JPH0712993B2

JPH0712993B2 - 金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体

Info

Publication number: JPH0712993B2
Application number: JP61199546A
Authority: JP
Inventors: 彰笹目; 仁之坂上; 浩一曽我部
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-08-26
Filing date: 1986-08-26
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPS6355187A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は窒化アルミニウム焼結体に関し、更に詳しくい
えば表面に信頼性の高い実用的な接合強度を備えた金属
化面を有する窒化アルミニウム焼結体に関するものであ
る。

従来の技術一般に、半導体装置あるいはこれらを利用する装置、機
器は、各種の能動・受動素子を含んでいるが、これらは
発熱の問題を内包している。従って、これ等素子等を安
定かつ信頼性良く動作させるためには、実装の際の最良
の熱設計を行うことが必要であり、これは半導体装置等
の設計、製作において極めて重要である。

更に、近年半導体装置の高速動作化、高集積化等の大き
な動向がみられ、特にLSIなどでは集積度の向上が著し
い。このため基板材料の放熱性が重要視されるようにな
ってきた。

一方、IC基板用セラミックスとしては従来アルミナが用
いられてきたが、従来のアルミナ焼結体の熱伝導率では
放熱性が不十分であり、ICチップの発熱量の増大に十分
対応できなくなりつつある。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、その実用化のために多数の研究がなされている。

この窒化アルミニウムは、本来材質的に高熱伝導性並び
に高絶縁性を有し、またベリリアとは違って毒性がない
ために、半導体工業において、特に絶縁材料やパッケー
ジ材料として有望視されている。

窒化アルミニウム（AlN）焼結体は熱伝導率が高いの
で、上記のように集積回路（IC）用基板として、あるい
はヒートシンクなどとして注目されている。しかしなが
ら、このような興味ある特性を有する一方で、AlN焼結
体は金属あるいはガラス質等との接合強度に問題があ
る。ところでこの焼結体はその表面に直接、市販されて
いるメタライズペーストを塗布する厚膜法もしくは活性
金属または金属の薄膜を蒸着などの手法で形成する薄膜
法などを利用して、金属化層を付与した状態で使用する
ことが一般的である。しかしながら、このような方法に
よっては実用に十分耐え得る接合強度を得ることはでき
ず、実際には金属化前または金属化操作中に何等かの手
法で表面を改質し、他の例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AlN焼結体の表面改質のための従来法として
は、AlN焼結体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。即ち、例えば、AlN焼結体
表面にSiO₂、Al₂O₃、ムライト、Fe₂O₃、Cu等の酸化物層
を形成する方法である。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、AlN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。

発明が解決しようとする問題点以上述べたように、電気絶縁性かつ熱伝導率が極めて良
好であることから、良好な放熱性が要求されるIC絶縁基
板やヒートシンク材料として期待されるAlN焼結体は、
その表面を金属化して使用することが多いが、これらに
対する接合強度の点で問題があった。そこで、上記のよ
うな各種方法が考えられたが、いずれも不十分であり、
実用性十分な金属化面を有するAlN焼結体はいまのとこ
ろ得られていない。

即ち、従来のAlN焼結体とメタライズペースト（例え
ば、市販のフリット、ケミカルボンドタイプのもの）を
塗布する厚膜法では良好な接合強度を得ることができな
かった。これは該導体ペーストが元来Al₂O₃用であり、A
lN層とは反応性が良くないためである。

また、酸化物層を形成させながら、もしくは形成後、金
属化を施す方法が知られているAlN焼結体表面の酸化物
処理が知られている。しかしながら、上記SiO₂、Al
₂O₃、ムライト、Fe₂O₃、CuO等の酸化物層はAlNとの反応
性に乏しい。また、たとえ反応層が形成されたとして
も、該反応層は本質的に酸化物層と類似しているために
AlN表面との反応性は殆ど改善されず、従ってAlN焼結体
との接合強度も改善されない。更に、この酸化物処理は
緻密性、膜の接合強度の点でも問題がある。即ち、AlN
表面の酸化物処理は、例えば以下のような式で表わさ
れ：該反応に伴って窒素ガスが発生する場合があり、得られ
る酸化膜は著しく多孔質の膜となる。

また、活性金属を用いた厚膜法、薄膜法によっても、十
分な接合強度を期待することは難しい。即ち、これは窒
化物と反応性が高い活性金属を用いた場合でも、AlNが
著しく化学的に安定であるために、これらの間の十分な
接合強度が得られず、結合が困難であることによるもの
と思われる。

以上の如く、AlN焼結体と金属化層を実用性十分な接合
強度とするための各種試みはいずれも満足すべきもので
はなかった。従って、金属層もしくは金属酸化物等並び
にAlN焼結体両者に対して親和性を有する様な構造を設
定して、これらの間の結合を保証し、金属化層とAlN焼
結体の接合強度を改善し得るあらたな技術の開発が切に
望まれている。

そこで、本発明の目的は絶縁性並びに放熱性に優れた金
属化層とAlN焼結体の接合強度を改善することにある。
即ち、接合強度が優れ、信頼性の高い金属化面を有する
AlN焼結体を提供することにある。

問題点を解決するための手段本発明者等は窒化アルミニウム焼結体のIC用基板等とし
ての実用化研究における上記の如き現状に鑑みて、上記
目的の金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体を得る
ために種々検討・研究した結果、窒化アルミニウム焼結
体基板の金属化すべき表面上に該窒化アルミニウム焼結
体の焼結助剤の高濃度層を実現し、これを介して金属化
面を形成することが有利であることを見出し、本発明に
至った。

即ち、本発明に係る金属化面を有する窒化アルミニウム
焼結体は、周期律表第IIIa族元素の酸化物からなる焼結
助剤を含む窒化アルミニウム焼結体基板と、該基板上に
形成された金属層とを備える金属化面を有する窒化アル
ミニウム焼結体において、該焼結助剤が、該金属層が付
着した面に向かって濃度が高くなるように該基板内で分
布していることを特徴とする。

本発明の金属化層を有するAlN焼結体において、まず窒
化アルミニウム焼結体基板としては、多量の気孔、不純
物等の欠陥を含まない良好な熱伝導率を有するものであ
ることが重要である。

本発明の金属化面を有する窒化アルミニウム（AlN）焼
結体において、上記焼結助剤の高濃度層材料として有用
な第IIIa族元素としては、特にイットリウム（Ｙ）、セ
リウム（Ce）、カドリニウム（Gd）、ユウロピウム（E
u）、サマリウム（Sm）、ホロニウム（Ho）またはイッ
テルビウム（Yb）を好ましい例として挙げることができ
る。また、この高濃度助剤層の厚さは１〜100μｍの範
囲内の値とすることが好ましい。

このAlN焼結体表面に高濃度焼結助剤層を形成するため
には、以下の如き様々な方法を採用することできる。ま
ず、例えば焼結助剤として酸化セリウムを、窒化アルミ
ニウム粉末に対して５〜10wt％及び有機バインダーを添
加した後、混練して厚みが１〜10mmのグリーンシートを
作製する。このシートを適当な大きさに成形した後、脱
バインダーし、次いで1700〜2200℃の窒素中で30〜120
分焼成する。焼成中、1600℃以上で焼結助剤の酸化セリ
ウムが窒化アルミニウム粉末と反応して融液が生じ、焼
結を促進させる。しかしながら、その試料の焼結が十分
に完了しない間は多孔質であり、この毛細管を助剤成分
が通って表面へ拡散し、そして焼結が完了する。この様
に5wt％含有していた助剤のうち、ほとんどが表面に拡
散しているため焼結体内の助剤の濃度が大きく低下して
表面から１〜100μｍの深さまでは助剤の濃度は大きく
増加している。この拡散層の助剤成分は約20〜50wt％と
増加している。このため、拡散層の助剤成分の量はグリ
ーンシート作製時の焼結助剤の添加量の他に、グリーン
シートの厚み、焼結条件に大きく影響される。焼結助剤
としては、酸化セリウムの他に、窒化アルミニウム用の
焼結助剤であれば何ら差し扱えない。

かくして形成された焼結助剤の高濃度層上には所定の金
属化面が与えられる。この金属化面の形成法、使用する
材質等については特に特殊なものである必要はなく、従
来公知の各種方法並びに材料のいずれを使用することも
可能である。例えば、金属化面をAu、Ag、Pt、Pdおよび
これらの混合物などで形成する場合には、例えばAu、Au
−Pt、Pt、Ag、Ag−Pdなどのペーストをスクリーン印刷
法でコーティングし、次いで大気中、酸素雰囲気中ある
いは窒素雰囲気中で、約850〜940℃の範囲内の温度下で
焼付けする厚膜ペースト法に従って形成することができ
る。同様に金属化（メタライズ）用材料がMo、Mo−Mu、
CuまたはＷなどである場合にも厚膜ペースト法を利用す
ることができる。しかしながら、上記例示の材料は単な
る例示であって、これにより何等本発明を制限するもの
ではなく、以下の記載においても同様である。

また、本発明のAlN焼結体の金属化面は公知の各種薄膜
形成法を利用して実現することができ、好ましくは物理
蒸着法、例えば真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレー
ティング法などを利用して形成することができ、この方
法は、特に二層以上の積層構造の金属仮面を形成する際
に有利であり、周期律表第IVa族元素（チタン（Ti）、
ジルコニウム（Zr）またはハフニウム（Hf）／（Moまた
はPt）／（NiまたはAu）、例えばTi/Mo/Ni、Ti/Mo/Au、
Ti/Pt/Au、Zr/Mo/Ni、Zr/Mo/Au、Zr/Pt/Auなどの三層構
造で実現できる。

物理蒸着法の中では、特にイオンプレーティング法が、
堆積膜の密着性等において優れていることから好まし
く、また最下層即ち高濃度焼結助剤層と接する層として
は上記第IVa族元素などの活性金属を用いることが有利
であり、これらは酸素または元素周期律表第IIIa族元素
との化学親和性が高いことからAlN焼結体基板用焼結助
剤の高濃度層と強固な結合を形成するものと期待され
る。

作用 AlNは本来的にガラスあるいは金属との親和性が著しく
悪く、そのため優れた熱伝導率（放熱特性）並びに電気
絶縁性を有するにも拘らず、現在までのところ実用化に
は程遠いものであった。即ち、AlN焼結体をIC用基板、
ヒートシンクなどの材料として応用可能なものとするた
めには、これと金属等との親和性・濡れ性を改善して、
これらの間の高い密着強度を確保しなければならない。
そのための解決策として、既に述べたようにAlN焼結体
基板上に金属化面を施す前に酸化物等で表面処理を施す
方法が知られていたが、このような処理を施しても、こ
のような処理の結果得られた層とAlNとの不整合性のた
めに十分な実用化し得るほどの密着強度を達成すること
ができず、しかもAlN焼結体を表面処理することは工程
を複雑化し、得られる製品をコスト高なものとする。

以上述べた如き従来の金属化面を有するAlN焼結体の作
製においてみられた諸欠点は本発明に従って、金属化す
べき表面に焼結助剤が拡散した結果得られる高濃度焼結
剤層を有するAlN焼結体を使用することにより殆ど解決
される。

一般に、焼結助剤は焼結すべき物質に対して化学的に親
和性の高い化合物から選ばれたものであるはずであり、
焼結助剤の高濃度層とAlN層との間には不整合性はない
ことが期待され、従ってこの高濃度層とAlN焼結体とは
殆ど“一体物”であると考えられる。即ち、助剤成分は
AlN粒子を十分に濡らし、良好な粒界組織を形成するも
のと考えられる。従って、この粒界組織層によって主と
して構成される領域、即ち高濃度焼結助剤層についても
AlN焼結体と同等の機械的強度が認められ、これらの間
の不整合性は殆どないものと考えて差しつかえない。し
かも、助剤は第IIIa族元素の酸化物であるため厚膜ペー
ストに含まれるガラス成分あるいは金属と極めて濡れ性
がよく、そのため金属化面と強固に接着することができ
る。

即ち、例えば金属化面がAu、Ag、Pt系、Mo、Mo−Mn、Cu
あるいはＷなどの場合にはこれらのペーストを塗布した
後、適当な条件の下で焼成することによりペースト中に
含まれているガラス成分あるいは金属成分がAlN焼成体
表面に析出している焼結助剤成分と反応するか、あるい
はこの助剤成分を介することで焼結体表面の濡れ性が向
上し、金属化面とAlN焼結体が高い強度で接着している
ものと考えられる。

また、金属化面が第IVa族元素/MoまたはPt/AuまたはNi
の三層構造を有するものである場合、その最内層即ちAl
N焼結体基板と直接あるいは高濃度焼結助剤層を介してA
lN基板と接する層としての活性化金属層は上記高濃度層
の助剤成分と強固に結合することで高い接合強度が確保
されるものと考えられる。

以上のいずれの場合においても、焼結助剤を構成してい
る第IIIa族元素およびこれと結合している酸素が、金属
化材料とAlN焼結体との強固な接合に対して大きく寄与
していることは明らかである。このようにAlN焼結体の
金属化面側表面に高濃度焼結助剤層が存在することは極
めて重要であり、その厚さも臨界的条件となる。即ち、
強固な接合を達成するのに最小限必要な高濃度層の厚み
は約１μｍ程度であり、一方該高濃度層の厚みが約100
μｍを越えた場合にはこの高濃度層の存在のためにAlN
焼結体の特徴である高熱伝導性が低下してしまうという
別の問題が生じてくる恐れがある。そこで、本発明では
該高濃度層の厚さを上記の如く１〜100μｍの範囲内に
制限することにより、金属化面とAl焼結体との高い接合
強度を、AlN焼結体固有の特性を損うことなく確保する
ことを可能とした。

かくして、接合強度の改善された本発明による金属化面
を有するAlN焼結体は、既に述べたIC基板例えば高耐圧I
C（HIC）、ヒートシンク等としてばかりでなく、金属と
AlN焼結体との複合材料が必要とされるあらゆる分野に
おいて有利に使用することができ、AlNの有する興味あ
る特性、即ち高熱伝導性、高電気絶縁性並びに高い機械
的強度を十分に発揮させることができる。

実施例以下、実施例により本発明の金属化面を有するAlN焼結
体を更に具体的に説明すると共に、その奏する利点を明
らかにする。また製造例によってその製法を具体的に説
明する。しかしながら、本発明の範囲は以下の例によっ
て何等制限されない。

実施例１添付第１図に、本発明に従う金属化面を有するAlN焼結
体の構成を模式的に示したが、図から明らかな如く、Al
N焼結体１と、金属化面２と、これらの間に介在するAlN
焼結体焼結助剤の高濃度層３とで構成される。ここで、
金属化面２は以下の製造例に示されるように様々なもの
であり得、その厚さは従来公知のこの種の製品における
一般的範囲内の値とすることができる。

製造例１助剤としてY₂O₃、CeO₂およびGd₂O₃を5wt％添加した拡散
層（高濃度層）を有するAlN焼結体に、Au、Au−Pt、Ag
−Pdペーストを厚さ25〜30μｍ程度に塗布し、次いで大
気中にて850〜940℃で10分間焼付けを行い、金属化面を
有するAlN焼結体を形成した。かくして得た金属面上に
0.8mmφの軟銅線を半田付けして引張強度を求め、以下
の表にまとめた。尚、表面に拡散層を有しない均一に助
剤（5wt％）が分散した焼結体に同様にメタライズした
ものをも作製し、これについても上記同様に引張強度を
測定し比較例として併せて表に示した。

製造例２助剤として夫々Y₂O₃、CeO₂およびGd₂O₃を5wt％添加した
拡散層を有する３種のAlN焼結体に、Ｗ、Mo、Mo−Mnペ
ーストを厚さ28〜34μｍ程度に塗布し、弱還元雰囲気中
で、前者は1450〜1740℃、後者二者は1310〜1520℃で30
分間焼付を行い、金属面を有するAlN焼結体を形成し
た。かくして得た金属面上にNiメッキ後、0.8mmφの軟
銅線を半田付けして引張強度を求め、以下の表にまとめ
た。尚、表面に拡散層を有しない均一に助剤（5wt％）
が分散した焼結体に同様にメタライズしたものを作製
し、これらについても同様にして引張り強度を求め比較
例として併せて表に示した。

製造例３助剤としてY₂O₃、CeO₂およびGd₂O₃を5wt％添加した拡散
層を有するAlN焼結体にCuペーストを厚さ10〜15μｍ程
度に塗布し、非酸化性雰囲気中950〜1050℃で、10分間
焼付を行い、金属化面を有するAlN焼結体を形成した。
この金属化面上に、0.8mmφの軟銅線を半田付けして引
張強度を求め、以下の表にまとめた。尚、表面に拡散層
を有しない均一に助剤（5wt％）が分散した焼結体に同
様にメタライズしたものを比較例として作製し、これら
比較例についても上記同様に引張強度を求め、結果を併
せて表に示した。

製造例４助剤として夫々Y₂O₃、CeO₂およびGd₂O₃を5wt％添加し
た、拡散層を有する３種のAlN焼結体にイオンプレーテ
ィング法でTi/Mo/Ni、Ti/Mo/Au、Ti/Pt/Ni、Ti/Pt/Au、
Zr/Mo/Ni、Zr/Mo/Au、Zr/Pt/Ni、Zr/Pt/Au、Hf/Mo/Ni、
Hf/Mo/Au、Hf/Pt/Ni、Hf/Pt/Auを３層構造で積層した。
Ti、Zr、Hfの膜厚は0.4〜0.5μｍ、Mo、Ptの膜厚は0.3
〜0.5μｍ、Ni、Auの膜厚は2.0〜2.5μｍとした。この
金属化面上に0.8mmφの軟銅線を半田付けして引張強度
を求め、以下の様にまとめた。尚、表面に拡散層を有し
ない、均一に助剤（5wt％）が分散した焼結体に同様に
メタライズしたものを比較例として作製し、これら比較
例についても上記同様に引張強度を求め、結果を併せて
表に示した。

（ｉ）AlN（Y₂O₃:5wt％） a.拡散層の厚み（μｍ）１ b.拡散層の厚み（μｍ） 10 c.拡散層の厚み（μｍ） 35 （ii）AlN（CeO₂:5wt％） a.拡散層の厚み（μｍ）１ b.拡散層の厚み（μｍ） 10 c.拡散層の厚み（μｍ） 35 （iii）AlN（Cd₂O₃:5wt％） a.拡散層の厚み（μｍ）１ b.拡散層の厚み（μｍ） 10 c.拡散層の厚み（μｍ） 35 発明の効果以上詳しく述べたように、本発明の金属化面を有するAl
N焼結体基板においては、AlN焼結体自体並びにその上に
適用される金属化材料のいずれに対しても化学的親和
性、即ち濡れ性が良好である焼結助剤の高濃度層を設け
たことにより、これら両者の接合強度が著しく改善さ
れ、しかも該高濃度層の厚さを所定の範囲内に限定する
ことによりAlN焼結体自体の固有の特性、即ち高い電気
絶縁性、熱伝導性並びに機械強度を十分に保持させ、か
つ発揮させることができる。

更に、本発明において助剤として周期律表第IIIa族元素
の酸化物を選ぶことにより、この物質の高濃度層と厚膜
ペースト中のガラス成分もしくは金属と、あるいはまた
薄膜法によるTi、Zr、Hfの蒸着膜と強固に結合し、実用
化するのに十分な接合強度を持つ金属化AlN焼結体製品
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

添付第１図は、本発明の金属化面を有するAlN焼結体の
構造を模式的に断面図で示したものである。（主な参照番号）１……AlN焼結体、２……金属化層、３……高濃度焼結
助剤層、

フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−55179（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−197373（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−207789（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期律表第IIIa族元素の酸化物からなる焼
結助剤を含む窒化アルミニウム焼結体基板と、該基板上
に形成された金属層とを備える金属化面を有する窒化ア
ルミニウム焼結体において、該焼結助剤が、該金属層が付着した面に向かって濃度が
高くなるように該基板内で分布していることを特徴とす
る窒化アルミニウム焼結体。
【請求項２】前記基板内で、前記窒化アルミニウム焼結
体に対する前記焼結助剤の濃度が20重量％以上の層が、
１〜100μｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の金属化面を有する窒化ア
ルミニウム焼結体。
【請求項３】前記第IIIa族元素がイットリウム、セリウ
ム、ガドリニウム、ユーロピウム、サマリウム、ホロニ
ウムまたはイッテルビウムであることを特徴とする特許
請求の範囲第１項または第２項に記載の金属化面を有す
る窒化アルミニウム焼結体。
【請求項４】前記焼結助剤の分布が、焼結前は基板材料
中に均一に分散されていた焼結助剤が、焼結の際に液相
になり毛管現象によって焼結体内で拡散して形成された
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項から
第３項までの何れか１項に記載の金属化面を有する窒化
アルミニウム焼結体。
【請求項５】前記金属層が、Ag、Au、PtおよびPdからな
る群から選ばれた少なくとも１種の金属により形成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第４
項までの何れか１項に記載の金属化面を有する窒化アル
ミニウム焼結体。
【請求項６】前記金属層がMo、Mo−Mn、CuあるいはＷに
より形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項から第４項までの何れか１項に記載の金属化面を有
する窒化アルミニウム焼結体。
【請求項７】前記金属層が、前記窒化アルミニウム焼結
体の表面側から（第IVa族の元素）／（MoまたはPt）／
（NiまたはAu）の順に設けられた三層構造を有するもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第４
項までの何れか１項に記載の金属化面を有する窒化アル
ミニウム焼結体。