JPH0483783A - 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、コンデンサ等が搭
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の内部及び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。

しかし乍ら、近時、半導体素子の高密度化、高集積化か
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
導体素子を従来のアルミナセラミックス等から成る半導
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
、アルミナセラミックスの熱伝導率が約２０Ｗ／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
子が作動時に発生する熱を大気中に良好に放散させるこ
とができず、その結果、半導体素子が該素子自身の発生
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、誤動作を生しさせたり
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か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。

かかる窒化アルミニウム質焼結体を使用した例えば、半
導体素子収納用パッケージは通常、第３図及び第４図に
示すように、窒化アルミニウム質焼結体から成り、上面
に半導体素子１３を載置するための載置部及び該載置部
周辺より貫通孔を介し底面に導出されたタングステン等
の高融点金属粉末から成るメタライズ金属層１２を有す
る絶縁基体１１と、半導体素子１３を外部電気回路に電
気的に接続するために前記メタライズ金属層１２に銀ロ
ウ等のロウ材１５を介し取着された外部リードピン１４
と、蓋体１６とから構成されており、絶縁基体１１の半
導体素子載置部に半導体素子１３を金−シリコン共晶半
田や樹脂性接着材等により取着固定し、半導体素子１３
の各電極をボンディングワイヤ１７を介しメタライズ金
属層１２に電気的に接続させるとともに絶縁基体１１の
上面に蓋体１６をガラス、樹脂等の封止材１８を介して
接合させ、絶縁基体１１と蓋体１５とから成る容器内部
に半導体素子１３を気密に封止することによって半導体
装置となる。

尚、前記メタライズ金属層１２を接合させた窒化アルミ
ニウム質焼結体から成る絶縁基体１１は、平均粒径２．
０μｍ程度のタングステンから成る粉末に有機溶剤、溶
媒を添加混合して得た金属ペーストを未焼成窒化アルミ
ニウム質成形体に設けた貫通孔及び上下面にスクリーン
印刷法により印刷塗布させ、しかる後、これを還元雰囲
気中、約１８００と温度で焼成し、未焼成窒化アルミニ
ウム質成形体と金属ペーストとを焼結一体化させること
によって製作される。

しかし乍ら、この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の絶縁基体として使用した場合、未
焼成窒化アルミニウム質成形体に設けた貫通孔に金属ペ
ーストを印刷し、これを焼成して窒化アルミニウム質焼
結体の貫通孔内にメタライズ金属層を接合させる際、未
焼成窒化アルミニウム質成形体と金属ペーストとの焼成
収縮率の差によって窒化アルミニウム質焼結体とメタラ
イズ金属層の間に応力が発生し、該応力によってメタラ
イズ金属層か窒化アルミニウム質焼結体の上下面より大
きく突出したり、メタライズ金属層内部に多量のクラッ
クが形成されたりしてしまう。

そのためこのメタライズ金属層に外部リードピンを取着
しようとしてもメタライズ金属層の一部には大きな突出
部が存在することから外部リードピンを強固に取着する
ことかてきず、またメタライズ金属層内に形成されたク
ラックが半導体素子収納用パッケージの半導体素子を収
容する容器の気密性を低下させ、内部に収容する半導体
素子を長期間にわたり正常、且つ安定に作動させること
かできないという欠点を誘発してしまう。

（発明の目的） 本発明者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粒径を調整したタングステン粉末
に所定の無機物を所定量含有させたものを使用すると該
メタライズ金属層を窒化アルミニウム質焼結体に設けた
貫通孔内にクラックや突出等を形成することなく強固に
接合させ得ることを知見した。

本発明は上記知見に基づき、メタライズ金属層内部にク
ラックや大きな突出部が形成されるのを皆無とし、且つ
メタライズ金属層の窒化アルミニウム質焼結体に設けた
貫通孔内への接合を極めて強固とした半導体素子収納用
パッケージや回路基板等に好適に使用し得るメタライズ
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） 本発明は窒化アルミニウム質焼結体に設けた貫通孔内に
メタライズ金属層を接合させて成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において、前記メタラ
イズ金属層が、平均粒径１゜０乃至１．５μｍのタング
ステン粉末に窒化アルミニウム質焼結体と実質的に同一
の組成から成る無機物を３．０乃至１０．０重量％含有
させたものから成る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の平均粒径か１．０μｍ未満
、或いは１．５μｍを越えると該タングステン粉末を用
いて形成した金属ペーストの焼成収縮率か窒化アルミニ
ウム質焼結体を形成する未焼成窒化アルミニウム質成形
体の焼成収縮率と合わなくなり、未焼成窒化アルミニウ
ム質成形体と金属ペーストとを焼結一体化させメタライ
ズ金属層を有する窒化アルミニウム質焼結体を得る際、
メタライズ金属層に多量のクラックや大きな突出部か形
成されてしまう。またタングステン粉末の平均粒径が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、内部に空気を
多量に抱き込んでメタライズ金属層の電気抵抗か大きな
ものとなってしまう。従って、タングステン粉末の平均
粒径は１．０乃至１．５μｍの範囲に特定される。

また前記タングステン粉末に含有される無機物は窒化ア
ルミニウム質焼結体と実質的に同一の組成から成り、該
無機物はタングステン粉末と窒化アルミニウム質焼結体
との接合強度を強固とする作用を為し、その含有量か３
．０重量％未満てあれば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１０．０重量％
を越えるとメタライズ金属層の電気抵抗か高くなり、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、タングステン粉末に含
有される無機物はその含有量か３．０乃至１０．０重量
％の範囲に特定される。

尚、前記タングステン粉末に含有される無機物はその粒
径が３．０μｍを越えると未焼成窒化アルミニウム質成
形体に設けた貫通孔内に金属ペーストを印刷充填させる
際、その印刷充填性か悪くなる傾向にある。従って、タ
ングステン粉末に含有される無機物はその粒径を３．０
μｍ以下としておくことが好ましい。

（実施例） 次に本発明を添付図面に示す実施例に基つき詳細に説明
する。

第１図及び第２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１と蓋体２とて容器３が構成される。

前記絶縁基体１はその上面中央部に半導体素子４を載置
するための載置部１ａが設けてあり、該載置部１ａ上面
には半導体素子４が接着材を介し取着される。

また前記絶縁基体１には半導体装置部１ａ周辺から貫通
孔１ｂを介し底面に導出するメタライズ金属層５が被着
形成されており、該メタライズ金属層５の半導体素子載
置部１ａ周辺には半導体素子４の電極がポンディングワ
イヤ６を介し電気的に接続され、また絶縁基体ｌの底面
部には外部電気回路と接続される外部リードピン７が銀
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ｌは例
えは、主原料である窒化アルミニウム粉末に焼結助剤と
しての酸化エルビニラム、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穴開は加工法により直径０．２ｍｍ
の貫通孔を形成するとともにこれを約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は平均粒径１．０乃至１．
５μｍのタングステン粉末に絶縁基体１を構成する窒化
アルミニウム質焼結体と実質的に同一の組成から成る無
機物、具体的には窒化アルミニウム、酸化エルビニラム
、カルシア等の無機物を３．０乃至１０．０重量％含有
させたものから成り、該タングステン粉末及び無機物粉
末に適当な有機溶剤、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の貫通孔及び上
下面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止させることによって
絶縁基体ｌの所定位置に被着形成される。

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、その熱伝導率が８０．０　Ｗ／ｍ−に以上と高く
、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
。

また前記メタライズ金属層５は平均粒径１，０乃至１．
５μｍのタングステン粉末に窒化アルミニウム質焼結体
と実質的に同一の組成から成る無機物を３．０乃至１０
．０重量％含有させたものより成ることからその焼成収
縮率か絶縁基体１を形成する窒化アルミニウム質焼結体
の焼成収縮率と近似し、その結果、メタライズ金属層５
は絶縁基体ｌの上下面より大きく突出することはなく、
また内部に多量のクラックか形成されることもない。従
って、メタライズ金属層５に外部リードピン７を取着す
る際、その取着強度を極めて強いものとなすことかでき
、同時に容器３内部の気密性を高いものとして内部に収
容する半導体素子４を長期間にわたり正常、且つ安定に
作動させることが可能となる。

前記絶縁基体Ｉに接合させたメタライズ金属層５にはま
た外部リードピン７か銀ロウ等のロウ材８を介して取着
されており、該外部リードピン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
ードピン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
部り一ドピン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。

尚、前記外部リードピン７は例えば、鉄５１．０乃至６
４．０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、
その熱膨張係数が４．０乃至５．ＯＸｌ０−’／　”Ｃ
（２０〜４００’Ｃ）のものとなっている。

前記外部リードピン７はその熱膨張係数か４．０乃至５
．ＯＸｌ０−’／　’Ｃ（２０〜４００°Ｃ）であり、
絶縁基体ｌ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ｌに被着させたメタライズ金
属層５に外部リードピン７をロウ付けする際、絶縁基体
１と外部リードピン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か内在することもない。従っ
て、ロウ付は後、外部リードピン７に外力か印加された
としても該外力が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より外部リードピン７を剥がれさ
せることはない。

かくして前記絶縁基体ｌの半導体素子載置部１ａ上面に
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づき説明
する。

まず出発原料としてタングステン粉末と無機物粉末を第
１表に示す値となるように各々秤量し、これに有機溶剤
、溶媒を添加するとともに混練機で１０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１６は本発明品と比較するための比較試料
であり、従来一般に使用されているタングステン粉末の
みから成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、
厚さ０．３８ｍｍ、直径０．２ｍｍの貫通孔２０個を有
する未焼成窒化アルミニウム質成形体の各貫通孔及び該
貫通孔を中心とした上下面に１．５ｍｍ角、厚さ２０μ
ｍのパターン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１８０
０°Ｃの温度で焼成し、窒化アルミニウム質焼結体の内
部及び上下面にメタライズ金属層を被着接合させた第１
図及び第２図に示す構造のものを各２０個作る。

そして次に前記窒化アルミニウム質焼結体に接合させた
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（銀ニア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、金属柱か
メタライズ金属層から剥がれた際の引っ張り強度を調べ
、その平均値を金属柱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。

また同時に窒化アルミニウム質焼結体の上面に椀状の蓋
体を接着材を介して取着し、しかる後、その内部空所の
気密性をヘリウムリーク検査装置により調べ、メタライ
ズ金属層より気密不良か発生しているものの数を求め、
気密不良率を算出した。

更に、上述と同様の方法により窒化アルミニウム質焼結
体中に長さ０．３８ｍｍ　、直径０．２ｍｍのメタライ
ズ金属層を２０個、被着接合させるとともに各々の電気
抵抗を測定し、その平均値がら各メタライズ金属層の電
気抵抗値を算出した。

上記の結果を第１表に示す。

（以下、余白） （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
層は金属柱の取着強度か６．　ＯＫｇ／ｍｍ２以下と弱
いものであると同時に気密不良率も７５％と高く、窒化
アルミニウム質焼結体に接合させたメタライズ金属層に
焼成収縮率の差に起因する応力によって大きな突出部及
び内部クラックが多量に形成されていることか判る。こ
れに対し本発明品は金属柱の取着強度が８．０Ｋｇ／ｍ
ｍ２以上と強く、且つ気密不良率も０％で気密不良を発
生することもない。

従って窒化アルミニウム質焼結体に接合させたメタライ
ズ金属層には焼成収縮率の差に起因する応力の発生はな
く、メタライズ金属層に大きな突出部及び内部クラック
の形成か皆無であることが判る。

また本発明のメタライズ金属層はその電気抵抗か８．０
ｍΩ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ができることも判る。

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
とか可能となる。

【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、第２図は第１図の要部拡大断
面図、第３図は従来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、第４図は第３図の要部拡
大断面図である。 １　・・窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体 ｌｂ・・貫通孔 ５　・・メタライズ金属層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　窒化アルミニウム質焼結体に設けた貫通孔内にメタラ
   イズ金属層を接合させて成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において、前記メタライズ金
   属層が、平均粒径１．０乃至１．５μｍのタングステン
   粉末に窒化アルミニウム質焼結体と実質的に同一の組成
   から成る無機物を３．０乃至１０．０重量％含有したこ
   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。