JPH02258686A - 窒化アルミニウムメタライズ基板 - Google Patents

窒化アルミニウムメタライズ基板

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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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、高熱伝導率を有する窒化アルミニウムメタラ
イズ基板に関し、特に熱伝導率が２００Ｗ１ｍ−に以上
の窒化アルミニウム焼結体に対して接合強度の強いメタ
ライズ層を形成した窒化アルミニウムメタライズ基板に
関する。
（従来の技術） 近年、ハイブリッドＩＣ用などの回路基板として、高い
熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体などの窒化物
系セラミックス焼結体を使用したセラミックス基板が注
目を集めている。
ところで、セラミックス焼結体を回路基板として使用す
る場合には、そのセラミックス焼結体の表面に導電層を
形成することが不可欠である。
上述した、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミック
ス焼結体表面に導電層を形成する場合、金属成分として
、主としてモリブデンやタングステンなどの高融点金属
を用い、各柾添加物を加えた混合粉末をペースト化した
ものを印刷法によって所望の回路パターン形状に塗布し
、これを焼成することによって導電層を形成している。
そして、この導電層上にニッケルめっき層および金めつ
き層を順に形成して回路基板を作製している。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような各種添加物を含むモリブデン
やタングステンなどの高融点金属を用いて作製されたメ
タライズ用ペーストを使用する方法は、窒化アルミニウ
ム焼結体を使用する場合、熱伝導率が２００ｗ１Ｉｌ−
に以下の低いものについては適用可能であり、接合強度
の強いメタライズ基板が得られたが、熱伝導率２００ｗ
１Ｉ−に以上の窒化アルミニウム基板については、メタ
ライズ層の接合強度が弱く、平均強度値にもばらつきが
生じていに。
窒化アルミニウム基板にメタライズ層を形成してメタラ
イズ基板を得るに際して、用いる窒化アルミニウムの熱
伝導率が低い場合、焼結体表面上にしみ出してくる焼結
助剤の化合物の量は少ない。
このため、窒化アルミニウムとメタライズ用ペースト中
の成分とが、直接反応しやすい。
そして、メタライズ層の焼結の際、温度が窒化アルミニ
ウム焼結体の焼結温度近くまで上がるため、窒化アルミ
ニウム焼結体内部の焼結助剤の化合物が再び基板表面上
にしみ出してくる。しかし、この際のしみ出しは窒化ア
ルミニウムとメタライズ用ペーストとの反応の後に起こ
るため、焼結体表面にしみだした焼結助剤の化合物から
なる粒界構成相成分はメタライズ層中に浸透して、メタ
ライズ層中の空隙を埋める働きをするため、接合強度の
向上に寄与する結果となる。
一方、熱伝導率２００ｖｌＩＩ−に以上の窒化アルミニ
ウム焼結体へのメタライズの場合、以下の理由により接
合強度が低く、ばらつきが生じている。
まず、熱伝導率が２００ｗ／ｍＩ−に以上の場合、焼結
体表面上にしみ出してくる焼結助剤の化合物の量が多い
。このため、焼結体表面は窒化アルミニウム粒子に対し
て粒界構成相成分の占める割合が多く、メタライズ用ペ
ーストと反応する表面積が減少する。
このため、熱伝導率２００ｗノＩｌ−に以上の窒化アル
ミニウムメタライズ基板を、たとえば発熱量の大きい電
子部品の基板として用いた場合、環境の温度変化に対し
て、基板とメタライズ層との接合部が剥がれるという問
題があった。
本発明はこのような問題に対処するためになされたもの
で、熱伝導率が２００Ｖ／＠・Ｋ以上の窒化アルミニウ
ム焼結体上に、均一で、充分な接合強度を有するメタラ
イズ層を形成した窒化アルミニウムメタライズ基板を提
供することを目的とする。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明における窒化アルミニウムメタライズ基板は、窒
化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板と、こ
のセラミックス基板上に形成されたメタライズ層とを有
する窒化アルミニウムメタライズ基板において、前記窒
化アルミニウム焼結体の表面部における粒界構成相成分
の濃度が３重量％以下であることを特徴としている。
本発明に使用する窒化アルミニウム焼結体は、特に熱伝
導率に制限はないが、２００１１１１ＩＩ−に以上の高
い熱伝導率を有する高純度の窒化アルミニウム焼結体に
対して特に効果的である。
窒化アルミニウム焼結体は、たとえば、窒化アルミニウ
ム粉末に適量の焼結助剤を添加し、この焼結助剤によっ
て形成される液相による緻密化焼結によって作製される
。
窒化アルミニウム焼結体に含まれる焼結助剤としては、
通常、イツトリウム、アルミニウム、カルシウムなどの
金属の酸化物、あるいは加熱により酸化物となる炭酸塩
や他の塩類などが使用され、これらの１種または２ＦＩ
ｔ以上の混合物として使用する。
ところで、この窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率は、
焼結体内に存在する不純物量に大きく依存している。し
たがって、熱伝導率の高い窒化アルミニウム焼結体を得
るには、この不純物量を低く抑える必要がある。
この方法としては、窒化アルミニウム粉末の焼成を酸素
分圧が低い不活性ガス中で行うことによって不純物とし
ての酸素を除去する。
本発明の窒化アルミニウムメタライズ基板は、窒化アル
ミニウム焼結体の表面部における粒界構成相成分の濃度
が３重量％以下である。
この濃度は、窒化アルミニウム焼結体の表面にＸ線を照
射してピーク値を測定し、検量線で検定することにより
求めることができる。
また、表面部の濃度とは、窒化アルミニウム焼結体の最
表面から最表面を含んで深さ方向５０μ鵡程度の厚さ部
分の焼結体層における濃度を意味している。
窒化アルミニウム焼結体表面の粒界構成相成分が３重量
％を超えると、メタライズ層の接合にばらつきが生じ、
メタライズ層全体としての接合強度が低下するため好ま
しくない。
これは、粒界構成相成分の存在によって窒化アルミニウ
ムとメタライズ用ペーストとの反応が阻害された部分は
、窒化アルミニウム焼結体とメタライズ層との間にいず
れの層とも接合しにくい粒界構成相成分からなる表面層
が挟み込まれる形で形成されるためである。
より好ましい粒界構成相成分の濃度は、上述したような
窒化アルミニウム焼結体の表面部において１重量％以下
である。
窒化アルミニウム焼結体の表面を上記状態とする方法と
しては、たとえば、原料の窒化アルミニウム粉末を焼成
した後、メタライズ用ペーストを塗布する前に、たとえ
ばラッピングやホーニングなど、通常の研削手段を用い
て焼結体表面を研削することにより、焼結体上に残留し
ている離型剤などの不純物と共に粒界構成相成分からな
る中間的な層を除去する方法などが挙げられる。
さらに、本発明に用いる窒化アルミニウム焼結体は、粒
界構成相成分が、上記焼結体の深さ方向に、表面濃度±
　１．５重量％の濃度範囲で分布していることが好まし
い。
なぜならば、窒化アルミニウム焼結体内で、深さ方向に
粒界構成相成分の濃度差が大きいということは、窒化ア
ルミニウム焼結体表面におけるメタライズペーストの接
合しにくい部分の増加につながるからである。
本発明の窒化アルミニウムメタライズ基板は、たとえば
次のようにして製造される。
まず、上述したようなメタライズ用組成物を有機系バイ
ンダーと必要に応じて分散媒とともに混合し、所望の粘
度としてメタライズ用ペーストを作製する。
一方、窒化アルミニウム焼結体は、ラッピング、ホーニ
ングなど、通常用いられている研削手段によって、メタ
ライズ層を形成する表面を研削し、焼結体上に残留して
いる離型剤および焼結体上にしみだしている窒化アルミ
ニウム焼結体の粒界構成相成分を除去する。
この研削は、焼結体の深さ方向にｌＯμ口以上の深さと
なることが好ましい。研削量がｌＯμ■以下では、離型
剤は除去できるが粒界構成相成分は完全に除去できず、
本発明の効果が得られにくい。
すなわち、焼結体表面の物理的な平滑性は得られても成
分的に不均一であり、部分的に存在する粒界構成相成分
が阻害因子となって働き、窒化アルミニウムとメタライ
ズ用ペーストとが直接反応しにくくなる。したがって、
熱サイクルなどがかかった場合、メタライズ層の接合強
度を劣化させる原因となるのである。
、その、後、こうして表面が均質化された窒化アルミニ
ウム焼結体上に上記メタライズ用ペーストを、たとえば
スクリーン印刷法などによって所要のパターン形状に塗
布し、乾燥した後に窒素ガスなどの不活性雰囲気中で焼
成してメタライズ層を形成する。
（作　用） 本発明に使用する基板の原料である窒化アルミニウムは
、焼成後、基板の表面に焼結助剤の化合物がしみ出す性
質を有している。
そして、これらの焼結助剤は、窒化アルミニウムの焼成
時に窒化アルミニウム焼結体の成分と反応して、たとえ
ば、Ｙ　２０３　、ＴＩＮ　、　Ａｌ１０３の反応によ
って生成するＹＡＧ　ＳＹＡＭ　、ＹＡＬなどの化合物
を窒化アルミニウム粒子間の粒界に形成する。
これらの粒界構成相成分は、メタライズ用べ−スト中の
接合に寄与する成分とは反応せず、メタライズ層形成の
妨げとなる。
したがって、このような焼結助剤の化合物からなる粒界
構成相成分が基板表面に多く存在していると、メタライ
ズ層の接合強度にばらつきが生じ、良好なメタライズ基
板を得ることができない。
本発明の窒化アルミニウムメタライズ基板は、上述した
粒界構成相成分を研削などの手段を用いて除去し、窒化
アルミニウム焼結体の表面における粒界構成相成分の濃
度を３重量％以下に抑えているため、窒化アルミニウム
焼結体とメタライズ用ペーストとの反応面積が確保され
る。
さらに、上記粒界構成相成分の基板深さ方向における濃
度範囲を、焼結体表面の濃度に対して±１．５重量％と
することによって、粒界構成相成分のメタライズ層への
浸透を促進することができ、メタライズ層の接合強度を
向上させることができる。
したがって、本発明によれば、熱伝導率が２００ｗノＩ
Ｉ−に以上の窒化アルミニウム焼結体を使用する場合で
も、接合強度の強いメタライズ層を形成することができ
る。
（実施例） 次に、本発明の一実施例について説明する。
実施例１ 第１図は本発明の窒化アルミニウムメタライズ基板の製
造工程を示す図である。
同図において、１は窒化アルミニウム焼結体であり、焼
結助剤としてＹ２Ｏ３を窒化アルミニウム粉末に対して
３重量％添加し、常圧焼結法により、熱伝導率が２００
Ｗ／ｍ−にである窒化アルミニウム焼結体を作製した。
焼成後の窒化アルミニウム焼結体１には、その表面に、
離型剤２が残留しており、さらに、焼結助剤の化合物か
らなる粒界構成相成分が窒化アルミニウム焼結体１内部
からしみだして粒界構成相成分の濃度が高い焼結体表面
層３を形成している（第１図−ａ）。
この窒化アルミニウム焼結体１の最外層をホーニング法
によって研削し、離型剤２を除去する（同図−ｂ）。
さらに、研削を続けることによって焼結体表面層３を除
去する（同図−Ｃ）。
このような研削処理によって窒化アルミニウム焼結体表
面の粒界構成相成分の濃度を１．４重量％とした。また
、窒化アルミニウム焼結体の深さ方向における粒界構成
相成分の濃度差は０．４重量％であり、研削量は４０μ
麿であった。
こうして焼結体表面層３を除去した窒化アルミニウム焼
結体１上に、メタライズ用ペーストとしてＮｏ−Ｔ　ｉ
　Ｎペーストを塗布し、窒素中、１７００℃で焼成して
メタライズ層４を形成する（同図−ｄ）。
得られた窒化アルミニウムメタライズ基板について、接
合強度の測定を行った。
これは、８０ａｍＸ　６０ａｍの窒化アルミニウムメタ
ライズ基板を２．５ｇｍ　Ｘ　２．５ａ＋ｍに切断して
試験用サンプルを作製し、この試験用サンプル５０個に
ついてメタライズ層をめっきした後、５ｎ−Ｓｂ半田で
銅線を接合し、垂直方向に引張る方法により行った。
また、冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）後に、同様の接合強
度試験を実施し、冷熱サイクルに対する信頼性を調べた
。
さらに、この実施例で得た窒化アルミニウムメタライズ
基板５０枚に、それぞれトランジスタを塔載し、ΔｖＢ
Ｅ法によって熱抵抗を測定した。
なお、上記試験において、標準偏差も併せて求めた。こ
れらの結果を第１表に示す。
実施例２ 窒化アルミニウム焼結体として、熱伝導率が、２００ｗ
／ｉ・Ｋであり、焼結助弄ＪとしてＹ２Ｏ３を含む焼結
体を使用し、実施例１と同一方法でメタライズ層を形成
した。
ただし、窒化アルミニウム焼結体表面の粒界構成相成分
の濃度が２．８重量％となるように研削を行った。゛ま
た、窒化アルミニウム焼結体の深さ方向における粒界構
成相成分の濃度差は　１．３重量％であり、研削量は１
５μｍであった。
さらに、作製した窒化アルミニウムメタライズ層基板に
ついて、実施例１と同一条件でメタライズ層の接合強度
および熱抵抗を測定した。
この結果を第１表に示す。
比較例１ 窒化アルミニウム焼結体として、熱伝導率が、２００Ｗ
／ｎ＋−にであり、焼結助剤としてＹ２Ｏ３を含む焼結
体を使用し、実施例１と同一方法でメタライズ層を形成
した。
ただし、窒化アルミニウム焼結体表面の粒界構成相成分
の濃度が３．３重量％となるように研削を行った。また
、窒化アルミニウム焼結体の深さ方向における粒界構成
相成分の濃度差は１．９重量％であり、研削量は　５μ
ｍであった。
さらに、作製した窒化アルミニウムメタライズ層基板に
ついて、実施例１と同一条件でメタライズ層の接合強度
および熱抵抗をＡｌ１定した。この結果を、実施例の結
果と併せて第１表に示す。
比較例２ 窒化アルミニウム焼結体として、熱伝導率が、２００Ｖ
／ｍ−にであり、焼結助剤としてＹ２Ｏ３を含む焼結体
を使用し、研削による表面層の除去を行わずにメタライ
ズ層を形成した。
この窒化アルミニウム焼結体表面の粒界構成相成分の濃
度は４．３重量％であり、窒化アルミニウム焼結体の深
さ方向における粒界構成相成分の濃度差は　２．９重量
％であった。
さらに、作製した窒化アルミニウムメタライズ層基板に
ついて、実施例１と同一条件でメタライズ層の接合強度
および熱抵抗を測定した。この結果を第１表に示す。
（以下余白） 第　　１ 表 また、上記実施例１で作製した窒化アルミニウム焼結体
に対して、その表面を研削して焼結体の厚さを減少させ
ながらＸ線回折を行い、種々の深さにおける焼結体表面
のＸ線回折強度を測定したところ、以下のことが明らか
となった。
第１図は、上記Ｘ線回折で得た結果を、窒化アルミニウ
ム焼結体中のＡＩＮと、この窒化アルミニウム焼結体の
粒界構成相成分であるＹ２Ｏ３およびＹＡＭ（２Ｙ　２
０３　・Ａｌ１０３　）との回折強度比で示したもので
ある。各構成相成分の面指数は、それぞれ、ＡＩＮ　２
００　、　Ｙ　２０３２２２　、　ＹＡＭ　０２３であ
る。また、図中、白丸はＡＩＮ・に対するＹ２Ｏ３の回
折強度比を、黒丸はＡＩＮに対するＹＡＭの回折強度比
を表している。
第１図から、窒化アルミニウム焼結体の粒界構成相成分
の分布が、焼結体の深さ方向でばらついていることが認
められる。そして、このばらつきは、特に焼結体表面近
傍で大きい。
第２図は、第１図を定量化したもので、窒化アルミニウ
ム焼結体の深さに対するイツトリウムおよび酸素の含有
量の変化を示している。図中、白玉角はイツトリウム含
有量を、黒三角は酸素含有量を表しており、それぞれの
初期添加量を矢印で示した。
第２図から、焼結体表面下０〜３０μｍのところにおい
て粒界構成相成分の含有量が、初期添加した量より高く
なっていることがわかる。
これは、窒化アルミニウム焼結体内部の粒界構成相成分
が表面にしみだしていることを示している。
それでは次に、焼結助剤としてＹ２Ｏ３を含み、熱伝導
率が１３０．２００．２６０ｗ１ＩＩ−にテある３種類
の窒化アルミニウム焼結体を使用した実施例について述
べる。
実施例３ この実施例では、熱伝導率が１３０．２００．２６０ｖ
／ｍ−にである　３種類の窒化アルミニウム焼結体を使
用し、それぞれの焼結体の研削量を変化させた。
そして、各研削状態において窒化アルミニウム焼結体に
メタライズ層を形成し、メタライズ層の接合強度を測定
した。
また、熱伝導率が１３０．２００Ｗ／ｍ−にである窒化
アルミニウム焼結体を使用して作製した窒化アルミニウ
ムメタライズ基板については、トランジスタ塔載時の熱
抵抗を測定した。
なお、上記接合強度ならびに熱抵抗の測定は、上述した
実施例１と同一条件で行った。
メタライズ層の接合強度については第２表に、熱抵抗に
ついては第３表に、それぞれの結果を示す。
（以下余白） 第　　２ 表 第　　３ 表 以上の結果から明らかなように、高熱伝導率を有する窒
化アルミニウム焼結体へのメタライズにおいて、焼結体
表面を研削などの手段によって処理し、粒界構成相成分
を特定の濃度以下におさえることで、窒化アルミニウム
とメタライズ用ペーストとの反応環境を改苦し、接合強
度の高いメタライズ層を形成することができた。
また、上記粒界構成相成分が窒化アルミニウム焼結体の
深さ方向において、表面濃度±　１．５％の濃度差で分
布している窒化アルミニウム焼結体を用いることによっ
て、焼結体表面にしみだした粒界構成相成分のメタライ
ズ層への浸透を促進し、メタライズ強度の向上を図るこ
とができた。
したがって、熱伝導率２００Ｉ！／ｍｌ−に以上の窒化
アルミニウム焼結体を用いて作製された窒化アルミニウ
ムメタライズ基板を、高周波半導体素子用ヒートシンク
として使用しても、十分信頼性が保てることがわかった
。
［発明の効果］ 本発明の窒、化アルミニウムメタライズ基板によれば、
メタライズ層との接合に関与せずメタライズ層形成の際
に阻害因子となって働く、窒化アルミニウム焼結体中の
粒界構成相成分を、焼結体表面において３重量％以下と
しているため、窒化アルミニウムとメタライズ用ペース
トとの反応面積が増大し、接合強度の高いメタライズ層
を形成することができる。
したがって、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＩ−に以上の窒化
アルミニウム焼結体に対して接合強度の高いメタライズ
層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例による窒化アルミニウムメタ
ライズ基板の製造工程を示す図であり、第２図は窒化ア
ルミニウム焼結体のＸ線回折結果を各物質の回折強度比
で表した図であり、第３図は第２図の結果を定量化して
表した図である。 出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基
    板と、このセラミックス基板上に形成されたメタライズ
    層とを有する窒化アルミニウムメタライズ基板において
    、 前記窒化アルミニウム焼結体の表面部における粒界構成
    相成分の濃度が３重量％以下であることを特徴とする窒
    化アルミニウムメタライズ基板。
  2. （２）前記窒化アルミニウム焼結体の深さ方向における
    粒界構成相成分の濃度分布が、前記窒化アルミニウム焼
    結体表面における濃度に対して、±１．５重量％以内の
    濃度範囲である請求項１記載の窒化アルミニウムメタラ
    イズ基板。
  3. （３）前記窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率が２００
    Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１記載の窒化アルミニウム
    メタライズ基板。
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