JP2590558B2 - 放熱性のすぐれた半導体装置用基板 - Google Patents

放熱性のすぐれた半導体装置用基板

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JP2590558B2
JP2590558B2 JP1028016A JP2801689A JP2590558B2 JP 2590558 B2 JP2590558 B2 JP 2590558B2 JP 1028016 A JP1028016 A JP 1028016A JP 2801689 A JP2801689 A JP 2801689A JP 2590558 B2 JP2590558 B2 JP 2590558B2
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秀昭 吉田
忠治 田中
寛人 内田
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、熱伝導性がよく、したがってすぐれた放
熱性をもたらす窒化アルミニウム(以下、AlNで示す)
基焼結基体の表面に対する厚膜回路形成用表面被覆層の
密着性がきわめて高く、かつこの表面被覆層の密着性
は、加熱・冷却の繰り返しによる熱衝撃にも低下するこ
とのない、すなわち耐繰り返し熱衝撃性にすぐれた半導
体装置用基板素材に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、放熱性のすぐれた半導体装置用基板素材とし
て、例えば特開昭62−28847号公報に記載されるよう
に、AlNの焼結体からなる基体の表面に、スパッタリン
グ法やゾルゲル法、さらに光化学蒸着法などによりSiO2
からなる表面被覆層を形成してなる基板素材が提案され
ており、この基板素材のSiO2表面被覆層面に、例えば導
体ペーストや抵抗ペーストなどを用いて回路を印刷し、
焼成し、これを繰り返し行なうことにより厚膜回路を形
成して半導体装置の基板とし、実用に供されることも知
られている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、近年の電子機器の高性能化並びに軽薄短小化
に伴い、ハイブリッドモジュールの集積度も一段と増す
傾向にあり、この結果単位当りの発熱量の増大を避ける
ことができない状態になりつつあるが、上記の従来基板
素材では、熱伝導性のすぐれたAlN焼結基体によってす
ぐれた放熱性が確保できるものの、AlN焼結基体とSiO2
表面被覆層との密着性が十分でないために、増大する発
熱や、さらに繰り返し熱衝撃によって、これらの間に剥
離が発生し易くなり、信頼性の点で問題が生じるように
なっている。
〔課題を解決するための手段〕
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記
の従来半導体装置用基板素材のもつ問題点を解決すべく
研究を行なった結果、基体を、 酸化イットリウム(以下、Y2O3で示す)および酸化カ
ルシウム(以下、CaOで示す)のうちの1種または2種:
0.1〜10重量%を含有し、残りがAlNと不可避不純物から
なる組成を有するAlN基焼結体、 で構成した上で、この基体に、 酸素分圧:10-2〜1気圧、水蒸気分圧:10-3気圧以下の
雰囲気中で、1100〜1500℃の温度に加熱保持、 の条件で酸化処理を施すと、基体の構成成分であるY2O3
およびCaOが、きわめて強力な酸化促進作用を発揮する
ことから、基体表面部には短時間で、緻密な所定厚さの
酸化アルミニウムを主体とする表面酸化層が形成される
ようになり、この状態の基体表面に、酸化チタニウム
(以下、TiO2で示す):10〜65重量%を含有し、残りがS
iO2と不可避不純物からなる組成を有するセラミックス
で構成された表面被覆層を形成すると、このセラミック
ス表面被覆層は上記表面酸化層に対して強固に密着接合
し、かつセラミックス層中のTiO2成分が耐繰り返し熱衝
撃性を向上せしめる作用をもつことから、発熱や繰り返
し熱衝撃が原因で剥離することがなくなり、また上記表
面被覆層は、この上に施される厚膜回路形成用の各種ペ
ーストの焼成層とも強固に接合し、さらに基体中のY2O3
およびCaO成分は上記AlN基焼結体の焼結性を向上させる
作用をもつことから、AlN基焼結体は高強度をもつよう
になるほか、AlN基焼結体は主要構成成分であるAlNによ
って高い熱伝導性を有し、すぐれた放熱性を示すという
知見を得たのである。
この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであ
って、 Y2O3およびCaOのうちの2種または2種:0.1〜10重量
%を含有し、残りがAlNと不可避不純物からなる組成、
並びに、 平均層厚:0.2〜20μmの表面酸化層、 を有するAlN基焼結基体の表面に、 TiO2:10〜65重量%、 を含有し、残りがSiO2と不可避不純物からなる組成を有
するセラミックスで構成された平均層厚:0.01〜10μm
の厚膜回路形成用表面被覆層、 を形成してなる、上記セラミックス表面被覆層が基体お
よび厚膜回路焼成層に対してすぐれた密着性をもち、か
つ放熱性にもすぐれた半導体装置用基板素材に特徴を有
するものである。
つぎに、この発明の基板素材において、上記の通りに
数値限定した理由を説明する。
(a)基体におけるY2O3およびCaOの含有量 これらの成分には、基体が上記の条件で酸化処理され
た時に、酸化を促進して基体表面部に緻密な酸化層をす
みやかに形成する作用があるほか、焼結性を向上させて
基体の強度を向上させる作用があるが、その含有量が0.
1重量%未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方その含有量が10重量%を越えると、基体自体の熱伝導
性が低下するようになることから、その含有量を0.1〜1
0重量%と定めた。
(b)基体の表面酸化層の平均層厚 その厚さが0.2μm未満では、表面被覆層の基体表面
に対する密着性が不十分となり、一方その厚さが20μm
を越えると、基体のもつすぐれた熱伝導性がそこなわれ
るようになることから、その厚さを0.1〜20μmと定め
た。
(c)表面被覆層におけるTiO2含有量 セラミックスを構成するTiO2成分には、上記のように
回路形成に際して基板素材が加熱と冷却の繰り返しによ
る熱衝撃にさらされた場合にも、基体と表面被覆層間に
長期に亘って変らぬ高い密着性を保持せしめる作用があ
るが、その含有量が10重量%未満では前記作用に所望の
効果が得られず、一方その含有量が65重量%を越える
と、もう一方の構成成分であるSiO2の含有量が少なくな
りすぎて、表面被覆層表面に印刷される焼成ペーストと
の接着性が低下するようになることから、その含有量を
10〜65重量%と定めた。
(d)表面被覆層の平均層厚 その厚さが0.01μm未満では、例えば回路印刷に用い
られるペーストの焼成層の基板素材に対する密着性が不
十分であり、一方その厚さが10μmを越えると、基体に
よるすぐれた放熱性がそこなわれるようになることか
ら、その厚さを0.01〜10μmと定めた。
また、この発明の基板素材は、単層基板の製造に用い
ても、さらにこれに、それぞれ印刷回路を形成した後、
例えばほうけい酸ガラスなどのガラス粉末を有機バイン
ダーと混合してペースト状とし、これを基板表面に印刷
添着した状態で、2枚以上積み重ね、この基板の積み重
ね体を、前記ガラス粉末の軟化点以上の温度に加熱して
焼成し、相互接合することにより形成される多層基板と
して用いてもよい。
〔実 施 例〕
つぎに、この発明の基板素材を実施例により具体的に
説明する。
まず、原料粉末として、いずれも1〜3μmの平均粒
径を有するAlN粉末、Y2O3粉末、およびCaO粉末を用意
し、これら原料粉末をそれぞれ第1表に示される配合組
成に配合し、ボールミルにて72時間湿式混合し、乾燥し
た後、さらにこれに有機バインダーを添加して混合し、
ドクターブレード法によりグリーンシートに成形し、つ
いで常圧の窒素雰囲気中、温度:1800℃に2時間保持の
条件で焼結して、実質的に配合組成と同一の成分組成を
有し、かつ平面:25.4mm×2.4mm、厚さ:0.625mmの寸法を
もったAlN基焼結基体を製造し、ついで、これらの基体
に、同じく第1表に示される条件で酸化処理を施して表
面酸化層を形成した後、 エチルアルコール:500gにエチルシリケート:250gを混
合してなるSiO2源溶液と、 イソプロピルアルコール:500gにチタニウムテトライ
ソプロポキシド:300gを混合してなるTiO2源溶液、 とを用い、これら両溶液をそれぞれ適宜割合に混合した
混合溶液を、500r.p.m.で回転する基体の表面に10秒間
ふりかけ、大気中、温度:900℃に1時間保持して焼成を
1サイクルとし、これを所定厚さまで繰り返し行なうこ
とからなるゾルゲル法にて、第1表に示されるTiO2含有
量(残りはSiO2)のセラミックスからなり、かつ同じく
第1表に示される平均層厚をもった表面被覆層を 形成することにより本発明基板素材1〜14をそれぞれ製
造した。
また、比較の目的で、原料粉末としてY2O3およびCaO
を配合せずにAlN焼結基体を製造し、かつ表面酸化層形
成のための酸化処理を行なわず、さらに上記のゾルゲル
法に代って、エチルシリケート:347gと、エチルアルコ
ール:500gと、0.3%HCl水溶液:190.2gの割合の混合液
を、500r.p.m.で回転する基体の表面に10秒間ふりか
け、大気中、温度:800℃に10分間保持して焼成を1サイ
クルとし、これを所定厚さまで繰り返し行なうことから
なるゾルゲル法にかえる以外は同一の条件で従来基板素
材1〜3をそれぞれ製造した。
ついで、この結果得られた各種の基板素材について、
レーザーフラッシュ法にて熱伝導度を測定すると共に、
ピーリング試験を行ない、基体と表面被覆層の密着性を
評価した。
なお、ピーリング試験は、製造ままの基板素材と、16
5℃に30分間保持後、直ちに−55℃に30分間保持を1サ
イクルとする熱衝撃を1000サイクル繰り返し行なった基
板素材について、第1図に概略斜視図で示されるよう
に、基板素材1の表面部、すなわち基体1aの表面に密着
形成された表面被覆層1b上に、平面寸法で2mm×2mmの面
積にAg−20重量%Pd合金粉末の導体ペーストをスクリー
ン印刷し、温度:125℃に10分間保持して乾燥した後、温
度:850℃に10分間保持の条件で焼成してペースト焼成層
2を形成し、ついで、この上に直径:0.9mmの無酸素銅ワ
イヤ4をSn−Pb共晶合金はんだ3を用い、温度:215℃で
ろう付けして、図示される状態とし、この状態で無酸素
銅ワイヤ4をT方向に引張り、この時のピーリング強度
(引きはがし強度)を測定した。これらの測定結果を第
1表に示した。
〔発明の効果〕
第1表に示される結果から、本発明基板素材1〜14
は、従来基板素材1〜3と同様に著しく高い熱伝導度を
示し、すぐれた放熱性を保持した状態で、一段と高いピ
ーリング強度を示し、この高いピーリング強度は、繰り
返しの熱衝撃を受けてもほとんど変らず、セラミックス
表面被覆層の基体およびペースト焼成層に対する高い密
着性が繰り返しの熱衝撃後でも維持されることが明らか
であるのに対して、従来基板素材1〜3においては、相
対的にSiO2の表面被覆層の基体に対す密着性が低く、か
つ繰り返し熱衝撃性を受けた後では接合状態が維持され
ないようになることが示されている。
上述のように、この発明の基板素材は、基体表面部に
形成された表面酸化層によってセラミックスの表面被覆
層との間にきわめて高い密着性が確保され、かつこの高
い密着性は表面被覆層中のTiO2成分によって繰り返し熱
衝撃が付加された後でも維持され、さらにこの表面被覆
層は、いずれも印刷され、焼成されて形成された回路や
ガラス接合材などとも強固に接合するほか、AlN基焼結
基体によって一段とすぐれた放熱性が確保されるので、
半導体装置の集積度の向上にも十分満足して対応するこ
とができるなど工業上有用な特性を有するのである。
【図面の簡単な説明】
第1図はピーリング試験方法を示す概略斜視図である。 1……基板素材、1a……基体、 1b……表面被覆層、2……ペースト焼成層、 3……はんだ、4……無酸素銅ワイヤ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 寛人 埼玉県大宮市北袋町1―297 三菱金属 株式会社中央研究所内 (72)発明者 長瀬 敏之 埼玉県大宮市北袋町1―297 三菱金属 株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭64−84648(JP,A) 特開 平1−301575(JP,A) 特開 昭61−119094(JP,A) 特開 昭62−216979(JP,A) 特開 平2−205345(JP,A) 特開 平2−207554(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化イットリウムおよび酸化カルシウムの
    うちの1種または2種:0.1〜10重量%、 を含有し、残りが窒化アルミニウムと不可避不純物から
    なる組成、並びに、 平均層厚:0.2〜20μmの表面酸化層、 を有する窒化アルミニウム基焼結基体の表面に、 酸化チタニウム:10〜65重量%、 を含有し、残りが酸化けい素と不可避不純物からなる組
    成を有するセラミックスで構成された平均層厚:0.01〜1
    0μmの厚膜回路形成用表面被覆層、 を形成してなる放熱性のすぐれた半導体装置用基板素
    材。
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