JPS62216983A - 金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体並びにその製造方法 - 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する。更に詳しく
は、熱伝導性の基板として特に集積回路（ＩＣ）用絶縁
基板として有用な、金属化面を有する窒化アルミニウム
焼結体並びにその製造方法に関する。

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
、多く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、極最近になって製法
の改心が進み良好な熱伝導性のものが辱られるようにな
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、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く、その
ため予め表面に金属層を形成し、該表面の金属との濡れ
性を改善した後、ＩＣ用基板等として用いられているの
が現状である。

しかしながら、窒化アルミニウム焼結体表面に直接金属
化またはガラス化処理を施してもこれらに対する親和性
並びに濡れ性が本質的に低いために、密着力が低く、そ
のためにその焼結体表面に金属との親和性の高い酸化ア
ルミニウムなどの酸化物層を介在層として形成させ、し
かる後に金属化を施していた。

かくして、金属化層と、介在層としての酸化アルミニウ
ム層とは強固に結合することとなったが、この介在層と
窒化アルミニウム焼結体との密着性の問題は依然として
解決されずに残されている。

即ち、酸化アルミニウムなどの酸化物層は、本質的に窒
化アルミニウム焼結体などの窒化物と親和性または４ｎ
れ性が悪く、また結果として密、（に性が低いためにガ
ラス化層あるいは金属化層を有する窒化アルミニウム焼
結体製品の信頼性は不十分であった。

、更に、酸化アルミニウム介在層を形成する方法の一つ
として、窒化アルミニウム焼結体表面を酸化する方法が
知られているが、この方法で得られる酸化アルミニウム
層は極めて不均一（厚さ等）でポーラスなものである。

このような例においてはＳｌ、Ａ１□０３、Ｆｅなどの
粉末を表面にをする焼結体を酸化することにより生ずる
反応層も同様に不均一で、かつポーラスであり、密着強
度、熱伝導性、信頼性が不十分であり、従って目的とす
るＩＣ用基板などとして使用することが難しい。

発明が解決しようとする問題点 以上述べてきたように、最近の゛半導体技術の動向に適
した、特に放熱性、電気絶縁性の浸れた基板、ヒートシ
ンクなどの開発研究が広範に行われており、これら両特
性並びに機械的強度の点でも申し分のない窒化アルミニ
ウム焼結体が注目されている。この窒化アルミニウムを
、半導体ＩＣ等の基板材料などとして実用化するために
は解決しなければならないいくつかの問題がある。その
一つとして緻密かつ熱伝導性良好な焼結体を得るという
技術的課題はほぼ解決された。しかしながら、もう一つ
の重大な問題、即ち窒化アルミニウム固有のガラス質並
びに金属等に対する親和性、濡れ性が低いという問題は
依然として未解決のまま残されており、過渡的な方策と
して、上記の如く金属化面に対してのみ親和性の良好な
酸化アルミニウムなどの介在層を設けることが行われて
きた。

しかしながら、このような処置は新たに介在層と窒化ア
ルミニウムの密着性の問題を提示したにすぎず、根本的
な問題解決とはならなかった。また、このような介在層
を、特に窒化アルミニウム焼結体表面の酸化処理によっ
て形成した場合には、酸化反応物質（例えばアルミナ、
シリカ、ムライト、酸化鉄など）の組織は著しく多孔質
のものとなり、しかも膜厚が不均一であるために密着性
、信頼性の点で大きな問題となっている。

このような情況の下で、窒化アルミニウムとガラス質あ
るいは金属化面との高い密着性を確保できる処理技術を
開発することが切に望まれており、これに対する大きな
要求がある。

そこで、本発明の目的は改善された密着性、信頼性を有
する金属化層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。

本発明のもう一つの目的は、上記のような金属化面を有
する窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供すること
にある。

問題点を解決するだめの手段 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
記目的とする窒化アルミニウム焼結体を得るべく鋭意検
討・研究した結果、窒化アルミニウム焼結体表面をエツ
チング処理して結晶粒を溶出させ、その上にガラス化層
を特定の方法に従って形成したものを使用することが有
利であることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結
体は、窒化アルミニウム層と、腐食表面層と、該腐食層
を介して形成されたガラス層と、該ガラス層を介して形
成された金属層とで構成されるものである。

本発明の金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体は以
下のようにして得ることができる。即ち、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。

そこで、本発明者等が開発した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方法により（
昇られたものを使用することが好ましく、その方法は１
．８重攬％以下の酸素含有率の窒化アルミニウム粉末に
イツトリウムおよびセリウムのアルコキシドからなる群
から選ばれた少なくとも１種の溶液をイツトリウムまた
はＣｅ換算で０．１〜１０重Ｍ％添加し、混合・分解し
た後成形し、Ｌ７００〜２．２００℃の範囲内の温度で
非酸化性雰囲気下で常圧焼結することからなる（特開昭
６０−１８４６３５号明細書参照）。しかしながら、こ
の例に限らず、緻密質かつ良好な熱伝導率を有するもの
であれば制限されず、例えば特開昭５９−１２１１７５
号明細書に開示されているものの他、上記焼結助剤とし
てＣａＯを用いたものなどを挙げることができる。

次いで、この窒化アルミニウム表面をエツチング処理す
るが、これは一般にアルカリ水溶液などを用いるウェッ
トエツチングで実施する。特に好ましい例としては、１
５〜８５℃程度のＮａＯＨ，ＫＯＨ等のｐＨ約ＩＯ以上
の水溶液を挙げることができる。

この処理によって１〜２０μｍ程度の厚さに亘り、窒化
アルミニウム結晶粒を溶出する。従って、基板としては
粒界組織の平均粒径が１０〜３０μｍ程度の窒化アルミ
ニウム焼結体を使用することが好ましい。

かくしてエツチング処理した窒化アルミニウム焼結体表
面には、次いでガラス層が適用される。

このガラス層の形成は金属アルコキシド（好ましくはア
ルキル部分が低級アルキル基であるものを使用する）を
塗布し、次いで焼結することによって形成することが特
に好ましい。金属アルコキシドとしてはシリコンアルコ
キシド、アルミニウムアルコキシドが特に好ましい例と
して挙げられ、また特定の物性を付与する目的で（例え
ば、耐薬品性、濡れ性改善）で硼素（Ｂ）源（１〜２０
モル％）、Ｚｒ源（５〜３０モル％）などを添加しても
よい。好ましいＢ源またはＺｒ源としてはアルキル部分
が低級アルキル基であるアルコキシドが挙げられる。

ガラス層を設けた窒化アルミニウム焼結体は金属との親
和性、濡れ性が改善されているので、金属化層の適用は
容易である。そこで、この金属層は、例えば厚膜ペース
トをスクリーン印刷法で所定の厚さに塗布し、次いで焼
成するか、あるいはイオンブレーティング法などの物理
蒸着法に従って形成できる。

まず、厚膜ペースト法による場合、Ａｕ、＾ｕ−ＰＬ、
ＰＬ、八ｇ、八ｇ−Ｐｄなどが不り用でき、これらのペ
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Ｚ’Ｅ囲気中で、約８５
０〜９４０℃の範囲内の温度下で焼付けすることにより
金属化面の形成を行うことができる。これらの例示した
金属はガラス化層との強固な密着性を達成し、またＩＣ
用導体としても優れたものであることから例示したもの
であり、本発明はこれに何等限定する意図はなく、他の
金属を用いることも勿論可能である。この厚膜ペースト
法は、特に単一金属層の形成に有利である。

一方、物理蒸着法は特に二層以上の積層構造の金属化面
を得るのに適しており、例えば三層構造のイ列としてＴ
ｉ／！、ｔｏ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ｍｏ／八ｕ、　Ｔへ　／Ｐ
ｔ　／へｕ１Ｚｒ／！Ｊｏ／Ｎ１５ｌｒ／Ｍｏ／八ｕ、
Ｚｒ／Ｐｔ／八Ｕなどをへげることができる。物理蒸着
法の中でも特にイオンブレーティング法が、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
層即ちガラス層と接する層としてはＴ１、Ｚ「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
窒素との化学親和性が高いために粒界層と強固な結合を
形成することが予想される。

昨月 窒化アルミニウム焼結体をＩＣ用基板、ヒートシンクな
どの材料として実用化可能なものとするためには、これ
と金属、ガラス等の親和性もしくは濡れ性を改善して、
これらの間の高い密着強度を確保しなければならない。

本発明者等は窒化アルミニウムの固有の特性である他の
物質との低い親和性または濡れ性が、その表面の構造に
起因するものであるとの着想の下に、この表面をウェッ
トエツチング処理することによりその構造を変化させた
。この処理により、アルカリ、特にＮａＯＨ，ＫＯＨな
どの水溶液によって、窒化アルミニウム焼結体の結晶粒
が優先的に溶出され、これが部分的に脱落することによ
り粒界組織のネットワーク中に、溶出された結晶粒の粒
径に相当する大きさのホールが形成される。

このようなホールの存在のために、次いで適用されるガ
ラス層形成材料が窒化アルミニウム焼結体表面内に侵入
し易くなり、結果的にガラス層と窒化アルミニウム層と
の結合・密着強度が大ｒｉに改善されることになる（い
わゆるアンカー効果）。

このようなホールの形成を有利に実施するためには、窒
化アルミニウム焼結体を形成する際に１吏用する焼結助
剤の選択は重要であり、この助剤としてＣｅＯ２などの
酸化物を使用することが特に好ましい。というのは、こ
れを助剤として得られる焼結体は構成元素をΔ１、Ｎ、
Ｃｅ、Ｏとする反応生成物で構成されることとなり、こ
のようなものはガラスとの親和性が著しく高い。尚、助
剤としては上記ＣｅＯ２の他、Ｙ　２０３、ＣａＯなど
を用いることも有利であり、同様な効果が期待できる。

また、既に述べたようにエツチング処理は窒化アルミニ
ウム表面の粒界組織の厚さ１〜２０μｍ　程度とするこ
とが好ましい。１μｍに満たない処理では上記アンカー
効果を期待できず、一方２０μｍを越えて処理してもそ
れ程大きな効果の改苺は認められないばかりでなく、逆
に表面層のポーラス化を招き、ガラス層形成後その界面
における十分な強度を確保し得なくなるので、いずれも
望ましくない。このようなエツチングによる表面処理上
の制限に対応して、使用する窒化アルミニウム焼結体に
ついても平均粒径が１０〜３０μｍ程度のものとするこ
とが好ましい。

かくして形成されたホールにガラス形成材料を十分に侵
入させるためには、使用する材料についても十分に選択
することが必要となる。そこで、上記のように液体状の
金属アルコキシドを利用する。−このようにガラス層形
成材料として液体を選択したことにより、エツチング処
理で形成されたホール内には十分な量のガラス層形成材
料が導入されることとなり、ガラス化処理（焼付け）後
得られるガラス層は窒化アルミニウム焼結体表面と構造
的に相互に嵌合した状態が実現でき、しかも上記の如き
ガラス層との親和性の点で有利な焼結助剤を選択した場
合には密着性に浸れたガラス層を有する窒化アルミニウ
ム製品を１）ることかできる。

尚、本発明におけるようにガラス層形成材料として液体
である金属アルコキシドを用いたことにより、従来の介
在層としての特に表面酸化処理により形成した酸化物層
においてみられた表面の平坦性並びに膜厚の不均一性の
問題も解決することが可崗となり、この点からも後に形
成される金属化面の特性の改善が期待できる。

かくして得られるガラス層を有する窒化アルミニウム製
品は、十分な金属との接合強度、密着性を与えるもので
あり、このガラス層上に金属化面を施すことにより、本
発明の意図するＩＣ等に対する基板、ヒートシンクなど
として有利に使用できる金属化層を有する窒化アルミニ
ウム焼結体が得られ、最近の半導体技術の動向である高
集ｈ”１化などに伴う発熱型の増大に十分対応できる基
板材料等を提供することが可能となる。

また、本発明によれば、更に窒化アルミニウム焼結体製
品を高機能化でき、例えば、ガラス層形成材料としてＺ
「のアルコキシド、Ｂのアルコキシド等を上記の如き量
で併用することにより、夫々耐環境性、耐薬品性（特に
耐酸またはアルカリ性）および濡れ性の改善を行うこと
ができる。

実施例 以下、実施例により本発明を更に具体的に説明すると供
に、その奏する効果を実証するが、本発明の範囲は以下
の実施例により何等制限されるものではない。

実施例１ 第１図に模式的に示したような構成の窒化アルミニウム
基板１と、その腐食層２と１、腐食層２を介して形成さ
れたガラス層３および更にその上に形成した金属層４と
で構成される金属化層を有する窒化アルミニウム焼結体
を以下のように作製した。

ｐ１１１３．６の７９℃のＮａＯ［（水溶液に焼結助剤
としてＣｅＯ□、Ｙ２Ｏ３およびＣａＯを夫々用いて得
た窒化アルミニウム焼結体を浸漬して、エツチング処理
（エツチング厚み：１〜３μｍ）した。次いで、その表
面にテトラエトキシシリケート、トリイソプロポキシア
ルミニウム、トリーｎ−ブトキシボロンを含有するテト
ラエトキシシリケート（モル比Ｂ：５ｉ−１：９）混合
溶液およびジルコニウムメトキシドを含有するテトラエ
トキシシリケート（モル比Ｚｒ：Ｓｉ＝　１　：　３）
混合溶液を各基板に塗布し、大気中にて９００℃で１０
分間焼成した。各アルコキシドによって生成したガラス
層膜厚は１〜２μｍであった。次いで、かくして得たガ
ラス層を有する窒化アルミニウム焼結体基板表面に夫々
へｕ、　Ｐｔ、へｕ−Ｐｔ、へｇペーストを厚さ２５〜
３０　ｐ　ｍ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、金属化面を有する窒
化アルミニウム焼結体を形成した。かくして得た金属化
面上に０．８ｍｍφの軟鋼線を半田付して引張強度を求
め、結果を以下の第１−ａ表〜第１−ｃ表に総めた。

各アルコキシドによって生成したガラス膜は夫々Ｓｉ　
Ｏ２、八１□０３、Ｂ２Ｏ３Ｓ＋０□およびＺ「０２−
８１０２である。

尚、エツチング処理なしで同様にガラス膜を形成させた
後、同様にメクライズしたものを作製し、比較例として
併せて表に示した。

実施例２ ｐ１１１２．７のＫＯＨ水溶液（６８℃）に、焼結助剤
としてＣ’ｅＯ２を使用した窒化アルミニウム焼結体を
浸漬して、エツチング厚１〜３μｍとなるようにエツチ
ング処理を施した。この表面に上記実施例１のアルコキ
シドを塗布し焼成してガラス層を設けた。次いで、この
基板をｐＨ１３，６，７２℃のＮａＯＨ水溶液に浸漬し
、十分に洗浄した後実施例１と同様にメタライズ層を形
成した。このようにして得たメタライズ層を有する窒化
アルミニラ焼結体につき、実施例１と同様な引張強度測
定を行い、アルコキシド成分の違いによるアルカリ耐食
性を１稠べた。結果を第２表に示す。

実施例３ ｐ１１１３．１で温度６６℃のＮａＯＨ水溶液で、実施
例１と同様に八ＩＮ（助剤Ｃｅ○２）、ΔＩＮ（Ｙ２Ｏ
：＋）、八ＩＮ（Ｃ１０）の基板をエツチング厚１〜２
μｍとなるようにエツチング処理し、次いで実施例１と
同様なアルコキシドでガラス膜を形成した後、各基板の
表面にイオンブレーティング法により夫々Ｔｉ／！、（
ｏ／Ｎｉ、Ｚｒ／Ｍｏ／Ｎｉ、Ｔｉ　／Ｍｏ／八ｕ、へ
　Ｚｒ　／Ｍｏ　／＾ｕ１Ｔｉ　／Ｐｔ　／へｕＳＺｒ
／Ｐｔ／へＵなる順序で金属層を各々の厚みが０．４へ
・０．７．０．５〜０．９および１．９〜２．４μｍと
なるように３層構造のメクライズ層を設けた。

実施例１と同様に引張強度を測定した。また、比較例と
してエツチング処理なしで実施例１における比較例と同
様にガラス膜を形成し、次いてその上にイオンブレーテ
ィング法により金ｍＦ５を形成した。これについても引
張強度を測定し、結果を第３−ａ表〜第３−１表に示す
。

ｍ３−　ａ表：八ＩＮ（ＣａＣ２） 第３−ｂ表二へＩＮ　　（ＣｅＯｚ） 第３−　表；八ＩＮ　（Ｙ２Ｏ，） 第３−ｈ表：ＡＩＮ　（Ｙ２００） 発明の効果 以上詳しく７悦明したように、本発明によれば、窒化ア
ルミニウム焼結体表面をまずアルカリ水溶液等でエツチ
ング処理して、優先的に結晶粒を溶出させ、粒界層を残
し、次いでこの表面にアルコキシド液を塗布してガラス
層を形成させたことに基き、結晶粒溶出に基くアンカー
効果とガラス層との親和性の向上との相乗効果により、
ガラス層と窒化アルミニウム焼結体との十分に高い密着
強度を確保することができる、更にその上に形成される
金属層との密着強度も十分な値を維持できることとなっ
た。

更に、アルコキシド成分にＢ源を共存させることにより
、窒化アルミニウムとガラス層との密着性は更に一層改
善され、またＺｒ源を共存させた場合には耐環境性、特
に耐アルカリ性の向上を期待することができる。

従って、本発明の金属化面を有する窒化アルミニウム焼
結体はＩＣ基板、ヒートシンク等としてばかりでなく、
金属と窒化アルミニウム焼結体との複合材料が必要とさ
れるすべての分野で有利に使用することができ、窒化ア
ルミニラの有する優れた特性、即ち高熱伝導性、高電気
絶縁性並びに高いｔＨｊ＆強度を十分に発揮させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

添付第１図は本発明のガラス化層および金属化層を有す
る窒化アルミニウム焼結体の構成を説明するための模式
的な断面図である。 （主な参照番号） １・・窒化アルミニウム焼結体基板、 ２・・腐食面、　　３・・ガラス層、 ４・・金属層

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）腐食された表面を有する窒化アルミニウム焼結体
   基板と、該腐食面上に設けられたガラス層と、該ガラス
   層を介して窒化アルミニウム表面に設けられた金属層と
   で構成されることを特徴とする、金属化層を有する窒化
   アルミニウム焼結体。
2. （２）上記腐食層が１〜２０μｍの厚さを有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の窒化アルミニ
   ウム焼結体。
3. （３）上記窒化アルミニウム焼結体を構成する粒界組織
   が平均粒径１０〜３０μｍの範囲内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項に記載の窒化ア
   ルミニウム焼結体。
4. （４）窒化アルミニウム焼結体基板表面をウェットエッ
   チングし、次いでアルコキシドを塗布し、焼成すること
   によりガラス層を形成し、次いで該ガラス層上に金属化
   層を形成することを特徴とする金属化層を有する窒化ア
   ルミニウム焼結体の製造方法。
5. （５）上記ウェットエッチングをアルカリ水溶液で行う
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の窒化ア
   ルミニウム焼結体の製造方法。
6. （６）上記アルカリ水溶液がｐＨ１０以上で、温度１５
   〜８５℃のＮａＯＨまたはＫＯＨ水溶液であることを特
   徴とする特許請求の範囲第５項に記載の窒化アルミニウ
   ム焼結体の製造方法。
7. （７）上記アルコキシドがシリコンアルコキシド、アル
   ミニウムアルコキシドまたはこれらの混合物であること
   を特徴とする特許請求の範囲第４〜６項のいずれか１項
   に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
8. （８）上記アルコキシドのアルキル部分が低級アルキル
   基であることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載
   の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
9. （９）上記アルコキシドがボロンアルコキシドを１〜２
   ０モル％含有することを特徴とする特許請求の範囲第８
   項に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
10. （１０）上記アルコキシドがジルコニウムアルコキシド
    を５〜３０モル％含有することを特徴とする特許請求の
    範囲第８項または第９項に記載の窒化アルミニウム焼結
    体の製造方法。
11. （１１）上記金属層が厚膜ペースト法で金属ペーストを
    塗布し、次いで大気中、酸素雰囲気中あるいは窒素雰囲
    気中で８５０〜９４０℃の範囲内の温度下で焼付けする
    ことにより得られることを特徴とする特許請求の範囲第
    ４〜１０項のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム焼
    結体の製造方法。
12. （１２）上記金属層を物理蒸着法で形成し、金属材料が
    Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔからなる群か
    ら選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする特許
    請求の範囲第４〜１０項のいずれか１項に記載の窒化ア
    ルミニウム焼結体の製造方法。
13. （１３）上記金属層の物理蒸着において、積層構造の金
    属層を形成する場合、上記ガラス層と接する層としてＴ
    ｉまたはＺｒを選ぶことを特徴とする特許請求の範囲第
    １２項に記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。