JPH05229879A - 窒化アルミニウム複合基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐ヒートショック性が高く、低価格で、放熱
用の金属部品とも容易に接合させることのできる窒化ア
ルミニウム複合基板を提供する。 【構成】 金属板２の表面上に金属−窒化アルミニウム
混合体膜３を一体に形成する。混合体膜３は金属成分と
窒化アルミニウム成分とからなり、その外側表面では窒
化アルミニウム成分１００％、金属板との接合面では金
属成分１００％となっており、その間では混合体膜３の
厚み方向に沿って金属成分と窒化アルミニウム成分との
存在比が連続的に変化している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム複合
基板に関する。具体的にいうと、例えばＩＣ用基板のよ
うな回路用基板等として使用することのできる窒化アル
ミニウム複合基板に関する。

【０００２】

【背景技術】窒化アルミニウム基板は熱伝導性に優れて
いるので、従来より発熱量の大きい高出力用ＩＣやパワ
ーモジュール用基板として単独で用いられている。

【０００３】また、窒化アルミニウム基板の放熱性をよ
り高めるため、窒化アルミニウム基板の表面に放熱用の
金属部品（あるいは、金属板）をろう材により接合させ
た複合体基板も用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒化ア
ルミニウム基板は高価であるため、特殊な用途にしか使
用されていなかった。

【０００５】また、窒化アルミニウム基板と放熱用金属
部品とをろう材層を介して接合させた複合体基板にあっ
ては、金属−ろう−セラミックの接合構造となるため、
窒化アルミニウム基板と放熱用金属部品の間の熱膨張率
の差が大きく、窒化アルミニウム基板と金属部品の間の
接合部における耐ヒートショック性が低く、ヒートサイ
クル試験によりクラックが発生したり、剥離が生じたり
するという問題があった。

【０００６】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、材料コスト
が安価で、かつ、放熱用の金属部品と接合させた時の接
合強度が大きくて接合部の耐ヒートショック性の高い窒
化アルミニウム複合基板を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化アルミニウ
ム複合基板は、金属板とその表面に形成された金属−窒
化アルミニウム混合体膜とから構成された窒化アルミニ
ウム複合基板であって、前記金属−窒化アルミニウム混
合体膜がＡｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉのうち少なくと
も１種以上の金属と窒化アルミニウムからなり、かつ、
金属板との接合面側で金属成分リッチとなると共に外面
側で窒化アルミニウム成分リッチとなるように当該混合
体膜を構成する金属成分と窒化アルミニウム成分の存在
比が当該混合体膜の厚み方向に連続的もしくは段階的に
変化していることを特徴としている。

【０００８】

【作用】本発明の窒化アルミニウム複合基板にあって
は、金属−窒化アルミニウム混合体膜の表面が窒化アル
ミニウム成分リッチ（純粋な窒化アルミニウムを含む）
となっているので、この面側では窒化アルミニウム基板
と同様な特性を有している。

【０００９】しかも、この窒化アルミニウム複合基板
は、金属材料と窒化アルミニウムとから構成されている
ので、窒化アルミニウム基板と同等かそれ以上の熱伝導
性を有している。さらに、安価な金属を用いることによ
り窒化アルミニウム材料の使用量を減少させることがで
きるので、材料コストを軽減することによって窒化アル
ミニウム基板よりも安価にできる。

【００１０】また、金属板の表面に形成されている金属
−窒化アルミニウム混合体膜は、金属板との接合面側が
金属成分リッチ（純粋な金属を含む）となっているの
で、金属板と当該混合体膜との接合面が金属−金属接合
となり、高い接合強度を得ることができる。さらに、金
属−窒化アルミニウム混合体膜における金属成分と窒化
アルミニウム成分の存在比が厚み方向に連続的もしくは
段階的に変化していて、いわゆる傾斜組成を有している
ので、金属−窒化アルミニウム混合体膜中の熱応力を緩
和させることができる。従って、本発明による窒化アル
ミニウム複合基板自体の耐ヒートショック性を高めるこ
とができる。

【００１１】また、この窒化アルミニウム複合基板に放
熱用の金属部品をロウ付けする場合には、金属板に放熱
用の金属部品を接合させれば、放熱用の金属部品の接合
を容易にすることができる。さらに、金属板と金属部品
との接合になるので、接合部における熱膨張係数の差が
小さく、熱応力による接合部の破壊が生じなくなる。し
たがって、放熱用の金属部品との複合体の耐ヒートショ
ック性も高めることができる。

【００１２】また、この窒化アルミニウム複合基板は、
窒化アルミニウム基板と金属板との複合体基板の代わり
として単独で使用することもできる。

【００１３】

【実施例】

（窒化アルミニウム複合基板の構造）図１（ａ）は本発
明の一実施例による窒化アルミニウム複合基板１を示す
斜視図である。これはＡｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉの
うち少なくとも１種以上の金属からなる金属板２の表面
に金属−窒化アルミニウム混合体膜３を形成したもので
あって、この混合体膜３はＡｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎ
ｉのうち少なくとも１種以上の金属と窒化アルミニウム
からなり、かつ、混合体膜３の金属成分と窒化アルミニ
ウム成分とは混合体膜３の厚み方向に傾斜組成を有して
いる。

【００１４】図１（ｂ）は上記窒化アルミニウム複合基
板１における金属−窒化アルミニウム混合体膜３の傾斜
組成の一例を示す図であって、横軸ｔは混合体膜３の外
表面を原点として金属板２側へ向けて測った厚み方向の
距離、縦軸は窒化アルミニウム成分と金属成分の各存在
率（％）を示している。また、厚み方向の距離ｔを示す
軸においては、ｔ₀は混合体膜３と金属板２との接合面
までの距離を示し、Ｔは金属板２の下面までの距離を表
わしている。図１（ｂ）においては、混合体膜３の表面
（ｔ＝０）では窒化アルミニウム成分が１００％で金属
成分が０％となっており、金属板２との接合面に向けて
窒化アルミニウム成分の存在率が連続的に減少すると共
に金属成分の存在率が連続的に増加しており、金属板２
との接合面（ｔ＝ｔ₀）では、金属成分が１００％で窒
化アルミニウム成分が０％となっている。この図１
（ｂ）においては、窒化アルミニウム成分と金属成分と
が連続的に変化しているが、両成分の存在率の変化があ
まり急激にならない程度に段階的に（ステップ状に）変
化させてもよい。

【００１５】窒化アルミニウム成分は混合体膜３の外表
面から内部へ入ってゆくに従って、１００％から次第に
減少してゆくが、図１（ｂ）の実施例では、混合体膜３
の外表面側では窒化アルミニウム成分の減少率が小さ
く、金属板２との接合面近傍で急激に窒化アルミニウム
成分の減少率が大きくなっている。このため、この混合
体膜３の外表面側では、純粋な窒化アルミニウム基板と
同様な物性を有している。例えば、図２は、この窒化ア
ルミニウム複合基板１の電気抵抗率（Ω・ｍ）の変化を
示す図であって、金属板２側では小さな電気抵抗率とな
っているが、混合体膜３の外表面側では窒化アルミニウ
ム基板と同程度の大きな電気抵抗率を示している。同様
な理由により、混合体膜３の外表面に窒化アルミニウム
成分が１００％の領域をある程度の厚みに形成した後、
金属板２側に向けて窒化アルミニウム成分を徐々に減少
させてもよい。

【００１６】また、図３は上記窒化アルミニウム複合基
板１の厚み方向に沿って、熱伝導率（Ｗ・ｍ^-1・゜Ｋ^-1）
を測定した結果を示す図であり、窒化アルミニウム複合
基板１は全体にわたってほぼ均一な熱伝導率を有してい
る。従って、この窒化アルミニウム複合基板１は、熱伝
導率及び放熱性の高いセラミック−金属複合材料として
使用することができる。

【００１７】さらに、図４は窒化アルミニウム複合基板
１の厚み方向における熱膨張率（deg^-1）の変化を測定
した結果を示す図であり、混合体膜３中においては、熱
膨張率は連続的に変化している。したがって、熱膨張率
が急激に変化する層が存在せず、ヒートサイクル等によ
っても混合体膜３にクラックが発生することがない。ま
た、混合体膜３と金属板２との接合面は、金属−金属接
合となっているので、大きな接合強度を得ることがで
き、ヒートサイクル等によって混合体膜３と金属板２と
の間に剥離が生じることもない。

【００１８】上記のように金属板２の上に金属−窒化ア
ルミニウム混合体膜３を形成された窒化アルミニウム基
板は、そのまま単独で回路用基板等の用途に用いてもよ
いが、放熱用の金属部品と接合した複合体として用いて
も良い。放熱用の金属部品と接合して用いる場合にも、
金属板２に放熱用金属部品をロウ付けすることができる
ので、容易に放熱用金属部品を接合させることができ
る。

【００１９】（窒化アルミニウム複合基板の製造方法）
つぎに、上記のような窒化アルミニウム複合基板の製造
方法の一実施例を具体的に説明する。まず、銅板を用意
し、表面粗さが１μｍ以下となるように表面研磨加工す
る。これをアセトン中で超音波洗浄することにより、混
合体膜を成膜させるための基板とした。

【００２０】金属−窒化アルミニウム混合体膜は、ＨＣ
Ｄ型（hollow-cathode discharge型）のＰＶＤ（物理的
蒸着）装置を用いて反応性蒸着法により形成する。この
ＰＶＤ装置においては、蒸着粒子の蒸発源として純度９
９.９％以上のアルミニウムを用い、反応ガスとして純
度９９％の窒素ガスを用意した。つぎに、ＰＶＤ装置の
チャンバー内におけるアルミニウム蒸気及び窒素ガスが
吹きよせる位置に上記銅板をセットし、チャンバー内を
高真空に排気した後、中空状のＨＣＤガンからアルゴン
ガスを導入し、チャンバー内の真空度が１０^-1〜１０^-2
Ｐａ程度になるよう調整した。

【００２１】この後、ＨＣＤガンと水冷るつぼ間に電圧
を印加して銅板の上にアルミニウム粒子の蒸着を開始さ
せ、アルミニウム膜の成膜速度が０.１μｍ／min程度に
なるよう、ＨＣＤガンと水冷るつぼ間にかかる電圧をＰ
ＩＤ制御（比例積分微分制御）した。

【００２２】ついで、銅板上にアルミニウム膜が約１μ
ｍ形成されたところで、チャンバー内へ窒素ガスの導入
を開始した。チャンバー内に窒素ガスが導入されると、
アルミニウム粒子が窒素ガスと反応して窒化アルミニウ
ムを生成し、生成した窒化アルミニウム粒子が銅板の上
に蒸着する。同時に、窒素ガスと反応しなかったアルミ
ニウム粒子はそのまま銅板の上に蒸着する。従って、銅
板の上にはアルミニウムと窒化アルミニウムが混合して
堆積し、アルミニウム−窒化アルミニウム混合体膜が形
成される。しかも、窒素ガスの流量を調整することによ
って生成する窒化アルミニウムの量を調節することがで
きるので、窒素ガスの流量によってアルミニウム成分と
窒化アルミニウム成分との存在率を制御することができ
る。

【００２３】窒素ガスの流量は、流量計を用いて図５に
従って調節した。図５の時間は、窒素ガスの導入開始か
ら測った時間であり、窒素ガスの導入後、ガス流量を０
ml／minから０.４ml/min^-2の増加率で次第に増加させ、
５０分後にガス流量が２０ml／min（全アルミニウム粒
子を反応させるのに十分なガス流量）に達したところで
ガス流量を２０ml／minに保ち、ガス流量を２０ml／min
に保って約１０分間経過した後、ＨＣＤガンの電圧をオ
フにして混合体膜の形成作業を終了した。こうして銅板
の上にアルミニウム−窒化アルミニウム混合体膜を形成
された窒化アルミニウム複合基板をＰＣＶ装置のチャン
バーから取り出した。

【００２４】（確認検査）上記のようにして製造された
窒化アルミニウム複合基板にあっては、銅板の上に形成
された混合体膜は、銅板との接合面付近では純粋なアル
ミニウム層となり、外表面近傍では純粋な窒化アルミニ
ウム層となっていると考えられるが、これを確認するた
め、確認検査を行なった。確認検査では、縦・横各５０
ｍｍ、厚さ１ｍｍ（純度９９.９％）の銅板を用意し、
この銅板の上に上記製造方法にしたがってアルミニウム
−窒化アルミニウム混合体膜を形成したサンプルを作製
した。

【００２５】こうして作製した窒化アルミニウム複合基
板のサンプルを縦・横各４０ｍｍのサイズに切り出し、
その切断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真及び光学
顕微鏡写真を撮った。そして、これらの写真の画像解析
を行ってアルミニウム−窒化アルミニウム混合体膜中に
おけるアルミニウムと窒化アルミニウムの体積分率の厚
み方向の変化を調べた。画像解析の結果、混合体膜の厚
みは１３μｍであって、混合体膜中におけるアルミニウ
ム及び窒化アルミニウムの体積分率の変化は図６のよう
になっていた。但し、図６の横軸に示している膜厚方向
は、混合体膜の銅板との接合面を基準として上方（混合
体膜の外表面側）へ向けて測定したものである。この結
果、窒化アルミニウムの生成が確認されると共に、混合
体膜の上面から下面にかけて窒化アルミニウム成分とア
ルミニウム成分の存在比が連続的に変化していることが
確認された。また、混合体の外側表面では窒化アルミニ
ウム１００％となっている。

【００２６】こうして目的とする傾斜組成の混合体膜が
作製されていることを確認した後、縦・横各５０ｍｍ、
厚さ１０ｍｍの銅ブロックにＮｉ−Ｃｕ−Ｔｉ系のロウ
材を用いて当該サンプルの銅板を接合させ、真空中にお
いて９００℃に加熱してロウ付けし、ヒートサイクル強
度評価用のサンプルを作製した。

【００２７】一方、同様な条件下で、縦・横各５０ｍ
ｍ、厚さ１０ｍｍの銅ブロックにＮｉ−Ｃｕ−Ｔｉ系の
ロウ材を用いて縦・横各４０ｍｍ、厚さ１ｍｍの窒化ア
ルミニウム基板をロウ付けして比較用のサンプルを用意
した。

【００２８】ついで、本発明に係る評価用サンプルと比
較用のサンプルを用いてヒートサイクル試験を行なっ
た。ヒートサイクル試験は、図７に示すように、１００
℃で３０分間保った後、４００℃／時の昇温速度で５０
０℃まで昇温させ、５００℃に３０分間保った後、４０
０℃／時の降温速度で再び１００℃まで温度を下げる工
程を１サイクルとして行なった。

【００２９】その場観察により窒化アルミニウム基板の
表面もしくは混合体膜にクラックが発生するまでのサイ
クル回数を調べた結果、比較用のサンプルでは１８回で
窒化アルミニウム基板にクラックが発生した。これに対
し、本発明に係る評価用のサンプルでは９０回までのサ
イクル数では、クラックは発生しなかった。

【００３０】なお、上記製造方法においては、金属板と
混合体膜中の金属成分とは異なる金属材料となっている
が、同じ金属であってもよいのはもちろんである。

【００３１】また、上記製造方法においては、アルミニ
ウムと窒化アルミニウムとの混合体膜の作製方法につい
て説明したが、これ以外の金属と窒化アルミニウムとの
混合体膜の製造も可能である。例えば、上記方法におい
て、ＰＶＤ装置内にアルミニウムとは別なるつぼに窒素
ガスと反応しない第２の金属をセットしておき、この金
属の蒸着粒子を金属板の上に蒸着させ、同時に、アルミ
ニウムの蒸発粒子を活性化された窒素ガスと反応させて
反応生成物の窒化アルミニウム粒子を金属板の上に蒸着
させ、しかも、アルミニウムと第２の金属のそれぞれの
蒸発速度を別々に制御することにより、第２の金属と窒
化アルミニウムとの傾斜組成を実現することができる。
また、別な方法としては、ＰＶＤ装置を用い、窒化アル
ミニウムを直接に蒸発させ、金属と同時に金属板の上に
蒸着させるようにしてもよい。

【００３２】あるいは、高真空中において、金属の蒸発
微粒子と窒化アルミニウムの蒸発微粒子を微粒子搬送用
のガスと共にノズルより金属板の表面に噴射させ、金属
微粒子と窒化アルミニウム微粒子の混合微粒子膜を形成
する、いわゆるガスデポジション法等を用いることも考
えられる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の窒化アルミニウム複合基板は、
表面で窒化アルミニウム基板と同様な特性を有し、しか
も、窒化アルミニウム基板と同等かそれ以上の熱伝導性
を有しており、さらに、窒化アルミニウム基板よりも安
価にすることができ、例えばすぐれた基板材料として用
いることができる。

【００３４】また、混合体膜の金属板との接合面側は金
属成分リッチとなっているので、金属板と当該混合体膜
との接合面が金属−金属接合となり、高い接合強度を得
ることができる。さらに、金属−窒化アルミニウム混合
体膜における金属成分と窒化アルミニウム成分の存在比
が厚み方向に連続的もしくは段階的に変化していて、い
わゆる傾斜組成を有しているので、金属−窒化アルミニ
ウム混合体膜中の熱応力を緩和させることができる。従
って、温度変化等によってもクラックや剥離が生じにく
く耐ヒートショック性の高い複合基板材料を提供するこ
とができる。

【００３５】また、この窒化アルミニウム複合基板に放
熱用の金属部品をロウ付けする場合には、金属板に放熱
用の金属部品を接合させれば、放熱用の金属部品の接合
を容易にすることができる。さらに、金属板と金属部品
との接合になるので、接合部における熱膨張係数の差が
小さく、熱応力による接合部の破壊が生じなくなる。し
たがって、放熱用の金属部品との複合体の耐ヒートショ
ック性も高めることができる。

【００３６】また、この窒化アルミニウム複合基板は、
窒化アルミニウム基板と金属板との複合基板の代わりと
して単独で使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例による窒化アルミニ
ウム複合基板を示す斜視図、（ｂ）はこの窒化アルミニ
ウム複合基板中の金属成分と窒化アルミニウム成分との
存在率の変化を示す図である。

【図２】同上の実施例での厚み方向における電気抵抗率
の変化を示す図である。

【図３】同上の実施例での厚み方向における熱伝導率の
変化を示す図である。

【図４】同上の実施例での厚み方向における熱膨張率の
変化を示す図である。

【図５】窒化アルミニウム複合基板の製造方法における
アルミニウム−窒化アルミニウム混合体膜の成膜時にお
ける窒素ガスのガス流量制御の方法を示す図である。

【図６】同上の製造方法によって製作された混合体膜に
おけるアルミニウムと窒化アルミニウムの体積分率の膜
厚方向における変化を示す図である。

【図７】ヒートサイクル試験の方法を示す図である。

【符号の説明】

１ 窒化アルミニウム複合基板 ２ 金属板 ３ 金属−窒化アルミニウム混合体膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属板とその表面に形成された金属−窒
   化アルミニウム混合体膜とから構成された窒化アルミニ
   ウム複合基板であって、 前記金属−窒化アルミニウム混合体膜がＡｌ，Ａｇ，Ｃ
   ｕ，Ｃｒ，Ｎｉのうち少なくとも１種以上の金属と窒化
   アルミニウムからなり、かつ、金属板との接合面側で金
   属成分リッチとなると共に外面側で窒化アルミニウム成
   分リッチとなるように当該混合体膜を構成する金属成分
   と窒化アルミニウム成分の存在比が当該混合体膜の厚み
   方向に連続的もしくは段階的に変化していることを特徴
   とする窒化アルミニウム複合基板。