JPH0369873B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］ 本発明は、その表面に高い接合強度で導電性メ
タライズ層が形成されている窒化アルミニウム
（AlN）焼結体の製造方法に関し、更に詳しく
は、AlNの焼結前駆体を焼結すると同時にその
表面に高い接合強度で導電性メタライズ層を形成
する方法に関する。 ［従来技術とその問題点］ AlN焼結体は熱伝導性が良好で放熱性に優れ、
かつ電気絶縁性を有するので、半導体用の基板材
料として注目を集めている。 このAlN焼結体は概ね次のようにして製造さ
れる。すなわち、AlN粉末にY₂O₃，Sm₂O₃，
CaOのような焼結助剤を所定量配合し、更に必要
に応じてアクリル系樹脂バインダーなどを添加し
て全体を充分に混合し、得られた混合体を例えば
加圧成形して所定形状のAlN焼結前駆体（生成
形体）としたのち、これを例えば窒素雰囲気中に
て所定温度で焼結するのである。 ところで、半導体用の基板としてAlN焼結体
を用いる場合には、このAlN焼結体の表面に導
電性の薄層を形成することが必要となる。従来、
この薄層はAlN焼結体の表面にDBC法（Direct
Bond Cupper法）や厚膜法を適用して形成され
た銅（Cu），金（Au），銀−パラジウム（Ag−
Pd）のメタライズ層であつた。 しかしながら、従来のこの基板においては次の
ような問題がある。 その第１は、形成された上記メタライズ層と
AlN焼結体表面との接合強度が低く往々にして
両者間に剥離現象が発生して基板の信頼性が低い
ということである。 第２の問題は、形成したメタライズ層に所定の
半導体素子若しくはワイヤをろう付けしたり高温
半田付けしたりする際に生起する問題である。す
なわち、例えばろう付けの場合は水素−窒素混合
ガス中において約800℃近辺の温度で行なわれる
が、しかしながら上記メタライズ層焼付け処理時
の温度は通常600〜1000℃程度の低温であるため、
このろう付け時にメタライズ層とAlN焼結体表
面との間の接合強度が著しく低下してしまい事実
上ろう付けが不可能になるということである。ま
た、高温半田付けの場合も同様の問題が発生す
る。 第３の問題は、AlN焼結体とメタライズ層と
の熱膨張率の差異に基づく問題である。すなわ
ち、ろう付け、高温半田付けの場合もそうである
が、シリコンウエハーのような半導体素子をマウ
ントせしめた基板はその使用時に過酷な加熱−冷
却の熱サイクルを経験する。その結果、AlN焼
結体−メタライズ層−ろう付け層（又は半田層）
−半導体素子のそれぞれの接合面では、各層の熱
膨張率の差異に基づく熱応力が発生してそれぞれ
を剥離せしめる作用が生ずる。 上記したメタライズ層の場合、AlN焼結体
（熱膨張率は約4.6×10^-6／℃）の熱膨張率よりも
その値が約２〜４倍大きく、またろう付層（又は
半田層）と同等の値から1/2位の値であつてAlN
との差が大きいので、熱サイクル時にメタライズ
層又はろう付け層（若しくは半田層）とAlNの
界面に微小クラツクが発生し易い。熱サイクルが
加重されるにつれてこの微小クラツクは徐々に発
達し、最終的にはマウントした半導体素子の剥離
を招くことがある。 このような問題は半導体素子をマウントせしめ
た基板を実装した装置の信頼性を低下せしめて極
めて不都合である。 第４の問題は、上記メタライズ層とAlN焼結
体との高温下における接合強度が小さく、第２の
場合と同様に高温使用時の信頼性は低いというこ
とである。 第５は、完成された基板からその製作工程を逆
視した場合、熱エネルギー使用の面で不経済であ
るということである。すなわち、完成基板を得る
ためには、AlN焼結前駆体を焼結し、その上で
この焼結したものをメタライズ層形成のために再
び焼成するという問題である。 ［発明の目的］ 本発明は上記したような問題を解決し、AlN
焼結前駆体を焼結すると同時にその表面に、
AlN焼結体と熱膨張率が近似しており、耐熱性
も高く、しかも接合強度も高い導電性メタライズ
層を形成する方法の提供を目的とする。 ［発明の概要］ 本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を
重ねた結果、焼結前のAlN成形体に後述するペ
ーストを塗布し、両者を同時に焼結すると優れた
メタライズ層をAlN焼結体の表面に形成するこ
とができるとの事実を確認して本発明方法を開発
するに到つた。 すなわち、本発明の導電性メタライズ層を有す
るAlN焼結体の製造方法は、AlNの焼結前駆体
にモリブデン（Mo）、タングステン（Ｗ）およ
びタンタル（Ta）からなる群から選ばれる単体
またはそれらの１種若しくは２種以上を含有する
化合物の少なくとも１種と、Al、周期律表の
ａ族元素および希土類元素（希土類元素はSc，
Ｙを含むランタン系である）からなる群から選ば
れる単体またはそれらの１種若しくは２種以上を
含有する化合物の少なくとも１種とを含むペース
トを塗布し、ついで全体を同時に焼結することを
特徴とする。 まず、本発明方法が適用されるAlN焼結前駆
体は、例えば所定粒度のAlN粉末と、Y₂O₃，
YF₃，Sm₂O₃，CaCO₃のよえな焼結助剤の粉末と
ワツクス系または、プラスチツク系のようなバイ
ンダー成分とを所定量比で混合し、この混合体を
室温下において加圧成形又はドクターブレードに
よりシート状に成形した成形体である。AlN粉
末，焼結助剤粉末の粒度，混合比，または成形圧
等は目的とするAlN焼結体の特性との関係で適
宜選定される。 本発明方法においては、このAlN焼結前駆体
は焼結後にその熱伝導率が50W／ｍ・Ｋ以上とな
るようなものであることが好ましい。 このAlN焼結前駆体に、後述する組成のペー
ストが塗布される。塗布方法としては、例えばス
クリーン印刷，刷毛塗り，スピンローラー塗りな
ど周知の方法を適用すればよい。 本発明方法にかかるペーストは、焼結後メタラ
イズ層に転化する２つのグループ成分，とそ
れらを分散せしめる媒体とで構成される。 Mo，ＷおよびTaの群から選ばれた単体または
これら元素をそれぞれ１種若しくは２種以上化む
化合物の少なくとも１種である。 具体的には次のような成分である。すなわち、
Mo，ＷまたはTaの単体金属；これらの各種酸化
物；これらの各種炭化物；これらの各種ホウ化
物；これらの各種ケイ化物；これらの各種酸窒化
物；これらの各種炭窒化物；これらの各種ハロゲ
ン化物；これらの各種水素化物；これらの各種水
酸化物；これらの元素の亜硝酸塩，硝酸塩，亜硫
酸塩，硫酸塩，ホウ酸塩，炭酸塩，ケイ酸塩，リ
ン酸塩，亜リン酸塩，塩酸塩，塩素酸塩，シユウ
酸塩，アルミニウム塩のような各種の塩；アトロ
ンNTa／700（商品名：日本曹達(株)製）等のアル
コキシド，ゾルーゲルのような各種の有機金属化
合物；並びに上記した成分の２種以上を適宜に混
合した混合物をあげることができる。これらの成
分はそれぞれ単独で用いてもよいし、また適宜に
選定した２種以上を組合わせて用いてもよい。 形成すべきメタライズ層の導電性を高めるとい
う点では、とくにMo，Ｗ，Taの各単体金属であ
ることが好ましい。また、融点が高く、メタライ
ズ層の高温における安定性が優れている点で、Ｗ
がとくに好ましい。 グループの成分としては、Al、周期律表の
ａ族元素および希土類元素（希土類元素はSc，
Ｙを含むランタン系である）からなる群から選ば
れる単体またはこれら元素をそれぞれ１種若しく
は２種以上含む化合物の少なくとも１種である。 これらのうち、ａ族元素としては、Ti，Zr，
Hfをあげることができる。とくにTiはグループ
の成分がいかなるものであつた場合でも、焼結
後は良好なメタライズ層を形成することができて
好適である。希土類元素としては、Sc，Ｙ，La，
Ce，Pr，Nd，Sm，Gd，Dy等をあげることがで
きる。このうち、Ｙ，Ce，Pr，Nd，Sm，Dyが
効果的であり、とくにＹ，Smは好適である。 グループの成分としては具体的に次のような
ものをあげることができる。すなわち、Alａ
族元素および希土類元素のそれぞれの単体；これ
ら各元素の酸化物；これらの各元素の窒化物；こ
れらの各元素の炭化物；これら各元素のホウ化
物；これらの各元素のケイ化物；これら各元素の
酸窒化物；これら各元素の炭窒化物；これら各元
素のハロゲン化物；これら各元素の水素化物；こ
れらの各元素の水酸化物；これら各元素の亜硝酸
塩，硝酸塩，亜硫酸塩，硫酸塩，ホウ酸塩，炭酸
塩，ケイ酸塩，リン酸塩，亜リン酸、塩酸塩，塩
素酸塩，シユウ酸塩，アルミニウム塩のような各
種の塩；アトロンNTi（商品名：日本曹達(株)製）
等のアルコキシド，ゾルーゲルのような各種の有
機金属化合物；並びに上記した成分の２種以上を
適宜に混合した混合物をあげることができる。こ
れらの成分はそれぞれ単独で用いてもよいし、ま
た適宜に選定した２種以上を組合わせて用いても
よい。 これらグループの成分とグループの成分と
を媒体に均一分散せしめて本発明にかかるペース
トが調製される。用いる媒体としては、例えばエ
チルセルロース，ニトロセルロースとそれら溶剤
としてテレピネオール，テトラリン，ブチルカル
ビトールをあげることができる。 なお、グループの成分は、形成されたメタラ
イズ層において主にその導電性及び耐熱性を高位
の水準に維持するための有効成分であり、また、
グループの成分は、上記グループの成分を結
着せしめてメタライズ層の強度を保持するに有効
な成分であると推考される。 このときグループ成分とグループ成分との
量比関係は、それぞれに選定された成分の種類に
よつて変動するが、通常、重量比で、グループ
成分／グループ成分＝１〜100〜100／１であれ
ばよい。 また、グループ成分のうち、第族系のもの
が重量比で１／２〜２／１，第族系のものが
１／５〜１／１であるものは好適である。 グループの成分がグループの成分よりもあ
まり多すぎる場合は形成されたメタライズ層の強
度が低下し、また逆の場合はその導電性が満足す
べき水準に達しないからである。 グループの成分とグループの成分の媒体へ
の分散量は、得られたペーストの粘稠性との関係
で適宜決められる。前者が過多量である場合は、
得られたペーストが高粘稠となりAlN焼結前駆
体の表面への均一塗布が困難となる。また、その
逆の場合は、ペースト粘度が低くなり塗布したペ
ーストはAlN焼結前駆体の表面から流下してし
まう。通常、ペースト粘度が1.0×10⁵〜2.5×10⁵
ポイズとなるように前者を後者に分散せしめれば
よい。 本発明方法は、上記したペーストをAlN焼結
前駆体の表面に塗布したのち全体を同時に焼結す
る。この同時焼結に先立ち、AlN焼結前駆体の
バインダ成分およびペーストの媒体を除去するた
めに、例えば50〜700℃というような温度で脱脂
処理を施してもよい。 焼結は窒素雰囲気中で行なわれる。焼結温度，
焼結時間は、焼結後のAlN焼結体が所望の特性，
例えば熱伝導率50W／ｍ・Ｋ以上となるような条
件として設定される。具体的には、焼結温度1600
〜2000℃，好ましくは1700〜1800℃であり、焼結
時間は0.2〜５時間，好ましくは0.5〜1.5時間であ
る。 かくして、AlN焼結体の表面には塗布された
ペーストのメタライズ層が導電性の薄層として形
成される。 ［発明の実施例］ 実施例 １ (1) ペーストの調製 グループの成分として粒径0.5〜1.0μmのMo
粉末を用意し、グループの成分として粒径1.0
〜2.0μmのTiN粉末を用意した。前者50重量部と
後者50重量部とを混合した。得られた混合粉100
重量部をエチルセルロース７重量部に分散せしめ
て粘度2.0×10⁵ポイズのペーストとした。 (2) メタライズ層の形成 焼結助剤としてY₂O₃を３重量％含有するAlN
のグリーンシートの片面に、(1)で調製したペース
トを厚み15μmでローラー塗布した。 ついで、700℃の窒素雰囲気中で180分間焼成し
て脱脂処理を施したのち、全体を窒素気流中、温
度1800℃で約１時間焼結した。 得られたAlN焼結体イートの表面には、メタ
ライズ層が形成されていた。このメタライズ層の
構成相はMoとTiNであることがＸ線回折によつ
て確認された。 (3) メタライズ層とAlN焼結体シートとの接合
強度 (2)で得られたメタライズ層の上に無電解めつき
法によつて厚み約３〜5μmのNiめつき層を形成
した。ついで、800℃のホーミングガス中でめつ
き層をアニールしたのち、ここに、線径0.5mm，
引張り強度55Kg／mm²のコバール線を銀ろうを用い
てろう付けした。ろう付け温度は800℃，雰囲気
は水素50vol％，窒素50vol％の混合ガス雰囲気で
あつた。 その後、AlN焼結体シートを固定し室温（20
℃）下でコバール線を引張り、メタライズ層の剥
離状態を観察した。 引張り強さ５Kg／mm²のときにメタライズ層とコ
バール線のろう付部分が引きちぎられた。すなわ
ち、AlN焼結体シートとメタライズ層との接合
強度は５Kg／mm²以上であることが判明した。 実施例 ２〜19 グループの成分，グループの成分をそれぞ
れ表示のように選定して各種のペーストを調製し
た。これらのペーストを実施例１と同様のAlN
グリーンシートの表面に塗布し、脱脂処理を施し
たのち、表示の条件で焼結した。 得られた各種の焼結体シートにおけるメタライ
ズ層とAlN焼結体シートとの接合強度を実施例
１と同様の方法で測定した。その結果を一括して
表に示した。 比較例 １ 熱伝導率が70〜130W／ｍ・Ｋである３枚の
AlN焼結板の表面に厚膜法を適用してそれぞれ
Au，Cu，Ag−Pd層を焼付けた。 得られたメタライズ層のそれぞれにニツケルメ
ツキを施した銅ピンを半田付けしたのち、このピ
ンを引張つてメタライズ層とAlN焼結板表面と
の接合強度を測定した。いずれの場合も、約１
Kg／mm²であつた。 比較例 ２ 熱伝導率が70〜130W／ｍ・ＫであるAlN焼結
板の表面に実施例３で用いたペーストを塗布し
1700℃で焼付けた。得られたメタライズ層に700
〜800℃でコバールピンをろう付けし、このピン
を引張ることによつて接合強度を測定した。2.0
Kg／mm²であつた。 比較例 ３ 用いたペーストが実施例２で用いたペーストで
あつたことを除いては、比較例２と同様にしてメ
タライズ層を形成した。接合強度は比較例２と略
同じ値であつた。

【表】 ［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明方法は、
AlN焼結体表面にそれとの接合強度が高い導
電性メタライズ層を形成することができる。そ
のメタライズ層はMo，Ｗ，Taなどの高融点金属
を含有していて耐熱性に優れ、かつ熱膨張率も
AlN焼結体と近似した値であるため熱衝撃層と
しての機能をも有する。そしてAlN焼結前駆
体を焼結すると同時に塗布したペーストをメタラ
イズ層に転化せしめるので熱経済的に有利であ
る、などの効果を奏しその工業的価値は大であ
る。 本発明方法で製造されたAlN焼結体は上記し
た効果を奏するので、イグナイター，高周波トラ
ンス，コンデンサーのような基板部材；レーザ管
用絶縁管，電力管用絶縁外囲器，高周波電磁波進
行波管の窓，高エネルギービーム照射用窓，マグ
ネトロンのような部材；チユーブヒーター，面ヒ
ーター，シースヒーター，ハンダゴテ，アイロン
のプレス板，灸用器具，コーヒーメーカー用のヒ
ーター，ズボンプレツサー，ホツトプレート，便
座，調理用なべ、熱転写プリンターのヘツド，プ
ラグ，熱電対の保護管，るつぼばさみの先端部，
金属溶融用るつぼ，単結晶引上げ用るつぼなどの
部材に適用することができて有用である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 窒化アルミニウムの焼結前駆体に、モリブデ
   ン，タングステンおよびタンタルからなる群から
   選ばれる単体またはそれらの１種若しくは２種以
   上を含有する化合物の少なくとも１種と、Al、
   周期律表のａ族元素および希土類元素（希土類
   元素はSc，Ｙを含むランタン系である）からな
   る群から選ばれる単体またはそれらの１種若しく
   は２種以上を含有する化合物の少なくとも１種と
   を含むペーストを塗布し、ついで全体を同時に焼
   結することを特徴とする導電性メタライズ層を有
   する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。