JPS61102744A - 半導体装置用基板およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用、性 本発明は、半導体装置用基板並びにその製造法、特に半
導体素子の発生する熱を効率よく放熱でき、しかも高い
電気絶縁性を有する半導体素子搭載用基ｉｔびにそのｖ
Ａ造法に関するものである。

従来の技術 半導体装置、これらを利用する装置、機器では、半導体
素子、抵抗器類、コイル類等における発熱のために複雑
な熱系を構成するが、このような熱は各種熱伝導様式、
例えば熱伝導、熱輻射、対流等により装置外に放出され
ることになる。

一般に、半導体素子には特性上並びに信頼性の点から最
大限許される温度（最高許容温度）があり、また、雑音
余裕の点からも素子内あるいは素子相互間の温度差にも
許容範囲が存在する。

従って、これら素子等を安定かつ信頼性よく動作させる
べく、最良の熱設計を行うことは、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、半導体素子の高速化、高密度化、大型化の
動向がみられ、それに伴い半導体素子の発熱量の増大が
大きな問題となっている。そこで、半導体装置用基板に
ついても、放熱性の改良、即ち基板全体としての板厚方
向の熱伝導性のより一層の改良が要求されている。その
ために、半導体装置用基板については、同時に高い電気
絶縁性と、高い放熱性とを有することが要求されること
になる。

しかるに、従来使用されていた半導体装置用基板は、い
ずれも前記２つの特性を同時に満足し碍るものではなか
った。例えば、安定な電気絶縁性を有するという理由か
ら、Ａ１□０３．２Ｍｇ０・Ｓ　＋　０２等の焼結セラ
ミ７りが広く利用されているが、このようなセラミック
は絶縁性においては満足できるものの、熱伝導性に劣り
、放熱性の要求を満足するものではなかった。また、一
部においては、Ｗ、　Ｍｏ、　Ｃｕ等の高熱伝導性金属
材料が半導体装置用Ｊｉｌ；　ｌｉとして使用されてい
る。しかしながら、これら金属材料は本来導電性材料で
あ乞ために、電気絶縁性において問題であり、半導体装
置の設計使用上、大きな制約を受ける。更に、電気絶縁
性とある程度の放熱性とを併せ持つことから、一部にお
いてＢｅＯの使用が試みられていたが、高価でありかつ
毒性を有することから、広く利用されるには至っていな
い。

以上の欠点を解消するために、熱伝導性良好な金属板と
、ガラスやセラミックなどの電気絶縁性良好な無機物質
とを組合せた複合材を利用する試みもなされている。し
かしながら、これらを以下に示すような一般的な方法で
複合化した場合には、目的とする、充分に高い電気絶縁
性と放熱性とを併せもつ基板を得ることは極めて困難で
あると思われる。

即ち、例えば、上記一般的方法の１つとして、スクリー
ン印刷法により金属板をガラスで被覆することが考えら
れる。しかし、このスクリーン印刷法でピンホールのな
い充分な電気絶縁性を有するガラス層を形成するために
は、該ガラス層の厚さを１５μｍ以上で形成する必要が
あり、このような厚さは複合化基板の放熱性を著しく損
うことになる。

また、ロー付けにより複合化する場合には、予めセラミ
ック薄板を作製する必要があるが、セラミック板を２０
μｍ以下の厚さで作製することは、現状では技術的に不
可能であり、やはり高い放熱性を付与することはできな
い。逆に、ロー付は層にブローホールが形成される恐れ
があり、そのために熱伝導性は更に低下される可能性が
ある。

更に、プラズマ溶射法で金属板に無機物質を被覆する場
合にも、高い放熱性を有する基彼を（尋ることは難しい
。即ち、この方法によって形成される彼ＪＤ層は表面粗
さの度合が大きく、また、該層自体が多孔質であるので
、充分な電気絶縁性を確保するためには被覆層の厚さを
３０μｍ以上とする必要があり、この要求を満たそうと
すれば放熱性が犠１′Ｆにされることになり、逆に、放
熱性を維持しようとすれば、ｅｆｆｌ性が不十分となる
。

また、金属板の表面を酸化処理することにより、酸化物
からなる電気絶縁層を形成する試みもなされているが、
この種の金属板として一般に用いられているＣｕ５Ｎ＋
、Ｆｅ、　ＡＩ等の酸化物層は、電気絶縁性に劣るため
、好ましくない。というのは、前記金萬の中で、Ｃｕ、
　）ｈ、　Ｆｅの場合には、これら酸化物自体の電気絶
縁性が劣ることによるものであり、またＡＩの場合にあ
っては、一定の放熱性を確保するために、アルマイト層
の厚さを１０μｍ以下に抑える必要があるが、アルマイ
ト層が多孔質であるために、１０μｍ以下の厚さでは充
分な電気絶縁性を維持できないためである。

このような状況の下で、熱伝導性良好な金属板の表面に
、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）または化学的蒸着法（ＣＶ
Ｄ法）によって電気絶縁性無機物質の薄層を形成するこ
とが提案されている。この気相法により形成される薄層
は（１）緻密であり、そのため薄くても電気絶縁性を維
持する、および（１１）金属板と被覆層としての無機物
質とを任意に選択し、組合せることができる、などの特
徴を有しており、金属板としてＮ１、Ｃｕ、　Ａｌ　；
各１高熱伝導性Ｃｕ合金、Ｃｕクラッドステンレス、銅
クラツドコバール、ＭｏもしくはＷを主体とする焼結体
などを、また熱伝導性のよい無機物質としてＢ、Ｎ、Ａ
ｌ２Ｏ３、ＡＩＮ、ＳＩＣ，５１３Ｎ４、Ｙ２Ｏ１，２
Ｍｇ０・ＳｉＣ２、ダイヤモンドなどを使用した例が多
数報告されている。

このような気相蒸着法により、半導体装置用基板として
放熱性並びに電気絶縁性両者を併せ備えた優れた製品を
作製できるに至ったが、このものも、ＩＣ実装後の長寿
命試験の結果、以下のような改善すべき問題を内包して
いることがわかった。

即ち、ＰＶＤ法やＣＶＤ法により形成された被覆層は、
一般に金属板との密着性においては満足であるが、熱サ
イクルテス）（−６５℃での冷却と１ｇ５℃での加熱と
を繰返すことによるテスト）などによる長寿命テストで
は、該密着性が低下することがわかった。これは、金属
板表面において、蒸着物質と基板とが初期テストでは問
題を生じない程度の強さの金属結合を形成していたこと
によるものと思われる。

発明が解決しようとする問題点 以上詳しく述べたように、半導体装置の設計・製作にお
いては、その高速化、高密度化等の指向がみられ、それ
に伴って発熱量の増大の問題が新たに出現したが、これ
は素子の高速化、高密度化と平行して解決すべき重要な
課題である。そこで、特に半導体装置用基板については
、高い電気絶縁性と高い放熱性とを併せ持つことが要求
されるようになってきた。しかしながら、従来公知のも
のはいずれもこれら２つの要求を同時に満足するもので
はなく、また、各種改善策も試みられたが、一方の特性
を改善しようとすれば他方の特性が阻害されることとな
るなど、いままでのところ前記要求に合致する特性の半
導体装置用基板は知られていない。

尚、蒸着法により上記両物性を併せ持つ基板を得ること
も提案されているが、このものも長寿命テストにおいて
金属板と蒸着膜との結合強度が不十分であることが見出
され、実用上の信頼性を達成するには至っていない。

このような要求を満たす基板を開発することは、高速化
、高密度化の図られた半導体素子の安定性並びに信頼性
を保証する上で極めて重要であり、また、実際にもこの
ような基板の開発に対する大きな要望がある。

そこで、本発明の目的は、半導体素子の発する熱を効率
よく放出し得、しかも電気絶縁性にも浸れた半導体装置
搭載用基板の新規製造法を提供することにあり、前記両
特性において優れ、しかも熱応力に対しても安定な半導
体装置用基板を提供することも本発明の目的の１つであ
る。

問題点を解決するための手段 本発明者等は半導体装置搭載用基板の上記のような現状
に鑑みて、目的とする基板を開発すべく神々検討、研究
した結果、基板に電気絶縁性並びに放熱性を付与するた
めに熱１云導性の高い無機絶縁物質を気相法で形成する
ことが有利であることに着目し、また蒸着層と金属板と
の密着性の問題を解決するためにはこれらの間にアルミ
ナ薄膜を介在させることが有効であることを見出し、本
発明を完成した。

即ち、本発明の半導体装置用基板は、熱伝導性良好な金
属板と、該金属板上の０．５μｍ以下の厚さのアルミナ
層と、該アルミナ層上に形成された、厚さ２〜１５μｍ
の無機物質の被覆層とて構成されたことを特徴とする。

本発明の基板において、前記金属板としてはＣｕおよび
その合金、Ａ１またはその合金；Ｃｕおよびその合金と
へ１合金とのクラッド：低熱膨張係数を有する合金、例
えばλ（０もしくはＷ合金；λ１ｏまたはＷなどの粉末
合金（Ｃｕ、　ＡＩ、Ｓｉを含んでいてもよい）、例え
ば［ｕ−１５〜２０％Ｍｏ（またはＷ）などを例示する
ことができる。

また、前記無機物質としてはＡｌ２Ｏ３を使用すること
ができる。

本発明は、また、このような半導体装置搭載用基板の製
造法にも係り、該方法は熱伝導性金、萬板表面及び側面
に乾式または湿式にてアルミナ粉を衝突させて、核間を
研摩すると共に、厚さ０．５μｍ以下のアルミナ層を形
成し、次いで気相法により厚さ２〜１５μｍの電気絶縁
性ＩＲ機物質の被覆層を形成することを特徴とする。

本発明において有利に使用できる無機物質の薄膜形成法
としては、電子ビーム蒸着、イオンブレーティングなど
のＰＶＤ法並びに各ｆｎｃＶＤ法、例えばプラズマＣＶ
Ｄ、光ＣｖＤ、Ｍ○（Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ）　
ＣＶ　Ｄなどを挙げることができる。

また、アルミナ粉による金属板表面の研磨並びにアルミ
ナ層の形成はショツトブラスト機等を使用する乾式法並
びにＡ１□０３扮の分散液中に被Ｑｏ工基板を装入し、
回転させて遠心力により研摩・アルミナ層形成を行う湿
式法（バレル法）などを利用することにより実施される
。

昨月 本発明の半導体装置搭載用基板は、例えば第１図に示す
ように、金属板１と無機絶縁性被覆層２との間にアルミ
ナの薄層３を設けたことを特徴とするものでありこの介
在層３により、得られる製品の金属板１と被覆層２との
密着性が大巾に改善され、上記のような熱サイクルテス
トによっても密着性が劣化することのない、長寿命の電
気絶縁性かつ放熱性の基板を提供することが可能となる
。

前記介在層としてのアルミナ薄膜の厚さは０．５μｍ以
下、好ましくは０．０５〜０．３μｍの範囲とすること
が必要であり、この条件が満たされない場合には、所定
の金属板と被覆層との密着性を確保することができない
。即ち、０．５μｍを越えた場合、特に１μｍ以上にも
なると、アルミナ粉の衝突により得られる膜は脆弱であ
り、剥離し易く、また０、０５　μｍに満たない場合、
特に０．０２μｍ以下になると金属板表面は局部的にア
ルミナ薄膜が形成されない部分を包含することになり、
逆に密着性が悪くなる。

更に、このショツトブラスト等による下地処理は、アル
ミナを用いることが重要であり、例えば１０〜２０％の
ＭｇＯやＳｉＯ□を混合したアルミナ粉もしくは５１０
２粉末のみによるショツトブラストも実施してみたが、
密着性は従来のものよりも更に低下してしまうことが確
認された。

一方、ｍ機絶縁層は各種ＰＶＤＳＣＶＤ法により形成す
ることが可能であるが、中でも特にイオンブレーティン
グ法を利用することが有利である。

その理由は、この方法によれば極めて微細な析出粒子に
よる膜を形成することができ、従って極めて緻密な層を
形成し碍るからである。

この被覆層の厚さは、前記の如く２〜１５μｍ、好まし
くは５〜１０μｍの範囲とすることが必要である。即ち
、被覆層の厚さが１５μｍを越える場合には、膜が剥離
し易くなり、一方２μｍに満たない場合には、特に１μ
ｍ以下では基板の電気絶縁性を保、；Ｉトできなくなる
。

また、金属板の耐食性を確保する目的で、下地処理前に
金属板全面にＮ１、へｕ等のメッキを施すことも釘利で
あり、これによって金属板と被覆層との密着性は同等阻
害されることはない。

このメッキ層の形成は公知の各種方法により実施するこ
とができ、特に制限されず、例えば蒸着法、浸漬法等を
挙げることができる。

かくして、半導体搭載用の、電気絶縁性並びに放熱性両
者において優れ、しかも密着強度の高い耐熱応力性良好
な基板を提供することができる。

実、１亀例 以下、実施例により本発明の半導体装置搭載用基板並び
にその・製造法を更に具体的に説明すると共に、本発明
の基板の効果を、参考例、比較例の結果と対比させて立
証する。

実施例１および２ 金属板として、Ｃｕ粉とＭＯ粉との混合物の焼結体〔Ｃ
ｕ　−２０％Ｍｏ〕を用い、この焼結体の表面にンヨッ
トブラスト機により連続的に５ｍ／分の速度で焼結体を
送りながら１０〜３０μｍφのアルミナ粉を空気圧３〜
５ｋｇ／ｃＩ１１で１〜５分間衝突させ、該表面を研磨
すると共に０．１および０．２μｍ厚のアルミナ層を有
する２つのサンプルを形成した。次いで、上記焼結体を
メタクレン洗浄した後、蒸着物質としてＡ　Ｉ　２０　
ｓを用い、電子ビーム加熱により蒸着させた。蒸着は酸
素圧５　Ｘｌ０−’Ｔｏｒｒで、高周波電力１００１１
１　（１３，５６ＭＨｚ）を印加して蒸着物質の一部を
イオン化させ、基板温度を２００℃〜４００℃とし、蒸
着速度０．１μｍ／分で行い、夫々８．８および１１．
２　μｍの厚さのアルミナ被覆層を形成した。

参考例１〜４ 実施例１および２と同様に操作した。ただし、参考例１
および２については夫々アルミナ層０．８μｍ、０．３
μｍ、アルミナ被覆層７，５および１７．３μｍとし、
また参考例３および４についてはショツトブラストの際
アルミナ粉とシリカ扮との混合物およびンリカのみを使
用し、下地処理膜厚を夫夫０．３μｍ、０．２μｍとし
、またアルミナ被覆層を、８．５μｍ、　　７．９μｍ
とした。

比較例１および２ アルミナ粉によるショツトブラスト処理を省略した以外
は実施例１および２と同様に処理して、従来法による基
板を作製した。

かくして、作製した基板サンプルにつき、気相膜上に金
属基板と同種のＣｕ−Ｗ丸棒（１０φ）をエポキン系樹
脂で接合させ、テンシロン試験磯で引張ることによる密
着強度試験を行った。その結果を以下の；ｘｉ表に示す
。

第１表 第１表に示した結果から明らかな如く、本発明の方法に
従って作製された基板では、従来の方法により作製され
た基板よりも金属板と、蒸着膜との密着強度は約２倍も
しくはそれ以上と大巾に改善されたことを理″解するこ
とができる。

また、参考例Ｉにみられるように、ンヨットブラスト処
理において、本発明で規定する膜厚を越えるアルミナ下
地処理膜を形成した場合には、その池の条件が満たされ
ていても低い密着強度しか与えないことが理解でき、更
にアルミナ被覆層が厚すぎても、十分な密着強度を達成
し得ないことが参考例２の結果から明らかである。

実施例３および比較例３ 実施例１および２に従って、下地アルミナ層０．２μｍ
１アルミナ被覆層８．６μｍの基板、並びにアルミナ被
覆層のみを同様な操作でかつ同じ厚さで形成した従来の
基板を作製した。これら２つのサンプルを、−６５℃で
の冷却と１２５℃での加熱とを交互に繰返すことからな
る熱サイクル試験にかけ、試験中の密着強度の推移を追
跡し、ＩＩ＋、られた結果を第２図に示した。

第２図の結果から明らかな如く、本発明の製品では試験
サイクル全体に亘り殆ど密着強度の変化を示さないが、
従来品では２００回以上の熱サイク１　　　　　　ルで
２０％以上の密着強度の低下がみられる。

発明の効果 かくして、本発明によれば、金属板と蒸若絶禄膜との間
に、下地処理によりアルミナの薄膜層を介在させたこと
に基き、電気絶縁性並びに放熱性に優れ、しかもこれら
金属板と電気絶縁体膜との密着強度が従来品の約２倍も
しくはそれ以上と大巾に改善され、多数回に亘る熱サイ
クルの影響をも殆ど受けることのない、長寿命の基板が
提供される。

従って、本発明の半導体搭載用基板は、集積回路パッケ
ージ材料、ハイブリッドＩＣ基板、マザーボード基板と
して広く利用し得るものであり、半導体装置の信頼性等
を大巾に改善しく尋るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体搭載用基板を模式的に示す断面
図であり、 第２図は本発明の製品並びに従来の製品の聴サイクル試
験における挙動を示すグラフである。 （主な参照番号） ｌ　金属板、　　２１ｉ覆層、 ３　アルミナ層 １′１許出願人　　住友電気工業株式会社代　理　人　
　弁理士　　新居　正彦 １　；金属板 ２：被覆層 ３　：　ア）Ｘ／ミナ、１

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱伝導性の良い金属板と、該金属板上に設けられ
   た厚さ０．５μｍ以下のアルミナ層と、該アルミナ層上
   に形成された、厚さ２〜１５μｍの無機絶縁物質の被覆
   層とで構成されたことを特徴とする半導体装置用基板。
2. （２）前記金属板が銅およびその合金、アルミニウムお
   よびその合金；銅およびその合金とアルミニウム合金と
   のクラッド；低熱膨張係数合金；Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｌ
   、Ｓｉの粉末合金からなる群から選ばれる１種である特
   許請求の範囲第１項記載の基板。
3. （３）前記被覆層がＡｌ＿２Ｏ＿３材料で形成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の基板。
4. （４）前記アルミナ層の厚さが０．０５〜０．３μｍの
   範囲内にあることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３
   項のいずれか１項に記載の基板。
5. （５）前記被覆層の厚さが５〜１０μｍの範囲内である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１〜４項のいずれか
   １項に記載の基板。
6. （６）熱伝導性良好な金属板の表面および側面を、乾式
   または湿式にてアルミナ粉を衝突させて研磨すると同時
   に、該表面および側面に０．５μｍ以下の厚さでアルミ
   ナ層を形成し、次いで該アルミナ層上に気相蒸着法によ
   り絶縁性無機物質の被覆層を２〜１５μｍの厚さに形成
   することを特徴とする、熱伝導性良好な金属板と、アル
   ミナ層と絶縁性無機物質の被覆層とで構成される半導体
   装置用基板の製造方法。
7. （７）前記気相蒸着法が物理的蒸着法および化学的蒸着
   法からなる群から選ばれる１種であることを特徴とする
   特許請求の範囲第６項記載の方法。
8. （８）前記アルミナ粉による研磨処理工程前に、前記金
   属板を耐食性金属でメッキする工程を含むことを特徴と
   する特許請求の範囲第６項または第７項に記載の方法。