JPS63274673A - 高熱伝導性セラミックス基板 - 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（ＡＩＮ）を主成分とした高
熱伝導性セラミックス基板に金属ニッケルを接合（メタ
ライズ）したヒートシンク、ハイブリッドＩＣ基板、Ｌ
ＳＩパッケージ等の半導体装用の高熱伝導性セラミック
ス基板に関する。

（従来の技術） ＡＩＮは従来のセラミックス基板であるアルミナ（Ａｌ
２Ｏ２）の５〜１０倍の高熱伝導性を示すため、高密度
実装用半導体基板材料として注目されている。そこで導
体形成のための金属化処理（メタライズ）技術が不可欠
である。しかしながら、ＡＩＮは金属との濡れ性が悪い
ためにメタライズが困難であった。例えば、特開昭５９
−４０４０４のように、ＡＩＮ基板に酸化物層を形成し
てメタライズするなどの改良は試みられているが、十分
な接合強度は得られなかった。

また、特開昭５３−１０２３１０のようにＳｉ、　Ａｌ
、　Ｍｇ、　Ｃａ。

Ｆｅ等の金属酸化物層を介して、Ｍｏ、　Ｍｎ、　Ｗ等
を接合する方法が報告されているが、例えばＭｏ−Ｍｎ
粉末を含むペーストを塗布、乾燥後に１３００°Ｃ湿潤
Ｈ２雰囲気で加熱処理することが必要であった。

（本発明が解決しようとする問題点） このように湿潤（ウェット）Ｈ２雰囲気での高温加熱処
理のための電気炉は非常に高価であり、またＨ２ガス取
り扱いに伴う爆発の危険性もあり、生産コストが高くな
る原因でもあった。さらに、前記のメタライズ方法によ
る金属とＡＩＮセラミックスの接合界面には中間層とし
てアルミナ層やＡＩ２Ａｌ２０３−８ｉ０２−系等の複
合酸化物層が形成されるため、発熱源である半導体素子
をメタライズ面上に実装した場合にはこのような中間層
は高熱伝導性を有する基板への効率良い熱伝導の妨げと
なる。さらに、Ｍｏ−Ｍｎ、　Ｗ−Ｍｎ法でメタライズ
した場合にはＷ、Ｍｏ導体にＮｉメッキして使用する必
要あるため、全工程が複雑であるといった問題もあった
。

（問題点を解決するための手段） 本発明者はこのような点に対処して鋭意研究を進めた結
果、ＡＩＮを主成分としたセラミックス基板と金属ニッ
ケルとの間にチタンを主成分とした窒化物層を介在させ
ることによりＡＩＮセラミックス基板と金属ニッケルと
が強固に結合され、良好なメタライズが達成できること
を見出した。

（作用） 本発明の目的は、従来のＭｏ−Ｍｎ法やＷ−Ｍｎ法のよ
うな危険性を伴う高温のウェブ）Ｈ２雰囲気の加熱処理
を必要とせず、生産コストの安いＮ２、Ａｒガス、真空
雰囲気で加熱処理して得られるＡＩＮセラミックス基板
とＮｉ金属がチタンを主成分とした窒化物層で強固に接
合されたＡＩＮセラミックス基板を提供することにある
。また本発明のＡＩＮセラミックス基板には従来のＭｏ
−Ｍｎ法やＷ−Ｍｎ法のように接合界面にアルミナ層や
ＡＩ２Ａｌ２０３−８ｉ０２−系等のような熱伝導の阻
害となる中間酸化物層を含まず、熱伝導性の良いＴｉを
主成分とする窒化物層が形成されるため、熱放散に効果
的であるといった特徴もある。さらにＷ−Ｍｎ法やＭｏ
−Ｍｎ法でのＮｉメッキの工程も不必要となり低コスト
化に極めて有効な長所もある。

次に本発明について詳細に説明する。

本発明はＡＩＮを主成分としたセラミックス基板と金属
ニッケルとが、Ｔｉを主成分とする窒化物層を介在して
接合されていることを特徴とする高熱伝導性セラミック
ス基板である。Ｔｉを主成分とする窒化物層はＡＩＮセ
ラミックスおよび金属Ｎｉの両者と反応し、両者を強固
に接合する作用を有する非常に重要なものである。

本発明でのＡＩＮを主成分とするセラミックス基板は好
ましくは純度が９０％以上であり、焼結のために使用さ
れたアルカリ土類金属（Ｃａ、　Ｂａ、　Ｓｒ等）や希
土類金属（Ｙ、　Ｌａ、　Ｎｄ、　Ｇｄ、　Ｔｈ、　Ｈ
ｏ、　Ｃｅ等）のアルミネー）　（Ｃａ−ＡＩ−〇やＹ
−ＡＩ−０等）を含有しても良い。

本発明でのＡＩＮに接合する金属ニッケルとしてはニッ
ケル粉末にエチルセルロース、ブチルカルピトール等の
バインダーとトルエン、アセトン等の溶剤を加えペース
ト化して通常のスクリーン印刷法で塗布した後１０００
〜１３００°Ｃ真空、Ｎ２．　Ａｒガス中で加熱処理し
て得られる厚膜法、厚さ２０〜５０ｐｍのニッケル箔の
熱圧着法、厚さ１〜５ｍｍのブロック状Ｎｉ金属を接合
する方法、Ｎｉターゲットを使用したスパッタ法、Ｎｉ
蒸着源を使用した蒸着法、めっき法、等が利用可能であ
る。金属ニッケルの純度は９５％以上、好ましくは９８
％以上が望ましい。

本発明はＡＩＮセラミックスと金属ニッケルとの接合（
メタライズ）界面においてＴｉを主成分とする窒化物層
が両者と強固に結合してＡＩＮセラミックスと金属ニッ
ケルを直接接合させた高熱伝導性ＡＩＮセラミックス基
板である。この場合の中間層であるＴｉ主成分とする窒
化物層は窒化チタン（ＴｉＮ）の粉末、ペースト、スパ
ッタ膜等のいずれの方法でも可能である。さらにチタン
（Ｔｉ）、水素化チタン（ＴｉＨ２）、酸化チタン（Ｔ
ｉ０２）等のチタンを含む化合物の粉末やペースト等を
中間剤として窒素ガス雰囲気で加熱することによって得
られる。また窒化チタン等の層を前記した様な方法でＡ
ＩＮセラミックスとＮｉ金属との間に中間層として別途
もうけなくても、ＡＩＮセラミックス上に直接Ｔｉを含
むＮｉ金属層を形成した後、１０００〜１３００°Ｃで
真空、Ｎ２．Ａｒガス中で加熱処理することによっても
ＡＩＮセラミックスとＮｉ金属の接合赤面においてＴｉ
を主成分とする窒化物層が形成され、強固な接合が得ら
れる。

またこの場合、Ｔｉを主成分とする窒化物層内にアルミ
ニウム（Ａ１）やニッケル（Ｎｉ）が含まれる場合もあ
る。

本発明でのＡＩＮセラミックスとＮｉ金属との接合界面
でのＴｉを主成分とする窒化物層はＴｉの含有量が７５
〜９０重景％が重量しく、チタンと窒素以外に１０重量
％以下のアルミニウム（Ａ１）やニッケル（Ｎｉ）等の
不純物が含まれていても可能である。

（実施例１） ＣａＯ−２Ａ１２０３（Ｃａとして０．２重量％）を含
むＡＩＮセラミックス基板上に純度９９％のＴｉＮ粉末
（平均粒径ｌｐｍ、　Ｔｉ含有量７５％）ペーストを使
用したスクリーン印刷法により約１０ｐｍ厚さの塗布層
を形成した。

この上に厚さ１１００ｐ、純度９９％のＮｉ金属箔をの
せ、Ｉｋｇ／ｃｍ２の機械的圧力を接合面に加えた状態
で１２００°Ｃ５Ｎ２ガス中で１時間加熱処理した。そ
の後この上にＡｇ−Ｃｕロー材を用いて２Ｘ１ｍｍのコ
バール（コバルトと鉄を含むニッケル合金）板を９００
°Ｃ１１０分間でロー付けして貼り合せ、その接合強度
を測定したところ、引張り強度として８〜１２ｋｇ／ｍ
ｍ２と極めて高い値を示した。接合部で破断は全てセラ
ミックスで生じており、窒化チタン層がＡＩＮセラミッ
クスとＮｉ金属箔の接合に有効に作用した。

（実施例２） ＣａＯ−Ａ１２０３（Ｃａとして０．１重量％）を含む
ＡＩＮセラミックス基板上に純度の９９％のＴｉＮター
ゲット（Ｔｉ含有量７６重量％）を用いスパッタ法にて
ＴｉＮ層を１０ｐｍ厚さに堆積した。この上に厚さ１ｍ
ｍのＮｉ金属ブロックをのせ、約２ｋｇ／ｃｍ２の機械
的圧力を接合面に加えた状態で１１００°ＣＡｒガス中
で３０分間加熱処理した。その後、Ａｇ−Ｃｕロー材を
用いて２Ｘ２ｍｍのコバール板を９００°Ｃ１１０分間
でロー付けして貼り合せ、その接合強度を測定したとこ
ろ、引張り強度として６〜８ｋｇ／ｍｍ２と極めて高い
値を示した。接合部で破断は全てセラミックスで生じて
おり、スパッタ膜によるＴｉＮ層がＡＩＮセラミックス
基板とＮｉ金属ブロックの接合に有効な作用した。

（実施例２） ３Ｙ２０３−５ＡＩ２０３（Ｙとして２重量％）を含む
ＡＩＮ−ｔ＝ニラミックス板上に純度の９８％、平均粒
径２ｐｍのＮｉ粉末に平均粒径１ｐｍのＴｉ粉末を２重
量％加え、エチルセルロース、ブチルカルピトール、ア
セトンを添加したペーストをスクリーン印刷法により約
２０ｐｍの厚さで塗布し、乾燥後、１２００°Ｃ１真空
雰囲気下で２時間加熱処理してＡＩＮセラミックス基板
上にＮｉ金属をメタライズした。この上にＡｇ−Ｃｕロ
ー材を用いて２Ｘ１ｍｍのコバール材を９００°Ｃ１５
分間でロー付けして貼り合せ、その接合強度を測定した
ところ、°引張り強度として７〜９ｋｇ／ｍｍ２と極め
て高い値を示した。またＡＩＮセラミックス基板とＮｉ
金属層の接合界面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とＸ線
マイクロアナライザー（ＸＭＡ）で分析したところ、厚
さ１５ｐｍのＮｉ金属層が厚さ３ｐｍのＡＩとＮｉを微
量含む窒化チタン層（中間層）を介在してＡＩＮセラミ
ックス基板に強固に結合していた。

（発明の効果） 本発明によればＡｌ２Ｏ３基板の５〜１０倍の高熱伝導
性を示すＡＩＮを主成分としたセラミックス基板と金属
ニッケルとがＴｉを主成分とする窒化物層を介在して強
固に接合された高熱伝導性セラミックス基板が得られる
。また本発明のＡＩＮセラミックス基板は従来のＭｏ−
Ｍｎ法やＷ−Ｍｎ法のように危険性を伴う高温のウェブ
）Ｈ２雰囲気を必要とせず、生産性の良い真空、Ｎ２、
Ｍガス雰囲気で生産可能であるといった特長以外にも、
従来のＭｏ−Ｍｎ法やＷ−Ｍｎ法での接合界面でのＡｌ
２Ｏ３層やＡＩ２Ａｌ２０３−８ｉ０２−系等のような
熱伝導の阻害となる中間酸化物を含まないため熱放散に
効果的であり、さらにＮｉメッキ工程も不必要となった
画期的な特長もある。この結果、熱伝導性、電気特性に
優れたＡＩＮセラミックス基板をヒートシンク、ハイブ
リッドＩＣ基板、ＬＳＩパッケージ等の半導体装用の高
熱伝導性セラミックス基板として低コストで利用できる
ことが可能となった。特にＴｉを微量含むＮｉペースト
を使用した厚膜法、ＴｉＮのスパッタ技術を用いた薄膜
法、ＴｉＮ粉末を接合界面もうけＮｉ金属を接合する熱
圧着法では微細な導体回路の形成に有効である。

さらに本発明の高熱伝導性セラミックス基板は半導体装
用基板以外にも、ＡＩＮセラミックスと金属Ｎｉとの強
固な接合を利用した自動車部品、ガムタービン部品、レ
ーザ部品等の各種の産業機器部品としての応用も可能で
あるのど、工業的に多くの利点を有する物である。

二′

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板
   と金属ニッケルとがチタンを主成分とする窒化物層によ
   って接合されていることを特徴とする高熱伝導性セラミ
   ックス基板。