JPS62167277A - 金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体 - 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】 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
えば表面に高信頼度の実用的な高い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。

従来の技術 一般に、半導体装置あるいはこれを利用した装置、機器
は、各種の能動・受動素子を搭載しており、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、実装の際に最良の
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。

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。しかし、このような動向はパッケージ当たりの発
熱量の増大を伴うため基板材料の放熱性等の改良を図る
など実装技術面での一層の改善が必要となる。

従来、ＩＣ基板用材料としてはアルミナセラミックス基
板が使用されてきたが、このアルミナ焼結体は熱伝導率
が低く、十分な放熱性を確保できず、ＩＣチップの上記
のような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る高熱伝導率を
有する新しい基板材料の開発が望まれ、窒化アルミニウ
ムが注目を集め、基板あるいはヒートシンクなどとして
実用化するための多数の研究がなされてきた。

しかしながら、窒化アルミニウムはその粉末自体が焼結
性に劣るために、満足な熱伝導率のものが得難かった。

即ち、窒化アルミニウム焼結体は粉末成形後焼結するこ
とによって得られるが、上記の如く焼結性が悪いために
、多（の場合大量の気孔を含有する低熱伝導率の製品し
か得られなかった。この窒化アルミニウムの如き絶縁性
セラミックスはイオン結合、共有結合からなっているた
めにその熱伝導機構は主として格子振動間の非調和相互
作用によるフォノン伝導を主体としており、そのため焼
結体内に大量の気孔並びに不純物等の欠陥を含有する場
合には、フォノン散乱が著しく、低熱伝導度の製品を与
えることになる。しかしながら、最近になって製法の改
善が進み良好な熱伝導性のものが得られるようになって
きている。

窒化アルミニウム焼結体は熱伝導性が高く、また電気絶
縁性、機械的強度の点でも優れていることから、集積回
路（ＩＣ）用絶縁基板などとして注目されている。とこ
ろで、窒化アルミニウム焼結体は金属との濡れ性が著し
く低い。そのため窒化アルミニウム焼結体表面に酸化ア
ルミニウム層を設けることにより金属との濡れ性を改善
する方法が提案された。このアルミナ層は金属に対する
ほぼ満足な接合強度を与えるが、逆に窒化アルミニウム
との界面強度の低下がみられる。即ち、窒化アルミニウ
ムと酸化アルミニウムとは熱膨張係数が大きく異って沿
り（夫々前者は約４．５　ｘ　１０−’・Ｋ−１；後者
は約６．７Ｘ１０−６・Ｋ−’である）、従って窒化ア
ルミニウム上に酸化アルミニウム層を形成した際あるい
は更にその上に金属層を形成する際等の熱サイクルによ
り、熱歪が発生して窒化アルミニウム焼結体基板と酸化
アルミニウム層との界面で亀裂が発生し易いという新た
な問題が生ずる。

また、窒化アルミニウム焼結体上に酸化アルミニウム層
を形成することは、本来的に窒化アルミニウム焼結体が
有している良好な熱伝導性が損われることになり、ひい
ては窒化アルミニウムを使用した効果が失われることに
なる。これは、当然理解されるように、酸化アルミニウ
ムの熱伝導率が、窒化アルミニウムのそれと比較して著
しく低いことによるものである。

発明が解決しようとする問題点 以上詳しく述べたように、窒化アルミニウム焼結体の電
気絶縁性並びに熱伝導性が極めて良好であり、しかも機
械的強度においても満足であることから、高い放熱性が
要求されるＩＣ絶縁基板やヒートシンク材料として大き
な期待が寄せられている窒化アルミニウム焼結体は金属
との化学的親和性に劣り、濡れ性が悪いために、十分な
接合強度が得られず、上記各種用途において実用化する
上で大きな障害となっていた。そこで、金属との親和性
の点で有利とされる酸化アルミニウムの層を窒化アルミ
ニウム焼結体上に形成した後、金属との接合を行おうと
する試みがなされた。しかしながら、この方法は窒化ア
ルミニウムと酸化アルミニウムとの間の熱膨張係数の不
整合のために、熱サイクル等に付された場合にはこれら
の界面に応力が集中しクラックを生じたり、あるいは酸
化アルミニウムが大量の気孔を形成し易いために膜自体
の十分な強度を確保することが難しかった。

更に、酸化アルミニウムは窒化アルミニウムと比較して
熱伝導率が低く、このよう、な膜を形成することにより
、本来高い熱伝導性を有している窒化アルミニウムの特
性を有効に発揮させることが難しくなる。

一方、窒化アルミニウムはその焼結性の悪いことに起因
して、気孔、不純物による欠陥などが多数存在していた
ために熱伝統率の悪いものしか得られなかったが、最近
になってこのような難点を解消する各種方法が開発され
、十分な熱伝導性を有する窒化アルミニウム焼結体が得
られるようになってきた。従って、金属との化学的親和
性（濡れ性等）を改善し、接合性を改善し、半導体基板
あるいはヒートシンクなどとして有利に使用できる窒化
アルミニウム焼結体を得る技術を開発することが切に望
まれており、またこのような窒化アルミニウム焼結体を
開発することによって、発熱量の増大を招くＩＣチップ
等の高速動作化、高周波化、高集積化等に充分対応し得
る高い放熱特性の半導体基板、ヒートシンク等を提供す
ることができ、ＩＣチップ等の改善された活性を十二分
に発揮させることが可能となる。

そこで、本発明の目的は他の金属との接合強度゛が充分
に確保でき、しかも窒化アルミニウム焼結体との接合性
も確保でき、窒化アルミニウムの高い放熱特性を十分に
活用し得る、金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体
を提供することにある。

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と他の金属との
接合強度改善の上記の如き現状に鑑みて、上記の如き従
来法の呈する諸欠点を解決し得る新しい技術を開発すべ
く種々検討した結果、窒化アルミニウム焼結体に予め適
当な手段でアルミニウムまたはその合金の膜を形成する
ことが上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であ
ることを知り、本発明を完成した。

即ち、本発明の金属化面を有する窒化アルミニウム焼結
体は窒化アルミニウム焼結体と、金属化層と、これらの
間におけるアルミニウムまたはその合金を主成分とする
介在層とを含むことを特徴とするものである。

本発明の金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体にお
いて、アルミニウムまたはその合金は各種物理蒸着法、
例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法等、
各種化学蒸着法、例えば熱化学気相蒸着法（熱ＣＶＤ法
）、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、有機金属ＣＶＤ　
（ＭＯＣＶＤ）法等がいずれも利用できるが、物理蒸着
法としては、特にイオンプレーティング法、スパッタリ
ング法が有利である。

更に、イオン注入法によってアルミニウム（Ａ１）また
はその合金を主成分とする介在層を形成することもでき
る。このようにＡＩイオン等をイオン注入することによ
り窒化アルミニウム焼結体にＡＩまたはその合金を主成
分とする層を形成する場合には、適当な条件の下でアニ
ールを行うことにより、窒化アルミニウム焼結体基板表
面にＡ１またはその合金を析出させることが好ましい。

本発明の窒化アルミニウム焼結体において有用なＡ１合
金としては、例えばＡ１−ケイ素（Ｓｉ　）　、ＡＩ−
マグネシウム（Ｍｇ）　、ＡＩ−銅（Ｃｕ）、へｌ−チ
タン（Ｔｉ）などを挙げることができ、いずれも十分な
結果を与えている。

また、本発明において有用な金属化層用材料としては銅
（Ｃｕ）、モリブデン（ｌｏ）−？ンガン（Ｍｎ）、タ
ングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、金（Ａｕ）−白金（Ｐ
ｔ）、銀（Ａｇ）、銀（Ａｇ）−パラジウム（Ｐｄ）、
ニッケル（Ｎ１）などを好ましい例として挙げることが
できる。

これらは、まずＣｕ、　Ｍｏ−Ｍｎ５Ｗなどの場合には
これらのペーストをスクリーン印刷法などにより所定の
厚さく一般には３０μｍ程度であるが、特に制限はない
）でコーティングした後、加湿水素気流中、非酸化性雰
囲気、窒素雰囲気あるいは弱還元性雰囲気中で、Ｃｕの
場合には８００〜８５０℃、Ｍ。

−Ｍｎの場合には１，４００〜１．５００℃またＷの場
合には１．６００℃以上の温度下で金属化を行うことに
より金属化面を得ることができる。また、八ｕ、　八ｕ
−Ｐｔ　ｓＡｇｌＡｇ−Ｐｄなどの場合にはこれらのペ
ーストを上記と同様にスクリーン印刷法などでコーティ
ングした後、大気中、酸素雰囲気中あるいは窒素雰囲気
中で、約８００〜１．０００℃の範囲内の温度下で焼付
けを行うことにより金属化面の形成を実施することがで
きる。更に、ＡＩまたはその合金を主成分とする介在層
上にＮｉ右よび／またはＡｕをメッキしてもよく、また
同様に介在層上にＮｉおよび／またはＡｕなどの金属を
物理蒸着もしくは化学蒸着によって堆積させることによ
っても金属化面を形成することができる。

以上述べたＡｔまたはその合金層あるいはメタライズ層
の形成法を考慮すれば明らかな如く、本発明の金層化層
（メタライズ層）を有する窒化アルミニウム焼結体にお
いて“Ａ１またはその合金を主成分とする介在層”とは
、Ａ１またはその合金単独の層からなるもの、窒化アル
ミニウムおよび／またはメタライズ層との化合物相、拡
散層等も包含するものと理解すべきである。

本発明において有用な窒化アルミニウム焼結体は多量の
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り、例えば既に本発明者等
が開発し、特願昭６０−１８４６３５号として特許出願
している、緻密質かつ良好な熱伝導率を有する窒化アル
ミニウム焼結体の製造法により得られた焼結体製品を使
用することが好ましい。この方法は、１．８重量％以下
の酸素含有率の窒化アルミニウム粉末に、イツトリウム
（Ｙ）およびセリウム（Ｃｅ）のアルコキシドからなる
群から選ばれた少なくとも１種の溶液をＹまたはＣｅ換
算で０．１〜１０重量％添加し、混合・分解した後成形
し、１．７００〜２．２００℃の範囲内の温度下にて非
酸化性雰囲気下で常圧焼結することからなるものである
。しかしながら、このような方法により得られた窒化ア
ルミニウム焼結体に限らず、同様に緻密質かつ良好な熱
伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体であれば特に制
限されず、いずれを使用することも可能である。

以上述べた本発明の金属化面を有する窒化アルミニウム
焼結体は、添付第１図に示すような構成を有する。即ち
、窒化アルミニウム焼結体基板１と、金属化層２と、こ
れらの間に設けられたＡＩまたはこれらの金属層もしく
はＡＩまたはその合金に富む介在層３とで構成される。

芸月 窒化アルミニウム焼結体は高い電気絶縁性と良好な熱伝
導率を有することから、ＩＣチップ等の性能向上、集積
度向上に伴う発熱量、の増大に十分対応できるセラミッ
クス材料として注目され、絶縁性基板あるいはヒートシ
ンクなどとして実用化すべく多くの研究がなされている
。

しかしながら、この窒化アルミニウムは本来金属との化
学的親和性に劣り、そのために上記各種用途において実
用化することは困難であり、これまでに十分な表面改質
技術は提案されていなかった。例えば、従来金属との接
合性が良いということから酸化アルミニウム膜を窒化ア
ルミニウム焼結体表面に適用する方法が提案されたが、
既に述べたように各種の問題があり、実用化には程遠い
ものであった。

そこで本発明では、窒化アルミニウムに対して良好な化
学親和性を有し、これと強固に結合するＡＩまたはその
合金を選び、その薄膜を金属化層との間に介在層として
設けたことにより、上記従来法の問題を有利に解決する
ことを可能とした。このＡ１またはＡ１合金は物理蒸着
、特にイオンプレーティング法、スパッタリング法ある
いは化学蒸着法の他イオン注入法により窒化アルミニウ
ム焼結体上に適用することができ、特にイオンプレーテ
ィング法、イオン注入法を利用した場合にはＡＩイオン
などを衝突させることにより、窒化アルミニウムのＮと
Ａ１イオンとが結合し、ＡＩ−Ｎ結合を生　゛成し、強
固な接合を確保することができるものと考えられる。

更に、ＡＩまたはその合金は軟質金属であり、このよう
な金属薄膜層を金属化層と焼結体との間に介在させるこ
とによって、製品が熱サイクルにかけられた場合にも、
該介在層がその際の熱応力を吸収する緩衝体として機能
するために、界面強度が安定し、高信頼度のメタライズ
が可能となるものと期待される。

また、Ａ１もしくはその合金は従来使用されていた酸化
アルミニウムなどの低熱伝導率のセラミックスではなく
、高熱伝導度の金属であるために、窒化アルミニウム焼
結体上にこれを適用しても前者の良好な熱伝導性はまっ
たく損われることはなく、窒化アルミニウム自体の優れ
た熱伝導性、放熱特性を十分に発揮させることができる
。しかも、Ａ１またはＡ１合金は反応性が高いので金属
化するのに適した介在層であると考えられ、多種多様の
金属化層形成用材料に対して十分な結合性、接合強度を
保証することができる。

従って、本発明による金属化面を有する窒化アルミニウ
ム焼結体はＩＣ等の絶縁基板、ヒートシンク等の材料と
して有利に使用できることはもとより、高い熱伝導性と
電気絶縁性とが要求される各種用途においても応用でき
、優れた効果を期待することができる。

実施例 以下、実施例に従って本発明の金属化面を有する窒化ア
ルミニウム焼結体を具体的に説明すると共に、その奏す
る効果を実証するが、これら実施例は本発明を単に例示
するものであって、何等その範囲を制限するものではな
い。

ス１男ユ 窒化アルミニウム基板上に、イオンプレーティング法お
よびスパッタリング法で金属アルミニウム層を以下の第
１表に示すような厚みで形成し、次いでその上にＡｕ、
　Ａｕ−Ｐｔ　ＳＡｇ、　Ａｇ−Ｐｄペーストをスクリ
ーン印刷法で約２５μｍ程度の厚みに印刷し、８９０〜
９３０℃の範囲内の温度にて、大気雰囲気下で焼付けし
た。かくして作製した本発明の金属化面を有する窒化ア
ルミニウム焼結体にワイヤー　（Ｃｕ線；径２ｍｍφ）
を半田付けし、引張強度を測定した。結果は以下の第１
表に示した通りである。

尚、窒化アルミニウム基板に直接ＡＵ、Ａｕ−Ｐｔ　。

八ｇ、　Ａｇ−Ｐｄ金属化層を上記同様に形成させ、比
較例として併せて第１表に示した。

第１表 第１表の結果から明らかな如く、本発明によれば引張強
度が比較例よりも１桁以上改善されることがわかる。

実施例２ 実施例１と同様に０，９μｍの厚みに金属アルミニウム
をイオンプレーティング法で蒸着した後、夫々ニッケル
ふよび金を同様にイオンプレーティング法で以下の第２
表に示すような厚みで堆積し、金属化を行った。この後
、実施例１と同様にしてワイヤを半田付けし、引張強度
を測定した。得られた結果を第２表に示す。尚、金属化
層を設けることなく直接ニッケル右よび金を同様に堆積
し、これについても引張強度の測定を行い、比較例とし
て第２図に併せて示す。

第２表 実施例１と同様、本発明により１桁以上の引張強度の改
善が達成された。

実施例３ 金属アルミニウムをＣＶＤ法によって窒化アルミニウム
焼結体基板上に蒸着した後、該蒸着膜上にＣｕＳＭｏ−
ＭｎおよびＷの各ペーストを実施例１と同様にスクリー
ン印刷法で印刷した後、加湿水素気流中で各々８２０℃
、１４１０℃および１７１０℃にて３０分間加熱するこ
とによりメタライズを行った。この後、実施例１と同様
の方法によって引張強度を測定した。得られた結果は第
３表に示す通りである。

尚、比較のために金属化層を設けなかった以外は同様に
してＣｕ、　Ｍｏ−！Ａｎ　＄よびＷの薄膜を基板上に
堆積し、引張強度を測定し、結果を以下の表に示した。

同様に優れた結果が得られた。

第３表 （メタライズ層の厚さは３０μｍとした）比較例 実施例４ イオン注入法に従ってＡ１イオンを、窒化アルミニウム
焼結体基板の厚さ約５．０００　Ａ近傍にまで注入した
後、アルゴン雰囲気中で５１０℃の温度で約３時間アニ
ーリングを行い、表面に析出させた。

しかる後に該表面にイオンプレーティング法に従って夫
々金属ニッケルおよび金を蒸着させ、次いで実施例１と
同様にして引張強度を求め、得られた結果を以下の第４
表に示した。

尚、比較例として、イオン注入せずに窒化アルミニウム
基板表面に直接Ｎ１、八Ｕをイオンプレーティング法で
下表に示した厚さで蒸着させ、得られたサンプルについ
ても引張強度を測定し、以下の表に結果を示した。

同様に優れた結果が得られた。

第４表 実施例５ スパッタリング法により、窒化アルミニウム焼結体上に
、第１層として夫々金属Ａ１、ＡＩＡｌ−３ｉＳＡｌ−
、Ａｌ−ＣｕおよびＡｌ−Ｔｉの各層を厚さ３μｍで形
成した。次いで、得られた各製品上に第２層として真空
蒸着法によりＮｉを約１μｍの厚さで形成し、更にその
上に第３層として湿式メッキ法によりＡｕ層を約１μｍ
の厚さで形成した。しかる後、実施例１と同様の方法で
、ワイヤーを半田付けし、各サンプルの引張強度を測定
した。得られた結果を以下の第５表に示す。

尚、比較例として、上記同様に、窒化アルミニウム基板
上にＮ１１八〇層を直接形成させた。得られたサンプル
の引張強度は０．４にｇ／ｍｍ２であった。

第５表 以上詳しく述べたように、本発明の金属化面を有する窒
化アルミニウム焼結体によれば、窒化アルミニウムと、
メタライズ層との間に軟質の、かつ他の金属（メタライ
ズ層材料）並びに窒化アルミニウム焼結体の両者に対し
て高い反応性、化学的親和性を有するアルミニウムまた
はその合金を介在させることにより、従来の金属化面を
有する窒化アルミニウム焼結体にみられた各種難点を有
利に解決することが可能となった。

即ち、まず軟質のＡ１またはその合金を介在させたこと
により、このものが、金属化面を有する窒化アルミニウ
ム焼結体製品が熱サイクルに付された場合に生ずる熱応
力を緩和する緩衝体として機能するために応力が吸収さ
れ、安定した界面強度の製品を提供し、従来みられたよ
うにクラックの発生などが未然に防止される。

更に、Ａ】またはＡ１合金は反応性が高く、そのため金
属化するための極めて優れた介在層を与え、多種多様の
メタライズ材料に対して相容性であり、十分な接合強度
で窒化アルミニウムとメタライズ層とを接合し、信頼性
の高い製品を与える。

尚、イオンプレーティング法、スパッタリング法、イオ
ン注入法等で上記介在層を形成した場合には、ＡＩイオ
ン等が窒化アルミニウムと高速度で衝突するために、Ａ
ＩとＡ、Ｉ　Ｎとが反応し、Ａｌ−Ｎ結合等の形成が期
待され、その結果強固な結合状態にあることが予想され
、従って介在層として十分な信頼性を与えるものと思わ
れる。

【図面の簡単な説明】

添付第１図は本発明の金属化面を有する窒化アルミニウ
ム焼結体の好ましい１態様の構成を模式的な断面図で示
した図である。 （主な参照番号） １・・窒化アルミニウム焼結体基板、 ２・・金属化層、

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化アルミニウム焼結体と、金属化層と、これら
   の間におけるアルミニウムまたはその合金を主成分とす
   る介在層とを含むことを特徴とする、金属化面を有する
   窒化アルミニウム焼結体。
2. （２）アルミニウム合金が、アルミニウム−ケイ素、ア
   ルミニウム−マグネシウム、アルミニウム−銅またはア
   ルミニウム−チタンであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の金属化面を有する窒化アルミニウム焼
   結体。
3. （３）アルミニウムまたはその合金の介在層が物理蒸着
   法、化学蒸着法およびイオン注入法からなる群から選ば
   れる１種の方法により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項または第２項記載の金属化
   面を有する窒化アルミニウム焼結体。
4. （４）物理蒸着法がイオンプレーティング法またはスパ
   ッタリング法であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載の金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体。
5. （５）金属化層がタングステン、モリブデン−マンガン
   、銅、ニッケル、銀、銀−パラジウム、金、および金−
   白金からなる群から選ばれる１種から構成されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１〜４項のいずれか１項に
   記載の金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体。
6. （６）金属化層が銅、モリブデン−マンガンまたはタン
   グステン層であり、これらのペーストをスクリーン印刷
   法で上記介在層上に塗布し、次いで加湿雰囲気中、非酸
   化性雰囲気中あるいは弱還元性雰囲気中で焼付けするこ
   とにより得られたものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項記載の金属化面を有する窒化アルミニウム
   焼結体。
7. （７）金属化層が金、銀または銀−パラジウム層であり
   、これらのペーストをスクリーン印刷法で塗布し、大気
   中、酸素雰囲気中あるいは窒素雰囲気中で焼付けするこ
   とにより得られたものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項記載の金属化面を有する窒化アルミニウム
   焼結体。
8. （８）金属化層がニッケルおよび／または金の層であり
   、上記介在層上にこれら金属をメッキすることにより形
   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項記載の金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体。
9. （９）金属化層がニッケルおよび／または金の層であり
   、上記介在層上にこれら金属を物理蒸着または化学蒸着
   することにより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項記載の金属化面を有する窒化アル
   ミニウム焼結体。