JP2002187776A - AlNメタライズ基板およびその製造方法 - Google Patents
AlNメタライズ基板およびその製造方法Info
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Abstract
耐熱サイクル特性の向上を図り、高信頼性のAlNメタ
ライズ基板を提供する。また、低コスト化を図ったAl
Nメタライズ基板の製造方法を提供する。 【解決手段】AlN焼結体からなるAlN基板の少なく
とも一方の面に高融点金属を主成分とするメタライズ層
が一体に形成されたAlNメタライズ基板において、A
lN焼結体の密度が3.31〜3.33g/cm3であ
り、かつ、AlN基板とメタライズ層との接合強度が1
0MPa以上であることを特徴とする。
Description
体素子を搭載するAlNメタライズ基板およびその製造
方法であって、耐熱サイクル特性に優れた高信頼性を有
するAlNメタライズ基板およびその製造方法に関す
る。
び半導体部品の高出力化に伴い、半導体部品から発生す
る熱が増大する傾向にある。
導率を有し、電気絶縁性が良く、Siとほぼ同じ熱膨張
率を有するなどの優れた性質を持つ。このため、基板材
料にAlN焼結体を適用して、半導体部品から発生する
熱を効率良く放熱する半導体部品が実用化されている。
て実際に使用する際、AlN基板表面に導電性金属から
なるメタライズ層を形成し、回路形成や電子部品の搭載
部を形成する必要がある。
て、同時焼成法(コ・ファイア法:Co−fire法)
が挙げられる。同時焼成法では、一般的に、以下に示す
手順により窒化アルミニウム基板上にメタライズ層が形
成される。
れたAlNグリーンシートに、W,Moなどの高融点金
属粉末ペーストを印刷した成形体を形成し、この成形体
を加熱脱脂し、その後、非酸化性雰囲気下で焼結して、
AlNメタライズ基板を製造する。
ライズ層のAlN基板への焼き付けとが一回の焼成で同
時に行われる。このため、焼結によりAlN基板を形成
した後、このAlN基板上に導電性金属からなる回路層
を直接接合してAlN回路基板を作成する直接接合法
(DBC:Direct Bonding Coppe
r)、または、AlN基板上にろう材を介して導電性金
属からなる回路層を接合する活性金属法などの方法(ポ
スト・ファイア法)に比べ、製造工程数が少ない。その
結果、同時焼成法によりAlNメタライズ基板を製造す
ることで、製造コストを低減できるという利点を有す
る。
成法によりAlNメタライズ基板を製造すると、焼結時
に窒化アルミニウム焼結体中のガラス成分(液相成分)
が基板表面に溶出してしまい、染みや変色などが発生
し、外観不良となる問題が生じていた。
増加すると、AlN基板とメタライズ層との接合面にガ
ラス成分が残存し、残存したガラス成分はAlN基板と
メタライズ層との接合を妨げ、AlN基板とメタライズ
層との接合面に未接合部を形成してしまい、AlN基板
とメタライズ層との接合強度が低下してしまうという問
題を有していた。
上述のAlNメタライズ基板に大電流を流すなどにより
昇温・冷却の熱サイクルを繰り返すと、AlN基板とメ
タライズ層とは熱膨張率が異なるため、熱膨張率の大き
いAlN基板に圧縮応力がかかり、熱膨張率の小さいメ
タライズ層には引張り応力がかかる。このため、ガラス
成分の残存する未接合部が亀裂発生部位となり、この未
接合部を起点として次第にAlN基板とメタライズ層と
の接合面に剥離が生じてしまい、その結果、耐熱サイク
ル特性が低下してしまうという問題を有していた。
れたものであり、AlN基板とメタライズ層との接合強
度を向上させるとともに、耐熱サイクル特性を向上させ
て、高い信頼性を有する放熱特性の優れたAlNメタラ
イズ基板を提供することを目的とする。
を図ったAlNメタライズ基板の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
層の接合強度の低下を防止すべく、鋭意研究を行った結
果、AlN基板を形成するAlN焼結体の焼結密度を理
論密度である3.34g/cm3よりもわずかに低減し
た3.31〜3.33の範囲とすることで、AlN基板
とメタライズ層との接合強度を10MPa以上とし、耐
熱サイクル特性上、問題無く実用化できるAlNメタラ
イズ基板が得られることを見い出した。
かに低減してAlN焼結体内部に気孔を形成することに
より、焼結時に形成されるガラス成分(液相成分)を気
孔に留め、基板表面へのガラス成分の溶出を防止したも
のと考えられる。
よりも低くしたため、AlN基板表面が粗面化されてお
り、AlN基板とメタライズ層とが接合面で複雑にから
みあって密着するアンカー効果(anchoring
effect)を得ることができ、このアンカー効果に
よりAlN基板とメタライズ層との接合強度を向上させ
たものと考えられる。
るAlN基板の少なくとも一方の面に高融点金属を主成
分とするメタライズ層が一体に形成されたAlNメタラ
イズ基板において、AlN焼結体の密度が3.31〜
3.33g/cm3であり、かつ、AlN基板とメタラ
イズ層との接合強度が10MPa以上であることを特徴
とする。
3.31〜3.33g/cm3の範囲に規定した理由
は、焼結密度が3.33g/cm3を超えるとAlN焼
結体が緻密化して前述したアンカー効果を発揮できず、
接合強度が10MPaよりも低くなり耐熱サイクル特性
が低下するとともに、接合強度のばらつきが大きくなる
ためである。また、焼結密度が3.31g/cm3未満
ではAlN基板自体の焼結が十分ではないためAlN基
板の強度が低下し、また、160W/m・k以上の熱伝
導率を得られないため、焼結密度を3.31〜3.33
g/cm3の範囲に規定した。
て、高融点金属は、タングステンまたはモリブデンのい
ずれか一種であることが望ましい。
タライズ層の厚さは、10〜30mm以上とすることが
望ましい。メタライズ層の厚さを10μm未満とする
と、十分な接合強度を得ることが困難であるためであ
る。一方、メタライズ層の厚さが30μmを超えると、
メタライズ層としての効果が飽和になり30μmを超え
た厚さとする利点がない。従って、メタライズ層の厚さ
を、10〜30μmの範囲とすることが望ましい。な
お、メタライズ層の厚さは、メタライズ層の任意の断面
において、厚さ方向に任意の直線を5本以上引き、メタ
ライズ層の上端部から下端部までの長さの平均値をメタ
ライズ層の厚さとする。また、メタライズ層中にAlN
を添加するなどにより、AlN基板とメタライズ層の界
面が判断し難いときには、例えば、図1に示すように、
AlN基板1側からAlN基板1とメタライズ層2との
界面近傍に順次水平線(水平線,)を引き、その水
平線上の高融点金属の割合が10%以上になったところ
を基準とする。この基準から、メタライズ層2上端部へ
直線(厚さ方向への直線)を引き厚さを求めるものとす
る。同時焼成を行った際には、高融点金属成分とAlN
基1板成分が相互に拡散することもあるため、厚さを測
定する際はこのような方法を用いても良い。また、本発
明のメタライズ層とは高融点金属を主成分とする層であ
ることから、メタライズ層上に形成しためっき層は本発
明のメタライズ層の厚さには含まないものとする。
0mmであることが望ましい。AlN基板の厚さを0.
3mm未満とするとAlN基板の強度が不十分であり、
同時焼成時にメタライズ層とAlN基板との熱膨張差に
よりAlN基板が割れてしまうなどの問題があり、Al
N基板の強度が不十分となり同時焼成基板として適して
いない。一方、AlN基板の厚さが1.0mmを超える
と、AlN基板中からガラス成分量が多くなり、ガラス
成分の溶出量が増加してガラス成分の溶出の影響を必要
以上に受けてしまうためである。
板単層の厚さであり、例えば、多層構造とする場合は、
各単層毎の厚さを示すものである。なお、多層構造の単
層の見分け方は、内部配線の位置などにより判別可能で
ある。
て、AlN基板は複数枚の基板要素を積層した多層構造
とすることが望ましい。
タライズ層は、AlNを含有していることが望ましく、
AlN基板の共材であるAlNを含有することで、Al
N基板とメタライズ層との接合強度をさらに高めること
ができる。
ライズ基板は、AlN基板の密度を3.31〜3.33
g/cm3の範囲内とできる製造方法とすれば特に限定
されるものではないが、例えば、次のような製造方法が
考えられる。
法は、AlN成形体と高融点金属ペーストとを準備し、
前記AlN成形体上に高融点金属ペーストを所定の配線
パターンに沿い印刷した後、放置し、脱脂処理を施した
後、非酸化性雰囲気中、1500〜1800℃で3〜5
時間同時焼成してAlN基板上にメタライズ層を一体に
形成することを特徴とする。
た緻密化したAlN焼結体とするために、同時焼成時に
1800℃を超える焼結温度とする必要があるが、18
00℃よりも低い温度で焼結することで、AlN焼結体
の焼結密度を3.31〜3.33g/cm3の範囲内と
し、焼結密度を理論密度よりもわずかに低くしてAlN
焼結体に気孔を形成することができる。これにより、焼
結時のガラス成分(液相成分)の溶出を低減できる。ま
た、AlN焼結体にわずかな気孔を形成することによ
り、AlN基板とメタライズ層とのアンカー効果を発揮
することができ、この結果、AlN基板とメタライズ層
との接合強度を高めることができる。
ストを所定の配線パターンに沿って印刷した後に放置す
る工程を導入した場合には、導体ペーストをAlNグリ
ーンシート表面に入り込ませてアンカー効果を強化する
ことができ、その結果、接合強度を高めることができ
る。なお、この放置時間は少なくとも30分以上とする
ことが望ましい。
N製焼成敷板上で行うことにより、AlN基板から溶出
した余分なガラス成分を吸収することができる。
法において、高融点金属ペーストに、AlN粉末と、酸
化イットリウム粉末とを添加することが望ましい。この
ように、AlN粉末、酸化イットリウム(Y2O3)粉
末などの焼結助剤を添加することで、より一層AlN基
板とメタライズ層との接合強度を高めることができる。
なお、酸化イットリウム(Y2O3)粉末の添加量は、
具体的には、高融点金属の添加量に対して質量%(重量
%と同様)で0.5〜10%添加することが望ましい。
て、表1〜表3を用いて説明する。
結密度を3.24〜3.34g/cm3まで種々変化さ
せたAlNメタライズ基板を作製した。
(AlN)粉末に、焼結助剤として酸化イットリウム
(Y2O3)粉末を質量%で3%添加して原料粉末を調
整し、ボールミルにて解砕および混合を行った。この原
料粉末に有機バインダおよび有機溶剤(エタノール)を
添加した後、混合してスラリー化した。このスラリーを
ドクターブレード法によりシート状に成形し、縦50m
m×横50mm×厚さ0.8mmであるAlNグリーン
シートを多数作製した。
(W)粉末または平均粒径4.0μmのモリブデン(M
o)粉末を準備し、適量の樹脂バインダおよび分散剤を
混合して、WペーストまたはMoペーストを複数作製し
た。
ーストまたはMoペーストを縦30mm×横30mm×
厚さ30μmになるように印刷した後、40分間放置し
てWメタライズ層印刷AlN基板およびMoメタライズ
層印刷AlN基板を複数作製した。
び各Moメタライズ層印刷AlN基板を窒素雰囲気中、
900℃で3時間脱脂処理を行った。
脱脂処理した各メタライズAlN基板を配置し、窒素雰
囲気中、0.8MPaの加圧下、1500〜1800℃
で3〜5時間同時焼成を行い、各種AlNメタライズ基
板を得た。
対してNiめっきを施し、メタライズ層の接合強度を測
定し、各測定値から平均値を算出した。
らサンプルを1個取り出し、TCT試験を実施して耐熱
サイクル特性を評価した。TCT試験は、AlNメタラ
イズ基板に昇温・冷却の熱サイクルを1000回繰り返
し、1000サイクル後におけるAlNメタライズ基板
を観察したものである。なお、1サイクルは、125℃
×30分→室温×10分→45℃×30分→室温×10
分とした。昇温・冷却の熱サイクルを施した後、SEM
写真により500倍に拡大して、AlNメタライズ基板
の観察によりメタライズ層の剥離の状況を調べた。メタ
ライズ層の剥離が確認されなかった場合は、TCT特性
を「良好」とし、メタライズ層の剥離が確認された場合
は、TCT特性を「不良」とした。
た後、アルキメデス法を用いてAlN焼結体の焼結密度
を測定した。なお、メタライズ層の厚さは各基板とも放
置処理を行ったことから、AlN基板とメタライズ層の
界面を特定し難いものがあったため、界面近傍にAlN
基板側から水平線を引き、高融点金属の割合が10%に
なったところを基準にし、そこからメタライズ層の上端
部までの長さを求めたものとする。これらの結果を表1
に示す。
度を高くして理論密度(3.34g/cm3)に近似さ
せるほど、AlN焼結体は緻密な構造となりAlN基板
強度が高くなる。しかし、焼結密度を理論密度である
3.34g/cm3とした比較例の試料No.9,N
o.12では、緻密な構造であるためアンカー効果を十
分に得ることができず、AlN基板とメタライズ層との
接合強度が低下し、また耐熱サイクル特性も不良であっ
た。また、比較例の試料No.7,No.8,No.1
0,No.11のAlNメタライズ基板は、AlN焼結
体の焼結密度を3.31g/cm3未満としたため、A
lN基板の強度が著しく低下し、いずれも接合強度が1
0MPa未満でありAlN基板とメタライズ層との接合
強度が低下しており、耐熱サイクル特性も不良であっ
た。
cm3の範囲とし、わずかな気孔を形成した実施例の試
料No.1〜試料No.6のAlNメタライズ基板で
は、メタライズ層の接合強度がいずれも10MPa以上
と高くなっており、耐熱サイクル特性も良好であった。
密度を理論密度よりもわずかに低い3.31〜3.33
g/cm3の範囲とすることで、AlN基板とメタライ
ズ層との接合強度と耐熱サイクル特性とを向上させたA
lNメタライズ基板を得られる。
の厚さを変化させて、複数個のAlNメタライズ基板を
作製した。
とし、AlN焼結体の焼結密度を3.32g/cm3と
なるようにAlNメタライズ基板を作製した。
て、第1実施形態と同様の試験条件でAlN基板とメタ
ライズ層との接合強度を測定し、耐熱サイクル特性を評
価した。その結果を表2に示す。
0.3〜1.0mmとした単層構造からなる実施例の試
料No.20〜No.24、また、各単層毎の厚さを
0.3〜1.0mmの範囲として多層構造とした試料N
o.25,No.26では、接合強度がいずれも13M
Pa以上となっており、メタライズ層の接合強度が優れ
ていた。これに対し、AlN基板の厚さを0.3〜1.
0mmの範囲外とした単層構造のAlN基板からなる比
較例の試料No.27〜No.29、各単層毎の厚さを
0.3〜1.0mmの範囲外として多層構造とした試料
No.30,No.31では接合強度が低下していた。
また、メタライズ層の厚さを5μmとした試料No.3
1では、接合強度が低下していた。一方、メタライズ層
の厚さを32μmと厚くすると17MPaの接合強度を
得られたが、メタライズ層の厚さを30μmとした実施
例の試料No.24の接合強度と同じであることから、
30μm以上の厚さとする利点が無かった。
AlN基板の厚さを本発明の範囲と規定することで、1
0MPa以上と接合強度が高く、耐熱サイクル特性を向
上させたAlNメタライズ基板を得ることができた。
あるAlNを添加したAlNメタライズ基板を作製し
た。
同様の手順であり、WペーストまたはMoペースト中に
AlNまたはY2O3を表3に示すように添加した。そ
して、AlN焼結体の焼結密度を3.31〜3.33g
/cm3の範囲となるようにし、メタライズ層の厚さを
25μmとしたAlNメタライズ基板を作製した。これ
を試料No.40〜試料No.45とした。
て、第1実施形態と同様の条件下で接合強度の測定およ
び耐熱サイクル特性の評価を行った。その結果を表3に
示す。
基板の共材であるAlNを添加した試料No.40〜N
o.45のAlNメタライズ基板は、いずれも15MP
a以上の接合強度を示しており、また、耐熱サイクル特
性も良好であった。
N基板の共材であるAlNを添加することで、より一層
AlN基板とメタライズ層との接合強度を向上させると
ともに、耐熱サイクル特性の向上を図ることができる。
タライズ基板によれば、AlN基板とメタライズ層との
接合強度を10MPa以上として、接合強度の向上させ
て耐熱サイクル特性の優れた高熱伝導率のAlNメタラ
イズ基板を得られるため、半導体素子をより一層高集積
化,高速化,大チップ化できる。
ライズ層の厚さ測定するための図であり、AlNメタラ
イズ基板の断面を示す図。
Claims (8)
- 【請求項1】 AlN焼結体からなるAlN基板の少な
くとも一方の面に高融点金属を主成分とするメタライズ
層が一体に形成されたAlNメタライズ基板において、
AlN焼結体の密度が3.31〜3.33g/cm3で
あり、かつ、AlN基板とメタライズ層との接合強度が
10MPa以上であることを特徴とするAlNメタライ
ズ基板。 - 【請求項2】 請求項1記載のAlNメタライズ基板に
おいて、高融点金属は、タングステンまたはモリブデン
のいずれか一種であることを特徴とするAlNメタライ
ズ基板。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載のAlNメタラ
イズ基板において、メタライズ層の厚さは、10〜30
μmであることを特徴とするAlNメタライズ基板。 - 【請求項4】 請求項1から3までのいずれかに記載の
AlNメタライズ基板において、AlN基板の厚さは、
0.3〜1.0mmであることを特徴とするAlNメタ
ライズ基板。 - 【請求項5】 請求項1から4までのいずれかに記載の
AlNメタライズ基板において、AlN基板は複数枚の
基板要素を積層した多層構造としたことを特徴とするA
lNメタライズ基板。 - 【請求項6】 請求項1から5までのいずれかに記載の
AlNメタライズ基板において、メタライズ層は、Al
Nを含有していることを特徴とするAlNメタライズ基
板。 - 【請求項7】 AlN成形体と高融点金属ぺーストとを
準備し、前記AlN成形体上に高融点金属ペーストを所
定の配線パターンに沿い印刷した後、放置し、脱脂処理
を施した後、非酸化性雰囲気中、1500〜1800℃
で3〜5時間同時焼成してAlN基板上にメタライズ層
を一体に形成することを特徴とするAlNメタライズ基
板の製造方法。 - 【請求項8】 請求項7記載のAlNメタライズ基板の
製造方法において、高融点金属ペーストに、AlN粉末
と、酸化イットリウム粉末とを添加したことを特徴とす
るAlNメタライズ基板の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2000389208A JP4950379B2 (ja) | 2000-12-21 | 2000-12-21 | AlNメタライズ基板およびその製造方法 |
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2000
- 2000-12-21 JP JP2000389208A patent/JP4950379B2/ja not_active Expired - Lifetime
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