JPH0687658A

JPH0687658A - ＧａＡｓ半導体素子実装用基板及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0687658A
Application number: JP4236064A
Authority: JP
Inventors: Toru Inoue; 井上　　徹
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1992-09-03
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1994-03-29

Abstract

(57)【要約】【目的】実装用基板に好適な機械的強度を付与すると
共に、熱膨張係数をＧａＡｓ半導体素子の熱膨張係数
（約６．０ppm/℃）に近似させること。【構成】ＡｌＮ粉末に対し、ＺｒＯ₂粉末を５１重量
％及び焼結助剤を添加する。その後、混合物をシート状
の成形体に成形する。次いで、成形体を窒素雰囲気下か
つ加圧下にて焼成する。焼成温度は１５５０℃〜１７０
０℃である。得られる基板は、ＡｌＮとＺｒＮとの混合
焼結体である。混合焼結体のＡｌＮ及びＺｒＮのモル比
は１／２〜４／１である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＧａＡｓ半導体素子を
実装するための基板、及びその基板を製造する方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、シリコン（Ｓｉ）を用いた半
導体素子をセラミックス製の絶縁基板上に実装して、セ
ラミックスパッケージを製造する技術が提案されてい
る。また、一般的に半導体素子は、通電時に発生する熱
によって簡単に破壊に到るという性質がある。従って、
素子の破壊を回避するためには、放熱性に優れた基板、
即ち熱伝導率が大きな実装用基板を選択することによ
り、素子の発する熱をパッケージから放散させる必要が
ある。

【０００３】このため、前記実装用基板の材料には、例
えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ベリリア（ＢｅＯ）等の
セラミックス製焼結体が用いられ、更に近年において
は、より熱伝導性に優れる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
焼結体等が用いられている。

【０００４】また、素子と実装用基板との熱膨張係数の
差が大きい場合、パッケージの温度上昇によって両者の
接合部付近に熱応力が加わり、歪みが生じ易くなること
が知られている。その結果、素子と実装用基板との接合
状態が悪化したり、実装用基板にクラックが発生するな
どして、パッケージの信頼性が著しく低下する。これ
は、特に素子が大型化かつ高密度化するほど顕著にな
る。

【０００５】それ故、従来のパッケージにおいては、熱
膨張係数の比較的近似したＡｌＮ製の実装用基板とＳｉ
製の素子とを組み合わせることにより、熱応力の発生を
未然に回避している。因みに、ＡｌＮの熱膨張係数は
４．５ppm/℃、Ｓｉの熱膨張係数は３．８ppm/℃であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、近年増加し
つつあるガリウム砒素（ＧａＡｓ）半導体素子を用いて
セラミックスパッケージを製造する場合、以下のような
不都合が生じる。

【０００７】例えば、熱膨張係数が約６．０ppm/℃のＧ
ａＡｓ素子をＡｌＮ製の基板に実装したとしても、熱膨
張係数に大きな差があるため、熱的不整合が生じてしま
うことである。それ故、温度上昇時において、熱応力の
発生を確実に回避することが困難になる。従って、ヒー
トサイクルにより接合状態が悪化したり、実装用基板に
クラックが発生するなどして、パッケージの信頼性が低
下してしまう。

【０００８】また、比較的熱膨張係数が近似したＡｌ₂
Ｏ₃製の実装用基板を用いれば、熱膨張係数の不整合に
起因する熱応力の発生をある程度回避できるものとも予
想される。しかし、Ａｌ₂Ｏ₃製の実装用基板の機械的
強度は、ＡｌＮ製の実装用基板よりも劣るため、選択す
る材料として適切であるとは言い難い。

【０００９】このような事情のもと、本発明者らはＺｒ
系化合物の有する物理的特性、つまり機械的強度に優れ
ること、及び熱膨張係数がＧａＡｓより大きいことの二
点に着目した。そこで、ＡｌＮ粉末に対し、ジルコニア
（ＺｒＯ₂）粉末と焼結助剤とを混合して得られる成形
体を焼成して、ＡｌＮと窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）と
の混合焼結体を製造することを着想した。

【００１０】そして、ＺｒＯ₂粉末とＡｌＮ粉末との混
合比を所定の範囲内に設定することにより、熱膨張係数
がＧａＡｓ素子に近似していて、機械的強度にも優れた
基板が得られるという知見を得た。そして、本発明者ら
は上記の知見に基づき、以下の発明を完成させた。即
ち、本発明の目的としては、優れた機械的強度を有し、
かつ熱膨張係数がＧａＡｓ半導体素子の熱膨張係数に近
似した実装用基板を得ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、本出願では、Ａ
ｌＮとＺｒＮとの混合焼結体であって、前記混合焼結体
中におけるＡｌＮ及びＺｒＮのモル比（ＡｌＮ／Ｚｒ
Ｎ）が１／２〜４／１であるＧａＡｓ半導体素子用基板
を提案している。

【００１２】また、本出願では、ＡｌＮ粉末に対し、Ｚ
ｒＯ₂粉末を４５重量％〜５５重量％添加しかつ焼結助
剤を添加した後、前記混合物を所定形状に成形し、その
成形体を不活性雰囲気下かつ加圧下にて焼成するＧａＡ
ｓ半導体素子用基板の製造方法を提案している。

【００１３】そして、この製造方法を行う場合、前記成
形体は、窒素雰囲気下にて１５５０℃〜１７００℃の範
囲内で焼成されることが望ましい。

【００１４】

【作用】上述のように、ＡｌＮ粉末にＺｒＯ₂粉末等を
混ぜて焼成すると、ＡｌＮ及びＺｒＮの二種の焼結体か
らなる混合焼結体が得られる。また、ＺｒＮ焼結体の物
理的特性としては、ＡｌＮ焼結体よりも熱膨張係数が大
きく、機械的強度もそれに勝ることである。

【００１５】このため、混合焼結体をＡｌＮを主成分と
する焼結体と比較した場合、熱膨張係数が高くなり、そ
の値はＧａＡｓ半導体素子の熱膨張係数（約６．０ppm/
℃）に近似したものとなる。また、混合焼結体には、従
来のＡｌＮ製の実装用基板に比して好適な機械的強度が
付与される。

【００１６】以下、本発明のＧａＡｓ半導体素子実装用
基板を製造する方法について工程順に詳細に説明する。
ＡｌＮ粉末には、その分量に対して４５重量％〜５５重
量％のＺｒＯ₂粉末が添加される。そして、係る分量を
添加した場合、ＡｌＮとＺｒＮとの混合焼結体中におけ
るＡｌＮ及びＺｒＮのモル比は、１／２〜４／１とな
る。

【００１７】ＺｒＯ₂粉末の添加量が４５重量％未満の
とき、または前記モル比が４／１より大きいときには、
結果として混合焼結体中におけるＡｌＮ焼結体の割合が
大きくなり過ぎてしまう。このため、混合焼結体の熱膨
張係数が、目標値である約６．０ppm/℃まで到達でき
ず、それより小さな値となる。また、混合焼結体の機械
的強度を充分に向上させることもできなくなる。

【００１８】一方、ＺｒＯ₂粉末の添加量が５５重量％
を越えるとき、または前記モル比が１／２より小さいと
きには、逆に混合焼結体中におけるＡｌＮ焼結体の割合
が小さくなり過ぎてしまう。このため、焼結体の熱膨張
係数が目標値である約６．０ppm/℃より大きくなり、Ｇ
ａＡｓ半導体素子の熱膨張係数に近似しなくなる。

【００１９】上記のＡｌＮ粉末及びＺｒＯ₂粉末の混合
物には、更にイットリア、カルシア、マグネシア等の焼
結助剤、バインダ及び溶剤等が添加される。そして、こ
の混合物は均一に混練された後、プレス成形法またはシ
ート成形法等によって、所定の形状に成形される。

【００２０】その後、得られた成形体は、不活性雰囲気
下にて脱脂及び仮焼成される。更に、仮焼成された成形
体は、不活性雰囲気下かつ加圧下で本焼成される。その
理由は、常圧下で本焼成した場合には、混合焼結体に好
適な物性を付与することができないからである。

【００２１】前記成形体は窒素雰囲気下にて焼成される
ことが望ましい。その理由は、成形体中のＺｒＯ₂が焼
結してＺｒＮ焼結体となる際、雰囲気中の窒素が窒素源
として用いられるからである。

【００２２】また、本焼成を行う際の温度は１５５０℃
〜１７００℃であることが望ましい。この温度が１５５
０℃未満であると、成形体を完全に焼結させることがで
きなくなる。一方、この温度が１７００℃を越えると、
焼結体が焼成用の治具に付着し易くなる。

【００２３】そして、上述のような各工程を経ること
で、好適な機械的強度を備えかつ熱膨張係数が約６．０
ppm/℃である所望の混合焼結体を得ることができる。ま
た、この混合焼結体を実装用基板のための材料として用
いた場合、信頼性の高いセラミックスパッケージが得ら
れる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例及び各比較
例について詳細に説明する。本実施例では、ＡｌＮ粉末
に対し、ＺｒＯ₂粉末を５１重量％、焼結助剤としての
Ｙ₂Ｏ₃を５重量％、有機バインダとしてのアクリル樹
脂を１０重量％添加した。そして、これに溶剤としての
エタノールを５８％加えた。

【００２５】この混合物をボールミルにより湿式混合し
た後、乾燥粉砕させた。その後、前記混合物をプレス成
形法に従って成形し、厚さ約１０mm，５０mm×７０mmの
シート状の成形体とした。

【００２６】次いで、この成形体を窒素雰囲気の下で脱
脂しかつ仮焼成することにより、成形体中の有機物を熱
分解させた。また、その際の温度は８５０℃とし、時間
は１０時間とした。

【００２７】更に、得られた仮焼体をホットプレス装置
内に配置し、窒素雰囲気下にて２５０kg/cm²の面圧で加
圧焼成した。また、焼成温度は１５５０℃とし、焼成時
間は２時間とした。そして、所望のＡｌＮとＺｒＮとか
らなる混合焼結体を得た。以下、この混合焼結体を実施
例の実装用基板と呼ぶ。

【００２８】一方、比較例１では、ＡｌＮ粉末に対し、
ＺｒＯ₂粉末を３５重量％添加すると共に、前記実施例
１と同種かつ同量の焼結助剤、有機バインダ及び溶剤を
加えて、成形体製造用の混合物とした。同様に比較例２
では、ＡｌＮ粉末に対し、ＺｒＯ₂粉末を６５重量％添
加すると共に、前記実施例１と同種かつ同量の焼結助
剤、有機バインダ及び溶剤を加えて、成形体製造用の混
合物とした。

【００２９】上記二種の混合物を用いてそれぞれ成形体
を作製し、各成形体に前記実施例と同一の条件にて脱
脂、仮焼成及び本焼成を施した。そして、ＡｌＮとＺｒ
Ｎとからなる混合焼結体を得た。以下、これらを比較例
１の実装用基板、比較例２の実装用基板とする。

【００３０】そして、前記各基板の物理的特性を比較・
評価するために、室温における曲げ強度(kg/mm²)と、室
温から４００℃まで変化させたときの熱膨張係数(ppm／
℃)とを測定した。その測定結果を表１に示す。同表１
には、各基板中におけるＡｌＮ及びＺｒＮのモル比が記
されている。また、同表１には、参考データとして、Ａ
ｌＮ基板、Ａｌ₂Ｏ₃基板、ＺｒＯ₂基板及びＺｒＮ基
板、並びにＳｉ素子及びＧａＡｓ素子の曲げ強度、熱膨
張係数の値も記されている。

【００３１】

【表１】

【００３２】実施例１の実装用基板の熱膨張係数を測定
したところ、その値は５．９ ppm／℃となり、ＧａＡａ
素子の熱膨張係数に極めて近い値であった。また、前記
実装用基板の曲げ強度を測定した結果、その値は４５kg
/mm²であった。これは、ＡｌＮ製の実装用基板の曲げ強
度（３５kg/mm²〜４０kg/mm²）に勝るものである。

【００３３】一方、各比較例の実装用基板の熱膨張係数
を測定したところ、その値は比較例１では４．９ ppm／
℃であり、比較例２では７．０ ppm／℃であった。この
ように、比較例１，２では、熱膨張係数の値は、何れも
６．０ ppm／℃とは大きく相違していた。また、各比較
例の曲げ強度を測定したところ、どちらもＡｌＮ製の実
装用基板の曲げ強度と殆ど変わりはなかった。

【００３４】以上の結果を総合すると、比較例１，２の
実装用基板よりも優れた特性を備える実施例１の実装用
基板を選択すれば、信頼性の高いセラミックスパッケー
ジを製造できることが示唆された。そこで、実施例１の
実装用基板に従来公知の方法に準じて導体回路やダイパ
ッド等を形成した後、そのダイパッド上、つまり基板側
に３mm角のＧａＡｓ半導体素子を実装した。更に、前記
素子をセラミックスのキャップで気密封止すると共に、
基板の裏面に金属製のピンを取付けた。

【００３５】得られたピングリッドアレイ（ＰＧＡ）タ
イプのパッケージに対して種々の信頼性試験を行った。
その結果、素子と実装用基板との接合部位の状態に特に
変化は認められず、また基板に反りやクラックも認めら
れなかった。

【００３６】このため、上述の素子よりも更に大型（約
６mm角）で高密度のＧａＡｓ素子を実装して同様の試験
を行ったところ、同じく好適な結果を得ることができ
た。よって、従来とは異なり、直接実装用基板に大型素
子を実装する代わりに、その素子をキャップ側に接着す
るというような、面倒な手順を踏んでパッケージを製造
することも不要になった。このように、本発明では、近
年において大型化・高密度化の傾向にあるＧａＡｓ素子
を直接実装用基板に実装し得るという利点がある。

【００３７】尚、本発明は上記実施例のみに限定される
ことはなく、以下のように変更することが可能である。
例えば、（ａ）実施例にて使用した比較的純度の高いＺｒＯ₂粉
末に代え、Ｙ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＭｇＯ等を少量含む安定
化ＺｒＯ₂または部分安定化ＺｒＯ₂の粉末を用いるこ
とも可能である。この場合、焼結助剤として添加される
セラミックス酸化物の量は、前記実施例に比して少なく
て良い。

【００３８】（ｂ）ＺｒＯ₂粉末の代わりにＺｒＮ粉末
を添加しても、同様にＡｌＮとＺｒＮの混合焼結体を得
ることができる。また、ＺｒＯ₂粉末とＺｒＮ粉末とを
混合して用いても勿論良い。尚、ＺｒＯ₂粉末のほうが
ＺｒＮ粉末より安価であることから、実際上は実施例の
ようにＺｒＯ₂粉末を用いることが好適である。

【００３９】（ｃ）実施例では基板の裏面にピンを設け
ることにより、ピン挿入実装用であるＰＧＡタイプのパ
ッケージを製造している。この他にも、例えば基板の片
側にリードが配列されたＳＩＰタイプや、基板の両側に
リードが配列されたＤＩＰタイプのセラミックスパッケ
ージとしても良い。

【００４０】更に、本発明は、上述のピン挿入実装用の
ＰＧＡ，ＳＩＰ，ＤＩＰとは異なるものに具体化するこ
とが可能である。例えば、表面実装用のリードレスチッ
プキャリア（ＬＣＣ）としても良い。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のＧａＡｓ
半導体素子実装用基板及びその製造方法によれば、実装
用基板に好適な機械的強度を付与しつつ、熱膨張係数を
ＧａＡｓ半導体素子の熱膨張係数に近似させることがで
きるという優れた効果を奏する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＡｌＮとＺｒＮとの混合焼結体であって、
前記混合焼結体中におけるＡｌＮ及びＺｒＮのモル比が
１／２〜４／１であることを特徴とするＧａＡｓ半導体
素子実装用基板。
【請求項２】ＡｌＮ粉末に対し、ＺｒＯ₂粉末を４５重
量％〜５５重量％添加しかつ焼結助剤を添加した後、前
記混合物を所定形状に成形し、その成形体を不活性雰囲
気下かつ加圧下にて焼成することを特徴とするＧａＡｓ
半導体素子実装用基板の製造方法。
【請求項３】前記成形体は窒素雰囲気下にて焼成される
ことを特徴とする請求項２に記載のＧａＡｓ半導体素子
実装用基板の製造方法。
【請求項４】前記成形体は１５５０℃〜１７００℃の範
囲内で焼成されることを特徴とする請求項２または３に
記載のＧａＡｓ半導体素子実装用基板の製造方法。