JPH0645509B2 - セラミック基板の表面改質と接合の方法 - Google Patents

セラミック基板の表面改質と接合の方法

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JPH0645509B2
JPH0645509B2 JP1239637A JP23963789A JPH0645509B2 JP H0645509 B2 JPH0645509 B2 JP H0645509B2 JP 1239637 A JP1239637 A JP 1239637A JP 23963789 A JP23963789 A JP 23963789A JP H0645509 B2 JPH0645509 B2 JP H0645509B2
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尚之 金原
結理花 井野
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、セラミック基板の表面改質法および該方法で
表面改質したセラミック基板と金属板との接合方法に関
し、特にAlN(窒化アルミニウム)基板と銅板あるい
は銅粉との接合体を得るためにAlN基板の接合すべき
面をAlに選択的に改質することを特徴とする表
面改質法およびこれを利用した接合方法に関する。
[従来技術] 近年、回路基板として使用できる高熱伝導性セラミック
基板として、AlN基板が開発され、該基板に、従来A
基板用に使用されてきた導電ペーストを同様に
用いて回路基板を製造することが試みられているが、こ
の方法で得られた回路基板は密着強度が弱く且つ信頼性
に欠けるという欠点を有していた。
これらの欠点を改善する技術として、特開昭61−11
9094号公報「高熱伝導性回路基板」に開示された、
AlN基板の表面に酸化層を形成することにより導体層
たる銅板等の接合を可能にした方法が知られている。こ
の目的で、AlN基板表面に酸化層を形成する方法とし
ては、大気中での高温処理、水蒸気中等の酸化性雰囲気
での熱処理、および酸洗液中への浸漬処理等が知られて
いる。
しかしながらこれらの方法には、以下のような問題点が
あった。
すなわち大気中で高温処理を行う方法では、処理温度が
高いため、AlN基板表面が酸化されてAl基板
に改質され、AlN基板との熱膨脹差によりクラックが
発生する。更に冷却工程においてその効果は大きくな
り、クラックがより進展する。この結果、後続の工程で
接着させた銅などの導体層の密着強度の低下および繰り
返り熱衝撃に対する信頼性の低下を招く。
水蒸気中等の酸化性雰囲気で熱処理を行う方法では、A
lN基板の耐湿性を考慮に入れると大きな問題は生じな
い筈であるが、導体との接着を行う場合に、脱水を十分
に行わないと接着不良を生じることになる。また、上述
の特開昭61−119094号公報の実施例3に示され
ているように、この方法は処理時間が168時間と長く、
工業的に利用するには生産性が著しく劣る方法である。
また、上記公報の実施例2には10%リン酸液中に浸漬し
て酸化処理する方法も開示されているが、その方法は、
本発明者等の実験によれば、本明細書の比較例2に示す
ように工業的な生産方法としては不適当な手段であるこ
とが判明した。
一方、他のAl系セラミック材であるAl基板に
銅板を直接接合させる方法が、本発明者等の先行発明で
ある特開昭63−166774号公報に開示された「銅
板とアルミナ基板との接合体の製造方法」により知られ
ているが、この方法はAl基板と銅板とを直接接
合させる方法としては優れているもののAlN基板には
直接適用できない方法であった。
[発明が解決しようとする課題] 上述のように高熱伝導性セラミック基板であるAlN基
板に対して、銅板あるいは銅粉からなる導体層を接合す
る方法が求められていたが、現状では既に述べたような
方法しか知られていなかった。
[課題を解決するための手段] 本発明者等は斯る課題を解決するために鋭意研究したと
ころにより、タフピッチ銅中に含有される酸素を有効に
利用してAlN基板表面をAlに改質させ得るこ
とを知り、さらにこのように表面改質したAlN基板を
用いることによってAlN基板とCu板等の導体との直
接接合が可能であることを見い出し、本発明を達成する
ことができた。
すなわち本発明においては、AlN基板の表面を選択的
に酸化することを目的として、AlN基板にタフピッチ
銅を接触させて酸素を0.5%以下含有する不活性ガス
中、温度800℃以上で加熱処理することによりAlN
基板表面をAlに改質する。
また、本発明の方法は、AlN基板にタフピッチ銅を接
触させて酸素を0.5%以下含有する不活性ガス中に
て、温度800℃以上で加熱処理することによりAlN
基板表面をAlに改質した後、得られた表面改質
AlN基板に銅板等の所定の導体を接触させて不活性雰
囲気中において、1,083℃以下のただし、1,08
3℃に近い温度に加熱することにより導体と表面改質A
lN基板とを直接接合させてセラミック基板と導体との
接合体を得る。
[作 用] AlNの酸化反応は、1気圧の下では次式に基づいて行
われる。
4AlN+30=2Al+2N‥‥(1) △G(J/mol)=−2,068,230+193.57T (933〜2,000K) これによりlogPO2=2/3logPN2−22.8 (1,373K) すなわち酸素濃度が大きな高温雰囲気中では、AlN基
板の表面が急速に酸化されてしまうことがわかる。
AlN基板の特徴である高熱伝導性を保持させるために
は、AlN基板表面の酸化を過度に進めることは好まし
くない。したがって、できるだけ限定的な酸化を実施す
る手段が求められていた。
このような目的に有効な手段としては低温で酸化を行う
かあるいは酸素分圧の低い雰囲気で酸化を行うことが考
えられるが、酸素濃度コントロールを必要とする高温炉
は高価となり、工業的量産を行う上で好ましくない。ま
た、雰囲気にさらされたAlN基板の全表面が酸化され
てしまうので、選択的に基板表面のある部分のみ、ある
いは基板の片面のみを酸化させたい場合には不都合であ
る。
そこで本発明者等は全く別の着想に基づき、タフピッチ
銅をAlN基板表面上に重ねて配置し、両者の界面空間
で生じるAlNとCuOとの分解における平衡反応を
利用して、AlN基板表面の所望部分のみを選択的に酸
化したり、あるいはAlN基板の両面だけの酸化を行っ
たりすることのできるAlN基板表面の選択的酸化方法
を開発した。この方法によればAlN基板の所望の表面
部分だけを選択的に酸化してAlに改質すること
ができる。
上記の場合、タフピッチ銅中のCuOとCuとの間に
は、次のような解離の平衡式が成り立つ。
CuO(s)=2Cu(s)+1/2O(g)‥‥(2) この反応の標準自由エネルギー変化は △G=40,500+3.92TlogT−29.5T
(cal)で与えられており、 なる関係が成り立ち、CuOは酸素分圧の大きさによ
り、ある温度Tdで解離することが理解される。
本発明者等の実験等においても、酸素を含まない窒素雰
囲気炉中に、AlN基板上に配置したタフピッチ銅を入
れて加熱したところ、タフピッチ銅中のCuOは解離
してOを発生し、上述の(1)式に示す反応によりAl
N基板が酸化されてAlに改質されていることが
確認された。
この方法では、発生するOの量を、使用するタフピッ
チ銅中の酸素量により制御することができるので、大気
中で高温加熱してAlNを分解、酸化する方法より制御
し易い。
また、タフピッチ銅より発生する酸素は、銅板表面近傍
にのみ多量に生じるので、タフピッチ銅をAlN基板に
隣接配置しないときには酸素の供給がなく、AlN基板
表面の酸化は生じない。従ってAlN基板上の酸化を必
要とする部分だけにその必要部の形状に合わせた所定の
形状を持つタフピッチ銅を予めプレス成形およびエッチ
ング処理等の方法で作成して、AlN基板上に配置する
ことによりAlN基板の所望の部分だけを選択的に酸化
改質することができる。
以下、実施例によりさらに詳細に説明する。
[実施例1] AlN基板として、焼結助剤にYを含んだ厚さ
0.635mm、縦横寸法22mm×22mmの基板1を用意
し、銅板として、酸素含有量280ppmのタフピッチ銅
(同和金属工業株式会社製)からなるAlN基板1より
一回り小さい大きさの銅板2を用意し、第1図に示すよ
うにAlN基板1上にタフピッチ銅の銅板2を載せ、メ
ッシュベルト3でマッフル式抵抗加熱炉に搬入した。
酸化条件は、炉内の雰囲気が酸素濃度0.2ppm以下に
保たれた窒素ガス雰囲気であり、加熱温度は毎分50℃
の割合で昇温しながら、炉内の最高到達温度を1,00
0℃に設定し、1,000℃に達したらその温度に10
分間保持し、その後は逆に毎分50℃の割合で降温する
という形の温度プロファイルとなるようなベルトスピー
ドで炉内を通過させて熱処理を行った。
取り出した後のAlN基板の表面には、タフピッチ銅の
内部より昇華したCuOが分解、解離してCuが付着
していたため、このCuを硝酸で洗浄除去した後、Al
N基板表面に残った反応生成物をX線回折で調べたとこ
ろ、AlN基板上面1aにはAlのピークが観察
されたが、タフピッチ銅を接触配置しなかったAlN基
板下面1bにはAl等のピークは観察されなかっ
た。
このことからAlN基板の下面1bにおいては、タフピ
ッチ銅の内部より昇華したCuOが分解、解離して生
じたOの影響を受けてAlN基板の表面がAl
になる反応は生じていないことが知られる。
次いで得られた表面改質AlN基板をそのまま用いて、
特開昭63−166774号に記載されているように銅
板を接触配置して、酸素濃度20ppmの窒素ガス雰囲気
中で、1,063℃の温度に8分間保持してAlN基板
と銅板とを直接接合させるための処理をし、冷却して取
り出したところ、十分良く接合した銅板とAlN基板の
接合体が得られた。
[実施例2] 実施例1と同様に、AlN基板1上にタフピッチ銅の銅
板2を配置した後、エッチング処理を行い、第2図に示
すパターンを形成した。
次に、AlN基板1を実施例1と同様な条件下で酸化処
理した後、該基板表面の反応生成物をX線回折で調べた
ところ、タフピッチ銅のパターンと接触しているA部で
はAlN基板の表面にAlが観察されたが、タフ
ピッチ銅と接触していないB部ではCuの付着もなく、
AlN基板表面のAlへの改質も認められなかっ
た。
[比較例1] 実施例1に示す酸化処理を施さなかったAlN基板その
ものを用いて、特開昭63−166774号に記載され
ているように銅板を配置して、酸素濃度20ppmの窒素
ガス雰囲気中で1,063℃の温度に8分間保持してA
lN基板と銅板とを直接接合させるための処理をした
が、実施例1の場合と異なり、接合体は得られなかっ
た。
[比較例2] 特開昭61−119094号公報に開示されている方法
に従ってリン酸によるAlN基板の表面改質を試みた。
実施例1に示すAlN基板を用いて、10vol.%リン酸
水溶液中で6時間煮沸した後、AlN基板をX線回折で
調べたところ、上下いずれの表面にもAlの存在
は認められなかった。
これはAlNが共有結合性の強い化合物であり、一般的
に酸に対して強いため、リン酸では容易に酸化されない
ことによるものであると理解される。
[発明の効果] 本発明は上述したようにAlN基板の表面を酸化改質す
るに際し、酸化させたい個所を任意に選択でき、更に、
短時間で低コストで処理できるものである。
また、本発明法で改質したAlN基板に銅板を直接接合
することができるため、高価なAlN基板を有効に活用
できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明法に従ってAlN基板上に銅板を接触
配置したものをメッシュベルト上に載せた状態を示す側
面図である。 第2図は、第1図に示したAlN基板と銅板の平面図で
ある。 第3図は、AlN基板上に載せた銅板の一部をエッチン
グで除去して導体パターンを形成した本発明の別の実施
態様についての平面図である。 符号の説明 1……AlN基板 1a……同上面 1b……同下面 2……銅板 3……メッシュベルト A……銅パターンと接触している部分 B……銅パターンと接触していない部分

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】AlN基板にタフピッチ銅を接触させて酸
    素を0.5%以下含有する不活性ガス中にて、温度800℃以
    上で加熱処理することによりAlN基板表面をAl
    に改質することを特徴とするセラミック基板の表面改
    質方法。
  2. 【請求項2】AlN基板にタフピッチ銅を接触させて酸
    素を0.5%以下含有する不活性ガス中にて、温度800℃以
    上で加熱処理することによりAlN基板表面をAl
    に改質する第1工程; 次いで得られた表面改質AlN基板に所定の銅板を接触
    させて不活性雰囲気中において、1,083℃以下のただし
    これに近い温度に加熱することにより銅板と表面改質A
    lN基板とを直接接合させる第2工程; からなることを特徴とするセラミック基板の接合方法。
JP1239637A 1989-09-14 1989-09-14 セラミック基板の表面改質と接合の方法 Expired - Lifetime JPH0645509B2 (ja)

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