JP3260512B2

JP3260512B2 - 窒化アルミニウム回路基板

Info

Publication number: JP3260512B2
Application number: JP23512693A
Authority: JP
Inventors: 和男池田; 英樹佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-09-21
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 2002-02-25
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: JPH0794632A

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
に半導体素子およびリードフレームを一体に接合した窒
化アルミニウム回路基板に係り、特にリードフレームの
接合強度を高め動作信頼性を大幅に改善するとともに、
放熱性に優れた窒化アルミニウム回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、絶縁材としてのセラミックス基板
上に半導体素子およびリードフレームを一体に接合した
セラミックス回路基板は、一般に下記のような工程で製
造されている。

【０００３】すなわち、第１工程として酸化アルミニウ
ム（アルミナ：Ａｌ₂Ｏ₃）などのセラミックス基板上
に、例えばＭｏ−Ｍｎの混合粉末をペースト状にしたも
のをスクリーン印刷等によって印刷してリードフレーム
接合部および半導体素子搭載部を含めた微細な導体層パ
ターンを形成する。次に第２工程として、導体層パター
ン等を印刷したセラミックス基板を窒素雰囲気または水
素雰囲気中で高温度で焼成することにより硬いメタライ
ズ層を形成し、しかる後に、第３工程として、上記メタ
ライズ層表面にＮｉめっきを施行し、最後の第４工程と
して、上記Ｎｉめっき層上部にＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介
してリードフレームが加熱接合される。そして最終的に
上記Ｎｉめっき層，およびＡｕめっき層を形成したメタ
ライズ層上面に半田層を介して半導体素子が一体に接合
されることによりセラミックス回路基板が製造される。

【０００４】上記Ｍｏ−Ｍｎメタライズ層は、表面平滑
性に優れており、半導体素子（Siチップ）を接合する場
合において、接合面にボイド（空隙）を形成することが
少なく、半導体素子は高い密着性をもってメタライズ層
を介しセラミックス基板上に一体に接合される。したが
って接合部にボイドを生じて熱過渡性が悪化することも
なく、動作信頼性が高いセラミックス回路基板を得るこ
とができる。

【０００５】ところで、上記セラミックス基板としては
アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）焼結体が主流となっているが、
Ａｌ₂Ｏ₃の熱伝導率は最高でも３０Ｗ／ｍ・Ｋと低い
ため、充分な放熱特性を発揮し得ない難点があった。

【０００６】一方、半導体装置および電子機器の小型化
と歩調を合せて、半導体素子等の電子部品の高集積化お
よび高出力化が進行し、動作時における電子部品からの
発熱量も比例して増大し、より放熱特性が優れた回路基
板の開発が要請されている。

【０００７】そこでアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）よりも高い
熱伝導性を有するＢｅＯ，ＳｉＣ，ＡｌＮ等のセラミッ
クス焼結体で形成した回路基板も普及している。しかし
ながら、ＢｅＯは毒性物質であるため世界的にその製造
使用が制限される傾向があり、一方、ＳｉＣは電気抵抗
が低く高度の電気絶縁性を要する回路基板材料としては
適性に欠ける難点がある。

【０００８】一方、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）焼結体
は、高熱伝導性を有する絶縁体であり、また半導体素子
の主成分であるシリコン（Ｓｉ）に近い熱膨脹係数を有
することから熱膨脹差に起因する素子の劣化、基板の破
損等の故障が少なく、特に高出力化、高集積化した半導
体装置の回路基板材料として、その用途を拡大してい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ックス基板として窒化アルミニウム基板を使用した場
合、上記メタライズ層およびリードフレームのＡｇ−Ｃ
ｕ系ろう材に対する濡れ性が低いため、そのままではリ
ードフレームの接合強度が低く、リードフレームの剥離
による動作不良が生じ易い問題がある。そのため、接合
強度を高めるために、メタライズ層表面に予めＮｉめっ
き層を形成することが必要であり、必然的に製造工程が
煩雑化し、セラミックス回路基板の製造コストが上昇し
てしまう問題点があった。すなわち窒化アルミニウム基
板に形成したメタライズ層に銀ろう材でリードフレーム
をろう付け接合した場合、その接合強度はピール強度で
１〜２kgf/cm程度と低いため、要求水準が上昇した設計
仕様に適合しない事態も現れることが、本発明者らによ
る回路基板の試作段階で判明した。

【００１０】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、リードフレームの接合強度を高めて使用
時におけるリードフレームの剥離を防止し、動作信頼性
が高く、かつ放熱性に優れた回路基板を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するため、窒化アルミニウム基板に対する半導体素
子およびリードフレームの種々の接合構造を研究し、そ
の接合強度および密着性に及ぼす影響を比較検討した。
その結果、半田材で接合される半導体素子を搭載する基
板表面には、表面平滑性および半田濡れ性に優れたメタ
ライズ層を形成して半導体素子の密着性を高める一方、
特に高い接合強度を要求されるリードフレームを接合す
る部位には、活性金属層を形成してその接合強度を高め
ることにより、半導体素子の密着性およびリードフレー
ムの接合強度を共に満足し、信頼性が高い回路基板が得
られることが判明した。本発明は、これらの知見に基づ
いて完成されたものである。

【００１２】すなわち本発明に係る窒化アルミニウム回
路基板は、窒化アルミニウム基板の表面に一体に形成さ
れたメタライズ層を介して半導体素子を一体に接合する
一方、活性金属層を介してリードフレームを上記窒化ア
ルミニウム基板の他の表面に一体に接合したことを特徴
とする。またメタライズ層は、高融点金属層と、この高
融点金属層上面に形成されためっき層とから構成すると
よい。さらに活性金属層は、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮ
ｂから選択される少くとも１種の活性金属を含有するろ
う材から成る。またリードフレームは、Ｃｕ，Ｃｕ合
金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｃｕ−Ｍ
ｏ−Ｃｕクラッド材，Ｃｕ−（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）
−Ｃｕクラッド材の少なくとも１種から構成するとよ
い。さらにメタライズ層は厚膜法によって形成するとよ
い。

【００１３】本発明の回路基板に使用する窒化アルミニ
ウム基板は、窒化アルミニウム粉末に金属酸化物等を焼
結助剤として添加し、この混合粉末を所定形状に成形
し、常圧焼結法、雰囲気加圧焼結法あるいはホットプレ
ス法により製造したもので、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以
上のものを使用する。

【００１４】窒化アルミニウム基板の素子搭載部に形成
するメタライズ層としては、通常のメタライズ法による
ものの他、セラミックス基板上に銅製の金属板を直接接
触配置し加熱接合するＤＢＣ法（ダイレクトボンドカッ
パー法）、厚膜法、めっき法等により形成する。このメ
タライズ法としては、例えばモリブデンやタングステン
とチタンなどの高融点金属やその化合物とを主成分とす
るメタライズ組成物を使用した方法が挙げられる。この
メタライズ法によりメタライズ層を形成する場合は、メ
タライズ層の保護および半田層との漏れ性を改善するた
め、メタライズ層上にさらにニッケルや金等の金属めっ
き層を形成して使用する。

【００１５】本発明に係る回路基板において、リードフ
レームの接合を行なうために形成される活性金属層は、
Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂ等の活性金属を含有し適切
な組成比を有するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材等で構成さ
れ、このろう材組成物を有機溶媒中に分散して調製した
接合用組成物ペーストを窒化アルミニウム基板表面にス
クリーン印刷する等の方法で形成される。

【００１６】上記接合用組成物ペーストの具体例として
は、下記のようなものがある。すなわち重量％でＣｕを
１５〜３５％、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＮｂから選択さ
れる少くとも１種の活性金属を１〜１０％、残部が実質
的にＡｇから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製し
た接合用組成物ペースト、または重量％でＣｕを１５〜
３５％、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＮｂから選択される少
くとも１種の活性金属を１〜１０％、Ｗ，Ｍｏ，Ａｌ
Ｎ，Ｓｉ₃Ｎ₄およびＢＮから選択される少くとも１種
を５〜４０％含有し、残部が実質的にＡｇから成る組成
物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペース
トを使用するとよい。

【００１７】上記活性金属は窒化アルミニウム基板に対
するろう材の濡れ性を改善するための成分であり、それ
らの配合量は、接合用組成物全体に対して１〜１０重量
％である。

【００１８】Ｗ，Ｍｏ，ＡｌＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄およびＢＮ
は、窒化アルミニウム基板とリードフレームとの接合部
における応力緩和を図るために有効な成分であり、５〜
４０重量％添加される。すなわち窒化アルミニウム基板
とリードフレームとを接合する場合において、両部材の
熱膨脹係数差に起因する残留熱応力を緩和するため、接
合用組成物に、窒化アルミニウム基板と金属とを接合す
る反応層を形成させる作用の他に、反応層自身に応力緩
和作用をもたせることが有効である。

【００１９】本発明では、接合用組成物の成分として、
導電性を有するＡｇ−Ｃｕを主体にしたろう材に、熱膨
脹係数がセラミックス基板に比較的に近いＷ，Ｍｏ，Ａ
ｌＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＢＮを添加することにより、反応層
に応力緩和作用を発揮させ、高い接合強度を有し、かつ
熱衝撃試験（ＴＣＴ）特性に優れた窒化アルミニウム回
路基板を得ることができる。特にセラミックス基板が窒
化アルミニウム（AlN）焼結体の場合には、Ａｇ−Ｃｕ
ろう材にＷ，Ｍｏ，ＡｌＮを添加したろう材を使用する
と割れや剥離が少ない接合体を得ることができる。

【００２０】導電性を発揮するＡｇ−Ｃｕ成分は、窒化
アルミニウム基板とＴｉとの接合層の形成を促進する成
分として有効であり、Ｔｉを拡散させ強固な接合体を形
成するのに寄与するのみならず、導体層としての微細な
回路を形成する材料ともなる。

【００２１】また本発明のように、微細な導体層パター
ンを接合用組成物によって形成する場合には、生成する
液相の流れによってパターンがくずれることを防止する
ために、Ａｇ−Ｃｕ成分が共晶組成物（７２ｗｔ％Ａｇ
−２８Ｃｕ）を生成し易い組成比から離れた組成比を有
する接合用組成物を使用し、液相の生成量を低減するこ
とが肝要である。すなわち、ろう接合時に加熱昇温する
温度７００〜９５０℃の範囲で必要最少量の液相を生成
する金属成分を含む化合物系で構成された接合用組成物
を使用することが重要となる。

【００２２】一方、リードフレーム構成材としては、導
電性および熱膨脹性を考慮して、Cu，Ｃｕ合金，５３Ｆ
ｅ−２８Ｎｉ−１８Ｃｏ（コバール合金）等のＦｅ−Ｎ
ｉ−Ｃｏ合金，４２Ｎｉ−Ｆｅ等のＦｅ−Ｎｉ合金，Ｃ
ｕ−Ｍｏ−Ｃｕクラッド材，Ｃｕ−（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
合金）−Ｃｕクラッド材等が好適である。特に上記コバ
ール合金や４２Ｎｉ−Ｆｅ合金は窒化アルミニウム基板
に近似した低い熱膨脹係数を有しており、基板とリード
フレームとの熱膨脹差に起因する疲労劣化を効果的に防
止することができる。

【００２３】上記窒化アルミニウム回路基板は、例えば
次のような同時焼成工程で製造してもよい。すなわち、
所定形状および寸法に成形された窒化アルミニウム成形
体の所定面に、Ｗなどの導電成分を含むペーストを使用
して所定形状の回路パターン等を印刷する。半導体素子
を搭載する部位のメタライズ層用パターンは、半導体素
子の各リードと接続するための回路パターン形状とす
る。

【００２４】そして回路パターン等を印刷した後に、窒
素ガス等の非酸化性雰囲気で温度１４００〜１７００℃
で窒化アルミニウム成形体および印刷パターンを同時焼
成（co-fire ）して、メタライズ層が一体に形成された
窒化アルミニウム基板を得る。さらに形成されたメタラ
イズ層を保護するために、メタライズ層表面上にさらに
ニッケルや金等の金属めっき層を形成するとよい。なお
メタライズ層は前記のＤＢＣ法によって形成してもよ
い。次に半導体素子（ＩＣペレット）を半田接合によっ
て窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の素子搭載部（メタ
ライズ層）に接合する一方、上記活性金属を含有する接
合用組成物（ろう材）を使用し、真空ろう付け法によっ
て、窒化アルミニウム基板の他の表面にリードフレーム
を一体に接合する。

【００２５】

【作用】上記構成に係る窒化アルミニウム回路基板によ
れば、表面平滑性および半田濡れ性に優れたメタライズ
層を形成し、その表面に半田によって半導体素子を接合
しているため、半導体素子の密着性が優れ、ボイド発生
等による素子の特性悪化を招くおそれが少ない。一方、
表面平滑性は劣るが、窒化アルミニウム基板に対する濡
れ性に優れた活性金属層を介してリードフレームを窒化
アルミニウム基板に一体に接合しているため、リードフ
レームの接合強度は極めて高くなり、繰返しの熱衝撃に
よるリードフレームの剥離がなく、動作信頼性に優れ、
かつ放熱性に優れた回路基板を提供することができる。

【００２６】

【実施例】次に本発明の一実施例について添付図面を参
照して説明する。

【００２７】実施例１実施例１として図１および図２に示すようなリードフレ
ーム２，２ａ，２ｂ，２ｃおよび半導体素子３を窒化ア
ルミニウム基板４に一体に接合した窒化アルミニウム回
路基板１を下記のような手順で製造した。

【００２８】すなわち直径が１２．５mmであり、熱伝導
率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）基板４の素子搭載部にモリブデンから成るメタライ
ズ層５を形成した後に、基板４の両面の所定位置に３０
ｗｔ％Ａｇ−６５％Ｃｕ−５％Ｔｉろう材をスクリーン
印刷して活性金属層６を形成した。さらに上記メタライ
ズ層５の表面に、厚さ５μｍのＮｉめっき層７を形成し
た。そして上記活性金属層６を介して、厚さ０．３mmの
銅合金製リードフレーム２，２ａ，２ｂ，２ｃをＡｌＮ
基板４に一体に接合し、さらに上記ニッケルめっき層７
を形成したメタライズ層５に半田層８を介して半導体素
子（Ｓｉチップ）３を一体に接合し、さらにリードフレ
ーム表面に金めっきを施すことにより、実施例１に係る
ＡｌＮ回路基板１を調製した。

【００２９】この実施例１に係るＡｌＮ回路基板１のリ
ードフレーム２，２ａ，２ｂ，２ｃの接合強度を測定し
たところ、平均のピール強度で７〜１０kgf/cmという、
従来と比較して高い接合強度が得られ、実用上問題がな
いことが確認された。

【００３０】また上記ＡｌＮ回路基板の耐久性および信
頼性を評価するために、−６５℃〜＋１５０℃の範囲で
加熱し、引き続いて＋１５０℃〜６５℃に冷却する操作
を１サイクルとするヒートサイクル試験（ＴＣＴ）を繰
返し実施したところ、２００サイクル後においても各リ
ードフレームの剥離は皆無であった。

【００３１】一方、メタライズ層５に半田付けを行な
い、引張り強度を測定したところ、平均値は２kgf/mm²
と高い接合強度を有することが確認できた。

【００３２】比較例１一方、活性金属層を形成せずに半導体素子搭載部および
リードフレーム接合部にともにモリブデンから成るメタ
ライズ層を形成し、各リードフレームを銀ろう材により
一体に接合した以外は実施例１と同様に処理して比較例
１に係るAlN回路基板を調製した。

【００３３】この比較例１に係るＡｌＮ回路基板につい
て、実施例１と同一条件のＴＣＴ試験を実施したとこ
ろ、１００サイクル後において、約３２％の試料につい
てリードフレームの剥離が発生し、実用に耐えないこと
が判明した。

【００３４】実施例２実施例２として図３に示すようなリードフレーム２ｄ，
２ｅ，２ｆ，２ｇおよび半導体素子３ａを窒化アルミニ
ウム基板４ａに一体に接合した窒化アルミニウム回路基
板１ａを下記のような手順で製造した。

【００３５】すなわち縦横寸法が１０mm×８mm、厚さが
０．６３５mmであり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋであ
る窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板４ａの素子搭載部に
モリブデンから成るメタライズ層５ａを形成した後に、
基板４ａの両面の所定位置に３０ｗｔ％Ａｇ−６５％Ｃ
ｕ−５％Ｔｉろう材をスクリーン印刷して活性金属層６
ａを形成した。さらに上記メタライズ層５ａの表面に、
厚さ５μｍのＮｉめっき層を形成した。そして上記活性
金属層６ａを介して、厚さ０．３mmの４２％Ni−Ｆｅ合
金製リードフレーム２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇをＡｌＮ基
板４ａに一体に接合し、さらに上記ニッケルめっき層を
形成したメタライズ層５ａに半田層を介して半導体素子
（Ｓｉチップ）３ａを一体に接合し、さらにリードフレ
ーム表面に金めっきを施すことにより、実施例２に係る
ＡｌＮ回路基板１ａを調製した。

【００３６】この実施例２に係るＡｌＮ回路基板１ａの
リードフレーム２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇの接合強度を測
定したところ、平均のピール強度で５〜８kgf/cmとい
う、従来と比較して高い接合強度が得られ、実用上問題
がないことが確認された。

【００３７】また上記ＡｌＮ回路基板の耐久性および信
頼性を評価するために、実施例１と同一条件のヒートサ
イクル試験（ＴＣＴ）を繰返し実施したところ、２００
サイクル後においても各リードフレームの剥離は皆無で
あった。

【００３８】比較例２一方、活性金属層を形成せずに半導体素子搭載部および
リードフレーム接合部にともにモリブデンから成るメタ
ライズ層を形成し、厚さ０．３mmの４２％Ni−Ｆｅ合金
製のリードフレームを銀ろう材により一体に接合した以
外は実施例２と同様に処理して比較例２に係るＡｌＮ回
路基板を調製した。

【００３９】この比較例２に係るＡｌＮ回路基板につい
て、実施例２と同一条件のＴＣＴ試験を実施したとこ
ろ、１００サイクル後において、約６５％の試料につい
てリードフレームの剥離が発生し、実用に耐えないこと
が判明した。

【００４０】実施例３実施例２においてモリブデンから成るメタライズ層の代
りに、厚膜法によって形成した銅製メタライズ層を設け
た以外は実施例２と同様に処理し、厚さ０．３mmの４２
％Ｎｉ−Ｆｅ合金製リードフレームを活性金属層を介し
て窒化アルミニウム基板上に一体に接合し、実施例２と
同一寸法を有する実施例３に係るAlN回路基板を調製し
た。

【００４１】この実施例３に係るＡｌＮ回路基板のリー
ドフレームの接合強度を測定したところ、平均のピール
強度で５〜８kgf/cmという、従来と比較して高い接合強
度が得られ、実用上問題がないことが確認された。

【００４２】また上記ＡｌＮ回路基板の耐久性および信
頼性を評価するために、実施例１と同一条件でヒートサ
イクル試験（ＴＣＴ）を繰返し実施したところ、２００
サイクル後においても各リードフレームの剥離は皆無で
あった。

【００４３】一方、銅厚膜に半田付けを行ない、引張り
強度を測定したところ、平均値は１kgf/mm²と高い接合
強度を有することが確認できた。

【００４４】比較例３一方、活性金属層を形成せずに半導体素子搭載部および
リードフレーム接合部にともに上記銅厚膜から成るメタ
ライズ層を形成し、各リードフレームを銀ろう材により
一体に接合した以外は実施例３と同様に処理して比較例
３に係るAlN回路基板を調製した。

【００４５】この比較例３に係るＡｌＮ回路基板につい
て、実施例１と同一条件のＴＣＴ試験を実施したとこ
ろ、１００サイクル後において、約５５％の試料につい
てリードフレームの剥離が発生し、実用に耐えないこと
が判明した。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明の通り、本発明に係る窒化ア
ルミニウム回路基板によれば、表面平滑性および半田濡
れ性に優れたメタライズ層を形成し、その表面に半田に
よって半導体素子を接合しているため、半導体素子の密
着性が優れ、ボイド発生等による素子の特性悪化を招く
おそれが少ない。一方、表面平滑性は劣るが、窒化アル
ミニウム基板に対する濡れ性に優れた活性金属層を介し
てリードフレームを窒化アルミニウム基板に一体に接合
しているため、リードフレームの接合強度は極めて高く
なり、繰返しの熱衝撃によるリードフレームの剥離がな
く、動作信頼性に優れ、かつ放熱性に優れた回路基板を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る窒化アルミニウム回路基板の一実
施例を示す斜視図。

【図２】図１におけるII−II矢視断面図。

【図３】本発明に係る窒化アルミニウム回路基板の他の
実施例を示す斜視図。

【符号の説明】

１，１ａ窒化アルミニウム回路基板２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇリー
ドフレーム３，３ａ半導体素子（Ｓｉチップ）４，４ａ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板５，５ａメタライズ層６，６ａ活性金属層７Ｎｉめっき層８半田層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/12 H01L 23/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム基板の表面に一体に形
成された高融点金属または銅を主成分とするメタライズ
層を介して半導体素子を一体に接合する一方、活性金属
層を介してリードフレームを上記窒化アルミニウム基板
の他の表面に一体に接合するとともに、上記メタライズ
層と少なくとも１つのリードフレームとが同一表面上に
存在することを特徴とする窒化アルミニウム回路基板。
【請求項２】メタライズ層は、高融点金属層と、この
高融点金属層上面に形成されためっき層とから成ること
を特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム回路基
板。
【請求項３】活性金属層は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆおよび
Ｎｂから選択される少くとも１種の活性金属を含有する
ろう材から成ることを特徴とする請求項１記載の窒化ア
ルミニウム回路基板。
【請求項４】リードフレームは、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ｆ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃ
ｕクラッド材，Ｃｕ−（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）−Ｃｕ
クラッド材の少なくとも１種から成ることを特徴とする
請求項１記載の窒化アルミニウム回路基板。
【請求項５】メタライズ層は厚膜法によって形成され
て成ることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウ
ム回路基板。
【請求項６】複数のリードフレームを接合したことを
特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の窒化ア
ルミニウム回路基板。