16中制备的样品1-51氮化硅烧结体，由此制备象实施例17-19一样的厚为0.4mm和0.635mm的氮化硅基片。

在1300℃的氧化炉中加热每块氮化硅基片12小时，氧化基片的整个表面，由此形成厚为2μm的氧化层。

另一方面，在一与大气接触的热平板上，以250℃加热在实施例17-19例中所制备的厚为0.3mm和0.25mm的铜电路板30秒，氧化铜电路板的表面，由此在每块铜电路板上整体地形成为1.5μm的氧化层。

以与实施例17-19相同的方式，用直接键合(DBC法)，将铜电路板整体地粘接到其上形成有氧化层的氮化硅基片的表面上。以这种方式，制备如图12所示的实施例20的氮化硅电路板1f。

每块Si₃N₄电路板1f都有以下结构。即，如图12所示，在Si₃N₄基片2a的整个表面上形成氧化层3，在铜电路板4和5的粘接表面上形成氧化层11。用作金属电路板的铜电路板4直接键合在Si₃N₄基片2a的前表面上，用作背面铜板的铜电路板5按上述同样的方式直接键合在背面上。半导体元6通过焊接层(未示出)整体地焊接在前表面上的铜电路板4的预定部位。

其中由上述DBC法形成电路层的实施例20的每块Si₃N₄电路板的最大挠度和抗折断强度等于或大于实施例17-19的最大挠度和抗折断强度。在耐热循环试验中，表现出极好的耐热循环性。即，甚至在1000次循环后，在Si₃N₄电路板中没发生龟裂，也没出现电路板脱落现象。

具体说，在氮化硅基片2a上形成氧化层3，并在铜电路板4和5上形成铜氧化层11，由此，增加了由进行用DBC法的粘接而产生的Cu-O共晶复合物的量，所以能够改善基片2a和铜电路板4及5间的粘接强度。更具体地说，实施例20中铜电路板4和5的未粘接部分的面积比分别为5.2％和5.6％，这大大地小于实施例17-19(例17：9.8％和11.2％，实施例18：13.8％和11.5％，实施例19：11.6％和14.6％)，铜电路板的粘接强度(脱落迁都)增加20-30％。

下面将参照以下各实施例来说明在单块高导热氮化硅基片上安装多个半导体元件的电路板。

实施例21-23

将平均粒径为0.7μm的作烧结助剂的5wt％的Y₂O₃(氧化钇)粉末，和平均粒径为0.5μm的作烧结助剂的1.5wt％的Al₂O₃(氧化铝)，加入氮化硅原料粉末中，该氮化硅原料粉末包含1.3wt％的氧和总量为0.15wt％的杂质阳离子Li，，Na，K，Fe，Ca，Mg，Sr，Ba，Mn和B以及其平均粒径为0.55μm的97wt％的α-相型氮化硅。在酒精中对所得混合物进行24小时的湿法混合，然后干燥，从而制备原料粉末混合物。

将预定量的有机粘合剂加入所制备的原料粉末混合物，并均匀混合。用1000Kg/cm²的成型压力将混合物成型，制成大量每个为80mm长×50mm宽×1-5mm厚的成型体。在大气中，用700℃温度对所得的每个成型体进行2小时的脱脂。把脱脂体放置在氮气气氛中，并在1900℃温度和7.5个大气压下的N₂气氛中保持6小时，烧结致密。然后调节烧结炉中的加热设备的电流量，以调节到50℃/小时的冷却速率冷却烧结体，直到炉温降至1500℃。将所得烧结体抛光，由此制备实施例21-23的氮化硅烧结体，每个所制备的烧结体都具有92W/m·K的热导率k，且厚度分别为0.4mm、0.6mm和0.8mm。

如图13所示，然后在每个氮化硅基片2的表面上形成电路层的部位和铜电路板粘接到氮化硅基片2背面的部位，丝印有30wt％Ag-65wt％Cu-5wt％Ti的复合物的粘接材料，并干燥，形成厚皆为20μm的活性金属焊接材料层7a和7b。

然后，将由无氧铜构成的厚0.3mm的铜电路板4和厚0.25mm的背面铜板5设置在活性金属焊接材料层7a和7b的预定部位，并使之与活性金属焊接材料层7a和7b相接触。将所得结构在真空状态下，在850℃保持10分钟，从而获得粘接体。腐蚀每个粘接体，形成预定的电路图形。然后通过焊接将半导体元件6焊接到铜电路板4的中心部位，制成根据实施例21-23的大量氮化硅电路板1g。

比较例11

除用热导率为70W/m·K且厚度为0.8mm的氮化铝(AlN)基片来代替用于实施例11-13的氮化硅基片外，以与实施例21-23相同的方式，用活性金属钎焊法将铜电路板和背面铜板整体地粘接到基片的表面上，从而制备根据比较例11的电路板。

测量上述制备的实施例21-23和比较例11的电路板的最大挠度和抗折断强度，发现实施例21-23的氮化硅电路板1g的最大挠度和抗折断强度是用常规氮化铝基片的比较例11的电路的最大挠度和抗折断强度的两倍以上。

还证实随着氮化硅基片厚度的减小，挠度和抗折断强度增加。由于热阻随基片厚度的减小而减小，所以还证实整个电路板的热辐射特性可得到很大改善。

在组装过程中把上述的电路板安装和夹到电路板上，没有产生夹紧龟裂，所以能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

而且，由于电路板的结构是在单块氮化硅基片2上一次安装多个半导体元件6，所以与为每个半导体元件形成一块电路板的情况相比，能减小该电路板。另外，可减少在一个器件上安装电路板的次数，所以可以很大程度地改善封装特性。

从-45℃加热到室温(RT)，再从室温加热到+125℃，然后从+125℃通过室温冷却到-45℃，对电路板重复进行这样有一个循环的升温降温循环，直到测量到在基片中产生龟裂为止，由此进行一个耐热循环试验。在这种情况下，对于实施例21-23的电路板，甚至在1000次热循环后，Si₃N₄基片中没有产生龟裂，金属电路板(Cu电路板)也没脱落。

因此，发现该电路板具有极好的耐热循环特性。另一方面，对于比较例的电路板，在100次热循环后，产生龟裂，从而证实该电路板的耐用性很差。

对此，如果在如图13所示的间隔处的背面铜板5内形成每个都具有V形截面的槽12，那么便可以某种程度地吸收在热循环中背面铜板5的膨胀/收缩。因此，为在电路板1上安装大量元件6，而用大面积的氮化硅基片2来形成在电路板1时，热循环只产生很小的热应力，在电路板1g中很少产生翘曲。

实施例24

在1300℃的氧化炉中加热在实施例1-3中所制备的热导率k为92W/m.K和厚分别为0.4mm、0.6mm和0.8mm的Si₃N₄基片12小时，以氧化各基片的整个表面，由此形成厚为2μm的氧化层。该氧化层包括SiO₂膜。

设置厚为0.3mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与其上形成有氧化层的每块Si₃N₄基片的前表面相接触，设置用作背衬材料的厚为0.25mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与Si₃N₄基片的背表面相接触，由此形成组装体。然后将该组装体装入1075℃的加热炉中，将气氛调到氮气气氛，加热1分钟，由此制备直接把铜电路板粘接到每块Si₃N₄基片的两个表面上的Si₃N₄电路板。通过焊料将两个半导体元件粘接到铜电路板上，由此形成Si₃N₄电路板。

每块Si₃N₄电路板1h都有以下结构。即，如图14所示，在Si₃N₄基片2的整个表面上形成由SiO₂构成的氧化层3，把用作金属电路板的铜电路板4直接键合在Si₃N₄基片2的前表面上，用作背面铜板的铜电路板5按上述同样的方式直接键合在背面上。半导体元件6通过焊接层(未示出)整体地焊接在前表面上的铜电路板的预定部位。当将铜电路板4和5都粘接到Si₃N₄基片2的两表面上时，用作背面铜板的铜电路板5可有效地促进热辐射并防止电路板翘曲。

其中由上述直接键合法形成电路层的实施例24的Si₃N₄电路板的最大挠度在0.7-1.6mm范围内，抗折断强度在550-900MPa范围内。所以其特性几乎与实施例21-23中由活性金属钎焊法形成电路层所能获得的特性相同。

在耐热循环试验中，表现出以下极好的耐热循环性。即，甚至在1000次循环后，Si₃N₄基片中也没有产生龟裂，并且金属电路板没有脱落。

实施例25

如图15所示，把适量的粘合剂和溶剂加入钼(Mo)和氧化钛(TiO₂)粉末混合物形成的浆料丝印在实施例21-23中所制备的每个都个有92W/m·K的热导率且厚度分别为0.4mm、0.6mm和0.8mm的Si₃N₄基片2上，并加热和烘烤，形成每个厚皆为15μm的难熔金属的金属化层10。

然后利用无电镀敷在每一金属化层10上形成厚为3μm的Ni镀层9，形成具有预定图形的电路层。通过焊接把半导体元件6焊接到电路板的两个位置层上，由此制备大量实施例25的氮化硅电路板1i。

其中由上述金属化法形成电路层的实施例25的Si₃N₄电路板的最大挠度在1.0-1.8mm范围内，抗折断强度在650-950MPa范围内。所以其特性几乎与实施例21-23中由活性金属钎焊法形成电路层所能获得的特性相同。在耐热循环试验中，表现出以下极好的耐热循环性。即，甚至在1000次循环后，Si₃N₄基片中没有产生龟裂，并且电路层(金属化层)8也没有脱落。

下面将参照实施例26来说明用具有不同组分和不同特性值的氮化硅基片的电路板的实施例。

实施例26

抛光在实施例16中所制备的样品1-51的氮化硅烧结体，由此制备象实施例21-23一样厚为0.4mm、0.6mm和0.8mm氮化硅基片。象实施例21-23一样，用活性金属钎焊法，将铜电路板等整体地粘接到所制备的氮化硅基片的表面上，由此制备如图13所示的实施例26的氮化硅电路板。

以与实施例24同样的方式，用DBC法将铜电路板等直接键合到氮化硅基片的表面上，由此制备如图14所示的实施例26的氮化硅电路板。

以与实施例25同样的方式，用金属化法在氮化硅基片的表面上形成电路层，由此制备如图15所示的实施例26的氮化硅电路板。

用上述的活性金属钎焊法、DBC法和金属化法形成电路层的实施例26的Si₃N₄基片的最大挠度和抗折断强度等于或高于实施例21-25基片的最大挠度和抗折断强度。在耐热循环试验中，表现出以下极好的耐热循环性，即，甚至在1000次循环后，Si₃N₄基片中也没有产生龟裂，并且电路层也没有脱落。

对于上述各实施例的氮化硅电路板，电路层直接键合到具备氮化硅烧结体原有特性的高强度和高韧性特性并改善了热导率的高导热氮化硅基片上，多个导体元件安装在电路板上。因此，即使为安装多个半导体元件而形成一大电路板，由于电路板的韧性高，也能保证其最大挠度。因此，在组装过程中没有发生夹紧电裂，并能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

另外，将多个半导体元件安装在单个氮化硅基片的表面上，构成电路板，与为每个半导体元件形成一块电路板的常规情况相比，可减少电路板的总数。因此，能简化电路板的组装和封装步骤，并能改善半导体器件的生产效率。

下面将说明把氮化硅基片和氮化铝基片设置在同一平面上的复合氮化硅电路板。

实施方案27-29

将平均粒径为0.7μm的作烧结助剂的5wt％的Y₂O₃(氧化钇)粉末和平均粒径为0.5μm的作烧结助剂的1.5wt％的Al₂O₃(氧化铝)粉末加入氮化硅原料粉末中，该氮化硅原料粉末包含1.3wt％的氧和总量为0.15wt％的杂质阳离子Li，Na，K，Fe，Ca，Mg，Sr，Ba，Mn和B以及其平均粒径为0.55μm的97wt％的α-相型氮化硅。

在酒精中对所得混合物进行24小时的湿法混合，然后干燥，从而制备原料粉末混合物。将预定量的有机粘合剂加入所制备的原料粉末混合物，并均匀混合。用1000kg/cm²的成型压力将混合物成型成型，制成大量每个为80mm长×50mm宽×1-5mm厚的成型体。

在大气中，用700℃温度对所得的每个成型体进行2小时的脱脂。把脱脂体放置在氮气气氛中，并在1900℃温度和7.5个大气压下的N₂气氛中保持6小时，烧结致密。然后调节烧结炉中的加热设备的电流量，以调节到100℃/小时的冷却速率冷却烧结体，直到炉温降至1500℃。将所得烧结体抛光，由此制备实施例27-29的氮化硅烧结体，每个所制备的烧结体都具有70W/m·K的热导率k，且厚度分别为0.4mm、0.6mm和0.8mm.

另一方面，将从作Si组分的SiO₂算出的0.01wt％的Si和作烧结助剂的5wt％的Y₂O₃加到含作杂质的0.8wt％氧且平均粒径为1μm的的氮化铝中。将所得混合物用酒精作溶剂球磨混合20小时，以制备原料混合物。然后把5.5wt％作有机粘合剂的聚乙烯醇(PVA)加到原料混合物中，以制备颗粒状粉末。

将所得颗粒状粉末装入压模的模具中，以便用1200kg/cm²的压力在一轴向上压缩和成型，由此制备大量方片状成型体。然后在空气中以450℃加热成型体1小时，进行脱脂。

将每个脱脂成型体存放在由AlN构成的烧结容器中，在烧结炉中，1760-1780℃烧结温度下对成型体进行4小时的烧结，使之致密。然后以200℃/小时的冷却速率冷却烧结体，从而制备每个皆具有182W/m·K的热导率且厚度等于Si₃N₄基片的实施例27-29的AlN基片。

如图17所示，将有相同厚度的Si₃N₄基片2和AlN基片15在同一平面上相互组合，以形成复合基片14。更具体地说，将AlN基片15设置在其上安装半导体元件6的部位，而将Si₃N₄基片2设置在其余部位，从而形成复合基片14。

如图16和17所示，然后在每个氮化硅基片2和氮化铝基片15的表面上形成龟路层的部位及铜电路板粘接到氮化硅基片2和氮化铝基片15背面的部位，丝印有30wt％Ag-65wt％Cu-5wt％Ti复合物的粘接材料，并干燥，形成厚皆为20μm的活性金属焊接材料层7a和7b。

然后，将由韧电解铜构成的厚为0.3mm的铜电路板4和厚为0.25mm的背面铜板5设置在活性金属焊接材料层7a和7b的预定部位，并使之与活性金属焊接材料层7a和7b相接触。将所得结构置于真空状态下，在850℃保持10分钟，从而获得粘接体。

腐蚀每个粘接体，形成预定的电路图形(电路层)。然后通过焊接层8将半导体元件6焊接到铜电路板4的中心部位，制成实施例27-29的大量复合氮化硅电路板1f。

比较例12

除用热导率为182W/m·K且厚度为0.8mm的只由氮化铝(AlN)烧结体构成的陶瓷基片来代替用于实施例27-29的由Si₃N₄基片2和AlN基片15构成的复合基片14外，以与实施例27-29相同的方式，用活性金属钎焊法将铜电路板和背面铜板整体地粘接到基片的表面上，从而制备比较例12的电路板。

测量上述制备的实施例27-29和比较例12的电路板的最大挠度和抗折断强度，发现实施例27-29的复合氮化硅电路板1j的最大挠度和抗折断强度是用常规氮化铝基片的比较例12的电路板的最大挠度和抗折断强度的两倍以上。

还证实随着复合氮化硅基片厚度的减小，挠度和抗折断强度增加。由于热阻随基片厚度的减小而减小，所以还证实整个电路板的热辐射特性可得到很大改善。

如图17所示，在将复合氮化硅电路板粘接到热沉上后，在组装过程中把上述各实施例的的复合电路板安装到电路板上，没有产生夹紧龟裂，所以能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

从-45℃加热到室温(RT)，再从室温加热到+125℃，然后从+125℃通过室温冷却到-45℃，对电路板重复进行这样有一个循环的升温降温循环，直到测量到在基片中产生龟裂为止，由此进行耐热循环试验。

在这种情况下，对于实施例27-29的复合电路板，在1000次热循环后，Si₃N₄基片或AlN基片中没有产生龟裂，金属板一点也没脱落。因此，发现该电路板具有极好的耐热循环特性。另一方面，对于比较例12的电路板，在100次热循环后，产生龟裂，从而证实该电路板的耐用性很差。

实施例30

在氧化炉中，在1300℃温度下加热在实施例27-29中所制备的热导率k为70W/m·K且厚分别为0.4mm、0.6mm和0.8mm的Si₃N₄基片12小时，氧化各基片的整个表面，由此形成厚为2μm的氧化层。该氧化层是由SiO₂构成的。

在氧化炉中，在1200℃加热在实施例27-29中所制备的热导率k为182W/m·K且厚分别为0.4mm、0.6mm和0.8mm的AlN基片0.5小时，氧化各基片的整个表面，由此形成厚为2μm的氧化层。该氧化层是由Al₂O₃构成的。

如图18所示，在同一平面上，将有相同厚度的Si₃N₄基片2和AlN基片15相互复合，形成复合基片14。更具体地说，将AlN基片15设置在其上安装半导体元件6的部位，而将Si₃N₄基片2设置在其余部位，从而形成复合基片14。

设置厚为0.3mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与其上形成有氧化层的由Si₃N₄基片2和AlN基片15构成的每块复合基片14的前表面相接触，设置用作背衬材料的厚为0.25mm且由韧电解铜构成的铜电路板，使之与复合基片14的背表面相接触，由此形成组装体。

将该组装体装入1075℃的加热炉中，将气氛调到氮气气氛，加热1分钟，由此直接把铜电路板粘接到每块复合基片14的两个表面上。然后通过焊接把半导体元件焊接到铜电路板上，由此制备实施例30的复合氮化硅电路板1k。

每块复合电路板1k都有以下结构。即，如图18所示，在Si₃N₄基片2和AlN基片15的整个表面上形成由SiO₂或Al₂O₃构成的氧化层3，用作金属电路板的铜电路板4直接键合在由Si₃N₄基片2和AlN基片15构成的复合基片14的前表面上，用作背面铜板的铜电路板5按上述同样的方式直接键合在背面上。半导体元件6通过焊接层8(未示出)整体地焊接在前表面上的铜电路板的预定部位。

当将铜电路板4或5粘接到复合基片14的两表面上时，用作背面铜板的铜电路板5可有效地促进热辐射并防止电路板翘曲。

其中由上述直接键合法形成电路层的实施例30的复合氮化硅电路板的最大挠度在0.8-1.6mm范围内，抗折断强度在550-900MPa范围内。所以其特性几乎与实施例27-29中由活性金属钎焊法形成电路层所能获得的特性相同。在耐热循环试验中，表现出下面极好的耐热循环性。即，甚至在1000次循环后，Si₃N₄基片和AlN基片中也没有产生龟裂，并且金属电路板也没有脱落。

下面将说明由堆叠或层叠氮化硅基片和氮化铝基片形成的复合陶瓷基片的实施方案。

图19是表示本发明的复合氮化硅电路板的一个实施方案的剖面图。参见图19，标号2表示氮化硅基片。两块氮化硅基片2通过氮化铝基片15堆叠，相互集成。

更具体地说，氮化铝基片15插在置于表面上的两氮化硅基片之间，复合基片14a是由氮化硅基片2、氮化铝基片15和氮化硅基片2构成的三层夹层结构构成。

对于上述的氮化硅基片2和氮化铝基片15，一般可以用常用的一种基片。具体说，对于氮化硅基片2来说，可优选使用热导率60W/m·K或以上的氮化硅基片。

已知构成氮化硅基片2的氮化硅烧结体是一种高强度和高韧性的陶瓷烧结体，如果该氮化硅烧结体经过高度提纯或对其组分经过严格调整，那么便可得到有很好热导率即60W/m·K以上的氮化硅烧结体，而不会使其原有的高强度和高韧性等机械特性下降。

在这个实施方案中，最好使用上述的有较好热导率的氮化硅基片2。对于氮化铝基片15，最好使用有170W/m·K以上的高热导率的常用氮化铝基片。

通过活性金属粘接层16，将构成复合基片14a的氮化硅基片2和氮化铝基片15相互粘接在一起。对于活性金属粘接法，可以用利用含有如4A族元素或5A族元素的活性金属焊接材料的活性金属粘接法，或用利用活性金属箔或粉末的活性金属固相粘接法。

例如，对于活性金属焊接材料，可以用由通过向有Ag-Cu共晶复合物(72wt％Ag-28wt％Cu)或类似于Ag-Cu共晶复合物的复合物的材料中添加选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的至少一种活性金属获得的焊接材料，也可通过向Cu等中添加这类活性金属所得的焊接材料。还可用把In或Sn加入上述活性金属焊接材料来降低其熔点的低熔点活性金属焊接材料。

不仅可以用上述的活性金属粘接法，而且可以用玻璃粘接法来粘接氮化硅基片2和氮化铝基片15，如图20所示。在这种情况下，作粘接层的玻璃层17是由如硼硅玻璃等粘接玻璃构成的。

如果用活性金属粘接法来粘接氮化硅基片2和氮化铝基片15，可以利用活性金属钎焊法同时形成铜板(电路)。另一方面，如果用玻璃粘接法，则用直接键合铜(DBC)法形成铜板(电路)。

虽然构成复合基片14a的氮化硅基片2和氮化铝基片15的厚度取决于所需特性或复合基片14a的总厚度，但为了改善机械强度，最好使置于表面上的氮化硅基片2的厚度为0.2mm以上。

如果氮化硅基片2的厚度小于0.2mm，则无法获得有足够机械强度的复合基片14a。然而如果氮化硅基片2的厚度太厚，则复合基片的热辐射特性会下降。因此，最好使氮化硅基片2的厚度小于0.5mm。

由于氮化铝基片15能改善复合基片14a的热辐射特性，所以将氮化铝基片的厚度优选为占复合基片14a总厚度的20％以上(最好为30％以上)。如果氮化铝基片15的厚度小于20％，则复合基片的热辐射特性下降。

以这种方法，氮化铝基片15的厚度大于氮化硅基片2的厚度。然而，由于此类复合基片14a的诸如机械强度和热辐射特性等特性根据氮化硅基片2和氮化铝基片各自的材料特性而改变，所以最好根据这些特性来设定它们的厚度。

本实施例的复合基片14a中，有机械压力、机械应力、热应力等直接作用于其上的表面部分是由高强度和高韧性的氮化硅基片2构成的。因此，可抑制在组装过程产生的夹紧龟裂，热循环引起的龟裂等。更具体地说，由于热应力、机械应力等基本上只作用于表面上，所以如果该表面部分由高强度和高韧性的氮化硅基片2构成，则可抑制折断或龟裂的发生。

另一方面，由于复合基片14a的热导率是通过置于氮化硅基片2之间的氮化铝基片15获得的，所以可以获得足够高的热导率，作为复合基片14a的热导率。以这种方式，复合基片14a同时具有高强度高韧性的氮化硅基片2和有很好热导率的氮化铝基片15的特性。

将铜板4粘接到复合基片14a的主表面即氮化硅基片2上，构成电路(布线层)或半导体元件安装区，由此构成复合陶瓷基片1b。铜板4可由活性金属粘接法或铜直接键合(称之为DBC法)粘接到氮化硅基片2上。用作电路等的金属层不仅可由上述的铜电路板4构成而且也可由涂敷厚膜浆料、烘烤等来构成。对于厚膜浆料，可以用含有如W或Mo等难熔金的浆料和含有活性金属Ag-Cu合金的浆料。

下面将参照图21说明本发明的另一实施方案。

图21表示用本发明的复合氮化硅电路板作热沉的配置。在该配置中，上表面上的氮化硅基片2只粘接到机械压力等直接作用的周边部分，即只粘接到氮化铝基片15的上表面的周边部分。

在下表面上的氮化硅基片2与氮化铝基片15的整个表面粘接，由此构成复合基片14b。虽然未示出，氮化硅基片2和氮化铝基片15是通过与上述实施方案中相同的活性金属粘接法、玻璃粘接法等相互粘接的。铜电路板4可按上述同样的方式粘接到氮化硅基片2的表面上。

如上所述，本发明的复合氮化硅电路板中，由于上表面上的氮化硅基片2只粘接到机械压力等直接作用的周边部分，所以可直接将诸如半导体元件6等电子部件安装到有很好热导率的氮化铝基片15上。因此，能迅速辐射来自半导体元件6的热量。以这种方式，电子部件安装在本发明的陶瓷基片上，在保持热沉的特性的同时，可抑制组装过程中夹紧龟裂和由热循环引起的龟裂。

可以用有图21所示结构的复合基片14b作封装基座，例如QFP。更具体说，当将引线框粘接到氮化铝基片15的上表面的氮化硅基片2上时，可防止由粘接引线框而产生的应力引起的龟裂等。由于可以象设有热沉时一样，直接将半导体元6安装到氮化铝基片15上，所以可以获得如同QFP的热辐射特性一样的优选热辐射特性。

如图21所示，在本发明的复合陶瓷基片中，不必把氮化硅基片2粘接到氮化铝基片的整个表面上，可以将氮化硅基片2部分地粘接到氮化铝基片15上。

本发明的复合陶瓷基片不仅可以用作陶瓷基片、热沉等，而且还可以用作如上所述的半导体器件的封装基座。例如，当将本发明的复合基片用作BGA、PGA等的封装基座时，热应力尤其要作用在复合基片和印刷布线基片间粘接的部分。因此，可以将氮化硅基片用来粘接到热应力集中作用的一边。更具体地说，在本发明的复合基片中，氮化硅基片整体地粘接到氮化铝基片的一个表面上。

如此以来，安装本发明的陶瓷基片的电子部件中，氮化硅基片与氮化铝基片粘接的部位并不限于一个特定的部位。可以将氮化硅基片粘接到需要机械强度的不同部位，并且可以用各种配置的复合基片。

下面将参照实施例31来说明堆叠型复合陶瓷基片的实施方案。

实施例31

将实施例16所制备的样品1-51氮化硅烧结体抛光，由此由每个样品烧结体制备两块厚为0.2mm的氮化硅基片。另一方面，制备大量与氮化硅基片平面形状相同并有170W/m·K的热导率且厚为0.4mm的氮化铝基片。

然后，用活性金属钎焊法，将氮化硅基片2粘接到氮化铝基片15的两个表面上，由此制备每一个厚皆为0.8mm且为图19所示的夹层结构的复合基片14a。用活性金属钎焊法，将铜板4粘接到复合基片14a的两个主表面上。然后腐蚀所得结构，形成预定布线图形，由此制备实施例31的复合氮化硅电路板。

测量上述所制得的每块复合氮化硅电路板1l的弯曲强度，复合氮化硅电路板1l的最佳弯曲强度即平均弯曲强度为500MPa。对每块复合氮化硅电路板进行热循环试验(233K-RT-398K)，甚至在进行了1000次循环后，也没有探测到龟裂，耐压值也没有下降。

实施例32

用硼硅玻璃，将实施例31所制备的具有170W/m·K的热导率且厚为0.4mm氮化铝基片15，和厚为0.2mm且从样品1-51的氮化硅烧结体上切割下来的与氮化铝在同一平面上的氮化硅基片2相互粘接在一起，由此得到厚为0.8mm且为图20所示的夹层结构的复合基片14a。然后利用直接键合铜法(DBC法)，将铜板4键合到复合基片14a的两个主表面上。腐蚀所得结构，形成图形，由此制备实施例32的复合氮化硅电路板1l。

测量上述获得的复合氮化硅电路板1l的弯曲强度，复合氮化硅电路板1l的优选弯曲强度即平均弯曲强度为500MPa。对每块复合氮化硅电路板进行热循环试验(233K-RT-398K)，甚至在进行了1000次循环后，也没有探测到龟裂，耐压值也没有下降。

比较例13

利用直接键合法(DBC法)，将铜板键合到170W/m·K的热导率且厚为0.8mm氮化铝基片的两个主表面上。腐蚀所得结构，形成图形。测量上述获得的每块氮化铝电路板的弯曲强度，其弯曲强度为300MPa。对陶瓷电路板进行热循环试验(233K-RT-398K)，在进行300次循环后，耐压值下降。

比较例14

利用活性金属粘接法，将铜板粘接到170W/m·K的热导率且厚为0.8mm氮化铝基片的两个主表面上。腐蚀所得结构，形成图形。测量上述获得的每块氮化铝电路板的弯曲强度，其弯曲强度为300MPa。对陶瓷电路板进行热循环试验(233K-RT-398K)，在进行500次循环后，耐压值下降。

如上所述，本实施方案的氮化硅电路板，在不是很大地降低如氮化铝基片的高热导率等特性的情况下，可以增加整块电路板的机械强度。由此可以很大程度地提高可靠性。

在尤其需要结构强度的部位配置高导热的氮化硅基片，同时在需要高热导率以便安装如半导体元件等发热部件的部位配置氮化铝基片。将两块基片置于同一平面上或相互层叠。因此，由于能通过高导热的氮化铝基片迅速地将如半导体元件等发热部件产生的热量传递到系统外，所以热辐射特性极佳。

另一方面，由于在需要结构强度的部位配置具有高强度和高韧性的氮化硅基片，所以可以确保电路板的最大挠度。因此，在组装过程中不会发生夹紧龟裂，并能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

工业应用

如上所述，将金属电路板整体地粘接到具有氮化硅烧结体本身所具有的高强度和高韧性的高导热的氮化硅基片上，从而形成本发明的氮化硅电路板，所形成的氮化硅电路板的热导率有很大提高。因此，由于电路板具有高韧性，所以可以确保最大挠度和抗折断强度。因此，在组装过程中不会发生夹紧龟裂，并能以高成品率批量生产用该电路板的半导体器件。

由于氮化硅基片具有高韧性和弹性，所以经过一个热循环，基片中很少产生龟裂，耐热循环特性显著提高。因此，可以提供有极好的耐用性和可靠性的半导体器件。

另外，由于使用高导热的氮化硅基片，即使在电路板上安装趋于高输出功率和高集成度的半导体元件，热阻特性明显下降，并且能获得极好的热辐射特性。

尤其是由于氮化硅基片本身具有极好的机械强度，在保持所需的机械强度特性不变的情况下，与用另一陶瓷基片的情况相比，可以减小该基片的厚度。由于可减小基片厚度，所以可降低热阻，并进一步提高热辐射特性。薄于常规基片的基片能与所需的机械特性相适应，因此可以进行高密度电路板封装，并能减小半导体器件的尺寸。

Claims (9)

1.一种氮化硅电路板，其特征在于，它包括：

具有不小于60W/m·K的热导率的高导热氮化硅基片；以及

粘接到所说高导热氮化硅基片上的金属电路板，其中所说高导热氮化硅基片的厚度D_S和所说金属电路板的厚度D_M满足关系式D_S≤2D_M；

其中所说高导热氮化硅基片包含作氧化物的2.0-17.5wt％的稀土元素的氮化硅烧结体，该氮化硅烧结体包含氮化硅晶相和晶界相，并且晶化复合相与整个晶界相的比不小于20％。。

2.根据权利要求1的氮化硅电路板，其特征在于：所说高导热氮化硅基片的厚度D_S和所说金属电路板的厚度D_M满足关系式D_M≤D_S≤(5/3)D_M。

3.根据权利要求1的氮化硅电路板，其特征在于：所说金属电路板是通过含选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的至少一种活性金属的金属粘接层粘接到高导热的氮化硅基片上的。

4.根据权利要求1的氮化硅电路板，其特征在于：所说金属电路板是通过氧化层直接粘接到高导热的氮化硅基片上的。

5.一种氮化硅电路板，其特征在于，它包括：

具有不小于60W/m·K的热导率的高导热氮化硅基片；以及

整体地粘接到所说高导热氮化硅基片上的电路板，其中，当将负荷施加在支撑在50mm的支撑间隔处的所说电路板的中心部位，直到所说氮化硅基片折断时，所说电路板的最大挠度不小于0.6mm；

其中所说高导热氮化硅基片包含作氧化物的2.0-17.5wt％的稀土元素的氮化硅烧结体，该氮化硅烧结体包含氮化硅晶相和晶界相，并且晶化复合相与整个晶界相的比不小于20％。

6.一种氮化硅电路板，其特征在于，它包括：

具有不小于60W/m·K的热导率的高导热氮化硅基片；以及

整体地粘接到所说高导热氮化硅基片上的电路板，其中，当对支撑在50mm的支撑间隔处的所说电路板进行抗折断试验时，所说电路板的抗折断强度不小于500Mpa；

其中所说高导热氮化硅基片包含作氧化物的2.0-17.5wt％的稀土元素的氮化硅烧结体，该氮化硅烧结体包含氮化硅晶相和晶界相，并且晶化复合相与整个晶界相的比不小于20％。。

7.根据权利要求5或6的氮化硅电路板，其特征在于：所说电路层是铜电路板，而所说明的铜电路板是用Cu-O共晶复合物直接键合到所说氮化硅基片上的。

8.根据权利要求5或6的氮化硅电路板，其特征在于：所说电路层是铜电路板，所说铜电路板是通过含选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的至少一种活性金属粘接层粘接到所说氮化硅基片上的。

9.根据权利要求5或6的氮化硅电路板，其特征在于：所说电路层包含W和Mo中的至少一种和至少含选自由Ti、Zr、Hf和Nb组成的集合中的一种活性金属的难熔金属的金属化层。

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