JP4406150B2

JP4406150B2 - Aluminum nitride metallized substrate and semiconductor device

Info

Publication number: JP4406150B2
Application number: JP2000132783A
Authority: JP
Inventors: 圭一矢野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2020-05-01
Also published as: JP2001320002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板表面にメタライズ層を有する窒化アルミニウムメタライズ基板およびそれを用いた半導体装置に係り、特に高い熱伝導率および良好な高周波特性を有し、かつ同時焼成法によって製造可能な窒化アルミニウムメタライズおよび半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化および高密度化が進行し、半導体部品の高出力化も急速に進展しており、半導体部品等の電子機器において発生する熱量も大幅に増大する傾向にある。この発熱によって電子機器の動作が阻害されることを防止するため、半導体部品等から発生する熱をいかに効率的に放散させる方策を得ることが重要な技術的課題になっている。
【０００３】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、高い熱伝導率を有し、電気絶縁性が良好であり、Ｓｉとほぼ同一の熱膨張率を有するなどの優れた特性を有するため、特に高出力化した半導体部品搭載用の基板材料として好適である。
【０００４】
ところで、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を半導体部品搭載用基板として使用するためには、回路の形成や電子部品の搭載部の形成等を目的として、ＡｌＮ基板表面に導電性金属からなるメタライズ層を形成する必要がある。メタライズを実施する方法の一つとして、同時焼成法（コ・ファイア法：Ｃｏ−ｆｉｒｅ法）が用いられ、一般には、以下に示すような手順で基板表面にメタライズ層が形成される。
【０００５】
すなわち、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に、有機化合物よりなる結合剤および溶剤を添加してスラリー化し、このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、ＡｌＮグリーンシートを得る。そして、このＡｌＮグリーンシートの表面に、ＷまたはＭｏなどの高融点金属粉末を含有する導電体ペーストを印刷し、得られた成形体を加熱脱脂した後、非酸化性雰囲気で焼結して、ＡｌＮメタライズ基板を得る。
【０００６】
同時焼結法では、ＡｌＮ基板の焼結とメタライズ層のＡｌＮ基板への焼き付けとが一回の焼成で同時に行われるため、焼成後にメタライズを改めて実施する方法（ポスト・ファイア法）に比べ、製造工程数が少ないという利点を有する。
【０００７】
一方、半導体素子の消費電力の増大に伴い、その半導体素子を搭載する基板材料として、より熱放散性が良い高熱伝導率のＡｌＮ基板への要求が高まっており、実際に１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有するＡｌＮ基板が要求されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を得るためには、成形体を１８００℃を超える高い焼成温度で焼結する必要があるが、１８００℃を超える高温で焼結すると、ＡｌＮ成形体内のガラス成分が溶出したり、またガラス成分が溶浸したりする等の問題を有していた。
【０００９】
すなわち、焼結時にＡｌＮ成形体中のガラス成分が基板表面に溶出すると、ＡｌＮ基板表面にシミや変色等が発生する原因となる。また、ガラス成分がメタライズ層中に溶浸し、メタライズ表面に滲み出してしまうと、メタライズ部の外観不良かつ半田付け性の低下などが生じ、各種素子などの電子部品の接合強度や耐久性が低下してしまう。
【００１０】
したがって、上記メタライズ部の外観不良や半田付け性の低下を防止するために、従来ではガラス成分がメタライズ表面に滲み出すことがない１８００℃以下の比較的に低温度で焼成する必要があった。このため、同時焼成法で作製できるＡｌＮメタライズ基板の熱伝導率は１８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度が上限値となっており、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつ表面にメタライズ層を有する同時焼成法によるＡｌＮメタライズ基板はこれまで得られていなかった。
【００１１】
そこで、従来はあらかじめ１８００℃を超える高温で焼結した、熱伝導率１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＡｌＮ基板を準備しておき、表面に滲み出してきたガラス成分を研磨等により除去した後、ＡｌＮ基板表面に高融点金属ペーストを印刷し、焼き付けるポストファイア法（Ｐｏｓｔ−ｆｉｒｅ法）が採用されていた。
【００１２】
しかしながら、ポストファイア法の場合、同時焼成法に比べて加工工数が多く、また、滲み出したガラス成分を研磨等により除去する煩雑な工程が必要となることから、製造コストが上昇し、また微細配線が形成できない等の問題があった。また、研磨代に相当する分だけ、あらかじめＡｌＮ基板を厚く形成する必要があるなどの手間を要し、製造効率が悪い等の問題を有していた。
【００１３】
また、ポストファイア法によるメタライズ法以外にも、基板表面に薄膜を形成する方法も用いられている。例えば、蒸着による薄膜形成、真空蒸着法の一種であるスパッタ法または化学蒸着法（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法も用いられているが、このような方法では、ポストファイア法に比べてさらに製造工程数が多く、かつポストファイアと同様に、基板表面の研磨等も必要である等の問題を有していた。
【００１４】
一方、半導体装置の高速化が進行し、半導体素子の動作周波数が増大するにつれて、基板の高周波特性の良否が大きな問題となっている。具体的には、セラミックス基板に搭載する半導体素子の動作周波数が１００ＭＨｚを超えるように高速化すると、セラミックス基板の誘電損失によって動作信号の劣化が生じ易く、高周波の信号処理が困難になり、半導体装置の動作信頼性が大幅に低下する問題点もあった。このような背景から、誘電損失が、より小さな基板材料を実現することが技術上の課題となっていた。
【００１５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、熱伝導率が高く優れた熱放散性を有し、かつ、１００ＭＨｚ以上の高周波領域においても使用可能であり、同時焼成法によって製造可能な窒化アルミニウムメタライズ基板および半導体装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明者らは鋭意研究を重ねた結果、ＡｌＮ基板の厚さを適宜調整することにより、ガラス成分がＡｌＮ基板表面に溶出せず、かつ、熱抵抗が５℃／Ｗ以下であり、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる焼成条件が存在することを見出した。すなわち、ＡｌＮ基板の厚さが１．５ｍｍを超えると、１８００℃より高い温度で焼成しないと熱抵抗が５℃／Ｗ以下で熱伝導率が１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とならない。しかし、このような高温で焼成すると、ガラス成分がＡｌＮ基板の裏面に移動するだけでなく、ＡｌＮ基板の表面にも滲み出してきて、前記のように高品質のＡｌＮ基板が得られない。
【００１７】
しかし、本願発明者らは、ＡｌＮ基板の厚さを１．５ｍｍ以下とすることにより、１８００℃以下の温度で焼成した場合においても、熱抵抗が５℃／Ｗ以下と低く、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミニウム基板が得られることを見い出した。すなわち、ＡｌＮ基板の厚さを１．５ｍｍ以下、好ましくは１．０ｍｍ以下とすると、焼成時のＡｌＮ基板内のガラス成分は重力によりＡｌＮ基板裏面に移動し、さらにセッター中へ吸収されるため、ＡｌＮ基板表面にガラス成分が溶出することがない。従って、ＡｌＮ基板表面へのガラス成分の溶出が生じず、外観不良などの問題は解消されるという知見を得た。本願発明者らは、このような知見に基づいて発明を完成したものである。
【００１８】
すなわち、本発明に係る窒化アルミニウムメタライズ基板は、窒化アルミニウム成形体と、所定の配線パターンを形成するように窒化アルミニウム成形体に印刷された導体ペーストとを同時焼成することにより、窒化アルミニウム基板にメタライズ層を一体に形成した窒化アルミニウムメタライズ基板において、窒化アルミニウム基板の熱抵抗が５℃／Ｗ以下であり、かつ誘電損失が８．５以下であることを特徴とする。
【００１９】
また、上記ＡｌＮメタライズ基板において、窒化アルミニウム基板の厚さが１．５ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、窒化アルミニウム基板の熱伝導率が１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。また、窒化アルミニウム基板の平均結晶粒径が５μｍ以下であることか好ましい。
【００２０】
さらに本発明において、メタライズ層をタングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一方の高融点金属から構成してもよい。また、窒化アルミニウム基板は、複数の基板要素を積層した多層構造を有するように構成することもできる。
【００２１】
本発明に係るＡｌＮメタライズ基板において、ＡｌＮ基板の厚さは、メタライズ層の厚さを除いた窒化アルミニウムの実質的な厚さを示す。すなわち、窒化アルミニウム基板が、一枚からなる単層構造の場合には、メタライズ層を除いた窒化アルミニウム基板の厚さを示し、複数枚積層された多層構造の場合には、各窒化アルミニウム基板のメタライズ層を除いた窒化アルミニウム基板の厚さを合計した厚さを示すものである。
【００２２】
上記ＡｌＮ基板の厚さが１．５ｍｍを超えると焼成温度が１８００℃より高くなる一方、１．５ｍｍ以下の場合に１８００℃以下の低温度で焼成が可能となる理由は、以下の通りである。すなわち。ＡｌＮ基板の厚さが１．５ｍｍ以下の場合、焼成時の窒化アルミニウム成形体に含まれるガラス成分が重力により基板の裏面側に移動し、ＡｌＮ成形体を載置しているセッター（焼成板）に上記ガラス成分が吸収されてＡｌＮ焼結体から除去される。このため、ＡｌＮ基板の表面には、ガラス成分の溶出が生じることがなく、外観不良や半田付け性の低下が起こらない。一方、ＡｌＮ基板の厚さが１．５ｍｍを超えると、ガラス成分がセッター中に完全に吸収されず、一部がＡｌＮ基板の表面に滲み出し、前記不具合を生じる。そのため、本発明においてＡｌＮ基板の厚さは、１．５ｍｍ以下とされるが、１．０ｍｍ以下の範囲がより好ましい。
【００２３】
メタライズ層を構成する金属材としては、特に同時焼成時の高温度においても溶融したり、流れたりせずに所定の配線パターン形状を維持可能とするために、ＷやＭｏなどの高融点金属を主成分とすることが望ましい。
【００２４】
また、メタライズ層の厚さは、特に限定されるものではないが、１μｍ以上にすることが望ましい。このメタライズ層の厚さを１μｍ以上にすることにより、液相成分（ガラス成分）の滲み出しをより効果的に防止することができる。このメタライズ層の厚さは、好ましくは３〜２０μｍ、さらに好ましくは５〜１５μｍである。この厚さが２０μｍを超えると、液相成分の滲み出しは抑えられるもののメタライズ層が厚くなりすぎ、均一な導電膜を形成することが困難になる。また、メタライズ層としてＷやＭｏなどのような高融点金属の使用量が増えるためコスト面からも好ましくない。
【００２５】
窒化アルミニウム基板の平均結晶粒径は、ＡｌＮ基板の誘電損失に大きな影響を及ぼすものであり、本発明では５μｍ以下の範囲に設定することが望ましい。上記ＡｌＮ基板の平均結晶粒径を５μｍ以下とすることにより、ＡｌＮ基板の誘電損失を８．５以下とすることが可能になり、１００ＭＨｚ以上の高周波数の信号を処理する半導体素子を搭載した場合においても、誤動作を起こさず、動作信頼性を大幅に高めることが可能になる。上記ＡｌＮ基板の誘電損失のより好ましい範囲は８．４以下であり、さらに８．３以下がさらに好ましい。
【００２６】
本発明に係る窒化アルミニウムメタライズ基板は、例えば下記のような工程で製造される。すなわち、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）原料粉末に焼結助剤およびバインダを添加して原料調整後、窒化アルミニウム成形体を得て、この窒化アルミニウム成形体の表面に高融点金属ペーストを塗布し、加熱脱脂した後、前記高融点金属を主成分としたメタライズ層を除いた実質的な厚さを１．９ｍｍ以下とした窒化アルミニウム成形体をセッター上に配置し、非酸化雰囲気中において、１８００℃以下の温度で焼成することにより製造される。
【００２７】
上記製造方法において、ＡｌＮ成形体の厚さを１．９ｍｍ以下とすることにより、焼成時のＡｌＮ成形体内のガラス成分は重力によりＡｌＮ基板の裏面に移動してセッター中へ吸収されるため、同時焼成法で１８００℃以下の温度で焼成した場合においても、熱抵抗が５℃／Ｗ以下であり、１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有する高品質なＡｌＮ基板を得ることができる。
【００２８】
また、上記製造方法において、高温焼結などにより高純度化した窒化アルミニウムからなるセッターを使用して焼成することにより、ＡｌＮ成形体内のガラス成分をセッター内に効率良く吸収することができる。
【００２９】
また、上記窒化アルミニウムメタライズ基板の製造方法において、１枚の単層構造を有する窒化アルミニウム成形体に限らず、前記窒化アルミニウム成形体を複数枚積層した多層構造を有する窒化アルミニウム成形体を用いることも可能である。
【００３０】
さらに、窒化アルミニウム基板を構成するＡｌＮ焼結体として、窒化アルミニウムに対して焼結助剤を１０重量％以下の割合で添加したものを使用することが好ましい。焼結助剤の添加割合が１０重量％を超えると液相成分の滲み出し量が多くなり、メタライズ層の密着強度が低下するという問題が生じてしまうためである。
【００３１】
また、本発明では高純度ＡｌＮからなるセッターを用いて同時焼成することが好ましい。例えば、このようなセッターは、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を３重量％含有したＡｌＮを、所定の温度で焼結し、液相成分（ガラス成分）を滲み出させ、これ以上液相成分が滲み出さない程度まで焼結温度を保持し続けることにより作製されるものであり、このようなＡｌＮ焼結体からなるセッターは実質的に液相成分がなくＡｌＮがほぼ９７〜１００％の状態となる。このような高純度ＡｌＮセッターを用いれば前述のようにＡｌＮ基板（焼結体）から滲み出る大部分の液相成分をセッターが効果的に吸収するので、同時焼成メタライズ基板を効率良く作製することができる。
【００３２】
上記のように作製した窒化アルミニウムメタライズ基板を使用することにより、基板の熱抵抗を５℃／Ｗ以下と小さくでき放熱特性を大幅に改善できるため、発熱量が４０Ｗ以上の半導体素子を搭載した場合にも熱影響が少ない半導体装置が得られる。
【００３３】
上記構成に係る窒化アルミニウムメタライズ基板によれば、窒化アルミニウム基板の熱抵抗が５℃／Ｗ以下であり、放熱性に優れており、かつ誘電損失が８．５以下であるため、発熱量が４０Ｗ以上の高出力化した半導体素子を搭載することが可能となるとともに、１００ＭＨｚ以上の高周波数の信号を処理する半導体素子を搭載した場合においても、誤動作を起こさず、動作信頼性を大幅に高めることが可能になる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、以下の実施例および比較例に基づいて、より具体的に説明する。
【００３５】
［実施例１〜９、参考例１０、実施例１１および比較例１〜４］
平均粒径１．５μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に、焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）粉末を５ｗｔ％添加して原料粉末を調整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原料粉末に有機バインダおよび有機溶剤（エタノール）を添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、焼成後の収縮を考慮して厚さが０．５〜２．６ｍｍであるＡｌＮグリーンシートを多数作製した。
【００３６】
一方、表１に示すように平均粒径１μｍのタングステン（Ｗ）粉末またはモリブデン（Ｍｏ）粉末に、適量の樹脂バインダおよび分散剤を混合して、ＷペーストまたはＭｏペーストを作製し、メタライズ層の材料をそれぞれ調製した。なお、実施例２，４，１１用のペースト材には、ＡｌＮ基板の共材となるＡｌＮ粉末を添加した。
【００３７】
次に、ＡｌＮグリーンシートにＷペースト等をスクリーン印刷し、乾燥させた。このＷペースト等を塗布したＡｌＮグリーンシートを、表１に示すように、そのまま単層構造のＡｌＮ成形体とする一方、複数枚積層して多層構造のＡｌＮ成形体（積層体）とした。そして、各成形体および積層体を窒素雰囲気中、９００℃の温度で３時間脱脂処理を行った。
【００３８】
一方、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を３重量％含有したＡｌＮ焼結体からなるセッター（焼結板）を１９００℃の高温で焼成して液相成分を滲み出させて、高純度のＡｌＮからなるセッターを準備した。
【００３９】
この高純度ＡｌＮセッターの上に、脱脂処理したＡｌＮグリーンシートを配置し、窒素雰囲気中で表１に示すように、１７５０〜１８００℃の温度で６時間焼成を行い、ＡｌＮ基板とＷ層またはＭｏ層とを同時焼成して、単層または多層からなるＡｌＮメタライズ基板を作製した。
【００４０】
なお、表１に示すように、実施例２では、ＡｌＮ基板の厚さを１．５ｍｍとし、メタライズ層の組成としてＷおよびＡｌＮを用いたものである。また、実施例３ないし実施例７のＡｌＮ基板は、厚さ１．４ｍｍから除々に０．２ｍｍずつ順次薄くした単層のＡｌＮ基板を用いたものである。実施例８は、０．５ｍｍのＡｌＮグリーンシートにＷペーストを塗布したものを２枚積層した後焼結して多層構造のＡｌＮ基板としたものである。実施例９ないし実施例１１はそれぞれメタライズ層の厚さを変化させたものである。なお、メタライズ層中にＡｌＮを添加させたものはいずれもＡｌＮを３重量％含有させたものである。実施例１、参考例１０および実施例１１の試料は、いずれもメタライズ層を除いたＡｌＮ基板の厚さが実質的に１．５ｍｍ以下としたものであり、焼結温度は、１８００℃以下としたものである。
【００４１】
比較例１〜２
本比較例では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の実質的な厚さが１．５ｍｍを超える２ｍｍ（比較例１）および１．６ｍｍ（比較例２）の試料を用いた。なお、ＡｌＮ基板の作製手順は、実施例と同様である。
【００４２】
表１に示すように、比較例１は、厚さ２．０ｍｍの単層ＡｌＮ基板であり、比較例２は、厚さ０．４ｍｍのＡｌＮグリーンシートを４枚積層した後焼結して、実質的なＡｌＮ基板の厚さが１．５ｍｍを超える多層構造のＡｌＮ基板としたものである。なお、メタライズ層の成分および厚さ、焼結条件は、表１に示すとおりである。
【００４３】
比較例３
本比較例では、焼成時、窒化硼素（ＢＮ）からなるセッターを用いたものであり、厚さ１．５ｍｍの単層ＡｌＮ基板を備えたものである。なお、ＡｌＮ基板の作製手順は、実施例とほぼ同様であり、メタライズ層の成分および厚さ、焼結条件は表１に示すとおりである。
【００４４】
比較例４
本比較例は、厚さ０．５ｍｍのＡｌＮグリーンシートを８層積層した後に、同時焼成して、合計厚さが３．２ｍｍの多層構造のＡｌＮ基板を備えたものである。なお、ＡｌＮ基板の作製手順は、実施例とほぼ同様であり、メタライズ層の成分および厚さ、焼結条件は表１に示すとおりである。
【００４５】
このようにして得られた各実施例、参考例および比較例に係るＡｌＮメタライズ基板の外観観察を行った。外観観察としては、メタライズ層の表面を顕微鏡により２０倍に拡大観察したとき、液相成分の滲み出しが観察されるか否かで測定した。具体的には、顕微鏡により２０倍に拡大観察した際に、液相成分が観測されないものを外観良好とし、液相成分が観察されたものを外観不良と判断とした。また、各ＡｌＮメタライズ基板について平均結晶粒径、熱抵抗、誘電損失および熱伝導率を測定した。なお、熱伝導率は、レーザーフラッシュ法を用いて測定した。測定結果を下記表１に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
表１に示す結果から明らかなように、各実施例および参考例に係る窒化アルミニウムメタライズ基板によれば、窒化アルミニウムの熱抵抗が５℃／Ｗ以下であり、放熱性に優れており、かつ誘電損失が８．５以下であるため、例えば発熱量が４０Ｗ以上の高出力化した半導体素子をも搭載することが可能となるとともに、１００ＭＨｚ以上の高周波数の信号を処理する半導体素子を搭載した場合においても、誤動作を起こさず、動作信頼性を大幅に高めることが可能になる。
【００４８】
一方、比較例１，２，４に係るＡｌＮメタライズ基板は、ＡｌＮ基板の表面にシミや変色等が観察され、外観は不良であり、また、熱伝導率も１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であった。これはＡｌＮ基板の厚さが１．５ｍｍを超えるように厚いために、熱伝導率を下げる液相成分がＡｌＮセッターに十分吸収されていないためである。
【００４９】
一方において、各実施例１〜１１のＡｌＮ基板には、シミや変色等が観察されず外観は良好であった。また、いずれも熱伝導率は１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い値を示し、熱抵抗も５℃／Ｗ以下となっており、放熱性の優れた高品質のＡｌＮメタライズ基板を得ることができた。
【００５０】
なお、メタライズ層の厚さが１μｍである参考例１０では液相成分の滲み出しが少量観測され始めており、この現象からメタライズ層の厚さは１μｍ以上が好ましいことが判明した。一方、メタライズ層にＡｌＮを添加した実施例１１では滲み出しが観測されず、この点からメタライズ層へのＡｌＮ添加は液相成分の滲み出し防止の効果もあることが判明した。なお、比較例３のＢＮセッターを用いて焼成したメタライズ基板では、液相成分の滲み出し量が多く、メタライズ基板として使用することは困難であった。
【００５１】
本実施形態によれば、ＡｌＮ基板厚さを１．５ｍｍ以下とすることで、焼結温度が１８００℃以下の温度であっても、同時焼成法により熱抵抗が５℃／Ｗ以下であり、従来限界とされていた１８０Ｗ／ｍ・Ｋを超える１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するＡｌＮ基板を得ることができる。従って、本実施形態では同時焼成法を適用していることから製造工数を減らすことができ、生産効率を向上させて、これによりＡｌＮメタライズ基板の量産化を図ることができる。
【００５２】
また、本実施例の製造方法で作製されたＡｌＮ基板は１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有し、熱放散性に優れていることから、高出力化した半導体部品の搭載基板として使用でき、一層、電子機器の小型化および高密度化を図ることができる。
【００５３】
なお、本実施形態のように、ＡｌＮ基板を多層構造とした場合にも、ＡｌＮ基板が優れた放熱性を有するため、高集積密度化して、電子機器の小型化および高密度化を図ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、窒化アルミニウム基板の熱抵抗が５℃／Ｗ以下であり、放熱性に優れており、かつ誘電損失が８．５以下であるため、発熱量が４０Ｗ以上の高出力化した半導体素子を搭載することが可能となるとともに、１００ＭＨｚ以上の高周波数の信号を処理する半導体素子を搭載した場合においても、誤動作を起こさず、動作信頼性を大幅に高めることが可能になる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aluminum nitride metallized substrate having a metallized layer on the substrate surface and a semiconductor device using the same, and particularly has an aluminum nitride metallized having high thermal conductivity and good high-frequency characteristics and capable of being manufactured by a co-firing method. And to a semiconductor device .
[0002]
[Prior art]
In recent years, electronic devices have been miniaturized and densified, and the output of semiconductor components has been rapidly increasing. The amount of heat generated in electronic devices such as semiconductor components tends to increase significantly. In order to prevent the operation of electronic equipment from being hindered by this heat generation, it is an important technical problem to obtain a method for efficiently dissipating heat generated from semiconductor components and the like.
[0003]
Aluminum nitride (AlN) has high thermal conductivity, good electrical insulation, and has excellent characteristics such as almost the same thermal expansion coefficient as Si, so it has a particularly high output for semiconductor component mounting. It is suitable as a substrate material for use.
[0004]
By the way, in order to use aluminum nitride (AlN) as a substrate for mounting a semiconductor component, a metallized layer made of a conductive metal is formed on the surface of the AlN substrate for the purpose of forming a circuit, forming an electronic component mounting portion, or the like. There is a need. As one method for performing metallization, a co-firing method (co-fire method: Co-fire method) is used. In general, a metallized layer is formed on the substrate surface by the following procedure.
[0005]
That is, a binder and a solvent made of an organic compound are added to aluminum nitride (AlN) powder to form a slurry, and this slurry is formed into a sheet by a doctor blade method to obtain an AlN green sheet. And on the surface of this AlN green sheet, after printing a conductor paste containing a refractory metal powder such as W or Mo, and heating and degreasing the obtained molded body, sintered in a non-oxidizing atmosphere, An AlN metallized substrate is obtained.
[0006]
In the simultaneous sintering method, the sintering of the AlN substrate and the baking of the metallized layer on the AlN substrate are performed at the same time by one firing, so compared to the method of performing metallization again after firing (post-fire method) The advantage is that the number of steps is small.
[0007]
On the other hand, with the increase in power consumption of semiconductor elements, there is an increasing demand for AlN substrates with higher thermal conductivity and better heat dissipation as a substrate material for mounting the semiconductor elements. Actually, 190 W / m · K or more There is a demand for an AlN substrate having a high thermal conductivity.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to obtain a thermal conductivity of 190 W / m · K or more, it is necessary to sinter the molded body at a high firing temperature exceeding 1800 ° C. When sintered at a high temperature exceeding 1800 ° C., the AlN molded body The glass component was eluted and the glass component was infiltrated.
[0009]
That is, if the glass component in the AlN molded body elutes on the substrate surface during sintering, it causes stains, discoloration, and the like on the AlN substrate surface. In addition, if the glass component infiltrates into the metallized layer and oozes out on the metallized surface, the appearance of the metallized part is deteriorated and the solderability is deteriorated, and the bonding strength and durability of electronic components such as various elements are reduced. Resulting in.
[0010]
Therefore, in order to prevent the appearance failure of the metallized part and the decrease in solderability, conventionally, it has been necessary to fire at a relatively low temperature of 1800 ° C. or less at which the glass component does not ooze out to the metallized surface. For this reason, the upper limit of the thermal conductivity of an AlN metallized substrate that can be produced by the co-firing method is about 180 W / m · K, the thermal conductivity is 190 W / m · K or more, and the surface has a metallized layer. An AlN metallized substrate by the co-firing method has not been obtained so far.
[0011]
Therefore, conventionally, an AlN substrate having a thermal conductivity of 190 W / m · K or higher, which has been sintered at a high temperature exceeding 1800 ° C. in advance, is prepared, and glass components that have exuded to the surface are removed by polishing or the like. A post-fire method (Post-fire method) in which a high melting point metal paste is printed on the surface of the substrate and baked has been employed.
[0012]
However, in the case of the post-fire method, the number of processing steps is larger than that in the simultaneous firing method, and a complicated process for removing the exuded glass component by polishing or the like is required. There was a problem that wiring could not be formed. In addition, there is a problem that it is necessary to form an AlN substrate thick in advance by an amount corresponding to the polishing allowance and the manufacturing efficiency is poor.
[0013]
In addition to the metallization method by the postfire method, a method of forming a thin film on the substrate surface is also used. For example, thin film formation by vapor deposition, sputtering, which is a kind of vacuum vapor deposition, or chemical vapor deposition (CVD) is also used. However, in such a method, compared to the post-fire method, The number of manufacturing processes is large, and the substrate surface has to be polished as in the case of the postfire.
[0014]
On the other hand, as the speed of the semiconductor device increases and the operating frequency of the semiconductor element increases, the quality of the high frequency characteristics of the substrate becomes a big problem. Specifically, when the operating frequency of a semiconductor element mounted on a ceramic substrate is increased so as to exceed 100 MHz, the operation signal is easily deteriorated due to dielectric loss of the ceramic substrate, and high-frequency signal processing becomes difficult. There was also a problem that the operational reliability of the system significantly decreased. From such a background, it has been a technical problem to realize a substrate material having a smaller dielectric loss.
[0015]
The present invention has been made to solve such problems, has high heat conductivity, excellent heat dissipation, and can be used in a high-frequency region of 100 MHz or more. An object of the present invention is to provide an aluminum nitride metallized substrate and a semiconductor device that can be manufactured by the above method.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the inventors of the present application have made extensive studies, and as a result, by appropriately adjusting the thickness of the AlN substrate, the glass component does not elute on the AlN substrate surface and the thermal resistance is 5 ° C. It has been found that there are firing conditions in which the thermal conductivity is 190 W / m · K or more. That is, when the thickness of the AlN substrate exceeds 1.5 mm, the thermal resistance is 5 ° C./W or less and the thermal conductivity is not 190 W / m · K or more unless firing is performed at a temperature higher than 1800 ° C. However, when firing at such a high temperature, the glass component not only moves to the back surface of the AlN substrate, but also oozes out to the surface of the AlN substrate, so that a high-quality AlN substrate cannot be obtained as described above.
[0017]
However, the inventors of the present application have a heat resistance as low as 5 ° C./W or less and a thermal conductivity even when baked at a temperature of 1800 ° C. or less by setting the thickness of the AlN substrate to 1.5 mm or less. It has been found that an aluminum nitride substrate of 190 W / m · K or more can be obtained. That is, if the thickness of the AlN substrate is 1.5 mm or less, preferably 1.0 mm or less, the glass component in the AlN substrate at the time of firing moves to the back surface of the AlN substrate due to gravity and is further absorbed into the setter. The glass component does not elute on the AlN substrate surface. Accordingly, it has been found that the glass component does not elute on the surface of the AlN substrate and problems such as poor appearance are solved. The present inventors have completed the invention based on such knowledge.
[0018]
That is, the aluminum nitride metallized substrate according to the present invention is obtained by metallizing an aluminum nitride molded body and a conductor paste printed on the aluminum nitride molded body so as to form a predetermined wiring pattern. In the aluminum nitride metallized substrate in which the layers are integrally formed, the aluminum nitride substrate has a thermal resistance of 5 ° C./W or less and a dielectric loss of 8.5 or less.
[0019]
In the AlN metallized substrate, the aluminum nitride substrate preferably has a thickness of 1.5 mm or less. Furthermore, it is desirable that the thermal conductivity of the aluminum nitride substrate is 190 W / m · K or more. Further, it is preferable that the average crystal grain size of the aluminum nitride substrate is 5 μm or less.
[0020]
Furthermore, in the present invention, the metallized layer may be composed of at least one refractory metal of tungsten (W) and molybdenum (Mo). The aluminum nitride substrate can also be configured to have a multilayer structure in which a plurality of substrate elements are stacked.
[0021]
In the AlN metallized substrate according to the present invention, the thickness of the AlN substrate indicates a substantial thickness of aluminum nitride excluding the thickness of the metallized layer. That is, when the aluminum nitride substrate has a single-layer structure consisting of a single sheet, it indicates the thickness of the aluminum nitride substrate excluding the metallized layer, and when the aluminum nitride substrate has a multilayer structure in which a plurality of layers are laminated, The total thickness of the aluminum nitride substrate excluding the metallized layer is shown.
[0022]
When the thickness of the AlN substrate exceeds 1.5 mm, the firing temperature becomes higher than 1800 ° C., and when it is 1.5 mm or less, the reason why firing is possible at a low temperature of 1800 ° C. or less is as follows. . That is. When the thickness of the AlN substrate is 1.5 mm or less, the glass component contained in the aluminum nitride molded body during firing moves to the back side of the substrate due to gravity, and a setter (fired plate) on which the AlN molded body is placed The glass component is absorbed and removed from the AlN sintered body. For this reason, the elution of the glass component does not occur on the surface of the AlN substrate, and appearance defects and solderability do not deteriorate. On the other hand, if the thickness of the AlN substrate exceeds 1.5 mm, the glass component is not completely absorbed into the setter, and part of the glass component oozes out on the surface of the AlN substrate, causing the above-mentioned problems. Therefore, in the present invention, the thickness of the AlN substrate is 1.5 mm or less, but a range of 1.0 mm or less is more preferable.
[0023]
As the metal material constituting the metallized layer, in order to maintain a predetermined wiring pattern shape without melting or flowing even at a high temperature at the time of simultaneous firing, a refractory metal such as W or Mo is used. It is desirable to use it as a main component.
[0024]
Further, the thickness of the metallized layer is not particularly limited, but is desirably 1 μm or more. By setting the thickness of the metallized layer to 1 μm or more, it is possible to more effectively prevent the liquid phase component (glass component) from exuding. The thickness of the metallized layer is preferably 3 to 20 μm, more preferably 5 to 15 μm. If this thickness exceeds 20 μm, the liquid phase component can be prevented from seeping out, but the metallized layer becomes too thick, and it becomes difficult to form a uniform conductive film. Further, since the amount of a high melting point metal such as W or Mo used as the metallization layer increases, it is not preferable from the viewpoint of cost.
[0025]
The average crystal grain size of the aluminum nitride substrate has a great influence on the dielectric loss of the AlN substrate. In the present invention, the average crystal grain size is preferably set in the range of 5 μm or less. When the average crystal grain size of the AlN substrate is 5 μm or less, the dielectric loss of the AlN substrate can be 8.5 or less, and a semiconductor element for processing a high frequency signal of 100 MHz or more is mounted. However, it is possible to significantly improve the operation reliability without causing malfunction. A more preferable range of the dielectric loss of the AlN substrate is 8.4 or less, and further preferably 8.3 or less.
[0026]
The aluminum nitride metallized substrate according to the present invention is manufactured, for example, by the following process. That is, after adding a sintering aid and a binder to the aluminum nitride (AlN) raw material powder to adjust the raw material, an aluminum nitride molded body is obtained, a refractory metal paste is applied to the surface of the aluminum nitride molded body, and heat degreasing is performed. After that, an aluminum nitride molded body having a substantial thickness of 1.9 mm or less excluding the metallized layer mainly composed of the refractory metal is disposed on the setter, and is 1800 ° C. or less in a non-oxidizing atmosphere. Manufactured by firing at temperature.
[0027]
In the above manufacturing method, by setting the thickness of the AlN molded body to 1.9 mm or less, the glass component in the AlN molded body during firing moves to the back surface of the AlN substrate due to gravity and is absorbed into the setter. Even when baked at a temperature of 1800 ° C. or lower by the baking method, a high-quality AlN substrate having a thermal resistance of 5 ° C./W or lower and a high thermal conductivity of 190 W / m · K or higher can be obtained.
[0028]
Moreover, in the said manufacturing method, by baking using the setter which consists of aluminum nitride highly purified by high temperature sintering etc., the glass component in an AlN molded object can be efficiently absorbed in a setter.
[0029]
Moreover, in the manufacturing method of the aluminum nitride metallized substrate, not only an aluminum nitride molded body having a single layer structure but also an aluminum nitride molded body having a multilayer structure in which a plurality of the aluminum nitride molded bodies are laminated may be used. Is possible.
[0030]
Furthermore, it is preferable to use an AlN sintered body constituting the aluminum nitride substrate in which a sintering aid is added in a proportion of 10% by weight or less with respect to aluminum nitride. This is because if the addition ratio of the sintering aid exceeds 10% by weight, the amount of the liquid phase component oozes out and a problem arises that the adhesion strength of the metallized layer is lowered.
[0031]
In the present invention, it is preferable to co-fire using a setter made of high-purity AlN. For example, such a setter sinters AlN containing 3% by weight of yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) at a predetermined temperature to cause the liquid phase component (glass component) to bleed out, and more liquid phase components. The setter made of such an AlN sintered body has substantially no liquid phase component and AlN is almost 97 to 100%. It becomes. If such a high-purity AlN setter is used, the setter effectively absorbs most of the liquid phase component that exudes from the AlN substrate (sintered body) as described above, so that a co-fired metallized substrate can be efficiently produced. Can do.
[0032]
By using the aluminum nitride metallized substrate fabricated as described above, the thermal resistance of the substrate can be reduced to 5 ° C / W or less and the heat dissipation characteristics can be greatly improved. In addition, a semiconductor device with little heat influence can be obtained.
[0033]
According to the aluminum nitride metallized substrate having the above configuration, the heat resistance of the aluminum nitride substrate is 5 ° C./W or less, the heat dissipation is excellent, and the dielectric loss is 8.5 or less. It becomes possible to mount the above-mentioned high-power semiconductor device, and even when a semiconductor device that processes a signal with a high frequency of 100 MHz or higher is mounted, it does not cause a malfunction and greatly enhances operation reliability. Is possible.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the embodiment of the present invention will be described more specifically based on the following examples and comparative examples.
[0035]
[Examples 1 to 9, Reference Example 10, Example 11 and Comparative Examples 1 to 4]
5 wt% of yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) powder as a sintering aid is added to aluminum nitride (AlN) powder having an average particle size of 1.5 μm to prepare a raw material powder, which is crushed and mixed in a ball mill It was. An organic binder and an organic solvent (ethanol) were added to the raw material powder, and then mixed to form a slurry. This slurry was formed into a sheet by a doctor blade method, and a number of AlN green sheets having a thickness of 0.5 to 2.6 mm were prepared in consideration of shrinkage after firing.
[0036]
On the other hand, as shown in Table 1, an appropriate amount of a resin binder and a dispersant are mixed with tungsten (W) powder or molybdenum (Mo) powder having an average particle diameter of 1 μm to produce a W paste or Mo paste, Each material was prepared. In addition, to the paste materials for Examples 2, 4 and 11, AlN powder as a co-material for the AlN substrate was added.
[0037]
Next, W paste or the like was screen-printed on the AlN green sheet and dried. As shown in Table 1, the AlN green sheet coated with the W paste or the like was directly used as an AlN molded body having a single layer structure, and a plurality of layers were stacked to form an AlN molded body (laminated body) having a multilayer structure. Each molded body and laminate was degreased for 3 hours at a temperature of 900 ° C. in a nitrogen atmosphere.
[0038]
On the other hand, a setter (sintered plate) made of an AlN sintered body containing 3% by weight of yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) is baked at a high temperature of 1900 ° C. to exude the liquid phase component, and high purity AlN A setter consisting of
[0039]
A degreased AlN green sheet is placed on this high-purity AlN setter and fired at a temperature of 1750 to 1800 ° C. for 6 hours as shown in Table 1 in a nitrogen atmosphere to obtain an AlN substrate and a W layer or Mo layer. The layers were co-fired to produce an AlN metallized substrate consisting of a single layer or multiple layers.
[0040]
As shown in Table 1, in Example 2, the thickness of the AlN substrate is 1.5 mm, and W and AlN are used as the composition of the metallized layer. In addition, the AlN substrates of Examples 3 to 7 are single-layer AlN substrates that are gradually thinned by 0.2 mm from a thickness of 1.4 mm. In Example 8, two 0.5 mm AlN green sheets coated with W paste were stacked and then sintered to obtain a multilayered AlN substrate. In the ninth to eleventh embodiments, the thickness of the metallized layer is changed. All of the metallized layers to which AlN was added were those containing 3% by weight of AlN. In the samples of Example 1 , Reference Example 10 and Example 11, the thickness of the AlN substrate excluding the metallized layer was substantially 1.5 mm or less, and the sintering temperature was 1800 ° C. or less. It is a thing.
[0041]
Comparative Examples 1-2
In this comparative example, samples of 2 mm (Comparative Example 1) and 1.6 mm (Comparative Example 2) in which the substantial thickness of the aluminum nitride (AlN) substrate exceeds 1.5 mm were used. Note that the procedure for manufacturing the AlN substrate is the same as in the example.
[0042]
As shown in Table 1, Comparative Example 1 is a single-layer AlN substrate having a thickness of 2.0 mm, and Comparative Example 2 is obtained by laminating four AlN green sheets having a thickness of 0.4 mm and then sintering. This is an AlN substrate having a multilayer structure in which the substantial thickness of the AlN substrate exceeds 1.5 mm. The components, thickness, and sintering conditions of the metallized layer are as shown in Table 1.
[0043]
Comparative Example 3
In this comparative example, a setter made of boron nitride (BN) was used during firing, and a single-layer AlN substrate having a thickness of 1.5 mm was provided. The procedure for producing the AlN substrate is almost the same as in the example, and the components, thickness, and sintering conditions of the metallized layer are as shown in Table 1.
[0044]
Comparative Example 4
In this comparative example, 8 layers of 0.5 mm thick AlN green sheets were laminated and then fired simultaneously to provide a multilayered AlN substrate with a total thickness of 3.2 mm. The procedure for producing the AlN substrate is almost the same as in the example, and the components, thickness, and sintering conditions of the metallized layer are as shown in Table 1.
[0045]
Appearance observation of the AlN metallized substrate according to each Example , Reference Example and Comparative Example obtained in this manner was performed. As appearance observation, when the surface of the metallized layer was magnified 20 times with a microscope, it was measured based on whether or not oozing of the liquid phase component was observed. Specifically, when the liquid phase component was observed 20 times under a microscope, the case where the liquid phase component was not observed was judged as good appearance, and the case where the liquid phase component was observed was judged as poor appearance. The average crystal grain size, thermal resistance, dielectric loss, and thermal conductivity were measured for each AlN metallized substrate. The thermal conductivity was measured using a laser flash method. The measurement results are shown in Table 1 below.
[0046]
[Table 1]

[0047]
As is apparent from the results shown in Table 1, according to the aluminum nitride metallized substrates according to the examples and the reference examples , the thermal resistance of aluminum nitride is 5 ° C./W or less, the heat dissipation is excellent, and the dielectric Since the loss is 8.5 or less, for example, it is possible to mount a high-power semiconductor element having a calorific value of 40 W or more, and a case of mounting a semiconductor element that processes a signal having a high frequency of 100 MHz or more. However, it is possible to significantly improve the operation reliability without causing malfunction.
[0048]
On the other hand, in the AlN metallized substrates according to Comparative Examples 1, 2, and 4, spots and discoloration were observed on the surface of the AlN substrate, the appearance was poor, and the thermal conductivity was 190 W / m · K or less. . This is because the liquid phase component that lowers the thermal conductivity is not sufficiently absorbed by the AlN setter because the thickness of the AlN substrate exceeds 1.5 mm.
[0049]
On the other hand, no stains or discoloration were observed on the AlN substrates of Examples 1 to 11, and the appearance was good. In addition, the thermal conductivity showed a high value of 190 W / m · K or higher, the thermal resistance was 5 ° C./W or lower, and a high-quality AlN metallized substrate excellent in heat dissipation could be obtained. .
[0050]
In Reference Example 10 in which the thickness of the metallized layer was 1 μm, a small amount of liquid phase component began to be observed. From this phenomenon, it was found that the thickness of the metallized layer is preferably 1 μm or more. On the other hand, in Example 11 in which AlN was added to the metallized layer, no oozing was observed. From this point, it was found that the addition of AlN to the metallized layer also has an effect of preventing the liquid phase component from oozing out. It should be noted that the metallized substrate fired using the BN setter of Comparative Example 3 has a large amount of liquid-phase component oozing, making it difficult to use as a metallized substrate.
[0051]
According to this embodiment, by setting the AlN substrate thickness to 1.5 mm or less, even if the sintering temperature is 1800 ° C. or less, the thermal resistance is 5 ° C./W or less by the simultaneous firing method, It is possible to obtain an AlN substrate having a thermal conductivity of 190 W / m · K or more, which exceeds 180 W / m · K, which has been regarded as a limit in the past. Therefore, since the simultaneous firing method is applied in the present embodiment, the number of manufacturing steps can be reduced, and the production efficiency can be improved, whereby the mass production of the AlN metallized substrate can be achieved.
[0052]
In addition, the AlN substrate manufactured by the manufacturing method of the present example has a high thermal conductivity of 190 W / m · K or more and is excellent in heat dissipation, so it can be used as a mounting substrate for semiconductor components with high output. In addition, the electronic device can be further reduced in size and density.
[0053]
Even when the AlN substrate has a multilayer structure as in this embodiment, since the AlN substrate has excellent heat dissipation, it is possible to increase the integration density and reduce the size and density of the electronic device. it can.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the heat resistance of the aluminum nitride substrate is 5 ° C./W or less, the heat dissipation is excellent, and the dielectric loss is 8.5 or less. It becomes possible to mount the above-mentioned high-power semiconductor device, and even when a semiconductor device that processes a signal with a high frequency of 100 MHz or higher is mounted, it does not cause a malfunction and greatly enhances operation reliability. Is possible.

Claims

In an aluminum nitride metallized substrate in which a metallized layer is integrally formed on an aluminum nitride substrate by simultaneously firing an aluminum nitride molded body and a conductor paste printed on the aluminum nitride molded body so as to form a predetermined wiring pattern, The aluminum nitride metallized substrate is mounted with a semiconductor element for processing a high frequency signal of 100 MHz or more, the thermal resistance of the aluminum nitride substrate is 5 ° C./W or less, and the thickness is 1.5 mm or less, The thermal conductivity is 190 W / m · K or more, the average crystal grain size is 5 μm or less, and the dielectric loss is 8.5 or less, while the thickness of the metallized layer is 1 to 20 μm, An aluminum nitride metallized substrate characterized by having an appearance with no exudation of a liquid phase component on a layer .

2. The aluminum nitride metallized substrate according to claim 1, wherein the metallized layer is made of at least one refractory metal of tungsten (W) and molybdenum (Mo).

2. The aluminum nitride metallized substrate according to claim 1, wherein the aluminum nitride substrate has a multilayer structure in which a plurality of substrate elements are laminated.

A semiconductor device comprising a semiconductor element for processing a high-frequency signal of 100 MHz or more mounted on the aluminum nitride metallized substrate according to claim 1.