JP2616060B2 - 放熱性のすぐれた半導体装置用基板素材 - Google Patents
放熱性のすぐれた半導体装置用基板素材Info
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- JP2616060B2 JP2616060B2 JP1289242A JP28924289A JP2616060B2 JP 2616060 B2 JP2616060 B2 JP 2616060B2 JP 1289242 A JP1289242 A JP 1289242A JP 28924289 A JP28924289 A JP 28924289A JP 2616060 B2 JP2616060 B2 JP 2616060B2
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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、この表面被覆層の密着性は、導
体ペーストや抵抗ペーストなどを用いての厚膜回路形成
に伴なう繰り返し焼成にも低下することのない半導体装
置用基板素材に関するものである。
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、この表面被覆層の密着性は、導
体ペーストや抵抗ペーストなどを用いての厚膜回路形成
に伴なう繰り返し焼成にも低下することのない半導体装
置用基板素材に関するものである。
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酸化
けい素（以下、SiO2で示す）からなる表面被覆層を0.01
〜10μｍの平均層厚で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よ
く知られるところである。
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酸化
けい素（以下、SiO2で示す）からなる表面被覆層を0.01
〜10μｍの平均層厚で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よ
く知られるところである。
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、さらに厚膜回路形成時の繰り返し焼成によって、基
体と厚膜回路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。
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、さらに厚膜回路形成時の繰り返し焼成によって、基
体と厚膜回路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。
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、素体を、 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、 酸化ボロン（以下、B2O3で示す）:5〜50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
する酸化物固溶体で構成された表面被覆層を形成する
と、この酸化物固溶体表面被覆層は、上記の表面酸化層
および厚膜回路に対して強固に密着接合し、かつ酸化物
固溶体層中のB2O3が繰り返し焼成に対してもすぐれた密
着性を保持する作用を発揮することから、基板の実用時
の発熱や、厚膜回路形成のための繰り返し焼成によって
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。
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、素体を、 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、 酸化ボロン（以下、B2O3で示す）:5〜50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
する酸化物固溶体で構成された表面被覆層を形成する
と、この酸化物固溶体表面被覆層は、上記の表面酸化層
および厚膜回路に対して強固に密着接合し、かつ酸化物
固溶体層中のB2O3が繰り返し焼成に対してもすぐれた密
着性を保持する作用を発揮することから、基板の実用時
の発熱や、厚膜回路形成のための繰り返し焼成によって
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、
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、 B2O3:5〜50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
する酸化物固溶体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、上記酸化物固溶体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。
って、 Y2O3およびCaO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、
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、 B2O3:5〜50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
する酸化物固溶体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、上記酸化物固溶体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。
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。
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。
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B2O3含有量 酸化物固溶体を構成するB2O3成分には、上記のように
厚膜回路形成時の繰り返し焼成に対して、表面被覆層を
介して基体と厚膜回路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５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50重量％を越えると、SiO2の含有量が相対的に少
なくなりすぎて、表面被覆層表面に形成される厚膜回路
焼成層との密着性が低下するようにあることから、その
含有量を５〜50重量％と定めた。
厚膜回路形成時の繰り返し焼成に対して、表面被覆層を
介して基体と厚膜回路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５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50重量％を越えると、SiO2の含有量が相対的に少
なくなりすぎて、表面被覆層表面に形成される厚膜回路
焼成層との密着性が低下するようにあることから、その
含有量を５〜50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。
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、それぞれの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。
ても、さらにこれに、それぞれの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。
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。
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×25.4mm、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、エチルアルコール:500gにト
リエトキシボラン:100gを混合してなるB2O3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B2O3含有量（残りはSiO2）の酸
化物固溶体からなり、かつ同じく第１表に示される平均
層厚の表面被覆層を形成することにより本発明基板素材
１〜14を製造した。
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×25.4mm、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、エチルアルコール:500gにト
リエトキシボラン:100gを混合してなるB2O3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B2O3含有量（残りはSiO2）の酸
化物固溶体からなり、かつ同じく第１表に示される平均
層厚の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、さらに上記のゾルゼル
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。
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、さらに上記のゾルゼル
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。
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、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、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×2
mm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を形成した状態、並びに厚膜回路形成に模擬し
た条件、すなわち850℃に10分間保持を１サイクルと
し、この加熱を前記ペースト焼成層形成の基板素材にさ
らに９回繰り返し施した状態で、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）を測定することにより行
なった。これらの測定結果を第１表に示した。
れるように、基板素材１の表面、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×2
mm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を形成した状態、並びに厚膜回路形成に模擬し
た条件、すなわち850℃に10分間保持を１サイクルと
し、この加熱を前記ペースト焼成層形成の基板素材にさ
らに９回繰り返し施した状態で、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）を測定することにより行
なった。これらの測定結果を第１表に示した。
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
返し焼成を伴なう厚膜回路形成によってもほとんど変ら
ないことを示しているのに対して、従来基板素材１〜３
においては、相対的にSiO2表面被覆層の基体に対する密
着性が低く、かつ厚膜回路形成によって密着性がなくな
るようになることが明らかである。
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
返し焼成を伴なう厚膜回路形成によってもほとんど変ら
ないことを示しているのに対して、従来基板素材１〜３
においては、相対的にSiO2表面被覆層の基体に対する密
着性が低く、かつ厚膜回路形成によって密着性がなくな
るようになることが明らかである。
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B2O3成分によって膜厚回路形成後も保持さ
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。
形成された表面酸化層によって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B2O3成分によって膜厚回路形成後も保持さ
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。
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 田中 忠治 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 神田 義雄 東京都品川区西品川１―27―20 三菱金 属株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 平３−103337（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−28847（ＪＰ，Ａ)
Claims (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、 酸化ボロン:5〜50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
成を有する酸化物固溶体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。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1289242A JP2616060B2 (ja) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | 放熱性のすぐれた半導体装置用基板素材 |
| DE9090102122T DE69000112D1 (de) | 1989-02-03 | 1990-02-02 | Substrat zur herstellung eines dickschichtschaltkreises. |
| EP90102122A EP0381242B1 (en) | 1989-02-03 | 1990-02-02 | Substrate used for fabrication of thick film circuit |
| KR1019900001300A KR900013667A (ko) | 1989-02-03 | 1990-02-03 | 후막회로의 제작에 사용되는 기판 |
| US07/474,904 US5096768A (en) | 1989-02-03 | 1990-02-05 | Substrate used for fabrication of thick film circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1289242A JP2616060B2 (ja) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | 放熱性のすぐれた半導体装置用基板素材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03149859A JPH03149859A (ja) | 1991-06-26 |
| JP2616060B2 true JP2616060B2 (ja) | 1997-06-04 |
Family
ID=17740619
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1289242A Expired - Lifetime JP2616060B2 (ja) | 1989-02-03 | 1989-11-07 | 放熱性のすぐれた半導体装置用基板素材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2616060B2 (ja) |
-
1989
- 1989-11-07 JP JP1289242A patent/JP2616060B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03149859A (ja) | 1991-06-26 |
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