JPH029766A

JPH029766A - セラミックス基板

Info

Publication number: JPH029766A
Application number: JP62304471A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Takada; 高田　直弘
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-03
Filing date: 1987-12-03
Publication date: 1990-01-12

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】し発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、熱伝導性に優れかつその表面に信頼性の寓い
導電層を形成しうるセラミクス基板に関する。

（従来の技術）窒化アルミニウム（ＡρＮ）セラミックスは、熱伝導性
が良好で放熱性に優れ、かつ電気絶縁性等の電気的特性
も優れているので半導体用の基板材料として注目を集め
ている。

このＡ１Ｎ焼結１体は、基板材料として用いる場合は次
のように製造される。すなわち、ＡρＮ粉末原料に焼結
助剤（希土類元素酸化物、アルカリ土類酸化物等）を、
所定量配合し、更に必要に応じてバインダ（アルカリ系
樹脂等）を添加して全体を充分に混合し、得られた混合
体を例えばドクターブレード法によりグリーンシートに
成形した後、窒素雰囲気中にて焼結するものである。

さて、ＡＮ　Ｎセラミックスを半導体用基板として用い
る場合には、半導体装置する面に導電性の表面層を形成
することが必要である。この方法として、基板の表面に
あらかじめガラス屑を被覆し、その上にスクリーン印刷
等により電極部や回路等の導電層を形成することが行な
われている。

また、ＡｇＮ基板表面に直接銅層を形成する方法（Ｄｉ
ｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄ　Ｃｕｐｐｅｒ法）あるいは、厚膜
法を適用して金、銀−パラジウム等の導電性のメタライ
ズ層を設けることも試みられている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来の＾１Ｎセラミックス基板では、次
のような問題点がある。

すなわち、基板の表面にガラス層を形成する場合では、
熱伝導性が低いガラス層の存在によって基板全体の熱伝
導性が低下し、熱伝導性の高いへ１Ｎセラミックスを用
いる効果がなくなる。また、へＩＮ基板表面に直接銅層
を形成する場合は、接合時の温度柔性が厳しく、許容温
度範囲が狭いため接合状態を安定した均一なものにする
ことが困難である。更に厚膜法による場合は、＾ｊ！Ｎ
セラミックス表面とメタライズ層との接合強度が小さく
、両者間に剥離現象を生じることがあり基板としての信
頼性が必ずしも充分でない、特に高温時の接合強度が小
さいと５メタライズ層に半導体素子あるいは導電ワイヤ
を、ろう付けあるいははんだ付けする際に、メタライズ
層と基板との接合状態が極めて不安定なものとなる。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、Ａｌ
ｌ　Ｎセラミックスの持つ高熱伝導性を損ねることなく
維持し、かつその表面に信頼性の高い接合状態で導電層
を形成しうるセラミックス基板を提供することを目的と
する。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段及び作用）本発明は、窒
化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板であっ
て、基板中の粒界相を基板の表面部分に偏在させたこと
を特徴とするセラミックス基板である。

半導体用基板に用いる窒化アルミニウムは、焼結助剤と
してＹ２　０３　、ＣａＯ等を含有する。これらの焼結
助剤は、焼結時に液相となりへＩＮ結晶粒の粒界に存在
し、ＡρＮ結晶粒を強固に結合して焼結体を、緻密化す
るものと考えられる。しがしながら、半導体用基板とし
て、熱伝導性を考えた場合、焼結助剤に含まれ粒界相に
存在する酸素は熱伝導性を低下させる要因のひとつであ
る。

本発明のＡＮ　Ｎセラミックス基板は、へＩＮ焼結体中
の粒界相を基板の表面部分に偏在させることにより、基
板中央部の酸素量を減少させて熱伝導性を向上させると
ともに、基板の表面部分に偏在させた粒界相を基板表面
に設ける導電層との接合作用に寄与させることにより導
電層との接合強度をも向上させるものである。本発明の
へｊＮセラミックス基板では、粒界相に酸素を含むこと
により、基板表面に接合する導電層との接合状態を改善
する。

また、本発明のＡＮ　Ｎセラミックス基板は、焼結助剤
として、希土類元素酸化物およびアルカリ土類元素酸化
物を単独または複合で０．０１〜１０重量％、好ましく
は０．５〜７重量％含むものである。

焼結助剤は、余り少ないと焼結体緻密化の効果がなく、
逆に余り多いと熱伝導性を大きく劣化させることがある
。希土類元素酸化物としては、なとえばＹ２Ｏ３、Ｃｅ
Ｏ２、Ｌａ２　０３等が好ましく、またアルカリ土類元
素酸化物してはＣａ０２ＳｒＯ１ＢａＯが適用出来る。

また、これらの酸化物は、出発原料として酸化物以外の
炭酸塩、硝酸塩等の他の化合物の形態で添加してもよい
、希土類元素酸化物のなかで、Ｙ２Ｏ３は、少量の添加
で熱伝導性を向上させる効果が大きく好ましいものであ
る。

本発明のＡｇＮセラミックス基板において、基板の表面
部分に偏、在させた粒界相を適宜調整し、かつ、表面粗
度、平坦度を向上させるため表面処理を行うと有効であ
る０例えば、ホーニング加工等により基板の最外表面を
一部除去する処理が連用できる。

本発明の＾ｊ！Ｎセラミックス基板は、例えば次のよう
にして得ることができる。

すなわち、窒化アルミニウムに焼結助剤を添加してなる
粉末の成形体を焼結する工程において、前記成形体を焼
結温度まで加熱して焼結し、焼結体を冷却する途中で焼
結体を焼結温度より低い温度で一定時間保持する熱処理
を行なうものである。

ＡＩＮセラミ・ｙクスは、約１８００〜１９００℃、窒
素雰囲気中で焼結を行なう、その後、Ａ１Ｎセラミ・ソ
クスでは、焼結温度から焼結体を冷却するが、この冷却
の過程の途中において、焼結体を焼結温度よりも低い所
定の温度に一定時間保持する熱処理を行なう、焼結温度
から熱処理を開始するまでの冷却速度は例えば約り００
℃／時間である。

この熱処理の温度は焼結温度１８００〜１９００℃より
５０〜３００°Ｃ低い１７５０〜１６００℃とする。ま
た、熱処理の時間は３０分〜６時間とする。この熱処理
の雰囲気は焼結雰囲気と同じ窒素雰囲気とする。

この熱処理工程の際、焼結体中の粒界相が、徐々に表面
部に移動し、表面部分に偏在するようになるものと思わ
れる。

なお、熱処理の東件は、焼結体に含有する焼結助剤の量
、焼結体の厚さ（基板としては通常０．５〜１．５隋程
度）等により適宜選択することができる。

訛な、一般にセラミックスの焼結の際はセラミックス製
の敷板に成形体を載置して行なうが、焼結時に成形体と
敷板とが接着することがある。これを防止するために、
離型材が用いられ、従来は窒化はう素、炭化けい素、カ
ーボン等の粉末が用いられる。しかしながら、＾ＪＩＮ
セラミックスの場合、従来のものでは、離型材と接して
いる部分に離型材が付着したり、あるいは変質層が生じ
、これらの部分を研削等の方法で除去することが必要で
ある。そこで本発明のＡｌｌ　Ｎセラミックス基板を焼
結する際に、は次のものを用いて行なう、すなわち、Ａ
ｊ　Ｎセラミックス基板の焼成温度よりも若干（約５０
〜１００℃程度）高い温度にて仮焼した＾ＪＩＮ粉末を
粉砕して得た５〜２００μｍの粉末を離型材として使用
すると、焼成後の離型材は容易に離脱しかつ変質層の生
成もほとんどない。

（実施例）本発明例：窒化アルミニウム粉末に焼結助剤としてＹ２　０３　３
１１Ｃ量％を添加し、さらに有機質バインダ、界面活性
剤および溶剤を加え混合したスラリーを、ドクターブレ
ード法により厚さ０．５園のシートに成形した。そして
、このシートを切断して４０×４０鴎の板状の成形体を
成形した。この成形体は窒素雰囲気中で温度７００℃ま
で加熱し脱脂しな、ついで、得られた成形体を敷粉（離
型材）を介在させて複数枚、積重したものを窒素雰囲気
中で焼結した。なお敷粉は、へＩＮ粉末（平均粉径０，
６μｍ）を整粒した後、１８５０℃で仮焼し、粉砕した
後、分級して得られた粒径１０μｍ程度のものを用いた
。

焼結は、次のように行なった。すなわち、１８００℃ま
で５００℃／１１の昇温速度で昇温し、１８００℃で２
時間保持した後、１７００℃まで急冷し、１７００℃で
４時間保持する熱処理を行なった。得られた焼結体の表
面変質層（約１０μｌ）をホーニング加工で除去した。

比較例：前記の本発明例に示したものと同等の成形体を、次のよ
うに焼結した。すなわち５００℃／Ｈの昇温速度で１８
００℃まで昇温し、１８００℃で２時間保持した後、熱
処理を行なうことな〈従来通り、室温迄除冷した。つい
でホーニング加工を施した。

比較例：窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加しない原料を用
いて、本発明例と同様に成形体を得た。

得られた成形体を、次のように焼結した６すなわち５０
０で／Ｈの昇温速度で１９００℃まで昇温し、６時間保
持した後、熱処理を行なうことなく室温迄徐冷し、つい
でホーニング加工を施した。

このようにして得られたＡ、ｌ！Ｎ焼結基板について、
各々、ｘＨ回、折による相同定を行ない、また熱伝導率
を測定するとともに、導電層のメタライズを行ない比較
した。導電層のメタライズは、ＨＯ−Ｔｉ　　（Ｎｏコ
Ｔｉ＝　１：　　２）でなるペースト状のものを用い、
このペーストをＡｊＮ焼結基板に厚さ約１０μ信で塗布
し、窒素雰囲気中、約１７００℃で焼成して形成した。

これらの結果を第１表に示す。

（以下余白）第１表第１表中、Ｘ！１回折評価の「＋」はＸ線回折線強度を
示すものである。また粒界相としてはＹＡＧ相（３Ｙ２
　　ｏ３・５ＡＮ　２　　ｏ３）　、ＹＡＬ相（Ｙ２　
０３八４１２０３）　　、　ＹＡＨ相　（２Ｙ２　　０
３　　・　　八ρ　２　０３　）　、Ｙ２Ｏ３等が検出
された。

第１表に示すように、本発明例によるものは、ＹＡＧ相
等の粒界相が表面に偏在し、中央部では少ない、このよ
うに構造により、本発明例のものは、熱伝導率が大きく
かつ導電層めメタライズも良好である。

［発明の効果コ以上説明したように本発明によれば、熱伝導性に優れか
つその表面に信顆性の高い導電層を形成しうる窒化アル
ミニウムセラミックス基板を得ることが出来る。

代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　湯山幸夫手杭補正書（自発）平成年月

Claims

【特許請求の範囲】

（１）窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基
板であって、基板中の粒界相を基板の表面部分に偏在さ
せたことを特徴とするセラミックス基板。
（２）粒界相は、酸素を含むものである特許請求の範囲
第１項記載のセラミックス基板。
（３）セラミックス基板は、焼結助剤として希土類元素
酸化物およびアルカリ土類元素酸化物を単独または複合
で０．０１〜１０重量％含むものである特許請求の範囲
第１項記載のセラミックス基板。
（４）セラミックス基板は、焼結助剤としてイットリウ
ム酸化物を０．０１〜１０重量％含むものである特許請
求の範囲第１項記載のセラミックス基板。