JPH0246750A - 窒化アルミニゥム・メタライズ基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、導電性メタライズ層を備えた窒化アルミニュ
ウム基板（焼結体）に関する。

（従来の技術） 窒化アルミニュウム（ＡＩ２Ｎ）焼結体は、絶縁性、耐
腐蝕性ならびに耐熱衝撃性に優れていると共に、熱伝導
率が高いために、各種の電子、電気部品用素材として利
用されている。また、最近では、放熱性が充分でないア
ルミナ（Ａｆｆ２Ｏｆｆ）や毒性のあるベリリヤ（Ｂｅ
ｄ）に代わって半導体用基板材料として使用されている
。

このような基板材料として利用するＡＱＮ焼結体には、
用途の別を問わず何らかの全屈部品を取付ける必要が生
じる場合が多く、・その時は表面に導電性メタライズ層
を形成する方法が採られている。

このようなＡｌ２Ｎ焼結体へのメタライズ法には、Ａρ
Ｎ焼結体表面に形成した酸化物層に銅箔を接合するダイ
レクトボンド法（ＤＢＣ法）、銅、金、銀−バラジュウ
ムなどを利用した厚膜法、さらに高融点金属法などが知
られかつ利用されている。

しかし、導電性メタライズ層は、いずれも、特に高温に
おけるＡＱＮ焼結体との密着性が悪いため、ろう付や半
田付けなど約７００℃以上で行う接合方法により他の部
品を接合することが困難である。

仮に、接合できたとしても、他の部品を接合したＡＱＮ
焼結体を高温で使用するとメタライズ層が焼結体表面か
ら剥離して、他の部品が脱落するという問題があった。

この難点を克服するために、導電性メタライズ層を主と
してＷ、Ｎｏ、Ｔａなどの高融点金属で構成する成分元
素に特徴がある窒化アルミニュウム焼結体が特願昭６１
＝３３８２６号として本願と同一出願人から出願されて
いる。

（発明が解決しようとする課題） このような導電性メタライズ層を設置した窒化アルミニ
ュウム（ＡＱＮ）　Ｍ結体を電子部品として利用するに
は、この導電性メタライズ層に半田付けや高温半田付け
により半導体素子を搭載していた。

しかし、導電性メタライズ層を被着した窒化アルミニュ
ウム（ＡＲＮ）基板では、放熱効果に限度があった。し
かも、Ｗ　、　Ｍｏ　、　Ｔａなどの高融点金属を適用
した導電性メタライズ層は電気抵抗が大きいうえに大電
流を流し難い問題がある。

ところで、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は７０〜２
００Ｖ／ｍ、Ｋ（すａｔｔ／Ｍｉ１ｆｉ　Ｋｅｆｆｉｖ
ｉｎ）であり、熱膨脹係数は室温から５００℃まで４．
６Ｘ１０−’／”Ｃである。

従って、基板全体として大きな放熱効果を必要とする場
合には、必ずしも充分でない。

本発明は、このような問題を解消し、特に窒化アルミニ
ウム基板全体の放熱効果をあげて、基板導電回路の抵抗
が低くて、しかも、大電流を流すことができる窒化アル
ミニウム・メタライズ基板を提供することを目的とする
。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、少なくともその表面の一部に導電性メタライ
ズ層を形成したアルミニュウム・メタライズ基板であっ
て、この導電性メタライズ層に金属製ヒートシンクを取
付け、半導体素子などの電子部品を搭載する点に特徴が
ある。

（作　用） このように本発明では、熱膨張率の異なる半導体基板と
窒化アルミニウム・メタライズ基板の中間に金属製ヒー
トシンクを設け、これが応力緩和層としての役割を果た
すと共に、この窒化アルミニウム・メタライズ基板の熱
放散性を改善した。

この金属製ヒートシンクには銅板の外にＭＯなどの高融
点金属板が利用でき、さらに、半田付けもしくは高温半
田付けにより後述するメタライズ層に固着する半導体素
子としては、多くの製品が適用可能であるが、ＳＲ，Ｓ
ＳＲ，ＳＣＲ，Ｇ−Ｔｒなどのように熱放散が特に必要
な素子にとって好適する。

しかし、金属製ヒートシンク特に銅板の厚さが０．６ｍ
ｍ以上になると、窒化アルミニウム基板と銅板の熱膨張
率差（α）により銅板−メタライズ層。

銅板−素子間に半田疲労が起こってクラックが入り易く
なるので、本発明では、銅板ではその厚さを０．６ｎｎ
以下に限定する。更にヒートシンクとしての機能を果た
すために下限として０．１ｎｎ程度の厚さが当然必要と
なる。ただし、　Ｍｏ板は、窒化アルミニウム基板と熱
膨脹係数に差が少ないので、厚さを考慮する必要はない
。

一方、窒化アルミニウム（ＡＱＮ焼結体）基板に形成す
るメタライズ層には、ニッケルもしくは金メツキ層を被
覆後、金属製ヒートシンクを半田付けあるいは高温半田
付けなどによりメタライズ層に接合するが、この窒化ア
ルミニウム（ＡＮＮ焼結体）メタライズ基板としては熱
伝導率に＝５０　Ｖ／ｍ、に以上のものが好適する。こ
のメタライズ層の構成相としては、以下の第１群ならび
に第２群が含有される。その第１群の構成元素は、耐熱
性に優れたモリブデン（Ｍｏ）　ｔタングステン（Ｗ）
及びタンタル（Ｔａ）からなる高融点金属からなる。

第２群の構成元素は、周期率表第■族元素及び第ＴＶａ
族元素よりなる群（第２群）から選ばれた少なくとも一
種であり、メタライズ層はこの第１群ならびに第２群を
構成相の成分元素として含有するのが特徴である。この
成分元素は、一種及び２種以上が組合わされて含まれて
おり、その場合、この元素は、各元素単位で、もしくは
各元素を含む化合物もしくは固溶体として、または、こ
れら単体、化合物及び固溶体から選ばれた２種以上の混
合体として構成層に存在する。

この化合物としては、これらの元素の酸化物、窒化物、
炭化物、酸窒化物、炭窒化物、炭酸化物、炭酸窒化物、
ホウ化物、ケイ化物などがあげられる。また、この化合
物は、上記元素の他に、後述する第２群に属する元素を
少なくとも一種及び／または第２の群に属する元素以外
の元素を含む複金化合物であっても良いし、固溶体でも
これと同様である。

成分元素として例えばＭｏは、導電性メタライズ層の構
成相では、例えば、Ｍｏ、Ｍｏ−ＡＱ固溶体などのよう
なかたちで存在する。

次に、導電性メタライズ層の第２群に属する成分元素、
即ち、周期率表の第■族元索としてはＢ。

１、Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉが、第１Ｖａ族元素はＴｉ
、Ｚｒ、Ｈｆが適用でき、これらの各元素または化合物
は、メタライズ層形成工程において、　ＡｆｆＮとのぬ
れ性が優れているので、導電性メタライズ層とＡｆｆｉ
Ｎ焼結体との密着性の向上に大いに与かっている。この
第２群に属する元素の内特に好ましいのは、　ＡＱ、Ｔ
ｉ、Ｚｒ。

Ｈｆである。

これらの成分元素は、上記第１群に属する成分元素と同
じように、一種または２種以上が組合わされており、そ
の存在状態も前と同様に、各元素単位、化合物もしくは
固溶体として、または、これら単体、化合物及び固溶体
から選ばれた２種以上の混合体として存在する。

成分元素としてのＴｉは、導電性メタライズ層の構成相
において、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＯ２などのようなかた
ちで存在する。

上記第１群に属する元素と第２群に属する元素の構成比
は特に限定されるものでなく、使用する元素の種類ある
いは組合わせにより適宜設定すればよく、例えば第１群
に属する元素の合計と第２群のに属する元素との比が、
原子比で約９０　：　１０〜１０　：　９０に設定され
ることが好ましい。

本発明の窒化アルミニウム・メタライズ基板は、例えば
、以下のようにして製造される。即ち、常法により得ら
れたＡＱＮ焼結体母材の所定の面に、上記第１群及び第
２群から選ばれた元素を含むペーストまたは液状物を塗
布する。このペーストまたは液状物は、上記元素の単体
もしくは化合物粉末をエチルセルローズ、ニトロセルロ
ーズなどの結着剤に分散して形成する。原料粉末として
は、上記各元素の単体粉末や、各元素を含む導電性無機
化合物、即ち、酸化物、窒化物、あるいは焼成して導電
性を示す無機化合物もしくは有機化合物（ゾル−ゲル）
などを使用することができる。

また、このペーストや液状物中には、上記第１群及び第
２群から選ばれた元素もしくはこの元素を含む化合物が
全体の５重量％以上含有されていることが好ましい。

このようにＡＱＮ焼結体母材表面にペーストまたは液状
物を塗布してから、通常は、１１００〜１８００℃程度
に維持した窒素ガス、ドライホーミングガス、ウェット
ホーミングガス雰囲気で約０．５〜２時間処理して、厚
さ１０〜２０μｓの導電性メタライズ層を形成する。

この導電性メタライズ層には、Ｎｉなとのメツキを施し
、さらに、ホーミングガス雰囲気で約６００〜８５０℃
でこのメツキ層をアニールする。

次に半導体素子の寸法のほぼ倍程度の大きさで厚さが０
．３ｍｍ程度に形成され、金属製ヒートシンクとして機
能するタフピッチ銅を導電性メタライズ層を被覆したメ
ツキ層に重ねてから、高温半田付は法または、半田付は
法で還元性雰囲気中で処理して一体として窒化アルミニ
ウム・メタライズ基板を完成する。

（実施例） モリブデン（Ｍｏ）粉末、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末及
びエチルセルローズとを重量比で８：２：１で混合して
原料ペーストを調整し、これをＡＱＮ焼結体母材の所定
の表面に塗布後、乾燥する。さらに、約１６００℃に維
持した窒素雰囲気中でのほぼ１時間の加熱工程により厚
さ１０〜２０μｓの導電性メタライズ層を形成する。

次に、この導電性メタライズ層にはＮｉメツキ層を被覆
後、通常のアニール工程を施し、さらに、厚さ０．３ｎ
ｍでアセンブリする半導体素子の寸法の倍程度、即ち縦
５＋ｎｏ＋横５ｍｍの半導体素子では縦１０Ｉ、横１０
ｎｎのタフピッチ銅をメタライズ層に被覆したメツキ層
に重ねて配置後、高温半田付は法、半田付は法により一
体に固着する。この高温半田付は法では約４００℃、　
半田付は法では２５０℃程度の還元性雰囲気を適用する
。

このほかに、８００℃位の不活性雰囲気中における銀ろ
う付げによりＮｏ製ヒートシンクを上記のように導電性
メタライズ層に形成したＮｉメツキ層に重ねて固着する
。

このタフピッチ銅は上記のように金属製ヒートシンクと
して機能するもので、ここに整流素子やジャイアンツＴ
ｒなどのように放熱をより必要とする半導体素子を半田
付けもしくは高温半田付は工程で固着する。この条件は
金属製ヒートシンクを固着する場合と同様であり、この
工程を終えた窒化アルミニウム・メタライズ基板の断面
図を第１図に示した。

図で、窒化、メタライズ基板は１．メタライズ層及びメ
ツキ層は判然と区分けができないのでまとめて２と表示
し、金属製ヒートシンク３．半田層は４．半導体素子は
５である。

このように金属製ヒートシンク３を固着した窒化、メタ
ライズ基板１では、半導体素子５の稼働により発生する
熱が金属製ヒートシンク３により発散されるが、この様
子は第２図に示した過渡熱抵抗試験結果から明らかであ
る。

この図は、横軸に電力印加時間ｍｓを、縦軸に過渡熱抵
抗Ｒｔｈ（ｊ−ｃ）’℃／Ｖを採り、比較例には金属性
ヒートシンクを設置しない窒化、メタライズ基板即ち従
来の窒化、メタライズ基板の試験結果を一緒に表示した
。

図から明らかなように、本発明に係わる窒化アルミニウ
ム・メタライズ基板１は、比較例より過渡熱抵抗Ｒｔｈ
（ｊ−ｃ）’℃／Ｖが約１／４低く、その有効性は明瞭
であり、それに加えて、体積固有抵抗（室温から５００
℃間）も１７１０程度と小さくなった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明では、放熱性ならびに電
気的特性に優れた窒化アルミニウム・メタライズ基板を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる窒化アルミニウム・メタライズ
基板の断面図、第２図は、この窒化アルミニュウム・メ
タライズ基板の特性を示す曲線図である。 １：窒化アルミニュウム・メタライズ基板２：メタライ
ズ層 ３：金属製ヒートシンク ４：半田層　　　　　　５：半導体素子代理人　弁理士
　大　胡　典　夫 第　　１　　図 第　　２　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくともその表面の一部に導電性メタライズ層を形成
   した窒化アルミニウム・メタライズ基板であって，この
   導電性メタライズ層に金属製ヒートシンクを取付けるこ
   とを特徴とする窒化アルミニウム・メタライズ基板