JPH0450186A - 窒化アルミニウム基材への金属化層形成方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は窒化アルミニウム基材の表面に金属化層を形
成する方法に関し、特に高融点金属を金属成分とする金
属化層の形成方法に関するものである。

［従来の技術］　［発明が解決しようとする課題］近年
、半導体装置の高速動作化、高集積化等の大きな変化が
見られ、特にＬＳＩなどでは集積度の向上が著しくなっ
ている。このため、半導体素子がその上に搭載される基
板材料の放熱性か重要視されるようになってきた。

このようなＩＣ基板用セラミックスとしては、従来から
アルミナ（Ａ１２０３）が用いられてきた。しかし、従
来のアルミナ焼結体の熱伝導率は低いために放熱性が不
十分である。そのため、ＩＣチップの発熱量の増大に十
分対応可能な基板用セラミックスとしてアルミナ焼結体
を用いることは困難になってきている。

そこで、このようなアルミナ基板に代わるものとして、
高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムを用いた基板あ
るいはヒートシンクなどが注目されており、その実用化
のために多くの研究がなされている。

この窒化アルミニウムは、本来、材質的に高い熱伝導性
、高い絶縁性を有し、同様に高い熱伝導率を有するベリ
リアと異なり毒性がないので、半導体装置用の絶縁材料
やパッケージ材料として有望視されている。しかしなが
ら、このような特性を有する窒化アルミニウム焼結体は
金属またはガラス質等の材料との接合強度において問題
を有する。この窒化アルミニウム焼結体は、その表面に
金属化層を付与した状態で用いられることが一般的であ
る。この金属化層の形成は、窒化アルミニウム焼結体の
表面に直接、市販されているメタライズペーストを塗布
する厚膜法、あるいは活性金属または金属の薄膜を蒸着
などの手法を用いて形成する薄膜法等によって行なわれ
る。しかしながら、このような方法によって形成された
金属化層は、窒化アルミニウム焼結体との間で実用に十
分耐え得る接合強度を得ることはできない。そのため、
実際には金属化前または金属化操作中に何らかの手法を
用いて窒化アルミニウム焼結体の表面を改質し、他のた
とえば、金属等との接合性を改善する必要がある。

このような窒化アルミニウム焼結体の表面を改質するた
めの従来の方法としては、窒化アルミニウム焼結体の表
面に酸化処理等を施して酸化物層を形成する方法が知ら
れている。

たとえば、特公昭５８−１１３９０号公報には、窒化ア
ルミニウム焼結体の表面に５ｉ０２、Ａｔ２０３、ムラ
イト、Ｆｅ２Ｏ３等の酸化物層を形成する方法が開示さ
れている。しかしながら、上記の例示のような酸化物層
はガラス層、アルミナ層などに対しては良好な親和性を
有し、強固な結合を生ずるが、窒化アルミニウム焼結体
自体とは親和性が小さく、信頼性に問題があるものと考
えられる。ここで、信頼性とは、酸化物層と窒化アルミ
ニウム焼結体との間の接合強度にばらつきが存在しない
こと、所定のヒートサイクル試験においても一定の接合
強度が維持され得ること等が挙げられる。

また、特開昭６３−１１５９３号公報には、タングステ
ンおよび／またはモリブデンと、接着強度の増強剤とし
て５ｉ０２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯの酸化物混合体とを主
成分とする導体ペーストが窒化アルミニウム焼結体に塗
布された後、温度１６００℃以上で焼成する方法が開示
されている。

しかしながら、この方法によれば、焼成温度が高いとと
もに、得られる金属化層の信頼性も十分とはいえないと
いう問題点があった。

そこで、この発明の目的は、高い接着強度と信頼性とを
備えた金属化層を形成することができるとともに、より
低い焼成温度で金属化層を形成することが可能な、窒化
アルミニウム基材への金属化層形成方法を提供すること
である。

［課題を解決するための手段］ この発明に従った窒化アルミニウム基材の表面に金属化
層を形成する方法は、以下の工程を備える。

（ａ）　　所定の形状を有するように予め形成された窒
化アルミニウム成形体および窒化アルミニウム焼結体の
いずれかからなる窒化アルミニウム基材を準備する工程
。

（ｂ）　Ａ１２ｏ３．５１０２、Ｃａ０ＳＹ２０３から
なる群より選ばれた一種以上の酸化物を１重量％以上４
０重量％以下、一種以上の鉄族金属を０．０１重量％以
上１．０重量％以下、および高融点金属を含有し、その
高融点金属はタングステンおよびモリブデンからなり、
タングステンとモリブデンとの重量比率（Ｗ／Ｍｏ）が
１／１以上１０００／１以下である、高融点金属ペース
トを作製する工程。

（Ｃ）　　高融点金属ペーストを窒化アルミニウム基材
の表面に塗布する工程。

（ｄ）　　高融点金属ペーストが塗布された窒化アルミ
ニウム基材を１４００℃以上２０００℃以下の温度で加
熱焼成する工程。

なお、上記（ｂ）の工程において、鉄族金属は鉄、コバ
ルト、ニッケルをいう。

［発明の作用効果コ この発明に従った金属化層形成方法によれば、窒化アル
ミニウム焼結体の表面に所定の組成を有する金属ペース
トがスクリーン印刷法等により塗布された後、焼成され
る。あるいは、プレス体、シート成形体等の窒化アルミ
ニウム成形体の表面に金属ペーストが塗布された後、こ
の窒化アルミニウム成形体と金属ペーストとが同時に焼
成されることにより、緻密化される。

金属ペーストは、酸化物粉末と鉄族金属粉末と高融点金
属粉末とを主成分とし、その他に有機物を含む。この有
機物は、エチルセルロース系、ニトロセルロース系また
はアクリル系の樹脂と、その樹脂に応じた有機溶媒とか
らなる。この酸化物粉末は、金属化層形成方法において
重要な構成要素である。この酸化物粉末は、Ａｌ２Ｏ３
，５ｉＱ２　、Ｃａｂ、Ｙ２０３からなる群より選ばれ
た一種以上の酸化物を含む。酸化物成分は、金属ペース
ト中に１重量％以上４０重量％以下含有する。

１重量％未満では、形成される金属化層の窒化アルミニ
ウム焼結体に対する密着力が小さい。また、酸化物成分
が金属ペースト中に４０重量％を超えて含有すると、金
属化層の窒化アルミニウム焼結体に対する密着力が低下
する。

上記金属ペースト中に鉄族金属は０．０１重量％以上１
．０重量％以下含有する。この鉄族金属は、金属ペース
ト中の高融点金属の焼結を促進させる。鉄族金属が金属
ペースト中において０．０１重量％未満では上記の効果
を得ることができない。また、鉄族金属が金属ペースト
中において１゜０重量％を超えると、窒化アルミニウム
焼結体と金属化層の接着力が低下する。

金属ペースト中に含まれる高融点金属粉末はタングステ
ン粉末とモリブデン粉末との混合粉末からなる。タング
ステン粉末とモリブデン粉末との重量比率（Ｗ／Ｍｏ）
は１／１以上１０００／１以下である。モリブデン粉末
がタングステン粉末よりも重量比率で多くなると、金属
化層と窒化アルミニウム焼結体との密着力が低下する。

また、タングステンとモリブデンとの重量比率が１００
０／１より大きくなると、タングステン粉末の焼結が不
十分となる。

金属ペーストを構成する各成分は、ボールミル、３本ロ
ールミル等を用いて十分に混練される。得られた金属ペ
ーストは、窒化アルミニウム焼結体の表面上、またはプ
レス体、シート成形体からなる窒化アルミニウム成形体
の表面上にスクリーン印刷法、筆塗り法等を用いて塗布
される。乾燥後、金属ペーストが塗布された窒化アルミ
ニウム焼結体または窒化アルミニウム成形体は、温度１
４００℃以上２０００℃以下の非酸化性雰囲気中で加熱
焼成される。窒化アルミニウム焼結体の表面上に金属ペ
ーストが塗布される場合、この加熱焼成は、好ましくは
温度１４００℃以上１６００℃以下の水素含有雰囲気中
で行なわれる。窒化アルミニウム成形体の表面上に金属
ペーストが塗布された場合には、この加熱焼成は温度１
６００℃以上２０００℃以下の窒素含有雰囲気中で行な
われる。

各加熱焼成条件において、焼成温度が下限温度未満では
、焼結が不十分であり、得られる金属化層の窒化アルミ
ニウム焼結体に対する密着力が向上しない。また、各加
熱焼成条件において、上限温度を超えると、金属化層の
窒化アルミニウム焼結体に対する接着強度がかえって低
下する。

［実施例コ 以下の第１表に示されたタングステン粉末、モリブデン
粉末、酸化物粉末、鉄族金属粉末に、エチルセルロース
、ブチルカルピトールを添加し、３本ロールミルを用い
て十分混練することにより、各試料の金属ペーストが準
備された。このようにして得られた金属ペーストを、Ｙ
２Ｏ３を１重量％含有する窒化アルミニウムの焼結体ま
たはシート成形体の表面上にスクリーン印刷法を用いて
塗布した。その後、第１表に示される各焼成条件にした
がって各試料が加熱焼成された。なお、第１表中におい
て「Ｎ２−５Ｈ２」は、「Ｎ２ガスとＮ２ガスの体積比
率か９５対５」であることを示す。ｒ５ＯＮ２５０Ｈ２
Ｊは、ｒＮ２ガスとＮ２ガスの体積比率が５０対５０」
であることを示す。

このようにして形成された金属化層の表面上に１．０μ
ｍの膜厚を有するニッケルメッキ層が形成された。この
ニッケルメッキ層の上には、銅のリードフレームがろう
付けされた。このようにして準備された各試料において
、リードフレームを所定の方向に引っ張ることによって
、金属化層の窒化アルミニウム焼結体に対する接着強度
が測定された。

測定された接着強度は第１表に示されている。

なお、試料番号に＊が付されているものは比較例を示す
。第１表から明らかなように、本発明に従った方法によ
って形成された金属化層の窒化アルミニウム焼結体に対
する接着強度は、５ｋｇ／ｍｍ２以上のものが得られて
おり、極めて高い値の接着力が得られることか理解され
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 窒化アルミニウム基材の表面に金属化層を形成する方法
   であって、 所定の形状を有するように予め形成された窒化アルミニ
   ウム成形体および窒化アルミニウム焼結体のいずれかか
   らなる窒化アルミニウム基材を準備する工程と、 Ａｌ＿２Ｏ＿３，ＳｉＯ＿２，ＣａＯ，Ｙ＿２Ｏ＿３か
   らなる群より選ばれた一種以上の酸化物を１重量％以上
   ４０重量％以下、一種以上の鉄族金属を０．０１重量％
   以上１．０重量％以下、および高融点金属を含有し、そ
   の高融点金属はタングステンおよびモリブデンからなり
   、タングステンとモリブデンとの重量比率（Ｗ／Ｍｏ）
   が１／１以上１０００／１以下である、高融点金属ペー
   ストを作製する工程と、 前記高融点金属ペーストを前記窒化アルミニウム基材の
   表面に塗布する工程と、 前記高融点金属ペーストが塗布された窒化アルミニウム
   基材を１４００℃以上２０００℃以下の温度で加熱焼成
   する工程とを備えた、窒化アルミニウム基材への金属化
   層形成方法。