JP2724075B2 - 窒化アルミニウム質焼結体への金属層の被着方法 - Google Patents

窒化アルミニウム質焼結体への金属層の被着方法

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  • Non-Insulated Conductors (AREA)

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質焼結
体への金属層の被着方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、セラミックス、特にアルミナに代
表される酸化物系セラミックスは電気絶縁性、化学的安
定性等の特性に優れていることから半導体素子を収容す
る半導体素子収納用パッケージや半導体素子、抵抗、コ
ンデンサ等が搭載接続される回路基板等に多用されてお
り、該酸化物系セラミックスを用いた半導体素子収納用
パッケージや回路基板等はセラミック体表面に回路配線
導体としての金属層が多数、被着接合されている。
【0003】かかる酸化物系セラミックスから成るセラ
ミック体表面の金属層はセラミック体がアルミナ質焼結
体から成る場合、通常、平均粒径が2.0 μm 程度のタン
グステンから成る粉末に有機溶剤, 溶媒を添加しペース
ト状となしたものを未焼成のアルミナ質成形体表面にス
クリーン印刷法により被着させ、しかる後、前記未焼成
アルミナ質成形体を還元雰囲気中、約1600℃の温度で焼
成し、タングステン粉末の粉末粒子間にアルミナ質焼結
体のアルミナ結晶間に介在するガラス成分の一部を移行
させ、アルミナ結晶とタングステン粉末とをガラス成分
を介し接合させることによってアルミナ質焼結体の表面
に被着接合される。
【0004】しかしながら、近時、半導体素子の高密度
化、高集積化が急激に進んでおり、半導体素子が作動時
に発生する熱量は極めて大きなものとなってきている。
そのためこの半導体素子を上述した従来の半導体素子収
納用パッケージや回路基板に収容搭載した場合、パッケ
ージや回路基板等に使用されているアルミナ質焼結体の
熱伝導率が約20W/m ・K と低いため、該アルミナ質焼結
体を介して半導体素子が作動時に発生する熱を大気中に
良好に放散させることができず、その結果、半導体素子
が該素子自身の発生する熱によって高温となり、半導体
素子に熱破壊を起こさせたり、特性に熱変化を与え、誤
動作を生じさせたりするという欠点を招来した。
【0005】そこで上記欠点を解消するためにアルミナ
質焼結体等、酸化物系セラミックスに変えて熱伝導率が
80W/m ・K 以上の極めて熱を伝え易い窒化アルミニウム
質焼結体を使用することが考えられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒化ア
ルミニウム質焼結体は窒化アルミニウム結晶間に介在す
るガラス成分が少ないこと及び窒化アルミニウム結晶と
金属との濡れ性が悪いこと等から窒化アルミニウム質焼
結体の表面にタングステン粉末等から成る金属層を接合
させたとしてもその接合強度は極めて弱く、半導体素子
収納用パッケージや回路基板等には使用できないという
欠点を有していた。
【0007】
【発明の目的】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は窒化アルミニウム質焼結体の表面に金属
層を強固に被着させることができる窒化アルミニウム質
焼結体への金属層の被着方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化アルミニウ
ム質焼結体への金属層の被着方法は、窒化アルミニウム
質焼結体の表面に、アルミニウム、シリコン、チタンの
アルコキシドの少なくとも1種と金属粉末とガラス粉末
とから成る混合粉末を被着し、次にこれを焼成し、窒化
アルミニウム質焼結体の表面に酸化アルミニウム、酸化
シリコン、酸化チタンの少なくとも1種から成る酸化物
膜を形成するとともに該酸化物膜に金属粉末をガラスを
介し接合させることによって窒化アルミニウム質焼結体
表面に金属層を被着させることを特徴とするものであ
る。
【0009】
【実施例】次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明す
る。図1は本発明の方法によって製作された金属層を有
する窒化アルミニウム質焼結体を半導体素子を収容する
半導体素子収納用パッケージに適用した場合の一実施例
を示し、1 は窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基
体、2 は蓋体である。この絶縁基体1 と蓋体2 とで半導
体素子を収容する容器が構成される。
【0010】前記絶縁基体1 はその上面中央部に半導体
素子3 が載置される載置部1aを設けてあり、該載置部1a
上には半導体素子3 がガラス、樹脂等の接着剤を介して
接着固定される。
【0011】前記絶縁基体1 は窒化アルミニウム質焼結
体から成り、該窒化アルミニウム質焼結体はその熱伝導
率が80W/m ・K 以上と高く、熱を伝導し易いため絶縁基
体1の上面に半導体素子3 を取着し、作動させた場
合、絶縁基体1 は半導体素子3 が発生する熱を直接伝導
吸収するとともに該吸収した熱を大気中に良好に放散す
ることが可能となり、これによって半導体素子3 は常に
低温として熱破壊したり、特性に熱変化を生じ、誤動作
したりすることはなくなる。
【0012】また前記絶縁基体1 には半導体素子3 が載
置される載置部1a周辺から外周端にかけて回路配線導体
としての複数個の線状の金属層4 が被着形成されてお
り、該金属層4 の半導体素子載置部1a周辺部には半導体
素子3 の電極がボンディングワイヤ5 を介し電気的に接
続され、また外周端に導出させた部位には外部電気回路
と接続される外部リード端子6 が銀ロウ等のロウ材を介
し取着されている。
【0013】前記金属層4 は半導体素子3 の各電極を外
部電気回路に接続するための導電路として作用し、銅、
銀ーパラジウム等の金属粉末で形成されている。
【0014】尚、前記金属層4 はその表面にニッケル、
金等の良導電性で耐蝕性に優れ、且つロウ材と濡れ性が
良い金属を1.0 乃至3.0 μm に層着させておくと金属層
4 が酸化腐食するのを有効に防止することができるとと
もに金属層4 とボンディングワイヤ5 との接続及び金属
層4 と外部リード端子とのロウ付けを極めて強固となす
ことができる。従って、前記金属層4 はその表面にニッ
ケル、金等を1.0 乃至3.0 μm の厚みに層着させておく
ことが好ましい。
【0015】また前記金属層4 にロウ付けされる外部リ
ード端子6 は内部に収容する半導体素子3 を外部電気回
路に接続する作用を為し、外部リード端子6 を外部電気
回路に接続することによって内部に収容される半導体素
子3 は金属層4 及び外部リード端子6 を介し外部電気回
路と接続されることとなる。
【0016】前記外部リード端子6 は例えば、鉄51.0乃
至64.0重量%、ニッケル29.0乃至34.0重量%及びコバル
ト7.00乃至15.0重量%の合金より成り、その熱膨張係数
が4.0 乃至5.0 ×10-6/ ℃(20 〜400 ℃) のものとなっ
ている。
【0017】前記外部リード端子6 はその熱膨張係数が
4.0 乃至5.0 ×10-6/ ℃(20 〜400℃) であり、絶縁基
体1 を構成する窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数
(4.2〜4.7 ×10-6/ ℃) と近似していることから絶縁基
体1 に被着させた金属層4 に外部リード端子6 をロウ付
けする際、絶縁基体1 と外部リード端子6 との間には両
者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力が発生す
ることはなく、両者のロウ付け部に大きな応力が内在す
ることもない。従って、ロウ付け後、外部リード端子6
に外力が印加されたとしても該外力がロウ付け部に内在
する応力と相俊って大となり、絶縁基体1 より外部リー
ド端子6 を剥がれさせることはない。
【0018】かくして上述の半導体素子収納用パッケー
ジによれば、絶縁基体1 の上面に半導体素子3 を接着剤
を介して取着するとともに半導体素子3 の各電極を金属
層4にボンディングワイヤ5 を介して電気的に接続し、
しかる後、絶縁基体1 の上面に蓋体2 をガラス、樹脂等
の封止材を介して接合させ、絶縁基体1 と蓋体2 とから
成る容器内部に半導体素子3 を気密に封止することによ
って最終製品としての半導体装置となる。
【0019】次に上述の半導体素子収納用パッケージに
使用される絶縁基体、即ち、窒化アルミニウム質焼結体
の上面に金属層を被着させる方法について図2 に基づき
説明する。
【0020】まず図2(a)に示す如く、板状の窒化アルミ
ニウム質焼結体10を準備する。前記窒化アルミニウム質
焼結体10は例えば、主原料である窒化アルミニウム粉末
に焼結助剤としての酸化イットリウム、カルシア等の粉
末及び適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物を作
るとともに該泥漿物をドクターブレード法やカレンダー
ロール法等を採用することによってセラミックグリーン
シート( セラミック生シート) と成し、しかる後、前記
セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施す
とともにこれを複数枚積層し、高温( 約1800℃) で焼成
することによって製作される。
【0021】次に前記窒化アルミニウム質焼結体10の上
面に図2(b)に示す如く、アルミニウム、シリコン、チタ
ンのアルコキシドの少なくとも1種と金属粉末とガラス
粉末の混合粉末から成る金属化層11を被着させる。
【0022】前記金属化層11に含まれるアルミニウム、
シリコン、チタンのアルコキシドは熱が印加されると酸
化アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタン等の酸化物
となり、窒化アルミニウム質焼結体10表面にガラスと濡
れ性の良い酸化物膜を形成する作用を為す。
【0023】尚、前記アルミニウム、シリコン、チタン
のアルコキシドとしてはアルミニウムトリエトキシド、
テトラエトキシシラン、チタニウムテトラエトキシド、
アルミニウムトリメトキシド、テトラメトキシシラン、
チタニウムテトラメトキシド等が使用される。
【0024】また前記アルミニウム、シリコン、チタン
のアルコキシドはその含有量が1.0重量%未満であると
窒化アルミニウム質焼結体10の表面に酸化アルミニウム
や酸化シリコン、酸化チタン等の酸化物膜を良好に形成
することができず、その結果、窒化アルミニウム質焼結
体10表面に金属層を強固に被着させるのが困難となる。
また含有量が25.0重量%を越えると金属化層11の導電性
が大きく劣化し、回路配線導体としては不向きとなる。
従って、前記金属化層11中のアルミニウム、シリコン、
チタンのアルコキシドはその含有量を0.1 乃至25.0重量
%の範囲としておくことが好ましい。
【0025】更に前記金属化層11に含まれる金属粉末は
回路配線導体としての金属層を形成する作用を成し、例
えば銅、銀ーパラジウム等の金属粉末により形成され
る。
【0026】前記銅、銀ーパラジウム等の金属粉末はそ
の粒子径を1.0 乃至4.0 μm としたものが使用され、金
属化層11中にその含有量を90乃至96重量%として含有さ
れている。
【0027】また更に前記金属化層11に含まれるガラス
粉末は金属層を窒化アルミニウム質焼結体10表面に形成
される酸化物膜に接合させる作用を為し、該ガラス粉末
としては例えば、BaO ーB 2 O 3 ーSiO 2 系、SrO ーB
2 O 3 ーSiO 2 系、SiO 2 ーCaO ーAl2 O 3 系、Ta2 O
5 ーB 2 O 3 ーSiO 2 ーCo系ガラスの1 種もしくは2種
以上混合したものが使用される。
【0028】尚、前記ガラス粉末はその粒子径を3.0 乃
至15.0μm としたものが金属化層11中にその含有量を4.
0 乃至10.0重量%として含有されている。
【0029】また前記金属化層11はアルミニウム、シリ
コン、チタンのアルコキシドの少なくとも1種と金属粉
末とガラス粉末の混合粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添
加しペースト状としたものを従来周知のスクリーン印刷
法を採用することによって窒化アルミニウム質焼結体10
の表面に所定パターンに、また厚みを0.1 乃至5.0 μm
として被着される。
【0030】次に前記上面に金属化層11が被着された窒
化アルミニウム質焼結体10は600 〜1000℃の温度で焼成
され、窒化アルミニウム質焼結体10の表面に酸化アルミ
ニウム、酸化シリコン、酸化チタンの少なくとも1種か
ら成る酸化物膜12を形成するとともに該酸化物膜12にガ
ラスを介し金属粉末から成る金属層13を接合させること
によって窒化アルミニウム質焼結体10表面に金属層13が
被着され、半導体素子収納用パッケージや回路基板等に
好適に使用される絶縁基体となる。この場合、窒化アル
ミニウム質焼結体10の表面には酸化アルミニウム、酸化
シリコン、酸化チタン等のガラスと濡れ性の良い緻密な
酸化物膜12が被着形成されているため金属層13はガラス
を介して窒化アルミニウム質焼結体10に極めて強固に接
合し、外力が印加されても容易に剥離することはない。
従って、半導体素子収納用パッケージや回路基板等に極
めて好適に使用することが可能となる。
【0031】尚、本発明は上述の実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種
々の変更は可能である。
【0032】
【発明の効果】本発明の窒化アルミニウム質焼結体への
金属層の被着方法、即ち、窒化アルミニウム質焼結体の
表面に、アルミニウム、シリコン、チタンのアルコキシ
ドの少なくとも1種と金属粉末とガラス粉末の混合粉末
を被着するとともにこれを焼成することによって金属層
を窒化アルミニウム質焼結体表面に被着する方法によれ
ば窒化アルミニウム質焼結体の表面にガラスと濡れ性の
良い酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタン等の
緻密な酸化物膜が形成されるとともに該酸化物膜に金属
層がガラスを介し接合されることから金属層の窒化アル
ミニウム質焼結体に対する被着強度が極めて強固とな
り、その結果、金属層に外力が印加されても該金属層が
窒化アルミニウム質焼結体より容易に剥離することは皆
無となる。
【0033】従って、本発明の方法によって製作される
金属層が被着された窒化アルミニウム質焼結体は半導体
素子収納用パッケージや回路基板等に極めて好適に使用
することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法によって製作された金属層を有す
る窒化アルミニウム質焼結体を半導体素子を収容する半
導体素子収納用パッケージに適用した場合の一実施例を
示す断面図である。
【図2】本発明の窒化アルミニウム質焼結体への金属層
の被着方法を説明するための各工程毎の断面図である。
【符号の説明】
10・・・窒化アルミニウム質焼結体 11・・・金属化層 12・・・酸化物膜 13・・・金属層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 23/12 H05K 1/09 Z H05K 1/09 H01L 23/12 Q

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化アルミニウム質焼結体の表面に、アル
    ミニウム、シリコン、チタンのアルコキシドの少なくと
    も1種と金属粉末とガラス粉末とから成る混合粉末を被
    着し、次にこれを焼成し、窒化アルミニウム質焼結体の
    表面に酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタンの
    少なくとも1種から成る酸化物膜を形成するとともに該
    酸化物膜に金属粉末をガラスを介し接合させることによ
    って窒化アルミニウム質焼結体表面に金属層を被着させ
    ることを特徴とする窒化アルミニウム質焼結体への金属
    層の被着方法。
  2. 【請求項2】前記混合粉末中のアルミニウム、シリコ
    ン、チタンのアルコキシドの少なくとも1種の量が0.1
    乃至25.0重量%であることを特徴とする請求項1 記載の
    窒化アルミニウム質焼結体への金属層の被着方法。
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