JPH0826864A - ＡｌＮメタライズ基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＡｌＮ基板とメタライズ層、あるいはメタラ
イズ層とめっき層との接合（密着）強度を十分に保つこ
とができ、めっき層のふくれやメタライズ層のはがれ等
の発生を防止し得るＡｌＮメタライズ基板を提供する。 【構成】 ＡｌＮ焼結体からなる基板表面にメタライズ
層を設け、このメタライズ層上にめっき層を設けたＡｌ
Ｎメタライズ基板であって、めっき層はメタライズ層中
の酸化物成分を除く成分と接触している。あるいは、め
っき層の一部がメタライズ層中に拡散されていると共
に、そのめっき層の拡散領域がメタライズ層の表面から
厚さの 1/2以下の範囲とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム(Al
N）基板を用いたメタライズ基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子等の高出力化や高集積
化等に伴って、素子からの発熱量は年々増加する傾向に
ある。これにより、半導体素子の搭載基板やヒートシン
ク、あるいはハイブリッドＩＣ用回路基板等として、高
熱伝導性を有するＡｌＮ焼結体からなる基板が注目され
ている。

【０００３】ＡｌＮ基板を上記したような電子部品用材
料として用いる場合には、回路や素子搭載部の形成等を
目的として、その表面に導電性金属層を形成することが
不可欠である。このような金属層（メタライズ層）は、
ＭｏやＷ等の高融点金属を主成分とし、これに必要に応
じてＴｉ、ＴｉＮ等の活性金属成分等を添加したメタラ
イズ組成物を用い、これをペースト化したもの（メタラ
イズペースト）を塗布、焼成することにより形成するこ
とが一般的である。

【０００４】ところで、上記したようなメタライズ層上
には、通常、ＮｉめっきやＡｕめっき等が施されるが、
ＡｌＮ基板へのメタライズに伴う処理温度は、従来のア
ルミナ基板等に比べて高温であるため、ＡｌＮ基板中の
粒界相成分やメタライズ層中のガラス成分がメタライズ
層表面に拡散して、めっき層の密着性を阻害したり、さ
らにはめっき層にふくれが生じる等の問題を招いてい
た。

【０００５】また、上述したようなめっき層を無電解め
っきで形成する場合、無電解Ｎｉめっきの触媒化液や無
電解Ａｕめっき液は、pHが12〜13程度のアルカリ溶液で
あるため、ＡｌＮ基板にダメージが生じ、メタライズ層
の接合強度が低下したり、またＡｌＮ基板の表面平滑度
の悪化等に伴って、非メタライズ部分にめっき金属が付
着する等の問題を招いていた。さらに、上述したような
めっき層上に予めはんだ層を形成（プレソルダー）する
場合、めっき層にふくれが生じていたり、あるいはメタ
ライズ層にはがれが生じていると、はんだ層にポア等が
形成され易くなり、また非メタライズ部分にめっき金属
が付着していると、はんだも不要部分に付着してしまう
というような問題をも招いていた。

【０００６】上述したようなメタライズ層やめっき層の
接合（密着）強度の低下、めっき層のふくれやはんだ層
のポア等は、いずれも半導体素子の搭載時等に大きな悪
影響を及ぼし、またいずれも基板作製時における最終工
程近くで生じるため、その実害は大きい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のＡｌＮ基板表面に形成したメタライズ層へのめっき処
理やはんだ処理においては、メタライズ層やめっき層の
接合（密着）強度の低下を招いたり、さらにはめっき層
のふくれやはんだ層のポア等が発生するという問題があ
った。

【０００８】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、ＡｌＮ基板とメタライズ層、あるい
はメタライズ層とめっき層との接合（密着）強度を十分
に保つことができ、めっき層のふくれやメタライズ層の
はがれの発生を防止し得るＡｌＮメタライズ基板、さら
にはめっき層上にはんだ層を形成する場合には、はんだ
層の形成状態を良好に保つことが可能なＡｌＮメタライ
ズ基板を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段と作用】本発明のＡｌＮメ
タライズ基板において、請求項１記載のＡｌＮメタライ
ズ基板は、ＡｌＮ焼結体からなる基板と、前記基板表面
に設けられたメタライズ層と、前記メタライズ層上に設
けられためっき層とを具備するＡｌＮメタライズ基板に
おいて、前記めっき層は、前記メタライズ層中の酸化物
成分を除く成分と接触していることを特徴としている。

【００１０】また、請求項４記載のＡｌＮメタライズ基
板は、ＡｌＮ焼結体からなる基板と、前記基板表面に設
けられたメタライズ層と、前記メタライズ層上に設けら
れためっき層とを具備するＡｌＮメタライズ基板におい
て、前記めっき層は、その一部が前記メタライズ層中に
拡散していると共に、前記めっき層の拡散領域は、前記
メタライズ層の表面から厚さの 1/2以下の範囲であるこ
とを特徴としている。本発明のＡｌＮメタライズ基板に
用いられる基板は、ＡｌＮを主成分とし、これにＹ₂ Ｏ
₃ やＡｌ₂ Ｏ₃ 等の焼結助剤成分を適量添加して作製し
たＡｌＮ焼結体からなるものである。また、メタライズ
層としては、Moや W等の高融点金属を主成分とし、これ
に必要に応じてＴｉ、ＴｉＮ等の活性金属成分等を添加
したメタライズ組成物等を用い、これをペースト化した
メタライズペーストの塗布、焼成により形成したもの等
が挙げられる。

【００１１】メタライズ層中の酸化物成分、例えばメタ
ライズ層中に拡散したＡｌＮ基板中の焼結助剤成分やメ
タライズ層内のガラス成分等は、めっき層の密着性の低
下要因となる。そこで、請求項１記載のＡｌＮメタライ
ズ基板においては、メタライズ層上に設けられためっき
層がメタライズ層中の酸化物成分を除く成分と接触した
状態、言い換えればメタライズ層中の酸化物成分とは直
接接触していない状態としたものである。

【００１２】めっき層とメタライズ層中の酸化物成分と
が直接接触していない状態は、例えばめっき処理前にメ
タライズ層の最表面に存在する酸化物成分を予め化学的
エッチング処理等で除去し、その後にめっき処理を施す
ことによって実現することができる。酸化物成分は、ガ
ラス状態でメタライズ層の最表面に存在しているため、
アルカリ溶液等のエッチング液を用いることによって、
ＭｏやＷ等のメタライズ層の主成分に対して選択的に除
去することができる。

【００１３】また、メタライズ層の厚さを例えば 9μm
以上と厚くすることによっても、上述したようなめっき
層とメタライズ層中の酸化物成分とが直接接触していな
い状態を得ることができる。メタライズ層の厚さを 9μ
m 以上とすると、ＡｌＮ基板へのメタライズ処理中の高
温下においても、処理時間内に酸化物成分がメタライズ
層の表面まで拡散することが防止できる。このようなメ
タライズ層の厚さ設定と上記化学的エッチング処理とを
組合せることが望ましい。なお、 9μm というメタライ
ズ層の厚さは、一般的なＡｌＮ基板へのメタライズ処理
条件に基いて設定したものであり、処理条件等によって
は異なる最適値が存在する場合がある。また、請求項４
記載のＡｌＮメタライズ基板は、基本的にはめっき処理
時に使用するアルカリ性処理液による処理時間を短縮
し、ＡｌＮ基板へのダメージを低減することによって、
メタライズ層の接合強度の低下やはがれを防止しようと
するものである。ただし、単に処理時間を短くしただけ
ではめっき層の密着強度が低下してしまう。

【００１４】そこで、請求項４記載のＡｌＮメタライズ
基板においては、めっき層の一部をメタライズ層に拡散
させると共に、めっき層の拡散領域をメタライズ層の表
面から厚さの 1/2以下の範囲としている。このようなメ
タライズ層に拡散し得るめっき層としては、析出性の高
いＮｉ−Ｂめっきを用いて形成したものが好ましい。め
っき層の一部をメタライズ層に拡散させることにより、
上述したようなアルカリ性処理液による処理時間の短縮
を補って、良好な密着強度を有するめっき層が得られ
る。

【００１５】また、めっき層の拡散領域がメタライズ層
の厚さの 1/2を超えると、めっき層の拡散領域がメタラ
イズ層の接合強度に悪影響を及ぼすため、めっき層の拡
散領域をメタライズ層の表面からその厚さの 1/2以下の
範囲に規定している。このような拡散領域をメタライズ
層の厚さの 1/2以下としためっき層は、めっき処理条件
等を制御することにより実現できる。

【００１６】上述したような本発明のＡｌＮメタライズ
基板においては、めっき層上にはんだ層を予め設けた場
合、めっき層のふくれやメタライズ層のはがれ等が防止
されているため、形成状態の良好なはんだ層を得ること
ができる。特に、請求項４記載のＡｌＮメタライズ基板
によれば、ＡｌＮ基板の表面平滑度の低下等が抑制でき
るため、非メタライズ部分にめっきやはんだが付着する
ことが防止できる。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。

【００１８】実施例１〜４ まず、ＡｌＮを主成分とする熱伝導率が200W/m KのＡｌ
Ｎ基板（焼結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ を 3重量% 含む）を用
意し、このＡｌＮ基板の表面に、Ｍｏ粉末とＴｉＮ粉末
との混合粉末に有機系バインダを加えてペースト化した
ものを、スクリーン印刷法により所望の形状に印刷し、
乾燥させた後、窒素雰囲気中にて1973K で焼成して、厚
さ13μm のメタライズ層を形成した。

【００１９】次に、上記ＡｌＮ基板のメタライズ層表面
の酸化物成分を、328Kの5%水酸化ナトリウム溶液で 3分
間エッチングすることにより除去した後、ワット浴中に
て電気Ｎｉめっきを施し、厚さ 3μm のＮｉめっき層を
形成した（実施例１）。また、5%水酸化ナトリウム溶液
による処理時間を 6分間（実施例２）、10分間（実施例
３）、30分間（実施例４）に変更する以外は同様にし
て、Ｎｉめっき層を有するＡｌＮメタライズ基板を作製
した。

【００２０】このようにして得たＮｉめっき層を有する
ＡｌＮメタライズ基板のめっき前のメタライズ層最表面
における酸化物成分の有無、めっき層を含めて熱処理
（窒水素雰囲気中、 1073K× 5分）を施した後のめっき
ふくれの発生率（めっきの密着性）を測定、評価した。
その結果を表１に示す。なお、表１中の比較例は、エッ
チングを行っていないもの（比較例１）とエッチング不
足のもの（比較例２）である。

【００２１】

【表１】 表１から明らかなように、メタライズ層に 3分間以上エ
ッチング処理を施して、メタライズ層最表面の酸化物成
分を除去したＡｌＮメタライズ基板は、めっき層の密着
性に優れ、めっき層にふくれが生じていないことが分か
る。

【００２２】また、上記実施例１のＡｌＮメタライズ基
板のめっき層上に、Ｐｂ／Ｓｕ／Ａｇ＝95/3.5/1.5の組
成のはんだ箔（厚さ=0.1mm）を配置し、カーボン治具で
挟んだ後、還元雰囲気中（Ｎ₂ ／Ｈ₂ ＝80/20)で通炉し
てプレソルダーを行った。得られたはんだ層の状態を評
価したところ、形成状態の良好なはんだ層が得られてい
ることを確認した。

【００２３】実施例５〜７ メタライズ層の厚さを 9μm （実施例５）、13μm （実
施例６）、17μm （実施例７）とすると共に、5%水酸化
ナトリウム溶液によるエッチング処理時間を 6分間とす
る以外は、上記実施例１と同様にして、厚さ 3μm のＮ
ｉめっき層を有するＡｌＮメタライズ基板を作製した。

【００２４】このようにして得たＮｉめっき層を有する
ＡｌＮメタライズ基板のめっき前のメタライズ層最表面
における酸化物成分の有無、めっき層を含めて熱処理を
施した後のめっきふくれの発生率（めっきの密着性）を
測定、評価した。その結果を表２に示す。なお、表２中
の比較例３、４は、メタライズ層の厚さを薄くしたもの
である。

【００２５】

【表２】 表２から明らかなように、メタライズ層の厚さが 9μm
以上で、メタライズ層の表面に酸化物成分が拡散してい
ないＡｌＮメタライズ基板は、めっき層の密着性に優
れ、めっき層にふくれが生じていないことが分かる。こ
れに対し、メタライズ層の厚さが薄い比較例のＡｌＮメ
タライズ基板では、酸化物成分のメタライズ層表面への
拡散が著しく、エッチングが不十分となっているため
に、メタライズ層とめっき層との密着力が低下してめっ
き層にふくれが生じた。

【００２６】実施例８ ＡｌＮを主成分とする熱伝導率が170W/m KのＡｌＮ基板
（焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃ を 3重量% 含む）を用意し、
このＡｌＮ基板の両表面に、Mo粉末と TiN粉末との混合
粉末に有機系バインダを加えてペースト化したものを、
スクリーン印刷法により所望の形状に印刷し、乾燥させ
た後、窒素雰囲気中にて 1973Kで焼成してメタライズ層
を形成した。

【００２７】次に、上記メタライズ層を有するＡｌＮ基
板を、常温の 50%塩酸溶液中で 5分間酸洗処理し、水洗
した後、アルカリ性触媒液(pH=12〜13）を用いて333K×
2.5分間の条件で触媒化処理を行った。なお、上記アル
カリ性触媒液による標準処理条件は333K× 5分間であ
る。水洗後、無電解Ｎｉ−Ｂめっき液（ベル801(商品
名、上村工業社製）を用いて、厚さ 1μm の 1次めっき
層を形成した。次いで、還元性雰囲気中にて 1073Kで 5
分間加熱処理して、 1次めっき層をメタライズ層に定着
させた。

【００２８】熱処理後の 1次めっき層に酸洗、活性化処
理（酸性）を行った後、無電解Ｎｉ−Ｐめっき液（S680
（商品名、カニゼン社製）を用いて、めっき層の厚さが
合計で 3μm となるように 2次めっき層を形成した。こ
の後、 1次めっき層と 2次めっき層とを密着させるため
に、還元性雰囲気中にて873Kで 5分間加熱処理した。こ
のようにして得た無電解Ｎｉめっき層上に、コバール製
のネールヘッドピン（ネールヘッド径=1.4mm）を高温は
んだ（Ｐｂ：Ｓｎ：Ａｇ=93.5:5:1.5(重量比））を用い
て接合し、このネールヘッドピンの引張り強度を測定し
た。具体的には、ＡｌＮメタライズ基板の裏面を固定
し、引張り強度試験機によりネールヘッドピンを上方垂
直に、引張りスピード10mm/minで引張り、メタライズ層
の引張り強度を測定した。その結果、平均で3kgfという
良好な結果が得られた。

【００２９】上記引張り試験後に、メタライズ層部分を
切断してめっき層の拡散状況を確認したところ、めっき
層の一部はメタライズ層中に拡散していると共に、その
拡散領域はメタライズ層の表面から厚さの 1/2以下であ
った。

【００３０】また、上記実施例８のＡｌＮメタライズ基
板の両面のめっき層上に、Ｐｂ／Ｓｕ／Ａｇ＝95/3.5/
1.5の組成のはんだ箔（厚さ=0.1mm）をそれぞれ配置
し、カーボン治具で挟んだ後、還元雰囲気中（Ｎ₂ ／Ｈ
₂ ＝80/20)で通炉してプレソルダーを行った。得られた
はんだ層の状態を評価したところ、はんだ層の流れや非
メタライズ部分へのはんだの付着、さらにははんだ層の
ひけ等は発生しておらず、形成状態の良好なはんだ層が
得られていることを確認した。

【００３１】比較例５ アルカリ性触媒液(pH=12〜13）による触媒化処理条件を
333K× 5分間とする以外は、実施例８と同様にして、無
電解めっき層(1次めっき層のみ）を有するＡｌＮメタラ
イズ基板を作製した。このメタライズ層の接合強度を実
施例８と同様して測定したところ、引張り強度は1.5kgf
であった。また、引張り試験後に、メタライズ層部分を
切断してめっき層の拡散状況を確認したところ、めっき
層の一部はメタライズ層中に拡散していたが、その拡散
領域はメタライズ層とＡｌＮ基板との界面まで達してい
た。

【００３２】比較例６ 無電解Ｎｉ−Ｐめっき液（S680（商品名、カニゼン社
製）で一次めっきを行う以外は、実施例８と同様にし
て、無電解めっき層（一次めっき層のみ）を有するＡｌ
Ｎメタライズ基板を作製した。このようにして得ためっ
き層は、めっきむら（めっきが析出しない領域）が発生
していた。

【００３３】なお、はんだ層の形成状態の改善だけを考
えた場合には、Ｐ濃度が 3〜8%程度の無電解Ｎｉ−Ｐめ
っきも有効である。この場合には、無電解めっき後に水
素濃度が10〜 50%程度の水素含有雰囲気中にて 773〜 1
023K程度の温度で熱処理し、還元雰囲気中でプレソルダ
ー処理を行うことが好ましい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載のＡ
ｌＮメタライズ基板によれば、メタライズ層とめっき層
との密着強度を十分に保つことができるため、めっき層
のふくれ等を防止することが可能となる。これにより、
電子部品の搭載基板等として好適な健全なＡｌＮメタラ
イズ基板を提供することができる。

【００３５】また、請求項４記載のＡｌＮメタライズ基
板によれば、ＡｌＮ基板とメタライズ層との接合強度を
十分に保つことができるため、メタライズ層のはがれ等
を防止することが可能となる。これにより、同様に電子
部品の搭載基板等として好適な健全なＡｌＮメタライズ
基板を提供することができる。

【００３６】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡｌＮ焼結体からなる基板と、前記基板
   表面に設けられたメタライズ層と、前記メタライズ層上
   に設けられためっき層とを具備するＡｌＮメタライズ基
   板において、 前記めっき層は、前記メタライズ層中の酸化物成分を除
   く成分と接触していることを特徴とするＡｌＮメタライ
   ズ基板。
2. 【請求項２】 請求項１記載のＡｌＮメタライズ基板に
   おいて、 前記メタライズ層の最表面は、化学的エッチング処理に
   より酸化物成分が除去されていることを特徴とするＡｌ
   Ｎメタライズ基板。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のＡｌＮメ
   タライズ基板において、 前記メタライズ層は、厚さが 9μm 以上であることを特
   徴とするＡｌＮメタライズ基板。
4. 【請求項４】 ＡｌＮ焼結体からなる基板と、前記基板
   表面に設けられたメタライズ層と、前記メタライズ層上
   に設けられためっき層とを具備するＡｌＮメタライズ基
   板において、 前記めっき層は、その一部が前記メタライズ層中に拡散
   していると共に、前記めっき層の拡散領域は、前記メタ
   ライズ層の表面から厚さの 1/2以下の範囲であることを
   特徴とするＡｌＮメタライズ基板。
5. 【請求項５】 請求項１記載または請求項４記載のＡｌ
   Ｎメタライズ基板において、 前記めっき層上には、はんだ層が設けられていることを
   特徴とするＡｌＮメタライズ基板。