JPH03177375A - 窒化アルミニウム基板の表面改質方法 - 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、高集積回路や高電力消費回路を有する半導体
装置に用いる窒化アルミニウム基板の表面改質方法に関
するものである。

［従来の技術］ 熱伝導性と電気絶縁性に優れ、しかも熱膨脹係数がＳｉ
単結晶の値に近い材料は、半導体素子の実装基板などに
古くから望まれていた。この要求を満足する材料は従来
存在せず、アルミナ、ベリリア、ダイヤモンド、Ｃｕ−
Ｗ合金が使用されてきた。この中、アルミナは熱伝導率
が小さく、熱膨脹係数がＳｉ単結晶の約１５倍と大きく
、ベリリアは熱伝導率は大きいが熱膨脹係数がＳｉ単結
晶の約２倍もある。又、ダイヤモンドは高価である上に
大きな形状のものが得られないなどの欠点がある。Ｃｕ
−Ｗ合金は熱伝導率が高く、熱膨脹係数がＡｌ２Ｏ３絶
縁基板と合致する特異な基板材料ではあるが、導電性を
もつ欠点がある。又、新しいセラミックスとしてＳｉＣ
セラミックスが開発され、実装基板に使用されている。

このものは、熱伝導率、熱膨脹係数が小さく、半導体チ
ップ材のＳｉ単結晶に近い値をもっている。しかしなが
ら、実装材料としては、誘電率、誘電損失が小さいこと
、又、比較的機械加工性が良好で板厚を薄くできる等に
よる軽量化が図れることなどが要求特性としである。こ
れらの緒特性をバランスよく満足する材料としてＡＩＮ
セラミックスが注目を俗びており、最も広い用途が期待
されている。すなわち、ＡＩＮセラミックスはＣｕなみ
の高い熱伝導率をもつだけでなく、熱膨脹係数がＳｉ単
結晶に近い、誘電率が低い、比重が小さく、軽量、曲げ
強度が大きいといった特徴がある。更には大型チップで
もダイ付けしやすい特徴もある。

［発明が解決しようとする課題］ ＡＩＮセラミックスは、放熱用の金属体あるいはシリコ
ンチップと乱伝導性の良好な樹脂と接合して使用される
が、ＡＩＮセラミックスと樹脂とは虞れ性が悪く、樹脂
を硬化させて接合しても密着性が悪いため、シリコンチ
ップで発生した熱を効率よく放熱用金属体に放散できな
くなり、熱の蓄積によって半導体装置の誤動作を招く等
の欠点があった。

最近、ＩＣを中心とする半導体チップの高集積化及び小
型軽量化の傾向に伴ない、パッケージは薄く、小型にな
り、半導体チップの発熱量は益々増大しているので、放
熱性は重要な課題である。

そこで、本発明は放熱性に富むＡｌＮセラミックス基板
を提供することを特徴とする特に、大きな発熱を伴うも
ので放熱を水冷式で行う大型コンピュータ用のチップ搭
載基板に適するＡｌＮセラミックス基板の提供が目的で
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、少なくとも片面にプラズマ酸化法及び熱酸化
性のいずれの手段により酸化物層を形成する窒化アルミ
ウム基板の表面改質方法である。

非酸化物系であるＡＩＮセラミックスを構成するＡ１は
極めて強い酸化傾向を示し、酸化物は窒化物よりも安定
である。したがって、ＡＩＮセラミックスを大気又は酸
素等の酸化性雰囲気中で高温にさらすここととにより、
その表面にＡｌ２Ｏ３の酸化物層を形成することができ
る。あるいは酸素をイオン化させ、より活性な状態にす
るために、例えば０２のＲＦプラズマ状態下にＡＩＮセ
ラミックスをさらすことにより、容易にＡＩＮセラミッ
クス表面をＡｌ２Ｏ３の酸化物表面に改質できる。

［作　用］ 非酸化物系のＡＩＮセラミックスは、酸化物粒子が混合
物として添加している樹脂とは虞れ性が悪い。ここでい
う濡れ性とは接合直後だけでなく、実際に使用中でも安
定した接合状態を保持する性質のことを指す。

通常樹脂中には樹脂だけでなく、フィラーとして熱膨脹
係数や熱伝導性を調整するために、酸化物系セラミック
ス粉末が成金されているのが普通である。

本発明で得られる基板はＡＩＮセラミックス表面にアル
ミナよりなる酸化物セラミックス層が形成されており、
これが前記樹脂中の酸化物と同一成分であるために、必
然的に酸化物セラミックスが形成されていないＡＩＮセ
ラミックスより、樹脂との濡れ性が非常に良好で、かつ
、酸化物セラミックスと樹脂との熱膨脹係数を近似させ
ることができるため、極めて良好な密着前強度が得られ
る。又、酸化物セラミックス薄膜層とＡＩＮセラミック
スとの密着性あるいは信頼性には、酸化物層の形成方法
及び膜厚によって差異がある。酸化物層の膜厚は０．０
２〜１μｍの範囲が適当である。膜厚が０．０２μｍ未
満では樹脂との濡れ性を改善することはできず、又、１
μｍを超えると、実際使用時のヒートサイクルによる熱
衝撃によりクラックを発生したり、成膜時の内部応力に
より膜ハガレが生成し、信頼性に欠ける原因となる。又
、酸化物層の膜厚が厚くなると、熱伝導率がＡＩＮに比
べて小さいために、ＩＣチップでの発熱を、熱伝導性樹
脂あるいは放熱用金属体に伝えることができなくなり、
熱の蓄積により半導体装置の誤動作を招くことがある。

［実施例］ 次に実施例並びに比較例によって本発明を具体的に説明
する。

実施例Ｉ Ａ　Ｉ　Ｎセラミックス基板の放熱用金属体と熱伝導性
樹脂と接する側の表面を酸素雰囲気中で８００℃以上に
加熱し、熱酸化膜を形成した。膜はアルミナ膜であり、
厚さを０．２μｍに制御した。

第１図は、このようにして得た基板の実装例を示し、図
中１はＡＩＮセラミックス、２は酸化物膜、３は放熱用
金属体、４は熱伝導性樹脂、５はメタライジング層、６
はシリコンチップである。

実施例２ ＡＩＮセラミックス基板の放熱用金属体と熱伝導性樹脂
と接する側の表面を、初期真空度２Ｘ　１０’　Ｔｏｒ
ｒ、導入０２ガス圧４×ｌＯ→Ｔｏｒｒ、基板温度５０
０℃にてアルミナよりなるプラズマ酸化膜を形成した。

酸化物質膜の厚さは０．２μｍに制御した。このように
して得た基板を第１図に示すように実装した。

比較例 第２図に示すように第１図における酸化物層２を備えて
いない従来例を比較例とした。

以上の実施例１．２及び比較例の３種の試作品に気相中
での熱衝撃（１サイクルニ一６５℃×１０分−２５℃×
５分−１５０℃ＸＩＯ分）を　２００サイクル与えたと
ころ、比較例では、初期は何ともなかったが、サイクル
をくり返すにつれて徐々に樹脂が放熱用金属体上に流れ
出し、ＡＩＮセラミックス　ｌと放熱用金属体３との間
隙が不均一となる現象がみられた。　２００サイクル後
には、ＡＩＮセラミックス１と放熱用金属体３との間に
樹脂のない空間が発生していた。これに対して、実施例
１．２の試作品では何の異常も認められなかった。

［発明の効果］ 本発明によれば、熱放散性にすぐれ、熱膨脹係数が半導
体チップのそれに近いＡＩＮセラミックスの性質を損う
ことなく、水冷放熱用の金属体と接合することが可能な
、樹脂との濡れ性の改善されたＡＩＮ基板を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で得られた基板の実装例の説明図、第２
図は従来の実装例の説明図である。 １・・・ＡＩＮセラミックス、２・・・酸化物膜、３・
・・放熱用金属体、４・・・熱伝導性樹脂、５・・・メ
タライジング層、６・・・シリコンチップ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも片面にプラズマ酸化法及び熱酸化法の
   いずれの手段により酸化物層を形成することを特徴とす
   る窒化アルミウム基板の表面改質方法。
2. （２）酸化物層の厚みが０．０２〜１μｍである請求項
   （１）記載の窒化アルミニウム基板の表面改質方法。