JPH0250972A - 窒化アルミニウムメタライズ基板 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、半導体用基板、ＩＣ用基板に使用される熱伝
導性が良好な窒化アルミニウム基板に関するものであり
、特に大電力素子用基板として有用な窒化アルミニウム
メタライズ基板の構成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用基板として
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
題となっている。

このため、従来使用されているアルミナの熱伝導率（約
２０Ｗ　／　ｍ　Ｋ　）に比へて極めて高い熱伝導率（
約７０〜２６０Ｗ　／　ｍ　Ｋ　）を有すると共に、Ｓ
ｉとほぼ同じ熱膨張率（約４．６　Ｘ　１０−”　／　
’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、使用されはじめている。

しかしながら、窒化アルミニウムは金属との濡れ性が悪
く、このため、所要面に金属層を形成したり、あるいは
半田付けを行なうことが困難であり、大電力用の基板は
実用化されてぃなかった。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、最近、窒化アルミニウム表面にＳｉＯ２等の
酸化物層を介してＭＯ等のメタライズ層を形成した基板
が開発され（特公昭５８−１．１３９０号公報）、また
、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉなどを混合した金属粉末ペーストを
窒化アルミニウム基板上に印刷し、乾燥水素雰囲気中で
約９００℃の温度で焼結することにより、窒化アルミニ
ウムと金属との間にＴＩＮを介在させる方法も報告され
ている（Ｎ、Ｋｕｒａｍｏｔｏ他、Ｐｒｏｃ、　３６ｔ
ｈ、　ＥＣＣ（工ＥＥＥ）、　４２２頁（１９８６）参
照）。更に、表面を酸化処理した窒化アルミ−ラム基板
に銅板を重ね、ある酸素分圧下で加熱して界面にＣｕ−
〇系共品を析出させて、窒化アルミニウムと銅を強固に
接合する方法が報告されている（Ｎ　、　　Ｉ　ｗａｓ
ｅ他、Ｐｒｏｃ、　１　ｓｔ　ＩＥＥＥ　ＣＨＭＴ　Ｓ
ｙｍｐｏ。

４０頁（１９８４）参照）。

しかしながら、上述したような、これまで知られている
メタライズ法は、いずれも窒化アルミニウム表面と金属
との界面に酸化物等からなる中間層が存在する。そして
、これら中間層は、例えば、窒化アルミニウムの熱膨張
係数が４Ｘ１０’に’であるのに対して、アルミナは７
×１０−１′に−１，５１０２はＱ、５　Ｘｌ、０−６
Ｋ　’、ＴｉＮは９　Ｘ　１０−’　Ｋ−１であるよう
に、いずれも熱膨張係数が窒化アルミ−ラムと異なるも
のである。このため、基板との熱膨張係数のミスマツチ
ングによる熱応力が発生し、界面にクラックや剥離が生
し、信頼性を低下させるという問題点があった。

更にまた、かかる問題を解決するものとして、窒化アル
ミニウム基材の上に、Ｗ、Ｍｏおよびこれらの硼化物、
炭化物から選ばれた一種または二種以」二の］００ｗｔ
％と、窒化アルミニウムまたは」１記基材の成分の０．
１〜５０ｗｔ％とからなる第１層と、Ｗ、Ｍｏおよびこ
れらの硼化物、炭化物から選ばれた一種または二種以−
１〕からなる第２層とからなる窒化アルミニウムの表面
構造も提案されている（特開昭６１−２８１０８９号公
報）が、二層構造であるなど製造」二の問題がある。

本発明の目的は、上述した問題点を解決し、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しない、
信頼性の高く容易に製造可能な窒一 化アルミニウムメタライズ基板を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために、本発明は窒化アルミニウ
ムが９０ｗｔ％以上である焼結体基板の表面に、窒化ア
ルミニウムと熱膨張係数がほぼ等しいタングステンが８
５ｗｔ％以上含有されてなるメタライズ層を直接形成し
てなることを特徴とするものである。

本発明において、メタライズ層はタングステンのみで形
成されていても高信頼性が得られる。しかし、更に窒化
アルミニウム、または窒化アルミニウムの焼結助剤とし
て知られている酸化物等を含む場合には、焼結時にメタ
ライズ層内部の窒化アルミニウムまたは焼結助剤と基板
の窒化アルミニウムとの間に結合が生じるため、メタラ
イズ層の密着強度が向上するという利点があるので、こ
れら成分を含有することが望ましい。

第１図は、本発明におけるメタライズ層の窒化アルミニ
ウム含有量と密着強度の関係を示したものである。図に
示すように、窒化アルミニウムの添加量に比例して密着
強度が高くなる。しかし、これら添加物の含有量が多い
場合は、メタライズ表面にめっきを施す際に、均一にめ
っきが形成されない等の悪影響を及ぼず恐れがあるので
、その含有量は１５ｗｔ％以下（換言すれば、タングス
テンの含有量が８５％以上）であることが好ましい。

また、本発明において、メタライズ層を形成する方法と
しては種々な製法を適用できるが、タングステン粉末と
有機バインダー及び有機溶剤からなるペーストを作製し
、スクリーン印刷により塗布した後、脱バインダーを行
い、焼結する方法が均一な層厚が得られる点から好まし
い。

［実施例］ 以下、本発明を実施例及び比較例に基づいてより詳細に
説明する。

（実施例１） 平均粒径１．０μｍのタングステン粉末８０ｇに対して
、有機バインダーとしてエチルセルロースを２　ｇ　＋
有機溶剤としてプチルカルビトールアセテート１８ｇを
加え合わせ、３本ロールにて十分混合し、Ｗ粉末が均一
に分散したペーストを作製した。

次に、このペーストをスクリーン印刷法により、窒化ア
ルミニウム焼結体基板に印刷し、１２０℃にて乾燥した
。続いて、脱バインダーをした。脱バインダーは、モリ
ブデンを発熱体とする箱型電気炉を用い、窒素、水素、
および水蒸気の混合雰囲気中で８００℃まで昇温し、１
時間保持して行なった。脱バインダーの後、モリブデン
を発熱体とする箱型電気炉を用い、窒素と水素の混合雰
囲気中で１８００°Ｃまで昇温し、−時間保持して焼結
した。

次に、得られた窒化アルミニウムメタライズ基板におけ
るメタライズ層の密着強度の評価を以下のようにして行
なった。まず、メタライズ表面にＮｉメツキを施した後
、メタライズ層内部の金属とＮｉとの接合強度を高める
ために、窒素、水素の混合雰囲気中８００℃でＮ１の拡
散処理を行なった。次に、メタライズ表面の一部に０　
、８　ｍｍφの錫メツキ銅線を濡れ部分が２ｍｍφにな
るようにはんだ付けし、引っ張り試験を行なった。その
結果、８．５ｋｇ／ｍｍ２という優れた接着強度である
ことがわかった。尚、引っ張り速度は１０ｍｍ／ｍｉｎ
で行なった。

更に、１時間の周期で一５０’Ｃから１５０℃を往復す
る温度サイクル試験を行なった。その結果を第２図に示
す。本発明によるものは１０４回まで密着強度の低下は
非常に小さいことがわかる。

（比較例１） 一方、比較のために、平均粒径１．０μｍのＭＯ粉末ｓ
ｏｇと、平均粒径１５　μｍのＭｏｏ−８ｉｏ□ガラス
（軟化点１２５０℃）Ｌｏｇと、有機バインダーとして
エチルセルロースを２ｇ、有機溶剤としてブチルカルピ
トールアセテート１８ｇとを加え合わせ、３本ロールに
て十分混合し、Ｍｏ及びＭＯ０Ｓ１０２ガラスが均一に
分散したペース１〜を作製した。

次に、このペーストをスクリーン印刷法により、窒化ア
ルミニウム焼結体基板に印刷し、１．２０℃にて乾燥し
、続いて、脱バインダーをした。脱バインダーは、モリ
ブデンを発熱体とする箱型電気炉を用い、窒素、水素、
水蒸気の混合雰囲気中で８００℃まで昇温し、１時間保
持して焼結した。

次に、このペーストをスクリーン印刷法により、窒化ア
ルミニウム焼結体基板に印刷し、１２０℃にて乾燥した
。続いて、脱バインダー及び基板表面の酸化をした。脱
バインダー及び酸化は、モリブデンを発熱体とする箱型
電気炉を用い、窒素。

水素、水蒸気の混合雰囲気中で１００℃まで昇温し、１
時間保持して行なった。

脱バインダーの後、モリブデンを発熱体とする箱型電気
炉を用い、窒素と水素の混合雰囲気中で１３００℃まで
昇温し、１時間保持して焼結した。

次に、上記実施例１と同様にして、得られたメタライズ
層の密着強度の評価を行なった。上記本発明の実施例１
では８．５ｋｇ／ｍｍ２であったのに対し、この比較例
の場合には、７．０ｋｇ／ｍｍ２であった。また、１時
間の周期で一５０’Ｃから１５０°Ｃを往復する温度サ
イクル試験を行なった結果を第２図に示す。上記本発明
の実施例１では１０４回まで密着強度の低下が非常に小
さかったのに対し、比較例の場合には、窒化アルミニウ
ムと酸化膜の間や、酸化膜とガラス界面の熱膨張係数が
異なるため、密着強度は１０３回までに著しく低下する
。

（実施例２） 平均粒径１．０μｍのタングステン粉末１００ｇに対し
、平均粒径０．５μｍの窒化アルミニウム粉末５ｇとＤ
ｙ２Ｏ３粉末５ｇとを添加してなる混合粉末１００ｇに
対して、有機バインダーとしてエチルセルロースを２　
ｇ　＋有機溶剤としてブチルカルピトールアセテート１
８ｇを加え合わせたほかは実施例１と同様にして窒化ア
ルミニウムメタライズ基板を作製した。得られた基板の
接着強度を実施例１と同様な方法で測定したところ９．
０ｋｇ／ｍｍ２以上の強度であった。

（実施例３） 第３図は実施例１と同様にして作製したメタライズ層の
焼結温度と密着強度及び測長範囲２０ｍｍに対する反り
量の関係を示すものである。焼結温度が高温であるほど
密着強度は大きい。しかし、高温になると窒化アルミニ
ウム基板自体が変形し易くなり、基板の反りが大きくな
る。従って、本発明における焼結温度は１８５０℃以下
であることが好ましい。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、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、信頼
性の高い、窒化アルミニウムメタライズ基板を容易に得
ることができ、熱伝導性が良好な窒化アルミニウムのメ
タライズに有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における、メタライズ層の窒化アルミニ
ウムの含有量と密着強度の関係を示す図、第２図は温度
サイクルと密着強度の関係を示す図、第３図は焼結温度
と密着強度及び反り量の関係を示す図である。 手 続 補 正 土 （自 発）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）９０ｗｔ％以上が窒化アルミニウムである焼結体
   基板の表面に、８５ｗｔ％以上のタングステンを含有す
   るメタライズ層が直接形成されてな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）請求項第１項記載のメタライズ基板において、上
   記メタライズ層が窒化アルミニウム又は上記窒化アルミ
   ニウム基板を構成する成分のうちの少なくとも一種以上
   の成分を含むことを特徴とする窒化アルミニウムメタラ
   イズ基板。