JPH0455153B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0455153B2 JPH0455153B2 JP9878886A JP9878886A JPH0455153B2 JP H0455153 B2 JPH0455153 B2 JP H0455153B2 JP 9878886 A JP9878886 A JP 9878886A JP 9878886 A JP9878886 A JP 9878886A JP H0455153 B2 JPH0455153 B2 JP H0455153B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- aln
- powder
- silicate
- substrate
- metal film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Ceramic Products (AREA)
- Chemically Coating (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（発明の属する技術分野〕
この発明は、半導体用基板として用いられる窒
化アルミニウムセラミツクの表面に、ハンダ付お
よび硬ろう付が可能な金属被膜を形成する方法に
関する。
化アルミニウムセラミツクの表面に、ハンダ付お
よび硬ろう付が可能な金属被膜を形成する方法に
関する。
ここ数年、電子機器に対する小形・軽量化（高
密度実装），高速化、高出力化、高信頼化の要請
がますます強まつており、用いられる半題導体は
高集積化、チツプサイズの増大、マルチチツプ・
モジユール化あるいは高出力化の方向に進んでい
る。このような半導体の動向に伴つて以下のよう
な問題が発生しつつある。
密度実装），高速化、高出力化、高信頼化の要請
がますます強まつており、用いられる半題導体は
高集積化、チツプサイズの増大、マルチチツプ・
モジユール化あるいは高出力化の方向に進んでい
る。このような半導体の動向に伴つて以下のよう
な問題が発生しつつある。
(1) 高集積・高密度化によつて素子の単体体積当
り発熱量が多くなつて半導体素子の信頼性に悪
影響を与える。
り発熱量が多くなつて半導体素子の信頼性に悪
影響を与える。
(2) チツプの高速化に基板またはパツケージ部分
が対応できない（信号の遅引）。
が対応できない（信号の遅引）。
(3) チツプサイズの増大によりチツプと基板との
熱膨張差が大きくなつて応力が発生しやすくな
り、接合の信頼性が低下する。
熱膨張差が大きくなつて応力が発生しやすくな
り、接合の信頼性が低下する。
(4) 高電力用チツプでは使用電圧がますます増加
傾向にあるので基板の絶縁破壊が生じやすい。
傾向にあるので基板の絶縁破壊が生じやすい。
このため、半導体を支持する役目をもつ基板や
パツケージ材料にも種々の責務が課せられるよう
になつてきた。そして、素子の高集積・高密度化
を可能とする基板およびパツケージ材料は以下の
性能を保持することが必要となる。
パツケージ材料にも種々の責務が課せられるよう
になつてきた。そして、素子の高集積・高密度化
を可能とする基板およびパツケージ材料は以下の
性能を保持することが必要となる。
(1) 熱伝導率が大きいこと。
(2) 電気絶縁性が優れていること。
(3) 熱膨張係数（μ）がSiと同程度であること。
(4) 誘電率，誘電損失が小さいこと。
(5) 機械的強度が大きいこと。
(6) メタライス性が優れていること。
(7) 加工性が良いこと。
(8) 化学的に安定であること。
(9) 耐熱性があること。
(10) 低コストであること。
従来、半導体素子塔載用のセラミツク基板とし
ては、アルミナ（以下、Al2O3）が最も幅広く用
いられており、安価で技術完成度も高い。しか
し、Al2O3はその熱伝導率が小さいため、素子発
熱が問題となる高密度実装用基板としては不向き
である。Al2O3に変る高熱伝導性セラミツク基板
として、最近注目されているのが、酸化イツトリ
ウム（Y2O3）あるいは酸化カルシウム（CaO）
を焼結助剤に用いた窒化アルミニウム（以下
AlNという）と酸化ベリウム（BeO）を１〜２
重量％含有した炭化けい素（以下SiCという）の
２つである。後者のSiC基板は熱伝導率が高く、
熱膨張係数もSiに近いなどの優れた特徴をもつて
いるが、誘電率が大きく、耐電圧も低いなどの半
導体用基板としての問題も有している。
ては、アルミナ（以下、Al2O3）が最も幅広く用
いられており、安価で技術完成度も高い。しか
し、Al2O3はその熱伝導率が小さいため、素子発
熱が問題となる高密度実装用基板としては不向き
である。Al2O3に変る高熱伝導性セラミツク基板
として、最近注目されているのが、酸化イツトリ
ウム（Y2O3）あるいは酸化カルシウム（CaO）
を焼結助剤に用いた窒化アルミニウム（以下
AlNという）と酸化ベリウム（BeO）を１〜２
重量％含有した炭化けい素（以下SiCという）の
２つである。後者のSiC基板は熱伝導率が高く、
熱膨張係数もSiに近いなどの優れた特徴をもつて
いるが、誘電率が大きく、耐電圧も低いなどの半
導体用基板としての問題も有している。
一方、AlN基板はAl2O3と同様の高い体積抵抗
率、高い絶縁耐圧、低誘電率をもち、かつ高熱伝
導率（Ai2O3の５〜８倍）、低熱膨張率（Siに近
い）および高強度（Al2O3の約２倍）を有する材
料であるので、今後の高熱伝導性セラミツク基板
としてとくに有望とされている。
率、高い絶縁耐圧、低誘電率をもち、かつ高熱伝
導率（Ai2O3の５〜８倍）、低熱膨張率（Siに近
い）および高強度（Al2O3の約２倍）を有する材
料であるので、今後の高熱伝導性セラミツク基板
としてとくに有望とされている。
ところで、基板に半導体素子を塔載する際はハ
ンダ付あるいはろう付などの手法が採用される。
このため、セラミツク基板にあつてはその表面に
導体回路のための金属被膜層（メタライズ層）を
形成せしめる必要がある。AlN基板表面に金属
被膜を形成する方法としてはこれまでに次の２つ
が知られている。
ンダ付あるいはろう付などの手法が採用される。
このため、セラミツク基板にあつてはその表面に
導体回路のための金属被膜層（メタライズ層）を
形成せしめる必要がある。AlN基板表面に金属
被膜を形成する方法としてはこれまでに次の２つ
が知られている。
(1) AlNの表面を1000〜1400℃で酸化しして
Al2O3層を形成した後、AlN上に銅板を配置
し、配素分圧、温度をCu−Ｏ系の共晶温度に
精密にコントロールした電気炉中で接合する方
法。
Al2O3層を形成した後、AlN上に銅板を配置
し、配素分圧、温度をCu−Ｏ系の共晶温度に
精密にコントロールした電気炉中で接合する方
法。
(2) AlNの表面にAu，Ag−Pb，Cuなどのペー
ストを塗布した後、焼成する方法。
ストを塗布した後、焼成する方法。
上記(1)の方法はDBC（Direct Bond Copper）
基板として知られているが、酸素分圧および温度
のわずかな違いで接合強度および気密性などにバ
ラツキを生じやすいという問題がある。(2)はいわ
ゆる厚膜法として知られ、簡便な方法であるが、
その接合強さは1.2〜2.0Kg／mm2のレベルである。
したがつて、高集積、高密度実装用途の半導体基
板としてAlNを実用化していくには信頼性の高
い金属被膜の形成方法を確立していくのが課題で
ある。
基板として知られているが、酸素分圧および温度
のわずかな違いで接合強度および気密性などにバ
ラツキを生じやすいという問題がある。(2)はいわ
ゆる厚膜法として知られ、簡便な方法であるが、
その接合強さは1.2〜2.0Kg／mm2のレベルである。
したがつて、高集積、高密度実装用途の半導体基
板としてAlNを実用化していくには信頼性の高
い金属被膜の形成方法を確立していくのが課題で
ある。
この発明の目的は、気密性と接合強度に優れた
金属被膜をAlN基板上に形成させめる新規な方
法を提供することにある。
金属被膜をAlN基板上に形成させめる新規な方
法を提供することにある。
前記目的は、モリブデン粉末もしくはタングス
テン粉末に硅酸マンガンまたは硅酸鉄またそれら
を主成分とする硅酸塩の粉末を15〜40重量％加え
た混合粉末をAlN表面に塗布し、その後弱酸化
性雰囲気で1250℃から1400℃の温度範囲に加熱し
て焼結を行なうことにより達成することができ
る。
テン粉末に硅酸マンガンまたは硅酸鉄またそれら
を主成分とする硅酸塩の粉末を15〜40重量％加え
た混合粉末をAlN表面に塗布し、その後弱酸化
性雰囲気で1250℃から1400℃の温度範囲に加熱し
て焼結を行なうことにより達成することができ
る。
高融点金属粉末であるモリブデン粉末あるいは
タングステン粉末とマンガン粉末およびチタン粉
末を用いセラミツクの接合部を予め金属化し、セ
ラミツクと金属をろう付によつて気密接合するこ
とは公知であり、とくにアルミニウムセラミツク
ではMo−MnあるいはMo−Mn−Ti法として広
く用いられている。本発明者らは、このMo−
Mn法をAlNに適用して金属被膜を得ようと試み
たが、所期の目的を達成することができなかつ
た。そこで、高融点のモリブデンおよびタングス
テン粉末に対する添加元素を種々検討したとこ
ろ、高融点金属粉末にマンガンもしくは鉄を硅酸
塩の化合物の形で添加した混合粉末を用いると
AlN表面上において良好な金属被膜が形成でき
るという知見を得た。
タングステン粉末とマンガン粉末およびチタン粉
末を用いセラミツクの接合部を予め金属化し、セ
ラミツクと金属をろう付によつて気密接合するこ
とは公知であり、とくにアルミニウムセラミツク
ではMo−MnあるいはMo−Mn−Ti法として広
く用いられている。本発明者らは、このMo−
Mn法をAlNに適用して金属被膜を得ようと試み
たが、所期の目的を達成することができなかつ
た。そこで、高融点のモリブデンおよびタングス
テン粉末に対する添加元素を種々検討したとこ
ろ、高融点金属粉末にマンガンもしくは鉄を硅酸
塩の化合物の形で添加した混合粉末を用いると
AlN表面上において良好な金属被膜が形成でき
るという知見を得た。
モリブデン、タングステンの高融点金属粉末に
添加する硅酸塩粉末の割合は15〜40重量％の範囲
が最適である。これは、15重量％以下ではAlN
に対する高融点金属粉末の結合性が低下し、逆に
40重量％以上では金属被膜形成後に高融点金属上
へ施すメツキの付着性およびろう付あるいはハン
ダ付の接合強度が劣化して、半導体用基板として
の信頼性が保証できなくなるためである。また、
本発明によればAlN表面に金属被膜を形成せし
める際の温度は1250゜〜1450℃の範囲およびその
雰囲気は弱酸化性であることが必要である。これ
は、1250℃以下の温度ではAlNと高融点金属−
硅酸塩混合粉末がよく反応せず、さらに硅酸塩粉
末が高融点金属粉末粒子よく濡らさないため、接
合強度に問題を生じるためである。また1450℃以
上になると、硅酸塩が一部ガラス化してAlNの
結晶粒界に拡散し、その強度と誘電特性を劣化さ
せるため不可である。1250〜1450℃の範囲であれ
ば硅酸塩がAlNと高融点金属粉末の双方をよく
濡らしAlNとの結合が強固でかつ微密な金属被
膜を得ることができる。
添加する硅酸塩粉末の割合は15〜40重量％の範囲
が最適である。これは、15重量％以下ではAlN
に対する高融点金属粉末の結合性が低下し、逆に
40重量％以上では金属被膜形成後に高融点金属上
へ施すメツキの付着性およびろう付あるいはハン
ダ付の接合強度が劣化して、半導体用基板として
の信頼性が保証できなくなるためである。また、
本発明によればAlN表面に金属被膜を形成せし
める際の温度は1250゜〜1450℃の範囲およびその
雰囲気は弱酸化性であることが必要である。これ
は、1250℃以下の温度ではAlNと高融点金属−
硅酸塩混合粉末がよく反応せず、さらに硅酸塩粉
末が高融点金属粉末粒子よく濡らさないため、接
合強度に問題を生じるためである。また1450℃以
上になると、硅酸塩が一部ガラス化してAlNの
結晶粒界に拡散し、その強度と誘電特性を劣化さ
せるため不可である。1250〜1450℃の範囲であれ
ば硅酸塩がAlNと高融点金属粉末の双方をよく
濡らしAlNとの結合が強固でかつ微密な金属被
膜を得ることができる。
一方、加熱時の雰囲気が還元性であると硅酸塩
中に酸化物の形で存在するマンガンまたはFeが
還元されてしまうため、AlNとの結合層を形成
できなくなつてしまう。他方、雰囲気の酸化性が
強いとAlNおよび高融点金属が酸化されて金属
被膜を形成できなくなる。このため、本発明では
弱酸化性雰囲気を使用するのであるが、この場合
酸化性の下限は還元性となる直前まで許容でき
る。弱い酸化剤としてはとくに水蒸気が有効であ
り、加温した水中に素ガスをバブリングし、その
水温によつて雰囲気中の酸素濃度を調整するのが
良い。
中に酸化物の形で存在するマンガンまたはFeが
還元されてしまうため、AlNとの結合層を形成
できなくなつてしまう。他方、雰囲気の酸化性が
強いとAlNおよび高融点金属が酸化されて金属
被膜を形成できなくなる。このため、本発明では
弱酸化性雰囲気を使用するのであるが、この場合
酸化性の下限は還元性となる直前まで許容でき
る。弱い酸化剤としてはとくに水蒸気が有効であ
り、加温した水中に素ガスをバブリングし、その
水温によつて雰囲気中の酸素濃度を調整するのが
良い。
なお、本発明の方法で得た高融点金属の金属被
膜は、ハンダおよび硬ろうに対して濡れ性が悪く
酸化されやすいので、金属被膜を形成後、ニツケ
ル等のメツキを施す必要がある。以下に、この発
明を実施例に基づき説明する。
膜は、ハンダおよび硬ろうに対して濡れ性が悪く
酸化されやすいので、金属被膜を形成後、ニツケ
ル等のメツキを施す必要がある。以下に、この発
明を実施例に基づき説明する。
実施例 １
モリブデン粉末80重量％、硅酸マンガン粉末20
重量％の混合粉末を有機溶剤中でよく懸濁してペ
ースト状とし、これをスクリーン印刷法でAlN
の表面上に18μmの厚さに塗布した。これを電気
炉に挿入し、炉内には50℃の水温でバブリングし
た水素ガスを流しながら時間当り300℃の速度で
1400℃まで昇温し、1400℃で１時間保持して
AlN表面に10μm厚の金属被膜を形成した。この
後、金属被膜に無電解ニツケルメツキ法で厚さ
4μmのニツケルメツキを施した。これを水素と窒
素ガスの混合雰囲気で820℃×15minの熱処理を
行つたメツキの剥離、ふくれなどの有無を検査し
たが、それらの欠陥は一切観察されなかつた。次
にメツキ処理したAlN基板と鉄−ニツケル合金
について銀ろう（BAg−８）を用いて820℃の水
素雰囲気でろう付し、その接合部の気密性を調べ
た。その接合部のヘリウムソーワ量は１×10-5
atmml／sec以下であり、その気密性は良好であ
ることを確認した。さらに、メツキ処理した
AlN基板上に直径が0.5mmの銅線を共晶ハンダ
（40％pd−60％Sn）ハンダ付して、その引張試験
を行つた。この試験では全てが銅線部分で破断
し、金属被膜とメツキ界面およびAlNと金属被
膜の界面などで破損は認められなかつた。そし
て、銅線が破断した時の引張強さは25Kg／mm2であ
り、本発明の方法によるAlN基板上の金属被膜
はこれ以上の強度に耐えることを示した。
重量％の混合粉末を有機溶剤中でよく懸濁してペ
ースト状とし、これをスクリーン印刷法でAlN
の表面上に18μmの厚さに塗布した。これを電気
炉に挿入し、炉内には50℃の水温でバブリングし
た水素ガスを流しながら時間当り300℃の速度で
1400℃まで昇温し、1400℃で１時間保持して
AlN表面に10μm厚の金属被膜を形成した。この
後、金属被膜に無電解ニツケルメツキ法で厚さ
4μmのニツケルメツキを施した。これを水素と窒
素ガスの混合雰囲気で820℃×15minの熱処理を
行つたメツキの剥離、ふくれなどの有無を検査し
たが、それらの欠陥は一切観察されなかつた。次
にメツキ処理したAlN基板と鉄−ニツケル合金
について銀ろう（BAg−８）を用いて820℃の水
素雰囲気でろう付し、その接合部の気密性を調べ
た。その接合部のヘリウムソーワ量は１×10-5
atmml／sec以下であり、その気密性は良好であ
ることを確認した。さらに、メツキ処理した
AlN基板上に直径が0.5mmの銅線を共晶ハンダ
（40％pd−60％Sn）ハンダ付して、その引張試験
を行つた。この試験では全てが銅線部分で破断
し、金属被膜とメツキ界面およびAlNと金属被
膜の界面などで破損は認められなかつた。そし
て、銅線が破断した時の引張強さは25Kg／mm2であ
り、本発明の方法によるAlN基板上の金属被膜
はこれ以上の強度に耐えることを示した。
実施例 ２
モリブデン粉末80重量％、硅酸鉄20重量％の混
合粉末を実施例１と同様にAlN表面上に塗布し、
1350℃で１時間保持して金属被膜を形成した。こ
れについても、実施例１と同条件で評価したが、
そ気密性、接合強度は実施例１と同等の結果であ
つた。
合粉末を実施例１と同様にAlN表面上に塗布し、
1350℃で１時間保持して金属被膜を形成した。こ
れについても、実施例１と同条件で評価したが、
そ気密性、接合強度は実施例１と同等の結果であ
つた。
なお、実施例１，２において、高融点金属粉末
としてモリブデン粉末を用いても前記のモリブデ
ン粉末の場合と同様の結果であることが実験的に
確認できた。
としてモリブデン粉末を用いても前記のモリブデ
ン粉末の場合と同様の結果であることが実験的に
確認できた。
以上説明したごとく、本発明によればモリブデ
ン粉末もしくはタングステン粉末に硅酸マンガン
または硅酸鉄またはそれらを主成分として含む硅
酸塩の粉末を15〜40重量％加えた混合粉をAlN
表面に塗布した後、弱残化性の雰囲気で1250℃か
ら1450℃の温度で焼結することにより、従来知ら
れている方法に比べてAlNとの結合が強固でか
つ緻密な金属被膜が得られるので、気密性と接合
強度にすぐれかつ電子機器の小形、軽量化、高速
化、高出力化、高信頼化を可能とする半導体素子
塔載用基板を提供できるという効果を有する。
ン粉末もしくはタングステン粉末に硅酸マンガン
または硅酸鉄またはそれらを主成分として含む硅
酸塩の粉末を15〜40重量％加えた混合粉をAlN
表面に塗布した後、弱残化性の雰囲気で1250℃か
ら1450℃の温度で焼結することにより、従来知ら
れている方法に比べてAlNとの結合が強固でか
つ緻密な金属被膜が得られるので、気密性と接合
強度にすぐれかつ電子機器の小形、軽量化、高速
化、高出力化、高信頼化を可能とする半導体素子
塔載用基板を提供できるという効果を有する。
Claims (1)
- １ 窒化アルミニウムセラミツクの表面に、モリ
ブデン粉末もしくはタングステン粉末に硅酸マン
ガンまたは硅酸鉄またはそれらを主成分として含
む硅酸塩の粉末を15〜40重量％加えた混合粉末を
塗布した後、弱酸化性の雰囲気で1250℃から1450
℃の温度に加熱して焼結することを特徴とする金
属被膜の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9878886A JPS62256781A (ja) | 1986-04-28 | 1986-04-28 | 金属被膜の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9878886A JPS62256781A (ja) | 1986-04-28 | 1986-04-28 | 金属被膜の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62256781A JPS62256781A (ja) | 1987-11-09 |
| JPH0455153B2 true JPH0455153B2 (ja) | 1992-09-02 |
Family
ID=14229109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9878886A Granted JPS62256781A (ja) | 1986-04-28 | 1986-04-28 | 金属被膜の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62256781A (ja) |
-
1986
- 1986-04-28 JP JP9878886A patent/JPS62256781A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62256781A (ja) | 1987-11-09 |
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