JPH03125463A

JPH03125463A - 半導体装置用軽量基板

Info

Publication number: JPH03125463A
Application number: JP1263710A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yoshida; 秀昭吉田; Makoto Chokai; 誠鳥海; Michio Yuzawa; 湯澤　通男
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1989-10-09
Filing date: 1989-10-09
Publication date: 1991-05-28
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JP2658435B2

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〕この発明は、軽量にして、熱伝導性（放熱性）にすぐれ
、したがって半導体装置の高集積化および大電力化に十
分対応することができる半導体装置用基板に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来、一般に、半導体装置用基板としては、例えば第２
図に概略説明図で示されるように、酸化アルミニウム（
Ａ．１７２０３で示す）焼結体からなる絶縁板材Ｃ′の
両側面に、それぞれＣｕ薄板材Ｂ′を液相接合し、この
液相接合は、例えば前記Ｃｕ薄板材の接合面に酸化銅（
　Ｃ　ｕ　２　０　）を形成しておき、前記Ａｇ２０３
焼結体製絶縁板材と重ね合せた状態で、１０６５〜１０
８５℃に加熱して接合面に前記Ｃ　ｕ　２　０とＣｕと
の間で液相を発生させて結合することからなり、また前
記Ｃｕ薄板材のうち、前記絶縁板材Ｃ′の一方側が回路
形成用導体となり、同他方側がヒートシンク板材Ａ′と
のはんだ付は用となるものであり、この状態で、通常Ｐ
ｂ−　Ｓｎ合金からなるはんだ材（一般に４５０℃以下
の融点をもつものをはんだという）Ｄ′を用いて、Ｃｕ
からなるヒートシンク板材Ａ′に接合してなる構造のも
のが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、近年の半導体装置の高集積化および大電力化に
伴って、装置自体が大型化し、重量化する傾向にあり、
したがってこれを構成する部材の軽量化が強く望まれて
いるが、上記の従来半導体装置用基板においては、これ
の構成材であるＡｇ２０３焼結体が約１５〜２ｏｗ／ｍ
−にの相対的に高い熱伝導度を有し、かっＣｕが約３９
０Ｗ／ｍ−にの一段と高い熱伝導度をもっことから、す
ぐれた熱伝導性（放熱性）を示すが、これを構成するヒ
ートシンク板材Ａ′および薄板材Ｂ′がいずれも重質の
Ｃｕであり、さらにこれに重質のＰｂ−Ｓｎ合金はんだ
材Ｄ′が加わるために、これらの要求に対応することが
できないのが現状である。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、すぐれ
た熱伝導性をもった上で、さらに軽量の半導体装置用基
板を開発すべく研究を行なった結果、ヒートシンク板材
および薄板材として、Ｃｕのもつ熱転導度：約３９０Ｗ
／ｍ−にと同様に１５０〜２５０Ｗ／ｍ−にの高い熱伝
導度を有し、かつＣｕより一段と軽量の純Ａｐや、例え
ばＡＮ　−２．５％Ｍｇ−０．２％Ｃｒ合金およびＡｇ
−１％Ｍｎ合金などのへρ合金を用いると共に、絶縁板
材として、Ａ　Ｉ　２　０　ａ焼結体と同等に軽量で、
それより高い熱伝導度を有する窒化アルミニウム（以下
Ａ，ＱＮで示す）系焼結体を適用し（ちなみに、Ａ　Ｄ
　２　０　ａ焼結体の熱伝導度は１５〜２０Ｗ／ｍ−に
であるのに対して、ＡｇＮ系焼結体のそれは５０〜２７
０Ｗ／ｍーＫ）、このＡｇＮ系焼結板材の両面に、Ａ，
Ｑ−１３％Ｓｊ合金、Ａｌｌ）　−７．５％Ｓｉ合金、
Ａｇ−９．５％Ｓｔ−１％Ｍｇ合金、およびｌ）７、５
％Ｓｉ−１０％Ｇｅ合金などのＡ．Ｉｌｌ−Ｓｉ系合金
や、Ａｇ−１５％Ｇｅ合金などのＡｇ−Ｇｅ系合金から
なるろう材（以上重量％、以下％は重量％を示す）を、
箔材、あるいは前記ヒートシンク板材および薄板材の接
合面にクラッドした状態で用いて、ヒートシンク板材お
よび薄板材をそれぞれ積層接合し、この場合ＡｇＮ系焼
結板材に対するヒートシンク板材および薄板材のろう付
は密着性を向上させるために、ＡｇＮ系焼結板材の少な
くとも接合面に、表面酸化層を形成すると共に、この表
面酸化層形成面には酸化けい素（以下ＳｉＯ２で示す）
系被覆層を形成しておき、さらに上記の通りＡ，ｆｆＮ
系焼結板材の一方面に、表面酸化層およびＳ　１　０　
２系被覆層を介してろう付けされた八ΩまたはＡ，Ｑ合
金の薄板材の表面の所定部分または全面に回路形成用お
よび部品はんだ付は用としてＣｕまたはＮｉメッキ層を
形成した構造にすると、構成部材すべてが軽量にして熱
伝導性の良好なＡ、ｉｌｌまたは１１合金とＡｇＮ系焼
結体で構成されることになることから、基板全体が軽量
化され、かつ放熱性のすぐれたものになるという研究結
果を得るに至ったのである。

この発明は、主尺研究結果にもとづいてなされたもので
あって、第１図に概略説明図で示されるように、絶縁板材Ｃを、平均層厚：０．２〜２０μｓの表面酸化
層Ｃ−８を有するＡ１１Ｎ系焼結板材Ｃ−Ｈの少なくと
も両面に平均層厚：　０．０１〜１０μｍのＳ　Ｉ　Ｏ
Ｚ系被覆層Ｃ−Ｃを形成したもので構成し、この場合Ａ
４７Ｎ系焼結板材Ｃ−Ｂは、酸化イツトリウム（以下Ｙ
２Ｏ３で示す）および酸化カルシウム（以下ＣａＯて示
す）のうちの１種または２種：０．１〜１０重量％、を
含有し、残りがＡｐＮと不可避不純物からなる組成もつ
ものが望ましく、また、Ｓ　Ｉ　Ｏ２系被覆層ｃ−ｃとしては、（ａ）　
　実質的にＳ　Ｌ　０２からなるもの、（ｂ）　　酸化
ジルコニウム（以下Ｚ　ｒ　Ｏ２で示す）：１〜５０％
、を含有し、残りがＳｉ０２と不可避不純物からなる組成
をもつもの、（ｃ）酸化チタニウム（以下ＴｉＯ２で示す）：１〜５
０％、を含有し、残りが３１０２と不可避不純物からなる組成
をもつもの、以上（ａ）〜（Ｃ）のいずれかで構成されることが望ま
しく、上記絶縁板材Ｃの一方面にＡ１１）またはＡｌ１合金か
らなるヒートシンク板材Ａを、また上記絶縁板材Ｃの他
方面に同じ＜Ａｉ）またはへρ合金からなる回路形成用
薄板材Ｂを、それぞれＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｇ
ｅ系合金からなるろう材りを用いて積層接合し、さらに、上記回路形成用薄板材Ｂの表面の所定部分また
は全面にＣｕまたはＮｌメッキ層を形成してなる放熱性
にすぐれた半導体装置用軽量基板に特徴を有するもので
ある。

さらに、この発明の基板の構成部材について、以下に詳
述する。

（ａ）　　ＡｇＮ系焼結板材このＡＪ７Ｎ系焼結仮焼結板材常の粉末冶金法にて製造
されるが、その製造に際しては、原料粉末として用いら
れるＡＪ７Ｎ粉末に、Ｙ２Ｏ３粉末およびＣａＯ粉末の
うちの１種または２種を配合するのが望ましく、これら
粉末の配合によって、焼結性が一段と改善されてＡｌＮ
系焼結板材の強度が向上するようになるほか、後工程で
のＡｇＮ系焼結板材表面部の酸化層の形成に際して、酸
化が促進されて緻密組織を有する酸化層のすみやかな形
成が可能となるものであり、しかし、その配合割合が０
．１％未満ては前記の作用に所望の効果が得られず、一
方その配合割合が１０％を越えると自体の熱伝導性が低
下するようになることから、その配合割合（含有割合と
同じ）を０．１〜ｌＯ％としなければならない。

（ｂ）ＡｌｌＮ系焼結板材表面部に形成される酸化層こ
の表面酸化層は、ＡｌＮ系焼結板材とｌ）またはＡｌ合
金のヒートシンク板材および薄板材とのＡＤ−Ｓｉ系合
金またはＡ（１−Ｇｅ系合金からなるろう材によるろう
付は密着性を、Ｓ　Ｌ　Ｏ２系被覆層との共存において
向上させるために形成されるが、その平均層厚が０．２
ｕｍ未満ではＳ　Ｉ　Ｏ２系被覆層との間に十分な密着
性を確保することができず、一方その平均層厚が２０ｔ
Ｅｎを越えると、ＡｌＮ系焼結板材のもつすぐれた熱伝
導性が損なわれるようになるので、その平均層厚を０．
２〜２０虜としなければならない。

また、表面酸化層は、ＡｇＮ系焼結板材に、２酸素分圧：１０　〜１気圧、水蒸気分圧：　工０’気圧
以下の雰囲気中で、１１００〜１５００℃の温度に、層
厚に応じた所定時間保持、の条件で酸化処理を施すことにより形成されるものであ
り、Ａｇ２Ｏ３を主成分とするものである。

（ｃ）　　Ｓ　ｉ０２系被覆層ＳｉＯ系被覆層は、Ａ、１ｌ１２０３を主成分とする表
面酸化層、並びにＡ、９−８ｔ系合金またはＡｇ−Ｇｅ
系合金からなるろう材との密着性にすぐれたものであり
、Ａ１１Ｎ系焼結板材とＡｇまた］　ＯはＡｌ合金のヒートシンク板材および薄板材とのろう付
は接合には不可欠の介在層であるが、その平均層厚が０
．０１庫未満では所望の接合強度を確保することができ
ず、一方その平均層厚が１０庫を越えると熱伝導性（放
熱性）が損なわれるようになるので、その平均層厚を０
．０１〜１０部としなければならない。

また、Ｓ　ｌ　０２系被覆層は、これを実質的にＳ　１
０２で構成してもすぐれた接合強度が得られるが、Ｓｉ
Ｏに、ＺｒＯまたはＴ　１０２を２１〜５０％の割合で含有させると、密着性が一段と向上
するようになり、基板が実用時に加熱と冷却の繰り返し
による熱衝撃にさらされた場合にも表面酸化層とろう材
間に長期に亘ってすぐれた密着性が保持されるようにな
るが、その含有割合が１％未満では上記の作用に所望の
効果が得られず、その含有割合が５０％を越えるとろう
材との密着性に劣化傾向が現われはじめるので、その含
有割合は１〜５０％としなければならない。

さらに、このＳｉＯ系被覆層は、これがＳｉＯ２１で構成される場合には、例えば、（ａ）　　ターゲツト材質：純度９９．９％の高純度石
英ガラス、ターゲット寸法、直径３　ｍｍ　Ｘ高さ１．０ｍｍ５電
　　　　力　　　：　ｉｏｏ　ｗ。

ＡｇＮ系焼結板材の回転数：　１０ｒ、ｐ、ｍ、、の条
件での高周波スパッタ法、（ｂ）　　エチルシリケート＋３４７ｇと、エチルアル
コール：５００ｇと、０．３％ＨＣβ水溶液：１９０．
２ｇの割合の混合液を、５００ｒ、ｐ、ｍ、で回転する
ＡｇＮ系焼結板材の表面に１０秒間ふりかけ、温度：８
００℃に１０分間保持する焼成を１サイクルとし、これ
を所定厚さになるまで繰り返し行なうことからなるゾル
ゲル法、（ｃ）　　反応ガス：　５ｉ２Ｈ６１０２＝０．０１５
（容量比）、反応容器内圧カニ　０．２ｔｏｒｒ　。

ＡｌＮ系焼結板材の温度：１５０°Ｃ１光；水銀ランプ
発生光、の条件での光化学蒸着法（以下光ＣＶＤ法という）、２以上（ａ）〜（ｅ）のうちのいずれかの方法で形成する
のがよく、またＺｒＯやＴ　ｉ　Ｏ２を含有したＳ　ｉ
ｏ　２系被覆層も、上記の（ａ）〜（Ｃ）のいずれかの
方法を用い、それぞれターゲツト材質、混合液、あるい
は反応ガスの組成を所定組成に調製することにより形成
することができる。

〔実　施　例〕

つぎに、この発明の半導体装置用基板を実施例により具
体的に説明する。

まず、原料粉末として、いずれも１〜３虜の平均粒径を
有するＡｇＮ粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、およびＣａＯ粉末を
用い、これら原料粉末をそれぞれ第１表に示される配合
組成に配合し、ボールミルにて７２時時間式混合し、乾
燥した後、さらにこれに有機バインダーを添加して混合
し、ドクターブレード法によりグリーンシートに形成し
、ついで常圧のＮ２雰囲気中、温度：　１ｇ００℃に２
時間保持の条件で焼結して、実質的に配合組成と同一の
成分組成を有し、かつ幅：５０ｍｍＸ厚さ：０．［１３
ｍ１Ｘ長さニア５＋ｎ＋ｎの寸法をもったＡｇＮ系焼結
板材を形成し、ついで、これらのＡｇＮ系焼結板材に、
酸素分圧＝０．１〜１気圧、水蒸気分圧：ｌＸ１０−５
〜１×１０−３気圧の雰囲気中、１３５０〜１４５０℃
の温度に所定時間保持の条件で酸化処理を施して第１表
に示される平均層厚の表面酸化層を形成し、さらに引続
いて、前記表面酸化層上に、通常の高周波スパッタ法、
ゾルゲル法、および光ＣＶＤ法のうちのいずれかの方法
にて、同じく第１表に示される組成および平均層厚を有
するＳ　ｉＯ２系被覆層を形成することにより絶縁板材
Ａ−Ｖをそれぞれ製造した。

さらに、ヒートシンク板材として、いずれも幅＝５０ｍ
ｍＸ厚さ：３ｍｍＸ長さニア５＋ｎｍの寸法を有し、ま
た薄板材として、いずれも幅：４５ｍｍｘ厚さ：１ｍｍ
ｘ長さ：　７０＋ｎｍを有し、かつ（ａ）　　純Ａｇ、（ｂ）　　Ａｇ−２，５％Ｍｇ−０，２％Ｃｒ合金（以
下、Ａｇ−Ｍｇ−Ｃｒ合金という）、（ｃ）ｌ）−１％Ｍｎ合金（以下、Ａｌｌ）−Ｍｎ合金
という）、３４５１６（ｄ）　　Ａｌ−０，０２％Ｎ＋合金（以下、Ａｌ−Ｎ
１合金という）、（ｅ）　　Ａｌ−０，００５％Ｂ合金（以下、Ａｌ−Ｂ
合金という）、以上（ａ）〜（ｅ）のうちのいずれかからなる板材を用
意し、またろう材として、厚さ＝５０庫を有し、かつ、（ａ）ＡＮ−１３％Ｓｉ合金、（ｂ）　　ＡＮ−７，５％Ｓｔ合金、（ｃ）　　Ａｌ−１５％Ｇｅ合金、以上（ａ）〜（Ｃ）のうちのいずれかからなる箔材を用
意し、ろう材として、（ｄ）　　Ａｌ−９，５％５ｉ−１％Ｍｇ合金（以下、
Ａ、９−８ｔ　　−Ｍｇ合金という）、（ｅ）　　Ａｌ
−７，５％５ｉ−１０％Ｇｅ合金（以下、Ａｌ−８ｉ−
Ｇｅ合金という）、上記（ｄ）または（ｅ）を適用する場合には、上記のヒ
ートシンク板材および薄板材の圧延加工時に３０庫の厚
さにクラッドしてろう付は板材（プレージングシート）
とした状態で用い、ついてこれらの構成部材を第２表に
示される組合せで第１図に示される状態に積み重ね、こ
の状態で真空中、４３０〜６１０℃に１０分間保持の条
件でろう付けして積層接合体とし、これに温度二３５０
℃に３０分間保持後常温まで炉台の熱処理を施し、引続
いて前記積層接合体を構成する薄板材の表面全面に、厚
さ＝０．５ｊＥｒＩのＣｕまたはＮｉメッキ層を通常の
無電解メッキ法により形成することにより本発明基板１
〜２２をそれぞれ製造した。

一方、比較の目的で、第２図に示されるように、幅：５
０ｍｍＸ厚さ：Ｏ，Ｂ３ｍｍＸ長さニア５ｍｍの寸法を
もった純度：９８％のＡｌ２０３焼結体からなる絶縁板
材を用い、これの両側から幅：４５ｍｍＸ厚さ：０．３
ｍｍＸ長さニア０＋＋＋ｍの寸法をもった無酸素銅薄板
材（２枚）ではさんだ状態で重ね合わせ、この状態で酸
素：１容量％含有のＡｒ雰囲気中、温度：１０７５℃に
５０分間保持の条件で加熱し、この酸化性雰囲気で表面
に形成したＣ　ｕ　２０と母材のＣｕとの共晶による液
相を接合面に発生させて接合し、ついでこの接合体を、
厚さ：３００ｐの箔材とした７８ｐ　ｂ−ｅｏ％Ｓｎ合金からなるはんだ祠を用いて、幅
＝５０關×厚さ：３ｍｍＸ長さニア５＋ｕ＋の寸法をも
った無酸素銅からなるヒートシンク板材の片面にはんだ
付けすることにより従来基板を製造した。

ついで、本発明基板１〜２２および従来基板について、
一般に半導体装置用基板の評価試験として採用されてい
る試験、すなわち温度＝１２５℃に加熱後、−５５℃に
冷却を１サイクルとする繰り返し加熱試験を行ない、絶
縁板材に割れが発生するに至るまでのサイクル数を２０
サイクル毎に観察して測定し、またレーザ・フラッシュ
法による熱伝導度の測定、および絶縁板材とヒートシン
ク板材の接合強度の測定を行ない、さらに本発明基板１
〜２２の重量を測定し、従来基板の重量を１とし、これ
に対する相対比を求めた。これらの結果を第２表に示し
た。

〔発明の効果〕

第２表に示される結果から、本発明基板１〜２２は、い
ずれも従来基板と同等のすぐれた熱伝導性および接合強
度を示し、苛酷な条件下での加熱・冷却の繰り返しによ
っても、絶縁板材に割れの発生が見られないのに対して
、従来基板ではＡｇ２Ｏ３焼結体とＣｕ間の大きな熱膨
張係数差に原因して絶縁板材に比較的早期に割れが発生
するものであり、また本発明基板１〜２２は、従来基板
に比して約６５％の重量減を示し、軽量化の著しいこと
が明らかである。

上述のように、この発明の半導体装置用基板は、軽量に
して、放熱性（熱伝導性）にすぐれ、かつ構成部材の接
合も強固なので、半導体装置の高集積化および大電力化
に十分対応することができ、かつ苛酷な条件下での実用
に際してもセラミック質の絶縁板材に割れなどの欠陥発
生なく、信頼性のきわめて高いものであるなど工業上有
用な効果をもたらすものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の半導体装置用基板の概略説明図、第
２図は従来半導体装置用基板の概略説明図である。０１Ａ、Ａ’　・・・ヒートシンク板材、Ｂ、Ｂ’・・・薄板材、　　　ｃ、ｃ’・・・絶縁板材
、Ｃ−Ｂ・・・ＡｇＮ系焼結板材、Ｃ−Ｓ・・・表面酸化層、ｃ−ｃ・・・Ｓ　Ｉ　Ｏ２系被覆層、Ｄ・・・ろう材、　　　　　　Ｄ′・・・はんだ材。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁板材が、平均層厚：０．２〜２０μｍの表面
酸化層を有する窒化アルミニウム系焼結板材の少なくと
も両面に平均層厚：０．０１〜１０μｍの酸化けい素系
被覆層を形成したものからなり、かつ、上記絶縁板材の一方面にはＡｌまたはＡｌ合金か
らなるヒートシンク板材が、また上記絶縁板材の他方面
には同じくＡｌまたはＡｌ合金からなる回路形成用薄板
材が、それぞれＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｇｅ系合
金からなるろう材にて積層接合され、さらに、上記回路形成用薄板材の表面の所定部分または
全面にＣｕまたはＮｉメッキ層を形成した構造を有する
ことを特徴とする半導体装置用軽量基板。
（２）上記窒化アルミニウム系焼結板材が、酸化イット
リウムおよび酸化カルシウムのうちの１種または２種：
０．１〜１０重量％、を含有し、残りが窒化アルミニウムと不可避不純物から
なる組成を有することを特徴とする上記特許請求の範囲
第（１）項記載の半導体装置用軽量基板。
（３）上記酸化けい素系被覆層が、実質的に酸化けい素からなることを特徴とする上記特許
請求の範囲第（１）項または第（２）項記載の半導体装
置用軽量基板。
（４）上記酸化けい素系被覆層が、酸化ジルコニウム：１〜５０重量％、を含有し、残りが酸化けい素と不可避不純物からなる組
成を有することを特徴とする上記特許請求の範囲第（１
）項または第（２）項記載の半導体装置用軽量基板。
（５）上記酸化けい素系被覆層が、酸化チタニウム：１〜５０重量％、を含有し、残りが酸化けい素と不可避不純物からなる組
成を有することを特徴とする上記特許請求の範囲第（１
）項または第（２）項記載の半導体装置用軽量基板。