JPH02153883A - 高熱伝導性基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体基板、ＩＣ用基板等に使用される熱伝
導性が良好な窒化アルミニウムよりなる高熱伝導性基板
とその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、電子機器等における半導体素子搭載基板としては
、化学的に安定で信頼性が高いことからアルミナ基板が
広く使用されている。

しかし、近年、電子機器の小型化・半導体部品の高密度
化及び高出力化が進むのに伴い、半導体を実装する基板
の単位面積当たりの発熱量が増大し、その放熱が大きな
問題になっている。

このため、従来使用されているアルミナの熱伝導率（約
２０Ｗ／ｍＫ）に比べ極めて高い熱伝導率（約７０〜２
６０Ｗ／＋ｎＫ）を有するとともに、Ｓ１チツプとほぼ
同じ熱膨張率（約４．６Ｘ１０−”／’Ｃ）をもつ窒化
アルミニウムが半導体部品の基板材料として注目され使
用され始めている。

窒化アルミニウム製の基板材料を半導体のパッｊケージ
として使用する場合、窒化アルミニウムｉ板上に８１チ
ツプを載せ、その上面を窒化アルミニウム等のセラミッ
クスで密封するように覆い、Ｓｉチップに接続されたリ
ードフレームを、窒化アルミニウム基板とそれを覆うセ
ラミックスとの接合間を通して外部に突出させていた。

そして窒化アルミニウム基板とそれを覆うセラミックス
との接合面は、密着させるためそれぞれメタライズし、
リードフレームの部分はさらにハンダ付けしている。

しかし、窒化アルミニウムは化学的に安定なためメタラ
イズが困難であり、そのため窒化アルミニウム焼結体の
表面を酸化させながらメタライズする方法が特開昭５０
−７５２０８号公報に開示されている。

また、特開昭６１−８４０３７号公報には窒化アルミニ
ウム系セラミックス基板の表面にアルミナ層を形成する
方法が開示されている。

また、特開昭６３−５５１７９号公報には窒化アルミニ
ウムの外表面にα−アルミナと希土類金属およびアルミ
の固溶酸化物との二相よりなる酸化物層？形成し、メタ
ライズ性および耐水性を向上する方法が開示されている
。

［発明が解決しようとする課題］ 窒化アルミニウム表面にα−アルミナの酸化物層を形成
することは、前述したようにメタライズを容易にすると
いう利点がある。しかし、酸化物層は窒化アルミニウム
基板と熱膨張係数が異なるため、メタライズ、ハンダ付
は等により加えられる熱により酸化物層と窒化アルミニ
ウム基板との界面に熱応力が発生し、この界面にクラッ
クや剥離が生じ、信頼性を低下させるという問題があっ
た。

上記特開昭６３−５５１７９号公報にはその実施例に多
孔質のアルミナ層が形成されるという記載があるが、こ
のアルミナ層は厚さが５μ０以上で、窒化アルミニウム
本来の高熱伝導率を利用できないものであり、アルミナ
層と窒化アルミニウム基板との界面に発生するクラック
についてはなにも言及されていない。

本発明の目的は、上述した問題点を解決し、窒化アルミ
ニウム焼結体と酸化物層間の熱膨張係数のミスマツチン
グがなく、クラックや剥離を生じない高熱伝導性基板を
提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は窒化アルミニウム基板表面に、アルミナを主体
とする空孔率５〜５０％の多孔質の酸化物層を形成した
ことを特徴とする高熱伝導性基板である。

本発明は空孔率を規定したアルミナ層を窒化アルミニウ
ム基板上に設けることにより、アルミナ層と窒化アルミ
ニウム基板との界面に発生するクラック、剥離等を防止
できるという見地に基づいてなされたものである。

本発明において、空孔率を５〜５０％と規定したのは空
孔率が５％未満の場合、メタライズ処理時に酸化物層と
窒化アルミニウム基板との界面にクラックが発生するた
めである。これは空孔が少ないため酸化物層の見掛けの
熱膨張係数が小さくならず、また酸化物層で界面に発生
した応力を中介に緩和できないためと考えられる。

空孔率５〜５０％では酸化物層内、窒化アルミニウム基
板と酸化物層との界面、酸化物層とメタライズ層との界
面にクラックおよび剥離等は発生せず良好な基板が得ら
れる。これは空孔率を上げて行くと酸化物層の見掛けの
熱膨張係数が小さくなり、窒化アルミニウムとの熱膨張
係数の差が小さくなり、界面に発生する歪みも少くなり
、さらに発生した応力を緩和する作用も向上するためで
あると考えられる。

しかし、空孔率が５ｏ％を趣える場合には酸化物層自体
がもろくなり、酸化物層内で割れ等が発生し好ましくな
い。

また、酸化物層の表層部の空孔率を５％以下とした場合
、特に酸化物層の表面がち密なものとなり、メタライズ
層との密着性が向上する。また、基板となる窒化アルミ
ニウムは水との反応性が高いため基板内部への水分の進
入は出来るだけ避けなければならないが、このように酸
化物層の表層部のみを空孔率の小さいち密なものとする
こと（Ｊよって水分の浸透を防ぎかつ窒化アルミニウム
と酸化物層の界面にクラックが発生するのを防止できる
。

また、窒化アルミニウム基板を加湿雰囲気で加熱処理し
、前記基板表面にアルミナを主とした多孔質の酸化物層
を形成することにより、窒化アルミニウムの酸化を促進
することができ、酸化層形成処理時間を短縮できる。

上記酸化物層の厚さはメタライズ層を十分に密着させる
ためには０．　３μｍ以上が好ましく、また、厚さが増
加することによる基板の熱伝導率の低下および熱応力の
増加を考慮した場合３．５μｍ以下である方が好ましい
。

上記酸化物層の形成は、プラズマアッシャ法や化学反応
法等の他の物理化学的手法を用いて形成しても良いが、
この場合には熱処理による方法よりも複雑になる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について詳しく説明する。

（実施例１） １０ｍｍ角、厚さ２ｍｍの窒化アルミニウム焼結体基板
を室温で相対湿度６０％に調整した空気中で毎時６００
℃で昇温し１０４０℃で３０分間保持し酸化物層を作成
した。室温に冷却後、この試料の一部を取り、その厚さ
方向の断面の走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭと略す）写
真をとり、酸化物層の空孔部面積を求め、酸化物層面積
に占める比率を求めることにより空孔率を算出した。

第１図はこの時の酸化物層断面組織のＳＥＭ写真である
。

第１図より酸化物層の厚さは約０．７μｍであり、空孔
率５％以下の表層部が酸化物層の深さ方向に２０％程度
（酸化物表面から約０．１５μｍまで）を占めているこ
とがわかる。

また、この表層部から窒化アルミニウム境界までに相当
する酸化物層内部の空孔率は２０％であった。

ＸＭ分析の結果酸化物層の主成分はα−アルミナであっ
た。

得られた基板の表面にＴｉを２０００人、Ｎｉを５ｏｏ
ｏ人、Ａｕを３０００人をこの順でそれぞれスパッタ法
により形成した。

上記メタライズが終了後、４５０℃に１時間保持するア
ニールテストを行った。

その結果、窒化アルミニウムと酸化物層との界面および
酸化物層内部にクラックの発生は認められず、メタライ
ズ層が酸化物層からはがれることもないことがわかった
。

（比較例１） 熱処理の雰囲気を室温で相対湿度３５％に調整した空気
とし実施例１と同様の熱処理を行った。

この基板の一部を取り実施例１と同様に空孔率を断面に
ついて測定した。

得られた基板の断面組織のＳＥＭ写真を第２図示す。

この場合の酸化物層の厚さは約０．２μｍであり、実施
例１のような酸化物層に表層部は形成されず、全体の空
孔率は５％末溝であった。

この基板に実施例１と同様のメタライズ処理およびアニ
ールテストを行なったところ、酸化物層にクラックの発
生はなかったが、メタライズ層の一部に剥がれが発生し
、また、窒化アルミニウムと酸化物層の界面からクラッ
クが発生していることがわかった。

（実施例２） 実施例１と同じ形状の窒化アルミニウム焼結体基板を、
６０’Ｃの温水中を通過させ水分を飽和させたＮｉ：　
Ｈｘ＝３　：　１の混合ガス雰囲気の熱処理炉に導入し
た。熱処理は第１段として１１３０℃まで毎時６００℃
の速度で昇温し１０分間保持し、その後２段目の熱処理
として上記混合ガスを温水中を通過させることをやめる
とともに毎時６００℃で１２３０℃まで昇温し、１０分
間保持後、毎時６００℃で室温まで降温した。

第３図はこの時の酸化物層断面組織のＳＥＭ写真である
。

第３図より酸化物層の厚さは約０．７μｍであった。ま
た、空孔率５％以下のち密な表層部が酸化物層の深さ方
向に１５％程度（酸化物表面から約０．　１μｍまで）
を占めていることがわかる。

また、この表層部から窒化アルミニウム境界までに相当
する酸化物層内部の空孔率は３０％であった。

上記熱処理の第１段の熱処理温度を９００’Ｃとし、他
の条件を同じとして、酸化物層を形成したところ、酸化
物層の空孔率は４０％、酸化層表面の空孔率は約５％と
なり、熱処理条件により空孔率を制御できることがわか
った。

これらの基板を実施例１と同様にメタライズ後アニール
テストを行った。

これら周基板とも窒化アルミニウムと酸化物層界面にク
ラックは発生せず、メタライズ層の剥離も発生せず良好
な基板を作成できた。

［発明の効果］ 本発明によればメタライズ処理やハンダ付は時にクラッ
クや剥離の生じない信頼性の高い高熱伝導性基板を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基板の断面組織写真ユニ桝肴胛枦酬獣
第２図は比較例の断面組織写真件冨例←弁枦り弓、第３
図は本発明の基板の断面組織４真　　　　　−−−であ
る。 手 続 補 正 平成 書（方式） ２、発明の名称 高熱伝導性基板およびその製造方法 ３゜ 補正をする者 事件との関係　　　特　許　出願人 性　所　　　東京都千代田区丸の内二丁目１番２号４、
補正命令の日付 平成 １年 ３月２８日（発送口） ５、補正の対象 明細書の「図面の簡単な説明」の欄 ６、補正の内容 １、明細書第１１頁１９行目ｒ基板の断面組織」とある
のを「基板の粒子構造」と訂正する。 ２、同書同頁２０行目「比較例の断面組織」とあるのを
「比較例の粒子構造」と訂正する。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウム基板表面に、アルミナを主体と
   する空孔率５〜５０％の多孔質の酸化物層を形成したこ
   とを特徴とする高熱伝導性基板。
2. （２）窒化アルミニウム基板表面に、アルミナを主体と
   する酸化物層が形成されており、前記酸化物層の表層部
   の空孔率は５％以下、前記酸化物層の内部の空孔率は５
   〜５０％であることを特徴とする高熱伝導性基板。
3. （３）アルミナを主体とする酸化物層の厚さは０．３μ
   ｍ以上、３．５μｍ以下であることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の高熱伝導性基板。
4. （４）窒化アルミニウム基板を加湿雰囲気で加熱し、前
   記基板表面にアルミナを主体とする空孔率５〜５０％の
   多孔質の酸化物層を形成したことを特徴とする高熱伝導
   性基板の製造方法。