JPH05183069A

JPH05183069A - 金属層を備えた窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH05183069A
Application number: JP95992A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Fukatsu; 康昭深津
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1992-01-07
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1993-07-23
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: JP3117772B2

Abstract

(57)【要約】【目的】窒化アルミニウム焼結体の表面にて、焼結体
と金属層との間に充分な密着強度を確保し得るアンカー
効果の高いアンカーを備えた電子回路基板用の窒化アル
ミニウム焼結体の製造方法を提供する。【構成】焼結助剤を含有した窒化アルミニウム成形体
１を焼結させる際に、その表層２ａの窒化アルミニウム
結晶粒界Ｂに、主として焼結助剤からなるガラス相３を
滲出させる。その後、水酸化ナトリウム処理により、前
記表層２ａ内の窒化アルミニウム結晶粒子Ｇを溶解除去
して、アンカーＡを形成する。更にその後、得られた焼
結体２の表面に化学銅メッキを施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム焼結
体の表面に金属層を形成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】窒化ア
ルミニウム焼結体を回路形成用、ヒートシンク用または
絶縁用の基板として用いる場合、その表面には金属によ
ってメタライズ層を形成することが必要である。従来、
メタライズ層を形成するには、薄膜法、厚膜法、同時焼
成法及びメッキ法等が行われている。

【０００３】薄膜法では、スパッタリング等を用いて焼
結体表面に金属薄膜が形成される。薄膜法の利点は信頼
性が高くかつ金属層の形成精度も良いため、基板の高密
度化に適していることである。しかし、スパッタ装置を
必要とするため、生産性及びコストの点で不利であり、
また膜厚が薄いため金属層の低抵抗化が充分図れない。

【０００４】厚膜法では、焼結体表面に金、銀、銅等を
含むペーストが印刷され、その後に焼成が施される。厚
膜法の利点は、工程数が少なくて済むため、基板の量産
化に適していることである。しかし、ペースト印刷によ
る方法であるため、金属層のファイン化及び高精度化を
充分に達成することができない。また、前記ペースト内
には焼成によってガラス相成分が形成されるため、メタ
ライズ層に対するはんだの濡れ性が悪くなる。

【０００５】同時焼成法では、グリーンシートの表面に
高融点金属を含むペーストが印刷され、その後にグリー
ンシートとペーストとが同時に焼成される。同時焼成法
の利点も、工程数が少なくて済むため、基板の量産化に
適していることである。しかし、Ｗ，Ｍｏ等の高融点金
属が用いられているため、銅を用いた場合にように金属
層の抵抗を低くすることができない。また、高融点金属
ははんだの濡れ性が悪いため、ニッケルメッキを施す必
要があり、工程数の増加やコスト増を招く。更に、この
方法はペースト印刷による方法であるため、金属層のフ
ァイン化及び高精度化を充分に達成することができな
い。

【０００６】このように、薄膜法、厚膜法及び同時焼成
法は前記の各種条件を全て満足するものではなく、基板
の用途に応じて異なる形成方法を選択することを余儀な
くされていた。

【０００７】一方、焼結体の表面に銅等を用いてメッキ
を施すメッキ法によれば、厚膜法及び同時焼成法と同様
に、工程の簡略化及び基板の量産化が可能になるのみな
らず、金属層の低抵抗化も達成できる。更に、薄膜法と
同様に金属層のファイン化及び高密度化が可能である。
このようにメッキ法は幅広い分野に応用できるため、実
用性の観点からも前記方法に比べて有利である。

【０００８】この種のメッキ法において、例えば特開昭
６１−６３５８１号公報に開示されたメッキ法では、焼
結体はメッキの前にアルカリを用いて表面粗化される。
また、特開昭６１−２７０８９０号公報に開示されたメ
ッキ法では、焼結体はメッキの前に酸を用いて表面粗化
される。そして、前記処理により、焼結体表面には金属
層との間の密着性を改善するために、微細なアンカーが
形成される。

【０００９】ところが、前記のアンカー形成方法は、単
に窒化アルミニウム粒子を部分的に溶解除去する方法で
あったため、アンカー効果の高い形状、例えばアンカー
の開口部が狭まった形状に、アンカーを形成することが
難しかった。従って、アンカーと金属層との間の物理的
接合力が弱く、焼結体と金属層との間に充分な密着強度
を確保できなかった。

【００１０】本発明は上記の事情に鑑みて成されたもの
であり、その目的は、アンカー効果の高いアンカーを窒
化アルミニウム焼結体の表面に容易に形成でき、そのア
ンカー効果により焼結体と金属層との間に充分な密着強
度を確保し得る金属層を備えた窒化アルミニウム焼結体
の製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の課題を解
決するために、本発明では、酸化物よりなる焼結助剤を
含有した窒化アルミニウム成形体を焼結させる際に、そ
の表層の窒化アルミニウム結晶粒界に主として焼結助剤
からなるガラス相を滲出させた後、前記表層内の窒化ア
ルミニウム結晶粒子を除去することによりアンカーを形
成し、その後、得られた焼結体表面に化学メッキを施し
ている。

【００１２】窒化アルミニウム成形体を焼結させて焼結
体を形成すると、焼結助剤及び窒化アルミニウムを含む
ガラス相が形成され、そのガラス相は窒化アルミニウム
粒子の粒界に沿って、焼結体表層にも滲出する。そし
て、焼結体表層の窒化アルミニウム粒子の粒界は前記ガ
ラス相によって満たされた状態になる。尚、この場合、
焼結体の含有酸素量が２．０重量％未満であると、焼結
体表層にアンカー形成に関与するガラス相を充分に形成
することが困難になる。

【００１３】ガラス相で満たされた焼結体の表層から窒
化アルミニウム結晶粒子のみを除去すると、表層に残さ
れたガラス相部分に開口部が狭まった形状のアンカーが
多数形成される。メッキされる金属の一部がこれらのア
ンカー内に侵入することにより、アンカー効果が向上
し、焼結体と金属層との間に充分な密着強度が確保され
る。

【００１４】以下に本発明の金属層を備えた窒化アルミ
ニウム焼結体の製造方法について、工程順に説明する。
本発明では、窒化アルミニウムの粉末に焼結助剤、溶剤
及びバインダ等を添加した混合物を混練して高粘度スラ
リーとし、そのスラリーをシート成形することにより、
成形体としてのグリーンシートが形成される。

【００１５】グリーンシートの形成に用いられる窒化ア
ルミニウム粉末の平均粒径は、０．５μｍ〜２．０μｍ
であることが望ましい。また、窒化アルミニウム粉末の
酸素含有量は０．９％〜２．０％であることが望まし
い。前記酸素含有量が０．９％未満であると、ガラス相
の生成量が不充分になってしまう。一方、前記酸素含有
量が２．０％を越えると、熱伝導性などの好適な物理的
特性が失われる。

【００１６】前記焼結助剤にはイットリア（Ｙ
₂Ｏ₃）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）等が用いら
れ、特にＹ₂Ｏ₃を焼結助剤として選択し、かつその添
加量を２．０重量％以上にすることが望ましい。前記添
加量が２．０重量％未満であると、焼結体表層にガラス
相を充分に形成することができない。但し、前記添加量
があまり多過ぎると、焼結体の熱伝導率が低下してしま
うため、１０重量％を越えない範囲でＹ₂Ｏ₃を添加す
ることが好ましい。

【００１７】脱脂後のグリーンシートは、るつぼ内に配
置された後、所定条件下にて焼成される。焼成の際には
グリーンシート周囲における窒化アルミニウムの分圧を
高くしておくことが必要である。そのため、例えばグリ
ーンシートの周囲を窒化アルミニウム基板によって包囲
することが好ましい。前記基板を配置することにより、
ガラス相が焼結体表層に滲出し易くなる。

【００１８】また、グリーンシートは常圧下で焼成され
ることが好ましい。例えば、ホットプレス法のように加
圧下でグリーンシートの焼成を行うと、ガラス相が焼結
体表層に残らずに、殆ど焼結体外部に滲出してしまうか
らである。

【００１９】焼結された焼結体を冷却する際には、焼結
体の温度を一定時間ホールドすることが望ましい。その
理由は、焼成時にガラス相を成長させ、かつそのガラス
相を焼結体表層の窒化アルミニウム結晶粒子の三重点へ
確実に移動させるためである。また、ガラス相を焼結体
表層において均一に分散させるため、昇温割合や降温割
合等の焼成条件も適宜設定されることが好ましい。

【００２０】焼結体表層内の窒化アルミニウム結晶粒子
はアルカリ金属水酸化物（ＬｉＯＨ，ＮａＯＨ，ＫＯＨ
等）、またはアルカリ金属塩（ＬｉＩ，ＫＩ，ＮａＩ，
ＫＮＯ₃，ＮａＮＯ₃，ＮａＣｌ，Ｎａ₂ＣＯ₃，Ｋ₂
ＣＯ₃等）により、焼結体を処理することによって除去
される。この粗化処理により、前記結晶粒子が除去され
た跡には多数のアンカーが形成される。例えば、６０℃
の２０重量％水酸化ナトリウムに、前記焼結体を３０分
間浸漬することにより、窒化アルミニウム結晶粒子が簡
単に除去される。

【００２１】その後、化学メッキを施すことによって、
焼結体表面には銅、銀及び金等からなる金属層が形成さ
れる。上述の手順に従ってアンカー効果の高いアンカー
上に金属層を形成すれば、金属層の密着性に優れた窒化
アルミニウム焼結体を容易にかつ確実に製造することが
できる。

【００２２】

【実施例及び比較例】以下に、本発明を銅製の導体回路
パターンを備えた配線板に具体化した実施例１〜３につ
いて図面に基づき詳細に説明する。

【００２３】実施例１では、平均粒径が１．１μｍの窒
化アルミニウム粉末に焼結助剤としてのＹ₂Ｏ₃粉末を
７．０重量％、溶剤を３６重量％及びバインダを１２重
量％添加した後、その混合物を混練して高粘度スラリー
を作製した。次いで、シート成形法によって前記スラリ
ーからグリーンシートを製造した後、４００℃，１２時
間加熱して、そのグリーンシートを脱脂した。

【００２４】次に、脱脂したグリーンシート１を窒化ア
ルミニウム製セッターＳ₁，Ｓ₂で包囲した後、それら
をるつぼＭ内に配置し、常圧かつ不活性雰囲気下にて焼
成を行った（図１(a) 参照）。図２の焼成プロファイル
曲線Ｐに示すように、グリーンシート１は１８３０℃，
５時間の条件で焼成すると共に、焼結体２の冷却過程に
おいて、１７５０℃，３時間の温度ホールドを行った。
尚、昇温割合及び降温割合については図２に示す通りで
ある。即ち、１８３０℃までは１０℃／分、１８３０℃
から１７５０℃までは０．５℃／分、１７５０℃から１
６００℃までは０．５℃／分、１６００℃から１２５０
℃までは２℃／分であり、その後は放冷させた。そし
て、表層２ａにガラス相３が滲出した焼結体２を得た
（図１(b) 及び図３参照）。図３に示すように、この焼
結体２では焼結助剤及び窒化アルミニウムを含むガラス
相３が形成され、そのガラス相３は窒化アルミニウム結
晶粒子Ｇの結晶粒界Ｂに沿って滲出し、焼結体２の表層
２ａに多く拡散していた。

【００２５】次いで、前記焼結体２を６０℃の２０％水
酸化ナトリウム水溶液に３０分間浸漬して、焼結体２の
表層２ａ内の窒化アルミニウム結晶粒子Ｇのみを溶解除
去した（図１(c) 及び図４参照）。粗化処理によって結
晶粒子Ｇが除去された跡には多数のアンカーＡが形成さ
れる。このように形成されたアンカーＡは、図４に示す
ように開口部が狭まった好適な形状になる。

【００２６】そして、焼結体２を充分に水洗した後、ア
ンカーＡが形成された焼結体２の表面に化学銅メッキを
施して、厚さ０．５μｍの銅薄層４を形成した（図１
(d) 参照）。更に、銅薄層４の上に電解銅メッキまたは
化学銅メッキを施し、銅薄層４よりも厚い銅層４ａを形
成した（図１(e) 及び図５参照）。焼結体２と銅層４ａ
とは図５に示すように、アンカーＡの物理的接合力によ
って確実に接合される。

【００２７】次いで、銅層４ａの不要部分をエッチング
によって除去し、導体回路パターン５を備えた窒化アル
ミニウム製の配線板６を得た（図１(f) 参照）。上記の
方法により製造された配線板６の物理的特性を評価する
ために、以下の様な試験を行った。焼結体２と銅層４ａ
との間の密着強度は、垂直プル強度試験によって評価し
た。この試験では、導体回路パターン５にはんだ付けさ
れた金属棒を垂直方向に引っ張った際、導体回路パター
ン５が焼結体２から剥離するときの強度（ｋｇ／ｍ
ｍ²）を測定した。また、焼結体２中の酸素量（％）及
び焼結体２の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）についても測定を行
った。それらの結果を表１に示す。

【００２８】尚、Ｙ₂Ｏ₃の添加量をそれぞれ５％，３
％に変更したものを実施例２及び実施例３とした。ま
た、Ｙ₂Ｏ₃の添加量以外の条件については、前記実施
例１の方法に従った。

【００２９】そして、前記各実施例１〜３に対する比較
例１では、窒化アルミニウム粉末の酸素含有量を前記各
実施例１〜３より低い値（０．８％）に設定して、焼成
を施した。また、比較例２ではホットプレス法に基づき
加圧下で焼成を施した。各比較例１，２ではＹ₂Ｏ₃の
添加量を５％とし、その他の条件等については前記実施
例１の方法に従った。

【００３０】実施例２，３及び比較例１，２について、
実施例１と同様の試験を行った結果を同じく表１に示
す。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１の結果から明らかなように、焼結体の
熱伝導率を測定した結果、全て１７０Ｗ／ｍＫ以上とい
う好適な値を示した。また、各実施例では比較例より焼
結体中の酸素量が多くなる傾向が見られた。

【００３３】比較例１，２における導体回路パターンの
垂直プル強度は１．０ｋｇ／ｍｍ²，１．５ｋｇ／ｍｍ
²と低かったのに対し、各実施例の測定値は、何れも前
記値より高かった。よって、実施例１〜３の配線板は、
比較例に比して焼結体と銅層との間の密着強度が優れて
いることが判る。また、比較例１の配線板では焼結体表
層のガラス相が粒状になり、比較例２の配線板ではガラ
ス相が殆ど流出していた。従って、これらに所望のアン
カーを形成することは困難であった。

【００３４】以上の結果を総合すると、各実施例の製造
方法によればアンカー効果の高いアンカーが形成された
ため、銅層の密着性に優れる配線板が容易に得られるこ
とは明白である。また、本方法は基本的にはメッキ法で
あるため、工程の簡略化、基板の量産化、並びに金属層
の低抵抗化、ファイン化及び高密度化が実現できる点に
おいて、薄膜法、厚膜法及び同時焼成法より優れてい
る。そして、この製造方法が従来抱えていた密着強度の
問題が解消されたことにより、従来とは異なり基板の用
途に応じて異なる形成方法を選択する必要もなくなる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の金属層を
備えた窒化アルミニウム焼結体の製造方法によれば、ア
ンカー効果の高いアンカーを窒化アルミニウム焼結体の
表面に容易に形成できるため、そのアンカー効果により
焼結体と金属層との間に充分な密着強度を確保できると
いう優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における銅製の導体回路パターンを備
えた配線板の製造工程を示す概略説明図である。

【図２】実施例１における焼成プロファイルを示すグラ
フである。

【図３】図１（ｂ）における窒化アルミニウム焼結体表
層の状態を示す概略図である。

【図４】図１（ｃ）における窒化アルミニウム焼結体表
層の状態を示す概略図である。

【図５】図１（ｅ）における窒化アルミニウム焼結体表
層の状態を示す概略図である。

【符号の説明】

１窒化アルミニウム成形体としてのグリーンシート、
２焼結体、２ａ表層、３ガラス相、Ｂ（窒化ア
ルミニウム）結晶粒界、Ｇ（窒化アルミニウム）結晶
粒子、Ａアンカー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｃ 18/18 Ｈ０１Ｌ 23/12 Ｈ０５Ｋ 3/18 Ａ 7511−4Ｅ 3/38 Ａ 7011−4Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化物よりなる焼結助剤を含有した窒化ア
ルミニウム成形体（１）を焼結させる際に、その表層
（２ａ）の窒化アルミニウム結晶粒界（Ｂ）に、主とし
て焼結助剤からなるガラス相（３）を滲出させた後、前
記表層（２ａ）内の窒化アルミニウム結晶粒子（Ｇ）を
除去することによりアンカー（Ａ）を形成し、その後、
得られた焼結体（２）表面に化学メッキを施すことを特
徴とする金属層を備えた窒化アルミニウム焼結体の製造
方法。
【請求項２】前記窒化アルミニウム成形体（１）の原料
となる窒化アルミニウム粉末の酸素含有量は０．９％〜
２．０％であることを特徴とする請求項１に記載の金属
層を備えた窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項３】前記焼結体（２）は焼成後に徐冷され、徐
冷時には焼結体（２）の温度を一定時間ホールドするこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の金属層を備え
た窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項４】前記焼結助剤はイットリアであって、その
添加量は２．０重量％以上であることを特徴とする請求
項１乃至３の何れか１項に記載の金属層を備えた窒化ア
ルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項５】前記窒化アルミニウム粒子（Ｇ）の平均粒
径は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至
４の何れか１項に記載の金属層を備えた窒化アルミニウ
ム焼結体の製造方法。