JP5595833B2 - 窒化アルミニウム基板 - Google Patents

Description

本発明は、表面にメタライズ層を有し、かつ熱伝導率が１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率を有する窒化アルミニウム基板およびその製造方法に関するものである。

近年、電子機器の小型化および高密度化とともに、半導体部品は大電流を要求され、半導体部品の高出力化に伴い発生する熱量は増大する傾向にある。このため、半導体部品からの熱をいかに放散させるかが重要な課題になっている。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、高い熱伝導率を有し、電気絶縁性が良く、Ｓｉとほぼ同じ熱膨張率を有するなどの優れた性質を持つため、半導体部品の基板として最適である。

ところで、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を半導体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の形成を行う必要がある。メタライズを行う方法の一つとして、同時焼成法が用いられ、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。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に、有機化合物よりなる結合剤を添加してスラリー化し、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焼結体を得る。

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行う方法に比べ、製造工程数が少ないという利点を有する。

一方、半導体の消費電力の増大に伴い、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、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。

しかしながら、１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を得るためには、１８００℃を超える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基板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。

焼結時にＡｌＮ焼結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、メタライズ層上に回路の形成や電子部品を搭載することができない。すなわち、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基板はこれまで得られていなかった。

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方法が採用されていた。ポストファイア方法の場合、同時焼成法に比べて工数が多く、また、ガラス成分を研磨等により除去する必要があることから、微細配線が形成できない等の問題があった。また、研磨代の分、あらかじめＡｌＮ基板を厚くしておく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。

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が行われている。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：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などがあるが、このような方法では、ポストファイア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。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、優れた熱放熱性を有し、かつ、ガラス成分などがメタライズ層上に滲み出して、シミだしによる外観不良および半田付け性の低下を防止した高品質な窒化アルミニウム基板を提供することを目的とする。

また、同時焼成法により製造工数を減らし、生産効率を向上させるとともに、量産化を実現できる窒化アルミニウム基板の製造方法を提供することを目的とする。

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基板の厚み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基板厚が１．５ｍｍを超えると、１８００℃より高い温度で焼成しないと熱伝導率が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基板裏面に移動するだけでなく、ＡｌＮ基板表面にも滲み出してきて、高品質のＡｌＮ基板を得られない。

そこで本願発明者らは、ＡｌＮ基板厚を１．５ｍｍ以下とすると、１８００℃以下の温度で焼成しても熱伝導率が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無くなる。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。すなわち、請求項１記載の発明は、同時焼成法により形成されたＷまたはＭｏを主成分とするメタライズ層を片面に備える厚さ０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の単層の窒化アルミニウム基板において、メタライズ層を除く窒化アルミニウム基板は窒化アルミニウムに対して焼結助剤を１０重量％以下の割合で含有するとともに１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、メタライズ層の厚さは３〜１０μｍであり、メタライズ層表面を２０倍に拡大観察した際に液相成分が観察されないことを特徴とする。

請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、メタライズ層を除く窒化アルミニウム基板の実質的な厚さは、１．５ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明において、窒化アルミニウム基板の実質的な厚さとしたが、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したものである。

請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、メタライズ層を除く窒化アルミニウム基板の厚さは、１．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．６〜１．０ｍｍであることがより好ましい。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、メタライズ層を除く窒化アルミニウム基板の厚さは、０．６〜１．０ｍｍであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、前記メタライズ層はＡｌＮを含むことを特徴とする。

請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、メタライズ層は、ＷまたはＭｏの高融点金属を主成分とすることが好ましい。

本発明では、ＷやＭｏの高融点金属からなるメタライズ層にＡｌＮなどの化合物を２０重量％以下含有させてもよいものとする。

請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、窒化アルミニウム基板は、前記基板を複数枚積層した多層構造を有することが好ましい。

請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、メタライズ層の厚さが１μｍ以上であることが好ましい。

本発明において、メタライズ層の厚さを１μｍ以上とすることにより、液相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であり、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の厚さが厚くなりすぎ均一な膜を形成することが難しくなる。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。

本発明の窒化アルミニウム基板の製造方法は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とし、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１．５ｍｍ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ものである。

本発明によれば、ＡｌＮ基板厚さを１．５ｍｍ以下とするとことにより、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、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。

本発明の窒化アルミニウム基板の製造方法において、高純度の窒化アルミニウムからなるセッターを用いることが好ましい。

本発明によれば、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適用することで、ＡｌＮ基板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。

本発明の窒化アルミニウム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または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が好ましい。

本発明の窒化アルミニウム基板の製造方法において、窒化アルミニウムに対して焼結助剤を１０重量％以下の割合で添加することが好ましい。

本発明において、焼結助剤を添加する割合を窒化アルミニウムに対して１０重量％以下としたが、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。また、本発明では高純度ＡｌＮからなるセッターを用いている。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）から滲み出る液相成分をセッターが吸収するので、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。

本発明によれば、熱伝導率が１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱放熱性に優れた高品質の窒化アルミニウム基板が得られるとともに、同時焼成法によりメタライズ層を形成したことから、生産効率が高く、かつ量産化可能なＡｌＮ基板の製造方法を得られる。

以下、本発明の実施形態について、実施例、参考例、比較例１、比較例２および引用例を用いて説明する。

実施例および参考例（表１：試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１１）
本実施例および参考例では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の実質的な厚さが１．５ｍｍ以下の表１に示すＮｏ．１ないしＮｏ．１１の試料を用いた。試料Ｎｏ．１のＡｌＮ基板は、以下のように作製される。

まず、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、実質的な厚さが１．５ｍｍであるＡｌＮグリーンシートを１枚作製した。

一方、平均粒径１μｍのタングステン（Ｗ）粉末に、適量の樹脂バインダおよび分散剤を混合して、Ｗペーストを作製し、メタライズ層の材料を調整した。

次に、ＡｌＮグリーンシートにＷペーストをスクリーン印刷し、乾燥させた。このＷペーストを塗布したＡｌＮグリーンシートを、窒素雰囲気中、９００℃の温度で３時間脱脂処理を行った。

一方、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を３重量％含有したＡｌＮからなるセッターを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。

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、１８００℃の温度で６時間焼成を行い、ＡｌＮ基板とＷ層とを同時焼成して、単層からなるＡｌＮ基板を作製した。これを試料Ｎｏ．１とした。

また、本実施例で用いた試料Ｎｏ．２ないし試料Ｎｏ．８のＡｌＮ基板は、試料Ｎｏ．１とほぼ同様の手順で作製したＡｌＮ基板である。表１に示すように、試料Ｎｏ．２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、試料Ｎｏ．３ないし試料Ｎｏ．７のＡｌＮ基板は、厚さ１．４ｍｍから除々に０．２ｍｍ薄くした単層のＡｌＮ基板を用いたものである。試料Ｎｏ．８は、０．４ｍｍ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。試料Ｎｏ．９ないし試料Ｎｏ．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。Ｎｏ．１ないしＮｏ．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。

比較例１（表１：試料Ｎｏ．１２、試料Ｎｏ．１３）
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Ｎｏ．１２およびＮｏ．１３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。

表１に示すように、試料Ｎｏ．１２は、厚さ２．０ｍｍの単層ＡｌＮ基板であり、試料Ｎｏ．１３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。

比較例２（表１：試料Ｎｏ．１４）
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基板を試料Ｎｏ．１４としたものである。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。

引用例（特開平５−１９０７０３号公報（表１：試料Ｎｏ．１５））
本引用例は、特開平５−１９０７０３号公報に掲載された窒化アルミニウム基板であり、厚さ０．４ｍｍのＡｌＮグリーンシートを８層積層した後焼結して、多層構造のＡｌＮ基板を試料Ｎｏ．１５として用いたものである。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。

このようにして得られた実施例、参考例、比較例１、比較例２および引用例における試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．１５のＡｌＮ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した。また、各ＡｌＮ基板について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。この結果を表１に示す。

表１に示すように、試料Ｎｏ．１２ないし試料Ｎｏ．１５のＡｌＮ基板は、ＡｌＮ基板表面にシミや変色等が見られ、外観は不良であり、また、熱伝導率も１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であったが、一方において、実施例の試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．９のＡｌＮ基板は、シミや変色等がなく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ており、放熱性の優れた高品質のＡｌＮ基板を得ることができた。なお、メタライズ層の厚さが１μｍの試料Ｎｏ．１０（参考例）では液相成分の滲み出しが少量観測され始めており、メタライズ層の厚さは１μｍ以上が好ましいことが分かった。一方、メタライズ層にＡｌＮを添加した試料Ｎｏ．１１（参考例）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分かった。

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１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率１９０Ｗ／ｍ・Ｋ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基板の量産化を図ることができる。また、本発明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。

なお、本実施形態のように、多層構造とした場合にも、ＡｌＮ基板が優れた熱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。

Claims (3)

1. 同時焼成法により形成されたＷまたはＭｏを主成分とするメタライズ層を片面に備える厚さ０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の単層の窒化アルミニウム基板において、
   メタライズ層を除く窒化アルミニウム基板は窒化アルミニウムに対して焼結助剤を１０重量％以下の割合で含有するとともに１９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、メタライズ層の厚さは３〜１０μｍであり、メタライズ層表面を２０倍に拡大観察した際に液相成分が観察されないことを特徴とする窒化アルミニウム基板。
2. 請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、メタライズ層を除く窒化アルミニウム基板の厚さは、０．６〜１．０ｍｍであることを特徴とする窒化アルミニウム基板。
3. 請求項１記載の窒化アルミニウム基板において、前記メタライズ層はＡｌＮを含むことを特徴とする窒化アルミニウム基板。