JP4535575B2

JP4535575B2 - Silicon nitride multilayer wiring board

Info

Publication number: JP4535575B2
Application number: JP2000230910A
Authority: JP
Inventors: 晃久牧野; 智英長谷川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2020-07-31
Also published as: JP2002043756A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化珪素を主体とするセラミックスを絶縁基板とし、その少なくとも内部にメタライズ配線層を具備する配線基板に関し、主にパワー系デバイスを用いた多層配線基板として適用される、表面平滑性に優れた窒化珪素質多層配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、産業機器の分野ではＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー系デバイスを用いたパワーモジュールが電車、電気自動車などの電動車両における制御基板に適用されつつある。これらのパワー系デバイスに使用される電流は数十〜数百Ａを超え、また電圧も数千Ｖと非常に高電力となるため、パワー系デバイスから発生する熱も大きくなる。これによるデバイスの誤動作あるいは破壊を防止するために、発生熱をいかに系外に放出するかが大きな問題になっており、このような熱を装置外に放出可能な配線基板が必要とされている。
【０００３】
従来より、デバイスから発生した熱を放熱するための好適な絶縁材料としては、酸化ベリリウム、窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられてきたが、量産性、安全性などの点から窒化アルミニウム質セラミックスが最も多く用いられてきた。また、配線基板として窒化アルミニウム質セラミックスの表面あるいは内部にタングステンなどの高融点金属からなる配線層を被着形成したセラミック配線基板が多用されている。
【０００４】
しかし、電動車両におけるパワーモジュール基板として適用するためには、高熱伝導性のみならず、高い耐久性を有することが必要であるが、窒化アルミニウム質セラミックスは、強度が低いため、過酷な条件下で使用される電動車両などの絶縁基板材料では充分な特性を有するものではなかった。
【０００５】
そこで、高熱伝導性とともに高強度、高信頼性の要求に応える材料として、最近、窒化珪素質焼結体が注目されてきている。従来より、窒化珪素質焼結体は、ガスタービンなどの高温構造材料として盛んに研究、開発されており、一般には、焼結助剤として希土類金属酸化物を添加し１８００〜２０００℃という非常に高い温度で、また窒化珪素の高温での分解反応を抑えるため数〜１００気圧の加圧窒素雰囲気中で焼成され、作製されている。
【０００６】
一方、耐熱特性がさほど要求されない場合は、焼結助剤としてさらにアルミナやアルカリ土類金属酸化物を添加することにより１７００〜１８００℃の比較的低温で焼成することにより作製されている。
【０００７】
窒化珪素質焼結体は、耐熱衝撃性および高温高強度を有することから耐熱材料としての研究が盛んに行われ、配線基板などの基板材料としては研究はあまりなされていなかった。最近になって、窒化珪素の熱伝導率がかなり高いことが注目されており、放熱性を要する配線基板への検討が始まっている。
【０００８】
このような窒化珪素質焼結体を絶縁基板とした配線基板を作製する場合、絶縁基板内部にメタライズ配線層を具備する配線基板を絶縁基板との同時焼成によって形成することが行なわれている。
【０００９】
絶縁基板内部にメタライズ配線層を具備する配線基板を得る場合、絶縁基板の焼成温度が高いことからタングステンなどの高融点金属によってメタライズ配線層を形成する必要があった。
【００１０】
例えば、特開平７−１４９５８８号においては、窒化珪素グリーンシートの表面に平均粒径が２μｍ以下のタングステンやモリブデンの粉末を含有する導体ペーストを印刷塗布し、窒化珪素の分解を抑制するために１８００〜２０００℃の高圧窒素雰囲気中で提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、タングステンなどの高融点金属を主体とする導電性ペーストを窒化珪素質セラミックスのグリーンシートの表面に印刷塗布した後、これを積層し同時焼成すると、タングステンなどの高融点金属は、窒化珪素と反応して高抵抗のシリサイド化合物を形成してしまうために、低抵抗の内部配線層を形成することが難しかった。
【００１２】
このようなシリサイド化合物の形成は、特開平７−１４９５８８号にて提案されるように、窒素ガスによる高圧雰囲気中で焼成することにより比較的抑制することが可能である。
【００１３】
本発明者らもこのような課題に対して、出発原料をＷからＷＣ及びまたはＷ₂Ｃとし、常圧かつ低温で焼成を行うことにより、導体としてＷが得られ、なおかつ高抵抗化の要因となるＷ₅Ｓｉ₃を低減させるとともに、表面平滑性に優れた窒化珪素質多層配線基板が得られることを見出した。
【００１４】
しかしながら、ＷＣ及び／またはＷ₂Ｃを用いた場合においても、シリサイドが形成されると、タングステンの密度（１９．３ｇ／ｃｍ³）がタングステンシリサイドの密度（９ｇ／ｃｍ³）よりも著しく高いため、内部メタライズ配線層の体積膨張により反りなどの変形が、また膨張時に発生するクラックにより断線が生じるという問題があり、窒化珪素質多層配線基板の実用化を大きく阻害していた。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題に対して検討を重ねた結果、窒化珪素を主成分とする相対密度９０％以上のセラミックスからなる絶縁基板と、少なくともメタライズ配線層とを具備する配線基板であって、前記メタライズ配線層がタングステン含有結晶相と、セラミック相および気孔とから構成されており、前記メタライズ配線層の断面における前記タングステン含有結晶相の面積比率が５０〜９５％であり、前記気孔の面積比率が５〜１０％であり、前記タングステン含有結晶相として、少なくともタングステン（Ｗ）とタングステンシリサイド（Ｗ_５Ｓｉ_３）とを含み、前記タングステンシリサイド（Ｗ_５Ｓｉ_３）の（４１１）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_１、前記タングステン（Ｗ）の（１１０）面のＸ線回折ピーク強度をＩ2としたとき、Ｉ_１／Ｉ_２で表されるピーク強度比が０．１以下とすることによって、反り、断線などが発生しない窒化珪素質多層配線基板が得られることを見出した。また、同時に、絶縁基板の表面が焼き肌面であっても表面粗さ（Ｒｍａｘ）が１０μm以下の良好な表面によって形成できることも見出した。
【００１６】
また、前記絶縁基板は、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、相対密度９０％以上であり、且つ室温における３点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であること、さらには、組成上、窒化珪素を主成分とし、希土類金属（ＲＥ）及びＭｇを酸化物換算による合量で４〜３０モル％と、Ａｌを酸化物換算で１．０モル％以下とを含有し、且つ前記希土類金属及びＭｇの酸化物換算によるモル比（ＲＥ_２Ｏ_３／ＭｇＯ）が０．１〜１５であることが望ましい。
【００１７】
本発明の窒化珪素質多層配線基板によれば、メタライズ配線層中におけるタングステン含有結晶相の面積比率を５０〜９５％とし、気孔の面積比率を５〜１０％とし、残部をセラミック相によって形成することにより、タングステンシリサイドが生成した場合においても、メタライズ層中に面積比率が５〜１０％の気孔を存在させておくことにより、タングステンのケイ化によるメタライズの膨張が気孔内に向かうため、反りなどの変形及びクラックによる断線を防止できる。
【００１８】
特に、前記メタライズ配線層におけるタングステン含有結晶相が、タングステン（Ｗ）及びタングステンシリサイド（Ｗ_５Ｓｉ_３）を含み、Ｗ_５Ｓｉ_３の（４１１）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_１、前記タングステン（Ｗ）の（１１０）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_２とした時、Ｉ_１／Ｉ_２で表されるピーク強度比を０．１以下とすることにより、内部メタライズ配線層の低抵抗化を図ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の窒化珪素質多層配線基板について詳細に述べる。本発明の窒化珪素質多層配線基板によれば、図１の概略断面図に示すように、絶縁基板１の表面および／または内部にタングステンを含有するメタライズ配線層２ａ，２ｂを具備するものであり、また、層の異なるメタライズ配線層２ａ，２ｂ同士の電気的に接続するためのスルーホール導体３が形成されている。
【００２０】
この絶縁基板におけるメタライズ配線層２は、図２のメタライズ配線層２の組織構造を説明するための拡大断面図に示される通り、タングステン含有結晶相４と、セラミック相５及び気孔６から構成されるものであり、タングステン含有結晶相４のメタライズ配線層２の断面観察における面積比率が５０〜９５％、特に７０〜９０％であることが重要である。
【００２１】
これは、面積比率が５０％より低くなると導通部分の面積が小さくなるためにメタライズ配線層２の抵抗が高くなり、９５％よりも高くなるとメタライズ配線層２と絶縁基板１の焼成収縮挙動が不一致となる、あるいは熱膨張差により反りなどによる変形、クラックによる断線が生じるためである。
【００２２】
本発明によれば、メタライズ配線層２中のタングステン含有結晶相４中に少なくともタングステン（Ｗ）と、タングステンシリサイド（Ｗ₅Ｓｉ₃）を含有し、前記タングステンシリサイド（Ｗ₅Ｓｉ₃）の（４１１）面のＸ線回折主ピーク強度をＩ₁、前記タングステン（Ｗ）の（１１０）面のＸ線回折ピーク強度をＩ₂とした時、Ｉ₁／Ｉ₂で表されるピーク強度比が０．１以下、特に０．０５以下であることが重要である。
【００２３】
これは、メタライズ配線層２、特に同時焼成で形成される内部メタライズ配線層２ａや表面メタライズ配線層２ｂの低抵抗化を図る上で不可欠であり、上記Ｉ₁／Ｉ₂で表されるピーク強度比が０．１よりも大きいと低抵抗化を図ることが難しく回路形成用として適さなくなり、またクラック発生による断線が生じるためである。
【００２４】
なお、タングステン含有結晶相４中には、上記のタングステン（Ｗ）と、タングステンシリサイド（Ｗ₅Ｓｉ₃）以外に、ＷＳｉ₂が存在する場合もある。
【００２５】
このメタライズ配線層２中に含有されるセラミック相５は、メタライズ配線層の密着強度を向上させるとともに、基板の反りを低減する作用を有するものであって、かかるセラミック相５としては、窒化珪素、窒化アルミニウム、参加ジルコニウム、酸化アルミニウムの群から選ばれる少なくとも１種が用いられ、特に絶縁基板成分と同じ窒化珪素が望ましい。
【００２６】
このセラミック相５は、メタライズ配線層２の断面観察において、５〜２０面積％の比率で含有されることが適当である。
【００２７】
また、メタライズ配線層２中には、気孔６を有するが、この気孔６は上記と同様に、メタライズ配線層２の断面観察において、面積比率が５〜１０％の比率で含有されている。
【００２８】
なお、メタライズ配線層２の組織を走査型電子顕微鏡写真で観察した場合、セラミック相５とタングステン含有金属相４とは、色調によって分けることができ、セラミック相５が窒化珪素からなる場合には、タングステン含有結晶相４は薄灰色に、セラミック相５は濃灰色で観察される。
【００２９】
一方、絶縁基板１を構成する窒化珪素質セラミックスは、焼結体断面における電子顕微鏡により求めた平均アスペクト比が１．５〜５、短軸径が０．１〜１μｍの窒化珪素結晶を主体としてなる。この平均アスペクト比および短軸径は、焼結体の断面を鏡面研磨した後、所望によってエッチング処理した後、鏡面（２次元的平面）上で観察されるすべての粒子における短軸、あるいはアスペクト比（長軸／短軸比）を求め、それを平均化したものである。
【００３０】
さらに、本発明によれば、この絶縁基板１の表面は、表面粗さ（Ｒｍａｘ）が１０μｍ以下、特に６μｍ以下の焼き肌面からなることも大きな特徴である。この表面粗さが１０μｍ以下であれば、この表面に銅板などの回路やヒートシンク（金属板）を接合する場合に高い接合強度が得られ、基板表面を研磨する工程も省略することができる。
【００３１】
このように絶縁基板の平滑性を高める上では、低温で且つ常圧下で焼成することが望ましい。従って、低温、常圧下での焼成による緻密化を実現する上で、窒化珪素質セラミックスは、窒化珪素を主成分として、焼結助剤として希土類金属及びＭｇを含有することが望ましい。この希土類金属（ＲＥ）及びＭｇは酸化物換算による合量で４〜３０モル％、特に５〜２５モル％の範囲で配合され、前記希土類金属（ＲＥ）とＭｇとの酸化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）が０．１〜１５、特に０．５〜１３の範囲となることが望ましい。
【００３２】
これは上記合量が４モル％より少ないと常圧下で密度化することが難しく、高温での焼成を必要とし、その結果、高圧窒素雰囲気中での焼成が必要となり、絶縁基板表面に荒れが生じてしまう。また、上記合量が３０モル％を越えると、セラミックス中での粒界相の占める割合が増加するためにセラミックスの熱伝導率が低下する。またＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯの比率が１５を越えたり、０．１より小さくなっても緻密化は不十分となり熱伝導率は低下する。
【００３３】
また、上記希土類金属およびＭｇに加え、Ａｌ₂Ｏ₃などのＡｌ化合物の配合は、焼結性の向上に大きく寄与するが、Ｓｉ₃Ｎ₄結晶中に固溶してフォノンの伝播を阻害する結果、焼結体の熱伝導率を著しく低下させるため、高熱伝導化のためには存在しないことが望ましく、具体的には、Ａｌ量は酸化物換算で１．０モル％以下、望ましくは０．５モル％以下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０１モル％以下にするのが良い。
【００３４】
上記希土類金属（ＲＥ）としてはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの何れの元素でも好適に用いることができるが、これらの中でもＹ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｇｄ、ＬｕとりわけＹ、Ｅｒが特性、コストの点で望ましい。
【００３５】
なお、このセラミックス中には着色成分としてＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなど周期律表第４ａ、５ａ、６ａ属金属のうち少なくとも１種を０．０５〜１重量％の割合で含んでいてもよい。
【００３６】
また、本発明における絶縁基板を構成する窒化珪素質セラミックスは、上記の各成分組成からなるものであるが、その相対密度が９０％以上、特に９５％以上であることが高熱伝導化を図る上で重要であり、相対密度が９０％よりも低いと熱伝導率４０Ｗ／ｍ・Ｋの達成は困難である。
【００３７】
本発明の窒化珪素質配線基板を製造するには、まず、窒化珪素粉末に対して、焼結助剤として、希土類金属化合物、Ｍｇ化合物、場合によってはＡｌ化合物を前述の比率に配合する。なお、焼結助剤となる化合物は、酸化物、炭酸塩、酢酸塩など焼成によって酸化物を形成しうる化合物であることが望ましい。
【００３８】
用いる窒化珪素粉末としては不純物酸素量が０．５〜３．０重量％のものが望ましい。これは不純物酸素量が３．０重量％よりも多いと、焼結体表面が荒れ、強度劣化を招く虞があり、０．５重量％よりも少ないと焼結性が悪くなるためである。また、平均粒径は、０．１〜１．５μｍであり、α率が８０％以上であることが望ましい。
【００３９】
次に、該混合粉末に有機バインダーと溶媒とを添加して調製しドクターブレード法、圧延法、押し出し成形法等の周知の成形方法で窒化珪素質セラミックグリーンシートを作製する。
【００４０】
その後、このグリーンシートに対して、メタライズ配線層を形成するための導体ペーストをスクリーン印刷法などによって配線パターン状に印刷塗布する。この時に用いる導体ペーストとしては、導体成分として、タングステンカーバイド粉末を主たる導体成分とすることが重要である。この導体成分として、従来から用いられているＷ粉末を用いると、常圧焼結中にタングステンシリサイドが多量に生成され、配線層の抵抗を高めてしまうためである。
【００４１】
上記タングステンカーバイド粉末としては、平均粒径が０．８〜１２μｍ、特に２〜８μｍであることが重要である。これは、平均粒径が０．８μｍよりも小さいと、窒化珪素との反応性が促進され、タングステンシリサイドの生成が多くなりやすく、１２μｍよりも大きいと、メタライズ配線層の焼結性が低下し低抵抗のメタライズ配線層が形成できないためである。
【００４２】
また、上記の導体ペーストには、前記導体成分以外にセラミック成分、有機バインダおよび溶剤を配合し、混練することにより所定の粘度に調整される。セラミック成分としては窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナなどが、有機バインダとしては、アクリル樹脂等が、また溶剤としては酢酸エチル、イソプロピルアルコール、アセトン等が使用できる。
【００４３】
特に、本発明によれば、メタライズ配線層において、タングステン含有結晶相の面積比率を５０〜９５％とするには、用いるタングステンカーバイドの粉末粒径、セラミック成分量、有機バインダ量を調整したペーストをグリーンシート表面に塗布した時の焼成前の導体ペーストの充填率をおよそ４５〜６０％とすることによって制御できる。なお、この充填率は、導体ペーストを所定のグリーンシートの表面に印刷塗布、乾燥後、固形分の塗布したペーストの塗布体積および塗布重量から塗布されたペーストの密度を求め、またペーストの固形分組成から理論密度を求め、前記密度の理論密度に対する比率を充填率として算出される。
【００４４】
その後、導体ペーストを配線パターン状に印刷塗布した後、該グリーンシートを積層圧着した後、グリーンシートを弱酸化性雰囲気中、所定温度で脱バインダー処理した後、焼成して相対密度９０％以上に緻密化する。
【００４５】
焼成にあたっては、焼成温度を１６５０〜１８００℃に設定することが重要である。これは、焼成温度が１６５０℃よりも低いと、相対密度は９０％まで到達しなくなり、１８００℃よりも高いと窒化珪素は分解するためである。
【００４６】
また、この時の焼成雰囲気としては、少なくとも窒素を含有する非酸化性雰囲気中で行う。また、この時の雰囲気中には、ＳｉＯガスを含有することが望ましい。このＳｉＯガスを含有させることにより、窒化珪素の分解を抑制できるために、タングステンのシリサイド化をさらに抑制することができる。このＳｉＯガスは、焼成炉内に成形体とともに、ＳｉＯ₂粉末、あるいはＳｉ／ＳｉＯ₂混合粉末を配置しておくことにより、焼成時にこれらの粉末の分解反応によって発生させることができる。このようにして少なくとも内部にメタライズ配線層が形成された窒化珪素質配線基板を作製することができる。
【００４７】
また、作製した窒化珪素質配線基板における表面のメタライズ配線層を形成する方法としては、絶縁基板との同時焼成以外に、焼成された絶縁基板の表面に銅厚膜ペーストを配線パターン状に印刷塗布し、８００〜９００℃で焼き付け処理を行う方法、焼成後の絶縁基板の表面にＣｕ−Ａｇ−Ｔｉ等のロウ材ペーストを塗布し、Ｃｕ板やＣｕ箔を８００℃〜９００℃の温度にて焼き付けして接合する方法、さらには接合されたＣｕ板やＣｕ箔を露光、現像、エッチングによって配線パターン状に形成する等の方法が挙げられる。
【００４８】
【実施例】
平均粒径が１．２μｍ、酸素量が１．３重量％、α率９３％の直接窒化法により製造された窒化珪素原料粉末に、各種希土類金属酸化物、ＭｇＣＯ₃、場合によってはＡｌ₂Ｏ₃粉末を混合したものに対して成形用バインダーとしてアクリル樹脂バインダーを、溶媒としてトルエンを添加し、混練スラリー化し、ドクターブレード法によりグリーンシートを得た。
【００４９】
一方、導体材料として表１の平均粒径のＷＣ粉末、Ｗ₂Ｃ粉末（平均粒径１．５μｍ）、Ｗ粉末（平均粒径３μｍ）にセラミックス成分を添加する場合には窒化珪素粉末を、有機バインダとしてアクリル樹脂を、溶媒としてアセトンを添加混合して導体ペーストを調製した。
【００５０】
まず、この導体ペーストを所定のグリーンシートの表面に印刷塗布、乾燥後、固形分の塗布したペーストの塗布体積および塗布重量から塗布されたペーストの密度を求め、またペーストの固形分組成から理論密度を求め、前記密度の理論密度に対する比率を充填率として算出した。
【００５１】
次に、この導体ペーストを内部メタライズ配線層用として所定のグリーンシートの表面に印刷塗布した後、それらを積層し、弱酸化性雰囲気中、所定温度でＮ₂＋Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏの雰囲気中、７００℃の温度で脱バインダーした後、表１に示す焼成温度および窒素ガス圧力下で焼成し、配線基板評価用の試料を作製した。なお、雰囲気中としては窒素ガスに加え、成形体の周囲にＳｉ／ＳｉＯ₂混合粉末を配置してＳｉＯガスを発生させた。
【００５２】
また、絶縁基板の評価用として表１に示す各組成物を、直径１２ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状及び強度測定用に６０×６×４ｍｍの角柱に成形し、同様に表１に示す条件で焼成した。
【００５３】
得られた絶縁基板の評価用試料を用いて、まずアルキメデス法により窒化珪素質セラミックスの密度を測定し、理論密度に対する比率である相対密度（％）を算出した。ついでレーザーフラッシュ法により熱伝導率を、ＪＩＳＲ１６０１に基づく３点曲げ試験により抗折強度をそれぞれ室温中で測定した。
【００５４】
配線基板評価用試料は、内部メタライズ配線層の導通抵抗を４端子法によって測定した。そのうち、クラック等によって測定ができなかったものを導通不良としてその数を示した。また、内部メタライズ配線層が露出するように絶縁基板を研削除去した後、そのメタライズ断面をダイヤモンドペーストにて鏡面仕上げし、走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）により断面写真を撮影した。得られた写真についてタングステン含有結晶相、セラミック相および気孔を同定し、画像解析装置を用いてタングステン含有結晶相、セラミック相および気孔の面積比率を算出した。
【００５５】
そのメタライズ配線層に対して、Ｘ線回折測定を行い、メタライズ配線層の構成相と、２θ＝５４．７°付近のタングステンシリサイド（Ｗ_５Ｓｉ_３）の（４１１）面Ｘ線回折ピーク強度をＩ_１、２θ＝５１．３°付近のタングステン（Ｗ）の（１１０）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_２とした時のＩ_１／Ｉ_２で表されるピーク強度比を算出した。なお、結晶相としてＷＳｉ_２が同定された場合、２θ＝３０．１°付近のタングステンシリサイド（ＷＳｉ_２）の（１０１）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_１として用いて算出した。また、メタライズ配線層を形成した基板の反りを表面粗さ計で測定し、基準面からの最大反り量を測定した。結果は、表２に示した。なお、試料Ｎｏ．２、３、６〜１０、１５、１６、１８〜２０、２４〜２７、２９、３１〜４０は参考試料である。
【００５６】
【表１】

【００５７】
【表２】

【００５８】
表１、２の結果から明らかなように、メタライズ配線層中におけるタングステン含有結晶相の面積比率が５０％よりも低い試料Ｎｏ．１はタングステンシリサイドの形成は抑制されていたが導通部分の面積比率が低いため、導通抵抗は高くなった。また、面積比率が９５％を超えた試料Ｎｏ．４は導通抵抗は低くなったものの、メタライズ部分の膨れに起因する反り、及びメタライズ内に発生するクラックに起因する導通不良が３／２０の割合で発生した。
【００５９】
また、焼成温度が１８００℃よりも高く高圧窒素中で焼成した試料Ｎo．１１では、タングステンシリサイドの形成を比較的抑制できるものの、表面粗さが１０μｍを超えるものであった。また、メタライズ原料粉末としてタングステン粉末を用いた試料Ｎo．１２〜１４は、常圧あるいは高圧窒素中で焼成してもタングステンシリサイドの形成を抑制することがむずかしかった。
【００６０】
さらに、タングステンカーバイド粉末の粒径が０．８μｍよりも小さい試料Ｎo．１７では、シリサイドが多量に形成され、１２μｍよりも大きい試料Ｎo．２２では、メタライズ配線層の焼結が進まず、導通抵抗が高くなった。
【００６１】
これらの比較例に対して、本発明の配線基板は、メタライズ配線層はピーク強度比が０．１以下であり、いずれも３０ｍΩ／□以下の低抵抗を有し、しかも表面粗さも１０μｍ以下の平滑性に優れたものであった。特に、絶縁基板の組成を、窒化珪素を主成分とし、希土類金属（ＲＥ）及びＭｇを酸化物換算による合量を４〜３０モル％、前記希土類金属およびＭｇの酸化物換算によるモル比（ＲＥ₂Ｏ₃／ＭｇＯ）を０．１〜１５、Ａｌ量を酸化物換算で１．０モル％以下とすることにより、相対密度９０％以上、熱伝導率４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、室温における３点曲げ強度が７００ＭＰａ以上の優れた特性が得られた。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の窒化珪素質多層配線基板によれば、絶縁基板と同時焼成される内部メタライズ配線層の低抵抗化を図ることができるとともに、反りによる変形、断線による導通不良がなくなり、絶縁基板の表面平滑性を高めることができる。その結果、多層配線化することが可能であるとともに、基板表面の研磨処理を施すことなく銅板などとの接合が可能であり、各種パワーモジュールの多層配線基板として幅広い分野に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化珪素質多層配線基板の概略断面図である。
【図２】本発明の窒化珪素質多層配線基板のメタライズ配線層の組織を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１絶縁基板
２メタライズ配線層
３スルーホール導体
４タングステン含有結晶相
５セラミック相
６気孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wiring board having a metallized wiring layer at least as an insulating substrate made of ceramics mainly composed of silicon nitride, and is mainly applied as a multilayer wiring board using a power system device. The present invention relates to an excellent silicon nitride based multilayer wiring board.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the field of industrial equipment, power modules using power-related devices such as MOSFETs and IGBTs are being applied to control boards in electric vehicles such as trains and electric cars. The current used for these power devices exceeds several tens to several hundreds A, and the voltage is very high power of several thousand volts, so that the heat generated from the power devices increases. In order to prevent malfunction or destruction of the device due to this, how to release the generated heat to the outside of the system has become a big problem, and a wiring board capable of releasing such heat to the outside of the apparatus is required. .
[0003]
Conventionally, ceramics such as beryllium oxide and aluminum nitride have been used as suitable insulating materials for dissipating heat generated from the device, but aluminum nitride ceramics are the most preferable from the viewpoint of mass productivity and safety. Many have been used. In addition, a ceramic wiring board in which a wiring layer made of a refractory metal such as tungsten is formed on the surface or inside of an aluminum nitride ceramic is often used as the wiring board.
[0004]
However, in order to be applied as a power module substrate in an electric vehicle, it is necessary to have not only high thermal conductivity but also high durability. However, since aluminum nitride ceramics have low strength, Insulating substrate materials such as electric vehicles used do not have sufficient characteristics.
[0005]
Thus, recently, silicon nitride sintered bodies have been attracting attention as materials that meet the demands for high thermal conductivity and high strength and high reliability. Conventionally, silicon nitride-based sintered bodies have been actively researched and developed as high-temperature structural materials such as gas turbines. In general, rare earth metal oxides are added as a sintering aid to a very high temperature of 1800 to 2000 ° C. In order to suppress the decomposition reaction of silicon nitride at a high temperature and at a high temperature, it is baked in a pressurized nitrogen atmosphere of several to 100 atm.
[0006]
On the other hand, when the heat resistance is not so required, it is produced by firing at a relatively low temperature of 1700 to 1800 ° C. by further adding alumina or an alkaline earth metal oxide as a sintering aid.
[0007]
Since silicon nitride sintered bodies have thermal shock resistance and high temperature and high strength, they have been extensively studied as heat resistant materials, and have not been studied much as substrate materials such as wiring boards. Recently, it has been noted that the thermal conductivity of silicon nitride is quite high, and studies on wiring boards that require heat dissipation have begun.
[0008]
When producing a wiring substrate using such a silicon nitride sintered body as an insulating substrate, a wiring substrate having a metallized wiring layer inside the insulating substrate is formed by simultaneous firing with the insulating substrate.
[0009]
When obtaining a wiring board having a metallized wiring layer inside the insulating substrate, it is necessary to form the metallized wiring layer with a refractory metal such as tungsten because the firing temperature of the insulating substrate is high.
[0010]
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-149588, a conductive paste containing a powder of tungsten or molybdenum having an average particle size of 2 μm or less is printed and applied on the surface of a silicon nitride green sheet to suppress decomposition of silicon nitride. It has been proposed in a high-pressure nitrogen atmosphere at ˜2000 ° C.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a conductive paste mainly composed of a refractory metal such as tungsten is printed on the surface of a silicon nitride ceramic green sheet and then laminated and fired at the same time, the refractory metal such as tungsten becomes silicon nitride and Since it reacts to form a high-resistance silicide compound, it is difficult to form a low-resistance internal wiring layer.
[0012]
The formation of such a silicide compound can be relatively suppressed by firing in a high-pressure atmosphere using nitrogen gas, as proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-149588.
[0013]
In order to solve such a problem, the present inventors can change the starting material from W to WC and / or W ₂ C and perform firing at normal pressure and low temperature to obtain W as a conductor and to increase the resistance. It has been found that a silicon nitride multilayer wiring board having excellent surface smoothness can be obtained while reducing W ₅ Si ₃ .
[0014]
However, even when WC and / or W ₂ C is used, when silicide is formed, the density of tungsten (19.3 g / cm ³ ) is significantly higher than the density of tungsten silicide (9 g / cm ³ ). Further, there is a problem that deformation such as warpage is caused by volume expansion of the internal metallized wiring layer, and disconnection is caused by cracks generated at the time of expansion, which greatly hinders practical use of the silicon nitride based multilayer wiring board.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of repeated investigations on the above problems, the present inventors are a wiring board comprising an insulating substrate made of ceramics whose main component is silicon nitride and having a relative density of 90% or more, and at least a metallized wiring layer. , a tungsten-containing crystalline phase wherein the metallized wiring layers are composed of a ceramic phase and a pore area ratio of the tungsten-containing crystalline phases in the cross section of the metallized wiring layer is 50 to 95% area of the pores The ratio is 5 to 10%, and contains at least tungsten (W) and tungsten silicide (W ₅ Si ₃ ) as the tungsten-containing crystal phase, and X on the (411) plane of the tungsten silicide (W ₅ Si ₃ ) _{I 1} a ray diffraction peak intensity, the X-ray diffraction peak intensity of the (110) plane of the tungsten (W) was I2 Can, by peak intensity ratio represented by I 1 _/ I ₂ is 0.1 or less, the warp was found that silicon nitride multilayer wiring board not occur disconnection is obtained. At the same time, it has also been found that even if the surface of the insulating substrate is a burnt surface, it can be formed with a good surface having a surface roughness (Rmax) of 10 μm or less.
[0016]
Further, the insulating substrate has a thermal conductivity of 40 W / m · K or more, a relative density of 90% or more, a three-point bending strength at room temperature of 700 MPa or more, and further, silicon nitride is mainly used for the composition. and component, a rare earth metal (RE) and Mg containing and 4 to 30 mol% in total by oxide conversion, and 1.0 mole% of Al in terms of oxide, and the rare earth metal 及 beauty Mg it is desirable molar ratio according to terms of oxides _(RE ₂ O 3 / MgO) is 0.1 to 15.
[0017]
According to silicon nitride multilayer wiring board of the present invention, the area ratio of the tungsten-containing crystalline phase in the metallized wiring layer is 50 to 95% area ratio of the pores is 5 to 10% thus forming the remainder in the ceramic phase Thus, even when tungsten silicide is formed, the expansion of the metallization due to tungsten silicidation tends to enter the pores by allowing the pores having an area ratio of 5 to 10% to exist in the metallization layer. It is possible to prevent disconnection due to deformation and cracks.
[0018]
In particular, tungsten-containing crystalline phase in the metallized wiring layer, tungsten (W) comprises 及

beauty tungsten silicide

_{_{_{(W 5 Si 3), W}}} 5 Si 3 of (411) X-ray diffraction peak intensity of plane _{I 1,} wherein when the X-ray diffraction peak intensity of the (110) plane of the tungsten (W) was _{I _2,} by the peak intensity ratio represented by I 1 / _{I 2} and 0.1 or less, the inner metallized wiring layer low it is possible to reduce the resistance.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the silicon nitride multilayer wiring board of the present invention will be described in detail. According to the silicon nitride based multilayer wiring board of the present invention, as shown in the schematic sectional view of FIG. 1, the insulating substrate 1 has metallized

wiring layers

2a and 2b containing tungsten on the surface and / or inside thereof. In addition, a through-hole conductor 3 for electrically connecting the

metallized wiring layers

2a and 2b of different layers is formed.
[0020]
The metallized wiring layer 2 in this insulating substrate is composed of a tungsten-containing crystal phase 4, a ceramic phase 5, and pores 6 as shown in an enlarged cross-sectional view for explaining the structure of the metallized wiring layer 2 in FIG. 2. It is important that the area ratio in the cross-sectional observation of the metallized wiring layer 2 of the tungsten-containing crystal phase 4 is 50 to 95%, particularly 70 to 90%.
[0021]
This is because when the area ratio is lower than 50%, the area of the conductive portion is reduced, and thus the resistance of the metallized wiring layer 2 is increased. This is because deformation due to warpage or the like and disconnection due to cracks occur due to a difference in thermal expansion.
[0022]
According to the present invention, at least tungsten (W) in tungsten-containing crystalline phase 4 in metallized wiring layer 2 contains a tungsten silicide (W ₅ Si _3), the tungsten silicide (W ₅ Si ₃₎ (411 ) Plane X-ray diffraction main peak intensity is I ₁ , and the tungsten (W) (110) plane X-ray diffraction peak intensity is I ₂ , the peak intensity ratio represented by I ₁ / I ₂ is 0. .1 or less, particularly 0.05 or less is important.
[0023]
This is indispensable for reducing the resistance of the metallized wiring layer 2, particularly the internal metallized wiring layer 2 a and the surface metallized wiring layer 2 b formed by simultaneous firing, and the peak intensity expressed by the above I ₁ / I _2. If the ratio is greater than 0.1, it is difficult to reduce the resistance, and it is not suitable for forming a circuit, and disconnection due to the occurrence of a crack occurs.
[0024]
In the tungsten-containing crystal phase 4, WSi ₂ may be present in addition to the above tungsten (W) and tungsten silicide (W ₅ Si ₃ ).
[0025]
The ceramic phase 5 contained in the metallized wiring layer 2 has an action of improving the adhesion strength of the metallized wiring layer and reducing the warpage of the substrate. As the ceramic phase 5, silicon nitride, At least one selected from the group consisting of aluminum nitride, participating zirconium, and aluminum oxide is used, and silicon nitride that is the same as the insulating substrate component is particularly desirable.
[0026]
The ceramic phase 5 is suitably contained at a ratio of 5 to 20 area% in the cross-sectional observation of the metallized wiring layer 2.
[0027]
Further, during the metallized wiring layer 2 has a pore 6, the pores 6 are as above, in the cross section observation of the metallized wiring layer 2, the area ratio Ru Tei is contained in a proportion of 5 to 0%.
[0028]
In addition, when the structure of the metallized wiring layer 2 is observed with a scanning electron micrograph, the ceramic phase 5 and the tungsten-containing metal phase 4 can be separated by color tone, and when the ceramic phase 5 is made of silicon nitride, The tungsten-containing crystal phase 4 is observed in light gray and the ceramic phase 5 in dark gray.
[0029]
On the other hand, the silicon nitride ceramic constituting the insulating substrate 1 is mainly composed of a silicon nitride crystal having an average aspect ratio of 1.5 to 5 and a minor axis diameter of 0.1 to 1 μm obtained by an electron microscope in the cross section of the sintered body. Become. This average aspect ratio and minor axis diameter are the minor axis or aspect ratio of all particles observed on the mirror surface (two-dimensional plane) after mirror-polishing the cross-section of the sintered body and then etching as desired. (Major axis / minor axis ratio) is obtained and averaged.
[0030]
Furthermore, according to the present invention, the surface of the insulating substrate 1 is also characterized by having a burnt surface having a surface roughness (Rmax) of 10 μm or less, particularly 6 μm or less. If the surface roughness is 10 μm or less, high bonding strength can be obtained when a circuit such as a copper plate or a heat sink (metal plate) is bonded to the surface, and the step of polishing the substrate surface can be omitted.
[0031]
Thus, in order to improve the smoothness of the insulating substrate, it is desirable to fire at a low temperature and a normal pressure. Therefore, in order to realize densification by firing at low temperature and normal pressure, the silicon nitride ceramics preferably contains silicon nitride as a main component and rare earth metal and Mg as sintering aids. The rare earth metal (RE) and Mg are mixed in an amount of 4 to 30 mol%, particularly 5 to 25 mol% in terms of oxide, and the molar ratio of the rare earth metal (RE) and Mg in terms of oxide. It is desirable that (RE ₂ O ₃ / MgO) be in the range of 0.1 to 15, particularly 0.5 to 13.
[0032]
If the total amount is less than 4 mol%, it is difficult to increase the density under normal pressure, and baking at a high temperature is required. As a result, baking in a high-pressure nitrogen atmosphere is required, and the surface of the insulating substrate is roughened. It will occur. On the other hand, when the total amount exceeds 30 mol%, the proportion of the grain boundary phase in the ceramic increases, so the thermal conductivity of the ceramic decreases. Further, even if the ratio of RE ₂ O ₃ / MgO exceeds 15 or becomes smaller than 0.1, densification is insufficient and thermal conductivity is lowered.
[0033]
In addition to the rare earth metal and Mg, the addition of an Al compound such as Al ₂ O ₃ greatly contributes to the improvement of the sinterability. However, it dissolves in the Si ₃ N ₄ crystal and inhibits phonon propagation. As a result, in order to significantly reduce the thermal conductivity of the sintered body, it is desirable that it does not exist for high thermal conductivity. Specifically, the Al content is 1.0 mol% or less in terms of oxide, preferably 0. 0.5 mol% or less, more preferably 0.1 mol% or less, and even more preferably 0.01 mol% or less.
[0034]
As the rare earth metal (RE), any element of Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu can be suitably used. However, among these, Y, Ce, Sm, Dy, Er, Yb, Gd, and Lu, particularly Y and Er, are desirable in terms of characteristics and cost.
[0035]
In this ceramic, at least one of the metals in groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table such as Ti, Hf, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W is used as a coloring component. You may contain in the ratio of weight%.
[0036]
Further, the silicon nitride ceramics constituting the insulating substrate in the present invention is composed of each of the above component compositions, and the relative density thereof is 90% or more, particularly 95% or more for achieving high thermal conductivity. When the relative density is lower than 90%, it is difficult to achieve a thermal conductivity of 40 W / m · K.
[0037]
In order to manufacture the silicon nitride wiring board of the present invention, first, a rare earth metal compound, an Mg compound, and in some cases an Al compound are blended as a sintering aid in the above-described ratio with respect to the silicon nitride powder. The compound serving as a sintering aid is preferably a compound capable of forming an oxide by firing, such as an oxide, carbonate or acetate.
[0038]
The silicon nitride powder used preferably has an impurity oxygen content of 0.5 to 3.0% by weight. This is because if the amount of impurity oxygen is more than 3.0% by weight, the surface of the sintered body may be roughened and the strength may be deteriorated, and if it is less than 0.5% by weight, the sinterability is deteriorated. Moreover, it is desirable that the average particle diameter is 0.1 to 1.5 μm and the α ratio is 80% or more.
[0039]
Next, an organic binder and a solvent are added to the mixed powder to prepare a silicon nitride ceramic green sheet by a known forming method such as a doctor blade method, a rolling method, or an extrusion method.
[0040]
Thereafter, a conductor paste for forming a metallized wiring layer is printed and applied to the green sheet in a wiring pattern by a screen printing method or the like. In the conductor paste used at this time, it is important to use tungsten carbide powder as a main conductor component as a conductor component. This is because, if W powder conventionally used is used as this conductor component, a large amount of tungsten silicide is generated during atmospheric pressure sintering, and the resistance of the wiring layer is increased.
[0041]
It is important that the tungsten carbide powder has an average particle size of 0.8 to 12 μm, particularly 2 to 8 μm. This is because when the average particle size is smaller than 0.8 μm, the reactivity with silicon nitride is promoted and tungsten silicide is likely to be generated more easily. When the average particle size is larger than 12 μm, the sinterability of the metallized wiring layer is lowered. This is because a low-resistance metallized wiring layer cannot be formed.
[0042]
The conductor paste is adjusted to have a predetermined viscosity by blending a ceramic component, an organic binder, and a solvent in addition to the conductor component and kneading. Silicon nitride, aluminum nitride, alumina or the like can be used as the ceramic component, acrylic resin or the like can be used as the organic binder, and ethyl acetate, isopropyl alcohol, acetone or the like can be used as the solvent.
[0043]
In particular, according to the present invention, in the metallized wiring layer, in order to adjust the area ratio of the tungsten-containing crystal phase to 50 to 95%, a paste in which the powder particle size, ceramic component amount, and organic binder amount of tungsten carbide to be used is adjusted. It can be controlled by setting the filling rate of the conductive paste before firing when applied to the green sheet surface to about 45 to 60%. The filling rate is determined by calculating the density of the applied paste from the applied volume and applied weight of the solid paste after the conductor paste is printed on the surface of a predetermined green sheet, dried, and dried. The theoretical density is obtained from the composition, and the ratio of the density to the theoretical density is calculated as the filling rate.
[0044]
Thereafter, the conductor paste is printed and applied in a wiring pattern, the green sheet is laminated and pressure-bonded, the green sheet is debindered at a predetermined temperature in a weakly oxidizing atmosphere, and then baked to a relative density of 90% or more. Densify.
[0045]
In firing, it is important to set the firing temperature to 1650 to 1800 ° C. This is because when the firing temperature is lower than 1650 ° C., the relative density does not reach 90%, and when it is higher than 1800 ° C., silicon nitride decomposes.
[0046]
The firing atmosphere at this time is performed in a non-oxidizing atmosphere containing at least nitrogen. Moreover, it is desirable to contain SiO gas in the atmosphere at this time. By containing this SiO gas, since decomposition of silicon nitride can be suppressed, silicidation of tungsten can be further suppressed. This SiO gas can be generated by a decomposition reaction of these powders at the time of firing by arranging the SiO ₂ powder or the Si / SiO ₂ mixed powder together with the compact in the firing furnace. In this manner, a silicon nitride wiring board having at least a metallized wiring layer formed therein can be produced.
[0047]
Also, as a method of forming a metallized wiring layer on the surface of the fabricated silicon nitride wiring substrate, a copper thick film paste is printed and applied in a wiring pattern on the surface of the fired insulating substrate in addition to simultaneous firing with the insulating substrate. A method of baking at 800 to 900 ° C., a brazing paste such as Cu—Ag—Ti is applied to the surface of the insulating substrate after firing, and a Cu plate or Cu foil is applied at a temperature of 800 ° C. to 900 ° C. Examples thereof include a method of baking and bonding, and a method of forming a bonded Cu plate or Cu foil into a wiring pattern by exposure, development, and etching.
[0048]
【Example】
A silicon nitride raw material powder produced by a direct nitriding method having an average particle size of 1.2 μm, an oxygen content of 1.3% by weight and an α ratio of 93% is added to various rare earth metal oxides, MgCO ₃ , and in some cases, Al ₂ O. _An acrylic resin binder as a molding binder and toluene as a solvent were added to the mixture of the _three powders to form a kneaded slurry, and a green sheet was obtained by a doctor blade method.
[0049]
On the other hand, when a ceramic component is added to the WC powder, W ₂ C powder (average particle size 1.5 μm), and W powder (average particle size 3 μm) having the average particle size shown in Table 1 as the conductor material, silicon nitride powder is used. A conductive paste was prepared by adding and mixing an acrylic resin as an organic binder and acetone as a solvent.
[0050]
First, this conductor paste is printed on the surface of a given green sheet, dried, and then the density of the applied paste is determined from the applied volume and applied weight of the applied paste, and the theoretical density is determined from the solid content composition of the paste. And the ratio of the density to the theoretical density was calculated as the filling factor.
[0051]
Next, this conductor paste is printed and applied on the surface of a predetermined green sheet for an internal metallized wiring layer, and then laminated, in a weakly oxidizing atmosphere, at a predetermined temperature in an atmosphere of N ₂ + H ₂ + H ₂ O, After debinding at a temperature of 700 ° C., the sample was baked under the baking temperature and nitrogen gas pressure shown in Table 1 to prepare a sample for wiring board evaluation. As the atmosphere in addition to the nitrogen gas was generated SiO gas by placing the Si / SiO ₂ mixed powder around the green body.
[0052]
In addition, each composition shown in Table 1 for evaluation of the insulating substrate was molded into a disk shape having a diameter of 12 mm and a thickness of 5 mm, and a square column of 60 × 6 × 4 mm for strength measurement, and the conditions shown in Table 1 were similarly applied. Baked in.
[0053]
Using the obtained sample for evaluation of the insulating substrate, first, the density of the silicon nitride ceramics was measured by the Archimedes method, and the relative density (%), which is the ratio to the theoretical density, was calculated. Subsequently, the thermal conductivity was measured by a laser flash method, and the bending strength was measured at room temperature by a three-point bending test based on JIS R1601.
[0054]
In the wiring board evaluation sample, the conduction resistance of the internal metallized wiring layer was measured by the four-terminal method. Of these, those that could not be measured due to cracks or the like were indicated as the number of poor conduction. Further, the insulating substrate was ground and removed so that the internal metallized wiring layer was exposed, the metallized cross section was mirror-finished with diamond paste, and a cross-sectional photograph was taken with a scanning electron micrograph (SEM). The tungsten-containing crystal phase, ceramic phase, and pores were identified from the obtained photographs, and the area ratio of the tungsten-containing crystal phase, ceramic phase, and pores was calculated using an image analyzer.
[0055]
X-ray diffraction measurement is performed on the metallized wiring layer, and the constituent phase of the metallized wiring layer and the (411) plane X-ray diffraction peak intensity of tungsten silicide (W ₅ Si ₃ ) near 2θ = 54.7 ° are obtained. The peak intensity ratio represented by I ₁ / I ₂ when I ₂ is the X-ray diffraction peak intensity of the (110) plane of tungsten (W) near I ₁ , 2θ = 51.3 ° was calculated. When WSi ₂ was identified as the crystal phase, calculation was performed using the X-ray diffraction peak intensity of the (101) plane of tungsten silicide (WSi ₂ ) near 2θ = 30.1 ° as I ₁ . Moreover, the curvature of the board | substrate in which the metallized wiring layer was formed was measured with the surface roughness meter, and the maximum curvature amount from the reference plane was measured. The results are shown in Table 2. Sample No. 2, 3, 6-10, 15, 16, 18-20, 24-27, 29, 31-40 are reference samples.
[0056]
[Table 1]

[0057]
[Table 2]

[0058]
As is apparent from the results in Tables 1 and 2, the sample No. 1 in which the area ratio of the tungsten-containing crystal phase in the metallized wiring layer is lower than 50%. In No. 1, the formation of tungsten silicide was suppressed, but the conduction ratio was high because the area ratio of the conduction portion was low. Sample No. with an area ratio exceeding 95% was used. In No. 4, although the conduction resistance was low, warpage due to swelling of the metallized portion and conduction failure due to cracks generated in the metallization occurred at a ratio of 3/20.
[0059]
In addition, the sample No. 1 baked in high-pressure nitrogen having a baking temperature higher than 1800 ° C. In No. 11, although the formation of tungsten silicide can be relatively suppressed, the surface roughness exceeds 10 μm. Further, a sample No. 2 using tungsten powder as the metallized raw material powder. In Nos. 12 to 14, it was difficult to suppress the formation of tungsten silicide even when firing in normal pressure or high-pressure nitrogen.
[0060]
Further, the sample No. 2 in which the particle size of the tungsten carbide powder is smaller than 0.8 μm. 17, a large amount of silicide was formed, and a sample No. 17 larger than 12 μm was used. In No. 22, the metallized wiring layer did not sinter and the conduction resistance increased.
[0061]
In contrast to these comparative examples, in the wiring board of the present invention, the metallized wiring layer has a peak intensity ratio of 0.1 or less, both have a low resistance of 30 mΩ / □ or less, and a surface roughness of 10 μm or less. It was excellent in smoothness. In particular, the composition of the insulating substrate is mainly composed of silicon nitride, the total amount of rare earth metal (RE) and Mg in terms of oxide is 4 to 30 mol%, and the molar ratio in terms of oxide of the rare earth metal and Mg (RE). ₂ O ₃ / MgO) is 0.1 to 15 and the Al amount is 1.0 mol% or less in terms of oxide, so that the relative density is 90% or more, the thermal conductivity is 40 W / m · K or more, and 3 at room temperature. Excellent characteristics with a point bending strength of 700 MPa or more were obtained.
[0062]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the silicon nitride based multilayer wiring board of the present invention, it is possible to reduce the resistance of the internal metallized wiring layer that is fired simultaneously with the insulating substrate, and to prevent deformation due to warping and poor conduction due to disconnection. The surface smoothness of the insulating substrate can be improved. As a result, it is possible to form a multilayer wiring, and it is possible to join with a copper plate or the like without performing a polishing process on the substrate surface, and it can be applied to various fields as a multilayer wiring substrate of various power modules.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a silicon nitride based multilayer wiring board according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a structure of a metallized wiring layer of a silicon nitride based multilayer wiring board according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Insulating substrate 2 Metallized wiring layer 3 Through-hole conductor 4 Tungsten-containing crystal phase 5 Ceramic phase 6 Pore

Claims

An insulating substrate made of a relative density of 90% or more of the ceramics of silicon nitride as a main component, a wiring board and at least metallized wiring layer, the metallized wiring layer of tungsten-containing crystalline phases, and a ceramic phase 及 beauty pores are composed of, the area ratio of the tungsten-containing crystalline phases in the cross section of the metallized wiring layer is 50 to 95% area ratio of the pores is 5-10%, as the tungsten-containing crystalline phases, at least Including tungsten (W) and tungsten silicide (W ₅ Si ₃ ), the X-ray diffraction peak intensity of the (411) plane of the tungsten silicide (W ₅ Si ₃ ) is I ₁ , and the tungsten (W) is (110) when the X-ray diffraction peak intensity of the plane was _{I _2,} the peak intensity ratio represented by I 1 / _{I 2} is 0.1 or more , And the and the insulating substrate surface, surface roughness (Rmax) silicon nitride multilayer wiring board characterized by comprising formed by the following baked skin surface 10 [mu] m.

2. The silicon nitride based multilayer wiring board according to claim 1, wherein the insulating substrate has a thermal conductivity of 40 W / mK or more, a relative density of 90% or more, and a three-point bending strength at room temperature of 700 MPa or more. .

The insulating substrate contains silicon nitride as a main component, rare earth metal and Mg in a total amount of 4 to 30 mol% in terms of oxide , Al in an amount of 1.0 mol% or less in terms of oxide, and molar ratio _(RE ₂ O 3 / MgO) is according to claim 1 or claim 2 silicon nitride multilayer wiring board, wherein the 0.1 to 15 by oxide conversion of the rare earth metal 及 beauty Mg.