JPS62182182A - 金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体 - 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、実装の際に最良の
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、特に大規模集積回路（ＬＳＩ）などで
は集積度の向上が著しい。これに伴ってパッケージ当た
りの発熱量も著しく増大する。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、集積回路（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
の熱電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、またべＩＪ　ＩＪ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（ＡＩＮ）焼結体は熱伝導率が高いの
で、上記のように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、ＡＩＮ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、ＬＳＩをこれらの焼結体に搭載する場合には
、予め焼結体表面に金属化面を施すことが必要である。

そのために、焼結体表面に直接市販のメタライズペース
トを塗布する厚膜法や物理的・化学的蒸着法により蒸着
膜を堆積する方法が知られている。

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ＡＩＮ焼結体の表面改質のための従来法とし
ては、へＩＮ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、ＡＩＮ
焼結表面に５Ｉ０２　、Ａｌ２Ｏ５、ムライト、Ｆｅ２
Ｏ，、ＣｕＯ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、ＡＩＮ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ＡＩＮ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、実用性充分な金属化面を有するＡＩＮ焼結体はいま
のところ得られていない。

即ち、従来のＡＩＮ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、Ａ１８層とは反応性が良くないためである。

そこで、Ａ１８層に酸化アルミニウムを形成させれば導
体ペーストの濡れ性の向上が期待される。

しかしながら、酸化アルミニウムの厚みによって濡れ性
、酸化アルミニウム層、またそのＡ１８層との界面強度
、放熱性が大きく影響されている。すなわち、酸化アル
ミニウムを形成する際にはその層の厚みを正確に規定す
ることが必要である。

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ＡＩＮ焼結体の接合強度を改善するために、酸
化アルミニウム層の厚みを規定することにある。即ち、
接合強度が優れ、信頼性の高い金属化面を有するＡＩＮ
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ＡＩＮ焼結体に金属化面を施す際の従来法
の上記現状に鑑みて、金属化面の適用法としてはコスト
、生産性の点で有利なメタライズペーストの塗布による
厚膜法を選び、また表面処理としてはＡＩＮ焼結体、金
属化層両者に対して比較的親和性の優れた酸化アルミニ
ウム膜の適用を選び、その形成法の各種条件を検討し、
特にその厚さ並びに金属化層中の金属およびガラス成分
の量が接合強度にとって重要であることを知り、本発明
を完成した。

即ち、本発明の金属化面を有するＡＩＮ焼結体はＡＩＮ
焼結体基板と、その上に形成された厚さ１０〜４０μｍ
の酸化アルミニウム層と、該酸化アルミニウム層を介し
てＡＩＮ焼結体基板上に設けられた、へｕ１八ｇ、　Ａ
ｇ−ＰｄＳＣｕＳＷＳＭｏＳＭｎからなる群から選ばれ
た少なくとも１種の金属化層とで構成されることを特徴
とする。

本発明の金属化面を有するＡＩＮ焼結体は以下のように
して形成することができる。

まず、ＡＩＮ焼結体は従来公知の任意の方法で製造でき
るが、このＡＩＮはその粉末自体が極めて焼結性に劣る
ために、粉末成形後焼結して得られるＡＩＮ焼結体は多
くの場合多量の気孔を有し、熱伝導性の悪いものとなっ
てしまう。これは、ＡＩＮ焼結体のような絶縁性セラミ
ックスの熱伝導機構が、このＡＩＮがイオン結合、共有
結合からなっているために、主として格子振動間の非調
和相互作用によるフォノン伝導を主体としているので多
量の気孔、不純物等の欠陥を有する場合にはフォノン散
乱が著しく、低熱伝導度のものしか得られないことによ
るものである。

そこで、本発明者等の開発した緻密質かつ良好な熱伝導
率を有するＡＩＮ焼結体の製造方法により得られたもの
（特開昭６０−１８４６３５号明細書参照）あるいは上
記の特開昭！’１９−１２１１７５号公報発明等に開示
されたものなどを使用することが有利である。

かくして得られるＡＩＮ焼結体表面に、次いで酸化アル
ミニウム層を形成する。これはＡＩＮ焼結体表面を大気
中もしくは０２気流中で酸化（９００〜１２５０℃に加
熱）するか、あるいは化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）、イ
オンブレーティング法等の物理的、化学的蒸着法によっ
て実施することができる。

特に、接着強度を考慮すると蒸着法を利用するこ′とが
好ましい。

次いで、酸化アルミニウム層上に所定の組成のペースト
を塗布し、焼付けして金属化面が完成される。焼付けの
条件は、ペーストの種類、性質等によって変化する。

一般には、例えば大気中、加湿水素中、窒素雰囲気中に
て８００〜１７００℃の範囲内の温度下で実施される。

かくして得られる金属化面を有するＡＩＮ焼結体の品位
は、一般に引張強度測定、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
による組織観察、ＥＭＰΔよる元素分布く特に接合界面
での）を調べることによって行われる。

罫月 電気絶縁性並びに熱伝導性に優れたへＩＮ焼結体をＬＳ
Ｉ等の基板として利用する際には、その表面を予め金属
化処理する必要があるが、ＡＩＮ焼結体の固有の特性の
ために上記のような各種難点がみられた。そこで、本発
明ではコスト並びに歯産性の点で有利な厚膜法を選び、
その際の表面処理として特に酸化アルミニウム層の形成
を選び、酸化アルミニウム層の形成方法、その厚さと、
金属化層材料との関係を詳細に検討し、以下のような知
見が得られた。

上記特開昭５９−１２１１７５号公報発明にあってもＡ
ＩＮ焼結体の表面処理として酸化処理、即ち大気中で１
、０００〜１．４００℃にて３０分〜２時間加熱するこ
とによって、表面の酸素濃度が０．０５〜０．２ｍｇ　
／　ｃｎｆとなるように酸化している。しかしながら、
このような処理ではせいぜい膜厚１．０μｍ程度までの
酸化膜しか得られず、このような前処理（表面処理）で
は厚膜法でメタライズしても接着強度が低く、実用的な
レベル（２Ｋｇ　／ｍｍ２）の強度を達成するには不十
分であることがわかった。即ち、Ａ１□０３とは違って
ＡＩＮは本質的に金属との化学的親和性、濡れ性に劣る
ため、これらの間の接着強度を著しく低い。しかし、上
記のようにこれら両者に対して比較的化学的親和性並び
に濡れ性に優れた酸化アルミニウム被膜を設けても、１
．０μｍ程度までの薄い層では、上記実用的レベルの強
度を達成するには均一な酸化アルミニウム層の形成は困
難であるために、不十分であり、たとえＡＩＮ焼結体表
面に完全に酸化アルミニウム層が形成されたとしても、
その嵩が小さいために、メタライズする際にその殆どが
金属層内に拡散し、消費されてしまうために、ＡＩＮと
金属との濡れ性、化学的親和性は殆ど改善されず、当然
のこととして接着（接合）強度の改善は望めなかった。

そこで、本発明では酸化アルミニウム層の厚さについて
詳しく検討し、その厚さは１０〜４０μｍの範囲が有利
であることを見出した。

この数値範囲はいずれも本発明において臨界的であり、
以下の実施例において実証されるように、酸化アルミニ
ウム被膜の厚さが下限に満たない場合には上記のような
理由から、実用的レベルの接合強度を達成できず、また
上限を越える場合には接合強度の点では満足し得るもの
も得られるが、厚い酸化アルミニウムの存在のために機
械的強度の点で不十分となり、メタライズ層の剥離等の
新たな問題を生じるのでいずれも好ましくない。

本発明に従って、金属化面を有するＡＩＮ焼結体を以上
のような構成とすることによって、ＡＩＮ焼結体が他の
金属等に対する化学的親和性並びに濡れ性に劣ることに
起因する各種欠点が解決され、十分な接合強度で形成さ
れた金属化面を有するＡＩＮ製品が実現され、ＡＩＮ焼
結体の実用化が可能となる。

本発明の金属化面を有するＡＩＮ焼結体はＬＳＩ、ＩＣ
等の組立て実装用基板としであるいはヒートシンクとし
て有利に使用できることは勿論、高い絶縁性と放熱性と
が必要とされる各種用途において広範囲に応用できるも
のである。

実施例 以下、実施例により本発明の金属化面を有するへＩＮ焼
結体をより具体的に説明すると共に、その奏する効果を
実証するが、これら実施例は本発明の範囲を何等制限す
るものではない。

実施例Ｉ ＡＩＮ焼結体基板上に大気中および０２気流中で１、２
００℃に加熱することにより酸化するか、あるいはＣＶ
Ｄ法およびイオンブレーティング法で厚さ０．５〜６０
μｍの範囲の酸化アルミニウム層を形成した。ついで、
Ａｇペーストを塗布し、９２０℃にて１０分間焼付けし
て金属化面を形成した。かくして得た各サンプルにつき
、ワイヤ（銅線；１ｍｍφ）を半田付けにより溶接し、
その際の引張強度を測定した。結果を第１図に示した。

第１図の結果から明らかな如く、実用的な接着強度を与
える酸化アルミニウム層の厚さは１０〜４０μｍの範囲
であり、また蒸着法により酸化アルミニウム層を形成し
た場合により高い接着強度が達成されることがわかる。

尚、図中の１．Ｐ、はイオンブレーティング法で酸化ア
ルミニウム層を形成したことを示す。

実施例２ Ａｕペーストを用いた以外は実施例１と同様に操作して
、各種膜厚の酸化アルミニウム層を設けたサンプルを得
、各サンプルにつき実施例１と同様に、接着強度を測定
し、結果を添付第２図にプロットした。実施例１と同様
に本発明によるサンプルは十分に高い接着強度を与える
ことがわかる。

第２図の結果では、酸化アルミニウム被膜の厚さが４０
μｍを越えても実用レベル（２Ｋｇ　／ｍｍ２）以上の
接着強度を有しているが、この場合には既に述べた理由
から剥離等の問題を内包していることが確認された。

実施例３゜ ＡＩＮ基板上に、ＣＶＤ法によって種々の厚さで酸化ア
ルミニウム表面にペースト状のＭｏ　−Ｍｎ混合物を塗
布し、次いで加湿水素中において１．４５０℃でメタラ
イズした。次いでＮｉメッキした後実施例１と同様に接
着強度を測定した。結果を添付第３図に示す。同様に優
れた結果が得られた。

実施例４ 実施例３と同様に、ただしＷペーストを用いて各種サン
プルを得た。次いで、Ｎｉメッキした後引張強度試験を
行った。結果を添付第４図に示す。

上記実施例と同様な結果が得られた。

実施例５ 実施例３および４と同様に大気中でＡＩＮ基板表面を酸
化することによって酸化アルミニウム層を各種属さで形
成した後、ペースト状Ａｇ　−Ｐｄを用いてメタライズ
した。Ｎｉメッキを施した後、引張強度試験を行い、結
果を第５図に示した。上記同様の結果が得られた。

実施例６ 実施例５と同様に操作した。ただし、Ｃｕペーストを塗
布し、８２０℃にて５分間焼付けを行い、各種サンプル
をｉ等だ。同様にして引張強度を測定し、結果を第６図
に示した。

発明の効果 以上詳細に説明したように、本発明の金属化面を有する
ＡＩＮ焼結体によれば、特に介在層としての酸化アルミ
ニウム被膜の厚さを１０〜４０μｍと従来よりも大巾に
厚くしたことにより、従来みられた各種欠点が排除され
、実用レベルの高い接着強度を有する製品を得ることが
できる。

また、酸化アルミニウム層の形成をＣＶＤ法、イオンブ
レーティング法などの蒸着法で行った場合には接着強度
をより一層大巾に改善することができ、従来金属との化
学的親和性並びに濡れ性が著しく悪いという固有の特性
のために実用化が難しかったＡＩＮを、ＩＣ，ＬＳＩ等
の絶縁基板、ヒートシンクなどとして、その高い放熱性
を効果的に利用できることになっ゛た。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明の実施例により得られた各サン
プルにつき引張強度を測定した結果を、介在層としての
酸化アルミニウム被膜の膜厚に対してプロットしたグラ
フである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウム焼結体基板と、その上に形成さ
   れた厚さ１０〜４０μｍの酸化アルミニウム層と、該酸
   化アルミニウム層を介して窒化アルミニウム基板上に設
   けられた、Ａｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、
   Ｍｎからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属化層
   とで構成されることを特徴とする金属化面を有する窒化
   アルミニウム焼結体。
2. （２）上記酸化アルミニウム層が窒化アルミニウム基板
   表面を酸化することにより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項記載の金属化面を有す
   る窒化アルミニウム焼結体。
3. （３）上記酸化アルミニウム層が物理的または化学的蒸
   着法で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項記載の金属化面を有する窒化アルミニウム
   焼結体。
4. （４）上記金属化層が厚膜法で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１〜３項のいずれか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。