JPH0483782A - メタライズ金属層を有する窒化アルミニウム質焼結体 - 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） 本発明はメタライズ金属層を有する窒化アルミニウム質
焼結体に関するものである。

（従来技術及びその課題） 従来、セラミックス、特にアルミナに代表される酸化物
系セラミックスは電気絶縁性、化学的安定性等の特性に
優れていることから半導体素子を収容する半導体素子収
納用パッケージや半導体素子、抵抗、コンデンサ等か搭
載接続される回路基板等に多用されており、該酸化物系
セラミックスを用いた半導体素子収納用パッケージや回
路基板等はセラミック体表面に回路配線導体としてのメ
タライズ金属層か多数、被着接合されて構成されている
。

かかる酸化物系セラミックスから成るセラミック体表面
のメタライズ金属層はセラミック体かアルミナ質焼結体
から成る場合、通常、平均粒径か２．０８μｍ程度のタ
ングステン（Ｗ）から成る粉末に有機溶剤、溶媒を添加
しペースト状と成したものを未焼成アルミナ質成形体表
面にスクリーン印刷法により被着させ、しかる後、前記
未焼成アルミナ質成形体を還元雰囲気中、約１６００°
Ｃの温度て焼成し、タングステン粉末の粉末粒子間にア
ルミナ質焼結体のアルミナ結晶間に介在するガラス成分
の一部を移行させ、アルミナ結晶とタングステン粉末と
をガラス成分を介し接合させることによってアルミナ質
焼結体の表面に被着接合される。

しかし乍ら、近時、半導体素子の高密度化、高集積化が
急激に進んでおり、半導体素子か作動時に発生する熱量
は極めて大きなものとなってきている。そのためこの半
導体素子を上述した従来の半導体素子収納用パッケージ
や回路基板に収容搭載した場合、パッケージや回路基板
等に使用されるアルミナセラミックスの熱伝導率か約２
０Ｗ／ｍ−にと低いため、該アルミナセラミックスを介
して半導体素子か作動時に発生する熱を大気中に良好に
放散させることかできず、その結果、半導体素子か該素
子自身の発生する熱によって高温となり、半導体素子に
熱破壊を起こさせたり、特性に熱変化を与え、誤動作を
生じさせたりするという欠点を招来した。

そこで上記欠点を解消するためにアルミナセラミックス
等、酸化物系セラミックスに変えて熱伝導率が８０Ｗ／
ｍ−に以上の極めて熱を伝え易い窒化アルミニウム質焼
結体を使用することが考えられる。

しかし乍ら、窒化アルミニウム質焼結体は窒化アルミニ
ウム結晶間に介在するガラス成分か少ないこと及び窒化
アルミニウム結晶と金属との濡れ性か悪いこと等から窒
化アルミニウム質焼結体の表面にタングステン粉末から
成るメタライズ金属層を接合させたとしてもその接合強
度は極めて弱く、半導体素子収納用パッケージや回路基
板等には使用できないという欠点を有していた。

（発明の目的） 本発明者費は上記欠点に鑑み種々の実験を行った結果、
メタライズ金属層としてタングステン粉末にイツトリウ
ムアルミネートを主成分とする結晶粉末を所定量含有さ
せたものを使用するとメタライズ金属層を窒化アルミニ
ウム質焼結体にシート抵抗を低く、且つ接合強度を強く
して接合し得ることを知見した。

本発明は上記知見に基づき、メタライズ金属層のシート
抵抗が小さく、メタライズ金属層と窒化アルミニウム質
焼結体との接合強度が強い、半導体素子収納用パッケー
ジや回路基板等に好適に使用することができるメタライ
ズ金属層を有する窒化アルミニウム質焼結体を提供する
ことをその目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明のメタライズ金属層を有する窒化アルミニウム質
焼結体はタングステン粉末１００体積％にイツトリウム
アルミネートを主成分とする結晶粉末を５乃至２０体積
％含存させて成るメタライズ金属層を窒化アルミニウム
質焼結体に接合させたことを特徴とするものである。

本発明のメタライズ金属層において含有されるイツトリ
ウムアルミネートを主成分とする結晶粉末はタングステ
ンと窒化アルミニウム質焼結体との接合強度を強固とす
るだめの成分であり、その含有量がタングステン１００
体積％に対し５体積％未満であると所望する前記性質は
付与されず、メタライズ金属層と窒化アルミニウム質焼
結体との接合強度か低いものとなってしまい、また２０
体積％を越えるとメタライズ金属層のシート抵抗が高く
なり、半導体素子収納用パッケージや回路基板等の回路
配線導体としては不向きとなる。従って、エルビウムア
ルミネートを主成分とする結晶粉末の含有量はタングス
テン１００体積％に対し５乃至２０体積％の範囲に特定
される。

尚、前記メタライズ金属層はタングステン粉末の粒径か
１．０μｍ未満であると、タングステン粉末の表面エネ
ルギーか大きくなって凝集塊を作り易くなり、また３、
０μｍを越えるとタングステン粉末の粒径か大きくなっ
て隣接する粉末同士の接触領域か狭くなり、いずれの場
合もメタライズ金属層のシート抵抗が大きなものとなる
傾向にある。

従って、メタライズ金属層のシート抵抗を小さなものと
するにはタングステン粉末の粒径を１．０乃至３．０μ
ｍの範囲としておくことか好ましい。

またイツトリウムアルミネートはタングステン粉末にイ
ツトリア、アルミナ、カルシア等を含有させたメタライ
ズ金属層用ペーストを未焼成窒化アルミニウム質形成体
に被着させた後、これを焼成する際に酸化イツトリウム
、酸化アルミニウム、酸化カルシウム等が反応し化合物
を作ることによって形成され、イツトリウムアルミネー
トを形成する酸化イツトリウム、酸化アルミニウム、酸
化カルシウム等はその粒径か１．０μｍを越えると窒化
アルミニウム質焼結体との反応性が低下し、窒化アルミ
ニウム質焼結体にメタライズ金属層を強固に接合させる
ことかできなくなる傾向にある。

従って、メタライズ金属層を窒化アルミニウム質焼結体
に強固に接合させるためにはエルビウムアルミネートを
形成するイツトリア、アルミナ、カルシア等の粒径を１
．０μｍ以下としておくことか好ましい。

（実施例） 次に本発明を添付図面に示す実施例に基づき詳細に説明
する。

第１図は本発明のメタライズ金属層を有する窒化アルミ
ニウム質焼結体を半導体素子収納用パッケージに適用し
た場合の例を示し、１は窒化アルミニウム質焼結体から
成る絶縁基体、２は蓋体である。この絶縁基体Ｉと蓋体
２とで容器３か構成される。

前記絶縁基体１はその上面中央部に半導体素子４を収容
するための空所を形成する段状の凹部が設けてあり、該
凹部底面には半導体素子４か接着材を介し取着される。

また前記絶縁基体ｌには凹部段状上面から容器３の外部
に導出するメタライズ金属層５か被着形成されており、
該メタライズ金属層５の凹部段状上面部には半導体素子
４の電極かボンディングワイヤ６を介し電気的に接続さ
れ、また容器３の外部に導出された部位には外部電気回
路と接続される外部リード端子７か銀ロウ等のロウ材８
を介し取着されている。

前記窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体１は例
えば、主原料である窒化アルミニウム粉末に焼結助剤と
しての酸化イツトリウム、カルシア等の粉末及び適当な
有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物を作るとともに該
泥漿物をドクターブレード法を採用することによってグ
リーンシート（生シート）と成し、しかる後、前記グリ
ーンシートに適当な打抜き加工を施すとともにこれを複
数枚積層し、約１８００°Ｃの高温で焼成することによ
って製作される。

また前記メタライズ金属層５はタンクステン粉末１００
体積％に、イツトリウムアルミネートを主成分とする結
晶粉末を５乃至２０体積％含有させたものから成り、該
タングステン粉末にイツトリウムアルミネートを形成す
る酸化イツトリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウ
ム等と適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペ
ーストを絶縁基体１となるグリーンシートに印刷塗布す
るとともにこれを焼成し、グリーンシートと金属ペース
トとを焼結一体化させることによって絶縁基体１の所定
位置に被着形成される。

前記メタライズ金属層５に含有されるイツトリウムアル
ミネートは例えば酸化イツトリウムに酸化アルミニウム
、或いは酸化イツトリウムに酸化アルミニウム及び酸化
カルシウムを反応させることによって形成され、酸化エ
ルビニラムに酸化アルミニウム及び酸化カルシウムを反
応させることによって得られるイツトリウムアルミネー
トを主成分とする結晶粉末はその溶融温度が低く、窒化
アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体１にメタライズ
金属層５を被着接合させる際、イツトリウムアルミネー
トを主成分とする結晶粉末か先に溶融し、タングステン
粉末と窒化アルミニウム質焼結体との接合性を良好とし
てメタライズ金属層５を絶縁基体ｌに強固に被着接合さ
せることが可能となる。

尚、前記絶縁基体１を構成する窒化アルミニウム質焼結
体は、その熱伝導率か８０．０　Ｗ／ｍ−Ｋ　Ｅ上と高
く、熱を伝導し易いため絶縁基体１の凹部底面に半導体
素子４を取着し、作動させた場合、絶縁基体ｌは半導体
素子４か発生する熱を直接伝導吸収するとともに該吸収
した熱を大気中に良好に放散することが可能となり、こ
れによって半導体素子４は常に低温として熱破壊したり
、特性に熱変化を生じ、誤動作したりすることはなくな
る。

また前記絶縁基体１に被着させたメタライズ金属層５に
ロウ付けされる外部リード端子７は内部に収容する半導
体素子４を外部電気回路に接続する作用を為し、外部リ
ード端子７を外部電気回路に接続することによって内部
に収容される半導体素子４はメタライズ金属層５及び外
部リード端子７を介し外部電気回路に電気的に接続され
ることとなる。

前記外部リード端子７は例えば、鉄５１．０乃至６４．
０重量％、ニッケル２９．０乃至３４．０重量％及びコ
バルト７．０乃至１５．０重量％の合金より成り、その
熱膨張係数か４．０乃至５．ＯＸｌ０−’／　’Ｃ（２
０〜４００°Ｃ）のものとなっている。

前記外部リード端子７はその熱膨張係数が４．０乃至５
．０　Ｘｌ０−’／　’Ｃ（２０〜４００°Ｃ）であり
、絶縁基体１を構成する窒化アルミニウム質焼結体の熱
膨張係数（４，２〜４．７　Ｘｌ０−’／　’Ｃ）と近
似していることから絶縁基体１に被着させたメタライズ
金属層５に外部リード端子７をロウ付けする際、絶縁基
体１と外部リード端子７との間には両者の熱膨張係数の
相違に起因する大きな熱応力か発生することはなく、両
者のロウ付は部に大きな応力が内在することもない。従
って、ロウ付は後、外部リード端子７に外力か印加され
たとしても該外力かロウ付は部に内在する応力と相俊っ
て大となり、絶縁基体ｌより外部リード端子７を剥かれ
させることはない。

かくして前記絶縁基体ｌの凹部底面に半導体素子４を接
着材を介して取着するとともに半導体素子４の各電極を
メタライズ金属層５にボンディングワイヤ６を介して電
気的に接続し、しかる後、絶縁基体ｌの上面に蓋体２を
ガラス、樹脂等の封止部材を介して取着し、容器３を気
密に封止することによって製品としての半導体装置とな
る。

（実験例） 次に本発明の作用効果を以下に示す実験例に基つき説明
する。

まず出発原料として粒径１．２μｍのタングステン粉末
１００体積％に対し、粒径０．８μｍの酸化イツトリウ
ム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムを第１表に示
す値のイツトリウムアルミネートを形成する量に秤量し
、これに有機溶剤、溶媒を添加するとともに混線機で１
０時間混練し、メタライズ金属層用ペースト試料を得る
。

尚、試料番号１０は本発明品と比較するための比較試料
であり、粒径１．２μｍのタングステン粉末のみから成
る従来一般に使用されているメタライズ金属層用ペース
トである。

かくして得られたメタライズ金属層用ペースト試料を使
用して未焼成窒化アルミニウム質成形体の各々の外表面
に１．５ｍｍ角、厚さ２０μｍのパターン２０個をスク
リーン印刷法により印刷塗布し、次にこれを還元雰囲気
（窒素−水素雰囲気）中、約１８００°Ｃの温度で焼成
し、窒化アルミニウム質焼結体の表面にメタライズ金属
層を被着接合させる。

そして次に前記メタライズ金属層に１．０ｍｍ角、長さ
４０．０ｍｍの鉄５１．０乃至６４．０重量％、ニッケ
ル２９．０乃至３４．０重量％及びコバルト７．０乃至
１５．０重量％から成る金属柱の一端を銀ロウ（銀・７
２重量％、銅：２８重量％）を介してロウ付けし、しか
る後、金属柱のロウ付は部と反対の端を垂直方向に引っ
張り、メタライズ金属層が窒化アルミニウム質焼結体か
ら剥がれた際の引っ張り強度を調べ、その平均値をメタ
ライズ金属層の接合強度として算出した。

尚、前記メタライズ金属層に金属柱をロウ付けする場合
には、メタライズ金属層の外表面に厚さ１．５μｍのニ
ッケルメッキ層を層着させておいた。

また上述と同様の方法により窒化アルミニウム質焼結体
表面に長さ３０．０ｍｍ、幅３．０ｍｍ、厚さ２０μｍ
のメタライズ金属層を２０個、被着接合させルトトもに
各々のシート抵抗を測定し、その平均値から各メタライ
ズ金属層のシート抵抗値を算出した。

上記の結果を第１表に示す。

（以下、余白） 第 表 印を付した試料番号のものは本発明の範囲外のものであ
る。

（発明の効果） 上記実験結果からも判るように、 従来のメタラ イズ金属層は窒化アルミニウム質焼結体との接合強度か
３．０　Ｋｇ／ｍｍ２と極めて弱いものであるのに対し
、本発明品は５．２　Ｋｇ／ｍｍ２以上であり、メタラ
イズ金属層か窒化アルミニウム質焼結体に強固に被着接
合している。

特に、メタライズ金属層のイツトリウムアルミネートを
主成分とする結晶粉末の含有量か７．０乃至１３．０体
積％となるとメタライズ金属層の窒化アルミニウム質焼
結体に対する接合強度か５．６　Ｋｇ／ｍｍ２以上とな
り、両者は極めて強固に接合する。

また本発明のメタライズ金属層はそのシート抵抗か１５
．０ｍΩ／ＳＱ以下と小さく、メタライズ金属層の電気
抵抗を極めて小さなものとなすこともてきる。

よって本発明のメタライズ金属層を有する窒化アルミニ
ウム質焼結体は半導体素子を収容載置する半導体素子収
納用パッケージや回路基板等に極めて好適に使用するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のメタライズ金属層を有する窒化アルミ
ニウム質焼結体を半導体素子収納用パッケージに適用し
た場合の例を示す断面図である。 １・・窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体 ２・・蓋体 ５・・メタライズ金属層 ７・・外部リード端子 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. タングステン粉末１００体積％にイットリウムアルミネ
   ートを主成分とする結晶粉末を５乃至２０体積％含有さ
   せて成るメタライズ金属層を窒化アルミニウム質焼結体
   に接合させたことを特徴とするメタライズ金属層を有す
   る窒化アルミニウム質焼結体。