JP7576209B2 - 窒化ケイ素焼結体及びその製造方法、接合体、並びに、パワーモジュール - Google Patents

Description

本開示は、セラミック焼結体及びその製造方法、接合体、並びにパワーモジュールに関する。

近年、モーター等の産業機器、及び電気自動車等の製品には、大電力制御用のパワーモジュールが用いられている。このようなパワーモジュールには、半導体素子から発生する熱を効率的に拡散するとともに、漏れ電流を抑制するため、セラミック板を備える回路基板等が用いられている（例えば、特許文献１参照）。このようなセラミック板に用いられるセラミック焼結体は、通常、セラミック原料粉末を所定形状に成形してセラミック成形体とした後に、セラミック成形体を焼成することで製造される。

セラミック焼結体としては、窒化物、炭化物、硼化物、又は珪化物等で構成されるものが知られている。このようなセラミック焼結体を製造する際には、焼結を促進するため、焼結助剤が用いられる。例えば、特許文献２では、窒化ケイ素焼結基板を製造する際に、Ｓｉ粉末、ＭｇＯ粉末及びＹ_２Ｏ_３粉末を用いることが提案されている。

国際公開第２０１９／０２２１３３号 国際公開第２０１７／１７０２４７号

パワーモジュール等の電子部品は、高性能化とともに小型化及び薄型化が図られている。これに伴って、電子部品に用いられる各種製品の信頼性の要求レベルが益々高くなっていくと考えられる。本開示は、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性に優れるセラミック焼結体及びその製造方法、並びに接合体を提供する。本開示は、そのようなセラミック焼結体を備えることによって信頼性に優れるパワーモジュールを提供する。

本開示の一側面は、以下のセラミック焼結体を提供する。

［１］セラミック粒子を含むセラミック焼結体であって、断面において、１０μｍ以上のサイズを有する粗大気孔の平均個数が１個／ｍｍ^２未満、且つ、１０μｍ未満のサイズを有する微小気孔の平均個数が４００個／ｍｍ^２未満であり、抗折強度が６４０ＭＰａ以上である、セラミック焼結体。

上記セラミック焼結体は、断面における粗大気孔及び微小気孔の両方の個数が十分に小さく、且つ高い抗折強度を有する。このようなセラミック焼結体は、金属板等などの異種の材料と接合された場合に、温度変化がある場合に内部応力が生じ、これが原因となって絶縁破壊が生じる。上記セラミック焼結体は、高い抗折強度を有しているうえに、粗大気孔及び微小気孔の個数が十分に低減されている。このため、温度変化に伴って内部応力が発生したときに、クラックの発生及び進展を十分に抑制することができる。このため、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性にも優れる。

上記［１］のセラミック焼結体は、以下の［２］又は［３］であってもよい。

［２］前記断面における気孔のサイズの最大値が６μｍ以下である、［１］に記載のセラミック焼結体。
［３］前記微小気孔のサイズの平均値が１．０μｍ以下であり、標準偏差が０．６μｍ以下である、［１］又は［２］に記載のセラミック焼結体。

上記［２］のセラミック焼結体は、気孔のサイズの最大値が６μｍ以下であることによって、温度変化に伴うクラックの発生を十分に抑制することができる。したがって、絶縁信頼性に一層優れる。上記［３］のセラミック焼結体は、ヒートサイクルの環境下における耐久性を十分に高くすることができる。

本開示の一側面は、以下のセラミック焼結体の製造方法を提供する。

［４］焼結助剤原料を粉砕機で粉砕してメジアン径が０．５～１．０μｍの焼結助剤粉末を得る工程と、
セラミック粉末と前記焼結助剤粉末とを含む混合原料を調製する工程と、
前記混合原料の成形体を焼成して、抗折強度が６４０ＭＰａ以上であるセラミック焼結体を得る工程と、を有する、セラミック焼結体の製造方法。

上記製造方法は、焼結助剤原料を粉砕機で粉砕してメジアン径が０．５～１．０μｍの焼結助剤粉末を得る工程を有する。このような焼結助剤粉末は、粒子径が十分に小さく、且つ凝集が十分に抑制されている。このような焼結助剤を含む混合原料を用いることによって、セラミック粉末の粒成長が均一且つ円滑に進行し、十分に気孔が低減されるともに高い抗折強度を有するセラミック焼結体を得ることができる。このようなセラミック焼結体は、温度変化に伴って内部応力が発生したときに、クラックの発生及び進展を十分に抑制することができる。このため、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性に優れる。

上記［４］のセラミック焼結体の製造方法は、以下の［５］であってもよい。

［５］上記セラミック焼結体の断面において、１０μｍ以上のサイズを有する粗大気孔の平均個数が１個／ｍｍ^２未満、且つ、１０μｍ未満のサイズを有する微小気孔の平均個数が４００個／ｍｍ^２未満であってよい。このようなセラミック焼結体は、一層優れた絶縁信頼性を有する。

本開示の一側面は、以下の接合体を提供する。

［６］上記［１］～［３］のいずれか一つに記載の板状の前記セラミック焼結体と、金属板と、前記セラミック焼結体の主面と前記金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える接合体。

上記接合体は、上記セラミック焼結体を備える。このセラミック焼結体は、温度変化に伴って内部応力が発生したときに、クラックの発生及び進展を十分に抑制することができる。したがって、上記接合体は、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性にも優れる。

上記［６］の接合体は、以下の［７］又は［８］であってもよい。

[７]前記金属板の厚みが０．８ｍｍ以下である、[６]に記載の接合体。
[８]前記ろう材層は、銀、銅、錫、及び活性金属を含み、前記活性金属は、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、及びニオブからなる群より選ばれる一種又は二種以上を含む、[６]又は[７]に記載の接合体。

本開示の一側面は、以下のパワーモジュールを提供する。

［９］上記［１］～［３］のいずれか一つに記載の板状の前記セラミック焼結体と、金属板と、前記セラミック焼結体の主面と前記金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える接合体と、
当該接合体の前記金属板に電気的に接続される半導体素子と、を備えるパワーモジュール。

上記パワーモジュールは、半導体素子で発生した熱が伝わる接合体の絶縁体として上記セラミック焼結体を備える。上記セラミック焼結体は、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性に優れる。したがって、上記パワーモジュールは信頼性に優れる。

本開示は、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性に優れるセラミック焼結体及びその製造方法、並びに接合体を提供することができる。本開示は、そのようなセラミック焼結体を備えることによって信頼性に優れるパワーモジュールを提供することができる。

図１は、セラミック焼結体の断面の一部を模式的に示す拡大断面図である。 図２は、接合体の厚さ方向に沿う断面図である。 図３は、パワーモジュールの断面図である。 図４は、レーザー回折・散乱法による焼結助剤粉末の体積基準の粒子径分布の一例を示す図である。 図５は、製造方法の一例において焼結が進行するときの粒成長のイメージ例を示す図である。 図６は、走査型電子顕微鏡による断面の一例を示す写真（２００倍）である。 図７は、走査型電子顕微鏡による断面の一例を示す写真（１０００倍）である。 図８は、絶縁破壊を検査する検査装置の一例を模式的に示す図である。 図９は、従来の製造方法において焼結が進行するときの粒成長のイメージを示す図である。 図１０は、走査型電子顕微鏡による、従来の成形体（セラミックグリーンシート）の断面（２００倍）と、当該断面に含まれる焼結助剤粉末の凝集体の写真である。 図１１は、走査型電子顕微鏡による従来のセラミック焼結体の断面の写真（２００倍）である。 図１２は、レーザー回折・散乱法による従来の焼結助剤粉末の粒子径分布の一例を示す図である。 図１３は、走査型電子顕微鏡による従来の断面の一例を示す写真（２００倍）である。 図１４は、走査型電子顕微鏡による従来の断面の一例を示す写真（１０００倍）である。

以下、場合により図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。なお、「～」の記号で示される数値範囲は、下限値及び上限値を含む。すなわち、「Ａ～Ｂ」で示される数値範囲は、Ａ以上且つＢ以下を意味する。上限値のみを有する数値範囲と下限値のみを有する数値範囲を組み合わせた数値範囲も本開示に含まれる。各数値範囲の上限又は下限をいずれかの実施例の数値で置き換えたものも、本開示に含まれる。複数の材料が例示されている場合、そのうちの一種を単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。

一実施形態に係るセラミック焼結体は、セラミック粒子を含む。セラミック焼結体は気孔を含んでもよい。セラミック焼結体に含まれる気孔の個数及びサイズは、セラミック焼結体の耐ヒートサイクル性及び高温における絶縁信頼性に影響を与える。気孔には、粗大気孔と微小気孔とが含まれる。粗大気孔と微小気孔は、それぞれのサイズが互いに異なっており、気孔のサイズは以下のようにして測定される。

図１は、セラミック焼結体の断面の一部を走査型電子顕微鏡で観察したときの画像の一例を模式的に示す図である。図１に示されるようにセラミック焼結体の断面１０Ｃは、セラミック粒子と気孔２０とを含む。図１では、気孔２０を模式的に拡大して示している。なお、断面１０Ｃには多数のセラミック粒子が含まれているが、図１では、便宜上、セラミック粒子の表示を省略している。

本開示では、気孔２０のサイズは、気孔２０の外縁において間隔が最も大きくなるように選択される２点を結ぶ線分Ｌの長さである。そして、この線分Ｌの長さに応じて、「粗大気孔」と「微小気孔」とそれ以外の気孔に分類される。図１に示される気孔２０の線分Ｌの長さが０．０５μｍ以上且つ１０μｍ未満であれば、「微小気孔」に分類される。一方、同様の方法で測定される線分Ｌの長さが１０μｍ以上である気孔は、「粗大気孔」に分類される。それ以外の気孔の線分Ｌの長さは０．０５μｍ未満である。

セラミック焼結体の抗折強度は、粗大気孔の平均個数及び微小気孔の平均個数によって大きく変動する。本実施形態のセラミック焼結体の粗大気孔の平均個数Ｐ_１は１個／ｍｍ^２未満である。粗大気孔の平均個数Ｐ_１は、走査型電子顕微鏡による断面（倍率：２００倍）を５箇所以上の視野において観察し、それぞれの視野に含まれる粗大気孔を足し合わせた合計個数に基づいて、以下の計算式で求められる。
粗大気孔の平均個数Ｐ_１＝粗大気孔の合計個数／視野数／１視野当たりの面積

セラミック焼結体の耐ヒートサイクル性及び高温における絶縁信頼性を十分に高くする観点から、粗大気孔の平均個数Ｐ_１は、０．８個／ｍｍ^２未満であってよく、０．６個／ｍｍ^２未満であってよく、０．５個／ｍｍ^２未満であってよく、０．１個／ｍｍ^２未満であってもよい。粗大気孔の平均個数Ｐ_１の下限値は、０個／ｍｍ^２であってもよい。粗大気孔の平均個数Ｐ_１は、例えば、焼結助剤粉末の粒子径又は凝集度を変えることで調整することができる。

本実施形態のセラミック焼結体の微小気孔の平均個数Ｐ_２は４００個／ｍｍ^２未満である。微小気孔の平均個数Ｐ_２は、走査型電子顕微鏡による断面（倍率：１０００倍）を５箇所以上の視野において観察し、それぞれの視野に含まれる微小気孔を足し合わせた合計個数に基づいて、以下の計算式で求められる。なお、微小気孔のサイズ及び個数は、ＩｍａｇｅＪ等の画像処理ソフトウエアを用いてカウントすることができる。
微小気孔の平均個数Ｐ_２＝微小気孔の合計個数／視野数／１視野当たりの面積

セラミック焼結体の耐ヒートサイクル性及び高温における絶縁信頼性を十分に高くする観点から、微小気孔の平均個数Ｐ_２は、３５０個／ｍｍ^２未満であってよく、３２０個／ｍｍ^２未満であってよく、２９０個／ｍｍ^２未満であってよく、２１０個／ｍｍ^２未満であってもよい。微小気孔の平均個数Ｐ_２は、１０個／ｍｍ^２以上であってもよく、５０個／ｍｍ^２以上であってもよく、１００個／ｍｍ^２以上であってもよい。微小気孔の平均個数Ｐ_２は、例えば、焼結助剤粉末の粒子径又は凝集度を変えることで調整することができる。

粗大気孔の平均個数Ｐ_１は０個／ｍｍ^２であってよく、セラミック焼結体の断面に含まれる気孔のサイズの最大値は、６μｍ以下であってよく、５μｍ以下であってよく、３μｍ以下であってもよい。これによって、セラミック焼結体の抗折強度を一層高くすることができる。セラミック焼結体の断面に含まれる気孔のサイズの最大値は、０．５μｍ以上であってよく、１．０μｍ以上であってよく、１．２μｍ以上であってよい。気孔のサイズの最大値は、走査型電子顕微鏡による断面（倍率：２００倍）を５箇所以上の視野において観察したときに検出される全気孔のサイズの測定値から求められる。

耐ヒートサイクル性及び高温における絶縁信頼性を一層向上する観点から、セラミック焼結体の断面に含まれる微小気孔のサイズの平均値は１．０μｍ以下であり、当該サイズの標準偏差は０．６μｍ以下であってよい。幾つかの例では、セラミック焼結体の断面に含まれる微小気孔のサイズの平均値は０．７μｍ以下であってよく、当該サイズの標準偏差は０．５μｍ以下であってよい。別の幾つかの例では、セラミック焼結体の断面に含まれる微小気孔のサイズの平均値は０．６μｍ以下であってよく、当該サイズの標準偏差は０．４７μｍ以下であってよい。セラミック焼結体の断面に含まれる微小気孔のサイズの平均値は０．１μｍ以上であってよい。微小気孔のサイズの平均値は、上述の平均個数Ｐ_２を求めるときと同様の方法で求められる。すなわち、５箇所以上の視野に含まれる微小気孔のサイズの算術平均として求められる。微小気孔のサイズの標準偏差も５箇所以上の視野に含まれる微小気孔のサイズの標準偏差として求められる。

断面１０Ｃは、気孔２０及びセラミック粒子の他に、焼結助剤相を含んでよい。断面１０Ｃにおけるセラミック粒子（セラミック相）の面積比率の平均値は、７０～９０％であってよく、７５～８５％であってもよい。断面１０Ｃにおける焼結助剤相の面積比率の平均値は、１０～２５％であってよく、１４～２２％であってよい。セラミック粒子及び焼結助剤相をこのような面積比率で含む断面１０Ｃを有するセラミック焼結体は、十分に高い熱伝導率と抗折強度を有する。

セラミック焼結体の断面に含まれる、２０μｍ以上の長軸を有するセラミック粒子の個数は多い方が好ましい。これによって、抗折強度と熱伝導率とを高い水準で両立することができる。長軸の長さが２０μｍ以上であるセラミック粒子の個数の測定は、走査型電子顕微鏡を用いて１０００倍に拡大して示す画像（視野面積：０．０２ｍｍ^２）を用いて行う。セラミック粒子の長軸の長さは、気孔２０のサイズと同様にして測定することができる。すなわち、セラミック粒子の長軸の長さは、セラミック粒子の外縁において間隔が最も大きくなるように選択される２点を結ぶ線分（長軸）の長さである。

測定は、５箇所以上の視野において行い、各視野で長軸の長さが２０μｍ以上であるセラミック粒子の個数の平均値を平均個数とする。２０μｍ以上の長軸を有するセラミック粒子の平均個数は１０個以上であってよく、１５個以上であってよく、１７個以上であってもよい。２０μｍ以上の長軸を有するセラミック粒子の平均個数は、５０個以下であってよく、４５個以下であってよく、４０個以下であってもよい。２０μｍ以上の長軸を有するセラミック粒子の個数の標準偏差は０．６μｍ未満であってよく、０．５μｍ未満であってもよい。２０μｍ以上の長軸を有するセラミック粒子の個数の標準偏差は０．１μｍ以上であってよく、０．１５μｍ以上であってよい。このようなセラミック焼結体は均一性の高い微細組織を有する。このため、信頼性に優れる。

２０μｍ以上の長軸（サイズ）を有するセラミック粒子のアスペクト比は、３以上であってよく、４以上であってもよい。このような形状及びサイズを有するセラミック粒子の個数は、焼結の際の粒成長を円滑に進行させることによって増やすことができる。アスペクト比は、短軸の長さに対する長軸の長さの比である。短軸は、長軸に直交する方向において、セラミック粒子の外縁において間隔が最も大きくなるように選択される２点を結ぶ線分である。

セラミック焼結体を構成するセラミック粒子は、窒化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子及びアルミナ粒子からなる群より選ばれる少なくとも一つを含有していてもよい。

セラミック焼結体としては、主成分として窒化ケイ素粒子を含む窒化ケイ素焼結体、主成分として窒化アルミニウム粒子を含む窒化アルミニウム焼結体、及び、主成分としてアルミナ粒子を含むアルミナ焼結体が挙げられる。また、複数種類のセラミック粒子を含む複合焼結体であってもよい。

セラミック焼結体の抗折強度は、６４０ＭＰａ以上である。このようなセラミック焼結体は、信頼性に優れる。セラミック焼結体の抗折強度は、６７０ＭＰａ以上、６９０ＭＰａ以上、又は７２０ＭＰａ以上であってもよい。この抗折強度は、実施例に記載の方法によって測定される。このように高い抗折強度を有するセラミック焼結体は高い絶縁性を有する。このような抗折強度とともに、粗大気孔及び微小気孔の平均個数が十分に小さいことから、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温での絶縁信頼性に優れる。このようなセラミック焼結体は、例えば、パワーモジュール用の絶縁基板として好適に用いることができる。セラミック焼結体の抗折強度の上限は、例えば９５０ＭＰａであってよい。なお、セラミック焼結体の用途はこれに限定されない。

一実施形態に係る接合体は、板状のセラミック焼結体（セラミック板）と、金属板と、セラミック焼結体の主面と金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える。セラミック板は、上記実施形態に係るセラミック焼結体であってよい。このセラミック焼結体は、温度変化に伴って内部応力が発生したときに、クラックの発生及び進展を十分に抑制することができる。したがって、上記接合体は、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性にも優れる。

図２は本実施形態の接合体の一例を示す、厚さ方向に沿う断面図である。ただし、この例の説明内容は本例に限定されず、接合体の他の例にも適用される。図２の接合体１００は、セラミック板１０と、セラミック板１０の一方の主面１０Ａにろう材層５１を介して接合された金属板４１と、セラミック板１０の他方の主面１０Ｂにろう材層５１を介して接合された金属板４２と、を備える。金属板４１は、パターン形成されており、例えば回路として機能する。本明細書では、このようにパターン形成されたものも金属板と称する。金属板４２はパターン形成されておらず、例えば放熱板として機能する。セラミック板１０は、上述のセラミック焼結体で構成される。

金属板４１，４２は、例えば銅板であってよい。金属板４１，４２の厚みは、放熱性能の向上及び導電性向上の観点から、０．３ｍｍ以上であってよく、０．４ｍｍ以上であってもよい。金属板４１，４２の厚みは、温度変化に伴ってセラミック板１０に生じる内部応力を低減する観点から、０．８ｍｍ以下であってよく、０．７ｍｍ以下であってよい。金属板４１，４２の厚み範囲の一例は、０．３～０．８ｍｍである。

セラミック板１０の厚みは、絶縁性向上の観点から、０．２ｍｍ以上であってよく、０．３ｍｍ以上であってもよい。セラミック板１０の厚みは、接合体１００を薄型化する観点から、０．８ｍｍ以下であってよく、０．６ｍｍ以下であってもよい。

ろう材層５１，５２は、セラミック板１０と金属板４１，４２とを接合する層であり、ろう材成分を含む。ろう材層は、例えば、ろう材に由来する銀、又は銀及び銅を含んでよい。ろう材層５１，５２は、さらに、ろう材に由来する錫及び活性金属からなる群より選ばれる一種又は二種以上の金属を含有してよい。ろう材層５１，５２において、二種以上の金属は合金となっていてもよい。活性金属は、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、及びニオブからなる群より選ばれる一種又は二種以上を含んでいてよい。ろう材層５１，５２に含まれる銀及び銅は、例えばＡｇ－Ｃｕ共晶合金等の合金として含まれていてもよい。ろう材層５１，５２における銀の含有量は、Ａｇ換算で４５～９５質量％であってよく、５０～９５質量％であってもよい。ろう材層５１，５２における銀及び銅の合計含有量は、それぞれＡｇ及びＣｕに換算して６５～１００質量％であってよく、７０～９９質量％であってよく、９０～９８質量％であってもよい。ろう材層５１，５２の厚み及び組成は、互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

接合体の変形例では、セラミック板の両方の主面に接合されるそれぞれの金属板が同じ形状であってもよい。例えば、回路がパターン形成される前の接合体であってもよい。別の変形例では、セラミック板の一方の主面に接合される金属板が複数であってもよい。セラミック板の一方の主面のみに金属板が接合されていてもよい。

一実施形態に係るパワーモジュールは、接合体（回路基板）と、接合体の金属板に電気的に接続される半導体素子と、を備える。接合体は、上述の接合体１００又はその変形例であってよい。セラミック焼結体、接合体、及びこれらの変形例に関する説明内容は、本実施形態のパワーモジュールに適用される。このようなパワーモジュールは、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性にも優れるセラミック板を有する接合体を備える。したがって、温度が大きく変動する環境下で使用しても、高い性能を維持することができる。このように、上記パワーモジュールは信頼性に優れる。

図３は、パワーモジュールの一例を示す断面図である。この例の説明内容は本例に限定されず、パワーモジュールの他の例にも適用される。図３のパワーモジュール２００は、ベース板９０と、ハンダ８２を介してベース板９０の一方面と接合される接合体１００とを備える。接合体１００の一方面側における金属板４２（放熱板）がハンダ８２を介してベース板９０と接合している。

接合体１００の他方面側における金属板４１（回路パターン）には、ハンダ８１を介して半導体素子８０が取り付けられている。半導体素子８０は、アルミワイヤ（アルミ線）等の金属ワイヤ８４で金属板４１の所定箇所に接続されている。このようにして、半導体素子８０と金属板４１とは電気的に接続されている。筐体８６の外部と金属板４１とを電気的に接続するため、金属板４１の一つである金属板４１ａは、ハンダ８５を介して筐体８６を貫通して設けられる電極８３に接続されている。

ベース板９０の一方の主面上には、当該主面と一体になって接合体１００を収容する筐体８６が配置されている。ベース板９０の一方の主面と筐体８６とで形成される収容空間には樹脂９５が充填されている。樹脂９５は、接合体１００及び半導体素子８０を封止している。樹脂は、例えば、熱硬化型樹脂であってよく、光硬化型樹脂であってもよい。

ベース板９０の他方の主面には、グリース９４を介して放熱部材をなす冷却フィン９２が接合されている。ベース板９０の端部には冷却フィン９２をベース板９０に固定するネジ９３が取り付けられている。ベース板９０及び冷却フィン９２はアルミニウムで構成されていてもよい。ベース板９０及び冷却フィン９２は、高い熱伝導率を有することによって放熱部として良好に機能する。

セラミック板１０（板状のセラミック焼結体）によって、金属板４１と金属板４２は電気的に絶縁される。金属板４１（４１ａ）は電気回路を構成していてよい。金属板４１及び金属板４２は、ろう材成分を含むろう材層（不図示）によってセラミック板１０の主面１０Ａ及び主面１０Ｂにそれぞれ接合されている。パワーモジュール２００は接合体１００を備えることから信頼性に優れる。

一実施形態に係るセラミック焼結体の製造方法は、焼結助剤原料を粉砕機で粉砕してＤ５０（メジアン径）が０．５～１．０μｍの焼結助剤粉末を得る粉砕工程と、セラミック粉末と焼結助剤粉末とを含む混合原料を調製する混合工程と、混合原料の成形体を焼成する焼成工程と、を有する。

焼結助剤粉末は、アルカリ土類金属酸化物、希土類酸化物、当該希土類酸化物とは異なる遷移金属酸化物、シリカ及びアルミナからなる群より選ばれる少なくとも二つを含む。焼結助剤粉末は、当該群から選ばれる少なくとも三つを含んでよい。

アルカリ土類金属酸化物は、構成元素としてアルカリ土類金属と酸素とを有する。アルカリ土類金属酸化物は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム及び酸化ストロンチウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよい。希土類酸化物は、構成元素として希土類元素と酸素とを有する。希土類酸化物は、例えば、酸化イットリウム及び酸化セリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよい。当該希土類酸化物とは異なる遷移金属酸化物は、構成元素として、希土類とは異なる遷移金属と酸素とを有する。このような遷移金属酸化物は、例えば、酸化鉄を含んでよい。

焼結助剤粉末の一例は、酸化マグネシウム、希土類酸化物、及びシリカを含む。この場合、焼結助剤粉末の全体を１００質量部としたときに、希土類酸化物の含有量は、３０～８０質量部であってよく、４０～７０質量部であってもよい。このとき、酸化マグネシウムの含有量は５～４０質量部であってよく、１０～３０質量部であってもよい。このとき、シリカの含有量は５～４０質量部であってよく、１０～３０質量部であってもよい。

粉砕工程における焼結助剤粉末のＤ５０（メジアン径）は、例えば、焼結助剤原料を粉砕機で粉砕して調製してもよい。粉砕機としては、ビーズミル式粉砕機を用いることができる。ビーズミル式粉砕機のビーズの直径、周速及び粉砕時間からなる群より選ばれる少なくとも一つの条件を変更することで、焼結助剤粉末の粒子径分布を調整してもよい。ビーズの直径は０．１～０．３ｍｍであってよい。ロータの周速は８～１２ｍ／秒であってよい。粉砕時間は５～２０分間であってよい。ビーズミル式粉砕機以外の粉砕機としては、ボールミル、振動ミル、及びポットミル等が挙げられる。

焼結助剤粉末のＤ５０が１．０μｍを超えると気孔の個数及びサイズが増大して、抗折強度が低下する。焼結助剤粉末のＤ５０は０．５μｍ未満になると、粉砕機から焼結助剤原料に加えられる入力エネルギーと粉砕比の関係性により、粉砕された粒子が凝集する傾向にある。この要因としては、粉砕が進むと粉砕された粒子同士の接触頻度が増加すること、及び、ポテンシャルエネルギーが引力リッチになることが考えられる。

焼結助剤粉末のＤ５０は、レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置によって測定される体積基準の粒子径分布に基づいて求められる。焼結助剤粉末のＤ５０が上記範囲であることによって、焼結助剤粉末に含まれる粒子が十分に小さく、且つ粒子同士が凝集することを抑制できる。これによって、セラミック焼結体を作製する際に、焼結助剤粉末の粒子及び凝集体に起因する気孔の発生を抑制することができる。また、セラミック粒子の粒成長を高い均一性で進行させることができる。

図４及び図１２は、レーザー回折・散乱法による焼結助剤粉末の体積基準の粒子径分布の例を示す図である。横軸は、対数目盛の粒径［μｍ］であり、縦軸は頻度［体積％］である。本開示における粒子径分布は、ＪＩＳ Ｚ ８８２５：２０１３「粒子径解析－レーザー回折・散乱法」に記載の方法に準拠して測定される。粒子径分布測定には、ベックマンコールター社製のＬＳ－１３ ３２０（商品名）を用いることができる。測定条件としては、粒子屈折率を２．２、溶媒の屈折率を１．３３とする。

焼結助剤粉末は、図４に示されるように、粒子径分布（頻度％）におけるピークが一つのみであってよい。このような焼結助剤粉末は、図１２に示すようにピークを複数あるものよりも凝集が十分に抑制されている。このため、セラミック焼結体における気孔のサイズ及び個数を十分に低減することができる。粒子径分布におけるピークは、シャープであってよい。例えば、焼結助剤粉末のＤ１００は、５．５μｍ未満であってよく、５μｍ未満であってもよい。例えば、Ｄ５０に対するＤ１００の比は、５以下であってよい。Ｄ１００の下限の一例は２μｍである。Ｄ５０に対するＤ１００の比の下限の一例は２である。

混合工程では、粉砕によって得られた焼結助剤粉末と、セラミック粉末、及び、必要に応じて添加剤を配合し、例えばボールミル等を用いて混合する。このようにして、焼結助剤粉末とセラミック粉末を含む混合原料を調製する。添加剤としては、バインダ、可塑剤、分散媒、及び離型剤等が挙げられる。バインダとしては、例えば、可塑性又は界面活性効果を有するメチルセルロース系のもの、熱分解性に優れたアクリル酸エステル系のものが挙げられる。可塑剤としては、例えばグリセリンが挙げられる。分散媒としては、イオン交換水及びエタノール等が挙げられる。

セラミック粉末としては、例えば、窒化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末、又は酸化アルミニウム粉末等を用いることができる。セラミック粉末のＤ５０（メジアン径）は、０．１～６μｍであってよく、０．５～４μｍであってもよい。これによって、十分に緻密化したセラミック焼結体を得ることができる。セラミック粉末のＤ５０は、焼結助剤粉末のＤ５０と同じ方法で求められる。セラミック粉末の粒子径分布（頻度％）のピークの数も一つであってよい。

セラミック粉末に対する焼結助剤粉末の質量基準の配合比は、０．０３～０．１２であってよく、０．０５～０．１であってもよい。これによって、セラミック焼結体が緻密化し易くなり、抗折強度を十分に高くすることができる。

混合工程で得られた混合原料を、ドクターブレード法、カレンダー法、又は押し出し法等によって離型フィルム上に所定の厚みで塗布して乾燥し、成形して成形体を得る。成形圧力は３～３０ＭＰａであってよい。成形体は一軸加圧して作製してもよいし、ＣＩＰによって作製してもよい。また、ホットプレスによって成形しながら焼成してもよい。例えば、ドクターブレード法等の上記方法によってセラミックグリーンシート基材を作製した後、ダイとパンチを備える金型を用いてセラミックグリーンシート基材を打ち抜いて成形体を得てもよい。

金型で打ち抜かれる際のセラミックグリーンシート基材の固形分の含有量は、６５～８５質量％であってよく、７５～８５質量％であってもよい。固形分の含有量は、金型で打ち抜く前に、セラミックグリーンシート基材を乾燥する乾燥工程を行って調節してもよい。

焼成工程で成形体を焼成する前に、成形体の脱脂を行ってもよい。脱脂方法は特に限定されず、例えば、成形体を空気中又は窒素等の非酸化雰囲気中で３００～７００℃に加熱して行ってよい。加熱時間は、例えば１～１０時間であってよい。

セラミック焼結体は、成形体を焼成して得ることができる。焼成時の雰囲気、温度及び時間等は、セラミック焼結体の種類に応じて適宜設定することができる。セラミック焼結体として窒化ケイ素焼結体を製造する場合、窒素ガス又はアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行ってよい。焼成時の圧力は、０．７～１ＭＰａであってよい。焼成温度は１８００～２１００℃、１８００～２０００℃、又は１８００～１９００℃であってよい。当該焼成温度における焼成時間は３～２０時間であってよく、４～１６時間であってよい。

セラミック焼結体として窒化アルミニウム焼結体を製造する場合、焼成温度は例えば１７６０～１８４０℃であってよい。１７６０～１８４０℃の温度範囲における保持時間は、例えば１～１０時間であってよい。焼成は大気圧下で行ってよい。窒化ケイ素焼結体及び窒化アルミニウム焼結体以外のセラミック焼結体（例えば、及び酸化アルミニウム焼結体）を製造する場合、焼結体の緻密化が十分に進行するような焼結条件を適宜設定すればよい。

図５は、本実施形態の製造方法の一例において焼結が進行するときの粒成長のイメージを示す図である。この例では、図５の（ａ）に示されるように、成形体において、微細な焼結助剤粉末３２がセラミック粒子１２中に高い均一性で分散している。このような成形体を焼成すると、図５の（ｂ）に示されるように液化した焼結助剤相３２ａが毛細管現象によって粒界に拡散する。焼結助剤相３２ａが拡散すると成形体（セラミック焼結体）の収縮が進行し、図５の（ｃ）のように気孔２２が消滅する。加熱を継続すると、セラミック粒子１２が焼結助剤相３２ａ中に溶けて、図５の（ｄ）に示されるように柱状のセラミック粒子１４が生成する。このように、液相焼結が進行する際に、セラミック粒子の円滑な粒成長に伴って気孔２２が十分に消滅するため、セラミック焼結体に含まれる気孔を十分に低減することができる。焼結助剤相３２ａの一部はセラミック焼結体に残存してもよい。

図９は、従来の製造方法において焼結が進行するときの粒成長のイメージを示す図である。従来の製造方法では、図９の（ａ）に示されるように、成形体において、焼結助剤粉末の凝集体１３２がセラミック粒子１１２中に含まれている。そのような従来の成形体の断面写真が図１０に示されている。このような成形体を焼成すると、図９の（ｂ）に示されるように液化した焼結助剤相１３２ａが凝集体１３２を起点に毛細管現象によって粒界に拡散する。毛細管現象による拡散が進行すると、凝集体１３２のサイズが大きいため、凝集体１３２の部分に気孔１２２が生じる。気孔１２２は大きいサイズを有するため、成形体が収縮しても消滅せず、図９の（ｃ）に示されるように気孔１２２がセラミック焼結体中に残存する。このようにして、セラミック焼結体中に含まれるサイズの大きな気孔の個数が増加する。図１１は、このようにして得られる従来のセラミック焼結体の断面１１０Ｃを示している。断面１１０Ｃには凝集体１３２に由来する気孔１２２が含まれている。

従来の製造方法に対し、本実施形態の製造方法では、焼結助剤粉末の粒子が十分に微細であり、且つ粒子同士の凝集が抑制されている。このため、焼結助剤粉末の痕跡として残存する気孔を低減できる。これによって、焼結過程で生じる気孔の個数を低減するとともに、気孔のサイズを小さくすることができる。このようにして得られるセラミック焼結体の気孔の個数は十分に低減されるとともに、気孔のサイズは十分に低減されている。またこのセラミック焼結体は６４０ＭＰａ以上という高い抗折強度を有する。セラミック焼結体の抗折強度は、上述したとおり、６７０ＭＰａ以上、６９０ＭＰａ以上、又は７２０ＭＰａ以上であってもよい。セラミック焼結体に含まれる粗大気孔及び微小気孔の平均個数Ｐ_１，Ｐ_２も上述したとおりである。このようなセラミック焼結体は、温度変化に伴って内部応力が発生したときに、クラックの発生及び進展を十分に抑制することができる。このため、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性に優れる。

図８は、接合体（回路基板）の漏れ電流を測定して絶縁破壊を検査する検査装置の一例を模式的に示す図である。検査装置４００は、交流電源６０と、交流電源６０に接続された耐電圧試験器５０とを備える。耐電圧試験器５０の一方の端子は、セラミック板１０に接合された金属板４１に接触する導電性支持部７２ａと電気的に接続される。耐電圧試験器５０の他方の端子は、絶縁油７６を貯留する貯留槽７７内に配置される電極７０を介して、金属板４２に接触する導電性支持部７２ｂと電気的に接続される。

電極７０は、貯留槽７７の底面及び一側面に沿って配置されている。電極７０は、図８に示されるように、鉛直方向断面でみたときにＬ字型形状を有している。電極７０には、導電性支持部７２ｂに隣接して、２つの絶縁性支持部７４が設置されている。２つの絶縁性支持部７４は、金属板４２とそれぞれ接し、接合体１００を絶縁油７６中において支持している。

電極７０及び導電性支持部７２ａ，７２ｂとしては、例えば無酸素銅製のものを用いることができる。絶縁油７６としては、例えばフッ素系不活性液体が用いることができる。耐電圧試験器５０としては市販のものを用いることができる。このような検査装置４００では、セラミック板１０を挟む金属板４１，４２の間に例えば１０～１５ｋＶ程度の電圧を印加し、耐電圧試験器５０において漏れ電流の有無を測定する。絶縁油７６を加熱することによって、例えば１００℃以上の高温下における接合体１００におけるセラミック板１０の絶縁性能を評価することができる。

検査装置は図８の構成に限定されず、例えば１００℃以上の温度下で、金属板４１，４２間に電圧を印加したときの漏れ電流を測定可能な検査装置であれば、特に制限なく用いることができる。

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上記実施形態に何ら限定されるものではない。セラミック焼結体の実施形態に関する説明内容は、接合体、パワーモジュール、及びセラミック焼結体の製造方法にも適用される。セラミック焼結体の製造方法の実施形態に関する説明内容は、セラミック焼結体にも適用される。

上記各実施形態で具体的に記載された数値範囲の上限値及び下限値を任意に組み合わせた数値範囲も、本開示に含まれる。また、数値範囲の上限値及び／又は下限値を、以下に説明する実施例の値で置換したものも本開示に含まれる。

実施例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は下記の具体例に限定されるものではない。

［焼結助剤粉末の調製］
（比較例１～５、実施例１～３）
焼結助剤粉末の原料として、市販の酸化イットリウム粉末、酸化マグネシウム粉末及びシリカ粉末を準備した。これらを、Ｙ_２Ｏ_３：ＭｇＯ：ＳｉＯ_２＝５：２：２の質量比となるように配合して混合粉末を得た。ビーズミル式粉砕機（アシザワ・ファインテック株式会社製、装置名：スターミルＬＭＺ）を用いて混合粉末を粉砕し、焼結助剤粉末を得た。ビーズミル式粉砕機による粉砕条件（ビーズの直径、ロータの周速及び粉砕時間）を表１及び表２に示すとおりに変更して、粉砕条件が互いに異なる複数種類の焼結助剤粉末を調製した。

レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置（日機装株式会社製、装置名：粒子径分布測定器 ＭＴ３０００ＩＩ）を用いて、各焼結助剤粉末の体積基準の粒子径分布を測定した。これらの粒子径分布の測定結果から、Ｄ５０（メジアン径）、及び、Ｄ１００（最大粒子径）を求めた。結果は、表１及び表２に示すとおりであった。表１及び表２には、Ｄ５０に対するＤ１００の比も示した。実施例１～３の粒子径分布（頻度％）は、図４に示すようにいずれもピークを一つのみ有していた。

表１の比較例１～３の結果から、ビーズの直径を小さくすることによって、焼結助剤のＤ５０及びＤ１００を小さくできることが確認された。また、比較例３，４及び実施例１の結果から、ロータの周速を大きくすることによって、Ｄ５０及び／又はＤ１００を小さくできることが確認された。実施例１，２の結果から、粉砕時間を長くするとＤ５０及びＤ１００を小さくできることが確認された。一方、実施例２，３及び比較例５の結果から、粉砕時間を長くし過ぎると、Ｄ５０及びＤ１００が大きくなることが確認された。これは、粉砕粉が凝集することに起因すると考えられる。

［窒化ケイ素板の作製］
（実施例４）
市販の窒化ケイ素粉末（Ｄ５０：０．７μｍ）、実施例２の焼結助剤粉末、及び添加剤（溶剤系のバインダ）を、ビーズミルに入れて混合し、原料スラリーを調製した。窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末の配合比は、窒化ケイ素粉末：焼結助剤粉末＝９１：９とした。次に、離型フィルム上にドクターブレード法によって、上述の原料スラリーを塗布してグリーンシートを作製した。作製したセラミックグリーンシートを、縦×横＝２５０ｍｍ×１８０ｍｍとなるように切断し、７０枚積層して積層体を得た。上記積層体を、カーボンヒータを備える電気炉中に配置し、空気中、５００℃で２０時間加熱して脱脂した。

脱脂後の成形体を焼成炉内に置いて、焼成炉内を１００Ｐａ以下に減圧し、９００℃まで昇温した。その後、焼成炉内に窒素ガスを導入し、約０．９ＭＰaの加圧下で１５００℃まで昇温し、４時間保持した。保持後、１８３０℃まで昇温し、１８３０℃で５時間保持した。このようにして厚さ３ｍｍの窒化ケイ素板を得た。

（実施例５）
実施例２の焼結助剤粉末に代えて、実施例１の焼結助剤粉末を用いたこと以外は、実施例４と同様にして窒化ケイ素焼結体を得た。

（実施例６）
実施例２の焼結助剤粉末に代えて、実施例３の焼結助剤粉末を用いたこと以外は、実施例４と同様にして窒化ケイ素焼結体を得た。

（比較例６）
市販の酸化イットリウム粉末、酸化マグネシウム粉末及びシリカ粉末を、実施例１と同じ質量比で配合して混合粉末を得た。この混合粉末を、ビーズミル式粉砕機で粉砕することなく焼結助剤粉末として実施例４で用いた窒化ケイ素粉末及び添加剤と配合した。ボールミルを用いてこれらを混合して原料スラリーを調製した。この原料スラリーを用いたこと以外は、実施例４と同様にして窒化ケイ素焼結体を得た。実施例１で用いた粒子径分布測定装置を用いて、ボールミルに入れる前の混合粉末（焼結助剤粉末）の粒子径分布を測定した。この粒子径分布の測定結果から、Ｄ５０（メジアン径）、及び、Ｄ１００（最大粒子径）を求めた。その結果、Ｄ５０は３．１７１μｍ、Ｄ１００は４９７．７μｍであった。また、比較例６で用いた焼結助剤粉末の粒子径分布は図１２と同様に２つのピークを有していた。このように２つのピークがあるのは、焼結助剤粉末に粒子の凝集体が含まれていることによるものである。

［窒化ケイ素焼結体の評価］
＜密度の測定＞
各実施例及び比較例で得られた板状の窒化ケイ素焼結体の密度を測定した。具体的には、各実施例及び比較例で得られた窒化ケイ素焼結体を５つずつ任意に選び、アルキメデス法によって密度を測定した。結果は、表３に示すとおりであった。表３に示すとおり、各実施例及び比較例の窒化ケイ素焼結体の密度は同等であった。このことから、密度に基づいて、粗大気孔及び微小気孔の平均個数を推測することは難しいと考えられる。

＜粗大気孔の測定＞
各実施例及び比較例で得られた窒化ケイ素焼結体を厚さ方向に沿って切断し、各切断面を研磨した。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、切断面を２００倍に拡大して観察した。図６及び図１３に示すような各切断面において、２４視野（１視野あたりの面積：０．７４ｍｍ^２）を観察して、粗大気孔のサイズと合計個数を測定した。上述したとおり、一つの気孔の外縁において間隔が最も大きくなるように選択される２点を結ぶ線分の長さが１０μｍ以上のものを粗大気孔とした。これらの測定結果に基づいて、粗大気孔の平均個数Ｐ_１を求めた。結果は表４に示すとおりであった。

＜微小気孔の測定＞
上記窒化ケイ素板の各切断面を１０００倍に拡大して観察した。図７及び図１４に示すようなＳＥＭ写真に含まれる微小気孔のサイズと個数を、画像処理ソフトウエア（ＩｍａｇｅＪ）を用いて測定した。粗大気孔の測定と同様に、各切断面において２４視野（１視野あたりの面積：０．０２ｍｍ^２）で行って、微小気孔のサイズと合計個数を測定した。上述したとおり、一つの気孔の外縁において間隔が最も大きくなるように選択される２点を結ぶ線分の長さが０．０５μｍ以上且つ１０μｍ未満ものを微小気孔とした。測定結果に基づいて、微小気孔の平均個数Ｐ_２、微小気孔のサイズ（当該線分）の最大値、平均値、最小値及び標準偏差を求めた。結果は、表５に示すとおりであった。

＜窒化ケイ素粒子の測定＞
各実施例及び比較例の断面（１視野あたりの面積：０．０２ｍｍ^２）のＳＥＭ写真（１０００倍）に含まれる窒化ケイ素粒子のうち、その外縁において間隔が最も大きくなるように選択される２点を結ぶ線分（長軸）の長さが２０μｍ以上である窒化ケイ素粒子の個数を計測した。結果は、表５の「粒子の個数」の欄に示すとおりであった。

表５に示すとおり、微小気孔のサイズの平均値は、各実施例及び比較例６で大きな違いはなかった。一方で、微小気孔のサイズのばらつきは、各実施例の方が比較例６よりも小さかった。また、各実施例の方が比較例よりも窒化ケイ素粒子の粒成長が十分に進んでいることが確認された。各実施例の窒化ケイ素板に含まれる、上記線分の長さが２０μｍ以上である窒化ケイ素粒子はいずれも４以上のアスペクト比を有していた。表５の「粒子の個数」は、１視野での測定結果であるが、１０視野で同様の測定を行ったところ、実施例４～６では、各視野における、長軸の長さが２０μｍ以上である窒化ケイ素粒子の個数はいずれも１５個以上であった。

＜抗折強度の測定（ヒートサイクル試験前）＞
各実施例及び比較例６の窒化ケイ素板の３点曲げ抗折強度を測定した。測定は、ＪＩＳ Ｒ １６０１：２００８に準拠し、市販の抗折強度計（株式会社島津製作所製、装置名：ＡＧ－２０００）を用いて行った。各実施例及び比較例６において測定試料を２０個ずつ作製して測定を行った（Ｎ＝２０）。測定値の平均値、最大値及び最小値は表６に示すとおりであった。

表６に示すとおり、比較例６に比べて各実施例の窒化ケイ素焼結体の方が高い抗折強度を有していた。

＜抗折強度の測定（ヒートサイクル試験後）＞
Ａｇ粉末（福田金属箔粉工業株式会社製、商品名：Ａｇ－ＨＷＱ、平均粒子径Ｄ５０：２．５μｍ、比表面積０．４ｍ^２／ｇ）８９．５質量部、Ｃｕ粉末（福田金属箔粉工業株式会社製、商品名：Ｃｕ－ＨＷＱ、平均粒子径Ｄ５０：３．０μｍ、比表面積：０．４ｍ^２／ｇ、）９．５質量部、Ｓｎ粉末（福田金属箔粉工業株式会社製：Ｓｎ－ＨＰＮ、平均粒子径Ｄ５０：３μｍ、比表面積０．１ｍ２／ｇ）１．０質量部の合計１００質量部に対して、水素化チタン粉末（トーホーテック株式会社製、商品名：ＴＣＨ－１００）を３．５質量部含むろう材を調製した。このろう材を、塗布量８ｍｇ／ｃｍ^２となるように、実施例４，５，６及び比較例６の両主面の上にスクリーン印刷法で塗布した。

板状の窒化ケイ素焼結体（窒化ケイ素板）の一方の主面のろう材層の上に回路形成用銅板を、他方の主面のろう材層の上に放熱板形成用銅板（いずれも厚さ０．８ｍｍ、純度９９．６０質量％のＣ１０２０無酸素銅板）を重ね合わせて積層体を得た。この積層体を、１．０×１０^－３Ｐａ以下の真空中にて８３０℃且つ３０分間の条件で加熱して、接合体を得た。接合した回路形成用銅板にエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄溶液で回路形成用銅板をエッチングして回路パターンを形成した。さらに、フッ化アンモニウム／過酸化水素溶液で、余分なろう材層を除去した。このようにして回路基板を作製した。

作製した回路基板を、－５５℃にて１５分間、２５℃にて１５分間、１７５℃にて１５分間、２５℃にて１５分間を１サイクルとして、２５００サイクル繰り返すヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験後、塩化第二鉄溶液、及びフッ化アンモニウム／過酸化水素溶液を用いたエッチングで回路パターン及び放熱板形成用銅板を除去して、窒化ケイ素板を得た。このようにして得られた窒化ケイ素板の３点曲げ抗折強度を測定した。測定方法及び測定試料の数は、ヒートサイクル試験前の測定と同じとした。測定値の平均値、最大値及び最小値は表７に示すとおりであった。

ヒートサイクル試験後も、実施例４～６の窒化ケイ素板の方が比較例６の窒化ケイ素板よりも高い抗折強度を有していた。表６と表７の数値を対比すると、ヒートサイクル試験による抗折強度の低下度合いが実施例４～６の方が比較例６よりも小さかった。このことは、実施例４～６の窒化ケイ素板が耐ヒートサイクル性に優れることを示している。この理由としては、粗大気孔及び微小気孔の個数が実施例４～６の方が比較例６よりも少ないために、熱膨張及び熱収縮に伴って生じる内部応力によるクラックの発生及び進展が抑制されることが考えられる。

＜高温絶縁性の評価＞
抗折強度を測定するときと同じ手順で、実施例４～６及び比較例６の窒化ケイ素焼結体を用いて回路基板を作製した。図８に示すような検査装置を用いて、ＪＩＳ Ｃ２１１０－１：２０１０に準拠して各回路基板の耐電圧検査を行った（Ｎ＝３）。この検査には、株式会社計測技術研究所製のＡＣ２０ｋＶ耐電圧試験器（型式：７４７３）を用いた。絶縁油としては、パーフルオロカーボン（スリーエムジャパン株式会社製、商品名：フロリナート、型番：ＦＣ－３２８３）を用いた。貯留槽７７、電極７０、導電性支持部７２ａ，７２ｂ、及び絶縁性支持部７４として、大西電子株式会社製の検査治具を用いた。電極７０は無酸素銅製のものを、導電性支持部７２ａ，７２ｂは炭素工具鋼鋼材（ＳＫ材）にロジウムめっきが施されたものを、それぞれ用いた。

検査装置の絶縁油を１２０℃に加熱し、当該絶縁油中に回路基板をセットした。０．１ｋＶ／秒の速さで９ｋＶに昇圧し、６０秒間キープした。その後、０．１ｋＶ／秒の速さで昇圧した。このように、１ｋＶ毎に６０秒間キープ及び０．１ｋＶ／秒で昇圧を繰り返しながら、１５ｋＶまで昇圧した。１５ｋＶに到達するまでに、電流遮断電流量の閾値以上の電流が流れた場合を絶縁破壊と判定した。閾値は９．９９ｍＡとした。結果は、表８に示すとおりであった。

実施例４では、１５ｋＶに到達しても、絶縁破壊しなかった。このことから、実施例４の回路基板は、高温での絶縁信頼性に最も優れることが確認された。実施例５，６の回路基板も、比較例６の回路基板よりも高温での絶縁信頼性に優れることが確認された。

本開示によれば、耐ヒートサイクル性に優れるとともに、高温における絶縁信頼性に優れるセラミック焼結体及びその製造方法、並びに接合体が提供される。本開示は、そのようなセラミック焼結体を備えることによって信頼性に優れるパワーモジュールが提供される。

１０Ａ，１０Ｂ…主面、１０Ｃ，１１０Ｃ…断面、１０…セラミック板、１２，１４，１１２…セラミック粒子、２０，２２，１２２…気孔、３２…焼結助剤粉末、３２ａ，１３２ａ…焼結助剤相、４１，４１ａ，４２…金属板、５０…耐電圧試験器、５１，５２…ろう材層、６０…交流電源、７０…電極、７２ａ，７２ｂ…導電性支持部、７４…絶縁性支持部、７６…絶縁油、７７…貯留槽、８０…半導体素子、８１，８２，８５…ハンダ、８３…電極、８４…金属ワイヤ、８６…筐体、９０…ベース板、９２…冷却フィン、９３…ネジ、９４…グリース、９５…樹脂、１００…接合体、１３２…凝集体、２００…パワーモジュール、４００…検査装置。

Claims (8)

1. 窒化ケイ素粒子を含む窒化ケイ素焼結体であって、
   断面において、１０μｍ以上のサイズを有する粗大気孔の平均個数が１個／ｍｍ^２未満であり、０．０５μｍ以上且つ１０μｍ未満のサイズを有する微小気孔の平均個数が３２０個／ｍｍ^２未満であり、
   抗折強度が６７０ＭＰａ以上である、窒化ケイ素焼結体。
2. 前記断面における気孔のサイズの最大値が６μｍ以下である、請求項１に記載の窒化ケイ素焼結体。
3. 前記微小気孔のサイズの平均値が１．０μｍ以下であり、標準偏差が０．６μｍ以下である、請求項１に記載の窒化ケイ素焼結体。
4. 酸化イットリウム、酸化マグネシウム、及びシリカを含む焼結助剤原料を粉砕機で粉砕してメジアン径が０．５～１．０μｍ、且つ最大粒子径が３．９μｍ以下の焼結助剤粉末を得る工程と、
   窒化ケイ素粉末と前記焼結助剤粉末とを含む混合原料を調製する工程と、
   前記混合原料の成形体を、不活性ガス雰囲気中、０．７～１ＭＰａの圧力、及び１８００～２１００℃の焼成温度で焼成して、窒化ケイ素焼結体を得る工程と、を有し、
   前記窒化ケイ素焼結体の断面において、１０μｍ以上のサイズを有する粗大気孔の平均個数が１個／ｍｍ^２未満、且つ、０．０５μｍ以上且つ１０μｍ未満のサイズを有する微小気孔の平均個数が３２０個／ｍｍ^２未満であり、前記窒化ケイ素焼結体の抗折強度が６７０ＭＰａ以上である、窒化ケイ素焼結体の製造方法。
5. 請求項１～３のいずれか一つに記載の板状の前記窒化ケイ素焼結体と、金属板と、前記窒化ケイ素焼結体の主面と前記金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える、接合体。
6. 前記金属板の厚みが０．８ｍｍ以下である、請求項５に記載の接合体。
7. 前記ろう材層は、銀、銅、錫、及び活性金属を含み、
   前記活性金属は、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、及びニオブからなる群より選ばれる一種又は二種以上を含む、請求項５に記載の接合体。
8. 請求項１～３のいずれか一つに記載の板状の前記窒化ケイ素焼結体と、金属板と、前記窒化ケイ素焼結体の主面と前記金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える接合体と、
   当該接合体の前記金属板に電気的に接続される半導体素子と、を備える、パワーモジュール。

Images