JP2537653B2

JP2537653B2 - 窒化アルミニウム基板と製法及び半導体装置

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Publication number: JP2537653B2
Application number: JP63028754A
Authority: JP
Inventors: 正昭高橋; 耕明八野; 紀洋士金井; 敬彦大河内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1996-09-25
Anticipated expiration: 2011-09-25
Also published as: JPH027445A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、窒化アルミニウムの金属化方法に係り、特
にパワー半導体装置を搭載するのに好適な絶縁特性と強
固な金属層を有する絶縁基板と、その製造方法及びそれ
を利用した半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、窒化アルミニウム等の非酸化物系セラミツクス
の表面を金属化する方法としては、特開昭53−102310号
のように、あらかじめ、Al₂O₃−SiO₂のような金属酸化
物層を形成させたのち、Mo−Mn粉末を含むペーストを印
刷、焼結する方法か、特開昭59−40404号、又は同61−2
6231号各公報で提示されているように、あらかじめ窒化
アルミニウム表面を高温酸化によりAl₂O₃の層として金
属板を直接加熱接着するか、又は金属酸化物の共晶層を
介して金属層を形成するものであつた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のいずれかの方法においても共通する点
は窒化アルミニウム表面に金属層とのぬれ性を改善し強
固な結合を得るために、あらかじめ、Al₂O₃−SiO₂又はA
l₂O₃等の酸化膜層を形成する工程を有することである。
このことはアルミナ等通常の酸化物系セラミツクスの金
属化法に比べプロセスが複雑化し製造価格が増すことの
ほかにセラミツクス表面の絶縁特性が低下する問題があ
つた。

すなわち、上記従来技術は窒化アルミニウム表面に酸
化膜を形成することはその後形成する金属層とのぬれ性
を改善するのに有効ではあるが、窒化アルミニウムと上
記酸化膜の熱膨張係数の差について言及されていない。

つまり、1000℃以上の高温処理によつて窒化アルミニ
ウムの表面には酸化膜が生成するが、この被膜は通常の
アルミナ等酸化物に比べ電気絶縁特性が悪い。また、厚
みの均一性や再現性が悪いため、前記各公開公報で開示
された５〜７μｍの均一な酸化膜が保証できず、例えば
５μｍを越える酸化膜は前記した線膨張係数差によるク
ラツクの要因となり表面の絶縁特性を劣化させる原因と
なつている。したがつて、このような酸化膜の形成され
た窒化アルミニウムを用いた半導体装置は高温逆バイア
ス試験、プレツシヤークツカーテストあるいは熱サイク
ル試験等の各種信頼性試験で短絡等の故障が多発する原
因となつていた。

一方、Moが一般的なアルミナの表面に焼結できる理由
の１つはペースト中の添加物とアルミナ中の不純物が相
互拡散によりガラス化しMoの表面をぬらすためといわれ
ている。しかし、窒化アルミニウムにおいては高純度を
特徴としているが故にセラミツクス側からの不純物は期
待できない。したがつて前記従来法においてはAl₂O₃又
はAl₂O₃−SiO₂等の層を先に形成し、これをペースト中
の添加物の間でのガラス化反応を期待しているが、この
場合においては焼結に高温を要するし、メタライズ部以
外の表面酸化が進行するという点で不都合が生じてい
た。

本発明の目的はパワー半導体装置を搭載するのに適し
強固な金属層が形成され、かつ絶縁特性の良い窒化アル
ミニムム基板とのその製法、及びその用途としての半導
体装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明の第１の発明は窒化アル
ミニウム基板に関する発明であつて、基板面の少なくと
も一部がろう材で半導体チツプを接続できる金属層で覆
われた窒化アルミニウム基板において、窒化アルミニウ
ム基板面の少なくとも一部が、Mo、MnO及びSiO₂を成分
とする覆、及び中間層を介し又は介することなく、その
表面がろう付可能な高融点金属層で覆われていることを
特徴とする。

また本発明の第２の発明は、窒化アルミニウム基板の
製法に関する発明であつて、基板面の少なくとも一部が
ろう付で半導体チツプを接続できる金属層で覆われた窒
化アルミニウム基板を製造する方法において、窒化アル
ミニウム基板面の少なくとも一部に、重量比で80〜95％
のMo、3.5〜11％のMnO、及び1.5〜９％のSiO₂を含有す
るペースト、あるいは該MnOとSiO₂をあらかじめガラス
化させた前記重量比でMoとガラス粉を含有するペースト
適用する工程、1200〜1350℃で焼結する工程、及びその
上方の表面層としてろう付可能な高融点金属層を形成さ
せる工程の各工程を包含することを特徴とする。

更に、本発明の第３の発明は、絶縁型半導体装置に関
する発明であつて、半導体チツプ、窒化アルミニウム基
板、及び金属放熱板がろう材を介して互いに接続された
構造の絶縁型半導体装置において、該窒化アルミニウム
基板が、上記第１の発明の窒化アルミニウム基板である
ことを特徴とする。

前記ペースト中のMnOとSiO₂は焼結過程において反応
してMnO−SiO₂のガラスとなる。この状態では粘度が低
く保たれ液化しているので窒化アルミニウムの表面とMo
をぬらし強固な接着が可能となる。

しかし、Mo、MnO、SiO₂あるいは有機物であるビヒク
ル等がそれぞれ単独に配合された状態では先のガラス化
反応が均一に起りにくく、接着の強度にばらつきがでた
り、MnOの放出酸素により金属層近傍の窒化アルミニウ
ムを酸化し絶縁不良の原因ともなつている。

したがつて、MnOとSiO₂はあらかじめガラス化させた
ものか化合物化させたものを用いれば、Moの焼結状態に
ばらつきがなくなり、接着強度の歩留りが向上する。

本発明の窒化アルミニウム基板においては、窒化アル
ミニウム基板の主表面の少なくとも一部に、Mo、MnO及
びSiO₂を成分とする層が存在していればよく、その上及
び／又は下には、別の成分層が存在していてもよい。そ
して表面に存在させるろう付可能な高融点金属の例に
は、Ni及びAuがある。

したがつて、窒化アルミニウム基板の例としては、該
被覆層が、MnO−Al₂O₃化合物の第１の領域、MoとMnO−S
iO₂ガラス又は化合物とが混在する第２の領域、及びNi
表面層からなるもの、及び該被覆層が、MoとMnO−SiO₂
ガラスとが混在する第１の領域、MoとNiの金属化合物か
らなる第２の領域、及びNi表面層からなるものが挙げら
れる。

また、これら窒化アルミニウム基板の製法の１具体例
としては、本発明方法における既述したペースト適用か
ら焼結までの工程が、窒化アルミニウム基板面に該ペー
ストを印刷、塗布する工程、その後湿気を含む水素、窒
素のフオーミングガス中300〜400℃で最大１時間保持し
て有機成分を分解飛散させる工程、前記雰囲気中で最大
900℃まで昇温して、Mo表面と窒化アルミニウム基板面
とを接続するのに必要なMnOとSiO₂、若しくはそのガラ
ス板とのぬれ性を改善する工程、その後乾燥した水素、
窒素のフオーミングガス中1200〜1350℃で焼結する工程
の各工程を包含するものがある。

以上のようにして得られる本発明の窒化アルミニウム
基板は、常法により半導体装置に組込むことにより、例
えば絶縁特性の良い本発明の半導体装置が提供される。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する
が、本発明はこれら実施例に限定されない実施例１第１図、第２図は本発明になる窒化アルミニウム基板
の表面を金属化するに必要なMoペーストの配合割合の１
例を示す図である。これら３つの物質の中でMoは融点が
高く反応も起きにくいため窒化アルミニウムと直接反応
することはないが、MnOとSiO₂は第２図に成分割合（横
軸）と液化温度（℃、縦軸）との関係で示したように重
量％でMnOが64％でSiO₂が36％の限られた領域では、125
0℃で液化する。本発明になる窒化アルミニウム基板表
面へMoを接続する技術は上記した事実を使用するもの
で、Mo粉末中へ第２図矢印で示す範囲内のMnOとSiO₂あ
るいはあらかじめMnOとSiO₂をガラス化させた粉末を混
合すれば良い。MoとMnO及びSiO₂の混合割合は重量％でM
oが80〜95％でMnOが3.5〜11％、SiO₂が1.5〜９％の第１
図で示した斜線内の領域の範囲内であれば良い。MnOとS
iO₂の割合が前記割合を越える場合においては第２図に
示したように液化温度が高くなり、Moペーストの焼結温
度が上昇すると共に窒化アルミニウム表面の異常酸化と
いう点で好ましくない。

また第３図は、MoとMnO、SiO₂あるいはMnOとSiO₂から
成るガラス粉の適正な混合割合を説明するための図であ
つて、ガラス成分量（重量％、横軸）と、固有抵抗ρ
（μΩ・cm、縦軸）及び引張り強度（kg/mm²、縦軸）と
の関係で示すグラフである。

まず、Mo焼結後の固有抵抗に着目すると、Moに混合し
たMnOとSiO₂又はMnOとSiO₂からなるガラス成分の量が重
量％５％以下、あるいは20％を越える範囲で抵抗値が急
激に上昇する。一方、引張り強度を見ると抵抗値のカー
プとは逆に前記ガラス成分の量が重量％て５％以下、あ
るいは20％を越える範囲で強度の大幅な低下が見られ
る。前記ガラス成分の量が重量％で５％以下の領域で抵
抗値が大きく、引張り強度が低下する原因は窒化アルミ
ニウム基板とMoの接続に重要な役割を果すガラス成分が
少ないとMoの焼結が充分に進まないためであり、前記ガ
ラス成分の量が20％を越える範囲で抵抗値が増大するの
はガラス成分が多く、Moの表面まで達してしまつたため
である。このガラス成分の量が20％を越えるものはその
後のNi膜の接着も悪く、MoとNi界面ではく離し強度も低
い。以上の結果からもMoペーストへのMnOとSiO₂又はMnO
とSiO₂からなるガラス粉の添加量は重量％で５〜20％の
範囲内であることの必要性を実験的に明らかにした。

第４図は前記Moペーストの焼結法を時間（横軸）と温
度（縦軸）との関係で説明する図である。窒化アルミニ
ウムへMoペーストを塗布しこれを焼結する際、理想的に
は基板表面やMo表面の酸化を防ぐために還元性雰囲気中
で行われることが望ましい。しかし、この場合、Moペー
スト中の有機物がカーボンとして残り、これが金属膜を
構成する無機成分Mo、MnO、SiO₂と反応し、それぞれの
炭化物を形成し、MnOとSiO₂のガラス化反応を阻害する
ため焼結が困難となる。また、金属化膜を必要としない
窒化アルミニウム表面に対してはこのカーボンが強い還
元作用により絶縁性の低下の要因となる。一方、これら
の問題を避けるために湿気を含む雰囲気中で焼結し、こ
の後Mo表面の還元処理をする一般的なアルミナ基板の金
属法を用いると、窒化アルミニウムの表面に厚い酸化膜
が生成し、窒化アルミニウムと酸化膜（α−Al₂O₃）と
の熱膨張係数の差から酸化膜中にクラツクが生じる等の
問題が見られた。以上の観点から本発明者らはMoペース
ト中の有機物カーボンを充分熱分解、飛散させ強固なMo
の金属化膜が形成できる焼結法を実験的に見出した。第
４図はその一例である。

Moペーストを印刷塗布した窒化アルミニウム基板は耐
火物表面上に浅く切られたスリツト中に差込み、その表
面に充分炉中の雰囲気が当るようにセツトし炉中に挿入
する。焼結プロフアイルは以下の通りに従う。まず、20
0〜400℃に昇温し30〜60分間保持しMoペースト中の有機
成分を熱分解、飛散させる第４図の領域とガラス化を
促進し、Mo表面をわずかに酸化させガラスのぬれを改善
する領域、但しこの領域は窒化アルミニウム表面の酸
化を防ぐために最高900℃とし、ここまでは水分を含ま
せた水素、窒素の混合ガス雰囲気を用いる。領域は12
50〜1350℃に上昇し30〜120分間保持しその後降温する
領域で、MnOとSiO₂あるいはそれらをガラス化した粉末
はこの間で液化してMo及び窒化アルミニウムの表面をぬ
らし、降温時固化し窒化アルミニウムとMoが接着する。

以上説明した焼結法に従えば、窒化アルミニウムの表
面に酸化膜が生成することなく強固なMo膜が形成でき
る。

第５図は前記したMoペーストを前記した焼結方法で窒
化アルミニウム表面に焼付けた試料の断面構造を説明す
る図である。

窒化アルミニウム基板10上に印刷塗布されたMoペース
ト中の有機物成分は前記した焼結プロフアイルの昇温過
程で熱分解して飛散する。MoとMnO、SiO₂あるはMnOとSi
O₂から成るガラス粉はその後の昇温過程でMnOとSiO₂の
場合はガラス化反応して液化し、あらかじめMnOとSiO₂
をガラス化した粉末を用いた場合は液化して、昇温過程
で酸化されたMoの表面をぬらし更に粒界内を埋めると共
に窒化アルミニウム基板の表面をぬらし降温時急冷され
た場合はMnOとSiO₂から成るガラス12に、降温が緩慢に
行われた場合はMnO・SiO₂の化合物12となりMo₁₁と窒化
アルミニウムを接着する。一方、このとき窒化アルミニ
ウムの表面はMnOとSiO₂から成るガラスでぬらされ昇温
過程でわずかに形成されたα−Al₂O₃とガラス化反応し
降温時にMnO・Al₂O₃の極く薄い層13が形成され、Moの極
く表面の一部はやはりMnOとSiO₂から成るガラスによつ
てMo₃Siが形成されている。これらはいずれもＸ線回析
によつて知ることができる。

以上、説明したようなMo膜で表面を金属化した窒化ア
ルミニウム基板を実際の半導体チツプを搭載する基板と
して適用するには、はんだや銀ろう付けが必要で、前記
Mo膜上には無電解めつき法等を用いて１〜５μｍのNi膜
を形成し400〜900℃の温度範囲で熱処理し、Ni膜の一部
をMo粒界中に拡散すれば強固な接着面を持つ窒化アルミ
ニウム基板が得られる。

実施例２以下、本発明の１実施例を図によつて説明する。第６
図は本発明になる絶縁基体の製法の１例を説明する工程
図である。

（１）窒化アルミニウムセラミツクス上に本発明になる
Moペーストを印刷法等で塗布しパターンニングする。

（２）Moでパターンニングされた上記セラミツクスは水
素、窒素の混合ガス雰囲気中1300〜1500℃の範囲内の温
度に加熱しMoをセラミツクス表面に焼付ける。

（３）Mo焼結後は５〜20容量％塩酸、又は硝酸水溶液に
浸漬してMo表面の酸化膜層やセラミツク表面の汚れを除
去する。

（４）酸性、白金系触媒に１〜３分浸漬し、Mo表面の活
性化処理する。

（５）中性無電解ニツケルめつき液に浸漬し所望の膜厚
を得る。

（６）水素雰囲気中400〜900℃の範囲内の温度で加熱し
ニツケルをMo厚膜中に拡散処理する。

本発明の絶縁基体の１例は以上説明した方法で形成で
きるが、前記（６）のプロセスでニツケル表面が変質し
その後の半田付け作業でぬれ不良がでる場合が見られる
ので次の（７），（８）のプロセスを付加しても良い。
つまり、（７）５〜20容量％の塩酸又は硝酸水溶液に浸漬しニツ
ケルの極く表面をエツチング除去する。

（８）中性無電解ニツケル液に浸漬し、先のニツケル膜
上に更に薄いニツケル被膜を形成する。

以上のプロセスを採ることによつて窒化アルミニウム
の表面には強固で信頼性の高い金属化膜を得ることがで
き本発明になる絶縁基板を形成できる。

次に本発明になるMoペーストについて第１表を用いて
説明する。

No.1〜12は主な添加物としてMnOを加え、更にSiO₂を
第２の添加物としてSiO₂が配合されている。また、これ
らの中でNo.9〜12ではMoの一部をｗに置き換えている。
一方、No.13はMnOのみを添加したものであり、No.14〜1
9はMnO以外の酸化物を添加した例である。これらのペー
ストを先の第６図で説明したプロセスで窒化アルミニウ
ムセラミックス表面に1300〜1400℃で焼結し、Niめつき
を施し、更に半田でリードをつけたものの引張り強度を
見るとNo.1〜12、更にはNo.15、No.18ではそれぞれに強
度の差は見られるものMoと窒化アルミニウム表面とが接
合されていることが見られる。しかし、MnOのみを添加
したNo.13及びCaO、SiO₂を添加したNo.14と17又はAl
₂O₃、CaOを添加したNo.16、19等は初期のテープはく離
テストで簡単にはく離してしまい、この温度では接合で
きない。特にMo中にMnOを添加したNo.13は窒化アルミニ
ウムの表面にMnOを含む酸化物系化合物となつているの
にもかかわらず接合できないということはその表面がガ
ラス化しないためMo粒をぬらせないためと推定される。
その他のNo.14、16、17、19等も同じ理由によるためで
ある。

一方、窒化アルミニウムセラミックスにMo粒を固定す
ることのできたNo.1〜12及びNo.15、18においても、接
着の強度に差が見られる。これらについては第７図、第
８図、第９図で説明する。

第７図はMnOとSiO₂が最低温度、1250℃付近でガラス
化する割合（64:36重量％）でMoのみ変化させた場合のM
oの量（重量％、横軸）と引張り強さ（kgf、縦軸）及び
Mo厚膜の面積抵抗（ｍΩ／口、縦軸）との関係を示すグ
ラフである。この強さ及び面積抵抗値はMoの焼結温度に
よつても著しく変化するが本発明の目的である低温焼結
1400℃近辺を考えるとMoの量が80重量％以上の場合、破
壊場所がMoと窒化アルミニウムセラミックスの界面はく
離でばらつきが多くまた面抵抗が著しく小さいことから
ガラス化の量が少なすぎ接合が不可能な領域といえる。
一方、Moの量が70％重量％以下の場合、半田の破壊領域
となり、接合強度が見掛け上変わらないが面積抵抗値が
急激に大きくなる領域で本発明の目的であるパワー半導
体装置を搭載すべき窒化アルミニウムセラミツクス表面
の金属化膜としては電気抵抗も高く、その後のプロセス
Niめつき膜のはく離という点で適さない。つまり、ガラ
スが過剰となりMo全体がガラス膜で覆われてくる領域と
考えられる。したがつて、Moを窒化アルミニウムに固定
するためのガラス成分MnO−SiO₂の量は20〜30重量％の
範囲内にあれば良い。

一方、第８図は先の第７図のガラス成分MnOとSiO₂の
比を変化させた場合のSiO₂の量（重量％、横軸）と引張
り強さ（kgf、縦軸）との関係を示すグラフである。こ
の図から引張り強さは最も高い部分はMnOとSiO₂の比が6
4:36重量％の部分で、その他の部分はMoと窒化アルミニ
ウムの界面ではく離しており強度にばらつきが見られ
る。つまり、引張り強さが最も高い部分はMnOとSiO₂の
間で最低液相温度1250℃を示す割合の領域であり、窒化
アルミニウムセラミックス表面へのMo粒の固定にガラス
が深く関与していることにほかならない。

また、先の第１表中No.9、11、12はMoの一部をＷに置
換えたペーストであるが、Ｗの量がMoに対し15重量％を
越える領域では引張り強さが低くなる傾向にある。この
原因はＷとガラスのぬれ性の異いができたものと推定さ
れる。

したがつて、高純度窒化アルミニウムに対するMoペー
スト中の無機成分の成分比はガラス成分としてMnOとSiO
₂の重量比が最低液相温度を示す64:36付近であつてMoに
対し20〜30重量％添加する第９図に示される範囲内、つ
まり、Moの量が70〜80重量％、MnOが12.5〜20重量％、S
iO₂が５〜12.5重量％であれば良い。また、Mo膜の熱膨
張係数改善のため等に用いるＷの量はMoに対して重量比
で10％以内であることが好ましい。

次に、焼結メタライズ層上のNi膜について説明する。
これまでにNi膜を焼結メタライズ層上にめつき法等で形
成し、これに半田でリードを付け引張つた場合、Ni膜と
焼結メタライズ層の界面ではく離することがしばしば見
られた。これらの理由はメタライズ層の焼結過程におい
てMoの表面が酸化されること、MoとNiの結合力が弱い等
のためである。本発明はこれらの欠点に対しても改善を
加えた。つまり、第６図に示したように焼結後のMo層表
面を容量％で５〜20％の塩酸又は硝酸でエツチング除去
し、これにNiを施し、次いで水素雰囲気中、Niが焼結メ
タライズ層の所望の深さに入るような温度500〜900℃で
熱処理すれば良い。このような処理によつて、先の焼結
メタライズ層とNi膜界面のはく離は見られなくなるばか
りか、焼結過程における窒化アルミニウム表面汚染によ
るメタライズ層間の絶縁不良も防げる。

次に第10図によつて本発明になる半導体装置搭載用の
窒化アルミニウム基板の断面構造について説明する。

窒化アルミニウム基板10に印刷法等でメタライズペー
ストを塗布し、これを焼結すると窒化アルミニウム表面
にはα−Al₂O₃27が形成される。一方、メタライズ層下
においてはメタライズペースト中の添加物MnO,SiO₂又は
MnO−SiO₂の化合物がガラス化反応するかあるいは添加
物にMnO−SiO₂のガラスフリツトを用いた場合は軟化す
るかして、α−Al₂O₃中にはMnOが拡散したAl₂O₃、MnOの
混在した第１及び第２の領域21及び22が形成される。ま
た、このMnO−SiO₂ガラスはMoの一部をぬらし、MoとMnO
−SiO₂のガラスの混在した第３の領域23を形成し、ま
た、その上部にはMoと添加物SiO₂が反応し生成するMo₃S
iとMoが混在した第４の領域24が形成される。

このような焼結メタライズ層にNi膜を形成し、熱処理
することによつてNiがMoとMo₃Siの混在した領域の一部
に拡散し、Ni,Mo,Mo₃Siの混在した第５図の領域25、最
表面はNiのみの第６の領域26となる。

実施例３前記実施例に記載の方法と同様な方法により、本発明
の窒化アルミニウム基板の１例を製造した。その断面図
を第11図に示す。第11図において、符号10は窒化アルニ
ウム基板、31はMoとMnO−SiO₂ガラスとが混在する第１
の領域、32はMoとNiの金属化合物からなる第２の領域、
そして33はNi表面層からなる第３の領域を意味する。

実施例４以下、本発明の半導体装置の１例の製造例を、第12図
に工程図として示す。

結合剤MnO−SiO₂によつて焼付けられたMo層とろう付
可能なNi層が形成された窒化アルミニウムチツプ41の主
表面にあらかじめ予備半田付された半導体チツプ40を置
き加熱して再溶融し、窒化アルミニウムチツプ41と半導
体チツプとを接続し（４）項で示した構造とする。次い
で、この半導体チツプが搭載された窒化アルミニウムチ
ツプのもう一方の主表面に先のはんだより低い温度で融
ける材質の半田42を予備はんだ付けし、これをはんだ付
け可能な金属製の放熱板44上にセツトする。この特、半
導体チツプ40の搭載された側の窒化アルミニウム表面上
にあらかじめ予備はんだ付けされたトランジスタであれ
ばコレクタ端子、サイリスタであればアノード端子とな
るボンデイングパツト43も合せてセツトする。その後、
これを加熱、再溶融して半導体チップが搭載された窒化
アルミニウムチツプは金属放熱板上にボデイングパツト
は窒化アルミニウムチツプ上に接続し（８）項で示した
目的のパワー半導体装置構造とする。次いで、この金属
放熱板上の一部にあらかじめ形成された混成集積回路基
板45を接着し、アルミニウム等ワイヤでパワー半導体装
置部分と混成集積回路部分とを結線する。

以上は本発明になる金属層をする窒化アルミニウム基
板を用いた半導体装置の製造方法を説明したものであ
る。

次に半導体チツプを搭載すべき窒化アルミニウムチツ
プ上に形成されたMo層の結合剤にMnOとSiO₂とから成る
ガラスを用いたことの利点を第13図によつて説明する。
この図は150℃25分、室温５分、−55℃25分を１サイク
ルとした試験条件に調整された槽内に上記した試料を放
置し、所定のサイクル数に達した時点で引出し、熱抵抗
の変化を調べた結果を、熱抵抗（℃/W、縦軸）とサイク
ル数（横軸）との関係で示したグラフである。

第13図中、は特公昭53−102310号等従来公知の窒化
アルミニウム表面金属化法を用いた場合で、は本発明
になるものである。

図から従来公知の方法で金属化した窒化アルミニウム
チツプを用いた半導体装置の熱抵抗は500〜700サイクル
を越えた時点から増加現象が見られるが、本発明になる
窒化アルミニウムチツプを用いた場合には2000サイク
ルでも10％程度の増加であつた。

また、第14図は、先に示した半導体装置構造とは異な
り、窒化アルミニウム表面上に高電圧端子が隣接して形
成された構造の半導体装置を組立て、前述した試験条件
下に放置した場合の絶縁特性を調べた結果を、絶縁特性
R_S（Ω、縦軸）とサイクル数（横軸）との関係で示した
グラフである。

この場合も、従来公知の手法を用いたでは、先の熱
抵抗の変化を調べた結果と同様500〜700サイクルを越え
る領域から絶縁特性が劣化しているが、本発明品では
全く変化が見られていない。

熱抵抗や絶縁特性が劣化した従来公知の手法によつて
金属化した窒化アルミニウムチツプを用いた半導体装置
を調べて見た。そのような従来の半導体装置の１例を断
面概略図として第15図に示す。第15図において、符号50
はAlNセラミツクス、51は酸化物中間層、52はMo−Mn
層、53はNi層、54は半田層、55は金属放熱板、56はリー
ド、57は半導体チツプ、58は故障箇所を意味する。

第15図から明らかなように、窒化アルミニウム表面
に、焼付けたMo層や隣接する金属層のない窒化アルミニ
ウムの表面近傍にクラツクやはく離が見られている。こ
の原因を従来公知の金属化法のプロセスから考えて見る
と、従来法は窒化アルミニウムの表面をあらかじめ酸化
したのちMo−Mnペーストを塗布し再度焼結するなどして
いるためにMo層化あるいは露出する窒化アルミニウム表
面には厚い酸化膜例えばAl₂O₃、Al₂O₃−SiOあるいはAl₂
O₃−SiO₂−MnO等が形成されている。これらの膜はいず
れも下地の窒化アルミニウムの熱膨張係数とは異なると
か考えられる。これが、先の熱サイクル試験等のストレ
スに耐えきれずクラツクやはく離等の要因となつたもの
といえる。

一方、本発明で用いた窒化アルミニウムチツプは従来
の金属化法とは異なり、窒化アルミニウム表面を酸化さ
せる必要もなく、また結合剤としてのMnO−SiO₂のガラ
ス層も１〜５μｍ以下と薄いことが特徴の１つである。
したがつてたとえこのMnO−SiO₂からなるガラス層の熱
膨張係数が若干合わなくても、クラツクやはく離が発生
しないという利点がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、窒化アルミニウム基板に低温で焼結
メタライズ層が形成できるため、被メタライズ部分のア
ルミナの異常生長が見られず絶縁特性の良い半導体装置
搭載用のセラミツクス基板として用いることができるこ
とや上記理由によるアルミナ部のクラツクが発生しない
ため気密封止材料としても使用可能となり放熱特性の良
いものが要求される計算機実装用セラミツク材としても
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に用いるMoペーストの成分量の
１例を説明する図、第４図は本発明におけるMoペースト
の焼結法の１例の条件を説明する図、第５図は本発明に
おけるMoペーストを窒化アルミニウム表面に焼付けた試
料の断面構造図、第６図は本発明方法の１例の工程図、
第７図は一定のMnO:SiO₂におけるMoの量と引張り強さ及
び面積抵抗との関係を示すグラフ、第８図は一定のMo量
におけるSiO₂とMnO比と引張り強さとの関係を示すグラ
フ、第９図は本発明に用いるMoペーストの成分量の１例
を説明する図、第10図及び第11図は本発明の窒化アルミ
ニウム基板の１例の断面構造図、第12図は本発明の半導
体装置の１例の製造の工程図、第13図及び第14図は本発
明及び従来の半導体装置の１例の劣化試験の結果を示す
グラフ、第15図は従来の半導体装置の１例の劣化試験後
の断面構造図である。 10:窒化アルミニウム基板、11:Mo、12:MnO・SiO₂ガラス
又は化合物、13:MnO・Al₂O₃、21:第１の領域、26:Niの
みの領域、27:α−Al₂O₃、31:MoとMnO−SiO₂ガラスとが
混在する領域、32:MoとNiの金属化合物、33:Ni表面層、
40:半導体チツプ、41:窒化アルミニウムチツプ、42:半
田、43:ボンデイングパツト、44:放熱板、45:混成集積
回路基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大河内敬彦茨城県勝田市堀口832番地の２株式会社日立製作所勝田工場内 (56)参考文献特開昭64−56867（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−256648（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−75208（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−167277（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板面の少なくとも一部がろう材で半導体
チツプを接続できる金属層で覆われた窒化アルミニウム
基板において、窒化アルミニウム基板面の少なくとも一
部が、Mo、MnO及びSiO₂を成分とする層、及び中間層を
介し又は介することなく、その表面がろう付可能な高融
点金属層で覆われていることを特徴とする窒化アルミニ
ウム基板。
【請求項２】該被覆層が、MnO−Al₂O₃化合物の第１の領
域、MoとMnO−SiO₂ガラス又は化合物とが混在する第２
の領域、及びNi表面層からなる特許請求の範囲第１項記
載の窒化アルミニウム基板。
【請求項３】該被覆層が、MoとMnO−SiO₂ガラスとが混
在する第１の領域、MoとNiの金属化合物からなる第２の
領域、及びNi表面層からなる特許請求の範囲第１項記載
の窒化アルミニウム基板。
【請求項４】基板面の少なくとも一部がろう材で半導体
チツプを接続できる金属層で覆われた窒化アルミニウム
基板を製造する方法において、窒化アルミニウム基板面
の少なくとも一部に、重量比で80〜95％のMo、3.5〜11
％のMnO、及び1.5〜９％のSiO₂を含有するペースト、あ
るいは該MnOとSiO₂をあらかじめガラス化させた前記重
量比でMoとガラス粉を含有するペーストを適用する工
程、1200〜1350℃で焼結する工程、及びその上方の表面
層としてろう付可能な高融点金属層を形成させる工程の
各工程を包含することを特徴とする窒化アルミニウム基
板の製法。
【請求項５】該ペースト適用から焼結までの工程が、窒
化アルミニウム基板面に該ペーストを印刷、塗布する工
程、その後湿気を含む水素、窒素のフオーミングガス中
300〜400℃で最大１時間保持して有機成分を分解飛散さ
せる工程、前記雰囲気中で最大900℃まで昇温して、Mo
表面と窒化アルミニウム基板面とを接続するのに必要な
MnOとSiO₂、若しくはそのガラス体とのぬれ性を改善す
る工程、その後乾燥した水素、窒素のフオーミングガス
中1200〜1350℃で焼結する工程の各工程を包含するもの
である特許請求の範囲第４項記載の窒化アルミニウム基
板の製法。
【請求項６】半導体チツプ、窒化アルミニウム基板、及
び金属放熱板がろう材を介して互いに接続された構造の
絶縁型半導体装置において、該窒化アルミニウム基板の
両主面の少なくとも一部が、Mo、MnO及びSiO₂を成分と
する層、及び中間層を介し又は介することなく、その表
面がろう付可能な高融点金属層で覆われていることを特
徴とする絶縁型半導体装置。