JPH027445A - 窒化アルミニウム基板と製法及び半導体装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、窒化アルミニウムの金属化方法に係層、特に
パワー半導体装置を搭載するのに好適な絶線特性と強固
な金属、’ｉ１を有する絶縁基板と、その製造方法及び
それを利用した半導体装置に関する、 〔従来の技術〕 従来、窒化アルミニウム等の非酸化物系セラミックスの
表面を金属化する方法としては、特開昭５３−１０２３
１０号のように、あらかじめ、Ａ４０３−　Ｓ　ｉ　０
２のような金属酸化物−を形成させたのち、Ｍｏ　−Ｍ
ｎ粉末を含むペーストを印刷、焼結する方法か、特開昭
５９−４０４０４号、又は同６１−２６２３１号各公報
で提示されているように、あらかじめ窒化アルミニウム
表面を高温酸化によりＡ４０３の−として金属板を直接
加熱接着するか、又は金属酸化物の共晶層を介して金属
層を形成するものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のいずれの方法においても共通する点は窒
化アルミニウム表面に金属層１とのぬれ性を改善し強固
な結合を得るために、あらかじめ、Ａ４４０３−８　ｉ
　０雪又はＡｇｏ、等の酸化ＩＮ！−を形成する工程を
有することである。このことはアルミナ等通常の酸化物
系セラミックスの金属化法に比ベプロセスが１Ｍ雑化し
製造価格が増すことのほかにセラミックス表面の絶縁特
性が低下する問題があった。

すなわち、上記従来技術は窒化アルミニウム表面に酸化
嘆を形成することはその後形成する金属層とのぬれ性を
改善するのに有効ではあるが、窒化アルミニウムと上記
酸化嘆の熱膨張係数の差について言及されていない。

つま層、１０００℃以上の高ａ処理によって窒化アルミ
ニウムの表面には酸化模が生成するが、この唆模社通常
のアルミナ等酸化物に比べ電気絶縁特性が悪い。また、
厚みの均一性や再現性が悪いため、前記各公開公報で開
示された５〜７μｍの均一な酸化嘆が保征できず、例え
ば５　ｐｍを越える酸化嘆は前記した線膨張係数差によ
るクラックの要因となり表面の絶縁特性を劣化させる原
因となっている。したがって、このような酸化嘆の形成
され丸窓化アルミニウムを用いた半導体装置は高温逆バ
イアス試験、プレツシャークツカーテヌトあるいは熱サ
イクル試験等の各種信頼性試験で短絡等の故障が多発す
る原因となっていた。

一方、Ｍｏが一般的なアルミナの表面に焼結できる理由
の１つはペースト中の添加物とアルミナ中の不純物が相
互拡散によシガラス化しＭｏの表面をぬらすためといわ
れている。しかし、窒化アルミニウムにおいては高純度
を特徴としているが故にセラミックス側からの不純物は
期待できない。

したがって前記従来法においてはＡＴＯｓ又はＡＴＯｓ
−８ｉ　０１等の１を先に形成し、これをペースト中の
添加物の間でのガラス化反応を期待しているが、この場
合においては焼結に高温を要するし、メタフイズ部以外
の表面酸化が進行するという点で不都合が生じていた。

本発明の目的はパワー半導体装置を搭載するのに適した
強固な金属層が形成され、かつ絶縁特性の良い窒化アル
ミニウム基板とその製法、及びその用途としての半導体
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明の第１の発明は窒化アルミ
ニウム基板に関する発明であって、基板面の少なくとも
一部がろう材で半導体チップを接続できる金属７１で覆
われた窒化アルミニウム基板において、窒化アルミニウ
ム基板面の少なくとも一部が、Ｍｏ、ＭｎＯ及び５１０
２を成分とする層、及び中間層を介し又は介することな
く、その表面がろう付可能な高融点金属層で覆われてい
ることを特徴とする。

また本発明の第２の発明は、窒化アルミニウム基板の製
法に関する発明であって、基板面の少なくとも一部がろ
う材で半導体チップを接続できる金属層で覆われた窒化
アルミニウム基板を製造する方法において、窒化アルミ
ニウム基板面の少なくとも一部に、重量比で８０〜９５
％のＭｏ％五５〜１１ｊ％のＭｎＯ１及び５〜９％のＳ
ｉＯ２を含有するペースト、あるいは該ＭｎＯと８ｉ０
．をあらかじめガラス化させた前記重量比でＭｏとガラ
ス粉を含有するペーストを適用する工程、１２００〜１
５５０℃で焼結する工程、及びその上方の表面層として
ろう付可能な高融点金属層−を形成させる工程の各工程
を包含することを特徴とする。

更に、本発明の第５の発明は、絶縁型半導体装置に関す
る箔明であって、半導体チップ、窒化アルミニウム基板
、及び金属放熱板がろう材を介して互いに接続された構
造の絶縁型半導体装置において、該窒化アルミニウム基
板が、上記第１の発明の窒化アルミニウム基板であるこ
とを特徴とする。

前記ペースト中のＭｎＯとＳｉｎ、は焼結過程において
反応してＭｎＯ−８ｉＯ１のガラスとなる。この状態で
は粘度が低く保たれ液化しているので窒化アルミニウム
の表面とＭｏをぬらし強固な接着が可能となる、 しかし、Ｍｏ１ＭｎＯ１Ｓ１０！あるいは有機物である
ビヒクμ等がそれぞれ単独に配合された状態では先のガ
ラス化反応が均一に起シにくく、接着の強度にばらつき
がでた層、ＭｎＯの放出酸素により金属、Ｉ！１近傍の
窒化アルミニウムを酸化し絶縁不良の原因ともなってい
る。

したがって、ＭｎＯと８１０．はあらかじめガラス化さ
せたものか化合物化させたものを用いれば、Ｍｏの焼結
状態にばらつきがなくな層、接着強度の歩留りが向上す
る。

本発明の窒化アルミニウム基板においては、窒化アルミ
ニウム基板の主表面の少なくとも一部Ｋ、Ｍｏ、ＭｎＯ
及びＳｉｎ、を成分とする。ｌ！１が存在していればよ
く、その上及び／又は下には、別の成分層が存在してい
てもよい。そして表面に存在させるろう付可能な高融点
金属の例には、Ｎ１及びＡｕがある。

したがって、窒化アルミニウム基板の例としては、該被
覆層が、ＭｎＯ−Ａ／４０Ｂ化合物の第１の領域。

Ｍｏ　とＭｎＯ−ＳｉＯ２ガラス又は化合物とが混在す
る第２の領域、及びＮ１表面層からなるもの、及び該被
ｆｆ１層が、Ｍｏ　とＭｎＯ−ＳｉＯ２ガラスとが混在
する第１の領４ｔ、、ＭｏとＮ１の金属化合物からなる
第２の領域、及びＮ１表面層からなるものが挙げられる
。

また、これら窒化アルミニウム基板の製法の１具体例と
しては、本発明方法における既述したペースト適用から
焼結までの工程が、窒化アルミ基板面基板而に該ペース
トを印刷、塗布する工程、その後湿気を含む水素、窒素
のフォーミングガス中３００〜４００℃で最大１時間保
持して有機成分を分解飛散させる工程、前記雰囲気中で
最大９００℃まで昇温して、Ｍｏ表面と窒化アルミニウ
ム基板面とを接続するのに必要なＭｎＯと５ｉｆｔ、若
しくはそのガラス体とのぬれ性を改善する工程、その後
乾燥した水素、窒素のフォーミングガス中１２００〜１
５５０℃で焼結する工程の各工程を包含するものがある
。

以上のようにして得られる本発明の窒化アルミニウム基
板は、常法により半導体装置に組込むことによ層、例え
ば絶縁特性の良い本発明の半導体装置が提供される。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、
本発明はこれら冥施例に限定されない。

実施例　１ 第１図、第２図、は本発明になる窒化アルミニウム基板
の表面を金属化するに必要なＭｏペーストの配合割合の
１例を示す図である。これら３つの物質の中でＭｏは融
点が高く反応も起きにくいため窒化アルミニウムと直接
反応することはないが、ＭｎＯと８１０！は第２図に成
分割合（横軸）と液化温度（℃１縦軸）との関係で示し
たように重量％でＭｎＯが６４％で８１０！が３６％の
限られた領域では１２５０℃で液化する、本発明になる
窒化アルミニウム基板表面へＭｏ　を接続する技術は上
記した事実を使用するもので、Ｍｏ粉粉末へ第２図矢印
で示す範囲内のＭｎＯと８１０！あるいはあらかじめＭ
ｎＯと８１０８をガラス化させた粉末を混合すれば良い
。

Ｍｏ　とＭｎＯ及びＳ１０！の混合割合は直置％でＭ。

が８０〜９５ＸでＭｎＯが１５〜１１　Ｘ％５ｉｎｓが
５〜９％の第１図で示した斜線内の領域の範囲内であれ
ば良い。ＭｎＯとＳｉＯ２の割合が前記割合を越える場
合においては第２図に示したように液化温度が高くな層
、Ｍｏペーストの焼結温度が上昇すると共に窒化アルミ
ニウム表面の異常酸化という点で好ましくない。

また第３図は、Ｍｏ　とＭｎＯ５ＢＬＯ２あるいはＭｎ
Ｏとｓｉｏ、から成るガラス粉の適正な混合割合を説明
するための図であって、ガラス成分量（重ｔ％、横軸）
と、固有抵抗Ｐ（μΩ・国、縦＠）及び引張り強度（ｋ
ｇ／ｗ？、縦軸）との関係で示すグラフである。

まず、Ｍｏ焼結後の固有抵抗に着目すると、　Ｍ。

に混合したＭｎＯとＳｉｎ、又はＭｎＯとＳｉｎ、から
なるガラス成分の竜が重量％で５％以下、あるいは２０
％を越える範囲で抵抗値が急激に上昇する。一方、引張
シ強度を見ると抵抗値のカーブとは逆に前記ガラス成分
の量が重ｔ％で５％以下、あるいは２０％を越える範囲
で強度の大幅な低下が見られる。

前記ガラス成分の竜が直置％で５％以下の領域で抵抗値
が大きく、引張り強度が低下する原因は窒化アルミニウ
ム基板とＭｏの接続に重要な役割を果すガラス成分が少
ないとＭｏの焼結が充分に進まないためであシ、前記ガ
ラス成分の量が２０％を越える範囲で抵抗値が増大する
のはガラス成分が多く、Ｍｏの表面まで達してしまった
ためであるうこのガラス成分の量が２０％を越えるもの
はその後のＮ１嘆の接着も悪く、ＭｏとＮ１界面ではく
離し強度も低い。以上の結果からもＭｏベーヌトへのＭ
ｎＯとｓｉｏ鵞又はＭｎＯと８１０！からなるガラス粉
の添加竜は重量％で５〜２０％の範囲内であることの必
要性を実験的に明らかにした。

第４図は前記Ｍｏペーストの焼結法を時間（横軸）と温
度（縦軸）との関係で説明する図である。

窒化アルミニウムへＭｏペーストを塗布しこれを焼結す
る際、理想的には基板表面やＭｏ表面の酸化を防ぐため
に還元性雰囲気中で行われることが望ましい。しかし、
この場合、Ｍｏペースト中の有機物がカーボンとして残
層、これが金属嘆を構成する無機成分Ｍｏ、ＭｎＯ１Ｓ
ｉｎ！と反応し、それぞれの炭化物を形成し、ＭｎＯと
８１０．のガラス化反応を阻害するため焼結が困矯とな
る。また、金属化膜を必要としない窒化アルミニウム表
面に対してはこのカーボンが強い還元作用によシ絶縁性
の低下の要因となる。一方、これらの問題を避けるため
に湿気を含む雰囲気中で焼結し、その後Ｍｏ表面の還元
処理をする一般的なアμミナ基板の金４法を用いると、
窒化アルミニウムの表面に厚い酸化嘆が生成し、窒化ア
ルミニウムと酸化１ｌｌＩ（α−ＡＴＯｓ）との熱膨張
係数の差から酸化模中にクラックが生じる等の問題が見
られた。以上の観点から本発明者らはＭｏペースト中の
有機物カーボンを充分熱分解、飛散させ強固なＭｏの金
属化嗅が形成できる焼結法を実験的に見出した。第４図
はその１例である。

Ｍｏペーストを印刷塗布した窒化アルミニウム基板は１
＃大物表面上に浅く切られたスリット中に差込み、その
表面に充分炉中の雰囲気が当るようにセットし炉中に挿
入する。焼結プロファイルは以下の通りに従う、まず、
２００〜４００　’Ｑに昇温し３０〜６０分間保持しＭ
ｏペースト中の有機成分を熱分解、飛散させる第４図■
の領域とガラス化を促進し、Ｍｏ表面をわずかに酸化さ
せガラスのぬれを改善する■領域、但しこの領域は窒化
アルミニウム表面の酸化を防ぐために最高９００℃とし
、ここまでは水分を含ませた水素、窒素の混合ガス雰囲
気を用いる。領域■は１２５０〜１３５゜℃に上昇し３
０〜１２０分間保持しその後降温する領域で、　ＭｎＯ
とＳｉｎ、あるいはそれらをガラス化した粉末はこの間
で液化してＭｏ及び窒化アルミニウムの表面をぬらし、
降温時固化し窒化ア〃ミニウムとＭｏが接着する。

以上説明した焼結法に従えば、窒化アルミニウムの表面
に酸化嗅が生成することなく強固なＭｏ嘆が形成できる
。

第５図は前記したＭｏペーストを前記した焼結方法で窒
化アルミニウム表面に焼付けた試料の断面構造を説明す
る図である。

窒化アルミニウム基板１０上に印刷塗布されたＭｏペー
スト中の有機物成分は前記した焼結プロファイルの昇温
過程で熱分解して飛散する。ＭｏとＭｎＯ１Ｓ１０！あ
るいはＭｎＯとＳｉｎ、から成るがラス粉はその後の昇
温過程でＭｎＯとＳｉＯ２の場合はガラス化反応して液
化し、あらかじめＭｎＯとＳｉＯ２をガラス化した粉末
を用いた場合は液化して、昇温過程で酸化されたＭｏの
表面をぬらし更には粒界内を埋めると共に窒化アルミニ
ウム基板の表面をぬらし降温時急冷された場合はＭｎＯ
と８１０意から成るガラス１２に、降温か緩慢に行われ
た場合はＭｎＯ・８１０２の化合物１２となりＭｏｌｌ
と窒化アルミニウムを接着する。一方、このとき窒化ア
ルミニウムの表面はＭｎＯとＳｉＯ２から成るガラスで
ぬらされ昇温過程でわずかに形成されたα−Ａ４０ｍと
ガラス化反応し降ｌＫ時ＫＭｎＯ−ＡＩ４０３の極く薄
い１１３が形成され、Ｍｏの極く表面の一部はやはりＭ
ｎＯとｓｉｏ、から成るガラスによってＭｏ３Ｓｉが形
成されている。これらはいずれもｘ＃１回折によって知
ることができる。

以上、説明したようなＭｏ暎で表面を金属化した窒化ア
μミニウム基板を実際の半導体チップを搭戒する基板と
して適用するには、はんだや銀ろう付けが必要で、前記
Ｍｏ　ｇ上には無゛（解めつき法等を用いて１〜５μｍ
のＮ１　嘆を形成し４００〜９００℃の温度範囲で熱処
理し、Ｎ１　模の一部をＭｏ粒界中に拡散すれば強固な
接着面を持つ窒化アルミニウム基板が得られる。

実施例　２ 以下、本発明の１突流例を図によって説明する。

第６図は本発明になる絶縁基体の梨法の１例を説明する
工程図である。

（１）窒化アｙミニウムセラミックス上に本発明になる
Ｍｏペーストを印刷法等で塗布しパターンニングする。

１２１Ｍｏでパターンニングされた上記セラミックスは
水素、窒素の混合ガス雰囲気中１３００〜１５００　’
Ｃの範囲内の温度に加熱しＭｏ　をセラミックス表面に
焼付ける。

［３）　　Ｍｏ焼結後は５〜２０容量％の塩酸、又は硝
酸水溶液に浸漬してＭｏ表面の酸化嘆層やセラミック表
面の汚れを除去する。

（４）酸性、白金系触媒に１〜５分浸漬し、Ｍｏ表面の
活性化処理する。

（５）中注無醒解ニッケμめつき液に浸漬し所望の嘆厚
を得る。

（６）水素雰囲気中４００〜ｑａａ℃の範囲内の温度で
加熱しニッケルをＭｏ厚嘆中に拡散処理する。

本発明の絶縁基体の１例は以上説明した方法で形成でき
るが、１ｌｔＩ記（６）のプロセスでニッケｙ表面が変
質しその後の半田付は作業でぬれ不良がでる場合が見ら
れるので次の（７１、＋８１のプロセスを付加しても良
１ハ、つま層、 （７）５〜２０容量％の塩酸又は硝酸水溶液に浸漬しニ
ッケルの極く表面をエツチング除去する。

（８）中性無電解ニッケＡ／液に浸漬し、先のニッケ／
Ｉ／嘆上に史に薄いニッケ〃被暎を形成する。

以上のプロセスを採ることによって窒化アルミニウムの
表面には強固で償頼性の高い金属化嘆を得ることができ
本発明になる絶縁基板を形成できる。

次に＊発明になるＭｏペーストについて第１表を用いて
説明する。

１＠１〜１２は生々添加物としてＭｎＯを加え、更に５
ｉＯ１を第２の添加物として８１０．が配合されている
。また、これらの中でＮ１９〜１２ではＭｏの一部をＷ
に置き換えている。一方、醜１３はＭｎＯのみを添加し
たものであ層、Ｎ１１１４〜１９はＭｎＯ以外の酸化物
を添加した例である。これらのペーストを先の第６図で
説明したプロセスで窒化アルミニウムセラミックス表面
に１３００〜１４００　’Ｃで焼結し、Ｎｉ　めつきを
施し、更に半田でリードをつけたものの引張り強度を見
ると随１〜１２、更には随１３、隠１Ｂではそれぞれに
強度の差は見られるもののＭｏ　と窒化アルミニウム表
面とが接合されていることが見られる。しかし、ＭｎＯ
のみを添加したＮ１１１５及びＣａＯ１Ｓｉｎ、を添加
し九醜１４と１７又はＡｌ４ｏ３、ＣａＯを添加し九Ｎ
１１６．１９等は初期のテープはく離テストで簡単には
く離してしまい、この温度では接合できない。′待にＭ
ｏ中にＭｎＯを添加したＮ１１３は窒化アルミニウムの
表面にＭｎＯを含む酸化物系化合物となっているにもか
かわらず接合できないということはその表面がガラス化
しないためＮ０粒をぬらせないためと推定される。その
他の醜１４．１６．１７．１９等も同じ理由によるため
である。

一方、　窒化アルミニウムセラミックスＫＭｏ粒を固定
することのできた瀧１〜１２及び？＆Ｌ１５．１８にお
いても、接着の強度に差が見られる。これらについては
第７図、第８図、＠９図で説明する。

第７図はＭｎＯとＳｉｎ、とが最低温度、１２５０’ｃ
付近でガラス化する割合（６４：３６重量％）でＭｏの
み変化させた場合のＭｏのｔ（１１％、横軸）と引張υ
強さ（Ｊｆ、縦軸）及びＭｏ厚嘆の面積抵抗（ｍΩ／口
、縦軸）との関係を示すグラフである。この強さ及び面
積抵抗値はＭｏの焼結温度によっても著しく変化するが
本発明の目的である低温焼結１４００℃近辺を考えると
ＭｏＯ量が８０重量％以上の場合、破壊場所がＭｏ　と
窒化アルミニウムセラミックスの界面はく雌でばらつき
が多く、また面抵抗が著しく小さいことからガラス化の
量が少なすぎ接合が不可能なｒ４域といえる。−方、Ｍ
ｏの量が７０市量％以下の場合、半田の破壊領域となシ
、接合強度が見掛は上変わらないが面積抵抗値が急激に
大きくなる領域で本発明の目的であるパワー半導体装置
を搭載すべき窒化アルミニウムセラミックス表面の金属
化嘆としては電気抵抗も高く、その後のプロセスＮ１　
めつき喚のはく離という点で適さない。つま層、ガラス
が過剰となりＶｏ全全体ガラス嘆で覆われてくる領域と
考えられる。したがって、Ｍｏ　を窒化アルミニウムに
固定するためのガラス成分ＭｎＯ−８１０２の量は２０
〜３０直看％の範囲内にあれば良い。

一方、′ａ８図は先の第７図のガラス成分ＭｎＯとＳｉ
ｎ、の比を変化させた場合のＳｉｎ、の量（重量％、横
軸）と引張り強さ（ｋｇで、縦軸）との関係を示すグラ
フである。この図から引！り強さは最も高い部分はＭｎ
Ｏと８１０．の比が６４：５６重故％の部分で、その他
の部分はＭｏ　と窒化アμミニウムの界面ではく離して
お９強度にばらつきが見られる。

つま層、引張り強さが最も高い部分はＭｎＯと８１０！
の間で最低液相温度１２５０℃を示す割合の領域であシ
、窒化アルミニウムセブミツクス表面へのＭｏ粒の固定
にガラスが深く関与していることにほかならない。

ま九、先の第１表中ＮＬＬ９．１１２はＭｏの一部をＷ
に置換えたペーストであるが、Ｗの量がＭｏに対し１５
重量％を越える領域では引張り強さが低くなる傾向にあ
る。この原因はＷとガラスのぬれ性の異いができたもの
と推定される。

したがって、高純度窒化アμミニウムに対するＭｏペー
スト中の無機成分の成分比はガラス成分としてＭｎＯと
８１０．の重量比が最低液相温度を示す６４二３６付近
であってＭｏに対し２０〜３０重道％添加する第９図で
示される範囲内、つま層、ＭｏＯ量が７０〜８０ｉ量Ｘ
、ＭｎＯが１２．５〜２０重量％、８１０．が５〜１２
．５重量％であれば良い。

また、Ｍｏ襖の熱膨張係数改善のため等に用いるＷの量
はＭｏ　Ｋ対して重量比で１０％以内であることが好ま
しい。

次に、焼結メタライズ１上のＮｉ　＠について説明する
。これまでＫＮｉｌｌｌを焼結メタライズ、１上にめっ
き法等で形成し、これに半田でリードを付は引張った場
合、Ｎ１嘆と焼結メタライズ１の界面ではく雇すること
がしばしば見られた。これらの理由はメタライズ１の焼
結過程においてＭｏの表面が酸化されること、ＭｏとＮ
１の結合力が弱い等のためである。本発明はこれらの欠
点に対しても改＠を加えた。つま層、第６図に示したよ
うに焼結後のＭｏ層表面を容１％で５〜２０％の塩酸又
は硝１唆でエツチング除去し、これにＮｉ　ＩＩ！ｉ！
を施し、次いで水素雰囲気中、Ｎｉが焼結メタライズ層
の所望の深さに入るような温度５００〜９００℃でｙＩ
ｐ：：Ｓ理すれば良い。このような９＆理によって、先
の焼結メタライズ、’ｌｌｌとＮ１膜界面のはく離は見
られなくなるばかシか、焼結過程における窒化アルミニ
ウム表面汚染によるメタライズ層間の絶縁不良も防げる
。

火に第１０図によって本発明に碌る半導体ｖｉｔ１！搭
載用の窒化アルミニウム基板の断面構造について説明す
る。

窒化アμミニウム基板１０に印刷法等でメタライズペー
ストを塗布し、これを焼結すると窒化アルミニウム表面
にはａ−ｋＬ雪ＯＨ２７が形成される。

一方、メタライズ１下にお１ハではメタライズペースト
中の添加物ＭｎＯ　、８１０ｇ又はＭｎＯ−Ｓｉｎｇの
化合物がガラス化反応するかあるいは添加物にＭｎＯ−
８ｉＯ，のガグスフリットを用いた場合は軟化するかし
て、ａ−Ａｔ、０３中にはＭｎＯが拡散したＡ４０ｓ、
　１ｖ［ｎＯの混在した第ｊ及び第２の領域２１及び２
２が形成される。また、このＭｎＯ−８１０Ｂガラスは
Ｍｏの一部ｔ−ヌラＬ、Ｍｏ　とＭｎＯ−Ｓｉｎｇのガ
ラスの混在した第３の領域２３を形成し、また、その上
部にはＭｏ　と添加物８１０．が反応し生成するＭｏ１
ＳｉとＭｏが混在した第４の領域２４が形成される。

このような焼結メタライズ層にＮｉ　＠を形成し、熱９
＆理することによってＮ１がＭｏとＭｏ１Ｓｉの混在し
た領域の一部に拡散し、Ｎｉ　、　Ｍｏ　、　Ｍｏｂ　
Ｓ　ｉの混在した第５の領域２３、最表面はＮ１のみの
第６の領域２６となる。

実施例　３ 前記実施例に記載の方法と同様な方法にょシ、本発明の
窒化アルミニウム基板の１例を製造し丸干の断面図を第
１１図に示す。第１１図において、符号１０は窒化アル
ミニウム基板、３１はＭｏ　とＭｎＯ−８１０ｇガラス
とが混在する第１の領域、３２はＭｏとＮ１の金属化合
物からなる第２の領域、セして３３はＮ１表面、１から
なる第３の領域を意味する。

実施例　４ 以下、本発明の半導体装置の１例の製造例を、第１２図
に工程図として示す。

結合剤ＭｎＯ−Ｓｉｎｇによって焼付けられたＭｏ　Ｗ
とろう付可能なＮ１−が形成された窒化アルミニウムチ
ップ４１の主表面にあらかじめ予備半田付けされた半導
体チップ４０を置き加熱して再溶融し、窒化アルミニウ
ムチップ４１と半導体チップとを接続しく４）項で示し
た構造とする。次いで、この半導体チップが搭載された
窒化ア〃ミニウムチツブのもう一方の主表面に先のけん
だより低い温度で融ける材質の半田４２を予備はんだ付
けし、これをはんだ付は可能な金ＦＡ！ＡＩの放熱板４
４上にセットする。この時、半導体チップ４０の搭載さ
れた側の窒化アルミニウム表面上にあらかじめ予備はん
だ付けされたトランジスタであればコレクタ・端子、サ
イリスタであればアノード端子となるボンディングバッ
ト４３も合せてセットする。その後、これを加熱、再溶
融して半導体チップが搭載された窒化アルミニウムチッ
プは金属放熱板上に、ボンディングバットは窒化アルミ
ニウムチップ上に接続しく８）項で示した目的のパワー
半導体装置構造とする。次いで、この金属放熱板上の一
部にあらかじめ形成された混成集積回路基板４５を接着
し、ア〃ミニウム等ワイヤでパワー半導体装置部分と混
成集積回路部分とを結線する。

以上は本発明になる金属層を有する窒化アルミニウム基
板を用いた半導体装置の製造方法を説すしたものである
。

次に半導体チップを搭載すべき窒化アルミニウムチップ
上に形成されたＭｏ　’４１の結合剤にＭｎＯとＳ１０
！とから成るガラスを用いたことの利点を第１３図によ
って説明する。この図は１５０℃２５分、室温５分、−
５５℃２５分を１サイクμとした試験条件にａ整された
槽内に上記した試料を放置し、所定のサイクＩ′ｖ数に
達した時点で引出し、熱抵抗の変化を、−ＩＩべた結果
を、熱抵抗（”／Ｗ、縦軸）とサイクル数（１１！１ｄ
ｌ）との関係で示したグラフである。

第１３図中、■は特公昭５３−１０２３１０号等従来公
知の窒化アルミニウム表面金属化法を用いた場合で、■
は本発明になるものである。

図から従来公知の方法で金属化した窒化アルミニウムチ
ップを用１ハた半導体装置の熱抵抗は５００〜７００サ
イクルを魂えた時点から増加現象が見られるが、本発明
になる窒化アルミニウムチップを用いた場合■には２０
００サイク〃でも１０％程度の増加であった。

また、第１４図は、先に示した半導体装ａｎａ造とは異
な９、窒化アルミニウム表面上に高電圧端子が隣接して
形成された構造の半導体装置を組立て、前述した試験条
件下に放置した場合の絶縁特性を調べた結果を、絶縁特
性Ｒｆｌ（Ω、縦軸）とサイクル数（Ｉｌｌ軸）との関
係で示したグラフである。

この場合も、従来公知の手法を用いた■では、先の熱抵
抗の変化を調べた結果と同様５００〜７００サイクルを
越える領域から絶縁特性が劣化しているが、本発明品■
では全く変化が見られていない。

熱抵抗や絶縁特性が劣化した従来公知の手法によって金
属化した窒化アルミニウムチップを用いた半導体装置を
調べて見た。そのような従来の半導体装置の１例を断面
概略図として＠１５図に示す。第１５図において、符号
５０はＡｔＮセラミックス、５１は酸化物中間５２はＭ
ｏ−Ｍｎ　、＠、５３はＮｉ、ｌｄ、５４は半田−，５
５は金属放熱板、５６はリード、５７は半導体チップ、
５Ｂは故障箇所を意味する。

第１５図から明らかなように、窒化アルミニウム表面に
、焼付けたＭｏ、１４や隣接する金属−のない窒化アル
ミニウムの表面近傍にクラックやはく離が見られている
。この原因を従来公知の金属化法のプロセスから考えて
見ると、従来法は窒化ア〜ミニラムの表面をあらかじめ
酸化したのちＭｏ−Ｍｎペーストを塗布し再度焼結する
などしているためにＭｏ層化あるいは露出する窒化アル
ミニウム表面には厚い酸化幌例えばＡＡｔＯｓ、Ａｌ２
Ｏ，−８ｉＯあるいはＡ４０Ｂ−８ｉ０１−ＭｎＯ等が
形成されている。これらの嘆はいずれも下地の窒化アル
ミニウムの熱膨張係数とは異なると考えられ、これが、
先の熱サイクル試験等のストレスに耐えきれずクラック
やはく４等の要因となったものといえる。

一方、本発明で用いた窒化アルミニウムチップは従来の
金属化法とは異な層、窒化アμミニウム表面を酸化させ
る必要もなく、また結合剤としてのＭｎＯ−Ｓｉｎｇの
ガラス１も１〜５μｍ以下と薄いことが特徴の１つであ
る。したがってたとえこのＭｎＯ−Ｓｉｎｇからなるガ
ラス１の熱膨張係数が若干合わなくても、クラックやは
く蟻が発生しないという利点がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、窒化アルミニウム基板に低温で焼結メ
タツイズ層が形成できるため、被メタサイズ部分のアル
ミナの異常生長が見られず絶縁特性の良亀ハ半導体装置
搭載用のセラミックス基板として用いることができるこ
とや上記理由によるアルミナ部のクラックが発生しない
ため気密封止材料としても使用可能とな９放鵠特性の良
いものが要求される計算機実装用セラミック材としても
効果がある。

【図面の簡単な説明】

＠１図〜第３図は本発明に用いるＭｏペーストの成分量
の１例を説明する図、第４図は本発明におけるＭｏペー
ストの焼結法の１例の条件を説明する図、＠５図は本発
明におけるＭｏペーストを窒化アμミニウム表面に焼付
けた試料の断面構造図、第６図は本発明方法の１例の工
程図、第７図は一定のＭｎＯ：　ＳｉＯ鵞におけるＭｏ
の量と引張９強さ及び面積抵抗との関係を示すグラフ、
第８図は一定のＭｏ量におけるＳ１０！とＭｎＯ比と引
張り強さとの関係を示すグラフ、第９図は本発明に用い
るＭｏペーストの成分量の１例を説明する図、第１０図
及び第１１図は本発明の窒化アルミニウム基板の１例の
断面構造図、第１２図は本発明の半導体装置の１例の製
造の工程図、第１５図及び第１４図は本発明及び従来の
半導体装置の１例の劣化試験の結果を示すグラフ、第１
５図は従来の半導体装置の１例の劣化試倹後の断面構造
図である。 １０：窒化アルミニウム基板、１１：Ｍｏ、１２：　１
Ｊｎｏ　・Ｓｉ０ｇガラス又は化合物、１３：ＭｎＯ＠
Ａｇｏ、、２１：ｇｌの領域、２６　：　Ｎｉのみの領
Ｊ、　　２７　：　ｅｌ−ＡｋＯｓ、５１　：　Ｍｏと
ＭｎＯ−５ｉＯ１ガラスとが混在する領域、３２　：　
ＭｏとＮ１の金属化合物、３５　：　Ｎｉ表面層．４０
：半導体チップ、４１：窒化アルミニウムチップ、４２
：半田、４３：ポンディングバット、４４：放熱板、４
５：混成集積回路基板 第１図 一一一一う５ｉ０２ 特許出頭大　株式会社日立製作所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板面の少なくとも一部がろう材で半導体チップを
   接続できる金属層で覆われた窒化アルミニウム基板にお
   いて、窒化アルミニウム基板面の少なくとも一部が、Ｍ
   ｏ、ＭｎＯ及びＳｉＯ＿２を成分とする層、及び中間層
   を介し又は介することなく、その表面がろう付可能な高
   融点金属層で覆われていることを特徴とする窒化アルミ
   ニウム基板。 ２、該被覆層が、ＭｎＯ−Ａｌ＿２Ｏ＿３化合物の第１
   の領域、ＭｏとＭｎＯ−ＳｉＯ＿２ガラス又は化合物と
   が混在する第２の領域、及びＮｉ表面層からなる特許請
   求の範囲第１項記載の窒化アルミニウム基板。 ３、該被覆層が、ＭｏとＭｎＯ−ＳｉＯ＿２ガラツスと
   が混在する第１の領域、ＭｏとＮｉの金属化合物からな
   る第２の領域、及びＮｉ表面層からなる特許請求の範囲
   第１項記載の窒化アルミニウム基板。 ４、基板面の少なくとも一部がろう材で半導体チップを
   接続できる金属層で覆われた窒化アルミニウム基板を製
   造する方法において、窒化アルミニウム基板面の少なく
   とも一部に、重量比で８０〜９５％のＭｏ、３．５〜１
   １％のＭｎＯ、及び１．５〜９％のＳｉＯ＿２を含有す
   るペースト、あるいは該ＭｎＯとＳｉＯ＿２をあらかじ
   めガラス化させた前記重量比でＭｏとガラス粉を含有す
   るペーストを適用する工程、１２００〜１３５０℃で焼
   結する工程、及びその上方の表面層としてろう付可能な
   高融点金属層を形成させる工程の各工程を包含すること
   を特徴とする窒化アルミニウム基板の製法。 ５、該ペースト適用から焼結までの工程が、窒化アルミ
   ニウム基板面に該ペーストを印刷、塗布する工程、その
   後湿気を含む水素、窒素のフォーミングガス中３００〜
   ４００℃で最大１時間保持して有機成分を分解飛散させ
   る工程、前記雰囲気中で最大９００℃まで昇温して、Ｍ
   ｏ表面と窒化アルミニウム基板面とを接続するのに必要
   なＭｎＯとＳｉＯ＿２若しくはそのガラス体とのぬれ性
   を改善する工程、その後乾燥した水素、窒素のフォーミ
   ングガス中１２００〜１３５０℃で焼結する工程の各工
   程を包含するものである特許請求の範囲第４項記載の窒
   化アルミニウム基板の製法。 ６、半導体チップ、窒化アルミニウム基板、及び金属放
   熱板がろう材を介して互いに接線された構造の絶縁型半
   導体装置において、該窒化アルミニウム基板の両主面の
   少なくとも一部が、Ｍｏ、ＭｎＯ及びＳｉＯ＿２を成分
   とする層、及び中間層を介し又は介することなく、その
   表面がろう付可能な高融点金属層で覆われていることを
   特徴とする絶縁型半導体装置。