JP3810344B2 - 窒化アルミニウム焼結体、その製造方法及び用途 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウム焼結体、その製造方法（改質方法）及び用途に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体搭載用セラミックス基板の表面に、導電性を有する金属回路層をろう材で接合し、更に金属回路層の所定位置に半導体素子を搭載した回路基板が用いられている。この場合、セラミックス基板の裏面には金属放熱板をろう材で接合した構造のものもある。
【０００３】
回路基板が信頼高く動作するためには、半導体素子が発生する熱を放散し、半導体素子の温度が過大とならないようにすることが肝要であり、セラミックス基板材料には、電気絶縁性に加えて、優れた放熱特性を発現するように高熱伝導率が要求されている。近年、回路基板の小型化、パワーモジュールの高出力化が進む中、小型軽量化モジュールにおいては、高熱伝導率の点で窒化アルミニウム基板が注目されている。しかし、窒化アルミニウム基板は、機械的特性において窒化ケイ素基板よりも劣るため、その改善が行われている。たとえば、本出願人は、焼成条件と表面研磨条件を調整することによって窒化アルミニウム焼結体の表面に存在する欠陥を少なくし、ヒートサイクル後の水平クラックが発生し難い窒化アルミニウム焼結体を提案した（特願２００１−９４６２１号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ヒートサイクル後の水平クラックが発生し難い窒化アルミニウム焼結体の技術の豊富化であり更なる改良である。また、本発明の他の目的は、耐ヒートサイクル性に一段と優れた回路基板を提供することである。本発明の目的は、窒化アルミニウム焼結体の表面を薬液で粗化処理した後、特定条件で熱処理することによって達成することができ、またそれを回路基板のセラミックス基板として用いることによって達成することができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、表面からの深さが、少なくとも５０μｍまでの全ての部分において、Ｘ線回折によるミラー指数（１００）面のＩ（ピーク強度）／Ｗ（半値幅）の比が、２７０００〜２３０００であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体である。また、本発明は、窒化アルミニウム焼結体を、その表面粗さが０．６〜０．８μｍになるまで薬液で粗化処理した後、非酸化性雰囲気下、温度１６９０℃から１７５０℃までの昇温速度を１．０℃／分以下として温度１７５０〜１８５０℃に高め、その温度範囲内で０〜６時間保持した後降温することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法（改質方法）である。さらに、本発明は、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面には必要に応じて金属放熱板が形成されてなるものにおいて、セラミックス基板が上記窒化アルミニウム焼結体からなるものであることを特徴とする回路基板である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、表面からの深さが少なくとも５０μｍまでの全ての部分において、Ｘ線回折によるミラー指数（１００）面のＩ／Ｗの比が、２７０００〜２３０００である。該比が２７０００超ではＡｌＮ結晶粒子の成長が進み、焼結助剤相との結合が弱くなり、２３０００未満では焼結が不十分でＡｌＮ結晶粒子自身の成長が不十分で強度が弱くなる。また、この比を満たす深さが表面から５０μｍ未満であったり、深さが５０μｍ以上であっても部分的にしかこの比を満たしていないと、得られる効果が不十分となる。本発明におけるこのＩ／Ｗの比は、イットリアを焼結助剤として製造された典型的な窒化アルミニウム焼結体が、２８０００〜２９０００程度であったことに比べて特異的である。
【０００７】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム焼結体を薬液で粗化処理した後、熱処理する工程を経ることによって製造することができる。
【０００８】
通常の窒化アルミニウム焼結体の表面粗さは０．５μｍ以下、最大でも０．６μｍ未満であるので、本発明においては、薬液による粗化処理は、表面粗さが０．６〜０．８μｍになるまで行う。この処理によって、窒化アルミニウム焼結体の表面から約５０μｍ深さ、又はそれ以上の深さの部分におけるＡｌＮ粒子と焼結助剤相との結合が部分的に解かれ、その後の熱処理によって再結合し強化される。
【０００９】
薬液としては、フッ酸、塩酸等のハロゲン化水素酸やフッ化アンモニウム、塩化アンモニウム等のハロゲン化塩の水溶液、又はそれと過酸化水素との混合水溶液が好適に使用され、その水溶液濃度は、ハロゲン化水素が１０〜１６質量％、過酸化水素が３〜１０質量％であることが好ましい。処理温度は３０〜４０℃程度、処理時間は５〜２０分程度である。処理法は、浸漬、シャワー等のいずれでもよい。処理後は、水洗して薬液を洗い落とした後、乾燥する。
【００１０】
薬液で粗化処理する前に、窒化アルミニウム焼結体は表面粗さ０．５μｍ以下に表面研磨されていることが好ましい。表面研磨は、ブラスト、ホーニング等のいずれでもよい。中でも、ＪＩＳ研磨剤粒度＃２４０〜＃３２０の研磨剤の濃度が１５〜３０体積％である研磨スラリーを０．３〜０．５ＭＰａで吹き付けて表面研磨することが好ましい。ＪＩＳ研磨剤粒度が＃２４０よりも粗いか、研磨剤濃度が３０体積％よりも濃いか、又はスラリー圧力が０．５ＭＰａよりも高いと、焼結体表面の欠陥が増えすぎ、後の処理で回復できなくなる恐れがある。一方、ＪＩＳ研磨粒度が＃３２０よりも細かいか、研磨剤濃度が１５体積％よりも薄いか、又はスラリー圧力が０．３ＭＰａよりも低いと、表面の清浄化と平滑化が不十分となり、後の処理による効果の均一性が十分に高まらない。
【００１１】
薬液で粗化処理された窒化アルミニウム焼結体は、次いで、窒素、アルゴン、水素等の非酸化性雰囲気下、温度１６９０℃から１７５０℃までの昇温速度を１．０℃／分以下として温度１７５０〜１８５０℃に高め、その温度範囲内で０〜６時間保持した後降温する熱処理が行われる。降温後は、必要に応じて、上記と同様な研磨処理が施される。このような熱処理によって、薬液処理によって解かれたＡｌＮ粒子と焼結助剤成分との再結合が起こり、耐ヒートサイクル性に一段と向上した窒化アルミニウム焼結体が得られる。
【００１２】
温度１６９０℃から１７５０℃までの昇温速度が１．０℃／分を超えると、ＡｌＮの結晶粒子の成長が過度となる。温度１６９０℃までと温度１７５０℃をこえてからとの昇温速度には制限はなく、例えば３〜５℃／分で行われる。熱処理の最高温度が１８５０℃をこえると、焼結過多となり、焼結助剤相の揮発、ＡｌＮ粒子の異常成長が生じる。１７５０〜１８５０℃における保持時間を６時間超にしても再結合はあまり認められず、むしろそれによって生産性が低下する。
【００１３】
本発明においては、薬液で粗化処理される窒化アルミニウム焼結体には限定がなく、例えば次のようにして製造されたものが用いられる。
【００１４】
窒化アルミニウム粉末としては、直接窒化法、アルミナ還元法等の公知の方法で製造された粉末が使用できるが、酸素量が２質量％、平均粒径が１０μｍ以下であることが望ましい。酸素量が２質量％超では、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率が著しく低下する恐れがある。また、平均粒径が１０μｍを超えると、焼結体密度が低下し、熱伝導率及び強度特性が低下する恐れがある。また、酸素以外の不純物としては、Ａｌを除く陽イオン不純物０．１質量％以下、炭素１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これらの不純物量を超過すると、焼結性が阻害され、熱伝導率及び強度特性に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１５】
焼結助剤としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｎｂ、Ｓｍ、Ｄｙ等の希土類、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属の酸化物、フッ化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩等の何れでもよい。これらの希土類、アルカリ土類金属は、一種又は二種以上が使用され、更にはアルミナと併用することもできる。焼結助剤の粒度は、平均粒子径で１０μｍ以下、特に１μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が１０μｍを超えると、焼結密度が低下し、曲げ強度及び熱伝導率に悪影響を及ぼす場合がある。
【００１６】
焼結助剤の割合は、窒化アルミニウム粉末１００部（質量部、以下同じ）に対して１〜１５部であることが好ましい。１部未満であると、焼結体の密度が上がらず、曲げ強度や熱伝導率が向上しない恐れがある。また、１０部を超過すると、相対的に窒化アルミニウム粉末の割合が減少するので、熱伝導率が著しく阻害される。窒化アルミニウム粉末と焼結助剤の混合には、ボールミル、ロッドミル、ボールトンミルやミキサー等が使用される。
【００１７】
有機バインダーとしては、ポリメチルメタクリエート、ポリエチルメタクリエート、ポリブチルメタクリエート等のアクリル系樹脂、ニトロセルロース、メチルセルロース等のセルロース系、ポリビニルアルコールやポリプロピレンオキサイド等の含酸素有機高分子体、石油レジン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の炭化水素系合成樹脂、ポリ塩化ビニール、ワックス及びそのエマルジョン等の有機高分子等が使用される。中でも、本発明においては、非酸化性ガス雰囲気下で脱脂処理を行う点から、熱分解性が良く、残炭量の少ないアクリル系樹脂が好適となる。
【００１８】
有機バインダーの混合割合は、窒化アルミニウム粉末１００部に対して０．５〜３０部、特に１〜１０部であることが好ましい。０．５部よりも少ないと、十分な成形体強度が得られず、容易に割れを生じる。また、３０部よりも多いと、脱脂処理に多大な時間がかかる上に、脱脂体の強度が低くなる。
【００１９】
上記窒化アルミニウム粉末、焼結助剤、有機バインダーは、必要に応じて可塑剤、分散剤等と共に混合され、押出成形法、ドクターブレード法、プレス成形法等により所望形状に成形される。ドクターブレード法は、成形が容易であるが、有機溶剤を乾燥除去する際、防爆設備が必要となり、またスラリーの特性上、１ｍｍ以上の厚いシートの成形が困難となる。プレス成形法では、０．５ｍｍ以下の薄物の成形が困難である。これに対し、押出成形法は、シートの厚みの選択の自由度が大きく、また窒化アルミニウム粉末をオレイン酸等の疎水基を有する有機化合物で前処理しておくことによって水系成形が可能となるので、連続化は可能となる。
【００２０】
ついで、成形体は、窒素、アルゴン、水素等の非酸化性雰囲気下又は空気等の酸化性雰囲気下、４００〜５５０℃の温度範囲で３時間以上保持して脱脂され焼成される。焼成は、窒素、アルゴン、水素等の非酸化性雰囲気下で昇温し、温度１７００〜１８５０℃で、１〜９時間保持して行われる。
【００２１】
本発明の回路基板は、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面には必要に応じて金属放熱板が形成されてなるものにおいて、セラミックス基板が本発明の窒化アルミニウム焼結体からなるもので構成されている。金属回路、金属放熱板の材質は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等であり、その窒化アルミニウム基板への形成方法は、活性金属ロウ付け法等によって行うことができる。この詳細については、特開平２−１４９４７８号公報、特開平３−８１６８０５号公報、ヨーロッパ公開公報１０５６３２１号などに記載されている。
【００２２】
本発明の回路基板は、−４０℃×１５分→２５℃×５分→１２５℃×５分→２５℃×５分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００サイクルかけても、水平クラックの発生は、イットリアを焼結助剤として製造された典型的な窒化アルミニウム焼結体を用いた場合に対し、１／３〜１／４程度となる。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２４】
実施例１
窒化アルミニウム粉末（酸素量１．４質量％、平均粒径２．５μｍ）１００部に、焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃（平均粒径１．０μｍ）４．０部を配合してボールミルにより混合した。さらに、有機系バインダーとしてアクリル樹脂４部、水１０部を配合しミキサーにより混合した。ついで、スクリュー式押出成型機により、シート（幅８０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍ）成形し、１００℃で１時間乾燥した後、５０×５０ｍｍの形状に切り落として成形体を得、表面に離形剤として窒化硼素粉末スラリーを塗布しながら、窒化硼素製セッターの上に２０枚段積みし、最上面にタングステン板を配置した。これを空気中、温度４５０℃、５時間で脱脂を行い、窒素雰囲気中、温度１８１０℃まで６時間かけて昇温し、その温度で６時間保持して焼成した。得られた窒化アルミニウム焼結体の表面粗さは０．５５μｍであった。
【００２５】
この窒化アルミニウム焼結体を薬液に浸漬して粗化処理を行い表面粗さを０．７２μｍとした後、表１に示す条件で熱処理を行った。その後、ＪＩＳ研磨剤粒度＃２８０の研磨剤の濃度が２３体積％である研磨スラリーを、０．４ＭＰａで吹き付けるホーニングによって表面研磨を行い、本発明の窒化アルミニウム焼結体を製造した。
【００２６】
実施例２ 比較例１〜３
薬液処理及び熱処理の条件を変えたこと以外は実施例１に準じ、Ｘ線回折によるミラー指数（１００）面のＩ／Ｗの比が異なる種々の窒化アルミニウム焼結体を製造した。
【００２７】
実施例３
窒化アルミニウム焼結体を、ＪＩＳ研磨剤粒度＃３２０の研磨剤の濃度が２８体積％である研磨スラリーを０．４５ＭＰａで吹き付けるホーニングによって表面研磨を行ってから、薬液による粗化処理を行い、熱処理を行ったこと以外は、実施例１と同様にして窒化アルミニウム焼結体を製造した。
【００２８】
得られた窒化アルミニウム焼結体について、その表面及び深さが５０μｍまでの部分について、均等間隔三十箇所おいてＸ線回折分析（リガク社製商品名「ＲＡＤ−２ＶＸ」）を行い、ミラー指数（１００）面のＩ／Ｗの比を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００２９】
つぎに、各窒化アルミニウム焼結体から窒化アルミニウム基板（厚み０．６３５ｍｍ×６０ｍｍ×４０ｍｍ）を加工し、その両面にアルミニウム合金箔（９５％Ａｌ−４％Ｃｕ−１％Ｍｇ、厚み１０〜５０μｍ）を挟んでアルミニウム板（純度９９．９％、厚み０．５ｍｍ）を配置し、更にカーボンスペーサーをアルミニウム板間に挟み込んで複数のユニットとなしそれを接合炉の投入し、６５０℃×１０分で接合した後、レジスト印刷後エッチングし、表面にＬ字状アルミニウム回路、裏面にはベタ状アルミニウム放熱板を形成させた回路基板を作製した。
【００３０】
これらの回路基板について、−４０℃×１５分→２５℃×５分→１２５℃×５分→２５℃×５分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００サイクル行った後、アルミニウム回路をエッチングで溶解して水平クラックの発生量を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１からわかるように、本発明の実施例によれば、回路基板の信頼性を向上させることができた。また、実施例１と実施例３の対比から、薬液による粗化処理を行う前に、窒化アルミニウム焼結体を表面研磨しておくことによって、水平クラックの発生量が更に少なくなった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ヒートサイクル後の水平クラックの発生が著しく抑制された窒化アルミニウム焼結体が得られる。本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法（改質方法）によれば、このような窒化アルミニウム焼結体を容易に製造することができる。また、本発明の回路基板によれば、耐ヒートサイクル性に一段と優れた回路基板が提供される。

Claims (3)

1. 表面からの深さが、少なくとも５０μｍまでの全ての部分において、Ｘ線回折によるミラー指数（１００）面のＩ（ピーク強度）／Ｗ（半値幅）の比が、２７０００〜２３０００であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
2. 窒化アルミニウム焼結体を、その表面粗さが０．６〜０．８μｍになるまで薬液で粗化処理した後、非酸化性雰囲気下、温度１６９０℃から１７５０℃までの昇温速度を１．０℃／分以下として温度１７５０〜１８５０℃に高め、その温度範囲内で最大６時間保持した後降温することを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
3. セラミックス基板の表面に金属回路、裏面には必要に応じて金属放熱板が形成されてなるものにおいて、上記セラミックス基板が請求項１記載の窒化アルミニウム焼結体からなるものであることを特徴とする回路基板。