JP2002076192A

JP2002076192A - 窒化アルミニウム基板およびそれを用いた半導体パッケージ

Info

Publication number: JP2002076192A
Application number: JP2000260286A
Authority: JP
Inventors: Takae Hatori; 孝栄羽鳥
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2002-03-15
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: JP5022536B2

Abstract

(57)【要約】【課題】メタライズ層のフクレの防止、封着時の窒素
ガスの噴出防止した窒化アルミニウム基板または半導体
パッケージを提供する。【解決手段】全面に酸化膜を設けた窒化アルミニウム
基板において、メタライズ層を設ける個所に存在する酸
化膜の膜厚が0.3〜2μｍかつ膜厚の最大値と最小値の差
が0.2μｍ以下にすることにより、メタライズ層を構成
する金属粒子の必要以上の粒成長を防止する。これによ
り、メタライズ層のフクレを抑制できる。また、パッケ
ージの封着部も同様の酸化膜を設けることにより、窒素
ガスの噴出を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
基板およびそれを用いた半導体パッケージに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化、高密度化、高速
化に伴い半導体素子の消費電力が増大し、半導体素子の
発熱が問題となっている。この発熱の問題を解決するた
めに半導体素子を搭載する基板に窒化アルミニウムなど
のセラミックス基板が用いられるようになっている。窒
化アルミニウム基板は熱伝導性が150W/m・k以上と優れ
た熱伝導性を有していることから放熱性も良好である。
この放熱性を利用して近年では、例えば大電力パワーモ
ジュール用基板やスーパーコンピュータ用パッケージな
ど各種電子回路基板並びに半導体パッケージに活用され
ている。電子回路基板や半導体パッケージを形成する際
には、窒化アルミニウム基板上にろう材などのメタライ
ズ層を設けその上に半導体素子をろう付け又は導電性接
着剤により接合することになる。このとき、窒化アルミ
ニウム基板上に直接メタライズ層を設けるとメタライズ
層とろう材の濡れ性が悪い場合にはメタライズ層に悪影
響を与えフクレなどの不具合の原因となっていた。ま
た、半導体パッケージとして用いる際にリードフレーム
およびキャップ部をガラス系封着材により封着すること
になるが、封着時の熱処理により窒化アルミニウムが分
解してしまい窒素ガスが噴出され気密性を劣化させるな
どの不具合が発生していた。

【０００３】このような問題を解決するために従来から
窒化アルミニウム基板に酸化膜を設けることが行われて
いた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
酸化膜を設けた窒化アルミニウム基板は酸化膜を設ける
ことのみに着目していたため酸化膜の膜厚にバラツキが
生じていた。酸化膜の膜厚にバラツキがあると、酸化膜
の厚い部位と薄い部位が存在してしまい、ろう付け時の
熱の伝わり方にバラツキが生じてしまっていた。メタラ
イズ層への熱の伝わり方にバラツキが生じてしまうとメ
タライズ層であるろう材中の金属粒子が均一に溶解せ
ず、特に酸化膜の凹部に入り込んだ金属粒子が均一に溶
解せず凹部中で粒成長してしまい、この粒成長した金属
粒子が原因となり酸化膜との間に若干の空隙を形成して
しまうことが判明した。このようなメタライズ層を構成
する金属粒子の粒成長に伴う空隙はメタライズ層の接合
強度を低下させるだけでなく、フクレの原因になってし
まうことが判明した。このような問題を解決するために
酸化膜の厚さを厚くすることが考えられるが、酸化膜は
熱伝導率があまり良くないため厚くしすぎると熱抵抗と
なってしまうことから窒化アルミニウムの熱伝導性の良
さをいかしきれなくなる。さらに酸化膜が厚すぎると各
種熱処理に伴い酸化膜自体が熱膨張を起こし、この熱膨
張がメタライズ層などへの不具合の原因にもなってい
た。

【０００５】また、同様に半導体パッケージとしてガラ
ス系封着材により封着する際も酸化膜の膜厚にバラツキ
があると、酸化膜の薄い部位のみから窒素ガスが噴出し
ようとしてしまい不要な応力集中が生じてしまう。さら
に、封着部以外からも窒素ガスの噴出が起きてしまい、
この噴出した窒素ガスが封着部に悪影響を与えることも
ある。このような酸化膜の膜厚のバラツキに基づく不要
な応力集中は、外観から判断しずらくメタライズ層を形
成した後、半導体素子をろう付けした後、リードフレー
ム封着後、もしくは半導体素子可動中に窒化アルミニウ
ムとメタライズ層、リードフレーム、ガラス系封着材と
の熱膨張差から膜剥がれなどの不具合が生じて初めて分
かるものである。同様に酸化膜の厚い部位は熱抵抗がそ
の部分のみ高くなってしまうと共に、前述の熱膨張に伴
う膜剥がれやフクレなどをさらに増長する結果となって
いた。本発明は、上記の問題を解決するためになされた
ものであって、窒化アルミニウム基板の全面に酸化膜を
設けた基板において、酸化膜厚の最大値と最小値の差が
0.2μｍ以下の均一な酸化膜を設けることにより、液相
成分の噴出によるメタライズ層のフクレ、リードフレー
ム等との熱膨張差に伴う膜剥がれなどの不具合を低減し
た窒化アルミニウム基板およびそれを用いた半導体パッ
ケージを提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化アルミニウ
ム基板は、基板全面に酸化膜を設けたものであり、特に
メタライズ層を設ける個所の酸化膜の膜厚が0.3μｍ以
上2μｍ以下かつ膜厚の最大値と最小値の差が0.2μｍ以
下であることを特徴とするものである。また、酸化膜が
酸化アルミニウムを主成分とすることが好ましい。

【０００７】また、酸化膜を設ける前の窒化アルミニウ
ム基板の表面粗さRaが0.8μｍ以下、または表面粗さRma
xが6μｍ以下であることが好ましい。このような本発明
の窒化アルミニウム基板は酸化膜上の少なくとも１部に
メタライズ層を設けた形態で使用することが好ましく、
メタライズ層を形成した際に実質的にメタライズ層に最
大径0.2mm以上のフクレが存在しないことになる。

【０００８】同様に、本発明の半導体パッケージは、窒
化アルミニウム基板全面に酸化膜を設けた窒化アルミニ
ウム基板を用い、メタライズ層および封着材により封着
される個所に存在する酸化膜の膜厚が0.3μｍ以上2μｍ
以下かつ膜厚の最大値と最小値の差が0.2μｍ以下であ
ることを特徴とする。また、ガラス系封着材によりリー
ドフレームを接合したこと、半導体パッケージがＱＦＰ
型であることが好ましく、ＱＦＰ型半導体パッケージの
場合リードフレームによる入出力数が１２０本以上であ
ることが好ましい形態である。

【０００９】本発明の窒化アルミニウム基板は、基板全
面に酸化膜を設け、メタライズ層を設ける個所もしくは
封着材により封着される個所に存在する酸化膜の膜厚を
0.3〜2μｍかつ膜厚の最大値と最小値の差を0.2μｍ以
下と均一な酸化膜を設けることにより、メタライズ層の
フクレ、窒素ガスの噴出などの不具合を低減し、信頼性
のある窒化アルミニウム基板もしくは半導体パッケージ
を実現するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の窒化アルミニウム
基板並びにそれを用いた半導体パッケージの実施の形態
について説明する。本発明の窒化アルミニウム基板は例
えば図１に示したように全面に酸化膜を設けたものであ
る。図１中、１は窒化アルミニウム基板、２は酸化膜、
３はメタライズ層を示す。酸化膜が一部、例えばメタラ
イズ層形成面のみにしか形成されていないとメタライズ
層形成時もしくは半導体素子ろう付け時の熱処理により
生ずるフクレや窒素ガスの噴出を抑えられなくなる。

【００１１】また、酸化膜のある部位と無い部位で熱膨
張率の差が生じてしまうこともフクレ等の不具合の原因
と考えられる。従って、酸化膜を窒化アルミニウム基板
の全面に設ける形態が好ましい。メタライズ層もしくは
封着材により封着される個所に存在する酸化膜の平均厚
さは0.3μｍ以上2μｍ以下である。酸化膜の厚さが0.3
μｍ未満であると、膜厚が薄すぎるため酸化膜を設ける
効果が小さく窒素ガスの噴出などの不具合を生じ易い。
一方、酸化膜の膜厚が2μｍを超えると、窒素ガスの噴
出などは抑えられるものの酸化膜は窒化アルミニウムと
比べて熱伝導率が悪いことから基板（または半導体パッ
ケージ）として熱抵抗が悪くなってしまい、窒化アルミ
ニウムの放熱性の良さをいかせなくなってしまう。ま
た、各種熱処理時に酸化膜自体が熱膨張することから酸
化膜の厚さが2μｍを超えることは好ましくない。従っ
て、酸化膜の膜厚は0.3μｍ以上2μｍ以下、好ましくは
0.5μｍ以上1.5μｍ以下である。

【００１２】本発明では、所定の酸化膜厚を具備する個
所は窒化アルミニウム基板においてはメタライズ層を設
ける個所、半導体パッケージにおいてはメタライズ層を
設ける個所および封着材により封着される個所とした
が、本発明の窒化アルミニウム基板全体に酸化膜を具備
するものであり、それ以外の個所については平均膜厚0.
3μｍ以上2μｍ以下の範囲内であることが好ましい。同
様に、メタライズ層および封着される個所以外の酸化膜
厚さの最大値と最小値の差は0.2μｍ以下であることが
好ましい。

【００１３】酸化膜の膜厚および最大値と最小値の差の
測定方法は、酸化膜を設ける前の窒化アルミニウム基板
の重量と酸化膜を設けた後の窒化アルミニウム基板の重
量との差（この重量差が実質的に酸化膜の重量を示す）
から平均膜厚を求める方法が有効であり、この方法は窒
化アルミニウム基板を酸化性雰囲気にて加熱することに
より酸化アルミニウム膜を設けた基板に特に有効であ
る。

【００１４】また、別の方法では、酸化膜を設けた窒化
アルミニウム基板の断面をFESEM等で分析する方法が有
効である。分析する際は、メタライズ層を形成している
個所すべてが分析できれば問題ないが、簡易的には長さ
２００μｍ以上、好ましくは２０００μｍの範囲につい
て任意の３ヶ所を測定し、その平均値で示す方法を用い
ても良いこととする。なお、断面を形成する際は、メタ
ライズを形成している面の反対側の面をけがいて切断し
た方が、メタライズ層を設ける個所に存在する酸化膜の
形態を変えないで済むことから好ましい。

【００１５】さらにFESEM等を用いた方法は、拡大写真
を用いることから酸化膜の最大値と最小値の差を測定す
ることにも活用できる。また、後述する半導体パッケー
ジの封着部を設ける個所の酸化膜の膜厚および酸化膜厚
の最大値と最小値の差を測定する測定方法も同様の方法
にて対応可能である。

【００１６】酸化膜の材質は、酸化物であれば特に限定
されるものではないが、酸化アルミニウムであることが
好ましい。酸化膜の材質としては、酸化アルミニウム、
酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化銅などの各種酸化物
もしくは複合酸化物が適用可能であるが、酸化アルミニ
ウムであれば後述するように窒化アルミニウム基板を酸
化雰囲気中で加熱することにより形成できるため安価に
製造できる。他の酸化物である場合、酸化物を含有した
ペーストやアルコキシドなどの熱処理により酸化物とな
る化合物を塗布すると言った工程が必要になり必ずしも
製造性が良いとは言えない。同様に、スパッタ法やＣＶ
Ｄ法により酸化膜を設けることも可能であるが、いずれ
も製造コストがかかり必ずしも製造性が良いとは言えな
い。従って、製造性を考慮すると酸化膜としては酸化ア
ルミニウムであることが好ましい。

【００１７】本発明ではこのような酸化膜の膜厚の最大
値と最小値の差を0.2μｍ以下に抑えている。酸化膜厚
の最大値と最小値が0.2μｍを超えると、酸化膜上に必
要以上に凹凸ができてしまい、特に凹部にメタライズ層
を形成する金属粒子が入り込んでしまい熱処理時に、凹
部に入り込んだ金属粒子が他の金属粒子と溶解せず単独
に粒成長してしまうことにより、酸化膜とメタライズ層
との間に空隙を形成してしまいフクレの原因となる。ま
た、酸化膜と窒化アルミニウムの熱膨張差、あるいは酸
化膜の厚い部位と薄い部位の熱抵抗の差からくる酸化膜
自体の熱膨張の差などに伴う不要な応力集中や窒素ガス
の噴出に伴う不要な応力集中を酸化膜厚の薄い部位に起
こし易くしてしまう。従って、酸化膜厚の最大値と最小
値が0.2μｍ以下、好ましくは0.1μｍ以下である。

【００１８】また、メタライズ層を形成する金属粒子の
粒成長や不要な応力集中を緩和するという概念からする
と、酸化膜厚の最大値と最小値を示す部位があまり近く
にある形状であると酸化膜の断面形状に急勾配の谷間が
できてしまうことから好ましい形態ではない。そのため
酸化膜厚の最大値と最小値を示す部位は直線距離で200
μｍ以上、さらには1000μｍ以上離れた形状である好ま
しい。

【００１９】なお、酸化膜の最大値と最小値の部位の測
定方法としては、窒化アルミニウム基板（または半導体
パッケージ）のメタライズ層（または封着部）を設ける
部分の酸化膜について測定できれば特に問題はないが、
簡易的には任意の2000μｍの断面積を３ヶ所調べる方法
を用いてもよい。

【００２０】本発明の窒化アルミニウム基板は膜厚が均
一な酸化膜を設けることを特徴とするものである。酸化
膜厚を均一に保つには窒化アルミニウム基板の表面粗さ
も均一な面であることが好ましく、例えば表面粗さRaが
0.8μｍ以下、Rmaxが6μｍ以下であることが好ましい。
Raが0.8μｍを超えるまたはRmaxが6μｍを超えると酸化
膜の平均膜厚を2μｍを超えた膜厚にしないと酸化膜厚
の最大値と最小値の差を0.2μｍ以下にし難い。このよ
うな酸化膜厚の最大値と最小値の差が0.2μｍ以下の本
発明の窒化アルミニウム基板上にメタライズ層を設けた
場合、メタライズ層に最大径0.2mm以上のフクレが実質
的に発生しないことになる。

【００２１】メタライズ層には、Ag、Cu、W、Mo、Au、T
i、Hf、Zr、Pt、Pbの少なくとも１種または２種以上を
混合、積層したペースト状、箔状のものを用いてよい。
メタライズ層の厚さは10〜30μｍの範囲が好ましく、10
μｍ未満ではメタライズ層としての接合強度を保つこと
ができずさらにはフクレが発生し易くなってしまう。一
方、30μｍを超えて設けたとしても効果が飽和状態にな
るだけであり、好ましくは厚さ10〜20μｍの範囲であ
る。

【００２２】フクレとはメタライズ層に外観上凸部が形
成されることであり、このようなフクレが存在すると半
導体素子または金属回路板、リードフレームなどを接合
する際の接合不良を引き起こす原因となる。特に、最大
径0.2mm以上のフクレが接合不良の原因となり易いが、
酸化膜厚の最大値と最小値の差を0.2μｍ以下に制御す
ることにより、最大径0.2mm以上のフクレを実質的に無
くすことが可能となる。また、微視的に観察するとメタ
ライズ層において最大径200μｍ（0.2mm）未満、さらに
は最大径20μｍ以下のフクレは単位面積20mm×20mmにお
いて0〜２個以下に抑えることが可能となる。なお、フ
クレの最大径とはメタライズ層を上面または断面を観察
して個々のフクレの最も長い対角線を示すものである。

【００２３】以上のような酸化膜または酸化膜上にメタ
ライズ層を設けた窒化アルミニウム基板は、半導体パッ
ケージにも好適である。半導体パッケージには、例えば
特開平７−２０２１０９号公報に記載されたようにリー
ドフレームを用いたＤＩＰ（ディアルインラインパッケ
ージ）、ＱＦＰ（クァッドフラットパッケージ）やリー
ドピンを用いたＰＧＡ（ピングリッドアレイ）、リード
ピンをボール形状にしたＢＧＡ（ボールグリッドアレ
イ）、入出力用のランドを用いたＬＧＡ（ランドグリッ
ドアレイ）などが知られている。例えばリードフレーム
を用いたパッケージ構造は構造が簡単であるため各種半
導体チップに適用されており、特にＱＦＰ型半導体パッ
ケージは入出力信号数の増加にも対応でき、表面実装も
可能であることから特に好ましい形態である。本発明の
窒化アルミニウム基板はこのような様々なパッケージに
適用可能である。

【００２４】例えば、図２にＱＦＰ型パッケージの断面
図の一例を示す。図２中、１は窒化アルミニウム基板、
２は酸化膜、３はメタライズ層、４は封止部、５はリー
ドフレーム、６はキャップ部をそれぞれ示す。ＱＦＰ型
半導体パッケージにおいては前述のようにリードフレー
ムにより入出力信号を取り扱うものであり、このリード
フレームの数を増やすことがそのままパッケージ並びに
半導体チップとしての性能を向上させることになる。こ
のリードフレームは窒化アルミニウム基板およびキャッ
プ部で狭持し、ガラス系封着材で封止することになる。
しかしながら、リードフレームは一般的に、Cu系合金、
Fe系合金、Al系合金などの各種合金成分から形成される
ものであり、窒化アルミニウムとは熱膨張係数に違いが
ある。そのため、封着時の熱処理や半導体チップの可動
に伴い生ずるリードフレームと窒化アルミニウムの熱膨
張差により発生する熱応力により封着部分に亀裂などの
未接合部が生じ易く信頼性が十分とは言い難かった。本
発明では、この亀裂原因としてリードフレームと窒化ア
ルミニウムの熱膨張差のみに原因があるのではなく、窒
化アルミニウム基板上の酸化膜の膜厚のバラツキにもそ
の原因があることを見出したのである。

【００２５】つまり、窒化アルミニウム基板上の酸化膜
の膜厚にバラツキ、具体的には膜厚の最大値と最小値の
差が0.2μｍを超えると、前述のように窒素ガスの噴出
に伴う不要な応力集中を招いてしまうためリードフレー
ムと窒化アルミニウム基板との熱膨張差に基づく熱応力
の影響を必要以上に受けてしまうが、酸化膜厚の最大値
と最小値の差が0.2μｍ以下であれば不要な応力集中を
防ぐことができるため熱膨張差に基づく熱応力の影響を
最小限に抑えることが可能となる。従って、本発明の半
導体パッケージにおいては、不要な熱応力を防いでいる
ことから封着部および窒化アルミニウム基板表面からの
窒素ガスの発生を実質的になくすことが可能であるから
封着部の信頼性を向上させることができる。同様に、本
発明においては半導体素子を窒化アルミニウム基板上に
ろう付けする際のメタライズ層への不要な応力集中をも
防いでいることから、メタライズ層および封着部を具備
する半導体パッケージに最適であり、このようなメタラ
イズ層および封着部を具備する半導体パッケージにおい
てはメタライズ層のフクレ、封着部の亀裂などの不具合
を改善できる。

【００２６】また、不要な応力集中を防いでいる本発明
のパッケージはＱＦＰ型において、例えば単位面積縦40
mm×横40mmの窒化アルミニウム基板上にリードフレーム
による入出力信号数が１２０本以上、さらには２００本
以上とリードフレーム数を増やした場合に特に有効であ
り、言い換えれば窒化アルミニウム基板の単位面積が40
mm×40mm以下の小型のパッケージに特に有効であると言
える。

【００２７】なお、キャップ部については窒化アルミニ
ウム基板と同様に窒化アルミニウム製であることが好ま
しいが、酸化アルミニウムなどのセラミックスであって
もよいし、アルミニウムやインバー合金などの金属製で
あってもよい。また、キャップ部の酸化膜の有無につい
ては、窒化アルミニウム基板に設けたものと同様のもの
が具備されていることが最も好ましい形態であるが、本
発明の酸化膜は窒化アルミニウムを主成分とする基板ま
たはパッケージにおいて特に効果を示すものであるため
必ずしも必須の構成ではない。

【００２８】次に製造方法について説明する。製造方法
は、本発明の膜厚のバラツキのない酸化膜が得られれば
特に限定されるものではないが、例えば次のような方法
がある。まず、窒化アルミニウム基板を公知の方法によ
り用意する。その窒化アルミニウム基板に対し、膜厚3
μｍ以上もしくは最終的に設ける酸化膜厚より1μｍ以
上厚い酸化膜を設ける。この酸化膜に対してホーニング
加工などの研磨処理を施すことにより、膜厚0.3μｍ以
上2μｍ以下かつ膜厚の最大値と最小値の差が0.2μｍ以
下の酸化膜を得るのである。

【００２９】研磨方法としては特に限定されるものでは
ないが、例えばホーニング加工、ラップ加工、研磨紙に
よる研磨などが適用可能である。半導体パッケージに用
いる窒化アルミニウム基板の場合、断面凹字形状を有し
ている場合が多く、メタライズ層が凹部内側の角部にま
で存在するようなときにはラップ加工では研磨処理を行
い難い。従って、研磨方法としてはホーニング加工が好
ましく、砥粒番数が200番以上、好ましくは200〜700番
の細かい砥粒で研磨することである。砥粒番数が200番
未満では砥粒が粗すぎるため酸化膜の最大値と最小値の
差を0.2μｍ以下にし難い。一方、700番を超えて細かい
と確かに酸化膜厚の最大値と最小値の差を0.2μｍ以下
にできるが研磨時間が必要以上にかかってしまうため必
ずしも製造性が良いとはいえない。

【００３０】また、酸化膜厚の最大値を示す部位と最小
値を示す部位が200μｍ未満と近い距離にしないために
は砥粒番数が200番以上400番以下のもので研磨した後、
400番以上700番以下の砥粒で研磨する２段階研磨が効果
的である。このような２段階の研磨によればあまり硬度
が高いとは言えない酸化膜を傷つけないで研磨が可能に
なることから酸化膜厚の最大値と最小値を示す部位（個
所）の距離を200μｍ以上、さらには1000μｍ以上とす
ることができる。

【００３１】研磨加工を施す個所については、メタライ
ズ層を設ける個所または封着材により封着される個所を
研磨することが好ましく、さらに好ましくは窒化アルミ
ニウム基板に施した酸化膜全体を研磨加工することであ
る。

【００３２】酸化膜の形成方法については、酸素含有雰
囲気中で窒化アルミニウム基板を熱処理する方法が好ま
しい。Ｓｉ化合物や金属アルコキシドなどの熱処理によ
り酸化物となる化合物を塗布する方法、スパッタ法やＣ
ＶＤ法により酸化膜を設ける方法であっても酸化膜を形
成することは可能であるが、いずれも製造工程が複雑で
あり製造コストもかかることから必ずしも製造性が良い
とは言えない。

【００３３】酸素含有雰囲気とは、大気中や酸素を5〜3
0vol%含む窒素雰囲気などが好適である。また、熱処理
条件としては1000℃以上、好ましくは1100℃以上1400℃
以下の温度範囲で１時間以上、好ましくは２時間以上５
時間以下である。熱処理条件は1000℃未満であっても酸
化膜は形成されるが、1000℃未満であると酸化膜が付き
難い。一方、熱処理温度が1400℃を超えると酸化膜が厚
い酸化膜が形成されすぎてしまい研磨時間が必要以上に
かかってしまい必ずしも製造性が良いとは言えない。さ
らに、熱処理温度が1600℃以上になると窒化アルミニウ
ム基板中の液相成分の移動が激しくなることからメタラ
イズ層のフクレなどをさらに引き起こす原因となる液相
成分を基板表面に移動させ易くしてしまう。

【００３４】さらに、本発明の窒化アルミニウム基板は
酸化膜を設ける前の基板表面が表面粗さRaで0.8μｍ以
下、Rmaxで6μｍ以下であることが好ましいため、窒化
アルミニウム基板表面についても表面研磨することが好
ましい。表面研磨についても砥石番数もしくは砥粒番号
が200番以上、さらには400番以上と細かい砥石で研磨す
ることが好ましい。

【００３５】このように本発明の窒化アルミニウム基板
は、必要に応じ基板表面を研磨した後に酸化処理を行
い、さらに酸化膜を研磨処理することにより得られるも
のである。その後、半導体素子を搭載するなど必要な個
所にメタライズ層を設ける。また、半導体パッケージと
して用いる場合、例えばＱＦＰ型半導体パッケージなら
リードフレーム、キャップ部をガラス系封着材により封
着接合する。メタライズ層形成方法については、前述の
メタライズ組成物を所定の個所に設け、その後大気中も
しくは窒素等の不活性雰囲気中で（800℃以上950℃以
下）×（5分以上30分以下）程度の熱処理により設け
る。熱処理温度が800℃未満ではメタライズ層の十分な
接合強度を保てず、950℃を超えた温度ではメタライズ
層に対して急激に熱を与えてしまうためメタライズ層中
に気孔を形成し易くしてしまう。熱処理時間についても
5分未満ではメタライズ層の十分な接合強度を保てず、3
0分を超えると加熱効果が飽和になってしまうと共に酸
化膜凹部に入り込んだメタライズ層を形成する金属粒子
が異常粒成長し易くなってしまう。従って、メタライズ
形成条件については前記温度および時間が好ましく、さ
らに好ましくは830〜900℃×7〜20分である。

【００３６】半導体パッケージにおける封着方法につい
ては、ガラス系封着材を所定の個所に塗布し、必要に応
じリードフレームやキャップを設ける。その後、大気中
もしくは窒素等の不活性雰囲気中で（800℃以上950℃以
下）×（10分以上60分以下）程度の熱処理により設け
る。このとき、熱処理温度が950℃を超えるまたは熱処
理時間が60分を超えると封着部から窒素ガスが噴出し易
くなるので好ましくない。

【００３７】

【実施例】（実施例１〜５、比較例１〜３）熱伝導率17
0W/m・kの窒化アルミニウム基板（Ra：0.8μｍ以下、Rm
ax：6μｍ以下）を大気中で1260℃×3時間を熱処理する
ことにより膜厚3μｍの酸化アルミニウム膜を設けた窒
化アルミニウム基板（縦40mm×横40mm×厚さ0.635mm）
を作製した。この酸化膜付き窒化アルミニウム基板全面
に対し、砥粒番数300番の砥石を用いてホーニング加工
（ショットブラスト）を行い表１に示す膜厚および膜厚
の最大値と最小値を有する酸化膜形態に加工した。その
後、窒素雰囲気中820℃×16分でAg-Pb系ろう材を縦20mm
×横20mm×厚さ15μmで設けた際のフクレの有無を確認
した。その結果を表１に示す。なお、本実施例において
フクレの有無を測定するにあたり、最大径0.2μｍ以上
のものの有無と、最大径0.2ｍｍ未満の個数を測定し
た。比較のために、酸化膜厚を本発明より薄くしたもの
を比較例１、厚くしたものを比較例２、酸化膜厚の最大
値と最小値の差が0.2μｍを超えたものを比較例３とし
た。なお、各実施例および比較例は各１００個作製し、
その平均値を示したものとする。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１から分かる通り、本実施例にかかる窒
化アルミニウム基板に関しては、最大径0.2mm以上のフ
クレは発生しなかった。また、最大径0.2mm以下のフク
レは０〜２個の範囲であり、実施例４において確認され
たフクレは最大径20μｍ以下と小さなものであった。そ
れに対し、比較例１の薄い酸化膜を設けたものはメタラ
イズ層に0.2mm以上のフクレが１〜３個程度確認され
た。同様に比較例３のものについては最大径0.2mm以上
の大きなフクレは確認されなかったが、最大径0.2mm未
満のフクレは20mm×20mmのメタライズ層中に４個程度の
フクレが確認された。これは、酸化膜厚の最大値と最小
値が0.8μｍと本発明の範囲外であるため、特に最小値
を示す部分に主としてメタライズ層を構成する金属粒子
（例えばAg粒子）が入り込み溶解されず粒成長してしま
ったものと考えられる。一方、酸化膜厚を3.5μｍと厚
く設けた比較例２のものに関しても最大径0.2mm以上の
フクレ（３〜５個）および最大径0.2mm未満のフクレが
発生してしまった。これは酸化膜が厚くさらには最大値
と最小値の差が大きいためにメタライズ工程の熱処理に
より酸化膜が膨張およびメタライズ層を構成する金属粒
子が凹部に入り込み金属粒子が溶解せず単独で粒成長し
てしまった影響が大きいためフクレが多数発生してしま
ったものと考えられる。

【００４０】（実施例５〜８、参考例１）熱伝導率180W
/m・kの窒化アルミニウム基板（Ra：0.7μｍ以下、Rma
x：5μｍ以下）を酸素20vol%含有した窒素雰囲気中で12
30℃×2時間を熱処理することにより膜厚4μｍの酸化ア
ルミニウム膜を設けた窒化アルミニウム基板（縦40mm×
横40mm×厚さ0.635mm）を作製した。この酸化膜を設け
た窒化アルミニウム基板に対し、表２に示すような研磨
処理を行うことにより、平均酸化膜厚を0.7〜2.0μｍ、
最大値と最小値の差を0.2μｍに統一し、酸化膜厚の最
大値を示す個所と最小値を示す個所の距離を変えたもの
を作製した。このような窒化アルミニウム基板に対し、
Ag-Pb系ろう材メタライズ層を30mm×30mm×18μｍで設
け、熱処理条件870℃×20分としたときの最大径20μｍ
以下のフクレの有無を確認した。なお、各実施例および
参考例は各１００個作製し、その平均値を示したものと
する。

【００４１】

【表２】

【００４２】表２から分かる通り、本実施例にかかるメ
タライズ層を設けた窒化アルミニウム基板は最大径20μ
ｍ以下のフクレが０〜２個の範囲内であった。特に、20
0〜400番の砥粒でホーニング加工施した後、400〜700番
の砥粒でホーニング加工を施した実施例５および実施例
７はいずれも最大径20μｍ以下のフクレは存在しなかっ
た。つまり、フクレそのものが形成されなかった。この
ように２段階の加工を施したものは酸化膜厚の最大値と
最小値との距離が1000μｍ以上と離れた距離に形成され
るのでフクレの原因である酸化膜の厚さのバラツキを微
視的に改善することが可能であることが分かる。それに
対し、参考例１のものは砥石番数が200番未満であるた
め、酸化膜厚および酸化膜厚の最大値と最小値の差が0.
2μｍ以下であったとしても、酸化膜厚の最大値と最小
値を示す個所の距離が200μｍ未満となってしまい易い
ことから最大径20μｍ以下のフクレが２個を超えた個数
発生してしまうことが分かった。なお、実施例５〜８お
よび参考例１のメタライズ層を設けた窒化アルミニウム
基板に関しては最大径0.2μｍ以上のフクレはいずれも
観測されなかった。

【００４３】（実施例９〜１３、比較例４〜５）熱伝導
率190W/m・k以上の窒化アルミニウム基板（Ra：0.6μｍ
以下、Rmax：5μｍ以下）およびキャップ部を用いたＱ
ＦＰ型半導体パッケージにおいてリードフレームによる
入出力数を160本にし、銅合金製リードフレームと窒化
アルミニウム基板並びにキャップ部をガラス系封着材に
より封着した。パッケージを作製するにあたり、窒化ア
ルミニウム基板およびキャップ部を酸化処理および研磨
加工を施し、表３に設けた酸化膜を得た後、封着処理と
して880℃×30分の熱処理を施した。その際の窒素ガス
の発生などによる封着部の未接合部の割合を確認した。
その結果を表３に示す。なお、未接合部の割合について
は窒化アルミニウム基板側の封着部の任意の３ヶ所を測
定し、その平均値で示した。

【００４４】

【表３】

【００４５】表３から分かる通り、本実施例にかかる半
導体パッケージはいずれも未接合部が1％以下であっ
た。それに対し、比較例４のものは酸化膜厚が薄いこと
から窒素ガスが噴出してしまい未接合部が３％と非情に
高かった。また、比較例５においては酸化膜が厚いこと
から窒素ガスの噴出は確認されなかったが、酸化膜の熱
膨張が激しいことから未接合部が５％と大きくなってし
まった。

【００４６】（実施例１４〜１８、比較例６）実施例５
および実施例６のメタライズ層を設けた窒化アルミニウ
ム基板を実施例１０のＱＦＰ型半導体パッケージに用い
た。その際に銅合金製リードフレームによる入出力数を
表４のように変えた場合のメタライズ層における最大径
20μｍ以下のフクレの数、および封着部の未接合部の割
合を確認した。比較例６として実施例１８のＱＦＰ型半
導体パッケージにおいてメタライズ層形成部および封着
部以外に形成された酸化膜を研磨により削除したものを
用意し、同様の測定を行った。なお、各実施例および比
較例は各１００個作製し、その平均値を示したものとす
る。その結果を表４に示す。

【００４７】

【表４】

【００４８】表４から分かる通り、本実施例にかかる半
導体パッケージはリードフレームによる入出力数が１６
０本以上となったとしても最大径20μｍ以下のフクレの
数は０〜１個の範囲内であることが分かった。一方、封
着部の未接合部の割合についてはリードフレームの数が
２４０本まで増えたとしても劣化することがないことが
分かった。それに対し、比較例６のように窒化アルミニ
ウム基板の全面に酸化膜を設けていないものはフクレの
数および未接合部の割合が共に劣化してしまった。これ
は全面に酸化膜を設けていないため、酸化膜の熱膨張ま
たは窒素ガスの噴出による影響を抑制することができな
かったため窒化アルミニウム基板に熱膨張の歪みが発生
してしまったためであると考えられる。このような本発
明の半導体パッケージにかかればリードフレームによる
入出力数が１２０本以上と多入出力数化を行ったとして
も優れた封着性を保つことが可能となる。

【００４９】（実施例１９〜２１、参考例２）次に、熱
伝導率180W/m・kの窒化アルミニウム基板を用い、表面
研磨を施すことにより表面粗さを変えた窒化アルミニウ
ム基板を作製した。各窒化アルミニウム基板に対し、大
気中で1200℃×２時間にて膜厚5μｍの酸化膜を設けた
後、200番の砥粒によりホーニング加工を施した後、400
番の砥粒によりホーニング加工を施した。各ホーニング
加工を施した後の酸化膜の膜厚、酸化膜厚の最大値と最
小値の差を測定した。その結果を表５に示す。

【００５０】

【表５】

【００５１】表５から分かる通り、Raが0.8μｍ以下か
つRmaxが5μｍ以下の実施例１９ないし実施例２１は酸
化膜の最大値と最小値の差を0.2μｍ以下にできた。一
方、RaおよびRmaxが本発明の好ましい範囲でない参考例
２は、酸化膜厚が本発明の範囲内にしたときに酸化膜の
最大値と最小値の差を0.2μｍ以下にし難いことが判明
した。このような結果から本発明の窒化アルミニウム基
板並びに半導体パッケージにおいてはRaが0.5μｍ以
下、Rmaxが5μｍ以下の窒化アルミニウム基板であるこ
とが好ましいことが分かった。

【００５２】

【発明の効果】本発明のように、窒化アルミニウム基板
全面に酸化膜を設けた窒化アルミニウム基板において、
メタライズ層を設ける個所に存在する酸化膜の膜厚が0.
3〜4μｍかつ膜厚の最大値と最小値の差が0.2μｍ以下
と均一な酸化膜を設けることにより、最大径0.2μｍ以
上のフクレを無くすことが可能となる。さらに、メタラ
イズ層における最大径20μｍ以下の微小なフクレをも単
位面積20mm×20mmあたりに２個以下と制御することが可
能となる。また、半導体パッケージの封着部に同様の酸
化膜を設けることにより、封着時の窒素ガスの噴出およ
び酸化膜の熱膨張による未接合部の発生を極力抑えるこ
とが可能となる。特に、リードフレームによる入出力数
が１２０本以上と多入出力型のＱＦＰ型半導体パッケー
ジにおいては特に効果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のメタライズ層を設けた窒化ア
ルミニウム基板の一例を示す断面図である。

【図２】図２は、本発明のＱＦＰ型半導体パッケージの
一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…窒化アルミニウム基板２…酸化膜３…メタライズ層４…封着部５…リードフレーム６…キャップ７…半導体素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全面に酸化膜を設けた窒化アルミニウム
基板において、メタライズ層を設ける個所に存在する酸
化膜の膜厚が0.3μｍ以上2μｍ以下かつ膜厚の最大値と
最小値の差が0.2μｍ以下であることを特徴とする窒化
アルミニウム基板。
【請求項２】酸化膜が酸化アルミニウムを主成分とす
ることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム基
板。
【請求項３】窒化アルミニウム基板の表面粗さRaが0.
8μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求
項２記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項４】窒化アルミニウム基板の表面粗さRmaxが
6μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求
項３のいずれかに記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項５】メタライズ層に最大径0.2mm以上のフク
レが存在しないことを特徴とする請求項１ないし請求項
４のいずれかに記載の窒化アルミニウム基板。
【請求項６】全面に酸化膜を設けた窒化アルミニウム
基板を用いた半導体パッケージにおいて、メタライズ層
および封着材により封着される個所に存在する酸化膜の
膜厚が0.3μｍ以上2μｍ以下かつ膜厚の最大値と最小値
の差が0.2μｍ以下である窒化アルミニウム基板を用い
たことを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項７】封着される個所はガラス系封着材により
リードフレームを接合したことを特徴とする請求項６記
載の半導体パッケージ。
【請求項８】半導体パッケージがＱＦＰ型であること
を特徴とする請求項７または請求項７記載の半導体パッ
ケージ。
【請求項９】リードフレームによる入出力数が１２０
本以上であることを特徴とする請求項８記載の半導体パ
ッケージ。