JPS6257239A - 半導体装置搭載用窒化アルミニウム基板とその製法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は新規な半導体装置搭載用窒化アルミニラム基板
に係わり、特に半導体装置を実装するに好適な基板の表
面保護を行った窒素アルミニウム基板及びその製法に関
する。

〔発明の背景〕

現在、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等の半導体隼積回路を実装する
ためのセラミック基板材料として窒化アルミニウム、炭
化ケイ素、窒素ホウ素等のニューセラミックスが開発さ
れ実用化段階に至っている。

これらのなかでも窒化アルミニウムは熱伝導率が比較的
高く、熱膨張係数もシリコンに近いため種々の材料との
接続が多いＴ、ＳＩパッケージ材料としては好適なセラ
ミック材料である。また、電気特性に於いても、絶縁抵
抗、絶縁耐力および誘電率がアルミナ並であり、その他
の炭精ケイ素や窒素ホウ素のように設計変更をせまられ
ることはない。

しかしながら窒化アルミニウム基板に於いては従来より
水に弱いという性質を有しており、半導体装置を直接搭
載した場合、電極腐食やワイヤ腐食の要因ともなる弱点
を有する。本発明者等の検討によれば、水に放置した窒
化アルミニウムの腐食速度は約０．１３μｍ／ｈ　であ
り、腐食面の粒界が不鮮明になりＡＱ　（ＯＨ）ａとし
て溶出していることが分かった。また、このようになっ
た窒素アルミニウムの絶縁抵抗は大幅に低下している。

したがって、このような欠点を有する窒化アルミニウム
基板に半導体装置を搭載した場合に於いては絶縁不良や
断線等の事故を誘発する問題があり、これらの対策をす
る必要があった。

〔発明の目的〕

本発明は窒化アルミニウム基板の水に対する腐食性を改
善し、電気特性の良い半導体装置搭載窒化アルミニウム
基板及びその製法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体より
なる基板表面にメタライズ層が形成されているものにお
いて、前記メタライズ層以外の少なくともメタライズ層
形成面の基板表面に酸化アルミニウム層及び／又はベー
マイト層が設けられていることを特徴とする半導体装置
搭載用窒化アルミニウム基板にある。

窒化アルミニウムの腐食は一般的に次式％式％ により進行する。したがってメタライズ等の施されてい
ない窒化アルミニウム表面は水に対して非常に弱い面を
もっている。この性質を改善するために窒化アルミニウ
ムの表面をアルミナ又はベーマイトにすれば良い。しか
しながら、アルミナ又はベーマイト層は熱伝導率が低い
ので、メタライズ層形成表面以外の窒化アルミニウム表
面のみをベーマイトＡＱｏ（ＯＨ）又は／及びアルミナ
層（ＡＱｇＯａ）を形成させるメタライズプロセスを取
ることにある。

窒化アルミニウム焼結体は、焼結助剤としてＡｆｌｚＯ
ｓ又はＹ　ｘ、　Ｏａに希土類元素の酸化物。

５ｉＯ１！、ニッケル、ＣａＯ等、ＢＮ、Ｂｅ又はＢｅ
化合物、Ｌｉ又はＬｉ化合物が含有される。

焼結は無加圧又は加圧焼結が行われる。これらの焼結助
剤は０．３〜１０重量％が好ましい。焼結体の絶縁耐圧
は１０　Ｋ　Ｖ／　ｔｍ　（４，０ＯＯＶ）　　以上の
ものが好ましい。

酸化アルミニウム層又は／及びベーマイト層は２μｍ以
下の膜厚が好ましく、０．１〜１μｍが好ましい。

本発明は、窒化アルミニウム基板の表面にメタライズペ
ーストを塗布した後、弱酸化雰囲気中で昇温し基板のペ
ースト形成部分以外の基板表面に酸化アルミニウム又は
／及びベーマイト層を形成し、次いでペーストの還元雰
囲気中で焼成した後同じ雰囲気中で降温する半導体装置
搭載用窒化アアミニウム基板の製法にある。ペースト中
には、弱酸化雰囲気中での加熱の際に分解して酸素を放
出するものが含有されているのが好ましい。

メタライズ層形成に関しては蒸着法による薄膜メタライ
ズ法、印刷法による厚膜メタライズ法等があるが、微細
パターンを用いない一般的なメタライズ法は印刷法であ
る。厚膜メタライズ形成に関してはＡｇＰｄやＭｏ、Ｍ
ｏＭｎ、Ｗ等を主成分とした有機物ペーストをバーニン
グされたスフリンマスクを通してセラミック基板に印刷
し、これをホーミングガスと呼ばれる水素、窒素の混合
ガス中で焼付けることにより行われる。しかし、これら
のこれまでの方法ではメタライズ層の酸化防止等には有
効ではあるが、窒素アルミニウム表面の改質は行なえな
い。

本発明に於いては一例として先ず、ペースト中に分解し
て酸素を放出する酸化物を混入させることである。例え
ば、ペースト中に二酸化マンガン（ＭｎＯｘ）を少量添
加し、焼付は初期の段階では水分を含ませたフォーミン
グガスを通し窒化アルミニウム表面をわずかに酸化し、
その後通常のフォーミングガスで加熱しメタライズ層の
酸化物を除去する。

本発明のペーストはペースト中に総重量１％を越えない
範囲の二酸化マンガンを配合したことが好ましい。二酸
化マンガンは高温で熱すれば分解して酸素放出する性質
を有するため、この酸素を窒化アルミニウム表面の酸化
に利用される。しかし、二酸化マンガンの量が１％を越
える量の場合、ホーミングガス中の水素の爆発限界に近
づき危険性があり、メタライズ層への酸化が著しい等問
題が生じる。一方、二酸化マンガンの量が０．０５％以
下の場合、その効果は低い。

したがって、窒化アルミニウム基板表面の改善の為には
二酸化マンガンの量が０．０５〜１重量％の範囲が好ま
しい。

〔発明の実施例〕

窒化アルミニウム焼結体は、焼結助剤として重量％を含
むものである。この焼結体は、窒化アルミニウム粒末（
平均粒径２μｍ）及び１０重量％の酸化イツトリウム粉
末（平均粒径３μｍ）との混合粉末を１８００℃、３０
０ｋｇ／ａＪ、１Ｏ−８ｔｏｒｒにて加圧焼成したもの
である。この焼結体の表面を鏡面研摩し、第１表に示す
導電ペーストをスクリーン印刷した０表に示す導電ペー
ストに対して二酸化マンガンを０．０５〜１重量％配合
して使用した。

第１図は、メタライズ層形成における焼成温度のプロフ
ァイルを示す曲線である。また、第２図は連続的に焼成
できる焼成炉の断面図である。試料（図示せず）は、ベ
ルト１に乗さられ、窒素ガス導入口２より導入された窒
素雰囲気中のＡゾーンで約３００℃で予備加熱され、有
機バインダは燃焼され、排出口３より除去される。Ａゾ
ーン端には障壁４が設けられ、分解ガスがＢ及びＣゾー
ンに入り込まないようになっている。

第　　１　　表 次いで、試料は水蒸気を含んだ水素、窒素からなるｗｅ
ｔなホーミングガスが送り込まれ、ペーストとして、６
０ｗｔ％Ｍ　ｎ　−４０ｗ　ｔ％Ｍｎに０．５ｗｔ％Ｍ
　ｎ　Ｏａを含む場合、Ｂゾーンで約１．３００℃に昇
温される。この昇温過程で試料の窒化アルミニウム表面
はホーミングガス中に含まれる水又はペースト中に含ま
れる二酸化マンガンの゛熱分解により放出される微量な
酸素によって酸化され、その表面にアルミナ層が約１μ
ｍの厚さに形成される。更に試料は導入口１よりホーミ
ングガスの窒素と水素ガスの還元性ガスのみ送られたＣ
ゾーンで一定時間加熱されることによりペースト中に残
る二酸化マンガンを還元するとともにペーストを試料の
窒化アルミニウム基板に焼結させ降温する。以上説明し
たメタライズ用ペーストの焼結方法を用いることによっ
て窒化アルミニウム基板の表面は湿気に対してアルミナ
並の性質を有するようになる。

第３図は相対湿度７０％の雰囲気中に７２時間放置され
た窒化アルミニウム基板表面のもれ電流（ｌＯ） を測定した結果を示す線図である。従来の表面を改善し
ない窒化アルミニウムでは約３桁もれ電流が増加するが
、本発明によるメタライズ法では約１桁もれ電流が増加
するのみで、絶縁抵抗は１０工２Ω−■と同様に測定し
たアルミナ基板と同程度であった。また、このようにし
て得た窒化アルミニウム基板のメタライズ層形成面での
熱伝導率はほとんど変わらないことから、メタライズ膜
を施した基板表面はメタライズの施されていない表面は
ど変わっていない。

第４図は本発明のメタライズ層を有する窒化アルミニウ
ム基板と従来法によりメタライズした窒化アルミニウム
基板を水中に放置した後の基板表面のＳＦＭ写真である
。従来法（ａ）は表面が水に溶解したため粒界層があま
りはつきりしないが、本発明によるものは初期の状態を
良く保っており絶縁抵抗の劣化等は見られなかった。

窒化アルミニウム基板は室温付近の熱膨張係数がシリコ
ンとアルミナの中間にあること、熱伝導率が１４０ｗ／
ｍｋであり、アルミナの５倍で将来２００　ｗ　／　ｍ
　ｋを越す可能性があること、加工が容易であること、
絶縁特性が良いことなどの理由からパワーＬＳＩ、パワ
ーモジールなどパワー半導体装置の絶縁基板に用いられ
る。そのためには各種セララミック材料、金属材料との
接続のため、Ａｇロウ等のロウ材に耐えるメタライズ材
料が必要である。特に電源駆動回路等、高温、高電圧に
さらされる半導体装置には窒化アルミニウム基板が好適
である６ 第５図は絶縁ゲート電界効果トランジスタの等価回路に
本発明の窒化アルミニウム基板を適用した例を示す。第
６図はそれらの部品を搭載した窒化アルミニウム基板の
断面構造を示す。銅ヒートシンク１１にはバイポーラト
ランジスタ７を直接接続し、放熱するとともにＭＯＳト
ランジスタ５゜ツェナーダイオード６、抵抗８等他の部
品は９の窒化アルミニウム上に配列搭載することによっ
て、バイポーラトランジスタの高電圧からＭＯ８ｈラン
トランジスタ電圧半導体装置を保護するなどのパワーモ
ジュールが可能となる。

又、このためには窒化アルミニアム基板は通常のＰｂ−
８ｎ半田より高温のロウ材を用いる必要がある。このた
め、メタライズ膜は本発明になるＭｏ、Ｍｎメタライズ
を用いＡｇロウ接続するのが好ましい。

〔発明の効果〕

本発明によればメタライズされる部所の窒化アルミニウ
ム表面の熱抵抗を高めることなく、湿気雰囲気に放置さ
れても絶縁抵抗の低下しない信頼性の良い半導体装置搭
載用の窒化アルミニウム基板が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるメタライズ用ペーストの焼結プロ
セスを示すプロファイル、第２図は焼成炉の構造を示す
断面図、第３図は本発明の窒化アルミニウム基板の絶縁
特性を示す線図、第４図は窒化アルミニウム基板の粒子
構造を示すＳＥＭ写真、第５図は本発明の窒化アルミニ
ウム基板を用いた等価回路図、第６図は第５図の等価回
路を形成する本発明の窒化アルミニウム基板の断面図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体からなる基
   板表面にメタライズ層を有するものにおいて、前記メタ
   ライズ層形成部分以外の基板表面に酸化アルミニウム層
   又は／及びベーマイト層からなる保護層が形成されてい
   ることを特徴とする半導体装置搭載用窒化アルミニウム
   基板。 ２、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体からなる基
   板表面にメタライズ層を形成する方法において、前記基
   板表面にメタライズ層形成のペーストを塗布した後、弱
   酸化雰囲気中で昇温し前記基板のメタライズ層形成部分
   以外の基板表面に酸化アルミニウム又は／及びベーマイ
   ト層からなる保護層を形成し、次いで前記ペーストの還
   元雰囲気中で焼成した後、前記還元雰囲気中で降温する
   ことを特徴とする半導体装置搭載用窒化アルミニウム基
   板の製法。 ３、特許請求の範囲第２項に於いて、印刷しパターニン
   グすべきメタライズ用ペーストはＡｕ−Ｐｂ、Ａｇ−Ｐ
   ｄ、Ｍｏ、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｗを主成分とし、これに重量％
   で０．０５〜１％の二酸化マンガンが配合されたメタラ
   イズペーストにより焼成メタライズされる半導体装置搭
   載用窒化アルミニウム基板とその製法。 ４、特許請求の範囲第２項又は第３項において、前記パ
   ターニングされたメタライズ用ペーストの有機バインダ
   を熱分解飛散させる部所には窒素ガスを供給、排気し、
   二酸化マンガンを分解、露出すべき窒化アルミニウム表
   面を酸化させる部所には湿気を含ませた水素、窒素から
   なるホーミングガスを供給、排気し、メタライズ膜を焼
   成し、残存する酸化物を還元する部所には水素、窒素か
   らなるホーミングガスを供給、排気し焼成させる半導体
   装置搭載用窒化アルミニウム基板とその製法。