JP3658539B2 - 窒化アルミニウム多層基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、同時焼成による窒化アルミニウム多層基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーＩＣ、高周波トランジスタ等の大電流を必要とする半導体素子の発展に伴い、半導体素子からの放熱量は増大する傾向にある。これによって、使用する実装基板やパッケージには、熱伝導率が高く、放熱性に優れるという特性が要求されている。このような基板に対する要求特性に対して、窒化アルミニウム焼結体基板が注目されている。窒化アルミニウム基板は、熱伝導率が酸化アルミニウム基板の約５倍以上と高く放熱性に優れ、加えて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している。
【０００３】
ところで、窒化アルミニウム基板を半導体素子用の実装基板やパッケージ等として使用する場合には、回路の形成や電子部品の搭載部の形成等を目的として、窒化アルミニウム基板の表面や内部に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とされている。
【０００４】
上述したようなメタライズ層をセラミックス基板に形成する方法としては、例えばＷ、Ｍｏ、Ｗ−Ｍｏ等の高融点金属を用いる方法が知られている。この高融点金属法は、高融点金属粉末に樹脂接合剤や分散媒を添加してペーストを作製し、この高融点金属ペーストを基板上に印刷法等によって塗布した後、所定の温度で焼成してメタライズ層を形成する方法である。ただし、上述した窒化アルミニウムは、酸化アルミニウム等の酸化物系セラミックスに比べて、金属との濡れ性や反応性に劣るため、一般的な高融点金属法ではメタライズ層の接合強度が極端に低いものとなってしまう。そこで、窒化アルミニウム基板と高融点金属層の焼成を同時に行う、いわゆる同時焼成法によりメタライズ層（高融点金属層）を形成することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、窒化アルミニウムは金属との濡れ性や反応性に劣るため、同時焼成法によって高融点金属層を窒化アルミニウム基板に形成することが行われている。しかしながら、上記した同時焼成法を適用しても、必ずしも満足いくほどの接合強度が得られているわけではない。すなわち、窒化アルミニウム基板による半導体パッケージ等を作製する場合、同時焼成法によって多層化した内部配線を形成しているが、個々の窒化アルミニウム層と高融点金属層（内部配線層）との接合強度が不十分であるため、導通不良を招いたり、パッケージの気密性が低下したり、さらにはハガレ等の構造不良を招く等といった問題が生じている。本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、窒化アルミニウム基板に高接合強度で高融点金属層を形成することを可能にし、信頼性に優れた窒化アルミニウム多層基板を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用】
本発明の窒化アルミニウム多層基板は、ＣａＯ系またはＹ ２ Ｏ ３ 系の焼結助剤を含んでなる複数の窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層に接して設けられる内部配線としての高融点金属層とを具備する窒化アルミニウム多層基板において、前記高融点金属層と前記窒化アルミニウム層との接合界面には前記焼結助剤とＡｌ ２ Ｏ ３ との複合酸化物を含むＡｌＮ粒子が充填され空隙が存在せず、かつ前記窒化アルミニウム層の接合界面から１０μｍ以内には前記高融点金属の微粒子が析出していることを特徴としている。
【０００７】
本発明における窒化アルミニウム層としては、焼結助剤を用いた通常の液相焼結法によるものが用いられる。上記焼結助剤としては、ＣａＯ系やＹ２Ｏ３系等が用いられる。なお、ＣａＯ系の焼結助剤は、ＣａＣＯ３として用いることも可能である。これら焼結助剤は、窒化アルミニウム粉末に対して０．５〜１０重量％程度の範囲で添加される。
【０００８】
また、高融点金属層の形成材料としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｗ−Ｍｏ等が用いられる。このような高融点金属からなる導電層は、表面配線として窒化アルミニウム層の表面に形成してもよいし、また内部配線として窒化アルミニウム層の内部に形成してもよい。なお、本発明における高融点金属層は、上記したような高融点金属単体によって形成しなければならないものではなく、他の添加物を含むことも可能である。
【０００９】
本発明の窒化アルミニウム多層基板は、上述した窒化アルミニウム層と高融点金属層とを同時焼成することにより一体化したものである。そして、上記同時焼成時の条件を適切に制御することによって、高融点金属層と窒化アルミニウム層との接合界面に窒化アルミニウム層の構成材による粒子、すなわち窒化アルミニウムと焼結助剤成分とを主体とする化合物粒子を析出させて空隙を無くし、また窒化アルミニウム層の接合界面から１０μｍ以内には高融点金属の微粒子を分散析出させている。なお、高融点金属層内に窒化アルミニウム層の構成材による粒子、すなわち窒化アルミニウムと焼結助剤成分とを主体とする化合物粒子が分散析出されていてもよい。高融点金属層内における窒化アルミニウム層の構成材粒子の析出量は、体積比で１〜１０％程度とすることが好ましい。また、窒化アルミニウム層の接合界面から１０μｍ以内に析出させる高融点金属微粒子の析出量は、体積比で０．２〜２％程度とすることが好ましい。一般には後者の粒子の方が小さい。
【００１０】
本発明では高融点金属層と窒化アルミニウム層との接合界面の空隙を無くすことにより、高い接合強度を得ることが可能になる。また、高融点金属層と窒化アルミニウム層との接合界面の空隙に析出する窒化アルミニウム層の構成材による粒子は、高融点金属層と一定の結晶方位関係をもってエピタキシャル成長したものであることが好ましい。このようなエピタキシャル成長した窒化アルミニウム粒子が存在することによって、より高い接合強度を得ることが可能となる。
【００１１】
本発明の窒化アルミニウム基板は、上記した構成とすることで、例えば１６０ＭＰａ以上の４点曲げ強度を得ることができる。
【００１２】
このような本発明の窒化アルミニウム多層基板は、例えばＰＧＡ用多層基板として用いることが好ましい。
【００１３】
次に、本発明の窒化アルミニウム多層基板の製造方法について、図１を参照して詳述する。まず、焼結助剤例えばＣａＯを含むＡｌＮグリーンシートと、高融点金属ペースト例えばＷペーストとを用意する。ＡｌＮグリーンシートは通常のドクターブレード法などにより作製すればよい。また、高融点金属ペーストは、高融点金属粉末に樹脂結合剤および必要に応じて分散媒や可塑材を添加し、均一に分散させて所望の粘度のペーストとして作製する。
【００１４】
上記したようなＡｌＮグリーンシートおよび高融点金属ペーストを用いて、図１（ａ）に示すように、ＡｌＮグリーンシート１上に高融点金属ペースト２を例えばスクリーン印刷法によって所要の形状に塗布する。また、ＡｌＮ多層配線基板を作製する場合には、複数のＡｌＮグリーンシート１に高融点金属ペースト２をそれぞれ塗布した後、それらを所定の枚数積層する。この際、高融点金属ペースト２を塗布した段階では、微視的に見ると、ＡｌＮグリーンシート１と高融点金属ペースト２の塗布層との間に空隙３が存在し、必ずしも連続的な界面が形成されているわけではない。
【００１５】
次に、上記高融点金属ペースト２を塗布したＡｌＮグリーンシート１を所定の温度で焼成し、図１（ｂ）に示すように、ＡｌＮ層４と高融点金属層５とを同時焼成によって形成する。ここで、本発明の窒化アルミニウム多層基板を得るためには、ＡｌＮ層４の構成材料、すなわちＡｌ、Ｎ、焼結助剤成分（図中ではＣａ）が高融点金属層５内に拡散すると共に、高融点金属（図中ではＷ）がＡｌＮ層４内に拡散し固溶するように、焼成条件を設定することが重要である。具体的な焼成条件としては、焼成温度を１７５０〜１９００℃程度と高温に設定する。また、焼成時間は０．５〜１０時間程度とすることが好ましい。このように高温焼成することによって、相互拡散が促進される。
【００１６】
この焼成工程の後に常温まで冷却するが、この冷却工程においては図１（ｃ）に示すように、相互拡散したＡｌ、Ｎおよび焼結助剤成分の固溶限が減少するため、再結合してＡｌＮ粒子６となり、また高融点金属の微粒子７が十分に分散析出するように条件を設定する。焼成工程でＡｌＮ層４と高融点金属５との間で各構成元素を相互拡散させると共に、この相互拡散させた成分が冷却工程で十分に析出するような条件を設定することにより、さらに界面空隙部３内でＡｌＮがＣａを固溶して再析出する。この再析出によって、図１（ｄ）に示すように、界面空隙部３がＣａを含むＡｌＮ８により埋められ、連続した界面９が形成される。なお、ＡｌＮ８は高融点金属層５と一定の結晶方位関係をもつエピタキシャル成長をする。
【００１７】
上記したＡｌＮ８のエピタキシヤル成長により形成された連続界面９は、高接合強度を有するため、高融点金属層５の信頼性（機械的強度、導通性、気密性等）を大幅に高めることが可能となる。また、高融点金属層５内に拡散した窒化アルミニウム層の構成成分は、高融点金属の焼結を促進するため、高融点金属層５の焼結密度が高まり、より一層導通性の向上を因ることができる。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
実施例１
まず、平均粒径１．０μｍのＡｌＮ粉末に、焼結助剤として平均粒径０．５μｍのＣａＣＯ３粉末を、ＣａＯ換算で１重量％添加、混合し、基板原料粉末を調整した。次いで、この基板原料粉末に適量のＰＶＣ（ポリビニルブチラール）をバインダとして加え、十分に混練した後、ドクターブレード法により厚さ０．４ｍｍのＡｌＮグリーンシートを８枚作製した。一方、平均粒径１．０μｍのＷ粉末に、適量の樹脂バインダおよび分散媒を混合して、Ｗペーストを作製した。
【００２０】
次に、上記した各ＡｌＮグリーンシートにＷペーストをそれぞれスクリーン印刷し、乾燥させた後に積層一体化した。なお、Ｗペ一ストの塗布厚は約２０μｍ（乾燥後）とした。次いで、この積層体を脱脂炉内に配置し、窒素雰囲気中で７００℃×３時間の条件にて脱脂処理を行った後、焼成炉で１８００℃まで昇温した。この温度で６時間保持し、ＡｌＮグリーンシートとＷの塗布層とを窒素雰囲気中で同時焼成した後、１５００℃まで１００℃／ｈｒの条件で冷却し、その後室温まで炉冷した。以上の工程により、ＡｌＮ層内に内部配線層としてＷ層が設けられた、ＰＧＡ用のＡｌＮ多層配線基板（ＡｌＮメタライズ基板）を作製した。
【００２１】
このようにして得たＡｌＮ多層配線基板のＡｌＮ層とＷ層との接合界面を、ＳＥＭにより観察すると共に、ＥＰＭＡ分析により面分析した。図２に、上記ＡｌＮ多層配線基板の接合界面のＳＥＭ写真を示す。また図３として、図２のＳＥＭ写真を模式化した図を示す。
【００２２】
図３から明らかなように、ＡｌＮ層１１間に存在するＷ層１２内には、ＣａＯとＡｌ２Ｏ３との複合酸化物を含むＡｌＮ粒子１３が析出しており、またＡｌＮ層１１内の界面近傍部にはＷの微粒子１４が析出していた。また、ＥＰＭＡによる面分折から、上記ＡｌＮ粒子１３の構成元素はＡｌ、Ｎ、ＣａおよびＯであり、また微粒子１４の構成元素はＷであることを確認した。そして、ＡｌＮ層１１とＷ層１２との接合界面１５は、空隙等が存在しない連続した界面であることを確認した。なお、Ｗ層１２におけるＡｌＮ粒子１３の析出量は体積比で５％で、ＡｌＮ層１１内のＷ微粒子１４の析出量は体積比で１％であった。また、Ｗ微粒子１４は接合界面１５から５〜６μｍの範囲に析出していた。
【００２３】
また、ＡｌＮ層１１内における接合界面１５との近傍部分の結晶構造を調べるため、断面の断面の高分解能ＴＥＭ観察を行った。その結果、接合界面１５に向けてＡｌＮのエピタキシャル成長が生じていることを確認した。
【００２４】
次に、上記ＡｌＮ多層配線基板におけるＡｌＮ層とＷ層との接合強度を評価するために、ＡｌＮ層の表面にＷ層を上記実施例と同一条件の同時焼成によって形成した。そして、このＷ層の接合強度を、両側のＡｌＮに活性金属法でバルクＡｌＮを接合して曲げ試験片を作製し、４点曲げ試験により測定したところ、１６０ＭＰａという良好な結果が得られた。また、上記ＡｌＮ多層配線基板の導電性（Ｗ層）および気密性を４端子法およびＨｅリーク試験により評価したところ、９〜１０μΩｃｍおよび１×１０−５ｃｃ ａｔｍ／ｓｅｃという良好な結果が得られた。
【００２５】
また、本発明との比較として、助剤としてのＣａＣＯ３をＣａＯ換算で０．５重量％添加し、同時焼成時の条件を１７００℃×３時間とすると共に、その後の冷却を５００℃／ｈｒの条件で行う以外は、上記実施例と同様にして、ＡｌＮ多層配線基板を作製した。このＡｌＮ多層配線基板の界面構造についても、上記実施例と同様に、ＳＥＭおよびＥＰＭＡ解析で調べたところ、ＡｌＮ粒子およびＷ微粒子は各々ほとんど析出しておらず、また接合界面には僅かな空隙が存在し、連続した界面は形成されていなかった。
【００２６】
また、上記比較例によるＡｌＮ多層配線基板のＷ層の接合強度および導電性、さらに多層基板の気密性を、実施例1と同様にして評価したところ、Ｗ層の接合強度は８０ＭＰａ、Ｗ層の導電性は１３〜１５μΩｃｍ、気密性は５×１０−５ｃｃ ａｔｍ／ｓｅｃと、いずれも実施例に比べて劣るものであった。
【００２７】
実施例２
平均粒径１．０μｍのＡｌＮ粉末に、焼結助剤として平均粒径１．０μｍのＹ２Ｏ３粉末を２重量％添加、混合し、基板原料粉末を調整した。次いで、この基板原料粉末に適量のＰＶＣをバインダとして加え、十分に混練した後、ドクターブレード法により厚さ０．４ｍｍのＡｌＮグリーンシートを８枚作製した。一方、平均粒径１．０μｍのＷ粉末に、適量の樹脂バインタおよび分散媒を混合して、Ｗペーストを作製した。
【００２８】
次に、上記した各ＡｌＮグリーンシートにＷペーストをそれぞれスクリーン印刷し、乾燥させた後に積層一体化した。なお、Ｗペーストの塗布厚は約２０μｍ（乾燥後）とした。次いで、この積層体を脱脂炉内に配置し、窒素雰囲気中で７００℃×３時間の条件にて脱脂処理を行った後、焼成炉で１８００℃まで昇温した。この温度で６時間保持し、ＡｌＮグリーンシートとＷの塗布層とを窒素雰囲気中で同時焼成した後、１５００℃まで１００℃／ｈｒの条件で冷却し、その後室温まで炉冷した。以上の工程により、ＡｌＮ層内に内部配線層としてＷ層が設けられた、ＰＧＡ用のＡｌＮ多層配線基板（ＡｌＮメタライズ基板）を作製した。
【００２９】
このようにして得たＡｌＮ多層配線基板のＡｌＮ層とＷ層との接合界面を、ＳＥＭにより観察すると共に、ＥＰＭＡ解析により面分析した。その結果、ＳＥＭの２次電子像は実施例１と類似のものが得られ ＡｌＮ層間に存在するＷ層内には、Ｙ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３との複合酸化物を含むＡｌＮ粒子が析出しており、またＡｌＮ層内の界面近傍部にはＷの微粒子が析出していた。また、ＥＰＭＡによる面分析から、上記ＡｌＮ粒子の構成元素はＡｌ、Ｎ、ＹおよびＯであり、また微粒子の構成元素はＷであることを確認した。そして、ＡｌＮ層とＷ層との接合界面は、空隙等が存在しない連続した界面であることを確認した。なお、Ｗ層におけるＡｌＮ粒子の析出量は体積比で６％で、ＡｌＮ層内のＷ微粒子の析出量は体積比で１％であった。また、Ｗ微粒子は接合界面５〜６μｍの範囲に析出していた。
【００３０】
また、ＡｌＮ層内における接合界面との近傍部分の結晶構造を調べるため、断面の高分解能ＴＥＭ観察を行った。その結果、接合界面に向けてＡｌＮのエピタキシャル成長が生じていることを確認した。
【００３１】
次に、上記ＡｌＮ多層配線基板におけるＡｌＮ層とＷ層との接合強度を評価するために、ＡｌＮ層の表面にＷ層を上記実施例2と同一条件の同時焼成によって形成した。そして、このＷ層の接合強度を実施例１と同様の手法により測定したところ、２００ＭＰａという良好な結果が得られた。また、上記ＡｌＮ多層配線基板の導電性（Ｗ層）および気密性を実施例１と同様の手法により評価したところ、９〜１１μΩｃｍおよび１×１０−５ｃｃ ａｔｍ／ｓｅｃ以下という良好な結果が得られた。
【００３２】
また、本発明との比較（比較例2）として、Ｙ２Ｏ３の添加量を２重量％に減らし、また同時焼成時の条件を１７００℃×３時間とすると共に、その後の冷却を５００℃／ｈｒの条件で行う以外は、上記実施例２と同様にして、ＡｌＮ多層配線基板を作製した。このＡｌＮ多層配線基板の界面構造についても、上記実施例と同様に、ＳＥＭおよびＥＰＭＡ解析で調べたところ、ＡｌＮ粒子およびＷ微粒子は各々ほとんど析出しておらす、また接合界面には僅かな空隙が存在し、連続した界面は形成されていなかった。
【００３３】
また、上記比較例２によるＡｌＮ多層配線基板のＷ層の接合強度および導電性、さらに多層基板の気密性を、実施例１と同様にして評価したところ、Ｗ層の接合強度は１００ＭＰａ、Ｗ層の導電性は１３〜１５μΩｃｍ、気密性は５×１０−５ｃｃ ａｔｍ／ｓｅｃと、いずれも実施例２に比べて劣るものであった。
【００３４】
上記した各実施例および比較例によるＡｌＮ多層配線基板の表面結果から分かるように、Ｗ層内にＡｌＮ粒子が分散析出し、かつＡｌＮ層の界面近傍部内にＷ微粒子が分散析出するよう、焼成条件およびその後の冷却条件を設定することによって、Ｗ層の接合強度を大幅に高めることができ、よって信頼性に優れたＡｌＮ多層配線基板（ＡｌＮメタライズ基板）を得ることが可能となる。
【００３５】
なお、上記実施例では高融点金属層としてのＷ層をＡｌＮ多層基板内に形成した例について説明したが、Ｗ層をＡｌＮ層の表面に形成したものについても、上記実施例と同様な効果が得られた。また、上記実施例のＡｌＮ多層基板においては、各Ｗ層間を接続するビアホール（Ｗ充填）でも同様な界面構造が認められた。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、窒化アルミニウム層と高融点金属層との接合強度を大幅に向上させることが可能となるため、機械的強度、導通性、気密性等に優れた窒化アルミニウム多層基板を提供することができ、よって半導体パッケージや半導体実装基板の信頼性向上に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化アルミニウム多層基板の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例で作製した窒化アルミニウム多層基板の接合界面を拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図３】図2に示すＳＥＭ写真を模式化して示す図である。
【符号の説明】
１……ＡｌＮグリーンシート
２……高融点金属ペーストの塗布層
３……界面空隙部
４……ＡｌＮ基板
５……高融点金属層
６……ＡｌＮ基板の構成材による析出粒子
７……高融点金属の析出微粒子
８……エピタキシャル成長によるＡｌＮ
【産業上の利用分野】
本発明は、同時焼成による窒化アルミニウム多層基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーＩＣ、高周波トランジスタ等の大電流を必要とする半導体素子の発展に伴い、半導体素子からの放熱量は増大する傾向にある。これによって、使用する実装基板やパッケージには、熱伝導率が高く、放熱性に優れるという特性が要求されている。このような基板に対する要求特性に対して、窒化アルミニウム焼結体基板が注目されている。窒化アルミニウム基板は、熱伝導率が酸化アルミニウム基板の約５倍以上と高く放熱性に優れ、加えて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している。
【０００３】
ところで、窒化アルミニウム基板を半導体素子用の実装基板やパッケージ等として使用する場合には、回路の形成や電子部品の搭載部の形成等を目的として、窒化アルミニウム基板の表面や内部に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とされている。
【０００４】
上述したようなメタライズ層をセラミックス基板に形成する方法としては、例えばＷ、Ｍｏ、Ｗ−Ｍｏ等の高融点金属を用いる方法が知られている。この高融点金属法は、高融点金属粉末に樹脂接合剤や分散媒を添加してペーストを作製し、この高融点金属ペーストを基板上に印刷法等によって塗布した後、所定の温度で焼成してメタライズ層を形成する方法である。ただし、上述した窒化アルミニウムは、酸化アルミニウム等の酸化物系セラミックスに比べて、金属との濡れ性や反応性に劣るため、一般的な高融点金属法ではメタライズ層の接合強度が極端に低いものとなってしまう。そこで、窒化アルミニウム基板と高融点金属層の焼成を同時に行う、いわゆる同時焼成法によりメタライズ層（高融点金属層）を形成することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、窒化アルミニウムは金属との濡れ性や反応性に劣るため、同時焼成法によって高融点金属層を窒化アルミニウム基板に形成することが行われている。しかしながら、上記した同時焼成法を適用しても、必ずしも満足いくほどの接合強度が得られているわけではない。すなわち、窒化アルミニウム基板による半導体パッケージ等を作製する場合、同時焼成法によって多層化した内部配線を形成しているが、個々の窒化アルミニウム層と高融点金属層（内部配線層）との接合強度が不十分であるため、導通不良を招いたり、パッケージの気密性が低下したり、さらにはハガレ等の構造不良を招く等といった問題が生じている。本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、窒化アルミニウム基板に高接合強度で高融点金属層を形成することを可能にし、信頼性に優れた窒化アルミニウム多層基板を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用】
本発明の窒化アルミニウム多層基板は、ＣａＯ系またはＹ ２ Ｏ ３ 系の焼結助剤を含んでなる複数の窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層に接して設けられる内部配線としての高融点金属層とを具備する窒化アルミニウム多層基板において、前記高融点金属層と前記窒化アルミニウム層との接合界面には前記焼結助剤とＡｌ ２ Ｏ ３ との複合酸化物を含むＡｌＮ粒子が充填され空隙が存在せず、かつ前記窒化アルミニウム層の接合界面から１０μｍ以内には前記高融点金属の微粒子が析出していることを特徴としている。
【０００７】
本発明における窒化アルミニウム層としては、焼結助剤を用いた通常の液相焼結法によるものが用いられる。上記焼結助剤としては、ＣａＯ系やＹ２Ｏ３系等が用いられる。なお、ＣａＯ系の焼結助剤は、ＣａＣＯ３として用いることも可能である。これら焼結助剤は、窒化アルミニウム粉末に対して０．５〜１０重量％程度の範囲で添加される。
【０００８】
また、高融点金属層の形成材料としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｗ−Ｍｏ等が用いられる。このような高融点金属からなる導電層は、表面配線として窒化アルミニウム層の表面に形成してもよいし、また内部配線として窒化アルミニウム層の内部に形成してもよい。なお、本発明における高融点金属層は、上記したような高融点金属単体によって形成しなければならないものではなく、他の添加物を含むことも可能である。
【０００９】
本発明の窒化アルミニウム多層基板は、上述した窒化アルミニウム層と高融点金属層とを同時焼成することにより一体化したものである。そして、上記同時焼成時の条件を適切に制御することによって、高融点金属層と窒化アルミニウム層との接合界面に窒化アルミニウム層の構成材による粒子、すなわち窒化アルミニウムと焼結助剤成分とを主体とする化合物粒子を析出させて空隙を無くし、また窒化アルミニウム層の接合界面から１０μｍ以内には高融点金属の微粒子を分散析出させている。なお、高融点金属層内に窒化アルミニウム層の構成材による粒子、すなわち窒化アルミニウムと焼結助剤成分とを主体とする化合物粒子が分散析出されていてもよい。高融点金属層内における窒化アルミニウム層の構成材粒子の析出量は、体積比で１〜１０％程度とすることが好ましい。また、窒化アルミニウム層の接合界面から１０μｍ以内に析出させる高融点金属微粒子の析出量は、体積比で０．２〜２％程度とすることが好ましい。一般には後者の粒子の方が小さい。
【００１０】
本発明では高融点金属層と窒化アルミニウム層との接合界面の空隙を無くすことにより、高い接合強度を得ることが可能になる。また、高融点金属層と窒化アルミニウム層との接合界面の空隙に析出する窒化アルミニウム層の構成材による粒子は、高融点金属層と一定の結晶方位関係をもってエピタキシャル成長したものであることが好ましい。このようなエピタキシャル成長した窒化アルミニウム粒子が存在することによって、より高い接合強度を得ることが可能となる。
【００１１】
本発明の窒化アルミニウム基板は、上記した構成とすることで、例えば１６０ＭＰａ以上の４点曲げ強度を得ることができる。
【００１２】
このような本発明の窒化アルミニウム多層基板は、例えばＰＧＡ用多層基板として用いることが好ましい。
【００１３】
次に、本発明の窒化アルミニウム多層基板の製造方法について、図１を参照して詳述する。まず、焼結助剤例えばＣａＯを含むＡｌＮグリーンシートと、高融点金属ペースト例えばＷペーストとを用意する。ＡｌＮグリーンシートは通常のドクターブレード法などにより作製すればよい。また、高融点金属ペーストは、高融点金属粉末に樹脂結合剤および必要に応じて分散媒や可塑材を添加し、均一に分散させて所望の粘度のペーストとして作製する。
【００１４】
上記したようなＡｌＮグリーンシートおよび高融点金属ペーストを用いて、図１（ａ）に示すように、ＡｌＮグリーンシート１上に高融点金属ペースト２を例えばスクリーン印刷法によって所要の形状に塗布する。また、ＡｌＮ多層配線基板を作製する場合には、複数のＡｌＮグリーンシート１に高融点金属ペースト２をそれぞれ塗布した後、それらを所定の枚数積層する。この際、高融点金属ペースト２を塗布した段階では、微視的に見ると、ＡｌＮグリーンシート１と高融点金属ペースト２の塗布層との間に空隙３が存在し、必ずしも連続的な界面が形成されているわけではない。
【００１５】
次に、上記高融点金属ペースト２を塗布したＡｌＮグリーンシート１を所定の温度で焼成し、図１（ｂ）に示すように、ＡｌＮ層４と高融点金属層５とを同時焼成によって形成する。ここで、本発明の窒化アルミニウム多層基板を得るためには、ＡｌＮ層４の構成材料、すなわちＡｌ、Ｎ、焼結助剤成分（図中ではＣａ）が高融点金属層５内に拡散すると共に、高融点金属（図中ではＷ）がＡｌＮ層４内に拡散し固溶するように、焼成条件を設定することが重要である。具体的な焼成条件としては、焼成温度を１７５０〜１９００℃程度と高温に設定する。また、焼成時間は０．５〜１０時間程度とすることが好ましい。このように高温焼成することによって、相互拡散が促進される。
【００１６】
この焼成工程の後に常温まで冷却するが、この冷却工程においては図１（ｃ）に示すように、相互拡散したＡｌ、Ｎおよび焼結助剤成分の固溶限が減少するため、再結合してＡｌＮ粒子６となり、また高融点金属の微粒子７が十分に分散析出するように条件を設定する。焼成工程でＡｌＮ層４と高融点金属５との間で各構成元素を相互拡散させると共に、この相互拡散させた成分が冷却工程で十分に析出するような条件を設定することにより、さらに界面空隙部３内でＡｌＮがＣａを固溶して再析出する。この再析出によって、図１（ｄ）に示すように、界面空隙部３がＣａを含むＡｌＮ８により埋められ、連続した界面９が形成される。なお、ＡｌＮ８は高融点金属層５と一定の結晶方位関係をもつエピタキシャル成長をする。
【００１７】
上記したＡｌＮ８のエピタキシヤル成長により形成された連続界面９は、高接合強度を有するため、高融点金属層５の信頼性（機械的強度、導通性、気密性等）を大幅に高めることが可能となる。また、高融点金属層５内に拡散した窒化アルミニウム層の構成成分は、高融点金属の焼結を促進するため、高融点金属層５の焼結密度が高まり、より一層導通性の向上を因ることができる。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
実施例１
まず、平均粒径１．０μｍのＡｌＮ粉末に、焼結助剤として平均粒径０．５μｍのＣａＣＯ３粉末を、ＣａＯ換算で１重量％添加、混合し、基板原料粉末を調整した。次いで、この基板原料粉末に適量のＰＶＣ（ポリビニルブチラール）をバインダとして加え、十分に混練した後、ドクターブレード法により厚さ０．４ｍｍのＡｌＮグリーンシートを８枚作製した。一方、平均粒径１．０μｍのＷ粉末に、適量の樹脂バインダおよび分散媒を混合して、Ｗペーストを作製した。
【００２０】
次に、上記した各ＡｌＮグリーンシートにＷペーストをそれぞれスクリーン印刷し、乾燥させた後に積層一体化した。なお、Ｗペ一ストの塗布厚は約２０μｍ（乾燥後）とした。次いで、この積層体を脱脂炉内に配置し、窒素雰囲気中で７００℃×３時間の条件にて脱脂処理を行った後、焼成炉で１８００℃まで昇温した。この温度で６時間保持し、ＡｌＮグリーンシートとＷの塗布層とを窒素雰囲気中で同時焼成した後、１５００℃まで１００℃／ｈｒの条件で冷却し、その後室温まで炉冷した。以上の工程により、ＡｌＮ層内に内部配線層としてＷ層が設けられた、ＰＧＡ用のＡｌＮ多層配線基板（ＡｌＮメタライズ基板）を作製した。
【００２１】
このようにして得たＡｌＮ多層配線基板のＡｌＮ層とＷ層との接合界面を、ＳＥＭにより観察すると共に、ＥＰＭＡ分析により面分析した。図２に、上記ＡｌＮ多層配線基板の接合界面のＳＥＭ写真を示す。また図３として、図２のＳＥＭ写真を模式化した図を示す。
【００２２】
図３から明らかなように、ＡｌＮ層１１間に存在するＷ層１２内には、ＣａＯとＡｌ２Ｏ３との複合酸化物を含むＡｌＮ粒子１３が析出しており、またＡｌＮ層１１内の界面近傍部にはＷの微粒子１４が析出していた。また、ＥＰＭＡによる面分折から、上記ＡｌＮ粒子１３の構成元素はＡｌ、Ｎ、ＣａおよびＯであり、また微粒子１４の構成元素はＷであることを確認した。そして、ＡｌＮ層１１とＷ層１２との接合界面１５は、空隙等が存在しない連続した界面であることを確認した。なお、Ｗ層１２におけるＡｌＮ粒子１３の析出量は体積比で５％で、ＡｌＮ層１１内のＷ微粒子１４の析出量は体積比で１％であった。また、Ｗ微粒子１４は接合界面１５から５〜６μｍの範囲に析出していた。
【００２３】
また、ＡｌＮ層１１内における接合界面１５との近傍部分の結晶構造を調べるため、断面の断面の高分解能ＴＥＭ観察を行った。その結果、接合界面１５に向けてＡｌＮのエピタキシャル成長が生じていることを確認した。
【００２４】
次に、上記ＡｌＮ多層配線基板におけるＡｌＮ層とＷ層との接合強度を評価するために、ＡｌＮ層の表面にＷ層を上記実施例と同一条件の同時焼成によって形成した。そして、このＷ層の接合強度を、両側のＡｌＮに活性金属法でバルクＡｌＮを接合して曲げ試験片を作製し、４点曲げ試験により測定したところ、１６０ＭＰａという良好な結果が得られた。また、上記ＡｌＮ多層配線基板の導電性（Ｗ層）および気密性を４端子法およびＨｅリーク試験により評価したところ、９〜１０μΩｃｍおよび１×１０−５ｃｃ ａｔｍ／ｓｅｃという良好な結果が得られた。
【００２５】
また、本発明との比較として、助剤としてのＣａＣＯ３をＣａＯ換算で０．５重量％添加し、同時焼成時の条件を１７００℃×３時間とすると共に、その後の冷却を５００℃／ｈｒの条件で行う以外は、上記実施例と同様にして、ＡｌＮ多層配線基板を作製した。このＡｌＮ多層配線基板の界面構造についても、上記実施例と同様に、ＳＥＭおよびＥＰＭＡ解析で調べたところ、ＡｌＮ粒子およびＷ微粒子は各々ほとんど析出しておらず、また接合界面には僅かな空隙が存在し、連続した界面は形成されていなかった。
【００２６】
また、上記比較例によるＡｌＮ多層配線基板のＷ層の接合強度および導電性、さらに多層基板の気密性を、実施例1と同様にして評価したところ、Ｗ層の接合強度は８０ＭＰａ、Ｗ層の導電性は１３〜１５μΩｃｍ、気密性は５×１０−５ｃｃ ａｔｍ／ｓｅｃと、いずれも実施例に比べて劣るものであった。
【００２７】
実施例２
平均粒径１．０μｍのＡｌＮ粉末に、焼結助剤として平均粒径１．０μｍのＹ２Ｏ３粉末を２重量％添加、混合し、基板原料粉末を調整した。次いで、この基板原料粉末に適量のＰＶＣをバインダとして加え、十分に混練した後、ドクターブレード法により厚さ０．４ｍｍのＡｌＮグリーンシートを８枚作製した。一方、平均粒径１．０μｍのＷ粉末に、適量の樹脂バインタおよび分散媒を混合して、Ｗペーストを作製した。
【００２８】
次に、上記した各ＡｌＮグリーンシートにＷペーストをそれぞれスクリーン印刷し、乾燥させた後に積層一体化した。なお、Ｗペーストの塗布厚は約２０μｍ（乾燥後）とした。次いで、この積層体を脱脂炉内に配置し、窒素雰囲気中で７００℃×３時間の条件にて脱脂処理を行った後、焼成炉で１８００℃まで昇温した。この温度で６時間保持し、ＡｌＮグリーンシートとＷの塗布層とを窒素雰囲気中で同時焼成した後、１５００℃まで１００℃／ｈｒの条件で冷却し、その後室温まで炉冷した。以上の工程により、ＡｌＮ層内に内部配線層としてＷ層が設けられた、ＰＧＡ用のＡｌＮ多層配線基板（ＡｌＮメタライズ基板）を作製した。
【００２９】
このようにして得たＡｌＮ多層配線基板のＡｌＮ層とＷ層との接合界面を、ＳＥＭにより観察すると共に、ＥＰＭＡ解析により面分析した。その結果、ＳＥＭの２次電子像は実施例１と類似のものが得られ ＡｌＮ層間に存在するＷ層内には、Ｙ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３との複合酸化物を含むＡｌＮ粒子が析出しており、またＡｌＮ層内の界面近傍部にはＷの微粒子が析出していた。また、ＥＰＭＡによる面分析から、上記ＡｌＮ粒子の構成元素はＡｌ、Ｎ、ＹおよびＯであり、また微粒子の構成元素はＷであることを確認した。そして、ＡｌＮ層とＷ層との接合界面は、空隙等が存在しない連続した界面であることを確認した。なお、Ｗ層におけるＡｌＮ粒子の析出量は体積比で６％で、ＡｌＮ層内のＷ微粒子の析出量は体積比で１％であった。また、Ｗ微粒子は接合界面５〜６μｍの範囲に析出していた。
【００３０】
また、ＡｌＮ層内における接合界面との近傍部分の結晶構造を調べるため、断面の高分解能ＴＥＭ観察を行った。その結果、接合界面に向けてＡｌＮのエピタキシャル成長が生じていることを確認した。
【００３１】
次に、上記ＡｌＮ多層配線基板におけるＡｌＮ層とＷ層との接合強度を評価するために、ＡｌＮ層の表面にＷ層を上記実施例2と同一条件の同時焼成によって形成した。そして、このＷ層の接合強度を実施例１と同様の手法により測定したところ、２００ＭＰａという良好な結果が得られた。また、上記ＡｌＮ多層配線基板の導電性（Ｗ層）および気密性を実施例１と同様の手法により評価したところ、９〜１１μΩｃｍおよび１×１０−５ｃｃ ａｔｍ／ｓｅｃ以下という良好な結果が得られた。
【００３２】
また、本発明との比較（比較例2）として、Ｙ２Ｏ３の添加量を２重量％に減らし、また同時焼成時の条件を１７００℃×３時間とすると共に、その後の冷却を５００℃／ｈｒの条件で行う以外は、上記実施例２と同様にして、ＡｌＮ多層配線基板を作製した。このＡｌＮ多層配線基板の界面構造についても、上記実施例と同様に、ＳＥＭおよびＥＰＭＡ解析で調べたところ、ＡｌＮ粒子およびＷ微粒子は各々ほとんど析出しておらす、また接合界面には僅かな空隙が存在し、連続した界面は形成されていなかった。
【００３３】
また、上記比較例２によるＡｌＮ多層配線基板のＷ層の接合強度および導電性、さらに多層基板の気密性を、実施例１と同様にして評価したところ、Ｗ層の接合強度は１００ＭＰａ、Ｗ層の導電性は１３〜１５μΩｃｍ、気密性は５×１０−５ｃｃ ａｔｍ／ｓｅｃと、いずれも実施例２に比べて劣るものであった。
【００３４】
上記した各実施例および比較例によるＡｌＮ多層配線基板の表面結果から分かるように、Ｗ層内にＡｌＮ粒子が分散析出し、かつＡｌＮ層の界面近傍部内にＷ微粒子が分散析出するよう、焼成条件およびその後の冷却条件を設定することによって、Ｗ層の接合強度を大幅に高めることができ、よって信頼性に優れたＡｌＮ多層配線基板（ＡｌＮメタライズ基板）を得ることが可能となる。
【００３５】
なお、上記実施例では高融点金属層としてのＷ層をＡｌＮ多層基板内に形成した例について説明したが、Ｗ層をＡｌＮ層の表面に形成したものについても、上記実施例と同様な効果が得られた。また、上記実施例のＡｌＮ多層基板においては、各Ｗ層間を接続するビアホール（Ｗ充填）でも同様な界面構造が認められた。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、窒化アルミニウム層と高融点金属層との接合強度を大幅に向上させることが可能となるため、機械的強度、導通性、気密性等に優れた窒化アルミニウム多層基板を提供することができ、よって半導体パッケージや半導体実装基板の信頼性向上に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化アルミニウム多層基板の製造工程の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例で作製した窒化アルミニウム多層基板の接合界面を拡大して示すＳＥＭ写真である。
【図３】図2に示すＳＥＭ写真を模式化して示す図である。
【符号の説明】
１……ＡｌＮグリーンシート
２……高融点金属ペーストの塗布層
３……界面空隙部
４……ＡｌＮ基板
５……高融点金属層
６……ＡｌＮ基板の構成材による析出粒子
７……高融点金属の析出微粒子
８……エピタキシャル成長によるＡｌＮ
Claims (4)
- ＣａＯ系またはＹ ２ Ｏ ３ 系の焼結助剤を含んでなる複数の窒化アルミニウム層と、前記窒化アルミニウム層に接して設けられる内部配線としての高融点金属層とを具備する窒化アルミニウム多層基板において、
前記高融点金属層と前記窒化アルミニウム層との接合界面には前記焼結助剤とＡｌ ２ Ｏ ３ との複合酸化物を含むＡｌＮ粒子が充填され空隙が存在せず、かつ前記窒化アルミニウム層の接合界面から１０μｍ以内には前記高融点金属の微粒子が析出していることを特徴とする窒化アルミニウム多層基板。 - ＰＧＡ用多層基板であることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム多層基板。
- 同時焼成後の窒化アルミニウム多層基板の４点曲げ強度が１６０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の窒化アルミニウム多層基板。
- ビアホールを具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の窒化アルミニウム多層基板。
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