JPH07507973A - 窒化アルミニウムの薄膜金属化及びロウ付け - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 窒化アルミニウムの薄膜金属化及びロウ付は関連出願の相互参照 本件出願は、１９９２年５月１２日に出願された共同未決米国特許出願第０７／ ８８１．９２６号の一部継続出願である。

発明の分野 本発明は一般に低い熱膨張率及び高い熱伝導率の性質を存する窒化アルミニウム セラミックの金属化に関する。更に詳しくは、本発明は窒化アルミニウム基板上 に形成された金属化構造及び窒化アルミニウム基板上の金属化構造の製造方法に 関する。

発明の背景 セラミック基板は電気回路用の基板として、また最近、混成集積回路用の基板と して広く使用されている。混成集積回路を製造する際に、集積回路チップ及びそ の他の金属部材、例えば、ボンディングワイヤをロウ付け（ｂｒａｚｉｎｇ）ま たはノ１ンダ付けによりセラミック基板に取り付けることが必要である。しかし ながら、これらの部材はセラミック基板に直接結合し得ない。それ故、最初に導 電性金属化層をセラミック基板上に形成し、次いで金属部材を金属化層に結合す ることが一般に実施されている。

窒化アルミニウム（ＡＩＮ）基板は、その高い熱伝導率、優れた熱散逸及び電気 絶縁性のために、混成集積回路の如き電子パッケージ用の基板として使用されて いた。ＡＩＮはＡＩＮの改良された熱散逸能のためにアルミナ（ＡＩｙＯｓ）に 代えて使用され、またＡＩＮと違って、ＢｅＯか毒性であり、こうして、取扱い 難いためにベリリア（Ｂｅのに代えて使用される。

電気基板が使用される場合、その基板は通常金属層と接合され、その結果、導電 性金属化構造がＡＩＮ基板の表面に形成される。ＡＩＮにつき通常、この金属化 層てあった。

しかしながら、このＡＩＮの金属化方法は、特に、そのパッケージが続いて高温 で処理される場合に、良く接着された金属化層を生じない。ワイヤまたは半導体 素子が高温で金属化層にロウ付けされる場合、金属化層と＾ＩＮ基板の間の接着 強さが大きく低下８ｔｃ　金属化層がワイヤまたは半導体素子と共に最終的にＡ ＩＮ基板から剥離し得る。ＤＢＣ法に関連する問題のために、ＡＩＮ基板の金属 化が幾つかのその他の方法で試みられていた。

米国特許第３．７１６．７５９号明細書は、真空中で耐火金属、例えば、クロム 、タングステン、またはモリブデンの薄層、続いてニッケルの薄層、これに続い て順に銀の薄層を付着することにより接点金属化を与える、窒化アルミニウムボ ディと半導体結晶と共に使用するための結合系を開示している。次いで、鉛及び ヒートシンクだけでなく、接点金属化に直接結合する銀と合金化し得る通常の軟 質ハンダが使用される。

米国特許第４．７６１．３４５号明細書は、窒化チタン（ＴｉＮ）と、勤、Ｗ、 　Ｔａ、周期律表のｌ１ｌａ族、１１１ｂ族、及びｌＶｂ族の元素、希土類元素 並びにアクチニド元素からなる群から選ばれた少なくとも一種とを含む金属化層 を有する窒化アルミニウム基板を開示している。その金属化層は、金属化組成物 の夫々の元素の粉末をバインダー中に分散させてペーストを生成し、そのペース トを浸漬または被覆、続いて加熱によるか焼によりＡＩＮ焼結基板の表面に付着 することにより形成される。

得られる金属化層は、例えば、Ｗ−ＴｉＮを含んでいてもよい。次いでニッケル の保護層が金属化層に無電解メッキまたは電解メッキし得る。

米国特許第４．　ｎｏ、　９５３号明細書は、第一群に属する導電性元素と、第 二群に属する元素とを含むペーストまたは液体を同時焼結することにより形成さ れた金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体を開示している。第一群の導電性 元素は、中でも、タングステンまたはモリブデンであってもよく、また第二群の 元素は、中でも、チタン、ハフニウム、またはジルコニウムであってもよい。チ タンが第二群の元素である場合、チタンはＴｉＮとして金属化層中に存在する。

米国特許第４．８７３．１５１号明細書は、＾ＩＮ基板上に形成された金属化層 によりＡＩＮ基板に結合された導電性材料を有する窒化アルミニウム基板を開示 している。その金属化層は、＾ｔｏ、　ＷＳＴａから選ばれた少なくとも一種の 元素と、Ｉｌｂ族元素、ｌ１ｌａ族元素、ｌ１ｌｂ族元素及びＩＶｂ族元素、並 びに希土類元素から選ばれた少なくとも一種の元素とを含む。この金属化層が形 成される方法は、開示されていない。

金属化層に結合される導電性材料は、２　ｘ　１０−’〜６　ｘ　１０−＠／　 ”Ｃの熱膨張係数を有する。この熱膨張係数の範囲が金属化ＡＩＮの有用性を制 限する。何となれば、電気回路に典型的な導電性材料はＣｕ、　Ａｇ、　Ａｕで あり、また典型的なリードフレーム材料がｒｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を含むからであ る。これらの材料は６　ｘ　１０”／　”Ｃより実質的に高い熱膨張係数を有す る。

米国特許第４．８７６．１１９号明細書は、金属蒸気を基板の表面と接触させる ことによる窒化物セラミック基板の被覆方法を開示している。その金属蒸気は窒 化物セラミック基板中に存在する元素と反応して基板表面に金属化層を形成する 。例えば、Ｔｉ蒸気が窒化アルミニウム基板の表面と接触させられる場合、Ｔｉ Ｎの層か基板の表面上に形成することか開示されている。

米国特許第４．９８０゜２３９号明細書は、ＡＩＮ基板上に形成されたＡｌＴｉ Ｎの中間層、その中間層の上に形成されたＴｉ層、そのＴｉ層の上に形成された ＷまたはＭＯの耐熱性金属層及びハンダ付けまたはロウ付けのための耐熱性金属 層の上に形成されたＮｉ０層を含むＡＩＮのための金属化構造を開示している。

その耐熱性金属層はＴｉ層とＮｉ層の間の内部拡散を防止することが開示されて いる。

米国特許第５．０６３．１２１号明細書は、最初にイツトリア及びアルミナの化 合物を含むペーストを基板に被覆し、続いてＭＯまたはＷ、　Ｔｉｅｓ及びバイ ンダーの金属化ペーストをイツトリア及びアルミナ被覆物の上に被覆することに より形成された金属化層を育する金属（ＵＩＮ基板を開示している。次いでその 被覆基板か焼成されてＡＩＮ基板の上にＴｉＮ及１０またはＷの金属化層を形成 する。

幾つかの方法がＡＩＮを金属化するのに提案されていたが、これらの方法の殆ど が金属に対する強いセラミック接着を有する延性金属化構造を生じない。延性は 重要な性質である。何となれば、金属化構造は製造及び電子パッケージの操作中 の熱サイクルまたは機械的振動により生じた応力に耐えることができなければな らないからである。ＴｉＮ（これは殆との金属化方法に使用される）は脆い化合 物であり、しかも金属化構造中のその存在が金属／セラミック界面の破壊エネル ギーを低下し、こうして、金属／セラミック界面が応力を受ける場合に突発的破 損をもたらし得る。

更に、金属／セラミック界面は、水素による脆化に対し抵抗性である必要がある 。水素は電子パッケージの種々の操作、例えば、ロウ付は及びアニーリングに使 用される。加えて、水素は電気分解の副生物である。Ｔｉ金属を含む金属化構造 は水素脆化に対し抵抗性ではない。

従って、本発明の目的は、窒化アルミニウムセラミック用の接着性金属化構造を 提供することである。本発明の別の目的は、水素による脆化に対し抵抗性である ＡＩＮセラミック用の金属化構造を提供することである。更に別の目的は、電子 パッケージの製造及び操作に関連する応力に耐えるのに充分に延性である金属化 構造を提供することである。

発明の要約 本発明は、ＡＩＮセラミックに良く接着され、水素による脆化に対し抵抗性であ り、しかも電子パッケージの製造及び操作により生じた応力に耐えるのに充分に 延性であるＡＩＮセラミック用の金属化構造を達成する。

本発明の窒化アルミニウム金属化構造は、ＡＩＮ焼結体を含む基板と、その焼結 体の上に付着された第一層及び第一層の上に付着された第二層を含む基板の上に 形成された金属化構造とを含む。第一層は、原子％に基く一般式％式％ （式中、ＸはＴｉ、　Ｚｒ、　Ｈｆ、及び希土類元素からなる群から選ばれた少 なくとも一種の員てあり、ＺはＭＯｌＷ、　Ｃｒ、Ｎｂ、　Ｖ及１ａからなる群 から選ばれた少なくとも一種であり、かつ１０＜ｘ＜６０原子％）を有する合金 を含む。第二層はＡｕ、　Ｃｏ、Ｃｕ、　Ｎｉ、及ｒＪＦｅからなる群から選ば れた少なくとも一種を含む。

更に、本発明は、ＡＩＮ焼結体を含む窒化アルミニウム基板と、Ａｕ、　Ｃｏ、 　Ｃｕ、　Ｎｉ、及びＦｅからなる群から選ばれた少なくとも一種；Ｔｉ、Ｚｒ 、Ｈｆ、及び希土類元素からなる群から選ばれた少なくとも一種：ＭＯ１Ｗ１Ｃ ｒＳＮｂ、　Ｖ及ｍａからなる群から選ばれた少なくとも一種；並びにＴｉ、　 ２ｒ、Ｈｆ、及び希土類元素からなる群から選ばれた元素の窒化物またはアルミ ニド（ａｌｍｉｎｉｄｅｓ）約１％未満を含み、室温で５％より大きい伸びを有 する基板に結合された金属合金とを含む。

また、本発明は、金属合金構造により窒化アルミニウム基板に結合されたリード フレームを存する窒化アルミニウム基板を含み、前記金属合金構造は１）８０重 量％より多い銀及び銅、 ｉｉ）　２重量％未満のＴｉ、　Ｚｒ、　ｌ（ｆ、及び希土類元素の少なくとも 一種から選ばれた元素、 ｉｉｉ）Ｍｏ、Ｗ、　Ｃｒ、　Ｎｂ、　Ｖ、及びＴａから選ばれた少なくとも一 種の元素を含む。

その金属合金構造はＡｕ、　Ｃｏ、　Ｎｉ、及びＦｅから選ばれた少なくとも一 種の元素を更に含んでいてもよい。

図面の簡単な説明 図１は、ロウ付は前の本発明の窒化アルミニウム金属化構造の断面図である。

図２は、ロウ付は前の付加的な延性層を含む本発明の窒化アルミニウム金属化構 造の断面図である。

図３は、ロウ付は後の、付着されたリードフレームを含む本発明の窒化アルミニ ウム金属化構造の断面図である。

図４は、ロウ付は後の、付着されたリードフレームを含む本発明の窒化アルミニ ウム金属化構造の更に別の実施態様の断面図である。

発明の詳細な説明 本発明の好ましい実施態様の説明が、図１〜３を参照して示される。図１を参照 して、本発明の好ましい実施態様は、窒化アルミニウムセラミック基板１１．　 ＡＩＮ基板１１の上に形成された第一薄膜層ｌ＆及び第一薄膜層！２の上に形成 された第二薄１！！Ｉ１３を含む。

ＡＩＮセラミック基板ＩＩは、＾！Ｎ粉末を成形して所望の形状を有するボディ を得る工程、次いで成形ＡＩＮボディを焼結する工程を含む通常の方法により製 造し得る。焼結ＡＩＮ　Ｉ板は、例えば、ニューヨーク、ナイアガラ・フォール ズにあるカーポランダム社（Ｔｈｅ　Ｃａｒｂｏｒｕｎｄｕｍ　Ｃｏｍｐａｎｙ ）から市販されている。

第一薄膜層１２が形成される前に、ＡＩＮ基板１１の表面がエタノールまたはメ タノールの如き溶剤による洗浄、続いて空気乾燥により清浄される。第一薄膜層 １２は、好ましくは１００〜５０００人の範囲、更に好ましくは２５０〜１５０ ０人の範囲の厚さを有する。第一薄膜ｉｉｉ１２の付着中のＡＩＮセラミック基 板１１の温度は約２５〜４００°Ｃの範囲内に設定される。

第一薄膜層１２は、化学蒸着または物理蒸着、例えば、スパッタリングまたは真 空蒸発によりＡＩＮセラミック基板Ｉｆの上に形成される。第一薄膜層１２は、 原子％に基く一般式Ｘ、Ｚ、。。−Ｎ　（式中、ＸはＴｉ、　Ｚｒ５Ｈｆ、希土 類元素からなる群から選ばれた少なくとも一種の金属であり、ＺはＭＯｌＷ、　 Ｃｒ、　Ｎｂ、　Ｖ、　Ｔａからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属であ り、かつ１０＜　ｘ　＜６０）を有する合金を含む。第一薄膜層１２が式Ｘ、Ｚ 、。。−１中のＸ成分としてＨｆまたはＺｒを含む場合、１０＜ｘ＜３０原子％ であることが好ましい。

次に、図１に示されるように、第二薄膜層１３は、スパッタリングの如き通常の 方法により第一薄膜層１２の上に形成される。第二薄膜層１３はＡｕ、　Ｃｏ、 　Ｃｕ、　Ｎｉ、及びＦｅからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属を含み 、かつ約１−ｔＯミクロンの厚さである。第二薄膜層１３はＮｉとＣｕの合金を 含むことが好ましい。第二薄膜層１３はＮｉとＣｕの合金（この場合、Ｃｕ含量 は約４０〜９０原子％の範囲内にある）を含むことが更に好ましい。第二薄膜層 １３は、ハンダ付けまたはロウ付けによる金属化構造１０への金属質の如き員の 結合を可能にする。

第一薄膜！ｌ１１２及び第二薄膜層１３の付着後に、鮮明な界面が金属層とＡＩ Ｎセラミック基板１１の間に観察される。また、第一薄膜層１２と第二薄膜層１ ３の間に鮮明な界面が観察される。こうして、薄膜金属層の間または第一薄膜金 属層とＡＩＮセラミック基板の間の反応または混合が熱処理の前に観察されなか った。

本発明が、その実施例により詳しく説明される。

実施例１ 測定すると２″ｘ２′であり、かつ５ミルの厚さを有する焼結ＡＩＮ基板をエタ ノール中で超音波洗浄し、空気中で約３５０℃で乾燥させた。ＴｉｕＷｙ＋の薄 膜層をＤＣマグネトロンスパッタリングにより基板に付着した。Ａｒスパッター ガス（３ミクロンの圧力）を使用して付着を低温ポンプ吸引室（５Ｘ　１０−” 　）ルの底面圧〉中で行った。付着の速度は３００人／分であり、室内の温度は ５０〜１００℃の範囲であった。得られるＴ！ｕＷｎ薄膜層の厚さは約０．５ミ クロンであった。

Ｔｉ＊Ｊ、＋の第一薄膜層を付着した後、Ｎｉの薄膜層をマグネトロンスパッタ リングにより付着した。Ｎｉ層の厚さは約Ｘ、Ｏミクロンであった。

実施例２〜９及び比較例ａ−ｆ 実施例２〜９及び比較例ａ　−ｆの金属化構造を、第一薄膜層の組成を変化させ た以外は、実質的に実施例１に従って調製した。約１．０μｍの厚さを有するＮ ｉの第二薄膜層をマグネトロンスパッタリングにより第一薄膜層に付着した。表 １は実施例２〜９及び比較例ａ−ｆの組成を示す。

金属化構造２＋　（これは第一薄膜層１２及び第二薄膜層１３を含む）の接着強 さを剥離試験で測定した。その試験は、ワイヤを第二薄膜層１３にハンダ付けし 、ワイヤを９０’の角度て曲げ、次いでワイヤを基板の面に垂直の方向に引っ張 ることからなる。

接着強さを測定し、１００°Ｃで２４時間の水素ガスへの暴露の前後に本発明の 構造の種々の試料につき比較した。この水素ガスへの暴露は、ＡＩＮ基板の加工 中に起こり得る破損モードの一つを模擬する。例えば、ロウ付けの如き操作は水 素を含む雰囲気中で高温で行われる。その他に、水素はＮｉ及びＣｕの如き金属 の電気分解中に発生し得る。表■は実施例１〜９及び比較例ａ−ｆに関する剥離 試験の結果を示す。

第一薄膜層　水素暴露前の　水素暴露後のＩ　Ｗ−２９Ｔｉ　＞１２．０　＞１ ２．０２　Ｗ−４０Ｔｉ　＞１２．０　＞１２．０３　Ｗ−４８Ｔｉ　＞１２． ０　＞１２．０４　Ｍｏ−３０Ｔｉ　＞１２．０　＞１２．０５　Ｃｒ−４０Ｔ ｉ　＞１４．０　＞１３．０６　Ｗ−２０Ｙ　＞１２．０　試験せず７　Ｗ−３ ２２ｒ　＞１４．０　＞１４．０８　Ｔａ−２５Ｙ　＞１３．０　試験せず９　 Ｃｒ−１０ＭｏＣｒ−１Ｏ＞１２．０　＞１２．０比較例 ａ　Ｃｒ　５．６　４．８ ｂ　Ｍｏ　２．０　２．５ ｃ　Ｗ　３．５　３．５ ｄ　Ｔｉ　＞１２．０　０．Ｏ ｅ　Ｗ−９原子％Ｔｉ　４．０　３．５ｆ　Ｗ−８０原子％Ｔｉ　＞１３．０　 ７．５本発明者らは、第一薄膜層がｌＯ〜６０原子％のＴｉを有するＴｉ−Ｗ合 金を含む場合に、剥離試験値か水素への暴露後に１２ボンドの力より大きいまま であることを観察した。Ｔｉ含量か６０原子％を越える場合（例ｄ及びｆ）に観 察された接着強さの低下は得られるＴｉ−Ｗ合金の水素脆化の結果であり得る。

Ｃｒ、　Ｍｏ及びＷの元素状の膜は、表■、例ａ−Ｃにより示されるようにＡＩ Ｎ基板に対し不十分な接着を示した。この不十分な接着はＡＩＮ基板に対するこ れらの金属の不十分な化学結合の結果であり得る。また、ＡＩＮ　＆ｔｉ表面か らの不純物、例えば、酸素、炭素、または水が金Ｉｉ／ＡＩＮ界面で成長してい る膜に混入され、それによりそれを脆くし、またＡＩＮ基板に対し不十分に接着 させることが可能である。

＾ＩＮセラミック基体上にパターン化された金属化層を得ることが可能である。

例えば、薄膜１１１２及び薄１１１１１３がＡＩＮセラミック基体ｌｌ上に形成 された後に、ＡＩＮ金属化構造１０が通常のパターン化方法（この場合、フッ化 水素酸と硝酸の混合酸を含むエツチング液が使用される）にかけられる。

第−薄１１層１２の付着後に、薄膜層１２は実質的に体心立方結晶構造を有する ことが好ましい。上記の合金の多くに関して、これは非平衡構造である。しかし ながら、それは主題合金の最も延性かつ追従性（ｃｏｍｐｌ　１ａｎｔ）の形態 であり、それ故、本発明の目的に最も望ましいものである。ＣｒｔＴ＋及びＣｒ ＊Ｔａの如き脆い金属間化合物が避けられることが好ましい。金属化構造が、ロ ウ付けの場合のように５００°Ｃより高い温度に暴露されるような適用において 、第一薄膜層１２の延性が高温への暴露後に持続することが重要である。

第二薄膜１ｔ１３は、酸素及び炭素の如き脆化剤を比較的台まないことに加えて 、延性であることが好ましい。図２に示されるように、付加的な任意の層である 延性層１４が、ロウ付けの前に薄膜層１３に付着される。延性層１４は、Ｎｉ５ Ｃｏ、Ｃｕ、　Ａｕ及びこれらの合金からなる群から選ばれる。延性層１４は電 解付着されたＮｉを含むことが好ましい。

ロウ付は中に、第一薄膜層１２が第二薄膜層１３と反応して、図３に示されるよ うな金属合金構造１５を形成する。金属合金構造１５は第一薄膜層１２及び第二 薄膜層１３並びに延性１１１４　（存在する場合）の金属の合金を含む。金属合 金構造１５が信頼できる性能に充分な延性を有することを確実にするために、第 二薄膜層１３を構成する金属の過剰をロウ付は前に延性層１４の付加により金属 構造に添加し得る。信頼できる性能のために、金属構造１５は破断点で５％より 大きい伸びを存することが好ましく、室温で１５％より大きい伸びを有すること が更に好ましい。これを達成するために、組み合わされた薄膜層１３と延性層１ ４の厚さが、薄膜層Ｉ２の厚さよりも少なくとも５倍大きいものであるべきであ る。換言すれば、金属合金のうちの約８０原子％より多くが、Ｎｉ５Ｃｕ、　Ｃ ｏ、Ｆｅ及びＡｕからなる群の少なくとも一員を含む。

第二薄膜１ｉ１３の組成物及びロウ付は組成物が使用されるロウ付は条件下で金 属合金を生成する場合、ロウ付は操作後に、層１５は薄膜層１２及び１３（そし て必要により延性層１４）の元素並びにロウ付は剤（ｂｒａｚｅ）中の元素を含 むであろう。

例えば、本発明の金属化系において、第二薄膜層１３が１０重量％より大きい銅 を有するニッケルー銅合金であり、また使用されるロウ付は剤が５０重量％より 多い銀及び約５ミクロン以上の厚さを有する銀−鋼ロウ付は剤である場合、ロウ 付は後に、層１５は １）８０重量％より多くの銀及び銅； ■）２重量％未満のＴｉ、　Ｚｒ、Ｈｆ、及び希土類元素から選ばれた元素：山 ）２重量％未満のＭＯｌＷ、　Ｃｒ、　Ｎｂ、　Ｖ、及びＴａからなる群から選 ばれた元素：ｉＶ）　２０重量％未満のＮｉ。

ｖ）　１重量％未満（存在する場合）のＴｉ５Ｚｒ、　Ｈｆまたは希土類元素の 窒化物またはアルミニドを含み、かつ室温で５％より大きい伸びを有する基板に 結合された合金構造であろう。

また、ロウ付は前の第二薄膜層はＡｕ、　Ｃｏ、Ｃｕ、　Ｆｅ及Ｖｉから選ばれ た少なくとも一種の元素を含んでいてもよく、その時にはこれらの元素は金属合 金構造１５中てロウ付は後に現れ得る。

金属合金構造１５（その構造はロウ付は後に形成される）の接着強さを、上記の 剥離試験に従って測定した。表ＩＩは、本発明の異なる実施Ｌ！Ｉｔｌだけでな く比較例に関する剥離試験の結果を示す。

表ＩＫ 第一層の　第二層の　ロウ付は後の 実施例　組成　組成　接着（ボンド） １０　Ｗ−２９原子％のＴｉ　Ｎｉ　＞１２．０１１　Ｗ−４０原子％のＴｉ　 Ｎｉ　＞１４．０１２　Ｗ−４０原子％のＴｉ　Ｎｉ−５０原子％のＣｕ　＞１ ８．０１３　Ｗ−５０原子％のＴｉ　Ｃｕ　＞１６．０１４　闘０−３０原子％ のＴｉ　Ｎｉ　＞１２．０＋５　Ｃｒ−４０原子％のＴｉ　Ｎｉ−７０原子％の Ｃｕ　＞２１．０比較例 ｇ　Ｗ　Ｎｉ　＜１．０ ｈ　Ｍｏ　Ｎｉ　＜１．０ ｉ　Ｃｒ　Ｎｉ　＜１、Ｏ ｊ　Ｗ−１０原子％のＴｉ　Ｎｉ　４．８実施例１０〜１５及び比較例ｇ−ｊを 、第二薄膜層の厚さが２．５ミクロンであった以外は、実質的に実施例１に従っ て調製した。加えて、実施例１２．１３及び１５の第二薄膜層は銅を含む。

実施例１０〜Ｉ５及びｇ−ｊの金属化構造を接着試験のために銅パッドにロウ付 けした。金属化基板に炉中で金属化基板の上に置かれた５ミクロンの厚さのＡｇ −２７Ｃｕ（重量％）ロウ付はプレフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍｓ）、続いて金属 化基板の上に置かれた１ｍの厚さの銅パッドを取り付けた。ロウ付けをＡｒまた はＨ７雰囲気中で８２５℃で５分間行い、続いて約２０分間の期間にわたって室 温に冷却した。その他の好適なロウ付は剤はＡｇ、　Ｎｉ５Ｃｕ及びＡｕをベー スとするロウ付は剤、例えば、Ａｕ−２０Ｇｅ　１Ｎｉ−５８ＳＡｇ−２５Ｃｕ −５Ｓｎ及びＡｇ−５ＡＩを含む。

比較例ｇ−１のＣｒ、　Ｍｏ及びＷの元素状の膜は、ロウ付は後に許容し得ない 程不十分な接着を示す。ロウ付は後の優れた接着が、本発明の材料、実施例１０ 〜！５につき観察された。金ＩＥ／ＡＩＮ界面の強さを金＠／ＡＩＮ結合の破壊 エネルギーにより測定する。試験後の実施例１Ｏ〜１５に関する破壊機構は、金 属／ＡＩＮ界面付近のＡＩＮセラミックの破壊であった。これは、界面の金属／ ＡＩＮ結合が実際にＡＩＮセラミックよりも強く、こうして金＠／ＡＩＮ結合に 有益な最大の強さに相当することを示す。

この優れた結合強さは、第一薄膜層において式Ｘ、Ｚ、。、−１中のＸの含量を 表すＸの値が約３０原子％より大きい組成物につき最も明らかである。

表１１の実施例のロウ付は及び試験後に、実施例の幾つかを走査オージェマイク ロプローブを使用して微小構造分析した。この試験は、ロウ付は部分の研磨断面 だけでなく金属化表面からＡＩＮ表面の下までの深さプロフィールの両方を含ん でいた。実施例１０〜１５において、同様の微小構造を観察した。第一層及び第 二層は広範囲にわたって反応して第二層成分に富む金属合金を生成していたこと がわかった。酸素及び炭素の如き間隙原子が界面で低レベルに減少さね、更に重 要なことに、Ｘ、Ｚ、。。−１第一層合金のＸ成分と優先的に反応して分散され た酸化物または炭化物を生成した。

界面付近で、Ｘ線光電子分光法は金属Ｘ成分元素または部分酸化されたＸ成分元 素の存在を示し、一方、その他の成分は完全に金属状態である。これは金属化中 に得られる金属相の延性を確保する。脆い化合物は観察されず、また金属化成分 とＡＩＮセラミックの反応は実質的に検出し得なかった。金属合金の約１％未満 は第一層合金のＸ化合物の窒化物またはアルミニド、おそらく金属化成分とＡＩ Ｎの反応の生成物からなっていた。第一層及び第二層の組成並びにそれらの相対 的な厚さの選択により確立されたこの構造が、これらの材料の優れた性能を決定 する。

本発明に基く、ロウ付けまたは５００℃より高いその他の高温暴露後のＡＩＮ界 面付近の金属合金の所望の微小構造は、第一層及び第二層の成分の金属相からな り、この場合、ｌＯ容量％未満は金属間化合物、例えば、Ｃｒ山またはＮｉＴｉ であり、また第一層合金のＸ成分の初期の量の少なくとも５％はＸ線光電子分光 法により測定されるように金属状態である。更に、金属合金の約１容量％未満は 、脆い化合物、例えば、ＴｉＮ及びＮｉ−Ａｌ−酸化物からなり、また２、５原 子％未膚の酸素が金属合金中の固溶体中に残っている。加えて、脆化剤、例えば 、酸素、炭素、及び窒素の大半は、金属合金中の不連続の分散粒子の形態で第一 層合金のＸ成分と会合されている。得られた金属化は、破断点で５％より大きく 、好ましい１５％より大きい伸び（室温にて）を有する。

ロウ付けされ、金属化されたＡＩＮ基板を調べるために、焼結ＡＩＮ基板に２０ 重量％のチタン及び８０重量％のタングステンの薄膜層２／ｌＯミクロンをスパ ッタリングし、続いて６０重量％の銅及び４０重量％のニッケルの別個の２ミク ロンの層を付着した。

基板をスパッタリング中に激しく加熱せず、そしてその構造が受けた最高温度は 付着のエネルギーのために約２００℃であった。スパッタリングプロセス中にＴ ｉもしくはＷと基板の成分との間、またはＣｕもしくはＮｉとＴｉもしくはＷの 間に反応は検出されなかった。

銅クラツドリードフレームを７８０℃〜９００℃でＡｇ−２７重量％のＣｕの５ ミクロンのロウ付は組成物で金属化基板にロウ付けした。得られる金属合金構造 は重量％でＡｇ６６−Ｃｕ２９−Ｎｉ４−Ｔｉｅ、　０３−Ｎｏ、　１の平均組 成を有していた。

金属合金構造４１は、図４に示されるように、３種の組成領域を有していた。窒 化アルミニウム基板４０において、基板２１に隣接する領域ｎ及びリードフレー ム５に隣接する領ｔｈ！２３は銅に富み、また領域２４は銀に富んでいた。銅ク ラツディングをロウ付はプロセス中で消費して、ロウ付は剤に更に大きな容積を 与えた。

以上の実施例は、本発明を限定することを目的とするものではない（その範囲は 明細書及び請求の範囲により特定される）が、むしろ、当業者がここに特定され た本発明を明らかに理解することを助けるために示される。

ＦＩＧ、　Ｉ ＦｊＧ、２ ＦＩＧ、３ フロントページの続き （８１）指定回　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＰＴ、ＳＥ） 、ＣＡ、ＪＰ、ＫＲ

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. １．窒化アルミニウム焼結体を含む基板と、ｉ）前記焼結体の上に付着された第 一層であって、一般式ＸｘＺ１００−ｘ （式中、ＸはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、及び希土類元素からなる群から選ばれた少なく とも一種であり、ＺはＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ及びＴａからなる群から選ばれ た少なくとも一種であり、かつ１０＜ｘ＜６０原子％である）を有する合金を含 む前記第一層、及び（ｉｉ）前記第一層の上に付着されたＡｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎ ｉ、及びＦｅの少なくとも一種を含む第二層を含む前記基板の上に形成された金 属化構造とを含むことを特徴とする窒化アルミニウム基板。
2. ２．ＸがＴｉを含む請求の範囲第１項に記載の窒化アルミニウム基板。
3. ３．ＸがＺｒ及びＨｆからなる群から選ばれた一種を含み、かつ１０＜ｘ＜３０ 原子％である請求の範囲第１項に記載の窒化アルミニウム基板。
4. ４．ＺがＷを含む請求の範囲第１項に記載の窒化アルミニウム基板。
5. ５．ＺがＷを含む請求の範囲第２項に記載の窒化アルミニウム基板。
6. ６．ＺがＭｏを含む請求の範囲第２項に記載の窒化アルミニウム基板。
7. ７．ＺがＣｒを含む請求の範囲第２項に記載の窒化アルミニウム基板。
8. ８．ＸがＺｒを含む請求の範囲第４項に記載の窒化アルミニウム基板。
9. ９．前記第一層の厚さが約０．０１〜約０．５μｍの範囲である請求の範囲第１ 項に記載の窒化アルミニウム基板。
10. １０．前記第二層の厚さが約１〜約１０μｍの範囲である請求の範囲第１項に記 載の窒化アルミニウム基板。
11. １１．前記第二層がＮｉ及びＣｕを含む請求の範囲第１項に記載の窒化アルミニ ウム基板。
12. １２．前記第二層の上に付着されたＮｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｕ、及びこれらの合金 からなる群から選ばれた第三層を更に含む請求の範囲第１項に記載の窒化アルミ ニウム基板。
13. １３．前記第三層が前記第二層の上に電解付着されている請求の範囲第１１項に 記載の窒化アルミニウム基板。
14. １４．前記第一層の構造が実費的に体心立方である請求の範囲第１項に記載の窒 化アルミニウム基板。
15. １５．窒化アルミニウム焼結体を含む基板と、ｉ）Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、及 びＡｕからなる群から選ばれた少なくとも一種である第一成分； ｉｉ）Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、及び希土類元素からなる群から選ばれた少なくとも一 種である第二成分； ｉｉｉ）Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ及びＴａからなる群から選ばれた少なくとも 一種である第三成分；並びに ｉｖ）前記第二成分の窒化物またはアルミニド約１％未満を含み、かつ室温で５ ％より大きい伸びを有する前記基板に結合された金属合金とを含むことを特徴と する窒化アルミニウム基板。
16. １６．前記金属合金と前記基板の間の結合の強さが前記基板の強さを越える請求 の範囲第１５項に記載の窒化アルミニウム基板。
17. １７．金属合金が高温への暴露後に形成される請求の範囲第１５項に記載の窒化 アルミニウム基板。
18. １８．前記金属合金中に２．５原子％未満の酸素を更に含む請求の範囲第１５項 に記載の窒化アルミニウム基板。
19. １９．前記第二成分の酸化物、炭化物及び窒化物（存在する場合）の大半が前記 金属合金中の不連続の分散粒子として含まれる請求の範囲第１５項に記載の窒化 アルミニウム基板。
20. ２０．前記金属合金の１０容量％未満が金属間化合物を含む請求の範囲第１５項 に記載の窒化アルミニウム基板。
21. ２１．前記第二成分の少なくとも２５％が金属状態である請求の範囲第１５項に 記載の窒化アルミニウム基板。
22. ２２．前記金属合金の約８０原子％より多くが前記第一成分を含む請求の範囲第 １５項に記載の窒化アルミニウム基板。
23. ２３．窒化アルミニウム焼結体を含む基板と、ｉ）前記基板に一般式 ＸｘＺ１００−ｘ （式中、ＸはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、及び希土類元素からなる群から選ばれた少なく とも一種であり、ＺはＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ及びＴａからなる群から選ばれ た少なくとも一種であり、かつ１０＜ｘ＜６０原子％である）を有する合金を含 む第一層を付着し； （ｉｉ）前記第一層にＡｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＦｅの少なくとも一種を含 む第二層を付着して金属化基板を形成し；そして （ｉｉｉ）前記金属化基板を高温に暴露することにより前記基板上に形成された 金属合金とを含むことを特徴とする窒化アルミニウム基板。
24. ２４．前記高温が少なくとも５００℃である請求の範囲第２３項に記載の窒化ア ルミニウム基板。
25. ２５．前記金属化基板の高温への暴露が前記金属化基板を金属部材にロウ付けす ることを含む請求の範囲第２３項に記載の窒化アルミニウム基板。
26. ２６．ｉ）窒化アルミニウム基板に、一般式ＸｘＺ１００−ｘ （式中、ＸはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、及び希土類元素からなる群から選ばれた少なく とも一種であり、ＺはＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ及びＴａからなる群から選ばれ た少なくとも一種であり、かつ１０＜ｘ＜６０原子％である）を有する合金を含 む第一層を付着し； （ｉｉ）前記第一層にＡｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＦｅの少なくとも一種を含 む第二層を付着して金属化基板を形成することを特徴とする金属化窒化アルミニ ウム基板の製造方法。
27. ２７．前記金属化基板を高温に暴露することを更に含む請求の範囲第２６項に記 載の金属化窒化アルミニウム基板の製造方法。
28. ２８．前記高温が少なくとも５００℃である請求の範囲第２７項に記載の金属化 窒化アルミニウム基板の製造方法。
29. ２９．前記金属化基板の高温への暴露が前記金属化基板を金属部材にロウ付けす ることを含む請求の範囲第２７項に記載の金属化窒化アルミニウム基板の製造方 法。
30. ３０．金属合金構造により結合されたリードフレームを有する窒化アルミニウム 基板であって、前記金属合金構造が ｉ）８０重量％より多い銀及び銅、 ｉｉ）２重量％未満のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及び希土類元素の少なくとも一種から選 ばれた元素、 ｉｉｉ）Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、及びＴａから選ばれた少なくとも一種の元 素を含むことを特徴とする窒化アルミニウム基板。
31. ３１．前記金属合金構造がＡｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＦｅの少なくとも一種から選 ばれた元素を含む請求の範囲第３０項に記載の窒化アルミニウム基板。
32. ３２．前記金属合金構造がＮｉを含む請求の範囲第３１項に記載の窒化アルミニ ウム基板。
33. ３３．前記金属合金構造が銀に富む領域と少なくとも一つの銅に富む領域を含む 請求の範囲第３０項に記載の窒化アルミニウム基板。