JPS62117350A - 半導体装置用基板の製造方法 - Google Patents

半導体装置用基板の製造方法

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JPS62117350A
JPS62117350A JP25797985A JP25797985A JPS62117350A JP S62117350 A JPS62117350 A JP S62117350A JP 25797985 A JP25797985 A JP 25797985A JP 25797985 A JP25797985 A JP 25797985A JP S62117350 A JPS62117350 A JP S62117350A
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metal plate
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insulating
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JP25797985A
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Kazunao Kudo
和直 工藤
Hirohiko Ihara
井原 寛彦
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814Conductive parts
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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】 産業上の利用分野 本発明は、半導体装置用基板、特に半導体素子の発生す
る熱を効率よく放熱でき、しかも高い電気絶縁性を有す
る半導体素子搭載用基板の製造法に関するものである。
従来の技術 半導体装置、これらを利用する装置、機器では、半導体
素子、抵抗器類、コイル類等における発熱のために複雑
な熱系を構成するが、このような熱は各種熱伝導様式、
例えば熱伝導、熱輻射、対流等により装置外に放出され
ることになる。
一般に、゛1−導体素子には特性1−並びに信頼性の点
から最大園許される温度(最高み′1容温度)があり、
また、雑音余裕の点から素子−内あるいは素子相互間の
温度差にも許容範囲が存在する。
従って、これら素子等を安定かつ信頼性よく動作させる
べく、最良の熱膜JIを行うことは、半導体装置等の設
計、製作において極めて重要である。
更に、近年、半導体素子の高速化、高密度化、大型化の
動向がろられ、それに什い半導体素子の発熱量の増大が
大きな問題となっている。そこで、半導体装置用基板に
ついても、放熱性の改良、即ち基板全体としての板厚方
向の熱伝導性のより一層の改良が要求されている。その
ために、半導体装置用基板については、同時に高い電気
絶縁性と、高い放熱性とを有することが要求されること
になる。
しかるに、従来使用されていた半導体装置用基板は、い
ずれも前記2つの特性を同時に満足しくiiるものでは
なかった。例えば、安定な電気絶縁性を有するという理
由から、A1□05.2Mgo−5io□等の焼結セラ
ミックが広く利用されているが、このようなセラミック
は絶縁性においては満足できるものの、熱伝導性に劣り
、放熱性の要求を満足するものではなかった。また、一
部においては、W、 Mo、 Cu等の高熱伝導性金属
材料が半導体装置用基板として使用されている。しかし
ながら、これら金属材料は本来導電性材料であるために
、電気絶縁性において問題であり、半導体装置の設計・
使用上、大きな制約を受ける。更に、電気絶縁性とある
程度の放熱性とを併せ持つことから、一部においてBe
Oの使用が試みられていたが、高価でありかつ毒性を有
することから、広く利用されるには至っていない。
以上の欠点を解消するために、熱伝導性良好な金属板と
、ガラスやセラミックなどの電気絶縁性良好な無機物質
とを組合せた複合材を利用する試みもなされている。し
かしながら、これらを以下に示すような一般的な方法で
複合化した場合には、目的とする、充分に高い電気絶縁
性と放熱性とを併せもつ基板を得ることは極めて困難で
あると思われる。
即ち、例えば、」二記一般的方法の1つとして、スクリ
ーン印刷法により金属板をガラスで被覆することが考え
られる。しかし、このスクリーン印刷法でピンホールの
ない充分な電気絶縁性を有するガラス層を形成するため
には、該ガラス層の厚さを15μm以上で形成する必要
があり、このような厚さは複合化基板の放熱性を著しく
損うことになる。
また、ロー付けにより複合化する場合には、1吟セラミ
ック薄板を作製する必要があるが、セラミック板を20
μm以下の厚さで作製することは、現状では技術的に不
可能であり、やはり高い放熱性を付与することはできな
い。逆に、ロー付は層にブローホールが形成される恐れ
があり、そのために熱伝導性は更に低下される可能性が
ある。
更に、プラズマ溶射法で金属板に無機物質を被覆する場
合にも、高い放熱性を有する基板を得ることは難しい。
即ち、この方法によって形成される被覆層は表面粗さの
度合が大きく、また、該層自体が多孔質であるので、充
分な電気絶縁性を確保するためには被覆層の厚さを30
μm以上とする必要があり、この要求を満たそうとすれ
ば放熱性が犠牲にされることになり、逆に、放熱性を維
持しようとすれば、絶縁性が不十分となる。
また、金属板の表面を酸化処理することにより、酸化物
からなる電気絶縁層を形成する試みもなされているが、
この種の金属板として一般に用いられているCu、Ni
、Fe、、AI等の酸化物層は、電気絶縁性に劣るため
、好ましくない。というのは、前記金属の中で、Cu、
 Ni、p6の場合には、これら酸化物自体の電気絶縁
性が劣ることによるものであり、またAIの場合にあっ
ては、一定の放熱性を確保するために、アルマイト層の
厚さを10μm以下に抑える必要があるが、アルマイト
層が多孔質であるために、10μm以下の厚さでは充分
な電気絶縁性を維持できないためである。
このような状況の下で、熱伝導性良好な金属板の表面に
、物理的蒸着法(PVD法)または化学的蒸着法(CV
D法)によって電気絶縁性無機物質の薄層を形成するこ
とが提案されている。この気相法により形成される薄層
は(i>緻密であり、そのため薄くても電気絶縁性を爵
(持する、および(11)金属板と被覆層とり、ての1
11機物質とを任意に選択し、組合せることができる、
などのキj?徴を有しており、金属板としてN1、白1
、^1;各種高熱伝導性C1合金、Coクラッドスデン
レス、銅クラツドコバール、MOもしくはWを主体とす
る焼結体などを、また熱伝導性のよい無機物質としてB
 N、Al2O3、^IN、SiC,SI*N4、Y2
O3,2Mg0・S Io 2、ダイヤモンドなどを使
用した例が多数報告されている。
このような気相蒸着法により、半導体装置用基板として
放熱性並びに電気絶縁性両者を併せ備えた優れた製品を
作製できるに至ったが、このものも、IC実装後の長寿
命試験の結果、以下のような改善すべき問題を内包して
いることがわかった。
即ち、PVD法やCVD法により形成された被覆層は、
一般に金属板との密着性においては満足であるが、熱サ
イクルテス)(−65℃での冷却と125℃での加熱と
を繰返すことによるテスト)などによる長寿命テストで
は、該密着性が低下することがわかった。これは、金属
板表面において、蒸着物質と基板とが初期テストでは問
題を生じない程度の強さの金属結合を形成していたこと
によるものと思われる。
更に、高温、高湿条件下では水分、イオン化した熱伝導
性材料などにより絶縁不良が発生することもわかってお
り、これは気相蒸着により得られる被覆層が下地金属基
板表面の凹凸により、膜厚が不均一となり、薄い部分か
ら水や熱伝導性材料のイオンが浸入したり、また気相膜
が一定の方向性をもって成長するために、その結晶粒に
沿って上記物質が浸入するためであると考えられる。
発明が解決しようとする問題点 以」二詳しく述べたように、半導体装置の設計・製作に
おいては、その高速化、高密度化等の指向がみられ、そ
れに伴って発熱量の増大の問題が新たに出現したが、こ
れは素子の高速化、高密度化と平行して解決すべき重要
な課題である。そこで、特に半導体装置用基板について
は、高い電気絶縁性と高い放熱性とを併せ持つことが要
求されるようになってきた。しかしながら、従来公知の
ものはいずれもこれら2つの要求を同時に満足するもの
ではなく、また、各種改善策も試みられたが、一方の特
性を改善しようとすれば他方の特性が阻害されることと
なるなど、いままでのところ前記要求に合致する特性の
半導体装置用基板は知られていない。
尚、蒸着法により」二記両物性を併せ持つ基板を得るこ
とも提案されているが、このものも長寿命テストにおい
て金属板と蒸着膜との結合強度が不十分であることが見
出され、実用−にの信頼性を達成するには至っていない
このような情況の下で、本発明者等は既に、予め熱伝導
性良好な金属板の表面および側面を、乾式または湿式で
アルミナ粉を衝突させて研摩すると同時に、該表面およ
び側面に(1,5μm以下の厚さでアルミナ層を形成し
、ついで該アルミナ層上に気相蒸着により絶縁物質の被
N層を2〜15μmの厚さに形成することを特徴とする
半導体装置用基板の製造方法を開発し既に特願昭59−
225464号として出願している。
更に、上記の特に高温、高湿条件下での絶縁不良の問題
を解決するために、気相膜としての絶縁体層上に薄い絶
縁性樹脂層を設けた基板を開発し、同様に特願昭60−
9478号として出願している。
しかしながら、その後の研究により、アルミナを2〜1
5μm気相蒸着して絶縁体層を得る際に、一定の比較的
高い蒸着速度で一度に成膜すると充分な絶縁が取れない
場合が多いという問題があった。これは気相法により成
膜する場合、気相膜が柱状晶的に析出し、その角の部分
でピンホールが発生し易いことによるものと思われる。
この点を説明するために、添付第3図に気相膜の柱状晶
的析出状態を模式的に示した。第3図から明らかな如く
、基板1上に成長する 八1゜03粒子2(柱状晶)間
にピンホール3が形成され、これは一旦発生すると埋ま
らずi1通状態となり、このピンホール3部分からリー
クが発生ずることになり、J:L好な絶縁性を確保する
ことが困難となる。
そこで、このようなピンホールの形成にノ、(<リーク
の発生の問題を解決し、信頼性の高い絶縁層を有するゝ
1!−導体装置用基板を開発する1−とは、上記のよう
に高速化、高密度化の図られた半導体素子の安定性並び
に信頼性を保証する[−で市・川である。また、このよ
うな基板の開発に対する大きな要望がある。
そこで、本発明の目的は半導体素子の発する熱を効率良
く放出し得、しかも電気絶縁性に優れ、ピンホールの存
在に基くリークの発生を示さない良好な特性の半導体装
置搭載用基板の新しい製造方法を提供することにある。
また、熱伝導性良好な金属板と気相膜との密n性を改善
し、放熱性、電気絶縁性両者に優れると供に熱応力に対
しても安定な半導体装置用基板の製造方法を提供するこ
とも本発明の重要な目的の1つである13更に、高温、
高湿度条件下での使用に対し−Cも、絶縁不良を生ずる
ことなく高い信頼性を維持し得る同様な基板の製法を提
供することも本発明の目的を構成する。
問題点を解決するだめの手段 本発明者等は半導体装置搭載用基板の上記のような現状
に鑑みて、目的とする基板を開発すべく種々検討、研究
した結果、基板に電気絶縁性並びに放熱性を付与するた
めに熱伝導性の高い無機絶縁物質を気相法で形成すると
ともに、成膜中に成膜速度を変化させることが有利であ
ることに着目し、また蒸着層と金属板との密着性の問題
を解決するためにはこれらの間にアルミナ薄膜を介在さ
せることが有利であることを見出し、本発明を完成した
即ち、本発明の方法は熱伝導性良好な金属板の表面に気
相蒸着法で絶縁性無機物質の被覆層を2〜15μmの厚
さで形成することにより、半導体装置用基板を製造する
方法であって、該絶縁層の形成の際まずその初期におい
ては0.1μm/分以上Z の蒸着速度で1〜In 17 m l’、T蒸2′1し
、次いで(1,f12 tlm /分量下の蒸着速度で
1〜5μm1lI蒸ン°1することを特徴とするもので
ある。
本発明の方法において、前記金属板としては白1および
その合金、A1またはその合金;(:uおよびその合金
とA1合金とのクラッド;低熱1嗣張係数を有する合金
、例えばMoもしくはWの合金;M〔)またはWなどの
粉末合金(Cu、 八1..Siを含んでいてもよい)
、例えばCu−15〜20%Mo(またはW)などを例
示することができる。
また、前記絶縁性無機物質としては代表的な例としてA
1゜03を挙げることができる。
本発明において有利に使用できる無機物質の薄膜形成法
としては、電子ビ・−1、蒸着、イオンブレーティング
などのPVD法並びに各種CVD法、例えばプラズマC
VD、光CV D、 M O(Mct、alorgan
ic) CV Dなどを挙げることができる。
また、本発明の方法によれば熱伝導性良好な金属板に、
予め湿式または乾式でアルミナ粉末を衝突させることに
より、その表面並びに側面を研摩する点供に、県さ[)
、5μm以下のアルミナ層を形成ずろ、−、ヒにより、
該金属板と後に堆積される絶縁性無機物質との密着性を
改善することもてき、これによって熱応力に対しても安
定な基板を1モ)ることができる3゜ このアルミナ粉による金属板表面の研摩並びにアルミナ
層の形成はショツトブラスト機等を使用する乾式法並び
にAl2O,粉の分散液中に被加工基板を装入し、回転
させて遠心力により研摩・アルミナ層形成を行う湿式法
(バレル法)などを利用することにより実施される。
荘刈 半導体装置搭載用の基板においては放熱性と電気絶縁性
とが両立されねばならない。そこで、本発明者等はすで
に熱伝導性良好な金属板と、アルミナ薄膜層を介して気
相蒸着法により堆積された所定膜厚の絶縁体層とで構成
される基板を提案したが、気相膜特有の成長機構からピ
ンホールを除去できず、該ピンホール部で発生ずるリー
クのだ1 へ めに絶縁性の確保が一1分に保証できなかった、。
即ぢ、−・般に基板表面に付活した原γは11“Iらに
静11−するわけではなく、表面]゛、でマイグ1ノー
トシ、比較適安定なエネルギー状態を占める位置で静止
し、核となり、次いでこれが大きな島状のT団に成長し
、堆積が進むにつれで島同士が合体し、基板表面−ヒの
空間が埋められるといった機構で成膜される。しかしな
がら、依然として成長には方向性があり、上記のように
柱状品状になると共に合体しなかった局間にピンホール
が形成されることになるものと思われる。
本発明の方法によれば気相蒸着法を、蒸着速度を変えて
、即ち成膜初期において高い蒸着速度で1〜10μm厚
蒸着し、次いで成膜後期においては低い蒸着速度で1〜
5μm県蒸着することにより、ピンホールの問題を完全
に解決できた。
このような操作によれば、初め絶縁物は柱状品状に成長
し、角部でピンホールが形成されるが、次の低蒸着速度
での蒸?鞘こ上り、発生したピンホール部を埋めること
が可能となる。この事実を添付第1図に基き説明すると
、熱伝導性良好な金属板IOの表面にまず第1図(a)
に従って比較的大きな蒸着速度条件下で村状晶11が堆
積され、この際ピンホール12が形成される。しかしな
がら、上記第1の蒸着段階で形成されるピンホールには
、次の低蒸着速度下での堆積操作により微小な粒子が埋
め込まれることになる(第1図ら)参照)。
ここで、成膜操作を初めから低い蒸着速度の下で実施す
ることにより柱状晶形の粒子形成を避け、それによって
ピンホールの形成を回避することも可能であるが、この
ような操作は長時間を要し、経済的に不利である。従っ
て、初期の段階では0.1μm/分以1−の成膜速度と
し、柱状晶形の粒子形成に伴うピンホールの発生を、後
の低速蒸着処理によって補充し堆積膜の欠陥を修復する
。この段階的な蒸着速度の変更は、単に蒸着装置の出力
、例えば電子銃の出力を変えるだけで十分であり、操作
としては連続的に行うことが可能である。
ここで、成膜操作初期における膜厚は2〜10μmの範
囲内であることが好ましく、下限の2μmにlI] 満たない場合には後の低蒸j′1w度での成11ぐ操f
′1に長時間を要し不経済であり、一方、](I J、
t ITIを越えて堆積した場合には、ピンホールが顕
著になり、後の堆積操作による埋込みが不充分となるば
かりでなく、膜厚が厚くなり、後に述べるように剥離し
易くなるのでいずれの場合も好ましくない。また、第2
回11の堆積操作に於げる膜厚条flは第1回目の堆積
条件並びに全体としCの絶縁膜の17さの制限から自動
的に決定されることになる。
また、本発明の方法によれば金属板と堆積膜との密着性
を、これらの間にアルミナ層を介在させることによって
改善し、jitられる基板の熱応力に対する安定性を確
保することもできろ。
前記介在層としてのアルミナ薄膜の厚さは0.5μm以
下、好ましくは0.05〜0.3μmの範囲J−するこ
とが必要であり、この条件が満たされない場合には、所
定の金属板と被覆層との密着性を確保することができな
い。即ち、0.5μmを越えた場合、特に1μm以上に
もなると、アルミナ粉の衝突により得られる膜は脆弱で
あり、剥離し易く、また0、 05 ti mに満たな
い場合、特に0.02μm以下になると金属板表面は局
部的にアルミナ薄膜が形成されない部分を包含すること
になり、逆に密着性が悪くなる。
更に、このショツトブラスト等による下地処理は、アル
ミナを用いることが重要であり、例えば10〜20%の
MgOや5102を混合したアルミナ粉もしくは510
2粉末のみによるショツトブラストも実施してみたが、
密着性は従来のものよりも更に低下してしまうことが確
認された。
一方、無機絶縁層は上記の如く各種PVD。
CVD法により形成することが可能であるが、中でも特
にイオンブレーティング法を利用することが有利である
。その理由は、この方法によれば極めて微細な析出粒子
による膜を形成することができ、従って極めて緻密な層
を形成し得るからである。
この被覆層の厚さは、前記の如く2〜15μm1好まし
くは5〜10μmの範囲とすることが必要である。即ち
、被覆層の厚さが15μmを越える場合には、膜が剥離
し易くなり、一方2 tJmに満たない場合には、4′
)に1μm以FではノI(板の電気絶縁性を保証できな
くなる。
また、金属板の耐食性を確保するL1的で、下地処理前
に金Jt4板全而にN11^II等のメッキを施すこと
も有利であり、これによって金属板と被覆層との密着性
は何隻阻害されることはない。
このメッキ層の形成は公知の名神方法により実施するこ
とができ、特に制限されず、例えば蒸着法、浸漬法等を
挙げることができる。
本発明の方法によれば、更に高温、高湿条件下での耐久
性を改善するために、絶縁体膜1tに薄い(厚さ1μm
以下)絶縁性樹脂層を設けることができる。このような
絶縁樹脂材料としてはシリコーン系樹脂、エポキシ系樹
脂、ポリイミド系樹脂、あるい(まBN、SiC,へI
N、ダイヤモンドなどの高熱伝導性無機材料の微粒子(
径二〜数μm以下)を分散した上記樹脂などを挙げるこ
とができる。
尚、上記無機材料の微粒子は絶縁性無機材料層の表面の
凹部にはいり、その平坦化に寄Ijするものと考えられ
る。
かくして、半導体装置搭載用の、電気絶縁性並びに放熱
性両者において優れ、しかも密着強度の高い耐熱応力性
良好な基板を提供することができる。
実施例 以下、実施例により本発明の半導体装置搭載用基板の製
造法を更に具体的に説明すると共に、本発明の方法によ
り得られる基板の奏する効果を、参考例の結果と対比さ
せて実証する。
実施例1および2 金属板として、[U粉とMO粉との混合物の焼結体〔C
【1−20%Mo)を用い、この焼結体の表面にショツ
トブラスト機により連続的に5m/分の速度で焼結体を
送りながら10〜30μmφのアルミナ粉を空気圧3〜
5Kg/cnfで1〜5分間衝突させ、該表面を研摩す
ると共に0.2μm厚のアルミナ層を有するサンプルを
形成した。次いで、上記焼結体をメタノ1ノン洗浄した
後、蒸着物質としてA1□03を用い、電子ビーム加熱
により蒸着した。蒸着は酸素圧5 X10””l’or
rで、高周波電力1(loI’1(13,56M1lz
)を印加して蒸着物質の一部をイオン化させ、基板潤度
を300℃とし、以下の第1表に示した蒸着速度で同様
に第1表に示すような厚さのアルミナ被覆層を形成した
(サンプルΔおよびB)。
参考例1および2 実施例1および2と同様に操作した。ただし、アルミナ
層の蒸着速度並びにその膜厚は第1表に示した値とした
(サンプルCおよびD)。
以上のようにして作製した各サンプルにつき、第2図に
示したような方法、即ち11)られたサンプルSのへ1
203層14上にへgペースト15を10μmの厚さで
塗布し、抵抗測定器Rで電気抵抗値を測定し、結果を第
1表に示した。
第1表 第1表の結果から、本発明の方法に従って得たサンプル
AおよびBでは電気抵抗値は107〜1010Ωであり
、一方参考例としてのサンプルCおよびDでは105〜
106 ΩとサンプルA、Bと比較して2桁程小さくな
っており、絶縁性の点で本発明の方法により得たものが
大巾に優れていることがわかる。
発明の効果 以上詳しく説明したように、本発明の方法によれば、熱
伝導性良好な金属板上への絶縁物質の堆積を、蒸着速度
を変化させることにより行って、ピンホールのない緻密
な絶縁体層を11する3−とができる。このように絶縁
体層におけるピンホールが除去された結果、該絶縁体層
の電気抵抗が大巾に改善され、リークなどの恐れがほぼ
完全に解消された。
従って、本発明の方法により11)られる半導体装置搭
載用の基板は、最近の半導体装置にみられる高速動作化
、高隼積化の傾向に1分対応できる高い放熱性と絶縁性
とを保証する。その結県、集積回路(IC)パッケージ
材料、ハイブリッドIC基板、マザーボード基板として
広く利用しく1)るものであり、半導体装置の信頼性等
を人rlJに改善することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、(5)は本発明の詳細な説明するだめの
模式的な図であり、 第2図は半導体装置用Jit板の電気抵抗値の測定法を
説明するための図であり、 第3図は従来の方法の問題点を説明するための第1図と
同様な図である。 (主な参照番号)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)熱伝導性良好な金属板の表面に気相蒸着法で絶縁
    性無機物質の被覆層を2〜15μmの厚さで形成し、半
    導体装置用基板を製造する方法において、該絶縁層の形
    成の際、まず形成初期においては0.1μm/分以上の
    蒸着速度で1〜10μm厚蒸着し、次いで0.02μm
    /分以下の蒸着速度で1〜5μm厚蒸着することを特徴
    とする上記半導体装置用基板の製造方法。
  2. (2)前記金属板の表面および側面を、乾式または湿式
    にてアルミナ粉を衝突させて研摩すると共に、該金属板
    の表面および側面に0.5μm以下の厚さでアルミナ層
    を形成した後、前記無機絶縁層の形成操作を行うことを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の方法。
  3. (3)上記アルミナ層の厚さが0.05〜0.3μmの
    範囲内にあることを特徴とする特許請求の範囲第2項記
    載の方法。
  4. (4)前記絶縁性被覆層の厚さが5〜10μmの範囲内
    にあることを特徴とする特許請求の範囲第1〜3項のい
    ずれか1項に記載の方法。
  5. (5)上記熱伝導性良好な金属板が銅およびその合金;
    アルミニウムおよびその合金;銅およびその合金とアル
    ミニウム合金とのクラッド;低熱膨張合金;Mo、W、
    Cu、A1、Siの粉末合金からなる群から選ばれる1
    種であることを特徴とする特許請求の範囲第1〜4項の
    いずれか1項に記載の方法。
  6. (6)上記絶縁性被覆層がAl_2O_3で形成された
    ものであることを特徴とする特許請求の範囲第5項記載
    の方法。
  7. (7)上記気相蒸着法が物理的蒸着法および化学的蒸着
    法からなる群から選ばれることを特徴とする特許請求の
    範囲第6項記載の方法。
  8. (8)前記アルミナ粉による表面処理前に、前記金属板
    を耐食性金属でメッキする工程を含むことを特徴とする
    特許請求の範囲第5〜7項のいずれか1項に記載の方法
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011142285A (ja) * 2010-01-11 2011-07-21 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 放熱基板およびその製造方法

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