DE3789628T2

DE3789628T2 - Gesinterter Körper aus Aluminiumnitrid mit leitender metallisierter Schicht.

Info

Publication number: DE3789628T2
Application number: DE3789628T
Authority: DE
Inventors: Mitsuyoshi Endo; Akihiro Horiguchi; Mituo Kasori; Nobuyuki Mizunoya; Hideki Sato; Kazuo Shinozaki; Shun-Ichiro Tanaka; Fumio Ueno
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-02-20
Filing date: 1987-02-19
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 2007-02-20
Also published as: EP0235682B2; KR870008055A; DE3789628T3; EP0235682A3; KR900006122B1; US4770953A; DE3789628D1; EP0235682B1; EP0235682A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aluminiumnitrid- Sinterkörper und insbesondere einen Aluminiumnitrid- Sinterkörper, der eine leitfähige metallisierte Schicht mit ausgezeichneter Hochtemperaturhaftung an das Basismaterial aus dem Aluminiumnitrid-Sinterkörper aufweist und als Halbleiter-Substrat brauchbar ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Schaltkreis- Substrat, worin ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper als isolierende Schicht verwendet wird, und insbesondere ein Schaltkreis-Substrat, worin leitfähige Schichten integral und gleichzeitig mit der isolierenden Schicht gesintert sind, um einen Mehrschicht-Verbund zu verwirklichen.
Wegen ausgezeichneter und hoher Isolierungseigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Thermoschock, Hochtemperaturfestigkeit, Thermostrahlung und Wärmeleitfähigkeit sind Aluminiumnitrid (AlN)-Sinterkörper als verschiedene Strukturmaterialien, Materialien für verschiedene elektronische/elektrische Teile usw. bekannt geworden. Seit kurzem ist insbesondere ein solcher AlN- Sinterkörper anstatt Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) oder Berylliumoxid (BeO) verwendet worden, weil Al&sub2;O&sub3; nicht genügend gut bei der Wärmestrahlung und BeO giftig und deshalb kompliziert bei der Handhabung dieses Materials sind. Bei Verwendung eines AlN- Sinterkörpers ist der Körper üblicherweise mit Metallteilen verbunden, so daß eine leitfähige metallisierte Schicht im allgemeinen auf der Oberfläche des AlN-Sinterkörpers gebildet wird.
Als Verfahren zur Bildung einer metallisierten Schicht auf dem AlN-Sinterkörper sind das Direktbindungskupfer (DBC)- Verfahren, wobei eine Oxidschicht (Al&sub2;O&sub3;) auf der Oberfläche des Sinterkörpers gebildet und anschließend Kupfer(Cu)-Folie direkt gebunden werden, oder das Dickfilmverfahren von Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag)-Palladium (Pd) wohlbekannt.
Die gemäß der obigen herkömmlichen Verfahren auf der Oberfläche des AlN-Sinterkörpers gebildete leitfähige metallisierte Schicht weist nur eine schwache Haftung an den AlN-Sinterkörper auf, insbesondere bei hoher Temperatur. Deshalb stellen sich insofern Probleme ein, als es schwierig ist, ein weiteres Teilstück mit der gebildeten metallisierten Schicht durch ein Bindungsverfahren bei hoher Temperatur (700ºC oder höher) wie Hartlöten, Hochtemperaturlöten usw. zu binden, oder es werden, falls eine Bindung sogar stattgefunden hat, die gebildete metallisierte Schicht, bei Einsatz des AlN-Sinterkörpers, an den ein weiteres Teilstück gebunden ist, bei hoher Temperatur von der Oberfläche des Sinterkörpers und gegebenenfalls ein weiteres Teilstück von der metallisierten Schicht abgespalten. Insbesondere bei Verwendung des AlN-Sinterkörpers unter Einschluß einer leitfähigen metallisierten Schicht als Wärmestrahlungssubstrat für elektronische Schaltkreise gibt 5, da das Substrat Temperaturänderungen (Hitzezyklen) von niedrig nach hoch oder umgekehrt unterworfen ist, einen weiteren Nachteil insofern, als Brüche in der metallisierten Schicht wegen des Unterschieds beim thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem AlN und der die metallisierte Schicht bildenden Komponente auftreten.
Ein solcher AlN-Sinterkörper wird ganz grob wie folgt hergestellt: Ein AlN-Pulver wird als erstes mit einem Sinterhilfstoff wie Y&sub2;O&sub3; , Sm&sub2;O&sub3; , CaO usw. einer vorbestimmten Menge und ferner mit einem Harzbindemittel auf Acrylbasis, falls nötig als Hilfstoff, vermischt. Diese werden ausreichend durchmischt, zu einem AlN- Grünplattenkörper (Rohkompakt) einer vorbestimmten Form unter Druck geformt und bei einer vorbestimmten Temperatur unter z. B. einer Stickstoff-Atmosphäre gesintert.
Bei Verwendung des AlN-Sinterkörpers als Substrat für Halbleiter ist es notwendig, ferner einen leitfähigen Film auf der Oberfläche des AlN-Sinterkörpers zu bilden. In herkömmlicher Weise war dieser Film eine metallisierte Schicht von Cu, Au oder Ag-Pd, gebildet auf der Oberfläche des AlN-Sinterkörpers gemäß dem DBC-Direktbindungskupfer Verfahren oder Dickfilmverfahren.
Diese herkömmlichen Substrate beinhalten jedoch die folgenden Probleme:
Das erste Problem besteht darin, daß die Haftungsstärke zwischen der metallisierten Schicht und der AlN- Sinterkörperoberfläche schwach ist und deshalb ein Abblättern zwischen den beiden auftritt, wie in Fig. 1A gezeigt, wodurch die Zuverlässigkeit eines solchen Substrats herabgesetzt wird, wie in Fig. 1A gezeigt.
Das zweite Problem tritt auf, wenn ein Halbleiterelement oder ein Draht bei hoher Temperatur auf die gebildete metallisierte Schicht hartgelötet oder gelötet werden. D.h., obwohl das Hartlöten bei ca. 800ºC unter einem Wasserstoff- Stickstoff-Mischgas durchgeführt wird, da die Metallisierschichtbacktemperatur so niedrig wie ca. 500 bis 1000ºC liegt, wird die Haftungsverbindungsfestigkeit zwischen der metallisierten Schicht und der AlN-Sinterkörperoberfläche beim Hartlöten deutlich herabgesetzt, wodurch ein Hartlöten in der Praxis unmöglich gemacht wird. Ferner tritt das ähnliche Problem im Fall von Hochtemperaturlöten auf.
Das dritte Problem entsteht wegen der Differenz beim thermischen Ausdehnungskoeffizient zwischen dem AlN- Sinterkörper und der metallisierten Schicht. Wie es beim Hartlöten und Hochtemperaturlöten der Fall ist, werden starke Hitze-Kühl-Zyklen bei Einsatz des Substrats ausgeübt, auf dem Halbleiterelemente wie Silicon-Wafers angeordnet werden. Im Ergebnis werden thermische Belastungen an den Verbindungsoberflächen zwischen AlN-Sinterkörper, metallisierter Schicht, Hartlötschicht (oder Lötschicht) und den Halbleiterelementen wegen der Unterschiede beim thermischen Ausdehnungskoeffizient zwischen diesen beiden Schichten erzeugt, was zum Auftreten von Abblätterungen dieser Elemente führt, wie in Fig. 1B gezeigt.
Der thermische Expansionskoeffizient der metallisierten Schicht ist ca. 2-4mal größer als derjenige (ca. 4,6·10&supmin;&sup6;/ºC) des AlN-Sinterkörpers und annähernd gleich oder halb so groß wie derjenige der Hartlöt- oder Lötschicht. Da eine große Differenz zwischen dem AlN- Sinterkörper und der metallisierten Schicht oder der Hartlöt- (Löt-)Schicht besteht, werden Mikrobrüche leicht an der Grenzoberfläche zwischen dem AlN-Sinterkörper und der metallisierten Schicht oder der Hartlöt-(oder Löt)-Schicht während eines Hitzezyklus erzeugt. Ferner entstehen diese Mikrobrüche stufenweise, wenn sich der Hitzezyklus wiederholt, wodurch schließlich ein Abblättern des Halbleiterelements vom Sinterkörper hervorgerufen wird. Dieses Problem ist ernstzunehmen, insbesondere weil die Zuverlässigkeit von Anwendungsgegenständen mit Substraten, auf denen Halbleiterelemente angeordnet sind, verschlechtert wird.
Das vierte Problem besteht darin, daß die Haftungsfestigkeit zwischen der metallisierten Schicht und dem AlN-Sinterkörper bei Raumtemperatur klein ist, so daß die Zuverlässigkeit des Substrats bei hoher Temperatur niedrig ist, wie beim zweiten Problem.
Schließlich besteht das fünfte Problem darin, daß die Nutzung thermischer Energie nicht wirtschaftlich erfolgt, bei Überprüfung der Herstellungsverfahren vom ersten bis zum letzten Schritt. In anderen Worten, das Substrat wird fertiggestellt, indem man zuerst einen AlN-Grünkörper sintert und ferner den AlN-Sinterkörper erneut sintert, um die metallisierte Schicht zu bilden.
Im übrigen ist mit dem Fortschreiten der Miniaturisierung elektronischer Verwendungsgegenstände die Art und Weise, wie Hitze, die aus auf einem Schaltkreissubstrat aufgebrachten Halbleitervorrichtungen erzeugt wird, wirksam abgestrahlt werden kann, zu einem wichtigen Problem geworden. Ferner ist Wärmestrahlung ein wichtiges Problem, wenn Leistungshalbleitervorrichtungen auf einem Schaltkreissubstrat montiert sind.
In herkömmlicher Weise sind Al&sub2;O&sub3;-Keramiken in großem Umfang als Isoliermaterial für Schaltkreissubstrate angewandt worden. Da das Al&sub2;O&sub3; nur eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, stellt sich jedoch auch noch ein Problem bei der Wärmestrahlung ein. Deshalb sind Untersuchungen angestellt worden, um AlN-Keramiken, die sich bei den elektrischen Eigenschaften wie den elektrischen Isoliereigenschaften (als Isolator) sowie bei der Wärmeleitfähigkeit auszeichnen, auf Schaltkreissubstrate anzuwenden (wie offenbart in der japanischen veröffentlichten ungeprüften Patentanmeldung 60-178688).
Im Hinblick auf die Miniaturisierung und hohe Verdichtung bei elektronischen Verwendungsgegenständen ist eine höhere Verdichtung zur Verdrahtung auf Schaltkreissubstraten ebenfalls erforderlich, und deshalb ist ein Vielschicht-AlN- Keramiksubstrat untersucht worden (wie offenbart in den japanischen veröffentlichten ungeprüften Patentanmeldungen 60-253294 und 60-253295) . Ferner ist es, bei Al&sub2;O&sub3;- Keramikprodukten, obwohl eine technische Verfahrensweise zur gleichzeitigen Sinterung einer Vielzahl laminierter Grünplatten eingeführt worden ist, unmöglich, die technische Verfahrensweise für Al&sub2;O&sub3;-Keramiken auf AlN-Keramiken, so wie sie ist, einfach anzuwenden bzw. zu übertragen, und zwar wegen des Unterschieds bei den grundsätzlichen Eigenschaften zwischen AlN und Al&sub2;O&sub3;.
EP-A-0 153 737 offenbart ein Schaltkreissubstrat, umfassend (a) ein gesintertes Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat, das Yttrium, ein seltenes Erdmetall oder ein Erdalkalimetall enthalten kann, sowie (b) eine leitfähige Schicht auf der Oberfläche des Keramiksubstrats, gebildet aus einer dicken Filmpaste. Die leitfähige Schicht kann Blei, Silizium und Edelmetalle wie Ag, Pt, Pd, Au sowie Cu enthalten.
Obwohl, wie oben beschrieben, die Nachfrage nach Mehrschichtverbund-Schaltkreissubstraten auf Basis AlN- Keramik gestiegen ist, liegen, da Verzerrung, Leitungswegunterbrechung, Abblättern usw. beim Verfahren der Simultansinterung auftreten, AlN-Mehrschichtkeramiken gegenwärtig außerhalb einer praktischen Verwendung.
Zusammenfassend kann man sagen, daß mit dem Fortschreiten einer höheren Geschwindigkeit, höheren Verdichtung und höheren Ausstoßleistung von Halbleitervorrichtungen, die auf einem Substrat angeordnet sind, ein starkes Bedürfnis nach AlN-Sinterkörpern besteht, die mit höherer Wärmeleitfähigkeit, höherer Haftungsfestigkeit, ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften und zudem wegen Simultansinterung der AlN-Körper und metallisierten Schichten mit Mehrschichtverbundweise ausgestattet sind.
Im Lichte dieser Probleme ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aluminiumnitrid-Sinterkörper bereitzustellen, der eine leitfähige metallisierte Schicht aufweist, die eine hohe Haftungsstärke insbesondere bei hoher Temperatur unter einer reduzierenden Atmosphäre und daher eine hohe Zuverlässigkeit beim Aneinanderhaften an weitere Teilstücke zeigt, die an die metallisierte Schicht durch Hartlöten oder Löten gebunden sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, wobei eine metallisierte Schicht auf der Oberfläche eines AlN-Grünkörpers gleichzeitig mit der Sinterung des AlN-Grünkörpers gebildet wird, und zwar so, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der metallisierten Schicht annähernd gleich dem des AlN-Sinterkörpers und sowohl die Hitzebeständigkeit als auch die Haftungsfestigkeit der leitfähigen metallisierten Schicht hoch sind.
Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltkreissubstrat unter Verwendung von AlN-Keramiken, welches eine hohe Haftungsstärke zwischen der leitfähigen und isolierenden Schicht sowie eine gute Beständigkeit gegen Verzerrung und Lösung des Verbunds aufweist, und insbesondere bin Schaltkreissubstrat mit Mehrschichtstruktur bereitzustellen.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben umfaßt der Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung:
a) eine isolierende Schicht, die durch Sintern eines Aluminiumnitrid-Körpers gebildet ist; und
(b) eine metallisierte Schicht, die auf der genannten isolierenden Schicht gebildet ist, wobei die genannte metallisierte Schicht eine Mischung aus:
(1) einem leitfähigen Element und/oder einer leitfähigen Verbindung; und
(2) mindestens einem anorganischen Füllstoff, der eine Verbindung einschließt, enthaltend ein (IIa, IIIa, IVa, IIIb, Lanthaniden- oder Actiniden- Gruppenelement des Periodensystems, einschließt.
Die isolierende Schicht enthält mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Erdalkali- und seltenen Erdelementen, als Sinterhilfsstoff, um atmosphärische Sinterung zu ermöglichen und die Haftungsfestigkeit zwischen den genannten beiden Schichten zu erhöhen. Der Leiter ist ein jeder von W, Mo, Ta, TiN und ZrN. Ferner beträgt der Gehalt des Sinterhilfsstoffes in der isolierenden Schicht 20 Gew.% oder weniger an Oxidumwandlung, vorzugsweise 0,05 Gew.% oder mehr.
Ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Kombination des Leiters und des Bestandteilelements. Deshalb ist das Verhältnis der beiden nicht eingrenzend, sondern selektiv gemäß der verschiedenen Aufgabenstellungen der Verbesserung der Haftungsfestigkeit zwischen den beiden Schichten, der Leitfähigkeit des Leiters, der Deformationsverhinderung des Sinterkörpers im Sinterverfahren und dgl. festgelegt . . . .
Die Merkmale und Vorteile des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers mit einer leitfähigen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Tabellen und Zeichnungen klarer gewürdigt.
Fig. 1A ist eine Darstellung zur Erläuterung des Abblätterns, das wegen Mangel an Haftungsfestigkeit zwischen AlN- Sinterkörpern und metallisierten Schichten in einem AlN- Sinterkörper mit leitfähiger metallisierter Schicht gemäß dem Stand der Technik auftritt;
Fig. 1B ist eine Darstellung zur Erläuterung des Abspaltens, das wegen einer Differenz beim Wärmeausdehnungskoeffizient und Schrumpfungskoeffizient zwischen AlN-Sinterkörpern und metallisierten Schichten in einem AlN-Sinterkörper mit leitfähiger metallisierter Schicht gemäß Stand der Technik auftritt;
Fig. 2A ist eine Darstellung, die einen AlN-Sinterkörper mit einer leitfähigen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung in Modellform zeigt;
Fig. 2B ist eine Darstellung, die zwei AlN-Grünplatten vor der Simultansinterung zeigt, jeweils mit zwei Leitfähigkeitspastenmustern in Anordnung übereinander; und
Fig. 3 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung der Erzeugung von Verzerrung in Folge von Simultansinterung.
Eine Ausgestaltungsform des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bereitstellung einer stärkeren Haftungsfestigkeit umfaßt eine leitfähige metallisierte Schicht auf mindestens einem Teil einer isolierenden Schicht aus AlN-Sinterkörper, wobei die leitfähige metallisierte Schicht enthält:
(a) mindestens ein Element, ausgewählt aus einer ersten Gruppe, bestehend aus Molybdän, Wolfram und Tantal; und
(b) mindestens ein Element, ausgewählt aus einer zweiten Gruppe, bestehend aus IIa-Gruppenelementen, IIIa- und IIIb-Gruppenelementen, IVa-Gruppenelementen, Seltenenerd- und Aktinidenelementen im Periodensystem, als Bestandteilselemente, aus denen sich die leitfähige Phase zusammensetzt.
Wie oben beschrieben, ist der erfindungsgemäße AlN- Sinterkörper durch die Kombination von Bestandteilselementen zur Zusammensetzung der Phase der leitfähigen metallisierten Schicht gekennzeichnet, die auf der Oberfläche des Sinterkörper-Basissmaterials (entspricht der isolierenden Schicht) gebildet ist, so daß die Eigenschaften des AlN- Sinterkörper-Basismaterials selbst nicht besonders eingeschränkt sind.
Bei den Bestandteilselementen der leitfähigen metallisierten Schicht zeichnen sich die zur ersten Gruppe von Molybdän (Mo), Wolfram (W) und Tantal (Ta) gehörenden Elemente bezüglich der Hitzebeständigkeit aus und nähern sich ferner dem AlN-Sinterkörper-Basismaterial beim Wärmeausdehnungskoeffizient an, so daß diese Elemente dazu dienen, die Hitzebeständigkeits- und zyklischen Hitzebeständigkeitseigenschaften zu verbessern.
Diese Elemente sind enthalten in einem Füllstoff der metallisierten Schicht als ein einzelnes Element oder eine Kombination von zwei oder mehr Elementen. Detaillierter, es können diese zur ersten Gruppe gehörenden Elemente in der metallisierten Schicht in Form individueller Elemente, als eine Verbindung oder als eine feste Lösung vorliegen, wobei jedes Element, oder eine Mischung von zwei oder mehr der oben genannten individuellen Elemente, . . Verbindungen und feste Lösungen eingeschlossen sind.
Die Verbindungen sind Oxide dieser Elemente, Nitride davon, Carbide davon, Säurenitride davon, Boride davon, Silicide davon usw . . zusätzlich zu den oben genannten Elementen können diese Verbindungen Kompositiverbindungen oder feste Lösungen sein, die mindestens eines der Elemente, die zur zweiten Gruppe (später beschrieben) gehören, und/oder mindestens eines der Elemente einschließen, die sich von dem zur zweiten Gruppe gehörenden Element unterscheiden.
D.h., im Falle von Mo als Bestandteilselemente liegt Mo in der zusammengesetzten Phase der leitfähigen metallisierten Schicht in Form von Mo oder einer Mo-Al-Festlösung vor.
Ferner erweisen sich bei den Bestandteilselementen der leitfähigen metallisierten Schicht die zur zweiten Gruppe gehörenden Elemente der IIIb Gruppenelemente (B, Al, Ga, In, Tl), der IVa Gruppenelemente (Ti, Zr, Hf), IIIa Gruppenelemente (Sc, Te), der seltenen Erdelemente (Y, La, Ce, Pr, Xd, m, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) und der Aktiniden (Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr) als ausgezeichnet bezüglich der Weichheit relativ zu AlN, so daß diese Elemente dazu dienen, die Haftung zwischen der leitfähigen metallisierten Schicht und dem AlN- Sinterkörper zu verbessern. Weiterhin sind Al, Ti, Zr, Hf, Y, Ce, Dy, Th, Sm als zur zweiten Gruppe gehörende Elemente besonders bevorzugt.
Ebenso wie bei den zur ersten Gruppe gehörenden Bestandteilselementen sind die zur zweiten Gruppe gehörenden Elemente in der zusammengesetzten Phase der metallisierten Schicht in Form eines einzelnen Elementes oder einer Mischung von zwei oder mehr Elementen enthalten. D.h., es liegen diese Elemente in der metallisierten Schicht in Form des jeweiligen Elements, einer Verbindung oder festen Lösung, enthaltend das jeweilige Element oder eine Mischung von zwei oder mehr Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus diesen Elementen, Verbindungen und festen Lösungen, vor.
Im Falle von Ti als Bestandteilsphase liegt Ti in der zusammengesetzten Phase der leitfähigen metallischen Schicht in Form von TiN, TiO&sub2; usw. vor.
In der vorliegenden Erfindung ist das Zusammensetzungsverhältnis von zur ersten Gruppe gehörenden Elementen und den zur zweiten Gruppe gehörenden nicht spezifisch festgelegt. Das Verhältnis wird in geeigneter Weise gemäß der Art der eingesetzten Elemente oder der entsprechenden Kombination bestimmt. Beispielsweise ist es bevorzugt, daß das Verhältnis der Gesamtsumme der zur ersten Gruppe gehörenden Elemente zu derjenigen der zur zweiten Gruppe gehörenden Elemente 90/10 bis 10/90 in Atomverhältnissen beträgt.
Der AlN-Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung kann wie folgt hergestellt werden:
Eine Paste oder Flüssigkeit, enthaltend Elemente, ausgewählt aus der ersten und zweiten Gruppe, wird auf eine gewünschte Oberfläche des AlN-Sinterkörper-Basismaterials aufgebracht, das gemäß herkömmlichem Verfahren hergestellt ist. In der Praxis kann die Paste erhalten werden, indem man ein einzelnes Element oder ein Kompoundpulver der oben genannten Elemente in einem Klebemittel wie Ethylcellulose, Nitrocellulose usw. dispergiert. Das obige Rohmaterialpulver wird dargestellt durch ein Pulver eines einzelnen Elements eines jeden der oben genannten Elemente oder leitfähige nicht-organische Verbindungen, enthaltend das jeweilige Element, wie Oxide, Nitride, Carbide, Silicide, Boride, Säurenitride, Bornitride, Siliziumnitride, Hydride, Chloride, Fluoride, Bromide, Jodide, Nitrate, Nitrite, Sulfate, Sulfite, Borate, Phosphate, Phosphite, Carbonate, Oxalate, Chlorate, Silikate, Hydroxide, Ammoniumsalze oder weitere anorganische Verbindungen oder organische Verbindungen (z. B. Alkoxid, Sol-Gel, usw.), welche in ein leitfähiges Material umgewandelt werden können, wenn sie gebacken werden. Es ist bevorzugt, daß die aus der ersten und der zweiten Gruppe ausgewählten Elemente oder die die Elemente enthaltenden Verbindungen in einer Gesamtmenge von 5 Gew.% oder mehr in der Paste oder Flüssigkeit enthalten sind.
Danach wird die auf die Oberfläche des AlN-Sinterkörpers aufgebrachte Paste oder Flüssigkeit getrocknet und in der Hitze behandelt, um eine metallisierte Schicht zu bilden. Die Erhitzungstemperatur beträgt gewöhnlich 1100 bis 1800ºC, obwohl sie in Abhängigkeit von der Art und der Kombination der Bestandteilselemente schwanken kann. Das Behandlungsgas ist Stickstoffgas, trockenes Bildungsgas, nasses Bildungsgas, usw. Die Behandlungszeit beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2 h. Nötigenfalls wird eine Vielzahl dieser AlN-Sinterkörper, auf deren jede Oberfläche die Paste aufgetragen ist, um eine leitfähige Schicht zu bilden, zur gleichzeitigen Sinterung übereinandergelegt, um einen Mehrschichtverbund zu ergeben.
Um ferner ein weiteres Teilstück mit dem die leitfähige metallisierte Schicht aufweisenden AlN-Sinterkörper zu verbinden, wird z. B. eine Plattierung mit Ni auf der leitfähigen metallisierten Schicht durchgeführt und dann die Plattierschicht bei 600 bis 850ºC in einem Bildungsgas geglüht, bevor hartgelötet oder gelötet wird. Schließlich ist es möglich, eine ausgezeichnete metallisierte Schicht auf der Oberfläche des AlN-Sinterkörpers zu bilden, indem man die bereits erläuterte Paste auf einen AlN-Grünkörper aufbringt und dann die beiden gleichzeitig sintert.
Um mehr ins Einzelne zu gehen, wird beim Verfahren zur Herstellung eines AlN-Sinterkörpers, der eine leitfähige metallisierte Schicht enthält; eine Paste, die mindestens ein Element, ausgewählt aus der ersten Gruppe, bestehend aus Molybdän (Mo), Wolfram (W), Tantal (Ta), und Verbindungen, die mindestens eines dieser Elemente aufweisen, sowie mindestens ein Element, ausgewählt aus der zweiten Gruppe, bestehend aus III-Gruppenelementen in der Tabelle des Periodensystems, IVa-Gruppenelementen, seltenen Erdelementen (die seltenen Erdelemente sind die Elemente der Lanthanidengruppe, einschließlich Sc und Y), Elementen der Aktinidengruppe, und Verbindungen, enthaltend mindestens eines dieser Elemente, einschließt, auf einen AlN- Grünplattenkörper aufgebracht; und das ganze wird gleichzeitig gesintert.
Fig. 2A zeigt eine Modelldarstellung, worin eine leitfähige metallisierte Schicht, enthaltend ein Element der ersten Gruppe von Metallen sowie ein Element der zweiten Gruppe von Füllstoffen, auf einem AlN-Sinterkörper, enthaltend einen Füllstoff, durch Simultansinterung gebildet wird. Fig. 2B zeigt ein Beispiel, worin zwei AlN-Grünplatten, die jeweils zwei Schichten mit leitfähiger Paste aufweisen, übereinander angeordnet sind, bevor sie gleichzeitig gesintert werden.
Zunächst stellt der AlN-Grünplattenkörper, auf den die vorliegende Erfindung angewandt wird, einen Rohkompakt dar, der erhalten wird, indem man AlN-Pulver einer vorbestimmten Korngröße mit Sinterhilfstoffpulver wie Y&sub2;O&sub3;, YF&sub3;, Sm&sub2;O&sub3; oder CaCO&sub3; und einem Bindemittel wie Wachs oder Kunststoffin einem vorbestimmten Verhältnis vermischt und die Mischung bei Raumtemperatur unter Druck oder gemäß Rakelverfahren zu einer Platte formt. Die Korngröße des AlN-Pulvers und des Sinterhilfstoffpulvers, das Mischungsverhältnis der beiden Pulver sowie der Druck zur Formung usw. werden alle in geeigneter Weise im Hinblick auf die Eigenschaften des AlN- Sinterkörpers gemäß Verwendungszweck ausgewählt.
Beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch bevorzugt, den AlN-Grünplattenkörper so auszugestalten, daß sich die Wärmeleitfähigkeit auf 50 W/m·K oder mehr nach der Sinterung einstellt.
Als Verfahren zur Aufbringung der Paste mit der bereits beschriebenen Zusammensetzung auf den AlN-Grünplattenkörper lassen sich verschiedene bekannte Verfahren wie Siebdruck, Aufbringung durch Pinsel bzw. Bürste oder durch Drehwalze und dgl. zur Anwendung bringen.
Die Paste ist aus zwei Bestandteilen, die zu den zwei Gruppen I (Leiter) und II (Bestandteilselemente) gehören, welche beide nach dem Sintern in eine metallisierte Schicht umgewandelt werden, sowie aus einem Medium zur Dispergierung dieser Komponenten zusammengesetzt.
Die Komponente, die zur ersten Gruppe I gehört, ist mindestens eine, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mo, W, Ta und Verbindungen, die mindestens eines dieser Elemente enthalten.
In der Praxis wird die Komponente dargestellt durch ein einzelnes Metall von Mo, W oder Ta, durch diese Oxide, Carbide, Boride, Silicide, Säurenitride, Carbonitride, Halogenide, Hydride, Hydroxide, Nitrite, Nitrate, Sulfite, Sulfate, Borate, Carbonate, Silikate, Phosphate, Phosphite, Hydrochloride, Chlorate, Oxalate, Salze wie Ammoniumsalze, Alkoxide wie ATRON NTa - 700 (Handelsname von NIHON SODA Co., Ltd.), organische Metallverbindungen wie ein Sol/Gel und durch Mischungen von zwei oder mehr der obigen Komponenten. Diese Bestandteile können als eine Einzelkomponente oder eine Mischung eingesetzt werden, die erhalten wird, indem man zwei oder mehr in geeigneter Weise ausgewählte Komponenten kombiniert.
Zur Erhöhung der Leitfähigkeit der zu bildenden metallisierten Schicht ist es bevorzugt, ein Metall von Mo, W oder Ta zu verwenden.
Die Komponente, die zur zweiten Gruppe II gehört, st mindestens eine, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus III Gruppenelementen der Tabelle des Periodensystems, IVa Gruppenelementen, seltenen Erdelementen (die seltenen Erdelemente sind die Elemente der Lanthanidengruppe, einschließlich Sc und Y), aus Elementen der Aktinidengruppe, sowie aus Verbindungen, die mindestens eines dieser Elemente enthalten.
Die III Gruppenelemente sind z. B. Al, Ga, In. Insbesondere ist Al bevorzugt. Die IVa Gruppenelemente sind Ti, Zr, Hf. Insbesondere ist Ti bevorzugt, weil sich eine ausgezeichnete metallisierte Schicht bilden läßt, und zwar unabhängig von der Art der Komponenten, die zur ersten Gruppe I gehören. Die seltenen Erdelemente sind Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd usw . . Insbesondere sind Y und Sm bevorzugt. Die Elemente der Aktinidengruppe sind Ac, Th usw . . Jedoch ist insbesondere Ac bevorzugt.
In der Praxis wird die Komponente, die zur zweiten Gruppe II gehört, dargestellt durch ein einzelnes Metall der III Gruppenelemente, IVa Gruppenelemente, seltenen Erdelemente und Elemente der Aktinidengruppe, durch diese Oxide, Nitride, Cabide, Boride, Silizide, Säurenitride, Carbonitride, Halogenide, Hydride, Hydroxide, Nitride, Nitrate, Sulfite, Sulfate, Borate, Carbonate, Silikate, Phosphate, Phosphite, Hydrochlorid, Chlorate, Oxalate, Salze wie Ammoniumsalze, Alkoxide wie ATRON NTa - 700 (Handelsname von NIHON SODA Co., Ltd.), organische Metallverbindungen wie ein Sol/Gel sowie durch Mischungen von zwei oder mehr der obigen Komponenten. Diese Bestandteile können als Einzelkomponente oder als eine Mischung eingesetzt werden, wobei man 2 oder mehr in geeigneter Weise ausgewählte Komponenten kombiniert.
Die erfindungsgemäß verwendete Paste kann hergestellt werden, indem man die zu den Gruppen I und II gehörenden Komponenten einheitlich in einem Medium dispergiert. Das verwendete Medium ist beispielsweise Ethylcellulose oder Nitrocellulose. Das Lösungsmittel für das Medium ist z. B. Terpineol, Tetralin, Butyrcarbitol usw . .
Man geht davon aus, daß die zur ersten Gruppe I gehörende Komponente sich dahingehend auswirkt, daß hauptsächlich die Leitfähigkeit und Hitzebeständigkeit der gebildeten metallisierten Schicht auf hohem Niveau gehalten werden, und daß die zur zweiten Gruppe II gehörende Komponente wirksam ist, die Festigkeit der metallisierten Schicht aufrechtzuerhalten, indem die zur ersten Gruppe I gehörenden Komponenten gebunden werden.
Das Mengenverhältnis zwischen den zu den Gruppen I und II gehörenden Komponenten verändert sich gemäß der Art der ausgewählten Komponente. Gewöhnlich beträgt das Komponentengewichtsverhältnis (I/II) der ersten Gruppe I zur zweiten Gruppe II 1/100 bis 10/1.
Ferner beträgt, bezüglich der zur zweiten Gruppe 11 gehörenden Komponente, das Gewichtsverhältnis von I/II vorzugsweise 1/2 bis 2/1 bei den IV Gruppenelementen, aber 1/5 bis 1/1 bei den III Gruppenelementen.
Liegt zuviel von der zur Gruppe I gehörenden Komponente vor, verglichen mit der zur Gruppe II gehörenden, erniedrigt sich die Festigkeit der gebildeten metallisierten Schicht. Liegt, im Gegensatz dazu, zu wenig von der zur Gruppe I gehörenden Komponente vor, fällt die Leitfähigkeit der gebildeten metallisierten Schichten nicht gut genug aus.
Die variierende Menge der zu den Gruppen I und II gehörenden Komponenten in dem Medium wird auf der Grundlage der Konsistenz der hergestellten Paste ermittelt. Liegt zu viel von der zur ersten Gruppe I gehörenden Komponente vor, wird die Paste viskos, so daß es schwierig ist, die Paste auf der Oberfläche des AlN-Grünplattenkörpers einheitlich aufzutragen. Liegt, im Gegensatz dazu, zuwenig vor, wird die Paste nicht-viskos, so daß die aufgetragene Paste von der Oberfläche des AlN-Grünplattenkörpers herabtropft. Es ist bevorzugt, die zur ersten Gruppe I gehörende Komponente im Verhältnis zu der zur zweiten Gruppe 11 gehörenden so zu dispergieren, daß die Viskosität der Paste in einem Bereich von 1,0 bis 2,5 · 10&sup4;Pa·s (1,0 bis 2,5 · 10&sup5; Poise) liegt.
Im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird der gesamte Körper, nachdem die Paste auf die Oberfläche des AlN- Grünplattenkörpers aufgetragen worden ist, gleichzeitig gesintert. Vor der oben genannten Simultansinterung ist es bevorzugt, eine Behandlung zur Entfettung bzw. Entschmierung bei z. B. einer Temperatur von 50 bis 700ºC durchzuführen, um die Bindemittelkomponente des AlN-Grünplattenkörpers sowie das Medium der Paste zu entfernen.
Die Sinterung wird beispielsweise unter einer Stickstoff- Atmosphäre durchgeführt. Sintertemperatur und -zeit werden so festgelegt, daß der AlN-Sinterkörper die angestrebten Eigenschaften aufweist, so daß die Wärmeleitfähigkeit 50 W/m·K oder mehr beträgt. In der Praxis beträgt die Sintertemperatur 1600 bis 20&sup6;0ºC, vorzugsweise 1700 bis 1800ºC; die Sinterzeit beträgt 0,2 bis 5 h, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 h.
Wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, eine metallisierte Schicht als leitfähige dünne Schicht auf dem AlN-Sinterkörper zu bilden, indem man die Paste auf die Oberfläche des AlN-Grünplattenkörpers aufbringt.
Zur Bestätigung der Merkmale (Wärmeleitfähigkeit, Beständigkeit, Haftungsfestigkeit usw.) des AlN-Sinterkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Tests in unterschiedlicher Weise wie folgt durchgeführt worden.

(1) Erste Testergebnisse

Beispiel 1A

Rohmaterialpaste wurde durch Vermischen von Molybdän (Mo)- Pulver, Titanitrid (TiN)-Pulver und Ethylcellulose in einem Gewichtsverhältnis von 8 : 2 : 1 hergestellt. Die hergestellte Paste wurde auf die Oberfläche eines AlN-Sinterkörper- Basismaterials, enthaltend 3 Gew.% Y&sub2;O&sub3; aufgebracht. Die aufgetragene Paste wurde unter N&sub2;-Gas bei ca. 1700ºC 1 h lang getrocknet und erhitzt, um eine leitfähige metallisierte Schicht zu bilden. Als Untersuchungsergebnis der erhaltenen leitfähigen metallisierten Schicht gemäß Röntgenstrahlbeugungsverfahren wurden Mo, AlN, YAG und TiN als Phasenzusammensetzung beobachtet.
Um die Haftungsfestigkeit der leitfähigen metallisierten Schicht am AlN-Sinterkörper zu bewerten, wurde als nächstes Ni auf die metallisierte Schicht plattiert und bei ca. 800ºC unter einem Bildungsgas geglüht. Ein Ende eines Kovar- (eingetragenes Warenzeichen) (Ni-Co-Fe-Legierung) -Drahtes wurde auf die metallisierte Schicht gelötet. Der Draht wurde in senkrechter Richtung zur metallisierten Oberfläche gezogen, um die Haftungsfestigkeit zu messen. Das ermittelte Ergebnis betrug 2 kg/mm² oder mehr, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Beispiele 2A bis 12A

In derselben Weise wie in Beispiel 1 wurden viele AlN- Sinterkörper mit verschiedenen leitfähigen metallisierten Schichten hergestellt, indem man die jeweiligen Arten von zur ersten und zweiten Gruppe gehörenden Elementen in verschiedenen Weisen abänderte. Die Bewertungsergebnisse dieser Beispiele sind in Tabelle 1 angegeben, bezogen auf die Zusammensetzung des Rohpastenmaterials für die metallisierte Schicht, auf die Metallisierbedingungen sowie die erhaltene Schichtzusammensetzungsphase.
Die Tabelle 1 zeigt an, daß der AlN-Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer leitfähigen metallisierten Schicht gebildet ist, die eine hohe Haftungsfestigkeit an das AlN-Sinterkörper-Basismaterial aufweist, sogar nach einem Hartlöt- oder Lötverfahren. Daher ist, falls ein weiteres Teilstück gebunden wird, die Zuverlässigkeit hoch, so daß es möglich ist, den erfindungsgemäßen AlN-Sinterkörper für verschiedene Verwendungszwecke einzusetzen. Da der AlN- Sinterkörper insbesondere eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (ca. 5mal höher als die von Al&sub2;O&sub3;) und außerdem einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der äußerst nahe an dem von Si liegt, das Halbleitervorrichtungen darstellt, läßt sich der AlN-Sinterkörper mit der leitfähigen metallisierten Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung als Halbleitersubstratmaterial einsetzen.
Da, wie oben beschrieben, der Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer leitfähigen metallisierten Schicht ausgestattet ist, die eine sehr hohe Haftungsfestigkeit bei hoher Temperatur an das AlN- Sinterkörper-Basismaterial aufweist, ist es möglich, andere Teilstücke an den Sinterkörper durch Hartlöten oder Löten zu binden. Außerdem wird die metallisierte Schicht nicht abgespalten, sogar wenn der Sinterkörper, an den weitere Teilstücke gebunden sind, unter Bedingungen von Hitzezyklen verwendet wird, bei denen sich die Temperatur von niedrig nach hoch oder umgekehrt verändert. Daher ist der erfindungsgemäße AlN-Sinterkörper einsetzbar für neuere Schaltkreiskörper hoher Integration und hoher Leistung, für Zündgeräte, Hochfrequenztransistoren, Laserröhren, Magnetrone oder verschiedene Erhitzer und ist somit von sehr hohem industriellen Wert.

(2) Zweite Testergebnisse

Beispiel 1B

Mo-Pulver von 0,5 bis 1,0 mm Partikeldurchmesser wurde als zur Gruppe I gehörende Komponente und TiN-Pulver von 1,0 bis 2,0 um Partikeldurchmesser als zur Gruppe II gehörende Komponente zubereitet. Das Gewichtsverhältnis von Mo zu TiN betrug 50 : 50. Ein gemischtes Pulver mit einem Gewichtsverhältnis von 100 wurde in Ethylcellulose mit einem Gewichtsverhältnis von 7 dispergiert, um eine Paste von 2,0 x 10&sup4; Pa·s (2,0·10&sup5; Poise) zu erhalten.
Die wie oben hergestellte Paste wurde mit einem Walzgerät auf die eine Oberfläche einer AlN-Grünplatte, enthaltend 3 Gew.% Y&sub2;O&sub3; als Sinterhilfsstoff, aufgebracht, um eine 15 um dicke Schicht zu bilden.
Die Grünplatte, auf die die Paste aufgetragen wurde, wurde bei 700ºC 180 Minuten lang unter einer Stickstoff-Atmosphäre zum Entfetten bzw. Entschmieren gebacken, und dann bei 1800ºC ca. 60 Minuten lang in einem Stickstoff-Strom gesintert.
Es wurde eine metallisierte Schicht auf der Oberfläche des AlN-Sinterkörpers gebildet. Die Tatsache, daß die Komponentenphase dieser metallisierten Schicht Mo und TiN ist, wurde durch Röntgenstrahlbeugung bestätigt.
Ni-Plattierung von ca. 3 bis 5 um Dicke wurde gemäß stromlosen Plattierverfahren auf der erhaltenen metallisierten Schicht gebildet. Nachdem die Plattierschicht bei 800ºC in einem Umgebungsgas geglüht worden war, wurde ein Covar (eingetragenes Warenzeichen) -Draht (Durchmesser: 0,5 mm; Zugfestigkeit: 55 kg/mm²) mittels eines Silberlots hartverlötet. Die Hartlöttemperatur betrug 800ºC, und die Atmosphäre war ein Mischgas aus 50 Vol.% Wasserstoff und 50 Vol.% Stickstoff.
Danach wurden die AlN&sub7;Sinterkörperplatte fixiert und dann der Covar-Draht bei Raumtemperatur (20ºC) gezogen, um die Abspaltbeständigkeit der metallisierten Schicht von der Sinterplatte zu beobachten. Der Lötbereich zwischen der metallisierten Schicht und dem Covar-Draht wurde bei einer Zugfestigkeit von 5 kg/mm² gebrochen, so daß damit belegt war, daß die Haftungsfestigkeit zwischen den beiden 5 kg/mm² oder mehr betrug.

Beispiele 2B bis 5B

Es wurden verschiedene Pasten durch Auswahl der zu der Gruppe I und der Gruppe II gehörenden Komponenten hergestellt, wie in Tabelle 2 aufgelistet. Jede dieser Pasten wurde auf die Oberfläche der AlN-Grünplatte in derselben Weise wie in Beispiel 1B aufgetragen; die Grünplatten, auf die die Pasten aufgetragen waren, wurden zur Entfettung bzw. Entschmierung behandelt und dann unter den angegebenen Bedingungen gesintert.
Die Haftungsfestigkeit zwischen der metallisierten Schicht und der AlN-Sinterkörperplatte wurde für jede Sinterkörperplatte in derselben Weise wie in Beispiel 1B gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.

Vergleich 1B

Jede der Au- Cu- und Ag-Pd-Schichten wurde auf die Oberfläche von 3 AlN-Sinterplatten mit einer Wärmeleitfähigkeit von 70 bis 130 W/m·K gemäß einem Dickfilmverfahren gebacken. Eine durch Nickelplattierung bedeckte Kupfernadel wurde auf jede erhaltene metallisierte Schicht gelötet, und es wurde dann daran gezogen, um die Haftungsfestigkeit zwischen der metallisierten Schicht und der AlN-Sinterkörperplatte zu messen. Das gemessene Ergebnis betrug ca. 1 kg/mm² für alle Schichten.

Vergleich 2B

Eine Paste von Beispiel 3B wurde auf die AlN-Sinterplatte mit einer Wärmeleitfähigkeit von 70 bis 130 W/m·K aufgebracht und bei 1700ºC gebacken. Eine Covar (eingetragenes Warenzeichen) - Nadel wurde auf die erhaltene metallisierte Schicht bei 700 bis 800ºC gelötet, dann wurde daran gezogen. Die Haftungsfestigkeit betrug 2,0 kg/mm².

Vergleich 3B

Eine metallisierte Schicht wurde in derselben Weise wie in Vergleich 2B durch Verwendung der Paste von Beispiel 2B gebildet. Die Haftungsfestigkeit war annähernd gleich der von Vergleich 2B.
Wie oben beschrieben, ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung von hohem industriellen Wert, wie folgt: (i) es wird ermöglicht, eine metallisierte Leitfähigkeitsschicht mit hoher Haftungsfestigkeit zwischen der Schicht und der AlN-Sinterkörperoberfläche zu bilden; (2) die gebildete metallisierte Schicht dient dazu, als eine Thermoschockschicht zu fungieren, weil die metallisierte Schicht ein Metall mit hohem Schmelzpunkt (wie Mo, W, Ta) enthält und deshalb bei der Hitzebeständigkeit ausgezeichnet ist und sich beim Wärmeausdehnungskoeffizient dem AlN- Sinterkörper annähert; und (3) das Verfahren ist aus Sicht der Wärmewirtschaftlichkeit vorteilhat, weil die aufgebrachte Paste in eine metallisierte Paste umgewandelt wird, gleichzeitig wenn die AlN-Grünkörperplatte gesintert wird.
Der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte AlN- Sinterkörper ist auf verschiedene Teile, Einsatzgebiete usw. anwendbar, als da sind ein Zündgerät, Hochfrequenz- Transformator, Schaltkreisplattenteile wie Kondensatoren, ein Laser-Isolationsrohr, eine Isolierschicht für eine Leistungsröhre, ein Fenster für eine Röhre mit hochfrequenter elektromagnetischer Wellenbewegung, ein Fenster für Hochenergiebestrahlung, ein Magnetron-Teil, Röhrenerhitzer, Oberflächenerhitzer, Mantelerhitzer, Löteisen, Eisenpreßplatte, Metalloxid-Ätzung, Kaffeemaschinen-Erhitzer, Preßgerät für lange Hosen, Heißplatte, Gespannplattensitz, Kochpfanne, Thermokopiedruckkopf, Stecker, Thermopaar- Schutzrohr, Schmelztiegelzangenende, Tiegel zur Metallschmelze, Kristallzieh-Schmelztiegel usw . .
Es wird nun die Ausgestaltung eines Schaltkreissubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Durch die vorliegende Erfindung wird ein Schaltkreissubstrat bereitgestellt, das mit einer Isolierschicht, die AlN als den Hauptbestandteil und mindestens ein Element enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus seltenen Erdelementen (einschließlich Y und der Lanthanidenelemente) sowie aus Erdalkalielementen, und mit einer Leitfähigkeitsschicht ausgebildet ist, die mindestens eine Komponente einer Mischung und einer Verbindung, enthaltend Aluminiumoxid und mindestens eines der seltenen Erdelemente und Erdalkalielemente, zusätzlich zu einer leitfähigen Substanz enthält.
Das obige Schaltkreissubstrat kann erhalten werden, indem man ein Leitfähigkeitsmuster auf einer AlN-Grünplatte durch Verwendung einer leitfähigen Paste bildet, die mit mindestens einer der Mischung und Verbindung angemischt ist, bevor gleichzeitig gesintert wird.
Da in der vorliegenden Erfindung mindestens eine der Mischung und Verbindung in die leitfähige Schicht eingeschlossen sind, wird es ermöglicht, die Beständigkeit gegen ein Abblättern der leitfähigen Schicht sowie die Abnutzungsbeständigkeit des Substrats zu verbessern. Die in die Leitfähigkeitsschicht eingeschlossene leitfähige Substanz ist nicht besonders eingeschränkt, falls das Material beständig gegenüber der AlN-Keramiksintertemperatur ist. W, No, ZrN, TiN usw. sind bevorzugt. Ferner beträgt der Gehalt der Mischung und/oder Verbindung von Aluminiumoxid und mindestens einem Element der seltenen Erdelemente und Erdalkalielemente vorzugsweise 0,05 bis 20 Gew.% an Oxidumwandlung in der leitfähigen Schicht. Ist der Gehalt zu hoch, erniedrigt sich die elektrische Leitfähigkeit der leitfähigen Schicht. Ist der Gehalt zu niedrig, ist es unmöglich, das Abblättern der Leitfähigkeitsschicht und die Abnutzung des Substrats wirksam zu verhindern. Die Erdalkalielemente und die seltenen Erdelemente sind vorzugsweise Ca, Ba, Sr und Y, La, Ce.
Ferner ist die AlN-Isolierschicht ein Sinterkörper, enthaltend AlN als Hauptbestandteil und einen Sinterhilfsstoff, der mindestens ein seltenes Erdelement (Y und die Lanthaniden) und Erdalkalielement einschließ-. Das seltene Erdelement und/oder Erdalkalielement ist wesentlich zur Sinterung der AlN-Schicht bei atmosphärischem Dreck. Werden jedoch AlN-Keramiken, die das seltene Erd- und Erdalkalielement enthalten, als Isolierkörper verwendet, werden die vorgenannten Probleme wie Substratabnutzung, Leitungswegunterbrechung usw. spürbar. Zur Lösung dieser Probleme wird die oben beschriebene Leitfähigkeitsschicht angewandt, durch die ein Keramik-Schaltkreissubstrat im Mehrschichtverbund realisiert wird, indem der beste Nutzen aus den AlN-Keramiken gezogen wird, welche das seltene Erdund/oder Erdalkalielement enthalten. Es ist bevorzugt, daß der Gehalt an seltenem Erd- und Erdalkalielement in der Isolierschicht 0,01 bis 15 Gew.% an Oxidumwandlung beträgt. Stellt man ferner die AlN-Wärmeleitfähigkeit in Rechnung, ist es bevorzugt, das seltene Erdelement mit dem Erdalkalielement zu mischen, wie z. B. Y-Ca.
Nachfolgend wird nun das Verfahren zur Herstellung des Schaltkreissubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zuerst wird eine AlN-Grünplatte gebildet. Zum Erhalt der AlN-Grünplatte werdend ein AlN-Pulver, ein Sinterhilfsstoff und ein Bindemittel ausreichend zusammen mit einem Lösungsmittel vermischt, und dann wird die Mischung z. B. gemäß einem Rakelverfahren zu einer Platte geformt. Die Durchschnittsteilchengröße (Durchschnittsdurchmessers)des eingesetzten AlN-Pulvers beträgt 5 um oder weniger, vorzugsweise 4 um oder weniger, im Hinblick auf die Sinterung. In der Praxis wird ein Pulver von 0,5 bis 2 um eingesetzt. Die Sauerstoffkonzentration im AlN-Pulver ist wichtig, weil die Wärmeleitfähigkeit herabgesetzt wird, wenn der Gehalt an Sauerstoff hoch ist. Deshalb sollte der Sauerstoffgehalt im AlN-Pulver 5 Gew.% oder weniger, vorzugsweise 3 Gew.% oder weniger, betragen. In der Praxis beträgt der Sauerstoffgehalt 0,1 bis 3 Gew.%.
Der zugefügte Sinterhilfstoffist ein seltenes Erd- und Erdalkalielement wie Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Cd, Dy und Ca, Sr, Mg. Diese Elemente tragen zur Verdichtung der AlN-Keramiken und der hohen Wärmeleitfähigkeit bei, weil Sauerstoff im AlN-Pulver durch die Subphase der Korngrenze eingefangen wird. Als Elemente, die solch einen wie oben beschriebenen Effekt aufweisen, sind Y, La, Ce, Ca, Sr, Ba besonders bevorzugt. Der Sinterhilfstoff wird in Form von Oxid, Carbonat, Nitrat, Halogenid, Acetylid, Carbid, Fluorid, Hydrid, Nitrid usw. zugefügt.
Anschließend wird die Leitfähigkeitspaste, die zu einer Leitfähigkeitsschicht gesintert wird, auf die AlN-Schicht mit einem Muster gedruckt. Bei diesem Verfahren werden Durchgangslöcher in der Grünplatte gebildet, um zwei obere und untere leitfähige Schichten, die jeweils in Sandwichform mit zwei Grünplatten vorliegen, elektrisch zu verbinden. Das leitfähige Material in der Leitfähigkeitsplatte sollte die elektrische Leitfähigkeit sogar nach der Simultansinterung beibehalten. Das bevorzugte Material ist W, Mo, ZrN und TiN.
Dieser Leitfähigkeitspaste werden mindestens eine der Mischung und/oder der Verbindung von Aluminiumoxid und mindestens einem der seltenen Erd- und Erdalkalielemente als ein Füllstoff zugeführt. Das Additiv bildet eine Flüssigphase aus Aluminat, wenn die AlN-Platte simultan gesintert wird. Da ferner die AlN-Keramiken in Flüssigphase gesintert werden, wird eine Aluminat-Flüssigphase in der Isolierschicht während der Sinterung erzeugt. Hier sollte angemerkt sein, daß, da eine Aluminat-Flüssigphase auch in der Leitfähigkeitsschicht erzeugt wird, die Flüssigphase in der Isolierschicht daran gehindert wird, in die Leitfähigkeitsschicht hinaufgesogen zu werden, wie dies durch die Richtung der Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist, und deshalb wird es ermöglicht, die Zusammensetzung der Isolierschicht daran zu hindern, wegen einer partiellen Hochsaugung der Flüssigphase nichteinheitlich gemacht zu werden, d. h. das Schaltkreissubstrat wird daran gehindert, verbogen zu werden. Falls sich diesbezüglich Flüssigphase in der Isolierschicht in die Leitfähigkeitsschicht bewegt, wie in Fig. 3 gezeigt, ist dies nicht bevorzugt, weil ein Unterschied bei der Schrumpfung zwischen der Leitfähigkeits- und Isolierschicht erzeugt und deshalb die Naßeigenschaft herabgestuft werden. Ferner ist es möglich, den Sinterhilfstoff (Verbindung) mit Aluminiumoxid oder dgl. zu vermischen, um ein vorab gebildetes Aluminat zuzufügen, um Flüssigphase in der Leitfähigkeitsschicht zu bilden. Bei der Zugabe der Hilfstoffe und von Aluminiumoxid ist es bevorzugt, die beiden in einem solchen Verhältnis zu mischen, daß sich Aluminat bildet. D.h., die Menge an Aluminiumoxid beträgt vorzugsweise 0,03 bis 10 Gew.%, so daß das Aluminat gebildet werden kann. Ferner ist es bevorzugt, ein Additivelement derselben Art wie die AlN-Keramik- Sinterhilfstoffe zu verwenden.
Wie oben beschrieben ist es möglich, ein AlN-Keramik- Schaltkreissubstrat mit Verdrahtungsmustern zu erhalten, indem man die Grünplatten, auf die eine Leitfähigkeitspaste aufgebracht ist, simultan sintert. Das Vorhandensein des Additivs in der Leitfähigkeitsschicht erhöht die Haftung zwischen der Leitfähigkeits- und Isolierschicht und hindert das Substrat daran, während der Herstellungsstufen verbogen zu werden.

(3) Dritte Testergebnisse

Beispiel 1

Ein Rohmaterial einer Grünplatte wurde hergestellt, indem man als Sinterhilfsstoff 3 Gew.% Y&sub2;O&sub3; mit 1,2 um Durchschnittsdurchmesser einem AlN-Pulver mit 1,5 um Durchschnittsteilchengröße zufügte, das 1,4 Gew.% Sauerstoff als Verunreinigung enthielt, und indem man die beiden 24 h lang mit einer Kugelmühle naß vermischte. Ein organisches Bindemittel wurde in diesem hergestellten Rohmaterial zusammen mit einem organischen Lösungsmittel dispergiert, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die Aufschlämmung wurde zu einer Grünplatte mit einer einheitlichen Dicke von 100 bis 400 um gemäß Rakelverfahren geformt. Die Grünplatte wurde zu einem Isolierkörper von 130·130 mm² geschnitten, und es wurde ein Loch mit einem Durchmesser von 300 um geformt, um elektrische Schaltkreise zu verbinden, die auf den Isolierschichten gebildet sind.
Andererseits wurde eine Leitfähigkeitspaste, der ein Füllstoff zugefügt ist, hergestellt, indem man 97,0 Gew.% Wolfram mit einer Durchschnittsteilchengröße von 1,1 um, 1,288 Gew.% Al&sub2;0&sub3; mit einer Durchschnittsteilchengröße von 1 um und 1,712 Gew.% organisches Lösungsmittel mit einer Durchschnittsteilchengröße von 1,2 um vermischte, und die Mischung dispergierte.
Diese Wolfram-Paste , der ein anorganischer Füllstoff zugefügt war, wurde durch Siebdrück auf die Grünplatte aufgebracht, in die ein Durchgangsloch bereits geformt worden war. Eine Vielzahl dieser Teile wurde heißgepreßt, um aminierte Grünplatten zu erhalten. Die laminierten Grünplatten wurden in einer N&sub2;-Atmosphäre behandelt, um das Bindemittel zu entfernen, und dann wurden sie bei 1800ºC 1 h lang in einer N&sub2;-Atmosphäre gesintert, um ein Vielschicht- Keramiksubstrat zu erhalten.
Eine Scheibe mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 2,5 mm wurde von einem Teil des erhaltenen Substrats abgeschnitten, auf dem kein leitfähiger Teil enthalten ist, um die Wärmeleitfähigkeit gemäß Laserblitzverfahren bei dieser Scheibe als Teststück zu messen.
Der Parallelismus zwischen beiden Seiten des Substrats, welcher repräsentativ für das Vorliegen oder die Abwesenheit von substratverschließ ist, wurde erhalten, indem man den maximalen Verschleißwert in der Mitte und an den äußeren Kanten des Substrats mit der Diagonallinie des vielschichtigen Sinterkörpersubstrats als dessen Standard ermittelte.
Der Widerstand (mOhm/mm²) der Leitfähigkeitsschicht wurde ohne Durchführung einer Metallplattierung gemessen, um den Effekt der anorganischen Füllstoffzugabe zu überprüfen.
Ferner wurde nach Durchführung einer Ni-Plattierung auf einer 2·2 mm leitfähigen Fläche des erhaltenen Substrats ein Draht auf die Ni-Plattieroberfläche zum Zugfestigkeitstest gelötet, d. h. die Haftungsfestigkeit zwischen dem Al-Substrat und der Leitfähigkeitsschicht wurde gemessen. Diese Testergebnisse sind alle in Tabellen 3A, 3B und 4 angegeben.
Es wurden verschiedene AlN-Vielschichtkeramiksubstrate wie im ersten Beispiel 1 gebildet, indem man die Art des AlN- Pulvers, die Art des AlN-Substrat-Sinterhilfstoffpulvers, die Art des Sinteradditivfüllstoffes, die Menge der obigen Substanzen, die Art der leitfähigen Materialien usw. in verschiedenen Weisen abänderte. Wärmeleitfähigkeit, Zugfestigkeit, Parallelismus und Oberflächenwiderstand der Leitfähigkeitsschicht jeder dieser Beispiele wurden gemessen. Die Testergebnisse sind in Tabelle 3A, 3B und 4 angegeben.
Diese Tabellen zeigen an, daß die Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung die Haftungsfestigkeit zwischen der Leitfähigkeitsschicht und dem Substrat zu verbessern vermögen. D.h., die Zugfestigkeit beträgt 6,8 kg/ 2·2 mm in Beispiel 1, jedoch 3,5 kg/ 2·2 mm im Vergleich I, was eine ungenügende Haftungsfestigkeit anzeigt.
Außerdem zeigt Tabelle 4 an, daß der durch den Parallelismus zwischen beiden Seiten des Substrats dargestellte Verschleiß klein und ferner der Widerstand trotz der Tatsache, daß ein Additiv enthalten ist, im simultan gesinterten Körper gemäß der vorliegenden Erfindung niedrig sind.
Wie oben beschrieben, ist im Aluminiumnitridsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung die Wärmeleitfähigkeit des Isolierkörpers hoch; die Haftung der Leitfähigkeitsschicht ist fest; die Deformation des Substrats ist klein während dem Sinterverfahren; und der Oberflächenwiderstand der Leitfähigkeitsschicht ist niedrig; die Zugfestigkeit ist hoch, wodurch praktische und ausgezeichnete Eigenschaften der Substrate einer hohen industriellen Verwertbarkeit aufgezeigt sind. Tabelle 1 Metallisierschicht - Rohpaste Gruppe (Gew.-%) MEDIUM Sinterbedingung Zeit Zusammensetzungsphase Haftung Beispiel Ethylcellulose Nitrocellulose Ammoniumparamolybdat Ammoniumwolframat Tabelle 2 Metallisierschicht - Rohpaste Gruppe (Gew.-%) MEDIUM Sinterbedingung Temp. Zeit Wärmeleitfähigkeit Haftung Beispiel Ethylcellulose Vergleich Au, Cu oder Ag-Pd Backschicht Tabelle 3A (1) ISOLIERSCHICHT AlN-Pulver Sinterhilfsstoff Durchschn. Durchm. O&sub2;-Gehalt (Gew.-%) Zusammensetzung Art Beispiel Vergleich Tabelle 3A (2) ISOLIERSCHICHT AlN-Pulver Sinterhilfsstoff Durchschn. Durchm. O&sub2;-Gehalt (Gew.-%) Zusammensetzung Art Beispiel Vergleich Tabelle 3A (3) ISOLIERSCHICHT AlN-Pulver Sinterhilfsstoff Durchschn. Durchm. O&sub2;-Gehalt (Gew.-%) Zusammensetzung Art Beispiel Vergleich Tabelle 3A (4) ISOLIERSCHICHT AlN-Pulver Sinterhilfsstoff Durchschn. Durchm. O&sub2;-Gehalt (Gew.-%) Zusammensetzung Art Beispiel Vergleich Tabelle 3A (5) ISOLIERSCHICHT AlN-Pulver Sinterhilfsstoff Durchschn. Durchm. O&sub2;-Gehalt (Gew.-%) Zusammensetzung Art Beispiel Vergleich Tabelle 3A (6) ISOLIERSCHICHT AlN-Pulver Sinterhilfsstoff Durchschn. Durchm. O&sub2;-Gehalt (Gew.-%) Zusammensetzung Art Beispiel Vergleich Tabelle 3A (7) ISOLIERSCHICHT AlN-Pulver Sinterhilfsstoff Durchschn. Durchm. O&sub2;-Gehalt (Gew.-%) Zusammensetzung Art Beispiel Tabelle 3A (8) ISOLIERSCHICHT AlN-Pulver Sinterhilfsstoff Durchschn. Durchm. O&sub2;-Gehalt (Gew.-%) Zusammensetzung Art Beispiel Vergleich Tabelle 3B (1) LEITFÄHIGKEITSSCHICHT LEITFÄHIGKEITSKOMPONENTE ANORGANISCHER FÜLLSTOFF Art Durchschn. Durchm. Zusammensetzung (Gew.-%) Art Beispiel Vergleich Tabelle 3B (2) LEITFÄHIGKEITSSCHICHT LEITFÄHIGKEITSKOMPONENTE ANORGANISCHER FÜLLSTOFF Art Durchschn. Durchm. Zusammensetzung (Gew.-%) Art Beispiel Vergleich Tabelle 3B (3) LEITFÄHIGKEITSSCHICHT LEITFÄHIGKEITSKOMPONENTE ANORGANISCHER FÜLLSTOFF Art Durchschn. Durchm. Zusammensetzung (Gew.-%) Art Beispiel Vergleich Tabelle 3B (4) LEITFÄHIGKEITSSCHICHT LEITFÄHIGKEITSKOMPONENTE ANORGANISCHER FÜLLSTOFF Art Durchschn. Durchm. Zusammensetzung (Gew.-%) Art Beispiel Vergleich Tabelle 3B (5) LEITFÄHIGKEITSSCHICHT LEITFÄHIGKEITSKOMPONENTE ANORGANISCHER FÜLLSTOFF Art Durchschn. Durchm. Zusammensetzung (Gew.-%) Art Beispiel Vergleich Tabelle 3B (6) LEITFÄHIGKEITSSCHICHT LEITFÄHIGKEITSKOMPONENTE ANORGANISCHER FÜLLSTOFF Art Durchschn. Durchm. Zusammensetzung (Gew.-%) Art Beispiel Vergleich Tabelle 3B (7) LEITFÄHIGKEITSSCHICHT LEITFÄHIGKEITSKOMPONENTE ANORGANISCHER FÜLLSTOFF Art Durchschn. Durchm. Zusammensetzung (Gew.-%) Art Beispiel Tabelle 3B (8) LEITFÄHIGKEITSSCHICHT LEITFÄHIGKEITSKOMPONENTE ANORGANISCHER FÜLLSTOFF Art Durchschn. Durchm. Zusammensetzung (Gew.-%) Art Beispiel Vergleich Tabelle 4 (1) Sintertemp. Parallelismus (mm/Diagonallinie) Wärmeleitfähigkeit Oberflächenwiderstand Zugfestigkeit Beispiel Vergleich Tabelle 4 (2) Sintertemp. Parallelismus (mm/Diagonallinie) Wärmeleitfähigkeit Oberflächenwiderstand Zugfestigkeit Beispiel Vergleich Tabelle 4 (3) Sintertemp. Parallelismus (mm/Diagonallinie) Wärmeleitfähigkeit Oberflächenwiderstand Zugfestigkeit Beispiel Vergleich Tabelle 4 (4) Sintertemp. Parallelismus (mm/Diagonallinie) Wärmeleitfähigkeit Oberflächenwiderstand Zugfestigkeit Beispiel Vergleich

Claims

1. Aluminiumnitrid-Sinterkörper, umfassend:

(a) eine Isolierschicht, gebildet durch Sinterung eines Aluminiumnitridkörpers; und

(b) eine metallisierte Schicht, gebildet auf der genannten Isolierschicht, wobei die genannte metallisierte Schicht eine Mischung einschließt aus

(1) einem leitfähigen Element und/oder einer Verbindung; und

(2) mindestens einem anorganischen Füllstoff, der eine Verbindung einschließt, enthaltend ein IIa, IIIa, IVa, IIIb Lanthaniden- oder Aktiniden-Gruppenelement des Periodensystems.

2. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin die genannte Isolierschicht mindestens ein Element, ausgewählt aus Erdalkali- und seltenen Erdgruppenelementen, als Sinterhilfstoff einschließt.

3. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, wonach der genannte Aluminiumnitrid-Sinterkörper als elektronisches Schaltkreissubstrat verwendet wird.

4. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 3, worin das genannte leitfähige Element und/oder die Verbindung mindestens ein Element ist, ausgewählt aus W, Mo, Ta, TiN und ZrN.

5. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 3, worin der genannte mindestens eine anorganische Füllstoff ein jeder einer Mischung und einer Verbindung von Aluminiumoxid und mindestens einem der seltenen Erd- und Erdalkalielemente ist.

6. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin das genannte leitfähige Element mindestens ein Element, ausgewählt aus Mo, W und Ta, und

der genannte mindestens eine anorganische Füllstoff mindestens ein Element sind, ausgewählt aus IIIa, IIIb, IVa und Aktiniden-Gruppenelementen.

7. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin die genannte metallisierte Schicht eine Mehrfachschicht ist.

8. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 5, worin der Gehalt der Mischung und/oder Verbindung 0,05 bis 20 Gew.% beträgt, bezogen auf das entsprechende Oxid in der genannten metallisierten Schicht.

9. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 2, worin der Gehalt des seltenen Erd- und Erdalkalielements 0,01 bis 15 Gew.% beträgt, bezogen auf das entsprechende Oxid in genannter metallisierter Schicht.

10. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin die genannte Isolierschicht Aluminiumnitrid und einen Sinterhilfstoff enthält.

11. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 10, worin der genannte Sinterhilfstoff mindestens ein Element ist, ausgewählt aus Y, La, Ce, Ca, Sr und Ba.

12. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 10, worin die seltenen Erd- und/oder Erdalkalielemente, die in genannter leitfähiger Schicht enthalten sind, dieselben wie die Sinterhilfstoffelemente sind, die in genannter Isolierschicht enthalten sind.

13. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 12, worin das seltene Erd- und/oder Erdalkalielement, das in genannter leitfähiger Schicht enthalten ist, mindestens eines von Y, La, Ce, Ca, Sr und Ba ist.