JP2578283B2 - 窒化アルミニウム基板のメタライズ方法 - Google Patents

窒化アルミニウム基板のメタライズ方法

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JP2578283B2 JP4040814A JP4081492A JP2578283B2 JP 2578283 B2 JP2578283 B2 JP 2578283B2 JP 4040814 A JP4040814 A JP 4040814A JP 4081492 A JP4081492 A JP 4081492A JP 2578283 B2 JP2578283 B2 JP 2578283B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム基板
のメタライズ方法に関する。特に、信頼性が高く、実用
的な接着強度を備え、かつ、ろう付けや高温はんだ付け
に対して高い信頼性を有する窒化アルミニウム基板のメ
タライズ方法に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化アルミニウム(以下、AlNと記
す)焼結体は、熱伝導率が高く電気絶縁性に優れ、熱膨
張係数がSiに近いという特徴を有することから、パワ
ー半導体搭載用の放熱板を兼ねた絶縁板への適用が期待
されている。従来のパワー半導体では、Cu,Fe,A
l系の放熱板と半導体チップとの間にAl23 の絶縁
板がおかれ、それらの接続にはろう付けやはんだが一般
的に用いられてきた。この絶縁板をAl23 からAl
Nに置換することにより放熱特性の向上及び低熱抵抗化
を図ることができる。これを実現するためにはAlN表
面をメタライズする技術が必須となる。
【0003】AlN焼結体のメタライズ方法としては、
W,Mo等の高融点金属をペースト状にしたものをAl
Nの表面に塗布し、1100〜1600℃程度の湿潤窒
素−水素混合雰囲気中で焼結させる方法が試みられてい
る。この方法は一般にテレフンケン法として知られ、従
来、Al23 中の粒界相成分であるSiO2 によって
促進される酸化物の液相反応を利用することにより、メ
タライズ層を形成する技術として利用されてきた。しか
し、AlNはガラスとの濡れが悪く、SiO2等の不純
物が含まれていないため液相反応も起こりにくく、十分
な接着強度が得られない。
【0004】特開昭63−115393号公報には、W
及び/又はMoと接着強度増強剤としてSiO2 、Al
23 、CaOの酸化物混合体とを主成分とする導体ペ
ーストをAlN焼結基板上に印刷した後、1600℃以
上で焼成する方法が開示されている。しかし、この方法
は焼成温度が高くコスト面で問題がある上、基板に反り
が発生するという問題点があった。また、特開平3−1
93686号公報には、WとSiO2 、Al23 、C
aOの酸化物混合体とを主成分とする導体ペーストにお
いて、酸化物成分比の最適範囲を規定することにより、
AlN焼結体及びWの両者の間にともに十分な濡れ性と
接着強度とを付与する方法が開示されている。しかし、
AlNはガラスとの濡れが悪く、この方法では十分な濡
れ性と接着強度とを付与することはできない。また、酸
化物成分がメタライズ層上にガラス成分として浮き出る
ため、電気抵抗の増大やメッキ不良及びはんだ濡れ不良
が発生するという問題点があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記問題点を
解決し、信頼性が高く、実用的な接着強度を備え、か
つ、ろう付けや高温はんだ付けに対して高い信頼性を有
するAlN基板のメタライズ技術を提供することを目的
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、W及び又はM
oを主成分としSiO2 及び水素化チタンを含むペース
トをAlN焼結基板上に塗布して焼成し、メタライズ層
を形成することを特徴とする。ペーストの塗布にはスク
リーン印刷を用い、厚さ10〜50μmの導電性の膜を
形成するのが適当である。
【0007】上記のペースト中には、SiO2 を0.1
重量%以上20重量%以下、水素化チタンを0.1重量
%以上50重量%以下含有すると好適である。また、焼
成は、非酸化雰囲気中、経済的には窒素雰囲気中140
0℃以上1700℃以下に加熱することによりペースト
をAlN焼結基板へ焼付ける。焼成に先立って、ペース
ト中に含まれる有機物を除去するために脱脂処理を行っ
てもよい。
【0008】さらに必要であれば、無電界メッキなどに
よりNi、Cu、Au、Ptなどの金属皮膜を上記の方
法で形成されたメタライズ層上に形成する。
【0009】
【作用】本発明では、ペースト中にSiO2 及び水素化
チタンを含有することにより、実用的な接着強度と良好
なはんだ濡れ性を有するメタライズ層を得ている。その
メカニズムは定かではないが、以下のような可能性が考
えられる。本発明によれば、W及び/又はMoを酸化物
による液相反応と活性金属の拡散・反応とによってメタ
ライズ層を形成する。
【0010】メタライズ用ペースト中に含有される水素
化チタンがメタライズ層−AlN基板界面へ拡散する際
に、SiO2 及びAlN粒子表面を覆う酸化物層のAl
2 3 の一部と共に移動するため、メタライズ層表面へ
のガラス成分の移動の割合が低減される。そのため、従
来のように酸化物による液相反応のみを利用したメタラ
イズ方法と比較して、信頼性が高く実用的な密着強度を
備えたメタライズ層を有するAlN焼結体を得ることが
できるようになる。また、メッキ不良及びはんだ濡れ不
良を解消することができると考えられる。
【0011】本発明ではペースト中に水素化チタンを添
加しているが、これは活性金属としてチタンを単味で添
加する場合、金属チタンより水素化チタンの方が安定な
ためである。特に微粉化した場合、TiH2 は窒素雰囲
気中で約700℃まで分解・酸化せずに存在することを
実験的に確認している。本発明では、非酸化性雰囲気
中、好ましくは窒素雰囲気中1400℃以上1700℃
以下という低温でメタライズ層を形成するため、従来の
メタライズ方法のようなAlN基板の変形が発生しな
い。また、雰囲気制御が容易でコスト的にも有利であ
る。
【0012】ペースト中に含有されるSiO2 量は0.
1重量%未満では酸化物による液相生成量が不足するた
め密着強度が低下する。また、SiO2 量が20重量%
以上では液相生成量が多すぎ、W及び/又はMo粒子表
面をガラス成分が覆いつくすため、密着強度が低下する
上に電気抵抗が増大する。ペースト中に含有される水素
化チタン量は、0.1重量%未満では十分な密着強度が
得られず、また50重量%以上ではメタライズ層の強度
が不足しなおかつ電気抵抗が大きくなる。よってペース
ト中に含有されるSiO2 量は0.1重量%以上20重
量%以下、水素化チタン量は0.1重量%以上50重量
%以下とするのがよい。
【0013】さらに必要であれば、無電界めっきなどに
よりNi、Cu、Au、Ptなどの金属皮膜を上記の方
法で形成されたメタライズ層上に形成することも可能で
ある。
【0014】
【実施例】以下に実施例を示す。ここでは水素化チタン
としてTiH2 を用いたが、TiH2 は水素化チタンの
不定比化合物をも代表するものである。 〔実施例1〕平均粒径2〜3μm、最大粒子径5μm以
下のW粉末に、平均粒径2〜3μm、最大粒径5μm以
下のSiO2 と、平均粒径5〜10μmの水素化チタン
(TiH2 )とを表1の割合で混合した粉末中にアクリ
ル樹脂、テレピネオールを添加し、3本ロールミルを用
いて、十分混練することによりペーストを作成した。こ
のペーストをAlNの含有量が98重量%であるAlN
焼結基板に、1mm×1mmの大きさのパッドパターン
を約20μmの厚さで形成するようにスクリーン印刷し
た。この試料を乾燥した後、窒素雰囲気中で1500〜
1600℃で焼成したメタライズ層を形成した。
【0015】このようにして形成されたメタライズ層表
面に約2μmの厚膜を有するNiめっき層を形成した。
このめっき層上にリードフレームをはんだ付けし、リー
ドフレームを垂直方向に5mm/minで引っ張ること
によりピール強度(引き剥し強度)を測定した。また、
このNiめっき層を形成した試料を、250℃の60S
n−Pbはんだ浴中に浸漬することによりはんだ濡れ性
を調べた。
【0016】以上のようにして測定したピール強度及び
はんだ濡れ性を表1〜3に示す。表中*を付したものは
AlNとメタライズ層で破壊したもの又ははんだ濡れ性
の低いものである。 〔実施例2〕平均粒径0.5〜1μm、最大粒子2μm
以下のW粉末に、平均粒径1〜2μm、最大粒径3μm
以下のSiO2 と、平均粒径5〜10μmの水素化チタ
ン(TiH2 )とを表2の割合で混合し、実施例1と同
様にメタライズ層を形成した後、ピール強度の測定判定
とはんだ濡れ性試験を行った。結果を表4〜6に示す。
【0017】〔実施例3〕主成分としてMoを用いた例
を表7〜8に示した。 〔実施例4〕主成分としてMo:W=1:1に混合した
例を表9〜10に示した。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】
【表3】
【0021】
【表4】
【0022】
【表5】
【0023】
【表6】
【0024】
【表7】
【0025】
【表8】
【0026】
【表9】
【0027】
【表10】
【0028】本発明によって形成されたメタライズ層で
はAlN焼結基板内で破壊が起こり、密着強度はピール
強度として3kgf/mm□以上のものが得られ実用上
十分な強度を有している。また、はんだ濡れ性も95%
以上の濡れ性を示した。一方、本発明において限定した
範囲外の方法で形成したメタライズ層では、いずれの試
料においても十分な密着強度が得られず、ピール強度が
2kgf/mm□以下であった。また、はんだ濡れ性も
90%以下であった。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、放熱性特性にすぐれろ
う付けやはんだ付けに対して信頼性の高いAlN基板を
得ることができる。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 W及び/又はMoを主成分とし、SiO
    2 及び水素化チタンを含有するペーストを窒化アルミニ
    ウム焼結基板に塗布して非酸化性雰囲気中で焼成し、メ
    タライズ層を形成することを特徴とする窒化アルミニウ
    ム基板のメタライズ方法。
  2. 【請求項2】 メタライズ層上に、さらに金属皮膜を形
    成することを特徴とする請求項1記載の窒化アルミニウ
    ム基板のメタライズ方法。
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