JPS62297286A - 窒化アルミニウムセラミツクスのメタライズ方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミッ
クス焼結体のメタライズ方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

半導体を支持する役目をもつ基板やパッケージ用のセラ
ミックスとしては、これまで専らアルミナが多用されて
きたが、その熱伝導率が低いため半導体素子の発熱と放
熱が問題となる高集積・高密度実装用の基板としては適
当でない。これに対し、酸化イツトリウムあるいは酸化
カルシウムなどを０．５〜５．０重量％含有する窒化ア
ルミニウム（ｉＮ）は、アルミナと同様の高い体積抵抗
率、高い絶縁耐圧、低い誘電率をもち、かつ高い熱伝導
率（アルミナの５〜８倍）、低い熱膨張率（シリコンに
近い）および高い強度（アルミナの約２倍）を有してい
るので、素子発熱とその放熱が問題となるパワーＩＣ，
ＬＳＩおよびＶＬＳ　Ｉなどの基板あるいはパッケージ
材料として有望視される。

一方、セラミックスを半導体用基膜として用いる際には
、導体回路形成のためにメタライズする二とが必要とな
る。このメタライズ層は、基板であるセラミックスと強
固に結合し、緻密であって、素子を実装するときの接合
性と気密性などに優れていることが要求される。アルミ
ナにおいては、高融点金属のモリブデンあるいはタング
ステン粉体と、活性化金属であるマンガンまたはチタン
粉体の混合粉体をその表面に塗布し、弱酸化性雰囲気中
において１３００℃乃至１５５０℃の温度で焼成するメ
タライズ方法がいわゆる高融点金属法またはテレフンケ
ン法として知られている。

Ａ１Ｎ基板のメタライズ方法としては、従来法の３方法
が知られている。即ち、 （１）ＩＮを１０００℃乃至１４００℃に加熱し、酸化
してアルミナ（ＡＬｏｓ）層を形成してから＾ｌＮ基板
上に銅板を配置し、酸素分圧および温度をＣｕ−０系の
共晶温度に精密に制御した電気炉中で接合処理を行って
メタライズする方法。

（２）＾ｆＮ基板表面に金、銀−パラジウム、銅などと
ガラス成分を含むペーストを塗布したのち、これを焼成
してメタライズする方法。

上記（１）の方法による基板はＤ　Ｂ　Ｃ（Ｄｉｒｅｃ
ｔ　ＢｏｎｄＣｏｐｐｅｒ）　基板として知られている
が、接合処理にあたって酸素分圧と温度の厳密な制御が
要求され、条件設定のわずかな相違によりＡｎ基板と銅
層との接合強度、気密性にバラツキを生じやすい。

また＾ＩｌＮ　と銅の熱膨張係数が大きく異なるため、
周囲温度の影響により両者に歪みを生じ信頼性に問題が
でてくる。（２）の方法はいわゆる厚膜法であるが、基
板とメタライズ層の接合強度は１．２〜２．０ｋｇ／ｍ
ｔｓ２　のレベルであり、さらにハンダ付けふよびろう
付は性が劣り気密性も不充分であった。

従って八ＩＮを高熱伝導性半導体基板として実用化する
には、信頼性および経済性に優れたメタライズ方法を確
立することが必要である。

〔発明の目的〕

この発明は上記の欠点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは接合強度および気密性に優れかつ
経済性にも優れた窒化アルミニウムセラミックスのメタ
ライズ方法を提供するにある。

〔発明の要点〕

この発明は窒化アルミニウムセラミックスの表面にあら
かじめ酸化シリコンの被膜を形成した後、高融点金属と
活性化金属の混合粉体で被覆し、弱酸化性雰囲気中で焼
成して窒化アルミニウムセラミックスをメタライズした
のでその目的を達する。

すなわち、窒化アルミニウムセラミックスをモリブデン
あるいはタングステンからなる高融点金属とマンガンあ
るいはマンガン−チタンからなる活性化金属の混合粉体
で被覆し、水素ガスを水中にバブルさせた水素−水蒸気
系混合ガスよりなる弱酸化性雰囲気中で焼成しても良好
なメタライズ層は得られないが、Ａ１８表面上に酸化シ
リコンの被膜を形成してから高融点金属と活性化金属の
混合粉体で被覆し弱酸化性雰囲気中で焼成すれば良好な
メタライズ層が得られることを見出したものである。換
言すると、ＩＮ　にアルミナのメタライズ方法であるテ
レフンケン法を直接的に適用することはできないが、Ａ
βＮ表面を酸化シリコンに変換しておけばテレフンケン
法をそのまま適用できるというものである。

〔発明の実施例〕

次にこの発明の実施例を図面にもとづいて説明する。窒
化アルミニウムセラミックス１１（Ａｊ２Ｎ）は１重量
％の酸化イツトリウムを焼結助剤として含有しホットプ
レス法で作製したものを用いた。この人ＪＮ　の表面に
シリコンアルコラート　（Ｓ＋（ＱＣｓＨｌｌ）４）の
水−イソプロビルアルコール溶液あるいは水−エチルア
ル・コール溶液をディップ法で塗布し、１５０℃乃至５
００℃の温度で加熱処理して０．８μｍ厚でＡＩＮ　に
強固に結合した緻密な酸化シリコン被膜１２を形成させ
た。塗布方法はディップ法の他、スプレー法も適用でき
るし、酸化シリコンの被膜厚さは塗布方法あるいは塗布
回数などにより任意に制御できる。酸化シリコンは次の
化学反応を経て形成される。

Ｓｉ　（ＯＣ８ＨＩ　＋）４　＋　４Ｈ２０−＋Ｓ１　
（ＯＨ）　４　＋４ＣｓＨ＋　＋ＤＨ−−（１）Ｓｉ’
（ＯＨ）４−ｙ　ＳｉＯ，＋Ｈ２０ｊ　　−〜−・−（
２）（１）式はアルコラート溶液中での加水分解反応で
あり、（２）式は加熱処理時の反応である。本発明の場
合酸化シリコンは１μｍ前後の厚さで充分その目的を達
する。

ＡＩＮ表面に対する酸化シリコンの被膜形成はスバフタ
などの物理的方法でも可能である。一方市販のモリブデ
ンとマンガンの粉体を重量で８０対２０の割合で秤量し
、これに有機溶剤と粘結剤を加えてらいかい機で混合粉
砕して粒径が５μｍ以下のスラリーとなし、スクリーン
印刷法で酸化シリコン被膜上に１８μｍの厚さに塗布し
てモリブデンとマンガンの混合粉体１３を被覆した。こ
れを電気炉中で温度５０℃の水中をバブリングした水素
を流しながら焼成した。昇温は３００℃／時間の速度で
行い、最高温度１４００℃で１時間保持した。得られた
モリブデンのメタライズ層１５の厚さは１１μｍであっ
た。このあとメタライズ層１５に無電解メッキ法で４μ
ｍの厚さにニッケルメッキを施した。これを水素と窒素
の混合雰囲気中において８２０℃×１５分の熱処理を行
ってメッキの剥離、フクレなどの有無を検査し欠陥のな
いことを確かめた。次にニッケルメッキしたＡβＮ基板
と厚さ３報のＦｅ　−Ｎｉ合金にッケル４２重量％）を
銀ろう（ＢＡＧ−８）によって接合し、その気密性をヘ
リウムリーク試験によって調べた。接合部のヘリウムリ
ーク量はｌ　ｘｌＱ−”（ａｔｍ　−ｍ　１７ｓｅｃ）
以下であり、気密性は良好であった。さらにメッキ処理
したＡｌ１Ｎ基板上に直径が０．５ｍｍの銅線を共晶ハ
ンダ（４０％ｐｂ−６０％Ｓｎ）でハンダ寸けしてその
引張試験を行った。この試験では全て銅線が破断し、／
タライズ層１５．’二Ａｌ１Ｎ　基板の界面およびメタ
ライズ層とメツ牛界面などでの破損はなかった。銅線が
破断したときの単位面積あたりの強度は２５ｋｇ／ｎｍ
２であり、゛本発明の方法による＾ｆＮ基板とメタライ
ズ層の界面は２５ｋｇ／ａｍ’以上の強度があることが
わかった。

次にこの発明の他の実施例を説明する。市販のモリブデ
ン、マンガンおよびチタンの勿体を重量で８０対１５対
５０割合で秤量し、有機溶剤、粘結剤を加え、らいかい
機で混合粉砕し５μｍ以下の粒径の粉体を含むスラリー
を調整した。これを第１実施例と同様の条件で処理した
窒化アルミニウムセラミックス１１の酸化シリコン被膜
１２上に２０μｍ厚さに印刷してモリブデンとマンガン
とチタンの混合粉体の被膜を形成し、２０℃の水中を通
した水素ガス雰囲気中で温度１４５０℃において１時間
焼成し、モリブデンメクライズ層を形成した。このメタ
ライズ層について第１実施例と同様の特性評価を行った
。その結果は第１実施例と同じく良好であった。

以上の実施例では高融点金属としてモリブデンを用いて
いるがタングステンを用いてもモリブデンの場合と同様
の結果が得られることを実験的に確認した。

上述の実施例に述べたような弱酸化性雲囲気においては
、モリブデンあるいはタングステン等の高融点金属は酸
化されることがないが、マンガン。

チタン等の活性化金属は酸化されてそれぞれ酸化マンガ
ン、酸化チタン等となる。一方酸化シリコンの被膜１２
は、弱酸化性雰囲気中で窒化アルミニれ、このためにあ
とに述べるガラス化反応が可能となる。生成した中間層
１４（アルミナ層と思われる）は、上述の酸化マンガン
、酸化チタンあるいは酸化シリコンと反応してガラス層
１６を形成しモリブデン粉体１７の間隙を埋めてメタラ
イズ層１５が形成される。このガラス層１６は中間層１
４と化学的に結合しているためにメタライズ層１５と窒
化アルミニウムセラミックス１１との接合強度は大きい
。

さらにこのガラス層は緻密にモリブデン粉体１７の間隙
を埋めるためにメタライズ層１５は気密に窒化アルミニ
ウムセラミックス１１と接合する。

〔発明の効果〕

この発明では窒化アルミニウムセラミックスの表面にあ
らかじめ酸化シリコンの被膜を形成してから、高融点金
属と活性化金属の混合粉体の被膜を形成し、弱酸化性雰
囲気中で焼成することとしたので、酸化シリコンにより
窒化アルミニウムセラミックスの中間層への変化が容易
となる結果活性化金属の酸化物と窒化アルミニウムセラ
ミックス表面に形成された中間層とのガラス化反応が可
能となり、気密性に優れかつ接合強度の大きなメタライ
ズ層を形成する”ことになる。またこの方法によればア
ルミナのメタライズに使用される工業的に確立された高
融点金属法（あるいはテレフンケン法）をそのまま利用
できるので既存の設備を使用することができ経済性に優
れたメタライズ方法であるということができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例のメタライズ層形成前の窒化
アルミニウムセラミックスを示す模式断面図、第２図は
この発明の実施例のメタライズ層を形成した窒化アルミ
ニウムセラミックスを示す模式断面図である。 １１　　窒化アルミニウムセラミックス、１２　　酸化
シリコンの被膜、１３・　モリブデンとマンガンの混Ｉ
２　岳父イしシリコンのネ皮月葵 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）窒化アルミニウムセラミックスの表面にあらかじめ
   酸化シリコンの被膜を形成した後、高融点金属と活性化
   金属の混合粉体の被膜を形成し、弱酸化性雰囲気中で焼
   成することを特徴とする窒化アルミニウムセラミックス
   のメタライズ方法。 ２）特許請求の範囲第１項記載のメタライズ方法におい
   て、窒化アルミニウムセラミックスは酸化イットリウム
   を含有することを特徴とする窒化アルミニウムセラミッ
   クスのメタライズ方法。 ３）特許請求の範囲第１項記載のメタライズ方法におい
   て、シリコンのアルコラート溶液を塗布し加熱焼成して
   酸化シリコンの被膜を形成することを特徴とする窒化ア
   ルミニウムセラミックスのメタライズ方法。