JP3389384B2 - 窒化アルミニウム質基板 - Google Patents

窒化アルミニウム質基板

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、配線基板などに好
適に使用されるメタライズ層が形成された窒化アルミニ
ウム質基板に関するものである。
【0002】
【従来技術】従来より、窒化アルミニウム質焼結体は、
アルミナ、ジルコニアなどのセラミック材料に比較して
格段に熱伝導性に優れたセラミック材料として注目さ
れ、半導体素子からの発熱を効率的に除去するために、
配線基板や半導体素子収納用パッケージにおける基板材
料として用いられつつある。
【0003】このような窒化アルミニウム質焼結体とし
ては、窒化アルミニウムがそれ自体では焼結しにくいた
めに、Y2 3 などの周期律表第3a族元素化合物、C
aOなどのアルカリ土類金属元素化合物などを添加し焼
成することが、特開昭60−71575号、特公昭58
−49510号、特開昭61−117160号等にて提
案されている。
【0004】また、窒化アルミニウム質焼結体に添加さ
れる上記焼結助剤成分は、最終焼結体中に残存すると熱
伝導性を低下させる要因となるため、高熱伝導化を達成
するために、これら助剤成分を揮散除去させた高純度窒
化アルミニウム焼結体も特開昭62−41767号、特
開昭63−277569号等にて提案されている。
【0005】さらに、窒化アルミニウム質焼結体を用い
て配線基板等を作製するには、例えば、窒化アルミニウ
ム質グリーンシートの表面にW,Moなどの高融点金属
を含有するペーストを配線パターンに塗布した後、これ
を1600〜1900℃の温度でメタライズ層と絶縁基
板とを同時焼成することにより作製することが知られて
いる。また、基板の表面に形成されたメタライズ層の表
面には、リードピンなどの金具をロウ付けするために、
NiやAuなどのメッキが被覆されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】配線基板は、その高密
度化および小型化に伴い、メタライズ層も薄膜化する傾
向にある。そこで、高密度の配線基板等を作製するに、
窒化アルミニウム質グリーンシートにメタライズペース
トを塗布し、これを同時焼成したところ、メタライズ層
にピンホールが形成されるといった問題があった。
【0007】このようなピンホールの形成は、配線の薄
膜化および高密度化に対しては回路としての信頼性を損
なうため、致命的な問題であった。しかも、メタライズ
層の表面にさらにメッキ層を形成した場合、ピンホール
の箇所でメッキ層が形成されないという問題があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる現象
について研究を進めた結果、ピンホールの形成箇所に
は、窒化アルミニウム質焼結体の表面に黒色状の析出物
が存在すること、しかもその析出物がカルシウムとイオ
ウとを主体とする化合物からなること、その析出物がメ
タライズとの濡れ性が極端に悪いためにピンホールが形
成され、その結果、その箇所にメッキが形成されないこ
とを突き止めた。
【0009】そこで、本発明者は、メタライズ層を形成
する窒化アルミニウム質焼結体中において、イオウ
(S)およびカルシウム(Ca)の量の含有量の少ない
窒化アルミニウム原料粉末を用いて焼結し、最終焼結体
中におけるイオウ量およびカルシウム量を特定範囲に低
減した焼結体を用いた結果、黒点状の析出物がなくな
り、メタライズ層およびメッキ層においてピンホールの
形成を抑制できることを見いだし、本発明に至ったので
ある。
【0010】即ち、本発明は、窒化アルミニウムを主体
とする窒化アルミニウム質焼結体からなる基板の少なく
とも表面にメタライズ層を具備してなる窒化アルミニウ
ム質基板において、前記窒化アルミニウム質焼結体中に
おけるイオウおよびカルシウムの含有量が合量で250
ppm以下であることを特徴とするものである。
【0011】
【作用】本発明によれば、メタライズ層を具備する窒化
アルミニウム質基板において、絶縁基体を形成する窒化
アルミニウム質焼結体中におけるイオウ量およびカルシ
ウム量を合量で250ppm以下とすることにより、イ
オウおよびカルシウムの化合物の析出を抑制することが
できる。
【0012】イオウおよびカルシウムは、窒化アルミニ
ウム質焼結体においては、不可避的な元素であり、これ
らの元素の存在を皆無にすることはできない。イオウと
カルシウムとの化合物の析出は、カルシウムまたはイオ
ウのいずれか一方を低減しても解消することができず、
カルシウムとイオウの双方を低減することが重要であ
る。特に、イオウ量とカルシウム量が250ppm以下
で、特にイオウ量を60ppm以下、カルシウム量を1
80ppm以下に低減することが望ましい。
【0013】また、イオウおよびカルシウムは、そのほ
とんどが窒化アルミニウム原料粉末の不可避的な成分と
して混入するものであり、これらの量を低減するには、
窒化アルミニウム原料粉末として、イオウおよびカルシ
ウム量が低減された高純度の窒化アルミニウム原料粉末
を用いることにより、焼結体中のイオウ量およびカルシ
ウム量を制御することができる。
【0014】これにより、メタライズ層およびメッキ層
のピンホールの形成が抑制される結果、メタライズ層の
厚みが薄い場合においても信頼性の高い配線層を形成す
ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明の窒化アルミニウム質基板
1は、図1に示すように、窒化アルミニウム質焼結体か
らなる絶縁基体2と、基板1の表面および内部に形成さ
れたメタライズ層3を具備する。また、メタライズ層3
の表面には、さらにメッキ層が形成される場合もある。
【0016】本発明において絶縁基体として用いられる
窒化アルミニウム質焼結体は、窒化アルミニウム原料粉
末に、焼結助剤として周知の材料、例えば、Y、Er、
Yb、Ho、Lu、La、Dyなど周期律表第3a族元
素の酸化物、フッ化物、炭化物、硼化物、窒化物や、ア
ルカリ土類元素の酸化物、フッ化物、炭化物、硼化物、
窒化物等を0.1〜20重量%の割合で添加したものを
所望の成形手段、例えば、金型プレス,冷間静水圧プレ
ス,押出し成形等により任意の形状に成形後、1600
〜2000℃の窒素含有雰囲気中で焼成することにより
得られた相対密度98%以上の高密度焼結体である。な
お、かかる焼結体には、焼結助剤以外の添加成分とし
て、例えば、着色成分として、Ti、Nb、V、Ta、
W、Mo、Co、Ni、Feなどの周期律表第4a、5
a、6a、8族元素の酸化物炭化物、窒化物などを10
重量%以下の割合で添加含有することもできる。
【0017】このような添加成分を添加する場合におい
ても、これらの添加成分からのイオウおよびカルシウム
の混入が焼結体全体として前述した範囲を満足するよう
に制御する必要があることは当然である。
【0018】本発明によれば、この窒化アルミニウム質
焼結体中におけるイオウおよびカルシウムの含有量が合
量で250ppm以下、特に200ppm以下、さらに
は150ppm以下であることが重要である。これは、
イオウおよびカルシウム量が合量で250ppmを越え
ると、焼結過程で、焼結体の表面にカルシウムとイオウ
を主体とする黒点状の化合物が析出しメタライズ層の形
成時にピンホールが形成されてしまうという問題が生じ
る。
【0019】望ましくは、イオウは、60ppm以下、
カルシウムは180ppm以下であるのがよい。
【0020】イオウは、主として窒化アルミニウム原料
粉末から混入する。このイオウは、例えば、アルミナ還
元窒化法によって窒化アルミニウム粉末を作製する際の
還元剤として添加されたカーボン中のイオウ成分が原料
粉末中に残存したものと考えられる。また、カルシウム
も不可避的不純物として混入する成分であり、窒化アル
ミニウム原料粉末の合成時にイオウ量の少ないカーボン
を用いるか、あるいは原料粉末の精製処理により高純度
化処理を行うことによりイオウおよびカルシウム量の低
減を図ることができる。
【0021】また、窒化アルミニウム原料粉末に対して
添加される上述した焼結助剤およびその他の添加成分に
おいても焼結体全体のイオウおよびカルシウム量が上記
の範囲を満足できるように高純度の粉末を用いることが
必要である。
【0022】本発明において、メタライズ層を有する基
板を作製するには、窒化アルミニウム原料粉末に、上述
したような焼結助剤やその他の添加成分を配合した混合
物を用いて、シート状成形体を作製する。シート状成形
体は、上記混合物からなるスラリーを調製してドクター
ブレード法により作製するか、またはプレス成形、押し
出し成形等によっても作製することができる。
【0023】次に、得られたシート状成形体(グリーン
シート)に対して、メタライズペーストを塗布する。メ
タライズペーストは、W、MoおよびTaから選ばれる
少なくとも1種の高融点金属を主とし、場合によって
は、希土類元素、アクチノイド元素などの周期律表第3
a族元素や、Ti、Zrなどの周期律表第4a族元素を
含有するものであり、さらに、絶縁基体を形成する成分
である窒化アルミニウムや、焼結助剤成分を添加含有さ
せることもできる。
【0024】このメタライズペーストは、スクリーン印
刷法等により、グリーンシートの表面に印刷され、ある
いはグリーンシートに形成されたスルーホールに充填さ
れた後に、グリーンシートとともに同時焼成される。同
時焼成は、1600〜2000℃の窒素雰囲気中、特に
窒素水素混合雰囲気中で焼成される。
【0025】本発明によれば、上記のようにして形成さ
れるメタライズ層の厚みは一般には15〜25μm程度
であるが、本発明のようにピンホールの形成を抑制した
効果によって、厚みが5〜15μmの薄いメタライズ層
であっても配線層として高信頼性のメタイズ層を形成す
ることができる。
【0026】このようにして、得られた基板には、さら
に、リードピン等の金具をロウ付けすることを目的とし
て、電解メッキ、または無電解メッキ法によりNi、A
uなどのメッキ層を3〜8μmの厚みで被覆形成するこ
とができる。
【0027】以下、本発明を次の例で説明する。
【0028】
【実施例】窒化アルミニウム原料粉末として、アルミナ
還元窒化法により得られた表1に示す5種類の原料を用
意した。
【0029】
【表1】
【0030】上記表1の原料に対して、Er2 3 ある
いはY2 3 を表2に示す割合で添加混合したものに、
さらにバインダーとしてアクリル系バインダーを添加し
て窒化ケイ素ボ−ルを用いたボールミルで40時間混合
してスラリーを調製した。このスラリーを用いてドクタ
ーブレード法により厚み0.5mmのグリーンシートを
作製した。その後、このグリーンシートの表面に、固形
成分として、W94.5重量%、AlN5重量%、Er
2 3 0.5重量%含有し、これをジブチルフタレート
からなる溶媒中に分散したメタライズペーストを回路パ
ターンの代わりに、ピンホールを検出するために10m
m角に印刷した。
【0031】そして、これを1000℃で脱バインダー
処理し、N2 /H2 =82:18の窒素水素混合雰囲気
中で10時間同時焼成し、メタライズ層の厚みが10μ
mの窒化アルミニウム質基板を作製した。
【0032】得られた基板の窒化アルミニウム質焼結体
に対して、ICP発光分光分析によって、焼結体中のイ
オウおよびカルシウム量を定量し表2に示した。また、
窒化アルミニウム質焼結体のレーザーフラッシュ法によ
り測定した熱伝導率も合わせて表2に示した。
【0033】また、得られた基板のメタライズ層に対し
て、双眼顕微鏡によって、10mm角のメタライズ層中
のピンホールの数をカウントしてその数を表2に示し
た。
【0034】さらに、メタライズ層の基板への密着性を
調査するために、メタライズ層に対して、無電解メッキ
法によってNiメッキを4μm形成した後、Fe−Ni
−Co合金からなるピンをBAg−8によってロウ付け
した後、リードピンを垂直に引っ張ることによりメタラ
イズ層の接合強度を測定した。その結果を表2に示す。
【0035】
【表2】
【0036】表2の結果から明らかなように、焼結体中
のイオウおよびカルシウムの含有量が合計で250pp
mを越える試料No.6,7,9はいずれも、焼結体の表
面に黒点状の析出物が認められ、メタライズ層にピンホ
ールが数多く認められた。この析出物をEPMA(マイ
クロアナライザー)で分析した結果、イオウとカルシウ
ムが検出された。
【0037】これに対して、イオウとカルシウムの合計
量が250ppm以下の本発明品はいずれもピンホール
の数が格段に減少し、特にSとCaの合計が200pp
m以下で20個以下、150ppm以下でほとんど皆無
となった。また、メタライズ層の接合強度も高く、熱伝
導度も高いものであった。
【0038】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の窒化アルミ
ニウム質基板によれば、黒点状の析出物によるメタライ
ズ層およびメッキ層へのピンホールの形成を抑制するこ
とができるためにメタライズ層からなる配線層の信頼性
を高めるとともに、メタライズ層の薄層化および高密度
化を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の窒化アルミニウム質基板の構造を示す
図である。
【符号の説明】
1 窒化アルミニウム質基板 2 窒化アルミニウム質焼結体 3 メタライズ層

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化アルミニウムを主成分とする窒化アル
    ミニウム質焼結体からなる絶縁基体の少なくとも表面に
    メタライズ層を配設してなる窒化アルミニウム質基板に
    おいて、前記窒化アルミニウム質焼結体中におけるイオ
    ウおよびカルシウムの含有量が合量で250ppm以下
    であることを特徴とする窒化アルミニウム質基板。
  2. 【請求項2】前記窒化アルミニウム質焼結体中における
    イオウ含有量が60ppm以下、カルシウム含有量が1
    80ppm以下である請求項1記載の窒化アルミニウム
    質基板。
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