JP3488794B2 - 窒化アルミニウム質メタライズ基板およびその製造方法 - Google Patents
窒化アルミニウム質メタライズ基板およびその製造方法Info
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Description
半導体素子収納用パッケージ材料等に適用されるメタラ
イズ金属層を有する窒化アルミニウム質焼結体、いわゆ
る窒化アルミニウム質メタライズ基板に関するものであ
り、詳細には1700℃以下で焼結ができる窒化アルミ
ニウム質メタライズ基板およびその製造方法に関するも
のである。
半導体装置からの発生熱が増大化する傾向にあり、これ
によって生じる半導体装置の誤動作をなくすために、放
熱性に優れた基板材料が求められている。
ジには、従来よりアルミナ材が使用されているが、その
熱伝導率は約20W/m・K程度という低い値であるた
めに、これに代わって高熱伝導率の窒化アルミニウム材
が注目されている。
導率の理論値が320W/m・Kという高い値であるた
めに、それに近づける研究開発の結果、最近では200
W/m・Kという高い熱伝導率の窒化アルミニウム質焼
結体が得られている。
法には、希土類化合物またはアルカリ土類化合物等の焼
結助剤を添加して1800℃以上の高温で焼成する技術
が提案されている。
焼成に使用する治具の消耗や、焼成炉の構造、さらにラ
ンニングコスト等を考慮すると製造コストが相当に高く
なるという問題点がある。
トを低減させるために、焼結助剤として希土類化合物と
アルカリ土類化合物との双方を添加して1600〜17
00℃の温度で焼成する技術が提案されている。加え
て、窒化アルミニウム質基板とタングステン等を主成分
とするメタライズ金属層との同時焼成方法に関して、活
性金属等を添加する方法あるいは焼結助剤として窒化ア
ルミニウム質成分を添加する技術も提案されている。
焼成によって窒化アルミニウム質メタライズ基板を作製
する場合には、基板自体が低温焼成可能であるととも
に、メタライズ基板においても低温焼成が可能であるこ
とが要求されている。
1800℃以上の高温焼成に適用されるもので、従来よ
り多用されている。
ニウム質成分を添加したり、焼結過程で窒化アルミニウ
ムが生成されてしまうと、その窒化アルミニウムが17
00℃以下の焼成に対して焼結を阻害するように作用
し、また、基材との接合強度が十分に得られないという
問題点があった。
上させる技術も提案されているが、同時に添加する窒化
アルミニウム質成分が存在するために、焼結性が阻害さ
れ、さらに導体抵抗が上昇する要因ともなっていた。
されたものであり、その目的は1700℃以下という低
い温度で窒化アルミニウム質グリーンシートと、その上
に塗布したメタライズペーストとを同時焼成でき、これ
によって得られた窒化アルミニウム質焼結体基板とメタ
ライズ金属層との接合強度を高くして、しかも、低い導
体抵抗を達成した窒化アルミニウム質メタライズ基板お
よびその製造方法を提供することにある。
ム質メタライズ基板は、窒化アルミニウム粉末に対し
て、希土類元素酸化物を3〜10重量%、アルカリ土類
元素酸化物を0.3〜1.5重量%の割合で添加した組
成物を焼成して得られる窒化アルミニウム質焼結体から
なる基板表面に、メタライズ金属層を被着形成してな
り、このメタライズ金属層がタングステンおよび/また
はモリブデンを主成分とし、その主成分100体積部に
対して、希土類元素を酸化物換算で0.6〜5.0体積
部、アルミニウムを酸化物換算で10〜65体積部の割
合で含有するとともに、これら希土類元素およびアルミ
ニウムは上記主成分の粒界に希土類元素酸化物、酸化ア
ルミニウム、もしくはそれらの化合物として存在するこ
とを特徴とする。
ズ基板は、窒化アルミニウム粉末に対して、希土類元素
酸化物を3〜10重量%、アルカリ土類元素酸化物を
0.3〜1.5重量%の割合で添加した組成物を焼成し
て得られる窒化アルミニウム質焼結体からなる基板表面
に、メタライズ金属層を被着形成してなり、このメタラ
イズ金属層がタングステンおよび/またはモリブデンを
主成分とし、その主成分100体積部に対して、アルカ
リ土類元素を酸化物換算で0.5〜30体積部、アルミ
ニウムを酸化物換算で10〜65体積部の割合で含有す
るとともに、これらアルカリ土類元素およびアルミニウ
ムは前記主成分の粒界にアルカリ土類酸化物、酸化アル
ミニウム、もしくはそれらの化合物として存在すること
を特徴とする。
タライズ基板は、上記二つの発明のメタライズ基板にお
いて、メタライズ金属層の接合強度が3Kgf以上であ
り、導体抵抗が15mΩ/□以下であることを特徴とす
る。
イズ基板の製造方法は、窒化アルミニウムを主体とする
窒化アルミニウム質グリーンシートを作製し、次いで窒
化アルミニウム質グリーンシート上に下記AまたはBの
成分組成比で、且つ実質上窒化アルミニウムを含有しな
いメタライズペーストを塗布し、しかる後に1700℃
以下で焼成して窒化アルミニウム質焼結体基板上にメタ
ライズ金属層を形成したことを特徴とする。 A:タングステンおよび/またはモリブデン:100体積部 酸化アルミニウム :10〜65体積部 希土類酸化物 :0.6〜5.0体積部 B:タングステンおよび/またはモリブデン:100体積部 酸化アルミニウム :10〜65体積部 アルカリ土類酸化物 :0.5〜30体積部。
アルミニウム質グリーンシートを直接窒化原料を50重
量%以上含む窒化アルミニウム原料より作製したことを
特徴とする。
質メタライズ基板について説明する。本発明の窒化アル
ミニウム質メタライズ基板については、窒化アルミニウ
ム粉末に対して、希土類元素酸化物を3〜10重量%、
アルカリ土類元素酸化物を0.3〜1.5重量%の割合
で添加した組成物を焼成して得られる窒化アルミニウム
質焼結体からなる基板と、その表面に被着形成したタン
グステン(W)および/またはモリブデン(Mo)を主
成分としたメタライズ金属層とからなる。
主成分100体積部に対して、希土類元素を酸化物換算
で0.6〜5.0体積部、好適には1.0〜3.0体積
部の割合で、アルミニウムを酸化物換算で10〜65体
積部、好適には20〜40体積部の割合で含有し、これ
ら希土類元素およびアルミニウムは上記主成分の粒界に
希土類元素酸化物、酸化アルミニウム、もしくはそれら
の化合物(希土類元素アルミネート)として存在し、さ
らに実質的に窒化アルミニウムを含まないことを特徴と
する。
合には、焼結性が劣化し、基材との接合強度が低下す
る。他方、65体積部を越えると導体抵抗が高くなる。
また、希土類元素酸化物が0.6体積部未満の場合に
は、基材への濡れ性が低下し、接合強度が低下し、他
方、5.0体積部を越えると焼結性を阻害し、接合強度
および導体抵抗のそれぞれが劣化する。
O3 、Yb2 O3 、La2 O3 、Sm2 O3 、Ho2 O
3 、Dy2 O3 などがある。
イズ基板についても、窒化アルミニウム粉末に対して、
希土類元素酸化物を3〜10重量%、アルカリ土類元素
酸化物を0.3〜1.5重量%の割合で添加した組成物
を焼成して得られる窒化アルミニウム質焼結体からなる
基板と、その表面に被着形成したタングステン(W)お
よび/またはモリブデン(Mo)を主成分としたメタラ
イズ金属層とからなり、このメタライズ金属層中には上
記主成分100体積部に対して、アルカリ土類元素を酸
化物換算で0.5〜30体積部、好適には1.0〜10
体積部に、アルミニウムを酸化物換算で10〜65体積
部、好適には20〜40体積部の割合で含有するととも
に、これらアルカリ土類元素およびアルミニウムは前記
主成分の粒界にアルカリ土類酸化物、酸化アルミニウ
ム、もしくはそれらの化合物(アルカリ土類酸化物アル
ミネート)として存在し、且つ実質的に窒化アルミニウ
ムを含まないことを特徴とする。
合には、焼結性が劣化し、基材との接合強度が低下す
る。他方、65体積部を越えると導体抵抗が高くなる。
また、アルカリ土類元素酸化物が0.5体積部未満の場
合には、基材への濡れ性が低下し、接合強度が低下し、
他方、30体積部を越えると焼結性を阻害し、接合強度
および導体抵抗のそれぞれが劣化する。このアルカリ土
類酸化物には、CaO、BaO、SrOなどがある。
焼結体は、とくに1700℃以下の低温で相対密度95
%以上まで緻密化可能であることが望ましい。
i、V、Nb、W、Moなど周期律表第4a、5a、6
a族金属のうち少なくとも1種を酸化物換算で0.05
〜1重量%の割合で含んでいてもよい。
ズ基板の製造方法を詳述する。まず、窒化アルミニウム
質焼結体基板を作製するための窒化アルミニウム質グリ
ーンシートを述べると、その出発原料としては窒化アル
ミニウム粉末、とりわけ直接窒化原料を50重量%以
上、好適には80重量%以上含む窒化アルミニウム粉末
を用いる。
のみを使用するとメタライズ−基材間の接合強度が安定
しにくい傾向にあるが、これに代わって直接窒化粉を使
用すると、還元窒化粉と比べて粒度分布がブロードであ
り、グリーンシートの表面状態が粗く、メタライズ金属
層とのアンカー作用が強くなるという特徴があり、そこ
で、直接窒化原料を50重量%以上含む窒化アルミニウ
ム粉末を用いることで、メタライズ−基材間の接合強度
を安定にすることができる。
て、Ti、V、Nb、W、Moなどの周期律表第4a、
5a、6a族のうちの少なくとも1種の金属または化合
物を酸化物換算で0.05〜1重量%の割合で添加して
もよい。
合粉末を用いてスラリーを調整し、このスラリーをドク
ターブレード法、カレンダーロール法、圧延法などの手
法によりシート化して作製される。
ーストについては、下記AまたはBの成分組成比で且つ
実質上窒化アルミニウムを含有しないメタライズペース
トを使用する。 A:タングステンおよび/またはモリブデン:100体積部 酸化アルミニウム :10〜65体積部 希土類酸化物 :0.6〜5.0体積部 B:タングステンおよび/またはモリブデン:100体積部 酸化アルミニウム :10〜65体積部 アルカリ土類酸化物 :0.5〜30体積部。
ないメタライズペーストとすることで、1700℃以下
の焼成に対して、焼結が阻害されなくなり、基材との接
合強度が向上する。
(W)やモリブデン(Mo)が100体積部であること
に対して、酸化アルミニウム(Al2 O3 )は10〜6
5体積部、好適には20〜40体積部にするとよく、1
0体積部未満の場合には、焼結性が劣化し、基材との接
合強度が低下する。他方、65体積部を越えると導体抵
抗が高くなる。
適には1.0〜3.0体積部にするとよく、0.6体積
部未満の場合には、基材への濡れ性が低下し、接合強度
が低下し、他方、5.0体積部を越えると焼結性を阻害
し、接合強度および導体抵抗のそれぞれが劣化する。
(W)やモリブデン(Mo)が100体積部であること
に対して、酸化アルミニウム(Al2 O3 )は10〜6
5体積部、好適には20〜40体積部にするとよく、1
0体積部未満の場合には、焼結性が劣化し、基材との接
合強度が低下する。他方、65体積部を越えると導体抵
抗が高くなる。
0.5〜30体積部、好適には1.0〜10体積部にす
るとよく、0.5体積部未満の場合には、基材への濡れ
性の低下や焼結性の劣化に起因して接合強度が低下す
る。他方、30体積部を越えると助剤成分が焼結を阻害
し、接合強度および導体抵抗のそれぞれが劣化する。
ルミニウム質グリーンシート上に塗布し、1700℃以
下の温度で焼成する。このように従来と比べて低い温度
で焼成することで、焼成用治具の消耗の程度が低くな
り、さらに焼成炉の構造やランニングコスト等も考慮す
ると、製造コストが相当に低減できる。
と、メタライズ金属層主成分の粒界に希土類元素酸化
物、酸化アルミニウム、もしくはそれらの化合物(希土
類元素アルミネート)として存在し、さらに実質的に窒
化アルミニウムを含まなくなる。あるいは、メタライズ
金属層主成分の粒界にアルカリ土類酸化物、酸化アルミ
ニウム、もしくはそれらの化合物(アルカリ土類酸化物
アルミネート)として存在し、さらに実質的に窒化アル
ミニウムを含まなくなる。しかしながら、1800℃以
上の温度で焼成すると必然的に酸化アルミニウムが窒化
されてAlNが生成され、メタライズの焼結性が阻害さ
れる。
ライズ基板によれば、窒化アルミニウム質焼結体基板と
メタライズ金属層との接合強度が3Kgf以上となり、
メタライズ金属層の導体抵抗が15mΩ/□以下という
値が達成できた。
ビウム(Er2 O3 )が8.0重量%、酸化カルシウム
(CaO)が0.5重量%の比率になるように各粉末を
混合し、アクリル系樹脂をバインダーとして添加し、混
合し、これをドクターブレード法により窒化アルミニウ
ム質グリーンシートを作製した。また、窒化アルミニウ
ムの粉末は、直接窒化粉と還元窒化粉とを組み合わせて
使用した。
ステン(W)もしくはモリブデン(Mo)と、アルミナ
(Al2 O3 )もしくは窒化アルミニウム(AlN)
と、Er2 O3 、Y2 O3 、Yb2 O3 を混合してメタ
ライズ層用組成物と成し、そして、かかる組成物を混合
粉末100重量部に対して5重量部のエチルセルロース
および5重量部のフタル酸ジブチルを混合分散させ、こ
れによってメタライズペーストを作製した。そして、こ
のメタライズペーストを325メッシュのスクリーンを
通して上記窒化アルミニウム質グリーンシート上に印刷
し、次いでN2 とH2 との雰囲気中1650℃の温度
で、3〜6時間焼成すると、10μmの厚さの金属層が
形成された。ただし、試料No.29については、17
00℃の温度で焼成した。
イズ金属層との接合強度を測定したところ、表1と表2
に示すような結果が得られた。なお、接合強度の測定
は、2.5mm×20mmのメタライズ部にリードを銀
ロウ付けし、90°方向に引き剥がすという方法によっ
た。また、導体抵抗についてはメタライズ厚み15μ
m、線幅100μmのパターンを作製し、4端子法によ
って評価をおこなった。
料No.3〜8、11〜13、15、16、18〜2
7、33〜37については、酸化アルミニウムの含有量
が10〜65体積部であり、希土類酸化物の含有量が
0.6〜5体積部であって、接合強度が3kgf以上
で、導体抵抗が15mΩ/□以下の特性が達成できた。
メタライズ金属層主成分の粒界には主として酸化アルミ
ニウムが存在し、他の希土類元素酸化物や希土類元素ア
ルミネートが若干量存在し、窒化アルミニウムの生成は
まったく認められなかった。
グリーンシートを成形し、次いで表3と表4に示すよう
にタングステン(W)もしくはモリブデン(Mo)と、
アルミナもしくは窒化アルミニウムと、CaO、Ba
O、SrOを混合してメタライズ層用組成物と成し、そ
して、かかる組成物を混合粉末100重量部に対して5
重量部のエチルセルロースおよび5重量部のフタル酸ジ
ブチルを混合分散させ、これによってメタライズペース
トを作製した。そして、このメタライズペーストを32
5メッシュのスクリーンを通して上記窒化アルミニウム
質グリーンシート上に印刷し、次いでN2 とH2 との雰
囲気中1650℃の温度で、3〜6時間焼成すると、1
0μmの厚さの金属層が形成された。ただし、試料N
o.68については、1700℃の温度で焼成した。
イズ金属層との接合強度を測定したところ、表3と表4
に示すような結果が得られた。
ニウムの含有量が10〜65体積部、アルカリ土類酸化
物の含有量が0.5〜30体積部であれば、接合強度3
kgf以上、導体抵抗15mΩ/□以下の特性が達成で
きた。
3、57〜65、72〜76については、メタライズ金
属層主成分の粒界には主として酸化アルミニウムが存在
し、わずかにアルカリ土類酸化物アルミネートが存在し
ていた。試料No.46〜49、54〜56、66につ
いては、メタライズ金属層主成分の粒界には主として酸
化アルミニウムとアルカリ土類酸化物が存在し、わずか
にアルカリ土類酸化物アルミネートが存在していた。こ
れらのメタライズ金属層中にはいずれも窒化アルミニウ
ムの生成はまったく見られなかった。
ム質メタライズ基板によれば、窒化アルミニウム粉末に
対して、希土類元素酸化物を3〜10重量%、アルカリ
土類元素酸化物を0.3〜1.5重量%の割合で添加し
た組成物を焼成して得られる窒化アルミニウム質焼結体
からなる基板に対し、メタライズ金属層がタングステン
および/またはモリブデンを主成分とし、この主成分1
00体積部に対して、希土類元素を酸化物換算で0.6
〜5.0体積部、アルミニウムを酸化物換算で10〜6
5体積部の割合で含有するとともに、これら希土類元素
およびアルミニウムは主成分の粒界に希土類元素酸化
物、酸化アルミニウム、もしくはそれらの化合物として
存在する構成にしたり、もしくは主成分100体積部に
対して、アルカリ土類元素を酸化物換算で0.5〜30
体積部、アルミニウムを酸化物換算で10〜65体積部
の割合で含有するとともに、これらアルカリ土類元素お
よびアルミニウムは主成分の粒界にアルカリ土類酸化
物、酸化アルミニウム、もしくはそれらの化合物として
存在する構成にすることで、1700℃で同時焼成が可
能で、窒化アルミニウム質焼結体基板とメタライズ金属
層との接合強度を高くして接合強度3Kgf以上を達成
し、しかも、15mΩ/□以下という低い導体抵抗を達
成した窒化アルミニウム質メタライズ基板が提供でき
た。
イズ基板の製造方法によれば、窒化アルミニウム粉末に
対して、希土類元素酸化物を3〜10重量%、アルカリ
土類元素酸化物を0.3〜1.5重量%の割合で添加し
た組成物を主体とする窒化アルミニウム質グリーンシー
トに、タングステンおよび/またはモリブデン:100
体積部、酸化アルミニウム:10〜65体積部、希土類
酸化物:0.6〜5.0体積部の成分組成比で、あるい
はタングステンおよび/またはモリブデン:100体積
部、酸化アルミニウム:10〜65体積部、アルカリ土
類酸化物:0.5〜30体積部の成分組成比でメタライ
ズペーストを塗布し、しかる後に1700℃以下で焼成
して窒化アルミニウム質焼結体基板上にメタライズ金属
層を形成したことで、上記のような高い接合強度ならび
に低い導体抵抗を達成できた。
Claims (5)
- 【請求項1】窒化アルミニウム質焼結体からなる基板表
面に、メタライズ金属層を被着形成してなる窒化アルミ
ニウム質メタライズ基板において、前記アルミニウム質
焼結体が、窒化アルミニウム粉末に対して、希土類元素
酸化物を3〜10重量%、アルカリ土類元素酸化物を
0.3〜1.5重量%の割合で添加した組成物を焼成し
てなり、前記メタライズ金属層がタングステンおよび/
またはモリブデンを主成分とし、該主成分100体積部
に対して、希土類元素を酸化物換算で0.6〜5.0体
積部、アルミニウムを酸化物換算で10〜65体積部の
割合で含有するとともに、これら希土類元素およびアル
ミニウムは前記主成分の粒界に希土類元素酸化物、酸化
アルミニウム、もしくはそれらの化合物として存在する
ことを特徴とする窒化アルミニウム質メタライズ基板。 - 【請求項2】窒化アルミニウム質焼結体からなる基板表
面に、メタライズ金属層を被着形成してなる窒化アルミ
ニウム質メタライズ基板において、前記アルミニウム質
焼結体が、窒化アルミニウム粉末に対して、希土類元素
酸化物を3〜10重量%、アルカリ土類元素酸化物を
0.3〜1.5重量%の割合で添加した組成物を焼成し
てなり、前記メタライズ金属層がタングステンおよび/
またはモリブデンを主成分とし、該主成分100体積部
に対して、アルカリ土類元素を酸化物換算で0.5〜3
0体積部、アルミニウムを酸化物換算で10〜65体積
部の割合で含有するとともに、これらアルカリ土類元素
およびアルミニウムは前記主成分の粒界にアルカリ土類
酸化物、酸化アルミニウム、もしくはそれらの化合物と
して存在することを特徴とする窒化アルミニウム質メタ
ライズ基板。 - 【請求項3】前記メタライズ金属層の接合強度が3Kg
f以上であり、導体抵抗が15mΩ/□以下であること
を特徴とする請求項1または請求項2記載の窒化アルミ
ニウム質メタライズ基板。 - 【請求項4】窒化アルミニウム粉末に対して、希土類元
素酸化物を3〜10重量%、アルカリ土類元素酸化物を
0.3〜1.5重量%の割合で添加した組成物を主体と
する窒化アルミニウム質グリーンシートを作製し、次い
で該窒化アルミニウム質グリーンシート上に下記Aまた
はBの成分組成比で、且つ実質上窒化アルミニウムを含
有しないメタライズペーストを塗布し、しかる後に17
00℃以下で焼成して窒化アルミニウム質焼結体基板上
にメタライズ金属層を形成したことを特徴とする窒化ア
ルミニウム質メタライズ基板の製造方法。 - 【請求項5】前記窒化アルミニウム質グリーンシートを
直接窒化原料を50重量%以上含む窒化アルミニウム原
料より作製したことを特徴とする請求項4記載の窒化ア
ルミニウム質メタライズ基板の製造方法。
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