JPH0576795B2 - - Google Patents

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JPH0576795B2
JPH0576795B2 JP59034165A JP3416584A JPH0576795B2 JP H0576795 B2 JPH0576795 B2 JP H0576795B2 JP 59034165 A JP59034165 A JP 59034165A JP 3416584 A JP3416584 A JP 3416584A JP H0576795 B2 JPH0576795 B2 JP H0576795B2
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JP
Japan
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paste
aln
thermal conductivity
aln substrate
circuit board
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JP59034165A
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Kazuo Anzai
Kazuo Shinozaki
Mitsuo Kasori
Akihiko Tsuge
Nobuo Iwase
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Priority to US06/706,280 priority patent/US4659611A/en
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Description

【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕 本発明は窒化アルミニウムセラミツクス基板
(以下AlN基体という)を用いた高熱伝導性回路
基板に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 従来から回路基板として用いられているものに
Al2O3等のセラミツクス基板、樹脂基板等の各種
のものがある。なかでもAl2O3基板は、機械的強
度、電気的絶縁性に優れており、又、グリーンシ
ート化が容易であるため多層配線等の高密度配線
が可能であり、各所で用いられている。 又、近年電子機器の小型化等が進むにつれ、回
路基板上の電気素子(IC等)の実装密度が高く
なつてきている。さらにパワー半導体等の搭載も
考慮すると、電気素子等からの発熱量が大きくな
り、放熱を効率的に行なうことが要求される。 しかしながらAl2O3基板の熱伝導率(K(W/
m・k))は20程度と低く、発熱量の多い場合に
基板側からの放熱があまり基体できない。従つて
高密度実装、パワー半導体搭載モジユール等を考
慮すると機械的強度、電気的絶縁性等の基板とし
て要求される特性を備え、かつ熱伝導性の良好な
回路基板の開発が望まれている。 一方、近年のフアインセラミツクス技術の進展
に伴ない、SiC、AlN等の機械的強度に優れたセ
ラミツクス材料が開発されている。これらの材料
は、熱伝導性にも優れ、構造材等としての応用が
研究されている。又、SiCの良好な熱伝導性を利
用してこれを回路基板として用いようという動き
もあるが、誘電率が高く、絶縁耐圧が低いため、
高周波回路素子や高電圧が印加される素子への適
用を考えた場合に問題がある。 〔発明の目的〕 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、
高電気抵抗、高絶縁耐圧等の回路基板として要求
される電気的特性を満足し、かつ熱伝導性に優れ
た高熱伝導性回路基板を提供することを目的とす
る。 〔発明の概要〕 本発明はAlN基体上に導体ペースト、誘電耐
ペーストから形成された導体部、誘電体部を具備
したことを基本とするものである。 本発明者等は耐圧特性等に優れかつAl2O3等に
比べ熱伝導率の良好なAlN基体を回路基板に応
用することを検討した。しかしながらAlNは金
属との濡れ性が悪く、そのまま回路基板として用
いることは困難である。本発明者等は特定の添加
物を含有するAlNセラミツクスは熱伝導率が高
く、金属との濡れ性が非常に優れていることを見
い出した。 窒化アルミニウムを主成分とし、イツトリウ
ム、希土類金属及びアルカリ土類金属から選ばれ
た少なくとも一種を含有した焼結体からなる窒化
アルミニウムセラミツクス基体にAg系ペースト、
Au系ペースト、Cu系ペースト、Ru系ペースト、
誘電体ペーストの少なくとも一種から形成された
導体部、誘電体部を具備したことを特徴とする高
熱伝導性回路基板である。 実質的にAlNのみからなる焼結体では金属と
の濡れ性が非常に悪いが、イツトリウム、希土類
金属(La、Cl、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy等)、ア
ルカリ土類金属(Ca、Sr、Ba、Mg等)を含有
させることにより、高熱伝導性というAlN基体
のもつ特性を劣化することなく厚膜導電ペースト
を用いて導体路を形成することができる。添加形
態としては、酸化物、又は焼結時に酸化物となる
炭酸塩等が挙げられる。これらの添加物は焼結体
中で酸化物、複合酸化物等の形態で存在すると考
えられる。焼結体中の添加物としては他にNiO、
Al2O3等が考えられるが、熱伝導性を劣化させた
り、金属の濡れ性が向上しなかつたりして効果的
ではない。以上のような添加物は焼結助剤として
は知られているが、本発明者等は、これらが熱伝
導率を向上しかつ金属に対する濡れ性をも向上す
ることを見い出した。 このような添加物(例えば酸化イツトリウム、
希土類金属酸化物、アルカリ土類金属炭酸塩等)
は、少量で金属との濡れ性を向上させるが、金属
元素換算で実質的に0.01wt%以上含有することが
望ましい。又、含有量が多くなるとAlNのもつ
高熱伝導性を劣化させてしまうため、15wt%以
下であることが望ましい。 導体路形成用の導電ペーストとしては、前記の
ごとく添加物の効果で金属との濡れ性が向上する
ため、一般に用いられているAg、Ag−Pt、Ag
−Pd等のAg系ペースト、Cu系ペースト、Au系
ペースト等の厚膜ペーストが挙げられる。厚膜ペ
ースとしてはガラスにより接合するガラスボンド
タイプ、化合物を形成して接合するケミカルボン
ドタイプ等がある。これらの厚膜ペーストは
AlN基体中の添加物等と複雑な結合を生じ、強
固な接合が実現されていると考えられる。特に酸
化銅を含む厚膜ペーストは、その接合部に
CuAlO2、CuAl2O4等の複合酸化物層を形成し、
強固な接合を生じる。 又、導体ペーストとして、RuO2、Ru、
Bi2Ru2O7等のペーストを用いて抵抗体を形成し
ても良い。さらに多層配線時の誘電体層形成用と
して、ホウケイ酸鉛ガラス(PbO−SiO2−B2O3
等と主成分とする誘電体ペーストを用いることも
できる。このようなガラス結合を形成する場合、
PbOを含有するものが特に結合力が大きく好まし
い。 このような厚膜ペーストによる導体パターンを
形成することができるため、微細な回路設計が可
能となる。また、パワー半導体等の発熱量の大き
い素子に搭載する場合は、例えば主要配線部を厚
膜ペーストで形成し、素子はAlN基体上に接合
された例えば銅板等の上に配置することも可能で
ある。このような接合は例えば特開昭52−37914
号特開昭50−132022号等に記載された技術を応用
することができる。 また厚膜ペーストの焼成は非酸化性雰囲気中で
行なうことが好ましい。酸化性雰囲気中だと
AlN基体表面が酸化されてしまい、熱伝導性が
悪くなる恐れがあるからである。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、高熱伝導
性、高耐圧性等の優れた特性を有するAlN基体
を回路基板として用いることができ、高熱伝導性
回路基板を得ることができる。 この回路基板は、高密度実装用、パワー半導体
搭載用等として好適である。 また、厚膜ペーストにより導体路を形成するこ
とができるため、微細な回路パターンにも対応で
きる。 〔発明の実施例〕 以下に本発明の実施例を説明する。 実施例 1 AlN原料粉末95wt%に酸化イツトリウムをY
元素に換算して5wt%を添加し、混合成形した
後、窒化ガス雰囲気中、1800℃で常圧焼結を行な
い緻密なAlN基体を得た。このAlN基体の一部
を試験片として切り出し、レーザーフラツシユ法
で熱伝導率を測定したところ120W/m・kと良
好な値を示した。 次いでこのAlN基体上にAuペーストを塗布し、
約15μm厚のAu厚膜導体路パターンを形成し、
850℃10分間の条件で焼成した。その後、60Su/
35Pb/5Agのハンダを用い、太さ1mmφの金属
線をこの導体路上にハンダ付し、インストロン
1130引張試験機により、25mm/secの速度で金属
線を引つ張ることにより接合強度を測定したとこ
ろ、1〜2Kg/mm2と、強固な接合状態を示してい
ることが確認された。 実施例 2 AlN原料粉末97wt%に酸化カルシウムをCa元
素に換算して3wt%を添加し、混合成形した後、
窒素ガス雰囲気中、1750℃で常圧焼結を行ない緻
密なAlN基体を得た。このAlN基体の熱伝導率
を測定したところ110W/m・kと良好な値を示
した。 このAlN基体上にAg−Pdペーストを塗布し、
930℃10分間の条件で焼成し、約10μm厚のAg−
Pd厚膜導体路パターンを形成した。この場合も
(実施例1)と同様に1Kg/mm2以上の接合強度が
得られていることが確認された。 実施例 3 AlN原料粉末99wt%に酸化サマリウムをSm元
素に換算して1wt%を添加し、混合成形した後、
窒素ガス雰囲気中、1800℃で常圧焼結を行ない緻
密なAlN基体を得た。このAlN基体の熱伝導率
を測定したところ110W/m・kと良好な値を示
した。 このAlN基板上にCuペーストを塗布し、930℃
10分間の条件で焼成し、約15μm厚のCu厚膜導体
路パターンを形成した。この場合も前述の実施例
と同様に1Kg/mm2以上の接合強度が得られている
ことが確認された。 実施例 4 AlN原料粉末99wt%に酸化バリウムをBa元素
に換算して0.5wt%を添加し、混合成形した後、
窒素ガス雰囲気中、1750℃で常圧焼結を行ない緻
密なAlN基体を得た。このAlN基体の熱伝導率
を測定したところ80W/m・Kと良好な値を示し
た。 このAlN基体上にCuペーストを塗布し、930℃
10分間の条件で焼成し、約10μm厚のAg厚膜導体
路パターンを形成した。この場合も前述の実施例
と同様に1Kg/mm2以上の接合強度が得られている
ことが確認された。 実施例 5 AlN原料粉末99.99wt%に酸化イツトリウムを
Y元素に換算して0.01wt%を添加し、混合・成形
した後、窒素ガス雰囲気中で1800℃、300Kg/cm3
のホツトプレス焼結を行ない緻密なAlN基体を
得た。熱伝導率は80w/m・kであり、前述と同
様にAuペーストにより導体パターンを形成した
ところ、やはり1Kg/mm2以上の接合強度が得られ
た。 実施例 6 実施例1で得られた回路基板上に半導体素子と
実装の後、−60℃(30分間保持)室温(5分間
保持)125℃(30分間保持)のヒートサイクル
を施し、耐環境性を調べた。その結果、150回の
ヒートサイクルの後でも何ら異常は認められなか
つた。 実施例 7 AlN原料粉末97wt%に酸化イツトリウムをY
元素に換算して3wt%を添加し、混合成形した
後、窒素ガス雰囲気中1800℃で常圧焼結を行ない
AlN基体を得た。 このAlN基体を用い各種厚膜ペーストの接合
強度を調べた。
【表】 Ag−Pdペーストの接合部を分析したところ、
AlN基体上にCuAlO2又はCuAl2O4層が形成され、
この層上にAg−Cu共晶層が生じており、さらに
その上にAg−Pd層が固着していた。Ag−Cu共
晶層はAg−Pd層及びAg−Pd層ともに固着力大
である。さらに接合状態は明らかではないが
AlN基体中の酸化物とも複雑な接合を生じ、強
固な接着を生じていると考えられる。 さらに、誘電体ペーストは、ペースト中のガラ
ス成分とAlN基体中のY2O3等の酸化物が結合し、
強固な接着を生じていると考えられる。このペー
ストはホウケイ酸鉛ガラス(B2O3−SiO2−PbO)
を含むものであり、特にPbOが結合に重要な役割
を果たしていると考えられる。 比較例 1 前記実施例で用いたAlN原料粉末を成形し、
窒素ガス雰囲気中で1800℃、300Kg/cm3のホツト
プレスは70W/m・kとAl2O3に比べ良好な値を
示したがAuペーストを焼き付けたところ、指先
で簡単に剥離する程度の接合強度しか得ることは
できなかつた。 比較例 2 AlN原料粉末97wt%に酸化ニツケルをNiに換
算して3wt%を添加し、混合・成形の後、1800℃
2時間の条件で常圧焼結を行なつた。Auペース
トの接合強度は1Kg/mm2程度と良好であつたが、
熱伝導率は40W/m・kと低い値しか得られなか
つた。 比較例 3 AlN原料粉末97wt%に酸化アルミニウムをAl
に換算して3wt%を添加し、混合・成形の後、
1800℃、1時間、300Kg/cm2の条件でホツトプレ
ス成形を行なつた。(比較例1)に比べ多少接合
強度は改善されたが、熱伝導率は30W/m・kと
低い値であつた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 窒化アルミニウムを主成分とし、イツトリウ
    ム、希土類金属及びアルカリ土類金属から選ばれ
    た少なくとも一種を含有した焼結体からなる窒化
    アルミニウムセラミツクス基体にAg系ペースト、
    Au系ペースト、Cu系ペースト、Ru系ペースト、
    誘電体ペーストの少なくとも一種から形成された
    導体部、誘電体部を具備したことを特徴とする高
    熱伝導性回路基板。 2 前記焼結体は、イツトリウム、希土類金属及
    びアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一種
    を金属元素換算で0.01〜15wt%含有したことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載の高熱伝導性
    回路基板。
JP3416584A 1984-02-27 1984-02-27 高熱伝導性回路基板 Granted JPS60178688A (ja)

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