JPH0712993B2 - Aluminum nitride sintered body having metallized surface - Google Patents

Aluminum nitride sintered body having metallized surface

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JPH0712993B2
JPH0712993B2 JP61199546A JP19954686A JPH0712993B2 JP H0712993 B2 JPH0712993 B2 JP H0712993B2 JP 61199546 A JP61199546 A JP 61199546A JP 19954686 A JP19954686 A JP 19954686A JP H0712993 B2 JPH0712993 B2 JP H0712993B2
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sintered body
aluminum nitride
layer
nitride sintered
aln
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彰 笹目
仁之 坂上
浩一 曽我部
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は窒化アルミニウム焼結体に関し、更に詳しくい
えば表面に信頼性の高い実用的な接合強度を備えた金属
化面を有する窒化アルミニウム焼結体に関するものであ
る。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an aluminum nitride sintered body, and more particularly to an aluminum nitride sintered body having a metallized surface with highly reliable and practical bonding strength on the surface. It is about.

従来の技術 一般に、半導体装置あるいはこれらを利用する装置、機
器は、各種の能動・受動素子を含んでいるが、これらは
発熱の問題を内包している。従って、これ等素子等を安
定かつ信頼性良く動作させるためには、実装の際の最良
の熱設計を行うことが必要であり、これは半導体装置等
の設計、製作において極めて重要である。
2. Description of the Related Art Generally, a semiconductor device or a device or device using them includes various active / passive elements, but these have a problem of heat generation. Therefore, in order to operate these elements and the like stably and reliably, it is necessary to perform the best thermal design at the time of mounting, which is extremely important in the design and manufacture of the semiconductor device and the like.

更に、近年半導体装置の高速動作化、高集積化等の大き
な動向がみられ、特にLSIなどでは集積度の向上が著し
い。このため基板材料の放熱性が重要視されるようにな
ってきた。
Further, in recent years, there has been a great trend such as high-speed operation and high integration of semiconductor devices, and particularly in LSI and the like, the degree of integration is remarkably improved. Therefore, the heat dissipation of the substrate material has come to be emphasized.

一方、IC基板用セラミックスとしては従来アルミナが用
いられてきたが、従来のアルミナ焼結体の熱伝導率では
放熱性が不十分であり、ICチップの発熱量の増大に十分
対応できなくなりつつある。そこで、このようなアルミ
ナ基板に代わるものとして高熱伝導率を有する窒化アル
ミニウムを用いた基板あるいはヒートシンクなどが注目
され、その実用化のために多数の研究がなされている。
On the other hand, although alumina has been used as the ceramics for IC substrates in the past, the heat conductivity of conventional alumina sintered bodies is not sufficient to dissipate heat, and it is becoming difficult to cope with the increase in heat generation of IC chips. . Therefore, as a substitute for such an alumina substrate, a substrate or a heat sink using aluminum nitride having a high thermal conductivity has attracted attention, and many studies have been conducted for its practical use.

この窒化アルミニウムは、本来材質的に高熱伝導性並び
に高絶縁性を有し、またベリリアとは違って毒性がない
ために、半導体工業において、特に絶縁材料やパッケー
ジ材料として有望視されている。
Since aluminum nitride originally has high thermal conductivity and high insulating properties as a material and is not toxic unlike beryllia, it is regarded as particularly promising as an insulating material or a packaging material in the semiconductor industry.

窒化アルミニウム(AlN)焼結体は熱伝導率が高いの
で、上記のように集積回路(IC)用基板として、あるい
はヒートシンクなどとして注目されている。しかしなが
ら、このような興味ある特性を有する一方で、AlN焼結
体は金属あるいはガラス質等との接合強度に問題があ
る。ところでこの焼結体はその表面に直接、市販されて
いるメタライズペーストを塗布する厚膜法もしくは活性
金属または金属の薄膜を蒸着などの手法で形成する薄膜
法などを利用して、金属化層を付与した状態で使用する
ことが一般的である。しかしながら、このような方法に
よっては実用に十分耐え得る接合強度を得ることはでき
ず、実際には金属化前または金属化操作中に何等かの手
法で表面を改質し、他の例えば金属等との接合性を改善
する必要がある。
Since the aluminum nitride (AlN) sintered body has a high thermal conductivity, it has attracted attention as a substrate for integrated circuits (ICs) as described above, or as a heat sink. However, while having such interesting characteristics, the AlN sintered body has a problem in bonding strength with metal or glass. By the way, the metallization layer of this sintered body is directly applied to the surface thereof by using a thick film method in which a commercially available metallizing paste is applied or a thin film method in which a thin film of an active metal or a metal is formed by a method such as vapor deposition. It is generally used in a given state. However, it is not possible to obtain a bonding strength that can withstand practical use by such a method, and in practice, the surface is modified by some method before or during the metallization operation, and another metal such as metal is used. It is necessary to improve the bondability with.

このようなAlN焼結体の表面改質のための従来法として
は、AlN焼結体表面に酸化処理等を施して酸化物層を形
成する方法が知られている。即ち、例えば、AlN焼結体
表面にSiO2、Al2O3、ムライト、Fe2O3、Cu等の酸化物層
を形成する方法である。しかしながら、上記の例示のよ
うな酸化物層はガラス層、アルミナ層などに対しては良
好な親和性を有し、強固な結合を生ずるが、AlN焼結体
自体とは親和性が小さく、信頼性に問題があるものと考
えられる。
As a conventional method for modifying the surface of such an AlN sintered body, there is known a method of forming an oxide layer by subjecting the surface of the AlN sintered body to oxidation treatment or the like. That is, for example, it is a method of forming an oxide layer of SiO 2 , Al 2 O 3 , mullite, Fe 2 O 3 , Cu or the like on the surface of the AlN sintered body. However, the oxide layer as exemplified above has a good affinity for the glass layer, the alumina layer, etc. and causes a strong bond, but the affinity with the AlN sintered body itself is small, and the reliability is high. It is thought that there is a problem with sex.

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、電気絶縁性かつ熱伝導率が極めて良
好であることから、良好な放熱性が要求されるIC絶縁基
板やヒートシンク材料として期待されるAlN焼結体は、
その表面を金属化して使用することが多いが、これらに
対する接合強度の点で問題があった。そこで、上記のよ
うな各種方法が考えられたが、いずれも不十分であり、
実用性十分な金属化面を有するAlN焼結体はいまのとこ
ろ得られていない。
Problems to be Solved by the Invention As described above, since the electric insulation and the thermal conductivity are extremely good, AlN sintering expected as an IC insulating substrate or heat sink material that requires good heat dissipation is required. The body is
Although its surface is often used after being metallized, there is a problem in terms of bonding strength to these. Therefore, various methods such as the above were considered, but none of them are sufficient.
AlN sinters with a metallized surface of sufficient practicability have not yet been obtained.

即ち、従来のAlN焼結体とメタライズペースト(例え
ば、市販のフリット、ケミカルボンドタイプのもの)を
塗布する厚膜法では良好な接合強度を得ることができな
かった。これは該導体ペーストが元来Al2O3用であり、A
lN層とは反応性が良くないためである。
That is, good bonding strength could not be obtained by the conventional thick film method of applying the AlN sintered body and the metallizing paste (for example, commercially available frit or chemical bond type). This is because the conductor paste was originally for Al 2 O 3 ,
This is because the reactivity with the lN layer is not good.

また、酸化物層を形成させながら、もしくは形成後、金
属化を施す方法が知られているAlN焼結体表面の酸化物
処理が知られている。しかしながら、上記SiO2、Al
2O3、ムライト、Fe2O3、CuO等の酸化物層はAlNとの反応
性に乏しい。また、たとえ反応層が形成されたとして
も、該反応層は本質的に酸化物層と類似しているために
AlN表面との反応性は殆ど改善されず、従ってAlN焼結体
との接合強度も改善されない。更に、この酸化物処理は
緻密性、膜の接合強度の点でも問題がある。即ち、AlN
表面の酸化物処理は、例えば以下のような式で表わさ
れ: 該反応に伴って窒素ガスが発生する場合があり、得られ
る酸化膜は著しく多孔質の膜となる。
Further, there is known an oxide treatment on the surface of an AlN sintered body, which is known as a method of performing metallization while or after forming an oxide layer. However, the above SiO 2 , Al
Oxide layers such as 2 O 3 , mullite, Fe 2 O 3 and CuO have poor reactivity with AlN. Also, even if a reaction layer is formed, the reaction layer is essentially similar to the oxide layer.
The reactivity with the AlN surface is hardly improved, and therefore the bonding strength with the AlN sintered body is not improved. Further, this oxide treatment also has problems in terms of denseness and film bonding strength. That is, AlN
The surface oxide treatment is represented, for example, by the following formula: Nitrogen gas may be generated along with the reaction, and the obtained oxide film becomes a remarkably porous film.

また、活性金属を用いた厚膜法、薄膜法によっても、十
分な接合強度を期待することは難しい。即ち、これは窒
化物と反応性が高い活性金属を用いた場合でも、AlNが
著しく化学的に安定であるために、これらの間の十分な
接合強度が得られず、結合が困難であることによるもの
と思われる。
In addition, it is difficult to expect sufficient bonding strength by the thick film method and the thin film method using an active metal. In other words, this is because even when an active metal highly reactive with nitride is used, AlN is extremely chemically stable, so sufficient bonding strength between them cannot be obtained, and bonding is difficult. It seems to be due to.

以上の如く、AlN焼結体と金属化層を実用性十分な接合
強度とするための各種試みはいずれも満足すべきもので
はなかった。従って、金属層もしくは金属酸化物等並び
にAlN焼結体両者に対して親和性を有する様な構造を設
定して、これらの間の結合を保証し、金属化層とAlN焼
結体の接合強度を改善し得るあらたな技術の開発が切に
望まれている。
As described above, none of the various attempts to make the AlN sintered body and the metallized layer have a practically sufficient bonding strength was satisfactory. Therefore, by setting up a structure that has an affinity for both the metal layer or metal oxide and the AlN sintered body, the bond between them is guaranteed, and the bonding strength between the metallized layer and the AlN sintered body is secured. There is a strong demand for the development of new technology that can improve the above.

そこで、本発明の目的は絶縁性並びに放熱性に優れた金
属化層とAlN焼結体の接合強度を改善することにある。
即ち、接合強度が優れ、信頼性の高い金属化面を有する
AlN焼結体を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to improve the bonding strength between a metallized layer excellent in insulation and heat dissipation and an AlN sintered body.
That is, it has a highly reliable metallized surface with excellent bonding strength.
It is to provide an AlN sintered body.

問題点を解決するための手段 本発明者等は窒化アルミニウム焼結体のIC用基板等とし
ての実用化研究における上記の如き現状に鑑みて、上記
目的の金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体を得る
ために種々検討・研究した結果、窒化アルミニウム焼結
体基板の金属化すべき表面上に該窒化アルミニウム焼結
体の焼結助剤の高濃度層を実現し、これを介して金属化
面を形成することが有利であることを見出し、本発明に
至った。
Means for Solving the Problems In view of the above-mentioned present situation in the practical application research of the aluminum nitride sintered body as a substrate for IC, etc., the present inventors have made the aluminum nitride sintered body having the above-mentioned metallized surface. As a result of various studies and researches for obtaining a high-concentration layer of the sintering aid of the aluminum nitride sintered body on the surface to be metallized of the aluminum nitride sintered body substrate, the metallized surface It has been found that it is advantageous to form

即ち、本発明に係る金属化面を有する窒化アルミニウム
焼結体は、周期律表第IIIa族元素の酸化物からなる焼結
助剤を含む窒化アルミニウム焼結体基板と、該基板上に
形成された金属層とを備える金属化面を有する窒化アル
ミニウム焼結体において、該焼結助剤が、該金属層が付
着した面に向かって濃度が高くなるように該基板内で分
布していることを特徴とする。
That is, an aluminum nitride sintered body having a metallized surface according to the present invention is formed on the aluminum nitride sintered body substrate containing a sintering aid made of an oxide of a Group IIIa element of the periodic table, and the substrate. In an aluminum nitride sintered body having a metallized surface provided with a metal layer, the sintering aid is distributed in the substrate so that the concentration becomes higher toward the surface to which the metal layer is attached. Is characterized by.

本発明の金属化層を有するAlN焼結体において、まず窒
化アルミニウム焼結体基板としては、多量の気孔、不純
物等の欠陥を含まない良好な熱伝導率を有するものであ
ることが重要である。
In the AlN sintered body having the metallized layer of the present invention, it is important that the aluminum nitride sintered body substrate has good thermal conductivity without containing defects such as a large number of pores and impurities. .

本発明の金属化面を有する窒化アルミニウム(AlN)焼
結体において、上記焼結助剤の高濃度層材料として有用
な第IIIa族元素としては、特にイットリウム(Y)、セ
リウム(Ce)、カドリニウム(Gd)、ユウロピウム(E
u)、サマリウム(Sm)、ホロニウム(Ho)またはイッ
テルビウム(Yb)を好ましい例として挙げることができ
る。また、この高濃度助剤層の厚さは1〜100μmの範
囲内の値とすることが好ましい。
In the aluminum nitride (AlN) sintered body having a metallized surface of the present invention, group IIIa elements useful as a high-concentration layer material of the above-mentioned sintering aid include yttrium (Y), cerium (Ce), and cadolinium. (Gd), europium (E
u), samarium (Sm), holonium (Ho) or ytterbium (Yb) may be mentioned as preferred examples. The thickness of the high-concentration auxiliary agent layer is preferably set to a value within the range of 1 to 100 μm.

このAlN焼結体表面に高濃度焼結助剤層を形成するため
には、以下の如き様々な方法を採用することできる。ま
ず、例えば焼結助剤として酸化セリウムを、窒化アルミ
ニウム粉末に対して5〜10wt%及び有機バインダーを添
加した後、混練して厚みが1〜10mmのグリーンシートを
作製する。このシートを適当な大きさに成形した後、脱
バインダーし、次いで1700〜2200℃の窒素中で30〜120
分焼成する。焼成中、1600℃以上で焼結助剤の酸化セリ
ウムが窒化アルミニウム粉末と反応して融液が生じ、焼
結を促進させる。しかしながら、その試料の焼結が十分
に完了しない間は多孔質であり、この毛細管を助剤成分
が通って表面へ拡散し、そして焼結が完了する。この様
に5wt%含有していた助剤のうち、ほとんどが表面に拡
散しているため焼結体内の助剤の濃度が大きく低下して
表面から1〜100μmの深さまでは助剤の濃度は大きく
増加している。この拡散層の助剤成分は約20〜50wt%と
増加している。このため、拡散層の助剤成分の量はグリ
ーンシート作製時の焼結助剤の添加量の他に、グリーン
シートの厚み、焼結条件に大きく影響される。焼結助剤
としては、酸化セリウムの他に、窒化アルミニウム用の
焼結助剤であれば何ら差し扱えない。
In order to form the high-concentration sintering aid layer on the surface of this AlN sintered body, the following various methods can be adopted. First, for example, cerium oxide as a sintering aid, 5 to 10 wt% with respect to aluminum nitride powder, and an organic binder are added and then kneaded to produce a green sheet having a thickness of 1 to 10 mm. This sheet is formed into an appropriate size, debindered, and then 30 to 120 in nitrogen at 1700 to 2200 ° C.
Bake for minutes. During firing, the sintering aid cerium oxide reacts with the aluminum nitride powder at a temperature of 1600 ° C. or higher to generate a melt and accelerate sintering. However, while the sample is not fully sintered, it is porous, aid components diffuse through the capillary to the surface, and sintering is complete. As described above, most of the 5 wt% auxiliaries were diffused to the surface, so the concentration of the auxiliaries in the sintered body dropped significantly, and the concentration of the auxiliaries at the depth of 1 to 100 μm from the surface It has increased significantly. The auxiliary component of this diffusion layer is increased to about 20 to 50 wt%. For this reason, the amount of the auxiliary component of the diffusion layer is largely influenced by the thickness of the green sheet and the sintering conditions in addition to the amount of the sintering additive added when producing the green sheet. As a sintering aid, any sintering aid for aluminum nitride other than cerium oxide cannot be used.

かくして形成された焼結助剤の高濃度層上には所定の金
属化面が与えられる。この金属化面の形成法、使用する
材質等については特に特殊なものである必要はなく、従
来公知の各種方法並びに材料のいずれを使用することも
可能である。例えば、金属化面をAu、Ag、Pt、Pdおよび
これらの混合物などで形成する場合には、例えばAu、Au
−Pt、Pt、Ag、Ag−Pdなどのペーストをスクリーン印刷
法でコーティングし、次いで大気中、酸素雰囲気中ある
いは窒素雰囲気中で、約850〜940℃の範囲内の温度下で
焼付けする厚膜ペースト法に従って形成することができ
る。同様に金属化(メタライズ)用材料がMo、Mo−Mu、
CuまたはWなどである場合にも厚膜ペースト法を利用す
ることができる。しかしながら、上記例示の材料は単な
る例示であって、これにより何等本発明を制限するもの
ではなく、以下の記載においても同様である。
A predetermined metallization surface is provided on the high-concentration layer of the sintering aid thus formed. The method of forming the metallized surface, the material used, and the like need not be special, and various conventionally known methods and materials can be used. For example, when the metallized surface is formed of Au, Ag, Pt, Pd, or a mixture thereof, for example, Au, Au
-Pt, Pt, Ag, Ag-Pd and other pastes are coated by screen printing method, and then baked in air, oxygen atmosphere or nitrogen atmosphere at a temperature in the range of about 850 to 940 ° C. It can be formed according to the paste method. Similarly, materials for metallization (metallization) are Mo, Mo-Mu,
The thick film paste method can also be used when Cu or W is used. However, the materials exemplified above are merely examples and do not limit the present invention in any way, and the same applies to the following description.

また、本発明のAlN焼結体の金属化面は公知の各種薄膜
形成法を利用して実現することができ、好ましくは物理
蒸着法、例えば真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレー
ティング法などを利用して形成することができ、この方
法は、特に二層以上の積層構造の金属仮面を形成する際
に有利であり、周期律表第IVa族元素(チタン(Ti)、
ジルコニウム(Zr)またはハフニウム(Hf)/(Moまた
はPt)/(NiまたはAu)、例えばTi/Mo/Ni、Ti/Mo/Au、
Ti/Pt/Au、Zr/Mo/Ni、Zr/Mo/Au、Zr/Pt/Auなどの三層構
造で実現できる。
Further, the metallized surface of the AlN sintered body of the present invention can be realized by utilizing various known thin film forming methods, preferably physical vapor deposition methods such as vacuum vapor deposition method, sputtering method and ion plating method. This method is particularly advantageous when forming a metal mask having a laminated structure of two or more layers, and is a Group IVa element (titanium (Ti),
Zirconium (Zr) or Hafnium (Hf) / (Mo or Pt) / (Ni or Au), eg Ti / Mo / Ni, Ti / Mo / Au,
It can be realized with a three-layer structure such as Ti / Pt / Au, Zr / Mo / Ni, Zr / Mo / Au, and Zr / Pt / Au.

物理蒸着法の中では、特にイオンプレーティング法が、
堆積膜の密着性等において優れていることから好まし
く、また最下層即ち高濃度焼結助剤層と接する層として
は上記第IVa族元素などの活性金属を用いることが有利
であり、これらは酸素または元素周期律表第IIIa族元素
との化学親和性が高いことからAlN焼結体基板用焼結助
剤の高濃度層と強固な結合を形成するものと期待され
る。
Among the physical vapor deposition methods, the ion plating method is
It is preferable because it is excellent in the adhesiveness of the deposited film, and it is advantageous to use an active metal such as the group IVa element as the lowermost layer, that is, the layer in contact with the high-concentration sintering aid layer, which is oxygen. Alternatively, since it has a high chemical affinity with Group IIIa elements of the Periodic Table of Elements, it is expected to form a strong bond with the high-concentration layer of the sintering aid for the AlN sintered body substrate.

作 用 AlNは本来的にガラスあるいは金属との親和性が著しく
悪く、そのため優れた熱伝導率(放熱特性)並びに電気
絶縁性を有するにも拘らず、現在までのところ実用化に
は程遠いものであった。即ち、AlN焼結体をIC用基板、
ヒートシンクなどの材料として応用可能なものとするた
めには、これと金属等との親和性・濡れ性を改善して、
これらの間の高い密着強度を確保しなければならない。
そのための解決策として、既に述べたようにAlN焼結体
基板上に金属化面を施す前に酸化物等で表面処理を施す
方法が知られていたが、このような処理を施しても、こ
のような処理の結果得られた層とAlNとの不整合性のた
めに十分な実用化し得るほどの密着強度を達成すること
ができず、しかもAlN焼結体を表面処理することは工程
を複雑化し、得られる製品をコスト高なものとする。
Original AlN has a remarkably poor affinity with glass or metal, and although it has excellent thermal conductivity (heat dissipation characteristics) and electrical insulation, it is far from practical use until now. there were. That is, the AlN sintered body is the IC substrate,
In order to make it applicable as a material for heat sinks, etc., improve the affinity and wettability between this and metals,
High adhesion strength between them must be ensured.
As a solution for that, as described above, a method of performing a surface treatment with an oxide or the like before applying the metallized surface on the AlN sintered body substrate was known, but even if such a treatment is applied, Due to the inconsistency between the layer obtained as a result of such treatment and AlN, it is not possible to achieve sufficient practical adhesion strength, and surface treatment of the AlN sintered body It is complicated and the resulting product is expensive.

以上述べた如き従来の金属化面を有するAlN焼結体の作
製においてみられた諸欠点は本発明に従って、金属化す
べき表面に焼結助剤が拡散した結果得られる高濃度焼結
剤層を有するAlN焼結体を使用することにより殆ど解決
される。
According to the present invention, various drawbacks found in the production of the AlN sintered body having the conventional metallized surface as described above are due to the formation of the high-concentration sintering agent layer obtained as a result of the diffusion of the sintering aid on the surface to be metallized. Most of the problems can be solved by using the AlN sintered body having.

一般に、焼結助剤は焼結すべき物質に対して化学的に親
和性の高い化合物から選ばれたものであるはずであり、
焼結助剤の高濃度層とAlN層との間には不整合性はない
ことが期待され、従ってこの高濃度層とAlN焼結体とは
殆ど“一体物”であると考えられる。即ち、助剤成分は
AlN粒子を十分に濡らし、良好な粒界組織を形成するも
のと考えられる。従って、この粒界組織層によって主と
して構成される領域、即ち高濃度焼結助剤層についても
AlN焼結体と同等の機械的強度が認められ、これらの間
の不整合性は殆どないものと考えて差しつかえない。し
かも、助剤は第IIIa族元素の酸化物であるため厚膜ペー
ストに含まれるガラス成分あるいは金属と極めて濡れ性
がよく、そのため金属化面と強固に接着することができ
る。
Generally, the sintering aid should be selected from compounds having a high chemical affinity for the substance to be sintered,
It is expected that there will be no inconsistency between the high-concentration layer of sintering aid and the AlN layer, and thus the high-concentration layer and the AlN sintered body are considered to be almost "integral". That is, the auxiliary component
It is considered that the AlN particles are sufficiently wet to form a good grain boundary structure. Therefore, the region mainly composed of this grain boundary structure layer, that is, the high-concentration sintering aid layer also
The mechanical strength equivalent to that of the AlN sintered body is recognized, and it is safe to assume that there is almost no inconsistency between them. Moreover, since the auxiliary agent is an oxide of a Group IIIa element, it has extremely good wettability with the glass component or metal contained in the thick film paste, and therefore can firmly adhere to the metallized surface.

即ち、例えば金属化面がAu、Ag、Pt系、Mo、Mo−Mn、Cu
あるいはWなどの場合にはこれらのペーストを塗布した
後、適当な条件の下で焼成することによりペースト中に
含まれているガラス成分あるいは金属成分がAlN焼成体
表面に析出している焼結助剤成分と反応するか、あるい
はこの助剤成分を介することで焼結体表面の濡れ性が向
上し、金属化面とAlN焼結体が高い強度で接着している
ものと考えられる。
That is, for example, the metallized surface is Au, Ag, Pt-based, Mo, Mo-Mn, Cu.
Alternatively, in the case of W, by applying these pastes and then firing under appropriate conditions, the glass component or the metal component contained in the paste is deposited on the surface of the AlN fired body to promote sintering. It is considered that the wettability of the surface of the sintered body is improved by reacting with the agent component or through the aid component, and the metallized surface and the AlN sintered body are bonded with high strength.

また、金属化面が第IVa族元素/MoまたはPt/AuまたはNi
の三層構造を有するものである場合、その最内層即ちAl
N焼結体基板と直接あるいは高濃度焼結助剤層を介してA
lN基板と接する層としての活性化金属層は上記高濃度層
の助剤成分と強固に結合することで高い接合強度が確保
されるものと考えられる。
In addition, the metallized surface is a group IVa element / Mo or Pt / Au or Ni.
If it has a three-layer structure of
N directly with the sintered body substrate or through a high-concentration sintering aid layer
It is considered that the activated metal layer as a layer in contact with the lN substrate is firmly bonded to the auxiliary component of the high concentration layer to ensure high bonding strength.

以上のいずれの場合においても、焼結助剤を構成してい
る第IIIa族元素およびこれと結合している酸素が、金属
化材料とAlN焼結体との強固な接合に対して大きく寄与
していることは明らかである。このようにAlN焼結体の
金属化面側表面に高濃度焼結助剤層が存在することは極
めて重要であり、その厚さも臨界的条件となる。即ち、
強固な接合を達成するのに最小限必要な高濃度層の厚み
は約1μm程度であり、一方該高濃度層の厚みが約100
μmを越えた場合にはこの高濃度層の存在のためにAlN
焼結体の特徴である高熱伝導性が低下してしまうという
別の問題が生じてくる恐れがある。そこで、本発明では
該高濃度層の厚さを上記の如く1〜100μmの範囲内に
制限することにより、金属化面とAl焼結体との高い接合
強度を、AlN焼結体固有の特性を損うことなく確保する
ことを可能とした。
In any of the above cases, the Group IIIa element that constitutes the sintering aid and the oxygen bonded to it contributes greatly to the strong bonding between the metallized material and the AlN sintered body. It is clear that Thus, the presence of the high-concentration sintering aid layer on the surface of the AlN sintered body on the metallized side is extremely important, and its thickness is also a critical condition. That is,
The minimum thickness of the high-concentration layer required to achieve a strong bond is about 1 μm, while the thickness of the high-concentration layer is about 100 μm.
When the thickness exceeds μm, AlN is generated due to the existence of this high concentration layer.
Another problem is that the high thermal conductivity, which is a characteristic of the sintered body, may be reduced. Therefore, in the present invention, by limiting the thickness of the high-concentration layer within the range of 1 to 100 μm as described above, the high bonding strength between the metallized surface and the Al sintered body can be improved by the characteristics peculiar to the AlN sintered body. It has become possible to secure it without damaging.

かくして、接合強度の改善された本発明による金属化面
を有するAlN焼結体は、既に述べたIC基板例えば高耐圧I
C(HIC)、ヒートシンク等としてばかりでなく、金属と
AlN焼結体との複合材料が必要とされるあらゆる分野に
おいて有利に使用することができ、AlNの有する興味あ
る特性、即ち高熱伝導性、高電気絶縁性並びに高い機械
的強度を十分に発揮させることができる。
Thus, the AlN sintered body having the metallized surface according to the present invention with the improved bonding strength can be used for the above-mentioned IC substrate such as high withstand voltage I.
Not only as C (HIC), heat sink, etc., but also with metal
It can be advantageously used in all fields where a composite material with AlN sintered body is required, and sufficiently exhibits the interesting properties of AlN, that is, high thermal conductivity, high electrical insulation and high mechanical strength. be able to.

実施例 以下、実施例により本発明の金属化面を有するAlN焼結
体を更に具体的に説明すると共に、その奏する利点を明
らかにする。また製造例によってその製法を具体的に説
明する。しかしながら、本発明の範囲は以下の例によっ
て何等制限されない。
Example Hereinafter, an AlN sintered body having a metallized surface of the present invention will be described in more detail with reference to Examples, and the advantages achieved by the same will be clarified. Moreover, the manufacturing method will be specifically described with reference to manufacturing examples. However, the scope of the invention is not limited in any way by the following examples.

実施例1 添付第1図に、本発明に従う金属化面を有するAlN焼結
体の構成を模式的に示したが、図から明らかな如く、Al
N焼結体1と、金属化面2と、これらの間に介在するAlN
焼結体焼結助剤の高濃度層3とで構成される。ここで、
金属化面2は以下の製造例に示されるように様々なもの
であり得、その厚さは従来公知のこの種の製品における
一般的範囲内の値とすることができる。
Example 1 The attached FIG. 1 schematically shows the structure of an AlN sintered body having a metallized surface according to the present invention.
N sintered body 1, metallized surface 2, and AlN interposed between these
And a high-concentration layer 3 of a sintered body sintering aid. here,
The metallized surface 2 can be of various types, as will be shown in the production examples below, and its thickness can be within the general range for products of this type known in the art.

製造例1 助剤としてY2O3、CeO2およびGd2O3を5wt%添加した拡散
層(高濃度層)を有するAlN焼結体に、Au、Au−Pt、Ag
−Pdペーストを厚さ25〜30μm程度に塗布し、次いで大
気中にて850〜940℃で10分間焼付けを行い、金属化面を
有するAlN焼結体を形成した。かくして得た金属面上に
0.8mmφの軟銅線を半田付けして引張強度を求め、以下
の表にまとめた。尚、表面に拡散層を有しない均一に助
剤(5wt%)が分散した焼結体に同様にメタライズした
ものをも作製し、これについても上記同様に引張強度を
測定し比較例として併せて表に示した。
Production Example 1 Au, Au-Pt, Ag was added to an AlN sintered body having a diffusion layer (high concentration layer) to which 5 wt% Y 2 O 3 , CeO 2 and Gd 2 O 3 were added as auxiliary agents.
The Pd paste was applied to a thickness of about 25 to 30 μm and then baked in the air at 850 to 940 ° C. for 10 minutes to form an AlN sintered body having a metallized surface. On the metal surface thus obtained
Tensile strength was obtained by soldering 0.8 mmφ annealed copper wire and summarized in the table below. A metallized sintered body was also prepared in the same manner as the sintered body in which the auxiliary agent (5 wt%) was uniformly dispersed without having a diffusion layer on the surface. Shown in the table.

製造例2 助剤として夫々Y2O3、CeO2およびGd2O3を5wt%添加した
拡散層を有する3種のAlN焼結体に、W、Mo、Mo−Mnペ
ーストを厚さ28〜34μm程度に塗布し、弱還元雰囲気中
で、前者は1450〜1740℃、後者二者は1310〜1520℃で30
分間焼付を行い、金属面を有するAlN焼結体を形成し
た。かくして得た金属面上にNiメッキ後、0.8mmφの軟
銅線を半田付けして引張強度を求め、以下の表にまとめ
た。尚、表面に拡散層を有しない均一に助剤(5wt%)
が分散した焼結体に同様にメタライズしたものを作製
し、これらについても同様にして引張り強度を求め比較
例として併せて表に示した。
Production Example 2 W, Mo and Mo-Mn pastes were added to a thickness of 28 to 3 AlN sintered bodies each having a diffusion layer containing 5 wt% of Y 2 O 3 , CeO 2 and Gd 2 O 3 as auxiliary agents. It is applied to about 34 μm, and in the weak reducing atmosphere, the former is 1450 to 1740 ℃ and the latter two are 1310 to 1520 ℃ at 30 ℃.
After baking for minutes, an AlN sintered body having a metal surface was formed. After plating the thus-obtained metal surface with Ni, a 0.8 mmφ annealed copper wire was soldered to obtain the tensile strength, which is summarized in the following table. In addition, there is no diffusion layer on the surface, and the auxiliary agent is uniform (5 wt%).
Similarly, metallized sintered bodies were prepared, and tensile strengths of these sintered bodies were similarly determined and shown in the table as a comparative example.

製造例3 助剤としてY2O3、CeO2およびGd2O3を5wt%添加した拡散
層を有するAlN焼結体にCuペーストを厚さ10〜15μm程
度に塗布し、非酸化性雰囲気中950〜1050℃で、10分間
焼付を行い、金属化面を有するAlN焼結体を形成した。
この金属化面上に、0.8mmφの軟銅線を半田付けして引
張強度を求め、以下の表にまとめた。尚、表面に拡散層
を有しない均一に助剤(5wt%)が分散した焼結体に同
様にメタライズしたものを比較例として作製し、これら
比較例についても上記同様に引張強度を求め、結果を併
せて表に示した。
Production Example 3 A Cu paste was applied to an AlN sintered body having a diffusion layer containing Y 2 O 3 , CeO 2 and Gd 2 O 3 as an auxiliary agent in an amount of 5 wt% to a thickness of 10 to 15 μm in a non-oxidizing atmosphere. Baking was performed at 950 to 1050 ° C. for 10 minutes to form an AlN sintered body having a metallized surface.
On this metallized surface, 0.8 mmφ soft copper wire was soldered to obtain the tensile strength, which is summarized in the following table. In addition, a metallized sintered body in which an auxiliary agent (5 wt%) was uniformly dispersed without having a diffusion layer on the surface was prepared as a comparative example, and the tensile strength was obtained in the same manner as above for these comparative examples. Are also shown in the table.

製造例4 助剤として夫々Y2O3、CeO2およびGd2O3を5wt%添加し
た、拡散層を有する3種のAlN焼結体にイオンプレーテ
ィング法でTi/Mo/Ni、Ti/Mo/Au、Ti/Pt/Ni、Ti/Pt/Au、
Zr/Mo/Ni、Zr/Mo/Au、Zr/Pt/Ni、Zr/Pt/Au、Hf/Mo/Ni、
Hf/Mo/Au、Hf/Pt/Ni、Hf/Pt/Auを3層構造で積層した。
Ti、Zr、Hfの膜厚は0.4〜0.5μm、Mo、Ptの膜厚は0.3
〜0.5μm、Ni、Auの膜厚は2.0〜2.5μmとした。この
金属化面上に0.8mmφの軟銅線を半田付けして引張強度
を求め、以下の様にまとめた。尚、表面に拡散層を有し
ない、均一に助剤(5wt%)が分散した焼結体に同様に
メタライズしたものを比較例として作製し、これら比較
例についても上記同様に引張強度を求め、結果を併せて
表に示した。
Production Example 4 Three kinds of AlN sintered bodies having a diffusion layer, in which 5 wt% each of Y 2 O 3 , CeO 2 and Gd 2 O 3 were added as auxiliaries, were Ti / Mo / Ni, Ti / by the ion plating method. Mo / Au, Ti / Pt / Ni, Ti / Pt / Au,
Zr / Mo / Ni, Zr / Mo / Au, Zr / Pt / Ni, Zr / Pt / Au, Hf / Mo / Ni,
Hf / Mo / Au, Hf / Pt / Ni, and Hf / Pt / Au were laminated in a three-layer structure.
The thickness of Ti, Zr, and Hf is 0.4 to 0.5 μm, and the thickness of Mo and Pt is 0.3.
.About.0.5 .mu.m, and the film thickness of Ni and Au was 2.0 to 2.5 .mu.m. 0.8 mmφ annealed copper wire was soldered on this metallized surface to obtain the tensile strength, which was summarized as follows. In addition, a sintered body in which an auxiliary agent (5 wt%) was uniformly dispersed without having a diffusion layer on the surface was similarly prepared as a comparative example, and the tensile strength was determined in the same manner as above for these comparative examples. The results are also shown in the table.

(i)AlN(Y2O3:5wt%) a.拡散層の厚み(μm) 1 b.拡散層の厚み(μm) 10 c.拡散層の厚み(μm) 35 (ii)AlN(CeO2:5wt%) a.拡散層の厚み(μm) 1 b.拡散層の厚み(μm) 10 c.拡散層の厚み(μm) 35 (iii)AlN(Cd2O3:5wt%) a.拡散層の厚み(μm) 1 b.拡散層の厚み(μm) 10 c.拡散層の厚み(μm) 35 発明の効果 以上詳しく述べたように、本発明の金属化面を有するAl
N焼結体基板においては、AlN焼結体自体並びにその上に
適用される金属化材料のいずれに対しても化学的親和
性、即ち濡れ性が良好である焼結助剤の高濃度層を設け
たことにより、これら両者の接合強度が著しく改善さ
れ、しかも該高濃度層の厚さを所定の範囲内に限定する
ことによりAlN焼結体自体の固有の特性、即ち高い電気
絶縁性、熱伝導性並びに機械強度を十分に保持させ、か
つ発揮させることができる。
(I) AlN (Y 2 O 3 : 5wt%) a. Diffusion layer thickness (μm) 1 b. Diffusion layer thickness (μm) 10 c. Diffusion layer thickness (μm) 35 (Ii) AlN (CeO 2 : 5wt%) a. Diffusion layer thickness (μm) 1 b. Diffusion layer thickness (μm) 10 c. Diffusion layer thickness (μm) 35 (Iii) AlN (Cd 2 O 3 : 5wt%) a. Thickness of diffusion layer (μm) 1 b. Diffusion layer thickness (μm) 10 c. Diffusion layer thickness (μm) 35 Effect of the Invention As described in detail above, Al having a metallized surface of the present invention
In the N sintered body substrate, a high-concentration layer of a sintering aid that has good chemical affinity, that is, wettability, with respect to both the AlN sintered body itself and the metallized material applied on it. By providing them, the bonding strength between them is remarkably improved, and by limiting the thickness of the high-concentration layer within a predetermined range, the unique characteristics of the AlN sintered body itself, that is, high electrical insulation and heat The conductivity and the mechanical strength can be sufficiently maintained and exhibited.

更に、本発明において助剤として周期律表第IIIa族元素
の酸化物を選ぶことにより、この物質の高濃度層と厚膜
ペースト中のガラス成分もしくは金属と、あるいはまた
薄膜法によるTi、Zr、Hfの蒸着膜と強固に結合し、実用
化するのに十分な接合強度を持つ金属化AlN焼結体製品
を得ることができる。
Furthermore, in the present invention, by selecting an oxide of a Group IIIa element of the periodic table as an auxiliary agent, a high concentration layer of this substance and a glass component or metal in a thick film paste, or Ti by the thin film method, Zr, It is possible to obtain a metallized AlN sintered body product which is firmly bonded to the vapor deposition film of Hf and has a bonding strength sufficient for practical use.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

添付第1図は、本発明の金属化面を有するAlN焼結体の
構造を模式的に断面図で示したものである。 (主な参照番号) 1……AlN焼結体、2……金属化層、3……高濃度焼結
助剤層、
The attached FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of an AlN sintered body having a metallized surface according to the present invention. (Main reference numbers) 1 ... AlN sintered body, 2 ... metallized layer, 3 ... high-concentration sintering aid layer,

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−55179(JP,A) 特開 昭62−197373(JP,A) 特開 昭62−207789(JP,A)Continuation of front page (56) Reference JP-A-63-55179 (JP, A) JP-A-62-197373 (JP, A) JP-A-62-207789 (JP, A)

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】周期律表第IIIa族元素の酸化物からなる焼
結助剤を含む窒化アルミニウム焼結体基板と、該基板上
に形成された金属層とを備える金属化面を有する窒化ア
ルミニウム焼結体において、 該焼結助剤が、該金属層が付着した面に向かって濃度が
高くなるように該基板内で分布していることを特徴とす
る窒化アルミニウム焼結体。
1. An aluminum nitride having a metallized surface including an aluminum nitride sintered body substrate containing a sintering aid made of an oxide of a group IIIa element of the periodic table, and a metal layer formed on the substrate. In the sintered body, the sintering aid is distributed in the substrate so that the concentration increases toward the surface to which the metal layer is attached, the aluminum nitride sintered body.
【請求項2】前記基板内で、前記窒化アルミニウム焼結
体に対する前記焼結助剤の濃度が20重量%以上の層が、
1〜100μmの範囲内の厚さを有することを特徴とする
特許請求の範囲第1項に記載の金属化面を有する窒化ア
ルミニウム焼結体。
2. A layer in the substrate, wherein the concentration of the sintering aid with respect to the aluminum nitride sintered body is 20% by weight or more,
The aluminum nitride sintered body having a metallized surface according to claim 1, having a thickness within a range of 1 to 100 µm.
【請求項3】前記第IIIa族元素がイットリウム、セリウ
ム、ガドリニウム、ユーロピウム、サマリウム、ホロニ
ウムまたはイッテルビウムであることを特徴とする特許
請求の範囲第1項または第2項に記載の金属化面を有す
る窒化アルミニウム焼結体。
3. The metallized surface according to claim 1 or 2, wherein the Group IIIa element is yttrium, cerium, gadolinium, europium, samarium, holonium or ytterbium. Aluminum nitride sintered body.
【請求項4】前記焼結助剤の分布が、焼結前は基板材料
中に均一に分散されていた焼結助剤が、焼結の際に液相
になり毛管現象によって焼結体内で拡散して形成された
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第1項から
第3項までの何れか1項に記載の金属化面を有する窒化
アルミニウム焼結体。
4. The distribution of the sintering aid is such that the sintering aid, which had been uniformly dispersed in the substrate material before the sintering, becomes a liquid phase during the sintering to cause a capillary phenomenon in the sintered body. The aluminum nitride sintered body having a metallized surface according to any one of claims 1 to 3, which is formed by diffusing.
【請求項5】前記金属層が、Ag、Au、PtおよびPdからな
る群から選ばれた少なくとも1種の金属により形成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第1項から第4
項までの何れか1項に記載の金属化面を有する窒化アル
ミニウム焼結体。
5. The metal layer is formed of at least one kind of metal selected from the group consisting of Ag, Au, Pt and Pd.
An aluminum nitride sintered body having the metallized surface according to any one of items 1 to 7.
【請求項6】前記金属層がMo、Mo−Mn、CuあるいはWに
より形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
1項から第4項までの何れか1項に記載の金属化面を有
する窒化アルミニウム焼結体。
6. The metallization according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal layer is formed of Mo, Mo-Mn, Cu or W. Aluminum nitride sintered body having a surface.
【請求項7】前記金属層が、前記窒化アルミニウム焼結
体の表面側から(第IVa族の元素)/(MoまたはPt)/
(NiまたはAu)の順に設けられた三層構造を有するもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項から第4
項までの何れか1項に記載の金属化面を有する窒化アル
ミニウム焼結体。
7. The metal layer is (element of group IVa) / (Mo or Pt) / from the surface side of the aluminum nitride sintered body.
Claims 1 to 4 having a three-layer structure in which (Ni or Au) are provided in this order.
An aluminum nitride sintered body having the metallized surface according to any one of items 1 to 7.
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KR101693010B1 (en) * 2016-04-26 2017-01-06 (주)씨엠코리아 Method of manufacturing aluminum nitride basic material being formed diffusioin layer and aluminum nitride basic material thereof

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