JPH0568877B2 - - Google Patents

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JPH0568877B2
JPH0568877B2 JP59239471A JP23947184A JPH0568877B2 JP H0568877 B2 JPH0568877 B2 JP H0568877B2 JP 59239471 A JP59239471 A JP 59239471A JP 23947184 A JP23947184 A JP 23947184A JP H0568877 B2 JPH0568877 B2 JP H0568877B2
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JP
Japan
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aln
glass
substrate
layer
oxide layer
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JP59239471A
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JPS61119094A (ja
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Nobuo Iwase
Kazuyoshi Saito
Yoshasu Godai
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の技術分野] 本発明は、実質的に窒化アルミニウムセラミツ
クからなる基体(以下、AlN基体という。)を用
いた高熱伝導性回路基板の製造方法に関する。
[発明の技術的背景とその問題点] 従来から回路基板として用いられている材料と
して、Al2O3等のセラミツク基板、樹脂基板等の
各種の材料がある。なかでもAl2O3セラミツク基
板は、機械的強度、電気的絶縁性に優れており、
また、グリーンシート化が容易であるため多層配
線等の高密度配線が可能であり、広く用いられて
いる。一方、近年の電子機器の小形化等の進展に
伴い、回路基板上の電気素子(IC等)実装密度
が高くなつてきている。さらに、パワー半導体等
の搭載も考慮すると回路基板上での発熱量が大き
くなる傾向があり、放熱を効果的に行うことが要
求される。
しかしながらAl2O3セラミツク基板の熱伝導率
は20W/m・K程度と低く、発熱量が多い場合に
基板側からの放熱が余り期待できない。従つて、
高密度実装、パワー半導体搭載モジユール等の際
の基板側から放熱を考慮すると、機械的強度、電
気的絶縁性等の回路基板として要求される特性を
備え、かつ、熱導電性の良好な回路基板の開発が
要求されている。
近年のフアインセラミツクス技術の進展に伴
い、SiC、AlN等の機械的強度に優れたセラミツ
ク材料が開発されている。これらの材料は熱導電
性も優れ、構造材としての応用が研究されてい
る。また、SiCの良好な熱導電性を利用して、こ
れを回路基板として用いようとする動きもある
が、誘電率が高く、絶縁耐圧が低いため、高周
波、高電圧が印加される素子の搭載を考慮すると
問題がある。
AlN基体は、電気絶縁性、熱導電性ともに良
好であり、回路基板への応用が有望視される。し
かしながらAlNは、例えば金属アルミニウム溶
融用のルツボとして用いられているように、金属
に対する濡れ性が悪く導体層の接合は困難とされ
ていた。従つてAlN基体に直接導体路を形成し
た回路基板はなく、せいぜいサイリスタ等の電力
用半導体を有機系の接着剤で固定し放熱板として
利用する程度であつた。
特開昭52−37914号、特開昭50−132022号等に
銅板をセラミツクに直接接合する技術が開示され
ており、この技術を用いてAlN基体上に導体層
を形成することも考えられるが、微細パターンの
形成には限界があり、また、高密度配線に不可欠
な多層配線も困難であつた。
[発明の目的] 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、
電気的絶縁性、機械的強度および熱伝導性に優れ
た高熱伝導性回路基板の製造方法を提供すること
を目的とする。
[発明の概要] 本発明は、酸化層が形成されたAlN基体を回
路基板を応用することを基本とするものである。
本発明者等がAlN基体の回路基板への応用に
ついて研究を進めた結果、AlN基体表面に酸化
層を形成することにより、回路基板として非常に
優れたものとなることを見出した。すなわち酸化
層を形成することにより、導体層の接着が可能と
なるばかりか、ガラス層の接着も可能となるので
ある。特にガラス層の良好な接着は、各種の利点
がある。
AlNセラミツクは金属等に対する濡れ性の悪
いことが知られているがガラスに対する濡れ性も
悪い。しかしながら酸化層を形成することにより
金属に対する濡れ性が向上し、導体層の形成が可
能となる。また、酸化層を有していないAlN基
体に直接ガラス層を形成した場合は、ガラス層中
にアワが生じてしまい、強固な接合を得ることが
できない。これはAlN基体が大気中で高温にさ
らされるとアンモニアガス等の気体を発生するた
めと考えられる。これに対し酸化層を有する
AlN基体上に形成したガラス層中には、この様
なアワが生じず基体と良好な接合を得ることがで
きる。
このように良好なガラス層の接合が得られるこ
とは、回路基板として非常に重要である。例えば
シールを行なう際にはキヤツプと基体とを接合す
る必要があるが、このときガラスによる封止を行
なうことができる。リードフレームと基体との接
着を考えた場合もガラス接合を用いることができ
る。また、印刷多層配線を行なう場合、層間絶縁
のための誘電体層が必要であるが、ガラス層をそ
の誘電体層として用いることができる。
さらに基体上に抵抗体を形成する場合、特に有
利となる。抵抗体ペーストは一般にガラスに導体
粉が分散しているため、ガラス接合が良好に行な
われなければならない。また、抵抗体の場合は回
路設計等の点からその抵抗値の再現性が重要であ
る。酸化層が形成されていないAlN基体を用い
た場合は前述のごとくガラス層である抵抗体中に
アワが生じてしまうため、抵抗値のバラツキが非
常に大きいが、本発明によればアワが生じること
がなく良好な接合が得られるため、非常に抵抗値
の再現性良く、そのバラツキが小さい。
さてこの酸化層であるが、ガラス層とAlN基
体との接合強度を考慮した場合、酸化層が余り薄
いとその効果が発揮されないため、0.5μm以上程
度が好ましい。また余り厚いと、酸化層とAlN
基体との熱膨脹率の違い等の影響で酸化層の剥離
が生じてしまうため、100μm以下程度が好まし
い。この酸化層はアルミナ、ベーマイト等である
が、AlNに比較して熱導電性に劣るため、同程
度の接合強度が得られる範囲でできるだけ薄いほ
うが良く、2〜20μm程度が好ましい。
AlN基体上に酸化層を形成する方法としては、
例えば、大気中における高温処理があげられる。
この熱処理温度、および処理時間により、形成さ
れる酸化層の厚さが変化する。この高温処理の処
理温度が高くなるにつれ処理時間が短くなるが、
1000〜1300℃、3〜0.5hr程度で行なうことが好
ましい。その他、水蒸気中等の酸化性雰囲気中で
の熱処理(空気中に比べ比較的低温でよく、100
〜140℃程度でよい。2〜3気圧等の高圧下で行
なうことが好ましい。)、酸性液中での浸漬等各種
の方法があげられる。
本発明に用いるAlN基体は、AlN原料にY、
希土類元素、アルカリ土類元素等の添加物を加え
て(金属元素換算で0.01〜15wt%程度)の常圧焼
結、ホツトプレスする方法、酸素を7wt%以下程
度含有するAlN原料を用いて前記添加物を加え
ての常圧焼結、ホツトプレスする方法、また、実
質的に添加物を加えることなくAlN原料単独で
のホツトプレスする方法等で製造する。本発明は
添加物の有無にかかわらずAlN基体であればど
のような方法で製造されたものにでも適用でき
る。
AlN基体の熱伝導率な、40W/m・K以上、
例えば100W/m・Kとアルミナセラミツクの
20W/m・Kに比べ格段に優れており、機械的強
度40〜50Kg/mm2(アルミナ25Kg/mm2)電気的絶縁
耐力140〜170kV/cm(アルミナ100kV/cm)と
回路基板として要求される特性がアルミナ以上で
ある。この様なAlNセラミツクの良好な特性を
生かして、高熱伝導性回路基板を得ることができ
るのである。本発明においては、AlN基体表面
が酸化されているため、厳密にはAlNとは言え
ないが、その酸化層は極めて薄いため、本発明で
得られる高熱伝導性回路基板の諸特性は酸化層を
有しないAlN基体とほぼ同様である。
本発明のガラス層は一般にアルミナ基体に用い
られているものを用いることができる。例えば、
PbO−SiO2−B2−O3系や、BaO−SiO2−B2O3系
等のガラスを用いることができる。AlN基体の
酸化状態の変化等の影響を考慮すると軟化点が
350〜950℃のガラスを400〜1000℃程度の温度で
接着することが好ましい。なお本発明では、この
ときガラス層を構成する元素が多少酸化層中に拡
散してもよく、本発明で得られる高熱伝導性回路
基板においては、酸化層中にこのような拡散成分
が少量含有されても何ら問題はない。
また、このように酸化層を有するAlN基体を
用いることにより、基体上に形成した厚膜パター
ン中にアワの発生がないため、特に厚膜抵抗パタ
ーンを形成した場合その抵抗値を再現性良く形成
できるというメリツトを有する。厚膜抵抗ペース
トとしては、やはりアルミナ用等の一般に用いら
れているものでよく、例えば、RuO2ペースト、
LaF6ペースト等を用いることができる。また、
導体ペーストとしても通常のAg、Au、Cu、Ni、
Alペースト等を用いることができる。
[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、AlN基
体上にガラス層を強固に接合することができ、
AlNセラミツクの電気的絶縁性、機械的強度を
生かした高熱伝導性回路基板を得ることができ
る。
この回路基板は比較的発熱量の多い、高密度実
装用、パワー半導体搭載用として好適である。
[発明の実施例] 以下に、本発明の実施例を説明する。
実施例 1 Y2O3を3wt%含有するAlN基体を大気中1250
℃、1hrの条件で酸化処理をおこなつた。得られ
たAlN基体表面には6μmのAl2O3層が形成されて
いた 次いで所定の部位にガラスペースト(日本電気
ガラスLS0120M)を塗布し脱バインダーの後、
350℃、5min.の条件で仮焼した。その後、42ア
ロイ製のリードフレームを乗せ、420℃、10min.
の条件で本焼成を行なつた。次いで、ICをマウ
ント、ボンデイングの後、アルミナ製のキヤツプ
を前記ガラスを用いて420℃、10min.の条件で焼
成接合し封着した。
ガラス層中にはアワが確認されず良好な接合が
実現されていることが確認された。接合強度はリ
ードフレーム、キヤツプとも破断に対する垂直加
重で500g以上と充分実用上問題のない値を示し
た。熱抵抗はアルミナの同様のCERDIP28ピンの
パツケージの場合の15%減であつた。従つてアル
ミナの場合1Wしか入力できなかつたものが1.2W
まで入力できることになつた。
実施例 2 AlN基体を10%リン酸液に浸漬し、酸化処理
を行なつた。基体表面には3μmの酸化被膜が形
成されていた。このAlN基体上に、Auペースト
(dupont991)を325メツシユパターンで印刷し、
常温に10min.放置の後、120℃、10min.の条件で
乾燥し、続いて850℃、10min.の条件で焼成し
た。誘電体層として上下導体層導通用の貫通孔を
有するようにガラスペースト(dupont9950)を
印刷形成し、上記条件と同様のプロセスで焼成し
た。このガラス層はAlN基体と良好な接着を形
成していた。この工程を3回繰返し、3層配線を
実現した。各層間でのシヨートもなく、また、接
合強度も充分であり、信頼性の高いものであつ
た。
実施例 3 6wt%のY2O3を含有するAlN基体を121℃、2
気圧の水蒸気中にいれ168hr放置し、酸化処理を
行なつた。基体表面には3〜5μmのベーマイト
膜(Al2O3ライク)が形成されていた。次いで
Ag−Pdペースト(ESL9601)を所定のパターン
で印刷し125℃、10min.の条件で乾燥した後、
930℃、10min.の条件で焼成して導体路を形成し
た。次にガラス層として抵抗ペースト
(dupont16シリーズ100kΩ/□、1kΩ/□、
10kΩ/□、1000kΩ/□)を250メツシユのスク
リーンを用いて印刷した。850℃、10min.、空気
中の条件で焼成したところ、抵抗体中にはアワが
生じず良好な接着が得られ、抵抗値は全て±15%
以内に納まつた。
比較例として酸化処理のないAlN基体上に同
様に抵抗体を形成したところ、約±30%と非常に
大きいバラツキを示した。この傾向は、終結助剤
を含有しないホツトプレスによるAlN基体でも
同様であつた。
以上実施例で説明したように、添加物を含むと
含まないとにかかわらずAlN基体上に酸化層を
形成することにより、導体層の接合、およびガラ
ス層の接合が可能となり、AlN基体の持つ高熱
伝導性、高耐圧性、機械的強度を十分に利用して
高熱伝導性回路基板を得ることができる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 窒化アルミニウムセラミツク基体表面に予め
    酸化層を形成した後、前記酸化層が表面に形成さ
    れた窒化アルミニウムセラミツク基体上でガラス
    ペーストを焼成することによりガラス層を形成す
    ることを特徴とする高熱伝導性回路基板の製造方
    法。
JP23947184A 1984-02-27 1984-11-15 高熱伝導性回路基板の製造方法 Granted JPS61119094A (ja)

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DE85102159T DE3587481T2 (de) 1984-02-27 1985-02-27 Schaltungssubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
EP85102159A EP0153737B1 (en) 1984-02-27 1985-02-27 Circuit substrate having high thermal conductivity
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