JP2002080287A

JP2002080287A - メタライズＡｌＮ基板

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Publication number: JP2002080287A
Application number: JP2000271931A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ishii; 正石井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2002-03-19
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: JP4649026B2

Abstract

(57)【要約】【課題】メタライズ層の抵抗値のばらつきを低減して、
耐熱サイクル特性を向上させたメタライズＡｌＮ基板を
得る。【解決手段】ＡｌＮ基板表面にタングステンおよびモリ
ブデンのいずれかの高融点金属を主成分とするメタライ
ズ層を備え、このメタライズ層の厚さ方向を長辺とする
縦、横、高さがそれぞれ５μｍ、５μｍ、１０μｍであ
る直方体を単位体積とした場合に、この単位体積あたり
に３〜１０個の割合でＡｌＮ粒子がメタライズ層中に分
散していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大電流に対応可能
な優れた耐熱サイクル特性を有するメタライズＡｌＮ基
板に関する。

【０００２】

【従来の技術】大電流を要するパワーＩＣ、高周波トラ
ンジスタ等の半導体素子の実用化により、半導体素子か
らの放熱量は増大する傾向にあり、大電流化に伴い、実
装基板には高熱伝導率および高放熱性が要求される。近
年、実装基板として高熱伝導率を有する窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミックス基板が実用化
されている。窒化アルミニウム基板は、酸化アルミニウ
ム基板の約５倍以上の熱伝導率を有するため放熱性が良
好であり、また、Ｓｉチップに近似した低熱膨張率を有
する等の優れた特性を有する。

【０００３】セラミックス基板の表面や内部には、導電
性を有する金属化層（メタライズ層）を形成することが
不可欠であり、メタライズ層の形成によりセラミックス
基板上に搭載した部品と基板上の配線パターンを電気的
に接続している。

【０００４】セラミックス基板上に金属回路層（配線パ
ターン）を形成する方法としては、高融点金属法、同時
焼成法、直接接合法および活性金属接合法などがある。

【０００５】例えば、高融点金属法は、Ｗ、Ｍｏ、Ｗ−
Ｍｏ等の高融点金属粉末を含むペーストを作製し、セラ
ミックス基板上に上記ペーストを塗布後、焼成により回
路基板を作製する方法である。しかし、上述した窒化ア
ルミニウム焼結体から成るセラミックス基板上に高融点
金属法を用いてメタライズ層を形成すると、窒化アルミ
ニウムは酸化アルミニウムなどの酸化物系セラミックス
焼結体に比較して金属との濡れ性や反応性に劣るため、
メタライズ層の接合強度が極端に低下する。従って、窒
化アルミニウム焼結体から成るセラミックス基板上に高
融点金属法を実施してメタライズ層を形成するのは好ま
しくない。

【０００６】そこで、高融点金属法に換えて、窒化アル
ミニウム成形体と高融点金属ペーストとの焼成を同時に
行う、いわゆる同時焼成法を実施してメタライズ層（高
融点金属層）を形成する方法が適用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た同時焼成法は、製造工程数が少なくコスト低減を図れ
るという利点を有するが、同時焼成法により作製したＡ
ｌＮ回路基板は、直接接合法や活性金属接合法を用いて
銅回路板を基板に接合して作製したＡｌＮ回路基板と比
較して金属回路層の接合強度が低下してしまうという問
題を有していた。

【０００８】上記問題を解決するため、ＡｌＮ基板成分
と同一の共材であるＡｌＮ粒子をメタライズ層中に添加
して接合強度の向上を図ることが試行されている。Ａｌ
Ｎ粒子の添加によりメタライズＡｌＮ基板の接合強度の
向上が図れる反面、メタライズ層中に絶縁物であるＡｌ
Ｎ粒子を添加しているため、回路基板の耐熱サイクル特
性が低下してしまう等の問題を有していた。近年の大容
量化に伴いセラミックス基板自体のサイズを大型化する
必要があるが、この場合、特に耐熱サイクル特性の低下
が顕著になる問題点があった。

【０００９】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、ＡｌＮ基板とメタライズ層との接合強
度を高めるとともに、耐熱サイクル特性を向上させたメ
タライズＡｌＮ基板を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
を解決するために鋭意研究した結果、メタライズＡｌＮ
基板についての耐熱サイクル特性低下の原因を種々研究
したところ、絶縁体であるＡｌＮ粒子がメタライズ層中
に不均一に分散されると抵抗値のばらつきが生じ、この
抵抗値のばらつきに起因して耐熱サイクル特性の低下が
生じることが判明した。

【００１１】すなわち、メタライズ層中に抵抗値のばら
つきが生じると、大電流が流れた際、絶縁物であるＡｌ
Ｎ粒子が抵抗体として機能して温度が上昇し、抵抗体の
温度上昇に伴いメタライズ層とＡｌＮ基板との接合強度
が劣化して割れおよび剥離などが生じ易くなる。その結
果、メタライズＡｌＮ基板の耐熱サイクル特性が低下す
ることが判明した。従って、メタライズ層中のＡｌＮ粒
子を均一に分散させて抵抗値のばらつきを低減するとと
もに、分散させるＡｌＮ粒子の最大径を制御することに
より、メタライズ層の抵抗値のばらつきを解消したとき
に、優れた耐熱サイクル特性を有するメタライズＡｌＮ
基板を得られることが判明した。本発明は、これらの知
見に基づいて完成されたものである。

【００１２】すなわち、本発明に係るメタライズＡｌＮ
基板は、ＡｌＮ基板表面にタングステンおよびモリブデ
ンのいずれかの高融点金属を主成分とするメタライズ層
を備え、このメタライズ層の厚さ方向を長辺とする縦、
横、高さがそれぞれ５μｍ、５μｍ、１０μｍである直
方体を単位体積とした場合に、この単位体積あたりに３
〜１０個の割合でＡｌＮ粒子がメタライズ層中に分散し
ていることを特徴とする。単位体積あたりにおけるＡｌ
Ｎ粒子の数の数え方は、所定の直方体中に存在するＡｌ
Ｎ粒子をすべてカウントするものである。そのため直方
体に少しでも接しているＡｌＮ粒子もカウントするもの
とする。そのためＡｌＮ粒子の中心部が単位体積を示す
直方体中に必ずしも存在する必要はない。なお、メタラ
イズ層の厚さ（該直方体における「高さ」）が１０μｍ
未満のときは、縦５μｍ×横５μｍ×高さ１０μｍ＝２
５０μｍ^３に相当する体積を単位体積として適用しても
よい。また、メタライズ層中におけるＡｌＮ粒子の個数
の分析は断面の拡大写真を用い、必要な分だけ研磨加工
を施しその都度拡大写真に撮る方法が有効である。

【００１３】本発明において、メタライズ層の単位体積
あたりに含有されるＡｌＮ粒子数を３〜１０個と規定し
たが、ＡｌＮ粒子数が３個未満である場合には、ＡｌＮ
粒子の添加による接合強度向上の効果が得られず、ま
た、単位体積あたりのＡｌＮ粒子数が１０個を超える
と、メタライズ層の厚さ方向に分散させるＡｌＮ粒子量
が過剰となり、結果的にＡｌＮ粒子部分の抵抗値が上昇
してメタライズ層全体で抵抗値のばらつきが生じてしま
うためである。

【００１４】上述したように、抵抗値のばらつきが生じ
ると大電流が流れた際にＡｌＮ粒子が偏在する部位にお
ける温度が上昇し、この温度上昇に伴いメタライズ層と
ＡｌＮ基板との接合強度が劣化し割れおよび剥離などが
生じる原因となり、耐熱サイクル特性が低下するためで
ある。従って、本発明では、ＡｌＮ基板上に形成された
ＷやＭｏ等の高融点金属を主成分とするメタライズ層中
に分散しているＡｌＮ粒子の数を所定の範囲に規定して
いる。具体的には、メタライズ層の厚さ方向を長辺とす
る、縦、横、高さがそれぞれ５μｍ、５μｍ、１０μｍ
である直方体を単位体積とした場合に、この単位体積あ
たりに存在するＡｌＮ粒子を３〜１０個、さらに好まし
くは４〜７個の範囲で分散させると良い。

【００１５】また、上記メタライズＡｌＮ基板におい
て、ＡｌＮ粒子の最大径が、５μｍ以下であることが好
ましい。

【００１６】メタライズ層中のＡｌＮ粒子は抵抗体とし
て機能することから、ＡｌＮ粒子の最大径を過大とする
と抵抗値のばらつきが顕著となるため好ましくない。従
って、ＡｌＮ粒子の最大径は５μｍ以下とすると良い。
さらに、ＡｌＮ粒子の径は、０．３以上５．０μｍ以下
の範囲とすると好ましい。なお、ＡｌＮ粒子の最大径
は、メタライズ層中のＡｌＮ粒子の最も長い対角線をそ
のＡｌＮ粒子の最大径としたものである。また、ＡｌＮ
粒子が所定のサイズを満たしていたとしても単位体積あ
たりに存在するＡｌＮ粒子同士が直接接触していると抵
抗値のばらつきの原因となることから、本発明では単位
体積あたりに存在するＡｌＮ粒子同士が接触している個
所は０〜１個所であることが好ましい。

【００１７】さらに、メタライズ層の厚さが、１０〜３
０μｍであると良い。なお、メタライズ層の厚さは１０
〜２０μｍとするとさらに好ましい。メタライズ層の厚
さが１０μｍ未満であると十分な接合強度が得られず、
逆にメタライズ層の厚さが３０μｍを超えるとＡｌＮ粉
末を含有したメタライズ層自体が抵抗体となりＡｌＮ基
板の熱抵抗を劣化させてしまうためである。なお、本発
明のメタライズ層の厚さとは、ＡｌＮ基板表面に設けら
れたタングステンまたはモリブデンのいずれかを主成分
とした高融点金属層の厚さのみを示すものである。その
ため、例えばタングステンメタライズ層上にメッキ層や
別組成のろう材を設けたとしてもその厚さはメタライズ
層の厚さには加えないものとする。つまり、本発明のメ
タライズ層としてはあくまでＡｌＮ粒子を分散させた高
融点金属層のみを示すものとする。また、高融点金属の
拡散によりＡｌＮ基板との境界が判断し難いときは高融
点金属の割合が５０％以上となる部分からメタライズ層
の厚さを測定するものとする。

【００１８】また、上記メタライズＡｌＮ基板におい
て、メタライズ層の任意の２ヶ所における抵抗値の差
が、１０ｍΩ／□以下であると良い。

【００１９】本発明のＡｌＮ含有メタライズ層によれ
ば、任意の２箇所における抵抗値の差を２０Ω・ｃｍ以
下とすることが可能となる。メタライズ層に抵抗値の差
が過大であると、前述したように、大電流を流した際に
メタライズ層の各部分において抵抗値の差が生じること
から、当然発熱状態が変化してメタライズ層およびＡｌ
Ｎ基板の熱膨張差の影響を部分的に受けることになり、
剥離が生じる原因となる。なお、任意の２ヶ所の測定方
法については４端子法により測定可能であり、最低３ｍ
ｍ程度離れた場所を測定するものとする。言い換える
と、本発明のメタライズＡｌＮ基板はメタライズ層の短
辺が３ｍｍ以上と広範囲のものを具備する場合に特に有
効であると言える。なお、本発明においてメタライズ層
の短辺が３ｍｍ未満のものであったとして問題はないこ
とは言うまでもない。

【００２０】さらに、上記メタライズＡｌＮ基板におい
て、メタライズ層が同時焼成法により形成されることが
好ましい。

【００２１】本発明において、同時焼成法を用いてメタ
ライズＡｌＮ基板を製造することにより、製造工程数を
低減できる等の利点を有するため、生産効率の向上を図
ることが可能となる。

【００２２】次に、メタライズＡｌＮ基板の製造方法に
ついて説明する。

【００２３】まず、ＡｌＮ粒子を含有した高融点金属ペ
ーストを作製する。なお、ＡｌＮ粒子の大きさは平均粒
径１μｍ以下、高融点金属粒子は平均粒径４μｍ以下と
すると良い。上記各粒子を有機溶媒中にて均一混合す
る。均一混合させる方法としては特に限定されるもので
はないが、例えば、３段ローラを用いて複数回による混
合を行うと良く、また、好ましくは１０回（１０バッ
チ）以上の混合を行うことが効果的である。また、別の
方法ではＡｌＮ粒子のみその体積の５０倍以上の体積を
有する有機溶媒中で攪拌した後に高融点金属粒子を添加
して均一混合する方法も効果的である。

【００２４】均一混合されたメタライズペーストを、Ａ
ｌＮ焼結体基板上に所定量塗布して焼成する。このとき
ＡｌＮは成形体のままとし、その上にメタライズペース
トを塗布後焼成する同時焼成法を用いると製造性が良好
となる。

【００２５】なお、本発明において、ＡｌＮ粒子を均一
に分散することが重要であるが、これは、単に混合する
のみでは高融点金属ペースト中でＡｌＮが偏析してしま
い、結果的にメタライズ層の厚み方向に対してＡｌＮ粒
子数が本発明の範囲外となってしまうためである。ま
た、偏析が起こるとＡｌＮ粒子の最大径が５μｍを超え
ることが予測されるため、ＡｌＮ粒子を均一分散すると
良い。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、表１および表２を用いて説明する。

【００２７】実施例１（表１）本実施例では、メタライズ層の単位体積あたりに分散し
ているＡｌＮ粒子数を変えて、各種特性を評価した。

【００２８】まず、平均粒径が０．８μｍの窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）原料粉末に対して、焼結助剤としてＹ
_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末を添加し、エチルアル
コール中で２４時間湿式混合した後に乾燥して原料粉末
混合体を調整した。次に得られた原料粉末混合体に有機
バインダを所定量添加して均一混合し、原料スラリーを
調製した。調製した原料スラリーをドクターブレード法
により成形し、シート状成形体を複数個調製した。

【００２９】一方、高融点金属として平均粒径が３μｍ
のタングステン（Ｗ）粉末を用い、このタングステン粉
末に最大径０．６μｍの窒化アルミニウム粉末および有
機溶媒を混合して、３段ローラにより１０回バッチ以上
の混合、またはＡｌＮ粒子の体積の５０倍以上の体積を
有する有機溶媒中にＡｌＮ粒子を攪拌した後タングステ
ン粉末を添加混合による混合を行い、ＡｌＮ粒子が均一
に分散しているＡｌＮ含有Ｗペースト状回路材料を調製
した。なお、窒化アルミニウム原料粉末混合体を脱脂し
た粉末の添加量を種々変えたＡｌＮ含有Ｗペースト状回
路材料を調製した。

【００３０】次に、ＡｌＮ含有Ｗペースト状回路材料を
スクリーン印刷機により各シート状成形体上に印刷した
後、乾燥して各種の印刷体を形成した。この印刷体を６
５０℃の窒素雰囲気中において２時間脱脂した後、脱脂
体を窒素ガス雰囲気中７．５気圧にて１９００℃で６時
間保持し、同時緻密化焼結を実施した。同時緻密化焼結
後、焼結炉に付設した加熱装置への通電量を制御して冷
却速度を調整して焼結体を冷却し、同時焼成基板を複数
個調製した。

【００３１】本同時焼結基板のＡｌＮ基板のサイズは２
０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍであり、ＡｌＮ含有Ｗペース
ト状回路材料からなるメタライズ層の面積は１０ｍｍ×
１５ｍｍ、厚さは２０μｍであった。

【００３２】さらに調製した同時焼成基板を、７．５気
圧の窒素ガス雰囲気中、１８００℃で２時間保持して反
り直しを実施した後、同時焼成基板の回路部に無電解ニ
ッケルめっき法により厚さ４μｍのニッケルめっき層を
形成し、メタライズＡｌＮ基板を得た。

【００３３】上記各メタライズＡｌＮ基板のメタライズ
層において、縦、横、高さがそれぞれ５μｍ、５μｍ、
１０μｍである直方体の単位体積あたりに存在するＡｌ
Ｎ粒子数を以下に示すように測定した。

【００３４】メタライズＡｌＮ基板を切断した後に切断
面をポリッシュ加工し、その拡大写真を用いて単位体積
あたりに存在するＡｌＮ粒子数を任意の３ヵ所について
測定し、測定値の平均値を算出した。単位体積あたりの
ＡｌＮ粒子の数に応じて試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．
７とした。なお、試料Ｎｏ．６は、単位体積あたりのＡ
ｌＮ粒子数が２０個、試料Ｎｏ．７は、ＡｌＮ粒子を添
加せずに本発明の範囲外としたメタライズＡｌＮ基板で
ある。

【００３５】上記試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．７の各
基板に対して、接合強度の測定および任意の２ヶ所にお
ける抵抗値の測定を行うとともに、耐熱サイクル特性を
評価した。

【００３６】なお、接合強度の測定は、メタライズ層上
に厚さ５μｍのＮｉメッキを施した後、ＢＡｇ−８のろ
う材を用いて接合面積１０ｍｍ×１０ｍｍとしたコバー
ル板（サイズ１０ｍｍ×５０ｍｍ×０．８ｍｍ）を接合
して、ピール強度を測定したものである。

【００３７】また、抵抗値は、メタライズ層における３
ｍｍ離れた任意の２点を選択して４端子法を用いて測定
したものであり、第一の測定点の抵抗値を抵抗値１と
し、第二の測定点の抵抗値を抵抗値２とした。

【００３８】さらに、耐熱サイクル特性はＴＣＴ試験を
行い評価したものであり、測定条件は、−５５℃×３０
ｍｉｎ→Ｒ．Ｔ．×１０ｍｉｎ→１６０℃×３０ｍｉｎ
→Ｒ．Ｔ．×１０ｍｉｎを１サイクルとして、１０００
サイクル実施後の割れの有無を評価した。なお、比較例
の試料Ｎｏ．６および試料Ｎｏ．７は、上記サイクルを
５００サイクル実施した際の割れの有無を評価したもの
である。その結果を表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１に示すように、実施例の試料Ｎｏ．１
ないし試料Ｎｏ．５は、ピール強度がいずれもＡｌＮ基
板に高く強度が優れているとともに、抵抗値のばらつき
が少ないことが判明した。また、ＴＣＴ試験で１０００
サイクル後においても、いずれもＡｌＮ基板に割れが無
く、優れた耐熱サイクル特性を得られることが判明し
た。また、単位体積あたりのＡｌＮ粒子が直接接触して
いる個所はいずれも０〜１個所の範囲であった。

【００４１】実施例２（表２）本実施例では、メタライズ層に分散させるＡｌＮ粒子の
最大径を種々変化させて、実施例１と同様の方法を用い
てメタライズＡｌＮ基板を作製し、各種特性を評価し
た。

【００４２】具体的には、実施例１に示す試料Ｎｏ．３
のメタライズＡｌＮ基板と同様にメタライズ層中のＡｌ
Ｎ粒子の数を６個としたメタライズＡｌＮ基板を作製
し、ＡｌＮ粒子の最大径を０．５μｍから８μｍの範囲
で変化させてメタライズＡｌＮ基板を作製し、抵抗値の
測定およびＴＣＴ試験を行った。なお、測定条件は実施
例１と同様とした。その結果を表２に示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】表２に示すように、本発明の範囲内である
試料Ｎｏ．８ないし試料Ｎｏ．１１は、抵抗値の差がい
ずれも１０ｍΩ／□以下であり抵抗値のばらつきが少な
く、ＴＣＴ試験後の割れが発生しないことから、耐熱サ
イクル特性が優れていることが判明した。一方、ＡｌＮ
粒子の最大径を８μｍとした試料Ｎｏ．１２は、抵抗値
の差が５０ｍΩ／□とばらつきが大きくなり、またＴＣ
Ｔ試験後の割れも生じた。

【００４５】本実施形態によれば、メタライズ層に添加
するＡｌＮ粒子の数を制御して均一分散させて、抵抗値
のばらつきを防止し、温度上昇に伴う耐熱サイクル特性
の低下を防止できる。また、ＡｌＮは絶縁体であるため
ＡｌＮ粒子自体が抵抗体となり、ＡｌＮの粒子径が過大
になると抵抗値のばらつきが生じるが、本実施形態のよ
うに、ＡｌＮ粒子の最大径を５μｍ以下とすることによ
り、抵抗値のばらつきを解消して耐熱サイクル特性の低
下を防止できる。本発明は、特に、メタライズＡｌＮ基
板の大きさが大型化した場合に、抵抗値のばらつきを、
より一層低減できるため、大電流に対応可能な優れた耐
熱サイクル特性を有するメタライズＡｌＮ基板を得るこ
とができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
メタライズ層にＡｌＮ粒子を均一に分散させているた
め、メタライズ層の抵抗値のばらつきを低減して、優れ
た耐熱サイクル特性を有し、大電流に対応可能なメタラ
イズＡｌＮ基板が得られる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＡｌＮ基板表面にタングステンおよびモ
リブデンのいずれかの高融点金属を主成分とするメタラ
イズ層を備え、このメタライズ層の厚さ方向を長辺とす
る縦、横、高さがそれぞれ５μｍ、５μｍ、１０μｍで
ある直方体を単位体積とした場合に、この単位体積あた
りに３〜１０個の割合でＡｌＮ粒子がメタライズ層中に
分散していることを特徴とするメタライズＡｌＮ基板。
【請求項２】前記ＡｌＮ粒子の最大径が、５μｍ以下
であることを特徴とする請求項１記載のメタライズＡｌ
Ｎ基板。
【請求項３】前記メタライズ層の厚さが、１０〜３０
μｍであることを特徴とする請求項１または請求項２記
載のメタライズＡｌＮ基板。
【請求項４】前記メタライズ層の任意の２ヶ所におけ
る抵抗値の差が、１０ｍΩ／□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メタラ
イズＡｌＮ基板。
【請求項５】メタライズ層が同時焼成法により形成さ
れたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれ
かに記載のメタライズＡｌＮ基板。